KR20100027148A - 수지제 히트싱크 - Google Patents

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KR20100027148A
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스타라이트 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 방열효과가 우수한 히트싱크로서, 전자파 차폐성이 우수한 수지재료로 이루어지는 히트싱크를 제공하는 것을 과제로 한다.
수지재료로 이루어지는 히트싱크로서, 상기 수지재료는, 수지 중에 (a)탄소재료와 (b)세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말이 균일하게 분산되어 있고, 또한 당해 수지재료 중에 있어서의 (a)의 비율이 15∼60부피%이고, (b)의 비율이 5∼40부피%이고, (a)와 (b)의 총합계 비율이 20∼80부피%인 것을 특징으로 한다.

Description

수지제 히트싱크{RESIN HEAT SINK}
본 발명은 히트싱크(heat sink)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 높은 방열성(放熱性)과 전자파 차폐성(電磁波 遮蔽性)을 구비하는 수지제(樹脂製)의 히트싱크에 관한 것이다.
전자기기의 분야에 있어서 발열소자(發熱素子)의 방열은 중요한 과제로서, 소자를 효과적으로 냉각시키기 위하여 히트싱크가 사용되고 있다.
종래의 히트싱크는, 구리(copper) 및 알루미늄 재료(aluminium 材料)를 원료로 하여 절삭가공(切削加工), 다이캐스팅(die casting) 또는 열간압출(熱間壓出 ; hot extrusion)에 의하여 제조되고 있다. 또한 방열성을 높이기 위하여 금속제(金屬製)의 히트파이프(heat pipe)를 장착한 제품도 있다. 이들 금속제의 히트싱크는 중량이 무겁기 때문에, 전자기기의 경량화(輕量化)에 방해가 되고 있다. 또한 금속제의 히트파이프도 중량이 무겁고 모세관 현상(capillary phenomenon)을 발생시킬 필요가 있어 내부가 복잡한 구조로 되어 있기 때문에, 두께가 얇은 형상으로 하는 것이 곤란하고 가격도 고 가이다.
또한 수지에 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 첨가한 방열부품에 관한 특허출원도 있지만, 실제의 방열효과에 관한 데이터는 볼 수 없으며 수지에 카본 나노튜브를 균일하게 분산(分散)시키는 것은 곤란하기 때문에 기대되는 방열효과는 얻어지지 않았다.
특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개2004-198098호 공보
또한 종래의 구리나 알루미늄제 히트싱크의 방열효과를 높이기 위해서는 핀(pin)의 형상을 얇고 높게 하고 매수(枚數)도 증가시킬 필요가 있지만, 그 결과 핀 사이에 과전류(過電流)가 발생하여 전자파가 증폭(增幅)된다는 폐해가 발생한다. 이 때문에 전자기기 내부에서 발생하는 전자파를 차폐하기 위하여 실드(shield)를 할 필요가 있어 전자기기의 소형화를 저지하는 요인이 되고 있었다. 특히 전자파의 차폐에 관해서는 광대역(廣帶域)에서의 차폐특성이 요구되고 있지만, 특정한 주파수에서 차폐성을 나타내는 재료는 많이 있으나 1MHz로부터 1GHz를 넘는 것과 같은 광대역에 있어서 차폐특성을 나타내는 재료를 찾아내는 것은 용이하지 않다. 이 때문에 열을 내리는 효과가 우수함과 아울러, 광대역에서의 전자파 차폐성을 나타내는 재료로 이루어지는 히트싱크가 요구되고 있었다.
(해결하고자 하는 과제)
따라서 본 발명은 구리 및 알루미늄에 필적하는 방열효과를 구비하는 수지제의 히트싱크로서, 우수한 전자파 차폐성을 나타내는 재료(특히 1MHz로부터 1GHz를 넘는 것과 같은 광대역에서 우수한 전자파 차폐성을 나타내는 재료)로 이루어지는 히트싱크를 제공하는 것을 과제로 한다.
(과제해결수단)
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 여러 가지 검토를 한 결과, 탄소재료와, 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말을 특정한 비율로 수지에 혼합함으로써 수지 중에 탄소재료를 균일하게 분산시킬 수 있는 것 및 이 재료를 사용하여 성형한 히트싱크가 높은 방열성과 전자파 차폐특성을 구비한다는 것을 찾아내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉 본 발명은 방열성과 전자파 차폐성을 구비하는 히트싱크로서, 수지재료(樹脂材料)에 의하여 일부 또는 전부가 형성되어 있는 것, 및 상기 수지재료는, 수지 중에 (a)탄소재료와 (b)세라믹스 분말(ceramic 粉末) 및/또는 연자성 분말(軟磁性 粉末)이 균일하게 분산(分散)되어 있고, 또한 당해 수지재료 중에 있어서의 (a)의 비율이 15부피% 이상 60부피% 이하이고, (b)의 비율이 5부피% 이상 40부피% 이하이고, (a)와 (b)의 총합계 비율이 20부피% 이상 80부피% 이하인 것을 특징으로 한다.
수지 중에 탄소재료와 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말을 상기 비율로 혼합함으로써, 열전도성이 높은 탄소재료를 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말에 의하여 수지 중에 균일하게 분산시킬 수 있고, 이 수지재료에 의하여 히트싱크를 구성함으로써 방열성과 전자파 차폐성이 우수한 히트싱크를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 관한 히트싱크는 수지제이기 때문에, 복잡한 형상이더라도 성형이 용이하다.
상기 (a)의 탄소재료는 열전도율이 100W/m·k 이상인 실 형상(filamentous)(튜브 형상을 포함한다)의 탄소재료인 것이 바람직하고, 특히 피치계 탄소섬유(pitch-based carbon fiber)와 지름이 나노미터 크기인 실 모양의 카본 나노재료(carbon nano material)의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
실 모양의 탄소재료를 사용함으로써 히트싱크의 강도를 높일 수 있다. 또한 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말이 배합되어 있음으로써 성형 시에 탄소섬유가 일방향(一方向)으로 배향(配向)되지 않아, 히트싱크의 균등한 강도(强度) 향상과 균질한 열전도성 및 전자파 흡수를 실현할 수 있다.
특히 열전도성이 높은 피치계 탄소섬유와 카본 나노튜브를 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말에 의하여 수지 중에 균일하게 분산시킴으로써, 높은 방열성 및 전자파 차폐성을 구비하는 히트싱크를 얻을 수 있다. 카본 나노튜브는 수지 중에 균일하게 분산되기 어렵지만, 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말과 병용함으로써 수지 중에 균일하게 분산시킬 수 있다.
또한 히트싱크의 열원접지면(熱源接地面)에, 열전도율이 100W/m·k 이상인 재료로 이루어지는 전열체를 장착함으로써 히트싱크의 열확산성(熱擴散性)을 더 높이는 것이 가능하다.
또한 상기 히트싱크에 히트파이프 기구(heat pipe 機構)를 설치함으로써 냉매(冷媒)를 이용할 수 있기 때문에, 방열성이 더 높은 히트싱크를 얻을 수 있다. 상기 히트파이프 기구는, 히트싱크를 구성하는 수지재료와 동일한 재료로 구성할 수 있기 때문에 경량화(輕量化)가 가능하고, 복잡한 형상이나 두께가 얇은 구조의 것이어도 용이하게 성형할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 관한 히트싱크는 방열성과, 광대역에 있어서의 전자파 차폐성 양쪽 모두 우수하기 때문에, 발열소자(發熱素子)를 효과적으로 냉각할 수 있음과 아울러, 전자파에 의하여 초래되는 폐해를 경감시킬 수 있다. 또한 경량화가 가능하여 성형성(成形性)에서도 우수하다.
도1은 본 발명에 관한 수지제 히트싱크의 하나의 실시예를 나타내는 도면으로서, 도1(A)는 사시도이고, 도1(B)는 A의 히트싱크를 열원 위에 올려놓은 상태를 나타내는 측면도이다.
도2는 열원접지면에 전열체가 장착되어 있는 히트싱크를 나타내는 도면으로서, 도2(A)는 측면 단면도이고, 도2(B)는 밑면도이다.
도3은 열원접지면에 히트파이프 기구를 구비하는 히트싱크를 나타내는 도면으로서, 도3(A)는 측면 단면도이고, 도3(B)는 히트파이프 기구의 평면도 로서 냉각수로부를 흰색으로 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 히트싱크 2 : 핀
3 : 밑면판 4 : 세라믹스 히터
5 : 알루미늄 판 6 : 전열체
7 : 히트파이프 8 : 공간부(냉각수로)
본 발명에 사용되는 수지는 열가소성 수지(熱可塑性 樹脂) 및 열경화성 수지(熱硬化性 樹脂) 중 어느 것이어도 좋고, 열가소성 수지로서는 폴리올레핀계 수지(polyolefin系 樹脂), 폴리아미드계 수지(polyamide系 樹脂), 엘라스토머계(elastomer系)(스티렌계(styrene系), 올레핀계(olefin系), PVC계(polyvinyl chloride系), 우레탄계(urethane系), 에스테르계(ester系), 아미드계(amide系)) 수지, 아크릴계 수지(acryl系 樹脂), 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic) 등이 사용된다. 특히 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 나일론 수지(nylon 樹脂), ABS 수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene 樹脂), 아크릴 수지(acryl 樹脂), 에틸렌 아크릴레이트 수지(ethylene acrylate 樹脂), 에틸렌 아세트산 비닐 수지(ethylene acetic acid vinyl 樹脂), 폴리스티렌 수지(polystyrene 樹脂), 폴리페닐렌 설파이드 수지(polyphenylene sulfide 樹脂), 폴리카보네이트 수지(polycarbonate 樹脂), 폴 리에스테르 엘라스토머 수지(polyester elastomer 樹脂), 폴리아미드 엘라스토머 수지(polyamide elastomer 樹脂), 액정 폴리머(液晶 polymer)가 선택된다. 이 중에서도 내열성(耐熱性) 및 유연성(柔軟性)의 관점에서 나일론 수지, 폴리에스테르 엘라스토머 수지, 폴리아미드 엘라스토머 수지, ABS 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 액정 폴리머가 적합하다.
또한 열경화성 수지로는 에폭시 수지(epoxy 樹脂), 멜라민 수지(melamine 樹脂), 페놀 수지(phenol 樹脂), 실리콘 수지(silicon 樹脂), 우레탄 수지(urethane 樹脂) 등이 사용된다. 이 중에서도 내열성 및 유연성의 관점에서 에폭시 수지, 실리콘 수지 및 우레탄 수지가 적합하다.
이들 수지에는 분산제(分散劑), 윤활제(潤滑劑), 가소제(可塑劑)를 첨가하여도 좋고, 특히 분산제에 지방산계 에스테르(脂肪酸系 ester), 커플링제(coupling劑)를 사용함으로써 탄소재료, 세라믹스 재료, 연자성(軟磁性) 재료의 충전율(充塡率)을 증가시켜서 특성을 향상시킬 수 있다.
알루미늄에 필적하는 방열성(放熱性)을 구비하는 재료를 얻기 위해서는, 수지의 양은 수지재료 전량(全量)의 80부피% 이하인 것이 바람직하다. 바람직한 수지의 양은 수지재료 전량의 20∼60부피%이고, 더 바람직하게는 25∼50부피%, 특히 바람직하게는 30∼45부피%, 매우 바람직하게는 35∼45부피%이다. 세라믹스 및 연자성 분말의 입자지름이 지나치게 작으면 유동성이 나빠지기 때문에, 성형 시의 충분한 유동성을 확보하기 위하여 수지의 첨가량을 증가시킬 필요가 생기므로, 세라믹스 분말 및 연자성 분말의 입자지 름은 0.1∼100μm가 바람직하다.
본 발명에 관한 탄소재료로서는, 실 모양(filamentous)의 탄소재료가 바람직하고, 특히 열전도율(熱傳導率)이 100W/m·k 이상(더 바람직하게는 500W/m·k 이상)인 탄소섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 높은 열전도율을 유지하기 위해서는, 지름이 1μm 이상 50μm 이하(더 바람직하게는 지름이 3μm 이상 20μm 이하)이고, 평균길이가 0.05mm 이상 30mm 이하의 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 평균길이가 0.1mm 이상 25mm 이하, 더 바람직하게는 평균길이가 0.3mm 이상 10mm 이하의 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 또 상기 탄소섬유로서는 피치계 탄소섬유(pitch-based carbon fiber)가 바람직하다.
또한 지름이 마이크로미터(micrometer) 크기의 탄소섬유에 추가하여, 지름이 나노미터(nanometer) 크기의 실 모양(튜브 형상을 포함한다)의 카본 나노재료(carbon nanomaterial)를 병용하는 것이 바람직하다. 바람직한 카본 나노재료의 예로서, 카본 나노튜브(carbon nanotube) 또는 기상성장 카본섬유(氣相成長 carbon fiber)를 들 수 있다. 상기 실 모양 카본 나노재료의 바람직한 길이는 1μm 이상 50μm 이하, 바람직한 지름은 5nm 이상 100nm 이하이다.
또 본 명세서에 있어서, 실 모양의 탄소재료 중에서 지름이 나노미터 크기(1∼999nm)인 것을 「카본 나노재료」라고 부르고, 지름이 마이크로미터 크기 이상(1μm 이상)인 것을 「탄소섬유」라고 부른다.
탄소섬유나 카본 나노튜브 등의 길이는 전자현미경으로 측정할 수 있고, 지름도 전자현미경으로 측정할 수 있다. 평균지름·평균길이는 전자현미경 사진을 화상분석하여 평균치를 산출함으로써 구할 수 있다.
탄소재료의 총량은, 수지재료 전량의 15부피% 이상 60부피% 이하가 바람직하다. 탄소재료의 첨가량이 15부피%보다 적은 경우에는 충분한 열전도성(熱傳導性)이 얻어지지 않고, 60부피%보다 많은 경우에는 성형 시에 있어서 충분한 유동성이 얻어지지 않는다. 특히 20부피% 이상 50부피% 이하가 바람직하고, 25부피% 이상 45부피% 이하가 더 바람직하다.
또한 열전도성을 향상시키기 위해서는, 열전도율이 500W/m·k 이상인 탄소섬유 및 카본 나노튜브를 많이 첨가하는 것이 바람직하다. 다만 양쪽 재료는 매우 고가이기 때문에 열전도율이 100W/m·k 이상 500W/m·k 미만인 탄소섬유를 혼합하여 사용하여도 좋다. 탄소재료의 첨가량을 100부피%라고 하였을 때에, 열전도율이 500W/m·k 이상의 탄소섬유의 첨가량은 10부피% 이상이 바람직하고, 더 바람직하게는 15부피% 이상, 매우 바람직하게는 20부피% 이상이다. 또한 본 발명에 관한 수지재료를 100부피%로 하였을 경우에, 수지재료 중의 열전도율이 100W/m·k 이상인 탄소섬유의 양은 5∼50부피%가 바람직하고, 10∼45부피%가 더 바람직하고, 25∼45부피%가 특히 바람직하다. 수지재료 중의 카본 나노튜브의 양은, 열전도성·전자파 차폐성(電磁波 遮蔽性)·수지 중으로의 균일한 분산성·비용면에서 0.1부피% 이상 10부피% 이하가 바람직하고, 0.2부피% 이상 7부피% 이하가 더 바람직 하고, 0.4 부피% 이상 5부피% 이하가 특히 바람직하다.
특히 바람직한 수지재료에서는, 탄소재료는 피치계 탄소섬유 및 카본 나노튜브의 혼합물로 이루어진다. 수지재료를 100부피%라고 하였을 경우에, 수지재료 중의 피치계 탄소섬유의 비율이 5∼50부피%, 카본 나노튜브의 비율이 0.1∼10부피%인 것이 바람직하다. 수지재료 중의 피치계 탄소섬유의 비율이 25∼45부피% 및 카본 나노튜브의 비율이 1∼7부피%인 수지재료가 더 바람직하고, 수지재료 중의 피치계 탄소섬유의 비율이 30∼45부피% 및 카본 나노튜브의 비율이 1∼5부피%인 수지재료가 특히 바람직하다. 상기 피치계 탄소섬유는 500W/m·k 이상의 피치계 탄소섬유인 것이 바람직하다.
세라믹스 분말로서는 알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 탄화규소 및 페라이트(ferrite) 등이 목적에 따라 사용된다. 분말의 입경(粒徑)은 0.1μm 이상 100μm 이하인 것이 바람직하다.
연자성 분말이란, 연자성 재료로 이루어지는 분말이다. 연자성 재료란, 보자력(保磁力 ; coercive force)이 작고 투자율(透磁率 ; magnetic permeability)이 큰 것을 특징으로 하는 재료로서, 특히 철(iron), 규소강(silicon steel), 퍼멀로이(permalloy), 센더스트(sendust), 파멘줄(permendur), 소프트 페라이트(soft ferrite), 비결정질 자성합금(非結晶質 磁性合金), 나노 크리스탈 자성합금(nanocrystal 磁性合金) 등이 목적에 따라 사용된다. 특히 비용면, 성능면의 관점에서 규소강, 퍼멀로이, 센더스트, 파멘줄, 소프트 페라이트, 비결정질 자성합금이 적합하다.
세라믹스 분말 및 연자성 분말의 입경은 0.1μm 이상 100μm 이하가 바람직하다. 입자지름이 0.1μm보다 작아지게 되면 비표면적(比表面積)이 증가하기 때문에 수지 중에 첨가할 수 있는 양이 적어지고, 100μm보다 커지게 되면 분말 사이의 간격이 커져서 방열성이 저하된다. 바람직한 입자지름은 0.3μm 이상 50μm 이하, 더 바람직하게는 0.5μm 이상 40μm 이하, 매우 바람직하게는 1μm 이상 20μm 이하이다. 분말 형상은, 재료의 유동성을 향상시켜서 첨가량을 증가시킬 수 있기 때문에 구형(球形)이 적합하다. 본 명세서에 있어서 분말의 입경이란, 레이저 회절식 입도분포 측정법(laser 回折式 粒度分布 測定法)에 의하여 측정한 평균지름을 의미한다.
본 발명의 수지재료에 포함되는 세라믹스 분말 및 연자성 분말은 한 종류이어도 좋고, 복수 종류이어도 좋으며, 수지재료 중에 차지하는 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말의 비율은, 총량에 있어서 5부피% 이상 40부피% 이하가 바람직하고, 7부피% 이상 37부피% 이하가 더 바람직하고, 10부피% 이상 35부피% 이하가 특히 바람직하다.
본 발명의 수지재료 중에 있어서 탄소재료와 세라믹스·연자성 분말의 바람직한 비율은 80:20∼20:80, 더 바람직한 비율은 70:30∼30:70, 특히 바람직한 비율은 60:40∼40:60이다.
또한 수지재료 중에 차지하는 탄소재료와 세라믹스·연자성 분말의 합계 비율은, 바람직하게는 20부피% 이상 80부피% 이하, 더 바람직하게는 35부피% 이상 75부피% 이하, 특히 바람직하게는 50부피% 이상 70부피% 이 하이다.
열가소성 수지와, 탄소재료 및 세라믹스 분말·연자성 분말의 혼합분산(混合分散)에는 가열혼련기(加熱混練機), 다축압출기(多軸壓出機) 및 가열롤(加熱 roll) 등을 사용할 수 있다. 또한 열경화성 수지를 모재(母材)로 사용한 경우에는 믹서(mixer), 진공혼합기(眞空混合機), 다축압출기 등을 사용할 수 있다.
얻어진 재료는 사출성형(射出成形), 시트성형(sheet 成形), 압출성형(壓出成形) 또는 프레스 성형(press 成形)에 의하여 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 본 발명의 히트싱크는, 적어도 핀 부분이 상기 수지재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 전체가 상기 수지재료로 이루어지는 것이 더 바람직하다. 히트싱크의 열원접지면(熱源接地面)에 전열체(傳熱體)를 설치하는 경우에는, 전열체를 제외한 전체가 상기 수지재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
특히 탄소재료로서 탄소섬유를 사용하였을 경우에 강도(强度)가 높은 히트싱크를 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 수지재료는 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말을 많이 포함하고 있기 때문에, 성형 시에 탄소섬유가 한 방향으로 배향(配向)되지 않아 히트싱크의 균등한 강도 향상과 균질한 열전도성 및 전자파 흡수를 실현할 수 있다. 즉 탄소섬유가 촘촘하게 충전(充塡)된 세라믹스 및/또는 연자성 분말 중에서 랜덤(random)하게 존재함으로써 시트성형, 사출성형, 압출성형에 의하여 발생하는 탄소섬유의 배향 을 감소시킬 수 있고, 탄소섬유를 사용한 히트싱크에 발생하기 쉬운 방열효과의 방향의존성(方向依存性)을 감소시킬 수 있으며, 또한 균질한 전자파 차폐효과를 얻을 수 있다.
성형방법으로서는, 특히 사출성형법을 사용함으로써 구리, 알루미늄을 원료로 한 히트싱크와 비교하여 3차원의 복잡한 형상의 히트싱크를 치수 정밀도가 좋게 저온에서 성형할 수 있다. 또한 구리, 알루미늄의 히트싱크를 다이캐스팅법(die casting 法)에 의하여 성형하는 경우와 비교하여, 플래시(flash)가 적어 두께 1mm 이하의 3차원 형상의 히트싱크를 용이하게 성형할 수 있다.
수지제 히트싱크의 방열효과를 더 증가시키기 위하여 열원접지면에, 열전도율이 100W/m·k 이상인 재료로 이루어지는 전열체 특히 열전도성이 우수한 구리, 동합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 질화알루미늄, 알루미나, 탄소재료 등으로 이루어지는 전열체를 장착하여도 좋다(도2 참조). 전열체를 수지제 히트싱크에 장착하는 방법으로서는, 히트싱크를 성형할 때에 금형 내에 전열체를 설치하여 수지를 유입하는 방법이나, 장착 부분에 미리 스페이스(space)를 형성하여 수지제 히트싱크를 성형한 후에 전열체를 장착하는 방법 등이 있다.
전열체는 면적이 큰 만큼 효과가 높다. 또한 전열체의 두께가 두꺼운 것이 전열효과는 좋지만 지나치게 두껍게 하면, 수지부의 두께가 얇아지기 때문에 성형하기 어렵고, 또한 제품 중량이 무거워지기 때문에 전열 체의 두께는 수지부의 두께와 동일한 정도의 두께까지로 제한하는 것이 좋다. 또한 전자파 누설(電磁波 漏泄)의 관점에서 전열체는 수지부로부터 돌출되지 않도록 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 수지제 히트싱크에 히트파이프 기구(heat pipe 機構)를 설치함으로써 냉매(冷媒)를 이용할 수 있기 때문에, 히트싱크의 방열효과(放熱效果)를 더 높일 수 있다. 히트파이프를 구비하는 히트싱크의 일례를 도3에 나타내었다. 종래에 있어서의 금속제(金屬製)의 히트싱크에서는 절삭가공(切削加工)에 의하여 히트파이프 구조를 형성하였기 때문에, 비용의 대폭적인 상승으로 이어지고 양산효율도 낮았다. 본 발명에 의하면, 히트파이프는 본 발명의 수지제 히트싱크와 동일한 수지재료를 사용하여 성형 후에 접착 또는 융착(融着)시킴으로써 용이하게 형성할 수 있다. 또한 금속제의 히트파이프를 사용하는 경우에 있어서도, 성형 시에 금형 내에 장착하여 성형함으로써 용이하게 일체형(一體型)의 히트싱크를 제작할 수 있다. 본 발명의 수지재료는 열팽창성(熱膨脹性)이 작은 탄소재료, 세라믹스 재료 및 연자성 재료를 많이 포함하기 때문에, 성형 시의 열팽창율을 구리, 알루미늄 이하로 억제하는 것이 가능하고, 이에 따라 성형 후에 있어서도 안정한 방열성을 지속시킬 수 있다.
이하, 실시예에 의거하여 본 발명의 히트싱크를 더 상세하게 설명한다.
(실시예)
[실시예1∼실시예9]특성의 평가
본 발명의 수지재료로 이루어지는 시트 및 히트싱크와, 비교를 위한 시트 및 히트싱크를 각각 제작하고, 시트에 의하여 전자파 차폐특성을 검토하였고, 히트싱크에 의하여 방열특성을 검토하였다.
실시예 및 비교예에 사용한 수지재료의 조성을 표1∼표5에 나타내었다.
(시트 및 히트싱크의 제작)
열가소성 수지를 사용하는 경우에는, 수지를 미리 0.5L의 가열혼련기로 10분간 혼합하고(폴리프로필렌의 경우에는 200℃로 설정하고, 나일론 수지(나일론12)의 경우에는 230℃로 설정한다), 충분히 용융(溶融)시킨 후에 탄소재료 및 세라믹스 분말 또는 연자성 분말을 서서히 첨가하여 1시간 가열혼련(加熱混練)을 하고, 꺼낸 덩어리를 시트 모양으로 한 후에 분쇄기(粉碎機)로 분쇄하여 성형재료로 하였다.
얻어진 성형재료를 형체력(mold clamping force) 100톤의 사출성형기를 사용하여 성형하였다. 전자파 차폐성(電磁波 遮蔽性)의 측정용으로서 시트 모양의 성형체(100mm×100mm×두께 1.5mm)를 성형하고, 방열특성의 측정용으로서 도1A에 모식적으로 나타나 있는 형상의 히트싱크의 성형체를 성형하였다(밑면판(3) : 50mm×35mm×두께 3mm, 핀(2) : 폭 35mm×높이 30mm×두께 1mm, 핀(2)의 매수 : 14장).
열경화성 수지인 실리콘 수지를 사용하는 경우에는 2성분 부가형 액상 실리콘 고무(二成分 附加型 液狀 silicon rubber)를 사용하고, 주제(主劑 ; major agent) 약 100중량부에 경화제(硬化劑) 10중량부를 혼합시킨 것을 사용하였다. 이것에 탄소재료 및 연자성 분말을 첨가한 후, 1L의 진공탈포혼합기(眞空脫泡混合機)를 사용하여 진공탈포하면서 25℃에서 30분간 교반혼합(攪拌混合)을 하고, 꺼낸 후에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(PET film ; polyethylene terephthalate film)에 1.5mm의 두께로 코팅(coating)한 후에 25℃에서 24시간 방치하고, 그 후에 PET 필름으로부터 금형분리하고, 25℃에서 48시간 방치한 후에 전자파 차폐성의 측정에 사용하였다. 시트의 크기는 상기한 바와 같이 하였다(100mm×100mm×두께 1.5mm).
방열특성의 측정에 관해서는, 열가소성 수지의 경우와 마찬가지로 도1A에 모식적으로 나타나 있는 형상의 히트싱크의 성형체를 제작하고 이것을 사용하였다. 모계(母系)가 되는 히트싱크 금형에 왁스계(wax系)의 금형분리재(mold-releasing material)를 도포(塗布)하고, 상기 실리콘 고무 재료에 각 분말을 첨가하고, 1L의 진공탈포혼합기를 사용하여 진공탈포하면서 25℃에서 30분간 교반혼합을 하고, 꺼낸 후에 진공으로 만든 금형에 성형재료를 주입하고, 25℃에서 24시간 방치하고, 꺼낸 후에 100℃에서 2시간 방치한 후 측정을 하였다.
실시예 및 비교예에 사용한 세라믹스 분말(알루미나 분말, 질화알루미늄 분말)은 평균입자지름이 10μm인 것을 사용하였다. 연자성 분말로서는, 평균입자지름이 10μm인 센더스트 분말, 3μm인 니켈 분말을 사용하였다. 또 한 탄소재료로는 일본의 미쓰비시 카가쿠산시 가부시키가이샤(Mitsubishi Plastics, Inc.) K6371T : 140W/m·k, 일본의 미쓰비시 카가쿠산시 가부시키가이샤 K223HG : 700W/m·k 또는 일본 그라파이토 파이버 가부시키가이샤(Nippon Graphite Fiber Corp.) XN-100 : 900W/m·k의 피치계 탄소섬유 및 일본의 나노카본테크놀로지즈 가부시키가이샤(Nano Carbon Technologies Co.,Ltd.) : 다층 카본 나노튜브를 병용하였다.
전자파의 측정에 관해서는 일본의 어드밴티스트(Advantest) 제품인 스펙트럼 에널라이저 R3132(Spectrum Analyzer R3132)를 사용하여 10MHz∼1GHz의 전자파 차폐특성을 측정하였다.
또한 방열특성의 측정에 대해서는, 도1B에 나타나 있는 바와 같이 각 변이 15mm이고 두께가 2mm인 사각형의 세라믹스 히터(ceramic heater)(4) 위에 알루미늄 판(aluminium plate)(5)을 올려놓고 열원(熱源)의 온도를 100℃까지 올려서, 30분간 일정한 온도(constant temperature)를 확인한 후에, 제작한 히트싱크(1)를 상기의 알루미늄 판(5) 위에 놓고, 30분 후에 알루미늄 판(5)의 온도를 측정하였다.
결과를 이하의 표에 나타내었다. 표에 나타나 있는 전자파 차폐특성은 투과손실(透過損失)로서, 대응하는 수지로만 제작한 시트에 있어서의 투과량을 기준치로 하고, 실시예 혹은 비교예의 시트에 있어서의 투과량의 감소치를 나타내었다.
(표1)
실시예1 실시예2 실시예3
조성 수지 폴리프로필렌(PP) 나일론 수지(PA) 실리콘 수지(Si)
피치계 탄소섬유 열전도율 : 140W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF140) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700)
카본나노 튜브 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT)
세라믹스 분말 알루미나(Al2O3) 알루미나(Al2O3)
연자성 분말 센더스트(FeSi)
배합비율 (부피 %) 수지 PP(40vol%) PA(40vol%) Si(40vol%)
탄소재료 CF140(30vol%)/ CNT(2vol%) CF700(30vol%)/ CNT(2vol%) CF700(30vol%)/ CNT(2vol%)
세라믹스 분말 또는 연자성 분말 Al2O3(28vol%) Al2O3(28vol%) FeSi(28vol%)
전자파차폐특성 10MHz -30dB -34dB -33dB
500MHz -25dB -25dB -29dB
1GHz -23dB -23dB -25dB
방열특성 100℃로부터 30분 후의 온도 56℃ 52℃ 58℃
(표2)
실시예4 실시예5 실시예6
조성 수지 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA)
피치계 탄소섬유 열전도율 : 7000W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700) 열전도율 : 900W/m·k 섬유길이 : 8mm (CF900) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700)
카본나노 튜브 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT)
세라믹스 분말 질화알루미늄(AIN) 질화알루미늄(AIN)
연자성 분말 니켈(Ni) : 입자지름 3㎛
배합비율 (부피 %) 수지 PA(35vol%) PA(40vol%) PA(40vol%)
탄소재료 CF700(35vol%)/ CNT(5vol%) CF900(30vol%)/ CNT(2vol%) CF700(30vol%)/ CNT(2vol%)
세라믹스 분말 또는 연자성 분말 AIN(25vol%) AIN(28vol%) Ni(28vol%)
전자파차폐특성 10MHz -25dB -26dB -35dB
500MHz -15dB -20dB -33dB
1GHz -13dB -17dB -23dB
방열특성 100℃로부터 30분 후의 온도 50℃ 52℃ 54℃
(표3)
실시예7 실시예8 실시예9
조성 수지 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA)
피치계 탄소섬유 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 0.1mm (CF700) 열전도율 : 900W/m·k 섬유길이 : 4mm (CF900) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 0.1mm (CF700)
카본나노 튜브 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT)
세라믹스 분말 알루미나(Al2O3) 알루미나(Al2O3)
연자성 분말 니켈(Ni) : 입자지름 3㎛
배합비율 (부피 %) 수지 PA(45vol%) PA(40vol%) PA(45vol%)
탄소재료 CF700(40vol%)/ CNT(5vol%) CF900(43vol%)/ CNT(2vol%) CF700(38vol%)/ CNT(5vol%)
세라믹스 분말 또는 연자성 분말 Al2O3(10vol%) Al2O3(15vol%) Ni(12vol%)
전자파차폐특성 10MHz -24dB -29dB -27dB
500MHz -18dB -20dB -20dB
1GHz -18dB -16dB -16dB
방열특성 100℃로부터 30분 후의 온도 51℃ 53℃ 55℃
(표4)
비교예1 비교예2 비교예3
조성 수지 폴리프로필렌(PP) 나일론 수지(PA) 실리콘 수지(Si)
피치계 탄소섬유 열전도율 : 140W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF140) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700)
카본나노 튜브 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT)
세라믹스 분말 알루미나(Al2O3) 알루미나(Al2O3)
연자성 분말 센더스트(FeSi)
배합비율 (부피 %) 수지 PP(80vol%) PA(80vol%) Si(80vol%)
탄소재료 CF140(8vol%)/ CNT(2vol%) CF700(8vol%)/ CNT(2vol%) CF700(8vol%)/ CNT(2vol%)
세라믹스 분말 또는 연자성 분말 Al2O3(10vol%) Al2O3(10vol%) FeSi(10vol%)
전자파차폐특성 10MHz -10dB -8dB -10dB
500MHz -5dB -5dB -7dB
1GHz -5dB -5dB -5dB
방열특성 100℃로부터 30분 후의 온도 78℃ 76℃ 76℃
(표5)
비교예4 비교예5 비교예6
조성 수지 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA) 나일론 수지(PA)
피치계 탄소섬유 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700) 열전도율 : 900W/m·k 섬유길이 : 8mm (CF900) 열전도율 : 700W/m·k 섬유길이 : 6mm (CF700)
카본나노 튜브 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT) 다층 카본나노 튜브(CNT)
세라믹스 분말 질화알루미늄(AIN) 질화알루미늄(AIN)
연자성 분말 니켈(Ni) : 입자지름 3㎛
배합비율 (부피 %) 수지 PA(65vol%) PA(70vol%) PA(70vol%)
탄소재료 CF700(5vol%)/ CNT(5vol%) CF900(10vol%)/ CNT(2vol%) CF700(10vol%)/ CNT(2vol%)
세라믹스 분말 또는 연자성 분말 AIN(25vol%) AIN(18vol%) Ni(18vol%)
전자파차폐특성 10MHz -10dB -8dB -10dB
500MHz -5dB -5dB -7dB
1GHz -5dB -5dB -5dB
방열특성 100℃로부터 30분 후의 온도 72℃ 70℃ 76℃
실험의 결과로부터 본 발명에 관한 히트싱크는 우수한 방열성을 구비한다는 것이 확인되었다. 또한 히트싱크를 구성하는 수지재료는 높은 전자파 차폐특성을 나타내기 때문에, 상기 수지재료에 의하여 형성된 히트싱크도 전자파 차폐 능력이 우수하다는 것을 알았다. 또한 실시예1∼9에서 사용한 수지재료의 밀도(density)는 2.1g/cm3∼3.6g/cm3로서, 실리콘 수지를 사용한 것 이외에는 구리나 알루미늄제의 히트싱크와 비교하여 경량(輕量)이었다.
또한 각 성분의 첨가량을 검토한 결과, 수지재료 중에 있어서 탄소재료의 비율이 15부피% 미만인 경우 또는 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말의 비율이 5부피% 미만인 경우에는, 기대되는 전자파 차폐특성 및 방열특성이 얻어지지 않았다. 또한 수지재료 중에 있어서 탄소재료의 비율이 60부피%를 넘는 경우 또는 세라믹스 분말 및/또는 연자성 분말의 비율이 40부피%를 넘는 경우에는, 수지재료의 점도(粘度)가 높아져서 성형가공을 할 수 없었다.
[실시예10∼실시예12]전열체를 구비하는 히트싱크의 제작
실시예1 또는 실시예2의 수지재료와 동일한 재료를 사용하여, 도2에 모식적으로 나타나 있는 바와 같이 열원접지면에 알루미늄 판 또는 동판(銅板)으로 이루어지는 전열체(6)를 부착한 히트싱크(1)를 제작하였다. 히트싱크(1)의 전체적인 형상·크기는 실시예1과 동일한 것으로 하고, 전열체(6)인 알루미늄 판 또는 동판으로서 35mm×25mm×두께 0.5mm의 것을 사용하였다. 히트싱크는 사출성형에 의하여 인서트 성형(insert 成形)함으로써 제작하였다. 각 히트싱크의 방열특성을 실시예1과 동일한 방법으로 측정하였다.
(표6)
실시예10 실시예11 실시예12
히트싱크 재료조성 실시예1 실시예2 실시예2
전열체 알루미늄 알루미늄 구리
방열특성 43℃ 42℃ 41℃
전열체의 유무에 의한 온도차 13℃ 10℃ 11℃
또 상기한 알루미늄 판에서만의 방열특성은 65℃, 동판에서만의 방열특성은 63℃이었다. 실시예10∼실시예12로부터, 본 발명의 수지성 히트싱크에 열전도성이 높은 전열체를 장착함으로써 방열성이 더 우수한 히트싱크를 얻을 수 있다는 것을 알았다.
[실시예13]히트파이프 기구를 구비하는 히트싱크의 제작
실시예2의 수지재료를 사용하여, 도3에 모식적으로 나타나 있는 바와 같이 열원접지부분에 히트파이프 기구(heat pipe 機構)(7)를 구비하는 히트싱크(1)를 제작하였다. 도3A는 측면 단면도이고, 도3B는 히트파이프부(7)의 평면도로서, 냉각수로(冷却水路)를 구성하는 공간부분(8)을 흰색으로 하여 나타낸 도면이다. 제작방법은 아래와 같다. 우선 핀이 있는 부분(밑면판(3)과 핀(2) : 크기는 실시예1과 동일함)과, 밑면판(3)의 하방에 설치되는 히트파이프 부(7)를 각각 사출성형하여 제작한다. 제작된 양쪽 부품을 도3의 형상이 되도록 조립하고 양쪽 부품을 열융착(熱融着)에 의하여 접합시켜서 일체화하였다.
냉각수로를 구성하는 공간부분(8)과 연결되는 1mm 정도의 구멍을 뚫어서 내부의 공기를 빼낸 후에, 순수(純水)를 공간부분(8)의 50% 정도를 채우도록 주입하고, 주입한 후에 에폭시계 접착제를 사용하여 구멍을 막았다. 제작된 히트파이프를 부착한 히트싱크(1)의 방열특성을 실시예1과 동일한 방법으로 측정하였다. 방열특성은 36℃가 되어 방열성이 매우 높은 히트싱크를 얻을 수 있었다. 또 히트파이프 형상을 구비하지 않고 외관 형상이 동일한 알루미늄제의 히트싱크의 방열특성은 40℃이다.
또한 본 발명의 히트싱크는 핀부 및 히트파이프부의 모두를 수지재 료로 구성할 수 있기 때문에 경량으로 할 수 있을 뿐만 아니라 성형이 용이하여, 종래의 히트파이프 기구를 구비하는 히트싱크와 비교하여 용이하게 제조할 수 있었다.
본 발명에 관한 히트싱크는 우수한 방열성과 전자파 차폐성의 양방을 모두 구비하고 있기 때문에, 종래에 2개의 부품이 사용되고 있는 것을 일체화할 수 있어 제품의 박형화(薄型化)를 도모할 수 있다. 또한 수지재료로 이루어지기 때문에 경량이다. 또한 본 발명에 관한 수지재료는 성형성에 있어서도 우수하기 때문에, 사출성형 등에 의하여 소형·복잡한 형상의 히트싱크를 용이하게 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 수지재료(樹脂材料)에 의하여 일부 또는 전부가 형성된 수지제 히트싱크(樹脂製 heatsink)로서,
    상기 수지재료는, 수지 중에 (a)탄소재료와 (b)세라믹스 분말(ceramic 粉末) 및/또는 연자성 분말(軟磁性 粉末)이 균일하게 분산(分散)되어 있고, 또한 상기 수지재료 중에 있어서의 (a)의 비율이 15∼60부피%이고, (b)의 비율이 5∼40부피%이고, (a)와 (b)의 총합계 비율이 20∼80부피%인
    것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)의 탄소재료가 열전도율(熱傳導率)이 100W/m·k 이상인 실 모양(filamentous)의 탄소재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (a)의 탄소재료가 피치계 탄소섬유(pitch-based carbon fiber) 및 실 모양의 카본 나노 재료(carbon nano material)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 (a)의 탄소재료가 피치계 탄소섬유 및 카본 나노튜브(carbon nanotube)의 혼합물로 이루어지고, 상기 수지재료 중에 있어서의 피치계 탄소섬유의 비율이 5∼50부피%이고, 카본 나노튜브의 비율이 0.1∼10부피%인 것을 특징으로 수지제 히트싱크.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 (b)의 세라믹스 분말이 알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 탄화규소 및 페라이트(ferrite)로 이루어지는 군(群)으로부터 선택되고,
    상기 (b)의 연자성 분말이 규소강(silicon steel), 퍼멀로이(permalloy), 센더스트(sendust), 파멘줄(permendur), 소프트 페라이트(soft ferrite) 및 비결정질 자성합금(非結晶質 磁性合金 ; amorphous magnetic alloy)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는
    것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 피치계 탄소섬유의 평균길이가 0.05mm∼30mm이고, 상기 세라믹스 분말 및 연자성 분말의 입경(粒徑)이 0.1μm∼100μm인 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 히트싱크의 열원접지면(熱源接地面)에, 열전도율이 100W/m·k 이상인 재료로 이루어지는 전열체(傳熱體)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전열체를 구성하는 재료가 구리, 동합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 질화알루미늄 및 탄소재료로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    냉매(冷媒)를 이용하는 히트파이프 기구(heat pipe 機構)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수지재료를 압출성형(壓出成形), 사출성형(射出成形) 또는 프레스 성형(press 成形)함으로써 제조된 것을 특징으로 하는 수지제 히트싱크.
KR1020097026754A 2007-07-02 2008-06-30 수지제 히트싱크 KR101408978B1 (ko)

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