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KR101260492B1 - 방열 도료 조성물 및 이를 이용한 방열시트 - Google Patents

방열 도료 조성물 및 이를 이용한 방열시트 Download PDF

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KR101260492B1
KR101260492B1 KR1020100138637A KR20100138637A KR101260492B1 KR 101260492 B1 KR101260492 B1 KR 101260492B1 KR 1020100138637 A KR1020100138637 A KR 1020100138637A KR 20100138637 A KR20100138637 A KR 20100138637A KR 101260492 B1 KR101260492 B1 KR 101260492B1
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South Korea
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heat
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radiating
resin
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박영수
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(주) 디바이스이엔지
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Abstract

본 발명은 방열 도료 조성물 및 이를 이용한 방열시트에 관한 것이다. 보다 구체적으로 방열 도료 조성물과 이를 기재에 도포한 후 소성하여 방열층을 형성한 방열시트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방열 도료 조성물은 기재와의 접착성이 우수하며, 방열성, 전도성, 경도, 내용제성 및 내수성이 우수하다. 또한 본 발명의 방열 도료 조성물을 이용한 방열 시트는 방열층을 10 ~ 30㎛ 두께의 박막으로 제조하는 경우에도 방열성이 우수하다.

Description

방열 도료 조성물 및 이를 이용한 방열시트{PIGMENT COMPOSITION FOR RADIATING HEAT AND SHEET FOR RADIATING HEAT USING THE SAME}
본 발명은 전자 부품 및 LED 조명의 표면에 코팅 또는 부착이 가능하여 소자에서 방출되는 열을 효과적으로 방출하는 방열 도료 조성물 및 이를 이용한 방열시트에 관한 것이다.
최근 전자기기의 고성능화, 소형화 및 고기능화에 따라 전자부품 회로에서 발열량이 증가함에 따라 기기의 내부온도가 상승하여 반도체 소자의 오작동, 저항체 부품의 특성변화 및 부품의 수명이 저하되는 문제를 수반한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방열대책으로 다양한 기술이 적용되고 있다.
이러한 방열대책으로는 히트싱크(Heat sink)나 방열판을 설치하는 방법이 있다. 또한, 상기 열원과 히트싱크 사이에 방열그리스(Thermal grease), 방열 패드, 방열 테이프 등과 같은 열 전달물질을 삽입하는 방법이 있다.
그런데 상기와 같은 종래의 방열방법은 열원에서 발생하는 열을 단순히 히트씽크로 전달하는 기능만 할 뿐, 히트싱크에 축적된 열을 공기 중으로 방출하는 기능은 수행하지 못하였다. 더구나 전자제품의 열원이나 히트싱크, 방열판 등을 보호하기 위하여 그 표면에다 종래의 액상도료를 코팅하게 되면, 그 피막이 피도체의 열 방출을 차단하여 오히려 상기 전자제품의 성능이나 수명에 악영향을 미치는 결과를 초래하기도 한다.
본 발명은 방열성, 부착성, 내열성, 내용제성 및 내수성이 우수한 방열 도료 조성물을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 상기 방열 도료 조성물을 이용하여 방열층을 박막으로 형성하여도 우수한 방열성을 나타내는 방열 시트를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 아크릴계 수지 10 ~ 40 중량%, 에폭시 수지 5 ~ 20 중량%, 멜라민 수지 5 ~ 20 중량%, 알키드수지 3 ~ 10 중량%, 지르코알루미네이트 커플링제 0.2 내지 1 중량% 및 잔부 용매를 포함하는 바인더수지 용액 100 중량부에 대하여; 상기 바인더 수지 용액 5 ~ 10 중량%, 40 ~ 100nm 크기의 전도성 카본블랙 3 ~ 10 중량%, 1 ~ 20㎛ 크기의 전도성 그라파이트 1 ~ 5 중량%, 지르코네이트 커플링제, 지르코늄 알루미네이트 커플링제, 알루미네이트 커플링제에서 선택되는 1종 이상의 커플링제 0.3 ~ 1 중량%, 분산제 0.3 ~ 1 중량%, 침강방지제 0.3 ~ 1 중량% 및 잔부 용매를 포함하는 나노카본 분산액 10 ~ 100 중량부;를 포함하는 방열 도료 조성물에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 바인더 수지 용액 100 중량부에 대하여, 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al2O3), 지르코니아(zirconia; Zr2), 보론 카바이드(boron carbide; B4C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si3N4)에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 분말 5 ~ 50 중량부를 더 포함하는 방열 도료 조성물에 관한 것이다.
또한, 상기 방열용 코팅제 조성물을 이용하여 제조된 방열 코팅 복합 시트를 제공한다.
이하, 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 상기 바인더수지 용액은 아크릴계 수지 10 ~ 40 중량%, 에폭시 수지 5 ~ 20 중량%, 멜라민 수지 5 ~ 20 중량%, 알키드 수지 3 ~ 10 중량%, 지르코알루미네이트 커플링제 0.2 내지 1 중량% 및 잔부 용매를 포함한다.
상기 아크릴계 수지는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트에서 선택되는 아크릴계 당량체와, 공중합 가능한 단량체, 구체적으로 스틸렌(Styrene) 외에 각종 활성관능기를 가진 단량체를 공중합시킨 폴리머이다. 상기 활성관능기로는 -NH2, -NH, -CH2OH, -COOH, -OH, -CH, =CH2, 에폭시기 등을 갖도록 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 아크릴계 수지에 경화용 수지를 혼합하여 도막주성분으로 사용하여 가열에 의해 경화용수지와 가교 중합하여 망상구조의 도막을 만든다.
본 발명은 상기 경화용수지로 소부온도를 낮추고 경도, 내오염성 향상시키기 위한 멜라민 수지, 내오염성, 밀착성, 내약품성향상시키기 위한 에폭시수지, 내충격성,굴곡성 향상시키기 위한 알키드 수지를 혼합하여 사용함에 따라 매우 우수한 초기접착성을 가지며, 도막 외관이 우수하고, 내용제성, 내비등수성, 내약품성, 내온수성, 내습성, 내한내열성, 내열성, 내염수분무성, 내자외선성 등의 물성이 우수한 도막을 얻을 수 있으며, 함께 혼합되는 나노카본분산액과의 혼화성이 우수함을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 의한 바인더 수지는 기존의 아크릴 수지보다 내후성이 극히 우수하고, 광택, 광택보유성, 색상 및 보색성이 우수하며, 지르코 알루미네이트 커플링제를 사용함으로써 더욱 향상된 내화학성, 부착력, 유연성을 갖는다.
상기 지르코 알루미네이트 커플링제는 유기관능기로 -CH(OH)-CH(OH)-COOH를 가지며 무기관능기로 AL/ZR 금속알콕사이드를 가지는 지르코 알루미네이트 커플링제라면 사용 가능하다. 이러한 예로는 Chartwell사의 C-523-2H 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 지르코 알루미네이트 커플링제의 무기관능기의 금속알콕사이드는 피착면 표면의 하이드록시기와 화학적으로 결합하고, 지르코알루미네이트 커플링제의 카르복실기는 본 발명에 의한 바인더 수지의 카르복실기와 축합 반응한다. 이러한 메커니즘에 의해 상기에서 제조된 바인더 수지의 물성을 향상 시키며 또한 전도성 나노 카본, 그라파이트, 산화알루미늄, 탄화규소 등 열전도성 필러와 바인더 수지의 계면 열저항을 줄여 줌으로써 방열특성을 향상시킨다.
본 발명에 사용되는 아크릴계 수지는, 아크릴 단량체를 유기 용제 중에서 2 내지 4시간 동안 중합 반응시켜 제조할 수 있는데, 이때 아크릴 단량체, 유기 용제 및 중합개시제로는 하기한 종류를 사용할 수 있다.
아크릴 단량체로는 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 이소프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 이소부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트, 라우릴 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, t-부틸 메타크릴레이트, 매크로 니트릴, 메타크로 니트릴,사이클로헥실 메타크릴레이트, 아크릴산, 타크릴산, 하이드록실 메타크릴레이트, 하이드록실 에틸 아크릴레이트,하이드록실 프로필 메타크릴레이트, 하이드록실 프로필 아크릴레이트, 스티렌 단량체, 레산,아이타콘산, 아크릴 아마이드, n-메틸올 아크릴 아마이드, 디아세톤 아크릴 아마이드, 글리시딜 메타크릴레이트, 비닐 톨루엔, 비닐 아세테이트 및 비닐 클로라이드 등을 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
또한 공단량체로는 -NH2, -NH, -CH2OH, -COOH, -OH, -CH, =CH2, 에폭시기 등의 활성 관능기를 부여하기 위한 공단체를 사용할 수 있다.
또한, 유기 용제로는 n-헵탄, 톨루엔, 크실렌, 석유계 화합물 및 n-헥산 등의 비극성 용제, 에틸 아세테이트, n-부틸아세테이트, 이소부틸 아세테이트, 에틸렌글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 디베이직 에스테르, 3-메톡시 부틸 아세테이트, 아밀 아세테이트, 부틸글리콜 아세테이트, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 아세톤, 디이소부틸 케톤,이소포론 및 사이클로헥사논, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브 등의 극성 용제, 및 상기 비극성 용제와 극성 용제의 혼합물을 바인더의 특성이나 휘발 속도에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기의 중합반응을 수행하기 위해서는 중합개시제가 사용되는데, 중합개시제로는 아조비스 이소부틸로니트릴, 벤조일 퍼옥사이드, 디-t-부틸 퍼옥사이드, t-부틸 퍼벤조에이트, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드, p-메탄 하이드로퍼옥사이드, 디-t-부틸 퍼옥사이드, 1,1-비스(t-부틸 퍼옥시)-3,3,5-트리메틸 사이클로헥산, 라우로일 퍼옥사이드, 디이소프로필 퍼옥시디카보네이트, 3,5,5-트리메틸 헥사노일 퍼옥사이드, 디-2-에틸헥실 퍼옥시디카보네이트, t-부틸 퍼옥시아세테이트, t-부틸 퍼옥시피바레이트, t-부틸 퍼옥시아세테이트, 큐밀 퍼옥시네오디카보네이트, t-부틸 퍼옥실 2-에틸 헥사노에이트 및 t-부틸 퍼옥시벤조에이트 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 아크릴계 수지는 산가가 30∼150KOHmg/g, 수산기가가 5∼100KOHmg/g인 것이 바람직하며, 산가가 30KOHmg/g 미만인 때는, 경화성이 부족하고 내용제성이 저하될 수 있고, 또 산가가 150KOHmg/g를 초과하면, 용제에 대한 용해성이 저하하고, 도료에 침전물이 생기는 등 도료의 안정성이 나빠질 수 있다. 더욱 바람직한 산가의 범위는 50∼120KOHmg/g이다. 수평균 분자량은 3500∼20000의 범위가 적당하다. 수평균 분자량이 3500 미만인 때는, 내용제성이 저하하고, 내 스크래치성이 떨어지고, 내수성이 저하하고, 내구성이 저하된다. 상기의 수평균 분자량은, GPC를 사용한 폴리스티렌을 표준으로 하여 측정하여 얻어진 값을 의미한다.
또한, 불휘발분 40 내지 70중량%, 유리전이온도 0 내지 60℃의 특성을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그 함량은 10 ~ 40 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 10 중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고, 40 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 내구성, 내화학성 등 기본적인 물성이 저하될 수 있다.
상기 에폭시 수지는 내오염성, 밀착성, 내약품성 향상을 위해 사용된다. 또한 Bis-Phenol(A) 계의 에폭시수지를 사용함을 그 특징으로 한다. 구체적으로 예를 들면, 국도화학의 Bis-Phenol(A) 계 YD-128S 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 5 내지 10중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 5중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고 10중량%를 초과하여 사용하는 경우 투명성, 내약품성이 나빠지며 건조온도가 지나치게 높아질 수 있다.
상기 멜라민 수지는 소부온도를 낮추고 경도, 내오염성 향상을 위해 사용된다. 또한 이소부틸화 멜라민 수지, 메틸화 멜라민수지, N-부틸화 멜라민 수지, 헥사메톡시메틸 멜라민 및 트리메톡시메틸 멜라민에서 선택된 1종 혹은 2종의 혼합물을 사용 할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 애경화학의 Super Beckamine 53-419, Super Beckamine L-105-60 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 5 내지 10중량% 를 사용하는 것이 바람직하며 5중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고 10중량% 초과하는 경우 충격성, 굴곡성 등의 물리적 성질이 나빠지는 단점이 있다.
상기 알키드 수지는 부착력을 향상시키기 위해 사용된다. 구체적으로 예를 들면, 대륭기업의 DR-1751 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 3 ~ 10 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 3 중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고, 10 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 도막의 경도가 지나치게 떨어진다.
본 발명에서 상기 지르코알루미네이트 커플링제는 바인더 수지의 부착력, 내화학성을 향상시키고 전도성 나노 카본, 그라파이트, 산화알루미늄, 탄화규소 등 열전도성 필러와 바인더 수지의 계면 열저항을 줄여 줌으로써 방열특성을 향상 시킨다. 상기 지르코알루미네이트 커플링제는 유기관능기로 -CH(OH)-CH(OH)-COOH를 가지며 무기관능기로 AL/ZR 금속알콕사이드를 가지는 것이며, 구체적으로 예를 들면, Chartwell사의 C-523-2H 등을 사용할 수 있다. 또한 그 함량은 0.2 ~ 1 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 0.2 중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고, 1 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 커플링제 끼리 중합하여 바인더 수지와 열전도성 필러 계면의 열저항을 증가시키고 바인더 수지의 전반적인 물성을 저하시킨다.
상기 용매는 톨루엔, 자일렌, n-부틸아세테이트, 이소부틸아세테이트, 에틸아세테이트, 이소부틸알콜, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 나노카본 분산액은 상기에서 제조된 바인더 수지용액 5 ~ 10 중량%, 전도성 카본블랙 3 ~ 10 중량%, 전도성 그라파이트 1 ~ 5 중량%, 지르코네이트 커플링제, 티타네이트 커플링제, 지르코알루미네이트 커플링제, 실란 커플링제에서 선택되는 1종 이상의 커플링제 0.3 ~ 1 중량%, 분산제 0.3 ~ 1 중량%, 침강방지제 0.3 ~ 1 중량% 및 잔부 용매를 포함한다.
본 발명은 전도성 카본블랙 및 전도성 그라파이트 및 세라믹 필러의 분산성을 향상시키고, 지르코알루미네이트 커플링제의 사용으로 고분자 기질과 충전제 간의 결합력을 강하게 하여 고분자 기질-충전제 사이에서의 포논 이동을 수월하게 하여 열 전도율을 높일 수 있고 보관안정성을 향상시키기 위해 분산액으로 제조하여 사용하는데 특징이 있다. 통상적으로 당 업계에서는 바인더 수지에 열전도성 필러를 직접 혼합하여 제조하고 있으나 분산시 점도가 지나치게 상승하고 적정한 분산성 및 열전도 네트워크를 얻기 힘들고 제조에 소요되는 시간과 비용이 증가한다.
상기 나노카본 분산액에 사용되는 바인더수지는 상기 바인더수지용액에 사용되는 수지와 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 전도성 나노 카본블랙 및 전도성 그라파이트는 전도성 및 방열성을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로, 전도성 나노 카본블랙은 크기가 40 ~ 100nm인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 전도성 그라파이트는 1 ~20㎛ 크기인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
나노 카본블랙의 함량은 3 ~ 10 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하며, 3 중량% 미만으로 사용하는 경우는 그 효과가 미미하고, 10 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 점도가 지나치게 상승하여 가공성에 문제가 있다. 상기 카본블랙은 도전성 카본블랙인 것이 바람직하다. 도전성 나노카본블랙으로는 구체적으로 케첸(Ketjen)블랙EC-300jd, 케첸블랙EC-600JD 등을 들 수 있는데 그 밖에 아세틸렌블랙 등의 각종 도전성 카본블랙을 이용할 수 있다. 아세틸렌블랙의 일예로는 덴카블랙(덴키화학공업(주)) 등을 들 수 있다.
상기 그라파이트는 1 ~ 5 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하며, 1 중량% 미만으로 사용하는 경우는 나노카본과 열전도 네트워크를 형성하기에는 부족하고 5 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 방열성능을 저하시킨다. 상기 전도성 그라파이트는 인상흑연으로써 구체적으로 GK 그룹의 COND 5,8 등을 들 수 있다. 그밖에 인상흑연으로써 4~17㎛ 크기의 전도성 그라파이트 분말은 모두 사용 가능하다.
상기 커플링제는 나노카본, 그라파이트, 세라믹 필러의 표면처리 및 바인더 수지와의 결합력을 향상시키기 위해 사용되는 것으로, 지르코네이트 커플링제, 지르코늄 알루미네이트 커플링제, 알루미네이트 커플링제에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 그 함량은 0.3 ~ 1 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5% ~ 0.8중량%를 사용할 수 있다. 0.3 중량% 미만으로 사용하는 경우는 커플링제 사용의 효과를 볼 수 없고, 1 중량%를 초과하는 경우 열전도성 필러 계면의 열저항을 높임으로써 커플링제 사용의 목적을 달성할 수 없다.
상기 분산제는 나노카본 블랙과 그라파이트의 습윤과 분산의 용이성을 확보하기 위해 사용 하는 것으로, 구체적으로 예를 들면 청우씨에프씨의 CFC-6330N 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 0.3 ~ 1 중량% 를 사용하는 것이 바람직하며, 0.3 중량% 미만으로 사용하는 경우 그 효과가 미미하고, 1 중량%를 초과하여 사용하는 경우는 도막의 물성을 저하시킨다.
상기 침강방지제는 필러의 재응집 및 침강을 방지하고 칙소성을 부여하기 위해 사용하는 것으로, 구체적으로 예를 들면 청우씨에프씨의 CIMA 300-20 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 0.3 ~ 1 중량% 를 사용하는 것이 바람직하며, 0.3 중량% 미만으로 사용하는 경우 그 효과가 미미하고, 1 중량%를 초과하여 사용하는 경우 도막의 부착성을 저하시킨다.
상기 용매는 톨루엔, 자일렌, n-부틸아세테이트, 이소부틸아세테이트, 에틸아세테이트, 이소부틸알콜, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 바인더수지용액 100 중량부에 대하여, 상기 나노 카본 분산액을 10 ~ 100 중량부로 사용하는 것이 바람직하며, 10 중량부 미만인 경우는 목적으로 하는 방열 성능을 발현하기 어렵고, 100 중량부를 초과하여도 더 이상의 효과가 발현되지 않으므로 상기 범위에서 경제적으로 우수한 효과를 발현할 수 있다.
또한 본 발명은 필요에 따라, 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al2O3), 지르코니아(zirconia; Zr2), 보론 카바이드(boron carbide; B4C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si3N4)에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 분말 5 ~ 50 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 세라믹분말은 입자들 간의 공극에 의해 방열성을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로, 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al2O3), 지르코니아(zirconia; Zr2), 보론 카바이드(boron carbide; B4C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si3N4)에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹분말은 평균입경이 1 ~ 10 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위를 초과하는 경우는 기재와의 밀착성이 저하되며, 작업성이 나빠질 수 있다. 본 발명에서 상기 세라믹분말은 탄화규소와 산화알루미늄을 1 : 1 ~ 1 : 2 중량비로 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹분말은 5 ~ 50 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 5 중량부 미만으로 사용하는 경우는 열전도네트워크를 구성하기에는 부족하고 50 중량부를 초과하는 경우는 도막이 지나치게 경직된다.
본 발명은 금속 소재, 유리 및 플라스틱에서 선택되는 기재;와 상기 기재의 일면에 상기 방열 도료 조성물을 도포한 후, 100 ~ 180 ℃에서 소성하여 코팅된 방열층;을 포함하는 방열시트도 본 발명의 범위에 포함된다.
상기 방열시트는 방열층이 형성된 반대면에 접착층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 방열용 코팅제 조성물을 전자부품 등의 표면에 코팅할 때, 코팅 방법은 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로 통상적인 코팅방법인 스프레이(spray),디핑(dipping),콤마, 그라비아, 롤투롤 방법 등으로 코팅하는데, 이때 코팅막의 두께는 10 ~ 30 ㎛의 두께로 코팅되는 것이 바람직하고, 상기 두께 이상으로 코팅될 경우 비용 상승 및 크랙이 발생할 가능성이 있고, 그 이하일 경우에는 좋은 방열 성능을 발휘할 수 없다.
상기 방열용 코팅제 조성물의 코팅 과정이 완료되면, 코팅막을 소성 처리하여야 하는데, 바람직하게는 100℃ 이상, 더욱 바람직하게는 100 ~ 150℃의 온도에서 30 ~ 40분 동안 소성하여 완전한 코팅막을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 방열용 코팅제 조성물은 알루미늄, 구리 등의 여러 금속 소재 및 유리, 플라스틱 등에 대해 제한 없이 사용할 수 있으며, 방열성 및 부착성이 우수할 뿐만 아니라 경도, 내용제성 및 내수성도 뛰어나다.
본 발명에 따른 방열 도료 조성물은 나노 카본 분산액을 사용하여, 나노카본의 균일한 분산구조를 형성하며, 히트 싱크에 코팅 시 열 방사 효율을 크게 하여 히트싱크의 냉각 효율을 향상시키고, 열을 균일하게 전달하는 열확산 층으로도 작용한다.
나노 카본 분산액을 이용한 방열 도료 조성물은 집적화된 전자회로의 칩 및 소자들의 열 배출 문제를 효과적으로 해결함으로써, 전자소자의 자유로운 배치를 위한 히트싱크의 소형화가 가능하게 하여 동작소자 및 칩의 수명과 성능을 향상시켜 제품 전체의 수명연장 및 소형화의 기능을 부여할 수 있다. 또한 첨가되는 나노 카본 분산액의 투입량을 조절하여 도전성, 절연성 방열 수지를 제공 할 수 있다.
도 1은 실시예에서 사용된 방열특성 시험장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 표3의 방열특성 평가에 사용된 히트 싱크의 단면도이다.
도 3는 표4의 방열복합시트 방열 특성 평가에 사용된 알루미늄 플레이트 이다.
이하, 실시 예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
바인더수지 용액 제조
자일렌 56.50g, 메틸메타크릴레이트 26.33g, 스티렌 26.33g, 에틸아크릴레이트모노머 10.80g, 하이드로프로필메타크릴레이트 8.02g, 이타콘산 1.45g, 벤조일퍼옥사이드 1.08g, 메톡시에탄올 16.3g을 혼합하여 용액중합한 산가가 120 KOHmg/g, 수산기가가 36 KOHmg/g, 수평균 분자량 20,000인 아크릴계 수지 32중량%, 멜라민 수지(애경화학, Super Beckamine 53-419) 10 중량%, 에폭시 수지(국도화학 YD-128S) 7 중량%, 알키드 수지(대륭기업,DR1751) 4 중량%, 지르코알루미네이트 커플링제(chartwell,C-523.2HR) 0.5 중량% 및 용매 46.5 중량%를 혼합, 교반하여 바인더수지 용액을 제조하였다. 이때 상기 용매는 자일렌,엔부틸아세테이트,이소부틸아세테이트, 이소부틸알콜, 톨루엔을 4:3:1:1:1 중량비로 혼합한 혼합용매를 사용하였다.
나노카본 분산액의 제조
상기 바인더 수지용액 10 중량%, 40nm 크기의 전도성 나노 카본블랙(케첸블랙 300J) 5 중량%, 4㎛ 크기의 전도성 그라파이트(GK, Cond 5) 3 중량%, 지르코 알루미네이트 커플링제(chrartwell,C-523.2HR) 0.5 중량%, 분산제(청우씨에프씨,6330N) 0.7 중량%, 침강방지제(청우씨에프씨, CIMA 300-20) 0.5 중량% 및 용매 80.3 중량%를 혼합, 교반하여 나노카본 분산액을 제조하였다. 이때 상기 용매는 자일렌, 엔부틸아세테이트, 이소부틸아세테이트, 이소부틸알콜, 톨루엔을 4:3:1:1:1 중량비로 혼합한 혼합용매를 사용하였다.
방열용 코팅제 조성물의 제조
상기 바인더수지 용액 100 중량부에 대하여, 나노카본 분산액 100 중량부를 혼합하고, 고속 교반기로 4000RPM의 속도로 20분간 교반하여 방열 도료 조성물을 제조하였다.
[실시예 2]
하기 표 1과 같이 바인더수지용액, 나노카본 분산액 사용량을 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 도료 조성물을 제조하였다.
[실시예 3]
하기 표 1과 같이 바인더수지용액, 나노카본 분산액 사용량을 조절하고, 세라믹분말을 더 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 도료 조성물을 제조하였다.
이때 세라믹분말은 평균입경 3㎛인 알루미나와, 평균입경 5㎛인 탄화규소를 사용하였다.
[실시예 4]
하기 표 1과 같이 세라믹분말을 함량비를 조절한 것을 제외하고는 실시예 3 과 동일한 방법으로 방열 도료 조성물을 제조하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
바인더수지용액 100 중량부 100 중량부 100 중량부 100 중량부

필러		 나노카본분산액 100 중량부 80 중량부 15 중량부 20 중량부
알루미나 - - 30 중량부 40 중량부
탄화규소 - - 20 중량부 10 중량부
상기 실시예 1~4에서 제조한 조성물은 다음의 물성 측정방법에 의해 물성을 측정하였다.
1) 기본 물성 평가
실시예 1~4에서와 같이 제작된 방열수지 조성물의 기본적인 물성을 평가하여 표2에 나타내었다
1. 도막두께 : A456 BASIC(elcometer/영국) 측정
2. 광택 : 육안으로 광택의 유무를 평가 함.
3. 도막외관 : 육안으로 측정시 크리에이터링,균열,색얼룩 등이 없어야 함.
4. 초기부착성 : 시편에 코팅후 1mm간격으로 바둑판 형태의 눈금을 100개 만든 다음 스카치테이프로 도막을 박리시 테이프에 박리되어 나오는 도막의 개수로 초기 부착성을 평가하였다.
5. 연필경도 : MITSUBISHI-UNI PENCLE을 사용하여 측정하였다.
6. 내용제성 : 메틸에틸케톤을 솜에 적신후 도장 표면을 50회 반복하여 문질러 소지 노출이 발생하는지를 측정하였다.
7. 내비등수성 : 98℃ 물에 2시간동안 담근 후 4번의 방법으로 도막의 부착성을 평가하였다.
8. 내약품성 : 시편을 5% H2SO4,5% NAOH에 24시간 침지후 도막의 부풀어 오름,균열,색상변화를 평가하였다.
9. 내온수성 : 40℃온수에 담가 3일간 유지한 후 4번의 방법으로 부착력 및 외관을 관찰하여 평가하였다.
10. 내습성 :50℃, 95％RH 조건에서 5일간 유지한 후 4번의 방법으로 부착성 및 외관을 관찰하였다.
11. 내한 내열성 : -40℃에서 2시간 유지 후, 80℃, 90%RH에서 2시간 동안 유지하는 것을 1사이클로 하여 3회 실시 후 4번의 방법으로 부착성 및 외관을 관찰하였다.
12. 내열성 : 시편을 200℃ 챔버 안에서 1시간 동안 방치 후 4번의 방법으로 부착성 및 외관의 이상 유무를 평가하였다.
13. 내염수분무성 : 35℃의 5% NaCl에 담가 72시간 유지 후 도막의 부풀어 오름, 백청의 발생 유무를 평가 하였다.
14. 내자외선성 : UV조사기로 15W 출력으로 시편과 20cm 거리에서 24시간 조사후 도막의 이상 유무를 평가 함.
기본 물성 평가
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
1.도막두께 20 20 20 20
2.건조온도 15020분 15020분 15020분 15020분
3.광택 유광 유광 반광 반광
4.도막외관 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
5.초기부착성 100/100 100/100 100/100 100/100
6.연필경도 3H 3H 5H 5H
7.내용제성 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
8.내비등수성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
9.내약품성 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
10.내온수성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
11.내습성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
12.내한 내열성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
13.내열성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
14.내염수분무성 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100		 이상없음
100/100
15.내자외선성 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
상기 표 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~4는 방열용 조성물로 사용하기에 적합한 물성을 갖는 것을 확인하였다.
또한 상기 실시예 1 ~ 4에서 제조한 방열용 코팅제 조성물을 이용하여, 콤마코팅 방식으로 38㎛ 두께의 알루미늄 박 외면에 20 ㎛ 두께로 코팅한 후, 150℃ 온도에서 7분간 소성 처리하였다. 내면에 아크릴계 점착제를 20 ㎛ 두께로 코팅한 후 이형지를 부착하여 방열 코팅 복합 시트를 제조한 후 하기와 같은 방식으로 특성을 평가하였다.
방열특성 평가는 도 1의 시험장치를 제작하여 측정하였다. 도 1의 시험장치는 외장이 스치로폼(가)으로 이루어지며, 스치로폼의 내부에는 알루미늄 호일(바)로 라인드(lined)되고, 시험장치의 바닥 중앙부에 K타입 온도센서가 부착된 입력전류 조절기(라)에 연결된 열전 반도체 히터(다)를 놓았다. 또한 장치 내부에 K타입 온도계(사)를 부착 하여 실내 온도 변화를 측정할 수 있도록 하였다. 본 발명의 실시예 1~4에 의해 제조된 방열코팅 조성물을 히트싱크(도 2)에 디핑 방식으로 20㎛ 두께로 코팅한 시편(실시예)과 코팅하지 않은 시편(비교예)을 열전 반도체 히터(다) 상부에 놓고 3.29W(DC 4.7V / 0.70A)동일 전류를 인가 시 3시간, 24시간 후 히터의 온도 및 내부 온도 변화를 측정하여 표3에 나타내었다.
방열 특성 평가

측정시간
 히트싱크 방열 특성 테스트 비고
히트블록온도 Amb T 최종 T
82.9 25.9 57 기준온도
3시간 72.6 26 46.6 10.4 비교예
24시간 72.4 26.2 46.2 10.8
3시간 67.1 28 39.1 17.9 실시예1
24시간 66.6 28.2 38.4 18.6
3시간 67.4 27.8 39.6 17.4 실시예2
24시간 67.2 28 39.2 17.8
3시간 67.3 27.9 39.4 17.6 실시예3
24시간 67 28.3 38.7 18.3
3시간 67 28.2 38.8 18.2 실시예4
24시간 66.8 28.6 38.2 18.8
표 3의 결과에서 보듯 본 발명에 의한 방법으로 처리된 히트싱크는 박막 코팅층임에도 불구하고, 실시예 1~4는 비교예에 비하여 7℃~8℃의 우수한 방열 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
또한 본 발명의 실시예 1~4에 의해 제조된 방열코팅 조성물을 콤마코팅 방식으로 38㎛ 두께의 알루미늄 박 외면에 20 ㎛ 두께로 코팅한 것을 150℃ 온도에서 7분간 소성 처리한 후 내면에 아크릴계 점착제 20 ㎛ 두께로 코팅 후 이형지를 부착하여 방열 코팅 복합 시트를 제조한 후 도 3과 같은 알루미늄 플레이트 상단에 방열복합시트를 부착한 시편(실시예)과 부착하지 않은 시편(비교예)을 상기와 같은 방식으로 특성을 평가 하여 표 4에 나타내였다.
방열특성 평가

측정시간
 히트싱크 방열 특성 테스트 비고
히트블록온도 Amb T 최종 △T
82.9 25.9 57 기준온도
3시간 69 26.3 42.7 14.3 비교예
24시간 70 26.5 43.5 13.5
3시간 61 29 32 25 실시예1
24시간 60 29.4 30.6 26.4
3시간 61.4 28.9 32.5 24.5 실시예2
24시간 61.2 29 32.2 24.8
3시간 61 28.9 32.1 24.9 실시예3
24시간 60.5 29.4 31.1 25.9
3시간 60.9 29.2 31.7 25.3 실시예4
24시간 60.2 29.6 31.6 26.4
또한 표4의 결과에서 보듯 본 발명에 의해 제조된 방열수지를 사용한 방열복합시트의 경우 비교예에 비하여 10.2℃~12.9℃의 우수한 방열 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
가. 박스를 구성하는 스티로폼,
나. 히트싱크, 다. 열전대 히터,
라. 열전대 히터 입력전압 조절 및 온도측정계,
마. 개폐 가능한 스티로폼 상단부
바. 알루미늄호일,
사. 내부온도측정계

Claims (9)

  1. 아크릴계 수지 10 ~ 40 중량%, 에폭시 수지 5 ~ 20 중량%, 멜라민 수지 5 ~ 20 중량%, 알키드수지 3 ~ 10 중량%, 지르코알루미네이트 커플링제 0.2 내지 1 중량% 및 잔부 용매를 포함하는 바인더수지 용액 100 중량부에 대하여;
    상기 바인더 수지 용액 5 ~ 10 중량%, 40 ~ 100nm 크기의 전도성 카본블랙 3 ~ 10 중량%, 1 ~ 20㎛ 크기의 전도성 그라파이트 1 ~ 5 중량%, 지르코네이트 커플링제, 지르코늄 알루미네이트 커플링제, 알루미네이트 커플링제에서 선택되는 1종 이상의 커플링제 0.3 ~ 1 중량%, 분산제 0.3 ~ 1 중량%, 침강방지제 0.3 ~ 1 중량% 및 잔부 용매를 포함하는 나노카본 분산액 10 ~ 100 중량부;를 포함하는 방열 도료 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 도료 조성물은 상기 바인더 수지 용액 100 중량부에 대하여, 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al2O3), 지르코니아(zirconia; Zr2), 보론 카바이드(boron carbide; B4C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si3N4)에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 분말 5 ~ 50 중량부를 더 포함하는 방열 도료 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아크릴계수지는 산가가 30 ~ 150KOHmg/g, 수산기가가 5 ~ 100KOHmg/g, 수평균분자량이 3500 ~ 20000인 것을 사용하는 방열 도료 조성물.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 세라믹분말은 평균입경이 1 ~ 10 ㎛인 방열 도료 조성물.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 세라믹분말은 탄화규소와 산화알루미늄을 1 : 1 ~ 1 : 2 중량비로 혼합한 것인 방열 도료 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 용매는 톨루엔, 자일렌, n-부틸아세테이트, 이소부틸아세테이트, 에틸아세테이트, 이소부틸알콜, 셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 방열 도료 조성물.
  7. 금속 소재, 유리 및 플라스틱에서 선택되는 기재;와
    상기 기재의 일면에 제 1항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항의 방열 도료 조성물을 도포한 후, 100 ~ 180 ℃에서 소성하여 코팅된 방열층;
    을 포함하는 방열시트.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 방열시트는 방열층이 형성된 반대면에 접착층을 더 포함하는 방열시트.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 방열 도료 조성물의 도포 두께가 10 ~ 30㎛인 방열시트.
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