KR102278841B1 - 3차원 열전달 폼 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

3차원 열전달 폼 구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 탄성을 가진 다공성 지지체, 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러 및 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 3차원 구조의 열전달 네트워크를 형성하고 이를 통해 다수의 열전달 경로를 제공하기 때문에 고함량의 방열 필러 충진이 없이 우수한 열전도성과 기계적 물성을 가지는 3차원 열전달 폼 구조체를 제공할 수 있다.

Description

3차원 열전달 폼 구조체 및 이의 제조방법{3D THERMALLY CONDUCTIVE FOAM STRUCTURE AND THE METHODS OF MAKING THE SAME}
본 발명은 3차원 열전달 폼 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 열전도성 구조체의 형성 및 이를 통한 다수의 열전달 경로를 가지는 방열 소재에 관한 것이다.
최근 자동차, 디스플레이, LED, 반도체 분야 등에서 고성능 및 고출력 제품에 대한 높은 수요에 따라 제품의 직접도가 증가하고 있다. 이러한 고집적화 제품이 개발될 수록 많은 열이 발생하게 되는데, 제품에 열이 축적되면 전기소모가 많아지고 수명감소와 같은 문제가 발생한다. 특히, EV(Electrical Vehicle) 배터리의 경우 고출력 및 고용량에 대한 수요가 증가함에 따라 방열 기술에 대한 문제가 커지고 있다. 고용량의 EV는 보다 많은 배터리 셀을 사용해야 하며, 고출력을 위해 고속 충전과 방전을 반복적으로 수행하게 된다. 이러한 충방전이 반복되면 국부적으로 혹은 전체적으로 고열이 발생하게 되며, 축적된 열은 배터리의 열폭주(thermal runaway) 현상이나 수명감소의 문제를 발생시킨다.
최근, 이러한 열을 제어하는 방열패드의 시장이 급속도로 성장하고 있으며, 관련 특허들이 많이 출원되고 있다.
일반적으로, 그동안 국내에서 사용하는 방열패드는 매트릭스에 압출성형이나 비드밀과 같은 기계적인 방법으로 필러를 배향하는 방식을 사용해왔다. 이러한 방열패드는 필러의 분산성을 제어하기 어렵다는 단점이 있고, 이를 극복하기 위해서는 높은 비율의 필러를 첨가해야 했다.
그러나 고함량 필러 복합체의 경우 방열패드 자체의 내구성이 떨어진다는 단점이 있으며, 기존 방열 패드 대비 무게가 무겁다는 문제점 또한 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 자성을 가진 이방성 LC(Liquid Crystal)폴리머 기반의 필러를 사용하는 기술이 개발되었다. 필러를 포함하는 매트릭스 용액에 자기장을 인가하여 필러를 배향 시키는 방법으로, 자기장을 통해 이방성의 열전도를 가진 필러 제어기술을 개발하였다.
그러나 자기장을 통한 수직배열의 필러를 사용한 방열 패드는 가격경쟁력이 낮아 양산시 높은 원가를 발생시키는 단점이 있다. 또한 이방성의 필러들이 수직으로 다량 배열되어 있기 때문에 방열 패드의 내구성이 '고함량 필러 복합체'보다는 향상됐으나 여전히 부족한 수준이라 할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 착안하여 적은 양의 필러를 이용해 가벼우면서도 높은 내구성을 가진 3차원 열전도성 폼(foam) 구조체 및 이의 제조방법을 규명하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄성을 가진 다공성 지지체, 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러 및 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼(foam) 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 하나의 기술적 과제는, 다공성 지지체를 준비하는 단계, 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계; 상기 코팅액으로 상기 다공성 지지체를 코팅하는 단계 및 상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계를 포함하는 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은,
탄성을 가진 다공성 지지체, 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러, 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼(foam) 구조체를 제공한다.
상기 다공성 지지체의 에어 갭(air gap)은 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 지지체는 합성 수지로 이루어져 있으며, 저밀도 폴리에테르, PVA, 폴리에스테르, 우레탄, 폴리우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 제 1 열전도성 필러 및 제 2 열전도성 필러는 이방성 혹은 등방성의 열전달 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 제 1 열전도성 필러는 전기 전도성 또는 전기 절연성을 가질 수 있으며, 상기 제 2 열전도성 필러는 전기 절연성을 가지는 것을 특성으로 하는 것일 수 있다.
상기 제 1 열전도성 필러는 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene)으로 이루어지는 카본 계열군 또는 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC)으로 이루어지는 세라믹 계열군으로부터 선택으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 제 2 열전도성 필러는 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC)으로 이루어지는 세라믹 계열군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스;는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있다.
또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 2측면은, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 측면은, 다공성 지지체를 준비하는 단계; 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계; 상기 코팅액으로 상기 다공성 지지체를 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계를 포함하는 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계;는 고압분산기 또는 초음파분산기를 이용하여 상기 용매에 제1 열전도성 필러를 분산시켜 코팅액을 제조하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 코팅액은 딥 코팅법(Dipping method), 롤 코팅법(Roll method), 및 스프레이 코팅법(Spray method)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계; 이후에, 사출성형, 압축성형 및 진공성형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성형단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 코팅액 100중량부에 대하여 상기 제 1 열전도성 필러의 함량은 0.1 중량부 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 제 2 열전도성 필러의 함량은 10 중량부 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 코팅액의 용매는 에탄올 또는 초순수를 사용하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제3 측면은, 상기 3차원 열전달 폼 구조체를 포함하는 방열패드를 제공한다.
본 발명의 1 측면에 의하면, 3차원 열전달 폼 구조체는 3차원 구조의 열전달 네트워크를 형성하고 이를 통해 다수의 열전달 경로를 제공하기 때문에 고함량의 방열 필러 충진이 없이 우수한 열전도성과 기계적 물성을 가지게 된다.
또한, 본 발명의 2 측면에 의하면, 상기3차원 열전달 폼 구조체를 간단한 공정으로 제작 가능함으로 산업에 적용이 용이한 실용적인 방열 소재의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 열전달 폼 구조체의 형상 및 이의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 열전달 폼 구조체를 제조방법 단계에 따라 촬영한 SEM 이미지이며, (1) 다공성 폴리우레탄 폼 지지체의 모습, (2) 다공성 폴리우레탄 폼 지지체에 제 1 열전도성 필러인 탄소나노튜브를 코팅한 모습, (3) 다공성 폴리우레탄 폼 지지체에 제 1 열전도성 필러인 질화붕소를 코팅한 모습, (4) 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 폴리우레탄 폼 지지체에 제2 열전도성 필러인 질화붕소가 포함된 실리콘 수지를 혼합한 모습이다.
도 3은 방열 패드의 열전도성 측정 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 열전달 폼 구조체를 1.5W/mK의 상용화된 방열 패드와 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 제1 측면은,
탄성을 가진 다공성 지지체, 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러, 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼(foam) 구조체를 제공한다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 3차원 열전달 폼 구조체를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 열전달 폼 구조체의 형상을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 탄성을 가진 다공성 지지체, 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러, 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하고 있는 것을 볼 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 상기 3차원 열전달 폼 구조체는 TIM(Thermal Interface Materials) 및 Heat Sink로 적용될 수 있으며, TIM 소재의 경우 종래에 고함량 필러에 의한 기계적 물성 및 작업성 저하가 없는 방식으로 고열전도도를 부여할 수 있는 장점을 가지며, Heat Sink로 적용될 경우 경량화 및 고열전도도의 장점을 가질 수 있어 전방산업에서 니즈를 만족시킬 수 있다.
지지체
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 지지체는 다공성 구조의 기공도로 설계하여 탄성을 가지고 있으며 두께 및 크기에 대한 형상제어가 가능하다.
상기 다공성 지지체는 소정 면적을 가지는 단위체 형태인 시트 형태(SHET TYPE)로 마련할 수 있으며, 긴 길이를 가지는 시트가 권취된 롤 형태(ROLL TYPE)로 마련될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 지지체의 제조 방법으로는 특별히 한정되지 않으며, 슬래브 폼법, 몰드 폼법, 스프레이법 등의 공지의 발포 방법에 의해 제조할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 지지체는 각 기공들이 다른 기공과 연결되어 있지 않고, 다만 외부 분위 기 가스의 흐름이 가능한 형태로 폐쇄되지 구멍 형태의 지지체가 사용될 수도 있다. 또한, 공기와의 접촉면적의 확대 및 경량화의 측면에서는 지지체를 구성하는 각각의 기공들이 상호 연결된 구조를 갖는 이른바 개기공(open pore) 지지체를 사용하는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 지지체의 기공도는 방열 구조에 요구되는 방열 특성이나 강성 등의 다양한 요구에 맞추어 조절될 수 있다. 상기 다공성 지지체는, 금속 재료, 세라믹 재료, 유기성 재료가 사용될 수 있으며, 이중 유기성 재료로 이루어진 다공성 지지체는 경량화나 개기공 구조 제조의 용이성 측면에서 유리한 점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기성 재료로 이루어진 다공성 지지체로는, 각종 폴리머로 이루어진 합성수지 폼(foam), 부직포, 직물 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 합성수지 폼이 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 합성수지는 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 알려진 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 상세하게는 저밀도 폴리에테르, PVA, 폴리에스테르, 우레탄, 폴리우레탄 중에서 1종이상 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
필러
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 열전도성 필러는 상기 다공성 지지체를 코팅하고 있으며, 제 2 열전도성 필러는 매트릭스안에 포함되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 다공성 지지체의 에어 갭(air gap)은 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 열전도성 필러 및 제 2 열전도성 필러는 이방성 혹은 등방성의 열전달 경로를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러는 전기 전도성을 가지고, 제2 열전도성 필러는 전기 절연성을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 열전도성 필러는 카본계열군 또는 세라믹계열군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상세하게는 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 다이아몬드(diamond), 풀러린(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 실리카(silica), 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나(aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 지르코늄(zirconium, ZrO2), 질화규소(silicon nitride, Si3N4), 마그네시아(magnesia, MgO), 베릴리아(beryllia, BeO) 및 탄화규소(silicon carbide, SiC)중에서 1종 이상 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 모든 형태의 탄소나노튜브를 포함하는데, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanoutbe), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube) 또는 로프형 탄소나노튜브(roped carbon nonotube)를 모두 포함한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브는 상기 각 유형의 탄소나노튜브가 2종 이상 혼합된 것도 포함한다. 본 발명에 따른 구체적인 실시예에서는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하고 있으나 이에 제한되지 않고 알려진 모든 종류의 탄소나노튜브를 사용하는 것이 가능하다.
또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 열전도성 필러는 세라믹 계열군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상세하게는 실리카(silica), 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나(aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 지르코늄(zirconium, ZrO2), 질화규소(silicon nitride, Si3N4), 마그네시아(magnesia, MgO), 베릴리아(beryllia, BeO) 및 탄화규소(silicon carbide, SiC) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 질화붕소(boron nitride, BN)를 포함할 수 있다.
상기 제 2 열전도성 필러는 입자사이즈나 형상에 의해 열전도도가 상이하게 달라지는데 입자경이 수㎛인 분체로 되면 열전도도는 입자경이 작아짐에 따라 증가한다. 이 효과는 분산상태의 차이로서 열전도율에 영향을 준다. 입자형상도 열전도율에 크게 영향을 주는데 완전구형의 입자의 경우 비표면적이 작아 슬러리 혼합물의 점도를 낮춰 가공 및 성형성을 향상시키고 무기물의 고충진이 가능하게 된다. 또한 판상의 경우 판면과 평행 방향의 열전도도는 면과 수직방향에 비해 10배 이상 크다. 이를 이용하여 완전 구형의 입자, 수㎛이하의 입자 및 판상형의 입자를 투입함으로써 열전도도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 제 2열전도성 필러 입자 사이즈가 5 nm ~ 500㎛ 이내의 입자크기를 지니고 있는 제 2 열전도성 필러를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 열전도성 필러는 매트릭스 형성성분이 가교되어 구현된 매트릭스 내 분산된 형태로 구비되는데, 매트릭스와 필러 간 형성된 계면은 이종재질로 인한 낮은 상용성으로 인해서 계면에서의 열전도도 특성이 좋지 않을 수 있고, 이로 인해 방열필러가 우수한 열전도도를 갖더라도 방열시트의 방열성능이 낮게 구현될 수 있다. 또한, 상기 계면에서는 들뜸현상도 있을 수 있는데, 이 경우 방열성능이 더욱 저하될 수 있고, 해당 부분에서 크랙이 발생하는 등 방열시트의 내구성이 저하될 우려가 있다. 이에 따라서 상기 제 2 열전도성 필러는 후술하는 매트릭스와 계면특성의 향상을 위해서 표면처리 되거나 표면개질 된 것을 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 표면처리는 제 2 열전도성 필러의 표면에 묻어있는 이종의 무기물이나 불순물을 제거하는 것일 수 있고, 이러한 표면처리를 통해 필러 자체의 열전도 특성을 온전히 발휘시키고, 상기 매트릭스와의 계면특성 향상에 유리할 수 있다.
매트릭스
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중에서 선택되는 것을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 매트릭스는 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 알려진 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열가소성수지로는 프탈산 수지, 비닐 수지, 아크릴 수지, 스티롤 수지 등을 사용할 수 있고, 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스티롤 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지를 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 실리콘 수지를 사용할 수 있다.
제조방법
본원의 제 2 측면은,
다공성 지지체를 준비하는 단계; 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계; 상기 코팅액으로 상기 다공성 지지체를 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계를 포함하는 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 제공한다.
본원의 제1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제1 측면에 대해 설명한 내용은 제2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 제2측면에 따른 상기 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법을 도시한 것이다. 이러한 방법에 의해 3차원 열전달 경로를 갖는 3차원 열전달 폼 구조체를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 다공성 지지체를 준비하는 단계 및 제 1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계를 포함한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 지지체는 다공성 구조의 기공도로 설계하여 탄성을 가지고 있으며 두께 및 크기에 대한 형상제어가 가능하고, 3차원 네트워크를 통해 다수의 열전달 경로를 부여할 수 있게 된다.
또한 상기 코팅액은 저점도를 특성으로 하여, 제조가 용이하며 전체 폼 구조체 100 중량부 대비 5중량부 이하의 적은 양으로도 코팅이 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계는 고압분산기 또는 초음파분산기를 이용하여 상기 용매에 제1 열전도성 필러를 분산시켜 코팅액을 제조하는 것을 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅액 100중량부에 대하여 상기 제 1 열전도성 필러의 함량은 0.1 중량부 내지 5 중량부인 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 0.5내지 5중량부, 더 바람직하게는 0.5 내지 2.5중량부일 수 있다. 상기 코팅액 100 중량부에 대하여 상기 제 1 열전도성 필러의 함량이 0.1 중량부 미만이면, 열전도율에 영향을 미치지 않게 되어 효과가 미미할 수 있으며, 상기 제 1 열전도성 필러의 함량이 5 중량부를 초과하게 되면 필러 함량이 증가함에 따라 제조단가가 상승할 수 있으며, 코팅액의 점도가 증가하여 제조의 용이성이 떨어 질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅액의 용매는 초순수, 알코올, 에탄올(ethanol), 2-프로판올(2-propanol), 사이클로헥산(cyclohexane), 톨루엔(toluene) 및 유기용매 중에서 1종 이상 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 사용될 수 있는 코팅법은 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 알려진 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 초순수 또는 에탄올을 포함할 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅액으로 상기 다공성 지지체를 코팅하는 단계;를 포함한다. 상기 코팅하는 단계를 통해, 제 1 열전도성 필러는 3차원 구조의 열전달 네트워크를 형성하고 이를 통해 다수의 열전달 경로를 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅액은 딥 코팅법(Dipping method), 롤 코팅법(Roll method), 및 스프레이 코팅법(Spray method)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 사용될 수 있는 코팅법은 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 알려진 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 딥 코팅법(Dipping method)을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계;를 포함한다. 다공성 지지체에 제 1 열전도성 필러를 코팅하게 되면, 3차원 열전달 경로를 갖게 되지만 코팅액 사이 에어 갭(air gap)이 존재하게 되는데 이러한 에어 갭을 통해 열전도도가 떨어지는 것을 방지하고, 보다 높은 열전도성을 부여하기 위해 매트릭스에 제 2 열전도성 필러를 포함시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 제 2 열전도성 필러의 함량은 10 중량부 내지 60 중량부인 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 50 중량부, 더 바람직하게는20 내지 50 중량부, 보다 더 바람직하게는 20 내지 40 중량부일 수 있다. 상기 범위를 만족함으로써, 적절한 수준의 방열 성능을 확보할 수 있을 수 있다. 상기 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 제 2 열전도성 필러의 함량이 10 중량부 미만이면, 열전도율에 영향을 미치지 않게 되어 효과가 미미할 수 있으며, 상기 제 2열전도성 필러의 함량이 60중량부를 초과하게 되면 폼 구조체의 물성이 저하될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계 이후에, 사출성형, 압축성형 및 진공성형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성형단계를 더 포함할 수 있다. 상기 3차원 열전달 폼 구조체는 TIM(Thermal Interface Materials) 및 Heat Sink로서 활용될 수 있기 때문에, 용도에 맞게 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 측면은,
상기 3차원 열전달 폼 구조체를 포함하는 방열패드를 제공한다.
본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예1. 제 1 열전도성 필러를 코팅한 다공성 지지체.
본 발명에 따른 3차원 열전달 폼 구조체를 제조하기 위하여, Ethanol용매에 1.0 wt%의 MWCNT필러를 고압분산기, 초음파분산기를 통해 분산하여 코팅액을 제조하였다. 폴리우레탄 폼에 상기 코팅액을 Dip coating 방식으로 코팅시켜 3차원 방향으로 열전달 경로를 가지는 기능성 폴리우레탄 폼을 형성시켰다.
도 2의 (2)은 본 발명의 일 실시예에 따라 폴리우레탄 폼에 CNT 필러를 코팅시킨 후의 모습이다. 관찰결과, CNT필러가 폴리우레탄 폼에 적절히 코팅되어 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 3차원 열전달 경로를 갖게 되었음을 확인할 수 있다.
실시예2. 질화붕소 필러를 코팅 다공성 지지체.
본 발명에 따른 3차원 열전달 폼 구조체를 제조하기 위하여, Ethanol용매에 1.0 wt%의 질화붕소를 고압분산기, 초음파분산기를 통해 분산하며 코팅액을 제조하였다. 폴리우레탄 폼에 상기 코팅액을Dip coating 방식을 코팅시켜3차원 방향으로 열전달 경로를 가지는 기능성 폴리우레탄 폼을 형성시켰다.
도 2의 (3)은 본 발명의 일 실시예에 따라 폴리우레탄 폼에 질화붕소 필러를 코팅시킨 후의 모습이다. 관찰결과, 질화붕소 필러가 폴리우레탄 폼에 적절히 코팅되어 있음을 확인할 수 있었으며, 실시예 1과 더불어, 다공성 3차원 지지체 필러를 소량으로도 3차원 열전달 경로를 가질 수 있을 정도로 코팅할 수 있음을 확인할 수 있다.
실시예 3. 3차원 열전달 폼 구조체의 제조
실리콘 수지에 30wt%의 BN 필러를 분산시켜 매트릭스를 제조하였다. 상기 매트릭스를 실시예 2의 CNT가 코팅된 기능성 폴리우레탄 폼에 혼합한 후, 성형하여 3차원 열전달 폼 구조체를 제조하였다.
도 2의 (4)은 본 발명의 일 실시예에 따라 3차원 열전달 폼 구조체를 제조한 것을 나타낸 모습이다. 관찰결과, 매트릭스가 고르게 함침되어 있음을 확인할 수 있었으며, CNT가 코팅된 기능성 폴리우레탄 폼 사이의 에어 갭(air gap)을 질화붕소 필러가 채우고 있음을 예상할 수 있었다.
실험예. 3차원 열전달 폼 구조체의 열전도도 측정
상기 실시예 1 및 실시예 3 단계를 통해3차원 열전달 폼 구조체를 제조할 수 있었으며, 상기 구조체의 열전도성을 확인하기 위해, 도 3과 같은 방법으로 밀폐된 공간에서 열전도도를 측정하였다.
상기 3차원 열전달 폼 구조체와 1.5W/mK의 상용화된 방열 패드의 열전도도를 비교하여 결과를 도 4에 나타냈다.
도 4를 참조하면, 본 발명을 통한 3차원 열전달 폼 구조체는 상대적으로 작은 중량 대비 높은 열전도 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이는 유사한 열전도 특성을 보유하는 방열패드를 제조함에 있어 경량화가 가능하다는 것을 의미한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 탄성을 가진 다공성 지지체;
    상기 다공성 지지체를 코팅하고 있는 제 1 열전도성 필러;
    제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스;를 포함하고,
    상기 다공성 지지체의 에어 갭(air gap)은 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지지체는 합성 수지로 이루어져 있으며,
    저밀도 폴리에테르, PVA, 폴리에스테르, 우레탄, 폴리우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 열전도성 필러 및 제 2 열전도성 필러는 이방성 혹은 등방성의 열전달 경로를 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열전도성 필러는 전기 전도성 또는 전기 절연성을 가지고,
    상기 제2 열전도성 필러는 전기 절연성을 가지는 것을 특징으로 하는,
    3차원 열전달 폼 구조체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 열전도성 필러는 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene)으로 이루어지는 카본 계열군 또는 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC)으로 이루어지는 세라믹 계열군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 열전도성 필러는 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN), 알루미나 (aluminum oxide, Al2O3), 산화아연(zinc oxide, ZnO), 질화붕소(boron nitride, BN), 및 탄화규소(silicon carbide, SiC)으로 이루어지는 세라믹 계열군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스;는
    열가소성 수지 및 열경화성 수지 중에서 선택되는 것을 포함하는 3차원 열전달 폼 구조체.
  9. 다공성 지지체를 준비하는 단계;
    제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계;
    상기 코팅액으로 상기 다공성 지지체를 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계;를 포함하고,
    상기 다공성 지지체의 에어 갭(air gap)은 제 2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 열전도성 필러를 용매에 분산하여 코팅액을 제조하는 단계;는
    고압분산기 또는 초음파분산기를 이용하여 상기 용매에 제1 열전도성 필러를 분산시켜 코팅액을 제조하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 코팅액은 딥 코팅법(Dipping method), 롤 코팅법(Roll method), 및 스프레이 코팅법(Spray method)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 코팅된 다공성 지지체에 제2 열전도성 필러가 함유된 매트릭스를 주입하는 단계; 이후에,
    사출성형, 압축성형 및 진공성형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성형단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 코팅액 100중량부에 대하여 상기 제 1 열전도성 필러의 함량은 0.1 중량부 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 제 2 열전도성 필러의 함량은 10 중량부 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 코팅액의 용매는 에탄올 또는 초순수를 사용하는 것을 특징으로 하는, 3차원 열전달 폼 구조체의 제조 방법.
  16. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 3차원 열전달 폼 구조체를 포함하는 방열패드.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117467333A (zh) * 2023-11-28 2024-01-30 济南市雋瀚电子材料有限公司 高导热耐击穿电压线路板材料、线路板及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010078953A (ko) * 2001-05-25 2001-08-22 이장우 방열쉬트
KR20090003249A (ko) * 2006-02-20 2009-01-09 다이셀 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 다공성 필름 및 다공성 필름을 이용한 적층체
KR20120009641A (ko) * 2010-07-20 2012-02-02 (주)비에이치세미콘 방열시트용 조성물 및 그 제조방법
KR20180031968A (ko) * 2016-09-21 2018-03-29 한국과학기술연구원 고방열, 고유연, 고강도 복합 재료 및 이의 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010078953A (ko) * 2001-05-25 2001-08-22 이장우 방열쉬트
KR20090003249A (ko) * 2006-02-20 2009-01-09 다이셀 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 다공성 필름 및 다공성 필름을 이용한 적층체
KR20120009641A (ko) * 2010-07-20 2012-02-02 (주)비에이치세미콘 방열시트용 조성물 및 그 제조방법
KR20180031968A (ko) * 2016-09-21 2018-03-29 한국과학기술연구원 고방열, 고유연, 고강도 복합 재료 및 이의 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117467333A (zh) * 2023-11-28 2024-01-30 济南市雋瀚电子材料有限公司 高导热耐击穿电压线路板材料、线路板及其制备方法

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