KR101742863B1 - 분산안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열전도 및 방열 코팅막 - Google Patents

분산안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열전도 및 방열 코팅막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실란으로 표면 개질된 무기 필러를 사용함으로써 장시간 동안 상분리 없이 안정된 상태를 유지할 수 있는 분산 안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열전도성 및 방열 코팅막에 관한 것이다.

Description

분산안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열전도 및 방열 코팅막{COATING SOLUTIONS FOR THERMALLY CONDUCTIVE COMPOSITE WITH DISPERSION STABILITY, PREPARATION METHOD THEREOF, AND THERMAL CONDUCTIVE AND HEAT DISSIPATIVE COATING LAYER USING THE SAME}
본 발명은 분산안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열전도성 및 방열 코팅막에 관한 것이다.
차세대 전자소자는 경박단소 및 다기능화하면서 고집적화하고 있어 열 밀도의 증가에 따른 열의 방출 문제에 대한 대책이 요구되고 있으며, 이러한 열의 방출은 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있다. 이러한 차세대 전자소자에 사용되는 절연 특성이 우수하면서도 높은 열전도도를 가지는 고방열 복합재료 개발은 방열 성능 향상에 있어 매우 중요하면서도 핵심적인 요소이므로 반드시 개발해야 할 필요가 있다.
고방열 절연시트의 소재 성분을 살펴보면 고열전도성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합 소재가 대부분이다. 복합 소재를 사용하는 이유는 고분자 소재의 우수한 접착력과 무기 필러 소재의 높은 열전도도 특성을 혼합하여 각 소재의 장점을 살리고자 함이다. 이러한 절연특성이 우수하면서도 높은 열전도도를 가지는 고방열 복합재료에 관한 종래 기술은 하기와 같다.
한국등록특허 제1205503호에서는 구형 무기 충진재 및 판상형 무기 충진재 중 적어도 1종 이상을 포함하는 무기 충진재 혼합물; 질화알루미늄 및 질화붕소 중 적어도 1종 이상의 혼합물; 및 난연제를 포함하는 열전도성 방열시트용 수지 조성물이고, 상기 열전도성 방열시트용 수지 조성물이 평균 에폭시당량이 400~1000인 실리콘 변성 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 2관능 이상의 다관능 에폭시 수지는 30~100중량부, 페녹시 수지는 30~100중량부, 부타디엔 아크릴로 니트릴 공중합 고무는 20~50중량부 및 폴리비닐부티랄 수지는 20~50중량부로 이루어진 수지 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 방열시트용 수지 조성물을 개시하고 있다.
한국등록특허 제1392880호에서는 인상흑연 분말; 및 고형분을 함유하지 않은 초화면 알키드 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더를 포함하며, 상기 인상흑연 분말과 상기 초화면 알키드 수지를 10~30:100 중량비를 포함하고 상기 인상흑연 분말은 평균입경 10~80 ㎛인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 종래기술에서 점도가 낮은 코팅 또는 필름제조용 복합조성물 용액을 제조하는데 있어 첨가물로 들어가는 무기물 입자들은 높은 자체 밀도와 용매에 대한 비용해 특성으로 인하여 혼합 및 분산을 위한 교반과정 동안 용액 중에 고르게 섞이는 듯 보이나, 혼합조성용액을 제조 후 보관하는 과정에서 짧게는 수 분 이내에서 길게는 수 시간 이내에 침전되어 상분리가 발생하며 이로 인해 복합조성물의 보관안정성이 매우 낮으며 최종제품의 특성 저하 원인으로 작용한다.
한국등록특허 제1392880호
상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 본 발명자들은 높은 열전도도를 가지는 고방열 복합재료를 제조할 수 있는 코팅용액이 점도가 낮더라도 높은 분산안정성을 나타낼 수 있는 방법에 대해 예의 연구를 거듭하였고 그 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 낮은 점도에서도 장시간 동안 상분리가 발생하지 않으며 보관안정성이 매우 우수하여 최종제품의 특성 저하를 유발하지 않는 열전도성 복합재료 코팅용액 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열전도성 방열 코팅을 위한 코팅용액이고, 용매 100 중량부에 대해 고분자 수지 20% 중량부, 흑연 분말 15~65% 중량부, 실란으로 표면 개질된 무기 필러 15~65% 중량부 및 용매를 포함하는 열전도성 복합재료 코팅용액을 제공한다. 본 발명의 열전도성 복합재료는 실란으로 표면 개질된 무기 필러를 사용함으로써 장시간 동안 상분리 없이 안정된 상태를 유지할 수 있는 분산 안정성이 개선된 열전도성 복합재료 코팅용액을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 수지로는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 이들의 공중합체 또는 복합체 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 흑연 분말로는 평균입도크기가 3~30 ㎛인 팽창 흑연 분말을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러는 알루미늄(Al), 알루미나(AlO), 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 무기 필러의 표면에 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란기를 결합시켜 표면 개질시킨 무기 필러를 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러의 함량은 상기 흑연 분말의 함량 대비 15배 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 용매로는 메틸에틸케톤과 톨루엔의 혼합용액을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 본 발명은 용매 100 중량부에 대해 분산안정제 7~25% 중량부를 더 포함하는 열전도성 복합재료 코팅용액을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 분산안정제로는 비이온계 polyoxyethylene octylphenylether (Triton X-100), Polyoxyethylene Nonylphenol ethoxylate(NP-10), Polyoxyethylene sorbate (Tween 20) 및 Octyl phenol ethoxylate(OP-10) 등과 같은 polyethylene oxide 중에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 무기 필러를 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100 ℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 히드록실화시키는 단계; 상기 히드록실화된 무기 필러를 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란 화합물과 반응시켜 이의 표면을 실란으로 개질시키는 단계; 및 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러, 고분자 수지, 흑연 분말, 분산안정제 및 용매를 혼합하는 단계를 포함하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 무기 필러는 알루미늄(Al), 알루미나(AlO), 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 알칼리 용액으로는 0.1M NaOH 수용액을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 알콜계 용매로는 메탄올 또는 에탄올 용매를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 실란 화합물으로는 트리알콕시실란을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 고분자 수지로는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 또는 이들의 혼합물 또는 복합체 등을 사용할 수 있고, 상기 용매로는 메틸에틸케톤과 톨루엔의 혼합용액을 사용하며, 상기 분산안정제로는 비이온계 산화폴리에틸렌을 사용할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 열전도성 복합조성물 코팅용액을 기재 상에 도포하여 형성된 코팅막을 제공한다.
본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액 및 이의 제조방법은 낮은 점도에서도 장시간 동안 상분리가 발생하지 않으며 보관안정성이 매우 우수하여 이를 이용하여 최종 형성된 방열 코팅막은 물성 저하가 일어나지 않으며 열전도성 및 방열 특성이 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법에서 사용하는 실란으로 표면 개질된 무기 필러를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1 내지 8에서 사용된 순수 알루미나 분말 및 이를 실란으로 표면 개질한 알루미나 분말에 대해 XPS 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 9 내지 14에서 사용된 순수 알루미늄 분말 및 이를 실란으로 표면 개질한 알루미늄 분말에 대해 XPS 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실험예 2에서 열전도성 복합재료 코팅용액의 분산특성을 측정한 결과를 나타낸 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실험예 3에서 열전도성 복합재료 코팅용액으로 형성된 코팅막에 대해 방열 온도를 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 일 예에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법을 하기에 상술한다.
우선, 무기 필러를 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100 ℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 히드록실화시킨다. 구체적으로 도 1에 나타난 바와 같이 무기 필러를 0.1M NaOH 수용액 등과 같은 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 표면에 수산기가 결합되도록 히드록실화시킨다.
본 발명에서 사용할 수 있는 무기 필러는 알루미늄(Al), 알루미나(AlO), 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용할 수 있으며 무기 필러는 평균입도크기가 2~50 ㎛인 것이 바람직하다. 일반적으로 사용하는 무기필러의 입자크기가 작을 경우, 입자 자체의 응집력이 강해져 복합조성물 내부에서 고른 분산이 어려워지며, 이보다 큰 입자의 경우는 조성물 내의 다른 필러 및 수지와의 상용성을 저하시켜 최종 제품의 조직구조에서 거대기공 또는 상분리가 크게 발생한다.
다음으로, 히드록실화된 무기 필러를 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 실란 화합물과 반응시켜 이의 표면을 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란으로 표면 개질시킨다. 본 발명의 일 양태에 따라, 히드록실화된 무기 필러를 메탄올 또는 에탄올 용매 등과 같은 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 실란 화합물과 반응시켜 이의 표면에 실란기가 결합되도록 표면 개질시킨다(도 1 참조).
본 발명에서 사용될 수 있는 실란 화합물로는 트리알콕시실란, (RO)3SiR’, 3-아미노프로필트리에톡시 실란, 3-글리시독시 프로필 트리메톡시실란, 비닐 트리 메톡시 실란, 3-메타글리옥시프로필트리메톡시 실란 등을 사용할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 실란으로 표면 처리된 무기 필러는 화학적으로 개질되는 실란의 말단기가 이온성이면 알콜과 같은 극성 용매와 상용성이 우수하게 되고, 실란의 말단기가 무극성이면 유기 용매와 상용성이 우수하게 되어 다양한 용매에 대한 분산 특성의 향상을 기할 수 있는 장점이 있다.
마지막으로 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러, 고분자 수지, 흑연 분말 및 용매를 혼합한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 용매 100 중량부에 대해 고분자 수지 20% 중량부, 흑연 분말 15~65% 중량부, 실란으로 표면 개질된 무기 필러 15~65% 중량부 및 용매를 혼합하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 고분자 수지는 코팅 필름을 형성하기 위해 에폭시 수지, 아크릴 수지, 또는 이들의 혼합물 또는 복합체 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용하는 흑연 분말로는 평균입도크기가 3~30 ㎛인 팽창 흑연 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 흑연의 입도크기는 보통 수마이크로미터 이상으로 수백마이크로미터 까지 다양하다. 입도의 크기가 너무 커지면 조성물 용액에서 무기필러와의 고른 분산이 어려워지고 조성물 분산액의 적정점도를 제어하기가 어려워진다.
본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액에서 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러의 함량은 상기 흑연 분말의 함량 대비 15배 미만으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러가 흑연 분말에 대해 상기 15배 이상으로 사용되는 경우 시간이 경과함에 따라 무기 필러의 침전에 따른 상분리가 발생하는 경향이 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액에서 사용하는 용매로는 메틸에틸케톤과 톨루엔의 혼합용액 (1/1 v/v) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액에는 사용되는 고분자 수지의 경화제, 예를 들어 에폭시 수지를 사용하는 경우 트리에틸테트라아민과 같은 아민계 경화제 등이 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액에는 분산안정제가 용매 100 중량부에 대해 분산안정제 7~25% 중량부로 더 포함될 수 있다. 상기 분산안정제로는 비이온계 산화폴리에틸렌 등과 같은 비이온계 분산안정제를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액을 사용하여 형성된 코팅막의 열전도도는 분산안정제의 사용량에 반비례하므로 분산안정제가 용매 100 중량부에 대해 분산안정제 25% 중량부를 초과하는 경우 코팅막의 열전도도가 낮아져 바람직하지 않다.
상기 분산안정제를 실란으로 표면 개질된 무기 필러와 함께 사용하는 경우 분산안정성을 보다 향상시킬 수 있다. 즉, 실란으로 표면 개질된 무기 필러와 함께 분산안정제를 병행하여 사용하는 경우 분산안정성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액으로 코팅된 코팅막은 열전도성 및 방열특성이 우수하다.
[제조예 1 내지 8] 실란으로 표면 개질된 알루미나(Al2O3) 분말의 제조
알루미나 분말(평균입도크기 2~50㎛)을 0.1M NaOH 수용액에서 5시간 동안 상온에서 교반하여 히드록실화한 후, 상기 알루미나 분말을 메탄올 용매 하에 트리알콜시실란과 함께 상온 조건에서 10 시간 동안 반응시킨 후 드라이오븐 85℃에서 건조하여 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말을 제조 하였다.
이하, 본 발명을 실시예와 실험 예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 8] 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조
표 1에 나타낸 에폭시 수지와 경화제는 비스페놀 A와 에피클로히드린으로 이루어진 에폭시수지 1.8g과 경화제 트리에틸렌테트라아민 0.2g를 사용하였고, 흑연 분말은 평균입도크기 6 ㎛인 팽창 흑연 분말(150~200W/m*K)을 사용하였으며, 무기 필러로서 상기 제조예에서 얻은 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말을 사용하였으며, 분산안정제로서 비이온계 산화폴리에틸렌 (Triton-X 100)를 사용하였고, 용매로서 메틸에틸케톤과 톨루엔을 1:1 부피비로 혼합한 혼합용액을 사용하였다.
표 1에 나타난 성분 및 사용함량으로 상기 실란으로 표면 처리한 알루미나 분말을 비스페놀 A와 에피클로히드린으로 구성된 에폭시 수지 (MW ≥700 Struers Epofix) 1.8g에 24 시간 동안 초음파 처리하여 고루 분산시킨 후 기계식 교반기(mechanical stirrer)를 이용하여 50℃ 오일 배스(oil bath) 내에서 24시간 교반시켰다. 교반시킨 혼합물에 트리에틸테트라아민(Triethyltetramine; hardner Struers Epofix) 0.2g과 Triton-X를 첨가하여 필러가 뭉치지 않고 고르게 분산되도록 계속 교반시켰다. 상기 에폭시 복합수지 조성물을 코팅액으로 제조하기 위해 용매 (MEK(methyl ethyl ketone)/Toluene = 1/1 v/v)를 첨가하여 점도를 조절하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조하였다.
구분 에폭시 수지 및 경화제 흑연 분말 무기 필러 분산안정제 용매
실시예 1 2g 6.5g 1.5g 8g 30mL
실시예 2 2g 4g 4g 4g 10mL
실시예 3 2g 1.5g 6.5g 2g 20mL
실시예 4 2g 1g 7g 1g 5mL
실시예 5 2g 1g 7g - 5mL
실시예 6 2g 0.5g 7.5g 2g 5mL
실시예 7 2g 0.5g 7.5g 1g 5mL
실시예 8 2g 0.5g 7.5g - 5mL
[비교예 1]
무기 필러로서 순수 알루미나 분말을 사용하고 표 2에 나타난 성분 및 사용함량을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1 내지 8과 동일하게 수행하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조하였다.
구분 에폭시 수지 및 경화제 흑연 분말 무기 필러 분산안정제 용매
비교예 1 2g 4g 4g - 10mL
[제조예 9 내지 14] 실란으로 표면 개질된 알루미늄 분말의 제조
알루미나 분말(평균입도크기 2~50㎛)을 0.1M NaOH 수용액에서 5시간 동안 상온에서 교반하여 히드록실화한 후, 상기 알루미나 분말을 메탄올 용매 하에 트리알콜시실란과 함께 상온 조건에서 10 시간 동안 반응시킨 후 드라이오븐 85℃에서 건조하여 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말을 제조 하였다
[실시예 9 내지 14] 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조
표 3에 나타낸 에폭시 수지와 경화제는 비스페놀 A와 에피클로히드린으로 이루어진 에폭시 수지 1.8g과 경화제 (트리에틸렌테트라아민) 0.2g를 사용하였고, 흑연 분말은 평균입도크기 6㎛인 팽창 흑연 분말(150~200W/m*K)을 사용하였고, 무기 필러로서 상기에서 제조된 실란으로 표면 개질된 알루미늄 분말을 사용하였으며, 분산안정제로서 비이온계 산화폴리에틸렌 (Triton-X 100)를 사용하였고, 용매로서 메틸에틸케톤과 톨루엔을 1:1 부피비로 혼합한 혼합용액을 사용하였다.
표 3에 나타난 성분 및 사용함량으로 상기 실란으로 표면 처리한 알루미늄 분말을 비스페놀 A와 에피클로히드린으로 구성된 에폭시 수지 (MW≥700 Struers Epofix) 1.8g에 24 시간 동안 초음파 처리하여 고루 분산시킨 후 기계식 교반기(mechanical stirrer)를 이용하여 50℃ 오일 배스(oil bath) 내에서 24시간 교반시켰다. 교반시킨 혼합물에 트리에틸테트라아민(Triethyltetramine; hardner Struers Epofix) 0.2g과 Triton-X를 첨가하여 필러가 뭉치지 않고 고르게 분산되도록 계속 교반시켰다. 상기 에폭시 복합수지 조성물을 코팅액으로 제조하기 위해 용매 (MEK(methyl ethyl ketone)/Toluene = 1/1 v/v)를 첨가하여 점도를 조절하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조하였다.
구분 에폭시 수지 및 경화제 흑연 분말 무기 필러 분산안정제 용매
실시예 9 2g 6.5g 1.5g 8g 30ml
실시예 10 2g 1g 7g 4g 5ml
실시예 11 2g 1g 7g 2g 5ml
실시예 12 2g 0.5g 7.5g 2g 5ml
실시예 13 2g 0.5g 7.5g 1g 5ml
실시예 14 2g 0.5g 7.5g - 5ml
[비교예 2]
무기 필러로서 순수 알루미늄 분말을 사용하고 표 4에 나타난 성분 및 사용함량을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 9 내지 14와 동일하게 수행하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조하였다.
구분 에폭시 수지 및 경화제 흑연 분말 무기 필러 분산안정제 용매
비교예 2 2g 4g 4g - 10mL
[실험예 1] XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석
실시예 1 내지 8에서 사용된 순수 알루미나 분말 및 이를 실란으로 표면 개질한 알루미나 분말에 대해 XPS 분석을 수행하여 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하면 표면처리 전의 순수한 알루미나 분말(pAO)은 약 1% 이하의 불순물 수준의 Si이 확인되는데 반해, 실란으로 표면 개질한 알루미나 분말(Si-pAO)에서는 약 2.2% 정도로 Si 함량이 증가된 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 9 내지 14에서 사용된 순수 알루미늄 분말 및 실란으로 표면 개질한 알루미늄 분말에 대해 XPS 분석을 수행하여 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면 표면처리 전의 순수한 알루미늄 분말(pAl)은 약 1% 이하의 불순물 수준의 Si이 확인되는데 반해, 실란으로 표면 개질한 알루미늄 분말(Si-pAl)에서는 약 1.7% 정도로 Si 함량이 증가된 것을 알 수 있다.
[실험예 2] 열전도성 복합재료 코팅용액의 분산 특성 측정
실시예 1 내지 14 및 비교예 1 및 2에서 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액의 분산 특성을 하기와 같이 측정하였고 그 결과 도 4a 내지 도 4f에 나타내었다.
분산 특성 측정 방법: CK는 탄소의 함량, AlK는 알루미늄, 알루미나 함량을 뜻하며 Matrix zaf는 보정된 값을 말한다. 복합된 조성물을 제조하여 5시간 경과된 후 상부와 하부의 파우더를 Vacuum Filteration System으로 채취하여 건조시킨 후 EDAX로 분석 하였다. 분석 결과 비이온 분산 안정제를 7~25%중량부를 포함할 때 AlK(알루미늄, 알루미나)의 입자 분포도가 붉은색 실선에 표시된 것과 같이 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있다. 이는 분산 특성이 우수한 것으로 판단된다.
도 4a를 참조하면, 무기 필러를 실란으로 표면 개질하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 경우 시간이 경과됨에 따라 열전도성 복합재료 코팅용액에서 무기 필러가 침전되어 결과적으로 상분리가 일어난 것을 알 수 있다.
실시예 7 및 실시예 13을 각각 실시예 8 및 실시예 14의 분산 특성과 비교하였고 그 결과 상기와 같이 비이온계 분산안정제를 실란으로 표면 개질된 무기 필러와 함께 적용할 경우 (1~8g), 소량이라도 분산안정성을 향상시킨 것을 알 수 있고, 1g을 사용하더라도 훨씬 분산안정성이 향상되었다. 따라서 실란으로 표면 개질된 무기 필러와와 분산안정제를 병행하여 사용시 분산안정성에 있어서 더욱 효과적임을 알 수 있다.
[실험예 3] 열전도성 복합재료 코팅용액으로 얻은 막의 열전도 특성 측정
실시예 1 내지 14에서 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액을 스핀코팅하여 50℃에서 2시간 경화시켜 형성된 코팅막에 대해 하기 방법에 따라 열전도 특성을 측정하였고 그 결과를 표 5에 나타내었다.
열전도 특성은 LFA447(Netzch) 장비를 사용 하였고 샘플 규격은 8×8, 1.5t로 코팅액을 두껍게 도포하여 2000mesh로 폴리싱하여 사용 하였다. 측정온도 범위는 상온에서 분석하였다.
밀도 (g/cm3) 열전도 특성 (W/m*K)
Out-of-plane
실시예 1 1.336 0.292
실시예 2 1.267 0.487
실시예 3 1.212 0.787
실시예 4 1.955 0.993
실시예 5 2.230 1.085
실시예 6 1.415 0.776
실시예 7 1.598 0.906
실시예 8 1.729 1.109
실시예 9 1.433 0.301
실시예 10 2.110 1.002
실시예 11 2.265 1.118
실시예 12 1.442 0.767
실시예 13 1.753 0.912
실시예 14 1.798 1.121
[실험예 4] 열전도성 복합재료 코팅용액으로 얻은 막의 방열 특성 측정
실시예 1 내지 14에서 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액에 대해 방열 코팅 용도로 사용시 계면에서의 방열 특성을 측정하기 위해 Al 플레이트(40mm×40mm, t=10mm)로 방열판의 소재로 사용되는 Al6061을 사용하였다. 상기 Al 플레이트에 실시예 1 내지 14에서 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액을 고르게 도포하고 50℃에서 2시간 동안 경화 및 건조하여 코팅막을 준비하였다. 방열 코팅물의 효과를 비교하기 위하여 동일한 조건에서 표면을 코팅하지 않은 Al 플레이트에 대한 방열온도측정을 동시에 실시하여 표 6 및 표 7에 나타내었다. 방열온도측정을 하는 과정에서 대류의 변화를 차단하기 위해 밀폐된 공간에서 진행 하였다. 여기서 T1은 광원부의 역할로 열을 발생시키는 매개체를 의미하며 T2는 T1에서 발생한 열이 전달되는 열전도, T3는 전도된 열이 T2에서 대기로 발산 시키는 방열온도에 해당한다.
온도
(℃)		 Al
플레이트		 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8
T1 100.2
±0.3		 100.6
±0.1		 100.2
±0.1		 100.2
±0.1		 100.1
±0.1		 100.2
±0.1		 100.1
±0.1		 100.2
±0.1		 100.1
±0.1
T2 97.1
±0.2		 97.7
±0.2		 95.6
±0.3		 97.1
±0.1		 97.1
±0.2		 97.1
±0.1		 97.1
±0.2		 97.1
±0.1		 97.1
±0.2
T3 52.7
±0.3		 54.3
±0.1		 54.2
±0.1		 55.4
±0.2		 54.5
±0.3		 55.4
±0.2		 54.4
±0.2		 55.2
±0.2		 55.3
±0.2
온도
(℃)		 Al 플레이트 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12 실시예 13 실시예 14
T1 100.2
±0.3		 100.3
±0.1		 100.1
±0.1		 100.2
±0.1		 100.1
±0.1		 100.2
±0.1		 100.2
±0.1
T2 97.1
±0.2		 98.0
±0.3		 96.4
±0.2		 96.9
±0.1		 96.4
±0.2		 96.8
±0.1		 96.6
±0.1
T3 52.7
±0.3		 53.3
±0.4		 53.8
±0.3		 54.4
±0.2		 53.9
±0.1		 54.7
±0.1		 54.1
±0.2
표 6 및 표 7을 참조하면 열전도성 복합재료 코팅용액으로 코팅 처리되지 않은 Al 플레이트에 비해 본 발명의 열전도성 복합재료 코팅용액으로 코팅처리된 모든 Al 플레이트의 방열 온도가 상승한 것을 알 수 있다. 비록 열전도도가 낮은 수준(1.0 이하)이라도 방열 온도는 열전도도가 높은 조성물 코팅(1.0 이상)과 비슷한 수준의 값으로 측정되었고 열전도성 복합재료 코팅용액으로 코팅처리된 모든 Al 플레이트는 방열 온도가 개선된 것을 알 수 있다.
이상의 결과를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 열전도성 복합재료 코팅용액으로 코팅된 코팅막은 분산 안정성이 우수하여 열전도 특성 및 방열 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
이러한 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형 예 또는 수정 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 무기 필러를 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 히드록실화시키는 단계;
    상기 히드록실화된 무기 필러를 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란 화합물과 반응시켜 이의 표면을 실란으로 개질시키는 단계; 및
    상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 및 이들의 복합체 중 선택된 고분자 수지, 흑연 분말, 분산안정제, 및 용매를 혼합하는 단계;를 포함하여 제조되고,
    용매 100 중량부에 대해 고분자 수지 20 중량부, 흑연 분말 15~65 중량부, 및 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란으로 표면개질된 무기 필러 15~65 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 이들의 복합체 중 선택되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흑연은 평균입도크기가 3~30㎛인 팽창흑연(Expanded Graphite powder)인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실란으로 표면개질된 무기 필러는 알루미늄(Al), 알루미나(AlO), 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 무기 필러의 표면에 실란기가 결합되어 표면 개질된 무기 필러임을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 메틸에틸케톤과 톨루엔의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  7. 제1항에 있어서,
    용매 100 중량부에 대해 분산안정제 7~25 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분산안정제는 비이온계 산화폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액.
  9. 무기 필러를 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 히드록실화시키는 단계;
    상기 히드록실화된 무기 필러를 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란 화합물과 반응시켜 이의 표면을 실란으로 개질시키는 단계; 및
    상기 실란으로 표면 개질된 무기 필러, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 및 이들의 복합체 중 선택된 고분자 수지, 흑연 분말, 분산안정제, 및 용매를 혼합하는 단계;
    를 포함하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무기 필러는 알루미늄(Al), 알루미나(AlO), 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 알칼리 용액은 0.1M NaOH 수용액인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 알콜계 용매는 메탄올 또는 에탄올 용매인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 실란 화합물은 트리알콕시실란인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 용매는 메틸에틸케톤과 톨루엔의 혼합용액이고, 상기 분산안정제는 비이온계 산화폴리에틸렌인것을 특징으로 하는 열전도성 복합재료 코팅용액의 제조방법.
  15. 제1항에 따른 열전도성 복합재료 코팅용액을 기재 상에 도포하여 형성된 열전도 및 방열 코팅막.
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