KR102049600B1 - 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로미터 사이즈의 분말로 이루어진 세라믹 필러를 준비하는 필러 준비단계; 상기 세라믹 필러를 나노미터 사이즈의 나노 분체로 제조하는 분체 제조단계; 상기 제조된 나노 분체를 구형화하는 분체 구형화단계; 상기 구형화된 나노 분체를 열경화성 접착수지에 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계; 상기 제조된 혼합물을 박막의 필름 형태로 제조하여 방열필름을 완성하는 필름 제조단계;가 순차적으로 진행됨을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법이 제공되며, 이를 통해 세라믹 필러의 나노화 및 구형화가 가능함과 더불어 최밀 충전이 가능하여 방열 효율의 향상을 이룰 수 있도록 한 것이다.
Description
본 발명은 세라믹 방열필름에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 세라믹 필러의 나노화 및 구형화를 통해 최밀 충전을 이룰 수 있도록 하여 방열 효율의 향상을 이룰 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 LED 및 IC 칩, PCB 등 각종 전자제품의 열 발생 부품에는 방열 효율을 향상시키기 위한 계면 재료가 적용되고 있으며, 이러한 계면 재료는 패드/시트, 박막 필름 및 테이프, 액상의 그리스, 접착제 등 다양한 형태 및 용도로 제공되면서 각각의 용도에 따라 채용된다.
특히, LED 등 소형부품과 진동 등이 심한 자동차 적용 부품의 경우 박막의 접착필름의 채용이 증가하고 있으며, 이에 따라 최근에는 상기 접착필름의 방열 효과를 더욱 높일 수 있도록 하기 위한 기술이 다양하게 연구되고 있다.
이때, 상기 방열 성능을 가지는 접착필름(방열필름)은 통상 열전도성 물질을 미세한 입자의 분말로 분쇄한 후 이렇게 분쇄된 분말을 수지에 혼합시켜 필름 형태로 형성하며, 이러한 필름의 양측 표면에 접착층을 각각 형성함으로써 만들어진다.
이에 관련하여는 등록특허 제10-1274975호, 등록특허 제10-1734324호, 한국공개특허 제10-2017-0127186호 등에 제시되고 있는 바와 같다.
그러나, 전술된 종래의 기술들은 열전도성 물질의 분말화를 위한 분쇄 작업이 단순히 볼밀 작업으로만 이루어짐에 따라 입자의 형태가 고르지 못하고 길이가 길거나 울퉁불퉁한 형태 등을 이루는 경향이 많이 있었으며, 이로써, 최밀 충전을 이루지 못함으로써 방열성능을 향상시키는데 한계가 있었다.
또한, 상기 접착층이 각각 별도로 제공되는 필름의 경우 접착층 부위에서 열저항이 발생하여 방열 특성을 저하시키는 요소로 작용한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술된 종래 기술에 따른 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 세라믹 필러의 나노화 및 구형화를 통해 최밀 충전을 이룰 수 있도록 하여 방열 효율의 향상을 이룰 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법에 따르면 출발원료 입도로 50㎛ 이상의 산화물 혹은, 질화물 세라믹 입자를 수직형 어트리션밀을 사용하여 1차 분쇄한 후 고성능 볼밀과 초미립 분쇄매체를 적용하여 2차 분쇄함으로써 100nm 이하의 세라믹 나노 분체로 제조하는 분체 제조단계; 상기 제조된 나노 분체를 2500℃ 이상의 수직 방향 화염을 제공하는 구상화로에 분사 방식으로 상기 화염의 중앙을 향해 투입하여 구형함으로써 세라믹 필러로 완성하는 분체 구형화단계; 상기 구형화된 나노 분체의 세라믹 필러를 열경화성 접착수지에 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계; 상기 제조된 혼합물을 박막의 필름 형태로 제조하여 방열필름을 완성하는 필름 제조단계;가 순차적으로 진행되며, 상기 혼합물 제조단계에서 상기 세라믹 필러는 서로 입도가 다른 2종 이상으로 구분하여 제공함과 더불어 서로의 배합비를 선정한 후 세라믹 필러 기준 15Wt% 이하의 실란계 커플링제를 사용하여 150℃ 온도에서 3시간 동안 처리한 후, 48시간 동결 건조하여 제조됨을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구형화단계는 상기 나노 분체를 방사시킴과 동시에 해당 나노 분체에 열을 가하여 표면 일부가 용융되도록 하며, 상기 용융시 로내에 비산된 상태로 표면장력에 의한 구형 형상으로 변경되도록 한 다음 급속 냉각시킴으로써 치밀질의 세라믹 필러로 이루어질 수 있도록 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 분체는 불활성 가스인 질소에 의해 만들어진 분위기인 질화 분위기에서 내부 기체의 고압 순환을 통해 와류를 유도시키면서 방사되도록 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 세라믹 필러는 산화물계 세라믹 분말 혹은, 질화물계 세라믹 분말로 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 제조된 방열필름은 롤 형태로 권취하여 보관하거나 혹은, 시트형으로 일정 길이만큼 절단하여 적층 보관함을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 세라믹 필러의 입자가 나노 입자를 이루면서도 구형을 이룸에 따라 최밀 충전을 이룰 수 있게 되며, 이러한 세라믹 필러가 혼합되어 제조되는 방열필름의 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 세라믹 필러를 구형화하는 방법이 고온의 열을 이용한 표면 용융 및 분사 과정에서 서로 충돌하면서 마찰되도록 하여 수행됨에 따라 최대한 구형에 가까운 형상을 얻을 수 있게 되며, 이로써 최밀 충전이 가능하게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 별도의 접착체층이 따로 제공되는 구조가 아니라 접착수지에 구형화된 나노 분체를 혼합한 후 이를 이용하여 방열필름을 얻는 방식으로 제조하기 때문에 30㎛이하의 두께로 제조할 수 있으면서도 충분한 열전도도를 제공할 수 있게 된 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름 제조과정을 설명하기 위해 나타낸 개략적인 순서도
도 2는 세라믹 필러의 제공량 대비 열전도율을 설명하기 위해 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름 제조과정에 대한 설명 중 분체로 성형되기 전의 세라믹 필러를 나타낸 상태도
도 2는 세라믹 필러의 제공량 대비 열전도율을 설명하기 위해 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름 제조과정에 대한 설명 중 분체로 성형되기 전의 세라믹 필러를 나타낸 상태도
이하, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름 제조과정을 설명하기 위해 나타낸 개략적인 순서도이다.
이를 토대로 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 크게 필러 준비단계(S100)와, 나노분체 제조단계(S200)와, 분체 구형화단계(S300)와, 혼합물 제조단계(S400) 및 필름 제조단계(S500)가 순차적으로 진행되어 이루어지며, 특히 상기 분체 구형화단계(S300)를 통해 나노 크기의 세라믹 필러가 구형화를 이룰 수 있도록 하여 최밀 충전을 이룰 수 있도록 하고, 이를 통해 방열 성능이 향상된 방열필름을 얻을 수 있도록 한 것이다.
이러한 각 단계에 대한 설명을 세라믹 나노융복합 방열필름에 대한 제조 과정을 토대로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 필러 준비단계(S100)를 통해 마이크로미터(㎛) 사이즈(예컨대, 평균입도 50~60㎛ 정도)의 분말 상태로 제공되는 세라믹 필러를 준비한다.
이때, 상기 세라믹 필러는 산화물계의 세라믹 혹은, 질화물계 세라믹이 될 수 있다.
여기서, 상기 산화물계 세라믹은 Al2O3, SiO2, MgO 등이 있으나, SiO2의 경우 열전도율이 낮고, MgO의 경우 열전도율은 높으나 수화반응이 있기 때문에 저렴하면서도 열전도율이 높은 Al2O3를 이용함이 바람직하다. 특히, 상기 세라믹 필러는 상기 Al2O3에 일부의 MgO를 첨가하여 만들어질 수도 있으며, 이를 통해 얻을 수 있는 전기 전도도에 관련하여는 첨부된 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같다.
또한, 상기 질화물계 세라믹은 BN, SiC, AlN, Si3N4 등이 있으나, 전기저항, 전기적 특성, 열전도도 등을 감안한다면 BN과 AlN을 이용함이 바람직하다.
한편, 상기 단계에서 준비되는 세라믹 필러는 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이 크기가 일정하지 않고 일부는 서로 뭉쳐진 형태의 비구형 구조로 제공된다.
그리고, 상기한 바와 같은 세라믹 필러의 준비가 완료되면 이 세라믹 필러를 나노미터(㎚) 사이즈의 나노 분체로 제조하는 나노 분체 제조단계(S200)를 수행한다.
이와 같은 분체 제조단계는 볼밀(ball-mill)을 이용하여 수행하며, 이를 통해 마이크로미터 사이즈의 세라믹 필러는 나노미터 사이즈의 나노 분체로 형성된다.
이러한 분체 제조는 출발원료 입도로 50㎛ 이상의 비교적 큰 산화물 혹은, 질화물 세라믹 입자를 분쇄하기 위하여 수직형 어트리션밀을 사용하여 1차 분쇄한 후, 고성능 볼밀과 초미립 분쇄매체를 적용한 2차 분쇄를 시행함으로써 100nm 이하의 세라믹 나노 분체를 탑-다운(top-down) 방식으로 제조한다.
다음으로, 상기 제조된 나노미터 사이즈의 나노 분체를 구형화하는 분체 구형화단계(S300)가 수행된다.
이와 같은 분체 구형화단계(S300)는 상기 나노 분체를 고압으로 방사시킴과 동시에 이렇게 방사되는 나노 분체에 고온의 열을 가하여 표면 일부가 용융되도록 함으로써 수행된다.
특히, 상기 나노 분체는 질화 분위기에서 내부 기체의 고압 순환을 통해 와류를 유도시키면서 방사되도록 한다.
즉, 나노 분체의 고압 방사에 의해 각 나노 입자들은 서로 흩어지면서 분사되며, 이러한 과정에서 고온의 열기로 인해 표면 중 각 모서리 부위가 용융됨과 더불어 와류식의 분사로 인한 각 입자 서로 간의 충돌로 인해 해당 입자들은 최대한 구형에 가까운 구형화를 이룰 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 질화 분위기라 함은 불활성 가스인 질소에 의해 만들어진 질소 분위기를 의미한다.
이때, 상기 질화 분위기라 함은 불활성 가스인 질소에 의해 만들어진 질소 분위기를 의미한다.
또한, 상기와 같이 표면 일부의 용융 및 각 입자 간의 마찰(충돌)에 의해 구형화된 나노 분체는 낙하하는 도중 주변 공기에 의해 냉각되면서 과도한 용융에 의한 서로 간의 붙음 현상은 방지되며, 이를 통해 구형화된 나노 분체를 얻을 수 있게 된다.
더욱 구체적으로는, 상기 나노 분체의 구형화 과정은 화염용융법에 의한 구상화로에 세라믹 원재료를 분사 방식으로 투입하여 구형의 세라믹 입자로 제조된다.
즉, 상기 구상화로에서는 2500℃ 이상의 수직 방향 화염을 만들고, 그 화염의 중앙으로 초미립 분말상의 세라믹 원재료를 분사하며, 이때 분사된 세라믹 원재료는 화염 내 체류하는 짧은 순간에 용융된 후 로 내로 비산된 상태에서 표면장력에 의하여 구형으로 형상이 변경되고, 그 상태로 급속 냉각시킴으로써 치밀질의 초미세 구형 세라믹 소재(세라믹 필러)가 만들어지게 된다.
이때, 상기 나노세라믹의 구형화를 위해 투입되는 세라믹 원재료와 상기 구형화된 상태의 세라믹 재료의 입도는 사실상 동일한 수준에서 형상만 구형으로 변형된다.
다음으로, 상기 구형화된 나노 분체는 혼합물 제조단계(S400)를 통해 혼합물로 제조된다.
즉, 상기 구형화된 나노 분체를 미리 준비된 열경화성 접착수지에 혼합함으로써 혼합물이 제조되는 것이다.
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다음으로, 상기 제조된 혼합물을 이용하여 방열필름을 제조하는 필름 제조단계(S500)가 수행된다.
이와 같은 필름 제조단계(S500)에서는 박막의 필름 형태로 제조하여 방열필름을 완성하게 된다.
특히, 상기와 같이 제조되는 방열필름은 열전도층을 사이에 두고 양측 외면에 접착제층을 형성하는 종래 방식과는 달리 접착제층과 열전도층이 단일체로 이루어지는 구조(접착 기능을 제공하면서도 열전도 기능을 제공하는 구조)이기 때문에 30㎛이하의 두께로 성형함이 가능하며, 이러한 두께로 형성하더라도 열전도도는 1.5~3.0(W/mK)를 이룰 수 있게 된다.
더욱 구체적으로는, 초미분의 구형화된 세라믹 필러를 수지와의 컴파운딩시 혼화성과 분산성을 증가시키기 위하여 실란계의 커필링제를 사용하여 친수성의 세라믹 필러 표면을 소수성으로 처리한다. 즉, 입도가 다른 2종 이상의 구형화된 세라믹 필러를 최적 배합비로 선정한 후 세라믹 기준 15wt% 이하의 커플링제를 사용하여 150℃ 이하 온도에서 3시간 동안 처리한 후 48시간 동안 동결 건조하여 전처리한다. 입자가 다른 세라믹 필러의 최적 배합비는 혼합시 세라믹 필러간 공극율을 최소화하는 기준으로 선정됨과 더불어 수지와의 배합시 점도 등을 고려하여 도출된다.
그리고, 우레탄-아크릴레이트 및 우레탄-에폭시 기반의 개발된 수지와 상기 전처리된 세라믹 필러를 고속 교반기에서 50℃, 40rpm 기준으로 2시간 이내 혼합하여 컴파운딩한 후 롤 공정을 1~2회 거쳐 두께를 조정한 다음 고진공에서 30분동안 탈포하여 최종 방열필름을 제조한다.
상기와 같이 제조된 방열필름은 롤(Roll) 형태로 권취하여 보관하거나 혹은, 시트형으로 일정 길이만큼 절단하여 적층 보관한다.
또한, 이렇게 제조된 방열필름은 LED나 IC, PCB 등 각종 전자부품의 열 발생 부위와 열 해소 구조 사이에 위치하는 계면재료로써 사용된다.
이상에서와 같이, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 세라믹 필러의 입자가 나노 입자를 이루면서도 구형을 이룸에 따라 최밀 충전을 이룰 수 있게 되며, 이러한 세라믹 필러가 혼합되어 제조되는 방열필름의 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 세라믹 필러를 구형화하는 방법이 고온의 열을 이용한 표면 용융 및 분사 과정에서 서로 충돌하면서 마찰되도록 하여 수행됨에 따라 최대한 구형에 가까운 형상을 얻을 수 있게 되며, 이로써 최밀 충전이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법은 별도의 접착체층이 따로 제공되는 구조가 아니라 접착수지에 구형화된 나노 분체를 혼합한 후 이를 이용하여 방열필름을 얻는 방식으로 제조하기 때문에 30㎛이하의 두께로 제조할 수 있으면서도 충분한 열전도도를 제공할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법에 의해 제조된 세라믹 나노융복합 방열필름은 LED 조명장치를 비롯한 LED 관련 다양한 제품에 적용되며, 특히 전자제품의 전체 두께 및 방열 구조의 설치 공간에 관련한 제약이 있는 경우 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (5)
- 출발원료 입도로 50㎛ 이상의 산화물 혹은, 질화물 세라믹 입자를 수직형 어트리션밀을 사용하여 1차 분쇄한 후 고성능 볼밀과 초미립 분쇄매체를 적용하여 2차 분쇄함으로써 100nm 이하의 세라믹 나노 분체로 제조하는 분체 제조단계;
상기 제조된 나노 분체를 2500℃ 이상의 수직 방향 화염을 제공하는 구상화로에 분사 방식으로 상기 화염의 중앙을 향해 투입하여 구형함으로써 세라믹 필러로 완성하는 분체 구형화단계;
상기 구형화된 나노 분체의 세라믹 필러를 열경화성 접착수지에 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계;
상기 제조된 혼합물을 박막의 필름 형태로 제조하여 방열필름을 완성하는 필름 제조단계;가 순차적으로 진행되며,
상기 혼합물 제조단계에서 상기 세라믹 필러는 서로 입도가 다른 2종 이상으로 구분하여 제공함과 더불어 서로의 배합비를 선정한 후 세라믹 필러 기준 15Wt% 이하의 실란계 커플링제를 사용하여 150℃ 온도에서 3시간 동안 처리한 후, 48시간 동결 건조하여 제조됨을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구형화단계는
상기 나노 분체를 방사시킴과 동시에 해당 나노 분체에 열을 가하여 표면 일부가 용융되도록 하며,
상기 용융시 로내에 비산된 상태로 표면장력에 의한 구형 형상으로 변경되도록 한 다음 급속 냉각시킴으로써 치밀질의 세라믹 필러로 이루어질 수 있도록 함을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 나노 분체는 불활성 가스인 질소에 의해 만들어진 분위기인 질화 분위기에서 내부 기체의 고압 순환을 통해 와류를 유도시키면서 방사되도록 함을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 필러는 산화물계 세라믹 분말 혹은, 질화물계 세라믹 분말로 이루어짐을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제조된 방열필름은 롤 형태로 권취하여 보관하거나 혹은, 시트형으로 일정 길이만큼 절단하여 적층 보관함을 특징으로 하는 세라믹 나노융복합 방열필름 제조방법.
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