[논문]흑연 및 탄소나노튜브 혼합 방열도료의 특성

이지훈; 송만호; 강찬형

doi:10.5695/jkise.2016.49.2.218

흑연 및 탄소나노튜브 혼합 방열도료의 특성
Characteristics of Thermal Radiation Pastes Containing Graphite and Carbon Nanotube 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.2, 2016년, pp.218 - 224

이지훈 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 송만호 ((주)하나나노텍 기술연구소) , 강찬형 (한국산업기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal radiation pastes were prepared by dispersing carbon materials as fillers with a content of 1 weight percent in an acrylic resin. The kind of fillers was as follows; $25{\mu}m$ graphite, $45{\mu}m$ graphite, $15{\mu}m$ carbon nanotube(CNT), a 1:1 mixture of $25{\mu}m$ graphite and $15{\mu}m$ CNT, and a 1:1 mixture of $45{\mu}m$ graphite and $15{\mu}m$ CNT. Thermal emissivity was measured as 0.890 for the samples with graphite only, 0.893 for that with CNT only, and 0.892 for those containing both. After coating prepared pastes on a side of 0.4 mm thick aluminium plate and placing the plate over an opening of a box maintained at $92^{\circ}C$ with the coated side out, the temperatures on the uncoated side of the plates were measured. The samples containing graphite and CNT showed the lowest temperatures. The paste with mixed fillers was coated on the back side of the PCB of an LED module and thermal analysis was carried out using Thermal Transient Tester (T3ster) in a still air box. The thermal resistance of the module with coated PCB was measured as 14.34 K/W whereas that with uncoated PCB was 15.02 K/W. The structure function analysis of T3ster data revealed that the difference between junction and ambient temperatures was $13.8^{\circ}C$ for the coated case and $18.0^{\circ}C$ for the uncoated. From the infrared images of heated LED modules, the hottest-spot temperature of the module with coated PCB was lower than that of the uncoated one for a given period of LED operation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 아크릴계 수지에 충전제로 열방사 능력이 우수한 인조 흑연과 열전도도가 큰 CNT를 첨가하고 용제, 분산제, 희석제 등을 혼합하여 방열 도료(잉크)를 제조하고, 열방사율 및 열적 물성을 평가 분석하였다. 또한 방열도료를 전자부품의 방열판 소재로 널리 이용되는 알루미늄 기판 위에 코팅한 후 열방사율과 온도 변화를 측정하고 실제 LED 모듈의 PCB에 도료를 코팅한 후 열유동시험을 진행하여 방열 특성을 평가하였다.

제안 방법

본 연구에서는 아크릴계 수지에 충전제로 열방사 능력이 우수한 인조 흑연과 열전도도가 큰 CNT를 첨가하고 용제, 분산제, 희석제 등을 혼합하여 방열 도료(잉크)를 제조하고, 열방사율 및 열적 물성을 평가 분석하였다. 또한 방열도료를 전자부품의 방열판 소재로 널리 이용되는 알루미늄 기판 위에 코팅한 후 열방사율과 온도 변화를 측정하고 실제 LED 모듈의 PCB에 도료를 코팅한 후 열유동시험을 진행하여 방열 특성을 평가하였다.

대상 데이터

방열도료는 중량비로 95% 이상의 아크릴 수지에 방열 효과 부여와 열전도도 향상을 위한 충전제(탄소재료), 수지의 용해와 점도 조정을 위한 용제(Isophoron), 분산성 증대와 고른 밀도를 위한 분산제(Antiterra-U)와 기타 조제와 희석제를 소량 혼합한 후 250 rpm으로 12 h 볼밀링을 실시하여 제조하였다. 충전제로 인조 흑연은 평균 입도 25 µm과 45 µm 두 종류의 분말을 사용하였고, CNT는 평균 입도 15 µm 분말(MWCNT, 순도: >95%)을 사용하였다.
방열도료는 중량비로 95% 이상의 아크릴 수지에 방열 효과 부여와 열전도도 향상을 위한 충전제(탄소재료), 수지의 용해와 점도 조정을 위한 용제(Isophoron), 분산성 증대와 고른 밀도를 위한 분산제(Antiterra-U)와 기타 조제와 희석제를 소량 혼합한 후 250 rpm으로 12 h 볼밀링을 실시하여 제조하였다. 충전제로 인조 흑연은 평균 입도 25 µm과 45 µm 두 종류의 분말을 사용하였고, CNT는 평균 입도 15 µm 분말(MWCNT, 순도: >95%)을 사용하였다. 표 1과 같이 다섯 종류의 충전제를 함유한 방열도료를 준비하였다.

데이터처리

다음에 방열도료를 도포하지 않은 PCB와 방열도료 #4를 도포한 PCB에 그림 2와 같이 LED 소자를 장착하고 열유동분석장치인 T3ster에서 전류 0.15 A, 전압 2.91 V를 인가하여 LED에서 발생하는 열의 방열특성을 비교하였다. 그림 4는 방열도료를 도포하지 않은 PCB를 갖는 LED 모듈에 대하여, 열용량(C_th)과 열저항(R_th)의 곱(C_th x R_th)을 R_th으로 미분한 값 K를 y 축으로 R_th를 x 축으로 나타낸 구조함수곡선도이고, 그림 5는 방열도료를 도포한 PCB를 갖는 LED 모듈의 동일한 실험 데이터이다.

성능/효과

아크릴계 수지에 다섯 종류의 충전제, 즉, 입도 25 µm 흑연, 45 µm 흑연, 15 µm 카본나노튜브(CNT), 25 µm 흑연 + 15 µm CNT, 45 µm 흑연 + 15 µm CNT를 중량비로 1% 분산시켜 방열도료를 제조하고 방열 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 다섯 종류의 도료를 알루미늄 기판에 도포 후열방사율을 40℃에서 측정한 결과, 0.89 이상의 높은 수치를 보였다. 흑연의 입도에 따라서 열방사율이 차이를 보이지 않았고, CNT를 충전제로 쓴 경우 열방사율이 0.
892였다. 열원이 내부에 위치하고 있는 박스의 상부에 개구부를 만든 후 도료를 도포한 알루미늄 기판을 올려놓고 기판 하부온도를 측정한 결과, 도료가 도포되지 않은 경우가 도포된 경우보다 기판 하부온도가 높았고, 흑연 충전 도료가 도포되어 있는 시편이 CNT 충전 도료 도포 시편보다 하부온도가 높았다. 흑연과 CNT 혼합도료의 경우 하부온도가 더 낮았다.
89 이상의 높은 수치를 보였다. 흑연의 입도에 따라서 열방사율이 차이를 보이지 않았고, CNT를 충전제로 쓴 경우 열방사율이 0.893, 흑연과 CNT를 혼합한 도료의 열방사율은 0.892였다. 열원이 내부에 위치하고 있는 박스의 상부에 개구부를 만든 후 도료를 도포한 알루미늄 기판을 올려놓고 기판 하부온도를 측정한 결과, 도료가 도포되지 않은 경우가 도포된 경우보다 기판 하부온도가 높았고, 흑연 충전 도료가 도포되어 있는 시편이 CNT 충전 도료 도포 시편보다 하부온도가 높았다.

후속연구

LED 동작 시 앞면의 열화상 이미지를 관찰한 결과, 동일 경과시간에서 도료를 코팅한 모듈의 최고 발열 부위(hot spot)의 온도가 코팅 안 한 모듈보다 작게 나왔는데, 이는 전자가 후자보다 낮은 열저항으로 인한 높은 열전도도 특성을 나타내기 때문이라고 해석된다. 결론적으로, 본 연구에서 개발한 도료의 방열 특성이 우수하여 이를 전자제품에 적용할 경우 제품의 효율과 수명 향상을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방열코팅 재료는 무엇인가?	방열코팅 재료는 대부분 고분자 기지에 충전제(filler)로서 탄소재료[9-14]나 세라믹 분말[15-21]이 분산되어 있는 복합재료이다. 세라믹 충전제는 열전도도 향상을 위해 고함량을 사용해야 한다는 단점이 있으며, 뛰어난 내부식성, 낮은 열팽창계수, 큰 열전도도를 가진 탄소 재료가 유망한 충전제로 관심을 받고 있다.
	전자제품의 방열(放熱) 기술을 극대화하는 방법은?	특히 전력 소모가 많은 전력소자나 LED 모듈에서는 방열 기능의 강화가 한층 더 요구되고 있다[1-4]. 전자제품의 방열을 극대화하는 방법으로 팬이나 방열판 부착 등의 기계적 방법이 사용되고 있으나 제품의 전체 부피를 최소화할 수 있는 방열 코팅 방법도 연구되어 왔다[5-9].
	세라믹 충전제의 장점은?	방열코팅 재료는 대부분 고분자 기지에 충전제(filler)로서 탄소재료[9-14]나 세라믹 분말[15-21]이 분산되어 있는 복합재료이다. 세라믹 충전제는 열전도도 향상을 위해 고함량을 사용해야 한다는 단점이 있으며, 뛰어난 내부식성, 낮은 열팽창계수, 큰 열전도도를 가진 탄소 재료가 유망한 충전제로 관심을 받고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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