KR20190023678A - 소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법 - Google Patents

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박성대
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Abstract

저가원료를 사용하면서도 내열성 및 소수성이 우수한 소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명의 일측면에 따른 소수성 열전도성 코팅막은 열전도성 필러 및 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제를 포함하는 열전도층 및 열전도층의 일면에 형성된 소수성층을 포함한다.

Description

소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법{HYDROPHOBIC THERMAL CONDUCTIVE THIN FILM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저가원료를 사용하면서도 내열성 및 소수성이 우수한 소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
플랜트 산업의 고도화에 따라 관련 기술분야에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 플랜트 산업의 핵심 기술 중 하나로써 열교환기 파이프가 있는데, 일반적인 열교환기는 동체 내에 설치된 여러 개의 전열관과, 전열관을 지지하는 여러 개의 전열관 지지 장치를 구비한다. 이 열교환기에서는 전열관의 내부를 유통하는 관내 유체와, 전열관의 외부를 관내 유체와 반대 방향을 향하여 유통하는 관외 유체 간에 열교환이 행해지고 있다.
이러한 열교환기 기술분야에서 열교환 효율 상승 및 비용 절감과 관련하여 코팅소재 관련기술이 많은 관심을 받고 있다. 다양한 열교환기 코팅소재가 제안되고 있으나, 실제 열교환기 파이프 코팅 소재로 적용되기 위해서는 해결되어야 할 여러 문제점이 있다. 우선, 열교환기 특성상 고온에서 소재가 안정성을 가져야 하고, 소수성을 나타내는 것이 필수적이다.
이를 해결하고자 열 교환기 코팅 소재를 소수성의 고분자 소재를 사용하거나 이종의 화합물을 섞음으로써 코팅 소재의 화학적, 기계적 특성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 종래에는 불소 계열의 고분자 소재를 기반으로 한 내열성 및 소수성의 코팅소재가 사용되어왔는데, 소재 자체가 고가이므로 가격상승의 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저가원료를 사용하면서도 내열성 및 소수성이 우수한 소수성 열전도성 코팅막 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 소수성 열전도성 코팅막은 열전도성 필러 및 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제를 포함하는 열전도층; 및 열전도층의 일면에 형성된 소수성층;을 포함한다.
열전도성 필러는 열전도성 세라믹 입자일 수 있다.
부착제는 가열에 의해 용융되어 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 것일 수 있다.
부착제는 글래스 프릿일 수 있다.
소수성층은 소수성 고분자 박막층일 수 있다.
소수성 고분자 박막층은 열전도성 필러 표면의 관능기와 결합된 것일 수 있다.
열전도성 필러와 부착제의 중량비율은 50:35 내지 30:55일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 열전도성 필러, 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제 및 부형제를 혼합한 혼합물을 얻는 단계; 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계; 기판을 소성하는 단계; 및 기판 상에 형성된 열전도성층 상에 소수성층을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 열전도성 코팅막 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 고가의 불소계열 고분자 화합물을 사용하지 않고도 저가의 세라믹 소재를 사용하여 원재료비를 절감하면서도 기판에 안정적으로 부착되어 기계적 안정성이 우수한 박막을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 표면의 소수성층과 열전도성 필러 사이에 화학결합이 형성되어 우수한 소수성을 나타내는 소수성 열전도성 코팅막을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 열전도성 코팅막 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 4는 본 발명에 따라 금속 기판 상에 제조된 열전도층을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열전도층의 SEM 이미지들로서, 열전도성 필러:부착제의 중량비율은 각각 80:5, 50:35 및 30:55이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 열전도성 코팅막 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 발명의 일측면에 따른 소수성 열전도성 코팅막은 열전도성 필러 및 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제를 포함하는 열전도층; 및 열전도층의 일면에 형성된 소수성층;을 포함한다. 본 발명의 소수성 열전도성 코팅막은 열전도성 필러, 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제 및 부형제를 혼합한 혼합물을 얻는 단계; 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계; 기판을 소성하는 단계; 및 기판 상에 형성된 열전도성층 상에 소수성층을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 열전도성 코팅막 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 소수성 열전도성 코팅막에 사용되는 열전도성 필러(110)는 열전도성 세라믹 입자일 수 있다. 열전도성 세라믹 입자로는 예를 들어, 실리카, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드 또는 보론 나이트라이드를 예로 들 수 있다. 열전도성 세라믹 입자는 저가이면서도 비교적 우수한 열전도성을 나타내어 본 발명의 소수성 열전도성 코팅막에 사용될 수 있다. 이외에, 열전도성 필러(110)는 열전도성이 우수한 MgO, ZnO, 그라파이트, 탄소나노튜브, 그라핀, 및 카본블랙 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
열전도층에는 열전도성 필러(120)와 함께 부착제(120)가 포함된다. 부착제(120)는 가열에 의해 용융되어 열전도성 필러(110)의 부착력을 향상시킨다.
예를 들어, 부착제(120)는 글래스 프릿일 수 있는데, 부착제(120)인 글래스 프릿과 열전도성 필러(110)를 포함하는 열전도층은 글래스 프릿이 가열되면서 열전도성 필러(110)를 기판(130) 상에 안정적으로 부착시킬 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 글래스 프릿은 동 기술분야에서 사용되는 모든 종류의 글래스 프릿이 제한 없이 사용될 수 있다. 예로써, 글래스 프릿은 납산화물 및/또는 비스무스 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 글래스 프릿은 산화아연-산화규소계(ZnO-SiO2), 산화아연-산화붕소-산화규소계(ZnO-B2O3-SiO2), 산화아연-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(ZnO-B2O2-SiO2-Al2O3), 산화비스무스계(Bi2O3), 산화비스무스-산화규소계(Bi2O3-SiO2), 산화비스무스-산화붕소-산화규소계(Bi2O3-B2O3-SiO2), 산화비스무스-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3), 산화비스무스-산화아연-산화붕소-산화규소계(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2), 산화비스무스-산화아연-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3), 산화납계(PbO), 산화납-산화텔루륨계(PbO-TeO2), 산화납-산화텔루륨-산화규소계(PbO-TeO2-SiO2), 산화납-산화텔루륨-산화리튬계(PbO-TeO2-Li2O), 산화비스무스-산화텔루륨계(Bi2O3-TeO2), 산화비스무스-산화텔루륨-산화규소계(Bi2O3-TeO2-SiO2), 산화비스무스-산화텔루륨-산화리튬계(Bi2O3-TeO2-Li2O), 산화텔루륨계(TeO2) 및 산화텔루륨-산화아연계(TeO2-ZnO) 글래스 프릿 중 어느 하나 또는 2종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
열전도성 박막에 소수성을 부여하기 위해서는 열전도층 상에 소수성층(140)이 형성된다. 소수성층(140)은 소수성 고분자 박막층일 수 있다. 특히, 소수성 고분자 박막층은 열전도층 내의 열전도성 필러(110) 표면의 관능기와 화학결합을 하여 소수성을 나타내는 고분자 박막층이 열전도층으로부터 박리되지 않도록 하여 안정적으로 열전도성 박막에 소수성을 부여할 수 있다.
소수성층(140)은 소수성을 나타내는 박막을 형성하는 물질이라면 어떤 것이든 사용할 수 있다. 소수성 고분자 박막층은 특히 소수성을 나타내는 고분자를 포함하되 바람직하게는 열전도층과의 상호작용이 가능한 고분자를 포함한다. 열전도층과의 상호작용이 가능한 고분자로는 아민 관능기, 카르복시기 관능기 또는 히드록시 관능기을 포함하여 열전도층과 상호작용이 가능한 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 소수성 고분자 박막층은 헥사데실아민(Hexadecylamine)을 포함할 수 있다.
열전도성 필러(110)가 알루미나(Al2O3)인 경우, 알루미나 표면의 산소를 포함하는 관능기와 헥사데실아민의 아민이 높은 강도의 수소결합을 할 수 있으므로 우수한 소수성 특성이 부여됨과 동시에 소수성층(140)의 탈락이 방지되어 특성유지가 가능하다.
본 발명의 소수성 열전도성 코팅막을 제조하기 위해서는 먼저, 열전도성 필러, 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제 및 부형제를 혼합한 혼합물을 얻는 단계; 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계; 기판을 소성하는 단계; 및 기판 상에 형성된 열전도성층 상에 소수성층을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 열전도성 코팅막 제조방법에 따라 제조될 수 있다.
먼저 열전도성 필러(110) 및 부착제(120)를 포함하는 열전도층을 형성하기 위하여, 열전도성 필러(110), 부착제(120) 및 부형제(미도시)를 포함하는 혼합물을 형성한다. 혼합물은 도 1에서와 같이 기판(130) 상에 도포된다.
혼합물이 도포된 기판(130)을 소성하면, 도 2와 같이 기판(130) 상에 부착제(120)가 열전도성 필러(110) 사이에 용융된 형태의 열전도층을 얻을 수 있다. 부착제(120)가 용융되어 열전도성 필러(110) 사이의 공극이 모두 채워지고 부착제(120) 및 열전도성 필러(110)는 하나의 층을 이루게 되므로 기판(130)의 접착력도 높고, 열전도성 필러(110)들 사이의 접착력도 높게 되어 안정성이 우수한 열전도층을 얻을 수 있다. 기판(130)의 소성온도는 열전도성 필러(110)에는 영향을 미치지 않고 부착제(120)만 용융되어 열전도성 필러(110) 사이 및 열전도성 필러(110)와 기판(130)를 채울 수 있는 온도로 수행되는 것이 바람직하다.
도 2의 열전도층 상에는 소수성층(140)이 형성되고, 소수성특성을 나타내면서도 열전도성이 우수한 신뢰성 높은 소수성 열전도성 코팅막을 기판(130) 상에 얻을 수 있다(도 3).
이하에서는 본 발명의 구체적인 시험예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 한정하지 않는다.
[열전도성층 형성]
열전도성 필러로는 알루미나(Al2O3), 부형제, 글래스 프릿(제품명 : SF-2700), 및 용매로서 1-도데칸올, 부틸 카르비톨을 포함하는 혼합물을 3-roll-mill을 이용하여 혼합하고, Cu/SUS 기판에 Bar coating하여 열전도층을 형성하였다.
본 실시예에서는 알루미나와 글래스 프릿의 비율 및 각 성분을 다음과 같이 조성하여 열전도성층을 제조하였다.
페이스트 조성 실시예 1
Al2O3 : 80 wt%
Glass Frit : 5 wt%		 실시예 2
Al2O3 : 50 wt%
Glass Frit : 35 wt%		 실시예 3
Al2O3 : 30 wt%
Glass Frit : 55 wt%
Al2O3 입자 (사이즈 : 1um) 32 g 20 g 12 g
비히클 6 g 6 g 6 g
글래스 프릿 2 g 14 g 22 g
용매(1-도데칸올, 부틸 카르비톨) 21.78 mL 13 mL 8 mL
혼합물이 도포된 기판을 500℃에서 154분간 소성(sintering)하여 글래스 프릿을 용융시켜 열전도성층을 완성하였다. 소성온도는 글래스 프릿의 연화점보다 높은 온도로 수행하였고, 열전도성 필러의 소결온도보다는 낮은 온도로 수행하였다.
도 4는 실시예 2에 따라 금속 기판 상에 제조된 열전도층을 도시한 도면이다. 기판(130)상에 열전도성 필러(110) 및 부착제(120)가 용융되어 형성된 열전도성층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열전도층의 SEM 이미지들로서, 열전도성 필러:부착제의 비율은 각각 80:5, 50:35 및 30:55이다.
소성과정이 끝난 후에 실시예 1 내지 실시예 3의 열전도성층의 표면을 SEM 페이스트 코팅막 표면을 SEM으로 확인하였을 때, 도 5내지 도 7과 같이 알루미나 무기입자와 글래스 프릿의 비율에 따라서 몰포로지에 차이가 존재함을 확인하였다.
실시예 1의 열전도성층은 글래스 프릿의 함량이 낮고 실시예 3의 열전도성층은 글래스 프릿의 함량이 높은데, 글래스 프릿의 함량이 높아질수록 알루미나 무기입자 사이의 공간을 메꿔줌으로써 코팅막 내 기공의 비율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 글래스 프릿의 비율이 5wt%로 낮은 실시예 1의 경우 하부의 금속기판을 확인할 수 있을 정도로 기공이 많이 관찰되나 글래스 프릿의 비율이 55wt%로 높은 실시예3의 경우 하부의 금속기판이 거의 관찰되지 않아 발생된 기공이 글래스 프릿에 의해 메꿔졌음을 알 수 있다.
페이스트 내 글래스 프릿의 함량이 35wt% 이상일 때, 기계적 데미지에도 금속 기판에서 박리되지 않는 코팅막이 형성되었음을 확인하였다. 반면, 글래스 프릿의 함량이 5wt%인 실시예 1의 경우, 금속 기판에서 코팅막의 일부가 박리되는 것을 확인하였다. 즉 글래스 프릿의 함량이 높아질수록 소수성 열전도성 코팅막의 기계적 안정성이나 내구성이 높아질 것으로 예측된다.
기계적 박리에도 안정적으로 유지되는 실시예 2의 열전도성층(Al2O3 : 50 wt%, Glass Frit : 35 wt%)의 열전도도를 LFA (Laser Flash Apparatus) 방법을 이용해서 측정하였고, 1.5W/mK의 열전도도를 갖는 것으로 나타났다. 일반적으로 불소계열의 고분자 코팅막의 열전도도가 0.8W/mK 이하이므로 본 발명에 따라 제조된 열전도성층의 열전도도가 높음을 확인할 수 있었다.
[소수성층 형성]
소성이 완료된 열전도층은 친수성인 글래스 프릿이 주성분이므로 강한 친수성을 나타내어 물에 대한 접촉각이 생기지 않는다. 따라서, 열전도층 상에는 소수성을 갖는 유기 화합물 중 하나인 헥사데실아민(Hexadecylamine) 층을 형성하여 접촉각을 크게 향상시켜 소수성을 부여하였다. 이 때, 열전도층의 알루미나 표면에 위치한 산소 관능기와 헥사데실아민의 아민관능기와 수소결합을 통해 열전도층에 헥사데실아민을 그라프팅(Grafting)시켰다.
열전도층에 헥사데실아민을 그라프팅시키기 위해 헥사데실아민이 녹아있는 THF용액에 소성이 완료된 열전도층이 형성된 기판을 상온에서 15분간 담그는 공정을 수행하였다. 이 때, 표 2와 같이 헥사데실아민의 농도를 변화시켜 소수성 열전도성 코팅막의 접촉각을 조절할 수 있었다.
소수성 열전도성 코팅막 Al2O3 : 50 wt%
글래스 프릿 : 35 wt%		 Al2O3 : 50 wt%
글래스 프릿 : 35 wt%
+ 헥사데실아민 0.2wt% THF 용액		 Al2O3 : 50 wt%
글래스 프릿 : 35 wt%
+ 헥사데실아민 2wt%
THF 용액
접촉각(°) 0 109 120
표 2에서, 헥사데실아민을 포함하는 소수성층이 형성되지 않은 열전도층의 접촉각은 0으로 나타나 소수성을 전혀 나타내지 않음을 알 수 있고, 헥사데실아민으로 소수성층을 형성한 소수성 열전도성 코팅막의 경우 109°및 120°를 각각 나타내어 소수성 열전도성 코팅막 표면에 소수성이 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 헥사데실아민의 농도가 0.2wt%인 경우에는 109°의 접촉각을, 헥사데실아민의 농도가 더 높은 2.0wt%인 경우 120°의 접촉각을 나타내어 농도가 더 높은 경우 소수성을 더 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
110 열전도성 필러
120 부착제
130 기판
140 소수성층

Claims (8)

  1. 열전도성 필러 및 상기 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제를 포함하는 열전도층; 및
    상기 열전도층의 일면에 형성된 소수성층;을 포함하는 소수성 열전도성 코팅막.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 필러는 열전도성 세라믹 입자인 것을 특징으로 하는 소수성 열전도성 코팅막.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착제는 가열에 의해 용융되어 상기 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 것을 특징으로 하는 소수성 열전도성 코팅막.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착제는 글래스 프릿인 것을 특징으로 하는 소수성 열전도성 코팅막.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소수성층은 소수성 고분자 박막층인 것을 소수성 열전도성 코팅막.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 소수성 고분자 박막층은 상기 열전도성 필러 표면의 관능기와 결합된 것을 특징으로 하는 소수성 열전도성 코팅막.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 필러와 상기 부착제의 중량비율은 50:35 내지 30:55인 것을 특징으로 하는 소수성 열전도성 코팅막.
  8. 열전도성 필러, 상기 열전도성 필러의 부착력을 향상시키는 부착제 및 부형제를 혼합한 혼합물을 얻는 단계;
    상기 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계;
    상기 기판을 소성하는 단계; 및
    상기 기판 상에 형성된 열전도성층 상에 소수성층을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 열전도성 코팅막 제조방법.

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