KR20140094294A - 전기 절연성 방열 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열 시트에 관한 것으로 특히, 전기 절연성을 가지는 방열 시트에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 제 1면 및 제 2면을 가지며, 금속을 포함하는 방열층; 상기 방열층의 제 1면 상에 위치하고, 전기 절연성을 가지는 열전도 재료를 포함하고, 열원에 부착되는 점착층; 및 상기 방열층의 제 2면 상에 위치하는 코팅층을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

전기 절연성 방열 시트 {Heat discharging sheet of electrically insulative}

본 발명은 방열 시트에 관한 것으로 특히, 산화 그래핀과 같은 전기 절연성 열전달 재료를 포함하는 전기 절연성 방열 시트에 관한 것이다.

탄소 원자들로 구성된 물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(Graphite) 등이 존재한다. 이 중에서 그래핀은 탄소 원자들이 2 차원 평면상으로 원자 한 층으로 이루어지는 구조이다.

특히, 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 매우 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 매우 큰 전류를 흐르게 할 수 있는데, 이는 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 실험을 통하여 증명되었으며 현재까지 많은 연구가 진행이 되고 있다.

이러한 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.

또한, 그래핀은 일반적으로 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라 전기적 특성이 변화할 수 있으므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있고 이에 따라 쉽게 소자를 디자인할 수 있다. 따라서 그래핀은 탄소계 전기 또는 전자기 소자 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

한편, 그래핀은 열전도성이 우수하여 열을 방출하기 위한 요소에 이용될 수 있다. 특히, 산화 그래핀은 열전도성이 우수할 뿐 아니라 전기적으로 절연성을 띠고 있어, 절연이 요구되는 방열 요소에 이용될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기적으로 절연이 필요한 열원에서 발생하는 열을 효과적으로 전달하여 방출할 수 있는 전기 절연성 방열 시트를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 제 1면 및 제 2면을 가지며, 금속을 포함하는 방열층; 상기 방열층의 제 1면 상에 위치하고, 전기 절연성을 가지는 열전도 재료를 포함하고, 열원에 부착되는 점착층; 및 상기 방열층의 제 2면 상에 위치하는 코팅층을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 방열층은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 합금을 포함할 수 있다.

여기서, 방열층의 두께는, 5 내지 100 ㎛일 수 있다.

점착층에 포함되는 전기 절연성을 가지는 열전도 재료는, 산화 그래핀을 포함할 수 있다.

이때, 점착층은, 고분자 점착층 재료에 상기 산화 그래핀이 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합되어 구성될 수 있다.

여기서, 점착층 및 코팅층 중 적어도 어느 하나는 두께가 5 내지 100 ㎛일 수 있다.

여기서, 코팅층은, 전기 절연성을 가지는 열전도 재료를 포함할 수 있다.

이때, 코팅층에 포함되는 전기 절연성을 가지는 열전도 재료는, 산화 그래핀을 포함할 수 있다.

코팅층은, 고분자 재료에 상기 산화 그래핀이 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합되어 구성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 2관점으로서, 본 발명은, 제 1면 및 제 2면을 가지며, 금속을 포함하는 방열층; 상기 방열층의 제 1면 상에 위치하고, 전기 절연성을 가지며 열원에 부착되는 점착층; 및 상기 방열층의 제 2면 상에 위치하는 코팅층을 포함하여 구성되고, 상기 점착층 및 코팅층 중 적어도 어느 하나는 산화 그래핀을 포함할 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 본 발명의 방열 시트는 열원에 부착되어 열원에서 발생하는 열을 효율적으로 방출될 수 있도록 한다.

구체적으로, 방열 시트에 포함된 방열층은 점착층에 의하여 열원에 부착되어 열원에서 발생하는 열을 방출하도록 하며, 이때, 점착층은 열원에 부착되어 열원에서 발생하는 열이 방열층으로 전달되도록 할 수 있다.

점착층에 산화 그래핀과 같은 전기 절연성 열전달 재료가 포함되는 경우에는 이러한 산화 그래핀의 열전도성이 우수하므로 전기 절연성을 유지하면서 열원에서 발생하는 열이 더욱 효과적으로 방열층으로 전달될 수 있다.

금속을 포함하는 방열층은 열을 효과적으로 전달 또는 방출할 수 있어서 열원에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 방출할 수 있다.

이때, 코팅층까지 전달된 열은 이 코팅층을 통하여 외부로 방출될 수 있다. 또한, 코팅층에 산화 그래핀과 같은 열전달 재료가 포함되는 경우에는 이러한 산화 그래핀의 열전도성이 우수하므로 전기 절연성을 유지하면서 이 코팅층을 통하여 효과적으로 방출될 수 있는 것이다.

또한, 외기로부터 이 코팅층을 통한 열 교환 작용도 함께 일어날 수 있다.

도 1은 전기 절연성 방열 시트의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 전기 절연성 방열 시트가 열원에 부착되어 열이 방출되는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3은 전기 절연성 방열 시트를 응용하는 일례를 나타내는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 전기 절연성 방열 시트의 일례를 나타내는 단면도이다. 도시하는 바와 같이, 방열 시트(100)는, 제 1면(11) 및 제 2면(12)을 가지는 방열층(10)이 구비된다. 이러한 방열층(10)은 열을 전달하거나 방출하는 특성을 가질 수 있다. 이러한 방열층(10)은 금속을 포함하여 구성될 수 있다.

방열층(10)의 제 1면(11)에는, 열원(200; 도 2 참고)에 부착되는 점착층(30)이 위치한다. 이러한 점착층(30)은 전기 전도성을 띠는 방열층(10)을 전기적으로 절연시킬 수 있는 특성을 가질 수 있다.

또한, 방열층(10)의 제 2면(12)에는 이 방열층(10) 상에 위치하는 코팅층(20)이 위치한다. 이러한 코팅층(20) 또한 전기 전도성을 띠는 방열층(10)을 전기적으로 절연시킬 수 있는 특성을 가질 수 있다.

점착층(30)에는 전기 절연성을 가지는 열전도 재료(31)가 포함될 수 있다. 이러한 전기 절연성 열전도 재료(31)는 산화 그래핀을 포함할 수 있다.

이와 같은 산화 그래핀은 열 전도성이 우수하나 절연성을 가지므로 점착층(30)은 전기 절연성을 유지하면서 점착층(30)을 통한 열의 전도성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 이와 같은 점착층(30)은, 열원과의 부착 특성뿐 아니라 열원과의 간격을 최소화하면서 열을 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

이러한 점착층(30)의 모체는 주로 고분자 계열의 물질을 이용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

점착층(30)의 모체로 고분자 물질을 이용하는 경우에는 폴리 우레탄 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 고분자 수지 등의 각종 고분자 수지가 이용될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 점착층(30)은 산화 그래핀과 같은 전기 절연성 열전도 재료(31)를 포함하여 열원에서 발생되는 열이 더 효과적으로 방열층(10)으로 전달될 수 있도록 할 수 있다.

이러한 전기 절연성 열전도 재료(31)는 산화 그래핀 이외에도 Bn, AiN, Al₂O₃, MgO, 그라파이트(graphite)와 같은 절연성을 가지는 재료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

한편, 점착층(30)에 열전도 재료(31)로서 산화 그래핀이 포함되는 경우에, 이러한 산화 그래핀은, 고분자 재료에 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합되어 구성될 수 있다.

여기서, 점착층(30)은 두께가 수십 nm에서 수백 ㎛의 범위를 가질 수 있으며, 효과적인 열의 방출 및 열원과의 접착을 위하여 두께가 5 내지 100 ㎛일 수 있다.

보다 상세하게는, 점착층(30)이 5 내지 20 ㎛의 두께를 가질 때, 최적의 효과를 발휘할 수 있다.

위에서 언급한 코팅층(20)에도 전기 절연성 열전도 재료(21)가 포함될 수 있다.

이와 같은 열전도 재료(21)를 포함하는 코팅층(20)은, 전기 전도성을 띠는 방열층(10)에 전기 절연성 막을 제공함과 동시에, 이 코팅층(20)을 통하여 열이 방출되거나 외부와 열교환이 일어날 수 있도록 할 수 있다.

이러한 코팅층(20)은 주로 고분자 계열의 물질을 이용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

코팅층(20)으로 고분자 물질을 이용하는 경우에는 폴리 우레탄 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 고분자 수지, PET, PT 등의 각종 고분자 수지가 이용될 수 있다.

한편, 코팅층(20)은 방열층(10)의 보호성 및 외부로 열의 방사를 고려하여, 두께가 수십 nm에서 수백 ㎛의 범위를 가질 수 있으며, 효과적인 열의 방출 및 열원과의 접착을 위하여 두께가 5 내지 100 ㎛일 수 있다.

보다 상세하게는, 코팅층(20)이 5 내지 20 ㎛의 두께를 가질 때, 최적의 효과를 발휘할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 코팅층(20)은 전기 절연성 열전달 물질(21)을 포함할 수 있다. 이러한 열전달 물질(21)은 산화 그래핀을 이용할 수 있다.

또한, 코팅층(20)은, 고분자 물질을 이용하는 경우에, 이러한 고분자 재료에 산화 그래핀이 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합되어 구성될 수 있다.

이와 같은 코팅층(20)은 금속을 포함하는 방열층(10)의 열을 대기로 효과적으로 전달할 수 있고, 이 코팅층(20)에 포함되는 산화 그래핀은 열전도 및 방사 향상을 향상시킬 수 있다.

한편, 방열층(10)은 점착층(30)에 의하여 열원에 부착되어 열을 방출할 수 있으며, 특히, 전달된 열을 측 방향으로 방출할 수 있다.

이러한 방열층(10)은, 금속을 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 금속은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.

그 외에도 다양한 금속이 이용될 수 있다. 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 중 어느 하나가 이용되거나, 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 합금이 이용될 수 있다.

이때, 방열층(10)의 두께는 5 내지 100 ㎛를 가질 수 있다. 이와 같은 얇은 두께의 방열층(10)은 열원이 굴곡을 가지는 경우에도 이러한 열원에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 한다.

위에서 언급한 코팅층(20) 또는 점착층(30)에 포함될 수 있는 산화 그래핀은 탄소 입자가 산에 의하여 산화된 상태를 말한다.

이와 같은 산화 그래핀은 보통 흑연을 황산과 같은 강산에 의하여 산화시킴으로써 제조할 수 있다. 경우에 따라 황산에 과산화수소수가 섞인 물질이 산화에 이용될 수 있다.

흑연은 판상 구조를 가지며, 이러한 흑연에 강산을 가하면 산화되는데, 이러한 흑연을 화학적으로 작은 입자 상태로 제조된 상태가 산화 그래핀(Graphene oxide)이다.

산화 그래핀은 전기가 통하지 않는 부도체 특성과 수십 W/mK의 열전도도를 가지므로, 열원에서 발생하는 열을 효과적으로 전달할 수 있다.

도 2는 방열 시트가 열원에 부착되어 열이 방출되는 상태를 개략적으로 나타내고 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 방열 시트(100)는 열원(200)에 부착되어 이 열원(200)에서 발생하는 열을 효율적으로 방출될 수 있도록 한다.

방열층(10)은 열원(200)에 부착되어 열원(200)에서 발생하는 열을 방출하도록 하며, 이때, 점착층(30)은 열원(200)에 부착되어 열원(200)에서 발생하는 열이 방열층(10)으로 전달되도록 할 수 있다.

점착층(30)에는 산화 그래핀과 같은 열전달 재료(31)가 포함되는 경우에는 이러한 산화 그래핀의 열전도성이 우수하므로 열원(200)에서 발생하는 열이 더욱 효과적으로 방열층(10)으로 전달될 수 있다.

방열층(10)은 열전달 효율이 우수한 금속을 포함하므로 점착층(30)으로부터 전달받은 열을 효과적으로 방출할 수 있다. 이러한 방열층(10)은 전체가 금속으로 형성될 수 있으나, 경우에 따라 금속과 다른 물질이 혼합될 수 있고, 금속에 열전달이 우수한 물질이 코팅되어 구성될 수도 있다.

이때, 점착층(30)을 통하여 전달된 열은 방열층(10)을 통하여 상측 방향 또는 측 방향으로 전도될 수 있으며, 코팅층(20)까지 전달된 열은 이 코팅층(20)을 통하여 외부로 방출될 수 있다.

또한, 코팅층(20)에 산화 그래핀과 같은 열전달 재료(21)가 포함되는 경우에는 이러한 산화 그래핀의 열전도성이 우수하므로 이 코팅층(20)을 통하여 열이 효과적으로 방출될 수 있는 것이다.

이때, 외기에 의하여 코팅층(20)을 통한 열 교환 작용도 함께 일어날 수 있다.

코팅층(20)과 점착층(30)에는 열전도도 향상을 위하여 산화물 필러가 포함될 수도 있으나, 이러한 산화물 필러는 무게가 무겁고 열전도도가 낮아, 열전도도를 일정 정도로 향상시키기 위해서는 고함량을 첨가하여야 하므로 수 내지 수십 ㎛ 정도의 두께를 가지는 제품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

그러나 위에서 설명한 산화 그래핀과 같은 열전달 재료(21, 31)를 포함하는 코팅층(20) 또는 점착층(30)은 이러한 문제점 없이 더욱 효과적으로 열을 전달하거나 방사할 수 있는 것이다.

이때, 코팅층(20) 또는 점착층(30)은 열 전달 효율이 우수하면서 전기적으로는 절연성을 띠고 있으므로, 전기적 절연이 필요한 경우에 효과적으로 방열 작용을 발휘할 수 있다.

즉, 열이 많이 발생하는 반도체 칩의 패드 부위, 소자의 전극 측 등의 전류가 흐를 수 있는 부분에서 발생하는 열을 안전하게 방출시킬 수 있는 것이다.

도 3에서는 방열 시트를 응용하는 일례로서, 휴대폰과 같은 응용 제품에 방열 시트(100)가 이용되는 예를 나타내고 있다.

도 3에서는, 구동칩(210)과, 이 구동칩(210) 상에 있는 금속 프레임(220)으로 이루어지는 열원(200)에 방열 시트(100)가 부착되고, 방열 시트(100) 상에는 디스플레이(300)가 위치하는 상태를 나타내고 있다.

구동칩(210) 상에 위치하는 금속 프레임(220)은 보통 알루미늄(SUS) 프레임(220)이 이용될 수 있다.

이러한 금속 프레임(220)은 구동칩(210)에서 발생하는 열이 수평 방향으로는 잘 퍼지지 않고 진행방향으로 열을 전달하는 특성이 있다. 따라서, 금속 프레임(220)으로부터 전달되는 열은 방열 시트(100)를 통하여 수평 방향으로 퍼지게 되어 방출될 수 있다.

즉, 금속 프레임(220)으로 전달된 열은 방열 시트(100)의 점착층(30)을 통하여 방열층(10)으로 전달되며, 방열층(10)에서는 열이 측 방향으로 퍼지면서 외부로 방출되게 되는 것이다.

이때, 금속 프레임(220)과 접촉된 방열 시트(100)는 이 금속 프레임(220)과 전기 절연성의 점착층(30)을 통하여 접촉되므로, 절연 특성이 요구되며 열 방출이 필요한 금속 프레임(220)을 통하여 전달되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 것이다.

도 3과 같은 구성에서는, 방열 시트(100)에서 디스플레이(300) 측으로 열이 방출되지 않고 측 방향으로 방출될 수 있는 것이다.

이때, 디스플레이(300)에서 방출되는 열 또한 코팅층(20)을 통하여 방열층(10)으로 전달되어 방출될 수도 있음은 물론이다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 방열층 11: 제 1면
12: 제 2면 20: 코팅층
21: 열전달 재료 30: 점착층
31: 열전달 재료 100: 방열 시트
200: 열원 300: 디스플레이

Claims (10)

1. 제 1면 및 제 2면을 가지며, 금속을 포함하는 방열층;
   상기 방열층의 제 1면 상에 위치하고, 전기 절연성을 가지는 열전도 재료를 포함하고, 열원에 부착되는 점착층; 및
   상기 방열층의 제 2면 상에 위치하는 코팅층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방열층은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 방열층의 두께는, 5 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
4. 제 1항에 있어서, 상기 열전도 재료는, 산화 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
5. 제 4항에 있어서, 상기 점착층은, 고분자 점착층 재료에 상기 산화 그래핀이 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합된 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
6. 제 1항에 있어서, 상기 점착층 및 코팅층 중 적어도 어느 하나는 두께가 5 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
7. 제 1항에 있어서, 상기 코팅층은, 절연성을 가지는 열전도 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
8. 제 7항에 있어서, 상기 코팅층의 열전도 재료는, 산화 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
9. 제 8항에 있어서, 상기 코팅층은, 고분자 재료에 상기 산화 그래핀이 중량비 10 내지 90 wt%로 혼합된 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.
10. 제 1면 및 제 2면을 가지며, 금속을 포함하는 방열층;
    상기 방열층의 제 1면 상에 위치하고, 전기 절연성을 가지며 열원에 부착되는 점착층; 및
    상기 방열층의 제 2면 상에 위치하는 코팅층을 포함하여 구성되고,
    상기 점착층 및 코팅층 중 적어도 어느 하나는 산화 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 방열 시트.

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