KR102333315B1 - 그라파이트 방열시트의 코팅방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라파이트 방열시트에서 그라파이트 표면을 코팅하는 방법에 관한 것으로서, 그라파이트 시트의 표면에 분체도료를 정전 스프레이 도장하여 그라파이트 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 분체도료는 에폭시 수지 60 내지 80 중량부, 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 10 내지 30 중량부, 경화 촉진제 0.1 내지 5 중량부, 층상 실리케이트 10 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

그라파이트 방열시트의 코팅방법.{COATING METHOD FOR HEAT-CONDUCTIVE GRAPHITE SHEET}

본 발명은 그라파이트 방열시트의 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 그라파이트의 표면에 필름을 적층하던 종래의 방법을 개선하여 코팅제를 사용하여 코팅층을 형성하도록 한 그라파이트 방열시트의 코팅방법에 관한 것이다.

팽창흑연 등의 그라파이트 소재로 이루어진 방열시트는 경도가 낮은 그라파이트 소재의 특성 상 시트나 구조물로 가공할 때 분진이나 비산이 발생하고 기계적 물성 및 절연성이 낮은 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 그라파이트 방열시트의 제조과정에서 표면에 보호시트를 적층하여 상기 그라파이트로부터 발생하는 분진이나 비산을 막으면서 기계적 물성을 확보하고 있다.

출원인은 대한민국 등록특허공보 10-2148670호를 통해 그라파이트 방열시트에 보호시트를 적층하는 방법을 개발한 바 있다. 최근 방열시트를 적용하는 전자기기의 소형화와 이에 따른 발열문제를 해결하기 위하여 상기 그라파이트 방열시트를 장착할 때 전자기기의 장착부위와 동일한 크기의 방열시트를 장착하는 추세로 제품개발이 이루어지고 있기 때문에 상기 선행기술에서와 같이 베젤이 없이 보호시트를 적층하는 방법은 유용하다고 할 수 있다.

그러나 베젤이 없는 베젤리스 구조를 구현하기 위하여 방열시트의 외곽 사이즈와 대비하여 내측으로 1㎜ 이내의 단차가 발생하도록 재단하고 하부 및 상부 보호시트를 합지하고 둘레에 덧대는 등의 복잡한 공정을 통해 방열시트를 제조해야 하기 때문에 대량 생산이 어렵고 공정의 경제성 측면에서도 부정적인 문제점이 있다.

또한, 그라파이트 표면을 코팅하는 기술로서 대한민국 등록특허공보 10-1430235호에 절연성을 가지는 폴리디메틸실록산수지로 이루어진 코팅 보호막을 형성하는 기술이 개시되어 있다. 이는 용매 1000중량부에 대하여 그래핀과 흑연의 혼합물 30 내지 90중량부와, 실리콘분산제 2 내지 10중량부가 혼합된 코팅액을 사용하여 정전방식으로 코팅하는 기술인데, 액상의 코팅제를 사용하여 코팅하는 방식에서는 그라파이트 표면에 액상 성분이 침투되어 완전 건조가 어려운 등 공정상의 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 10-2148670호 대한민국 등록특허공보 10-1430235호

본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로, 분체도료를 이용하여 비접촉식 코팅 방법으로 그라파이트 표면에 코팅층을 형성할 수 있는 그라파이트 방열시트의 코팅방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 그라파이트 방열시트의 코팅방법은 그라파이트 시트의 표면에 분체도료를 정전 스프레이 도장하여 그라파이트 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것으로서, 상기 분체도료는 에폭시 수지 60 내지 80 중량부, 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 10 내지 30 중량부, 경화 촉진제 0.1 내지 5 중량부, 층상 실리케이트 10 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 그라파이트 방열시트는 천연 그라파이트, 인조 그라파이트, 팽창흑연, 그래핀, 키쉬 흑연(kish graphite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 그라파이트 방열시트의 정면, 배면 및 테두리를 동시에 코팅하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 그라파이트 방열시트의 코팅방법을 적용하면 분체도료를 이용하여 비접촉식 코팅 방법으로 그라파이트 표면에 코팅층을 형성할 수 있어 그라파이트 방열시트의 코팅 공정을 효율적으로 수행할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 그라파이트 방열시트의 코팅방법은 그라파이트 시트의 표면에 분체도료를 정전 스프레이 도장하여 그라파이트 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.

방열시트에 코팅제를 사용하여 코팅하는 방법으로는 방열시트의 상면 및 하면에 코팅제를 도포하고 건조하여 경화시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 방열시트를 재단하고, 재단된 방열시트에 상면 코팅 후 건조 및 경화하고, 다시 하면 코팅 후 건조 및 경화하고, 마지막으로 테두리 코팅 후 건조 및 경화하는 방법으로 코팅 공정을 수행할 수 있다.

그러나 상면 및 하면에 코팅제를 도포하고 건조 및 경화하는 방법은 방열시트를 이송하면서 연속 공정으로 코팅을 수행할 수 있으나, 코팅층이 불균일하게 형성되어 원하는 품질의 방열시트를 제조할 수 없는 것으로 나타났다. 또한, 방열시트를 재단한 후 상면, 하면, 테두리의 순서로 차례로 코팅하면 코팅층의 두께 편차를 줄일 수는 있으나 공정이 복잡해지고 경제성이 떨어져 실제 제조공정에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

특히, 일반적으로 사용하는 코팅제는 액상 코팅제이며, 이러한 액상 코팅제를 사용한 코팅 공정은 콤마, 슬롯다이 등을 사용한 접촉식 코팅 공정이다. 이러한 접촉식 코팅 공정은 그라파이트의 소재 특성상 액상 성분이 표면에 침투되기 쉽기 때문에 건조 공정에서 불완전 건조가 발생하여 코팅층의 두께 편차뿐만 아니라 코팅층의 내구성까지 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 분체도료를 사용하여 정전 스프레이 도장 방식으로 그라파이트 방열시트의 코팅 공정을 수행하고 있다. 이러한 코팅 공정에서는 방열시트의 정면, 배면 및 테두리를 동시에 코팅할 수 있는 장점이 있으므로 코팅 공정 횟수를 줄일 수 있고 그만큼 공정 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 액상의 코팅제에서 발생하던 불균일 건조의 문제점도 해소할 수 있게 된다.

분체도료를 사용한 도장 방식은 이러한 장점이 있음에도 불구하고 그라파이트 표면에 일반적인 분체도료를 사용하여 코팅하는 것은 대단히 어렵다. 이는 그라파이트 표면에 도료 입자가 흡착할 수 있는 반응 사이트가 없다는 점, 그라파이트 입자 간의 공극, 표면 소수성 등의 그라파이트 자체의 소재 특성에 기인하는 것이다.

본 발명에서는 상기 정전 스프레이 도장 공정을 수행하기 위한 분체도료로서 에폭시 수지 60 내지 80 중량부, 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 10 내지 30 중량부, 경화 촉진제 0.1 내지 5 중량부, 층상 실리케이트 10 내지 20 중량부를 포함하는 분체도료를 사용하고 있다.

상기 에폭시 수지는 에폭시계 분체도료에 널리 사용되는 수지로서 특히, 내약품성, 접착성, 및 고온 특성이 우수한 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적인 에폭시계 분체도료는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 통해 제조된다. 상기 경화제로는 디시안디아미드, 아민, 카르복시산, 이미다졸, 말단에 수산기, 카르복실기, 페놀성 수산기 등을 함유한 경화제 등을 들 수 있다.

본 발명에서는 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지를 경화제로 사용하고 있다. 상기 폴리에스터 수지의 말단에 위치한 카르복실기는 염기 촉매 존재 하에서 에폭시의 개환반응을 촉진하여 이를 통해 에폭시 수지의 경화를 촉진하게 된다.

상기 비스페놀 A형 에폭시 수지로는, 특히, 에폭시 당량이 1,000 내지 2,000 g/eq인 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시 당량이 너무 낮은 경우에는 분체도료의 저장성 및 치핑성에 문제가 있는 것으로 나타났으며, 에폭시 당량이 너무 높아도 코팅층의 외관이나 생산성에 문제가 있기 때문이다. 또한, 분체도료를 도장한 후 치핑성 및 생산성을 향상시키기 위한 목적으로 에폭시 당량이 1,000 내지 2,000 g/eq인 에폭시 수지에 1,000 내지 2,000 g/eq인 에폭시 수지를 혼합할 수도 있다. 이 경우 혼합 비율은 에폭시 당량이 낮은 에폭시 수지와 높은 에폭시 수지를 6:1 내지 10:1의 중량비로 배합할 수 있다.

또한, 상기 분체도료에서 상기 에폭시 수지는 60 내지 80 중량부의 범위에서 함유되는데, 에폭시 수지의 함량이 너무 적으면 그라파이트 표면과의 접착력이 저하되는 문제점이 있으며, 너무 많으면 경화속도, 에지커버력이 저하되는 등의 문제점이 발생하게 된다.

또한, 상기 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지는 경화제로 사용되며 10 내지 30 중량부의 범위에서 함유된다. 상기 경화제의 함량이 너무 적으면 미경화되는 부분이 발생하게 되며, 너무 많아도 코팅층의 물성이 저하되어 그라파이트 방열시트의 물성을 저하시킬 수 있다. 상기 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지는 탄소수 1 내지 3의 카르복실산과 폴리에스터 수지를 염기 촉매 하에 반응시킴으로써 제조될 수 있다.

또한, 상기 분체도료는 경화 촉진제를 함유하는데, 말단기에 경화를 촉진시킬 수 있는 관능기를 포함하는 화합물을 사용한다. 상기 경화 촉진제로는 아민계, 이미다졸계, 과산화벤조일 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 이미다졸계 경화 촉진제로는 2-메틸 이미다졸을 들 수 있고, 아민계 경화 촉진제로는로는 아민 어덕트(amine adduct)를 들 수 있다.

상기 경화 촉진제는 0.1 내지 5 중량부의 범위에서 함유되는데 경화 촉진제의 함량이 너무 적으면 경화시간이 길어지는 문제점이 있고, 너무 많은 경우 경화시간은 줄어드나 코팅층의 외관이 나빠지고 표면 불균일성이 증가하는 등의 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 일반적인 분체도료에는 황화바륨, 탄산칼슘, 실리카, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 산화알루미늄, 산화티타늄, 점토, 운모, 월라스토나이트, 탈크 등의 무기 충진제를 함유하고 있는데, 본 발명에서는 층상 실리케이트를 무기 충진제로서 사용하고 있다.

출원인은 대한민국 등록특허공보 10-2079031호를 통하여 실링층을 구성하는 실링용 재료로 에틸렌비닐아세테이트 100 중량부를 기준으로 흑연 및 니오븀산 알칼리 금속염을 1:0.5 내지 1:0.8의 중량비로 혼합한 첨가제를 5 내지 10 중량부의 범위에서 배합한 조성물을 사용하는 기술을 개발한 바 있다. 상기 니오븀산 알칼리 금속염은 층상 화합물로서 층간 삽입재로 처리하여 적절한 층간 거리를 형성할 경우 흑연과 병용하여 향상된 방열 특성을 나타내는 점을 확인하였다.

이러한 층상 화합물을 무기 충진제로 사용한다면 방열 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 그라파이트 표면에 안정적인 코팅층을 형성할 수 있을 것으로 예상되는데, 다량의 첨가제로 사용되는 무기 충진제로서 제조가 어려운 니오븀산 알칼리 금속염을 사용하는 것은 경제적이지 않고 대량생산에 부적합하다.

본 발명에서는 층상 화합물인 층상 실리케이트를 사용하고 있는데, 상기 층상 실리케이트는 1 g당 평균 800 ㎡의 매우 넓은 표면적을 가지고 있으며, 두께 1 ㎚, 길이 30 ㎚에서 1,000 ㎚ 정도의 매우 얇은 시트가 수십에서 수백 장 정도 적층된 구조를 가지고 있기 때문에, 이러한 층상 구조를 깨고 나노 시트 각각을 일종의 나노 충진제로서 고분자 매트릭스에 균질하게 분산시키는 경우, 무기 충진제가 수 마이크로미터 이상의 크기로 응집된 상태로 고분자 매질에 도입된 기존의 고분자 복합재료에서는 기대할 수 없었던, 매우 작은 충진제 함량만으로도 고분자 수지의 물성 대비 수배의 기계적 물성 증가와 함께 내열성, 전기적 특성, 기체차단성 등 다양한 물성 변화가 얻어질 수 있는 것으로 보고되고 있다.

특히, 층상 실리케이트는 층간 삽입재로 처리할 경우 층간 거리를 조절할 수 있으며, 합성이 간단하기 때문에 충진제로 사용하기에 적합한 것으로 나타났다. 그라파이트의 경우 층간 거리가 0.7 ㎚ 정도이므로 수축 상태에서 0.9 내지 1.0 ㎚의 층간 거리를 가지는 층상 실리케이트의 특성 상 층간 거리의 조절 없이도 그라파이트와 인접하여 코팅층을 형성할 때 방열 특성이 우수할 것으로 예상된다.

상기 층상 실리케이트로는 스멕타이트(smectitie), 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite) 또는 버미큘라이트(vermiculite)와 같은 무기물을 사용할 수 있다.

또한, 층상 실리케이트에 알킬암모늄과 같은 고분자가 혼합될 경우 알킬 사슬이 층상에 삽입되면서 박리를 일으키는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 충진제로 상기 층상 실리케이트를 에폭시 수지에 혼합하면 부분적인 박리가 일어나게 되는데, 이를 방지하기 위하여 상기 층상 실리케이트를 함유할 때 층상 박리를 방지할 수 있도록 중성 계면활성제를 혼합하는 것이 바람직하다. 중성의 계면활성제는 층간 이온과 반응하지 않기 때문에 층상 박리를 막아주는 기능을 수행하게 된다. 상기 중성 계면활성제는 층상 실리케이트 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 범위에서 혼합될 수 있다.

상기 층상 실리케이트는 10 내지 20 중량부의 범위에서 사용되는데, 상기 층상 실리케이트의 함량이 너무 적으면 코팅층의 새깅(sagging)이 발생하고 은폐력 저하되며 방열 성능을 저하시키는 요인이 될 수 있고, 너무 많은 경우에는 수지의 상대적 함량이 줄어들어 코팅층의 물성이 저하될 수 있다.

또한, 상기 층상 실리케이트의 박리를 억제하기 위해 사용되는 중성 계면활성제로는 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 층상 실리케이트 100 중량부를 기준으로 상기 폴리에틸렌글리콜을 30 내지 50 중량부 함유하도록 하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 상기 폴리에틸렌글리콜의 함량이 너무 적으면 층상 실리케이트의 부분적 박리가 일어나 코팅층의 물성에 영향을 줄 수 있고, 너무 많으면 분산제의 역할을 하게 되어 코팅층의 경화나 코팅층 형성 후의 물성을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

또한, 필요에 따라, 기포방지제, 광택조절제, 분산제 등의 통상의 첨가제를 부가할 수 있다. 상기 첨가제를 사용하는 경우에는 0.1 내지 5 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 상기 첨가제의 함량이 너무 적으면 첨가제를 사용하지 않을 때와 차이가 없어 효과적이지 않으며, 너무 많으면 첨가제 혼합에 따른 효과의 증가가 없어 비경제적이며 경우에 따라서는 코팅층의 외관에 문제를 발생시킬 수 있다.

상기와 같은 분체도료를 사용하면 정전 스프레이 도장 방식으로 그라파이트 방열시트의 정면, 배면 및 테두리를 동시에 코팅할 수 있게 된다. 상기 정전 스프레이 도장 방식은 정전력을 이용하여 분체도료를 표면에 부착시키는 방법이므로 방열시트 전체 표면에 동시 코팅이 가능하게 된다.

구체적으로 상기 그라파이트 방열시트를 필요한 크기로 재단하는 재단 공정, 상기 재단된 그라파이트 방열시트를 정전 스프레이 도장 장치에 장착하고 분체도료를 표면에 코팅시키는 도장 공정, 도장된 그라파이트 방열시트를 열처리하여 분체도료를 표면에 부착시키는 열처리하여 경화함으로써 그라파이트 표면에 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 열처리는 분체도료가 코팅된 상태에서 50 내지 250℃, 바람직하게는 50 내지 150℃의 온도에서 30초 내지 3000분, 바람직하게는 5 내지 20분 간 경화하는 것으로서, 공정 조건에 따라 2 내지 300㎛, 바람직하게는 10 내지 100㎛ 두께의 코팅층을 형성할 수 있다.

또한, 통상의 보호시트를 합지할 때에 상응하는 정도이 물성을 확보할 수 있어야 하므로 제조된 그라파이트 시트는 내굴곡성이 1.5인치 이하이어야 하고, 연필경도가 B 이상, 내충격성이 5㎏·㎝ 이상이어야 한다.

본 발명의 코팅방법을 적용하면 코팅이 어려운 그라파이트 방열시트의 표면에 코팅층을 형성할 수 있으므로 기존의 보호시트를 적층하는 방식보다 경제적이고 효율적으로 그라파이트 방열시트의 마감처리가 가능하게 되는 것으로 나타났다.

본 발명의 코팅방법에 따른 효과를 확인하기 위하여 다음과 같이 그라파이트 시트를 제조하여 물성을 평가하였다.

그라파이트 시트는 인동첨단소재에서 제조한 500 내지 920㎛ 두께의 그라파이트 시트를 사용하였다. 상기 그라파이트 시트를 고정하고 70kV의 정전압 하에서 정전 스프레이 도장을 적용하였다. 이때 스프레이 건과 피도물과의 거리를 25㎝로 하고 부스 내의 유속을 0.4m/sec로 하여 코팅 공정을 수행하였다. 상기 코팅 공정을 위한 분체도료로 에폭시 당량이 1,400 g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지 70 중량부, 아세트산과 폴리에스터 수지를 반응시켜 수득된 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 20 중량부, 2-메틸 이미다졸 2 중량부 및 헥토라이트 20 중량부, 폴록사머 407 2 중량부를 혼합한 분체도료를 사용하였다(실시예).

비교를 위하여 상기 그라파이트 시트의 표면에 0.05T 두께의 아크릴 소재 보호시트를 합지하여 그라파이트 시트를 제조하였다(비교예 1).

또한, 분체도료로서 에폭시 당량이 1,400 g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지 65 중량부, 아세트산과 폴리에스터 수지를 반응시켜 수득된 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 18 중량부, 2-메틸 이미다졸 3 중량부 및 실리카 3 중량부를 혼합한 분체도료를 사용하였고 실시예와 동일한 조건으로 정전 분체 도장을 실시하였다(비교예 2).

각각의 그라파이트 시트에 대한 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

		단위	실시예	비교예1	비교예2
내굴곡성	ISO 6860	inch	1,2	1.6	1.8
연필경도	ISO 1519		F	2B	3B
내충격성	ISO 6272-2	㎏·㎝	6	3	4

표 1의 결과를 살펴보면, 실시예의 그라파이트 시트는 내굴곡성이 1.2인치로서 비교예 1, 2에 비해 낮은 수치를 나타내어 내굴곡성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한, 연필경도에서도 실시예는 F로 비교예 1, 2에 비해 높은 경도를 나타내었으며, 내충격성도 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 분체도료를 사용하여 표면 코팅을 했음에도 보호시트를 합지한 비교예 1의 그라파이트 시트에 비해 오히려 나은 물성을 나타내는 결과이다. 비교예 1의 그라파이트 시트는 보호시트를 합지한 그라파이트 시트에서 통상적으로 얻어지는 내굴곡도는 값을 나타내었으나, 실시예의 그라파이트 시트는 내굴곡도를 비교해 보아도 종래의 그라파이트 시트가 나타내는 물성에 비해 향상된 물성을 나타내는 것으로 파악되었다.

또한, 비교예 2와 대비하여도 물성이 모두 우수한 것으로 나타났는데, 이는 분체도료의 최적화에 따라 그라파이트 시트의 표면 안정성이 더욱 향상되는 것을 시사하는 결과이다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

1. 그라파이트 시트의 표면에 분체도료를 정전 스프레이 도장하여 그라파이트 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 분체도료는 에폭시 수지 60 내지 80 중량부, 말단에 카르복실기를 함유한 폴리에스터 수지 10 내지 30 중량부, 경화 촉진제 0.1 내지 5 중량부, 층상 실리케이트 10 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열시트의 코팅방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 그라파이트 방열시트는 천연 그라파이트, 인조 그라파이트, 팽창흑연, 그래핀, 키쉬 흑연(kish graphite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열시트의 코팅방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 그라파이트 방열시트의 정면, 배면 및 테두리를 동시에 코팅하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열시트의 코팅방법.