KR20150096050A - 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트 - Google Patents

세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 점착층 및 상기 점착층 상부에 형성된 다기능성 복합수지층으로 이루어지며, 상기 다기능성 복합수지층이 세라믹-탄소복합체 및 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트를 제공한다.
상기 시트는 열 확산 기능, 전기 절연, 전자파 차폐 기능을 모두 구현할 수 있으므로, 기존 시트를 구성하던 다층의 기능층의 수를 단 1개로 줄여서 두께를 획기적으로 감소시키고 제조 공정을 간소화 시킬 수 있다

Description

세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트{Funtional thermal diffusion sheet having ceramic-carbon composite}
본 발명은 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 방열층, 열전도층 또는 열확산층 등의 다층구조를 세라믹-탄소복합체를 이용하여 단일층으로 형성하여, 고주파 방사 노이즈에 대한 전자파 차폐 및 정전기로부터 회로를 보호하고, 발열체(heat emitting bodies)인 반도체 소자, 디스플레이 발광 소자 또는 각종 전자 부품으로부터 발생되는 열을 방출시킬 수 있는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트에 관한 것이다.
근래의 스마트 폰, 디스플레이, 휴대 컴퓨터 등의 전자 기기 분야에 있어서 고성능화, 소형화에 관한 시장요구는 CPU(중앙처리장치, central processing units), IC(집적회로, integrated circuits)와 같은 전자 부품의 기술 개발을 가속시켜서 소비전력 밀도와 발열량의 증대를 가져왔다. 현재의 기술 개발은 저소비전력화가 성능고속화를 따라 잡지 못하는 상황에 있다. 고방열 재료, 저전력 디바이스, 전자기기용 열유체 해석 소프트웨어 등이 주된 열 문제 대책으로 이슈가 되고 있다.
전자 부품 내에 열이 축적되면, 상기 전자부품 내의 처리성능이 감소하고, 상기 전자부품이 손상되기 쉬워진다. 고압발생부에서는 전기 쇼트를 일으키는 등의 문제를 일으키며 제품의 수명을 단축시킬 수 있고, 제품의 고장, 오작동을 유발하여 상기 제품의 신뢰성을 떨어뜨린다. 심한 경우 폭발 및 화재의 원인을 제공하기도 한다. 더불어 제품 표면의 온도의 상승은 상기 전자기기 사용자에게 불쾌함을 준다.
또한, 최근 전자통신기기의 사용이 급격히 늘어남에 따라 전자파의 폐해에 대한 우려와 관심이 높아지고 전자파가 인체에 부정적인 영향을 미치는 연구결과가 속속 발표 되면서 업계에서도 국민건강보호를 위하여 전자파 차폐 기술의 개발에 박차를 가하고 있다.
일반적으로 상기와 같은 첨단 디지털 제품의 열전도 및 열방사 방법으로써 CPU 또는 반도체 등의 발열소자에는 히트싱크(heat sink)를 적용하고, 디스플레이 백라이트(back light unit) 및 배터리 등의 발열이 일어나는 부위에는 열전도시트, 열확산시트 등을 적용하여 상기 전기 부품들에서 발생되는 열을 전도 및 방사시키는 기능을 구현한다.
이에 종래에는 열을 효율적으로 제거하기 위한 방법으로 열전도성이 뛰어난 구리(열전도도 350 내지400 W/mK), 알루미늄(열전도도 220 내지 250 /mK)등의 금속을 사용해 왔다. 그러나 구리나 알루미늄 같은 금속으로 제조된 시트는 열전도에 있어서 등방성을 구현함으로 인하여 수직방향(through plane)의 열전도는 우수하지만, 수평방향(in plane)으로 열전도는 효과적으로 구현하지 못하는 문제점이 있다.
최근에는 전자 제품들이 얇아지면서 열전도가 빠르게 이루어지도록 하기 위하여 수평열전도가 높은 열확산시트가 요구되고 있다. 그에 따라 수평방향으로 열전도가 우수한 흑연(열전도도 400 내지 1500 W/mK)을 이용한 시트가 사용되고 있다. 하지만 종래에 흑연을 이용한 열 확산 시트는 우수한 열전도성과 전기 전도성을 모두 가지고 있기에, 상기 시트를 사용할 경우 열 발생에 따른 기기의 오동작 및 손실은 절감시킬 수 있으나, 일정 전압 이상의 내전압이 가해질 경우 전기 절연성에 있어서 문제가 발생한다. 더불어 도전성을 발휘하지 않는 것이 바람직한 경우에 있어서 절연대책이 반드시 필요하다.
상기 열 확산 시트의 문제점을 해결하기 위한 시트 형태의 종래 기술로서 공개특허 제 2008-0076761호에서는 고분자 및 열전도성 충진제를 포함하는 조성물에 의하여 형성된 열전도층; 상기 열전도층의 표면에 제공되고 금속재료에 의하여 형성된 열확산층; 상기 열확산층의 표면에 제공되고 전기절연성 재료에 의하여 형성된 단열층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열확산시트를 제안 한다.
또한 등록특허 제 10-1235541호에서는 열전도성 성질을 가지는 무기계 물질로 이루어진 열방사 및 열확산층, 금속박으로 이루어진 전자파 차폐 기능 층 및 고분자 탄성 쿠션층을 포함하는 복합기능 박막시트 제안한다.
그리고 공개특허 10-2007-0003629호에서는 흑연을 이용한 방열층; 전기절연성을 구현하는 베리어층; 충격을 흡수하는 탄성층을 구비하고 있는 열확산시트를 제안한다.
위의 세 가지 기술 모두 열확산 기능, 전기 절연 기능, 전자파 차폐 기능 등을 구현하기 위하여 각각의 기능을 가진 층을 적층하여 열확산시트를 구성하고 있으며, 다층구조로 제작이 되었기에 그 구조와 제조 절차가 복잡하며 열확산시트 제품의 두께가 필요이상으로 두꺼워지는 기술적 한계를 가지고 있다.
열확산시트의 두께감소와 경량화, 그리고 제조절차의 간소화를 위한 측면에서 보았을 때, 보다 적은 수의 층에서 다양한 기능을 구현하는 것이 요구되고 있으나, 현재까지 적절한 방안이 제시되지 못하고 있다.
본 발명은, 용이하게 단일층으로 제조되어 열확산기능, 전기절연성, 및 전자파 차폐기능을 갖는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 점착층과 상기 점착층의 상부에 형성된 다기능성 복합수지층으로 이루어지며, 상기 다기능성 복합수지층이 세라믹-탄소복합체 및 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트를 제공한다.
또한 상기 열확산시트는 점착층 하부에 종이 또는 폴리머 필름을 포함하는 이형지층을 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 세라믹-탄소복합체는 10 nm 내지 1000 ㎛의 평균 직경을 지닌 하기 탄소체(A)와, 상기 탄소체(A) 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(B)와, 상기 작용기나 커플링제(B)를 매개로 탄소체(A)에 결합, 코팅되어 있는 하기 세라믹(C)을 포함할 수 있다.
A: 흑연(Graphite), 팽창가능흑연(Expandable Graphite), 팽창흑연(Expanded Graphite), 그래핀(Graphene), 카본파이버(Carbon fiber), 카본 나노 파이버(Carbon Nano Fiber) 및 카본나노튜브(CNTs)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄소체,
B: 하이드록시기, 카르복실기, 실란 커플링제, 지르코니아 커플링제, 타이터네이트 커플링제 및 N-알킬이나 N,N-디알킬아미드기를 가지는 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 작용기나 커플링제,`
C: 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2) 및 실리카(SiO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹.
상기 다기능성 복합수지층은, 열전도도가 2.0 내지 500 W/mK이고, 전기저항도가 108 내지 1018 ohm/sq이며, 전자파 차폐기능을 가질 수 있다.
상기 세라믹-탄소복합체는 평균 장축경의 길이가 0.01 내지 500 ㎛이고, 구형, 봉형, 바늘형, 면형, 적층된 면형, 방추형 또는 섬유상형으로 형성될 수 있다.
상기 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아미드, 에폭시계, 아크릴계, 실리콘계, 우레탄계, 열가소성 우레탄계 및 열가소성 에테르 에스터계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 다기능 복합수지층 총 100중량부에 대하여 세라믹-탄소복합체 10 내지 98 중량부를 포함할 수 있다.
상기 점착층은 에폭시계, 아크릴계 및 실리콘계로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이형지층은 종이 또는 폴리머 필름으로 일면에 코팅된 폴리에틸렌 수지층과, 상기 폴리에틸렌 수지층 상에 코팅된 실리콘 수지층 또는 불소수지층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트는 세라믹-탄소복합체를 함유한 복합수지층을 구비하여, 열 확산 기능, 전기 절연, 전자파 차폐 기능을 모두 구현할 수 있으므로, 기존 시트를 구성하던 다층의 기능층의 수를 단 1개로 줄여서 두께를 획기적으로 감소시키고 제조 공정을 간소화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트의 구성도이다.
본 발명자는 열확산기능 및 전자파 차폐기능을 갖는 열확산 시트를 제조하기 하고자 연구 노력한 결과 열전도도가 우수한 흑연에 세라믹을 코팅하여 열전도성 및 전기절연성을 동시에 지니는 세라믹-탄소복합체를 제조하고, 다시 수지를 혼합하여 다기능성 복합수지층을 제조하였다. 제조된 다기능성 복합수지층에 롤(Roll)압착법을 이용하여 점착층을 형성하고, 그 하부에 박리가 용이한 이형지층을 상기 압착법을 이용하여 부착하여, 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트를 완성하였다.
세라믹-탄소복합체는 나노미터에서 수백 마이크로의 탄소체와 탄소체 표면에 화학적으로 결합하거나 물리적으로 흡착할 수 있는 작용기 또는 커플링제를 도입한 이후에 상기 작용기 또는 커플링제를 매개로 세라믹 전구체와 반응시켜 졸겔법으로 탄소체 표면에 세라믹을 코팅하는 방법으로 제조하였고, 다시 수지층을 혼합하여 복합수지층을 제조하였다.
상기 세라믹-탄소복합체를 함유한 복합수지층은 108 내지 1018 ohm/sq의 전기저항을 갖는 것을 확인하였으며, 전자파 차폐기능을 가지고 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
복합수지층에 점착층과 이형지층을 롤압착법으로 부착하여 테입 형태의 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트 제조하였다, 또한 이형지층 없이 점착층만 부착된 복합수지층을 감아서 롤형 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트도 제조하였다.
상기 점착층은 에폭시계, 아크릴계 및 실리콘계로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이형지층은 종이 또는 폴리머 필름으로 일면에 코팅된 폴리에틸렌 수지층과, 상기 폴리에틸렌 수지층 상에 코팅된 실리콘 수지층 또는 불소수지층을 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 따른 구체적 실시예와 비교예를 통하여 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예 의해에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
상온에서 100g의 에탄올에 Poly(N-vinylpyrrolidone; PVP) 1 g을 도입하여 녹인 후, 흑연 1 g을 넣고 1시간 교반 한 후 필터과정과 건조과정을 거쳐 표면 처리된 흑연을 얻었다. PVP로 표면 처리된 흑연 0.8 g을 90 g의 에탄올에 넣고 pH 11.1이 되도록 암모니아수용액을 첨가하였다. 이후 상온과 질소 분위기에서 0.8 g의 TEOS(Tetraethy Orthosilicate)를 넣고 12시간 동안 교반한 후 필터과정과 건조과정을 거쳐 세라믹-탄소복합체(실리카-흑연 복합체)를 제조하였다. 상기 방법을 통하여 준비한 세라믹-탄소복합체를 폴리바이닐계 수지와 배합하여 복합수지층을 제조하고 그 하부에 아크릴계 점착층과 폴리에틸렌계 이형지층을 롤압착법을 이용하여 부착하여 도 1과 같은 구조의 열확산시트를 제조하였다.
<비교예 1>
순수한 흑연과 수지를 배합한 기능 수지층 및 접착층을 이용한 그래프트테크(Graftech) 사의 제품을 준비하였다.
< 비교예 2>
Pyrolytic Graphite Sheet (PGS)층과 타 수지층 그리고 접착층을 이용한 (파나소닉(Panassonic)사 제품을 준비하였다.
<비교예 3>
황산 및 질산의 인터케런트(intercalant)로 처리한 흑연을 수지와 배합한 기능 수지층 및 접착층을 이용한 어드밴스드 에너지 테크놀로지(Advanced energy technology)사의 제품을 준비하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1에 따라 제조된 열확산시트와 비교예 1 내지 3의 샘플을 미국재료시험학회 기준(ASTM E 1461)에 따라 열전도도를 측정하였다.
측정된 결과를 표 1에 나타내었다.
<실험예 2>
상기 실시예 1에 따라 제조된 열확산시트와 비교예 1 내지 3의 샘플을 미국재료시험학회 기준(ASTM D 257)에 따라 전기저항을 측정하였다.
측정된 결과를 표 1에 나타내었다.
<실험예 3>
상기 실시예 1에 따라 제조된 열확산시트와 비교예 1 내지 3의 샘플을 미국재료시험학회 기준(ASTM D 4935)에 따라 전자파 차폐 성능을 측정하였다.
측정된 결과를 표 1에 나타내었다.
기능층필러 열전도도
In-Plane
(W/mK)		 열전도도
Through-Plane
(W/mK)		 전기
면저항
(ohm/sq)		 전자파
차폐 정도
(A/B/C)
실시예 1 실리카-흑연 복합체 350 3.3 1013 B
비교예 1 흑연 400 4.5 103 B
비교예 2 Pyrolytic Graphite 500 4.7 102 B
비교예 3 산처리 흑연 280 7 104 B
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예1, 비교예1 내지 3의 열전도도 수치를 비교해 보면, 본 발명의 세라믹-흑연 복합체 기능층은 상기 비교예1, 2에 비하여 열전도도가 수평방향(In-Plane)은 70 ~ 90 % 수준이고, 수직방향(Through-Plane)은 70 ~ 75 % 수준으로 상대적으로 조금 낮은 것을 알 수 있다. 반면 비교예 3에 비하여 수평방향은 120 %로 조금 높고, 수직방향은 50 % 수준으로 낮은 것을 알 수 있다. 이는 인터카레이트된 그래파이트 (intercalanted graphite) 입자의 팽창으로 인한 영향이다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예1, 비교예 1 내지 3의 전기 면저항 수치를 비교해 보면, 본 발명의 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트는 상기 비교예 1 내지 3에 비하여 높은 전기 절연성을 구현하는 것을 알 수 있다. 비교예 1내지 3은 102 ~ 104 ohm/sq.로 흑연과 수지로 구성된 복합체의 전기면저항 수준인 것을 알 수 있다. 상기 비교예들에 비하여 실시예는 1013 ohm/sq.수준으로 완전한 전기 절연성을 구현한다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 전자파 차폐 수준을 비교해 보면, 본 발명의 세라믹-탄소복합체 함유 다기능는성 열확산시트와 상기 비교예1 내지 3은 흑연을 기반으로 한 소재로 전자파 차폐 수준이 B로 전자파 차폐에 관하여 준수한 수준인 것으로 판단된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트
200 : 테입형 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트
10 : 다기능성 복합수지층
20 : 점착층
30 : 이형지층

Claims (9)

  1. 점착층 및 상기 점착층 상부에 다기능성 복합수지층으로 형성되며, 상기 다기능성 복합수지층이 세라믹-탄소복합체 및 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열확산시트는 점착층 하부에 종이 또는 폴리머 필름을 포함하는 이형지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 세라믹-탄소복합체는 10 nm 내지 1000 ㎛의 평균 직경을 지닌 하기 탄소체(A)와, 상기 탄소체(A) 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(B)와, 상기 작용기나 커플링제(B)를 매개로 탄소체(A)에 결합, 코팅되어 있는 하기 세라믹(C)을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트:
    A: 흑연(Graphite), 팽창가능흑연(Expandable Graphite), 팽창흑연(Expanded Graphite), 그래핀(Graphene), 카본파이버(Carbon fiber), 카본 나노 파이버(Carbon Nano Fiber) 및 카본나노튜브(CNTs)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄소체,
    B: 하이드록시기, 카르복실기, 실란 커플링제, 지르코니아 커플링제, 타이터네이트 커플링제 및 N-알킬이나 N,N-디알킬아미드기를 가지는 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 작용기나 커플링제,
    C: 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2) 및 실리카(SiO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 다기능성 복합수지층은, 열전도도가 2.0 내지 500 W/mK이고, 전기저항도가 108 내지 1018 ohm/sq이며, 전자파 차폐기능을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 세라믹-탄소복합체는 평균 장축경의 길이가 0.01 내지 500 ㎛이고, 구형, 봉형, 바늘형, 면형, 적층된 면형, 방추형 또는 섬유상형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아미드, 에폭시계, 아크릴계, 실리콘계, 우레탄계, 열가소성 우레탄계 및 열가소성 에테르 에스터계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 다기능 복합수지층 총 100중량부에 대하여 세라믹-탄소복합체 10 내지 98 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 점착층은 에폭시계, 아크릴계 및 실리콘계로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 이형지층은 종이 또는 폴리머 필름으로 일면에 코팅된 폴리에틸렌 수지층과, 상기 폴리에틸렌 수지층 상에 코팅된 실리콘 수지층 또는 불소수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-탄소복합체 함유 다기능성 열확산시트.
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