KR20130095936A - 방열 코팅 조성물, 이를 코팅시킨 방열판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인상흑연 분말을 포함하는 방열 코팅 조성물을 이용한 방열판에 관한 것으로서, 상기 방열 코팅 조성물을 기판에 코팅한 후, 기판의 상-하 방향으로 자기장을 걸어 상기 인상흑연 분말을 수직으로 배열한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 방열판은 열방출 능력이 우수한 바, 각종 전자제품, 특히 디스플레이, LED 및 태양광 소자 등의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출시켜 부품의 열화를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

방열 코팅 조성물, 이를 코팅시킨 방열판 및 그 제조방법{Coating composite for sinking heat, heat sink coating that and manufacturing method of the heat sink}

본 발명은 방열 코팅 조성물, 방열판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인상흑연 분말을 포함하는 방열 코팅 조성물로 코팅하고, 코팅층에 자기장을 걸어 인상흑연 분말을 수직으로 배열시켜서 열방사 능력을 우수하게 향상시킨 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

반도체 산업과 통신 산업이 발전함에 따라 전자제품의 고성능화 및 초소형화로 제한된 공간에 더 많은 소자들이 집적되면서 단위 면적당 발열량이 급격히 증가하였다. 또한 최근 고효율, 친환경 제품으로 각광받고 있는 LED 등의 광소자 핵심 부품산업이 풀어야 할 중요한 과제 중 하나가 방열의 문제이다. LED의 발광 효율이 높아진 것은 사실이지만, LED 패키지의 발열량은 상당한 수준이며 방열 대책을 마련하지 않으면 LED 패키지의 온도 상승으로 인한 발광 효율의 저하, 칩의 단수명화를 초래하게 된다. 이처럼 전자부품의 소형화 및 새로운 응용제품의 적용은 열적 문제의 해결이 없이는 불가능하다.

이렇게 전자제품의 발열을 최소화시킬 수 있는 방법으로는 소형 팬을 설치하는 등의 기계적 방법이 있고, 부피를 최소화하기 위하여 고방열 물질을 이용한 방열코팅방법이 있다. 그 중 흑연 및 탄소재료는 원자력이나 에너지 재료로 각광을 받고 있으며 전자기기 및 LED 등의 전자부품의 열방출을 위한 코팅재료로 그 이용 영역이 확대되고 있다. 흑연은 결합력이 큰 기저면을 따라 우수한 열전도도, 전기전도도 및 강성률 등을 나타내고 화학적으로 매우 안정하여 화학, 전기전자, 기계, 자동차, 원자로 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 특성은 흑연의 결정구조에서 그 원인을 찾을 수 있다. 흑연의 결정구조는 육방정 구조로써 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)은 강한 sp2 결합을 하고 있으며 c-축으로는 약한 Van der Waals 결합을 하고 있다. 따라서 a-축으로는 전기전도도, 열전도도 및 강성률 등이 우수하며 c-축 방향으로는 이러한 특성들이 상대적으로 미약하다. 방사율 또한 이런 이방성 특성을 나타내고 있다고 실험적으로 이미 알려져 있다.

열방사란 “열적으로 여기 된 물질의 구성입자들이 열에너지를 전자에너지로 전환하여 출사하는 방사”라고 정의한다. 열방사는 전자파의 일종으로서 적당한 매질을 통하여 빛의 속도로 전파되며, 물질과 상호작용하여 흡수, 산란, 반사 등을 한다. 열방사는 그 기준으로 흑체방사를 사용하며, 이상적으로 완전 방사체인 흑체의 방사를 1로 할 때 이에 대한 방사휘도의 비율로서 임의 물체의 열방사 정도를 표현한다.

열방사율은 재료의 온도에 따라 달라지며, 일반적으로 비금속 물질은 온도가 상승할수록 열방사율은 감소하지만 흑연의 열방사율은 약 530 ℃까지 비교적 균일하게 유지하기 때문에 열방사의 방사체와 흡수체로 이용되고 있다. 또한 열방사율이 재료 고유의 물리적 특성이지만 표면의 오염정도 또는 표면 거칠기 변화 등 재료의 표면 상태에 따라 그 값은 변한다. 일반적으로 재료의 표면 거칠기가 증가하면 열방사율이 증가하지만 표면에 과도한 기공이 존재할 경우 방사율이 저하하는 경향이 있다.

열방사율은 금속재료, 세라믹재료, 플라스틱재료 등의 열적 물성을 표현하는데 다양하게 이용되고 있으며, 상대적으로 저온 영역에서의 열전달에서도 열방사는 매우 중요한 역할을 한다고 알려졌다. 이를 이용하여 항공우주분야, 소방 안전, 건강의료, 플라스틱 가공, 섬유산업, 전기 전자부품 등 산업 전반에 걸쳐 많은 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명자들은 보다 효과적인 열방사 소재를 개발하고자 노력한 결과, 인상흑연 분말의 입자를 수직으로 배열시키면 열방사 효율이 크게 증대 되는 것을 알게 되었고, 이를 코팅제로 사용하기 위한 조성 및 방법을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 인상흑연 분말; 및 락카계 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더;를 포함하는 방열 코팅 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 방열판에 대하여 수직으로 배열된 인상흑연 분말을 함유한 코팅막을 포함하는 방열판을 제공하며, 또한, 알루미늄 기판; 상기 기판 전, 후면에 코팅된 상기 방열 코팅 조성물;을 포함한 방열판을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방열판의 제조방법에 관한 것으로서, (a) 인상흑연 분말와 유기 바인더를 혼합하여 방열 코팅 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 방열 코팅 조성물을 알루미늄 기판 전, 후면에 코팅하는 단계; 및 (c) 상기 방열 코팅 조성물로 코팅된 알루미늄 기판을 상-하 방향으로 자기장을 걸어 인상흑연 분말을 수직으로 배열시키는 단계;를 포함하는 방열판의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 방열판은 열방사 능력이 우수한 인상흑연 분말을 포함하는 코팅 조성물로 코팅하고, 이후 코팅층에 자기장을 걸어 인상흑연 바편을 수직으로 배열시켜 열방출 능력을 보다 향상시킨 것으로서, 각종 전자제품, 특히 디스플레이, LED 및 태양광 소자 등의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출시켜 부품의 열화를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 코팅 조성물의 일 성분인 천연 인상흑연의 SEM 이미지이다.
도 2는 기판 표면에 본 발명에 따른 방열 코팅 조성물을 코팅한 후, 인상흑연 박편의 입자 배열을 변화시키기 위하여 기판 상-하 방향으로 자기장을 걸어주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 MF(Magnetic field)와 비교예1의 NMF(Non-magnetic field)에 대한 인상흑연 코팅층의 표면과 단면을 나타낸 이미지로서, 도 3의 a)는 자장을 걸어주지 않았을 때 인상흑연 코팅층의 단면 이미지, b)는 자장을 걸어주었을 때 인상흑연 코팅층의 단면 이미지, c)는 자장을 걸어주지 않았을 때 인상흑연 코팅층의 45°틸트된 표면 이미지, 그리고 d)는 자장을 걸어주었을 때 인상흑연 코팅층의 45°틸트된 표면 이미지이다.
도 4는 인상흑연 코팅층의 자장 유/무에 따른 결정성의 변화를 확인하기 위하여 측정한 라만 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명에 따른 방열판의 표면온도를 측정하기 장치의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 NMF와 MF로 코팅된 알루미늄 기판에 대한 열방출 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 NMF와 MF로 코팅된 알루미늄 기판과 코팅하지 않은 알루미늄 기판의 냉각속도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 NMF와 MF로 코팅된 알루미늄 기판과 코팅하지 않은 알루미늄 기판의 냉각속도를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 2에 따른 방열판에 대하여 냉각속도를 측정한 결과 그래프이다.
도 10은 코팅층에 자기장을 걸어준 경우와 걸어주지 않은 경우에 대한 열방출을 나타낸 개념도이다.

본 발명에서 사용하는 용어에 대하여 설명을 하면, Br은 전류자속밀도의 약자로서, 자기장(H)이 0인 경우의 자속밀도(B)로 자석의 강도를 나타내며, 단위는 G(Gauss)이다. 그리고, Hc는 자속밀도(B)를 0으로 하는데 필요한 자기장(H) 보자력 또는 항자력이며, 단위는 Oe(Oersted)이다. 또한, BH(max)는 자속밀도와 자기장의 제품 및 자석을 둘러싼 공기 간격으로 자기장의 에너지밀도가 최대에 있는 시점을 나타낸다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 방열 코팅 조성물은 인상흑연 분말; 및 락카계 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인상흑연 분말은 평균입경 1 ~ 100 ㎛ 미만인 것을, 바람직하게는 10 ~ 80 ㎛인 것을, 더욱 바람직하게는 30 ~ 70 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 인상흑연 분말이 평균입경 1 ㎛ 미만이면 수직배양 효과가 없는 문제가 발생할 수 있고, 평균입경 100 ㎛를 초과하면 인상흑연 분말을을 수직으로 배열시키기 어려운 바, 상기 범위 내의 평균입경을 갖는 인상흑연을 사용하는 것이 좋다.

상기 락카계 수지는 본 발명의 코팅 조성물에 있어서, 접착력을 증가시키는 역할을 하며, 초화면 알키드 수지(Nirtocellulose alkyd resin)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 인상흑연 분말과 상기 락카계 수지를 5 ~ 30 : 100 중량비로, 바람직하게는 5 ~ 28 : 100 중량비로, 더욱 바람직하게는 5 ~ 25 중량비로 포함할 수 있으며, 5 : 100 중량비 미만이면 인상흑연 분말 양이 너무 적어서 만족할 만한 방열 효과를 볼 수 없는 문제가 발생할 수 있고, 30 : 100 중량비를 초과하면 방열 코팅 조성물의 점도가 너무 높아지고, 방열판의 냉각속도가 오히려 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 희석제는 본 발명의 코팅 조성물에 있어서, 용매 역할을 하며, 휘발성이 강하기 때문에 코팅 조성물을 방열판의 기판에 코팅시킨 후에는 대부분 대기로 기화된다. 상기 희석제는 케톤, 에스테르, 알코올 및 방향족 탄화수소를 포함하는 락카신나를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명의 방열 코팅 조성물에 있어서, 상기 인상흑연 분말과 상기 희석제는 20 ~ 110 : 100 중량비인 것이, 바람직하게는 25 ~ 100 : 100 중량비인 것이 좋으며, 상기 인상흑연 분말과 상기 희석제가 20 : 100 중량비 미만이면, 희석제의 사용량이 너무 많은 바, 묽어지기 때문에 인상흑연 분말, 락카계 수지 및 희석제를 혼합시킨 조성물이 페이스트 형태로 형성시키기 곤란한 문제가 있을 수 있고, 상기 인상흑연 분말과 상기 희석제가 110 : 100 중량비를 초과하면, 오히려 조성물이 혼합된 페이스트의 점도가 너무 높아져서 코팅시, 뭉칠 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 방열판에 대하여 구체적으로 설명을 한다.

본 발명의 방열판은 방열판에 대하여 수직으로 배열된 인상흑연 분말을 함유한 코팅막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 코팅막은 인상흑연 분말; 및 락카계 수지를 함유한 유기 바인더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 방열판은 알루미늄 기판; 상기 알루미늄 기판 전, 후면에 코팅된 방열 코팅막;을 포함한다. 그리고, 상기 방열 코팅막은 인상흑연 분말 및 유기 바인더로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 방열 코팅막은 인상흑연 분말; 및 락카계 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더;를 포함하는 방열 코팅 조성물을 상기 알루미늄 기판에 코팅시킨 후, 알루미늄 기판의 상-하 방향으로 자기장을 걸어 상기 인상흑연 분말을 수직으로 배열한 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 방열 코팅 조성물의 희석제는 조성물 제조 및 코팅 과정에서 거의 기화된다.

상기 인상흑연 분말은 방열 코팅 조성물 제조 과정 중 볼밀링을 통해 인상흑연 분말이 좀 더 박편화될 수 있으며, 상기 방열 코팅 조성물의 조성물 및 조성비는 앞서 설명한 바와 동일하다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 하기의 공정을 포함하는 방열판의 제조방법에 관한 것으로서,

(a) 방열 코팅 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 방열 코팅 조성물을 알루미늄 기판 전, 후면에 코팅하는 단계; 및 (c) 상기 방열 코팅 조성물로 코팅된 알루미늄 기판을 상-하 방향으로 자기장을 걸어 인상흑연 분말을 수직으로 배열시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조방법에 관한 것이다.

상기 방열 코팅 조성물을 제조하는 단계는 인상흑연 분말와 유기 바인더를 혼합하여 페이스트 형태로 제조할 수 있으며, 상기 방열 코팅 조성물의 조성, 조성비 및 종류는 앞서 설명한 본 발명의 방열 코팅 조성물과 같다.

상기 코팅하는 단계는 당업계에서 일반적으로 사용하는 다양한 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디핑(dipping) 코팅법으로 수행하는 것이 빠르고 균일하게 코팅하는 면에서 좋다.

인상흑연 분말을 수직으로 배열시키는 단계는 도 2에 나타낸 바와 같이 상, 하에 방열 코팅 조성물로 코팅된 알루미늄 기판을 상-하 방향으로 자기장을 걸어서 인상흑연 분말을 상기 알루미늄 기판 또는 방열판에 대하여 수직으로 배열시킬 수 있으며, 자기장을 걸어주기 위한 수단으로는 강자성체를 사용하여 수행하는 것이 좋다. 그리고, 이 경우, 자기장을 걸어주기 위한 조건은 Br 12.8~14.0 G(gauss), Hc 12~14.9 KOe, BH(max) 20~40 MGOe, 및 밀도 7 ~ 8 하에서 상-하 방향 자장 인가 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

[ 실시예 ]

실시예 1

본 발명에서 사용된 원료분말은 평균직경 63㎛를 갖는 천연 인상흑연(HC-398, HYUNDAI COMA, 순도 > 98.5%)이며, 도 1에 나타내었다. 그리고, 락카계 수지는 디파이사의 상품명 DNL-3210F로서, 초화면 알키드수지, 가소제, 안료 등을 주성분으로 하는 자연건조형 락카계 수지를 사용하였으며, 락카신나는 디파이사의 DR-170으로서, 케톤, 에스테르, 알코올 및 방향족 탄화수소를 주제로 한 락카신나를 사용하였다.

상기 천연 인상흑연 4g을 유기바인더 55g(락카계 수지 40g + 락카신나 15g)과 혼합 후, 볼밀링하여 페이스트를 제조하였고, 제조된 페이스트를 알루미늄 기판(30 × 30 × 3 mm)위에 디핑(dipping) 방법으로 코팅하였다.

다음으로, 상기와 같이 알루미늄 기판에 코팅한 후, 천연 인상흑연 분말의 입자 배열에 변화를 주기 위하여 코팅한 알루미늄 기판 상/하에 도 2와 같이, 자석을 이용하여 자장을 걸어주었다. 이때, 자장 조건은 Br : 12.8~14.0 G, Hc : 12~14.9 KOe, BH(max) : 20~40 MG.Oe, 및 밀도 : 7.58이다.

이하에서, 실시예 1과 같이 알루미늄 기판에 열방사체 물질을 코팅하고, 자장을 걸어 인상흑연 분말에 변화를 가하여 제조한 것을 MF2-1이라 명하기로 한다.

실시예 2 내지 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 방열판을 제조하되, 천연 인상흑연의 사용량을 6g(실시예 2, MF2-2), 8g(실시예 3, MF2-3), 10g(실시예 4, MF2-4), 12g(실시예 5, MF2-5) 및 14g(실시예 6, MF2-6)으로 하여 코팅층이 형성된 방열판을 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 페이스트를 제조한 후, 알루미늄 기판에 페이스트를 코팅한 다음, 자기장을 걸지 않고서 방열판을 제조하였다(이하, NMF로 칭함).

비교예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 코팅된 방열판을 제조하되, 천연 인상흑연 대신 카본블랙을 사용하여 페이스트를 제조 후, 알루미늄 기판에 코팅한 다음, 자기장을 걸어서 방열판을 제조하였다.

실험예 1 : 전자현미경을 이용한 표면 및 단면 확인

(1) 전자현미경을 이용하여 비교예 1 및 실시예 1에서 제조한 방열판의 코팅막 표면 및 단면을 관찰하였다. 그리고, 천연 인상흑연 분말의 입자크기를 고려하여 관찰배율은 500 배로 하였고, 표면 형상은 45°틸팅(tilting)하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

(2) 하기 도 3의 a)는 자장을 걸어주지 않은 비교예 1의 방열판 코팅층의 단면 이미지, b)는 자장을 걸어주었을 때 실시예 1의 방열판 코팅층의 단면 이미지, c)는 비교예 1의 방열판 코팅층의 45°틸트된 표면 이미지, 그리고 d)는 실시예 1의 방열판 코팅층의 45°틸트된 표면 이미지이다.

비교예 1은 얇게 벗겨진(Flaky) 형태로 원래의 형상을 유지하면서 바인더와 결함되어 알루미늄 기판에 수평의 형태로 코팅되어 있고, 실시예 1은 알루미늄 기판에 수직의 형태로 코팅되어 있는 것을 관찰할 수 있으며, 이로부터 인상흑연에 자장을 걸어줌으로써 알루미늄 기판에 수직의 형태로 입자 배열된다는 것을 알 수 있다.

실험예 2 : 라만분광분석

(1) 라만분광분석(inVia System, Renishaw, France)은 Ar 레이저(514.5 nm)를 광원으로 이용하였다. In Via system은 800 ㎜의 초점거리를 가지고 있어 고분해능과 효율적인 산란광 집광력으로 최상의 결과를 얻을 수 있고, LN₂ cooled CCD를 검출기로 장착하고 있어 잡음 없이 짧은 시간에 광범위 영역의 측정이 가능하였다. 또한, 공초점 라만 현미경(Confocal Raman microscope) 사용으로 마이크로미터 정도의 작은 영역도 구분하여 측정할 수 있었다.

라만분광분석 조건은 다음과 같다.

* Wavelength : 514.5 nm of Ar Laser(Green), ~1 nm of beam size

* Resolution : down to 0.4 cm, ± 1~2 ㎝^-1 (× 500)

상기 실시예 1, 비교예 1에 따른 시편을 단면 조직 분석용 시편과 같은 상태로 준비하였으며, 라만분석으로 얻어진 피크를 정량(I _d / I _g )비교하였다. 측정시 여러 부위(4회)를 측정 후 평균값을 구하였다.

인상흑연 분말은 배열 정도에 따라 라만(Raman) 특성이 달라진다. 즉, 흑연 기저(base plan)의 라만특성(Raman profile)은 D 밴드(D band)가 약하게 나타나고, 흑연 기저의 수직 방향은 D 밴드가 강하게 나타나는데 이러한 특성을 이용하여 자장을 걸어줬을 경우 인상흑연 분말의 세워진 정도를 확인하였다.

(2) 도 4는 인상흑연 코팅층의 자장 유/무에 따른 결정성의 변화를 확인하기 위한 라만 스펙트럼의 변화로서, 라만 스펙트럼의 D 밴드 및 G 밴드의 강도비가 각각 비결정성과 결정성의 척도가 된다.

Id/Ig는 결정성을 나타내는 척도가 되는데 흑연의 결정구조는 육방정 구조로써 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)은 강한 sp² 결합을 하고 있으며 c-축으로는 약한 반데르 발스(Van der Waals) 결합을 하고 있다. 따라서 a-축으로는 전기전도도, 열전도도 및 강성률 등이 우수하며 c-축 방향으로는 이러한 특성들이 상대적으로 미약하다.

Id/Ig 결정성을 4회 측정 후 평균값을 비교한 결과 본 발명에 따른 MF가 NMF보다 강도 대비 0.47 크다. 이는 MNF는 얇게 벗겨진 형태(Flaky)로 원래의 형상을 유지하면서 바인더와 결합되어 알루미늄 기판에 수평의 형태로 코팅되어 있으므로 강한 sp² 결합을 하고 있는 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)이 측정된 것으로 보이고, MF는 알루미늄 기판에 수직의 형태로 코팅되어 있으므로 약한 반데르 발스 결합을 하고 있는 c-축 방향으로의 면이 측정된 것으로 판단된다.

실험예 3 : Heat-sink 표면온도 및 냉각속도의 측정

(1) 히트싱크(Heat-sink)의 표면온도는 열화상 카메라(Thermo)를 이용하여 측정하였다. 표면온도 측정은 도 5에 나타낸 바와 같이 핫플레이트에 시편을 장착하고 외부환경에 대한 변수를 제거하여 시편으로부터 3 cm 거리에 열화상 카메라를 설치하였고, 측정모드를 스팟(spot)방식으로 하여 시편의 중앙부분에서 표면온도를 측정하도록 설치하였다.

또한, 시편에는 열전대(thermocouple)를 설치하여 열화상 카메라의 온도를 보정하였으며, 시험시 측정온도는 100 ℃로 유지하였다. 측정시 실내온도는 상온으로 일정하게 유지하였다. 최대온도 값을 이용하였으며 3회 측정 후 평균값을 이용하였다.

비교예 1과 실시예 1의 방열판 제조에 사용한 알루미늄 기판에 따른 구리의 냉각속도 측정은 K-타입 써머커플(K-Type Thermocouple)을 이용하여 자기장(Magnetic field) 유/무에 따른 열방출효과를 측정하였으며, 시간에 따른 측정온도 Data 획득 및 저장을 위해 YOKOGAWA 사의 DR-300 Data logger를 이용하였다.

(2) 도 6은 구리의 온도를 100 ℃로 유지시킨 후 실시예 1 및 비교예1에서 제조한 방열판의 열방출 특성 측정 결과를 나타낸 이미지로서, 인상흑연 코팅층의 입자배열이 수직으로 배열된 실시예 1이 비교예 1 보다 14.7 ℃ 높게 측정되었으며, 이는 인상흑연 코팅층의 입자배열이 수직으로 배열된 코팅층이 열을 더 빨리 방출해 주는 것으로 판단되며, 이로 인해 알루미늄 히트싱크의 표면 온도가 높게 나타난 것을 알 수 있다.

(3) 도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 방열판과 코팅하지 않은 알루미늄 기판의 냉각속도를 나타낸 그래프이다.

냉각속도 측정결과 100 ℃에서 33 ℃까지 냉각되는데 걸리는 시간은 실시예 1은 83 분, 비교예 1은 97 분이 걸렸으며, 코팅하지 않은 알루미늄 기판은 111 분으로 실시예 1이 0.8℃/분으로 가장 빠른 냉각 속도를 보였고, 비교예 1은 0.69℃/분 그리고 코팅하지 않은 알루미늄 기판은 0.6℃/분으로 가장 느린 냉각속도를 보였다.

즉, 실시예 1이 100 ℃에서 33 ℃까지의 냉각속도가 코팅하지 않은 알루미늄 기판보다 33% 빠르고, 비교예 1 보다는 약 16% 정도 빨랐으며, 100 ℃ ~ 33 ℃까지 냉각속도 구간에서는 실시예 1이 비교예 1 보다 최대 2.4 ℃ 낮고, 알루미늄 기판 보다 최대 5.1 ℃ 낮다. 이로부터 수직으로 배열된 인상흑연의 코팅층이 열방출에 크게 기여한 것임을 알 수 있다.

(4) 또한, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 방열판, 코팅하지 않은 알루미늄 기판(Al-NMF)의 냉각속도를 나타낸 그래프이다. 100 ℃에서 30 ℃까지 구리의 냉각속도 측정 결과, 실시예 1은 코팅하지 않은 알루미늄 기판과 10분 경과 후 최대 8.4 ℃차이를 보였고, 실시예 1(Al-MF)과 비교예 1(Al-NMF)은 5.5 분경과 후 최대 6.4 ℃의 차이를 보였다. 이는 인상흑연 분말에 자장을 걸어줌으로써 알루미늄 기판에 수직의 형태로 입자 배열된 실시예 1이 비교예 1 보다 구리의 냉각속도에 영향을 미치는 열방출에 기여하는 입자가 비교예 1 보다 더 많다는 것을 보여주는 것이다.

(5) 도 9 및 하기 표 1은 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따른 방열판에 대하여 냉각속도를 측정한 결과로서, 실시예 4의 25 중량%가 가장 우수한 열방사율 값을 나타내는 것으로 나타났고, 방사율 값의 증가폭은 실시예 1 → 실시예 2는 0.100, 실시예 2 → 실시예 3는 0.007, 실시예 3 → 실시예 4는 0.006, 실시예 4 → 실시예 5는 -0.029, 실시예 5 → 실시예 6은 -0.109로 측정되었다. 인상흑연 분말과 락카계 수지의 중량비가 25:100 중량비까지 증가함에 따라 방사율 값이 증가하고, 30:100 중량비 이상이면 오히려 방사율 값이 오히려 감소하며, 35:100 중량비인 경우, 10:100 중량비 보다 방사율이 더 떨어짐을 확인할 수 있었다.

또한, 실시예 1(방사율 : 0.799)이 비교예 1(방사율 : 0.773) 보다 방사율이 0.026 높게 측정되었으며, 실시예 4(방사율 : 0.912)는 비교예 1(방사율 : 0.773) 보다 방사율이 0.139 높게 측정되었으며 가장 큰 차이의 값을 보였다.

그리고, 인상흑연이 아닌 카본블랙을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 비교예 2의 경우, 실시예 1 ~ 5의 방열판 보다 매우 낮은 열 방사율을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 카본블랙을 사용해서는 자기장을 가하는 효과를 볼 수 없는 것을 알 수 있었다.

구분	인상흑연 분말	락카계 수지	중량비	열방사율 (Thermal Emissivity)
실시예 1	4 g	40 g	10:100	0.799
실시예 2	6 g		15:100	0.899
실시예 3	8 g		20:100	0.906
실시예 4	10 g		25:100	0.912
실시예 5	12 g		30:100	0.883
실시예 6	14 g		35:100	0.774
비교예 1	4 g		10:100	0.773
비교예 2	카본블랙 4 g		10:100	0.769

이와 같이, 본 발명은 열방사 능력이 우수한 탄소재료로 인상흑연분말을 유기바인더와 혼합하여 알루미늄 기판위에 코팅하였으며, 코팅층에 자장을 걸어주어 입자배열을 달리한 후 인상흑연 코팅층의 입자배열에 따른 금속의 냉각속도 변화를 비교분석한 결과,

(1) 열화상 카메라로 방열판의 코팅된 표면 온도 측정시 본 발명의 방열판(MF2)이 자기장을 걸지 않은 방열판(NMF)보다 14.7 ℃ 높게 측정되었고, 인상흑연 코팅층의 입자배열이 수직으로 배열된 MF가 NMF 보다 열방출 특성이 우수한 것으로 나타났다.

(2) 냉각속도 측정 결과, MF2는 0.8 ℃/분, NMF는 0.69 ℃/분, 그리고 코팅하지 않은 알루미늄 기판은 0.6 ℃/분으로 MF2는 알루미늄 기판보다 33% 빠르고 NMF 보다는 약 16% 정도 빨랐다.

이는 도 10에서 볼 수 있듯이 자기장을 걸어 주어 박편이 수직으로 배열된 경우의 결정구조는 육방정 구조로써 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)은 강한 sp² 결합을 하고 있으며 c-축으로는 약한 반데르 발스 결합을 하고 있어서, a-축으로는 전기전도도, 열전도도 및 강성률 등이 우수하며 c-축 방향으로는 이러한 특성들이 상대적으로 미약한 상당한 이방적 특성을 가지고 있기 때문에 MF2가 NMF보다 냉각속도가 상대적으로 빨랐음을 알 수 있다.

상기 실시예 및 실험예를 통하여 확인한 바와 같이 본 발명에 따른 방열판은 열방출 능력이 우수한 바, 각종 전자제품, 특히 디스플레이, LED 및 태양광 소자 등의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출시켜 부품의 열화를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

1. 인상흑연 분말; 및 락카계 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인상흑연 분말은 평균직경 1 ~ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인상흑연 분말과 상기 락카계 수지를 5 ~ 30 : 100 중량비로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 인상흑연 분말과 상기 희석제를 20 ~ 110 : 100 중량비로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 락카계 수지는 초화면 알키드 수지(Nirtocellulose alkyd resin)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 희석제는 케톤, 에스테르, 알코올 및 방향족 탄화수소를 포함하는 래커 신나인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
7. 방열판에 대하여 수직으로 배열된 인상흑연 분말을 함유한 코팅막을 포함하는 방열판.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 코팅막은
   인상흑연 분말; 및 락카계 수지를 함유한 유기 바인더;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판.
9. 알루미늄 기판; 상기 알루미늄 기판 전, 후면에 코팅된 방열 코팅막;을 포함하고,
   상기 방열 코팅막은 인상흑연 분말 및 유기 바인더로 이루어져 있으며,
   상기 방열 코팅막은 제1항의 방열 코팅 조성물을 상기 알루미늄 기판에 코팅시킨 후, 알루미늄 기판의 상-하 방향으로 자기장을 걸어 상기 인상흑연 분말을 수직으로 배열한 것을 특징으로 하는 방열판.
10. (a) 인상흑연 분말와 유기 바인더를 혼합하여 방열 코팅 조성물을 제조하는 단계;
    (b) 상기 방열 코팅 조성물을 알루미늄 기판 전, 후면에 코팅하는 단계; 및
    (c) 상기 방열 코팅 조성물로 코팅된 알루미늄 기판을 상-하 방향으로 자기장을 걸어 인상흑연 분말을 수직으로 배열시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 코팅하는 단계에 있어서,
    상기 코팅은 디핑(dipping) 코팅법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 인상흑연 분말을 수직으로 배열시키는 단계는 전류자속밀도(Br) 12.8~14.0 G(gauss), 자기장 보자력(Hc) 12~14.9 KOe, BH(max) 20~40 MGOe, 및 밀도 7 ~ 8의 자장 분위기 하에서, 상-하 방향 자장 인가 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조방법.

Images