KR20210071497A - 박형화 가능하고 유연성이 뛰어난 복합방열시트, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 모바일 기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합방열시트, 복합방열시트의 제조방법 및 이를 포함하는 모바일 기기에 관한 것으로서, 구체적으로는 박형화가 가능하고 유연성이 뛰어나면서도 방열 및 전자파 차폐성능이 우수한 복합방열시트, 이를 포함하는 모바일 기기와, 이러한 복합방열시트를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

박형화 가능하고 유연성이 뛰어난 복합방열시트, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 모바일 기기{COMPOSITE HEAT-RADIATING SHEET CAPABLE OF BEING MADE THIN AND HAVING EXCELLENT FLEXIBILITY, METHOD FOR PODUCING THE SAME, AND MOBILE DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 복합방열시트, 복합방열시트의 제조방법 및 이를 포함하는 모바일 기기에 관한 것으로서, 구체적으로는 박형화가 가능하고 유연성이 뛰어나면서도 방열 및 전자파 차폐성능이 우수한 복합방열시트, 이를 포함하는 모바일 기기와, 이러한 복합방열시트를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근 전기, 전자기기의 고성능화 및 경박단소화에 따라 그에 내장된 반도체 부품, 발광 부품 등의 열 발생원에서 발생하는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있는 방열 시트에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있고, 더하여 전자파 차폐에 대한 복합 기능까지도 요구되고 있다.
일반적으로 방열 시트는 동박, 동박/그라파이트 적층제, 그라파이트 시트 등을 사용하고 있는데, 동박은 방열특성과 전자파 차폐 특성을 모두 갖추고 있으나 두께가 두꺼워지면 유연성이 부족하고, 수평 방향으로의 열전도가 그라파이트에 미치지 못하며, 밀도가 높아 경량화에도 한계가 있다. 또한, 그 두께가 약 50μm를 넘으면 유연성이 부족해 복잡한 형상의 방열 시트로 적용하기에는 한계가 있다. 또한, 전자파를 차단하기 위한 전자파 차폐시트로 각종 재질로 구성된 상용 제품이 널리 이용되고 있으나, 종래의 전자파 차폐 시트는 열전도성이 낮아 방열 효과를 충분히 얻을 수가 없다.
방열 및 전자파 차폐기능을 적용한 다양한 시트가 개발되고 있지만, 기존의 구조에서는 열확산 시트와 전자파 흡수층에 더하여 시트의 구조적 안정, 그라파이트 박리방지를 위해 내열성과 물리적 안정성, 절연특성이 구비된 PI(Polyimide, 폴리이미드) 필름을 적용하고 있다. 물리적 특성이 부족한 그라파이트와 유연성이 부족하고 고가의 PI필름을 적용하는 바, 박형화에 불리하여 소형 전자기기인 스마트폰 등의 휴대용 전자기기에 적용하기에는 기술적 한계가 있고, 무엇보다 유연성이 크게 떨어져 복합방열시트의 적용면적에 한계가 있다. 최근, 휴대용 전자기기에 플렉서블 특성이 요구되고, 박형화 되고 있는 바, 이에 사용되는 필수 부품인 방열시트 및 전자파 차폐시트도 플렉서블 및 박형화 요구가 증대되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0082896호(2015.07.16. 공개)
본 발명은 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 박형화가 가능하고 유연성이 우수하면서도 동시에 방열 성능이 우수한 복합방열시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 방열 성능 및 전자파 차폐 성능이 뛰어난 모바일 기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 세번째 해결하고자 하는 과제는 박형화가 가능하고 유연성이 우수하면서도 동시에 방열 성능이 우수한 복합방열시트의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 기재층; 상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 그래핀(graphene) 시트층; 및 상기 그래핀 시트층 상에 형성된 폴리아미드이미드(Polyamideimide, PAI) 코팅층을 포함하는 복합방열시트를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속 기재층과 그래핀 시트층 사이에 점착층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복합방열시트 전체의 두께는 25 내지 120㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 그래핀 시트는 복수의 미세 천공을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 미세 천공을 통하여 PAI 수지가 침투하여 상기 금속 기재층에 접촉되어 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복수의 미세 천공의 전체 면적은 상기 복합방열시트 전체 면적 대비 2% 내지 10%일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복수의 미세천공에 대응하는 상기 코팅층 상의 표면의 영역은 표면 조도(Ra)가 1μm 이하일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속 기재층은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)층일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 그래핀 시트는 두께가 25μm일 때, 열확산계수가 1,000 ㎡/s이상이고, 열전도도는 1,650 W/(m·K) 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 그래핀 시트는 두께가 25μm일 때, 하기의 조건에 따라 굽힘 테스트 결과 4×105 내지 6×105(횟수)의 결과를 나타내는 것일 수 있다.
[시험조건]
반지름이 3mm인 봉을 사용하여 시트를 180˚ 굽혔다 펴는 테스트를 반복하여 수행하여 몇 번 굽혔을 때 시트가 파단되는지의 횟수를 측정한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 PAI 수지는 유리전이온도(Tg)가 200℃ 이하인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 첫번째 과제를 해결하기 위하여 금속 기재층; 및 상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 폴리아미드이미드(PAI) 코팅층;을 포함하는 복합방열시트를 제공한다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기한 실시 태양 가운데 어느 하나에 따른 복합방열시트를 포함하는 모바일 기기를 제공한다.
상술한 세번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (1) 금속 기재층의 일면 상에 그래핀 시트를 포함하는 열확산층을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 열확산층의 일면 상에 PAI 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 복합방열시트 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계는 (1-1) 그래핀 시트의 일면에 점착층을 형성하는 단계; (1-2) 상기 점착층이 형성된 그래핀 시트를 타공하여 복수의 미세천공을 형성하는 단계; 및 (1-3) 상기 점착층에 상기 금속 기재층을 접착시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계는 PAI 수지를 코팅하여 상기 그래핀 시트 상의 복수의 미세천공을 통하여 상기 PAI 수지를 침투시켜 상기 금속 기재층에 접촉되도록 하는 것일 수 있다.
또한, 상술한 세번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 기재층의 일면 상에 폴리아미드이미드 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 복합방열시트 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복합방열시트는 박형화가 가능하고 유연성이 좋아 소형화된 모바일 기기 및 최근 트렌드인 엣지(edge) 디스플레이 또는 플렉서블 디스플레이에도 무리 없이 적용할 수 있으며, 동시에 기존에 비하여 개선된 방열 성능과 전자파 차폐 성능을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 모바일 기기는 방열 시트의 박형화 및 유연성의 향상으로 인하여 더욱 소형화하기 용이하며, 플렉서블 디스플레이 등 평면에서 벗어난 형태의 디스플레이를 구현하기 용이한 장점이 있다.
본 발명에 따른 복합방열시트 제조방법은 박형화가 가능하고 유연성이 좋아 소형화된 모바일 기기 및 최근 트렌드인 엣지 디스플레이 또는 플렉서블 디스플레이에도 무리 없이 적용할 수 있으며, 동시에 기존에 비하여 개선된 방열 성능과 전자파 차폐 성능을 제공하는 복합방열시트를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합방열시트의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 복합방열시트의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합방열시트 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 복합방열시트의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4b는 종래의 복합방열시트의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
상술한 바와 같이, 종래의 복합방열시트는 박형화가 어렵고 유연성이 떨어져서 플렉서블 디스플레이 등지에 적용하기에는 어려운 면이 있었다.
따라서, 본 발명에서는 금속 기재층; 상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 그래핀(graphene) 시트층; 및 상기 그래핀 시트층 상에 형성된 폴리아미드이미드(Polyamideimide, PAI) 코팅층을 포함하는 복합방열시트를 제공하여 이와 같은 문제점의 해결을 모색하였으며, 상기 복합방열시트는 박형화가 용이하고 유연성이 뛰어나면서도 동시에 방열 및 전자파 차폐성능이 우수한 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 복합방열시트를 각 구성별로 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 복합방열시트의 층상구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 복합방열시트(100)는 금속 기재층(110), 그래핀 시트를 포함하는 열확산층(120a) 및 PAI 코팅층(130a)를 포함하는 것을 알 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 복합방열시트(100)는 금속기재층(110)과 열확산층(120a)의 사이에 점착층(140)을 더 포함할 수 있다. 점착층(140)을 더 포함하는 경우, 상기 열확산층(120a)과 상기 금속 기재층(110) 간의 박리강도가 향상되어 복합방열시트가 잘 박리되지 않는 장점이 있다.
또한, 반대로 점착층을 포함하지 않을 수도 있는데, 점착층을 포함하지 않는 경우, 방열시트 전체의 두께를 얇게 할 수 있어 유연성이 더욱 우수하며, 박형화 측면에서 더욱 유리한 장점이 있다.
이하, 각 층별로 설명하기로 한다.
금속 기재층(110)은 다른 층을 적층할 때 일정한 형상을 유지하기 위한 기재 역할을 하며, 일반적으로 열전도성이 좋고 가격이 저렴하며, 쉽게 부식이 되지 않는 금속이라면 어느 것이든 사용할 수 있으나, 바람직하게는 구리(Cu) 박막 또는 알루미늄(Al) 박막을 사용하는 것이 좋다. 특히 바람직하게는, 구리가 열전도도가 401 W/(m·K)로 은(Ag) 다음으로 높으며, 가격이 저렴하여 복합방열시트의 기재층으로 사용되기에 적합하다. 알루미늄은 은, 구리, 금의 뒤를 이어 전기 전도도가 우수한 금속으로서, 구리보다는 전도도가 낮지만 가격이 더욱 저렴하고, 산화로부터 안전하고 가벼우며(알루미늄, 철, 구리 비중: 각각 2.69, 7.85, 8.96), 전체 금속 가운데에서는 전기 전도도가 좋은 편이기 때문에 역시 바람직한 금속 기재층 소재 중 하나이다.
상기 금속 기재층(110)은 바람직하게는 10 내지 30μm의 평균 두께를 가질 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 15 내지 25μm의 평균 두께를 가질 수 있다. 만일 상기 금속 기재층(110)의 평균 두께가 30μm를 초과하는 경우 전체적인 복합방열시트(100)의 두께가 너무 두꺼워져 소형화된 기기에 적용하기 어려울 수 있고, 복합방열시트(100)의 유연성이 감소할 수 있다. 또한, 반대로 금속 기재층(110)의 평균 두께가 10㎛보다 얇은 경우에는 복합방열시트(100)가 균일한 두께로 제작되지 않을 수 있어 외관상의 문제가 있고 시인성이 떨어질 수 있으며, 제조 중 찢어짐 등의 문제가 발생할 수 있어, 상기 범위 내의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에서 "평균 두께"라 함은 박막 등의 가장 넓은 면에 수직인 방향으로 임의의 10 지점에서 두께를 측정하여 얻은 두께 값을 산술 평균한(arithmetic mean) 값을 의미한다.
열확산층(120a)은 그래핀 시트(필름)를 포함하며, 상기 그래핀 시트는 당업계에서 일반적으로 사용하는 그래핀 시트를 사용할 수 있다.
그래핀(graphene)은 탄소 동소체 중의 하나로서, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조를 갖고 있으며, 각 탄소 원자들이 육각형의 꼭지점에 위치한 벌집과 같은 분자 구조를 갖는다.
그래핀은 약 5,000 W/(m·K)의 높은 열전도도와 1.0 TPa의 높은 영 계수(Young's modulus)를 가져 박형화하기 용이하고 박리강도를 향상하기 위하여 천공을 타공하더라도 높은 열전도도로 인하여 복합방열시트의 높은 열확산성능을 구현할 수 있다.
상기 열확산층(120a)의 두께는 10 내지 30μm이 바람직하다. 좀 더 바람직하게는 20 내지 30μm으로 하는 것이 좋다. 만일 상기 열확산층(120a)의 두께가 10μm보다 얇은 경우 복합방열시트(100)를 균일한 두께로 형성하기 어려워 디스플레이에 적용 시 외관상의 문제가 생길 수 있다. 만일 두께가 30μm를 초과하는 경우에는 복합방열시트(100)가 너무 두꺼워져 박형화가 어렵고 유연성 및 열확산 성능이 감소할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 시트는 두께 25μm에서 측정하였을 때, 열확산계수가 1,000m2/s 이상이고 열전도도가 1,650W/(m·K) 이상인 것을 사용할 수 있다. 만일 열확산계수 또는 열전도도가 상기 범위에서 벗어나는 경우, 즉 열전도도가 낮은 것을 사용하면 별도의 냉각팬을 갖추지 않은 모바일기기 등을 사용할 때 기기의 열을 충분히 식히지 못하여 기기의 오작동 등을 유발할 수 있으므로, 해당 기기에 사용하는 데 적합한 품질의 방열 시트를 얻을 수 없다.
또한, 바람직하게는 상기 그래핀 시트는 유연성이 매우 우수하여 다양한 형태의 디스플레이에 적용하기 유리하며, 그 외에도 다양한 분야에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 시트는 두께 25μm에서 하기의 시험 조건에 따라서 굽힘 테스트를 수행하였을 때 4×105 내지 6×105회의 굽힘에 파단되지 않는 것일 수 있다.
[시험 조건]
반지름이 3mm인 봉을 사용하여 시트를 상기 봉에 감아 180˚ 굽혔다 펴는 테스트를 반복하여 수행하여 몇 번 굽혔을 때 시트가 파단되는지의 횟수를 측정.
상기 굽힘 테스트에서는 유연성이 높을수록 더 많은 횟수의 굽힘에 시트가 파단되지 않고, 유연성이 낮은 경우 시트가 굽힘에 오래 버티지 못한다. 또한, 봉의 반지름이 커질수록 유연성 테스트의 가혹도가 온화하며, 반지름이 작은 봉을 사용할수록 더 가혹한 조건의 유연성 테스트이다.
상기와 같은 정도의 유연성을 가짐으로써 본 발명의 복합방열시트는 유연한 박막 형태로 제공될 수 있으며, 플렉서블 디스플레이, 엣지 디스플레이, 폴더블 디스플레이 등에 적용되기 적합하다. 만일 상기 테스트 결과에서 굽힘 버팀 횟수 4×105회 미만인 경우, 사용자들의 일반적인 사용 환경에서 일반적인 사용 주기만큼의 내구도를 가지지 못하여 사용자들의 기기 교체 주기가 짧아지게 되는 문제점이 있으며, 6×105를 초과하는 횟수만큼 굽힘에 파단되지 않는 것은 재료의 특성상 달성하기 용이하지 않다.
상기 열확산층(120a)은 복수의 미세 천공(121)을 포함할 수 있다. 이 때 상기 금속 기재층(110)과 상기 열확산층(120a) 사이에 점착층(140)이 형성되어 있을 수 있는데, 이 경우 상기 점착층(140)에도 동일한 미세 천공이 형성되어 있을 수 있다.
상기 미세 천공(121)은 상기 열확산층(120a)의 내부 및 외부에서 붙잡아 상기 금속 기재층(110)에 접착되도록 함으로써 천공이 없는 경우에 비하여 박리강도를 향상시키는 역할을 한다. 만일 상기와 같은 미세 천공이 없는 경우에, 복합방열시트(100)의 내구성이 감소하여 사용 중 또는 고열 조건에서 박리가 일어나 버리는 문제가 있을 수 있다.
상기 미세 천공(121)의 면적의 합은 상기 열확산층(120a) 전체의 면적에 대하여 2% 내지 10%의 비율을 차지할 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 상기 미세 천공의 면적의 합은 상기 열확산층 전체의 면적에 대하여 3% 내지 10%, 더욱 바람직하게는 5% 내지 10%일 수 있다.
만일 미세 천공(121)의 면적의 합이 상기 열확산층(120a) 전체의 면적에 대하여 5% 미만인 경우 상기 금속 기재층(110)과 상기 열확산층(120a) 간의 박리 강도의 향상 효과가 거의 없다. 반대로 상기 미세 천공(121)의 면적의 합이 상기 열확산층(120a) 전체의 면적에 대하여 10%를 초과하면 열확산 성능이 현저하게 감소할 수 있으므로, 상기 범위 내의 면적을 갖도록 미세 천공을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 미세 천공은 당해 기술 분야에서 널리 알려져 있는 방법을 제한 없이 채택할 수 있다. 다만, 그래핀 시트의 형태를 변형시킬 가능성이 적은 것일수록 바람직하다. 바람직하게는 펄스 레이저 장비를 사용하여 타공할 수 있다.
PAI(Polyamideimide) 코팅층은 PAI 수지를 상기 열확산층(120a)의 일면 상에 코팅한 것으로서, 절연층 또는 보호층으로서의 역할을 한다. PAI 코팅층(130a)은 액상의 PAI 수지를 열확산층 표면에 코팅하여 형성할 수 있으므로, 고상의 필름을 접착제로 부착시키는 종래의 방식과 비교하면 점착층(140)을 생략할 수 있어 두께를 감소시킬 수 있어 박형화에 유리하다. 또한, PAI 코팅층(130a)은 유연성이 우수하여 복합방열시트(100)의 유연성을 향상시킬 수 있다.
또한, PAI 코팅층은 다른 첨가제를 첨가하거나 다기능 필러 등을 적용하기 용이하여 복합방열시트의 기능성을 향상하기 용이하며, 건조 및 경화 온도가 낮아 공정이 용이하고 비용이 절감되는 장점이 있다.
즉, PAI 코팅층의 존재로 인하여, 본 발명에 따른 복합방열시트(100)는 바람직하게는 상기 열확산층(120a)과 상기 PAI 코팅층(130a)의 사이에 점착층(140)을 포함하지 않을 수 있다.
상기 PAI 코팅층(130a)은 바람직하게는 상기 열확산층(120a)의 미세 천공(121)을 통하여 상기 PAI 수지가 침투 및 충진되어 상기 금속 기재층(110)과 접촉되어 있을 수 있다. 이와 같이 PAI 수지가 상기 미세 천공을 통하여 침투됨으로써 상기 열확산층을 상기 금속 기재층에 효과적으로 결속시킬 수 있으며, 박리강도를 향상시킬 수 있다.
상기 PAI 수지는 유리전이온도(Tg)가 200℃ 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 만일 Tg가 200℃을 초과하는 PAI 수지를 코팅하여 PAI 코팅층을 형성하는 경우, 부착력이 좋지 않아 상기 금속 기재층과 상기 열확산층 또는 상기 열확산층과 상기 PAI 코팅층 간의 박리강도가 약화될 수 있다. 또한, 공정 조건이 가혹해져 비용이 상승할 수 있다.
또한, 상기 PAI 수지는 중량평균분자량이 60,000g/mol 내지 100,000g/mol인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, PAI 수지의 점도는 3,000 내지 10,000 cPs의 점도를 갖는다. 만일 PAI 수지의 중량평균분자량이 60,000g/mol보다 낮은 경우 열안정성, 기계적 안정성의 저하가 있을 수 있고, 중량평균분자량이 100,000g/mol보다 높은 경우 코팅액의 점도가 상승하게 되어 코팅성 저하가 발생할 수 있으며, PAI의 용해도가 떨어지게 되어 저장안성성에 문제가 될 수 있다. 이는 방열 시트의 물성 저하로 이어진다. 또한 중량평균분자량이 높은 PAI를 이용하여 코팅하게 될 경우 코팅 피막의 깨짐 및 금속 부착력이 떨어져 유연코팅피막을 형성하기가 어려워 질 수 있다.
또한, 상기 열확산층(120a)에 미세 천공(121)이 있는 경우, 상기 PAI 코팅층(130a)의 표면에서 상기 미세 천공(121)에 대응하는 영역은 표면 조도(Ra)가 1 μm 이하일 수 있다. 만일 표면 조도가 1μm을 초과하는 경우 디스플레이에 본 발명의 복합발명시트를 적용했을 때 시인성이 나빠질 수 있다.
점착층(140)이 존재하는 경우, 상기 점착층(140)은 상기 금속 기재층(110)과 상기 열확산층(120a)의 사이에 있을 수 있으며, 상기 점착층의 평균 두께는 2 내지 8μm인 것이 바람직하다. 좀 더 바람직하게는 평균 두께가 3 내지 6μm일 수 있다.
만일 점착층의 평균 두께가 2μm 미만인 경우 점착력이 부족할 수 있으며, 점착층의 평균 두께가 8μm를 초과하는 경우, 복합방열시트의 열확산능이 저하될 수 있고, 복합방열시트 전체의 두께가 두꺼워져 유연성이 감소될 수 있다.
상기 점착층에 포함된 점착제는 당해 기술분야에서 통상의 기술자에게 알려진 종류라면 어느 것이든 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 아크릴계 점착제, 실리콘계 점착제 및 고무계 점착제 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복합방열시트 전체의 평균 두께는 50 내지 70μm일 수 있다. 좀 더 바람직하게는 복합방열시트 전체의 평균 두께가 55 내지 65μm일 수 있다.
만일 평균 두께가 50μm 미만인 경우 디스플레이에 적용 시 시인성이 떨어질 수 있고 균일한 두께로의 제조가 어려운 단점이 있으며, 제조 시 각 층의 두께가 너무 얇아져 찢어지는 등의 문제가 있을 수 있다. 반면에, 평균 두께가 70μm를 초과하는 경우, 복합방열시트의 유연성이 감소하여 소형화 기기 및 플렉서블 디스플레이 등 복잡한 형상의 디스플레이에 적용하기 부적합할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명자들은 금속 기재층; 및 상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 폴리아미드이미드(PAI) 코팅층;을 포함하는 복합방열시트를 제공한다. 금속 기재층과 PAI 코팅층을 포함하는 복합방열시트는 두께가 얇아 더욱 박형화가 가능하고 유연성이 우수한 장점이 있다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기한 실시 태양 가운데 어느 하나에 따른 복합방열시트를 포함하는 모바일 기기를 제공한다.
상술한 복합방열시트는 박형화가 가능하고 방열 성능이 뛰어나며 유연성이 우수하여, 이러한 복합방열시트를 포함하는 모바일 기기는 디스플레이의 가장자리를 휘게 만든 엣지(edge) 디스플레이, 또는 디스플레이를 접었다 펼 수 있는 폴더블(foldable) 디스플레이 등 복잡한 형상을 구현하기 용이하다. 또한, 기기 자체를 소형화하더라도 상술한 박형화한 복합방열시트를 적용하여 발열 문제를 해결할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 복합방열시트의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 중복되는 설명을 피하기 위하여, 상술한 복합방열시트의 구조에 관한 설명 부분에서 이미 설명한 부분은 제외하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합방열시트 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 (1) 금속 기재층(110)의 일면 상에 그래핀 시트를 포함하는 열확산층을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 열확산층의 일면 상에 PAI 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
열확산층에 그래핀 시트를 사용함으로써 종래의 복합방열시트에 비하여 개선된 열확산능을 구현할 수 있으며, 탄성도 우수하여 복잡한 형상의 디스플레이에 적용하기 용이하고 박형화 또한 유리하다.
그래핀 시트는 복합방열시트 부분에서 설명한 것과 같이 당해 기술분야에서 알려진 그래핀 시트라면 어느 것이나 제한 없이 사용이 가능하다. 바람직하게는, 흑연 분말로부터 얻어질 수 있고, 구체적으로는 상기 흑연 분말을 열산화분해하여 그래핀 산화물(graphene oxide, GO) 분말을 얻고, 이를 물, 에탄올, 프로판올, 메탄올 등의 알코올류 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 분산하여 현탁액(suspension)으로 만든 후 건조, 필름화하여 GO 필름으로 제조하고, 이를 탄화(Carbonizatino) 및 흑연화(Graphitization)하여 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 흑연 분말은 천연 흑연 분말일 수 있다. 천연 흑연 분말을 사용하는 경우 폴리이미드(Polyimide, PI) 등의 고분자를 탄화시켜 만든 인조 흑연을 사용하는 것에 비하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
이러한 공정을 통하여 그래핀 시트를 얻는 경우 공정이 친환경적이며 유해 가스의 발생을 감소시킬 수 있다. 또한, 고집적(高集積) 장비를 이용하여 공정 자동화가 용이하다는 장점이 있다.
바람직하게는, 상기 (1) 단계는 다시 하기의 세 단계를 포함하는 단계로 세분화될 수 있다.
(1-1) 그래핀 시트의 일면에 점착층을 형성하는 단계;
(1-2) 상기 점착층이 형성된 그래핀 시트를 타공하여 복수의 미세 천공을 형성하는 단계; 및
(1-3) 상기 점착층에 상기 금속 기재층을 접착시키는 단계.
이를 통하여 상기 그래핀 시트를 상기 금속 기재층(110)에 단단하게 부착시킬 수 있으며, 복합방열시트내 열확산층(120a)과 금속 기재층(110) 간의 박리 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 미세 천공을 타공하는 과정은 당업계에 알려진 일반적인 방법을 사용하여 수행할 수 있으며, 통상의 기술자는 이러한 공정을 어렵지 않게 목적에 따라 선택할 수 있으며, 복합방열시트의 물성에 변화를 주고자 하는 경우 변화를 주어야 하는 변수 또한 당업계에 알려진 범위 내에서 통상의 창작 능력을 발휘하여 최적화할 수 있다.
상기 (2) 단계는 PAI 수지를 상기 열확산층 표면에 코팅하여 상기 PAI 코팅층을 형성하는 단계일 수 있으며, 이에 따른 효과는 상술한 것과 같다.
이 때, 상기 그래핀 시트 상에 미세 천공(121)이 형성되어 있는 경우, 상기 PAI 수지는 상기 미세 천공(121)을 통하여 침투해 들어갈 수 있으며, 금속 기재층에 접촉될 수 있다. 이를 통해 금속 기재층(110)과 열확산층(120a), 열확산층(120a)과 PAI 코팅층(130a) 간의 박리 강도를 향상시킬 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
또한, 본 발명자들은 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여 금속 기재층의 적어도 일면 상에 PAI 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 복합방열시트 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 따라 제조된 복합방열시트는 박형화가 더욱 용이하고 탄성이 우수하여 복잡한 형상의 디스플레이(예를 들어 플렉서블, 폴더블 디스플레이)에 적용이 용이하며 박형화 또한 유리하다.
본 복합방열시트 제조방법의 각 단계 및 사용되는 소재 등 구성에 관한 구체적인 사항은 이미 설명한 복합방열시트 및 그 제조방법에 대응되는 부분들과 동일하므로 설명을 생략한다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예>
실시예 1: 복합방열시트의 제조
수계 용매에 분산된 그래핀 산화물(GO) 현탁액을 바코팅 방법으로 기재에 코팅 후 건조시켜 GO 필름을 형성하였다. 상기 GO 필름을 탄화, 흑연화, 가교화시켜 그래핀 필름을 형성한다. 상기 그래핀 필름은 약 25μm의 두께로 형성되었다. 상기 그래핀 시트의 일면에 10μm의 두께로 아크릴계 감압 접착제(PSA)를 라미네이터를 이용하여 도포하여 점착층을 형성하였다. 점착층이 형성된 그래핀 시트에 펨토초 레이저 장비를 이용하여 일정한 패턴의 미세 천공을 형성하였다. 미세 천공의 타공 면적의 총합과 그래핀 면적의 비가 10%가 되도록 하였다.
상기 천공 패턴이 형성된 시트를 두께 18μm의 Cu전해동박의 일면에 라미네이터를 이용하여 합지하였다. 상기 Cu/PSA/그래핀 시트의 상기 그래핀 시트 상에 유리전이온도가 150℃이며, 점도 9,000cPs, 고형분 15%, 중량평균분자량이 70,000g/mol인 폴리아미드이미드(PAI) 코팅액을 도포하고, 오븐 내에서 130℃로 건조시켜 8μm의 두께로 PAI층을 형성하여 복합방열시트를 제작하였다.
실시예 2: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 미세 천공을 타공하는 단계를 생략한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
실시예 3: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 그래핀 시트의 두께를 35㎛로, PAI 코팅층의 두께를 50μm로 한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
실시예 4: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 미세 천공의 전체 면적을 상기 복합방열시트 전체 면적 대비 1%로 조절한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
실시예 5: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 미세 천공의 전체 면적을 상기 복합방열시트 전체 면적 대비 12%로 조절한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
실시예 6: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, PAI 수지를 중량평균분자량 120,000 g/mol 이상, 점도 30,000cPs 및 유리전이온도 220℃인 것을 사용한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
실시예 7: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 구리 기재 일면 상에 그래핀 시트를 부착하지 않고 직접 PAI 수지를 코팅하여 복합방열시트를 제조한 점을 다르게 하였다.
비교예 1: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 구리 기재에 부착된 상기 그래핀 시트 상에 PAI 수지를 코팅하는 대신에 PI 필름(두께: 25μm)에 점착제(핫멜트)를 도포하여 상기 그래핀 시트에 부착시킨 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
비교예 2: 복합방열시트의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 그래핀 시트 대신 흑연 시트(25μm)를 사용한 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
비교예 3: 복합방열시트의 제조
비교예 2와 동일하게 실시하되, PAI 수지를 코팅하는 대신에 PI 필름(두께: 25μm)에 점착제(핫멜트)를 도포하여 상기 흑연 시트에 부착시킨 점을 다르게 하여 복합방열시트를 제조하였다.
이상 실시예 및 비교예에서 제조한 복합방열시트의 상세한 내용은 하기 표 1에 기재하였다.
구분 금속
기재층		 열확산층 절연층
종류/두께
(μm)		 종류 천공면적비율
(%)		 두께
(μm)		 종류 분자량 형성방법 Tg
(℃)		 두께1)
(μm)
실시예 1 Cu/18 그래핀 10 25 PAI 70,000 코팅 150 8
실시예 2 Cu/18 그래핀 -2) 25 PAI 70,000 코팅 150 8
실시예 3 Cu/18 그래핀 10 35 PAI 70,000 코팅 150 30
실시예 4 Cu/18 그래핀 1 25 PAI 70,000 코팅 150 8
실시예 5 Cu/18 그래핀 12 25 PAI 70,000 코팅 150 8
실시예 6 Cu/18 그래핀 10 25 PAI 120,000 코팅 220 8
실시예 7 Cu/18 - - - PAI 70,000 코팅 150 8
비교예 1 Cu/18 그래핀 10 25 PI - 고형필름 접착 - 25+53)
비교예 2 Cu/18 흑연 10 25 PAI 70,000 코팅 150 8
비교예 3 Cu/18 흑연 10 25 PI - 고형 필름 접착 - 25+53)
1) 절연층의 두께는 그래핀 또는 흑연층의 가장 높은 점으로부터 절연층의 표면까지의 수직거리를 의미한다.
2) 미세천공 없음
3) PI 필름 두께 + 점착층 두께
* PI 필름은 분자량 및 유리전이온도를 측정하지 않음
<실험예>
실험예 1: 열확산능 시험
실시예 및 비교예에 따라 제조한 복합방열시트를 각각 가로세로 10mm×10mm의 크기로 절단하고, 준비된 시료는 히팅블록(Heating Block) 위에 부착시키고 히팅블록의 온도를 80℃로 상승시킨다. Smart Phone 내 AP칩 발열온도 수준의 온도인 80℃로 상승시켜 평가를 진행하였다.
다음으로, 히팅블록을 박스(Box)에 밀폐시킨 후 10분간 안정화를 진행한 후, IR 카메라를 이용해 온도를 측정하여 복합시트의 가장 높은 온도(Th) 및 가장 낮은 온도(Tc) 부분을 측정하였고, 이들의 온도차를 구하여 복합시트의 열확산능을 측정하였다. 이때, 두 온도의 차이 ΔT(=Th-Tc) 값이 작을수록 우수한 것을 나타낸다.
측정된 Th, Tc 및 ΔT 값을 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 2: 박리강도 시험
실시예 및 비교예에 따라 제조한 복합방열시트를 JIS C 6741 규격에 따라 시편을 준비하여 열확산층 전체의 박리강도(Peel Strength)를 180˚ 필 테스트(180˚ Peel Test)로 측정하였고 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
구분 박리강도
(gf/cm2)		 Th
(℃)		 Tc
(℃)		 △T(=Th-Tc)
(℃)
실시예 1 1,050 77.9 57.1 20.8
실시예 2 130 77.4 57.6 19.8
실시예 3 1,039 76.8 57.9 18.9
실시예 4 490 77.6 58.1 19.5
실시예 5 1,100 79.9 55.2 24.7
실시예 6 150 78.3 56.8 21.5
비교예 1 695 78.7 57.2 21.5
비교예 2 980 82.1 58.3 23.8
비교예 3 687 81.6 59.2 22.4
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 6의 경우, 열확산층에 흑연(graphite) 시트 대신에 그래핀 시트를 사용하였고, PI 필름층 대신에 PAI 코팅층을 적용한 결과 비교예에 따른 복합방열필름에 비하여 유연성이 좋고, 열확산 성능 또한 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
반면에 비교예 2 및 3의 경우, 흑연 시트를 사용하여 열확산 성능이 실시예의 복합방열시트에 비하여 좋지 못하고, 비교예 1 및 3은 PAI 코팅층 대신에 PI 필름층을 적용한 결과 실시예의 복합방열시트에 비하여 두께가 두꺼워진 것을 확인할 수 있고, 이로 인하여 박형화 측면에서 불리할 것임을 알 수 있다.
또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 열확산층에 미세 천공을 타공하지 않은 실시예 2의 복합방열시트에 비하여 실시예 1이 현저히 높은 박리 강도를 가짐을 알 수 있다. 따라서 실시예 1에 따른 복합방열시트가 내구성이 더 좋을 것임을 알 수 있다.
실시예 1과 실시예 3을 비교하면, 복합방열시트의 두께가 78μm인 실시예 3의 복합방열시트는 유연성이 실시예 1에 비하여 좋지 않으며, 박형화에 불리할 것임을 알 수 있다.
실시예 1과 실시예 4 및 5를 비교하면, 열확산층 내의 미세 천공의 면적을 총 합한 것이 복합방열시트 전체 면적 대비 지나치게 작은 실시예 4는 박리강도가 떨어지며, 미세 천공 면적이 지나치게 넓은 실시예 5는 열확산 성능이 실시예 1에 비하여 좋지 않음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1과 실시에 6을 비교하면, 실시예 6의 PAI 수지는 유리전이온도가 200℃를 초과하고, 중량평균분자량이 지나치게 큰 것을 사용한 결과 층간 부착력이 낮아져 박리강도가 낮아졌다는 것을 확인할 수 있었다.
100: 복합방열시트
110: 금속 기재층
120a: 그래핀 시트
120b: 흑연 시트
121: 미세 천공
130a: PAI 수지
130b: PI 수지
140: 점착층

Claims (16)

  1. 금속 기재층;
    상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 그래핀(graphene) 시트를 포함하는 열확산층; 및
    상기 열확산층의 일면 상에 형성된 폴리아미드이미드(Polyamideimide, PAI) 코팅층을 포함하는 복합방열시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기재층과 열확산층 사이에 점착층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합방열시트 전체의 평균 두께는 25 내지 120μm인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열확산층은 복수의 미세 천공을 포함하고, 상기 미세 천공을 통하여 PAI 수지가 침투하여 상기 금속 기재층에 접촉된 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 미세 천공의 전체 면적은 상기 복합방열시트 전체 면적 대비 2% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 미세천공에 대응하는 상기 코팅층 상의 표면의 영역은 표면 조도(Ra)가 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기재층은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)층인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 시트는 두께가 25μm일 때, 열확산계수가 1,000 m2/s이상이고, 열전도도는 1,650 W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 시트는 두께가 25μm일 때, 하기 조건에 따라 굽힘 테스트 결과 4×105 내지 6×105(횟수)를 나타내는 것을 특징으로 하는 복합방열시트:
    [시험조건]
    반지름이 3mm인 봉을 사용하여 시트를 상기 봉에 감아 180˚ 굽혔다 펴는 테스트를 반복하여 수행하여 몇 번 굽혔을 때 시트가 파단되는지의 횟수를 측정.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 PAI 수지는 유리전이온도(Tg)가 200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 복합방열시트.
  11. 금속 기재층; 및
    상기 금속 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 폴리아미드이미드(PAI) 코팅층;을 포함하는 복합방열시트.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복합방열시트를 포함하는 모바일 기기.
  13. (1) 금속 기재층의 일면 상에 그래핀 시트를 포함하는 열확산층을 형성하는 단계; 및
    (2) 상기 열확산층의 일면 상에 PAI 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 복합방열시트 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (1) 단계는
    (1-1) 그래핀 시트의 일면에 점착층을 형성하는 단계;
    (1-2) 상기 점착층이 형성된 그래핀 시트를 타공하여 복수의 미세천공을 형성하는 단계; 및
    (1-3) 상기 점착층에 상기 금속 기재층을 접착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합방열시트 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (2) 단계는 PAI 수지를 코팅하여 상기 그래핀 시트 상의 복수의 미세 천공을 통하여 상기 PAI 수지를 침투시켜 상기 금속 기재층에 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합방열시트 제조방법.
  16. 금속 기재층의 일면 상에 폴리아미드이미드 수지를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 복합방열시트 제조방법.
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