KR102079434B1 - 금속과 비금속의 복합된 방열성 필러 - Google Patents

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Abstract

금속과 비금속의 복합된 방열성 필러가 게시된다. 본 발명의 방열성 필러는 충진핵; 및 상기 충진핵을 둘러싸고 있는 충진 껍질을 포함한다. 상기 충진핵은 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체이다. 그리고, 상기 충진 껍질은 제2 비금속 물질로 형성된다. 그 결과, 본 발명의 방열성 필러는 적절한 전기 절연성을 가지면서도 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가진다.

Description

금속과 비금속의 복합된 방열성 필러{HEAT DISSPATING FILLER WITH MIXING METAL AND NON-METAL}
본 발명은 방열성 필러에 관한 것으로서, 특히, 적절한 전기 절연성을 가지면서도, 높은 열전도성과 높은 EMI(Electro-Magnetic Interference) 차단 효과를 가지는 방열성 필러에 관한 것이다.
최근, 전자기기들이 소형화, 고성능화되어 감에 따라, 기기 내부에 발열 소자들이 밀집되어 배치된다. 이에 따라, 효율적인 냉각 방법이 요구된다. 또한, 2차 전지를 동력원으로 하는 전기 자동차의 경우에도, 주행시 2차 전지에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위한 방법이 필요하다.
일반적으로, 전자기기나 2차 전지로부터 발생하는 열을 공기 중으로 방열하기 위하여, 실리콘계 수지나 에폭시계 수지 등에 높은 열전도율을 가지는 방열성 필러를 분산시킨 열전도성 폴리머 복합재가 사용된다.
이때, 열전도성 폴리머 복합재에 적용되는 방열성 필러로는, 알루미늄 등의 금속 입자 또는 알루미나 등의 비금속 입자가 사용될 수 있다.
그런데, 알루미늄 등의 금속 입자가 방열성 필러로 사용되는 열전도성 폴리머 복합재는 열전도성은 높으나, 전기 절연성이 매우 약해 ESD(Electro Static Discharge) 현상이 발생할 수 있는 단점이 있다.
그리고 알루미나 등의 비금속 입자가 방열성 필러로 사용되는 열전도성 폴리머 복합제는 전기 절연성은 높으나, 열전도성이 낮으며, EMI 차단 효과가 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 적절한 전기 절연성이 가지면서도, 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가지는 방열성 필러의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로, 적절한 전기 절연성이 가지면서도, 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가지는 방열성 필러를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 방열성 필러에 관한 것이다. 본 발명의 방열성 필러는 충진핵; 및 상기 충진핵을 둘러싸고 있는 충진 껍질을 포함한다. 상기 충진핵은 상기 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체이다. 그리고, 상기 충진 껍질은 제2 비금속 물질로 형성된다. 이때, 상기 제1 비금속 물질의 다공성 성형체에는 상기 금속 물질의 용융액이 함침으로 침투되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 방열성 필러는 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체의 충진핵과 비금속 물질의 충진 껍질로 이루어진다. 그 결과, 본 발명의 방열성 필러는 적절한 전기 절연성을 가지면서도 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가진다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방열성 필러를 충진제로 사용한 복합 시트의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 방열성 필러의 제조 방법의 예를 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2에 사용되는 다공성 성형체에서의 공극 및 함침을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 함침 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 방열성 필러에 대한 SEM 사진이다.
도 6은 도 1의 방열성 필러의 EMI 차단 효과를 나타내는 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
그리고, 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다. 또한, 하기의 설명에서, 구체적인 처리흐름과 같은 많은 특정 상세들은 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 기술된다. 그러나, 이들 특정 상세들 없이도, 본 발명의 실시될 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
*이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
(방열성 필러의 구조)
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방열성 필러를 충진제로 사용한 복합 시트의 단면을 나타내는 단면도이다. 도 1에서는, 이상적인 경우의 방열성 필러의 단면을 나타낸다.
본 발명의 방열성 필러(PUD)는 충진핵(NC)과 충진 껍질(DM)을 포함한다. 상기 충진핵(NC)과 서로 상이한 물질로 형성되는 상기 충진 껍질(DM)은 상기 충진핵(NC)의 적어도 일부를 싸고 있도록 형성된다.
도 1에서는, 상기 충진핵(NC)의 단면은 원으로 형태이다. 하지만, 상기 충진핵(NC)의 단면은 타원 또는 다른 폐곡선의 형태일 수도 있다.
이때, 상기 충진핵(NC)은 공극(11, 도 3의 (a) 참조)에 상기 금속 용융액(20, 도 3의 (b) 참조)이 함침으로 침투된 상기 제1 비금속 물질의 상기 다공성 성형체(10)가 분쇄된 혼합 분말의 응결체이다.
이에 따라, 상기 충진핵(NC)은 공극이 금속 물질로 채워짐으로써, 본 발명의 방열성 필러(PUD)는 더욱 효과적으로 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가지게 된다.
바람직하기로는, 상기 제1 비금속 물질은 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2) 및 질화 붕소(BN) 중의 적어도 어느 하나를 포함한다. 그리고, 상기 금속 물질은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 주석(Sn) 납(Pb) 및 니켈(Ni) 중의 어느 하나의 금속 물질 또는 이들의 합금이다.
그리고 상기 충진 껍질(DM)은 제2 비금속 물질로 형성된다.
바람직하기로는, 상기 제2 비금속 물질도, 상기 제1 비금속 물질과 마찬가지로, 은 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2) 및 질화 붕소(BN) 중의 적어도 어느 하나를 포함한다. 이때, 상기 제2 비금속 물질은 상기 제1 비금속 물질과 동일하거나 상이한 물질일 수 있다.
(방열성 필러의 제조 방법)
도 2는 도 1의 방열성 필러의 제조 방법의 예를 나타내는 순서도이다. 도 2을 참조하면, 방열성 필러의 제조 방법은 충진핵 형성공정(S10) 및 충진 껍질 형성 공정(S20)을 구비한다.
상기 충진핵 형성 공정(S10)에서는, 구(sphere)형의 충진핵(NC)이 형성된다.
상기 충진핵 형성 공정(S10)은 구체적으로 베이스 준비 단계(S100), 함침 단계(S200), 응고 단계(S300), 분쇄 단계(S400) 및 응결 단계(S500)를 구비한다.
상기 베이스 준비 단계(S100)에서는, 다공성 성형체(10)가 준비된다(도 2의 (a) 참조). 이때, 상기 다공성 성형체(10)는 제1 비금속 물질로 이루어진다. 바람직하기로는, 상기 제1 비금속 물질은 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2) 및 질화 붕소(BN) 중의 적어도 어느 하나를 포함한다.
이때, 상기 다공성 성형체(10)에는, 다수개의 공극(11)들이 형성된다..
상기 함침 단계(S200)에서는, 상기 금속 용융액(20)에 상기 다공성 성형체(10)가 담긴다. 예로서, 도 4에서와 같이, 금형(31) 속에 채워진 상기 금속 용융액(20) 속에 상기 다공성 성형체(10)가 담긴다. 이에 따라, 상기 다공성 성형체(10)는 상기 금속 용융액(20)에 젖게 된다. 물론, 상기 다공성 성형체(10)에 상기 금속 용융액(20)을 부어, 상기 다공성 성형체(10)가 상기 금속 용융액(20)에 젖게 할 수도 있다. 이때, 상기 금속 용융액(20)은 금속 물질이 용융되어 형성된다.
바람직하기로는, 상기 금속 용융액(20)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 주석(Sn) 납(Pb) 및 니켈(Ni) 중의 어느 하나의 금속 물질 또는 이들의 합금이 용융되어 형성된다.
상기 함침 단계(S200)에 의하여, 상기 다공성 성형체(10)의 공극(11)에는 상기 금속 용융액(20)이 침투된다(도 3의 (b) 참조).
상기 응고 단계(S300)에서는, 상기 금형(31)로부터 상기 다공성 성형체(10)가 취출되고, 상기 다공성 피함체(10)의 공극(11)에 함침된 상기 금속 용융액(20)이 응고된다.
상기 다공성 피함체(10)의 공극(11)에 함침된 상기 금속 용융액(20)의 응고는 시간의 경과를 통하여 이루어질 수 있다. 또한, 소요시간의 단축을 위하여 별도의 냉각 과정이 추가될 수도 있다.
그리고 상기 분쇄 단계(S400)에서는, 공극(11)에 함침된 상기 금속 용융액(20)이 응고된 상기 다공성 성형체(10)가 분쇄되어 복합 분말이 생성된다. 이러한 다공성 성형체(10)의 분쇄는 기계적으로 수행될 수 있으며, 또한, 초음파 등을 이용해 수행될 수도 있다.
그리고, 상기 응결 단계(S500)에서는, 상기 복합 분말이 응결(凝結)된다.
즉, 상기 응결 단계(S500)을 통하여 상기 금속 물질이 침투된 상기 제1 비금속 물질의 상기 다공성 성형체(10)가 분쇄된 혼합 분말의 응결체인 상기 충진핵(NC)가 획득된다.
이어서, 상기 충진 껍질 형성공정(S20)에서, 상기 충진핵(NC)의 표면을 둘러싸는 충진 껍질(DM)이 형성된다. 이때, 상기 충진 껍질(DM)은 제2 비금속 물질로 형성된다.
바람직하기로는, 상기 제2 비금속 물질도, 상기 제1 비금속 물질과 마찬가지로, 은 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2) 및 질화 붕소(BN) 중의 적어도 어느 하나를 포함한다. 이때, 상기 제2 비금속 물질은 상기 제1 비금속 물질과 동일하거나 상이한 물질일 수 있다.
이러한, 상기 충진 껍질 형성공정(S20)은 당업자에게는 자명하므로, 본 명세서에서는, 이에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
상기 충진 껍질 형성공정(S20)을 통하여, 상기 금속 물질(21)이 침투된 상기 제1 비금속 물질(23)의 상기 다공성 성형체(10)가 분쇄된 혼합 분말의 응결체인 상기 충진핵(NC)과 상기 충진핵(NC)의 표면을 둘러싸는 제2 비금속 물질(25)의 충진 껍질(DM)으로 구성되는 방열성 필러(PUD)가 획득된다.
한편, 도 2의 방열성 필러 제조 방법에 의하여, 본 발명의 방열성 필러가 생성되었음은 도 5의 SEM 사진을 통하여 확인할 수 있다.
도 5는 도 2의 방열성 필러의 제조 방법에 의하여 형성된 본 발명의 방열성 필러에 대한 SEM 사진이다.
본 실시예에서, 본 발명의 방열성 필러(PUD)에서 충진 껍질(DM)을 구성하는 상기 다공성 성형체(10)는 알루미나(Al2O3)로 형성되며, 충진핵(NC)을 구성하는 상기 금속 용융액(20)은 알루미늄(Al)이 용융되어 형성된다.
도 5에서, (a)는 주시 영역 범위에서의 전체 물질에 대한 SEM 사진으로서, 흰색으로 나타나는 부분은 방열성 필러(PUD)의 충진핵(NC)의 금속 물질이며, 회색으로 나타나는 부분은 방열성 필러(PUD)의 충진핵(NC)과 충진 껍질(DM)의 비금속 물질이다.
도 5에서, (b)는 상기 주시 영역 범위에서의 알루미늄(Al) 원소에 대한 SEM 사진이다. 이를 통하여, 본 발명의 방열성 필러(PUD)의 충진핵(NC)이 알루미늄(Al)이 침투한 알루미나(Al2O3)의 다공성 성형체(10)의 분쇄된 혼합 분말의 응결체로 이루어져 있음이 확인될 수 있다.
도 5에서, (c)는 상기 주시 영역 범위에서의 산소(O) 원소에 대한 SEM 사진으로서, 본 발명의 다공성 성형체(10)의 구성하는 알루미나(Al2O3)의 산소(O) 원소에 대한 SEM 사진이다. 도 5의 (c)를 통하여, 본 발명의 방열성 필러(PUD)의 충진 껍질(DM)이 비금속으로 이루어져 있음이 확인될 수 있다.
(열전도성 충진제로 사용된 방열성 필러의 특성평가)
상기와 같이, 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체인 충진핵(NC)과 비금속 물질의 충진 껍질(DM)로 이루어지는 본 발명의 방열성 필러(PUD)는 높은 EMI 차단 효과, 상당한 전기 절연성, 높은 열전도성을 가지며, 열전도성 충진제, 방열 시트, 방열 테이프 등에 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 방열성 필러의 EMI 차단 효과를 나타내는 그래프이다. 도 6에는, 본 발명의 방열성 필러, Mn-Zn 페라이트(Ferrite) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; polyethylene terephalate)으로 막을 형성하여 EMI 차단 효과를 실험하였다.
도 6을 통하여, 본 발명의 방열성 필러로 형성되는 막은 Mn-Zn 페라이트(Ferrite) 나 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; polyethylene terephalate)로 형성되는 막들에 비하여 높은 EMI 차단 효과가 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 방열성 필러는 높은 EMI 차단(shielding) 효과를 가짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 방열성 필러는 높은 절연성을 가진다.
(표 1)은 본 발명의 방열성 필러를 사용한 경우의 저항율을 다른 물질들과 비교한 표이다.
Mn-Zn 페라이트 Sendust 본 발명
저항율(Ω·m)
 4.98 x 104 2.65 x 106 1.52 x 109
즉, 본 발명의 방열성 필러는 Mn-Zn 페라이트(Ferrite) 나 센더스트(Sendust)에 비하여 상대적으로 높은 전기 절연성을 가짐을 알 수 있다.
한편, 전부 비금속으로 구성되는 방열성 필러는 상대적으로 높은 전기 절연성을 가진다. 하지만, 이 경우, 전하들이 절연체인 방열성 필러에 누적되고, 이로 인하여 방열성 필러를 사용한 제품이 ESD 현상으로 인해 파손될 수 있다.
그리고, 전부 금속으로 구성되는 방열성 필러의 경우에도, ESD 현상에 의하여 제품이 파손될 수 있다.
이러한 점들은 고려하면, 본 발명의 방열성 필러는, 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체의 충진핵(NC)와 비금속 성분의 충진 껍질(DM)로 구성되므로, 적절한 전기 절연성을 가진다.
즉, 본 발명의 방열성 필러의 경우, 적절한 전기 절연성을 가지므로, 상대적으로 높은 ESD 차단 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명의 방열성 필러는 높은 열전도율(thermal conductivity)을 가진다.
(표 2)은 본 발명의 방열성 필러의 열전도성을 알루미나와 비교한 표로서, 방열성 필러가 80wt% 로 사용된 경우이다.
알루미나 본 발명
열전도율 1.4 W/mK 2.0 W/mK
즉, 본 발명의 방열성 필러는 알루미나에 비하여 높은 열전도율을 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 방열성 필러는 금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체의 충진핵과 비금속 물질의 충진 껍질로 이루어진다. 그 결과, 본 발명의 방열성 필러는 적절한 전기 절연성을 가지면서도 높은 열전도성 및 EMI 차단효과를 가진다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 방열성 필러에 있어서,
    충진핵; 및
    상기 충진핵을 둘러싸고 있는 충진 껍질을 포함하며,
    상기 충진핵은
    금속 물질이 침투된 제1 비금속 물질의 다공성 성형체가 분쇄된 혼합 분말의 응결체이며,
    상기 충진 껍질은
    제2 비금속 물질로 형성되며,
    상기 제1 비금속 물질의 다공성 성형체에는
    상기 금속 물질의 용융액이 함침으로 침투되어 있는 것을 특징으로 하는 방열성 필러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 물질은
    구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 주석(Sn) 납(Pb) 및 니켈(Ni) 중의 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열성 필러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 비금속 물질은
    알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2) 및 질화 붕소(BN) 중의 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열성 필러.
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