KR101709686B1 - 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법 및 이를 이용한 방열구조체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계; 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 분산물을 형성하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 진공교반기에서 혼합 교반하는 단계; 및 상기 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 혼합재를 형성하는 단계를 포함하는 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법, 및 이를 이용한 탄소계 방열구조체의 제조방법에 관한 것이다. 본 기술에 따르면, 수지 매트릭스에 함침되는 흑연 재료, 탄소나노튜브 등의 탄소계 재료가 각각 균질한 입도 분포를 갖도록 조절함으로써 종래 기대할 수 없었던 우수한 방열 성능을 갖는 방열구조체를 제공할 수 있다. 또한, 본 기술에 의해 제조되는 방열구조체는 종래 이용되던 알루미늄 방열구조체보다 현저하게 가벼운 중량을 가지므로, 종래 방열구조체의 성능을 그대로 구현하면서도 경량화될 수 있어, 이동 및 설치가 간편하고, 각종 전자장치에 더욱 광범위하게 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 방열구조체용 탄소계 재료를 이용한 방열구조체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소계 재료의 입도 균질화를 통하여 방열 성능을 더욱 향상시킨 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법 및 이를 이용한 방열구조체의 제조방법에 관한 것이다.
방열구조체는 전자부품이 발생하는 열을 전도하고 그 열을 외기와의 온도차에 의해서 표면으로부터 방출시키는 역할을 하는 것으로, PDP(plasma display panel), LCD(liquid crystal display) 및 LED(light-emitting diode) 등의 각종 전자부품의 온도 상승을 억제하기 위하여 히트 싱크(heat sink)로서 사용된다.
특히, LED 광원은 입력된 에너지의 80% 정도를 열로 방출하는 반면 LED 자체가 열에 대하여 취약한 특성을 갖고 있어, LED 외부로 방출되지 못하는 열에너지로 인하여 광효율의 저하뿐 아니라 LED 자체의 수명도 급격히 감소하는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자, 방열 소재로 성형성이 양호하고 열전달 특성이 우수한 알루미늄과 같은 금속 제품을 사용하고 있으나, 이러한 금속 제품은 무게가 무겁고 열팽창계수가 크기 때문에 소형화 및 집적화되는 추세인 전자제품의 방열요구에 부합하기에는 적합하지 못하다.
방열구조체의 다른 예로는 팽창흑연(expanded graphite) 분말로 시트를 형성한 후 이를 금속판에 접착하여 방열구조체를 제작하는 방법이 알려졌다. 그러나, 이와 같은 방법으로 제조된 방열구조체의 경우, 시트의 강도가 상대적으로 약하기 때문에 일정 수준 이상의 압력이 가해지면 소성 변형이 일어나게 된다. 또한, 시트 형상의 팽창흑연은 흑연의 적층 방향과 그에 수직인 방향의 열전도율의 차이가 크기 때문에 원하는 방열효과를 얻기에 어려움이 많다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 방열판의 금속 표면에 CVD(chemical vapor deposition) 등을 통하여 탄소 나노튜브층을 접착함으로써 방열 효과를 향상시키는 기술이 제안되었다(특허문헌 1 참조). 그러나, 이 기술의 경우, 촉매 역할을 하는 철과 탄소 나노튜브의 열팽창계수의 차이로 인하여 탄소 나노튜브층이 방열판의 표면으로부터 박리될 가능성이 있고, 전기전도성이 높은 탄소 나노튜브층이 외부로 노출되므로, 절연층을 추가로 형성하기 위한 별도의 공정이 필요하다는 문제점이 있다.
이에 대한 대안으로, 카본계 재료가 함침된 프리프레그(prepreg)를 이용한 방열구조체가 제안되었다(특허문헌 2 참조). 이 기술에 따른 방열구조체에 포함되는 프리프레그는, 금속판; 및 상기 금속판의 일측면에 마련되며, 탄소나노섬유(GNF, Graphite Nano Fiber)와, 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)와, 상기 탄소나노섬유(GNF)와 상기 탄소나노튜브(CNT)의 혼합물 중 선택된 어느 하나의 카본소재 및 매트릭스수지를 일정 비율로 혼합한 후, 소정의 섬유보강재에 함침하여 형성되며, 상기 프리프레그를 상기 금속판에 적층할 때, 상온에서 130℃까지 단계적으로 변온되는 온도에서 1 kgf/㎠ 내지 50 kgf/㎠의 압력을 가하고, 최고온도에서 60분 동안 유지된 후에 상기 금속판의 일면에 상기 프리프레그가 적층되는 것을 특징으로 합니다.
특허문헌 2에 개시된 기술은 프리프레그를 형성하여 이를 가열경화시켜 금속판에 적층하는 점에서 특허문헌 1에 개시된 기술에 비하여 접착성이 강화된다는 측면이 있으나, 본질적으로 물성이 상이한 금속판과 프리프레그는 완전히 일체화되기 어렵기 때문에, 방열구조체의 온도변화에 따른 프리프레그의 금속판으로부터 점진적인 박리문제를 완전히 해소하였다고 보기는 어렵다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 일환으로, 열전도성이 우수한 금속 또는 비금속 필러를 고분자 매트릭스 내에 분산시켜 제조된 열전도성 고분자 복합소재를 이용한 방열구조체가 제안되고 있다. 그 예로는, 종횡비가 큰 열전도성이 우수한 필러를 60 중량%까지 포함한 액정 폴리머 복합소재 조성물(특허문헌 3 참조), 또는 고분자 수지 내에 서로 다른 형상의 무기 입자를 충전하여 높은 열전도성과 낮은 열팽창계수를 갖는 전자 패키징용 열 관리 재료(특허문헌 4 참조) 등을 들 수 있다.
특허문헌 3 및 특허문헌 4에 개시된 기술들의 경우, 열전도성이 우수한 필러를 고함량으로 고분자 매트릭스 내에 분산시키는 것으로, 필러의 함량이 일정 수준 이상의 도달한 경우 열전도성을 급격하게 향상시킬 수 있는 퍼콜레이션 임계값(percolation threshold)을 위하여 제공되는 것이며, 고함량의 필러가 혼합되므로, 최종적으로 사출 등의 과정을 통하여 제품을 만들어낼 때 가공이 원활하게 이루어지지 않는다는 문제가 있다. 또한, 열전도성이 우수한 금속 필러를 고함량 혼합할 경우 제품이 무게가 증가하는 문제도 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 필러 함량을 상대적으로 낮게 하면서 열전도성이 우수한 복합 소재를 제조하기 위한 연구들이 수행되었다. 특허문헌 5는 섬유상의 금속 필러와 저융점의 금속을 혼합 필러로 사용하여 저융점 금속의 용융점 이상에서 가공함으로써 용융된 저융점 금속이 다른 필러 사이의 접촉을 극대화하고 포논 산란(phonon scattering)을 최소화하는 기술을 개시하며, 특허문헌 6은 고분자 매트릭스 내에 구형의 은(Ag) 입자와 카본 나노튜브를 복합적으로 함침하여 전도성 입자 사이의 계면 접촉 저항성을 낮추고, 필러 사이의 연결체를 만들어 높은 열전도성을 갖는 복합소재의 제조방법을 개시한다.
그러나, 상기 기술들에 의하더라도 충분한 열전도성 및 물성을 확보하고, 공정 상의 효율성 및 경제성을 모두 만족시키기에는 어려움이 있다.
이에, 소형화 및 집적화가 급속하게 진행되고 있는 전자장치의 열을 효율적 및 경제적으로 제거할 수 있도록 하는 더 우수한 성능을 갖는 방열구조체에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 탄소계 재료의 입도 균질화를 통하여 방열 성능이 월등히 향상된 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법, 이를 방열구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 우수한 방열 성능을 갖는 방열구조체를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계; 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 분산물을 형성하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 진공교반기에서 혼합 교반하는 단계; 및 상기 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 혼합재를 형성하는 단계를 포함하는 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 방법에 따라 방열구조체용 탄소계 재료를 제조하는 단계; 상기 탄소계 재료를 열간 프레스하여 방열 블록을 제조하는 단계; 및 상기 방열 블록을 금속제 프레임에 부착시켜 조립하는 단계를 포함하는 방열구조체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 수지 매트릭스에 함침되는 흑연 재료 및 탄소나노튜브 등의 탄소계 재료 각각이 균질한 입도 분포를 갖도록 조절함으로써 종래 기대할 수 없었던 우수한 방열 성능을 갖는 방열구조체를 제공할 수 있다.
본 발명에 의해 제조되는 방열구조체는 종래 이용되던 알루미늄 방열구조체보다 현저하게 가벼운 중량을 가지므로, 종래 방열구조체의 성능을 그대로 구현하면서도 경량화될 수 있어, 이동 및 설치가 간편하고, 각종 전자장치에 더욱 광범위하게 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 사용된 시판 팽창 흑연의 입도 분포를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 팽창 흑연에 대하여 1회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 팽창 흑연의 입도 분포를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 팽창 흑연에 대하여 2회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 팽창 흑연의 입도 분포를 도시한 도면.
도 4는 실시예에 사용된 시판 탄소나노튜브의 입도 분포를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 탄소나노튜브에 대하여 2회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 탄소나노튜브의 입도 분포를 도시한 도면.
도 6은 실시예에서 제조된 방열구조체의 사진.
도 7은 실시예 및 비교예의 방열 성능을 나타내는 그래프로서, (b)는 (a)에 도시된 그래프의 Y축 간격을 확대하여 표시한 그래프.
도 2는 도 1의 팽창 흑연에 대하여 1회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 팽창 흑연의 입도 분포를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 팽창 흑연에 대하여 2회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 팽창 흑연의 입도 분포를 도시한 도면.
도 4는 실시예에 사용된 시판 탄소나노튜브의 입도 분포를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 탄소나노튜브에 대하여 2회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 후 얻어진 탄소나노튜브의 입도 분포를 도시한 도면.
도 6은 실시예에서 제조된 방열구조체의 사진.
도 7은 실시예 및 비교예의 방열 성능을 나타내는 그래프로서, (b)는 (a)에 도시된 그래프의 Y축 간격을 확대하여 표시한 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법은 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계; 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 분산물을 형성하는 단계; 상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 진공교반기에서 혼합 교반하는 단계; 및 상기 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 혼합재를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 실시예에 따르면, 먼저 흑연 재료를 파쇄 및 균질화시킨다.
흑연재료의 파쇄 및 균질화 단계에 있어서, 흑연재료는 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 토상흑연(amorphous graphite) 및 팽창흑연(expandable graphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이와 같은 흑연재료는 열전도도가 높고, 기계적 물성 및 내부식성이 우수하며, 가벼운 특성을 지니고 있어 방열구조체용 재료로 우수한 성능을 발휘할 수 있다.
흑연 재료의 파쇄 및 균질화 단계는, 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 흑연 재료가 균질한 입도 분포를 갖도록 이루어질 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 방열구조체용 탄소계 재료를 이루는 재료의 하나인 흑연 재료의 입도 분포를 균질하게 조절함으로써, 방열 성능을 월등하게 향상시킬 수 있다.
흑연 재료의 파쇄 및 균질화 단계는 액체 질소를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 흑연 재료를 넣은 용기 내에 액체 질소를 흘려 넣은 후, 30분 내지 2시간 동안 방치함으로써 흑연 재료를 파쇄 및 균질화시킬 수 있다.
이와 같은 흑연 재료의 파쇄 및 균질화 단계는 원하는 균일한 입도 분포를 얻기 위하여 1회 이상 수행될 수 있다.
흑연 재료를 파쇄 및 균질화시킨 후, 파쇄 및 균질화된 흑연 재료를 60~80℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시킬 수 있다.
흑연재료의 입자 크기는 최종 생성물인 방열구조체의 구체적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
일 형태에서, 흑연 재료의 입자 크기는 1~50 ㎛인 것이 바람직할 수 있다. 흑연재료의 입자 크기가 1 ㎛ 미만인 경우에는 파쇄 과정이 어렵고, 크기 감소에 따른 방열 성능의 변화가 미미하며, 50 ㎛를 초과하는 경우에는 성형품의 표면층에 수지의 비율이 높아질 수 있고, 이는 방열 성능을 저하시키는 요인이 되므로 적절하지 못하다.
다음으로, 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화시킨다.
탄소나노튜브는 그래파이트(Graphite)의 변형된 형태로 한 겹의 그래파이트가 튜브로 말려있는 형태의 단일벽 탄소 나노튜브(Single-wall carbon nanotubes, SWCNT)와 여러겹으로 구성된 다중벽 탄소 나노튜브(Multi-wall carbon nanotubes, MWCNTs)로 구분할 수 있다. 탄소나노튜브는 뛰어난 역학적 특성을 가지며, 매우 높은 형상비(길이/직경)를 가지고 있어 인장응력이 뛰어나고 열전도성도 탁월하여 그 적용범위가 다양하다. 또한, 감긴 형태에 따라 도체, 반도체의 성질을 띠며 직경에 따라 에너지갭이 달라지고, 준일차원적 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타낸다. 탄소나노튜브의 가장 중요한 열적 성질은 상온에서의 열전도도가 6,600W/mK인 아주 높다는 것이며, 이는 phonon의 평균 자유 경로가 아주 큰 것에 기인하는 것을 이론적으로 입증되었다.
이와 같은 탄소나노튜브를 후속 공정에서 흑연 재료와 혼합하는 경우, 흑연 재료의 입자 사이를 탄소나노튜브가 공유결합에 의해 연결시킴으로써 열전도도를 향상시켜 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 탄소나노튜브의 파쇄 및 균질화 단계는, 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 탄소나노튜브가 균질한 입도 분포를 갖도록 이루어질 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 방열구조체용 탄소계 재료를 이루는 재료의 하나인 탄소나노튜브의 입도 분포를 균질하게 조절함으로써, 방열 성능을 월등하게 향상시킬 수 있다.
탄소나노튜브의 파쇄 및 균질화 단계는 흑연 재료의 파쇄 및 균질화 단계와 마찬가지로 액체 질소를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 탄소나노튜브를 넣은 용기 내에 액체 질소를 흘려 넣은 후, 30분 내지 2시간 동안 방치함으로써 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화시킬 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브의 파쇄 및 균질화 단계는 원하는 균일한 입도 분포를 얻기 위하여 1회 이상 수행될 수 있다.
탄소나노튜브의 입자 크기는 최종 생성물인 방열구조체의 구체적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 탄소나노튜브의 입자 크기는 20~500 ㎚인 것이 바람직할 수 있다. 탄소재료의 입자 크기가 20 ㎚ 미만인 경우에는 응집이 일어나기 쉽고, 500 ㎚를 초과하는 경우에는 이미 응집이 일어난 상태로 후속 공정에서 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키기 어렵다.
다음으로, 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 분산물을 형성한다.
탄소나노튜브 분산물 형성에 이용되는 용매는 증류수, 알코올, 디메틸포름아마이드(DMF), 메틸에틸케톤(MEK) 및 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있다.
용매는 침전성, 장기성, 소재 단가, 제조 환경 등 다양한 공정 조건을 고려하여 적합하게 선택될 수 있다.
탄소나노튜브 분산물 형성에 있어서, 탄소나노튜브는 분산액 전체 중량을 기준으로 2~20 중량%의 양으로 함유될 수 있다. 탄소나노튜브의 함량이 2 중량% 미만인 경우 분산성의 문제는 발생하지 않으나, 후속 공정에서 흑연재료와 혼합하였을 때 열전도도 및 방열 효과의 특성을 발휘할 수 없게 된다. 또한, 탄소나노튜브의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우 분산성의 문제가 발생할 우려가 있으며, 함량 증가에 따른 더 이상의 효과 증대를 기대할 수 없다.
탄소나노튜브 분산물의 제조는 초음파, 롤 밀링, 볼 밀링, 제트 밀링, 스크루 혼합, 어트리션 밀링, 비즈 밀링, 바스켓 밀링, 공자전 혼합 및 수퍼밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상의 방식에 의해 이루어질 수 있다.
탄소나노튜브 분산물 제조시 이용되는 각각의 방식에서 구체적인 작동 조건 등은 균일한 분산물이 형성될 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 탄소나노튜브 분산물 제조시 탄소나노튜브의 분산성 향상, 공정 편의성 등을 위하여 필요에 따라 분산제, 중화제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상을 첨가하여 분산물을 제조할 수 있다.
탄소나노튜브 분산물 형성 단계 후에, 탄소나노튜브 분산물을 50~70℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시킬 수 있다.
다음으로, 파쇄 및 균질화된 흑연 재료와 탄소나노튜브 분산물을 혼합 교반한다. 혼합 교반은 진공교반기에서 수행되는 것이 바람직하며, 일 형태에서 진공도 약 10-1 torr, 온도 80~120℃, 교반 속도 100~120 rpm의 질소 분위기하에서 40~100분 동안 이루어질 수 있다.
혼합 교반 단계에 있어서, 흑연 재료는 80~98 중량%, 탄소나노튜브 분산물은 2~20 중량% 첨가될 수 있다.
탄소나노튜브 분산물의 함량이 2 중량% 미만인 경우 흑연 재료의 열전도도를 향상시키는 효과가 미미하며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 함량 증가에 따른 더 이상의 열전도도 향상 효과를 기대할 수 없으며, 비경제적이다.
혼합 교반 후, 진공 밸브를 열어 공기를 투입하고, 진공교반기의 챔버 내부 온도를 30~50℃로 낮추어 안정화시킬 수 있다. 이와 같이, 진공교반기의 챔버 내부 온도를 낮추는 것은, 챔버 내부 온도가 50℃를 초과하는 경우, 후속 공정에서 투입되는 방열구조체용 탄소계 재료의 바인더 역할을 하는 멜라민 수지가 열경화되고, 입자의 경질화가 일어날 수 있기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.
이와 같이, 진공교반기의 챔버 내부 온도를 50℃ 이하로 안정화시킨 후, 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 혼합재를 형성한다.
혼합재 형성시, 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물 20~60 중량%에 멜라민 수지 40~80 중량%를 혼합한 후, 건조 교반시킴으로써 이루어질 수 있다.
혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 방열구조체의 성형이 곤란할 수 있으며, 성형된 구조체의 기계적 성질이 저하될 수 있어 성형 구조체로 부적합하며, 20 중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하므로 방열구조체로서의 효과를 얻을 수 없다.
멜라민 수지는 방열구조체용 탄소계 재료의 바인더 역할을 하는 것으로, 방열구조체로의 성형을 위한 용이한 가공성 및 경제성을 가지며, 열전도도가 우수한 흑연 재료 및 탄소나노튜브와 혼합되어 방열 특성을 갖는 성형 구조체를 형성할 수 있다.
일 형태에서, 건조 교반은 예를 들어 100~120 rpm의 교반 속도로 60~150분 동안 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 방열구조체의 제조방법은 전술한 실시예에 기재된 방법에 따라 방열구조체용 탄소계 재료를 제조하는 단계; 상기 탄소계 재료를 열간 프레스하여 방열 블록을 제조하는 단계; 및 상기 방열 블록을 금속제 프레임에 부착시켜 조립하는 단계를 포함한다.
방열 블록 제조는, 방열구조체용 탄소계 재료를 일정 중량 단위로 블록 금형에 투입하고, 160~200℃의 온도 및 120~200㎏f/㎠의 압력에서, 15~50분 동안 열간 프레스함으로써 이루어질 수 있다.
이러한 열간 프레스 조건은 바인더 역할을 하는 멜라민 수지의 열경화가 이루어지도록 설정될 수 있다.
또한, 열간 프레스 시간은 프레스의 자연 냉각 시간을 포함한 것으로, 실제 열간 프레스 시간은 10분 내외가 바람직하며, 자연 냉각이 아닌 강제 냉각 방식을 통하여 열간 프레스 시간을 더욱 단축시킬 수 있다.
이와 같이 제작된 방열 블록을 금속제 프레임에 부착시켜 조립함으로써 방열구조체를 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 방열구조체는, 탄소계 재료를 이루는 흑연 재료 및 탄소나노튜브의 입도 분포를 각각 균질하게 조절함으로써 종래 기술에 비하여 방열 성능이 우수하게 향상되며, 기계적 물성 및 내부식성이 뛰어나고, 경량으로 이동 및 설치가 용이할 뿐 아니라, 생산성도 우수한 특징을 갖는다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 흑연 재료
도 1에 도시된 입도를 갖는 팽창 흑연(Graphit Kropfmuhl 사)을 구입하여, 액체 질소를 이용하여 2회 파쇄 및 균질화 공정을 실시하였다.
스티로폼제 용기를 랩으로 감싸고, 여기에 팽창 흑연 500 g을 넣은 후, 액체 질소를 용기 내에 흘려 넣고 1시간 동안 방치하는 방법으로 팽창 흑연을 파쇄 및 균질화시켰다. 1회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 팽창 흑연의 입도는 도 2에 도시된 바와 같이 입도가 변화하였다. 이어서, 동일한 방식으로 1회 더 파쇄 및 균질화 공정을 수행하였으며, 총 2회의 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 팽창 흑연의 입도는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 팽창 흑연에 대하여 파쇄 및 균질화 공정을 수행함으로써 팽창 흑연은 그 입도 분포가 균질하게 조절되었다.
이와 같이 파쇄 및 균질화된 팽창 흑연을 열풍 건조기에 넣어 60~80℃에서 약 24시간 정도 건조시켰다.
2. 탄소나노튜브
도 4에 도시된 입도를 갖는 탄소나노튜브(카본나노텍 사)를 구입하여 상기 1에 기재된 파쇄 및 균질화 공정과 동일하게 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화시켰다. 도 5는 2회 파쇄 및 균질화 공정을 수행한 탄소나노튜브를 입도를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 탄소나노튜브에 대하여 파쇄 및 균질화 공정을 수행함으로써, 탄소나노튜브는 그 입도 분포가 균질하게 조절되었다. 탄소나노튜브의 입자 크기는 20~500 ㎚의 범위를 가질 수 있으며, 최하 크기 20 ㎚는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 되어 있으므로 길이 방향이 아닌 섬유 지름의 크기에 해당한다.
이와 같이 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브 1 g을 분산제(폴리아크릴레이트)가 첨가된 1 L 증류수에 첨가하고, 30 분 동안 초음파를 조사하여 분산을 진행하였다.
분산이 완료된 후, 탄소나노튜브 분산물을 열풍 건조기에 넣어 60℃에서 약 24시간 정도 건조시켰다.
3. 흑연 재료와 탄소나노튜브의 혼합 교반
상기에서 처리된 팽창 흑연과 탄소나노튜브 분산물을 진공 교반기에 투입하여 진공도 10-1 torr, 온도 100℃, 교반속도 100~120rpm의 질소 분위기에서 60분 동안 교반하였다.
4. 방열구조체용 탄소계 재료 형성
진공 교반을 완료한 후, 진공 밸브를 열어 공기를 투입하고 진공 교반기 챔버 내부 온도를 50℃ 이하로 낮추었다. 챔버 내부 온도가 50℃ 이하로 안정화된 것을 확인한 후, 500 g의 멜라민 수지를 투입하였다. 이후, 100~120 rpm 교반속도로 90 분 동안 건조 교반을 수행함으로써, 팽창 흑연 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 방열구조체용 탄소계 재료를 제조하였다.
5. 방열구조체 형성
상기에서 제조된 방열구조체용 탄소계 재료를 약 13 g 단위로 블록 금형(50×50×3 mm)에 투입하고, 온도 180℃, 압력 120 kgf/㎠ 이상으로 15~50분 동안 열간 프레스하여, 팽창 흑연, 탄소나노튜브 및 멜라민 복합체 방열 블록(비중 1.62~1.8 g/㎤)을 제작하였다. 상기 열간 프레스 시간은 자연 냉각 시간을 포함한 것으로, 실제 열간 프레스 시간은 10분 내외이었다.
이와 같이 제작된 방열 블록을 금속제 프레임에 부착시켜 조립함으로써 방열구조체를 제조하였다. 제조된 방열구조체의 사진을 도 6에 도시한다.
6. 방열 성능
본 발명에 따라 제조된 팽창 흑연, 탄소나노튜브 및 멜라민 복합체 방열 블록(실시예)을 동일한 크기의 알루미늄 방열 블록(비교예)과 그 방열 특성을 비교하여, 그 결과를 하기 표 1 및 도 7에 나타낸다.
| 실시예 | 비교예 | |
| 방열원 | 8.5 W COB LED | |
| 인가 전원 | 3.735 W | |
| 방열 블록 면적 | 50 mm × 50 mm | |
| 발열 면적 | 20 mm × 20 mm | |
| 중량(g) | 13.1 | 20.4 |
| Tc point(℃) | 86.6 | 89.3 |
표 1 및 도 7에 나타내어진 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 방열 블록은 기존의 알루미늄 방열 블록에 비하여 중량이 약 65%로 가벼운 특성을 가졌다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 방열 블록은 방열 블록 면적 대비 발열부 면적이 약 16%인 극한 조건에서 COB LED의 Tc point 온도가 기존의 알루미늄 방열 블록에 비하여 약 3℃ 정도 낮게 측정되었다. 이로부터, 본 발명에 따라 제조된 방열 블록이 종래의 알루미늄 방열 블록에 비하여 중량 및 방열 성능 측면에서 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Claims (16)
- 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계;
탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계;
상기 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 분산물을 형성하는 단계;
상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 진공교반기에서 혼합 교반하는 단계; 및
상기 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물에 멜라민 수지를 함침시켜 혼합재를 형성하는 단계를 포함하는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계는 액체 질소를 이용하여 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계는 각각 1회 이상 수행되는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 분산물 형성 단계는 상기 파쇄 및 균질화된 탄소나노튜브를 증류수, 알코올, 디메틸포름아마이드(DMF), 메틸에틸케톤(MEK) 및 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상의 용매에 분산시켜 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 분산물 전체 중량을 기준으로 2 내지 20 중량%의 양으로 분산되는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 분산물 형성 단계는 초음파, 롤 밀링, 볼 밀링, 제트 밀링, 스크루 혼합, 어트리션 밀링, 비즈 밀링, 바스켓 밀링, 공자전 혼합 및 수퍼밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상의 방식에 의해 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계는, 흑연 재료가 1~50 ㎛의 입자 크기를 가지며, 균질한 입도 분포를 나타내도록 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계는, 탄소나노튜브가 20~500 ㎚의 입자 크기를 가지며, 균질한 입도 분포를 나타내도록 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 혼합 교반하는 단계에서, 상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료는 80~98 중량%로 첨가되고, 상기 탄소나노튜브 분산물은 2~20 중량%로 첨가되는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 파쇄 및 균질화된 흑연 재료 및 상기 탄소나노튜브 분산물을 혼합 교반하는 단계 후에, 진공교반기의 챔버 내부 온도를 30~50℃로 안정화시키는 단계를 더 포함하는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 혼합재를 형성하는 단계는 상기 혼합 교반된 흑연 재료 및 탄소나노튜브 분산물 20~60 중량%에 멜라민 수지 40~80 중량%를 혼합한 후, 건조 교반시킴으로써 이루어지는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 재료를 파쇄 및 균질화하는 단계 후에, 파쇄 및 균질화된 흑연 재료를 60~80℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함하는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 분산물 형성 단계 후에, 탄소나노튜브 분산물을 50~70℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함하는
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 재료는 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 토상흑연(amorphous graphite) 및 팽창흑연(expandable graphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인
방열구조체용 탄소계 재료의 제조방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 방열구조체용 탄소계 재료를 제조하는 단계;
상기 탄소계 재료를 열간 프레스하여 방열 블록을 제조하는 단계; 및
상기 방열 블록을 금속제 프레임에 부착시켜 조립하는 단계를 포함하는
방열구조체의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 방열 블록을 제조하는 단계는, 상기 탄소계 재료를 160~200℃의 온도 및 120~200㎏f/㎠의 압력에서, 15~50분 동안 열간 프레스하여 이루어지는
방열구조체의 제조방법.
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