KR20170094052A - 방열도료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열도료 조성물 및 이를 이용한 방열제품에 관한 것이다. 본 발명의 구현예들에서는, 소수성으로 개질된 나노다이아몬드, 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 및 흑연 섬유(Graphite Fiber)를 포함하는 방열도료 조성물을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 방열도료 조성물은 방열 성능이 우수하며, 온도조절을 필요로 하는 다양한 산업분야에 적용할 수 있다.

Description

방열도료 조성물{Painting composition having heat dissipation}

본 발명은 방열도료 조성물 및 이를 이용한 방열제품에 대한 것이다.

전자 제품의 크기가 점점 작아지거나 얇아짐에 따라 전자 부품의 크기는 점점 작아질 것이 요구되고, 그럼에도 동작 속도는 더욱 빨라지고 있기 때문에, 전자 제품의 동작 중에 전자 부품에 의해 발생되는 열을 방출 또는 소실시켜 그 작업 성능과 안전성을 유지하는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.

방열판은 전자기기의 내부로부터 발생된 열을 외부로 확산시킴으로써 과열로 인한 제품의 수명 단축이나 고장을 방지하는 장치이다. 종래에는 열을 효율적으로 방출시키기 위한 방법으로, 방열판 구조에 관한 기술이 지속적으로 개발되었으나, 종래의 방열판으로 전자제품의 경량화 및 소형화를 따라가기에 구조적인 제약이 존재하므로, 방열 효과를 기존에 비해 향상시키면서도 전자제품의 경량화를 가능하게 하는 기술의 개발이 요구되는 실정이다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 방열도료 조성물 및 이를 이용한 방열제품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은 소수성으로 개질된 나노다이아몬드, 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 및 흑연 섬유(Graphite Fiber)를 포함하는 방열도료 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 다른 구현예에 따른 양상은 상기 방열도료 조성물을 도포하여 제조한 방열제품에 관계한다.

이하에서 본 발명의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 구현예는 소수성으로 개질된 나노다이아몬드, 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 및 흑연 섬유(Graphite Fiber)를 포함하는 방열도료 조성물이다. 상기 나노다이아몬드, 보론 나이트라이드 및 흑연 섬유는 각각 또는 동시에 열을 배출하거나 전도시켜 방출한다. 수평 열전도율이 좋은 보론 나이트라이드와 열전도율과 열방사율이 좋은 나노다이아몬드, 흑연 섬유의 조합으로 효율적으로 열을 배출할 수 있으며, 열배출 소재들을 고루 분산하여 연결시켜 효율적으로 열전도 및 열배출이 가능하게 한다. 또한 종래와 달리 일액형 타입의 도료 조성물로 한번에 도포하여 방열 특성을 나타낼 수도 있다.

본 발명의 방열도료 조성물에 포함되는 상기 소수성으로 개질된 나노다이아몬드는 구형으로, 수직과 수평 모두 우수한 열전도율을 가지며, 일례로 약 2300W/m·K 정도의 열전도율을 가질 수 있으며, 아래 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서 ND는 나노다이아몬드 단일입자이다.

나노다이아몬드는 초나노결정성 다이아몬드 또는 초분산 다이아몬드로도 불리며, 디토네이션 합성(detonation synthesis)에 의해 용이하게 제조할 수 있는 나노 물질이다. 디토네이션 나노다이아몬드는 1963년 USSR의 연구자들에 의해 비산화 매체에서 음의 산소 평형으로 고폭발성 혼합물의 폭발성 분해에 의해 최초로 합성되었다. 전형적인 폭발성 혼합물은 트리니트로톨루엔(TNT)와 헥소겐(RDX)의 혼합물이다. 디토네이션 합성 결과, 디토네이션 블렌드로도 불리는 다이아몬드 함유 그을음이 얻어진다. 이 블렌드는 통상 약 2 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 나노다이아몬드 입자와 디토네이션 챔버의 재료에서 유래하는 금속과 금속 산화물 입자로 오염된 다른 종류의 비 다이아몬드 탄소를 포함한다. 나노다이아몬드의 함량은 통상 30 내지 75 중량%이다.

다이아몬드 탄소는 sp³ 탄소로 이루어지고, 비 다이아몬드 탄소는 주로 sp² 탄소종, 예컨대 양파모양 탄소 입자(carbon onion), 탄소 풀러렌 쉘, 비정형 탄소, 흑연 탄소 또는 이들의 조합으로 이루어진다.

최종 다이아몬드 함유 제품을 분리하기 위해, 재료 내에 존재하는 불순물을 용해 또는 기화하기 위한 일련의 화학적 방법이 사용된다. 대체로 불순물은 두 종류로 여기에는 비탄소(금속 산화물, 염 등)과 탄소의 비 다이아몬드 형태(흑연, 블랙, 비정형 탄소)가 있다.

이와 같이 폭약과 다이아몬드를 챔버 안에 투입하고 폭발시키는 화약폭발법 등의 분말화 기술을 이용하여 나노다이아몬드 분말을 제조하는 단계 및 그러한 제조 단계에서 생성된 불순물이 함유된 나노다이아몬드 분말을 정제하기 위해 황산 등의 강산 용액에 투입하여 나노다이아몬드 입자 표면에 카르복실기를 결합시키는 결합 단계가 수행될 수 있다. 다만 이러한 방법에 의해 생성된 입자 표면에 카르복실기가 결합된 나노다이아몬드 분말은 친수성인 카르복실기(COOH)로 인해 방열도료 조성물의 다른 구성 성분들과의 혼합이 용이하지 않을 수 있으므로 나노다이아몬드 입자 표면을 소수성으로 개질할 수 있다.

예를 들면, 카르복실기가 입자 표면에 결합된 나노다이아몬드 분말을 에탄올에 첨가하고 초음파 처리를 통해 분산시켜 나노다이아몬드 분말 및 소수성 용매인 옥타데실아민 간의 반응이 수월하게 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 나노다이아몬드 입자 표면의 카르복실기는 옥타데실아민의 아민기와 반응하여 카르복실기의 수소 하나가 아민기로 옮겨가면서 각각 양전하와 음전하를 띠면서 양쪽성 이온 결합(zwitterion interaction)을 이루게 되며, 그로 인해 나노다이아몬드 입자가 소수성으로 바뀐다.

[반응식 1]

본 발명의 하나의 예시에서 상기 방열도료 조성물에 포함되는 보론 나이트라이드(Boron Nitride)는, 일반적으로 3가지 상태로 존재하나, 이 중에 헥사고날 보론 나이트라이드(hBN; 육방정질화 붕소) 및 큐빅 보론 나이트라이드(cBN; 입방정질화붕소)가 안정한 상태이다. 상기 헥사고날 보론 나이트라이드(hBN)는 붕산 및 요소의 혼합물을 질소가스 중에서 가열 합성하여 얻은 거친 보론 나이트라이드에 탄소를 넣고 질소가스 중에서 열처리하여 얻을 수 있고, 상기 큐빅 보론 나이트라이드(cBN)는 상기 헥사고날 보론 나이트라이드(hBN)에 6 GPa 이상의 고압 및 1500℃ 이상의 고온을 가하여 얻을 수 있다.

상기 보론 나이트라이드는 가스, 진공 등 불활성 분위기에서는 최대 3000℃까지 안정하여 우수한 열안정성을 나타내고, 박편 형태로서 수평으로의 열전도율이 높다. 일례로, 보론 나이트라이드의 수직 열전도율은 20W/m·K 정도이나, 수평 열전도율은 170W/m·K 정도이다. 또한, 고밀도/고순도의 알루미나 세라믹스에 비하여 월등히 높은 전기저항값을 나타내고, 대부분의 유기용매에 내식성이 뛰어나며, 무독성이다. 다만 비교적 마찰계수가 적어 과량을 넣을 경우, 접착성의 저하를 가져올 수 있다.

본 발명의 하나의 예시에서 상기 방열도료 조성물에 포함되는 흑연 섬유(Graphite Fiber)는 수직 및 수평 모두 열전도율이 좋으며, 예를 들어 100 내지 1100 W/m·K의 열전도율을 가질 수 있다. 흑연 섬유는 탄소 섬유의 일종에 속하나, 일반적으로 사용되는 탄소 섬유에 비하여 탄소의 함량이 더 높으며, 99% 에 이르는 섬유를 일컫는다. 이러한 흑연 섬유는 PAN, Pitch계 등을 전기 방사하여 안정화, 탄화, 활성화 공정을 거친 나노섬유를 포함한다.

상기 흑연 섬유의 평균 입경 또는 장축의 길이는 0.05 내지 5 ㎛, 구체적으로는 0.1 내지 3 ㎛일 수 있다. 평균 입경 또는 장축의 길이가 0.05 ㎛미만이면, 입자의 균일한 분산이 이루어지지 않아 방열층의 물성이 저하될 우려가 있으며, 5 ㎛를 초과하면, 방열층의 물성이 저하될 우려가 있다.

상기와 같은 열 배출 소재들은 예를 들어 상기 방열도료 조성물 100 중량부에 대하여 소수성으로 개질된 나노다이아몬드 0.01 내지 2 중량부, 보론 나이트라이드 5 내지 15 중량부 및 흑연 섬유 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있으며, 이러한 범위 내에서 효율적인 열 배출 효과를 나타낼 수 있다.

상기 방열도료 조성물은 바인더 역할을 하는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 방열도료 조성물에 포함되는 고분자 수지는 열전도성, 방열성 및 전기 전도성을 향상시키는 구성성분들을 조성물 내에서 균일하게 분산시키는 역할을 수행한다. 상기 고분자 수지의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 및 아미노 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 구체적으로는 에폭시 수지, 멜라민 수지, 카복실기 또는 하이드록시기를 가지는 우레탄 수지, 아크릴계 단량체로 변성된 우레탄 수지, 비닐계 단량체로 변성된 우레탄 수지, 카복실기 또는 하이드록시기를 가지는 아크릴 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, (메타)아크릴산, 메틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트를 포함할 수 있다.

상기 고분자 수지는 방열도료 조성물 100 중량부에 대하여, 10 내지 80 중량부, 구체적으로는 20 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량이 낮으면 방열도료 조성물이 적용되는 기판 등의 표면에 대한 부착력이 저하될 우려가 있고, 균일한 표면 처리층을 형성하기 어려울 수 있다. 또한, 함량이 많으면, 내식성이 저하될 우려가 있고, 방열도료 조성물의 점도 상승으로 인해 작업성이 저하될 우려가 있다. 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 단위 중량부는 중량 비율을 의미한다.

본 발명에 따른 방열도료 조성물은 고분자 수지 외에 용매를 추가로 포함할 수 있으며, 용매로는 물, 알코올, 메틸에틸케톤, 톨루엔, 크실렌, 부틸아세테이트, 에틸아세테이트, 메틸이소부틸케톤, 이소부틸아세테이트, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 방열도료 조성물은 첨가제로 분산제, 침강방지제, 소포제, 레벨링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 상기 방열도료 조성물 100 중량부에 대하여 2 내지 5 중량부로 포함할 수 있다.

본 발명의 방열도료 조성물은, 상기 성분 외에도, 수지 성분이 적용되는 용도에 따라, 해당 분야에서 공지되어 있는 다양한 첨가제를 적절히 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예들은, 또한, 상기와 같은 방열도료 조성물을 도포하여 제조한 방열제품에 관한 것이다. 방열제품은 전자 기기에서 전자 부품으로부터 발생하는 열을 외부로 방출하는 역할을 하는 모든 제품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방열판, 방열 시트, 방열 기판 등이 있다.

상기 방열도료 조성물을 방열부품의 표면에 코팅하는 방법은 통상적인 코팅 방법인 스프레이(spray), 디핑(dipping), 콤마, 그라비아, 롤투롤 방법 등을 사용할 수 있다. 이 때, 도포된 막의 두께는 5 ~ 30 ㎛일 수 있으며, 상기 두께를 초과할 경우 비용 상승 및 크랙이 발생할 가능성이 있고, 그 미만일 경우에는 좋은 방열 성능을 발휘할 수 없다. 방열도료 조성물의 도포가 완료되면, 막을 소성 처리하여야 하는데, 예를 들어 100-250℃ 또는 150℃의 온도에서 5 ~ 40분 동안 소성하여 완전한 코팅막을 얻을 수 있다.

상기 방열도료 조성물은 LED 램프, 전자칩, 열교환기, 반도체 장비, 응축기, 증발기, 히터, 디스플레이장치, 모니터, 보일러배관, 통신장비, 엔진, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 섬유제조 등 다양한 분야에 적용이 가능하며, 이들에 제한되는 것은 아니다. 또한 알루미늄, 구리 등의 여러 금속 소재 및 유리, 플라스틱 등에 대해 제한 없이 사용할 수 있으며, 방열성 및 부착성이 우수할 뿐만 아니라 경도, 내용제성 및 내수성도 뛰어나다.

본 발명의 방열도료 조성물은 전자부품에 적용되는 경우, 방열효과를 극대화할 수 있고, 특히 그 전자부품에 포함되는 기판의 방열성을 향상시킬 수 있어 박막기판이나 소형기판에도 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실험예 1의 방열효과 측정을 위해 사용된 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에서 사용된 방열도료 조성물이 코팅된 히트싱크를 도시한 것이다.
도 3은 비교 실험예 1의 방열도료 조성물이 코팅되지 않은 히트싱크를 도시한 것이다.

이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예 1

소수성으로 개질된 나노다이아몬드의 제 조

나노다이아몬드 입자 표면에 카르복실기를 결합하기 위해 질산(HNO3, 70%)과 황산(H2SO4, 98%)을 1:3으로 배합한 강산 용액 10L에 화약폭발법으로 제조된 나노다이아몬드 분말을 100g 첨가한 후에 2시간 동안 50℃에서 초음파 처리한다.

그 후, 증류수 1L를 첨가하여 희석시키고, 막 필터에 용액을 통과시켜 여과한 후에 여과물을 90℃ 오븐 내에서 3시간 동안 건조시켜 나노다이아몬드 표면에 복수개의 카르복실기가 부착된 분말(즉, ND-(COOH)n, 여기서 ND는 나노다이아몬드 단일입자, n은 1 이상의 정수)을 얻는다.

얻어진 ND-(COOH)n 분말 100mg을 에탄올 50ml에 첨가한 후, 1시간 동안 50℃에서 초음파 처리하며, 초음파 처리된 용액을 옥타데실아민 50ml에 첨가하고 4시간 동안 50℃에서 초음파 처리한 후에 증류수 10ml를 혼합하여 희석시킨다.

그 후, 막 필터에 용액을 통과시켜 여과한 후에 여과물을 90℃ 오븐 내에서 4시간 동안 건조시켜 소수성으로 개질된 나노 다이아몬드 분말을 수득하였다.

실시예 1

방열도료 조성물의 제조

상기 제조예 1에서 제조된 소수성으로 개질된 나노다이아몬드 분말 0.1 중량%, 보론 나이트라이드 10 중량%, 흑연 섬유 (Pitch계) 5 중량%, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트 5 중량%, 크실렌 10 중량%, 메틸이소부틸케톤 20 중량%, n-부틸알코올 10 중량%, n-부틸 아세테이트 5중량%, 에폭시 수지 25 중량%, 멜라민 수지 5 중량% 및 톨루엔 4.9 중량%를 혼합하여 제 1 방열도료 조성물을 제조하였다.

실험예 1

방열 테스트: 히트 싱크에 적용

반도체 및 디스플레이에 사용되는 CPU의 lid(방열을 위한 플레이트(plate) 형태의 알루미늄의 히트싱크(heat sink))에 실시예 1에서 제조된 방열도료 조성물을 코팅한 후 방열성능을 확인하였다.

히트싱크에 실시예 1의 방열도료 조성물을 스프레이 코팅으로 도포하여 도포하여 30㎛ 두께로 도포한 후 150℃에서 30분간 열 건조시켰다(도 2).

방열도료 조성물이 코팅된 알루미늄 히트싱크 전면에 서울반도체의 LED 모듈(제품명: Acriche, 모델명: AW3221)을 장착하여 220V 및 60Hz의 전원을 인가한 후, 아래 시험조건에서 열포화(1시간 동안 1도의 변화가 없는 상태)된 후, 도 1에 표시된 3곳의 측정 포인트에 대하여 발열 온도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

시험 조건: 주변온도가 25±3℃, 상대습도 45±15%에서 대류가 없는 무풍공간에서 실험을 진행하였다.

비교 실험예 1

방열도료 조성물이 코팅되지 않은 알루미늄 히트싱크(도 3)에 실험예 1과 동일한 LED 모듈을 장착하여 220V 및 60Hz의 전원을 인가한 후, 아래 시험조건에서 열포화(1시간 동안 1도의 변화가 없는 상태)된 후, 도 1에 표시된 3곳의 측정 포인트에 대하여 발열 온도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

시험 조건: 주변온도가 25±3℃, 상대습도 45±15%에서 대류가 없는 무풍공간에서 실험을 진행하였다.

구분	측정 온도(화씨)
	1	2	3	비고
실시예1	69.9	66.2	25.0	주변온도 25℃로 보정한 값 (측정값: 24.9℃)
비교예1	71.9	70.4	25.0	주변온도 25℃로 보정한 값 (측정값: 25.3℃)
△t	2.0	4.2	-	△t 1)
1) △t: 실시예 1 및 비교예 1간의 온도 차

상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 방열도료를 사용할 경우, 방열도료를 코팅하지 않은 경우보다 방열효과가 탁월해지는 것을 알 수 있었다.

본 발명에 의해 제조된 방열도료 조성물을 이용할 경우, 열전도성이 우수하므로 방열 효과가 향상되며, 방열판 등의 전자부품의 두께를 감소시켜 전자제품의 경량화 및 슬림화가 가능하다.

1: LED 발열원
2: 히트싱크

Claims (8)

1. 소수성으로 개질된 나노다이아몬드, 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 및 흑연 섬유(Graphite Fiber)를 포함하는 방열도료 조성물.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 소수성으로 개질된 나노다이아몬드는 아래 화학식 1로 표시되는 것인 방열도료 조성물:
   [화학식 1]
   

   

   
   상기 화학식 1에서 ND는 나노다이아몬드 단일입자이다.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 소수성으로 개질된 나노다이아몬드는 입자 표면에 카르복실기가 결합된 나노다이아몬드 분말을 옥타데실아민에 첨가하여 생성되는 것인 방열도료 조성물.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 보론 나이트라이드는 평균 입경이 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛인 방열도료 조성물.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 방열도료 조성물 100 중량부에 대하여 소수성으로 개질된 나노다이아몬드 0.01 내지 2 중량부, 보론 나이트라이드 5 내지 15 중량부 및 흑연 섬유 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열도료 조성물.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 방열도료 조성물이 고분자 수지를 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 10 내지 80 중량부로 추가로 포함하는 방열도료 조성물.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 방열도료 조성물 100 중량부에 대하여 분산제, 침강방지제, 소포제, 레벨링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 2 내지 5 중량부로 더 포함하는 방열도료 조성물.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방열도료 조성물을 도포하여 제조한 방열제품.
   

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