KR101885664B1 - 방열 시트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 기공을 갖는 다공성 구조의 방열층과, 복수의 열 전도성 입자를 포함하여 방열층 내의 기공을 충진하도록 마련된 충진재와, 방열층의 적어도 일면에 마련된 접착층을 포함하는 방열 시트를 제시한다.

Description

방열 시트의 제조 방법{Method of manufacturing a heat radiation sheet}
본 발명은 방열 시트에 관한 것으로, 특히 전자기기에 설치되어 내부에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 방열 시트에 관한 것이다.
일반적으로, 컴퓨터, 휴대용 개인 단말기 등의 전자기기는 그 내부에서 발생된 과도한 열을 외부로 확산시키지 못해 시스템 안정성 등에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 또한, 전자기기 내부에서 발생된 열은 제품의 수명을 단축시키거나 고장, 오동작을 유발하고, 심한 경우에는 폭발 및 화재의 원인이 되기도 한다. 특히, 현재의 전자기기는 두께가 점점 얇아지고 다기능 및 고성능화되기 때문에 전자기기 내부의 각종 회로 부품에서 발생되는 열을 외부로 신속하게 방출하여 전자기기가 열에 의해 손상되는 것을 방지해야 된다. 이를 위해 전자기기 내부에 방열 시트를 마련한다.
종래의 방열 시트의 예가 한국등록특허제 10-0721462호에 제시되어 있다. 선행 특허의 방열 시트는 열전도성의 금속판과, 금속판의 적어도 일 면에 형성된 접착성의 폼 시트를 포함한다. 그런데, 종래의 방열 시트는 금속판의 표면에 접착성의 폼 시트를 부착하기 때문에 두께가 두껍고, 그에 따라 휴대 전자기기 등 두께가 얇은 전자기기에는 이용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 두께를 줄일 수 있고, 그에 따라 얇은 전자기기에도 이용할 수 있는 방열 시트를 제공한다.
본 발명은 두께를 줄이면서 열전도성을 향상시킬 수 있는 방열 시트를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 방열 시트는 복수의 기공을 갖는 다공성 구조의 방열층; 복수의 열 전도성 입자를 포함하여 상기 방열층 내의 기공을 충진하도록 마련된 충진재; 및 상기 방열층의 적어도 일면에 마련된 접착층을 포함한다.
상기 방열층의 일면에 상기 접착층이 형성되고, 타면에 금속층이 더 형성된다.
상기 방열층은 나노 섬유가 축적되어 형성된다.
상기 방열층은 기공도가 20% 내지 80%이다.
상기 충진재는 열 전도성 고분자 물질과 상기 열 전도성 입자가 혼합되어 마련된다.
상기 충진재는 상기 열 전도성 고분자 물질 및 상기 열 전도성 입자가 용매에 혼합된 혼합물에 상기 방열층을 침지하여 형성된다.
상기 혼합물에 대하여 상기 고분자 물질의 함량은 30중량% 내지 60중량%이고, 상기 열 전도성 입자의 함량은 1중량% 내지 30중량%이다.
상기 접착층은 복수의 기공을 갖는 다공성 구조로 형성된다.
상기 접착층의 복수의 기공 내에 마련된 열 전도성 입자를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 방열 시트는 방열층을 복수의 기공을 갖는 다공성 구조로 형성함으로써 얇은 두께로 형성할 수 있고, 그에 따라 얇은 두께의 전자기기에 적용 가능한 장점이 있다.
또한, 방열층의 복수의 기공을 열 전도성 입자를 포함한 충진재가 충진하도록 마련됨으로써 전자기기로부터 발생되는 열의 외부 전도율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 다공성 구조의 방열층의 일면에 열 전도율이 높은 금속층을 형성함으로써 열 전도율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 시트의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열 시트의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 시트의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 시트는 복수의 기공을 포함하는 다공성 구조로 형성된 방열층(110)과, 열 전도성 입자(122)를 포함하여 방열층(110) 내의 복수의 기공을 충진하도록 마련된 충진재(120)와, 방열층(110)의 적어도 일면에 형성된 접착층(130)을 포함할 수 있다.
방열층(110)은 내부에 복수의 기공이 마련되는 다공성 구조로 형성될 수 있다. 이러한 방열층(110)은 예를 들어 두께가 0.1㎜∼0.5㎜이며 20%∼80%의 기공도를 가질 수 있다. 여기서, 방열층(110)의 기공도가 20% 미만일 경우 기공을 채우는 충진재(120)의 분포가 적어 열 전달 효과가 미미할 수 있고, 기공도가 80% 이상일 경우 기공이 너무 많아 방열층(120)을 형성하기 어려울 수 있다. 또한, 방열층(110)은 나노 사이즈의 섬유가 축적되어 형성되는데, 나노 사이즈의 섬유 사이에 형성된 기공은 방열층(110)의 두께, 기공도 등에 따라 나노 사이즈(nano size) 또는 그 이상의 사이즈로 형성될 수 있다. 이러한 방열층(110)은 열전도성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 카본, 카본나노튜브 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 방열층(110)을 다공성 구조로 형성하기 위해 예를 들어 전기 방사를 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 열 전도성 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사 용액을 제조한 후 이를 전기 방사하여 나노 사이즈의 섬유를 형성하고, 이러한 섬유를 소정 두께로 형성함으로써 다공성 구조의 방열층(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN)과 카본나노튜브를 만드는 촉매인 철아세틸아세테이트(Fe(Acc)3)을 2:1로 혼합하고 이를 10중량%로 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide; DMF) 용액을 제조한 후 30kV로 30㎝의 거리에서 전기 방사하여 나노 섬유를 제조할 수 있다. 이러한 방열층(110)을 형성하기 위한 전기 방사 장치는 예를 들어 고전압 공급원, 전원 공급을 위한 전극, 고분자 용액 공급 펌프, 방적 돌기(spinneret) 역할을 하는 노즐 팁(nozzle tip) 및 섬유를 수집하는 집진판(collector)을 포함할 수 있다. 펌프를 통해 고분자 용액을 일정한 속도로 노즐을 통해 토출시킨다. 이때, 일 전극은 고전압 공급원과 노즐 팁을 연결하여 토출되는 고분자 용액에 전하를 주입하여 하전시키고(charge) 타 전극은 집진판에 연결되어 집진판을 그라운드시킨다. 노즐 팁으로부터 토출된 고분자 용액은 표면 장력에 의해 반구형을 이루는데, 이때 0 내지 30kV의 고전압이 노즐 팁에 인가되면 표면 전하 사이의 상호 정전기적 반발력과 외부 전기장에 작용된 쿨롱(coulombic)력에 의해 액상의 고분자 방울이 원뿔(conical) 형태의 깔때기 형상으로 연신된다. 즉, 특정 세기의 전기장이 고분자 용액과 접촉된 노즐 팁에 인가되면 + 또는 -의 한쪽 전하가 고분자 용액에 계속 축적되며, 같은 전하의 상호 반발력에 의해 고분자 용액이 가지는 표면 장력을 넘어서면서 노즐 끝단의 반구 형상의 테일러 콘(taylor cone) 형상의 제트(jet)로 방사 연신되게 되는데, 이때 반대쪽 전하로 하전되거나 접지된 집전판 방향으로 섬유들이 모아지게 된다. 방사 공정 중 액상의 제트(jet)가 집진판에 도달하기 전에 연신 및 용매의 휘발이 함께 수반되면서 집진판 상부에 무작위적으로 배열된 미세 섬유를 얻을 수 있다. 이렇게 방사 용액을 이용한 전기 방사에 의해 나노 섬유를 형성하고 나노 섬유가 축적되어 다수의 기공을 갖는 방열층(110)을 형성할 수 있다. 한편, 방열층(110)은 전기 방사에 의해 제조되므로 방사 용액의 방사량에 따라 두께, 기공도 및 기공의 크기가 결정된다. 따라서, 방열층(110)의 두께를 원하는 두께로 만들기가 쉬운 장점이 있다. 또한, 방열층(110)은 방사 방법에 의해 나노 섬유가 축적되어 형성되므로 별도의 공정없이 복수의 기공을 갖는 형태로 만들 수 있고, 방사 용액의 방사량에 따라 기공의 크기를 조절하는 것도 가능하다.
충진재(120)는 열 전도성 입자(122)를 포함하며, 방열층(110) 내에 충진되어 방열 시트의 열 전달 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 충진재(120)는 고분자 물질과 열 전도성 입자(122)를 포함할 수 있다. 즉, 충진재(120)는 열 전도성 입자(122)가 분산된 고분자 물질로 형성될 수 있다. 고분자 물질은 에틸렌 수지, 프로필렌 수지, 염화비닐 수지, 스티렌 수지, 카보네이트 수지, 에스테르 수지, 나일론 수지, 실리콘 수지 또는 이미드 수지 등을 포함할 수 있다. 또한, 열 전도성 입자(122)는 열 전도성이 우수한 Ni, Cu, Ag 등의 열 전도성 금속, 열 전도성 세라믹 등을 이용할 수 있다. 물론, 열 전도성 입자(122)는 이러한 물질 이외에 공기보다 열 전도성이 높은 물질이면 어떠한 물질도 가능하다. 여기서, 열 전도성 입자(122)는 방열층(110) 내의 기공보다 작은 사이즈, 예를 들어 나노 사이즈를 가질 수 있다. 이렇게 나노 사이즈의 열 전도성 입자(122)를 포함하는 충진재(120)로 방열층(110) 내의 복수의 기공을 채우면 다공성 구조의 방열층(110)만 이용하는 경우에 비해 열 전도율을 더 향상시킬 수 있다. 즉, 방열층(110) 내의 기공, 즉 공기보다 열 전도율이 더 높은 열 전도성 입자(122)를 포함하는 충진재(120)가 방열층(110) 내에 마련됨으로써 방열층(110)만으로 구성되는 경우에 비해 열 전도율을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 충진재(122)를 방열층(110) 내의 기공에 분포시키기 위해 열 전도성 입자(122)를 포함하는 고분자 물질을 소정의 용매에 혼합한 혼합물에 방열층(110)을 침지시킬 수 있다. 예를 들어, 실리콘 수지와 열 전도성 입자(122)를 소정의 용매에 혼합하여 혼합물을 제조한 후 방열층(110)을 혼합 용매에 침지하고 용매를 건조시켜 방열층(110) 내에 열 전도성 충진재(120)를 분포시킬 수 있다. 여기서, 용매는 에틸아세테이트, 메틸에틸케톤, 메틸렌클로라이드, 테트라히드로퓨란 또는 클로로포름 등을 포함할 수 있으며, 이들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 이용될 수 있다. 또한, 혼합물의 실리콘 수지의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 30중량% 내지 60중량%일 수 있고, 열 전도성 입자의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%일 수 있다. 또한, 용매의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 실리콘 수지, 열 전도성 입자의 합량(total weight)을 제외한 나머지와 실질적으로 동일하다. 즉, 용매의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 10중량% 내지 69중량%일 수 있다. 여기서, 실리콘 수지의 함량이 30중량% 미만인 경우 충진재(120)를 방열층(110)에 고르게 형성하기 어려울 수 있고, 실리콘 수지의 함량이 60중량%를 초과하는 경우 실리콘 수지를 용매에 용해시키기 어려워 열 전도성 입자가 실리콘 수지 내에 균일하게 분산되기 어렵다. 또한, 열 전도성 입자(122)의 함량이 1중량% 미만일 경우 열 전도율 향상 효과가 미미하고, 열 전도성 입자(122)의 함량이 30중량%를 초과하는 경우 열 전도성 입자(122)가 방열층(110) 내에 전체적으로 균일하게 분산되기 어렵고 그에 따라 균일한 방열이 어렵다.
접착층(130)은 방열 시트를 전자기기에 접착하기 위해 마련되며, 방열층(110)의 적어도 일면에 형성된다. 즉, 접착층(130)은 방열층(110)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 이러한 접착층(130)은 양면 접착 테이프를 이용할 수 있다. 즉, 양면 접착 테이프의 일면을 방열층(110)의 일면에 부착하고, 타면에 마련된 이형지를 제거한 후 전자기기에 부착할 수 있다. 또한, 접착층(130)은 방열층(110)을 제조하기 위한 방법과 동일한 전기 방사에 의해 제조될 수 있다. 즉, 접착성 물질 및 용매를 혼합하여 전기 방사에 적합한 점도를 갖는 접착 용액을 제조한 후 접착 용액을 전기 방사하여 방열층(110)의 적어도 일면에 소정 두께로 접착층(130)을 형성할 수 있다. 여기서, 접착성 물질은 고무계, 아크릴계, 실리콘계 등의 접착 물질을 이용할 수 있다. 또한, 접착층(130)을 전기 방사하여 형성하기 위한 전기 방사 장치는 방열층(110)을 전기 방사하기 위한 전기 방사 장치와 동일한 장치를 이용할 수 있다. 특히, 방열층(110)을 형성하기 위한 고분자 용액 공급 펌프와 인접하여 접착 용액 공급 펌프를 마련하고 접착 용액 분사 노즐을 마련함으로써 방열층(110) 형성 후 연속적으로 접착층(130)을 전기 방사하여 형성할 수 있다. 이렇게 접착 용액을 전기 방사하면 나노 섬유가 적층되어 소정 두께의 접착층(130)이 형성되고, 접착층(130)은 다공성 구조로 형성될 수 있다. 이때, 접착 물질이 방열층(110)의 기공 내에 유입되어 방열층(110)과 접착층(130)의 접착 강도가 증가될 수 있다. 따라서, 방열층(110)이 접착층(130)에서 박리되는 현상이 줄어들어 방열 시트의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 접착 물질이 방열층(110)의 기공에 유입됨으로써 접착층(130)의 두께를 얇게 할 수 있고, 그에 따라 초박막 방열 시트를 구현할 수 있다. 한편, 접착층(130) 내에도 열 전도성 입자를 분포시켜 접착층(130)을 통한 열 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 접착 용액을 제조할 때 열 전도성 입자를 더 포함시킬 수 있다. 즉, 접착성 물질, 열 전도성 입자 및 용매를 혼합하여 열 전도성 접착 용액을 제조한 후 전기 방사하여 열 전도성 입자가 분포된 접착층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 열 전도성 입자는 충진재(120)를 형성하기 위한 열 전도 입자를 이용할 수 있다. 이렇게 접착층(130) 내에도 열 전도성 입자가 포함되기 때문에 전자기기에 방열층(110)을 부착시키기는 접착성과 열 전도성을 함께 가지게 되므로 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 시트는 방열층(110) 내의 복수의 기공을 열 전도성 입자(122)를 포함한 충진재(120)가 충진되고, 방열층(110)의 적어도 일면에 접착층(130)이 형성될 수 있다. 이러한 방열 시트는 LED, CPU, IC 등과 같은 발열체에 부탁되거나 인접하여 부착되고, 이로부터 발생된 열을 빠르게 확산시켜서 발열체의 국부적인 온도 상승을 방지할 수 있다. 또한, 복수의기공을 갖는 방열층(110) 내에 열 전도성 입자(122)를 포함하는 충진재(120)가 충진됨으로써 열 전도율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열 시트의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 방열 시트는 복수의 기공을 갖는 다공성 구조의 방열층(110)과, 복수의 열 전도성 입자(122)를 포함하며 방열층(110) 내의 기공을 충진하도록 마련된 충진재(120)와, 방열층(110)의 일면에 마련된 접착층(130)과, 방열층(110)의 타면에 마련된 금속층(140)을 포함할 수 있다.
방열층(110)은 복수의 기공을 갖는 다공성 구조로 형성될 수 있는데, 이를 위해 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사 용액을 제조한 후 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유를 형성하고 나노 섬유를 축적하여 형성할 수 있다.
충진재(120)는 열 전도성 입자(122), 열 전도성 고분자 물질을 일정 비율로 용매에 혼합하여 혼합물을 제조하고, 혼합물에 방열층(110)을 침지한 후 건조함으로써 방열층(110) 내의 복수의 기공을 충진하도록 마련될 수 있다.
접착층(130)은 방열층(110)의 일면에 접착 테이프 또는 접착 물질이 포함된 방사 용액을 전기 방사하여 형성할 수 있다.
금속층(140)은 열 전도성 금속, 예를 들어 Ni, Cu, Ag 등을 방열층(110)의 일면에 코팅하여 형성할 수 있다. 또한, 금속층(140)은 금속 포일(foil)을 부착하여 형성할 수도 있다. 금속층(140)이 더 형성됨으로써 방열층(110)만을 이용하는 경우에 비해 방열 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 금속층(140)은 방열층(110)의 일면에 패턴 형상으로 코팅된 금속 패턴층으로 구현할 수 있다. 금속층(140)이 패턴화되어 형성되면 접촉 면적이 증가되어 열 방출 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 방열층 120 : 충진재
122 : 열 전도성 입자 130 : 접착층
140 : 금속층

Claims (9)

  1. 복수의 기공을 갖는 다공성 구조의 방열층을 형성하는 과정;
    복수의 열 전도성 입자를 포함하여 상기 방열층 내의 기공을 충진하도록 충진재를 형성하는 과정; 및
    상기 방열층의 적어도 일면에 접착층을 형성하는 과정을 포함하고,
    상기 충진재는 고분자 물질과 열 전도성 입자가 용매에 혼합된 혼합물에 상기 방열층을 침지하여 형성하며,
    상기 접착층은 상기 방열층에 양면 접착 테이프를 이용하여 형성하는 방열 시트의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 방열층의 일면에 상기 접착층을 형성하고, 타면에 금속층을 더 형성하는 방열 시트의 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 방열층은 나노 섬유가 축적되어 형성된 방열 시트의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 방열층은 기공도가 20% 내지 80%인 방열 시트의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합물에 대하여 상기 고분자 물질의 함량은 30중량% 내지 60중량%이고, 상기 열 전도성 입자의 함량은 1중량% 내지 30중량%인 방열 시트의 제조 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 접착층은 복수의 기공을 갖는 다공성 구조로 형성된 방열 시트의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 접착층의 복수의 기공 내에 마련된 열 전도성 입자를 더 포함하는 방열 시트의 제조 방법.
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