KR100356718B1 - 탄소나노튜브를 이용한 방열판 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판은, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 외부로 방출함에 있어, 레이저 다이오드가 부착되는 서브마운트 방열판이 탄소나노튜브를 이용하여 형성된다.

여기서, 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판을, 열을 외부로 방출하는 스템에 전기적으로 절연되게 부착함에 있어, 전기전도성을 가지지 않으나, 우수한 열전도 특성을 가지는 솔더를 사용하여 부착시킨다.

또한, 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼와 절연체가 혼합된 복합체로 형성되며 또한, 탄소나노튜브와 혼합되는 절연체는 질화물 분말이 사용된다.

또한, 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼의 한 면에 다이아몬드 박막이 부착되어 형성될 수 있으며, 또한 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브를 이용하여 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 열전도 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 레이저 다이오드에 부착시켜, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 열팽창율 차이에 의한 레이저 다이오드의 손상이나 접합면의 분리 등이 발생되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 방열판{Heat sink using carbon nanotube}

본 발명은 소자에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 방열판에 관한 것으로서, 특히 열전도 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 레이저 다이오드에 부착시켜, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 열팽창율 차이에 의한 레이저 다이오드의 손상이나 접합면의 분리 등이 발생되는 것을 방지할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 방열판에 관한 것이다.

일반적으로, 광전자(Opto-electronics) 분야의 광 소자는 크게 3가지로 분류할 수 있다. 광을 발생시키는 발광소자와, 이를 전송하는 광 파이버 등의 전송로와, 광을 감지하는 수광소자로 분류된다.

발광소자로 중에서 주목받고 있는 것으로는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)와 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)가 있다. 레이저 다이오드는 핵심적인 광 부품 소자로서, 주로 광통신(optical communication)에서 광원(source )으로 널리 사용되고 있다.

최근에는 DVD와 CD롬, CD-RW 등의 광 미디어 분야에서도 광 픽업으로써 핵심부품의 자리를 차지하고 있으며, 레이저 텔레비전의 광원으로 레이저 다이오드를 사용하는 기술이 검토되고 있다.

한편, 도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다.

전형적인 레이저 다이오드의 구조는 도 1에 나타낸 바와 같으며, 주로 연구되는 레이저 다이오드의 물질로는 GaAs와 GaN이 있다. 그러나, 레이저 다이오드의실제 응용에 있어서는 기술적인 이슈(issue)로서 방열 문제가 있어 그 사용이 크게 제한되고 있다. 레이저 다이오드는 열이 축적되면 소자의 안정성과 수명에 큰 영향을 받으며, 구동 전류의 증가 등으로 소자의 작동 자체에도 많은 문제점이 발생된다. 특히 고출력 레이저 다이오드의 경우에는 발열량이 40 와트에 이르는 등, 발열과 방열 문제가 아주 심각한 상황이다.

따라서, 방열 문제에 대한 연구가 계속되고 있으며 도 2는 일반적인 레이저 다이오드의 방열구조를 나타낸 도면이다.

일반적인 레이저 다이오드는, 도 2에 나타낸 바와 같은 방열구조를 가지며, 금 코팅된 코바(Kovar) 합금으로 구성된 스템(stem)이 있고, 이 스템의 뒤에는 펠티어 효과를 이용한 TEC(Thermoelectric cooler)가 붙어 있어 냉각을 담당한다. 이때, 코바 합금을 금으로 코팅하는 이유는 열 전달을 용이하게 하기 위함이다.

그리고, 스템에는 3 개의 전극이 나와 있어 각각 레이저 다이오드의 양극과 음극, 그리고 포토 다이오드와의 연결을 담당한다. 또한, 스템에 레이저 다이오드를 설치하기 위해서는 레이저 다이오드에서 나오는 레이저 빔의 방향을 고려하여, 스템 판에 대해 레이저 다이오드를 수직으로 설치해야 하므로 스템에는 의자형 (chair)의 돌출 구조물이 있게 된다.

이러한 의자형 구조물 위에 서브마운트(submount)라 명명되는 직육면체 모양의 방열판이 있고, 이 위에 레이저 다이오드가 솔더링 방법으로 부착되어 있다. 또한, 서브마운트와 스템 사이도 Ag 에폭시나 AuSn 등으로 솔더링 된다. 그리고, 서브마운트의 윗면은 레이저 다이오드의 음극 연결을 위하여 금으로 코팅되어 음극과와이어 본딩으로 연결되며, 양극은 레이저 다이오드의 최상판의 메탈라이제이션 (metallization) 후에 양극으로 와이어 본딩되어 연결된다.

한편, 주로 사용되는 방열판 재료로는 열전도도가 우수한 BeO, AlN, Si, 기타 세라믹 등의 부도체가 있다. 그런데, 이들은 열전도도가 충분하지 않아 레이저 다이오드를 효과적으로 방열시키는 데 문제가 되며, 레이저 다이오드와 방열판의 열팽창계수 차이로 인하여 레이저 다이오드의 손상 및 접합면의 분리 등이 발생되는 문제가 된다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 열전도 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 레이저 다이오드에 부착시켜, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 열팽창율 차이에 의한 레이저 다이오드의 손상이나 접합면의 분리 등이 발생되는 것을 방지할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면.

도 2는 일반적인 레이저 다이오드의 방열구조를 나타낸 도면.

도 3은 일반적인 탄소나노튜브를 이용하여 제조된 버키 페이퍼의 형태를 나타낸 도면.

도 4는 일반적인 자장을 이용하여 정렬된 탄소나노튜브 버키 페이퍼를 만드는 공정을 나타낸 도면.

도 5는 일반적인 음자 모드에 의한 열 전달을 설명하기 위한 개념적인 모델을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판의 형성 방법을 개념적으로 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판의 형성 방법 중에서, 다결정 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브의 형상을 나타낸 도면.

도 8은 도 7에 나타낸 다결정 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브를 제조하기 위한 CVD 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 9는 대표적인 물질의 열전도도와 열 팽창계수를 나타낸 표이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판은, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 외부로 방출함에 있어, 레이저 다이오드가 부착되는 서브마운트 방열판이 탄소나노튜브를 이용하여 형성되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판을, 열을 외부로 방출하는 스템에 전기적으로 절연되게 부착함에 있어, 전기전도성을 가지지않으나, 우수한 열전도 특성을 가지는 솔더를 사용하여 부착시키는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼와 절연체가 혼합된 복합체로 형성되며 또한, 상기 탄소나노튜브와 혼합되는 절연체는 질화물 분말이 사용되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼의 한 면에 다이아몬드 박막이 부착되어 형성되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브를 이용하여 형성되는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 열전도 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 레이저 다이오드에 부착시켜, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 열팽창율 차이에 의한 레이저 다이오드의 손상이나 접합면의 분리 등이 발생되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 일반적인 탄소나노튜브를 이용하여 제조된 버키 페이퍼(bucky paper)의 형태를 나타낸 도면이다.

버키 페이퍼 제조는 크게 분산(dispersion)과 정렬(alignment)의 두 단계로 나누어진다. 분산은 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate), LDS(Lithium Dodecyl Sulfate)등의 수용액이나 Triton-X를 주로 사용한다. 이 수용액에 탄소나노튜브 분말을 섞은 후, 초음파 처리(sonication)를 통하여 분산시킨다.

그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 필요에 따라 2차원적으로 또는 일차원적으로 정렬시킨다. 이때, 2차원적인 정렬 방법은 스핀 코팅(spin coating)이나 딥 코팅(dip coating)을 응용하는 방법이 있다. 그리고, 일차원적인 정렬 방법은 extrusion이나 elongational flow를 이용하는 방법, 자기장을 이용하는 방법 또는 stretch drying 등의 방법이 있다. 또한, 탄소나노튜브가 형성되는 집합체의 모양에 따라 버키 블록(bucky block)으로 형성될 수도 있다.

도 4는 일반적인 자장을 이용하여 정렬된 탄소나노튜브 버키 페이퍼를 만드는 공정을 나타낸 도면이다.

도 4에 나타낸 바와 같이 자기장이 걸린 상태에서 탄소나노튜브 서스펜션 (CNT suspension)을 흘려 줌으로써, 원하는 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 버키 페이퍼를 만들 수 있다.

한편, 폴리머에 도전성을 가지는 재료를 섞거나 코팅하여, 정전기 방지 목적으로 사용하는 예는 많이 있으며, 탄소나노튜브를 이와 같이 응용하는 경우에 다음과 같은 다양한 장점이 있다.

1. 극히 소량의 첨가로도 탄소나노튜브의 상호 연결이 가능하므로 비용이 많이 발생되지 않는다.

2. 극소량의 첨가로도 원하는 물성을 얻을 수 있으므로 기존의 제조 공정을 큰 변화없이 그대로 이용할 수 있다.

3. 첨가하는 탄소나노튜브의 배합비 조절을 통하여 원하는 물성을 디자인할 수 있다.

4. 폴리머 자체의 기계적 강도가 증진된다.

5. 전자파 차폐 능력 저하 현상이 발생되지 않는다. 금속 섬유의 경우에는 표면층의 쉽게 산화되어 산화물을 형성하므로 기계적인 강도 저하와 EMI 차폐 능력 저하가 나타난다. 그러나, 화학적으로 안정한 탄소나노튜브를 사용하면 표면과 계면이 안정하므로 이러한 문제는 발생되지 않는다.

6. 폴리머와의 친화력이 뛰어나다. 카본을 기본으로 하는 폴리머와 탄소나노튜브는 화학적 친화력이 뛰어나므로 박리나, 섬유의 분리 등이 발생되지 않는다.

7. 환경 친화적이며 자원 절약적이다. 금속 섬유의 경우에는 금속 자원의 낭비가 심하고, 회수 및 재활용시 비용이 소모되나, 카본은 자연계에서 순환하는 물질이므로 특별한 재처리가 필요없다.

8. 극소량 첨가로 인해 제품 외관상의 변화가 없다. 제품의 성능뿐 아니라 제품의 디자인이나 외관도 제품의 경쟁력 제고에 큰 영향을 미치는 요소이다. 금속 섬유의 경우에는 많은 양이 첨가되어 제품의 표면 상태나 외관에 악 영향을 미친다. 그러나, 극소량이 첨가된 탄소나노튜브의 경우에는 제품 미관에 영향을 미치지 않는다.

한편, 탄소나노튜브의 열전도도는 2500~2980 W/mK의 높은 값을 가지며, 표 1에 나타낸 일반적인 재료들에 비해 월등히 높은 값을 가진다. 이는 열전달의 음자 모드(phonon mode)를 설명하는 조화 진동자 모드를 통해 쉽게 설명할 수 있다.

물질	열전도도 : k(W/mK)
Stainless Steel	14
Silver	428
Copper	401
Aluminum	235
Diamond Thin Film	1000 ~ 1500
Carbon Nanotube	2500

그리고, 도 5는 일반적인 음자 모드에 의한 열 전달을 설명하기 위한 개념적인 모델을 나타낸 도면이다.

음자를 통하여 열전달이 이루어질 경우, 이는 원자의 진동 전달에 의해 열 전달이 이루어지는 것이다(결국 열이란 근본적으로는 물질의 진동이다). 이때, 도 3에 나타낸 바와 같이, 열 전달을 하는 원자들의 질량차이가 크면 제대로 열이 전달되지 않고, 두 열 전달자 사이의 질량이 같을 때 가장 높은 진동주파수를 가져 열 전달이 가장 효율적으로 이루어진다.

또한, 두 열 전달자 사이의 힘 상수(스프링 상수)가 클 때, 가장 효율적인 열 전달이 이루어진다. 이러한 이유로 다이아몬드의 열 전달 특성이 우수한 것이며 탄소나노튜브도 이러한 이유로 매우 우수한 열 전달 특성을 가진다.

더욱이, 탄소나노튜브의 경우에는 다이아몬드의 sp³혼성 결합보다 더 결합력이 세고, 힘 상수 값이 큰 sp²결합으로 이루어져 있어 다이아몬드보다 더 우수한 열 전달 특성을 보인다.

한편, 이러한 탄소나노튜브를 이용하여 제조된 버키 페이퍼는 뛰어난 열전도특성을 가지지만, 전기적인 절연체가 아니므로 레이저 다이오드의 음극와 양극의 단락이 발생되기 때문에, 직접적으로 레이저 다이오드를 방열시키기 위한 서브마운트 기판으로 사용하기는 어렵다.

그리고, 방열판의 상판과 레이저 다이오드의 아래 쪽은 전기적인 연결이 이루어지는 것이 좋으므로, 버키 페이퍼(서브마운트)를 레이저 다이오드와는 Ag, AuSn 계열의 솔더를 사용하여 부착하면 된다. 이때, 문제가 되는 부분은 방열판(서브마운트)과 스템의 접합 부분이며, 이 부분이 전기적으로 절연되어야 하는데 본 발명의 실시 예에서는 다음의 4 가지 방법을 사용하였다.

첫 째는, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 레이저 다이오드와 서브마운트는 종래의 전도성 솔더를 사용하여 부착하고, 서브마운트와 스템은 전기전도성을 가지지 않으나 우수한 열전도 특성을 가지는 솔더를 사용하여 부착시키는 방법이다.

둘 째는, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 탄소나노튜브와 절연체의 복합체를 형성하여 레이저 다이오드를 방열시키는 서브마운트로 이용하는 방법이다. 이는 산화물 분말과 버키 페이퍼를 혼합한 후 소결하여도 되나, 산화물은 탄소나노튜브에 손상을 주므로 질화물 분말과 버키 페이퍼를 혼합한 후 소결하는 방법이 좋다. 본 발명에 경우에는, 그 대표적인 예로 Si₃N₄를 이용하였다.

이때, 상기 탄소나노튜브는 상호 연결되어야 원활한 열전달을 할 수 있다. 다행히 탄소나노튜브는 종횡비가 커서 소량으로 상호 연결이 가능한다. 그리고, 이러한 탄소나노튜브와 절연체의 복합체를 형성하는 것은 도 3에 나타낸 바와 같은방법을 이용하여 형성할 수 있다. 또한 필요에 따라, 탄소나노튜브를 수세미처럼 3차원적으로 랜덤하게 얻어 버키 페이퍼나 블록을 만들 수도 있으며, 도 4에 나타낸 바와 같은 방법을 이용하여, 자장을 인가하여 일차원 방향으로 정렬된 버키 페이퍼를 얻을 수도 있다.

셋 째는, 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이, 버키 페이퍼의 아래 부분에 얇은 다이아몬드 박막을 다시 부착시키는 방법이다. 그리고, 상기 버키 페이퍼는 레이저 다이오드와 부착되게 하고, 상기 다이아몬드 박막은 스템에 부착되게 하는 방법이다.

넷 째는, 도 6의 (d)에 나타낸 바와 같이, 다결정 다이아몬드 박막 위에 탄소나노튜브를 수직 성장시켜 레이저 다이오드를 방열시키는 서브마운트로 이용하는 방법이다. 그리고, 도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판의 형성 방법 중에서, 다결정 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브의 형상을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 나타낸 다결정 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브를 제조하기 위한 CVD 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

한편, 이와 같이 형성된 방열판이 실용화되기 위해서는 두 가지 요건을 충족시켜야 하는데, 그 두 가지 요소는 열전도도와 열팽창율이다. 도 9는 방열판 물질 선정 시에 고려해야 할 사항 중 가장 중요한 두 가지 요소를 나열한 것이다.

천연 다이아몬드는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 주로 단결정의 형태로 되어 있으므로 결정립계(grain boundary)에서의 음자 모드의 산란이 없어서 높은 열전도도를 보인다. 반면, 다결정으로 이루어진 CVD에 의한 합성 다이아몬드는 나노 크기의 결정립에서의 음자 모드의 산란과 결정속에 함유된 불순물로 인하여 열전도도가 천연 다이아몬드에 비해 떨어진다.

천연 다이아몬드의 경우에도 C14, C13의 동위 원소로 이루어진 경우가 많은데, 이 때 C13의 동위 원소를 제거하면 훨씬 높은 열전도도를 보인다. 한편, 다이아몬드는 월등히 높은 열전도도를 가지나, 레이저 다이오드 물질인 GaAs와의 열팽창율 차이가 너무 커서 다소의 문제가 발생된다.

레이저 다이오드와 방열판을 솔더링할 때의 온도는 거의 250~270℃까지 올라간다. 레이저 다이오드와 방열판 재료의 열전달율 차이가 너무 크면 솔더링 후 냉각 도중에 열응력에 의해 레이저 다이오드의 파괴나 접합면의 분리가 발생된다.

따라서, 좋은 방열판이 되기 위해서는 GaAs와의 열팽창율 차이가 작은 것이 좋다. 다이아몬드도 좋은 방열판이기는 하지만, 레이저 다이오드와의 큰 열팽창율 차이로 인한 레이저 다이오드가 손상되는 문제가 있고, 다이아몬드의 특성 상 절단이나 연마 등의 가공에 문제가 많다는 점도 있다.

이런 점에서 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼의 사용은 뛰어난 장점을 지닌다. 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼는 가공하기 용이하며, 열팽창으로 인한 레이저 다이오드가 손상될 우려도 없다.

또한, 도 6의 (d)에서처럼 사용되는 경우에는, 다이아몬드와 버키 페이퍼의 장점을 모두 이용할 수 있다. 탄소나노튜브 부분을 솔더를 이용하여 레이저 다이오드의 아래 쪽 면과 붙이면, 열방출도 용이하고 열팽창율 사이로 인한 레이저 다이오드의 파괴도 발생되지 않는다. 그리고, 아래 쪽의 다이아몬드와 탄소나노튜브는화학 결합에 의해 강하게 붙어 있으므로 접합의 문제가 전혀 없고 맨 아래쪽의 다이아몬드 기판은 뛰어난 전기 절연성과 뛰어난 열전도 특성을 가져 전기적 열적 요구사항을 모두 충족시켜 줄 수 있다.

또한, 버키 페이퍼는 연속적인 매질이 아니라 탄소나노튜브의 집합체이므로 열팽창이나 열수축에 대한 제약이 훨씬 적다. 즉, 쉽게 열팽창/열수축으로 인한 파괴가 일어나지 않는 장점을 가진다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판에 의하면, 열전도 특성이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 방열판을 레이저 다이오드에 부착시켜, 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 열팽창율 차이에 의한 레이저 다이오드의 손상이나 접합면의 분리 등이 발생되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 외부로 방출함에 있어, 레이저 다이오드가 부착되는 서브마운트 방열판이 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판을, 열을 외부로 방출하는 스템에 전기적으로 절연되게 부착함에 있어,

   전기전도성을 가지지 않으나, 우수한 열전도 특성을 가지는 솔더를 사용하여 부착시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼와 절연체가 혼합된 복합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브와 혼합되는 절연체는 질화물 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 탄소나노튜브를 이용한 버키 페이퍼의 한 면에 다이아몬드 박막이 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 서브마운트 방열판은, 다이아몬드 박막 위에 수직 성장된 탄소나노튜브를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방열판.