KR20210131935A - 열전도성 조성물 - Google Patents

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KR20210131935A
KR20210131935A KR1020210140554A KR20210140554A KR20210131935A KR 20210131935 A KR20210131935 A KR 20210131935A KR 1020210140554 A KR1020210140554 A KR 1020210140554A KR 20210140554 A KR20210140554 A KR 20210140554A KR 20210131935 A KR20210131935 A KR 20210131935A
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Abstract

본 출원은 열전도성 조성물 및 그 용도를 제공한다. 본 출원에서는, 다양한 용도에 적용되고, 적절한 압착 흐름 특성, 접착 특성, 방열 특성, 열전도성, 재작업성, 저장 안정성, 절연 특성, 저장 안정성 및 내구성을 가지는 열전도성 조성물을 제공할 수 있다.

Description

열전도성 조성물{Thermally Conductive Composition}
본 출원은, 열전도성 조성물, 열전도성 클레이 또는 간극 충전제에 대한 것이다.
열을 전도할 수 있는 조성물은 다양한 분야에서 요구되고 있다.
예를 들어, 컴퓨터 산업에서, 더 높은 연산 능력 및 속도로의 계속적인 동향(movement)이 존재한다. 마이크로 프로세서는 계산 속도의 증가를 위하여 더욱 더 작은 특징부 크기로 만들어지고 있다. 따라서 전력속(powerflux)은 증가되고 보다 많은 열이 마이크로프로세서의 단위 면적 당 발생된다. 마이크로프로세서의 열 출력이 증가함에 따라, 열 또는 '열 관리'는 더욱 더 난제가 되고 있다. 열관리의 하나의 측면은 당 산업계에서 "열 계면 재료" 또는 "TIM(thermal interface material)"으로서 공지되어 있으며, 이로써 그러한 재료는 마이크로 프로세서와 같은 열원과 방열 장치 사이에 배치되어 열 전달을 돕는다. 그러한 TIM의 예에는 열전도성 조성물(Thermally Conductive Composition)이 포함된다.
또한, 배터리 팩을 제조하는 과정에서 열전도성을 가지는 조성물(Thermally Conductive Composition)이 요구될 수 있다. 이차 전지에는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 또는 리튬 이차 전지 등이 있고, 대표적인 것은 리튬 이차 전지이다. 복수의 이차 전지를 전기적으로 연결한 후에 케이스에 수납한 구조체를 배터리 모듈이라고 호칭하며, 예를 들면, 특허문헌 1은 상기 배터리 모듈로서, 간단하고 저비용인 공정으로 제조되면서, 방열 특성과 부피 대비 에너지 효율이 우수한 배터리 모듈이 개시되어 있다. 보다 높은 출력이 요구되는 용도에서는 상기와 같은 배터리 모듈을 또한 복수개 전기적으로 서로 연결하여 케이스 등에 수납함으로써 소위 배터리 팩을 구성한다. 이와 같이 배터리 팩을 구현하는 과정에서 배터리 모듈과 배터리 모듈간의 사이 및/또는 배터리 모듈과 배터리 팩의 케이스 사이에 열전도성 조성물(Thermally Conductive Composition)이 요구될 수 있다.
한국공개특허 제2016-0105354호
본 출원은, 열전도성 조성물 및 그 용도를 제공한다.
본 출원의 열전도성 조성물은, 적어도 오일 성분; 및 필러를 포함할 수 있다. 상기에서 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 상기 열전도성 조성물은 다양한 용도에 사용될 수 있으며, 예시적으로 후술하는 바와 같이 상기 열전도성 조성물은, 복수의 배터리 모듈을 케이스 내에 수납하여 구성된 배터리 팩에서 상기 배터리 모듈과 모듈의 사이 및/또는 배터리 팩 케이스와 배터리 모듈의 사이에 위치될 수 있다.
상기와 같은 용도의 열전도성 조성물에 요구되는 물성은, 복수의 배터리 모듈을 효과적으로 유지할 수 있는 적절한 접착성, 모듈에서 발생하는 열을 팩의 케이스로 효율적으로 전달할 수 있는 열전도성, 배터리 팩의 조립 과정에서 모듈의 분리 및 재부착이 가능하도록 할 수 있는 재작업성(re-workability), 케이스나 모듈에 손상을 주지 않을 특성, 절연 특성, 저장 안정성 및 상기와 같은 특성이 장기간 안정적으로 유지될 수 있는 내구성 등이며, 본 출원의 열전도성 조성물은 상기와 같은 특성을 안정적으로 만족시킬 수 있다.
본 출원의 열전도성 조성물은, 오일 성분을 포함함으로써, 그리스(grease) 타입의 조성물이 될 수 있다. 용어 그리스는 1/s의 전단률 및 20℃에서 점도가 1,000 cP 초과이고, 1/s의 전단률 및 125℃에서 점도가 100,000,000 cP 미만인 물질을 의미한다. 상기 그리스 타입의 조성물은, 통상 기계의 마찰 부분에 쓰이는 매우 끈적끈적한 윤활유 타입의 조성물을 의미할 수 있고, 통상 반고체 상태이면서 높은 점도를 나타낸다.
본 출원의 열전도성 조성물은 미경화형일 수 있다. 미경화형이라는 것은, 열전도성 조성물 내에 경화 반응을 유발할 수 있는 성분이 존재하지 않는 것을 의미한다. 열전도성 조성물을 미경화형으로 하는 것은 상기 요구 물성 중에서 재작업성의 확보에 유리하다.
본 출원과 같은 용도에 적용되는 열전도성 조성물에서 요구되는 물성 중에서는 적절한 압착 흐름(squeeze flow)가 있다. 상기에서 압착 흐름은, 열전도성 조성물을 원기둥 형상(바닥면의 지름: 약 8 mm, 높이: 약 3 mm)으로 성형한 후에 상하에서 높이가 약 0.3 mm로 될 때까지 약 1 mm/s의 속도로 눌러주면서 인가되는 힘을 측정하였을 때에 상기 높이가 약 0.5 mm가 되는 시점에서의 힘을 의미한다. 상기 압착 흐름을 측정하는 구체적인 방식은 실시예에 기재한다. 본 출원과 같은 용도의 열전도성 조성물의 경우에 상기와 같은 방식으로 측정한 압착 흐름은 약 700 gf 이하일 수 있다.
상기 압착 흐름은 다른 예시에서 약 700 gf 이하, 680 gf 이하, 660 gf 이하 또는 640 gf 이하 일 수 있거나, 약 50 gf 이상, 100 gf 이상, 150 gf 이상, 200 gf 이상, 250 gf 이상, 300 gf 이상, 350 gf 이상, 400 gf 이상, 450 gf 이상, 500 gf 이상 또는 약 550 gf 이상일 수 있다.
이와 같은 압착 흐름을 가지는 열전도성 조성물은 적은 힘에 의해서도 넓게 퍼지고, 인가되는 압력이 없어지는 경우에도 금이 생기지 않게 퍼지며, 열전도성 조성물끼리 잘 뭉치는 특성을 나타낼 수 있다.
상기와 같은 압착 흐름은 분산제의 역할을 하는 성분으로서 적절한 성분을 선택 및 적용하여 달성할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도나 압력이 그 결과에 영향을 미치는 물성의 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은, 상온 및 상압에서 측정한 물리량이다.
용어 상온은, 가온되거나 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 20°C 내지 약 30°C의 범위 내의 온도 또는 약 23°C 또는 약 25°C 정도일 수 있다. 또한, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 본 명세서에서 언급하는 온도는 섭씨 온도이다.
용어 상압은, 특별히 줄이거나 높이지 않은 때의 압력으로서, 보통 대기압과 같은 1 기압 정도의 압력을 의미한다.
상기 열전도성 조성물은 오일 성분을 포함한다. 오일 성분을 적용함으로써 열전도성 조성물이 적합한 접착 성능과 절연 특성을 가질 수 있다.
본 출원에서 적용할 수 있는 오일 성분은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 광물성 오일(mineral oil), 식물성 오일(vegetable oil) 또는 기타 합성 오일(Synthesized oil) 등이 사용될 수 있다.
상기에서 광물성 오일로는, 알케인(alkane) 및/또는 파라핀(paraffin) 등을 사용할 수 있고, 예를 들면 포화 에스테르 오일(saturated ester oil), 포화 탄화수소(saturated hydrocarbon)을 사용할 수 있다. 상기에서 포화 탄화수소로는 예를 들면, 탄소수 1 내지 30, 탄소수 4 내지 30, 탄소수 8 내지 30, 탄소수 12 내지 30 또는 탄소수 18 내지 26의 포화 탄화수소를 사용할 수 있다.
식물성 오일로는, 식물 유래의 오일(plant-based oil)이라면 특별한 제한 없이 적용할 수 있으며, 예를 들면, 코코넛 오일(coconut oil), 해바라기 오일(sunflower oil), 대두유(soybean oil), 홍화씨 오일(safflower oil) 등이 사용될 수 있다.
또한, 합성 오일로는, 소위 PAO로 호칭되는 폴리알파올레핀계 오일; 선형 알파올레핀계 오일; 또는 트리메틸올프로판 에스테르 등과 같은 에스테르계 오일; 등이 사용될 수 있다.
본 출원에서는 상기와 같은 공지의 오일 중에서 적정한 오일을 선택할 수 있고, 요구 물성을 고려하여 액상 오일 또는 소위 그리스(grease)로 호칭되는 반고상(semi-solid) 오일을 사용할 수 있다.
일 예시에서 상기 오일 성분으로는 폴리알파올레핀(PAO: polyallphaolefin)계 오일을 사용할 수 있다.
PAO 오일로는 특별한 제한 없이 공지의 오일을 적용할 수 있고, 예를 들면, 본원의 목적을 고려하여 그 동적 점성도(kinematic viscosity)가 소정 범위 내인 오일을 사용할 수 있다.
일 예시에서 상기 PAO 오일은, ASTM D445 규격에 따른 동적 점성도(kinematic viscosity)가 100℃에서 3 cSt 내지 20 cSt의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 100℃에서의 동적 점성도는, 다른 예시에서 약 3.5 cSt 이상, 4 cSt 이상, 4.5 cSt 이상, 5 cSt 이상, 5.5 cSt 이상, 6 cSt 이상, 6.5 cSt 이상, 7 cSt 이상 또는 약 7.5 cSt 이상이거나, 약 18 cSt 이하, 16 cSt 이하, 14 cSt 이하, 12 cSt 이하, 10cSt 이하, 9 cSt 이하 또는 약 8.5 cSt 이하일 수 있다.
일 예시에서 상기 PAO 오일은, ASTM D445 규격에 따른 동적 점성도(kinematic viscosity)가 40℃에서 약 10 cSt 내지 60 cSt의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 40℃에서의 동적 점성도는, 다른 예시에서 약 15 cSt 이상, 20 cSt 이상, 25cSt 이상, 30 cSt 이상, 35 cSt 이상 또는 약 40 cSt 이상이거나, 약 55 cSt 이하 또는 약 50 cSt 이하일 수 있다.
상기와 같은 범위의 동전 점성도를 가지는 PAO 오일은 본 출원의 목적에 적합한 열전도성 조성물의 형성에 유리할 수 있다.
상기 동적 점성도는 ASTM D445 규격에 따라 측정할 수 있으며, 또한 PAO 오일의 제조/판매 업체는 각 PAO 오일에 대한 상기 ASTM D445 규격에 따른 동적 점성도를 제품 스펙으로 공개하고 있기 때문에 상기 제품 스펙을 참조하여 적절한 종류를 선택하여도 된다.
또한, 상기 PAO 오일은 중량평균분자량(Mw)이 약 200 내지 1,000의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 분자량(Mw)은 다른 예시에서 약 250 이상, 약 300 이상 또는 약 350 이상이거나, 약 900 이하, 800 이하, 700 이하 또는 약 650 이하 정도일 수도 있다. 본 출원에서 용어 중량평균분자량은 GPC(Gel Permeation Chromatograph)로 측정한 표준 폴리스티렌 환산 수치이고, 단순하게 분자량으로 호칭할 수도 있다.
예를 들면, 상기 중량평균분자량은 GPC를 사용하여, 이하의 조건으로 측정할 수 있으며, 이 때 검량선의 제작에는, Agilent system의 표준 폴리스티렌을 사용하여, 측정 결과를 환산할 수 있다.
<중량평균분자량 측정 조건>
측정기: Gel Permeation Chromatography (Waters Alliance System)
컬럼: Column: PL Mixed B type
디텍터: Refractive index detector
컬럼 유속 및 용매: 1 mL/min, Solvent: THF(Tetrahydrofuran)
분석 온도 및 측정 양: 40℃, 200 μL
*상기와 같은 특성의 PAO 오일로는, 등록 상표 Durasyn으로 유통되는 Durasyn 168 제품이나 Durasyn 164 제품, Durasyn 166 제품 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 예시에서 상기 오일 성분으로는 에스테르계 오일을 사용할 수 있다.
에스테르계 오일은 합성오일의 일종이고, 통상 지방산과 알코올의 에스테르 반응을 통해 얻어진다. 따라서, 상기 에스테르 오일은 지방산 에스테르로도 호칭될 수 있다.
지방산으로는 카프릴산(caprylic acid), 카프르산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라치드산(Arachidic acid), 베헨산(Behenic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 또는 세로트산(Cerotic acid) 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
알코올로는, 불포화 결합을 가지지 않는 공지의 지방 알코올이나 다가 알코올(polyhydric alcohol)이 있고, 예를 들면, 탄소수 1 내지 32의 포화 1가 알코올 또는 2가 이상의 다가 알코올이 예시될 수 있다. 상기 포화 1가 알코올 또는 다가 알코올의 탄소수는 다른 예시에서 4 이상, 8 이상, 12 이상, 16 이상, 20 이상, 24 이상 또는 28 이상이거나, 혹은 28 이하, 24 이하, 20 이하, 16 이하, 12 이하, 8 이하 또는 4 이하일 수 있다.
상기에서 2가 이상의 다가 알코올로는 에틸렌글리콜이나 프로필렌글리콜과 같은 알킬렌글리콜, 글리세롤(Glycerol), 에리트리톨(Erythritol), 트레이톨(Threitol), 아라비톨(Arabitol), 자일리톨(Xylitol), 리비톨(Ribitol), 만니톨(Mannitol), 솔비톨(Sorbitol), 칼락티톨(Galactitol). 푸시톨(Fucitol), 이디톨(Iditol), 이노시톨(Inositol), 볼레미톨(Volemitol), 이소말트(Isomalt), 말티톨(Maltitol), 락티톨(Lactitol), 말토트리톨(Maltotriitol), 말토테트라이톨(Maltotetraitol), 트리메틸올프로판(Trimethylolpropane) 또는 폴리글리시톨(Polyglycitol) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 폴리알파올레핀계 오일 또는 에스테르계 오일의 사용을 통해 목적 용도에 적합한 특성을 효과적으로 구현할 수 있다.
상기 열전도성 조성물은 또한 필러로서, 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 이러한 필러를 통해 열전도성 조성물이 적절한 열전도성 및 절연 특성 등을 나타낼 수 있다.
본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 5 W/mK 이상, 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 소재를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다.
일 예시에서 상기 필러로는 저경도의 필러를 사용할 수 있다. 이와 같은 저경도의 필러를 통해 케이스나 모듈의 손상을 방지하거나 최소화할 수 있다. 예를 들면, 상기 필러로는 모스 경도가 약 5 이하, 4.5 이하 또는 약 4 이하인 필러가 사용될 수 있다. 상기 모스 경도는 다른 예시에서 약 1 이상, 1.5 이상 또는 약 2 이상일 수 있다.
열전도성 필러의 종류는 절연성 등을 고려하여 세라믹 필러를 적용할 수 있다. 예를들면, 질화 알루미늄(aluminum nitride), 질화 붕소(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride) 등의 질화물 입자; 알루미늄 히드록시드(Al(OH)3), 알루미늄 히드록시드 옥시드(Aluminium hydroxide oxide, AlO(OH)), 마그네슘 히드록시드(Mg(OH)2) 등의 금속 수산화물 입자; 또는 베릴륨 옥시드(BeO), 알루미늄 옥시드(Al2O3), 마그네슘 옥시드(MgO) 또는 칼슘 옥시드(CaO) 등의 금속 산화물 입자; 등의 필러가 사용될 수 있다. 또한, 절연 특성이 확보될 수 있다면, SiC 또는 그래파이트(graphite) 등의 탄소 필러의 적용도 고려할 수 있다. 적절한 절연성, 열전도성 및 경도 특성의 확보를 위해 필러로는, 상기 질화물 입자; 금속 수산화물 입자; 또는 금속 산화물 입자;를 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 열전도성 조성물의 점도, 침강 가능성, 열저항 내지는 열전도도, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있다.
일반적으로 필러의 사이즈가 커질수록 열전도성 조성물의 점도가 높아지고, 필러가 침강할 가능성이 높아진다. 또한 사이즈가 작아질수록 열저항이 높아지는 경향이 있다. 따라서 상기와 같은 점을 고려하여 적정 종류의 필러가 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 또한, 충진되는 양을 고려하면 구형의 필러를 사용하는 것이 유리하지만, 네트워크의 형성이나 전도성 등을 고려하여 침상이나 판상 등과 같은 형태의 필러도 사용될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 열전도성 필러의 평균 입경은 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.01 ㎛ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 70㎛ 이하, 65㎛ 이하, 60㎛ 이하, 55㎛ 이하, 50㎛ 이하, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
열전도성 조성물에 포함되는 필러의 비율은, 전술한 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 열전도성 조성물의 오일 성분 100 중량부 대비 약 50 중량부 내지 3,000 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다. 상기 필러의 중량부는 다른 예시에서 약 100 중량부 이상, 150 중량부 이상, 200 중량부 이상, 250 중량부 이상, 300 중량부 이상, 350 중량부 이상, 400 중량부 이상, 500 중량부 이상, 550 중량부 이상, 600 중량부 이상, 650 중량부 이상, 700 중량부 이상, 800 중량부 이상, 900 중량부 이상, 1,000 중량부 이상 또는 약 1,100 중량부 이상일 수 있거나, 약 2800 중량부 이하, 2600 중량부 이하, 2400 중량부 이하, 2200 중량부 이하, 2000 중량부 이하, 1800 중량부 이하, 1600 중량부 이하 또는 약 1400 중량부 이하 정도일 수 있다. 따라서, 상기 필러의 비율은 상기 내용에 따라서 조절될 수 있다.
본 출원에서 열전도성 조성물은, 또한 분산제가 적용될 수 있다. 이러한 분산제는 전술한 열전도성 필러의 분산성을 고려하여 적용될 수 있다. 즉, 전술한 열전도성, 절연 특성 및 저마모성 등을 고려하여 열전도성 필러 중에서 금속 수산화물 등이 선택될 수 있는데, 이러한 필러들은 주로 친수성인 경우가 많다. 반면, 열전도성 조성물에 포함되는 오일 성분은, 주로 소수성이기 때문에 적절한 분산성의 확보를 위해서 분산제가 적용될 수 있다.
분산제로서 적절한 종류를 선택함으로써, 적절한 물성, 특히 전술한 압착 흐름을 포함한 물성이 우수한 열전도성 조성물을 제공할 수 있다.
일 예시에서 상기 열전도성 조성물은 분산제의 역할을 하는 성분으로서, 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물로는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서 R1은 아미노산 잔기 또는 알킬기이고, R2는 수소원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, R3는 탄소수 5 내지 30의 알킬기 또는 알케닐기이다.
상기에서 R1의 아미노산 잔기란 아미노산에서 카르복실기(COOH) 및 아미노기(NH2)를 제외하고 탄소원자와 결합된 곁사슬 중 하나의 수소(H)를 제외한 나머지를 의미한다. 예를 들어, 글리신(Glycine)은 R1이 H이고, 알라닌(Alanine)은 R1이 CH3이며, 발린(Valine)은 R1이 CH(CH3)2 이다.
상기에서 R1의 알킬기는 탄소수 1 내지 20, 1 내지 16, 1 내지 12, 1 내지 8 또는 1 내지 4의 알킬기 일 수 있다.
상기에서 R2는, 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기일 수 있다. 일예로 R2는 메틸 또는 에틸일 수 있다.
상기에서 R3는, 탄소수 5 내지 30, 탄소수 6 내지 28, 탄소수 7 내지 26, 탄소수 8 내지 25, 탄소수 9 내지 24, 탄소수 11 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기 또는 알케닐기일 수 있다.
상기 화학식 1을 만족하는 화합물은, 일 구체예로 코코일사코신(Cocoyl sarcosine), 라우로일사코신(Lauroyl sarcosine), 미리스토일사코신(Myristoyl sarcosine), 올레오일사코신(Oleoyl sarcosine) 또는 스테아로일사코신(Stearoyl Sarcosine)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 분산제는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 단독으로 사용하거나, 화학식 1로 표기되는 화합물을 하나 이상 혼합하여 사용하거나 또는 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하여 사용할 수 있다. 이러한 화합물을 적절하게 적용함으로써, 목적하는 물성의 열전도성 조성물을 제공할 수 있다.
상기 분산제는, 예를 들면, 필러 100 중량부 대비 약 0.01 내지 13 중량부의 비율로 열전도성 조성물에 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 0.05 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.3 중량부 이상 또는 약 0.4 중량부 이상일 수 있거나, 약 13 중량부 이하, 10 중량부 이하, 5 중량부 이하, 2 중량부 이하, 1 중량부 이하, 0.9 중량부 이하, 0.8 중량부 이하 또는 약 0.7 중량부 이하 정도일 수도 있다.
열전도성 조성물은 또한 산화 방지제(antioxidant)를 포함할 수 있다. 열전도성 조성물에 포함되는 상기 오일 성분은 전술한 것과 같이 적절한 접착 성능, 절연 성능 및 재작업성을 확보하는 것에 유리한데, 열분해되는 특성이 있어서 경시적으로 열전도성 조성물의 점도를 상승시키고, 접착력이 떨어지며, 바스러지게 된다. 따라서 이러한 현상을 억제하기 위해 적절한 산화 방지제가 필요하다. 적용될 수 있는 산화 방지제의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 본 출원의 열전도성 조성물 시스템에 있어서는 페놀계 산화 방지제(phenolic antioxidant) 또는 포스파이트계 산화 방지제(phosphite antioxidant)가 유리하며, 상기 2종을 동시에 적용하는 것이 가장 적합하다.
적용될 수 있는 페놀계 산화 방지제로는, 부틸화 톨루엔(butylated hydroxytoluene)과 같은 알킬화 히드록시톨루엔(alkylated hydroxytoluene), t-부틸 히드록퀴논(tert-butyl hydroquinone)과 같은 알킬 히드로퀴논, 테트라키스[메틸렌-3-(3',5'-디-t-부틸-4'-히드록시페닐)프로피오네이트]메탄(tetrakis[methylene-3(3',5'-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenyl) propionate]methane), 옥타데실-3-(3',5'-디-t-부틸-4'-히드록시페닐)프로피오네이트(octadecyl-3(3',5'-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenyl)propionate), 2',3'-비스[3-(3',5'-디-t-부틸-4'-히드록시페닐)프로피오닐]프로피오노히드라자이드(2',3'-bis[3-(3',5'-Di-t-butyl-4'-hydroxy-phenyl)propionyl] propionohydrazide), N,N'-헥산-1,6-디일비스[3-(3,5-디-t-부틸-4-히드록시페닐프로피온아미드(N,N'-Hexane-1,6-diylbis[3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenylpropionamide)]), 트리에틸렌글리콜-비스-3-(3-t-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트(Triethyleneglycol-bis-3(3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl)propionate), 티오디에틸렌비스[3-(3,5-디-t-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트(thiodiethylenebis[3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate]), 트리스(3,5-디-t-부틸-4-히드록시벤질)이소시아누레이트(tris(3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl)isocyanurate) 또는 1,3,5-트리메틸-2,4,6-트리스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤질)벤젠(1,3,5-Trimethyl-2,4,6-tris(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)benzene) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
포스파이트계 산화 방지제로는, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트(tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphite) 또는 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리쓰리톨 디포스파이트(bis(2,4-di-tert-butylphenyl) pentaerythritol diphosphate) 등이 예시될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 것처럼 산화 방지제로는 상기 2종의 산화 방지제 중에서 어느 것을 사용하여도 되지만, 점도 상승, 색변화 등을 억제하는 관점에서 상기 2종을 모두 적용하는 것이 좋고, 특히 페놀계 산화 방지제 중에서 테트라키스[메틸렌-3-(3',5'-디-t-부틸-4'-히드록시페닐)프로피오네이트]메탄(tetrakis[methylene-3(3',5'-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenyl) propionate]methane)을 적용한 상태에서 포스파이트계 산화 방지제를 추가로 배합하는 것이 적절할 수 있다.
열전도성 조성물에 포함되는 산화 방지제의 비율은, 전술한 특성을 고려하여 선택될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
열전도성 조성물은 상기 성분에 추가로 필요한 첨가제를 포함할 수도 있다.
예를 들면, 열전도성 조성물은, 목적에 따라서 열전도성이 아닌 필러를 포함할 수 있고, 예를 들면, 요변성의 확보를 위해 필러가 포함될 수 있다. 이 경우에 상기 필러는 열전도성일 필요가 없으며, 그 비율도 적절한 요변성이 확보되는 한, 특별히 많을 것이 요구되지는 않는다.
열전도성 조성물에 포함되는 필러의 종류는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 퓸드 실리카, 클레이 또는 탄산칼슘 등일 수 있다. 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 점도, 열전도성 조성물 내에서의 침강 가능성, 요변성, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 하나의 예시에서 상기 필러의 평균 입경은 약 0.001 ㎛ 내지 약 80 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.01㎛ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 70㎛ 이하, 65㎛ 이하, 60㎛ 이하, 55㎛ 이하, 50㎛ 이하, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
상기 열전도성 조성물에 포함되는 필러의 비율은, 목적하는 요변성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 오일 성분 100 중량부 대비 약 100 중량부 내지 약 300 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다.
열전도성 조성물은, 필요하다면 점도의 조절, 예를 들면 점도를 높이거나 혹은 낮추기 위해 또는 전단력에 따른 점도의 조절을 위하여 점도 조절제, 예를 들면, 요변성 부여제, 희석제, 표면 처리제 또는 커플링제 등을 추가로 포함하고 있을 수 있다.
요변성 부여제는 전단력에 따른 점도를 조절할 수 있다. 사용할 수 있는 요변성 부여제로는, 퓸드 실리카 등이 예시될 수 있다.
희석제는 점도를 낮추기 위해 사용되는 것으로 상기와 같은 작용을 나타낼 수 있는 것이라면 업계에서 공지된 다양한 종류의 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
표면 처리제는 열전도성 조성물에 도입되어 있는 필러의 표면 처리를 위한 것이고, 상기와 같은 작용을 나타낼 수 있는 것이라면 업계에서 공지된 다양한 종류의 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
열전도성 조성물은 난연제 또는 난연 보조제 등을 추가로 포함할 수 있다. 난연제로는 특별한 제한 없이 공지의 다양한 난연제가 적용될 수 있으며, 예를 들면, 고상의 필러 형태의 난연제나 액상 난연제 등이 적용될 수 있다. 난연제로는, 예를 들면, 멜라민 시아누레이트(melamine cyanurate) 등과 같은 유기계 난연제나 수산화 마그네슘 등과 같은 무기계 난연제 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
열전도성 조성물에 충전되는 필러의 양이 많은 경우 액상 타입의 난연 재료(TEP, Triethyl phosphate 또는 TCPP, tris(1,3-chloro-2-propyl)phosphate 등)를 사용할 수도 있다. 또한, 난연상승제의 작용을 할 수 있는 실란 커플링제가 추가될 수도 있다.
본 출원은 또한, 상기 언급된 열전도성 조성물이 적용된 전자 장치에 관한 것이다. 상기 열전도성 조성물은 전자장치 또는 초소형 전자 패키지에서 사용될 수 있으며, 열원, 예를 들어 전자 다이 또는 칩으로부터 방열 장치로의 열의 소산을 돕기 위하여 사용될 수 있다. 전자 장치는 적어도 하나의 열원 및 열원 상의 상기 열전도성 조성물을 포함할 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 언급된 열전도성 조성물이 적용된 배터리 팩에 대한 것이다. 상기 배터리 팩은 팩 케이스; 상기 팩 케이스 내에 수납되어 있는 복수의 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 모듈의 사이 또는 상기 케이스와 배터리 모듈의 사이에 존재하는 상기 열전도성 조성물을 포함할 수 있다.
상기 구조에서 배터리 모듈은 서로 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
일 예시에서 상기 배터리 모듈은 전술한 특허 문헌 1에 공지된 배터리 모듈로서, 열전도성 부위를 포함하는 모듈 케이스 및 복수의 배터리셀을 포함하고, 상기 배터리셀은 상기 모듈 케이스 내에 수납되어 있는 구조를 가질 수 있다. 상기에서 배터리셀과 모듈 케이스의 열전도성 부위는 열전도성 수지층을 매개로 접촉되어 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 배터리셀은 전극 조립체 및 외장재를 포함하여 구성된 하나의 단위 이차전지를 의미한다.
또한, 상기 구조에서 배터리 팩 케이스와 상기 모듈 케이스의 열전도성 부위의 사이에 상기 열전도성 조성물이 존재할 수 있다. 이 경우, 상기 열전도성 조성물을 매개로 모듈 케이스의 열전도성 부위에 접하는 팩의 케이스도 열전도성 부위일 수 있다.
상기에서 접한다는 것은 특허문헌 1에 개시된 것과 같은 열적 접촉을 의미한다.
상기와 같은 배터리 모듈의 구조와 관련해서는 특허 문헌 1에 구체적으로 개시되어 있고, 이러한 내용은 본 명세서에서도 동일하게 적용될 수 있다.
즉, 상기에서 모듈 케이스는, 배터리셀이 수납될 수 있는 내부 공간을 형성하는 측벽과 하부판을 적어도 포함할 수 있다. 모듈 케이스는, 상기 내부 공간을 밀폐하는 상부판을 추가로 포함할 수 있다. 상기 측벽, 하부판 그리고 상부판은 서로 일체형으로 형성되어 있거나, 혹은 각각 분리된 측벽, 하부판 및/또는 상부판이 조립되어 상기 모듈 케이스가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 모듈 케이스의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도, 상기 내부 공간에 수납되는 배터리셀의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
도 1은, 예시적인 모듈 케이스(10)를 보여주는 도면이고, 하나의 하부판(10a)과 4개의 측벽(10b)을 포함하는 상자 형태의 케이스(10)의 예시이다. 도 1처럼 상기 모듈 케이스(10)는 내부 공간을 밀폐하는 상부판(10c)을 추가로 포함할 수 있다.
도 2 및 3은, 배터리셀(20)이 수납되어 있는 도 1의 모듈 케이스(10)를 각각 상부 및 측면에서 관찰한 모식도이다. 도 3에는 열전도성 수지층(30)도 표시되어 있으며, 배터리셀의 장착을 가이딩하는 가이딩부(10d)도 표시되어 있다. 도 3에 나타난 바와 같은 구조에서 모듈 케이스의 하부판(10a)이 전술한 열전도성 부위인 경우에 배터리셀(20)에서 발생한 열이 상기 수지층(30)을 통해 하부판(10a)으로 전달되어 방출될 수 있다.
따라서, 이러한 경우에 도 4에 나타난 것과 같이 도 2 및 3에서 나타난 것과 같은 배터리 모듈(100)을 복수개 배터리 팩의 케이스(200)에 수납하여 배터리 팩을 형성하고, 상기 열전도성 조성물(300)를 배치하며, 이와 접하는 배터리 팩의 케이스 부분을 열전도성으로 할 경우에, 도 4에 나타난 것과 같이 배터리 팩의 하부로 냉각수(CW) 등을 통과시킴으로써 전체적으로 우수한 방열 특성을 확보할 수 있다.
따라서, 상기 모듈 케이스 또는 배터리 팩 케이스는 열전도성 케이스일 수 있다. 용어 열전도성 케이스는, 케이스 전체의 열전도도가 약 10 W/mk 이상이거나, 혹은 적어도 상기와 같은 열전도도를 가지는 부위가 포함되어 있는 케이스를 의미한다. 예를 들면, 전술한 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나 및 배터리 팩 케이스는 상기 기술한 열전도도를 가질 수 있다. 다른 예시에서 상기 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나와 배터리 팩 케이스가 상기 열전도도를 가지는 부위를 포함할 수 있다.
열전도성인 모듈 케이스의 상부판, 하부판 또는 측벽, 배티러 팩 케이스 또는 열전도성 부위의 열전도도는, 다른 예시에서 약 20 W/mk 이상, 30 W/mk 이상, 40 W/mk 이상, 50 W/mk 이상, 60 W/mk 이상, 70 W/mk 이상, 80 W/mk 이상, 90 W/mk 이상, 100 W/mk 이상, 110 W/mk 이상, 120 W/mk 이상, 130 W/mk 이상, 140 W/mk 이상, 150 W/mk 이상, 160 W/mk 이상, 170 W/mk 이상, 180 W/mk 이상, 190 W/mk 이상 또는 약 195 W/mk 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 그 수치가 높을수록 모듈의 방열 특성 등의 측면에서 유리하므로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 열전도도는 약 1,000 W/mK 이하, 900 W/mk 이하, 800 W/mk 이하, 700 W/mk 이하, 600 W/mk 이하, 500 W/mk 이하, 400 W/mk 이하, 300 W/mk 또는 약 250 W/mK 이하일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 열전도도를 나타내는 재료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 알루미늄, 금, 은, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 백금 등의 금속 소재 등이 있다. 모듈 케이스는 전체가 상기와 같은 열전도성 재료로 이루어지거나, 적어도 일부의 부위가 상기 열전도성 재료로 이루어진 부위일 수 있다. 이에 따라 상기 모듈 케이스는 상기 언급된 범위의 열전도도를 가지거나, 혹은 상기 언급된 열전도도를 가지는 부위를 적어도 포함할 수 있다.
상기 구조에서 모듈 케이스 내에 수납되는 배터리셀의 종류도 특별히 제한되지 않으며, 공지의 다양한 배터리셀이 모두 적용될 수 있다. 일 예시에서는 특허 문헌 1에 기재된 것과 같이 파우치형의 배터리셀이 사용될 수 있다.
상기 구조에서 배터리 모듈에 포함되는 열전도성의 수지층의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 특허 문헌 1에서 기술된 접착제층일 수 있는 수지층이 사용될 수 있다.
즉, 상기 수지층은, 접착제층일 수 있고, 이러한 수지층의 접착력이 약 150 gf/10mm 이상, 200 gf/10mm 이상, 250 gf/10mm 이상, 300 gf/10mm 이상, 350 gf/10mm 이상 또는 약 400 gf/10mm 이상일 수 있다. 상기 접착력은, 특허문헌 1에 개시된 방식에 따라 알루미늄 파우치에 대해서 측정한다. 상기 수지층의 접착력의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 2,000gf/10mm 이하, 1,500 gf/10mm 이하, 1,000 gf/10mm 이하, 900 gf/10mm 이하, 800 gf/10mm 이하, 700 gf/10mm 이하, 600 gf/10mm 이하 또는 약 500 gf/10mm 이하 정도일 수 있다.
또한, 상기 수지층은, 열전도성 수지층으로서, 열전도도는 약 1.5 W/mK 이상, 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 약 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 약 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 상기와 같이 수지층이 열전도성 수지층인 경우에 상기 수지층이 부착되어 있는 하부판, 상부판 및/또는 측벽 등은 전술한 열전도도가 10 W/mK 이상 부위일 수 있다. 수지층의 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 수지층의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 수지층의 열전도도는 수지층에 포함되는 필러로서, 열전도성을 가지는 필러를 사용하여 조절할 수 있다.
배터리 모듈에서 상기 수지층 또는 그 수지층이 적용된 배터리 모듈의 열저항이 약 5 K/W 이하, 4.5 K/W 이하, 4 K/W 이하, 3.5 K/W 이하, 3 K/W 이하 또는 약 2.8 K/W 이하일 수 있다. 이러한 범위의 열저항이 나타나도록 수지층 또는 그 수지층이 적용된 배터리 모듈을 조절할 경우에 우수한 냉각 효율 내지는 방열 효율이 확보될 수 있다. 상기 열저항은 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정할 수 있다.
수지층은 또한 열충격 시험, 예를 들면, 약 -40°C의 저온에서 30분 유지한 후 다시 온도를 80°C로 올려서 30분 유지하는 것을 하나의 사이클로 하여 상기 사이클을 100회 반복하는 열충격 시험 후에 배터리 모듈의 모듈 케이스 또는 배터리셀로부터 떨어지거나 박리되거나 혹은 크렉이 발생하지 않을 수 있도록 형성되는 것이 요구될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈이 자동차 등과 같이 오랜 보증 기간(자동차의 경우, 약 15년 이상)이 요구되는 제품에 적용되는 경우에 내구성이 확보되기 위해서는 상기와 같은 수준의 성능이 요구될 수 있다.
수지층은, 전기 절연성 수지층일 수 있다. 전술한 구조에서 수지층이 전기 절연성을 나타내는 것에 의해 배터리 모듈의 성능을 유지하고, 안정성을 확보할 수 있다. 전기절연성 수지층은, ASTM D149에 준거하여 측정한 절연파괴전압이 약 3 kV/mm 이상, 5 kV/mm 이상, 7 kV/mm 이상, 10 kV/mm 이상, 15 kV/mm 이상 또는 약 20 kV/mm 이상일 수 있다. 상기 절연파괴전압은 그 수치가 높을수록 수지층이 우수한 절연성을 보이는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 수지층의 조성 등을 고려하면 약 50 kV/mm 이하, 45 kV/mm 이하, 40 kV/mm 이하, 35 kV/mm 이하 또는 약 30 kV/mm 이하일 수 있다. 상기와 같은 절연 파괴 전압도 수지층의 수지 성분의 절연성을 조절하여 제어할 수 있으며, 예를 들면, 수지층 내에 절연성 필러를 적용함으로써 상기 절연 파괴 전압을 조절할 수 있다. 일반적으로 열전도성 필러 중에서 후술하는 바와 같은 세라믹 필러는 절연성을 확보할 수 있는 성분으로 알려져 있다.
수지층으로는, 안정성을 고려하여 난연성 수지층이 적용될 수 있다. 본 출원에서 용어 난연성 수지층은 UL 94 V Test (Vertical Burning Test)에서 V-0 등급을 보이는 수지층을 의미할 수 있다. 이를 통해 배터리 모듈에서 발생할 수 있는 화재 및 기타 사고에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
수지층은 비중이 약 5 이하일 수 있다. 상기 비중은 다른 예시에서 약 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하 또는 약 3 이하일 수 있다. 이러한 범위의 비중을 나타내는 수지층은 보다 경량화된 배터리 모듈의 제조에 유리하다. 상기 비중은 그 수치가 낮을수록 모듈의 경량화에 유리하므로, 그 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 비중은 약 1.5 이상 또는 약 2 이상일 수 있다. 수지층이 상기와 같은 범위의 비중을 나타내기 위하여 수지층에 첨가되는 성분이 조절될 수 있다. 예를 들어, 필러의 첨가 시에 가급적 낮은 비중에서도 목적하는 열전도성이 확보될 수 있는 필러, 즉 자체적으로 비중이 낮은 필러를 적용하거나, 표면 처리가 이루어진 필러를 적용하는 방식 등이 사용될 수 있다.
상기 수지층은 비휘발성분의 비율이 약 90 중량% 이상, 95 중량% 이상 또는 약 98 중량% 이상일 수 있다. 상기에서 비휘발성분과 그 비율은 다음의 방식으로 규정될 수 있다. 즉, 상기 비휘발부은 수지층을 100°C에서 1 시간 정도 유지한 후에 잔존하는 부분을 비휘발분으로 정의할 수 있고, 따라서 상기 비율은 상기 수지층의 초기 중량과 상기 100°C에서 1 시간 정도 유지한 후의 비율을 기준으로 측정할 수 있다.
상기와 같은 수지층은, 특허 문헌 1에 개시된 것과 같이 수지 성분에 열전도성 필러를 배합하여 형성할 수 있다. 이 때 적용될 수 있는 수지 성분으로는, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지, 올레핀계 수지, 우레탄계 수지, EVA(Ethylene vinyl acetate)계 수지 또는 실리콘계 수지 등이나 상기 수지의 전구체 등이 예시될 수 있고, 열전도성 필러는 특허문헌 1에 개시된 것이나, 상기 열전도성 조성물에 포함되는 것 등을 사용할 수 있다.
본 출원은 열전도성 조성물을 제공한다. 본 출원에서는, 다양한 용도에 적용되고, 적절한 접착 특성, 방열 특성, 열전도성, 재작업성, 저장 안정성, 절연 특성, 저장 안정성 및 내구성을 가지는 열전도성 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은, 예시적인 모듈 케이스를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3은, 모듈 케이스 내에 배터리셀이 수납되어 있는 형태를 보여주는 도면이다.
도 4는, 배터리 팩의 구조를 모시적으로 표시한 도면이다.
도 5는 압착 흐름을 측정하는 방식을 보여주는 모식도이다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 출원의 배터리 모듈을 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 범위에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 분산성 평가 방법
열전도성 조성물의 분산성은 열전도성 조성물의 각 성분들이 균일하게 혼합되었는지 육안으로 관찰하여 하기 기준에 따라서 평가하였다.
<평가 기준>
○: Paste Mixer로 열전도성 조성물의 성분을 혼합할 때에 필러 부스러기가 관찰되지 않고, 열전도성 조성물이 말랑 말랑한 상태로 존재하는 경우
△: Paste Mixer로 열전도성 조성물의 성분을 혼합할 때에 필러가 용기의 벽면에 붙어서 관찰되며, Spatula로 벽면을 문지르는 경우에 다량의 필러가 떨어지는 경우
X: Paster Mixer로 열전도성 조성물의 성분들을 혼합할 때에 필러가 적절하게 혼합되지 필러들이 뭉쳐서 형성되는 구술 형상의 알갱이들이 확연히 관찰되는 경우
2. 압착흐름
압착 흐름은 원통형의 구성을 가지는 ARES 장비를 사용하여 측정하였다. 도 5에 기재된 바와 같이, 2개의 ARES의 원통형의 구성(바닥면의 지름: 약 8 mm, 도면에서 8 mm 원통으로 표기)의 사이에 열전도성 조성물(Thermally Conductive Composition)를 위치시키고, 상기 원통형 구성간의 간격을 약 3 mm로 유지하였다. 그 후, 도면과 같이 측면으로 돌출된 열전도성 조성물을 제거하여 원통형의 형태로 하였다. 이어서 열전도성 조성물의 높이(원통형 구성간의 간격)가 약 0.3 mm로 될 때까지 약 1 mm/s의 속도로 상하에서 눌러주면서 인가되는 힘을 측정하고, 상기 높이가 약 0.5 mm가 될 때에 힘을 측정하여 압착 흐름으로 하였다.
3. 열 안정성 평가 방법
150℃ 정도의 오븐에 24 시간 방치 전의 압착 흐름(A) 대비 150℃ 정도의 오븐에 24 시간 방치 후의 압착 흐름(B)의 변화가 10% 미만의 경우, 열전도성 조성물은 열 안정성이 있다고 평가할 수 있다. 압착 흐름의 변화(C)는 하기의 식으로 구할 수 있다.
압착흐름의 변화(C) = (B-A)/A*100
실시예 1.
열전도성 조성물: 오일 성분으로 PAO(Polyalphaoleffin) 오일(INEOS社, Durasyn 168), 필러로서 모드 경도가 약 2.5 내지 3.5 정도의 수준인 알루미늄 히드록시드(Al(OH)3), 분산제 성분으로 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물(N-oleoyl sarcosine)(NOF社, ESLEAM 221P) 및 산화 방지제 (Tetrakis(methylene-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate)methane 및 Tris (2,4-di-tert-butylphenyl)phophite)의 혼합물(혼합 중량 비율: 2:4.7(Tetrakis(methylene-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate)methane : Tris(2,4-di-tert-butylphenyl) phophite))을 16:221:1:0.34의 중량 비율(오일:필러:분산제:산화방지제)로 배합하여 열전도성 조성물을 제조하였다.
비교예 1.
분산제 성분으로서, 지방산 화합물(Sigma-Aldrich社, Oleic acid)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 열전도성 조성물을 제조하였다.
비교예 2.
분산제 성분으로서, 티탄 화합물(BORICA社, CP-219)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 열전도성 조성물을 제조하였다.
비교예 3.
분산제 성분으로서, 티탄 화합물(BORICA社, CP-317)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 열전도성 조성물을 제조하였다.
비교예 4.
분산제 성분으로서, 티탄 화합물(BORICA社, CP-318)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 열전도성 조성물을 제조하였다.
비교예 5.
분산제 성분으로서, 실란 화합물(EVONIK, TEGOPREN 6875)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 열전도성 조성물을 제조하였다.
상기 열전도성 조성물에 대한 평가 결과를 하기 표 1에 정리하여 기재하였다.
분산성 압착 흐름(gf) 열 안정성(%)
실시예 ○ 600 약 8.3
비교예 1 X - -
비교예 2 △ 3000 이상 -
비교예 3 △ 3000 이상 -
비교예 4 X - -
비교예 5 X - -
비교예 1, 4 및 5의 경우, 적절한 분산이 이루어지지 않아서 압착흐름과 열 안정성 측정이 불가능 하였음.
비교예 2 및 3의 경우 압착 흐름이 3000 이상으로 열 안정성 평가가 불필요하여 측정하지 않았음.
10: 모듈 케이스
10a: 하부판
10b: 측벽
10c: 상부판
10d: 가이딩부
20: 배터리셀
30: 수지층
100: 배터리 모듈
200: 배터리 팩 케이스
300: 열전도성 조성물

Claims (16)

  1. 오일 성분; 필러; 및 분산제를 포함하고,
    상기 분산제는 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물이며,
    ASTM D149에 준거하여 측정한 절연파괴전압이 3 kV/mm 이상인 전기절연성 수지층을 형성하는 열전도성 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 그리스(grease)형 조성물인 열전도성 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 미경화형인 열전도성 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 압착 흐름이 700gf 이하인 열전도성 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 오일 성분은 합성오일, 광물성 오일 또는 식물성 오일인 열전도성 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 필러는 세라믹 필러 열전도도가 1 W/mK 이상인 열전도성 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 필러는 모스 경도가 5 이하인 열전도성 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 필러는 금속 수산화물, 금속 산화물 또는 질화물 입자인 열전도성 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 필러는 오일 성분 100 중량부 대비 500 내지 2,000 중량부의 범위 내의 비율로 포함되는 열전도성 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 열전도성 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00002

    화학식 1에서 R1은 아미노산 잔기 또는 알킬기이고, R2는 수소원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, R3는 탄소수 5 내지 30의 알킬기 또는 알케닐기이다.
  11. 제 10 항에 있어서 카르복실기 및 아민기를 포함하는 화합물은 코코일사코신(Cocoyl sarcosine), 라우로일사코신(Lauroyl sarcosine), 미리스토일사코신(Myristoyl sarcosine), 올레오일사코신(Oleoyl sarcosine) 및 스테아로일사코신(Stearoyl Sarcosine) 중 어느 하나 이상을 포함하는 열전도성 조성물.
  12. 제 1 항에 있어서, 분산제는 필러 100 중량부 대비 0.01 내지 13 중량부의 비율로 포함하는 열전도성 조성물.
  13. 적어도 하나의 열원 및 적어도 하나의 열원 상의 제 1 항의 열전도성 조성물을 포함하는 전자 장치.
  14. 팩 케이스; 상기 팩 케이스 내에 수납되어 있는 복수의 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 모듈의 사이 또는 상기 케이스와 배터리 모듈의 사이에 존재하는 제 1 항의 열전도성 조성물을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 배터리 모듈은, 열전도도가 10 W/mk 이상인 열전도성 부위를 포함하는 모듈 케이스 및 복수의 배터리셀을 포함하고, 상기 배터리셀은 상기 모듈 케이스 내에 수납되어 있으며, 상기 배터리셀과 모듈 케이스의 열전도성 부위는 열전도도가 1.5 W/mK 이상인 열전도성 수지층을 매개로 열적 접촉되어 있는 배터리 팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 배터리 팩은 열전도도가 10 W/mk 이상인 열전도성 부위를 포함하고, 배터리 모듈의 열전도성 부위 및 상기 배터리 팩의 열전도성 부위가 열전도성 조성물을 매개로 열적 접촉하고 있는 배터리 팩.
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