KR20180126250A

KR20180126250A - 방열 도료 조성물

Info

Publication number: KR20180126250A
Application number: KR1020170061045A
Authority: KR
Inventors: 박경남
Original assignee: 주식회사 알파머티리얼즈
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-11-27
Also published as: KR102052386B1

Abstract

본 발명은 방열 도료 조성물에 관한 것으로, 폴리우레탄수지, 습윤제 또는 분산안정제, 레벨링제, 소포제, 유동성 조정첨가제를 포함하여 구성되며 경화온도 60℃-80℃인 용매, 상기 용매에 투입되어 분산되며 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 필러를 포함하여 구성되어 기재상에 도포 후 건조되는 방열 도료 조성물을 제공하여 도료의 열전도성을 개선하여 전기, 전자제품 등의 안정적인 사용과 소형화 및 초박화가 가능하도록 함과 아울러 플라스틱등 어떠한 재질의 기재에도 적용이 가능하도록 한 것이다.

Description

방열 도료 조성물{composition of Heat-radiating paint}

본 발명은 방열 도료 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도료의 열전도성을 개선하여 전기, 전자제품 등의 안정적인 사용과 소형화 및 초박화가 가능하도록 함과 아울러 플라스틱 등 어떠한 재질의 기재에도 적용이 가능한 방열 도료 조성물에 관한 것이다.

각종 전기, 전자 기기가 소형 및 초박화됨에 따라 우수한 방열효과가 요구되고 있으나, 소형 및 초박화에 따라 방열핀을 설치할 충분한 공간을 확보하지 못하게 되어 방열핀의 발열면적이 줄어들고 이로 인하여 과열에 의한 기기 오작동 문제가 발생하고, 심한 경우에는 기기의 폭발이나 화제 등이 발생되는 문제점이 있었다.

즉, 전기, 전자 기기에 사용되는 소자들은 전원이 공급되면서 열을 발생시키고, 이러한 열은 방열판 및 방열핀을 통해서 외부로 신속하게 발산되어야 하는데, 최근 개발되고 있는 기기들은 제품 자체의 두께가 매우 얇아서 방열핀 등을 설치할 충분한 공간을 확보하지 못하기 때문에 발생된 열이 기기의 하우징 내부에 채류하면서 지속적으로 가열되어 결국 오작동 등의 문제를 일으키는 것이다.

이에 방열 성능을 향상시키기 위한 선행기술로 대한민국 특허공개 제2012-0046523호는 무기입자 130170 중량부, 바인더 80120 중량부, 분산제 37중량부 그리고 용매 4060 중량부를 포함하는 방열 코팅 조성물을 제시하고 있다. 이때 방열 효과를 발휘하는 무기입자로는 옥, 세르사이트, 코디에라이트, 게르마늄, 산화철, 운모, 이산화망간, 실리콘카바이드, 맥섬석, 카본, 산화구리, 산화코발트, 산화니켈, 오산화안티몬, 산화주석, 산화크롬, 실리카, 알루미나, 산화마그네슘, 티타니아, 지르코니아, 산화아연, 바륨타이타네이트, 지르코늄타이타네이트, 스트론튬타이타네이트 등을 개시하고 있다.

그러나, 이러한 선행기술로도 초박화되는 전자제품에 요구하는 방열특성을 맞출 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 최근 탄소계 물질로서 그라파이트나 그래핀 등을 사용하는 경우 습식 코팅에 의해 형성된 코팅층은 상기 그래핀으로 인해 방열 효과를 얻을 수 있으나, 그래핀 자체가 갖는 수평 방향으로의 열전도 특성으로 인해 방열 효과가 2차원적으로 한정될 수 밖에 없고, 고가(高價)로 인하여 전자제품의 가격을 상승시키는 원인이 되어 범용적으로 적용이 어려운 실정이다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 탄소계 물질을 다른 열전도성 물질과 혼합하여 필러로 사용하되, 그 사용량을 최소로 하면서 우수한 방열효과를 갖도록 하여 저렴한 비용으로 우수한 방열효과를 갖도록 함으로써 초박형 전자제품의 구현에 경제적, 구조적 어려움이 발생되지 않도록 하는 데 목적이 있다.

아울러, 상기 탄소계 물질에 의한 2차원적 열전도 특성에 대하여 우수한 열전달특성을 갖는 금속산화물, 세라믹 등의 혼합사용으로 열전도 방향성을 제거하고, 필러간의 접촉면적을 향상시킴으로써 열전도효과가 향상되도록 하는 데 다른 목적이 있다.

또한, 저온 경화형 우레탄수지 사용으로 플라스틱 등 어떠한 재질의 기재에도 적용이 가능한 방열 도료 조성물을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 폴리우레탄수지, 습윤제 또는 분산안정제, 레벨링제, 소포제, 유동성 조정첨가제를 포함하여 구성되며 경화온도 60-80℃인 용매, 상기 용매에 투입되어 분산되며 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 필러를 포함하여 구성되어 기재상에 도포 후 건조되는 방열 도료 조성물에 있다.

상기에서 필러는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리카(sI), 지르코늄(Zr), 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화주석(SnO), 탄화규소(SiC), 질화물(Si₃N₄, AlN, BN), 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT) 중에서 택일된 1개 또는 이들의 혼합물을 사용하는데, 탄소계물질인 탄화규소(SiC), 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브 중에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합물과 이를 제외한 다른 필러의 혼합사용이 바람직하며, 상기 탄소계물질은 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 것을 사용하고, 이외의 필러들은 평균입경 0.01㎛ ~ 1㎛인 것을 사용한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면 저렴한 비용으로 우수한 방열효과를 갖는 도료를 제공함으로써 초박형 전자제품의 구현에 경제적, 구조적 어려움이 발생되지 않아 초박형 전자제품의 안정성이 향상되고 형태가 다양화됨과 아울러 비용이 절감되는 효과가 있다.

아울러, 상기 탄소계 물질에 의한 수평방향 열전도 특성을 금속산화물, 세라믹 등의 혼합 사용으로 열전도 방향성을 제거하고, 필러간의 접촉면적을 향상시킴으로써 열전도효과가 향상되도록 하는 데 다른 목적이 있다.

또한, 저온 경화형 우레탄수지를 사용함으로써 플라스틱 등 어떠한 재질의 기재에도 적용이 가능하므로 다양한 재질의 전자제품 성형이 가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 방열도료 조성물의 물성테스트 결과를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 방열도료 조성물의 열전도성 측정 결과를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 열전도성 측정 장비를 나타내는 도면

이하, 본 발명의 실시 예를 하기에서 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 방열 도료 조성물은 폴리우레탄수지, 습윤제 또는 분산안정제, 레벨링제, 소포제, 유동성 조정첨가제를 포함하여 구성되며 경화온도 60-80℃인 용매와, 상기 용매에 투입되어 분산되며 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 필러를 포함하여 구성되며, 액상으로 형성 및 유통되어 기재 상에 도포 후 건조된다.

상기에서 습윤제 또는 분산안정제는 비수계 도료의 습윤 및 분산을 위한 첨가제로써, 방열 도료 조성물 총중량 기준 0.5~2% 사용되며, 본 발명의 실시 예에서는 상품명 CFC-6010((주)청우CFC 제조)또는 상품명 CFC-6330N((주)청우CFC 제조)을 사용하여, 필러의 분산 및 분산 후 필러의 재응집 방지를 위하여 사용한다. 그 예로는 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 자일렌(Xylene), 뷰틸아세테이트(Butyle Acetate), 솔벤트(DIBK/BC/Anone) 등이다.

레벨링제는 고분자 아크릴 에스테르 공중합물을 주성분으로 하는 것으로, 고형분함량 52 ± 2%이며, 도료 조성물 총중량기준 0.1~2중량% 사용되어, 도료의 레벨링 개선효과, 도막의 크레터링 방지 효과, 기재와의 부착성 향상 효과를 가지며, 본 발명의 실시 예에서는 상품명 CFC-89((주)청우CFC 제조)를 사용한다.

소포제(계면활성제)는 변성 폴리실록산 공중합물, 고형분 함량 98%의 변성 올레핀 화합물, 고형분함량 최소 94%의 폴리에테르 변성 폴리실록산 등이 있으며, 도료 조성물 총중량기준 0.1~2중량% 사용되며, 기포제거, 도료를 기재에 코팅시 기재에 대한 습윤을 용이하게 하는 기능이 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 상품명 CFC-166H((주)청우CFC 제조), 상품명 CFC-144B((주)청우CFC 제조), 상품명 CFC-733E((주)청우CFC 제조)중에서 택일하여 사용한다.

유동성 조정첨가제는 고형분함량 52 ± 2%인 저분자량 변성 우레아를 주성분으로 하며, 고점도 재료의 유동성을 확보하는 것으로 도료 조성물 총중량기준 0.1~2중량% 사용하고, 본 발명의 실시 예에서는 상품명 CIMA-1400((주)청우CFC 제조)를 사용한다.

이러한 구성을 갖는 우레탄 용매는 도료조성물 총 중량기준 40-70중량% 사용되는 것이므로 도료 조성물 총중량기준 33~69.2중량%된다.

상기 필러는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리카(Si), 지르코늄(Zr), 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화주석(SnO), 탄화규소(SiC), 질화물(Si₃N₄, AlN, BN), 그라파이트, 그래핀, CNT 중에서 택일된 1개 또는 이들의 혼합물을 사용하는데, 탄소계물질인 탄화규소(SiC), 그라파이트, 그래핀, CNT 중에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합물과 이를 제외한 다른 필러의 혼합사용이 바람직하며, 상기 탄소계물질은 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛ 인 것을 사용하고, 이외의 필러들은 평균입경 0.01㎛ ~ 1㎛인 것을 사용한다.

그리고, 상기한 도료 조성물은 알루미늄, 구리, 금속합금, 플라스틱 중 어느 하나로 구성되는 기재에 코팅되어 사용되는데, 이러한 코팅과정에서 상기 도료조성물은 총중량기준 50-90중량%, 희석제 3-20중량%, 경화제 3-50중량%와 혼합되어 사용된다.

이때, 희석제는 MPA, 뷰틸아세테이트(BA), 알킬(Alkyl), 벤젠(Benzene)중에서 택일된 하나 혹은 이들의 혼합물이 사용되고, 경화제는 지방족2가 알코올, 폴리이소시아네이트, 하드록시기 중에서 택일된 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다.

이 과정에서 탄화규소(SiC), 질화실리콘(Si₃N₄)은 1~3㎛크기의 입자를 사용한 경우 도포 후 입자가 표면에 돌출되어 열전도율이 떨어지므로 입자크기는 0.1㎛~0.01㎛ 가 바람직하다.

그리고, 그라파이트는 1㎛~10㎛크기가 바람직하며 10㎛이상일 경우 도포 후 표면거칠기가 나쁘다.

기타, 상기 필러의 입경은 표면거칠기와 사용되는 기재의 두께와 공간 등을 기준으로 조정가능하나 1㎛~0.01㎛가 바람직하다.

그리고, 용매와 필러는 상온에서 8시간동안 교반한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 하기에서 보다 구체적으로 설명한다.

[비교예]

기재로써 알루미늄 원판을 가로 12mm, 세로 7mm, 높이 1mm인 것을, 열전도율측정결과(TPS 500S HOT-DISK방식) 135.5W/mK이다.

[실시예 1]

우레탄 용매(2), SiC(500g), AlN(300g), BN(200g), 희석제(도료조성물 전체 중량의 10% 이내), 경화제(도료조성물 전체 중량의 50%)를 상온에서 1시간 ~ 1시간 30분 교반 후, 비교예 1의 알루미늄 원판에 도포하여 80℃에서 30분 경화시킨 후 열전도율 측정결과(TPS 500S HOT-DISK방식) 142.5W/mK이고, 도포성은 양호하며, 표면 거칠기는 나쁨으로 확인되었다.

[실시예 2]

우레탄 용매(2), AlN(500g), BN(300g), MgO(200g) 희석제(전체 용량의 10% 이내), 경화제(전체 용량의 50%) 상온에서 1시간 ~ 1시간 30분 교반 후, 비교예 1의 알루미늄 원판에 도포하여 80℃에서 30분 경화시킨 후 열전도율측정결과(TPS 500S HOT-DISK방식) 144W/mK이고, 도포성은 양호하며, 표면 거칠기는 좋음으로 표면이 매끄러움을 알 수 있었다.

[실시예 3]

우레탄 용매(2리터), AlN(500g), BN(300g), MgO(200g), 그라파이트(500g) 희석제(전체 용량의 10% 이내), 경화제(전체 용량의 50%) 상온에서 1시간 ~ 1시간 30분 교반 후, 비교예의 알루미늄 원판에 도포하여 80℃에서 30분 경화시킨 후 열전도율측정결과(TPS 500S HOT-DISK방식) 162W/mK이고, 도포성은 양호하며, 표면 거칠기는 보통이었다.

[실시예 4]

상기 실시예 3과 동일 조건에서 교반시간을 볼밀을 이용하여 8시간 ~ 10시간 가동한 것으로, 도포성, 표면 거칠기가 양호하고, 열전도율이 162W/mK > 179W/mK로 10%정도 향상되었다.

따라서, 상기와 같이 볼밀을 이용하여 8-10시간 교반할 경우 SiC, Si₃N₄, AlN, BN, MgO, Al₂O₃ _,그라파이트 소재를 모두 필러로 사용할 수 있게 된다.

[실시예 5]

상기 비교예 1의 알루미늄 원판을 50℃로 셋팅하고 도면 3과 같이 장비를 구성하고 열원 판에 측정 소재를 올려놓고 측정하여 30분경과 후 온도측정결과 40.9℃이고, 45분 경과시 40.9℃(도면 2의 번호 1)였다.

[실시예 6]

상기 실시예 1의 시료를 50℃로 셋팅하고, 도면 2의 장비를 이용하여 30분경과 후 온도측정결과 43.5℃이고, 45분 경과시 44.8℃(도면2의 번호 2)였다.

[실시예 7]

플라스틱 원재료(핸드폰 케이스)를 50℃로 셋팅하고(상동), 30분경과 후 온도측정결과 41.1℃이고, 45분 경과시 41.5℃(도면2의 번호 3)였다.

[실시예 8]

상기 실시예 1의 시료를 50℃로 셋팅하고(상동), 30분경과 후 온도측정결과 42.3℃이고, 45분 경과시 42.3℃(도면2의 번호 4)였다.

한편, 상기 본 발명의 방열도료 조성물의 물성테스트 결과 도 1과 같이 경도 부착성, 내충격성, 내식성, 내알칼리성, 내열성, 등 전항목에서 모두 이상이 없음을 확인하였으며, 도 1의 결과는 실시예 4에 따른 결과이다.

[실시예 9]

우레탄 용매 200g, SiC 40g, AlN 35g, BN 30g, MgO 20g, Al₂O₃ 10g, 그라파이트 30g, 희석제 30g, 경화제30g 을 상온에서 1시간 ~ 1시간 30분 교반 후, 비교예 1의 알루미늄 원판 및 플라스틱 원판에 각각 도포하여 80℃에서 30분 경화시킨 후, 50로 셋팅하고 상온에서 45분 경과한 후 기재 표면의 온도를 측정하고, 상기 기재에 공지의 방열시트나 구리동판을 각각 부착하거나, 방열그리스를 도포 후 온도를 측정한 결과는 도 2에 나타내는 바와 같이 본 발명의 도료가 열전도성이 우수함을 알 수 있다.

상기에서 측정온도를 50℃로 셋팅하는 것은 스마트 폰 내부 발열이 50℃로 예상하고 세팅하여 측정한 것이며, 측정온도와 방열효과와는 상관관계가 미비하다.

한편, 상기에서 SiC는 경도가 높고, 내열성, 내식성, 열전도율이 높고, 열팽창률은 비교적 작다.

질화알루미늄(AIN)은 매우 높은 열전도성 및 우수한 전기 절연 특성을 지닌다.

질화붕소(Boron Nitride,BN)는 높은 열전도율이 있어 열충격저항이 크고 1500 정도로 급가열 급냉각을 반복하여도 균열이나 파손되지 않으며, 대부분의 유기용매에 내식성이 뛰어나고, 금, 은, 동, 철, 알루미늄, 아연, 납, 주석, 니켈, 망간, 게르마늄, 갈륨, 실리콘, 유리 등의 용융물과 반응하지 않고, 고온 윤활성이 우수하며고, 마찰 계수가 낮고, 경량이며 기계가공성이 우수하다.

그라파이트는 온도가 증가함에 따라 최대 약 2배까지 강도가 증가하는 특성이 있고, 전기전도성, 화학 약품에 대한 내식성이 우수하고, 경량이며, 가공성이 우수하다.

Claims

폴리우레탄수지, 습윤제 또는 분산안정제, 레벨링제, 소포제, 유동성 조정첨가제를 포함하여 구성되며 경화온도 60-80℃인 용매, 상기 용매에 투입되어 분산되며 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 필러를 포함하여 구성되어 기재상에 도포 후 건조되는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
제 1항에 있어서, 상기에서 필러는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리카(sI), 지르코늄(Zr), 산화마그네슘(MgO), Al₂O₃, 산화주석(SnO), 탄화규소(SiC), 질화물(Si₃N₄, AlN, BN), 그라파이트, 그래핀, CNT 중에서 택일된 1개 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.
제 2항에 있어서, 상기 필러는, 탄소계물질인 탄화규소(SiC), 그라파이트, 그래핀, CNT 중에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합물과 이를 제외한 다른 필러의 혼합사용이 바람직하며, 상기 탄소계물질은 평균입경 0.01㎛ ~ 10㎛인 것을 사용하고, 이외의 필러들은 평균입경 0.01㎛~ 1㎛인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 방열 도료 조성물.