제3장 플라스틱, 고무를 이용한 제품의 최신 동향 (7) - 방열, 열전도 재료에 관련하는 개발

[YDfamily]

④ Daikin 공업의 열전도성 PFA

Daikin 공업은 불소수지와 PPS 수지에 대해서 열전도성을 높인 그레이드를 개발하고 있다. 열전도성 저 유전율 PFA 수지(개발품)은, 불소 소재의 저유전성을 유지하면서, PFA 수지의 우수한 특성(용융 가능한 수지의 중에서도 top class의 열적, 화학적 안정성)과 높은 열전도율을 겸비하고 있고, PCB 기판 또는 필름과 같은 electronics 용도를 상정하여 시장 개발을 진행하고 있다. 이 특성으로서, 전기 절연성이 수지 중에서도 최고 class이고, 유전 특성은 저 유전율, 저 유전 정접이고, 260℃의 내열성을 나타내고, 거의 모든 약품에 대하여 우수한 내약품성을 갖고, UL94 V-0, 염계 산소 지수>95%의 난연성을 갖고 있다는 것을 PR하고 있다. PFA 수지의 개발품과 일반 그레이드의 열물성 및 일반 물성의 비교를 도44에 나타낸다.

측정방법		단위	개발품	일반 그레이드
열전도율	두께 방향	W/m·K	0.9	0.2
	면 방향		2.8	-
열저항치	두께 방향	㎡·K/W	3.3*10-3	10*10-3

물성항목	조건	단위	개발품	일반 그레이드
유전율	6GHz	-	2.6	2.1
유전 정접	6GHz	*10-4	0	3
체적 저항율	JIS K 6911	Ω㎝	≥1016	≥1016
절연 파괴강도	IEC60243-1/1mmt	kV/m	44	44
내 tracking성	IEC60112/3mmt	V	600	600
인장 파단강도	ASTM D 638	MPa	27	20
인장 파단신도		%	3	>100
굴곡 탄성율	ASTM D790	GPa	2.1	0.6
Izod 충격 강도	ASTM D256(notched)	J/m	32	NB

도44 Daikin 공업의 PFA 수지의 열특성과 일반 물성

또한 PPS compound는 열적 특성과 기계적 특성의 밸런스가 좋고, 금속 대체로 적용하고 있는 점에 착안하여, 열전도성 PPS를 개발하였다. 이 개발품은 우수한 열전도와 두께 1mm 미만의 박육 성형성을 겸비했다는 것을 특징으로 하는 재료이고, 처방에 의해 새롭게 customize도 대응 가능하다. 열전도성 PPS 수지의 열 물성 및 일반 물성의 비교를 도45에 나타내었다.

측정 방향		단위	열전도성 PPS (저 휨 타입) (개발품)	열전도성 PPS (고강도 타입) (개발품)	일반 PPS
열 전도율	면 방향	W/m·K	12	13	0.3
	두께 방향	W/m·K	2.5	2.5	0.3

항목	조건	단위	열전도성 PPS (저 휨 타입) (개발품)	열전도성 PPS (고강도 타입) (개발품)
밀도	ISO 1183	g/cm3	1.7	1.7
인장강도	ISO 527-2	MPa	50	70
인장신도		%	1.1	1.1
굴곡 강도	ISO 178	MPa	80	100
굴곡 탄성율		MPa	16.000	20.000
Charpy 충격강도	ISO 179-1, 2(unnotched)	kJ/m2	5	5
하중 휨 온도 (1.8MPa)	ISO 75-2	℃	240	240

도45 Daikin 공업의 열전도성 PPS 수지의 열특성과 일반물성

⑤ Sanyu Rec의 에폭시 수지

고열전도성 에폭시 수지를 개발하여, 액상 열경화 수지업계에서의 절연 재료로서는 최고의 열전도성(12 W/m·K)을 실현하였다고 한다. 독자의 배합 기술로 저 점도화(40Pa·s)를 실현하고, 상온 경화가 가능하여 경화로도 불필요하기 때문에 고정 내의 전기 에너지의 사용량이 삭감 가능하고, 배합비 2:1로 취급이 용이하여, 권총 타입의 믹서로 교반 가능 등 작업성에도 우수하다. 고열전도율과 절연성(체적 저항율 7.0E10)을 양립하고 있고, power module의 방열, EV motor, drone motor의 방열, 발열 부품의 방열, 열 진공의 접착 등을 용도로 하여 상정하여 있다.

⑥ Sankyo Kasei(三協 化成)의 compound

Polyamide나 PPS 수지에 특정의 탄소 섬유를 분산시켜, 방열성, 또한 고강성의 수지 compound 소재를 개발. 우수한 접동 특성을 갖고 있다고 하고 있다(도46). 주요 용도로서 열 진공, motor housing, 전자기기 housing을 상정하고 있다.

항목		단위	측정법	PA계 초고방열	PA계 고방열	PA계 고강도 방열	>PAMXD6 -CF30< 시판품
열전도율		W/m·K	열선법	(26)	(14)	6	1.2
인장특성	파단신도	%	ISO 527	0.8	1.3	2.3	3
	파단강도	MPa		119	165	205	270
굴곡특성	강도	MPa	ISO 178	180	231	287	360
	탄성율	MPa		39.400	31.900	24.000	23.400
Charpy 충격특성	Notch O	kJ/m2	ISO 179	3	4	5	5
	Notch X	kJ/m2		10	19	38	33
하중 휨 온도	0.45MPa	℃	JSO 75	234	233	233	236
	1.8MPa	℃		216	214	217	224
MVR(300℃/21N)		cm3/ 10Min	JIS K7210	7	9	9	16
비중		-	ISO 1183	1.55	1.44	1.35	1.33

* 상기 물성치는 측정치이고 대표치는 아니다.

* 열전도율에 대해서 괄호는 장치의 측정 한계 이상이므로, 참고 값이다.

도46 Sankyo Kasei의 열전도성 PA 수지의 열특성과 일반 물성

⑦ Sekisui 화학의 이방성 filler compound sheet

Sekisui 화학은 성형 가공의 기술을 활용하여, 이방성(異方性) filler의 배향을 제어하는 것으로 10W의 고열전도율과 유연성을 양립한 방열 시트 SifreeX-HL을 개발하였다. SifreeX-HL은 고열전도율과 유연성의 양립에 더해, 독자의 배합 설계 기술로 절연성, siloxane free, 저 outgas, 저 유전율의 특징도 겸비하고 있고, 전자 부품의 불량 리스크가 낮은 고신뢰성을 가진 방열 시트이라고 한다. 이 설계 원리로서 이하와 같은 설명을 하고 있다. 수지와 열전도 filler의 열전도율에는 약 100배 이상의 차가 있기 때문에 방열재 내의 열은 주로 열전도 filler의 접촉점을 경로로 하여 방열된다. 따라서 열전도 filler의 충전량이 높은 방열재는 접촉점, 방열 경로가 늘어나기 때문에 고열전도성으로 되는데, 한편으로 단단한 열전도 filler의 충전량이 늘어나는 것으로 유연성은 저하되기 때문에, 일반적으로 열전도율과 유연성은 trade off의 관계로 된다. 열전도율이 높아도 유연성이 낮고 딱딱한 방열재의 경우, CPU나 열 진공과의 밀착성이 나쁘고, 계면에의 열저항이 높기 때문에 이 방열성이 충분이 발휘되지 않는 가능성이 있다. 또한 압축 시의 응력이 높아지는 것으로 전자 부품이나 기판에 불량을 일으키는 원인이 되기 때문에 고열전도율과 유연성이 양립하는 제품 설계가 중요하다. 이 trade off를 타파하기 위해서 한가지 수법이, 이방성 filler의 배향을 제어하여 적은 filler량으로도 효율적으로 방열 경로를 형성하고, 성형 기술을 구사하여 이것을 실현하였다고 한다. 방열재로서 사용하는 때에 특성으로서, ①고열전도율: 7W/mK, 10W/mK. ②우수한 유연성: 750~1,400kPa, ③우수한 절연성: 4.7~5.6KV/mm을 나타내고 있고, 높은 신뢰성이 요구되는 ADAS 카메라나 HDD의 고성능화와 신뢰성 향상에 공헌 가능하다고 시장에 소구하고 있다(도47).

용도 예① ADAS 카메라의 이미지 센서, CPU 방열               용도 예② HDD의 CPU 방열 도47 Sekisui 화학의 방열 시트