KR20230092332A - 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 복합재료 방열시트는 다양한 평균입자크기 및 미세구조를 가지는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하고 열 프레스를 통해 제조되므로 우수한 수직 열전도율을 가져 고성능 전자기기에 장착되어 발열로 인한 전자기기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트에 관한 것이다.
전자기기의 소형화 고출력화, 집적화에 따른 발열량의 증가에 의해 방열수단의 중요성이 높아지고 있다. 발열성능이 높은 금속제를 방열체로 사용하는 방법이 널리 사용되고 있으나 금속의 도전성으로 인해 누전이 발생할 우려가 있어 절연성을 가지는 무기재료, 탄소 및 금속 소재를 포함하는 열전도성 필러 및 고분자 복합재료 방열시트가 개발되고 있는 실정이다.
복합재료 방열시트에 세라믹과 같은 무기재료를 사용하게 되면 열전도성이 저하되어 고열전도 특성을 확보할 수 없는 문제점이 있다. 이를 보완하기 위하여 열전도 특성이 우수한 탄소소재를 사용하는 경우도 있으나 수직 열전도율이 우수하지 않아 고성능 전자기기에 사용하기 어려운 문제점이 있었다.
우수한 열전도 특성을 가지는 금속소재인 은 또는 구리를 주재료로 사용하더라도 방열시트의 유연성과 절연성능을 유지하기 위하여 바인더등을 포함시키게 되므로 금속소재의 함량이 제한된다. 상기 바인더는 주로 고분자 물질이 사용되는데 상기 고분자 물질은 압축율이 낮아 방열시트의 밀도를 감소시키게 되고 이는 결과적으로 수직 열전도율의 저하로 이어져 고성능 전자기기에 사용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한 금속재료를 최대한 사용하여 복합재료 방열시트를 제조하더라도 금속-바인더 슬러리를 기재에 코팅하여 건조하는 수준으로 제조되므로 금속입자 사이에 공극이 존재하게 되어 금속 사이의 열전도가 제한되는 문제점이 있었다.
따라서 복합재료 방열시트에 사용되는 재료의 종류, 혼합비율 및 제조방법을 최적화하므로 높은 수직 열전도율을 가져 우수한 방열성능을 가지는 고성능 전자기기용 복합재료 방열시트를 제조하는 것이 필요하다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
본 발명은 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트에 관한 것으로 평균입자크기 및 미세구조가 다른 구리 미세입자와 고분자 바인더의 함량을 최적화하여 수직 열전도율이 향상된 복합재료 방열시트 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트를 제공한다. 상기 구리 미세입자는 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자의 혼합물이며 상기 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자 중 어느 하나 또는 둘 이상은 미세구조가 덴드라이트 형인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자 바인더를 용제에 혼합하여 고분자 바인더 용액을 제조하는 제 1 단계; 상기 고분자 바인더 용액에 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자를 첨가하되, 상기 구리 미세입자는 평균입자크기가 큰 것으로부터 작은 것의 순서로 첨가하며 혼합하여 고분자 바인더-구리 슬러리를 제조하는 제 2 단계; 상기 고분자 바인더-구리 슬러리를 기재에 코팅한 후 건조하여 제 1 복합재료 방열시트를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 제 1 복합재료 방열시트를 열 프레스하여 제 2 복합재료 방열시트를 제조하는 제 4단계; 를 포함하는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 복합재료 방열시트는 다양한 평균입자크기 및 미세구조를 가지는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하고 열 프레스를 통해 제조되므로 우수한 수직 열전도율을 가져 고성능 전자기기에 장착되어 발열로 인한 전자기기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 구리와 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트에 관한 것이다. 본 발명에서는 구리의 입자크기를 ㎛ 수준으로 조절하고 구리 미세입자를 입자크기에 따라 최적의 비율로 사용하였다. 또한 미세구조가 덴드라이트형인 구리 미세입자를 도입하여 입자사이의 공극을 최소화하였다. 그 결과 본 발명의 복합재료 방열시트는 밀도가 향상되어 높은 수직 열전도율(W/mK)을 보이는 것으로 확인되었다.
하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
실시예 : 구리 미세입자와 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트
하기 표 1은 본 발명의 구리와 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트의 조성을 보여준다.
| 함량 (중량%) | |||||||||
| 구리 미세입자 | 고분자바인더 | ||||||||
| 평균입자크기(㎛) | 75 | 45 | 30 | 10 | 2.5 | 우레탄 | 러버 | ||
| 미세구조 | 비정형 | 비정형 | 정형(덴드라이트형) | 비정형 | 정형(덴드라이트형) | 비정형 | |||
| 실시예 1 | - | 50 | 35 | 0 | 10 | 0 | 1 | 4 | 0 |
| 실시예 2 | - | 75 | 0 | 10 | 0 | 10 | 0.8 | 4.2 | 0 |
| 실시예 3 | - | 70 | 0 | 15 | 0 | 10 | 0 | 5 | 0 |
| 실시예 4 | - | 70 | 0 | 15 | 0 | 10 | 0.5 | 4.5 | 0 |
| 실시예 5 | - | 0 | 0 | 85 | 0 | 10 | 0 | 0 | 5 |
본 발명의 방열시트는 고분자 바인더-구리 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 기재에 코팅하여 제 1 복합재료 방열시트를 제조하는 단계; 및 상기 제 1 복합재료 방열시트를 열 프레스하여 제 2 복합재료 방열시트를 제조하는 단계;를 포함하는 제조방법에 따라 제조된다.
먼저 고분자 바인더-구리 슬러리를 제조하였다. 믹서(mixer)에서 고분자 바인더와 용제를 혼합하여 고분자 바인더 용액을 제조한 후 구리 미세입자를 첨가하여 더 혼합하였다. 상기 구리 미세입자의 크기가 다양한 경우 입자크기가 큰 것에서 작은 것의 순서로 첨가하였다. 상기 구리 미세입자의 입자크기에 따른 혼합 순서는 크기가 작은 입자가 크기가 큰 입자 사이의 공극으로 침투하여 공극을 메우는 효과가 있도록 하기 위함이다.
상기 혼합된 슬러리는 에이징 탱크(Aging tank)에서 제조과정에서 발생한 기포를 제거한 후 방열코팅 장비에서 기재상에 코팅하여 제 1 복합재료 방열시트를 제조하였다. 상기 제조한 제 1 복합재료 방열시트는 3단계 건조 공정(80℃, 100℃ 및 120℃)을 수행하였다.
상기 제조된 제 1 복합재료 방열시트는 열 프레스 공정을 수행하여 제 2 복합재료 방열시트를 제조하였다. 상기 제 2 복합재료 방열시트는 100 내지 160℃에서 100 내지 230㎏의 압력으로 열프레스를 수행하여 제조하므로 제 1 복합재료 방열시트에 대비하여 경도 및 밀도가 향상된 특징이 있다.
상기의 방법으로 제조한 복합재료 방열시트에 대하여 수직 열전도율(W/mK), 쇼어 경도(shore00) 및 밀도(g/㎝3)를 측정하였다. 하기 표 2는 본 발명의 복합재료 방열시트에 대한 수직 열전도율(W/mK), 쇼어 경도(shore00) 및 밀도를 측정한 결과를 보여준다.
| 수직 열전도율(W/mK) | 쇼어 경도(shore00) | 밀도(g/㎝3) | |
| 실시예 1 | 64.44 | 90~95 | 6.068 |
| 실시예 2 | 74.52 | 90~95 | 6.197 |
| 실시예 3 | 52.42 | 90~95 | 6.163 |
| 실시예 4 | 45.08 | 90~95 | 6.260 |
| 실시예 5 | 54.19 | 90~95 | 5.496 |
실험결과 다양한 크기를 가진 구리 미세입자를 사용한 실시예 모두에서 40W/mK 이상의 높은 수직 열전도율을 보이는 것으로 확인되었다. 상기 결과는 다양한 입자크기를 가지는 구리 미세입자가 입자크기 순서에 따라 혼합되므로 입자 사이의 공극이 메워져 수직 열전도율이 향상되었기 때문으로 판단된다. 또한 본 발명의 덴드라이트형 미세구조를 가지는 구리 미세입자는 말단에 돌기가 있어 구리 입자사이의 공극을 보다 효과적으로 메우는 효과가 있다.
4가지 종류의 다양한 평균입자크기를 가진 구리 미세입자와 우레탄 바인더를 사용하여 제조한 실시예 1과 2를 비교하여 보면 크기에 따른 구리 미세입자의 함량이 유사함에도 불구하고 실시예 2의 수직 열도율(74.52W/mK)이 실시예 1의 수직 열전도율(64.44W/mK)보다 약 15%이상 높은 것으로 확인된다. 상기 결과는 구리 미세입자의 미세구조차이로 인한 것으로 판단된다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 복합재료 방열시트는 구리 미세입자의 크기가 큰 것에서부터 작은 것의 순서로 혼합하여 제조한다. 이 과정에서 크기가 작은 구리 미세입자는 크기가 큰 구리 미세입자 사이의 공극에 위치하게 되고 이는 전체적인 밀도가 증가시켜 수직 열전도율의 향상을 유도하게 된다.
본 발명의 실시예 2에서는 가장 큰 입자크기를 가지는 Cu 75㎛ 사이의 공극에 위치할 수 있는 Cu 30㎛ 및 Cu 10㎛에 대하여 덴드라이트형의 미세 구조를 가지도록 하였다. 따라서 덴드라이트형 구리 미세입자(Cu 30㎛ 및 Cu 10㎛)의 돌기에 의해 추가적인 공극 감소 효과가 나타나게 된 것으로 판단된다.
정리하면 Cu 75㎛에 의해 형성되는 공극에 Cu 30㎛ 및 Cu 10㎛에 위치하게 되어 1차적으로 공극을 제거하게 되고 이 과정에서 새롭게 형성되는 공극(2차 공극)은 Cu 30㎛ 및 Cu 10㎛의 돌기에 의해 메워져 제거된다. 따라서 실시예 2 복합재료 방열시트는 밀도가 더욱 상승하게 되어 가장 우수한 수직 열전도율(74.52W/mK)을 보이게 된 것으로 판단된다.
상기 결과는 다양한 입자크기를 가지는 구리 미세입자를 사용하되 입자크기의 순서에 따라 제조하는 방법으로 1차 공극을 감소시킨 후 이 과정에서 발생하는 2차 공극을 돌기를 가진 덴드라이트 형 구리 미세입자를 사용하는 방법으로 감소시키게 되면 밀도가 더 증가하게 되므로 수직 열전도율이 향상된 복합재료 방열시트를 제조할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
Claims (4)
- 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트.
- 제 1 항에 있어서, 상기 구리 미세입자는 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트.
- 제 2 항에 있어서, 상기 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자 중 어느 하나 또는 둘 이상은 미세구조가 덴드라이트형인 것을 특징으로 하는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트.
- 고분자 바인더를 용제에 혼합하여 고분자 바인더 용액을 제조하는 제 1 단계;
상기 고분자 바인더 용액에 평균입자크기가 다른 2가지 이상의 구리 미세입자를 첨가하되, 상기 구리 미세입자는 평균입자크기가 큰 것으로부터 작은 것의 순서로 첨가하며 혼합하여 고분자 바인더-구리 슬러리를 제조하는 제 2 단계;
상기 고분자 바인더-구리 슬러리를 기재에 코팅한 후 건조하여 제 1 복합재료 방열시트를 제조하는 제 3 단계; 및
상기 제 1 복합재료 방열시트를 열 프레스하여 제 2 복합재료 방열시트를 제조하는 제 4단계;
를 포함하는 구리 미세입자 및 고분자 바인더를 포함하는 복합재료 방열시트의 제조방법.
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