KR102527625B1 - 작동 유체로 불화탄화수소를 포함하는 베이퍼챔버 - Google Patents

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이상헌
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퓨어만 주식회사
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Abstract

본 출원은 서로 대향하는 금속 박막인 상판 및 하판; 상기 상판과 상기 하판의 대향면의 가장자리를 따라 형성된 밀봉부; 및 상기 상판과 상기 하판의 사이에 구비되는 다공성 금속 섬유 시트; 를 포함하고, 내부에 충진되는 작동 유체로 저비점 불화탄화수소를 포함하는 베이퍼챔버에 관한 것이다. 본 출원의 베이퍼챔버는 유연성과 탄력성이 좋고 열확산과 냉각 효과가 우수하다

Description

작동 유체로 불화탄화수소를 포함하는 베이퍼챔버{VAPOR CHAMBER COMPRISING FLUORINATED HYDROCARBONS AS WORKING FLUIDS}
본 출원은 진공상태에서 열전달 매체의 상변화 원리를 이용해 신속한 열확산으로 냉각 및 방열 기능을 수행하는 베이퍼챔버에 관한 것이다.
반도체 회로의 집적화와 기능의 복합화와 고도화에 따른 각종 반도체 칩, 휴대폰, 노트북, TV 등 전자기기, 배터리, 전기자동차, 연료전지 등 현대사회의 근간이 되는 전기전자 소자와 제품들은 모두 발열의 제어 이슈가 커다란 도전이 되고 있다.
베이퍼챔버와 히트파이프는 좁은 챔버나 관 내에 존재하는 작동 유체의 상변화 과정에서 발생하거나 필요로 하는 잠열을 이용한 빠른 열확산을 통해 방열과 냉각 기능을 발휘하는 장치이다. 베이퍼챔버는 스마트폰, 노트북, 고화질 TV 보드의 SoC 등 전자제품의 특정 부위의 집중적인 열관리에 실제 널리 사용되고 있으며, 우주항공분야와 연료전지, 전기자동차 배터리 팩 등의 발열관리에도 용도범위를 넓히고 있다.
현재 제품에 사용중인 베이퍼챔버는 격벽이 스테인레스강, 알루미늄, 구리로 구성되어 있으며 내부는 진공의 공간이 자리하고 발열부위와의 접촉 부위에는 발열에 의한 유체의 증발이 원활하도록 박막의 다공성 시트를 부착하는 경우가 많다.
그러나 TV와 같은 어느 위치에 고정하여 사용하는 대신 스마트폰, 노트북과 같은 경우와 발열부위가 여러 군데인 비교적 큰 면적을 하나의 베이퍼챔버로 처리하는 경우에는 챔버 내부 전체에 다공성 시트를 장착하고, 전기차 배터리팩 냉각의 경우, 단위 배터리 사이에 베이퍼챔버가 위치하고 밀착하여 설치하여야 한다.
한국 등록 특허 제10-1083250호(2011.11.14. 공고)
본 출원이 해결하고자 하는 과제는, 두 개의 금속 박막 사이에 다공성 금속 섬유 시트를 포함하여 유연성과 탄력성을 지니면서, 열확산과 냉각 효율이 향상된 베이퍼챔버를 제공하는 것이다.
본 출원의 하나의 실시예는 서로 대향하는 금속 박막인 상판 및 하판; 상기 상판과 상기 하판의 대향면의 가장자리를 따라 형성된 밀봉부; 및 상기 상판과 상기 하판의 사이에 구비되는 다공성 금속 섬유 시트; 를 포함하고, 내부에 충진되는 작동 유체로 불화탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버를 제공한다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 베이퍼챔버는, 상기 상판 및 하판의 외부 표면에 형성된 방열코팅층; 을 더 포함할 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 베이퍼챔버는, 상기 베이퍼팸버의 외부 표면에 형성된 수지 필름층;을 더 포함하고, 상기 수지 필름층은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)로 이루어지는 것일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 다공성 금속 섬유 시트는, 구리, 니켈 및 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나의 금속 섬유로 이루어진 공극률 40% 내지 70%의 부직포일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 다공성 금속 섬유 시트는, 0.1mm 내지 1.0 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 금속 섬유의 직경은 100 ㎛ 이하일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 상판 및 하판은, 구리 또는 알루미늄이고, 5 ㎛ 내지 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 불화탄화수소는, 비점(끓는 점, bp)이 25℃ 내지 100 ℃ 일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 불화탄화수소는, 비점(bp)이 상기 베이퍼챔버가 적용되는 대상의 구동시 최고온도보다 1℃ 내지 25℃ 낮은 것일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 방열코팅층의 두께는 5 내지 100 ㎛일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 방열코팅층은, 우레탄 수지와 탄소 소재를 포함하는 방열 도료 조성물로 형성된 것일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 우레탄 수지는, 아크릴 폴리올 및 카프로락톤 폴리올 중 적어도 하나 이상과, 디이소시아네이트와의 반응으로 형성된 것일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 탄소 소재는, 그래핀나노플레이트; 및 그래파이트 및 그래핀 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 방열코팅층은, 조성물 총 중량을 기준으로, 우레탄 바인더 수지 70~85 wt%; 탄소 소재 5~15 wt%, 금속 분말 2~5 wt%, 방열필러 2~5 wt%; 및 첨가제 3~10 wt%를 포함할 수 있다.
본 출원의 하나의 실시예에서 상기 상판과 상기 하판의 서로 대향하는 일측에는 상기 작동 유체를 주입하기 위한 주입구멍을 형성하는 팁(tip)이 돌출 형성되고, 상기 밀봉부는 초음파 또는 레이저에 의한 열 융착으로 상판과 하판을 서로 접착시켜서 형성된 것일 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 베이퍼챔버는, 얇은 금속 박막으로 이루어진 상판과 하판으로 인해 유연성을 가지고, 두 개의 금속 박막 사이에 구비된 다공성 금속 섬유 시트로 인해 유연성과 탄력성을 가지는 효과가 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 베이퍼챔버는, 유연성과 탄력성으로 인해 모바일기기나 배터리팩과 같이 발열과 냉각이 필요한 부품 사이에 삽입하고 밀착하여 패키징하는 경우 부품 표면 간의 밀착과 밀봉에 유리하여 열확산과 냉각효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 베이퍼챔버는, 두께를 매우 얇게 제조할 수 있어서 생산공정이 간단하고, 가벼우며, 유연성이 높아 박형 전자제품에 적용하거나 발열원 사이에 적용하기가 용이한 장점이 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 베이퍼챔버는, 작동 유체로 불화탄화수소를 사용하여 불활성, 불연성, 내구성, 내열성에서 탁월하고 증발과 응축에 필요한 잠열이 상대적으로 적어 증발-응축의 분자 단위 싸이클을 통해 열확산을 이루기에 용이하다는 장점이 있다.
도 1 내지 도 4는 베이퍼 챔버를 나타낸 것이다.
도 5는 방열성능 평가를 위해 베이퍼 챔버에 세라믹 히터를 부착한 것을 나타낸 것이다.
본 출원의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 출원은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 출원의 개시가 완전하도록 하고, 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 출원의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 출원은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 출원을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에 있어서, 「~」로 나타나는 수치 범위는 「이상」, 「이하」를 의미한다. 예를 들면, 2~15mm의 표기는 2mm 이상 15mm 이하를 의미한다.
이하, 본 출원을 설명한다.
도 1은 본 출원의 하나의 실시예에 따른 베이퍼챔버를 나타낸 것으로 (a)는 수평단면도이고, (b)는 수직단면도이다.
베이퍼챔버는 진공이 형성된 박형의 챔버 내에 일정량의 작동 유체를 채운 것으로, 내부 공간에서 액체와 기체(증기; vapor)의 상평형이 유지된다. 챔버의 어느 부위에 열이 가해지면 액체의 증발이 일어나고 형성된 증기는 발열점에 비해 온도가 낮은 인접한 지점으로 확산되며 액화되고 응축열과 발열점에서 전달된 열에 의해 다시 증발이 일어나며 확산, 응축의 과정을 통해 열은 빠르게 확산된다. 일반적으로 잘 디자인되고 제조된 베이퍼챔버의 열확산 속도는 구리보다 수십~수백 배에 이른다고 알려져 있다.
상기 베이퍼챔버는, 서로 대향하는 금속 박막인 상판 및 하판; 상기 상판과 상기 하판의 대향면의 가장자리를 따라 형성된 밀봉부; 및 상기 상판과 상기 하판의 사이에 구비되는 다공성 금속 섬유 시트; 를 포함한다.
베이퍼챔버에서 내부에 구비되는 다공성 시트는 작동 유체 증발시 소음을 억제시키고 증기가 응축되어 원래의 위치로 돌아가도록 모세관 현상을 이용하기 위해 반드시 필요하다.
상기 다공성 금속 섬유 시트는, 구리, 니켈 및 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나의 금속 섬유로 이루어질 수 있고, 구리인 것이 바람직하다. 상기 다공성 금속 섬유 시트는, 열전도율을 향상시킬 수 있는 부직포 형태인 것이 바람직하다. 시트의 기공 크기와 두께는 적절히 조절할 수 있는데, 공극률 40% 내지 70%인 것이 바람직하다. 상기 금속 섬유의 직경은 0㎛ 초과 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 시트의 두께는 0.1mm 내지 1.0 mm인 것이 바람직하다.
상기 금속 박막인 상판 및 하판은, 구리 또는 알루미늄 박막을 사용할 수 있고, 더 구체적으로 열전도율이 더 우수한 구리 박막일 수 있다.
상기 금속 박막인 상판 및 하판의 두께는 5 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 상부 금속 박막인 상판과 상기 하부 금속 박막인 하판의 대향면의 가장자리를 따라 밀봉부가 형성될 수 있고, 상기 밀봉부는 초음파 또는 레이저에 의한 열 융착으로 상판과 하판을 서로 접착시켜서 형성된 것일 수 있다.
상기 상판과 상기 하판의 서로 대향하는 일측에는 상기 작동 유체를 주입하기 위한 주입구멍을 형성하는 팁(tip)이 돌출 형성될 수 있다.
상판의 팁과 하판의 팁은 양측 부분만 접착되어 끝 부분에 주입구멍이 형성되도록 한다. 주입구멍을 통하여 작동 유체를 주입하려면, 주입구멍의 내부를 진공화시켜 진공의 흡입력에 의해 챔버 내부에 작동 유체를 주입한 다음, 챔버 내부의 작동 유체를 일정량만 남기고 빼낸 후 액체 질소등을 이용하여 남겨진 작동 유체를 동결한다. 이후, 진공 작업에 의해 내부의 일부에 진공을 형성한다.
상기 상판과 상기 하판의 사이인 내부에 충진되는 작동 유체로 저비점 불화탄화수소를 사용할 수 있다.
일반 공조기에서 사용되는 냉매가스와는 달리, 전자기기나 반도체 칩의 냉각에 적합한 작동 유체는 상압에서 상온보다 높은 bp(끓는 점)를 갖는 물질이 좋다. 일반적으로 반도체나 전자기기의 사용 중 최대온도는 대부분 85 ℃를 넘지 않아야 한다. CPU, AP, SSD 등 여러 SoC 들은 일정 온도 이상 올라가면 스스로 회로를 보호하기 위해 셧다운 되도록 설계되어 있다. 베이퍼챔버의 경우 칩, 소자 또는 배터리의 발열을 실시간으로 확산시켜 그의 온도를 가능하면 낮은 온도로 유지하도록 한다. 이와 같은 온도에서 작동 유체는 챔버 내의 진공 환경에서 증발해야 하며 상압에서 bp는 내부 진공도에 따라 달라지지만 25℃ 내지 100 ℃일 수 있고, 40 ℃ 내지 100 ℃, 60℃ 내지 100 ℃일 수 있다. 구체적으로 베이퍼챔버가 적용되는 냉각 대상의 구동시 발열되는 최고온도보다 1℃~25℃ 낮은 bp인 것이 좋다. 만약, bp가 25℃보다 더 낮다면 챔버 내의 내부 압력이 높아질 수 있다. 히터의 사용온도에 비해 너무 낮은 bp의 작동 유체를 사용할 경우 내부압력이 높아져 베이퍼챔버의 파손과 내부 유체 유출의 우려가 있을 수 있다. 히터의 사용온도가 높으면 높은 bp의 작동 유체를 사용하고, 히터의 사용온도가 낮으면 그에 맞는 bp의 작동 유체를 사용하는 것이 바람직하다.
불화탄화수소는 주위 물질과 반응하지 않고 내구성이 있으며 혹 챔버에 손상이 가 균열이 생기거나 외부의 충격에 파손될 경우에 유출될 지라도 전자제품의 소자나 PCB, 회로 등을 일체 손상시키지 않는다. 또 불화탄화수소는 불연성 물질로 소화기능이 있어 제품의 화재시 소화제로서 기능할 수도 있다. 불화탄화수소를 내부에 채운 다음 주입구멍을 밀봉하여 챔버를 제조할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 베이퍼챔버의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 베이퍼챔버는 상판 및 하판의 외부 표면에 형성된 방열코팅층; 을 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 베이퍼챔버는 외부 표면인 상판 및 하판의 외부 표면에 형성된 수지 필름층;을 더 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상판 및 하판의 외부 표면에 형성된 방열코팅층을 포함하고, 방열코팅층의 외부 표면에 형성된 수지 필름층을 포함할 수 있다.
상기 수지 필름층은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)로 이루어질 수 있다. 상기 수지층은 챔버의 내구성과 강도를 보완하는 효과가 있다.
금속은 열전도율은 높지만 자유전자의 존재로 인해 방사율이 낮다. 베이퍼챔버가 제품의 일부에 위치하여 다른 부품들, 예컨대 제품의 케이스와 같은 부품들에 접촉할 경우는 챔버 내부를 통해 빠르게 확산된 열이 금속표면을 거쳐 외부로 전도된다. 그러나 챔버가 발열점과의 접촉 외는 다른 부품들과의 접촉이 없는 경우나 접촉면이 한정된 경우는 챔버의 금속면을 방열코팅층을 형성하여 챔버의 열확산 기능 외에 방열냉각 기능을 더 할 수 있다.
이때 사용하는 방열코팅층의 두께는 필요에 따라 5㎛ 내지 100 ㎛로 형성할 수 있고, 더 구체적으로 10㎛ 내지 50 ㎛ 두께로 형성할 수 있다. 방열코팅층은 가능한 높은 방사율과 열전도율을 지닌 것이 바람직하며, 방사율은 0.9 이상, 열전도율은 3 W/m.K 이상이 바람직하다.
방열코팅층은 방열냉각 기능 외에도 챔버 금속벽의 강도를 보완하는 기능도 부가적으로 제공할 수 있다. 상기 방열코팅층은, 우레탄 수지와 탄소 소재를 포함하는 방열 도료 조성물로 형성된 것이고, 일액형 조성물 또는 이액형 조성물로 형성된 것일 수 있다.
상기 방열코팅층은 경화 후 형성된 코팅층 조성물에서 조성물 총 중량을 기준으로, 우레탄 바인더 수지 70~85 wt%; 탄소 소재 5~15 wt%; 금속 분말 2~5 wt%; 방열필러 2~5 wt%; 및 첨가제 3~10 wt%;를 포함할 수 있다.
상기 이액형 조성물은, 우레탄 수지를 포함하는 주제 조성물에 이소시아네이트계 경화제를 첨가하여 혼합하고, 70 ℃ 내지 100 ℃에서 20 ~ 30분 경화하여 방열코팅층을 형성할 수 있다.
상기 이액형 조성물은, 우레탄 바인더 수지; 탄소 소재, 금속 분말, 방열 필러를 포함하는 방열 입자; 첨가제; 및 아세테이트계 용제;를 포함하는 주제와, 이소시아네이트 경화제로 이루어진다.
우레탄 수지를 구성하는 주요 성분으로서, 폴리올은, 아크릴 폴리올, 카프로락톤 폴리올, 에폭시 폴리올, 에스터 폴리올, 에테르 폴리올, 폴리카보네이트폴리올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 2-부틸-2-에틸-1,3-프로판디올, 2,4-디에틸-1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 1,6-헥산디올, 1,8-옥탄디올, 1,9-노난디올, 2-메틸-1,8-옥탄디올, 1,8-데칸디올, 옥탄데칸디올, 글리세린, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 헥산트리올 및 폴리프로필렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다. 더 구체적으로, 아크릴 폴리올, 락톤 폴리올, 에스터 폴리올 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
다관능 폴리올의 경우에도 폴리우레탄 화합물의 주쇄를 이룰 수 있는 히드록시기를 갖는 폴리머이면 제한없이 사용될 수 있다. 폴리올 성분으로 인해, 잔류물 저감 등의 재작업성이 우수한 특성을 발현할 수 있다.
디스플레이 등 전자제품용 방열판과 알루미늄 히트씽크 방열 용도를 고려하여 금속 계면과의 접착성이 우수하고 전자제품의 사용 여부에 따라 온도 상승과 냉각이 반복되는 방열부품의 특성에 맞게 경도와 내열충격성이 우수하도록 폴리올을 선택할 수 있다. 폴리우레탄 제조에 널리 사용되는 폴리에스터 폴리올은 단독으로 사용할 경우 금속 계면과의 접착성이 떨어지고 그 결과 열충격에도 약한 단점을 보인다. 따라서 계면접착성과 내충격성, 경도, 경화특성을 고려할 때 폴리올은 아크릴 폴리올과 폴리에스터 폴리올을 혼합 사용하거나 접착성과 내충격성의 추가개선을 위해 카프로락톤 폴리올을 추가하여 3성분계를 사용할 수 있다. 수지의 종류와 혼합비율은 도막물성의 요구조건에 따라 강도와 경도, 내열성(Tg)를 고려하여 다양하게 선택할 수 있다.
상기 이소시아네이트계 경화제는 다관능성 지방족계(aliphatic) 이소시아네이트 화합물이 바람직하다. 방향족계 이소시아네이트 화합물이나 지환족계 이소시아네이트 화합물을 사용하는 경우 1시간 이내로 굳어지므로 방열 코팅에 충분한 시간을 확보하지 못하게 될 경우, 사용성이 나쁘게 되는 문제가 있다. 지방족계 이소시아네이트 화합물은 반응성이 낮으므로 6시간 이상 굳어지지 않아서 도료의 사용성이 좋아지는 장점이 있다. 또한, 경화 온도가 70 ℃ 내지 100 ℃, 75℃ 내지 90℃ 에서 15분에서 1시간 이내, 20분 내지 40분 이내로 소성할 수 있는 장점이 있다. 전자부품에 사용하는 방열 도료 조성물의 경우, 소성 온도가 100℃가 넘어가게 되면, 전자부품에 문제가 생길 수 있기 때문에 방열 도료의 소성 온도가 100 ℃ 이내인 것이 바람직하다.
상기 이소시아네이트계 경화제는, 구체적으로, 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate, HDI), 트리메틸렌 디이소시아네이트(Timethylene diisocyanate), 테트라메틸렌 디이소시아네이트(Tetramethylene diisocyanate), 1,2-프로필렌 디이소시아네이트(1,2- propylene diisocyanate), 1,3-부틸렌 디이소시아네이트(1,3- butylene diisocyanate), 도데카메틸렌 디이소시아네이트(dodecamethylene diisocyanate) 및 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트(2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
주제와 경화제의 비율은 OH값과 NCO 값에 의해 결정되며 OH의 당량에 비해 NCO당량이 약 10% 높게 비율을 맞추는 것이 바람직하다. 잉여의 폴리올이 있으면 경화반응에 참여하지 못하고 소위 dangling chain으로 남을 수 있으나 NCO는 수분과 반응할 있고 자체적으로 반응하여 dimer 등을 형성함으로써 경화반응에 참여할 수 있기 때문이다.
상기 조성물은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 2-부틸-2-에틸-1,3-프로판디올, 2,4-디에틸-1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 1,6-헥산디올, 1,8-옥탄디올, 1,9-노난디올, 2-메틸-1,8-옥탄디올, 1,8-데칸디올, 옥탄데칸디올, 글리세린, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨 및 헥산트리올로 이루어진 군에서 선택되는 스페이서를 사용할 수 있다. 스페이서를 사용하여 경화 후 우레탄 사슬의 길이와 경화밀도(crosslink density)의 조절이 가능하다.
상기 조성물은, 디부틸틴디라우레이트인 경화 촉매를 사용할 수 있다.
일액형 우레탄은 주제와 경화제가 미리 혼합되어 있는 상태이다. 즉, 위에서 기술한 주제에 이소시아네이트기가 블록된 블록 이소시아네이트(blocked isocyanate)를 첨가하여 혼합하면 1액형 우레탄 바인더가 된다. 블록 이소시아네이트는 HDI에 기초한 제품을 사용할 수 있으며 시판 중인 제품에서도 선택할 수 있다. 블록 이소시아네이트를 사용한 1액형 우레탄 바인더는 일정한 온도 이하에서는 반응성이 없으며 특정온도 이상에서 블록기(blocking unit) 또는 보호기(protection unit)가 열분해 되면서 가려져 있던 이소시아네이트가 노출되어 반응이 시작되는 원리이다. 1액형 우레탄은 어느 온도까지 경화가 진행되지 않아 보관성이 우수하며 주제와 경화제를 혼합하여 사용해야 하면 반응속도 제어가 쉽지 않아 코팅 작업시간 조절이 용이하지 않은 2액형에 비해 작업이 편리하여 생산성에서 유리하다. 그러나 대부분 120 ℃ 이상에서 블록기가 분해되므로 그보다 낮은 온도에서의 도막성형(경화) 반응이 요구되는 경우에는 사용할 수 없다.
우레탄 바인더 수지; 탄소 소재, 금속 분말, 방열 필러를 포함하는 방열 입자; 첨가제; 및 아세테이트계 용제;를 포함하는 주제와, 이소시아네이트 경화제로 이루어진다.
상기 일액형 조성물은, 폴리올; 탄소 소재, 금속 분말, 방열 필러를 포함하는 방열 입자; 첨가제; 블록 이소시아네이트; 및 아세테이트계 용제;를 포함하는 일액형 우레탄 방열 도료 조성물일 수 있고, 120℃ 내지 180 ℃에서 10 ~ 60분 경화하여 방열코팅층을 형성할 수 있다.
상기 블록 디이소시아네이트는, 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI, hexamethylene diisocyanate), 이소포론디이소시아네이트(IPDI, Isophorone diisocyanate), 테트라메틸렌디이소시아네이트(Tetramethylene diisocyanate), 펜타메틸렌디이소시아네이트(Pentamethylene diisocyanate), 톨루엔디이소시아네이트(TDI, toluene diisocyanate), 부탄디이소시아네이트(Butane diisocyanate), 펜탄디이소시아네이트(Pentane diisocyanate), 트리메틸헥사메틸렌디이소시아네이트(Trimethylhexamethylene diisocyanate), 리신디이소시아네이트(lysine diisocyanate), 4,4'-디 시클로헥실메탄디이소시아네이트(HMDI, dicyclohexylmethane-4,4’-diisocyanate), 4,4'-메틸렌비스페닐이소시아네이트(MDI, 4,4’-methylenebis(phenyl isocyanate)], 노르보르넨디이소시아네이트(norbornene diisocyanate), 수소 첨가 자일렌디이소시아네이트(hydrogenated xylene diisocyanate), 수소 첨가 디페닐메탄디이소시아네이트(hydrogenated dipenylmethane diisocyanate), 1,4-시클로헥산디이소시아네이트(1 4-cyclohexane diisocyanate) 또는 이들의 트라이머로 이루어지는 군에서 선택하는 적어도 하나 이상과, 디메틸피라졸(DMP, 3,5-dimethyl pyrazole), 디메틸말로네이트(DEM , dimethyl malonate), 메틸에틸케토심(MEKO, methylethyl ketone oxime) 및 카프로락탐(ε-CAP, caprolactam)으로 이루어지는 군에서 선택하는 적어도 하나 이상의 블로킹제를, 합성한 것이다. 상기 블록 이소시아네이트는 120 ~ 180 ℃에서 열분해되어 이소시아네이트 기가 노출되어 폴리올과 반응하여 우레탄 고분자 사슬을 형성한다.
블록 이소시아네이트의 선택은 경화온도와 시간을 좌우하므로 용도와 도막형성의 조건에 맞춰 선택할 수 있다. 일반적으로 120 내지 150 ℃ 정도의 온도 이상에서는 디블로킹 되지만 ε-CAP을 블로킹제로 사용할 경우에는 상대적으로 높은 온도인 160 ℃ 이상이 요구된다.
상기 조성물은, 디부틸틴디라우레이트인 경화 촉매를 사용할 수 있다. 우레탄 수지는 폴리올과 디이소시아네이트 간 비교적 낮은 온도에서 충분히 빠른 속도로 경화반응을 일으키지만 본 발명에서는 불록 디이소시아네이트의 디블록킹(deblocking)이 먼저 일어난 후 경화반응이 진행되므로 디블록킹 후 반응에 소요되는 시간의 단축이 필요한 경우 촉매의 사용이 전체 반응속도 단축에 도움이 된다.
일액형 방열도료 조성물로 형성된 방열층은 가사시간이 120 시간 이상이어서 코팅 전 도료를 준비하는 공정과, 실제 작업 시간의 제약 없는 장점이 있다.
상기 방열층에서 상기 탄소 소재는, 팽창흑연을 2시간 내지 6시간 동안, 더 구체적으로 2시간 내지 5시간 동안. 더욱 더 구체적으로 3 시간 내지 5시간 동안 습식밀링하여 평균 직경 0.1~50 μm로 일정 함량 박리시킨 것을 사용할 수 있다. 상기 팽창흑연은 밀링, 초고압분산, 초음파 등과 같은 다양한 공정을 통해 그래핀나노플레이트(GNP) 또는 그래핀으로 박리될 수 있어서 그래파이트와 혼합되어 있을 수 있다. 밀링공정에 있어서 밀링속도와 밀링 비드(bead)로 사용한 지르코니아(ZrO2)의 크기가 박리에 영향을 미치고. 지르코니아의 직경은 0.2 ~3.0 mm가 바람직하다. 또한, 지르코니아의 직경은 0.5 ~ 2.0 mm가 더욱 바람직하다. 0.5 ~ 2.0 mm 크기의 밀링 비드일 경우 2시간 내지 6시간 동안 밀링하여도 흑연의 박리 효과가 우수하다는 장점이 있다.
상기 탄소 소재는 상기 밀링 공정으로 얻어진 그래핀나노플레이트를 포함하고, 추가로 그래파이트 및 그래핀 중 하나 이상을 더 포함하여 사용할 수 있다.
상기 탄소 소재는, 카본블랙, 단일벽탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브, 그래핀 및 카본파이버로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 탄소를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 탄소재료로 형성된 탄소재료 분산액을 상기 그래핀나노플레이트(GNP)와 그래핀과 혼합하는 경우, 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산액에 함유되어 있는 탄소나노튜브 등의 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시킴으로써 열전도도를 향상시켜 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있게 된다.
상기 방열코팅층을 형성하는 방열 도료 조성물은, 금속 입자 분말; 을 포함할 수 있다. 상기 금속 입자는, 알루미늄, 철, 동, 아연, 주석, 티탄, 니켈, 안티몬, 마그네슘, 바나듐, 크롬 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다. 상기 금속 입자, 구체적으로 알루미늄 파우더는 직경 5~40 μm 후레이크(Flake) 타입의 입자를 사용할 수 있으며 방열특성 외, 도막에 펄(pearl) 효과를 낼 수 있고 도막 표면의 강도 강화에 도움이 될 수 있다.
상기 방열코팅층을 형성하는 방열 도료 조성물은, 방열 필러를 더 포함할 수 있다. 상기 방열 필러는, 실리카, 알루미나(alumina), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘, 산화아연, 탄화규소(silicon carbide; SiC), 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 지르코니아(zirconia; ZrO2), 보론 카바이드(boron carbide; B4C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si3N4), 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨, 산화망간, 산화지르코니아, 산화붕소 및 산화규소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 방열 필러는 밀링 과정에서 밀링이 잘되게 하는 역할을 할 수 있다. 상기 방열 필러는, 조성물 총 중량을 기준으로, 2~5 wt% 으로 포함될 수 있다. 상기 방열 필러는, 평균입경이 1 ~ 10 ㎛일 수 있다. 상기 범위를 초과하는 경우는 기재와의 밀착성이 저하되며, 작업성이 나빠질 수 있다.
상기 방열 필러는 그 재질에 있어서 우수한 열전도성과 방열성을 가지는 것이라면 제한 없이 선택할 수 있다. 또한, 상기 방열 필러의 형상은 제한이 없으며, 구조에 있어서도 다공질이거나 비다공질일 수 있고, 목적에 따라 달리 선택할 수 있다. 다만, 바람직하게는 우수한 방열성능, 방열 코팅막의 형성 용이성, 방열 코팅막 형성 후 균일한 방열성능, 방열 코팅막의 표면 품질을 달성하면 바람직하다.
상기 용제는 선택되는 바인더 수지, 경화제 등에 따라 이에 맞는 용매를 선택할 수 있어 본 발명에서는 이를 특별히 한정하는 것은 아니며, 상기 용매로는 각 성분의 적절한 용해를 가능케 하는 임의의 용매를 사용할 수 있다. 상기 용제는, 구체적으로 아세테이트 용매를 사용할 수 있고, 더욱 구체적으로 N-부틸아세테이트, 아세테이트, 에틸아세테이트, 아밀아세테이트, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 및 3-메톡시부틸아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(PGMEA)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기 용제의 첨가량이 높을수록 점도가 낮아지고 입자의 침강 속도가 빨라지고, 용제의 첨가량이 적을수록 점도는 높아지나 분산 공정에서의 안정성이 떨어질 수 있으므로, 이를 고려하여 조성물에 용제가 적정량 첨가될 수 있다. 상기 용제는, 상기 방열 도료 조성물 중 10 중량% 내지 50 중량%인 것일 수 있다. 상기 용제가 상기 방열 도료 조성물 중 10 중량% 미만인 경우 상기 수지가 잘 용해되지 않고, 접착력이 우수하지 못하고, 분산성이 좋지 않으며, 점도가 높아지게 되고, 50 중량% 초과인 경우 방열을 위한 기재에 상기 방열 도료 조성물을 코팅하였을 때 공극이 형성될 수 있고, 방열효과가 저하될 수 있다.
스프레이 코팅의 경우, 상기 용제는 상기 수지와 비슷한 양을 넣어서 점도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 수지 : 용제의 중량비는 1 : 1일 수 있다. 스프레이 코터의 상태에 따라 용제의 함량을 조절할 수 있다. 바 코팅의 경우, 점도가 약간 높아야 하므로 스프레이 코팅보다는 더 적게 포함할 수 있다.
상기 조성물은 첨가제로, 소광제, 착색제, 접착증진제, 분산제, 침강방지제, 소포제 및 레벨링제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함할 있다.
상기 소광제는, 일반적으로 표면 방사율을 어느 정도 올려주며 점도 조절 역할도 한다. 상기 소광제는 이산화티타늄, 어에로젤 실리카, 하이드로젤 실리카, PP 왁스, PE 왁스, PTFE 왁스, 우레아 포름알데이드 수지 및 벤조구아민 포름알데이드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상, 바람직하게는 실리카를 포함할 수 있다. 상기 소광제는 직경 0.01~0.5 μm의 구형입자일 수 있다. 상기 소광제는 조성물 총 중량을 기준으로 2~5 중량%로 포함될 수 있다. 실리카 소광제의 경우 도료 조성물의 점도에도 영향을 미치는데 과량 첨가시 점도가 너무 높아져 스프레이 코팅시 스프레이가 원활하지 않을 수 있다.
한편, 상술한 방열도료 조성물은 방열 필러의 분산성을 향상시키고, 균일한 방열 코팅막을 구현하기 위한 분산제, 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 소포제는 각 조성물의 혼합 중 기포의 발생과 잔류를 방지하고 도막표면에 기포나 분화구가 발생하는 것을 방지한다.
상기 레벨링제는 도막의 균일성을 향상시키고 표면 거칠기를 완화하는 효과를 낼 수 있다.
또한, 상술한 방열도료 조성물은 pH 조절제, 점도조정제, 요변성(搖變性) 부여제, 산화방지제, 열안정제, 광안정제, 자외선흡수제, 탈수제, 난연제, 등의 각종 첨가제의 1 종류 또는 2 종류 이상이 첨가될 수도 있다. 상기 기재된 각종 첨가제는 당업계에 공지된 것을 사용할 수 있어 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상술한 방열 도료 조성물은 코팅 건조 도막의 변색 방지, 산화에 의한 취성, 부착 강도 등의 물성저하를 방지하기 위한 산화방지제를 더 포함할 수 있다.
상기 산화방지제는 방열 도료 조성물의 산화방지제로 당업계에서 채용하는 공지된 성분을 사용할 수 있다. 일예로, 상기 산화방지제는 트리-메틸포스페이트, 트리-페닐포스페이트, 트리스(2, 4-디-터트-부틸페닐)포스페이트, 트리에틸렌글리콜-비스-3-(3-터트-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트, 1, 6-헥세인-디올-3(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리스리틸-테트라키스(3-(3, 5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 2-하이드록시벤조페논, 2-하이드록시페닐벤조티아졸, 힌더드 아민, 유기 니켈 화합물, 살리실산염, 신나메이트 유도체, 레조르시놀 모노벤조에이트, 옥사닐리드 및 p-하이드록시벤조에이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 일예로, 상기 산화방지제는 2-하이드록시페닐벤조티아졸 일 수 있다.
또한, 상기 산화방지제는 바람직하게는 상기 조성물 총 중량을 기준으로 0.1~3 중량%로 포함될 수 있다. 만일 산화방지제가 0.1 중량% 미만으로 구비될 경우 장시간에 걸쳐 변색과 표면 크랙이 발생할 수 있고, 만일 산화방지제가 3 중량%를 초과하여 구비되는 경우 취성 및 부착 강도가 약해질 수 있다.
상기 접착증진제는, 에폭시에스터인산(epoxy ester phosphate acid)일 수 있다. 접착증진제는 도막과 피착물 간 계면접착성을 증진시켜주는 것으로 열충격과 장기사용시에도 도막의 박리, 균열 등을 방지한다. 상기 접착증진제는 조성물 총 중량을 기준으로 3~10 중량% 포함될 수 있다.
상기 분산제는 조성물 총 중량을 기준으로 0.1~1.5 중량%로 포함될 수 있다. 0.1 중량% 미만인 경우 상기 충전제가 잘 분산되지 않아 응집현상이 증가할 수 있다. 분산제가 1.5중량%를 초과하여 구비될 경우 피착제의 부착 강도가 약해지거나 코팅 도막 표면에 핀홀(Pin hole) 및 오렌지 필(Orange Peel)이 발생할 수 있고, 점착력이 저하될 우려가 있다.
상기 분산제는, 방열도료 조성물의 분산성을 증대시키고, 밀도를 고르게 하며, 레올로지(Rheology) 컨트롤을 적절히 조정할 수 있도록 포함되는 것일 수 있다.
상기 분산제로, 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다. 본 출원의 방열 도료 조성물을 4주 이상을 보관하는 경우 비이온성 계면활성제가 보관성을 좋게 하는 효과가 더욱 우수하다. 계면활성제는 분산매와 분산상의 표면 장력 (surface tension)을 줄여 조성물의 저장안정성을 높여주고, 피도막면과 조성물의 표면 장력을 낮춰 도막 형성을 도와준다
상기 침강방지제는 조성물의 흐름성을 조절하고, 입자의 침강과 케이킹(caking) 현상을 방지하거나 늦춰주는 역할을 한다. 상기 침강방지제는 우레아(urea)계 화합물 또는 아마이드계 화합물을 사용할 수 있고, 비중이 높은 열전도성 입자의 침강을 방지할 수 있다. 상기 침강방지제는 조성물 총 중량을 기준으로 0.5~1중량%로 포함될 수 있다.
방열도료 조성물을 금속 박막 상에 도포하고, 일액형인 경우 120℃ 내지 180℃, 10분 내지 1시간 소성하고, 이액형인 경우 70℃ 내지 100℃에서 10분에서 1시간 동안 소성하여 방열코팅층을 형성할 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 출원을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 출원의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 출원의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 제조예< 실시예, 비교예 및 실험예를 들어 본 출원을 설명하기로 한다.
<제조예 1> 베이퍼챔버 제조
공극률 66%, 두께 0.5 mm이고 비표면적이 246 cm2/g인 구리섬유시트를 가로 세로 각각 23.5 cm, 15 cm로 재단한 후, 가로 세로 각각 26.5 cm, 18 cm이고, 두께가 50 ㎛인 동박시트로 밀봉하였다. 밀봉은 시트 말단 각각 0.5 cm 폭으로 초음파 융착 방법으로 진행하였다. 그러나 세로 측면 중 일 부분에 0.5 cm 폭으로 봉해지지 않은 개구를 설치하였다.
<제조예 2> 방열도료 조성물 제조
1) 방열도료 조성물 주제 제조
아크릴 폴리올(OH value 90) 20 중량부, 카프로락톤 폴리올(OH value 280, MW 400) 20 중량부, 팽창흑연(평균입도 50 μm) 9.0 중량부, 알루미늄 파우더(Flake, 평균입도 25 μm) 4.7 중량부, 다공성 SiO2(평균입도 4 μm) 3.2 중량부, 인산에폭시에스터 8.5 중량부, 분산제(포스포릭산 폴리에톡시알킬페놀에스테르, phosphoric ACID ester of polyethoxylated alkyl phenol) 0.5 중량부, 실리콘계 소포제(AFCONA 2722) 1.0 중량부, 슬립제(폴리에테르 폴리실록산)0.1 중량부. N-부틸아세테이트 13 중량부, PMA(프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트) 20 중량부를 디졸버 믹서로 균일하게 혼합하였다. 혼합액을 바스킷 밀링기(Basket mill)에 옮긴 후 3시간 밀링하여 그래핀나노플레이트와 그래핀이 혼합된 것을 확인하였다. 최종적인 도료의 점도는 400 cps였다.
2)방열도료 조성물 제조
주제 100중량부에 HDI(헥사메틸렌디이소시아네이트) 삼량화제(trimer) 20 중량부를 혼합하여 철저히 교반하여 방열도료를 제조하였다.
<실시예 1>
제조예 1의 베이퍼챔버의 개구를 통해 내부에 0.5 torr의 진공을 가한 후 불화탄화수소[3-Methoxy-2-(trifluoroMethyl)perfluorobutane, bp 83 ℃] 1.2 g을 충진하고 개구를 밀봉하였다.
<실시예 2>
제조예 1에서 제조한 베이퍼챔버의 표면 전체를 제조예 2의 방열 도료를 사용하여 방열 코팅한 후 실시예 1과 같이 작동유체로 내부를 채웠다. 이때, 방열층의 두께는 30 ㎛였다.
<실시예 3>
실시예 1에서 제조한 베이퍼챔버의 표면 전체를 PET 25 ㎛ 필름으로 진공 밀봉하였다. 밀봉은 말단 부위를 핫바(hot bar)로 열융착하여 실시하였다.
<실시예 4>
작동 유체로 3-Methoxy-2-(trifluoroMethyl)perfluorobutane 대신, 3M 사의 FK-5112[1,1,1,2,2,4,5,5,5,-Nonafluoro-4-(trifluoromethyl)-3-pentanone, bp 49 ℃]를 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하다.
<비교예 1>
작동 유체로 불화탄화수소 대신 물(순수)을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하다.
<비교예 2>
동일한 열확산 및 방열 성능 평가를 베이퍼챔버 대신 동일한 크기 및 동일한 방열 코팅 처리된 알루미늄 방열기판(두께 1.5mm)을 사용하여 실시하였다.
<실험예 1> 방열 성능 평가
도 5에 도시한 바와 같이 세라믹 히터를 베이퍼챔버에 부착하여, 방열성능 평가를 실시하였다. 도 5에서 (a)는 평면도이고, (b)는 수직단면도이다.
베이퍼챔버에 가로 세로 각각 2 cm인 15 W 세라믹 히터를 챔버 말단으로부터 2 cm 떨어진 위치에 써멀패드를 이용하여 부착하였다. 히터 표면에 온도센서를 부착하고(T1) 다른 쪽 세로 말단으로부터 1 cm 떨어진 곳에 다른 온도센서를 부착, 설치하였다(T2).
히터에 전압을 인가하고 T1, T2가 평형을 이룰 때의 온도를 기록하였다. 측정 중 베이퍼챔버는 수직으로 세운 상태로 고정하였으며 실험은 대류가 없는 환경온도 40 ℃의 항온오븐 내에서 실시하였다. 히터 용량은 3.0 W, 써멀패드의 열전도율은 12 W/m.K였다.
T1과 T2가 평형을 이룰 때의 온도를 측정하였고, 열확산 시간으로 T1과 T2가 모두 평형을 이룰 때의 온도에 도달하는 시간을 측정하였다. 상기 방열 성능 평가 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
T1(히터 온도, ℃) 83 73 84 83 85 75
T2(외곽 온도, ℃) 82 71 79 78 81 53
열 확산 시간(초) 8 8 11 8 13 230
먼저 실시예 1, 2의 결과에서, 동박의 방사율 한계로 T1, T2가 실시예 2에 비해 높은 것을 알 수 있다. 그러나 T1, T2의 차이는 1 ℃ 및 2 ℃로 베이퍼챔버의 열확산 성능이 매우 우수함을 알 수 있다. 또 방열도료의 열방사 효과로 실시예 2의 T1, T2가 실시예 1의 T1, T2에 비해 낮음을 알 수 있다. 또 실시예 1, 2를 비교예 2와 비교하면 두께가 두꺼운 알루미늄 판에 비해 얇은 박막으로 이루어진 베이퍼챔버의 열전도도 및 열확산 속도가 알루미늄 기판에 비해 월등히 우수함을 보여준다.
실시예 3은 동박의 파손을 방지하기 위해 PET 필름으로 밀봉 한 것으로 PET의 낮은 열전도율로 인해 T1, T2의 차이가 실시에 1과 2에 비해 상대적으로 크고 확산속도도 상대적으로 낮게 나타난다.
비교예 1의 경우는 불화탄소 대신 물을 작동유체로 사용한 경우로서 T1, T2의 차이가 실시예 1의 1 ℃에 대비하여 4 ℃로 큰 것을 알 수 있다. 이는 물의 증발-응축 속도가 불화탄소에 비해 느려 열의 확산속도가 상대적으로 낮은 것이 이유라고 판단된다. 확산속도의 차이는 물의 잠열이 불화탄소에 비해 크고 표면장력이 큰 것이 원인일 수 있다. 또한, 물은 배터리에 사용 못하는 문제가 있고, 젖음성이 나쁘고 증발하면서 소음이 발생하는 문제가 있다.
또한 평형 온도에 도달하는 시간이 작을수록 성능이 우수하다 할 수 있다. 실시예 1 내지 실시예 4는 8초 내지 11초인데 비하여 비교예 1은 13초이다. 한편, 알루미늄 방열판이 사용된 비교예 2는 230초로 베이퍼챔버와는 비교할 수 없을 정도로 열확산 속도가 느리다.
실시예 4는 히터의 사용 온도에 비하여 bp가 낮기 때문에 실제 베이퍼챔버의 양측면이 약간 부풀어 오르는 문제가 있었다. 히터의 사용 온도에 맞춰 적절한 bp의 작동 유체를 사용하는 것이 좋다.
<실험예 2> 열전도도의 측정
제조예 2의 방열 도료 조성물로 형성한 방열코팅층에 대하여 25℃에서 열전도도를 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.
수직 열전도도(W/m.K) 1.37
수평 열전도도(W/m.K) 5.30
본 출원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 출원이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 출원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 출원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 베이퍼챔버 10: 금속 박막
10': 상판 10'': 하판
20: 밀봉부 30: 금속 섬유 시트
40: 주입구멍 42, 42': 팁
50: 방열코팅층 60: 수지 필름층
100: 세라믹 히터

Claims (14)

  1. 서로 대향하는 금속 박막인 상판 및 하판;
    상기 상판과 상기 하판의 대향면의 가장자리를 따라 형성된 밀봉부; 및
    상기 상판과 상기 하판의 사이에 구비되는 다공성 금속 섬유 시트; 를 포함하는 베이퍼챔버이고,
    내부에 충진되는 작동 유체로 저비점 불화탄화수소를 포함하며,
    상기 저비점 불화탄화수소는,
    비점(bp)이 25℃ 내지 100℃이고, 상기 베이퍼챔버가 적용되는 대상의 구동시 최고온도보다 비점이 1℃ 내지 25℃ 낮은 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상판 및 하판의 외부 표면에 형성된 방열코팅층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 베이퍼챔버의 외부 표면에 형성된 수지 필름층;을 더 포함하고,
    상기 수지 필름층은,
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 금속 섬유 시트는,
    구리, 니켈 및 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나의 금속 섬유로 이루어진 공극률 40% 내지 70%의 부직포인 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 금속 섬유 시트는,
    0.1mm 내지 1.0 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 섬유의 직경은 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 상판 및 하판은,
    구리 또는 알루미늄이고, 5 ㎛ 내지 300 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열코팅층의 두께는 5 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열코팅층은,
    우레탄 수지와 탄소 소재를 포함하는 방열 도료 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 탄소 소재는,
    팽창흑연을 2시간 내지 6시간 동안 밀링하여 박리한 것으로,
    그래핀나노플레이트; 및
    그래파이트 및 그래핀 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 탄소 소재의 입자 직경은 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 방열코팅층은,
    조성물 총 중량을 기준으로,
    우레탄 바인더 수지 70~85 wt%;
    탄소 소재 5~15 wt%;
    금속 분말 2~5 wt%; 및
    첨가제 3~10 wt%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 상판과 상기 하판의 서로 대향하는 일측에는 상기 작동 유체를 주입하기 위한 주입구멍을 형성하는 팁 (tip)이 돌출 형성되고,
    상기 밀봉부는 초음파 또는 레이저에 의한 열 융착으로 상판과 하판을 서로 접착시켜서 형성된 것을 특징으로 하는 베이퍼챔버.
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