KR102002411B1 - 아연알루미늄산화염을 포함하는 방열시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열시트 관한 기술로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계의 화합물인 ZnAl₂O₄를 필러로 포함하는 방열시트와, Cu를 필러로 포함하는 방열시트의 적층형 방열시트에 관한 기술이다.

Description

아연알루미늄산화염을 포함하는 방열시트{Heat dissipation sheet containing ZnAl2O4}

본 발명은 우수한 열전도성 및 절연특성을 갖는 방열시트에 관한 기술이다. 특히, 본 발명은 ZnAl₂O₄의 3성분계 방열성 필러를 포함하는 방열시트에 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 방열시트가 다양한 전자부품에 사용되고 있다.

방열시트는 접착성의 방열재료로서 실리콘 오일, 에폭시 수지 등의 고분자 수지가 사용되며, 가혹한 조건에서도 안정적인 점착성을 유지하는 것이 중요하다. 방열시트는 열전도성이 높은 무기 입자를 방열성 필러로서 사용하여, 상기 실리콘 수지 또는 에폭시 수지 등의 접착성이 있는 수지 성분과 혼합하여 제조되는 것이 일반적이다. 이와 같은 목적으로 사용되는 방열성 필러는, 더욱 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.

상기 종래 선행 문헌들은 주로 방열시트의 열전도성 향상에 초점을 맞춘 기술이다. 그러나 열전도성을 높이기 위해 사용되는 필러 성분으로 인해 전기전도성도 함께 증가함으로써, 절연성이 필요한 장치에는 쇼트 등의 문제로 인하여 사용이 제한적일 수밖에 없는 문제점이 있다.

특히, 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 방열시트에 있어서 열전도도와 절연특성이 우수한 방열시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 목적은 ZnO와 Al₂O₃를 혼합 또는 단독 사용하는 것이 아닌, Zn, Al, O의 3성분계 화합물인 ZnAl₂O₄를 방열성 필러로 포함함으로써, 열전도도와 절연특성이 향상된 방열시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 제1시트 및 제2시트를 포함하는 방열시트에 있어서, 상기 제1시트는 고분자 수지 및 필러로서 ZnAl₂O₄를 포함하며, 상기 제2시트는 고분자 수지 및 필러로서 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트를 제공한다.

특히, 상기 방열시트는 제3시트를 더 포함하며, 상기 제1시트 및 제3시트 사이에 상기 제2시트가 적층된 구조이며, 상기 제3시트는 고분자 수지 및 필러로서 ZnAl₂O₄를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

특히, 상기 고분자 수지는 에폭시계 수지 또는 우레탄계 수지일 수 있다.

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

특히, 상기 제1시트 또는 제3시트의 총중량 중 ZnAl₂O₄를 포함하는 필러 총량이 50 ~ 80 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 열전도도 및 절연특성이 동시에 우수한 ZnAl₂O₄를 포함하는 제1시트(및 제3시트)를 열전도도가 높은 Cu를 포함하는 제2시트와 접합하여 사용함으로써, 열전도도 및 절연특성을 동시에 만족하는 우수한 방열시트를 제조할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 제1시트(및 제3시트)에 방열성 필러 성분으로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계의 화합물인 ZnAl₂O₄를 사용함으로써, Zn, Al, O의 3성분계의 화학적 컨택을 통해 열전달을 이루는 포논의 이동속도가 훨씬 빨라져 열전도도가 증가할 뿐만 아니라, 절연특성도 향상되는 이중 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 의한 방열시트의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 의한 방열시트의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의해 합성된 ZnAl₂O₄의 XRD 실험 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 바람직한 제1실시예의 한 방열시트 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 바람직한 제2실시예의 한 방열시트 SEM 사진이다.

본 발명은 제1시트 및 제2시트를 포함하는 방열시트를 제공한다. 또한, 제3시트를 더 추가할 수 있는데, 제3시트를 추가하는 경우 제1시트와 제3시트 사이에 제2시트를 적층하여 압착하여 방열시트로 제작한다.

이하에서는 각 시트에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 방열시트(100)의 단면도이며, 도 2는 본 발명이 제2실시예에 의한 방열시트(200)의 단면도이다. 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 의한 방열시트(100, 200)의 차이점은 제3시트(30)의 추가 사용 여부에 따라 달라진다.

제1시트(10) 및 제3시트(30)

제1시트(10)는 고분자 수지와, 필러로서 ZnAl₂O₄를 포함하여 제조된다. 본 발명에서는 방열 컴파운드 조성물의 방열성 필러 성분으로서, ZnO와 Al₂O₃를 단순 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 3성분계 단일 화합물인 ZnAl₂O₄를 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 제1시트(10)에는 ZnAl₂O₄ 이외에 다른 보조적인 필러를 더 첨가할 수 있다.

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 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 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 더 사용될 수 있다. 예를 들어, 대표적으로 AlN(Aluminium Nitride)이 더 사용될 수 있다. 본 발명에서 ZnAl₂O₄를 포함하는 방열성 필러의 사용량은 전체 제1시트의 총중량 중 50 ~ 80 중량%로 사용되는 것이 바람직하지만, 상기 범위를 일부 벗어나도 무방하다.

본 발명은 ZnAl₂O₄를 포함하는 방열성 필러와 함께 고분자 수지로서 실리콘계 수지 또는 에폭시계 수지를 포함한다. 실리콘계 수지로는, 예를 들어, 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.

본 발명의 제1실시예의 방열시트(200)는 제2시트(20) 중 제1시트(10)가 접합되지 않은 면에 제3시트(30)를 더 접합하여 제조되는 방열시트(200)로서, 제3시트(30) 역시 제1시트(10)와 마찬가지로 필수적인 필러로서 ZnAl₂O₄를 사용하며, 고분자 수지와 혼합하여 방열시트(200)로 제조된다. 제3시트 역시 추가적으로 필러를 더 첨가할 수 있으며, 대표적으로 AlN(Aluminium Nitride)을 들 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.

제2시트(20)

제2시트(20) 역시 고분자 수지와 필러를 포함하여 이루어지되, 제1시트(10) 또는 제3시트(30)와는 달리 필러로서 Cu를 사용하는 점에서 차이가 있다.

제2시트(20)에서는 Cu의 높은 열전도성을 이용하기 위한 시트로서, 전체 방열시트(100, 200)의 열전도도 증가에 역할을 한다.

제2시트(20) 역시 Cu 이외에 AlN 등의 다른 필러를 더 사용할 수 있다.

설명의 편의상 제1시트(10)와 제3시트(30)가 함께 사용되는 경우 도면상 제2시트(20)의 상부에 있는 시트를 제1시트(10), 제2시트의 하부에 있는 시트를 제3시트(30)라 칭하기로 한다.

제1시트 내지 제3시트들의 접합은 통상의 열압착 또는 방열접착제를 사용할 수 있다.

실시예 1 : 방열필러 ZnAl ₂ O ₄ 의 합성

본 발명의 제1시트(10) 및 제3시트(30)에 사용되는 ZnAl₂O₄를 아래와 같이 합성하였다.

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 소결하였다. 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 3과 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 2 : 제1실시예의 방열시트(100)의 제조

본 발명의 바람직한 제1실시예의 방열시트(100)로서 제1시트(10)와 제2시트(20)의 적층 구조의 방열시트(100)를 제조하였다. 제1시트(10)는 에폭시 수지(국도사 제품) 20 중량부와 ZnAl₂O₄ 80중량부로 이루어졌으며, 제2시트(20)는 에폭시 수지 20 중량부와 Cu 80 중량부로 이루어져 있다. 도 4는 실험예 2에서 제조한 방열시트(100)의 SEM 사진으로서, 상부의 제1시트(10)가 117 mm, 하부의 제2시트(20)가 136 mmm 두께로 생성된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3 : 제2실시예의 방열시트(200)의 제조

본 발명의 제2실시예로서 제1시트(10)와 제3시트(30)의 사이에 제2시트(20)가 적층된 구조의 방열시트(200)를 제조하였다. 각 시트의 성분비는 실험예 2와 동일하였다.

도 5는 실험예 3에서 제조한 방열시트(200)의 SEM 사진으로서, 상부로부터 하부의 순서대로 제1시트(10)가 약 74 mm, 제2시트(20)가 약 103 mm, 제3시트(30) 약 120 mmm 두께로 생성된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 4 : 비교예의 샘플과의 물성 비교 실험

전술한 실험예 2 및 3과 동일한 조건(고분자 및 함량비)에서 제조하되 두께가 다르게 실시예의 샘플을 제조하였으며, 비교예로서 ZnAl₂O₄와 에폭시 수지(80 : 20 중량부)로 제조한 방열시트의 3가지 샘플에 대하여 열전도도 및 절연전압을 측정하였으며, 그 결과 하기 표 1과 같았다.

샘플	Sheet	Layer 수	열전도도 (W/mk)	절연 전압 (kV/mm)	두께 (㎛)
비교예	ZnAl2O4	1	1.64	9	<0.3
실시예 1	ZnAl2O4/Cu	2	4.87	8	<0.6
실시예 2	ZnAl2O4/Cu/ZnAl2O4	3	2.5	10	<1

비교예로서 ZnAl₂O₄과 에폭시 수지로 이루어진 방열시트는 열전도도 1.64 W/mk, 절연전압 9 kV/mm였다.

한편, 본 발명의 실시예 1에 의해 2 layer 구조의 ZnAl₂O₄/Cu는 열전도도 4.87 W/mk, 절연전압 8 kV/mm였다. 비교예의 방열시트에 비해 Cu 방열시트의 사용으로 열전도도는 증가하였으나, 절연전압은 소폭(-1 kV/mm) 하락함으로써, 열전도도와 절연 전압의 적절한 범위를 요구하는 응용 제품에 사용할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 2에 의해 3 layer 구조의 ZnAl₂O₄/Cu/ZnAl₂O₄는 열전도도 2.5 W/mk, 절연전압 10 kV/mm였다. 비교예의 방열시트에 비해 Cu 방열시트의 사용으로 열전도도는 증가하였며, Cu 방열시트의 상하에 2개의 ZnAl₂O₄ 방열시트로 인해 절연전압은 소폭(+1 kV/mm) 상승하였다.

즉, 본 발명의 실시예 1 및 2는 적절한 절연전압을 유지하면서 열전도도 역시 높은 수준을 유지함으로써, 절연성이 필요한 제품에 사용이 가능하다.

10 : 제1시트
20 : 제2시트
30 : 제3시트
100 : 제1실시예의 방열시트
200 : 제2실시예의 방열시트

Claims (5)

1. 제1시트, 제2시트 및 제3시트의 순서대로 적층된 방열시트에 있어서,
   상기 제1시트 및 제3시트는, 고분자 수지 및 필러로서 ZnAl₂O₄를 포함하여 이루어지며,
   상기 제2시트는 고분자 수지 및 필러로서 Cu를 포함하여 이루어지며,
   상기 제1시트 및 제3시트는, 각 시트의 총중량 중 ZnAl₂O₄를 포함하는 필러 총량이 50 ~ 80 중량%인 것을 특징으로 하는 방열시트.
   
2. 삭제
3. 제1항에서, 상기 고분자 수지는 에폭시계 수지 또는 우레탄계 수지인 것을 특징으로 하는 방열시트.
   
4. 삭제
5. 삭제

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