KR20200076443A - Led 패키지용 방열 점착 시트 - Google Patents

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Abstract

발열성 소자에 사용되는 다층 방열 점착 시트로서, 발열성 소자에 사용되는 다층 방열 점착 시트로서, 아크릴계 수지 및 익스팬더블 그라파이트(Expandable Graphite)를 포함하는 코어층, 아크릴계 점착 수지 및 무기 방열 필러를 포함하며, 코어층의 양면에서 최외층을 이루는 두 개의 스킨층을 포함하는 다층 방열 점착 시트를 제공한다.

Description

LED 패키지용 방열 점착 시트{Heat Radiation and Adhesive Sheet for LED Package}
본 발명은 발열성 소자에 사용되는 다층 방열 점착 시트로서, 아크릴계 수지 및 익스팬더블 그라파이트(Expandable Graphite)를 포함하는 코어층, 아크릴계 점착 수지 및 무기 방열 필러를 포함하며, 코어층의 양면에서 최외층을 이루는 두 개의 스킨층을 포함하는 다층 방열 점착 시트에 관한 것이다.
기술의 발전에 따라, 반도체칩이 소형화되고, 고집적화되고, 이에 따라 전자기기의 고기능성 및 고용량화가 가속화되고 있다. 고기능성 및 고용량의 전자기기들은 하나의 제품으로 종전에 다수의 제품이 수행해야 했던 일을 처리하게 되어, 업무효율과 공간효율성은 향상된 반면, 전자기기가 작동할 때 발생되는 열과 전자파의 양이 현저히 증가됨에 따라, 전자기기 자체의 오작동을 초래하거나 심하게는 전자기기 자체의 열화나 발화가 발생되는 문제가 생겨났다.
특히, 전자기기의 내부에는 실제 제품을 가동하는 전자부품뿐만 아니라 열에 취약한 소재로 구성된 전자제품의 하우징이나, 내부 기판 및 접착제 등이 함께 내장되어 있기 때문에 전자기기의 작동 시 발생되는 열을 제거하는 것이 전자기기의 안정성과 직결되는 매우 중요한 문제로 대두되었다.
일반적으로 소형화 디스플레이, 타블릿, 휴대용 개인 단말기 등의 소형 전자제품은 내부에서 발생한 열을 외부로 적절하게 확산시키지 못할 경우, 과도하게 축적된 열로 인하여 화면의 결함이 발생, 시스템의 장애와 고장을 유발할 수 있다. 최근 화두가 되고 있는 LED에 대한 응용에 있어서 가장 문제가 되는 부분은 발열로 인하여 공급된 전력이 15 ~ 25 %정도의 에너지만이 빛으로 변화되어 발광할 뿐, 나머지 75 ~ 85 %가 열로 소모된다는 것이다. 이러한 전력의 상당 부분이 열로 소모되며 LED 모듈의 온도를 상승시켜 발광효율 및 제품의 수명에 영향을 끼치며, 패키지의 내구성 등 제품의 전반적인 신뢰성을 떨어뜨리게 되는 문제점을 야기 시킨다.
이러한 문제점에도 불구하고, 디스플레이나, 타블릿, PC, 조명등과 같은 전자제품에 사용되는 LED의 경우 앞에서 언급한 소형화, 집적화에 따른 모듈의 두께 감소로 인하여 방열팬과 히트싱크의 장착이 불가한 바, 대신에 LED로부터 발생하는 열을 알루미늄과 같은 금속을 이용하여 플레이트로 방출하는 방법을 사용한다. LED와 알루미늄 플레이트 사이에는 효율적인 열 전달이 가능한 방열 부재가 필요하다.
이를 위해 0.1 ~3.0 W/mK 정도의 고방열성 시트를 사용할 수 있으나, LED와 알루미늄 플레이트를 강하게 접합하기 위하여 별도의 접착, 볼트, 리벳 등으로 LED와 알루미늄 플레이트를 부착하는 추가 공정을 거쳐야 하고, 추가 공정을 수행한 후에는 재설치하거나 분리하는 것이 어렵다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 시중에는 점착성의 방열 시트를 사용하여, LED와 알루미늄 플레이트를 점착하면서도 LED에서 발생된 열을 플레이트로 전달하여 효율적인 열방출이 가능하도록 구성하고 있다.
그러나, 기존의 방열시트는 높은 열전도율을 가지는 동시에 강력한 점착력을 갖지 못하고, 높은 열전도도를 갖는 점착 시트의 경우 점착력이 낮아 작업성이 떨어지고 이를 이용한 전자기기의 제품안정성 문제를 야기할 수 있는 문제점이 있고, 높은 점착력을 갖는 방열시트의 경우 열전도도가 감소하며 발생된 열을 충분하게 방출하지 못함에 따라 전자기기 자체의 오작동이나 고장을 유발할 수 있는 문제점이 있고, 한번 점착된 이후에는 다시 떼서 재부착하는 등의 추가 작업이 어려운 문제점이 있다.
한편, 고집적 소자는 발열량이 과다한 경우에는 주변의 다른 부품이나, 소자 자체로서 열화하여 화재가 발생될 위험이 있는데, 보통 점착 시트나 점착 테이프는 폴리머 소재 등으로 이루어져 열에 의해 변형되거나 열화되기 쉬워서, 고집적 소자에 난연 소재가 활용되고 있으나, 기본적인 점착 시트나 점착 테이프 내지는 방열 소재로서의 기능을 가지는 것과 동시에 난연성을 확보하기 어려운 문제가 있었는 바, 이를 위한 다양한 시도가 계속되고 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 기술의 발전에 따라 전자기기는 점차 고기능화, 고용량화되어 다수의 전자기기에서 발생되던 열이 하나의 전자기기에서 폭발적으로 발생됨에 따라, 전자기기 내부의 열을 효율적으로 방출하면서도 점착 후에 LED와 방열판을 분리하여 재점착하는 등의 재작업이 가능한 수준의 점착력을 갖는 방열 점착 시트의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고밀도의 소자와 같이 발열량이 많은 고집적소자에서 사용되는 방열 점착 시트로서, 방열 특성과 점착 특성이 모두 우수하면서도, 난연성을 가져 고집적 소자에 사용하기 적합한 방열 점착 시트에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 발열량이 많은 LED 소자에 사용하기 위해 고방열 특성을 가지면서도, 작업성이 우수하고 방열 점착 시트의 점착성 또한 우수한 특성을 갖는 다층 방열 점착 시트를 제공한다.
구체적으로 본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는, 아크릴계 수지 및 익스팬더블 그라파이트(Expandable Graphite)를 포함하는 코어층, 아크릴계 점착 수지 및 무기 방열 필러를 포함하며, 코어층의 양면에서 최외층을 이루는 두 개의 스킨층을 포함한다.
본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는, 익스팬더블 그라파이트의 평균입경이 10 내지 100 ㎛(마이크로미터)인 것을 포함할 수 있고, 코어층의 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 100 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명을 구성하는 스킨층의 무기 방열 필러는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 산화 베릴륨(BeO) 페라이트(Fe2O3), 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 것일 수 있고, 스킨층의 아크릴계 점착 수지 100 중량부를 기준으로, 10 내지 300 중량부로 포함될 수 있다.
구체적으로, 상기 무기 방열 필러는 질화붕소(BN)와 알루미늄계 필러를 포함하는 것일 수 있고, 평균입경은 0.1 내지 20 ㎛(마이크로미터)인 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는 코어층에 추가 무기 방열 필러를 더 포함할 수 있고, 상기 무기 방열 필러는 알루미늄계 필러인 것일 수 있다.
상기 코어층은 분산제를 더 포함할 수 있고, 상기 분산제는 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 점착 시트는 고용량의 전자기기에 사용하기 적합하고, 발열량이 많은 LED 패키징에 사용하기에 특히 적합한 고방열 특성을 가지며, 이와 동시에 점착 특성 또한 우수한 효과를 가진다.
방열 시트 자체로서 점착성을 가지므로, 방열 시트를 설치한 후, LED를 방열판에 부착하기 위한 리벳, 볼트 등에 의한 추가 작업이 필요하지 않음에 따라 공정이 간소화되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 방열 점착 시트의 구성을 나타낸 모식도이다;
도 2 및 도 3은 실험예 1에 따라 제조된 시편의 이미지이다.
도 4 및 도 5는 실험예 1에 따라 제조된 시편의 점착력과 방열 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 6 내지 8은 실험예 2에 따라 제조된 시편의 점착력을 나타낸 그래프이다;
도 9는 실험예 2에 따라 제조된 시편의 이미지이다;
도 10은 실험예 3의 실험결과를 나타낸 이미지이다.
이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명은 방열 점착 시트로서, 발열량이 많은 LED 패키징용으로 사용하기에 특히 적합한 특성을 가지며, LED에서 발생된 열을 방열판으로 전달하여 열의 효율적인 배출이 가능하도록 하면서도, 이와 동시에 방열 시트의 양면이 LED와 방열판을 점착할 수 있도록 점착 특성을 가지는 방열 점착 시트에 관한 것이다.
종래의 방열 점착 시트는 점착 특성과 고방열 특성을 동시에 만족하는 것이 어려웠다. 고방열 특성을 갖는 방열 점착 시트의 경우에는 발열량이 증가함에 따라, 점착층의 스웨팅 현상이 발생되어 점착력이 떨어지는 문제가 발생되고, 이는 전자기기의 안전성이나 고장의 원인이 되는 등의 다양한 문제가 유발되었다. 이와는 반대로, 고열에서도 물성이 변하지 않는 방열 점착 시트를 도입하는 경우에는 방열 특성이 떨어지거나, 시트층이 변성되어 시트 내부의 필러가 고르게 분산되지 못하고 시트의 특정부위에 뭉치는 등의 문제로 인해 방열 시트로서 제대로 기능하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해, 발열성 소자에 사용되는 방열 점착 시트로서, 아크릴계 수지 및 익스팬더블 그라파이트(Expandable Graphite)를 포함하는 코어층; 아크릴계 점착 수지 및 무기 방열 필러를 포함하며, 코어층의 양면에서 최외층을 이루는 두 개의 스킨층; 을 포함하는 다층 구조로 구성됨으로써 방열 특성과 점착 특성이 모두 우수한 방열 점착 시트를 제공한다.
더욱이, 코어층이 익스팬더블 그라파이트를 포함함에 따라, 발열량이 과다한 경우에도 연소되지 않아 난연성이 특히 우수한 특성을 가진다.
본 발명의 다층 방열 점착 시트를 구성하는 코어층은 방열 필러로서 익스팬더블 그라파이트, 즉, 팽창 흑연을 포함한다. 익스팬더블 그라파이트는 코어층의 주요 필러로서 포함되어 코어층의 방열 특성을 향상시키는 효과를 가지며, 익스팬더블 그라파이트 자체의 난연특성에 의해 점착 시트의 난연성 또한 향상된 효과를 가진다.
상기 익스팬더블 그라파이트는 평균입경이 10 내지 100 ㎛(마이크로미터)일 수 있고, 바람직하게는, 25 내지 75 ㎛(마이크로미터), 가장 바람직하게는 30 내지 70 ㎛(마이크로미터)인 것이 바람직하다.
상기 크기보다 작은 입자크기를 갖는 경우, 2차 중합과정에서 광경화효율이 떨어져 테이프 내지 시트로 활용할 수 있는 수준의 강도를 갖지 못하는 문제점이 있고 익스팬더블 그라파이트는 UV를 차단하는 효과를 가지기 때문에, 아크릴 수지를 이용한 UV 경화율이 상대적으로 감소하기 때문에, UV를 조사하여 시트를 경화시키는 것이 불가하거나 어려운 문제점이있다. 상기 크기보다 큰 입자크기를 갖는 경우, 코어층 내에서 익스팬더블 그라파이트의 분산성이 떨어져 방열 특성이 저감되는 문제가 있다.
상기 익스팬더블 그라파이트는 코어층의 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 100 중량부로 포함될 수 있다. 바람직하게는, 5 내지 80 중량부, 가장 바람직하게는, 12 내지 30 중량부로 포함될 수 있다.
상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 익스팬더블 그라파이트에 의한 열전도도가 떨어짐에 따라 방열 특성이 저하되는 문제가 있고, 상기 함량보다 과량으로 첨가하는 경우에는, 시트를 제조하기 위한 경화 효율의 저하로 시트를 제조하기 어렵고, 시트를 제조한 경우에도 완성된 시트의 내구성이 떨어져 시트가 파괴되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는 추가로 추가 무기 방열 필러를 더 포함할 수 있다. 구체적으로는, 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화 붕소(BN), 산화 베릴륨(BeO), 페라이트(Fe2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube, CNT), 카본블랙(Carbon Black) 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 것일 수 있고, 더욱 상세하게는 알루미늄계 필러, 즉, 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 것일 수 있다.
상기 추가 무기 방열 필러는 코어층의 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 100 내지 400 중량부로 포함할 수 있고, 바람직하게는, 120 내지 350 중량부, 가장 바람직하게는 150 내지 300 중량부로 포함할 수 있다.
상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우, 익스팬더블 그라파이트만을 첨가하는 경우와 대비하여 추가 무기 필러를 첨가하는 효과가 크지 않고, 상기 함량보다 과량으로 첨가하는 경우에는, 필러의 함량이 과다하여 코어층을 제조하는 것이 어렵고 필러의 분산성이 크게 떨어지는 문제가 있다.
상기 추가 무기 방열 필러는 0.5 내지 100 ㎛(마이크로미터)의 입자크기를 갖는 것일 수 있으며, 바람직하게는 상기 입자크기를 갖는 추가 무기 방열 필러를 서로 다른 크기의 다양한 입자 크기와 형태를 갖는 방열 필러로 구성하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 10 ㎛(마이크로미터)의 크기를 갖는 추가 무기 방열 필러와 50 ㎛(마이크로미터)의 크기를 갖는 추가 무기 방열 필러를 동일한 중량비율로 포함하도록 구성하는 것이 10 ㎛(마이크로미터)의 크기의 방열 필러만으로 구성하는 경우나 50 ㎛(마이크로미터)의 크기의 방열 필러만으로 구성하는 경우에 비해 방열 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 입자 크기의 추가 무기 방열 필러를 포함함으로써, 코어층 내에 방열 필러들 사이로 열이 전달되는 무기 방열 필러 간의 열전달 경로가 보다 높은 밀도로 촘촘하게 형성될 수 있기 때문에 발열부위로부터 열을 빠르게 방열판으로 전달할 수 있게 된다.
상기 입자 크기보다 작은 크기를 사용하는 경우, 필러의 분산성이 떨어지므로, 방열특성이 점착시트 전체에서 균일하게 나타나지 않아, 다층 방열 점착 시트의 품질이 저하되는 문제가 있고, 상기 입자크기보다 큰 크기를 사용하는 경우, 코어층 표면으로 필러가 돌출되는 문제가 있고, 코어층의 유연성이 떨어짐에 따라 점착시트로 구성하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 코어층은 아크릴계 수지를 포함하는데, 그 종류는 특별히 제한되지 않으며, 익스팬더블 그라파이트 및 추가 무기 방열 필러와 친화성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하다.
따라서, 상기 아크릴계 수지는 아크릴계 단량체를 중합하여 얻어진 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용이 가능하다.
예를 들면, 알킬아크릴레이트, 하이드록시아크릴레이트, 비닐아세테이트및아크릴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 중합하여 얻어진 아크릴계 수지를 사용할 수 있고, 상세하게는, 2-에틸헥실아크릴레이트(2-Ethylhexyl Acrylate), 2-하이드록시프로필아크릴레이트(2-Hydroxy Propyl Acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-Hyderoxy Ethyl Acrylate), 이소옥틸아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 비닐아세테이트 및 아크릴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체를 중합한 것일 수 있다.
상기 알킬 아크릴레이트는 분지형, 사슬형의 알킬기만을 치환기로 포함하고, 하이드록시기나 카르복실기와 같은 다른 치환기는 포함하지 않은 아크릴레이트를 통칭한다.
상기 하이드록시 아크릴레이트는 하이드록시기를 포함하는 아크릴레이트를 통칭하는 의미로 사용되었는 바, 하이드록시기를 포함하는 아크릴레이트로서 추가 다른 치환기를 갖는 것을 통칭한다.
본 발명의 다층 방열 점착 시트를 구성하는 코어층은, 익스팬더블 그라파이트를 포함하고, 추가로 추가 무기 방열 필러를 포함할 수 있기 때문에, 코어층 내에 다량의 필러가 충전됨에 따라, 코어층의 필러의 분산성을 향상시키기 위해 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 10 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 0.15 내지 3 중량부, 가장 바람직하게는 0.2 내지 1 중량부로 포함될 수 있다.
상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는 필러의 분산성에 미치는 영향이 크지 않아 첨가하지 않는 경우와 큰 차이가 없는 문제가 있고, 과량으로 첨가되는 경우에는 부반응에 의하여 코어층의 물성이 저감되는 문제가 있다.
상기 분산제는 구체적으로, 실레인계 분산제, 실록세인계 분산제 및 암모늄계 분산제 중에서 선택된 하나 이상의 것일 수 있고, 바람직하게는 실레인계 분산제와 실록세인계 분산제의 혼합물 또는 실레인계 분산제와 암모늄계 분산제의 혼합물로 구성될 수 있다.
상세하게는, 실레인계 분산제는 γ-글리시옥시프로필트리메톡시실란(γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilane)이고, 상기 실록세인계 분산제는 알콕시실록세인(Alkoxysiloxane)이며, 상기 암모늄계 분산제는 알킬올암모늄염(Alkylol Ammonium salt)일 수 있다.
본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는 상기 코어층을 중심으로 양쪽에 두 단위의 스킨층을 더 포함한다. 본 발명에 있어서, 하나의 코어층과 두 스킨층은 본 발명을 구성하는 가장 기본 단위로서, 코어층과 구성이 유사하고 방열 특성을 더욱 향상시키기 위한 추가 방열층을 더 구비하는 등, 기본 구성층에 추가 층을 더 삽입한 다층 방열 점착 시트로 구성될 수도 있다.
코어층은 본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트의 가장 중심층에 위치하나, 다층 방열 점착 시트의 수직단면상으로 대칭되도록 위치할 필요는 없다. 즉, 코어층의 양면에서 두 스킨층이 최외층을 이루도록 구성되고, 코어층과 스킨층사이에 추가층이 구비되거나, 두 스킨층이 독립적으로 상이한 층의 두께를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 스킨층은 본 발명의 점착시트가 LED 패키징에 적용되어 열이 발생되는 부품과 다른 부품을 서로 연결하는 역할을 한다.
따라서, 상기 스킨층은 아크릴계 점착 수지와 무기 방열 필러를 포함하는 구성을 가진다.
이와 같이 스킨층은 직접적으로 점착 기능을 수행해야 하므로 점착성이 우수하도록 구성하되, 전류가 흐르는 소자에 직접 접촉하는 부분이므로 전기전도성을 갖지 않도록 아크릴계 점착 수지를 포함하되, 무기 방열 필러는 비전도성의수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화 붕소(BN)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 것으로서, 전도성을 갖는 탄소계 필러를 포함하지 않도록 구성된다. 바람직하게는, 질화붕소(BN)와 알루미늄계 필러를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 스킨층에 질화붕소 필러를 첨가하는 경우, 다른 무기 방열 필러를 첨가하는 경우와 대비하여, 방열필러의 함량대비 높은 열전도도를 가지는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 무기 방열 필러는 아크릴계 점착 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 200 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 20 내지150 중량부, 가장 바람직하게는 30 내지 100 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 방열 점착 시트 전체에서 방열 특성이 다소 떨어지는 문제가 있고, 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는 스킨층의 점착력이 감소하며, 아크릴계 수지와 방열 필러를 혼합하는 과정에서 필러를 분산시키기 어려워서 스킨층 자체를 제조하기 어려운 문제가 있다.
상기 스킨층의 무기방열필러는 0.1 ~ 20㎛(마이크로미터)의 입자 크기를 갖는 것일 수 있다. 상기 크기보다 큰 경우에는, 스킨층의 점착력이 떨어지는 문제가 있고, 상기 크기보다 작은 경우에는 분산성이 떨어져 스킨층의 물성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는 다수의 층을 접합하여 하나의 점착시트로 제조되어, 코어층에 의한 고방열 특성과 난연성을 확보하고, 스킨층에 의해 점착 특성 또한 뛰어나도록 구성된다.
스킨층을 구성하는 아크릴계 점착 수지는 코어층의 아크릴계 수지에서 설명된 단량체를 중합하여 얻어질 수 있다. 아크릴계 점착 수지는 코어층의 아크릴계 수지와 동일하거나 유사한 수지로 구성될 수 있다.
스킨층을 구성하는 아크릴계 점착 수지는 알킬 아크릴레이트, 하이드록시아크릴레이트, 비닐아세테이트 및 아크릴산으로 이루어진 군에서 선택된 단량체를 중합한 것일 수 있고, 상세하게는, 2-에틸헥실아크릴레이트(2-Ethylhexyl Acrylate), 2-하이드록시프로필아크릴레이트(2-Hydroxy Propyl Acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-Hyderoxy Ethyl Acrylate), 이소옥틸아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 비닐아세테이트 및 아크릴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단량체를 중합한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 다층 방열 점착 시트는 코어층이 100 내지 500 ㎛(마이크로미터)의 두께를 가지고, 스킨층이 각각 독립적으로 30 내지 100 ㎛(마이크로미터)의 두께를 가질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
표 1의 함량에 기초하여, 다음과 같이 코어층을 제조하고, 표 2에 기초하여 스킨층을 제조하였다.
표 1의 단량체를 중합하여 얻어진 아크릴계 수지에 익스팬더블 그라파이트와 추가 무기 방열 필러를 포함하는 코어층을 제조하고, 표 2의 단량체를 중합하여 얻어진 아크릴계 점착 수지에 무기 방열 필러를 첨가하여 스킨층을 제조하였다.
구 분(중량부) 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7
Monomer 2-EHA 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
HPA 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0
Initiator PI-184 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
Crosslink HDDA 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
Expandable-Graphite 9.0 um 3.0 - - - - - -
12.0 um - 3.0 - - - - -
20.0 um - - 3.0 - - - -
80.0 um - - - 3.0 10.0 15.0 20.0
Al2O3 20.0-50.0 um 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0 120.0
Al(OH)3 1.0-20.0 um 90.0 90.0 90.0 90.0 90.0 90.0 90.0
BN 1.0-5.0 um 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0
구 분(중량부) 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7
Monomer 2-EHA 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
HPA 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0 14.0
Initiator PI-184 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
Crosslink HDDA 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
Al(OH)3 1.0-10.0 um 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0
BN 1.0-5.0 um 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0
상기 표 1과 2에 따라 제조된 방열 점착 시트 시편의 이미지를 촬영하고, 제조된 시편의 상태가 불량인 경우를 제외하고는 제조된 시편의 물성을 확인하는 실험을 진행하였다.
표 3에는 상기 표 1과 2에 기초하여 제조된 i) 코어층, ii) 스킨층 및 iii) 코어층과 스킨층을 접합하여 얻어진 점착시트에 대한 고온에서의 점착유지력, 들뜸(박리)여부 확인실험, 절연파괴여부 확인실험, 난연성 측정 결과를 나타내고, 도 2에는 제조예의 각 시편의 표면 이미지를 나타냈다.
먼저, 고온에서의 점착유지력(Holding Power) 측정 실험은 피착면에 코어층 시편을 부착한 후 1 kg짜리 분동을 걸어서 떨어질 때까지의 시간을 측정하되, 본 실험은 80 ℃의 온도 조건에서의 점착유지력를 측정하였다.
들뜸(박리)실험은 각 시편의 일면을 스테인리스스틸 판(SUS-304)의 표면에 부착한 상태에서 60℃의 온도와 상대습도 90%인 조건에서 부착된 면에서 들뜸(박리)이 나타나는지 여부를 확인하는 실험이다.
절연파괴여부 확인실험은 절연체의 절연 성능 한계를 확인하기 위한 실험으로, 산업용 전기장치에 대한 절연저항 시험기준과 동일하게 6.0 kV의 인가전압조건에서 절연파괴여부 확인실험을 진행하였다.
난연성 확인실험은 UL-94 규격(VTM)에 기초하여 측정을 진행하였다.
평 가 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7
코어층 Holding Power
(hr)		 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 24 24 24 16
들뜸박리 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 등급외
(NG)
절연파괴 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 시트
파괴		 시트
파괴		 시트
파괴		 시트
파괴
난연특성 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 VTM-2 VTM-0 VTM-0 VTM-0
스킨층 Holding Power
(hr)		 24 -
들뜸박리 이상
없음
절연파괴 이상
없음
난연특성 등급외
(NG)
점착시트
(코어층+
2개의 스킨층)		 Holding Power
(hr)		 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 24 24 24 24
들뜸박리 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음
절연파괴 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음
난연특성 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가		 VTM-2 VTM-2 VTM-0 VTM-0
하기 도 2을 참조하면, 익스팬더블 그라파이트의 입자 크기가 서로 다른 제조예 1-1에서 입자크기가 20 ㎛ 이하인 작은 입자를 갖는 익스펜터블 그라파이트를 사용할 경우 입자들이 UV를 차단함에 따라, 아크릴계 수지가 충분히 경화되지 않으므로 코어층이 제조되지 않는 문제가 있었다. (제조예 1-1), 제조예 1-2와 1-3의 경우에는, 표면경화가 일어남에 따라 충분한 점착성을 갖지 않는 것으로 확인되었는 바, 코어층을 스킨층에 접합할 때 완전히 접합되지 않아 다층 방열 점착 시트로 제조하기 어려운 문제점이 있다. 이와 비교하여, 80 ㎛인 익스팬더블 그라파이트를 사용하는 경우, 표면이 경화되지 않고 점착력이 유지됨을 확인할 수 있었는 바, 익스팬더블 그라파이트는 20 ㎛ 초과하는 입자크기를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직 함을 확인하였다.
도 3과 4에는 제조예 1-4 내지 1-7의 점착시트의 점착력 측정실험 이미지와 점착력 측정 실험 결과 그래프를 도시하였다.
도 3을 참조하면, 동일한 입자크기의 익스팬더블 그라파이트를 사용할 때, 제조예 1-7과 같이 20 중량부 이상의 익스팬더블 그라파이트를 첨가하는 경우, 점착된 시트를 떼어내는 과정에서 시트의 파괴가 일어남을 확인할 수 있었는 바, 점착 시트로서 붙였다 떼는 것이 어려워 재작업성(Re-work)이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
도 4를 참조하면, 초기 30 분 경과 후의 시편의 점착력은 큰 차이가 없었으나, 24 시간 경과 후의 시편의 점착력은 익스팬더블 그라파이트의 함량이 15 중량부 이상으로 첨가되는 경우에 다소 저감된 것을 확인할 수 있다. 표 3에 나타낸 바와 같이 20 중량부 첨가된 경우에는 홀딩파워가 다른 제조예들에 비해 2/3 수준으로 저감되어, 점착력(유지력, 안착성, 안정성 및 고온 안정성)이 다소 떨어짐을 확인할 수 있다.
절연파괴여부 확인실험결과를 참조하면, 코어층만으로 구성된 시편은 절연 저항성의 결핍을 확인할 수 있었는 바, 본 발명에 따른 방열 점착 시트가 사용되는 LED 패키징과 같은 전자기기에 사용할 수 있도록, 전자기기와 직접 접촉하는 점착시트 면을 스킨층으로 구성하였다. 이에 따라, 절연 저항성을 갖는 스킨층이 보강된 다층 구조의 점착시트의 경우에는, 6.0 kV의 인가전압 조건에서도 절연 안정성을 갖는 것으로 나타났다.
표 3을 참조하면, 스킨층 및 점착시트(코어층+2개의 스킨층을 접합)에 대한 동일한 조건에서의 절연파괴여부 확인실험에서 이상없이 사용가능함을 확인할 수 있었다.
난연성 측정 실험결과 익스팬더블 그라파이트를 포함하는 코어층은 난연성이 우수한 것을 확인되었다.
상기 시편에 대해, 추가로 방열특성(열전도도, 열확산도) 측정실험을 진행하였다. ASTM E 1461 규격에 기초하여 실험을 진행하고, 도 5에 실험결과를 나타냈다. 동일한 크기의 익스팬더블 그라파이트를 포함할 때, 20 중량부 이상으로 포함되는 경우, 코어층의 밀도 감소, 계면 상의 아크릴계 수지와 방열 필러간의 공핍층의 증가 등의 사유로 열전도도와 열확산도가 감소된 것으로 추측된다.
실험예 2
상기 실험예 1의 제조예 1-6의 제조방법을 참조하여, 해당 시편과 동일한 아크릴계 수지, 익스팬더블 그라파이트 및 무기 방열 필러를 첨가한 코어층을 제조하되, 하기 표 4에 따라 분산제의 종류와 함량을 달리한 코어층의 제조예 2-1 내지 4-5를 제조하였다.
상기 실험예 1의 제조예와 동일한 스킨층을 사용하여 하기 실험을 진행하였다.
구 분 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
DOW 6040
(실레인계 분산제)		 - 0.1 0.3 0.5 0.7
구 분 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5
DOW 11-100
(실록세인계 분산제)		 - 0.1 0.3 0.5 0.7
구 분 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
BYK 180
(암모늄계 분산제)		 - 0.1 0.3 0.5 0.7
제조된 점착시트(코어층+스킨층)에 대하여 점착력을 측정하여 하기 도 6 내지 8에 나타냈다. 표 5와 6에는 각각 제조예 2-1 내지 4-5에 따라 제조된 코어층, 스킨층 및 점착시트(코어층+스킨층)에 대한 고온에서의 점착유지력 및 절연파괴여부 확인실험을 측정한 결과를 나타냈다.
고온에서의 점착유지력 평가와 절연파괴여부 확인실험은 상기의 실험예 1에서 진행한 방법과 동일한 방법으로 진행하였다.
구 분 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
제조예2 코어층 24 24 24 24 24
스킨층 24 24 24 24 24
점착시트 24 24 24 24 24
구분 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5
제조예3 코어층 24 24 24 18 12
스킨층 24 24 24 24 24
점착시트 24 24 24 16 11
구분 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
제조예4 코어층 24 24 24 15 9
스킨층 24 24 24 24 24
점착시트 24 24 24 13 7
구 분 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
제조예2 코어층 Fail Fail Fail Fail Fail
스킨층 Pass Pass Pass Pass Pass
점착시트 Pass Pass Pass Pass Pass
구 분 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5
제조예3 코어층 Fail Fail Fail Fail Fail
스킨층 Pass Pass Pass Pass Pass
점착시트 Pass Pass Pass Pass Pass
구 분 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
제조예4 코어층 Fail Fail Fail Fail Fail
스킨층 Pass Pass Pass Pass Pass
점착시트 Pass Pass Pass Pass Pass
상기 표 5를 참조하면, 실록세인계 분산제와 암모늄계 분산제를 0.5 중량부 이상으로 첨가하는 경우, 고온에서의 점착유지력이 다소 떨어지는 것으로 확인되었다. 도 9에는 고온에서의 점착유지력 시험 후의 시편을 촬영한 것으로서, 코어층에 다량의 분산제를 포함함에 따라 코어층의 물성이 저감되어 코어층에 박리가 일어나거나, 점착 시트를 떼는 경우에 다층이 분리되는 등의 문제가 있었는 바, 코어층의 물성을 고려하여, 0.5 중량부 미만으로 첨가하는 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
상기 표 6를 참조하면, 분산제의 적용 유-무와 관계 없이 익스팬더블 그라파이트가 첨가된 코어층의 절연파괴 실험에서는 절연 저항성의 결핍을 확인하였으나, 절연 저항성을 갖는 스킨층이 보강된 다층구조의 방열점착시트의 경우 6.0 kV의 인가전압 조건에서도 절연 안정성을 갖는 것으로 나타났다.
한편, 하기 도 6를 참조하면, 실레인계 분산제를 사용하는 경우, 코어층의 점착력은 다소 떨어지는 편이나, 표 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 고온에서의 점착유지력은 높은 편이어서, 고온에서의 점착 유지력을 고려하여, 실레인계 분산제를 일부 첨가하는 것이 코어층의 고온에서의 분산성과 점착 유지력을 고려하여 바람직할 것으로 판단된다.
도 7과 도 8에서 실록세인계 분산제와 암모늄계 분산제를 첨가하는 경우, 점착력이 우수하나, 표 5에서 살펴 본 바와 같이 고온에서의 점착 유지력은 다소 떨어지므로, 초기의 점착력을 고려하여 실록세인계 분산제와 암모늄계 분산제를 첨가하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
따라서, 상기 실험결과에 따라, 실레인계 분산제와 실록세인계 분산제 또는 암모늄계 분산제를 혼합하여 사용하는 것이 다층 방열 점착 시트의 물성을 고려할 때 가장 바람직한 것으로 확인되었다.
실험예 3
상기 실험예 1의 제조예 1-6의 제조방법을 참조하여, 코어층과 스킨층을 제조하고 이를 접합하여 제조된 실시예의 점착시트에 대해 연소실험을 진행하였다.
상기 점착시트에서 동일한 스킨층을 사용하고, 익스팬더블 그라파이트의 함량이 5 중량부이고, 10 중량부는 질화붕소(BN)를 더 포함하는 코어층으로 이루어진 비교예의 점착시트를 제조하고 이에 대해 동일한 조건에서 연소실험을 진행하였다.
두 점착시트에 대한 연소실험결과를 하기 도 10에 도시하였다.
하기 도 10을 참조하면, 화기에 의해 점착시트를 연소시킬 경우, 상기 실시예의 점착시트는 익스팬더블 그라파이트가 화기에 의해 팽창함에 따라 표면이 부풀어 오르며 불의 확산이 일어나지 않았다.
반면에, 소량의 익스팬더블 그라파이트와 질화붕소 필러를 더 첨가한 비교예의 점착시트의 경우에는 소량의 익스팬더블 그라파이트가 화기에 의해 팽창함에도 불구하고 불이 확산되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 실시예의 점착시트는 전자기기에 사용하는 경우, 열에 강할 뿐만 아니라, 화재가 발생한 경우에도 화재의 확산을 억제하지 않는 장점이 있는 바, 고집적회로와 같이 발열량이 큰 전자기기에 사용되기 적합하여, LED 패키징 뿐만 아니라 향후 개발되는 다양한 전자기기에 사용이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (9)

  1. 발열성 소자에 사용되는 다층 방열 점착 시트로서,
    아크릴계 수지 및 익스팬더블 그라파이트(Expandable Graphite)를 포함하는 코어층;
    아크릴계 점착 수지 및 무기 방열 필러를 포함하며, 코어층의 양면에서 최외층을 이루는 두 개의 스킨층; 을 포함하는 다층 방열 점착 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 익스팬더블 그라파이트는 평균입경이 10 내지 100 ㎛(마이크로미터)인 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 익스팬더블 그라파이트는 코어층의 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 100 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기 방열 필러는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 산화 베릴륨(BeO) 페라이트(Fe2O3), 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 것인 다층 방열 점착 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기 방열 필러는 아크릴계 점착 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 300 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무기 방열 필러는 질화붕소(BN)와 알루미늄계 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기 방열 필러는 평균입경이 0.1 내지 20 ㎛(마이크로미터)인 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은 추가 무기 방열 필러를 더 포함하고,
    상기 추가 무기 방열 필러는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화 붕소(BN), 산화 베릴륨(BeO), 페라이트(Fe2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube, CNT), 카본블랙(Carbon Black) 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은 분산제를 더 포함할 수 있고,
    상기 분산제는 아크릴계 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 다층 방열 점착 시트.
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