KR101870538B1 - 열전도 강화 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도율을 높인 필름에 관한 것으로써 스마트폰, 노트북, 테블릿 PC 등에 부착하여 높은 열전도율을 통해 디바이스 내 열기를 신속하게 배출하여 온도를 낮추는 기술에 관한 것이다. 각종 전자 디바이스의 경우 상당한 열이 발생하여 "급속한 전원소모, 전자파 발생, 저온 열화상"등의 문제점이 발생하여 왔으므로, 신속하게 디바이스 내 열원을 공기 중으로 방열하여 안전하게 스마트 기기 들을 활용할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저렴한 가격으로 양산이 가능하며, 인체에 유해성이 없으며 높은 열전도성을 지닌 새로운 필름을 개발하는데 그 주된 목적이 있다.
본 발명에 의한 열전도 강화 필름은 "황화은, 질산란탄마그네슘, 텔루르화알루미늄"으로 구성되어진 혼합조성물을 HDPE에 혼합하여 가공함으로써 제작되어 질 수 있다.
본 발명에 의한 혼합조성물을 사용하여 열전도 효율이 높은 필름을 개발할 경우, 저렴하게 각종 스마트 디바이스 들의 높은 열을 방열하여 "스마트 디바이스의 전원소모량 감소, 디바이스 성능 향상, 디바이스 기기 수명 연장, 전자파로 인한 피해 최소화, 저온 열화상 예방, 안전성 강화" 등의 효과를 성수할 수 있다.

Description

열전도 강화 필름{A film having an increased “thermal conductivity”}

본 발명은 열전도율을 높인 필름에 관한 것으로써 스마트폰, 노트북, 테블릿 PC 등에 부착하여 높은 열전도율을 통해 디바이스 내 열기를 신속하게 배출하여 온도를 낮추는 기술에 관한 것이다. 각종 전자 디바이스의 경우 상당한 열이 발생하여 "급속한 전원소모, 전자파 발생, 저온 열화상"등의 문제점이 발생하여 왔으므로, 신속하게 디바이스 내 열원을 공기 중으로 방열하여 안전하게 스마트 기기 들을 활용할 수 있는 기술에 관한 것이다.

열전도(Heat conduction, 熱傳導)란, 열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 고온부에서 저온부로 연속적으로 전달되는 현상으로, 주로 고체 내부에서 일어난다. 물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르므로 이를 열전도도로 표시하여 나타낸다. 열전도의 예는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 금속막대의 한쪽 끝을 가열하면 가열되는 부분부터 차례대로 뜨거워질 때라든지, 온도가 다른 물체를 서로 접촉시켜 열 이동이 일어나는 경우가 그런 예이다. 액체나 기체 내부의 열 이동은 주로 대류에 의한 것이지만, 고체 내부는 주로 열전도에 의해서 열이 이동한다. 즉, 금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열된 부분의 원자들은 에너지를 얻어 진동하게 된다. 이런 진동이 차례로 옆의 원자를 진동시켜 열전도가 일어난다. 열전도에 의해 물체 내부에서 열이 전달속도는 물질 종류에 따라 큰 차이가 있다. 예를 들면 구리·철과 같은 도체인 경우에는 열이 매우 빠르게 전달되지만, 황·플라스틱과 같은 절연체인 물질의 경우에는 느리게 전달된다. 또 액체·기체는 고체에 비해 열전도가 매우 느리고 그 일부에 가해진 열을 전체에 확산시키기 어렵다. 집의 창문을 보면 보통 2중창으로 되어 있는데 이는 창문과 창문 사이에 공기라는 열 절연체를 사용하기 위한 것이다. 뜨거운 냄비를 들어 올릴 때 오븐용 장갑을 사용하는 것도 오븐용 장갑이 좋은 열 절연체이기 때문이다. 이렇게 물질마다 열을 전달하는 정도가 다른 것은 각각 물질에 따라 열전도의 작용원리가 다르기 때문이다. 이것을 수치로 나타내는 것을 그 물질의 열전도도라고 하며, 두께 1cm의 물질층 양면에 1℃의 온도 차를 두었을 때, 그 층의 1㎠의 넓이를 1초 사이에 통과하는 열량을 사용한다. 일반적으로 열전도도는 온도에 따라 다소 달라지는데, 물질 종류에 따라 거의 정해진 값을 가지는 물질상수로 보아도 좋다. 금속의 열전도도와 전기전도도 사이에는 비례관계가 있으며, 1853년 G.H. 비데만과 R.프란츠는 동일 온도일 때 금속의 열전도도와 전기전도도의 비는 금속 종류에 관계없이 일정한 값을 가진다는 사실을 발견하였다. 이것을 비데만-프란츠의 법칙이라고 한다. 열전도의 메커니즘은 간략하게 진동 에너지의 전달이라고 말할 수 있다. 금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열 부분의 원자와 전자들은 에너지를 얻어 진동하게 되며, 이런 진동이 차례로 옆의 원자와 전자를 진동시켜 열전도가 일어난다. 그래서 금속막대의 한쪽 끝을 잡고 다른 한쪽을 가열하면 잡고 있던 부분이 뜨거워진다. 그러나 금속과 같은 자유전자를 가지지 않는 유전체(절연체)의 경우, 열에 의해 국소적으로 발생한 원자·분자의 진동이 일종의 파동성을 가져서 그것이 표면에서 반사되어 정상파를 만들며, 정상파 전체의 에너지가 균일하게 내부에너지를 높이는 작용원리에 의해 열을 전달한다. 이 파동의 전달은 비교적 느리게 진행하므로 유전체의 열전도도가 금속에 비해서 낮다. 기체의 경우에는 고체·액체와는 완전히 다른 작용원리를 가지며, 서로 다른 온도를 가지는 2개 기체층 경계에서 분자가 교환(확산)되면서 서로 운동에너지를 교환함으로써 열이 전달된다. 이 확산과정이 느리기 때문에 기체의 열전도도는 다른 상태보다 매우 낮은 값을 갖는다.

열전도에 대해 보다 상세히 살펴보면, 전도(conduction) 또는 열전도(heat conduction)는 물체간의 직접적인 접촉을 통하여 열이 전달되는 것이다. 뜨거운 온돌방에 앉아 있으면 엉덩이가 뜨거워지는 것처럼 물질의 직접적인 이동을 수반하지 않고 접촉하고 있는 두 물체의 온도차에 의해서 열(에너지)이 흐르는 방식이 전도이다. 전도는 한 물체 내에서도 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 일어날 수도 있고, 제3의 물체를 매개로 하여 일어날 수도 있다. 미시적 규모에서 보면 전도는 빠르게 진동하거나 움직이는 원자 또는 분자들이 이웃 원자 또는 분자들과의 상호작용을 통해서 열(에너지)이 전달되는 것이다. 열은 이웃 원자들이 다른 원자에 대해서 진동하거나 전자들이 한 원자에서 다른 원자로 옮겨가는 형태로 전달된다. 전도는 물질의 모든 상태(고체, 액체, 기체 등)에서 일어나지만 고체에서는 가장 중요한 열전달 방법이다. 고체에서 전도는 결정을 이루는 분자들의 진동의 조합과 자유전자의 이동에 의해서 일어나고, 기체와 액체에서는 분자들의 충돌과 그들의 무작위 운동이 일어나는 동안의 확산에 의해서 일어난다.

열전도 현상을 설명하는 법칙을 '열전도의 법칙' 또는 '푸리에 법칙'이라고 한다. 이 법칙을 만든 푸리에(Jean Baptiste Joseph Fourier , 1768 - 1830)는 푸리에 급수로 유명한 프랑스 수학자이다. 법칙의 내용은 비교적 간단하다. 두 물체 사이에 단위시간에 전도되는 열량은 두 물체의 온도차와 접촉된 단면적에 비례하고 거리에 반비례한다는 것이다. 단위시간을 Δt, 전도되는 열량을 ΔQ, 두 물체의 온도차를 ΔT, 접촉된 단면적을 A, 거리를 Δx라 하고 식으로 나타내면 다음과 같다.

푸리에 법칙을 표현하는 식에서 비례상수인 k가 나타나는 데, 이는 물체마다 열을 전도하는 성질이 물체마다 다르기 때문이다. 이렇게 같은 온도차와 거리에서 물질이 열전달하는 정도를 비교한 것을 열전도도라고 한다. 값이 클수록 열전도가 잘 된다. 참고로 열전도도의 단위는 열의 단위(W, 와트)를 거리의 단위( m, 미터)와 온도의 단위 (K, 캘빈)의 곱으로 나눈 W/m·K이 된다. 열전도도가 큰 물질을 열의 양도체라고 하고, 열전도도가 작은 물질을 열의 부도체(혹은 불량도체)라고 한다. 열의 양도체는 주로 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속들이다. 금속이 열을 잘 전달하는 이유는 금속을 이루는 원자들이 결정격자를 이루고 있어서 격자진동을 통해서 열이 전도될 뿐 아니라, 금속은 원자에 속박되지 않은 자유전자가 많아 전자의 이동으로 열이 전달되기 때문이다. 대부분의 금속은 전기전도(electrical conduction)도 잘하는데 자유전자는 전하를 함께 운반하기 때문이다. 이 때문에 좋은 열전도체인 은이나 구리가 좋은 전기전도체가 되는 것이다.

반면, 열전도도가 가장 뛰어난 물질은 2010년 노벨물리학상의 연구 주제였던 그래핀(Graphene)이다. 그래핀은 탄소원자가 육각형의 그물모양으로 연속 배열된 것으로 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 2004년에 발견하였다. 이들은 스카치테이프로 흑연에서 원자를 한 층씩 떼어내어 단원자층 그래핀을 얻고 그 물리적 성질을 밝혀내어 2010년 노벨물리학상을 수상했다. 그래핀은 흑연, 다이아몬드와 마찬가지로 탄소로 이뤄진 동소체이지만, 지름 0.2nm(나노미터, 10억분의 1미터)의 원자층 한 겹으로 이루어져서 물성이 전혀 다르다. 그래핀은 플라스틱 랩처럼 잘 휘어지고 열전도도가 매우 뛰어나 미래의 초소형소자로 주목받고 있다.

열전도 효율이 높은 필름을 개발할 경우, 저렴하게 각종 스마트 디바이스 들의 높은 열을 방열하여 "스마트 디바이스의 전원소모량 감소, 디바이스 성능 향상, 디바이스 기기 수명 연장, 전자파로 인한 피해 최소화, 저온 열화상 예방, 안전성 강화" 등의 효과를 성수할 수 있다.

[문헌1] 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2016-0065676호 (2016.06.09. ) [문헌2] 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2014-0086474호 (2014.07.08. )

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저렴한 가격으로 양산이 가능하며, 인체에 유해성이 없으며 높은 열전도성을 지닌 새로운 필름을 개발하는데 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 의한 열전도 강화 필름은 "황화은, 질산란탄마그네슘, 텔루르화알루미늄"으로 구성되어진 혼합조성물을 HDPE에 혼합하여 가공함으로써 제작되어 질 수 있다.

상술한 방법으로 제조한 혼합조성물을 사용하여 열전도 효율이 높은 필름을 개발할 경우, 저렴하게 각종 스마트 디바이스 들의 높은 열을 방열하여 "스마트 디바이스의 전원소모량 감소, 디바이스 성능 향상, 디바이스 기기 수명 연장, 전자파로 인한 피해 최소화, 저온 열화상 예방, 안전성 강화" 등의 효과를 성수할 수 있다.

본 발명에 의한 열전도 강화 필름은 "황화은, 질산란탄마그네슘, 텔루르화알루미늄"으로 구성되어진 혼합조성물을 HDPE에 혼합하여 가공함으로써 제작되어 질 수 있다.

이에 관하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

황화은(silver sulfide)의 화학식은 AgS이다. 자연계에서는 휘은석 또는 침은(針銀)석으로서 산출한다. 질산은 용액에 황화수소를 보내면 침전하는 흑갈색 가루(저온형)로서, 은에 황화수소를 작용시켜도 얻는다. 쉽게 물에 녹지 않으며, 용해도는 1.8×10mol/1(10℃)이다. 진한 황산, 진한 질산, 시안화칼륨 용액에 녹고, 티오황산나트륨 용액에 녹지 않는다. 수은에 의해 분해되어, 은을 유리한다. 달군 은에 황 증기를 보내면, 고온형(α형)인 결정(입방결정계)이 얻어진다.

질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanum nitrate)은 질산란타넘마그네슘이라고도 한다. 화학식은 3Mg(NO3)2·2La(NO3)3이며, 분자량은 1094.90이다. 제법은 질산란탄과 질산마그네슘의 혼합 중성 용액을 증발 농축하면 24수화염으로 얻을 수 있다. 백색의 광택이 있는 육방 결정계에 속하는 능면체, 조해성의 결정. 녹는점 113.5℃. 1.988. 질산에 녹지 않는다.

텔루르화알루미늄(Aluminum telluride)은 텔루륨화알루미늄이라고도 한다. 화학식은 Al2Te3이다. 분자량은 436.79이다. 제법은 다음과 같다.

가. 질소 기류 중에서 용융 텔루르에 알루미늄을 가하고 고온에서 가열한다.

나. 감압하에서 적열한 알루미늄 분말 위에 텔루르의 증기를 통한다.

흑갈색, 금속 광택이 있는 분말이며, 녹는점은 895℃이다. 습기와 만나면 텔루르화수소를 발생한다.

본 발명에 의한 "열전도 강화 필름"의 구성비는 [ 표 1 ] 과 같다.

상기한 구성비는 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

[실시예]

40nm 크기의 황화은(silver sulfide), 40nm 크기의 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanum nitrate), 80nm 크기의 텔루르화알루미늄(Aluminum telluride)을 [표 2] 와 같이 다양한 구성비로 구성하여 혼합조성물을 제조한 다음, 이를 HDPE에 1wt% 비율로 혼합하여 100 X 100 X 0.2(mm)의 필름을 제작한 후, 열전도율을 측정하여 본 결과 [표 2] 와 같은 결과가 나왔다.

Claims (1)

1. 40nm 크기의 황화은(silver sulfide) 9.5wt%~10.5wt%, 40nm 크기의 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanum nitrate) 43.5wt%~46.5wt%, 80nm 크기의 텔루르화알루미늄(Aluminum telluride) 44wt%~46wt%로 구성되어지는 것을 특징으로 하는 "열전도 강화 필름"에 적용 가능한 혼합조성물.