KR102527272B1

KR102527272B1 - 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법 및 이에 의해 제조된 히트스프레더

Info

Publication number: KR102527272B1
Application number: KR1020210133358A
Authority: KR
Inventors: 이상현; 노호균; 류혜수; 하준석
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2023-05-02
Also published as: WO2023059125A1; KR20230050531A

Abstract

본 발명은 다공성 구조의 금속 그래핀 복합체를 형성하고 그 표면을 금속으로 감싸는 금속 그래핀 복합 구조체를 형성하여 높은 방열 효과를 갖는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법 및 이에 의해 제조된 히트스프레더는, 내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10); 및 소결에 의해 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법 및 이에 의해 제조된 히트스프레더{Manufacturing method for metal graphene composite structure heat spreader and metal graphene composite structure heat spreader manufactured thereby}

본 발명은 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다공성 구조의 금속 그래핀 복합체를 형성하고 그 표면을 금속으로 감싸는 금속 그래핀 복합 구조체를 형성하여 높은 방열 효과를 갖는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법 및 이에 의해 제조된 히트스프레더에 관한 것이다.

일반적으로, 실생활에서 주로 이용되는 컴퓨터나 핸드폰 등 전자기기에서 주로 이용되는 방열의 형태는 열원에서 발생하는 열을 히트싱크로 이동시킨 후, 히트싱크에서 외부로 방출하는 형태로 이루어진다. 히트싱크는 빠르게 열을 방출하기 위하여 넓은 표면적을 갖는 형태로 가공된다. 그리고 열원에서 히트싱크로 열을 빠르게 이동시키기 위하여 히트스프레더를 이용한다. 히트스프레더는 열원에서 발생하는 열을 빠르게 히트싱크로 이동시키는 것이 목적이며, 따라서 높은 열 전도도를 갖는 물질과 더불어 히트스프레더 내부에 액체를 주입하여 열원에서 액체가 기화되며 열을 흡수하고 히트싱크 부분에서 열을 방출하며 액화되는 형태로 열을 절단한다. 따라서 히트스프레더 내부에서 액체로 빠르게 열을 전달할 수 있는 구조가 높은 효율을 갖는다.

히트스프레더 내부에서 액체로 빠르게 열을 전달할 수 있는 방법은 액체와 파이프 사이의 접촉 면적을 넓혀주는 것이다. 이에 접족 면적을 넓혀 주기 위한 파이프 내부 구조에 대한 연구가 다양하게 진행되었다. 일 예로 단순히 텍스쳐를 만들어 표면적을 늘리는 방법부터 금속 섬유를 직물 형태로 제조하여 넣는 방법, 금속 분말을 이용한 열린 기공의 다공성 구조를 형성하는 방법 등이 제시되었다. 이중 가장 넓은 표면적을 갖는 열린 기공 형태의 다공성 구조가 가장 높은 효율을 보여준다.

하지만, 이러한 내부 디자인에도 불구하고, 액체의 유동성 확보를 위하여, 파이프 내부 다공성 구조를 일정 수준 이하의 기공 크기를 가지도록 제작하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 즉, 너무 작은 기공은 액체의 점성으로 인해 액체가 기공의 내부까지 도달하기 어렵기에 접촉 면적의 증가의 한계가 존재한다. 하지만, 더욱 고성능의 전자기기가 출시됨에 따라 발열 또한 증가하고 있기에, 이를 해결하는 것이 전자기기 전반에 걸쳐 매우 큰 문제로 대두되고 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 단위 면적당 열 교환 능력을 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

대한민국 공개특허 제2015-0020334호

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 높은 열 교환 능력을 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더의 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 높은 열 교환 능력을 갖는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법에 의해 제조된 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더를 제공하는 것을 또 다른 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 기술적 과제의 해결을 위한 본 발명의 실시예는, 준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 상기 금속 분말 층 상에 금속 또는 세라믹 스페이서를 배치하는 금속 또는 세라믹 스페이서 형성 단계(S15); 가열 및 그래핀 연료를 주입하여 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)과 상기 금속 기재(10)가 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 것에 의해 히트패널(3)을 제작하는 소결 단계(S20); 및 상기 히트패널(3)을 형상 가공하여 히트스프레더(1)를 제조하는 형상 가공 단계(S40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법을 제공한다.
상기 소결 단계(S20)는 준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하는 단계; 상부 금속 분말 층이 형성된 상기 금속 기재(10)를 소결로에 위치시킨 후 일정 온도로 가열하는 단계; 상기 일정 온도로 가열되어 상기 금속 기재(10)에 상기 금속 분말이 소결되어 형성된 다공성 웍(20)이 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 단계; 및 상기 가열 상태에서 그래핀 연료를 상기 소결로에 주입하여 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하여 히트패널(3)을 제작하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 소결 단계(S20)에서 상기 금속 기재 및 금속 분말은, 구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 소결 단계(S20)에서 준비되는 금속 분말은, 지름이 100nm ~ 1mm인 것을 특징으로 한다.
상기 소결단계(S20)는, 상기 금속 분말의 녹는점의 70 ~ 100 %의 온도로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 소결단계(S20)에서 상기 그래핀 층은 그래핀이 결정성을 유지한 채로 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면을 감싸는 형태로 합성되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 소결단계(S20)에서 형성되는 그래핀 층의 두께는, 0.3 nm ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 형상 가공 단계(S40)에서 제조된 히트스프레더(1)의 내부에 냉각액(40)을 주입하는 냉각액 주입 단계(S50);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 금속 또는 세라믹 스페이서 형성단계(S15)에서 금속 또는 세라믹 스페이서(37) 형성을 위한 금속의 지름은 100un~10cm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는, 준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 가열 및 그래핀 연료를 주입하여 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)과 상기 금속 기재(10)가 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 것에 의해 히트패널(3)을 제작하는 소결 단계(S20); 상기 소결단계(S20)의 수행 후, 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)의 표면에 고분자 스페이서를 형성하는 고분자 스페이서 형성 단계(S30); 및 상기 히트패널(3)을 형상 가공하여 히트스프레더(1)를 제조하는 형상 가공 단계(S40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법을 제공한다.
상기 고분자 스페이서 형성 단계(S30)에서 형성된 상기 고분자 스페이서(36)의 높이는 1μm ~ 10 cm인 것을 특징으로 한다.
상기 형상 가공 단계(S40)에서 제조된 히트스프레더(1)의 내부에 냉각액(40)을 주입하는 냉각액 주입 단계(S50);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각액(40)은 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 아세톤 중 하나 이상을 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는, 내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10); 상기 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하고, 하나 이상의 금속 또는 세라믹 스페이서(37)를 배치한 후, 그래핀 연료를 주입하며 가열하는 소결에 의해, 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20); 및 상기 다공성 웍(20)에 지지를 수행하도록 배치되는 하나 이상의 상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더를 제공한다.
상기 금속 분말은, 구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 분말은, 지름이 100nm ~ 1mm인 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 웍(20)은, 상기 금속 기재(10)에 상기 금속 분말의 층을 형성한 후, 상기 금속 분말의 녹는점의 70 ~ 100 %의 온도로 가열하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 웍(30)의 내부 기공 표면에 형성되는 그래핀 층은 그래핀이 결정성을 유지한 채로 상기 다공성 웍(20) 내부의 기공 표면을 감싸도록 합성되는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 그래핀 층의 두께는, 0.3 nm ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더는 내부에 채워지는 냉각액(40)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)의 형성을 위한 금속의 지름은 100un~10cm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는, 내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10); 상기 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하고, 하나 이상의 고분자 스페이서(36)를 배치한 후, 그래핀 연료를 주입하며 가열하는 소결에 의해 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20); 및 상기 다공성 웍(20)에 지지를 수행하도록 배치되는 하나 이상의 상기 고분자 스페이서(36)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더를 제공한다.
상기 고분자 스페이서(36)의 높이는 1μm ~ 10 cm인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더는, 내부에 채워지는 냉각액(40);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각액(40)은, 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 아세톤 중 하나 이상을 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 실시예에 따르면, 히트스프레더 내부에 유기적으로 연결된 다공성 금속을 가지는 다공성 웍이 포함되고, 다공성 웍의 내부 기공 표면에 그래핀 층이 코팅되는 구조를 가지며, 또한 내부에 공간 확보를 위한 스페이서가 포함되어, 금속 내부에 유기적으로 연결된 그래핀으로 인해 열 전도도 특성 및 액체와의 열 교환 특성이 향상되고, 그로 인해 열 전달 성능을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 히트스프레더 제조 공정이 매우 단순하기 때문에, 그 형태를 용이하게 바꿀 수 있어 다양한 형상의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더를 빠르게 양산할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고유한 성질인 용해도가 금속마다 다르기 때문에, 금속 분말의 종류를 바꿈으로써 내부 그래핀의 층수를 조절할 수 있고, 이와 함께, 금속 분말의 크기를 다르게 함으로써 내부 기공의 크기를 조절할 수 있으며, 동시에 표면적의 컨트롤을 위해 그래핀과 금속의 비율을 조절할 수 있어, 다양한 열전도 특성을 가지는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더를 제조할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 다른 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 소결 단계(S20)에 의해 제조된 금속 기재(10)에 다공성 웍(20)이 이중접합된 헤테로구조체(2)의 사시도이다.
도 3은 도 1의 금속 스페이서 형성 단계(S15) 또는 고분자 스페이서 형성 단계(S30)에서 형성되는 스페이서(35, 36, 37)의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 형상 가공 단계(S40)에 의해 제조된 히트스프레더(1)의 분할된 단면도이다.
도 5는 도 2의 냉각액 주입단계(S50)에 의해 냉각액(40)이 주입된 히트스프레더(1)의 사시도이다.
도 6은 도 2의 그래핀이 형성된 다공성 웍(20) 에서, 금속 알갱이 하나에 형성된 그래핀의 형태를 SEM 분석한 사진이다.
도 7은 실시예와 상용화된 rGO, GO를 라만 분광법으로 분석한 그래프이다.
도 8은 실시예와 다공성 구리, 벌크 구리의 냉각 속도를 비교한 열 화상 카메라 분석 사진이다.
도 9는 실시예와 다공성 구리의 열 전달을 동일한 조건에서 시뮬레이션 실험을 진행한 결과를 일정한 시간별로 나열한 그림이다.
도 10은 실시예와 다공성 구리의 온도에 따른 열 전도도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예와 다공성 구리, 순수 구리의 온도에 따른 열 전도도 감소 비율을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 다른 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도2는 도 1의 소결 단계(S20)에 의해 제조된 금속 기재(10)에 다공성 웍(20)이 이중접합된 헤테로구조체(2)의 사시도이고, 도 3은 도 1의 금속 스페이서 형성 단계(S15) 또는 고분자 스페이서 형성 단계(S30)에서 형성되는 스페이서(35, 36, 37)의 실시예를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2의 형상 가공 단계(S40)에 의해 제조된 히트스프레더(1)의 분할된 단면도이고, 도 5는 도 2의 냉각액 주입단계(S50)에 의해 냉각액(40)이 주입된 히트스프레더(1)의 사시도이다.

도 1과 같이, 상기 히트스프레더 제조 방법은, 금속 기재(10)와 금속 분말을 준비하는 단계(S10), 준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 가열 및 그래핀 연료를 주입하여 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)과 상기 금속 기재(10)가 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 것에 의해 히트패널(3)을 제작하는 소결 단계(S20); 상기 히트패널(3)을 형상 가공하여 히트스프레더(1)를 제조하는 형상 가공 단계(S40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로한다.

금속 기재(10)와 금속 분말을 준비하는 단계(S10)는 금속 포일 형태의 금속 기재(10)와 금속 분말을 준비하는 단계이다. 이때, 준비되는 금속 기재 및 금속 분말을 형성하는 금속은 구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것일 수 있다.

그리고 상기 금속 분말의 지름은 100nm ~ 1mm 일 수 있다. 금속 분말의 지름이 100nm보다 작으면, 다공성 웍(20)의 소결 시 만들어지는 기공의 크기가 너무 작기 때문에 냉각액과의 열 교환이 원활하지 못하게 된다. 그리고 금속 분말의 지름이 1mm보다 커지면, 집적도가 낮아 표면적이 줄어들어 열 교환이 원활하지 못하게 된다.

상기 소결 단계(S20)는 준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하는 단계; 상부 금속 분말 층이 형성된 상기 금속 기재(10)를 소결로에 위치시킨 후 일정 온도로 가열하는 단계; 상기 일정 온도로 가열되어 상기 금속 기재(10)에 상기 금속 분말이 소결되어 형성된 다공성 웍(20)이 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 단계; 및 상기 가열 상태에서 그래핀 연료를 상기 소결로에 주입하여 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하여 히트패널(3)을 제작하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 소결 온도가 낮을수록 비용이 다운되어 유리하나, 소결 온도가 금속 분말의 녹는점의 70% 이하로 되면 다공성 웍(20)이 하나로 소결되지 않게 된다. 그리고 소결 온도가 금속 분말의 녹는점의 70% 인 경우 다공성 웍(20)의 내부에 위치되는 금속 분말은 녹지 않지만 외부 표면은 원자 결합이 하나 부족하기 때문에 소결이 가능해 진다. 따라서 녹는점 70%의 온도에서 소결이 수행될 수 있다. 그리고 소결 온도가 녹는점의 100%를 초과하는 경우 완전 용융에 의해 기공이 형성되지 않을 수 있다. 상술한 소결 단계(S20)의 수행에 의해 형성된 헤테로구조체(2)는 도 2와 같이, 금속 기재(10) 위에 다공성 웍(20)이 헤테로 구조로 이종 접합된 구조를 가진다.

상기 소결단계(S20) 중 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하여 히트패널(3)을 제작하는 단계에서 그래핀 층의 형성을 위해 소결로 내부로 주입되는 그래핀 연료는 한 종류 이상의 에탄, 메탄, 부탄, 프로판 등의 탄화수소계 연료로 그래핀을 합성하여 그래핀 층을 형성하는 것일 수 있다. 이때, 그래핀의 합성은 화학적 합성법, CVD 성장법, 에피택시 합성법 등이 적용될 수도 있다.

상술한 소결단계(S20)에서 형성되는 그래핀 층은 합성되는 그래핀이 결정성을 유지한 채로 다공성 웍(20) 내부의 기공 표면을 감싸는 형태로 합성되는 것에 의해 형성되는 것일 수 있다. 이때 형성된 그래핀 층의 두께는 0.3 nm ~ 100 ㎛일 수 있다. 그래핀의 층의 두께가 0.3nm 이하가 되려면 탄소 원자 하나 두께보다 작기 때문에 불가능하며, 100㎛ 이상으로 두꺼워지면 상하층 상호작용(interaction)의 증가로 인해 전기 전도도 및 열 전도도 등의 특성이 현저히 낮아지는 문제가 있다.

상술한 바와 같은 소결 단계(S20)의 수행에 의해 상기 헤테로구조체(2)는 금속 기재(10) 및 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)을 가지는 히트패널(3, 도 3 참조)로 제조된다.

상기 형상 가공 단계(S40)는 상기 소결 단계(S20)의 수행에 의해 제조된 히트패널(3)을 절단하고 접어서 측부를 용접 등의 방법으로 접합하는 것에 의해도 4 및 5와 같이, 내부에 중공을 가지는 판상의 히트스프레더(1)를 제작한다.

도 3은 도 1의 스페이서 형성 단계(S40)서 형성되는 스페이서(35)의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)와 (b)는 금속 또는 세라믹 스페이서(37)가 형성된 헤테로 구조체(2)의 사시도 및 단면도이고, 도 3의 (c)와 (d)는 세라믹 스페이서(36)가 형성된 헤테로 구조체(2)의 사시도 및 단면도이다.

즉, 본 발명의 일 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법은, 상기 소결단계(S20)에서, 히트스프레더(1)의 내부 중공을 지지하고 공간을 형성하도록 하는 금속 또는 세라믹 스페이서를 형성하는 금속 또는 세라믹 스페이서 형성 단계(S15)를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 또는 세라믹 스페이서 형성단계(S15)는 상기 소결단계(S20)에서 상기 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 상기 금속 분말 층 상에 금속 또는 세라믹을 배치한 후 가열에 의해 다공성 웍(20)을 형성하고 그래핀 연료를 주입하여 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하는 것을 수행함으로써 상기 금속 또는 세라믹 스페이서가 상기 다공성 웍(20)가 일체로 형성되어 스페이서 기능을 수행하게 된다.

이 경우, 금속 또는 세라믹 스페이서(37)의 표면만 웰딩되어 고정될 수 있다. 이때의 금속 또는 세라믹 스페이서(37)로 이용되는 금속 또는 세라믹의 지름은 100un~10cm일 수 있다.

또한, 상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)는 상기 소결 단계(S20)의 수행 후 형성된 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)의 표면에 금속을 위치한 후 납땜, 용접, 내열성 접착제 등을 이용하여 접착시키는 것에 의해 형성될 수도 있다.

이와 달리, 본 발명의 일 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법은, 상기 소결단계(S20)의 수행 후, 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)의 표면에 고분자 스페이서(36)를 형성하는 고분자 스페이서 형성 단계(S30)를 더 포함할 수 있다. 상기 고분자 스페이서(36)의 경우, 포토리소그라피 방법으로 형성이 가능하다. 고분자 스페이서(36)의 경우, 포토리소그라피 방법으로 형성이 가능하고, 냉각액과 반응하지 않는 고분자 물질로 형성한다. 포토리소그라피법으로 형성하기 힘든 큰 스페이서는 그냥 접착하는 형태로 형성될 수도 있다.

상기 고분자 스페이서 형성 단계(S30)에서 형성된 고분자 스페이서의 높이는 1μm ~ 10 cm일 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법은, 상기 형상 가공 단계(S40)에서 제조된 히트스프레더(1)의 내부에 냉각액(40)을 주입하는 냉각액 주입 단계(S50);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 냉각액(40)은 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 아세톤 중 하나 이상을 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더(1)는 도 5와 같이, 내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10); 및 소결에 의해 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20);을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 금속 분말은, 구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것일 수 있다.

상기 금속 분말은, 지름이 100nm ~ 1mm일 수 있다.

상기 다공성 웍(20)은, 금속 분말 층이 형성된 금속 기재(10)를 소결로 내에 위치시킨 후, 상기 금속 분말의 녹는점의 70 ~ 100 %의 온도로 가열하여 다공성 웍를 형성하고, 가열된 상태에서 그래핀 연료를 소결로 내에 주입하여 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하는 것에 의해 제작되는 것일 수 있다.

상기 그래핀 층의 두께는, 0.3 nm ~ 100 ㎛ 일 수 있다.

또한, 상기 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더(1)는 도 3과 같이, 상기 금속 기재(10)와 상기 다공성 웍(20)으로 형성되는 헤테로구조의 상부 면에 형성되는 하나 이상의 스페이서(35)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 스페이서(35)는, 금속 또는 세라믹으로 형성되는 금속 또는 세라믹 스페이서(37) 또는 고분자로 형성되는 고분자 스페이서(36) 중 어느 하나 일 수 있다

그리고 상기 스페이서(35)의 높이는 1μm ~ 10 cm일 수 있다.

구체적으로 상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)의 형성을 위한 금속의 지름은 100un~10cm일 수 있다.

그리고 상기 고분자 스페이서(36)의 높이는 1μm ~ 10 cm일 수 있다.

도 3의 구성을 가지는 스페이서(35, 36, 37)는 도 3의 (b)와 (d)와 같이 상하부의 헤테로 구조체(2)의 중간에 위치하여 내부에 냉각액(40)이 존재할 수 있는 공간을 형성하는 기능을 수행한다. 이는 다공성 사이 공간에만 냉각액이 들어가면 너무 적은 양이기 때문이다. 또한, 스페이서(35, 36, 37)가 형성되지 않는 경우 히트스프레더(1) 중간 부분에 압력이 가해졌을 때, 변형이 쉽게 일어나게 된다. 히트스프레더(1)의 크기가 커질수록 중간 부분이 오목하게 휘는 등 구조 손상이 올 수 있다. 따라서 상기 스페이서는 건물에 들어가는 기둥과 같이 스프레더의 구조를 지지하는 기능을 수행한다.

그리고 상기 히트스프레더(1)는, 내부에 채워지는 냉각액(40)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 히트스프레더(1)는 냉각액(40)이 채워진 후 필요에 따라 개방부가 마감재로 밀봉될 수 있다.

상기 히트스프레더(1)의 각 구성의 소재, 제조 공정 및 특성에 대하여는 도 1 내지 도 5의 본 발명의 일 실시예의 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법에서 설명되었으므로, 중복 설명을 피하기 위하여 상세한 설명을 생략한다.

도 6은 도2의 그래핀이 형성된 다공성 웍(20) 에서, 금속 알갱이 하나에 형성된 그래핀의 형태를 SEM 분석한 사진이고, 도 7은 실시예와 상용화된 rGO, GO를 라만 분광법으로 분석한 그래프이다. 본 발명의 실시예와 같이, 금속 도금된 그래핀(30)에서의 라만 시프트의 강도가 현저히 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

도 8은 실시예와 다공성 구리, 벌크 구리의 냉각 속도를 비교한 열 화상 카메라 분석 사진이다. 도 8과 같이, 본 발명의 실시예와 같이 다공성 구리의 경우에 냉각 속도가 현저히 빠른 것을 알 수 있다.

도 9는 실시예와 다공성 구리의 열 전달을 동일한 조건에서 시뮬레이션 실험을 진행한 결과를 일정한 시간 별로 나열한 그림이다. 시간이 지남에 따라 실시예와 같은 다공성 구에서의 발열량이 현저히 큰 것을 확인할 수 있었다.

도 10은 실시예와 다공성 구리의 온도에 따른 열 전도도 변화를 나타낸 그래프이다. 온도에 따른 열 전도도의 감소는 실시예와 같은 다공성 구리에서 적게 발생하는 것을 알 수 있었다.

도 11은 실시예와 다공성 구리, 순수 구리의 온도에 따른 열 전도도 감소 비율을 나타낸 그래프이다. 온도에 따른 정규화된 열 전도도 감소 비율 또한 실시예와 같은 다공성 구리에서 적게 발생하는 것을 알 수 있었다.

상술한 본원 발명의 실시예에 의해 제조된 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더는 다공성 웍(20)의 표면에 형성된 고 결정성 그래핀으로 인해 높은 열 전도도를 가지며, 그래핀의 높은 열 방사능력으로 내부의 냉각액과 빠른 열 교환을 유도하여 열원에서 발생하는 열을 빠르게 이동시킬 수 있는 장점이 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 히트스프레더
2: 헤테로 구조체(이종접합체)
3: 히트패널
10: 금속 기재
20: 다공성 웍
35: 스페이서
36: 고분자 스페이서
37: 금속 또는 세라믹 스페이서
40: 냉각액

Claims

준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 상기 금속 분말 층 상에 금속 또는 세라믹 스페이서를 배치하는 금속 또는 세라믹 스페이서 형성 단계(S15);
가열 및 그래핀 연료를 주입하여 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)과 상기 금속 기재(10)가 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 것에 의해 히트패널(3)을 제작하는 소결 단계(S20); 및
상기 히트패널(3)을 형상 가공하여 히트스프레더(1)를 제조하는 형상 가공 단계(S40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에서, 상기 소결 단계(S20)는
준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하는 단계;
상부 금속 분말 층이 형성된 상기 금속 기재(10)를 소결로에 위치시킨 후 일정 온도로 가열하는 단계;
상기 일정 온도로 가열되어 상기 금속 기재(10)에 상기 금속 분말이 소결되어 형성된 다공성 웍(20)이 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 단계; 및
상기 가열 상태에서 그래핀 연료를 상기 소결로에 주입하여 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 그래핀 층을 형성하여 히트패널(3)을 제작하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 소결 단계(S20)에서 상기 금속 기재 및 금속 분말은, 구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 소결 단계(S20)에서 준비되는 금속 분말은, 지름이 100nm ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 소결단계(S20)는,
상기 금속 분말의 녹는점의 70 ~ 100 %의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 소결단계(S20)에서 상기 그래핀 층은 그래핀이 결정성을 유지한 채로 상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면을 감싸는 형태로 합성되어 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 소결단계(S20)에서 형성되는 그래핀 층의 두께는, 0.3 nm ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 형상 가공 단계(S40)에서 제조된 히트스프레더(1)의 내부에 냉각액(40)을 주입하는 냉각액 주입 단계(S50);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 또는 세라믹 스페이서 형성단계(S15)에서 금속 또는 세라믹 스페이서(37) 형성을 위한 금속의 지름은 100un~10cm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
준비된 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성한 후 가열 및 그래핀 연료를 주입하여 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)과 상기 금속 기재(10)가 접합 형성되는 헤테로구조체(hetero structure)(2)를 형성하는 것에 의해 히트패널(3)을 제작하는 소결 단계(S20);
상기 소결단계(S20)의 수행 후, 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성된 다공성 웍(20)의 표면에 고분자 스페이서를 형성하는 고분자 스페이서 형성 단계(S30); 및
상기 히트패널(3)을 형상 가공하여 히트스프레더(1)를 제조하는 형상 가공 단계(S40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 고분자 스페이서 형성 단계(S30)에서 형성된 상기 고분자 스페이서(36)의 높이는 1μm ~ 10 cm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 형상 가공 단계(S40)에서 제조된 히트스프레더(1)의 내부에 냉각액(40)을 주입하는 냉각액 주입 단계(S50);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 냉각액(40)은 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 아세톤 중 하나 이상을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더 제조 방법.
내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10);
상기 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하고, 하나 이상의 금속 또는 세라믹 스페이서(37)를 배치한 후, 그래핀 연료를 주입하며 가열하는 소결에 의해, 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20); 및
상기 다공성 웍(20)에 지지를 수행하도록 배치되는 하나 이상의 상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서, 상기 금속 분말은,
구리, 니켈, 철, 코발트, 갈륨, 인, 타이타늄 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서, 상기 금속 분말은, 지름이 100nm ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서, 상기 다공성 웍(20)은,
상기 금속 기재(10)에 상기 금속 분말의 층을 형성한 후, 상기 금속 분말의 녹는점의 70 ~ 100 %의 온도로 가열하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서,
상기 다공성 웍(20)의 내부 기공 표면에 형성되는 그래핀 층은 그래핀이 결정성을 유지한 채로 상기 다공성 웍(20) 내부의 기공 표면을 감싸도록 합성되는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서, 상기 그래핀 층의 두께는, 0.3 nm ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서,
내부에 채워지는 냉각액(40)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제14항에 있어서,
상기 금속 또는 세라믹 스페이서(37)의 형성을 위한 금속의 지름은 100un~10cm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
내부가 중공인 패드 형상의 외벽을 형성하는 금속 기재(10);
상기 금속 기재(10)에 금속 분말을 뿌려 금속 분말 층을 형성하고, 하나 이상의 고분자 스페이서(36)를 배치한 후, 그래핀 연료를 주입하며 가열하는 소결에 의해 내부 기공 표면에 그래핀 층이 형성되어 상기 금속 기재(10)의 내부 면에 형성되는 다공성 웍(20); 및
상기 다공성 웍(20)에 지지를 수행하도록 배치되는 하나 이상의 상기 고분자 스페이서(36)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제22항에 있어서,
상기 고분자 스페이서(36)의 높이는 1μm ~ 10 cm인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제22항에 있어서,
내부에 채워지는 냉각액(40);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.
제24항에 있어서, 상기 냉각액(40)은,
증류수, 메탄올, 에탄올 또는 아세톤 중 하나 이상을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 금속 그래핀 복합 구조 히트스프레더.