KR20180127148A

KR20180127148A - 방열복합재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20180127148A
Application number: KR1020170127683A
Authority: KR
Inventors: 김문회
Original assignee: 주식회사 아모그린텍
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-11-28
Also published as: KR102076194B1; KR20180127227A

Abstract

방열복합재가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방열복합재는 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스, 상기 고분자매트릭스와 적어도 하나의 계면을 형성하도록 배치된 금속부재 및 상기 고분자매트릭스와 상기 금속부재 사이에 개재된 방열접합부를 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 우수한 방열성능을 발현하는 동시에 기계적 강도가 담보되어 발열원의 지지체, 외부 하우징으로 응용이 가능하다. 또한, 방수성 및 내구성이 우수함에 따라서 외부의 수분, 열 등의 물리/화학적 자극에도 방열성/기계적 강도의 저하 없이 장시간 방열성능을 발현할 수 있음에 따라서 방열 및 기계적 강도가 요구되거나, 사용장소가 옥외인 경우에도 널리 응용될 수 있다.

Description

방열복합재 및 이의 제조방법{Heat dissipation composite material and method for manufacturing thereof}

본 발명은 방열복합재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 방열성능이 매우 우수하면서도 기계적 강도가 담보되며, 내구성이 뛰어난 방열복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

전자부품, 전등, 변환기 하우징 및 기타 원하지 않는 열을 발생시키는 장치에 있어서의 열 축적은 작동 수명을 단축하고, 작동 효율을 감소시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 히트싱크(heat sink), 열 교환기와 같은 방열부재나 방열장치가 발열이 있는 장치에 함께 사용이 되고 있으며, 방열부재나 방열장치는 통상적으로 우수한 열 전도체인 금속이 주제로 사용되어 왔다. 그러나, 상기 금속은 무게가 무겁고 생산 비용이 높은 문제가 있다.

이에 최근에는 사출 성형이나 압출 가능한 고분자 수지를 이용하여 제조되는 방열부재가 제안되고 있으며, 고분자 수지 자체의 재질적 특성으로 인한 경량성, 저렴한 단가 등의 이점으로 인하여 많은 연구가 계속되고 있다.

그 중에서도 위와 같은 방열부재의 우수한 성형성 및 방열성을 고려하여 방열부재 그 자체로 발열원의 외부 하우징 기능을 수행하거나 지지체의 기능을 겸비하도록 하는 시도들이 있으나 주제가 되는 고분자 수지 자체의 약한 기계적 강도로 인하여 그 자체로는 발열원을 보호하는 외부 하우징이나 지지체의 기능을 수행하기 어려운 문제가 있다.

이를 해결하고자 최근에는 방열부재에 지지체 기능을 수행할 수 있는 지지부재를 방열부재에 포함시켜 성형하는 시도들이 있는데, 몸체가 되는 고분자 화합물 및 지지부재 간의 이종재질로 인한 상용성 부족으로 고분자 화합물과 지지부재 계면에서 이격이 발생하는 문제가 있다.

또한, 이를 제조하는 방법에서 인서트몰딩과 같은 방법을 이용할 경우 냉각과정에서 고분자 화합물과 지지부재 간의 수축률 차이에 따른 이들 간 계면에서의 이격된 틈이 더욱 빈번히 발생하는 문제가 있다.

나아가, 외부의 열원으로부터 추출된 열이 전달될 때 서로 상이한 열팽창율로인하여 고분자 화합물과 지지부재간 이격, 크랙이나 박리가 발생할 수 있다.

위와 같은 계면에서의 이격된 부분이나 틈새는 사용 중 고분자화합물이 깨지거나 박리되는 유발시키는 원인이 된다. 또한, 이격된 틈은 열저항을 증가시키며, 상기 틈에 공기가 존재할 경우 단열재로 작용하여 방열성능을 더욱 저하시킬 수 있다. 나아가, 이격된 틈 사이로 수분이 침투할 경우 계면박리가 가속화되며, 지지부재의 산화 등을 유발시켜 방열성능, 기계적 강도까지 저하시키는 문제가 있을 수 있다.

이에 이종재질 간 결합력을 향상시켜 방열성능 및 기계적 강도가 담보되고, 내구성이 우수한 방열부재에 대한 개발이 시급한 실정이다.

공개특허공보 제10-2016-0031103호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명은 우수한 방열성능을 발현하는 동시에 기계적 강도가 담보되어 발열원의 지지체, 외부 하우징으로 응용이 가능한 방열복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이종재질 간 열팽창율, 수축률 차이 등으로 인한 이종재질 간 계면에서의 이격이나 틈새를 방지함으로써 방수성, 방열성 및 내구성이 우수함에 따라서 옥외 등의 환경에서도 장시간 방열성능을 온전히 발현할 수 있는 방열복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

나아가, 본 발명은 방열성, 기계적 강도, 방수성 및 내구성이 우수한 방열복합재를 통하여 다양한 물품의 하우징이나 지지부재를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스, 상기 고분자매트릭스와 적어도 하나의 계면을 형성하도록 배치된 금속부재, 및 상기 고분자매트릭스와 상기 금속부재 사이에 개재된 방열접합부를 포함하는 방열복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자매트릭스는 상기 금속부재의 적어도 일부를 수용할 수 있는 수용부를 구비할 수 있다.

또한, 상기 제1방열필러는 알루미늄, 은, 구리, 니켈, 금 및 철로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속; 산화마그네슘, 이산화티타늄, 이산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨 및 산화망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹; 및 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄소 중 어느 하나 이상을 구비할 수 있다.

또한, 상기 방열필러는 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 상기 나노입자를 피복한 카테콜아민층을 구비한 그라파이트 복합체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 복합체는 적어도 상기 카테콜아민층을 피복하는 고분자층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 복합체는 평균입경이 50 ~ 600㎛일 수 있다.

이때, 상기 제1방열필러는 그라파이트 복합체의 응집을 방지하기 위한 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 및 구형 그라파이트 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 또는 구형 그라파이트는 평균입경이 50 ~ 300㎛일 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 및 구형 그라파이트 중 어느 하나 이상은 그라파이트 복합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 200 중량부로 구비될 수 있다.

또한, 상기 고분자매트릭스는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함할 수 있다.

또한, 상기 금속부재는 알루미늄, 마그네슘, 철, 티타늄, 구리로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 적어도 1종의 금속이 포함된 합금일 수 있다.

또한, 상기 금속부재는 메탈 PCB일 수 있다.

또한, 상기 방열접합부는 접착성 주제수지 및 제2방열필러를 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2방열필러는 방열접합부 전체중량을 기준으로 30 ~ 80 중량% 포함할 수 있다.

또한, 상기 방열접합부는 두께가 10 ~ 200㎛일 수 있다.

또한, 상기 고분자매트릭스 및 금속부재부는 몸체를 형성하며, 상기 몸체의 적어도 일부에 코팅층을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 코팅층은 보호, 절연, 방열 중 어느 하나 이상의 기능을 구비한 것일 수 있다.

또한, 본 발명은 (1) 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스와 금속부재를 준비하는 단계; (2) 상기 고분자매트릭스와 금속부재가 맞닿게 되는, 고분자매트릭스 또는 금속부재의 표면상에 방열접합조성물을 처리하는 단계; 및 (3) 상기 고분자매트릭스와 금속부재를 조립 및 상기 방열접합조성물을 고화시키는 단계;를 포함하는 방열복합재 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방열복합재를 포함하는 방열하우징을 제공한다.

나아가, 본 발명은 본 발명에 따른 방열복합재를 포함하는 방열지지부재를 제공한다.

더불어, 본 발명은 본 발명에 따른 방열복합재 및 상기 방열복합재 중 금속부재의 노출면에 구비되는 LED 소자를 포함하는 LED 조명장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 방열복합재는 우수한 방열성능을 발현하는 동시에 기계적 강도가 담보되어 발열원의 지지체, 외부 하우징으로 응용이 가능하다. 또한, 가열과 냉각이 반복되더라도 이종재질 간 수축/팽창 특성을 조절함으로써, 접합된 이종재질간 계면에서의 이격, 크랙, 박리를 방지할 수 있어서 방수성 및 내구성이 우수함에 따라서 외부의 수분, 열 등의 물리/화학적 자극에도 방열성/기계적 강도의 저하 없이 장시간 방열성능을 발현할 수 있음에 따라서 방열 및 기계적 강도가 요구되거나, 사용장소가 옥외인 경우에도 널리 응용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 여러 실시예에 의한 방열복합재 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 방열필러의 일예인 그라파이트 복합체에 대한 도면으로써, 도 2a는 그라파이트 복합체의 사시도, 도 2b는 도 2a의 X-X'경계선에 따른 단면도를 나타낸 도면, 그리고
도 3은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 방열필러인 그라파이트 복합체의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.

도 1a 및 도 1b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 방열복합재(1000,1000')는 고분자매트릭스(200,200'), 상기 고분자매트릭스(200,200')와 적어도 하나의 계면을 형성하는 금속부재(300,300') 및 상기 고분자매트릭스(200,200')와 상기 금속부재(300,300') 사이에 개재된 방열접합부(400,400')로 구현된다.

구체적으로 도 1a에 도시된 것과 같이 상기 고분자매트릭스(200)는 금속부재(300)의 상부면 및 양측면과 계면을 형성할 수 있는 수용부를 구비할 수 있고, 상기 금속부재(300)는 상기 수용부에 삽입된 형태로 방열복합재(1000)를 구현할 수 있다. 또는, 도 1b에 도시된 것과 같이 고분자매트릭스(200')는 금속부재(300')의 양측면 일부 및 상부면과 계면을 형성하도록 수용부가 구비된 제1고분자매트릭스(210a)와 상기 금속부재(300')의 양측면 나머지 부분 및 하부면과 계면을 형성하도록 수용부가 구비된 제2고분자매트릭스(210b)를 구비하고, 금속부재(300')의 상, 하 방향에서 상기 제1고분자매트릭스(210a)와 제2고분자매트릭스(210b)가 조립되어 방열복합재(1000')를 구현할 수도 있다.

또는, 도 1a 및 도 1b와 다르게 고분자매트릭스 중앙부에 구비될 금속부재의형상에 대응되도록 수용부를 구비하고, 고분자매트릭스의 선단 및/또는 후단만 개방되며, 개방된 상기 선단 및/또는 후단을 통해 금속부재가 삽입되어 방열복합재를 구현할 수 있는 등 다양한 방법과 형상으로 고분자매트릭스와 금속부재간 계면형성이 가능하며, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

이하, 방열복합재(1000,1000')의 각 구성에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 고분자매트릭스(200,200')는 성형된 고분자화합물(150) 내에 제1방열필러(100)가 분산된 형태로써, 금속부재(300) 또는 외부 열원으로부터 추출된 열을 전달받아 외부로 열을 전도 및/또는 방사하는 기능을 담당한다. 상기 고분자매트릭스(200,200')는 구현되는 방열복합재(1000,1000')의 형상, 크기 등을 고려하여 두께가 변경될 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

상기 고분자화합물(150)은 후술하는 제1방열필러(100) 및 금속부재(300,300')와 상용성이 좋고, 방열필러(100)의 분산에 영향을 미치지 않으면서도 바람직하게는 사출성형이 가능한 고분자화합물로 구현된 경우 그 제한은 없다. 이에 대한 바람직한 일예로, 상기 고분자화합물(150)은 공지된 열가소성 고분자화합물일 수 있다. 상기 열가소성 고분자화합물은 바람직하게는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다.

일예로, 상기 폴리아미드는 나일론6, 나일론66, 나일론11, 나일론610, 나일론12, 나일론46, 나일론9T(PA-9T), 키아나 및 아라미드 등 공지된 폴리아미드계 화합물일 수 있다.

일예로, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트 등 공지된 폴리에스테르계 화합물일 수 있다.

일예로, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아이소뷰틸렌, 에틸렌비닐알코올 등 공지된 폴리올레핀계 화합물일 수 있다.

상기 액정고분자는 용액 혹은 용해된 상태에서 액정성을 나타내는 고분자의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 공지된 종류일 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

또한, 상기 제1방열필러(100)는 열전도성이 있는 것으로 공지된 재질로 형성된 필러인 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 금속, 합금, 세라믹 및 탄소계 필러일 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 제1방열필러(100)는 알루미늄, 은, 구리, 니켈, 금 및 철로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속, 산화마그네슘, 이산화티타늄, 이산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨 및 산화망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹, 및 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄소 중 어느 하나 이상을 구비할 수 있다. 상기 제1방열필러(100)는 방열복합재(1000,1000')의 적용분야의 요구물성이나 방열성능을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 일예로 절연성이 요구되는 경우 상기 세라믹 재질의 방열필러를 구비할 수 있다. 또한, 상기 제1방열필러(100)는 형상이 입상, 판상, 침상, 무정형 등일 수 있다.

다만, 바람직하게는 보다 향상된 방열특성의 발현을 위하여 상기 제1방열필러(100)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이, 그라파이트 표면(10)에 결합된 나노입자(20) 및 상기 나노입자(20)를 피복한 카테콜아민층(30)을 구비한 그라파이트 복합체(101)를 포함할 수 있다.

상기 그라파이트 복합체(101)와 관련하여, 본 발명의 출원인에 의한 대한민국 출원번호 제10-2017-0051164호 및 10-2017-0051169호가 참조로 삽입된다.

상기 그라파이트(10)는 당업계에 공지된 종류일 수 있으며, 구체적으로 인상흑연, 고결정질 흑연 및 토상흑연 중 어느 하나의 천연흑연이거나 인조흑연일 수 있다. 또한, 상기 그라파이트(10)의 형상은 구상, 판상 또는 침상 등 공지된 형상이거나 비정형의 형상일 수 있으며, 일예로 판상일 수 있다. 또한, 상기 그라파이트(10)의 평균입경은 50 ~ 600㎛일 수 있으며, 일예로 300㎛일 수 있다.

또한, 상기 그라파이트(10)는 순도가 99% 이상인 고순도의 그라파이트일 수 있으며, 이를 통해 보다 향상된 물성을 발현하기에 유리할 수 있다.

또한, 상기 그라파이트(10)의 표면에 결합된 나노입자(20)는 그라파이트(10)에 카테콜아민층(30)을 구비시킬 수 있는 매개체이며, 동시에 그라파이트 복합체(101)가 후술하는 방열접합부(400)와 계면을 형성할 경우 앵커로써 기능함으로써 그라파이트 복합체(101)로 인하여 방열접합부(400)가 구비됨에도 불구하고, 고분자매트릭스(200)가 금속부재(300)에서 들뜨는 이격현상을 방지하는 기능을 수행한다.

상기 나노입자(20)는 상온에서 고체로 존재하는 금속 또는 비금속 물질일 수 있고, 이에 대한 비제한적이 예로써, 주기율표상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 란타늄족, 악티늄족, 전이금속, 전이후금속, 준금속류 등으로부터 선택될 수 있다. 일예로, 상기 나노입자는 Ni, Si, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sn, In, Pt, Au, Mg 및 이들의 조합일 수 있고, Cu, Ni 또는 Si인 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노입자(20)는 평균입경이 10 ~ 500㎚, 바람직하게는 10 ~ 300 ㎚일 수 있다.

또한, 상기 나노입자(20)는 바람직하게는 결정화된 입자상태로, 낱개의 그라파이트(10) 전체 표면적에 대해 10 ~ 70% 면적, 보다 바람직하게는 30 ~ 70%의 면적을 차지하도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 나노입자(20)는 그라파이트 복합체(101) 전체 중량에 대해 5 ~ 70중량%, 바람직하게는 20 ~ 50중량%로 구비될 수 있다. 이때, 상기 나노입자(20)는 그라파이트(10)와 화학결합을 이룸으로써 더욱 강한 결합력을 발현할 수 있다.

또한, 상술한 나노입자(20)의 표면상에 구비되는 카테콜아민층(30)은 이종재질의 고분자화합물 내에 그라파이트의 우수한 유동성, 분산성 및 그라파이트 복합체(101)와 고분자화합물(150) 간 계면결합 특성을 향상시키며, 동시에 그라파이트 복합체(101)가 방열접합부(400)와 계면을 형성할 때 상기 계면에서 그라파이트 복합체(101)와 방열접합부(400)간 접합력을 향상시키는 기능을 수행하여 방열접합부(400)와 고분자매트릭스(200) 간 계면에서 만일하나 발생할 수 있는 이격현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 카테콜아민층(30)은 그 자체로 환원력을 가짐과 동시에 층 표면의 카테콜작용기에 아민작용기가 Michael 첨가 반응에 의한 공유결합을 형성함으로써, 카테콜아민층을 접착물질로 사용하는 2차 표면개질이 가능하며, 일예로, 보다 더 향상된 고분자화합물 내 분산성을 발현하기 위한 고분자층(40)을 그라파이트(10)에 도입시킬 수 있는 접합물질로써 기능할 수도 있다.

상기 카테콜아민층(30)을 형성하는 카테콜아민계 화합물은 벤젠 고리의 오르쏘(ortho)-그룹으로 하이드록시 그룹 (-OH)을 가지고, 파라(para)-그룹으로 다양한 알킬아민을 갖는 단분자를 의미하는 용어로써, 이러한 구조체의 다양한 파생물에 대한 비제한적인 예로써, 도파민(dopamine), 도파민퀴논(dopamine-quinone), 에피네프린(epinephrine), 알파-메틸도파민(alphamethyldopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 알파-메틸도파(alphamethyldopa), 드록시도파(droxidopa), 인돌아민(indolamine), 세로토닌(serotonin) 또는 5-하이드록시도파민(5-Hydroxydopamine) 등일 수 있고, 일예로써, 상기 카테콜아민층(30)은 도파민 (dopamine)층일 수 있다.

또한, 상기 카테콜아민층(30)의 두께는 5 ~ 100㎚일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 도 3과 같이 그라파이트 복합체(101')의 카테콜아민층(30') 상에는 고분자층(40')이 더 피복될 수 있으며, 상기 고분자층(40')으로 인하여 복합재의 매트릭스를 형성하는 고분자화합물과 상용성이 증가하고, 이에 더욱 향상된 유동성, 방열필러의 분산성 및 계면결합 특성을 구현할 수 있다. 상기 고분자층(40')은 열경화성 고분자화합물 또는 열가소성 고분자화합물로 구현된 것일 수 있고, 열경화성 고분자화합물 및 열가소성 고분자화합물의 구체적 종류는 공지된 것일 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 열경화성 고분자화합물은 에폭시계, 우레탄계, 에스테르계 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 또는 상기 고분자층은 천연고무 및/또는 합성고무를 포함하는 고무탄성체 및 이의 유사물질일 수도 있다.

상기 고분자층(40)이 더 구비될 경우 고분자층은 두께가 0.1 ~ 1000㎚로 형성될 수 있다. 또한, 상기 고분자층(40')은 그라파이트 복합체(101') 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 20 중량% 포함될 수 있다.

한편, 제1방열필러(100)에 상술한 그라파이트 복합체(101,101')를 구비하는 경우 상기 제1방열필러(100)는 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 및 구형 그라파이트 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 더 포함되는 이들 필러들은 그라파이트 복합체(101,101')에 구비된 카테콜아민층으로 인한 의도하지 않은 그라파이트 복합체(101,101')간 응집을 억제하여 그라파이트 복합체(101)가 고분자매트릭스(200) 내 더욱 잘 분산되도록 하며, 더욱 상승된 수직 및/또는 수평 열전도도 향상 등의 이점이 있다. 상기 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 및 구형 그라파이트 중 어느 하나 이상은 평균입경이 50 ~ 300㎛일 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 플레이크, 팽창흑연 및 구형 그라파이트 중 어느 하나 이상은 그라파이트 복합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 200 중량부로 포함될 수 있다. 만일 그라파이트 복합체 이외로 더 구비되는 방열필러가 5 중량부 미만으로 구비되는 경우 방열필러의 혼합사용에 따른 방열성능의 향상 정도가 미미하며, 그라파이트 복합체의 응집을 막기 어려울 수 있고, 방열필러의 대부분을 그라파이트 복합체로 구비해야 함에 따른 원가상승의 우려가 있으며, 구현되는 복합재의 경량화에 바람직하지 못할 수 있다. 또한, 만일 더 구비되는 방열필러가 200 중량부를 초과하여 구비되는 경우 이를 통해 구현되는 복합재가 목적하는 수준의 열전도성 및 기계적 강도를 발현하지 못할 수 있으며, 계면결합특성이 저하되어 고분자매트릭스와 방열접합부(400)간 이격을 유발시킬 우려가 있다. 나아가 고분자매트릭스(200) 제조과정에서 방열필러 유동성 저하로 고분자매트릭스(200) 복합재의 표면부보다 중심부에 집중배치될 수 있어서 전도되는 열의 방사특성이 현저히 저하될 수 있다.

한편, 상기 고분자매트릭스(200,200')는 강도개선제, 충격개선제, 산화방지제, 열안정제, 광안정제, 가소제, 분산제, 작업개선제, 커플링제, UV흡수제, 대전방지제, 난연제 등 기타 첨가제를 더 구비할 수 있다.

상기 강도개선제는 고분자매트릭스(200,200')의 강도를 개선할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 탄소섬유, 유리섬유, 유리구슬, 산화지르코늄, 울라스토나이트, 깁사이트, 베마이트, 마그네슘 알루미네이트, 돌로마인트, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 운모, 탈크, 탄화규소, 고령토, 황산칼슘, 황산바륨, 이산화규소, 수산화암모늄, 수산화마그네슘 및 수산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분을 강도개선제로 포함할 수 있다. 상기 강도개선제는 제1방열필러 100 중량부에 대해 0.5 ~ 200 중량부로 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일예로, 상기 강도개선제가 유리섬유가 사용되는 경우 유리섬유의 직경은 2 ~ 8㎜일 수 있다.

또한, 상기 충격개선제는 고분자매트릭스(200,200')의 유연성, 응력완화성을 발현하여 내충격성을 개선할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로, 열가소성 수지일 수 있다. 또한, 일예로, 고무계 수지일 수 있다. 상기 고무계 수지는 천연고무 또는 합성고무일 수 있다. 상기 합성고무는 스티렌 부타디엔고무(styrene butadien rubber, SBR), 부타디엔고무(butadiene rubber, BR), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber, CR), 이소프렌 고무(isoprene rubber, IR), 이소부텐 이소프렌 고무(isobutene isoprene rubber, IIR), 니트릴고무(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 에틸렌프로필렌고무(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌프로필렌다이엔 모노머 고무(ethylene propylene diene monomer rubber), 아크릴고무(acrylic rubber), 실리콘고무, 불소고무 및 우레탄고무(urethane rubber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 충격개선제는 코어/쉘 구조의 탄성입자일 수 있다. 일예로 상기 코어를 알릴계 수지를 사용할 수 있고, 쉘 부분은 열가소성 고분자화합물과의 상용성, 결합력을 증가시킬 수 있도록 반응할 수 있는 관능기를 구비한 고분자 수지일 수 있다. 또한, 상기 충격개선제는 제1방열필러 100 중량부에 대해 0.5 ~ 200 중량부로 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 산화방지제는 압출, 사출 시 전단에 의한 고분자매트릭스를 형성하는 고분자 화합물, 일예로 열가소성 고분자 화합물의 주쇄가 끊어지는 것을 방지하며, 열변색에 대한 방지 등을 위해 구비된다. 상기 산화방지제는 공지된 산화방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 트리스(노닐 페닐)포스파이트, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 디스테아릴 펜타에리트리톨 디포스파이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 유기포스파이트; 알킬화된 모노페놀 또는 폴리페놀; 테트라키스[메틸렌(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트)] 메탄, 또는 그밖에 유사한 것과 같은 것으로서, 디엔을 갖는 폴리페놀의 알킬화된 반응 생산물; 파라-크레졸 또는 디사이클로펜타디엔의 부틸화된 반응 생산물; 알킬화된 하이드로퀴논; 수산화된 티오디페닐 에테르; 알킬리덴-비스페놀; 벤질 화합물; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피온산의 에스테르; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(5-터트-부틸-4-하이드록시-3-메틸페닐)-프로피온산의 에스테르; 디스테아릴티오프로피오네이트, 디라우릴티오프로피오네이트, 디트리데실티오프로피오네이트, 옥타데실-3-(3,5-디-터트-부틸-l-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리스리틸-테트라키스 [3-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 티오알킬 또는 티오아릴 화합물의 에스테르; 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오닉산의 아미드 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 산화방지제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 구비될 수 있다.

또한, 상기 열안정제는 공지된 열안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 트리페닐 포스파이트, 트리스-(2,6-디메틸페닐)포스파이트, 트리스-(믹스드 모노-앤드 디노닐페닐)포스파이트(tris-(mixed mono-and di-nonylphenyl)phosphate) 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 유기 포스파이트; 디메틸벤젠 포스포네이트 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스포네이트, 트리메틸 포스페이트, 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스페이트, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 열 안정제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부 포함될 수 있다.

또한, 상기 광안정제는 공지된 광안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 2-(2-하이드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-하이드록시-5-터트-옥틸페닐)-벤조트리아졸 및 2-하이드록시-4-n-옥톡시 벤조페논 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 벤조트리아졸 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 광 안정제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 가소제는 공지된 가소제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 디옥틸-4,5-에폭시-헥사하이드로프탈레이트, 트리스-(옥톡시카르보닐에틸)이소시아누레이트, 트리스테아린, 에폭시화된 콩기름(soybean oil) 또는 그 밖의 유사한 것들과 같은 프탈산 에스테르 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 가소제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 대전방지제는, 공지된 대전방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 글리세롤 모노스테아레이트(monostearate), 소디움 스테아릴 설포네이트, 소디움 도데실벤젠설포네이트, 폴레에테르 블록 아미드, 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 이들은 예를 들어, 상표명 이르가스탯(Irgastat)의 BASF; 상표명 PEBAX의 알케마(Arkema); 및 상표명 펠레스탯(Pelestat)의 산요 케미컬 인더스트리즈(Sanyo Chemical industries) 로부터 상업적으로 얻을 수 있다. 상기 대전방지제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 작업개선제는 공지된 작업개선제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 금속 스테아레이트, 스테아릴 스테아레이트, 펜타에리트리톨 테트라스테아레이트, 밀납(beeswax), 몬탄 왁스(montan wax), 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 그 밖에 유사한 것들 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 작업개선제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 UV 흡수제는, 공지된 UV 흡수제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 하이드록시벤조페논; 하이드록시벤조트리아졸; 하이드록시벤조트리아진; 시아노아크릴레이트; 옥사닐라이드(oxanilides); 벤족사지논(benzoxazinones); 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3,-테트라메틸부틸)-페놀; 2-하이드록시-4-n-옥틸옥시벤조페논; 2-[4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진-2-일]-5-(옥틸옥시)-페놀; 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3, 3-비페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 2,2'-(1,4-페닐렌) 비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 입경이 100㎚미만인 산화 티타늄, 산화 세륨 및 산화 아연과 같은 나노-크기 무기 물질; 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 UV 흡수제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 3.0 중량부 포함될 수 있다.

또한, 상기 커플링제는 공지된 커플링제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 일 예로써, 말레산 그래프트된 폴리프로필렌일 수 있다. 상기 커플링제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10.0 중량부 포함될 수 있다.

또한, 상기 난연제는 예를 들어, 할로겐화된 난연제, BC58 및 BC52와 같은 유사 테트라브로모 비스페놀 A 올리고머(like tretabromo bisphenol A oligomers), 브롬화된 폴리스티렌 또는 폴리(디브로모-스티렌), 브롬화된 에폭시, 데카브로모디페닐렌옥사이드, 펜타브롬펜질 아크릴레이트 모노머, 펜타브로모벤질 아크릴레이트 폴리머, 에틸렌-비스(테트라브로모프탈이미드, 비스(펜타브로모벤질)에탄, Mg(OH)₂ 및 Al(OH)₃ 와 같은 금속 하이드록사이드, 멜라민 시아누레이트, 레드 포스포러스(red phosphorus)와 같은 포스퍼 기반 FR 시스템, 멜라민 폴리포스페이트, 포스페이트 에스테르, 금속 포스피네이트, 암모니움 폴리포스페이트, 팽창 가능한 그래파이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로부탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로옥탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 디페닐설폰설포네이트 및 소디움- 또는 포타슘-2,4,6,-트리클로로벤조네이트 및 N-(p-톨릴설포닐)-p-톨루엔설피미드 포타늄 염, N-(N'-벤질아미노카르보닐) 설파닐이미드 포타슘 염, 또는 이들의 혼합물 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 난연제는 고분자매트릭스를 형성하는 고분자화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 ~ 50 중량부 포함될 수 있다.

다음으로, 상기 금속부재(300,300')는 금속재질의 부재로써, 열원을 통해 추출된 열을 외부로 직접 또는 상술한 고분자매트릭스(200,200')로 전달하는 히트싱크로써의 역할과 함께 하우징으로써 기계적 강도를 담보하는 지지체로써의 역할을 가질 수 있다. 또한, 상기 금속부재(300,300')는 적어도 일면에 회로패턴이 구비되어 상기 회로패턴에 독립된 소자나 부품을 실장할 수 있는 메탈 PCB와 같은 회로기판일 수 있다.

상기 금속부재(300,300')는 소정의 열전도도, 기계적 강도 등을 담보할 수 있는 금속재질인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 금속부재(300)은 알루미늄, 마그네슘, 철, 티타늄, 구리로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 적어도 1종의 금속이 포함된 합금일 수 있다.

또한, 상기 금속부재(300,300')는 성형 및 제조 가능한 범위 내 임의의 형상일 수 있다. 일예로, 소정의 종횡비를 갖는 봉형, 소정의 넓이를 갖는 판상 형태이거나 사각 또는 원형 등 소정의 형상을 갖는 테두리 와이어 또는 바 내측에 복수개의 와이어 또는 바가 소정의 간격으로 이격되어, 평행구조, 격자구조, 허니컴 구조 및 이들이 상호 조합된 다양한 구조를 갖는 형상일 수 있다.

또한, 상기 금속부재(300)의 크기는 목적하는 복합방열재의 크기를 고려하여 적절히 변경될 수 있다. 또한 상기 금속부재(300)의 두께 역시 목적하는 강도, 열전도성, 형상의 복잡성을 고려하여 적절히 변경될 수 있으며, 방열복합재(1000,1000') 전체두께에 대하여 두께가 0.5 ~ 90%일 수 있다. 만일 금속부재(300)의 두께가 방열복합재(1000) 전체두께에 대하여 두께가 0.5%미만일 경우 목적하는 수준의 기계적 강도를 담보하기 어려울 수 있으며, 만일 90%를 초과할 경우 목적하는 수준의 방열성능, 특히 방사특성을 발현하기 어렵고, 복잡한 형상으로의 성형성도 저하될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 금속부재(300)의 두께는 방열복합재에 요구되는 기계적 강도를 고려하여 적절히 변경될 수 있다.

또한, 상기 금속부재(300,300') 고분자매트릭스(200,200')와의 보다 향상된 결합력을 담보하기 위하여 적어도 고분자매트릭스(200,200')와 계면을 형성하게 될 부분의 표면에 소정의 거칠기를 갖는 나노스케일 및/또는 마이크로스케일의 미세요철이나 돌출부를 더 구비할 수 있다. 상기 미세요철은 중심선 평균거칠기(Ra)가 5 ~ 100㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 5 ~ 50㎛일 수 있고, 이를 통해 보다 향상된 결합력 특성을 발현하는 동시에 금속부재(300,300')의 기계적 강도저하를 방지할 수 있다.

다음으로, 상술한 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300') 사이에 개재되는 방열접합부(400,400')에 대해 설명한다.

상기 방열접합부(400,400')는 이종재질인 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300') 간을 결합시키는 동시에 고분자매트릭스(200,200') 및 금속부재(300,300') 중 일방에서 타방으로 보다 빠르게 열을 전도시킬 수 있도록 이들 간 대응되는 계면의 빈 공간을 제거하며, 자체적으로 방열성능을 구비하여 전도되는 열의 저항을 최소화하는 기능을 담당한다.

한편, 방열접합부와 금속부재 간 열팽창 및 수축에 따른 차이가 발생할 경우 방열접합부에 크랙이 발생하고, 이로 인해 목적한 접합강도가 발현되지 않을 수 있고, 크랙이 발생한 부분으로 수분의 침투가 가속화되며, 열 전도 저항으로 작용해 방열성능의 저하를 유발할 수 있다.

이에 따라서, 바람직하게는 상기 방열접합부(400,400')를 금속부재(300,300')와 열팽창율이 유사하도록 구성시켜서 사용온도에 따른 수축팽창의 정도가 양자간에 비슷해지도록 함으로써, 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300') 간의 계면에서의 접합파괴의 발생을 최소화하는 효과를 발현할 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예 의한 방열접합부(400,400')는 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이 제2방열필러(410)를 포함할 수 있고, 상기 제2방열필러(410)를 통해 열전도도를 높임과 더불어 방열접합부(400,400')의 선팽창율을 금속부재(300,300')와 유사하게 만들어 줌으로써 열팽창 및 수축에 따른 금속부재와 방열접합부 간의 크랙을 방지할 수 있다.

구체적으로 상기 방열접합부(400,400')는 접착성 주제수지(420) 및 제2방열필러(410)를 포함하는 방열접합조성물이 냉각 또는 경화를 통해 고화되어 형성된 것일 수 있다.

상기 접착성 주제수지(420)는 상술한 고분자매트릭스(200,200')의 고분자화합물(150) 및 금속부재(300,300')와 상용성에서 문제가 없고, 이들 각각과 우수한 접착성능을 발현할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 다만, 접착성, 유입되는 열에 의해 취화 되지 않는 내열성, 전기적 자극에 의해 취화되지 않는 절연성, 기계적 강도 및 제2방열필러와의 상용성 및 열전도도 등을 고려하여 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리아크릴로나이트릴 수지, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스트렌-아크릴로나이트릴(SAN), 아크릴계 수지, 메타크릴계 수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐포르말, 폴리히드록시폴리에테르, 폴리에테르, 폴리프탈아마이드(polypthalamide), 페녹시 수지, 폴리우레탄, 나이트릴부타디엔 수지, 우레아계 수지(UF), 멜라민계 수지(MF), 불포화 폴리에스테르 수지(UP), 실리콘수지 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1 종, 이들의 혼합물 또는 이들의 공중합체를 구비할 수 있다. 상기 각 수지에 해당하는 구체적인 종류는 당업계에 공지된 수지들일 수 있어서 본 발명은 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.

일예로, 상기 수지가 에폭시 수지일 경우 글리시딜에테르형 에폭시 수지, 글리시딜아민형 에폭시수지, 글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 선형 지방족형 에폭시 수지, 고무변성 에폭시 수지 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 글리시딜에테르형 에폭시 수지는 페놀류의 글리시딜에테르와 알코올류의 글리시딜에테르를 포함하며, 상기 페놀류의 글리시딜 에테르로 비스페놀 A형, 비스페놀 B형, 비스페놀AD형, 비스페놀 S형, 비스페놀 F형 및 레조르시놀 등과 같은 비스페놀계 에폭시, 페놀 노볼락(Phenol novolac) 에폭시, 아르알킬페놀 노볼락, 테르펜페놀 노볼락과 같은 페놀계 노볼락 및 o-크레졸 노볼락(Cresolnovolac) 에폭시와 같은 크레졸 노볼락계 에폭시 수지 등이 있고, 이들을 단독 또는 2 종 이상 병용할 수 있다. 또한, 상기 글리시딜 아민형 에폭시 수지로 디글리시딜아닐린, 테트라글리시딜디아미노디페닐메탄, N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-크실릴렌디아민, 1,3-비스(디글리시딜아미노메틸)시클로헥산, 글리시딜에테르와 글리시딜아민의 양구조를 겸비한 트리글리시딜-m-아미노페놀, 트리글리시딜-p-아미노페놀 등이 있으며, 단독 또는 2 종 이상 병용할 수 있다. 또한, 상기 글리시딜에스테르형 에폭시수지로 p-하이드록시벤조산, β-하이드록시나프토에산과 같은 하이드록시카본산과 프탈산, 테레프탈산과 같은 폴리카본산 등에 의한 에폭시 수지일 수 있으며, 단독 또는 2 종 이상 병용할 수 있다. 또한, 상기 선형 지방족형 에폭시 수지로 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸글리콜, 시클로헥산디메탄올, 글리세린, 트리메틸올에탄, 티리메틸올프로판, 펜타에리트리롤, 도데카히드로 비스페놀 A, 도데카히드로 비스페놀 F, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등에 의한 글리시딜 에테르일 수 있으며, 단독 또는 2 종 이상 병용할 수 있다. 또한, 상기 고무변성 에폭시 수지는 골격에 고무 및/또는 폴리에테르를 갖는 에폭시 수지이면 특별히 한정되지 않으며, 일예로, 카르복시기 변성 부타다이엔-아크릴로나이트릴 엘라스토머와 분자 내에서 화학적으로 결합한 에폭시 수지(CTBN 변성 에폭시 수지), 아크릴로나이트릴-부타다이엔 고무 변성 에폭시 수지(NBR 변성 에폭시수지), 우레탄 변성 에폭시 수지, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 고무 변성 에폭시 수지일 수 있으며, 단독 또는 2종 이상 병용할 수 있다.

상기 접착성 주제수지가 경화형 수지인 경우 상기 방열접합조성물은 상기 접착성 주제수지를 가교시킬 수 있는 경화제를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 방열접합부(400,400')는 상기 접착성 주제수지와 상기 경화제가 가교결합된 고분자화합물을 포함하는 접착성 고분자매트릭스일 수 있다.

상기 접착성 주제수지가 에폭시 수지인 경우를 예시적으로 설명하면, 상기 경화제는 선택되는 에폭시 수지의 구체적인 종류에 따라 그 종류를 달리 할 수 있으며, 구체적인 종류는 당업계에 공지된 경화제를 사용할 수 있고, 바람직하게는 산무수물계, 아민계, 이미다졸계, 폴리아미드계 및 폴리메르캅탄계 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 산무수물계의 경우 일 분자 중에 복수의 카르복실기를 갖는 화합물의 무수물이 바람직하다. 일예로, 상기 산무수물은 무수프탈산, 무수트리멜리트산, 무수피로멜리트산, 무수벤조페논테트라카르본산, 에틸렌글리콜비스트리멜리테이트, 글리세롤트리스트리멜리테이트, 무수말레산, 테트라하이드로무수프탈산, 메틸테트라하이드로무수프탈산, 엔도메틸렌테트라하이드로무수프탈산, 메틸엔도메틸렌테트라하이드로무수프탈산, 메틸부테닐테트라하이드로무수프탈산, 도데세닐무수숙신산, 헥사하이드로무수프탈산, 메틸헥사하이드로무수프탈산, 무수숙신산, 메틸시클로헥센디카르본산 무수물, 클로렌드산 무수물 등을 단독 또는 2종 이상 병용할 수 있다.

또한, 상기 아민계는 방향족 아민류, 지방족 아민류, 또는 이들의 변성물일 수 있다. 상기 방향족 아민류는 일 예로써, 메타페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 디아미노디페닐술폰, 아조메틸페놀 등을 단독 또는 2종 이상 병용할 수 있다. 또한, 상기 지방족 아민류는 일예로써, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민 등을 단독 또는 2종 이상 병용할 수 있다.

또한, 상기 폴리아미드류는 일예로, 지방산이 이량체인 다이머산과 폴리아민의 축합에 의해 생성된 반응물로 분자 중 복수의 아미노기를 갖고, 아미드기를 1개 이상 갖는 폴리아미드아민일 수 있다.

또한, 상기 이미다졸계는 일예로, 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸리움트리멜리테이트 및 에폭시이미다졸 어덕트(adduct) 등일 수 있다.

또한, 상기 폴리메르캅탄계는 일예로, 폴리프로필렌글리콜쇄의 말단에 메르캅탄기가 존재하거나, 폴리에틸렌글리콜쇄의 말단에 메르캅탄기가 존재하는 것일 수 있다.

또한, 상술한 경화제 대신 또는 이와 병용하여 페놀 수지, 아미노수지, 폴리설파이드 수지 등의 공지된 경화제를 목적에 따라 포함할 수 있다.

또한, 상기 경화제의 함량은 선택되는 경화형 수지의 종류, 당량 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있고, 일예로 경화형 접착성 주제수지 100 중량부에 대하여 경화제를 1 ~ 100 중량부로 구비할 수 있다. 만일 경화제가 1 중량부 미만으로 구비되는 경우 미경화 문제, 내구성 저하의 문제점이 있다. 또한, 경화제가 100 중량부를 초과할 경우 지나친 경화로 쉽게 크랙이나 깨짐 현상을 발생시켜 내구성, 방열성능, 방수성능 저하 우려가 있다.

또한, 상기 방열접합 조성물은 접착성 주제수지가 경화형 수지일 경우, 경화제 이외에 경화촉진제를 더 포함할 수 있다. 상기 경화촉진제는 경화 속도나 경화물의 물성 등을 조정하기 위한 역할을 하며, 선택되는 경화제의 종류에 맞추어 공지된 경화촉진제를 선택하여 사용할 수 있고, 이에 대한 비제한적인 예로써, 아민류, 이미다졸류, 유기 포스핀류, 루이스산 경화촉진제 일 수 있다. 경화촉진제의 사용 일예는, 폴리아미드계 경화제를 사용할 경우 예를 들면 페놀류나 아민류의 경화 촉진제가 병용될 수 있고, 이때, 첨가량은 에폭시 수지의 당량 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있다. 또한, 경화촉매 역시 선택되는 주제수지의 종류, 경화제의 종류 등을 고려하여 공지된 경화촉매를 선택할 수 있으며, 첨가량은 주제수지와 경화제의 함량, 경화조건 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

또한, 상기 방열접합부(400,400')는 산화방지제, 열안정제, 광안정제, 가소제, 분산제, 작업개선제, 커플링제, UV흡수제, 대전방지제, 난연제 등 기타 첨가제를 더 구비할 수 있다. 이들 각 첨가제의 구체적 종류와 함량은 접합성능을 저하시키거나 열저항을 증가시키지 않는 범위내에서 공지의 성분을 적절한 함량으로 사용할 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

또한, 상기 제2방열필러(410)는 방열접합부(400,400')가 열전도성을 구비하여 열저항을 감소시키는 것으로써, 공지의 방열필러인 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 금속, 합금, 세라믹 및 탄소계 필러일 수 있다. 구체적으로 알루미늄, 은, 구리, 니켈, 금 및 철로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속, 산화마그네슘, 이산화티타늄, 이산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨 및 산화망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹, 및 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄소 중 어느 하나 이상을 구비할 수 있다. 상기 제2방열필러(410)는 방열복합재(1000,1000')의 적용분야의 요구물성이나 방열성능을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 일예로 절연성이 요구되는 경우 상기 세라믹 재질의 방열필러를 구비할 수 있다. 또한, 상기 제2방열필러(410)는 형상이 입상, 판상, 침상, 무정형 등일 수 있다.

또한, 상기 제2방열필러(410)의 입경은 방열접합부(400,400')의 두께를 고려하여 적절히 변경될 수 있다.

또한, 상기 제2방열필러(410)는 열전도성 향상, 접합강도 향상, 금속부재(300,300')와 방열접합부(400,400') 간 열팽창 및 수축 차이 감소를 위하여, 방열접합부(400,400') 전체 중량을 기준으로 30 ~ 80중량%로 포함될 수 있다. 만일 제2방열필러가 30중량% 미만으로 구비될 경우 목적하는 수준의 열전도도를 가지기 어려우며 이에 따라서 방열접합부가 열저항으로 작용해 방열복합재의 방열성능이 현저히 감소할 수 있다. 또한, 방열접합부와 금속부재 간의 열팽창 및 수축 차이를 감소시키기 어려워서 사용 중 열에 의한 수축 및 팽창에 따른 방열접합부의 크랙을 초래할 수 있다. 또한, 만일 상기 제2방열필러가 80중량%를 초과하여 구비되는 경우 방열접합부의 접착성능의 저하를 유발할 수 있다.

한편, 상기 방열접합부(400,400')는 상술한 예시 이외에 상전이 물질이나 공지된 TIM 성분을 포함한 것일 수도 있다.

또한, 상기 방열접합부(400,400')는 두께가 일예로 10 ~ 200㎛로 형성될 수 있다. 만일 두께가 10㎛ 미만으로 형성되는 경우 목적하는 수준의 결합강도를 발현하기 어려울 수 있고, 두께가 200㎛를 초과할 경우 열저항이 증가하여 방열성능의 저하를 초래할 수 있다.

또한, 상기 방열접합부(400,400')는 열접합부와 금속부재 간의 열팽창 및 수축 차이를 감소시키기 위하여 충진재를 더 포함할 수 있고, 충진재를 포함하는 경우 충진재는 방열접합부 전체중량을 기준으로 충진재와 제2방열필럼의 중량 총합이 30중량% 이상이 되도록 포함될 수 있다.

또한, 도 1a와 도 1b에 도시된 것과 같이 상기 고분자매트릭스(200,200') 및 금속부재(300,300')는 방열복합재(1000,1000')의 몸체를 형성하며, 상기 몸체의 적어도 일부에 코팅층(500,500')을 더 구비할 수 있다. 상기 코팅층(500,500')이 고분자매트릭스(200,200')의 외부를 피복할 경우 고분자매트릭스(200,200')의 표면부에 위치한 제1방열필러(100)의 이탈을 방지하고, 표면에 가해는 물리적 자극으로 인한 스크래치 등을 방지하며, 재질에 따라서 절연기능을 제공하여 절연 및 방열이 동시에 요구되는 전자장치 등의 적용처에도 사용이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 상기 코팅층(500,500')이 금속부재(300,300')의 노출면에 구비되는 경우 표면에 가해는 물리적 자극으로 인한 스크래치 등을 방지하며, 재질에 따라서 절연기능을 제공하여 절연 및 방열이 동시에 요구되는 전자장치 등의 적용처에도 사용이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 상기 코팅층(500,500')이 몸체의 전면에 구비되는 경우 고분자매트릭스(200,200') 및 금속부재(300,300')의 결합력을 보완해주는 기능을 더 수행할 수 있다.

상기 코팅층(500,500')은 공지된 열경화성 고분자화합물 또는 열가소성 고분자화합물로 구현될 수 있다. 상기 상기 열경화성 고분자화합물은 에폭시계, 우레탄계, 에스테르계 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 또한, 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 코팅층(500,500')은 두께가 0.1 ~ 1000㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 목적에 따라 변경하여 구현할 수 있다.

한편, 상기 코팅층(500,500')은 코팅층으로 인한 열저항의 감소를 위해 제3방열필러를 더 구비할 수 있고, 이를 통해 전도된 열의 공기중 방사를 저해하지 않거나 보다 향상시킬 수 있다. 상기 제3방열필러에 대한 구체적 설명은 상술한 제2방열필러와 동일하여 생략한다.

상술한 본 발명의 일 실시에에 의한 방열복합재(1000,1000')는 (1) 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스와 금속부재를 준비하는 단계, (2) 상기 고분자매트릭스와 금속부재가 맞닿게 되는, 고분자매트릭스 또는 금속부재의 표면상에 방열접합조성물을 처리하는 단계 및 (3) 상기 고분자매트릭스와 금속부재를 조립 및 상기 방열접합조성물을 고화시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 다만, 위와 같은 제조방법에 제한되는 것은 아니다.

구체적으로 (1) 단계로써, 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스와 금속부재를 준비한다.

상기 고분자매트릭스(200,200')는 제1방열필러(100)를 포함하는 고분자화합물(150)의 용해액 또는 용융액이 소정의 형상으로 성형되어 구현된 것일 수 있다. 상기 성형의 방법은 압출, 사출 등 공지의 성형방법을 채용할 수 있고, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.

다음으로 (2) 단계로써, 상기 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300')가 맞닿게 되는, 고분자매트릭스(200,200') 또는 금속부재(300,300')의 표면상에 방열접합조성물을 처리한다.

상기 방열접합조성물은 상술한 방열접합부(400,400')에서 설명된 성분들을 포함할 수 있고, 이들 성분을 용해 및 분산시키기 위한 용매가 더 포함될 수 있으며, 상기 용매는 물이나 유기용매일 수 있고, 선택된 접착성 주제수지의 종류 등을 고려하여 적절히 공지의 용매를 선택할 수 있으며, 처리방법, 작업성 등을 고려하여 적절히 함량을 조절할 수 있다.

상기 처리방법은 공지된 코팅방법을 채용하거나 붓과 같은 부재를 통해 얇게 도포시키는 방법일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로 (3) 단계로써, 상기 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300')를 조립 및 상기 방열접합조성물을 고화시켜 방열복합부재(1000,1000')를 구현할 수 있다.

상기 조립은 도 1a와 같은 경우 금속부재(300)를 고분자매트릭스(200)의 수용부에 삽입하는 방식일 수 있고, 도 1b와 같은 경우 금속부재(300')를 고분자매트릭스(200') 내부에 수용되도록 결합하는 방식일 수 있으며, 이 이외에도 금속부재의 형상, 목적하는 방열복합재의 형상, 크기 등을 고려하여 다양한 방법으로 조립될 수 있다.

한편, 조립된 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300')는 이들 사이 계면에 미리 처리된 방열접합조성물을 고화시키는 과정을 거치며, 방열접합조성물의 종류에 따라 냉각 또는 경화의 방법으로 고화될 수 있다. 상기 방열접합조성물이 용매를 포함하거나 경화에 소정의 열이 요구되는 경우 고화과정에서 열을 가할 수 있고, 상기 열은 고분자매트릭스(200,200')의 손상이 없도록 하는 범위내에서 처리될 수 있다. 또한, 고화과정에서 조립된 고분자매트릭스(200,200')와 금속부재(300,300') 사이의 틈을 더욱 없도록 하기 위하여 고분자매트릭스(200,200')의 손상이 없는 범위 내에서 소정의 압력을 지그 등 공지의 방법을 통하여 더 가할 수 있다.

상술한 제조방법으로 구현된 본 발명에 따른 방열복합재(1000,1000')는 열원인 부품이나 열원을 포함하는 장치의 방열하우징으로 응용될 수 있다. 또한, 열원인 부품이나 열원을 포함하는 모듈을 지지하는 방열지지부재로 응용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방열복합재(1000,1000')는 LED 조명장치를 구현할 수 있는데, 구체적으로 도 1a에서 방열복합재(1000)의 금속부재(200)가 노출면에 회로패턴이 구비된 메탈 PCB인 경우 상기 노출면의 회로패턴에 LED소자가 실장되며, 이를 통해 LED 조명장치가 구현될 수 있다. 상기 LED 조명장치는 옥외용 조명장치 뿐만 아니라 차량용, 실내용 등 다양한 조명장치로 응용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10,10': 그라파이트 20,20': 나노입자
30,30': 카테콜아민층 40': 고분자층
100: 제1방열필러 101,101': 그라파이트 복합체
150: 고분자화합물 200,200': 고분자매트릭스
300,300': 금속부재 400,400': 방열접합부
410: 제2방열필러 420: 접착성 주제수지
1000,1000': 방열복합재

Claims

제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스;
상기 고분자매트릭스와 적어도 하나의 계면을 형성하도록 배치된 금속부재; 및
상기 고분자매트릭스와 상기 금속부재 사이에 개재된 방열접합부;를 포함하는 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 고분자매트릭스는 상기 금속부재의 적어도 일부를 수용할 수 있는 수용부를 구비한 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 제1방열필러는 알루미늄, 은, 구리, 니켈, 금 및 철로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속,
산화마그네슘, 이산화티타늄, 이산화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨 및 산화망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹, 및
그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄소 중 어느 하나 이상을 구비하는 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 제1방열필러는 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 상기 나노입자를 피복한 카테콜아민층을 구비한 그라파이트 복합체를 포함하는 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 고분자매트릭스는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함하는 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 금속부재는 알루미늄, 마그네슘, 철, 티타늄, 구리로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 적어도 1종의 금속이 포함된 합금인 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 금속부재는 메탈 PCB인 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 방열접합부는 접착성 주제수지 및 제2방열필러를 포함하여 형성된 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 제2방열필러는 방열접합부 전체중량을 기준으로 30 ~ 80 중량% 포함되는 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 방열접합부는 두께가 10 ~ 200㎛인 방열복합재.
제1항에 있어서,
상기 고분자매트릭스 및 금속부재는 몸체를 형성하며, 상기 몸체의 적어도 일부에 코팅층을 더 구비하는 방열복합재.
(1) 제1방열필러를 포함하는 고분자매트릭스와 금속부재를 준비하는 단계;
(2) 상기 고분자매트릭스와 금속부재가 맞닿게 되는, 고분자매트릭스 또는 금속부재의 표면상에 방열접합조성물을 처리하는 단계; 및
(3) 상기 고분자매트릭스와 금속부재를 조립 및 상기 방열접합조성물을 고화시키는 단계;를 포함하는 방열복합재 제조방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방열복합재를 포함하는 방열하우징.
제1항 내지 11항 중 어느 한 항에 따른 방열복합재를 포함하는 방열지지부재.
제1항 내지 11항 중 어느 한 항에 따른 방열복합재; 및
상기 방열복합재 중 금속부재의 노출면에 구비되는 LED 소자;를 포함하는 LED 조명장치.