WO2012148020A1 - 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법 - Google Patents

나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법 Download PDF

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forming
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김현수
황영찬
손재구
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주식회사 이넥트론
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Definitions

  • the present invention relates to a high-efficiency LED metal heat dissipation substrate and a method of manufacturing the same, and more particularly, to improve heat dissipation capability of the insulating layer in the existing metal heat dissipation substrate by impregnating the nano-diamond in the insulating layer to improve heat dissipation performance and insulation performance It relates to a method for forming an insulating layer.
  • LED devices were mainly used for indicator purposes (display purposes), and since high heat dissipation was not required, resin-based (FR-4) substrates have been used as substrates on which LEDs are mounted. Since 2000, the LED's high brightness, high efficiency, and especially the blue LED device has been significantly improved, and the attempt to examine its applicability in LCD, home appliances, and electronic fields has been accelerated. The area of reviewing the range of applications has also expanded due to the rapid penetration of digital home appliances and flat panel displays (FPD) and the cost savings of LED alone. In addition, as the company sponsors this trend, the European Union's RoHS ban on harmful substances has made it clear that the trend of technology trend from CCFL (cold cathode tube) to LED is becoming clear. The demand for is also growing.
  • CCFL cold cathode tube
  • the substrate on which the LED is mounted may be divided into a resin substrate, a ceramic substrate, and a metal substrate.
  • an epoxy resin (FR-4) -based substrate it is not suitable as a high heat dissipation substrate, and a ceramic substrate or a metal substrate is attracting attention as a high heat dissipation substrate.
  • a ceramic substrate eg, SiC, thermal conductivity is 170W / m ⁇ K
  • an aluminum (alloy) metal substrate e.g., a thermal conductivity of pure Al of 230 W / m ⁇ K
  • a power LED substrate is generally used as a power LED substrate.
  • the 1 is a metal PCB structure most used in the conventional power LED field.
  • Aluminum (alloy), which is a metal material, is used as the heat dissipation layer, and synthetic resin material is used as the insulating layer thereon.
  • An electrically conductive layer is formed on the insulating layer.
  • As the electrically conductive layer a Cu foil having good electrical conductivity is generally used.
  • the problem of the above structure is in the insulating layer, because the heat dissipation layer and the electrically conductive layer is a metal, the heat dissipation performance is good, but there is a limit to the heat dissipation performance because the insulating layer located in the middle is made of synthetic resin material. Therefore, the current thermal conductivity of commercially available synthetic resin materials (1.8W / mK, Japan Panasonic Electric Device) is much lower than the metal, so the ability of the metal heat dissipation layer is not fully utilized.
  • FIG. 2 is a structure of another conventional metal PCB developed for improving the performance of FIG. 2.
  • an aluminum oxide surface is anodized and used as an insulating layer without using a synthetic resin as an insulating layer.
  • the insulating layer secured by anodizing treatment has a heat dissipation performance superior to that of the synthetic resin material with a thermal conductivity of about 70 W / m ⁇ K.
  • the metal layer used as the electrically conductive layer is formed in a paste type, the resistance value is much higher than that of a single metal (Cu foil), thus making it difficult to implement a fine pattern.
  • Japan which is known as the originator of LEDs
  • the demand for high-efficiency LED products is increasing by more than 20% every year.
  • the LED was developed in the LCD TV field, and in 2010, LED lighting began to develop in earnest, and lighting companies are actively producing LED lighting.
  • Japan is also a major technical issue in LED development, which is a heat dissipation measure for products equipped with high power LEDs.
  • the deterioration of the lifespan and luminance of the LEDs due to heat generation are important tasks. Therefore, the demand for high heat dissipation substrates is increasing.
  • the LED package In Japan, the LED package is classified as the power consumption of the LED. In low power LEDs that do not require heat dissipation measures, a resin substrate such as a FR-4 substrate and a plastic lead chip carrier (PLC) package having a conventional structure Is used. In addition, a heat sink package and a metal base substrate are used in a power LED of 1 W or more, and an alumina substrate and an aluminum nitride substrate are used in a high power LED of 3 W or more.
  • PLC plastic lead chip carrier
  • the present invention seeks to overcome the fundamental limitation of the heat dissipation effect that can be obtained by changing the existing heat dissipation substrate structure.
  • nano diamond is applied to improve heat transfer properties of the heat radiation board itself.
  • the present invention provides an insulating layer on one surface of an aluminum substrate through an anodizing treatment to solve the existing resin-based insulating layer to inhibit the heat dissipation characteristics of the existing resin-based material in the nano-sized pores formed in the anodizing film
  • the objective is to secure an insulating layer that significantly improves heat dissipation performance and insulation performance by impregnating nano-sized diamond (thermal conductivity 900 ⁇ 2,000W / m ⁇ k) with the best thermal conductivity.
  • the present invention introduces an anodizing method on at least one surface of at least one metal heat sink plate selected from aluminum, aluminum alloy, magnesium, and magnesium alloy to form an anodizing film as an insulating layer.
  • a metal heat sink plate selected from aluminum, aluminum alloy, magnesium, and magnesium alloy to form an anodizing film as an insulating layer.
  • the conditioning in the step (S3) may use a surfactant having a HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) value of 10 or more, because it is advantageous to secure the hydrophilicity in the pores.
  • the pores in the step (S2) is preferably to be expanded to at least 30nm or more, because the pores should be at least 30nm or more can be sufficiently impregnated with 4 ⁇ 20nm size nanodiamonds in the post-process.
  • the metal heat sink used in the present invention uses aluminum, an aluminum alloy (hereinafter aluminum), or a magnesium or magnesium alloy (hereinafter magnesium) plate material.
  • Aluminum and magnesium vary depending on the type of alloy, and the present invention is not bound to the type.
  • the thickness of the board is 0.4 ⁇ 10mm, so the thickness can be selected according to the specifications of the heat sink board that the user wants. There is no boundary for the thickness.
  • a wet surface treatment method has been introduced to effectively impregnate diamond with nanopores without using expensive equipment.
  • the treatment time can be adjusted according to the thickness of the anodizing film.
  • Important during the impregnation process is continuous mechanical agitation so that the nanodiamonds can be dispersed in the process solution.

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Abstract

기존 금속 방열기판에서 절연층의 방열능력을 개선하기 위해 나노 다이아몬드를 절연층에 함침시켜 방열성능 및 절연성능이 개선된 절연층의 형성방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 금속 방열판으로 준비된 알루미늄이나 알루미늄합금 또는 마그네슘이나 마그네슘합금 판재의 적어도 일면에, 양극산화 방법을 도입하여 절연층으로서 아노다이징 피막을 형성시킨 후 산이나 알칼리를 이용하여서 아노다이징 피막의 기공을 확장시키는고 확장된 기공 내부에 친수성을 확보하기 위해서 컨디셔닝을 한다. 그리고 확장된 기공으로 나노 다이아몬드를 함침시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법을 제공한다.

Description

나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법
본 발명은 고효율 LED용 금속 방열기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존 금속 방열기판에서 절연층의 방열능력을 개선하기 위해 나노 다이아몬드를 절연층에 함침시켜 방열성능 및 절연성능이 개선된 절연층의 형성방법에 관한 것이다.
LED 소자는 얼마 전까지만 해도 주로 인디케이터 용도(표시용도)로 사용되었고, 고방열을 필요로 하지 않았기 때문에 LED를 탑재하는 기판으로는 수지계(FR-4)기판이 사용되어 왔다. 2000년 이후로는 LED의 고휘도화, 고효율화, 특히 청색 LED소자가 현저히 개량되면서 LCD분야, 가전제품 및 전장(電裝)분야에서의 적용 가능 여부를 검토하는 시도가 가속화되었다. 디지털 가전제품 및 평판 디스플레이(FPD)의 가파른 보급률과 LED단독의 비용절감에 힘입어 적용범위를 검토하는 분야도 넓어졌다. 또한 이러한 흐름을 후원이라도 하듯이 LCD분야에서는 유렵연합(EU)의 유해물질 규제지첨(RoHS)으로 인해 CCFL(냉음극관)에서 LED화로 향하는 기술 추이의 큰 흐름이 명확해지고 있으며 게다가 파워 LED계 소자 탑재에 대한 요구도 커지고 있다.
이처럼 각종 장치에 고출력, 고휘도 LED가 전개됨에 따라 LED를 실장한 제품에 대한 방열대책이 크게 부각되고 있다. 가격대 성능비가 뛰어난 고방열성 기판이 파워 LED용 기판으로서 주목을 받고 있으며 선진국을 중심으로 많은 검토가 이루어지고 있다.
일반적으로 LED가 실장 되는 기판은 수지 기판과 세라믹 기판 및 금속 기판 등으로 나눌 수 있다. 에폭시수지(FR-4)계 기판의 경우 고방열성 기판으로서는 적합하지 않으며, 세라믹 기판 또는 금속 기판(metal PCB)이 고방열성 기판으로 주목을 받고 있다. 세라믹 기판(예, SiC의 경우 열전도도 170W/m·K)의 경우 방열효과 면에서는 대단히 유리하다고 할 수 있지만 제작이 어렵고 생산성이 낮고 단가가 높은 단점이 있다. 따라서 세라믹 기판보다는 저가이면서 리사이클성과 열전도가 양호한 알루미늄(합금) 금속 기판(예, 순Al의 열전도도 230W/m·K)이 파워 LED용 기판으로 일반적으로 사용되고 있다.
도 1은 종래 파워 LED 분야에서 가장 많이 사용되는 금속 PCB 구조이다. 방열층으로는 금속 소재인 알루미늄(합금)이 사용되며 그 위에 절연층으로 합성수지재료가 사용된다. 절연층 위에는 전기전도층이 형성되는데, 전기전도층으로는 일반적으로 전기전도성이 좋은 Cu 포일(Copper foil)이 사용된다. 상기 구조의 문제점은 절연층에 있는데, 방열층과 전기전도층이 금속이라서 방열 성능이 좋지만 그 중간에 위치한 절연층이 합성수지재료가 사용되기 때문에 방열 성능에 그 한계가 있다. 따라서 현재 상품화된 합성수지재료의 열전도도(1.8W/m·K, 일본 파나소닉일렉트랙디바이스製)는 금속보다 매우 낮기 때문에 금속 방열층의 능력을 십분 발휘하지 못하는 실정이다.
도 2는 도 2의 성능 개선을 위해 개발된 종래의 또다른 금속 PCB의 구조이다. 도 2에서는 도 1과는 달리 절연층으로 합성수지재료를 사용하지 않고 알루미늄(Aluminium) 표면을 양극산화(아노다이징) 처리하여 절연층으로 사용하고 있다. 양극산화 처리를 이용해 확보된 절연층은 열전도도가 약 70W/m·K 정도로 합성수지재료보다 방열성능이 매우 우수한 편이다. 그러나 전기전도층으로 사용되는 금속층이 페이스트 형(Paste type)으로 형성되기 때문에 단일 금속(Cu foil)보다 저항 값이 매우 높아 미세 패턴 구현이 매우 어려운 문제가 있다.
LED 패키지에서 방열성능은 가장 중요한 문제이기 때문에 현재 파워 LED계 패키지에서는 일반적으로 세라믹이 사용된다. 그러나 질화알루미늄계(AlN) 패키지에는 고가의 원재료가 사용되어 제품 가격 상승으로 이어지고 따라서 조명 및 가전 분야에서는 세라믹 기판으로 가격 경쟁력을 구축하기는 어려운 것이 현실이다.
LED의 원조로 알려져 있는 일본의 경우도 고효율 LED제품군에 대한 수요가 매년 20%이상 신장되고 있다. 2009년에는 LCD TV분야에서 LED화가 진행되었고, 2010년에는 LED 조명도 본격적으로 전개되기 시작해 조명 회사에서는 LED조명을 활발하게 제품화하고 있다. LED화에 있어서 일본 역시 커다란 기술적 과제로서 고파워(High power) LED를 실장한 제품의 방열 대책이다. 특히 발열로 인한 LED의 수명 저하 및 휘도 저하는 중요한 과제로 이를 위해 고(高) 방열성 기판에 대한 요구가 높아지고 있다.
일본에서 LED 패키지를 LED의 소비전력으로 분류했을 경우, 방열대책을 필요로 하지 않는 저파워(Low power) LED에서는 FR-4기판과 같은 수지기판 및 통상적인 구조의 PLCC(Plastic Lead Chip Carrier) 패키지가 사용된다. 그리고 1W 이상의 파워(Power) LED에서는 히트싱크 탑재 패키지 및 메탈 베이스 기판이 사용되고 또한 3W 이상의 고파워 LED에는 알루미나 기판 및 질화알루미늄 기판 등이 사용된다.
이처럼 고파워 LED 시장이 지속적으로 성장함에 따라 고(高) 방열성 기판에 대한 수요가 증가하기 때문에 지속적인 제품개발이 필요한 시점이다.
본 발명은 따라서 종래기술의 문제점을 해결하고 수요의 증가에 대처하기 위해 금속 PCB에서 금속 방열층과 금속 전기전도층 사이에 위치하여 방열성능을 저해하는 합성수지계 절연층을 대체하는 기술을 제공하고자 함에 그 목적이 있는 것으로 기존 금속 PCB에서 절연층으로 사용하고 있는 양극산화막의 방열성능 및 절연성능을 개선하는 기술을 제공하고자, 나노 다이아몬드를 함침한 고방열성 메탈기판의 절연층 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 기존의 방열기판 구조를 변경하여 얻을 수 있는 방열효과의 근본적인 한계를 극복하고자 한다. 기존 방열기판을 구성하는 소재의 열전달 능력의 한계를 극복하고자 방열기판 자체의 열전달 물성을 개선하기 위해 나노 다이아몬드를 적용한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존 수지계열의 절연층이 방열특성을 저해하는 것을 해결하기 위해 알루미늄 기판의 일면에 아노다이징 처리를 통해 절연층을 형성한 후 아노다이징 피막에 형성된 나노 사이즈의 기공(pore)에 현존하는 재료 중에 가장 우수한 열전도 특성을 가진 나노 사이즈의 다이아몬드(열전도도 900~2,000W/m·k)를 함침시켜 방열성능 및 절연성능을 획기적으로 개선한 절연층을 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 알루미늄, 알루미늄합금, 마그네슘, 마그네슘합금 중에서 선택되는 1종이상의 금속방열판 판재의 적어도 일면에, 양극산화 방법을 도입하여 절연층으로서 아노다이징 피막을 형성시키는 단계(S1);
상기 단계(S1) 후에 산이나 알칼리를 이용하여 아노다이징 피막의 기공을 확장시키는 단계(S2);
확장된 기공 내부에 친수성을 확보하기 위해서 컨디셔닝을 하는 단계(S3); 그리고,
상기 단계(S3) 후 확장된 기공으로 나노 다이아몬드를 함침시키는 단계(S4)를포함하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성 방법을 제공한다.
상기에서, 상기단계(S3)에서의 컨디션닝은 HLB(Hydrophile-Lipophile Balance) 값이 10이상의 계면활성제를 사용할 수 있는데, 이는 기공 내 친수성 확보에 유리하기 때문이다. 또한 상기 단계(S2)에서의 기공은 적어도 30nm 이상으로 확장되게 함이 바람직한데, 기공이 최소 30nm 이상 되어야 후공정에서 4~20nm 사이즈의 나노 다이아몬드의 함침이 충분히 될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 단계(S4)에서의 나노 다이아몬드의 입자는 4~20㎚ 크기로 되게 함이 바람직한데, 상용화된 최소 사이즈가 4nm이며, 20nm 이상이 되면 함침율이 떨어지고, 함침되지 않은 것은 표면에 쌓여 함침효과가 없기 때문에 상기 범위로 한다. 상기 단계(S4)에서의 함침은 10wt% 이하의 나노 다이아몬드 분산수용액에서 기공이 닫히지 않는 온도인 80℃이하의 온도에서 피막두께를 고려해 1분~10시간을 교반하면서 1회 이상 함침시킴이 바람직하다.
상기에서 다이아몬드의 함량이 10wt% 이상이 되면 다이아몬드의 밀도가 높아져 함침율이 저하되는데 즉, 수용액 중 물이 다이아몬드를 기공 안쪽까지 이동시킬 수 있는 역할을 수행하기 때문에 다이아몬드의 밀도가 높아지면 그만큼 물의 이동경로에 제약이 있어 기공 내부까지 다이아몬드를 전달하기 어렵게 된다.
또한, 상기 함침은 간헐적으로 40~100khz의 초음파를 작동시키면서 수 분 이내로 행할 수도 있다. 여기서 40khz 이하에서는 초음파효과를 기대할 수 없고 100khz 이상에서는 아노다이징 피막에 스트레스를 주고 함침율이 저하될 수 있으므로 위와 같이 한다.
또한, 상기 함침은 대기압 이하의 진공상태 하에서 할 수도 있다.
본 발명에 따르면 금속 방열층의 화학적 구조 변형을 통해 형성된 아노다이징 피막은 절연체의 기능을 수행할 수 있으며, 이 아노다이징 피막에 형성된 나노 기공(Nano pore)에 나노 다이아몬드를 함침시켜 절연성과 방열성을 동시에 개선할 수 있는 복합 절연층을 확보할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의하면 기존 수지계열 절연층의 방열성능을 대폭 향상시킬 수 있는 기술을 제공함으로써 고출력 LED의 수명과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다. 또한 기존 아노다이징 피막의 물성도 개선시켜 향상된 기능의 절연층을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 금속 PCB 구조
도 2는 종래의 또다른 금속 PCB 구조
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판구조
도 4는 비교예 1에 따른 기판구조
도 5는 비교예 2에 따른 기판구조
도 6은 아노다이징 피막 표면의 나노기공(기공확장 전)
도 7은 기공 확장 후의 피막 표면 나노기공
도 8은 아노다이징 피막 단면(나노 다이아몬드 함침 전)
도 9는 함침 공정 후 아노다이징 피막 단면(나노 다이아몬드 함침 확인)
이하에서는 첨부한 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에서 말하는 금속 방열판은 알루미늄이나 알루미늄합금(이하 알루미늄) 또는 마그네슘이나 마그네슘합금(이하 마그네슘) 판재를 사용한다. 알루미늄이나 마그네슘은 합금 형태에 따라 그 종류가 다양하며 본 발명에서는 그 종류에 경계를 두지 않는다. 판재의 두께는 0.4~10mm 정도로 사용자가 원하는 방열기판 사양에 따라 그 두께를 선택할 수 있으며 두께에 대한 경계는 두지 않는다.
본 발명은 기존 금속 방열기판 제조 공정 중 절연층 형성공정과 관련된 것으로 그 기술적 특징이 있다. 절연층 형성 전/후 진행되는 공정들은 기존 제조공정들로 진행할 수 있으며 본 발명에서는 그 방법들에 제한을 두지 않는다. 본 발명에서는 아노다이징 피막 형성 후 그 피막의 나노 포어에 나노 다이아몬드를 함침하는 공정에 그 기술적 특징이 있다.
금속 방열판으로 알루미늄 또는 마그네슘 판재를 준비하고 양극산화를 통해 적어도 일면에 아노다이징 피막을 형성시킨다. 양극산화 방법은 통상의 공지기술로 진행하며 본 발명에서는 그 방법에 제한을 두지 않는다. 양극산화 공정을 마치면 아노다이징 피막이 형성되어 절연층이 형성된다. 이 피막 자체로도 절연층의 구실을 할 수 있지만 본 발명에서는 나노 다이아몬드를 아노다이징 피막에 함침하여 기존 절연층의 기능을 개선하고, 기존 수지계열의 절연층을 대체하는데 그 목적이 있는 것이다. 본 발명의 기술적 특징인 Nano 다이아몬드를 함침하는 공정을 자세히 설명하면 다음과 같다.
[기공확장(pore expansion) 공정]
양극산화를 진행한 후 절연층인 아노다이징 피막의 표면을 살펴보면 직경 20nm 정도의 기공(Pore)이 무수히 많이 분포되어 있다. 이 기공의 깊이는 아노다이징 피막 두께와 비례한다. 본 발명은 상기 기공의 크기를 확장시켜 직경 20nm 이하의 나노 다이아몬드 분말을 포어 내부에 함침시켜 방열능력 및 절연능력을 획기적으로 개선하고자 하는 것이다. 기공 확장을 위해서는 인산, 불산, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등에서 선택하는 산 또는 알카리를 이용하여서 아노다이징 피막의 포어를 확장시킨다. 포어의 크기는 20nm이하의 나노 다이아몬드가 함침될 수 있도록 최소 30nm이상 확장시킨다.
[컨디셔닝(Conditioning) 공정]
확장된 기공 내부에 나노 다이아몬드를 함침하기 위해 기공 내부의 친수성을 확보하기 위한 공정이다. 컨디셔닝 공정에는 HLB(Hydrophile-Lipophile Balance) 값이 10이상의 계면활성제를 사용한다.
[함침(Impregnation) 공정]
30nm이상 확장된 기공에 20nm이하 사이즈의 나노 다이아몬드를 함침시키는 공정이다. 방열기판 제조시 다이아몬드를 금속기판에 함침시키는 국내특허(출원번호 10-2009-0065448)를 살펴보면 금속기판위에 다이아몬드 분말을 분산시킨 후 롤이나 프레스로 가압하여 금속기판 내로 다이아몬드 분말을 압입시킨 후 기상화학합성법으로 코팅된 다이아몬드 코팅막이 금속기판 표면에 노출된 다이아몬드 분말의 입자에 증착되어 성장하게 함으로써 방열 및 절연을 위한 코팅막이 형성된다고 설명하고 있다. 상기 기술로 제작된 제품은 시중에서 아직 소개되지 않아 그 성능이 어느 정도인지 파악하지는 못했다. 하지만 상기 기술로 방열기판을 만들기 위해서는 고가의 생산 설비가 필요하기 때문에 제품 단가 상승으로 이어질 수 있다.
따라서 본 발명에서는 고가의 장비를 사용하지 않고 효과적으로 다이아몬드를 나노 기공에 함침시키기 위해 습식 표면처리 방법을 도입했다. 10wt% 이하의 나노 다이아몬드 분산수용액에서 80℃이하 1분 ~10시간을 교반하면서 1회 이상 함침시키는 방법을 사용한다. 처리시간의 경우 아노다이징 피막의 두께에 따라 조절할 수 있다. 함침 공정 중 중요한 것은 나노 다이아몬드가 공정용액 중에 분산될 수 있도록 지속적인 기계적 교반이 필요하다. 이 공정 중 초음파 장치를 이용하면 보다 효과적으로 나노 다이아몬드를 함침할 수 있고, 이 경우 초음파는 40~100KHZ 정도에서 2~8분마다 10~30초 정도 주기적으로 작동시킴이 바람직하다. 지속적으로 초음파를 작동시키면 오히려 함침 효율이 떨어지게 된다. 또한 위 조건과 동시에 대기압 이하의 진공 조건에서 함침공정을 진행하면 함침 효율을 향상시킬 수 있도 있으나 저진공 조건을 사용하지 않아도 다이아몬드 함침에는 문제가 없다.
상기한 바와 같이 함침 공정을 마친 후 건조 후 나머지 공정을 진행하여 금속 방열기판을 완성한다. 이후 공정은 절연층에 전기전도층을 형성하는 공정으로 금속 페이스트 프린팅기술과 무전해 도금 기술을 이용하는 방법과, 무전해 도금과 전해 도금을 이용하는 방법, 진공 설비를 이용한 건식 코팅 기술을 이용하는 방법, 수지계 접착층을 이용해 동박(RCC)을 적층하는 방법 등이 있다. 이러한 전기전도층 형성 방법은 기존에 발명되거나 상용화된 기술로서 본 발명에서는 제한을 두지 않는다.
본 발명에 따라 기존 아노다이징 피막에 나노 다이아몬드를 함침시키면 기존 아노다이징 피막의 방열특성 및 절연특성을 5~20% 정도 향상시키며, 기존 수지계 절연층 보다는 방열특성측면에서 수십배 향상된다.
실시예 및 비교예를 통해 만들어진 제품에 대한 성능 평가를 실시하였다. 방열성능은 열전도도 측정을 통해 그 성능을 확인했으며, 절연성능은 내전압 측정을 통해 그 성능을 확인하였다.
[실시예]
본 실시예에서는 1mm 두께의 알루미늄 판재를 양극산화 공법을 이용해 40㎛ 정도의 아노다이징 피막을 형성시킨 후 함침공정을 진행하였다. 아노다이징 피막에 형성된 나노 기공에 다이아몬드를 함침하기 위해 기공 확장 공정을 진행하였다. 4㎖/ℓ의 불산(40%)이 포함된 수용액을 준비하고 공정온도는 25℃로 유지하였다. 준비된 기판을 공정용액에 20초 정도 침적시켜 포어 확장 공정을 실시한 후, 충분히 수세를 하고 기공 안쪽의 친수성 확보를 위한 컨디셔닝 공정을 진행하였다. 라우릴황산나트륨 4g/Lt으로 구성된 공정용액을 준비하고 25℃정도로 용액 온도를 유지하였다. 이전 공정 후 준비된 기판을 공정용액에 10분 동안 침적시켜 컨디셔닝 공정을 수행하고, 충분히 수세하고 건조하여 함침 공정을 진행하였다. 함침 조건으로는 우선 나노 다이아몬드 1wt%를 물에 분산시켜 공정용액을 준비하여 30℃까지 온도를 올려 유지하고, 이전 공정을 수행한 기판을 공정용액에 60분간 침적시켜 함침 공정을 수행하였다. 함침공정 중 5분마다 15초씩 40khz의 조건으로 초음파를 실시하고, 공정용액은 기계적 교반을 진행하여 나노 다이아몬드의 분산을 지속적으로 유지시켰다. 함침 공정 후 통상적인 방법으로 Ag paste로 패턴 형성 후 무전해 Ni/Au 도금으로 전기전도층을 완성하였다.
[비교예 1]
비교예 1에서는 실시예와 같은 통상적인 양극산화 방법으로 1mm두께의 알루미늄 판재 일면에 40㎛ 정도의 아노다이징 피막만 형성시킨 후 통상적인 방법으로 Ag 페이스트로 패턴 형성 후 무전해 Ni/Au 도금으로 전기전도층을 완성하였다.
[비교예 2]
여기서는 현재 국내 D기업에서 생산하는 금속 방열기판을 사용하였다. 현재 일반적으로 LED분야에서 사용하기 기판의 형태지만 수지계열의 절연층을 사용하기 때문에 본 발명에서 제공하는 절연층보다 방열특성이 매우 좋지 않음을 알 수 있다.
표 1
구분 실시예-1 비교예-1 비교예-2
Thermal Conductivity(W/mK) 152 135 2
Dielectric BreakdownVoltage(AC, KV) above 3.5 above 3.0 above 3.0
위 성능비교 표 1을 보면 다이아몬드를 함침한 본 발명의 실시예가 열전도도 및 내전압 특성에서 비교예 조건보다 확실히 개선됨을 볼 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 금속 방열판으로 준비된 알루미늄이나 알루미늄합금 또는 마그네슘이나 마그네슘합금 판재의 적어도 일면에, 양극산화 방법을 도입하여 절연층으로서 아노다이징 피막을 형성시키는 단계(S1);
    상기 단계(S1) 후에 산이나 알칼리를 이용하여서 아노다이징 피막의 기공을 확장시키는 단계(S2);
    확장된 기공 내부에 친수성을 확보하기 위해서 컨디셔닝을 하는 단계(S3); 그리고,
    상기 단계(S3) 후 확장된 기공으로 나노 다이아몬드를 함침시키는 단계(S4)를 포함함을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S3)에서의 컨디션닝은 HLB(Hydrophile-Lipophile Balance) 값이 10이상의 계면활성제를 사용함을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S2)에서의 기공은 적어도 30nm 이상으로 확장되는 것임을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S4)에서의 나노 다이아몬드의 입자는 4~20㎚ 크기임을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S4)에서의 함침은 10wt% 이하의 나노 다이아몬드 분산수용액에서 80℃이하 1분~10시간을 교반하면서 1회 이상 함침시키는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 함침은 간헐적으로 40~100khz의 초음파를 작동시키면서 수 분 이내 행하는 것임을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함침은 대기압 이하의 진공상태하에서 행하는 것임을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 함침 고 방열성 메탈기판의 절연층 형성방법.
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