KR102461992B1 - 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재 - Google Patents

육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재 Download PDF

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Abstract

방열부재를 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 BN 코팅액을 코팅하는 BN 코팅 단계; 및 상기 BN 코팅 단계 후에, 무기 또는 금속 분말 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 코팅하는 고비중 입자 코팅 단계;를 포함하는, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법을 개시한다.

Description

육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재{Coating method of coating solution comprising hexagonal boron nitride particles and heat dissipation member manufactured thereby}
본 발명은 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 알루미늄 금속 등으로 제조되는 방열부재의 표면에 높은 열전도도, 높은 열방사도 및 큰 비표면적을 가진 육방정 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride, 이하에서는 'h-BN'이라고도 함) 입자를 직접 접촉하여 고정시키는 코팅을 함으로써 열 방사 에너지를 크게 증가시킨 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재에 관한 것이다.
본 명세서에서, '방열부재'란 용어는 다양한 형상이나 재질을 갖는 방열 작용을 수행할 수 있는 구조를 포괄적으로 의미하는 것으로 사용된다.
경박단소하고 집적도가 높은 전자 부품이나 고출력 전력소자와 같이 단위면적당 많은 열을 발생시키는 발열부에서 하우징, 공기 등 주변부로 열 에너지를 이동시켜 발열부의 안정성, 신뢰성을 높이는 다양한 소재, 구조 및 형상을 가진 방열부재, 히트싱크가 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 발생한 열을 방열시키는 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 에너지로 변환되어 주변 공간으로 방사되는 현상이다. 열 방사 전자파의 파장은 자외선 일부 영역(0.1um)부터 가시광선, 적외선 전영역(100um) 구간에 걸쳐 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 높다는 것은 물질 표면의 열에너지가 전자파 형태로 효과적으로 전환되므로 표면의 온도를 낮추게 된다. 따라서 열원으로부터 표면으로 온도구배가 증가하여 보다 많은 열에너지를 전달하게 되므로 높은 방열성능을 나타낸다. 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. 이를 보완하기 위해 알루미늄 표면에 흑색 코팅을 하거나 양극산화 표면처리를 하여 열방사도를 높이지만 동시에 표면온도가 낮아지므로 열방사 에너지를 크게 높이지 못하고 있다. 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) 입자를 직접 접촉하는 코팅을 함으로써 열방사도, 열 방사 표면적, 표면 온도를 동시에 증가시켜 방열부재 표면의 열 방사 에너지를 크게 높일 수 있는 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 육방정 질화붕소(h-BN) 나노 및 마이크로 입자와, 무기 또는 금속 분말 입자 등의 고비중 입자를 순차적이고 복합적으로 사용함으로써 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 방열부재 표면에 가능한 많이 접촉시킴으로서, 열방사도, 열 방사 표면적, 표면 온도를 더욱 증가시켜 열 방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있는 육방정 질화붕소 입자를 포함한 코팅액의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조되는 방열부재를 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 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법은, 방열부재를 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 BN 코팅액을 코팅하는 BN 코팅 단계; 및 상기 BN 코팅 단계 후에, 무기 또는 금속 분말 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 코팅하는 고비중 입자 코팅 단계;를 포함한다.
상기 실시예에서, 상기 BN 코팅액에 포함되는 상기 육방정 질화붕소 입자는 D50이 10um 이하인 육방정 질화붕소 입자이고, 상기 고비중 입자 코팅액에 포함되는 고비중 입자는 D50이 20um 이하인 고비중 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 BN 코팅액에 포함되는 상기 육방정 질화붕소 입자는, D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 나노 입자와, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 마이크로 입자가 혼합된 육방정 질화붕소 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 BN 코팅액은 육방정 질화붕소 입자 0.05 ~ 3 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 96.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합한 코팅액이고, 상기 고비중 입자 코팅액은 고비중 입자 0.1 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 94.5 ~ 99.895 중량부 비율로 혼합한 코팅액인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 BN 코팅 단계는, D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 입자를 포함하는 나노 BN 코팅액을 코팅한 후, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 마이크로 BN 코팅액을 코팅하는 단계인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방열부재는, 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자가 직접 접촉되어 있고, 방열부재의 표면으로부터 육방정 질화붕소 입자, 고비중 입자가 순서대로 배치되며, 상기 실시예에 따른 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예에서, 방열부재의 표면으로부터 D50이 10um 이하인 육방정 질화붕소 입자, 고비중 입자가 순서대로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방열부재 금속 표면에 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 직접 접촉하는 코팅을 함으로써 금속 표면의 단점인 낮은 열방사도(α)를 50배 이상 높이며, 열 방사 표면적(A)을 100배 이상 확대하고 높은 열전도도로 인해 금속 표면의 온도에 근접한 높은 표면 온도를 나타내므로 스테판-볼츠만 거동에 의해 열 방사 에너지(E)를 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 육방정 질화붕소 나노입자가 방열부재의 표면에 직접 접촉하도록 코팅됨으로써 열 방사 표면의 표면적이 크게 높아져 열 방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 금속 방열판 구조를 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 방열 부재의 최종 건조 전의 방열 입자 코팅층 단면을 나타낸 모식도이고,
도 3은 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 방열 부재의 최종 건조 전의 방열 입자 코팅층 단면을 나타낸 모식도이다.
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. 또한 화학적으로 안정된 나노입자로 제조 가능하므로 방열부재의 표면적을 획기적으로 높일 수 있다. 이에 더하여 육방정 질화붕소(h-BN) 입자는 밴드갭 근처의 에너지상태 밀도가 높아 더욱 높은 열방사도(α)를 가진다.
따라서 방열부재 금속 표면에 접촉되어 코팅된 육방정 질화붕소(h-BN) 입자는 금속 표면의 단점인 낮은 열방사도(α)를 50배 이상 높이며, 열 방사 표면적(A)을 100배 이상 확대하고 높은 열전도도로 인해 금속 표면의 온도에 근접한 높은 표면 온도를 나타내므로 열 방사 에너지(E)를 획기적으로 높일 수 있다. 이로 인하여 발열원의 열에너지가 누적되지 않고 신속하게 방열부재로 이동시킴으로서 발열원의 안정성, 신뢰성, 수명을 높이게 된다.
이와 같은 특성을 갖는 육방정 질화붕소 입자를 열 방사 입자로 활용하고자 하는 경우, 방열 부재의 표면에 스프레이, 도포 등의 방식으로 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액을 코팅하거나, 또는 육방정 질화붕소 입자와 통상적으로 열 방사 입자로 사용되고 있는 무기 또는 금속 분말 입자 등의 고비중 입자를 혼합한 코팅액을 코팅하는 것을 생각할 수 있다.
도 3의 비교예 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 육방정 질화붕소 입자들만을 사용할 경우에는, 육방정 질화붕소 입자들은 2g/cc의 낮은 비중을 갖고, 나노 입자의 경우 작은 입자 크기에 따른 표면효과, 육방정 질화붕소 입자 고유의 낮은 분산성, 판상형 입자 형상 때문에 방열 부재의 표면에 직접 접촉하기 어렵고 바인더 내에 무작위로 부유하여 고정되는 형태로 코팅층을 형성하게 된다. 또한, 알루미나 등의 고비중 입자와 혼합하여 사용할 경우에는 도 3의 비교예 3에 개략적으로 도시한 바와 같이, 알루미나 입자는 4.0g/cc의 높은 비중, 구형 형상으로 인하여 분산성, 흐름성이 좋아 먼저 가라앉아 방열부재 표면에 접촉하기 때문에 h-BN 입자의 효과가 거의 나타나지 않으므로 열 방사 에너지를 높이는데 큰 한계가 있다.
본 발명자들을 위와 같은 기술 사상에 착안하여 본 발명에 이르게 된 것이며, 본 발명은 상기의 고비중 입자 특성과 h-BN 특성을 활용한 것으로, 알루미나 등의 고비중 입자의 가라앉는 거동을 통해 h-BN 입자들을 눌러 방열부재 표면에 접촉하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 입자가 코팅된 방열부재는, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 열원에 인접한 방열부재; 및 상기 방열부재에 코팅된 방열 입자로서 그 표면으로부터 D50이 10um 이하인 마이크로 또는 나노 크기의 육방정 질화붕소(h-BN) 입자, 알루미나 등의 고비중 입자를 순차적으로 포함한다.
위와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 입자가 코팅된 방열부재는 이하에서 설명하는 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하므로, 이하에서 코팅 방법에 대한 상세한 설명을 통해 그 구조가 명확해 질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법은, 방열부재를 준비하는 단계; 상기 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 BN 코팅액을 코팅하는 BN 코팅 단계; 및 상기 BN 코팅 단계 후에, 무기 또는 금속 분말 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 코팅하는 고비중 입자 코팅 단계;를 포함한다.
상기 방열부재를 준비하는 단계에서, 상기 방열부재는, 통상적인 히트싱크 구조에 사용되고 있는 플레이트 또는 막대 형상 등의 다양한 형상이나 재질의 방열부재일 수 있고, 발열부에 열전도부 등을 통하여 또는 직접적으로 접촉되어 사용될 수 있다. 또한 상기 방열부재는 히트싱크가 부착되지 않은 노출된 발열부 및 발열부를 내장한 다양한 패키지가 될 수 있다.
다음은 상기 방열부재의 표면에 열방사용 코팅액으로서 육방정 질화붕소 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 BN 코팅액을 코팅한다.
열방사 입자로서 육방정 질화붕소 입자를 사용하는 가장 큰 이유는 전기적 절연특성을 가지며 300W/mK 수준의 높은 열전도도를 나타내면서 동시에 0.9 이상의 높은 열방사도(α)를 나타내므로 전기적 절연이 필요한 많은 적용분야가 존재하며, 열 방사 에너지가 높다는 장점을 지니기 때문이다.
또한, 코팅액 조성액 중 육방정 질화붕소에 비해 상대적으로 열전도도가 떨어지는 바인더의 배합 비율은 상기 육방정 질화붕소 입자가 방열부재 표면에 직접적으로 접촉되고 고정하는데 필요한 최소 량으로 제한한다.
상기 바인더로는 유기계 수지 또는 무기 바인더가 사용될 수 있다. 상기 유기계 수지로는 열경화성 수지, 열 가소성 수지가 포함되며 무기 바인더는 물유리, 실리케이트, MgO, ZnO 등 무기물의 졸-겔반응에 의한 바인더가 포함된다. 대표적인 열경화성 수지인 에폭시 수지는 상기 육방정 질화붕소 입자, 고비중 입자 입자의 분산성, 흐름성 향상을 위해 상온에서 저점도 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 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. 또한 바인더의 종류에 따라 물을 용매로서 사용할 수 있다.
상기 BN 코팅액에 포함되는 상기 육방정 질화붕소 입자는 D50이 10um 이하인 육방정 질화붕소 입자이다. 이들 입자가 D50 기준으로 지정된 크기 이상이 될 경우, 코팅액의 콜로이드 분산성이 나빠지기 때문이다.
또한, 바람직하게는, D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 나노 입자와, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 마이크로 입자가 혼합된 육방정 질화붕소 입자이다. 2가지 형태의 입자를 혼합하여 사용하는 것은 표면적과 표면온도를 동시에 높이기 때문이다.
또한, 상기 BN 코팅액은 육방정 질화붕소 입자 0.05 ~ 3 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 96.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 BN 코팅액은 육방정 질화붕소 입자 0.1 중량부, 바인더 0.01 중량부, 용매 99.89 중량부 비율로 구성한다.
상기 BN 코팅액 중의 h-BN 입자가 3 중량부 이상이면, 코팅액 내에서의 분산성이 나빠지고 점도가 높아져 고비중 입자의 자중에 의한 누름 효과가 발휘되기 어려워서 방열부재 표면에 직접 접촉되는 입자가 크게 감소한다. 즉, 상기 코팅액 내의 입자 고정용 바인더 및 용매의 비율이 상대적으로 줄어들어 h-BN 입자가 기판에 접촉되지 않아, 기판 표면의 열방사 에너지가 낮아진다. 한편 h-BN 입자가 0.05 중량부 이하이면, h-BN 입자의 효과가 크게 나타나지 않아 기판 표면의 열방사 에너지가 낮아진다.
상기 BN 코팅액의 고정용 바인더의 경우, 0.5 중량부 이상이면 h-BN 입자가 기판에 직접적으로 접촉되지 않아 열방사 에너지가 낮아지고, 0.005 중량부 이하면 h-BN 입자를 기판에 고정시키기 어렵게 된다.
상기 BN 코팅액의 용매의 경우, 96.5 중량부 이하면 코팅액 내의 분산성이 나빠지고 점도가 높아져 고비중 입자의 자중에 의한 누름 효과가 발휘되기 어려워서 방열부재 표면에 직접 접촉되는 입자가 크게 감소한다. 또한 코팅액의 점도가 높아 스프레이 코팅이 용이하지 않게 된다.
다음에는 상기 BN 코팅액을 코팅하는 단계 이후에, 고비중 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 코팅한다.
상기 고비중 입자는 비중이 3g/cc 이상인 무기 또는 금속 분말 입자일 수 있고, WO3, SiO2, SnO2, ZrO2, TiO2, Al2O3, Ti2O, MgO, ZnO, SiC, SiN, 알루미늄, 구리, 니켈, 은을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자인 것이 바람직하다. 이러한 고비중 입자는 자중에 의해 먼저 코팅된 육방정 질화 붕소 입자가 방열부재의 표면에 직접 접촉될 수 있도록 눌러 주는 역할을 수행할 수 있다면 충분하다. 이하에서는 대표적으로 사용될 수 있는 알루미나를 상기 고비중 입자의 예로서 설명한다.
상기 고비중 입자 코팅액에 포함되는 고비중 입자는 D50이 20um 이하인 고비중 입자인 것이 바람직하다. 그 이상일 경우 코팅액의 콜로이드 분산성이 나빠지기 때문이다.
또한, 상기 고비중 입자 코팅액은 상기 고비중 입자 0.1 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 94.5 ~ 99.895 중량부 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 고비중 입자 코팅액은 고비중 입자 0.5 중량부, 바인더 0.03 중량부, 용매 99.47 중량부 비율로 구성한다.
상기 고비중 입자 코팅액 중의 고비중 입자가 5 중량부 이상이면, 코팅액 내에서의 분산성이 나빠지고 점도가 높아져 고비중 입자 입자의 자중에 의한 누름 효과가 발휘되기 어렵고, h-BN 입자가 0.05 중량부 이하이면, 고비중 입자 입자를 코팅하는 효과가 크게 나타나지 않아 기판 표면의 열방사 에너지가 낮아진다.
또한, 본 발명에서는 상기 BN 코팅액을 D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 입자를 포함하는 나노 BN 코팅액과, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 마이크로 BN 코팅액을 각각 준비하고, 이들을 순차적으로, 즉 나노 BN 코팅액, 다음에 마이크로 BN 코팅액 순으로 코팅하는 것이 바람직하다. 그 위에 코팅되는 고비중 입자의 자중에 의한 누름 효과가 판상형의 마이크로 육방정 질화붕소 입자를 통해, 그 아래의 나노 육방정 질화붕소 입자에 전달되어 더욱 방열부재의 표면에 잘 부착될 수 있기 때문이다. 또한 BN 코팅액의 코팅 후, 이어지는 추가적인 고비중 입자 코팅액의 분사에 따른 분사압에 의해 먼저 코팅된 입자의 표면 접촉이 강화되는 요인도 존재한다.
위와 같이 방열부재의 표면에 스프레이 분사, 붓으로 칠하는 도포, 및 딥핑 방식 등으로 BN 코팅액을 도포하고 상온에서 건조한 후 1시간 이내에 고비중 입자 코팅액을 도포하여 h-BN 입자가 방열부재의 표면에 직접 접촉되도록 한다. 이후 150℃ 이하의 온도에서 건조하여 h-BN 입자를 고정, 부착하도록 바인더를 경화시킨다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따라서, BN 코팅액, 고비중 입자 코팅액을 순차적으로 코팅하여 알루미늄 기판 방열부재의 표면에 접촉된 육방정 질화붕소 입자, 그 상부에 고비중 입자(알루미나 입자)가 위치하는 모식도가 도시되어 있다. 실시예 1처럼, 10um 이하의 육방정 질화붕소(h-BN) 입자 및 20um 이하의 고비중 입자를 사용하여 열방사가 필요한 방열부재 또는 물체 표면에 순차적으로 도포함으로서 알루미늄 기판 방열부재의 표면에 직접 접촉된 육방정 질화붕소 입자를 통해 표면의 열방사 에너지를 높여 표면의 온도를 낮추게 된다. 즉, h-BN 입자들이 방열부재의 표면에 직접 접촉하여 열방사 표면적을 확대하고 h-BN 고유의 높은 열전도도를 통해 표면 온도를 높여 열방사 에너지를 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다른 일 실시예는 D50 기준으로 200nm 이하인 나노 h-BN 입자를 포함하는 제 1 BN 코팅액, D50 기준으로 1 ~ 10um 범위의 마이크로 h-BN 입자를 포함하는 제 2 BN 코팅액, 무기 또는 금속 분말 입자 등의 고비중 입자를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 순차적으로 코팅함으로서 열방사 에너지를 더욱 증가시킬 수 있다. 이는 방열부재 표면에 높은 비표면적을 가진 나노 BN 입자가 직접 접촉하고 이들을 마이크로 BN 입자가 접촉하는 구조에 의한 것으로, 세번째 코팅액내 존재하는 고비중 입자의 중력에 의한 가라앉음에 의해 마이크로 h-BN 입자, 나노 h-BN 입자들이 순차적으로 눌림에 의해 구현된 것이다. 또한 BN 코팅액의 코팅 후, 이어지는 추가적인 분사에 따른 분사압에 의해 먼저 코팅된 입자의 표면 접촉이 강화되는 요인도 존재한다.
이하에서는 구체적인 실시예 및 이와 대비되는 비교예들을 통하여, 코팅액의 조성 및 코팅 방법에 따른 특성을 비교 설명한다. 이때 실시예, 비교예 모두 코팅 두께는 스프레이 분사 횟수에 의해 조절되므로 코팅 두께에 따라 코팅층에 존재하는 입자의 갯수, 즉 필러의 양은 비례하여 증가한다.
열원과 맞닿는 방열부재는, 가로*세로*두께가 20*100*2 mm인 알루미늄 기판을 공통으로 사용하였고, 각각의 코팅층 단면의 모식도를 도 2 및 도 3에 도시하였다.
(실시예 1)
알루미늄 방열부재 금속표면에 h-BN 입자가 직접 접촉하여 부착되어 고정되도록 D50 기준으로 200nm 이하의 h-BN 입자, 1 ~ 10um 범위 내의 h-BN 입자가 1:3 중량비로 혼합된 10um 이하 h-BN 입자 및 20um 이하의 알루미나 입자를 순차적으로 코팅한 실시예이다.
이를 위해 우선 용매 MEK (Methyl Ethyl Ketone) 100g, 에폭시 수지 Epoxy Adhesive 2214 (3M 社) 0.01g 및 상기 h-BN 입자 0.1g을 포함하는 BN 코팅액을 만든다. 이때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. 또한 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.02g 및 상기 알루미나 입자 0.5g을 포함하는 알루미나 코팅액을 만든다. 이때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. BN 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 20um 두께로 도포한 후 상온 건조한다. 이후, 1시간 이내에 알루미나 코팅액을 20um 두께로 도포한 후, 1시간 동안 상온 건조 및 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(실시예 2)
알루미늄 방열부재 금속표면에 나노 h-BN 입자가 직접 접촉하여 부착되어 고정되도록 D50 기준으로 200nm 이하의 h-BN 입자, 1 ~ 10um 범위 내의 h-BN 입자 및 20um 이하의 알루미나 입자를 순차적으로 코팅한 실시예이다.
이를 위해 우선 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.01g 및 상기 200nm 이하 h-BN 입자 0.1g을 포함하는 제 1 BN 코팅액을 만든다. 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.01g 및 상기 1 ~ 10um 범위 내의 h-BN 입자 0.1g을 포함하는 제 2 BN 코팅액을 만든다. 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.02g 및 상기 알루미나 입자 0.5g을 포함하는 알루미나 코팅액을 만든다. 이때 각각의 코팅액을 만들때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. 제 1 BN 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 5um 두께로 도포한 후 상온 건조한다. 이후, 30분 이내에 제 2 BN 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 15um 두께로 도포한 후 상온 건조한다. 이후, 1시간 이내에 알루미나 코팅액을 20um 두께로 도포한 후, 1시간 동안 상온 건조 및 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 1)
알루미늄 방열부재 금속표면에 D50 기준으로 200nm 이하의 h-BN 입자, 1 ~ 10um 범위 내의 h-BN 입자가 1:3 중량비로 혼합된 10um 이하의 h-BN 입자를 코팅한 비교예이다.
이를 위해 우선 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.01g 및 상기 hBN 입자 0.1g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 40um 두께로 도포하고 1시간 상온건조 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 2)
알루미늄 방열부재 금속표면에 D50 기준으로 20um 이하의 알루미나를 코팅한 비교예이다.
이를 위해 우선 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.02g 및 상기 알루미나 입자 0.5g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 40um 두께로 도포하고 1시간 상온건조 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 3)
알루미늄 방열부재 금속표면에 D50 기준으로 200nm 이하의 h-BN 입자, 1 ~ 10um 범위 내의 h-BN 입자가 1:3 중량비로 혼합된 10um 이하 h-BN 입자 및 20um 알루미나를 혼합하여 단일 코팅한 비교예이다.
이를 위해 우선 상기 용매 100g, 상기 에폭시 수지 0.015g, 상기 h-BN 입자 0.1g 및 상기 알루미나 입자 0.5g을 포함하는 코팅액을 만든다. 이때 고분산 교반기를 사용하여 분산성을 높인다. 이 코팅액을 스프레이 방식으로 금속 표면에 40um 두께로 도포하고 1시간 상온건조 후, 150℃에서 30분 동안 건조한다.
(비교예 4)
열원과 맞닿는 알루미늄 기판 표면에 상기의 코팅액을 코팅하지 않고 알루미늄 기판만 존재하는 예이다.
총 코팅층 두께(um) 코팅층에 존재하는 h-BN 입자 갯수 코팅층에 존재하는 알루미나 입자 갯수 코팅층에 존재하는 총 입자 갯수
실시예 1 40 A B A + B
실시예 2 40 A B A + B
비교예 1 40 2*A 0 2*A
비교예 2 40 0 2*B 2*B
비교예 3 40 A B A + B
비교예 4 0 0 0 0
표 1에 코팅층에 존재하는 입자의 총 무게를 상대적인 값으로 나타내었다. 이때 A는 해당 두께의 코팅층에 존재하는 h-BN 입자의 갯수, B는 해당 두께의 코팅층에 존재하는 알루미나 입자의 갯수를 의미한다. 해당 입자의 갯수는 해당 입자의 무게에 비례한다. 여기서 물질 고유의 열전도도 성능은 무작위 배열을 가정할 경우 A가 B보다 3배 이상 높은 것으로 알려져 있다.
위와 같이 제조하여 열방사 코팅액이 분사되어 건조가 완료된 알루미늄 기판 방열부재를 준비하고, 열원으로는 디지털 온도 설정이 가능한 핫 플레이트를 사용하여 목표 온도를 120℃로 설정한다. 목표 온도에 도달한 후, 핫 플레이트 상부에 코팅된 방열부재를 위치시킨다. 열전대 온도계로 코팅된 방열부재 표면의 온도를 측정함으로서, 열방사 에너지를 간접적으로 평가하였다. 5회 측정한 평균값을 아래 표 2에 비교하여 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
코팅입자
(D50 기준)		 - 10um 이하 h-BN
- 20um 이하 알루미나		 - 200nm 이하 나노 h-BN
- 10um 마이크로 h-BN
- 20um 이하 알루미나		 - 10um 이하 h-BN - 20um 이하 알루미나 실시예 1과 동일 X
코팅방법 BN 코팅액, 알루미나 코팅액 순차 코팅 제 1 BN 코팅액,
제 2 BN 코팅액, 알루미나 코팅액 순차 코팅		 1회 코팅 1회 코팅 입자 혼합액
1회 코팅		 X
알루미늄 기판 표면온도 (℃) 80.3 78.5 88.1 87.2 84.2 92.0
위와 같이 방열부재 표면의 온도를 측정함으로서, 개별 코팅액을 순차적으로 코팅한 실시예 1, 실시예 2가 비교예들에 비해 열 방사 효과가 우수하다는 것을 확인하였다.
비교예 1, 비교예 3의 경우, 육방정 질화붕소 입자들은 2g/cc의 낮은 비중 및 작은 입자 크기에 따른 표면효과, 육방정 질화붕소 입자 고유의 낮은 분산성, 판상 형상에 의한 낮은 흐름성 때문에 열원과 맞닿는 방열부재의 표면에 직접 접촉하지 않고 부유한 상태로 고정되어 열 방사 효과에 한계가 있는 것으로 보인다. 이를 극복하기 위해 본 발명의 실시예 1, 실시예 2에 따른 개별 코팅액의 순차적 코팅 방법을 제안하는 것이다. 알루미나 입자들은 높은 비중, 구형의 형상이 가진 높은 흐름성에 의해 중력으로 가라앉는 과정에서, 먼저 코팅되어 방열부재 기판에 근접해 있는 h-BN 입자들을 눌러 표면에 직접 접촉시킴으로서 열방사 에너지가 크게 높아진다. 또한 BN 코팅액의 코팅후, 이어지는 추가적인 분사에 따른 분사압에 의해 먼저 코팅된 입자의 표면 접촉이 강화되는 요인도 존재한다. 비교예 1, 비교예 3의 경우는 혼합액 1회 단일 코팅으로서, 알루미늄 기판 표면에 직접 접촉한 h-BN 입자들이 상대적으로 매우 적어 열방사 에너지가 낮아진다.
실시예 1 대비 실시예 2의 경우, 먼저 코팅된 나노 h-BN 입자가 나중에 코팅된 마이크로 판상형 h-BN 입자에 의해 눌려지고 이들이 다시 알루미나 입자에 의해 눌려지는 효과로 인하여 알루미늄 기판 표면에 직접 접촉한 h-BN 나노 입자들이 크게 증가하므로 열방사 에너지를 더욱 높이게 된다.
결과적으로 방열부재 금속 표면에 육방정 질화붕소(h-BN) 입자를 직접 접촉한 상태로 고정시키는 코팅을 함으로써 금속 표면의 단점인 낮은 열방사도(α)를 50배 이상 높이며, 열 방사 표면적(A)을 100배 이상 확대하고 높은 열전도도로 인해 금속 표면의 온도에 근접한 표면 온도를 나타내므로 열 방사 에너지(E)를 크게 높일 수 있다. 또한, 육방정 질화붕소 나노입자 및 마이크로 입자가 방열부재의 표면에 순차적으로 직접 접촉하도록 코팅됨으로써 열 방사 표면의 표면적과 표면온도가 높아지게 되어 열 방사 에너지를 크게 증가시킬 수 있다.
이로 인해, 열원과 맞닿은 방열부재 표면의 열 방사 에너지가 높아져 표면의 온도를 낮추게 되므로, 열원으로부터 보다 많은 열에너지를 표면으로 전달하는 방열 효과가 증가한다.

Claims (7)

  1. 방열부재를 준비하는 단계;
    상기 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 BN 코팅액을 코팅하는 BN 코팅 단계; 및
    상기 BN 코팅 단계 후에, 무기 또는 금속 분말 입자, 바인더, 및 용매를 포함하는 고비중 입자 코팅액을 코팅하는 고비중 입자 코팅 단계;를 포함하는,
    육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 BN 코팅액에 포함되는 상기 육방정 질화붕소 입자는 D50이 10um 이하인 육방정 질화붕소 입자이고, 상기 고비중 입자 코팅액에 포함되는 무기 또는 금속 분말 입자는 D50이 20um 이하의 입자인, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 BN 코팅액에 포함되는 상기 육방정 질화붕소 입자는, D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 나노 입자와, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 마이크로 입자가 혼합된 육방정 질화붕소 입자인, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 BN 코팅액은 육방정 질화붕소 입자 0.05 ~ 3 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 96.5 ~ 99.945 중량부 비율로 혼합한 코팅액이고, 상기 고비중 입자 코팅액은 고비중 입자 0.1 ~ 5 중량부, 바인더 0.005 ~ 0.5 중량부, 용매 94.5 ~ 99.895 중량부 비율로 혼합한 코팅액인, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 BN 코팅 단계는, D50이 200nm 이하인 육방정 질화 붕소 입자를 포함하는 나노 BN 코팅액을 코팅한 후, D50이 1 ~ 10um인 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 마이크로 BN 코팅액을 코팅하는 단계인, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법.
  6. 방열부재의 표면에 육방정 질화붕소 입자가 직접 접촉되어 있고,
    방열부재의 표면으로부터 육방정 질화붕소 입자, 고비중 입자가 순서대로 배치되는,
    청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나의 청구항에 기재된 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법에 의하여 제조되는 방열부재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    방열부재의 표면으로부터 D50이 10um 이하인 육방정 질화붕소 입자, 고비중 입자가 순서대로 배치되는, 육방정 질화붕소 입자를 포함하는 코팅액의 코팅 방법에 의하여 제조되는 방열부재.
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