KR20200021916A - 열전도성 시트 - Google Patents

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Abstract

열전도성 시트는, 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스와, 매트릭스 중에 분산된 열전도성 충전재와, 규소 화합물을 함유한다. 규소 화합물은, 알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종이다.

Description

열전도성 시트
본 발명은, 발열체와 방열체의 사이에 배치되는 열전도성 시트에 관한 것이다.
컴퓨터나 자동차 부품 등의 전자기기에서는, 반도체 소자나 기계 부품 등의 발열체로부터 발생하는 열을 방열하기 위하여 히트싱크 등의 방열체가 이용되고 있다. 이러한 발열체와 방열체의 사이에는, 발열체로부터 방열체에의 열의 전달 효율을 높일 목적으로 열전도성 시트를 배치하는 경우가 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 매트릭스와 열전도성 충전재를 함유하는 열전도성 시트가 개시되어 있다.
일본국 공개특허 특개2005-146057호 공보
최근, 전자기기의 소형화나 고성능화가 진행됨으로써, 발열체의 발열량은 증가하는 경향이 있다. 이 때문에, 발열체로부터 방열체에 열을 전달하는 열전도성 시트에 관해서도, 보다 높은 열전도성을 발휘하는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있는 열전도성 시트를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에서는, 가교(架橋) 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스와, 상기 매트릭스 중에 분산된 열전도성 충전재와, 알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종의 규소 화합물을 함유한다.
본 발명에 의하면, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있다.
도 1은 열 저항 측정기를 도시한 개략도이다.
이하, 열전도성 시트의 실시형태에 대하여 설명한다.
열전도성 시트는, 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스와, 매트릭스 중에 분산된 열전도성 충전재와, 규소 화합물을 함유한다. 규소 화합물은, 알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종이다.
<매트릭스>
매트릭스는, 열전도성 충전재를 보지(保持)하며, 열전도성 시트를 소정 형상으로 유지한다. 매트릭스는, 매트릭스의 전구체인 액상의 오르가노폴리실록산을 경화(硬化)시킴으로써 형성된다. 액상의 오르가노폴리실록산은, 가교 구조를 형성 가능한 반응기를 가지고 있다. 액상의 오르가노폴리실록산으로서는, 예를 들면, 축합형의 오르가노폴리실록산, 및 부가 반응형의 오르가노폴리실록산을 들 수 있다. 액상의 오르가노폴리실록산은, 열전도성 충전재를 고(高)충전하기 쉬우며, 또한 촉매 등에 의해 경화 온도를 용이하게 조정할 수 있는 것으로부터, 부가 반응형의 오르가노폴리실록산을 포함하는 것이 바람직하다. 부가 반응형의 오르가노폴리실록산은, 열전도성 충전재를 고충전하기 쉽다고 하는 관점에서, 알케닐기 함유 오르가노폴리실록산과 하이드로젠오르가노폴리실록산을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 명세서에 있어서 액상이란, 23℃, 1기압 하에서 액체인 것을 뜻한다.
액상의 오르가노폴리실록산의 경화 온도 T1(℃)은, 상기 규소 화합물의 휘발성을 고려하여 설정되는 것이 바람직하다. 규소 화합물의 휘발성은, 승온 개시 온도 25℃, 승온 속도 10℃/분으로 승온하는 열중량 분석에 있어서 질량의 감소 비율이 60%가 되는 온도 T2(℃) 또는 5%가 되는 온도 T3(℃)으로 나타낼 수 있다. 즉, 온도 T2(℃) 또는 온도 T3(℃)이 낮을수록, 휘발성이 높은 규소 화합물이라고 말할 수 있다. 열중량 분석은, 질소 분위기 하에서 행할 수 있다.
액상의 오르가노폴리실록산의 경화 온도 T1(℃)과, 규소 화합물의 상기 열중량 분석으로부터 얻어지는 온도 T2(℃)는, 하기 식 (1)을 충족시키는 것이 바람직하다.
T1≤T2…(1)
액상의 오르가노폴리실록산의 경화 온도 T1(℃)과, 규소 화합물의 상기 열중량 분석으로부터 얻어지는 온도 T3(℃)은, 하기 식 (2)를 충족시키는 것이 바람직하다.
T1≤T3…(2)
상기한 바와 같이 액상의 오르가노폴리실록산의 경화 온도 T1(℃)을 설정함으로써, 액상의 오르가노폴리실록산을 경화시킬 때에, 규소 화합물의 휘발을 억제할 수 있다. 또한, 오르가노폴리실록산 중에 있어서의 기포의 발생을 억제할 수도 있기 때문에, 열전도성 시트 중의 기포를 요인으로 한 열전도성의 저하를 억제할 수 있다.
<열전도성 충전재>
열전도성 충전재의 재료로서는, 예를 들면, 금속, 탄소, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 및 금속 수산화물을 들 수 있다. 금속으로서는, 예를 들면, 구리 및 알루미늄을 들 수 있다. 탄소로서는, 예를 들면, 피치계 탄소 섬유, PAN계 탄소 섬유, 수지 섬유를 탄화 처리한 섬유, 수지 섬유를 흑연화 처리한 섬유, 및 그라파이트 분말을 들 수 있다.
금속 산화물로서는, 예를 들면, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화아연, 산화철, 및 석영을 들 수 있으며, 금속 질화물로서는, 예를 들면, 질화붕소, 및 질화알루미늄을 들 수 있다. 금속 탄화물로서는, 예를 들면, 탄화규소를 들 수 있으며, 금속 수산화물로서는, 예를 들면, 수산화알루미늄을 들 수 있다.
열전도성 충전재의 형상은, 구상(球狀)이어도 되며, 섬유상이나 판상 등의 비(非)구상(이방성(異方性)을 가지는 형상)이어도 된다. 열전도성 충전재는, 평균 입경이 다른 복수의 구상 입자군을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 시트를 성형하기 전의 원료인 열전도성 조성물의 점도를 저감할 수 있다. 바꿔 말하면, 소정 점도에 있어서 열전도성 충전재를 고충전한 열전도성 조성물이 얻어지기 때문에, 열전도성 조성물의 성형성을 확보하면서, 또한 열전도성 시트의 열전도성을 높일 수 있다.
또한, 열전도성 충전재 중에서도, 탄소 섬유나 그라파이트 분말은, 형상에 이방성을 가지기 때문에, 탄소 섬유나 그라파이트 분말을 이용하였을 경우, 액상의 오르가노폴리실록산 중에서 일정 방향으로 배향시킬 수도 있다. 이에 의해, 열전도성 충전재가 일정 방향으로 배향된 열전도성 시트가 얻어지기 때문에, 열전도성 충전재가 배향된 방향에 있어서의 열전도성을 높일 수 있다.
열전도성 시트 중에 있어서의 열전도성 충전재의 함유량은, 매트릭스 100질량부에 대하여 300~1700질량부인 것이 바람직하고, 300~800질량부인 것이 보다 바람직하다. 열전도성 충전재의 함유량이 많아짐에 따라서, 열전도성 시트의 열전도성을 높일 수 있다. 열전도성 충전재의 함유량이 적어짐에 따라서 열전도성 조성물의 점도가 저하되기 때문에, 열전도성 시트를 성형하기 쉬워진다. 열전도성 조성물의 점도는, 25℃에 있어서, 500Pa·s 이하인 것이 바람직하다.
<규소 화합물>
알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종의 규소 화합물은, 열전도성 시트의 열전도성을 높인다. 우선, 알콕시실란 화합물에 대하여 설명한다. 알콕시실란 화합물은, 규소 원자(Si)가 가지는 4개의 결합 중, 1~3개가 알콕시기와 결합하고, 잔여 결합이 유기 치환기와 결합한 구조를 가지는 화합물이다. 알콕시실란 화합물이 가지는 알콕시기로서는, 예를 들면, 메톡시기, 에톡시기, 프로톡시기, 부톡시기, 펜톡시기, 및 헥사톡시기를 들 수 있다. 알콕시실란 화합물은, 열전도성 시트 중에 2량체로서 함유되어 있어도 된다.
알콕시실란 화합물 중에서도, 입수 용이성의 관점에서, 메톡시기 또는 에톡시기를 가지는 알콕시실란 화합물이 바람직하다. 알콕시실란 화합물이 가지는 알콕시기의 수는, 무기물로서의 열전도성 충전재와의 친화성을 높인다고 하는 관점에서, 3인 것이 바람직하다. 알콕시실란 화합물은, 트리메톡시실란 화합물 및 트리에톡시실란 화합물에서 선택되는 적어도 1종인 것이 보다 바람직하다.
알콕시실란 화합물이 가지는 유기 치환기에 포함되는 관능기로서는, 예를 들면, 아크릴로일기, 알킬기, 카르복실기, 비닐기, 메타크릴기, 방향족기, 아미노기, 이소시아네이트기, 이소시아누레이트기, 에폭시기, 하이드록실기, 및 메르캅토기를 들 수 있다. 여기에서, 상기 매트릭스의 전구체로서, 백금 촉매를 포함하는 부가 반응형의 오르가노폴리실록산을 이용하는 경우, 오르가노폴리실록산의 경화 반응에 영향을 주기 어려운 알콕시실란 화합물을 선택하여 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 백금 촉매를 포함하는 부가 반응형의 오르가노폴리실록산을 이용하는 경우, 알콕시실란 화합물의 유기 치환기는, 아미노기, 이소시아네이트기, 이소시아누레이트기, 하이드록실기, 또는 메르캅토기를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
알콕시실란 화합물은, 열전도성 충전재의 분산성을 높임으로써, 열전도성 충전재를 고충전하기 쉬워지는 것으로부터, 규소 원자에 결합한 알킬기를 가지는 알킬알콕시실란 화합물, 즉, 유기 치환기로서 알킬기를 가지는 알콕시실란 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 규소 원자에 결합한 알킬기의 탄소수는, 4 이상인 것이 바람직하다. 또한, 규소 원자에 결합한 알킬기의 탄소수는, 알콕시실란 화합물 자체의 점도를 비교적 낮게, 열전도성 조성물의 점도를 낮게 억제한다고 하는 관점에서, 16 이하인 것이 바람직하다.
알콕시실란 화합물은, 1종류 또는 2종류 이상을 사용할 수 있다. 알콕시실란 화합물의 구체예로서는, 알킬기 함유 알콕시실란 화합물, 비닐기 함유 알콕시실란 화합물, 아크릴로일기 함유 알콕시실란 화합물, 메타크릴기 함유 알콕시실란 화합물, 방향족기 함유 알콕시실란 화합물, 아미노기 함유 알콕시실란 화합물, 이소시아네이트기 함유 알콕시실란 화합물, 이소시아누레이트기 함유 알콕시실란 화합물, 에폭시기 함유 알콕시실란 화합물, 및 메르캅토기 함유 알콕시실란 화합물을 들 수 있다.
알킬기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 메틸트리메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, n-헥실트리메톡시실란, n-헥실트리에톡시실란, 시클로헥실메틸디메톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, 및 n-데실트리메톡시실란을 들 수 있다. 알킬기 함유 알콕시실란 화합물 중에서도, 이소부틸트리메톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, n-헥실트리메톡시실란, n-헥실트리에톡시실란, 시클로헥실메틸디메톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, 및 n-데실트리메톡시실란에서 선택되는 적어도 1종이 바람직하다.
비닐기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 비닐트리메톡시실란, 및 비닐트리에톡시실란을 들 수 있다. 아크릴로일기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란을 들 수 있다. 메타크릴기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 3-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 및 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란을 들 수 있다. 방향족기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 페닐트리메톡시실란, 및 페닐트리에톡시실란을 들 수 있다. 아미노기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 및 N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란을 들 수 있다. 이소시아네이트기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 3-이소시아네이토프로필트리에톡시실란을 들 수 있다. 이소시아누레이트기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 트리스-(트리메톡시실릴프로필)이소시아누레이트를 들 수 있다. 에폭시기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 및 3-글리시독시프로필트리에톡시실란을 들 수 있다. 메르캅토기 함유 알콕시실란 화합물로서는, 예를 들면, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란을 들 수 있다.
또한, 상기 알콕시실란 화합물의 구체예는 일례이며, 이로 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 알콕시실록산 화합물에 대하여 설명한다.
알콕시실록산 화합물은, 두개 이상의 실록산 결합을 가지며, 적어도 하나의 규소 원자에 알콕시기가 결합한 구조를 가진다. 또한, 알콕시실록산 화합물은, 실록산 결합을 구성하는 규소 원자 중, 적어도 하나의 규소 원자에 유기 치환기가 결합한 구조를 가진다.
알콕시실록산 화합물이 가지는 알콕시기 및 유기 치환기로서는, 상기 알콕시실란 화합물의 설명에서 예시한 것을 들 수 있다. 알콕시실록산 화합물은, 알콕시실란 화합물과 마찬가지로 알콕시기를 가지기 때문에, 무기물로서의 열전도성 충전재와의 친화성을 높일 수 있다. 또한, 알콕시실록산 화합물은, 실록산 구조를 가지기 때문에, 매트릭스인 오르가노폴리실록산과의 친화성도 양호하다.
알콕시실록산 화합물의 유기 치환기는, 매트릭스의 전구체인 액상의 오르가노폴리실록산과의 친화성을 높인다고 하는 관점에서, 액상의 오르가노폴리실록산이 가지는 관능기를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 디메틸실록산 골격을 가지는 오르가노폴리실록산을 매트릭스의 전구체로서 이용하는 경우, 알콕시실록산 화합물이 가지는 유기 치환기는, 메틸기를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 알콕시실록산 화합물의 유기 치환기는, 방향족기(예를 들면, 페닐기)를 포함하는 경우에도, 액상의 오르가노폴리실록산과의 친화성을 높일 수 있다.
알콕시실록산 화합물은, 1종류 또는 2종류 이상을 사용할 수 있다. 알콕시실록산 화합물로서는, 예를 들면, 메틸메톡시실록산 올리고머, 메틸페닐메톡시실록산 올리고머, 메틸에폭시메톡시실록산 올리고머, 메틸메르캅토메톡시실록산 올리고머, 및 메틸아크릴로일메톡시실록산 올리고머를 들 수 있다.
여기에서, 상기 서술한 규소 화합물의 휘발성은, 승온 개시 온도 25℃, 승온 속도 10℃/분으로 승온한 후, 100℃로 일정하게 유지하는 열중량 분석에 있어서 승온 개시로부터 60분 경과 후에 있어서의 질량의 감소 비율로 나타낼 수 있다. 열중량 분석은, 질소 분위기 하에서 행할 수 있다.
규소 화합물 중에서도, 열중량 분석에 있어서의 질량의 감소 비율이 5% 이상, 60% 이하의 범위의 화합물(고휘발성 화합물)을 이용하였을 경우, 규소 화합물의 점도, 즉 열전도성 조성물의 점도를 낮게 억제할 수 있는 것으로부터, 열전도성 시트의 성형이 용이하게 된다.
규소 화합물 중에서도, 열중량 분석에 있어서의 질량의 감소 비율이 5% 미만의 화합물(저휘발성 화합물)을 이용하였을 경우, 내열성이 우수한 것과 함께, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다. 또한, 매트릭스의 전구체의 경화 과정에 있어서의 규소 화합물의 휘발을 억제할 수 있기 때문에, 예를 들면, 규소 화합물의 사용량을 삭감할 수 있다. 또한, 저휘발성 화합물에 있어서의 상기 감소 비율은, 0% 이상이다.
또한, 규소 화합물 중에서도, 알콕시실록산 화합물의 대부분은, 알콕시실란 화합물보다도 큰 분자량을 가진다. 즉, 알콕시실록산 화합물의 대부분은, 알콕시실란 화합물보다도 휘발성이 낮기 때문에, 저휘발성 화합물로서는, 알콕시실록산 화합물을 적합하게 이용할 수 있다. 바꿔 말하면, 상기 서술한 고휘발성 화합물로서는, 알콕시실란 화합물을 적합하게 이용할 수 있다.
알콕시실록산 화합물의 휘발성은 비교적 낮으며, 또한 저점도인 경향이 있기 때문에, 열전도성 조성물의 점도를 낮게 억제하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 저휘발성 화합물로서 알콕시실록산 화합물을 이용함으로써, 열전도성 시트의 성형이 용이하게 된다.
규소 화합물은, 고휘발성 화합물 및 저휘발성 화합물 모두 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 고휘발성 화합물에 의해 열전도성 시트의 열전도성을 보다 높이는 것이 가능하게 되며, 저휘발성 화합물에 의해 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
규소 화합물이 고휘발성 화합물과 저휘발성 화합물을 포함하는 경우, 열전도성 시트 중에 있어서의 저휘발성 화합물의 함유량은, 고휘발성 화합물의 함유량보다도 많은 것이 바람직하다. 저휘발성 화합물의 질량 비율은, 고휘발성 화합물과 저휘발성 화합물의 합계 질량에 대하여, 70~99질량%의 범위인 것이 보다 바람직하다. 저휘발성 화합물의 질량 비율이, 70질량% 이상인 경우, 내열성이 보다 우수한 것과 함께, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 보다 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
규소 화합물은, 25℃에 있어서, 1mPa·s 이상, 10000mPa·s 이하의 범위의 점도를 가지는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 조성물의 점도를 낮게 억제할 수 있는 것으로부터, 열전도성 시트의 성형이 용이하게 된다. 또한, 규소 화합물의 점도는, 회전 점도계로 측정 가능하며, 측정 온도는 25℃이다.
매트릭스와 규소 화합물의 합계 질량에 대한 규소 화합물의 질량 비율은, 0.1질량% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5질량% 이상이며, 더 바람직하게는 1질량% 이상이다. 규소 화합물의 질량 비율을 높일수록, 열전도성 시트의 열전도율이 높아지는 경향이 된다.
매트릭스와 규소 화합물의 합계 질량에 대한 규소 화합물의 질량 비율은, 50질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 40질량% 이하이다. 규소 화합물의 질량 비율을 낮게 함으로써, 열전도성 시트 중의 매트릭스의 비율을 상대적으로 증가시킬 수 있기 때문에, 열전도성 시트의 강도를 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 예를 들면, 열전도성 시트의 표면에 균열이 생기기 어려워진다.
규소 화합물이 알콕시실란 화합물을 포함하는 경우, 매트릭스와 알콕시실란 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실란 화합물의 질량 비율은, 10질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7질량% 이하이다. 알콕시실란 화합물의 질량 비율을 낮게 함으로써, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 보다 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다. 또한, 매트릭스와 알콕시실란 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실란 화합물의 질량 비율은, 0.1질량% 이상인 것이 바람직하다.
규소 화합물이 알콕시실록산 화합물을 포함하는 경우, 매트릭스와 알콕시실록산 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실록산 화합물의 질량 비율은, 5질량% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10질량% 이상이다. 알콕시실록산 화합물의 질량 비율을 높게 함으로써, 열전도성 시트의 유연성을 높이는 것이 가능하게 된다. 또한, 매트릭스와 알콕시실록산 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실록산 화합물의 질량 비율은, 50질량% 이하인 것이 바람직하다.
<첨가제>
열전도성 시트에는, 필요에 따라, 열전도성 조성물이나 열전도성 시트의 성능을 향상시키는 첨가제를 추가로 함유시킬 수도 있다. 첨가제로서는, 예를 들면, 보강재, 착색제, 내열 향상제, 계면 활성제, 분산제, 난연제, 촉매, 경화 지연제, 열화 방지제, 및 가소제를 들 수 있다.
<열전도성 시트의 용도 및 작용>
열전도성 시트는, 발열체와 방열체의 사이에 배치하여 이용된다. 열전도성 시트의 두께는, 예를 들면, 0.5㎜~10㎜의 범위이다. 열전도성 시트는, 발열체와 방열체의 사이에서 두께 방향으로 압축된 상태로 배치되는 것이 바람직하다. 발열체로서는, 예를 들면, CPU 등의 반도체 소자나 기계 부품을 들 수 있다. 방열체로서는, 히트싱크나 박스체를 들 수 있다.
본 실시형태의 열전도성 시트 중에는, 상기 질량 비율로 규소 화합물이 함유되어 있다. 이와 같이 열전도성 시트에 함유하는 규소 화합물은, 예를 들면, 매트릭스 중에 열전도성 충전재와 함께 분산함으로써, 열전도성 충전재의 기능을 충분하게 발휘시킨다고 추측된다. 이에 의해, 열전도성 시트는, 두께 방향에 있어서, 예를 들면, 14W/m·K 이상의 높은 열전도율을 발휘하는 것이 가능하게 된다.
열전도성 시트는, JIS K6253에 규정에 따라서, 타입 E 듀로미터를 이용하여 측정되는 E경도에 있어서, E5~E90의 범위인 것이 바람직하다. 열전도성 시트의 E경도가 E5 이상인 경우, 열전도성 시트의 핸들링성이 양호하게 된다. 열전도성 시트의 E경도가 E90 이하인 경우, 발열체나 방열체에 대해 추종하기 쉬우며, 발열체나 방열체에 대한 열전도성 시트의 밀착성이 확보됨으로써 발열체와 열전도성 시트 사이 또는 방열체와 열전도성 시트 사이의 열저항을 저감할 수 있다.
<열전도성 시트의 제조>
열전도성 시트는, 열전도성 조성물로부터 얻을 수 있다. 열전도성 조성물은, 매트릭스의 전구체, 열전도성 충전재, 및 규소 화합물을 소정량 혼합하는 것으로 얻어진다. 상세하게 설명하면, 열전도성 조성물의 제조방법은, 매트릭스의 전구체에 열전도성 충전재를 분산시키는 분산 공정과, 규소 화합물을 배합하는 배합 공정을 구비한다. 규소 화합물을 배합하는 배합 공정은, 분산 공정 전, 분산 공정 후, 분산 공정과 동시 중 어느 타이밍에서 행하여도 된다. 또한, 열전도성 조성물에는, 필요에 따라 상기 첨가제를 배합하여도 된다. 분산 공정 및 배합 공정에는, 주지의 교반기나 분산기를 이용할 수 있다. 열전도성 시트는, 열전도성 조성물 중에 있어서의 매트릭스의 전구체를 경화시키는 경화 공정에 의해 얻을 수 있다.
여기에서, 열전도성 조성물에 배합한 규소 화합물은, 예를 들면, 열전도성 충전재의 표면에 결합함으로써, 표면 개질된 열전도성 충전재의 일부를 구성하는 경우가 있다. 또한, 열전도성 조성물에 배합한 규소 화합물은, 매트릭스의 전구체를 경화시켜서 열전도성 시트를 얻을 때에 휘발되는 경우가 있다. 이 때문에, 열전도성 조성물 중에 있어서의 규소 화합물의 함유량은, 열전도성 시트의 제조과정에 있어서, 규소 화합물과 그 외의 화합물의 반응에 의해 소비되는 양이나 휘발에 의해 제거되는 양을 고려하여 조정하면 된다. 예를 들면, 규소 화합물로서, 상기 서술한 고휘발성 화합물을 이용하는 경우에서는, 고휘발성 화합물의 휘발량 등을 고려하여 열전도성 시트 중에 있어서의 상기 질량 비율의 10배 정도의 양을 열전도성 조성물에 배합하면 된다.
열전도성 조성물 중에, 규소 화합물로서, 상기 서술한 고휘발성 화합물과 저휘발성 화합물을 배합하였을 경우, 고휘발성 화합물의 전체를 반응시키거나 휘발시키거나 함으로써, 고휘발성 화합물을 실질적으로 함유하지 않는 열전도성 시트를 얻을 수 있다. 또한, 열전도성 조성물 중에, 규소 화합물로서, 상기 서술한 고휘발성 화합물과 저휘발성 화합물을 배합하였을 경우, 고휘발성 화합물의 일부를 반응시키거나 휘발시키거나 함으로써, 고휘발성 화합물과, 고휘발성 화합물보다도 높은 함유 비율의 저휘발성 화합물을 함유하는 열전도성 시트를 얻을 수도 있다. 또한, 열전도성 시트를 가열하는 후처리에 의해 규소 화합물을 휘발시킴으로써, 열전도성 시트 중에 있어서의 규소 화합물의 함유량을 조정할 수도 있다.
열전도성 조성물 중에 있어서의 규소 화합물의 함유량은, 매트릭스의 전구체 100질량부에 대하여 5질량부 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10질량부 이상이다. 열전도성 조성물 중에 있어서의 규소 화합물의 함유량은, 매트릭스의 전구체 100질량부에 대하여 70질량부 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50질량부 이하이다.
경화 공정에서는, 열전도성 조성물을 가열함으로써, 매트릭스의 전구체로부터, 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산을 형성한다. 경화 공정에서는, 열전도성 조성물을, 매트릭스의 전구체인 액상의 오르가노폴리실록산의 경화 온도 T1 이상의 온도가 되도록 가열한다. 또한, 경화 공정에서는, 열전도성 조성물에 배합한 규소 화합물의 적어도 일부가 미반응의 상태로 열전도성 시트 중에 잔류하도록 열전도성 조성물을 가열한다.
경화 공정에 있어서의 규소 화합물의 휘발량은, 열전도성 조성물에 배합한 규소 화합물의 전체에 대하여, 0~91질량%의 범위인 것이 바람직하다. 규소 화합물이, 고휘발성 화합물을 포함하는 경우, 경화 공정에 있어서의 고휘발성 화합물의 휘발량은, 열전도성 조성물에 배합한 고휘발성 화합물의 전체에 대하여, 20~91질량%의 범위인 것이 바람직하다. 이에 의해, 열전도성 시트 중의 고휘발성 화합물의 함유량을 적게 할 수 있으며, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
또한, 규소 화합물이, 저휘발성 화합물을 포함하는 경우, 경화 공정에 있어서의 저휘발성 화합물의 휘발량은, 열전도성 조성물에 배합한 저휘발성 화합물의 전체에 대하여, 0~20질량%의 범위인 것이 바람직하다. 이와 같이 휘발량이 적으면, 기포의 발생을 억제할 수도 있기 때문에, 열전도성 시트 중의 기포를 요인으로 한 열전도성의 저하를 억제할 수 있다.
경화 공정은, 금형에 주입한 열전도성 조성물을 가열하는 공정이어도 되며, 수지 필름이나 금속판 등의 기재에 도포한 열전도성 조성물을 가열하는 공정이어도 된다. 열전도성 충전재로서, 이방성을 가지는 형상의 열전도성 충전재를 이용하는 경우, 경화 공정 전의 열전도성 조성물에 대하여 주지인 바와 같이 자장(磁場)을 인가함으로써, 열전도성 시트의 두께 방향으로 열전도성 충전재를 배향시킨 열전도성 시트를 얻을 수도 있다. 또한, 열전도성 시트는, 열전도성 조성물의 경화물을 소정의 두께가 되도록 절단함으로써 형성하여도 된다.
또한, 규소 화합물의 휘발은, 경화 공정에 추가하여, 소정의 가열 공정을 실시함으로써, 휘발량을 조정할 수도 있다. 이 경우에도, 규소 화합물의 휘발량은, 열전도성 조성물에 배합한 규소 화합물의 전체에 대하여, 0~91질량%의 범위인 것이 바람직하다.
이상 상세한 설명한 실시형태에 의하면, 다음과 같은 효과가 발휘된다.
(1) 열전도성 시트는, 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스와, 매트릭스 중에 분산된 열전도성 충전재와, 규소 화합물을 함유한다. 규소 화합물은, 알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종이다. 이 구성에 의하면, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있다.
(2) 열전도성 시트에 있어서, 매트릭스와 규소 화합물의 합계 질량에 대한 규소 화합물의 질량 비율은, 0.1질량% 이상, 50질량% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 시트의 열전도율을 보다 높일 수 있는 것과 함께, 열전도 시트의 표면에 균열이 생기기 어려워진다.
(3) 열전도성 시트에 있어서, 규소 화합물이, 알콕시실란 화합물을 포함하는 경우, 매트릭스와 알콕시실란 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실란 화합물의 질량 비율은, 0.1질량% 이상, 10질량% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 시트의 열전도율을 보다 높일 수 있는 것과 함께, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 보다 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
(4) 열전도성 시트에 있어서, 규소 화합물이, 알콕시실록산 화합물을 포함하는 경우, 매트릭스와 알콕시실록산 화합물의 합계 질량에 대한 알콕시실록산 화합물의 질량 비율은, 5질량% 이상, 50질량% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 시트의 유연성을 높일 수 있는 것과 함께, 열전도 시트의 표면에 균열이 생기기 어려워진다. 이에 의해, 발열체나 방열체에 대한 열전도성 시트의 밀착성이 높아짐으로써, 발열체와 열전도성 시트 사이 또는 방열체와 열전도성 시트 사이의 열저항을 저감할 수 있다. 따라서, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있다.
(5) 열전도성 시트 중의 규소 화합물이, 상기 서술한 고휘발성 화합물을 포함하는 경우, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있다.
(6) 열전도성 시트 중의 규소 화합물은, 상기 서술한 저휘발성 화합물을 포함하는 경우, 내열성이 우수한 것과 함께, 장기의 사용에 있어서 물성의 변화가 작은 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
(7) 열전도성 시트 중의 규소 화합물은, 규소 원자에 결합한 알킬기를 가지는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도성 충전재의 분산성을 높임으로써, 열전도성 충전재를 고충전하기 쉬워지기 때문에, 보다 높은 열전도성을 발휘시킬 수 있다.
상기 실시형태로부터 파악할 수 있는 기술적 사상에 대하여 이하에 기재한다.
(a) 열전도성 시트를 제조하는 용도에 이용되는 열전도성 조성물에 있어서, 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스를 얻기 위한 액상의 전구체와, 열전도성 충전재와, 알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종의 규소 화합물을 함유하며, 상기 규소 화합물의 함유량이, 상기 전구체 100질량부에 대하여, 5질량부 이상인 열전도성 조성물.
(b) 열전도성 시트의 제조방법에 있어서, 상기 열전도성 조성물 중의 상기 전구체를 경화시키는 경화 공정을 구비하는 열전도성 시트의 제조방법.
(실시예)
다음으로, 실시예 및 비교예를 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 매트릭스의 전구체, 규소 화합물의 알콕시실란 화합물, 열전도성 충전재(A), 열전도성 충전재(B), 열전도성 충전재(C), 및 가소제를 혼합함으로써 열전도성 조성물을 조제하였다. 매트릭스의 전구체로서는, 알케닐기 함유 오르가노폴리실록산과 하이드로젠오르가노폴리실록산의 혼합물을 이용하였다. 규소 화합물의 알콕시실란 화합물로서는, n-옥틸트리에톡시실란을 이용하였다. n-옥틸트리에톡시실란의 열중량 분석에 있어서의 질량의 감소 비율은, 16.6%이며, 감소 비율이 60%가 되는 온도 T2는, 197℃이며, 감소 비율이 5%가 되는 온도 T3은, 84℃이다. n-옥틸트리에톡시실란의 점도(25℃)는, 10mPa·s이다.
열전도성 충전재(A)는, 흑연화 탄소 섬유(평균 섬유 길이:150㎛)이다. 열전도성 충전재(B)는, 산화알루미늄 분말(구상, 평균 입경:5㎛)이다. 열전도성 충전재(C)는, 산화알루미늄 분말(구상, 평균 입경:1㎛)이다. 가소제로서는, 디메틸폴리실록산(점도(25℃):1000mPa·s)을 이용하였다.
열전도성 조성물에 배합한 각 원료의 배합량을 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서의 배합량의 단위는, 질량부이다.
다음으로, 열전도성 조성물을 시트 형상의 캐비티를 가지는 금형에 주입하고, 8T의 자장을 두께 방향으로 인가함으로써 열전도성 충전재(A)의 흑연화 탄소 섬유를 두께 방향으로 배향시켰다. 그 후, 열전도성 조성물을 80℃, 60분간의 조건으로 가열하고, 추가로 경화 공정으로서 온도 150℃, 120분간의 조건으로 가열함으로써, 매트릭스의 전구체를 경화시켰다. 이에 의해, 실시예 1의 열전도성 시트를 얻었다.
(실시예 2~8 및 비교예 1~3)
표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 열전도성 조성물에 있어서의 배합을 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 열전도성 시트를 얻었다. 표 2에 나타내는 실시예 5~8에 있어서, 규소 화합물의 알콕시실록산 화합물로서는, 메틸메톡시실록산 올리고머를 이용하였다. 메틸메톡시실록산 올리고머의 열중량 분석에 있어서의 질량의 감소 비율은, 0.2%이며, 감소 비율이 60%가 되는 온도 T2는, 300℃ 이상이며, 감소 비율이 5%가 되는 온도 T3은, 205℃이다. 메틸메톡시실록산 올리고머의 점도(25℃)는, 100mPa·s이다. 표 2에 있어서의 배합량의 단위는, 질량부이다. 또한, 각 예에서는, 매트릭스의 전구체, 규소 화합물, 및 가소제의 합계량이 170질량부가 되도록 배합량을 조정하였다.
<열전도성 조성물의 점도>
상기 열전도성 조성물의 점도를 점도계(회전 점도계, BROOK FIELD제, DV-E)로, 스핀들 No.14의 회전자를 이용하여, 회전 속도 10rpm, 측정 온도 25℃의 조건으로 측정하였다. 그 결과를 표 1 및 표 2의 “열전도성 조성물의 점도”란에 나타낸다.
<열전도성 시트 중에 있어서의 규소 화합물의 함유량>
상기 열전도성 시트에 대하여, 매트릭스와 규소 화합물의 합계 질량에 대한 규소 화합물의 질량 비율을 이하와 같이 구하였다.
알콕시실란 화합물을 함유하는 열전도성 시트에 대해서는, 경화 전의 열전도성 시트의 질량과 경화 후의 열전도성 시트의 질량의 차(감량값)를 열전도성 조성물에 배합한 알콕시실란 화합물의 배합량으로부터 뺀 양을 알콕시실록산 화합물의 함유량으로 하였다.
알콕시실록산 화합물을 함유하는 열전도성 시트에 대해서는, 경화 전의 열전도성 시트의 질량과 경화 후의 열전도성 시트의 질량의 차(감량값)가 대략 0이었기 때문에, 열전도성 조성물에 배합한 알콕시실록산 화합물의 배합량을 알콕시실록산 화합물의 함유량으로 하였다.
다음으로, 열전도성 조성물에 배합한 매트릭스의 전구체의 배합량을 열전도성 시트 중의 매트릭스의 함유량으로 하여, 상기 질량 비율을 구하였다.
또한, 열전도성 시트 중의 규소 화합물이나 매트릭스의 함유량은, 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC/MS), 비행 시간형 질량 분석법(TOF/MS), 액체 크로마토그래피/질량 분석법(LC/MS) 등의 주지의 정성(定性) 및 정량 분석법에 의해 구하여도 된다.
그 결과를 표 1 및 표 2의 “규소 화합물의 질량 비율”란에 나타낸다.
<열전도성 시트의 열전도율>
상기 열전도성 시트의 열전도율을, 열 저항 측정기를 이용하여 ASTM D5470-06에 준거한 방법으로 측정하였다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 열 저항 측정기는, 측면이 단열재(11)로 덮어진 제 1 구리제 블록(12) 및 제 2 구리제 블록(13)을 구비하고 있다. 제 1 구리제 블록(12)은, 열 저항 측정기의 하부에 배치되며, 제 2 구리제 블록(13)은, 제 1 구리제 블록(12)의 상방에 배치되어 있다. 제 1 구리제 블록(12)의 상면은, 열전도성 시트의 시험편(S)이 재치되는 재치면(P1)이며, 이 재치면(P1)의 치수는, 25.4㎜×25.4㎜이다. 열 저항 측정기는, 제 1 구리제 블록(12)의 하면을 가열하는 히터(14)와, 제 2 구리제 블록(13)의 상면을 냉각하는 팬을 구비하는 히트싱크(15)를 추가로 구비하고 있다. 열 저항 측정기는, 제 2 구리제 블록(13)에 접속된 실린더(16)를 추가로 구비하고 있다. 제 2 구리제 블록(13)은, 제 1 구리제 블록(12)의 재치면(P1)에 재치된 시험편(S)을 실린더(16)의 가압 동작에 의해 압축하도록 구성되어 있다.
열전도율의 측정은, 먼저, 시험편(S)을 제 1 구리제 블록(12)과 제 2 구리제 블록(13)의 사이에 배치하고, 시험편(S)을 두께 방향의 압축율이 10%가 되도록 압축하였다. 다음으로, 제 1 구리제 블록(12)의 재치면(P1)의 온도가 80℃가 되도록 히터(14)를 발열시켰다. 제 1 구리제 블록(12)의 재치면(P1)의 온도(온도 θj1)가 80℃인 정상 상태가 되도록 15분간 방치한 후, 제 2 구리제 블록(13)의 하면(P2)(시험편(S)에 접촉하고 있는 접촉면)의 온도(온도 θj0)를 측정하였다. 또한, 이 때의 히터(14)의 발열량(발열량 Q), 및 시험편(S)의 두께(두께 T)를 측정하였다. 하기 식 (3)으로부터 산출한 시험편(S)의 열저항의 값을 하기 식 (4)에 대입함으로써 열전도율을 구하였다.
열저항=(θj1-θj0)/Q…(3)
열전도율=T/열저항…(4)
그 결과를 표 1 및 표 2의 “열전도율”란에 나타낸다.
<열전도성 시트의 경도>
상기 열전도성 시트의 경도를 JIS K6253에 규정에 따라서, 타입 E 듀로미터를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 표 1 및 표 2의 “E경도”란에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 각 실시예의 열전도성 시트의 열전도율은, 각 비교예의 열전도성 시트보다도 높다. 또한, 각 실시예의 열전도성 시트의 E경도의 값은, E50 이하이며, 각 실시예의 열전도성 시트에서는, 적당한 유연성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 5~8의 열전도성 시트의 E경도의 값은, E20 이하이며, 실시예 5~8의 열전도성 시트에서는, 유연성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 6의 열전도성 시트는, 실시예 7의 열전도성 시트보다도 취급하기에 적합한 강도를 가지고 있다. 또한, 실시예 8의 열전도성 시트에서는, 열전도율 및 유연성 모두 우수하였다.

Claims (7)

  1. 가교 구조를 가지는 오르가노폴리실록산으로부터 구성되는 매트릭스와,
    상기 매트릭스 중에 분산된 열전도성 충전재와,
    알콕시실란 화합물 및 알콕시실록산 화합물에서 선택되는 적어도 1종의 규소 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스와 상기 규소 화합물의 합계 질량에 대한 상기 규소 화합물의 질량 비율이, 0.1질량% 이상, 50질량% 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이, 상기 알콕시실란 화합물을 포함하며,
    상기 매트릭스와 상기 알콕시실란 화합물의 합계 질량에 대한 상기 알콕시실란 화합물의 질량 비율이, 0.1질량% 이상, 10질량% 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이, 상기 알콕시실록산 화합물을 포함하며,
    상기 매트릭스와 상기 알콕시실록산 화합물의 합계 질량에 대한 상기 알콕시실록산 화합물의 질량 비율이, 5질량% 이상, 50질량% 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이, 승온 개시 온도 25℃, 승온 속도 10℃/분으로 100℃까지 승온한 후, 100℃로 일정하게 유지하는 열중량 분석에 있어서 승온 개시로부터 60분 경과한 시점에 있어서의 질량의 감소 비율이 5% 이상, 60% 이하의 범위인 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이, 승온 개시 온도 25℃, 승온 속도 10℃/분으로 100℃까지 승온한 후, 100℃로 일정하게 유지하는 열중량 분석에 있어서 승온 개시로부터 60분 경과한 시점에 있어서의 질량의 감소 비율이 5% 미만인 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이, 규소 원자에 결합한 알킬기를 가지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
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