KR20160056628A - 방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법 - Google Patents

Abstract

방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법이 개시되어 있다. 방열 도료는 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%와, 세라믹 분말 5 내지 40 중량%와, 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%와, 경화 수지 5 내지 10중량%와, 열 개시재 0.01 내지 0.2 중량% 및 여분의 유기 용매를 포함한다. 상기 방열 도료는 방열 소재의 열 방사 효율을 크게 하여 냉각효율을 향상시키고, 열을 균일하게 전달하는 열확산 층으로 작용한다.

Description

방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법{Heat Radiant Paint and nanotubes and Method for forming Heat Radiant coating layer of using the same}

본 발명은 방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전기, 전자부품의 방열 장치에 도장되는 방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법에 관한 것이다.

첨단 기기의 경박단소, 고기능화 추세에 따라 저전력 설계, 방열 및 고내열성 소재의 중요성은 점점 커지고 있으며 이 같은 전자기기와 내연기관의 발열문제는 국내외적으로 큰 이슈로 대두되고 있다.

일반적인 유/무기 자재는 열전도의 특성으로 전원 또는 열원이 공급됨과 동시에 열을 발생시키기 시작한다. 이때 전달되는 열을 최대한 분산시켜서 한 곳에 집중되는 않게 하고, 밖으로 최대한 신속하게 배출할 필요가 있다. 열을 배출하기 위하여 일반적으로 물리적인 방법이나 재질의 변화를 통한 방법이 사용되고 있다.

최근이 경우 LED의 발열로 인하여 소자의 수명이 단축되어 자주 교체되거나, 수리가 이루어져야 한다는 문제점이 있다. 또한 조명용 기구, 디스플레이 LCD의 BLU(Back Light Unit) 등 기타 가전 제품의 경우에도 제품의 효율 및 안정성 향상을 위하여 방열성능이 반드시 필요하다. 이러한 방열 성능을 향상시키기 위해 방열 도료(한국출원번호 2010-0138637호)에 대한 기술이 제시되었다. 그러나 상술한 방열 도료의 경우 바인더 수지와 도전성 필러의 분산성이 낮고, 가공시 도막의 갈라짐이 발생하는 문제점을 갖는다.

본 발명의 과제는 금속의 방열부품의 적용이 적용이 용이하고, 형상 가공시 도막의 박리 및 갈라짐 현상이 없는 우수한 작업성을 갖는 고방사 방열 도료를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 방열판 표면에서의 방열이 효율적으로 이루어지는 방열 코팅도막을 형성할 수 있는 바업을 제공하는데 있다. ,

상기한 본 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 도료는 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%와, 세라믹 분말 5 내지 40 중량%와, 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%와, 경화 수지 5 내지 10중량%와, 열 개시재 0.01 내지 0.2 중량% 및 여분의 유기 용매를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브는 산 처리에 의해 개질된 탄소 나노튜브 표면의 카르복실기와 옥시란기 포함하는 단량체를 서로 반응시킴으로써 제조된 것으서 표면에 기능성 작용기인 탄소 이중결합기를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 세라믹 분말은 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화주석, 탄화수소, 보론나이트라이드, 실리콘나이트라이드로등을 사용할 수 있으며, 단독 또는 둘이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지는 유리전이온도가 10~40℃범위를 갖고, 수평균 분자량이 7,000~15,000이고, 수산화값이 10~40인 폴리에스테 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 상기 경화 수지는 멜라민 수지 및 블록이소시아네이트 수지 중에서 선택된 어느 하나인 사용할 수 있다.

상기한 본 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 코팅막은 방열도료를 대상체 상에 코팅한 후 대상체 표면에 코팅된 방열도료를 열 경화시키는 단계를 수행함으로서 이루어질 수 있다. 이때, 상기 방열도료는 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%; 세라믹 분말 5 내지 30 중량%; 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%; 경화 수지 5 내지 10중량%; 열 개시재 0.01 내지 0.2 중량% 및 여분의 유기 용매를 포함한다.

일 실시에 있어서, 방열 코팅막은 스프레이 코팅, 롤 코팅, 디핑 코팅, 콤마 코팅, 그라비아 코팅, 전착 코팅 중에서 선택된 어느 하나의 코팅 방법을 적용하여 형성할 수 있다. 하는 방열코팅막 형성방법.

본 발명에 따른 방열 도료 조성물은 기능성 작용기가 도입된 나노튜브 및 세라믹 분말을 사용하여, 도막 내에 균일한 분산구조를 형성하며, 전자제품의 방열시트 및 Heat Sink에 스프레이 코팅, 롤 코팅, 디핑 코팅, 콤마코팅 방식을 통해 도장됨으로써 열 방사 효율을 크게 하여 냉각효율을 향상시키고, 열을 균일하게 전달하는 열확산 층으로 작용한다. 또한 형상 가공성이 우수하여, 미세한 패턴 slitting 및 press 가공에 있어서 작업의 우수성을 부여한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 고방사 방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

방열 도료 및 이를 이용한 방열 코팅막 형성방법

본 발명의 일 실시예에 따른 고방사 기능을 갖느 방열 도료는 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%와, 세라믹 분말 5 내지 40 중량%와, 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%와, 경화 수지 5 내지 10중량%와, 열 개시재 0.01 내지 0.2 중량% 및 여분의 유기 용매를 포함한다.

상기 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브는 산 처리에 의하여 개질된 탄소나노튜브 표면의 카르복실기와 옥시란기를 갖는 단량체를 반응시켜 제조되는 제품으로, 그 표면에 기능성 작용기인 이중결합을 갖는 물질이 도입된 것을 특징으로 한다. 상기 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브에 대한 기술은 특허출원 제10-2007-0141638호에 개시되어 있기에 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 고유 특성 중 하나인 높은 열전도율 갖는 동시에 기능성 작용기로 인해 탄소나노튜브가 같이 사용되는 방열 세라믹분말들 간의 브릿지 역할을 통해 방열 효율을 높일 수 있다. 즉, 세라믹 분말의 상용성 및 분산성의 증가시켜 수지에 분산시킬 수 있는 세라믹 분말의 사용량을 종래보다 보다 증가시킬 수 있다.

상기 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 함량이 전체 도료에 대하여 1 중량% 미만이면, 수지와 방열 분산 작업성이 낮아져 세라믹 분말의 사용량이 증기시키는 못하는 문제점이 초래된다. 이의 사용량이 10 중량%를 초과하면 세라믹 분말의 상용성 및 분산의 효과의 증가 없이 제조비용이 상승하는 문제점이 초래된다. 따라서, 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브는 1 내지 10중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 적용되는 상기 세라믹 분말인 세라믹분말은 입자들 간의 공극에 의해 방열성을 향상시키기 위하여 사용된다. 상기 세라믹 분말의 예로서는 탄화규소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화주석, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 세라믹 분말은 평균입경이 1 내지 20㎛ 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 세라믹 분말의 사용량이 5 중량% 미만이면, 열전도네트워크를 구성하기에는 부족하여 방열도막의 방열 특성이 방열 도막이 지나치게 경직된다.

하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지는 도장의 작업성 및 형상의 가공에 적합한 수지로서, 10 내지 40℃ 범위를 갖는 유리전이온도와 7,000 내지 15,000 수평균 분자량을 갖고, 수산화값이 10 내지 40인 폴리에스테르 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지의 사용량이 30 중량% 미만이면 부착성 및 굴곡성 등의 물리적 성질이 저하되여 형상가공시 도막이 박리되는 문제점이 초래된다. 이의 사용량이 60중량%를 초과하면 열전도가 낮아져 방열성능이 저하되는 문제점이 초래된다. 따라서, 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지는 30 내지 60 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 경화 수지로 소부온도를 낮추고 경도, 내오염성 향상을 위해 멜라민 수지 또는 우레칸 경화수지를 사용할 수 있다.

상기 멜라민 수지의 예로서는 이소부틸화 멜라민 수지, 메틸화 멜라민 수지, 노르말-부틸화 멜라민 수지 등을 들 수 있고, 구체적으로 사이텍사의 CYMEL 325, CYMEL 327 등을 사용할 수 있다.

또한 우레탄 경화형 수지의 예로서는 MDI, HDI, TDI 와 같은 이소이아네에트를 1종 이상을 사용할수 있고, 소부온도에 적합하도록 블록화 된 제품을 사용할 수 있다.

방열 도료에 적용되는 경화 수지의 함량이 5중량% 미만일 경우 그 효과가 미미하고, 이의 사용량이 10중량%를 초과하는 경우 충격성, 굴곡성 등의 물리적 성질이 나빠지는 단점이 있다. 따라서, 방열도료 제조시 경화 수지는 5 내지 10 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 열 개시제는 상기의 기능성 작용기로 이중결합의 작용기가 도입된 탄소나노튜브 경화반응을 수행하기 위해 사용된다. 상기 열 개시제는 과산화물계 및 아조계의 열개시제가 사용될 수 있다. 구체적으로 아조비스 이소부틸로니트릴, 벤조일 퍼옥사이드, 디-t-부틸 퍼옥사이드, 터셔리-부틸 퍼벤조에이트, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드 등을 사용할 수 있다. 상기 열 개시제는 방열 도료 전체 중량에 대하여 0.01 내지 0.1중량% 범의 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

방열도료에 적용되는 유기 용매는 부틸셀로솔브, 셀로솔브 아세테이트, 프로필글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 선택된 고비점 유기용매와 자일렌, 톨루엔 중에서 선태된 중비점 유기 용매를 혼합하여 사용할 수 있으며, 전체 중량 대비 10 내지 50중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 조성을 갖는 방열도료를 대상체 코팅한 이후 이를 열경화시키면 우수한 방열성을 갖는 방열코팅막을 형성할 수 있다.

상술한 조성을 갖는 방열 도료는 전자부품 등의 대상체의 표면에 코팅할 때, 코팅 방법은 특별히 제한되지 않으나, 통상적인 코팅방법인 스프레이, 디핑, 콤마, 그라비아 코팅 방법 등으로 코팅하여 형성할 수 있다. 이때 방열 도료를 대상체 표면에 30 내지 50㎛의 두께로 코팅하는 것이 바람직하고, 상기 두께 이상으로 코팅 될 경우 비용 상승 및 크랙이 발생할 가능성이 있고, 그 이하일 경우에는 좋은 방열 성능을 발휘할 수 없다.

상기 방열 코팅막 형성시 방열 도료를 열 경화시키는 소성 공정은 130 내지 160℃의 온도에서 30 내지 10분 동안 열을 가하는 것이 바람직하다.

상술한 방법으로 형성된 방열 코팅막은 알루미늄, 구리, 스테인레스 등 여러 금속 소재의 대상체 표면에 형성될 수 있고, 방열성 및 부착성이 우수할 뿐만 아니라 굴곡성도 우수하여 형상 가공성이 뛰어난 특성을 갖는다.

아래에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

실시예1

폴리에스터 수지 50중량%, 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 3중량%, 멜라민 수지 8중량%, 카본 1.5중량%, 부틸셀로솔브 7중량%, 메틸이소부틸케톤 7중량%, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 12.5중량%, 보론 나이트라이드 3중량%, 탄화규소 7중량%, 분산 첨가제 1중량%을 첨가하고 교반 및 분산공정을 통하여 방열도료를 제조한 후 상기 방열 도료를 0.4T 두께의 알루미늄 시트 소재 전면에 35㎛ 두께로 도장하여 방열 시트를 제조하였다.

비교예1

방열도료의 코팅없이 0.4T 두께의 알루미늄 시트로 이루어진 방열 시트를 마련하였다.

비교예2

실시예1에서 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브를 제외한 폴리에스터 수지 50중량%, 멜라민 수지 8중량%, 카본 1.5중량%, 부틸셀로솔브 7중량%, 메틸이소부틸케톤 7중량%, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 12.5중량%, 보론 나이트라이드 3중량%, 탄화규소 7중량%, 분산 첨가제 1중량%을 첨가하고 교반 및 분산공정을 통하여방열도료를 제조한 후 상기 방열 도료를 0.4T 두께의 알루미늄 시트 소재 전면에 35㎛ 두께로 도장하여 방열 시트를 제조하였다.

방열시트의 방열 측정 실험평가

12W의 LED 바를 실시예1 및 비교예 1,2의 방열시크 위에서 가동 후, OTR 센서를 이용하여 방열시트와 LED 바의 온도변화를 측정하였다. 온도 측정은 처음 시작 시간의 온도와 2시간 후 온도를 30분 간격으로 측정하여 방열성능을 상대 비교 및 평가하였다. 방열성능의 해석은 시작 온도와 2시간 후의 온도의 차이가 적을수록, 또한 LED와 방열시트의 온도차가 적을수록 열전도성 및 방열성이 우수한 것으로 평가한다. 상기의 방열 측정은 항온 실에서 평가하며, 항온실 온도는 25℃를 유지한다. 그 평가 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다. 온도측정 장비로는 Datapaq(Ver7.3) OTR(Oven Tracking Recorder)를 사용하였다.

[표 1]

상기 표1에서 보이는 바와 같이, 실시예 1은 본 발명의 방열도료가 형성된 방열시트의 경우 LED 초기 온도 25.5℃ 의 온도가 2시간후 44.3℃가 되였고, 비교예 1의 방열시트의 경우 2시간 이후 50.8 ℃로 실시예 1이 비교예 2 보다 6.5℃의 낮은 온도 차이를 갖는 것이 확인되었다. 즉, 실시예1이 비교예 1 보다 6.5℃ 높은 방열효과를 갖는 것이 확인되었다. 또한 비교예2(실시예1의 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브를 제외한 조성물)과 실시예 1의 경우도 4℃의 온도차이로 본 발명의 방열도료가 적용된 실시예 1의 방열시트가 방열성이 뛰어나다는 것을 알 수 있었다.

Claims (8)

1. 전기, 전자 부품 및 방열 시트의 표면에 방열 코팅막을 형성하기 위한 방열 도료에 있어서,
   표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%;
   세라믹 분말 5 내지 40 중량%
   하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%;
   경화 수지 5 내지 10중량%;
   열 개시재 0.01 내지 0.2 중량%; 및
   여분의 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 도료.
2. 제1항에 있어서, 상기 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브는 산 처리에 의해 개질된 탄소 나노튜브 표면의 카르복실기와 옥시란기 포함하는 단량체를 서로 반응시킴으로써 제조된 것으로서, 표면에 기능성 작용기인 탄소 이중결합기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방열 도료.
3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화주석, 탄화수소, 보론나이트라이드 및 실리콘나이트라이드로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는방열 도료.
4. 제1항에 있어서, 상기 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지는 유리전이온도가 10 내지 40℃범위를 갖고, 수평균 분자량이 7,000 내지 15,000이고, 수산화값이 10 내지 40인 폴리에스테 수지인 것을 특징으로 하는 방열 도료.
5. 제1항에 있어서, 상기 경화 수지는 멜라민 수지 및 블록이소시아네이트 수지 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방열 도료.
6. 방열도료를 대상체 상에 코팅하는 단계;
   상기 대상체 표면에 코팅된 방열 도료를 열 경화시키는 단계를 수행하여 형성하되,
   상기 방열 도료는 표면에 기능성 작용기가 도입된 탄소나노튜브 1 내지 10중량%; 세라믹 분말 5 내지 30 중량%; 하이드록시기를 갖는 폴리에스테 수지 30 내지 60중량%; 경화 수지 5 내지 10중량%; 열 개시재 0.01 내지 0.2 중량% 및 여분의 유기 용매를 포함하는 특징으로 하는 방열코팅막 형성방법.
7. 제6항에 있어서, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 디핑 코팅, 콤마 코팅, 그라비아 코팅, 전착 코팅 중에서 선택된 어느 하나의 코팅 방법을 적용하여 방열코팅막을 형성하는 것을 특징으로 방열코팅막 형성방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 대상체는 방열부품, 방열시트, 히트싱크, 금속시트 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방열코팅막 형성방법.