KR20180105886A - 복합 방열시트 및 이의 제조방법 - Google Patents

복합 방열시트 및 이의 제조방법 Download PDF

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실시예는 복합 방열시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 실시예에 따른 복합 방열시트는 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층 상에 열용량이 높은 상전이 물질층을 적용함으로써 수평 방향으로 높은 열전도도를 가지면서도 높은 열용량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상전이 물질은 특정 온도 범위에서 상변화에 의해 온도 변화없이 열을 흡수할 수 있고 효율적으로 열을 분산시킬 수 있어 열충격을 완화시킬 수 있다.
나아가, 실시예의 복합 방열시트는 상전이 물질이 바인더 수지 또는 분리벽을 통해 분리 및 밀봉됨으로써 상전이 물질이 열에 의해 융해되더라도 용출되거나 흐르지 않으며, 단층 또는 다층으로 제작가능하므로 적용되는 전자 기기의 크기, 형태에 따라 열용량 및 열전도도를 효율적으로 조절할 수 있다.

Description

복합 방열시트 및 이의 제조방법{COMPLEX HEAT-DISSIPATION SHEET AND PREPARATION METHOD THEREOF}
실시예는 상전이 물질을 포함하는 복합 방열시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전자 기기의 소형화, 고출력화, 집적화에 따른 발열량의 증가에 의해 방열수단의 중요성이 높아지고 있다. 발열에 의한 전자 기기의 트러블을 경감시키기 위해서는 주변 부재에 악영향을 미치지 않도록 기기 내에서 발생한 열을 냉각재나 하우징 등의 방열체로 신속하게 방출시키는 것이 중요하다.
반도체, LED, CPU 등의 발열체로부터 발생하는 열을 방열시키는 방법으로는 알루미늄, 구리 등의 금속제를 방열체로 사용하는 방법이 일반적이다. 그러나, 금속은 도전성이 있기 때문에 냉각재나 하우징으로의 누전이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
최근에는 절연성, 열전도도 등의 물성이 우수한 그라파이트 시트를 사용하기도 한다. 이때, 방열수단으로 쓰이는 그라파이트 시트는 큰 열용량을 갖도록 제작되는 것이 중요한데, 이를 위해서는 큰 부피, 예컨대 두꺼운 시트 형태로 제작되는 것이 유리하다. 그러나, 이러한 두꺼운 방열시트를 소형의 전자 기기에 적용하기에는 한계가 있다.
이에, 현재까지 알려진 금속, 그라파이트 시트 등의 방열수단들을 복합적으로 사용함으로써 열전도성 및 열용량을 높이는 연구가 계속되고 있다. 일례로, 일본 특허 공개 제2002-88171호는 바인더 수지 중에 유기 섬유 또는 금속 질화물을 자장을 이용하여 배향시켜 전기 절연성과 열전도성을 향상시키고 있다.
이 외에도, 방열수단으로서 상전이 물질을 이용하여 열용량을 높이는 방법이 고안되었으며, 일례로 미국 공개특허 제2005-0280987 호는 컴퓨터의 하우징 내 히트 싱크로서 상전이 물질을 사용하고 있다.
일본 특허 공개 제2002-88171호 미국 공개특허 제2005-0280987 호
그러나, 일본 특허 공개 제2002-88171호는 유기 섬유 또는 금속 질화물의 양이 많으면, 자장을 걸어주어도 배향이 잘 되지 않아 열전도도가 충분히 향상되지 않는다. 또한, 상기 미국 공개특허 제2005-0280987 호는 상전이 물질(Phase change material)로서 탄소 복합 물질, 보다 구체적인 예로 액체, 겔, 왁스, 발포제, 직물, 고체 타입의 등의 고분자 물질이라고만 개시하고 있으며, 방열시트 및 방열시트에 적용가능한 구체적인 상전이 물질에 대해서는 전혀 개시하지 않고 있다.
따라서, 실시예는 금속, 그라파이트 등의 기존의 방열수단들에 상전이 물질을 적용하여 우수한 열전도도를 가지면서 열용량의 조절이 가능한 복합 방열시트를 제공하고자 한다.
실시예는 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층, 및
상기　방열시트층 상에 배치된　상전이 물질층을 포함하는 복합 방열시트를 제공한다.
나아가, 실시예는 (1) 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층을 준비하는 단계, 및
(2) 상기 방열시트층의 적어도 일면에 상전이 물질층을 적층하는 단계를 포함하는 복합 방열시트의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 복합 방열시트는 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층 상에 열용량이 높은 상전이 물질층을 적용함으로써 수평 방향으로 높은 열전도도를 가지면서도 높은 열용량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상전이 물질은 특정 온도 범위에서 상변화에 의해 온도 변화없이 열을 흡수할 수 있고 효율적으로 열을 분산시킬 수 있어 열충격을 완화시킬 수 있다.
나아가, 실시예의 복합 방열시트는 상전이 물질이 바인더 수지 또는 분리벽을 통해 분리 및 밀봉됨으로써 상전이 물질이 열에 의해 융해되더라도 용출되거나 흐르지 않으며, 단층 또는 다층으로 제작가능하므로 적용되는 전자 기기의 크기, 형태에 따라 열용량 및 열전도도를 효율적으로 조절할 수 있다.
도 1 내지 6은 다양한 실시예에 따른 복합 방열시트의 모식도이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예는 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층, 및 상기　방열시트층 상에 배치된　상전이 물질층을 포함하는 복합 방열시트를 제공한다.
상기 방열시트층은 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함할 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 통상적인 공정에 의해서 제조된 것일 수 있으며, 예컨대, 무기 원료(팽창 가능 흑연)를 포함하는 원료물질을 열처리하여 팽창시킨 후 시트화한 것이거나, 또는 유기 원료를 포함하는 시트상 원료물질을 열처리하여 수축 혹은 탄화시킨 후 흑연화한 것일 수 있다.
상기 무기 원료를 포함하는 원료물질은 팽창 가능 흑연(expandable graphite)을 포함할 수 있다. 상기 팽창 가능 흑연은 황산 등의 삽입제에 의해서 처리되어, 열에 의해서 팽창될 수 있는 흑연일 수 있다. 상기 팽창 가능 흑연은 가해지는 열에 의해서 수배 내지 수천배 이상 팽창될 수 있다. 상기 유기 원료를 포함하는 원료물질은 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료물질은 방향족 폴리머를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로, 고분자 수지로 거의 구성될 수 있다. 상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리옥사디아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리벤족사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리피로메리트이미드, 방향족 폴리아미드, 폴리페닐렌벤조이미다졸, 폴리페닐렌벤조비스이미다졸, 폴리티아졸 및 폴리파라페닐렌비닐렌으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 호모폴리머 또는 코폴리머일 수 있다.
상기 무기 및 유기 원료를 포함하는 원료물질은 각각 사용될 수도 있고 유무기 혼합 원료의 형태로 사용할 수도 있다. 유무기 혼합 원료를 사용하는 경우, 상기 유기 원료는 열처리에 의해서 흑연으로 전환되는 원료일 뿐만 아니라 상기 무기 원료의 탈락을 방지하는 바인더 기능을 수행할 수 있다.
나아가, 상기 금속 박막은 구리호일, 알루미늄 플레이트 또는 스테인레스 플레이트 등일 수 있다
상기 방열시트층은 10 내지 1000㎛, 15 내지 500㎛ 또는 20 내지 150 ㎛의 두께일 수 있다. 또한, 상기 방열시트층은 300W/m·K 이상, 400 W/m·K 이상, 300W/m·K 내지 3000 W/m·K, 또는 400 내지 2500 W/m·K 의 열전도도를 가질 수 있다.
상기 상전이 물질층은 상전이 물질 및 바인더 수지를 포함할 수 있다.
상기 상전이 물질은 외부로 노출되지 않도록 바인더 수지 및/또는 방열시트층으로 둘러싸인 형태일 수 있다.
상기 상전이 물질은 n-파라핀 또는 알코올일 수 있고, 구체적으로, 상기 상전이 물질은 C20H42 ~ C30H62의 파라핀계 탄화수소 및 1,2-옥탄디올, 1,8-옥탄디올 등의 알코올일 수 있다.
상기 상전이 물질은 이를 평면화시킨 층(layer) 형태 또는 구형화시킨 입자(particle)형태일 수 있다.
상기 상전이 입자는 구형의 입자 형태로 바인더 수지 중에 분산되어 밀봉될 수 있다. 나아가, 상기 상전이 물질은 폴리머 캡슐에 의해 캡슐화시킨 입자 형태일 수 있다. 이는 상전이 입자를 보다 더 효율적으로 밀봉시키기 위한 것으로 상전이 물질을 폴리머 캡슐, 예컨대, 마이크로널(바스프사) 등으로 밀봉시킨 후, 바인더 수지 중에 분산, 밀봉시킬 수 있다.
상기 상전이 입자는 1 내지 50㎛, 2 내지 20 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.
또한, 상기 상전이 물질은 0.4cal/g·K 이상, 0.4cal/g·K 내지 2cal/g·K 또는 0.5cal/g·K 내지 1.5cal/g·K의 비열 및 20 내지 75℃, 25 내지 60℃ 또는 30 내지 50℃의 융점을 가질 수 있다. 또한, 상기 상전이 물질은 150J/g 이상, 150J/g 내지 2000J/g, 또는 150J/g 내지 1500J/g의 융해열을 가질 수 있다. 나아가, 상기 상전이 물질의 부피 변화율은 20% 이하, 15%이하, 또는 1 내지 20%일 수 있다.
상기 상전이 물질층은 10 내지 500㎛, 15 내지 300㎛ 또는 20 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다.
상전이 물질 및 상전이 물질층이 상기 범위 내일 때, TV, CPU 등의 전자 기기에 적용가능한 수준의 열용량 및 열전도도를 만족하여 방열수단으로서 유리하다. 또한, 상기 전자 기기는 상기 복합 방열시트 내의 상전이 물질의 상변화 반응에 의해 온도 변화에 따른 열충격이 완화될 수 있다.
상기 바인더 수지는 상전이 물질과의 결합력 및 방열시트층에 대한 부착력을 높이고, 상전이 물질을 밀봉시켜 상전이 입자가 융해되는 경우 상전이 물질층 외부로 용출되거나 흐르는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 바인더 수지는 상전이 물질을 평면화시킨 층의 말단부를 둘러싸는 형태로 포함하는 접착층일 수 있고, 상기 상전이 입자를 포함하는 접착층일 수 있다.
상기 바인더 수지는 액상, 분말 등의 상(phase)일 수 있고, 구체적으로, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지 등일 수 있다.
상기 상전이 물질층은 상기 상전이 물질층의 내부에 두께 방향으로 복수 개의 열전도 분리벽을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도 분리벽은 상전이 물질을 분리시키며, 방열시트층과 연결되어 수평 및 수직 방향으로의 열전도도를 향상시킬 수 있고, 특히, 열전도 분리벽이 없는 경우보다 수직 방향으로의 열전도율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
상기 열전도 분리벽은 열전도도가 높은 물질이면 제한하지 않으나, 금속 메시(mesh) 또는 그라파이트 메시일 수 있다.
나아가, 실시예는 앞서 설명한 복합 방열시트에 추가의 방열시트층 및/또는 상전이 물질층을 더 포함할 수 있다.
일례로, 상기 복합 방열시트는 상기 방열시트층, 상기 상전이 물질층 및 상기　상전이 물질층 상에 배치된　추가 방열시트층을　포함할 수 있다.
또한, 상기 복합 방열시트는 상기 방열시트층 및 상기　상전이 물질층이 5층 이상 교대로 적층되되, 최외곽층이 상기 방열시트층일 수 있다. 이때, 상기 복합 방열시트는 복수 개의 상전이 물질층을 포함하며, 각각의 상전이 물질층은 서로 다른 용융 온도를 갖는 상전이 물질을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 다양한 구조의 복합 방열시트는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 실시예는 (1) 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층을 준비하는 단계 및 (2) 상기 방열시트층의 적어도 일면에 상전이 물질층을 적층하는 단계를 포함하는 복합 방열시트의 제조방법을 제공한다.
단계 (1)에서는 그라파이트 시트, 금속 박막 등의 방열시트층를 통상적인 공정에 의해서 제작할 수 있고, 또는 구매하여 사용할 수 있다.
상기 그라파이트 시트, 및 금속 박막은 앞서 설명한 바와 같다.
단계 (2)에서는, 상기 상전이 물질을 통상적인 방법으로 도포, 또는 코팅함으로써 상전이 물질층을 적층시킬 수 있다. 이때, 상기 상전이 물질은 층상 또는 입자 형태일 수 있다. 구체적으로, 방열시트층의 일면에 입자 형태의 상전이 물질 및 바인더 수지를 혼합하여 도포함으로써 상전이 물질층을 적층시킬 수 있고, 방열시트층의 일면에 상전이 물질만을 층상으로 도포한 다음, 바인더 수지로 감싸는 형태로 밀봉시켜 상전이 물질층을 적층시킬 수도 있다.
이때, 상전이 물질은 알코올, 아세톤, 물 등의 용매와 혼합된 슬러리 상태일 수 있고, 다이 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법으로 도포될 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 복합 방열시트의 일례를 도 4 및 5에 나타내었다. 구체적으로 도 4는 상전이 물질(421)을 입자 형태로 포함하는 경우, 도 5는 상전이 물질(521)을 층상으로 포함하는 경우이다.
나아가, 상기 제조방법은 상기 단계 (2) 이후 상기 상전이 물질층 상에 방열시트층을 추가로 적층하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이렇게 제조된 복합 방열시트는 방열시트층 사이에 상전이 물질층이 배치된 샌드위치 구조일 수 있다.
또한, 상기 복합 방열시트는 상기 방열시트층 사이의 공간에 바인더 수지를 주입하여 상전이 물질층을 밀봉시킬 수 있다. 구체적으로, 진공하 상전이 물질층이 적층된 방열시트를 위치시킨 후, 방열시트 사이의 공간과 상전이 물질층의 모서리 부분에 바인더 수지를 주입시킴으로써 상전이 물질층을 밀봉시킬 수 있다.
상기 제조방법에 의해 제조된 복합 방열시트의 일례를 도 1 내지 3에 나타내었다. 구체적으로, 도 1은 상전이 물질(121)을 층상으로 포함하는 경우로, 상기 방열시트층(11)의 일면에 상전이 물질(121)을 층상으로 위치시킨 후 추가의 방열시트층(11)을 적층한 다음, 방열시트층 사이의 공간에 바인더 수지(122)를 주입하여 밀봉한 예이다. 도 2 및 3은 상전이 물질(221, 321)을 입자 형태로 포함하는 경우로, 방열시트층(21, 31)의 일면에 바인더 수지(222, 322)와 상전이 입자를 혼합한 물질을 도포한 다음, 추가의 방열시트층(21, 31)을 적층시킨 것이다. 이때, 도 3의 상전이 입자는 상전이 물질(3211)을 폴리머 캡슐(3212)에 삽입하여 입자화한 것이다.
나아가, 상기 제조방법은 상기 단계 (1) 및 (2)를 반복적으로 수행함으로써, 상기 방열시트층 및 상기　상전이 물질층이 5층 이상 교대로 적층되되, 최외곽층이 상기 방열시트층인 복합 방열시트를 제조할 수 있다.
이때, 상기 복합 방열시트는 복수개의 상전이 물질층을 포함할 수 있고, 상기 상전이 물질층은 각각은 서로 다른 용융 온도를 갖는 상전이 물질을 포함할 수 있으며, 입자 또는 층상의 서로 다른 형태를 갖는 상전이 물질을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예에 따른 복합 방열시트는 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층 상에 열용량이 높은 상전이 물질층을 적용함으로써 수평 방향으로 높은 열전도도를 가지면서도 높은 열용량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상전이 물질은 특정 온도 범위에서 상변화에 의해 온도 변화없이 열을 흡수할 수 있고 효율적으로 열을 분산시킬 수 있어 열충격을 완화시킬 수 있다.
나아가, 실시예의 복합 방열시트는 상전이 물질이 바인더 수지 또는 분리벽을 통해 분리 및 밀봉됨으로써 상전이 물질이 열에 의해 융해되더라도 용출되거나 흐르지 않으며, 단층 또는 다층으로 제작가능하므로 적용되는 전자 기기의 크기, 형태에 따라 열용량 및 열전도도를 효율적으로 조절할 수 있다.
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70: 복합 방열시트
11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 : 방열시트층
12, 22, 32, 42, 52, 62, 72 : 상전이 물질층
121, 221, 321, 421, 521, 621, 721, 3211: 상전이 물질
3212 : 폴리머 캡슐
122, 222, 322, 422, 522, 622, 722 : 바인더 수지
623 : 열전도 분리벽

Claims (1)

  1. 그라파이트 시트 또는 금속 박막을 포함하는 방열시트층; 및
    상기　방열시트층 상에 배치된　상전이 물질층;을 포함하는, 복합 방열시트.
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