KR20170080286A

KR20170080286A - 열전도성 에폭시 복합조성물, 이의 제조방법 및 열전도 기능성 접착제

Info

Publication number: KR20170080286A
Application number: KR1020150191645A
Authority: KR
Inventors: 오원태; 박성엽; 곽호두
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2017-07-10
Also published as: KR101784148B1

Abstract

본 발명은 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연 및 무기 필러를 포함하는 열전도성 접착제, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 방열 구조물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열전도성 접착제는 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연을 무기필러와 혼합하여 사용함에 따라서, 종래에 비하여 열전도성 필러의 함량을 현저히 줄임에도 불구하고 방열 특성은 향상되는 효과가 있다.

Description

초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연 및 무기 필러를 포함하는 열전도성 접착제, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 방열 구조물{Thermal conductive adhesives having volume expanded graphite and inorganic filler, preparation method thereof and structure of radiant heat}

본 발명은 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연 및 무기 필러를 포함하는 열전도성 접착제, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 방열 구조물에 관한 것이다.

최근 LED 조명을 포함한 전자기기의 고성능화, 소형화 및 고기능화로 인해 전자부품 회로에서의 발열량이 증가되고 이로 인해 기기의 내부온도가 상승하여 반도체 소자의 오작동, 저항체 부품의 특성변화 및 부품의 수명이 저하되는 문제점들이 발생하고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 방열대책으로 다양한 기술이 개발되고 있다.

종래 개발된 방열대책으로는 히트싱크(Heat sink)나 방열판을 설치하는 방법이 있으며, 열원과 히트싱크 사이에 방열그리스(Thermal grease), 방열 패드, 방열 테이프 등과 같은 열 전달물질을 삽입하는 방법이 있다.

그런데 상기와 같은 종래의 방열방법은 열원에서 발생하는 열을 단순히 히트싱크로 전달하는 기능만 할 뿐, 히트싱크에 축적된 열을 공기 중으로 방출하는 기능은 수행하지 못한다. 더구나 전자제품의 열원이나 히트 싱크, 방열판 등을 보호하기 위하여 그 표면에 액상도료를 코팅하게 되는데, 이러한 경우 코팅된 피막이 피도체의 열방출을 차단하여 오히려 전자제품의 성능이나 수명에 악영향을 미치는 결과를 초래한다.

한편, 일반적인 에폭시 수지의 열전도율은 금속과 세라믹에 비하여 매우 낮다(0.15~0.3 W/mK). 이 때문에 고분자 메트릭스 내에 기체를 복합하여(발포체화하여) 단열재로서 각종 분야에 이용되어 왔다. 하지만 전기전자소자분야를 중심으로 전기절연성, 내흡성, 가공성, 내부식성 등은 물론 열전도특성이 우수한 소재에 주목하면서 고분자복합소재의 고열전도특성에 많은 관심이 모아지고 있으며 개발이 활발히 진행되고 있다.

에폭시 수지를 이용한 기술은 전자부품 분야에 많이 이용되어지고 있다. 금속과 세라믹이 접하는 면과 전자부품이 붙혀지는 부위의 접촉 열저항을 낮게 하기 위하여 열전도성 그리스와 열전도성 접착제, 열전도 시트 등과 같은 복합고분자재료의 개발이 이루어졌다. 열전도성 그리스는 열교환기 등과 같은 금속부품의 열전도를 돕고, 열전도성 접착제는 냉각핀과 본체인 금속의 접착에 주로 사용되며, 열전도 시트는 파워 트랜지스터와 기판과의 사이에 끼워져 방열을 촉진하는 분야에 이용되고 있다. 최근에는 노트북과 휴대전화 등의 전자제품들이 더욱 고집적화되고 있고 고출력 사양을 갖추어 가는 추세이며, 이와 함께 기판은 점점 소형화되고 있어, 기기의 동작 중 다량의 열이 발생하게 되는데, 이렇게 발생되는 열은 제품의 성능에 큰 영향을 미치고 있다. 따라서 점점 더 기기의 성능 안정성과 신뢰도 향상을 위해 첨단전자기기의 방열문제는 제품개발에 있어 중요한 이슈가 되고 있다.

또한, 다양한 산업에서 매트릭스 수지로 사용되는 열경화성 수지 중 하나인 에폭시 수지는 그 우수한 물성으로 인해 다양한 범위에서 사용되고 있는데, 종래의 비스페놀 타입의 에폭시 수지인 비스페놀-A 계 에폭시 수지(diglycidyl ether of bisphenol-A, DGEBA) 및 비스페놀-F계 에폭시 수지(diglycidyl ether of bisphenol-F, DGEBF)는 상업적으로 제조되어 폭넓은 분야에 널리 사용되고 있다.

그러나, 이러한 수지들은 고유의 높은 취성 특성과 내후성 저하 등의 문제들로 인해 고성능 재료로의 이용에 제한을 받게 되어 구조재료로의 사용이 어려워 이러한 단점을 개선한 새로운 물성을 가진 수지의 개발이 절실히 필요한 실정이다.

이에, 본 발명자들은 열전도성 필러의 함량을 최소화하여 접착 성능의 저하가 없으면서 방열 특성도 우수한 열전도성 접착제에 관하여 연구하던 중, 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연 및 무기필러를 고분자수지에 혼합하여 사용할 경우, 열전도성 필러(흑연 및 무기필러)의 함량을 종래에 비해 현저히 줄여서 사용함에도 불구하고, 방열 특성은 개선되고 접착 성능도 저하가 없는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.

한국공개특허 10-2013-0122478

본 발명의 목적은 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연 및 무기필러를 포함하는 열전도성 접착제를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 접착제의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 접착제를 포함하는 방열 필름을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 접착제를 포함하는 방열판을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 고분자 수지; 경화제; 부피팽창 흑연(vGr); 및 무기 필러;를 포함하는 열전도성 접착제에 있어서,

상기 부피팽창 흑연(vGr)은 천연 흑연을 용매 상에서 초음파 처리한 다음, 건조한 것임을 특징으로 하는 열정도성 접착제를 제공한다.

또한, 본 발명은 천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조하여 부피팽창 흑연(vGr)을 준비하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 준비한 부피팽창 흑연(vGr) 무기 필러를, 고분자 수지에 첨가하고 교반하는 단계(단계 2); 및

경화제를 첨가하고 교반하는 단계(단계 3);

를 포함하는 열전도성 접착제의 제조방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 접착제를 포함하는 방열 필름을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 접착제를 포함하는 방열판을 제공한다.

본 발명에 따른 열전도성 접착제는 초음파 처리하여 얻은 부피팽창 흑연을 무기필러와 혼합하여 사용함에 따라서, 종래에 비하여 열전도성 필러의 함량을 현저히 줄임에도 불구하고 방열 특성은 향상되는 효과가 있다.

도 1은 NaOH 표면처리 흑연을 XPS로 동정한 그래프이다.
도 2는 NaOH 표면처리 흑연을 XRD로 동정한 그래프이다.
도 3은 NaOH 표면처리 흑연을 라만 분광기로 동정한 그래프이다.
도 4는 실험예 3에서 방열 온도를 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다(T1은 핫플레이트에 의해 가열된 Al1 플레이트의 표면온도이고, T2는 핫플레이트에 의해 가열된 Al1 플레이트를 통해서 가열된 Al2 플레이트의 표면온도이다).
도 5는 실시예 1-2 및 비교예 1-4에서 제조한 열전도성 접착제를 Al 플레이트에 도포한 다음 SEM으로 확인한 이미지이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 접착제는 고분자 수지 30-40 중량%; 경화제 2-7 중량%; 흑연 5-35 중량%; 및 무기 필러 45-55 중량%를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 고분자 수지 34-37 중량%; 경화제 3-6 중량%; 흑연 8-12 중량%; 및 무기 필러 48-52 중량%를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 접착제에 있어서, 상기 고분자 수지로는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 이들의 공중합체 또는 복합체 등을 사용할 수 있다.

상기 에폭시 수지로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노블락형 에폭시 수지, 알킬페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 트리글리시딜 이소시아네이트 에폭시 수지, 비환식 에폭시 수지 등을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 일례로 비스페놀 A형 수지로서 비스페놀 A 에피클로로히드린을 사용하였다.

상기 아크릴 수지로는 올레핀 수지, 폴리 우레탄 수지, 시아노 아크릴레이트 수지, 이소시아네이트 수지, 아크릴공중합체, 메틸메타크릴레이트 등을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 일례로 아크릴공중합체를 사용하였다.

본 발명에 따른 접착제에 있어서, 상기 경화제는 코팅 조성물의 신속한 경화를 돕는 역할을 하는 것으로서, 특별히 한정되지 않는다.

에폭시 수지에 적합한 경화제의 예로는 아민계 경화제, 이미다졸계 경화제, 산무수물계 경화제 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 아민계 경화제로는 선형아민, 지방족 아민, 변형된 지방족 아민, 방향족 아민, 제2급 아민 및 제3급 아민 등을 포함하는데, 예를 들어, 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸 테트라아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등이 해당한다.

상기 이미다졸계 경화제로는 이미다졸, 이소이미다졸, 2-메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 부틸이미다졸, 2-헵타데센일-4-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-운데센일이미다졸, 1-비닐-2-메틸이미다졸,2-n-헵타데실이미다졸, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 2-페닐이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 1-프로필-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸 -2-페닐이미다졸, 1-구아나미노에틸-2-메틸이미다졸, 이미다졸과 메틸이미다졸의 부가생성물, 이미다졸과 트리멜리트산의 부가생성물, 2-n-헵타데실-4-메틸이미다졸, 페닐이미다졸, 벤질이미다졸, 2-메틸-4,5-디페닐이미다졸, 2,3,5-트리페닐이미다졸, 2-스티릴이미다졸, 1-(도데실 벤질)-2-메틸이미다졸, 2-(2-히드록실-4-t-부틸페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-메톡시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(3-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(p-디메틸-아미노페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 디(4,5-디페닐-2-이미다졸)-벤젠-1,4, 2-나프틸-4,5-디페닐이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸 및 2-p-메톡시스티릴이미다졸 등을 포함한다.

상기 산무수물계 경화제로는 프탈릭 무수물, 말레익 무수물, 트리멜리틱 무수물, 파이로멜리틱 무수물, 헥사하이드로프탈릭 무수물, 테트라하이드로프탈릭 무수물, 메틸나딕 무수물, 나딕 무수물, 또는 메틸헥사하이드로프탈릭 무수물 등을 포함하며, 상기 산무수물계 경화제는 단독으로 사용되기 보다는 상기 경화제들을 촉매로서 혼합하여 사용되는 것이 바람직하다.

아크릴 수지에 적합한 경화제의 예로는 페놀계, 에폭시계, 시아노아크릴레이트, 폴리에스테르아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 접착제에 있어서, 상기 부피팽창 흑연(vGr)은 천연 흑연을 용매 상에서 초음파 처리한 다음, 건조한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조한 것을 사용할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 천연 흑연을 용매 상에서 1.5-2.5 시간 동안, 20-30℃에서 550-650 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조한 것을 사용할 수 있다.

상기 부피팽창 흑연(vGr)의 평균입도는 35-55 ㎛, 바람직하게는 40-50 ㎛, 더욱 바람직하게는 43-47 ㎛일 수 있다.

본 발명에서는 부피팽창 흑연(vGr)을 무기필러와 함께 사용함에 따라서, 종래 접착제에 비해 열전도성 필러의 함량을 줄이고도 방열 특성을 개선한 점에 기술적 특징이 있다. 여기서, 본 발명의 부피팽창 흑연(vGr)은 시중에서 판매하거나 화학적 방법으로 제조한 팽창흑연(Expanded Graphite, EG)과는 다르다.

구체적으로, 일반적인 팽창흑연(Expended Graphite, EG)은 그래핀(Graphene,rGO)으로 판매되어지고 있다. 이러한 팽창흑연의 경우 천연흑연을 가공하여 저분자량 & 휘발성 화합물을 삽입, 열처리를 가하여 팽창시키거나 기팽창된 제품이다. 이렇게 처리된 팽창흑연의 경우 화학구조에 손상과 더불어 열적, 전기적 특성이 현저히 저하된다. 하지만, 본 발명의 부피팽창 흑연(vGr)은 물리적인 처리 방법으로 화학구조의 손상이 적은 팽창흑연(Expended Graphite, EG), 그래핀(Graphene,rGO)이다. 이는 화학적 처리 방법의 팽창흑연보다 열전도, 전기적, 특성이 우수하다는 강점을 가지고 있다.

본 발명에 따른 접착제에 있어서, 상기 무기 필러는 알루미늄, 알루미나, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 무기 필러의 표면에 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란기를 결합시켜 표면 개질시킨 무기 필러를 사용할 수도 있다. 상기 무기 필러는 평균입도가 1-10 ㎛ 범위 내에서 1종의 크기 또는 2종 이상의 크기가 혼합된 것을 사용할 수 있다.

제조방법

본 발명은 천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조하여 부피팽창 흑연(vGr)을 준비하는 단계(단계 1);

경화제를 첨가하고 교반하는 단계(단계 3);

를 포함하는 열전도성 접착제의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조하여 부피팽창 흑연(vGr)을 준비하는 단계이다. 바람직하게, 상기 단계 1은 1.5-2.5 시간 동안, 20-30 ℃에서 550-650 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 부피가 팽창된 흑연을 필터링하여 용매에서 걸러내고, 건조 오븐에서 충분히 건조한 것을 사용할 수 있다.

상기 단계 1의 용매로는 톨루엔, 메틸에틸케톤, 자일렌, 헥산, 에틸아세테이트, 부탄올, 디에틸에테르, 에틸셀룰로오즈 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 열전도성 접착제를 포함하는 방열 필름을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 열전도성 접착제를 포함하는 방열판을 제공한다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 부피팽창 흑연( vGr ) 및 알루미나( AO ) 포함 열전도성 접착제의 제조

단계 1: 팽창 흑연의 준비

평균입도 45 ㎛의 천연 흑연(Natural graphite, J45 >45㎛) 2.25g을 톨루엔 20ml에 첨가하고, 초음파 파쇄기(제조사: Sonics & Materials, 모델명: VC-750)로 600W의 출력에서 2시간 동안 상온에서 처리하여, 부피가 팽창된 흑연을 준비하였다. 다음으로, 부피가 팽창된 흑연을 필터링하여 용매에서 걸러내고, 90 ℃의 건조 오븐에서 3시간 동안 건조시켜, 접착제의 제조에 사용하였다.

단계 2: 성분의 혼합

상기 단계 1에서 준비한 부피팽창 흑연(vGr) 2.25g 및 평균입도 5 ㎛의 알루미나(Alumina, DAW-5 >5㎛) 11.25g을, 에폭시 수지로서 비스페놀 A 에피클로로히드린(MW ≥ 700 Struers Epofix) 8g에 첨가하고, 교반기를 이용하여 1000 rpm의 회전속도로 2분간 교반한 다음, 경화제로서 트리에틸테트라아민(Triethyltetramine; hardner Struers Epofix) 1g을 추가로 첨가하여 1000 rpm의 회전속도로 30초간 더 교반하여, vGr/AO 열전도성 접착제를 제조하였다.

< 실시예 2> NaOH 표면처리 흑연( hGr ) 및 알루미나( AO ) 포함 열전도성 접착제의 제조

단계 1: NaOH 표면처리 흑연의 준비

평균입도 45 ㎛의 천연 흑연(Natural graphite, J45 >45㎛) 2.25g을 0.1M의 NaOH 수용액에서 2시간 동안 상온에서 교반한 다음, 필터링하여 용매에서 걸러내고, 90℃의 건조 오븐에서 3시간 동안 건조시켜, NaOH 표면처리된 흑연을 준비하였다.

단계 2: 성분의 혼합

상기 실시예 1의 단계 2에서 부피팽창 흑연(vGr) 대신에 상기 단계 1에서 준비한 NaOH 표면처리 흑연(hGr)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1의 단계 2와 동일하게 실시하여, hGr/AO 열전도성 접착제를 제조하였다.

< 실시예 3> 부피팽창 흑연( vGr ) 및 알루미늄(Al) 포함 열전도성 접착제의 제조

실시예 1의 단계 2에서 평균입도 5 ㎛의 알루미나를 사용한 것 대신에 평균입도 2 ㎛의 알루미늄을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여, vGr/Al 열전도성 접착제를 제조하였다.

< 실시예 4> 표면처리 흑연( hGr ) 및 알루미나(Al) 포함 열전도성 접착제의 제조

실시예 2의 단계 2에서 평균입도 5 ㎛의 알루미나를 사용한 것 대신에 평균입도 2 ㎛의 알루미늄을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 실시하여, hGr/Al 열전도성 접착제를 제조하였다.

< 비교예 1> 천연 흑연( pGr ) 및 알루미나( AO ) 포함 열전도성 접착제의 제조

실시예 1의 단계 1의 과정을 생략하고, 천연 흑연을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여, pGr/AO 열전도성 접착제를 제조하였다.

< 비교예 2> 천연 흑연( pGr ) 및 알루미늄(Al) 포함 열전도성 접착제의 제조

실시예 2의 단계 1의 과정을 생략하고, 천연 흑연을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하여, pGr/Al 열전도성 접착제를 제조하였다.

하기 표 1에 실시예 1-4 및 비교예 1-2의 열전도성 접착제의 구성 및 함량을 정리하여 나타내었다. 참조로, 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1-4에서 열전도성 필러의 총 함량은 60중량%로 설정하였고, 용매는 사용하지 않았다.

		에폭시 수지	경화제	흑연 (평균입도 45㎛)	알루미나 (평균입도 5㎛)	알루미늄 (평균입도 2㎛)
비교예1	pGr/AO (10/50)	8g	1g	2.25g	11.25g	-
실시예1	vGr/AO (10/50)	8g	1g	2.25g	11.25g	-
비교예2	hGr/AO (10/50)	8g	1g	2.25g	11.25g	-
비교예3	pGr/Al (10/50)	8g	1g	2.25g	-	11.25g
실시예2	vGr/Al (10/50)	8g	1g	2.25g	-	11.25g
비교예4	hGr/Al (10/50)	8g	1g	2.25g	-	11.25g

상기 표 1에서,

"pGr"은 천연 흑연이고,

"vGr"은 초음파 처리로 부피가 팽창된 흑연이고,

"hGr"은 NaOH로 표면처리한 흑연이다.

< 실험예 1> NaOH 표면처리 흑연의 동정

비교예 2 및 4에서 사용한 NaOH 표면처리 흑연을 동정하기 위하여, XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy), XRD(X-ray diffractometer) 및 라만 분광기로 분석하였다. 또한, 하기 표 2에 XPS 분석결과로서, 천연 흑연과 NaOH 표면처리 흑연의 탄소(C) 및 산소(O) 원자%를 정리하여 나타내었다.

도 1은 NaOH 표면처리 흑연을 XPS로 동정한 그래프이다.

도 2는 NaOH 표면처리 흑연을 XRD로 동정한 그래프이다.

도 3은 NaOH 표면처리 흑연을 라만 분광기로 동정한 그래프이다.

	원자 %
	탄소(C)	산소(O)
NaOH 표면처리 흑연	96.35%	3.65%
천연 흑연	95.80%	4.20%

표 2에 나타난 바와 같이, 순수 흑연의 경우 탄소(C)가 95.80%, 산소(O)는 4.20%인 반면에, NaOH 표면처리 흑연의 경우 탄소(C)가 96.35%, 산소(O)는 3.65%로 나타나, XPS 분석으로 NaOH 표면처리한 흑연이 천연 흑연에 비해 탄소 함량은 증가하였고, 산소 함량은 감소하였음을 알 수 있었다. 이는, NaOH 표면처리한 흑연이 산화반응이 일어난 것이 아니라, 환원반응이 일어난 것을 의미한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 표면처리한 흑연이 천연흑연에 비해 0.05849° 기울어져 있었으며, 약 6588 정도의 강도(Intensity) 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 이는 천연 흑연과 NaOH 표면처리 흑연의 층간 갭 차이가 축소하여 흑연이 안정화 되었음을 알 수 있다.

도 3에 나타난 바와 같이, 흑연. 그래핀, 탄소나노튜브는 기본적으로 탄소의 육각형 격자를 기초로 하기 때문에 라만 분광도 상당히 유사하다. G 밴드 부근 1300-1400 cm^-1 사이 피크를 살펴보면, 천연 흑연과 NaOH 표면처리 흑연의 피크가 천연 흑연보다 갭 차이가 줄어들었음을 알 수 있고, D 밴드 1550-1600 cm^-1 사이 피크를 살펴보면 천연 흑연보다 NaOH 표면처리 흑연이 입자배열이 더 안정화 되었음을 알 수 있다.

< 실험예 2> 수직(두께 방향) 방열 특성평가

비교예 1-2 및 실시예 1-4에서 제조한 열전도성 접착제의 방열 특성을 평가하여, 하기 표 3에 나타내었다.

		열확산도 (mm²)	비열 (J/gK) ^2	밀도 (g/cm³)	열전도도 (W/m*K)
		Out of plane	25℃	밀도 (g/cm³)	열전도도 (W/m*K)
비교예1	pGr/AO	0.52	1.187	2.006	1.23
실시예1	vGr/AO	1.31	1.187	2.183	3.39
비교예2	hGr/AO	1.13	1.187	2.014	2.7
비교예3	pGr/Al	0.45	1.187	1.916	1.02
실시예2	vGr/Al	1.11	1.187	1.852	2.44
비교예4	hGr/Al	1.06	1.187	1.783	2.24

표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 3의 천연흑연을 사용하였을 경우에는 열전도도가 약 1-1.2 W/m*k이고, 비교예 2 및 4의 NaOH 표면처리 흑연을 사용하였을 경우에는 열전도도가 약 2.2-2.7 W/m*k으로 나타난 반면에, 실시예 1 및 2의 부피팽창 흑연을 사용하였을 경우에는 열전도도가 약 2.4-3.4W/m*k으로 나타나, 현저히 향상된 효과가 있음을 알 수 있었다.

< 실험예 3> 방열 온도 평가

본 발명의 열전도성 접착제를 알루미늄 기판 사이에 사용하였을 경우 방열 온도 개선의 정도를 평가하기 위해, Al 플레이트(40mm×40mm, 두께=19.93-20.29 mm)로 방열판의 소재로 사용되는 Al6061을 사용하였다. 상기 Al 플레이트 사이에 실시예 1 및 2에서 제조된 방열 접착제를 고르게 도포하고, 가압 점착하여 준비하였다. 열전도성 접착제의 방열 효과를 비교하기 위하여, 동일한 조건에서 접착제를 사용하지 않은 Al 플레이트에 대한 방열 온도측정을 동시에 실시하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

구체적으로, 도 4에 방열 온도를 평가하는 방법을 나타낸 모식도를 나타내었다. 도 4에서 T1은 핫플레이트에 의해 가열된 Al1 플레이트의 표면온도이고, T2는 핫플레이트에 의해 가열된 Al1 플레이트를 통해서 가열된 Al2 플레이트의 표면온도를 나타낸다. 핫플레이트의 온도는 100 ℃로 설정하였다.

	접착제 사용 안함	실시예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 2
Al 플레이트 두께 (mm)	19.93	20.00	20.29	20.03	20.12
T¹ (℃)	97.4±0.1	97.2±0.2	97.3±0.1	97.3±0.2	97.3±0.2
T² (℃)	94±0.1	95.5±0.2	95.7±0.2	94.9±0.3	95.2±0.2
△T	100.2±0.1	100.2±0.1	100.2±0.1	100.2±0.1	100.2±0.1

표 4에 나타난 바와 같이, 접착제를 사용하지 않은 경우에 비하여 실시예 1-2의 접착제를 사용할 경우에 T2 표면온도가 더 높게 나타나 방열 특성이 더욱 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 알루미늄(Al) 플레이트의 두께 변화에 따라 표면온도에 미차가 있는 것을 알 수 있었다.

< 실험예 4> 흑연의 표면 균일도 평가

실시예 1-2 및 비교예 1-4에서 제조한 열전도성 접착제의 표면 균일도를 알아보기 위하여, SEM으로 표면을 확인한 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5는 실시예 1-2 및 비교예 1-4에서 제조한 열전도성 접착제를 Al 플레이트에 도포한 다음 SEM으로 확인한 이미지이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 비교예 3과 같이 천연 흑연(pGr)을 사용한 접착제의 표면 균일도는 거친 것으로 나타나는 반면에, 비교예 2 및 비교예 4와 같이 NaOH 표면처리 흑연을 사용한 접착제의 표면 균일도는 약간의 개선이 있는 것으로 나타났고, 실시예 1 및 2와 같이 부피팽창 흑연(vGr)을 사용할 경우 표면 균일도는 현저히 개선되는 것으로 나타났다. 즉, 실시예 1-2는 비교예 1-4에 비하여 표면 균일도가 현저히 향상되므로, 열전도도가 향상됨을 알 수 있었다.

Claims

고분자 수지; 경화제; 부피팽창 흑연(vGr); 및 무기 필러;를 포함하는 열전도성 접착제에 있어서,
상기 부피팽창 흑연(vGr)은 천연 흑연을 용매 상에서 초음파 처리한 다음, 건조한 것임을 특징으로 하는 열정도성 접착제.
제1항에 있어서,
고분자 수지 30-40 중량%; 경화제 2-7 중량%; 흑연 5-35 중량%; 및 무기 필러 45-55 중량%; 포함하는 것을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 고분자 수지는 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 이들의 복합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 경화제는,
에폭시 수지의 경우, 아민계 경화제, 이미다졸계 경화제 또는 산무수물계 경화제이고,
아크릴 수지의 경우, 페놀계, 에폭시계, 시아노아크릴레이트 또는 폴리에스테르아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 부피팽창 흑연(vGr)은, 천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조한 것임을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 부피팽창 흑연(vGr)의 평균입도는 35-55 ㎛인 것을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 무기 필러는 알루미늄, 알루미나, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접착제.
제6항에 있어서,
상기 무기 필러는 실란으로 표면개질된 것을 특징으로 하는 접착제.
제1항에 있어서,
상기 무기 필러는 평균입도가 1-10 ㎛ 범위 내에서 1종의 크기 또는 2종 이상의 크기가 혼합된 것을 특징으로 하는 접착제.
천연 흑연을 용매 상에서 0.5-3.5 시간 동안, 10-35℃에서 500-700 W의 출력으로 초음파 처리한 다음, 건조하여 부피팽창 흑연(vGr)을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 준비한 부피팽창 흑연(vGr) 무기 필러를, 고분자 수지에 첨가하고 교반하는 단계(단계 2); 및
경화제를 첨가하고 교반하는 단계(단계 3);
를 포함하는 열전도성 접착제의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 1의 용매는 톨루엔, 메틸에틸케톤, 자일렌, 헥산, 에틸아세테이트, 부탄올, 디에틸에테르 및 에틸셀룰로오즈로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 1은 1.5-2.5 시간 동안, 20-30 ℃에서 550-650 W의 출력으로 초음파 처리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항의 접착제를 포함하는 방열 필름.
제1항의 접착제를 포함하는 방열판.