KR100971780B1 - 비정질 탄소 미립자를 포함하는 흑연 방열재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기기 등에서 발생하는 열의 방열에 대한 열관리 시스템에 관한 것으로 박리된 흑연 시트 내에 존재하는 공극을 비정질 탄소 미립자로 채워줌으로써 수평방향의 열 확산뿐만 아니라 수직방향으로의 열전도도를 더 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과적인 방열재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 비정질 탄소 미립자는 열적 등방성이고, 그 구조는 흑연과 다이아몬드의 극미세결정으로 이루어져 있으며, 그 크기는 10-110nm가 바람직하다.

흑연, 비정질 탄소 미립자, 열전도도, 방열재

Description

비정질 탄소 미립자를 포함하는 흑연 방열재 및 그의 제조방법{Graphite cooling material containing amorphous carbon nanogranules and manufacturing method thereof}

본 발명은 방열 시트, 방열 롤(roll), 방열 패드, 방열 플레이트 등의 제조에 사용하는 흑연계 방열 소재에 관한 것이다. 특히 각종 전자제품의 집적회로, LED 등의 광원에서 발생하는 열을 방출시키는 방열 소재에 관한 것으로 노트북 컴퓨터, 휴대용 PC, 일반 PC, 휴대용 단말기, 디스플레이 패널 LCD 관련 제품 등의 전자기기에 있어 과도한 온도 상승에 따른 문제점으로 인한 신뢰성 저하와 내구성 저하를 방지하는 열적 방열 소재에 관한 것이다.

최근 LCD, PDP, LED TV 뿐만 아니라, 모든 전자기기, LED 전자 조명기기 등에 있어 고효율, 고기능성으로 인하여 작은 면적에서 다량의 열이 발생하게 된다. 즉, 고효율, 고기능성, 경박 단소의 부품에 대한 사회적 수요 증가에 따라 전자제품의 세트, 부품, 모듈 등을 수요에 맞추어 설계하다 보면 증가하는 발생 열이 중요한 이슈로 발생하게 된다.

현재까지의 기술은 1960년대부터 박리된 천연 흑연을 압축 성형하여 시 트(sheet) 또는 가스켓의 형태로 사용하였다. 그러나, 흑연은 압축에 의한 이방성 배열을 갖게 되며, 압축 정도에 따라 그 열전도율이 수평면방향 150W/mk 이상 수직방향 3-7W/mk 이하이고, 가장자리(edge) 면으로 열을 확산시키고 방열시키는 기전을 사용하여 왔다. 또한 종래에는 알루미늄, 동 등을 이용하는 열적 방열 시스템으로도 사용하였으나, 금속재료의 열적등방성으로 방열판의 핫 스팟(hot spot) 발생은 피할 수 없었다.

또한 종래의 흑연 시트 내에 존재하고 있는 공기층은 열전도율 0.025W/mk로 수평면 방향 및 수직 방향으로의 열 전도율 저하의 한 원인이다. 또한 종래에 수직 방향으로 열 전달을 하기 위하여 레진에 함침하고 압축 성형 후 불활성 기체 중에 열분해를 시키는 방법이 있으나, 공정이 복잡하고 유독 가스의 발생, 추가로 과다한 열적 에너지소비의 문제점 및 제조비용 상승으로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서 열 전도율이 매우 뛰어나며, 핫 스팟이 발생하지 않고, 경제적인 방열 소재에 대한 필요성이 끈임 없이 제기되어 왔다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열 전도율이 뛰어난 방열재를 제공하는 것이다.

보다 구체적으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열원에 접촉된 면에서 수평면 방향으로의 열전도도와 열확산 효율이 증대될 뿐만 아니라, 수직 방향 의 방열량이 획기적으로 개선되어 전자제품 등에 이용시 그 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효율적인 방열재를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 팽창된 천연 흑연(graphite)을 압축 성형시 포함되는 공극 내에 비정질 탄소 미립자가 충진되어 이루어지는 구조를 특징으로 하는 방열재를 제공한다.

현재까지의 기술은 인상 흑연(graphite)을 소정의 입도로 분쇄하고 산화처리하여 약 80-150℃로 인터카레이션(intercalation)시킨 후 세척하여 건조한다. 인터카레이션된 흑연은 160℃이상에서는 팽창을 시작하는데 특히 600-1,000℃의 온도의 팽창로에서 팽창시키면 흑연의 입자는 C축 방향 즉 흑연 입자의 결정면에 수직인 방향으로 80-1000배 이상 팽창하게 된다.

본 명세서에 있어 통상의 흑연 분말이란 30 내지 80 메쉬의 입경 크기를 갖는 흑연 분말을 말한다.

통상적으로 흑연 시트 제조는 압축률 30% 이상으로 팽창 부피가 약 180-250 ㎖/g의 흑연을 사용하여 롤러(roller) 압축 성형하여 사용한다.

롤러 압축 성형 후의 시트의 밀도는 0.8-1.25 g/㎤까지 가능하며 팽창흑연의 입자와 롤러에 가하여지는 압력으로 조절할 수 있고, 두께는 0.1-6.0mm까지 제조 가능하다.

팽창된 흑연의 롤러 압축 성형에 의하여 압축률이 증가하면 증가할수록(밀도가 커지면 커질수록) 수평방향의 열전도도에 대한 수직방향의 열전도율이 커지므로 서 열적 이방성은 증가하게 되어, 열 확산 성능은 좋아지나 전자 부품의 수직면으로의 열 확산율 및 전도율은 낮아 가장자리(edge) 면에서의 방열 부하는 증가하게 된다. 이는 넓은 면적이 있는 시트의 후면으로의 방열은 더 어려워짐을 의미하며 밀도가 높아질수록 흑연 시트의 열확산기로서 작용은 우수하나 수직 방향의 면에서 방열은 공기와의 대류에 의한 방열이므로 수직면의 열전도율 저하는 후면에서 방열성능은 낮을 수밖에 없다.

압축 팽창된 흑연 내에는 공극이 존재하는데, 이 공극에 존재하는 공기는 열전도율이 0.025 W/mk로 수직 방향 및 수평면 방향으로의 열전도율 저하의 원인이 된다. 또한 전자현미경 사진에서 보는 바와 같이 수평면방향으로는 길고 수직 방향으로 짧게 존재함을 알 수 있다. 즉 시트의 공극을 극소화시키면 수평면 방향의 열전도율은 좋아지나 후면의 열전도율은 저하된다.

따라서 본 발명은 이러한 흑연 시트의 공극에 비정질 탄소 미립자를 채울 경우 수직면에서의 공기와의 대류에 의한 냉각성능 향상과 수평방향으로의 열전도 향상으로 열적 이방성은 크면서도 수직면으로의 방열이 획기적으로 증가한다는 놀라운 발견에 기초한다.

통상의 흑연의 이론밀도가 약 2.28 g/㎤이고, 이러한 흑연을 이용하여 종래방법의 압축 롤러에 의하여 제조한 시트의 밀도는 0.8-1.25 g/㎤이므로 통상의 흑연의 이론밀도의 대략 45-65% 정도의 공극이 흑연 시트 내에 남아 있다.

이러한 비정질 탄소 미립자는 압축성형 공정에서 성형체의 밀도를 높여줌으로써 열확산 및 열전도율를 향상시킬 수 있다. 비정질 탄소 미립자는 상기 이론밀 도의 45-65% 공극의 존재를 작게는 15-55%의 공극으로 줄이며 밀도에 따라서 열전도율 성능을 제어할 수 있다.

흑연 시트의 수직면으로 방열을 위하여 열적 등방성 물질인 금속(Al, Cu 등) 입자를 혼합하는 방법과 흑연 미립자의 입도 배합을 생각할 수 있으나 금속의 혼합방법은 금속입자의 미립화에 많은 어려움이 있으며, 가격 측면에서 비경제적이고, 또한 상대적으로 시트의 무게를 증가시키는 문제가 발생한다. 또한 흑연 미립자의 입도 배합은 팽창 흑연의 분쇄가 어려울 뿐만 아니라 입도 배합후 압축성형 과정 중 미립 흑연의 배향성으로 인하여 수직면과 수평면 방향으로서의 열전도율 동시 향상은 어렵고, 또 이를 제어하는 것도 어렵다.

본 발명에 따른 상기 팽창된 흑연의 공극에 충진되는 비정질 탄소 미립자는 피치, 코크스, 천연가스 및 타르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 천연가스, 타르 등을 불완전 연소시켜 생긴 그을음을 모으거나 이들을 열분해하여 제조할 수 있다.

비정질 카본은 탄소의 동위원소 중 흑연이나 다이아몬드와 같이 확실한 결정구조를 갖지 않으며, 비정질 카본은 엄밀하게 말하면 완전한 비정질이 아니고 극히 작은 흑연과 다이아몬드구조의 결정이 모인 것이다.

비정질 고체의 구조를 지배하는 요인의 하나는 결합이다. 원자 간의 결합에는 지향성 결합과 무지향성 결합이 있다. 지향성 결합은 공유 결합이 있고 무지향성 결합에는 이온결합, 반데르발스 등에 의한 결합이 있다. 이러한 결합으로 만들어진 원자 사이 배열에는 각각의 독특한 특징이 있는 것이 잘 알려져 있다. 배열의 규칙성은 결정 상태에서는 완전하게 나타나지만 비결정성 고체에서도 나타날 수 있다.

비정질 탄소 미립자에서도 이러한 지향성 결합에 따른 규칙성이 나타날 수 있다. 탄소 원자에는 1개의 2S 궤도와 3개의 2P 궤도가 있다. 결합할 때 위 4개의 궤도가 혼성하여 SP³혼성 궤도가 생기면 다이아몬드형 구조가 되고, 3개의 궤도가 SP²혼성궤도가 생길 때 흑연 구조가 된다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 비정질 카본 미립자의 X-선 회절 도형에서 보면 2θ 26° 흑연의 (002)면의 회절 피크와 2θ 44°부근의 다이아몬든 면의 회절 피크를 볼 수 있다. 이 결과에서 비정질 카본 미립자의 구조를 생각해보면 하기 그림과 같이 두 종류의 영역(Domain)이 합쳐진 것으로 판단된다.

즉 영역 D에서는 카본 원자는 다이아몬드형의 구조이고 G영역에서는 흑연 구조를 갖고 있다. 각각은 수십 A°의 크기이고 각각의 배열 모양은 완전한 무방향성(random)을 나타낸다. 상기 그림에서와 같이, 비정질 탄소 미립자는 각각 구성된 원자의 배열의 결정구조와 같으며 열적으로는 등방성이고 열전도율은 다이아몬드와 그라파이트의 본질적 특성을 나타냄을 알 수 있다.

다이아몬드는 열전도율이 구리보다 우수하며 등방성이고, 흑연은 열전도도가 이방성을 나타내며 수평면방향으로 문헌적으로 보면 약 230W/mk 이상이고 축방향, 수직방향으로는 약 5W/mk이하로 알려져 있으나, 비정질 탄소 미립자에서는 구조상 무질서한 미정질의 응집체로서 열적으로는 등방성의 흑연과 다이아몬드로 볼 수 있다.

흑연의 등방성 성형물에서 열전도도는 밀도 1.75g/㎤시 80W/mk이며, 1.85g/㎤시 160W/mk로 이방성 흑연 시트의 수평면 방향축에 비하여 등방성 흑연은 열전도가 떨어지지만 좋은 열전도도를 갖고 있음을 알 수 있다.

이러한 비정질 탄소 미립자는 그 입경이 10 내지 110 nm인 것이 바람직하다. 이러한 범위의 비정질 탄소 미립자를 이용할 때 방열 효과가 최대화될 수 있으며, 흑연의 압축 성형 시 흑연 입자와 입자 사이에 쉽게 침입된다.

본 발명에 따른 방열재에 있어 비정질 탄소 미립자의 함량은 팽창된 흑연과 비정질 탄소 미립자의 총 중량 대비 5 내지 30 중량%인 것이 바람직하다. 5-30 중량%의 범위일 때 양산성 만족과 성능향상, 즉 이는 수평방향과 수직방향의 열전도율이 획기적으로 개선된다. 5% 미만의 경우는 효과가 미미하고 30% 이상의 비정질 탄소의 배합은 안정적 생산성과 신뢰성에 미흡한 결과를 보일 수 있다.

따라서 본 발명은 상기의 목적 달성을 위해 전자제품의 회로기판의 각종 집적회로 상단, 디스플레이장치의 광원 등으로부터 발생하는 열을 패널과 기구물인 케이스에 직간접 접촉하여 열 확산과 방열 솔루션을 제공한다.

상기의 솔루션은 흑연 시이트 제조 방법에 있어 흑연을 인터카레이션시켜 400배에서 1000배까지 팽창한 박리 흑연과 함께 비정질 카본 미립자를 혼합하고 이를 롤러 압축 성형하여 종래의 이방성 시트의 성능향상과 수직방향으로는 등방성 열적 특성을 4-5배 이상 현저히 향상시키는 제조방법이다.

즉, 비정질 탄소 미립자를 흑연 팽창 중에 혼입하거나 캘린더 공법으로 압축 성형시 혼합시켜 시트 또는 롤 형태로 제조하거나, 입체형 형상 또는 방열패드, 방열 플레이트, 방열 필름으로 제조할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 (S1) 통상의 팽창 흑연 및 비정일 탄소 미립자의 총 중량 대비 5 내지 30 중량%의 비정질 탄소 미립자를 팽창된 흑연에 혼합하는 단계; 및 (S2) 상기 (S1)단계의 혼합물을 압축 성형하는 방열재 시트를 제조하는 단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 방열재 제조 방법을 제공한다.

예를 들어, 상기 (S2)단계에서는 압축률이 30% 이상이고, 성형압력은 400kg/㎠~1.5ton/㎠이며, 온도는 대략 상온에서, 예를 들어, 5개의 롤러를 통과시키고, 이때 시간은 약 1-3분의 시간 동안의 롤러 압착하여 밀도 및 두께를 조절할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 방열재는 수직 열전도보다 상당히 큰 수평 열전도도와 열확산을 제공하지만 그간의 단점인 수직 열전도 효과를 더 향상시켜 더 나은 열적 해결책을 제공한다. 상기 방열재는 사용자의 요구에 따라 하나 이상의 접착제 또는 고분자 필름(PET, PE, PI 등 이용)을 본 발명의 방열소재 표면에 부착하는 방법과 화학 코팅(UV, PAN코팅 등 이용)을 사용하여 생산, 조립시 편리성을 도모하며 전자 제품의 부품 및 패널, 케이스에 적용하고 용도에 맞게 비전도성과 전도성 접착제로 압착하여 제공함을 포함한다.

고분자 필름(PET, PE, PI 등 이용)을 본 발명의 방열소재 표면에 부착하는 방법과 화학 코팅(UV, PAN) 물질을 중량의 4% 이상 사용하며, 4-30%가 적절하고, 중량의 약 50%까지 이용할 수 있다. 이때 산화처리 후 함침 방법과 산화처리 하지 않고 함침하는 방법이 있으나 산화처리 하지 않고 함침하는 방법도 무방하다.

접착제는 양면테이프로서 내열 온도가 80-180℃까지 내열성 있는 테이프를 사용한다.

또한 수지를 함유시키고 탄성을 제안함에 그치지 않고 직접 점착 처리하여 전도성 접착제 및 방열 테이프로도 사용함을 제공하며 이는 방열소재를 다양하게 적용을 할 수 있도록 한다.

본 발명은 초슬림, 초경박 제품이 요구되는 최근의 전자 제품 개발 및 생산 동향으로 볼 때 전자 회로로 구성된 전자기기에서 발생하는 열을 효과적으로 제어할 수 있는 열확산 및 방열 소재로서 다양한 용도에 적용될 수 있고 기존의 방열 방법보다 4배 이상 효용성을 극대화할 수 있다. 이 방열 소재는 경제적인 측면과 함께 적용되는 제품 세트 중량을 줄일 수 있고 전자기기의 슬림화에 지대한 영향을 끼칠 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

<실시예 1>

본 발명에서 사용한 흑연은 380 ml/g의 높은 팽창 부피를 갖는 팽창흑연을 사용하여 미팽창흑연에 의한 열적 성질 저하를 방지하고 60nm의 비정질 카본 미립자를 일정량 혼합하였으며 압축율을 30% 이상으로 롤러(roller) 압축성형 공법에 의한 압축성형으로 시트의 밀도를 1-2 g/㎤의 시트를 제조하였다.

하기 표 1과 같이, 팽창된 흑연에 비정질 탄소 미립자를 혼합하였다. 각각을 두께 1㎜, 압축율 30% 이상, 압력 500-700㎏/㎠로 시트 제조하였다.

샘플 번호	흑연 (중량%)	비정질 탄소 미립자 (중량%)
1	100	0
2	95	5
3	90	10
4	85	15
5	80	20
6	70	30

제조된 샘플들의 열 전도율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

샘플 번호	비정질 카본 미립자 혼입 함량	밀도 g/㎤	수평 방향		수직 방향
			열전도율 W/mk	성능향상	열전도율 W/mk	성능향상
1	0	1.0	480	기준	5.2	100%기준
2	5%	1.58	512	6.7%	15.8	304%
3	10%	1.61	532	10.8%	20.5	394.2%
4	15%	1.67	548	14.2%	25.7	494.2%
5	20%	1.68	552	15%	26.3	505.7%
6	30%	1.69	561	16.9%	26.5	509.6%

상기 표 2에 나타나는 바와 같이, 비정질 탄소 미립자가 함유됨에 따라 열전도율이 매우 개선되었다.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에서 사용된 비정질 탄소 미립자의 X선 회절 도형이다. 비정질 카본 미립자의 X-회절 도형에서 보면 2θ 26°부근의 흑연(002) 면의 회절 피크와 2θ 44°부근의 다이아몬드 면의 d 값에 의한 회절 피크를 관찰할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 SEM 사진으로, 흑연과 비정질 탄소 미립자의 혼합된 단층 촬영 사진이다.

Claims (5)

1. 팽창된 천연 흑연(graphite)을 압축 성형시 포함되는 공극 내에,

   흑연과 다이아몬드 구조의 미세결정이 공극없이 치밀하게 모여 형성된 응집체로서 비정질의 특성을 나타내며, X-선 회절 측정 시 흑연 면의 회절 피크와 다이아몬드 면의 회절 피크 모두를 나타내고, 열적으로 등방성이며, 그 입경이 10-110 nm인 비정질 탄소 미립자가 충진되어 있으며,

   상기 비정질 탄소 미립자의 함량은 팽창된 흑연과 비정질 탄소 미립자의 총 중량 대비 5 내지 30 중량%인 것을 특징으로 하는 방열재.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 비정질 탄소 미립자는 피치, 코크스, 천연가스 및 타르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 방열재.
4. 삭제
5. (S1) 흑연과 다이아몬드 구조의 미세결정이 공극없이 치밀하게 모여 형성된 응집체로서 비정질의 특성을 나타내며, X-선 회절 측정 시 흑연 면의 회절 피크와 다이아몬드 면의 회절 피크 모두를 나타내고, 열적으로 등방성이며, 그 입경이 10-110 nm인 비정질 탄소 미립자를 사용하여,

   팽창된 흑연과 비정질 탄소 미립자의 총 중량 대비 5 내지 30 중량%의 비정질 탄소 미립자를 팽창된 흑연에 혼합하는 단계; 및

   (S2) 상기 (S1)단계의 혼합물을 압축 성형하는 방열재 시트를 제조하는 단계;를

   포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 방열재 제조 방법.

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