KR101790952B1 - 아연알루미늄산화염을 포함하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열 컴파운드 조성물에 관한 기술로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계의 화합물인 ZnAl₂O₄를 사용함으로써, ZnO와 Al₂O₃를 혼합하여 사용하는 것에 비하여 열전도도를 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

아연알루미늄산화염을 포함하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법{Manufacturing method fo thermal compound composition containing ZnAl2O4}

본 발명은 우수한 열전도성을 갖는 방열 컴파운드 조성물에 관한 기술이다. 특히, 본 발명은 ZnAl₂O₄의 3성분계 방열성 필러를 포함하는 방열 컴파운드 조성물에 관한 기술이다.

전자부품의 고집적화로 인해 부품작동 시 높은 열이 발생하여 제품에 과부하를 가할 뿐만 아니라, 제품의 성능 및 수명에 큰 영향을 끼치고 있다. 이러한 전자부품의 발열 문제를 해결하기 위한 수단으로 방열재료를 합성하여 적용함으로 제품의 성능을 확대시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 방열재료로서 방열 컴파운드(또는 방열 그리스)가 사용되고 있다.

방열 컴파운드(Thermal Compound)의 일 예인, 방열 그리스는 점착성의 방열재료로서 실리콘 오일이 주요 수지로 사용되며, 가혹한 조건에서도 안정적인 점착성을 유지하는 것이 생명이다. 방열 컴파운드는 열전도성이 높은 무기 입자를 방열성 필러로서 사용하여, 실리콘 오일과 혼합하여 제조되는 것이 일반적이다. 이와 같은 목적으로 사용되는 방열성 필러는, 보다 높은 방열성을 발휘할 수 있도록, 열전도도가 높은 알루미나, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 산화마그네슘 등이 대표적이다.

특히, 방열성 필러로서 ZnO 및/또는 Al₂O₃를 포함하는 방열 컴파운드 조성물 또는 방열 컴파운드 그리스에 관한 종래 특허를 살펴보면 다음과 같다.

특허공개 제10-2014-0016310호에서는 일차 입자경이 0.01㎛ 이상, 어스펙트비가 2.5 이상이고, 투과형 전자현미경 사진에 있어서의 250개의 입자 중, (1) 육각형상의 면을 가지는 것, (2) Dmin/Dmax≥0.3의 조건을 전부 만족시키는 입자가 50% 이상으로 되는 육각형상면을 갖는 것을 특징으로 하는 육각판상 산화아연 입자 및 상기 산화아연 입자를 이용한 방열성 필러에 대한 기술을 공개하고 있다.

특허등록 제10-1005785호에서는 알루미나 분말 15-35중량%, 산화아연 분말 40-65중량%, 기유 10-30중량%를 포함하는 열전도성 그리스에 있어서, 상기한 열전도성 그리스 총 중량에 대하여 1-5중량% 바세린이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열전도성 그리스에 대한 기술을 공개하고 있다.

특허공개 제10-2012-0042742호에서는 평균장경이 0.1㎛ ~ 10㎛, 평균단경이 0.025㎛ ~ 2.5㎛이고, 평균장경/평균단경으로 정의되는 애스펙트 비가 4 이상

이며, 또한 BET법에 의한 비표면적이 50m²/g 이하인 침상 산화아연 1 ~ 50 체적% 및 그 밖의 방열성 필러로 알루미나 등을 5 ~ 99 체적%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열성 필러 조성물에 대하여 공개하고 있다.

특허공개 제10-2009-0045931호에서는 0 내지 약 49.5 중량％의 캐리어 오일;

약 0.5 내지 약 25 중량％의 적어도 하나의 분산제; 및 적어도 약 49.5 중량％의 열전도성 입자를 포함하며, 열전도성 입자는 적어도 세 가지의 분포들의 열전도성 입자의 혼합물을 포함하고, 적어도 세 가지의 열전도성 입자 분포들의 각각은 다른 분포들과 적어도 5배만큼 상이한 평균 (D50) 입자 크기를 갖는 열전도성 그리스로서, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드, 탄화규소, 알루미나, 질화붕소(육각형 또는 입방형), 탄화붕소, 실리카, 흑연, 비결정성 탄소, 다결정성 다이아몬드, 질화알루미늄, 알루미늄, 산화아연, 니켈, 텅스텐, 은 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료인 열전도성 그리스에 관한 기술을 공개하고 있다.

종래 관련 선행 기술에서는 산화아연(ZnO)과 알루미나(Al₂O₃)를 독립적 또는 단순 혼합하여 사용하였을 뿐 산화아연과 알루미나를 합성하여 3성분계로 사용한 적이 없으나, 본 발명은 산화아연과 알루미나를 합성하여 하나의 성분으로 사용하는 경우 각각 혼합하여 사용하는 것에 비하여 방열 필러로서의 성능이 우수함을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.

특허공개 제10-2014-0016310호 특허등록 제10-1005785호 특허공개 제10-2012-0042742호 특허공개 제10-2009-0045931호

본 발명은 방열 컴파운드 조성물에 있어서, 높은 열전도도를 나타낼 수 있는 신규한 방열성 필러를 포함하는 방열 컴파운드 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 목적은 ZnO과 Al₂O₃를 혼합 또는 단독 사용하는 것이 아닌, Zn, Al, O의 3성분계 화합물인 ZnAl₂O₄를 방열성 필러로 포함하는 방열 컴파운드 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 실리콘 오일과 방열성 필러를 포함하여 이루어지는 방열 컴파운드 조성물에 있어서, 상기 필러가 ZnAl₂O₄를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 컴파운드 조성물을 제공한다.

특히, 상기 ZnAl₂O₄는 소성법, 공침법, 졸겔법 또는 수열합성법에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 ZnAl₂O₄가 수열합성법에 의해 제조되는 경우 150 ~ 230℃에서 12 ~ 24시간 동안의 수열합성을 통해 제조되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 ZnAl₂O₄는 상기 수열합성 후 700℃ 이상, 6시간 ~ 3일 동안의 소결 과정을 더 거쳐 제조되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 방열성 필러는 방열 컴파운드 조성물 총중량 중 50 ~ 80 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 방열 컴파운드 조성물의 일 성분인 방열성 필러 성분으로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계의 화합물인 ZnAl₂O₄를 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 ZnO와 Al₂O₃를 혼합하여 사용하는 것에 비하여 3성분계의 ZnAl₂O₃를 사용함으로써, Zn, Al, O의 3성분계의 화학적 컨택을 통해 열전달을 이루는 포논의 이동속도가 훨씬 빨라져 열전도도가 증가한다.

도 1은 본 발명에 의해 합성된 ZnAl₂O₄의 XRD 실험 결과 그래프이다.

본 발명에서는 방열 컴파운드 조성물의 방열성 필러 성분으로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계 단일 화합물인 ZnAl₂O₄를 사용하는 것을 특징으로 한다.

ZnAl₂O₄를 합성하는 방법으로 소성법, 공침법, 졸겔법, 수열합성법 등의 다양한 공지의 방법이 있다. 이하에서는 수열합성법을 예로 하여 설명하기로 한다.

수열합성법(Hydrothermal Synthesis)이란 액상합성법의 하나로 고온 고압 하에서 물 또는 수용액(Thermal Solution or Fluid)을 이용하여 물질을 합성하는 공정을 총칭한다. 수열합성은 뜨거운 물과 높은 압력 하에서 광물들의 용해도에 의존하는 단결정의 합성방법으로 직접용융이 어려울 때 많이 쓰이는 합성방법이다. 수열합성법을 본 발명의 ZnAl₂O₄의 제조에 적용하면, Zn의 원료로서 Zn(NO₃)₂ㆍ6H₂O, ZnC_l2, Zn(Ac)₂, Zn(OH)₂ 등 수용성 물질이 사용가능하며, Al의 원료로서, Al(NO₃)₃ㆍ9H₂O 등 수용성 물질의 사용이 가능하다. pH 조절은 KOH, 암모니아수 등 염기성 용액으로 pH 7 ~ 9로 조절한다. 오토클레이브에 상기 원료 물질을 넣은 후, 5 ~ 10Gpa의 압력 조건, 온도범위 150 ~ 230℃, 합성시간 12 ~ 24 시간의 조건에서 수열합성법에 의해 1차적으로 ZnAl₂O₄를 합성할 수 있으나, 상기 공정 조건 이외에 다양한 변화가 가능하다. 선택적으로 2차적으로 상기 수열합성법에 의해 합성된 ZnAl₂O₄를 세척 및 수득한 후, 소결(sintering)을 통해 원하는 입자 크기 및 결정 구조로 성장시키는 소결과정을 더 가질 수 있다. 예를 들어, 700℃ 이상의 온도에서 6시간 내지 3일 정도의 소결 과정을 거쳐 최종적으로 ZnAl₂O₄를 합성할 수 있다.

다만, 전술한 바와 같이, 수열합성법 이외에 소결만으로도 ZnAl₂O₄를 제조할 수 있으며, 그 이외에 졸겔법, 공침법 등의 다양한 합성 방법이 공지되어 있다.

본 발명의 방열 필러는 ZnAl₂O₄ 이외의 다양한 필러들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 대표적으로 AlN(Aluminium Nitride)이 더 사용될 수 있다. 본 발명에서 ZnAl₂O₄를 포함하는 방열성 필러의 사용량은 전체 방열 컴파운드 조성물 중 50 ~ 80 중량%로 사용되는 것이 바람직하지만, 상기 범위를 일부 벗어나도 무방하다.

본 발명은 ZnAl₂O₄를 포함하는 방열성 필러와 함께 실리콘 오일을 포함한다. 실리콘 오일은 폴리디메틸 실록산 등의 다양한 실리콘 오일이 사용 가능하며, 그 이외에 종래 방열 컴파운드 또는 방열 그리스에 사용되는 실리콘 오일은 본 발명에서도 그대로 사용 가능하다.

또한, 본 발명은 미량의 분산제의 사용이 가능하다. 분산제의 예에는 폴리아민, 설포네이트, 개질 폴리카프로락톤, 유기 포스페이트 에스테르, 지방산, 지방산의 염, 폴리에테르, 폴리에스테르 및 폴리올과, 무기 분산제, 예를 들어, 표면 개질된 무기 나노입자, 또는 임의의 그 조합이 포함되지만, 이에 한정되지 않는다.

실시예 : ZnAl ₂ O ₄ 의 합성

Zn(NO₃)₂ㆍ6H₂O 5.980 wt%, Al(NO₃)₃ㆍ9H₂O 15.005 wt%를 물 20 ml에 혼합 후, KOH를 이용하여 pH를 7에 맞추었으며, 오토클레이브 내에서 2시간 동안 200℃에서 교반하면서 수열합성을 하였다. 이후 오토클레이브에서 합성된 ZnAl₂O₄를 꺼내어 세척 후, 소결반응기에 넣고 48시간 동안 700℃에서 소결을 하였다. 소결 과정에서 12시간마다 시료를 꺼내서 막사발에서 분쇄한 후 소결 과정을 이어갔다.

상기 방법에 의해 ZnAl₂O₄이 합성되었음을 확인하기 위하여 XRD(X-ray Diffraction) 측정을 하였으며, 그 결과는 도 1과 같다. 검은색 피크는 ZnAl₂O₄의 레퍼런스(reference) XRD 그래프이며, 붉은색 피크는 실제 상기에서 제조된 ZnAl₂O₄의 XRD 데이터로서 서로 100% 일치함을 확인할 수 있으며, 이는 상기에서 제조된 화합물이 면심입방 스피넬(face-centered cubic spinel) 구조를 갖는 ZnAl₂O₄임을 의미한다. 즉, 2θ 피크값은 31.43°, 36.9°, 44.9°, 55.6°, 59.3°, 65.5°로 나타났으며 이는 (220), (311), (400), (331), (422), (511), (440)를 나타내므로 안정적인 ZnAl₂O₄가 합성되었음을 보여준다.

실험예 : 방열 컴파운드 (그리스) 물성 실험

상기 실시예에 의해 제조된 ZnAl₂O₄와 실리콘 오일로 폴리디메틸 실록산을 혼합하고, 분산제를 소량 첨가하여 본 발명의 방열 그리스를 제조하였다. 또한, 비교예의 방열 그리스를 제조하기 위하여 ZnO와 Al₂O₃를 혼합하였으며, 실리콘 오일로 폴리디메틸 실록산을 혼합하여, 하기 표 1과 같이 본 발명의 실시예와 비교예의 방열 그리스를 제조하였다.

	실시예	비교예	비고
ZnAl2O4	30 g	-
Si Oil	6 g	6 g
분산제	0.3 g	0.3 g
ZnO	-	15	1 ㎛
Al2O3	-	15	5 ㎛

상기 실시예의 방열 그리스와 비교예의 방열 그리스의 열전도도 및 절연전압을 측정한 결과 하기 표 2와 같은 결과를 얻었다.

	실시예	비교예
열전도도(W/mk)	5.1	3.7
절연전압(kV)	5.0	5.0

상기 표 2의 실험 결과와 같이 ZnO와 Al₂O₃를 혼합하여 사용하는 것에 비하여, 본 발명과 같이 ZnAl₂O₄의 3성분계 화합물로 합성하여 필러로 사용하는 경우 열전도도가 3.7 → 5.1 W/mk로 증가하였다. 이러한 현상은 본 발명의 ZnAl₂O₄에서는 Zn, Al, O의 3성분계의 화학적 컨택을 통해 열전달을 이루는 포논의 이동속도가 훨씬 빨라져 열전도도가 증가한 것으로 이해된다.

Claims (5)

1. 실리콘 오일과 방열성 필러로 ZnAl₂O₄를 포함하여 이루어지는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법에 있어서,
   상기 ZnAl₂O₄는:
   150 ~ 230℃, 12 ~24 시간 동안의 수열합성 과정; 및
   상기 수열합성 후 700℃ 이상, 6시간 ~ 3일 동안의 소결 과정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에서, 상기 방열성 필러는 방열 컴파운드 조성물 총중량 중 50 ~ 80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법.

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