KR101644394B1 - 클래드재로 이루어진 방열재, 이 방열재를 포함하는 조명장치, 및 방열재의 제조방법 - Google Patents

클래드재로 이루어진 방열재, 이 방열재를 포함하는 조명장치, 및 방열재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일종의 금속으로 이루어진 코어와 이 코어의 외주부에 클래딩된 다른 금속으로 이루어진 단위 금속구조가 복수 개 클래딩된 복합재로서, 그 단부에 매우 미세한 요철구조가 형성되어 있어 방열 표면적이 매우 넓어 방열특성이 우수하여, 특히 발광다이오드의 기판 방열에 적합하게 사용될 수 있는 방열재와 이 방열재를 포함하는 조명장치에 관한 것이다.

Description

클래드재로 이루어진 방열재, 이 방열재를 포함하는 조명장치, 및 방열재의 제조방법 {HEAT RADIANT MATERIALS WITH CLAD MATERIAL, LIGHTING DEVICE COMPRISING THE HEAT RADIANT MATERIALS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE HEAT RADIANT MATERIALS}
본 발명은 클래드재로 이루어진 방열재와 이 방열재를 포함하는 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일종의 금속으로 이루어진 코어와 이 코어의 외주부에 클래딩된 다른 금속으로 이루어진 단위 금속구조가 복수 개 클래딩된 복합재로서, 그 단부에 매우 미세한 요철구조가 형성되어 방열 표면적이 매우 넓어 방열특성이 우수하며, 특히 발광다이오드의 방열에 적합하게 사용될 수 있는 방열재와 이 방열재를 포함하는 조명장치에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 전자와 정공의 재결합에 의해 발광시키는 발광소자로서, 현재 널리 사용되고 있는 조명 기기, 즉 텅스텐 필라멘트를 사용하는 백열등이나 진공이 유지되고 소량의 수은과 아르곤 가스를 봉입하고 있으며 유리관의 내벽에 형광 물질이 도포되어 있어 에미터에서 방출된 전자가 수은과 충돌하면서 발생하는 자외선이 상기 형광 물질에 의해 가시광선으로 변환되는 과정을 통해 발광이 이루어지는 형광등에 비해, 소비전력이 매우 낮고 수명이 길다는 장점을 가진다.
이에 따라, 상대적으로 고가의 가격에도 불구하고 각종 표시용 소자는 물론, 조명에 이르기까지 그 사용범위가 점차 확대되고 있다.
한편, 발광다이오드 조명기구는 다른 조명기구와 마찬가지로 빛이 발생하는 동시에 열이 발생하는데, 특히 LED의 경우 온도가 올라가면 광 효율의 감소, 색 좌표의 이동, 열 저항의 변화 등 다양한 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 하기 특허문헌에는, 도 12에 도시된 바와 같이, 발광다이오드(110)와, 상기 발광다이오드(110)의 하부에 위치하는 써멀 패드(120)와, 상기 써멀 패드(120)의 하부에 위치한 절연층(130)과 상기 절연층(130)의 하부에 위치하여 발광다이오드(110)에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열구조(140)로 이루어지며, 상기 방열구조(140)는 다시 방열판(141)과 상기 방열판(141)의 하부에 부착되어 다수의 핀이 돌출 형성된 냉각핀(142)을 포함하여 형성되는 발광다이오드 조명(100)이 개시되어 있다. 즉, 발광다이오드(110)에서 발생하는 열을 금속으로 이루어진 방열구조(140)를 통해 외부로 신속하게 방열하도록 되어 있는 것이다.
상기 냉각핀은 미세화할수록 방열 표면적이 넓어져 방열에 유리한데, 이를 매우 미세하게 가공하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 금속재료로 이루어진 방열구조의 경우, 도 12에 도시된 바와 같이 절연층이나, 열팽창계수가 매우 낮은 반도체 재료와 같은 물질에 접합되어야 하는데, 금속재료는 특성상 열팽창계수가 매우 크기 때문에, 발광다이오드의 발열과 냉각이 반복되는 과정에서 열팽창계수의 차이에 의해 발생하는 열응력에 의해 절연층이나 기판으로부터 분리되어 신뢰성이 저하하는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제2012-0132248
본 발명은 전술한 금속으로 이루어진 방열재의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 방열재의 표면에 미세한 요철부가 형성되어 있어 방열특성이 우수한 방열재를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 소자와 접촉하는 접촉면에 평행한 방향의 열팽창계수는 세라믹 재료와 유사한 낮은 열팽창계수를 가지고, 열의 방출이 이루어지는 접촉면에 수직한 방향으로의 열전도 특성은 금속재료와 동등한 수준의 높은 열전도성을 구현할 수 있는 방열재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제는 방열재의 표면에 간소한 방법으로 매우 미세한 요철부를 형성할 수 있는 방열재의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면은, 기둥상으로 이루어진 코어와, 상기 코어의 기둥상의 둘레면에 형성된 쉘을 포함하는 복합재 다수 개를 클래딩한 구조를 일부 또는 전부 포함하는 방열재로, 상기 코어와 쉘은 상호 에칭특성이 상이한 물질로 이루어지고, 상기 방열재의 일 단부는 에칭에 의해 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방열재를 제공하는 것이다.
제1측면에 있어서, 상기 코어 및 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어질 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 코어와 쉘을 포함하여 이루어진 복합재 다수 개 중의 일부는, 나머지 복합재와는 상이한 물질의 코어 또는 쉘을 구비할 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 코어 및 쉘은 Al, Cu, Au, Ag, Ni, Ti 또는 이들의 합금을 포함하여 이루어지며, 상기 코어 및 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2측면은, 기둥상으로 이루어진 코어와, 상기 코어의 기둥상의 둘레면에 형성된 쉘을 포함하는 복합재 다수 개를 클래딩한 구조를 일부 또는 전부 포함하는 방열재로, 상기 코어와 쉘은 상호 에칭특성이 상이한 물질로 이루어지고, 상기 방열재의 일 단부는 에칭에 의해 요철부가 형성되어 있으며, 상기 코어와 쉘의 계면에서 상호 반응에 의한 금속간화합물층이 형성되어 있는 방열재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3측면은, 상기한 방열재를 포함하는 조명장치를 제공하는 것이다.
제3측면에 있어서, 상기 조명장치는 발광다이오드를 포함하고, 상기 방열재는 상기 발광다이오드의 하부에 상기 코어의 길이방향이 수직방향에 위치하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제4측면은, (a) 기둥상으로 이루어진 코어와, 이 코어의 기둥상의 둘레면에 에칭특성이 상기 코어를 구성하는 물질과 상이한 물질을 클래딩하여 형성된 쉘을 포함하는 제1복합재를 제조하는 단계; (b) 상기 제1복합재 다수 개를 클래딩하여 제2복합재를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제2복합재의 일 단부를 에칭하여 요철부가 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 방열재의 제조방법을 제공하는 것이다.
제4측면에 있어서, 상기 제1복합재는 금속으로 이루어진 관재에 상기 코어를 넣은 후 압출하는 방법으로 제조될 수 있다.
제4측면에 있어서, 상기 제2복합재는 금속으로 이루어진 관재에 상기 다수 개의 제1복합재를 넣은 후 압출하여 제조될 수 있다.
제4측면에 있어서, 상기 제2복합재의 미세조직의 미세화 정도는, 상기 다수 개의 제1복합재를 금속으로 이루어진 관재에 넣고 압출하는 공정의 반복 횟수로 조절될 수 있다.
제4측면에 있어서, 상기 코어와 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어져 있고, 상기 (b) 단계 또는 (c) 단계 이후에 열처리를 수행하여, 상기 코어와 쉘의 경계면에 금속간화합물층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제4측면에 있어서, 상기 코어 및 쉘은 Al, Cu, Au, Ag, Ni, Ti 또는 이들의 합금을 포함하여 이루어지며, 상기 코어 및 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어질 수 있다.
제4측면에 있어서, 상기 에칭은 상기 제2복합재의 일단을 수산화나트륨 용액에 침지하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방열재는 금속으로 이루어지며 기둥상으로 이루어진 코어와, 금속으로 이루어지며 상기 코어의 기둥상의 둘레면에 형성된 쉘을 포함하는 복합재가 복수 개 둘레방향으로 접합된 구조로 이루어져 있어 코어의 길이방향으로의 열전도성이 우수할 뿐 아니라 그 단부에 미세한 요철부가 형성되어 있어, 방열특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 코어의 길이방향에 수직한 방향으로는 코어와 쉘의 계면이 중첩되어 배치된 형상으로 이루어지고, 상기 코어와 쉘의 사이에는 열팽창계수가 금속에 비해 낮은 비금속층이 네트워크를 이루어 형성되어 있어, 코어와 쉘의 열팽창을 구속하므로, 일반적인 금속재료에 비해 열팽창계수가 매우 낮다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재의 평면도와 이의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 방열재의 평면도와 이의 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방열재를 수직형 LED 소자의 전도성 기판으로 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재를 제조하는 공정도이다.
도 6a 내지 6c는 알루미늄 코어와 구리 관재를 사용하여 압출을 통해 방열재를 제조하는 과정에서 얻은 제1압출재, 제2압출재 및 제3압출재의 사진이다.
도 7a 및 7b는 각각 구리 관 내에 Al/Cu 클래드재와 Al/Ti 클래드재를 각각 혼합 배열하여 압출하여 얻은 제2복합재의 사진이다.
도 8은 도 6c의 제3압출재의 부분 확대 사진이다.
도 9는 도 6c의 제3압출재의 일 단부를 수산화나트륨 수용액에 2시간 동안 침지시켜 에칭한 후의 사진이다.
도 10a는 도 6c의 제3압출재를 400℃에서 1시간 동안 열처리한 후 제3압출재의 Al/Cu 계면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 8b는 Al/Cu로 이루어진 제3압출재를 500℃에서 1시간 동안 열처리한 후 제3압출재의 Al/Cu 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 Al/Cu로 이루어진 제3압출재를 열처리한 후 Al/Cu 계면에 형성된 금속간화합물의 생성량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 종래의 발광다이오드 조명장치의 단면도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재의 평면도와 이의 부분확대도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재(100)는, 기둥상으로 이루어진 코어(111)와, 상기 코어(111)의 기둥상의 둘레면에 형성된 쉘(112)을 포함하는 복합재(110) 다수 개를 클래딩한 구조를 일부 또는 전부 포함하는 것으로, 상기 코어(111)와 쉘(112)은 상호 에칭특성이 상이한 물질로 이루어지고, 상기 방열재의 일 단부는 에칭에 의해 요철부(113)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 기둥상의 코어(111)의 모양은 다양한 형태로 이루어질 수 있는데, 예를 들어, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 기타 다각형이나 원형으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 코어(111)는 다양한 종류의 금속으로 이루어질 수 있으며, 압출이 용이하며 열전도도가 우수한 재료가 바람직하다. 예를 들어, 코어(111)를 이루는 금속은, Al, Cu, Ti, Au, Ag 또는 이들의 합금이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 쉘(112)은 클래딩을 통해 코어(111)의 기둥상의 둘레면에 부착된 것으로서, 에칭을 통해 미세한 방열구조를 형성할 수 있게 함과 동시에, 코어(111)를 구성하는 물질이 열적으로 측방향 팽창하는 것을 구속하기 위한 네트워크를 형성하기 위한 것이다.
상기 쉘(112)은 도 2에 도시된 바와 같이, 그 일부 또는 전부에 비금속층(112a)을 포함할 수 있다. 상기 비금속층(112a)은 바람직하게는 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물, 금속 탄화물, 금속 탄질화물, 또는 금속탄산질화물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 쉘(112)은 열전도 특성이 우수하고 압출이 용이한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 비금속층(112a)은 별도의 코팅처리와 같은 작업 없이, 상기 방열재를 가열하여 상기 코어(111)와 접촉된 쉘(112)을 이루는 금속 간의 반응에 의해 생성되는 금속간화합물인 것이 가장 바람직하다.
상기 쉘(112)을 이루는 금속은 예를 들어, Al, Cu, Ti, Au, Ag, Ni, Pt 또는 이들의 합금일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 요철부(113)는 코어(111) 또는 쉘(112)을 이루는 물질의 에칭특성(특히 에칭속도)의 차이를 이용하여 상기 방열재(100)의 단부를 에칭함으로써, 자연적으로 코어(111) 또는 쉘(112) 중 어느 일방이 돌출하는 형태로 형성된다.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 방열재의 평면도와 이의 부분 확대도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시형태에 따른 방열재(200)는 일 방향으로 연장하는 기둥상의 코어(211)와 상기 코어(211)의 길이방향의 둘레면에 형성되며 그 일부 또는 전부가 비금속층으로 이루어진 쉘(212)을 포함하는 단위 제1복합재(210)와, 이 복합재(210)와 동일한 구조로 이루어져 있으나, 코어(221) 또는 쉘(222)을 구성하는 물질이 제1복합재(210)과 상이한 단위 제2복합재(220)가 다수 개 혼합 배치되어 측면이 상호 접합된 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제2실시형태에서는, 제1복합재(210)와 제2복합재(220)의 혼합 클래딩재에 관한 것이나, 본 발명의 범위에는 필요에 따라 제1복합재(210) 및 제2복합재(220)와 동일한 구조로 이루어져 있으며 상이한 물질로 이루어진 다른 복합재를 추가로 혼합 배치하는 것도 포함된다.
도 4는 본 발명에 따른 방열재(100)가 적용된 수직형 LED 소자의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열재는, 제1반도체층(210)과 이 제1반도체층(210) 상에 형성된 활성층(220)과 이 활성층(120) 상에 형성된 제2반도체층(230)을 포함하는 발광구조(200)의 전도성 지지기판(100)으로 사용될 수 있으며, 이때 전도성 지지기판(100)과 발광구조(200) 사이에는 접착층(300)과, 상기 접착층(300) 상에 형성된 반사층(400)을 포함할 수 있고, 상기 제2반도체층(230)의 상부에는 전극(500)이 형성된다. 이와 같은 수직형 LED 소자의 전도성 지지기판으로 사용될 경우, 상기 방열재(100)는 코어 기둥 방향에 수직한 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 방열재(100)는 도 13의 종래의 LED 패키지와 같이 LED 패키지의 방열구조로 사용될 수도 있다. 이때도 상기 방열재(100)는 코어의 기둥방향에 수직한 방향으로 상기 LED 소자에 부착되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재(100)를 제조하는 과정에 대해 구체적으로 설명한다. 제2실시형태는 제1실시형태와 동일한 압출 공정을 통해 제조되며, 다만 아래의 2차 또는 3차 압출 전에 금속관에 적층하는 압출재를 2종 이상 혼합하여 적층하는 차이만 있을 뿐이므로, 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 제1실시형태에 따른 방열재를 제조하는 공정도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 방법은 총 3단계의 압출 공정과 1단계의 에칭 공정을 통해 이루어진다.
제1단계 압출공정은 코어를 이루는 금속을 금속으로 이루어진 관 내부에 배치한 후, 정수압 압출 또는 그루브 롤링(groove-rolling)을 이용하여, 육각 기둥 형태의 봉상으로 만드는 단계이다. 상기 압출 또는 그루브 롤링을 통해 얻어진 봉상의 제1압출재(110)는 기둥상의 코어(111)와 상기 코어(111)의 외주부에 쉘(112)이 형성된 구조를 이룬다.
제2단계의 압출공정은 상기 제1압출재(110)를 다수 개 준비하고, 쉘(120)과 동일한 금속으로 이루어진 관(또는 저면이 막힌 용기)을 준비한 후, 상기 관에 상기 다수 개의 제1압출재(110)를 적층하여 넣은 후, 정수압 압출을 수행하는 단계이다. 이 단계를 통해, 쉘(112)이 코어(111)를 허니컴 구조로 감싸는 형상의 제2압출재(120)를 얻을 수 있다.
제3단계는 상기 제2압출재(120)를 다수 개 준비하고, 쉘(112)과 동일한 금속으로 이루어진 관(또는 저면이 막힌 용기)을 준비한 후, 상기 관에 상기 다수 개의 제2압출재(120)를 적층하여 넣은 후, 정수압 압출을 수행하는 단계이다. 이 단계를 통해, 제2압출재(120)가 다시 허니컴 구조로 네트워크를 이룬 제3압출재(130)를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이상과 같이 3단계의 압출 공정을 적용하여 방열재를 제조하였으나, 요구되는 코어(111)와 쉘(112)의 구조 미세화 정도에 따라 상기와 같은 압출 과정을 추가적으로 1회 이상 반복하거나, 제3단계를 생략할 수 있다.
에칭 공정은, 얻어진 제3압출재(130)의 단면을 소정 시간 동안 에칭함으로써, 코어(111)와 쉘(112) 간의 에칭속도의 차이를 이용하여, 코어(111) 또는 쉘(112)이 돌출한 미세한 요철구조를 형성하는 공정이다. 상기 에칭 공정은 에칭액에 상기 제3압출재(130)의 일 단부를 소정 시간 동안 침지시키는 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 요철부(113)를 형성할 수 있는 에칭방법이라면 그 종류에 관계없이 사용될 수 있다.
또한, 선택적으로 상기 에칭 공정 전과 후에, 제3압출재(130)에서 코어(111)를 이루는 금속과 쉘(112)을 이루는 금속을 반응시켜 금속간화합물층을 형성하도록 하는 열처리 공정을 수행할 수 있다. 금속간화합물은 금속에 비해 열팽창계수가 매우 작은 물질로, 제3압출재(130)의 코어(110)의 길이방향에 수직한 방향(즉, 수평방향)에 대한 코어(111) 또는 쉘(112)의 열팽창을 억제시켜, 제3압출재(130)의 수평방향의 열팽창계수를 크게 낮춘다.
이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 제1단계로 직경 약 125mm의 알루미늄 봉재와, 상기 알루미늄 봉재를 넣을 수 있는 직경 약 132mm, 두께 약 4.5mm의 구리 관과 티타늄 관을 각각 준비하였다.
그리고, 클래드재의 결합력을 향상시키기 위하여, 코어 및 쉘을 구성하는 소재의 표면을 샌딩 및 초음파 세척을 수행하였다. 이때 샌딩은 소재의 표면을 거칠게 하여 계면 접합력을 높이기 위한 것이며, 초음파 세척은 불순물로 인해 클래드재의 결합력이 저하하는 것을 막기 위한 것이다.
그리고, 2000톤급 정수압 압출기를 사용하여, 약 22의 압출비로 압출을 행하였다. 도 6a는 정수압 압출을 통해 알루미늄 코어의 외부에 각각 구리와 티타늄이 클래딩된 직경 약 28mm의 육각 기둥상의 제1압출재의 사진이다. 압출을 통해 상기 구리와 티타늄의 두께는 896㎛(두께 감소율로는 약 80%)로 감소하였다.
이어서 제2단계로, 직경 약 132mm의 구리 관에 상기 제1압출재 19개를 적층한 후, 2차로 정수압 압출을 수행하여 평단면이 육각형으로 이루어진 제2압출재를 얻는다. 도 6b는 구리 관 내에 제1복합재를 적층한 후 압출하여 얻은 제2압출재의 단면 사진이다. 상기 사진에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 2단계 압출을 통해 얻어진 제2압출재는 구리 관의 내부에 구리가 허니컴 구조로 이루어지고 그 내부에 알루미늄 코어가 배치된 복합 구조로 되어 있다.
한편, 제2단계에서는, 제2압출재의 열전도도 및 열팽창계수의 이방성을 조절하기 위하여, 제1압출재의 종류 또는 제1압출재를 적층하는 관의 물질을 다양하게 혼용하여 적용할 수 있다. 예를 들어, 구리 관 내에 Al/Cu 클래드재와 Al/Ti 클래드재를 각각 10개 및 9개 적층한 후, 정수압 압출을 수행할 수 있다. 이때 Al/Cu 클래드재와 Al/Ti 클래드재의 배치는 목적에 따라 다양하게 할 수 있으며, 랜덤하게 배치할 수도 있다. 도 7a 및 7b는 각각 구리 관 내에 제1압출재(Al/Cu 클래드재와 Al/Ti 클래드재)를 각각 혼합 배열하여 압출하여 얻은 제2압출재의 광학현미경과 주사전자현미경 사진이다. 마찬가지로, 제2압출재의 열전도도 및 열팽창계수의 이방성을 조절하기 위하여, 제1압출재와 동일한 형상의 쉘이 없는 코어를 혼합배열하여 제2압출재를 얻을 수도 있다.
마지막으로 제3단계로, 직경 약 132mm의 구리 관에 상기 제2압출재 19개를 적층한 후, 정수압 압출을 수행하여 평단면이 육각형으로 이루어진 제3압출재를 얻는다. 도 6c 및 도 8은 구리 관내에 제2압출재를 적층한 후 압출하여 얻은 제3압출재의 단면 사진이다. 상기 사진들에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제3압출재는 구리 관 내부에 구리가 허니컴 구조로 이루어지고 그 내부에 알루미늄 코어가 배치된 복합 구조로 되어 있다. 이러한 3회의 반복 압출을 통해, 셀 크기는 약 420㎛까지 줄어들었다.
하기 표 1은 이와 같이 3회 반복 압출된 Al/Cu의 열전도도를 측정한 값이다.
시료명 열전도율(W/mK) 25℃
Cu/Al 수직 269.66
수평 204.76
상기 표 1과 같이, 3회 반복 압출을 통해 얻어진 제3압출재는 수직 방향으로는 약 270 W/mK의 높은 열전도도를 나타냈으며, 수평으로는 204 W/mK로 상대적으로 낮은 열전도도를 나타내었다.
다음으로, 제3압출재에 대해 에칭처리를 수행하였다. 에칭은 수산화나트륨(NaOH) 70~100g, 물 250ml를 혼합한 에칭액에 제3압출재의 일 단부를 2시간 동안 침지시키는 방법으로 수행하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에칭을 수행한 후의 단면에 대한 광학현미경사진과 이 사진의 부분확대사진이다. 도 9에서 확인되는 바와 같이, 수백 마이크로미터 크기의 매우 미세한 셀로 이루어진 요철부가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 방열 면적을 크게 증가시킬 수 있다. 상기 셀의 크기는 전술한 압출 공정의 횟수에 따라 다양한 크기로 조절가능하므로, 요구된 방열재의 방열특성에 맞추어 그 크기가 자유롭게 조절될 수 있다.
마지막으로, 선택적으로 제3복합재에 대한 열처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 열처리 공정은 에칭을 수행하기 전이나 후에 실시할 수 있다. 그리고 열처리 온도와 시간은 제3압출재를 구성하는 Al/Cu 또는 Al/Ti 복합재의 계면에서 금속간화합물이 형성되고, 목표하는 금속간화합물의 분율에 맞추어 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 400℃와 500℃에서 1시간 동안 열처리를 수행하였다.
도 10a는 Al/Cu로 이루어진 제3복합재를 400℃에서 1시간 동안 열처리한 후 제3복합재의 Al/Cu 계면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 10b는 Al/Cu로 이루어진 제3복합재를 500℃에서 1시간 동안 열처리한 후 제3복합재의 Al/Cu 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 10a 및 10b에서 숫자로 표시된 부분은 생성된 금속간화합물층을 구분하기 위한 것이며, 하기 표 2는 각 숫자로 표시된 부분의 조성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
Cu 60.58 49.75 32.75 62.75 56.26 49.46 32.50
Al 39.42 50.25 67.25 37.25 43.74 50.54 67.50
금속간
화합물		 Cu3Al CuAl CuAl2 Cu3Al2 Cu4Al3 CuAl CuAl2
상기 도 10a 및 10b와 표 2에서 확인되는 바와 같이, 열처리 온도에 따라 생성되는 금속간화합물의 종류가 상이함을 알 수 있다. 이와 같은 금속간화합물은 공지된 바와 같이, 구리나 알루미늄에 비해 열팽창계수가 매우 낮다.
또한, 도 11은 상기한 열처리를 통해 Al/Cu 계면에 형성된 금속간화합물의 생성량을 측정한 결과를 나타낸 것인데, 형성되는 금속간화합물의 양은 시간에 따라 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 열처리 온도와 열처리 시간을 조절함으로써, 복합재의 계면에 형성되는 금속간화합물의 종류와 양을 제어할 수 있으며, 이를 통해 최종 복합재의 열전도도 및 열팽창계수의 이방성을 제어할 수 있게 된다.
100, 200: 방열재
111, 211: 코어
112, 212: 쉘
112a, 212a: 비금속층
113: 요철부

Claims (14)

  1. 기둥상으로 이루어진 코어와, 상기 코어의 기둥상의 둘레면에 형성된 쉘을 포함하는 복합재 다수 개를 클래딩한 구조를 일부 또는 전부 포함하는 방열재로,
    상기 코어와 쉘은 상호 에칭특성이 상이한 물질로 이루어지고,
    상기 방열재의 일 단부는 에칭에 의해 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방열재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 및 쉘은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어와 쉘을 포함하여 이루어진 복합재 다수 개 중의 일부는, 나머지 복합재와는 상이한 물질의 코어 또는 쉘을 구비한 것을 특징으로 하는 방열재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어 및 쉘은 Al, Cu, Au, Ag, Ni, Ti 또는 이들의 합금을 포함하여 이루어지며, 상기 코어 및 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열재.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 코어와 쉘의 계면에서 상호 반응에 의한 금속간화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방열재.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 방열재를 포함하는 조명장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조명장치는 발광다이오드를 포함하고,
    상기 방열재는 상기 발광다이오드의 하부에 상기 코어의 길이방향이 수직방향에 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. (a) 기둥상으로 이루어진 코어와, 이 코어의 기둥상의 둘레면에 에칭특성이 상기 코어를 구성하는 물질과 상이한 물질을 클래딩하여 형성된 쉘을 포함하는 제1복합재를 제조하는 단계;
    (b) 상기 제1복합재 다수 개를 클래딩하여 제2복합재를 제조하는 단계;
    (c) 상기 제2복합재의 일 단부를 에칭하여 상기 일 단부의 표면에 요철부가 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 방열재의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1복합재는 금속으로 이루어진 관재에 상기 코어를 넣은 후 압출하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2복합재는 금속으로 이루어진 관재에 상기 다수 개의 제1복합재를 넣은 후 압출하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2복합재의 미세조직의 미세화 정도는, 상기 다수 개의 제1복합재를 금속으로 이루어진 관재에 넣고 압출하는 공정의 반복 횟수로 조절되는 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어와 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어져 있고,
    상기 (b) 단계 또는 (c) 단계 이후에 열처리를 수행하여, 상기 코어와 쉘의 경계면에 금속간화합물층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
  13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상기 코어 및 쉘은 Al, Cu, Au, Ag, Ni, Ti 또는 이들의 합금을 포함하여 이루어지며, 상기 코어 및 쉘은 서로 상이한 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 수산화나트륨 수용액을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열재의 제조방법.
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