KR20160021227A - 절연 열전도 시트 - Google Patents

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KR20160021227A
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가나 하시모토
에츠코 코우몬
아키노리 에지마
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도요보 가부시키가이샤
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Abstract

절연성 및 열이방성이 우수하고, 높은 방열성을 갖는 열전도 시트를 제공하는 것을 과제로 한다.
두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지고, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상, 면방향에 대한 두께 방향의 열전도비가 2 이상이고, 초기의 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.

Description

절연 열전도 시트{INSULATING AND HEAT-CONDUCTIVE SHEET}
본 발명은, 전기 절연성이며 또한 높은 열이방성을 갖는 절연 열전도 시트에 관한 것이다. 더 상세하게는, 절연 신뢰성을 확보하면서, 전자 기반이나 반도체 칩, 광원 등의 발열체로부터 특정 방향으로 선택적으로 열을 전하는 것이 가능한 절연 열전도 시트에 관한 것이다.
최근, 전자 기기의 박단소화(薄短小化), 고출력화에 따른 발열 밀도의 증가에 의해, 방열 대책의 중요성이 높아지고 있다. 전자 기기의 열 트러블을 경감하기 위해서는, 주변 부재에 악영향을 미치지 않도록 기기 내에서 발생한 열을 신속하게 냉각재나 하우징 등의 방열체로 빼내는 것이 중요하여, 특정 방향으로의 열전도가 가능한 부재가 요구된다. 반도체나 LED 등의 발열체로부터 생기는 열을 방열하는 방법으로는, 알루미늄, 구리 등의 금속제 방열체를 부착하는 것이 일반적이다. 그러나 일반적으로 금속은 도전성이 있기 때문에, 냉각재나 하우징으로의 누전에 의한 문제점을 막기 위해, 많은 경우에 있어서 열전도 부재에는 전기 절연성도 요구된다. 전기 절연성이 필요한 경우에는, 발열체와 방열체 사이에 산화 금속이나 수지 등의 절연 재료를 삽입한다. 특히, 성형성이나 밀착성의 관점에서, 최근에는 수지 재료를 선호하는 경우가 증가하고 있다. 여기서 큰 문제가 되는 것은, 수지 재료는 일반적으로는 열전도성이 낮아, 방열 특성이 저하되는 것이다. 그래서 종래, 수지 재료에 산화 금속 미립자 등의 절연 열전도성 필러를 충전시킴으로써 열전도성을 양립시킨 열전도 부재의 제조 기술이 제안되고 있다. 또한 열전도 부재는 주로 열원과 냉각재 사이에 두고 사용하기 때문에, 시트의 경우에는 두께 방향으로 높은 열전도성이 요구된다. 두께 방향으로 열이방성을 발현하기 위해서는 열전도 필러의 열전도 방향을 두께 방향으로 배향시킬 필요가 있다.
이러한 기술로서, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서는, 전기 절연성과 열전도성을 양립시키는 유기 섬유 또는 금속 질화물을 정전 식모 또는 자장에 의해 바인더 수지 중에서 배향시키고 있다. 그러나 자장 배향시키는 경우에는, 첨가하는 열전도 필러량이 많으면 수지 점도가 증가하여 배향하기 어려워진다. 또한 정전 식모의 경우에는, 섬유끼리의 정전 및 물리적 반발 때문에 시트 중의 식모 섬유의 체적률은 6% 정도이고, 충분한 열이방성이 얻어지지 않는다. 한편, 특허문헌 3에, 통상의 정전 식모 기술에서는 식모 단섬유의 굵기, 길이에 상관없이 식모 단위 중량은 거의 100∼150 g/m2가 되는 것이 일반적이라고 서술되어 있고, 예컨대 밀도가 1.2 g/cm3, 섬유 길이가 0.4 mm인 단섬유를 사용한 경우에는, 시트 전체적에 대한 섬유 체적률이 30%에 상당하게 된다. 그러나 종래의 정전 식모는 의복이나 카펫, 단열재 등에 이용하는 기모 소재의 제조 기술로서의 이용이 일반적이며, 섬유의 극도의 직립성은 추구되지 않고, 크게 경사진 섬유를 많이 포함하고 있다. 그 때문에, 종래의 정전 식모 기술을 이용하여 절연 열전도 시트를 제조한 경우, 경사진 섬유는 시트의 두께 방향으로 관통할 수 없기 때문에 높은 관통 밀도, 즉 높은 열이방성이 얻어지지 않는다.
또한 특허문헌 4에 있어서, 정전 식모 후에 식모 시트를 수축시킴으로써 식모 밀도를 높이는 방법이 기재되어 있지만, 실제로는 전술한 바와 같이 크게 경사진 섬유를 많이 포함하기 때문에, 수축시켰을 때에 섬유끼리의 충돌에 의해 시트에 주름이나 굴곡이 생겨, 높은 식모 밀도를 얻을 수 없다.
이러한 상황들을 감안하여, 특허문헌 5에서는 연신 배향에 의해 고열전도성인 필러 결정면을 시트 면방향으로 배향시키고, 시트를 적층한 후, 두께 방향으로 슬라이스하는 방법이 제안되어 있다. 그러나 필러 사이에 개재하는 매트릭스 수지층에 의해 열전도가 저해되기 때문에, 충전율에 비해 그다지 높은 열이방성을 얻을 수 없다.
또한 일반적으로, 섬유형 열전도재는 섬유 축방향으로 분자의 배향성을 높임으로써 높은 열전도성을 얻고 있으며, 이러한 배향이 얻어지는 고분자는 많은 경우, 강직성이 높은 분자쇄이고 다른 물질과 상호 작용을 일으키는 작용기를 갖고 있지 않아, 바인더 수지와의 습윤성이 부족하다. 그 때문에, 실사용 환경에서 고온이나 거듭되는 온도 변화에 노출됨으로써, 열전도재와 바인더 수지의 계면 박리가 생겨, 절연 파괴 강도가 저하되는 경우가 있다. 절연 파괴 강도가 저하되면 절연 파괴가 생기기 쉬워지고 기기의 고장으로 이어진다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-88171호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제4521937호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평8-299890호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 소61-179382호 공보 특허문헌 5: 일본 특허 공개 제2011-184663호 공보
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제를 배경으로 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 전기 절연성의 신뢰성이 우수하며 또한 높은 열전도성을 갖는 절연 열전도 시트를 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이하에 나타내는 수단에 의해 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명은, 이하의 구성으로 이루어진다.
1. 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지고, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상, 면방향에 대한 두께 방향의 열전도비가 2 이상이고, 초기의 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
2. 상기 절연 열전도 시트에 있어서, 150℃, 3000시간 유지 후의 절연 파괴 강도가 초기의 절연 파괴 강도에 대하여 30% 이상인 것을 특징으로 하는 1에 기재된 절연 열전도 시트.
3. 상기 절연 열전도 시트의 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비의 평균치가 2 이상 50 이하인 것을 특징으로 하는 1 또는 2에 기재된 절연 열전도 시트.
4. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기의 평균치가 60° 이상 90° 이하인 것을 특징으로 하는 1∼3 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
5. 적어도 한쪽의 시트 표면에서는 표면 조도가 15 ㎛ 이하인 1∼4 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
6. 듀로미터 경도가 쇼어 A 경도 80 이하, 쇼어 E 경도 5 이상인 1∼5 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
7. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0인 1∼6 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
8. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유가 질화붕소 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유, 폴리벤자졸 섬유 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 1∼7 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
9. 상기 바인더 수지가 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, EPDM계 수지, 폴리카보네이트계 수지 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 1∼8 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
10. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 1∼9 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
11. 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지며, 또한 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비가 12 초과 50 이하, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도막 섬유의 관통 밀도가 6% 이상이며, 또한 체적 고유 저항이 1012 Ω·cm 이상인 절연 열전도 시트.
12. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 30% 이상 70% 이하인, 11에 기재된 절연 열전도 시트.
13. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기의 평균치가 60° 이상 90° 이하인 것을 특징으로 하는 11 또는 12에 기재된 절연 열전도 시트.
14. 적어도 한쪽의 시트 표면에서는 표면 조도가 15 ㎛ 이하인 11∼13 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
15. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0인 11∼14 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
16. 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유가 질화붕소 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유, 폴리벤자졸 섬유 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 11∼15 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
17. 상기 바인더 수지가 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, EPDM계 수지, 폴리카보네이트계 수지 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 11∼16 중 어느 하나에 기재된 절연 열전도 시트.
18. 절연 고열전도 섬유를 접착 용이 처리하는 공정과,
절연 고열전도 섬유를 임의의 길이로 절단하는 공정과,
접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 직립시키는 공정과,
직립한 절연 고열전도 단섬유를 가열에 의해 접착 고정하는, 바람직하게는 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에 기재를 수축시키는 공정과,
기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 경화시키는 공정과,
기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트의 제조 방법.
19. 접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 시트면에 대하여 60°∼90°의 기울기로 직립시키는 공정과,
직립한 절연 고열전도 단섬유를 제전하는 공정과,
가열에 의해 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에, 관통 밀도가 70% 이하가 되는 수축률로 기재를 수축시키는 공정과,
기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 고화시키는 공정과,
기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트의 제조 방법.
본 발명에 의해, 절연 신뢰성을 확보하면서, 반도체나 LED 등의 발열체로부터 방열체로 신속하게 열을 빼내는 것이 가능해지는 결과, 주변 부재의 열에 의한 손상을 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명에서의 절연 열전도 시트의 제조 방법의 예이다.
도 2는, 본 발명에서의 정전 식모 조건과 포화 식모 밀도의 관계이다.
도 3은, 본 발명에서의 E와 관통 밀도의 검량선의 예이다.
도 4는, 본 발명에서의 단섬유 도입량과 식모 밀도의 관계이다.
이하, 본 발명을 상술한다. 본원 제1 발명은, 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지고, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상, 면방향에 대한 두께 방향의 열전도비가 2 이상이고, 초기의 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트이다.
본원 제2 발명은, 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지며, 또한 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비가 12 초과 50 이하, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도막 섬유의 관통 밀도가 6% 이상이며, 또한 체적 고유 저항이 1012 Ω·cm 이상인 절연 열전도 시트이다.
이하, 특별히 설명 기재가 없는 경우에는 본원 제1 발명과 본원 제2 발명에 공통되는 사항을 나타낸다.
본 발명에서의 절연 열전도 시트는 두께 방향으로 관통한 섬유형의 절연 고열전도성 필러가 고밀도로 배향되어 관통하고 있을 필요가 있고, 바인더 수지를 함유하고 있는 것이 필수이다. 이에 의해 전기 절연성이며 또한 두께 방향으로 선택적으로 열전도가 가능한 시트로 할 수 있고, 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유가 발열체로부터 발생하는 열을 시트의 반대면으로 이동시켜 냉각재 또는 하우징에 전열한다.
또한, 본 발명에서의 절연 열전도 시트는 시트의 적어도 한쪽 면에서는 시트면이 평활할 필요가 있다. 평활함으로써, 절연 고열전도 섬유가 발열면에 밀착하여 효율적으로 열을 전도하는 것이 가능해진다. 또한, 평활면의 반대면에 냉각재 또는 하우징을 설치하는 경우에는, 이들과 밀착하여 효율적으로 열을 전도하기 위해, 반대면도 평활할 필요가 있다.
본 발명의 절연 열전도 시트의 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비는 2 이상이고, 6 이상이 바람직하며, 12를 초과하는 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 이상인 것이 바람직하다. 열전도율의 비가 전술한 범위이면 시트 두께 방향으로 선택적으로 또한 신속하게 열전도가 가능해져, 기기 안으로의 열의 충만을 막을 수 있는 점에서 주변 기기의 열손상을 경감할 수 있다. 열전도율의 비는 높을수록 좋지만 본 발명의 수법에 있어서는 실질 상한이 50 정도가 된다.
본원 제1 발명에 있어서, 섬유의 관통 밀도는 6% 이상인 것이 필요하고, 6% 이상 50% 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10% 이상 40% 이하이다. 6% 미만이면 시트 두께 방향의 열전도율이 저하되어 바람직하지 않다. 50% 초과이면 시트의 강도가 저하되기 때문에 핸들링성이 나빠지므로 바람직하지 않다.
본 발명에서의 섬유의 관통 밀도는 후술하는 실시예의 방법에 의해 평가할 수 있다.
본 발명에서의 절연 열전도 시트의 체적 고유 저항은 1010 Ω·cm 이상이 바람직하고, 더 바람직하게는 1012 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1013 Ω·cm 이상이다. 체적 고유 저항이 높으면, 전원 주변 등의 높은 절연 신뢰성이 필요한 용도에도 적합하게 이용할 수 있다. 체적 고유 저항의 상한치는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1016 Ω·cm 정도이다.
본 발명의 절연 열전도 시트는, 초기의 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상 70 kV/mm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 25 kV/mm 이상인 것이 바람직하다. 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상이면, 제작하는 전자 기기에, 절연성을 확보하기 위한 절연 재료를 삽입할 필요가 없고, 제작 기기의 거주 공간 확대나 경량화, 나아가서는 저비용화로 이어진다.
본원 제2 발명에서의 절연 고열전도 섬유의 시트 두께 방향의 관통 밀도는 6% 이상인 것이 필요하고, 30% 이상인 것이 바람직하며, 30% 이상 70% 이하인 것이 보다 바람직하다. 30% 이하이면 시트 면방향과 두께 방향의 열전도율의 차가 작고 열이방성이 충분하지 않다. 더욱 바람직하게는 50% 이상 70% 이하이다.
절연성은, 막 중의 공극의 존재에 의해 현저히 저하된다. 그 때문에, 절연 고열전도 섬유와 바인더 수지의 계면의 접착성은 매우 중요하다. 그래서, 절연 고열전도 섬유의 표면을 접착 용이 처리함으로써, 절연 고열전도 섬유와 바인더 수지의 접착성을 향상시키고, 양자의 계면 박리를 억제함으로써, 절연성을 확보할 수 있다.
그러나, 전자 부품의 제조 공정 중에 있어서는, 여러가지 온도 영역을 거치는 것도 상정할 수 있다. 여러가지 온도 영역이나, 유지 시간에 의해, 절연 고열전도 섬유와 바인더 수지의 접착성이 저하되는 것도 상정할 수 있다.
여러가지 온도하에서, 일정 시간, 절연 열전도 시트를 노출시킨 경우, 노출시킨 후의 절연 파괴 강도가 초기의 절연 파괴 강도의 30% 이상이면, 충분한 절연성을 유지하고 있다고 할 수 있다. 처리 온도 및 시간에 관해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상정하는 전자 부품의 작동 환경 온도 및 제조 공정 중에 발생하는 가공 온도 내이면 되고, 바람직하게는 150℃·3000시간 유지 후, 보다 바람직하게는 200℃·3000시간 유지 후, 더욱 바람직하게는 300℃·3000시간 유지 후에 있어서, 절연 열전도 시트의 절연 파괴 강도가 초기의 절연 파괴 강도의 30% 이상이고, 보다 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이다.
본 발명의 절연 열전도 시트는, -40℃∼150℃의 열충격 시험 1500회 후의 절연 파괴 강도가 초기의 절연 파괴 강도에 대하여 30% 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이다.
절연 고열전도 섬유는 어떠한 단면 형상을 취해도 상관없지만 관통 밀도를 높이는 것이 용이하기 때문에, 원형이 바람직하다. 직경은 특별히 한정되지 않지만 방열 대상의 균일성의 면에서 1 mm 이하가 바람직하다. 섬유의 길이는 시트의 두께에 따라 조절하고, 시트의 두께 방향으로 관통하고 있는 것이 필수이다.
본 발명의 절연 고열전도 섬유는, 그 표면이 바인더 수지와 습윤성이 양호한 수지 조성물로 피복되어 있거나, 혹은 전자선 처리에 의해 섬유 표면에 접착 용이 처리가 실시되어 있는 것이 바람직하다. 전자선 처리로서는 플라즈마 처리, 코로나 처리, 고주파 스퍼터 에칭 처리, 이온 빔 처리 등의 전자선 기술을 이용할 수 있다. 이들 처리에 의해 섬유 표면과 바인더 수지의 접착성을 높임으로써 고온에서의 사용에 의해 바인더 수지의 유연성이 손상된 경우나, 온도 변화에 의해 섬유 수지 계면에 열응력이 가해진 경우에도 계면의 박리가 잘 생기지 않게 된다.
본 발명의 절연 고열전도 섬유의 접착 용이화 방법으로서는, 생산성, 간편성의 관점에서 전자선 처리가 보다 바람직하고, 특히 접착 용이화의 효과가 높은 이온 빔 처리가 적합하게 이용된다. 플라즈마 처리, 고주파 스퍼터 에칭 처리 등을 사용한 경우, 조사 시간, 조사 에너지를 높게 하면, 볼록부 자체가 깎여 높은 앵커 효과를 얻기 어렵지만, 이온 빔 처리에서는 고저차가 큰 볼록부나 균열형의 오목부가 형성되어, 높은 앵커 효과가 얻어진다. 전술한 바와 같은 요철이 형성되는 이유는 분명하지 않지만, 이온 빔이 이온 속도에 방향성을 갖기 때문에 효과적으로 고저차가 큰 볼록부가 얻어지는 것으로 추측된다.
섬유에 대하여 이온 빔 처리를 행하기 위해서는, 방사 또는 열처리 후, 롤-투-롤로 권출하고, 이온 빔 처리 장치로 연속적으로 롤-투-롤 처리하는 방법이나, 배치식의 방법을 채용할 수 있지만, 조업성의 면에서 롤-투-롤 방식이 바람직하다. 피처리물은 섬유 다발 외에, 섬유 다발을 단섬유로 분섬하여 한 방향으로 정렬시킨 것이나 직물이어도 좋다. 이온 빔을 섬유에 조사하기 위한 이온 건으로는, 예컨대 카우프만 제조의 클로즈드 드리프트 이온 소스를 이용할 수 있고, 이온원으로서는, DC 방전, RF 방전, 마이크로파 방전 등을 이용할 수 있다. 특히, 롤-투-롤 처리에 있어서는, 리니어 이온 소스를 이용하는 것이 바람직하다.
이온 건에 사용되는 가스로서는, 이온 입자를 생성할 수 있는 것이라면 어떠한 가스도 제한되지 않지만, 예컨대 수소, 헬륨, 산소, 질소, 공기, 불소, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 N2O 및 이들의 혼합물 중에서 적절히 선택하여 사용된다. 이들 중에서는, 특히 산소, 공기가, 섬유 표면에 전술한 볼록부를 형성함과 동시에 작용기도 부여할 수 있기 때문에 바람직하다.
이온 빔을 구성하는 이온 입자의 에너지는, 이온 건의 방전 전압, 방전 전류, 방전 전력, 빔 가스 유량 등을 적절히 선택하여, 10-2∼100 KeV 정도로 조절하고, 방전 전압은 295∼800 W 정도, 방전 전류는 0.1∼10 A 정도로 조절하여 조사하는 것이 바람직하다. 처리시 압력은 0.1∼1.0 Pa 정도, 섬유 이송 속도는 0.01∼1.0 m/min, 바람직하게는 0.01∼0.3 m/min 정도로 조절하여 조사하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 절연 열전도 시트의 난연성은 V-0 상당인 것이 바람직하다. V-0 상당이면 전자 기기 중에서 회로의 단락, 열화 등에 의해 발화되었을 때에 연소를 경감할 수 있다.
시트의 두께는 10 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하이다. 10 ㎛보다 얇아지면 시트의 강도가 저하되어, 핸들링성이 나빠지기 때문에 바람직하지 않다. 또한 300 ㎛를 초과하면 열저항이 커지기 때문에 바람직하지 않다.
시트의 평균 표면 조도는 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 표면 조도가 15 ㎛ 초과이면 발열체 및 방열체와의 밀착성이 손상되기 때문에 열전도성이 저하된다.
본 발명에서의 절연 고열전도 시트의 듀로미터 경도가 쇼어 A 경도 80 이하, 쇼어 E 경도 5 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 쇼어 A 경도 70 이하, 쇼어 E 경도 10 이상이다. 쇼어 A 경도가 낮으면 발열체나 방열체의 근소한 요철을 따라 밀착하는 것이 가능해져 효율적으로 열전도가 가능해진다. 한편, 쇼어 E 경도가 높으면 전자 기기나 광원에 내장할 때의 핸들링성이 양호해진다.
본 발명에서의 절연 고열전도 섬유는, 전기 절연성과 높은 열전도성을 갖는 섬유이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 질화붕소 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유, 폴리벤자졸 섬유 등을 들 수 있는데, 특히 내열성을 겸비하고, 입수가 용이한 폴리벤자졸 섬유가 바람직하다. 탄소 섬유는 고열전도성을 갖지만 도전성이기 때문에, 전기 절연성의 관점에서 본 발명에 대한 사용에는 알맞지 않다. 폴리벤자졸 섬유는 시판품(도요보 주식회사 제조 Zylon)을 구입하는 것이 가능하다.
절연 고열전도 섬유의 열전도성은 20 W/mK 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 W/mK 이상이다. 열전도성이 20 W/mK 이상이면, 시트로 성형했을 때에 높은 열전도성이 얻어진다.
바인더 수지는 내열성이나 전기 절연성, 열안정성이 우수한 것이 바람직하고, 바인더 수지를 적절히 선택함으로써, 이들 물성을 원하는 범위로 조정하는 것이 가능하다. 발열체와의 밀착성을 고려하여, 유연성이 우수한 수지 혹은 접착성을 갖는 수지를 선정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 유연성이 우수한 재질로서는, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, EPDM계 수지, 폴리카보네이트계 수지를 들 수 있고, 접착성을 갖는 재질로서는, 열가소성 수지나 열경화성 수지의 반경화 상태의 것을 들 수 있다. 유연성이 우수한 재질로서는, 특히 히트 사이클에 의한 물성 변화가 적고 잘 열화되지 않는 실리콘계 수지가 바람직하다. 접착성을 갖는 재질로서는, 발열체와의 접착 계면에서의 내열충격성의 관점에서 충격 흡수성이 좋은 우레탄계 수지가 바람직하다. 또한 난연성의 재질을 선택함으로써 열전도 시트에 난연성을 부여하는 것도 가능하다.
본 발명의 시트는 그 표면에 접착제가 도포된 상태여도 좋다. 접착제는 특별히 한정되지 않지만 아크릴산에스테르 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 등, 또는 이들 수지 중에 금속, 세라믹, 흑연 등의 고열전도성 필러를 혼합한 수지를 들 수 있다.
절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지의 체적 고유 저항은 1010 Ω·cm 이상 바람직하게는 1012 Ω·cm, 더욱 바람직하게는 1013 Ω·cm인 것이 바람직하다. 체적 고유 저항이 이 범위이고, 섬유와 바인더 수지 계면의 박리가 없으면, 높은 절연 파괴 강도를 실사용 환경하에서 유지하는 것이 가능하다.
본원 제1 발명의 절연 고열전도성 시트는 이하의 공정을 포함하는 방법에 의해 제조 가능하다.
(i) 상기 절연 고열전도 섬유를 바인더 수지와는 상이한 수지로 피복하거나, 또는 전자선 조사하는 공정
(ii) 절연 고열전도 섬유를 임의의 길이로 절단하는 공정
(iii) 접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 직립시키는 공정
(iv) 직립한 절연 고열전도 단섬유를 가열에 의해 접착 고정하는, 바람직하게는 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에 기재를 수축시키는 공정
(v) 기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 경화시키는 공정
(vi) 기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
본원 제2 발명의 절연 고열전도성 시트는 이하의 공정을 포함하는 방법에 의해 적합하게 제조 가능하다.
(i) 접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 시트면에 대하여 60°∼90°의 기울기로 직립시키는 공정과
(ii) 직립한 절연 고열전도 단섬유를 제전하는 공정과
(iii) 가열에 의해 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에, 관통 밀도가 70% 이하가 되는 수축률로 기재를 수축시키는 공정과
(iv) 기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 고화시키는 공정과,
(v) 기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
정전 식모란 2개의 전극 중 한쪽에 기재, 다른 한쪽에 단섬유를 배치하고, 고전압을 인가함으로써 단섬유를 대전시켜 기재측에 투묘, 접착제에 의해 고정화하는 것이다.
본 발명에 있어서는, 식모 섬유의 직립성이 높은 것이 높은 열이방성을 발현시키는 포인트가 된다. 전술한 제조 공정에서의, 정전 식모 후의 절연 고열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기의 평균치는 60° 이상 90° 이하, 바람직하게는 65° 이상 90° 이하, 더욱 바람직하게는 70° 이상 90° 이하인 것이 바람직하다. 이 각도로 컨트롤함으로써 이후의 수축 공정에 있어서 섬유끼리의 충돌이 적어져, 주름이나 굴곡을 발생시키지 않고 수축시키는 것이 가능해진다. 또한 수축 후에도 상기 기울기를 유지하는 것이 가능해져, 시트로 했을 때에 높은 열이방성을 확보할 수 있다.
본 발명에서의 정전 식모는 높은 직립성이 얻어지는 정전 식모 방법으로 행하는 것이 바람직하고, 업법이 바람직하다. 다운법은, 정전 인력에 의해 전기력선을 따라 대항 전극으로 끌어당겨지는 단섬유에 더하여, 중력에 의해 자연 낙하하는 단섬유도 식모되기 때문에 섬유의 직립성이 부족해진다. 한편, 업법은 정전 인력에 의해 끌어당겨지는 단섬유만이 식모되기 때문에 직립성이 양호해진다.
높은 직립성을 얻기 위해, 정전 식모의 전극간 거리 r(cm)과 인가 전압 V(kV)의 곱인 전계 강도 E는 식 1의 범위 내인 것이 바람직하며, 또한, 절연 고열전도 섬유의 섬유 길이(mm)와 섬도(D)의 몫 a는 식 2의 범위 내인 것이 바람직하다. E가 식 1의 범위 미만에서는 전계의 강도가 불충분하고 충분한 직립성이 얻어지지 않는다. E가 8을 초과하면 절연 파괴가 발생하고 정전 식모를 정상적으로 행할 수 없다. a가 1.5 이하에서는 섬유의 애스펙트비가 커지고 자신의 중량에 의해 직립성을 유지하는 것이 곤란해진다. a가 10.2 이상에서는 애스펙트비가 작아지고 섬유 내에서의 섬유 축방향의 분극률이 작아지기 때문에, 직립성이 부족해진다.
0.25a+3.37≤E≤8···식 1
(r: 전극간 거리(cm), V: 인가 전압(kV), E=V/r)
2≤a≤10···식 2
(a: 섬도(D)/섬유 길이(mm))
상기 바람직한 제조 조건을 도 2에 나타낸다. 전술한 범위 내에서 정전 식모를 행함으로써, 절연 고열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기를 60° 이상으로 하는 것이 가능하다. 본원 제1 발명에 있어서는 전술한 범위 내에서 정전 식모를 행함으로써, 절연 고열전도 섬유의 최종적인 관통 밀도는 30%를 달성하는 것이 가능하다.
본원 제2 발명에 있어서 식모 밀도 및 기재의 수축률은, 수축 후에 시트로 했을 때의 섬유의 관통 밀도가 30% 이상 70% 이하가 되도록 각각 조정하는 것이 바람직하다. 수축 후의 관통 밀도가 지나치게 높으면, 잔류 전하에 의한 정전 반발 및 물리적 반발이 커지고, 수축시에 주름이나 굴곡이 생기기 쉽다. 기재의 면적 수축률은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 95℃ 온수중 10초에서의 기재의 적어도 한 방향의 열수축률이 30∼85%의 범위이면 양호한 품위로 수축시키는 것이 가능하다. 또한 수축 방향은 2축, 1축의 어느쪽이든 사용하는 것이 가능하다. 연속 생산이 용이한 점에서는 1축 수축이 바람직하지만, 수축 후의 관통 밀도를 높게 설정하는 경우에는, 보다 주름이나 굴곡이 생기기 어려운 2축 수축의 기재를 이용하는 것이 바람직하다.
식모 밀도 즉 섬유의 관통 밀도는, 도 2와 같이, 식모 밀도 인가 전압 및 전극간 거리에 의해 E를 조정함으로써 제어 가능하다. 미리 도 3과 같이 E와 섬유의 관통 밀도의 검량선을 작성하고, 원하는 관통 밀도에 알맞은 E로 정전 식모함으로써 조정할 수 있다. 또는 도 4와 같이, 전극 상에 설치하는 단섬유의 도입량에 의해서도 조정할 수 있다. 도입량이란, 전극 상에 설치한 단섬유가 전부 식모된 경우의 이론상의 관통 밀도이다.
상기 공정상의 접착제의 재질은 이후의 연마 공정에서 제거 가능하기 때문에 특별히 한정되지 않지만, 보다 전기 절연 저항이 낮은 쪽이 섬유의 직립성이 양호해지는 점에서 바람직하다. 예컨대, 아크릴 수지 등의 수분산액이 적합하게 이용된다. 또한, 절연 저항을 낮게 억제하기 위해 접착제의 도공 두께는 작은 쪽이 바람직하지만, 투묘한 섬유를 고정할 수 있을 정도로 클 필요가 있기 때문에, 바람직하게는 10 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 10 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 공정상의 제전은, 식모 시트에 어스 단자를 접촉시켜 잔류 전하를 제거하거나, 이오나이저로 정전기를 제거함으로써 실시할 수 있다.
본원 제1 발명의 기재는, 정전 식모에 있어서 높은 식모 밀도를 얻기 위해서는, 정전 인력을 높이기 위해 절연 저항이 작은 재질이 바람직하다. 또한 비용 저감을 위해서는 바인더를 고화한 후에 시트를 박리할 수 있는 재질을 선택하는 것이 바람직하고, 예컨대 금속박, 도전제를 코팅한 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 흑연 시트를 이용할 수 있다. 또한, 이후의 공정에서 기재를 수축시키는 경우에는 수축 가능한 필름을 이용할 필요가 있고, 예컨대 도전제를 코팅한 수축성의 폴리스티렌 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 등을 이용하는 것이 가능하다.
본원 제2 발명의 기재는, 가열 등에 의해 수축 가능한 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 예컨대 열수축성의 폴리스티렌 필름, 폴리에스테르 필름을 이용하는 것이 가능하다. 또한 높은 직립성을 얻기 위해 절연 저항이 낮은 재질이 바람직하고, 기재의 두께가 50 ㎛ 이하이거나, 도전제를 코팅한 것이 바람직하다.
본 발명의 제조 공정에 있어서 기재에 직립 고정된 절연 고열전도 섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 고화시키는 공정은 이하에 나타내는 어떠한 방법에 의해서도 가능하다. (i) 바인더 수지를 어느 용매에 용해, 또는 에멀전의 상태로 함침하고, 가열에 의해 용매를 휘발시켜 고화시키는 방법, (ii) 가열에 의해 용융한 상태로 함침하고, 냉각에 의해 고화시키는 방법, (iii) 모노머의 상태로 함침하고, 가열, 혹은 자외선, 적외선, 전자선 등의 에너지선으로 고화시키는 방법.
본 발명에서의 연마는, 연삭반이나 연마기, 랩핑반, 폴리싱 머신, 호닝 머신, 버프 연마기, CMP 장치 등을 사용할 수 있다. 기재로부터 박리하여 연마해도, 또는 그대로 기재를 포함시켜 연마해도 제조 가능하다. 평활면의 표면 조도는 연마 지석 또는 연마지의 입도에 의해 제어할 수 있다. 사용하는 바인더 수지 및 고열전도 섬유의 재질에 따라 적절한 입도는 상이하지만, 입도를 낮추면 평활성이 향상된다. 예컨대, 절연 고열전도 섬유에 폴리벤자졸 섬유를 사용하고, 바인더 수지에 경도가 쇼어 A65인 실리콘 수지를 사용한 경우에는 입도 #2000 이상에서 표면 조도 10 ㎛ 정도의 평활면이 얻어지고, 또한 입도 #660에서는 5 ㎛ 정도가 된다.
실시예
본 발명에서의 내구성 시험은 이하의 방법으로 실시했다.
고온 유지 시험은 시험 온도로 온도 조정된 송풍 정온 건조기(어드반테크 제조 DRX620DA) 내에 3000시간 정치함으로써 행했다.
열충격 시험은 소형 냉열 충격 장치(에스펙 제조 TSE-11-A)를 이용하여, -40℃와 150℃의 환경에 유지 시간 15분으로 교대로 노출시킴으로써 행했다.
본 발명에서의 각종 물성의 평가 방법은 이하와 같다.
절연 고열전도 섬유의 섬도는, 장섬유 다발로부터 10 cm 커트하여 시험편을 채취하고, 울트라미크로 천칭(자르토리우스·메카트로닉스·재팬 제조 ME5)으로 측정한 중량으로부터 이하의 계산식에 따라 산출했다.
섬도(데니어)=중량(g)×90000
절연 고열전도 섬유의 섬유 직경은, 단섬유 시험편을 현미경하에서 관찰하여, 섬유 길이 방향의 중심점에서의 섬유 직경에 있어서, 100 시험편의 평균치로 했다.
절연 고열전도 섬유의 섬유 축방향의 열전도율은, 헬륨 냉동기가 부착된 온도 제어 장치를 갖는 시스템으로 정상 열류법에 의해 측정했다. 또한, 시료 섬유의 길이는 약 25 mm로 하고, 섬유 다발은 단섬유를 약 1000올 정돈하여 묶었다. 계속해서, 시료 섬유의 양끝을 스타이캐스트 GT로 고정하고, 시료대에 세트했다. 온도 측정에는 Au-크로멜 열전대를 이용했다. 히터에는 1 kΩ 저항을 이용하고, 이것을 섬유 다발 끝에 와니스로 접착했다. 측정 온도 영역은 27℃로 했다. 측정은 단열성을 유지하기 위해 10-3 Pa의 진공중에서 행했다. 또한 측정은 시료를 건조 상태로 하기 위해 10-3 Pa의 진공 상태에서 24시간 경과한 후 개시했다.
열전도율의 측정은, 2점 사이 L의 온도차 ΔT가 1 K가 되도록, 히터에 일정한 전류를 흘려 행했다. 이것을 도 2에 나타낸다. 여기서, 섬유 다발의 단면적을 S, 열전대 사이의 거리를 L, 히터에 의해 부여한 열량을 Q, 열전대 사이의 온도차를 ΔT로 하면, 구하는 열전도율 λ는 이하의 계산식에 의해 산출할 수 있다. 본 실험 방법을 이용하여 측정한 실시예를 이하에 나타낸다.
λ(W/mK)=(Q/ΔT)×(L/S)
절연 고열전도 섬유의 체적 고유 저항률은 이하의 방법에 의해 측정했다.
장섬유 다발을 105℃에서 1시간 건조하고, 그 후 25℃, 30 RH%의 분위기하에서 24시간 이상 방치하여 조습했다. 일정 길이(5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm)의 간격을 두고 정전극과 어스 전극을 초섬유 다발에 접촉시키고, 양전극 사이에 10 V의 전압을 가하고, 디지털·멀티미터(ADVANTEST사 제조 R6441)에 의해 저항치(Ω)를 측정했다. 이 저항치로부터, 이하의 계산식에 따라, 각 간격의 길이에 관해 체적 고유 저항치를 구하고, 그 평균치를 시료의 체적 고유 저항치로 했다.
ρ=R×(S/L)
ρ는 체적 저항률(Ωcm), R은 시험편의 저항치(Ω), S는 단면적(cm2), L은 길이(2 cm)를 나타낸다. 또, 시험편의 단면적은, 섬유를 현미경하에서 관찰하여 산출했다.
바인더 수지의 체적 고유 저항은, 바인더 수지를 용액 또는 용융 제막한 시트를 25℃, 60 RH%의 분위기하에서 24시간 이상 조습하고, 고저항 저항률계 HIRESTA-IP(미츠비시 유화(주) 제조)를 사용하여, 25℃, 60 RH% 분위기하에서 측정했다. 인가 전압은 측정치가 안정되는 전압까지, 10 V, 100 V, 250 V, 500 V의 순으로 전환하여 측정을 행했다. 측정 레인지는 자동 설정으로 했다. 측정치 안정 후의 값을 체적 고유 저항으로 했다.
시트의 체적 고유 저항은, 시트를 25℃, 60 RH%의 분위기하에서 24시간 이상 조습하고, 고저항 저항률계 HIRESTA-IP(미츠비시 유화(주) 제조)를 사용하여, 25℃, 60 RH% 분위기하에서 측정했다. 인가 전압은 측정치가 안정되는 전압까지, 10 V, 100 V, 250 V, 500 V의 순으로 전환하여 측정을 행했다. 측정 레인지는 자동 설정으로 했다. 측정치 안정 후의 값을 체적 고유 저항으로 했다.
시트 및 섬유의 밀도는 건식 자동 밀도계(시마즈 제작소 제조 아큐픽 II 1340)에 의해 측정했다.
시트의 평균 표면 조도는 면조도 형상 측정기. (미츠토요 제조 Softest SV-600)에 의해, 측정폭을 5 mm, 촉침 이송 속도를 1.0 mm/s로 하여 측정했다.
시트의 경도는 JIS K 6253에 준거하여 측정했다.
시트의 절연 파괴 강도는 ASTM D 149에 준거하고, TP-516UZ(타마덴소쿠 제조)를 이용하여 단시간법으로 행했다. 시트는 23±2℃·50±5% RH에서 48시간 조습한 것을 사용했다. 하부 전극 φ6 mm 원기둥, 상부 전극 φ25 mm 원기둥 사이에 시트를 끼우고, 23±2℃·50±5% RH의 대기중에서 승압 속도 0.1∼0.2 kV/s로 전압을 인가하여, 절연 파괴가 생긴 전압치를 측정했다. φ80 mm 시트의 임의의 9점에서의 측정치의 평균을 시트의 절연 파괴 강도로 했다.
시트 두께 방향 또는 시트 면방향의 열전도율은 각각, 시트 두께 방향 또는 시트 면방향의 열확산율, 시트의 비열, 시트의 밀도를 이용하여 이하의 계산식에 의해 구했다. 열확산율은 베텔사 제조의 열물성 측정 장치 서모웨이브 애널라이저 TA3을 사용하여 측정했다.
λ=α×Cp×ρ···식 4
(λ: 열전도율(W/mK), α: 열확산율(m2/s), Cp: 비열(J/gK), ρ: 밀도(g/m3))
시트의 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비는, 임의의 위치 5점에서의 시트 두께 방향 및 면방향의 열전도율의 각 평균치를 이용하여 이하의 식에 의해 산출했다.
시트의 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비=
(두께 방향 열전도율 평균치)÷(면방향 열전도율 평균치)
시트에서의 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도는 이하의 방법에 의해 평가했다.
(i) 시트 양표면의 동일한 좌표 위치를 시야의 중심으로 하고, 낙사형 광학 현미경의 배율 20 렌즈로 양표면을 촬영한다.
(ii) 각 표면에서의 촬영상 중의 섬유 단면의 개수를 계측한다.
(iii) 각 표면에서의 섬유의 체적 함유율을 이하의 계산식에 의해 산출한다.
각 표면에서의 섬유의 체적 함유율=
[(촬영상 중의 섬유 단면의 개수)×(섬유 직경으로부터 산출한 섬유 단면적)]÷(관찰 시야의 면적)
(iv) 각 표면에서의 섬유의 체적 함유율 중, 보다 작은 값을 관통하고 있는 섬유의 체적 함유율, 즉 관통 밀도로 했다.
또한 식모 밀도는 식모 시트를 에폭시 수지로 포매하고, 면방향 연마 단면을 현미경 촬영하여, 전술과 동일한 계측 방법에 의해 산출했다.
절연 고열전도 섬유의 기울기는 이하의 방법에 의해 평가했다.
(i) 식모 시트를 에폭시 수지로 포매하고, 연마하여 시트의 두께 방향 단면을 낸다.
(ii) 시트의 두께 방향 단면을 낙사형 광학 현미경의 배율 20 렌즈로 촬영한다.
(iii) 섬유 100올을 선택하여 평활면에 대한 섬유 길이 방향의 각도 중 작은 쪽을 계측한다.
(iv) 계측한 각도를 평균하여 섬유의 기울기로 한다.
이하에 구체적인 실시예를 서술한다. 또한 측정 결과를 표 1∼표 3에 정리한다.
(실시예 1)
ZylonHM(도요보 제조)의 섬유 축방향의 열전도율은 40 W/mK였다. 절연 고열전도 섬유로서, 길이 400 ㎛로 절단한 ZylonHM을 이용하고, 바인더 수지액으로서, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 주제 TSE3431-A/100 질량부, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 경화제 TSE3431-C/30 질량부를 혼합한 수지액을 사용했다. 접착제로서, 폴리비닐알콜 AH-26(닛폰 합성 화학 제조)의 10 wt.% 수용액을 사용했다. 기재로서, 두께 20 ㎛의 스페이스클린® S7200을 사용했다. 윤활제로서 파라핀유를 얇게 칠한 정전극판 상에 기재를 설치하고, 접착제를 두께 25 ㎛로 도공했다. 여기에 전극간 거리 3 cm, 전압 18 kV로 5분간 정전 식모하여 Zylon 식모 시트를 작성했다. Zylon 도입량은 25%로 했다. 식모 시트가 올려진 정전극판을 어스 접속하여 제전한 후, 95℃의 핫 플레이트로 가열하여 기재를 수축시켰다. 수축 완료 후, 80℃, 10분 가열하여 접착제를 고화시켰다. 식모 시트에 바인더 수지액을 두께 600 ㎛로 도공하여 진공 탈포하고, 80℃, 1시간 가열 고화시켰다. 얻어진 시트로부터 기재를 박리하고, 시트 양면을 #2000의 연마지로 연마하여 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 실리콘 고무 시트를 제작했다. 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0이었다.
(실시예 2)
Zylon 도입량을 20%로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 정전 식모, 기재 수축을 행했다. 바인더 수지액으로서, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 UR3600/80.9 중량부, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 BX-10SS/12.0 중량부, 도요보 제조의 에폭시 수지 AH-120/7.1 중량부, 메틸에틸케톤 100 중량부를 혼합한 액을 사용했다. 수축 후의 시트를 깊이 1200 ㎛의 바인더 수지액층에 침지, 진공 탈포하여 바인더 수지액을 함침시켰다. 60℃ 2시간 건조시킨 후, 시트 양면을 #2000의 연마지로 연마하여 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트를 제작했다. 한편, 이 상태에서 시트는 반경화 상태이다. 실사용시에는 반경화 상태의 시트를 발열체나 냉각체와 접착하고 140℃ 4시간 가열하여 완전 경화시켜 사용하기 때문에, 체적 고유 저항은 완전 경화 상태에서 측정했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 3)
정전 식모의 전압을 13 kV, Zylon 도입량을 17%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 4)
접착제 도공 두께를 50 ㎛, Zylon 도입량을 30%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 5)
정전 식모의 전압을 36 kV, 전극간 거리를 6 cm, Zylon 도입량을 25%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 6)
연마지의 입도를 #600으로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 7)
ZylonHM(도요보 제조)의 섬유 축방향의 열전도율은 40 W/mK였다. 이온 건으로서, Advanced Energy Industries사의 38CMLIS를 이용하고, 이온 건에 도입하는 가스로서 산소를 이용하고, 방전 전압 540 V, 방전 전류 0.56 A, 방전 전력 295 W, 빔 가스 유량 45 sccm, 처리 압력 3×10-1 Pa로 섬유로부터 4 cm의 위치로부터 이온 빔을 조사한 후, 길로틴형 재단기에 의해 길이 400 ㎛로 절단했다. 바인더 수지액으로서, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 주제 TSE3431-A/100 질량부, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 경화제 TSE3431-C/30 질량부를 혼합한 수지액을 사용했다. 접착제로서, 폴리비닐알콜 AH-26(닛폰 합성 화학 제조)의 10 wt.% 수용액을 사용했다. 기재로서, 두께 11 ㎛의 알루미늄박을 사용했다. 정전극판 상에 기재를 설치하고, 접착제를 두께 25 ㎛로 도공했다. 여기에 전극간 거리 3 cm, 전압 18 kV로 5분간 정전 식모하여 Zylon 식모 시트를 작성했다. 얻어진 식모 시트를 80℃, 1시간 가열하고, 접착제를 경화시킨 후, 식모 시트에 바인더 수지액을 두께 600 ㎛로 도공하여 진공 탈포하고, 80℃, 1시간 가열 고화시켰다. 얻어진 시트로부터 기재를 박리하고, 시트 양면을 입도 #2000의 연마지로 연마하여, 최종적으로 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 실리콘 고무 시트를 제작했다. 시트의 쇼어 A 경도는 68이었다. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0이었다.
(실시예 8)
바인더 수지액으로서, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 UR3600/80.9 중량부, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 BX-10SS/12.0 중량부, 도요보 제조의 에폭시 수지 AH-120/7.1 중량부, 메틸에틸케톤 100 중량부를 혼합한 액을 사용했다. 실시예 1과 동일하게 제작한 식모 시트를 깊이 1200 ㎛의 바인더 수지액층에 침지, 진공 탈포하고 바인더 수지액을 함침시켰다. 60℃ 2시간 건조시킨 후, 시트 양면을 #2000의 연마지로 연마하여 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트를 제작했다. 한편, 이 상태에서 시트는 반경화 상태이다. 실사용시에는 반경화 상태의 시트를 발열체나 냉각체와 접착하고 140℃ 4시간 가열하여 완전 경화시켜 사용하기 때문에, 내구성 시험은 완전 경화 상태에서 측정했다.
(실시예 9)
바인더 수지액으로서, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 UR3575/100 중량부, 도요보 제조의 에폭시 수지 HY-30/2.4 중량부를 혼합한 액을 사용한 점 이외에는 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다.
(실시예 10)
바인더 수지액으로서, 아크릴계 수지의 수분산액인 요도졸 AA76(헨켈 재팬 제조)을 사용하고, 가열 경화를 80℃, 1시간으로 행한 점 이외에는, 실시예 7과 동일한 수법으로 Zylon 복합 아크릴 수지 시트를 제작했다.
(실시예 11)
접착제 도공 두께를 50 ㎛로 한 점 이외에는, 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다.
(실시예 12)
ZylonHM(도요보 제조)의 섬유 축방향의 열전도율은 40 W/mK였다. 이온 건으로서, Advanced Energy Industries사의 38CMLIS를 이용하고, 이온 건에 도입하는 가스로서 산소를 이용하고, 방전 전압 540 V, 방전 전류 0.56 A, 방전 전력 295 W, 빔 가스 유량 45 sccm, 처리 압력 3×10-1 Pa로 섬유로부터 4 cm의 위치로부터 이온 빔을 조사한 후, 길로틴형 재단기에 의해 길이 400 ㎛로 절단했다. 바인더 수지액으로서, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 주제 TSE3431-A/100 질량부, 모멘티브·퍼포먼스·마테리알즈사 제조의 액상 실리콘 고무 경화제 TSE3431-C/30 질량부를 혼합한 수지액을 사용했다. 접착제로서, 폴리비닐알콜 AH-26(닛폰 합성 화학 제조)의 10 wt.% 수용액을 사용했다. 기재로서, 두께 20 ㎛의 스페이스클린& reg ; S7200을 사용했다. 윤활제로서 파라핀유를 얇게 칠한 정전극판 상에 기재를 설치하고, 접착제를 두께 25 ㎛로 도공했다. 여기에 전극간 거리 3 cm, 전압 18 kV로 5분간 정전 식모하여 Zylon 식모 시트를 작성했다. Zylon 도입량은 25%로 했다. 식모 시트가 올려진 정전극판을 어스 접속하여 제전한 후, 95℃의 핫 플레이트로 가열하여 기재를 수축시켰다. 수축 완료 후, 80℃, 10분 가열하여 접착제를 고화시켰다. 식모 시트에 바인더 수지액을 두께 600 ㎛로 도공하여 진공 탈포하고, 80℃, 1시간 가열 고화시켰다. 얻어진 시트로부터 기재를 박리하고, 시트 양면을 #2000의 연마지로 연마하여 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 실리콘 고무 시트를 제작했다. 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지), 시트의 쇼어 A 경도는 68이었다. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0이었다.
(실시예 13)
Zylon 도입량을 20%로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 정전 식모, 기재 수축을 행했다. 바인더 수지액으로서, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 UR3600/80.9 중량부, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 BX-10SS/12.0 중량부, 도요보 제조의 에폭시 수지 AH-120/7.1 중량부, 메틸에틸케톤 100 중량부를 혼합한 액을 사용했다. 수축 후의 시트를 깊이 1200 ㎛의 바인더 수지액층에 침지, 진공 탈포하고 바인더 수지액을 함침시켰다. 60℃ 2시간 건조시킨 후, 시트 양면을 #2000의 연마지로 연마하여 두께 100 ㎛의 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트를 제작했다. 한편, 이 상태에서 시트는 반경화 상태이다. 실사용시에는 반경화 상태의 시트를 발열체나 냉각체와 접착하고 140℃ 4시간 가열하여 완전 경화시켜 사용하기 때문에, 체적 고유 저항 및 내구성 시험은, 완전 경화 상태에서 측정했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 14)
정전 식모의 전압을 13 kV, Zylon 도입량을 17%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 정전 식모, 기재 수축을 행했다. 바인더 수지액으로서, 도요보 제조의 포화 공중합 폴리에스테르우레탄 용액 UR3575/100 중량부, 도요보 제조의 에폭시 수지 HY-30/2.4 중량부를 혼합한 액을 사용한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 15)
바인더 수지액으로서, 아크릴계 수지의 수분산액인 요도졸 AA76(헨켈 재팬 제조)을 사용하고, 가열 경화를 80℃, 1시간으로 행한 점 이외에는, 실시예 12와 동일한 수법으로 Zylon 복합 아크릴 수지 시트를 제작했다. 수지 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 16)
접착제 도공 두께를 50 ㎛, Zylon 도입량을 30%로 한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 17)
정전 식모의 전압을 36 kV, 전극간 거리를 6 cm, Zylon 도입량을 25%로 한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(실시예 18)
연마지의 입도를 #600으로 한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(참고예 1)
Zylon 도입량을 15%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(참고예 2)
Zylon 도입량을 10%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제작했다. 완전 경화 시트의 체적 고유 저항은 1016 Ω·cm 이상(측정기 오버 레인지)이었다.
(비교예 1)
Zylon 도입량을 40%로 한 점 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 정전 식모, 기재 수축을 실시했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 2)
접착제로서 실시예 1에 기재된 실리콘계 바인더 수지를 사용하고, 도공 두께를 120 ㎛, 접착제 고화 조건을 80℃ 1시간으로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 수법으로 시트를 제작했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 3)
정전 식모의 전압을 10 kV로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 수법으로 시트를 제작했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 4)
기재로서 두께 50 ㎛ 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 사용하고, 접착제 도공 두께를 120 ㎛로 한 점 이외에는, 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다.
(비교예 5)
기재로서 두께 50 ㎛ 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 사용하고, 접착제 도공 두께를 400 ㎛로 한 점 이외에는, 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다.
(비교예 6)
전극 사이에 인가하는 전압을 10 kV로 한 점 이외에는, 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다.
(비교예 7)
실시예 7과 동일한 바인더 수지액에, 동일하게 이온 빔 조사, 절단한 ZylonHM 단섬유를 체적 함유율 20%가 되도록 혼합하고, 5분간 교반했다. 얻어진 Zylon 복합 수지액을 두께 50 ㎛ 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 상에 두께 100 ㎛로 도공하고, 어스 전극판의 상부에 설치하여 전극 사이에 전압 18 kV를 5분간 인가한 후, 80℃, 1시간 가열 고화시켰다. 시트의 쇼어 A 경도는 68이었다. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0이었다.
(비교예 8)
절연 고열전도 섬유로서 전자선 처리를 실시하지 않은 ZylonHM을 사용한 점 이외에는, 실시예 7과 동일한 수법으로 Zylon 복합 실리콘 시트를 제작했다.
(비교예 9)
절연 고열전도 섬유로서 전자선 처리를 실시하지 않은 ZylonHM을 사용한 점 이외에는, 실시예 8과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트를 제작했다.
(비교예 10)
Zylon 도입량을 40%로 한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 정전 식모, 기재 수축을 실시했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 11)
기재로서 두께 50 ㎛ 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 사용한 점 이외에는, 실시예 13과 동일한 수법으로 시트를 제작했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 12)
접착제 도공 두께를 120 ㎛로 한 점 이외에는, 실시예 13과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트 및 완전 경화 시트를 제작했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 13)
정전 식모의 전압을 10 kV로 한 점 이외에는 실시예 13과 동일한 수법으로 시트를 제작했다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 14)
실시예 12와 동일한 바인더 수지액에, 동일하게 이온 빔 조사, 절단한 ZylonHM 단섬유를 체적 함유율 20%가 되도록 혼합하고, 5분간 교반했다. 얻어진 Zylon 복합 수지액을 두께 20 ㎛의 스페이스클린& reg ; S7200 상에 두께 100 ㎛로 도공하고, 윤활제로서 파라핀유를 얇게 칠한 정전극판 상에 기재를 설치하고, 전극 사이에 전압 18 kV를 5분간 인가한 후, 80℃, 1시간 가열 고화시켰다. 시트의 쇼어 A 경도는 68이었다. UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0이었다. 기재를 수축했을 때, 굴곡이 발생하여 양호한 시트를 얻을 수 없었다.
(비교예 15)
절연 고열전도 섬유로서 전자선 처리를 실시하지 않은 ZylonHM을 사용한 점 이외에는, 실시예 12와 동일한 수법으로 Zylon 복합 실리콘 시트를 제작했다.
(비교예 16)
절연 고열전도 섬유로서 전자선 처리를 실시하지 않은 ZylonHM을 사용한 점 이외에는, 실시예 13과 동일한 수법으로 Zylon 복합 에스테르우레탄 수지 시트를 제작했다.
실시예 1∼18의 시트는 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비가 크고, 열이방성이 매우 우수하기 때문에, 발열 밀도가 높은 전자 기기의 열전도 시트로서 사용했을 때에도, 기기 안으로의 방열이 적고 주변 부재에 대한 열손상이 경감된다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
산업상 이용 가능성
본 발명에 의해, 전기 절연 신뢰성을 확보하면서, 전자 기반이나 반도체 칩, 광원 등의 발열체로부터 냉각재나 하우징 등으로 신속하게 또한 이방적으로 열전도 및 방열이 가능해지고, 전자 기기 안으로의 열의 충만이 경감되는 결과, 열에 의한 전자 기기나 광원 등의 열화를 경감하여 수명을 늘릴 수 있는 점에서, 산업계에 크게 기여할 것이 기대된다.
(도 1) 1: 접착제, 2: 기재 필름, 3: 절연 고열전도 단섬유, 4: 정전극, 5: 어스 전극, 6: 직립한 절연 고열전도 단섬유, 7: 핫 플레이트, 8: 수축 후의 식모 시트

Claims (19)

  1. 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지고, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상, 면방향에 대한 두께 방향의 열전도비가 2 이상이고, 초기의 절연 파괴 강도가 20 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연 열전도 시트에 있어서, 150℃, 3000시간 유지 후의 절연 파괴 강도가 초기의 절연 파괴 강도에 대하여 30% 이상인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연 열전도 시트의 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비의 평균치가 2 이상 50 이하인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기의 평균치가 60° 이상 90° 이하인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 한쪽의 시트 표면에서는 표면 조도가 15 ㎛ 이하인 절연 열전도 시트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 듀로미터 경도가 쇼어 A 경도 80 이하, 쇼어 E 경도 5 이상인 절연 열전도 시트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0인 절연 열전도 시트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유가 질화붕소 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유, 폴리벤자졸 섬유 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바인더 수지가 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, EPDM계 수지, 폴리카보네이트계 수지 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  11. 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유 및 바인더 수지를 함유하여 이루어지며, 또한 면방향에 대한 두께 방향의 열전도율의 비가 12 초과 50 이하, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 6% 이상이며, 또한 체적 고유 저항이 1012 Ω·cm 이상인 절연 열전도 시트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 관통 밀도가 30% 이상 70% 이하인, 절연 열전도 시트.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유의 시트면에 대한 기울기의 평균치가 60° 이상 90° 이하인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 한쪽의 시트 표면에서는 표면 조도가 15 ㎛ 이하인 절연 열전도 시트.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, UL94 난연성 시험에서의 평가가 V-0인 절연 열전도 시트.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두께 방향으로 관통한 절연 고열전도 섬유가 질화붕소 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유, 폴리벤자졸 섬유 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바인더 수지가 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, EPDM계 수지, 폴리카보네이트계 수지 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트.
  18. 절연 고열전도 섬유를 접착 용이 처리하는 공정과,
    절연 고열전도 섬유를 임의의 길이로 절단하는 공정과,
    접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 직립시키는 공정과,
    직립한 절연 고열전도 단섬유를 가열에 의해 접착 고정하는, 바람직하게는 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에 기재를 수축시키는 공정과,
    기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 경화시키는 공정과,
    기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트의 제조 방법.
  19. 접착제를 도포한 기재에 정전 식모에 의해 절연 고열전도 단섬유를 시트면에 대하여 60°∼90°의 기울기로 직립시키는 공정과,
    직립한 절연 고열전도 단섬유를 제전하는 공정과,
    가열에 의해 접착 고정하면서 또는 접착 고정한 후에, 관통 밀도가 70% 이하가 되는 수축률로 기재를 수축시키는 공정과,
    기재에 직립 고정된 절연 고열전도 단섬유에 바인더 수지를 함침시키고 바인더 수지를 고화시키는 공정과,
    기재로부터 박리 또는 그대로 양표면을 연마하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 열전도 시트의 제조 방법.


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