KR100729412B1 - 자기점착형 열전도성 젤 조성물 및 그 성형체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기점착형 열전도성 젤 조성물 및 이를 이용한 성형체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤과, 열전도성 충진제를 혼합하여 이루어진 것으로, 접착방식에서 문제가 된 유지보수 성능의 향상 및 온도에 의한 주변 폼으로의 오염전이를 방지함으로써 방열기재로서 우수한 성능 발휘 효과를 가지며, 이와 같은 실리콘 젤을 이용한 성형물은 트랜지스터의 방열, 반도체 소자의 방열은 물론 발광다이오드(LED:luminescent diode)나 프라즈마 발생 장치에 발명 기재로 적합하며, 유연성과 밀착력이 우수하여 계면 열 저항을 낮추게 되어 플랙서블 인쇄회로기판(Flexible PCB:printed circuit board) 등에도 사용이 가능하다.
폴리디메틸실록산, 실리콘, 열전도성, 충진제, 점착, 젤

Description

자기점착형 열전도성 젤 조성물 및 그 성형체{THE COMPOSITION AND PRODUCTION METHOD FOR SELF-COHESIVE HEAT SINK GEL}
제 1도는 본 발명에 따른 자기점착형 열전도성 젤 조성물을 이용한 판상구조의 성형체를 도시한 개략도.
제 2도는 본 발명에 따른 판상구조 성형체를 원형 또는 다각형으로 펀칭가공한 것을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부호의 설명 *
10: 판상구조의 성형체 11: 원형 성형체 12: 다각형 성형체
본 발명은 자기점착형 열전도성 젤 조성물 및 이를 이용한 성형체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤과, 열전도성 충진제를 혼합하여 이루어진 것이다.
종래 열 방출 기재로는 유체(Fluid)나 그리스 등이 사용되었고 일부 에이치티브이(HTV:high temperature vulcanized silicone) 또는 엘에스알(LSR:liquid silicone rubber)등이 사용되었지만, 유체나 그리스는 온도에 따른 점도 변화로 주변 기기에 대한 오염이 발생되고 실리콘 고무(HTV, LSR) 등은 피착물에 고정시킬 접착 기전 또는 점착 기전이 필요하였고, 이와 관련하여, 플라즈마 표시패널(PDP:Plasma Display Panel) 또는 발광다이오드(LED:light emitting diode)방식을 채용한 엘시디(LCD:liquid crystal display) 등은 빛을 내는 과정 중에 불필요한 열을 발생시키게 되는데, 이 열을 방출시키는 방열기재가 없으면 온도가 점차 상승하여 부품 자체의 열화를 가속화하거나 내장되어 있는 인버터상의 인쇄회로기판(PCB)의 프린팅 라인을 왜곡시키거나 인쇄회로기판(PCB) 굴곡, 트랜지스터, 반도체의 과열 등을 발생시켜 고장 및 열화의 원인이 된다. 이에 일부 그리스나 접착테이프가 붙은 실리콘 쉬트를 사용하거나 방열 실란트를 발열체와 방열기재 사이에 도포 또는 접착시켰다.
이는 방열성능은 발휘할 수 있었으나 그리스는 온도에 따른 점도의 변화로 주변부품을 오염시키거나 오작동을 발생시키는 사례가 있었으며, 접착테이프방식의 쉬트나 실란트는 유지 보수가 곤란하거나 완벽한 제거가 어렵다는 문제를 갖고 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 전자부품 및 전기부품에서 사용되는 의도와는 관계없이 발생되는 열을 공기 중으로 발산케 함으로써 트랜지스터나, 인쇄회로기판(PCB:Print Cerkit Board)의 오작동, 열화를 방지하여 제품의 성능 향상 및 장기 신뢰성을 향상시키도록 하며, 다른 접착 보조제나 점착 보조제를 사용하지 않고도 자체 점착력을 가지는 자기점착형 열 전도성 젤 조성물 및 이를 이용한 성형체의 제공을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하고자 본 발명에서는,
주쇄가 Si-O구조를 가지고 측쇄에(R그룹) 모노비닐과 비닐기가 함유된 폴리디메틸실록산을 사용하여 자기 점착성능을 가진 젤을 형성시키고 여기에 백금계 하이드록실화 촉매를 혼합하여 경화기재를 만들고, 방열부재로 금속산화물을 배합하여 자기점착형 방열젤을 그 주요 구성으로 한다. 즉, 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 20 ~ 50중량%와, 열 전도성 충진제 50 ~ 80중량%를 혼합하여 이루어진 열 전도성 방열 젤 조성물을 그 주요 구성으로 하고, 상기 열 전도성 충진제는 산화알루미늄 85 ~ 95중량%와 수산화알루미늄 3 ~ 25중량%와 실리콘카바이드 2 ~ 14중량%로 이루어진다.
또한, 상기와 같은 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물을 방열도가 1 ~ 3W/(m.K)인 판상 구조 성형물로 제조하고, 그 성형물을 통상의 펀칭 방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물을 이용한 성형체를 그 주요 구성으로 한다.
이하, 상기한 구성을 더욱 상세히 살펴보도록 한다.
실리콘이란 명칭은 산업분야에 일반적으로 채택되었으며, 이때에 말하는 실리콘은 대부분 골격인 실록산 쇄에 메틸기가 결합된 폴리디메틸실록산을 의미하는 것으로, 상기 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane))은 과량의 물 존재하에서 디메틸디염화실란의 가수분해에 의해 얻어지는 것으로, 관련한 반응식은 다음과 같다.
x Me2SiCl2 → y HO(Me2SiO)nH + z (Me2SiO)m
상기한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 젤을 구성하기 위해 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합하고, 열전도성 젤 전체중량에 대해 20 ~ 50중량%의 배합비율로 사용된다. 20중량% 이하로 사용할 경우에는 자기점착성이 떨어지고, 50중량% 이상으로 사용할 경우에는 물성이 떨어지므로, 20 ~ 50중량%의 배합비율로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 충진제는 주제나 경화제에 배합하여 경화수지의 기계적 특성을 향상시키는 것이 주목적이며, 일반적으로 첨가량이 증가하면 기계적 특성은 향상된다. 충진제의 종류 및 기타 부자재의 영향은 있으나 배합량의 증가에 따라 일정한 점까지 향상되다가 오히려 떨어지게 되므로 그 양을 적절히 정해주어야 한다.
이와 같은 충진제의 사용은, 원가절감, 열팽창율의 감소, 경화수축률의 감소, 경화시의 발열을 제어, 접착성의 개선 등이 주목적이며, 그 외에 칙소성을 수 지조성에 부여하는 것, 경화물에 난연성 부여, 내 약품성을 강하게 하는 것, 열전도성의 향상, 경화 중의 가사시간 연장, 충진재에 따라 기계적 강도의 증대, 경화물의 전기적 성질의 개선, 경량 충진재의 사용으로 주형물의 경량화, 내 마모성의 향상 등의 역할을 하게 되는 것으로, 본 발명의 충진제는 산화알루미늄 85 ~ 95중량%와 수산화알루미늄 3 ~ 25중량%와 실리콘카바이드 2 ~ 14중량%으로 혼합된 것을 사용한다. 상기 산화알루미늄와, 수산화알루미늄과, 실리콘카바이드가 일정비율로 충진재는 열전도성 젤 전체중량에 대해 50 ~ 80중량%의 배합비율로 사용되는 것으로, 50중량%이하로 사용할 경우에는 열전도성 및 물성이 떨어지고, 80중량%이상으로 사용할 경우에는 자기점착성 및 물성이 떨어지므로 50 ~ 80중량%의 배합비율로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 충진제의 구성요소 중 산화알루미늄(aluminum oxide, Al2O3)은 분자량이 101.96인 것으로, 충진제 전체중량에 대해 85 ~ 95중량%의 배합비율을 가지며, 85중량%이하로 사용할 경우에는 방열도가 크게 저하되는 문제점이 발생되고, 95중량%이상으로 사용할 경우에는 폴리머와의 결합력을 저하시키고 비중이 증가하며 자기점착력을 잃게되는 문제점이 발생되므로 85 ~ 95중량%의 배합비율로 사용되는 것이 바람직하다.
수산화알루미늄(Al(OH)3)은 비중 2.423인 것으로, 천연으로는 깁사이트·다이아스포어로서 존재하고, 알루미늄염의 수용액에 암모니아수를 가하면 백색의 콜로이드상 침전으로 생기는 것으로, 산화알루미늄(alumium oxide)은 끓는점이 2050 ℃이고, 녹는점이 2990℃이고, 비중이 3.99이고, 용해도가 1mg/l(29℃)인 것을 사용하고, 충진제 전체중량에 대해 3 ~ 25중량%의 배합비율을 가지며, 3중량%이하로 사용할 경우에는 난연성(Flame Retardant)에 큰 효과를 보이지 않는 문제점이 발생되고, 25중량%이상으로 사용할 경우에는 비중의 증가와 폴리머와의 결합력을 저하시키고 자기점착력을 떨어뜨리는 문제점이 발생되므로 3 ~ 25중량%의 배합비율로 사용되는 것이 바람직하다.
실리콘카바이트(Si-SiC)는 부피밀도(Bulk density)가 3.1g/㎤이고, 굽힘강도(Flexural strength)가 53kg/㎟이고, 경도(Hardness)가 2800hv이고, 영모듈(Young's Modulus)이 4.2×104kg/㎟이고, 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion)가 4×10-6/℃이고, 열전도도(Thermal Conductivity)가 125 w/m·℉인 것으로, 충진제 전체중량에 대해 2 ~ 14중량%의 배합비율을 가지며, 2중량%이하로 사용할 경우에는 방열효과를 크게 기대할 수 없다는 문제점이 발생되고, 14중량%이상으로 사용할 경우에는 열경화시 기포의 제거가 곤란하거나, 경화를 지연시키는 문제점이 발생되므로 2 ~ 14중량%의 배합비율로 사용되는 것이 바람직하다.
이하, 상기한 구성을 실시 예를 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
실시 예 : 열전도성 충진제
실시 예 1
산화알루미늄 95중량%와 수산화알루미늄 3중량%와 실리콘카바이드 2중량%의 배합비율로 혼합하여 열전도성 충진제를 구성한다.
실시 예 2
산화알루미늄 90중량%와 수산화알루미늄 6중량%와 실리콘카바이드 4중량%의 배합비율로 혼합하여 열전도성 충진제를 구성한다.
실시 예 3
산화알루미늄 88중량%와 수산화알루미늄 7중량%와 실리콘카바이드 5중량%의 배합비율로 혼합하여 열전도성 충진제를 구성한다.
실시 예 : 열전도성 젤
실시 예 4
모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 50중량%에 백금계 하이드록실화 촉매를 첨가하여 경화기재를 이루고, 여기에 실시 예 1에서와 같은 배합비율을 갖는 열전도성 충진제 50중량%를 혼합하여 열전도성 젤을 구성한다.
실시 예 5
모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 40중량%에 백금계 하이드록실화 촉매를 첨가하여 경화기재를 이루고, 여기에 실시 예 2에서와 같은 배합비율을 갖는 열전도성 충진제 60중량%를 혼합하여 열전도성 젤을 구성한다.
실시 예 6
모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 30중량%에 백금계 하이드록실화 촉매를 첨가하여 경화기재를 이루고, 여기에 실시 예 3에서와 같은 배합비율을 갖는 열전도성 충진제 70중량%를 혼합하여 열전도성 젤을 구성한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 열전도성 젤 조성물은 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 20 ~ 50중량%와, 열전도성 충진제 50 ~ 80중량%와 같이 조성되는 것으로, 이와 같이 조성된 열전도성 젤 조성물에 상온 이상의 열을 가하여 압축성형, 카렌다링 또는 압출성형 중 선택되는 어느 1종의 방법을 통하여 도 1에 도시된 바와 같이, 방열도가 1 ~ 3W/(m.K)인 패드 또는 쉬트류와 같은 판상구조의 성형체(10)로 가공하는 것으로,
이와 같이 가공된 판상 구조를 갖는 성형물을 도 2에 도시된 바와 같이, 펀칭 가공하여 원형 성형체(11) 또는 다각형 성형체(12)로 가공되어 사용된다. 이상에서와 같은 성형물은 다른 보조 접착 보조제나 점착 보조제를 사용하지 않고도 자 체 점착력을 갖는 기재를 구성하게 된다.
이상에서와 같은 구성을 갖는 본 발명의 열전도성 조성물 및 이를 이용한 성형물은 주쇄가 Si-O 구조를 가지고 측쇄에(R그룹)모노비닐과 비닐기가 함유된 폴리디메틸실록산을 사용하여 자기 점착성능을 가진 젤을 형성시키고 여기에 백금계 하이드록시화 촉매를 혼합하여 경화기재를 만들고 접착방식에서 문제가 된 유지보수 성능을 향상시키고, 온도에 의한 주변 품으로의 오염전이를 방지하므로서 방열기재로서 우수한 성능을 발휘할 수 있으며, 트랜지스터의 방열, 반도체 소자의 방열은 물론 발광다이오드(LED)나 프라즈마 발생 장치에 방열 기재로 적합하며, 유연성과 밀착력이 우수하여 계면 열저항을 낮추게 되어 플랙서블 인쇄회로기판(Flexible PCB:printed circuit board) 등에도 사용이 가능하다는 장점을 갖는다.

Claims (5)

  1. 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 20 ~ 50중량%와, 열전도성 충진제 50 ~ 80중량%를 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 열전도성 충진제는 산화알루미늄 85 ~ 95중량%와 수산화알루미늄 3 ~ 25중량%와 실리콘카바이드 2 ~ 14중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 실리콘 젤은 경화를 촉진시키기 위해 백금계 하이드록실화 촉매가 사용되는 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물.
  4. 제 2항에 있어서, 산화알루미늄(alumium oxide)은 끓는점이 2050℃이고, 녹는점이 2990℃이고, 비중이 3.99이고, 용해도가 1mg/l(29℃)이고, 실리콘카바이드(SiC)는 부피밀도(Bulk density)가 3.1g/㎤이고, 굽힘강도(Flexural strength)가 53kg/㎟이고, 경도(Hardness)가 2800hv이고, 영모듈(Young's Modulus)이 4.2× 104kg/㎟이고, 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion)가 4×10-6/℃이고, 열전도도(Thermal Conductivity)가 125 w/m·℉인 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물.
  5. 모노비닐기 함유 폴리디메틸실록산과 비닐기 함유 폴리디메틸실록산을 배합한 실리콘 젤 20 ~ 50중량%와, 열전도성 충진제 50 ~ 80중량%로 이루어진 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물을 압축성형, 카렌다링 또는 압출성형 중 선택되는 어느 1종의 방법을 통하여 방열도가 1 ~ 3W/(m.K)인 판상 구조 성형체(10)로 제조하고, 그 판상 구조의 성형물을 펀칭 가공하여 원형(11) 또는 다각형(12)으로 제조하는 것을 특징으로 하는 자기점착형 열전도성 방열 젤 조성물을 이용한 성형체.
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