KR102426626B1 - 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법 - Google Patents

육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

방열부재를 준비하는 단계; 육방정 질화붕소 나노 입자, 바인더, 및 유기 용매를 포함하는 코팅액을 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 상기 코팅액을 코팅하여 코팅층을 형성하되, 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층으로부터 노출되는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자를 완전히 커버하도록 상기 코팅층의 상부에 오버코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법을 개시한다.

Description

육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법{hexagonal boron nitride nano particle coating heat radiation member and manufacturing method thereof}
본 발명은 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 알루미늄 금속 등으로 제조되는 방열부재의 표면에 열전도도 및 열방사도가 우수한 육방정 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride, 이하에서는 'h-BN'이라고도 함) 나노 입자를 코팅함으로써 열 방사 에너지를 크게 증가시킨 방열부재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 명세서에서, '방열부재'란 용어는 다양한 형상이나 재질을 갖는 방열 작용을 수행할 수 있는 구조를 포괄적으로 의미하는 것으로 사용된다.
전자 부품이나 소자와 같이 많은 열을 발생시키는 발열체에서 열을 흡수하여 외부로 방산시키기 위하여 다양한 구조나 형상을 갖는 히트싱크 구조가 널리 사용되고 있다.
그 일 예로서 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 패키지(1)의 몸체(1a)에 직접 방열판(2)을 고정 부착하여 그 반도체 패키지(1)에서 발산한 열을 방산시키는 구조가 선행특허 1에 개시되어 있다.
여기서, 상기 방열판(2, 히트싱크)은 일반적으로 열전도부로서 기능하는 메인 플레이트의 일면에 플레이트 또는 막대 형상 등의 방열핀(2a; heat radiation fin)이 복수개 연속적으로 형성되어 외부와의 접촉 표면적을 늘린 구조를 갖는다.
한편, 열 방사(thermal radiation)는 복사에 의한 열에너지 이동으로 물질 표면의 열에너지가 전자파 형태로 주변 공간으로 방출되는 현상이다. 열 방사 전자파의 파장은 자외선 일부 영역(0.1um)부터 가시광선, 적외선 전영역(100um) 구간에 존재한다. 열 방사 에너지(E)는 열방사도(α), 표면적(A), 표면 절대온도(T)에 비례하며 다음의 스테판-볼츠만 수식의 거동을 가진다.
E = α * A * T4
열원과 맞닿은 물질 표면의 열 방사 에너지가 높을수록 물질 표면의 열에너지가 전자파 형태로 빠르게 전환되므로 표면의 온도를 낮추게 되어 열원으로부터 보다 많은 열에너지를 표면으로 전달시킬수 있다.
상기 수식에 의하면 열 방사 에너지(E)를 높이기 위해서는 열 방사 표면의 열방사도(α)가 높아야 하고, 열 방사 표면의 온도(T)가 높아야 하며, 열 방사 표면의 표면적(A)이 커야 한다.
일반적으로 방열핀으로 주로 사용하는 알루미늄 금속은, 열전도도는 300W/mK 수준으로 높으나 열방사도(α)는 0.01 수준의 매우 낮은 값을 가지므로 스테판-볼츠만 수식에 의거하여 결과적으로 열 방사 에너지가 적다. 따라서 알루미늄 금속으로 구성된 방열핀의 경우 단면적을 늘리는 다양한 형태의 핀 구조만으로는 열 방사 에너지를 높이는데 근본적인 한계를 가지므로, 이를 해결하기 위한 획기적인 연구개발이 필요한 상태이다.
대한민국 등록특허공보 제10-271637호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속 등의 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소(h-BN) 나노입자를 코팅함으로써 열방사도 및 열 방사 표면적을 크게 하여 방열핀의 열 방사 에너지를 크게 높일 수 있는 육방정 질화붕소 나노입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구형의 육방정 질화붕소(h-BN) 나노입자와, 판상형 구조의 육방정 질화붕소(h-BN) 나노입자를 복합적으로 사용함으로써 열 방사 표면적을 더욱 높일 수 있어 열 방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있는 육방정 질화붕소 나노입자 코팅 방열부재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법은, 방열부재를 준비하는 단계; 육방정 질화붕소 나노 입자, 바인더, 및 유기 용매를 포함하는 코팅액을 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 상기 코팅액을 코팅하여 코팅층을 형성하되, 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층으로부터 노출되는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자를 완전히 커버하도록 상기 코팅층의 상부에 바인더 및 유기 용매를 포함하는 오버코팅액을 도포하여 오버코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 실시예에서, 상기 코팅액을 준비하는 단계에서, 상기 육방정 질화붕소 나노 입자는, D50이 100nm 이하인 구형의 육방정 질화붕소 나노 입자, D50이 500nm 이하인 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자, 입자 코어의 표면에 코팅된 상기 구형 또는 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 코팅액을 준비하는 단계는, 상기 육방정 질화붕소 나노 입자 0.05 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 유기 용매 94.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 코팅액을 스프레이 방식으로 상기 방열부재의 표면에 도포한 후 150℃ 이하에서 건조하는 단계인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노입자 코팅 방열부재는, 상기 실시예들에 기재된 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법에 의하여 제조된다.
상기 실시예에서, 상기 육방정 질화붕소 나노 입자는, D50이 100nm 이하인 구형 입자 및 D50이 500nm 이하인 판상형 입자를 포함한다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 판상형 입자는 상기 구형 입자에 의하여 상기 방열부재의 표면에 대하여 경사지게 코팅된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방열부재 금속 표면에 육방정 질화붕소(h-BN) 나노입자를 코팅함으로써 금속 표면의 단점인 낮은 열방사도(α)를 50배 이상 높이며, 열 방사 표면적(A)을 100배 이상 넓히고 높은 열전도도로 인해 금속 표면의 온도에 근접한 높은 표면 온도를 나타내므로 열 방사 에너지(E)를 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 육방정 질화붕소 나노 입자가 방열부재의 표면에 직접 접촉하도록 코팅됨으로써 열 방사 표면의 표면적이 커지게 되어 열 방사 에너지를 증가시킬 수 있다.
더욱이 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 구형의 나노크기 육방정 질화붕소(h-BN) 입자와, 판상형 구조의 나노크기 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 복합적으로 사용하면 열 방사 표면적을 더욱 높일 수 있어 열 방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 금속 방열판 구조를 나타낸 개략적 정면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 각종 방열 입자의 코팅층을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
이하에서는 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 상세히 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
종래에 방열부재로 주로 사용되는 알루미늄과 비교할 때, 육방정 질화붕소(h-BN) 물질은 300W/mK 수준의 유사한 열전도도를 나타내면서 동시에 0.9 이상의 높은 열방사도(α)를 나타내므로 열 방사 에너지가 높다는 장점이 있다.
이에 더하여 나노크기의 육방정 질화붕소(h-BN) 입자는 밴드갭 근처의 에너지상태 밀도가 높아 더욱 높은 열방사도(α)를 가지며 비표면적을 크게 높일 수 있다.
따라서 방열부재 금속 표면에 코팅된 육방정 질화붕소(h-BN) 나노입자는 금속 표면의 단점인 낮은 열방사도(α)를 50배 이상 높이며, 열 방사 표면적(A)을 100배 이상 넓히고 높은 열전도도로 인해 금속 표면의 온도에 근접한 높은 표면 온도를 나타내므로 열 방사 에너지(E)를 크게 높일 수 있을 것으로 예측된다.
더욱이 구형의 나노크기 육방정 질화붕소(h-BN) 입자와, 판상형 구조의 나노크기 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 복합적으로 사용하면 열 방사 표면적을 더욱 높일 수 있어 열 방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명자들을 위와 같은 기술 사상에 착안하여 본 발명에 이르게 된 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법은, 방열부재를 준비하는 단계; 육방정 질화붕소 나노 입자, 바인더, 및 유기 용매를 포함하는 코팅액을 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 상기 코팅액을 코팅하여 코팅층을 형성하되, 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층으로부터 노출되는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자를 완전히 커버하도록 상기 코팅층의 상부에 오버코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재는, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 회색으로 표시된 방열부재; 및 상기 방열부재의 표면에 코팅된 청색으로 표시된 육방정 질화붕소(h-BN) 나노 입자;를 포함한다.
상기 방열부재를 준비하는 단계에서, 상기 방열부재는, 통상적인 히트싱트 구조에 사용되고 있는 플레이트 또는 막대 형상 등의 다양한 형상이나 재질의 방열부재일 수 있고, 발열부에 열전도부 등을 통하여 또는 직접적으로 접촉되어 사용될 수 있다.
다음으로 상기 코팅액을 준비하는 단계는, 육방정 질화붕소 나노 입자, 바인더, 및 유기 용매를 포함하는 코팅액을 준비하는 단계이다.
상기 육방정 질화붕소 나노 입자로는, D50이 100nm 이하인 구형 입자, D50이 500nm 이하인 판상형 입자, 알루미나 등의 코어의 표면에 코팅된 상기 구형 또는 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 나노 입자가 선택적으로 사용될 수 있다.
방열 입자로서 육방정 질화붕소 나노 입자를 사용하는 가장 큰 이유는 넓은 비 표면적을 갖기 때문이다. 기판 (방열부재)과의 접촉 및 외부에 노출된 나노 입자의 표면이 열방사 기능을 수행하는 부분이라고 한다면, 육방정 질화붕소 나노 입자 (평균 입자 크기 100 ~ 500nm)의 비표면적(20 ~ 40m2/g)이 육방정 질화붕소 마이크로 입자 (평균 입자 크기 3 ~ 35um)의 비표면적(1 ~ 18m2/g)에 비해 훨씬 더 넓은 표면적을 가지기 때문에 열 방출 면에서 매우 유리하다.
또한, 코팅액의 조성 중 육방정 질화붕소에 비해 상대적으로 열전도도가 떨어지는 바인더의 배합 비율은 최소화가 필요하다. 이를 위해 코팅층의 두께 최소화가 필요하며, 코팅액의 조성 중 필러(방열 입자)의 크기가 작은 것이 유리하다. 또한, 코팅층 내부의 필러 크기가 마이크로 입자일 경우에는 마이크로 입자 사이사이의 공극으로 인한 기공이 존재할 경우 방사율이 저하하는 경향이 있다.
상기 바인더로는 열경화성 수지가 사용될 수 있다. 상기 열경화성 수지, 구체적으로 에폭시 수지는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자, 및 알루미나 등의 코어의 표면에 코팅된 상기 구형 또는 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자의 분산성 향상을 위해 상온에서 액상인 에폭시 수지나 상온에서 고체상인 저연화 에폭시 수지인 것이 바람직하다.
상기 열경화성 에폭시 수지는, 예를 들어, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 폴리카르복실산의 글리시딜에테르, 시클로헥산 유도체의 에폭시화에 의해 얻어지는 에폭시 수지 중 1종 이상일 수 있으며, 그 중 내열성 및 작업성 등의 관점에서 상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지 또는 시클로헥산 유도체의 에폭시화에 의해 얻어지는 에폭시 수지인 것이 바람직하다. 바람직하게는 1액형 에폭시 수지를 사용한다.
상기 유기 용매로는 아세트알데히드, 아세틸렌, 아세틸렌 디클로라이드, 아크롤레인, 아크릴로니트릴, 벤젠, 1,3-부타디엔, 부탄, 1-부텐, 2-부텐 , 사염화탄소, 클로로포름, 사이클로헥산, 1, 2-디클로로에탄디에틸아민,디메틸아민, 에틸렌, 포름알데히드, n-헥산, 이소프로필 알코올, 메탄올, 메틸에틸케톤, 메틸렌클로라이드, 엠티비이(MTBE), 프로필렌, 프로필렌옥사이드, 1, 1, 1-트리클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 휘발유, 납사, 원유, 아세트산(초산), 에틸벤젠, 니트로벤젠, 톨루엔, 테트라클로로에틸렌, 자일렌(o-,m-,p-포함), 스틸렌을 사용 할 수 있고, 바람직하게는 에탄올을 사용한다.
상기 코팅액을 이루는 각 구성 성분들의 배합 비율 등은 아래의 코팅층 형성 단계에서 상세히 설명한다.
다음으로 상기 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 방열부재의 표면에 상기 코팅액을 코팅하여 코팅층을 형성하되, 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 코팅층을 형성하는 단계이다.
상기 코팅액은 스프레이 분사, 붓으로 칠하는 도포, 및 딥핑 방식 등으로 방열부재와 같은 열방사 물질의 표면에 코팅될 수 있다. 또한 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 상기 코팅액을 이루는 바인더 및 유기용매의 배합 비율이나 농도 등이 적절히 선택되어야 한다.
통상적인 방식으로 코팅액을 준비하고 이를 방열부재의 표면에 도포 등의 방식으로 코팅할 경우에는 도 2에서 비교예 1로 도시된 바와 같이, 각각의 육방정 질화붕소 나노 입자들은 방열부재의 표면에 직접 접촉하지 않고 고정용 바인더 내에 자유롭게 고정되는 형태로 코팅층을 형성하게 되고, 이 경우에는 열 방사 효율을 향상시키기에 한계가 있기 때문이다.
이와 같은 관점에서 볼 때, 상기 코팅액은 열방사 입자(육방정 질화붕소 나노 입자) 0.05 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 유기 용매 94.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 열방사 입자 0.99 중량부, 바인더 0.01 중량부, 유기용매 99 중량부 비율로 혼합한다.
상기 코팅액 중의 열방사 입자가 5 중량부 이상이면, 코팅액 내에서의 분산성이 나빠져 입자간 응집이 발생한다. 또한 상기 코팅액 내의 고정용 바인더 및 유기 용매의 비율이 상대적으로 줄어들어 열방사 입자가 기판에 부착되지 않아, 오히려 기판 표면의 열방사 효율이 나빠진다. 한편 열방사 입자가 0.05 중량부 이하면, 열방사 표면적이 줄어들어 기판 표면의 열방사 효율이 나빠진다.
상기 코팅액의 고정용 바인더의 경우, 0.5 중량부 이상이면 열방사 입자가 기판에 직접적으로 부착되지 않아, 열방사 효율이 나빠지고, 0.005 중량부 이하면 열방사 입자가 기판에 고정되지 않아, 열방사 효율이 나빠지게 된다.
상기 코팅액의 유기 용매의 경우, 94.5 중량부 이하면 코팅액 내의 분산성이 나빠져 입자간 응집이 발생하고, 코팅액의 점도가 높아 스프레이 코팅이 용이하지 않게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 각각의 육방정 질화붕소 나노 입자가 방열부재의 표면에 직접 접촉하도록 코팅하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 우선적으로 코팅하고, 후술하는 오버코팅을 순차적으로 수행하도록 한 것이다.
상기 코팅액을 준비하는 단계는, D50이 100nm 이하인 구형의 육방정 질화붕소 나노 입자를 포함하는 제1 코팅액과, D50이 500nm 이하인 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자를 포함하는 제2 코팅액, 그리고 코어 상에 상기 구형 및 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자가 코팅되어 코어-쉘 형태를 이루는 나노 입자를 포함하는 제3 코팅액 등을 개별적으로 준비하고 필요에 따라 선택적으로, 또는 혼합하여, 또는 순차적으로 사용하는 것이 제조공정상 바람직하다.
상기 코팅층을 형성하는 단계에서, 상기 제1 코팅액만을 코팅하면, 도 2에 도시된 실시예 1과 같이 구형 입자가 코팅되고, 상기 제2 코팅액만을 코팅하면, 도 2에 도시된 실시예2와 같이 판상형 입자가 코팅되고, 상기 제1 코팅액과 제2 코팅액을 혼합하여, 또는 순차적으로 코팅할 경우에는 도 2에 도시된 실시예 3과 같이 구형 입자와 판상형 입자가 코팅될 수 있다. 또한, 상기 제3 코팅액만을 코팅하면, 도 2에 도시된 실시예 4와 같이 코팅될 수 있다.
위와 같이 방열부재의 표면에 스프레이 분사, 붓으로 칠하는 도포, 및 딥핑 방식 등으로 코팅액을 도포한 후에는 150℃ 이하의 온도 범위 내에서, 바람직하게는 상온에서 건조하여 방열 입자가 방열부재의 표면에 직접 부착되도록 한다.
마지막으로 상기 오버코팅층을 형성하는 단계는, 상기 코팅층으로부터 노출되는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자를 완전히 커버하도록 상기 코팅층의 상부에 오버코팅층을 형성하는 단계로서, 상기 오버코팅층은 바람직하게는 상기 코팅액에서와 유사하게 바인더 및 유기용매의 혼합물을 스프레이 등의 방식으로 코팅하여 형성된다. 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 방열부재 표면에의 고정력을 강화하기 위함이다.
상기 오버코팅용 코팅액의 경우, 상기 코팅층의 조성과 관련하여 설명하였던 바인더 및 유기 용매 성분을 혼합하여 사용할 수 있고, 바인더 0.05~5중량부, 유기 용매 95~99.95 중량부 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 바인더 0.1 중량부, 유기 용매 99.9 중량부 비율로 혼합하여 사용한다. 코팅액 중의 유기 용매가 95 중량부 이하면, 오버코팅용 코팅액의 점도가 높아 스프레이 코팅이 용이하지 않기 때문이다.
도 2에는 본 발명의 다양한 실시예에 따라서, 회색으로 표시된 방열부재의 표면에 청색으로 표시된 구형 입자, 판상형 입자, 코어 상에 구형 및 판산형 입자가 코팅된 코어-쉘 형태의 입자가 개별적으로 또는 복합적으로 코팅될 경우의 입자 코팅 상태를 각각 개략적으로 나타낸 확대도가 도시되어 있다.
고방열 소재인 육방정 질화붕소(h-BN) 중 판상형 입자의 경우 그 판상형 입자의 수평 방향으로는 열전도도가 높으나, 수직 방향으로는 열전도도가 크게 감소하므로, 판상형의 육방정 질화붕소(h-BN) 나노 입자를 코팅되는 방열부재의 표면에 대하여 수직한 방향에 가깝게 경사지게 코팅하는 것이 바람직하다.
그러나 판상형의 육방정 질화붕소(h-BN) 나노 입자만을 코팅할 경우 도 2의 실시예 2와 같이 대부분의 판상형 입자들은 코팅 표면에 수평 방향으로 코팅된다. 이와 같은 문제를 해결하여 보다 방열 성능을 향상시키기 위해서는 구형 입자와 판상형 입자를 복합적으로 코팅함으로써, 도 2의 실시예 3과 같이 구형 입자의 존재에 의하여 판상형 입자들이 코팅 표면에 대하여 수직 방향에 가깝게, 코팅 표면에 경사지게 배향 코팅될 수 있다.
이처럼 100nm 이하의 구형 육방정 질화붕소(h-BN) 입자, 500nm 이하의 판상형 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 단일 또는 복합적으로 사용하여 열방사가 필요한 물체 표면에 도포함으로서 표면의 열방사 에너지를 높여 표면의 온도를 낮추게 된다.
또한, 육방정 질화붕소(h-BN) 고유의 높은 열전도도(300W/mK), 육방정계 결정구조, 및 나노 크기의 h-BN 입자 특징을 이용하여 기존 방열부재에 코팅하여 그 표면을 나노 방열부재로 동작하도록 할 수 있게 된다. 즉, 높은 열전도도를 통해 열방사 표면의 온도를 높이고, 나노크기의 구형 및 판상형 h-BN 입자를 단일 또는 복합적으로 사용하여 열방사 표면적을 극대화하며 h-BN 고유의 높은 열방사도 등 상기 3가지 인자를 동시에 높임으로서 열방사 에너지를 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.
이하에서는 구체적인 실시예들 및 이와 대비되는 비교예들을 통하여, 코팅액의 조성 및 코팅 방법에 따른 특성을 비교 설명한다.
열원(붉은색)과 맞닿는 방열부재(회색)로는, 가로*세로*두께가 20*100*2 mm인 알루미늄 기판을 공통으로 사용하였고, 각각의 개략적인 코팅 형태를 도 2에 도시하였다.
(실시예 1)
알루미늄 기판 표면에 D50 기준으로 100nm 이하인 구형의 h-BN 입자를 부착한 실시예이다. 이를 위해 우선 에탄올 용매 100g, 1액형 에폭시 수지 0.1wt% 및 상기 h-BN 나노 입자 1g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 10um 두께로 도포한 후 1시간 동안 상온 건조시켜, 기판 표면에 위치한 h-BN 입자를 고정되도록 한다.
이 후, 기판 표면에 고정된 입자들을 전체적으로 덮기 위하여, 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt%를 혼합한 오버코팅액을 스프레이 방식으로 10um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(실시예 2)
알루미늄 방열부재 금속 표면에 D50 기준으로 500nm 이하의 판상형 h-BN 입자를 부착한 실시예이다. 이를 위해 우선 에탄올 용매 100g, 1액형 에폭시 수지 0.1wt% 및 상기 h-BN 나노 입자 1g의 코팅액을 만든다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 10um 두께로 도포한 후 1시간 동안 상온 건조시켜, 기판 표면에 위치한 h-BN 입자를 고정되도록 한다.
이 후, 기판 표면에 고정된 입자들을 전체적으로 덮기 위하여, 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt%를 혼합한 오버코팅액을 스프레이 방식으로 10um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(실시예 3)
알루미늄 방열부재 금속 표면에 실시예 1의 구형 h-BN 입자와 실시예 2의 판상형 h-BN 입자를 혼합하여 부착한 실시예이다. 이를 위해 우선 에탄올 용매 100g, 1액형 에폭시 수지 0.1wt% 및 상기 h-BN 나노 입자 각 0.5g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 10um 두께로 도포한 후 1시간 동안 상온 건조시켜, 기판 표면에 위치한 h-BN 입자를 고정되도록 한다.
이 후, 기판 표면에 고정된 입자들을 전체적으로 덮기 위하여, 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt%를 혼합한 오버코팅액을 스프레이 방식으로 10um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(실시예 4)
알루미늄 금속 표면에 D50 기준으로 20um 이하의 알루미나를 코어로 하여 100nm 이하인 구형 h-BN 나노 입자 및 500nm 이하인 판형 h-BN 나노 입자를 코어 표면에 코팅한 코어쉘 구조의 입자를 부착한 실시예이다.
우선, 알루미나 70 중량부, 무기 바인더 (물유리) 10 중량부 및 구형 hBN 나노 입자 10 중량부, 판형 hBN 나노 입자 10 중량부를 교반한 후, 100℃에서 1시간 열처리하여 상기 코어쉘 구조 입자를 제조한다. 다음으로 에탄올 용매 100g, 1액형 에폭시 수지 0.1wt% 및 상기 코어쉘 구조 입자 3g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이를 스프레이 방식으로 금속 표면에 40um 두께로 도포한 후 1시간 동안 상온 건조시켜, 기판 표면에 위치한 코어쉘 구조의 입자를 고정되도록 한다.
이 후, 기판 표면에 고정된 입자들을 전체적으로 덮기 위하여, 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt%를 혼합한 오버코팅액을 스프레이 방식으로 10um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 1)
알루미늄 금속 표면에 D50 기준으로 100nm 이하인 구형 h-BN 나노 입자 및 500nm 이하인 판형 h-BN 나노 입자를 부착하되, 상기 실시예 3과는 달리, 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt% 및 상기 hBN 나노 입자 각 0.5g을 혼합하여 코팅액을 만들고, 이 코팅액을 스프레이 방식으로 20um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조하여 코팅한다.
(비교예 2)
알루미늄 금속 표면에 D50 기준으로 20um 이하의 h-BN 입자를 부착한다. 이를 위해 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt% 및 상기 마이크로 단위의 h-BN 입자 1g을 혼합하여 코팅액을 만든다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 40um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 3)
알루미늄 금속에 D50 기준으로 20um 이하의 알루미나 입자를 부착한다. 이를 위해 에탄올 용매 100g에 1액형 에폭시 1wt% 및 상기의 알루미나 입자 3g을 혼합하여 코팅액을 만든다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 40um 두께로 도포한 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 4)
열원과 맞닿는 알루미늄 기판 표면에 방열 입자를 전혀 부착하지 않는 예이다.
위와 같이 제조된 다양한 방열부재를 준비하고, 열원으로는 디지털 온도 설정이 가능한 핫 플레이트를 사용하여 온도를 120℃로 설정한 후 그 상부에 준비된 방열부재를 각각 위치시킨다. 가열 시작 30분 후 열전대 온도계로 입자가 코팅된 표면의 온도를 측정하여 그 특성을 비교하여 아래 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
코팅입자 100nm이하인 구형 h-BN 500nm이하인 판상형 h-BN 실시예 1+2 알루니마 코어, 실시예 1+2 쉘의 코어-쉘 실시예 3과 동일 20um 이하의 h-BN 20um 이하의 알루미나 X
코팅방법 입자 부착 코팅후, 오버코팅 1회의 코팅액 코팅 X
알루미늄 표면온도 (℃) 80.6 79.8 77.1 75.1 86.5 89.1 87.2 92.0
위와 같은 테스트를 통하여 열 방사 코팅 입자를 기판 표면에 직접 고정시킨 후, 고정용 바인더를 2차로 도포 코팅한 실시예들이 비교예들에 비해 열 방사 효과가 우수하다는 것을 확인했다.
구체적으로, 실시예 1 내지 실시예 3의 h-BN 나노 입자의 열 방사 효과를 비교했을 경우, 구형 또는 판형 1종의 h-BN 나노 입자에 비해 구형 및 판형 2종을 복합한 h -BN 나노 입자를 사용했을 때의 코팅 입자 조성물이 열 방사 효과가 우수했다. 또한 실시예 중에서도 실시예 4의 코어-쉘 구조의 입자 조성물이 열 방사 효과가 우수하다는 사실을 확인할 수 있었다.
이와 같은 이유는 본 발명의 실시예에 따른 열 방사 조성 물질의 2회에 걸친 코팅 방법에 의하여, 실시예들에서는 열 방사 조성 물질이 기판 표면에 직접 닿아 열 방사 표면의 표면적이 커지기 때문이다. 이로 인해, 열원과 맞닿은 물질 표면의 열 방사 에너지가 높을수록 물질 표면의 열에너지가 전자파 형태로 빠르게 전환되므로 표면의 온도를 낮추게 되어 열원으로부터 보다 많은 열에너지를 표면으로 전달시킬 수 있다. 반면 비교예 1 및 비교예 2에서는 방열 입자가 열원과 맞닿는 방열부재의 표면에 직접 접촉하지 않으므로 방열 효과에 한계가 있는 것으로 보인다.
또한 고 방열 소재인 h-BN 나노 입자의 경우 입자의 수평 방향으로는 열전도도가 높으나, 수직 방향으로는 열전도도가 크게 감소 한다. 실시예 1이나 실시예 2 대비 실시예 3의 열 방사 효과가 높은 이유는, 실시예 3은 구형 입자의 존재에 의하여 판상형 입자들이 코팅 표면에 대하여 수직 방향에 가깝게, 코팅 표면에 경사지게 배향 코팅 될 수 있으므로, 이를 통해 높은 열전도도를 통한 열 방사 표면의 온도를 높일 수 있기 때문이다.
한편, 실시예 4의 코어-쉘 구조의 입자 조성물은 코어에 코팅된 h-BN 나노 입자들이 기판 표면에 직접 닿아 열 방사 표면의 표면적이 더욱 커진다. 또한 코어에 코팅된 h-BN 나노 입자들이 수직에 가깝게 배열되므로 열 방사 효과가 더 우수한 것으로 보인다.

Claims (7)

  1. 방열부재를 준비하는 단계;
    육방정 질화붕소 나노 입자, 바인더, 및 유기 용매를 포함하는 코팅액을 준비하는 단계;
    상기 방열부재의 표면에 상기 코팅액을 코팅하여 코팅층을 형성하되, 상기 방열부재의 표면에 상기 육방정 질화붕소 나노 입자가 직접 부착되고 상기 육방정 질화붕소 나노 입자의 일부는 상기 코팅층으로부터 노출되도록 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층으로부터 노출되는 상기 육방정 질화붕소 나노 입자를 완전히 커버하도록 상기 코팅층의 상부에 바인더 및 유기 용매를 포함하는 오버코팅액을 도포하여 오버코팅층을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅액을 준비하는 단계에서, 상기 육방정 질화붕소 나노 입자는, D50이 100nm 이하인 구형의 육방정 질화붕소 나노 입자, D50이 500nm 이하인 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자, 입자 코어의 표면에 코팅된 상기 구형 또는 판상형의 육방정 질화붕소 나노 입자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅액을 준비하는 단계는, 상기 육방정 질화붕소 나노 입자 0.05 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 유기 용매 94.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합하는 단계를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 코팅액을 스프레이 방식으로 상기 방열부재의 표면에 도포한 후 150℃ 이하에서 건조하는 단계인, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 하나의 청구항에 기재된 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재의 제조방법에 의하여 제조된, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 육방정 질화붕소 나노 입자는, D50이 100nm 이하인 구형 입자 및 D50이 500nm 이하인 판상형 입자를 포함하는, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 판상형 입자는 상기 구형 입자에 의하여 상기 방열부재의 표면에 대하여 경사지게 코팅되는, 육방정 질화붕소 나노 입자 코팅 방열부재.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170123394A (ko) * 2016-04-28 2017-11-08 주식회사 네패스신소재 방열 특성이 향상된 코팅 조성물 및 이를 이용한 도막의 형성 방법
JP7092676B2 (ja) * 2017-06-23 2022-06-28 積水化学工業株式会社 放熱シート、放熱シートの製造方法及び積層体
KR102609888B1 (ko) * 2018-01-04 2023-12-05 엘지이노텍 주식회사 방열 기판

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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