KR101009500B1 - 가요성 그래파이트 바닥설비용 열 확산기 - Google Patents

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Abstract

플로어 가열 시스템이 열전달 관계에 있는 가열 또는 냉각 요소를 갖는 바닥설비용 기판을 포함한다. 열 확산기가 상기 바닥설비용 기판과 열전달 관계에 있다. 상기 열 교환기는 가요성 그래파이트 재료층을 포함한다. 플로어 덮개가 가요성 그래파이트 재료층을 덮는다. 플로어 덮개의 노출면을 가로지르는 온도 변화는 가요성 그래파이트 열 교환기에 의해 감소하고, 따라서 플로어 및 이 플로어와 연계된 룸에 대해 보다 개선되고 균일한 열을 제공한다.

Description

가요성 그래파이트 바닥설비용 열 확산기{FLEXIBLE GRAPHITE FLOORING HEAT SPREADER}
본 발명은 하기의 상세한 설명에 의해, 특히 첨부된 도면을 참조할 때보다 용이하게 파악될 것이고 그 장점을 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도 1, 1A는 본 발명에 따른 엠보싱된 가요성 그래파이트 시트의 한 벽면의 단면을 50배 확대한 포토마이크로그래프인데, 무공극(void-free)(도 1) 및 비-무공극(non-void-free)(도 1a) 가요성 그래파이트 시트를 이용하여 얻을 수 있는 조직형태(morphology)를 보여준다.
도 2는 도 1, 1a의 가요성 그래파이트 시트를 제조하는데 사용되는 엠보싱 장치의 일실시예의 부분 단면도이다.
도 2a는 도 2의 엠보싱 장치의 실시예의 부분 단면도로, 엠보싱이 막 시작될 때의 모습이다.
도 2b는 도 2의 엠보싱 장치의 엠보싱이 생성될 때의 모습이다.
도 2c는 도 2의 엠보싱 장치의 사시도이다.
도 3은 가요성 그래파이트 시트의 단면의 확대 스케치한 것이다.
도 4a-4c는 상이한 패턴의 국부 압축을 보여주는 가요성 그래파이트의 스케치이다.
도 5는 도 3의 시트의 국부적 표면 압축을 수행하는 장치의 사시도이다.
도 6은 도 5의 시트를 압축 후에 확대하여 스케치한 것이다.
도 6a는 도 6의 시트의 측면도인데, 납작한 형태로 변형된 표면의 압축 후에 본 것이다.
도 7은 도 3의 시트의 확대된 측면도인데, 양쪽 표면이 횡으로 변형되어 있다.
도 7a는 도 7의 시트의 측면도인데, 납작한 형태로 변형된 표면의 압축 후에 본 것이다.
도 8은 본 발명의 가요성 그래파이트 열 확산기를 이용하는 가열된 바닥설비용 장치의 개략적 측면 절취도(cut-away view)이다.
도 9는 도 8의 바닥설비용 장치의 사시도로, 각각의 세부를 나타내기 위해 인접하는 층들이 절취되어 있다.
도 10은 튜브 장치가 부착된 목재 서브 플로어를 갖는 다른 형태의 바닥설비용 기판의 개략적 단면도이다.
도 11은 목재 플로어를 갖는 바닥설비용 장치의 다른 버전을 도시한 것이다.
본 발명은 Mercuri 등이 발명하여 "소정의 이방성 특성을 갖는 그래파이트 제품 및 그 처리방법"이라는 명칭으로 2001. 4. 4. 출원된 미국 출원 제09/826,229호의 부분 계속출원이다. 본 발명은 또한 Norley 등이 발명하여 "이방성 열 솔루션"이라는 명칭으로 2001. 4. 4. 출원된 미국 출원 제09/826,225의 부분 계속출원이다.
본 발명은 이방성비(anisotropic ratio)처럼 소정의 이방성 특성을 갖는 그래파이트 제품에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 인터카레이트되고(intercalated) 박리된(exfoliated) 그래파이트의 박편(flake)으로부터 형성되고, 미리 설정되고 제어가능하게 실행된 수평 전도도 대 수직 전도도 비를 갖는 재료로 형성된 제품에 관한 것이다. 이 제품은 바닥설비용 방사 가열 장치(radiant flooring heating system) 등의 일부로 사용되는 열 확산기일 수 있다. 본 발명의 제품을 제조하는 방법 또한 제공된다.
처리 속도를 증가시킬 수 있는 전자 부품이나 특정한 열 전도도 및 전기 전도도를 요하는 연료 전지 부품과 같이 점점 복잡해지는 기술적인 부품들의 개발로 인해, 특정 부품의 재질로서 천연 그래파이트가 선택되고 있다. 천연 그래파이트는 전기 전도도 및 열 전도도, 그리고 특히 구리나 스테인레스강 등의 금속에 비해 상대적으로 적은 중량으로 형성될 수 있는 점과 같이 여러 바람직한 특성을 결합하고 있어서 특히 유리한 재료로 여겨진다. 이와 같이, 그래파이트 제품은 전자제품(구체적으로, 열적 경계물질, 열 확산기 및 히트 싱크(heat sink)), 유동장 플레이트 및 가스 확산층 등의 PEM 연료 전지 부품, 그리고 플로어 가열장치의 부품 등에서의 열 관리(thermal management)를 포함, 다양한 분야에서 제안되어 왔다.
마이크로일렉트로닉 장치에서 열 방출에 대한 요구가 증가함에 따라, 열관리는 전자 제품의 설계에 있어 점점 중요한 요소로 자리 잡아가고 있다. 주지하는 바와 같이, 전자 장비의 성능 신뢰도와 기대수명은 장비의 부품 온도에 반비례한다. 예를 들어, 통상적인 실리콘 반도체와 같은 장치의 작동온도가 감소하면 장치의 신뢰성과 기대 수명은 기하급수적으로 상승할 수 있다. 따라서, 부품의 수명과 신뢰성을 극대화하기 위해서는, 장치의 작동 온도를 설계자가 정한 제어한계 내에서 유지하는 것이 매우 중요하다.
히트 싱크는 열 발생 전자 부품과 같은 열원의 표면으로부터 통상적으로 공기인 냉각 환경으로 열 발산을 용이하게 하는 요소이다. 많은 통상적인 경우, 부품의 단단한 표면과 공기 사이의 열 전달은 장치 내부에서 가장 비효율적이고, 따라서 단단한 표면-공기 인터페이스는 열 발산에 있어 가장 큰 장애를 의미한다. 히트 싱크는 공기와 직접 접촉하는 표면 영역을 증가시킴으로써 부품과 주변 공기간의 열전달 효율을 증가시킨다. 이로 인해 보다 많은 열이 발산되고 따라서 장치 작동 온도를 낮춰준다. 히트 싱크의 주요 목적은 장치를 설계자/제조자에 의해 정해진 최대 허용 온도 이하로 유지하도록 도와주는 것이다.
통상적으로, 전체 구조에 대해 열 흡수 및 전달이 용이한 구리의 특성을 감안하여, 히트 싱크는 금속, 특히 구리나 알루미늄으로 제조된다. 많은 적용분야에서, 구리 히트 싱크는 히트 싱크의 표면적을 증가시키기 위해 핀들(fins) 또는 기타 구조로 형성되는데, 구리 핀들 사이로 공기가 (팬 등에 의해) 압송되어 전자 부품으로부터 구리 히트 싱크를 거쳐 공기로 열 발산을 수행한다.
그러나 구리 히트 싱크의 사용에는 제한들이 있다. 한가지 제한은 구리의 상대적 등방성, 즉, 구리 구조의 구조 전체에 비교적 고르게 열을 분산하는 경향이다. 이러한 구리의 등방성은 구리 히트 싱크로 전달되는 열이 공기로의 가장 효율적인 전달이 발생되도록 핀들로 전달되기보다는 구조 자체에 대해 분산됨을 의미한다. 이것은 구리 히트 싱크를 이용할 때 열 발산 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 구리 또는 알루미늄 히트 싱크의 사용은, 특히 가열 면적이 히트 싱크 면적보다 훨씬 작은 경우, 금속의 무게로 인해 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 순수 구리는 입방 센티미터당 그램(g/cc)이 8.96이며 순수 알루미늄은 2.70 g/cc이다(이에 비해, 여기에 개시된 형태의 그래파이트는 통상적으로 대략 0.4 내지 1.8 g/cc사이의 값을 갖는다). 많은 적용분야에서, 다수개의 히트 싱크가 예를 들어 회로판위의 다양한 부품들로부터 열을 발산하기 위해 회로판 위에 정렬될 필요가 있다. 구리 히트 싱크가 사용된다면, 구리 자체의 무게만으로도 회로판의 균열이나 이와 맞먹는 나쁜 영향들이 발생할 가능성을 증가시키며, 부품 자체의 무게를 증가시킨다. 또한, 구리는 금속이므로 금속에 흔한 표면 불균일과 변형을 가지며, 구리 히트 싱크와 접하는 전자 부품의 표면 역시 금속이거나 알루미늄 옥사이드 또는 세라믹 물질과 같은 비교적 단단한 물질일 가능성이 높으므로, 부품으로부터 구리 히트 싱크로 열 전달을 극대화하기 위해 부품과 구리 히트 싱크간에 완벽한 접촉을 만드는 것은 비교적 큰 압력으로 장착하지 않고서는 곤란하다 할 것인데, 이는 전자 부품의 손상을 초래할 수 있어 바람직하지 못하다. 더욱이, 금속에 있어서 피할 수 없는 산화물층이 열전달에 심각한 장애를 준다. 반면, 그래파이트에는 산화물층이 형성되지 않는다.
이온교환막 연료전지(ion exchange membrane fuel cell), 더욱 상세하게 양자교환막(PEM) 연료전지는 공기 중의 산소와 수소의 화학 반응을 통해 전기를 생성한다. 이 연료전지 내에서, 애노드와 캐쏘드로 지칭되는 전극들이 폴리머 전해질을 둘러싸고 막전극 접합체(MEA; membrane electrode assembly)로 알려진 구조체를 형성한다. 흔히, 이 전극들은 연료전지 내에서 가스확산층(GDL; gas diffusion layer)으로서도 작용한다. 촉매 물질이 수소분자를 자극하여 수소 원자로 분리되도록 하면, 막에서 각 원자들이 양자와 전자로 분리된다. 전자들은 전기 에너지로 이용된다. 양자들은 전해질을 통해 이동하여 산소 및 전자들과 결합하여 물을 형성한다.
PEM 연료전지는 두 개의 그래파이트 유동장 플레이트 사이에 샌드위치된 막전극 접합체로 형성되는 것이 유리하다. 종래에는 막전극 접합체가 얇은 층의 촉매 물질, 특히 등방성 카본 입자(예컨대, 램프 블랙)에 코팅된 플래티늄 또는 플래티늄 그룹 금속을 상기 전극들 사이에 배열된 양자교환막의 한 측면에 부착시킨, 임의배향(random-oriented) 탄소 섬유 페이퍼 전극(애노드 및 캐쏘드)로 이루어진다. 작동시, 수소가 유동장 플레이트들 중 한 플레이트의 채널을 통해 애노드로 유동하고, 여기서 촉매가 수소 원자로, 후속하여 양자 및 전자로의 분리를 촉진하고, 양자들은 막을 통과하고 전자들은 외부 부하(external load)를 통해 유동한다. 공기가 유동장 플레이트들 중 다른 플레이트의 채널을 통해 캐쏘드로 유동하고, 여기서 공기 중의 산소가 산소 원자들로 분리되고, 이 원자들이 양자교환막을 통해서는 양자들과, 회로를 통해서는 전자들과 만나서 물을 형성하도록 결합한다. 이 막은 절연체이므로, 전자들은 전기가 사용되는 외부 회로를 통해 이동하여 캐쏘드에서 양자와 만난다. 캐쏘드측에서의 공기 흐름은 수소와 산소의 결합에 의해 형성된 물을 제거시키는 메커니즘이다. 이와 같은 연료전지들의 결합이 연료전지 스택(stack)에 사용되어 원하는 전압을 제공한다.
최근 들어, PEM 연료전지의 특정 부품으로서 천연 그래파이트 재료를 사용하는 것이 제안되어 왔다. 예를 들어, 오하이오 레이크우드에 소재한 Graftech Inc.으로부터 구입할 수 있는 GrafcellTM advanced flexible graphite materials와 같은 가요성 그래파이트 시트로 만들어진 가스 확산층 및 유동장 플레이트가 연료전지에 사용된 바 있다.
확장된(expanded) 그래파이트 재료를 사용하는 예열장치(prior heating system)가 미국특허 5,288,429; 5,247,005; 5,194,198에서 제안된 바 있다. 이들 장치에 사용된 그래파이트 재료는 일반적으로 등방성 열 전도도를 갖도록 제작되었다.
앞서 언급한 그래파이트 제품의 다양한 적용분야는 물론 구체적으로 언급하지 않은 기타 적용분야 각각은 최적화를 위해 특성의 변경을 요한다. 예를 들어, 열 확산기는 열을 가급적 빨리 효과적으로 확산시키기 위해 시트의 수평방향(즉, 시트의 주 표면을 따라) 열 전도도가 최대인 시트로 이루어질 것이다. 이에 비해, 일반적으로 역시 시트(sheet) 형태인 전기화학적 연료전지용 가스 확산층(전술한 바와 같이 전극으로도 기능할 수 있음)은 전류 흐름의 인도를 돕기 위해 일정 수준의 수직(즉, 주 표면들 사이의) 전기 전도도를 필요로 하는 동시에, 여전히 가능한 한 큰 수평 열 전도도 및 전기 전도도를 요한다.
그래파이트는 탄소 원자의 망상 구조 또는 육방 배열의 층 평면들로 구성되어 있다. 육방으로 배열된 탄소 원자의 이들 층 평면들은 실질적으로 편평하고 서로 실질적으로 평행하고 동일 거리에 있도록 배향(orient) 또는 정렬(order)된다. 일반적으로 그래팬(graphene)층 또는 바탕면(basal planes)으로 지칭되는, 실질적으로 편평하고 평행한 동일 거리의 탄소 원자의 시트 또는 층은 서로 링크되거나 결합되며 이들 그룹은 결정 상태로 배열된다. 잘 정렬된 그래파이트는 상당한 크기의 결정으로 구성되는데, 이러한 결정은 서로 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소층을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 그래파이트는 매우 바람직한 결정 방향을 갖는다. 그래파이트가 이방성(anisotropic) 구조를 가져 높은 방향성을 갖는 열 전도도 및 전기 전도도 그리고 유체 확산(fluid diffusion)과 같은 많은 특성을 나타내거나 가짐을 주목해야 한다.
요컨대, 그래파이트는 탄소의 라미네이트된 구조(laminated structure)를 특징으로 하며, 즉 상기 구조는 약한 반데르바알스 힘에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 라미내(laminae)로 구성된다. 그래파이트 구조를 고려할 때, 두 개의 축 또는 방향, 즉 "c" 축 또는 방향과 "a" 축 또는 방향이 일반적으로 언급된다. 단순히, "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c" 방향에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. 가요성 그래파이트 시트를 제조하는데 적절한 그래파이트는 매우 높은 방향성(orientation)을 갖는다.
전술한 것처럼, 탄소 원자의 평행한 층을 서로 유지시키는 결합력은 단지 약한 반데르바알스 힘이다. 천연 그래파이트는 중첩된 탄소층 또는 라미내 사이의 공간이 다소 개방되어 층에 수직한 방향, 즉 "c" 방향으로 현저한 팽창을 제공하여, 탄소층의 층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부푼 그래파이트 구조를 형성하도록 화학적 또는 전기 화학적으로 처리될 수 있다.
매우 팽창된, 보다 구체적으로 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 플레이크는 바인더의 사용 없이 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등(일반적으로 "가요성 그래파이트"로 지칭됨)과 같은 팽창된 그래파이트의 접착성 시트 또는 일체식(integrated) 시트로 형성될 수 있다. 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 입자를, 소정의 바인딩 재료를 사용하지 않고, 압축에 의해 일체식 가요성 시트로 형성하는 것은 큰 부피로 팽창된 그래파이트 입자 사이에서 달성되는 기계적 인터로킹(interlocking), 또는 응집(cohesion)으로 인해 가능하다고 믿어진다.
가요성 외에, 시트 재료는, 상기한 바와 같이, 롤러 프레싱과 같은 매우 큰 압축으로 인해 사이트의 대향면에 실질적으로 평행한 그래파이트 층 및 팽창된 그래파이트 입자의 방향성으로 인해서, 열 및 전기 전도도와 유체 확산에 있어 천연 그래파이트 기초 물질과 비교해 볼 때 큰 이방성을 갖는다는 것이 알려져 있다. 이렇게 제조된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 매우 높은 방향성을 갖는다.
요컨대, 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요성이 있고 바인더가 없는 이방성 그래파이트 시트 재료를 제조하는 방법은 실질적으로 편평하고, 가요성이 있는 일체식 그래파이트 시트를 형성하기 위해 소정의 하중 하에서 바인더 없이 초기 입자의 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 그래파이트 입자를 압축하는 단계를 포함한다. 일반적으로 외형이 벌레 모양인 팽창된 그래파이트 입자는 일단 압축되면, 압축 상태와 시트의 대향 주요면과의 정렬 상태를 유지한다. 시트 재료의 밀도와 두께는 압축 정도를 조절함으로써 변할 수 있다. 시트 재료의 밀도는 약 0.08g/cc 내지 약 2.0g/cc 범위 내에 있을 수 있다. 가요성 그래파이트 시트 재료는 시트의 대향하고 평행한 주요면에 평행한 그래파이트 입자의 정렬로 인해 상당한 정도의 이방성을 나타낸다. 롤러 프레스된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 대향하고 평행한 시트 표면에 수직한 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이 및 폭을 따른, 즉 대향된 주요면을 따른 또는 대향된 주요면에 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적 및 전기적 그리고 유체 확산 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대하여 그 크기가 매우 상이하게 된다.
전기적 성질에 있어서, 이방성 가요성 그래파이트 시트의 전도도는 가요성 그래파이트 시트의 주 표면들에 평행한 방향("a" 방향)으로 높고, 가요성 그래파이트 시트의 주 표면들을 관통하는 방향("c" 방향)으로 대체로 낮다. 열적 성질에 있어서, 가요성 그래파이트 시트의 주 표면들에 평행한 방향으로 가요성 그래파이트 시트의 열 전도도가 상대적으로 높고, 주 표면들을 관통하는 "c" 방향으로 상대적으로 낮다.
가요성 그래파이트 시트로 제조된 그래파이트 제품이 적용되는 다양한 분야들을 고려할 때, 특정의 최종 사용처에 대해 그래파이트 제품의 어떤 기능적 특성을 최적화하기 위해, 제품의 이방성비를 미리 설정하거나 제어하는 것이 매우 유리할 것이다. 이방성비란 열 전도도 또는 전기 전도도에 있어서 수직 전도도에 대한 수평전도도의 비를 의미한다.
본 발명은 박리되고 압축되어 이방성비, 더욱 바람직하게는 약 2 내지 약 250의 이방성비(열적 이방성) 또는 약 200 내지 약 5000의 이방성비(전기적 이방성)와 같이 미리 정해진 이방성 특징을 갖는 그래파이트 제품으로 된, 천연 그래파이트 플레이크를 포함하는 그래파이트 제품을 제공한다. 본 발명에 따른 제품의 이방성비(열 전도도, 전기 전도도 또는 열 전도도 및 전기 전도도의 조절된 방식의 균형에 있어서)는 그래팬층의 조절된 방향성 정렬에 의해 생성될 수 있다. 이것은 예를 들어 인터카레이션(intercalation) 및 박리(exfoliation) 전에 그래파이트 플레이크의 사이즈 조절; 완성된 그래파이트 제품을 형성하기 위한 박리된 그래파이트 입자의 몰딩; 그래파이트 제품 입자들의 배향을 기계적으로 변경하는 것(이는 그래파이트 제품의 밀착(impaction), 가요성 그래파이트 제품에 대한 전단력의 인가, 가요성 그래파이트 제품의 엠보싱, 그래파이트 제품의 국부적 밀착, 또는 이들의 조합에 의해 이루어짐); 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태로, 미리 정해진 이방성 특성을 갖는 완성된 그래파이트 제품을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 완성된 가요성 그래파이트 제품에 대한 요구되는 이방성 특징을 결정하는 단계; 박리된 그래파이트 입자를 형성하도록 그래파이트 플레이크를 인터카레이팅한 다음 박리시키는 단계; 박리된 그래파이트 입자를 그래팬층으로 이루어진 응집체(coherent article)로 되도록 박리된 그래파이트 입자들을 압축함으로써 기판 그래파이트 제품을 형성하는 단계; 원하는 이방성 특징을 갖는 완성된 그래파이트 제품을 제공하기 위해 기판 그래파이트 제품 내의 그래팬층을 방향성 있게(directionally) 정렬하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태로, 바닥설비용 기판(flooring substrate), 바닥설비용 기판과 열전달 관계에 있는 가열 또는 냉각요소, 및 바닥설비용 기판과 열전달 관계에 있는 열 확산기를 포함하는 바닥설비용 장치(flooring system)가 제공된다. 열 확산기는 바닥설비용 기판을 덮는 가요성 그래파이트 물질층을 포함한다. 플로어 덮개가 가요성 그래파이트 물질층을 덮는다. 플로어 덮개의 노출면 상의 온도 변동은 열 확산기로 기능하는 가요성 그래파이트 물질층을 제공함으로써 감소된다.
그래파이트는 평면 사이에서 약하게 결합된 상태에서 편평한 층 평면 내에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소 결정체이다. 천연 그래파이트 플레이크와 같은 그래파이트 입자를 예를 들어 황산 및 질산의 인터카렌트(intercalant)로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 조직이 반응하여 그래파이트와 인터카렌트의 혼합물을 형성한다. 처리된 그래파이트의 입자는 그 후 "인터카레이트된 그래파이트 입자"로 지칭된다. 그래파이트 내의 인터카렌트가 고온에 노출될 때, 인터카렌트는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수보다 약 80배 이상 큰 치수로 팽창한다. 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worm)로 지칭된다. 벌레는 가요성 시트 내에 압축될 수도 있고, 초기의 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있고 변형용 기계적 충격에 의해 작은 횡단 개구를 가질 수 있다.
본 발명에 사용되기에 적절한 가요성 시트용 그래파이트 초기 재료는 할로겐뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터카레이트시킬 수 있고 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 그래파이트 탄소질 재료(highly graphitic carbonaceous material)를 포함한다. 이들 고도의 그래파이트 탄소질 재료는 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화도(a degree of graphitization)를 갖는다. 본원에서 사용되는 것처럼, "흑연화도"란 용어는 g = [3.45-d(002)]/0.095에 따른 값 g를 지칭하며, 여기서 d(002)는 옹스트롬 단위로 측정된 결정 구조 내의 탄소의 그래파이트 층 사이의 거리이다. 그래파이트 층 사이의 거리 d는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수(Miller Index)에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 이들 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 거리를 유도하기 위해 표준 최소 자승법 기술이 이용된다. 고도의 그래파이트 탄소질 재료의 예로는 다양한 소스로부터의 천연 그래파이트뿐만 아니라 화학 기상 증착 등에 의해 준비된 그래파이트와 같은 다른 탄소질 재료를 포함한다. 천연 그래파이트가 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 가요성 시트용 그래파이트 초기 재료는 초기 재료의 결정 구조가 요구된 흑연화도를 유지하고 초기 재료가 박리될 수 있는 한 비-그래파이트 성분을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구된 흑연화도를 가지며 박리될 수 있는 탄소 함유 재료는 본 발명에 사용되기에 적절하다. 이러한 그래파이트는 애쉬(ash)의 함량이 바람직하게는 약 25중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 10중량% 미만이다. 가장 바람직하게, 본 발명에 사용되는 그래파이트는 약 94% 이상의 순도를 가질 것이다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 그래파이트는 약 99% 이상의 순도를 가질 것이다.
그래파이트 시트를 제조하는 방법은 본원에 참조되고 쉐인(Shane) 등에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시되어 있다. 쉐인 등에게 허여된 특허의 방법의 실행에서, 천연 그래파이트 플레이크는 예를 들어 질산과 황산의 혼합물을 함유하는 용액 내에 유리하게 100 중량부의 그래파이트 플레이크 당(pph) 약 20 내지 약 300 중량부의 인터카렌트 용액 레벨로 플레이크를 분산시킴으로써 인터카레이트된다. 인터카레이션 용액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 산화제와 다른 인터카레이팅제를 함유한다. 그 예로는 예를 들어 농축된 질산 및 클로레이트, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강 유기산 예를 들어 트리플루오로아세트산의 혼합물 또는 질산, 칼륨 클로레이트, 크롬산, 과망간산 칼륨, 칼륨 크로메이트, 칼륨 디크로메이트, 과염소산 등을 함유하는 용액 및 유기산에 용해가능한 강 산화제와 같은 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 것을 포함한다. 대안적으로, 전기 포텐셜이 그래파이트의 산화를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 그래파이트 결정에 유입될 수 있는 화학종은 황산뿐만 아니라 다른 산을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터카레이팅제는 황산, 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 등의 혼합 용액이다. 인터카레이션 용액은 염화제1철(ferric chloride), 및 황산과 혼합된 염화제1철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬 용액으로서의 브롬 및 유기 용매 내의 황산 또는 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수도 있다.
인터카레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 150pph 그리고 보다 일반적으로 약 50 내지 약 120pph 범위일 수 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다. 대안적으로, 인터카레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 50pph 범위로 제한될 수도 있는데, 이로 인해 본원에 참조된 미국 특허 제 4,895,713호에 개시되고 설명된 것처럼 세척 단계가 제거될 수 있다.
인터카레이션 용액으로 처리된 그래파이트 플레이크 입자는 예를 들어 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터카레이팅 용액의 표면 필름과 반응하는 알코올, 설탕, 알데히드 및 에스테르로부터 선택되는 유기 환원제와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프럭토스, 락토스, 수크로스, 포테이토 스타치, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노술페이트와 같은 리그린 유도 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 적절하게 약 0.5 내지 4 중량%의 그래파이트 플레이크 입자들이다.
인터카레이션 전에, 도중에 또는 직후에 적용된 팽창 보조제의 이용이 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이들 개선점 중 박리 온도는 감소될 수 있고 팽창된 부피("벌레 부피"로도 지칭됨)는 증가될 수 있다. 본원에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창 개선을 달성하기 위해 인터카레이션 용액 내에 충분히 용해 가능한 유기 재료일 것이다. 더욱 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 재료가 바람직하게 배타적으로 이용될 수도 있다. 카르복실산이 특히 효과적이라고 알려져 있다. 팽창 보조제로서 유용한 카르복실산은 1개 이상의 탄소 원자, 바람직하게 약 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 지환족, 직쇄 또는 분지쇄의, 포화 및 불포화 모노카르복실산, 디카르복실산 및 폴리카르복실산으로부터 선택될 수 있고, 박리의 하나 이상의 측면의 개선을 제공하기에 효과적인 양으로 인터카레이션 용액에 용해 가능하다. 적절한 유기 용매는 인터카레이션 내의 유기 팽창 보조제의 용해성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
포화 지방족 카르복실산의 대표적인 예는 화학식 H(CH2)nCOOH와 같은 산이고, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 낙산, 펜탄산, 헥산산 등을 포함하며, 여기서 n은 0에서 약 5까지의 수이다. 카르복실산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테르와 같은 반응성 카르복실산이 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카렌트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 유리하게 수용성 인터카렌트 내에 플레이크를 주입시키기 전에 그래파이트 플레이크와 접촉된다. 대표적인 디카르복실산은 2-12 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복실산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복실산, 1,6-헥산디카르복실산, 1,10-데칸디카르복실산, 시클로헥산-1,4-디카르복실산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복실산이다. 대표적인 알킬 에스테르는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르복실산이고 대표적인 방향족 카르복실산은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m-, 및 p-토릴산, 메톡시 및 오톡시 벤조산, 아세토아세트아미도벤조산 및, 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프토산이다. 대표적인 하이드록시 방향족 산은 하이드록시 벤조산, 3-하이드록시-1-나프토산, 3-하이드록시-2-나프토산, 4-하이드록시-2-나프토산, 5-하이드록시-1-나프토산, 5-하이드록시-2-나프토산, 6-하이드록시-2-나프토산 및 7-하이드록시-2-나프토산이다. 폴리카르복실산 중에는 구연산이 대표적이다.
인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 1 내지 10%의 팽창 보조제를 함유하며, 이 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터카레이션 용액 내에 주입되기 전 또는 주입된 후에 그래파이트 플레이크와 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 그래파이트와 일반적으로 약 0.2중량% 내지 약 10중량% 범위의 양으로 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 혼합될 수 있다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트하고, 그 후 인터카렌트가 코팅된 인터카레이트된 그래파이트 플레이크와 유기 환원제를 혼합한 후에, 상기 혼합물은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출되어 환원제와 인터카렌트 코팅의 반응을 촉진시킨다. 가열 기간은 약 20시간 이하이며, 전술한 범위보다 높은 온도에 대해서는 더욱 짧은 가열 기간, 예를 들어 적어도 약 10분이다. 30분 이하의 시간, 예를 들어 10 내지 25분 정도가 보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.
이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트 입자"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는 초기 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트로 압축되거나 기계적 변형 충격에 의해 작은 횡단 개구를 가질 수 있다. 압축됨과 동시에 횡단 개구를 가질 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트 및 호일은 양호한 처리 강도를 가지면서 응집성이 있으며, 예를 들어 롤링 압축에 의해 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께 및 약 0.1 내지 2.0g/cc의 통상적인 밀도로 적절히 압축된다. 약 1.5 내지 30 중량%의 세라믹 첨가제가 최종 가요성 그래파이트 생성물에 향상된 수지 함침(resin impregnation)을 제공하기 위해 미국 특허 제 5,902,762호(본원에 참조됨)에 개시된 것처럼 인터카레이트된 입자 플레이크와 혼합될 수 있다. 첨가제는 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자를 포함한다. 입자의 폭은 적절하게 약 0.04 내지 0.004mm 범위이다. 세라믹 섬유 입자는 그래파이트에 비반응성 및 비접착성이며 약 1100℃, 바람직하게 약 1400℃ 이상까지의 온도에서 안정하다. 적절한 세라믹 섬유 입자는 매서레이티드(macerated) 석영 유리 섬유, 탄소 및 그래파이트 섬유, 지르코니아, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 칼슘 메타실리케이트 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등과 같은 자연 발생 광 섬유로부터 형성된다.
가요성 그래파이트 시트는 종종 수지로 유리하게 처리될 수 있고 흡수된 수지는 경화 후에 내습성 및 처리 강도, 즉 가요성 그래파이트 시트의 강성도를 향상시킬 뿐만 아니라 시트의 형상(특히 "정렬된" 그래팬층)을 "고정"시킨다. 적절한 수지 함량은 바람직하게 약 5 중량% 이상, 보다 바람직하게 약 10 내지 35 중량%, 그리고 적절하게 약 60 중량% 이하이다. 본 발명의 실시에서 특히 유용하다고 알려진 수지는 아크릴-, 에폭시- 및 페놀-계 수지 시스템 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함하며; 사용될 수 있는 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 페놀을 포함한다. 필수적인 것은 아니지만, 통상적으로, 수지 시스템은 가요성 그래파이트 시트에 적용되기 용이하도록 용매화된다. 통상적인 수지 함침단계에서, 가요성 그래파이트 시트가 용기를 통과하게 되고 예컨대 스프레이 노즐로부터 수지 시스템이 함침되는데, 수지 시스템은 바람직하게는 진공 챔버에 의해 "매트를 통해 당겨진다(pulled through the mat)." 그런 후에, 바람직하게는 수지가 건조되어 수지의 택(tack)을 감소시킨다.
일반적으로 가요성 그래파이트 시트는 열 전도도에 있어서 약 20-30의 이방성비(즉, 약 150-200W/m℃의 수평 전도도 대 약 7W/m℃의 수직 전도도)를 가지며, 전기 전도도에 있어서 약 1600 내지 2000의 통상적인 이방성비(즉, 약 125,000지멘스/미터(S/m)의 수평 전기 전도도 대 약 70S/m의 수직 전기 전도도)를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 전술한 바와 같이, 특정의 최종 사용처에 대해 이방성비를 "설계(engineer)" 또는 사전설정하는 능력이 매우 중요하다. 예를 들어, 열 확산기 분야에서는 약 40 이상, 더욱 바람직하게는 약 70 이상의 열적 이방성비가 매우 바람직할 것이다. 사실상, 히트 싱크와 열적 인터페이스를 포함한 대부분의 열 관리 분야에서 약 160 이상의 열적 이방성비가 가장 선호된다.
마찬가지로, 많은 분야에서 방향성 전류 흐름을 최대화하면서 그래파이트의 중량적 장점을 유지하기 위해 약 2200 이상의 전기적 이방성비가 바람직하다. 또한, 전기화학적 연료 전지 부품에 있어서, 전류흐름을 최적화하고 연료전지로부터 효과적으로 열을 제거하기 위하여 전기 전도도와 열 전도도 간에 균형을 달성할 필요가 있다. 가장 바람직하게, 연료전지 부품은 약 1500 미만의 전기적 이방성비와 약 70을 초과하는 열적 이방성비를 가질 것이다.
이를 위해, 사전설정된 이방성 특성, 더욱 상세하게 사전설정된 이방성비를 갖도록, 그래파이트 제품, 특히 박리된 그래파이트의 압축입자로 이루어진 제품이 제조된다. 이를 위해서는 그래파이트 제품이 제어된 방향성 정렬의 그래팬층을 갖도록 제조된다. 더욱 상세히는, 그래팬층의 방향성 정렬이 클수록, 이방성비는 높아진다. 그래팬층의 방향성 정렬은 특히 인터카레이션 및 박리 이전에 그래파이트 플레이크의 사이즈 조절; 완성된 그래파이트 제품을 형성하기 위한 박리된 그래파이트 입자의 몰딩; 그래파이트 제품 입자들의 배향을 기계적으로 변경하는 것(이는 그래파이트 제품의 밀착, 가요성 그래파이트 제품에 대한 전단력의 인가, 가요성 그래파이트 제품의 엠보싱, 그래파이트 제품의 국부적 밀착, 또는 이들의 조합에 의해 이루어짐); 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다.
예를 들어, 인터카레이션 및 박리 이전에 보다 작은 플레이크를 사용하면 그래팬층의 방향 정렬이 감소된 그래파이트 제품을 얻게 된다(그리고, 보다 큰 플레이크에서 얻어지는 이방성비보다 낮은 이방성비를 갖는다). 반대로, (예를 들어 왕복동 플래튼 또는 플랫 프레스를 이용한 다이 프레싱과 같은) 압축을 통해 압력을 가하거나 (캘린더링(calendering) 또는 롤 프레싱을 통해) 전단력을 가하면 특정한 압박 방법과 관계 있긴 하지만 방향성 정렬이 증가(따라서, 이방성비가 증가)되는 경향이 있다. 제품에 대해 전단력을 가하면 보다 큰 정도의 방향성 정렬을 얻게 되며, 따라서, 더욱 작은 정도의 방향성 정렬을 생성하여 비교적 낮은 이방성비를 초래하는 압축에 비해 높은 이방성비를 얻게 된다.
예를 들어, 더욱 상세하게는, 그래파이트 제품의 이방성비를 감소시키기 위해, 약 70중량% 이상이 80 메시 스크린("-80 메시"라고 함)(다른 언급이 없는 한 메시 사이즈에 관하여는 미국 표준 스크린을 참조한다)을 통과하는 사이즈의 그래파이트 플레이크를 사용하여 그래파이트 제품을 형성할 수 있다. 실제로, 그래파이트 플레이크는 약 50중량% 이상이 80 메시 스크린을 통과하나 140 메시 스크린("80×140 메시"라고 함)은 통과하지 못하고 약 1.0% 이하의 수분 함량을 갖는 사이즈로 될 수 있다. 사실상, 플레이크가 작을수록, 방향성 정렬이 적고, 결과적으로 이방성비가 낮다. 따라서, 더욱더 작은 이방성비(다시 말해, 보다 큰 등방성)를 달성하기 위해서는, 140 메시 스크린을 통과하는 사이즈의 플레이크가 바람직하다.
그래파이트 제품의 몰딩, 상세히는, 팽창된 그래파이트 입자들(수지 함유 또는 비함유)을 등방압 성형(isostatic pressing) 또는 다이 프레싱에 의해 몰드 속으로 압송하는 것으로도 구성요소인 그래팬층의 방향성 정렬을 조절할 수 있다. 일반적으로 몰딩은 약 7 메가파스칼(mPa) 내지 약 700mPa 또는 그 이상의 범위의 압력하에서 수행된다. 이 압력이 높을수록 그래팬층의 방향 정렬은 강화된다.
압력을 가함으로써 그래팬층 정렬을 기계적 변경하는 것도 최종 그래파이트 제품의 조직형태 및 기능적 특성, 결과적으로 그래팬층의 방향 정렬을 제어하고 조절하는데 유리하게 사용될 수 있다. 더욱 상세하게, 원하는 특성을 얻기 위해 압력을 가능한 범위까지 조절할 수 있다. 압력은 그래파이트 제품의 수평 열 전도도를 순수 구리의 열 전도도와 같거나 그보다 큰 전도도로 증가시킬 수 있다. 그러면서도 순수 구리의 밀도에 비해 아주 작은 밀도를 유지할 수 있다. 또한, 최종적으로 "정렬된" 제품의 이방성비는 "미정렬된" 제품에 비해 실질적으로 높은데, 약 70 이상부터 160까지 또는 그 이상이다(열적 이방성비).
그래팬층 정렬의 기계적 변경은 엠보싱에 의해, 특히 공극 조절과 더불어 수행될 수도 있다. 더욱 상세하게는, 특히 그래파이트 제품이 전기화학적 연료전지의 부품으로 사용되도록 의도될 때, 연료전지 적용에 대한 전기 전도도와 열 전도도를 최적화하기 위해, 수지-함침된(resin-impregnated) 가요성 그래파이트 시트가 비교적 무공극이 되도록 형성될 수 있다. 이것은 예를 들어 시트를 캘린더링하거나 압축하여 비교적 무공극 상태(예를 들어 앞서 언급된 수지 함량에 따라 약 1.5g/cc 이상의 밀도)를 갖도록 하여 달성될 수 있는데, 이로 인해 비교적 높은 열적 이방성비(잠정적으로 약 160 또는 그 이상의 범위)를 갖는 제품을 생산할 수 있게 된다. 낮은 이방성비가 선호되는 경우, 예를 들어 특정 열 확산기분야에서, 최종 조직형태를 고정하기 위해 그리고 적용시의 강성에 있어 수지로 포화된 그래파이트 제품에 대해서 약 0.4 내지 약 1.4g/cc의 밀도로 표시되는 높은 공극 조건이 바람직하다.
이제 도 1, 1a를 참조하면, 본 발명의 방법을 이용하여 제조된 두 개의 시트 각각의 벽면의 단면의 포토마이크로그래프가 나타나 있다. 도 1의 시트는 엠보싱하기 전에 상대적으로 무공극 조건으로 캘린더링되었다. 도 1a의 시트는 엠보싱하기 전에 무공극 조건으로 만들지 않았다. 조직형태(즉, 방향 정렬)의 차이를 잘 볼 수 있다. 도 1로부터는 그래팬층이 벽의 표면과 잘 정렬(즉, 평행함)된 것을 쉽게 볼 수 있다. 실제로, 벽의 위쪽 부분에 "역삼각형" 영역이 나타나며 그래파이트 플로우 프론트(flow front)들이 만나는 교차선이 보이며, 특히 벽의 내부 구조를 비교적 대칭되는 부분들로 나누고 있다. 도 1a의 벽과 대비해 보면, 엠보싱/공극 조절에 의해 생성된 구조를 잘 볼 수 있다. 앞서 설명하였지만, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 엠보싱된 가요성 그래파이트 내의 구조의 상대적인 양은 상이한 이방성 특징을 초래한다.
도 2-2c에 도시된 바와 같이, 이를 수행하는 엠보싱 장치(10)는 일반적으로 두 개의 대향 부재(20 및 30)를 포함한다. 이들 중 적어도 하나는 엠보싱 부재(20)이고 엠보싱 패턴을 보유한다. 엠보싱 패턴은 채널 플로어(24)에 의해 분리되는 일련의 벽면(22)들을 엠보싱 부재(20)의 표면에 대해 배열함으로써 형성되는데, 벽면들은 상단(top) 또는 바닥(land)(22a)을 가지며, 상단 또는 바닥(22a)은 엠보싱 부재(20)의 표면으로부터 사전설정된 높이를 가진다. 통상적으로, 채널 플로어(24)가 사실상 엠보싱 부재(20)의 표면이다. 바닥 부재(30)는 일반적으로 편평한 표면의 부재로 이루어지는데, 엠보싱 부재(20)와 마주 작용하여 수지-함침 가요성 그래파이트 시트 상에 엠보싱 패턴을 만든다. 바닥 부재(30)의 충돌면(32)도 엠보싱 프로세스를 용이하게 하고 가요성 그래파이트 시트의 비-엠보싱 표면에 원하는 짜임이나 패턴을 부가하기 위해 짜임(texture)이나 기타 조작(artifact)을 가질 수 있다.
엠보싱 부재(20) 및 바닥 부재(30)는 롤러, 플레이트, 이들의 조합 또는 가요성 그래파이트 시트에 패턴을 엠보싱할 수 있는 기타 구조체들을 포함할 수 있는데, 바람직하게는 도 2c에 도시된 롤러를 포함한다. 엠보싱 장치(10)에서 엠보싱 부재(20) 및 바닥 부재(30)는 바닥 부재(30)의 표면(32)이 엠보싱 부재(20)의 채널 플로어(24)로부터 벽면(22)의 높이와 같은 거리 "d"만큼 분리되도록 배열된다. 실제로, 가장 바람직한 실시예는, 바닥 부재(30)의 표면(32)이 엠보싱 부재(20)의 채널 플로어(24)로부터, 가요성 그래파이트 시트(100)의 시트 플로어 지점에서 벽면(22)의 높이에 엠보싱된 가요성 그래파이트 시트(100)의 바람직한 두께를 더한 거리 "d"(즉, 시트(100) 벽면들 사이)만큼 분리된다.
캘린더링되고 수지-함침된 가요성 그래파이트 시트(100a)가, 도 2에 도시된 바와 같이, 엠보싱 이전의 엠보싱 패턴 영역에서 거리 "d"보다는 작고, 바닥 부재(30)의 표면(32)과 엠보싱 부재(20)의 벽면(22) 사이의 거리보다 큰 두께를 갖도록 형성된다. 엠보싱 중에, 도 2-2b에 도시된 것처럼, 시트(100a) 내의 물질(즉, 그래파이트와 수지)이, 시트(100a)를 압박하는 엠보싱 부재(20)의 벽면(22)의 바닥(22a)으로부터 압력을 받는 시트(100a) 영역으로부터 엠보싱 부재(20)의 채널 플로어(24)와 시트(100a) 사이의 갭(24a)으로 유동한다. 캘린더링되고 수지-함침된 가요성 그래파이트 시트(100a)의 그래파이트/수지의 이와 같은 "재정렬"은 놀라운 것이며, 엠보싱 장치(20)의 엠보싱 패턴에 상응하는 채널 패턴을 형성하는 시트 플로어(102)와 시트 바닥(104)을 갖는 엠보싱된 가요성 그래파이트 시트(100)를 생성한다.(도 2 및 2a 참조)
그래파이트 제품의 그래팬층의 사전설정된 방향 정렬을 제공하는 또 다른 방법은 제품의 특정 부위에서 그래팬층의 기계적 변형을 이용하는 것이다. 이러한 부위는, 표면을 횡방향으로 변형시키고 다수의 지점에서 시트 내의 그래파이트를 이동시키기 위한 가요성 그래파이트 시트와 같은 그래파이트 제품의 표면의 국지적 밀착(impaction) 및 후속하여 변형되고 밀착된 표면을 편평한 표면으로 압축하는 것에 의해 기계적으로 변형된다.
예를 들어, 도 3의 가요성 그래파이트 시트(100a)의 평면 표면(30)이, 평면 표면(110)을 예컨대 시트(100a) 두께의 1/8 내지 1/2만큼 침투하도록 기계적으로 밀착(impacting)하여 시트(100a) 내의 그래파이트를 이동시킴으로써, 바람직하게는 연속적 패턴으로, 횡으로 변형될 수 있다. 이러한 작업은 도 5에 도시된 장치(40), 즉 그루브(50)와 릿지(60)를 갖는 롤러(75)를 포함하고 매끄러운 표면의 롤러(80)와 공동 작업하는 장치(40) 등에 의해 수행될 수 있다(대안적인 변형 패턴은 도 4a - 4c 에 도시됨). 최종 제품은 도 6에 측면도가 도시되어 있다. 그래파이트 입자의 오정렬(즉, 그래팬층의 오정렬)은 기계적 충격으로 인한 전적으로 가요성 그래파이트 시트(100a) 내의 그래파이트의 이동에 기인한다. 도 6의 횡으로 변형된 제품은 예컨대 롤프레싱에 의해 압축되어, 표면(30)을 도 6a에 도시된 것처럼 편평한 상태로 복원한다. 도 6a를 참조하면, 표면(30)을 편평한 상태로 복원한 후에, 시트(100a)는 편평한 표면(30)에 인접하여, 팽창된 그래파이트 입자(800)들이 평행하고 편평한 대향 표면들(30, 40)과 실질적으로 오정렬되어 감소된 이방성비(즉, 큰 등방성)를 갖는 영역(70)을 갖는다. 도 7을 참조하면, 가요성 그래파이트 시트(10)가 양 대향 표면에서 연속적으로 또는 동시에 횡으로 변형되고, 후속하여 압축됨으로써 도 7a에 도시된 편평하고 평행한 대향 표면들(30, 40)을 제공한다. 도 7a의 제품은 평행하고 편평한 표면들(30, 40)에 모두에 각각 인접한 대체로 오정렬된 팽창된 그래파이트 입자 영역(70)을 가지며, 이에 따라 이방성이 더욱 감소하게 된다.
앞서 설명된 본 발명의 실시는 그래파이트 제품의 이방성 특징을 제어할 수 있도록 해준다. 이런 방식으로, 제품은 전자부품의 열관리, 연료전지를 위한 개선된 열적 전기적 관리, 또는 바닥설비용 장치의 열 확산 등 최종 사용목적을 위한 최적화된 특징을 갖도록 설계될 수 있다.
적층 제품
본 발명의 실시에 있어서, 앞서 설명된 방식으로 제조된 다수의 그래파이트 시트가 블록이나 기타 원하는 형상의 단일 제품에 선택적으로 적층될 수 있다. 박리된 그래파이트의 압축입자의 이방성 가요성 시트는, 감압 접착제 또는 열 활성화 접착제등의 적절한 접착제에 의해 적층될 수 있다. 선택된 접착제는 최소화된 두께와 접착 강도의 균형이 맞아야 하며 열 발산이 요구되는 전자부품의 작동 온도에서 적절한 접착을 유지할 수 있어야 한다. 적절한 접착제는 당업자에게 알려져 있으며, 페놀 수지를 포함한다.
보다 바람직하게, 적층된 제품의 실시예를 구성하는 박리된 그래파이트의 압축입자의 이방성 가요성 시트의 그래파이트의 결정 구조의 평면방향에 수평으로 연장하는 "a"방향은 열 발산이 필요한 전자부품으로부터 열을 원하는 방향으로 가이드 하도록 배향된다. 이런 식으로, 그래파이트 시트의 이방성 성질은 열을 전자부품의 외표면으로부터 (그래파이트 시트를 따라 "a"방향으로) 안내하며 접착제의 존재에 의해 열화되지 않는다. 이러한 적층물은 약 1.1 내지 약 1.35g/cc의 밀도와, 약 220 내지 약 250의 수평(즉 "a")방향 열 전도도와, 약 4 내지 약 5의 수직(즉, "c")방향 열 전도도를 갖는다. 따라서, 통상적인 적층물은 수직 열 전도도에 대한 수평 열 전도도의 비, 다시 말해 열적 이방성비가 약 44 내지 약 63이다.
적층물(laminate)의 수평 및 수직방향 열 전도도의 값은 적층물을 형성하는데 사용된 가요성 그래파이트 시트의 그래팬층의 방향 정렬을 변형시키거나, 적층물 형성 후에 적층물의 그래팬층의 방향 정렬을 변형시키는 것에 의해 조작가능하다. 이런식으로, 적층물의 수평 열 전도도가 증가되고, 적층물의 수직 열 전도도가 감소되는데, 이것은 약 70 이상, 바람직하게는 약 110 이상으로 적층물의 열적 이방성비를 증가시킨다. 가장 바람직하게는, 적층물의 열적 이방성비가 약 160 이상으로 증가된다.
이와 같은 그래팬층의 방향 정렬이 달성되는 방법 중 하나는 구성요소인 가요성 그래파이트 시트에 압력을 가하는 것인데, 이는 시트를 캘린더링하거나(즉, 전단력을 가함으로써) 또는 다이 프레싱이나 왕복동 플래튼 프레싱(즉, 압축을 가함으로써)에 의하는데, 캘린더링이 방향성 정렬을 생성하는데 더 효과적이다. 예를 들어, 시트를 1.1g/cc이 아닌 1.7g/cc의 밀도가 되도록 캘린더링함에 의해 수평 열 전도도가 약 240W/m℃에서 약 450W/m℃ 또는 그 이상으로 증가하며, 수직 열 전도도는 약 23W/m℃에서 약 2W/m℃로 감소하여, 각 시트의 열적 이방성비를 크게 증가시키고(약 10에서 약 225로), 연장에 의해 적층물이 형성된다.
대안적으로, 적층물이 형성된 다음에 예컨대 압력을 가함으로써, 적층물을 이루고 있는 구성요소인 가요성 그래파이트 시트의 처음 밀도보다 큰 밀도를 얻게 되어 적층물을 총체적으로 이루고 있는 그래팬층의 방향 정렬을 증가시킨다. 실제로, 약 1.4g/cc이상의 적층 제품 최종 밀도, 보다 바람직하게 약 1.6g/cc 및 약 2.0g/cc 이하의 최종 밀도가 이러한 방식으로 얻어질 수 있다. 압력은 다이 프레싱 또는 캘린더링과 같은 종래의 수단에 의해 가해질 수 있다. 압력은 약 60MPa 이 바람직하며, 2.0g/cc 만큼의 밀도를 달성하기 위해서는 약 550MPa 이상, 보다 바람직하게 약 700MPa 이상의 압력이 필요하다.
놀랍게도, 그래팬 층의 방향 정렬의 증가는 순수 구리의 수평 열 전도도와 동일하거나 더 큰 수평 전도도로 그래파이트 적층물의 수평 열 전도도를 증가시키는 한편, 순수 구리의 밀도에 비해 아주 작은 밀도로 유지된다. 또한, 최종 "정렬된" 적층물은 "미정렬된(pre-aligned)" 적층물과 비교할 때 대체로 높은 열적 이방성비를 가지는데, 약 70 이상에서 약 160 또는 그 이상까지에 이른다. 부가적으로, 최종 정렬된 적층물은 미정렬된 적층물에 비해 증가된 강도를 나타낸다.
정렬된 제품의 의도하는 최종 사용처에 따라, 정렬 프로세스는 제품의 이방성에 대한 추가의 제어를 제공하고 조작을 허용함으로써 적층물내에서 상이한 정도의 정렬을 생성할 수 있다.
그런 다음, 최종 정렬된 적층물은 프레스되거나 원하는 형상으로 성형(사실, 정렬 프로세스가 적층물을 원하는 형상으로 형성할 수 있다), 또는 기계가공될 수 있다. 형상화되고, 정렬된 적층물은 열적 인터페이스, 열 확산기 및/또는 히트 싱크와 같은 열적 솔루션으로 사용될 수 있고, 적어도 구리와 동일한 정도로 그러나 구리의 중량적 단점은 배제한 채, 전자부품과 같은 열원으로부터 열을 방향성 있게 소산시킬 수 있다.
방사 가열되는(radiant heated) 바닥설비용 장치
도 8은 빌딩(104)의 공간 또는 룸(102)의 일부인 바닥설비용 장치(100)를 개략적으로 나타낸 것이다. 빌딩(104)의 내부 공간(102)은 바닥설비용 장치(100), 벽면(106 및 108), 천장(110)과 같은 다수의 편평한 경계면 형성 부재로 형성되어 있다. 비록 본 발명은 바닥설비용 장치(100)의 관점에서 주로 기술되었으나, 동일한 원리가 벽면(106, 108) 또는 천장(110) 등의 경계면 형성 부재에 매설된 가열 또는 냉각 시스템에도 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
바닥설비용 장치(100)는 바닥설비용 기판(flooring substrate; 112)을 포함한다. 가열 또는 냉각 요소(114)가 바닥설비용 기판(112)과 열전달 관계에 있다. 비록 아래의 기술은 주로 가열 요소(114)에 국한되어있으나, 냉각 요소도 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다. 상기 요소(114)는 보다 일반적으로 가열 또는 냉각을 할 수 있는 열전달 요소로 칭할 수 있을 것이다.
가열 요소(114)는 전기저항 와이어링 가열 요소 및 열전달 유체를 운송하는 튜브 장치를 포함하는, 그러나 이에 한정되지는 않는, 임의의 가능한 형태의 가열 또는 냉각 요소일 수 있다. 이러한 바닥설비용 기판(112)은 선택된 가열 요소와 함께 사용되기에 적합한 형태의 종래의 어떤 바닥설비용 기판이라도 좋다. 적절한 가열요소(114)와 바닥설비용 기판(112)은 이하에서 보다 상세히 기술된다.
가요성 그래파이트층을 포함하는 열 확산기(116)가 바닥설비용 기판(112)과 열전달 관계에 있다. 바람직하게는, 바닥설비용 기판(112)을 덮으며 맞닿아 있다. 그러나 열 확산기(116)는 특정 종류의 바닥설비용 기판에 대해서는 매설되거나 아래에 놓여있을 수 있고, 이 경우에도 본 발명의 장점은 여전히 유효하다.
플로어 덮개(118)가 열 확산기(116)를 덮고 있다. 플로어 덮개(118)는 열 확산기(116)와 직접 맞닿아 있을 필요는 없으며, 예를 들어 카페트를 위한 패딩(padding)과 같은 다양한 층에 의해 분리될 수도 있을 것이다. 실제로, 앞서 설명한 것처럼, 열 확산기(116)는 바닥설비용 기판(112) 내부에 매설되거나 아래에 위치될 수도 있는 것이다. 따라서, 다른 언급이 없는 한, 층들이 상하로 위치하고 서로 맞닿을 필요는 없는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 아래에 설명되는 바와 같이, 플로어 덮개(118)는 비닐 바닥재, 카페트, 하드우드 바닥재, 세라믹 타일을 포함하는, 그러나 이에 한정되지는 않는, 임의의 종래의 플로어 덮개일 수 있다.
선택적으로, 절연물질층(120)이 바닥설비용 기판(112) 및/또는 가열 요소(114) 아래에 깔려 있어서, 이들을 지면(122) 또는 아래층 공간으로부터 절연시킨다.
도 9의 사시도에 가장 잘 표현된 것처럼, 바닥설비용 덮개(118)는 룸(102)의 내부에 노출되고 룸(102) 내의 사람이 걸어다닐 수 있는 노출표면(124)을 갖는다.
가요성 그래파이트 재료층으로 이루어진 열 확산기(116)는 두 개의 대향하는 주 표면(126 및 128), 즉 각각 상부면(126)과 하부면(128)로 칭할 수 있는 표면들을 갖는다. 열 확산기(116)는 표면들(126, 128) 사이에 형성된 두께(130)를 갖는다. 가요성 그래파이트 재료층은 편평한 표면들(126, 128)에 평행한 열 전도도 또는 제 1 열 전도도와, 편평한 표면들(126, 128)에 수직인 열 전도도 또는 제 2 열 전도도를 갖는다. 앞서 상세히 설명하였듯이, 표면들(126, 128)에 평행한 가요성 그래파이트 시트의 열 전도도는 이 표면들에 수직한 열 전도도보다 크다. 이들 열 전도도 간의 비를 이방성비라고 할 수 있는데, 바람직하게는 2.0 이상의 값을 갖는다. 더욱 바람직하게는 이러한 이방성비가 약 2 내지 약 250의 범위에 있다. 더 바람직하게는, 이방성비가 약 30 이상 이다.
통상적으로, 편평한 표면들(126, 128)에 수직한 열 전도도는 약 2W/m℃이상이고, 편평한 표면들(126, 128)에 평행한 열 전도도는 약 140W/m℃이상이다.
편평한 표면들(126, 128)에 수직한 열 전도도가 약 7W/m℃ 이상이고 이방성비가 2인 경우에, 편평한 표면들(126, 128)에 평행한 열 전도도는 약 14W/m℃ 이상이 될 것임을 알 수 있다.
역시 앞서 설명한 바와 같이, 열 확산기(116)를 만드는 상술한 재료는 약 0.08g/cc 이상의 밀도를 갖는 비교적 가벼운 재료이다. 보다 바람직하게, 이러한 재료는 약 0.6g/cc 이상의 밀도를 갖는다.
선택적으로, 가요성 그래파이트 재료층(116)은 전술한 것처럼 수지가 함침될 수 있다.
또한, 가요성 그래파이트 층(116)은 방향성 있게 정렬된 그래팬층을 갖는 다수의 가요성 그래파이트 시트로 이루어진 적층물일 수 있다.
가열요소와 바닥설비용 기판
바닥설비용 기판(112) 및 가열 요소(114)는 종래의 방사식(radiant) 바닥설비용 장치일 수 있다.
예를 들어, 가열 요소(114)는 일리노이 버팔로 그로브의 ThermoSoft International Corporation으로부터 입수할 수 있는 ThermoTileTM radiant floor heating systems에 사용되고 있는 전기저항 와이어링 가열요소일 수 있다.
이와 같은 전기저항 와이어링 타입의 가열 요소(114)는 통상적으로 가열요소(114)가 완전히 매설될 수 있는 형태의 바닥설비용 기판(112)에 사용된다.
예를 들어, 만일 플로어 덮개(118)가 비닐 바닥재 또는 카페트라면, 전기저항 타입의 가열 요소(114)가 통상적으로 시멘트층을 포함하는 바닥설비용 기판(112) 내에 매설될 것이다.
전기저항 와이어링 타입의 가열 요소(114)는 열을 플로어 전체로 분산하는 것을 도와주는 알루미늄과 같은 금속 바닥재층에 부착될 수도 있다.
대안적으로, 만일 플로어 덮개(118)가 세라믹 타입이라면, 전기저항 타입의 가열 요소(114)가 통상적으로 얇게 형성된 모르타르(mortar)층을 포함하는 바닥설비용 기판(112) 내에 매입될 것이다.
만일 뜨거운 물과 같은 열전달 유체를 이송하는 튜브 장치를 포함하는 타입의 가열요소(114)가 선택되면, 예를 들어 미네소타 애플 밸리의 Uponor Wirsbo Company에서 시판중인 타입일 수 있다. 이러한 시스템은 통상적으로 예컨대 콘크리트 바닥설비용 기판(112)에 매설되는 서로 링크된(cross-linked) 폴리에틸렌(PEX) 튜브를 이용한다. 이러한 시스템은 구리와 같은 다른 튜브 재료를 사용하기도 한다.
튜브 타입 가열요소(114)는 도 10에 도시된 바와 같이 종래의 목재 바닥설비용 기판과 함께 사용될 수도 있다. 이 경우 튜브는, 통상적인 목재 플로어 스트링거(stringer; 138)에 놓이는, 종래의 합판 또는 배향성 스트랜드 보드(oriented strand board; OSB) 목재 서브 플로어(136)의 저면(132)에 부착된다. 이 실시예에서, 목재 서브 플로어(136) 및 스트링거(138)가 도 8과 9의 플로어 기판(112)를 포함한다. 선택적으로, 열 확산기(116)는 서브 플로어(136) 아래에 있을 수 있는데, 도 11에 도시된 것처럼 가열 요소(114)에 대해서는 위쪽에 위치한다.
선택적인 절연층(120)은 임의의 적당한 절연체일 수 있다. 방사식 가열 시스템에 사용되도록 특별히 설계된 절연체(120)의 한가지 시스템은 사우스 다코타 워터타운의 Benchma가 Foam, Inc로부터 입수할 수 있는 EPS(Expanded Polystyrene) 절연 시스템이다. 이 절연층은 가열요소(114)로부터 지면(122)으로 또는 아래층이 있는 경우 아래층의 룸 공간으로 열이 손실되는 것을 막는다.
또한, 전기저항 타입의 가열요소(114)는 튜브타입 가열요소를 대신하여, 도 10 및 11에 도시된 것과 유사하게, 목재 플로어와 사용될 수 있을 것이다.
대안적으로, 가열요소(114)와 연계된 바닥설비용 기판(112)은 그래파이트 재료를 이용하여 구성될 수 있다. 이러한 그래파이트 기판(112)은 몰딩이나 기타 압축 기법등 앞서 설명한 임의의 프로세스에 의해 형성되어 원하는 이방성 특징을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 그래파이트 바닥설비용 기판(112)은 전술한 가요성 그래파이트 재료의 얇은 층들의 적층에 의해 만들어질 수도 있다. 더욱이, 그래파이트 재료를 사용하여 제조된 바닥설비용 기판(112)을 사용할 때, 열 확산기(116)는 바닥설비용 기판(112)과 일체로 제조될 수 있다.
가요성 그래파이트 바닥설비용 열 확산기의 제조방법
본 발명을 이용한 바닥설비용 장치(100)나, 빌딩(104)의 벽면(106) 또는 천장(110)과 같은 기타 경계면 형성 부재는 바람직하게는 바닥설비용 기판(112) 위로 열 확산기(116)를 배열함으로써 형성된다.
한가지 바람직한 실시예에서, 롤 형태의 가요성 시트 재료로 된 열 확산기를 제공하고 바닥설비용 기판(112)을 덮도록 롤로부터 시트(116)를 푼다(unroll). 열 확산기층(116)은 전술한 바닥설비용 기판(112) 중 임의의 것과 직접 접촉하도록 놓일 수 있다. 열 확산기층(116)은, 기판(112)과 열 확산기(116) 사이의 물리적 접착이나 열전달을 향상시킬 목적으로 열적 인터페이스, 접착제층, 또는 다른 물질이 사이에 게재된 경우, 바닥설비용 기판(112)과 간접적인 열전달 관계에 있을 수 있다. 또한, 전술한 것처럼, 열 확산기는 가열 요소 아래에 있을 수도 있다.
선택적으로, 열 확산기(116)를 이루는 가요성 그래파이트 재료는 일반적으로 편평한 부재라고 할 수 있는 타일 등의 형태로 비교적 단단한 시트로 제공될 수 있다. 이러한 경우에 타일이나 편평한 부재의 인접 가장자리가 인접한 이러한 부재들의 가장자리들과 밀접하게 위치되며, 반드시 그럴 필요는 없지만 바람직하게는, 인접 가장자리들이 맞닿는 것이 좋다.
가열 요소(114)가 바닥설비용 장치(100)로 열을 제공하도록 작동하는 경우, 가열 요소(114)로부터의 열에너지는 일반적으로 위로 이동하여 열 확산기(116)로 전달되는데, 이 열 확산기는 가로방향의 열 전도도가 우선적이기(preferential) 때문에 열 에너지를 주 표면들(126, 128)에 대체로 평행하게 분산하므로, 플로어 덮개(118)와 룸 공간(102)에 열 확산기(116)가 없을 때에 비해 더 균일한 열 분산을 제공한다.
어떤 타입의 가열요소(114)가 사용되는지에 상관없이, 일반적으로 이러한 가열요소(114)는 바닥설비용 기판(112) 전체에 걸쳐 다수의 전기적 가열요소나 유체튜브가 꾸불꾸불하게 연장하는 형태로 이루어진다는 것을 알 수 있을 것이다. 종래의 시스템에 있어서는, 기존의 바닥설비용 기판(112)과 플로어 덮개(118)는 가로방향으로 열전달이 많지 않았기 때문에, 이와 같은 꾸불꾸불한 가열요소(114)의 연장이 비교적 서로 촘촘하게 놓일 필요가 있었다. 본 발명에 따른 열 확산기를 사용하면, 가열요소(114)가 더욱 널찍하게 떨어질 수 있는 한편, 바닥설비용 장치(100)에 걸쳐 훨씬 향상된 균일도의 열 분산을 얻을 수 있고, 따라서 가열요소(114)의 제조 및 설치비용을 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
전술한 내용은 룸 공간을 가열이 아닌 냉각하는 시스템에도 적용가능하다. 냉각의 관점에서는, 가열요소(114)가 냉각요소로 치환된다. 열 확산기(116)는 열에너지를 룸 밖으로 그리고 냉각 요소로 이동시키는 기능을 한다.
전술한 내용은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하는 것을 의도한 것이다. 본 발명을 읽었을 때 당업자에게 명백한 정도의 모든 가능한 변형이나 수정까지 열거하지는 않았다. 이러한 변형과 수정은 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어난다고 간주되지 않고 다음의 청구범위에 포함된다고 의도된다. 다음의 청구범위는 본문에서 명시적으로 지적하지 않는 한, 지적된 요소들이나 단계들을 본 발명의 목 적을 충족시키는데 유효한 임의의 배열이나 순서로 하는 것을 포괄하도록 의도되었다.

Claims (42)

  1. 바닥설비용 기판;
    상기 바닥설비용 기판과 열전달 관계에 있는 가열 또는 냉각요소;
    상기 바닥설비용 기판과 열전달 관계에 있으며 0.6 g/cc 이상의 밀도를 가지는 가요성 그래파이트 재료의 층을 포함하는 열 확산기로서, 상기 가요성 그래파이트 재료층이 두 개의 대향하는 편평한 주 표면을 가지며, 또한 상기 가요성 그래파이트 재료층이 상기 편평한 주 표면에 평행한 제1 열 전도도 및 상기 편평한 주 표면에 수직한 제2 열 전도도를 가지고, 상기 제2 열 전도도에 대한 상기 제1 열 전도도의 비가 2.0 이상의 이방성비를 형성하는, 열 확산기 ;
    상기 가요성 그래파이트 재료층을 덮는 플로어 덮개;를 포함하고,
    상기 가요성 그래파이트 재료층에 의해 상기 플로어 덮개의 노출면에 걸친 온도 변동이 감소되는,
    바닥설비용 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 재료층이 상기 바닥설비용 기판을 덮는(overlie),
    바닥설비용 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이방성비가 2 내지 250인,
    바닥설비용 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이방성비가 30 내지 250 인,
    바닥설비용 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 편평한 표면에 수직인 열 전도도가 2W/m℃ 이상인,
    바닥설비용 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 재료에 수지가 함침된,
    바닥설비용 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 재료층이 다수개의 가요성 그래파이트 시트를 포함하는 적층물이고, 각각의 가요성 그래파이트 시트는 방향성 있게 정렬된 그래팬층을 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 요소가 전기저항 와이어링 가열요소를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판이 상기 가열요소가 매설된 시멘트층을 포함하고;
    상기 플로어 덮개가 비닐과 카페트로 이루어진 그룹에서 선택되는,
    바닥설비용 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판이 상기 가열요소가 매설된 얇게 설정된 모르타르층을 포함하고;
    상기 플로어 덮개가 세라믹 타일을 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 가열요소가 열전달 유체를 수송하는 튜브 장치를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판이 상기 튜브 장치가 부착되는 목재 서브 플로어를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판이 상기 튜브 장치가 매설되는 콘크리트 서브 플로어를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판이 그래파이트 재료를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 바닥설비용 기판 아래에 놓이는 절연 재료층을 더 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 재료층이, 상기 바닥설비용 기판을 덮도록 장착되는 일체형 가요성 시트를 포함하는,
    바닥설비용 장치.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 재료층이 다수개의 대체로 편평한 부재를 포함하고, 인접하는 편평한 부재들은 그 가장자리가 서로 맞닿는,
    바닥설비용 장치.
  21. 빌딩의 공간을 가열하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 공간을 한정하는 경계면을 형성하는 편평한 경계면 형성 부재를 제공하는 단계로서, 상기 경계면 형성 부재가 경계면 형성 기판, 상기 경계면 형성 기판과 열전달 관계에 있는 가열요소, 및 상기 경계면 형성 기판 및 상기 공간과 열전달 관계에 있는 가요성 그래파이트 열 확산기를 포함하고, 상기 열 확산기가 0.6 g/cc 이상의 밀도와 두 개의 대향하는 편평한 주 표면을 가지며, 또한 상기 열 확산기가 상기 편평한 주 표면에 평행한 제1 열 전도도 및 상기 편평한 주 표면에 수직한 제2 열 전도도를 가지고, 상기 제2 열 전도도에 대한 상기 제1 열 전도도의 비가 2.0 이상의 이방성비를 형성하는, 경계면 형성 부재를 제공하는 단계;
    (b) 상기 가열요소로부터 상기 경계면 형성 기판으로 열 에너지를 제공하는 단계; 및
    (c) 상기 가요성 그래파이트 열 확산기를 통해 상기 편평한 경계면 형성 부재를 가로질러 상기 열 에너지를 횡으로 분산시키고, 이로 인해 상기 열 확산기가 없는 경우에 비해 더 균일하게 분산된 열을 상기 공간으로 제공하는 단계;를 포함하는,
    빌딩의 공간을 가열하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 (a)단계가 상기 경계면 형성 기판을 덮도록 가요성 그래파이트 재료의 롤을 펼쳐서 상기 가요성 그래파이트 열 확산기를 제공하는 단계를 포함하는,
    빌딩의 공간을 가열하는 방법.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 (a)단계가 그래파이트의 플레이크를 인터카레이팅한 다음 박리시켜서 박리된 그래파이트 입자들을 형성하고, 후속하여 상기 박리된 그래파이트 입자들을 그래팬층으로 이루어진 응집성있는 시트로 압축함으로써 상기 가요성 그래파이트 열 확산기를 형성하는 단계를 포함하는,
    빌딩의 공간을 가열하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 열 확산기가 2 내지 250의 열적 이방성비를 가지며, 상기 이방성비는 상기 편평한 주 표면에 수직한 열 전도도에 대한 상기 편평한 주 표면에 평행한 열 전도도로 정의되는,
    빌딩의 공간을 가열하는 방법.
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