KR101901385B1 - 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법 - Google Patents

다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법에 있어서, 외부면에 적어도 한층의 코팅층을 갖는 탄소나노입자 응집체와 스페이스홀더 및 바인더를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 상기 탄소나노입자 응집체가 채워지는 공극을 형성하면서 서로 인접하는 스페이스홀더가 서로 밀착되는 접촉면을 형성하도록 몰드에 채워진 혼합물에 일정세기의 가압력을 제공하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에 포함된 바인더 및 스페이스홀더를 제거하여 개구공 및 공동부를 갖는 개기공 구조의 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 형성하는 단계; 상기 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체에 금속용탕을 주입하여 방열 금속주조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 제공한다.

Description

다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법{Method for Casting the Heat Dissipating Materials using a Porous Network Structure Made of Carbon Nano Particles}
본 발명은 다공성 탄소나노입자를 포함하는 네트워크 구조체를 이용하여 방열재를 주조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 열도성이 우수한 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 제조하고, 제조된 네트워크 구조체의 그 내부로 알루미늄 용탕을 가압하여 주입함으로써 방열성이 우수한 방열부품을 제조하는 주조방법에 관한 것이다.
일반적으로 엘이디(Light Emitting Diode)는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성된다. 대표적인 물질로는 GaAs, GaAsP, GaP,GaN가 있으며, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
전압인가시 전류흐름에 따라 전자와 정공이 발광성 재결합에 의해서 빛을 발생하지만 입력된 전력 중 70~80% 이상이 열에너지로 전환된다.
이러한 엘이디 전자소자를 채용하여 가로등과 같은 조명용으로 사용되게 됨에 따라 엘이디 전자소자는 점점 고출력화하는 추세에 있다.
이에 따라, 고출력 엘이디 전자소자에서 발생하는 다량의 열을 방출하기 위한 방열 대책의 마련이 필수적이다.
그러나, 엘이디 전자소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위해 장착되는 히트싱크의 경우, 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 성능을 향상시키기 위해 방열부품의 크기가 커지고 이로 인하여 너무 무거워지게 되면 기존의 등기구의 부피가 커짐은 물론 제조원가를 상승시키는 원인을 초래하여 사용할 수 없게 되는 한편, 무겁고 부피가 커진 조명기구를 설치하는 작업이 어려워지는 문제점이 발생하게 된다.
현재는 이러한 히트싱크의 소재로서는 열전도율이 높고 가벼운 알루미늄이 주로 채용되어 사용되고 있다.
또한, 최근에는 CNT 입자를 알루미늄 기지에 첨가하고자 하는 시도가 다양하게 이루어지고 있는데, CNT의 밀도가 알루미늄보다 작고 젖음성이 양호하지 못하기 때문에 알루미늄 기지 내에 CNT를 고르게 분산시키고자 하는 분산성을 향상시키는 것이 대부분이다.
그러나, 전기나 열 등 전도도를 향상시키기 위해서는 개별 독립적으로 CNT가 금속기지 내에 고르게 분산,분포하는 것보다는 CNT 입자들이 서로 연결되어 열 및 전기가 흐를수 있는 경로를 형성하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 기존 방열부품의 재료에 비해 경량이면서도 매우 큰 열전도도를 갖는 탄소나노입자가 열이 효과적으로 전도될 수 있는 열전도 경로를 형성하도록 네트워크 구조로 제조하고, 이를 알루미늄 방열소재에 포함시켜 방열부품을 주조할 수 있는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전도도와 강도가는 우수하나 알루미늄대비 밀도차가 크고 젖음성이 나빠서 분산성이 떨어지는 탄소나노입자를 이용하여 열전도로를 획기적으로 향상시킬 수 있는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법에 있어서, 외부면에 적어도 한층의 코팅층을 갖는 탄소나노입자 응집체와 스페이스홀더 및 바인더를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 상기 탄소나노입자 응집체가 채워지는 공극을 형성하면서 서로 인접하는 스페이스홀더가 서로 밀착되는 접촉면을 형성하도록 몰드에 채워진 혼합물에 일정세기의 가압력을 제공하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에 포함된 바인더 및 스페이스홀더를 제거하여 개구공 및 공동부를 갖는 개기공 구조의 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 형성하는 단계; 상기 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체에 금속용탕을 주입하여 방열 금속주조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명에 따르면 경량이면서도 열전도도가 뛰어나지만 알루미늄에 대한 젖음성이 없고 알루미늄과 비중 차이가 커 알루미늄 소재에 포함시키기 어려웠던 탄소나노입자를 이용하여 열이 효과적으로 전도될 수 있는 열전도경로를 형성킬 수 있다.
(2) 또한, 방열부품의 전체 중량 및 부피를 증가시키지 않으면서도 방열 효율을 효과적으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법을 도시한 순서도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법은 혼합물을 제공하는 단계, 복합체를 형성하는 단계, 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 형성하는 단계 및 방열금속주조물을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 혼합물을 제공하는 단계는 열전도성이 우수한 CNT, CNP와 같은 탄소나노입자를 대략 구형으로 응집하여 응집체(11)를 준비한다.
그리고, 상기 응집체(11)의 외부면에는 알루미늄과 같이 주조하고자 하는 금속소재와의 흡착성이 우수한 니켈(Ni), 구리(Cu)와 같은 금속소재로 적어도 1층이상의 코팅층(12)을 형성하여 탄소나노입자 전구체(13)를 제조한다.
이어서, 이러한 탄소나노입자 전구체(13)와 스페이스홀더(15) 및 바인더(14)를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 스페이스홀더(15)는 고분자로 이루어지고, 홀더입자의 크기 및 형상의 조절을 통해 복합체(16)의 기공과 통공의 형상 및 크기를 조절 수 있다.
상기 바인더는 상기 탄소나노입자 전구체(13)와 스페이스홀더(15)를 결합하도로 사용하는 매개물로서 파라핀 왁스와 같은 유기화합물로 이루어질 수 있다.
상기 복합체(16)를 형성하는 단계는 상기 탄소나노입자 전구체(13), 바인더(14) 및 스페이스홀더(15)가 혼합된 혼합물을 미도시된 몰드에 채워 충진한 다음, 일정세기의 가압력으로서 가압하게 되면, 상기 스페이스홀더(15)들사이에 형성되는 공극에는 탄소나노입자 전구체(13)가 채워지고, 서로 인접하는 스페이스홀더(15)는 서로 밀착되는 접촉면을 형성하게 된다.
이때, 상기 스페이스홀더(15)들사이에 형성되는 공극의 크기 또는 서로 인접하여 접하는 스페이스홀더(15)간의 접촉면 크기는 몰드에 채워진 혼합물을 가압하는 가압력의 크기에 따라 조절할 수 있다.
이어서, 다공성 탄소나노입자 네크워크 구조체(17)를 형성하는 단계는 몰드에 채워진 혼합물을 일정세기의 가압력으로서 가압하여 복합체(16)를 형성한 다음, 상기 복합체(16)에 포함된 바인더(14) 및 스페이스홀더(15)를 제거함으로써 스페이스 홀더(15)가 제거된 위치에 일정크기의 내부공간을 갖는 공동부(17a)를 형성하고, 서로 인접하여 접하는 스페이스홀더(15)간의 접촉면에 공동부(17a)와 연통되는 개구공(17b)을 형성하게된다.
이에 따라, 상기 바인더(14)와 스페이스홀더(15))의 제거에 의해서 공동부(17a)와 개구공(17b)을 갖는 개기공 구조의 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체(17)를 제조하게된다.
여기서, 상기 복합체(16)에 포함된 바인더(14)와 스페이스홀더(15)를 제거하는 방법으로는 다양한 방법이 채용될 수 있으며, 일반적인 방법으로는 상기 복합체를 단계적으로 온도를 상승시키면서 가열하여 유기물을 열분해하는 방법으로 바인더를 탈지하고 스페이스홀더를 소결하여 제거하거나 화학적으로 용제를 사용하여 유기물을 용해시켜 화학분해하는 방법으로 제거할 수도 있다.
그리고, 최종적으로 상기 공동부(17a)와 개구공(17b)을 갖는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체(17)에 사전에 준비된 알루미늄과 같은 금속이 용해된 금속용탕(18)을 주입하게 되면, 상기 금속용탕이 상기 개구공(17b)과 연통된 공동부(17a)에 채워지게 되면서 금속기지 복합재 방열 금소주조물을 제조완성하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
11 : 응집체 12: 코팅층
13 : 탄소나노입자 전구체 14 : 바인더
15 : 스페이스 홀더 16 : 복합체
17 : 탄소나노입자 네트워크 구조체
17a : 공동부 17b : 개구공

Claims (4)

  1. 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법에 있어서,
    외부면에 적어도 한층의 코팅층을 갖는 탄소나노입자 응집체와 스페이스홀더 및 바인더를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계;
    상기 탄소나노입자 응집체가 채워지는 공극을 형성하면서 서로 인접하는 스페이스홀더가 서로 밀착되는 접촉면을 형성하도록 몰드에 채워진 혼합물에 일정세기의 가압력을 제공하여 복합체를 형성하는 단계;
    상기 복합체에 포함된 바인더 및 스페이스홀더를 제거하여 개구공 및 공동부를 갖는 개기공 구조의 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 형성하는 단계;
    상기 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체에 알루미늄 용탕을 주입하여 방열 금속주조물을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 코팅층은 알루미늄 용탕과의 흡착성이 우수한 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어지고, 그리고 상기 코팅층은 상기 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체의 개기공의 내표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스페이스홀더들사이에 형성되는 공극의 크기 또는 서로 인접하여 접하는 스페이스홀더간의 접촉면 크기는 몰드에 채워진 혼합물을 가압하는 가압력의 크기에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합체에 포함된 바인더와 스페이스홀더는 상기 복합체를 단계적으로 온도를 상승시키면서 가열하여 바인더를 탈지하고 스페이스홀더를 소결하여 제거하거는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소나노입자 네트워크 구조체를 이용한 방열재 주조방법.
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