KR20170035505A - 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질 - Google Patents

산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 있어서, 상기 방열코팅 물질은 산화그래핀을 포함하되, 상기 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상을 갖는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질로 그래핀 TIM, 그래핀 박막 등 다양한 분야에 사용할 수 있을 것이다.

Description

산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질{HEAT-DISSIPATING COATING MATERIAL USING GRAPHENE OXIDE}
본 발명은 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 관한 것으로 산화그래핀의 높은 열전도성을 이용하여 방열 효과가 우수하고, 다양한 분야에 적용할 수 있는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며 3차원으로 쌓으면 흑연(Graphite)이 되고 1차원으로 말면 탄소나노튜브(Carbon nanotube)가 되며 0차원인 공모양으로 만들면 버키볼(Buckyball)이 되는 물질이다. 구조적 화학적으로 매우 안정하고 실리콘보다 100배 이상 높은 전하 이동도를 나타내는 것으로 예측되어 왔다.
또한, 그래핀은 탄소 원자 하나의 두께(0.35 nm)에 불과하기 때문에 매우 높은 투명도를 지니며, 열적/기계적 특성도 우수할 것으로 예측되어 왔다. 2004년 Manchester 대학의 Geim 그룹에서 최초로 graphite(흑연)로부터 그래핀을 단층막형태로 분리해 내는데 성공하면서 높은 전하이동도, 높은 전류밀도, 뛰어난 열 전도도 및 낮은 발열량, 내화학성 및 높은 기계적 강도, 화학반응의 다양성, 간단한 패터닝 공정, 유연성, 신축성 등의 장점이 발견됐다. 특히 최근에는 대면적/대량 생산을 위한 새로운 그래핀 합성법들이 개발되면서 다양한 전자 소자로서의 응용 가능성이 한층 더 높아졌다. 최근의 많은 연구를 통해서 그래핀 시트를 유리 필름이나 플라스틱 필름에 전사를 함으로써 투명 전도성 필름을 제작할 수 있다는 것이 보고가 되고 있다. 이와 같은 투명한 박막 필름은 태양전지 또는 전자 종이, 투명전자 소자, 플렉시블 소자에 이용이 될 수 있을 것으로 예측이 되고 있다.
최근에는 LED, 휴대폰, 노트북, 태블릿PC 등과 같은 차세대 LED조명, 전기, 전자 및 통신기기에 있어서 소형화, 고집적화, 고성능화 및 고속화 등으로 인하여 전자파 차폐 성능 및 방열 특성과 같은 성능이 요구되고 있다. 특히, LED 광원은 에너지의 80%를 열로 방출하는 관계로 방열구조가 필수적이며, 소형화, 슬림화, 경량화가 요구되는 차세대 전자소자 및 디스플레이 등 전자제품 기기에 내장된 전자부품 내에서 발생하는 열을 효율적으로 제거하기 위하여는 열전도도가 높은 방열소재가 요구된다.
고 방열 재료의 소재 성분을 살펴보면 열방사성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합소재가 대부분을 차지하고 있다(대한민국 등록특허 제10-1035011호, 대한민국 등록특허 제10-0682325호, 대한민국 특허출원 제10-2009-0135425호). 열방사성 필러로써는 흑연, 산화구리, 산화철, 이산화망간, 산화코발트, 산화크롬 등을 사용하고 있으며, 바인더로써는 실란, 실리콘 화합물, 에폭시, 우레탄 등의 유기 고분자 또는 유무기 혼성 물질 등을 사용하고 있다. 그러나 유무기 혼합물질을 사용하게 되면 바인더가 열방사성 필러 입자를 당의정과 같이 표면을 둘러싸게 되어 음향양자의 진동이 바인더에 의하여 방해를 받아 열전도 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 그리고 산화물 반도체를 사용하게 되면 에너지 밴드갭이 넓기(wide bandgap) 때문에 전자가 전도대로 여기(exciting)된 후 천이되기 위하여서는 많은 에너지가 필요하며 이러한 열이 잠열로써 방열 코팅제의 내부에 잔류할 수 있기 때문에 열 방출이 효율적으로 이루어지기 어렵게 된다.
최근에는 열전도성과 전기전도성이 뛰어난 그래핀을 이용한 복합 코팅재의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그래핀은 우수한 열전도 성능, 화학적으로 매우 안정적인 장점을 가지고 있으나, 대량 생산이 어려워 가격이 고가이며, 횡방향으로는 열전도가 우수하지만 종방향 열전도 취약하고 낮은 발수 성능과 경도로 장기간 노출된 환경에서 성능 저하 발생되는 문제가 있었다.
이에 따라, 대량 생산이 가능한 산화 그래핀을 방열소재로 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 그래핀의 산화된 형태는 물이나 용매에 대한 분산성이 우수하지만, 그래핀 본래의 화학 구조(즉, sp2 구조)가 상실되어 원하는 성능을 얻기 어렵다는 문제가 있다. 따라서, 산화 그래핀을 적용한 코팅재는 추가로 환원과정을 거쳐야 한다는 한계가 있다.
그러나, 일반적으로 산화 그래핀을 기재에 도포하고 후처리 공정으로 환원할 경우 적층된 산화 그래핀에 다수의 산화물이 잔존할 수 밖에 없어 그래핀으로서 성능을 다하지 못한다. 즉, 그래핀의 산화/환원 과정에서 발생하는 기타 부산물이 코팅층의 성능을 저하시킨다는 문제가 있으며, 더욱이, 산화 그래핀의 화학적 환원은 그래핀의 본래 화학 구조를 완전하게 복원시키지 못하여 홀 형태의 상당한 결함이 있는 그래핀 구조를 포함시켜, 환원 동안 본래의 구조가 완전히 복구되지 않아 목적하는 기계적, 전기적 특성을 감소시킨다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 고가의 그래핀 대신에 대량 생산이 가능한 산화그래핀을 이용하여 높은 열전도도로 발열성이 우수한 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 산화그래핀을 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상으로 형성하여 이방성 열전도도가 높은 방열코팅 물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 플로로카본(Fluorocarbon) 수지 또는 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지를 더 함유하여 발수성능 및 경도가 우수한 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 있어서, 상기 방열코팅 물질은 산화그래핀을 포함하되, 상기 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 방열코팅 물질은 플로로카본(Fluorocarbon) 수지 또는 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 TIM(Thermal Interface Material)을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 방열플라스틱 필러를 제공한다.
본 발명은 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질로 상기 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상으로 발열코팅 물질의 열전도도가 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 발열코팅 물질은 플로로카본(Fluorocarbon) 수지 또는 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지가 더 포함되어 높은 적음 각 또는 경도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 발열코팅 물질은 그래핀 TIM(Thermal Interface Material), 그래핀 박막, 방열플라스틱 필러 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 산화그래핀의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 Crumbled Graphene 공정 및 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 Crumbled Graphene을 통해 종방향 열전도 흐름 개선을 나타낸 도면이다.
도 4는 Crumbled Graphene 표면과 일반 그래핀 표면을 비교한 도면이다.
도 5는 Silane 작용기 경화 후 유리와 같은 SiO2 망목구조를 형성을 나타낸 도면이다.
도 6은 Crumbled Graphene과 Fluorocarbon-Silane 소재로 오염방지 기능 향상을 나타낸 도면이다.
도 7은 그래핀 이용한 TIM 재료로 적용상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 박막제조 및 스프레이 코팅을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 약, 실질적으로 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 산화그래핀의 제조방법을 나타낸 도면이고, 도 2는 Crumbled Graphene 공정 및 특성을 나타낸 도면이며, 도 3은 Crumbled Graphene을 통해 종방향 열전도 흐름 개선을 나타낸 도면이고, 도 4는 Crumbled Graphene 표면과 일반 그래핀 표면을 비교한 도면이며, 도 5는 Silane 작용기 경화 후 유리와 같은 SiO2 망목구조를 형성을 나타낸 도면이고, 도 6은 Crumbled Graphene과 Fluorocarbon-Silane 소재로 오염방지 기능 향상을 나타낸 도면이며, 도 7은 그래핀 이용한 TIM 재료로 적용상태를 나타낸 도면이고, 도 8은 박막제조 및 스프레이 코팅을 나타낸 도면이다.
일반적으로 그래핀은 도 1에서와 같이 탄소 원자 이중 결합으로 이루어진 원자층을 갖는 물질로 우수한 열전도 성능 및 화학적으로 매우 안정한 화합물이나, 대량 생산이 어렵고 종방향의 열전도도가 취약하고, 발수성이 떨어지고 낮은 경도를 갖는 문제로 발열 물질로 사용의 한계가 있었다.
본 발명에 따른 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질은 그래핀 대신에 대량생산이 가능한 산화그래핀을 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 2에서와 같이 본 발명에 사용되는 산화그래핀은 흑연을 화학적 박리 방법으로 분리하여 산화그래핀 제조하는 것으로 상기와 같은 산화그래핀은 대량 생산이 가능하며 그래핀의 전구 물질로써 열적 화학적 환원 공정을 통해 그래핀 고유의 성질을 회복된다.
상기와 같은 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상으로 형성되어 도 3에서와 같이 그래핀의 종방향의 열전도도가 개선되는 효과가 있다.
또한, 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상의 산화그래핀은 도 4에서와 같이 일반적인 그래핀의 비해 적음 각이 큰 것으로 도 5에서와 같이 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 플로로카본(Fluorocarbon) 수지를 더 첨가하여 경도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상의 산화그래핀과 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지의 복합 형태로 제조하여 도 6에서와 같이 오염방지 기능을 부여할 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질은 도7에서와 같이 그래핀 TIM(Thermal Interface Material)에 적용하여 LED Chip과 Heatsink 간 TIM 재료로 그래핀 적용하여 열전도율 및 열 확산 계수를 혁신적으로 향상시킬 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질도 8에서와 같이 그래핀 박막 제조기술에 적용하여 박막 형태로 다양한 기판에 코팅 가능하며, 결합력이 우수한 나노-마이크로 필름 코팅 구현할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 방열코팅 물질은 이온성 액체를 미립화하여 그래핀 박막을 제조할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질은 전기 스프레이 코팅 기술에 적용하여 별도의 미립화 장치가 필요하지 않고도 액적의 경로를 박막 형태로 다양한 기판에 코팅 가능하며, 균등한 코팅의 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질은 그래핀 방열 플라스틱 필러에 적용하여 그래핀을 필러로 한 방열 플라스틱 복합재료로 제조할 수 있으며, 이를 통해 필러, 수지의 물성 및 특성을 고려한 복합재료 제작이 가능하다.
이로 인하여 본 발명은 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질로 상기 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상으로 발열코팅 물질의 열전도도가 향상시킬 수 있으며, 플로로카본(Fluorocarbon) 수지 또는 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지가 더 포함되어 높은 적음 각 또는 경도를 향상시킬 수 있다. 또한, 그래핀 TIM(Thermal Interface Material), 그래핀 박막, 방열플라스틱 필러 등에 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (5)

  1. 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질에 있어서,
    상기 방열코팅 물질은 산화그래핀을 포함하되,
    상기 산화그래핀은 다공성(Porous) 또는 주름진(Crumbled) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열코팅 물질은 플로로카본(Fluorocarbon) 수지 또는 플로로카본(Fluorocarbon)-실란(Silane) 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질.
  3. 제1항의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 TIM(Thermal Interface Material).
  4. 제1항의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 박막.
  5. 제1항의 산화그래핀을 이용한 방열코팅 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 방열플라스틱 필러.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112226104A (zh) * 2020-09-22 2021-01-15 广东极客亮技术有限公司 多级孔结构的防紫外石墨烯涂层、防紫外材料及其制备方法

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