KR20230168235A - 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법 - Google Patents

방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

0.5㎜ 이하의 얇은 두께를 가지면서 우수한 절연 특성, 열전도성 및 점착 특성을 갖는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 매트릭스 고분자 및 상기 매트릭스 고분자와 혼합된 무기계 절연 방열 필러를 포함하는 절연성 방열층; 상기 절연성 방열층의 일면에 형성된 방열 기능성 점착층; 및 상기 방열 기능성 점착층의 일면에 형성된 이형층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법{THIN FILM HEAT DISSIPATION SHEET WITH EXCELLENT HEAT DISSIPATION EFFECT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 0.5㎜ 이하의 얇은 두께를 가지면서 우수한 절연 특성, 열전도성 및 점착 특성을 갖는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차, 전기, 전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자기기 뿐만 아니라 내부에 사용되는 소재 역시 슬림화, 경량화, 소형화 등이 요구되고 있다. 또한, 유연성 측면에서도 안정적인 성능이 요구되고 있다.
이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하게 되는데, 이러한 방출 열은 소자의 수명을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동이나 기판 열화 등의 원인이 된다. 이에 따라, 방출 열을 제어하는 기술에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이와 같이, 슬림화 및 소형화되어 가고 있는 전자기기 내에는 히트 싱크(Heat sink) 등의 방열판을 장착할 공간적 여유가 부족하기 때문에 열전도성과 점착성이 우수한 얇은 시트를 사용하여 열 집중점인 열원(Heat source)으로부터 열 이동을 유도하여 온도를 낮추는 방법이 효과적이다.
종래의 방열 시트는 유기계 바인더에 열전도성 필러를 고함량으로 충진한 시트로서, 열전도성 필러로 금속, 세라믹, 탄소계를 주로 사용하고 있다. 이와 같이, 전기 전도 특성을 갖는 방열 시트는 전기 절연 특성이 요구되는 전원용도 및 쇼트 발생 위험이 있는 적용 분야에는 적용되지 못하는 단점이 있다. 이를 방지 하기 위해, 절연 특성이 우수한 열전도성을 가진 무기 절연 소재의 방열 시트가 필요하다.
아울러, 열원으로부터 열 이동을 통해 온도를 낮추기 위해서는 열원과 방열 시트 간의 공극이 없어야 효과적으로 열을 이동시킬 수 있다. 이를 위해서는 열원과 방열 시트 간을 부착시키기 위한 점착층이 필수적이다.
그러나, 대부분의 점착층의 재질로는 아크릴계, 우레탄계 등의 고분자를 이용하고 있으나, 아크릴계, 우레탄계 등의 고분자는 0.1 W/mㆍK 이하의 열전도도를 가져 열의 이동을 오히려 방해하여 열 이동 효율을 감소시키는 결과를 초래하고 있다.
또한, 최근 경박단소화 되어가는 전자 기기에서는 두께가 얇은 박막형의 방열 시트에 대한 요구가 증가하고 있으나, 절연 특성을 가지며 두께가 0.2㎜ 이하의 방열 시트의 경우는 기계적 특성 저하로 인해 유리섬유를 보강재로 사용하여 제조 되는 경우가 많다. 그러나, 유리섬유를 보강재로 사용하는 방열 시트의 경우, 점착특성이 없는 관계로 추가적인 점착특성 부여에 대한 문제가 발생하고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0126987호(2019.11.13. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 인조 흑연 시트를 이용한 유연성 방열시트 및 그의 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 0.5㎜ 이하의 얇은 두께를 가지면서 우수한 절연 특성, 열전도성 및 점착 특성을 갖는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 매트릭스 고분자 및 상기 매트릭스 고분자와 혼합된 무기계 절연 방열 필러를 포함하는 절연성 방열층; 상기 절연성 방열층의 일면에 형성된 방열 기능성 점착층; 및 상기 방열 기능성 점착층의 일면에 형성된 이형층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절연성 방열층은 상기 매트릭스 고분자 5 ~ 20 중량%; 및 상기 무기계 절연 방열 필러 80 ~ 95 중량%;를 포함한다.
상기 무기계 절연 방열 필러는 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 무기계 절연 방열 필러는 적어도 2종 이상이 함께 첨가되며, 상기 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러는 최대 평균직경이 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경이 200 ~ 500nm인 것이 바람직하다.
상기 방열 기능성 점착층은 점착제; 및 상기 점착제와 혼합된 방열 기능성 필러;를 포함한다.
상기 박막형 방열 시트는 0.5mm 이하의 두께를 갖는다.
상기 박막형 방열 시트는 8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법은 매트릭스 고분자 및 무기계 절연 방열 필러를 혼합하여 절연성 방열 혼합물을 형성한 후, 상기 절연성 방열 혼합물을 압출 및 압연으로 성형하고 경화시켜 절연성 방열층을 형성하는 단계; 상기 절연성 방열층의 노출된 일면에 방열 기능성 점착층을 형성하는 단계; 및 상기 방열 기능성 점착층의 노출된 일면에 이형층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절연성 방열층은 상기 매트릭스 고분자 5 ~ 20 중량%; 및 상기 무기계 절연 방열 필러 80 ~ 95 중량%;를 포함한다.
상기 무기계 절연 방열 필러는 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 2종 이상이 함께 첨가되며, 최대 평균직경은 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경은 200 ~ 500nm인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법은 슬림화 및 소형화되어 가고 있는 전자기기 내에 부착되되, 열전도성과 점착성이 우수하고, 0.5mm 이하(보다 바람직하게는 0.1 ~ 0.3mm)의 얇은 시트 형태를 갖는 3층 구조를 적용하여 열 집중점(열원)으로부터 열 이동을 유도하는 것에 의해 전자기기의 온도를 확연히 낮출 수 있게 된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법은 절연 특성을 가지면서 우수한 방열 성능을 갖는 금속산화물을 절연성 방열층 전체 중량의 90 중량% 이상으로 다량 첨가함과 더불어, 2종 이상의 상이한 평균직경을 갖는 금속산화물의 배합비를 최적화하여 적용하였다.
이 결과, 본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법은 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하였음에도 불구하고 우수한 열전도성을 확보할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8.15 ~ 9.5 W/mㆍk의 열전도도, 0.47 ~ 0.55 kgf/㎤의 점착력 및 1012 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트를 나타낸 결합 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 대한 방열 성능 시험 결과를 나타낸 사진.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 대한 방열 성능 시험 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트를 나타낸 결합 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트(100)는 절연성 방열층(120), 방열 기능성 점착층(140) 및 이형층(160)을 포함한다.
절연성 방열층(120)은 경박 단소화되어 가는 전자기기 내에 직접 부착하기 위해, 얇은 시트 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 절연성 방열층(120)은 30 ~ 300㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 50 ~ 150㎛를 제시할 수 있다. 절연성 방열층(120)의 두께가 30㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 방열 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 절연성 방열층의 두께가 300㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께 설계로 인하여 경박 단소화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다.
이러한 절연성 방열층(120)은 매트릭스 고분자 및 매트릭스 고분자와 혼합된 무기계 절연 방열 필러를 포함한다.
매트릭스 고분자로는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐 수지, 아크릴 수지, 폴리 우레탄 수지 및 페놀계 수지 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 매트릭스 고분자는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 5 ~ 20 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 5 ~ 10 중량%를 제시할 수 있다. 매트릭스 고분자의 첨가량이 5 중량% 미만일 경우에는 점착력이 좋지 않아 전자기기와의 부착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 매트릭스 고분자가 20 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 무기계 절연 방열 필러의 함량이 감소하여 방열 효과를 발휘되지 못하는 문제가 있다.
무기계 절연 방열 필러는 절연 특성을 가지면서 우수한 방열 성능을 갖는 금속산화물을 이용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 무기계 절연 방열 필러로는 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 절연성 방열층(120)은 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하는 대신 절연 특성 향상을 위해 금속산화물 재질의 무기계 절연 방열 필러를 적용한 것이다.
무기계 절연 방열 필러는 우수한 열전도성 확보를 위해, 절연성 방열층(120) 전체 중량의 80 ~ 95 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 90 ~ 95 중량%로 첨가되는 것이 좋다. 무기계 절연성 방열 필러의 첨가량이 80 중량% 미만일 경우에는 방열 성능이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 무기계 절연 방열 필러의 첨가량이 95 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 매트릭스 고분자의 함량이 감소하는데 기인하여 점착력이 나빠져 전자기기와의 부착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다.
아울러, 무기계 절연 방열 필러는 우수한 열전도성 확보를 위해 적어도 2종 이상을 함께 첨가하는 것이 바람직하다. 이때, 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러는 최대 평균직경이 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경이 200 ~ 500nm인 것을 이용하는 것이 좋다.
이와 같이, 본 발명에서는 열전도성을 향상시키기 위해, 의도적으로 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러를 첨가하되, 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러 상호 간의 평균직경이 상이한 것을 이용하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 무기계 절연 방열 필러는 50 ~ 70㎛의 평균직경을 갖는 제1 무기계 절연 방열 필러와, 5 ~ 7㎛의 평균 직경을 갖는 제2 무기계 절연 방열 필러와, 200 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 제3 무기계 절연 방열 필러와, 0.5 ~ 1㎛의 제4 무기계 절연 방열 필러와, 3 ~ 10㎛의 제5 무기계 절연 방열 필러를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 무기계 절연 방열 필러는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 10 ~ 30 중량%로 첨가하고, 제2 무기계 절연 방열 필러는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 10 ~ 30 중량%로 첨가하고, 제3 무기계 절연 방열 필러는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 1 ~ 10 중량%로 첨가하고, 제4 무기계 절연 방열 필러는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 5 ~ 15 중량%로 첨가하며, 제5 무기계 절연 방열 필러는 절연성 방열층(120) 전체 중량의 1 ~ 10 중량%로 첨가될 수 있다.
보다 바람직하게, 제1, 제2 및 제3 무기계 절연 방열 필러 각각은 산화알미늄(Al2O3)일 수 있고, 제4 무기계 절연 방열 필러는 산화아연(ZnO)일 수 있으며, 제5 무기계 절연 방열 필러는 질화붕소(BN)일 수 있다.
여기서, 상대적으로 평균직경이 큰 제1, 제2 및 제5 무기계 절연 방열 필러의 합산 함량이 평균직경이 작은 제3 및 제4 무기계 절연 방열 필러의 합산 함량 보다 많은 비율로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 큰 사이즈의 무기계 절연 방열 필러가 상대적으로 많아야 작은 사이즈의 무기계 절연 방열 필러가 큰 사이즈의 무기계 절연 방열 필러의 사이 공간으로 충진되는 것이 용이하여 충진밀도가 향상되어 얇은 두께를 가지면서도 우수한 열전도성을 확보하는데 유리하기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트(100)는 절연성 방열층(120) 전체 중량에서 무기계 절연 방열 필러의 첨가량을 80 중량% 이상, 보다 바람직하게는 90 중량% 이상으로 증가시킴과 더불어, 2종 이상의 상이한 평균직경을 갖는 무기계 절연 방열 필러의 배합비를 최적화하여 적용하였다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트(100)는 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하였음에도 불구하고 우수한 열전도성을 확보하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
방열 기능성 점착층(140)은 절연성 방열층(120)의 일면에 형성된다. 이러한 방열 기능성 점착층(140)은 열의 이동을 방해하지 않는 방열 기능을 갖는 점착제로 이루어지는 것에 의해, 우수한 방열 효과를 발휘하게 된다.
이를 위해, 방열 기능성 점착층(140)은 점착제 및 방열 기능성 필러를 포함한다. 보다 구체적으로, 방열 기능성 점착층(140)은 50 ~ 80 중량%의 점착제 및 20 ~ 50 중량%의 방열 기능성 필러를 포함할 수 있다.
점착제는 아크릴 수지, 에폭시 수지, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 수지, CPE(Chlorinated Polyethylene) 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지, 우레아 수지 및 멜라민 수지 중 선택된 1종 이상의 고분자 수지가 이용될 수 있다.
점착제가 50 중량% 미만일 경우에는 방열 기능성 필러와의 균일한 분산이 어려워 코팅에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 점착제가 80 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 방열 기능성 필러의 함량이 감소하게 되어, 충분한 방열 효과를 발휘되지 못하는 문제가 있다.
방열 기능성 필러는 점착제와 혼합되어 방열 기능성 점착층(140)의 방열 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 방열 기능성 필러의 첨가량이 20 중량% 미만일 경우에는 방열 성능 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 방열 기능성 필러의 첨가량이 50 중량%를 초과할 경우에는 점착력을 약화시킬 우려가 있다.
이때, 방열 기능성 필러는 카본 분말, 탄소나노튜브, 그라파이트, 그래핀 및 팽창 흑연을 포함한 전도성 방열 필러와, 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)를 포함하는 절연성 방열 필러 중 적어도 2종 이상을 혼합시킨 것을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 카본 분말로는 케첸(Ketjen)블랙 EC-300JD, 케첸블랙 EC-600JD 등을 예로 들 수 있으며, 이 밖에 아세틸렌 블랙 등의 각종 도전성 카본 분말을 이용할 수 있다.
이러한 방열 기능성 필러는 1 ~ 50㎛의 평균 직경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 방열 기능성 필러의 평균 직경이 1㎛ 미만일 경우에는 그 크기가 미세화됨에 따라 입자의 분산성의 문제로 인해 부착력 및 내열성이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 방열 기능성 필러의 평균 직경이 50㎛를 초과할 경우에는 방열 기능성 점착층(140)의 두께 증가로 열 저항이 상승할 우려가 있다.
이러한 방열 기능성 점착층(140)은 효과적인 열 방출 및 전자기기와의 안정적인 접착을 위하여 1 ~ 50㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 10 ~ 30㎛를 제시할 수 있다. 방열 기능성 점착층(140)의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 전자기기와의 안정적인 접착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 방열 기능성 점착층(140)의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께 설계로 전자기기에서 발생하는 열을 절연성 방열층(120)으로 효과적으로 방출시키는데 어려움이 따를 수 있다.
이형층(160)은 방열 기능성 점착층(140)의 일면에 형성되어, 방열 기능성 점착층(140)을 보호하는 역할을 한다.
이러한 이형층(160)은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 방열 시트(100)가 전자기기 내에 부착될 시, 방열 기능성 점착층(140)에서 분리하여 제거된다. 이를 위해, 이형층(160)은 박리가 용이한 필름 타입이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 박막형 방열 시트(100)는 이형층(160)의 제거로 외부로 노출되는 방열 기능성 점착층(140)이 전자기기 내에 직접 부착되어 사용된다.
따라서, 이형층(160)은 방열 기능성 점착층(140)과의 분리가 용이한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 이형층(160)의 재질로는 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 및 실리콘 수지 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 슬림화 및 소형화되어 가고 있는 전자기기 내에 부착되되, 열전도성과 점착성이 우수하고, 0.5mm 이하(보다 바람직하게는 0.1 ~ 0.3mm)의 얇은 시트 형태를 갖는 3층 구조를 적용하여 열 집중점(열원)으로부터 열 이동을 유도하는 것에 의해 전자기기의 온도를 확연히 낮출 수 있게 된다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 절연 특성을 가지면서 우수한 방열 성능을 갖는 금속산화물을 절연성 방열층 전체 중량의 90 중량% 이상으로 다량 첨가함과 더불어, 2종 이상의 상이한 평균직경을 갖는 금속산화물의 배합비를 최적화하여 적용하였다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하였음에도 불구하고 우수한 열전도성을 확보할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8.15 ~ 9.5 W/mㆍk의 열전도도, 0.47 ~ 0.55 kgf/㎤의 점착력 및 1012 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법은 절연성 방열층 형성 단계(S110), 방열 기능성 점착층 형성 단계(S120) 및 이형층 형성 단계(S130)를 포함한다.
절연성 방열층 형성
절연성 방열층 형성 단계(S110)에서는 매트릭스 고분자 및 무기계 절연 방열 필러를 혼합하여 절연성 방열 혼합물을 형성한 후, 절연성 방열 혼합물을 압출 및 압연으로 성형하고 경화시켜 절연성 방열층을 형성한다.
절연성 방열 혼합물을 압출 및 압연하기 전 절연성 방열 혼합물을 안정적으로 지지하기 위해, 절연성 방열 혼합물의 양쪽 면에는 불소가 코팅된 이형 필름을 부착시키는 것이 바람직하다. 이러한 불소가 코팅된 이형 필름은 일면에만 불소가 코팅되어 있을 수 있으며, 불소 코팅 면이 절연성 방열 혼합물과 맞닿도록 부착되는 것이 바람직하다.
여기서, 불소가 코팅된 이형 필름은 경화 이후, 절연성 방열층으로부터 제거하게 된다. 불소가 코팅된 이형 필름은 절연성 방열 혼합물을 안정적으로 지지할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 불소가 코팅된 이형 필름으로는 불소가 코팅된 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름이 이용될 수 있다.
본 단계에서, 경화는 70 ~ 150℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 경화 온도가 70℃ 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못하여 내구성이 저하될 수 있다. 반대로, 경화 온도가 150℃를 초과할 경우에는 매트릭스 고분자의 변형 및 과경화로 인한 경도 변화 등의 기계적 특성 변화가 일어날 수 있다.
이러한 경화에 의해, 절연성 방열층은 매트릭스 고분자 및 매트릭스 고분자와 혼합된 무기계 절연 방열 필러를 포함한다.
매트릭스 고분자로는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐 수지, 아크릴 수지, 폴리 우레탄 수지 및 페놀계 수지 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이러한 매트릭스 고분자는 절연성 방열층 전체 중량의 5 ~ 20 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 5 ~ 10 중량%를 제시할 수 있다. 매트릭스 고분자의 첨가량이 5 중량% 미만일 경우에는 점착력이 좋지 않아 전자기기와의 부착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 매트릭스 고분자가 20 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 무기계 절연 방열 필러의 함량이 감소하여 방열 효과를 발휘되지 못하는 문제가 있다.
무기계 절연 방열 필러는 절연 특성을 가지면서 우수한 방열 성능을 갖는 금속산화물을 이용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 무기계 절연 방열 필러로는 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 절연성 방열층은 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하는 대신 절연 특성 향상을 위해 금속산화물 재질의 무기계 절연 방열 필러를 적용한 것이다.
무기계 절연 방열 필러는 우수한 열전도성 확보를 위해, 절연성 방열층 전체 중량의 80 ~ 95 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 90 ~ 95 중량%로 첨가되는 것이 좋다. 무기계 절연성 방열 필러의 첨가량이 80 중량% 미만일 경우에는 방열 성능이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 무기계 절연 방열 필러의 첨가량이 95 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 매트릭스 고분자의 함량이 감소하는데 기인하여 점착력이 나빠져 전자기기와의 부착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다.
아울러, 무기계 절연 방열 필러는 우수한 열전도성 확보를 위해 적어도 2종 이상을 함께 첨가하는 것이 바람직하다. 이때, 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러는 최대 평균직경이 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경이 200 ~ 500nm인 것을 이용하는 것이 좋다.
방열 기능성 점착층 형성
방열 기능성 점착층 형성 단계(S120)에서는 절연성 방열층의 노출된 일면에 방열 기능성 점착층을 형성한다.
본 단계에서, 방열 기능성 점착층은 절연성 방열층의 노출된 일면에 점착제, 방열 기능성 필러 및 용매를 포함하는 방열 기능성 점착제 분산액을 코팅하고, 건조하는 것에 의해 형성될 수 있다.
아울러, 건조는 70 ~ 150℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 70℃ 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못하여 내구성이 저하될 수 있다. 반대로, 건조 온도가 150℃를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이러한 건조에 의해, 용매는 휘발되어 제거된다. 이에 따라, 방열 기능성 점착층은 점착제 및 점착제와 혼합된 방열 기능성 필러를 포함한다. 보다 구체적으로, 방열 기능성 점착층은 50 ~ 80 중량%의 점착제 및 20 ~ 80 중량%의 방열 기능성 필러를 포함할 수 있다.
점착제는 아크릴 수지, 에폭시 수지, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 수지, CPE(Chlorinated Polyethylene) 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지, 우레아 수지 및 멜라민 수지 중 선택된 1종 이상의 고분자 수지가 이용될 수 있다.
점착제가 50 중량% 미만일 경우에는 방열 기능성 필러와의 균일한 분산이 어려워 코팅에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 점착제가 80 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 방열 기능성 필러의 함량이 감소하게 되어, 충분한 방열 효과를 발휘되지 못하는 문제가 있다.
방열 기능성 필러는 점착제와 혼합되어 방열 기능성 점착층의 방열 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 방열 기능성 필러의 첨가량이 20 중량% 미만일 경우에는 방열 성능 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 방열 기능성 필러의 첨가량이 50 중량%를 초과할 경우에는 점착력을 약화시킬 우려가 있다.
이때, 방열 기능성 필러는 카본 분말, 탄소나노튜브, 그라파이트, 그래핀 및 팽창 흑연을 포함한 전도성 방열 필러와, 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)를 포함하는 절연성 방열 필러 중 적어도 2종 이상을 혼합시킨 것을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 카본 분말로는 케첸(Ketjen)블랙 EC-300JD, 케첸블랙 EC-600JD 등을 예로 들 수 있으며, 이 밖에 아세틸렌 블랙 등의 각종 도전성 카본 분말을 이용할 수 있다.
이러한 방열 기능성 점착층은 효과적인 열 방출 및 전자기기와의 안정적인 접착을 위하여 1 ~ 50㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 10 ~ 30㎛를 제시할 수 있다. 방열 기능성 점착층의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 전자기기와의 안정적인 접착이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 방열 기능성 점착층의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께 설계로 전자기기에서 발생하는 열을 절연성 방열층으로 효과적으로 방출시키는데 어려움이 따를 수 있다.
이형층 형성
이형층 형성 단계(S130)에서는 방열 기능성 점착층의 노출된 일면에 이형층을 형성한다.
본 단계에서, 이형층은 방열 기능성 점착층의 일면에 형성되어, 방열 기능성 점착층을 보호하는 역할을 한다.
이러한 이형층은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 방열 시트가 전자기기 내에 부착될 시, 방열 기능성 점착층에서 분리하여 제거된다. 이를 위해, 이형층은 박리가 용이한 필름 타입이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 박막형 방열 시트는 이형층의 제거로 외부로 노출되는 방열 기능성 점착층이 전자기기 내에 직접 부착되어 사용된다.
따라서, 이형층은 방열 기능성 점착층과의 분리가 용이한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 이형층의 재질로는 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 및 실리콘 수지 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이에 따라, 절연성 방열층의 일면에 방열 기능성 점착층이 형성되고, 방열 기능성 점착층의 일면에 이형층이 형성된 3층 구조의 박막형 방열 시트가 제조된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법은 슬림화 및 소형화되어 가고 있는 전자기기 내에 부착되되, 열전도성과 점착성이 우수하고, 0.5mm 이하(보다 바람직하게는 0.1 ~ 0.3mm)의 얇은 시트 형태를 갖는 3층 구조를 적용하여 열 집중점(열원)으로부터 열 이동을 유도하는 것에 의해 전자기기의 온도를 확연히 낮출 수 있게 된다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법은 절연 특성을 가지면서 우수한 방열 성능을 갖는 금속산화물을 절연성 방열층 전체 중량의 90 중량% 이상으로 다량 첨가함과 더불어, 2종 이상의 상이한 평균직경을 갖는 금속산화물의 배합비를 최적화하여 적용하였다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 탄소 소재 및 금속 소재를 배제하였음에도 불구하고 우수한 열전도성을 확보할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트는 8.15 ~ 9.5 W/mㆍk의 열전도도, 0.47 ~ 0.55 kgf/㎤의 점착력 및 1012 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 방열 시트 제조
실시예 1
매트릭스 고분자(아크릴 엘라스토머 수지) 10wt% 및 무기계 절연 방열 필러(Al2O3, ZnO, BN) 90wt%를 혼합하여 절연성 방열 혼합물을 형성한 후, 절연성 방열 혼합물의 양면에 불소가 코팅된 이형필름(PET)를 부착하였다.
다음으로, 불소가 코팅된 이형필름이 부착된 절연성 방열 혼합물을 압출 및 압연으로 성형한 후, 120℃에서 2시간 동안 경화시켜 절연성 방열층을 형성하였다.
여기서, 무기계 절연 방열 필러로는 60㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 29wt%, 6㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 27wt%, 0.7㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 10wt%, 350nm의 평균직경을 갖는 ZnO 15wt%, 5㎛의 평균직경을 갖는 BN 9wt%의 함량비로 첨가한 것을 이용하였다.
다음으로, 절연성 방열층의 노출된 일면에 에틸 아크릴레이트(ethyl acrylate, EA), 카본 분말 및 나머지 톨루엔으로 조성된 방열 기능성 점착제 분산액을 콤마코팅 방식으로 30㎛의 두께로 코팅하고, 120℃에서 2시간 동안 건조하여 방열 기능성 점착층을 형성하였다.
여기서, 방열 기능성 점착층은 에틸 아크릴레이트(ethyl acrylate, EA) 70wt%와, 절연성 방열 필러(Al2O3) 및 전도성 방열 필러(카본 분말)가 혼합된 방열 기능성 필러 30wt%로 조성되도록 제어하였다.
다음으로, 방열 기능성 점착층의 노출된 일면에 30㎛ 두께의 이형층을 부착한 후, 절연성 방열층, 방열 기능성 점착층 및 이형층으로부터 캐리어 기재를 제거하여 3층 구조의 방열 시트를 제조하였다.
실시예 2
절연성 방열층으로 매트릭스 고분자(아크릴 엘라스토머 수지) 8wt% 및 무기계 절연 방열 필러(Al2O3, ZnO, BN) 92wt%를 혼합한 절연성 방열 혼합물을 이용하되, 무기계 절연 방열 필러로 60㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 30wt%, 6㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 28wt%, 0.7㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 10wt%, 350nm의 평균직경을 갖는 ZnO 15wt%, 5㎛의 평균직경을 갖는 BN 9wt%의 함량비로 첨가한 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 시트를 제조하였다.
실시예 3
절연성 방열층으로 매트릭스 고분자(아크릴 엘라스토머 수지) 5wt% 및 무기계 절연 방열 필러(Al2O3, ZnO, BN) 95wt%를 혼합한 절연성 방열 혼합물을 이용하되, 무기계 절연 방열 필러로 60㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 30wt%, 6㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 30wt%, 0.7㎛의 평균직경을 갖는 Al2O3 10wt%, 350nm의 평균직경을 갖는 ZnO 15wt%, 5㎛의 평균직경을 갖는 BN 10wt%의 함량비로 첨가한 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 시트를 제조하였다.
비교예 1
방열 기능성 점착층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 시트를 제조하였다.
비교예 2
방열 기능성 점착층 대신 에틸 아크릴레이트(ethyl acrylate, EA) 및 나머지 톨루엔으로 조성된 아크릴계 점착제 분산액을 콤마코팅 방식으로 30㎛의 두께로 코팅하고, 120℃에서 2시간 동안 건조하여 아크릴계 점착층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 시트를 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 방열 시트에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 이때, 열전도도는 ASTM D5470에 의거하여 측정하였고, 경도는 ASTM D2240에 의거하여 측정하였다. 또한, 점착력은 TY method 방법에 의거하여 측정하였고, 체적저항은 ASTM D257에 의거하여 측정하였다.
[표 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 방열 시트는 목표 값에 해당하는 8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
특히, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 방열 시트는 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 방열 시트에 비하여, 열전도도 및 점착력에 대한 물성 값에서 확연히 향상된 결과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 실시예 2 ~ 3에 따라 제조된 방열 시트는 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 방열 시트에 비하여, 열전도도 및 경도에 대한 물성 값에서 확연히 향상된 결과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 무기계 절연 방열 필러의 ?t량을 90 중량% 이상으로 증가시키더라도, 점착제 여부에 따라 열전도도, 경도, 점착력 등에 대한 물성 값에 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 대한 방열 성능 시험 결과를 나타낸 사진이고, 도 5는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 대한 방열 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 대한 방열 성능 시험을 위해, 이형층을 제거한 방열 시트를 LED 조명에 부착하였다. 방열 성능 시험은 TY method 방법에 의거하여 실시하였다. 이때, 측정 시간은 40분이고, 평가지표는 ΔTfinal(여기서, Tfinal은 시험측정 30분 경과 후의 평균온도임)로서 Tfinal 분석은 3회 분석, 3개의 결과 값의 온도 편차 <±1℃일 때, 중간값을 결과값으로 나타내었다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트가 부착된 LED 조명에 대한 방열 성능 시험 결과, 실시예 1이 비교예 1 ~ 2 대비 온도가 확연하게 감소한 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 실시예 1에 따른 방열 시트가 비교예 1 ~ 2에 따른 방열 시트에 비하여 방열 효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 박막형 방열 시트
120 : 절연성 방열층
140 : 방열 기능성 점착층
160 : 이형층

Claims (10)

  1. 매트릭스 고분자 및 상기 매트릭스 고분자와 혼합된 무기계 절연 방열 필러를 포함하는 절연성 방열층;
    상기 절연성 방열층의 일면에 형성된 방열 기능성 점착층; 및
    상기 방열 기능성 점착층의 일면에 형성된 이형층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 방열층은
    상기 매트릭스 고분자 5 ~ 20 중량%; 및
    상기 무기계 절연 방열 필러 80 ~ 95 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기계 절연 방열 필러는
    산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기계 절연 방열 필러는
    적어도 2종 이상이 함께 첨가되며, 상기 2종 이상의 무기계 절연 방열 필러는 최대 평균직경이 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경이 200 ~ 500nm인 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 기능성 점착층은
    점착제; 및
    상기 점착제와 혼합된 방열 기능성 필러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 박막형 방열 시트는
    0.5mm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 박막형 방열 시트는
    8 ~ 10 W/mㆍk의 열전도도, 0.40 ~ 0.60 kgf/㎤의 점착력 및 1013 Ωㆍ㎝ 이하의 체적 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트.
  8. 매트릭스 고분자 및 무기계 절연 방열 필러를 혼합하여 절연성 방열 혼합물을 형성한 후, 상기 절연성 방열 혼합물을 압출 및 압연으로 성형하고 경화시켜 절연성 방열층을 형성하는 단계;
    상기 절연성 방열층의 노출된 일면에 방열 기능성 점착층을 형성하는 단계; 및
    상기 방열 기능성 점착층의 노출된 일면에 이형층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연성 방열층은
    상기 매트릭스 고분자 5 ~ 20 중량%; 및
    상기 무기계 절연 방열 필러 80 ~ 95 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 무기계 절연 방열 필러는 산화알미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 산화마그네슘(MgO), 수산화알미늄(Al(OH)3) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 2종 이상이 함께 첨가되며, 최대 평균직경은 50 ~ 70㎛이고, 최소 평균직경은 200 ~ 500nm인 것을 특징으로 하는 방열 효과가 우수한 박막형 방열 시트 제조 방법.
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