KR20130095607A - 열 전도성이 향상된 기능성 접착제 및 그의 사용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기의 종횡비가 큰 보론나이트라이드를 박리시켜 얻은 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 포함한 접착제로 인하여 계면 저항을 낮아지게 함으로써, 접착제의 열 전도성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

Description

열 전도성이 향상된 기능성 접착제 및 그의 사용 방법 {Adhesives of Improved Thermal Conductivities and Method of Using the Same}

본 발명은 전자 제품들의 조립에 사용하는 기능성 접착제 및 그 사용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소량의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 사용하면서도 열 전도성을 향상시킨 기능성 접착제 및 그 사용방법에 관한 것이다.

오늘날 접착제는 건축 현장에서부터 전자 제품에 이르기까지 다양하게 이용되고 있다. 접착제는 볼트와 너트를 이용한 조립이나 납땜을 이용한 접합에 비하여 간편하고 경량화와 환경 안전 측면에서 유리하기 때문에 그 사용량이 증가하고 있다. 접착제는 조립을 위한 접합 목적 이외에 다양한 기능성을 부여하여 전자 제품에 이용되는 경우가 있다.

전자 제품의 작동 중에는 필연적으로 열을 발생시키는 경우가 많고, 발생된 열을 외부로 방출시키는 기술이 요구된다. 오늘날 전자제품의 소형화 추세에 따라, 작동 중 발생하는 열을 효과적으로 확산시켜 제거하기 위하여, 접착제에 높은 열 전도성을 요구하고 있다. 예컨대, 전자제품 제조시 반도체 칩을 부착하는 데 사용하는 접착제의 경우 높은 열전도성을 가지는 것이 바람직하여, 보론나이트라이드 미립자 또는 금속 합금을 첨가한 접착제의 개발이 이루어지고 있다.

이러한 열전도성이 요구되는 경우 양전자가 이동할 수 있는 계면 특성이 요구된다. 그러나 유기 고분자에 분산된 무기 또는 금속 미립자들의 충전제들은 일반적으로 전자와 양전자의 이동이 수월하지 못하고 계면 저항이 높은 것으로 인식되고 있다.

접착제 수지에 열 전도성을 높여주기 위하여 전기절연성과 화학적 안정성을 장점으로 하는 보론나이트라이드 미립자를 사용하고 있다. 보론나이트라이드 미립자는 미세할수록 수지의 계면저항이 크게 되는 결과를 초래하게 된다. 수지의 열저항은 투입된 양이 많을수록 낮아지는 경향을 보이고 있으므로, 전기 제품에 요구되는 열전도성을 확보하기 위하여, 마이크로미터 수준의 보론나이트라이드 미립자를 부피 기준으로 78.5% 정도 (중량 기준으로 88%)를 투입하고 있다.

그러나, 이러한 정도의 보론나이트라이드 미립자는 과도한 투여량으로 인하여, 접착제 바인더 수지의 함량을 떨어뜨리게 되므로, 분산이 균일하지 못하여 접착제 본연의 접착기능을 다할 수 없고, 접착성능을 저하시키는 요인이 되고 있다.

따라서 충전제와 유기 고분자의 계면 저항을 개선하기 위하여 실란화합물을 결합제로 이용하기도 하는데, 이 경우 부분적인 개선이 가능한 것으로 보고되고 있지만, 이들 혼합물들의 열전도성 접착제로서의 성능은 만족스럽지 못한 것으로 평가되고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 단점을 개선하기 위한 것으로서, 접착제 바인더의 함량을 과도하게 떨어뜨리지 않고, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자의 함량을 대폭적으로 낮추면서 접착제의 열전도성을 크게 향상시킬 수 있는 접착제를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기의 접착제를 이용하여 전기 제품에 사용할 경우 그 열전도성을 크게 향상시킬 수 있는 접착제의 사용방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 전자제품에 사용되는 접착제에 있어서, 열전도성을 크게 향상시킬 수 있는 기능성 접착제 및 그 사용방법을 제공한다.

본 발명은 전자제품의 접착에 사용되는 접착제 바인더와, 접착제에 열전도성을 부여하는 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자와, 상기 접착제 바인더를 경화시키는데 필요한 경화제를 포함한 기능성 접착제에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 나노수준의 미립자로서 판상형 입자를 사용하여 분산성과 열전도성을 향상시키는 것을 특징으로 한 기능성 접착제 화합물을 제공한다.

본 발명은 상기의 기능성 접착제를 피처리 전자제품에 도포하거나 피복시켜서 통상의 방법으로 경화시키고, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 사용하여 열저항을 낮추는 것을 특징으로 한 기능성 접착제의 사용방법을 제공한다.

보론나이트라이드(Boron Nitride)는 붕산 및 요소의 혼합물을 질소가스 중에서 가열 합성하여 얻은 거친 보론나이트라이드에 탄소를 넣고 질소가스 중에서 열처리하여 얻은 육방정의 질화붕소로 알려져 있고, 통상적인 사용 목적은 미끄럼 조정제 또는 활택제의 용도로 이용되고 있다.

본 발명은 소량의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 사용하고 있으므로, 접착제 바인더의 성분을 희생시키지 않고 충분하게 포함하게 되고, 접착성능을 완전하게 보장하는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 소량의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 투여하면서도, 열전도성을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 사용된 보론 나이트라이드 나노플레이트 미립자의 투과전자 현미경 사진이고,
도 2는 본 발명에 사용된 보론 나이트라이드 나노플레이트 미립자의 고배율 투과전자 현미경 사진이며,
도 3은 본 발명의 접착제 제조에 사용한 수지의 주성분에 관한 조성물의 화학식이다.

본 발명은 전자제품의 접착에 사용되는 기능성 접착제로서 접착력을 부여하는 접착제 바인더와, 상기의 접착제 바인더를 경화시키는데 필요한 경화제를 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 상기의 접착제 바인더는 복합재료 형태의 하나인 전자 제품 제조를 위한 접착제의 제조 공정에 있어서 충전제로 흔히 첨가되는 실리카 분말, 은분 미립자, 탄소 미립자, 보론나이트라이드 미립자 등의 분산과 결합이 잘 이루어질 수 있는 매트릭스 수지로서 실리콘-에폭시-비닐 수지를 사용할 수 있다. 본 발명은 복합재료 형태의 접착제의 매트릭스 수지로 사용함으로써, 복합재료에 첨가되는 충전제의 분산 및 결합을 위한 고가의 결합제를 이용한 표면 처리 또는 첨가 공정들을 생략할 수 있는 실리콘-에폭시-비닐 수지를 사용한다.

본 발명에 있어서, 상기의 접착제 바인더는 에폭시수지와 실리콘 아크릴레이트의 하이브리드 타입을 사용할 수 있다. 좀더 구체적으로는, 상기의 접착제 바인더는 도 3에 의한 화학식을 가진 실리콘-에폭시-비닐 수지가 바람직하고, 더욱 구체적으로는 epoxy acrylate bifunctional polysiloxanes/cycloaliphatic epoxy resin을 사용할 수 있다. 또한, 경화제는 양이온 경화제인 알루미늄 아세틸아세토네이트와 자유라디칼 개시제인 터셔리부틸퍼벤조에이트를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 전자제품용 기능성 접착제는 접착제에 열전도성을 부여하는 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 나노 수준의 미립자를 사용하는 것이 바람직하다. 통상적으로 미크론 수준의 미립자를 사용할 수 있지만, 미세한 입자를 사용할수록 동일한 질량의 물질에 대하여 더 많은 개수의 입자를 투입할 수 있으므로, 나노수준의 미립자를 사용함으로써 percolation을 통하여 접착제에 열전도성을 향상시킬 수 있게 된다. 이 점에서 더욱 미세한 입자를 투입하는 것이 바람직하다.

한편, 입자의 크기가 더욱 작아질수록 동일한 투입량에 대한 입자의 표면적은 증대하게 되고, 표면적이 증대할수록 수지와의 계면저항은 높아지는 경향을 보이게 된다.

본 발명에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 나노 수준의 판상형 미립자를 사용한다. 상기의 판상형 나노플레이트 미립자를 사용하는 이유는 나노 수준의 미립자들이 마이크론 크기의 미립자들에 비해 표면적이 증대하여 수지와의 열저항을 줄여주기 때문이다. 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 포함시켜 열전도성을 부여한 접착제의 경우, 일반적으로 수 마이크론의 플레이트 형태의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 첨가한다. 본 발명은 나노 수준의 미립자를 판상의 형상으로 전환시켜 사용하는 것을 기술적인 특징으로 한다.

본 발명은 나노미터 수준인 보론나이트라이드 미립자들을 사용하되, 판상의 형상으로 전환시킨다. 이를 위하여, 접착제 수지와의 상용성을 감안하여 보론나이트라이드를 용매에 분산시키고 디메틸 포름알데히드(DMF: dimethyl formamide)를 매질로 사용하여 초음파 공정으로 박리시킨다. 이와 같이, 보론나이트라이드 미립자를 판상의 형상으로 변환시킴으로써, 보론나이트라이드 입자를 사용하면서도 접착제 수지와의 계면저항을 낮추어서 계면 접착이 우수한 특성을 부여할 수 있고, 또한 열저항을 낮추어 접착제에 열 전도성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 판상형 미립자는 종횡비(aspect ratio)가 클수록 percolation에 유리하므로 종횡비가 클수록 바람직하다. 이러한 보론나이트라이드 나노미립자는 종횡비가 큰 경우 마이크론 수준의 보론나이트라이드 미립자에 비하여 낮은 함량에서도 서로 연결된 형태의 분산인 percolation이 가능해지는 장점을 가지기 때문이다.

도 1은 본 발명의 실시예에서, 사용된 DMF 내에서 초음파로 박리하여 얻은 판상형 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자의 전자현미경 사진을 나타내고 있다. 확대비율은 80,000 배이다.

본 발명에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 접착제 전체를 기준으로 할 때 부피 기준 0.01 ~ 80 %를 투입시키고 분산시키는 것이 바람직하다. 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 부피 기준 0.01 % 보다 적게 투입할 경우 첨가제의 투입량이 너무 적어서 percolation에 의한 기능성 접착제로서의 열전도성을 발휘할 수 없는 반면에, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 부피 기준 80 % 이상으로 투입할 경우 투입량에 비하여 열전도성을 향상시키는데 한계를 보여주기 때문에 바람직스럽지 못하다. 좀더 바람직하기로는, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 접착제 전체를 기준으로 할 때 부피 기준 1.0 ~ 70 %를 투입시키고 분산시키는 것이다.

본 발명에 의한 기능성 접착제는 통상의 방법으로 피처리 전자제품에 도포하거나 피복시켜서 통상의 방법으로 경화시킨다. 본 발명에 의한 기능성 접착제의 도포 방식이나 피복방법은 통상적인 방식으로 수행될 수 있고, 경화시키는 방법도 통상의 방식으로 수행될 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 기술사상은 접착제에 상기의 종횡비가 큰 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 첨가할 경우, 접착제의 열 전도성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

1). 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자의 준비

보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 포함한 열 전도성이 부여된 접착제를 제조하기 위하여, 유기용매에 분산이 가능한 Alfa asear 사의 제품번호가 42543인 육각형의 보론나이트라이드를 디메틸 포름알데히드(DMF: dimethyl formamide)에 24시간 동안 소니케이션을 통하여 박리시킨다. DMF에 박리된 보론나이트라이드는 두께가 10 나노미터 수준인 나노플레이트 상태로 되어진다.

도 2는 고배율 투과전자현미경(TEM: Transmisstion Electron Microscope, Jeol사 JEM-2010)으로 관찰한 보론 나이트라이드 나노플레이트 사진을 나타내고 있다. 확대비율은 800,000 배이다. 상기의 도 1과 도 2의 TEM 사진에서는 보론나이트라이드가 얇은 판상의 상태임을 알 수가 있다.

2). 보론나이트라이드 나노미립자 포함 접착제 제조

열 전도도가 우수한 접착제의 제조를 위하여, 접착제 바인더 수지로서는 epoxy acrylate bifunctional polysiloxanes/cycloaliphatic epoxy resin을 사용할 수 있고, 더욱 구체적으로는 도 3에 의한 화학식을 가진 실리콘-에폭시-비닐 수지를 사용할 수 있다. 한편, 경화제는 양이온 경화제인 알루미늄 아세틸아세토네이트와 자유라디칼 개시제인 터셔리 부틸 퍼벤조에이트를 사용할 수 있다.

도 3에 의한 실리콘-에폭시-비닐 수지(epoxy acrylate bifunctional polysiloxanes/cycloaliphatic epoxy resin)를 접착제 바인더로 사용할 경우, 가교 밀도를 낮추고 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자의 분산을 용이하게 해준다.

또한, 상기의 접착제 바인더와 경화제는 복합재료에 첨가되는 충전제의 분산 및 결합을 위한 고가의 결합제를 이용한 표면 처리 또는 첨가 공정들을 생략할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서는 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 함량을 부피 기준 80%까지 첨가할 수 있다. 그리고 수지 경화를 위하여는 양이온 중합 개시제인 알루미늄 아세틸아세토네이트와 자유라디칼 개시제인 터셔리 부틸 퍼벤조에이트를 각각 중량 기준으로 0.05 ~ 0.1 % 및 0.2 ~ 0.3 % 첨가된 수지를 사용할 수 있다.

3). 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 포함 접착제의 사용

이상의 조성물을 혼합하여 기능성 접착제를 제조한 후, 피처리 제품에 도포시키고, 이것을 오븐에 넣고, 130℃에서 3시간 동안 경화를 시킨다. 그 이후, 접착제로 경화된 피처리 제품을 다시 오븐에 넣고, 150℃에서 2시간 동안 경화시킨다.

<< 제조 실시예 1 >>

접착제 바인더로 사용하는 실리콘-에폭시-비닐 수지 3.18 그램에 지환족 에폭시 수지인 일본 다이셀화학 제품인 Celloxide 2021P를 1.40 그램 첨가하고, Fluka사로부터 구입한 에폭시 실란화합물인 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyl-trimethoxysilane (ECTS)을 0.70 그램을 추가하였다.

이들 혼합물에 도 1에 나타낸 바와 같은 24시간 동안 초음파 처리를 행한 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 0.1 그램 첨가하여, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 함량이 부피 기준 1% 인 것을 제조하였다. 경화제로 알미늄 아세틸아세토네이트를 0.05 wt%, 터셔리 부틸 퍼벤조에이트를 0.2 wt%를 첨가한 후, 120℃에서 3시간, 150℃에서 2시간을 경화시켜 시편을 제조하였다.

<< 제조 실시예 2 >>

상기의 제조 실시예 1에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 0.42 그램 첨가하여, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 함량이 부피 기준 4 % 인 것으로 제조한 것을 제외하고는, 동일한 조건으로 수행하였다.

<< 제조 실시예 3 >>

상기의 제조 실시예 1에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 0.84 그램 첨가하여, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 함량이 부피 기준 8% 인 것으로 제조한 것을 제외하고는, 동일한 조건으로 수행하였다.

<< 제조 실시예 4 >>

상기의 제조 실시예 1에 있어서, 상기의 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자를 4.3 그램 첨가하여, 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자 함량이 부피 기준 30 % 인 것으로 제조한 것을 제외하고는, 동일한 조건으로 수행하였다. 다만, 경화제로 알미늄 아세틸아세토네이트를 0.1 wt%, 터셔리 부틸 퍼벤조에이트를 0.3 wt%를 첨가한 후, 120℃에서 3시간, 150℃에서 2시간을 경화시켜 시편을 제조하였다.

<< 열전도도의 측정값 1 >>

상기의 제조 실시예 1에 의한 방식으로 각각의 접착제 조성물을 제조하고, 이들 접착제 조성물을 경화시킨 후, 접착제의 열전도도를 측정하였다.

열전도도의 측정은 Laser Flash 열전도도 측정기(LFA 457, Netzsch Inc. Ltd.)를 사용하였다. 상기 제조 실시예 1에 의한 방식으로 제조된 접착제의 열전도도는 0.76 W/mK 로 측정되었다.

<< 열전도도의 측정값 2 >>

상기의 제조 실시예 2에 의한 방식으로 각각의 접착제 조성물을 제조하고, 이들 접착제 조성물을 경화시킨 후, 접착제의 열전도도를 측정하였다. 열전도도의 측정은 동일한 상기의 Laser Flash 열전도도 측정기를 사용하였으며, 그 접착제의 열전도도는 1.66 W/mK 로 측정되었다.

<< 열전도도의 측정값 3 >>

상기의 제조 실시예 3에 의한 방식으로 각각의 접착제 조성물을 제조하고, 이들 접착제 조성물을 경화시킨 후, 접착제의 열전도도를 측정하였다. 열전도도의 측정은 동일한 상기의 Laser Flash 열전도도 측정기를 사용하였으며, 그 접착제의 열전도도는 2.89 W/mK 로 측정되었다.

<< 열전도도의 측정값 4 >>

상기의 제조 실시예 4에 의한 방식으로 각각의 접착제 조성물을 제조하고, 이들 접착제 조성물을 경화시킨 후, 접착제의 열전도도를 측정하였다. 열전도도의 측정은 동일한 상기의 Laser Flash 열전도도 측정기를 사용하였으며, 그 접착제의 열전도도는 7.25 W/mK 로 측정되었다.

<< 열전도도의 측정 결과 비교 및 평가 >>

상기의 제조 실시예 1에 의한 접착제의 열전도도는 0.76 W/mK 이었고, 상기의 제조 실시예 2에 의한 접착제의 열전도도는 1.66 W/mK 이었으며, 상기의 제조 실시예 3에 의한 접착제의 열전도도는 2.89 W/mK 이었고, 상기의 제조 실시예 4에 의한 접착제의 열전도도는 7.25 W/mK 이었다.

한편, Chunyi Zhi 등이 제시한 참고문헌에 의하면, 기존의 보론나이트라이드 플레이트를 PDDA (polydiallyldimethylammonium chloride) 매트릭스에 분산시켜 보론나이트라이드 미립자 함량이 부피 기준으로 4 %인 경우, 그의 열전도도는 0.75 W/mK 이었고, 보론나이트라이드 미립자 함량이 부피 기준으로 6 %인 경우 그의 열전도도는 0.9 W/mK 이었다.(Chunyi zhi, Yibin Xu, yoshio Bando, and Dmitri Golberg, ACS nano , 5, 8, 6571 (2011).)

또한, Jifang Fu 등이 제시한 마이크론 수준의 두께 보론나이트라이이드를 첨가하여 중량기준 40% 첨가한 조건에서, 그 접착제의 열전도도는 0.44 W/mK 이었던 것으로 측정되었다.(J. Fu, L. Shi, D. Zhang, Q. Zhong, Y. Chen, Polymer Engineering and Science, 50 (9), 1809-1819 (2010)).

그렇다면, 본 발명의 경우에는, 종래의 방식에 의한 접착제에 비하여, 동일 조건인 부피기준 4 %의 보론나이트라이드 첨가시 최소한 121% 내지 285 % 의 증가를 나타낸 것으로서, 전혀 예측할 수 없는 결과를 초래한 것으로 판단되었다.

한편 이들 접착제는 접착 수지조성물의 특성으로 반도체 칩과 유사한 조성으로 간주할 수 있는 유리판을 접합시킨 경우 기재 유리에서 파괴가 일어나 접착력이 완벽함을 알 수 있었다.

이상에서 본 발명에 의한 기능성 접착제 및 그 사용방법을 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정되어지고 한정되어진다.

또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 전자제품의 접착에 사용되는 접착제 바인더와, 접착제에 열전도성을 부여하는 보론나이트라이드 플레이트 미립자와, 상기 접착제 바인더를 경화시키는데 필요한 경화제를 포함한 기능성 접착제에 있어서,
   상기의 보론나이트라이드 플레이트 미립자는 나노수준의 미립자로서 판상형 입자를 사용하여 분산성과 열 전도성을 향상시키는 것을 특징으로 한 기능성 접착제 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기의 판상형 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 접착제 전체를 기준으로 하여 부피 기준 0.01 ~ 80 % 를 투입시키고 분산시켜 제조하는 것을 특징으로 한 기능성 접착제 조성물.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기의 판상형 보론나이트라이드 나노플레이트 미립자는 접착제 전체를 기준으로 하여 부피 기준 1.0 ~ 70 % 를 투입시키고 분산시켜 제조하는 것을 특징으로 한 기능성 접착제 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기의 보론나이트라이드 나노플레이트는 보론나이트라이드를 소니케이션을 통하여 박리시켜 얻은 것으로서 수십 나노 미터 이하의 두께를 가지는 판상의 구조를 제조하는 것을 특징으로 한 기능성 접착제 조성물.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 의하여 기능성 접착제 조성물을 제조하고, 상기의 기능성 접착제 조성물을 피처리 전자제품에 도포하거나 피복시키고, 경화시킨 것을 특징으로 한 기능성 접착제의 사용방법.
   
   
   

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