KR101960528B1 - 절연성이 향상된 방열 시트 - Google Patents

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Abstract

엘라스토머 수지에 절연성의 방열 필러가 분산되고 고열전도성의 고분자 수지가 미량 혼입된 조성을 갖는 방열 시트는, 종래보다 향상된 열전도도 및 내전압 특성을 가질 수 있다. 또한, 종래의 방열 시트에 주로 사용된 전도성 카본계 필러를 사용하지 않거나 또는 미량만을 사용함으로써, 내전압 특성을 저해하지 않으면서 고방열 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 방열 시트는 모바일 기기와 가전 기기 등의 다양한 전자 기기에 부착되는 방열 소재로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

절연성이 향상된 방열 시트{HEAT-DISSIPATION SHEET WITH IMPROVED INSULATING PROPERTY}
실시예는 절연 특성이 향상되어 우수한 열전도도와 내전압 특성을 갖는 방열 시트에 관한 것이다.
종래부터 자동차의 내부 부품이나 컴퓨터의 CPU 등과 같이 발열이 심한 부품에 방열 소재가 사용되고 있다. 특히 최근 자동차 내부에 전자제어장치(ECU), 위치정보시스템(GPS)과 같이 전자소자의 탑재가 증가하고 있을 뿐 아니라, 가전기기와 모바일기기 등에 사용되는 전자소자들의 경박단소화 및 다기능화에 따라 고집적화되면서 발열이 증가하여 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
전자소자 내에 발생하는 열을 방출시키는 것은 소자의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있어 중요하다. 이에 따라 종래에 방열팬, 방열핀, 히트파이프 등의 다양한 방열 기구들이 개발되었고, 전자제품의 슬림화 추세에 따라, 방열 팬과 같이 많은 공간을 필요로 하는 공냉식보다는 방열 시트와 같은 열전도 타입의 방열 소재가 선호되고 있다.
이 중 방열 시트는 발열 부품의 표면에 부착되어 열전도 방식으로 온도를 하강시키며, 일반적으로 고분자 수지에 방열 필러가 분산된 형태를 가진다. 종래의 방열 시트는, 주로 열전도도가 높은 그래핀, 그라파이트, 카본나노튜브 등의 전도성 카본계 필러를 다량 사용하거나, 또는 고분자 수지의 결정화를 통해 열전도도를 높이는 방식을 이용하고 있다(대한민국 공개특허공보 제2012-0122954호 참조).
대한민국 공개특허공보 제2012-0122954호
종래의 방열 시트는 방열 특성을 높이기 위해 주로 전도성 카본계 필러를 다량 사용하고 있는데, 전도성 카본계 필러의 전기전도성으로 인해 방열 시트의 내전압 특성이 낮아지기 때문에, 다양한 전자소자에 활용하기 어려우며 내전압을 고려하지 않은 용도로만 활용되는 한계가 있다.
한편, 최근 전기자동차와 같이 자동차의 전장화가 이루어지고 사물인터넷과 같이 각종 생활용품에도 전자소자가 탑재되는 등의 이유로, 방열 시트의 내전압 특성 향상에 대한 요구가 증가하고 있다. 따라서, 절연성의 방열 필러를 이용하고 고분자 수지를 개질하는 방식에 의하여, 고방열 성능을 가지면서도 내전압 특성이 우수한 방열 시트의 개발이 요구되고 있다.
일 실시예에 따르면, (a) 엘라스토머 수지, (b) 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지 중에서 선택된 1종 이상, 및 (c) 절연성 방열 필러를 포함하는 방열 시트로서, 상기 방열 시트가 상기 성분 (b)를 시트 총 중량 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 2 중량% 미만의 양으로 포함하는, 방열 시트가 제공된다.
실시예에 따른 방열 시트는, 고분자 수지에 절연성을 갖는 방열 필러를 분산하고 추가적으로 고열전도성의 고분자 수지를 미량 혼입한 조성을 가짐으로써, 종래보다 향상된 열전도도 및 내전압 특성을 가질 수 있다.
특히 상기 고열전도성의 고분자 수지로서 사용되는 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지는 미량으로 포함될 경우 전류 흐름을 거의 일으키지 않아서 방열 시트의 내전압 특성을 저해하지 않는 한편, 미량으로도 높은 열전도도를 갖도록 고분자 수지를 개질할 수 있으며 또한 단가가 낮아서 비용을 절감할 수 있다.
또한 실시예에 따른 방열 시트는, 종래의 방열 시트에 주로 사용된 전도성 카본계 필러를 포함하지 않거나 또는 미량만을 포함함으로써, 내전압 특성이 저해되지 않으면서 고방열 특성을 가질 수 있다.
특히, 실시예에 따르면, 전도성 카본계 필러를 대체하여 다이아몬드 입자 및 질화알루미늄 입자와 같은 절연성 방열 필러와 미량의 고열전도성 고분자 수지를 조합하여 사용함으로써 방열 및 내전압 특성을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 실시예에 따른 방열 시트는 매트릭스 수지로서 엘라스토머 수지를 사용함으로써, 절연성이 높은 패드 형태로 발열 소자의 표면에 부착될 수 있을 뿐만 아니라, 부착 시에 계면간 기포 생성을 방지할 수 있어서 열원 표면으로부터 열을 방출시키는 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
이에 따라 상기 방열 시트는 모바일 기기와 가전 기기 등의 다양한 전자 기기에 부착되는 방열 소재로서 유용하게 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, (a) 엘라스토머 수지, (b) 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지 중에서 선택된 1종 이상, 및 (c) 절연성 방열 필러를 포함하는 방열 시트로서, 상기 방열 시트가 상기 성분 (b)를 시트 총 중량 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 2 중량% 미만의 양으로 포함하는, 방열 시트가 제공된다.
이때, 상기 방열 시트는 전도성 카본계 필러를 포함하지 않을 수 있다.
또는, 상기 방열 시트는 미량의 전도성 카본계 필러를 더 포함할 수 있다.
이하 방열 시트의 각 구성성분별로 구체적으로 설명한다.
(a) 엘라스토머 수지
상기 엘라스토머 수지는 방열 시트에 절연성과 함께 탄성 및 점착성을 부여하는 역할을 한다. 또한 상기 엘라스토머 수지는 필러가 분산되는 매트릭스 수지로서 절연성 방열 필러가 이탈하지 않도록 기능한다.
상기 엘라스토머 수지는 점탄성(viscoelasticity)을 갖는 고분자 수지로서 절연성을 구비한 고분자 수지라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 엘라스토머 수지는 실리콘계 엘라스토머 수지, 아크릴계 엘라스토머 수지, 우레탄계 엘라스토머 수지, 및 엘라스토머-변성 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한 상기 엘라스토머 수지는 20만 내지 200만 g/mol의 범위, 30만 내지 150만 g/mol의 범위, 또는 50만 내지 120만 g/mol의 범위의 중량평균분자량(Mw)을 가질 수 있다. 상기 바람직한 범위와는 달리, 엘라스토머 수지의 분자량이 너무 작을 경우 열에 의해 올리고머의 탈락이나 형상 유지가 어려울 수 있고, 분자량이 너무 클 경우 점도가 높아져서 가공성이 저하될 가능성이 있다.
또한 상기 엘라스토머 수지는 -30℃ 내지 10℃의 범위, -20℃ 내지 0℃의 범위, 또는 -20℃ 내지 -10℃의 범위의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있다. 상기 바람직한 범위와는 달리, 유리전이온도가 너무 낮을 경우 연성이 높아져 형상 유지가 어려울 수 있고, 너무 높을 경우에는 세라믹 필러를 배합한 후에 딱딱해져 표면 밀착성이 구현되기 어려울 수 있다.
바람직한 일례로서, 상기 엘라스토머 수지는 20만 내지 200만 g/mol의 중량평균분자량(Mw), 및 -20℃ 내지 -10℃의 유리전이온도를 가질 수 있다. 또한, 이때 상기 엘라스토머 수지는 실리콘계 엘라스토머 및 아크릴계 엘라스토머 수지일 수 있다.
상기 방열 시트는 상기 엘라스토머 수지를 10 내지 30 중량%, 또는 10 내지 25 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 엘라스토머 수지의 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 열전도도나 경도 면에서 보다 유리할 수 있다.
(b) 올레핀계 고분자 수지 및/또는 전도성 고분자 수지
상기 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지는, 이들 중 1종 이상이 미량 혼입되어 엘라스토머 수지를 개질함으로써 열전도도를 향상시키는 역할을 한다. 또한, 이들 올레핀계 고분자 수지 및/또는 전도성 고분자 수지는 미량으로 조절되어 사용됨으로써 방열 시트의 절연성을 저해하지 않는다.
상기 올레핀계 고분자 수지는 선형의 골격 구조로 인해 분자의 진동 모드(vibration mode)를 제한시켜 높은 열전도도를 발휘할 수 있다.
상기 올레핀계 고분자 수지는 선형의 알켄계 모노머가 중합되어 형성된 고분자 수지라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 탄소수 2 또는 3의 선형 알켄계 모노머가 중합되어 형성된 고분자일 수 있다.
또한, 상기 올레핀계 고분자 수지는 100만 내지 300만 g/mol의 중량평균분자량(Mw)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 올레핀계 고분자 수지는 100만 내지 300만 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등일 수 있다.
상기 전도성 고분자 수지는 공명 구조와 같은 원자들 간의 특정 결합구조로 인해 전자의 이동이 자유로워 높은 열전도도를 발휘할 수 있다.
상기 전도성 고분자 수지는 전기전도성을 갖는 고분자 수지라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 주사슬 또는 곁사슬에 벤젠기, 스타이렌기, 티오펜기 등의 방향족 그룹을 갖거나, 할로겐 등으로 도핑된 고분자 수지들이 가능하다. 보다 구체적으로 상기 전도성 고분자 수지는 폴리스타이렌설폰산(PSSA), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT) 등일 수 있다.
바람직하게는, 상기 성분 (b)는 20만 내지 200만 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌, 폴리스타이렌설폰산(PSSA) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 성분 (b)는 상기 방열 시트의 총 중량 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 2 중량% 미만의 양으로 포함된다. 성분 (b)의 함량이 2 중량% 이상일 경우 엘라스토머 수지의 절연성이 저해되어 내전압이 낮아지거나 엘라스토머 수지의 탄성이 저해되어 패드로서의 사용이 어렵고, 0.1 중량% 미만일 경우 열전도도의 향상이 미미하여 충분한 방열성을 발휘할 수 없다.
보다 구체적인 예로서, 상기 성분 (b)의 함량은, 상기 방열 시트의 총 중량 기준으로 0.1 내지 1.5 중량%의 범위, 0.1 이상 내지 1.5 중량% 미만의 범위, 0.1 내지 1.3 중량%의 범위, 0.1 내지 1.0 중량%의 범위, 0.3 내지 1.5 중량%의 범위, 0.5 내지 1.5 중량%의 범위, 0.3 내지 1.3 중량%의 범위, 0.5 내지 1.3 중량%의 범위, 0.3 내지 1.0 중량%의 범위, 또는 0.5 내지 1.0 중량%의 범위일 수 있다.
(c) 절연성 방열 필러
상기 절연성 방열 필러는 엘라스토머 수지에 분산되어 방열 시트의 열전도도를 향상시키는 역할을 한다. 또한, 상기 절연성 방열 필러는 전기전도도가 낮아서 다량 첨가되어도 방열 시트의 절연성을 저해시키지 않을 수 있다.
특히 상기 절연성 방열 필러는 앞서의 성분 (b)와 함께 사용되어 종래의 방열 시트에서 사용된 전도성 카본계 필러를 대체하여 방열 시트의 열전도도를 향상시키면서도 절연성을 저해하지 않을 수 있다.
이와 같이, 상기 절연성 방열 필러는 높은 열전도도 및 낮은 전기전도도를 갖는 필러라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 절연성의 세라믹 입자일 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 절연성 방열 필러는 다이아몬드 입자, 질화알루미늄(AlN) 입자, 산화마그네슘(MgO) 입자, 및 보헤마이트(boehmite) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연성 방열 필러로서 인조 다이아몬드 입자를 사용할 수 있으며, 상기 인조 다이아몬드 입자는 열전도도가 매우 높으면서도 천연 다이아몬드 대비 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 상기 인조 다이아몬드 입자는 통상의 알려진 방식에 따라 흑연 등의 탄소원으로부터 폭발 등을 통한 초고압 및 고온 조건 하에서 제조된 것일 수 있다.
상기 절연성 방열 필러는 구형, 각형, 판상형, 막대(rod)형 등의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 절연성 방열 필러는 방열 시트의 두께를 넘지 않는 최대 입경(D100)을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 절연성 방열 필러는 방열 시트 두께의 50~90%, 60~90%, 또는 70~90%에 해당하는 최대입경(D100)을 가질 수 있다. 상기 바람직한 범위와는 달리, 최대입경이 너무 클 경우 조성물 코팅시 돌기가 발생할 수 있고, 최대입경이 너무 작을 경우 접촉저항이 커지고 열전도도가 저하될 수 있다.
상기 절연성 방열 필러는 효율적인 패킹(packing)을 위해 2종 이상의 평균입경을 가질 수 있다.
일례로서, 상기 절연성 방열 필러는 제 1 절연성 세라믹 입자, 및 상기 제 1 절연성 세라믹 입자의 평균입경의 1/2 내지 1/20의 평균입경을 갖는 제 2 절연성 세라믹 입자를 포함하고, 이때 상기 절연성 방열 필러는 상기 제 1 절연성 세라믹 입자 100 중량부에 대해 상기 제 2 절연성 세라믹 입자를 20~80 중량부, 25~75 중량부 또는 40~60 중량부의 양으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 절연성 세라믹 입자는 상기 제 1 절연성 세라믹 입자의 평균입경의 1/4 내지 1/20의 범위, 1/8 내지 1/20의 범위, 또는 1/12 내지 1/20의 범위의 평균입경을 가질 수 있다.
또한 상기 제 1 절연성 세라믹 입자는 상기 방열 시트의 두께의 70~90%에 해당하는 최대입경(D100)을 가질 수 있다.
상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러를 70~90 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 절연성 방열 필러의 함량은 70~85 중량%, 또는 75~90 중량%일 수 있다. 절연성 방열 필러의 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 열전도도 측면에서 보다 유리할 수 있다.
(d) 전도성 카본계 필러
상기 방열 시트는 추가적으로 미량의 전도성 카본계 필러를 포함할 수 있다.
상기 전도성 카본계 필러는 방열성 향상을 위해 사용되는 통상적인 카본계 필러일 수 있으며, 예를 들어 카본 동소체로 이루어진 필러일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 전도성 카본계 필러는 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 전도성 카본계 필러는 100nm 내지 1㎛의 범위, 100~600nm의 범위, 또는 100~200 nm의 범위의 평균입경을 가질 수 있다. 이때 상기 평균입경은 D50 기준의 입경일 수 있다. 전도성 카본계 필러의 평균입경이 상기 바람직한 범위 내일 때, 전기 절연성 면에서 보다 유리할 수 있다.
상기 방열 시트는 상기 전도성 카본계 필러를 0.1~1.0 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 전도성 카본계 필러의 함량이 1.0 중량%를 초과하면, 방열 시트의 절연성이 저하되어 내전압 특성을 충분히 발휘하기 어려울 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전도성 카본계 필러의 함량은 0.1~0.7 중량%, 또는 0.1~0.5 중량%일 수 있다.
또한, 상기 방열 시트는 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 내지 2 중량% 미만의 양으로 포함할 수 있고, 보다 구체적으로, 0.2 중량% 내지 1.5 중량%의 범위, 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만의 범위, 0.2 내지 1.3 중량%의 범위, 0.2 내지 1.0 중량%의 범위, 또는 0.5 내지 1.0 중량%의 범위의 양으로 포함할 수 있다.
또는, 상기 방열 시트는 그라파이트 등의 전도성 카본계 필러를 포함하지 않을 수 있다.
바람직한 일례로서, 상기 방열 시트는 상기 전도성 카본계 필러를 포함하지 않거나, 0.1~1 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
바람직한 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 전도성 카본계 필러를 포함하지 않거나, 0.1 중량% 이상 내지 0.5 중량% 미만의 양으로 포함할 수 있다.
바람직한 또 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 전도성 카본계 필러를 포함하지 않거나, 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러의 합계량이 총 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만인 범위로 포함할 수 있다.
방열 시트의 물성
상기 방열 시트는 200~2000 ㎛의 범위, 또는 500~2000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 방열 시트의 두께가 상기 바람직한 범위와 달리 너무 얇을 경우 충분한 방열 특성을 가지기 어려울 수 있고, 반대로 너무 두꺼울 경우 충분한 내전압 특성을 가지기 어려울 수 있다.
상기 방열 시트는 10 W/mK 이상, 15 W/mK 이상, 또는 20 W/mK 이상의 열전도도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 방열 시트는 10~40 W/mK의 범위, 15~40 W/mK의 범위, 20~40 W/mK의 범위, 또는 20~30 W/mK의 범위의 열전도도를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전도도 범위는 상기 방열 시트의 두께 방향(Z축)에 대한 열전도도일 수 있다. 또한, 상기 열전도도 범위는 상기 방열 시트의 X축, Y축 및 Z축에 대한 열전도도 각각에 해당할 수도 있다.
상기 방열 시트는 3 kV 이상, 4 kV 이상, 또는 5 kV 이상의 내전압 특성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 방열 시트는 3~20 kV 범위, 4~20 kV 범위, 4~15 kV 범위, 4~10 kV의 범위, 또는 5~15 kV 범위의 내전압 특성을 가질 수 있다.
상기 방열 시트는 열가압 등이 없이도 점착될 수 있는 수준의 점착력을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 방열 시트는 0.1~4.0 kgf/in의 범위, 0.1~3.0 kgf/in의 범위, 또는 0.1~2.0 kgf/in의 범위의 접착강도를 가질 수 있다. 상기 점착력은 방열 시트 내에 별도의 점착제 성분이 첨가되지 않더라도 엘라스토머 수지 자체가 지닌 점착성으로부터 발휘될 수 있다.
바람직하게는, 상기 방열 시트는 20~40 W/mK의 열전도도 및 4~20 kV의 내전압 특성을 가질 수 있다. 또한, 이때 상기 방열 시트는 500~2000㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 방열 시트는 엠보(emboss) 패턴을 갖도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 방열 시트의 표면에 미세한 볼록부와 오목부를 갖는 엠보 패턴을 형성하여, 방열 시트를 타 제품에 부착하고 가압시에 오목부를 통해 탈기를 용이하게 할 수 있다.
바람직한 구성예
바람직한 구성의 일례로서, 상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러로서 인조 다이아몬드 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 500~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 가질 수 있다.
바람직한 구성의 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러로서 절연성 세라믹 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전도성 카본계 필러를 추가로 포함하되, 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만의 양으로 포함하고, 500~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 가질 수 있다.
바람직한 구성의 또 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러로서 질화알루미늄 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전도성 카본계 필러를 추가로 포함하되, 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만의 양으로 포함하고, 200~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 가질 수 있다.
바람직한 구성의 또 다른 예로서, 상기 방열 시트는 200~2000㎛의 두께를 갖고, 상기 절연성 방열 필러를 70~90 중량%의 양으로 포함하되, 전도성 카본계 필러를 포함하지 않고, 상기 절연성 방열 필러로서 제 1 절연성 세라믹 입자, 및 상기 제 1 절연성 세라믹 입자의 평균입경의 1/2 내지 1/20의 평균입경을 갖는 제 2 절연성 세라믹 입자를 포함하고, 이때 상기 제 1 절연성 세라믹 입자에 대한 상기 제 2 절연성 세라믹 입자의 중량 비율이 2/3 내지 1/4일 수 있다.
바람직한 구성의 또 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러로서 절연성 세라믹 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하되, 전도성 카본계 필러를 포함하지 않고, 200~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 갖고, 상기 성분 (b)가 40만 내지 200만 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌, 폴리스타이렌설폰산(PSSA) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직한 구성의 또 다른 예로서, 상기 방열 시트는 상기 절연성 방열 필러로서 절연성 세라믹 입자를 70 내지 90 중량%의 양으로 포함하고, 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전도성 카본계 필러를 추가로 포함하되, 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 1.5 중량% 미만의 양으로 포함하고, 200~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 갖고, 이때 상기 성분 (b)가 40만 내지 200만 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌, 폴리스타이렌설폰산(PSSA) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
방열 시트의 효과
실시예에 따른 방열 시트는, 고분자 수지에 절연성을 갖는 방열 필러를 분산하고 추가적으로 고열전도성의 고분자 수지를 미량 혼입한 조성을 가짐으로써, 종래보다 향상된 열전도도 및 내전압 특성을 가질 수 있다. 상기 고열전도성의 고분자 수지로서 사용되는 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지는 미량으로 포함될 경우 전류 흐름을 거의 일으키지 않아서 방열 시트의 내전압 특성을 저해하지 않는 한편, 미량으로도 높은 열전도도를 갖도록 고분자 수지를 개질할 수 있으면서 단가가 낮아서 비용을 절감할 수 있다.
또한, 종래의 방열 시트에 주로 사용된 전도성 카본계 필러를 사용하지 않거나 또는 미량만을 사용함으로써, 내전압 특성을 저해하지 않으면서 고방열 특성을 가질 수 있다.
특히, 실시예에 따르면, 전도성 카본계 필러를 대체하여 다이아몬드 입자 및 질화알루미늄 입자와 같은 절연성 방열 필러와 미량의 고열전도성 고분자 수지를 조합하여 사용함으로써 방열 및 내전압 특성을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 실시예에 따른 방열 시트는 매트릭스 수지로서 엘라스토머 수지를 사용함으로써, 절연성이 높은 패드 형태로 열원의 표면에 부착될 수 있을 뿐만 아니라, 부착 시에 계면간 기포 생성을 방지할 수 있어서 열원 표면으로부터 열을 방출시키는 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
이에 따라 상기 방열 시트는 모바일 기기와 가전 기기 등의 다양한 전자 기기에 부착되는 방열 소재로서 유용하게 사용될 수 있다.
방열 시트의 제조방법
일 실시예에 따르면, 상기 방열 시트는 (1) 엘라스토머 수지에, 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지 중에서 선택된 1종 이상, 및 절연성 방열 필러를 혼합하여 방열 조성물을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 방열 조성물을 시트상 성형하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 제조방법에 따르면, 종래에 이방성의 전도성 카본계 필러를 주로 사용하고 배향 공정을 통해 특정 방향에 대해 우수한 열전도도를 갖는 방열 시트로 제작되었던 것과는 달리, 공정상에서 배향이 필요 없어서 X축, Y축 및 Z축 모든 방향에 대해 우수한 열전도도를 갖는 방열 시트를 제작할 수 있다.
또한, 상기 방열 조성물에는 절연성을 저해하지 않는 한에서 미량의 전도성 카본계 필러가 추가로 혼합될 수 있다.
상기 제조방법에 사용되는 엘라스토머 수지, 올레핀계 고분자 수지, 전도성 고분자 수지, 절연성 방열 필러 및 전도성 카본계 필러는 앞서 예시한 바와 같은 종류 및 양으로 사용될 수 있다.
상기 혼합 및 성형 등의 공정은 방열 시트를 제조하기 위해 통상적으로 행해지는 혼합 및 성형 공정을 이용할 수 있다.
상기 방열 조성물에는 그 외에도 경화제, 분산제, 흐름조절제 등의 통상적인 첨가제 성분이나 용매가 더 첨가될 수 있다.
상기 경화제는 조성물이 점착층으로 제작될 때 엘라스토머 수지를 경화시키는 역할을 한다. 바람직하게는, 상기 경화제는 이소시아네이트계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 경화제는 화합물은 이소시아네이트류, 에폭시류, 아지리딘류 및 금속킬레이트류로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 이소시아네이트계 화합물은 유전율이 낮은 엘라스토머 수지의 경화에 적합하며, 엘라스토머 수지의 점착성을 크게 낮추지 않는다는 장점이 있다. 상기 경화제는 엘라스토머 수지 100 중량부에 대해 0.3 내지 2 중량부의 범위, 또는 0.5 내지 1 중량부의 범위의 양으로 사용될 수 있다.
상기 분산제는 엘라스토머 수지 내에 필러의 분산을 용이하게 한다. 예를 들어, 지방족의 분산제를 사용할 경우, 절연성 방열 필러의 분산을 보다 용이하게 할 수 있다. 상기 분산제는 절연성 방열 필러 100 중량부에 대해 0.1 내지 3 중량부의 범위, 또는 1 내지 2 중량부의 범위의 양으로 사용될 수 있다.
상기 흐름조절제는 조성물의 흐름성을 조절하는 역할을 한다. 바람직하게는, 상기 흐름조절제는 우레아(urea) 계열의 화합물을 사용하여, 비중이 높은 절연성 방열 필러의 침강을 방지할 수 있다. 일례로서, 상기 방열 조성물은 상기 엘라스토머 수지 내에 분산된 우레아 화합물을 더 포함하고, 이때 상기 우레아 화합물을 상기 엘라스토머 수지 100 중량부 대비 0.1 내지 2 중량부의 범위, 또는 1 내지 1.5 중량부의 범위의 양으로 포함할 수 있다.
상기 용매는 조성물의 점도를 조절하는 역할을 한다. 상기 용매로는 이소프로필알콜(IPA), 메틸에틸케톤(MEK) 및 에틸아세테이트(EA)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있다. 용매의 첨가량이 높을수록 점도가 낮아지고 입자의 침강 속도가 빨라지고, 용매의 첨가량이 적을수록 점도는 높아지나 분산 공정에서의 안정성이 떨어질 수 있으므로, 이를 고려하여 조성물에 용매가 적정량 첨가될 수 있다. 예를 들어 상기 용매는, 조성물 내 고형분 함량이 30~50 중량%의 범위, 또는 35~45 중량%의 범위가 되도록 조성물에 첨가될 수 있다.
이하 보다 구체적인 실시예들이 설명되나, 이하의 구체적인 실시예들은 예시를 위한 것일 뿐이므로 이들로 한정되는 것으로 이해되서는 안된다.
재료 준비
이하의 실시예에서는 아래의 재료가 사용되었다.
- 방열 필러 A: 평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자, 폭발식으로 제조
- 방열 필러 B: 평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자, 순도 100%
- 전도성 카본계 필러: 평균입경 200㎛의 인상 흑연 입자
- 전도성 고분자 수지: 폴리스타이렌설폰산(PSSA)
- 올레핀계 고분자 수지: 폴리올레핀에틸렌(POE), SK종합화학사
- 엘라스토머 수지: 2액형 실리콘 고무, LS5151CV, KCC사.
실시예 1
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자를 각각 55 중량부 및 30 중량부, PSSA 수지 0.5 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 14.5 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
실시예 2
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자를 각각 55 중량부 및 30 중량부, POE 수지 0.5 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 14.5 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
실시예 3
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자를 각각 55 중량부 및 29.5 중량부, 그라파이트 입자 0.5 중량부, PSSA 수지 0.5 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 14.5 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
실시예 4
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자를 각각 55 중량부 및 29.5 중량부, 그라파이트 입자 0.5 중량부, POE 수지 0.5 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 14.5 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 1
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자를 각각 55 중량부 및 30 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 15 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 2
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자를 각각 55 중량부 및 30 중량부, PSSA 수지 2 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 13 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 3
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 인조 다이아몬드 입자를 각각 50 중량부 및 25 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 25 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 4
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자를 각각 50 중량부 및 30 중량부, 및 PSSA 수지 2 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 18 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 5
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자를 각각 55 중량부 및 29 중량부, 그라파이트 입자 1 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 15 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
비교예 6
평균입경 90㎛ 및 5㎛의 AlN 입자를 각각 55 중량부 및 29.5 중량부, 그라파이트 입자 0.5 중량부, PSSA 수지 1 중량부, 및 2액형 실리콘 고무 수지 14 중량부를 혼합하고, 열경화에 의해 시트상으로 성형하여, 두께 500㎛의 방열 시트를 제조하였다.
이상의 실시예 및 비교예에서 제조된 방열 시트에 대해 이하의 조건 및 절차에 따라 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
시험예 1: 열전도도 측정
상온에서 ASTM D 5470에 따라 열특성시험장치(TIM1400, Analysis Tech사)를 이용하여 방열 시트의 수직 방향에 대한 열전도도를 측정하였다.
시험예 2: 내전압 측정
방열 시트에 대해 GW INSTEK-GPI 825 장비를 이용하여 내전압 특성을 측정하였다.
구분 열전도도
(W/mK)		 내전압
(kV)
실시예 1 25 8
실시예 2 21 10
실시예 3 23 4
실시예 4 20 6
비교예 1 19 10
비교예 2 26 3.5
비교예 3 15 10
비교예 4 23 3.0
비교예 5 23 3.5
비교예 6 23 3.5
상기 표 1에서 보듯이, 실시예 1 내지 4와 같이 방열 필러와 함께 미량의 전도성/올레핀계 고분자 수지를 포함하는 방열 시트는 유전율이 낮고 열전도도가 20 W/mK 이상이면서 내전압이 4 kV 이상으로 매우 우수함을 알 수 있었다.
반면, 비교예 1 내지 6과 같이 전도성/올레핀계 고분자 수지를 미포함 또는 과량으로 포함하거나 전도성 카본계 입자를 과량으로 포함하는 방열 시트는 열전도도가 20 W/mK 미만이거나 내전압이 4 kV 미만으로 저조하게 나타났다.

Claims (15)

  1. (a) 엘라스토머 수지,
    (b) 올레핀계 고분자 수지 및 전도성 고분자 수지 중에서 선택되는 1종 이상, 및
    (c) 절연성 방열 필러를 혼합한 후 이를 시트상 성형하여 얻어진 방열 시트로서,
    상기 방열 시트가 상기 성분 (b)를 시트 총 중량 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 2 중량% 미만의 양으로 포함하고,
    상기 절연성 방열 필러가 제 1 절연성 세라믹 입자, 및 상기 제 1 절연성 세라믹 입자의 평균입경의 1/2 내지 1/20의 평균입경을 갖는 제 2 절연성 세라믹 입자를 포함하고, 이때 상기 절연성 방열 필러가 상기 제 1 절연성 세라믹 입자 100 중량부에 대해 상기 제 2 절연성 세라믹 입자를 20~80 중량부로 포함하는, 방열 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연성 방열 필러가 제 1 절연성 세라믹 입자와 제 2 절연성 세라믹 입자의 혼합물인, 방열 시트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연성 세라믹 입자 및 제 2 절연성 세라믹 입자가 각각 다이아몬드 입자, 질화알루미늄 입자, 산화마그네슘 입자, 및 보헤마이트 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 방열 시트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 전도성 카본계 필러를 0.1~1 중량%의 양으로 추가로 포함하는, 방열 시트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도성 카본계 필러가 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 방열 시트.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만의 양으로 포함하는, 방열 시트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 전도성 카본계 필러를 포함하지 않는, 방열 시트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연성 세라믹 입자가 상기 방열 시트의 두께의 70~90%에 해당하는 최대입경(D100)을 갖는, 방열 시트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 상기 절연성 방열 필러를 70~90 중량%의 양으로 포함하는, 방열 시트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 성분 (b)가 20만 내지 200만 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌, 폴리스타이렌설폰산(PSSA) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 방열 시트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 엘라스토머 수지가 실리콘계 엘라스토머 수지, 아크릴계 엘라스토머 수지, 우레탄계 엘라스토머 수지, 및 엘라스토머-변성 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
    상기 방열 시트가 상기 엘라스토머 수지를 10~30 중량%의 양으로 포함하는, 방열 시트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 500~2000㎛의 두께를 갖는, 방열 시트.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가 20~40 W/mK의 열전도도 및 4~20 kV의 내전압 특성을 갖는, 방열 시트.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가
    상기 제 1 절연성 세라믹 입자 및 제 2 절연성 세라믹 입자로서 인조 다이아몬드 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 500~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 갖는, 방열 시트.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 시트가
    상기 제 1 절연성 세라믹 입자 및 제 2 절연성 세라믹 입자를 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 그래핀, 그라파이트 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전도성 카본계 필러를 추가로 포함하되, 상기 성분 (b)와 상기 전도성 카본계 필러를 총 0.2 중량% 이상 내지 1.5 중량% 미만의 양으로 포함하고, 500~2000㎛의 두께, 20~40 W/mK의 열전도도, 및 4~20 kV의 내전압 특성을 갖는, 방열 시트.
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