KR100787780B1 - 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 2개의 금속 표면을 상호 접촉시켜서 열 전달하기 위한 열 계면 접합에 있어서, 상기 각 금속의 접촉 표면은 탄소나노튜브로 코팅되고, 금속의 접촉 표면 사이에 열 계면 물질이 삽입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 열 계면 접합 방법에 관한 것으로서, 열 계면 접합되는 2개의 금속 사이의 열전도도를 향상시킬 수 있게 된다.

열 계면 접합, 탄소나노튜브, 열 계면 물질

Description

탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 접합 방법{Thermal interface bonding structure and method using carbon nanotube}

도 1은 일반적인 핀히트싱크의 CPU 냉각장치를 나타내는 사시도.

도 2는 일반적인 두 물질 사이의 열 계면 접합 구조를 나타내는 개략도.

도 3은 종래의 열 계면 물질이 삽입된 열 계면 접합 구조를 나타내는 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조를 나타내는 개략도.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열 계면 접합 구조의 제조 과정을 나타내는 개략도.

도 7은 딥핑(dipping) 과정을 통해 탄소나노튜브가 코팅된 금속 표면을 나타내는 사진.

도 8은 딥핑(dipping) 과정 및 러빙(Rubbing) 과정을 통해 탄소나노튜브가 코팅된 금속 표면을 나타내는 사진.

도 9는 본 발명에 따른 열 계면 접합의 실험 실시예를 나타내는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

300 : 방열판 310 : 용기

315 : 용매 320 : 탄소나노튜브

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 열 계면 접합 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 전달을 위해 2개의 금속 표면을 열 계면 접합시키는 과정에서 접합되는 금속의 표면을 탄소나노튜브로 코팅함으로써 열전도도를 증가시킴으로써 더욱 우수한 방열 효과를 얻게 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 열 계면 접합 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이동통신 중계기의 HPA (High Power Amplifier)와 LPA (Linear Power Amplifier), 개인용 컴퓨터의 CPU (Central Processor Unit), 서버급 워크스테이션의 MPU (Multiple Processor Unit), 중계 기지국의 PAU (Power Amplifier Unit) 등과 같이 많은 열을 발생시키는 전자 부품들은, 최대의 부하로 동작할 때 발생되는 열로 인해 그 표면 온도가 상승함과 아울러 전자 부품의 과열 현상으로 인해 전자 부품들의 오동작 및 파손 가능성이 매우 커지게 된다.

상술한 오동작과 파손 가능성을 미연에 방지하고자 열을 전자 부품에서 배출하도록 하는 장치에는 대표적인 구성으로서, 방열핀을 이용하여 열원에서 발생된 열을 배출하도록 하는 핀히트싱크(Fin Heat Sink)와, 열원에서 발생된 열을 모세관구조로 통하여서 이동시켜서 외부로 배출하도록 하는 히트파이프(Heat Pipe)를 이용하는 방법을 주로 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 핀히트싱크의 CPU 냉각장치를 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 메인보드(10) 상에 CPU(50)가 장착되어 있으며, CPU(50) 상에 방열판(30)이 배치되어 있다. 방열판(30)의 바닥판(31)은 CPU(50)에 접촉하며, 바닥판(31) 상면에 복수의 방열핀(32)이 수직으로 돌출되어 있다.

상기 방열판(30) 상에는 송풍팬(20)이 배치되어 CPU(50)의 상면에 접착되는 방열판(30)으로 송풍함에 따라서, CPU(50)를 냉각시키도록 되어 있다. CPU(50)로부터 발생하는 열 에너지는 서로 면접해 있는 방열판(30)으로 전도되고, 방열판(30)으로 전도된 CPU(50)의 발열 에너지는 송풍팬(20)이 방열판(30)의 바닥판(31)과 방열핀(32) 사이로 송풍하여 방열판(30)을 냉각시킴에 따라서 감소하게 된다.

이처럼 전자 부품의 열을 방열시키는 과정에서 가장 기본적인 방법은 2개의 금속 표면을 직접 접촉시키는 열 계면 접합을 통해 열을 전달하는 것이다. 따라서 열 계면 접합의 열전도도를 증가시킬수록 2개의 금속 사이의 열 전달도 보다 효율적으로 이루어지게 된다.

한편, 도 2에는 일반적인 두 금속 표면 사이의 열 계면 접합 구조가 개략적으로 도시되어 있고, 도 3에는 종래의 열 계면 물질이 삽입된 열 계면 접합 구조가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 금속의 표면을 아무리 잘 연마하더라도 2개의 금속 표면을 접촉시키면, 약 1% 정도만 금속 표면끼리 직접 접촉하고, 나머지 99%는 2개의 금속 표면 사이에 갭(gap)이 형성된다. 이처럼 상호 접촉 혹은 접합되는 2 개의 금속 표면 사이에는 대부분 갭(gap)이 형성되고, 이러한 갭(gap)은 공기로 채워지게 된다. 그러나 이러한 공기 갭(air gap)은 열전도도 계수가 대략 0.026W/mK이기 때문에, 상호 표면 접촉되는 2개의 금속 물질 사이의 열전도도는 이러한 공기 갭(air gap)으로 인해 크게 떨어질 수밖에 없다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 금속 물질 사이에 형성되는 갭(gap)에 공기보다 열전도도가 높은 열 계면 물질(TIM; Thermal Interface Material)을 삽입하면, 2개의 금속 물질 사이에 형성되는 열 계면 접합의 열전도도는 더욱 증가될 수 있다.

이러한 열 계면 물질에는 대표적으로 써멀 그리스(Thermal grease)와, 써멀 패드(Thermal pad), 그리고 써멀 테이프(Thermal tape) 등이 있다. 이러한 열 계면 물질은 공기보다 더 높은 열전도도를 가지고 있다. 즉, 공기의 열전도도가 0.026W/mK인데 반해, 써멀 그리스(Thermal grease)의 열전도도는 3~8W/mK이고, 써멀 패드(Thermal pad)의 열전도도는 1~3W/mK가 된다. 따라서 열 계면 접합되는 2개의 금속 표면 사이에 상기 열 계면 물질을 삽입하게 되면, 상기 2개의 금속 사이의 열전도도는 더욱 높아지게 된다.

그러나 도 3을 참조하면, 비록 열 계면 접합되는 2개의 금속 표면 사이에 열 계면 물질을 삽입하더라도, 삽입된 열 계면 물질이 2개의 금속 표면 사이에 형성되는 갭(gap)을 모두 메우지는 못한다. 즉, 2개의 금속 표면 사이에는 열 계면 물질도 메우지 못하는 미시적인 틈새들이 존재하고, 이러한 미시적인 틈새들은 공기로 채워지게 된다. 따라서 상기 공기로 채워지는 미시적인 틈새들에 대해서도 공기보 다 열전도도가 높은 물질로 메울 수 있다면, 열 계면 접합되는 2개의 금속 사이의 열전도도는 더더욱 향상될 수 있을 것이다. 그러나 상기 미시적인 틈새들까지 메울 수 있는 열 계면 물질은 아직까지 개발되지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상호 열 계면 접합되는 2개의 금속 표면 사이에 형성되는 갭(gap)에 열 계면 물질을 삽입하고, 상기 열 계면 물질로 메울 수 없는 미시적인 틈새에 대해서는 탄소나노튜브를 코팅함으로써 열전도도가 향상된 열 계면 접합 구조 및 열 계면 접합 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조는, 2개의 금속 표면을 상호 접촉시켜서 열 전달하기 위한 열 계면 접합에 있어서, 상기 각 금속의 접촉 표면은 탄소나노튜브로 코팅되고, 금속의 접촉 표면 사이에 열 계면 물질이 삽입되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 금속의 접촉 표면에 대한 탄소나노튜브 코팅은, 탄소나노튜브가 분산된 용매에 금속을 딥핑(dipping)함으로써 이루어질 수 있다.

또한 상기에서 금속의 접촉 표면에 대한 탄소나노튜브 코팅은, 탄소나노튜브가 분산된 용매를 금속의 표면에 스프레이 방식으로 분출함으로써 이루어질 수도 있다.

또한 상기에서 열 계면 물질은, 써멀 그리스, 써멀 패드, 써멀 테이프 중 어 느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 계면 접합 방법은, 2개의 금속 표면을 상호 접촉시켜서 열 전달하기 위한 열 계면 접합에 있어서, 각 금속의 접촉 표면을 탄소나노튜브로 코팅하는 단계; 열 계면 물질을 사이에 두고 두 금속의 표면을 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 본 발명은, 금속의 접촉 표면에 형성된 탄소나노튜브 코팅층을 평탄화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조 및 열 계면 접합 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 4에는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 열 전달을 위해 열 계면 접합되는 2개의 금속 표면은 각각 탄소나노튜브로 코팅되고, 이처럼 탄소나노튜브(CNT)로 코팅된 2개의 금속 표면 사이에는 열 계면 물질(TIM)이 삽입된다. 이처럼 열 계면 물질을 게재하여 2개의 금속 표면을 열 계면 접합하기 전에 미리 금속 표면을 탄소나노튜브로 코팅하게 되면, 금속 표면 사이에 형성되는 갭(gap) 중에서 열 계면 물질이 메울 수 없는 미세한 틈새들은 탄소나노튜브로 메워지게 된다.

한편, 공기의 열전도도가 0.026W/mK인데 반해, 열 계면 물질(TIM)의 열전도 도는 대략 1~8W/mK이고, 탄소나노튜브의 열전도도는 2000~6000W/mK이 된다. 따라서 본 발명에 따른 열 계면 접합 구조에 의하면, 열 계면 물질이 메울 수 없는 미세한 틈새들을 공기보다 열전도도가 훨씬 우수한 탄소나노튜브로 메우게 되므로, 열전도도가 매우 우수한 열 계면 접합을 이룰 수 있게 된다.

한편, 열 계면 접합을 위해 사용되는 열 계면 물질(TIM)에는 써멀 그리스(Thermal grease)와, 써멀 패드(Thermal pad), 그리고 써멀 테이프(Thermal tape) 등이 사용될 수 있다.

써멀 그리스(Thermal grease)는 그리스(Grease)와 같은 실리콘 물질에 열전도도가 좋으면서 절연체인 세라믹 필터와 바인더(Binder)를 넣어서 제조되는 열 계면 물질로서, 써멀 페이스트(Thermal paste)라고도 한다. 그리고 써멀 패드(Thermal pad)는 상변화 또는 용융점 근처에서 점성이 떨어지면서 유동성이 생기는 물질을 이용하여 공기 갭(Air gap)을 채우고, 이후 온도를 내려주면 그 형태로 점착되는 열 계면 물질이다. 그리고 상기 써멀 테이프(Thermal tape)는 아크릴 및 실리콘 점착 필름에 열적 및 점착 성질을 고려하여 세라믹 파우더를 일정 비율로 혼합한 형태의 열 계면 물질을 나타낸다.

도 5 및 도 6에는 열 계면 접합을 위한 금속 표면에 탄소나노튜브를 코팅하는 과정이 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 용기(bath, 310) 내의 용매(315)에 탄소나노튜브(320)를 고르게 분산시킨다. 분산 용매(315)는 탄소나노튜브의 다발을 분리시키기 위한 것으로 탄소나노튜브를 관능기화(functionalization) 시킬 수 있는 것인 한 특별한 한정을 요하지 않으나, 기화점이 낮아 건조가 용이한 용매가 바람직하다. 분산 용매의 예로는 디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 이소프로필알코올(IPA, isopropyl alcohol), 아세톤, 에탄올 등이 가능하다. 용매에 대하여 탄소나노튜브를 적당히 혼합한 후, 초음파 처리를 통하여 용매 속 탄소나노튜브를 분산시킨다. 이처럼 탄소나노튜브(320)가 분산된 용매(315)에 열 계면 접합을 위한 금속으로서 방열판(300)을 천천히 담그는 딥핑(dipping) 과정을 수행한다.

도 6을 참조하면, 용기(310)에서 방열판(300)을 천천히 일정속도(약 1~10cm/min)와 일정각도(수면과 방열판이 이루는 각도: 약 10~90ㅀ)로 용매(315)에서 꺼내면, 방열판(300)의 표면에는 탄소나노튜브가 포함된 웨팅층(wetting layer)이 형성되고, 이러한 웨팅층을 건조시키면, 방열판(300)의 표면에 탄소나노튜브가 흡착된다. 이처럼 딥핑(dipping)에서 건조까지의 일련의 과정을 수 회 반복하여 방열판(300) 표면에 탄소나노튜브 코팅층을 형성시킨다.

한편, 열 계면 접합을 위해 금속 표면을 탄소나노튜브로 코팅하는 방식에는, 상기와 같이 탄소나노튜브가 분산된 용매에 금속을 딥핑(dipping)하는 방법 이외에도, 탄소나노튜브가 분산된 용매를 금속의 표면에 스프레이(Spray) 방식으로 분출하는 방법에 의해서도 이루어질 수 있다.

다만, 상기의 딥핑(dipping) 또는 스프레이(Spray) 방법을 통해 금속 표면에 형성된 탄소나노튜브 코팅층은, 금속 표면에 고르게 분포되지 않고 뭉쳐서 존재할 염려가 있다. 이처럼 금속 표면에 형성된 탄소나노튜브 코팅층이 고르게 코팅되지 않고 뭉쳐서 존재하게 되면, 오히려 열전도도를 저하시킬 수 있게 된다. 따라서 금속 표면에 흡착된 탄소나노튜브를 와이퍼(Wiper)를 이용하여 평탄화시키는 러빙(Rubbing) 과정을 더 거칠 수도 있다.

도 7은 상기의 3회 딥핑(dipping) 과정을 통해 탄소나노튜브가 코팅된 금속 표면을 여러 가지 배율로 나타내고 있고, 도 8은 3회 딥핑(dipping) 과정 이후에 러빙(Rubbing) 과정을 더 거쳐서 탄소나노튜브가 코팅된 금속 표면을 여러 가지 배율로 나타내고 있다.

이와 같은 과정을 통해 표면에 탄소나노튜브 코팅층이 형성된 2개의 금속을 열 계면 물질을 게재한 상태로 상호 접합시킴으로써 본 발명에 따른 열 계면 접합이 이루어지게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 방식으로 형성된 열 계면 접합 구조에 대해 열전도도 향상 여부를 확인하기 위한 실험 실시예를 설명한다.

도 9에는 본 실험 실시예에 대한 결과 데이터가 그래프 형태로 도시되어 있다. 도 9에서 본 발명에 따른 탄소나노튜브 코팅 방식을 적용하지 않고 열 계면 물질만을 이용하여 열 계면 접합을 한 경우는 "Reference 방열핀"으로 표시되고, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 코팅 방식을 적용하여 열 계면 접합을 한 경우는 "CNT 처리 방열핀"으로 표시되어 있다.

본 실험 실시예에서는, 열 계면 접합을 하는 2개의 금속으로, 각각 열을 발생하는 금속 재질의 히터와 상기 히터에 접하여 열을 방열시키는 방열핀으로 설정하였다. 그리고 상기 히터와 방열핀 사이에 삽입되는 열 계면 물질로는 써멀 테이프를 사용하였다. 또한 본 실험은, 외기 온도가 19.1℃인 상태에서 히터는 21.3W 의 열을 발생시키고, 방열핀에서 발생되는 열을 대류시키기 위해 5V의 전압으로 송풍팬이 동작하도록 구성하였으며, 이러한 조건에서 2시간 동안 실험을 실시하였다.

상기와 같이 동일한 실험 조건에 따라, 써멀 테이프만을 사용하여 열 계면 접합한 경우의 열 저항 값과, 방열핀에 탄소나노튜브 코팅 처리를 한 후 써멀 테이프를 사용하여 열 계면 접합한 경우의 열 저항 값을 각각 계산한 결과, 써멀 테이프만을 사용한 경우에는 1.1829K/W의 열 저항 값이 계산되었고, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 코팅 방식을 사용한 경우에는 1.1312K/W의 열 저항 값이 계산되었다.

따라서 써멀 테이프만을 사용한 경우보다 사전에 탄소나노튜브 코팅처리를 수행한 경우의 열 저항 값이 0.0517K/W 만큼 낮았고, 이를 온도로 환산하면 대략 1.09℃ 정도 더 방열되는 효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.

이러한 실험 결과로부터, 열 계면 물질만을 이용하여 열 계면 접합하는 경우보다, 사전에 금속의 표면을 탄소나노튜브로 코팅한 후에 열 계면 물질을 이용하여 열 계면 접합하는 것이 훨씬 더 열전도도를 높일 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 열 계면 접합되는 금속 표면에 탄소나노튜 브를 코팅함으로써 열전도도를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 열전도도 향상을 통해 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라 전자소자의 소형화가 가능하고, 고집적화된 전자회로 칩의 열 배출 문제를 해결함으로써 동작회로의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 2개의 금속 표면을 상호 접촉시켜서 열 전달하기 위한 열 계면 접합에 있어서,

   상기 각 금속의 접촉 표면은 탄소나노튜브로 코팅되고, 금속의 접촉 표면 사이에 열 계면 물질이 삽입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속의 접촉 표면에 대한 탄소나노튜브 코팅은, 탄소나노튜브가 분산된 용매에 금속을 딥핑(dipping)함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 금속의 접촉 표면에 대한 탄소나노튜브 코팅은, 탄소나노튜브가 분산된 용매를 금속의 표면에 스프레이 방식으로 분출함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열 계면 물질은, 써멀 그리스, 써멀 패드, 써멀 테이프 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열 계면 접합 구조.
5. 2개의 금속 표면을 상호 접촉시켜서 열 전달하기 위한 열 계면 접합에 있어서,

   각 금속의 접촉 표면을 탄소나노튜브로 코팅하는 단계;

   열 계면 물질을 사이에 두고 두 금속의 표면을 접합시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 계면 접합 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 금속의 접촉 표면에 형성된 탄소나노튜브 코팅층을 평탄화시키는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 계면 접합 방법.

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