KR20170031080A

KR20170031080A - 열적 특성이 우수한 박형 그라파이트 방열 시트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170031080A
Application number: KR1020160155137A
Authority: KR
Inventors: 강병철; 이창훈; 손창복
Original assignee: 주식회사 노마드인터내셔널
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-03-20

Abstract

본 발명은 전자 기기 등의 내부에서 발생하는 열을 확산시켜 효과적으로 방출하기 위한 방열 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주요 열전도성 재료로서 그라파이트 분말을 사용하되, 그라파이트 분말을 고정하는 바인더 수지를 탄화시킴으로써 기존의 그라파이트 방열 시트에 비해 열적 특성 및 방열 성능 면에서 우수하며, 아울러 전체적인 시트의 두께도 크게 줄일 수 있어 기기의 박형화에 유리한 그라파이트 방열 시트에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 그라파이트 방열 시트는 그라파이트를 주성분으로 하고 방열원으로부터 전달된 열을 확산 배출하는 그라파이트 방열 시트로서, (a)일방향으로 납작하게 압축된 그라파이트 분말과; (b)상기 그라파이트 분말들 사이의 공극 내에 삽입된 그래핀(graphene)과; (c)상기 그라파이트 분말과 그래핀 사이에 충전되며 유기화합물 바인더를 열처리하여 생성된 바인더 탄화물;을 포함하여 구성된 것을 주요한 기술적 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 따르면 그라파이트 분말들을 결합하는 바인더를 열처리하여 탄화시킴으로써 시트 전체적으로 탄소 성분의 상대적 함량을 높일 수 있으므로 기존 방열 시트에 비해 높은 방열 성능을 나타내는 효과가 있을 뿐 아니라, 그라파이트 분말들 사이에 그래핀(graphene)이 더욱 충전됨으로써 시트의 면 방향뿐 아니라 두께 방향의 열 전도도를 크게 향상시켜 더욱 높은 수준의 방열 성능을 기대할 수 있는 효과가 있다.

Description

열적 특성이 우수한 박형 그라파이트 방열 시트 및 그 제조 방법{GRAPHITE HEAT-SPREADING SHEET WITH HIGH HEAT CONDUCTIVITY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전자 기기 등의 내부에서 발생하는 열을 확산시켜 효과적으로 방출하기 위한 방열 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주요 열전도성 재료로서 그라파이트 분말을 사용하되, 그라파이트 분말을 고정하는 바인더 수지를 탄화시킴으로써 기존의 그라파이트 방열 시트에 비해 열적 특성 및 방열 성능 면에서 우수하며, 아울러 전체적인 시트의 두께도 크게 줄일 수 있어 기기의 박형화에 유리한 그라파이트 방열 시트에 관한 것이다.

일반적으로 전자 제품에 포함된 소자들의 경우 구동시 열이 발생하며, 이와 같이 기기 내에서 발생되는 열을 적절하게 외부로 방출시키지 못할 경우 내부 온도 상승에 의해 제품의 성능이 저하되는 것은 물론, 과도한 발열에 의해 오작동 또는 시스템 다운이 일어나거나 기기의 수명이 감소될 수 있으며, 심한 경우 고장에 이르게 될 수 있다.

특히, 최근 들어 전자 제품들이 다기능, 고성능화되고, 제품의 경량화, 소형화를 지향함에 따라 전자 소자들의 고집적화가 필연적으로 발생하게 되었으며, 이에 따라 디바이스 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 내부 발열 문제를 해소하는 것이 매우 중요한 기술적 관심사로 대두하게 되었다.

상기와 같은 발열 문제의 해소 방법으로는 이전부터 히트 싱크, 냉각 팬, 히트 파이프 등 다양한 방열 기구들이 사용되어 왔으나, 이들 방식의 경우 기본적으로 상당한 두께 및 부피를 가지므로 최근 슬림화되고 소형화되어 가는 전자 제품들에 적용되기에는 적합하지 않은 문제가 있었다. 따라서, 최근 들어 스마트 폰, 태블릿 PC, 박막형 디스플레이 제품 등 기기의 슬림화, 소형화가 중요한 전자 제품군을 중심으로 방열패드, 방열시트 또는 방열도료 등이 냉각 수단으로서 널리 사용되고 있는 추세이다.

이 중 방열시트는 특정 발열 부위의 열을 시트 영역 전체로 확산시켜 전체적인 냉각 면적을 넓혀 방열 성능을 향상시키는 것을 원리로 하는 제품으로, 이러한 방열 시트에 사용되는 방열 소재로는 최근 그라파이트(graphite) 소재가 특히 주목받고 있다.

그라파이트 시트는 박리된 천연 또는 인공 그라파이트(흑연) 분말을 가공해서 제조되는데, 그 제조 방식은 일반적으로 합성 수지계 바인더에 그라파이트 분말을 혼합하여 시트 형상으로 가공한 후 건조시키는 방식으로 제조된다. 그러나, 이와 같은 방식으로 제조된 그라파이트 방열 시트의 경우, 점성 바인더 수지를 이용해 그라파이트 분말을 고정하므로 비교적 제조가 용이하고 그라파이트 분진의 탈락 및 비산이 적은 장점이 있는 반면, 열전도도가 낮은 바인더의 추가로 인해 그라파이트 분말의 함량이 낮아질 수밖에 없으므로 열적 특성이 떨어지고 충분한 열 확산 효과를 얻을 수 없는 근본적인 단점을 가지고 있었다.

통상적으로 상기와 같은 그라파이트 방열 시트에 있어 그라파이트의 함량은 전체 시트 중 80 중량%를 넘기기 어려우며, 예컨대 대한민국 공개특허 제10-2014-0104757호에 개시된 방열 시트에서는 그라파이트 함량이 열전도층 100중량부에 대해 5 내지 80 중량부로 포함되는 것으로 기재되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-1457914호에 개시된 열 확산시트에서는 그라파이트층을 형성함에 있어 그라파이트가 30 ~ 70wt%, 바인더 30 ~ 70wt%가 포함됨으로써 상당량의 바인더가 포함되는 것으로 기재되어 있다.

또한, 상기와 같이 그라파이트 층 고정 재료로서 합성수지 바인더나 점착제를 사용하지 않고 그라파이트 분말을 그대로 롤 프레스 등으로 가압함에 의해 물리적으로 뭉쳐 굳힘으로써 시트 형상으로 성형 가공한 그라파이트 압축시트도 알려져 있다. 이와 같은 그라파이트 압축시트의 경우 바인더를 사용하지 않거나 매우 적은 양으로 사용하므로 전술한 방식의 방열 시트에 비해 월등히 많은 그라파이트가 포함됨으로써 열 확산 성능이 우수한 장점이 있다.

그러나, 이와 같은 방식으로 제조된 그라파이트 압축시트는 그라파이트 분말이 시트에서 탈락하기 쉬워 회로의 쇼트 위험이 높으므로 반드시 외부에 별도의 보호 필름이 필요하고, 무엇보다도 제조에 있어 분말 형태의 그라파이트를 그대로 호퍼를 통해 롤 프레스에 직접 투입하여 시트 형상으로 압축 성형하는 제조 공정 특성상 시트의 두께를 일정 두께 이하로 얇게 하기 어려운 단점이 있었다. 통상적으로 이러한 그라파이트 압축시트의 두께는 20㎛가 한계인 것으로 알려져 있다.

한편, 압축 시트 형상으로 가공된 그라파이트 시트는 이방성(異方性) 배열을 갖는 그라파이트 입자의 구조로 인해 횡 방향 위주의 방열 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 즉, 그라파이트 방열 시트의 경우 일반적으로 시트의 면 방향(수평 방향)으로는 매우 높은 열 전도도를 갖는 반면(500W/mK 이상), 시트의 두께 방향(수직 방향)으로는 상대적으로 좋지 못한 열 전도도를 나타내는 특징이 있다. 따라서, 이러한 그라파이트 시트의 불완전한 방열 특성으로 인해 전체적으로 시트의 열전도 효율이 떨어지는 문제점이 있었는바, 면 방향은 물론 두께 방향으로의 열전도도가 개선되어 전체적으로 열전도 특성이 우수한 그라파이트 방열 시트의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 그라파이트를 주요 열전도성 재료로 하는 그라파이트 방열 시트의 제조에 있어, 그라파이트 분말들을 결합하는 바인더의 전부 또는 일부를 열처리하여 탄화시킴으로써 시트 전체적으로 탄소 성분의 상대적 함량을 높일 수 있으므로 기존 제품에 비해 열적 특성이 우수한 그라파이트 방열시트를 제공하는 것을 그 기본적인 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 그라파이트 시트의 후처리 압축 가공에 있어 바인더의 탄화에 따른 변성으로 인해 시트의 탄성 복원이 적어 두께 압축도가 높으므로 전체적인 시트의 두께를 낮출 수 있어 제품의 슬림화에 매우 유리한 박형 그라파이트 방열시트를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

아울러, 본 발명은 주요 열전도 물질로서 그라파이트 분말 외에 그래핀을 더욱 포함하고, 그라파이트 분말들 사이에 상기 그래핀이 충전되도록 함으로써 면 방향뿐 아니라 두께 방향의 열 전도도를 크게 향상시켜 우수한 방열 효과를 갖는 그라파이트 방열시트를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 그라파이트 방열 시트는, 그라파이트를 주성분으로 하고 방열원으로부터 전달된 열을 확산 배출하는 그라파이트 방열 시트로서 (a)일방향으로 납작하게 압축된 그라파이트 분말과; (b)상기 그라파이트 분말들 사이의 공극 내에 삽입된 그래핀(graphene)과; (c)상기 그라파이트 분말과 그래핀 사이에 충전되며 유기화합물 바인더를 열처리하여 생성된 바인더 탄화물;을 포함하여 구성된 것을 주요한 기술적 특징으로 한다.

이때, 상기와 같은 본 발명의 그라파이트 방열 시트의 일측면 또는 양측면에는 금속 박판층이 더욱 적층 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 금속 박판층은 동박으로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 그라파이트 방열 시트에서 상기 바인더 탄화물은 유기화합물 바인더를 열처리함으로써 불완전 연소에 의해 생성된 잔여물인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 그라파이트 방열 시트를 제조하는 방법을 함께 제공하며, 본 발명에서 제공하는 그라파이트 방열 시트의 제조 방법은, (a) 그라파이트 분말과 그래핀(graphene)을 유기화합물 바인더와 혼합하여 그라파이트 슬러리를 제조하는 공정; (b) 상기 그라파이트 슬러리를 층상으로 성형하여 그라파이트 층을 형성하는 공정; (c) 상기 그라파이트 층을 열처리하여 상기 바인더를 탄화(炭化)시키는 공정; (d) 상기 그라파이트 층에 압력을 가하여 두께를 감소시키는 방향으로 압축하는 공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 따르면, 그라파이트 방열 시트의 제조에 있어 그라파이트 분말들을 결합하는 바인더를 열처리하여 탄화시킴으로써 시트 전체적으로 탄소 성분의 상대적 함량을 높일 수 있으므로 기존 그라파이트 시트에 비해 열전도도 등 방열 특성이 우수한 그라파이트 방열 시트가 제공되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 그라파이트 시트의 후처리 압축 가공에 있어 두께 압축도가 높으므로 전체적인 시트의 두께를 낮출 수 있으므로 전자 기기의 슬림화에 유리한 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 주요 열전도 물질로서 그라파이트 분말 외에 그래핀을 더욱 포함하고 상기 그라파이트 분말들 사이에 그래핀이 충전되도록 함으로써 면 방향뿐 아니라 두께 방향의 열 전도도를 크게 향상시켜 더욱 높은 수준의 방열 성능을 기대할 수 있게 된다.

도1은 본 발명이 가장 바람직하게 구현된 그라파이트 방열 시트에 대한 일 실시예를 보여 주는 도면이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트의 단면 입자 구조 일부를 개략적으로 확대해 보여주는 도면이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트가 발열원에 부착된 예를 보여주는 도면이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고함량 박형 그라파이트 방열 시트를 제조하는 방법을 보여주는 순서도이다.
도5는 기존의 방열 시트 및 본 발명에 따른 방열 시트가 부착된 스마트폰을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도6은 기존의 방열 시트 및 본 발명에 따른 방열 시트가 부착된 스마트폰의 표면 온도 변화를 시간별로 나태낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 한편, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 즉, 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명이 가장 바람직하게 구현된 그라파이트 방열 시트에 대한 일 실시예를 보여 주는 도면으로서, 도1을 참조하면 본 발명에 따른 그라파이트 방열 시트(1)는 기본 구성으로서 그라파이트 분말과 바인더 탄화물을 포함하는 그라파이트 층(10)을 포함하여 구성된다.

이때, 본 발명에서 제공하는 그라파이트 방열 시트(1)는 단일 그라파이트 층(10)으로만 구성된 순수 그라파이트 시트로 실시될 수도 있지만, 도1에 도시된 것과 같이 그라파이트 층(10)의 일측에 금속 재질의 금속 박판층(20)이 일체화된 형태로 제조될 수 있으며, 이와 같이 그라파이트 층(10)과 금속 박판층(20)의 구조로 실시되는 것이 그라파이트 단일 층으로만 이루어진 시트에 비해 방열 특성 면에서 더욱 바람직한 것으로 나타났다.

즉, 잘 알려진 바와 같이, 그라파이트 방열 시트의 경우 그라파이트 소재 특성상 수평 면 방향의 열확산 특성은 매우 우수한 반면, 수직 방향의 열전도 성능은 다소 떨어지는 특성이 있었으나, 상기와 같이 금속 박판(foil)을 일체화하여 적층 구성할 경우, 그라파이트 층(10)이 열을 시트 전체 면적으로 균일하게 확산시키면서 금속 박판층(20)으로 빠르게 전달함으로써 전체적으로 열전도 효율 및 방열 특성이 좋아지는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 금속 박판층(20)은 기본적으로 스마트 폰과 같은 전자기기의 방열 부위로부터 발생하는 열을 외부로 전달하는 기능과 더불어, 전자 소자로부터 발생하는 전자기파를 차폐하는 성능도 함께 가진다. 따라서, 상기와 같이 본 발명에서 제공하는 그라파이트 층(10)과 금속 박판층(20)이 일체화된 형태의 그라파이트 방열 시트에 따르면, 방열 시트만으로 열 전도는 물론 전자파 차단도 가능하므로, 전자파 차폐 및 방열과 관련한 부품의 수를 줄일 수 있고 이에 따라 제품의 슬림화에 긍정적인 효과를 미칠 수 있게 된다.

상기와 같은 금속 박판층(20)으로는 동박(Copper Foil)이 바람직하게 사용될 수 있으며, 그 외에도 알루미늄이나 니켈 등과 같은 다른 종류의 열 전도성 금속이나 이들의 합금을 사용하여 구성하는 것도 가능하다. 상기 금속 박판 기재층(10)의 두께는 5㎛ 이상 250㎛ 이하일 수 있으며, 10㎛ 내지 120㎛인 것이 더욱 바람직하다. 상기 금속 박판층(20)으로 사용되는 금속 박의 두께가 10㎛ 이하인 경우에는 가공이 어렵고 열전도도가 떨어지게 되며, 120㎛ 이상일 경우에는 두께가 다소 두꺼우므로 제품의 박형화를 기대하기 어렵다.

또한, 본 발명에 사용되는 동박(Copper Foil)은 전기 도금법에 의해 제조된 전해 동박이 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기와 같은 전해 동박으로는 피로인산동(Copper Pyrophosphat)에 무기 첨가제(NH₄OH, NH₄NO₃ 등)를 첨가한 도금액을 전기 분해하여 제조된 전해 동박을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

즉, 전술한 바와 같이, 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 따르면 그라파이트 분말을 고정하는 바인더로서 열처리에 의해 변성된 바인더 탄화물로 구성되는 것을 특징으로 하며, 이러한 바인더 탄화물의 생성을 위해 제조 과정에서 유기화합물 바인더를 고온 열처리하여 탄화시키는 공정이 포함된다. 따라서, 상기와 같은 열처리 공정의 실시에 의해 본 발명의 그라파이트 방열 시트의 제조 시 그라파이트 층에 인접한 동박 층에도 열이 전달될 수 있으며, 이와 같이 동박이 가열됨으로써 산화가 촉진되어 동박의 표면에 검붉은 변색이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 동박에 있어 산화 변색의 발생은 일차적으로는 외관상 보기에 좋지 않아 제품 신뢰도 및 가치가 저하된다는 문제도 있지만, 산화구리의 경우 전기가 통하지 않고 열전도도 역시 떨어지므로 전체적인 제품의 성능에도 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

이에 대해, 피로인산동 도금에 의한 전해 동박의 경우 열처리 공정에 의해 가열되더라도 순수 동박에 비해 산화가 잘 일어나지 않아 상기와 같은 열 산화로 인한 문제의 발생을 상당 부분 억제할 수 있으며, 아울러 피로인산 동박의 색상이 기본적으로 암적색의 색상을 나타내므로 동박 일부 부위에서 산화가 발생하더라도 변색으로 나타나지 않는다는 장점이 있다. 이와 같은 이유로 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 있어 동박으로서 피로인산동 도금에 의한 전해 동박이 가장 바람직하게 사용될 수 있으나, 이외에도 황산동이나 시안화동 등을 이용한 전해 동박을 사용할 수도 있으며 압연 동박 역시 사용이 배제되는 것은 아니다.

한편, 도1에 도시된 방열 시트에서 상기 그라파이트 층(10)과 금속 박판층(20)은 별도의 점착 수단이나 물질 없이 자체적으로 부착될 수 있으며, 이와 같이 금속 박판층(20) 상에 그라파이트 층(10)을 형성하여 도1과 같은 그라파이트 방열 시트(1)를 제조하는 방법에 대해서는 추후 상세하게 설명될 것이다.

다음으로, 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 있어 가장 특징적인 구성요소인 그라파이트 층(10)의 세부 구성에 대하여 도2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트의 단면 입자 구조를 개략적으로 확대해 보여주는 도면으로서, 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 있어 상기 그라파이트 층(10)은 그라파이트 분말(12)들의 사이에 바인더 탄화물(14)이 충전되어 결합된 형태로서 존재한다.

즉, 일반적인 그라파이트 방열 시트의 경우, 그라파이트 분말을 합성수지계 바인더와 혼합한 조성물을 시트 형상으로 가공하는 것으로, 이러한 기존의 그라파이트 방열 시트는 그라파이트 분말들 사이를 결합하는 층 형성 재료로서 바인더가 충전된 형태로 구성된다.

이에 비해, 본 발명의 그라파이트 방열 시트에 따르면, 일차적으로 점착성 바인더를 통해 그라파이트 분말(12)들이 결합되는 점에서는 기존 그라파이트 방열 시트와 공통점이 있으나, 본 발명의 경우 상기 바인더가 배합 및 성형 당시의 원 상태를 유지하는 것이 아니라 열 처리에 의해 변성된 탄화물의 형태로 이루어진다는 점에서 기존의 그라파이트 방열 시트와는 기본적인 구성상의 차이점을 나타낸다.

이와 같이 바인더 탄화물(14)과 그라파이트 분말(12)이 혼합되어 그라파이트 층(10)을 이루는 본 발명에 따르면, 바인더가 열 처리되어 탄화된 탄화물로 형성됨으로 인해 바인더 내부에 탄소 입자들이 존재하게 됨으로써 마치 바인더에 방열 필러를 분산시킨 열전도성 바인더를 사용한 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 그라파이트 분말(12)들 사이 및 내부 공극에 채워지는 바인더 탄화물(14)에 그라파이트와 화학적으로 동일한 탄소 성분이 포함됨으로써 바인더의 추가로 인한 열전도도의 저하를 상당 정도 해소할 수 있게 되는 효과가 있다.

이하에서는 상기와 같은 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)에 있어 그라파이트 층(10)을 이루는 각 성분들에 대해 더욱 상세히 설명한다.

상기 그라파이트 층(10)은 열 확산 및 전도성 물질로서 그라파이트 분말을 포함하여 제조된다. 상기 그라파이트는 필요에 따라 천연 흑연 및 인공 흑연이 사용될 수 있고, 형태(상태)에 있어서도 팽창 흑연, 구상 흑연, 판상 흑연, 그래핀, 카본 나노튜브 등 다양한 형태의 그라파이트(흑연)을 선택하여 사용할 수 있다. 이하 설명되는 실시예들에서는 인조 그라파이트 분말을 이용하여 그라파이트 방열 시트를 제조하는 것을 기준으로 설명하기로 한다.

본 발명에 있어 상기 그라파이트 분말의 크기에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 평균 입도가 5 ~ 15㎛로 이루어지는 것이 바람직하다. 만일 평균 입도가 5㎛미만이면 시트를 제조하는 과정에서 바인더와 혼합시 과량의 용제가 투입되는 문제가 발생될 수 있고, 분산 및 열전도 특성이 떨어질 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 그리고, 평균 입도가 15㎛를 초과하면 표면 긁힘 현상이 발생하여 균일한 도포가 이루어지지 않고 표면이 거칠어질 수 있으며, 이는 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)의 열전도 특성 및 전체적인 품질을 저하시키는 요인이 될 수 있다.

본 발명에 있어 상기 그라파이트 분말의 평균 밀도는 1.6 ~ 2.0 g/㎤이고, 공극률은 5 ~ 10%일 수 있다. 평균 밀도 및 공극률이 상기 기준치 미만일 경우, 그라파이트 분말을 바인더 및 용제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 과정에서 혼합물의 초기 점도가 증가하여 균일하게 분산되지 않을 수 있다. 반면, 평균 밀도 및 공극률이 상기 기준치를 초과할 경우, 그라파이트 분말의 내부 포어(pore)가 발달될 수 있으며, 이 경우, 그라파이트 분말 혼합 슬러리의 제조시 포어 안으로 용제가 서서히 침투하기 때문에 초기 용제 투입량이 동일하더라도 교반이 완료된 이후 혼합 슬러리의 점도가 급격히 상승할 수 있는 문제가 있다.

본 발명에 따른 그라파이트 방열 시트의 제조에 있어 상기 그라파이트 층(10)의 그라파이트 분말을 결합하여 일정한 시트 형상으로 고정하기 위해 바인더(binder)가 포함된다. 이하에서 더욱 상세하게 설명할 것이지만, 본 발명에 있어 상기 바인더는 시트의 성형 초기 공정에서 일차적으로 그라파이트 분말을 결합 고정하기 위해 사용되며, 이후 열처리에 의해 탄화됨으로써 탄화물의 형태로 존재하게 된다.

따라서, 본 발명에 있어 상기 바인더는 기본적으로 그라파이트 분말을 분산시켜 고정할 수 있도록 유동성 및 점성을 가져야 함과 동시에, 열처리에 의해 탄화될 수 있도록 화학적으로 탄소 성분을 포함하는 유기 화합물임을 특징으로 한다. 즉, 상기와 같은 유기 화합물에 연소점 이상의 높은 온도로 열을 가하게 되면 연소가 일어나는데, 이때 가열 온도 및 시간이 완전 연소가 일어나기에 충분하지 않을 경우 바인더의 불완전 연소가 일어나며, 이러한 불완전 연소에 의한 유기 화합물 바인더 연소물에는 탄소 잔여물(카본 블랙)이 상당량 포함된다. 본 발명은 이와 같은 유기 화합물 바인더의 불완전 연소를 유도하여 탄소 잔여물이 적극적으로 생성되도록 하는 것에 주요한 기술적 특징이 하나가 있으며, 이러한 바인더 탄화물의 생성에 의해 열 전도도가 낮은 바인더 수지의 상당 부분이 탄소 성분으로 전환됨으로써 결과적으로 시트의 열 전도도가 향상되는 효과가 있다.

본 발명에 있어 상기와 같은 유기 화합물 바인더는 예를 들면 아크릴계 수지, 우레탄계 수지 또는 에폭시, 실리콘계 수지로 이루어질 수 있으며, 기타 다른 유기 화합물을 주성분으로 한 합성수지계 바인더나 당 분야에서 통상적으로 사용되는 다른 종류의 바인더들도 사용 가능하다.

또한, 본 발명에서 상기 바인더와 그라파이트 분말의 혼합·교반시에 성분비는 상기 그라파이트 분말 80 ~ 90 중량%, 바인더 10 ~ 20 중량%로 포함될 수 있다. 본 발명의 주요한 기술적 특징에 의하면, 상기 바인더에 그라파이트 분말을 첨가/교반하여 그라파이트 층(10)을 형성한 후에 상기 바인더는 열처리에 의해 일부가 연소되는 것이므로, 이와 같은 공정을 거쳐 성형되는 최종 시트 제품에 있어 상기 그라파이트 층(10)은, 용제가 제거된 그라파이트 층 100 중량부를 기준으로 그라파이트 분말이 85 ~ 99 중량부까지 포함될 수 있다.

상기 그라파이트 층(10)의 형성에 있어서는 상기한 바인더를 용해하여 유동성 점착 물질의 상태로 만들기 위해 용제(solvent)가 더 첨가될 수 있다. 상기 용제는 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl keton; MEK), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone; MIBK), 톨루엔(toluene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 휘발성 물질일 수 있다. 상기 용제는 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)를 건조하는 과정에서 증발되어 제거될 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 층(10)의 형성에 있어 바람직하게는 분산제(dispersing agent)를 더 첨가함으로써 그라파이트 분말과 바인더를 적절히 분산시켜 고른 분포를 나타내도록 할 수 있다. 상기 분산제는 예를 들어 계면 활성제, 고분자 물질, 펩타이저 등 흡착성 물질일 수 있으며, 당 분야에서 상기와 같이 재료의 균일한 분산 및 혼합 입자들의 응집을 방지하는 목적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 특별한 한정은 없다.

한편, 본 발명의 더욱 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 그라파이트 층(10)은 열 확산 및 열 전도성 물질로서 그라파이트 분말(12) 외에 그래핀(16)을 더욱 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 그래핀(graphene)은 당업계에서 잘 알려진 바와 같이 탄소 원자로 이루어진 탄소 동소체로서 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막형 소재를 말한다.

본 발명에 있어 상기와 같이 그라파이트 층(10)에 그래핀(16)이 더 첨가될 경우, 상기 그래핀(16)은 그라파이트 층(10)을 이루는 주 열전도 물질인 그라파이트 분말(12)와 함께 방열층의 열 확산 성능을 더욱 향상시키는 보조적 열전도 물질로 작용하며, 상기 그래핀(16)은 그라파이트 분말(12)들 사이에 형성된 내부 공극에 충전되어 열 전도 효율, 특히 두께 방향으로의 열 전도도를 향상시키는 효과가 있다. 열 전도도의 측면에서 볼 때, 그래핀은 수평 열전도가 5,300W/mK 이하이며, 수직 열전도가 30W/mK 로 인조 그라파이트의 열전도도 특성보다 상당히 높다는 장점을 가지고 있다.

잘 알려진 바와 같이 팽창 압축된 흑연(graphite) 시트 내에는 입자 간 공극이 존재하는데, 이러한 공극 내에 존재하는 공기는 열전도율이 낮으므로 수직 방향 및 수평면 방향으로의 열전도율 저하의 원인이 되고 있다. 또한, 두께 방향으로 압축된 그라파이트 시트에 있어 상기 공극은 수평면 방향으로 길게 늘어진 형태인 것으로서, 시트의 압축에 의해 공극을 극소화시키면 수평면 방향의 열전도율은 좋아지나 수직 방향의 열전도율은 저하된다. 일반적으로 팽창 흑연의 압축 성형에 의해 형성된 방열 시트의 경우 면 방향으로의 열 전도도는 대략 500 W/mK 이상인데 비하여 시트의 두께 방향으로의 열 전도도는 15 W/mK 이하로서 낮은 수직 방향 열전도율이 문제로 지적되어 왔다.

이에 본 발명에서는 그라파이트 방열층을 형성함에 있어 그라파이트 분말과 함께 열 전도 효율이 뛰어난 그래핀(graphene)을 혼합하여 하나의 층으로 구성하고 있는바, 이러한 그래핀(16)이 그라파이트 분말들(12) 사이에 위치하면서 그라파이트 분말(12)들을 열적으로 서로 연결하는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르면 상기와 같은 그래핀(16)이 그라파이트 층(10) 내부에서 그라파이트 분말(12)들 사이에 충전됨으로써 공극으로 인한 열적 단절을 보완할 수 있게 되며, 이에 따라 시트 전체적으로 열 전도 효율이 향상될 수 있다.

특히, 그래핀의 경우 그 구조상 기본적으로 얇은 막의 형태를 가지는바, 형태적으로 상기와 같은 판상의 그래핀이 압축 그라파이트 분말 사이의 수평으로 길게 늘어진 공극 내에 쉽게 채워져 수직 면으로의 열 확산 성능에 매우 유리한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 상기와 같이 그라파이트 분말(12)과 그래핀(16)을 함께 혼합하여 그라파이트 층(10)을 형성한 본 발명의 그라파이트 방열시트에 따르면 그래핀의 추가에 의해 그라파이트 분말들 간의 열적 연속성이 확보됨으로써 수평면 방향뿐 아니라 그간의 단점이었던 수직면 방향으로의 열전도율도 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

이러한 본 발명에 있어서 상기 그래핀 분말의 크기에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 평균 두께 10 ~ 100nm, 평균 X-Y dimensions 1 ~ 50um 이하, 평균 밀도 2.0 ~ 2.2g/cm3, 평균 비표면적 ≤15㎡/g인 그래핀 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 평균 두께 및 평균 X-Y dimension이 상기 수치 범위보다 작을 경우 그라파이트 분말 사이의 공극 내에서 그래핀에 의한 열적 연속성을 확보하기 어려워 만족스러운 열 확산성의 향상을 얻을 수 없다. 또한, 평균 두께 및 평균 X-Y dimension이 클 경우 박막 코팅 시 공극 내에 그래핀이 잘 채워지지 않고, 표면 긁힘 현상이 발생하여 균일한 도포가 이루어지지 않으며, 이는 열전도 특성을 저하시키는 요인이 된다. 또한 평균 비표면적이 상대적으로 클 경우, 과량의 용제가 투입되거나, 분산이 균일하게 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어 상기 그래핀 분말은 상기 그라파이트 분말 100 중량부에 대하여 10 ~ 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그래핀의 양이 10 중량부 미만일 경우에는 그라파이트 분말 사이의 공극을 충분히 메우지 못하여 두께 방향으로의 열 전도도의 향상이 미흡할 수 있다. 이와 반대로 그래핀의 양이 40 중량부를 초과하여 과량으로 포함될 경우에는 그래핀의 추가 용량에 비하여 열 전도도의 향상 정도가 크지 않고 제품의 단가가 크게 상승하여 경제성이 떨어지는 문제가 있으며, 제품의 생산 공정에 있어 안정적인 생산성 및 일정한 품질 유지가 어려워질 수 있다.

한편, 상기 그라파이트 층(10)의 제조 형성에 있어 필요에 따라 경화제와 난연제가 더 첨가될 수 있다. 상기 경화제(hardener)는 그라파이트 층(20)의 경도를 향상시키기 위해 포함될 수 있으며, 예를 들어 유기 과산화물(Organic Peroxide), 이소시아네이트계(isocyanate), 아조계(azo dyes), 아민계(Amine), 아미다졸계, 우레탄계 경화제로 이루어지는 군에서 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 그러나 상기 경화제는 이에 한정되지 않으며, 그라파이트 층(20)의 강도를 향상시킬 수 있는 다양한 물질들을 포함할 수 있다.

상기 난연제는 방연제라고도 하며, 본 발명의 그라파이트 방열 시트가 적용된 전자 기기의 사용 시에 그라파이트 시트의 과열에 의한 연소를 방지하고 연소시에는 유해 가스 발생을 억제하고자 하는 목적으로 첨가할 수 있다. 상기 난연제는 수산화알루미늄(aluminium hydroxide; AlOH3), 수산화마그네슘(magnesium hydroxide; MgOH2) 또는 인계 난연제로 이루어지는 군에서 어느 하나 이상을 선택하여 실시할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 그라파이트 방열 시트의 경우 바인더 수지가 이미 불완전 연소가 이루어져 의한 탄화물로서 존재하는 것이어서 실질적으로 가연성을 상실한 것인바 특별한 경우가 아니면 별도의 난연제의 추가를 요하지 않는 장점이 있다.

또한, 비록 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)는 보호 필름(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보호 필름은 그라파이트 층(20)의 표면을 보호하여 그라파이트 가루의 묻어 나옴 및 분진의 비산 등을 방지하는 기능을 수행한다. 상기 보호 필름의 재질은 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 및 폴리카보네이드(PC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기에서 설명한 것과 같은 본 발명의 그라파이트 방열시트는 매우 얇은 두께로 제조될 수 있으므로 스마트폰과 같이 제품의 슬림화가 중요한 전자 제품의 후면 방열 패드로서 매우 바람직하게 사용될 수 있다.

도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트가 발열원에 부착된 예를 보여주는 도면이다. 도3에서는 발열원으로서 스마트폰 기기의 배면에 적용된 예를 나타내며, 도시된 바와 같이 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)는 스마트폰의 배터리로부터 전해지는 열을 확산 배출할 수 있도록 후면 케이스 커버(100) 내측에 설치되어 사용되거나, 디스플레이 패널 배면에 부착되어 기기 작동시 발생하는 열을 확산 배출시키도록 설치될 수 있다.

또한, 이 외에도 본 발명의 그라파이트 방열시트는 예컨대 가스켓, 몰드 패킹과 같은 다양한 형태로 2차 가공되어 사용될 수 있고, 당 분야에서 통상적으로 알려진 적절한 수단을 사용하여 점착 처리함으로써 전도성 접착 테이프 및 방열 테이프 등 다양한 형태로 적용하는 것이 가능하다.

이하에서는 상기에서 설명한 본 발명의 그라파이트 방열 시트를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 제공하는 방열 시트의 제조방법은 주요 열전도성 재료로 그라파이트 분말을 사용하는 그라파이트 방열 시트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 기본적인 공정은, (a) 그라파이트 분말을 유기화합물 바인더와 혼합하여 그라파이트 슬러리를 제조하는 공정과; (b) 상기 그라파이트 슬러리를 층상으로 성형하여 그라파이트 층을 형성하는 공정과; (c) 상기 그라파이트 층을 열처리하여 상기 바인더를 탄화(炭化)시키는 공정;을 포함하여 이루어진다.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트를 제조하는 방법을 보여주는 순서도로서, 도4를 참조하여 본 발명의 그라파이트 방열 시트 제조 방법을 공정별로 설명하면 다음과 같다.

(a) 그라파이트 슬러리 조성물의 배합

본 발명의 그라파이트 방열 시트를 제조하기 위해, 그라파이트 분말과 바인더를 혼합하여 유동성의 그라파이트 슬러리 조성물을 배합 제조한다. 이러한 그라파이트 슬러리 조성물의 배합 제조는 단일 공정으로 실시될 수도 있지만 아래에서 설명하는 것과 같이 재료의 프리-믹싱, 배합 제조, 여과 공정으로 단계를 나누어 실시되는 것이 더욱 바람직하다.

S110 단계에서, 그라파이트 분말을 바인더와 용제, 그리고 필요에 따라 분산제, 경화제, 난연제와 함께 프리-믹싱(pre-mixing) 하는 단계가 실행될 수 있다. 이때 전술한 바와 같이 본 발명 그라파이트 방열 시트의 열 전도 성능을 더욱 향상시키기 위해 열 전도 물질로서 그래핀이 더욱 추가될 수 있다.

상기 그라파이트 분말, 바인더, 경화제, 분산제, 난연제 및 용제의 혼합물은 프리-믹서(pre-mixer)를 이용하여 혼합(pre-mixing)될 수 있다. 이때, 상기 그라파이트 분말의 함량은, 그라파이트 분말, 바인더, 경화제 및 분산제 등이 포함된 전체 혼합물 100 중량부를 기준으로 80 이상 90 이하의 중량부로 포함되도록 실시될 수 있다. 용제는 그라파이트 방열 시트를 건조하는 과정에서 증발되기 때문에 용제는 전체 중량부에서 제외하고 산정한다. 본 단계는 그라파이트 혼합물을 본격적으로 분산시키기 전에 초기 분산 흐름을 좋게 하기 위해 선택적으로 실행될 수 있다.

S120 단계에서, 상기 프리-믹싱된 혼합물을 분산시켜 그라파이트 슬러리(slurry)를 생성하는 단계가 실행된다. 본 단계는 시트 성형을 위해 유동성 슬러리를 생성하는 단계로서, 상기 그라파이트 슬러리는 분산 장비를 이용하여 생성될 수 있다. 그라파이트 슬러리는 본 기술 분야에서 잘 알려진 다양한 분산 장비를 통하여 분산될 수 있으며, 바람직하게는 바스켓 밀이 사용될 수 있다.

S130 단계에서, 그라파이트 슬러리를 여과시키는 단계가 추가로 실행될 수 있다. 본 단계는 그라파이트 슬러리에 포함된 이물질을 제거하거나, 또는 기준 입도를 초과하는 입자들을 제거하기 위해 실행될 수 있다. 이물질이나 기준 입도를 초과하는 입자들은 성형 단계(캐스팅)에서의 제품 품질에 영향을 주기 때문에, 미리 여과할 필요가 있다. 예를 들어, 기준 입도는 100 메쉬(mesh) 일 수 있다. 그라파이트 슬러리 여과는 필터 또는 다양한 슬러리 여과 장치 등을 이용하여 실행될 수 있다.

(b) 그라파이트 층 형성

S140 단계에서, 상기와 같이 제조된 그라파이트 슬러리를 층상으로 성형하여 그라파이트 층을 형성하는 단계가 실행된다. 도1에 도시된 것과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 본 발명의 그라파이트 방열 시트(1)는 그라파이트 층(10)과 금속 박판층(20)이 일체화된 형태로 실시될 수 있으며, 이 경우 그라파이트 방열 시트의 제조는 동박(銅薄; Copper Foil)과 같은 금속 박판 위에 상기에서 제조된 그라파이트 슬러리를 도포하여 시트를 제조하는 방식으로 이루어진다. 이때 사용되는 동박은 전기도금법으로 제조된 전해동박으로서, 피로인산 동 도금액에 무기 첨가제(NH₄OH, NH₄NO₃ 등)를 첨가하여 전기 분해 제조된 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

구체적인 공정을 보면, 동박이 권취되어 있는 롤을 통해 동판을 제조 라인으로 공급하며, 상기 동박 위에 전 단계에서 제조된 유동성 그라파이트 슬러리 혼합물을 도포하여 그라파이트 층을 형성한다. 상기와 같은 슬러리 코팅 방법의 예로는 콤마 코팅, 그라비아 코팅, 슬롯 다이 코팅, 캘린더 코팅, 롤 코팅, 캐스트 코팅 등 다양한 코팅 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 콤마 코팅을 적용할 수 있다.

콤마 코팅 방식으로 성형하는 경우, 동박 위에 도포된 그라파이트 슬러리는 콤마 롤을 통과하면서 상면이 콤마 블레이드에 의해 커팅되어 기준 두께로 조절된다. 이때 건조 후 용제의 증발 및 바인더의 연소로 코팅 두께가 감소될 것을 예상하여 설계 기준 두께보다 대략 40% 이상 높여서 코팅하는 것이 좋다. 이와 같이 동박 위에 코팅된 그라파이트 슬러리는 건조 후 그라파이트 층을 구성한다. 상기 그라파이트 층의 기준 두께는 5㎛ 이상 200㎛ 이하일 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같이 동박과 그라파이트 층이 함께 구비된 방열 시트 형태 외에도 그라파이트 층으로만 이루어진 방열 시트로도 실시될 수 있다. 이 경우 제조 공정은 예컨대 PET 이형 필름의 상부에 그라파이트 슬러리를 도포하여 콤마 코팅 방식 등으로 그라파이트 층을 형성하며, 상기 이형 필름은 시트 제조 완료시 또는 제품 사용시에 제거되거나 또는 그대로 존치되어 보호 필름으로서 기능할 수 있도록 한다.

(c) 시트 건조 - 용제 증발

S150 단계에서, 그라파이트 방열 시트를 건조하는 단계가 실행될 수 있다. 본 단계는 그라파이트 방열 시트의 그라파이트 층에 포함된 용제를 제거하기 위해 실행된다. 용제를 제거하기 위해 전 단계에서 제조된 그라파이트 방열시트를 기준 온도를 갖는 건조실(예를 들어, 오븐 등)에서 건조할 수 있으며, 이때의 건조 기준 온도는 예컨대 50℃ 내지 110℃일 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 그라파이트 방열 시트는 기준 온도 범위가 서로 다른 복수의 건조 존들에서 순차 건조될 수 있다. 예를 들면, 건조실 입구(제1 구간)의 온도는 상온으로 하고, 중간부(제2 구간)의 온도는 50 ~ 70℃, 출구(제3 구간)의 온도는 70 ~ 90℃를 가지면서 방열시트를 낮은 온도를 갖는 존부터 높은 온도를 갖는 존까지 순차적으로 통과시키며 건조할 수 있다. 또한, 상기 각 구간별 건조 시간은, 예를 들면 제1 구간은 5분, 제2 구간은 10분, 제3 구간은 5분 등과 같이 서로 다른 온도를 가지는 각 구간의 건조 시간이 상이하도록 하여 건조할 수도 있다.

(d) 바인더 열처리 및 탄화

본 발명의 특징적인 제조 방법에 따르면, 상기와 같이 1차적으로 제조된 그라파이트 방열 시트를 열처리함으로써 그라파이트 분말들을 결합시키고 있던 바인더를 탄화시키는 공정(S160 단계)을 거치게 된다.

본 단계에서 상기와 같이 열처리에 의해 바인더를 탄화(炭化)시키는 공정은 방열 시트의 그라파이트 층에 국부적으로 강한 열을 집중적으로 가하여 바인더를 연소시키는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 일반적으로 탄소 원자가 포함된 유기 화합물을 열분해 또는 불완전 연소시키게 되면 유기 화합물 중의 탄소 성분이 응집된 탄소 잔여물이 생성되는바, 본 발명은 고분자 바인더 수지를 고온으로 열처리하여 탄소 성분비가 높은 바인더 탄화물로 생성시키는 것을 특징으로 한다.

이러한 열처리 및 탄화 공정에 있어 열처리 온도는 사용된 바인더의 종류에 따라 적절한 온도로 조절될 수 있으며, 본 발명에서 가장 적합하게 사용될 수 있는 스티렌부타디엔 고무(SBR; Styrene-Butadiene Rubber)의 경우 300 ~ 400℃의 온도로 실시될 수 있다. 즉, 상기와 같은 본 발명의 탄화 공정에 있어 열처리 온도가 너무 높게 되면 완전 연소로 인해 바인더 탄화물에서 탄소 잔여물 생성량이 낮아지므로, 짧은 시간 동안 상기와 같은 온도 범위로 열처리함으로써 바인더의 불완전 연소가 적절히 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명자의 연구 결과 기존 그라파이트 방열 시트에서 바인더 용도로서 일반적으로 사용되고 있는 아크릴계 수지 및 기타 합성수지의 경우 열처리에 의해 탄화가 잘 일어나지 않거나 용융됨으로써 본 발명의 기술적 특징을 효과적으로 나타내기에 어려운 점이 있었으나, 바인더로서 스티렌부타디엔 고무를 사용할 경우 바인더 탄화물이 충분한 정도로 용이하게 생성됨을 확인할 수 있었다.

본 발명에 있어서 상기와 같은 열처리/탄화를 위한 가열 수단으로는 광 에너지를 발산하는 램프가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 램프를 그라파이트 층의 표면에 근접 조사함으로써 광 에너지 및 램프 표면의 열 에너지에 의해 가열되어 바인더가 연소되도록 할 수 있다. 즉, 시트 전체를 건조 체임버 등에서 바인더의 연소 온도 이상의 높은 온도로 가열하게 되면 시트가 전체적으로 과열되고 층 내부에서 과다하게 기포가 발생, 팽창됨으로써 시트의 품질이 불량해질 수 있는 우려가 있는바, 상기와 같이 램프를 통해 시트의 표면을 국부적으로 집중 가열하면서 시트를 이동시키며 순차적으로 바인더를 소각시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 램프로는 제논 램프가 바람직하게 사용될 수 있으며, 이 외에도 같은 목적으로 할로겐 램프(Halogen Lamp)나 적외선 램프 등 다양한 램프가 사용될 수 있다. 본 발명자가 시험 실시한 결과, 특히 제논 램프로 그라파이트 층을 조사할 경우 다른 종류의 램프나 가열 수단을 사용한 경우에 비해 방열시트의 열전도 특성에서 우수한 향상 효과가 있음을 확인하였다. 제논 램프를 사용하는 경우, 출력은 250 ~ 400 와트이며, 상기 램프는 그라파이트 층으로부터 10 ~ 30㎜ 이격되어 초당 3 ~ 10회 조사될 수 있다. 이때 각 회당 조사 시간은 5 ~ 15ms일 수 있다.

상기 실시예에서는 바인더 소각을 위해 시트를 국부적으로 가열할 수 있는 수단으로서 램프, 특히 제논 램프를 바람직한 예로서 기재하였으나, 이 외에도 시트의 표면에 직접 접촉 또는 간접적으로 열을 가하여 바인더를 탄화시킬 수 있는 다양한 히팅 수단, 예컨대 저항 히터, 마이크로 웨이브 히터 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기에서 설명한 바에 따르면 상기와 같은 바인더의 열처리 및 탄화 공정에서 바인더를 불완전 연소시킴으로써 바인더 탄화물을 생성하는 것을 바람직한 실시 방식으로 설명하고 있는바, 이와 같은 합성수지류의 불완전 연소에 따라 일산화탄소(CO)를 비롯한 각종 유해 성분들이 생성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시에 있어서는 상기와 같은 유해 가스로 인한 작업자의 피해를 방지하기 위해 적절한 환기 수단 등의 구비가 반드시 이루어져야 할 것이다.

(e) 그라파이트 층 압축 가공

상기와 같은 열처리 및 바인더 탄화의 공정을 거친 다음에는 본 발명의 방열 시트를 가압하여 압축 가공하는 단계가 더욱 실행될 수 있다(S170). 즉, 본 단계에서 그라파이트 방열시트를 가압함으로써 그라파이트 층을 구성하는 그라파이트 분말 입자들 간의 공극을 줄여 밀도를 높이고 두께를 낮출 수 있으며, 그 결과 방열 시트의 열확산 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 기존에도 그라파이트 방열 시트의 제조 후 후속 공정으로서 시트를 가압하여 압축하는 공정이 일반적으로 이루어지고 있었다. 그러나, 기존의 그라파이트 시트들의 경우 압축 가공에 있어 압축력이 해제되면 바인더의 탄성에 의해 시트가 다시 원상 회복되려 하는 경향이 있으므로 시트 두께 감소에 불리한 영향을 주고 있었다.

이에 비해, 본 발명의 방열 시트에 따르면, 전술한 것과 같이 바인더가 열처리에 의해 탄화물로 존재하는바, 이와 같은 본 발명에 있어 바인더의 탄화로 인해 그 물성이 변성되어 탄화 전에 비해 탄성도가 상당히 저하되게 된다. 또한, 바인더의 연소로 인해 바인더 탄화물은 탄화 이전에 비해 중량이 감소하고 내부에는 연소 후 남은 잔여 공극들이 상당 부분 존재하게 된다. 따라서, 본 공정에 의해 그라파이트 방열 시트를 압축하게 되면 상기 바인더 탄화물 내 공극들이 눌리면서 줄어들게 되고, 압축력의 해제 후에도 바인더 탄화물의 저하된 탄성 복원력으로 인해 두께의 리바운드량이 현저히 감소되므로 시트의 두께에 있어 상당히 큰 압축율을 나타냄으로써 시트의 두께를 크게 줄일 수 있게 된다.

한편, 본 단계에서 그라파이트 방열 시트를 가압하기 위해 압착 롤러가 구비된 롤링 프레스와 같은 장비가 사용될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 시트를 압축시킬 수 있는 다양한 장비가 사용될 수 있다.

상기와 같은 공정에 따라 그라파이트 방열 시트가 제조되면, 사용 용도 등에 따라 표면에 접착 수단(점착제, 양면 테이프 등) 또는 고분자 보호필름(PET, PE, PI 등 이용)을 부착하거나, 화학 코팅(UV, PAN코팅 등)함으로써 본 발명 방열시트의 생산, 조립 또는 이용시 편리성을 도모할 수 있다. 본 발명의 방열시트는 스마트폰 등 전자제품의 부품 및 패널, 케이스 등에 적용할 수 있으며, 가스켓이나 몰딩패킹 등의 형태로 2차 가공되어 여러 분야에서 다양하게 이용될 수 있다.

이하, 상기에서 설명한 본 발명에 의한 그라파이트 방열시트의 열적 특성 및 성능 향상을 확인하기 위해 다양한 실시예를 통해 실험 및 평가한 결과를 제시하여 설명한다. 다만 이하에서 제시되는 실시예 및 실험예는 본 발명의 설명을 위해 예시적으로 제시되는 것일 뿐으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 그라파이트 분말로 방열 시트를 제조

본 실시예에서 사용한 흑연은 평균 7㎛의 입도를 갖는 인조 그라파이트 분말을 사용하였으며, 상기 그라파이트 100 중량부에 대하여, 바인더로서 스티렌부타디엔 고무(SBR) 15.3 중량부, 용제로서 에틸 아세테이트 20.6 중량부, 경화제 0.2 중량부, 분산제 0.2 중량부를 혼합한 후 바스켓 밀로 균일하게 분산시켜 그라파이트 슬러리를 제조하였다. 상기 그라파이트 슬러리 혼합 조성물을 두께 40㎛의 동박의 한 면에 콤마 코팅 방식에 의해 30㎛의 두께로 도포하여 그라파이트 층을 형성한 후, 건조실에서 80℃내지 120℃로 온도를 높여가며 8분간 용제를 휘발시켰다.

그 후, 출력 250W의 제논 램프를 그라파이트 층으로부터 25mm 이격된 높이에서 조사 부위당 100ms 시간 동안 조사하여 바인더를 열처리/탄화시켰으며, 이와 같이 제조된 그라파이트 방열시트를 5개의 압착롤러에 연속으로 통과시켜 그라파이트 층의 최종 두께가 15㎛가 되도록 그라파이트 방열 시트를 제조하였다.

실시예 2: 그래핀을 추가한 방열 시트의 제조

그라파이트 슬러리 혼합 조성물을 제조함에 있어 추가로 그래핀을 추가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 15㎛ 두께의 그라파이트 층을 갖는 방열 시트(그라파이트 층 15㎛; 동박 40㎛)를 제조하였다. 그래핀의 추가량은 그라파이트 100 중량부에 대하여 20 중량부를 추가 혼합하였으며, 사용된 그래핀은 X-Y Dimension 44um 이하, Avg. Thickness 50 ~ 100nm, 비표면적 15㎡/g을 사용하였다.

비교예

비교예 1: 기존 그라파이트 방열 시트의 제조

실시예 1에서와 동일한 조성 및 방법으로 그라파이트 방열시트를 제조하되, 실시예 1에서 제논 램프의 조사에 의해 바인더를 탄화하는 공정은 제외하고 실시하였다.

실험예

< 실험예 1: 수평 면 방향으로의 열전도도 비교>

본 발명에 의해 제조된 그라파이트 방열시트(실시예 1, 실시예 2)와 기존 그라파이트 방열시트(비교예 1)의 열적 성능 비교를 위해 수평 면 방향으로의 열전도도를 측정하는 시험을 실시하였다. 시험 방법은 레이저플래시 방법으로 측정하였으며, 이의 측정 결과는 아래 표 1에 나타내었다.

	그라파이트층 두께(㎛)	열전도도(W/Mk)
실시예 1	15	362.4
실시예 2	15	457.14
비교예	20	299.83

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 바인더 열처리 및 탄화 공정을 거친 본 발명의 실시예 1, 실시예 2의 경우 상기 공정을 거치지 않은 비교예 1의 경우에 비해 시트의 두께도 크게 감소하였으며, 열 전도도에서도 향상된 성능을 보임을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 실험예를 통해 제논 램프 등으로 바인더를 일정 범위 탄화시킨 후 압축 성형하는 본 발명은 시트 두께의 감소 및 열적 특성 개선에 있어 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.

또한, 실시예 1과 실시예 2의 결과만을 비교할 때, 그래핀이 추가된 실시예 2의 경우 실시예 1에 비해 수평 열전도도 값에서 유의미한 상승이 있음을 알 수 있는바, 그래핀의 추가가 수평 열전도도 면에서도 유리한 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.

< 실험예 2: 수직 방향으로의 열전도도 비교>

본 발명에 의해 제조된 그라파이트 방열시트(실시예 1, 실시예 2)에 있어 그래핀의 추가 혼합으로 인한 수직 방향으로의 열전도도 향상 효과를 확인하기 위해 시트 두께 방향으로의 열전도도를 측정하는 시험을 실시하였다. 시험 방법은 실험예 1에서와 같이 레이저플래시 방법으로 측정하였으며, 이의 측정 결과는 아래 표 2에 나타내었다.

	그라파이트층 두께(㎛)	열전도도(W/Mk)
실시예 1	15	7.8
실시예 2	15	13.4
비교예	20	2.1

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1, 실시예 2의 경우 기존 방식에 의해 제조된 비교예 1의 경우에 비해 전체적으로 수직 방향의 열 전도도에서 현저하게 향상된 효과가 있음이 확인되었다.

특히, 그라파이트 분말과 함께 그래핀을 첨가한 실시예 2의 경우 그래파이트 분말로만 제조된 실시예 1과 비교할 때 수직 방향의 열 전도도가 크게 향상되었음을 알 수 있다.

따라서, 상기 실험예를 통해 그라파이트 분말과 그래핀을 함께 혼합하여 제조된 본 발명의 방열 시트에 따르면 그라파이트 방열 시트에 있어 그간의 단점이었던 수직면 방향으로의 열전도율 저하 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

< 실험예 3: 기존 시트와의 방열 성능 비교>

기존의 방열 시트와 본 발명의 실시예에 따른 그라파이트 방열 시트의 실제 제품에 적용시 방열 성능의 비교 실험을 위해, 기존 방식의 방열 시트와 본 발명에 따른 그라파이트 방열 시트를 현재 시판 중인 스마트폰의 배터리 케이스 부분에 각각 장착하고, 동일한 동영상을 60분간 재생하면서 표면 온도를 열화상 카메라(FLIR E40)를 이용하여 측정하였다.

도5는 본 발명에 따른 방열 시트 및 기존의 방열 시트가 부착된 스마트폰을 열화상 카메라로 촬영한 사진이며(방열 시트의 부착 형태는 도3과 같다), 도6은 스마트폰 표면 온도 변화를 시간별로 나태낸 그래프이다. 여기서, 도5와 도6의 (a)는 기존의 그라파이트 방열 시트, 도5와 도6의 (b)는 실시예 1에 따른 방열 시트, 도5와 도6의 (c)는 실시예 2에 따른 방열 시트가 부착된 스마트 폰에 대한 온도 변화 그래프 및 열 화상 사진이다. 도5에서 Spot 1(Sp1), Spot 2(Sp2), Spot 3(Sp3)는 열 측정점으로서 열원으로부터 변화하는 온도를 측정하며, Ar1은 측정 영역으로서 사각 영역 내에서의 최고 온도가 자동으로 측정된다.

측정 결과, 동영상 재생 1시간 경과 후 각 측정점에서의 최종 온도값을 아래 표3에 나타내었다.

단위(℃)	비교예	실시예 1	실시예 2
MAX	40.1	39.3	38.8
Spot 1	38.2	38.1	37.7
Spot 2	37.4	37.5	37.3
Spot 3	37.0	37.4	36.9

도5의(a) 및 도6의(a)에서 보여지는 기존의 방열 시트는 그라파이트 시트(20㎛) 및 동박 시트(40㎛)로 구성되어 있으며, 이들은 양면 테이프(5㎛)를 이용하여 접합 되었다. 도5의 열 화상 사진 및 상기 표3에 나타난 바와 같이 기존의 방열 시트가 부착된 스마트폰의 최대 온도는 40.1℃로 측정되었다.

도5의(b) 및 도6의(b)는 본 발명의 실시예 1에 따른 그라파이트 방열 시트의 열적 특성을 보여주는 열화상 카메라 사진 및 온도 변화 그래프로서, 실시예 1에 따른 그라파이트 방열 시트는 동박 시트(40㎛) 상에 그라파이트 층(15㎛)을 성형하여 제작되었다. 도5, 도6 및 상기 표3의 데이터를 참조하면, 스마트폰의 최대 온도는 39.3℃로 측정되어 기존의 방열 시트에서의 최대 온도치(40.1℃)에 비해 상당히 낮은 온도를 나타냄을 알 수 있다.

다만, 최고 온도 지점 외 다른 부분의 온도를 보게 되면, 실시예 1에 따른 방열 시트를 적용한 경우 기존 방열 시트를 적용한 경우와 비교할 때, 전체적인 온도에 있어 대략적으로 같거나 일부 영역에서는 약간 높은 온도를 나타내는 것으로 확인되었다. 그러나, 이는 실시예 1에 따른 방열 시트의 열확산 성능이 우수하다는 것을 보여 주는 것으로, 실시예 1에 따른 방열 시트를 적용한 경우 기존 제품에 비해 시트의 전 면적으로 열 확산이 잘 일어남으로써 부위별 온도 편차가 작아지고 균일한 온도 분포를 나타냄을 의미한다. 또한, 도6 (a)에 도시된 기존의 방열 시트를 구성하는 그라파이트 층의 두께는 20㎛인 반면, 본 발명의 실시예 1에 따른 그라파이트 방열 시트의 그라파이트 층은 두께가 15㎛라는 점을 감안할 때, 본 발명의 실시예 1에 따른 방열 시트는 더 낮은 두께를 가지면서도 기존 제품과 최고 온도 및 열확산도 면에서 동급 이상의 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.

도5의(c) 및 도6의(c)는 본 발명의 실시예 2에 따른 그라파이트 방열 시트의 열적 특성을 보여주는 열화상 카메라 사진 및 온도 변화 그래프이며, 본 실시예 2에 따른 그라파이트 방열 시트는 동박 시트(40㎛) 상에 그래핀이 혼입된 그라파이트 층(15㎛)을 성형하여 제작되었다.

본 도면 도5, 도6 및 상기 표3을 참조하면, 스마트폰의 최대 온도는 38.8℃로 측정됨으로써 기존의 방열 시트에서의 최대 온도치(40.1℃)에 비해 현저하게 낮은 온도를 나타내고 있으며, 실시예 1의 경우(39.3℃)에 비해서도 상당한 정도의 온도 저하가 있음을 알 수 있다.

또한, 전체적인 온도 분포에 있어서도 각 측정 지점에서의 온도가 기존 방열 시트 및 실시예 1의 방열 시트를 적용한 경우에 비해 전반적으로 낮은 온도를 나타내었는바, 이상과 같은 실험 결과로부터 볼 때, 실시예 2에 따라 그라파이트 분말과 그래핀을 함께 혼합하여 제조된 방열 시트의 경우, 수평 방향뿐 아니라 수직 방향으로의 열 전도도가 함께 좋아짐으로써 전체적으로 방열 성능 면에서 크게 향상된 효과가 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 전용이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정해지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1 : 본 발명의 그라파이트 방열 시트
10 : 그라파이트 층 12 : 그라파이트 분말
14 : 바인더 탄화물 16 : 그래핀
20 : 금속 박판층

Claims

그라파이트를 주성분으로 하고 방열원으로부터 전달된 열을 확산 배출하는 그라파이트 방열 시트에 있어서,
일방향으로 납작하게 압축된 그라파이트 분말;
상기 그라파이트 분말들 사이의 공극 내에 삽입된 그래핀(graphene);
상기 그라파이트 분말과 그래핀 사이에 충전되며, 유기화합물 바인더를 열처리하여 생성된 바인더 탄화물;
을 포함하여 구성된 그라파이트 방열 시트.
그라파이트를 주성분으로 하고 방열원으로부터 전달된 열을 확산 배출하는 그라파이트 방열 시트에 있어서,
(a) 일방향으로 납작하게 압축된 그라파이트 분말과; 상기 그라파이트 분말들 사이의 공극 내에 삽입된 그래핀(graphene)과; 상기 그라파이트 분말과 그래핀 사이에 충전되며 유기화합물 바인더를 열처리하여 생성된 바인더 탄화물;을 포함하여 층상으로 성형된 그라파이트 층;
(b) 상기 그라파이트 층의 일측면 또는 양측면에 일체로 적층되는 금속 박판층;
을 포함하여 구성된 그라파이트 방열 시트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바인더 탄화물은 유기화합물 바인더를 열처리하여 불완전 연소에 의해 생성된 것임을 특징으로 하는 그라파이트 방열 시트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기화합물 바인더는 스티렌부타디엔 고무(SBR; Styrene-Butadiene Rubber)인 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열 시트.
제2항에 있어서, 상기 금속 박판층은 동박(copper foil)인 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열 시트.
제5항에 있어서, 상기 동박은 피로인산동 도금에 의한 전해 동박인 것을 특징으로 하는 그라파이트 방열 시트.
(a) 그라파이트 분말과 그래핀(graphene)을 유기화합물 바인더와 혼합하여 그라파이트 슬러리를 제조하는 공정;
(b) 상기 그라파이트 슬러리를 층상으로 성형하여 그라파이트 층을 형성하는 공정;
(c) 상기 그라파이트 층을 열처리하여 상기 바인더를 탄화(炭化)시키는 공정;
(d) 상기 그라파이트 층에 압력을 가하여 두께를 감소시키는 방향으로 압축하는 공정;
을 포함하여 이루어지는 그라파이트 방열시트의 제조방법.