KR101579912B1

KR101579912B1 - 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법 및 이의 용도

Info

Publication number: KR101579912B1
Application number: KR1020150075331A
Authority: KR
Inventors: 조성연; 조석형
Original assignee: 주식회사 가남
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2015-12-28

Abstract

본 발명은 가격이 저렴하고 금속을 능가하는 열전도도를 가진 흑연을 기초 물질로 하여 알루미늄과 용탕주조법을 통해 복합화함으로써 높은 방열특성을 갖는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법과 이의 용도에 관한 것이다.

Description

그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법 및 이의 용도{METHOD OF MANUFACTURING A GRAPHITE-ALUMINUM COMPOUND AND USE THEREOF}

전자 기기 기능 향상시키기 위해서 이를 구성하는 소자의 냉각은 큰 과제이다.

전자 기기는 방열판 같은 방열부재를 접촉시켜 열 확산, 대기에 열을 분산하여 냉각시킨다. 방열 부재는 열전도율이 높은 쪽이 냉각 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 더 높은 열전도도를 갖는 재료가 요구되고 있다.

흑연의 열전도율은 1950Wm^-1K^-1이고, 구리 386Wm^-1K^-1 알루미늄 238Wm^-1K^-1이다. 본 발명에서는 비교적 저렴하고 금속을 능가하는 열전도도를 가진 재료로 흑연(Gr)을 기초물질로 하여 알루미늄과 용탕주조법으로 복합화함으로써 높은 방열특성을 갖는 소재를 발명하게 되었다.

대한민국 등록특허 10-1270771(등록일자 2013년05월28일)

본 발명은 가격이 저렴하고 금속을 능가하는 열전도도를 가진 흑연을 기초 물질로 하여 알루미늄과 용탕주조법을 통해 복합화함으로써 높은 방열특성을 갖는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법과 이의 용도를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 규산칼륨을 반응기에 투입한 후 온도 60~70℃에서 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)와 규산나트륨을 상기 반응기에 투입하여 탁한 상태에서 투명해질 때까지 반응시킨 다음 온도를 상온으로 낮춘 후, NaH₂PO₄를 투입하여 바인더를 제조하는 단계(S10)와,

그라파이트, 탄화규소, 질화탄소, 실리카, 상기 단계(S10)에서 제조된 바인를 믹서기 또는 볼밀에 투입하여 70~80℃에서 혼합하면서 건조하여 혼합분말을 제조하는 단계(S20)와,

상기 단계(S20)에서 제조된 혼합분말을 몰드에 넣고 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계(S30)와,

알루미늄괴를 흑연도가니에 넣고 알루미늄을 700~1,700℃에서 용융한 다음 상기 단계(S30)에서 제조된 프리폼을 알루미늄용융액 속에 함침시켜 10분 내지 1시간 동안 알루미늄을 자발침투반응시켜 그라파이트-알루미늄 복합체를 제조하는 단계(S40)를 포함하여 이루어지는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 제시된 제조방법을 통해 제조된 그라파이트-알루미늄 복합체는 열전율이 높아 냉각 효율이 뛰어나 전자 기기의 성능 향상을 위한 방열소재로 활용도가 매우 높다는 장점을 갖는다.

또한 저렴한 비용과 간단한 공정을 통해 대량생산이 가능하며, 다양한 분야에 적용이 가능하여 산업상 이용가능성이 매우 높다는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 그라파이트-알루미늄 복합체 제조과정을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 그라파이트-알루미늄 복합체 제조공정에 포함되는 용탕주조를 통한 알루미늄 침투과정을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 그라파이트-알루미늄 복합체 제조공정을 이용하여 방열부품을 제조하는 공정을 도시한 도면.

이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법은 규산칼륨을 반응기에 투입한 후 온도 60~70℃에서 콜로이달 실리카와 규산나트륨을 상기 반응기에 투입하여 탁한 상태에서 투명해질 때까지 반응시킨 다음 온도를 상온으로 낮춘 후, NaH₂PO₄를 투입하여 바인더를 제조하는 단계(S10)와,

알루미늄괴를 흑연도가니에 넣고 알루미늄을 700~1,700℃에서 용융한 다음 상기 단계(S30)에서 제조된 프리폼을 알루미늄용융액 속에 함침시켜 10분 내지 1시간 동안 알루미늄을 자발침투반응시켜 그라파이트-알루미늄 복합체를 제조하는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

이하, 상기 단계에 따른 구체적인 기술 구성에 대해 살펴보도록 한다.

바인더 제조단계( S10 )

상기 바인더는 규산칼륨 70~75wt%, 콜로이달 실리카 10~15wt%, 규산나트륨 5~10wt%, NaH₂PO₄ 1~6wt%, 물 9~14wt%의 배합비로 혼합하여 조성되되,

규산칼륨을 반응기에 투입 후 온도 60~70℃에서 콜로이달 실리카와 규산나트륨(KS-3) 천천히 투입하여 탁하게 되었다가 투명해질 때까지 반응시키고 온도를 상온으로 낮춘 다음 NaH₂PO₄를 투입하는 과정을 거쳐 바인더를 제조한다.

상기 반응기의 온도가 60℃ 미만인 경우에는 혼합용액이 반응하지 않는 문제가 있고, 70℃를 초과하게 되는 경우에는 점도가 급격히 상승하는 문제가 있으므로, 상기 반응기의 온도는 60~70℃의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 보다 구체적으로 규산칼륨 71wt%, 콜로이달 실리카(SS-SOL 30E) 11wt%, 규산나트륨 6wt%, NaH₂PO₄ 2wt%, 물 10wt%의 배합비로 조성된다.

혼합분말 제조단계( S20 )

상기 혼합분말은 그라파이트 0.1~50wt%, 탄화규소 0.1~50wt%, 질화탄소 0.1~20wt%, 실리카 0.1~20wt%, 바인더 15~30wt%의 배합비로 혼합하여 조성되되,

그라파이트, 탄화규소, 질화탄소, 실리카를 일정비율로 혼합하고 바인더 용액을 믹서기 또는 볼밀에 투입하여 70~80℃에서 혼합하면서 건조하여 조성물 분말을 제조한다.

상기 혼합온도가 70℃ 미만인 경우에는 건조시간이 길어지는 문제가 있고, 80℃를 초과하게 되는 경우에는 물질간 응결되어 분쇄하기 어려울 뿐만 아니라 완전히 건조하지 않는 문제가 있으므로, 상기 혼합온도는 70~80℃의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 혼합분말의 그라파이트는 순도 99%, 평균입경 30㎛의 분말이고, 탄화규소(SiO₂)는 순도 99%, 평균입경 2~5㎛의 분말이며, 질화탄소(SiC)는 순도 99%, 평균입경 15㎛의 분말임을 특징으로 한다.

상기 혼합분말은 보다 구체적으로 그라파이트 30wt%, 탄화규소 30wt%, 질화탄소 10wt%, 실리카 10wt%, 바인더 20wt%의 배합비로 조성된다.

프리폼 제조단계( S30 )

상기단계에서 제조한 혼합분말을 몰드에 넣고 100~200MPa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조한다.

이때 압력이 100MPa 미만인 경우에는 프리폼의 형상이 잘형성되지 않을 뿐아니라 소성과정에서 물지간 공극이 커지는 문제가 있고, 200MPa를 초과하게 되는 경우에는 프리폼이 갈라지는 문제가 있으므로, 상기 압축성형은 100~200MPa의 압력범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.

그라파이트 -알루미늄 복합체 제조단계( S40 )

알루미늄괴를 흑연도가니에 넣고 알루미늄을 700~1,700℃에서 용융한 다음 상기에서 제조한 프리폼을 알루미늄용융액 속에 함침시켜 10분 내지 1시간 알루미늄을 자발침투반응시키는 용탕주조법을 통해 그라파이트-알루미늄 복합체를 제조한다.(도 2 참조)

상기 용융온도가 700℃ 미만인 경우에는 알루미늄과 바인더 및 탄화규소가 반응하지 않는 문제가 있고, 1,700℃를 초과하게 되는 경우에는 제조 원가가 많이 소요되는 등 문제가 있으므로, 상기 용융온도는 700~1,700℃의 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 자발침투반응시간이 10분 미만인 경우에는 침투가 충분히 이루어지지 않을뿐 아니라 충분한 반응이 일어나지 않고, 1시간을 초과하는 경우에는 공정이 길어지고 경제성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 반응시간은 10분 내지 1시간 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법은 다양한 분야에 적용이 가능하며, 그 구체적인 예로서 도 3에 도시된 바와 같이 전자 기기의 기능 향상을 위한 방열부품에 적용이 가능하다.

본 발명에 따른 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법은 저렴한 비용과 간단한 공정을 통해 그라파이트-알루미늄 복합체의 대량생산이 가능하며, 다양한 분야에 적용이 가능하여 산업상 이용가능성이 크다.

Claims

규산칼륨을 반응기에 투입한 후 온도 60~70℃에서 콜로이달 실리카와 규산나트륨을 상기 반응기에 투입하여 탁한 상태에서 투명해질 때까지 반응시킨 다음 온도를 상온으로 낮춘 후, NaH₂PO₄를 투입하여 바인더를 제조하는 단계(S10)와,
그라파이트, 탄화규소, 질화탄소, 실리카, 상기 단계(S10)에서 제조된 바인를 믹서기 또는 볼밀에 투입하여 70~80℃에서 혼합하면서 건조하여 혼합분말을 제조하는 단계(S20)와,
상기 단계(S20)에서 제조된 혼합분말을 몰드에 넣고 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계(S30)와,
알루미늄괴를 흑연도가니에 넣고 알루미늄을 700~1,700℃에서 용융한 다음 상기 단계(S30)에서 제조된 프리폼을 알루미늄용융액 속에 함침시켜 10분 내지 1시간 동안 알루미늄을 자발침투반응시켜 그라파이트-알루미늄 복합체를 제조하는 단계(S40)를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
바인더는 규산칼륨 70~75wt%, 콜로이달 실리카 10~15wt%, 규산나트륨 5~10wt%, NaH₂PO₄ 1~6wt%, 물 9~14wt%의 배합비로 혼합하여 조성되는 것임을 특징으로 하는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
혼합분말은 그라파이트 0.1~50wt%, 탄화규소 0.1~50wt%, 질화탄소 0.1~20wt%, 실리카 0.1~20wt%, 바인더 15-30wt%의 배합비로 조성되는 것임을 특징으로 하는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
혼합분말의 그라파이트는 순도 99%, 평균입경 30㎛의 분말이고, 탄화규소(SiO₂)는 순도 99%, 평균입경 2~5㎛의 분말이며, 질화탄소(SiC)는 순도 99%, 평균입경 15㎛의 분말임을 특징으로 하는 그라파이트-알루미늄 복합체의 제조방법.
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