KR20110094635A - 열전도성이 우수한 점착제를 포함하는 방열시트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카본나노 복합체를 함유하는 열전도성 점착제를 포함하는 방열시트를 제공한다. 상기 열전도성이 우수한 점착제를 그라파이트 시트에 코팅하여 열전도성을 향상시키고 기존의 라미네이팅 공정 및 점착제 코팅공정을 단일 공정으로 단축시켜 방열시트를 제조할 수 있어 단가인하 및 생산성의 향상에 기여할 수 있는 열전도성이 향상된 방열시트를 제공한다.

Description

열전도성이 우수한 점착제를 포함하는 방열시트{HEAT RADIATING SHEET COMPRISING ADHESIVES WITH IMPROVED HEAT CONDUCTIVITY}
본 발명은 열전도성이 우수한 점착제를 포함하는 방열시트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본나노 복합체를 함유하는 열전도성이 우수한 점착제를 포함하는 방열시트에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터, 휴대용 개인단말기, 통신기 등의 전자제품은 그 시스템 내부에서 발생한 과도한 열을 외부로 확산시키지 못해 잔상문제 및 시스템 안정성에 심각한 우려를 내재하고 있다. 이러한 열은 제품의 수명을 단축하거나 고장, 오동작을 유발하며, 심한 경우에는 폭발 및 화재의 원인을 제공하기도 한다. 특히 최근 그 수요가 증가되고 있는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), LCD 모니터 등에게는 선명도, 색상도 등을 떨어뜨려 제품에 대한 신뢰성과 안정성을 저하시키고 있다.
따라서 시스템 내부에서 발생한 열은 외부로 방출되거나 자체 냉각되어져야 한다. 종래, 이러한 열을 효율적으로 제어하기 위한 방법들이 많이 시도되었으며, 히트싱크(heat sink)나 방열팬을 설치하는 방법이 일반적이었다. 그러나 히트싱크의 경우에는 전자제품의 발열체에서 나오는 열량보다 히트싱크가 방출할 수 있는 열량이 작아 효율이 매우 낮다. 이에 따라 히트싱크와 함께 방열팬을 동시에 설치하여 히트싱크의 열을 강제로 배출시키고 있다. 그러나 방열팬은 소음과 진동을 발생하며 무엇보다 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 노트북 컴퓨터, 휴대용 개인단말기 등과 같이 경량화와 슬림(slim)화가 요구되고 있는 제품에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라, 전자제품의 발열체와 방열판 사이에 개재되어 사용되는 방열시트가 널리 이용되고 있다. 방열시트는 열을 효율적으로 방열판 쪽으로 전달시킬 뿐 아니라 기계적 충격 흡수 효과까지 있어 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다. 특히 PDP 유리 패널은 기체방전으로 생성된 고온의 플라즈마를 이용하기 때문에 고온의 열이 발생되고, 경량화 및 슬림화가 요구되기 때문에 방열시트가 효과적이다.
종래의 방열시트에 관한 기술로는 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0078953호에 금속재 박판을 이용한 방열시트가 제시되어 있고, 이는 세라믹층, 금속재 박판 및 단열재에 의한 열전달 및 열분산 효과를 얻고자 하는 것으로서, 열전도에 효과적인 금속재 박판이 이용되어 발열체와 높은 접촉면적만 갖는다면 방열에 효과적일 수 있다. 그러나 이는 다수의 적층구조를 가짐에 따라 제조방법이 까다롭고, 발열체에 단순 적층 사용되어 발열체와의 접촉면적이 작아 효과적인 열전도 및 분산 기능을 수행하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2003-0032769호에는 구리, 흑연, 알루미늄, 페라이트, 순철 등의 분말을 10~70 중량% 함유시킨 기술이 제시되어 있으며, 일본 특원 JP-2001-073564 및 JP-2001-094620에는 알루미늄 분말을 50~80 체적% 함유시킨 기술이 제시되어 있다. 그러나 위와 같이 열전도성 분말을 이용하는 경우 분말의 함량이 너무 적으면 열전도가 매우 낮고, 너무 많으면 다른 성분의 함유량이 적게 되어 분말 상호간의 결합력이 떨어져 가공상의 많은 제약이 따른다. 특히 열전도도가 가장 높은 순철을 70 중량%까지 첨가한 경우라 할지라도 제품의 열전도도는 1.5 W/mㆍK 미만으로서 매우 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이 종래기술이 가지는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 그 목적은 카본나노 복합체를 포함하는 열전도성이 우수하고, 제조과정이 단순하여 비용절감 및 생산성이 우수한 방열시트를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) 그라파이트 시트; 및
상기 그라파이트 시트의 일면 혹은 양면에 형성된 카본나노 복합체를 함유하는 열전도성 점착제를 포함하는 방열시트.
(2) 제 1항에 있어서,
카본나노 복합체는 카본나노튜브로 이루어지며 카본나노튜브의 평균직경이 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 방열시트.
(3) 제 2항에 있어서,
상기 열전도성 점착제는 카본나노튜브를 용매에 혼합하고 초음파로 분산시킨 카본나노튜브 분산액 및 아크릴레이트 중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열시트.
(4) 제 3항에 있어서,
상기 열전도성 점착제는 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트.
(5) 제 3항에 있어서,
카본나노튜브는 분산액에 중량비로 0.1 내지 20 중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 방열시트.
(6) 제 3항에 있어서,
카본나노튜브는 산으로 표면처리된 것임을 특징으로 하는 방열시트.
(7) 제 3항에 있어서,
카본나노튜브 함유 분산액은 300 내지 400W/㎠의 초음파를 조사하여 카본나노튜브를 분산시킨 것을 특징으로 하는 방열시트.
(8) 제 3항에 있어서,
분산액을 이루는 용매는 지방족 알콜, 방향족 유기용제 및 케톤의 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방열시트.
(9) 제 3항에 있어서,
사용된 용매는 이소프로필알콜, 톨루엔, 에틸아세테이트, 또는 메틸에틸케톤인 것을 특징으로 하는 방열시트.
(10) 제 4항에 있어서,
분산제는 폴리비닐피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방열시트.
(11) 제 3항에 있어서,
열전도성 점착제는 카본나노튜브 함유 분산액이 아크릴레이트 중합체 100 중량부에 대하여 1 내지 25 중량부 조성된 것을 특징으로 하는 방열시트.
(12) 제 1항에 있어서,
그라파이트 시트의 두께는 0.1 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 방열시트.
(13) 제 1항에 있어서,
그라파이트 시트의 밀도는 0.8 내지 2.2 g/㎤인 것을 특징으로 하는 방열시트.
본 발명에 의하면 카본나노 복합체를 포함하는 열전도성이 우수하고, 제조과정이 단순하여 비용절감 및 생산성이 우수한 방열시트를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 열전도성 점착제가 그라파이트 양면에 코팅된 방열시트의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 카본나노 복합체를 함유하는 열전도성 점착제를 포함하는 방열시트를 제공한다.
이를 위해 본 발명에서는 카본나노 복합체를 이루는 나노카본으로 카본나노튜브, 카본나노섬유 등이 이용될 수 있고, 바람직하게는 카본나노튜브가 이용된다.
본 발명 방열시트를 구성하는 열전도성이 우수한 점착제는 상기 나노카본을 함유하는 분산액 및 점착제인 중합체를 혼합하여 조성되어진다. 이때 나노카본을 함유하는 분산액은 나노카본, 용매, 필요에 따라 적절한 분산제를 포함한다. 이하 이해의 편의를 위해 나노카본은 카본나노튜브로 한정하여 설명하기로 한다. 다만 이는 이해 및 기술의 편의를 위한 것일 뿐 이에 본 발명의 내용이 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명에 사용될 수 있는 카본나노튜브는 단일벽 또는 다중벽 구조의 카본나노튜브 모두 사용될 수 있고, 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 평균직경이 10 내지 20 nm 인 것을 사용한다. 바람직하게는 상기 카본나노튜브는 산으로 표면개질된 것을 사용하며, 표면개질에 사용가능한 산으로는 염산, 황산, 질산 등의 무기산 뿐만아니라, 구연산, 숙신산, 아세트산 등의 유기산이 사용될 수 있다.
이러한 카본나노튜브의 분산액내 함량은 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.5 내지 5.0 중량%이다. 만일 0.1 중량% 미만으로 첨가하게 되면 열전도 특성이 현저히 저하할 우려가 있고, 20 중량%를 초과하게 되면 충분한 분산이 되지 않고 엉김 현상이 급격히 발생할 우려가 있다.
분산제는 필요에 따라 적의 선택되어 사용될 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA) 등이 사용될 수 있다. 이러한 분산제는 특정한 용매에 대하여 선택적으로 0.1 내지 1.0 중량%가 첨가될 수 있으며, 만일 0.1 중량%를 첨가하게 되면 카본나노튜브의 분산성이 떨어져 엉키는 문제가 생길 수 있으며, 1.0 중량%를 초과하게 되면 초과에 따른 추가적인 개선효과를 더 이상 기대하기 곤란하여 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 분산액을 구성하는 잔량의 용매로는 카본나노튜브에 대한 용해도가 좋고, 분산성에 큰 문제가 없는 한 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 지방족 알콜, 방향족 유기용제 및 케톤의 군에서 선택되어질 수 있고, 바람직하게는 이소프로필알콜, 톨루엔, 에틸아세테이트, 또는 메틸에틸케톤이 사용된다.
상기 조성을 갖는 카본나노튜브의 분산액은 바람직하게는 초음파를 처리하여 분산 후 엉킴이 없는 상태가 되도록 한다. 이를 위해, 카본나노튜브 함유 용액에 대하여 300 내지 400W/㎠의 초음파가 분산할 수량에 따라 3 내지 5시간 정도 조사되어지는 것이 바람직하다.
상기 카본나노튜브 함유 분산액은 아크릴레이트 중합체 100 중량부에 대하여 1 내지 25 중량부, 바람직하게는 5 내지 20 중량부, 보다 바람직하게는 7 내지 15 중량부 혼합되어진다. 만일 1 중량부 미만으로 첨가되어지면 열전도도가 현저히 저하할 우려가 있고, 25 중량부 이상으로 첨가되어지면 아크릴레이트 중합체와 엉김현상이 발생하게 될 우려가 있다.
상기 본 발명에 사용되어지는 상기 점착제는 아크릴계, 실리콘계, 폴리우레탄계 등의 점착성을 가지는 수지이면 어느 것이나 사용이 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 2-에틸헥실 아크릴레이트 20 내지 30 중량%, n-부틸 아크릴레이트 10 내지 20 중량%, 2-하이드록시메틸아크릴레이트 1 내지 2 중량%, 3-메타아크릴옥시프로필메톡시실란 0.1 내지 0.5 중량%, 중합개시제 0.05 내지 0.1 중량% 및 에틸아세테이트 30 내지 40 중량%, 톨루엔 20 내지 30 중량%를 질소가스를 투입하면서 서서히 교반하고, 용액의 온도를 50 내지 70℃로 유지하면서 6 내지 10시간 중합반응한 것이 이용된다. 특히 이와 같이 얻어지는 점착제는 카본나노 복합체와의 분산성이 우수하고 그라파이트 시트와의 접착특성 또한 매우 양호한 특징이 있다.
상기 본 발명의 열전도성이 우수한 방열시트의 예는 도 1에 도시된 바와 같이 중심부에 그라파이트 시트(1), 상기 그라파이트 시트(1) 양면에 코팅된 열전도성 점착제(2) 및 상기 열전조성 점착제(2)의 상부에 부착된 이형지(3)로 이루어진다.
이때 본 발명에 사용가능한 그라파이트 시트(1)는 바람직하게는 탄소함량이 99% 이상의 것으로, 열전도도가 5.0~6.0 w/m.k(두께방향)인 것을 사용한다.
그라파이트 방열시트(1)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만 0.10∼1.5㎜ 정도의 것이 적합하게 이용된다. 이것은 두께가 0.10㎜ 미만이면 충분한 시트 강도가 얻어지지 않고 팽창 흑연 시트가 파단할 우려가 있고, 두께가 1.5㎜를 넘으면 층간 박리가 생기기 쉽게 됨과 동시에 두께 방향의 열전도성이나 가요성이 저하되어 어느 경우도 바람직하지 않기 때문이다.
그라파이트 방열시트의 밀도에 대해서는 특히 한정되는 것은 아니지만 0.8∼2.2g/㎤ 정도의 것이 적합하게 이용될 수 있는데, 이는 밀도가 0.8g/㎤ 미만이면 열전도성이나 시트 강도가 저하하고, 2.2g/㎤를 넘으면 가요성이 저하하여, 어느 경우도 바람직하지 않기 때문이다.
이러한 그라파이트 시트(1)의 일면 또는 양면에 열전도성 점착제(2)를 전사코팅 등의 방법을 이용하여 코팅할 수 있다. 이때 열전도성 점착제(2)의 두께는 10 내지 30㎛로 하며, 10㎛ 미만으로 형성하면 접착력 저하가 발생할 우려가 있고, 30㎛ 를 초과하게 되면 흑연씨트의 층간박리가 쉽게 발생하여 바람직하지 않기 때문이다.
이형지(3)는 전자제품의 발열체에 부착시 제거되며, 이는 열전도성 점착제층(2)과 자유롭게 착탈 가능한 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 예를 들어 비닐재 필름, 폴리에스터 필름, 이형성 피복물이 코팅된 종이 등이 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 열전도성 점착제의 제조
a: 카본나노튜브 분산액
단일벽 카본나노튜브 5g을 2N 아세트산 500 ㎖로 표면처리하였다. 상기 과정을 통해 표면처리된 카본나노튜브 2 중량%, 이소프로필알콜 98 중량%, 및 용매 100 중량%에 대하여 폴리비닐피롤리돈 0.3 중량%를 혼합한 후, 상기 혼합액에 초음파를 300~400W/㎠ 로 5시간 조사하여 분산 후 엉김이 없는 카본나노튜브 분산액을 제조하였다.
b: 아크릴레이트 중합체
교반기, 온도계, 질소 가스 도입관 및 냉각기를 갖춘 4구 플라스크에 2-에틸헥실 아크릴레이트 21.55 중량%, n-부틸 아크릴레이트 13.71 중량%, 2-하이드록시메틸아크릴레이트 1.57 중량%, 3-메타아크릴옥시프로필메톡시실란 0.39 중량%, 중합개시제로서 2,2'-아조비스아이소뷰티로나이트릴 0.08 중량% 및 에틸아세테이트 39.18 중량%, 톨루엔 23.52 중량%를 질소가스를 투입하면서 서서히 교반하였다. 플라스크내부 용액의 온도를 60℃로 유지하면서 8시간 중합반응을 진행하여 아크릴 중합체(수율 40%)를 얻었다.
c: 열전도성 점착제
상기 a 및 b에 의해 얻은 카본나노튜브 분산액 10 중량%와 아크릴레이트 중합체 90 중량%를 혼합하고 분산시켜 열전도성 점착제를 얻었다.
[실시예 2] 열전도성 점착제의 제조
다중벽 카본나노튜브를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정에 의해 열전도성 점착제를 제조하였다.
[실시예 3] 그라파이트 방열시트의 제조
실시예 1에서 얻은 열전도성 점착제를 두께 0.2㎜, 크기 300ㅧ300㎜, 탄소함량 99.5%, 열전도도 5.5 w/m.k(두께방향)인 그라파이트 시트 양면에 전사코팅 방법을 이용하여 각각 25㎛ 두께가 되도록 코팅하여 그라파이트 방열시트를 제조하였다.
[실시예 4] 그라파이트 방열시트의 제조
실시예 2에서 얻은 열전도성 점착제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3에서와 동일한 과정에 의해 그라파이트 방열시트를 제조하였다.
[실시예 5] 그라파이트 방열시트의 제조
카본나노튜브 분산액 5 중량%와 아크릴레이트 중합체 95 중량%를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 3에서와 동일한 과정에 따라 그라파이트 방열시트를 제조하였다.
[비교예 1]
시판 아크릴 점착제 PET 필름(5㎛)을 이용하여 점착두께 20㎛를 형성하여 0.25㎜ 그라파이트 방열시트를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 및 비교예 1에 따른 그라파이트 방열시트의 열전도도, 표면저항, 박리성을 평가하여 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때 열전도도는 ASTM D 5470에 따라 측정하고, 표면저항은 ASTM D 573에 따라 측정하였다.
시험항목 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예
열전도도(w/m.k) 4.5 4.6 3.2 1.9
체적저항(Ω) 10×1012 10×1012 10×1012 10×1013
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 그라파이트 시트
2: 열전도성 점착제
3: 이형지

Claims (13)

  1. 그라파이트 시트; 및
    상기 그라파이트 시트의 일면 혹은 양면에 형성된 카본나노 복합체를 함유하는 열전도성 점착제를 포함하는 방열시트.
  2. 제 1항에 있어서,
    카본나노 복합체는 카본나노튜브로 이루어지며 카본나노튜브의 평균직경이 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 방열시트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열전도성 점착제는 카본나노튜브를 용매에 혼합하고 초음파로 분산시킨 카본나노튜브 분산액 및 아크릴레이트 중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열시트.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열전도성 점착제는 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  5. 제 3항에 있어서,
    카본나노튜브는 분산액에 중량비로 0.1 내지 20 중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 방열시트.
  6. 제 3항에 있어서,
    카본나노튜브는 산으로 표면처리된 것임을 특징으로 하는 방열시트.
  7. 제 3항에 있어서,
    카본나노튜브 함유 분산액은 300 내지 400W/㎠의 초음파를 조사하여 카본나노튜브를 분산시킨 것을 특징으로 하는 방열시트.
  8. 제 3항에 있어서,
    분산액을 이루는 용매는 지방족 알콜, 방향족 유기용제 및 케톤의 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  9. 제 3항에 있어서,
    사용된 용매는 이소프로필알콜, 톨루엔, 에틸아세테이트, 또는 메틸에틸케톤인 것을 특징으로 하는 방열시트.
  10. 제 4항에 있어서,
    분산제는 폴리비닐피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방열시트.
  11. 제 3항에 있어서,
    열전도성 점착제는 카본나노튜브 함유 분산액이 아크릴레이트 중합체 100 중량부에 대하여 1 내지 25 중량부 조성된 것을 특징으로 하는 방열시트.
  12. 제 1항에 있어서,
    그라파이트 시트의 두께는 0.1 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 방열시트.
  13. 제 1항에 있어서,
    그라파이트 시트의 밀도는 0.8 내지 2.2 g/㎤인 것을 특징으로 하는 방열시트.
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