KR101233480B1 - 방열판의 탄소나노튜브 코팅막 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열판에 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 판상의 방열핀을 다수개 구비하는 방열판을, 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 디핑하여 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하기 위한 방법으로; 상기 방열핀이 수직상태를 유지하는 방향으로 상기 방열판을 디핑하여 꺼내고, 상기 방열핀이 수평상태를 유지하는 방향으로 건조시키는 과정을 반복하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이러한 과정에 의하여, 탄소 나노 튜브 코팅층은 전체적으로 균일하게 형성되어 열전도도를 높일 수 있다.

탄소 나노 튜브, 열전도, 방열핀

Description

방열판의 탄소나노튜브 코팅막 형성방법{Method for forming coating layer of carbon nanotube for heat exchanger}

도 1은 종래의 방열핀을 구비하는 방열판의 예시 사시도.

도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 방열판의 예시 사시도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 디핑 과정을 예시한 예시도.

본 발명은 방열판의 코팅막 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열효과가 우수한 탄소 나노 튜브를 방열판의 표면에 균일하게 코팅하기 위한 코팅막 형성방법에 관한 것이다.

예를 들면 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU) 등과 같은 전자부품들은 구동시 많은 양의 열을 발생시킨다. 이러한 발열은 전자 부품들의 오동작을 일으키게 하기 때문에, 정상적으로 동작할 수 있는 소정의 온도 이하로 방열시켜야 한다. 이러한 방열을 위한 장치의 하나로 다수개의 방열핀을 구비하는 방열판을 들 수 있고, 도 1에는 컴퓨터의 중앙처리장치를 방열시키기 위한 일반적인 방열장치가 예시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 컴퓨터의 메인보드(10) 상에는 중앙처리장치(CPU)(50)가 장착되어 있다. 이러한 중앙처리장치(50)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해서 그 상부에 방열판(30)이 설치되어 있다. 상기 방열판(30)은 중앙처리장치(50)의 방열을 위하여 접촉하는 상태로 설치되고 그 상부로 연장 성형된 복수개의 방열핀(32)을 구비하고 있다. 상기 방열핀(32)은 일정한 높이를 가지는 판상으로 성형되고 있다.

그리고 상기 방열판(30) 상에는 방열을 위한 공기의 흐름을 발생시키기 위한 냉각팬(20)이 설치되어 있다. 상기 냉각팬(20)이 구동하게 되면 상기 방열판(30)의 방열핀(32) 주위에서 공기의 흐름이 형성되고 이러한 공기의 흐름에 의하여 상기중앙처리장치(50)에서 방열판(30)으로 전도된 열이 방열된다.

상기 중앙처리장치(50)의 방열효과를 결정하는 것은 방열판(30)의 방열 효율이라고 할 수 있다. 즉, 냉각팬(20)의 용량이 일정하다고 하면, 상기 방열판(30)의 열전도율에 의하여 방열 효율이 결정되는 것이기 때문에, 상기 방열판(30)이 방열의 정도를 결정하는 중요한 요인이라고 할 수 있다.

이러한 방열판의 방열효과를 최대화시키기 위하여 탄소나노튜브(Carbon nano tube) 코팅막을 형성하는 기술이 제안된 바 있다. 이러한 탄소타노튜브는 탄소 6개로 이루어지는 육각형들이 서로 연결된 관 형상을 이루는 원통(튜브)형의 신소재로써 90년대 초 개발된 바 있다.

이러한 탄소나노튜브를 방열판에 코팅하게 되면 열전도도가 향상되어 방열 또는 냉각 성능이 향상되는 것으로 알려져 있다. 예를 들면 방열판으로 널리 사용 되는 구리의 열전도도가 400W/K임에 비하여 탄소나노튜브의 열전도도는 약 1600W/K로 알려져 있어서, 실질적인 열전도 능력이 탁월하다고 할 수 있다.

따라서 열전도도가 우수한 구리로 만들어지는 방열판에 상기와 같은 탄소나노튜브를 이용한 코팅막을 형성하게 되면 종래의 방열판에 비하여 열전도율이 현저하게 향상될 수 있다. 그리고 이러한 탄소나노튜브 코팅막을 형성하는 경우에는, 가장 균일한 코팅막이 형성되는 것이 열교환 효율의 증대라는 측면에서 가장 바람직하다.

본 발명은, 균일한 탄소나노튜브 코팅막을 형성할 수 있는 코팅막의 성형방법을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 판상의 방열핀을 다수개 구비하는 방열판을, 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 디핑하여 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하기 위한 방법으로; 상기 방열핀이 수직상태를 유지하는 방향으로 상기 방열판을 디핑하여 꺼내고, 상기 방열핀이 수평상태를 유지하는 방향으로 건조시키는 것을 기술적 특징으로 하고 있다. 그리고 이러한 디핑 및 건조는 복수회 실시한다.

상기 디핑과정은, 방열핀이 수직상태를 유지하고, 방열핀 사이가 개구된 방향으로 수행하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 디핑과정은 방열핀이 수직상태를 유지하는 양측방향으로 복수회 실시되고, 바람직하게는 양측방향으로 교대로 실시된다.

이와 같은 본 발명에 의하면 탄소 나노 튜브 코팅층이 전체적으로 균일하게 형성되기 때문에, 최적의 열전도도를 확보할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

다음에는 도면에 도시된 방열판의 예를 참조하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서 이용하는 탄소나노튜브 자체는 이미 공지된 것이어서 그 자체에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 먼저 본 발명에 의한 방열판(50)에 대하여 살펴본다. 도 2에는 노트북 컴퓨터의 중앙처리장치의 방열에 사용되는 방열 판이다. 도시된 바와 같이 방열판(50)은 열전도성이 우수한 재질, 예를 들면 구리 등으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 방열판(50)은 판상으로 형성된 다수개의 방열핀(52)을 구비하고 있다.

이와 같은 방열핀(52)은 일정한 간격을 두고 나란하게 복수개가 형성되어 있다. 실질적으로 어떠한 형식의 방열판도, 판상의 방열핀을 구비하고 있음은 당연하고, 본 발명에서는 이러한 판상으로 형성되는 복수개의 방열핀을 구비하는 방열판에 탄소나노튜브 코팅막을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 의한 탄소나노튜브 코팅막은 디핑(dipping)에 의하여 성형된다. 본 발명에서 사용되는 탄소 나노 튜브는 특정한 형태의 것으로 한정되는 것은 아니나, 종횡비가 크고(10~10,000) 가능하면 순수한 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 직경이 10~15nm, 길이가 10~20㎛ 정도의 것을 사용할 수 있다.

여기서 정제되지 않은 탄소나노튜브에는 불순물이 섞여 있을 수 있기 때문에, 탄소나노튜브를 용매에 분산시키기 전에 불순물을 제거하는, 아닐링하는 전처리를 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 전처리로는 먼저 탄소나노튜브 분말 속에 포함된 비정질 탄소 및 탄소성분의 나노입자를 제거하기 위하여 건식 산화(gas-phase oxidation) 또는 습식 산화(liquid-phase oxidation)를 수행한다.

대표적인 건식 산화방법으로는 노(furnace)를 사용하며 산소 또는 대기 분위기에서 일정시간(예를 들면 1시간) 동안 470~750℃의 온도로 탄소나노튜브의 분말을 산화시킨다. 그리고 습식산화방법으로는, 탄소나노튜브를 과산화수소에 넣어서 일정시간(예를 들면 12시간 정도) 100℃에서 가열하는 방법으로, 0.5~1㎛ 크기의 기공필터를 통하여 과산화수소와 정제된 탄소나노튜브를 분리하게 된다.

예를 들면 탄소나노튜브의 합성시 사용된 금속촉매를 제거하기 위하여 질산(HNO3)용액(10g/ℓ)에 넣어서 1시간 동안 50℃로 가열한다. 이어서 정제된 탄소나노튜브를 원하는 크기로 절단하기 위하여 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)을 약 3:1의 비율로 혼합한 용액에 넣어서 70℃로 가열한다. 이러한 가열 시간에 따라서 탄소나노튜브의 길이가 결정되면 10시간 가열하였을 경우 약 2~5㎛, 20시간 가열하였을 경우 약 0.5~1㎛ 길이의 탄소나노튜브를 얻을 수 있었다.

그리고 분산 용매는 탄소나노튜브의 다발을 분리하기 위한 것으로, 탄소나노튜브를 관능기화(functionalization) 시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 가능하지만, 기화점이 낮아서 건조가 용이한 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서 디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 이소프로필알콜 (IPA:isopropylalcohol), 아세톤, 또는 에탄올 등을 사용할 수 있다.

그리고 이러한 분산 용매에 대하여 탄소 나노 튜브를 적당하게 혼합한 후 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키는 것이 바람직한데, 예를 들면 초음파 처리를 통하여 용매속의 탄소 나노튜브를 분산시키는 것이 바람직하다. 이러한 초음파의 조건은 탄소나노튜브자체에 손상을 주지 않는 범위 내에서 사용할 수 있을 것이며 예를 들면 40~60KHz 정도의 세기에서 일정 시간(예를 들면 1시간) 처리하는 것이면 충분하다. 그리고 이 때 필요에 따라서는 분산제를 사용할 수도 있다.

이러한 과정에 따라서 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 분산용매에, 도 2에 도시한 바와 같이 판상의 방열핀(52)을 가지는 방열판(50)을 디핑하는 것에 의하여 탄소나노튜브 코팅막을 형성하게 된다.

상술한 바와 같이 상기 방열판(50)의 효율적인 열전도율의 향상을 위해서는 탄소나노코팅막의 두께가 전체적으로 균일하게 형성되어야 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 균일한 코팅막 형성을 위한 디핑 방향을 결정하기 위하여, 방향을 A,B,C, 그리고 D로 구분하였다. 여기서 방향 A 및 B는 판상의 방열핀(52)에 대하여 직각을 이루는 방향이라고 할 수 있고, 방향 C 및 D는 판상의 방열핀(52)과 평행을 이루는 방향이라고 할 수 있다. 그리고 C 및 D는 실질적으로 평행을 이루는 복수개의 방열핀(52)에서 방열핀 사이가 모두 개구된 방향임을 알 수 있다.

발명자는 상기 각각의 방향(A,B,C,D)를 밑면으로 하여 복수개 디핑하는 실험을 수행하였다. 즉, A,B,C,D를 각각 밑면으로 하여 복수개 디핑하고, 그리고 D면을 밑면으로 하여 디핑을 하였으며, B면과 D면을 각각 밑면으로 하여 디핑하는 실 험을 실시하였다.

이러한 실험결과 방열핀(52)에 대하여 수직면인 A방향 또는 C방향을 밑면으로 하는 디핑에 의하여 형성되는 코팅막은 실질적으로 균일하지 않았다. 따라서 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 방열핀(52)에 대하여 수직면인 A 또는 C방향을 밑면으로 하는 디핑보다는 방열핀(52)에 평행한 방향을 밑면으로 하는 D방향 또는 B방향을 밑면으로 하는 디핑에 의한 코팅막의 형성이 보다 균일하게 형성될 수 있음을 알았다. 여기서 상기 방열핀(52)에 평행한 방향을 밑면으로 한다는 것은, 상술한 B방향 또는 D방향과 같이 나란하게 형성된 방열판의 사이가 개구되어 있는 방향이다.

더욱이 방열핀(52)에 평행한 방향을 밑면으로 하여 디핑하는 경우에도, 일면을 밑면으로 하여 디핑하는 것에 비하여, 양측면을 각각 밑면으로 하여 디핑하는 것이 더욱 균일한 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성할 수 있음을 알았다. 즉, 상기 B면 및 D면을 각각 밑면으로 하여 복수개 디핑하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었다. 여기서 A면 및 D면을 밑면으로 하여 각각 디핑한다는 것은, 실질적으로 A면 및 D면을 각각 밑면으로 하고, 각 1회씩 교대로 수행하는 것도 가능하고 각각 복수회씩 교대로 수행하는 것도 가능하다.

상기와 같은 방향으로 디핑한 후에는, 상기 방열판을 용매에서 꺼내어 건조시켜야 하는 것은 당연하다. 상기 방열판(50)은 디핑방향과 동일한 방향으로 꺼내는 것이 바람직하다. 그리고 디핑된 후 용액에서 꺼낸 방열판(50)에서 용액이 완전히 흘러내린 후에는 웨팅층을 건조시켜야 한다. 그리고 이러한 디핑 및 건조로 구성되는 코팅은 다수회 반복하여 실시되어야 한다.

여기서 디핑한 후의 건조는 용매가 빨리 증발할 수 있도록 소정의 고온분위기(예를 들면 80~95℃)에서 실시하는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 건조과정에서 공기중에 포함되어 있는 이물질이 탄소나노튜브의 웨팅층에 부착될 수 있기 때문에, 상기 건조과정은 진공분위기하에서 실시하는 것이 바람직하다.

그리고 이러한 건조과정은, 상기 방열핀(52)이 수평상태를 이루도록 한 상태에서 건조시키는 것이 균일한 코팅막의 형성에 가장 바람직함을 실험결과에 의하여 알 수 있었다. 그리고 이러한 건조는 소정의 온도분위기 하에서 별도의 건조챔버 내부에서 진행되는 것이 이물질 부착의 방지라는 측면에서 바람직하다.

본 발명에서는 디핑과 건조로 구성되는 코팅을 다수회 반복하여 실시하여 소정의 두께를 가지는 탄소나노튜브 코팅막을 형성하고 있음을 알 수 있다. 디핑과 건조시의 방향을 상술한 바와 같이 설정하는 것에 의하여, 최적의 균일한 탄소나노코팅막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 여러 가지 다른 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것임은 자명하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명은 방열판에 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 탄소 나노 튜브 코팅막에 의하면, 열전도도가 현저하게 우수하여 방열판으로써의 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 본 발명에 의하면, 상기 방열판에 탄소나노튜브 코팅을 수행할 때, 방열핀이 수직방향으로 용매에 디핑되고, 건조시에는 수평방향을 유지하도록 함으로써 아주 균일한 코팅막을 형성하는 것이 가능하게 된다. 본 발명의 탄소 나노 튜브 코팅막은 전체적으로 균일하게 형성되기 때문에, 실질적으로 방열 효과도 극대화될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 판상의 방열핀을 다수개 구비하는 방열판을, 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 디핑하여 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하기 위한 방법으로;

   상기 방열핀이 수직상태를 유지하는 방향으로 상기 방열판을 디핑하여 꺼내고, 상기 방열핀이 수평상태를 유지하는 방향으로 건조시키는 것을 특징으로 하는 방열판의 탄소 나노 튜브 코팅막의 형성 방법.
2. 판상의 방열핀을 다수개 구비하는 방열판을, 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 디핑하여 탄소 나노 튜브 코팅막을 형성하기 위한 방법으로;

   상기 방열핀이 수직상태를 유지하는 방향으로 상기 방열판을 디핑하여 꺼내고, 상기 방열핀이 수평상태를 유지하는 방향으로 건조시키는 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 방열판의 탄소 나노 튜브 코팅막의 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방열판을 디핑하는 방향은, 방열핀이 수직상태를 유지하고, 방열핀 사이가 개구된 방향으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방열판의 탄소 나노튜브 코팅막의 형성 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 방열판을 디핑하는 방향은, 방열핀이 수직상태를 유지하는 양측방향으로 복수회 실시되는 것을 특징으로 하는 방열판의 탄소 나노 튜브 코팅막의 형성 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 방열판을 디핑하는 방향은, 방열핀이 수직상태를 유지하는 양측방향으로 교대로 실시되는 것을 특징으로 하는 방열판의 탄소 나노 튜브 코팅막의 형성방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방열판을 건조시키는 것은 고온분위기 하에서 건조챔버 내부에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 코팅막의 형성 방법.

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