KR102115349B1

KR102115349B1 - 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하는 방열접착제

Info

Publication number: KR102115349B1
Application number: KR1020180040094A
Authority: KR
Inventors: 주제욱; 장창국; 송선자; 송승원
Original assignee: 주식회사 영일프레시젼
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2020-05-26
Also published as: US20190309197A1; KR20190117056A

Abstract

본 발명은 에폭시 수지를 포함하는 수지 성분 및 무기필러를 포함하는 방열접착제에 있어서, 상기 무기필러에 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하는 방열접착제에 관한 기술이다.

Description

테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하는 방열접착제{Thermal adhesive containing tetrapod ZnO and alumina nanofiber}

본 발명은 방열접착제에 관한 기술로서, 종래 방열접착제에 비해 우수한 열전도도를 갖는 방열접착제 조성물에 관한 기술이다. 특히, 본 발명은 방열접착제의 성분 중 열전달을 담당하는 무기필러에 관한 기술이다.

방열접착제는 접착제 역할과 함께 방열 기능을 갖는 물질이다. 방열접착제는 다양한 분야의 제품에 사용 가능하지만, 이하에서는 LED를 예로 하여 설명하기로 한다.

광원소자인 LED 램프는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 다이오드의 한가지로, 초기에 낮은 휘도와 색깔 구현의 한계가 있었으나, 현재는 새로운 발광 다이오드 재료와 진보된 생산기술로 백색을 포함한 가시광선 영역의 모든 색깔을 구현할 수 있다. 이러한 고휘도, 고효율, 다양한 색깔의 발광 다이오드는 이미 대형 전광판, 비상등, 교통 신호등 등에 널리 응용되고 있다. 종래에 사용되고 있는 LED 방열구조는 LED 램프에서 발생하는 열의 대부분을 LED 하우징 내에 삽입되어 있는 히트싱크슬러그를 통하여 회로기판 상의 접속부로 전달하고, 다시 회로기판 하부의 철판 등 열전도성이 우수한 금속판으로 전도되어 금속판 배면의 넓은 면적을 통하여 외부로 열을 방출하도록 구성되어 있다. 이러한 구조는 열전도도가 우수한 금속을 이용함으로 LED 램프가 밀집된 영역에서 발생한 열을 빠른 시간 내에 금속판 전면으로 전도, 확산시켜 단위면적당 발열량을 줄일 수 있지만, 기존 열전도성이 우수한 금속의 열전도계수 향상에 한계성이 있다. 방열접착제는 인쇄 회로 기판상에 발열이 심한 LED 발광 소자 등의 접착을 위하여 널리 사용되고 있다. 종래의 방열접착제는 주로 방열성을 갖는 분말(무기필러)에 바인더, 유기용제 및 첨가제 등을 첨가하여 페이스트 상으로 혼합되어 제조되었다.

방열접착제에 관한 종래 특허로, 특허공개 제10-2018-0022714호에서는 에폭시 수지, 경화제, 및 무기 필러를 함유하여 이루어지고, 80℃에서의 복소 점도가 1 × 10³ Pa·s ~ 5 × 10⁶Pa·s의 범위내인, 방열 재료 접착용 조성물을 공개하고 있다.

또한, 특허등록 제10-1732965호에서는 분산제가 표면 코팅 처리된 입자 크기 1 내지 4㎛인 마이크로 실버 파우더가 함유된 제1 실버 졸(sol) 100 중량부, 상기 제1 실버 졸과 별도로 분산제가 선표면 코팅 처리된 입자 크기 200 내지 600㎚인 나노 실버 파우더가 함유된 제 2실버 졸(sol) 20 내지 30 중량부, 에폭시 당량이 150 내지 200인 에폭시 수지(epoxy resin) 5 내지 10 중량부, 열경화제 0.1 내지 0.3 중량부인 고방열 실버 페이스트를 공개하고 있다.

또한, 특허등록 제10-1704728호에서는 초음파로 개질된 팽창그라파이트를 포함하는 고방열 접착제 조성물을 공개하고 있다.

또한, 특허등록 제10-1324481호에서는 주제 및 경화제가 혼합되는 방열 접착제 조성물에 있어서, 상기 주제는 알루미나, 비스페놀 A와 에피클로로히드린(epichlorohydrin)과의 반응생성물, 첨가제, 유기용매, 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 접착제 조성물을 공개하고 있다.

특허공개 제10-2018-0022714호 특허등록 제10-1732965호 특허등록 제10-1704728호 특허등록 제10-1324481호

본 발명의 목적은 적은 양으로도 우수한 방열효과를 가질 수 있는 방열접착제를 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 신규한 무기필러 조합을 통해 고열전도도의 방열접착제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 2가지 이상의 무기필러의 조합을 통해 고열전도도의 방열접착제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 에폭시 수지를 포함하는 수지 성분 및 무기필러를 포함하는 방열접착제에 있어서, 상기 무기필러는 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열접착제를 제공한다.

특히, 상기 무기필러는 구형의 알루미나, AlN 및 BN 중에서 선택되는 하나 이상의 무기필러를 더 포함할 수 있다.

특히, 상기 AlN 및 BN은 각각 AlN 나노파이버 및 BN 나노파이버일 수 있다.

특히, 상기 수지 성분에는 경화제 및 촉매를 더 포함할 수 있다.

특히, 상기 수지 성분은 소포제 및 분산제 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

특히, 상기 무기필러는 방열접착제 총량 중 70 ~ 95 중량%로 사용될 수 있다.

특히, 상기 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버의 합계 총량은 방열접착제 총량 중 1 ~ 10 중량%로 사용될 수 있다.

본 발명의 방법으로 제조된 방열접착제는 소량의 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하여도 매우 높은 열전도도 상승효과를 갖는다. 예를 들어, 실시예에 따라 열전도도가 비교예에 비해 약 2배 ~ 4배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 위와 같은 열전도도의 증가는 많은 양의 테트라포드 산화아연과 알루미늄 나노파이버를 사용하지 않아도 달성된다는 점에서 의의가 있다.

본 발명에서는 에폭시를 포함하는 수지 성분 및 무기필러를 포함하는 방열접착제를 제공한다.

본 발명에서 수지 성분은 에폭시를 필수 성분으로 하여, 경화제(polyetheramine 등), 촉매, 소포제 및 분산제 등의 성분을 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 무기필러는 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 사용하는 것을 특징으로 한다.

테트라포드 산화아연(T-ZnO)은 4개의 다리를 갖는 산화아연으로서, Zn 파우더를 산소 존재 하 800℃ 이상으로 가열하여 제조할 수 있다. 테트라포드 산화아연은 본 발명의 방열접착제 내에서 다리 구조의 특이성으로 인해 무기필러 사이에서의 열전달이 효율적으로 일어나도록 한다.

알루미나 나노파이버(나노튜브)는 흡착력이 높아 암 진단용 동위원소인 테크네튬-99m 제조용 흡착제로 사용되나, 본 발명에서는 무기필러로 사용한다. 알루미나 나노파이버는 전기방사를 통해 제조될 수도 있으며, 염화나트륨 등 전해질 수용액을 5~15V의 전압이 걸린 알루미늄 금속 전극과 접촉시켜 제조될 수도 있다. 알루미나 나노파이버는 종래 잘 알려진 물질이므로, 본 발명에서는 알루미나 나노파이버의 제조 방법에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 본 발명에서 알루미나 나노파이버는 그 튜브 구조로 인해 열전달이 잘 일어나도록 할 수 있다.

본 발명은 위와 같이 테트라포드 산화아연과 알루미나 나노파이버를 동시에 무기필러로 사용하는 경우 높은 열전도도 향상이 이루어진다는 점을 발견하여 완성된 기술이다.

본 발명에서 무기필러는 통상적인 무기필러인 AlN, BN 및 구형의 알루미나(본 발명에서 "구형의 알루미나"는 "알루미나 나노파이버"가 아닌 통상의 알루미나를 의미)를 함께 사용할 수 있으며, 상기 AlN와 BN은 각각 나노파이버(나노튜브) 일 수 있다. 특히, 본 발명에서는 통상의 무기필러에 소량의 테트라포드 산화아연과 알루미나 나노파이버를 첨가하여도 열전도도가 매우 높게 증가하는 것을 사전 실험에서 확인하였으며, 이에 따라 이하 실시예에서는 고가의 테트라포드 산화아연이나 알루미나 나노파이버는 소량 사용하여 실험하였다. 상기 무기필러는 전체 방열접착제 총량 중 70 ~ 95 중량%로 포함되어 있는 것이 바람직하나, 필요에 따라 상기 범위 이외의 함량으로도 사용 가능하다.

이하에서는 비교예 및 실시예 1 내지 4의 5가지 방열접착제 샘플을 제조하여 열전도도를 비교 실험하였다.

비교예

		형상	사이즈(㎛)	함량	열전도도(W/mK)
필러	Al₂O₃	구형	10~20	87.3	4.95
	AlN	구형	30	2.37
	BN	무정형	0.5	3.75
수지 (에폭시 + 경화제 +촉매)				6.58

비교예에서는 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하지 않는 종래의 방열접착제이다. 에폭시로 Dow Chemical사의 상용제품인 DER 732, 경화제로는 HUNTSMAN사의 상용제품인 JEFFAMINE T-403(폴리에테르아민계 화합물), 촉매로는 HUNTSMAN사의 JEFFCAT^®ZF-20(bis-(2-dimethylaminoethyl)ether)를 사용하였다. 기타 미량의 분산제와 소포제를 상기 방열접착제에 첨가하였다. 이하 실시예들에서도 수지 성분은 동일하게 사용하였다. 열전도도는 GE사의 DynTIM 장비를 이용하여 측정하였다.

비교예의 방열접착제의 열전도도를 측정한 결과 4.95 W/mK를 나타냈다.

실시예 1

		형상	사이즈(㎛)	함량	열전도도(W/mK)
필러	Al₂O₃	구형	10~20	84.3	9.56
	AlN	구형	30	2.37
	BN	무정형	0.5	3.75
	Al₂O₃nanofiber	튜브		0.75
	T-ZnO	테트라포드		2.25
수지				6.58

실시예 1에서는 Zn/Carbon을 1000 ~ 1400℃ 오븐에 투입 후 2 ~ 10시간 소결하여 테트라포드 산화아연을 제조하여 사용하였으며, 알루미나 나노파이버는 직경 2 ~ 5 nm, 길이 200 ~ 500 nm, 종횡비(aspect ratio) 40 ~ 100의 고종횡비의 알루미나 나노파이버를 위 함량으로 더 첨가하여 제조하였다.

그 결과 비교예에 비하여 실시예 1의 방열접착제의 열전도도가 두 배 가까이 향상되어, 9.56 W/mK를 나타냈다.

실시예 2

		형상	사이즈(㎛)	함량	열전도도(W/mK)
필러	Al₂O₃	구형	10~20	84.3	11.87
	AlN	구형	30	2.37
	BN	무정형	0.5	2.25
	Al₂O₃nanofiber	튜브		0.75
	T-ZnO	테트라포드		2.25
수지				8.08

실시예 2에서는 실시예 1과는 달리 BN의 양을 줄여서 실험하였으며, BN의 양을 줄임으로써, 테트라포드 산화아연과 알루미나 나노파이버의 분산도가 높아질 것으로 예상하였다.

그 결과 열전도도는 11.87 W/mK로서 비교예에 비해 월등히 높았으며, 실시예 1에 비해서도 높은 수치를 보였다.

실시예 3

		형상	사이즈(㎛)	함량	열전도도(W/mK)
필러	Al₂O₃	구형	10~20	84.3	15.58
	AlN	구형	30	2.37
	BN	무정형	0.5	0.75
	Al₂O₃nanofiber	튜브		0.75
	T-ZnO	테트라포드		2.25
수지				9.58

실시예 3에서는 실시예 2에 비해 BN의 양을 더 줄여서 실험하였으며, 그 결과 열전도도는 15.58 W/mK로서 비교예에 비해 월등히 높았으며, 실시예 1에 비해서도 다소 높은 수치를 보였다.

실시예 4

		형상	사이즈(㎛)	함량	열전도도(W/mK)
필러	Al₂O₃	구형	10~20	84.3	16.5
	AlN	구형	30	2.37
	BN	무정형	0.5	0.75
	Al₂O₃ nanofiber	튜브		0.75
	T-ZnO	테트라포드		3.0
수지				8.83

실시예 4에서는 테트라포드 산화아연의 함량을 실시예 3에 비해 증가시켰으며, 그 결과 열전도도는 16.5 W/mK로 상승하였다.

위 실시예들의 실험 결과, 본 발명의 테트라포드 산화아연과 알루미나 나노파이버는 소량만 사용되어도 매우 높은 열전도도 증가 효과를 보임을 알 수 있었다. 따라서 가격면 및 물리적 물성 등을 고려하면 알루미나 나노파이버와 테트라포드 산화아연의 함량은 전체 방열접착제의 총량 중 10% 이내, 예를 들어, 1 ~ 10 중량%로 사용되어도 높은 열전도도 향상 효과를 얻을 수 있다.

Claims

에폭시 수지를 포함하는 수지 성분 및 무기필러를 포함하는 방열접착제에 있어서,
상기 무기필러는 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버를 포함하며,
상기 테트라포드 산화아연 및 알루미나 나노파이버의 합계 총량은 방열접착제 총량 중 1 ~ 10 중량%인 방열접착제.
제1항에서, 상기 무기필러는 구형의 알루미나, AlN(Aluminium Nitride) 및 BN(Boron Nitride) 중에서 선택되는 하나 이상의 무기필러를 더 포함하는 방열접착제.
제2항에서, 상기 AlN(Aluminium Nitride)과 BN(Boron Nitride)은 AlN 나노파이버와 BN 나노파이버인 방열접착제.
제1항에서, 상기 수지 성분에는 경화제 및 촉매를 더 포함하는 방열접착제.
제1항에서, 상기 수지 성분은 소포제 및 분산제 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 방열접착제.
제1항에서, 상기 무기필러는 방열접착제 총량 중 70 ~ 95 중량%로 포함되는 방열접착제.
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