KR101550445B1 - 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴대전화를 포함하는 휴대단말기, 노트북, 피디피 티비, 엘씨디 티비, 엘이디 티비, 엘이디 조명장치 등과 같은 각종 전기전자기기에 적용되는 엘이디 방열판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열판, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연 분말이 결합제와 함께 고밀도로 적용됨에 따라 얇은 두께의 설계사양과 고효율의 방열특성이 동시에 제공될 수 있도록 한 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판은, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분말형태로 분쇄한 팽창흑연분말과, 상기 팽창흑연분말을 일체화시키는 결합제를 포함하며, 팽창흑연분말에는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 첨가될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법은, 알칼리용융법에 의해 흑연을 고순도로 정제하는 흑연정제단계와, 상기 흑연정제단계를 거친 흑연을 팽창시키는 흑연팽창단계와, 상기 흑연팽창단계를 거친 팽창흑연을 분쇄하여 팽창흑연분말을 만드는 분쇄단계와, 상기 팽창흑연분말을 결합제와 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합단계를 거친 혼합물을 엘이디 방열판 형상으로 성형하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 혼합물을 열처리에 의해 경화시키는 경화단계를 포함하며, 상기 혼합단계에서는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 추가 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판은, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분말형태로 분쇄한 팽창흑연분말과, 상기 팽창흑연분말을 일체화시키는 결합제를 포함하며, 팽창흑연분말에는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 첨가될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법은, 알칼리용융법에 의해 흑연을 고순도로 정제하는 흑연정제단계와, 상기 흑연정제단계를 거친 흑연을 팽창시키는 흑연팽창단계와, 상기 흑연팽창단계를 거친 팽창흑연을 분쇄하여 팽창흑연분말을 만드는 분쇄단계와, 상기 팽창흑연분말을 결합제와 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합단계를 거친 혼합물을 엘이디 방열판 형상으로 성형하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 혼합물을 열처리에 의해 경화시키는 경화단계를 포함하며, 상기 혼합단계에서는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 추가 혼합될 수 있다.
Description
본 발명은 휴대전화를 포함하는 휴대단말기, 노트북, 피디피 티비(PDP TV), 엘씨디 티비(LCD TV), 엘이디 티비(LED TV), 엘이디(LED) 조명장치 등과 같은 각종 전기전자기기에 적용되는 엘이디 방열판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연 분말이 결합제와 함께 고밀도로 적용됨에 따라 얇은 두께의 설계사양과 고효율의 방열특성이 동시에 제공될 수 있도록 한 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
흑연 방열판은 피디피(PDP)와 같은 슬림형 디스플레이패널 분야에서 적용되어 오다가 최근 소형화, 슬림화 및 고기능 집적화가 필수적인 휴대단말기 등의 전자기기의 디스플레이 분야에도 적용범위가 확대되고 있다.
휴대단말기를 포함하는 전자기기들은 휴대용이성을 위한 슬림화로 인해 별도의 방열판 또는 방열팬을 구비할 수 없기 때문에 전자기기의 구동을 위한 씨피유(CPU), 전원, 능동소자부품 등에서 발생하는 열이 최대한 방출될 수 있도록 설계되어야만 한다. 일반적으로 전자기기에서 발생하는 열은 제품의 성능 및 수명을 좌우하는 주요요인이므로, 방열과 관계되는 부품이나 설계는 제품의 핵심 기술 중에 하나이다. 전술한 전자기기의 슬림화 요건을 충족시킴과 동시에 열을 최대한 방출시킬 수 있는 방안으로 흑연 방열판이 각광을 받고 있다. 특히 최근 휴대단말기 관련분야의 급격한 발전으로 인해 관련 소재에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있지만, 흑연 방열판은 국내 기술 부족으로 인해 미국 또는 일본으로부터 전량 수입에 의존하고 있기 때문에 얇은 두께에서도 매우 높은 열전도 특성을 가짐에 따라 요구되는 설계사양과 방열효율을 동시에 충족시킬 수 있는 흑연 방열판의 개발이 시급한 실정이다.
이러한 흑연 방열판의 일 예로, 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0043720호(2013.05.02. 공개)에는 흑연시트와, 상기 흑연시트 상면에 부착되는 접착제 및 보호필름으로 이루어진 상면 보호필름층과, 상기 흑연시트 하면에 부착되는 접착제 및 보호필름으로 이루어진 하면 보호필름층과, 상기 하면 보호필름층 하면에 부착되는 점착층과, 상기 점착층 하면에 부착되고 대상물에 부착시 제거되는 이형필름을 포함하여 이루어진 흑연시트를 이용한 스마트폰 배면에 장착되는 방열흑연시트가 개시되어 있다.
또한 대한민국 특허공개공보 제10-2008-0075993호(2008.08.20. 공개)에는 0.035∼0.1 mm두께의 열전도율이 200∼1.000 (J/h)/m·K인 구리나 알루미늄, 은, 흑연시트 등의 열전도체 박판의 한쪽 면에 열전도성 내열 점착테이프가 0.01∼0.03 mm두께로 라미네이팅되고, 다른 한쪽 면에 무기질 세라믹 코팅제와 착색제가 배합된 방사 코팅물질이 0.03∼0.09 mm 두께로 도포되어, 설치공간을 최소화하면서 고집적화된 휴대전화나 노트북, PCB, PDP TV, LCD TV, LED 조명 등과 같은 각종 전기전자기기의 발열 부위의 열 방출 및 절연효과를 높일 수 있도록 구성된 열 방출 및 절연기능을 가지는 변형이 유연한 초박판 히트 싱크가 개시되어 있다.
그러나 전술한 바와 같은 종래의 흑연을 이용한 엘이디 방열판은, 일반적인 흑연시트가 적용됨에 따라 얇은 두께의 설계사양만 충족될 수 있을 뿐, 고효율의 방열특성이 제공될 수 없어, 열에 의해 전자기기의 성능이 저하되고 전자기기의 수명이 단축되는 문제점의 개선에 한계가 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연 분말이 결합제와 함께 고밀도로 적용됨에 따라 보다 얇은 두께에서도 매우 높은 방열효율을 가지는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판 및 그 제조방법을 제공하는 과제를 기초로 한다.
전술한 본 발명의 과제는, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분말형태로 분쇄한 팽창흑연분말과, 상기 팽창흑연분말을 일체화시키는 결합제를 포함하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 결합제는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 팽창흑연분말에는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 첨가된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 금속분말은 알루미늄분말 또는 구리분말이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 팽창흑연분말 55 내지 80 중량%, 상기 결합제 15 내지 25 중량% 및 상기 금속분말 5 내지 20 중량%를 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 알칼리용융법은 상기 흑연에 1 내지 3배의 양의 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 혼합한 후 700 내지 800℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성한 다음 상온에서 건조시킨 후 염산용액으로 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 세척한 다음 증류수로 수세하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 엘이디 방열판의 밀도는 1.196 내지 1.530 g/cm3이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 엘이디 방열판의 열확산계수는 2.751 mm2/s 내지 8.032 mm2/s이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 엘이디 방열판의 열전도도는 9928 내지 45487 (J/h)/m·K이다.
또한 전술한 본 발명의 과제는, 알칼리용융법에 의해 흑연을 고순도로 정제하는 흑연정제단계와, 상기 흑연정제단계를 거친 흑연을 팽창시키는 흑연팽창단계와, 상기 흑연팽창단계를 거친 팽창흑연을 분쇄하여 팽창흑연분말을 만드는 분쇄단계와, 상기 팽창흑연분말을 결합제와 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합단계를 거친 혼합물을 엘이디 방열판 형상으로 성형하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 혼합물을 열처리에 의해 경화시키는 경화단계를 포함하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 흑연정제단계에 적용되는 알칼리용융법은, 상기 흑연에 1 내지 3배의 양의 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 혼합한 후 700 내지 800℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성하는 단계와, 소성된 상기 흑연을 상온에서 건조시킨 후 염산용액으로 탄산나트륨 또는 탄산칼륨에 용융된 금속산화물과 불순물을 세척하는 단계와, 세척된 상기 흑연을 증류수로 수세하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼합단계에서는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 추가 혼합된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼합단계에서는 상기 팽창흑연분말 55 내지 80 중량%와 상기 결합제 15 내지 25 중량%의 혼합물에 상기 금속분말 5 내지 20 중량%가 추가 혼합된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 결합제는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지이고 상기 금속분말은 알루미늄분말 또는 구리분말이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 경화단계의 열처리온도는 300 내지 400℃이다.
본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판 및 그 제조방법에 의하면, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연 분말이 결합제와 함께 고밀도로 적용됨에 따라 보다 얇은 두께에서도 고효율의 방열특성이 동시에 제공될 수 있어, 열에 의한 전자기기의 성능저하나 수명단축이 효과적으로 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판 및 그 제조방법에 의하면, 팽창흑연분말에 알루미늄분말 또는 구리분말과 같은 금속분말이 첨가되는 경우에는 열전도도가 더욱 향상됨에 따라 방열특성이 더욱 배가될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 개략구조도.
도 2는 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 순도측정결과 그래프.
도 3은 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 순도측정결과 그래프.
도 4는 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 산도측정결과 그래프.
도 5은 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 산도측정결과 그래프.
도 6a 내지 도 6d는 은회색 판상 흑연 시료의 정제 전후의 SEM 이미지.
도 7은 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 XRD 분석결과 그래프.
도 8은 팽창흑연의 SEM 이미지.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 전기비저항 측정 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 굴곡강도 측정 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 밀도 측정 그래프.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 열확산계수 측정 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 열전도도 측정 그래프.
도 2는 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 순도측정결과 그래프.
도 3은 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 순도측정결과 그래프.
도 4는 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 산도측정결과 그래프.
도 5은 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 산도측정결과 그래프.
도 6a 내지 도 6d는 은회색 판상 흑연 시료의 정제 전후의 SEM 이미지.
도 7은 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 XRD 분석결과 그래프.
도 8은 팽창흑연의 SEM 이미지.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 전기비저항 측정 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 굴곡강도 측정 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 밀도 측정 그래프.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 열확산계수 측정 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 열전도도 측정 그래프.
이하에는, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)은, 휴대전화를 포함하는 휴대단말기, 노트북, 피디피 티비(PDP TV), 엘씨디 티비(LCD TV), 엘이디 티비(LED TV), 엘이디(LED) 조명장치 등과 같은 각종 전기전자기기의 방열을 위해 적용되어 얇은 두께의 설계사양과 고효율의 방열특성이 동시에 제공될 수 있도록 하기 위한 것으로, 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분말형태로 분쇄한 팽창흑연분말(10)과, 팽창흑연분말(10)을 일체화시키는 결합제(20)를 포함한다. 또한 팽창흑연분말(10)에는 열전도도 향상을 위해 금속분말(30)이 첨가될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)의 제조방법은, 알칼리용융법에 의해 흑연을 고순도로 정제하는 흑연정제단계와, 상기 흑연정제단계를 거친 흑연을 팽창시키는 흑연팽창단계와, 상기 흑연팽창단계를 거친 팽창흑연을 분쇄하여 팽창흑연분말(10)을 만드는 분쇄단계와, 상기 팽창흑연분말(10)을 결합제(20)와 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합단계를 거친 혼합물을 엘이디 방열판(1) 형상으로 성형하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 혼합물을 열처리에 의해 경화시키는 경화단계를 포함한다. 상기 혼합단계에서는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 추가 혼합될 수 있다.
본 발명에서는 일반 흑연이 사용되는 것이 아니라 고순도로 정제된 흑연이 사용되는데, 이것은 흑연에 포함된 불순물을 0%에 가깝게 제거하여 흑연 자체의 열전도도를 비롯한 자체특성이 최대화될 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에서 흑연의 정제방법으로 알칼리용융법이 적용되는데, 이 알칼리용융법은 흑연에 1 내지 3배의 양의 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 혼합한 후 700 내지 800℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성시킨 다음 상온에서 건조시킨 후 염산용액으로 탄산나트륨 또는 탄산칼륨에 용융된 금속산화물과 불순물을 산세척한 다음 증류수로 수세하는 방법으로 행해진다. 흑연의 불순물 제거를 위해 사용된 탄산나트륨 또는 탄산칼륨에 용융된 금속산화물과 불순물을 산세척하기 위해 10%의 염산용액이 적용되는 것이 바람직하다.
[흑연의 정제 및 정제된 흑연의 순도 측정 시험]
흑연의 순도, 즉 고정탄소량의 측정은 공업분석법에 의해 아래의 수학식 1에 기초하여 측정하였다.
[수학식 1]
탄소량(%) = 100(수분 + 휘발분 + 회분)
흑연의 정제 및 순도 측정을 위해 우선 수도 93.5%의 흑연 각각 1g에 탄산나트륨(Na2CO3)을 각각 1g, 2g, 3g,을 혼합하였다. 여기서 GNA1은 흑연에 탄산나트륨을 같은 양으로 혼합한 것을 나타내고, GNA2은 흑연에 탄산나트륨을 2배의 양으로 혼합한 것을 나타내며, GNA3은 흑연에 탄산나트륨을 3배의 양으로 혼합한 것을 나타낸다. GNA1, GNA2, GNA3를 소성로 내에 투입하고 각각 750℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성을 하였다. 또한 소성된 GNA1, GNA2, GNA3 각각을 상온에서 건조시킨 후 뜨거운 묽은 염산 10% 용액을 사용하여 2 내지 3회 산세척하였으며, 최종적으로 증류수를 사용하여 3 내지 5회 세척하여 염산을 제거하였다.
전술한 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연 GNA1, GNA2, GNA3의 순도를 각각 측정한 후 그 결과를 도 2에 그래프로 도시하였다. 도 2에 도시되는 바와 같이 정제된 흑연의 순도 측정결과, GNA1가 95.5%의 순도를 나타내였고, GNA2가 99.3%의 순도를 나타내었으며, GNA3가 99.8%의 순도를 나타내었다.
결과적으로 흑연에 탄산나트륨을 2배 이상의 양으로 혼합하여 전술한 알칼리용융법을 통해 흑연을 정제할 경우 99% 이상의 고순도의 흑연을 얻을 수 있으며, 이러한 고순도의 흑연은 열전도도를 비롯한 자체 특성이 최대로 발휘될 수 있다.
또한 흑연의 정제 및 순도 측정을 위해 우선 수도 93.5%의 흑연 각각 1g에 탄산칼륨(K2CO3 )을 각각 1g, 2g, 3g,을 혼합하였다. 여기서 GNK1은 흑연에 탄산칼륨을 같은 양으로 혼합한 것을 나타내고, GNK2은 흑연에 탄산칼륨을 2배의 양으로 혼합한 것을 나타내며, GNK3은 흑연에 탄산칼륨을 3배의 양으로 혼합한 것을 나타낸다. GNK1, GNK2, GNK3를 소성로 내에 투입하고 각각 750℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성을 하였다. 또한 소성된 GNK1, GNK2, GNK3 각각을 상온에서 건조시킨 후 뜨거운 묽은 염산 10% 용액을 사용하여 2 내지 3회 산세척하였으며, 최종적으로 증류수를 사용하여 3 내지 5회 세척하여 염산용액을 제거하였다.
전술한 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연 GNK1, GNK2, GNK3의 순도를 각각 측정한 후 그 결과를 도 3에 그래프로 도시하였다. 도 3에 도시되는 바와 같이 정제된 흑연의 순도 측정결과, GNK1가 96.25%의 순도를 나타내였고, GNK2가 99.2%의 순도를 나타내었으며, GNK3가 99.7%의 순도를 나타내었다.
결과적으로 흑연에 탄산칼륨을 2배 이상의 양으로 혼합하여 전술한 알칼리용융법을 통해 흑연을 정제할 경우 99% 이상의 고순도의 흑연을 얻을 수 있으며, 이러한 고순도의 흑연은 열전도도를 비롯한 자체 특성이 최대로 발휘될 수 있다.
[정제된 흑연의 산도 측정 시험]
정제된 흑연의 산도는 정제된 흑연 1g을 증류수에 넣고 마그네틱스터러를 사용하여 1시간 동안 유지한 후 흑연을 필터링하여 제거한 다음 디지털 pH메터를 사용하여 측정하는 방식으로 이루어졌다.
전술한 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연 GNA1, GNA2, GNA3의 산도를 각각 측정한 후 그 결과를 도 4에 그래프로 도시하였다. 도 4에 도시되는 바와 같이 정제된 흑연의 산도 측정결과, GNA1가 pH 6.98의 산도를 나타내였고, GNA2가 pH 6.98의 산도를 나타내었으며, GNA3가 pH 6.96의 순도를 나타내었다.
결과적으로 탄산나트륨을 이용한 알칼리용융법을 통해 고순도로 정제된 흑연의 경우 탄산나트륨의 양이 증가할수록 산도는 감소하는 경향성을 보이기는 하지만, pH 6.98 내지 6.96의 범위의 중성(pH 7.00)에 가까운 산도를 나타내었다. 흑연의 산도는 방열재료를 제조하였을 때 방열특성에 영향을 주는 중요한 요소 중에 하나로 가급적 중성(pH 7.00)인 것이 바람직한 것으로 알려져 있다.
전술한 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연 GNK1, GNK2, GNK3의 산도를 각각 측정한 후 그 결과를 도 5에 그래프로 도시하였다. 도 5에 도시되는 바와 같이 정제된 흑연의 순도 측정결과, GNK1가 pH 6.93의 산도를 나타내였고, GNK2가 pH 6.97의 산도를 나타내었으며, GNK3가 pH 7.00의 산도를 나타내었다.
결과적으로 탄산칼륨을 이용한 알칼리용융법을 통해 고순도로 정제된 흑연의 경우 탄산칼륨의 양이 증가할수록 산도는 증가하는 경향성을 보이기는 하지만, pH 6.97 내지 7.00의 범위의 중성(pH 7.00)에 가까운 산도를 나타내었다. 흑연의 산도는 방열재료를 제조하였을 때 방열특성에 영향을 주는 중요한 요소 중에 하나로 가급적 중성(pH 7.00)인 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 산도 면에서는 흑연에 탄산칼륨을 3배의 양으로 혼합하여 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제한 흑연 GNK3가 가장 바람직한 것으로 확인되었다.
또한 도 6a 및 도 6b에는 은회색 판상 흑연 시료의 정제 전의 전자현미경 분석(SEM; scanning electron microscope) 이미지가 도시되고, 도 6c 및 도 6d에는 은회색 판상 흑연 시료의 정제 후의 전자현미경 분석(SEM; scanning electron microscope) 이미지가 도시된다. 도 6a 내지 도 6d로부터 알 수 있는 바와 같이, 전술한 알칼리 용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연은 정제 전에 비해 입도(grain size)는 작아짐과 동시에 표면 성상은 매끈한 형상을 보이고 있다.
또한 도 7에는 전술한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 X-선회절분석기(XRD; X-Ray Diffractometer)의 분석결과 그래프가 도시된다. 도 7에 도시되는 바와 같이, 전술한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연 시료의 경우 특징적인 불순물에 대한 피크는 나타나지 않았을 뿐만 아니라 전술한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 모든 흑연 시료에서 d002 값의 위치가 2 theta 값이 26.5 부근에서 나타났으며 d002 = 3.35Å을 나타내었다.
전술한 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연의 팽창은, 공지된 흑연팽창방법에 의해 팽창된다. 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 황산처리하여 흑연 플레이크층 사이에 황산이 삽입되어 간격이 벌어지게 한 상태에서 황산을 수세한 다음 300 내지 800℃로 열처리함으로써 팽창이 이루어지며, 이 때 흑연 플레이크층 사이의 간격이 30 내지 50배로 팽창된다. 결합제는 300 내지 400℃의 열처리에 의해 열경화되면서 팽창흑연분말(금속분말 포함)을 일체화시키게 된다.
도 8에는 팽창흑연의 전자현미경 분석(SEM) 이미지가 도시된다. 팽창흑연은 도 8에 도시되는 바와 같이, 표면구조가 벌크(bulk)하면서도 거대한 밸리와 망평면구조를 유지하고 있음을 알 수 있다. 팽창도 면에서는 흑연의 팽창을 위한 열처리온도가 200 내지 400℃의 낮은 온도인 경우보다 400 내지 800℃의 높은 온도인 경우에 더 증가하는 것으로 나타났다.
결합제(20)는 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분말형태로 분쇄한 팽창흑연분말(10)을 방열판의 형상으로 일체화시키는 역할하는 것으로, 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지, 특히 페놀수지인 것이 바람직하다. 결합제(20)는 15 내지 25 중량%의 양으로 팽창흑연분말(10)과 혼합될 수 있다. 예비실험에 따르면, 결합제(20)는 방열판 총 중량에 대해 15 내지 25 중량의 양으로 혼합될 때 가장 높은 결합력을 나타내는 것으로 확인된 바, 15 내지 25 중량%의 양으로 팽창흑연분말(10)과 혼합되는 것이 바람직하다. 또한 결합제(20)는 고순도로 정제된 흑연을 팽창을 위한 열처리와 별개로 300 내지 400℃로 열처리함에 의해 경화된다.
또한 전술한 팽창흑연분말(10)에는 열전도도 향상을 위해 금속분말(30)이 첨가될 수 있다. 이러한 금속분말(20)은 알루미늄분말 또는 구리분말인 것이 바람직하며, 방열판의 총 중량에 대해 5 내지 20 중량%의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)은 팽창흑연분말 55 내지 80 중량%, 결합제 15 내지 25 중량%과 금속분말 5 내지 20 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때 금속분말(20)은 팽창흑연분말(10)과 동일한 정도의 입도를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)의 재질적 특성을 시험하기 위하여, 아래 표 1과 같은 샘플(sample)을 제조하였다.
| 샘플명 |
결합제(중량%) |
금속분말(중량%) |
처리온도(℃) |
| G-300 | 20 | 0 | 300 |
| G-400 | 20 | 0 | 400 |
| GC5-400 | 20 | 구리 5 | 300 |
| GC5-300 | 20 | 구리 5 | 400 |
| GA5-300 | 20 | 알루미늄 5 | 300 |
| GA5-400 | 20 | 알루미늄 5 | 400 |
| GC10-300 | 20 | 구리 10 | 300 |
| GC10-400 | 20 | 구리 10 | 400 |
| GA10-300 | 20 | 알루미늄 10 | 300 |
| GA10-400 | 20 | 알루미늄 10 | 400 |
| GA15-300 | 20 | 알루미늄 15 | 300 |
| GA15-400 | 20 | 알루미늄 15 | 400 |
결합제(20)로는 페놀수지가 사용되었고, 결합제(20)의 양은 15 내지 25 중량 %가 바람직하다. 결합제(20)의 양이 15 중량% 미만인 경우에는 팽창흑연분말(10)과 금속분말(30)과의 결합력이 약하고, 결합제(20)의 양이 25 중량%를 초과하는 경우에는 결합제(20)의 양이 지나치게 많아 오히려 팽창흑연분말(10)과 금속분말(30)이 고르게 분포하지 못하고 불균일하게 분포되는 경향이 있었다.
특히, 결합제(20)의 양은 예비실험을 통하여 20 중량%가 바람직한 것으로 확인됨에 따라, 결합제(20)의 양은 20 중량%로 일정하게 유지한 상태에서 첨가되는 금속분말(30)의 종류와 양, 흑연 팽창 및 결합제(20)의 열경화를 위한 열처리온도를 변수로 하여 다양한 샘플을 제조하였다. 또한 각각의 샘플은 사각형상과 원판 형상으로 각각 제조하였다. 비전기저항 및 굴곡강도는 사각바아 형상의 샘플로 측정하였고, 밀도, 열확산계수 및 열전도도는 원판 형상으로 측정하였다. 각 샘플들의 밀도, 열확산계수, 열전도도, 굴곡강도 및 전기비저항의 값을 총괄적으로 정리하면 아래 표 2와 같다.
| 샘플명 |
밀도(g/cm3) | 열확산계수 (mm2/s) |
열전도도 ((J/k)/m·K) |
굴곡강도 (Kg/m3) |
전기비저항 (Ω·cm) |
| G-300 | 1.263 | 4.271 | 14368 | 93 | 1.15 |
| G-400 | 1.237 | 4.218 | 13827 | 161 | 1.39 |
| GC5-300 | 1.335 | 4.616 | 16318 | 185.5 | 1.09 |
| GC5-400 | 1.323 | 5.303 | 17690 | 123.25 | 1.42 |
| GC10-300 | 1.478 | 4.949 | 23501 | 190.3 | 0.96 |
| GC10-400 | 1.472 | 5.182 | 25487 | 137.54 | 1.15 |
| GA5-300 | 1.196 | 6.056 | 19856 | 170.25 | 0.87 |
| GA5-400 | 1.146 | 2.751 | 9928 | 157.30 | 1.26 |
| GA10-300 | 1.530 | 7.521 | 42960 | 178.66 | 0.86 |
| GA10-400 | 1.521 | 8.032 | 45487 | 163.51 | 1.14 |
| GA15-300 | 1.511 | 6.736 | 36823 | 192.29 | 0.80 |
| GA15-400 | 1.510 | 6.915 | 38267 | 172.63 | 1.04 |
[전기비저항 측정]
표 1에 따른 샘플들의 전기비저항은 마이크로 옴미터(Micro ohm meter; SOKEN/DAC-MR-IU, Japan)을 사용하여 측정하였으며 측정 과정은 다음과 같다:
물리적 특성 측정용 샘플의 제작 표준서에 의거하여 육면체의 샘플을 만든 후 마이크로 미터를 사용하여 두께, 폭을 1/100mm 단위까지 측정한다. 상기 샘플 제작 순서에 의거하여 고유저항 지그를 선정하여 샘플 고정용 바이스 위에 올려 놓는다. 바이스와 연결된 컴프레서의 압력을 3MPa로 하고 바이스에 샘플을 장착한다. 표준서에 의거하여 전류 및 지점거리를 선정하고 샘플의 단면적을 따라 길이 방향으로 전류를 통전하고 샘플의 중간지점에 단자를 대고 저항값을 구한다. 저항값은 단자를 댄 직후 2 내지 3초 후 저항값이 안정된 시점을 기준으로 한다. 전류는 통상 1A를 통전한다. 전기비저항(Ω·cm)은 아래의 수학식 2에 의해 계산하였고, 그 결과를 도 9에 그래프로 도시하였다,
[수학식 2]
전기비저항(Ω·cm) = [(샘플두께 × 샘플폭) / 샘플길이] × 저항 × 1,000
도 9에 도시되는 바와 같이, 전기비저항값은 금속분말(30)의 양을 증가시키면 점차 감소하는 경향성을 보일 뿐만 아니라, 400℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플보다 300℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플이 더 낮은 전기비저항값은 가지는 것으로 나타났다. 이는 결합제(20)인 페놀수지의 경화 온도에 따른 통전 성능과 관련이 있다. 또한 첨가되는 금속분말(30)의 경우 구리분말을 첨가할 때보다 알루미늄분말을 첨가하는 경우 더 낮은 전기비저항값을 가지는 것으로 나타났다.
전기비저항값이 클수록 전기전도도는 떨어지므로, 전기비저항값 면에서는 표 1에 따른 샘플들 증 GA5-300, GC10-300, GA10-300, GA15-300이 특히 바람직한 것으로 나타났다. 또한 표 1에 따른 샘플들의 전기비저항값은 엘이디 방열판에서 요구되는 조건을 충족하는 것으로 확인되었다.
[굴곡강도 측정]
표 1에 따른 샘플들의 굴곡강도는 측정 방법은 다음과 같다:
물리특성 측정용 샘플 제작 표준서에 따라 육면체의 샘플을 제작하였다. 마이크로미터로 두께(T), 폭(W)을 0.01 mm 단위까지 측정한다. 물리특성 측정용 샘플 제작 표준서에 따라 지그를 선정하여 압축강도 시험기에 장착하고 샘플을 위에 올려놓는다. 샘플이 올려진 지그를 상부 파단 지그를 향하여 5 mm/min 속도로 상승시킨 후 샘플이 파단될 때 그 값을 읽는다. 굴곡강도는 아래의 수학식 3에 따라 굴곡강도를 산출하였고, 그 결과를 도 10에 그래프로 도시하였다.
[수학식 3]
도 10에 도시되는 바와 같이, 굴곡강도의 경우, 금속분말(30)의 첨가양이 증가될수록 증가하는 경향을 나타낼 뿐만 아니라, 400℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플보다, 300℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플이 더 높은 굴곡강도값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 결합제(20)인 페놀수지의 경화 온도에 따른 통전 성능과 관련이 있다. 또한 금속분말(30)의 경우 구리분말을 사용할 때보다, 알루미늄분말을 사용하였을 때 더 높은 굴곡강도값을 가지는 것으로 나타났다. 또한 표 1에 따른 샘플들의 굴곡강도는 엘이디방열판에서 요구되는 굴곡강도 조건을 충족하는 것으로 확인되었다.
[밀도 측정]
밀도값은 열확산계수와 열전도도에 직접적으로 큰 영향을 미치는 인자이다. 표 1에 따른 샘플들의 밀도의 측정 방법은 다음과 같다:
물리특성 측정용 샘플 제작 표준서에 따라 육면체의 시험편을 제작하였다. 마이크로미터로 두께 (T), 폭(W)을 0.01mm 단위까지 측정하여 부피를 측정한다. 또한 0.001g 단위까지 측정할 수 있는 저울을 사용하여 각 샘플의 질량을 측정한다. 밀도는 질량을 부피로 나눈 값으로 산출하였고, 그 결과를 도 11에 그래프로 도시하였다.
도 11에 도시되는 바와 같이, 샘플들의 밀도값은 첨가되는 금속분말(2)에 양을 증가시키면 현저히 증가하는 경향을 나타낸다. 샘플들의 밀도값은 예를 들어 300℃ 또는 400℃와 같은 열처리온도에 관계없이 비슷한 값을 나타내었다. 또한 금속분말(30)의 경우 구리분말을 사용할 때나 알루미늄분말을 사용하였을 때나 서로 비슷한 밀도값을 나타내었다. 표 1에 따른 샘플들의 밀도는 엘이디 방열판에서 요구되는 조건에 적합한 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)의 밀도는 1.196 내지 1.530 g/cm3인 것이 바람직하다.
[열확산계수 측정]
열확산계수(α, mm2/s)는 어떤 물질이 열에너지를 전달할 수 있는 능력과 열에너지를 저장할 수 있는 능력에 대한 비를 의미하며, 열의 주위로의 확산정도를 나타내는 척도를 나타내므로, 방열특성의 평가시 주요한 요소 중 하나이다. 열확산 계수는 열용량(ρ·Cp)에 대한 열전도율(k, (J/h)/mK)의 비로 산출된다. 표 1에 따른 샘플들의 열확산계수의 산출은 상온열전도도(KS L 1604 : 2006)법에 의해 아래의 수학식 4에 의해 행해졌으며, 그 결과를 도 12에 그래프로 도시하였다.
[수학식 4]
α = k / ρ·Cp
도 12에 도시되는 바와 같이, 샘플들의 열확산계수값은 첨가되는 금속분말에 양이 10 중량%인 경우가 가장 바람직한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 300℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플보다 400℃에서 열처리하여 경화시켜 샘플이 상대적으로 더 높은 열확산계수값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 결합제(20)인 페놀수지의 경화 온도 및 금속분말의 첨가량이 샘플의 열확산능력과 열용량값을 좌우하는 중요한 요인 중 하나임을 나타낸다. 또한 금속분말(30)의 경우 구리분말을 첨가한 경우보다 알루미늄분말을 첨가한 경우가 더 높은 열확산계수값을 가지는 것으로 나타났다. 아울러, 열확산계수 면에서 샘플 GA10-300, GA10-400, GA15-300, GA15-400이 상대적으로 높은 열확산계수값을 나타내는 것으로 확인되었으나, 표 1에 따른 샘플들의 열확산계수값은 엘이디 방열판에서 요구되는 조건에 적합한 것으로 확인되었다.
[열전도도 측정]
열전도도는 물질이 전도에 의해 열을 전달할 수 있는 능력을 나타내는 정도를 말하는 것으로, 방열판의 특성을 평가하는 가장 중요한 요소이다. 표 1에 따른 샘플들의 열전도도의 산출은 아래의 수학식 5와 같이 열확산계수(α, mm2/s)와 열용량(ρ·Cp)의 곱으로 산출되었으며, 그 결과를 도 13에 그래프로 도시하였다.
[수학식 5]
k = α × ρ·Cp
도 13에 도시되는 바와 같이, 샘플들의 열전도도는 첨가되는 금속분말에 양이 10 중량%인 경우에 가장 바람직한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 300℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플보다 400℃에서 열처리하여 경화시킨 샘플이 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 것으로 나타났다. 이는 결합제(20)인 페놀수지의 경화 온도 및 금속분말의 첨가량이 샘플의 열확산능력과 열용량값을 좌우하는 중요한 요인으로 작용하며, 이로 인해 열전도도가 좌우됨을 나타낸다. 또한 금속분말(30)의 경우 구리분말을 첨가한 경우보다 알루미늄분말을 첨가한 경우가 더 높은 열전도도를 가지는 것으로 나타났다. 아울러, 열전도도 면에서 샘플 GA10-300, GA10-400, GA15-300, GA15-400이 상대적으로 높은 열전도도를 나타내는 것으로 확인되었으나, 표 1에 따른 샘플들 모두 엘이디 방열판에서 요구되는 열전도도 조건에 적합한 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판(1)의 열전도도는 9928 내지 45487 (J/h)/m·K인 것이 바람직하다.
1 : 엘이디 방열판
10 : 팽창흑연분말
20 : 결합제
30 : 금속분말
10 : 팽창흑연분말
20 : 결합제
30 : 금속분말
Claims (15)
- 알칼리용융법에 의해 흑연을 고순도로 정제하는 흑연정제단계;
상기 흑연정제단계를 거친 흑연을 팽창시키는 흑연팽창단계;
상기 흑연팽창단계를 거친 팽창흑연을 분쇄하여 팽창흑연분말을 만드는 분쇄단계;
상기 팽창흑연분말을 결합제와 혼합하는 혼합단계;
상기 혼합단계를 거친 혼합물을 엘이디 방열판 형상으로 성형하는 성형단계; 및
상기 성형단계를 거친 혼합물을 열처리에 의해 경화시키는 경화단계를 포함하고,
상기 흑연정제단계에 적용되는 알칼리용융법은, 상기 흑연에 2 내지 3배의 양의 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 혼합한 후 700 내지 800℃의 온도에서 비산화성 분위기에서 소성하는 단계와, 소성된 상기 흑연을 상온에서 건조시킨 후 염산용액으로 탄산나트륨 또는 탄산칼륨에 용융된 금속산화물과 불순물을 세척하는 단계와, 세척된 상기 흑연을 증류수로 수세하는 단계를 포함하고,
상기 혼합단계에서는 열전도도 향상을 위해 금속분말이 추가 혼합되는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 혼합단계에서는 상기 팽창흑연분말 55 내지 80 중량%와 상기 결합제 15 내지 25 중량%의 혼합물에 상기 금속분말 5 내지 20 중량%가 추가 혼합되는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법..
- 청구항 1에 있어서,
상기 결합제는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지이고 상기 금속분말은 알루미늄분말 또는 구리분말인 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 경화단계의 열처리온도는 300 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 엘이디 방열판의 제조방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
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2014
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