KR101993000B1 - 방열 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층, 및 (ii) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제2층을 적층된 형태로 포함하는 방열시트를 제공한다. 본 발명에 따른 방열시트는 열확산 및 열방사 성능이 우수하고, 특히 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가지므로 보다 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있다.

Description

방열 시트{HEAT SPREADER}

본 발명은 방열시트에 관한 것으로서, 상세하게는 열확산 및 열방사 성능이 우수하고, 특히 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가져, 보다 우수한 방열 성능을 발휘하는 방열시트에 관한 것이다.

최근 전자소자는 경박단소 및 다기능화되면서 고집적화되고 있어 열밀도의 증가로 열의 방출 문제에 대한 대책이 요구되고 있다. 또한, 열의 방출이 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있어 중요하다. 이에 따라 다양한 방열 소재들이 개발되고 있으며, 방열패드, 방열시트, 방열도료 등의 형태로 시판되어 기존의 방열팬, 방열핀, 히트 파이프 등의 방열기구를 보조하거나 대체하고 있다.

이 중 방열시트는 그라파이트 압축시트, 고분자-세라믹 복합시트, 다층코팅 금속 박막시트 등의 형태로 제작되고 있는데, 그라파이트 압축시트는 수평 열전도도가 우수하나 층간 박리가 잘 일어나 재작업성이 좋지 않고, 고분자-세라믹 복합시트는 열전도도에 한계가 있으며, 다층코팅 금속 박막시트는 수평 열확산도가 낮은 것이 문제가 되고 있다.

또한, 상기와 같은 금속 박막 시트는 방열시트에 포함되어 있는 금속 박막의 강직성으로 인하여 열원이 굴곡이 있는 형상을 지닐 경우, 상기 열원과 효과적으로 접촉되거나 열원에 효과적으로 부착되지 못하여 그 방열 성능을 온전히 발휘할 수 없는 문제가 있었다.

따라서, 열확산 및 열전달 성능이 우수하면서도, 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가져, 보다 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있는 방열시트를 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 열확산 및 열방사 성능이 우수하고, 특히 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가져, 보다 우수한 방열 성능을 발휘하는 방열시트를 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은

(i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층, 및 (ii) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제2층을 적층된 형태로 포함하는 방열시트를 제공한다.

본 발명에 따른 방열시트는 열확산 및 열방사 성능이 우수하고, 특히 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가지므로 보다 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방열시트의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 방열시트의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 방열시트는 (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층; 및 (ii) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제2층을 적층된 형태로 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1층은 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하며, 상기 층 형성 재료는 수지일 수 있다. 따라서, 상기 제1층은 수지를 포함하는 도료층으로 이루어질 수 있다.

상기 도료층에 포함되는 수지의 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 및 에폭시계 수지로 구성된 군 중에서 선택된 1종 이상의 수지를 들 수 있다.

상기 도료층은 상기 수지와 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제로서는 유기과산화물계, 이소시아네이트계, 아조계, 아민계, 이미다졸계, 산무수물계, 루이스산계 및 포름알데히드계 화합물 등을 들 수 있으며, 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.

상기 제2층은 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하며, 상기 층 형성 재료는 접착제 또는 점착제일 수 있다. 따라서, 상기 제2층은 접착제를 포함하는 접착층 또는 점착제를 포함하는 점착층으로 이루어질 수 있다.

상기 접착제 및 점착제는 접착 또는 점착 이후의 경화 여부에 따라 구별되는데 접착제는 경화가 일어나는 것이고 점착제는 경화가 일어나지 않는 것으로서, 그 바람직한 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 접착제 또는 점착제를 들 수 있다.

상기 제1층 및 제2층은 열전도성 입자를 포함하고 있으며, 상기 열전도성 입자는 열전도도가 1 W/mK 이상인 것으로서, 그 예로서는 카본블랙, 카본나노튜브, 카본나노화이버, 그래핀, 금속산화물, 금속질화물, 또는 금속입자를 들 수 있고, 이들 열전도성 입자는 1종 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 상기 제1층에 포함되는 열전도성 입자와 상기 제2층에 포함되는 열전도성 입자는 동일할 수도 상이할 수도 있다.

상기 금속산화물의 예로서는 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화실리콘, 산화아연 또는 산화지르코늄을 들 수 있고, 상기 금속질화물의 예로서는 질화붕소, 질화알루미늄, 또는 질화규소를 들 수 있으며, 상기 금속입자의 예로서는 은, 구리, 알루미늄 또는 아연을 들 수 있다.

상기 열전도성 입자로서 특히 바람직하게는 카본나노튜브, 산화마그네슘, 또는 질화붕소가 사용될 수 있으며, 이때, 상기 열전도성 입자로서 카본나노튜브가 사용되는 경우 단일벽 또는 다중벽 구조의 카본나노튜브가 모두 사용될 수 있고, 바람직하게는 염산, 황산, 질산 등의 무기산이나 구연산, 숙신산, 아세트산 등의 유기산으로 표면 개질된 것이 사용될 수 있다.

상기 열전도성 입자는 제1층 또는 제2층에서 열전도 매개체로 작용하여 방열시트의 수직 방향과 수평 방향으로의 열전달 및 열확산 효과를 발휘할 수 있다.

상기 열전도성 입자는 제1층 또는 제2층 각 100 중량부를 기준으로 하여 각각 5 내지 80 중량부 포함될 수 있다. 상기 제1층 및 제2층 각각에 있어서, 상기 열전도성 입자가 5 질량부보다 적게 포함되는 경우에는 원하는 열전도 효과가 발휘되지 않으므로 바람직하지 못하고, 80 질량부를 초과하여 포함되는 경우에는 방열시트의 유연성을 저하시켜 절곡시 파단이 발생하거나 부스러지는 현상이 일어나므로 바람직하지 못하다.

상기 열전도성 입자는 평균 입경 또는 평균 길이가 1 내지 30 μm인 것이 바람직하고, 5 내지 15 μm인 것이 보다 바람직하다. 상기 열전도성 입자의 평균 입경 또는 평균 길이가 1 μm 미만인 경우 분산 및 열전도 특성이 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 못하고, 평균 입경 또는 평균 길이가 30 μm를 초과하는 경우 너무 큰 입경 또는 길이로 인해 균일한 분산성에 문제를 나타낼 수 있어서 바람직하지 못하다.

상기 제1층에는 열전도성 입자가 제1층 100 질량부를 기준으로 5 내지 80 질량부, 바람직하게는 10 내지 50 질량부 포함될 수 있으며, 상기 제2층에는 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물이 제2층 100 질량부를 기준으로 1 내지 60 질량부, 바람직하게는 3 내지 40 질량부 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 방열시트는 열전도성 입자를 층 형성 재료에 혼합한 조성물을 플라스틱 필름으로 이루어진 기재 상에 도포하여 제1층을 형성하고, 열전도성 입자를 층 형성 재료에 혼합한 조성물을 상기 제1층 상에 도포하여 제2층을 형성함으로써 제조될 수 있다. 상기 제1층 및 제2층을 형성한 후 상기 플라스틱 필름은 제거될 수 있다.

상기 제1층 및 제2층의 두께는 각각 5 내지 100 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 80 ㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 ㎛일 수 있다.

상기 도포 방법의 예로는 다이 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 등을 들 수 있고, 바람직하게는 그라비아 코팅 또는 콤마 코팅 등을 들 수 있다.

상기 플라스틱 필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리이미드(PI)일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 그 표면이 실리콘 이형코팅되어 있을 수 있다.

상기 플라스틱 필름의 두께는 5 내지 200 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 100 ㎛일 수 있다.

상기 플라스틱 필름은 본 발명의 방열시트 제조시 상기 제1층 및 제2층을 형성하기 위한 기재로서의 역할을 수행하며, 또한 제조된 방열시트의 표면을 보호하는 기능을 수행할 수 있다.

필요에 따라, 상기 플라스틱 필름이 그대로 부착되어 상기 제1층의 타면에 플라스틱 필름이 부착되어 있는 형태일 수 있고, 또한 상기 제2층의 타면에는 상기 제2층을 보호하기 위한 보호필름이 부착되어 있을 수 있다.

상기 보호필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리이미드(PI)일 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 그 표면이 실리콘 이형코팅되어 있을 수 있다.

상기 보호필름의 두께는 5 내지 200 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 방열시트는 박막시트의 형태를 이루면서 열전도성 입자를 열전도 매개체로 포함한 제1층 및 제2층을 포함하여 수직 방향과 수평 방향의 열전달 및 열확산 성능을 개선할 수 있으며, 특히 금속, 폴리머 또는 섬유 메쉬로 이루어진 기재를 포함하지 않으므로 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 우수한 부착력을 가지므로 보다 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 방열시트를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 방열시트의 일례가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방열시트(100)는 열전도성 입자와 수지를 포함하는 도료층인 제1층(110) 상에 열전도성 입자와 점착제를 포함하는 점착층인 제2층(120)이 적층되어 있는 형태일 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 방열시트의 또 다른 일례가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일례에 따른 방열시트(200)는 열전도성 입자와 수지를 포함하는 도료층인 제1층(210) 상에 열전도성 입자와 점착제를 포함하는 점착층인 제2층(220)이 적층되어 있고, 제1층(210)의 제2층(220)과 접하는 면의 타면에 플라스틱 필름(230)이 부착되어 있고, 제2층(220)의 제1층(210)과 접하는 면의 타면에는 보호필름(240)이 부착되어 있는 형태일 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

열전도성 입자로서 길이 10 ㎛의 카본나노튜브 42 중량부, 아크릴계 수지(TT-1500, TTT 케미칼사제) 46 중량부, 및 메틸에틸케톤 12 중량부를 혼합한 조성물을 두께 50 ㎛의 이형필름(SR-G10, SYC사제)의 일면에 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제1층을 형성하였다. 상기 제1층 상에, 길이 10 ㎛의 카본나노튜브 25 중량부, 아크릴계 점착제(WA770, 우인켐텍사제) 65 중량부, 및 메틸에틸케톤 10 중량부를 혼합한 조성물을 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제2층을 형성한 후, 상기 제2층을 보호하기 위해 그 위에 실리콘으로 이루어진 두께 50 ㎛의 이형필름(MR-G03, SYC사제)를 부착하여 방열시트를 제조하였다.

비교예 1

열전도성 입자로서 길이 10 ㎛의 카본나노튜브 25 중량부, 아크릴계 점착제(WA770, 우인켐텍사제) 65 중량부, 및 메틸에틸케톤 10 중량부를 혼합한 조성물을 두께 18 ㎛의 구리 박막의 한 면에 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제1층을 형성하고, 상기 구리 박막의 타면에 길이 10 ㎛의 카본나노튜브 25 중량부, 아크릴계 수지(TT-1550, TTT 케미칼사제) 65 중량부, 및 메틸에틸케톤 10 중량부를 혼합한 조성물을 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제2층을 형성하여 방열시트를 제조하였다.

비교예 2

구리 박막을 대신하여 섬유 메쉬(NEX909, Clexia사제)를 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 방열시트를 제조하였다.

비교예 3

구리 박막을 대신하여 섬유 메쉬(PNW-10-PCN, A-Jin Electron사제)를 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 방열시트를 제조하였다.

실험예

<방열 성능 평가>

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 방열시트를 각각 45×80 mm² 크기로 자르고, 굴곡이 있는 형상을 가진 50 ℃의 열을 발생하는 열원을 부착한 뒤 30분 후 상기 열원의 온도를 온도센서(Thermocouple; DTM-305, TECPEL사제)를 이용하여 측정하였다. 동시에 방열시트 표면의 온도를 열화상 카메라(EasIR-4, Guide Infrared Co., Ltd)를 이용하여 측정하였다.

<유연성 평가>

실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 방열시트를 제2층 면을 밖으로 해서 둥근 막대(직경 2cm)에 놓고, 방열시트를 수 차례 180° 접어서 구부려 도막의 균열 유무를 조사하였다.

500회 이상의 구부림에도 균열이 발생하지 않은 것을 ◎(우수)로, 100 내지 500회의 구부림에 균열이 발생한 것을 △(보통)로, 100회의 구부림 전 균열이 발생한 것을 ⅹ(불량)로 나타내었다.

<부착력 평가>

굴곡이 있는 형상을 가진 열원에 방열시트를 붙였을 때 부착되지 않은 들뜬 부분의 면적을 육안으로 관찰하였다.

들뜬 부분의 면적이 전체 면적의 10% 이하인 것을 ◎(우수)로, 들뜬 부분의 면적이 전체 면적의 10 내지 30%인 것을 △(보통)로, 들뜬 부분의 면적이 30% 이상인 것을 ⅹ(불량)로 나타내었다.

이상의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	열원온도 ( ℃ )	방열시트 표면온도 ( ℃ )	초기 온도와 방열시트 표면과의 온도차	유연성 평가	부착성 평가
초기	50	ㅡ	ㅡ
실시예 1	42.1	38.3	-11.7	◎	◎
비교예 1	43.4	39.1	-10.9	△	ⅹ
비교예 2	47.1	45.3	-4.7	△	△
비교예 3	45.9	41.9	-8.1	ⅹ	△

상기 표 1에서 열원의 온도 하강 폭이 클수록 방열시트의 열확산 및 열방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 표 1을 참조하면, 금속 및 섬유 메쉬로 이루어진 기재를 사용한 비교예 1 내지 3의 방열시트에 비하여, 기재를 사용하지 않은 실시예 1의 방열시트가 보다 열원온도 및 방열시트의 표면 온도가 낮아졌음을 알 수 있었다. 이를 통하여, 유연성이 우수하여 굴곡이 있는 형상을 지닌 열원에 대해 부착력이 우수한 실시예 1의 방열시트가 보다 우수한 방열 성능을 발휘하는 점을 확인할 수 있었다.

100, 200: 방열시트
110, 210: 제1층
120, 220: 제2층
230: 플라스틱 필름
240: 보호필름

Claims (8)

1. (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층, 및 (ii) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제2층이 적층되어 이루어지고,
   상기 제1층의 층 형성 재료가 수지이고, 상기 제1층이 수지를 포함하는 도료층이고,
   상기 제2층의 층 형성 재료가 접착제 또는 점착제이고, 상기 제2층이 접착제를 포함하는 접착층 또는 점착제를 포함하는 점착층이고,
   상기 제1층에 포함되는 열전도성 입자가 제1층 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 80 중량부로 포함되고, 상기 제2층에 포함되는 열전도성 입자가 제2층 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 60 중량부로 포함되는 방열시트.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1층의 두께가 5 내지 100 ㎛이고, 상기 제2층의 두께가 5 내지 100 ㎛인 방열시트.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전도성 입자가 카본블랙, 카본나노튜브, 카본나노화이버, 그래핀, 금속산화물, 금속질화물, 금속입자 또는 그 혼합물인 방열시트.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1층 또는 상기 제2층에 포함되는 상기 열전도성 입자가 각각 평균 입경 1 내지 30 μm인 방열시트.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1층의 타면에 부착되는 플라스틱 필름, 및 제2층의 타면에 부착되는 보호필름을 추가로 포함하는 방열시트.

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