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플라스틱이 소재 개발자가 가장 선호하는 재료인 데에는 상대적으로 저렴한 비용, 대량 생산에 대한 적합성 그리고 재료를 통한 탁월한 디자인 자율성 등 많은 이유가 있습니다.
그러나 전자 분야에서 플라스틱은 활용에 많은 제한사항이 있습니다. 전자 부품은 좁은 공간에서 효과적으로 열을 발산할 수 있는 소재가 필요하기 때문입니다. 기존 플라스틱은 열전도성이 낮지만 필러로 Boron Nitride를 필러로 첨가하면 이러한 단점을 쉽게 해결할 수 있습니다.
일반적으로, 필러의 고유 열전도율은 화학적 조성과 형태에 따라 결정됩니다.
탄소가 가장 좋은 예 입니다 :
- Hexagonal modification -> 최대 165W/m•K
- Cubic modification -> 최대 2,300W/m•K
- Graphene -> 최대 6,000W/m•K
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낮은 종횡비를 가진 필러
대부분의 열전도성 필러는 등방성이거나 구형에 가깝습니다. 이와 대조적으로 흑연 및 h-BN은 이방성 구조를 가지고 있습니다. 이 구조를 적절히 사용하면 열전도율을 크게 높일 수 있습니다. Alumina, Alumina Silicate 등과 같은 원형 또는 낮은 종횡비 필러의 열전도 경로는 다음과 같은 특성으로 인해 방해를 받을 수 있습니다.
- 입자 간 접촉이 없음
- 고분자는 입자간 열차단 같은 작용을 함
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높은 종횡비를 가진 필러
흑연 및 h-BN과 같은 이방성 필러의 열 전도 경로는 다음과 같이 보다 효율적인 경로를 따릅니다.
- 동일 함량의 필러 투입시 더 많은 접점 발생
- 더 낮은 투입으로도 열경로 생성이 되어 향상된 열전도율 구현
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- Laser Flash Measurement: ASTM E 1461/DIN EN 821
- Martoxid는 Huber Martinswerk의 등록 상표입니다. Silatherm은 Quarzwerke GmbH의 등록 상표입니다
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Boron Nitride로 열 성능 향상
Boron Nitride의 이방성에서 오는 이점은, 두 가지 다른 필러로 구성된 PA6 컴파운드의 수평방향 열전도율를 보여주는 이 그래프에서 확인할 수 있습니다.
기존의 필러의 경우 수평방향 열전도율이 최대 4 W/m•K수준이지만, 3M™ Boron Nitride Cooling Fillers 는 수평방향 10W/m•K 이상 그리고 수직방향 최대 4W/m•K의 열전도율을 달성할 수 있습니다.
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2W/mK 수평방향 열전도율의 경우:
- 70wt% Alumina Silicate 필요
- 70wt% Alumina 필요
- 30wt%의 Boron Nitride Cooling Filler 필요
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열전도성 필러의 밀도
3M™ Boron Nitride Cooling Fillers는 다른 열전도성 필러보다 훨씬 낮은 밀도를 가지고 있습니다.
- 더 낮은 함량으로 다른 열전도성 필러와 동일한 열전도율을 달성할 수 있습니다.
- 필러 함량이 적다는 것은 컴파운드의 기계적 특성에 미치는 영향이 적다는 것을 의미합니다
- 필러가 함량이 낮다는 것은 무게가 더 적게 증가 된다는 것을 의미합니다
- 다른 열전도 필러와의 비교는 항상 부피비 기준으로 고려해야 합니다
플라스틱 컴파운드에는 기계적 특성, 난연성 등 주요특성을 구현하기 위해 다양한 첨가제가 포함되어 있습니다. 3M™ Boron Nitride Cooling Filler Flakes를 컴파운드에 첨가함으로써 열전도율을 크게 증가 시킬 수 있습니다.
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Aluminum Hydroxide -
Talc -
Alumina Silicate -
Wollastonite
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2차 필러의 크기, 모양 및 고유 열전도율은 컴파운드의 열전도율에 큰 영향을 미칩니다.
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구조입자가 다른 필러들의 조합을 사용하면 폴리머에 복잡하고 확실한 열전도 경로가 생성됩니다. 이를 통해 더 나은 침투성 개선, Z-방향의 열전도 경로 향상, 필러와 폴리머 사이의 인터페이스 감소를 가능하게 합니다.
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Boron Nitride Flakes로 필링된 에폭시의 열전도율(W/m•K)3M™ Boron Nitride Cooling Filler CFF 500-3를 투입하여 Aluminosilicate를 함유한 에폭시 포팅 레진의 열전도율을 어떻게 높일 수 있는지 보여줍니다.
포팅 레진에서 이방성 Boron Nitride는 일반적으로 방향성이 있지 않아 고분자 매트릭스에 고르게 분포됩니다. 따라 수평방향 및 수직방향 열전도율은 유사합니다.
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Boron Nitride Flakes로 채워진 PA 6의 수평방향(X/Y-방향) 열전도율(W/m•K)위 두 번째 예에서는, Boron Nitride Flakes를 추가하여 사출 성형된 PA 6 화합물의 열전도율을 높일 수 있는 방법을 보여줍니다.
대부분의 열가소성 재료와 마찬가지로 PA 6도 사출 성형되기에, 고분자 매트릭스에서 Boron Nitride의 이방성 정렬이 발생합니다. 이로인해, 수평방향 열전도율과 수직방향 열전도율이 다르며, 사출 성형된 PA 6의 부스팅 효과가 수평방향 열전도율을 더 높일 수 있습니다.
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"Boron Nitride Flakes는 일반적으로 금형과의 마찰로 인하여, 사출 방향과 평행하게 위치합니다. "
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그러나 사출 성형 부품의 중간 영역에서의 방향은 사출 성형 매개변수의 영향을 받을 수 있습니다.
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Laser Flash Measurement: ASTM E 1461/DIN EN 821
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수평방향 열전도율은 다음과 같은 영향으로 추가로 증가될 수 있습니다.
- 용융 온도 낮추기
- 사출 속도 감소
- 금형 온도 감소
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Laser Flash Measurement: ASTM E 1461/DIN EN 821
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열전도율은 Twin-Screw 압출기에서 컴파운딩하는 동안에도 영향을 받을 수 있습니다.
낮은 스크류 속도와 부드러운 혼합 조건은 Boron Nitride Agglomerate의 파괴를 최소화하여, 열전도율을 높일 수 있습니다.
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다음은 독일 정부가 지원하는 BMBF 프로젝트 입니다. 이 프로젝트는 리튬 이온 배터리의 공정 및 시스템 단순화를 위한 혁신적인 재료를 평가하도록 설계되었습니다.
연구의 기술적 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 폴리머 매트릭스: PA 6
- 전기 절연: 탄성 저항(IEC 60093) 1,00E+14Ohm•m
- 얇은 사출 성형 부품의 열전도율(DIN 52612-1): x / y / z = 4 / 4 / >2W/m•K
- PA6 컴파운드 필러:
- 파괴응력(ISO 527-1/-2): 100MPa
- 신장율(ISO 527-1/-2): 2~2.3%
- 샤르피 충격 시험(DIN EN ISO 179−1): 40KJ/㎡ - 컴파운드의 경제적 비용
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3M™ Boron Nitride Platelets과 Flakes의 열전도율을 비교한 연구 결과, 그래프에서 볼 수 있듯이 Boron Nitride Flakes는 평면방향 열전도율이 2.5배 높은 수치를 보였습니다.
왜 이런차이가 발생할까요? 첫째, 열전도는 Boron Nitride 입자를 통해 일어난다는 것이 중요합니다. 모든 접점은 열 저항을 증가시킬 수 있습니다. 따라서, 입자의 크기를 키우면 접점의 수가 감소됩니다.
아래 그림에서 보이듯이, 동일한 필러 로딩에서 500μm Flake는 3μm Platelets보다 미연결 지점이 훨씬 적기 때문에 열이 빠져나갈 수 있는 더 직접적인 경로를 제공합니다(빨간색 선으로 표시). 이에, 열전도율은 필러의 입자가 클수록 더 높은 결과를 보여줍니다.
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작은 크기의 입자(Platelets) -
더 큰 크기의 입자 크기(Flakes)
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최근 전기 및 전자 산업에서의 이니셔티브는 Boron Nitride Cooling Fillers를 적용한 플라스틱이 비용 절감, 제품 성능 향상 및 설계 기회 확대에 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.
다음 예는, 전체 구성을 단순화하면서도, TIM, 2차 방열판, 심지어 반사판까지 함께 구현하는 새로운 LED 손전등에 대한 솔루션을 보여줍니다.
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'맞춤형' 컴파운드 개발 및 제조
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열 모델링, 툴 디자인 및 사출 성형 서비스 제공
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인쇄회로기판 제조
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LED 제조
Boron Nitride가 충진된 컴파운드는 전기적으로 절연되어 있기 때문에, 인쇄 회로 기판 주위에 직접 사출 성형이 가능하였고, 이는 방열판과 반사판 역할 역시 할 수 있었습니다.
또한 전체 부품 수를 줄이고 원스텝 제조를 가능하게 함으로써, 금속 하우징을 사용하는 이전 솔루션에 비해 전체 시스템 비용을 30% 절감할 수 있었습니다.
그리고 우수한 열 관리 성능으로 LED의 수명을 연장 시킬 수 있었습니다.
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기존의 폴리머 -
열전도성 폴리머
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3M™ Boron Nitride Cooling Fillers는 전기 절연성을 개선하면서 소재의 열전도율을 향상시키는 고급 세라믹 재료로써, 다양한 전기 및 전자 응용 분야에 적합한 필러입니다. 3M™ Boron Nitride Cooling Fillers를 이용하면, 최종 적용분야의 난연성, 절연성, 기계적 특성 등 주요 요구 특성과 조화를 이루면서 열전도율을 개선할 수 있습니다.
3M 글로벌 제품 전문가들이 열전도율을 비롯한 요구 성능을 달성할 수 있도록 긴밀히 협력할 것입니다.
3M은 고객이 3M™ Boron Nitride Cooling Fillers를 사용하여 신제품 아이디어를 성공적으로 구현하거나 기존 설계를 최적화하도록 긴밀히 협력하고 있습니다. 3M의 전문 지식과 인사이트를 활용하여, 이와 같은 놀라운 재료의 잠재력을 최대한 실현할 수 있습니다.
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