KR20170036332A - 상변화 물질을 포함하는 방열시트 및 이것이 코팅된 히트싱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일 측면에 접착층이 형성된 베이스 시트층; 및 상기 베이스 시트의 반대 측면에 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 도포한 후, 압출 및 성형하여 형성된 방열시트용 수지 조성물층을 포함하여, 열전도성이 우수하면서도 충분한 강도를 지니고 나아가 전기적으로 절연이 양호한 방열시트 및 이것이 코팅된 히트싱크에 관한 것이다.

Description

상변화 물질을 포함하는 방열시트 및 이것이 코팅된 히트싱크{Sheets with phase change material for heat sink and heat sink coated the same}
본 발명은 일 측면에 접착층이 형성된 베이스 시트층; 및 상기 베이스 시트의 반대 측면에 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 도포한 후, 압출 및 성형하여 형성된 방열시트용 수지 조성물층을 포함하는 방열시트 및 이것이 코팅된 히트싱크에 관한 것이다.
최근 저탄소 녹색 성장의 일환으로 에너지 사용량을 줄이고 온실가스를 감축하기 위해서 저공해 친환경 제품으로서 발광다이오드(LED)를 각종 조명등으로 사용하는 경우가 증가하고 있다. 이에 따라 산업계에서는 고효율, 고집적, 고기능, 경박단소화 등을 고려하여 LED를 부품, 모듈(module), 세트(set) 등으로 설계하고 있다. 각 분야의 설계자들이 상기 열거한 기술적 경향을 만족시키기 위해 설계를 하다 보면, 종래의 설계 기술에서 발생하는 열보다 더 많은 열이 방출되는 경우가 있고 이러한 열에 의해서 시스템 등의 성능 저하 등과 같은 문제 등이 발생하는 경우가 나타난다. 따라서 관련 산업계에서는 발생하는 열적인 문제(방열, 열확산, 열분산, 열수집, 열전달 등)을 효율적으로 처리하기 위한 연구를 끊임없이 지속하고 있다.
이러한 LED를 이용한 조명 등은 에너지 효율이 높은 LED 소자와; LED 소자에 공급하는 전원의 안정화 장치; 상기 두 부분에서 발생하는 열을 대기 중으로 방열시키는 방열부분으로 구성되어 있다. LED는 화합물 반도체로서 사용 온도가 높아지면 원자들의 열진동으로 전자의 흐름이 방해를 받아 조도가 떨어지는 현상이 일어나고, 온도가 더욱 높아지게 되면 반도체의 확산층의 확산이 일어나 급격한 조도 저하와 사용 수명이 급격히 짧아지게 된다. 즉, LED의 고유한 장점인 고효율 장수명의 관건은 LED 방열 기술이며, 이에 따라서 고효율 방열 모듈의 개발을 위한 핵심 기술의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 열전도성이 우수하면서도 충분한 강도를 지니고 나아가 전기적으로 절연이 양호한 방열시트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예는 상기 방열시트를 코팅 처리하여 형성되는 히트싱크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 일 측면에 접착층이 형성된 베이스 시트층; 및 상기 베이스 시트의 반대 측면에 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 도포한 후, 압출 및 성형하여 형성된 방열시트용 수지 조성물층을 포함하는 방열시트를 제공한다.
상기 상변화 물질은 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐의 형태를 갖는 것이고; 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐은 코어-쉘 구조를 갖는 것이고, 상기 코어는 상변화 물질을 포함하고, 상기 쉘은 멜라민을 포함하는 고분자 수지인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 방열시트용 수지 조성물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 열전도성 분말 10 내지 30 중량부, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 10 내지 70 중량부, 세라믹 분말 30 내지 70 중량부, 첨가제 0.1 내지 30 중량부 및 유기용매 80 내지 120 중량부를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 상변화 물질은 Fe2O3.4SO3.9H2O, NaNH4SO4.2H2O, NaNH4HPO4.4H2O, FeCl3.2H2O, Na3PO4.12H2O, Na2SiO3.5H2O, Ca(NO3)2.3H2O, K2HPO4.3H2O, Na2SiO3.9H2O, Fe(NO3)3.9H2O, K3PO4.7H2O, NaHPO4.12H2O, CaCl2.6H2O, Na2SO4.10H2O, Na(CH3COO).3H2O 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수화물 형태의 무기물; 탄소수 11 내지 36개의 포화탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기화합물; n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, 아세트산, 유산, 클로로아세트산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 접착층은 수성 아크릴레이트계 접착 수지 100 중량부와; 1: 2: 2의 중량비로 혼합된 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말 10 내지 50 중량부를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 발열부에 설치되어 상기 발열부로부터 발생되는 열을 외부로 전달하고 열전도성을 갖는 열전도부, 및 상기 열전도부로 전달되는 열을 흡수하는 열흡수층을 포함하고, 상기 열흡수층은 상기 열전도부의 일측면의 전부 또는 일부에, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 방열시트를 코팅 처리하여 형성되는 히트싱크를 제공한다.
상기 열흡수층의 두께는 3 내지 100 μm인 것일 수 있다.
또한, 상기 열전도부는 마이카 필름 또는 알루미나 기판인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 방열시트는 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 포함하여, 열전도성이 우수하면서도 충분한 강도를 지니고 나아가 전기적으로 절연이 양호한 효과가 있다. 이러한 방열시트는 각종 전자부품이나 전자기기, 특히 LED를 이용한 조명 등의 히트싱크에 부착되는 방열시트로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예는 일 측면에 접착층이 형성된 베이스 시트층; 및 상기 베이스 시트의 반대 측면에 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 도포한 후, 압출 및 성형하여 형성된 방열시트용 수지 조성물층을 포함하는 방열시트를 제공한다.
상기 상변화 물질은 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐의 형태를 갖는 것을 사용하여, 보다 안정적인 방열 효과를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐은 코어-쉘 구조를 갖는 것이고, 상기 코어는 상변화 물질을 포함하고, 상기 쉘은 멜라민을 포함하는 고분자 수지인 것을 사용할 수 있다. 특히, 상기 고분자 수지는 멜라민과 프르말린이 축중합된 고분자 수지일 수 있다.
보다 더 구체체적으로 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐은 (a) 상변화 물질과 계면활성제를 물에 넣고, 교반시켜 상변화 물질 에멀젼 용액을 제조하는 단계; (b) 멜라민 모노머를 포함하는 중합체 용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 상변화 물질 에멀젼 용액에 상기 중합 용액 및 아세트산을 첨가하여 교반시켜 계면 중합하는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다. 상기 계면활성제는 설폰화된 스티렌과 말레산 무수물의 공중합체일 수 있고, 상기 설폰화된 스티렌과 말레산 무수물의 공중합체의 분자량은 2,500 내지 25,000일 수 있다. 또한, 상기 멜라민 모노머를 포함하는 중합체는 멜라민 수지와 프름알데히드가 축합되어 형성된 공간 망상 중합체일 수 있고, 상기 중합체 용액을 기준으로 하여, 멜라민 모노머가 10 내지 30 중량% 포함될 수 있다. 이렇게 제조된 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐은 평균 입경이 0.05 내지 10 ㎛인 것이고, 보다 더 구제적으로 0.1 내지 5 ㎛인 것을 제조하여 사용될 수 있다.
또한, 상기 방열시트용 수지 조성물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 열전도성 분말 10 내지 30 중량부, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 10 내지 70 중량부, 세라믹 분말 30 내지 70 중량부, 첨가제 0.1 내지 30 중량부 및 유기용매 80 내지 120 중량부를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 열가소성 수지로는 목적으로 하는 최종 제품에 따라서 적절히 선택될 수 있으며, 성형 분야에서 사용되는 수지라면 특별이 제한은 없다. 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀(polyolefin)계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 나일론(nylon)6, 나일론(nylon)66, 나일론(nylon)12 등의 폴리아미드계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 등과 같은 스티렌(styrene)계 수지; 폴리페닐렌옥사이드와 같은 폴리아릴렌옥사이드계 수지; 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide)와 같은 폴리아릴렌설파이드계 수지; 폴리부틸렌테레프탈레이트 등과 같은 폴리에스테르계 수지; 액정폴리머(LCP); 및 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있다. 이들 열가소성 수지는 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상 혼합하여 사용될 수도 있다. 이러한 열가소성 수지는 점도를 낮추면 낮출수록 유동성이 향상되어 보다 많은 양의 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐, 또는 세라믹 분말을 첨가할 수 있다. 따라서 같은 함량을 첨가한다 하더라도 상대적으로 낮은 점도를 가지는 수지를 선택하면 더 용이하게 상기 다른 성분들을 첨가시킬 수 있으며, 보다 강한 기계적 물성을 가지는 방열시트의 제조가 가능해진다. 그 결과 방열시트가 높은 열전도도 및 기계적 강도를 나타낼 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 폴리페닐렌설파이드 수지를 폴리올레핀(polyolefin)계 수지와 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로 폴리페닐렌설파이드 수지 및 폴리올레핀(polyolefin)계 수지를 2: 1의 중량 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 분말은 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 구리, 흑연, 알루미늄, 페라이트, 철, 아연, 니켈 분말 및 이들의 혼합 분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 이로써, 우수한 열전도성을 이용하여, 발열부로부터 발생되는 열을 용이하게 외부로 전달할 수 있고, 방열시트에 충분한 강도를 제공할 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로 상기 열전도성 분말은 평균 입경이 0.01 내지 10 ㎛인 것을 사용하여, 보다 용이한 열전달이 가능해진다.
또한, 상기 세라믹 분말은 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 알루미나, 마그네시아, 실리콘 옥사이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 및 이들의 혼합 분말로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하여, 방열시트에 충분한 전기 절연성 및 강도를 제공할 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로 상기 세라믹 분말은 평균 입경이 1 내지 10 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 분산제, 난연제, 가황제 및 이들의 혼합 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 상변화 물질은 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, Fe2O3.4SO3.9H2O, NaNH4SO4.2H2O, NaNH4HPO4.4H2O, FeCl3.2H2O, Na3PO4.12H2O, Na2SiO3.5H2O, Ca(NO3)2.3H2O, K2HPO4.3H2O, Na2SiO3.9H2O, Fe(NO3)3.9H2O, K3PO4.7H2O, NaHPO4.12H2O, CaCl2.6H2O, Na2SO4.10H2O, Na(CH3COO).3H2O 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수화물 형태의 무기물; 탄소수 11 내지 36개의 포화탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기화합물; n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, 아세트산, 유산, 클로로아세트산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말은 1: 2: 2의 중량비로 혼합되어, 방열시트의 전기 절연성 및 방열 성능을 더욱 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말은 상기한 함량 비율로 고르게 혼합한 후, 실란화합물과 고르게 혼합한 것을 사용하여 다른 성분들과 혼합될 수 있다. 이 때, 상기 실란화합물은 알콕시 또는 에폭시기가 치환된 알킬실란화합물을 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 실란화합물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 5 중량부의 함량이 되도록 혼합하는 것이 좋다.
상기 유기용매는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 에스테르류, 케톤류, 알코올류, 방향족탄화수소류 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 메틸에틸케톤, 이소프로필알코올, 부틸셀루솔브(Butyl cellusolve), 톨루엔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 접착층은 수성 아크릴레이트계 접착 수지 100 중량부와; 1: 2: 2의 중량비로 혼합된 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말 10 내지 50 중량부를 포함하는 것을 사용하여, 히트싱크에 부착된 방열시트의 방열 성능을 더욱 개선시킬 수 있다. 이 때 상기 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말의 종류 및 다른 특성들은 상기한 바와 같다.
본 발명의 다른 일 구현예는 발열부에 설치되어 상기 발열부로부터 발생되는 열을 외부로 전달하고 열전도성을 갖는 열전도부, 및 상기 열전도부로 전달되는 열을 흡수하는 열흡수층을 포함하고, 상기 열흡수층은 상기 열전도부의 일측면의 전부 또는 일부에, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 방열시트를 코팅 처리하여 형성되는 히트싱크를 제공한다.
상기 열흡수층의 두께는 3 내지 100 μm인 것일 수 있다. 또한, 상기 열전도부는 마이카 필름 또는 알루미나 기판인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 방열시트는 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 포함하여, 열전도성이 우수하면서도 충분한 강도를 지니고 나아가 전기적으로 절연이 양호한 효과가 있다. 이러한 방열시트는 각종 전자부품이나 전자기기, 특히 LED를 이용한 조명 등의 히트싱크에 부착되는 방열시트로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 일 측면에 접착층이 형성된 베이스 시트층; 및
    상기 베이스 시트의 반대 측면에 상변화 물질을 포함하는 방열시트용 수지 조성물을 도포한 후, 압출 및 성형하여 형성된 방열시트용 수지 조성물층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐의 형태를 갖는 것이고;
    상기 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐은 코어-쉘 구조를 갖는 것이고,
    상기 코어는 상변화 물질을 포함하고,
    상기 쉘은 멜라민을 포함하는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 방열시트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열시트용 수지 조성물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여,
    열전도성 분말 10 내지 30 중량부,
    상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 10 내지 70 중량부,
    세라믹 분말 30 내지 70 중량부,
    첨가제 0.1 내지 30 중량부 및
    유기용매 80 내지 120 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은
    Fe2O3.4SO3.9H2O, NaNH4SO4.2H2O, NaNH4HPO4.4H2O, FeCl3.2H2O, Na3PO4.12H2O, Na2SiO3.5H2O, Ca(NO3)2.3H2O, K2HPO4.3H2O, Na2SiO3.9H2O, Fe(NO3)3.9H2O, K3PO4.7H2O, NaHPO4.12H2O, CaCl2.6H2O, Na2SO4.10H2O, Na(CH3COO).3H2O 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수화물 형태의 무기물;
    탄소수 11 내지 36개의 포화탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기화합물;
    n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, 아세트산, 유산, 클로로아세트산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산; 및
    이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착층은 수성 아크릴레이트계 접착 수지 100 중량부와;
    1: 2: 2의 중량비로 혼합된 열전도성 분말, 상변화 물질을 함유한 마이크로캡슐 및 세라믹 분말 10 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트.
  6. 발열부에 설치되어 상기 발열부로부터 발생되는 열을 외부로 전달하고 열전도성을 갖는 열전도부, 및 상기 열전도부로 전달되는 열을 흡수하는 열흡수층을 포함하고,
    상기 열흡수층은 상기 열전도부의 일측면의 전부 또는 일부에, 제1항 내지 제5항 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 방열시트를 코팅 처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 히트싱크.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 열흡수층의 두께는 3 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 히트싱크.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 열전도부는 마이카 필름 또는 알루미나 기판인 것을 특징으로 하는 히트싱크.

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