KR20150088381A - 방열 도료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바인더 수지 100중량부에 그래핀을 1~10중량부 포함하는 방열 도료 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 방열 도료 조성물은 다른 탄소 재료를 사용한 방열 도료에 비해 방열 특성이 특히 우수하고, 기존의 표면 개질 탄소 나노튜브 등의 제조에 사용되는 복잡한 전처리가 필요 없다.

Description

방열 도료 조성물{PIGMENT COMPOSITION FOR RADIATING HEAT}

본 발명은 각종 전자 부품의 표면에 코팅 또는 부착이 가능하여 소자에서 방출되는 열을 효과적으로 방출하는 방열 도료 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 그래핀을 포함하여 우수한 방열 특성을 나타내는 방열 도료 조성물에 관한 것이다.

최근 전자제품의 고집적화 및 제품 소형화에 따라 방열문제는 매우 큰 과제로 대두되고 있다. 일반적으로, 방열을 위한 방법으로는 알루미늄이나 구리의 압출성형을 통해 표면적을 극대화한 방열판을 제조하고, 이것으로 부족할 시에는 방열구조체를 흑화처리하여 방사 효율을 향상시키거나 송풍 장치를 장착하여 공기대류로 전자소자의 냉각문제를 해결하고 있는 실정이다. 그러나, 송풍장치는 소음 문제를 발생시키고, 제품 수명을 단축시키며, 제품 가격을 상승시키고, 소형화를 불가능하게 하는 등의 많은 문제점을 나타내므로 제품적용에 한계가 있다.

따라서, 현재 LCD, PDP 등 디스플레이 관련제품에 있어서 주로 적용되는 것은 알루미늄의 표면 흑화 처리를 통해 방열판의 방사 효율을 증가시켜 냉각효율을 약 10% 향상시켜 사용하고 있다.

보다 방사 효율을 높이기 위한 시도로서, 산화아연 등의 금속계 필러를 사용하거나, 한국특허공보 10-1270932 호나 한국특허공보 10-1260462 호에서와 같이 표면이 개질된 탄소나노튜브나 흑연 등의 탄소 재료를 사용하려는 시도도 행해져 왔으나 실제 적용에는 한계가 있었다.

한국특허공보 10-1270932 호 한국특허공보 10-1260462 호

본 발명의 목적은 방열 특성이 우수한 방열 도료 조성물을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 바인더 수지 100중량부에 산소작용기를 갖는 그래핀 1~10중량부를 포함하는 방열 도료 조성물에 의해 달성된다.

본 발명의 방열 도료 조성물은 다른 탄소 재료를 사용한 방열 도료에 비해 방열 특성이 특히 우수하다.

먼저, 본 발명의 방열 도료 조성물을 이루는 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 방열 도료 조성물은 바인더 수지 100중량부에 산소 작용기를 갖는 그래핀을 1~10중량부 포함한다. 산소 작용기를 갖는 그래핀의 함량이 1중량부 미만인 경우 방열 특성을 나타내기 어렵고 10중량부를 넘어가게 되면 분산에 어려움이 있다.

본 발명에 사용되는 그래핀은 히드록실기, 카르보닐기, 카르복실기와 같은 산소 작용기를 5~10% 포함한다. 산소 작용기를 5~10% 함유하는 것에 의해 용매에 잘 분산되는 분산 특성이 향상된다.

산소 작용기를 가지고 있는 그래핀 옥사이드는 아미드화 반응, 에스테르화 반응 등을 통해 유기 분자들과 공유결합을 함으로써 그래핀 표면이 개질되어 방열재료에 적합한 상태가 된다.

바인더 수지는 아크릴 수지, 에폭시수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등을 사용할 수 있고, 둘 이상의 수지를 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.

제조시에는 용매를 사용하여 제조하게 되는데, 예를 들어 용매에 바인더 수지를 녹이고 여기에 고속 회전 믹서를 사용하여 그래핀을 분산시키거나, 먼저 수지를 가열하여 녹인 다음 니더를 사용하여 그래핀을 수지에 물리적으로 혼입시킨 다음 용매에 녹여 믹서를 사용하여 혼합하여도 좋다.

용매로는 톨루엔, 크실렌, n-부틸아세테이트, 이소부틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-부틸알콜, 이소부틸알콜, 메틸이소부틸케톤, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합용매를 사용할 수 있다.

용매와 바인더 수지는 중량비로 50~80: 50~20의 비율로 혼합된다. 용매의 양이 적으면 점도가 지나치게 높아 도포에 어려움이 있고, 용매 양이 너무 적으면 점도가 낮아 잘 흘러내리는 등의 부작용이 있다.

본 발명의 방열 도료 조성물에는 내열성 첨가제를 부가할 수 있는데, 상기 내열성 첨가제는 내열성을 향상시키기 위해 사용되는 것으로, 금속산화물, 금속 질화물 혹은 금속수산화물 혹은 금속암모늄 화합물을 포함한다. 내열성 첨가제는 바인더 수지 100중량부에 대해 0.1 ~ 10 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 0.1 중량부 미만으로 사용하는 경우는 내열성 및 방열성이 미미하고, 10 중량부를 초과하는 경우는 내열성 및 방열효과의 상승이 미미하여 원가 상승을 초래한다.

보다 구체적으로 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화베릴륨, 산화지르코늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 산화아연, 산화규소, 산화철, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화실리콘, 질화티타늄, 질화지르코늄, 질화하프늄, 및 질화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 단독 분말 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 상기 금속산화물을 사용함으로써, 방열도료 조성물을 기재면에 도포 시 금속산화물에 의해 열 전도성 증가와 내열성이 향상되어 방열성이 더욱 향상된다.

본 발명의 방열 재료에는 특히 바람직한 첨가제는, 질화알루미늄 또는 질화붕소, 또는 이들의 혼합물이고, 가장 바람직하게는 중량비로 질화붕소 1 에 대해 질화알루미늄 2의 비율로 부가된다. 질화알루미늄은 10~20마이크로미터의 입도를 갖는 것이 바람직하고 질화붕소는 5~10마이크로미터의 입도를 갖는 것이 바람직하다.

또, 산화알루미늄을 함께 사용하는 것이 더욱 바람직한데, 구상형태의 물질로 내열성 향상뿐만이 아니라 그래핀과 다른 첨가제의 분산성도 향상시켜준다.

이하 본 발명을 실시예를 사용하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

아크릴 수지 100g, 에폭시 수지 100g을 크실렌 400g, 에틸아세테이트 200g, 이소부틸알콜 200gdml 혼합용매에 용해시킨 다음, 그래핀 50g을 넣고 고속믹서기를 사용하여 교반하여 균일하게 혼합하였다. 여기에 10~20㎛ 크기의 질화알루미늄 10g, 5~10㎛ 크기의 질화붕소 5g, 산화알루미늄 5g을 넣고 계속 교반하였다. 이 도료 조성물을 이용하여 철로 이루어진 강판((주)포스코사제조)의 전면 및 후면에 20 ~ 30㎛ 두께로 코팅하였다. 코팅된 강판 위에 LED를 장착한 후, 시간 경과에 따른 온도변화를 측정하였다.

비교예 1

아크릴 수지 100g, 에폭시 수지 100g을 크실렌 400g, 에틸아세테이트 200g, 이소부틸알콜 200gdml 혼합용매에 용해시킨 다음, 탄소나노튜브 50g을 넣고 고속믹서기를 사용하여 교반하여 균일하게 혼합하였다. 여기에 10~20㎛ 크기의 질화알루미늄 10g, 5~10㎛ 크기의 질화붕소 5g, 산화알루미늄 5g을 넣고 계속 교반하였다. 이 도료 조성물을 이용하여 철로 이루어진 강판((주)포스코사제조)의 전면 및 후면에 20 ~ 30㎛ 두께로 코팅하였다. 코팅된 강판 위에 LED를 장착한 후, 시간 경과에 따른 온도변화를 측정하였다.

비교예 2

아크릴 수지 100g, 에폭시 수지 100g을 크실렌 400g, 에틸아세테이트 200g, 이소부틸알콜 200gdml 혼합용매에 용해시킨 다음, 흑연 분말 50g을 넣고 고속믹서기를 사용하여 교반하여 균일하게 혼합하였다. 여기에 10~20㎛ 크기의 질화알루미늄 10g, 5~10㎛ 크기의 질화붕소 5g, 산화알루미늄 5g을 넣고 계속 교반하였다. 이 도료 조성물을 이용하여 철로 이루어진 강판((주)포스코사제조)의 전면 및 후면에 20 ~ 30㎛ 두께로 코팅하였다. 코팅된 강판 위에 LED를 장착한 후, 시간 경과에 따른 온도변화를 측정하였다.

비교예 3

아크릴 수지 100g, 에폭시 수지 100g을 크실렌 400g, 에틸아세테이트 200g, 이소부틸알콜 200g을 혼합용매에 용해시킨 다음, 고속믹서기를 사용하여 교반하여 균일하게 혼합하였다. 이 도료 조성물을 이용하여 철로 이루어진 강판((주)포스코사제조)의 전면 및 후면에 20 ~ 30㎛ 두께로 코팅하였다. 코팅된 강판 위에 LED를 장착한 후, 시간 경과에 따른 온도변화를 측정하였다.

실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 방열 도료가 강판 위에 LED를 장착한 후, 전, 후면의 열 방출 값을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

	전면	후면
실시예 1	62.0	63.1
비교예 1	67.2	68.5
비교예 2	78.3	78.9
비교예 3	84.5	86.6

상기 표 1을 보면, 본 발명의 방열 도료가 코팅된 실시예 1의 경우 평균 온도가 62.5℃로서, 방열 도료가 코팅되지 않은 비교예 3의 평균온도 85.5℃와 비교하여 약 23℃ 정도 낮은 온도를 나타내었다. 이는 본 발명의 도료 조성물이 우수한 방열 특성을 나타낸다는 것을 의미한다. 또한 기존의 탄소재료인 탄소나노튜브나 일반 흑연을 사용한 경우보다 훨씬 우수한 방열 특성을 나타낸다.

본 발명에 따른 방열도료 조성물은 LED 램프, 전자칩, 열교환기, 반도체 장비, 응축기, 증발기, 히터, 디스플레이 장치, 모니터, 보일러배관, 통신장비, 엔진, 모터, 배터리, 하우징 재료, 전극재료, 섬유제조 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

보다 구체적으로, LED lamp, 전자 칩(CPU 또는 GPU)의 고온 부분, 전자부품의 개선된 열전달 성과로 microchannel 열교환기, 반도체 장비(microprocessor, CPU, GPU)의 냉각, 냉장고의 응축기와 증발기, 히터 에어컨 응축기와 증발기, 히터 산업용 열교환기, TV(LCD, PDP, LED) 또는 컴퓨터 모니터, 라디에이터나 보일러 배관, 통신장비, 국방 분야 및 자동차(엔진), 기계 장치(모터), 광원, 컴팩트한 고전력 LED, 반도체 Chip용 방열시스템, 네크워크 서버(network server), 게임기, 반도체 칩, 반도체 패키지, 배터리, 가전제품, 대전방지 소재, 정전분산소재, 전도성 소재, 전자파 차폐재료, 전자파 흡수재, RF(Radio Frequency) 흡수재, 태양전지용 재료, 연료감응용 전지(DSSC)용 전극재료, 전기소자 재료, 전자소자 재료, 반도체소자 재료, 광전소자 재료, 노트북 부품 재료, 컴퓨터 부품 재료, 핸드폰 부품 재료, PDA 부품 재료, PSP 부품 재료, 게임기용 부품 재료, 투명전극 재료, 불투명 전극 재료, 전계방출 디스플레이 (FED; Field Emission Display)재료, BLU(Back LightUnit)재료, 액정표시장치(LCD; Liquid Crystal Display) 재료, 플라즈마표시패널(PDP; Plasma Display Panel)재료, 발광다이오드(LED; Luminescent Diode) 재료, 터치패널 재료, 전광판 재료, 광고판 재료, 디스플레이 소재, 발열체, 방열체, 도금 재료, 촉매, 조촉매, 산화제, 환원제, 자동차 부품 재료, 자동차 head lamp를 포함하는 lamp 방열 시스템, 선박 부품 재료, 항공기기 부품 재료, 보호테이프 재료, 접착제 재료, 트레이 재료, 클린룸 재료, 운송 기기 부품 재료, 난연 소재, 항균 소재, 금속 복합 재료, 비철 금속 복합재료, 의료 기기용 재료, 건축 재료, 바닥재 재료, 벽지 재료, 광원 부품 재료, 램프 재료, 광학기기 부품 재료, 섬유제조용 재료, 의류제조용 재료, 전기제품용 재료, 전자제품제조용 재료, 이차전지용 양극활물질, 이차전지용 음극 활물질, 이차전지재료, 연료전지재료, 태양전지재료, 메모리 소자 및 캐패시터(P-ED<C) 재료 등에 적용할 수 있다.

Claims (8)

1. 바인더 수지 100중량부에 5~10%의 산소 작용기를 함유하는 그래핀 1 내지 10중량부 포함하는 방열 도료 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 바인더 수지는 아크릴 수지, 에폭시수지, 우레탄 수지, 및 실리콘 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 내열성 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 내열성 첨가제는 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화베릴륨, 산화지르코늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 산화아연, 산화규소, 산화철, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화실리콘, 질화티타늄, 질화지르코늄, 질화하프늄, 및 질화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 산화물 또는 질화물인 것을 를 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
5. 제 5항에 있어서, 상기 내열성 첨가제는 질화붕소, 질화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
6. 제 6항에 있어서, 상기 내열성 첨가제는 산화알루미늄 구상 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
7. 용매에 바인더 수지를 녹이고 여기에 고속 회전 믹서를 사용하여 그래핀을 분산시키거나, 먼저 수지를 가열하여 녹인 다음 니더를 사용하여 그래핀을 수지에 물리적으로 혼입시킨 다음 용매에 녹여 믹서를 사용하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 용매와 바인더는 중량비로 용매와 바인더 수지는 중량비로 50~80: 50~20의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물의 제조방법.