[논문]고방열 특성을 갖는 복합체 시트의 제조와 그 특성

김상문; 이석문

doi:10.4313/jkem.2012.25.6.462

고방열 특성을 갖는 복합체 시트의 제조와 그 특성
Preparation and Characteristics of the Excellent Heat-releasing Composite Sheet Containing AlN and Graphite Powder 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.6, 2012년, pp.462 - 466

김상문 (아셈) , 이석문 ((주)수퍼나노텍)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, heat-releasing composite sheets made of AlN, graphite, Al powder and acryl binder as thermoset were prepared using tape casting method. The crystal structure, morphology, thermal conductivity of heat-releasing composite sheet were measured by using X-ray diffractometer, field emission-scanning electron microscopy and laser flash instrument. It was found thermal conductivity of sheet was decided by solid content, composition including AlN, graphite, Al in heat-releasing composite sheets. As a result, 4.56 W/mK of thermal conductivity could be obtained by using LFA 447.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 AlN, graphite, Al 분말을 이용한 복합체 시트를 제작하여 방열시트의 구조분석, 열전도 특성 평가하였다. 그 결과 1∼3 ㎛의 hexagonal형 AlN 분말과 1 ㎛ 정도의 graphite 분말을 조합할경우 AlN 70%, graphite 30%로 구성된 시트에서 무기고형분 90%일 때 가장 우수한 열전도 특성을 확보할 수 있었고, 20 ㎛의 Al을 첨가할 경우 AlN 40%, graphite 30%, Al 30%고 구성된 방열시트에서 고형분 92%일 경우 4.
본 연구에서는 방열특성이 우수한 AlN과 graphite 분말을 이용한 방열 시트를 제작하여 방열시트의 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 제조비용 측면과 열전도도 측면을 고려하여 AlN과 graphite의 조합에 대한 열전도도 특성을 검토한 후 최적의 조합조건에서 Al을 첨가하였을 때의 열전도 특성을 검토하였다.

제안 방법

Graphite 함량을 높여서 복합시트를 제조할 경우 도료에서 첨가되는 무기 필러들의 분산성이 나빠지기 때문에 대신에 사용되는 Al을 첨가하여 AlN의 함량과 고형분을 변화시켜 복합시트를 제조하고 그 때의 열전도도를 측정하여 그 결과를 표 2와 그림 5에 나타내었다.
고열전도성 시트의 열전도성을 향상시키기 위하여 열전도도를 우선적으로 고려하였다. 열전도도 λ는 일반적으로 다음의 항목의 곱으로 나타나고 있다.
AlN (aluminium nitride), graphite, Al 분말을 열가 소성 아크릴계 바인더와 톨루엔을 첨가하여 소정의 비로 혼합 후 planetary mixer를 이용하여 분산시켜 도료를 제조하였다. 그리고 tape casting 방법으로 실리콘 이형제가 도포된 PET 필름 위에 두께 1 mm로 도포 후 105℃에서 1시간 건조시켜 PET 필름에서 도포된 층을 떼어낸 후 2장의 도포층을 포개어 70 pascal 150℃에서 30초 압착하여 두께 1 mm의 방열시트를 제작하였다. 제작된 방열시트에 대하여 Rigaku 사의 X선 회절 분석기 SWXD (X-MAX/2000-PC)를 이용하여 결정상 동정을 시도하였으며, JEOL사 전자 현미경 JSM-6701F를 이용하여 방열 시트의 미세 구조 분석을 시도하였고 TA Instrument사의 열분석기 auto-TGA Q500으로 방열시트의 가열감량 특성을 평가하였고, Netzsch사의 열전도 측정기 LFA 447을 이용하여 방열시트의 열전도도를 측정하여 평가하였다.
그리고 tape casting 방법으로 실리콘 이형제가 도포된 PET 필름 위에 두께 1 mm로 도포 후 105℃에서 1시간 건조시켜 PET 필름에서 도포된 층을 떼어낸 후 2장의 도포층을 포개어 70 pascal 150℃에서 30초 압착하여 두께 1 mm의 방열시트를 제작하였다. 제작된 방열시트에 대하여 Rigaku 사의 X선 회절 분석기 SWXD (X-MAX/2000-PC)를 이용하여 결정상 동정을 시도하였으며, JEOL사 전자 현미경 JSM-6701F를 이용하여 방열 시트의 미세 구조 분석을 시도하였고 TA Instrument사의 열분석기 auto-TGA Q500으로 방열시트의 가열감량 특성을 평가하였고, Netzsch사의 열전도 측정기 LFA 447을 이용하여 방열시트의 열전도도를 측정하여 평가하였다.

대상 데이터

AlN (aluminium nitride), graphite, Al 분말을 열가 소성 아크릴계 바인더와 톨루엔을 첨가하여 소정의 비로 혼합 후 planetary mixer를 이용하여 분산시켜 도료를 제조하였다. 그리고 tape casting 방법으로 실리콘 이형제가 도포된 PET 필름 위에 두께 1 mm로 도포 후 105℃에서 1시간 건조시켜 PET 필름에서 도포된 층을 떼어낸 후 2장의 도포층을 포개어 70 pascal 150℃에서 30초 압착하여 두께 1 mm의 방열시트를 제작하였다.

성능/효과

그 결과 1∼3 ㎛의 hexagonal형 AlN 분말과 1 ㎛ 정도의 graphite 분말을 조합할경우 AlN 70%, graphite 30%로 구성된 시트에서 무기고형분 90%일 때 가장 우수한 열전도 특성을 확보할 수 있었고, 20 ㎛의 Al을 첨가할 경우 AlN 40%, graphite 30%, Al 30%고 구성된 방열시트에서 고형분 92%일 경우 4.6 W/mK로 가장 우수한 열전도성을 확보할 수 있었다.
표 1에서와 같이 bulk 상의 물질에서는 높은 열전도율이 나타나지만 binder, 용제와 함께 복합시트로 제조되어질 경우 tape casting 후 건조 공정에서 용제의 증발로 인한 내부 기공의 형성과 또 열전도성 입자들이 비전도성 물질인 바인더로 피복되어진 관계로 그림 4에서와 같이 2∼4 W/mK의 낮은 열전도율로 나타난다고 생각된다. 또 그림 4에서 보듯이 모든 시료는 2 W/mK 이상으로 나오고 있으며 고형분 90%로 제조하였을 경우 더 우수한 열전도 특성을 나타내고 있으며 AlN 70%와 graphite 30% 조합비로 첨가하였을 때 열전도도가 3.55 W/mK 로 가장 잘 나오고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액정표시장치는 어디에 응용되는가?	또한 열의 방출이 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있다. 소형 TV에서 부터 대형 벽걸이형 TV차량용 네비게이션 노트북 모니터 그리고 디지털카메라나 캠코더 등 다양한 제품에 접목되고 있는 액정표시장치 (LCD)에 있어서도 발열은 비용 색도열화 등의 과제와 함께 해결해야할 문제이다 특히 액정 표시 장치의 중요 부품인 백라이트는 절전형 제품이라도 30인치의 LCD TV의 경우 100 W에가까운 전력을 소비하는데 여기서 발열이 문제가 된다 [1]. 방열 문제의 해결 수단으로써 소형 전기 부품의 표면에 방열 유닛 또는 방열 시트를 설치 또는 부착하는 하는 방법들이 폭넓게 이용되고 있지만 종래의 방열 장치와 전기 부품과의 접촉 표면에는 요철이 있어, 긴밀히 접촉을 이루기 어렵고, 전기 부품의 방열 효율을 효과적으로 향상시키기에는 한계가 있다.
	소형 전기 부품의 표면에 방열 유닛 또는 방열 시트를 부착하는 방법의 문제점을 해결하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?	따라서 방열 장치와 전기 부품과의 접촉 표면의 사이에 고열 전도 재료를 이용한 시트를 설치함으로써, 이 양쪽의 접촉면적을 증가시켜 방열효과를 향상시키려는 여러 가지 연구들이 진행되고 있다 [2]. 방열시트에 사용되는 고방열 재료의 소재 성분을 살펴보면 고열전도성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합소재가 대부분이다.
	전자제품의 고집적화와 전력의 대용량화에 의한 발열량의 상성 및 불필요한 전자파 발생은 어떤 문제점을 발생시키는가?	전자기기 및 반도체 소자의 소형화, 고성능화 및 고기능화에 따라 CPU와 직접회로 (IC)를 비롯한 전자제품의 고집적화와 전력의 대용량화로 개발이 진행 되고 있는데, 이에 동반한 발열량의 상승 및 불필요한 전자파 발생은 소자의 기능을 저하시킬 뿐 아니라 주변 소자의 오작동 및 기판의 열화 등의 원인이 될 수 있다. 또한 열의 방출이 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있다.

참고문헌 (3)

H. C. Mun, Weekly Technical Trend, 1405, 1 (2009).
M. J. Shin, Phys. & High Tech., 11, 11 (2008).
J. S. Lee and D. Y. Jeon, Poly. Sci. and Tech., 18, 542 (2007).

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