KR101464081B1 - Heat transfer plate having diamond and the manufacturing methods thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다이아몬드 복합 방열판 및 그 생산방법에 관한 것으로서, 구체적으로 비교적 저렴하게 생산할 수 있으며 동시에 방열효과를 대폭적으로 향상시킨 다이아몬드 복합 방열판 및 그 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a diamond composite heat sink and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a diamond composite heat sink that can be produced relatively inexpensively and greatly improved a heat dissipation effect, and a production method thereof.
기존의 열전도체의 경우 구리, 알루미늄과 같은 열전도계수가 비교적 높은 금속 단일성분을 사용한다. 하지만, 이러한 열전도체의 열전도도는 구조적인 문제와 제조과정에서의 필연적인 내외부 결함때문에 금속자체의 이론적 열전도도보다 낮아져 최대 300W/mK 이상을 넘지 못한다는 한계를 가지고 있다. 즉, 단일 금속만으로 제작된 열전도체는 300W/mK 이하의 특성을 가진다.Conventional heat conductors use a single component of a metal with a relatively high thermal conductivity, such as copper and aluminum. However, the thermal conductivity of such a thermal conductor has a limitation that the theoretical thermal conductivity of the metal itself is lower than that of the metal itself due to structural problems and inevitable internal and external defects in the manufacturing process and can not exceed a maximum of 300 W / mK. That is, a heat conductor made of only a single metal has a characteristic of 300 W / mK or less.
이러한 점을 개선하고자 다이아몬드와 금속 복합체의 제작이 제안되었다. 다이아몬드는 금속 단일성분에 비하면 열전도계수가 매우 높아 방열물질로서 가장 바람직하다. To improve this point, the fabrication of diamond and metal complexes has been proposed. Diamond is the most preferable heat dissipation material because it has a very high thermal conductivity coefficient compared to a single metal component.
도 1을 참조하여 종래의 다이아몬드 복합 방열기판 및 그 제조방법에 관한 등록특허 10-1063576호에 대하여 설명한다.1, a conventional diamond composite radiator plate and a manufacturing method thereof will be described with reference to Patent No. 10-1063576.
종래의 다이아몬드 복합 방열기판은 금속기판(10)위에 다이아몬드-금속 복합층(11)을 형성함으로써 구성되고, 다이아몬드-금속 복합층(11)은 다이아몬드 분말과 금속이 혼합되어 형성된다. The conventional diamond composite radiator plate is formed by forming a diamond-metal composite layer 11 on a
하지만, 이러한 종래기술에 의한 다이아몬드 복합 방열기판은 다이아몬드-금속 복합층(11)을 제작할 때 금속기판의 표면으로부터 소정 깊이까지 다이아몬드 입자를 인입시켜야 하므로 고가의 장비가 필요하고 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 물리적인 방법으로 주입된 다이아몬드와 금속의 계면 사이의 접합성이 저하되므로 열전도도의 저하를 가져오는 문제점이 있다.However, since the conventional diamond composite radiator plate requires the diamond particles to be drawn from the surface of the metal substrate to a predetermined depth when fabricating the diamond-metal composite layer 11, expensive equipment is required and the process becomes complicated . Further, since the bonding between the diamond-metal interface injected by the physical method is lowered, there is a problem that the thermal conductivity is lowered.
그리고, 압입을 이용하여 복합체를 형성할 경우 금속에 투입되는 다이아몬드의 분율을 조절하기가 어렵고 모금속이 평탄면을 가지고 있어야 한다는 한계점이 있어 금속 복합체의 형태의 자유도에 제약이 크다.In addition, when the composite is formed using indentation, it is difficult to control the fraction of diamond to be introduced into the metal, and there is a limit to the degree of freedom of the shape of the metal complex because there is a limitation that the core has to have a flat surface.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다이아몬드의 열전도도를 저하시키지 않으면서 공정의 간소화 및 경제성을 확보할 수 있는 방열판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a heat sink capable of simplifying the process and ensuring economical efficiency without lowering the thermal conductivity of the diamond.
또한, 금속 내에 투입되는 다이아몬드의 양을 용이하게 조절할 수 있으며 금속기판의 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 방열판을 제공하는 것이 또 다른 목적이다.Another object of the present invention is to provide a heat sink capable of easily adjusting the amount of diamond to be introduced into the metal and freely configuring the shape of the metal substrate.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열 방출을 위한 방열판 생산방법에 있어서, 일정 형상의 방열기판을 제작하는 단계; 상기 방열기판에 다이아몬드 분말을 위치시키는 단계; 적어도 상기 다이아몬드 분말을 그래핀으로 코팅하는 단계; 상기 다이아몬드 분말 상부를 도금하는 단계를 포함하여 구성되는 방열판 생산방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a heat sink for heat dissipation, the method comprising: fabricating a heat sink plate having a predetermined shape; Placing a diamond powder on the radiator plate; Coating at least the diamond powder with graphene; And plating the upper portion of the diamond powder.
상기 방열기판에는 일정 패턴의 다이아몬드홈이 형성되고, 상기 다이아몬드 분말은 상기 다이아몬드홈에 구비되는 것이 바람직하다.It is preferable that a diamond groove of a predetermined pattern is formed on the radiator plate, and the diamond powder is provided in the diamond groove.
상기 다이아몬드 분말은 다른 크기의 분말이 균일하게 혼합되는 것이 바람직하다.The diamond powder is preferably uniformly mixed with powders of different sizes.
상기 코팅은 적어도 상기 다이아몬드 분말을 가열하면서 분산액에 순수 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 고르게 분산시킨 그래핀 서스펜션을 분사시켜 형성하는 것이 바람직하다.The coating is preferably formed by spraying a graphene suspension in which pure graphene or graphene oxide is uniformly dispersed in the dispersion while heating at least the diamond powder.
본 발명에 의하면 또한, 다이아몬드를 포함하는 방열판에 있어서, 일정 형상의 방열기판; 및 상기 방열기판의 상부에 위치하고 그래핀으로 코팅된 다이아몬드 분말을 포함하며, 상기 다이아몬드 분말의 상부는 도금된 것을 특징으로 하는 방열판을 제공한다.According to the present invention, there is also provided a heat sink including diamond, comprising: a radiator plate having a predetermined shape; And a diamond powder coated on the top of the radiating plate and coated with graphene, wherein the upper portion of the diamond powder is plated.
본 발명에 의하면, 공정이 간소화되어 저렴한 비용으로 방열판의 방열효율을 대폭 향상시킬 수 있는 다이아몬드 복합 방열판을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a diamond composite heat sink that can simplify the process and significantly improve the heat radiation efficiency of the heat sink with low cost.
또한, 투입되는 다이아몬드의 양을 용이하게 조절할 수 있으며 금속기판의 형상을 자유롭게 할 수 있으므로 제작환경에 따라 자유도가 높은 제품을 생산할 수 있다.Also, since the amount of diamond to be supplied can be easily controlled and the shape of the metal substrate can be freely formed, a product having a high degree of freedom can be produced according to the manufacturing environment.
도 1은 종래기술에 의한 방열판의 구성을 나타내는 구성도;
도 2 내지 도 8은 본 발명에 의한 방열판의 제작과정을 설명하기 위한 설명도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a structure of a heat sink according to a related art; FIG.
FIGS. 2 to 8 are explanatory diagrams for explaining the process of manufacturing the heat sink according to the present invention. FIG.
본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. The configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
현재 방열판으로 주로 사용되는 구리나 알루미늄에 비해 다이아몬드는 최소 2배 내지 8배의 열전도도를 보이고, 그래핀은 12배 내지 13배 정도의 열전도도를 보인다. 따라서, 이러한 알루미늄 및 그래핀을 사용하면 열방출 효과를 대폭적으로 향상시킨 수가 있다.Compared to copper or aluminum, which is currently used as a heat sink, diamond has a thermal conductivity of at least 2 to 8 times, and graphene has a thermal conductivity of 12 to 13 times. Therefore, by using such aluminum and graphene, the heat release effect can be greatly improved.
본 실시예에 있어서, 구리판을 사용하여 공정을 적용하는 과정을 설명한다. 하지만, 여기서 기술한 공정은 하나의 예시에 지나지 않으므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, a process of applying a process using a copper plate will be described. However, the process described here is only one example, and the present invention is not limited thereto.
먼저, 도 2와 같이 원반형태의 방열기판(110)을 제작한다. 상기 방열기판은 금속기판인 구리재질로 제작되었으며, 방열기판의 형상은 다각형 등 여러가지 형상으로 변경될 수 있다.First, a disk-
도 3을 참조하면, 이러한 방열기판(110)에는 일정패턴의 다이아몬드홈(112)이 형성된다. 이러한 다이아몬드홈(112)은 다이아몬드 분말이 위치하는 부분으로서, 사용조건에 따라 여러가지 패턴으로 형성될 수 있으므로 기능적인 면뿐만 아니라 디자인적인 면까지 고려하여 패턴이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, a
다음에는 도 4와 같이, 다이아몬드홈(112)에 다이아몬드 분말을 삽입시킨다. 이와 같은 다이아몬드홈(112)에 다이아몬드 분말을 삽입하는 것만으로 어느 정도 고정이 되므로 단순히 구리기판 위에 다이아몬드를 올려놓은 것보다 훨씬 용이하게 방열판을 제작할 수 있다.Next, diamond powder is inserted into the
뿐만 아니라, 모바일 기기, 전자장비 등의 방열판으로 적용하는 경우 공기와 접촉하는 표면적이 넓어질수록 방열효과가 향상되므로 상기 다이아몬드홈(110)에 의하여 전체적인 방열기판(110)의 표면적이 넓어지므로 방열효과가 향상된다. In addition, when applied to a heat sink such as a mobile device or an electronic equipment, the heat dissipation effect is improved as the surface area contacting with the air is increased. Therefore, the surface area of the entire
상기 다이아몬드 분말은 100 내지 500mesh 정도 크기의 분말을 사용할 수 있으며, 서로 다른 크기의 분말이 균일하게 혼합되는 것이 바람직하다. 이렇게 서로 다른 크기의 분말이 혼합되면 다이아몬드 분말 사이에서의 표면적이 늘어나 방열성능을 개선할 수 있다.The diamond powder may be a powder having a size of about 100 to 500 mesh, and powder of different sizes may be uniformly mixed. When the powders of different sizes are mixed, the surface area between the diamond powders increases and the heat radiation performance can be improved.
도 4a 및 도 4b에서 다이아몬드 분말의 부피는 전체 부피의 각각 4.7% 및 9.3%이다.In Figures 4A and 4B, the volume of the diamond powder is 4.7% and 9.3% of the total volume, respectively.
다음으로, 도 5를 참조하면, 이렇게 제작된 시편에 그래핀을 코팅한다. 상기 그래핀 코팅은 핫플레이트 위에서 시편을 약 80℃로 가열하면서 그래핀 서스펜션을 분무함으로써 진행될 수 있다.Next, referring to FIG. 5, the specimen thus prepared is coated with graphene. The graphene coating can be carried out by spraying a graphene suspension while heating the specimen to about 80 DEG C on a hot plate.
상기 그래핀 서스펜션은 분산액에 순수 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 고르게 분산시킨 용액이 사용될 수 있다.The graphene suspension may be a solution in which pure graphene or graphene oxide is evenly dispersed in the dispersion.
이후, 분산액을 증발시킴으로써 그래핀이 다이아몬드 및 구리판 위에 코팅된다. 그래핀과 구리기판 사이에는 비교적 강한 결합을 이루며, 그래핀과 다이아몬드 사이에는 강한 결합을 이루고 있지는 않으나 이후 공정에 차질이 없을 정도의 접착력은 확보된다. 상기 그래핀 코팅은 다이아몬드 위에만 작업이 진행될 수도 있다.Thereafter, graphene is coated on the diamond and the copper plate by evaporating the dispersion. A relatively strong bond is formed between the graphene and the copper substrate, and a strong bond is not formed between the graphene and the diamond, but the adhesive force is ensured so that there is no trouble in the subsequent process. The graphene coating may only work on diamond.
이와는 달리, 다이아몬드를 구리기판에 삽입하기 전에 미리 다이아몬드에 그래핀을 코팅할 수도 있다.Alternatively, the diamond may be coated with graphene in advance before inserting the diamond into the copper substrate.
도 5는 도 4의 시편에 2mL 그래핀 서스펜션을 분사하여 코팅한 것을 보여준다. 그래핀 서스펜션 분사 후 하루 정도 상온에서 건조시키는 것이 바람직하다.Figure 5 shows the specimen of Figure 4 sprayed with a 2 mL graphene suspension. It is preferable to dry at room temperature for about one day after spraying the graphen suspension.
그래핀 코팅이 완료되면, 도 6과 같이 다이아몬드 위에 코팅된 그래핀에 의하여 전기전도성을 확보할 수 있으며, 이로써 구리도금을 시행할 수 있게 된다. 이와 함께 그래핀의 높은 열전도도로 인하여 방열효과의 상승도 기대할 수 있다.When the graphene coating is completed, electrical conductivity can be secured by graphene coated on the diamond as shown in FIG. 6, whereby copper plating can be performed. In addition, due to the high thermal conductivity of graphene, the heat dissipation effect can be expected to increase.
다음, 그래핀 코팅까지 마치면, 도 7과 같이 도금을 시행한다. 이러한 도금을 시행함으로써 다이아몬드를 완전히 고정시킴과 동시에 강도보강의 효과를 얻을 수 있다.Next, when the graphen coating is completed, plating is performed as shown in FIG. By performing such plating, the diamond can be completely fixed and the strength reinforcement effect can be obtained.
도금방법은 통상적인 여러 가지 방법을 사용할 수 있으며, 황산구리 용액에 백금전극을 양극으로 사용하는 방법을 사용하여 전해도금을 시행할 수 있다. 이때, 다이아몬드가 유실되지 않도록 시편을 가로로 놓기 위한 지그를 제작하여 도금을 시행하였다.Various plating methods can be used, and electrolytic plating can be performed by using a platinum electrode as an anode in a copper sulfate solution. At this time, a jig for placing the specimen in the lateral direction was formed and plated so as not to lose the diamond.
한편, 구리 석출로 인해 피도금체 주변의 구리이온 농도가 줄어드는 현상이 발생하기 때문에 교반을 해주어야 도금효율이 떨어지지 않는다. 도금과정에서 모서리 부분은 전류밀도가 높아 고르게 도금되지 않을 수 있으므로 무전해 도금을 사용하면 표면을 균일하게 도금하여 표면의 요철을 뚜렷하게 나타낼 수 있어 방열성능을 개선할 수 있다. 도금을 완성하면 도 8과 같은 방열판이 구비된다.On the other hand, copper precipitation causes a decrease in the copper ion concentration around the plated body, so that the plating efficiency is not lowered by stirring. In the plating process, the corners may not be uniformly plated due to the high current density. Therefore, when the electroless plating is used, the surface can be uniformly plated to clearly show the unevenness of the surface, thereby improving the heat radiation performance. When the plating is completed, a heat sink as shown in FIG. 8 is provided.
이 밖에도 선형패턴을 제작하기 위해 구리기판 위에 다이아몬드를 배선형태로 배열한 후 전도성 접착물질로서 실퍼 페이스트를 사용하여 접착시킨 후 건조시켜 선형 패턴 시편을 제작할 수 있다.In addition, in order to fabricate a linear pattern, a linear pattern sample can be prepared by arranging diamond on a copper substrate in a wiring pattern, bonding it as a conductive adhesive material using a siliper paste, and then drying.
또한, 구리 스퍼터링을 사용하여 구리 다이아몬드 복합시편 위에 박막을 증착시킨 후 도금을 통하여 도 8과 같은 형태의 방열판을 제작할 수도 있다.In addition, a thin film may be deposited on the copper-diamond composite specimen using copper sputtering, and then a heat sink as shown in FIG. 8 may be manufactured through plating.
한편, 구리 다이아몬드 복합 시편에 구리 테이프로 테이핑하여 전기전도도를 확보한 후 전해도금을 통해 시편을 제작할 수도 있다.On the other hand, the copper diamond composite specimen can be taped with copper tape to secure the electrical conductivity, and the specimen can be manufactured through electrolytic plating.
[실험결과][Experiment result]
상기에서 설명한 공정으로 실제 시제품을 제작하고 이를 통해 도 9와 같이 열전도테스터기로 열전도도를 측정하였다.The actual prototype was manufactured using the process described above, and the thermal conductivity was measured with a thermal conductivity tester as shown in FIG.
도 4b와 같은 시편에서 다이아몬드가 차지하는 부피는 9.3%이고 다이아몬드의 열전도도를 1600W/mK라고 하면 시편의 열전도도는 0.093 X 1600 + 0.907 X 400 = 511.6W/mK로 예상되어 이론적으로 기존 구리시편에 비하여 27.9%의 열전도도 향상이 생긴다.If the volume of the diamond is 9.3% and the thermal conductivity of the diamond is 1600 W / mK, the thermal conductivity of the specimen is expected to be 0.093 X 1600 + 0.907 X 400 = 511.6 W / mK as shown in FIG. 4B. Theoretically, 27.9% increase in thermal conductivity.
한편, 실험시 시편의 규격은 지름 40mm, 두께 3mm의 원반형으로 구성되며, On the other hand, the specifications of the specimen in the experiment consist of a disc of 40 mm in diameter and 3 mm in thickness,
열량 Q = kA*ΔT/L에서 A = 0.0004πm2, L = 0.003m이다. 또한, 가해준 열은 전력량과 같으므로 Q = I*V로 나타낼 수 있다.A = 0.0004? M 2 and L = 0.003 m at the heat quantity Q = kA *? T / L. Also, since the applied heat is equal to the amount of power, Q = I * V can be expressed.
도 9에서 붉은 사각형이 정상 상태에서 측정된 방열판의 상하부 온도이다. 즉, 왼쪽이 순수 구리방열판의 열전도 측정결과이고, 오른쪽이 본 발명에 의한 다이아몬드 복학 방열판의 열전도 측정결과이다.In Fig. 9, the red squares are the upper and lower temperatures of the heat sink measured in the steady state. That is, the left side is the result of measurement of the thermal conductivity of the pure copper heat sink, and the right side is the result of the measurement of the thermal conductivity of the diamond heat sink of the present invention.
순수 구리방열판의 경우 열량 Q = 219V X 0.36A =78.84W, 측정된 상하 온도차이가 47℃이므로 위의 열량식에서 ΔT = 47을 대입하면 열전도도 k = 4.00W/mK으로 계산된다.In case of pure copper heat sink, heat quantity Q = 219V X 0.36A = 78.84W, and measured upper and lower temperature difference is 47 ℃, so the heat conductivity is calculated as k = 4.00W / mK by substituting ΔT = 47 in the above calorimetric formula.
본 발명에 의한 다이아몬드 복합 방열판의 경우 열량 220V X 0.35A = 77W, 측정된 상하 온도차이가 ΔT = 39℃이므로 열전도도 k = 4.71W/mK로 계산된다.In the case of the diamond composite heat sink according to the present invention, the thermal conductivity is calculated as k = 4.71 W / mK since the calorific value 220 V X 0.35 A = 77 W and the measured vertical temperature difference is ΔT = 39 ° C.
따라서, 열전도도는 약 17.75% 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이것은 이론값보다는 향상된 비율이 작게 측정되었지만, 순수 구리방열판 보다는 확실히 향상된 열전도도를 얻을 수 있음을 보여준다.Thus, it was confirmed that the thermal conductivity was improved by about 17.75%. This shows that although the improved ratio is measured to be smaller than the theoretical value, a significantly improved thermal conductivity is obtained than a pure copper heatsink.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, and variations and modifications may be made without departing from the scope of the invention. It will be understood that the present invention can be changed.
110 : 방열기판 112 : 다이아몬드홈110: radiator plate 112: diamond groove
Claims (5)
금속재질로 형성된 일정 형상의 방열기판을 제작하는 단계;
상기 방열기판에 다이아몬드 분말을 위치시키는 단계
적어도 상기 다이아몬드 분말을 그래핀으로 코팅하는 단계;
상기 다이아몬드 분말 상부를 도금하는 단계를 포함하며,
상기 방열기판에는 일정 패턴의 다이아몬드홈이 형성되고, 상기 다이아몬드 분말은 상기 다이아몬드홈에 구비되는 것을 특징으로 하는 방열판 생산방법.A method of producing a heat sink for heat dissipation,
The method comprising: fabricating a radiator plate having a predetermined shape formed of a metal material;
Placing diamond powder on the radiator plate
Coating at least the diamond powder with graphene;
And plating the upper portion of the diamond powder,
Wherein the heat dissipation plate is formed with a diamond groove having a predetermined pattern, and the diamond powder is provided in the diamond groove.
상기 다이아몬드 분말은 다른 크기의 분말이 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 방열판 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the diamond powder is uniformly mixed with powders of different sizes.
상기 코팅은 적어도 상기 다이아몬드 분말을 가열하면서 분산액에 순수 그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 고르게 분산시킨 그래핀 서스펜션을 분사시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 방열판 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the coating is formed by spraying a graphene suspension in which pure graphene or graphen oxide is uniformly dispersed in the dispersion while heating at least the diamond powder.
금속재질로 형성된 일정 형상의 방열기판; 및
상기 방열기판의 상부에 위치하고 그래핀으로 코팅된 다이아몬드 분말을 포함하며,
상기 방열기판에는 일정 패턴의 다이아몬드홈이 형성되고, 상기 다이아몬드 분말은 상기 다이아몬드홈에 구비되고,
상기 다이아몬드 분말의 상부는 도금된 것을 특징으로 하는 방열판.A heat sink comprising diamond,
A radiator plate having a predetermined shape formed of a metal material; And
A diamond powder disposed on the radiator plate and coated with graphene,
Wherein a diamond pattern of a predetermined pattern is formed on the radiator plate, the diamond powder is provided in the diamond groove,
Wherein the upper portion of the diamond powder is plated.
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