KR20160043253A - 초박막 방열 테이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열기능을 보유한 점착제 및 이를 포함하는 초박막 방열 테이프의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방열 테이프는 톨루엔과 같은 인체유해 용제의 사용을 배제하고 금속분말을 포함하고 있는 바인더층 및 탄소소재 등을 첨가한 방열 점착층으로 이루어진 방열 점착테이프로 우수한 열전도성을 나타내며 스마트폰, 노트북, 테블릿 pc 와 같은 다양한 분야의 전자제품에 활용이 가능하다.

Description

초박막 방열 테이프 {THIN FILM TAPE FOR PROTECTING AGAINST HEAT}

본 발명은 방열기능을 보유한 점착제 및 이를 포함하는 초박막 방열 테이프의 제조방법에 관한 것으로서, 점착제 모노머의 극성도 및 PDI(polydispersity index)를 조절하여 점착력이 우수하고 금속분말을 포함하고 있는 바인더층 및 탄소소재 등을 첨가한 방열 점착층으로 이루어진 방열성이 우수한 초박막 방열 테이프의 관한 것이다.

최근 기술의 발전에 따라 스마트폰이나 TV 등의 두께가 얇아지는 추세이며 이에 따라 제품 구동시 발생하는 열을 효과적으로 방출해야 되는 요구가 증가되고 있다. 열을 신속하게 외부로 방출시키지 않는 경우 열이 전자소자에 영향을 미쳐 전자 소자가 제기능을 수행하지 못하는 결과가 발생할 수 있다. 구체적으로, 전자 소자에서 발생된 열로 인하여 전자 소자 주변의 부품 또는 기기에 노이즈와 오작동을 일으킬 수 있으며, 그에 따라 전자 제품의 수명이 단축될 수 있다. 특히, 스마트폰의 경우 고성능의 중앙연산처리장치(CPU)를 사용해야 되는 경우가 증가하면서 프로세서에서 발생하는 열을 효과적으로 방출해야 되는 문제점들이 심각해지고 있는 상황이다. 현재까지는 이러한 방열요구를 만족하기 위하여 금속을 주 방열재료로 사용하는 시트(sheet)형 방열 테이프를 사용하였으나 금속박판의 높은 열전도성에 비하여 점착층의 낮은 열전도성으로 효과적인 방열이 어려우며 다층구조를 가짐에 따라 그 두께가 두꺼워져, 스마트폰이나 노트북, 유기발광다이오드 TV 등의 박층화에 걸림돌이 되었다. 현재, 스마트폰이나 LED TV 등에 많이 사용되고 있는 일반적인 시트형 방열 테이프의 구조는 크게 기계적 물성을 부여하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 고분자 필름층, 열전달 통로로 사용되는 구리나 알루미늄 등의 금속박판층, 발열체와 직접 접촉하는 점착층 등을 순서대로 적층한 형태를 가진다. 이러한 방열 테이프의 구조로 인하여, 최근까지 사용되는 시트형 방열 테이프의 경우 고분자 필름층의 두께가 20㎛ 이상, 금속박판층의 두께가 35㎛ 이상, 점착층이 25㎛ 이상, 그리고 고분자 필름과 금속박판층을 접착하는 접착층의 두께가 10㎛ 이상으로, 그 두께를 100㎛ 이하로 줄이는 것은 매우 어려웠으며, 따라서 스마트폰등의 박층화에 많은 걸림돌이 되어왔다. 뿐만 아니라 점착제의 제조과정에서 광범위하게 사용되고 있는 톨루엔의 경우는 발암물질로 규정되었음에도 불구하고, 고분자 합성 과정에서 매우 우수한 성능을 나타내어 용제 등으로 사용되고 있다. 톨루엔을 사용하지 않는 제품은 사용한 것에 비하여 물성이 매우 저하되는 문제점이 있어 국내에서는 톨루엔을 지속적으로 사용하고 있다. 그러나 유럽이나 미국 등과 같은 선진국에서의 전자제품 환경유해물질 사용 규제가 강화됨에 따라 점착제 기술분야에서도 인체의 유해성을 고려하여 유해물질을 지정하여 제조, 취급 및 폐기에 이르기 까지 규제가 더욱 강화되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 종래 방열 테이프들이 가지고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 대한민국 특허 제 2012-0051596 에 따라 벤젠, 톨루엔, 자일렌과 같은 환경유해물질을 사용 하지 않고 에틸 아세테이트, 아세톤 등과 같은 유기용제를 사용하여 방열 점착제를 합성하고 점착제의 모노머의 극성도 및 PDI를 조절하여 점착력이 뛰어나고 우수한 열전도성을 가진 금속분말과 탄소소재 등을 사용하여 방열성을 획기적으로 높인 초박막형의 필름형 방열 테이프의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방열 테이프는 폴리에틸렌 테레프탈 레이트(PET)를 기재로 사용하고 상부와 하부에 방열 점착층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 방열 점착층 하부에 바인더층이 더 형성되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 바인더층은 아크릴점착제 100 중량부에 금, 은, 백금과 같은 귀금속 및 니켈, 구리, 주석, 알루미늄 등으로 이루어진 금속분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 첨가제 10 내지 30 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 방열 점착층은 아크릴점착제 100 중량부에 카본블랙, 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 첨가제 1 내지 20 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방열 점착테이프는 열전도성이 우수한 금속분말을 포함하는 바인더층과 추가적으로 방열 효과를 나타내는 방열 점착층을 보유하여 점착층의 열전도성을 증가시켜서 점착층이 단순히 발열체를 접착하는 역할을 하는 것이 아니라 열을 방출하는 통로의 역할을 우수하게 수행하기 때문에 방열도가 획기적으로 뛰어난 방열 점착테이프를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 점착 테이프의 단면도이다.

본 발명은 제1 점착면 및 제 2 점착면을 가지고 점착층 사이에 금속분말을 포함하는 바인더층을 적용한 방열 점착 테이프에 관한 것이다.

<방열 점착제합성>

본 발명의 점착층을 구성하는 베이스 점착수지는 실리콘계, 아크릴계, 고무계, 우레탄계 점착수지 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 2종의 점착수지를 사용할 수 있다. 상기 점착수지는 특별히 한정되는 것은 아니나 황변저항성이 있고 광학적 특성이 우수한 아크릴계 점착수지를 사용하는 것이 바람직하다. 고분자 물질에서 낮은 분자량의 물질의 함유량이 많을수록 점착력이 높아지고 반대로 높은 분자량의 물질의 함유량이 많을수록 응집력이 높아지기 때문에 상기 아크릴계 수지의 분산도 PDI(polydispersity index)는 6 내지 10 바람직하게는 5 내지 12로 설계하는 것이 바람직하다. 상기 아크릴계 수지의 조성은 특별히 한정되지 않지만 아크릴산 에스테르계 모노머를 포함할 수 있다. 아크릴산 에스테르계 모노머는 부틸아크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 헥실아크릴레이트, 헥실메타크릴레이트, n-옥틸아크릴레이트, n-옥틸메타크릴레이트, 이소옥틸아크릴레이트, 이소옥틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 이소노닐아크릴레이트, 이소노닐메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 아크릴 모노머를 사용할 수 있다. 본 발명의 아크릴 모노머는 우수한 점착력을 고려하여 유리전이온도가 -80℃ 내지 -50℃ 범위에 있는 아크릴산 에스테르계 모노머를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 사용할 수 있는 기능성 모노머는 특별히 한정되지 않지만 카르복실기 함유 모노머인 메타아크릴산, 2-메타아크릴옥시 아세트산, 3-메타아크릴옥시 프로필산, 4-메타아크릴옥시 부틸산, 푸마르산, 말레산, 말레산 무수물, 하이드록시기 함유 모노머인 2-하이드록시에틸 메타아크릴레이트, 2-하이드록시프로필 메타아크릴레이트, 4-하이드록시부틸 메타아크릴레이트, 6-하이드로시헥실 메타아크릴레이트, 8-하이드록시옥틸 메타아크릴레이트, 2-하이드록시에틸렌 글리콜 메타아크릴레이트, 질소함유 모노머인 아크릴아미드, N-비닐 카프로락탐 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종이상의 기능성 모노머를 사용할 수 있다.

상기 아크릴계 점착수지는 에틸아세테이트, 아세톤 및 이소프로필알콜을 단독 또는 병합하여 포함하되, 톨루엔을 첨가하지 않은 용제에, 아크릴계 고분자 및 관능기를 원료로 하는 점착제 베이스 및 중합개시제를 혼합한 후, 부분 지연 반응시켜 얻는 것이 바람직하다. 기존의 점착제 합성법 중 가장 보편적인 방법은 하나의 반응소에 아크릴계 고분자, 유기용제 및 중합 개시제를 혼합하여 교반한 후, 가열하여 일시에 반응시키는 일괄반응법이 있다. 이는 반응의 간결함과 제조의 편리성을 이유로 기존 점착제 합성에 있어 선호하는 방식이다. 하지만, 일괄 반응법은 일시적인 폭발적 반응에 대해 제어가 어렵고, 톨루엔이 전체적인 반응에 필요하다는 단점이 있다. 톨루엔은 점착제의 합성시 발생하는 순간적인 발열을 효율적으로 제어하고, 합성된 점착제의 점도 조절을 위한 희석제로 사용되며, 코팅 기능성 등의 부여를 위한 첨가제로도 사용되기 때문에 일괄 반응법에서 필수 불가결하다. 본 발명에서는 아크릴계 점착제 제조에 있어 톨루엔의 사용을 배제하기 위해 새로운 용제 조성을 개발하고, 전체 반응물을 일정시간 나누어 반응을 전개하는 방법(이하, '부분 지연 반응법' 이라고 칭함)을 사용하고자 한다. 본 발명에서는 부분 지연 반응법에서 톨루엔을 대체할 수 있는 용제로, 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 아세톤(Acetone) 및 이소프로필알콜(Iso propyl alcohol)을 단독 또는 병합하여 포함하되, 톨루엔을 첨가하지 않은 용제를 개발하여 제공한다. 주 용제로 사용된 에틸아세테이트는 아크릴계 고분자의 합성을 원활하게 이루어지도록 하고, 제조된 아크릴계 고분자의 점도조절 희석제로 사용 가능하다. 에틸 아세테이트는 첨가량이 전체 용제의 함량 중 30 내지 80 중량부가 될 때, 최적의 성능을 발휘한다. 특히, 전체 용제의 함량이 40 내지 50 중량부에서 최적의 코팅성능과 표면의 고광택이 유지된다. 아세톤과 이소프로필 알콜은 첨가량이 전체 용제량 중 40 중량부 이내가 되어야 최적의 가공성을 나타낸다. 한편, 본 발명에서 사용한 부분 지연 반응법은 고분자의 물성을 개질하고, 점착제의 기능성 부여를 위해 사용하는 일반적인 저분자 물질의 첨가 대신, 반응 중 반응 시간과 개시제의 조절로 분자량을 조절하여 하나의 반응소에서 고분자와 기능성 부여 저분자를 동시에 합성하는 것이다. 본 발명의 부분 지연 반응법은 바람직하게, 전체 반응물의 30 내지 50 중량부를 선행 반응시키는 초기 반응 단계 (a-1); 초기 반응 종결 후, 초기 반응물들이 고분자로 충분히 성장하도록 0.5 내지 4시간 동안 유지하는 고분자 성장유도 단계 (a-2); 고분자 성장 유도 후, 전체 반응물 중 나머지 양을 60 내지 120분 동안 순차적으로 반응시키는 후기 반응 단계 (a-3); 후기 반응 후, 미반응 단량체를 감소시키고, 전환율 향상을 위하여 과량의 중합개시제를 재차 투입하여, 90 내지 180분 정도 유지하는 숙성 단계 (a-4); 및 숙성 후, 급냉 및 희석제 투입을 통해 반응을 종결시키는 종결 단계 (a-5);를 포함하는 과정을 통해 수행되는 것이 바람직하다. 상기 점착 조성물에 방열성을 부여하기 위하여 아크릴 점착제 100 중량부에 카본블랙, 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유 등에서 선택되는 1종 또는 2종을 1 내지 20 중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 첨가제의 함량이 1 중량부 이하면 너무 적은 양으로 인한 방열성의 효과를 보기 힘들고 20 중량부 이상이면 방열 첨가제끼리의 응집현상이 증가하여 점착조성물내에서 분산성이 저하되고 점착력이 저하 될 우려가 있다.

<바인더>

본 발명의 바인더층에 들어가는 금속분말은 금, 은, 백금과 같은 귀금속 및 니켈, 구리, 주석, 알루미늄 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종이상이 사용될 수 있으며 평균 직경이 100 내지 500nm 일 수 있다. 상기 금속분말은 아크릴 점착제 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부인 것이 바람직하다. 상기 금속분말을 고정하기 위한 바인더는 소프트한 성질의 아크릴계 점착수지를 사용하는 것이 바람직하다.

<점착 테이프의 제조>

상기 점착제 조성물에 용제를 가하여 코팅작업에 적합한 점도로 조정하여 코팅액을 제조한다. 이후, 이형성을 가지는 기재 상에 도포한 후 경화시켜 점착층을 형성하도록 한다. 상기 이형성을 가지는 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리부타다이엔, 폴리메틸펜텐, 폴리염화비닐, 염화비닐 공중합체, 폴리우레탄, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 불소수지, 저밀도 폴리에틸렌, 트리아세틸셀루로스 등의 수지 필름이나 상질지, 코트지, 글라신지, 라미네이트지 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 기재를 사용할 수 있다. 본 발명의 이형성을 가지는 기재는 탄력성이 뛰어나고 가격측면에서 저렴한 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름이 바람직하다. 이형기재의 두께는 5㎛ 내지 200㎛, 바람직하게는 50㎛ 내지 100㎛가 보다 바람직하다. 상기 점착 조성물은 바코트법, 리버스 롤 코트법, 나이프 코트법, 롤 나이프 코트법, 그라비아 코트법, 닥터 블레이드 코트법 등의 종래의 테이프제조에 쓰이는 방법으로 코팅하고 건조 및 경화 후의 두께가 4㎛ 내지 5㎛가 되도록 도포하고 기재와 합지시켜 단면 점착필름을 제작한다. 한편 아크릴 점착수지에 금속분말을 10 중량부 내지 30 중량부 넣고 분산시켜 만든 조성액을 상기 단면 점착필름의 점착제가 코팅되지 않은 기재면에 건조 및 경화 후의 두께가 2㎛ 내지 3㎛가 되도록 상기와 마찬가지로 도포하여 본 발명의 바인더층을 형성한다. 이후, 상기 바인더층 위에 방열 점착제를 4 내지 5㎛가 되도록 도포하여 본 발명의 방열 점착 테이프를 제조한다. 본 발명의 기재는 두께가 1.4㎛ 내지 50㎛인 합성 수지 필름인 것이 바람직하고, 1.4㎛ 내지 12㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 기재를 구성하는 합성 수지 필름은, 그 양면에 도포된 점착층과의 밀착성을 향상시킬 목적으로 필요에 따라 양면에 산화법이나 요철화법 등에 의해 표면 처리를 실시할 수 있다. 상기 산화법은 코로나 방전처리, 크로산 처리, 플라즈마 방전 처리, 자외선 조사 처리 등이 있고 요철화법은 샌드 블라스트법, 용제처리 법 등이 있다. 그 중, 단가와 효율성 측면에서 코로나 방전 처리법이 바람직하다.

이하, 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 또한, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

실시예

실시예 1

부틸 아크릴레이트 모노머(BAM) 65 중량부, 2-에틸헥실 아크릴레이트 모노머(2-EHA) 30 중량부, 2-하이드록시 에틸 메타 아크릴레이트 모노머(2-HEMA) 5 중량부, 중합 개시제로 AIBN(Azobis isobutyronitrile) 0.1 중량부를 투입하고, 반응 용매로 에틸아세테이트 50 중량부, 아세톤 20 중량부를 투입하여 중합반응 시켜 점착 조성물을 제조하였다. 그런 다음, 점착 조성물의 고형분이 40%가 되도록 에틸아세테이트로 희석하고 이소시아네이트 경화제 1 중량부를 넣어 점착 조성물을 제조 하였다. 이후, 방열성을 부여하기 위한 첨가제로서 탄소나노튜브 10 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합되도록 충분히 교반하여 친환경 방열성 점착액을 준비하였다. 이후, 실리콘 이형처리가 된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름에 콤마코팅 방법으로 상기 코팅액을 도포하여 건조 및 경화 후 두께가 4 내지 5㎛가 되도록 도포하고 1.4㎛의 두께를 갖는 PET 필름에 합지하여 단면 점착테이프를 제조한다. 한편 소프트한 아크릴 점착수지에 구리분말을 10 중량부 넣고 분산시켜 만든 조성액을 상기 단면 점착필름의 점착제가 코팅되지 않은 기재면에 건조 및 경화 후의 두께가 2㎛ 내지 3㎛가 되도록 상기와 마찬가지로 도포하여 본 발명의 바인더층을 형성한다. 이후, 상기 바인더층 위에 상기에서 제조한 방열 점착제를 4 내지 5㎛가 되도록 도포하여 본 발명의 방열 점착 테이프를 제조한다.

실시예 2

방열 점착제에 들어가는 탄소나노튜브의 함량을 5 중량부로 변량한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 점착테이프를 제조하였다.

실시예 3

방열 점착제에 들어가는 탄소나노튜브의 함량을 20 중량부로 변량한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 점착테이프를 제조하였다.

실시예 4

바인더에 들어가는 구리분말의 함량을 20 중량부로 변량한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 점착테이프를 제조하였다.

실시예 5

바인더에 들어가는 구리분말의 함량을 30 중량부로 변량한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 점착테이프를 제조하였다.

비교예 1

바인더층을 제거 하고 방열 점착 테이프의 두께를 실시예 1과 동일하게 한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 점착테이프를 제조하였다.

<열도도 측정>

열전도도 측정은 외부기관(한국기술교육대학교)에 의뢰하여 측정하였다. 측정 장비는 NETZCH 사의 LFA447 Nanoflash 장비를 사용하였다.

구분	열전도도(W/mk)
	수직	수평
실시예 1	2.103	122.442
실시예 2	1.567	100.345
실시예 3	2.134	125.212
실시예 4	2.521	127.322
실시예 5	2.211	120.765
비교예 1	0.969	121.444

위의 표 1의 결과를 보면 탄소나노튜브의 함량이 적은 실시예2의 경우 점착제 중의 탄소나노튜브의 함량이 적어 열전도성이 저하 되는 것을 확인할 수 있었고 탄소나노튜브의 함량이 높은 실시예3의 경우 함량 증가에 따른 열전도도의 상승은 미미 한 것을 확인 할 수 있었다. 구리분말의 함량이 30 중량부 이상 들어갈 경우 점착제 내에서 고르게 분산되지 못하기 때문에 오히려 열전도성이 저하되는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 바인더층을 적용하지 않은 비교예1의 경우는 그렇지 않은 실시예 1 내지 5에 비하여 열전도성이 현저히 저하되는 것을 확인 할 수 있었다.

10: 점착층
20: 바인더층
30: 기재

Claims (8)

1. 고분자 필름에 제 1 점착면 및 제 2 점착면을 가지고 제 1 점착면 사이에 금속분말을 포함하는 바인더층으로 이루어진 방열 점착 테이프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 점착층 및 바인더층이 아크릴계 수지인 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프.
3. 제2항에 있어서,
   상기 아크릴계 수지는 부틸아크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 헥실아크릴레이트, 헥실메타크릴레이트, n-옥틸아크릴레이트, n-옥틸메타크릴레이트, 이소옥틸아크릴레이트, 이소옥틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 이소노닐아크릴레이트, 이소노닐메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 아크릴 모노머를 사용하는 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프.
4. 제1항에 있어서,
   상기 점착층은 카본블랙, 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유 등에서 선택되는 1종 또는 2종을 첨가하는 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프
5. 제2항에 있어서,
   상기 아크릴계 수지의 용제로 BTX(Benzene;B, Toluene;T, Xlene;X)를 제외한 혼합유기용제를 사용하는 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바인더층에 금, 은, 백금과 같은 귀금속 및 니켈, 구리, 주석, 알루미늄 등으로 이루어진 군에서 선택되는 평균 직경이 100 내지 500nm의 1종 또는 2종이상의 금속분말을 첨가하는 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프.
7. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 필름은 두께가 1.4㎛ 내지 50㎛이고 양면에 코로나 방전처리가 된 합성 수지 필름인 것을 특징으로 하는 방열 점착 테이프.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 하는 방열 점착 테이프.

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