KR102591403B1

KR102591403B1 - 복합 방열 하이브리드 시트

Info

Publication number: KR102591403B1
Application number: KR1020220117831A
Authority: KR
Inventors: 이홍섭; 이지환; 김연태; 이창호
Original assignee: (주)비스타글로벌
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-10-20

Abstract

본 발명은 복합 방열 하이브리드 시트에 관한 것이다.
본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트는, 일측 표면이 열원(1)과 접촉하고, 열원의 열을 수직 방향으로 전달하는 TIM층(2)과; 상기 TIM층(2)의 열원(1) 반대측 표면에 부착되어 있으며, TIM층(2)으로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키는 히트싱크층(3)과; 상기 히트싱크층(3)의 TIM층(2) 반대편 표면에 코팅되어 있으며, 히트싱크층(3)으로부터 전달받은 열을 외부로 방사 및 복사시키는 방열코팅층(4);을 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 방열을 위한 세가지요소 즉, TIM, 히트 싱크, 방열 코팅의 세가지 요소를 모두 갖추어 섭씨 100도 기준으로 20도 정도까지 온도를 낮출수 있게 하여 기존의 제품에 비해 10 ~ 15도 정도의 개선 효과를 갖는 제품이 제공된다. 또한, 제품 크기나 형상에 대응되게 재단하고, 이형지를 제거한 후 부착하는 방식으로 이루어져 기존의 TIM을 고정시키기 위한 볼트 작업이 필요 없어 작업성을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.

Description

복합 방열 하이브리드 시트{composite heat-radiation hybrid sheet}

본 발명은 봉합 방열 시트에 관한 것이다.

전자제품은 전원이 공급되어야 작동이 이루어지며, 이때 열이 발생하게 된다.

이러한 열을 낮추지 못할 경우 화재나 기기의 오작동과 같은 현상이 발생하게 된다.

열원의 온도를 떨어뜨리는 것을 방열이라고 하는데, 열원의 온도를 떨어뜨리기 위한 요소로 TIM(thermal interface material, 열 계면 물질), 히트 싱크, 방열 코팅 등이 있다.

TIM은 열원의 열을 히트 싱크쪽으로 수직으로 끌어올려주는 것을 말하는데, 알려진 TIM으로는 써멀 패드, 써멀 구리스, 써멀 페이스트, 써멀 접착제 등 여러 종류가 알려져 있다.

기존에 알려져 있는 TIM의 특징 및 장단점은 아래 표 1과 같다.

종류	가격	두께	방열성능	열저항	열전도도	내구성	작업성	단점
써멀패드	고가	0.5mm이상	우수	大	보통	보통	보통	실리콘오일 발생
써멀구리스	저가	100미크론	우수	小	보통	나쁨	나쁨	크랙 발생
써멀페이스트	저가	100~300미크론	우수	小	보통	나쁨	나쁨	크랙 발생
써멀접착제	초고가	50미크론 이하	우수	小	나쁨	보통	나쁨	도포가 어려움
써멀시트테이프	중저가	250미크론 이하	최우수	小	최우수	우수	우수	없음

상기 표 1에서 알 수 있듯이 가격, 성능, 작업성, 내구성 등을 검토시 써멀시트테이프(본 발명에서 사용)가 여러 조건이 우수하며, 나머지는 크랙 발생, 작업성 저하, 오일 발생 등의 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 히트 싱크의 면적, 두께 등이 커질 경우 방열 효과는 상승하게 되나, 제품 가격, 요구되는 두께 등의 환경 변수에 따라 무제한적으로 히트 싱크의 두께나 면적을 넓히기에는 어려움이 있다.

그동안의 방열 제품의 문제점은 위와 같은 방열의 세가지 요소를 모두 갖춘 제품이 없었으며, TIM 기술도 수직 열전도도가 10~13watt/m.k이상 구현되고, 100도 기준으로 20도 정도의 개선 효과를 갖는 제품이 없었다.

또, 기존 제품은 자체 점착력이 구현이 되지 않으므로 볼트로 고정시켜야 사용 가능하므로 그 동안 통신, 전자, 전기자동차, 에너지 저장장치 등에서 필요한 슬림화, 경량화, 작업성, 방열 효과, 가격 등을 동시에 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.

10-1417729 (2014.07.03) KR 10-1859005 (2018.05.11)

본 발명은 상기한 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로 방열을 위한 세가지요소 즉, TIM, 히트 싱크, 방열 코팅의 세가지 요소를 모두 갖추어 섭씨 100도 기준으로 20도 정도까지 온도를 낮출수 있게 하여 기존의 제품에 비해 10 ~ 15도 정도의 개선 효과를 갖는 제품을 제공하려는 것이다.

또한, 제품 크기나 형상에 대응되게 재단하고, 이형지를 제거한 후 부착하는 방식으로 이루어져 기존의 TIM을 고정시키기 위한 볼트 작업이 필요 없어 작업성을 획기적으로 개선하려는 것이다.

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본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트는 상기한 과제를 해결하기 위하여, 일측 표면이 열원(1)과 접촉하고, 열원의 열을 수직 방향으로 전달하는 TIM층(2)과; 상기 TIM층(2)의 열원(1) 반대측 표면에 부착되어 있으며, TIM층(2)으로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키는 히트싱크층(3)과; 상기 히트싱크층(3)의 TIM층(2) 반대편 표면에 코팅되어 있으며, 히트싱크층(3)으로부터 전달받은 열을 외부로 방사 및 복사시키는 방열코팅층(4);을 포함하여 구성된다.

상기한 구성에 있어서, 상기 히트싱크층(3)은 외부로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키도록 이루어져 있는 플렉시블한 소재의 TIM시트(2a)와; 상기 TIM시트(2a)의 양측 표면에 형성되어 있는 점착층(2b)과; 상기 점착층(2b)의 표면에 부착되어 있는 이형필름(2c);으로 구성되어 있으며, 상기 두 이형필름(2c) 중 하나는 분리되어 상기 히트싱크층(3)에 부착되고, 다른 하나는 분리되어 열원(1)에 부착되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 있어서, 상기 TIM시트(2a)는 변성 아크릴, 우레탄, 실리콘, 카본화이버 중 어느 하나와 알루미나를 프리 믹싱하여 예비 분산한 후, 털포 처리하여 기포를 제거하고, 탈포가 완료된 슬러리를 믹싱하여 뭉칭 파우더를 분산한 후, 캐리어 필름에 캐스팅 처리하여 제조된 것을 특징으로 하는,

상기한 구성에 있어서, 상기 히트싱크층(3)은 알루미늄, 구리, 그라파이트, 그래핀, 카본파이버, 알루미늄 히트 파이프, 구리 히트 파이프 중 어느 하나로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 있어서, 상기 방열코팅층(4)은 알콜성 용매에 실란이 용해되어 졸 상태를 이루도록 형성된 실란 졸 용액이 상기 히트싱크층(3)의 표면에 코팅되어 형성되거나, 아크릴, 우레탄, 실리콘, 폴리에스테르, 에폭시 세라믹 도료가 상기 히트싱크층(3)의 표면에 코팅되어 형성된 것을 특징으로 하는,

방열을 위한 세가지요소 즉, TIM, 히트 싱크, 방열 코팅의 세가지 요소를 모두 갖추어 섭씨 100도 기준으로 20도 정도까지 온도를 낮출수 있게 하여 기존의 제품에 비해 10 ~ 15도 정도의 개선 효과를 갖는 제품이 제공된다.

또한, 제품 크기나 형상에 대응되게 재단하고, 이형지를 제거한 후 부착하는 방식으로 이루어져 기존의 TIM을 고정시키기 위한 볼트 작업이 필요 없어 작업성을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트를 나타낸 단면도.
도 2는 TIM을 제조예를 나타낸 개략도.
도 3은 TIM시트를 제조하는 공정을 나타낸 공정도.
도 4는 본 발명에서 열전도도 계산값을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에서 TIM층의 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에서 TIM층의 물성을 나타낸 표.
도 7은 본 발명에서 복합 방열 하이브리드 시트의 구체적인 구성을 나타낸 단면도.
도 8 내지 11은 본 발명에 따른 실험 시편 및 방열 실험 결과를 나타낸 사진.
도 12는 실시예 1의 시편에 대한 수평열전도도 측정 방법 및 결과를 나타낸 도표 및 그래프.

이하, 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도면을 보면 알 수 있듯이, 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트는 열원(1)과 접촉하는 부분을 기준으로, TIM층(2), 히트싱크층(3), 방열코팅층(4)의 3층 복합 구조를 이룬다.

TIM층(2)은 열원에서 발생하는 열을 최대한 수직으로 히트싱크층(3)로 보내는 역할을 하며, 히트싱크층(3)는 Tim을 통해 올라온 열을 방열을 위해 가로 및 세로 방향 즉, 수평 방향으로 확산시키는 역할을 한다.

더하여, 방열코팅층(4)은 히트싱크층(3)의 열을 대기로 열방사 및 열복사를 통해 최대한 열을 방출하는 역할을 하며, 수평열전도를 높여주는 역할을 한다.

여기서 방열의 효능 또는 기능을 백분율로 구분해보면, TIM층(2)은 대략 30 ~ 40 % 정도의 역할, 히트싱크층(3)는 40 ~ 50%, 방열코팅층(4)은 10 ~ 20% 정도의 역할을 하게 된다.

본 발명에서 TIM층(2)은 전술한 표 1에 나타나 있는 바와 같이 두께가 250미크론 이하이며, 방열 성능은 최우수이며, 열저항이 작고, 열전도도가 최우수, 내구성 및 작업성이 우수하다.

TIM은 도 2에 도시된 바와 같이 써멀 컨덕티브 세라믹 파우더와 폴리머를 혼합하여 성형되는데, 이러한 TIM층(2)은 도 3과 같은 공정으로 제조된 TIM시트로 이루어짐이 바람직하다.

우선, (1) 알루미나, 변성아크릴 등과 같은 원료물질을 프리믹싱(premixing)하여 예비 분산하고, (2) 상기 프리믹싱의 완료 후 탈포 공정을 통해 기포를 제거한 다음, (3) 탈포 공정이 완료된 슬러리를 본 믹싱을 통해 뭉친 파우더를 분산한 후, (4) 믹싱이 완료된 슬러리를 캐스팅 설비를 통하여 캐리어 필름 표면에 부착시키는 공정으로 이루어진다.

캐스팅이 완료되어 제품이 완성된 모습은 (5)에 도시되어 있다.

이때, 원료물질인 필러는 입자사이즈가 5㎛~100㎛인 알루미나/BN을 사용하는 것이 바람직하며, 기본적으로 변성 아크릴바인더와 세라믹의 믹싱 비율은 일반적으로 20~25 중량% : 75~80 중량%의 비율이 바람직하다.

이때, 변성 아크릴 대신 우레탄 시트, 실리콘 시트, 카본 화이버 시트를 사용할 수도 있다.

더불어, 수지와 믹싱시 열전도도 채널을 좋게하여 고열전도도를 얻기위해 3가지 모양의 세라믹을 사용해야 최대의 열전도도가 구현 가능하다.

수직열전도도 10 watt/m.k 이하 제조시에는 구상 알루미나 50중량%, 판상 알루미나 20중량%, 비정형 알루미나 약 30 중량%의 비율로 함이 바람직하며,

수직열전도도 10 watt/m.k 이상 제조시에는 구상 BN/MgO 20중량%, 구상 알루미나 30중량%, 판상 알루미나 20 중량%, 비정형 알루미나 20중량%, 비정형 BN/MgO 10중량%의 비율로 함이 바람직하다.

여기서 열전도도가 높은 BN/MgO의 양을 늘리면 15watt/m.k 이상 구현도 가능하다.

도 4에는 열전도도 계산 프로그램을 이용한 TIM의 열전도도를 계산한 일 예이다.

본 발명에서 TIM층(2)은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 TIM시트(2a)의 상부와 하부에 점착층(2b)이 형성되어 있고, 상부와 하부 점착층(2b)에 이형필름(2c)이 부착되어 있는 형태로 이루어짐이 바람직하다.

더하여, 이러한 TIM층(2)의 물성은 도 6과 같은 물성을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서 히트싱크층(3)는 전술한 바와 같이 TIM층(2)으로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키는 역할을 하는 것으로 알루미늄, 구리, 그라파이트, 그래핀, 카본파이버, 알루미늄 히트 파이프, 구리 히트 파이프 등 기존 열려져 있는 공지의 부재를 사용할 수 있으며, 요구되는 사양에 따라 그 두께, 재질, 단면형상 등이 취사 선택될 수 있다.

바람직한 히트싱크층(3)으로 알루미늄 #1050의 경우 수평 방향으로 210 watt/m.k의 열전도도를 갖게 한다.

본 발명에서 방열코팅층(4)은 전술한 바와 같이 히트싱크층(3)로부터 열을 전달받아 외부로 방사 및 복사시키는 역할을 하는 것으로 공지의 다양한 방열코팅재를 활용할 수 있다.

대표적인 예로, 아크릴, 우레탄, 실리콘, 폴리에스테르, 에폭시 세라믹 도료가 상기 히트싱크층(3)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.

다만, 효율을 높이기 위한 방안으로 알콜성 용매에 실란이 용해되어 졸 상태를 이루도록 형성된 실란 졸 용액이 상기 히트싱크층(3)의 표면에 코팅되는 것으로 구성됨이 바람직하다.

이때, 경우에 따라 구리 또는 알루미늄 중 어느 하나를 포함하는 금속 입자가 방열코팅층(4)에 증착 처리되어 형성될 수도 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트는 다음과 같이 제조 및 사용될 수 있다.

알루미늄/구리 시트와 같은 소재로 이루어진 히트싱크층(3)의 양면 표면의 기름기 및 오염 물질을 제거한 후 클린룸에서 콤마롤 코팅 기계를 활용하여 히트싱크층(3)의 일측 표면을 방열 코팅 처리하여 방열코팅층(4)을 형성한다.

이때, 방열코팅층(4)의 두께는 20 ~ 30㎛ 정도가 바람직하다.

더하여, 상부와 하부에 점착층(2b) 및 이형필름(2c)이 연속으로 형성되어 있는 시트상의 TIM층(2)을 준비한 후, 일측의 이형필름(2c)을 벗겨낸 후 상기 방열코팅층(4)이 미 코팅 처리된 히트싱크층(3)의 반대편 표면을 합지한다.

이때, 열합지기를 이용하여 합지 처리할 수 있다.

합지시 압력이 일정하지 않아 기포가 발생하게 되면 열전도도가 감소하게 되므로 기포가 발생하지 않도록 히트싱크층(3)이 권취된 시트롤과 TIM층(2)이 권취된 시트롤의 폭과 길이를 잘 세팅하고 합지기 속도를 잘 조정하여 기포가 발생하지 않도록 합지시킨다.

합지가 완료된 후에는 롤 상태로 보관하며, 보관시에는 40~50℃의 온도가 유지되는 창고에서 2~3일 chemical thermo setting 해주어 제품의 내구성을 개선시킨다.

사용시에는 고객사가 열원 사이즈에 맞게끔 잘 절단하여 이형필름을 벗겨내 열원에 부착하면 된다.

부착 후 1~2회 고르게 시트에 약간의 압력을 가해주면 열원에 미세한 Air Gap이 안생겨 최대의 방열효과가 구현 가능하다.

도 7에는 이렇게 제조된 복합 방열 하이브리드 시트의 단면이 도시되어 있다.

도면을 보면 알수 있듯이 TIM시트(2a)의 상부와 하부에 점착층(2b)이 형성되어 있고, 하부 점착층(2b)에는 이형필름(2c)이 부착되어 있으며, 상부 점착층(2b)에는 히트싱크(3)가 합지 처리되어 있으며, 히트싱크(3)의 상부에는 방열코팅층(4)이 형성되어 있다.

여기서 TIM시트(2a)는 240㎛의 두께가 바람직하며, 점착층(2b)은 5㎛의 두께가 바람직하며, 이형필름(2c)은 50㎛로 이루어질 수 있으며, 히트싱크(3)는 0.01 ~ 1.0mmm로 이루어질 수 있으며, 방열코팅층은 20 ~ 30㎛ 정도가 바람직하다.

이상과 같은 구성에 따른 본 발명의 복합 방열 하이브리드 시트는 유연성과 탄성이 우수하여 열원과 밀착성이 좋아 열전도 효과가 높으며, 살리콘을 사용하지 않기 때문에 오일이 새 나오는 현상이 발생하지 않고 할로겐 프리 제품으로써의 가치를 가진다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명하기로 한다.

<실시예 1>

두께 0.25mm, 수직 방향에 대한 열전도도가 5watt/m.k의 성능을 갖는 TIM층을 준비하였다.

구체적으로, 구상 알루미나, 판상 알루미나, 비정형 알루미나를 5 : 2 : 3의 중량비로 혼합한 알루미나 혼합물 25중량%와, 변성아크릴 75중량%를 원료물질로 하여 프리믹싱(premixing)하여 예비 분산한 다음 상기 프리믹싱의 완료 후 탈포 공정을 통해 기포를 제거한 후, 탈포 공정이 완료된 슬러리를 본 믹싱을 통해 뭉친 파우더를 분산한 후 믹싱이 완료된 슬러리를 캐스팅 설비를 통하여 캐리어 필름 표면에 부착시켜 TIM시트를 제조하였다.

제조된 TIM시트의 양면에 점착층을 형성하고, 그 외측으로 양면에 이형지를 부착하였다.

히트싱크층은 두께 0.3mm인 #1050의 알루미늄으로 준비하였다.

테트라메톡시실란(tetramethoxysilane) 6중량%에, 2-프로판올(2-propanol) 22중량%, 2-부톡시에탄올(2- butoxyethanol) 17중량%, 1-부탄올(1-butanol) 18중량%, 자일렌(xylene) 8중량%, 2-부탄올(2-butanol) 4중량%, 그리고 레진(resin) 25중량%을 첨가하여 졸상태의 실란용액을 만든 후, 준비된 졸 상태의 실란용액을 상기 히트싱크층에 코팅하여 두께 25㎛의 방열코팅층을 형성하였다.

이형지가 부착된 TIM시트의 일측 이형지를 제거한 후, 방열코팅층이 코팅된 히트싱크층의 일면에 부착하여 실시예 1의 복합 방열 하이브리드 시트를 제조하였다.

이하, 실험예에 대해 설명하기로 한다.

8.75v, 0.86A의 인입 watt 조건으로 열을 가하고, 온도를 측정하는 실험을 진행하였다.

도 8은 열원만 구비된 예, 도 9는 열원에 0.3mm 두께의 알루미늄을 부착한 경우, 도 10 및 도 11은 실시예11의 실험 사진 및 실험 결과를 나타낸 모니터 화면이며, 표 2는 실험 결과 1시간 후의 온도를 나타낸 것이다.

구분	1시간 후의 온도
①열원	104.2℃
②열원 + 일반 알루미늄	86.4℃
③열원 + 실시예 1의 복합 방열 하이브리드 시트(소)	80.2℃
④열원 + 실시예 1의 복합 방열 하이브리드 시트(대)	72.6℃

상기 표 2를 보면 알 수 있듯이 일반 알루미늄만 부착한 경우에 비해 실시예의 복합 방열 하이브리드 시트를 부착한 경우 온도가 현저히 더 떨어지는 것을 알 수 있다.

일반적으로 수평열전도도는 Hot disk 방식으로 측정하며, 수직열전도도는 laser flash analysis(LFA)를 사용한다.

도 12는 실시예 1의 시편에 대해 가열 전력과 래펀런스 저항을 지정한 상태에서 2시간 동안의 온도 변화를 측정하고, 이를 토대로 hot disk 방식을 이용하여 수평열전도도를 측정한 것으로, 도면에 나타난 바와 같이 수평열전도도가 평균 210.35W/m.k로 나타난 것을 알 수 있다.

1 : 열원
2 : TIM층
2a : TIM시트
2b : 점착층
2c : 이형필름
3 : 히트싱크층
4 : 방열코팅층

Claims

복합 방열 시트에 있어서,
일측 표면이 열원(1)과 접촉하고, 열원의 열을 수직 방향으로 전달하는 TIM층(2)과;
상기 TIM층(2)의 열원(1) 반대측 표면에 부착되어 있으며, TIM층(2)으로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키는 히트싱크층(3)과;
상기 히트싱크층(3)의 TIM층(2) 반대편 표면에 코팅되어 있으며, 히트싱크층(3)으로부터 전달받은 열을 외부로 방사 및 복사시키는 방열코팅층(4);을 포함하여 구성되되,

상기 TIM층(2)은,
외부로부터 전달받은 열을 수평 방향으로 확산시키도록 이루어져 있는 플렉시블한 소재의 TIM시트(2a)와;
상기 TIM시트(2a)의 양측 표면에 형성되어 있는 점착층(2b)과;
상기 점착층(2b)의 표면에 부착되어 있는 이형필름(2c);으로 구성되어 있으며,
상기 두 이형필름(2c) 중 하나는 분리되어 상기 히트싱크층(3)에 부착되고,
다른 하나는 분리되어 열원(1)에 부착되며,

상기 TIM시트(2a)는,
판상 알루미나 2 중량부와, 상기 판상 알루미나 2 중량부 기준으로 3 ~ 5 중량부의 구상 알루미나, 상기 판상 알루미나 2 중량부 기준으로 2 ~ 3중량부의 비정형 알루미나가 혼합된 알루미나 혼합물 20 ~ 25 중량%와, 변성 아크릴 75 ~ 80 중량%를 원료로 하여 프리믹싱하여 예비 분산한 후, 털포 처리하여 기포를 제거하고, 탈포가 완료된 슬러리를 믹싱하여 뭉친 파우더를 분산한 후, 캐리어 필름에 캐스팅 처리하여 제조된 것이고,

상기 히트싱크층(3)은 알루미늄, 구리, 그라파이트, 그래핀, 카본파이버, 알루미늄 히트 파이프, 구리 히트 파이프 중 어느 하나로 이루어져 있으며,

상기 방열코팅층(4)은 알콜성 용매에 실란이 용해되어 졸 상태를 이루도록 형성된 실란 졸 용액이 상기 히트싱크층(3)의 표면에 코팅되어 형성된 것을 특징으로 하는,
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