KR101688880B1 - 태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그라파이트(Graphite)의 500W/mk~3,000W/mk에 달하는 높은 열전도율에 착안하여, 방열특성을 가진 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄화규소(SiC), 질화붕소, 질화탄소, 바인더 및 알루미늄과의 혼합, 냉간 및 열간 압축성형 후 진공 분위기의 질소, 아르곤, 수소 중 하나를 선택 적용하여 소결함으로써 높은 방열 특성을 갖는 태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법{HIGH-EFFICIENCY HEAT DISSIPATION MATERIAL FOR SOLAR INVERTERS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 그라파이트(Graphite)의 500W/mk ~ 3,000W/mk에 달하는 높은 열전도율에 착안하여, 방열특성을 가진 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄화규소(SiC), 질화붕소, 질화탄소, 바인더 및 알루미늄의 혼합, 냉간 및 열간 압축성형 후 진공 분위기의 질소, 아르곤, 수소 중 하나를 선택 적용하여 소결함으로써 높은 방열 특성을 갖는 태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
인버터 내부에는 고효율 및 고속의 전력 변환 시스템에 필수인 전력 반도체 IGBT(insulated gate bipolar transistor)가 포함된다.
상기 IGBT는 작동 중 전력 손실이 발생하는데, 이 중 대부분이 열로 변환되어 접점 온도를 높인다. 이는 소자의 성능 저하 및 수명 단축의 원인이 되므로 접점 온도를 허용치 이하로 유지하기 위한 방열시스템은 반드시 필요하며 또한 매우 중요하다.
방열시스템에 대해 기존의 많은 연구자가 연구를 수행하였다.
핀과 상판 또는 하판이 일체형인 압출형(extruded-type) 히트싱크는 핀과 판이 일체형이기 때문에 우수한 전열 특성을 보이고 있어 일반적으로 사용되는 히트싱크이다. 하지만 방열시스템의 규모가 커지면 히트싱크의 크기도 커지게 되어 제작설비나 단가 등의 현실적인 제약으로 인해 핀과 상하판을 따로 제작하여 결합하는 압입형(swaged-type) 히트싱크가 사용되기도 한다.
상기 압입형은 압출형과는 다르게 핀과 상하판을 결합하여 제작하므로 일체형인 압출형에 비해 열전도도가 상대적으로 낮아 전열 성능은 좋지 않지만 생산단가, 제작설비, 제품 크기 등의 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
이렇듯 방출 열은 소자의 기능저하, 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구 및 투자개발이 이루어지고 있다.
특히 고방열 회로 기판 소재는 베이스 금속기판의 열전도성을 이용할 수 있어 파워 디바이스나 LED 모듈 등 고전력이 소모되고 열이 자주 발생하는 부품의 제작에 유리하여 연구개발에 대한 관심이 증폭되고 있는 추세이다.
하지만, 고 효율의 방열(Heat rejection)이 이루어지지 않는다면, 아무리 우수한 제품일지라도 제품의 품질 및 신뢰성에 영향을 주어 경쟁력이 떨어질 우려가 있다.
현재 각광받고 있는 신재생에너지에 대한 개발중 방열 해석에 따른 소자들은 셀, 전극, 인버터 등이 있다.
당사가 향후 적용할 고효율방열 태양광 인버터 히트싱크는 특성상 또는 태양광 인버터의 구조상(밀폐형, 개방형) 냉각방식에 따라 냉각효과가 달라진다.
향후 미래지향적인 인버터 개발 방향은 전력용 반도체 기술, 전동기제어, 회로설계, 제어이론 등 다양한 기술의 융합체로서 환경에 구애받지 않는 설치, 고효율의 성능, 긴 수명 등에 있다.
이와 같은 사항들을 포함하는 스마트한 인버터가 요구됨에 따라, 열방출에 대한 고 효율의 히트싱크의 수요가 급격하게 요구될 것이다. 또한 제품군의 경량, 박형화, 소형 및 다기능화가 추구로 인하여, 고 효율 방열에 대한 복합재료의 개발, 가공법, 최적화된 히트싱크 설계가 곧 제품의 품질 및 신뢰성을 좌우한다고 해도 과언이 아니다.
태양광발전 시스템의 구성은 일반적으로 시스템의 이용처, 부하의 종류, 시스템의 크기 입지조건 등에 따라 다르지만 그 기본구성은 태양전지 -> 전력발생 -> 인버터(전력변환제어장치) -> 축전장치로 구성된다.
상기 기본 구성 중 인버터는 태양전지에서 생성되는 직류전기를 교류전기로 변환하여 전력계통에 공급하는 역할을 한다. 또한 태양광 모듈에서 최대 출력을 얻고 직류, 교류측의 전기적인 감시, 보호기능을 수행하여 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중 가장 큰 비중을 차지한다.
또한, 태양광발전 시스템의 고효율 경쟁이 치열한 가운데, 관련 부품의 중요성 또한 부각되고 있다. 특히 태양광 모듈의 부분음영이 생길 경우 전체 출력이 크게 저하될 가능성이 있는데, 이를 개선하기 위하여 고 효율 방열장치에 대한 개발에 노력하고 있는 추세이다.
최근 태양광 발전 산업에서 가격 매입제도가 도입되면서 주목받고 있는 태양광 인버터는 대부분 개방형 통풍구조로 인해 기후변화에 유연하게 대응하지 못하고 있다.
설치환경 및 소자의 집적 및 소형화로 인하여 많은 열이 발생하고, 이로 인해 인버터의 기능 등의 이상동작이 빈번하게 발생하여 효율 및 수명이 감소하는 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 각 기업 및 연구기관에서는 노력이 활발하게 진행되고 있다.
실질적인 인버터의 전력회로의 구성형태 및 변압기 유무에 따라 저주파 변압기형, 고주파링크형, 무변압기형으로 구분할 수 있다.
인버터의 용량, 사용목적, 설치 장소 등에 따라 구성형태가 달라지고 변압기 채용여부도 달라진다. 이러한 이유로 인하여, 구조가 간단하고 절연이 가능하며 회로구성이 간단한 저주파 변압기형을 쓰고 있으나, 고효율화 어렵고 중량이 무거우며 부피가 크다는 단점이 있다.
특히 소용량의 인버터의 경우에는 변압기 자체의 손실 때문에 시스템 효율을 높이는데에 한계가 있다. 이유는 인버터 내 방열의 효과적 처리 제한에 있다고 볼 수 있으며, 이로 인해 향후 인버터 시장이 경쟁력에 미치는 영향 파급이 크다고 볼 수 있다.
각 인버터 제조업체들은 이러한 단점들을 극복하기 위해 냉각 Fan에 의한 강제냉각, 자연냉각에 따른 고 효율 인버터 기술 개발을 연구하고 있다.
그러나 강제냉각 방식은 소음의 문제가 있으며, 자연냉각 방식은 효율이 떨어진다는 단점들이 부각되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지는 일사량 및 온도에 의해 출력특성이 변하여 최대전력을 발전하는 최대전력점도 시시각각 변한다.
이로 인해 인버터가 항상 최대전력점에서 운전되도록 최대전력점을 감시하여 추종하는 최대 전력점 추종 제어기능이 필수적으로 요구된다. 따라서 열방출 기능도 고효율을 유지할 필요가 있다.
또한 인버터의 최대 단점은 수명 및 신뢰성이 태양광전지/모듈에 비해 상대적으로 기간이 짧다는 것이다.
통상 인버터의 내구수명은 7~10년으로 보고 있으나, 태양전지의 수명이 20년인 것과 비교하여 유지 기간이 짧기에 이를 개선하기 위한 연구가 개발진행중에 있다.
비슷한 수준의 설계, 생산 능력이라도 출시 초기에는 상대적으로 고장율이 높은 경우가 많다. 시장환경과의 괴리가 있기에 이는 일종의 시장적응기라 볼 수 있다.
우발고장은 초기고장요인을 모두 해결했다고 해도 그 이상의 조건이나 고려하지 않은 조건에서 발생하는 것이기에 더 높은 수준으로 만들거나 제품보호 관련 대책이 있으면 발생률은 낮아진다.
통상적으로 내구수명기간은 노화로 인한 고장, 마모, 피로, 노화 등에 의한다. 이를 줄일 수 있는 설계 또는 내구성이 높은 부품 및 소재를 사용하면 수명연장과 고장 발생시기를 늦출 수 있다. 모든 것이 원가에 영향을 미치기 때문에 인버터용 히트싱크의 개발의 핵심 요인이라고 볼 수 있다.
특히 부품 온도와 수명의 관계에 있어, 아레니우스의 법칙은 부품의 노화의 주요인이 온도인 경우, 일반적으로 사용 환경의 온도가 10℃ 내려가면 수명은 2 배로 연장된다고 한다.
"10℃·2"배 법칙으로 알려져 부품의 수명의 산출에 사용되고 있다. 예를 들면 Al 콘덴서의 경우 105℃, 2000 시간과 수명이 공표되고 있다면 95℃이면 4000 시간 75℃이면 16000 시간이라는 것이 된다. 그처럼 생각했을 경우 각종 전기 기기·기계장치의 수명에 있어 그 사용시의 온도를 얼마나 떨어뜨릴 수 있는지가 매우 중요하다.
이와 관련하여, 현재 방열소재로 알루미늄이 많이 사용되고 있기는 하나, 그 사용에 한계가 있다. 따라서 이를 극복하기 위하여, 인버터의 구조에 구애받지 않고 면적대비 최대의 효율을 올릴 수 있는 그라파이트-알루미늄 복합체의 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허 10-1579912(등록일자 2015.12.17) 대한민국 공개특허 10-2014-0012265(공개일자 2014.02.03) 대한민국 공개번호 특2000-0035298(공개일자 2000.06.26)
본 발명은 그라파이트(Graphite), 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄화규소(SiC), 질화붕소, 질화탄소, 알루미늄, 바인더의 혼합으로 조성된 혼합물을 이용하여 제조함으로써 방열 특성을 향상시킨 태양광 인버터용 고효율 방열소재 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와,
그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와,
탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와,
탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와,
탄화규소(SiC) 1~20wt%와,
질화붕소 1~20wt%와,
질화탄소 1~25wt%와,
바인더 4~40wt%와,
알루미늄 50~90wt%의 혼합으로 조성된 태양광 인버터용 고효율 방열소재를 제공한다.
그리고 상기 방열소재를 제조하기 위한 기술로서,
그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와, 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와, 탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와, 탄화규소(SiC) 1~20wt%와, 질화붕소 1~20wt%와, 질화탄소 1~25wt%와, 바인더 4~40wt%와, 알루미늄 50~90wt%를 200~300rpm로 15~30분간 볼밀분쇄하여 혼합분말을 조성하는 단계;
상기 혼합분말을 몰드에 넣고 25~420℃에서 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계;
상기 프리폼을 진공 분위기에서 질소, 아르곤, 수소 중 어느 1종의 가스를 이용하여 300℃까지 10℃/min 승온하고, 300~650℃의 범위에서 3℃/min 승온한 후, 2~4시간 동안 온도를 유지하면서 탈가스 처리하여 560~650℃에서 소결하는 진공소결단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 태양광 인버터용 고효율 방열소재는 그라파이트(Graphite), 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄화규소(SiC), 질화붕소, 질화탄소, 바인더, 알루미늄을 기계적 합금화를 이룬 후, 진공소결과정을 거침으로써, 고강도, 내마모성, 저열팽창, 고열전도성이 우수한 방열부품을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 온도와 일사량 변화에 따른 태양전지의 출력특성을 보인 그래프.
도 2는 기계적 합금화에 의한 소재 입자 사진((a) 반응전, (b) 반응후).
도 3은 기계적 합금화 작업 전·후의 소결사진((a) 기계적 합금화 작업 전의 소결 사진, (b) 기계적 합금화 작업 후의 소결 사진)
도 4는 소결반응법의 메카니즘을 보인 도면.
도 5는 소결반응법을 이용한 제조 메카니즘을 보인 도면.
이하, 상기의 기술 구성에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 인버터용 고효율 방열소재는
그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와,
그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와,
탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와,
탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와,
탄화규소(SiC) 1~20wt%와,
질화붕소 1~20wt%와,
질화탄소 1~25wt%와,
바인더 4~40wt%와,
알루미늄 50~90wt%의 혼합으로 조성된다.
상기 그라파이트(Graphite)는 내화용, 전지, 원자로 로켓 부품 및 전기 전자 부품 등 광범위하게 사용된다. 흑연은 크게 두 가지로 천연흑연과 인조흑연으로 나눠진다. 각 분말의 공통으로 가지는 특성은 흑색의 분말이며, 육방정계의 결정형을 가지고 있다. 2.23~2.25의 비중과, 3,500℃ 이하의 융점, 0.46(cal/g℃)의 비열, 0.4~1.0(cal/cm sec ℃)의 열전도율을 가지며, 3~4×105 kg/㎠의 탄성율을 갖는다.
상기 그라파이트의 사용량이 0.5wt% 미만인 경우에는 방열 성능에 대한 효과가 미비하며 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 알루미늄과 그라파이트의 소결 시 결합성 문제로 인해 재료 분리현상이 일어날 수 있어 상기 그라파이트의 사용량은 전체 배합량에 대해 0.5~30wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide)는 방열특성과 함께 높은 기계적 성질로 인해 물리적 특성을 향상시킨 방열소재를 제공할 수 있다.
상기 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide)는 그라파이트 분말(Graphite powder) 2~5wt%와, H2SO4 80~90wt%와, KMnO4 8~15wt%를 혼합하여 1.5~3.5시간 동안 교반하여 제1혼합물을 조성하고,
상기 제1혼합물 35~40wt%와, 증류수 60~65wt%를 혼합하여 제2혼합물을 조성하고,
상기 제2혼합물 30~36wt%와, 증류수 60~69.5wt%와, 과산화수소 수용액 0.5~4.0wt%를 혼합하여 제3혼합물을 조성하고,
상기 제3혼합물을 원심분리하여 수득한 침전물에 HCl수용액을 가하여 금속이온(metal ion)을 제거하고,
산기를 없애기 위해, 중성이 될 때까지 증류수로 세척하고,
세척 후 오븐(oven)에서 2~3일 동안 건조하는 과정을 거쳐 제조된다.
이와 같이 제조된 그라핀 옥사이드의 사용량이 0.3wt% 미만인 경우에는 방열소재의 물리적 특성 향상에 영향을 주기 어렵고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 소결기 결합성의 문제로 인해 재료 분리현상이 발생할 수 있으므로, 상기 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide)의 사용량은 전체 배합량에 대해 0.3~15wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)는 흑연 면(graphite layer)으로 이루어진 벽(wall)이 한 층으로 이루어진, 가장 대표적이면서 반도체 분야에서의 응용가치가 큰 단일벽(single-walled) 나노튜브를 비롯해서 이중벽(double-walled) 또는 삼중벽(triple walled) 등의 다중벽(multi-walled) 나노튜브가 있다.
이와 같은 탄소나노튜브는 강도, 탄성, 열전도도가 있어, 방열소재에 사용함으로써 기존 소재보다 뛰어난 성능의 복합재료의 개발이 기대되나 0.5%미만일 경우 성능향상을 보기 어렵고, 20wt%를 초과하는 많은 양을 첨가하는 경우에는 분산성과 결합성이 떨어지는 단점이 있으므로, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)의 사용량은 전체 배합량에 대해 0.5~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유(Carbon Fiber)는 탄소원소의 질량 함유율이 90% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료로서 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계ㆍ석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조된 섬유형태의 유기 전구체물질(precursor, 탄화시키기 전의 물질)을 불활성분위기에서 열분해하여 얻어지는 섬유를 의미한다.
상기 탄소섬유의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 탄소섬유에 대한 성능에 대한 효과를 보기 어렵고 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 알루미늄과의 분리 현상과 비용 상승으로 인해 기존 제품과의 경쟁력이 약해 상기 탄소섬유의 사용량은 전체 배합량에 대해 1~30wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 탄화규소(SiC)의 사용량이 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 자체 밀도가 높아 제품 중량이 증가하고 열전도도가 탄소에 비해 떨어져 방열 효율이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 탄화규소(SiC)의 사용량은 전체 배합량에 대해 1~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 질화붕소는 기계적, 열적, 전기적, 화학적인 우수성을 향상시키기 위해 세라믹 소재로 많이 사용되고 있으며, 나노 튜브나 박막 등 많은 연구가 진행되고 있다. 질화붕소가 이렇게 많은 분야에 활용되는 이유 중 하나는 C-C와 같은 수의 전자를 갖는 화합물이며, 질화붕소가 두 개의 탄소 원자와 매우 유사한 magnititude을 갖기 때문이다.
흑연과 질화붕소의 원소간의 거리는 각각 1.45Å과 1.42Å이며 층간거리는 3.34Å과 3.35Å으로 볼 수 있듯이 각 층의 원자와 원자 간의 결합력은 강한 반면 층과 층사이의 결합력은 상대적으로 약하다. 하지만 흑연과 차이점도 있다. 예를 들면 흑연은 파이전자들이 이동할 수 있지만 h-BN은 파이 전자가 고정되어 있어서 전기 전도도가 낮다. 이런 질화붕소만이 갖는 독특한 특성들은 각종 소재에 첨가되어 제품의 특성을 변화시킨다.
상기 질화붕소의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 성능 향상 효과가 미비하며 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 비중 감소로 인해 열용량이 작아져 발열체의 초기 온도 상승용인으로 열 누적 현상이 일어날 수 있어 상기 질화붕소의 사용량은 전체 배합량에 대해 1~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 질화탄소의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 방열 성능 효과가 미비하며 25wt%를 초과하게 되는 경우에는 성형성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고 비중 감소로 인한 열 용량이 작아져 초기 온도 상승요인으로 열 누적 현상이 일어날 수 있어 상기 질화탄소의 사용량은 전체 배합량에 대해 1~25wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 수산화 알루미늄 10~20wt%, 인산 40~55wt%, 탄화수소 칼륨 3~10wt%, H2O 20~35wt%를 혼합한 후, 상온에서 40~80분 동안 교반하면서 반응시켜 제조된 것을 수분함량이 5% 미만이 되도록 건조한 것을 사용한다.
상기 바인더의 사용량이 4wt% 미만인 경우에는 치밀화에 대한 유기적, 화학적인 안정성이 떨어지고, 40wt%를 초과하게 되는 경우에는 열 확산 기능이 떨어지고 또한 다량의 수분으로 인한 건조과정과 건조 후 재료 뭉침 현상이 발생할 수 있어 상기 바인더의 사용량은 전체 배합량에 대해 4~40wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 결합성 문제로 인한 조직 치밀화가 떨어져 기계적 강도에 문제가 있고 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 기존 알루미늄 방열판과의 차별성이 적어 상기 알루미늄의 사용량은 전체 배합량에 대해 50~90wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 태양광 인버터용 고효율 방열소재의 제조방법에 대해 살펴보도록 한다.
상기 태양광 인버터용 고효율 방열소재의 제조방법은 그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와, 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와, 탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와, 탄화규소(SiC) 1~20wt%와, 질화붕소 1~20wt%와, 질화탄소 1~25wt%와, 바인더 4~40wt%와, 알루미늄 50~90wt%를 혼합 건조시킨 혼합분말을 200~300rpm로 15~30분간 볼밀분쇄하여 혼합분말을 조성하는 단계;
상기 혼합분말을 몰드에 넣고 25~420℃에서 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계;
상기 프리폼을 진공 분위기에서 질소, 아르곤, 수소 중 어느 1종의 가스를 이용하여 300℃까지 10℃/min 승온하고, 300~650℃의 범위에서 3℃/min 승온한 후, 2~4시간 동안 온도를 유지하면서 탈가스 처리하여 560~650℃에서 소결하는 진공소결단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 제조방법에 따른 각 단계별 기술 구성에 대해 살펴보도록 한다.
[ 혼합분말 조성단계 ]
본 단계는 그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와, 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와, 탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와, 탄화규소(SiC) 1~20wt%와, 질화붕소 1~20wt%와, 질화탄소 1~25wt%와, 바인더 4~40wt%와, 알루미늄 50~90wt%를 혼합 건조시킨 혼합분말을 분쇄기에 넣고, 200~300rpm로 15~30분간 볼밀로 강제 분쇄하여 균일한 혼합분말을 제조하는 단계이다.
상기 그라파이트는 순도 99%의 평균입경 50㎛인 분말이며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)는 직경이 20nm,길이가 10㎛인 다중벽 CNT이며, 탄화규소는 순도 99%의 평균입경 10㎛인 분말이며, 질화탄소는 순도 99%의 평균입경 20㎛이내의 분말이며, 질화붕소는 10㎛이내의 분말이며, 알루미늄은 순도 99.9%의 평균입경 50㎛인 분말이다.
상기 볼밀 분쇄에 있어, rpm이 300을 초과하거나 또는 강제 분쇄시간이 30분을 초과하게 되는 경우에는 알루미늄의 반응에 의해 분산력이 떨어지는 단점이 있으므로, 상기 볼밀 분쇄는 200~300rpm로 15~30분간 진행되는 것이 바람직하다.
도 2는 기계적 합금화에 의한 소재 입자 사진으로서, 반응전(a)과 반응후(b)를 도시하고 있다.
[ 프리폼 제조단계 ]
본 단계는 전단계의 혼합분말을 몰드에 넣고 25~420℃에서 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계이다.
상기 압축성형 조건에서 온도가 420℃를 초과하게 되는 경우에는 고온으로 인해 작업성과 제조원가가 높아지는 문제가 있고, 알루미늄의 물성변화로 인하여 취출의 어려움이 있다. 따라서 상기 온도는 25~420℃의 온도범위를 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 압력이 100Mpa 미만인 경우에는 프리폼 형상의 잘 성형 되지 않을 뿐 아니라 소성과정에서 물자간 공극이 커지는 문제가 있고, 200Mpa를 초과하게 되는 경우에는 프리폼이 팽창하여 갈라지는 문제가 있으므로, 상기 프리폼 제조시의 압축성형은 100~200Mpa의 압력범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
[ 진공소결단계 ]
전 단계에서 제조된 프리폼을 진공 분위기에서 질소, 아르곤, 수소 중 어느 1종의 가스를 이용하여 300℃까지 10℃/min 승온하고, 300~650℃의 범위에서 3℃/min 승온한 후, 2~4시간 동안 온도를 유지하면서 탈가스 처리하여 560~650℃에서 소결하는 단계이다.
이때 소결온도가 560℃ 미만인 경우에는 알루미늄과 나머지 복합체 성분들이 상호 반응을 일으키지 않으며, 650℃를 초과하게 되는 경우에는 알루미늄의 반응 문제로 인해 재료 분리 현상이 일어난다.
따라서, 상기 소결온도는 560~650℃의 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
도 3은 기계적 합금화 작업 전 후 소결 사진으로서 분산력을 극대화시켜 열 확산성과 방열 효율을 향상시켰다. 도 3의 (a)는 기계적 합금화 작업 전의 소결 사진이며, (b)는 기계적 합금화 작업 후의 소결 사진이다.
그라파이트/알루미늄 복합체 및 제조 메카니즘의 활용은 고강도, 내마모성, 저열팽창, 고열전도성이 우수한 그라파이트/알루미늄 복합체로 제품의 형상의 소형화에 적합하다.
따라서 형상의 소형화 실현으로 Low Cost, Simple Process로 제조하여 인버터 시장의 규격에 맞는 제품을 구현할 수 있다.
도 4는 소결반응법의 메카니즘을 보인 것으로서, 기계적 합금화(Mechanical Alloying;MA)는 소결 반응을 거침으로써, 그라파이트/알루미늄 복합체를 이룸을 알 수 있다. 기존 금속분말의 기계적 성질제한으로 인한 단점을 소결반응법을 통함으로써 소재특성상 기계적 성질 향상 등을 실현할 수 있다.
도 5는 소결반응법을 이용한 히트싱크 제품 제조 메카니즘을 보인 도면이다. 금속분말을 제조한 후에, 여러 부말 제조방법 중 입자화에 우수한 기계적 합금법(Mechanical Alloying)을 선택하여 기계적 합금화를 이루고, 등방성 press 또는 몰딩 press를 거친 후 진공소결과정을 거침으로써, 기계적 성질이 우수하고 열전도도가 우수하여 방열특성을 향상시킨 히트싱크 제품이 완성된다.
본 발명에 따른 태양광 인버터용 고효율 방열소재는 부품의 기계적 장해방지와 발열에 의한 칩의 오작동 문제를 해결함으로써 한층 더 고 효율화를 이룰 수 있고, 온도분포에 따라 발생하는 장치의 전기적 성질을 개선하고 부품의 수명을 연장할 수 있으며, 향후 열방출에 대한 고 효율 히트싱크의 급격한 수요 요구에 부합할 수 있는 고 효율 방열에 대한 복합재료를 제공할 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.

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  4. 그라파이트(Graphite) 0.5~30wt%와, 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide) 0.3~15wt%와, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 0.5~20wt%와, 탄소섬유(Carbon Fiber) 1~30wt%와, 탄화규소(SiC) 1~20wt%와, 질화붕소 1~20wt%와, 질화탄소 1~25wt%와, 바인더 4~40wt%와, 알루미늄 50~90wt%를 혼합 건조시킨 혼합분말을 200~300rpm로 15~30분간 볼밀분쇄하여 혼합분말을 조성하는 단계;
    상기 혼합분말을 몰드에 넣고 25~420℃에서 100~200Mpa의 압력으로 압축성형하여 프리폼을 제조하는 단계;
    상기 프리폼을 진공 분위기에서 질소, 아르곤, 수소 중 어느 1종의 가스를 이용하여 300℃까지 10℃/min 승온하고, 300~650℃의 범위에서 3℃/min 승온한 후, 2~4시간 동안 온도를 유지하면서 탈가스 처리하여 560~650℃에서 소결하는 진공소결단계;를 포함하여 이루어지는 것으로서,

    상기 그라파이트는 순도 99%의 평균입경 50㎛인 분말이며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)는 직경이 20nm,길이가 10㎛인 다중벽 CNT이며, 탄화규소는 순도 99%의 평균입경 10㎛인 분말이며, 질화탄소는 순도 99%의 평균입경 20㎛이내의 분말이며, 질화붕소는 10㎛이내의 분말이며, 알루미늄은 순도 99.9%의 평균입경 50㎛인 분말이며,
    상기 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide)는 그라파이트 분말(Graphite powder) 2~5wt%와, H2SO4 80~90wt%와, KMnO4 8~15wt%를 혼합하여 1.5~3.5시간 동안 교반하여 제1혼합물을 조성하고,
    상기 제1혼합물 35~40wt%와, 증류수 60~65wt%를 혼합하여 제2혼합물을 조성하고,
    상기 제2혼합물 30~36wt%와, 증류수 60~69.5wt%와, 과산화수소 수용액 0.5~4.0wt%를 혼합하여 제3혼합물을 조성하고,
    상기 제3혼합물을 원심분리하여 수득한 침전물에 HCl수용액을 가하여 금속이온(metal ion)을 제거하고,
    산기를 없애기 위해, 중성이 될 때까지 증류수로 세척하고,
    세척 후 오븐(oven)에서 2~3일 동안 건조하는 과정을 거쳐 제조된 것임을 특징으로 하는 태양광 인버터용 고효율 방열소재 제조방법.

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