KR20150104510A - 높은 열 전도율을 갖는 방열 시트 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

그라파이트 미립자 중에 균일하게 분산된 카본 블랙을 포함하며, 그라파이트 미립자/카본 블랙의 질량비가 75/25 내지 95/5이고, 1.9 g/cm3 이상의 밀도를 가지며 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는 방열 시트가 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 유기 용매 중의 분산물을 받침대의 표면에 도포한 후 건조하는 공정을 여러 번 반복하여 수지 함유 복합 시트를 형성하고, 얻어진 수지 함유 복합 시트를 소성함으로써 유기 바인더를 제거하고, 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 프레스에 의해 치밀화함으로써 얻어진다.

Description

높은 열 전도율을 갖는 방열 시트 및 그의 제조 방법{HEAT-DISSIPATING SHEET HAVING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY AND ITS PRODUCTION METHOD}
본 발명은 노트북, 스마트폰, 휴대전화 등의 소형 전자 기기의 전자 부품 등에서 발생하는 열을 효과적으로 방열하기 위한 높은 열 전도율을 갖는 방열 시트 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
고성능화 및 다기능화가 일어나고 있는 노트북, 스마트폰, 휴대 전화 등의 소형 전자 장치는 마이크로프로세서, 이미징 칩, 메모리 등의 전자 부품을 조밀하게 설치해야 한다. 따라서, 그로 인해 발생하는 열에 의한 오작동을 방지하기 위해, 그러한 전자 부품로부터 발생되는 열의 방열이 점차 중요해지고 있다.
전자 부품용 방열 시트로서, JP2006-306068A는 적어도 그라파이트 필름과 접착성 수지 조성물을 포함하고, 접착성 수지 조성물이 반응 경화형 비닐계 중합체인 열전도 시트를 개시하고 있다. 상기 그라파이트 필름은 (a) 팽창법에 의해 제작된 팽창 그라파이트 또는 (b) 폴리이미드 필름 등을 2400 ℃ 이상의 온도에서 열처리하여 얻은 것이다. 팽창 그라파이트 필름은 그라파이트를 황산 등의 산에 침지하여 그라파이트 층간 화합물을 형성하고 상기 그라파이트 층간 화합물을 열처리에 의해 발포시켜 그라파이트 층간을 분리하여 얻어진 그라파이트 분말을 세척하여 산을 제거하고, 얻어진 박막 형태의 그라파이트 분말을 롤 압연함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 상기 팽창 그라파이트 필름은 강도가 불충분하다. 또한 폴리이미드 필름 등의 열처리에 의해 얻은 그라파이트 필름은 높은 방열성에도 불구하고 불리하게도 고가이다.
JP2012-211259A는 그라파이트 조각을 포함하는 열전도 시트로서, 상기 그라파이트 조각은 열분해 그라파이트 시트를 가늘고 길게 절단하여 얻어진 복수의 제1 그라파이트 조각과 제1 그라파이트 조각의 너비보다 작은 제2 그라파이트 조각을 포함하고, 적어도 제1 그라파이트 조각이 열전도 시트의 양 표면을 연결하는 열전도 시트를 개시하고 있다. 이 열전도 시트는, 예를 들면 아크릴 폴리머 및 용매의 혼합물에 제 1 및 제 2 그라파이트 조각을 블렌딩하고 얻어진 블렌드를 압출함으로써 얻어진다. 그러나 압출된 열전도 시트에서는 수지의 부피 분율이 크기 때문에 충분한 방열을 얻을 수 없다.
JP2006-86271A는 그라파이트, 유리 전이 온도가 -50 ℃ 내지 + 50 ℃인 무정형 코폴리에스테르와 같은 유기 바인더에 의해 결합된 그라파이트를 포함하며, 상기 그라파이트/유기 바인더의 질량비가 66.7/33.3 내지 95/5이고, 시트 두께가 50 내지 150μm 인 방열 시트를 개시하고 있다. 이 방열 시트는 유기 용매 중의 유기 바인더와 그라파이트의 슬러리를 이형제가 코팅된 필름의 이형층 상에 도포하고, 열풍에 의해 슬러리를 건조하여 유기 용매를 제거한 후, 예를 들어 30 kg/cm2에서 그것을 프레싱하여 제조하고 있다. JP2006-86271A는 그라파이트/유기 바인더 시트의 프레싱이 열 전도율을 향상시킨다고 설명하고 있다. JP2006-86271A에서는, 그라파이트 및 유기 바인더의 유기 용매 중의 슬러리를 1회 공정에 의해 도포한다. 그러나, 1회 공정에 의한 전체 슬러리의 도포는 그라파이트의 비균일한 분포를 야기한다. 또한, 유기 바인더에 대한 그라파이트의 질량비가 실시예에서 그다지 높지 않기 때문에(실시예 1에서 80/20, 실시예 2에서 89/11), 그라파이트 고유의 높은 열 전도율을 충분히 나타내지 못한다.
JP11-1621A는 고배향 그라파이트 플레이크와 압축 하에서 중합시킨 바인더 폴리머를 포함하는 높은 열 전도율을 갖는 방열체용 고체 복합 재료를 개시하고 있다. 이 고체 복합 재료는 그라파이트 플레이크를 에폭시 수지와 같은 열경화성 모노머와 혼합하여 적어도 40 부피%의 그라파이트를 포함하는 조성물을 제조하고 그라파이트가 거의 평행하게 정렬하는데 충분한 압력 하에서 조성물을 압축하면서 모노머를 중합시킴으로써 제조된다. JP11-1621A는 상기 복합 재료 중의 그라파이트의 부피 분율이 40% 내지 95%일 수 있으나, 바람직하게는 55 내지 85%인 것으로 기재하고 있다. 그러나, 95%의 고농도로 그라파이트 플레이트를 함유하는 에폭시 수지 중에서 그라파이트 플레이크의 분포는 불균일하다. 따라서, JP11-1621A는 부피 분율 60%의 그라파이트 플레이트에서의 실험 결과만을 개시한다.
JP2012-136575A는 폴리아미드, 아크릴 수지 등으로 이루어지는 평균 입경이 약 0.1 내지 100μm인 유기 입자와 평균 입경이 약 10 nm 내지 약 10μm인 전도성 무기 필러와 에폭시 수지 등의 경화 수지를 포함하고, 유기 입자/무기 필러가 1000/1 내지 10/1이며, 무기 필러의 비율이 전체 양을 기준으로 5 내지 30 중량%인 전도성 방열 시트를 개시하고 있다. JP2012-136575A는 무기 필러로서 그라파이트, 코크스, 카본 블랙 등을 예시하고 있지만, 카본 블랙만이 오로지 실시예에서 사용되고 있다. 그러나, 전도성 카본 블랙의 퍼센테이지가 5 내지 30 중량%로 적어 JP2012-136575A의 전도성 방열 시트는 충분한 방열을 갖지 않는다.
상기와 같이, 적은 비율의 그라파이트 또는 카본 블랙을 함유하는 종래의 방열 시트는 그라파이트 또는 카본 블랙의 균일한 분포에도 불구하고 충분한 방열 성능을 발휘할 수 없다. 그라파이트 또는 카본 블랙의 비율이 높을수록 열 전도율을 향상시키는 반면, 시트 강도가 저하되고, 특히 방열 시트에서 그라파이트 또는 카본 블랙이 탈락하기 쉬워지는 문제가 생긴다.
또한, 높은 비율의 그라파이트는 특히 불균일한 분포를 야기하는 것으로 밝혀졌다. 산업적으로 생산된 방열 시트는 대개 소정의 형상과 크기로 잘린 후 소형 전자 기기에 배치되기 때문에, 그라파이트의 불균일한 분포는 성능에서의 불균질성을 갖는 잘린 방열 시트들을 제공하게 된다.
따라서, 균일하고 높은 방열성을 갖는 동시에 핸들링에 필요한 기계적 특성을 갖는 저렴한 방열 시트가 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 균일하고, 높은 방열성을 갖는 동시에 핸들링에 필요한 기계적 특성을 갖는 저렴한 방열 시트 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 고려한 집중 연구의 결과, 본 발명자는 (a) 그라파이트 미립자에 균일하게 분산된 소량의 카본 블랙을 포함하는 방열 시트가 높은 열 전도율을 갖는 동시에 핸들링에 충분한 기계적 특성을 가지고 있고, 또한 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락이 거의 없는 점, 및 (b) 이러한 방열 시트는 소량의 유기 바인더 중에 분산시킨 그라파이트 미립자 및 카본 블랙을 포함하는 시트를 형성한 후, 상기 시트를 소성하여 유기 바인더를 제거하고, 얻어진 그라파이트 및 카본 블랙의 복합 시트를 치밀화를 위해 프레스함으로써 얻을 수 있다는 점을 발견하였다. 본 발명은 그러한 발견에 근거하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 방열 시트는 그라파이트 미립자 중에 카본 블랙이 균일하게 분산된 구조를 가지며,
그라파이트 미립자/카본 블랙의 질량비가 75/25 내지 95/5이고;
상기 방열 시트는 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 복합 시트를 소성 및 프레스함으로써 얻어지는 것으로, 1.9 g/cm3 이상의 밀도를 가지며 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 가진다.
상기 방열 시트는 바람직하게는 25 내지 150μm의 두께를 갖는다.
상기 그라파이트 미립자는 바람직하게는 3 내지 150μm의 평균 직경 및 200 nm 이상의 평균 두께를 갖는다.
상기 카본 블랙은 바람직하게는 20 내지 200 nm의 평균 일차 입자 크기를 갖는다.
상기 방열 시트는 바람직하게는 절연성 수지층 또는 절연성 플라스틱 필름으로 코팅되어 있다.
상기 방열 시트를 제조하는 본 발명의 방법은 (1) 그라파이트 미립자와 카본 블랙과의 질량비가 75/25 내지 95/5인, 유기용매 중의 총 5 내지 25 질량%의 그라파이트 미립자 및 카본 블랙, 및 0.05 내지 2.5 질량%의 유기 바인더의 분산물을 제조하고; (2) 상기 분산물을 받침판(support plate)의 표면에 도포하는 공정을 수회 반복한 후 이를 건조하여 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더를 포함하는 수지 함유 복합 시트를 형성하고; (3) 상기 수지 함유 복합 시트를 소성하여 상기 유기 바인더를 제거하고; (4) 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 치밀화를 위해 프레스하는 것을 포함한다.
상기 그라파이트 입자 및 상기 카본 블랙의 총량에 대한 상기 유기 바인더의 질량비는 바람직하게는 0.01 내지 0.5 이다.
상기 1회 공정에 의해 도포되는 분산물의 양은 바람직하게는 5 내지 15 g/m2 (1m2 당 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량에 의해 표현)이다.
상기 유기 바인더는 바람직하게는 아크릴 수지, 폴리스티렌 수지 또는 폴리비닐 알코올이다.
상기 유기 용매는 바람직하게는 케톤류, 방향족 탄화수소류 및 알코올류로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나이다.
상기 분산물의 도포는 바람직하게는 스프레이법에 의해 수행된다.
상기 소성 공정은 바람직하게는 550 내지 700 ℃의 온도에서 수행된다.
상기 프레스 공정은 바람직하게는 20 MPa 이상의 압력으로 수행된다.
상기 수지 함유 복합 시트는 바람직하게는 한 쌍의 판형 금형에 의해 샌드위치된 상태로 프레스된다.
상기 금형(die plate apparatus)은 바람직하게는 상형(upper die plate) 및 하형(lower die plate)을 포함한다. 상기 하형을 상기 받침판(support plate)로 이용하여, 상기 수지 함유 복합 시트는 상기 하형의 캐비티 내에서 형성되고, 상기 하형에서 박리하지 않고 소성한 후, 상기 상형과 조합하여 프레스된다.
바람직하게는, 상기 소성 후 냉각은 실온까지 1 시간 이상에 걸쳐 서서히 수행한다.
바람직하게는 상기 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 물의 빙점 이하의 온도까지 냉각한 후, 상기 프레스 공정을 수행한다.
상기 프레스 공정은 바람직하게는 상온 내지 200 ℃의 온도에서 수행한다.
본 발명의 방열 시트는 그라파이트 입자 사이에 카본 블랙이 균일하게 분산된 구조를 가지며, 그라파이트 입자/카본 블랙의 질량비가 75/25 내지 95/5이기 때문에, 1.9 g/cm3 이상의 밀도를 가지며, 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는다. 또한 카본 블랙이 그라파이트 미립자 사이에 미세한 균일하게 분산되어 있기 때문에, 본 발명의 방열 시트는 열 전도율이 균일할 뿐만 아니라 핸들링에 충분한 기계적 특성을 가진다. 이러한 균일하고, 고밀도의 방열 시트는 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더를 포함하는 분산물을 소량으로 복수회 도포하여 그라파이트 미립자 및 카본 블랙이 균일하게 분산된 수지 함유 복합 시트를 형성하고, 상기 수지 함유 복합 시트를 소성하여 유기 바인더를 제거한 후 치밀화를 위해 이를 프레스함으로써 얻어진다.
본 발명의 방열 시트는 그라파이트 미립자 및 카본 블랙을 포함한 비교적 저렴한 재료를 사용하고, 도포, 소성 및 프레스하는 저비용 공정으로 제조하기 때문에, 면내 방향으로 570 W/mK 이상으로 높은 열 전도율과 핸들링에 충분한 기계적 특성을 가지면서 저렴하다는 이점이 있다. 이러한 특징을 갖는 본 발명의 방열 시트는 노트북, 스마트 폰, 휴대 전화 등의 소형 전자 기기에 사용하기에 적합하다.
도 1은 그라파이트 미립자 및 카본 블랙으로 이루어진 방열 시트의 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 그라파이트 미립자의 입자 크기를 측정하는 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 분산물의 도포, 수지 함유 복합 시트의 소성, 및 그라파이트 미립자와 카본 블랙의 복합 시트의 프레스를 수행할 수 있는 금형을 나타내는 사시도이다.
도 4는 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 분산물의 서포트(support)(하형) 상의 두꺼운 코팅을 보여주는 개략 단면도로서, 여기에서 그라파이트 미립자는 응집되어 있다.
도 5는 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 분산물의 서포트(하형) 상의 얇은 코팅을 보여주는 개략 단면도로서, 여기에서 그라파이트 미립자 및 카본 블랙은 균일하게 분산되어 있다.
도 6은 서포트(하형) 상의 건조된 분산물 상에 형성된 분산물의 얇은 코팅을 보여주는 개략 단면도이다.
도 7은 판형 금형 내 하형의 캐비티로의 분산물의 도포를 나타내는 사시도이다.
도 8은 판형 금형에 의해 샌드위치된 상태로 그라파이트 입자 및 카본 블랙의 복합 시트를 프레스하는 것을 나타내는 사시도이다.
도 9는 판형 금형에 의해 샌드위치된 상태로 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 롤 프레스하는 모습을 나타내는 부분 단면 측면도이다.
도 10은 프레스에 의해 얻어진 방열 시트를 하형에서 박리하는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 11은 방열 시트의 방열 시험 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12는 도 11의 분해도이다.
도 13은 방열 시험 장치에 고정된 방열 시트 시험편 상의 온도 측정점을 나타낸 평면도이다.
도 14는 실시예 1, 2, 6, 7, 11 및 12의 방열 시트에 대한 카본 블랙의 농도와 면내 방향의 열 전도율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예 1 및 3 내지 5와 비교예 2의 방열 시트에 대한 카본 블랙의 농도와 면내 방향의 열 전도율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예 1, 2, 및 8 내지 10과 비교예 2의 방열 시트에 대한 카본 블랙의 농도와 면내 방향의 열 전도율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구체예가 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 달리 언급하지 않는 한, 각각의 실시예에 대한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있다. 또한 하기 설명은 제한적인 것이 아니라 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있을 것이다.
[1] 방열 시트
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방열 시트 1는 실질적으로 그라파이트 미립자 2와 그라파이트 미립자 2 사이에 균일하게 분산된 카본 블랙 3 으로 구성된다. 도 1에서는 명료화를 위해 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3 간의 틈새가 과장되어 있지만, 실제로 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3는 실질적으로 틈새가 없으며 밀착되어 있다.
(1) 그라파이트 미립자
그라파이트 미립자는 벤젠 고리가 이차원으로 연결된 플레이트 또는 판 상의 다층 구조를 갖는다. 그라파이트 미립자는 육각 모양의 격자 구조를 갖기 때문에, 각 탄소 원자는 3 개의 탄소 원자에 결합되어 있으며 화학 결합에 사용되는 4 개의 외각 전자 중 하나는 자유로운 상태에 있다(자유 전자). 자유 전자는 결정 격자를 따라 이동할 수 있기 때문에 그라파이트 미립자는 높은 열 전도율을 가진다.
그라파이트 미립자는 플레이크 또는 판 상이기 때문에, 그 크기는 그의 평면 표면의 직경으로 표현된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 플레이크 상의 그라파이트 미립자 2는 불규칙한 모양의 평면 윤곽을 갖기 때문에, 각 그라파이트 미립자 2의 크기(직경)는 같은 면적 S를 갖는 원의 직경 d로 정의한다. 각 그라파이트 미립자 2의 크기는 직경 d 및 두께 t에 의해 표현되므로, 사용한 그라파이트 미립자 2의 평균 지름은 (Σd)/n (여기에서, n은 측정한 그라파이트 미립자 2의 개수)로 표시되며, 평균 두께는 (Σt)/n에 의해 표현된다. 그라파이트 미립자 2의 직경 d 및 두께 t는 그라파이트 미립자 2의 현미경 사진을 화상 처리함으로써 구할 수 있다.
본 발명에 사용되는 그라파이트 미립자 2의 평균 직경은 바람직하게는 3 내지 150μm의 범위이다. 그라파이트 미립자 2의 평균 지름이 3μm 미만이면 결합하고 있는 탄소 원자의 길이가 불충분하기 때문에 방열 시트 1가 제공하는 열 전도율이 너무 작다. 반면, 그라파이트 미립자 2의 평균 직경이 150μm보다 크면 스프레이 코팅이 어려울 수 있다. 그라파이트 미립자 2의 평균 직경은 보다 바람직하게는 5 내지 100 μm이며, 보다 더 바람직하게는 5 내지 50 μm이고, 가장 바람직하게는 10 ~ 30μm이다. 그라파이트 미립자 2의 평균 두께는 바람직하게는 200 nm 이상, 보다 바람직하게는 200 nm 내지 5μm이며, 가장 바람직하게는 200 nm 내지 1μm이다.
(2) 카본 블랙
본 발명에 사용할 수 있는 카본 블랙 3은 퍼네스 블랙, 채널 블랙, 아세틸렌 블랙, 아크 블랙(arc black), 켓첸 블랙(ketjen black) 등을 포함한다.카본 블랙 3은 바람직하게는 20 내지 200 nm의 평균 일차 입자 크기를 가질 수 있다. 카본 블랙 3의 평균 일차 입자 크기가 20 nm 미만이면 응집이 일어나기 쉬워, 그라파이트 미립자 2 사이에 카본 블랙 3의 균일한 분산이 어려워진다. 또한 카본 블랙 3의 평균 일차 입자 크기가 200 nm 이상이면 너무 커서 역시 그라파이트 미립자 2 사이에 균일한 분산이 어려워진다. 카본 블랙 3의 평균 일차 입자 크기는 보다 바람직하게는 30 내지 100 nm이며, 가장 바람직하게는 40 내지 80 nm이다.
(3) 질량비
그라파이트 미립자와 카본 블랙과의 질량비는 75/25 내지 95/5이다. 그라파이트 미립자와 카본 블랙의 질량비가 상기 범위 내이면, 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 높은 열 전도율과 함께 핸들링에 충분한 기계적 특성 (인장 강도, 굴곡성 및 절단성)을 갖는 방열 시트가 얻어진다. 양자의 총량은 100 질량%로, 그라파이트 미립자가 95 질량% 이상(카본 블랙이 5 질량% 미만)인 경우, 카본 블랙의 충분한 첨가 효과를 얻을 수 없다. 또한 그라파이트 미립자가 75 질량% 미만(카본 블랙이 25 질량% 이상)인 경우, 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는 방열 시트를 얻을 수 없다. 그라파이트 미립자와 카본 블랙과의 질량비는 바람직하게는 80/20 내지 95/5이며, 보다 바람직하게는 82.5/17.5 내지 90/10이다.
(4) 두께
충분한 냉각 능력을 확보하기 위해, 방열 시트의 두께는 바람직하게는 25 내지 150μm이다. 두께가 25μm 미만이면 높은 열 전도율에도 불구하고, 방열 시트의 냉각 능력이 부족하다. 또한 방열 시트가 150μm 이상으로 더 두꺼워져도 냉각 능력의 추가적 향상은 기대할 수 없다. 실용적 목적을 위해 바람직한 방열 시트의 두께는 40 내지 100μm이다.
(5) 밀도
본 발명의 방열 시트는 1.9 g/cm3 이상의 밀도를 가진다. 그라파이트 미립자는 2.25 ± 0.05 g/cm3의 밀도를 가지기 때문에, 본 발명의 방열 시트는 그라파이트 미립자에 매우 가까운 밀도를 가지며, 따라서 그라파이트 고유의 열 전도율에 가까운 열 전도율을 갖는다. 본 발명의 방열 시트의 밀도는 바람직하게는 1.9 내지 2.2 g/cm3이다.
(6) 열 전도율
상기한 바와 같이, 본 발명의 방열 시트는 그라파이트 미립자 사이에 채널 블랙과 켓첸 블랙 및/또는 아세틸렌 블랙으로 이루어지는 카본 블랙이 균일하게 분산된 구조를 가지며 1.9 g/cm3 이상의 밀도를 갖기 ?문에, 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는다. 면내 방향으로의 열 전도율은 간단하게 “면내 열 전도율”으로 지칭할 수도 있다. "면내 방향"은 방열 시트의 표면(XY면)과 평행한 XY 방향이며, “두께 방향”은 XY면에 수직인 Z 방향이다. 본 발명의 방열 시트는 바람직하게는 면내 방향으로 600 W/mK 이상의 열 전도율을,두께 방향으로는 약 10 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는다.
[2] 방열 시트의 제조 방법
(1) 분산물의 제조
유기 용매 중의 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 분산물을 우선 제조한다. 그라파이트 미립자는 응집하기 쉽기 때문에 그라파이트 미립자의 유기 용매 분산물에 카본 블랙의 유기 용매 분산물 및 유기 바인더의 유기 용매 용액을 혼합하는 것이 바람직하다. 분산물 전체가 100 질량%일 때, 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량은 5 내지 25 질량%이다. 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량이 5 질량% 미만이면 1회 공정에 의해 얻어지는 수지 함유 복합 시트가 너무 얇아, 분산물의 도포를 너무 많은 단계로 수행해야 하고 따라서 방열 시트의 생산 효율이 너무 낮아진다. 반면, 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량이 25 질량% 이상이면 분산물 중에 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 농도가 너무 높아 응집을 야기할 우려가 있다. 상기와 같이 그라파이트 미립자와 카본 블랙의 질량비가 75/25 내지 95/5의 범위인 한, 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 바람직한 총량은 8 내지 20 질량%이다.
그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량에 대한 유기 바인더의 질량비는 0.01 내지 0.5이다. 유기 바인더/(그라파이트 미립자 + 카본 블랙)의 질량비가 0.01 미만이면, 분산물이 효율적인 스프레이에 충분한 점도를 갖지 못하고, 얻어지는 수지 함유 복합 시트의 일체성이 불충분하여 핸들링이 어려워진다. 상기 질량비가 0.5 이상이면 이후 소성 공정에서 유기 바인더를 소실시키는데 너무 많은 시간이 소요되어 방열 시트의 생산 효율이 낮아진다. 유기 바인더/(그라파이트 미립자 + 카본 블랙)의 질량비는 바람직하게는 0.02 내지 0.3, 보다 바람직하게는 0.03 내지 0.2이다.
본 발명에 사용되는 유기 바인더는 유기 용매에 용해되어 그라파이트 미립자 및 카본 블랙을 균일하게 분산시킬 수 수 있고 소성에 의해 쉽게 제거될 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 유기 바인더로서, 예를 들면, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 아크릴 수지, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, ABS 수지 등을 포함한다. 그 중에서도 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리스티렌이 바람직하다.
분산물에 사용하는 유기 용매로는 그라파이트 미립자 및 카본 블랙을 잘 분산시킬 수 있고 유기 바인더를 용해시킬 수 있으며, 건조 시간을 단축하기에 충분히 휘발성인 유기 용매가 바람직하다. 이러한 유기 용매의 예로는 메틸 에틸 케톤과 같은 케톤류, 헥산과 같은 지방족 탄화수소류, 크실렌과 같은 방향족 탄화수소류, 이소프로필 알코올과 같은 알코올류 등을 포함한다. 그들 중에서, 메틸 에틸 케톤, 크실론 등이 바람직하다. 이들은 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다.
(2) 분산물의 도포 및 건조
분산물은 받침대(support plate)의 표면에 도포된다. 받침대의 표면에 형성된 수지 함유 복합 시트가 후속 공정에서 소성된 후 프레스될 때, 상기 받침대는 통상적으로 도 3에 도시된 판형 금형 10이다. 이 판형 금형 10은 평탄한 캐비티 11a를 갖는 하형 11과 상기 캐비티 11a에 상보적인 형상의 볼록부 12a를 갖는 상형 12을 포함한다. 이에 제한되는 것은 아니나, 적시된 실시예에서, 상기 캐비티 11a는 양 말단이 개방되어 있다.
도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 1회 공정에 의해 필요한 양의 분산물이 도포될 때, 분산물 5 중의 그라파이트 미립자 2와 카본 블랙 3은 건조 공정에서 응집된다(영역 2a). 집중 연구를 통해, 분산물 5를 소량으로 나누어 가능한 많은 복수의 도포 공정을 수행할 때, 그라파이트 미립자 2와 카본 블랙 3의 응집이 저해될 수 있음이 밝혀졌다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 첫번째 도포에서, 분산물층 101은 소량의 분산물에 의해 형성되며, 그의 두께는 그라파이트 미립자 2의 평균 직경에 비해 충분히 작다. 따라서, 분산물층 101이 건조될 때, 그라파이트 미립자의 분산 상태는 응집 없이 유지된다. 따라서, 분산물층 101을 건조함으로써 얻게 되는 코팅층(수지 함유 복합 시트층) 101' 내에는, 극히 소량의 유기 바인더로 결합된 그라파이트 미립자 2와 카본 블랙 3이 실질적으로 균일하게 분포되어 있다.
1회 공정에 의해 도포된 분산물 5의 양은 유닛 영역(unit area) 당 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3의 총량으로서, 바람직하게는 5 내지 15 g/m2, 보다 바람직하게는 7 내지 12 g/m2 이다. 도포된 분산물 5의 양이 5 g/m2 미만이면, 수지 함유 복합 시트를 형성하는데 너무 많은 시간이 걸린다. 반면, 도포된 분산물 5의 양이 15 g/m2 보다 많으면, 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3이 쉽게 응집된다. 그러한 소량의 분산물 5을 균일하게 도포하기 위해서는, 도 7에 도시된 바와 같은 노즐 15을 이용한 스프레이법이 바람직할 수 있다. 노즐 15를 수평 방향(X 및 Y 방향)으로 움직이면서, 분산물 5를 스프레이하는 것이 균일한 두께를 위해 바람직할 수 있다.
분산물층 101이 건조된 후, 다음 도포 작업이 수행된다. 분산물층 101은 자연 건조 또는 건조 시간을 단축시키기 위해 가열에 의해 건조될 수 있다. 가열 온도는 사용된 유기 용매의 끓는점에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 크실렌 및 이소프로필 알코올의 혼합 용매가 사용될 때, 가열 온도는 바람직하게는 30 내지 100℃, 보다 바람직하게는 40 내지 80℃이다. 건조는 도포된 분산물층 101 내의 유기 용매가 완전히 증발될 때까지 수행될 필요는 없으나, 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3이 다음 도포 작업에서 분산물층 101로부터 확산되지 않을 정도까지 수행될 수 있을 것이다.
분산물 5의 2차 도포가 건조된 코팅층(수지 함유 복합 시트층) 101' 상에 수행될 때, 새로운 분산물층 102은 도 6에서 개략적으로 도시한 바와 같이 건조된 코팅층 101'을 실질적으로 용해함 없이 형성된다. 분산물 5의 도포 및 건조의 사이클 수는 형성될 수지 함유 복합 시트의 두께에 따라 결정될 수 있을 것이다. 소량의 분산물 5을 복수 횟수로 도포하면 그라파이트 미립자 2 및 카본 블랙 3이 충분히 균일하게 분포된 수지 함유 복합 시트 20(도 7)가 얻어진다.
(3) 소성
수지 함유 복합 시트 20를 소성하여 유기 바인더를 제거한다. 수지 함유 복합 시트 20가 판형 금형 10의 하형 11의 캐비티 11a에서 형성될 때, 수지 함유 복합 시트 20는 바람직하게는 하형 11과 함께 소성로 내(미도시)에서 소성된다. 소성로는 전기 소성로, 가스 소송로, 또는 하형 11 내 수지 함유 복합 시트 20를 컨베이어 벨트로 이송하는 연속로일 수 있다. 연속로의 경우에는 후술하는 서냉을 확보하기 위해 연속로의 끝에 서냉로를 마련하는 것이 바람직하다.
소성 온도는 바람직하게는 550 내지 750 ℃이다. 소성 온도가 550 ℃ 미만이면, 유기 바인더의 제거에 시간이 너무 오래 걸리고, 얻어진 방열 시트가 충분히 높은 열 전도율을 가질 수 없다. 한편, 소성 온도가 750 ℃ 보다 높으면 카본 블랙이 적어도 부분적으로 소성될 수 있어, 방열 시트의 열 전도율이 불충분해질 수 있다. 바람직한 소성 온도는 600 내지 700 ℃이다.
수지 함유 복합 시트 20는 바람직하게는 충분한 산소를 함유하는 분위기, 예를 들면 대기 중에서 소성된다. 산소 함유 분위기(대기) 중에서, 유기 바인더는 빠르게 연소되어 탄화된 바인더를 남기지 않는다. 그러나 질소 가스와 같은 불활성 가스 중에서 소성하면 유기 바인더가 탄화하는 경향이 있어 방열 시트의 열 전도율이 낮아진다. 분위기 중의 산소 함량은 바람직하게는 10 % 이상이고, 보다 바람직하게는 15 % 이상이다.
상기 온도 범위의 산소 함유 분위기에서 수지 함유 복합 시트 20의 소성 시간은 소성 온도에 따라 변할 수 있지만, 일반적으로 5 내지 30 분이다. 상기 소성 시간은 수지 함유 복합 시트 20가 소성 온도에서 유지되는 시간으로, 승온 시간 및 냉각 시간을 포함하지 않는다. 소성 시간이 5 분 미만이면, 유기 바인더는 완전히 소실되지 않는다. 소성 시간이 30 분을 넘으면 카본 블랙이 과도하게 고온에 노출되어 적어도 부분적으로 카본 블랙이 소실될 수 있기 때문에 결과적으로 방열 시트의 열 전도율이 낮아진다. 바람직한 소성 시간은 7 내지 15 분이다.
(4) 냉각
수지 함유 복합 시트 20의 소성에 의해 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21는 소성로에서 서서히 냉각하는 것이 바람직하다. 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 소성로 밖에서 냉각되도록 놔둘 때, 얻어진 방열 시트의 열 전도율이 낮아지는 경향이 있음을 발견하였다. 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21는 바람직하게는 소성로 내에서 1 시간 이상에 걸쳐 서서히 냉각하는 것이 바람직하다. 냉각 속도는 바람직하게는 15 ℃/분 이하, 보다 바람직하게는 10 ℃/분 이하이다.
그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 프레스하기 전에 물의 빙점 이하의 온도까지 냉각하면 카본 블랙 함량의 넓은 범위에서 방열 시트가 높은 열 전도율을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 냉각 온도는 0 ℃ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 -5 ℃ 이하이다. 물의 빙점 이하로 냉각하면 대기 중의 수분이 복합 시트 21 표면에 결빙될 수 있다. 그러므로 냉각은 바람직하게는 건조 분위기 중에서 수행된다. 냉각 시간은 특별히 한정되지 않으나, 10 분 이상일 수 있다.
(5) 프레스
도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 하형 11 상의 수지 함유 복합 시트 20를 소성함으로써 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를, 하형 11의 캐비티 11a에서 상형 12의 볼록부 12a가 복합 시트 21 상에 프레스되도록 하형 11에 상형 12을 조합하여 프레스한다. 하형 11 및 상형 12은 프레스 장치에 의해, 또는 도 9과 같이 하형 11 및 상형 12에 의해 샌드위치된 복합 시트 21를 한 쌍의 롤 30,30에 의해 프레스될 수 있다. 하형 11 및 상형 12에 가해지는 압력은 바람직하게는 20 MPa 이상이다. 가압은 한 번으로 제한되지 않으며, 여러 번 수행될 수 있다. 프레스는 실온에서, 또는 프레스 효율을 높이기 위해 200 ℃까지의 고온에서 수행할 수 있다.
프레스 중 롤 30을 통해 하형 11 및 상형 12에 진동을 주는 것이 바람직하다. 진동은 동일한 압력에서조차 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 치밀화를 촉진한다. 진동 주파수는 약 100 내지 500 Hz일 수 있다. 진동은, 예를 들면 진동 모터에 의해 부여할 수 있다.
그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 프레스함으로써 얻어진 방열 시트 1는 도 10과 같이 하형 11으로부터 박리된다. 그라파이트 미립자 2 사이에 카본 블랙 3이 균일하게 분산되고 프레스에 의해 치밀화되어 있기 때문에, 하형 11으로부터 박리할 때 방열 시트 1는 부서지지도 갈라지지도 않는다. 따라서, 얻어진 방열 시트 1는 충분한 굽힘성을 가져, 예를 들면 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혀도 부서지거나 파괴되지 않는다.
(6) 방열 시트의 절단
상기 공정에 의해 커다란 방열 시트 1가 형성되면, 방열 시트 1는 소형 전자 기기에 장착할 수 있도록 적당한 크기로 절단되어야 한다. 본 발명의 방열 시트 1는 그라파이트 미립자 2 사이에 카본 블랙 3이 균일하게 분산되어 있기 때문에 일반 커터에 의해 울퉁불퉁함 없이 깨끗한 절단면을 얻을 수 있다.
(7) 방열 시트의 표면 코팅
그라파이트 미립자 및 카본 블랙을 포함하는 본 발명의 방열 시트 1는 바람직하게는 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락을 방지하고 표면을 절연하기 위하여 절연성 수지 또는 플라스틱 필름으로 코팅된다. 절연성 수지는 바람직하게는 유기 용매에 용해가능한 열가소성 수지, 예를 들면 폴리메틸메타크릴레이트과 같은 아크릴 수지, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리우레탄 등이다. 또한 절연성 플라스틱 필름은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트과 같은 폴리에스테르, 나일론과 같은 폴리아미드, 폴리이미드 등으로 만들어진 것일 수 있다. 절연성 플라스틱 필름은 바람직하게는 열 밀봉층을 가질 수 있다. 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 방지과 절연성 부여의 기능을 발휘할 수 있는 한, 절연성 수지 코팅 및 절연성 플라스틱 필름의 두께는 수 마이크로미터 내지 약 20μm일 수 있다. 방열 시트 1의 절단면으로부터 그라파이트 미립자 및 카본 블랙이 탈락하는 것을 확실하게 방지하기 위해, 표면 코팅은 바람직하게는 방열 시트 1를 원하는 크기로 절단한 후 수행될 수 있다.
[4] 방열 시험
본 발명의 방열 시트 방열 시험은 도 11 내지 13에 나타낸 장치 50에 의해 실시할 수 있다. 이 방열 시험 장치 50는 환형의 오목부 52를 갖는 단열 절연성 테이블 51, 환형의 오목부 52 내에 수용되는 원형의 판형 히터 53, 상기 히터 53의 하면에 부착된 온도 측정용 열전대 54, 상기 히터 53 및 온도 측정용 열전대(temperature-measuring thermocouples) 54에 연결된 온도 조절기 55, 및 히터 53가 아크릴 판 57의 중앙에 위치하도록 상기 테이블 51 위에 배치된 방열 시트 1의 50 mm × 100 mm의 시험편 56을 덮는 두께 1 mm의 아크릴 판 (100 mm × 100 mm) 57를 포함한다. 시험편 56는 도 13에 표시된 위치에 9 개의 온도 측정 포인트 t0 내지 t8을 가지며, 이 때 t0 위치에서 측정한 온도를 최고 온도 (Tmax), t1 ~ t4 위치에서 측정한 온도의 평균을 중간 온도(Tm), t5 내지 t8 위치에서 측정한 온도의 평균 최저 온도(Tmin)로 하고, Tm과 Tmin의 평균을 평균 온도 (Tav)로 한다.
본 발명을 다음의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
85 질량%의 그라파이트 미립자 (일본 그라파이트 공업 주식회사로부터 입수한 UP-35N, 회분 : 1.0 % 이하, 평균 크기: 25μm), 및 15 질량%의 카본 블랙 (아세틸렌 블랙, 평균 일차 입자 크기: 42 nm)으로 총 100 질량부에 대하여 유기 바인더로서 10 중량부의 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 및 유기 용매로서 크실렌/이소프로필 알코올의 혼합 용매 (질량비 : 6/4) 를 혼합하여 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 유기 용매 분산물을 제조하였다. 분산물의 조성은 12.00 질량%의 그라파이트 미립자, 2.12 질량%의 카본 블랙, 1.41 질량%의 유기 바인더 및 84.47 질량%의 유기 용매를 포함하였다.
이 분산물의 적은 일부분을 도 3에 나타낸 SUS 제의 판형 금형 10 내 하형 11의 캐비티 11a 내로 캐스트하고 40℃ 에서 3분간 건조시켜, 두께 10 g/m2의(1m2 당 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량에 의해 표현) 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 PMMA의 수지 함유 복합 시트층 101'을 형성하였다. 상기 건조된 수지 함유 복합 시트층 101'에 다음 분산물을 10 g/m2의 두께로 도포한 후 건조하였다. 상기 분산물의 그러한 도포를 총 10회 반복하여 최종 두께를 갖는 수지 함유 복합 시트 20를 제조하였다.
수지 함유 복합 시트 20를 하형 11에서 제거하지 않고 전기로에 넣고 공기 분위기에서 650 ℃에서 10 분간 소성하여 유기 바인더를 제거 하였다. 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 전기로에서 약 3 시간에 걸쳐 서서히 냉각하였다.
캐비티 11a에 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 포함하고 있는 하형 11을, 상기 하형 11과 상보적인 형상을 갖는 볼록부 12a를 갖는 상형 12을 상형 12의 볼록부 12a가 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21에 접촉하도록 조합하고, 도 9에 나타낸 바와 같이 주속(peripheral speed) 30 cm/min으로 회전하는 한 쌍의 롤 30,30 사이를 4 번 통과시켜 각 회 모두 20 MPa 이상의 선형 압력(linear pressure)에서 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 프레스했다. 프레스 동안, 하나의 롤 30에 의해 200 Hz의 진동수로 진동을 가했다.
프레스 후, 하형 11에서 방열 시트 1를 부서짐 없이 꺼낼 수 있었다. 얻어진 방열 시트 1는 111μm의 두께와 2.13 g/cm3의 밀도를 가지고 있었다. 이 방열 시트 1에서 50 mm × 100 mm의 시편을 잘라 도 11 내지 도 13에 나타낸 장치에 올려 놓고, 23.6 ℃의 실온에서 방열 시험을 실시하였다. 히터 53에 의해 시편을 72 ℃로 가열하였다(핫스팟). 평형 상태에 도달한 후, 방열 시트 시편의 각 위치의 온도는 다음과 같았다:
t0: 47.4℃,
t1: 42.7℃,
t2: 42.2℃,
t3: 41.9℃,
t4: 42.3℃,
t5: 39.3℃,
t6: 38.3℃,
t7: 37.1℃, 및
t8: 37.2℃.
따라서, 최고 온도 Tmax는 47.4℃(핫스팟), 중간 온도 Tm는 (42.7℃ + 42.2℃ + 41.9℃ + 42.3℃)/4 = 42.3℃, 최저 온도 Tmin는 (39.3℃ + 38.3℃ + 37.1℃ + 37.2℃) /4 = 38.0℃, 평균 온도 Tav는 (Tm + Tmin) /2 = 40.2℃ 였다.
방열 시트 1의 열 전도율(W/mK)은 레이저 플래시 법에 의해 열 확산율(m2/s)를 구하고, 열 확산율 및 열용량(밀도 × 비열)의 곱으로 계산되었다. 비열은 750로 했다. 그 결과, 방열 시트 1의 열 전도율은 면내 방향으로 625 W/mK이고, 두께 방향으로 10 W/mK였다.
이 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm에서 90°로 굽혔으나 부서지지 않았다. 가위로 절단한 방열 시트 1는 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다.
비교예 1
두께 70μm의 그라파이트 시트 PGS (파나소닉 주식회사로부터 입수)에 대해 실시예 1과 동일한 방열 시험을 실시했다. 그 결과, 방열 시트 시험편의 각 부분의 온도는 다음과 같았다.
t0: 48.7℃,
t1: 42.7℃,
t2: 43.3℃,
t3: 42.4℃,
t4: 42.1℃,
t5: 38.4℃,
t6: 38.1℃,
t7: 38.1℃, 및
t8: 38.0°
따라서 최고 온도 Tmax은 48.7℃ (핫스팟), 중간 온도 Tm은 (42.7℃ + 43.3℃ + 42.4℃ + 42.1℃)/4 = 42.6℃, 최저 온도 Tmin은 (38.4℃ + 38.1℃ + 38.1℃ + 38.0℃) /4 = 38.2℃, 평균 온도 (Tm + Tmin)/2 = 40.4℃ 였다. 실시예 1과의 비교에서 비해 비교예 1의 그라파이트 시트는 최고 온도 Tmax, 최저 온도 Tmin 및 평균 온도 Tav 에서 실시예 1의 방열 시트보다 열등하다는 것이 밝혀졌다.
실시예 2
그라파이트 미립자와 카본 블랙의 질량비를 87.5/12.5로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로 유기 용매 중의 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 분산물을 제조하였다. 상기 분산물에는 그라파이트 미립자 12.0 질량%, 카본 블랙 1.71 질량%, 유기 바인더 1.37 질량% 및 유기 용매 84.92 질량%가 포함되어 있다. 이 분산물을 이용하여 실시예 1과 동일한 방식으로 방열 시트 1를 제조하였다. 이 방열 시트 1는 면내 방향으로 645 W/mK의 열 전도율, 그리고 두께 방향으로 10 W/mK의 열 전도율을 가졌다.
이 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혔으나 실시예 1과 마찬가지로 부서지지 않았다. 가위로 절단한 방열 시트 1는 실시예 1과 마찬가지로 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다.
도 14는 실시예 1 및 2의 방열 시트 1 내 카본 블랙의 농도와 면내 방향의 열 전도율과의 관계를 나타낸다. 도 14로부터 그라파이트 미립자의 높은 비율이 더 높은 열 전도율을 제공해 줌이 명확하다.
실시예 3 내지 5 및 비교예 2
그라파이트 미립자와 카본 블랙의 총량(100 질량%) 중 카본 블랙의 양을 0 질량%(비교예 2), 10 질량%(실시예 3), 20 질량%(실시예 4) 및 25 질량%(실시예 5)로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 방열 시트들을 제조하고, 그들의 두께, 밀도 및 면내 방향으로의 열 전도율을 측정하였다. 실시예 3 내지 5 및 비교예 2의 방열 시트들의 두께, 밀도 및 면내 방향으로의 열 전도율은 실시예 1의 것들과 함께 도 15에 도시하였다. 도 15로부터, 카본 블랙을 함유하는 실시예 1 및 3 내지 5의 방열 시트들은 카본 블랙을 함유하지 않는 비교예 2의 방열 시트에 비해 더 높은 면내 방향의 열 전도율을 가짐이 명확하다.
실시예 3 내지 5의 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혔으나 실시예 1과 마찬가지로 부서지지 않았다. 가위로 절단한 방열 시트 1는 실시예 1과 마찬가지로 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다. 반면, 비교예 2의 방열 시트 1는 상기 밴딩 테스트에 의해 파손되었고, 가위에 의한 절단 테스트에서 절단면으로부터 그라파이트 미립자들이 심하게 탈락되었다.
실시예 6 및 7
실시예 1 및 2에 의해 제조된 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트 21를 -5 ℃에 30 분간 냉동한 후, 실시예 1과 동일한 조건으로 프레스하였다. 얻어진 방열 시트의 면내 방향으로의 열 전도율을 측정하였다. 결과를 도 14에 도시하였다. 도 14로부터 명확한 바와 같이, 냉동 처리 후 프레스한 실시예 6의 방열 시트는 실시예 1의 방열 시트 보다 더 높은 열 전도율을 가졌다.
실시예 6 및 7의 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혀도 실시예 1과 동일하게 파손되지 않았다. 실시예 1과 마찬가지로, 가위로 절단한 방열 시트 1는, 절단면은 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다.
실시예 8 내지 10
평균 일차 입자 크기가 85 nm만큼 큰 카본 블랙을 사용하고, 그라파이트 미립자와 카본 블랙의 총량(100 질량%) 중 카본 블랙의 양을 각각 10 질량%(실시예 9), 15 질량%(실시예 8), 및 20 질량%(실시예 10)로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 방열 시트들을 제조하고, 그들의 열 전도율을 측정하였다. 결과는 실시예 1 및 2, 그리고 비교예 2의 열 전도율과 함께 도 16에 도시하였다. 도 16으로부터, 평균 일차 입자 크기가 커질수록 방열 시트의 면내 열 전도율은 더 낮아지며, 카본 블랙의 농도가 높아질수록 방열시트의 면내 열 전도율은 더 커짐이 명확하다.
실시예 8 내지 10의 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혔으나 실시예 1과 마찬가지로 부서지지 않았다. 가위로 절단한 방열 시트 1는 실시예 1과 마찬가지로 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다.
실시예 11 및 12
수지 함유 복합 시트 20를 소성 후 전기로에서 꺼내 대기 중에서 냉각되도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로 방열 시트 1를 제조하고 그들의 열 전도율을 측정하였다. 그 결과를 도 14에 도시하였다. 도 14로부터, 소성 후 전기로에서 꺼내어 냉각되도록 놔 둔 실시예 11 및 12의 방열 시트 1는 열 전도율 570 W/mK 이상의 요건은 갖추었으나, 소성 후 소성로 내에서 서서히 냉각된 실시예 1 및 2의 방열 시트에 비해 동일한 조성을 가졌음에도 낮은 열 전도율을 가졌다.
실시예 11 및 12의 방열 시트 1를 곡률 반경 2 cm로 90°까지 굽혔으나 실시예 1과 마찬가지로 부서지지 않았다. 가위로 절단한 방열 시트 1는 실시예 1과 마찬가지로 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 탈락 없이 깨끗한 절단면을 가졌다.

Claims (17)

  1. 그라파이트 입자 중에 카본 블랙이 균일하게 분산된 구조를 가지며,
    상기 그라파이트 입자/카본 블랙의 질량비가 75/25 내지 95/5이고;
    그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더의 복합 시트를 소성 및 프레스함으로써 얻어지는 것인,
    1.9 g/cm3 이상의 밀도를 가지며 면내 방향으로 570 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는 방열 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    25 내지 150μm의 두께를 갖는 방열 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 미립자가 3 내지 150μm의 평균 직경 및 200 nm 이상의 평균 두께를 갖는 것인 방열 시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연성 수지층 또는 절연성 플라스틱 필름으로 코팅된 방열 시트.
  5. (1) 유기용매 중의 총 5 내지 25 질량%의 그라파이트 미립자 및 카본 블랙 및 0.05 내지 2.5 질량%의 유기 바인더의 분산물을 제조하고, 여기에서 상기 그라파이트 미립자와 카본 블랙과의 질량비가 75/25 내지 95/5이며;
    (2) 상기 분산물을 받침대(support plate)의 표면에 도포하는 공정을 수 차례 반복한 후 건조하여 그라파이트 미립자, 카본 블랙 및 유기 바인더를 포함하는 수지 함유 복합 시트를 형성하고;
    (3) 상기 수지 함유 복합 시트를 소성하여 상기 유기 바인더를 제거하고;
    (4) 얻어진 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 치밀화를 위해 프레스하는 것을 포함하는
    제1항의 방열 시트의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그라파이트 입자 및 상기 카본 블랙의 총량에 대한 상기 유기 바인더의 질량비가 0.01 내지 0.5 인 방열 시트의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 1회 공정에 의해 도포되는 분산물의 양은 5 내지 15 g/m2(1m2 당 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 총량에 의해 표현)인 방열 시트의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기 바인더가 아크릴 수지, 폴리스티렌 수지 또는 폴리비닐 알코올인 방열 시트의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 유기 용매가 케톤, 방향족 탄화수소류 및 알코올류로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 방열 시트의 제조 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 분산물은 스프레이법에 의해 도포되는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 소성은 550 내지 700 ℃의 온도에서 수행하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 소성 후 냉각을 실온까지 1 시간 이상에 걸쳐 서서히 수행하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 프레스 공정은 20 MPa 이상의 압력으로 수행하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 수지 함유 복합 시트는 금형 내의의 한 쌍의 판형 금형에 의해 샌드위치된 상태로 프레스되는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 그라파이트 미립자 및 카본 블랙의 복합 시트를 물의 빙점 이하의 온도까지 냉각한 후, 상기 프레싱을 수행하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 프레스 공정은 상온 내지 200 ℃의 온도에서 수행하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
  17. 제5항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금형은 상형 및 하형을 포함하고; 여기에서 상기 하형은 상기 받침대로 이용하며, 상기 수지 함유 복합 시트는 상기 하형의 캐비티 내에서 형성하고, 상기 하형에서 박리하지 않고 소성한 후, 상기 상형과 조합하여 프레스하는 것인 방열 시트의 제조 방법.
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