KR20220079236A

KR20220079236A - 탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 포함하는 페이스트 조성물, 이를 포함하는 전도성 필름, 및 그 제조방법

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Publication number: KR20220079236A
Application number: KR1020200168798A
Authority: KR
Inventors: 유재상; 정하나; 오유나; 배곽진; 김기정; 유남호; 양철민
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-13

Abstract

본 명세서에서는, 탄소 나노 소재; 및 현무암 섬유;를 포함하며, 상기 현무암 섬유는 탄소 나노 소재의 사이 또는 탄소 나노 소재의 표면 상에 위치하는, 페이스트 조성물이 제공된다.

Description

탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 포함하는 페이스트 조성물, 이를 포함하는 전도성 필름, 및 그 제조방법{A PASTE COMPOSITION COMPRISING A CARBON NANOMATERIAL AND BASALT FIBER, A CONDUCTIVE FILM COMPRISING THE SAME, AND THE METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 명세서에는 탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 포함하는 페이스트 조성물, 이를 포함하는 전도성 필름, 및 그 제조방법이 개시된다.

최근 전자기기, 반도체의 고집적화 및 고성능화에 따라서 전력 밀도가 증가하고 있고, 이는 소자 내부에서 발생하는 열 밀도의 증대로 이어져 제품 열화의 원인이 되어 전기전자소자의 신뢰성을 저하시키는 심각한 문제점이 대두되고 있으며, 이에 최근 방열 기술이 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

소자로부터 발생한 열을 방출시키기 위한 방법으로 고방열성 열계면물질(TIM;Thermal Interface Material)을 도입하여 열이 발생하는 부분과 열을 배출하는 부분 사이에 적용하는 방법이 있다. 특히, 반도체 칩을 기판에 부착시킬 때 적용하는 칩 접착제(die attach)는 물리적인 접착과 방열을 동시에 수행하므로 주로 방열성 페이스트를 적용하고 있다.

방열성 페이스트에는 주로 열전도율이 높은 금속, 세라믹 입자 등을 필러(filler)로 적용하고 있는데, 최근 저렴하면서 전기전도율과 열전도율이 우수한 카본나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 그래핀나노플레이트(GNP), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black) 등과 같은 탄소나노소재를 고분자 수지에 혼입하여 전기전도성 고방열성 페이스트를 개발하고 있다.

그러나, 탄소나노소재 표면의 소수성(hydrophobic) 특성과 매트릭스 수지 대비 탄소나노소재의 매우 낮은 비중 때문에 페이스트 제조시 응집이 잘 되고 분산이 어려워서 제조가 까다롭고 예상된 열전도율이 구현되지 못하며, 매트릭스 물질과 탄소나노소재 간의 계면열저항이 높으므로 전체적으로 페이스트의 열저항이 높아져서 열전도율이 낮아지므로 예상된 열전도율을 구현하지 못하는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은, 종래의 열계면재료 (Thermal Interface Material)에 사용되었던 Ag, Cu 와 같은 금속재료가 고가이면서 부식성 및 열적특성이 저하되는 문제점을 해결하여 형성된 성형체의 구조적 변화 및 내열성을 향상시키고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예에서, 탄소 나노 소재; 및 현무암 섬유;를 포함하며, 상기 현무암 섬유는 탄소 나노 소재의 사이 또는 탄소 나노 소재의 표면 상에 위치하는, 페이스트 조성물을 제공한다.

일 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재는 탄소 나노플라트렛(nanoplatelet)을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 현무암 섬유는 600nm 내지 2㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.

일 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 10:1 내지 1:10일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 1:10 내지 2:8일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 페이스트 조성물은 분산제; 및 바인더;를 더 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 페이스트 조성물은 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 거동을 나타낼 수 있다.

일 구현예에서, 상기 방열 페이스트 조성물은 열중량분석(TGA) 결과 400℃ 이상의 온도에서 30 중량% 이하의 중량 손실을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 페이스트 조성물이 코팅된 열 계면층;을 포함하는, 열전도성 필름을 제공한다.

일 구현예에서, 열 계면층은 10 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.

일 구현예에서, 상기 열전도성 필름은 1mm 미만 두께에서 2.0 W/mK 이상의 면방향 열전도도를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 혼합하는 단계;를 포함하는, 전술한 구현예에 따른 페이스트 조성물 제조방법을 제공한다.

일 구현예에서, 혼합에 앞서, 현무암 섬유를 볼밀링하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 볼밀링 단계는 350rpm으로 1 내지 4 시간 동안 수행될 수 있다.

일 구현예에서, 상기 혼합 단계에서 분산제 및 바인더를 함께 혼합할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 페이스트 조성물은 xGnP 및 현무암 섬유를 포함하여 면방향 열전도도 및 열적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 현무암 섬유의 함량 관계를 조성하여 조성물로부터 형성된 성형체의 구조적 변화 및 내열성을 향상시킬 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물에서 볼밀링 후의 현무암 섬유(도 1a) 및 xGnP(도 1b)의 SEM 사진을 도시한다.
도 2은 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물의 점도를 분석한 결과를 도시한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 구현예에 따른 열전도성 필름에서, 각각 Pure xGnP(도 3a), G90B10(도 3b), G10B90(도 3c)로 함량 조성을 달리 한 페이스트 조성물을 프린트한 열전도성 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 4a 및 4b는 xGnP 사이에 위치한 basalt particles(도 5a) 및 xGnP 표면에 위치한 basalt particles(도 5b)의 SEM 사진을 도시한다.
도 5은 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물의 TGA 결과 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물의 DSC 결과 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물의 면방향 열전도도를 측정한 결과를 도시한다.
도 8는 본 발명의 구현예에 따른 페이스트 조성물의 시간에 따른 온도변화 및 FLIR 이미지를 도시한다.
도 9a 및 9b는 현무암 섬유를 각각 3 시간 이내(도 9a)와 약 3시간 30분동안(도 9b) 볼밀링 한 것의 SEM 이미지를 도시한다.
도 10은 실시예 5에 따라 제조된 xGnP/basalt 전도성 필름의 단면의 SEM 이미지를 도시한다.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

방열 페이스트 조성물

이에 본 발명자들은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 포함하는 방열 페이스트 조성물을 제조하여 본 발명을 완성하였다. 특히 종래에 방열요구를 만족하기 위하여 금속을 주 방열재료로 사용하는 시트(sheet)형 방열 테이프를 사용하였으나 금속박판의 높은 열전도성에 비하여 점착층의 낮은 열전도성으로 효과적인 방열이 어려우며 다층구조를 가짐에 따라 그 두께가 두꺼워져, 전자기기의 박층화에 걸림돌이 되었으며, 이러한 시트 형태의 방열제품은 2차원 평면이 아닌 3차원 형상에는 적용하기 어려운 문제가 있어 왔는데, 상기 방열 페이스트 조성물은 페이스트 형태로 도포되는 기재의 형상과 무관하게 적용할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예에서, 탄소 나노 소재; 및 현무암 섬유;를 포함하며, 상기 현무암 섬유는 탄소 나노 소재의 사이 또는 탄소 나노 소재의 표면 상에 위치하는, 방열 페이스트 조성물을 제공한다.

구체적으로, 상기 탄소 나노 소재의 사이에 형성된 공극 상에 현무암 섬유가 위치할 수 있으며, 현무암 섬유는 공극 비율을 최소화시킬 수 있다. 또한, 이러한 공극 비율을 최소화 시키는 치밀한 구조의 마이크로 구조는 탄소 나노 소재로 인하여 형성된 공극 상에 현무암 섬유가 균일하게 분산되어 우수한 계면 접촉 효과와 열적 특성을 가져올 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재는 탄소 나노플라트렛(nanoplatelet)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노플라트렛은 벌크의 그라파이트 소재가 층으로 박리된 것일 수 있다. 특히 탄소 나노플라트렛은 계면에서의 공극의 비율을 줄여줄 수 있으며, 이에 열적 특성을 향상시킬 수 있는 구조를 구현할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재는 10㎛ 이상, 또는 20㎛ 이상의평균 직경을 가질 수 있으며, 예를 들어 20 내지 30 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 넓은 사이즈 특징으로 인하여 우수한 열적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 소재는 약 25㎛의 평균 직경, 약 2.2g/C³의 밀도, 및 약 30-60m²/g의 표면적을 가질 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 현무암 섬유는 600nm 내지 2㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 평균 직경은 현무암 섬유를 볼밀링 한 후의 사이즈일 수 있다. 이러한 현무암 섬유의 사이즈는 볼밀링을 통하여 조절될 수 있으며, 상기 평균 직경 범위를 갖는 경우 페이스트 조성물을 스크린 인쇄하는 경우 우수한 표면 구조 치밀도를 가질 수 있다. 즉, 볼밀링을 통하여 제조된 페이스트 조성물을 인쇄할 때 인쇄된 표면의 구조 치밀도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 페이스트 조성물을 스크린 인쇄하는 경우 인쇄 장비의 제판의 메쉬 직경과 페이스트 조성물의 성분의 사이즈에 따라서 인쇄된 표면의 구조 치밀도가 달라질 수 있으며, 이에 따라서 적절한 시간의 볼밀링 공정이 요구된다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 10:1 내지 1:10일 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 1:9 이상, 2:8 이상, 3:7 이상, 4:6 이상, 또는 5:5 이상일 수 있고, 9:1 이하, 8:2 이하, 7:3 이하, 6:4 이하, 또는 5:5 이하일 수 있으며, 바람직하게 상기 중량비는 1:10 내지 2:8일 수 있다. 상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비가 1:10 초과인 경우 현무암 섬유를 고함량으로 함유하는 경우로서 페이스트로 적용이 어려울 수 있고, 10:1 미만인 경우 현무암 섬유가 탄소 나노 소재로 인한 공극을 충분히 줄이지 못하여 열적 특성이 양호하지 못할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 페이스트 조성물은 분산제; 및 바인더;를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제는 폴리(비닐피롤리돈) (PVP), 폴리비닐피리딘 (예컨대, 폴리(4-비닐피리딘) 또는 폴리(2-비닐피리딘)), 폴리스티렌 (PS), 폴리(4-비닐피리딘-코-스티렌), 폴리(스티렌술포네이트) (PSS), 리그노술폰산, 리그노술포네이트, 폴리(페닐아세틸렌) (PPA), 폴리(메타-페닐렌비닐렌) (PmPV), 폴리피롤 (PPy), 및 디에틸렌글리로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 바인더는 Ethyl cellulose(Acros organics, USA), hydroxypropyl cellulose (Sigma-aldrich Co. Ltd., Korea), acrylic (Han suk Composite Co. Ltd., Korea), 및 α-terpineol로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 분산제와 바인더는 스크린 프린트를 위한 혼합물 제조 시에 널리 사용되는 소재로서 여기에 한정되는 것은 아니다.

예시적인 구현예에서, 상기 페이스트 조성물은 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 거동을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 페이스트 조성물의 점도 특성은 현무암 섬유의 함량에 따라 영향을 받을 수 있다. 예를 들어 현무암 섬유의 함량이 가장 많은 'G10B90'에서 뉴턴 유체 특성을 보이며 전단속도에 따라 변하지 않고 일정 점도를 유지할 수 있다. 이는 인쇄 과정에서 강화재로 사용된 basalt이 xGnP와 함께 기재 상에 균일하게 조밀한 마이크로구조를 유지하며 프린트 되는 결과를 가져올 수 있다.

열전도성 필름

본 발명의 다른 구현예에서, 전술한 페이스트 조성물이 코팅된 열 계면층;을 포함하는, 열전도성 필름을 제공한다. 한편 상기 페이스트 조성물은 전자 소자의 계면 상에 직접 도포 및 코팅되어 물리적인 접착과 방열을 동시에 수행할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 코팅은 스크린 프린트 공정을 이용하여 코팅된 것일 수 있다. 한편, 스크린 프린트 공정에는 스퀴즈속도, 기재 종류, 스퀴즈 프린트 횟수 등이 고려될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 코팅 공정은 수회 반복하여 열계면층을 형성할 수 있는데, 이러한 복수회의 코팅 공정 사이에 열처리 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 페이스트 조성물은 제1 코팅된 후, 제2 코팅에 앞서 열처리 될 수 있다. 예를 들어, 약 140도의 진공오븐에서 약 15분동안 열처리를 수행할 수 있다. 이와 같은 중간에 열처리 공정을 진행함으로써 샘플의 표면에 용매들의 번짐이 적고, 혼합물이 겹겹이 잘 코팅되어 공극을 최소화시킬 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 열계면층은 코팅된 이후 열 처리될 수 있다. 예를 들어, 코팅된 후 140 ℃의 오븐에서, 약 15분간 1차 경화시킬 수 있으며, 이를 통하여 페이스트를 조밀하게 프린트할 수 있다. 그런 뒤, 약 350 ℃의 퍼니스에서 약 30분간 2차 경화시킬 수 있으며, 이를 통하여 잔여 용매들을 휘발시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 열 계면층은 탄소 나노 소재와 현무암 섬유가 전체적으로 빈틈없이 덮여있는 표면 구조를 가질 수 있다. 이러한 표면 구조는 xGnP내에 basalt이 균일하게 분산되어 있고 xGnP 사이에서 우수한 계면 접촉의 효과를 기대할 수 있다. 또한, 이러한 구조는 계면에서 공극의 비율을 줄여주기 때문에 xGnP 페이스트의 치밀하게 만들어주며, 열적 특성을 향상시킬 수 있는 구조로 최적화 될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 열 계면층은 10㎛ 이하의 두께, 예를 들어 6㎛ 이하의 두께 를 가질 수 있다. 상기 열 계면층의 두께가 10㎛ 초과인 경우, 적용되는 전자 소자의 박층화에 불리할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 열전도성 필름은 1mm 미만 두께에서 2.0 W/mK 이상 또는 3.0 W/mK 이상의 면방향 열전도도를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 구현예에 따른 열전도성 필름은 얇은 두께에도 불구하고 우수한 면 방향 열전도도를 가질 수 있다. 특히, 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비를 약 1:9로 하는 경우 최대 3.011 W/mK로 우수한 면 방향 열전도도를 가질 수 있다.

페이스트 조성물 제조방법

본 발명의 다른 구현예에서, 탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 혼합하는 단계;를 포함하는, 전술한 구현예에 따른 페이스트 조성물 제조방법을 제공한다. 예를 들어, 페이스트 조성물에 포함되는 성분의 혼합을 위하여 초음파 처리(sonication)할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 혼합에 앞서, 현무암 섬유를 볼밀링하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 볼밀링을 통하여 제조된 페이스트 조성물을 인쇄할 때 인쇄된 표면의 구조 치밀도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제조된 페이스트 조성물을 스크린 인쇄하는 경우 인쇄 장비의 제판의 메쉬 직경과 페이스트 조성물의 성분의 사이즈에 따라서 인쇄된 표면의 구조 치밀도가 달라질 수 있으며, 이에 따라서 적절한 시간의 볼밀링 공정이 요구된다.

예시적인 구현예에서, 상기 볼밀링 단계는 350rpm으로 1 내지 4 시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게 1 내지 2 시간 동안 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이 볼밀링 시간에 따라서 현무암 섬유의 사이즈가 제어될 수 있으며, 상기 시간 동안 수행되는 경우 페이스트 조성물이 인쇄될 때 인쇄면의 구조 치밀도가 우수할 수 있다. 특히 1시간 미만의 경우 현무암 섬유의 직경 사이즈가 2㎛를 넘을 수 있으며 인쇄상태가 좋지 못할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 혼합 단계에서 분산제 및 바인더를 함께 혼합할 수 있다. 여기서 상기 분산제와 바인더는 전술한 것들과 동일할 수 있으며, 스크린 프린트를 위한 혼합물 제조 시에 널리 사용되는 소재로서 여기에 한정되는 것은 아니다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1-4: xGnP/basalt 페이스트 조성물 제조

친환경적인 특성을 가지는 현무암섬유(basalt, Shandon Yuyuan CBD 사)는 평직 패브릭 형태를 제단하여 길이 약 1-3mm의 단섬유(chopped fiber) 형태로 만든 후 이를 350rpm에서 3시간30분 동안 볼밀링하여 준비하였으며, 그라파이트 나노플라트렛(xGnP, XG Science 사, R25 모델)은 전체 페이스트 조성물의 10wt% 함량으로 준비하였다.

분산제는 Polyvinylpyrrolidone(PVP)와 Diethyleneglycol을 1:9 중량비로, 50℃에서 1시간 30분 동안 초음파 처리하였으며, 바인더는 Ethyl cellulose와 α-terpineol를 1:9 중량비로, 50℃에서 1시간 30분 동안 초음파 처리하였다.

이렇게 준비된 현무암 섬유, 그라파이트 나노플라트렛, 분산제, 및 바인더를 xGnP/Basalt (xGnP:Basalt는 각각 100:0, 90:10, 50:50, 10:90 중량비) 6 중량부 + 분산제 3 중량부 + 바인더 1 중량부의 중량 비율로 혼합하여 xGnP/basalt 페이스트 조성물을 제조하였다.

이후 도면에서 실시예 1('G100')은 xGnP:Basalt=100:0 중량비로 하는 샘플을, 실시예 2('G90B10')는 xGnP:Basalt=90:10 중량비로 하는 샘플을, 실시예 3('G50B50')은 xGnP:Basalt=50:50 중량비로 하는 샘플을, 실시예 4('G10B90')는 xGnP:Basalt=10:90 중량비로 하는 샘플을 각각 나타낸다.

실시예 5: xGnP/basalt 전도성 필름 제조

실시예 1-4의 페이스트 조성물을 PI 필름 상에 스퀴즈 속도 50, 100 rpm, 패턴 사이즈 50 Х 50 mm²로 프린트하였다. 프린트한 후 140 ℃의 오븐에서 15분 동안 1차 경화하여 페이스트를 조밀하게 인쇄하도록 하였으며, 그런 뒤, 350 ℃의 퍼니스에서 30분 동안 2차 경화하여 잔여 용매들 휘발시켜 전도성 필름을 제조하였다. 도 10은 제조된 xGnP/basalt 전도성 필름의 단면의 SEM 이미지를 도시하며, 열 계면층의 두께가 약 6㎛인 것을 확인할 수 있다.

실험예 1: xGnP/basalt 페이스트 조성물의 구조 및 점도 특성

xGnP 및 basalt의 SEM 이미지 분석

도 1a 및 1b는 볼 밀링 후의 현무암 섬유와 xGnP의 SEM 사진을 도시한다. 도 1a에서 볼밀링 후의 현무암 섬유가 약 600 nm 내지 2 ㎛의 사이즈를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1b는 xGnP을 도시하는데 5 ㎛ 직경 이상의 2차원 평면 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 얇은 두께로 인하여 쉽게 휘어지고 접힌 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이상과 같이 본 발명에 따른 현무암 섬유와 탄소 나노 소재의 사이즈와 구조적 특성을 확인할 수 있다.

또한, 도 9a와 9b는 볼 밀링 시간에 따른 현무암 섬유의 사이즈를 나타내는 SEM 이미지를 도시한다. 도 9a 에서는 350rpm으로 3시간 이내로 볼밀링 한 경우로 현무암 섬유의 평균 직경이 3㎛를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 350rpm으로 약 3시간 30분 간 볼밀링을 한 도 9b의 경우는 1㎛ 미만의 평균 직경을 갖는 것을 확인할 수 있다.

xGnP/basalt 함량에 따른 인쇄된 표면의 SEM 이미지 분석

한편, 도 3a 내지 3c는 xGnP/basalt 함량을 달리한 실시예 1의 페이스트 조성물을 PI 필름 상에 스퀴즈 속도 50, 100 rpm, 패턴 사이즈 50 × 50 mm²로 프린트한 샘플의 SEM 이미지를 도시한다.

구체적으로, 도 3a와 3b는 각각 실시예 1('G100')과 실시예 2('G90B10') 샘플의 SEM 이미지에 해당하며, 현무암 섬유의 함량이 적은 경우 인쇄된 표면이 거친 것을 확인할 수 있다.

반면, 현무암 섬유의 함량이 높은 실시예 4('G10B90') 샘플을 도시하는 도 3c를 보면, 인쇄된 표면이 전체적으로 빈틈없이 덮혀있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 현무암 섬유의 함량이 많을수록 더 조밀한 마이크로 구조의 형상을 띄는 것을 확인할 수 있으며, 이는 계면에서 공극(void)의 비율을 줄여주기 때문에 열적 특성을 향상시킬 수 있는 구조로 최적화 될 수 있다.

xGnP/basalt 마이크로 구조의 SEM 이미지 분석

이러한 마이크로 구조화된 페이스트의 자세한 형상을 보기 위하여 xGnP와 basalt의 분포 구조를 SEM을 통하여 추가적으로 분석하였다.

도 4a는 xGnP의 사이에 위치한 basalt의 구조를 나타내며, 도 4b는 xGnP 표면에 위치한 basalt를 도시한다. 여기서 xGnP이 얇은 두께로 인하여 쉽게 휘어지고 접힌 구조를 갖는 한편, 이로 인하여 형성된 공극 상에 basalt가 위치하고 xGnP 내에 basalt 이 균일하게 분산되고 xGnP 계면 간의 접촉을 향상시키는 효과를 기대할 수 있으며, 페이스트를 조밀하게 하며 공극 비율을 최소화시킬 수 있다. 따라서 우수한 열적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

점도 분석

xGnP/basalt 페이스트 조성물에서 페이스트의 점도는 인쇄 최적화를 위한 중요한 요소에 해당하며, 실시예 1에 따른 xGnP/basalt 페이스트 조성물의 점도 분석 결과를 도 2에서 나타냈다.

이를 참고하면, 현무암 섬유(basalt particle)의 함량이 가장 많은 실시예 4('G10B90')의 경우 전단 속도(shear rate)의 변화에 따라서 일정한 점도를 유지하는 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 거동 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 뉴턴 유체 거동으로 인하여 기판 상에 프린트 될 때 페이스트 조성물 상에 강화재로 포함된 xGnP 및 basalt 구성이 균일하게 조밀한 마이크로구조를 유지하며 프린트 되는 결과를 가져올 수 있다.

실험예 2: xGnP/basalt 페이스트 조성물의 열적 특성

TGA 분석

xGnP/basalt 페이스트 조성물에서 현무암 섬유로 인한 중요한 특성 중 하나인 내열성 효과를 확인하기 위하여 basalt 함량에 따른 샘플의 TGA 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.

도 5에서, 대부분의 샘플들은 약 350 ℃에서 430 ℃사이에 급격한 2차 열분해 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 가장 많은 basalt 함량을 갖는 실시예 4('G10B90') 샘플은 같은 온도에서 열분해가 상대적으로 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

또한 실시예 4('G10B90') 샘플은 나머지에 비하여 고온에서 잔류 중량(residue weight)을 보면 47.44, 44.22, 50.09, 70.68%로 무게 손실율 면에서 최대 약 49%의 향상 효과를 나타내고 있다.

따라서, 800℃ 온도에서도 70% 이상을 보존하고 있는 실시예 4('G10B90') 조성의 페이스트는 지속적으로 재사용 또한 가능함을 시사하고 있으며, 따라서 basalt 의 함유량이 많은 본 발명에 따른 방열 페이스트 조성물이 열계면 재료로 충분히 응용될 수 있음을 나타낸다.

DSC 분석

xGnP/basalt 페이스트 조성물에서 basalt 함량에 따른 열적 안정성 변화를 파악하기 위하여 DSC 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.

그 결과, 순수 xGnP(실시예 1('G100B0'))에 비하여 높은 basalt 함량을 갖는 실시예 4('G10B90') 샘플은 melting temperature이 76.36, 82.55℃이고, melting enthalpy는 38.07, 41.55 Jg^- ¹으로 측정되며, 따라서 basalt 함량이 높은 경우에 열적으로 안정하며, 특히 고함량의 basalt이 xGnP의 주위에서 강한 상호작용을 통하여 조밀한 마이크로 구조를 만들고 있음을 알 수 있다.

열전도도 분석

한편, 열계면 재료로서 효과적인 열전도율을 갖는 것이 중요할 수 있으며, 샘플의 두께를 1mm 미만으로 하여 면 방향의 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.

xGnP/basalt 페이스트 조성물에서 basalt 함량에 따른 열전도도의 변화를 확인하였는데, 순수 xGnP(실시예 1('G100B0'))에 비하여 basalt의 함량이 많은 'G10B90'샘플이 약 108%의 열전도도 향상 효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.

특히, Basalt의 함량이 많아질수록 선형적으로 열전도도가 증가한 것을 볼 수 있는데, 이는 전술한 바와 같이 basalt 함량 증가로 인하여 마이크로 구조가 조밀해지고 공극 등의 틈을 메워 표면 접촉 공간을 줄이는 구조로 xGnP/basalt 페이스트가 최적화 되었으며, 이를 통하여 열전도도가 향상되기 때문인 것을 확인할 수 있다.

FLIR 분석

xGnP/basalt 페이스트 조성물을 열계면 재료로 적용한 어플리케이션에서의 열 방출 효과를 확인하기 위하여 FLIR 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 히팅된 열센서위에 위치한 페이스트의 열 방출 이미지와 시간에 따른 온도 변화를 나타낸다.

열 방출 이미지에서 붉은색일수록 높은 온도를 나타내며, basalt의 함량이 높아짐에 따라서 열 방출을 통하여 안정화된 온도는 각각 75.1, 79.8, 78.1, 및 88.5 ℃으로 측정되었다. 따라서, 가장 높은 함량에서 열반응을 나타냄을 알 수 있으며, 이는 열전도도 측정의 결과와도 매치된다.

따라서, 본원 발명의 구현예들은 종래의 열계면재료 (Thermal Interface Material)에 사용되었던 고가이면서 부식성 및 열적특성이 저하되는 Ag, Cu 와 같은 금속재료와 달리 친환경적이면서 재사용이 가능하고 필름위에 패턴인쇄를 통해 유연성을 가지는 전도성 필름을 제공할 수 있다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

탄소 나노 소재; 및 현무암 섬유;를 포함하며,
상기 현무암 섬유는 탄소 나노 소재의 사이 또는 탄소 나노 소재의 표면 상에 위치하는, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 소재는 탄소 나노플라트렛(nanoplatelet)을 포함하는, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 현무암 섬유는 600nm 내지 2㎛의 평균 직경을 갖는, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 10:1 내지 1:10인, 방열 페이스트 조성물.
제4항에 있어서,
상기 탄소 나노 소재 : 현무암 섬유의 중량비는 1:10 내지 2:8인, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 페이스트 조성물은 분산제; 및 바인더;를 더 포함하는, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 페이스트 조성물은 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 거동을 나타내는, 방열 페이스트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 방열 페이스트 조성물은 열중량분석(TGA) 결과 400℃ 이상의 온도에서 30 중량% 이하의 중량 손실을 갖는, 방열 페이스트 조성물.
제1항 내지 제8항에 따른 방열 페이스트 조성물이 코팅된 열 계면층;을 포함하는, 열전도성 필름.
제9항에 있어서,
상기 열 계면층은 10 ㎛ 이하의 두께를 갖는, 열전도성 필름.
제9항에 있어서,
상기 열 계면층은 2.0 W/mK 이상의 면방향 열전도도를 갖는, 열전도성 필름.
탄소 나노 소재 및 현무암 섬유를 혼합하는 단계;를 포함하는, 제1항에 따른 방열 페이스트 조성물 제조방법.
제12항에 있어서,
혼합에 앞서, 현무암 섬유를 볼밀링하는 단계;를 더 포함하는, 방열 페이스트 조성물 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 볼밀링 단계는 350rpm으로 1 내지 4 시간 동안 수행되는, 방열 페이스트 조성물 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 혼합 단계에서 분산제 및 바인더를 함께 혼합하는, 방열 페이스트 조성물 제조방법.