KR102516308B1 - 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트 - Google Patents

3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트 Download PDF

Info

Publication number
KR102516308B1
KR102516308B1 KR1020200188501A KR20200188501A KR102516308B1 KR 102516308 B1 KR102516308 B1 KR 102516308B1 KR 1020200188501 A KR1020200188501 A KR 1020200188501A KR 20200188501 A KR20200188501 A KR 20200188501A KR 102516308 B1 KR102516308 B1 KR 102516308B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conductive sheet
carbon
carbon network
porous metal
metal structure
Prior art date
Application number
KR1020200188501A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220096239A (ko
Inventor
정석환
김동환
김종태
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to KR1020200188501A priority Critical patent/KR102516308B1/ko
Publication of KR20220096239A publication Critical patent/KR20220096239A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102516308B1 publication Critical patent/KR102516308B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/205—Preparation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/20445—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff
    • H05K7/20472—Sheet interfaces
    • H05K7/20481—Sheet interfaces characterised by the material composition exhibiting specific thermal properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32—Thermal properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 개시한다. 본 발명은 다공성 금속 구조체를 준비하는 단계; 상기 다공성 금속 구조체에 제1 방향으로 압력을 가해 상기 다공성 금속 구조체 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계; 상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 탄소막을 성장시키는 단계; 및 상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트{METHOD FOR MANUFACTURING 3D CARBON NETWORK BASED THERMAL CONDUCTIVE SHEET AND THERMAL CONDUCTIVE SHEET MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온 열처리 없이 연속적인 탄소 구조를 제조하여 낮은 열계면저항 및 높은 열전도도를 갖는 3D 탄소 네트워크를 제조할 수 있는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터, 휴대용 개인 단말기, 통신기, LED를 채용한 백 라이트 유닛 등 다양한 종류의 전자 부품 또는 제품은 그 시스템 내부에서 발생하는 과도한 열을 외부로 확산시키지 못해 기기의 성능저하 및 반도체의 안정성에 심각한 우려를 내재하고 있다.
이러한 열은 전자 부품 또는 제품의 수명을 단축시키거나 기기의 고장, 오작동을 유발하며, 심한 경우에는 폭발 및 화재의 원인을 제공하기도 한다.
따라서, 부품 또는 기기 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출시키거나 자체 냉각시키는 기술이 필요하다.
열전도성 시트는 발열부와 방열판 사이에 위치하여 발열부의 열을 방열판 또는 공기중으로 효과적으로 전달함으로써 과열로 인한 전자기기의 오작동을 방지하고 전자 소자의 효율과 수명을 향상시키는 역할을 한다.
일반적으로, 열전도성 시트는 고분자 매트릭스 내부에 금속, 탄소계, 세라믹 등의 열전도도가 높은 필러를 분산시킨 구조를 가지고, 고온에서 고분자를 탄화시켜 인조 탄소막을 제조함으로써 수득되는 고사양의 열전도성 시트는 수백 W/mK 이상의 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
하지만, 고분자 매트릭스를 이용하는 방법은 필러-고분자 계면의 높은 열계면저항으로 인해서 대부분 5 W/mK 이하의 낮은 열전도도를 나타내고, 인조 탄소막의 경우, 높은 열전도도를 나타내지만 탄화/흑연화 과정에서 2500도 이상의 고온이 필요하여 제조비용이 증가되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제2011078호, "열전도성 시트 및 이의 제조방법" 대한민국 등록특허 제1681291호, "탄소나노튜브 기반 하이브리드 방열시트 및 그 제조방법" 대한민국 공개특허 제2019-0122354호, "고방열 탄소시트 및 이의 제조방법"
본 발명의 실시예는 다공성 금속 구조체에 탄소막을 성장시킴으로써 고온의 열처리 단계 없이 3D 탄소 네트워크를 제조함으로써 공정 비용을 감소시킬 수 있는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 3D 탄소 네트워크를 성장시켜 연속적인 탄소 구조를 형성함으로써 낮은 열계면저항 및 높은 열전도도를 가질 수 있는 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 이방성 구조 및 다공성 구조를 포함하는 3D 탄소 네트워크를 포함함으로써, 유연성 및 압축성을 갖는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 탄소막을 이용하여 열전도성 시트를 제조함으로써 금속 방열소재 대비 밀도가 낮은 경량형 방열 소재를 제조할 수 있는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체를 준비하는 단계; 상기 다공성 금속 구조체에 압력을 가하여 상기 다공성 금속 구조체 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계; 상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 탄소막을 성장시키는 단계; 및 상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계;를 포함한다.
상기 압력은 수직 방향 및 수평 방향 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는, 상기 3D 탄소 네트워크에 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 열처리 온도는 수소분위기에서 300℃ 내지 600℃일 수 있다.
상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는, 상기 3D 탄소 네트워크의 공극을 고분자 매트릭스로 충진하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 탄소막을 성장시키는 단계를 진행한 후, 상기 성장된 탄소막을 고분자 지지체에 고정하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는, 상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 탄소-고분자 네트워크를 제조하는 단계; 및 상기 고분자 지지체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법으로 제조된 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트는, 내부에 공극을 포함하고, 열전도도 이방성을 가진다.
상기 공극은 폴리머 매트릭스로 충진될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다공성 금속 구조체에 탄소막을 성장시킴으로써 고온의 열처리 단계 없이 3D 탄소 네트워크를 제조함으로써 공정 비용을 감소시킬 수 있는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3D 탄소 네트워크를 성장시켜 연속적인 탄소 구조를 형성함으로써 낮은 열계면저항 및 높은 열전도도를 가질 수 있는 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이방성 구조 및 다공성 구조를 포함하는 3D 탄소 네트워크를 포함함으로써, 유연성 및 압축성을 갖는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄소막을 이용하여 열전도성 시트를 제조함으로써 금속 방열소재 대비 밀도가 낮은 경량형 방열 소재를 제조할 수 있는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법을 도시한 개략도이다.
도 2는 성장된 탄소막을 고분자 지지체에 고정시키는 단계를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법을 도시한 개략도이다
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에 사용되는 다공성 금속 구조체를 도시한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 성장된 탄소막을 도시한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 고분자 지지체에 고정된 성장된 탄소막을 도시한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 고분자 지지체에 고정된 탄소막의 라만 분광법 데이터를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 도시한 이미지이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
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, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
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.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110)를 준비하는 단계(S110), 다공성 금속 구조체(110)에 압력을 가하여 다공성 금속 구조체(110) 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계(S120), 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 상에 탄소막(120)을 성장시키는 단계(S130) 및 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계(S140)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110) 상에 탄소막(120)을 성장시킴으로써 고온의 열처리 단계 없이 3D 탄소 네트워크(150)를 제조하여 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 3D 탄소 네트워크(150)를 성장시켜 연속적인 탄소 구조를 형성함으로써 낮은 열계면저항 및 높은 열전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110)를 준비하는 단계(S110)를 진행한다.
다공성 금속 구조체(110)는 탄소막을 성장시키기 위한 촉매로 사용될 수 있고, 다공성 금속 구조체(110)는 내부에 다수의 공극(P1)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다수의 공극(P1)을 포함하는 다공성 금속 구조체(110)를 사용함으로써, 연속적인 탄소 구조를 갖는 3D 탄소 네트워크(150)를 제조할 수 있다.
다공성 금속 구조체는(110)는 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 망간(Mn), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 코발트(Co) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110)에 압력을 가하여 다공성 금속 구조체(110) 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계(S120)를 진행한다.
압력은 3 kPa 내지 18 kPa일 수 있고, 압력이 3 kPa 미만이면 다공성 금속 구조체(110)에 충분한 변형을 일으킬 수 없고, 18 kPa를 초과하면 다공성 금속 구조체(110)를 과도하게 압착시켜 탄소 네트워크 구조를 형성시킬 수가 없다.
다공성 금속 구조체(110)에 인가된 압력은 결과적으로 3D 탄소 네트워크의 밀도를 증가시키며 열전도도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110)에 인가되는 압력에 따라 열전도도가 조절될 수 있다.
압력은 다공성 금속 구조체(110)에 수직 방향 및 수평 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 가할 수 있고, 다공성 금속 구조체(110)에 수직 방향 및 수평 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 압력을 가하여 다공성 금속 구조체(110)를 변형시킴으로써, 다공성 금속 구조체(100) 내부에 이방성 구조를 형성하여 열전도도 이방성을 조절할 수 있다.
다공성 금속 구조체(110)를 단독 또는 여러장 겹친 상태(적층)에서 수직(또는 수평) 방향의 압력을 가하면 금속의 연성에 의하여 금속 네트워크가 수평(또는 수직) 방향으로는 늘어나고 수직(또는 수평) 방향으로는 줄어들어 결과적으로 수평(또는 수직) 방향으로 배향이 일어나는 효과가 발생하게 되어 구조적인 이방성을 가질 수 있다.
따라서, 다공성 금속 구조체(110)는 수직 방향 또는/및 수평 방향의 이방성을 가짐으로써, 다공성 금속 구조체(110) 상에 성장되는 탄소막 또한 수직 방향 또는/및 수평 방향의 이방성을 가져, 3D 네트워크의 열전도도 이방성이 수직 방향 또는/및 수평 방향으로 조절될 수 있다.
즉, 3D 네트워크의 수직(또는 수평) 방향의 배향에 따른 구조적인 이방성을 가지게 함으로써 수직(또는 수평) 방향으로의 열전도도는 증가하고 수평(또는 수직) 방향의 열전도도는 감소하여 결과적으로 열전도도 이방성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 상에 탄소막(120)을 성장시키는 단계(S130)을 진행한다.
탄소막(120)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 성장될 수 있고, 화학가상증착법은 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition, Thermal CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 줄-히팅(Joul-heating) 화학기상증착 및 마이크로웨이브 화학기상증착 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 탄소막(120)은 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition, Thermal CVD)에 의해 성장될 수 있다.
화학기상증착은 수소, 아르곤, 메탄 및 에탄을 포함하는 가스 혼합물로 수행될 수 있다.
화학기상증착은 800℃내지 1200℃의 온도에서 수행될 수 있고, 공정 온도가 800℃미만이면 촉매반응을 잘 일어나지 않는 문제가 있고, 1200℃를 초과하면 촉매금속이 녹는 문제가 있다.
탄소막(120)은 탄소 섬유, 탄소나노튜브 (carbon nanotube; CNT), 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 그래파이트 (graphite) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 탄소막(120)을 성장시켜 열전도성 시트를 제조함으로써 금속 방열소재 대비 밀도가 낮은 경량형 방열 시트를 제조할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 상에 탄소막(120)을 성장시키는 단계(S130)를 진행한 후, 성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정하는 단계를 포함하는 기술에 대해서는 도 2에서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계(S140)를 진행한다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 제1 식각액을 이용하여 다공성 금속 구조체(111)를 제거할 수 있고, 제1 식각액은 다공성 금속 구조체(111) 내부에 구비된 공극(P)을 통하여 다공성 금속 구조체(111)를 식각할 수 있다.
제1 식각액은 불산, 염산, 황산, 암모늄 퍼설페이트, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄, 염화철(²과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 염화에틸술포닐 및 염화메탄술포닐 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 식각액은 염화철(FeCl2)/염산(HCl)를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트는 공극(P)을 포함하는 다공성 구조 및 이방성 구조를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트는 다공성 구조를 포함하기 때문에 유연성 및 압축성이 향상되어, 발열부 또는 방열부와의 접합이 증가됨으로써 열접촉저항이 매우 감소되어, 열전도도가 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 수평 또는 수직방향 열전도도는 고밀도의 연속적인 탄소 구조로 인하여 5W/mK 이상이 될 수가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트는 3D 구조 및 이방성 구조를 가짐으로써, 2D 탄소 소재가 가지는 열전도도 이방성이 감소되어 높은 수직 방향의 열전도도를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계(S140)는, 3D 탄소 네트워크(150)에 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 3D 탄소 네트워크(150)에 추가적인 열처리를 진행할 수 있다.
열처리 온도는 수소분위기에서 300℃ 내지 600℃일 수 있고, 열처리를 통해서 고분자 불순물과 산화물을 제거하고 성장된 탄소막 내부의 결함을 감소시킬 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 3D 탄소 네트워크(150)에 포함되는 공극(P)을 폴리머 매트릭스로 충진하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 공극(P)을 폴리머 매트릭스로 충진함으로써, 열전도성 시트의 유연성을 향상시킬 수 있다.
폴리머 매트릭스는 아크릴레이트 계열의 고분자 물질, 상용 고분자 물질 및 실리콘 고분자 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 폴리머 매트릭스는 에폭시 레진, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐리덴플로우라이드(PVDF), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PA), 폴리스타일렌 (PS), 리메틸메타크릴레이트(PMMA), 및 폴리디메틸실록산(PDMS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 성장된 탄소막을 고분자 지지체에 고정시키는 단계를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법을 도시한 개략도이다.
도 2는 성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정시키는 단계 및 고분자 지지체(130)를 식각하는 단계를 제외하면, 도 1과 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정시키는 단계를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 다공성 금속 구조체(110)를 준비하는 단계(S110), 다공성 금속 구조체(110)에 압력을 가하여 다공성 금속 구조체(110) 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계(S120), 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 상에 탄소막(120)을 성장시키는 단계(S131) 및 성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정시키는 단계(S132), 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 탄소-고분자 네트워크(140)를 형성하는 단계, 고분자 지지체(130)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정시키는 단계(S132)는 성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 부착시키거나, 성장된 탄소막(120) 상에 고분자 지지체(130)를 형성하기 위한 막을 코팅하여 수행될 수 있다.
즉, 탄소막(120)이 성장된 다공성 금속구조체(110)를 고분자 용액에 담그거나 고분자 용액을 스핀 코팅한 후, 용매를 증발시켜 고분자 지지체를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 고분자 지지체(130)에 성장된 탄소막(120)을 고정시킴으로써, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 식각 시 발생하는 스트레인(strain)에 의해 성장된 탄소막(120)(추후, 3D 탄소 네트워크)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
고분자 지지체(130)는 아크릴레이트 계열의 고분자 물질, 상용 고분자 물질 및 실리콘 고분자 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 고분자 지지체(130)은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스타일렌(PS) 및 폴리에테르설폰(PES) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크(150) 기반의 열전도성 시트의 제조방법은 성장된 탄소막(120)을 고분자 지지체(130)에 고정시키는 단계 (132)를 포함함으로써, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계는, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 탄소-고분자 네트워크(140)를 제조하는 단계(S141) 및 고분자 지지체를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계(S142)를 포함할 수 있다.
이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111)를 식각하여 탄소-고분자 네트워크를 제조하는 단계(S141)에서 다공성 금속 구조체(111)를 식각하는 방법 및 물질은 도 1에서 설명한 바와 동일한 구성요소를 포함하고 있다.
탄소-고분자 네트워크(140)는 성장된 탄소막(111)과 고분자 지지체(130)가 결합되어 있기 때문에, 제1 식각액에 의한 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체(111) 식각 시 발생되는 스트레인(strain)에 의해 성장된 탄소막(120)(추후, 3D 탄소 네트워크(150))가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
고분자 지지체(130)를 식각하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득하는 단계(S142)는 제2 식각액을 이용하여 고분자 지지체(130)를 제거하거나, 고온열분해를 이용하여 고분자 지지체(130)를 제거하여 3D 탄소 네트워크(150)를 수득할 수 있다.
고분자 지지체(130)는 고온열분해 과정을 통해서 고분자는 탈중합화가 이루어져 단량체로 변하게 되므로, 제2 식각액에 의해 보다 용이하게 제거될 수 있다.
또한, 제2 식각액은 아세톤 용매를 포함할 수 있다.
[실시예]
다공성 금속구조체로 0.5mm 두께의 니켈을 사용하였다(도 3 참조). 다공성 니켈 시트는 시트 면에 수직한 방향으로 10 kPa의 압력을 가한 후, 아세톤과 에탄올을 사용하여 세정하여 불순물을 제거하고 건조하였다.
이후 20x20mm 크기의 다공성 니켈 시트를 2인치 석영관에 넣고 10 Torr 압력과 300sccm 알곤 분위기 하에서 980
Figure 112020143726515-pat00001
로 가열한 후, 100sccm의 수소 분위기하에서 15분간 유지하였다. 그리고, 100sccm의 메탄 분위기에서 30분간 탄소막을 성장시키고 다시 알곤 분위기 하에서 상온으로 냉각시켰다(도 4 참조).
그리고, 이렇게 탄소막이 성장된 다공성 니켈 시트를 PMMA 용액(클로로벤젠 내에 10 wt%)에 1시간 동안 담갔다가, 180
Figure 112020143726515-pat00002
에서 1분간 건조시켜 PMMA 지지체를 형성하였다. 이어서 이 PMMA/Carbon/Ni 복합체를 염화철(FeCl2)/염산(HCl) 식각액에 24시간 동안 넣어두어 니켈을 제거하고 탈이온수로 세척하였다(도 5 참조).
이렇게 만들어진 PMMA/Carbon 복합체의 특성을 평가하기 위하여 라만 분광법을 사용하여 데이터(도 6 참조)를 얻었다. 이후, PMMA/Carbon 복합체를 50
Figure 112020143726515-pat00003
에서 1시간 동안 아세톤에 담가서 PMMA를 제거하였고, 순수한 3D 탄소 네트워크로 이루어진 시트를 얻었다(도 7 참조).
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에 사용되는 다공성 금속 구조체를 도시한 이미지이다.
도 3을 참조하면, 다공성 금속 구조체가 다공성 구조를 포함하는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 성장된 탄소막을 도시한 이미지이다.
도 4를 참조하면, 다공성 구조체 상에 탄소막이 잘 성장되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 고분자 지지체에 고정된 성장된 탄소막을 도시한 이미지이다.
도 5를 참조하면, 탄소막이 고분자 지지체에 잘 고정된 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법에서, 고분자 지지체에 고정된 탄소막의 라만 분광법 데이터를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 결함이 적은 다층막 형태의 그래핀과 유사한 탄소막이 성장된 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 라만 데이터는 1350 cm-1, 1580 cm-1, 2700 cm-1 에서 성장된 탄소막의 D, G, 2D 피크를 보이며, 2950 cm-1에서 PMMA의 C-H 피크를 보인다. 또한, 각 피크의 크기를 비교하면, IG > ID이고 IG > I2D이므로 다공성 니켈 시트 상에 성장된 탄소막은 결함이 적고 다층막으로 이루어진 그래핀과 유사한 형태임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트를 도시한 이미지이다.
도 7을 참조하면, 열전도성 시트는 이방성 구조 및 다공성 구조를 포함하는 3D 탄소 네트워크가 잘 형성된 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 다공성 금속 구조체
111: 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체
120: 탄소막 130: 고분자 지지체
140: 탄소-고분자 네트워크 P: 공극
150: 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트

Claims (9)

  1. 다공성 금속 구조체를 준비하는 단계;
    상기 다공성 금속 구조체에 압력을 가하여 상기 다공성 금속 구조체 내부에 이방성 구조를 형성하는 단계;
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 탄소막을 성장시키는 단계; 및
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는,
    상기 3D 탄소 네트워크의 공극을 고분자 매트릭스로 충진하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력은 수직 방향 및 수평 방향 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는,
    상기 3D 탄소 네트워크에 열처리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 수소분위기에서 300℃ 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체 상에 탄소막을 성장시키는 단계를 진행한 후,
    상기 성장된 탄소막을 고분자 지지체에 고정하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계는,
    상기 이방성 구조를 포함하는 다공성 금속 구조체를 식각하여 탄소-고분자 네트워크를 제조하는 단계; 및
    상기 고분자 지지체를 식각하여 3D 탄소 네트워크를 수득하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법으로 제조된 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트는 내부에 공극을 포함하고,
    상기 공극은 폴리머 매트릭스로 충진되며,
    열전도도 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 3D 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트.
  9. 삭제
KR1020200188501A 2020-12-30 2020-12-30 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트 KR102516308B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200188501A KR102516308B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200188501A KR102516308B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220096239A KR20220096239A (ko) 2022-07-07
KR102516308B1 true KR102516308B1 (ko) 2023-03-31

Family

ID=82398682

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200188501A KR102516308B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102516308B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101442813B1 (ko) * 2012-07-27 2014-09-23 한화케미칼 주식회사 다공성 탄소 및 이의 제조방법
KR101681291B1 (ko) 2015-02-03 2016-12-02 한국과학기술연구원 탄소나노튜브 기반 하이브리드 방열시트 및 그 제조방법
KR102011078B1 (ko) 2017-12-26 2019-08-21 재단법인대구경북과학기술원 열전도성 시트 및 이의 제조방법
KR102098829B1 (ko) 2018-04-20 2020-04-09 나노팀 주식회사 고방열 탄소시트 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Carbon, Vol. 144, 2019, page 713-723
Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.44, p.637-641 (2012.09.08.)*
Nature Materials, Vol.10, p.424-428 (2011.04.10.)*
한국결정성장학회지, Vol. 23, 2013, page 235-240

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220096239A (ko) 2022-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI622663B (zh) 高傳導性石墨烯－金屬複合物及其製造方法
JP4704899B2 (ja) 熱伝導材料の製造方法
Xu et al. Wavy ribbons of carbon nanotubes for stretchable conductors
Feng et al. Superelastic, highly conductive, superhydrophobic, and powerful electromagnetic shielding hybrid aerogels built from orthogonal graphene and boron nitride nanoribbons
JP2018536617A (ja) 高伝導性グラフェインメタルコンポジット及びその製造法
US20100065190A1 (en) Method for making composite material having carbon nanotube array
JP2009051725A (ja) 高密度カーボンナノチューブアレイを含む熱伝導シート及びその製造方法
US10683590B2 (en) Graphene fiber and method of manufacturing same
Zhang et al. Production of highly-oriented graphite monoliths with high thermal conductivity
Montes et al. Nanotubes based on monolayer blue phosphorus
Nguyen et al. High-performance and lightweight thermal management devices by 3D printing and assembly of continuous carbon nanotube sheets
Nguyen et al. Low vacuum annealing of cellulose acetate on nickel towards transparent conductive CNT–graphene hybrid films
EP3321958A1 (en) Thermal interface material, manufacturing method thereof, thermally conductive pad, and heat sink system
Nagelli et al. 3D vertically aligned CNT/graphene hybrids from layer‐by‐layer transfer for supercapacitors
CN113526957A (zh) 导热膜及其制备方法
KR102516308B1 (ko) 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트의 제조방법 및 이를 통해 제조된 3d 탄소 네트워크 기반의 열전도성 시트
US20160130493A1 (en) Heat radiation sheet, method of manufacturing heat radiation sheet, and method of manufacturing electronic device
KR102109800B1 (ko) 코팅된 열전도성 탄소 입자를 이용한 그라파이트 시트 및 이의 제조방법
CN110628080A (zh) 一种三维导热填料及其制备方法和应用
Zeng et al. Carbon aerogel with high thermal conductivity enabled by shrinkage control
JP2005272164A (ja) 高熱伝導性部材及びその製造方法、並びにそれを用いた放熱システム
JP2004269319A (ja) 発泡グラファイトシートの製造方法
KR20170009729A (ko) 그라파이트 플레이트 및 그 제조 방법
US10266942B2 (en) Method for making artificial graphite
JP6634601B2 (ja) グラファイトプレートとその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant