KR100873630B1 - 방열 구조체 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 방열판 구조에 관한 것으로, 종래의 방열판에 열전도도가 뛰어나고 표면적이 매우 큰 탄소나노튜브층을 형성하여 표면적 및 열전도도를 증가시킴으로써, 열교환효율 향상을 통해 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라, 전자소자의 소형화가 가능하고, 고 집적화된 전자회로 칩의 열 배출 문제를 해결함으로써 동작 회로의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

탄소나노튜브, 방열구조

Description

방열 구조체 및 그의 제조방법{Heat radiator structure and manufacturing method therof}

도 1은 종래의 일반적인 방열판의 구조를 나타낸 사시도.

도 2(가) 내지 도 2(다)는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열구조를 나타낸 도면.

본 발명은 방열판 구조에 관한 것으로서, 특히, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 이용하여 방열효율을 향상시킨 방열 구조체에 관한 것이다.

일반적으로, 전자회로를 이용하는 모든 장치는 그 구동시 전력의 발생으로 인하여 회로에서 열이 발생하게 된다. 특히, 고주파회로는 다량의 고주파 전력을 발생하기 때문에 회로에서는 많은 열이 발생하게 되고, 이러한 열은 회로의 동작 수명 뿐만 아니라 회로의 성능에도 절대적인 영향을 미친다. 특히, 전자회로의 동작온도를 설계온도보다 10℃ 높일 때마다 회로의 수명은 50%이상 감소하는 것으로 알려져 있다. 이러한 열의 발생으로 인한 회로의 수명 및 성능 감소를 방지하기 위하여 발생되는 열을 방출하여야 만 하는데, 넓은 표면적을 이용하여 열을 방출하는 방열판 및 송풍작용으로 열을 방출하는 송풍팬 등이 사용되고 있다.

도 1은 상술한 일반적인 방열판 (100)을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 방열판은 체적에 비하여 훨씬 넓은 표면적을 통하여 열을 외부로 방출할 수 있도록 설계되었다. 부연하면, 종래의 방열판 구조(100)는 가공이 쉬우면서 열전도도가 좋은 알루미늄이나 구리를 사용하며, 압출성형을 통하여 단순한 판상의 형태로 이루지며 그 위로 송풍팬(도시되지 않음)이 존재한다. 즉, 방열판(100)은 전자소자나 부품에서 발생한 열을 흡수하여 외부로 발산시키는 역할을 하는데, 전자소자 또는 부품에서 배출되는 열은 방열판을 통해 바로 공기와 접촉하게 된다. 이때 방열능력 즉, 냉각능력은 방열판(100)에서 공기로 얼마나 많은 열이 얼마나 빨리 빠져나가는가에 달려있고, 이는 방열판(100)의 표면적에 비례한다.

컴퓨터의 CPU와 같은 고주파회로의 경우, 고집적화가 이루어질수록 더 큰 열이 발생하며 보다 높은 열교환 효율이 요구된다. 그러나, 종래의 방열판 제작에 사용되는 재료는 열교환 효율이 한계에 와 있으며 표면적을 증가시키기 위해 형상을 복잡하게 만들어야 하나 제작이 어렵고, 이를 극복하기 위해서는 방열판의 크기를 크게 하는 것 외에는 별다른 대안이 존재하지 않는 문제점이 있었다.

또한 보다 많은 열교환을 위하여 송풍팬의 장착이 필수적이며, 많은 열이 발생할 경우 송풍팬의 크기도 커지며 이에 따라 소음도 커지는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 최근에는 전자회로 칩의 고집적화에 따른 전자기기의 소형화추세로 작은 크기의 높은 열교환효율을 가진 방열기구의 개발이 시급히 요구되고있다.

한편, 근래에는 탄소 동소체의 하나인 탄소나노튜브에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이에 대한 구조 및 특성이 서서히 밝혀지고 있다.

1985년 축구공 모양을 가진 탄소 분자 C60(탄소원자 60개가 모인 것 : 풀러린)가 처음 발견된 이래 세계의 많은 연구소에서는 새로운 구조의 탄소를 합성하기 위한 연구가 진행되었고, 일본전기회사(NEC) 부설연구소의 이지마박사는 이러한 연구에 골몰하던 중 1991년에 우연히 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소구조가 형성된 것을 전자현미경을 통해 확인하였고 이 사실을 세계적인 과학학술지인 Nature에 보고하였는데, 이것이 탄소나노튜브의 시작이었다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 만약 평평한 종이 위에 이러한 벌집 무늬를 그린 후 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1나노미터(10억분의 1미터) 정도로 극히 작기 때문이다. 종이에 벌집 무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이때 종이를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(Zigzag 구조)가 되기도 한다. 또한 말린 형태에 따라서 단중벽 나노튜브(Single-wallNanotube), 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)로 구분하기도 한다.

이러한 탄소나노튜브는 높은 길이/직경 비를 가지고 있어 단위면적당 표면적이 매우 크고 물리적으로는 강철의 약 100배에 달하는 강도를 지니면서 화학적으로 도 안정한 특성을 지닌다. 특히, 탄소나노튜브는 지구상에 존재하는 물질 중 상온에서 열전도도가 가장 높은 다이아몬드(33.3W/cm K)보다도 더 큰 열전도도(20~66W/cm K)를 가지고 있다고 보고 되어지고 있으며 일반적으로 방열판에 사용되어지는 알루미늄(0.243W/cm K)이나 구리(4.01W/cm K)에 비해 수십에서 수백배의 열전도도를 가진다. 따라서, 상술한 바와 같이 표면적과 열전도도가 기존의 재료에 비해 매우 큰 탄소나노튜브를 방열판에 적용될 경우 획기적으로 열교환 효율을 높일 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 점에 착안하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브를 방열판에 적용하여 열교환 효율을 극대화할 수 있도록 한 방열판 구조 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예는 철 및 철이 첨가된 합금 중 하나로 형성된 방열판; 그리고 상기 방열판의 표면 상에 성장된 탄소나노튜브층;을 포함하는 방열 구조체를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는 열교환을 통하여 외부로 열을 방출하는 방열 구조체의 제조 방법에 있어서, 철 및 철이 첨가된 합금 중 하나로 방열판을 형성하는 단계; 및 상기 방열판의 표면 상에 탄소나노튜브층을 성장시키는 단계;를 포함하는 방열 구조체의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 방열판 구조를 나타낸 도면이다. 부연하면, 도 2(가)는 본 발명에 따른 방열판 구조의 사시도이고, 도 2(나) 및 (다)는 부분 상세도이다.

도 2(가)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열판 구조는 종래의 방열판(100)의 외부, 즉, 모든 표면에 탄소나노튜브층(212)이 형성된다. 설명을 돕기 위하여 도 2(가)에는 단면(205)이 제시되는데, 이는 본 발명에 따른 방열판 구조를 수직방향으로 절단하였을때 나타나는 구조이다. 즉, 참조번호(207)은 알루미늄 또는 구리등으로 이루어진 방열판의 층이며, 상술한 바와 같이, 그 위에 탄소나노튜브층(212)이 형성되는데, 이는 도 2(나)의 부분 상세도를 통하여 알 수 있다.또한, 도 2(다)는 알루미늄 또는 구리등으로 형성된층(207)상에 형성된 탄소나노튜브층(212)의 상세도이다. 도 2(다)에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(212a~212n)는 외부로 향하는 일단이 첨예하게 형성된다.

한편, 이러한 탄소나노튜브층(212)은 화학기상증착법 또는 도포방법으로 형성될 수 있다. 화학기상증착법은 열 화학기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법등이 사용될 수 있는데, 이 경우, 먼저, 종래의 방열판(100)에서 사용되고 있는 알루미늄이나 구리의 표면(207)상에 탄소나노튜브를 성장시키기위한 촉매로서 전이금속을 증착한다. 전이금속의 증착은 스퍼터링방법이나 전자빔을 이용한 승화기(electron beam evaporator) 또는 전기도금법 등이 가능하며 대량생산 시에 는 전기도금법이 유리할 것으로 판단된다. 이때 방열판의 소재가 철이나 철이 첨가된 합금인 경우, 철 자체가 전이금속이므로 별도의 촉매증착과정은 필요하지 않다. 그 후에 열 화학기상증착이나 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 방열판의 표면에 성장시킨다.

또한, 도포방법의 경우는, 아크방전이나 레이저 증착법을 이용하여 얻어진 탄소나노튜브를 방열구리스나 접착용제를 사용하여 방열판 표면에 도포하는 방법을 사용한다. 즉, 방열구리스 또는 접착용제를 종래의 방열판 표면에 도포하고, 그후에 분말 형태의 탄소나노튜브를 분사등의 방법으로 방열구리스 또는 접착용제와 결합하도록 하여 탄소나노튜브층(212)을 형성한다.

상술한 바와같은 방법으로 구성된 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판구조는 기존의 방열판에 비해 표면적이 500~1000배정도 증가된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전자소자등 열을 발생하는 장치에서 발생되는 열은 종래의 구리나 알루미늄 소재의 방열판에서 흡수되고, 대부분의 열교환이 이루어지는 공기의 계면에 형성된 탄소나노튜브층(212)을 통하여 공기중으로 신속히 배출하는 원리로 동작되는데, 상술한 바와 같이, 탄소나노튜브는 열전도도와 표면적이 매우 크므로, 발생된 열이 신속히 공기중으로 방출된다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판 구조는 상술한 바와 같은 집적도가 높은 전자회로 칩등의 소형장치뿐 만 아니라, 압축 및 응축을 통하여 열을 방출하는, 예를 들면, 에어컨디셔너, 기계장치에도 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명은 탄소나노튜브를 채용하여 방열판 구조를 형성함으로써, 열교환효율 향상을 통해 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라, 전자소자의 소형화가 가능하고, 고 집적화된 전자회로 칩의 열 배출 문제를 해결함으로써 동작 회로의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 높은 열교환효율로 인해 송풍팬을 이용한 열의 강제배출문제가 해결될 수 있어 개인용 PC 등의 소음을 획기적으로 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 철 및 철이 첨가된 합금 중 하나로 형성된 방열판; 그리고

   상기 방열판의 표면 상에 성장된 탄소나노튜브층;을 포함하는 방열 구조체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브층은 화학기상증착법을 통하여 상기 방열판의 표면 상에 성장되어 있는 방열 구조체.
3. 삭제
4. 열교환을 통하여 외부로 열을 방출하는 방열 구조체의 제조 방법에 있어서,

   철 및 철이 첨가된 합금 중 하나로 방열판을 형성하는 단계; 및

   상기 방열판의 표면 상에 탄소나노튜브층을 성장시키는 단계;를 포함하는 방열 구조체의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브층은 화학기상증착법으로 성장시키는 방열 구조체의 제조 방법.
6. 삭제

Images