KR20060051764A - 디스플레이장치용 열확산기 - Google Patents

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KR20060051764A
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티모시 클로베스코
줄리안 노레이
마틴 데이비드 스말크
조셉 폴 캡
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어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

플라즈마 디스플레이판넬, 발광다이오드 또는 액정디스플레이와 같은 디스플레이장치용 열확산기(10)로서, 상기 열확산기는 고온의 국부적인 영역이 발생하는 디스플레이장치의 후면의 일부분의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트를 포함한다.

Description

디스플레이장치용 열확산기{HEAT SPREADER FOR DISPLAY DEVICE}
도 1은 본 발명의 열확산기의 일 실시예에 대한 부분적인 상부 절단도이다.
도 2는 본 발명의 열확산기의 또 다른 실시예에 대한 부분적인 상부 절단도이다.
도 3은 본 발명의 열확산기의 또 다른 실시예에 대한 측단면도이다.
도 4는 수지-함유 가요성 흑연 시트의 연속적인 제조를 위한 시스템을 도시한다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 열확산기 12 : 주표면
14 : 주표면 16 : 에지 표면
20 : 코팅부 30 : 접착층
본 발명은 플라즈마 디스플레이판넬(PDP), 액정디스플레이(LCD), 발광다이오드(LED) 등과 같은 디스플레이장치에 사용되는 열확산기 및 이러한 장치에서 발생하는 고유한 열적 문제에 관한 것이다.
플라즈마 디스플레이판넬은 다수의 방전셀을 포함하고 전극 방전셀 양단에 전압을 인가하여 원하는 방전셀이 광을 방출시킴으로써 이미지를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이장치이다. 플라즈마 디스플레이판넬의 주요 부분인 판넬 유닛은 다수의 방전셀들이 사이에 끼워지는 방식으로 두 개의 유리기판을 접합시켜 제조된다.
플라즈마 디스플레이판넬에 있어서, 이미지 형성을 위해 광을 방출시키게 되는 각각의 방전셀은 열을 발생시키고 따라서 각각의 방전셀은 열소스를 구성하며, 이는 플라즈마 디스플레이판넬의 전체 온도를 상승시킨다. 방전셀에서 발생한 열은 기판을 형성하는 유리에 전달되지만, 유리기판 재질 특성으로 인해 판넬 면에 평행한 방향으로 열이 전도된다.
게다가, 광 방출을 위해 활성화된 방전셀의 온도는 현저히 상승하고, 활성화되지 않은 방전셀의 온도는 활성화된 방전셀 만큼 상승하지 않는다. 이로 인해, 플라즈마 디스플레이판넬의 판넬면 온도는 이미지가 형성되는 영역에서 국부적으로 상승한다. 또한, 백색 또는 밝은 색의 스펙트럼에서 활성화된 방전셀은 흑색 또는 어두운 색의 스펙트럼에서 활성화된 방전셀 보다 더 많은 열을 발생시킨다. 따라서, 판넬면의 온도는 이미지를 형성할 때 생성된 색에 따라 국부적으로 다르게 된다. 이러한 국부적인 온도차는 온도차를 개선하는 수단이 취해지지 않는다면 영향을 받는 방전셀의 열적 저하를 가속시킬 수 있다. 게다가, 디스플레이 상의 이미지 특성이 바뀔 때, 국부적인 열 발생 위치는 이미지와 함께 바뀐다.
또한, 활성화된 방전셀과 비활성화된 방전셀 간의 온도차가 높고 백색 광을 방출하는 방전셀과 어두운색의 광을 방출하는 방전셀 간의 온도차가 높을 수 있기 때문에, 스트레스가 판넬 유닛에 가해지고, 이는 종래 플라즈마 디스플레이판넬이 쉽게 깨지거나 파손되게 한다.
방전셀의 전극에 인가된 전압이 증가할 때, 방전셀의 밝기는 높아지지만 이러한 셀의 열 발생량도 증가하게 된다. 따라서, 활성화를 위해 많은 전압이 인가된 셀은 열저하에 더욱 민감하게 되고 플라즈마 디스플레이판넬의 판넬 유닛이 파손되는 파손 문제를 악화시키는 경향이 있다. LED는 PDP에서와 같이 열발생과 관련하여 유사한 문제를 일으킨다. 유사한 문제는 LCD와 같은 발광성 디스플레이장치 이외의 디스플레이장치에서 발생하며, 이러한 문제는 고온 스폿이 장치의 효율성 또는 수명을 제한할 수 있다.
판넬의 후반부와 열싱크 유닛 사이의 공간을 채우고 국부적인 온도차를 균일하게 하기 위해 플라즈마 디스플레이판넬용 열 인터페이스 재료로서 소위 "고방향성 흑연막"을 사용하는 것은 모리타, 이치야나기, 이케다, 이노우에, 코미요지 및 카와시마의 미국특허 제5,831,374호에서 제시되었지만, 가요성 흑연 시트의 사용 또는 구별되는 장점에 대해서는 언급되지 않았다. 게다가, 쳉의 미국특허 제6,482,520호에는 전자 부품과 같은 열소스를 위한 열확산기(특허명세서에서는 열 인터페이스라고 부름)로서 박리된 흑연의 압축된 입자들로 이루어진 시트의 사용을 개시한다. 또한, 이러한 재료는 오하이오 레이크우드에 위치한 어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드 회사의 eGraf® SpreaderShield 종류의 재료로서 상업적으로 이용가능하다.
흑연은 탄소원자의 육각형 어레이 또는 네트워크의 층 평면으로 이루어져 있다. 육각형으로 배열된 탄소원자의 층 평면은 거의 편평하고 서로 거의 평행하고 동일한 거리가 되도록 방향지어지거나 배열된다. 일반적으로 그래픈(graphene) 층 또는 기본 평면으로 불리는, 탄소원자의 거의 편평하고 평행한 등간격의 시트 또는 층은 함께 연결되거나 결합되고 이들 그룹은 결정으로 배열된다. 고도로 배열된 흑연은 상당한 크기의 결정으로 이루어지고, 결정은 서로에 대해 고도로 정렬되거나 방향성을 가지며 우수하게 정렬된 탄소층들을 갖는다. 즉, 고도로 정렬된 흑연은 고도의 바람직한 결정 방향을 갖는다. 흑연은 이방성 구조를 가지며 따라서 열적 및 전기적 전도성과 같이 고도의 방향성인 많은 특성을 나타내거나 갖는다.
요약하면, 흑연은 탄소의 적층된 구조물, 즉 약한 반데르발스 힘에 의해 서로 결합된 탄소원자들의 중첩된 층 또는 박판으로 이루어진 구조의 특징을 가질 수 있다. 이러한 흑연 구조를 고려할 때, 일반적으로 두 개의 축 또는 방향은 "c" 축 또는 방향 그리고 "a" 축 또는 방향으로 부른다. 간략히 말하자면, "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직인 방향으로 고려될 수 있다. "a"축 또는 방향은 "c" 축 또는 방향에 수직인 방향 또는 탄소층에 평행한 방향으로 고려될 수 있다. 가요성 흑연 시트를 제조하기에 적합한 흑연은 고도의 방향성을 갖는다.
상기 설명한 바와 같이, 탄소원자들의 평행한 층을 함께 지탱시키는 결합력은 오로지 반데르발스 힘이다. 천연 흑연은 층에 수직인 방향, 즉 "c" 방향의 현저한 팽창을 제공하고 이로써 탄소층의 층 특성이 거의 유지되도록 중첩된 탄소층 또는 박판이 개방될 수 있게 처리될 수 있다.
원래의 "c" 방향 크기보다 대략 80배 이상 큰 최종 두께 또는 "c" 방향 크기를 갖도록 현저하고 특별하게 팽창된 흑연 박편은 바인더를 사용하지 않고 팽창된 흑연의 밀착된 또는 일체화된 시트, 즉 (통상적으로 "가요성 흑연"으로 불리는) 웨브, 종이, 스트라이프, 테이프, 호일, 매트 등으로 형성될 수 있다. 바인딩 기구를 사용하지 않고 압축에 의해 원래의 "c" 방향 크기의 대략 80배 이상 큰 최종 두께 또는 "c" 방향을 갖도록 팽창되어 흑연입자가 통합된 가요성 시트로 형성되는 것은 부피가 팽창된 흑연입자들 간에 이루어지는 기계적인 연동 또는 점착에 의한 것으로 추측된다.
가요성에 더불어, 상기 언급한 시트 재료는 고압축으로부터 유발된 시트의 마주하는 면에 거의 평행한 팽창된 흑연입자 및 흑연층의 방향으로 인해 열전도성과 관련한 높은 정도의 이방성을 갖는 것으로 알려졌으며, 이는 열확산 분야에 매우 유용하다. 따라서 이렇게 제조된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 높은 정도의 방향성을 갖는다.
요약하면, 바인더를 사용하지 않고 가요성을 갖는 이방성 흑연 시트 재료, 즉 웨브, 스트라이프, 테이프, 호일, 매트 등을 제조하는 공정은 거의 편평하고 가요성인 일체화된 흑연 시트를 형성하도록 원래 입자의 대략 80배 이상 큰 "c" 방향 크기를 갖는 팽창된 흑연입자를 미리설정된 부하 상태에서 바인더없이 압축 또는 밀집시키는 단계를 포함한다. 일단 압축되면 일반적으로 외관이 벌레형 또는 연충 모양을 갖는 팽창된 흑연입자는 시트의 마주하는 주표면과 압축된 세트 및 정렬을 유지한다. 시트 재료의 밀도와 두께는 압축 정도를 제어함으로써 바뀔 수 있다. 시트 재료의 밀도는 대략 0.04 g/cc 내지 대략 2.0 g/cc의 범위 내에 있을 수 있다.
가요성 흑연 시트 재료는 마주하며 평행한 시트의 주표면에 평행한 흑연입자들의 정렬로 인해 현저한 정도의 이방성을 나타내며, 이러한 이방성의 정도는 시트 재료를 압축시킬 때 증가하여 방향성을 증가시킨다. 압축된 이방성 시트 재료에 있어서, 두께, 즉 마주하며 평행한 시트 표면에 수직인 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이와 폭에 따른 범위의 방향, 즉 마주하는 주표면에 따르거나 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적 및 전기적 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대한 크기의 정도만큼 매우 상이하다.
그러나, 일반적으로 전자업계에서 흑연-기반 재료를 사용하는 것은 흑연입자가 박편으로 분리되고, 그 결과 박편은 기계적으로(먼지 입자와 동일한 방식으로) 장비 작동 및 기능을 방해하며, 심하게는 흑연의 전도 특성으로 인해 흑연 박편이 발광 디스플레이장치의 동작을 전기적으로 방해하는 문제가 존재한다. 비록 이러한 문제가 쉽게 대두되지는 않지만(misplace), 아직까지 문제가 되는 것은 사실이다.
또한, 흑연 열확산기를 발광 디스플레이장치에 부착시키기 위해 접착제를 사용하는 것은 때때로 바람직하지 않을 수 있다. 특히, 수리작업(즉, 열확산기의 제거 및 교체)이 필요한 경우에, 접착 결합은 흑연 시트의 구조적인 일체성보다 강할 수 있고; 이러한 경우, 흑연 시트는 스크래퍼 등을 사용하지 않고는 판넬로부터 깨끗하게 떨어질 수 없으며, 이는 시간이 소모되며 흑연 시트 또는 판넬에 또는 이들 모두에 잠재적인 손상을 줄 수 있다.
따라서, 경량이면서 비용-효율적인 발광 디스플레이장치용 열확산기가 요구되며, 그 중 하나는 흑연입자가 박편으로 떨어지는 것을 방지하도록 분리되고 필요시 장치로부터 효과적으로 제거될 수 있다. 바람직한 열확산기는 열확산기와 접촉하는 장치 영역에서 온도차를 균형있게 하여 판넬이 노출되는 곳의 열적 스트레스를 감소시키고, 고온 스폿의 위치가 고정되지 않는 경우라도 고온 스폿을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 디스플레이판넬, 발광다이오드 또는 액정디스플레이와 같은 디스플레이장치용 열확산기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 사용중에 발생하는 온도차를 개선하는 디스플레이장치용 열확산기 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 판넬의 임의의 두 개 위치 사이에서의 온도차가 본 발명의 열확산기를 사용하지 않은 판넬에 비해 감소될 수 있도록 플라즈마 디스플레이판넬의 하나 이상의 셀과 같은 열소스에 열확산기 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열소스 또는 플라즈마 디스플레이판넬 또는 발광다이오드와 같은 열소스 집합기에 사용되고 열확산기와 장치 간에 양호한 열접촉으로 접착될 수 있는 열확산기 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 흑연입자가 박편으로 떨어지는 가능성을 방지하거나 감소시키도록 분리되는 열확산기 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열확산기 또는 열소스에 최소로 손상을 주면서 열소스에 접착되고 제거될 수 있는 열확산기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 충분한 부피와 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있는 열확산기를 제공하는 것이다.
하기 설명에 의해 당업자에게 자명한 본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 장치의 후방부에 면하는, 방전셀과 같은 장치의 일부의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 박리된 흑연으로 구성된 적어도 하나의 압축된 입자 시트를 포함하는, 디스플레이장치용 열확산기를 제공함으로써 달성될 수 있다. 디스플레이장치는 플라즈마 디스플레이판넬 또는 발광다이오드 판넬과 같은 발광 디스플레이장치 또는 액정 디스플레이장치와 같은 또 다른 타입의 디스플레이장치일 수 있다. 특히, 박리된 흑연으로 구성된 적어도 하나의 압축된 입자 시트는 장치의 후면에 면하는 다수의 방전셀의 일부의 표면적보다 큰 표면적을 갖는다. 바람직하게, 열확산기는 박리된 흑연으로 구성된 다수의 압축된 입자 시트를 포함한 층이며, 흑연입자가 박편으로 떨어지는 것을 방지하기 위해 그 위에 보호성 코팅부를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 열확산기의 표면은 열확산기를 밀봉하고 수리작업을 용이하게 하기 위해 알루미늄 또는 구리 시트와 같은 페이스 시트를 그 위에 갖는다.
바람직한 실시예에서, 열확산기는 그 위에 접착제를 가지며 접착제가 열확산기와 분리 재료 사이에 끼워지도록 위치한 분리 재료를 갖는다. 분리 재료와 접착제는 열확산기에 원치않는 손상을 주지 않으면서 분리 재료가 미리설정된 속도로 분리 가능하도록 선택된다. 게다가, 접착제와 분리 재료는 초당 1미터의 분리속도에서 센티미터당 대략 40그램보다 크지 않은 평균 분리부하를 제공하며, 바람직하게는 초당 1미터의 분리 속도에서 센티미터당 대략 10그램보다 크지 않은 평균 분리부하를 제공한다.
더욱이, 접착제는 입방센티미터당 적어도 대략 125그램의 최소 랩(lap) 전단 접착 강도를 가지며, 바람직하게는 입방센티미터당 적어도 대략 700그램의 평균 랩 전단 접착 강도를 갖는다. 접착제는 열확산기 재료 자체에 비해 대략 35%보다 크지 않게 접착제/열확산기 재료의 통과 두께 열 저항을 증가시킨다. 접착제의 두께는 대략 0.015 밀리미터(mm)보다 두껍지 않아야 하며, 바람직하게는 대략 0.005 mm보다 두껍지 않아야 한다.
상기 설명과 하기 설명은 본 발명의 실시예를 제공하며 청구항에 따른 본 발명의 개괄적인 이해와 특성을 제공한다. 첨부된 도면은 본 발명을 보다 잘 이해시키기 위해 제공되며 명세서에 포함되어 일부분을 구성한다. 도면은 본 발명의 원리와 동작을 설명하는 명세서와 함께 본 발명의 다양한 실시예를 예시한다.
흑연은 평면간의 약한 결합에 의해 편평한 층 평면으로 공유결합된 원자들을 포함하는 탄소 결정 형태이다. 상기 가요성 흑연 시트와 같은 소스 재료를 얻는 경우에, 천연 흑연 박편과 같은 흑연입자는 통상적으로 인터칼렌트(intercalant), 즉 질산 및 황산 용액에 의해 가공되며, 이 경우 흑연 결정 구조물은 반응하여 흑연 및 인터칼렌트의 혼합물을 형성한다. 가공된 흑연입자는 이하에서 "인터칼레이트된(intercalated) 흑연입자"로 부른다. 고온에 노출시킬 때, 흑연 내의 인터칼 랜트는 분해되고 휘발하여, 인터칼레이트된 흑연입자가 "c" 방향에서, 즉 흑연 결정 평면에 수직인 방향에서 아코디언-모양으로 원래 부피의 대략 80배 이상 큰 크기로 팽창한다. 팽창된(달리 말하면 박리된) 흑연입자는 외관이 연충모양이며, 따라서 일반적으로 웜(worm)으로 부른다. 웜은 함께 압축되어 가요성 시트로 되며, 원래 흑연 박편과 달리 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적인 충격으로 변형시킴으로써 작은 횡단 개구부가 형성된다.
본 발명에서 사용하기에 적합한 가요성 시트를 위한 흑연 개시 재료는 유기 및 무기산뿐만 아니라 할로겐을 인터칼레이팅하고 그 후에 열에 노출시킬 때 팽창할 수 있는 높은 흑연 탄소질 재료를 포함한다. 이러한 높은 흑연 탄소질 재료는 대부분 대략 1.0의 흑연화 정도를 갖는다. 본 명세서에서, "흑연화 정도"는 하기 공식에 따른 값(g)으로 부른다:
Figure 112005054719050-PAT00001
여기서, d(002)는 옹스트롬 단위로 측정된 결정 구조의 탄소 흑연층들 간의 간격이다. 흑연층들 간의 간격(d)는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002),(004) 및 (006) 밀러 지수에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 표준 자승(least-square) 기술이 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 간격을 얻기 위해 사용된다. 높은 흑연 탄소질 재료의 예는 다양한 소스 중에서 천연 흑연뿐만 아니라, 화학기상증착에 의해 준비된 흑연, 고온 열분해된 폴리머, 또는 용융된 금속 용액의 결정 등과 같은 기타 탄소질 재료를 포함한다. 천연 흑연이 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 가요성 시트를 위한 흑연 개시 재료는 개시 재료의 결정 구조가 필요한 흑연화 정도를 유지하고 박리될 수 있는 한 비흑연 성분을 포함할 수 있다. 일반적으로, 필요한 흑연화 정도를 가지며 박리될 수 있는 결정 구조인 임의의 탄소-함유 재료는 본 발명에 사용하기에 적합하다. 이러한 흑연은 20 중량퍼센트보다 작은 회분(ash content)을 갖는다. 특히, 본 발명에 사용된 흑연은 적어도 대략 94%의 순도를 갖는다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 흑연은 적어도 대략 98%의 순도를 갖는다.
흑연 시트를 제조하는 일반적인 방법은 셰인 등의 미국특허 제3,404,061호에 개시되어 있으며, 상기 특허명세서는 본 명세서에 참조로 포함된다. 셰인 등의 방법의 일반적인 실시에 있어서, 천연 흑연 박편은 질산 및 황산 혼합물을 포함한 용액, 바람직하게는 흑연 박편 중량 100 대해 인터칼렌트 용액의 중량이 대략 20 내지 대략 300의 레벨(pph)에서 박편을 분해시킴으로써 인터칼레이팅된다. 인터칼레이션 용액은 종래의 산화제 및 기타 인터칼레이팅제를 포함한다. 예는 산화제 및 질산, 염소산칼륨, 크롬산, 과망간산칼륨, 염산칼륨, 크롬산칼륨, 과염소산칼륨 등을 함유한 용액과 같은 산화 혼합물, 또는 예컨대 농축된 질산 및 염산, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 트리플루오로아세틱산과 같은 강유기산 및 유기산에 용해될 수 있는 강산화제의 혼합물을 포함한다. 선택적으로, 전위는 흑연의 산화를 일으키는데 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 흑연 결정으로 유입되는 화학종은 황산뿐만 아니라 기타산을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산, 또는 황산 및 인산의 혼합물 및 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드 또는 과요오드산 등과 같은 산화제의 용액이다. 비록 덜 바람직하지만, 인터칼레이션 용액은 염화제2철, 황산과 혼합된 염화제2철과 같은 금속 할로겐, 또는 브롬과 황산의 용액, 또는 유기용액의 브롬으로서 브롬과 같은 할로겐을 포함할 수 있다.
인터칼레이션 용액의 양은 대략 20 내지 대략 350 pph의 범위이며 통상적으로는 대략 40 내지 대략 160 pph 이다. 박편이 인터칼레이팅된 후에, 과잉 용액은 박편으로부터 배출되고, 박편은 물-세척된다.
선택적으로, 인터칼레이션 용액은 대략 10 내지 대략 40 pph 사이로 제한되고, 이 경우 물세척 단계가 생략될 수 있으며, 이에 대해서는 미국특허 제4,895,713호에 개시되어 있으며, 역시 본 명세서에서 참조로 포함된다.
인터칼레이션 용액으로 처리된 흑연 박편 입자는 알콜, 설탕, 알데히드 및 에스테르 중에서 선택되고 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터칼레이팅 용액의 표면막과 반응하는 환원 유기제에 의해 혼합되어 선택적으로 접촉할 수 있다. 적절한 유기제는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알콜, 1,10 데칸에디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3 프로판에디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 덱스트로즈, 프록토즈, 락토즈, 서크로즈, 감자전분, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세로 모노스테아레이트, 디메틸 옥시레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빅산 및 리그노황산염나트륨과 같은 리그닌 -유도 화합물을 포함한다. 유기환원제의 양은 흑연 박편 입자 중량의 대략 0.5 내지 4%가 적합하다.
또한 인터칼레이션 이전에, 중간에, 또는 그 후에 즉시 제공된 팽창보조제의 사용은 개선을 제공한다. 이들 개선은 감소된 박리온도 및 증가된 팽창 부피("웜부피"라고 부름)일 수 있다. 본 문단에서 팽창보조제는 팽창을 개선하기 위해 인터칼레이션 용액에 충분히 용해될 수 있는 유기물이다. 좀 더 자세히는, 탄소, 수소 및 산소를 포함한 이런 타입의 유기물이 사용될 수 있다. 카르복실산이 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다. 팽창보조제로서 유용한 적절한 카르복실산은 아로마틱, 알리파틱 또는 사이클로알리파틱, 스테레이트 체인 또는 브렌치 체인, 포화 및 불포화 모노카르복실산, 디카르복실산 및 폴리카르복실산 중에서 선택될 수 있으며, 이들은 적어도 하나의 탄소원자 및 바람직하게는 대략 15 개까지의 탄소원자를 가지며, 이는 하나 이상의 박리 특성의 측정가능한 개선을 제공하기에 효과적인 양의 인터칼레이션 용액에 용해될 수 있다. 적절한 유기 용액은 인터칼레이션 용액의 유기 팽창보조제의 용해도를 개선하는데 사용될 수 있다.
포화 알리파틱 카르복실산의 대표적인 예는 화학식이 H(CH2)nCOOH와 같은 산들이며, 여기서 n은 0 내지 대략 5이며, 포름, 아세틱, 프로피오닉, 부티릭, 펜타노익, 헥사노익 등을 포함한다. 카르복실산 대신에, 알킬 에스테르와 같은 안하이드라이드 또는 반응성 카르복실산 유도체가 사용될 수도 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 기타 공 지된 수성 인터칼렌트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이로 인해, 포름산 및 기타 민감한 팽창보조제는 수성 인터칼렌트에 박편을 담그기 전에 흑연 박편과 접촉한다. 디카르복실산의 대표적인 예는 2-12 탄소원자를 갖는 알리파틱 디카르복실산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디픽(adipic) 산, 1,5-펜탄에디카르복실산, 1,6-헥사에디카르복실산, 1,10-데칸에디카르복실산, 사이클로헥산-1,4-디카르복실산 및 팔라틱산 또는 테레프탈릭산과 같은 아로마틱 디카르복실산이다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 사이클로알리파틱산의 대표적인 예는 사이클로헥산 카르복실산이며 아로마틱 카르복실산의 대표적인 예는 벤조익산, 나프토익산, 안트라닐리산, p-아미놀벤조익산, 살리실릭산, o-, m- 및 p-톨릴산, 메톡시 및 에톡시벤존익산, 아세토아세타미도벤조익산 및, 아세타미도벤조익산, 페닐아세틱산 및 나프토익산이다. 하이드록시 아로마틱산의 대표적인 예는 하이드록시벤조익산, 3-하이드록시-1-나프토익산, 3-하이드록시-2-나프토익산, 4-하이드록시-2-나프토익산, 5-하이드록시-1-나프토익산, 5-하이드록시-2-나프토익산, 6-하이드록시-2-나프토익산 및 7-하이드록시-2-나프토익산이다. 폴리카르복실산 중에서 우세한 것은 시트르산이다.
인터칼레이션 용액은 수성이며 약 1 내지 10%의 팽창보조제 양을 포함하고, 그 양은 박리를 강화시키는데 유효하다. 팽창보조제가 수성 인터칼레이션 용액에 담겨지기 전에 또는 담겨진 후에 흑연 박편과 접촉하는 실시예에서, 팽창보조제는 V-혼합기와 같은 적절한 수단에 의해 흑연 박편 중량의 대략 0.2%의 양으로 흑연이 첨가될 수 있다.
흑연 박편을 인터칼레이팅시킨후, 인터칼레이팅된 흑연 박편을 유기 환원제와 혼합한 후에, 혼합은 환원제와 인터칼레이팅된 흑연 박편의 반응을 촉진시키기 위해 25℃ 내지 125℃의 온도에 노출시킬 수 있다. 가열시간은 대략 20 시간에 이르며, 상기 언급한 범위에서 온도가 높을수록 가열시간이 예컨대 적어도 대략 10분으로 짧아진다. 30분 이하의 시간, 즉 10분 내지 25분 정도의 시간이 고온에서 사용될 수 있다.
흑연 박편을 인터칼레이팅하고 박리시키는 상기 방법은 흑연화 온도, 즉 대략 3000℃의 범위의 온도에서 흑연 박편을 미리 처리하고 윤활첨가제를 인터칼렌트에 포함시킴으로써 향상될 수 있다.
흑연 박편을 미리 처리하거나, 어닐링하는 것은 박편이 후속하는 인터칼레이션 및 박리에 영향을 받을 때 팽창을 현저히 증가시킨다(즉, 팽창 부피가 300% 이상까지 증가한다). 게다가, 바람직하게, 팽창은 어닐링 단계 없는 유사한 처리와 비교할 때 적어도 대략 50%로 증가한다. 어닐링 단계에 사용된 온도는 100℃ 이하의 온도에서는 팽창이 실질적으로 감소하기 때문에 3000℃이하로 현저하지 않다.
본 발명의 어닐링은 인터칼레이션 및 후속하는 박리시 박편의 팽창 정도를 강화시키기에 충분한 시간 기간 동안 수행된다. 통상적으로 필요한 시간은 1시간 이상이며, 바람직하게는 1 내지 3시간이고, 가장 바람직하게는 불활성 환경에서 처리된다. 최대 효과를 얻기 위해, 어닐링된 흑연 박편은 유기 환원제, 유기산과 같은 인터칼레이션보조제의 존재하에서 팽창 정도 - 즉 인터칼레이션 및 인터칼레이 션 후의 계면활성제 세척을 강화시키기 위해 종래의 기타 처리 방법이 수행된다. 더욱이, 최대효과를 얻기 위하여, 인터칼레이션 단계가 반복될 수 있다.
본 발명의 어닐링 단계는 본 명세서에서 사용된 온도인 3000℃의 범위에 서 유도 노(furnace) 또는 흑연화를 위해 공지된 장치에서 수행될 수 있으며; 이러한 온도는 흑연화 처리의 온도 범위중 가장 높은 온도이다.
미리 인터칼레이션 어닐링이 수행된 흑연을 이용하여 제조된 웜(worm)은 종종 함께 "클럼프"되어 면적 중량 균일성에 부정적인 충격을 줄 수 있는 것으로 관찰되었기 때문에, "자유 유동" 웜의 형성에 도움이 되는 첨가제는 매우 바람직하다. 윤활첨가제를 인터칼레이션 용액에 첨가시키는 것은 흑연 웜을 압축시켜(또는 "칼렌더링"하여) 가요성 흑연 시트를 만드는데 사용된 종래 칼렌더 스테이션의 베드(bed)와 같은 압축장치의 베드 양단에 웜을 보다 균일하게 분포시키시는 것을 용이하게 한다. 따라서 최종으로 얻어지는 시트는 개시 흑연입자가 종래 사용된 것보다 작을 때라도, 더 높은 면적 중량 균일성과 더 큰 인장 강도를 갖는다. 윤활첨가제는 바람직하게 긴 체인 하이드로카본이다. 다른 기능성 그룹이 존재하지만, 긴 체인 하이드로카본 그룹을 갖는 기타 유기 화합물이 역시 사용될 수 있다.
보다 바람직하게, 유활 첨가제는 오일이며, 미네랄 오일이 악취 및 나쁜 냄새를 거의 풍기지 않는다는 것을 고려하면, 미네랄 오일이 가장 바람직한데, 이는 장기간 보존에 매우 중요하다. 상기 설명한 팽창보조제는 윤활첨가제의 정의를 충족시킨다. 이러한 물질들이 팽창보조제로서 사용되는 경우, 인터칼렌트에 개별 윤활첨가제를 포함시키는 것이 반드시 필요하지 않을 수 있다.
윤활첨가제는 적어도 대략 1.4 pph의 양으로, 더 바람직하게는 적어도 대략 1.8 pph의 양으로 인터칼렌트에 존재한다. 윤활첨가제를 포함하는 상한값이 하한값처럼 중요하지 않지만, 대략 4 pph 이상의 레벨로 윤활첨가제를 포함하는 것은 첨가 장점에 중요하지 않은 것으로 보인다.
이렇게 처리된 흑연입자는 종종 "인터칼레이팅된 흑연입자"로 불린다. 고온, 즉 적어도 대략 160℃의 온도 및 특히 대략 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출시킬 때, 인터칼레이팅된 흑연입자는 c-방향, 즉 구성성분인 흑연입자의 결정 평면에 수직인 방향에서 아코디언-모양으로 원래의 부피에 대략 80배 내지 1000배 이상 크게 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 흑연입자는 외관이 연충모양이며, 따라서 일반적으로 웜(worm)으로 부른다. 웜은 함께 성형 압축되어 원래의 흑연 박편과 달리 이하 설명처럼 다양한 모양으로 형성 및 절단될 수 있는 작은 횡단 개구를 갖는 가요성 시트로 될 수 있다.
선택적으로, 본 발명이 가요성 흑연 시트는 새로이 팽창된 웜보다는 다시 갈려진(reground) 가요성 흑연 시트의 입자를 이용할 수 있다. 시트는 시트 재료, 재생된 시트 재료, 작은 조각의 시트 재료, 또는 임의의 기타 적합한 소스로 새로이 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 처리는 순수 물질 및 재생된 물질의 혼합물 또는 모두 재생된 물질을 사용할 수 있다.
재생 물질을 위한 소스 물질은 상기 설명한 것처럼 압축 성형된 시트 또는 트리밍된(trim) 시트 부분, 또는 예컨대 미리 칼렌더링 롤에 의해 압축된 시트일 수 있다. 더욱이, 소스 물질은 아직 경화되지 않은 수지가 함유된 트리밍된 시트 부분, 또는 수지가 함유되고 경화된 트리밍된 시트 부분일 수 있다. 또한 소스 물질은 유동 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재생 가용성 흑연 PEM 연료 셀 성분일 수 있다. 각각의 다양한 흑연 소스는 존재하는 자체로 사용되거나 천연 흑연 박편과 혼합되어 사용될 수 있다.
일단 가요성 흑연 시트의 소스 물질이 이용가능하다면, 제트 밀, 에어 밀, 혼합기 등과 같은 공지된 방법 또는 장치에 의해 분쇄되어 입자를 만들 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬(mesh)을 통과하고; 더 바람직하게는 대부분(대략 20% 이상, 가장 바람직하게는 50% 이상)이 80 U.S. 메쉬를 통과하지 않는 직경을 갖는다. 가장 바람직하게 입자는 대략 20 메쉬보다 크지 않은 입자 크기를 갖는다.
분쇄된 입자 크기는 흑연입자의 기계가공성과 형태가공성이 원하는 열특성과 균형을 이루도록 선택될 수 있다. 따라서, 보다 작은 입자는 기계가공 및/또는 형태가공이 용이한 흑연 제품(article)을 형성하지만, 큰 입자는 높은 이방성을 가지며 이로써 평면으로 큰 전기적 및 열적 전도성을 갖는 흑연 제품을 형성한다.
일단 소스 물질이 분쇄되고, 필요한 경우 임의의 수지가 제거되면, 재팽창된다. 재팽창은 상기 설명한 인터칼레이션 및 박리 방법 및 셰인 등의 미국특허 제3,404,061호 및 그레인크 등의 미국특허 제4,895,713호에 개시된 방법을 사용하여 일으킬 수 있다.
통상적으로, 인터칼레이션 후에 입자는 노(furnace)에서 인터칼레이팅된 입 자들을 가열시킴으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터칼레이팅된 천연 흑연 박편은 재생 인터칼레이팅된 입자에 첨가될 수 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 동안 입자는 팽창되어 적어도 대략 100 cc/g 내지 대략 350 cc/g 또는 그 이상의 범위의 특정 부피를 갖는다. 최종으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 압축되어 이전에 설명한 가요성 시트가 된다.
가요성 흑연 시트와 호일은 합착되어 양호한 처리 강도를 가지며, 예컨대 압축 성형에 의해 대략 0.025 mm 내지 3.75 mm의 두께 및 입방센티미터당 대략 0.1 내지 1.5그램(g/cc)으로 적절하게 압축된다. 비록 항상 바람직한 것은 아니지만, 가요성 흑연 시트는 종종 수지에 의해 바람직하게 처리될 수 있고 흡수된 수지는 경화 후 가요성 흑연 시트의 내습성 및 처리 강도, 즉 경도를 향상시킬 뿐만 아니라 시트의 조직을 "고정"시킨다. 사용시, 적절한 수지 함량은 바람직하게 적어도 대략 5 중량%이고, 더 바람직하게는 대략 10 내지 35 중량%이며, 대략 60 중량%까지도 적합하다. 본 발명의 실시에 특히 유용한 수지는 아크릴-, 에폭시- 및 페놀-기반 수지 시스템 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A (DGEBA)에 기반한 시스템 및 기타 다기능 수지 시스템을 포함하며; 사용될 수 있는 페놀 수지는 레졸 및 노보락 페놀릭을 포함한다.
도 4를 참조하면, 시스템은 수지-함유 가요성 흑연 시트의 연속 생산을 개시하며, 흑연 박편과 액체 인터칼레이팅제는 반응기(104)에 채워진다. 특히, 액체 인터칼레이팅제를 함유하기 위한 용기(101)가 제공된다. 스테인레스 강으로 적절 하게 제조되는 용기(101)는 콘딧(106)을 이용하여 액체 인터칼렌트에 의해 연속적으로 계속 공급된다. 용기(102)는 용기(101)로부터 인터칼레이팅제와 함께 반응기(104)에 유입되는 흑연 박편을 포함한다. 인터칼레이팅제와 흑연 박편이 반응기(104) 안으로 유입되는 각각의 속도는 밸브(108,107)에 의해 제어된다. 용기(102)의 흑연 박편은 콘딧(109)에 의해 연속적으로 계속 공급될 수 있다. 인터칼레이션 강화제와 같은 첨가제, 즉 트레이스(trace)산 및 유기화학물이 밸브(111)에 의해 배출부에서 계측되는 분배기(110)를 이용하여 추가될 수 있다.
이렇게 형성된 인터칼레이팅된 흑연입자는 물컹거리고(soggy) 산으로 코팅되며 (116,118)에서 세척 탱크(114)로 유입 및 배출되는 물에 의해 입자들이 세척되는 세척 탱크(114)로 (콘딧(112)을 경유하여) 이동된다. 그 후 세척된 인터칼레이팅된 흑연 박편은 콘딧(120)을 통해 건조 챔버(122)로 통과한다. 버퍼, 산화방지제, 오염억제제와 같은 첨가제가 팽창 및 사용동안 박리의 표면 화학 성질을 바꾸고 팽창을 유발시키는 가스성 방출을 바꾸기 위해 용기(119)로부터 인터칼레이팅된 흑연 박편의 유동에 첨가될 수 있다.
인터칼레이팅된 흑연 박편은 바람직하게 대략 75℃ 내지 대략 150℃의 온도에서 건조기(122)에서 건조되고, 대체로 인터칼레이팅된 흑연 박편의 비등(intumescence) 또는 팽창을 방지한다. 건조 후에, 인터칼레이팅된 흑연 박편은 흐름으로서 예컨대 콘딧(126)을 통해 수집 용기(124)로 공급됨으로써 프레임(200)으로 공급되고 그 후에 (2)로 지칭된 팽창 용기(128)의 프레임(200)으로 흐름으로 공급된다. 잘게 부숴진 석영 유리 섬유, 탄소 및 흑연 섬유, 지르코니아, 보론 나 이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 칼슘 케타실리케이트 섬유와 같은 천연 생성 미네랄 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등으로 제조된 세라믹 섬유 입자와 같은 첨가제는 (127)에서 용기(129)로부터 유입된 비반응성 가스의 진입에 의해 추진된 인터칼레이팅된 흑연입자의 흐름에 첨가될 수 있다.
팽창 챔버(201) 내의 프레임(200)을 통과할 때 인터칼레이팅된 흑연입자(2)는 "c" 방향으로 80배 이상 팽창하고 "벌레-모양"의 팽창된 형태(5)를 가지며; (129)로부터 유입되어 인터칼레이팅된 흑연입자와 혼합된 첨가제는 프레임(200)을 통과하는 통로에 의해 영향을 받지 않는다. 팽창된 흑연입자(5)는 중력분리기(130)를 통과할 수 있으며, 중력분리기에서는 무거운 애쉬(ash) 천연 미네랄 입자가 팽창된 흑연입자로부터 분리되고 그 후에 넓은 상부 호퍼(hopper)(132)에 유입된다. 분리기(130)는 필요하지 않은 경우 우회통과할(by-pass) 수 있다.
팽창된, 즉 박리된 흑연입자(5)는 호퍼(132) 내에서 첨가제와 함께 자유롭게 낙하하며, 임의로 분산되며 홈통(trough)(134)을 통과하여 압축 스테이션(136)으로 유입된다. 압축 스테이션(136)은 박리되고 팽창된 흑연입자(5)를 수용하기 위해 떨어져 이격된 마주하며, 수렴하고 이동하는 다공성 벨트(157,158)를 포함한다. 마주하는 이동 벨트(157,158) 간의 간격이 감소하기 때문에, 박리되고 팽창된 흑연입자는 압축되어 (148)로 표시된 가요성 흑연 매트(mat)가 되며, 두께가 대략 25.4 내지 0.075 mm이고, 특히 대략 25.4 내지 2.5 mm이며 밀도는 대략 0.08 내지 2.0 g/㎤이다. 가스 세척기(149)는 팽창 챔버(201) 및 호퍼(132)로부터 방출되는 세정 가스를 제거하는데 사용될 수 있다.
매트(148)는 용기(150)를 통과하고 스프레이 노즐(138)로부터 액체 수지가 함유되며, 수지는 진공 챔버(139)를 이용하여 "매트를 통해 당겨지며" 그 후에 수지는 건조기(160)에서 건조되어 수지의 접착성(tack)을 감소시키며 수지가 함유된 매트(143)는 그 후에 칼렌더 밀(170)에서 밀집되어 롤 압착된 가요성 흑연 시트(147)가 된다. 용기(150)와 건조기(160)의 가스와 증기는 가스 세척기(165)에서 수집되고 세척된다.
밀집된 후에, 가요성 흑연 시트(147) 내의 수지는 경화 오븐(180) 내에서 적어도 부분적으로 경화된다. 선택적으로, 부분적인 경화는 사후-밀집화 경화가 바람직하지만 밀집화 이전에 효과적일 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 가요성 흑연 시트는 수지가 함유되지 않으며, 이 경우 용기(150), 건조기(160) 및 경화 오븐(180)이 제거될 수 있다.
플라즈마 디스플레이판넬은 (모서리에서 모서리까지 측정된)크기가 1 미터 이상이 되게 제조된다. 따라서, 이러한 판넬의 고온 스폿 효과를 냉각시키고 개선하는데 사용된 열확산기는 대략 270 밀리미터 x 대략 500 밀리미터 정도로, 또는 대략 800 밀리미터 x 500 밀리미터 또는 그 이상으로 비교적 커야 한다. 상기 설명한 플라즈마 디스플레이판넬에서는, 각각이 플라즈마 가스를 포함하는 수천 개의 셀이 존재한다. 전압이 각각의 셀에 인가될 때, 플라즈마 가스는 색을 띄는 광을 만들기 위해 각각의 셀 내의 형광체와 반응한다. 가스를 이온화시켜 플라즈마를 만드는데 상당한 전력이 필요하기 때문에, 플라즈마 디스플레이는 높은 고온이 될 수 있다. 더구나, 판넬의 특정 영역의 색상에 따라서, 디스플레이 수명을 짧게 할 뿐만 아니라 판넬에 열적 스트레스를 유발할 수 있는 형광체의 조기 파손을 발생시킬 수 있는 고온 스폿이 스크린 상에 형성될 수 있다. 따라서, 열확산기는 이러한 고온 스폿 효과를 감소시키는데 필요하다.
박리된 흑연의 압축된 입자 시트, 특히 박리된 흑연의 압축된 입자 시트 층은 플라즈마 디스플레이판넬과 같은 디스플레이장치용 열확산기로서 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 특히, 여기서는 가요성 흑연 시트로 불리는, 박리된 흑연의 압축된 입자들의 하나 이상의 시트는 플라즈마 디스플레이판넬의 후면과 열접촉하도록 위치하여, 가요성 흑연 시트가 판넬 내의 다수의 열소스(즉, 방전셀) 위에 위치한다. 다시 말하면, 가요성 흑연 시트의 표면적은 플라즈마 디스플레이판넬의 후면에서의 방전셀의 표면적보다 크며; 더욱이, 가요성 흑연 시트의 표면적은 플라즈마 디스플레이판넬의 후면의 다수의 방전셀의 표면적보다 크다. 따라서, 본 발명의 열확산기가 형성된 가요성 흑연 물질의 고유 특성으로 인해, 판넬에 의해 디스플레이된 이미지가 바뀜에 따라, 플라즈마 디스플레이판넬 상의 상이한 위치에서 발생할 수 있는 고온 스폿으로부터의 열을 확산시킨다.
가요성 흑연 시트 재료가 다른 재료보다 더욱 컨포멀하다는 고유 특성으로 인해, 다른 형태의 흑연의 경우에도, 열확산기와 플라즈마 디스플레이판넬 간의 접촉 저항은 감소되고 동일한 공급 압력이 제공된 종래 열확산기를 사용할 때보다 우수한 열접촉이 달성될 수 있다.
본 발명의 가요성 흑연 시트 열확산기는 디스플레이장치의 위치들 간의 온도 차(즉, △T)를 감소시키는 작용을 한다. 즉, 백색 이미지가 생성되는 위치와 어두운 이미지가 생성되는 인접한 위치와 같이 플라즈마 디스플레이판넬 상의 고온 스폿 간의 온도차는 가요성 흑연 시트가 사용되지 않은 △T와 비교할 때, 본 발명의 가요성 흑연 열확산기를 사용함으로써 감소된다. 따라서, 플라즈마 디스플레이판넬이 노출된 열적 스트레스는 감소하고, 판넬 수명과 효율성을 증가시킨다. 또한, 고온 스폿(열적 스파이크)이 감소되기 때문에, 전체 유닛은 보다 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 이미지 개선을 실현한다.
실제로, 흑연 열확산기는 그 위에 접착층을 가져 플라즈마 디스플레이판넬 조립 공정 중에 플라즈마 디스플레이판넬에 열확산기를 접착시키도록 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 이 때 분리 라이너는 접착제를 위에 도포하는데 사용되어야 하며, 접착제는 플라즈마 디스플레이판넬에 접착하기 전에 흑연 열확산기를 저장 및 이동시키도록 분리 라이너와 흑연 시트 사이에 위치한다.
분리 라이너를 갖는 접착제 코팅 흑연 시트(또는 시트 박판)의 사용은 큰 부피의 디스플레이장치 제조 공정에 실시되는 경우 만족될 수 있는 조건을 갖는다. 특히, 분리 라이너는 흑연이 얇은 조각으로 갈라지지 않으면서 고속으로 시트로부터 제거될 수 있어야 한다. 얇은 조각으로 갈라지는 것은 분리 라이너가 유효하게 접착제를 당기고 일부 흑연이 제거되면서 시트로부터 떨어질 때 발생하며, 흑연 손실, 흑연 시트 손상 및 흑연 시트를 디스플레이장치에 접착시키는데 필요한 접착력 약화, 뿐만 아니라 보기 흉한 외관을 형성한다.
그러나, 접착제와 분리 라이너가 흑연을 얇은 조각으로 분리시키지 않으면서 접착제/흑연 시트로부터 분리 라이너를 분리시키도록 선택되더라도, 접착제는 판넬이 다수의 방향 중 임의의 방향을 가지며 열확산기(들)과 장치 간의 우수한 열접촉을 보장하면서 장치 상의 위치에 흑연 시트를 유지시키기에 충분히 강해야 한다.
게다가, 열확산기의 열적 성능은 접착제에 의해 현저히 약화되지 않아야 한다. 즉, 상당한 두께의 층으로 제공된 접착제는 접착제가 플라즈마 디스플레이판넬 또는 기타 디스플레이장치로부터 열확산기까지의 열전도를 방해하기 때문에 열확산기의 열적 성능을 방해할 수 있다.
따라서, 접착제와 분리 라이너 조합은 균형을 이루어 예컨대 ChenInstruments HSR-1000 고속 분리 시험기에서 측정할 때 대략 40g/cm보다 크지않은 분리부하를 가져야 하며, 더 바람직하게는 대략 20g/cm, 가장 바람직하게는 대략 10g/cm의 분리부하를 가져야 한다. 예컨대, 만약 플라즈마 디스플레이판넬과 같이 디스플레이장치의 큰 부피의 제조 조건을 매칭시키기 위해 대략 1m/s의 속도로 분리 라이너를 제거하는 것이 바람직한 경우, 분리 라이너의 평균 분리부하는 상기 분리 속도에서 흑연이 얇은 조각으로 갈라지지 않게 하면서 분리 라이너를 제거할 수 있도록 대략 40g/cm보다 크지 않아야 하며, 더 바람직하게는 대략 20g/cm, 가장 바람직하게는 대략 10g/cm보다 크지 않아야 한다. 이를 달성하기 위하여, 접착제는 두께가 대략 0.015mm보다 두껍지 않아야 하며, 가장 바람직하게는 대략 0.005mm보다 두껍지 않아야 한다.
균형을 이루기 위한 또 다른 요소는 상기 언급한 바와 같이 제조 공정 동안 디스플레이장치 상의 위치에 열확산기를 유지시키고 열확산기와 장치 간의 우수한 열접촉을 보장하기에 충분한 접착제의 강도이다. 필요한 접착을 달성하기 위하여, 접착제는 예컨대 ChemInstruments TT-1000 인장 시험기에서 측정했을 때 적어도 대략 125g/㎠의 최소 랩(lap) 전단 접착 강도를 가져야 하며, 더 바람직하게는 적어도 대략 700g/㎠의 평균 랩 전단 접착 강도를 가져야 한다.
상기 설명한 바와 같은 모든 경우라도, 접착제가 실질적으로 열확산기의 열적 성능을 방해하지 않아야 한다. 이것이 의미하는 것은, 접착제의 존재는 접착제 없이 열확산기 재료만 있는 경우에 비해 대략 100% 이상의 열확산기 의 관통-두께 열저항을 증가시키지 않아야 한다는 것이다. 게다가, 바람직한 실시예에서, 접착제는 접착제가 없는 열확산기 재료와 비교할 때 대략 35% 이상의 열저항을 증가시키지 않아야 한다. 따라서, 접착제는 분리부하 조건과 평균 랩 전단 접착 강도 조건을 충족시키면서 바람직하지 않은 높은 열저항 증가를 방지하기에 충분히 얇아야 한다. 그렇게 되기 위해서, 접착제는 대략 0.015 mm보다 두껍지 않아야 하며, 더 바람직하게는 대략 0.005 mm보다 두껍지 않아야 한다.
열확산기가 대략 2.0 mm 이하의 두께 및 입방센티미터당 대략 1.6 내지 대략 1.9 그램 사이의 밀도를 갖는 박리된 흑연의 압축된 입자의 시트 또는 시트 박판인, 큰 부피의 제조 공정에서의 플라즈마 디스플레이판넬과 같은 디스플레이장치에 제공되기에 유용한 열확산기 제조에 필요한 상기 균형을 달성하기 위하여, 테크니코트 인코포레이션(Technicote Inc.)의 자회사인 실 테크(Sil Tech)로부터 상업적으로 이용가능한 L2 또는 L4 분리 라이너와 같은 실리콘-코팅된 크래프트 페이퍼(Kraft paper)로 제조된 분리 라이너와 결합되어 원하는 두께로 상업적으로 이용가 능한 압력 감지 아크릴 접착제가 원하는 결과를 달성할 수 있다. 따라서, 박리된 흑연의 압축된 입자의 시트 또는 시트 박판과 같은 열확산기 재료를 포함하며, 그 위에 소정 두께의 접착제를 가져 열확산기 재료의 열적 성능이 거의 손상되지 않으며, 접착제가 열확산기 재료와 분리 재료 사이에 끼워지도록 분리층이 위치한 열확산기 구성물이 제공된다. 그 후에 동작시, 분리 재료는 플라즈마 디스플레이판넬과 같은 디스플레이장치에 제공된 열확산기/접착제 조합물 및 열확산기 재료/접착제 조합물로부터 제거되어 접착제가 열확산기 재료를 플라즈마 디스플레이판넬에 접착시키게 한다. 또한, 다수의 플라즈마 디스플레이판넬이 제조되는 경우, 적어도 하나의 열확산기/접착제 조합이 다수의 플라즈마 디스플레이판넬 각각에 제공된다.
가요성 흑연 박판이 본 발명의 열확산기로서 사용되는 경우, 기타 박판층이 박판의 기계적 또는 열적 특성을 향상시키도록 포함될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 또는 구리와 같은 열도전성 금속의 박판층은 흑연에 의해 나타나는 낮은 접촉 저항을 희생시키지 않으면서 박판의 열확산 특성을 증가시키기 위해 가요성 흑연층들 간에 삽입될 수 있다; 폴리머와 같은 다른 재료가 박판의 강도를 강화시키기 위해 또는 향상시키기 위해 사용될 수도 있다. 게다가, 본 발명의 열확산기의 열확산 성능을 저하시키지 않으면서 이동 또는 디스플레이장치에 제공하는 동안 재료의 처리 및/또는 손상을 감소시키기 위해, 단일 시트 또는 하나의 박판인 흑연 재료에는 예컨대 얇은 플라스틱 시트 또는 그 대안으로서 건조된 수지의 얇은 코팅으로 이루어진 후방층이 제공될 수 있다. 또한 절연 재료층이 사용될 수도 있다.
또한, 디스플레이장치에 인접하도록 예정된 열확산기의 표면은 열적 성능을 향상시키기 위한 재료의 페이싱(facing) 및/또는 본 발명의 열확산기의 수리를 위한 능력을 가질 수 있다. 알루미늄 또는 구리와 같은 금속이 가장 바람직하며, 그 중 알루미늄이 가장 바람직하다. 비록 (이러한 페이싱이 사용되는 경우 컨포멀한 흑연 표면이 장치 표면과 접촉하지 않기 때문에) 더 큰 접촉 저항의 관점에서 일부 열적 희생이 존재할 수 있지만, 이는 금속 페이싱의 열적 등방성에 의해 보상될 수 있다. 그러나 더 중요한 것은, 장치 표면에 접착되는 페이싱이 있기 때문에, 수리 또는 기타 작업을 위한 본 발명의 열확산기의 제거가 용이하고, 금속 페이싱의 구조가 접착제 결합보다 강하기 때문에, 디스플레이장치 표면으로부터 열확산기를 빠르고 손상없이 제거할 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 10으로 표시된 본 발명의 열확산기로서 사용하도록 의도된 가요성 흑연 시트 또는 박판은 원하는 모양으로 절단될 수 있으며, 대부분 장방형으로 절단된다. 열확산기(10)는 두 개의 주표면(12 및 14) 뿐만 아니라 적어도 하나의 에지 표면(16)을 가지며, 만약 열확산기(10)가 장방형인 경우 네개의 에지 표면(16a,16b,16c,16d)을 갖는다(열확산기(10)가 사각형 이외의 모양으로, 예컨대 둥근 모양 또는 더 복잡한 모양으로 절단되는 경우, 에지 표면(16)의 수는 달라질 것이다).
도 1-3을 다시 참조하면, 열확산기(10)는 흑연입자가 열확산기(10)를 구성하는 가요성 흑연 시트 또는 박판으로부터 박리되거나 다른 방식으로 분리되는 가능성을 방지하기 위해 보호성 코팅부(20)를 포함할 수 있다. 또한 보호성 코팅부 (20)는 전자장치에 전도성 재료(흑연)을 포함시킴으로써 야기되는 전기적 간섭을 방지하기 위해 열확산기(10)를 유효하게 분리시킨다. 보호성 코팅부(20)는 흑연 재료가 박리되는 것을 방지하기에 및/또는 흑연을 전기적으로 절연시키기에 충분한, 폴리에틸렌, 폴리에스테르 또는 폴리이미드, 왁스 및/또는 니스 재료와 같은 열가소성 재료와 같은 적합한 재료를 포함할 수 있다. 게다가, 절연과 달리, 접지가 필요한 경우, 보호성 코팅부(20)는 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다.
바람직하게, 원하는 박리-방지 및/또는 전기적 절연을 달성하기 위해, 보호성 코팅부(20)는 바람직하게 적어도 대략 0.001 mm의 두께를 가져야 한다. 비록 보호성 코팅부(20)의 최대 두께는 존재하지 않지만, 보호성 코팅부(20)는 유효하게 작용하기 위해 두께가 대략 0.025 mm보다 두껍지 않아야 하며, 바람직하게는 대략 0.005 mm보다 두껍지 않아야 한다.
열확산기(10)가 플라즈마 디스플레이판넬과 같은 디스플레이장치에 제공되는 경우, 열확산기(10)의 주표면(12)은 판넬과 기능적으로 접촉하는 표면이다. 이와 같이, 많은 경우에 있어서, 주표면(12)과 판넬 간의 접촉은 흑연 박리에 대해 주표면(12)을 "밀봉"시키는 기능을 하며, 따라서 주표면(12)을 보호성 코팅부(20)로 코팅시킬 필요성을 제거한다. 마찬가지로, 주표면(14)이 열확산기(10)가 위치한 전기장치의 나머지 부분으로부터 절연되게 제공된다면, 주표면(12)의 절연은 필요하지 않다. 그러나, 처리를 위해 또는 다른 것을 고려하여, 일부 실시예에서 보호성 코팅부(20)는 열확산기(10)를 플라즈마 디스플레이판넬(도시안됨)에 접착시키기 위해 주표면(12)에 사용된 임의의 접착제와 흑연 시트 간에 삽입된 열확산기(10)의 양쪽 주표면(12) 상에 코팅될 수 있다.
열확산기(10)는 다른 여러 방법에 의해 보호성 코팅부(20)가 제공될 수 있다. 예컨대, 일단 가요성 흑연 시트 또는 박판이 열확산기(10)를 형성하기 위한 크기 및 모양으로 절단된다면, 보호성 코팅부(20)를 형성하는 재료는 도 1에 도시된 바와 같이, 주표면(14)과 에지 표면(16) 등 주위에서 완전하게 흐르고 열확산기(10) 경계에 보호성 박편을 형성하도록 에지 표면(16) 등을 넘어 연장할 수 있게 개별 열확산기(10) 상에 코팅될 수 있다. 이를 위해, 보호성 코팅부(20)는 스프레이 코팅, 롤러 코팅 및 고온 적층 가압과 같이 당업자에게 친숙한 다양한 코팅 방법을 이용하여 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 대안적인 실시예에서, 보호성 코팅부(20)는 (예컨대 노출되고 이로써 잠재적으로 박리되며 및/또는 전기적 간섭을 유발하는 것에 따라서) 하나 이상의 에지 표면(16a,16b,16c,16d)을 덮도록 열확산기(10)에 제공될 수 있다. 이를 달성하기 위하여 보호성 코팅부(20)는 기계적인 맵핑 및 박판화에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 3에 도시된 것처럼, 보호성 코팅부(20)는 주표면(14)만을 코팅하도록 열확산기(10)에 제공된다. 본 실시예의 열확산기(10)를 제조하는 한가지 바람직한 방법은 롤러 코팅, 접착제 도포, 또는 고온 가압 적층을 이용하여 보호성 코팅부(20)로 가요성 흑연 시트 또는 박판을 코팅하고, 그 후에 가요성 흑연 시트 또는 박판을 열확산기(10)의 원하는 모양으로 절단하는 것이다. 이러한 방식으로, 제조 효율은 최대가 되며 제조 공정에서 보호성 코팅부 (20)의 폐기물은 최소가 된다.
일반적으로, 코딩 방법은 대부분의 분야에서 보호성 코팅부(20)를 충분한 강도로 열확산기(10)에 접착시킨다. 그러나, 필요한 경우 또는 (이.아이. 듀퐁 드 네모스(E.I. du Pont de Nemours) 및 윌밍턴 델라웨어 컴퍼니(Company of Wilminton, Delaware)로부터 상업적으로 모두 이용가능한) Mylar® 폴리에스테르 재료 및 캡톤(Kapton) 폴리이미드 재료와 같은 비교적 비접착성의 보호성 코팅부(20)의 경우에, 도 3에 도시된 것처럼, 접착층(30)은 열확산기(10) 및 보호성 코팅부(20) 사이에 제공될 수 있다. 적절한 접착제는 열확산기(10)에 대한 보호성 코팅부(20)의 접착을 촉진시킬 수 있는, 아크릴 또는 라텍스 접착제와 같은 접착제이다. 접착제층(30)은 열확산기(10) 및 보호성 코팅부(20)의 모두에 또는 이들 중 하나에 코팅될 수 있다. 바람직하게, 접착층(30)은 가능한 얇지만 보호성 코팅부(20)와 열확산기(10) 사이의 접착을 계속 유지시킨다. 바람직하게, 접착층(30)은 두께가 대략 0.015 mm보다 두껍지 않다.
게다가, 또 다른 실시예에서, 열확산기(10)는 열확산기(10)의 표면(12)과 디스플레이장치의 표면 사이에 위치한 페이싱층(40)을 포함할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 페이싱층(40)은 바람직하게는 알루미늄과 같은 금속이고, 도 1에 도시된 바와 같이 열확산기(10)의 표면(12)과 페이싱층(40) 사이에 제공된 접착제층(50)을 사용하여 표면(12)에 접착될 수 있다. 적절한 접착제는 아크릴 또는 라텍스 접착제이고, 열확산기 표면(12)와 페이싱층(40) 위에 또는 이들 중 하나에만 코팅될 수 있다. 물론, 접착제(50)는 페이싱층(40)과 표면(12) 사이의 접착을 유지 시키면서 가능한 얇게 제공되는데, 바람직하게는 두께가 대략 0.015 mm보다 두껍지 않다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 페이싱층(40)은 페이싱층(40)과 보호성 코팅부(20) 사이의 흑연 열확산기(10)를 밀봉시키기 위해 보호성 코팅부(20)와 함께 작용할 수 있다. 특히, 만약 페이싱층(40)이 열확산기(10)의 에지(16) 등을 넘어 연장한다면, 보호성 코팅부는 열확산기(10) 주위와 페이싱층(40)까지 코팅될 것이다. 선택적으로, 알루미늄 테이프와 같은 재료가 페이싱층(40)과 보호성 코팅부(20) 사이의 에지(16) 등을 밀봉시키는데 사용될 수 있다.
비록 본 명세서는 열확산기를 플라즈마 디스플레이판넬에 적용시키는 관점에서 기술되었지만, 본 발명의 방법과 열확산기는 기타 발광 디스플레이장치 열소스, 또는 (플라즈마 디스플레이판넬을 구성하는 각각의 방전셀들의 집합과 기능적으로 동일한) 발광다이오드와 같은 열소스 집합기뿐만 아니라 액정디스플레이와 같이 국부적인 고온 영역 또는 고온 스폿을 발생시키는 기타 디스플레이장치에 동일하게 적용될 수 있다.
하기 예는 본 발명의 일 실시예의 작동 및 효과를 설명하지만, 단지 예시적일 뿐이며, 청구범위의 범위와 폭을 제한하지 않는다.
예 1
플라즈마 디스플레이판넬의 후면에 부착된 아크릴 열확산기를 사용한 파나소닉 플라즈마 TV 모델 번호 TH42PA20의 열특성은 하기 상이한 스크린 조건 하에서 분석된다. 백색 및 흑색 패턴이 디스플레이 상에 생성되고 스크린 표면 온도가 적 외선 카메라를 이용하여 측정된다. 모든 경우에 후방은 흑색이다. 패턴은 1) 스크린을 가로질러 수평으로 균일하게 이격된 세 개의 백색 라인(23.9% 스크린 조명); 및 2) 균일하게 이격된 백색 점의 4x3 어레이(4% 스크린 조명)로 구성된다. 종래 아크릴 열확산기를 갖는 장치를 시험한 후에, 아크릴 확산기가 제거되고 두께가 1.4 mm이고 평면 열전도율이 대략 260 W/m°K인 가요성 흑연 열확산기로 대체하였다. 이 때 플라즈마 디스플레이는 상기 설명한 동일한 조건에서 다시 시험되고, 그 결과는 표 1에 개시하였다.
표 1
패턴 열확산기 Tmax 백색패턴 T 범위 주위온도
백색라인패턴 아크릴 49.3 30 24.1
백색라인패턴 가요성흑연 48.6 34.4 23.5
백색점어레이패턴 아크릴 51.8 30.4 24.3
백색점어레이패턴 가요성흑연 39.3 28.3 23.4
예 2
플라즈마 디스플레이판넬의 후방에 부착된 알루미늄/실리콘 열확산기를 사용하는 NEC 플라즈마 디스플레이 모델 플라즈마싱크 42" 42XM2 HD의 열특성이 하기 상이한 스크린 조건에서 분석되었다. 백색 및 흑색 패턴이 디스플레이 상에 생성되고 스크린 표면 온도가 적외선 카메라를 이용하여 측정된다. 모든 경우에 후방은 흑색이다. 패턴은 1) 스크린을 가로질러 수평으로 균일하게 이격된 세 개의 백색 라인(23.9% 스크린 조명); 및 2) 균일하게 이격된 백색 점의 4x3 어레이(4% 스크린 조명)으로 구성된다. 종래 알루미늄/실리콘 열확산기를 갖는 장치를 시험한 후에, 알루미늄/실리콘 열확산기가 제거되고 두께가 1.4 mm이고 평면 열전도율이 대략 260 W/m°K인 가요성 흑연 열확산기로 대체하였다. 이 때 플라즈마 디스플레이는 상기 설명한 동일한 조건에서 다시 시험되고, 그 결과는 표 2에 개시하였다.
표 2
패턴 열확산기 Tmax 백색패턴 T 범위 주위 온도
백색라인패턴 알루미늄/실리콘 61.4 32.9 25.2
백색라인패턴 가요성흑연 55.1 33.9 24.9
이러한 예들은 최대온도(Tmax)의 관점 및 관찰된 온도 범위(T범위)의 관점에서 종래 열확산기 기술에 대한 가요성 흑연 열확산기를 사용할 때의 장점을 설명한다.
본 명세서에서 인용된 모든 특허와 공개문헌들은 참조로 포함된다.
본 발명을 설명한 바와 같이 본 발명은 많은 방식으로 변화될 수 있다. 이러한 변화는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주하며 당업자에게 자명한 본 발명의 모든 변형들은 하기 청구항들의 범위에 포함된다.
본 발명의 실시에 의해 플라즈마 디스플레이판넬 등과 같은 디스플레이장치의 스크린 상에서 국부적으로 발생하는 고온 스폿으로 인해 스크린 상의 균일하지 못한 온도분포 등의 문제점이 해결되며, 이로써 디스플레이장치의 수명과 효율를 높이는 효과를 갖는다.

Claims (20)

  1. 고온의 국부화된 영역이 발생하는 디스플레이장치의 후방부 일부분의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트를 포함하는 디스플레이장치용 열확산기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이장치는 발광 디스플레이장치이고, 상기 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트는 상기 발광 디스플레이장치의 후방부에 면하는 방전셀의 일부분의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 발광 디스플레이장치는 플라즈마 디스플레이판넬인 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트는 상기 플라즈마 디스플레이판넬의 후방부에 면하는 다수의 방전셀들의 일부분의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열확산기는 박리된 흑연의 압축된 입자들의 다수의 시트들이 포함된 박판을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 박판은 비흑연 물질로 이루어진 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열확산기 상에는 접착제가 포함되고 상기 접착제가 상기 열확산기와 분리 물질 사이에 끼워지도록 위치한 분리 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 분리 물질과 상기 접착제는 상기 열확산기에 바람직하지 않은 손상을 유발시키지 않으면서 상기 분리 물질을 미리설정된 속도로 분리시킬 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 접착제와 상기 분리 물질은 초당 1미터의 분리 속도에서 센티미터당 대략 40 그램보다 크지 않은 평균 분리부하를 제공하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 접착제는 입방센티미터당 적어도 대략 125 그램의 최소 랩(lap) 전단 접착 강도를 달성하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 접착제는 입방센티미터당 적어도 대략 700 그램의 평균 랩 전단 접착 강도를 달성하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  12. 제 11 항에 있어서 상기 접착제의 두께는 대략 0.015 mm보다 두껍지 않은 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  13. 제 1 항에 있어서, 주표면들 중 적어도 하나는 상기 흑연입자들의 박리를 방지하기에 충분한 보호성 코팅부에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 보호성 코팅부는 금속 또는 열가소성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 보호성 코팅부는 두께가 대략 0.025 mm 보다 두껍지 않은 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 보호성 코팅부는 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트의 코팅된 주표면을 전기적으로 절연시키기에 유효한 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트는 에지 표면을 가지며, 적어도 하나의 에지 표면은 상기 흑연입자들의 박리를 방지하기에 충분한 보호성 코팅부로 코팅되는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 보호성 코팅부 및 상기 박리된 흑연의 압축된 입자들의 적어도 하나의 시트 사이에 삽입된 접착제층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 박리된 흑연의 압축된 입자들의 시트 및 상기 디스플레이장치 사이에 삽입되기 위해 표면에 부착된 페이싱층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 페이싱층은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치용 열확산기.
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