실리콘이 함유되지 않은 열전도성 소재는 실리콘 누출이나 가스 방출로 인해 배터리 셀과 냉각수 사이의 열 전달 경로가 손상될 수 있는 배터리 팩의 모든 곳에서 중요한 역할을 합니다. 배터리 팩 열 엔지니어에게 있어 핵심 질문은 간단합니다. 이 어셈블리에 실리콘 오염으로 인해 손상될 수 있는 표면, 센서 또는 접합부가 있는가? 그리고 실리콘이 함유되지 않은 소재가 모듈의 노화 및 틈새를 가로지르는 열전도율을 유지할 수 있는가? 이 글에서는 실리콘이 함유되지 않은 소재의 최신 발전 사항을 살펴봅니다. 열 인터페이스 재료, 실리콘 유형과 비교했을 때 선택에 영향을 미치는 변수에서 어떤 차이가 있는지, 그리고 액체 냉각식 전기차나 에너지 저장 팩에서 어떤 역할을 하는지 살펴봅니다.
실리콘 누출 및 가스 방출이 배터리 열 전달 경로를 위협하는 이유는 무엇일까요?
실리콘 열전도성 소재에서 반복적으로 발생하는 고장 모드는 마이그레이션입니다. 저분자량 실록산은 열, 압축 및 저압 조건에서 휘발되거나 스며 나와 주변 표면에 재침착될 수 있습니다. 배터리 모듈에서 열 경로는 셀 벽에서 시작하여 인터페이스 소재를 통해 냉각판으로 이어집니다. 냉각판 밀봉면, 센서 렌즈 또는 인쇄 회로 기판에 스며든 오일은 표면 저항과 절연 파괴 전압을 낮추거나 후속 접착 및 세척을 방해할 수 있습니다. 여러 자료에서 동일한 메커니즘을 설명하고 있으므로 실리콘에 민감한 조립품 설계 시 고려해야 할 중요한 제약 조건입니다.
실리콘이 함유되지 않은 화학 물질을 사용하는 실질적인 이유는 오염 제어 때문입니다. 실리콘 기반 공정과 실리콘이 함유되지 않은 공정이 동일한 툴링을 사용하는 경우, 누출된 실록산이 납땜 접합부나 관련 없는 부품의 접착 부위를 오염시킬 수 있습니다. 따라서 후속 공정의 접착 또는 청결도 규정이 엄격한 경우, 실리콘이 함유되지 않고 VOC 함량이 낮은 제품을 선택할 수 있습니다. 이러한 선택의 핵심은 공정의 청결도와 수리 용이성입니다. 특정 농도(ppm)에서 실리콘이 독성을 띤다는 주장은 여기서는 근거가 없으므로, 반복해서 사용하기 전에 관련 표준 기관의 검증을 거쳐야 합니다.
실리콘은 여전히 대부분의 일반 전자 제품에 적합하므로 선택은 시나리오에 따라 달라집니다. 모듈에 노출된 광학 부품이 없고, 누출에 민감한 센서가 없으며, 유출된 오일로 인해 손상될 수 있는 하류 접합부가 없는 경우, 기존의 실리콘 소재(예: ...)가 적합합니다. 열 전도성 실리콘 그리스 실리콘 패드를 사용하는 것은 여전히 합리적인 선택입니다. 하지만 조립 과정에서 오염에 민감한 표면이 추가되거나 청결도 기준이 엄격해질수록 실리콘을 사용하지 않는 것이 더 바람직하다는 의견이 늘어납니다.
TIM 화학 성분에서 "실리콘 무첨가"로 인한 변화는 무엇일까요?
“"실리콘 무첨가"는 충전재가 아닌 매트릭스를 나타내는 것이므로, 재료의 열 전달 부분은 크게 변하지 않습니다. 이러한 시스템은 폴리실록산 골격을 아크릴, 폴리우레탄 또는 실릴 변성 폴리머 화학 물질로 대체합니다. 열전도율은 여전히 해당 매트릭스에 분산된 세라믹 또는 금속 충전재에서 비롯됩니다. 따라서 실리콘을 제거한다고 해서 그 자체로 열전도율이 높아지거나 낮아지는 것은 아니며, 충전재의 화학적 조성과 함량이 영향을 미칩니다.
형태 옵션은 실리콘 제품군과 거의 동일하여 조립 방식이 익숙합니다. 실리콘이 함유되지 않은 화학 물질은 갭 필러, 갭 패드, 열전도성 접착제 및 그리스 형태로 제공됩니다. 일반적으로 기존 공정에 맞춰 사용할 수 있으며, 이는 현장 성형 필러를 도포하거나 다이컷 부품을 배치하는 것을 의미합니다. 열 패드. 경화 거동은 화학적 조성에 따라 달라집니다. 일부 실리콘 무함유 시스템은 비경화성으로 즉시 사용이 가능하지만, 반응성 2액형 접착제는 작업 가능 시간을 희생하는 대신 구조적 접착 강도를 높입니다.
연구 단계의 화학 반응은 필러 네트워크를 설계하여 전도성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 연구 중인 시스템에는 배향된 세라믹 또는 탄소 경로, 계면 접착력 향상을 위해 탐색 중인 폴리(이온성 액체) 매트릭스 등이 포함됩니다. 액체 열 인터페이스 재료 액체 금속과 고체 입자를 결합하여 전도성 네트워크를 형성하는 재료입니다. 이는 참고 지침일 뿐 확정된 사양은 아닙니다. 데이터시트와 다른 출처에서 해당 수치를 뒷받침할 때까지는 보고된 전도도 또는 탄성률 수치를 확인되지 않은 것으로 간주하십시오.
실리콘 무함유 TIM과 실리콘 TIM의 장단점 비교: 검증이 필요한 부분
실리콘이 함유되지 않은 등급은 오염 방지 및 절연 특성 개선에 도움이 되지만 장기적인 규정 준수에는 불리할 수 있으며, 각 등급별 검증이 필요합니다. 아래 표는 재료 계열의 고정된 속성이 아닌, 데이터시트에서 확인해야 할 일반적인 경향과 위험 요소를 나열한 것입니다. 각 셀의 값은 해당 등급 및 시험 조건에 따라 달라집니다.
| 변수 | 실리콘 기반(일반적) | 실리콘 무함유 (일반적, 등급별로 확인 필요) |
|---|---|---|
| 오염/가스 방출 | 열과 압축 하에서의 실록산 누출 및 이동 | 실록산 이동이 주요 위험 요소인 경우 출혈량을 줄이십시오. |
| 유전 특성 | 적절함; 노화에 따라 변할 수 있음 | 일부 테스트 등급에서 더 나은 단열 성능이 보고되었습니다. |
| 고온 노화 후의 거동 | 점탄성을 유지하는 경우가 많습니다. | 일부 시험된 등급은 경화되거나 취성해집니다. |
| 열 전도성 | 매트릭스가 아닌 필러에 의해 설정됨 | 매트릭스가 아닌 필러에 의해 설정됨 |
| 온도 범위 | 광범위하고 화학적으로 의존적임 | 등급에 따라 다릅니다. 제품 사양서를 확인하세요. |
노화 거동은 가장 흔히 오해되는 절충점이므로 검증 절차가 필요합니다. JEDEC JESD22-A103E 규격에 따라 125°C에서 2,000시간 동안 고온 저장 노화 시험을 수행하고 *Materials* 저널에 발표한 결과, 실리콘이 함유되지 않은 갭 필러는 경화된 반면 실리콘 기반 소재는 점탄성을 유지했습니다. 또한 실리콘이 함유되지 않은 샘플은 절연이 중요한 용도에서 더 우수한 유전 특성을 보였습니다. 이 결과는 해당 저장 노화 조건에서 시험된 두 가지 등급에 대한 것이며, 모든 실리콘이 함유되지 않은 제품이나 고온-저온 열 순환에 적용되는 것은 아닙니다. 실질적인 단계는 특정 등급에 대한 노화 경도 및 접착선 거동을 검증하는 것이지, 이러한 특성이 항상 적용된다고 가정하는 것이 아닙니다.
전도도 비교에는 가장 큰 오해가 있는데, 이를 바로잡을 필요가 있습니다. 왜냐하면 갭 패드 열 전도성 충전재의 종류와 함량에 따라 실리콘이 함유되지 않은 제품이 실리콘이 함유된 제품보다 본질적으로 전도성이 높거나 낮지는 않습니다. 두 종류 모두 광범위한 범위에 걸쳐 배합될 수 있습니다. 실리콘이 함유되지 않은 소재가 실리콘 그리스 또는 패드보다 자동으로 우수한 성능을 발휘한다는 주장은 특정 등급에만 해당되는 것으로 해석해야 합니다.
세포-냉각액 경로에 적합한 실리콘 프리 TIM(열전도성 막) 선택
팩에 사용할 실리콘이 없는 열전도성 물질(TIM)을 선택할 때 가장 중요한 것은 간격입니다. 간격이 재료의 등급을 결정하기 때문입니다. 셀 또는 모듈과 콜드 플레이트 사이의 계면 간격과 표면 평탄도를 재료의 적합성에 맞춰야 합니다. 넓고 고르지 않은 간격에는 저압에서도 빈 공간을 채울 수 있는 유연한 갭 필러가 적합하고, 얇고 평평한 계면에는 얇은 패드나 도포형 필름이 적합합니다. 간격이 맞지 않으면 공기 갇힘 현상과 핫스팟이 발생할 수 있으므로, 포맷을 확정하기 전에 최악의 경우 적층 간격을 확인해야 합니다.
조립 과정에서 발생하는 응력과 자동화 수준은 열전도도만큼이나 포장 형태를 결정하는 중요한 요소입니다. 섬세한 세포에 부담을 주지 않고 최소한의 접착선으로 압축되는 저탄성률의 실리콘 프리 필러는 높은 체결력을 필요로 하는 약간 더 높은 전도성을 가진 필러보다 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 또한, 현장에서 성형되는 재료는 수작업으로 배치하는 패드보다 자동화된 포장 라인에 더 적합합니다. 인터페이스가 구조적 하중을 받는 경우, 실리콘 프리 열전도성 접착제를 사용하면 접착 강도와 경화 시간이 더욱 중요해지며, 이는 택트 타임을 제한하는 요인이 됩니다.
경화, 사용 편의성 및 절연성은 최종 선택 기준이며, 이는 팩의 수명 주기 목표와 밀접하게 관련됩니다. 비경화성 충전재를 사용하면 라인에서 즉시 전력 테스트를 수행할 수 있습니다. 반응성 접착제는 위치를 고정하지만 재작업 및 수명 종료 시 분해를 복잡하게 만드는데, 이는 팩 설계 시 중요한 제약 조건입니다. 배터리 안전 및 액체 냉각, 또한, 내구성, 서비스 용이성 및 재활용성을 고려해야 합니다. 대부분의 팩 인터페이스는 셀을 콜드 플레이트로부터 전기적으로 절연해야 하므로, 각 특성에 적합한 기계적, 기하학적 및 유전 강도 테스트를 사용하여 노화되고 압축된 본드 라인의 유전 강도를 확인해야 합니다. JEDEC JESD22-A103E와 같은 노화 노출 테스트는 이러한 개별 테스트를 수행하기 전후의 보관 조건을 설정합니다. 이 테스트 자체만으로는 경도, 본드 라인 두께 또는 유전 강도를 측정하지 않습니다. 이 네 가지 변수를 함께 확인하면 실리콘이 없는 배터리가 모듈 수명 전반에 걸쳐 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.
실리콘이 함유되지 않은 열용매가 적합한 경우
실리콘이 없는 화학 물질은 청결 규정 및 제조 제약으로 인해 실리콘 사용이 제한되는 경우에 적합합니다. 전기차 및 에너지 저장 팩이 대표적인 예입니다. 설계 목표가 셀 온도를 상온에 가깝게 유지하고, 셀 온도 상한선에 근접하는 지속적인 온도 상승을 생명 및 안전 위험으로 간주하는 경우, 계면 재료는 열 순환을 견디면서 냉각판, 센서 또는 접합부를 오염시키지 않아야 합니다. 배터리 에너지 저장 시스템도 대규모로 동일한 문제에 직면하므로, 실리콘이 없는 갭 필러 및 접착제는 팩 열 설계에서 일반적인 선택 사항입니다.
배터리뿐만 아니라 실리콘에 민감한 모든 어셈블리에도 동일한 문제가 발생합니다. 광학, 센서, 의료 및 항공우주 하드웨어는 누출이나 가스 방출에 매우 민감하기 때문에, 배터리 팩 내부의 오염 방지 측면에서 실리콘이 없는 소재가 사용됩니다. 온도 및 간격 제약 조건은 적용 분야에 따라 다르지만, 이러한 엔지니어링 논리는 동일하게 적용됩니다.
재료과학 측면에서 단기적인 발전은 점진적이며 필러 중심적입니다. 나노필러 보강, 방향성 전도성 경로, 액체 금속 하이브리드는 각각 전도성을 향상시키면서 동시에 유연성을 유지하는 것을 목표로 하지만, 노화, 절연성, 제조 가능성 측면에서 동일한 검증 기준을 충족해야 합니다. 따라서 단순히 전도도 수치를 발표하는 것보다 이러한 검증 데이터를 추적하는 것이 발전 상황을 더 신뢰할 수 있게 보여주는 지표입니다.
결론
실리콘이 없는 열 인터페이스 재료를 선택할 때 가장 중요한 판단 기준은 오염 및 청결도이며, 그 다음으로 전도성을 고려해야 한다는 것입니다. 팩에 실리콘에 민감한 표면이 있거나, 엄격한 제조 규정이 적용되거나, 실리콘 누출로 인해 서비스 및 절연 성능이 저하될 수 있는 경우에는 실리콘이 없는 재료를 사용하고, 이러한 제약 조건이 없는 경우에는 실리콘이 함유된 재료를 사용해야 합니다. 가장 흔히 오해되는 특성은 노화 특성입니다. 일부 실리콘이 없는 등급은 시간이 지남에 따라 경화되므로, 해당 등급에 대한 노화 경도, 접착층 두께 및 유전 강도를 검증해야 합니다. JEDEC JESD22-A103E와 같은 공인된 저장 노화 조건을 사용하고, 적절한 기계적 및 유전 시험을 통해 측정해야 합니다. Trumonytechs' 인터페이스 재료와 콜드 플레이트 설계는 재료와 간격, 조립 응력, 경화 및 열 전달 경로 전체의 절연을 고려하여 함께 작동하도록 설계되었습니다.
자주 묻는 질문
전기차 배터리 팩에 실리콘이 함유되지 않은 틈새 충전재를 사용해야 하나요, 아니면 실리콘을 사용해도 괜찮나요?
오염 민감도가 이를 결정하며, 배터리 자체는 중요하지 않습니다. 배터리 팩에 누출에 민감한 센서, 밀봉면 또는 접착 조인트가 있거나, 생산 라인에서 실리콘 무첨가 및 저VOC 규정을 준수해야 하는 경우 실리콘이 함유되지 않은 충전재를 사용하십시오. 이러한 조건에 해당하지 않는 경우에도 적절하게 선택된 실리콘 소재는 제 기능을 발휘할 수 있습니다.
실리콘이 함유되지 않은 열전도성 물질은 열 노화 후 열전도율이 저하되거나 취성이 생기나요?
일부 등급은 시간이 지남에 따라 경화되므로 특정 제품에 대해 이를 확인해야 합니다. JEDEC JESD22-A103E에 따라 발표된 2,000시간, 125°C 고온 저장 노화 연구 결과에 따르면 실리콘이 함유되지 않은 갭 필러는 경화된 반면 실리콘이 함유된 갭 필러는 점탄성을 유지했습니다. 따라서 등급별로 노화에 따른 기계적 및 유전적 특성을 검증해야 합니다.
실리콘 가스 방출이 모듈의 콜드 플레이트, 셀 또는 PCB를 오염시킬 수 있습니까?
네, 바로 그 위험성 때문에 실리콘이 없는 소재가 존재하는 것입니다. 저분자량 실록산은 열과 압축 하에서 밀봉면, 센서 또는 기판으로 이동하여 표면 저항과 절연 파괴 전압을 낮추거나 후속 접착 및 세척을 방해할 수 있습니다.
실리콘이 함유되지 않은 열전도성 물질(TIM)은 실리콘이 함유된 TIM보다 항상 전도성이 더 높은가요?
아니요, 전도도는 필러의 종류와 함량에 따라 결정되며, 매트릭스가 실리콘이 함유되지 않았는지 여부와는 관계가 없습니다. 두 가지 화학 조성 모두 넓은 전도도 범위에 걸쳐 적용될 수 있으므로, 재질 계열별이 아닌 등급별로 비교해야 합니다.
추가 자료
- 실리콘계 및 실리콘이 함유되지 않은 열간극 충전재의 열 노화 효과에 대한 비교 연구 (학술지 *재료*, 2021) — 동료 평가를 거친 고온 저장 노화 연구(JEDEC JESD22-A103E)는 위의 경화 및 절연 특성 간의 상충 관계를 뒷받침합니다. 이 연구는 테스트된 두 가지 등급에만 적용되며 모든 실리콘 무함유 재료에 적용되는 것은 아닙니다.
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