KR101168099B1 - 삽입된 열적 솔루션 - Google Patents

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키쿠오 후지와라
마사키 토자와
게리 디. 시베스
줄리 노를레이
로버트 앤더슨 3세 레이놀즈
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그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

전자 장치를 위한 열적 솔루션(10)은 전자 장치의 외부 표면 및/또는 전자 장치의 다른 컴포넌트와 가열 소스(100) 사이에 위치되고, 열적 솔루션(10)은 가열 소스(100)로부터 열 분산을 용이하게 하면서 가열 소스(100)에 의해 생성되는 열로부터 상기 외부 표면 및/또는 제 2 컴포넌트를 차폐시킨다.

Description

삽입된 열적 솔루션{SANDWICHED THERMAL SOLUTION}
본 발명은 디바이스 및 다른 디바이스 컴포넌트들의 사용자들 상에서의 열 효과를 조정함과 동시에 열원에 의해 생성된 열을 분산시키기 위해서, 전자 디바이스의 컴포넌트와 같은 열원으로부터 열을 관리할 수 있는 열적 솔루션에 관한 것이다.
보다 작고 보다 복잡한 전력 요구를 갖도록 처리 속도 및 고주파수를 증가시킬 수 있는 디바이스를 포함하고, 전자 전기 컴포넌트에서의 마이크로프로세서와 집적 회로와 같은 다른 기술적 진보, 하드 드라이브와 같은 고 용량성 및 응답 메모리 컴포넌트들, 고 전력 광학 디바이스와 같은 다른 디바이스들 뿐만 아니라 디지털 프로젝터들에서의 전구와 같은 전자기 소스들을 포함하여, 좀더 복잡한 전자 디바이스들의 개발에 의해, 상대적으로 극값의 온도들이 생성된다. 그러나, 마이크로프로세서, 집적 회로 및 다른 복잡한 전자 컴포넌트들은 일반적으로 특정 범위의 임계 온도들하에서만 효율적으로 동작한다. 이러한 컴포넌트들의 동작 동안에 생성된 초과된 열은 자신들의 성능 뿐 아니라, 전체 시스템의 성능 및 신뢰성을 저하시켜서 시스템 고장을 유발시킬 수 있다. 전자 시스템이 동작하도록 기대되는, 온도 극값을 포함한 상당히 광범위한 환경 조건들은 초과된 열의 부정적 효과를 악화시킨다.
마이크로전자 디바이스들로부터의 열 분산에 대한 증가된 필요성으로 인해, 열적 관리는 전자 제품 설계에 있어 상당히 중요해졌다. 전자 장비의 성능 신뢰성 및 수명 기대치는 장비의 컴포넌트 온도에 반비례한다. 예를 들어, 전형적 실리콘 반도체와 같은 디바이스의 동작 온도 감소는 디바이스의 처리속도, 신뢰성 및 수명 기대치의 증가에 대응할 수 있다. 그러므로, 컴포넌트의 평균-수명 및 신뢰도를 최대화시키기 위해, 설계자들에 의해 설정된 제한치 내에서 온도를 동작시키는 디바이스를 제어하는 것은 특히 중요하다.
게다가, 랩탑 컴퓨터, 셀룰러 폰, 디지탈 카메라 및 프로젝터 등과 같은 더 작고 더 컴팩트한 전자장치들에 대한 증가된 요구는, 열원이 디바이스의 외부 표면 근 및 다른 컴포넌트들 근처에 존재할 것임을 의미한다. 이처럼, 디바이스의 외부 표면들은 가열되고, 이는 사용자를 불편하게 하고 심지어 위험하게 할 수도 있다. 더욱이, 디바이스에서 하나의 컴포넌트에 의해 생성된 열은 주변 컴포넌트에 악영향을 미칠 수 있다. 하나의 잠재적 솔루션은 열원을 절연시키는 것이지만, 이는 만족할만한 솔루션은 아닌데, 왜냐하면 이러한 솔루션이 열원에 의해 생성된 열을 열원에 집중되게 유지하여 열원을 잠재적으로 손상시킬 수 있기 때문이다.
예를 들어, 몇몇 랩탑 컴퓨터에서, 상당한 양의 열을 생성시킬 수 있는 하드 드라이브는 컴퓨터의 "팜 레스트(palm rest)"들 중 하나의 아래쪽에 위치되고, 이러한 영역은 키보드와 사용자 사이의 영역으로써, 일반적으로 타이핑 동안에 사용자의 팜이 위치된다. 더 얇은 랩탑에서, 하드 드라이브에 의해 생성된 열은 랩탑 케이스를 통해 사용자의 팜으로 전달될 수 있어서, 불편함 및 심지어 고통을 유발시킬 수 있다. 사실, 일부 랩탑들에서, 팜 레스트 온도는 40℃ 이상으로 측정되어 왔다. 이와 유사하게, 열-발생 컴포넌트들은 랩탑 컴퓨터의 하부면으로 하여금 가열되도록 하여, 랩탑이 사용자의 랩에 위치될 때 사용자에게 불편함과 고통을 유발시킨다. 이는 랩탑 컴퓨터, 및 우수한 휴대성을 가지면서 더 작은 디바이스를 개발하는 노력이 유지되는 다른 휴대용 디바이스들에 대해 상당이 중요한 문제점이 되어왔다.
전자 컴포넌트 등과 같은 열원들로부터의 열 분산 시에 사용하기에 적합한 상대적으로 경량인 물질의 하나의 그룹은 일반적으로 흑연으로써 알려진 그러한 물질들이만, 특정하게는 이하에서 설명되는 바와 같은 천연 흑연 및 가요성 흑연 기질의 물질들과 같은 흑연이다. 이러한 물질들은 이방성을 가지고, 열 분산 디바이스들로 하여금 선택된 방향들로 잠재적으로 전달하도록 설계된다. 흑연 물질은, 금속성 컴포넌트들과 결합하여 사용될 때는, 구리, 알루미늄, 흑연 물질들과 같은 금속들보다는 훨씬 경량이고, 스스로 열을 분산시키는데 이용될 때는, 구리 또는 알루미늄에 대해 다수의 장점들을 제공한다.
흑연은 탄소 원자들의 육각 어레이의 층 평면들 또는 네트워크로 구성된다. 육각으로 배열된 탄소 원자들의 이러한 층 평면들은 실질적으로 평평하고, 실질적으로 서로 평행하고 등거리에 있도록 배열되거나 지향(oriented)된다. 일반적으로 흑연구조 또는 기저면으로써 언급되는, 실질적으로 평평하고, 평행한 등거리의 탄소 원자들의 시트들 또는 층들은 함께 연결되거나 본딩되고, 그것들의 그룹은 결정형으로 배열된다. 고차 흑연은 매우 큰 크기의 결정형으로 구성되고: 그러한 결정들은 서로에 대해 긴밀하게 정렬되거나 지향되어, 잘 배열된 탄소 층들을 갖는다. 즉, 고차 흑연은 그 등급의 바람직한 결정 지향성을 갖는다. 흑연은 이방성 구조를 가짐으로써, 열 전도도 및 전기 전도도 및 유동 확산 등과 같이 높은 지향성의 다수의 특성들을 갖는다는 것이 주지된다.
요약하면, 흑연은 약한 반 데르 발스의 힘에 의해 함께 결합된 탄소 원자들의 적층 또는 중첩된 층들로 구성된 구조물이다. 흑연 구조물을 고려함에 있어서, 두개의 축들 또는 방향들은 대개 즉, "c" 축 또는 방향, 및 "a" 축 또는 방향이다. 간략화를 위해, "c" 축 또는 방향은 탄소 층에 대해 수직 방향으로써 간주될 수 있다. "a" 축 또는 방향은 "c" 방향에 수직인 탄소 층 또는 방향에 평행한 층으로써 간주될 수 있다. 가요성의 흑연 시트들을 제조하는데 적합한 흑연은 매우 높은 정도의 지향성(orientation)을 갖는다.
위에서 언급한 바와 같이, 탄소 원자들의 병렬 층들을 홀딩하는 본딩력은 단지 약한 반데르 발스 힘들이다. 천연 흑연들은 중첩된 탄소 층들 또는 적층물 사이의 간격이 층들에 수직인 방향으로, 즉 "c" 방향으로 마킹된 팽창을 제공하여 탄소 층들의 적층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창 또는 부어오른 흑연 구조물을 형성하기 위해 적절히 개방될 수 있도록 처리될 수 있다.
크게 팽창되고 특히 원래 "c" 방향 영역의 약 80배 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 영역을 갖기 위해 팽창된 흑연 조각은 예를 들어 웹(web)들, 페이퍼들, 스트립들, 테이프들, 포일들, 매트들 등(통상적으로 "가요성 흑연"으로 지칭됨)과 같은 팽창된 흑연의 부착성 또는 집적 시트들로의 바인더 사용 없이 형성될 수 있다. 임의의 바인딩 물질의 사용 없이, 압축에 의해 원래 "c" 방향 영역보다 약 80배 이상 두꺼운 최종 두께 또는 "c" 영역을 갖도록 집적된 가요성 시트들로의 팽창된 흑연 입자들의 형성은 체적상으로 팽창된 흑연 입자들 사이에서 달성되는 기계적 연동(interlocking), 또는 응집(cohesion)으로 인해 가능할 수 있는 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이 가요성과 더불어, 시트 물질은 예를 들어 롤 프레싱과 같은 매우 높은 압축으로부터 발생하는 시트의 대향 면들에 실질적으로 평행한 팽창된 흑연 입자들 및 흑연 층들의 지향으로 인해 천연 흑연 스타팅 물질에 비해, 열적 및 전기 전도도와 유체 확산에 대해 높은 정도의 이방성을 갖는 것으로 발견되었다. 따라서, 형성되는 시트 물질은 높은 가요성, 양호한 세기 및 매우 높은 지향도를 갖는다.
요약하면, 예를 들어 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 포일, 매트 등과 같은 가요성, 바인더 없는 이방성 흑연 시트 물질을 형성하는 프로세스는 실질적으로 평탄한 가요성 집적 흑연 시트를 형성하기 위해 원래 입자들 보다 약 80배 이상 많은 "c" 방향 영역을 갖는 바인더가 없고 미리 결정된 로드 하에서 압축되거나 컴팩트한 팽창된 흑연 입자들을 포함한다. 일반적으로 외형상 웜-형상 또는 연충형상인(vermiform) 팽창된 흑연 입자들은 압축되면 압축 세트를 유지하고 시트의 대향 주표면들에 정렬된다. 시트 물질의 밀도 및 두께는 압축 정도를 제어함으로써 가변될 수 있다. 시트 물질의 밀도는 약 0.04g/cm3 내지 약 2.0g/cm3 범위 내에 있을 수 있다. 가요성 흑연 시트 물질은 지향을 증가시키는 시트 물질의 롤 프레싱 시에 증가하는 이방성도를 갖는 시트의 대향되는 평행한 주표면들에 평행한 흑연 입자들의 정렬로 인해 적절한 이방성도를 나타낸다. 롤 프레싱된 이방성 시트 물질에서, 대향되는 평행한 시트 표면들에 수직 방향인 두께는 "c" 방향을 포함하고, 길이와 폭을 따라, 즉 대향되는 주표면들을 따라 평행한 범위의 방향들은 "a" 방향들을 포함하며, 시트의 열적, 전기적 및 유체 확산 특성들은 "c" 및 "a" 방향들에 대해 크기 순으로(by orders of magnitude) 매우 상이하다.
박리된(exfoliated) 흑연(즉, 가요성 흑연)의 압축 입자들의 시트들의 사용이 열 확산기들, 열 계면들, 및 가열 소스에 의해 생성되는 열을 분산시키기 위한 열 싱크(sink)들의 컴포넌트 부분들로서 제안되었지만(예를 들어, 미국특허번호 제6,245,400호; 제6,482,520호; 제6,503,626호; 및 제6,538,892호 참조), 사용자를 당황하거나 위태롭게 할 정도로 전자 장치의 외부 표면들을 가열하고 인접한 컴포넌트들을 가열하는 "터치 온도"의 문제들은 적절히 해결되지 않고 있다.
더욱이, 흑연 물질들의 가요성 특성은 흑연 물질들로 복잡한 구조물들이나 형상들을 형성하기 어렵게 한다. 이러한 복잡한 형상들은 예를 들어, 장치 컴포넌트들에 맞추거나 불규칙한 공간들로 맞추거나, 흑연 또는 금속 방열 베이스들에 부착된 핀들로서 사용될 때 바람직할 수 있다. 또한, 흑연은 금속 핀들과 동일한 방식으로 땜납되어 배치될 수 없기 때문에, 금속 베이스들에 대한 흑연 핀들의 부착은 문제가 된다.
전자 컴포넌트들에서 흑연 사용의 다른 문제는 개별적인 흑연 입자들 또는 조각(flake)들이 흑연 열 분산 컴포넌트를 박편화(flake off)시킬 수 있다는 두려움이며, 이러한 현상은 발견되지 않을 수도 있다. 흑연의 전기 전도도가 주어지면, 이것은 흑연 물질이 위치되는 컴포넌트의 동작을 간섭할 가능성을 가질 것이다.
따라서, 금속 엘리먼트들의 성형성(formability) 및 다른 장점들과 함께, 흑연 엘리먼트들의 중량 및 열적 장점을 제공하는 전자 장치들에 대한 열적 솔루션들을 위해 개선된 설계들에 대한 필요성이 계속적으로 존재했다.
본 발명은 컴포넌트에 의해 생성되는 열의 효과들로부터 사용자 또는 인접 컴포넌트들을 동시에 차폐시키면서 전자 컴포넌트로부터 열을 분산시킬 수 있는 열적 솔루션을 제공한다. 진보적인 열 솔루션은 비-흑연 물질들, 특히 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 물질들 사이에 삽입된 박리한 흑연의 압축 입자의 이방성 시트를 포함한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 것처럼, "가요성 흑연"이란 용어는 단일 또는 적층물로서 열분해 흑연의 시트들을 지칭한다. 본 발명의 열적 솔루션으로서 사용되는 가요성 흑연 시트는 관통면의 열 전도도보다 실질적으로 더 높은 동일평면의 열 전도도를 갖는다. 즉, 본 발명의 열적 솔루션은 비교적 높은(10배 이상) 열적 이방성 비율을 갖는다. 열적 이방성 비율은 동일평면 열 전도도 대 관통면 열 전도도의 비율이다.
다른 물질의 층들 사이에 가요성 흑연 물질을 삽입함으로써, 흑연의 열적 특성들이 유지되고, 몰딩력 또는 성형성 및 흑연 캡슐화와 같은 부가적인 장점들을 제공한다. 예를 들어, 비-흑연 외부층들이 플라스틱 물질을 포함할 때, 흑연 박편화(flaking)가 방지된다. 비-흑연 외부층들로서 사용될 수 있는 다른 물질들은 티타늄 질화물, 붕소 질화물 및 실리콘 카바이드를 포함한다. 그러나, 보다 바람직하게는, 비-흑연 외부층들은 구리 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등과 같은 금속 물질, 특히 알루미늄을 포함한다. 알루미늄은 구리만큼 열적으로 전도성이 아니지만, 구리에 비해 더 가벼운 중량으로 인해 알루미늄이 바람직하다.
금속 외부층들의 사용은 최종 구조물이 특정 공간 요구사항들을 충족시키는 복잡한 형상들로 성형(mold) 및/또는 형성될 수 있도록 하고, 금속의 등방성 특성의 이용에 의해 흑연 코어로 효율적으로 더 분산되도록 하는 동시에 흑연 박편화를 방지한다. 그리고, 당업자에 의해 인식되는 것처럼, 삽입되는 외부층들이 동일한 물질을 포함해야 한다는 요구조건은 없고, 성능을 최대화 또는 최적화시키기 위해 상이한 물질들이 사용될 수 있다.
그러나, 삽입 열 솔루션을 형성함에 있어서, 외부층들을 위해 선택된 물질들의 특성과 3개 층들의 두께는 열적 솔루션의 열 성능에 크게 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 열 전도도(W/m°K로 측정됨) 및 열 확산은, 즉 몸체를 통한 열의 확산 비율(mm2/sec로서 측정됨)은 층들의 특성과 두께에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서, 비-흑연 외부층들을 위해 사용되는 물질과 삽입부를 형성하는 개별 층들의 두께는 바람직하게는 약 -10 내지 약 +7의 흑연 코어와 조합되는 외부 층들 각각에 대해 Fx로 지칭되는 열 함수를 제공하기 위해 선택되어야 한다.
외부층/흑연 코어 조합물의 열 함수는 다음의 식에 의해 결정될 수 있다:
Figure 112011085631874-pct00001
여기서, Y1은 외부층들 중 하나에 대한 Young의 계수이고, Y2는 흑연 코어에 대한 Young의 계수이며, Thick1은 외부층의 두께(mm)이고, Thick2는 흑연 코어의 두께이며, Tc1은 외부층의 열 전도도이고 Tc2는 흑연 코어의 열 전도도이며, d1은 외부층의 밀도이고, d2는 흑연 코어의 밀도이다.
외부층들과 가요성 흑연 코어의 열 함수가 약 -10 내지 약 +7이면, 삽입부의 열 전도도 및 열 확산도는 효과적인 열 솔루션을 제공하도록 최적화될 수 있다. 즉, 열 솔루션 상의 하나의 위치로부터 다른 위치로의 Δt로 지칭되는 온도 기울기가 최소화된다. Fx가 바람직한 범위를 벗어날 때 비교적 낮은 Δt가 한번에 달성될 수 있지만, 이것은 약 -10 내지 약 +7의 Fx 범위가 수반되는 경우에서처럼 이와 같이 설계된 것이라기 보다는 우연인 것처럼 보인다.
본 발명의 삽입부는 다양한 방법들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 흑연 시트 또는 시트들의 적층부는 함께 용융되거나(예를 들어, 플라스틱 물질들의 경우) 함께 용접 또는 땜납되는(예를 들어, 금속들의 경우) 외부층들과 외부층들의 에지들 사이에 배치될 수 있다. 선택적으로, 외부층들의 에지들은 삽입부를 형성하도록 함께 접힐 수 있거나, 외부층들을 함께 접착시키기 위해 접착 물질이 외부층들 및/또는 흑연 층들의 표면들 및/또는 흑연에 제공될 수 있다.
본 발명의 삽입 열적 솔루션은 2개의 주표면들을 포함하고, 그 중 하나는 하드 드라이브 또는 디지털 프로젝터의 광원의 케이싱과 같이, 가열 소스의 표면에 접촉되어 작용한다. 열적 솔루션의 영역은 열적 솔루션의 동일평면의 열 전도도가 가열 소스로부터 열을 분산시키도록 작용하기 위해 가열 소스상의 열적 솔루션의 접촉 영역보다 더 넓다. 가장 바람직하게는, 열적 솔루션의 주표면들 중 하나(가열 소스와 접촉되는 동일한 주표면일 필요는 없음)는 열 싱크와 같은 열 분산 장치와 접촉되어 작용함으로써, 가열 소스에 의해 생성된 열이 비교적 높은 동일평면 열 전도도로 인해 열적 솔루션을 통해 분산되고, 열이 분산되는 열 싱크로 전도된다.
흑연의 비교적 낮은 관통-두께 열 전도도(또는 달리 말하면, 높은 열적 이방성 비율)로 인해, 가열 소스에 의해 생성되는 열은 열적 솔루션을 통해 용이하게 전달되지 않는다. 따라서, 열적 솔루션이 가열 소스와 상기 가열 소스가 위치된 상기 장치의 외부 표면 사이에 위치될 때, 또는 가열 소스와 상기 가열 소스가 위치된 장치의 다른 컴포넌트 사이에 위치될 때, 열적 솔루션은 가열 소스에서 외부 표면 또는 다른 컴포넌트로의 열 흐름을 감소 또는 제거시킨다. 본 발명의 열적 솔루션의 외형 특성은 공간이 제한되거나 열적 솔루션이 장치에서 구조물들에 대해 또는 그 주위에 맞춰질 필요가 있는 애플리케이션들에서도 사용할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 열적 솔루션의 가요성 흑연/금속 삽입부의 사용의 다른 장점은 전자기 및 무선(EMI/RF) 간섭을 차단시키는 본 발명의 가능성에 있다. 본 발명의 열적 솔루션들은 그 주요 목적인 열 분산/차폐 기능을 수행함과 더불어 EMI/RF 간섭으로부터 위치된 장치의 컴포넌트들을 차폐시키도록 기능한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 열적 솔루션은 국제특허 출원번호 PCT/US02/40238에 기술되거나, 가열 소스와 본 발명의 열적 솔루션 사이의 열 전달을 용이하게 하기 위해 열적 솔루션과 가열 소스 사이에 eGraf Hi-Therm™ 라인의 제품들이 삽입될 수 있는 Lakewood, Ohio의 Advanced Energy Technology Inc.에서 상업적으로 이용가능한 열적 그리스 또는 흑연-기반의 열적 계면과 같은 열적 계면 물질을 가질 수 있다. 또한, 러버(rubber) 또는 폴리우레탄 폼 패드와 같은 압축가능한 물질은 가열 소스를 열적 솔루션에 대해 편향시키고 가열 소스로부터 본 발명의 열적 솔루션으로 열 전달을 용이하게 하기 위해, 본 발명의 열적 솔루션과 대향하는 측면의 가열 소스상에 배치될 수 있다.
또한, 열적 솔루션의 기계적 강건성과 처리력을 개선하고 가열 소스에서 장치의 외부 표면 또는 다른 장치 컴포넌트들로 전달되는 열을 잠재적으로 추가 차단 또는 차폐시키기 위해, Mylar® 물질과 같은 비교적 열적으로 비-전도성 물질층 또는 다른 수지들 또는 이와 유사한 물질들이 열적 솔루션상에 놓일 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자 장치의 컴포넌트로부터 열을 분산시키는 동시에 상기 열로부터 인접한 구조물들을 차폐시키기 위한 개선된 열적 솔루션을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인접한 구조물들로의 열 전달을 방지하면서 열 분산을 위해 효과적으로 작용하기에 충분히 높은 열적 이방성 비율을 갖는 열적 솔루션을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 약 -10 내지 약 +7인 열 함수를 갖는 열적 솔루션을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이용가능한 공간이 제한되는 환경에서 열 분산 및 열 차단을 제공하는 성형가능한 열적 솔루션을 제공하는 것이다.
이하의 상세한 설명으로부터 통상의 당업자에게 명백해지는 이러한 목적들 및 다른 목적들은 전자 장치를 위한 열 분산 및 차폐 시스템을 제공함으로써 달성될 수 있고, 상기 시스템은 전자 컴포넌트의 외부 표면(예, 랩탑 케이스) 및/또는 장치의 제 2 컴포넌트(예, 랩탑의 칩셋)로 열을 전달하는 가열 소스를 포함하는 제 1 컴포넌트(하드 드라이브)를 갖는 전자 장치; 및 2개의 주표면들을 갖는 열적 솔루션을 포함하고, 상기 열적 솔루션은 주표면들 중 하나가 상기 제 1 컴포넌트에 접촉되어 작용하고 상기 제 1 컴포넌트가 열을 전달하는 상기 전자 장치의 외부 표면 및/또는 상기 제 2 컴포넌트와 제 1 컴포넌트 사이에 삽입되도록 위치되며, 상기 열적 솔루션은 특히 알루미늄과 같은 금속인 외부층들 사이에 삽입된 적어도 하나의 가요성 흑연 시트를 포함한다. 열적 솔루션은 적어도 약 140W/m°K, 보다 바람직하게는 적어도 약 200W/m°K의 동일-평면 열 전도도를 갖고, 약 12W/m°K 이하, 보다 바람직하게는 약 10W/m°K 이하의 평면-관통 열 전도도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 비-흑연 외부층들에 대해 사용되는 물질과 본 발명의 삽입부를 형성하는 개별층들의 두께는 이하의 식에 의해 결정되는 바와 같이, 흑연 코어와 조합된 외부층들 각각에 대해 Fx로 지칭되는 약 -10 내지 약 +7의 열 함수를 제공하기 위해 선택되는 것이 바람직하다:
Figure 112006039595157-pct00002
여기서, Y1은 외부층들 중 하나에 대한 Young의 계수이고, Y2는 흑연 코어에 대한 Young의 계수이며, Thick1은 외부층의 두께(mm)이고, Thick2는 흑연 코어의 두께이며, Tc1은 외부층의 열 전도도이고 Tc2는 흑연 코어의 열 전도도이며, d1은 외부층의 밀도이고, d2는 흑연 코어의 밀도이다.
바람직하게는, 본 발명의 시스템은 열 싱크, 가열 파이프, 가열 플레이트 또는 이들의 조합물들과 같은 열 분산 장치를 더 포함하며, 상기 열 분산 장치는 상기 제 1 컴포넌트에 바로 인접하지 않는 위치에 위치되고, 상기 열적 솔루션의 주표면들 중 하나는 열 분산 장치와 접촉되어 작용한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 열적 솔루션은 그 상부에 플라스틱과 같은 보호성 코팅을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 보호성 코팅은 적어도 하나의 가요성 흑연 시트의 평면-관통 열 전도도 미만의 열 전도도를 갖는다. 열 계면 물질과 같은 열 전달 물질 또한 열적 솔루션과 제 1 컴포넌트 사이에 위치될 수 있다. 또한, 압축가능한 패드와 같은 바이어싱 물질이 상기 제 1 컴포넌트와 열적 솔루션을 함께 편향시키기 위해 위치될 수 있다.
전술한 일반적인 설명과 이하의 본 발명의 실시예들에 대한 상세한 설명은 청구된 바와 같이 본 발명의 특성 및 특징을 이해시키기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하려는 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면들은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부에 포함 및 구성된다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들을 나타내고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들과 동작들을 설명하도록 작용한다.
도 1은 가열 소스와 열 싱크를 연결시키도록 배치된 본 발명의 열적 솔루션의 제 1 실시예의 사시도이다.
도 2a는 그 상부 플레이트가 제거된 랩탑 컴퓨터의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 랩탑 컴퓨터에서 인-시튜 위치된 도 1의 열적 솔루션 실시예의 사시도이다.
도 3은 도 1의 열적 솔루션의 단부 횡단면도이다.
기술된 바와 같이, 본 발명의 열적 솔루션은 삽입부(sandwich)이고, 상기 삽입부는 그 내부 코어가 통상 가요성 흑연으로 알려진 박리화된 흑연의 압축 입자들의 시트들로부터 형성된다. 흑연은 평면들 사이에 보다 약한 접합부들을 가진 평탄하게 적층된 평면들에서 공유 결합되는 원자들을 포함하는 결정형 탄소이다. 예를 들어 황산 및 질산의 용액의 인터칼렌트(intercalant)로 천연 흑연 조각과 같은 흑연의 입자들을 처리함으로써, 흑연의 결정 구조는 흑연과 인터칼렌트의 화합물을 형성하도록 작용한다. 흑연의 처리된 입자들은 이하에서 "인터칼렌트 흑연의 입자들"로서 지칭된다. 고온에 노출시, 흑연 내의 인터칼렌트는 분해 및 휘발되고, 인터칼렌트 흑연의 입자들이 "c" 방향, 즉 흑연의 결정면들에 수직인 방향으로 아코디언 형태의 방식으로 원래 부피의 약 80배 이상만큼의 영역에서 확장되도록 한다. 박리한 흑연 입자들은 외형상 연충형상이므로, 통상 웜들로서 지칭된다. 웜들은 원래의 흑연 조각들과 달리, 다양한 형상들로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트들로 함께 압축될 수 있다.
본 발명에 사용하기 위해 적합한 흑연 스타팅 물질들은 할로겐들 뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터칼레이팅할 수 있고 그 다음 열에 노출될 때 확장할 수 있는 고 흑연 탄소질 물질들을 포함한다. 이러한 고 흑연 탄소질 물질들은 대부분 약 1.0의 흑연화도(degree of graphitization)를 갖는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 것처럼, "흑연화도"란 용어는 다음 식에 따른 값 g를 지칭한다:
Figure 112006039595157-pct00003
여기서, d(002)는 옹스트롬 단위들로 측정되는 결정 구조에서 탄소들의 흑연층들간의 간격이다. 흑연층들간의 간격 d는 표준 X-ray 회절 기술들에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) Miller 지수들에 해당하는 회절 피크값들의 위치들이 측정되고, 표준 최소제곱 기술들은 이러한 모든 피크값들에 대한 총 에러를 최소화하는 간격을 유도하는데 사용된다. 고 흑연 탄소질 물질들의 예들은 화학적 기상 증착, 폴리머들의 고온 열분해, 또는 용해된 금속 용액들 등으로부터의 결정화에 의해 마련되는 흑연과 같은 다른 탄소질 물질들 뿐만 아니라, 다양한 소스들 로부터의 천연 흑연들을 포함한다. 천연 흑연이 가장 바람직하다.
본 발명에 포함되는 가요성 흑연 물질을 형성하는데 사용되는 흑연 스타팅 물질들은 스타팅 물질들의 결정 구조가 목표된 흑연화도를 유지하고 박리화될 수 있다면 비-흑연 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 그 결정 구조가 목표된 흑연화도를 갖고 박리화될 수 있는 임의의 탄소-함유 물질이 본 발명에 사용하기에 적합할 수 있다. 이러한 흑연은 바람직하게는 적어도 약 80 중량%의 순도를 갖는다. 보다 바람직하게는, 본 발명에 사용되는 흑연은 적어도 약 94%의 순도를 갖는다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용되는 흑연은 적어도 약 98%의 순도를 갖는다.
흑연 시트를 제조하기 위한 공통의 방법은 Shane외의 미국특허번호 제3,404,061호에 기술되고, 그 명세서는 참조로 본 발명에 포함된다. Shane외의 방법의 통상적인 실시예에서, 천연 흑연 조각들은 바람직하게는 흑연 조각들의 100 중량 부분들(pph) 당 인터칼레이팅 용액의 약 20 내지 약 300 중량 부분들의 레벨에서 예를 들어, 질산 및 황산의 혼합물을 포함하는 용액에서 상기 조각들을 분산시킴으로써 인터칼레이팅된다. 인터칼레이션 용액은 종래에 공지된 산화 및 다른 인터칼레이팅제들을 포함한다. 이러한 예들은 질산, 염소산칼륨, 크롬산, 과망간산칼륨, 크롬산칼륨, 중크롬산칼륨, 과염소산 등을 포함하는 용액들과 같은 산화제들 및 산화 혼합물들, 또는 예를 들어 응축된 질산 및 염소산염, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물들, 또는 예를 들어 트리플루오로아세틱산(trifluoroacetic acid)과 같은 강한 유기산, 및 상기 유기산에 용해가능한 강한 산화제의 혼합물들을 포함하는 것이다. 선택적으로, 전위가 흑연의 산화를 발생시키는데 사용될 수 있다. 전해액 산화를 이용하는 흑연 결정으로 도입될 수 있는 화학종들은 다른 산들 뿐만 아니라 황산을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산의 혼합물, 또는 황산 및 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 주기 산들 등과 같은 산화제의 용액이다. 비록 바람직하진 않지만, 인터칼레이션 용액은 염화 철과 같은 금속 할로겐화물, 및 황산과 혼합된 염화 철, 또는 브롬산 및 황산 또는 유기 용매의 브롬의 용액으로서 브롬과 같은 할로겐화물을 포함할 수 있다.
인터칼레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 350pph이고 보다 전형적으로 약 40 내지 약 160pph 범위일 수 있다. 상기 조각들이 인터칼레이팅된 이후, 임의의 과도한 용액은 상기 조각들로부터 소모되고 상기 조각들은 세정된다. 선택적으로, 인터칼레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40pph로 제한될 수 있고, 그 명세서가 참조로 본 발명에 포함되는 미국특허번호 제4,895,713호에 제시되고 기술된 바와 같이 세정 단계를 없앨 수 있다.
인터칼레이션 용액으로 처리되는 흑연 조각의 입자들은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도들에서 인터칼레이팅 용액을 산화시키는 표면막과 반응하는 알코올, 슈거, 알데히드들 및 에스테르들로부터 선택된 유기 환원제와 예를 들어 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제들은 헥사디캐놀, 옥타디캐놀, 1-옥타놀, 2-옥타놀, 디크릴알코올, 1,10 디캔디올(decanediol), 데크릴알데히드, 1-프로파놀, 1,3 프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로피렌 글리콜, 덱스트로세, 프루토스, 락토스, 수크로오스, 감자 녹말, 에틸렌 글리콜 모노스티어레이트(monostearate), 디메틸 옥시레이트, 디에틸 옥시레이트, 포름산 메틸, 포름산 에틸, 아스코르빈산 및 리그노설페이트 나트륨과 같은 리그닌-유도 화합물들을 포함한다. 유기 환원제의 양은 흑연 조각의 입자들의 약 0.5 내지 4 중량%가 적절하다.
또한, 인터칼레이션 동안 또는 직후, 이전에 제공된 팽창 산의 사용은 개선점들을 제공할 수 있다. 이러한 개선점들은 감소된 박리화 온도 및 증가된 팽창 부피(또는 "웜 부피"로 지칭됨)일 수 있다. 이와 관련하여 팽창 산은 팽창에서 개선점을 달성하기 위한 인터칼레이션 용액에서 충분히 용해될 수 있는 유기 물질인 것이 바람직할 것이다. 보다 구체적으로, 탄소, 수소 및 산소를 포함하는 이러한 형태의 유기 물질들은 바람직하게 단독으로 사용될 수 있다. 카르복시산들은 특히 효과적인 것으로 발견되었다. 팽창 산으로서 유용한 적정 카르복시산은 방향족, 지방족 또는 사이클로지방족, 직선 체인 또는 분기 체인, 포화 및 불포화 모노카르복시산들, 적어도 1 탄소 원자를 갖고 바람직하게는 약 15 탄소 원자들까지 가지며 하나 이상의 박리화 특징들 중 측정가능한 개선점을 제공하기에 효과적인 양들의 인터칼레이션 용액에서 용해가능한 디카르복시산들 및 폴리카르복시산들로부터 선택될 수 있다. 적절한 유기 용매들은 인터칼레이션 용액에서 유기 팽창 산의 용해도를 개선하는데 사용될 수 있다.
포화 지방족 카르복시산들 중 대표적인 예들은 포름산, 아세트산, 프로피온 산, 부티르산, 펜탄산, 헥사노익 등을 포함하는 식 H(CH2)nCOOH와 같은 산들이고, 여기서 n은 0 내지 5의 수이다. 카르복시산들을 대신하여, 알킬 에스테르들과 같은 반응성 카르복시산 유도체들 또는 무수물(anhydrides)도 사용될 수 있다. 알킬 에스테르들의 대표예는 메틸 포름산 및 에틸 포름산이다. 황산, 질산 및 다른 수용 인터칼렌트들은 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감성 팽창 산들은 바람직하게 수용 인터칼렌트에서 조각의 침윤 이전에 흑연 조각과 접촉된다. 디카르복시산의 대표예는 2-12 탄소 원자들을 가진 지방족 디카르복시산들, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복시산, 1,6-헥산디카르복시산, 1,10-데칸디카르복시산들, 사이클로헥산-1,-디카르복시산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복시산들이다. 알킬 에스테르들의 대표예는 디메틸 옥시레이트 및 디에틸 옥시레이트이다. 사이클로지방산들의 대표예는 사이클로헥산 카르복시산이고, 방향족 카르복시산들의 대표예는 벤조산, 나프토에산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m- 및 p-토릴산들, 메톡시 및 에톡시벤조산들, 아세토아세트아미노벤조산들 및 아세트아미노벤조산들, 페닐아세트산 및 나프토에산들이다. 하이드록시 아로마산들의 대표예는 하이드로벤조산, 3-하이드록시-1-나프토에산, 3-하이드록시-2-나프토에산, 4-하이드록시-2-나프토에산, 5-하이드록시-1-나프토에산, 5-하이드록시-2-나프토에산, 6-하이드록시-2-나프토에산 및 7-하이드록시-2-나프토에산이다. 폴리카르복시산들 중 대표예는 구연산이다.
인터칼레이션 용액은 수용성이고 바람직하게는 약 1 내지 10%의 팽창 산의 양을 포함하며, 그 양은 박리화를 향상시키는데 효과적이다. 실시예에서 상기 팽창 산은 수용 인터칼레이션 용액에서 침윤되기 이전 또는 이후 흑연 조각과 접촉되고, 상기 팽창 산은 전형적으로 흑연 조각의 약 0.2 중량% 내지 약 10 중량%의 양의 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 흑연과 혼합될 수 있다.
흑연 조각을 인터칼레이팅 한 후, 인터칼렌트 코팅된 인터칼레이팅된 흑연 조각을 유기 환원제와 혼합한 다음, 혼합물은 환원제의 반응과 인터칼렌트 코팅을 촉진시키기 위해 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도들로 노출된다. 가열 주기는 약 20시간까지이고, 상기 주지된 범위에서 더 높은 온도들에 대해 예를 들어 적어도 약 10분과 같은 더 짧은 가열 주기들을 가질 수 있다. 예를 들어 10분 내지 25분과 같이 30분 이하의 시간이 더 높은 온도들에서 사용될 수 있다.
따라서 처리된 흑연 입자들은 종종 "인터칼레이팅된 흑연 입자들"로서 지칭된다. 예를 들어 적어도 약 160℃ 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상과 같은 고온에 노출시, 인터칼레이팅된 흑연의 입자들은 그 원래 부피의 약 80배 내지 1000배 이상만큼 c-방향으로, 즉 흑연 입자들 성분의 결정면들에 수직인 방향으로 아코디언형 방식으로 팽창한다. 팽창된, 즉 박리화된 흑연 입자들은 외형상 연충모양이므로, 통상 웜들로 지칭된다. 웜들은 원래 흑연 조각들과 달리, 다양한 형상들로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트들로 함께 압축될 수 있다.
가요성 흑연 시트 및 막은 양호한 처리 세기로 공유 결합되고, 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께로 세제곱 센티미터당 0.1 내지 1.5g의 전형적인 밀도(g/cm3)로 롤 프레싱에 의해 적절히 압축된다. 최종 가요성 흑연 제품에서 향상된 수지 주입을 제공하기 위해 미국특허번호 제5,902,762호(참조로 본 발명에 포함됨)에 기술된 것처럼, 세라믹 첨가제들의 약 1.5-30 중량%가 인터칼레이팅된 흑연 조각들과 혼합될 수 있다. 상기 첨가제들은 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 가진 세라믹 섬유 입자들을 포함한다. 상기 입자들의 폭은 약 0.04 내지 0.004mm인 것이 적절하다. 세라믹 섬유 입자들은 흑연에 비-반응성 및 비-접착성이며, 약 1100℃까지 바람직하게는 약 1400℃ 이상까지의 온도들에서 안정할 수 있다. 적절한 세라믹 섬유 입자들은 잘게 부서진 석영 유리 섬유들, 탄소 및 흑연 섬유들, 지르코니아, 붕소 질화물, 실리콘 카바이드 및 마그네슘 섬유들로 형성되고, 칼슘 메타실리케이트 섬유들, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유들, 알루미늄 산화물 섬유들 등과 같은 미네랄 섬유들을 자연 발생시킨다.
흑연 조각을 인터칼레이팅 및 박리화하기 위한 상술된 방법들은 흑연화 온도들에서, 즉 약 3000℃ 이상의 온도 범위에서 흑연 조각의 예비처리에 의해 바람직하게 증대될 수 있고 국제특허출원번호 PCT/US02/39749에 기술된 바와 같이, 윤활 첨가제의 인터칼렌트에서 함유물에 의해 바람직하게 증대될 수 있다.
흑연 조각의 예비처리 또는 어닐링은 흑연이 순차적으로 인터칼레이션 및 박리화를 받을 때 크게 증가된 팽창(즉, 300% 이상까지의 팽창 부피 증가)을 발생시킨다. 대신, 바람직하게는, 팽창 증가는 어닐링 단계 없는 유사한 처리에 비해 적 어도 약 50%이다. 어닐링 단계를 위해 사용되는 온도들은 100℃ 이하의 온도들이 실질적으로 감소된 팽창을 초래하기 때문에 3000℃ 이하이어서는 안된다.
본 발명의 어닐링은 인터칼레이션 및 순차적인 박리화시 향상된 팽창도를 가진 흑연을 발생시키기에 충분한 시간 주기 동안 수행된다. 전형적으로 요구되는 시간은 1시간 이상이고, 바람직하게는 1시간 내지 3시간이고 가장 바람직하게는 불활성 환경에서 진행된다. 가장 바람직한 결과들을 위해, 어닐링된 흑연 조각에는 팽창도를 향상시키기 위해 유기 환원제의 존재하에서 인터칼레이션, 유기산과 같은 인터칼레이션 산 및 인터칼레이션 이후의 계면활성제 세정과 같은 종래에 공지된 다른 프로세스들이 수행된다. 더욱이, 가장 바람직한 결과들을 위해, 인터칼레이션 단계가 반복될 수 있다.
예시적인 발명의 어닐링 단계는 유도 퍼니스(furnace) 또는 흑연화의 기술분야에서 공지된 바와 같은 다른 장치에서 수행될 수 있다; 3000℃ 범위에 있는 본 발명에 사용된 온도들에 대해, 흑연화 프로세스들에서 수행되는 범위의 상측단에 있다.
사전-인터칼레이션 어닐링을 수행하는 흑연을 이용하여 형성되는 웜들은 면적 중량 균일도에 부정적인 영향을 줄 수 있는 "덩어리(clump)"일 수 있다고 관찰되었기 때문에, "자유 흐름의" 웜들의 형성을 돕는 첨가제가 매우 바람직할 수 있다. 인터칼레이션 용액에 대한 윤활 첨가제의 첨가는 압축 장치의 베드(흑연 웜들을 가요성 흑연 시트로 압축 또는 캘린더링(calendering)하기 위해 통상적으로 사용되는 캘린더 스테이션의 베드와 같은)에 대해 웜들의 보다 균일한 분포를 용이하게 한다. 따라서 결과적인 시트는 더 높은 면적 중량 균일도 및 더 큰 신장 세기를 갖는다. 윤활 첨가제는 바람직하게는 긴 체인의 탄화수소이고, 보다 바람직하게는 적어도 약 10 탄소들을 가진 탄화수소이다. 다른 기능성 그룹들이 존재한다 할지라도, 긴 체인의 탄화수소 그룹들을 가진 다른 유기 화합물들이 사용될 수도 있다.
보다 바람직하게는, 윤활 첨가제는 오일이고, 특히 미네랄 오일들이 악취 및 냄새가 나지 않는 경향이 있고 장기간 저장을 위해 중요할 수 있다는 사실을 고려하여 미네랄 오일이 가장 바람직하다. 상술한 특정 팽창 산들은 윤활 첨가제의 규정을 충족시킨다는 것을 유의한다. 이러한 물질들이 팽창 산으로서 사용될 때, 인터칼렌트에서 개별 윤활 첨가제를 포함시킬 필요가 없을 수 있다.
윤활 첨가제는 적어도 약 1.4pph, 보다 바람직하게는 적어도 약 1.8pph의 양에서 인터칼렌트에 존재한다. 윤활 첨가제의 함유물의 상한은 하한만큼 중요하지 않지만, 약 4pph보다 더 큰 레벨에서 윤활 첨가제를 포함하는 것이 임의의 중요한 부가적 장점처럼 보이지 않는다.
또한, 가요성 흑연 시트는 수지로 처리될 수 있고, 경화 이후 흡수된 수지는 시트의 형태를 "고정"시킬 뿐만 아니라 가요성 흑연 시트의 수분 저항 및 처리 세기, 즉 강성도를 향상시킨다. 적절한 수지 함유량은 바람직하게는 적어도 약 5 중량%이고, 보다 바람직하게는 약 10 내지 35 중량%이며, 약 60 중량%까지가 적절하다. 본 발명의 실시에 있어서 특히 유용한 수지들은 아크릴-수지, 에폭시-수지 및 페놀-기반의 수지계들, 플루오로-기반의 폴리머들, 또는 이들의 혼합물들을 포함한 다. 적절한 에폭시 수지계들은 비스페놀 A (DGEBA)의 디글리사이딜 에테르 기질의 수지계들 및 다른 다기능 수지계들을 포함한다; 사용될 수 있는 페놀 수지들은 리솔(resole) 및 노볼락(novolac) 페놀을 포함한다. 선택적으로, 가요성 흑연에는 수지와 더불어 또는 수지 대신에 섬유들 및/또는 소금들이 주입될 수 있다. 부가적으로, 반응성 또는 비반응성 첨가제들은 특성들(택(tack), 물질 흐름, 소수성 등)을 변형시키기 위해 수지계와 함께 사용될 수 있다. 수지-주입된 물질들의 열 전도도를 최대화하기 위해, 수지는 상승되는 온도들과 압력에서 경화될 수 있다. 특히, 적어도 약 90℃의 온도들과 적어도 약 7메가파스칼(MPa)의 압력들에서 경화는 뛰어난 열 전도도들을 갖는 흑연 물질들을 형성한다(구리에서 관찰되는 것을 초과하는 동일-평면의 열 전도도가 달성될 수 있음).
선택적으로, 본 발명의 가요성 흑연 시트들은 국제특허출원번호 PCT/US02/16730에서 논의된 것처럼, 새롭게 팽창된 웜들 이외에 재형성된(reground) 가요성 흑연 시트들의 입자들을 사용할 수 있다. 상기 시트들은 시트 물질, 재활용된 시트 물질, 스크랩(scrap) 시트 물질, 또는 임의의 다른 적절한 소스로 새롭게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 프로세스들은 원 물질들과 재활용 물질들의 혼합물을 사용할 수 있다.
재활용 물질들에 대한 소스 물질은 시트들이거나 상술된 바와 같이 압축 성형된 시트들의 트리밍 부분들, 또는 예를 들어 사전-캘린더링 롤들로 압축되지만 수지가 아직 주입되지 않은 시트들일 수 있다. 더욱이, 소스 물질은 시트들 또는 수지가 주입되지만 아직 경화되지 않은 시트들의 트리밍 부분들, 또는 시트들이나 수지가 주입되고 경화된 시트들의 트리밍 부분들일 수 있다. 또한, 소스 물질은 유동장 플레이트들 또는 전극들과 같은 재활용된 가요성 흑연 광자 교환막(PEM) 연료일 수 있다. 흑연의 다양한 소스들이 각각 사용되거나 천연 흑연 조각들과 혼합될 수 있다.
가요성 흑연 시트들의 소스 물질이 이용가능하면, 입자들을 형성하기 위한 제트 밀, 에어 밀, 혼합기 등과 같은 공지된 프로세스들 또는 장치들에 의해 분쇄될 수 있다. 바람직하게는, 다수의 입자들은 20개의 US 메시를 통과시키고 보다 바람직하게는 주요 부분(약 20% 이상, 가장 바람직하게는 약 50% 이상)이 80 U.S. 메시를 통과하지 않는 직경을 갖는다. 가장 바람직하게는, 상기 입자들은 약 20 메시 이하의 입자 크기를 갖는다. 분쇄 프로세스 동안 수지계의 열 손상을 방지하기 위해, 분쇄됨에 따라 수지가 주입될 때 가요성 흑연 시트를 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다.
분쇄된 입자들의 크기는 목표된 열 특성들을 가진 흑연 제품의 가공성 및 성형성을 조정하도록 선택될 수 있다. 따라서, 더 작은 입자들은 가공 및/또는 형성하기에 더 용이한 흑연 제품을 초래하는 반면에, 더 큰 입자들은 더 높은 이방성을 가져서 더 큰 동일-평면 전기 및 열 전도도를 갖는 흑연 제품을 초래한다.
소스 물질에 수지 주입되면, 수지가 입자들로부터 제거되는 것이 바람직하다. 수지 제거의 세부사항들은 이하에서 추가로 설명된다.
소스 물질이 분쇄되고 임의의 수지가 제거되면 재팽창된다. 재팽창은 인터 칼레이션 및 상술한 박리화 프로세스 및 Shane외의 미국특허번호 제3,404,061호 및 Greinke 외의 미국특허번호 제4,895,713호에 기술된 것들을 이용함으로써 발생할 수 있다.
전형적으로, 인터칼레이션 이후, 입자들은 퍼니스에서 인터칼레이팅된 입자들을 가열함으로써 박리화된다. 이러한 박리화 단계 동안, 인터칼레이팅된 천연 흑연 조각들은 재활용된 인터칼레이팅된 입자들에 부가될 수 있다. 바람직하게는, 재팽창 단계 동안 입자들은 적어도 약 100cc/g 및 약 350cc/g 이상의 범위의 특정 부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 이후, 재팽창된 입자들은 이하에서 기술되는 바와 같이, 가요성 시트들로 압축될 수 있다.
스타팅 물질에 수지가 주입되면, 수지는 상기 입자들로부터 적어도 부분적으로 제거되는 것이 바람직하다. 이러한 제거 단계는 분쇄 단계 및 재팽창 단계 사이에 수행되어야 한다.
일 실시예에서, 제거 단계는 오픈 플레임(open flame) 상에서 리그라인드 입자들을 함유한 수지를 가열하는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로는, 주입된 수지는 적어도 약 250℃의 온도로 가열되어 수지 제거에 영향을 줄 수 있다. 이러한 가열 단계 동안, 수지 분해 제품들의 섬광(flashing)을 방지하는 것이 고려되어야 한다; 이는 공기를 가열 또는 불활성 대기에서 가열에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 약 10분에서 약 150분 이상까지 범위의 시간 동안 약 400℃ 에서 약 800℃ 범위로 가열되어야 한다.
부가적으로, 수지 제거 단계는 수지가 제거되지 않는 유사한 방법에 비해 성형 프로세스로부터 형성된 최종 제품의 신장 세기를 증가시킬 수 있다. 또한 수지 제거 단계는 팽창 단계 동안(즉, 인터칼레이션 및 박리화) 수지가 인터칼레이션 화학제들과 혼합될 때 특정 시기에 독성 부산물들을 생성할 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
따라서, 팽창 단계 이전에 수지를 제거함으로써, 상술된 바와 같이 증가된 세기 특성들을 가진 우수한 제품이 달성된다. 증가된 세기 특성들은 증가된 팽창으로 인한 결과의 일부분이다. 입자들로 존재하는 수지에 의해, 팽창이 제한될 수 있다.
세기 특성들 및 환경적 관심사들과 더불어, 산과의 폭발성 발열 반응을 생성하게 하는 수지에 대한 관심사들의 관점에서 인터칼레이션 이전에 수지가 제거될 수 있다.
상기한 관점에서, 다수의 수지가 제거되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 약 75% 이상의 수지가 제거된다. 가장 바람직하게는, 99% 이상의 수지가 제거된다.
가요성 흑연 시트가 분쇄되면, 목표된 형상으로 형성된 다음, 바람직한 실시예에서 경화된다(수지가 주입될 때). 선택적으로, 상기 시트는 후-분쇄 경화가 바람직하지만, 분쇄되기 이전에 경화될 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 열적 솔루션을 형성하는데 사용되는 가요성 흑연 시트는 적층들 사이의 접착제가 있는 또는 접착제가 없는, 적층물로서 사용될 수 있다. 비-흑연 층들은 적층 스택의 평면에 대해 열 분산을 느리게 할 수 있기 때문 에 바람직하지 않을 수 있는 접착제들의 사용을 필요로 할 수 있지만, 상기 비-흑연 층들이 적층 스택에 포함될 수 있다. 이러한 비-흑연 층들은 금속들, 플라스틱들 또는 섬유 유리나 세라믹들과 같은 다른 비-금속들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 형성된 박리화된 흑연의 압축 입자들의 시트들은 특성상 이방성이다; 즉, 상기 시트들의 열 전도도는 관통-시트 또는 "c" 방향과 반대로 동일-평면 또는 "a" 방향들에서 더 크다. 이러한 방식으로, 흑연 시트의 이방성 특성은 열적 솔루션의 평면 방향을 다라 열을 유도한다(즉, 흑연 시트를 따라 "a" 방향에서). 이러한 시트는 적어도 약 140W/m°K, 보다 바람직하게는 적어도 약 200W/m°K, 가장 바람직하게는 적어도 약 250W/m°K의 동일-평면 방향, 및 약 12W/m°K 이하, 보다 바람직하게는 약 10W/m°K이하, 가장 바람직하게는 약 6W/m°K 이하의 평면-관통 방향에서 열 전도도를 갖는다. 따라서, 열적 솔루션은 약 10 미만의 열적 이방성 비율(즉, 동일-평면 열 전도도 대 평면-관통 열 전도도의 비율)을 갖는다.
적층물의 동일-평면 및 평면-관통 방향들에서의 열 전도도 값들은 적층물을 형성하는데 사용되는 경우를 포함하여 열적 솔루션을 형성하는데 사용되는 가요성 흑연 시트들의 흑연 층들의 방향 정렬을 변경함으로써 또는 형성된 이후 적층물의 흑연 층들의 자체적인 방향 정렬을 변경함으로써 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 열적 솔루션의 동일-평면 열 전도도가 증가되는 반면, 열적 솔루션의 평면-관통 열 전도도는 감소되고, 이것은 열적 이방성 비율의 증가를 초래한다.
흑연 층들의 방향 정렬이 달성될 수 있는 여러 방법들 중 하나는 가요성 흑연 시트들 컴포넌트에 대한 압력의 인가, 시트들의 캘린더링(즉, 전단가공력(shear force) 인가를 통해), 방향 정렬을 형성함에 있어서 보다 효과적인 캘린더링과 함께 다이 프레싱 또는 상호 플레튼 프레싱(즉, 압축의 인가를 통해)이다. 예를 들어, 시트들을 1.1g/cc와 대향하게 1.7g/cc의 밀도로 캘린더링함으로써, 동일-평면 열 전도도는 약 240W/m°K에서 450W/m°K 이상으로 증가되고, 평면-관통 열 전도도는 비례적으로 감쇠되므로, 개별 시트들의 열적 이방성 비율을 증가시키고 팽창에 의해 임의의 적층물이 형성된다.
선택적으로, 적층물이 형성되면, 상기 적층물을 구성하는 흑연 층들의 방향 정렬은 예를 들어 압력의 인가에 의해서 전체적으로 감소되고, 적층물을 구성하는 컴포넌트 가요성 흑연 시트들의 스타팅 밀도 보다 더 큰 밀도를 초래한다. 적어도 약 1.4g/cc, 보다 바람직하게는 약 1.6g/cc 및 약 2.0g/cc까지의 적층된 제품에 대한 최종 밀도는 이러한 방식으로 달성될 수 있다. 압력은 다이 프레싱 또는 캘린더링에 의해서와 같이 종래의 수단에 의해 인가될 수 있다. 2.0g/cc만큼 높은 밀도들을 달성하는데 요구되는, 적어도 약 60MPa의 압력들이 바람직하고, 적어도 약 550MPa의 압력들이 바람직하며, 적어도 약 700MPa의 압력들이 보다 바람직하다.
놀랍게도, 흑연 층들의 방향 정렬을 증가시키는 것은 순수 구리와 동일하거나 보다 더 큰 전도도들로 흑연 적층물의 동일-평면 열 전도도를 증가시킬 수 있고, 밀도는 순수 구리의 밀도의 일부로 유지한다. 부가적으로, 최종 정렬된 적층물은 비-"정렬" 적층물에 비해 증가된 세기를 나타낸다.
가요성 측연 물질이 단일 시트 또는 적층물로서 형성되면, 그 다음 2개의 외 부층들 사이에 삽입된다. 가장 바람직하게는, 삽입부의 흑연 코어는 약 0.05mm 내지 약 2mm 두께이다.
상술된 바와 같이, 외부층들은 플라스틱 물질 또는 세라믹을 포함할 수 있지만, 보다 바람직하게는 금속 및 가장 바람직하게는 알루미늄이다. 알루미늄과 더불어, 선택된 외부층들은 구리, 마그네슘, 티타늄, 티타늄 질화물, 붕소 질화물 및 실리콘 카바이드를 포함할 수 있다. 이러한 외부층들은 실제적으로 가능한 얇은 본 발명의 삽입부를 유지하기 위해, 각각 약 10mm 이하 두께일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 7.5mm 이하의 두께일 수 있다. 외부층들의 두께는 가장 바람직하게는 약 0.02mm 내지 약 4mm이다.
전술한 바와 같이, 삽입부는 용융/용접/땜납에 의해, 또는 접착제들을 이용하여, 또는 외부층들을 자체적으로 폴딩(folding) 또는 크림핑(crimping)함으로써, 흑연 코어와 함께 형성될 수 있기 때문에, 외부층들 사이의 흑연 물질을 캡슐화시킬 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 외부층들은 외부층(들)과 흑연 코어 사이에서 열 전달의 감소를 방지하기 위해, 2개의 외부층들이 서로 접하는 곳에서만 제공되는 접착제를 통해 서로 부착된다.
상술한 바와 같이, 삽입 열적 솔루션은 흑연 코어와 조합된 외부층들 각각에 대해 이하의 식에 의해 결정되는 약 -10 내지 +7의 Fx로 지칭된 열 함수를 제공하기 위해 외부층들에 대해 선택된 물질들과 3개 층들의 두께를 이용하여 형성된다:
Figure 112006039595157-pct00004
여기서, Y1은 외부층들 중 하나에 대한 Young의 계수이고, Y2는 흑연 코어에 대한 Young의 계수이며, Thick1은 외부층의 두께(mm)이고, Thick2는 흑연 코어의 두께이며, Tc1은 외부층의 열 전도도이고 Tc2는 흑연 코어의 열 전도도이며, d1은 외부층의 밀도이고, d2는 흑연 코어의 밀도이다.
이러한 방식으로, 본 발명의 삽입부의 열 전도도 및 열 확산도가 최적화될 수 있기 때문에, Δt는 감소되고 효과적인 열적 솔루션이 제공된다.
이제 도면들, 특히 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 열적 솔루션의 실시예가 도시되고, 일반적으로 참조번호 "10"으로 지정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열적 솔루션(10)은 주표면들(10a, 10b)을 갖는 삽입부를 포함하고, 외부층들(30, 40) 사이에 삽입된 박리화된 흑연의 압축 입자들의 시트(20)를 포함한다. 열적 솔루션(10)의 주표면들(10a, 10b) 중 하나는 랩탑 컴퓨터의 하드 드라이브 또는 휴대전화의 칩셋과 같은 전자 컴포넌트와 같은 가열 소스(100)와 접촉되어 작용되는 위치에 있도록 크기를 가짐으로써, 가열 소스(100)에 의해 생성되는 열이 열적 솔루션(10)으로 분산된다. 가열 소스(100)와 접촉되는 주표면(10a 또는 10b)의 면적은 가열 소스(100)와 접촉되는 면적 보다 더 크므로, 열적 솔루션(10)은 가열 소스(100)로부터 열을 분산시킨다.
더욱이, 열적 소루션(10)의 주표면들(10a, 10b) 중 하나는 열 싱크, 가열 파이프, 가열 플레이트 등과 같은 열 분산 장치(110)와 접촉되어 작용할 수 있다. 열 분산 장치(110)는 가열 소스(100)와 동일한 주표면(10a 또는 10b) 상의 열적 솔루션(10)과 접촉될 수 있다. 열적 솔루션(10)의 흑연 코어(20)의 이방성 특성 때문에, 가열 소스(100)로부터의 열이 열 분산 장치(110)로 분산되어 생성되는 열을 소멸시킨다. 이러한 방식으로, 열적 솔루션은 열을 열 분산 장치(110)로 분산시키는 것을 포함하여, 가열 소스(100)에 의해 생성되는 열을 분산시키는 열 분산기로서 작용한다.
그러나, 열적 솔루션(10)의 비교적 높은 열적 이방성 비율 때문에, 가열 소스(100)로부터의 열이 가열 소스(100)와 접촉되어 작용하는 주표면들(10a, 10b) 중 하나에서 다른 하나로 열적 솔루션(10)의 평면을 통해 효과적으로 전달되지 않는다. 따라서, 열적 솔루션(10)이 가열 소스(10)와 외부 표면 사이에 배치될 때 외부 표면의 온도를 감소시키는(몇몇 경우들에서 10℃ 이상만큼), 가열 소스(10)가 위치된 장치(예, 랩탑 컴퓨터 또는 휴대전화)의 외부 표면으로 열이 효과적으로 전달되지 않는다.
마찬가지로, 열적 솔루션(10)이 가열 소스(10)와 다른 컴포넌트 사이에 배치될 때 다른 컴포넌트가 노출되는 온도로 감소시키는, 가열 소스(10)가 위치된 장치(예, 랩탑 컴퓨터 또는 휴대전화)내의 다른 컴포넌트로 열이 효과적으로 전달되지 않는다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 설계의 바람직한 특징을 달성하기 위해 랩탑 컴퓨터(120)에서 열적 솔루션(10)의 위치설정을 도시한다. 도 2a에 도시된 것처럼, 랩탑 컴퓨터(120)는 그 보호 케이스 아래에, 하나 이상의 열 생성 컴포넌트들(122)을 포함하는 다수의 컴포넌트들을 가질 수 있다. 또한, 랩탑 컴퓨터(120)는 열 싱크(124)와 같은 열 분산 장치들을 가질 수 있다. 그러나 공간 제한들 때문에, 열 생성 컴포넌트들(122)에 인접한 열 싱크(124)를 배치하는 것이 항상 가능할 수는 없다.
그러나, 도 2b에서, 열적 솔루션(10)은 열 생성 컴포넌트(122) 및 열 싱크(124)에 오버레이하기 위해 랩탑 컴퓨터(120)에 위치된다. 그러므로, 분산을 위해 열 생성 컴포넌트(122)에서 열 싱크(124)로 열이 흐를 수 있다. 더욱이, 열적 솔루션(10)의 비교적 낮은 평면-관통 열 전도도 때문에, 열이 열적 솔루션(10)을 통해 효과적으로 흐르지 않아, 열적 솔루션(10)에 의해 차폐되는 환경의 과열을 방지한다. 이것은 흑연 코어 없이 구리 또는 알루미늄과 같은 보다 등방성 물질이 사용되면 가능할 수 없다.
더욱이, 열적 솔루션(10)의 금속 외부층들(30, 40)의 성형가능한 특성으로 인해, 열적 솔루션(10)은 도 2b에 도시된 것처럼 랩탑 컴퓨터(120)내의 컴포넌트들의 외형들을 따르도록 형성될 수 있으므로 매우 넓은 부가적 공간을 요구하지 않는다.
원한다면, 열적 솔루션(10)의 열적 차폐 효과를 증가시키기 위해, 보호성 코팅부가 열적 솔루션(10)에 제공될 수 있다. 적절한 보호성 코팅부들은 폴리에틸렌과 같은 열가소성 물질과 같이, 주지된 목적을 위해 충분한 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
보호성 코팅부는 몇가지 상이한 프로세스들에 의해 열적 솔루션(10)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 열적 솔루션(10)이 형성되면, 보호성 코팅부가 형성되는 물질이 개별적인 열적 솔루션(10) 상에 코팅될 수 있다. 결국, 보호성 코팅부는 스프레이 코팅, 롤러 코팅 및 핫 적층 프레스와 같은 통상의 당업자에게 익숙한 다양한 코팅 방법들에 의해 제공될 수 있다. 또한 보호성 코팅부는 기계적 맵핑 및 적층에 의해 제공될 수 있다.
일반적으로, 코팅 프로세스는 대부분의 애플리케이션들에 대해 충분한 세기로 보호성 코팅을 열적 솔루션(10)에 부착시킨다. 그러나, 원한다면, 또는 Mylar® 폴리에스테르 물질들 및 캡톤 폴리이미드 물질들(Wilmington, Delaware의 E.I. du Pont de Nemours and Company로부터 둘 다 상업적으로 이용가능함)과 같은 비교적 비-접착성 보호 코팅부들에 대하여, 접착층은 열적 솔루션(10)과 보호성 코팅부 사이에 제공될 수 있다. 적절한 접착제들은 아크릴 또는 라텍스 접착제들과 같은 열적 솔루션(10)에 대한 보호성 코팅부의 접착을 용이하게 할 수 있는 것들이다.
예제들
예제 Ⅰ
본 발명의 삽입부의 몇가지 실시예들의 열적 특성들은 W/m°K로 표현되는 열 전도도(Tc), 및 mm2/sec로 표현되는 열 확산도(Td)를 측정함으로써, 전자 설비를 위한 열적 솔루션들로서 종종 사용되는 몇가지 물질들의 열적 특성들과 비교되었다. 테스트된 샘플들은 각각 총 1.3mm 두께이고, 다음을 포함한다:
(1) 가요성 흑연;
(2) 구리;
(3) 알루미늄;
(4) 알루미늄 질화물;
(5) 0.5mm 구리, 1.2mm의 가요성 흑연 물질(1), 및 0.5mm의 구리로 형성된 삽입부;
(6) 0.5mm 알루미늄, 1.2mm의 가요성 흑연 물질(1), 및 0.5mm의 알루미늄으로 형성된 삽입부; 및
(7) 0.5mm 알루미늄 질화물, 1.2mm의 가요성 흑연 물질 (1), 및 0.5mm의 알루미늄 질화물로 형성된 삽입부.
결과들은 테이블 Ⅰ에서 나타내었다.
Figure 112006039595157-pct00005
예제 Ⅱ
본 발명의 삽입부의 상이한 실시예들의 열적 특성들은 W/m°K로 표현되는 열 전도도(Tc), 및 mm2/sec로 표현되는 열 확산도(Td)를 측정함으로써, 전자 설비를 위한 열적 솔루션들로서 종종 사용되는 몇가지 물질들의 열적 특성들과 비교되었다. 테스트된 샘플들은 각각 총 1.5mm 두께이고, 다음을 포함한다:
(1) 알루미늄;
(2) 실리콘(silicon);
(3) 가요성 흑연;
(4) 0.1mm 알루미늄, 1.3mm의 실리콘, 및 0.1mm의 알루미늄으로 형성되는 삽입부;
(5) 0.1mm 실리콘, 1.3mm의 알루미늄, 및 0.1mm의 실리콘으로 형성되는 삽입부;
(6) 0.1mm 알루미늄, 1.3mm의 가요성 흑연 시트 물질(3), 및 0.1mm의 알루미늄으로 형성되는 삽입부; 및
(7) 0.1mm의 가요성 흑연 물질(3), 1.3mm의 알루미늄, 및 0.1mm의 가요성 흑연 물질(3)로 형성되는 삽입부.
그 결과들은 테이블 Ⅱ에 나타내었다.
Figure 112006039595157-pct00006
예제 Ⅲ
일련의 삽입 열적 솔루션들은 상이한 열 전도도들을 갖는 흑연 물질들을 이용하여 마련되었다. 각각의 경우, 삽입부는 1.55mm 두께, 15mm의 폭, 및 400mm의 길이이다. 삽입부들은 층들간의 공기를 제거하기 위해 200톤의 압력을 받는다. 10와트 가열 소스가 삽입부의 에지들 중 하나로부터 20mm 떨어져 배치되고, 제 1 열전쌍은 가열 소스와 대향하는 상기 삽입부의 에지로부터 20mm에 배치되며, 제 2 열전쌍은 제 1 열전쌍으로부터 200mm에 배치된다. 그 다음, 각각의 샘플의 열 전도도 및 열 확산도가 계산된다. 테스트되는 샘플들은 다음과 같다:
(1) 0.05mm 알루미늄, 200W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 흑연, 및 0.05mm의 알루미늄로 형성된 삽입부;
(2) 0.05mm 알루미늄, 400W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 흑연, 및 0.05mm의 알루미늄으로 형성된 삽입부;
(3) 0.05mm 알루미늄, 500W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 흑연, 및 0.05mm의 알루미늄으로 형성된 삽입부;
(4) 0.05mm 알루미늄, 800W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 흑연 적층물, 및 0.05mm의 알루미늄으로 형성된 삽입부;
(5) 0.05mm 알루미늄, 1000W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 흑연 적층물, 및 0.05mm의 알루미늄으로 형성된 삽입부.
그 결과들은 테이블 Ⅲ에 나타내었다:
Figure 112006039595157-pct00007
예제 Ⅳ
층 두께가 열적 특성들에 어떤 영향을 주는지를 입증하기 위해 외부층들로서 상이한 두께의 알루미늄을 이용하여 일련의 삽입 열적 솔루션들이 마련되었다. 각각의 경우, 삽입부는 15mm의 폭이고 400mm의 길이이다. 삽입부들은 층들 사이의 공기를 제거하기 위해 200톤의 압력을 받는다. 10와트의 가열 소스는 삽입부의 에지들 중 하나로부터 20mm에 배치되고, 제 1 열전쌍은 가열 소스와 대향하는 상기 삽입부의 에지로부터 20mm에 배치되며, 제 2 열전쌍은 제 1 열전쌍으로부터 200mm에 배치된다. 그 다음, 각각의 샘플의 열 전도도 및 열 확산도가 계산된다. 테스트되는 샘플들은 다음과 같다:
(1) 0.1mm 알루미늄, 200W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 가요성 흑연, 및 0.1mm의 알루미늄로 형성된 삽입부;
(2) 1mm 알루미늄, 200W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 가요성 흑연, 및 1mm의 알루미늄로 형성된 삽입부;
(3) 3mm 알루미늄, 200W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 가요성 흑연, 및 3mm의 알루미늄로 형성된 삽입부.
그 결과들은 테이블 Ⅳ에 나타내었다:
Figure 112006039595157-pct00008
예제 Ⅴ
일련의 삽입 열적 솔루션들이 마련되었고, 외부층들 중 하나는 열 함수가 Δt에 미치는 영향을 입증하기 위해 상이한 두께를 갖는다. 각각의 경우, 삽입부는 15mm 폭이고 400mm 길이이다. 삽입부들은 층들 사이의 공기를 제거하기 위해 200톤의 압력을 받는다. 10와트의 가열 소스는 삽입부의 에지들 중 하나로부터 20mm에 배치되고, 제 1 열전쌍은 가열 소스와 대향하는 상기 삽입부의 에지로부터 20mm에 배치되며, 제 2 열전쌍은 제 1 열전쌍으로부터 200mm에 배치된다. 그 다음, 각각의 샘플의 열 전도도 및 열 확산도가 계산된다. 샘플들은 알루미늄의 층들 사이 에 삽입된 200W/m°K의 열 전도도를 갖는 1.45mm의 가요성 흑연을 이용하여 테스트되었다. 그 결과들은 테이블 Ⅴ에 나타내었다.
Figure 112006039595157-pct00009
따라서, 본 발명의 이용에 의하면, 전자 장치의 "터치 온도"와 인접한 컴포넌트들로 전달되는 열을 감소시킬 뿐만 아니라 열을 분산시키기 위해, 전자 장치의 컴포넌트에 의해 생성된 열의 열적 차폐 및 열적 분산이 달성된다. 이러한 기능들은 그 등방성 특성들 때문에 터치 온도 또는 인접 컴포넌트들로 전달되는 열을 거의 감소시킬 수 없는 구리 또는 알루미늄과 같은 보다 전통적인 열 분산 물질들에 의해서는 달성될 수 없다. 터치 온도를 감소시키고 인접 컴포넌트들로 전달되는 열을 감소시키는데 사용될 수 있는 절연 물질들은 열을 분산시키지 않고 가열 소스 컴포넌트에 대해 열이 발생되게 한다.
본 출원에 인용된 모든 특허들, 특허출원들 및 공개문헌들은 참조로 본 출원에 포함된다.
본 발명은 이에 따라 기술되었지만, 많은 방식들로 변형될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러한 변형예들은 본 발명의 사상과 범주를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며, 통상의 당업자에게 명백한 모든 변형예들은 이하의 청구범위의 범주 내에서 포함되어야 한다.

Claims (22)

  1. 전자 장치를 위한 열 분산 및 차폐 시스템으로서,
    가열 소스를 포함하는 제 1 컴포넌트를 포함하는 장치 컴포넌트들 및 외부 표면을 포함하는 전자 장치; 및
    2개의 주표면들을 포함하는 열적 솔루션(thermal solution)
    을 포함하고, 상기 열적 솔루션은 상기 전자 장치의 외부 표면과 상기 제 1 컴포넌트 사이에 삽입되도록 자신의 상기 주표면들 중 하나가 상기 제 1 컴포넌트와 동작가능하게 접촉되도록 배치되고, 상기 열적 솔루션은 2개의 외부층들 사이에 삽입되는 박리한(exfoliated) 흑연의 압축 입자들의 적어도 하나의 시트를 포함하며, 상기 열적 솔루션은 장치 컴포넌트들의 외형들을 따름으로써 상기 전자 장치에서 상기 열적 솔루션에 의해 소모되는 공간을 감소시키도록 복합 비-평면형(complex, non-planar) 형상으로 성형(mold) 또는 형성되고,
    상기 흑연 코어와 결합되는 상기 외부층들 각각에 대해 Fx로 지칭되는 열 함수는 -10 내지 +7이고 하기의 식에 의해 결정되며:
    Figure 112011085631874-pct00016
    여기서, Y1은 상기 외부층들 중 하나에 대한 Young의 계수이고, Y2는 상기 흑연 코어에 대한 Young의 계수이며, Thick1은 상기 외부층의 두께(mm)이고, Thick2는 상기 흑연 코어의 두께이며, Tc1은 상기 외부층의 열 전도도이고, Tc2는 상기 흑연 코어의 열 전도도이며, d1은 상기 외부층의 밀도이고, d2는 상기 흑연 코어의 밀도인, 열 분산 및 차폐 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부층들은 플라스틱들, 금속들, 및 이들의 혼합물들 또는 조합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질들을 포함하는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부층들 중 적어도 하나는 알루미늄을 포함하는, 열 분산 및 차폐 시스템.
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  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 장치는 상기 제 1 컴포넌트에 직접 인접하지 않은 위치에 위치되는 열 분산(heat dissipation) 장치를 더 포함하고, 상기 열적 솔루션의 상기 주표면들 중 하나는 상기 열 분산 장치와 작동가능하게 접촉되는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열 분산 장치는 싱크(sink), 가열 파이프, 가열 플레이트 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열적 솔루션은 적어도 140 W/m°K의 동일-평면 열전도도를 갖는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열적 솔루션은 12W/m°K 이하의 평면-관통 열전도도를 갖는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열적 솔루션은 상부에 보호성 코팅부를 더 포함하는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보호성 코팅부는 적어도 하나의 가요성 흑연 시트의 평면-관통 열 전도도 미만의 열 전도도를 갖는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열적 솔루션과 상기 제 1 컴포넌트 사이에 열 전달 물질이 위치되는, 열 분산 및 차폐 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 장치는 랩탑(laptop) 컴퓨터이고, 상기 외부 표면은 상기 랩탑 컴퓨터 케이스의 일부분을 포함하는, 열 분산 및 차폐 시스템.
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