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KR20150044000A - 고열전도성 필름 및 그 제조 방법 - Google Patents

고열전도성 필름 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20150044000A
KR20150044000A KR20140138315A KR20140138315A KR20150044000A KR 20150044000 A KR20150044000 A KR 20150044000A KR 20140138315 A KR20140138315 A KR 20140138315A KR 20140138315 A KR20140138315 A KR 20140138315A KR 20150044000 A KR20150044000 A KR 20150044000A
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KR
South Korea
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filler
ceramic
high thermal
conductive film
thermal conductive
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KR20140138315A
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이우성
박성대
유명재
김진아
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 고열전도성 필름 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고열전도성 필름은 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 형성된 세라믹 제1차 필러, 그리고 상기 세라믹 제1차 필러와 혼합될 경우 상기 세라믹 제1차 필러의 사이 공간에 채워지는 구상화된 질화 붕소(BN)로 형성된 제2차 필러를 포함한다.

Description

고열전도성 필름 및 그 제조 방법{High Thermal Conductive Film and Manufacturing the Same}
본 발명은 고열전도성 필름 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 높은 열전도도 특성을 갖는 필름 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 LED 및 전력 반도체 등 전자부품에서 발생하는 열은 전자부품의 수명 단축 및 기능 저하의 원인이 되고 있다.
따라서, 발생한 열로 인한 전자부품의 성능 저하를 방지하기 위해 전자부품 제조시 히트 싱크(Heat Sink), 써멀 비아(Thermal Via) 등의 여러 기술 등이 사용되고 있다. 절연성을 지닌 금속 PCB 등도 전자부품 제조시 방열 회로 구성에 사용되고 있다. 금속 PCB 등의 고방열 절연소재는 세라믹 소재와 에폭시의 결합에 따라 고방열 특성을 지닌다.
그러나, 에폭시는 열전도도가 0.1~0.2Ｗ/ｍＫ로 매우 낮다.
따라서, 전자부품 제조시 열전도도를 보다 향상시키기 위한 방안으로서, 열전도도가 매우 낮은 에폭시 대신 고방열의 알루미나와 질화규소보다 내열성이 뛰어나고 열전도율이 큰 질화 알루미늄(AIN, Aluminum Nitride) 등이 사용되고 있다.
예컨대, 전자부품 제조시 전자부품의 열전도 특성을 향상시키기 위한 방안으로서, 고방열의 알루미나와 질화 알루미늄 등의 세라믹 소재가 전체 부피의 60％ 이상 충전되도록 하는 복합체 소재 기술 등이 사용되고 있다.
또한, 이러한 고방열 소재를 구현하기 위해 2가지 또는 3가지 분포를 갖는 세라믹 분말을 폴리머에 분산하여 사용하고 있다.
다시 정리하면, 고방열 필름 제조시 열방출 특성을 높이기 위한 방안으로서, 세라믹 필러를 전체 부피 중 60 vol%이상 충전하는 복합체 소재 기술이 사용되고 있으며, 높은 충전밀도를 구현하기 위해 2~3가지 분포를 갖는 구형 세라믹 필러를 복합화하는 소재 기술 등이 사용되고 있다.
그러나, 최근까지도 열전도도가 5Ｗ/ｍＫ이상이 되는 고방열 소재를 제조하는 데 어려움이 있다.
전술한 바를 좀 더 구체적으로 설명하면, 종래에는 열전도성 분말(알루미나, boron nitiride, alumimum nitiride, MgO, ZnO, SiC 등)을 에폭시 레진, 아크릴 수지, 시클로 올레핀(cyclo-olefin) 수지, PPS(Poly Phenylene sulfide, 폴리페닐렌 설파이드), PVC(Polyvinyl Chloride, 폴리염화비닐) 등에 혼합하여 복합 재료(Composite)를 형성하였다.
도 1은 열전도성 분말을 에폭시 레진, 아크릴 수지, 시클로 올레핀 수지, PPS, PVC 등에 혼합하여 형성된 복합 재료의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열전도성 분말을 에폭시 레진, 아크릴 수지, 시클로 올레핀 수지, PPS, PVC 등에 혼합하여 형성된 복합 재료는 서로 다른 크기의 구형입자가 혼합되어 형성된 것이다.
이렇게 형성된 복합 재료는 테입 캐스팅, 사출, 압출 등의 공정을 거쳐 고열전도성 필름으로 제조되었다.
즉, 필름 제조시 고방열 특성을 지니도록, 세라믹-폴리머 복합체 소재의 개발에도 널리 알려진 구형의 세라믹 필러를 과량 충전하는 기술 등이 사용되었다.
그러나, 종래의 필름 제조 기술은 높은 열전도도 구현을 위해 세라믹이 70vol% 이상 충전되도록 해야 한다. 또한, 종래의 필름 제조 기술은 필름의 접착성이 유지되도록 하면서 동시에 필름이 높은 열전도도를 갖도록 해야 하는데, 실제 필름의 접착성이 유지되도록 하면서 필름이 높은 열전도도를 갖도록 구현하는 데에는 한계가 있다.
결론적으로 전술된 종래의 고열전도 필름 제조 방법은 열전달 특성을 향상시키기 위한 접촉 면적 향상을 위한 방안으로서, 1차 입자가 충전된 사이에 작은 입자가 뭉쳐진 세라믹 필러 소재를 충전시킨 후 압력을 가하여 1차 입자와 세라믹 필러 소재 사이의 접촉면적을 증가시키고자 한 것이다.
그러나, 이러한 방법은 세라믹 필러 소재로서 플레이크 타입의 필러가 응집한 필러 소재를 활용하더라도 1차 입자(구형입자)의 크기에 비해 세라믹 필러 소재의 크기가 너무 크거나 작으면 특성이 급격하게 변하는 현상이 발생한다는 문제점이 있다.
즉, 종래의 필름 제조 기술은 전술된 한계 및 문제점을 극복하고자 필름이 고방열 특성을 지니도록 고열전달을 위한 세라믹 필러를 고충전함으로써 열전도도를 향상시키고자 하였다.
그러나, 필름 제작시 세라믹 필러를 고충전할 경우 폴리머가 가진 성형성이 급격하게 저하되어 제작된 필름의 유연성이 감소하고, 접착강도 또한 급격하게 감소할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 필름 제작시 많은 양의 세라믹 필러를 폴리머 내에 분산시킬 경우, 열을 전달하는 포논이 세라믹이 접촉된 부분을 통해 용이하게 이동하기 때문에 제작된 필름의 열전도도가 향상된 것처럼 보일 수도 있다. 그러나, 포논이 폴리머의 계면에서 산란하기 때문에, 결국 제작된 필름의 열전달 특성은 급격히 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 세라믹 필러를 고충전하고 폴리머 내에 분산시킬 경우에 따른 문제를 해결하기 위한 것으로서, 세라믹 필러를 고충전하지 않아도 높은 열전도 특성을 갖는 고열전도성 필름 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전도도를 향상시키기 위해 동일한 크기의 구형 입자 분말 사이의 공간에 밤송이 형상이나 압축 가능한 구형의 필러를 삽입 충전함으로써 구형 입자 분말 사이의 접촉 면을 극대화시켜 열전달 통로를 형성하는 고열전도성 필름 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 고열전도성 필름은 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 형성된 세라믹 제1차 필러; 및 상기 세라믹 제1차 필러와 혼합될 경우 상기 세라믹 제1차 필러의 사이 공간에 채워지는 구상화된 질화 붕소(BN)로 형성된 제2차 필러를 포함한다.
상기 제2차 필러는 입자 크기(구경)가 상기 세라믹 제1차 필러의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 고열전도성 필름의 제조 방법은 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 세라믹 제1차 필러를 형성하는 단계; 상기 세라믹 제1차 필러와 혼합될 경우 상기 세라믹 제1차 필러의 사이 공간에 채워지는 구상화된 질화 붕소(BN)로 제2차 필러를 형성하는 단계; 형성된 상기 세라믹 제1차 필러 및 상기 제2차 필러를 이용하여 컴포지트를 제조하는 단계; 및 제조된 컴포지트를 성형(도포)하여 필름으로 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2차 필러를 형성하는 단계는 상기 제2차 필러를 입자 크기(구경)가 상기 세라믹 제1차 필러의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 컴포지트를 제조하는 단계는, 구형 필러인 세라믹 분말, 구형으로 응집된 BN 세라믹, 폴리머 레진 및 유기 용매를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유기 용매를 혼합하는 단계는, 볼밀링, 플랜터리 믹서(Plantary Mixter)를 이용하여 혼합하는 단계; 및 분산제를 활용하여 혼합하는 단계 중 어느 한 단계를 통해 분산성 향상을 위해 상기 세라믹 분말, BN 세라믹, 폴리머 레진 및 유기 용매를 혼합하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 필름으로 형성하는 단계는 제조된 상기 컴포지트를 일정한 캐리어 필름(Carrier Film)이나 테입 캐스터 또는 바코팅기를 이용하여 필름형태로 공정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 구형의 세라믹 필러 조성물에 구상화된 질화붕소를 활용함으로써 열전도성이 우수한 복합소재를 구현할 수 있다.
이처럼 구현된 열전도성이 우수한 복합소재를 활용하여 열전도도가 10Ｗ/ｍＫ 이상의 고방열 필름을 제조할 수 있다.
도 1은 열전도성 분말을 에폭시 레진, 아크릴 수지, 시클로 올레핀 수지, PPS, PVC 등에 혼합하여 형성된 복합 재료의 단면을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름의 컴포지트 단면을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름 제조 방법을 나타낸 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름을 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름의 컴포지트 단면을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름은 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120)를 포함한다.
제1차 필러(110)는 세라믹 필러로서, 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN, Aluminum Nitride) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 형성된다.
제2차 필러(120)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름을 제조하기 위해 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워지는 것으로서, 구상화된 질화 붕소(BN) 등으로 형성된다.
또한, 제2차 필러(120)는 입자 크기(구경)가 제1차 필러(110)의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성된다.
예컨대, 입자 크기가 제1차 필러(110)의 입자 크기의 20%미만이 되도록 형성된 제2차 필러(120)가 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름을 제조하기 위해 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워지면, 제1차 필러(110)와 제2차 필러(120) 간의 접촉 면적은 감소한다.
따라서, 입자 크기가 제1차 필러(110)의 입자 크기의 20%미만이 되도록 형성된 제2차 필러(120)가 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워져(충전되어) 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름이 제작되면, 제작된 고열전도성 필름의 열전도도는 감소한다.
입자 크기가 제1차 필러(110)의 입자 크기의 60%이상이 되도록 형성된 제2차 필러(120)가 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름을 제조하기 위해 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워지면, 제2차 필러(120)가 제1차 필러(110)의 분산성을 떨어트릴 수 있다.
예컨대, 입자 크기가 제1차 필러(110)의 입자 크기의 60%이상이 되도록 형성된 제2차 필러(120)가 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워져(충전되어) 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름이 제작되면, 제2차 필러(120)로 인해 제1차 필러(110)가 원활하게 분산되지 않아 결국 고열전도성 필름의 열전도도는 감소한다.
따라서, 고열전도성 필름의 열전도도를 향상시키기 위해 제2차 필러(120)는 입자 크기(구경)가 제1차 필러(110)의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성되어야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 필름은 제1차 필러(110) 및 입자 크기(구경)가 제1차 필러(110)의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성된 제2차 필러(120)를 포함하여 구성된다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름 제조 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름의 제조 방법은 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120)를 에폭시 및 용매 등의 소재에 혼합하여 컴포지트를 제조한다. 예컨대, 구상화 알루미나와 응집된 BN을 엑폭시 및 용매 등의 소재와 혼합하여 컴포지트를 제조한다. 제조된 컴포지트를 지그나 테입 캐스팅 장비를 통해 용매를 제거한 후 필름으로 제조한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 구상화 알루미나(세라믹스의 가중 중요한 소재인 알루미늄 산화물)와 응집된 BN이 혼합된 컴포지트를 이용하여 필름을 제조함으로써, 세라믹 소재 사이의 열이 방출되는 접촉 면적을 넓힐 수 있어서, 열전도가 높은 고방열성 필름을 제조할 수 있다.
전술한 바를 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름 제조 방법은 도 3에 도시된 바와 같이 세라믹 필러로서, 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 제1차 필러(110)를 형성한다(S300).
본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름을 제조하기 위해 제1차 필러(110)의 사이 공간에 채워지는 것으로서, 구상화된 질화 붕소(BN) 등으로 제2차 필러를 형성한다(S301).
또한, 제2차 필러(120)를 입자 크기(구경)가 제1차 필러(110)의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성한다.
제1차 필러(110) 및 입자 크기(구경)가 제1차 필러(110)의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성된 제2차 필러(120)를 이용하여 컴포지트(혼합물, 100)를 제조한다(S302). 이렇게 제조된 컴포지트(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 필름의 원료가 된다.
컴포지트(100)를 제조하기 위해 먼저 제1차 필러(110)로서 구형 필러인 세라믹 분말, 제2차 필러(120)로서 구형으로 응집된 BN 세라믹, 그리고 폴리머 레진 및 유기 용매를 혼합한다.
여기서 폴리머 레진은 에폭시 레진, 아크릴 레진 등이 활용될 수 있다.
유기 용매는 필요에 따라 선정되고, 주로 건조가 잘되는 톨루엔, 에탄올, 메틸 에틸 케톤 등이 활용될 수 있다.
컴포지트(100)를 제조함에 있어서, 분산성 향상을 위해 볼밀링, 플랜터리 믹서(Plantary Mixter) 등을 이용하여 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120)를 혼합할 수 있고, 분산제 등을 활용할 수도 있다.
이렇게 함으로써, 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120)가 서로 혼합된, 즉 제1차 필러(110)의 사이 공간에 제2차 필러(120)가 충전된 컴포지트(100)를 제조할 수 있다.
제조된 컴포지트(100)를 성형(도포)하여 필름으로 형성한다(S303).
즉, 제1차 필러(110)의 사이 공간에 제2차 필러가 충전된 컴포지트(100)를 필름화한다.
예컨대, 제조된 컴포지트(100)를 일정한 캐리어 필름(Carrier Film)이나 치구를 이용하여 필름형태로 공정한다.
이처럼 제1차 필러(110)의 사이 공간에 제2차 필러(120)가 충전된 컴포지트(100)를 필름으로 형성하기 위해 테입 캐스터, 바코팅기 등을 사용할 수 있고, 통상 100μm 정도의 두께를 가진 고열전도성 필름으로 제조할 수 있다.
한편, 제조된 고열전도성 필름을 일정압력으로 적층하여 금속 PCB 등을 제조할 수 있다.
예컨대, 제조된 고열전도성 필름 위에 Cu 캐리어를 코팅하여 동 클래드 적층판(CCL, Copper Clad Laminate)을 형성할 수 있다.
Cu 캐리어가 코팅된 고열전도성 필름, 즉 동 클래드 적층판 형태의 컴포지트 필름과 알루미늄기판을 적층 장비에 올린 후 가열하고 접착하여 금속 PCB를 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 필름화된 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120)를 일정 압력으로 적층함으로써, 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120) 사이의 밀착도가 강화될 수 있다. 이렇게 제1차 필러(110) 및 제2차 필러(120) 사이의 강화된 밀착도에 의해 최종적으로 형성된 적층체는 열전도도가 향상될 수 있다.
즉, 전술한 바를 통해 10W/mk까지의 높은 열전도도를 갖는 고열전도성 적층체를 제작할 수 있다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 고열전도성 필름의 컴포지트 110 : 제1차 필러
120 : 제2차 필러

Claims (7)

  1. 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 형성된 세라믹 제1차 필러; 및
    상기 세라믹 제1차 필러와 혼합될 경우 상기 세라믹 제1차 필러의 사이 공간에 채워지는 구상화된 질화 붕소(BN)로 형성된 제2차 필러
    를 포함하는 고열전도성 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2차 필러는 입자 크기(구경)가 상기 세라믹 제1차 필러의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성된 것
    인 고열전도성 필름.
  3. 알루미나(AI2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 질화 알루미늄(AIN) 중 적어도 하나의 구형의 소재로 세라믹 제1차 필러를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 제1차 필러와 혼합될 경우 상기 세라믹 제1차 필러의 사이 공간에 채워지는 구상화된 질화 붕소(BN)로 제2차 필러를 형성하는 단계;
    형성된 상기 세라믹 제1차 필러 및 상기 제2차 필러를 이용하여 컴포지트를 제조하는 단계; 및
    제조된 컴포지트를 성형(도포)하여 필름으로 형성하는 단계
    를 포함하는 고열전도성 필름의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2차 필러를 형성하는 단계는 상기 제2차 필러를 입자 크기(구경)가 상기 세라믹 제1차 필러의 입자 크기(구경)의 15~60%가 되도록 형성하는 단계인 것
    인 고열전도성 필름의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 컴포지트를 제조하는 단계는,
    구형 필러인 세라믹 분말, 구형으로 응집된 BN 세라믹, 폴리머 레진 및 유기 용매를 혼합하는 단계를 포함하는 것
    인 고열전도성 필름의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 유기 용매를 혼합하는 단계는,
    볼밀링, 플랜터리 믹서(Plantary Mixter)를 이용하여 혼합하는 단계; 및
    분산제를 활용하여 혼합하는 단계 중 어느 한 단계를 통해 분산성 향상을 위해 상기 세라믹 분말, BN 세라믹, 폴리머 레진 및 유기 용매를 혼합하는 단계인 것
    인 고열전도성 필름의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 필름으로 형성하는 단계는 제조된 상기 컴포지트를 일정한 캐리어 필름(Carrier Film)이나 테입 캐스터 또는 바코팅기를 이용하여 필름형태로 공정하는 단계인 것
    인 고열전도성 필름의 제조 방법.






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