KR200492216Y1 - 흑연 물품 - Google Patents

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KR200492216Y1 KR2020197000020U KR20197000020U KR200492216Y1 KR 200492216 Y1 KR200492216 Y1 KR 200492216Y1 KR 2020197000020 U KR2020197000020 U KR 2020197000020U KR 20197000020 U KR20197000020 U KR 20197000020U KR 200492216 Y1 KR200492216 Y1 KR 200492216Y1
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네오그라프 솔루션즈, 엘엘씨
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Abstract

흑연 물품을 손상시키지 않으면서 100 KPa 이하의 접촉 압력에서 3 퍼센트 (3%) 초과만큼 압축시킴으로써 흑연 물품이 나타내는 열 임피던스가 감소될 수 있는 흑연 물품. 또한 75 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 흑연화된 중합체를 포함하는 흑연 물품. 바람직하게는 흑연은 1.50 g/cc 미만의 밀도 및 100 KPa의 접촉 압력에서 3% 초과의 압축률을 갖는다. 또한 물품은 일반적으로 시트 유사 형상을 갖는다. 이들 물품은 열원으로부터의 열을 소산시키는 열관리 시스템에서 사용될 수 있다.

Description

흑연 물품 {A GRAPHITE ARTICLE}
본 출원은 2013년 11월 5일에 출원된 미국 가출원 제61/899,998호에 대해 우선권을 주장한다. 전술된 출원에 대한 우선권의 이익은 본원에서 적어도 35 U.S.C.§365에 의거하여 주장된다.
본원에 기술된 물품은 일반적으로 흑연 물품, 특히 열관리 시스템에서 응용될 수 있는 흑연 물품의 분야에 관한 것이다.
흑연 물품은 다양한 장치를 위한 열관리에서 사용되어 왔다. 흑연의 이러한 종래의 용도는 열원으로부터 멀어지는 z 방향으로 열을 소산시키거나 또는 열원 상에 나타난 과열점으로부터 멀어지는 x-y 방향으로 열을 확산시키는 것을 포함하였다.
z 방향으로 열을 소산시키는 경우에, 열원과 열 소산 요소 사이의 거리를 최소화하는 것이 통념이다. 이는 통념에 따라 흑연 물품의 두께를 최소화하여 물품의 본체-관통(thru-body) 방향 열 임피던스를 최소화함으로써 달성된다.
본원에 포함된 실시양태는 흑연 물품을 손상시키지 않으면서 100 KPa 이하의 접촉 압력에서 3 퍼센트 (3%) 초과만큼 압축시킴으로써 흑연 물품이 나타내는 열 임피던스를 감소시킬 수 있는 흑연 물품이다.
또 다른 실시양태는 50 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 흑연화된 중합체를 포함하는 흑연 물품을 포함한다. 바람직하게는 흑연은 1.50 g/cc 미만의 밀도 및 100 KPa의 접촉 압력에서 3% 초과의 압축률을 갖는다. 또한 물품은 일반적으로 시트 유사 형상을 갖는다.
상기 간단한 설명과 하기 상세한 설명 둘 다는 본 개시내용의 실시양태를 제공하며 청구된 바와 같은 본 고안의 본질 및 특성의 이해를 위한 개요 또는 기본틀을 제공하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본원에 기술된 물품의 상면도이다.
도 2는 화살표 B를 따라 회전된 도 1의 선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 도 2의 대안적인 실시양태의 화살표 B를 따라 회전된 도 1의 선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본원에 기술된 또 다른 물품의 측면도이다.
도 5 내지 5c는 본원에 개시된 흑연 물품을 포함하는 열관리 시스템의 다양한 실시양태의 개략도이다.
도 6은 흑연 물품을 포함하는 열관리 시스템의 또 다른 실시양태의 개략도이다.
본원에 개시된 물품은 일반적으로 시트 유사 형상을 갖는 흑연 물품을 포함한다. 물품은 50 마이크로미터 이상, 바람직하게는 75 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 흑연화된 중합체를 포함한다. 물품의 두께는 300 마이크로미터까지의 범위일 수 있다. 임의적인 예시적인 두께는 75 마이크로미터 이상, 100 마이크로미터 이상, 150 마이크로미터 이상, 200 마이크로미터 이상, 250 마이크로미터 이상 또는 500 마이크로미터 이하 등 임의의 다른 요구되는 두께를 포함할 수 있다. 흑연의 밀도는 전형적으로 1.50 g/cc 미만이다. 물품의 임의의 주어진 실시양태의 경우에, 밀도는 최종 응용분야에 요구되는 바와 같은 1.25 g/cc 미만 내지 약 0.3 g/cc의 범위일 수 있다. 이러한 범위의 종점들 사이의 모든 밀도가 본원에 개시되고 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예시적인 밀도는 0.4 g/cc 미만, 0.5 g/cc 미만, 0.6 g/cc 미만, 0.7 g/cc 미만, 0.85 g/cc 미만, 1.0 g/cc 미만 및 1.25 g/cc 미만을 포함한다.
물품은 100 KPa의 접촉 압력에서 3% 초과의 압축률을 갖는다. 주어진 실시양태를 위한 예시적인 압축률은 3% 초과 내지 75% 이하의 범위일 수 있다. 압축률의 특정한 예는 5% 초과, 10% 초과, 20% 초과, 25% 초과, 30% 초과, 및 65% 이하를 포함한다. 압축률의 숫자의 의미의 비제한적 예를 제공하자면, 압축된 두께가 원래 두께의 35%라면, 물품은 65%의 압축률을 나타낸 것이다.
물품의 압축률의 시험은 임의의 특정한 방법 또는 기기에 제한되지는 않는다. 압축률을 시험하는데 사용될 수 있는 예시적인 기기는 그리닝(Greening) 모델 1140 압축률 시험기 및 테스트 머신 인크.(Test Machine Inc.) ("TMI") 압축 시험기 모델 17-76 또는 17-77을 포함한다. 이러한 두께의 감소는, 물품의 파열 또는 다른 파괴가 없는, 두께의 영구적 감소일 수 있다. 물품의 두께 변화를 측정함으로써 압축률을 측정하는 경우에, 마하 익스트림(Mahr Extreme) 두께 시험 기기가 사용될 수 있다.
임의로, 물품은 하나 이상의 도펀트를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 도펀트는 전도성 중합체일 수 있고, 또 다른 도펀트는 EMI 개질제를 포함할 수 있다. EMI 도펀트의 예는 니켈, 구리, 뮤-금속(mu-metal) 및 그의 조합을 포함한다. 뮤-금속은 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는 니켈-철 합금이다. 전도성 중합체는 또한 물품의 표면 상에서 유익한 습윤 성질을 가질 수 있다. 중합체의 비제한적 예는 전도성 물질이 채워진 오일 또는 중합체를 포함할 수 있다. 다른 도펀트는 상 변화 물질 또는 유전 물질을 포함한다. 오일, 그리스 또는 상 변화 물질 (비제한적 예는 왁스)을 포함하는 물품의 경우에, 물품은, 물품이 하나 이상의 열원과 열 소산 요소 사이의 열계면으로서 응용되는 경우에 나타내는 접촉 저항을 감소시키기에 충분한 양의 오일, 그리스 또는 상 변화 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 도펀트는 액체, 입자, 분말 또는 필라멘트의 형태일 수 있다. 비제한적 예시적인 실시양태에서, 물품은 5 중량 퍼센트 이상의 도펀트를 포함한다. 물품이 도펀트를 포함하는 경우에, 물품을 구성하는 흑연의 하나 이상의 표면은 천공, 노치, 절취부 및 그의 조합을 포함할 수 있다. 이는 변형부라고 지칭될 수 있다. 바람직하게는 변형부는 도펀트를 흑연 내에 기계적으로 봉입시키는 것을 돕는 크기, 형상 및 위치를 갖는다. 변형부의 기능의 예는 이들을 전체 물품에 도펀트를 함침시키거나 또는 도펀트를 물품의 하나 이상의 표면 상에 배치하는데 사용할 수 있는 것을 포함한다. 물품 (10)은 도 4에서 물품 (10)의 주 표면 (24) 상에 다수의 절취부 (22)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 절취부는 실질적으로 비둘기 꼬리 구조를 갖는다. 본원에서 고려되는 절취부는 임의의 특정 방향으로 배열된 것에 제한되지는 않는다.
또다시, 물품이 열계면 응용분야에서 사용되는 경우에, 물품은 200 KPa 이상의 접촉 압력에서 0.019 ℃/W 미만의 저항률을 나타낼 수 있다. 적합한 저항률의 예는, ASTM D5470 표준 시험 방법의 요건을 충족하는 기기에서 측정 시, 0.015 ℃/W 미만, 0.010 ℃/W 미만, 0.08 ℃/W 미만을 포함한다.
700 KPa 이상의 접촉 압력에서, 흑연 물품은 0.25 ㎠℃/W 이하, 바람직하게는 0.20 ㎠℃/W 이하의 총 열 임피던스를 나타낸다. 총 열 임피던스는 물품이 나타내는 접촉 임피던스와 본체-관통 방향 임피던스의 척도이다.
또 다른 실시양태에서, 접촉 압력이 100 KPa로부터 700 KPa로 증가함에 따라, 흑연 물품이 나타내는 총 열 임피던스는 6배 이상, 바람직하게는 7배 이상, 더욱 더 바람직하게는 8배 이상만큼 감소한다.
상기에 기재된 흑연 물품의 또 다른 이점은 접촉 압력이 물품 상에 가해짐에 따라 물품의 평면-내(in-plane) 방향 열 전도도가 증가할 수 있다는 것이다. 예를 들어 접촉 압력이 100 KPa로부터 700 KPa로 증가함에 따라, 물품이 나타내는 평면-내 방향 열 전도도가 1.25배 이상, 바람직하게는 1.5배 이상, 더 바람직하게는 2배 이상까지 증가할 수 있다.
물품은 모노리스형 물품일 수 있고; 모노리스는 본원에서는 물품이 요구되는 두께를 달성하도록 여러 개의 흑연 시트를 포함하지 않음을 의미하는데 사용된다. 다르게 말하자면, 물품은 흑연의 단일 시트로 본질적으로 이루어질 수 있다. 또 다르게 말하자면, 이는 물품이 흑연 시트를 하나를 초과하게 갖지 않을 수 있다는 것이다.
상이한 실시양태에서, 물품은 전술된 흑연 시트 중 하나 초과를 포함할 수 있다. 바람직하게는 각각의 흑연 시트는 각각의 개별 흑연 시트의 x-y 평면이 물품의 수평 방향이고 물품의 수직 방향이 아니도록 하는 방향으로 배열된다. 다양한 시트가 임의의 요구되는 두께로 적층될 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 임의로, 열가소성 시트가 인접한 흑연 시트들 사이에 배치될 수 있다. "N"개의 흑연 시트를 포함하는 물품의 경우에, 물품은 "N-1"개 이하의 열가소성 시트를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 열가소성 시트는 두(2) 개의 상이한 흑연 시트들 사이에 배치된다.
물품은 단지 흑연만을 포함하는 것에 제한되지는 않는다. 물품은 물품의 표면의 하나 이상 상에 접착제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 물품은 물품의 주 표면의 하나 이상 상에 접착제를 포함할 수 있다. 접착제는 물품의 주 표면의 하나 상에 완전히 도포될 수 있다. 대안으로서, 접착제는 그림 액자 방향으로, 예컨대 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 주 표면의 주변부의 충분한 외부 부분에 도포될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물품 (10)은 주 표면 (14)을 갖는 흑연 시트 (12)를 포함한다. 접착제 (16)는 주 표면 (14)의 주변부 구획에 도포된다. 도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 취해진 단면도이고 화살표 B의 방향으로 회전되어 있다. 또 다른 실시양태에서, 접착제는, 도 3에 도시된 바와 같이, 주 표면의 주변부의 셋(3) 이상의 가장자리 구획에 도포될 수 있다. 요구되는 경우에, 물품 (10)은, 열원이 접착제 (16)와 맞물릴 수 있도록 하는 크기 또는 열원이 물품 (10)의 외부 흑연 부분과 직접 맞물리도록 열원이 접착제 내부에 꼭 맞도록 하는 크기를 가질 수 있다.
물품은, 접착제의 대안으로서 또는 접착제와의 조합으로서, 물품의 주 표면의 하나 상에 제1 열가소성 층을 포함할 수 있다. 제2 열가소성 층이 물품의 다른 주 표면 상에 존재할 수 있다. 요구되는 경우에, 제1 또는 제2 열가소성 층 또는 둘 다는 물품의 외부 표면을 형성할 수 있다. 물품의 특정한 실시양태에서, 열가소성 층은 열원과 열적으로 접촉하도록 배치된 주 표면 상에 위치하지 않는다. 다르게 말하자면, 열가소성 층은 열원과 마주보도록 의도된 주 표면 상에 배치될 수 있다.
추가의 특정한 실시양태에서, 요구되는 경우에, 물품은 열가소성 물질의 밀봉된 봉지일 수 있다. 밀봉된 봉지는, 물품의 흑연 시트가 열가소성 시트 내에 기밀 동봉되도록, 열가소성 층이 흑연 시트의 가장자리 너머로 연장된 경우를 기술하는데 사용될 수 있다. 특정한 밀봉된 봉지 실시양태에서, 열가소성 시트 또는 시트들은 물품의 주변부의 요구되는 부분 주위에 틀을 형성함으로써, 흑연 물품의 중앙 부분이 열가소성 층에 의해 덮이지 않은 각각의 주 표면 상에 있도록 할 수 있다. 임의로, 흑연 물품의 단지 하나의 주 표면이 전술된 틀 봉지 밀봉물로 덮일 수 있다.
특정한 실시양태에서, 물품은 0.127 ㎜ 미만의 결합선 두께를 갖는다. 결합선 두께는 물품의 전체 두께이다.
물품은 열관리 시스템 내에 포함될 수 있다. 물품의 하나의 주 표면은 물품이 열적으로 접촉하는 열원의 접촉 표면적과 실질적으로 유사한 접촉 표면적을 갖는다. 열원의 예의 비제한적 목록은 CPU, GPU, 드라이버 칩, 메모리 칩, RF 전력 증폭기, 송수신기, DC/DC 전환기, PMIC (전력 관리 IC), 벅(Buck) 및/또는 부스트(Boost) 인덕터(inductor), 전력 변환기, 무선 충전 요소, 영상 처리 및 안정화 요소, 정지 또는 비디오 영상 조명 광원, LED, 디스크 드라이브, 및 CD/DVD/블루-레이 드라이브와 같은 전자 부품을 포함한다. 바람직하게는, 물품의 제2 주 표면은 열 소산 요소와 열적으로 접촉할 수 있다. 열 소산 요소의 비제한적 목록은 방열판(heat sink), 열 확산판(heat spreader), 전열관(heat pipe), 냉각판(cold plate), 전자 장치를 위한 틀, 전자 장치를 위한 섀시를 포함한다. 물품은 조명 응용분야, 원격통신 응용분야뿐만 아니라 OLED 장치에도 동일하게 적용 가능하다. 추가의 대안적인 실시양태에서, 물품의 접촉 표면적은 이것이 접촉하는 장치의 접촉 표면적보다 더 클 수 있다.
상기 물품은 다양한 방식으로 전자 장치와 합체될 수 있다. 물품을 이러한 장치에서 사용하는 방법의 몇몇 예가 하기에 논의될 것이다.
전자 장치를 위한 열관리 시스템 (40)이 도 6에 도시되어 있다. 열관리 시스템 (40)은 열원 (42)으로부터 열을 소산시키고, 열원은 열원의 상기 예 중 임의의 하나일 수 있다. 시스템 (40)에서, 흑연 물품 (44)은 열원 (42)과 열적으로 접촉한다. 시스템은 하나 이상의 추가의 흑연 물품 (44)을 추가로 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 흑연 물품 (44)은 또 다른 흑연 물품 (44)과 열적으로 소통한다. 도시된 바와 같이, 인접한 흑연 물품들은 동일한 면적의 주 표면을 갖지 않는다. 도시된 바와 같이, 중간에 개재하는 흑연 물품 (44')은 RF 캔 (46)의 상면 표면과 일직선으로 배치된다. 흑연 물품 (44')은 캔 (46) 내의 개구에 꼭 맞는 크기를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 흑연 물품 (44')의 각각의 주 표면은 이것과 열적으로 소통하는 흑연 물품 (44 및 44")의 표면적과 실질적으로 동일한 표면적을 갖도록 하는 크기를 갖지 않는다. 마지막으로, 열원 (42)과 가장 멀리서 마주보는 흑연 물품 (44)은 열 소산 요소 (48)와 열적으로 소통할 수 있다. 도시된 바와 같이, 흑연 물품 (44")은 임의로 이것과 열적으로 접촉하는 열 소산 요소와 동일한 표면적을 갖는 주 표면을 갖지 않아도 된다. 열 소산 요소는 요소 (48)와 열적으로 접촉하는 흑연 물품 (44")의 주 표면의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖는 표면을 가질 수 있다.
열관리 시스템 (50)의 또 다른 변형물이 도 5에 도시되어 있다. 열관리 시스템 (50)은 열 소산 요소 (52)를 포함할 수 있다. 소산 요소 (52)는 흑연 물품 (44)과 접촉할 수 있다. 시스템 (50)에서, 시스템 (50)은, 요소 (44')를 갖는 대신에, 요소 (44a)로서 기재된, 물품 (44)의 더 작은 변형물 중 하나 및 하나 이상의 갭 패드(gap pad) (54)를 갖는 물질 층을 포함한다. 도시된 바와 같이, 층은 두(2) 개의 흑연 물품 (44a) 및 세(3) 개의 갭 패드 (54)를 포함할 수 있다. 실시양태 (50)의 층은 갭 패드 (54)와 흑연 물품 (44a)의 임의의 요구되는 조합 및 배열 방향을 포함할 수 있다.
시스템 (50)은 층과 열적으로 소통하는 접촉 요소 (56)를 또한 포함할 수 있다. 접촉 요소는 하기 중 임의의 하나 또는 그의 조합을 포함할 수 있다: 등방성 물질, 등방성 물질과 흑연 물품의 라미네이트, 흑연 물품-등방성 물질-흑연 물품의 라미네이트, 열원과 가장 가까운 흑연 물품 상에 또는 내에 도펀트를 갖는 흑연 물품-등방성 물질-흑연 물품의 라미네이트. 등방성 물질의 예는 임의의 유형의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있고, 예컨대 강, 알루미늄, 구리, 그의 합금 및 그의 조합이지만 이에 제한되지는 않는다. 접촉 요소 (56)는 열원과 열적으로 접촉한다.
도 5a에서, 시스템 (50)은 RF 캔 뚜껑 (57)의 상면과 열적으로 접촉한다. 도 5b에서, 시스템 (50)은 열원 (58)의 상면 표면과 열적으로 접촉한다. 또한 도 5b에 도시된 바와 같이 한 쌍의 RF 캔 측벽 (59)은 열원 (58)과 인접한다. 열 시스템 (50)은 한 쌍의 RF 캔 측벽과 접촉할 수 있거나 접촉하지 않을 수 있다. RF 캔 측벽 (59)과 접촉하는 열 시스템 (50)은 도 5c에 도시되어 있다.
요구되는 경우에, 물품은 왁스와 같은 상 변화 물질 또는 임의의 다른 공지된 상 변화 물질을 포함할 수 있다. 물품 내에 포함될 수 있는 다른 물질은 그리스, 오일 또는 중합체를 포함한다. 요구되는 경우에 이러한 물질은 조합으로서 사용될 수 있다. 물질은 물품 상에 코팅될 수 있고/있거나 물품에 함침될 수 있다.
본원에서는 또한 전자 장치의 제조 방법이 개시된다. 방법은 물품을 열원 또는 열 소산 요소 중 하나와 작동가능하게 열적으로 접촉하도록 배치하는 것을 포함할 수 있다. 이어서 물품을 이전 단계에서 부착되지 않은 다른 열원 또는 열 소산 요소와 작동가능하게 열적으로 접촉하도록 배치한다. 부착의 결과로 물품은 50 KPa 이상의 접촉 압력에 의해 3% 이상만큼 압축된다. 물품은 10% 이상만큼 압축될 수 있다. 물품 그 자체는 20 마이크로미터 이상만큼 압축될 수 있다. 물품의 압축량의 예는 50 마이크로미터 이상, 75 마이크로미터 이상, 100 마이크로미터 이상일 수 있다. 압축량은 물품의 두께 변화에 의해 결정될 수 있다. 본원에서 작동가능하게 열적으로 접촉하는 것은 상기 제1 단계에서 물품이 열원으로부터의 열을 수용하고, 제2 단계에서 물품이 열을 전파하여 이를 궁극적으로 열 소산 요소로 전파하는 것을 의미하는데 사용된다. 다르게 말하자면, 물품은 열원으로부터 열 소산 요소로의 열 경로를 지원한다. 물품은 열원 중 하나 또는 둘 다와 실제로 물리적으로 접촉할 수 있지만, 이러한 물리적 접촉은 상기 방법을 실시하는데 필요하지 않다.
본원에서는 또한 열계면으로서 사용될 수 있는 물품이 개시된다. 물품은 1.50 g/cc 미만의 밀도, 75 마이크로미터 이상의 두께, 2 W/mK 초과의 평면-관통(through plane) 방향 전도도 및 3% 이상의 압축률, 바람직하게는 5% 이상의 압축률을 가질 것이다. 열 전도도는 바람직하게는 3 W/mK 이상, 더 바람직하게는 5 W/mK 이상일 수 있다. 밀도, 두께 및 압축률에 대한 성질에 관한 상기 설명은 이러한 실시양태에도 동일하게 적용 가능하며 전문이 본원에 참고로 포함된다. ASTM D5470은 50 KPa 이상의 접촉 압력에서 전술된 열 전도도를 결정하는데 사용될 수 있다. 추가의 실시양태에서, 전술된 밀도는 1.25 g/cc 이하일 수 있다.
흑연화된 중합체를 갖는 흑연 물품을 제조하는데 사용될 수 있는 다양한 방법이 하기에 개시된다.
흑연 필름의 제조 공정은 하기 세 개의 단계를 포함할 수 있다: (1) 선택된 중합체가 흑연화 가능한, 중합체 필름을 제공하는 단계; (2) 중합체 필름을 정해진 온도 범위 및 압력 조건에서 열처리하여 흑연 필름을 수득하는 단계; 및 (3) 흑연 필름을 압연하는 단계.
제1 단계에서, 폴리아미드 (PA), 폴리페닐렌옥사디아졸, 폴리옥사디아졸 (POD), 폴리벤조티아졸 (PBT), 폴리벤조비스티아졸 (PBBT), 폴리벤족사졸 (PBO), 폴리벤조비스옥사졸 (PBBO), 폴리이미드 (비제한적 예는 폴리(피로멜리트이미드)) (PI), 폴리(페닐렌이소프탈아미드) (PPA), 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조비스이미다졸, 폴리(페닐렌벤조이미다졸) (PBI), 폴리(페닐렌벤조비스이미다졸) (PPBI), 폴리티아졸 (PT), 및 폴리(파라-페닐렌비닐렌) (PPV) 및 그의 조합으로부터 선택되는 중합체 필름이 제공된다. 폴리페닐렌옥사디아졸은 폴리-페닐렌-1,3,4-옥사디아졸 및 그의 이성질체를 포함한다.
한 실시양태에서, 출발 필름은 400 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 출발 필름의 두께의 전형적인 예의 범위는 25 내지 200 ㎛일 수 있다.
출발 중합체 필름을 2400℃ 이상의 최종 처리 온도에서 열처리한다. 출발 필름을 최종 열처리하기 전에 탄소화를 위해 예열할 수 있다. 예를 들어, 필름을 2 내지 5 ℃/min의 가열 속도에서 1000℃ 이하로 예열하고 탄소화에 충분한 시간 동안 상기 온도에서 유지할 수 있다. 예열을 바람직하게는 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 기체에서 수행한다. 2400℃ 이상에서의 열처리 시간은 사용된 실제 온도 및 출발 필름의 유형에 따라 달라질 수 있다.
1600℃ 초과의 온도 범위에서의 열처리의 경우, 이를 상기에 언급된 바와 같은 유형의 불활성 기체에서 정상압에서 또는 압력 하에 수행할 수 있다. 상기 처리를 위해 사용될 수 있는 압력의 예는 일반적으로 0.1 ㎏/㎠ 내지 50 ㎏/㎠의 범위이다. 기체의 발생으로 인해 발포되는 흑연 필름의 형성을 허용하면서도 발포가 일반적으로 전반적으로 균일하도록 하는 방식으로 압력을 등방성으로 적용할 수 있다.
흑연화된 필름을 압연할 수 있다. 압연 절차를 통상적으로 필름을 캘린더링함으로써 수행한다. 압연을 정상 온도 또는 승온에서 및 임의로 2 ㎏/㎝ 이상의 선형 또는 닙 압력에서 수행할 수 있다.
흑연 필름을 제조하는 또 다른 방법은 전압 적용에 의해 직접 대전 가능한 용기에 중합체성 필름을 고정시키는 단계; 및 대전을 수행하기 위해 용기에 전압을 적용함으로써 용기에서 중합체성 필름을 흑연화시키는 단계를 포함한다. 그 결과로 중합체성 필름에 전압이 적용되고 중합체성 필름이 대전됨으로써 중합체성 필름의 열 발생이 초래된다. 그 결과로, 중합체성 필름이 탄소화됨에 따라 전기 저항이 낮아진다. 전기 저항이 낮아짐에 따라, 중합체성 필름을 통해 전류가 흐른다. 그 결과의 주울(Joule) 열 때문에, 원료에서 열이 발생한다. 그 결과로, 필름의 내부 및 표면 부분이 균일하게 가열된다. 대전 가능한 용기는 또한 필름을 필름의 주위 환경으로부터 충분히 및 균일하게 가열한다.
출발 물질인 중합체성 필름을 감압 또는 불활성 기체에서 예열함으로써, 탄소화된 중합체성 필름을 수득할 수 있다. 예열을 약 1000℃의 온도에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 중합체성 필름을 약 1000℃의 온도에서 30분 동안 10℃/분의 온도 상승 속도로 가열하는 것이 바람직하다.
용기는 용기 내에 탄소 분말을 추가로 포함할 수 있다. 탄소 분말은 용기와 중합체성 필름 사이의 빈 공간을 채우는데 사용될 수 있다. 이는 중합체성 필름으로의 전기의 전도도를 추가로 향상시킬 수 있다. 따라서 탄소 분말은 전도체로서의 기능을 하여, 전기 에너지를 중합체성 필름 내로 전도할 수 있다.
상기에 덧붙여 또는 대안으로서, 중합체성 필름을 금속 판들 또는 흑연 판들 사이에 삽입할 수 있고, 이렇게 삽입된 중합체성 필름을 용기의 벽 또는 바닥 및 임의로 용기 내에 포함된 임의의 탄소 분말과 접촉시킨다. 금속 판 또는 흑연 판의 중량을 제외하고는, 특정한 부가적인 압력을 중합체성 필름 상에 가하지 않아도 된다. 탄소 분말을 포함하는 한 특정한 실시양태에서, 분말은 용기의 내부 전체에 존재할 수 있다. 다르게 말하자면, 중합체성 필름을 각각 직접 대전 가능한 용기에 고정시키고 중합체성 필름과 대전 가능한 용기 사이의 틈새를 채우기 위해 탄소 분말을 직접 대전 가능한 용기의 내부 부분 상에 및 주위에 제공한다.
적용될 수 있는 전압은 AC 또는 DC 전압일 수 있다. 사용될 수 있는 전류의 한 예는 대전의 결과로 중합체성 필름 내로 흐르는 10 mA 이상의 전류이다. 전술된 전류는 단지 예시적인 실시양태일 뿐이며 다른 전류도 동일하게 적용 가능하다.
흑연 필름을 제조하기 위한 추가의 공정은 중합체 필름을 2,000℃ 이상의 온도에서 열처리하는 것을 포함하고, 이때 상기 공정은 중합체 필름을 열처리 동안에 금속을 함유하는 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다. 중합체 필름을 2,000℃ 이상의 온도에서 열처리하는, 흑연 필름을 제조하기 위한 대안적인 공정은, 탄소화된 중합체 필름을 열처리 동안에 금속을 함유하는 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다. 추가로 흑연 필름을 제조하기 위해, 중합체 필름을 용기와 접촉시키고 2,000℃ 이상의 온도에서 열처리하며, 여기서 용기는 금속을 함유한다. 용기는 닫힌 용기일 수 있다.
어구 "용기는 닫힐 수 있다"는 중합체 필름 및/또는 탄소화된 중합체 필름이 금속을 함유하는 물질과 충분히 접촉할 수 있도록 상기 필름이 용기에 의해 네 개 또는 여섯 개의 면에서 둘러싸일 수 있음을 의미한다. 온도가 상승함에 따라 중합체 필름 및/또는 탄소화된 중합체 필름 주위의 분위기 기체는 팽창할 수 있다. 분위기 기체가 빠져나갈 수 있는 장소를 확보하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 고안에서 어구 "용기는 닫힐 수 있다"는 용기가 팽창된 분위기 기체의 압력에 의해 파손될 정도로 용기가 완전히 닫힌 상태임을 의미하지는 않는다.
전술된 금속은 IUPAC (국제 순수 응용 화학 연합) 무기 화학 명명법 (1989년 개정판)에 따른 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 및 13 족의 원소, 예컨대 알루미늄 및 붕소, 리튬, 베릴륨, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 바륨, 규소, 게르마늄, 셀레늄, 주석, 납, 비스무트 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 추가로, 금속은 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브데넘, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
열처리는 중합체 필름을 탄소화시키는 단계 및 중합체 필름을 흑연화시키는 단계를 가질 수 있다. 탄소화 및 흑연화를 개별적으로 또는 연속적으로 수행할 수 있다.
감압 또는 질소 기체에서 출발 물질로서의 중합체 필름을 예열함으로써 탄소화를 수행한다. 예열을 전형적으로 800 내지 1,500 ℃의 온도에서 수행한다. 가장 높은 탄소화 온도에 도달된 후에 상기 가장 높은 온도를 약 30분 내지 1시간 동안 유지할 수 있다. 예를 들어, 필름을 10 ℃/min의 속도로 가열하는 경우에, 필름의 온도를 1,000℃의 온도 범위에서 약 30분 동안 유지할 수 있다. 임의로 압력을 필름 표면에 대해 수직인 방향으로 적용할 수 있다.
흑연화를, 일단 탄소화된 중합체 필름을 회수하고 상기 필름을 흑연화 로(furnace)에 옮김으로써 수행할 수 있거나, 탄소화에 이어 연속적으로 수행할 수 있다. 흑연화를 감압 또는 불활성 기체에서 수행한다. 아르곤 또는 헬륨이 불활성 기체로서 적당하다. 열처리 온도는 적어도 2,000℃ 이상일 수 있다. 최종 열처리 온도는 바람직하게는 2,400℃ 이상, 더 바람직하게는 2,600℃ 이상, 더욱 더 바람직하게는 2,800℃ 이상이다.
중합체 필름을 용기에 고착시킴으로써 열처리를 수행할 수 있다. 용기는 흑연으로 만들어질 수 있다. 본원에서 흑연은, 광의로는, 주 성분으로서 흑연을 함유하는 물질을 포함하지만, 단 상기 물질은 상기 온도 범위로 가열될 수 있는 것으로 한정된다. 흑연은 예를 들어 등방성 흑연 또는 압출된 흑연일 수 있다. 흑연이 반복적으로 사용될 때, 탁월한 전기 전도도, 열 전도도 및 균일성을 갖는 등방성 흑연이 바람직하다. 용기는 단순 평판의 형상과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 용기는 또한 원통 형상을 가질 수 있고, 중합체 필름은 용기 주위에 감길 수 있다. 용기의 형상은, 중합체 필름이 용기와 접촉될 수 있는 한, 구체적으로 제한되지는 않는다.
(필름을 고정 또는 고착시키는 방법을 포함하여) 중합체 필름을 흑연으로 만들어진 용기의 내부와 접촉시키는 방법은 각각 중합체 필름을 흑연 또는 금속 판들 사이에 삽입하고 판 자체의 중량 외의 압력을 중합체 필름에 적용하지 않고서 상기 필름을 용기의 벽 또는 바닥과 접촉시키는 방법 (여기서 중합체 필름은 용기에 고정 또는 고착될 수 있음) 및 중합체 필름을 원통형 흑연 용기 주위에 감는 방법일 수 있다. 그러나, 물품의 제조 방법은 반드시 이들 방법으로만 제한되는 것은 아니다.
중합체 필름을 탄소화 및 흑연화의 두 개의 단계를 통해 흑연화할 수 있다. 첫째로, 탄소화는 일반적으로, 중합체 필름을 1,000℃로 열처리하여 필름을 주 성분으로서 탄소를 함유하는 물질로 전환시키는 공정을 지칭한다. 구체적으로, 중합체 필름은 분해 온도에서 열처리될 때, 결합은 끊어지고 분해된 성분은 이산화탄소, 일산화탄소, 질소 또는 수소와 같은 기체로서 방출된다. 필름은 1,000℃로 열처리될 때, 필름은 주 성분으로서 탄소를 함유하는 물질이다. 둘째로, 흑연화는 탄소질 물질을 2,800℃ 이상의 온도로 열처리하여 물질을 각각의 층이 서로 평평하게 연결된 방향족 고리를 갖는 적층된 다수의 흑연 층들을 갖는 구조물로 전환시키는 공정을 지칭한다.
본원에 기술된 물질은 하기 이점 중 하나 내지 전부를 가질 수 있다: 낮은 접촉 저항, 탁월한 두께-관통 방향 열 전도도, 높은 평면-내 방향 열 전도도 및 비교적 높은 결합선 두께. 하나의 이점은 큰 면적의 열계면 물질이라는 것이다. 물질의 다른 이점은 통상적인 열계면 물질에 비해 더 낮은 열 저항, 증가된 압축률 및 더 높은 평면-내 방향 열 전도도를 포함한다.
물품의 응용분야는 소비자 전자물품, 백색 가전물품, 자동차, 상용차 또는 철도 차량을 위한 구동계, 원격통신, 열전자 장치, 및 산업 설비와 같은 환경에서 열계면으로서 사용하는 것을 포함할 수 있다.
상기 설명은 관련 기술분야의 통상의 기술자로 하여금 본 고안을 실시할 수 있게 하도록 의도된다. 이는 통상의 기술자가 설명을 읽고서 명백하게 알게 될 모든 가능한 변형 및 개질을 상술하도록 의도된 것은 아니다. 그러나, 이는 이러한 모든 개질 및 변형을 하기 청구범위에 의해 한정되는 본 고안의 범주 내에 포함시키도록 의도된다.
따라서, 비록 흑연 물품의 신규하고 유용한 응용분야 및 이러한 흑연 물품의 제조 방법의 본 고안의 특정한 실시양태가 기술되긴 했지만, 이러한 내용이 하기 청구범위에 설명된 것을 제외하고 이러한 개시내용의 범주를 제한하는 것으로 해석되도록 의도된 것은 아니다. 상기에 논의된 다양한 실시양태들은 그의 임의의 조합으로서 실시될 수 있다.

Claims (10)

150 마이크로미터 초과의 두께를 갖는 흑연화된 중합체의 단일 시트를 포함하는 흑연 물품으로서, 1.00 g/cc 미만의 밀도, 100 KPa 이상의 접촉 압력에서 20% 초과 75% 이하의 압축률을 가지고, 700 KPa 이상의 접촉 압력에서 0.25 ㎠℃/W 이하의 열 임피던스를 나타내는, 흑연 물품.
삭제
제1항에 있어서, 두께가 500 마이크로미터 이하를 포함하는 흑연 물품.
제3항에 있어서, 압축률이 30 퍼센트 이상을 포함하는 흑연 물품.
제1항에 있어서, 표면 천공을 추가로 포함하는 흑연 물품.
제3항에 있어서, 200 KPa 이상의 접촉 압력에서 0.019 (℃/W) 미만의 저항률을 갖는 흑연 물품.
제6항에 있어서, 흑연 물품의 하나 이상의 주 표면 상에 접착제를 갖는 흑연 물품.
제6항에 있어서, 흑연 물품의 외부 또는 내부 층을 형성하는 열가소성 층을 추가로 포함하는 흑연 물품.
제1항의 흑연 물품을 포함하는 열관리 시스템으로서, 흑연 물품의 주 표면은 열관리 시스템에 부착된 열원의 접촉 표면적에 상응하는 접촉 표면적을 갖는, 열관리 시스템.
제9항에 있어서, 열 임피던스는 0.20 ㎠℃/W 이하를 포함하는 열관리 시스템.
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