KR102367301B1 - 복합방열시트 및 이의 제조방법 - Google Patents

복합방열시트 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102367301B1
KR102367301B1 KR1020170129627A KR20170129627A KR102367301B1 KR 102367301 B1 KR102367301 B1 KR 102367301B1 KR 1020170129627 A KR1020170129627 A KR 1020170129627A KR 20170129627 A KR20170129627 A KR 20170129627A KR 102367301 B1 KR102367301 B1 KR 102367301B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat dissipation
layer
polymer compound
sheet
composite
Prior art date
Application number
KR1020170129627A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180039004A (ko
Inventor
차봉준
이동훈
Original Assignee
도레이첨단소재 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도레이첨단소재 주식회사 filed Critical 도레이첨단소재 주식회사
Publication of KR20180039004A publication Critical patent/KR20180039004A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102367301B1 publication Critical patent/KR102367301B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/20445—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff
    • H05K7/20472—Sheet interfaces
    • H05K7/20481—Sheet interfaces characterised by the material composition exhibiting specific thermal properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/02—Layer formed of wires, e.g. mesh
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/12—Deep-drawing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • B32B2307/302—Conductive

Abstract

본 발명은 복합방열시트에 관한 것이며, 보다 상세하게는 종래 방열시트보다 수직, 수평방향의 열전도도 차이를 현저히 개선하여 발열원으로부터 열의 추출 및 분산이 더욱 용이한 복합방열시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

복합방열시트 및 이의 제조방법{Complex-thermal conducting sheet and manufacturing method thereof}
본 발명은 복합방열시트에 관한 것이며, 보다 상세하게는 종래 방열시트보다 수직, 수평방향의 열전도도 차이를 현저히 개선하여 발열원으로부터 열의 추출 및 분산이 더욱 용이한 복합방열시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자기기의 경량화, 소형화, 고집적화 등에 따라서 부품의 발열로 인한 기기성능 저하문제가 심각히 대두되고 있으며, 이를 해결하기 위한 방열기술, 소재 등이 많은 주목을 받고 있다.
방열소재는 열용량, 밀도, 및 열확산도의 곱으로 정의되며 열전도도가 우수한 소재를 바탕으로 알루미늄, 구리와 같은 금속 및 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 다양한 카본 소재 등이 방열소재로서 주로 이용되고 있다. 이외에도 방열소재가 가져야 할 중요한 성질중의 하나가 낮은 열팽창계수 (Coefficient of thermal expansion, CTE)이다. 왜냐하면 발열재료와 방열재료 CTE간 부정합(mismatch)은 장기간 사용에 따른 응력을 발생시켜서 이들 간 계면 박리로 인해 방열효율을 급격히 악화시킬 수 있기 때문이다. 종래의 방열소재로 주로 사용되는 대표적인 금속인 구리나 알루미늄의 경우 열전도도는 양호하지만 CTE는 비교적 높은 편에 속한다. 또한, 흑연 또는 그라파이트 시트는 이들 나노 탄소소재의 2차원 판상구조로 인해 수평방향의 열전도도가 수직방향의 열전도도에 비해 약 100 배 이상 높은 특징을 갖는 열전도도의 (Scientific Reports 3, Article number: 1710 (2013)) 이방성 특성을 가진다.
그러나 이러한 열전도도 이방성은 모터나 인버터와 같은 열원으로부터 요구되는 빠른 열추출이나 열방출이 장기간 지속되는 열원에서는 그 적용이 상당히 곤란하였다. 뿐만 아니라 일반 전자부품 적용에 있어서 열원과 방열시트간의 계면 열저항에 기인하여 그라파이트 시트와 같은 고열전도도 시트가 적용되더라도 방열효율이 좋지 않은 문제가 있었다.
이에 따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 대안으로서 탄소소재를 응용한 방열시트의 수직방향으로의 열전도도를 개선하기 위한 노력이 진행되어 왔으며, 일예로 공개특허공보 제10-2015-0005755호는 등방성 열전도도가 향상된 방열시트를 개시한다.
그러나 현재까지 개발되고 있는, 등방성의 열전도도를 향상시킨 방열시트들은 열전도도 저항을 유도하는 점착층을 구비하거나, 전기도금, 수직타공 등 추가공정으로 인한 비용상승, 성형가공 중의 방열시트 균열이나 부분탈락, 분진발생, 금속재질과 탄소재질의 이종재질 간 계면에서의 접합력 약화에 따른 내구성 감소 등의 문제점이 여전히 존재하고 있다.
따라서 이와 같은 문제점이 해소된, 수직, 수평 방향의 열전도도 차이가 감소하면서 내구성이 담보된 방열시트의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 수직방향의 열전도도가 현저하게 증가하여 수직/수평 방향에 따른 열전도도 차이를 최소화한 방열시트 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수직/수평방향에 따른 열전도도 차이를 최소화하여 열원으로부터 빠른 열추출이 가능하고, 열원으로부터 장기간 열추출에 따른 열스트레스 등으로 인한 방열특성을 나타내는 부분의 균열, 탈락 및 이로 인한 기능저하가 최소화 또는 방지된 복합방열시트 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) 금속메쉬층의 적어도 일면에 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 접합시켜 복합시트를 제조하는 단계; (2) 상기 복합시트의 양면 중 적어도 기재층 상에, 카본계 입자들 및 소수성 고분자 화합물을 포함하는 제1조성물을 처리 후 건조시킨 가-방열층(pre-thermal conducting layer)을 형성시키는 단계; (3) 적어도 상기 가-방열층의 상면에 친수성 고분자 화합물을 포함하는 제2조성물을 처리 후 건조시키는 단계; 및 (4) 적어도 상기 제2조성물이 처리된 일면에 압력 및 열을 가하는 단계;를 포함하는 복합방열시트 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 기재층은 직물, 편물 및 부직포 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기재층은 기공도가 20 ~ 80%, 두께가 30 ~ 100㎛일 수 있다.
또한, 상기 (1) 단계와 (2) 단계 사이에, 기재층이 접합된 복합시트의 일면에 상기 금속메쉬층의 적어도 일부가 노출되도록 상기 기재층 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 카본계 입자들은 그라파이트 및 그래핀 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 고분자 화합물은 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리아크릴레이트, 카르복시메틸셀룰로스 및 히드록시프로필메틸셀룰로스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 친수성 고분자화합물은 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌이민, 에폭시, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1조성물은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자 화합물을 10 ~ 55 중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2조성물은 상기 가-방열층 내부로 침투되기 위하여 점도가 25℃에서 0.5 ~ 5.0cps일 수 있다.
또한, 상기 소수성 고분자 화합물은 수평균분자량이 5,000 ~ 80,000일 수 있다.
또한, 상기 친수성 고분자화합물은 수평균분자량이 500 ~ 5,000일 수 있다.
또한, 상기 (4) 단계는 40 ~ 100 MPa의 압력 및 190 ~ 260℃의 열을 가하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 금속메쉬층 및 상기 금속메쉬층의 적어도 일면 접합된 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 포함하는 복합시트; 및 카본계 입자들, 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물을 포함하여 상기 복합시트의 양면 중 적어도 상기 기재층 상에 형성된 방열층;을 포함하는 복합방열시트를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물의 일부는 이들 상호 간이 가교결합된 고분자화합물로 방열층에 포함될 수 있다.
또한, 상기 방열층 내 카본계 입자들은 층상구조로 배열되고, 상기 소수성 고분자화합물은 상기 카본계 입자들 상호 간을 결합시키도록 배치되며, 상기 친수성 고분자화합물은 배치된 소수성 고분자화합물과 상기 기재층 사이를 포함하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 방열층은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자 화합물을 10 ~ 55 중량부 및 친수성 고분자화합물 1 ~ 10중량부를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 소수성 고분자 화합물은 수평균분자량이 5,000 ~ 80,000일 수 있다.
또한, 상기 친수성 고분자화합물은 수평균분자량이 500 ~ 5,000일 수 있다.
또한, 상기 기재층이 접합된 복합시트의 일면은 상기 금속메쉬층의 적어도 일부가 노출되도록 기재층이 구비되며, 금속메쉬층의 노출비율은 10 ~ 40%일 수 있다.
또한, 상기 방열층은 상기 복합시트의 양면에 형성되며, 상기 방열층은 상기 복합시트의 기재층에 구비된 기공을 통해 상호 간에 연결될 수 있다.
또한, 상기 금속메쉬층은 메쉬크기가 15 ~ 82 메쉬일 수 있다.
또한, 상기 금속메쉬층은 알루미늄, 구리, 니켈, 황동, 스테인레스스틸 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 복합방열시트를 포함하는 전자기기를 제공한다.
본 발명에 의하면, 복합방열시트는 수직방향의 열전도도가 현저하게 증가하여 수직/수평 방향에 따른 열전도도 차이를 최소화 시킬 수 있다. 또한, 이를 통해 열원으로부터 빠른 열추출이 가능하고, 열원으로부터 장기간 열추출에 따른 열스트레스 등으로 인한 방열특성을 나타내는 부분의 균열, 탈락 및 이로 인한 기능저하가 최소화 또는 방지될 수 있음에 따라서 방열이 요구되는 각종 산업전반에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 복합방열시트 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 포함되는 복합시트에서 금속메쉬층 표면 사진이다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 복합방열시트의 금속메쉬층 표면사진이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 포함되는 복합시트에서 기재층 표면의 SEM 사진이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 일구현예에 포함되는 복합시트에서 기재층의 일부가 연마되어 이면의 금속메쉬층의 일부가 노출된 기재층 표면의 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 1로부터 제조된 복합방열시트 표면 SEM사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 포함되는 방열층 내의 소수성고분자와 이형가교제간의 화학반응을 보여주는 적외선 분광 스펙트럼 결과이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 대부분의 흑연이나 그래핀으로 구성된 방열시트는 흑연, 그래핀 등이 본래 2차원 판상구조형태를 가지기 때문에 수평방향의 열전도도는 매우 우수한 반면 수직방향의 열전도도는 낮은 특성을 갖는다. 특히 판상의 그라파이트 시트는 성형 가공시 시트 균열로 인한 층상 정렬구조의 파괴, 입자의 부분탈락 등으로 열전도도 성능이 감소하거나 탈락된 입자로 인한 전자부품 작동오류를 발생시킬 수 있다. 한편, 금속을 방열시트에 사용할 경우 금속 또한 두께에 따라 수평, 수직방향에 따른 열전도도 차이가 큰 편이며 금속의 산화문제나 높은 밀도는 전자기기의 경량화, 안정성 측면에서 그 적용확대에 한계가 있다. 특히 이들 소재 원료의 개질과 합성에 따른 원가상승과 공정의 복잡성 증가, 다층구조화 하거나 복합화한 방열소재 또한 금속과 탄소소재 간의 계면저항과 열전도 메커니즘 차이, 점착제 사용에 의한 저항 발생 등으로 방열효율이 초도에 목적한 수준까지 달성하기 어렵거나 사용 중 성능이 쉽게 저하될 문제가 있다.
이에 본 발명에 따른 복합방열시트는 금속메쉬층 및 상기 금속메쉬층의 적어도 일면 접합된 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 포함하는 복합시트, 및 카본계 입자들, 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물을 포함하여 상기 복합시트의 양면 중 적어도 상기 기재층 상에 형성된 방열층을 포함하여 구현된다. 상기 복합방열시트는 후술하는 제조방법으로 제조되나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 복합방열시트는 (1) 금속메쉬층의 적어도 일면에 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 접합시켜 복합시트를 제조하는 단계(S100), (2) 상기 복합시트의 양면 중 적어도 기재층 상에, 카본계 입자들 및 소수성 고분자 화합물을 포함하는 제1조성물을 처리 후 건조시킨 가-방열층(pre-thermal conducting layer)을 형성시키는 단계(S200), (3) 적어도 상기 가-방열층의 상면에 친수성 고분자 화합물을 포함하는 제2조성물을 처리 후 건조시키는 단계(S300), 및 (4) 적어도 상기 제2조성물이 처리된 일면에 압력 및 열을 가하는 단계(S400)를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 금속메쉬층의 적어도 일면에 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 접합시켜 복합시트를 제조하는 단계(S100)를 수행한다.
상기 금속메쉬층은 복합방열시트의 수직 열전도를 향상시키는 동시에 소정의 기계적 강도를 제공하는 기능을 담당한다.
상기 금속메쉬층의 재질은 방열시트에 통상적으로 사용하며, 열전도도가 우수한 재질의 금속인 경우 제한 없이 사용이 가능하다. 다만, 열전도도를 고려하여 바람직하게는 구리, 알루미늄, 텅스텐, 니켈, 황동 및 스테인레스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속메쉬층에서 메쉬 크기는 특별히 한정되지 않으나 메쉬층의 가로, 세로 1인치당 오픈 공간 개수로 정의하여 메쉬 크기는 바람직하게는 15 ~ 82일 수 있고, 보다 바람직하게는 15 ~ 62일 수 있으며, 이를 통해 본 발명이 목적하는 효과의 현저한 발현이 가능하다. 이때, 상기 메쉬 크기가 15 미만이면 메쉬 두께가 증가하여 경박단소형화 되는 열원에 사용이 어려울 수 있고, 기재층이나 방열층의 박리, 방열층의 크랙, 손상 등이 발생할 우려가 있는 등 본 발명이 목적하는 효과를 발현하기 어려울 수 있다. 또한, 만일 메쉬 크기가 80을 초과하면 섬유상 기재층과 금속간의 접촉면적이 증가하고, 이로 인해 계면에서의 열저항 증가로 수직방향 열전도도 향상 효과가 미미할 수 있다.
상술한 금속메쉬층의 적어도 일면에 접합되는 기재층은 복합방열시트의 지지기능과, 방열층과 금속메쉬층 간의 접합력 향상 기능을 수행하는 층으로써, 섬유형상의 물질이 층을 형성하고 있는 부재이다. 상기 기재층은 구체적으로 1개 또는 다수개의 섬유가 집합되어 형성된 것으로써, 구체적 형상은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 일예로, 직물, 편물 또는 부직포일 수 있으며, 바람직하게는 웹 형상인 부직포일 수 있다. 상기 부직포는 섬유의 배열에 방향성이 없는 것으로서, 그 형성방법에 본 발명은 특별히 한정하지 않는다.
상기 기재층은 후술하는 방열층과의 상용성, 방열층에 대한 지지기능을 원활히 수행할 수 있는 재질인 경우 그 제한은 없으며, 바람직하게는 아라미드, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 것일 수 있다.
상기 기재층은 기공도가 바람직하게는 20 ~ 80%일 수 있고, 보다 바람직하게는 38 ~ 72%일 수 있다. 만일 기공도가 20% 미만일 경우 후술하는 단계들에 의해 형성되는 방열층이 복합시트의 양면에 각각 형성될 때, 양면에 처리된 제1조성물이 기재층의 기공에 침투함을 통한 두 개의 방열층 간 연결이 어려울 수 있고, 이로 인하여 수직방향의 열전도도가 저하될 수 있다. 또한, 방열층과 기재층 간의 접합력이 감소될 우려가 있다. 또한, 상기 기재층의 기공도가 80%를 초과하게 되면 기계적 강도가 현저히 감소할 수 있고, 이로 인해 방열층의 균열, 박리 등이 빈번할 수 있다.
또한, 상기 기재층은 두께가 바람직하게는 20 ~ 100㎛, 보다 바람직하게는 40 ~ 85㎛일 수 있는데, 만일 두께가 20㎛ 미만이면 방열층과 기재층 간의 접합력이 저하될 수 있고, 금속메쉬층과 기재층 간 접합면에서의 계면형성 가능성으로 금속 열저항의 증가 우려가 있다. 특히, 기재층이 접합되지 않은 금속메쉬층의 면에는 금속메쉬로 인한 굴곡이 형성될 수 있는데, 방열층이 양면에 구비되는 경우 상기 기재층의 두께가 얇음에 따라서 상기 굴곡에 의한 방열층과 금속메쉬 및/또는 기재층 사이에 에어포켓이 생길 수 있다. 또한, 기재층의 두께가 100㎛을 초과하게 되면 복합시트의 양면에 방열층이 구비되는 경우 방열층 간의 물리적 연결이 어려워서 수직방향의 열전도도가 현저히 저하될 수 있으며, 과도한 기재층 두께로 인한 수직방향 열저항이 증가하여 금속메쉬층으로부터 방열층으로 열전도 효율이 현저히 감소될 수 있다. 또한, 경박단소형화 되는 전자기기의 개발이 증가하는 최근 추세에 바람직하지 못하고, 실제 사용상 제한이 있을 수 있다.
상술한 금속메쉬층과 기재층의 접합은 금속메쉬층의 일면에 기재층을 배치시킨 뒤 압력과 열을 가하여 수행될 수 있고, 이때 가해지는 압력은 40~100MPa 이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50~80MPa일 수 있다. 만약 가해지는 압력이 40MPa 미만이면 기재층과 금속메쉬층 간의 접착이 좋지 않아서 부분 또는 전부 들뜸에 따른 열전도 효율이 저하와 내구성 저하 우려가 있다. 또한, 만일 가해지는 압력이 100MPa 을 초과하게 되면 기재층의 취성 증가로 균열 발생에 의해 금속 메쉬층과의 계면에서 열저항이 증가할 수 있다.
또한, 상기 압력이 가해질 때 동시에 열이 가해지는 것이 바람직한데, 이때 열처리 온도는 150 ~ 300℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 190 ~ 250℃에서 수행될 수 있다. 만약 열처리 온도가 150℃ 미만이면 금속메쉬층과 기재층 간의 접착력이 약해 부분박리 발생 및 이로 인한 방열성능 저하 우려가 있고, 전부 박리에 따른 복합방열시트의 기능상실 우려가 있다. 또한, 만일 열처리 온도가 300℃를 초과하면 기재층의 취성 및 균열증가로 복합시트 형성이 어렵고, 열저항 증가 우려가 있다. 또한, 열처리 시간은 30 ~ 60분이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 45 ~ 55분일 수 있다. 만약 열처리 시간이 30분 미만이면 금속메쉬층과 기재층 간 접합이 불완전할 수 있으며, 60분을 초과할 경우 기재층이 용융될 수 있는 우려가 있다.
한편, (1) 단계를 수행하여 제조된 복합시트는 수직방향의 열전도도 향상을 위하여 복합시트에서 기재층 상부면을 연마하여 기재층 하부에 배치된 금속메쉬층의 일부를 노출시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 연마는 기재층의 재질, 두께 및 노출시키려는 금속메쉬층의 노출면적을 고려하여 통상적인 연마공정을 적절히 채용할 수 있고, 일예로, 사포나 밀링 등의 수단을 이용해 연마공정을 수행할 수 있다. 상기 연마공정을 통해 노출된 금속메쉬층의 표면 노출비율은 10 내지 40%일 수 있다. 만약 금속메쉬층의 표면 노출비율이 10%미만이면 수직방향 열전도도 향상이 어려울 수 있고, 40%를 초과하는 경우 금속메쉬층과 기재층 간의 접합면의 들뜸, 박리가 빈번히 발생할 수 있고, 기재층의 섬유상 구조 파괴로 인하여 방열층과 기재층 간의 접합력 약화, 방열성능 및 내구성 약화 우려가 있다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 상기 복합시트의 양면 중 적어도 기재층 상에, 카본계 입자들 및 소수성 고분자 화합물을 포함하는 제1조성물을 처리 후 건조시킨 가-방열층(pre-thermal conducting layer)을 형성시키는 단계(S200)를 수행한다.
상기 제1조성물은 최소한 상기 복합시트에서 기재층의 상부에 처리될 수 있고, 다른 일예로 상기 복합시트에서 기재층 상부를 포함하여 복합시트 양면에 처리될 수 있다. 상기 제1조성물이 복합시트 양면에 처리되는 경우 상기 제1조성물은 어느 일면에 처리 후 건조과정을 거쳐 제1 가-방열층을 형성한 후 다른 일면에 다시 제1조성물이 처리 후 건조과정을 거쳐 제2 가-방열층을 형성하거나, 또는 복합시트 양면에 제1조성물이 동시에 처리 및 건조되어 복합시트 양면에 가-방열층을 형성할 수도 있다.
상기 제1조성물의 처리 방법은 공지된 코팅방법의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 일예로, 딥핑, 스프레잉, 캐스팅 등의 방법을 단독 또는 병용할 수 있고, 횟수 또한 1회 또는 2회 이상 반복하여 처리될 수 있다. 이때, 처리된 제1조성물의 양은 건조 후 구현된 가-방열층의 두께가 5 ~ 100㎛가 되도록 처리되는 것이 바람직하다. 만약 가-방열층의 두께가 5㎛ 미만이면 열전도도 효율이 낮고 100㎛를 초과하게 되면 균열, 기재층과의 계면들뜸, 박리 등이 발생될 수 있어서 내구성 저하의 우려가 있다.
상기 제1조성물에 대해 구체적으로 설명하면, 제1조성물은 가-방열층을 형성시키며, 카본계 입자들 및 소수성 고분자화합물을 포함한다.
상기 카본계 입자들은 방열성능을 발현하는 공지의 카본계 입자일 수 있고, 일예로 그라파이트 및 그래핀 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 그라파이트는 인조흑연 및/또는 천연흑연일 수 있다. 또한, 상기 그라파이트는 팽창흑연일 수 있으며, 상기 팽창흑연이 쪼개진 다층 그래핀일 수도 있다. 또한, 상기 그라파이트는 형상이 플레이크형, 라운드형, 무정형일 수 있다. 또한, 상기 카본계 입자들은 고분자화합물과의 상용성이나 방열성능의 향상을 위하여 개질된 것을 사용할 수도 있다. 다만, 바람직하게는 물리적, 화학적으로 개질되지 않은 그라파이트나 그래핀일 수 있다.
또한, 상기 카본계 입자들은 입경이 5 ~ 20㎛일 수 있으며, 만약 입경이 5㎛ 미만이면 입자간 계면저항이 증가하여 열전도도 효율이 좋지 않을 수 있고, 만일 입경이 20㎛를 초과할 경우 제1조성물의 처리방법에 제약이 있거나, 처리된 후 불균일한 방열층이 구현될 수 있어서 바람직하지 못하다.
또한, 상기 소수성 고분자화합물은 구현되는 방열층 내의 카본계 입자들을 접합시키며, 방열층을 형성하는 매트릭스 성분으로 기능한다. 상기 소수성 고분자화합물은 소수성을 발현함에 따라서 카본계 입자와의 상분리 없이 조성물에서 균일분산을 용이하게 하는 이점이 있다. 상기 소수성 고분자화합물은 소수성을 발현하면서도, 카본계 입자들과 상용성에서 문제가 없고, 카본계 입자들 간을 원활히 접합시킬 수 있는 성분의 경우 재질상의 제약은 없다. 다만, 바람직하게는 목적하는 물성의 원활한 발현을 위하여 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리아크릴레이트, 카르복시메틸셀룰로스 및 히드록시프로필메틸셀룰로스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리비닐아세테이트일 수 있다.
또한, 상기 소수성 고분자 화합물은 수평균분자량이 5,000 ~ 80,000일 수 있고, 보다 바람직하게는 수평균분자량이 5,000 ~ 60,000일 수 있다. 만약 수평균 분자량이 5,000 미만이면 균일한 방열층의 형성이 어렵고, 80,000을 초과하게 되면 열전도도가 현저히 저하될 수 있고, 높은 점도로 인해 제1조성물을 기재층에 처리하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 제1조성물은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자 화합물을 10 ~ 55중량부로 포함할 수 있다. 만일 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자화합물이 10 중량부 미만으로 구비되는 경우 균일한 코팅층 형성이 어려울 수 있고, 접합력 약화로 카본계 입자의 탈리가 빈번할 수 있는 등 본 발명의 목적을 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 만일 소수성 고분자화합물이 55중량부를 초과하는 경우, 열전도도가 현저히 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 제1조성물은 상술한 카본계 입자들과 소수성 고분자 이외에 용매, 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 용매는 카본계 입자들의 분산과 소수성 고분자 화합물의 용해를 가능하게 하는 공지의 용매인 경우 제한은 없으나, 생산성 및 공정 수행측면에서 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 용매는 형성시키고자 하는 제1조성물의 점도, 소수성 고분자화합물의 종류 등을 고려하여 적절히 그 함량을 변경할 수 있는데, 일예로 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 용매는 300 ~ 500 중량부로 포함될 수 있다. 만일, 카본계 입자 100 중량부에 대하여 용매가 300 중량부 미만으로 포함될 경우 카본계 입자의 균일 분산이 어려울 수 있다. 또한, 만일 용매가 500 중량부를 초과하여 포함될 경우 제1조성물에서 낮은 카본계 입자 농도로 인해 불균일한 탄소층이 형성되거나 제조공정 및 경제적으로 불리한 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 기타 첨가제는 난연제, 분산제, 레벨링제, 커플링제 등 카본계 입자를 포함하는 방열층의 형성 시 구비되는 공지의 성분일 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 상기 기타첨가제는 카본계 입자들 100 중량부에 대해 0.01 ~ 10 중량부로 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다
상기 복합시트에서 적어도 기재층 상부에 처리된 제1조성물은 이후에 건조 과정을 거치며, 상기 건조는 제1조성물의 점도, 용매의 종류 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있으나, 50 ~ 100℃의 온도로 수행됨이 바람직하다. 만약 건조온도가 50℃ 미만이면 균일한 방열층의 형성이나 생산성에 문제가 있고, 100℃를 초과하게 되면 섬유상 기재층과 건조된 가-방열층 간의 부분박리, 탈착으로 인하여 품질저하 또는 내구성이 현저히 저하된 방열시트가 구현될 우려가 있다.
또한, 상기 건조는 10 ~ 30분간 수행될 수 있는데, 만일 건조시간이 10분미만일 경우 충분히 건조되지 못하여 기재층과 가-방열층 간의 접합불량이 발생할 수 있고, 30분을 초과할 경우 생산성 저하의 우려가 있다.
다음으로 본 발명에 따른 (3) 단계로써, 적어도 상기 가-방열층의 상면에 친수성 고분자 화합물을 포함하는 제2조성물을 처리 후 건조시키는 단계(S300)를 수행한다.
상기 (3) 단계는 복합시트의 일면 또는 양면에 형성된 가-방열층 상면에 제2조성물을 처리하여, 제2조성물 내 친수성 고분자화합물을 통하여 가-방열층과 기재층 사이의 계면간 접합특성을 더욱 향상시키며 최종 구현되는 방열층의 강도도 더욱 향상시키는 단계이다.
상기 제2조성물에 대해 설명하면, 친수성 고분자화합물을 포함하고, 이외에 용매를 더 포함하며, 기타 분산제, 커플링제, 레벨링제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자화합물은 가-방열층을 침투하여 카본계 입자들의 층 사이 및/또는 상기 층 사이에 배치된 소수성 고분자화합물의 빈 틈이나, 기재층과 가-방열층 사이 계면, 기재층 내부에 침투 및 위치함으로써 방열시트의 내구성을 더욱 향상시키는 기능을 담당하는 성분이다. 또한, 후술하는 (4)단계를 통해 압력을 가할 때 사용될 수 있는 원통형 또는 평판형 압력부여부재에서 제조된 복합방열시트가 쉽게 이형될 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 따라서 상기 친수성 고분자화합물은 친수성을 발현하면서 상술한 기재층과 가-방열층 간의 상용성이 있고, 압력부여부재에서 쉽게 이형가능토록 하는 고분자화합물의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 또한, 바람직하게는 상술한 소수성 고분자화합물과 가교반응을 할 수 있는 화합물일 수 있고 이를 통해 보다 향상된 내구성을 발현할 수 있게 하는 화합물 일 수 있다.
이와 같은 특성을 발현하는 친수성 고분자화합물의 구체적인 일예로써, 상기 친수성 고분자화합물은 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌이민, 에폭시, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리비닐알코올일 수 있다.
또한, 상기 친수성 고분자화합물은 수평균분자량이 500 ~ 5,000일 수 있으며, 만약 친수성 고분자화합물의 수평균분자량이 500 미만이면 가-방열층 내로 침투하여 소수성 고분자화합물과의 가교 및 이형효과가 미미하여 구현된 방열층의 일부 탈락, 크랙, 계면분리의 우려가 있다. 또한, 만일 수평균분자량이 5,000을 초과하게 되면 가-방열층 내로의 친수성 고분자화합물의 침투가 용이치 않아 불균일한 가교로 인한 방열층의 크랙, 박리, 계면들뜸, 카본계 입자의 탈락이 발생할 수 있는 등 목적하는 물성을 달성하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 제2조성물은 용매를 더 포함할 수 있고, 상기 용매는 선택된 친수성 고분자화합물을 용해시키는 것으로 공지된 용매 중 임의 선택이 가능하며, 일예로 물일 수 있다. 상기 제2조성물은 바람직하게는 친수성 고분자화합물 100 중량부에 대하여 용매를 2,000 ~ 5,000 중량부로 포함할 수 있다. 만일 친수성 고분자화합물 100 중량부에 대하여 용매가 2000 중량부 미만으로 포함될 경우, 고점도로 인한 친수성 고분자화합물의 가-방열층 내로의 확산, 침투가 어려워 물리적으로 안정한 방열층 형성이 어려울 수 있다. 또한, 만일 용매가 5,000 중량부를 초과하여 포함될 경우 과량의 용매 건조에 따른 제조시간 연장 및 생산비용 증가의 우려가 있다.
또한, 상기 제2조성물은 바람직하게는 점도가 25℃에서 0.5 ~ 5.0cps일 수 있으며, 이를 통해 친수성 고분자화합물의 가-방열층 내로의 침투, 확산 성능을 더욱 현저히 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상술한 제2조성물은 이외에도 기타 첨가제를 더 포함할 수 있고, 상기 기타 첨가제는 카본계 입자를 포함하는 방열층의 구현에 사용되는 공지의 것인 경우 제한 없이 사용할 수 있으며, 이의 함량은 목적에 따라서 달리 변경할 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
상기 제2조성물은 적어도 가-방열층의 상면에 처리될 수 있고, 이 때의 처리 방법은 공지된 코팅방법의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 일예로, 딥핑, 스프레잉, 캐스팅 등의 방법을 단독 또는 병용할 수 있고, 횟수 또한 1회 또는 2회 이상 반복하여 처리될 수 있다. 이때, 처리된 제2조성물의 양은 건조 후 구현된 방열층의 두께가 제2조성물 처리 전 가-방열층 두께에 기준하여 5% 미만의 두께 변동율이 있도록 처리되는 것이 바람직하다. 만약 가-방열층의 두께 기준 5% 이상으로 두께가 변동되도록 처리될 경우 구현된 방열층 표면에 별도의 친수성 고분자층이 형성됨에 따라서 열전도도의 현저한 저하가 발생할 수 있다. 상기 제2조성물은 처리된 이후에 건조 과정을 거치며, 상기 건조는 제2조성물의 점도, 용매의 종류 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있으나, 50 ~ 100℃의 온도로 수행됨이 바람직하다. 만약 건조온도가 50℃ 미만이면 이형력의 발현이 적고, 불균일한 방열층이 형성될 우려가 있다. 또한, 건조온도가 100℃를 초과하게 되면 섬유상 기재층과 건조된 방열층 간의 부분박리, 탈착으로 인하여 품질저하 또는 내구성이 현저히 저하된 방열시트가 구현될 우려가 있다.
또한, 상기 건조는 30 ~ 60분 간 수행될 수 있는데, 만일 건조시간이 30분 미만일 경우 충분히 건조되지 못하여 후술하는 (3) 단계가 수행되기 어려울 수 있고, 만일 60분을 초과할 경우 생산성 저하의 우려가 있다.
한편, 상기 제2조성물은 처리방법에 따라서 가-방열층이 기재층의 일면에만 구비된 경우에도 양면에 처리될 수 있으며, 이때 양면에 동시에 처리되거나 또는 어느 일면에 먼저 제2조성물을 처리하고, 나머지 일면에 제2조성물을 처리할 수 있다. 이때, 상기 건조는 제2조성물을 일면에 처리 후 건조과정을 거치고, 다시 제2조성물을 타면에 처리 후 건조과정을 거치거나, 제2조성물을 모두 처리 후 건조과정을 거칠 수 있는 등 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
다음으로, 상술한 (3) 단계 이후에 본 발명에 따른 (4)단계로써, 적어도 상기 제2조성물이 처리된 일면에 압력 및 열을 가하는 단계(S400)를 수행한다.
(4) 단계의 수행을 통해 상술한 제2조성물 내 친수성 고분자화합물의 침투, 확산 및 소수성 고분자화합물 간의 가교결합이 원활할 수 있다. 또한, 열을 처리함으로써 복합방열시트의 열팽창계수를 현저히 저하시켜 장기간 사용에 따른 열스트레스로 인한 내구성 저하를 방지할 수 있다. 구체적으로 가해지는 열의 정도는 섬유상 기재층의 재질의 유리전이온도를 고려하여 변동이 있을 수 있으나, 바람직하게는 190 ~ 260℃의 열을 가할 수 있다. 만일 가해지는 열의 온도가 190℃ 미만이면 가교반응이 충분치 않고 카본입자 간, 카본입자와 섬유상 기재층 간의 접합력이 약해 카본계 입자의 부분 탈락이나 방열층의 크랙, 박리가 빈번히 발생할 수 있고, 목적하는 수준으로 방열시트의 열팽창계수를 낮출 수 없다. 또한, 만일 가해지는 열의 온도가 260℃를 초과하게 되면 섬유상 기재층의 취성 발생과 찢어짐 등의 손상이 발생할 수 있고, 고온으로 인한 생산비용의 증가 우려가 있다.
또한, 열은 30분 ~ 60분 동안 가해질 수 있는데, 만일 열이 30분 미만으로 가해질 경우 가교반응이 충분히 일어나기 어렵고, 방열시트의 열팽창계수를 낮추기 시간상 부족할 수 있다. 또한, 열이 60분을 초과하여 가해질 경우 제조시간의 연장, 생산비용 증가의 문제가 있을 수 있다.
또한, 압력이 동시에 가해질 수 있는데, 상기 압력은 40 ~ 100MPa의 세기로 가해질 수 있다. 만일 압력이 40MPa 미만으로 가해질 경우 카본계 입자들로 형성된 입자층 간 결합력, 방열층과 기재층 간의 결합력이 저하되고, 이로 인해 기계적 강도가 충분치 않을 수 있다. 또한, 압력이 100MPa를 초과하여 가해지면 고압으로 인해 생산비용 증가, 설비 등에 문제가 발생할 수 있다.
상술한 제조방법을 통해 구현된 복합방열시트는 금속메쉬층 및 상기 금속메쉬층의 적어도 일면 접합된 섬유상의 기재층을 포함하는 복합시트, 및 카본계 입자들, 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물을 포함하여 상기 복합시트의 양면 중 적어도 상기 기재층 상에 형성된 방열층을 포함하여 구현된다.
또한, 상기 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물의 일부 또는 전부는 이들 상호 간이 가교결합된 상태일 수 있고, 이를 통해 보다 향상된 내구성, 방열성능의 발현에 유리하다. 또한, 상기 소수성 고분자화합물 및/또는 친수성 고분자화합물도 그 구체적 종류에 따라서 동일종류끼리 가교결합 되어 방열시트에 구비될 수 있고, 이로 인한 결합력의 향상 이점이 있다.
또한, 상기 방열층 내 카본계 입자들은 층상구조로 배열되고, 상기 소수성 고분자화합물은 상기 카본계 입자들 상호 간을 결합시키도록 배치되며, 상기 친수성 고분자화합물은 배치된 소수성 고분자화합물과 상기 섬유상의 기재층 사이를 포함하여 배치되도록 구현됨에 따라서 더 큰 내구성과 방열성능을 발현하기에 더욱 더 유리하다.
이때, 상기 방열층은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자화합물 10 ~ 55 중량부 및 친수성 고분자화합물 1 ~ 10 중량부를 포함할 수 있고, 이를 통해 접합력 향상에 따른 내구성 향상, 열전도도 향상, 수직/수평 열전도도 차이 감소, 열팽창계수의 현저한 감소에 따른 내구성 향상 등 본 발명의 목적을 달성하는데 더욱 유리할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방열층은 복합시트의 양면에 형성될 수 있는데, 이때, 기재층을 경계로 양 측에 배치된 2개의 방열층은 각각이 기재층 윗면 및 아랫면을 통해 내부로 침투해 형성됨에 따라서 방열층 간 기재층의 기공을 통해 직접적 및/또는 간접적 연결될 수 있으며, 이를 통해 수직열전도도가 더욱 향상될 수 있다.
상술한 복합방열시트는 장기간 오랜 사용에도 열스트레스에 의한 내구성 저하의 우려가 없고, 오랫동안 우수한 방열성능을 발현할 수 있음에 따라서 휴대폰, 컴퓨터 등의 모바일 전자기기를 비롯하여 차량용 전자부품 등 방열이 요구되는 산업 전반에 널리 응용될 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예 1>
20 메쉬급, 두께 380㎛인 구리메쉬층(Herbei Tec-sieve사, 두께 380㎛)과 섬유상의 기재층으로써 아라미드 웹층(Toaychemical사, Arawin, 두께 80㎛, 기공도 70%)를 준비하였다. 한편, 소수성 고분자화합물인 폴리비닐아세테이트(Daejungchemical사, Mn=25,000) 5g을 용매인 에탄올 (Daejungchemical사, EP급) 50g에 용해하여 투명한 균일상을 가진 용액을 제조한 후 그래핀(Angstron materials사, 평균입경 5㎛) 10g을 상기 용액에 첨가, 교반, 초음파 처리하여 제1조성물을 제조하였다. 또한, 친수성 고분자화합물인 폴리비닐알코올(Daejungchemical사, Mn=500) 6g을 물 150g에 혼합한 후, 60℃ 온도에서 5시간 교반하여 점도가 0.76 cps인 균일상의 제2조성물을 준비하였다.
먼저, 상기 구리메쉬층의 일면에 상기 아라미드 웹층을 배치시킨 뒤 240, 60MPa조건하에서 50분간 압연, 열처리하여 복합시트를 제조하였다. 이후, 상기 제1조성물을 직경 30㎛의 스프레이 장치를 사용하여 상기 복합시트 아라미드웹층 상부면에 코팅한 후 70℃ 오븐에서 15분간 건조하였다. 이후 복합시트 타면에 제1조성물을 동일한 방법으로 코팅한 후 동일한 온도/시간 조건하에서 건조하여 기재층 양면에 가-방열층을 형성시켰다.
이후, 건조된 가-방열층 각각의 노출면에 제2조성물을 딥코팅 방식으로 코팅한 후 70℃ 오븐에서 50분간 건조하였다.
이후, 건조된 방열층을 구비한 방열시트를 240℃, 60MPa의 조건하에서 50분간 압연, 열처리하여 복합방열시트를 제조하였다.
<실시예 2 ~ 19>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 금속메쉬층의 재질/메쉬크기/두께, 복합시트에서 기재층이 형성된 면에서 금속메쉬층 표면 노출비율 등을 하기 표 1 또는 표 2와 같이 달리하여 하기 표 1 또는 표 2와 같은 복합방열시트를 제조하였다.
이때, 상기 복합시트에서 기재층이 형성된 면에서 금속메쉬층 표면의 일부 노출을 위하여 제1조성물의 처리 전 복합시트에서 기재층 상부면을 사포(320Cw)를 이용하여 문지르는 방식의 연마공정을 더 수행했고, 금속메쉬층 표면이 노출비율은 문지르는 횟수를 변경하는 방식으로 조절하였다.
한편, 사용된 금속메쉬층의 재질, 메쉬크기는 이하와 같다.
알루미늄메쉬층(Herbei Tec-sieve사, 16메쉬(두께 600 ㎛)), 구리메쉬층(Herbei Tec-sieve사, 20메쉬(두께 380㎛), 80메쉬(두께 220 ㎛), 200 mesh(두께 120㎛)), 및 스테인레스 스틸 (SUS) 메쉬층(Dongjin metaltech사, 20메쉬(두께 350 ㎛), 60메쉬(두께 260 ㎛))
<비교예 1>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제1조성물/제2조성물을 처리하지 않고, 아라미드 웹층 상부에서 240, 60MPa의 조건하에서 50분간 압연, 열처리하여 하기 표 3과 같은 복합시트를 제조하였다.
<비교예 2 ~ 6>
비교예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표3과 같이 금속메쉬층 재질, 메쉬크기, 금속메쉬층의 노출비율을 변경하거나 방열층을 포함시키지 않고, 하기 표 3과 같은 복합시트를 제조하였다.
<비교예 7>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 구리메쉬층(Herbei Tec-sieve사, 200 mesh(두께 120㎛)으로 변경하고, 기재층을 생략한 방열시트를 제조하였다.
<비교예 8>
방열시트로 압연동박(Iljin사, 두께 70㎛)를 준비하였다.
<비교예 9>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 금속메쉬층을 생략하여 방열시트를 제조하였다.
<실험예 1>
실시예에 따른 복합방열시트와, 비교예에 따른 복합시트, 방열시트 및 복합방열시트에 대하여 하기의 물성을 평가하여 하기 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
1. 열확산도 측정
레이져 플래시법 (독일 N사, LFA447모델)을 이용하여 수평방향 열확산도와 수직방향 열확산도를 직경 2 cm의 동일한 크기의 디스크 시편에 대하여 측정하였다.
2. 밀도 측정
시편의 가로 및 세로를 측정한 후 디지털 두께측정기 (일본 M사, ID-C112XBS모델)로부터 얻어진 두께를 곱하여 부피를 계산한 뒤 각 시편의 무게를 정밀저울 (Sartorius사 제품)로 측정하여 밀도를 계산하였다.
3. 노출비율
연마된 후 금속메쉬층의 표면 노출비율은 하기의 식에 따라 계산되었다.
[식]
노출비율(%) = (1-메쉬오픈분율)×(단위 메쉬당 금속표면 노출 면적율)
여기서 단위 메쉬당 금속표면 노출 면적율은 전자현미경을 통해 측정되었으며 대략 1/2로 계산하였다.
4. 접합특성 평가
시편에 대하여 1㎜ 간격이 되도록 나이프로 크로스 컷팅을 했다. 이후 이후 컷팅된 면에 스카치테이프를 부착하고 60° 각도로 잡아당겨 방열층이 박리되는 상태를 확인했다. 평가기준은 ISO 2409에 의거하여 평가했다. (5B: 0%, 4B: 5%이하, 3B: 5~15%, 2B: 15~35%, 1B: 35~65%, 0B: 65%이상) 이때 방열시트 자체의 찢어짐 등이 발생하는 경우 ×로 표기했다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8 실시예9
금속메쉬층 재질 구리 구리 구리 구리 구리 구리 구리 구리 구리
메쉬크기
(메쉬)		 20 80 90 15 10 200 20 20 20
두께(㎛) 380 220 210 410 460 120 380 380 380
노출비율(%) 0 0 0 0 0 32.5 6 12 28
기재층 재질 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드
두께(㎛) 80 80 80 80 80 80 80 80 80
기공도(%) 70 70 70 70 70 70 70 70 70
물성 밀도(g/cm3) 1.5 2.12 2.09 1.38 1.24 2.36 1.50 1.48 1.45
수평방향 열확산도
(mm2/s)		 47.624 38.98 34.45 49.22 32.63 43.259 47.034 48.548 46.069
수직방향 열확산도
(mm2/s)		 10.781 3.729 1.674 9.355 3.873 1.744 10.634 11.634 13.027
수평/수직 열전도도 비율 4.417 10.453 20.579 5.261 8.425 24.804 4.423 4.173 3.536
접합특성 4B 4B 5B 4B 4B 5B 4B 4B 4B
실시예10 실시예11 실시예12 실시예13 실시예14 실시예15 실시예16 실시예17 실시예18 실시예19
금속메쉬층 재질 구리 구리 구리 알루미늄 알루미늄 스텐 스텐 알루미늄 알루미늄 알루미늄
메쉬크기
(메쉬)		 20 20 80 16 16 20 60 16 16 16
두께(㎛) 380 380 220 620 620 350 260 620 620 620
노출비율(%) 38 45 33 0 25 28 31 25 25 25
기재층 재질 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 폴리페닐렌설파이드 셀룰로오스
두께(㎛) 80 80 80 80 80 80 80 80 35 43
기공도(%) 70 70 70 70 70 70 70 70 54.5 37.4
물성 밀도(g/cm3) 1.41 1.40 1.98 0.88 0.9 1.28 2.13 0.83 0.79 1.82
수평방향 열확산도
(mm2/s)		 47.382 46.781 39.874 40.54 41.501 15.126 12.134 39.314 41.82 33.67
수직방향 열확산도
(mm2/s)		 14.257 9.834 5.666 6.09 12.581 16.934 4.922 9.97 5.355 2.67
수평/수직 열전도도 비율 3.323 4.747 7.037 6.657 3.299 0.893 2.465 3.943 7.81 12.61
접합특성 4B 4B 5B 4B 3B 4B 5B 4B 3B 4B
비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6 비교예7 비교예8 비교예9
금속메쉬층 재질 구리 구리 알루미늄 구리 구리 알루미늄 구리 압연동박 없음
메쉬크기
(메쉬)		 20 80 16 20 80 16 200 0 없음
두께(㎛) 380 220 620 380 220 620 120 70 없음
노출비율(%) 0 0 0 28 33 25 0 0 없음
기재층 재질 아라미드 없음 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 없음 없음 아라미드
두께(㎛) 80 없음 80 80 80 80 없음 없음 80
기공도(%) 70 없음 70 70 70 70 없음 없음 70
방열층 없음 없음 없음 없음 없음 없음 그래핀 없음 그래핀
물성 밀도(g/cm3) 1.26 1.97 0.55 1.29 1.69 0.52 2.32 8.65 1.25
수평방향 열확산도
(mm2/s)		 28.09 34.25 26.135 28.1 34.305 26.27 41.007 108.41 32.41
수직방향 열확산도
(mm2/s)		 8.914 3.437 11.19 10.365 4.157 13.11 1.025 0.85 0.44
수평/수직 열전도도 비율 3.151 9.965 2.336 2.711 8.252 2 40.007 127.54 73.66
접합특성 - - - - - - 5B - 5B
표 1 내지 3을 통해 확인할 수 있듯이, 실시예가 비교예보다 수평열확산도, 수직열확산도가 현저히 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 금속메쉬층의 메쉬크기가 바람직한 범위 내인 실시예1, 2, 4가 상기 범위를 벗어나는 실시예 3 및 5보다 물성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 금속메쉬층 상의 기재층의 연마를 통해 기재층 쪽으로 금속메쉬층이 노출되는 비율이 본 발명의 바람직한 범위 내인 실시예 8 내지 10이 실시예 7과 실시예 11보다 수평/수직 열전도도 비율이 낮아서 등방성을 발현함을 확인할 수 있고, 접합특성도 양호한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
실시예1을 통해 제조된 복합방열시트에서 소수성 고분자와 친수성 고분자간의 화학반응을 통한 가교결합생성 여부를 확인하기 위해 적외선 분광법 (미국 A사, Cary 660모델)을 사용하고 ATR모드를 적용하여 평가하였고, 그 결과를 도 5(a, b, c)에 나타내었다.
도 5의 A 와 B는 파장별 적외선 분광스펙트럼에 대한 결과로써, 도 5의 A와 B에서 스펙트럼(a)는 순수한 아라미드 종이의 적외선 분광스펙트럼을 나타내며, 스펙트럼(b)는 열처리 전의 방열시트에 대한 적외선 분광스펙트럼을 나타내고, 스펙트럼(c)는 열처리 된 강화방열시트에 대한 적외선 분광스펙트럼을 나타낸다. 열처리 전인 분광스펙트럼(b)에서에 폴리비닐아세테이트에 기인한 -C-O-C피크가 1234 cm-1 부근, -C=O에 기인한 피크가 1736 cm-1 부근에서 관찰되었으나, 열처리 후 분광스펙트럼(c)에서 1736 cm-1 부근의 피크가 사라짐이 관찰되었다. 이와 동시에 아라미드의 -N-H에 해당하는 3297 cm-1 부근의 피크가 3287 cm-1 부근으로 전이하며 새로운 모양의 -C-C에 해당하는 피크가 2908 cm-1 부근에 형성되는 것을 통해 제1조성물 내의 소수성 고분자화합물과 제2조성물 내 친수성 고분자화합물 간 화학반응이 일어나 가교결합이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 20 ~ 28>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제2조성물 처리 후 가해지는 열의 온도조건과 기재층의 두께와 기공도를 하기 표 4 또는 표 5와 같이 변경하여 하기 표 4 또는 표 5와 같은 복합방열시트를 제조하였다.
<비교예 10>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제2조성물을 처리하지 않고, 240℃, 60MPa의 조건하에서 50분간 압연, 열처리하여 하기 표 5와 같은 방열시트를 제조하였다.
<비교예 11>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제1조성물에 친수성 고분자화합물 폴리비닐알코올(Daejungchemical사, Mn=500) 6g을 혼합 및 교반한 혼합조성물을 제조한 뒤 상기 혼합조성물을 기재층 상에 처리 및 건조 후 240℃, 60MPa의 조건하에서 50분간 압연, 열처리하여 하기 표 5와 같은 방열시트를 제조하였다.
<실험예3>
실시예 20 ~ 28 및 비교예 11, 12에 대하여 실험예1에서의 접합특성을 동일하게 평가하여 하기 표 4 및 표 5에 나타내었다.
실시예1 실시예20 실시예21 실시예22 실시예23 실시예24 실시예25
기재층 재질 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드
두께(㎛) 80 80 80 80 80 45 40
기공도(%) 70 70 70 70 70 40 35
열/압력 온도(℃) 240 200 250 280 170 250 250
압력(MPa) 60 60 60 60 60 60 60
물성 접합특성 5B 4B 5B 2B 2B 5B 3B
실시예26 실시예27 실시예28 비교예10 비교예11
기재층 재질 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드 아라미드
두께(㎛) 25 18 100 80 80
기공도(%) 22% 15% 85% 70 70
열/압력 온도(℃) 250 250 200 200 200
압력(MPa) 60 60 60 60 60
물성 접합특성 3B 0B 2B 0B 1B
비교예3: 제2조성물 미처리
비교예4: 소수성고분자화합물+친수성 고분자화합물+그래핀을 포함하는 혼합조성물 사용
상기 표 4 및 표 5를 통해 확인할 수 있듯이,
적정 범위의 기공도를 갖는 기재층을 사용한 실시예 1, 2, 24, 25, 26이 실시예 27, 28보다 접합특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 제2조성물 처리 후 열처리 온도가 적정범위로 처리된 실시예 1, 20, 21이 실시예 22, 23보다 접합특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 친수성 고분자화합물이 포함된 제2조성물을 미처리한 비교예10, 제1조성물에 친수성 고분자화합물까지 포함 시킨 혼합조성물로 처리하여 비교예11은 접합특성이 매우 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (19)

  1. (1) 금속메쉬층의 적어도 일면에 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 접합시켜 복합시트를 제조하는 단계;
    (2) 상기 복합시트의 양면 중 적어도 기재층 상에, 카본계 입자들 및 소수성 고분자 화합물을 포함하는 제1조성물을 처리 후 건조시킨 가-방열층(pre-thermal conducting layer)을 형성시키는 단계;
    (3) 적어도 상기 가-방열층의 상면에 친수성 고분자 화합물을 포함하는 제2조성물을 처리 후 건조시키는 단계; 및
    (4) 적어도 상기 제2조성물이 처리된 일면에 압력 및 열을 가하는 단계;를 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 직물, 편물 및 부직포 중 어느 하나 이상을 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 기공도가 20 ~ 80%, 두께가 30 ~ 100㎛인 복합방열시트 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (1) 단계와 (2) 단계 사이에, 기재층이 접합된 복합시트의 일면에 상기 금속메쉬층의 적어도 일부가 노출되도록 상기 기재층 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카본계 입자들은 그라파이트 및 그래핀 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 소수성 고분자 화합물은 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리아크릴레이트, 카르복시메틸셀룰로스 및 히드록시프로필메틸셀룰로스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 친수성 고분자화합물은 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌이민, 에폭시, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1조성물은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자 화합물을 10 ~ 55 중량부로 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 화합물은 수평균분자량이 5,000 ~ 80,000인 복합방열시트 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2조성물은 상기 가-방열층 내부로 침투되기 위하여 점도가 25℃에서 0.5 ~ 5.0cps인 복합방열시트 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 고분자화합물은 수평균분자량이 500 ~ 5,000인 복합방열시트 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (4) 단계는 40 ~ 100 MPa의 압력 및 190 ~ 260℃의 열을 가하여 수행되는 복합방열시트 제조방법.
  11. 금속메쉬층 및 상기 금속메쉬층의 적어도 일면 접합된 섬유형상의 물질로 형성된 기재층을 포함하는 복합시트; 및
    카본계 입자들, 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물을 포함하여 상기 복합시트의 양면 중 적어도 상기 기재층 상에 형성된 방열층;을 포함하는 복합방열시트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소수성 고분자화합물 및 친수성 고분자화합물의 일부는 이들 상호 간이 가교결합된 고분자화합물로 방열층에 포함되는 복합방열시트.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 방열층 내 카본계 입자들은 층상구조로 배열되고, 상기 소수성 고분자화합물은 상기 카본계 입자들 상호 간을 결합시키도록 배치되며, 상기 친수성 고분자화합물은 배치된 소수성 고분자화합물과 상기 기재층 사이를 포함하여 배치되는 복합방열시트.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 방열층은 카본계 입자들 100 중량부에 대하여 소수성 고분자화합물 10 ~ 55 중량부 및 친수성 고분자화합물 1 ~ 10 중량부를 포함하는 복합방열시트.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 화합물은 수평균분자량이 5,000 ~ 80,000이며, 상기 친수성 고분자화합물은 수평균분자량이 500 ~ 5,000인 복합방열시트.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 기재층이 접합된 복합시트의 일면은 상기 금속메쉬층의 적어도 일부가 노출되도록 기재층이 구비되며, 금속메쉬층의 노출비율은 10 ~ 40%인 복합방열시트.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 방열층은 상기 복합시트의 양면에 형성되며,
    상기 방열층은 상기 복합시트의 기재층에 구비된 기공을 통해 상호 간에 연결된 복합방열시트.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 금속메쉬층은 메쉬크기가 15 ~ 82 메쉬인 복합방열시트.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 복합방열시트를 포함한 전자기기.
KR1020170129627A 2016-10-07 2017-10-10 복합방열시트 및 이의 제조방법 KR102367301B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160130055 2016-10-07
KR20160130055 2016-10-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180039004A KR20180039004A (ko) 2018-04-17
KR102367301B1 true KR102367301B1 (ko) 2022-02-24

Family

ID=62083199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170129627A KR102367301B1 (ko) 2016-10-07 2017-10-10 복합방열시트 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102367301B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102192902B1 (ko) * 2018-04-25 2020-12-18 (주)이노시아 복합기능시트의 제조방법
KR102132421B1 (ko) * 2018-04-25 2020-07-09 (주)이노시아 복합기능시트의 제조방법
KR102344270B1 (ko) * 2020-01-20 2021-12-29 주식회사 제씨콤 고분자 나노복합체 방열 조성물의 제조방법 및 그 조성물이 적용된 방열시트의 제조방법
KR102405336B1 (ko) * 2020-07-29 2022-06-08 주식회사 제씨콤 고분자 나노복합체 방열시트의 제조방법 및 그 제조장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016044213A (ja) 2014-08-21 2016-04-04 信越化学工業株式会社 熱伝導性シリコーン組成物及び熱伝導性シート

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016044213A (ja) 2014-08-21 2016-04-04 信越化学工業株式会社 熱伝導性シリコーン組成物及び熱伝導性シート

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180039004A (ko) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102367301B1 (ko) 복합방열시트 및 이의 제조방법
TWI566947B (zh) 放熱構件、電子元件及電池
JP6166117B2 (ja) 金属と炭素繊維との複合材の製造方法
EP3160161B1 (en) Carbonaceous acoustic matching layer and method for producing same
JP6713120B1 (ja) 銅焼結基板ナノ銀含浸型接合シート、製法及び接合方法
CN106457402B (zh) 粘结材料及使用其的粘结方法
US11490510B2 (en) Ceramic and polymer composite, methods of making, and uses thereof
KR20170109981A (ko) 방열특성이 우수한 방열시트 및 이의 제조방법
JP6659026B2 (ja) 銅粒子を用いた低温接合方法
KR20170068507A (ko) 탄소 시트, 가스 확산 전극 기재, 및 연료 전지
JP2013531808A (ja) 基板のハイスループット、ミクロンスケールエッチングのためのステンシルならびにその製造方法および使用方法
CN108291290B (zh) 金属与碳纤维的复合材料的制造方法
KR102191608B1 (ko) 금속폼의 제조 방법
TWI466139B (zh) 導電性薄膜的製造方法
KR102367298B1 (ko) 강화방열시트 및 이의 제조방법
JP3514340B2 (ja) 接着性シート
KR102277768B1 (ko) 복합재의 제조 방법 및 복합재
JP6907636B2 (ja) 熱伝導シートの製造方法
WO2019069570A1 (ja) 炭素フォーム、積層炭素フォーム、及び積層炭素フォームの製造方法
KR102053326B1 (ko) 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법
KR102591403B1 (ko) 복합 방열 하이브리드 시트
JP2008169245A (ja) 放熱材とその製造方法
JPH0936544A (ja) 非貫通バイヤホールへの導電塗料充填法
JP2010232507A (ja) 熱伝導性プリント基板およびその製造方法
KR20200016230A (ko) 폴리테트라플루오로에틸렌 및 충전제를 함유하는 판형의 복합 재료

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant