KR20150034380A - 수직 배열된 그래핀을 포함하는 방열 시트 및 이의 제조방법 - Google Patents

수직 배열된 그래핀을 포함하는 방열 시트 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열 시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점착층, 및 상기 점착층 상에 형성된 그래핀-수지 복합층을 구비하고, 상기 그래핀-수지 복합층은 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 방열 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상기 방열 시트는 그래핀이 수직 배열되어 형성됨에 따라 수평 방향뿐만 수직 방향에서 방열성을 나타내, 다양한 전자 기기 제품에 적용되어 전자 기기의 오작동 및 발열을 저감하고, 수명을 증가시킬 수 있다.

Description

수직 배열된 그래핀을 포함하는 방열 시트 및 이의 제조방법{Thermal sheet comprising vertical-aligned graphene and a fabrication thereof}
본 발명은 전자 부품 또는 전자 기기와의 접촉면에 수직 방향으로 열의 방출을 가능하고, 높은 열전도도를 갖도록 수직 배열된 그래핀을 포함하는 방열 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전자 기기의 고밀도화/박형화가 급속히 진행되어 IC와 파워 부품으로부터 발생하는 열의 영향이 심각해지고 있다. 일례로, 컴퓨터, 휴대용 개인단말기, 통신기 등의 전자제품은 그 시스템 내부에서 발생한 과도한 열에너지를 외부로 확산시키지 못해 잔상문제 및 시스템 안정성에 심각한 우려를 내재하고 있다. 이러한 열에너지는 제품의 수명을 단축하거나 고장, 오동작을 유발하며, 심한 경우에는 폭발 및 화재의 원인을 제공하기도 한다.
최근 각종 기기의 소형화/고성능화가 발열량의 증가를 초래하여 열을 어떻게 효율 좋게 이동시키고 배열하는가는 개발 초기의 기본 설계의 테마로 되고 있으며, 특히 열전도도성이 높고 얇고 가볍다는 특징을 지닌 방열 시트에 대한 요구가 강해지고 있다.
방열 시트는 알루미늄과 같은 금속 호일을 주로 사용하고 있으며, 최근에는 열전도도를 높이기 위한 방법으로 열전도도가 다른 2개의 복합 기재층으로 제작되 높은 방열 특성을 갖도록 금속층, 금속 박막 또는 메시로 이루어진 방열 기재층, 및 방열 코팅층으로 이루어진 방열 시트를 제시하고 있다(대한민국 특허공개 제2012-73792호).
최근에는 열전도도를 높이기 위해 금속 박막 상에 흑연 재질을 도포한 방열 시트가 제시되었다. 흑연은 알루미늄이나 구리보다 열전도도가 빠르고 우수한 이방성의 열전도 특성을 가지고 있어 흑연을 활용한 방열 시트에 대한 연구가 가속화되고 있다.
그 예로, 국제공개 제2008-53843호에서는 비늘조각상, 타원구상 또는 봉상의 흑연 입자를 포함하는 열전도 시트, 대한민국 특허공개 제2013-43720호는 스마트폰 배면에 장착되는 방열 시트로서, 팽창흑연을 포함하는 흑연 시트, 보호필름층, 점착층, 이형 필름으로 구성된 방열 흑연 시트를 제시하고 있다.
대한민국 특허공개 제2012-73792호 국제공개 제2008-53843호 대한민국 특허공개 제2013-43720호
이에 본 발명에서는 흑연 재질 중 하나인 그래핀을 방열 시트에 도입하는 기술에 대해 연구를 지속하면서 그래핀에 의한 열전도 특성이 접촉면에 수직 방향에서 나타난다면 보다 빠른 열방출이 일어날 수 있다는 개념에 착안하여 다각적인 연구를 수행하였다.
그 결과, 그래핀을 수직 방향으로 배열(3-D)한 방열 시트를 제작하였고, 상기 제작된 방열 시트의 열전도 특성을 측정한 결과 우수한 열전도 특성을 가짐을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 열전도 특성을 갖는 방열 시트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 점착층, 및 상기 점착층 상에 형성된 그래핀-수지 복합층을 구비하고, 상기 그래핀-수지 복합층은 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 것을 특징으로 하는 방열 시트를 제공한다.
이때 그래핀은 Fe3O4, Fe, Al, Cr, Mo, Na, Ti, Cu, Au, Si, Ag, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 자성체와 결합된다.
추가로 상기 방열 시트는 점착층과 그래핀-수지 복합층 사이에 금속층을 더욱 포함한다.
또한, 본 발명은 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 그래핀-수지 복합층을 준비하는 단계; 및
상기 그래핀-수지 복합층 상에 점착층을 형성하는 단계를 포함하여 제조하는 방열 시트의 제조방법을 제공한다.
이때 그래핀-수지 복합층은 전기 분무, 자기장 또는 전기장 인가 방식에 의해 그래핀을 수직 배열한다.
또한, 점착층의 형성은 점착층 형성용 조성물을 그래핀-수지 복합층에 도포하거나 시트 제조 후 합지를 통해 이루어진다.
본 발명에 따른 방열 시트는 그래핀이 접촉면에 수직 배열되어 형성됨에 따라 수직 방향에서의 방열성이 향상되어, 다양한 전자 기기 제품에 적용되어 전자 기기의 오작동 및 발열을 저감하고, 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1구현예에 따른 방열 시트를 보여주는 단면도
도 2는 본 발명의 제2구현예에 따른 방열 시트를 보여주는 단면도
도 3은 그래핀-수지 복합층의 주사전자현미경 사진
본 발명에서는 방열 시트의 방열 기능을 수행하기 위한 층으로 그래핀-수지 복합층을 형성하고, 상기 그래핀-수지 복합층이 그래핀을 수직 배열시켜 종래 그래핀 방열 시트의 열전도 특성이 접촉면에 수평으로 높게 발현되었던 것을 접촉면에 수직한 방향으로도 높은 방열특성을 갖도록 하는 방열 시트를 제시한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1구현예에 따른 방열 시트를 보여주는 단면도이다. 각 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 이때 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1구현에 따른 방열 시트(10)는 점착층(11) 상상에 그래핀-수지 복합층(15)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
이때 상기 그래핀-수지 복합층(15)은 층(layer), 즉 점착층(11)의 평면(또는 점착층과의 접촉면)에 대해 그래핀이 수직 방향으로 배열된 상태로 존재한다.
그래핀의 수직 배열 구조는 결정면이 수직이 되도록 적층된 구조로서, 종래 CVD 등의 방법에 의해 제조된 그래핀이 수평으로 적층된 구조와는 구조적인 차이 뿐만 아니라 모폴로지에 있어서도 큰 차이가 있으며, 특히 열전도 특성에 차이가 있다. 즉, 수직 배열된 그래핀은 2차원적 구조를 갖는 수평 적층된 그래핀에서 기대할 수 없던 수직 방향(Z 축 방향)에서의 열전도 특성(즉, 방열 특성)을 확보할 수 있다. 이러한 그래핀의 수직 배열은 전기 분무, 자기장 또는 전기장 인가 방식에 의해 수행할 수 있으며, 이후 내용에서 자세히 설명한다.
사용되는 그래핀은 그 제조방법을 한정하지 않으며, 직접 제조하거나 시판되는 플레이크(flake) 형태의 그래핀을 직접 구입하여 사용이 가능하며, 그 크기는 수십 나노 미터에서 수 마이크로미터인 것이 사용될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 화학적 박리법을 통해 직접 제조하여 너비가 2∼3 마이크로미터인 것을 사용하였다.
이때 그래핀은 필요한 경우 자성체와 결합시켜 사용할 수 있다. 자성체는 공지된 바의 강자성체, 상자성체, 반자성체 모두가 사용 가능하며, 상기 자성체에 의해 방열 특성 뿐만 아니라 제조 공정에서 그래핀의 수직 방향으로의 배열에 대한 방향성을 더욱 높일 수 있다.
사용 가능한 자성체로는 Fe3O4, Fe, Ni, Co, Al, Cr, Mo, Na, Ti, Cu, Au, Si, Ag, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용될 수 있으며, 이들은 전구체 형태로 그래핀과 반응하여 결합된다.
전구체로는 각각을 포함하는 알콕사이드, 염화물, 수산화물, 옥시수산화물, 질산염, 탄산염, 초산염, 옥살산염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것이 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 일례로, Fe3O4의 경우 전구체로 FeCl2·4H2O, FeCl3·6H2O 등이 사용될 수 있다.
이러한 자성체는 그래핀 1 중량부에 대해 0.01 내지 0.1 중량부로 사용할 수 있으며, 이러한 함량 범위 내에서 상기 언급한 효과를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에서 언급하는 그래핀-수지 복합층(15) 내 수지는 그래핀의 수직 배열 상태를 고정 및 지지하기 위한 목적으로 사용한다.
수지는 전기적으로 절연성을 갖거나 전도성을 갖는 물질 모두 사용하여 형성할 수 있다. 대표적으로, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드수지, 폴리이미드, 폴리페닐렌옥사이드, 실리콘수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르수지, 폴리에테르-에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드, 불소함유중합체, 폴리염화비닐수지, PVB(폴리비닐부티랄), PVA(폴리비닐알콜), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오즈 등 절연 특성을 갖는 고분자과 함께, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 등의 전도성을 갖는 고분자가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 PEDOT, 에폭시, 폴리아크릴레이트를 각각 사용하여 기판에 대해 그래핀을 수직 배열하도록 하였다.
이러한 수지의 함량은 그래핀 1 중량부에 대해 수지를 0.2 내지 10 중량부로 사용한다. 만약 상기 수지의 함량이 상기 범위 미만이면 수직 배열된 그래핀의 고정 또는 지지할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 방열 특성이 저하될 수 우려가 있다.
한편, 제1구현예에 따른 방열 시트(10)의 구성 요소 중 하나인 점착층(11)은 전자 기기에 방열 시트(10)를 부착하기 위한 것으로, 표면 점착성을 갖는 물질이면 이 또한 공지된 바의 어떠한 재질도 사용 가능하다.
바람직하기로, 점착층(11)은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 고무계 수지, 폴리우레탄계 수지, 초산비닐 수지, 에폭시계 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
상기 점착층(11)의 형성은 점착층 형성용 조성물을 그래핀-수지 복합층에 도포하거나 시트 제조 후 합지할 수 있다.
이때 그래핀-수지 복합층(15)과 접하지 않는 점착층(11)의 타측에는 이형 필름(미도시)을 부착한다. 상기 이형 필름은 발열 시트가 전자 기기에 부착되기 전까지 이물질이 부착되지 않도록 하며, 전자 기기에 부착시 이를 벗겨 내 사용한다.
상기 언급한 제1구현예에 따른 방열 시트(10)는 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다. 이때 각 전자 기기에 따라 스펙이 달라질 수 있으나, 상기 점착층(11) 및 그래핀-수지 복합층(11)은 넓은 범위의 두께로 제조될 수 있다.
구체적으로, 점착층(11)은 그래핀-수지 복합층(15)이 표면으로 노출되지 않도록 형성되며, 그 두께는 전자 기기 발열체와의 점착력을 방해하지 않는 수준으로 하되 얇을수록 유리하며, 바람직하기로 50nm∼0.1mm, 바람직하기로 100nm∼50㎛의 두께로 형성한다.
또한, 그래핀-수지 복합층(15)은 0.5㎛∼0.5mm, 더욱 바람직하기로 1.0㎛∼0.1mm의 두께를 갖도록 한다. 만약, 그 두께가 상기 범위 미만이면 적절한 방열 효과를 확보할 수 없고, 상기 두께를 초과하면 방열 효과가 오히려 저하되거나 크랙이 발생할 우려가 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
추가로, 제1구현예에 따른 방열 시트(10)는 점착층(11), 및 그래핀-수지 복합층(15) 중 어느 한 층에 열전도성 물질인 열전도성 필러를 더욱 포함할 수 있으며, 바람직하기로 그래핀-수지 복합층(15)에 포함된다.
이러한 열전도성 필러는 탄소계 필러, 금속 필러, 금속 화합물 필러, 수지계 필러 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
구체적으로, 탄소계 필러는 카본블랙, 그라파이트, 카본나노튜브 등이 가능하고, 금속 필러는 금, 구리, 납, 텅스텐, 은, 동, 아연, 몰리브덴, 주석, 티탄, 알루미늄, Invar, Kovaar, 등이 가능하며, 상기 금속 필러 재질의 산화물, 수산화물, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물, 즉, 알루미나, 수산화알루미늄, 실리카, 마그네시아, 질화규소, 질화알미늄, 질화붕소, 탄화규소, 탄화알루미늄, GaAs 등이 가능하며, 수지계 필러로는 에폭시, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 등이 가능하다.
상기 열전도성 필러는 점착층(11), 및 그래핀-수지 복합층(15)의 제조 과정 중에 첨가되거나 제조 후 일측 또는 양측에 코팅하여 사용한다.
바람직하기로, 그래핀-수지 복합층(15)에 열전도성 필러를 도입할 경우 전기 분무 공정 중 원료물질로 투입하여 사용한다. 방열 시트(10)에서 열전도성 필러는 열전도도를 높이기 위한 목적으로 사용되기 때문에, 열전도도를 감소시키지 않는 범위로 사용되어야 한다.
열전도성 필러를 도입하더라도 방열 시트가 높은 열전도성을 가짐과 동시에 낮은 열저항성을 갖고, 물리적인 안정성을 유지하여야 한다. 이러한 방열 시트(10)의 물성에 영향을 주는 열전도성 필러 인자는 입자의 형태, 입자의 크기, 첨가량 등이 있으며, 이는 최종 적용하고자 하는 방열 시트의 열전도도 스펙에 부합될 수 있을 정도로 사용한다.
열전도성 필러는 구형, 로드형, 플레이크형 등 다양한 형태가 가능하나 열 흐름을 좋게 하여 열전도도를 높이기 위해선 구형의 필러를 사용한다.
입자 크기의 경우 입자 크기가 커지고 사용 함량이 증가함에 따라 열전도도가 높아지나 온도가 높아질수록 열전도도가 오히려 감소하게 되므로, 열전도성 필러의 입자 크기 및 사용 함량의 제어가 필요하며, 이는 재질에 따라 약간의 변형이 가능하다.
바람직하기로, 열전도성 필러는 금속, 금속 화합물 및 수지계 필러 구형 입자의 경우 10nm∼50㎛을 사용하고, 카본나노튜브와 같은 로드나 플레이크형 탄소계 필러의 경우 길이가 600nm∼1mm인 것을 사용하며, 그 함량은 한정하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 방열 시트는 방열 효과를 높이기 위해 금속층을 더욱 포함한다. 상기 금속층은 그래핀-수지 복합층의 상부 또는 하부에 설치될 수 있으며, 바람직하기로 그래핀의 수직 방향으로의 방열 효과를 위해 점착층과 그래핀-수지 복합층 사이에 위치한다.
도 2는 본 발명의 제2구현예에 따른 방열 시트를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 방열 시트는 점착층(11)과 그래핀-수지 복합층(15) 사이에 금속층(13)이 위치한다.
금속층(13)은 금속, 세라믹, 또는 금속이 피복된 고분자 성형체가 사용될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리, 주석, 아연, 텅스텐, 철 및 은 등으로부터 선택된 1종의 순수 금속, 또는 상기 금속들 중에서 2종 이상이 선택되어 구성된 합금으로부터 성형된 금속 성형체가 사용될 수 있다. 또한, 탄산칼슘(CaCO3), 산화알루미늄(Al2O3), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN) 및 질화알루미늄(AlN) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로부터 성형된 세라믹 성형체가 가능하다.
상기 금속층(13)은 시트 또는 박막 형태로 사용될 수 있으며, 노트북용으로는 0.1mm 이하의 두께, 구체적으로는 0.01∼0.1mm범위의 두께를 가질 수 있으며, 플라즈마 디스플레이용으로는 0.1mm 이상의 두께, 구체적으로는 0.1∼5.0mm범위의 두께를 가질 수 있으며, 모바일 기기용으로는 0.005∼0.1mm범위의 두께를 가질 수 있다.
전술한 바의 본 발명의 제1 및 제2구현예에 따른 방열 시트는 다양한 방법으로 제조가 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
구체적으로, 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 그래핀-수지 복합층을 준비하는 단계; 및 상기 그래핀-수지 복합층 상에 점착층을 형성하는 단계를 거쳐 본 발명에 따른 방열 시트를 제조한다.
그래핀-수지 복합층의 제조는 건식 또는 습식 코팅 방법 모두 사용될 수 있으며, 바람직하기로 습식 코팅 방법이 가능하다. 특히, 그래핀을 수직 방향으로 배열하기 위해서 전기 분무, 자기장 및 전기장을 인가하는 방법이 바람직하게 사용된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 그래핀-수지 복합층은 그래핀 및 바인더를 포함하는 용액을 제조한 후, 상기 용액을 금속층 상에 전기 분무하여 그래핀을 수직방향으로 배열시킨다.
그래핀은 에지를 따라 전자가 이송되는 전기적 특성이 있기 때문에, 전기 분무 공정시 인가되는 전기장의 흐름에 의해 그래핀이 금속층 상에 적층시 그래핀의 방향성을 조절할 수 있다.
전기 분무는 그래핀 용액과 바인더 용액을 혼합 사용하거나 각각 준비하고, 노즐이 구비된 전기 분무 장치를 이용하여 상기 기판 상에 바인더 용액과 그래핀 용액을 순차적으로 전기 분무 후 건조하는 단계를 거쳐 수행한다.
이때 전기 분무는 통상의 전기 분무 장치가 사용될 수 있으며, 본 발명에서 그 구성을 특별히 한정하지는 않는다. 다만, 그래핀의 수직 방향으로의 배열을 용이하게 하기 위해 일부 공정 파라미터를 한정한다. 바람직하기로, 전기 분무는 전압을 5∼50V에서 수행하고, 그래핀/바인더 용액을 주입하는 시린지를 5∼20cm의 거리로 기판과 이격하여 배치하고, 분무 유량을 0.01 ml/h∼5 ml/h에서 수행한다. 또한, 시린지의 노즐 직경이 0.005∼0.5mm인 분무 장치를 사용한다.
건조는 15∼200℃에서 수행한다.
본 발명의 다른 구현예에서는 수직 방향으로 전기 전도 특성을 갖는 그래핀의 특성을 이용한 것으로, 자기장 인가를 통한 그래핀의 수직 방향으로 배열하는 방법이다.
구체적으로, 그래핀 및 바인더를 포함하는 코팅액을 제조하고, 상기 코팅액을 금속층 상에 코팅한 다음, 이를 N극과 S극 사이에 배치하고 자기장을 인가하여 그래핀을 수직 방향으로 배열한 후 경화를 수행한다.
이때 자기장의 인가는 상-하 방향으로 자기장을 걸어 그래핀을 수직으로 배열시키며, 상기 자기장을 걸어주기 위한 수단으로는 자성체, 바람직하기로 이전에서 언급한 강자성체를 결합하여 사용한다.
바람직하기로, 상기 코팅액은 점도가 10 내지 20,000cP이고, 그래핀이 0.1 내지 50 중량% 농도로 포함되도록 한다. 또한, 자기장의 인가는 Br 10.0∼15.0 G(gauss), Hc 11∼13 KOe, BH(max) 20∼50 MGOe,및 밀도 7∼8 하에서 상-하 방향 자장 인가 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.
코팅액의 건조는 통상 15∼200℃에서 수행하며, 이 온도에서 경화 공정 또한 수행할 수 있다. 경화는 열경화 또는 광경화가 가능하며, 이때 경화 메카니즘에 따른 경화제, 촉매 등은 공지된 바의 조성을 따르며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
도 3은 실시예 2에서 제조된 그래핀-수지 복합층의 주사전자현미경 사진으로, 자기장 인가를 통해 수직 방향으로 배열된 그래핀을 보여준다.
본 발명의 다른 구현예에서는 수직 방향으로 전기 전도 특성을 갖는 그래핀의 특성을 이용한 것으로, 전기장 인가를 통한 그래핀의 수직 방향으로 배열하는 방법이다.
구체적으로, 그래핀 및 바인더를 포함하는 코팅액을 제조하고, 상기 코팅액을 금속층 상에 코팅한 다음, 양극(anode)과 음극(cathode) 사이에 배치한 후 여기에 전류을 주입하여 그래핀을 수직 방향으로 배열한 후 경화를 수행한다.
이때 전기장의 인가는 상-하 방향으로 AC 또는 DC 전류를 인가하여 그래핀을 수직으로 배열시키며, 필요한 경우 상기 코팅액에 자성체, 바람직하기로 강자성체를 결합하여 사용한다.
바람직하기로, 상기 코팅액은 점도가 10 내지 20,000cP이고, 그래핀이 0.1 내지 50 중량% 농도로 포함되도록 한다. 또한, 전기장의 인가는 0.01mA 내지 100mA를 상-하 방향 전류 인가 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.
코팅액의 건조는 통상 15∼200℃에서 수행하며, 이 온도에서 경화 공정 또한 수행할 수 있다. 경화는 열경화 또는 광경화가 가능하며, 이때 경화 메카니즘에 따른 경화제, 촉매 등은 공지된 바의 조성을 따르며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
상기 언급한 전기 분무, 자기장 및 전기장 인가를 통해 수직 배열된 그래핀을 포함하는 그래핀-수지 복합층의 제조에 사용하는 용매는 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 대표적으로, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 다이에틸렌글리콜다이메틸에테르, 다이에틸렌글리콜다이메틸에틸에테르, 메틸메톡시프로피오네이트, 에틸에톡시프로피오네이트(EEP), 에틸락테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트 (PGMEA), 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸아이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 디메틸포름아마이드 (DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), γ-부티로락톤, 다이에틸에테르, 에틸렌글리콜다이메틸에테르, 디글라임(Diglyme), 테트라하이드로퓨란(THF), 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸 에테르, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 자이렌, 헥산, 헵탄, 옥탄 등이 있으며, 이들을 각각 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 디메틸포름아마이드를 사용하였다.
상기 용매의 함량은 그래핀 1 중량부에 대하여 0.5 내지 1000 중량부의 범위로 사용할 수 있으며, 상기 언급한 농도 범위로 제조될 수 있도록 적절히 사용한다.
이때 전기 분무를 위한 조성물, 또는 자기장 및 전기장 인가를 위한 코팅액은 상기 언급한 바의 자성체, 탄소계 필러, 금속 필러, 금속 화합물 필러, 수지계 필러를 더욱 포함할 수 있고, 추가로 촉매, 경화제, 보조 경화제, 개시제, 계면활성제와 가소제, 증점제, 희석제 등과 같은 첨가제를 더욱 포함할 수 있다.
상기 언급한 바의 방법을 통해 금속층(13)에 그래핀-수지 복합층(15)을 형성한 다음, 상기 그래핀-수지 복합층(15)이 형성되지 않은 금속층(13)의 이형 필름이 형성된 점착층(11)을 부착한다. 일례로, 아크릴 수지 등의 점착성 물질을 이형 필름 상에 페이스트 상으로 얇게 코팅한 후 경화시켜 점착 시트 형태로 제조 후 금속층(13)과 합지할 수 있다.
본 발명에 따른 방열 시트는 그래핀의 구조 상 종래 2차원적으로 열전도가 일어나 방열 기능을 수행하던 것과 달리 그래핀이 수직 배열됨에 따라 3차원적(수직방향 또는 Z 방향)으로도 열전도가 향상되어 방열 기능이 요구되는 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
예를 들면, 노트북, 모바일, TV, 인쇄회로기판(PCB), LED 등 다양한 전자 제품에 적용하여 열 전달을 원활히 해줘 종래 전자 기기의 구동시 발생하는 열을 효과적으로 방출함으로써 종래 열로 인해 발생하던 기기의 오동작을 저감하고 신뢰성을 높이며 수명 또한 증가시킨다.
더욱이, 상기 방열 시트의 그래핀-수지 복합층을 제조하기 위한 전기 분무 방법은 종래 증착을 위한 고가 장비와 비교하여 비용 측면에서도 이점이 있을 뿐만 아니라 제조시간 또한 단축시킬 수 있고 상온 상압에서 공정이 가능함에 따라 대량 생산 공정에 쉽게 적용할 수 있다.
상기에서는 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.
이하 본 발명을 실시예를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 전기 분무를 통한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
먼저, 금속층으로 두께 80㎛의 알루미늄(Al) 박막을 준비하고, 상기 알루미늄(Al) 박막의 한 면에 전기 분무 공정을 통해 10㎛ 두께의 그래핀-수지 복합층을 형성하였다.
전기 분무 공정을 통한 그래핀-수지 복합층은 그래핀 0.001g을 DMF 1ml에 분산시켜 그래핀 용액을 준비하고, PEDOT 1g과 DMF 5ml을 용해시켜 바인더 용액을 준비하였다. 상기 그래핀 용액과 바인더 용액은 전기 분무 장치의 시린지에 각각 주입하였다. 기판 상에 상기 알루미늄을 장착한 후, 시린지의 니들과 기판과의 거리를 10cm로 조절한 후, 니들과 기판 사이에 20 kV의 전기장을 인가하여 증착을 수행하였다. 바인더 용액으로 기판 상에 5분 동안 증착을 수행한 다음, 그래핀 용액을 전기 분무한 후, 100℃에서 건조하여 알루미늄 박막 상에 그래핀-수지 복합층을 형성하였다.
이어, 아크릴 점착제를 그래핀-수지 복합층이 형성되지 않은 알루미늄 박막의 타측에 30㎛ 두께로 그라비아 코팅 후 경화하여 점착층을 형성하여, 아크릴 점착층/Al 박막/그래핀-수지 복합층으로 이루어진 방열 시트를 제작하였다.
실시예 2: 자기장 인가를 통한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
그래핀 0.1g, 에폭시 수지 0.7g, 경화제(Igacure 2959) 0.03g, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(희석제) 0.3g을 혼합하여 코팅액을 제조하였다. 상기 코팅액을 80㎛ 두께의 알루미늄(Al) 기판 상에 닥터 블레이드법으로 코팅하여 코팅막을 형성하였다.
코팅막이 형성된 알루미늄 기판을 자석이 상하 배치된 장치에 배치하고, Br :12.8∼14.0 G, Hc : 12∼14.9 KOe, BH(max) : 20∼40 MG.Oe, 및 밀도 : 7.58 조건으로 자장을 걸어주었다. 이에 UV로 3분 동안 조사하여 수지를 경화하였다.
이어 상기 실시예 1과 동일하게 아크릴 점착제를 이용하여 방열 시트를 제조하였다.
실시예 3: 자기장 인가를 통한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
그래핀 대신 Fe3O4 결합 그래핀을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 방열 시트를 제조하였다. 이때 그래핀의 Fe3O4의 결합은 FeCl2ㅇ4H2O 전구체 수용액에 그래핀을 첨가 후 30분 동안 교반하고, 여기에 암모니아를 첨가하여 수행하였다.
실시예 4: 전기장 인가를 통한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
그래핀 0.1g, 에폭시 수지 0.7g, 경화제(Igacure 2959) 0.03g, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(희석제) 0.3g을 혼합하여 코팅액을 제조하였다. 상기 코팅액을 80㎛ 두께의 알루미늄(Al) 기판 상에 닥터 블레이드법으로 코팅하여 코팅막을 형성하였다.
코팅막이 형성된 알루미늄 기판을 양극 및 음극이 상하 배치된 장치에 배치하고, DC 전압을 걸고 2mA 전류를 인가하였다. 이에 UV로 3분 동안 조사하여 수지를 경화하였다.
이어 상기 실시예 1과 동일하게 아크릴 점착제를 이용하여 방열 시트를 제조하였다.
비교예 1: 분무 코팅에 의한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
전기 분무 대신 분무 코팅을 수행하여 그래핀-수지 복합층을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 방열 시트를 제작하였다.
비교예 2: 단순 코팅에 의한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
자기장 인가 없이 그래핀-수지 복합층을 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하여 방열 시트를 제작하였다.
비교예 3: 그라파이트를 사용한 그래핀-수지 복합층이 형성된 방열 시트 제조
그래핀 대신 그라파이트를 사용한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하여 방열 시트를 제작하였다.
실험예 1: 방열성 평가
열원(LED 램프)이 설치된 알루미늄 샤시를 피시험체로 하여, 상기 각 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대하여 방열성을 평가하였다.　 초기 100℃로 설정된 피시험체에 상기 각 실시예 및 비교예에 따른 시편을 붙이고, 1시간 후의 피시험체 온도를 측정하였다.　그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
수직 방향의 열전도도 (W/m,K)
실시예 1 215.3
실시예 2 234.7
실시예 3 247.2
실시예 4 230.5
비교예 1 4.8
비교예 2 4.9
비교예 3 6.9
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4에서 제조한 방열 시트의 경우 단순 분무 또는 단순 코팅한 비교예 1, 2의 방열 시트에 비해 온도를 효과적으로 낮출 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 2와 비교예 3을 비교하면, 재질 면에서도 그래핀을 사용한 경우 열전도도 특성이 더욱 우수함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 방열 시트는 다양한 전자 기기 제품에 적용 가능하다.
10: 방열 시트 11: 점착층
13: 금속층 15: 그래핀-수지 복합층

Claims (13)

  1. 점착층, 및 상기 점착층 상에 형성된 그래핀-수지 복합층을 구비하고,
    상기 그래핀-수지 복합층은 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 점착층은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 고무계 수지, 폴리우레탄계 수지, 초산비닐 수지, 에폭시계 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 그래핀은 Fe3O4, Fe, Al, Cr, Mo, Na, Ti, Cu, Au, Si, Ag, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 자성체와 결합된 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수지는 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드수지, 폴리이미드, 폴리페닐렌옥사이드, 실리콘수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르수지, 폴리에테르-에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드, 불소함유중합체, 폴리염화비닐수지, PVB(폴리비닐부티랄), PVA(폴리비닐알콜), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오즈, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 그래핀-수지 복합층은 그래핀 1 중량부에 수지를 0.2 내지 10 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방열 시트는 점착층의 두께가 50nm∼0.1mm, 그래핀-수지 복합층의 두께가 0.5㎛∼0.5mm인 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  7. 제1항에 있어서, 추가로 상기 점착층과 그래핀-수지 복합층 사이에 금속층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄, 니켈, 구리, 주석, 아연, 텅스텐, 철, 은 및 이들의 조합으로 이루어진 금속; 탄산칼슘(CaCO3), 산화알루미늄(Al2O3), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 세라믹; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  9. 제1항에 있어서, 추가로 상기 점착층 및 그래핀-수지 복합층 중 어느 한 층은 탄소계 필러, 금속 필러, 금속 화합물 필러, 수지계 필러 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 열전도성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 방열 시트는 그래핀-수지 복합층과 접하지 않는 점착층 면에 이형필름이 부착된 것을 특징으로 하는 방열 시트.
  11. 층의 평면에 대해 그래핀이 수직 배열된 그래핀-수지 복합층을 준비하는 단계;
    상기 그래핀-수지 복합층 상에 점착층을 형성하는 단계를 포함하여 제조하는 제1항의 방열 시트의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 그래핀-수지 복합층은 전기 분무, 자기장 또는 전기장 인가 방식 중 어느 하나의 방법으로 그래핀을 수직 배열시키는 것을 특징으로 하는 방열 시트의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 점착층의 형성은 점착층 형성용 조성물을 그래핀-수지 복합층에 도포하거나 시트 제조 후 합지하는 것을 특징으로 하는 방열 시트의 제조방법.
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