KR102421490B1 - 열전도 시트 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상기 시트 복합재의 수직 방향으로의 열전도율을 제고하면서도 박형화를 유지할 수 있는 열전도 시트 복합재에 관한 것이다.
이러한 열전도 시트 복합재는, 복수의 미세 기공을 갖는 비등방성 열전도 필름과, 상기 그라파이트 필름의 일면 상에 형성된 제1 금속층과, 상기 그라파이트 필름의 타면 상에 형성된 제2 금속층과, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에서 상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 형성되는 열전도 칼럼으로 구성되며, 상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고, 상기 비등방성 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 갖는다.
이러한 열전도 시트 복합재는, 복수의 미세 기공을 갖는 비등방성 열전도 필름과, 상기 그라파이트 필름의 일면 상에 형성된 제1 금속층과, 상기 그라파이트 필름의 타면 상에 형성된 제2 금속층과, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에서 상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 형성되는 열전도 칼럼으로 구성되며, 상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고, 상기 비등방성 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 갖는다.
Description
본 발명은 열전도 시트 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 시트 복합재의 수직 방향으로의 열전도율(수직 열전도율)을 제고하면서도 박형화를 유지할 수 있는 열전도 시트 복합재에 관한 것이다.
최근 전기 전자기기의 고성능화, 경량화, 박형화, 단소화 경향에 따라 그에 내장된 반도체 부품, 발광 부품 등의 열 발생원에서 발생하는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있는 방열 시트에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다.
일반적으로 방열 시트는 구리 시트(copper sheet), 그라파이트 필름(graphite film), 구리/그라파이트 복합 적층체 등이 다양하게 사용되고 있다. 그런데, 구리 시트는 방열 특성을 갖추고 있으나, 두께가 두꺼워지면 유연성이 부족하고 수평 방향으로의 열전도율(수평 열전도율)가 그라파이트에 미치지 못하며, 밀도가 높아 경량화에 한계가 있다. 또한, 그 두께가 대략 50㎛를 넘으면 유연성이 부족해 복잡한 형상의 방열 시트로 적용하기에는 한계가 있다. 한편, 그라파이트 필름은 수평 열전도는 구리보다도 월등이 높지만 수직 방향으로의 열전도율이 매우 낮다는 문제가 있다. 이는 그라파이트 자체의 물리적 특정에 기인한 것으로, 그라파이트를 구성하는 탄소(carbon) 육방 결정립이 수평으로 강하게 결합되어(공유결합) 있고, 수직 방향으로는 반데르발스 힘(van der Waals force)으로 약하게 결합되어 있기 때문이다.
이러한 양 시트의 단점을 보완하기 위해 최근에는 구리/그라파이트 복합 적층체가 제시되고 있다. 예를 들어, 중국공개특허 110552033호는 열전도성이 우수한 구리-흑연 복합재료를 구성을 제시한다. 상기 특허는 소위 마이크로 리벳을 이용하는 방법으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 합성 그라파이트(graphite-syn) 필름 표면에 미세 기공(micorpore)을 타발한 후, 그라파이트 필름에 구리(Cu)를 전기 도금한다.
구체적으로, 전기도금 과정에서, 구리에 의해 미세 기공을 채우고, 상하의 구리층과 연결되고, 미세 기공 중 내에 채워진 구리가 일종의 리벳을 형성한다. 즉, 그라파이트 필름의 상하에 구리층을 형성함과 동시에, 상기 미세 기공을 이용하여 "마이크로 리벳" 구조를 형성한다. 이러한 구성에 의해, 구리-그라파이트의 계면 결합력이 향상되고, 그라파이트가 갖는 우수한 수평 열전도와 더불어 마이크로 리벳에 의한 수직 열전도율 제고될 수 있다.
이와 같이, 상기 특허에 개시된 구리/그라파이트 복합 적층체를 이용하여 그라파이트가 갖는 수직 열전도의 문제를 어느 정도 해소할 수 있다. 그러나, 도금에 의해 마이크로 리벳을 형성할 때까지 많은 시간이 요구될 뿐만 아니라, 그라파이트 필름의 양면을 덮는 구리층의 두께가 두꺼워지게 된다. 이는 가공 시간 증가, 소요되는 구리 양의 증가로 인한 비용 상승, 두꺼운 두께로 인해 유연성 부족을 유발하여, 복잡한 구조나 플렉스 기판에 적용하기 힘들고 전자 기기의 경량화/박형화를 저해하는 요소가 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 박형화를 유지하면서도 충분한 수직 열전도율을 갖는 열전도 시트 복합재를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 열전도 시트 복합재에 추가적으로 부착될 수 있는 시트 재료와의 접착성을 향상시키고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 시트 복합재는, 복수의 미세 기공을 갖는 비등방성 열전도 필름; 상기 그라파이트 필름의 일면 상에 형성된 제1 금속층; 상기 그라파이트 필름의 타면 상에 형성된 제2 금속층; 및 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에서 상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 형성되는 열전도 칼럼을 포함하되, 상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고, 상기 비등방성 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 갖는다.
상기 열전도 필름은 그라파이트 필름이고 상기 금속층은 구리층일 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일정한 제1 단면 크기를 가지며, 상기 중앙 개구는 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일정하고 상기 제1 단면 크기보다 작은 제2 단면 크기를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 테이퍼 형태의 단면 크기를 가질 수 있다.
상기 중앙 개구는 상기 미세 기공의 일단에서 개방되어 있고 상기 미세 기공의 타단에서 폐쇄되어 있을 수 있다.
상기 중앙 개구는 상기 미세 기공의 양단에서 개방되어 있고, 상기 양단에서 상기 개방된 중앙 개구의 단면 크기가 상이할 수 있다.
상기 열전도 시트 복합재는 상기 제1 금속층의 외면 및 상기 제2 금속층의 외면 중에서 적어도 하나에 형성되는 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진될 수 있다.
상기 열전도 시트 복합재는 상기 제1 금속층의 외면 및 상기 제2 금속층의 외면에 형성되는 산화방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 산화방지층은 구리보다 투자율이 높은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 열전도 시트 복합재는 상기 복수의 미세 기공의 일부의 내부에 형성되는 중앙 개구가 없는 열전도 칼럼을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있을 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로, 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄된 타단까지 일정한 단면 크기를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로, 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄된 타단까지 서로 다른 단면 크기를 가질 수 있다.
상기 열전도 칼럼은 상기 중앙 개구를 가지면서 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 형성되고, 상기 폐쇄된 상기 미세 기공의 타단에서 폐쇄될 수 있다.
상기 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진될 수 있다.
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있는 제1 미세 기공과, 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 양단이 개방되어 있는 제2 미세 기공을 포함할 수 있다.
상기 열전도 칼럼은 상기 중앙 개구를 가지면서 상기 제1 미세 기공 및 상기 제2 미세 기공의 내주면에 형성되는데, 상기 제1 미세 기공에서는 상기 중앙 개구의 일단만 폐쇄되고, 상기 제2 미세 기공에서는 상기 중앙 개구의 양단이 개방될 수 있다.
상기 열전도 칼럼의 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진되는데, 상기 접착층은 상기 제1 미세 기공에서는 상기 열전도 필름을 관통하지 않고 충진되고, 상기 제2 미세 기공에서는 상기 열전도 필름을 관통하여 충진될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 시트 복합재의 제조 방법은, 열전도 필름을 제공하는 단계; 상기 열전도 필름에 복수의 미세 기공을 생성하는 단계; 및 상기 미세 기공을 갖는 상기 열전도 필름에 금속층을 도금하는 단계를 포함하며, 상기 도금하는 단계는 상기 열전도 필름의 양면에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 열전도 칼럼을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고, 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 갖는다.
상기 미세 기공은 상기 열전도 필름의 수직인 방향으로 완전히 관통되거나 일단이 막혀 있을 수 있다.
상기 방법은 상기 금속층의 외면에 접착층을 형성하는 단계; 및 상기 중앙 개구에 상기 접착층의 재료를 충진하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 금속층의 외면에 산화방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 복수의 미세 기공을 생성하는 단계 이전에, 상기 열전도 필름을 분진 방지제로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분진 방지제는 수지(resin) 또는 구리일 수 있다.
상기 방법은 상기 코팅된 분진 방지제를 필링 오프(peeling-off)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전도 시트 복합재에 따르면, 박형화를 유지하면서도 충분한 수직 열전도율이 제공되는 효과가 있다.
또한, 상기 열전도 시트 복합재에 추가적으로 부착될 수 있는 시트 재료와의 접착성이 향상되는 효과도 있다.
그리고, 상기 열전도 시트 복합재의 제조시에 그라파이트 필름에 미세 기공을 타발하는 과정에서 발생되는 버어(burr)나 분진이 방지될 수 있다.
또한, 상기 열전도 시트 복합재에 형성된 구리층의 산화를 방지하고 전자기파(EMI)를 차폐하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 리벳 구조를 형성하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트 필름을 도시한 평면도이고, 도 2b는 미세 기공이 생성된 그라파이트 필름를 도시한 평면도이며, 도 2c는 상기 그라파이트 필름에 구리를 도금하여 열전도 칼럼을 형성한 열전도 시트 복합재를 도시한 평면도 및 상기 열전도 시트 복합재를 A-A'에서 절단한 단면도를 함께 나타낸 도면이다.
도 3은 타발 기구를 통해 그라파이트 필름에 미세 기공을 형성하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 4는 복합 타입의 열전도 칼럼을 갖는 열전도 시트 복합재의 구성을 도시한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열전도 시트 복합재에 접착층을 형성한 모습을 보여주는 도면들이다.
도 6은 도 5a 및 도 5b에 도시된 열전도 시트 복합재에서 수직 열전도 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7로부터의 다양한 변형 실시예들을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9로부터의 다양한 변형 실시예들을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트 필름을 도시한 평면도이고, 도 2b는 미세 기공이 생성된 그라파이트 필름를 도시한 평면도이며, 도 2c는 상기 그라파이트 필름에 구리를 도금하여 열전도 칼럼을 형성한 열전도 시트 복합재를 도시한 평면도 및 상기 열전도 시트 복합재를 A-A'에서 절단한 단면도를 함께 나타낸 도면이다.
도 3은 타발 기구를 통해 그라파이트 필름에 미세 기공을 형성하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 4는 복합 타입의 열전도 칼럼을 갖는 열전도 시트 복합재의 구성을 도시한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열전도 시트 복합재에 접착층을 형성한 모습을 보여주는 도면들이다.
도 6은 도 5a 및 도 5b에 도시된 열전도 시트 복합재에서 수직 열전도 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7로부터의 다양한 변형 실시예들을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9로부터의 다양한 변형 실시예들을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트 필름(10)를 도시한 평면도이고, 도 2b는 미세 기공(micropore)이 생성된 그라파이트 필름(20)를 도시한 평면도이며, 도 2c는 상기 그라파이트 필름(20)에 구리를 도금(deposition)하여 열전도 칼럼(heat conduction column)(30)을 형성한 열전도 시트 복합재(100)를 도시한 평면도 및 상기 열전도 시트 복합재(100)를 A-A'에서 절단한 단면도를 함께 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같은 그라파이트 필름(10)이 제공된다. 그라파이트 필름(10)은 당업계에서 사용하는 방식, 예를 들면, 열분해 흑연(pyrolytic graphite), 흑연화 폴리아미드 등을 통해 얻을 수 있다. 상기 열분해 흑연은 높은 열전도율과 전기전도율을 갖는 고순도의 흑연을 말하고, 고온에서 이용되며, 증기침적 방법으로 제조된다. 또한, 흑연화 폴리아미드는 2단계의 흑연화 과정을 거쳐, 탄소 이외의 성분(질소, 수소 등) 제거 및 탄소 원자들의 배열을 정렬(밀도 증가)하여 얻어진다.
다음으로, 상기 마련된 그라파이트 필름(10)에 다수의 미세 기공(15)을 생성한다. 상기 미세 기공(15)의 직경은 대략 50~1000μm의 범위를 가질 수 있고, 미세 기공(15) 간의 중심 거리는 수 mm 정도 일 수 있다. 또한, 미세 기공(15)의 개수도 수십 내지 수천으로 다양하게 결정할 수 있다. 예를 들어, 30x30 어레이로 미세 기공(15)을 형성할 수 있다.
이러한 미세 기공(15)을 형성하는 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 타발 기구(5)를 통해 그라파이트 필름(10)을 타발하는 방식으로 이루어질 수 있다. 상기 타발 기구(5)는 베이스 플레이트(3)와 상기 베이스 플레이트(3)로부터 하방으로 돌출된 펀치(7)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 타발은 기본적으로 그라파이트 필름(10)에 미세 기공(15)을 형성하는 공정이지만, 이와 더불어 그라파이트 필름(10)의 외형(outline)을 형성하기 위한 커팅 공정도 포함할 수 있다.
미도시된 구동부를 통해 펀치 플레이트(3)를 하방으로 이동시키면, 상기 펀치(7)의 직경(d)에 따라 그라파이트 시트(20)에 같은 직경(d)의 미세 기공(15)이 형성된다. 이러한 미세 기공(15)의 깊이는 펀치(7)의 길이(h)에 따라 결정되는데, 만약 그라파이트 필름(20)의 두께(t)보다 펀치(7)의 길이(h)가 작으면 도 3에 도시된 바와 같이 한쪽이 막힌 미세 기공(15)이 형성되고, 이와 달리 반대인 경우에는 양쪽이 개방된 미세 기공(미도시 됨)이 형성될 수 있다. 본 발명에서 미세 기공은 이와 같이 한쪽이 막히거나 양쪽이 개방되는 경우를 모두 포함한다. 이와 같이 그라파이트 필름(10)에 다수의 미세 기공(15)을 형성한 그라파이트 필름(20)은 도 2b와 같이 도시될 수 있다. 다만, 도 2b에 도시된 바와 같이 원형의 미세 기공(15)은 발명의 예시에 불과하며, 이외에도 사각형, 삼각형, 기타 다양한 모양으로 형성될 수 있는데 이는 상기 펀치(7)의 단면 형상에 따라 결정될 수 있을 것이다.
이러한 미세 기공을 형성하는 타발 과정은 그라파이트 필름을 대상으로 하기 때문에, 그 과정 동안 분진이 발생할 수 있으며, 그라파이트의 고유의 성질로 인해 불필요한 버어(burr)가 생성될 수도 있다. 따라서, 이러한 타발 과정의 문제를 해소하기 위해, 타발 과정 이전에 그라파이트 필름을 전처리할 수도 있다. 이러한 전처리는 예를 들어, 그라파이트 필름을 분진 방지제로 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 분진 방지제로는 PET(polyethylene terephthalat)와 같은 수지(resin)나 구리가 사용될 수 있으며 본 발명에서 수직 전도율을 높이기 위한 수준의 도금이 아니라 상기 목적을 위한 전처리 과정에서의 최소한의 도금 내지 코팅을 의미한다. 이와 같이 타발을 위해 전처리된 분진 방지제는 타발 이후에는 필링 오프(peeling-off) 형태로 제거될 수도 있다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 미세 기공(15)을 갖는 상기 그라파이트 필름(20)에 구리층을 도금한다. 이러한 도금을 통해, 그라파이트 필름(20)의 상면과 하면에 각각 제1 구리층(25)과 제2 구리층(35)이 형성된다. 이 때, 상기 제1 구리층(25) 및 상기 제2 구리층(35) 사이에서 복수의 미세 기공(15) 내부에는 열전도 칼럼(30)이 형성될 수 있다. 도 2c에서 제1 구리층(25)과 열전도 칼럼(30)은 모두 구리로 형성되어 동일한 색상으로 나타날 수 있지만, 양자간에 구리의 두께가 상이하므로 그 경계가 어느 정도 구분되어 보일 수 있는 것이다.
이러한 열전도 칼럼(30)은 그 외주면이 적어도 하나의 미세 기공(15)의 내주면에 밀착하고, 상기 그라파이트 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구(40)를 갖는다. 전술한 선행 특허와 달리 본 발명에서는 열전도 칼럼(30)이 미세 기공(15)을 완전히 채우지 않고 중심 근처에 중앙 개구(40)를 갖는다. 이러한 중앙 개구(40)가 형성될 정도면, 제1 구리층(25) 및 제2 구리층(35)이 형성되는 시간이 억제됨으로써 상기 구리층들(25, 35)의 두께를 감소시킬 수 있다. 즉, 도금 공정 시간의 소요되는 도금 금속의 양을 줄일 수 있다. 또한, 이와 같은 중앙 개구(40)는 후술하는 바와 같이 접착층이 투입되는 공간으로 작용하기 때문에 접착 성능을 향상시키는 데에도 기여한다.
이러한 도금 공정은 당업계에 알려진 통상의 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 먼저, 그라파이트 필름(20)을 NaOH 용액에 넣어 표면유를 제거하고, 다시 HNO3 용액에 넣어 세척함으로써 표면산화물을 제거한다. 다음으로, 그라파이트 필름(20)을 산성 황산구리 용액에 넣고, 2전극 전해도금을 이용하여 그라파이트 필름 양면이 균일하게 도금되도록 할 수 있다. 이 때, 일정한 전류로 미세 기공(15)의 크기에 따라 수십분 정도 시간으로 전기 도금한 후, 세척 건조시켜 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 시트 복합재(100)를 생성할 수 있다. 이러한 전해도금은 하나의 예에 불과하여 비전해도금 기술을 사용할 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 열전도 시트 복합재(100)를 생성하기 위해, 그라파이트 필름(20)의 외면에 구리를 도금하고 미세 기공 내에 열전도 칼럼을 형성하면, 수직 열전도율이 상승하는 효과와 더불어, 그라파이트 재질 고유의 특성인 분진 발생도 방지되는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
도 2c의 실시예에서는 열전도 시트 복합재(100)에 미세 기공(15)에 중앙 개구(40)를 갖는 동일한 열전도 칼럼(30)이 다수 배치되는 구조를 설명하였다. 그러나, 이에 한하지 않고 그라파이트 필름(100)에 상이한 크기의 미세 기공(15) 및 열전도 칼럼(30)이 배치되도록 할 수도 있을 것이다. 또는, 이러한 중앙 개구(40)를 갖는 열전도 칼럼(30)만 아니라, 이와 더불어 중앙 개구(40)가 없는 열전도 칼럼을 함께 배치하는 복합 타입도 고려할 수 있다.
도 4는 이러한 복합 타입의 열전도 칼럼을 갖는 열전도 시트 복합재(100h)의 구성을 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 열전도 시트 복합재(100h)에는 중앙 개구(40)를 갖는 열전도 칼럼(30)과 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼(31)이 다수가 함께 배치되어 있다. 다만, 동일한 도금 과정에서 이러한 복합 타입의 열전도 칼럼들이 형성되려면, 미세 기공의 크기가 서로 상이할 필요가 있다. 즉, 도금 과정에서 적층되는 양은 그라파이트 필름(20)의 어느 곳에서나 일정하므로, 중앙 개구(40)를 갖는 열전도 칼럼(30)이 배치되는 미세 기공의 크기가 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼(31)이 배치되는 미세 기공의 크기보다 상대적으로 커야 할 것이다. 이러한 열전도 칼럼들(30, 31)의 개수 및 배치 위치는 설계 목적에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.
이와 같이 생성된 열전도 시트 복합재(100)는 양호한 등방성의 열전도율을 갖는 구리에 의해 도금되지만, 구리의 특성상 공기 중에 노출되면 산화되기 쉽다는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이를 고려하여, 상기 제1 구리층(25)의 외면 및 상기 제2 구리층(35)의 외면에 산화방지층을 추가로 형성할 수 있다. 이러한 산화방지층은 공기중에 산화되지 않으면서도 열전도율을 저하하지 않는 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 열전도 시트 복합재(100)는 다양한 전자 부품의 열방출을 위해 사용되기 때문에 전자기파(EMI) 차폐 기능을 가질 필요가 있다. 따라서, 산화방지층으로 사용되기 위해서는, (1) 열전도율이 양호해야 하고, (2) 공기중에서 산화되지 않아야 하며, (3) 투자율이 높아서 전자기파 차폐가 가능해야 하고, (4) 구리와 결합성이 좋아야 한다는 조건들을 만족할 필요가 있다. 예를 들어, 상기 산화방지층은 니켈, 크롬 같은 금속으로 형성될 수 있을 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열전도 시트 복합재(100)에 접착층을 형성한 모습을 보여주는 도면들이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 열전도 시트 복합재(100a)의 양면에 접착층(41, 42)이 형성되어 접착층(41, 42)을 포함한 열전도 시트 복합재(110a)가 된다. 이러한 접착층(41, 42)은 열전도 시트 복합재(100a)에 다른 소재를 추가적으로 적층하거나 열전도 시트 복합재(100a)를 다른 부품에 접착할 때 사용될 수 있다.
도 5a에서, 그라파이트 필름(20)에 형성된 미세 기공(15a)은 제1 단면 크기를 가지며, 열전도 칼럼(30a)의 중앙에 형성된 중앙 개구(40a)는 상기 그라파이트 필름(20)의 면에 대해 수직인 방향으로 일정하고 상기 제1 단면 크기보다 작은 제2 단면 크기를 가진다. 여기서, 단면 크기는 예를 들어 단면이 원형인 경우에는 직경으로 정의될 수 있다.
여기서, 제1 구리층(25)의 외면 및 제2 구리층(35)의 외면에는 각각 제1 접착층(41) 및 제2 접착층(42)이 형성되는데, 상기 중앙 개구(40a)에도 제1 접착층(41) 및 제2 접착층(42) 중 어느 하나의 접착층의 재료(43a)가 채워진다. 도 5a에서는 예를 들어, 제1 접착층(41)의 재료(43a)가 중앙 개구(40a)를 채우는 것으로 예시되어 있다. 제1 접착층(41)과 제2 접착층(42)은 동일한 재료로 만들어질 수도 있다 서로 다른 재료로 만들어질 수 있다. 이상과 같은 접착층(41, 42)은 도전성 필러(filler), 합성수지로 구성된 도전재료 또는 다양한 기능성 재료로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 5b를 참조하면, 열전도 시트 복합재(100b)의 양면에 접착층(41, 42)이 형성되어 접착층(41, 42)을 포함한 열전도 시트 복합재(110b)가 된다.
도 5b에서, 그라파이트 필름(20)에 형성된 미세 기공(15b)은 상기 그라파이트 필름(20)의 면에 수직인 방향으로 테이퍼 형태의(taper-shaped) 단면 크기를 갖되, 그라파이트 필름(20)의 상단과 하단에서 모두 개방되어 있다. 이러한 테이퍼 형태의 미세 기공(15b)은 도 3과 같은 펀치(7)의 형상이 테이퍼 형상인 경우에 타발 과정을 통해 생성될 수 있다. 이러한 미세 기공(15b)의 테이퍼 형상에 따라, 도금 공정을 생성된 열전도 칼럼(30b)의 중앙에 형성된 중앙 개구(40b)도 테이퍼 형상을 갖는다. 도 5b에서, 상기 미세 기공(15b)은 상단에서 개방되고 하단에서 폐쇄되어 있다.
여기서, 제1 구리층(25)의 외면 및 제2 구리층(35)의 외면에는 각각 제1 접착층(41) 및 제2 접착층(42)이 형성되는데, 상기 중앙 개구(40b)에도 제1 접착층(41) 및 제2 접착층(42) 중 어느 하나의 접착층의 재료(43b)가 채워진다. 도 5b에서는 예를 들어, 제1 접착층(41)의 재료(43b)가 중앙 개구(40b)를 채우는 것으로 예시되어 있다.
한편, 도 5b에서는 테이퍼 형태의 중앙 개구(40b)가 상단에서는 개방되고 하단에서는 폐쇄된 것으로 도시되어 있다. 그러나 이에 한하지 않고, 도 5c와 같이 중앙 개구(40c)가 테이퍼 형태를 가지면서도 양단에서 모두 개방되도록 구성할 수도 있다.
도 6은 도 5a 및 도 5b에 도시된 열전도 시트 복합재(100a, 100b)에서 수직 열전도 흐름을 보여주는 도면이다. 예를 들어, 열전도 시트 복합재(100a, 100b)의 제2 구리층(35)이 히트 소스인 전자 부품과 접촉하는 면이라고 가정하면, 상기 히트 소스로부터 제2 구리층(35)으로 전달된 열은 열전도 칼럼(30a, 30b)을 따라 상방으로 이동한다. 이 때 상방으로 이동된 열은 제1 구리층(25)의 전체 면적으로 전달됨으로써 열전도 시트 복합재(100a, 100b)의 하부에서 형성된 열이 상부로 효율적으로 전달된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재(110d)의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
여기서, 그라파이트 필름(20d)에 형성된 미세 기공(15d)은 상기 그라파이트 필름(20d)의 면에 수직 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있다. 또한, 상기 미세 기공(15d)은 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄된 타단까지 상기 수직 방향으로 일정한 단면 크기를 갖는다.
여기에 구리가 도금되면, 제1 및 제2 구리층(25, 35) 및 열전도 칼럼(30d)이 형성된다. 이 때, 열전도 칼럼(30d)은 중앙 개구(40d)를 가지면서 미세 기공(15d)의 내주면에 형성되고, 상기 미세 기공(15d)과 마찬가지로 상단에서 개방되고 하단에서 폐쇄되어 있다. 다만, 이에 한하지 않고 미세 기공(15d)의 내주면에 형성되는 열전도 칼럼은, 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼(미도시 됨)으로만 구성되거나, 중앙 개구(40d)를 갖는 열전도 칼럼(30d)과 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼의 조합으로 구성될 수도 있다.
다음으로, 열전도 시트 복합재(100d)에 접착층(41, 42)을 형성한다. 도 7과 같이 중앙 개구(40d)의 상단만 개방된 구조에서는 중앙 개구(40d)는 제1 접착층(41)의 재료(43d)로 채워진다. 이와 같이, 도 7의 실시예에서는 미세 기공(15d)이 하방으로는 관통되지 않았기 때문에 제2 구리층(35) 및 제2 접착층(42)은 모두 일정한 층상 구조로 형성될 수 있다.
도 7과 같이 그라파이트 필름(20)이 완전히 관통되지 않고 일단(예: 하방)이 폐쇄된 구조로는 도 8과 같이 다양한 실시예가 있을 수 있다. 이 중에서 (a)는 도 7의 실시예에서의 그라파이트 필름(20)을 도시한 것이지만, (b)와 같이 미세 기공이 테이퍼 형상을 가질 수도 있고, (c)와 같이 테이퍼 형상과 일정한 단면 형상의 복합 구조로 형성될 수도 있다.
또는, 그라파이트 필름(20)은 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 그라파이트 필름(20)의 상면과 하면이 각각 개방되고 중간에 막힌 구조로 구성될 수도 있다. 이 중에서 (d)는 미세 기공이 일정한 단면 형상을 갖는 경우, (e)는 미세 기공이 테이퍼 형상을 갖는 경우, (f)는 미세 기공이 테이퍼 형상과 일정한 단면 형상의 복합 구조를 갖는 경우를 각각 나타낸다.
또한, 도 8에서 각각의 미세 기공이 일정한 직경을 가진다고 하더라도 그 일정한 직경이 미세 기공마다 상이할 수도 있다. 또한 테이퍼 형상을 갖는 미세 기공 간에도 그 단면 크기가 서로 상이할 수 있다. 또한, 미세 기공의 깊이도 각각의 미세 기공마다 상이하도록 구성할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 접착층을 갖는 열전도 시트 복합재(110e)의 제조 과정을 도시한 단면도이다.
여기서, 그라파이트 필름(20e)에 형성된 미세 기공은 상기 그라파이트 필름(20e)의 면에 수직 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있는 제1 미세 기공(15e1)과, 상기 수직 방향으로 양단이 개방되어 있는 제2 미세 기공(15e2)을 포함한다. 즉, 그라파이트 필름(20e)은 관통형 미세 기공과 폐쇄형 미세 기공을 모두 포함하는 하이브리드 형태로 되어 있다. 이 때, 상기 미세 기공(15e1, 15e2)은 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄 또는 개방된 타단까지 상기 수직 방향으로 일정한 단면 크기를 갖는다.
여기에 구리가 도금되면, 제1 및 제2 구리층(25, 35) 및 열전도 칼럼(30e1, 30e2)이 형성된다. 상기 열전도 칼럼(30e1, 30e2)은 상기 중앙 개구(40e1, 40e2)를 가지면서 상기 제1 미세 기공(15e1) 및 상기 제2 미세 기공(15e2)의 내주면에 형성된다. 특히, 열전도 칼럼(30e1)은 상기 제1 미세 기공(15e1)에서는 상기 일단만 폐쇄된 중앙 개구(40e1)를 가지며, 열전도 칼럼(30e2)은 상기 제2 미세 기공(15e2)에서는 양단이 개방된 중앙 개구(40e2)를 갖는다. 다만, 이에 한하지 않고 미세 기공(15e1, 15e2)의 내주면에 형성되는 열전도 칼럼은, 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼(미도시 됨)으로만 구성되거나, 중앙 개구(40e1, 40e2)를 갖는 열전도 칼럼(30e1, 30e2)과 중앙 개구를 갖지 않는 열전도 칼럼의 조합으로 구성될 수도 있다.
다음으로, 열전도 시트 복합재(100e)에 접착층(41, 42)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 열전도 칼럼(30e1, 30e2)의 중앙 개구(40e1, 40e2)에는 상기 접착층(41, 42)의 재료가 채워질 수 있는데, 상기 접착층의 재료는 상기 제1 미세 기공(15e1)에서는 상기 그라파이트 필름(20e)을 관통하지 않고 충진되고, 상기 제2 미세 기공(15e2)에서는 상기 그라파이트 필름(20e)을 관통하여 채워질 수 있다. 이 때, 제1 중앙 개구(40e1)과 같이 상단만 개방된 구조에서는 제1 접착층(41)의 재료(43e)로만 채워질 수 있다. 하지만, 제2 중앙 개구(40e2)와 같이 양단이 개방된 구조에서는 제1 접착층(41)의 재료(43e) 뿐만 아니라 제2 접착층(42)의 재료(미도시 됨)로 채워질 수도 있을 것이다.
도 9와 같은 하이브리드 그라파이트 필름(20)의 구조로는 도 10과 같이 다양한 실시예가 있을 수 있다. 이 중에서 (a)는 도 9의 실시예에서와 같이 일정한 단면 크기의 미세 기공을 갖는 하이브리드형 그라파이트 필름(20)을 도시한 것이다. 그러나 이에 한하지 않고, (b)는 관통형 미세 기공과 폐쇄형 미세 기공이 모두 테이퍼 형상의 단면을 갖는 경우를, (c)는 폐쇄형 미세 기공만 테이퍼 형상의 단면을 갖고 개방형 미세 기공은 일정한 단면 크기를 갖는 경우를, (d)는 반대로 개방형 미세 기공만 테이퍼 형상의 단면을 갖고 폐쇄형 미세 기공은 일정한 단면 크기를 갖는 경우를 각각 나타낸다.
이상의 본 발명에 따른 열전도 시트 복합재(100)(도 2c 참조)를 종래의 그라파이트 시트(P150)와 비교한 데이터는 다음의 표 1에 제시된다.
| Sample | Hole size (mm) | Hole area | Thermal conductivity (W/mK) | Density (g/cm3) | Specific heat (J/kgK) | |
| Vertical | Horizontal | |||||
| P150 | - | 5.7 | 540 | 1.981 | 0.724 | |
| 본 발명 | 0.6 | 5% | 36.2 | 137 | 4.6 | 0.411 |
표 1을 참조하면, 홀 크기가 0.6mm이고, 홀 영역이 전체의 5%으 차지하는 경우에 본 발명에 따른 열전도 시트 복합재(100)는 수직 열전도율이 36.2 W/mK이고 수평 열전도율이 137W/mK로 나타난다. 이는 그라파이트 시트(P150)을 사용한 경우에 비해 수평 열전도율이 다소 감소하기는 했지만, 수직 열전도율의 대폭 상승한 결과를 보여준다. 따라서, 수평 열전도 및 수직 열전도가 모두 요구되는 환경에서 수직 열전도에 관한 병목을 제거하여 전체적으로 효율적인 열전도가 이루어질 수 있는 것이다.
이상 본 발명의 설명에서는, 미세 기공을 갖는 그라파이트 필름과 도금된 구리층 및 열전도 칼럼을 갖는 열전도 시트 복합재를 중심으로 기술하였다. 그러나, 이에 한하지 않고 상기 필름을 형성하는 재질로는 그라파이트 이외에도, 비등방성 열전도율을 갖는 재질(수평 열전도율이 수직 열전도율보다 큰 재질)이라면 금속, 세라믹을 불문하고 사용될 수 있다. 또한, 상기 도금되는 구리 대신에 등방성 열전도율을 갖는 다른 금속 재료도 사용될 수 있다. 이러한 금속으로는 금, 은, 백금, 니켈, 주석, 크롬 등이 사용될 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
3: 베이스 플레이트
5: 타발 기구
7: 펀치
10, 20: 그라파이트 필름
15: 미세 기공
25, 35: 구리층
30, 31: 열전도 칼럼
40: 중앙 개구
41, 42: 접착층
100, 110: 열전도 시트 복합재
5: 타발 기구
7: 펀치
10, 20: 그라파이트 필름
15: 미세 기공
25, 35: 구리층
30, 31: 열전도 칼럼
40: 중앙 개구
41, 42: 접착층
100, 110: 열전도 시트 복합재
Claims (26)
- 복수의 미세 기공을 갖는 비등방성 열전도 필름;
상기 열전도 필름의 일면 상에 형성된 제1 금속층;
상기 열전도 필름의 타면 상에 형성된 제2 금속층;
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에서 상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 형성되는 열전도 칼럼; 및
상기 제1 금속층의 외면 및 상기 제2 금속층의 외면 중에서 적어도 하나에 형성되는 접착층을 포함하되,
상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고, 상기 비등방성 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 갖는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 열전도 필름은 그라파이트 필름이고 상기 금속층은 구리층인, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일정한 제1 단면 크기를 가지며, 상기 중앙 개구는 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일정하고 상기 제1 단면 크기보다 작은 제2 단면 크기를 가지는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 테이퍼 형태의 단면 크기를 갖는, 열전도 시트 복합재. - 제4항에 있어서,
상기 중앙 개구는 상기 미세 기공의 일단에서 개방되어 있고 상기 미세 기공의 타단에서 폐쇄되어 있는, 열전도 시트 복합재. - 제4항에 있어서,
상기 중앙 개구는 상기 미세 기공의 양단에서 개방되어 있고, 상기 양단에서 상기 개방된 중앙 개구의 단면 크기가 상이한, 열전도 시트 복합재. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진되는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속층의 외면 및 상기 제2 금속층의 외면에 형성되는 산화방지층을 더 포함하는, 열전도 시트 복합재. - 제9항에 있어서,
상기 산화방지층은 구리보다 투자율이 높은 금속으로 형성되는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 미세 기공의 일부의 내부에 형성되는 중앙 개구가 없는 열전도 칼럼을 더 포함하는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있는, 열전도 시트 복합재. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로, 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄된 타단까지 일정한 단면 크기를 갖는, 열전도 시트 복합재. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미세 기공은 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로, 상기 개방된 일단으로부터 상기 폐쇄된 타단까지 서로 다른 단면 크기를 갖는, 열전도 시트 복합재. - 제12항에 있어서,
상기 열전도 칼럼은 상기 중앙 개구를 가지면서 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 형성되고, 상기 폐쇄된 상기 미세 기공의 타단에서 폐쇄되는, 열전도 시트 복합재. - 제15항에 있어서,
상기 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진되는, 열전도 시트 복합재. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세 기공은
상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 일단이 개방되고 타단이 폐쇄되어 있는 제1 미세 기공과,
상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 양단이 개방되어 있는 제2 미세 기공을 포함하는, 열전도 시트 복합재. - 제17항에 있어서,
상기 열전도 칼럼은 상기 중앙 개구를 가지면서 상기 제1 미세 기공 및 상기 제2 미세 기공의 내주면에 형성되는데,
상기 제1 미세 기공에서는 상기 중앙 개구의 일단만 폐쇄되고, 상기 제2 미세 기공에서는 상기 중앙 개구의 양단이 개방되는, 열전도 시트 복합재. - 제18항에 있어서,
상기 열전도 칼럼의 중앙 개구에는 상기 접착층의 재료가 충진되는데, 상기 접착층은 상기 제1 미세 기공에서는 상기 열전도 필름을 관통하지 않고 충진되고, 상기 제2 미세 기공에서는 상기 열전도 필름을 관통하여 충진되는, 열전도 시트 복합재. - 열전도 필름을 제공하는 단계;
상기 열전도 필름에 복수의 미세 기공을 생성하는 단계; 및
상기 복수의 미세 기공을 갖는 상기 열전도 필름에 금속층을 도금하는 단계를 포함하는 열전도 시트 복합재의 제조 방법으로서,
상기 도금하는 단계는
상기 열전도 필름의 양면에 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 열전도 칼럼을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 열전도 칼럼은 그 외주면이 상기 적어도 하나의 미세 기공의 내주면에 밀착하고 상기 열전도 필름에 수직인 방향으로 중앙 개구를 가지며,
상기 열전도 시트 복합재의 제조 방법은,
상기 금속층의 외면에 접착층을 형성하는 단계; 및
상기 복수의 미세 기공 중에서 적어도 하나의 내부에 상기 중앙 개구에 상기 접착층의 재료를 충진하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 미세 기공은 상기 열전도 필름의 수직인 방향으로 완전히 관통되거나 일단이 막혀 있는 방법. - 삭제
- 제20항에 있어서,
상기 금속층의 외면에 산화방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 복수의 미세 기공을 생성하는 단계 이전에,
상기 열전도 필름을 분진 방지제로 코팅하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제24항에 있어서,
상기 분진 방지제는 수지(resin) 또는 구리인 방법. - 제24항에 있어서,
상기 코팅된 분진 방지제를 필링 오프(peeling-off)하는 단계를 더 포함하는 방법.
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| US552033A (en) | 1895-12-24 | End-gate fastener | ||
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| KR20170072740A (ko) * | 2015-12-17 | 2017-06-27 | 에스케이씨 주식회사 | 방열 시트 및 이의 제조방법 |
-
2021
- 2021-02-04 KR KR1020210016232A patent/KR102421490B1/ko active IP Right Grant
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