KR102643735B1 - 방열성이 우수한 그라파이트 시트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 관한 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 제1 그라파이트 시트(100a), 및 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b)를 포함하고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함하며, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일하게 구성되고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성된다.
상기한 구성에 의해 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예에 의한 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 접착제를 사용하지 않고 적층하여 구성됨으로써, 열전도 및 전자파 차폐효과가 우수하고 가공성을 향상시키며 열적 기계적 충격에 의한 박리현상을 방지하여 작업성 및 취급성이 우수하고 가공성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 제1 그라파이트 시트(100a), 및 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b)를 포함하고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함하며, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일하게 구성되고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성된다.
상기한 구성에 의해 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예에 의한 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 접착제를 사용하지 않고 적층하여 구성됨으로써, 열전도 및 전자파 차폐효과가 우수하고 가공성을 향상시키며 열적 기계적 충격에 의한 박리현상을 방지하여 작업성 및 취급성이 우수하고 가공성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 접착제를 사용하지 않고 적층하여 시트를 구성함으로써, 열전도 및 전자파 차폐효과가 우수하고 가공성을 향상시키며 열적 기계적 충격에 의한 박리현상을 방지하여 작업성 및 취급성이 우수하고 가공성을 향상시킬 수 있는 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 관한 것이다.
지능형 EV, 5G 무선통신의 상용화가 진행됨에 따라 고출력 전력반도체의 시장이 커지고 있으며, 이에 따라 이들에 사용되는 전자 소자의 고성능화, 고집적화가 요구되고 있다. 전자 소자의 고장을 유발하는 요소 중 온도에 의한 고장이 대부분인 만큼 기기의 작동 시 열을 효율적으로 방출하는 것이 중요하다.
하지만 전자 소자와 방열 소재의 열팽창계수 차이가 크면 계면에서 발생하는 열응력도 기기에 손상 및 오작동의 원인이 됨에 따라, 전자 소자의 수명과 신뢰성을 높이기 위해서는 방열 소재의 적절한 설계를 통해 고열전도성과 열팽창에 의한 변형 발생이 적도록 하는 것이 필요하다.
방열 소재로 구리와 같은 금속을 사용하였으나 열팽창계수(16.5 × 10-6K-1, 25℃)가 높아 휨 현상이 쉽게 발생하며, 열전도도(401Wm-1K-1) 또한 좋지 못하여 새로운 차세대 고방열 복합 소재에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
예를 들어, 판상 형태를 가지고 basal plane 방향으로 열전도 pathway를 쉽게 형성하여 열전도도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 가격도 저렴한 장점이 있는 그라파이트를 이용한 금속-그라파이트 복합 재료의 경우 그라파이트의 우수한 열전도도(2,000Wm-1K-1)와 낮은 열팽창계수(4 내지 8×10-6K-1)로 고방열 복합 소재로 각광받기 시작하였다.
하지만 금속과 그라파이트는 젖음성이 좋지 않아 금속 내 그라파이트의 고용도는 최대 0.008 중량%로 거의 없고 금속은 그라파이트와 반응을 하지 않아 계면 결합을 향상시킬 수 없다. 이렇게 금속과 그라파이트의 계면 결합이 좋지 못하면 금속과 그라파이트 간의 밀도차로 인해 그라파이트가 금속 내에 균일하게 분산되지 않아 열전도 pathway를 이루기 어려워지고, 금속과 그라파이트의 계면이 열전도의 저항 역할을 하게 되어 오히려 고방열 복합 소재의 열전도도를 초래하는 문제점이 있다.
특히, 금속과 그라파이트 간 일정 수준의 접착력을 확보하기 위하여 금속과 그라파이트 사이에 유기 성분 또는 유무기 복합 성분으로 이루어진 접착제를 배치하는 방식이 있기는 하나, 중간의 접착제에 의해 복합 소재의 두께가 증가하고, 접착제는 그 자체로 열전도가 높지 않아 열전도도 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라 그라파이트 내부의 빈 공간에 접착제가 충진되어 버리기 때문에 결국에는 방열 특성을 높이기 어려운 문제점이 있으므로, 이를 개선할 수 있는 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 접착제를 사용하지 않고 적층하여 시트를 구성함으로써, 열전도 및 전자파 차폐효과가 우수하고 가공성을 향상시키며 열적 기계적 충격에 의한 박리현상을 방지하여 작업성 및 취급성이 우수하고 가공성을 향상시킬 수 있는 방열성이 우수한 그라파이트 시트를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금속이 도금된 그라파이트를 다수개 적층하여 시트를 구성함으로써, 접착제나 양면테이프를 이용하여 접합한 종래 그라파이트 시트보다 방열성이 우수하고 수평 및 수직 열전도율도 우수한 방열성이 우수한 그라파이트 시트를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에서는 방열성이 우수한 그라파이트 시트를 개시한다.
상기 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 제1 그라파이트 시트(100a), 및 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b)를 포함하고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함하며, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일하게 구성되고, 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성된다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에서 상기 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 제1 그라파이트 시트(100a), 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b), 및 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a)와 제2 그라파이트 시트(100b)를 수직으로 관통하고 일정간격 이격되어 내부에 구리충진층(245)이 형성된 스루홀(through hole)(240)을 포함하고, 상기 스루홀(through hole)(240)의 직경은 100 내지 400㎛이고, 상기 스루홀(through hole)(240)과 스루홀(through hole)(240)의 간격(pitch)은 1 내지 10mm 범위이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예에 의한 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 접착제를 사용하지 않고 적층하여 구성됨으로써, 열전도 및 전자파 차폐효과가 우수하고 가공성을 향상시키며 열적 기계적 충격에 의한 박리현상을 방지하여 작업성 및 취급성이 우수하고 가공성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예에 의한 방열성이 우수한 그라파이트 시트는, 금속이 도금된 그라파이트를 다수개 적층되어 구성됨으로써, 접착제나 양면테이프를 이용하여 접합한 종래 그라파이트 시트보다 방열성이 우수하고 수평 및 수직 열전도율도 우수하다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예는, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a, 도 1b는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 제1 그라파이트 시트(도 1a)와, 제2 그라파이트 시트(도 1b)의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 제1 그라파이트 시트와, 제2 그라파이트 시트가 금속결합된 상태의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole)이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole) 및 그라파이트 시트 표면에 구리충진층이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수직 열전도도를 보여주는 실험결과이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수평 열전도도를 보여주는 실험결과이다.
도 7a 내지 도 7f는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 고주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
도 8a 내지 도 8g는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 저주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 제1 그라파이트 시트와, 제2 그라파이트 시트가 금속결합된 상태의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole)이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole) 및 그라파이트 시트 표면에 구리충진층이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수직 열전도도를 보여주는 실험결과이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수평 열전도도를 보여주는 실험결과이다.
도 7a 내지 도 7f는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 고주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
도 8a 내지 도 8g는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 저주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.
도 1a, 도 1b는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 제1 그라파이트 시트(도 1a)와, 제2 그라파이트 시트(도 1b)의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이고 도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 제1 그라파이트 시트와, 제2 그라파이트 시트가 금속결합된 상태의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1a 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트(10)는 제1 그라파이트 시트(100a), 및 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b)를 포함한다.
또한, 본 발명의 기술적 일 실시예에 따른 상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함한다.
또한, 본 발명의 기술적 일 실시예에 따른 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일한 구성인, 그라파이트 필름(110b), 구리도금층(120b) 및 열전도성 금속층(130b)이 적층된 형태로 구성되는데, 본 발명에 따른 그라파이트 시트(10)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 기술적 일 실시예에 따른 상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함한다.
상기 그라파이트 필름(110a)은 우수한 내열성, 내약품성, 높은 열전도성과 전기 전도성을 갖기 때문에 공업 재료로서 중요하고, 방열 재료, 내열 실링재, 개스킷, 발열체, X선 모노크로미터 등의 방사선 광학소자, 연료전지, 음향 진동판 등에서 사용되고 있다.
최근의 전자 기기는 경량화, 소형화, 박형화 및 고집적화되고 있으며, 이로 인해 전자 기기에는 많은 열이 발생하고 있고, 이러한 열은 제품의 수명을 단축시키거나 고장, 오작동 등을 유발할 수 있는데, 전자 기기에 대한 열관리가 중요한 이슈로 대두되고 있다.
상기 그라파이트 필름(110a)은 구리나 알루미늄 등의 금속 시트보다 높은 열전도율을 가져 전자 기기의 방열 부재로서 주목받고 있는데, 통상 그라파이트는 그라파이트의 한 층을 이루는 그래핀(Graphene)이 면 방향으로의 배열되어 면 방향의 열 전도율이 두께 방향의 열 전도율보다 매우 좋아 발열 소스에 부착되어 사용되거나 발열 소스와 대상물 사이에 개재되어 사용될 수 있다.
상기 구리도금층(120a)은 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 형성되는데, 상기 구리도금층(120a)은 하기의 방법으로 제조될 수 있다.
즉, 상기 구리도금층(120a)은 (1) 플라즈마 표면처리 단계, (2) 이온빔 스퍼터링 증착 단계, (3) 산처리 단계, (4) 구리 도금 단계 및 (5) 산화방지 처리 단계의 과정을 거쳐 제조된 구리도금층(120a)이 사용될 수 있다.
(1) 플라즈마 표면처리 단계
상기 플라즈마 표면처리 단계는 DC 전원을 인가하여 플라즈마 형태로 이온화시켜 이온을 그라파이트 필름(110a) 표면에 조사하는 단계이다.
상기 플라즈마는 일반적으로 진공에서 생성시킬 수 있으며, 글로우방전(Glow Discharge)과 아크방전(Arc Discharge)이 가장 많이 사용되는데, 특히 글로우 방전은 전극의 양단에 수백 볼트(Volt)의 전압을 인가하여 플라즈마 내의 양이온이 음극과 충돌하여 발생된 2차 전자가 외부로 인가한 전계에 의해 플라즈마로 가속되어 가면서 중성가스(Neutral gas)를 이온화시키고, 이때 생성된 전자가 다시 중성가스를 이온화시키는 과정이 반복되는 전자사태(Avalanche)를 일으켜 전극 양단간에 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다
상기 플라즈마를 생성시키는 방법으로는 펄스 코로나 방전(pulsed corona discharge)과 유전막 방전(dielectric barrier discharge)이 일반적으로 사용되고 있다. 코로나 방전은 고전압 펄스 전원을 이용해서 처리 대상에 플라즈마를 생성시키는 방법이고, 유전막 방전은 두 개의 전극 중 적어도 하나는 유전체를 사용하고, 이러한 전극에 수십 Hz 내지 수 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 방법이다. 방전전극은 평판 대 평판 타입, 평판 대 봉 타입, 봉 대 봉 타입, 이중 실린더 타입 등과 같은 전극들이 서로 마주보는 형상으로 배열을 이루고 있다.
예를 들어, 상기 플라즈마 표면처리 단계에서 DC 글로우 방전을 활용하여 개질 처리시 그라파이트 필름(110a)이 이동 속도는 1.2 내지 1.8m/s로 하여 1 내지 3KVA의 공급 전력을 인가할 수 있는데, 이 경우 표면처리 효율은 필름의 공급량이 적고 공급 전력이 증가할수록 표면장력이 커지고 소수성의 그라파이트 필름(110a)이 친수성을 갖는 필름으로 개질처리될 수 있다.
상기 플라즈마 표면처리 단계에서 그라파이트 필름(110a) 표면에 플라즈마 표면처리하는 구성은 공지의 기술인바, 설명의 편의 및 본 발명의 기술적 사상의 명학성을 위하여 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
(2) 이온빔 스퍼터링 증착 단계
상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계는 상기 플라즈마 표면처리된 그라파이트 필름(110a) 상에 이온빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 금속시드층을 형성하는 단계이다.
상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계에서는 공지의 이온빔 증착장치를 이용하여 수행될 수 있는데, 예를 들어, 상기 이온빔 증착장치의 작업 압력은 0.000001 내지 0.00001torr에서 수행됨으로써 그라파이트 필름(110a) 모재와 밀착력이 좋은 고품질의 금속 박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계에서 상기 이온빔 증착장치를 구성하는 챔버는 70 내지 75℃ 온도로 유지되고, 이온빔 소스에서 방출되는 이온빔은 10 내지 20Kev의 범위, 더욱 바람직하게는 15 내지 18Kev의 범위일 수 있는데, 상기한 범위 내에서 이온빔 스퍼터링 증착 공정을 수행함으로써 그라파이트 필름(110a) 상에 밀착력이 우수한 금속시드층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계에서는 상기 그라파이트 필름(110a)과의 밀착성을 개선하기 위하여 2회의 증착 공정으로 수행될 수 있는데, 예를 들어, 1차 증착은 상기 그라파이트 필름(110a) 상에 크롬(Chrome)을 10~1000Å(옹스트롱) 두께로, 더욱 바람직하게는 20~200Å 두께로 증착하여 크롬층을 형성하고, 상기 크롬층에 친수성 및 전도성을 향상시키기 위하여 2차 증착으로 니켈을 10~1000Å 두께로, 더욱 바람직하게는 100~200Å의 두께로 니켈층을 형성할 수 있다.
(3) 산처리 단계
상기 산처리 단계는 상기 금속시드층이 형성된 그라파이트 필름(110a)을 산처리(Pickling)하여 세척하는 단계이다.
상기 산처리 단계에서는 상기 금속시드층이 형성된 그라파이트 필름(110a)을 산처리(Pickling)하여 세척함으로써, 금속시드층(또는, 니켈) 상에 형성된 산화막을 제거함과 동시에, 전해 구리도금을 하기 전에 그라파이트 상의 니켈 표면을 활성화할 수 있다.
구체적으로, 상기 산처리 단계에서는 물에 희석된 염산 2~6%(w/w) 농도로 상기 금속시드층이 형성된 그라파이트 필름(110a)을 세척할 수 있는데, 상기 염산의 농도가 2%(w/w) 미만으로 사용되는 경우에는 상기 금속시드층이 형성된 그라파이트 필름(110a)이 충분히 세척되기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 6%(w/w)를 초과하는 경우에는 염산의 농도가 과도하게 높아 증착된 금속시드층 표면이 산화되어 추후 공정에서 도금되는 구리와의 밀착력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
(4) 구리 도금 단계
상기 구리 도금 단계는 상기 산처리된 그라파이트 필름(110a)에 구리도금액을 이용하여 구리도금층(120a)을 형성하는 단계이다.
상기 구리도금층(120a)을 형성하는 구리는 전자파차폐 재료로서 우수한 성능을 가지고 있으며, 휴대폰 및 피디에이(PDA), 노트북 같은 휴대용 통신설비와 같이 인체에 근접 사용되는 아이티(IT)제품의 전자파차폐에 효과적인 것으로 알려져 있어 박판이나 메쉬(Mesh)의 형태로 다양하게 사용되고 있다.
상기 구리 도금 단계에서 상기 구리도금액은 0.5 내지 1M의 CuSO4와, 0.5 내지 1.5M의 H2SO4와, 200 내지 400ppm의 TU(CH4N2S)와, 3 내지 10mg/ℓ의 2-메르캅토 벤즈이미다졸과, 0.2 내지 0.5㎖/ℓ의 폴리에틸렌글리콜과, 50 내지 150ppm의 SVH(C10H13NO3S)를 포함할 수 있다.
상기 TU(CH4N2S)는 구리 이온의 구리 이온의 환원반응을 억제하며, 상기 2-메르캅토 벤즈이미다졸은 구리 도금층의 구리 결정 입도(grain size)를 최소화하기 위하여 사용되며, 상기 폴리에틸렌글리콜은 구리 도금의 균일전착성(throwing power)을 개선하기 위하여 사용되고, 상기 SVH(C10H13NO3S)는 구리 이온의 환원반응을 촉진하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 상기 구리 도금 단계에서 상기 구리도금층(120a)의 구리 결정 입도(grain size)는 0.05 내지 0.09㎛ 범위이고, 상기 구리도금층(120a)의 인장강도(Tensile Strength)(N/㎡)는 14 내지 23(N/㎡) 범위이며, 경도(Hardness)는 50 내지 57kg/mm2 (단위 : Vickers Hardness Number, VHN200) 범위인 것이 바람직하다.
(5) 산화방지 처리 단계
상기 산화방지 처리 단계는 상기 구리도금층(120a)에 산화방지액을 처리하여 산화를 방지하는 단계이다.
일반적으로 그라파이트 필름(110a) 상에 도금된 구리도금층(120a) 표면은 산소와 결합시 적청 및 녹청이 발생할 수 있는데, 상기 산화방지 처리 단계에서는 상기 구리도금층(120a)에 산화방지액을 처리함으로써, 상기 구리도금층(120a)의 산화 발생을 방지하고 구리도금층(120a)이 변색되는 것을 방지할 수 있다.
상기 산화방지 처리 단계에서 상기 산화방지액은 벤조트리아졸, 개미산(formic acid), 구연산(citric acid), 구리염 및 안정제를 포함한다.
또한, 상기 산화방지액 전체 함량 중에서 상기 벤조트리아졸은 50 내지 200g/ℓ, 상기 개미산(formic acid)은 200 내지 400㎖/ℓ, 상기 구연산(citric acid)은 100 내지 200㎖/ℓ, 상기 구리염은 30 내지 70g/ℓ, 상기 안정제는 20 내지 40mg/ℓ 범위로 포함될 수 있다.
상기 벤조트리아졸은 구리도금층(120a)의 산화를 방지하기 위하여 포함되고, 산화방지액 전체 함량 중에서 50 내지 200g/ℓ 범위로 포함될 수 있는데, 상기 벤조트리아졸이 50g/ℓ 미만으로 포함되는 경우에는 구리도금층(120a) 표면의 산화를 방지하기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 200g/ℓ를 초과하는 경우에는 구리도금층(120a) 표면의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 개미산(formic acid)과 구연산(citric acid)은 구리 이온과 착체를 형성하여 구리의 전해질로 기능함과 동시에 산화방지액 조성물의 안정성을 향상시키고 산화방지액의 산화 방지 효과를 증진시킬 수 있다.
상기 개미산(formic acid)은 산화방지액 전체 함량 중에서 200 내지 400㎖/ℓ 범위로 포함되고, 상기 구연산(citric acid)은 산화방지액 전체 함량 중에서 100 내지 200㎖/ℓ 범위로 포함될 수 있는데, 상기 개미산과 구연산의 함량이 상기한 하한 범위 미만으로 포함되는 경우에는 유기산 이온을 충분히 공급하기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 상기한 상한 범위를 초과하여 포함되는 경우에는 산화방지액의 안정성 및 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 구리염은 구리도금층(120a)의 산화제로 작용하는 성분으로, 구리 이온을 공급할 수 있는데, 구리 이온을 공급할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 상기 구리염으로는 초산구리, 질산구리, 염화구리, 요오드화구리, 브롬화구리, 황산제이구리 및 구리아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 구리염은 산화방지액 전체 함량 중에서 30 내지 70g/ℓ 범위로 포함될 수 있는데, 상기 구리염이 30g/ℓ 미만으로 포함되는 경우에는 구리 이온이 충분히 공급되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 70g/ℓ를 초과하여 포함되는 경우에는 산화방지액의 안정성 및 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 안정제는 티오화합물이 사용되고, 산화방지액 전체 함량 중에서 20 내지 40mg/ℓ 범위로 포함될 수 있는데, 상기 안정제의 함량이 20mg/ℓ 미만으로 포함되는 경우에는 산화방지액의 안정화 정도가 미미할 수 있고, 40mg/ℓ를 초과하여 포함되는 경우에는 안정제의 사용에 따른 효과의 증가가 현저하지 않고 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 상기 안정제로 사용되는 티오화합물로는 티오우레아(thiourea), 알킬티오우레아(alkyl thiourea), 머캡토(mercapto) 화합물, 티아졸(tyazole) 화합물, 티오황산소다(sodium thiosulfate), 티오시안산나트륨(sodium thiocyanate), 티오시안산칼륨(potassium thiocyanate), 티오글리콜산(thio glycolic acid) 및 티오디글리콜산(thio diglycolic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 열전도성 금속층(130a)은 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하고 열전도성 금속이 상기 구리도금층(120a) 상에 도금되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 금속층(130a)을 형성하는 금속으로는 니켈, 텅스텐, 크롬, 아연, 은, 알루미늄, 몰리브덴, 나이오븀, 루테늄, 지르코늄 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속일 수 있는데, 바람직하게는 은(Ag)이 사용될 수 있고, 상기 열전도성 금속층(130a)은 상기 구리도금층(120a) 상에 20 내지 50g/dm2으로 도금될 수 있다.
본 발명의 기술적 일 실시예에 따른 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일한 구성으로 그라파이트 필름(110b), 구리도금층(120b) 및 열전도성 금속층(130b)이 적층되어 형성된바, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)의 구성은 상술한 제1 그라파이트 시트(100a)의 구성에 대한 설명으로 대체하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 그라파이트 시트(10)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성되는데, 예를 들어, 상기 그라파이트 시트(10)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 적층된 후 예열로의 온도 200 내지 300℃ 및 프레스롤의 압력 1,000 내지 2,000 psi 하에서 열가압되어 금속접합됨으로써 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole)이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에서 스루홀(through hole) 및 그라파이트 시트 표면에 구리충진층이 형성된 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3 및도 4를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트(20)는 제1 그라파이트 시트(100a), 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b), 및 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a)와 제2 그라파이트 시트(100b)를 수직으로 관통하고 일정간격 이격되어 내부에 구리충진층(245)이 형성된 스루홀(through hole)(240)을 포함한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트(20)에서 상기 제1 그라파이트 시트(100a) 및 제2 그라파이트 시트(100b)의 구성은 상술한 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시(10)트와 동일한 바, 설명의 편의 및 본 발명의 기술적 사상의 명확성을 위하여 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에서는 구리충진층(245)이 형성된 상기 스루홀(through hole)(240)의 구성에 대해서만 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 스루홀(through hole)(240)은 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a)와 제2 그라파이트 시트(100b)를 수직으로 관통하고 일정간격 이격되어 형성되며, 상기 스루홀(through hole)(240) 내부에는 구리가 도금되어 형성된 구리충진층(245)이 구성될 수 있다.
상기 스루홀(through hole)(240)은 공지의 레이저 및 프레스 펀치를 이용하여 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a)와 제2 그라파이트 시트(100b)를 타공하여 형성하는데, 예를 들어, 상기 스루홀(through hole)(240)의 직경은 100 내지 400㎛이고, 상기 스루홀(through hole)(240)과 스루홀(through hole)(240)의 간격(pitch)은 1 내지 10mm 범위일 수 있다.
상기 구리충진층(245)은 상기 스루홀(through hole)(240) 내부와, 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a) 및 제2 그라파이트 시트(100b) 표면에 형성되는데, 예를 들어, 상기 구리충진층(245)은 스루홀(through hole)(240)을 타공하여 형성한 후 상기 스루홀(through hole)(240)이 형성된 그라파이트 시트(20)를 구리도금액을 이용하여 구리도금 충진(fill-up) 또는 그라파이트 시트(20) 표면을 구리 도금함으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 구리도금액은 구리도금층(120a, 120b)을 형성하는데 사용된 구리도금액이 사용될 수 있는데, 구체적으로, 상기 구리도금액은 0.5 내지 1M의 CuSO4와, 0.5 내지 1.5M의 H2SO4와, 200 내지 400ppm의 TU(CH4N2S)와, 3 내지 10mg/ℓ의 2-메르캅토 벤즈이미다졸과, 0.2 내지 0.5㎖/ℓ의 폴리에틸렌글리콜과, 50 내지 150ppm의 SVH(C10H13NO3S)를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 그라파이트 시트(20)에서는 상기와 같이 스루홀(through hole)(240)을 형성하고 상기 스루홀(through hole)(240)을 포함하는 그라파이트 시트(20)(즉, 금속접합된 제1 그라파이트 시트(100a) 및 제2 그라파이트 시트(100b))의 스루홀(through hole)(240) 내부 및 표면에 구리충진층(245)을 형성함으로써, 수평 방향으로의 방열성 뿐만 아니라 수직 방향으로의 방열성을 증진시키고, 이로 인해 종래 기술보다 방열성 및 열전도성이 우수한 그라파이트 시트(20)를 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 방열성이 우수한 그라파이트 시트에 대한 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
< 실시예 >
먼저, 제1 그라파이트 시트와 제2 그라파이트 시트를 제조하여 준비하였다.
이때, 상기 제1 그라파이트 시트와 제2 그라파이트 시트는 동일한 구성으로 형성하였는데, 상기 제1 그라파이트 시트(또는, 제2 그라파이트 시트)는 하기의 방법으로 제조하였다.
먼저, 제1 그라파이트 시트를 제조하기 위하여, DC 글로우 방전을 활용하여 이동 속도는 1.5m/s로 하여 2KVA의 공급 전력을 인가하여 그라파이트 필름을 플라즈마 표면처리 하였다.
다음으로, 공지의 이온빔 증착장치의 작업 압력은 0.0000015torr, 챔버는 73℃ 온도, 이온빔 소스에서 방출되는 이온빔은 15Kev인 공정 조건에서 150Å 두께로 1차 증착하여 크롬층을 형성하였고, 상기 크롬층에 친수성 및 전도성을 향상시키기 위하여 2차 증착으로 니켈을 150Å의 두께로 니켈층을 형성하였다.
그 다음으로, 물에 희석된 염산 4%(w/w) 농도로 상기 니켈층을 포함하는 그라파이트 필름을 세척하였고, 0.8M의 CuSO4와, 1M의 H2SO4와, 300ppm의 TU(CH4N2S)와, 7mg/ℓ의 2-메르캅토 벤즈이미다졸과, 0.35㎖/ℓ의 폴리에틸렌글리콜과, 100ppm의 SVH(C10H13NO3S)를 포함하는 구리도금액을 이용하여 상기 니켈층 상에 구리도금층을 형성하였다.
이어서, 상기 구리도금층에 산화방지액을 처리하여 산화 및 변색을 방지하였다.
이때, 상기 산화방지액 전체 함량 중에서 벤조트리아졸은 130g/ℓ, 개미산(formic acid)은 300㎖/ℓ, 구연산(citric acid)은 150㎖/ℓ, 구리염은 50g/ℓ, 안정제는 30mg/ℓ 범위로 포함되었다.
다음으로, 상기 구리도금층 일측면에 열전도성 금속층을 형성하였는데, 상기 열전도성 금속층으로는 은(Ag)을 도금하여 형성하였다.
그리고 상기 제1 그라파이트 시트에 형성된 열전도성 금속층(즉, 은(Ag) 도금층)과, 상기 제2 그라파이트 시트에 형성된 열전도성 금속층(즉, 은(Ag) 도금층)이 직접 맞닿도록 적층한 후 예열로의 온도 250℃ 및 프레스롤의 압력 1,500 psi 하에서 열가압하여 상기 열전도성 금속층(즉, 은(Ag) 도금층)을 금속접합하였다.
다음으로, 공지의 레이저 및 프레스 펀치를 이용하여 상기 금속접합된 제1 그라파이트 시트와 제2 그라파이트 시트를 타공하여 스루홀(through hole)을 형성하였는데, 상기 스루홀(through hole)의 직경은 250㎛이고, 상기 스루홀(through hole)과 스루홀(through hole)의 간격(pitch)은 5mm 범위가 되도록 하였다.
이어서, 상기 스루홀(through hole) 내부와, 금속접합된 제1 그라파이트 시트 및 제2 그라파이트 시트 표면을 구리도금액으로 도금(또는, 충진(fill-up))함으로써, 구리충진층이 형성된 그라파이트 시트를 제조하였다.
이때, 상기 구리도금액은 0.8M의 CuSO4와, 1M의 H2SO4와, 300ppm의 TU(CH4N2S)와, 7mg/ℓ의 2-메르캅토 벤즈이미다졸과, 0.35㎖/ℓ의 폴리에틸렌글리콜과, 100ppm의 SVH(C10H13NO3S)를 포함하는 구리도금액을 이용하였다.
상기 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 물성을 측정하였다.
(1) 수직 열전도도 및 수평 열전도도 측정
실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수직 열전도도 및 수평 열전도도를 측정하였고, 그 결과를 도 5와 도 6에 나타내었다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수직 열전도도를 보여주는 실험결과이고, 도 6은 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 수평 열전도도를 보여주는 실험결과이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트는 수직 열전도도 뿐만 아니라 수평 열전도도도 우수한 것을 확인할 수 있다.
(2) 고주파 전자파 차폐효과 측정
실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 고주파 전자파 차폐효과를 측정하였고, 그 결과를 도 7a 내지 도 7f에 나타내었다.
도 7a 내지 도 7f는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 고주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트는 고주파로 이루어진 전자파의 차폐효과가 우수한 것을 확인할 수 있다.
(3) 저주파 전자파 차폐효과 측정
실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 저주파 전자파 차폐효과를 측정하였고, 그 결과를 도 8a 내지 도 8g에 나타내었다.
도 8a 내지 도 8g는 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트의 저주파 전자파 차폐효과를 측정한 시험성적서이다.
도 8a 내지 도 8g를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 그라파이트 시트는 저주파로 이루어진 전자파의 차폐효과가 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 20; 그라파이트 시트
100a; 제1 그라파이트 시트(100a)
110a, 110b; 그라파이트 필름
120a, 120b; 구리도금층
130a, 130b; 열전도성 금속층
240; 스루홀
245; 구리충진층
100a; 제1 그라파이트 시트(100a)
110a, 110b; 그라파이트 필름
120a, 120b; 구리도금층
130a, 130b; 열전도성 금속층
240; 스루홀
245; 구리충진층
Claims (6)
- 제1 그라파이트 시트(100a), 및 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 금속접합된 제2 그라파이트 시트(100b)를 포함하고,
상기 제1 그라파이트 시트(100a)는 그라파이트 필름(110a), 상기 그라파이트 필름(110a) 일측면에 위치하는 구리도금층(120a), 및 상기 구리도금층(120a) 일측면에 위치하는 열전도성 금속층(130a)을 포함하며, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)는 상기 제1 그라파이트 시트(100a)와 동일하게 구성되고,
상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 접촉된 후 금속접합됨으로써 형성되며,
상기 구리도금층(120a)은, DC 전원을 인가하여 플라즈마 형태로 이온화시켜 이온을 그라파이트 필름 표면에 조사하는 플라즈마 표면처리 단계, 상기 플라즈마 표면처리된 그라파이트 필름 상에 이온빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 금속시드층을 형성하는 이온빔 스퍼터링 증착 단계, 상기 금속시드층이 형성된 그라파이트 필름을 산처리(Pickling)하여 세척하는 산처리 단계, 상기 산처리된 그라파이트 필름의 금속시드층에 구리도금액을 이용하여 구리도금층을 형성하는 구리 도금 단계, 및 상기 구리도금층에 산화방지액을 처리하여 산화를 방지하는 산화방지 처리 단계(S600)의 과정을 거쳐 제조되고,
상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계에서 이온빔 증착장치의 작업 압력은 0.000001 내지 0.00001torr에서 수행되고, 상기 이온빔 증착장치를 구성하는 챔버는 70 내지 75℃ 온도로 유지되고, 이온빔 소스에서 방출되는 이온빔은 15 내지 18Kev의 범위이며, 상기 이온빔 스퍼터링 증착 단계에서는 상기 그라파이트 필름 상에 크롬(Chrome)을 10~1000Å(옹스트롱) 두께로 증착하여 크롬층을 형성하고, 상기 크롬층에 니켈을 100~200Å의 두께로 니켈층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열성이 우수한 그라파이트 시트.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 열전도성 금속층(130a)을 형성하는 금속으로는 니켈, 텅스텐, 크롬, 아연, 은, 알루미늄, 몰리브덴, 나이오븀, 루테늄, 지르코늄 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속이 사용되는 것을 특징으로 하는 방열성이 우수한 그라파이트 시트.
- 제 3항에 있어서,
상기 제1 그라파이트 시트(100a)에 형성된 열전도성 금속층(130a)과, 상기 제2 그라파이트 시트(100b)에 형성된 열전도성 금속층(130b)이 직접 맞닿아 적층된 후 예열로의 온도 200 내지 300℃ 및 프레스롤의 압력 1,000 내지 2,000 psi 하에서 열가압되어 금속접합됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 방열성이 우수한 그라파이트 시트. - 삭제
- 삭제
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