KR101739047B1 - 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방열판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방열판에 관한 것으로서, 상세하게는 (1) 방열판을 산화시켜 방열판의 표면을 개질하는 단계; (2) 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계; (3) 상기 방열판을 상기 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑(dipping)함으로써, 상기 방열판에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착시키는 단계; (4) 상기 (3) 단계를 거친 방열판을 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑함으로써 상기 탄소나노튜브 박막에 그래핀 산화물을 증착시켜, 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하는 단계; 및 (5) 상기 (3) 단계 및 (4) 단계를 순차적으로 반복하여 수행함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법에 관한 것이다.

Description

다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방열판{method for manufacturing a heat sink with stacked multilayer of Graphene/CNT complex thin film and a heat sink manufactured by the same method}
본 발명은 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방열판에 관한 것으로서, 상세하게는 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액 및 그래핀 산화물 분산 용액에 표면 개질된 방열판을 순차적으로 반복하여 딥핑(dipping)함으로써, 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하여 향상된 방열 효과를 나타내도록 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법에 관한 것이다.
전자기기의 경량화, 박형화, 소형화가 추구되면서 제품이 고집적화 되고 이에 따라 제품 내부에서 열 방출량이 증가하여 제품의 성능이 저하되고, 수명이 단축되는 문제가 발생한다.
이에 따라 많은 열이 발생되는 전자기기에는 방열판을 사용하여 열을 배출시켜 줄 필요성이 있어 컴퓨터, 자동차, 의료 등 특정 분야에 국한되지 않고 각 산업에 걸쳐 방열판 시장은 지속적이고 폭넓게 형성되어 왔다.
상기 방열판은 판구조, 핀 구조, Pin-fin 구조 등의 다양한 형태로 제작되고 일반적으로 열전도성이 높고 가공성이 좋은 구리와 알루미늄 금속으로 생산되어 오고 있으나 방열판의 성능을 결정하는 가장 중요한 특성은 열전도도임에 따라 더 높은 열전도도를 갖는 방열판 소재 및 제조 기술을 개발하는 방향으로 많은 연구가 진행되고 있다.
현재 방열 소재의 열전도도를 증가시키기 위하여 고분자, 금속 재료, 세라믹 재료, 탄소 재료 및 이들의 복합 재료들을 채택하여 사용하는 추세이나 주로 사용되는 Al, Ag, Cu 및 Ni은 경량화가 요구되는 제품에 적용되기 어려우며, 세라믹 소재의 경우 다른 재료에 비해 낮은 열전도도를 가짐에 따라 방열 소재로서 한계가 있다.
반면, 독특한 내부적 구조를 가진 그래핀, 탄소나노튜브(CNT) 등의 탄소 재료는 기계적 물성이 우수하고, 기존의 방열판에 사용된 구리 및 알루미늄을 대체할 수 있는 매우 높은 열전도도(그래핀: 1500-5000 W/m·K, CNT: 1100-7000 W/m·K)를 가지며, 금속과 합금에 비해 낮은 밀도를 가져 경량화된 고효율의 방열판을 개발하는데 응용이 기대되는 소재이다.
이에, 탄소 소재를 이용하여 방열 구조체를 제작하는 연구가 활발히 진행되어 왔으나 탄소나노튜브를 다양한 방법으로 방열판에 코팅하여 탄소나노튜브 기반의 방열판을 제작할 시 종래 제작 방법에 따르면 100 이상의 고온에서 코팅에 필요한 탄소나노튜브 분산 용액을 제조함은 물론, 제조 과정이 복잡하고 많은 시간이 소요된다. 또한 탄소나노튜브 자체의 낮은 분산성으로 분산제를 첨가하여 용액을 제조한 후 방열판에 코팅하더라도 고르게 코팅되지 않고 뭉쳐져 존재하는 문제가 발생됨에 따라 상기 코팅된 탄소나노튜브는 기판과의 낮은 부착력으로 쉽게 박리되어 오히려 방열 효과를 저하시킨다.
따라서 상기 탄소나노튜브 및 그래핀 등의 탄소 재료의 우수한 물성을 종래 방열판에 도입하면서 이와 함께 상기 탄소나노튜브 및 그래핀이 응집되어 쉽게 박리되고 오히려 방열 효과를 저하시키는 문제점을 해결할 필요성이 있다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액 및 그래핀 산화물 분산 용액에 표면 개질된 방열판을 순차적으로 반복하여 딥핑(dipping)함으로써, 방열 효과를 향상시키는 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한 본 발명은, 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
(1) 방열판을 산화시켜 방열판의 표면을 개질하는 단계;
(2) 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계;
(3) 상기 방열판을 상기 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑(dipping)함으로써, 상기 방열판에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착시키는 단계;
(4) 상기 (3) 단계를 거친 방열판을 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑함으로써 상기 탄소나노튜브 박막에 그래핀 산화물을 증착시켜, 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하는 단계; 및
(5) 상기 (3) 단계 및 (4) 단계를 순차적으로 반복하여 수행함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판이 제공된다.
본 발명에 따르면, 시판되는 방열판을 표면 개질한 후 상기 방열판을 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액 및 그래핀 산화물 분산 용액에 순차적으로 반복하여 딥핑함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막이 다층으로 방열판에 적층되어 우수한 열전도도 및 낮은 코팅층의 밀도를 나타내어 현저히 향상된 방열성능은 물론이고 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 탄소나노튜브의 표면을 개질하고 그래핀을 산화함은 물론이고 방열판 표면 또한 산화 처리하여 개질함에 따라 방열판, 탄소나노튜브 및 그래핀 사이에 정전기적 인력이 작용하여 보다 효과적으로 방열판에 탄소나노튜브 및 그래핀을 적층할 수 있고, 이때 탄소나노튜브 및 그래핀이 용이하게 분산되어 높은 밀착력으로 적층될 수 있다. 이에 따라 보다 우수한 열전도성을 가지는 고효율의 방열판을 제조할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 방열 성능이 우수한 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판을 딥핑 코팅의 방법에 따라 제조할 수 있음에 따라 공정이 단순한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 시판되는 구리 방열판(heat sink)에 제조된 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 (a) GO 분산 용액 및 (b) CNT-NH2 분산 용액을 제조하는 공정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 GO 파우더 및 CNT-NH2 파우더에 대한 푸리에 변환 적외분광 분석(Fourier Transform Infrared Spectrometry, FTIR) 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 성능 측정기를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판의 방열성능을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판의 방열성능을 열화상 카메라로 나타낸 것이다.
본 발명은 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방열판에 관한 것으로서, 상세하게는 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액 및 그래핀 산화물 분산 용액에 표면 개질된 방열판을 순차적으로 반복하여 딥핑(dipping)함으로써, 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하여 향상된 방열 효과를 나타내도록 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
(1) 방열판을 산화시켜 방열판의 표면을 개질하는 단계;
(2) 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계;
(3) 상기 방열판을 상기 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑(dipping)함으로써, 상기 방열판에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착시키는 단계;
(4) 상기 (3) 단계를 거친 방열판을 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑함으로써 상기 탄소나노튜브 박막에 그래핀 산화물을 증착시켜, 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하는 단계; 및
(5) 상기 (3) 단계 및 (4) 단계를 순차적으로 반복하여 수행함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조 공정을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 (a) GO 분산 용액 및 (b) CNT-NH2 분산 용액을 제조하는 공정을 나타낸 것이다.
이를 참고하면 본 발명에 따른 방열판 제조는, (1) 단계로 방열판을 산화시켜 방열판의 표면을 개질하고, (2) 단계로 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조한다.
상세하게는 본 발명의 (1) 단계는, 방열판을 황산과 질산이 혼합된 용액에 첨가하여 산화 처리함으로써 수산기가 방열판 표면에 형성되어 음전하를 띠도록 하는 것이다. 이때 상기 방열판은 열전도성 금속으로, 특별히 제한되지는 않으나 구리 방열판인 것이 바람직하고, 이에 따라 (1) 단계에 의해 제조되는 표면 개질된 방열판은 도 1에 나타낸 산화처리된 구리판(100)인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 (2) 단계는 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계로, 도 3(b)에 나타낸 바와 같다. 상세하게는, 아민기 또는 아미드기로 개질된 표면을 갖도록 하여 탄소나노튜브 표면이 양전하를 띠도록 하는 것으로서, 아미드기로 개질된 탄소나노튜브 분산용액인 것이 바람직하다.
다음으로 본 발명의 (3) 단계는, 상기 방열판을 상기 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑(dipping)함으로써, 상기 방열판에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착시키는 단계이다. 상세하게는 상기 산화되어 음전하를 띠는 방열판을 상기 아민기 또는 아미드기로 표면 개질되어 양전하를 띠는 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑한 후 세척 및 건조함으로써, 상기 음전하를 띠는 방열판과 상기 아민기 또는 아미드기에 의해 양전하를 띠는 탄소나노튜브 사이에 정전기적 인력이 발생하여여 상기 방열판 상에 표면 개질된 탄소나노튜브가 고르게 분산되어 적층됨은 물론, 적층시 밀착력을 높일 수 있는 것이다. 이는, 도 1의 CNT-NH2 박막이 증착된 구리판(101)에 해당하는 것이다.
다음으로 본 발명의 (4) 단계는, 상기 (3) 단계를 거친 방열판을 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑함으로써 상기 탄소나노튜브 박막에 그래핀 산화물을 증착시켜, 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하는 단계이다.
상세하게는, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 산화되어 음전하를 띠는 그래핀 산화물 분산 용액에 상기 (3) 단계를 거친 표면 개질된 탄소나노튜브 박막이 증착된 방열판을 딥핑한 후 세척 및 건조함으로써 상기 표면 개질된 탄소나노튜브 박막이 갖는 양전하와 상기 그래핀 산화물이 갖는 음전하 사이에 정전기적 인력이 작용하여 상기 표면 개질된 탄소나노튜브 박막 상에 그래핀 산화물이 고르게 분산되어 높은 밀착력으로 증착되며, 이에 따라 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하게 되는 것이다.
보다 상세하게는 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막의 형성은, 표면 개질된 탄소나노튜브 박막이 방열판과 상기 탄소나노튜브 박막 상에 고르게 분산되어 높은 밀착력으로 증착된 그래핀 산화물 사이에 존재하여 상기 방열판의 열을 전달하는 열전도 다리 역할을 함으로써 높은 열전도 특성을 갖도록 하는 것이다.
또한 본 발명의 (4) 단계에서는 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성함에 따라 2차원의 그래핀 산화물 층과 1차원의 표면 개질된 탄소나노튜브 층의 조합으로 3차원 구조의 복합체를 형성함에 따라 열 교환 면적을 넓힘은 물론이고, 탄소나노튜브 박막만을 형성할 시 탄소나노튜브가 과량으로 증착되어 계면 저항성을 높이고 열전도성을 감소시키는 문제점을 해결할 수 있다.
상기 본 발명의 (4) 단계는 도 1의 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판(102)에 해당한다.
다음으로, 본 발명의 (5) 단계는, 상기 (3) 단계 및 (4) 단계를 순차적으로 반복하여 수행함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하는 단계이다. 이는 도 1의 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판(103)에 해당하는 것이다.
상세하게는 상기 (4) 단계를 거친 방열판에 대해 (3) 단계를 다시 수행하여 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑하고 세척 및 건조함으로써 상기 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착하고, 상기 반응이 완료되면 (4) 단계 과정을 다시 수행하여 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑하고 세척 및 건조함으로써 상기 탄소나노튜브 박막 상에 그래핀 산화물을 고르게 분산시켜 증착함으로써 (4) 단계에서 제조되었던 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막에 또 하나의 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하게 되는 것이다.
이때 상기 (5) 단계는 (3) 단계 및 (4) 단계를 5~30회 순차적으로 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상기 (1) 내지 (5) 단계의 본 발명에 의해 제조되는 방열판은, 바람직하게는 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막이 10 ~ 30 층 적층된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명의 제조 방법에 따르면, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막이 방열판에 다층으로 적층됨에 따라 방열판의 열전도성을 극대화함은 물론, 표면적을 극적으로 증가시켜 공기와의 열 교환이 활발해지도록 하여 기존의 방열판보다 성능이 향상된 고효율의 방열판을 제조할 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판이 제공된다.
상기 제조방법에 따르면 표면 개질된 방열판, 표면 개질된 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 각각 음전하, 양전하 및 음전하를 나타냄에 따라 상기 방열판, 표면 개질된 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물 사이에는 서로 정전기적 인력이 작용하여 보다 효과적으로 방열판에 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 고르게 분산되어 증착될 수 있도록 한다.
이에 따라 상기 제조방법에 따라 제조되는 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판은, 상기 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 갖는 열전도 효율이 극대화되어 우수한 방열 성능을 나타내게 된다. 또한 이때 바람직하게는 상기 방열판 상에 적층된 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막은 10 ~ 30층인 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
<실시예>
그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO) 분산 용액 제조
그래핀 옥사이드는 하기와 같이 Hummer의 방법으로 제조하였으며, 이의 제조 공정은 도 3(a)에 나타내었다.
도 3(a)를 참고하면, 그라파이트 파우더(10) 1g과 NaNO3 0.5g을 H2SO4(95%) 23ml에 함께 첨가하여 1시간 동안 교반한 다음 얼음물을 이용하여 20℃까지 온도를 낮추었다. 이 후, 상기 온도에서 KMnO4 3g을 상기 용액에 첨가하여 35℃에서 12시간 동안 교반한 다음 증류수 500ml을 첨가하여 다시 교반하였다.
다음으로 상기 반응이 완료된 후, 상기 용액 내에 반응하지 않고 남은 용질을 제거하기 위하여 H2O2 30%의 용액 5ml을 상기 용액에 첨가하였다.
이후, PTFE 막에서 HCl(0.1 mol/L)로 한번 세척하고 여과한 후, 증류수로 다시 PTFE 막에서 두번 세척한 후 여과함으로써 그래핀 옥사이드(11)를 제조하였다. 다음으로, 상기 그래핀 옥사이드를 증류수에 첨가하여 초음파 처리함으로써 1000ml의 그래핀 옥사이드 분산액(0.1wt%)(12)을 제조하였다.
아미드화된 탄소나노튜브(CNT-NH 2 ) 분산 용액 제조
아미드화된 탄소나노튜브, CNT-NH2의 제조 공정을 도 3(b)에 나타내었다.
이를 참고하면, 다중벽탄소나노튜브(Multi-walled Carbon Nanotube, MWCNT) 파우더(20) 0.5g을 H2SO4(95%) 30ml 및 HNO3 (60%) 10ml로 3:1의 비율로 혼합된 혼합용액에 첨가하여 70℃에서 콘덴서(condenser)와 오일 바스(oil bath)를 이용하여 7시간 동안 환류시켰다. 다음으로, 상기 용액을 PTFE 막으로 여과시켜 산을 제거하고, 증류수로 3 내지 4회 더 여과한 뒤, 여과된 물질을 진공 오븐에서 80℃로 24시간 동안 건조시킴에 따라 산소 작용기를 갖는 탄소나노튜브(21)를 수득하였다.
다음으로 상기 수득한 탄소나노튜브 가루를 잘게 간 후, SOCl2를 첨가하여 70℃에서 24시간 동안 콘덴서(condenser)와 오일 바스(oil bath)를 이용하여 환류시켜 수산화 작용기를 염소로 치환한 염소를 갖는 탄소나노튜브(22)를 제조하였다.
이 후, 40℃에서 SOCl2를 모두 증발시킨 후, NH2(CH2)2NH2 50ml 첨가하여 70℃에서 48시간 동안 콘덴서(condenser)와 오일 바스(oil bath)를 이용하여 환류시켜 염소를 아미드기로 치환한 아미드화된 탄소나노튜브를 제조하고, 상기 반응이 완료된 후 NH2(CH2)2NH2 를 제거하기 위하여 질산 셀룰로오스 막(cellulose nitrate membrane)을 이용하여 여과한 후, 여과된 물질을 증류수에 첨가하여 500ml의 아미드화된 탄소나노튜브 분산액, CNT-NH2(0.1wt%)(23)를 제조하였다.
다층으로 GO / CNT-NH 2 복합체 박막이 적층된 방열판 제조
도 1은 본 발명에 따른 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조 공정을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 상기 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조 공정에 의해 시중 판매되는 구리 방열판에 CNT-NH2 분산 용액 코팅 및 GO 분산 용액 코팅 과정을 순차적으로 반복(layer by layer)하여 제조한 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판이다.
먼저 도 1을 참고하면, 먼저 방열판으로 사용되는 구리판을 황산과 질산이 7:3으로 혼합된 용액에 첨가하여 30초 동안 산화 처리함으로써 표면에 수산기를 갖는 음전하를 띠는 산화처리된 구리판(100)을 제조하였다.
다음으로, 상기 제조된 음전하를 띠는 산화처리된 구리판(100)을 상기 제조된 CNT-NH2 분산 용액에 30분 동안 담근 후, 세척 및 건조함으로써 상기 CNT-NH2 박막이 증착된 구리판(101)을 제조하였다. 이때 딥핑 및 건조 시 온도는 상온으로 하였다.
이 후, 상기 CNT-NH2 박막이 증착된 구리판(101)을 상기 제조된 GO 분산 용액에 30분 동안 담근 후 세척 및 건조함으로써, 상기 CNT-NH2 박막 상에 GO가 증착된, GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판(102)을 제조하였다. 이때 딥핑 및 건조 시 온도는 상온으로 하였다.
또한 상기 제조된 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판(102)에 대해 CNT-NH2 분산 용액 및 GO 분산 용액 딥핑 코팅 과정을 순차적으로 반복(layer by layer)하여, 상기 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 다층으로 적층된, 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판(103)을 제조하였다.
상기와 같은 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조 공정에 따라 시판 되는 구리 방열판(heat sink)(110)을 CNT-NH2 분산 용액에 딥핑 코팅한 후 GO 분산 용액에 딥핑 코팅하여 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판(heat sink)을 형성하였다. 이때 상기 GO/CNT-NH2 복합체 박막을 형성하는 CNT-NH2 분산 용액 및 GO 분산 용액에 딥핑하는 과정을 순차적(layer by layer)으로 반복하여, 상기 GO/CNT-NH2 복합체 박막을 각각 10, 20 및 30층을 갖는 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판(111)을 제조하였다.
<분석>
푸리에 변환 적외분광 분석(Fourier Transform Infrared Spectrometry, FTIR)
상기 제조된 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판은 그래핀이 산화되어 존재하고, 탄소나노튜브가 아미드화됨에 따라 방열 효과를 향상시키는 바, 상기 구리 방열 판 제조 시 이용되는 상기 제조된 GO 분산 용액 및 CNT-NH2 분산 용액이 적절히 제조되었는지 확인하기 위하여, 상기 각각의 분산 용액에 대한 GO 파우더 및 CNT-NH2 파우더에 대하여 푸리에 변환 적외분광 분석을 실시하였으며, 이를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, GO에 대한 푸리에 변환 적외분광 분석에서 C=O, C-OH, C-O 결합이 나타남에 따라, 그래핀이 산화되어 그래핀 옥사이드로 존재함을 확인할 수 있었고, CNT-NH2에 대한 푸리에 변환 적외분광 분석에서 N-H 및 C-N 결합이 나타남에 따라, 탄소나노튜브가 아미드화되어 존재함을 확인할 수 있었다.
주사전자현미경(SEM) 분석
상기 제조된 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판에 있어서, GO/CNT-NH2 복합체 박막의 형태 및 상기 복합체 박막이 여러 층 형성됨을 확인하기 위하여, GO/CNT-NH2 복합체 박막을 20층 갖는 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판에 대하여 주사전자현미경 분석을 실시하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하면, (a) 및 (b)는 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 코팅된 구리 방열판에 있어서, GO/CNT-NH2 복합체 박막의 윗면 및 측면을 나타낸 SEM 사진이고, (c)는 상기 측면을 45,000 배 확대한 SEM 사진으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막의 형성 및 상기 복합체 박막이 다층으로 겹겹이 적층되어 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
방열 성능 분석
상기 제조된 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판에 있어서, GO/CNT-NH2 복합체 박막 및 상기 복합체 박막의 층수(10, 20 및 30)에 따른 상기 방열판의 방열 성능을 알아보기 위하여, 방열 성능 측정기를 제조하고, 대조군을 상기 복합체 박막을 형성하기 전인 시판되는 구리 방열판(Cu heat sink) 및 방열판을 사용하지 않은 경우(in air)로 하여 방열 성능을 분석하였다.
(1) 방열 성능 측정기 제조
도 6은 본 실시예에서 방열 성능을 측정하기 위하여 제조한 방열 성능 측정기를 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 방열 성능 측정기는 열전달이 위쪽 방향으로 일정하게 이루어지도록 윗면이 오픈된 직육면체 금속(30)구조로 제작되었으며, 아랫면에는 발열장치가 부착되어 있고, 열전달을 일정하게 하기 위해 원통형 구리(31)를 발열장치 위에 놓았으며, 상기 원통형 구리(31)의 옆면은 단열재로 감싸 단열이 될 수 있도록 하였다.
또한 원통형 구리(31)의 윗부분에 홈을 파서 열전대(32)가 들어갈 수 있도록 하여 온도 측정기(35)와 연결되도록 하였으며, 상기 원통형 구리(31)는 전원장치(34)와도 연결되도록 하였다.
또한, 원통형의 구리(31)를 통해서만 방열판으로 열이 전도될 수 있도록 원통형 구리의 윗면의 크기만큼 홈이 파져있는 테프론 재질의 판을 윗면에 끼워 놓고 상기 원통형 구리 윗면에 방열판(33)을 부착하였다.
(2) 방열 성능
도 7은 상기 제조한 방열 성능 측정기를 이용하여 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 증착된 구리 방열판(10, 20 및 30)과 대조군으로 상기 복합체 박막을 형성하기 전인 시판되는 구리 방열판(Cu heat sink) 및 방열판을 사용하지 않은 경우(in air)의 방열 성능을 각각 3회씩 측정하여 평균값으로 나타낸 그래프이다. 단, 상기 방열 성능 측정 시험은 전원 장치로 4.03V(2.56A)의 전압을 일정하게 공급하여 열을 가해주면서 원통형 구리의 평형 온도가 일정해질 때까지(약 1시간) 5분 간격으로 온도를 측정하여 나타낸 것이다.
도 7를 참고하면, 복합체 박막이 각각 10, 20 및 30층 적층되어 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판의 경우, 상기 대조군인 시판되는 구리 방열판(Cu heat sink) 및 방열판을 사용하지 않은 경우(in air)에 비하여 열을 가한 원통형 구리의 온도가 낮게 나타남에 따라 상기 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판은 보다 효과적으로 열을 방출함을 알 수 있었고, 특히 복합체 박막이 20층으로 적층된, 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판의 경우, 가장 높은 방출 성능을 나타냄에 따라 상기 시판되는 구리 방열판과 비교하여, 22℃ 낮은 온도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
한편, 복합체 박막이 30층으로 적층된, 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판의 경우, 복합체 박막이 10 또는 20층으로 적층된 경우와 비교하여 낮은 방열 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
(3) 복사열
도 8은 상기 방열 성능 측정 시, 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판(10, 20 및 30)과 상기 복합체 박막을 형성하기 전인 시판되는 구리 방열판(Cu heat sink)에 대하여 열화상 카메라로 복사율을 측정하여 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 상기 방열 성능 측정 결과와 같이 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판은 상기 시판되는 구리 방열판과 비교하여 향상된 방열 효과를 나타내며 특히, 상기 복합체 박막이 20층으로 적층된, 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판의 경우 현저히 향상된 방열 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
본 발명의 제조방법에 따르면 표면 개질된 방열판, 표면 개질된 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 각각 음전하, 양전하 및 음전하를 나타냄에 따라 상기 방열판, 표면 개질된 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물 사이에는 서로 정전기적 인력이 작용하여 보다 효과적으로 방열판에 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 고르게 분산되어 증착될 수 있도록 한다. 이에 따라 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판은, 상기 탄소나노튜브 및 그래핀 산화물이 갖는 열전도 효율이 극대화되어 우수한 방열 성능을 나타내게 된다. 또한 이때 바람직하게는 상기 방열판 상에 적층된 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막은 10 ~ 30층인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명이 기술사상과 아래에 기재될 특허범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
(100) 산화처리된 구리판
(101) CNT-NH2 박막이 증착된 구리판
(102) GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판
(103) 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리판
(110) 시판 되는 구리 방열판(heat sink)
(111) 다층으로 GO/CNT-NH2 복합체 박막이 적층된 구리 방열판

Claims (4)

  1. (1) 방열판을 산화시켜 방열판의 표면을 개질하는 단계;
    (2) 아민기 또는 아미드기로 표면 개질된 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계;
    (3) 상기 방열판을 상기 탄소나노튜브 분산 용액에 딥핑(dipping)함으로써, 상기 방열판에 표면 개질된 탄소나노튜브 박막을 증착시키는 단계;
    (4) 상기 (3) 단계를 거친 방열판을 그래핀 산화물 분산 용액에 딥핑함으로써 상기 탄소나노튜브 박막에 그래핀 산화물을 증착시켜, 상기 방열판에 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 형성하는 단계; 및
    (5) 상기 (3) 단계 및 (4) 단계를 순차적으로 반복하여 수행함으로써, 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막을 다층으로 적층하는 단계;를 포함하고,
    상기 표면 개질된 탄소나노튜브와 그래핀 산화물은 그 표면의 전하가 각각 서로 반대되는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (5) 단계는 (3) 단계 및 (4) 단계를 5 ~ 30회 순차적으로 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (5) 단계를 거쳐 제조되는 방열판은 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체 박막이 10 ~ 30 층 적층된 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 다층으로 그래핀/탄소나노튜브 복합체 박막이 적층된 방열판.
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