KR102293022B1 - 광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함하는 방열 모듈 - Google Patents

Abstract

본 출원은 고열전도성 방열 필름을 포함하는 방열 모듈을 제공한다.

Description

광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함하는 방열 모듈 {Heat dissipation module including metal-nanocarbon composite intense-pulsed-light sintered}

본 출원은 광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함하는 방열 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함함에 따라 우수한 고 열전도성이 구현되는 방열 모듈을 제공한다.

최근 자동차, 전기·전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다.

한편, 방열 재료의 소재 성분을 살펴보면 탄소재료나 세라믹 소재 같은 고열전도성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합 소재가 대부분이다. 그러나 고열전성 필러 소재의 경우 고분자 소재로 이루어진 매트릭스 내에 균일하게 분산시키는데 어려움이 있었고, 이로 인해 전자부품 및 소자에서 발생되는 열을 충분히 방출시키는데 한계가 있다는 문제가 있다.

본 출원은 광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함하는 방열 모듈을 제공한다.

본 출원은 광소결된 금속-나노 복합재 방열층을 포함하는 방열 모듈에 관한 것이다. 상기 방열 모듈은 광에너지를 이용한 광소결 과정을 거쳐 제조된 금속-탄소나노 복합체를 포함하는 고열전도성을 갖는 방열층을 포함함에 따라, 제품에 적용 시 성능 향상 및 생산성 확보에 기여할 수 있다.

도 1은 본 출원에 따른 예시적인 방열 모듈을 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 방열 모듈은 열원(100), 상기 열원으로부터 열을 방열시키기 위한 방열층(200), 상기 방열층 상에 마련된 히트 싱크(300)를 포함한다.

상기 열원은 열을 발생하는 장치로서, 그 종류는 방열 모듈이 적용되는 분야에 따라 다양할 수 있으므로, 특별히 제한되지 않는다. 상기 방열층은 열원으로부터 발생된 열을 히트 싱크로 전달하는 기능을 한다. 상기 히트 싱크는 방열층으로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 장치이다. 예를 들어, 상기 히트 싱크는 방열층에 부착되어 열을 전달(또는 흡수)받는 방열판과, 상기 방열판에 연결되어 외부로 열을 방출하는 복수 개의 방열핀을 포함한다. 상기 방열판은 접착제 또는 볼트 체결로 방열층에 부착될 수 있다. 또한, 상기 방열핀은 방열판의 면적을 넓혀 보다 많은 열을 방출할 수 있다.

그리고, 상기 방열층은 광소결된 금속-나노탄소 복합체를 포함하고, 상기 복합체에서 나노 탄소의 함량은 금속의 총 중량에 대하여 3중량%미만이며, 상기 방열층의 열전도율은 15 내지 30w/mK이다. 상기 금속은 금속 필러일 수 있고, 이의 구체적인 종류는 후술하기로 한다. 상기 열전도율은 HotDisk 방식 또는 LFA(Laser flash analysis) 측정 방식과 같이 공지된 열전도율 측정 방식을 이용하여 측정된 것이다. LFA 측정 방식에 따르면, 방열층의 열전도율은 상온에서 InSb 센서를 이용하여 네취사 장비(모델명: LFA467)로 ASTM E1461 기준에 근거하여 측정할 수 있다.

상기 방열층은 광소결되되 나노 탄소의 함량이 상기 범위를 만족하는 금속-탄소 나노 복합체를 포함함에 따라, 열전도열이 상기 범위 내로 제어될 수 있다.

예를 들어, 상기 복합체에서 나노 탄소의 함량은 3중량%미만, 2.8중량%미만, 2.7중량%미만, 2.5중량% 미만, 2.3중량%미만 또는 2.1중량% 미만일 수 있다. 상기 함량의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니나, 0.1중량% 초과, 0.3중량% 초과, 0.5중량% 초과, 0.7중량% 초과, 또는 0.9중량%초과일 수 있다.

그리고, 상기 방열층의 열전도율은 15 내지 30w/mK, 17 내지 30w/mK 또는 20 내지 30w/mK일 수 있다. 상기 열전도율은 나노 탄소의 함량에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 나노 탄소 함량이 증가할수록 열전도율이 증가하는 경향을 나타낸다. 다만, 나노 탄소 함량이 3 중량% 이상에서는 오히려 열전도율이 떨어지는 경향을 나타내는데, 이는 광소결 과정에서 나노 탄소의 부분 응집과 부분 소결에 기인한 것이다. 여기서, 부분 소결이란 소결 시 높은 나노 탄소 함량에 의해 나노 탄소가 주변부에 있는 금속들의 소결을 방해하는 현상을 의미하고, 부분 응집이란 소결 시 높은 나노 탄소 함량에 의해 나노 탄소의 분산도가 떨어져 응집되는 현상을 의미한다.

하나의 예시에서, 상기 방열층은 열원의 일면에 금속 페이스트가 도포되고, 금속 페이스트 상에 나노 탄소 페이스트가 도포된 후, 나노 탄소 페이스트 측으로 광이 조사되어 광소결될 수 있다. 상기와 같은 광소결 과정을 거쳐 제조된 방열층은 광소결된 금속-나노 탄소 복합체를 포함할 수 있다. 한편, 광소결이 아닌 열소결을 진행할 경우, 금속-나노 탄소 복합체가 균일한 물성으로 형성되지 않기 때문에, 원하는 물성 구현이 어려울 수 있다.

상기 금속 페이스트는 금속, 용매, 고분자 분산제, 바인더를 포함할 수 있다. 상기 고분자 분산제의 분자량은 10,000 내지 360,000이고, 점도는 1 내지 100000cP, 구체적으로 1 내지 50000cP, 5 내지 40000cP 또는 5 내지 30000cP, 5 내지 25000cP 또는 5 내지 20000cP인 조성물을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 고분자 분산제의 분자량은 10,000 내지 360,000, 예를 들어 11,000 내지 200,000, 12,000 내지 100,000, 또는 15,000 내지 70,000이다. 분자량이 상기 범위 내에 있는 경우에 우수한 분산성과 용액 조성물을 기재에 도포하는 데 필요한 점도를 확보할 수 있다.

상기 금속 페이스트의 점도는 1 내지 50000cP, 5 내지 40000cP 또는 5 내지 30000cP, 5 내지 25000cP 또는 5 내지 20000cP이다. 고분자 분산제의 분자량뿐만 아니라 점도 역시 상기 범위로 조정하는 경우 입자의 분산성 및 도포 공정의 조건을 만족시킬 수 있다.

상기 금속 페이스트에서, 고분자 분산제의 함량은 예를 들어 용액 조성물 총 중량에 대하여 1 내지 15 중량%, 구체적으로 1 내지 10 중량%, 2 내지 10 중량%이다. 방열층의 열전도성을 제어하기 위해서 분산제의 함량을 상기 범위로 제어하는 것이 필요하다.

상기 고분자 분산제의 종류는, 예를 들어, 폴리에틸렌 이민, 폴리바이닐피롤리돈 등의 아민계 고분자 분산제; 폴리아크릴산, 카복시메틸셀룰로스 등의 분자 중에 카복실산기를 갖는 탄화수소계 고분자 분산제; 및 폴리비닐알코올, 스타이렌-말레산 공중합체, 올레핀-말레산 공중합체, 또는 1분자 중에 폴리에틸렌 이민 부분과 폴리에틸렌옥사이드 부분을 갖는 공중합체 등의 극성기를 갖는 고분자 분산제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상이다.

일 구체예에서 상기 고분자 분산제는 수용성 고분자, 구체적으로 아민계 고분자, 특히 폴리바이닐피롤리돈(PVP)을 사용할 수 있다. PVP를 사용하는 경우 수성 용매를 사용할 수 있어, 친환경적이므로 대면적의 방열층을 제조함에 있어서도 환경 오염을 최소화시킬 수 있다.

상기 금속 페이스트에서, 상기 바인더의 종류는, 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 셀룰로오스계 수지, 폴리염화비닐수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 및 실리콘 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상이다.

상기 바인더의 함량은 예를 들어, 용액 조성물 총 중량에 대하여 1 내지 50 중량%, 구체적으로 3 내지 40중량%, 5 내지 30 중량%이다. 바인더의 함량이 30 중량 %를 초과하는 경우 용매에 완전히 용해되지 않을 우려가 있고, 시간의 경과 따라 응집할 수 있으며, 1 중량% 미만이면 기재와의 접착력이 떨어질 우려가 있다.

상기 용매의 종류는, 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 물, 탄화수소계 용매, 염소화탄화수소계 용매, 고리형 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올, 다가알코올계 용매, 아세테이트계 용매, 다가알코올의 에테르계 용매 또는 테르펜계 용매로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상이다. 용매의 종류는 사용하는 고분자 바인더 및 분산제에 따라 적절한 것을 선택할 수 있으나, 환경적 요인, 분산 특성 및 건조 시간을 고려하면 물 및 알코올의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 젖음성을 고려할 때, 알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 알코올은 특별히 제한되지 않으나 탄소수 2 내지 6의 직쇄 알킬기를 가지는 알코올, 예를 들어, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올 등을 사용할 수 있다. 건조시간을 고려할 때, 끓는점이 낮은 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때 물 및 알코올 중량비는 예를 들어 1 : 0.5 내지 1.5, 구체적으로 1 : 0.7 내지 1.3, 1 : 0.8 내지 1.2의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 물과 알코올 중량비를 상기 범위 내로 제어하는 경우 바인더 및 분산제를 충분히 용해시킬 수 있고, 적정한 점도를 유지할 수 있다.

그리고, 상기 용매는 물 및 알코올 외에도 유기 용매를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매는 테르피네올, 디하이드로테르피네올, 에틸카비톨, 부틸카비톨, 디하이드로테르피네올 아세테이트, 에틸카비톨 아세테이트, 부틸카비톨 아세테이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 나노 탄소 페이스트는 나노 탄소, 용매, 고분자 분산제, 바인더를 포함할 수 있다. 상기 나노 탄소 페이스트의 용매, 고분자 분산제 및 바인더는 전술한 금속 페이스트와 동일한 조성을 사용할 수 있다.

또 하나의 예시에서, 상기 광소결 과정의 구체적인 조건을 후술하는 범위 내로 적절히 설계함으로써 광소결된 복합체 및 목적하는 열전도성을 갖는 방열층을 제조할 수 있다.

구체적으로, 광소결 조건으로는 광의 종류, 인가되는 전압(출력 전압), 펄스 폭, 펄스 수 (광의 반복 조사 횟수), 펄스 간격(진동수) 등이 예시될 수 있다. 예를 들어, 광은 제논 램프에서 인가되는 백색광을 사용할 수 있고, 전압은 10 내지 1500V, 펄스 수는 1 내지 500 회, 펄스 간격은 1 내지 10Hz, 펄스 폭은 0.1 내지 10ms일 수 있다.

상기 펄스 수가 증가할수록 총 에너지가 증가하여 용매의 제거가 효과적으로 일어나지만, 펄스 수가 지나치게 높은 경우 총 에너지(Total energy)가 증가하여 방열층의 물리적 변형이 발생될 수 있다. 상기 총 에너지는 출력 전압, 펄스 폭, 펄스 간격, 펄스 수에 의해 결정된다. 상기 펄스 수는 예를 들어 1 내지 400회, 1 내지 350 회, 1 내지 200회 또는 1 내지 100회가 적절할 수 있다.

또한, 펄스 간격이 감소할수록 초당 인가되는 평균 전력(average power)의 증가로 공정시간이 감소될 수 있다. 상기 평균 전력은 출력 전압, 펄스 폭, 펄스 간격에 의해 결정된다. 다만, 펄스 간격이 1Hz 이상부터 용매의 증발이 이루어질 수 있고, 1Hz 미만인 경우 베드 온도가 급격히 상승하게 되어 방열층의 물리적 변형이 발생될 수 있다.

그리고, 출력 전압이 증가할수록 유기물의 제거가 효과적으로 일어나지만, 방열층의 물리적 변형이 발생될 수 있으며, 물리적 변형이 일어나지 않는 적정 전압은 10 내지 1500V, 50 내지 1500V, 100 내지 1500V, 200 내지 1300V, 300 내지 1200V 또는 300 내지 1000V 범위 내일 수 있다.

또한, 상기 펄스 폭은 일정 횟수를 넘어서면 방열층의 물리적 변형이 발생하여 열전도성이 떨어질 수 있고, 일정 횟수 미만인 경우 복합체 형성이 안될 수 있다. 따라서, 적절한 펄스 폭은 0.1 내지 10ms, 0.5 내지 8ms, 0.9 내지 5ms 또는 1 내지 3ms 범위 내일 수 있다.

상기 방열층은 광소결 과정에서, 금속-나노 탄소 복합체간 유착이 발생하여 응집체(예를 들어, 클러스터)를 형성하면서 응집체 사이에 공간이 형성됨에 따라, 다공성을 가질 수 있다. 상기 응집되어 형성된 클러스터는 열 경로(thermal path) 역할을 하므로 열전도도를 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 방열층은 1 내지 15%, 2 내지 15%, 3 내지 15%, 4 내지 15% 또는 5 내지 15%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 기공의 크기는 예를 들어 1 내지 100 nm 범위 내 일 수 있다.

한편, 열 소결의 경우에도 장시간 진행하면 금속-나노 탄소 복합체가 형성될 수 있는데, 열소결로 형성된 금속-나노 탄소 나노 복합체는 인접한 다른 복합체와 유착이 촉진되어 기공 크기가 급격하게 증가하여 상기 범위로 조절되기 어렵다. 더욱이, 광소결의 경우, 금속 매트릭스 내에 나노 탄소가 랜덤하게 분포하고, 광에너지의 순간적인 조사로 분산성을 확보하기 때문에, 열소결에 비해 열전달 특성 균일도가 높게 확보될 수 있다.

일 구체예에서, 상기 금속은 은, 구리, 니켈, 주석 및 금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 은 또는 구리일 수 있다. 은의 경우 산화저항성이 높고, 특히 은산화물의 열전도도가 높아 안정적인 열전달 특성을 나타내며, 구리의 경우는 가격측면에서 귀금속인 은에 비해 경제적이며 광소결 후 복합재 표면에 생성되는 자연산화막(native oxide layer)으로 안정적인 열전도성을 나타낼 수 있다.

상기 나노 탄소는 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀, 플러렌 및 다이아몬드를를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 그래핀일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브 또는 그래핀의 경우, 페이스트로 제조하기 용이한 장점을 가진다.

상기 복합체는 15 내지 1000nm의 평균 입경을 가질 수 있다. 상기 평균 입경은 공지된 다양한 방식을 이용하여 측정할 수 있다.

상기 방열층은 0.1 내지 5㎛두께를 가질 수 있다.

상기 방열층을 열원과 마주하는 제1 면 및 제1 면의 반대 방향인 제2 면을 갖고, 상기 제1 면과 제2 면의 접착 강도가 상이할 수 있다.

본 출원의 방열 모듈은 광소결된 금속-나노 복합재 방열층이 적용됨에 따라, 열전도도가 우수할 수 있다.

도 1은 본 출원에 따른 예시적인 방열 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에서 제조된 방열층의 열전도도에 대한 그래프이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예

금속 페이스트 제조

하기 조성비로 구리(Cu), α-terpineol (용매), cellulose (바인더), polyvinylpyrrolidone(PVP, 분산제)를 혼합하여 금속 페이스트(A)를 제조하였다.

	Cu(중량%)	α-terpineol(중량%)	cellulose(중량%)	PVP(중량%)
A	6	2.25	0.75	1

나노 탄소 페이스트 제조

하기 조성비로 탄소나노튜브(CNT), α-terpineol (용매), cellulose (바인더), polyvinylpyrrolidone(PVP, 분산제)를 혼합하여 나노탄소 페이스트(B)를 제조하였다.

	CNT(중량%)	α-terpineol(중량%)	cellulose(중량%)	PVP(중량%)
B	5.5	2.5	1	1

실시예 1

상기 제조예에서 제조된 금속 페이스트(A) 및 나노 탄소 페이스트(B)를 열원 상에 나노 탄소 튜브의 함량이 구리 총 중량에 대하여 2 중량%가 되도록 순차적으로 도포하였다. 그리고, 나노 탄소 페이스트 측으로 광을 조사하여 광소결시켜 방열층을 제조하였다. 그리고, 방열층 상에 히트 싱크를 볼트 체결로 부착시켜 방열 모듈을 제조하였다. 상기 광소결은 제논 램프에서 인가되는 백색광을 사용하였고, 인가 전압은 500V, 펄스 수는 30회, 펄스 폭은 2.0ms, 펄스 간격은 1Hz, 소결 분위기는 대기 분위기를 사용하였다.

실시예 2

제조예에서 제조된 금속 페이스트(A)와 나노 탄소 페이스트(B)을 열원 상에 순차적으로 도포하고, 광소결의 인가 전압 300V 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

실시예 3

제조예에서 제조된 금속 페이스트(A)와 나노 탄소 페이스트(B)을 열원 상에 순차적으로 도포하고, 광소결의 인가 전압 700V 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

실시예 4

제조예에서 제조된 금속 페이스트(A)와 나노 탄소 페이스트(B)을 열원 상에 순차적으로 도포하고, 광소결의 인가 전압 700V, 펄스 폭 2.5ms를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

비교예 1

금속 페이스트(A)와 나노 탄소 페이스트(B) 없이 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

비교예 2

제조예에서 제조된 금속 페이스트(A)만 열원 상에 도포한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

비교예 3

제조예에서 제조된 금속 페이스트(A)와 나노 탄소 페이스트(B)를 열원 상에 나노 탄소 튜브의 함량이 구리 총 중량에 대하여 3 중량%가 되도록 순차적으로 도포한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 모듈을 제조하였다.

실험예- 열전도성 평가

방열층의 열전도성 측정은 상온에서 InSb 센서를 이용하여 네취사 장비(모델명: LFA467)로 ASTM E1461 기준에 근거하여 측정하였고, 그 결과를 아래 표 3과 도 2에 나타내었다. 도 2는 실시예 및 비교예에서 제조된 방열층의 열전도도에 대한 그래프이다.

조건	방열층의 열전도도 (W/mK)
실시예 1	27.15±1.40
실시예 2	20.24±1.83
실시예 3	26.64±1.55
실시예 4	25.81±1.19
비교예 1	-
비교예 2	11.07±0.52
비교예 3	13.85±0.74

100: 열원
200: 방열층
300: 히트 싱크

Claims (8)

1. 열원;
   상기 열원으로부터 열을 방열시키기 위한 방열층; 및
   상기 방열층 상에 마련된 히트 싱크를 포함하며,
   상기 방열층은 광소결된 금속-나노탄소 복합체를 포함하고,
   상기 복합체에서 나노 탄소의 함량은 금속의 총 중량에 대하여 3중량%미만이며,
   상기 방열층의 열전도율은 15 내지 30W/mK이며,
   상기 방열층은 1 내지 15%의 기공도를 갖고,
   상기 방열층은 열원의 일면에 금속 페이스트가 도포되고, 금속 페이스트 상에 나노탄소 페이스트가 도포된 후, 나노탄소 페이스트 측으로 광이 조사되어 광소결되고,
   상기 방열층은 열원과 마주하는 제1 면 및 제1 면의 반대 방향의 제2 면을 갖고, 제1 면과 제2 면의 접착 강도가 상이한 방열 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 은, 구리, 니켈, 금 및 주석을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상인, 방열 모듈.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 탄소는, CNT, 그래핀, 플러렌 및 다이아몬드를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상인, 방열 모듈.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 방열층은 0.1 내지 5㎛의 두께를 갖는 방열 모듈.
8. 삭제

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