KR20160070661A

KR20160070661A - 열계면 소재 및 그 제작방법

Info

Publication number: KR20160070661A
Application number: KR1020150063713A
Authority: KR
Inventors: 추인창; 전윤철; 박현달; 김경복; 이승재; 여인웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-06-20
Also published as: KR101926907B1

Abstract

본 발명은 열계면 소재 제작방법에 관한 것으로, 열전도성 필러와, 탄성력을 가지며 필러에 도포된 고분자 매트릭스와, 필러와 매트릭스 측면에 도포된 절연코팅층을 포함하는 열계면 소재 제작방법에 있어서, 필러를 이루는 물질이 용해된 상태에서 판막 형태로 압출되는 단계 및, 판막 상태의 필러에 매트릭스가 코팅되는 단계를 포함하며, 종래 열계면 소재(열전도도 최대 5W/mK)와 대비하여 고방열 열계면 소재(열전도도 최대 20W/mK)로써 제작 두께를 자유롭게 할 수 있는 효과가 있는 열계면 소재 제작방법을 제공한다.

Description

열계면 소재 및 그 제작방법{The thermal interface material and production method thereof}

본 발명은 열계면 소재 및 그 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엘라스토머 소재를 사용하여 계면 접촉을 극대화하고, 카본파이버가 필러에 함유됨으로써 수평방향 열전도도가 향상된 열계면 소재 및 그 제작방법에 관한 것이다.

지구 온난화에 따른 유해 물질 방출 억제 등의 사회적 이슈로 인해 친환경차에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이러한 상황에 친환경차의 엔진이라고 할 수 있는 배터리 성능 최적화는 미래의 자동차를 맞이하는 중요한 요소이다. 이러한 배터리 성능의 최적화를 이루기 위해 배터리 구동에 있어서 최적의 환경을 유지시키는 것이 친환경차의 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 요소이다.

전기자동차의 경우 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 전기자동차의 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용함에 따라 다양한 외부 온도의 변화에 따른 배터리 성능 저하 방지를 위해 배터리 시스템의 적정온도 범위인 섭씨 45도 내지 섭씨 50도이하의 온도를 유지해야하며, 이를 위해서는 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열 성능을 지니면서도 낮은 온도 환경에서는 적정 온도를 유지할 수 있는 파우치 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.

현재 개발중인 고방열 복합소재로는 구형 필러 및 일반 탄소계 필러를 적용하여 열전도도 향상을 목적으로 하고 있는 것이 대부분이다. 그러나, 이러한 필러의 경우 최소 70퍼센트 이상의 필러 함량에서 열전도도 특성의 향상을 보이고 있다. 이러한 경우 성형성이 불리하기 때문에 부품화 하기에는 한계가 있다. 또한, 수평방향 열전도도 향상에도 한계점을 가지고 있기 때문에 특정 목적으로 수평 방향의 열전도도를 필요로 하는 부품에 적용이 어려운 현실이다.

이종 재질간 열전달에 있어서 계면에서의 공기 및 이물질에 의한 열전달 특성이 저하되는 현상을 극복하기 위해 열계면 소재(TIM; THERMAL INTERFACE MATERIAL)를 적용하고 있으나, 이러한 열계면 소재의 경우는 수평방향의 열전도도 특성이 3W/mK 이하의 특성이 있으므로, 효과적인 열전달에 한계를 가지며 높은 가격의 필러가 사용된다는 점에서 아쉬움이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0353766호(2002.09.10.)

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 배터리 셀에 부착되어 배터리 셀의 열을 방출하는 열계면 소재의 열전도도 특성을 극대화하고, 절연 및 면착 효과를 극대화할 수 있는 열계면 소재 제작방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예의 열계면 소재 제작방법은, 열전도성 필러와, 탄성력을 가지며 필러에 도포된 고분자 매트릭스와, 필러와 매트릭스의 측면에 도포된 절연코팅층을 포함하는 열계면 소재 제작방법에 있어서, 필러를 이루는 물질이 용해된 상태에서 판막 형태로 압출되는 단계 및, 판막 상태의 필러에 매트릭스가 코팅되는 단계를 포함한다.

위와 같은 본 발명의 열계면 소재 제작방법에 따르면, 종래 열계면 소재(열전도도 최대 5W/mK)와 대비하여 고방열 열계면 소재(열전도도 최대 20W/mK)로써 제작 두께를 자유롭게 할 수 있는 효과가 있다. 적용되는 부품의 형상에 따라 자유롭게 열계면 소재를 제작하는 것이 가능하며, 롤타입 생산이 가능하여 대량 생산이 가능하다.

또한, 탄성력을 갖는 엘라스토머 소재를 매트릭스로 사용하므로, 면착 특성이 극대화되며, 롤타입으로 생산할 경우 적용 부품의 형상에 맞게 제단 및 타발이 가능하여 형상 자유도가 높으며, 소재 모서리 부분에 스프레이 등의 방법을 이용하여 절연특성을 확보할 수 있다. 이 경우 전기 쇼트의 위험성에서 벗어날 수 있으며, 원가적인 측면에서도 종래 대비 30 내지 50 %의 원가 절감이 발생될 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 열계면 소재 제작방법의 절차도,
도 2는 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따른 필러의 제조 상태 개요도,
도 3은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 제조된 필러의 확대도,
도 4는 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 필러를 제조하는 장치의 사진,
도 5는 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 필러에 매트릭스가 코팅되는 상태의 개요도,
도 6은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 매트릭스가 코팅된 필러의 요부 확대도,
도 7은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 필러에 매트릭스를 코팅하는 장치의 사진,
도 8은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 필러에 매트릭스를 코팅하는 장치의 다른 사진,
도 9는 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재의 개요도,
도 10은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재 및 종래 열계면 소재의 면착성을 나타내는 개요도,
도 11은 도 1의 열계면 소재 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재가 배터리 셀에 장착된 상태의 사시도 및 요부 사시도이다.

현재 이종 재질간 접촉, 즉 면착의 특성에 따라 표면 조도 특성에 의한 열저항(미세 공기층)이 형성되어 효과적인 열전달을 위해 열계면 소재를 적용하고 있으나, 종래 열계면 소재의 경우는 고가의 Ag(은), BN(질화붕소; 보라존)을 필러로 사용하기 때문에 가격 면에서 저렴하지 못하고, 고효율의 열전도도 특성을 발현하기 어려운 현실이다.

이에 본 발명은 탄소계 필러를 이용한 절연 특성의 고방열 열계면 소재를 제공하며, 면착 및 절연효과를 극대화하기 위해 동일 매트릭스(엘라스토머; KRATON, VISTAMAXX 등)을 활용하여 표면 절연코팅을 하고, 스프레이 등을 활용하여 측면 절연을 실시하여 전면 절연 코팅을 하여 내전압 특성 및 응용시 안전성을 확보하게 된다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열계면 소재(300) 제작방법은, 열전도성 필러(100)와, 탄성력을 가지며 필러(100)에 도포된 고분자 매트릭스(200)와, 필러(100)와 매트릭스(200)의 측면에 도포된 절연코팅층을 포함하는 열계면 소재(300)의 제작방법에 있어서, 필러(100)를 이루는 물질이 용해된 상태에서 판막 형태로 압출되는 단계 및, 판막 상태의 필러(100)에 매트릭스(200)가 코팅되는 단계를 포함한다. 또한, 매트릭스(200) 및 필러(100) 측면에 매트릭스(200)와 동일한 성분의 액체가 뿌려져 절연코팅층을 형성하는 단계를 더 포함한다.

매트릭스(200)는, 스티렌계, 올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계 TPE(열가소성 엘라스토머; THERMOPLASTIC ELASTOMER) 중 어느 하나로 제조된다. 매트릭스(200)는, 스티렌계 TPE 중, SBS(STYRENE-BUTADIENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER), SBES(STYRENE-BUTADIENE-ETHYLENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER), SIS(STYRENE-ISOPRENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER) 중 어느 하나로 제조되는 것이 바람직하다.

필러(100)는 카본블랙(CARBON BLACK), 그래파이트(흑연; GRAPHITE), EGG(팽창흑연; EXPENDED GRAPHITE GRANULE), GRAPHENE 및 GRAPHENE OXIDE 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

필러(100)는, 카본블랙, 그래파이트 , EGG, GRAPHENE 및 GRAPHENE OXIDE 중 어느 하나와, CNT(탄소나노튜브; CABON NANOTUBE) 및 CF(카본파이버; CARBON FIBER) 중 어느 하나의 혼합물일 수 있다. CNT및 CF 중 어느 하나는, 방향성을 갖도록 필러(100)에 내장될 수 있다. CNT 및 CF 는 필러의 열전도도를 향상시킨다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 열계면 소재(300) 제작방법을 통해 제작된 열계면 소재(300)는, 고방열 특성을 얻기 위해 탄소계 필러(100; EGG, CF 등)DMF 사용하였으며, 면착 특성을 향상시키기 위해서 엘라스토머 소재(KRATON, VISTAMAXX 등)의 CO-BLOCK POLYMER를 매트릭스(200)로 사용한다.

필러(100)는 카본블랙, 그래파이트, EGG, GRAPHENE 및 GRAPHENE OXIDE 중 어느 하나를 전체 중량에 대해 20~65 wt.%로 포함할 수 있다. 필러(100)는 CNT 및 CF 중 어느 하나를 전체 중량에 대해 0~20 wt.%로 포함할 수 있다.

필러(100)의 구성 물질 및 구성 비율은 열전도도와 성형성 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있다.

수평방향 열전도도 향상을 위해 판상형 EGG에 CF를 혼합하여 필러(100)를 제조하게 된다. 이때 효과를 극대화하기 위해서 50 중량 퍼센트의 EGG에 10 중량 퍼센트의 CF를 혼합하게 된다. 조합에 따라 열전도도 특성이 자유롭게 변화된다.

아래 표 1은 CF의 중량비에 따른 수직방향 및 수평방향에 대한 열전도도 값이다.

	CF 0%	CF 1%	CF 5%	CF 10%
수평방향	2.83	2.90	4.96	8.81
수직방향	1.25	0.89	1.25	1.54

박막형 열계면 소재(300)를 구성하기 위해서, 콤마코팅(COMMA COATING)방법 및 마이크로코팅 등의 방법을 이용하여 필러(100) 특히, CF의 수평방향 배향성을 향상시키고 이에 따라서 수평방향의 열전도도 특성이 강화된다(도 9 참조).

절연특성을 얻기 위해 매트릭스(200)와 동일 소재를 용매에 용해시켜 코팅 필름 형태로 기능성 소재를 절연시켰으며, 이에 따라 롤타입으로 대량생산이 가능해진다.

부품 적용시 형상에 따라 타발 및 제단을 하여 사용이 가능하고 모서리 부분은 동일 소재 및 절연소재의 스프레이 코팅 등의 방법을 이용하여 절연성을 확보하게 된다. 절연 방법에 있어서도, 기능성 소재 위에 바로 코팅도 가능하며 절연 필름 제작 후 라미네이션 방법을 통해서도 소재 제작이 가능한 장점이 있다.

본 발명은, 도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 얇은 박막형 열계면 소재(300)를 얻기 위해서 기능성 탄소 필러(100)를 용매에 용해시켜 수 마이크로 미터에서 수십 마이크로 미터 두께를 갖도록 압축시켜 필러(100) 박막을 제조한다. 이때, 용매는 매트릭스(200) 소재와 동일한 소재가 사용되는 것이 바람직하다. 필러(100) 박막에 수 마이크로 미터에서 수십 마이크로 미터 두께를 갖도록 매트릭스(200)를 코팅하게 된다. 이를 통하여, 열전도도를 갖는 필러(100) 즉 기능층과, 열계면 소재(300)가 장착되는 전자 부품 간 쇼트를 방지하는 매트릭스(200) 즉 절연층이 형성된다. 기능층과 절연층의 두께를 조절하여 면착 특성 및 열전도도 특성을 장착부위에 최적화시키는 것이 가능하며, 적용부품에 최적화된 두께로 제작될 수 있다.

종래 열계면 소재(300)의 경우, Ag(은), BN(질화붕소; 보라존) 등의 고가의 필러(100)를 적용하기 때문에 원가 측면에 불리한 점이 있으며, 매트릭스(200) 소재에 따라 소프트 타입, 하드 타입으로 구분하고, 타입에 따라 구성을 달리해야 하였으나, 본 발명의 경우, 매트릭스(200) 즉 절연층과 필러(100) 즉 기능층의 두께 조절에 따라, 소프트, 하드타입 구성이 가능하고, 원가적인 측면에서도 종래에 비하여 30 퍼센트 내지 50 퍼센트 저렴하게 제작할 수 있다.

본 발명의 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재(300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 열전도성 필러(100)와, 탄성력을 가지며 필러(100)에 도포된 고분자 매트릭스(200) 및, 필러(100)와 매트릭스(200)의 측면에 도포된 절연코팅층을 포함한다.

앞서 서술한 바와 같이, 필러(100)는 막 형상으로 형성되고, 매트릭스(200)는 필러(100)에 코팅된다. 본 발명의 일실시예에서, 절연코팅층은 매트릭스(200)와 동일한 성분이 사용된다.

한편, 본 발명의 열계면 소재(300)를 고방열 복합시트에 적용하는 것이 가능하다. 본 발명의 열계면 소재(300)가 고방열 복합시트에 포함되면, 필러(100)의 열전도도에 의하여 CPU 또는 반도체 등의 발열 소자에서 발생된 열을 방열히트로 전도시키는 것이 가능하다.

또한, 매트릭스(200)의 탄성력을 통하여 필요로하는 방진 성능 및 충격흡수 성능을 달성할 수 있다. 이때, 고방열 복합시트에는 전자파를 차폐할 수 있는 전자파 차폐층이 구비되는 것이 바람직하다.

도 10에는 배터리 셀(500)에 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재(300)가 장착된 상태 및 장착되지 않은 상태에서의 열 이동을 화살표로 도시하였다. 종래에는 부착면의 부조에 따라 공극이 발생되었으나, 본 발명에 따라 제작된 열계면 소재(300)는 매트릭스(200) 즉 절연층이 탄성력을 가지므로, 압축 받음에 따라 매트릭스(200)의 형상이 열계면 소재(300)가 부착되는 면의 형상에 따라 변형되며, 공극이 존재하는 것을 방지하게 된다. 즉 열계면 소재(300)와 부착면 간에 공극이 발생되지 않는다.

도 11에는 배터리 모듈(400)을 이루는 배터리 셀(500) 사이에 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 열계면 소재(300)가 장착된 상태가 도시되었다. 본 발명에 따라 제작된 열계면 소재(300)는, 필요로 하는 열전도도에 따라 최대한 얇게 제작되는 것이 가능하다. 이러한 특성에 따라서, 배터리 셀(500) 간 거리를 최소화할 수 있으며, 배터리 모듈(400)의 부피를 최소화할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 필러 200: 매트릭스
300: 열계면 소재 400: 배터리 모듈
500: 배터리 셀

Claims

열전도성 필러와, 탄성력을 가지며 상기 필러에 도포된 고분자 매트릭스와, 상기 필러와 상기 매트릭스의 측면에 도포된 절연코팅층을 포함하는 열계면 소재 제작방법에 있어서,
상기 필러를 이루는 물질이 용해된 상태에서 판막 형태로 압출되는 단계; 및
상기 판막 상태의 필러에 상기 매트릭스가 코팅되는 단계를 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스 및 상기 필러 측면에 상기 매트릭스와 동일한 성분의 액체가 뿌려져 상기 절연코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스는,
스티렌계, 올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계 TPE(열가소성 엘라스토머; THERMOPLASTIC ELASTOMER) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스는,
SBS(STYRENE-BUTADIENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER), SBES(STYRENE-BUTADIENE-ETHYLENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER), SIS(STYRENE-ISOPRENE-STYRENE BLOCK COPOLYMER) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 필러는,
카본블랙, 그래파이트, EGG, GRAPHENE 및 GRAPHENE OXIDE 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제5항에 있어서,
상기 필러는 전체 중량에 대해 20~65 wt.%로 이루어지는 열계면 소재 제작방법.
제5항에 있어서,
상기 필러는,
CNT 및 CF 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 열계면 소재 제작방법.
제7항에 있어서,
상기 CNT 및 CF 중 적어도 어느 하나는 전체 중량에 대해 0 wt%를 초과하고 20 wt.%미만으로 이루어지는 열계면 소재 제작방법.
제8항에 있어서,
상기 CNT 또는 CF는,
방향성을 갖도록 상기 필러에 내장된 열계면 소재 제작방법.
열전도성 필러;
탄성력을 가지며 상기 필러에 도포된 고분자 매트릭스; 및
상기 필러와 상기 매트릭스의 측면에 도포된 절연코팅층을 포함하는 열계면 소재.
제10항에 있어서,
상기 필러는 막 형상으로 형성되고, 상기 매트릭스는 상기 필러에 코팅된 열계면 소재.
제10항에 있어서,
상기 절연코팅층은 상기 매트릭스와 동일한 성분인 열계면 소재.
제10항에 있어서,
상기 필러는,
카본블랙, 그래파이트, EGG, GRAPHENE 및 GRAPHENE OXIDE 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열계면 소재.
제13항에 있어서,
상기 필러는 전체 중량에 대해 20~65 wt.%로 이루어지는 열계면 소재 제작방법.
제13항에 있어서,
상기 필러는 CNT 및 CF 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 열계면 소재.
제15항에 있어서,
상기 CNT 및 CF 중 적어도 어느 하나는 전체 중량에 대해 0 wt%를 초과하고 20 wt.%미만으로 이루어지는 열계면 소재 제작방법.
열전도성 필러 및 상기 열전도성 필러에 코팅된 고분자 매트릭스가 구비된 열계면 소재를 포함하는 고방열 복합시트.