KR102297173B1 - 광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조기술 및 이를 적용한 방열구조물 - Google Patents

광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조기술 및 이를 적용한 방열구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조기술 및 이를 적용한 방열구조물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광변색 내성을 갖는 방열분체도료는, 수지로서 카르복실화 폴리에스테르와 경화제로서 하이드록시알킬아마이드를 혼합한 베이스 조성에 제1열전도성 필러로서 소성 처리된 알루미늄 실리케이트 및 제2열전도성 필러로서 이산화티타늄을 특정 배합비로 제조함에 따라 광변색 내성을 유지함과 동시에 열방사율이 현저히 우수한 효과가 있고, 본 발명에 따른 방열분체도료를 방열판 표면의 코팅재로 적용하여 기존의 금속 방열판이나 분체도료보다 열방사율 및 열전도율이 높아 방열이 요구되는 다양한 방열구조물에 유용하게 사용할 수 있다.

Description

광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조기술 및 이를 적용한 방열구조물{Heat dissipation powder coating manufacturing technology with photochromic resistance and heat dissipation structure applying the same}
본 발명은 광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조기술 및 이를 적용한 방열구조물에 관한 것이다.
전자기기 제품이나 조명 제품 등을 비롯하여 방열이 요구되는 제품은, 발열효율에 따라 제품의 수명이 많은 영향을 받기 때문에 방열성능을 높이기 위한 많은 노력이 이루어지고 있다. 이들 제품들의 방열성능을 높이기 위한 방안으로 제품의 외장을 방열성 도료로 코팅하는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 다시 말해 발열체의 열 축적을 방지하고, 열이 많이 발생하는 전자기기의 과열에 의한 고장, 화재, 폭발 등의 사고를 방지하기 위한 방법으로 방열 기능성 도료를 도포하는 제품에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 액상도료는 용제에서 발생되는 다양한 휘발성 유기화합물들이 인체에 유해하여 아토피와 같은 피부질환이나 호흡기질환을 유발시키기도 하며, 대기도 오염시키는 단점이 있다. 이에 반해, 분체도료는 용제를 사용하지 않기 때문에 액상도료처럼 휘발성 유기화합물이 발생되지 않아 액상도료에 비해 친환경적이며, 인체에도 유해하지 않으며. 원하는 두께의 도막을 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 분체도료는 금속기재 표면 보호, 광택 등의 개선 목적으로도 많은 제품에 광범위한 코팅기술로 적용되고 있다.
상술한 바와 같은 도료의 특성으로 인해 최근에는 액상도료의 사용이 자제되고, 분체도료의 사용이 장려되고 있는 실정이나, 방열성 도료들은 거의 대부분 액상도료이다. 방열성을 가지는 분체도료가 몇몇 제안되기는 하였으나, 방열성이 미미하며, 일반적인 분체도료 조성에 흑연, 탄소나노튜브, 또는 그래핀 등과 같은 탄소소재를 첨가하는 방법으로 방열특성을 구현하고 있다.
그러나 탄소소재(흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 등)를 사용하면 열전도와 방열특성은 쉽게 향상시킬 수 있으나, 전체적으로 도료의 색상이 검은색을 띄게 되어 다양한 제품의 외관에 도포시 선택이 제한적이고, 다른 색상으로 변환이 불가하다. 그리고 사용되는 탄소소재의 가격이 매우 높아 개발되는 분체도료의 생산비용이 높아지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 탄소소재를 배제하고, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료 제조 기술을 연구하던 중, 수지로서 카르복실화 폴리에스테르와 경화제로서 하이드록시알킬아마이드를 혼합한 베이스 조성에 제1열전도성 필러로서 소성 처리된 알루미늄 실리케이트 및 제2열전도성 필러로서 이산화티타늄을 특정 배합비로 제조할 경우, 광변색 내성을 유지함과 동시에 열방사율이 우수할 뿐만 아니라, 열전도 효과 역시 우수하며, 이를 적용한 LED 등기구의 방열특성이 크게 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
한국등록특허 제10-1296285호
본 발명의 목적은 광변색 내성을 갖는 방열분체도료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방열분체도료를 적용한 방열구조물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 수지로서, 카르복실화 폴리에스테르;
경화제로서, 하이드록시알킬아마이드;
제1열전도성 필러로서, 소성 처리된 알루미늄실리케이트; 및
제2열전도성 필러로서, 이산화티타늄(TiO2);을 포함하는, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료를 제공한다.
바람직하게,
수지로서, 카르복실화 폴리에스테르 58.6 중량부 기준;
경화제로서, 하이드록시알킬아마이드 3-3.2 중량부;
제1열전도성 필러로서, 소성 처리된 알루미늄실리케이트 22-24 중량부; 및
제2열전도성 필러로서, 이산화티타늄 10-13 중량부; 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게,
수지로서, 카르복실화 폴리에스테르 58.6 중량부 기준;
경화제로서, 하이드록시알킬아마이드 3-3.2 중량부;
제1열전도성 필러로서, 소성 처리된 알루미늄실리케이트 23-23.2 중량부; 및
제2열전도성 필러로서, 이산화티타늄(TiO2) 11.8-12 중량부; 포함할 수 있다.
만약, 상기 함량 중에서 경화제의 함량이 3 중량부 미만일 경우 광변색 내성이 미미한 문제가 있을 수 있고, 3.2 중량부 초과할 경우 코팅성이 낮고 코팅막이 경화된 후 갈라짐이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
만약, 상기 함량 중에서 제1열전도성 필러 및 제2열전도성 필러의 함량이 상기 기재한 범위를 벗어날 경우 열방사율이 현저히 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 광변색 내성을 갖는 방열분체도료는 왁스, 벤조인, 산화방지제, 레벨링제 등의 가공조제를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 더 사용할 수 있다.
상기 카르복실화 폴리에스테르는 양말단에 카르복실기가 도입된 폴리에스테르를 사용할 수 있고, 본 발명에서는 일례로 한국 소재의 (주)이노폴에서 제조한 모델명 Alymers® PC2802을 사용하였다.
상기 하이드록시알킬아마이드에서 알킬은 C1-30의 직쇄 또는 측쇄 알킬일 수 있고, 본 발명에서는 일례로 한국 소재의 (주)이노폴에서 제조한 모델명 Inomid™ AH001을 사용하였다.
또한, 본 발명은 상기 방열분체도료를 적용한 방열구조물을 제공한다.
상기 방열구조물의 예시로는 LED 등기구, 전기 기기용 하우징, 전자 기기용 하우징, 전기 기기용 부품, 전자 기기용 부품, 자동차 전장품, 수배전반 외판, 변압기 외판, 수배전반 부품, 변압기 부품, 방열판, 열교환기 등을 들 수 있다.
예를 들어, 상기 LED 등기구는 방열성 분체도료를 금속방열판 몸체 또는 반사패널에 코팅한 후 경화시켜 제조된 것일 수 있고, LED 실내등기구, LED 다운라이트, LED 가로등기구, LED 보안등기구, LED 투광등기구, LED 터널등기구 등일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다(도 3 내지 도 4 참조).
이외에도, 본 발명에 따른 상기 방열분체도료는 전기 기기 부품, 전자 기기 부품 또는 외부케이스, 판넬 등 발열체의 열 축적 방지가 필요한 제품이라면 종류에 제한되지 않고 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 광변색 내성을 갖는 방열분체도료는, 수지로서 카르복실화 폴리에스테르와 경화제로서 하이드록시알킬아마이드를 혼합한 베이스 조성에 제1열전도성 필러로서 소성 처리된 알루미늄 실리케이트 및 제2열전도성 필러로서 이산화티타늄을 특정 배합비로 제조함에 따라 광변색 내성을 유지함과 동시에 열방사율이 현저히 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 방열분체도료를 방열판 표면의 코팅재로 적용하여 기존의 금속 방열판이나 분체도료보다 열방사율 및 열전도율이 높아 방열이 요구되는 다양한 방열구조물에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 푸리에 열전도법칙을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 표면 온도(T1)와 방열 온도(방사온도, T2) 측정 방법을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열분체도료를 적용한 LED 등기구의 방열판을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방열성 분체도료를 적용할 수 있는 실제 LED 등기구의 종류를 나타낸 이미지이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
일반적으로, 방열 온도는 시료 표면 위 15mm 지점의 공기온도를 측정함으로써 평가하게되며, 시료의 표면 온도와 방열 온도의 온도 차이가 크다는 것은 그 시료를 통과하여 전달되는 열에너지량이 많다는 것을 의미한다(수학식 1 참조). 동일한 환경에서 열에너지가 공급되는 상황에서는 표면의 온도가 낮을수록 위 아래면의 온도차이가 크게 되므로, 시료의 열전달이 효과적임을 의미한다. 즉, 시료표면으로 동일한 열에너지가 공급되었을 때 표면의 온도가 상대적으로 낮다는 것은 시료를 통과하는 열에너지가 더 많다는 것을 의미하고 시료표면에 열에너지가 축적되지 않으며 외부(대기)로 열에너지가 잘 방출되고 있음을 의미한다. 동일한 조건에서 시료표면으로 전달되는 열에너지가 외부(대기)로 잘 방출되면 그 주변의 대기온도를 상승시키게 되어 상대적으로 높은 온도를 측정할 수 있다. 즉, 방열온도가 상대적으로 높다는 것은 시료표면으로부터 열에너지가 잘 방출되고 있음을 의미한다.
열전도 현상을 설명하는 법칙을 '열전도의 법칙' 또는 '푸리에 열전도법칙'이라고 하며, 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다(도 1 참조).
[수학식 1]
Figure 112020133573312-pat00001
λ = 물질의 열전도계수
q = 열전달에너지
A = 열이 전달되는 수직방향의 면적
∂T/∂x = 열이 전달되는 방향으로 온도구배
한편, 탄소소재(흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 등)를 이용한 기존의 방열성 분체도료의 경우, 열전도와 방열특성은 쉽게 향상시킬 수 있으나, 전체적으로 도료의 색상이 검은색을 띄게 되어 다양한 제품의 외관에 도포시 선택이 제한적이고, 다른 색상으로 변환이 불가하다. 그리고 사용되는 탄소소재의 가격이 매우 높아 개발되는 분체도료의 생산비용이 높아지는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 방열분체도료는 탄소소재를 사용하지 않기 때문에 기본적으로 흰색을 나타내며, 다른 색상으로 변환이 자유롭고, 원료의 가격이 상대적으로 저렴하여 생산비용이 낮은 장점이 있으므로, 기존 탄소소재를 첨가한 방열성 분체도료의 문제점을 해결하여 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방열분체도료는 베이스 조성물로 카르복실화 폴리에스테르 수지와 '하이드록시알킬아마이드 경화제'를 특정 배합비로 사용함에 따라서 광변색 내성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명자는 상기 베이스 조성물을 사용할 경우 광변색 내성이 향상되는 점을 알아내고, 종래 카르복실화 폴리에스테르 수지와 '에폭시계열 경화제'를 사용한 베이스 조성물에서 최대 열전도도가 나타나는 제1열전도성 필러 및 제2열전도성 필러의 배합비를 적용해보았으나 열전도도가 미미한 문제점이 있음을 인지하여, 본 발명에서는 상기 베이스 조성에서 최대 열전도도를 나타내는 제1열전도성 필러 및 제2열전도성 필러의 배합비를 알아내기 위하여 수많은 반복실험을 통해 최적 배합비를 도출해내었다. 참조로, 종래 카르복실화 폴리에스테르 수지와 '에폭시계열 경화제'를 사용한 베이스 조성물을 사용한 분체도료는 광변색 내성이 약해 실외용으로는 사용이 불가능하다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 > 경화제로서 하이드록시알킬아마이드 사용 방열분체도료의 제조
수지: 한국 소재의 (주)이노폴에서 제조한 모델명 Alymers® PC2802
경화제: (주)이노폴에서 제조한 모델명 Inomid™ AH001
제1열전도성 필러: 소성 처리된 알루미늄 실리케이트 (제조사: Hoffmann mineral, 제조국: 독일)
제2열전도성 필러: 입도 2 내지 5μm 수준의 이산화티타늄(제조사: 쌍용화학)
가공조제: 산화방지제(모델명: Songnox 1010, 제조사: 송원), 왁스(모델명: PE Wax, 제조사: Sinotech), 벤조인(제조사: 미원상사) 및 레벨링제(제조사: BYK)
상기 수지, 경화제, 방열첨가제(제1열전도성 필러 및 제2열전도성 필러) 및 가공조제를 하기 표 1과 같이 혼합하여 방열분체도료를 제조하였다. 구체적으로, 상기 수지, 경화제, 방열첨가제 및 가공조제를 모두 슈퍼믹서를 사용하여 사전 혼합한 후에 150℃ 온도로 설정된 twin extruder 장치에 투입하고 압출하여 혼합조성물 칩(compound chip)을 제조하고, 이것을 냉동분쇄기를 사용하여 50um 입도 수준으로 분쇄함으로써 최종적으로 실시예의 방열분체도료를 제조하였다.
< 비교예 > 경화제로서 에폭시계 사용 방열분체도료의 제조
경화제로서 비스페놀-A형의 Glycidyl ether 형태의 Epoxy resin(모델명: YD-013K, 제조사: 국도화학)을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하여 방열분체도료를 제조하였다.
< 실험예 1> 방열분체도료의 방열특성 평가
실시예(표 1 참조) 및 비교예(표 2 참조)에서 제조한 방열분체도료의 방열특성을 알아보기 위하여, 표면온도, 방사율, 열전도도 및 방열온도를 평가하였다.
먼저, 도 2와 같이 상기 각 방열분체도료를 알루미늄 기판에 도포하여 시료를 준비하고, 시료를 핫플레이트 상에 올려놓고 동일한 온도(91±0.2℃)의 열을 안정화될 때까지 3~4시간 정도 가한 이후, 시료표면 온도(T1)와 시료표면 위 15mm 지점의 공기온도(방열온도, T2)를 측정하였다. 이 때, 공기흐름의 비정상적 변수를 제거하기 위해 윗 부분이 열려있는 원기둥 형태의 테프론 구조물을 시료표면상에 설치하고 내부의 공기온도를 분석하였다.
또한, Laser Flash method(LFA 447, Netzch)를 이용하여 시료의 열전도도(W/mK)를 평가하였고, ISO 9050 standard (FT-IR spectrometer, M4000, Midac)를 이용하여 시료의 열방사율을 평가하였다.
실시예에 대한 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었고, 비교예에 대한 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 실시예와 비교예는 경화제의 구성만 상이하다. 하기 표 1 및 표 2에서 각 구성 성분의 함량 단위는 중량%이다.
실시예 수지 경화제 제1필러 제2필러 가공조제 열전도도(W/mK) 열방사율 표면온도(T1, ℃) 방열온도(T2, ℃)
1-1 58.6 3.1 23.1 11.7 잔량 0.54 0.716 84.5 45.8
1-2 11.8 1.73 0.907 82.7 47.3
1-3 11.9 1.85 0.915 82.5 47.4
1-4 12 1.69 0.909 82.6 47.2
1-5 12.1 0.52 0.724 84.4 46.1
1-6 12.2 0.49 0.721 84.3 45.9
2-1 22.8 11.9 0.44 0.708 84.3 44.9
2-2 22.9 0.51 0.712 84.2 44.9
2-3 23 1.78 0.909 82.4 47.1
2-4 23.1 1.85 0.915 82.5 47.4
2-5 23.2 1.72 0.912 82.6 47.3
2-6 23.3 0.56 0.721 84.4 45.6
상기 표 1에 나타난 바와 같이,
카르복실화 폴리에스테르 수지 58.6 중량부 기준, 하이드록시알킬아마이드 경화제 3.1 중량부 및 제1열전도성 필러로서 소성 처리된 알루미늄실리케이트 23-23.2 중량부 및 제2열전도성 필러로서 이산화티타늄(TiO2) 11.8-12 중량부를 포함하는 실시예에서 열방사율이 현저히 높게 나타남을 확인할 수 있다.
참조로, 방열분체도료에서 방열 성능에 가중 중요한 지표는 열방사율이고, 다음으로 중요한 지표는 낮은 표면온도와 높은 방열온도를 나타내는 정도, 즉 표면온도와 방열온도의 편차가 작을수록 방열성능이 우수하다 할 수 있다.
비교예 수지 경화제 제1필러 제2필러 가공조제 열전도도(W/mK) 열방사율 표면온도(T1, ℃) 방열온도(T2, ℃)
1-1 58.6 3.1 23.1 11.7 잔량 0.54 0.717 84.6 45.9
1-2 11.8 0.53 0.716 84.7 45.9
1-3 11.9 0.55 0.719 84.6 46.0
1-4 12 0.61 0.736 84.3 46.0
1-5 12.1 0.59 0.730 84.4 45.9
1-6 12.2 0.52 0.733 84.4 46.0
2-1 22.8 11.9 0.49 0.701 84.9 45.4
2-2 22.9 0.50 0.705 84.9 45.7
2-3 23 0.51 0.711 84.8 45.8
2-4 23.1 0.55 0.719 84.6 46.0
2-5 23.2 0.54 0.717 84.7 45.9
2-6 23.3 0.55 0.718 84.7 46.0
표 2에 나타난 바와 같이,
실시예와 경화제 구성만 상이한 비교예 샘플들에서는 실시예와 동일한 제1필러 및 제2필러 함량을 사용하였을 경우 열방사율이 낮게 나타날뿐만 아니라, 유의미한 임계적 의의도 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
종합적으로, 실시예에서 필러의 함량비가 미세하게만 벗어나도 열전도도가 현저히 낮아지는 것으로 보아, 본 발명에 따른 수지와 경화제를 베이스 조성으로 하는 분체도료에서는 필러 함량을 미세하게 제어할 필요가 있음을 알 수 있다.
<실험예 2> 광변색 내성 평가
실시예와 비교예에서 제조한 제조한 방열분체도료의 광변색 내성을 평가하였다.
구체적으로, 실시예 및 비교예에서 제조한 방열분체도료를 알루미늄 기판에 코팅한 다음, KS M ISO 4892-3 기준에 준하여 UV lamp(@340nm) 60℃ 150시간 동안 UV 조사 후에 광변색 유무를 육안으로 평가하였다.
평가결과, 실시예 샘플들은 모두 광변색이 전혀 발생하지 않았고, 비교예 샘플들은 모두 광변색이 발생하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 수지로서, 카르복실화 폴리에스테르 58.6 중량부 기준;
    경화제로서, 하이드록시알킬아마이드 3-3.2 중량부;
    제1열전도성 필러로서, 소성 처리된 알루미늄실리케이트 23-23.2 중량부; 및
    제2열전도성 필러로서, 이산화티타늄(TiO2) 11.8-12 중량부;를 포함하는, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    왁스, 벤조인, 산화방지제 및 레벨링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 가공조제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카르복실화 폴리에스테르는 양말단에 카르복실기가 도입된 폴리에스테르인 것을 특징으로 하는, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이드록시알킬아마이드에서 알킬은 C1-30의 직쇄 또는 측쇄 알킬인 것을 특징으로 하는, 광변색 내성을 갖는 방열분체도료.
  8. 삭제
  9. 제1항에 따른 방열분체도료를 적용한 방열구조물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열구조물은 LED 등기구, 전기 기기용 하우징, 전자 기기용 하우징, 전기 기기용 부품, 전자 기기용 부품, 자동차 전장품, 수배전반 외판, 변압기 외판, 수배전반 부품, 변압기 부품, 방열판 또는 열교환기인 것을 특징으로 하는, 방열구조물.
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