KR20110075245A - 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법은, 고분자 매트릭스 상에 구형의 Ag 입자와 관형의 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 전도성 입자간 계면 접촉 저항성을 낮출 수 있는 연결체를 형성하는 것을 특징으로 한다.

방열, 고분자, 복합재료, 충전제, 전도성

Description

방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD POLYMER COMPOSITE FOR HEAT EMISSION PROPERTY}

본 발명의 예시적인 실시예는 방열성 고분자 복합 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합 형상의 전도성 나노 사이즈 분산을 통해 방열 특성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어 노트북 컴퓨터나 고기능/고성능화 된 휴대 전화 등과 같은 전자기기는 보다 고집적화/고출력화와 함께 소형화가 추세로 되어 있다. 이러한 경향으로 전자기기에서 발생하는 고발열의 발산 문제가 피할 수 없는 과제가 되었다.

특히, 자동차 분야에 있어서도 환경문제에 대응하는 가운데 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차로 발전이 이어지고 있다. 이들 자동차는 고전류가 흐르는 부품의 이용을 피할 수 없기 때문에 발생하는 열의 발산에 대응하는 것이 최우선 과제 중의 하나이다.

이들을 충족시키기 위해서는 경량이면서도 성형 가공성이 우수한 고분자 재료를 고 열전도화 하여 사용해야 한다는 요구가 점점 커지고 있다.

한편, 고분자의 열 전도율은 금속이나 세라믹에 비하여 0.15~0.3W/mK로서 아주 낮다. 그러므로 고분자는 단열재로서 여러 분야에서 이용되어 왔으며, 방열성을 향상시키기 위해 성형성이 우수한 고분자 재료의 고 열전도성화 개발이 요청되어 왔다.

그러나, 고분자 자체의 고 열전도화는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 고 열전도성 필러(filler)를 복합화 함으로써 고분자 재료를 고 열전도화 하는 방법이 등장하였다.

이러한 방법으로는 금속이나 세라믹과의 접촉면 또는 전자 부품 부착 부분의 접촉 열저항을 낮추고 억제하기 위하여 복합 고분자 재료가 사용된다. 즉, 복합 고분자 재료로서 열전도성 그리스(grease), 열전도성 접착제, 열전도성 시트 등이 개발되었다.

상기에서, 열전도성 그리스는 열교환기 등의 금속 부품 연결 부위에 사용되어 열전달을 돕고, 열전도성 접착제는 냉각핀과 본체의 금속을 연결하는 접착 등에 사용된다. 그리고 열전도성 시트는 파워 트랜지스터와 기판 사이에 끼워 방열을 촉진하는 분야에 이용된다.

최근에는 이러한 복합 고분자 재료가 DVD 레이저부의 방열성 부재료로서 이용되고 있다. 더 나아가서는 노트북 컴퓨터나 휴대 전화와 같이 고집적화/고출력화 되면서 기판이 점점 소형화 하는 전자기기나 LED 등 조명 부품으로의 이용이 늘면서 발열성 문제가 크게 대두되고 있다.

즉, 플라스틱 복합 재료의 열전도율에 미치는 영향인자는 고분자와 충전제의 열전도율, 고분자 복합 재료 중에 차지하는 충전제의 용적률, 충전제의 형상 및 크 기 효과, 근접 충전제간 온도 분포의 영향, 충전제의 분산 상태, 고분자와 충전제의 계면 효과, 충전제의 배향도를 들 수 있다.

그런데, 지금까지의 종래 기술에서는 고분자 복합 재료의 고 열전도화에 영향을 주는 인자 중에서 열전도성 충전제의 열전도도나 충전량에 주목하였으나, 고열 전도성 충전제인 질화붕소(BN), 흑연, 구리, 알루미늄을 PPS(polyphenylene sulfide)에 충전량 50wt%로 고 충전하여도 열전도도가 최고 2.6W/mK이고 점도가 높아 사출성형이 어렵다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 충전제들 끼리의 접촉에 의한 연속체 형성의 정도가 고분자 복합 재료의 열전도도에 크게 영향을 주므로, 열전도성 충전제를 연결상으로 형성하기 위해 충전량을 낮추면서 연결상을 형성 할 수 있도록 복합 형상의 충전제를 혼합하여 고분자 상에 함침함으로써, 전도성 충전제 간의 연속상을 형성하여 열전도도의 향상 및 공정 적용 용이성을 확보할 수 있도록 한 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법은, 고분자 매트릭스 상에 구형의 Ag 입자와 관형의 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 전도성 입자간 계면 접촉 저항성을 낮출 수 있는 연결체를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법은, 상기 Ag 입자가 50nm 이하의 크기를 만족할 수 있다.

상기 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법은, 상기 연결체를 형성하여 최대 13.9W/mK의 열전도성을 확보할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 구형의 고 열전도성 을 가지는 50nm 이하 Ag 나노 입자와 관형의 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 열전도성 향상을 위한 연결체를 형성시키고, 응집되기 쉬운 Ag 나노 입자의 입자 상에 불포화 지방산 등의 폴리머 루프(polymer roof)를 형성하여 이들의 분산 상태를 제어함으로써 고열전도성의 고분자 복합 재료를 확보 할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

여기서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예가 적용되는 방열성 고분자 복합 재료는 이동 통신 단말기나 엘이디(LED) 표시 소자와 같은 전자 기기의 발열 문제를 해결하기 위해 사용된다.

본 실시예에 따른 상기 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법은 고분자 매트릭스(1) 상에 구형의 Ag 입자(3)와 관형의 카본 나노튜브(5)를 복합적으로 함침하여 전도성 입자간 계면 접촉 저항성을 낮출 수 있는 연결체를 형성한다.

여기서, 본 실시예는 상기 Ag 입자(3)가 50nm 이하의 크기를 만족하는 것이 바람직하며, 상기 연결체를 통해 최대 13.9W/mK의 열전도성을 확보할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 복합 형상 충전제의 고분자 매트릭스(1) 상으로의 분산 및 연속체 형성 기술을 통해 열전도도가 최대 13.9W/mK까지 형성되며, 성형 공정에도 문제가 없는 고분자 복합재료의 형성이 가능하다.

이를 달성하기 위해서는 입자 재료 및 입경 선정, 입자의 분산 및 연속체의 형성을 위한 충전량 및 충전 방법의 선정이 중요한 핵심 기술인 바, 이하에서 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법을 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

우선, 플라스틱 복합 재료의 열전도율에 영향을 주는 인자에는 고분자와 충전제의 열전도율, 고분자 복합 재료 중 충전제의 용적율, 충전제의 형상과 크기, 충전제 간의 온도 분포, 충전제의 분산 상태, 고분자와 충전제의 계면, 충전제 배 향도 등이 있다.

상기 주요 인자 중 전도성에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 입자의 입경, 입자의 분산 상태, 그리고 연결상 형성이라 할 수 있다. 고분자 복합 재료 중의 입자 크기는 입자경의 수 미크론 이상인 경우에 열전도도는 입자경의 영향을 받지 않는다.

그러므로, 입자경이 수 미크론 이하의 분체인 경우 입자경이 작아짐에 따라 열전도도가 증가하게 되므로, 입자경이 작아지면 작아질수록 전체 표면적이 증대되기 때문에 전도 특성의 향상을 가져 올 수 있다.

또한, 입자의 분산 상태 또한 전도 특성에 큰 영향을 미친다. 입자가 고르게 분산되어 있지 않고 응집되어 있을 경우 연속 상의 형성을 통해 응집된 부위에서는 열전도성이 뛰어 날 수 있으나, 재료 전체적인 측면에서는 오히려 열전도성이 떨어지는 원인이 되기도 한다.

따라서, 본 실시예에서는 입자가 고분자 매트릭스 전체에 고르게 분산되는 것이 재료 전체의 열전도성을 확보하기 위해 중요하다고 할 수 있다. 그리고, 입자와 입자가 고르게 분산되어 있을 경우에도 열이 전달될 때 입자와 입자 사이의 계면 저항에 의한 전도성 저하 문제가 발생하게 된다. 이로써, 전도성 충전제들이 서로 연결되어진 연결상을 형성하는 것이 열전도성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이에 따라, 기존에는 저융점 합금 등과 같은 금속 입자를 이용하여 고분자 매트릭스 상에 연결상을 형성하여 열전도성 향상을 도모하였으나, 공정 상의 적용 곤란 및 고비용 발생 등에 의해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이에 본 발명의 예시적인 실시예에서는 구형의 고 열전도성을 가지는 50nm 이하의 Ag 나노 입자와 관형의 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 열전도성 향상을 위한 연결체를 형성시키고, 응집되기 쉬운 Ag 나노 입자의 입자 상에 불포화 지방산 등의 폴리머 루프(polymer roof)를 형성하여 이들의 분산 상태를 제어함으로써 고열전도성의 고분자 복합 재료를 확보 할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법에 의하면, 충전제들 끼리의 접촉에 의한 연속체 형성의 정도가 고분자 복합 재료의 열전도도에 크게 영향을 끼치므로, 열전도성 충전제를 연결상으로 만들기 위해 충전량을 낮추면서 연결상을 형성 할 수 있도록 복합 형상의 충전제를 혼합하여 고분자 상에 함침함으로써 전도성 충전제 간의 연속상을 형성하여 열전도도의 향상 및 공정 적용 용이성을 확보할 수 있게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (3)

1. 방열 특성을 가지며 전자기기에 적용되는 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법에 있어서,

   고분자 매트릭스 상에 구형의 Ag 입자와 관형의 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 전도성 입자간 계면 접촉 저항성을 낮출 수 있는 연결체를 형성하는 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 Ag 입자가 50nm 이하의 크기를 만족하는 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 연결체를 형성하여 최대 13.9W/mK의 열전도성을 확보할 수 있는 방열성 고분자 복합 재료의 제조 방법.

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