KR20220155546A - 방열 성능과 내열성 등을 갖춘 무기질 내화 코팅제의 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

방열 성능과 내열성 등을 갖춘 무기질 내화 코팅제의 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 흡열, 발열 및 방열 성능을 향상시킬 수 있고, 조성물이 적용된 소재의 방사율을 향상시킬 수 있으며, 인체에 대한 유해성을 감소시킬 수 있다.

Description

방열 성능과 내열성 등을 갖춘 무기질 내화 코팅제의 조성물 및 그 제조방법{Composition of inorganic refractory coating with heat dissipation and heat resistance, and its manufacturing method}
본 발명은 방열성능과 내열성 등을 갖춘 무기질 내화코팅제의 조성물 및 그 제조방법에 대한 것이다.
전자 제품에서 발생하는 열은 제품의 수명을 단축하거나, 오동작을 유발하며, 경우에 따라 과열로 인한 폭발이 일어나 화재로 이어지기도 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 히트파이프나 방열팬을 설치하는 방법이 알려져 있는데 히트파이프의 경우는 전자제품의 발열체에서 나오는 열량보다 히트파이프가 방출할 수 있는 열량이 작아 효율이 떨어진다.
또 방열팬을 설치하는 경우에는 소음과 진동, 박형, 경량화 요구에 역행하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 천연 및 인조 그라파이트 압축시트, 고분자 세라믹 복합시트, 다층 코팅 금속막시트 등의 형태로 방열시트가 제작되어 시판되고 있다.
또 고분자 세라믹 복합시트는 열전도 및 내열성에 한계가 있고, 성능대비 고가의 가격으로 사용하는데 어려움이 있다.
본 발명의 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 흡열, 발열 및 방열 성능을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 인체에 대한 유해성을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 흡열, 발열 및 방열 성능을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 인체에 대한 유해성을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전도성 조성물은, 질화보론(BN), 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함한다.
여기서, 발포 무기질 열전도성 파우더는, 증류수 100 중량%에, 마그네슘(Mg) 성분을 포함하는 기초액 10~12 중량%, 산화나트륨(Na2O) 12~16 중량%, 이산화규소(SiO2) 44~52 중량%, 산화철(Fe2O3) 0.03~0.07 중량%, 분산제 0.2~0.6 중량%, 탄산마그네슘(MgCO3) 2~5 중량%, 실리콘(Si)을 0.1~ 40 중량% 첨가하여 응고 및 발포시킨 후 분쇄하여 제조된다.
기능제는 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbonnanotube) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
질화실리콘(Si3N4), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO2), 그리고 질화지르코늄(ZrN) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
커플링제, 분산제, 침강방지제, 크랙(crack) 방지제, 그리고 부착증진제 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
바인더는 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate)를 더 포함하고, 바인더에서, 바인더 전체를 기준으로, 규산염 유리용액이 70~85 중량%이고, 아이소프로필 알코올이 5~15중량%이며, 알루미늄 실리케이트가 5~15 중량%일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전도성 조성물의 제조방법은, 바인더를 제조하는 단계, 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함하는 기능제를 제조하는 단계, 그리고 바인더에 기능제를 혼합하는 단계를 포함한다.
여기서, 바인더를 제조하는 단계는, 증류수에 개미산 또는 아세트산을 첨가하여 pH를 4.3 내지 4.5로 조절하면서 1차 교반하는 단계, 규산염 유리용액을 첨가하고 실란(SiH4)을 4 내지 10회에 걸쳐 첨가하면서 2 내지 4시간 동안 2차 교반하는 단계, 2차 교반한 혼합물을 상온에서 4 내지 12시간 동안 숙성시키는 단계, 그리고 아이소프로필 알코올을 첨가하여 반응을 중단시키는 단계를 포함한다.
기능제를 제조하는 단계에서, 발포 무기질 열전도성 파우더는 증류수 100 중량%에, 질산(HNO3)과 마그네슘(Mg)
성분을 포함하는 기초액 10~12 중량%, 산화나트륨(Na2O) 14~21 중량%, 이산화규소(SiO2) 44~52 중량%, 산화철(Fe2O3) 0.03~0.07 중량%, 분산제 0.2~0.6 중량%, 탄산마그네슘(MgCO3) 2~5중량%, 포타슘 메틸 실리코네이트(potassium methyl siliconate) 3~9 중량%를 포함하는 조성물에 실리콘(Si)을 0.1~ 40 중량% 첨가하여 응고 및 발포시킨 후 분쇄하여 제조할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 흡열, 발열 및 방열 성능을 향상시킬 수 있고, 조성물이 적용된 소재의 방사율을 향상시킬 수 있으며, 인체에 대한 유해성을 감소시킬 수 있다.
열전도성 조성물은, 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함하는 기능제, 그리고 규산염 유리용액과 아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 포함하는 바인더를 포함한다.
여기서, 발포 무기질 열전도성 파우더는, 증류수 100 중량%에, 질산(HNO3)과 마그네슘(Mg) 성분을 포함하는 기초액 10~12 중량%, 산화나트륨(Na2O) 14~21 중량%, 이산화규소(SiO2) 44~52 중량%, 산화철(Fe2O3) 0.03~0.07 중량%, 분산제 0.3~0.9 중량%, 탄산마그네슘(MgCO3) 2~5 중량%, 포타슘 메틸 실리코네이트(potassium methylsiliconate) 3~9 중량%를 포함하는 조성물에 실리콘(Si)을 첨가하여 응고 및 발포시킨 후 분쇄하여 제조된 물질일 수 있다.
발포 무기질 열전도성 파우더의 제조 과정을 예를 들어 설명하면 아래와 같다.
증류수 약 100 중량%에, 마그네슘(Mg) 약 10 내지 약 12 중량%, 이산화규소 약 44 ~ 약 52 중량%, 산화철 약 0.03~ 약 0.07 중량%, 분산제 약 0.2 ~ 약 0.5 중량%를 넣고 가열 교반기에서 약 60 ~ 약 90 ℃의 온도로 30분간 서서히 가열 교반하여 혼합한다. 이때, 증류수에 산화나트륨, 이산화규소, 산화철, 분산제가 혼합된 물질에 탄산마그네슘 약 2 ~ 약 5 중량%와 기초액 약 10 ~ 약 12 중량%를 서서히 떨어뜨려 혼합하되, 혼합되는 물질에서 수증기가 나올 때까지 교반하여 혼합한다.
수증기가 발생 되면, 1시간 30분 ~ 약 2시간 정도 가열 교반하면 최종적으로 혼합되는 물질이 투명해지며, 이때부터는 가열을 멈추고 혼합된 물질이 식을때까지 교반하여 혼합한다.
이러한 액상의 물질에 실리콘(Si)을 약 0.1 내지 약 40 중량% 첨가한 후, 대략 2 cm 정도의 두께로 건조기에 넣은 다음, 약 20 ℃ 이상의 온도로 약 24시간 동안 발열 반응시켜 덩어리 물질로 응고 및 발포시킨다.
이후, 전술한 단계에서 가열 소성 되어 딱딱하게 굳은 덩어리 물질을 잘게 부순 후, 분쇄기로 또 한번 더 잘게 분쇄하여 평균 입경이 약 20 ㎛ 이하의 가루 형태의 물질로 만들어 발포 무기질 열전도성 파우더를 제조한다.
이러한 발포 무기질 열전도성 파우더는 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적으로 불연성을 가질 수 있고, 우수한 방사율, 흡열 및 발열 성능을 가질 수 있다.
질화보론은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서도 우수한 방열 성능 및 신축성을 갖는 물질이다.
탄화규소는 약 1500 ℃의 고온 환경에서도 우수한 내열성, 내산화성, 내식성을 가질 수 있고, 열 전도율이 우수하며, 기계적인 내구성 또한 우수할 수 있다. 탄화규소는, 예를 들어, 순도가 높은 그린 카바이드(greencarbide)일 수 있다.
산화알루미늄(Al2O3)은 약 1500 ℃의 고온 환경에서도 안정할 수 있고, 우수한 내화 성능을 가질 수 있다.
질화알루미늄은 약 1700 ℃의 고온 환경에서도 안정할 수 있고, 열 전도성이 우수하며, 전기적으로는 절연성을 갖는다.
질화보론(BN), 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함하는 기능제는 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 열전도성 조성물의 흡열, 발열 및 효율 성능을 향상시킬 수 있고, 열전도성 조성물이 적용된 소재의 방사율을 향상시킬 수 있다.
기능제는 산화철(Fe2O3)을 더 포함할 수 있다. 산화철은 열전도성 조성물의 방사율을 향상시킬 수 있고, 전자파를 차단할 수 있다.
또한 기능제는, 추가적으로 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 그리고 탄소 섬유(carbon fiber) 등의 탄소 계열 물질들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
그래파이트는 열전도성 조성물의 진공 상태에서의 내구성 및 내열성을 향상시킬 수 있고, 그래핀 또는 탄소 나노 튜브는 열전도성을 향상시킬 수 있으며, 탄소 섬유는 열전도성 및 방사 성능을 향상시킬 수 있다.
기능제는, 탄화보론(B4C), 질화실리콘(Si3N4), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO2), 그리고 질화지르코늄(ZrN) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
여기서, 탄화보론 또는 질화실리콘은 방사 성능, 내열성, 열전도성 등을 향상시킬 수 있고, 산화지르코늄은 약1800 ℃까지 내화 성능을 향상시킬 수 있으며, 이산화티타늄은 내식성 및 은폐력을 향상시킬 수 있고, 산화아연은 형광 안료의 기능을 수행할 수 있으며, 질화지르코늄은 열전도성 조성물의 내식성을 향상시킬 수 있다.
열전도성 조성물은, 일반적으로 사용되는 커플링제, 분산제, 침강 방지제, 크랙(crack) 방지제, 그리고 부착증진제 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 여기서, 커플링제는 약 0.2 내지 약 1 중량%, 분산제는 약 0.2 내지 약 1 중량%, 침강 방지제는 약 0.2 내지 약 1 중량%, 크랙(crack) 방지제는 약 0.2 내지 약 1 중량%, 부착증진제는 약 0.2 내지 약 1 중량% 포함될 수 있다.
열전도성 조성물의 바인더는 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate)를 더 포함할 수 있다. 알루미늄 실리케이트는 납, 카드뮴과 같은 유해 중금속은 물론 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 독성이 전혀 없는 환경 친화적인 소재로, 용융점이 약 1800℃ 인 불연소재이며, 피막의 압축강도가 3,000N/㎠ 정도로 매우 단단한 구조로 이루어져 있어 열전도성 조성물의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이때, 바인더 전체를 기준으로, 규산염 유리용액이 70~85 중량%이고, 아이소프로필 알코올이 5~15 중량%이며,
알루미늄 실리케이트가 5~15 중량%일 수 있고, 이러한 범위 내에서 기능제와 바인더의 결합력이 향상될 수 있다.
실시예들에 따른 열전도성 조성물은 외부에서 발생한 열을 공급받아 원적외선을 방사할 수 있다. 따라서, 열전도성 조성물은 예를 들어, 의료용 적외선 조사기, 실내원예용 난방 및 살균기, 식품(유기물) 건조기 등에 적용될 수 있다.
또한 열전도성 조성물은 고효율의 흡열 및 발열 성능을 가지므로, 각종 난방기, 전기 히터, 전열기, 내열 기기, 고온 세라믹로, 건조식 용광로, 소각로, 열교환기, 주방기구 등에 적용될 수 있다.
또한 열전도성 조성물은 우수한 방열 성능을 가지므로, 에어컨 실외기, 통신사 중계기, 반도체 장비, 변압기, 태양 발전 장비, 디스플레이 장치, 전자회로의 칩, 배선, 자동차 엔진, 라디에이터, 전지, 온-냉방기, 라디에이터, CPU, 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 오디오, 스피커(앰프), 무기, 항공기, 선박, 우주항공기 등에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하에서는, 열전도성 조성물의 제조방법에 대하여 설명한다.
열전도성 조성물의 제조방법은, 바인더를 제조하는 단계, 질화보론(BN), 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함하는 기능제를 제조하는 단계, 그리고 바인더에 기능제를 혼합하는 단계를 포함한다.
발포 무기질 열전도성 파우더를 제조하는 방법에 대해서는 전술하였고, 바인더를 제조하는 단계는, 증류수에 개
미산 또는 아세트산을 첨가하여 pH를 약 4.3 내지 약 4.5로 조절하면서 1차 교반하는 단계, 규산염 유리용액을 첨가하고 실란(SiH4)을 4 내지 10회에 걸쳐 첨가하면서 약 2시간 내지 약 4시간 동안 2차 교반하는 단계, 2차 교반한 혼합물을 상온에서 약 4시간 내지 약 12시간 동안 숙성시키는 단계, 그리고 아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 첨가하여 반응을 중단시키는 단계를 포함한다.
우선 1차 교반 단계가 수행된다. 증류수에 개미산을 첨가하여 pH를 4.3 내지 4.5로 조절하는 단계이고, 이러한 pH 범위 내에서 반응 속도가 향상될 수 있다.
이어서, 2차 교반 단계에서는, 실란을 4회 내지 10회에 걸쳐 분할 첨가하게 되는데, 실란을 많이 첨가할수록 연성이 작아지고, 실란을 적게 첨가할수록 플렉서블(flexible)해질 수 있다. 실란을 분할해서 첨가하지 않는 경우, 실란끼리 뭉쳐버릴 수 있다. 규산염 유리용액은 예를 들어, 콜로이달 실리카(colloidal silica)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이후, 숙성 단계를 거쳐 반응지연제인 아이소프로필 알코올을 참가하여 반응을 중단시킨다.
실시예들에 따른 열전도성 조성물 및 그 제조방법은 약 1000 ℃ 이상의 고온 환경에서 흡열, 발열 및 효율 성능을 향상시킬 수 있고, 조성물이 적용된 소재의 방사율을 향상시킬 수 있으며, 유해한 물질을 포함하지 않기 때문에, 인체에 대한 유해성을 감소시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예들을 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이는 설명의 편의를 위한 것 일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예들에 한정되는 것은 아니다.

Claims (1)

  1. 상기 바인더는 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate)를 더 포함하고, 상기 바인더 전체를 기준으로, 상기 규산염 유리용액이 70~85 중량%이고, 상기 아이소프로필 알코올이 5~15 중량%이며, 상기 알루미늄 실리케이트가 5~15 중량%인 열전도성 조성물.
    탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN) 중 하나 이상과 발포 무기질 열전도성 파우더를 포함하는 기능제.

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