KR20070035504A - 개선된 열적 인터페이스 물질 - Google Patents

Abstract

두 개의 평행한 평면 표면을 구비하는 가요성 그래파이트 시트 제품(20)으로 형성된 열적 인터페이스 물질로서, 열적 인터페이스의 제1 평면 표면이 열원(100)의 외부 표면(100a)과 작용적으로 접촉하고 제2 평면 표면이 냉각 모듈과 접촉하는 열적 인터페이스 물질이 개시된다. 여기서 그래파이트 시트는 오일을 함유한다.

그래파이트, 히트 싱크, 핀

Description

개선된 열적 인터페이스 물질 {IMPROVED THERMAL INTERFACE MATERIAL}

본원발명은 전자 부품과 같은 열원으로부터의 열 처리를 용이하게 하기 위한 열적 인터페이스 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원발명은 전자부품에 의해 발생되는 열의 방출을 촉진하는 물질에 관한 것이다.

더 작은 크기 및 더 복잡한 전력 요구조건을 가지면서 다른 기술적 진보를 보여주는, 전자 및 전기 부품 및 시스템 뿐만 아니라 높은 전력의 광학 장치와 같은 다른 장치 내의 집적회로와 마이크로 프로세서와 같은, 보다 높은 주파수 및 처리 속도를 증가시킬 수 있는 전자 장치를 포함하여, 점점 더 복잡해지는 전자장치가 개발됨에 따라, 상대적으로 큰 온도가 발생될 수 있다. 그러나, 마이크로 프로세서, 집적회로, 및 기타 정교한 전자 부품은 통상적으로 일정한 범위의 한계 온도 내에서만 효율적으로 작동한다. 이러한 부품의 작동 중에 발생된 과도한 열은 그 자체의 성능만을 훼손시킬 뿐만 아니라, 전체 시스템의 성능 및 신뢰성을 손상시키게 되며, 심지어 시스템의 고장을 야기할 수도 있다. 극한의 온도와 같이, 전자 시스템이 작동되어야 할 외부 환경 조건의 범위가 증가되어 과도한 열로 인한 부정적인 효과가 더욱 심각하게 되었다.

미세 전자장치로부터의 열 방출에 대한 필요성이 증가함에 따라, 전자 제품 의 설계에 있어서 열 관리가 더욱 중요한 요소가 되었다. 전자 장비의 성능 신뢰성 및 기대 수명 모두는 장비의 부품 온도에 반비례하는 관계이다.

예를 들어, 통상적인 실리콘 반도체와 같은 장치의 작동 온도를 감축시키면, 장치의 처리 속도, 신뢰성, 및 기대 수명을 증가시킬 수 있게 된다. 그러므로, 부품의 신뢰성 및 가동 연한을 최대화시키기 위해서는, 장치의 작동 온도를 설계자에 의해 정해진 범위 내에서 조절하는 것이 가장 중요하다. 열적 관리 시스템은 이러한 목적을 보조하도록 설계된다.

열 관리 시스템의 요소 중 하나는 열적 인터페이스 물질이다. 열적 인터페이스 물질의 통상적인 용도는 히트 싱크 또는 냉각 모듈과 컴퓨터 칩 또는 다른 열원 간의 표면 정합성(surface conformity) 부족과 접촉 저항을 개선하기 위하여 컴퓨터 칩을 냉각 모듈(즉, 위에서 설명한 바와 같은 히트 싱크)에 열적으로 연결하는 것이다. 통상적으로, 열적 인터페이스는 열적 그리스(thermal greases), 상 변화 물질 및 테이프로 이루어진다. 가요성 그래파이트는 이러한 장치에 쉽게 적용될 수 있는데, 이는 특히 양 표면 또는 어느 한 표면이 완전히 평평하지 않는 경우에도 가요성 그래파이트가 표면에 정합하여 서로 접속시킬 수 있으며 또한 가요성 그래파이트의 낮은 열적 저항을 갖기 때문이다. 이러한 특성은 열 관리 시스템에 있어 중요한데, 이는 열적 저항을 가능한 한 줄이는 것이 매우 중요하기 때문이다.

또한, 가요성 그래파이트 열적 인터페이스 물질의 표면적이 그와 접촉하는 열원의 표면적보다 큰 경우에, 이러한 열적 인터페이스는 때때로 열적 확산기 또는 열 확산기라고 언급될 수 있다. 이는 그래파이트 물질의 이방성이 열원으로부터의 열을 그래파이트 물질의 표면을 따라 확산시켜서, 이로써 소위 열점(hot spots)을 감소시키고 더 큰 유효 표면적을 갖는 열 방출 장치나 히트 싱크의 사용을 보조하게 된다. 이러한 개념은 Tzeng 의 미국 특허 US 6,482,520 호에 개시되어 있다.

또한, Tzeng 등의 미국 특허 US 6,245,400 호에서는 낮은 열 저항 특성을 갖는, 릴리스 라이너가 부착된 압력 민감 접착제 가요성 그래파이트 시트 제품이 개시되어 있다. 가요성 그래파이트 시트는 가요성 그래파이트 기판과 그 위에 배치되는 접착성의 초벌 코팅, 상기 접착성 초벌 코팅 위에 코팅되는 압력 민감 접착제, 그리고 압력 민감 접착제 코팅층 위에 도포되는 릴리스 라이너를 포함한다.

비록 이하에서 더욱 자세하게 설명되기는 하지만, 열적 인터페이스에 사용되는 가요성 그래파이트의 제조 방법은 잘 알려져 있으며, 그 통상적인 공정이 Shane 등의 미국 특허 US 3,404,061 호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 참조로 병합된다. 일반적으로, 천연 그래파이트의 플레이크(flake)는 산성 용액 내에서 인터칼레이트(intercalate)된다. 플레이크가 인터칼레이트 된 이후에, 이들은 세정 및 건조되고 이후 짧은 시간 동안 고온에 노출됨으로써 박리된다. 이로써 플레이크는 그래파이트의 결정 평면에 수직한 방향으로 팽창 또는 박리하게 된다. 박리된 그래파이트 플레이크는 외관이 연충모양(vermiform)이어서 통상적으로 벌레로 지칭된다. 이러한 벌레는, 비록 약 1.1 g/cc 의 밀도가 대부분의 장치에 있어 통상적이기는 하나, 이론적 밀도에 가까운 밀도로 시트나 포일로 압추된다. 이러한 가요성 그래파이트 시트는 특별한 용도에 맞게 원하는 형상으로 절될 될 수 있다.

그래파이트는, 미세한 크기로 볼 때, 탄소 원자의 망상 구조 또는 육방 배열의 층 평면들로 구성되어 있다. 육방으로 배열된 탄소 원자의 이들 층 평면들은 실질적으로 편평하고 서로 실질적으로 평행하고 동일 거리에 있도록 배향(orient) 또는 정렬(order)된다. 일반적으로 그래팬(graphene)층 또는 바탕면(basal planes)으로 지칭되는, 실질적으로 편평하고 평행한 동일 거리의 탄소 원자의 시트 또는 층은 서로 링크되거나 결합되며 이들 그룹은 결정 상태로 배열된다. 잘 정렬된 그래파이트는 상당한 크기의 결정으로 구성되며, 이러한 결정은 서로 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소층을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 그래파이트는 매우 바람직한 결정 방향을 갖는다. 그래파이트가, 자명하게, 이방성(anisotropic) 구조를 가져 높은 방향성을 갖는 열전도도 및 전기 전도도 그리고 유체 확산(fluid diffusion)과 같은 많은 특성을 나타내거나 가짐을 주목해야 한다.

요컨대, 그래파이트는 탄소의 라미네이트된 구조(laminated structure), 즉 약한 반데르바알스 힘에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 라미내(laminae)로 구성된 구조를 특징으로 한다. 그래파이트 구조를 고려할 때, 두 개의 축 또는 방향, 즉 "c" 축 또는 방향과 "a" 축 또는 방향이 일반적으로 언급된다. 단순히, "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c" 방향에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. 가요성 그래파이트 시트를 제조하는데 적절한 그래파이트는 매우 높은 방향성(orientation)을 갖는다.

전술한 것처럼, 탄소 원자의 평행한 층을 서로 유지시키는 결합력은 단지 약 한 반데르바알스 힘이다. 천연 그래파이트는 중첩된 탄소층 또는 라미내 사이의 공간이 다소 개방되어 층에 수직한 방향, 즉 "c" 방향으로 현저한 팽창을 제공하여, 탄소층의 층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부푼 그래파이트 구조를 형성하도록 처리될 수 있다.

화학적 또는 열적으로 팽창된, 보다 구체적으로 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 천연 그래파이트 플레이크는 바인더의 사용 없이 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프 등과 같은 팽창된 그래파이트의 접착성 시트 또는 일체식(integrated) 시트로 형성될 수 있다(일반적으로 "가요성 그래파이트"로 지칭됨). 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 입자를, 소정의 바인딩 재료를 사용하지 않고, 압축에 의해 일체식 가요성 시트로 형성하는 것은 큰 부피로 팽창된 그래파이트 입자 사이에서 달성되는 기계적 인터로킹(interlocking), 또는 접착으로 인해 가능하다고 믿어진다.

가요성 외에, 시트 재료는, 상기한 바와 같이, 롤러 프레싱과 같은 매우 큰 압축으로 인해 시트의 대향면에 실질적으로 평행한 팽창된 그래파이트 입자의 방향성으로 인해서, 열 및 전기 전도도와 유체 확산에 있어 천연 그래파이트 기초 물질보다는 다소 적지만 비교할 수 있을 정도의 큰 이방성을 갖는다는 것이 알려져 있다. 이렇게 제조된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 매우 높은 방향성을 갖는다.

요컨대, 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요 성이 있고 바인더가 없는 이방성 그래파이트 시트 재료를 제조하는 방법은 실질적으로 편평하고, 가요성이 있는 일체식 그래파이트 시트를 형성하기 위해 소정의 하중 하에서 바인더 없이 초기 입자의 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 그래파이트 입자를 압축하는 단계를 포함한다. 대체적으로 외형이 벌레 모양 또는 연충 모양인 팽창된 그래파이트 입자는 일단 압축되면, 시트의 대향 주표면과의 정렬 상태 및 압축 상태를 유지한다. 시트 재료의 밀도와 두께는 압축 정도를 조절함으로써 변할 수 있다. 통상적으로 시트 재료의 밀도는 약 0.04g/cm³ 내지 약 2.0g/cm³ 범위 내에 있을 수 있다. 가요성 그래파이트 시트 재료는, 시트의 대향하고 평행한 주요면에 평행한 그래파이트 입자의 정렬로 인해 상당한 정도의 이방성을 나타내며, 이방성의 정도는 높은 밀도로 시트 재료를 롤러 프레싱할 때 증가한다. 롤러 프레스된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 대향하고 평행한 시트 표면에 수직한 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이 및 폭을 따른, 즉 대향된 주표면을 따른 또는 대향된 주표면에 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적, 전기적, 및 유체 확산 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대하여 그 크기가 매우 상이하게 된다.

본원발명의 목적은 열원과 냉각 모듈 사이의 열 전도를 향상시키는 것이다.

본원발명의 다른 목적은 열 방출 구성요소 및 열원과 관련하여 증가된 열 전도성 및 감소된 접촉 저항을 갖는 열적 인터페이스를 제공하는 것이다.

보다 구체적으로, 본원발명의 실시예는 오일(oil)을 함유하는 가요성 그래파이트 시트 제품을 포함하는 열적 인터페이스 물질이다.

본원발명의 또 다른 실시예는 외부 표면을 갖는 열원; 오일을 함유하는 가요성 그래파이트 시트 제품을 포함하는 열적 인터페이스로서, 상기 열원의 외부 표면과 작용적으로 연결되는 열적 인터페이스; 및 열 수집 표면과 열 방출 표면을 갖는 열 방출 부품으로서, 상기 열 수집 표면이 상기 열적 인터페이스와 작용적으로 연결된 열 방출 부품; 을 포함하는 열 관리 시스템이다. 이 실시예에서는 열 수집 표면을 열적 인터페이스와 작용적으로 연결되도록 배치함으로써 열원으로부터의 열을 방출시키게 된다.

본원발명의 또 다른 실시예는 전자 부품을 포함하는 열원, 열적 인터페이스, 및 히트 싱크를 포함하는 열 관리 시스템이다. 이러한 실시예에서, 열원은 외부 표면을 가지며; 열적 인터페이스는 시트의 그래파이트 결정 구조의 평면 방향에 평행한 방향으로 연장하는 두 개의 평행한 평면 표면을 구비하는 가요성 그래파이트 시트를 포함하며 열적 인터페이스의 제1 평면 표면은 열원의 외부 표면과 작동작으로 접촉한다. 더욱이, 그래파이트 시트는 2 중량 % 이상의 오일을 바람직하게 함유한다. 이러한 실시예에서, 열적 인터페이스의 제1 평면 표면의 평면 영역은 열원의 외부 표면의 영역보다 더 크다. 마지막으로, 히트 싱크는 열 수집 표면과 하나 이상의 열 방출 표면을 구비한다. 히트 싱크의 열 수집 표면은 열적 인터페이스의 제2 평면 표면과 작용적으로 접촉한다.

본원발명의 다른 실시예는 열적 인터페이스 물질을 준비하기 위한 공정이다. 이러한 공정은 시트의 그래파이트 결정 구조의 평면 방향에 평행한 방향으로 연장하는 두 개의 평행한 평면 표면을 구비하는 가요성 그래파이트 시트를 제공하는 단계; 및 오일의 약 2 중량% 내지 약 75 중량 % 가 열적 인터페이스 물질에 흡수될 때까지 오일을 그래파이트 시트와 접촉시키는 단계를 포함한다.

마지막으로, 본원발명의 다른 실시예는 본원발명의 열 관리 시스템과 열적 인터페이스 물질을 사용하는 단계를 포함하는, 열원으로부터의 열을 방출시키는 방법이다.

바람직하게는, 상기 실시예에서 열적 인터페이스가 열원의 외부 표면의 영역보다 큰 평면 영역을 갖는 이방성 가요성 그래파이트 시트를 포함한다. 또한, 바람직하게는 상기 실시예에서 오일이 광유(mineral oil)이다.

본원발명의 기타의 목적, 특징, 장점들은 첨부한 도면과 함께 이하의 개시내용에 의해 당업자가 명백히 알 수 있다.

본원발명 및 그 장점은 특히 첨부한 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에 의해 더욱 명백하게 이해될 것이다.

도 1은 본원발명에 따른 열적 인터페이스 물질을 활용하는 열 관리 시스템의 일 실시예의 상부 사시도이며, 여기서 열원은 점선으로 도시되어 있다.

도 2는 도 1의 열 관리 시스템의 하부 사시도이다.

도 3은 도 1의 열 관리 시스템의 측면도이다.

도 4는 본원발명에 따른 열 관리 시스템의 또 다른 실시예의 상부 사시도이 다.

상술한 바와 같이, 본원발명의 실시예는 열 관리 시스템과 함께 사용될 수 있는 열적 인터페이스 물질을 제공하는 것이다. 이러한 열적 인터페이스 물질은 오일을 함유하는 가요성 그래파이트 시트 제품이다.

그래파이트는 평면 사이에 약한 결합을 갖는 편평한 층 평면 내에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정 구조이다. 천연 그래파이트 플레이크(flake)와 같은 그래파이트 입자를, 예를 들어 황산과 질산의 용액의 인터카랜트(intercalant)로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 구조가 그래파이트와 인터카랜트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 그래파이트의 입자는 그 후 "인터카레이트된 그래파이트 입자(particles of intercalated graphite)"로 지칭된다. 고온에 노출되면, 그래파이트 내의 인터카랜트는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수 보다 약 80배 이상 큰 치수로 팽창한다. 팽창된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는 초기의 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트 내에 함께 압축될 수도 있다.

본 발명에 사용되기에 적절한 가요성 시트용 그래파이트 출발 물질은 할로겐화물 뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터카레이트시킬 수 있고 이후 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 그래파이트 탄소질 재료(highly graphitic carbonaceous material)를 포함한다. 이들 고도의 그래파이트 탄소질 재료는 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화도(a degree of graphitization)를 갖는다. 본원에서 사용되는 것처럼, "흑연화도"란 용어는 g = [3.45-d(002)]/0.095에 따른 값 g를 지칭하며, 여기서 d(002)는 옹스트롱 단위로 측정된 결정 구조 내의 탄소의 그래파이트 층 사이의 거리이다. 그래파이트 층 사이의 거리는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 이들 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 거리를 유도하기 위해 표준 최소 자승법 기술이 이용된다. 고도의 그래파이트 탄소질 재료의 예로는 다양한 소스로부터의 천연 그래파이트 뿐만 아니라 화학 기상 증착, 폴리머의 고온 열분해, 또는 용융된 금속 용매로부터의 결정화 등에 의해 준비된 탄소와 같은 다른 탄소질 재료를 포함한다. 천연 그래파이트가 가장 바람직하다.

본 발명에 사용되는 그래파이트 출발 물질은 출발 물질의 결정 구조가 요구된 흑연화도를 유지하고 출발 물질이 박리될 수 있는 한 비-그래파이트 성분을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구된 흑연화도를 소유하고 박리될 수 있는 탄소 함유 재료는 본 발명에 사용되기에 적절하다. 이러한 그래파이트는 바람직하게 80 중량% 이상의 순도를 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명에 사용된 그래파이트는 약 94% 이상의 순도를 가질 것이다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 그래파이트는 약 98% 이상의 순도를 가질 것이다.

그래파이트 시트를 제조하는 통상적인 방법은 쉐인(Shane) 등에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시되어 있고, 그 개시는 본원에 참고로 병합된다. 쉐 인 등에게 허여된 특허의 방법의 실행에서, 천연 그래파이트 플레이크는 예를 들어 질산과 황산의 혼합물을 함유하는 용액 내에 유리하게 100 중량부의 그래파이트 플레이크(pph) 당 약 20 내지 약 300 중량부의 인터카랜트 용액 레벨로 플레이크를 분산킴으로써 인터카레이트된다. 인터카레이션 용액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 산화제와 다른 인터카레이팅제를 함유한다. 그 예로는 질산, 칼륨 클로레이트, 크롬산, 과망간산 칼륨, 칼륨 크로메이트, 칼륨 디크로메이트, 과염소산 등을 함유하는 용액 등이나, 예를 들어 농축된 질산 및 염소산염, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강 유기산 예를 들어 트리플루오로아세트산의 혼합물 및 유기산에 용해가능한 강 산화제와 같은 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 것을 포함한다. 대안적으로, 전기 포텐셜이 그래파이트의 산화를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 그래파이트 결정에 유입될 수 있는 화학종은 황산 뿐만 아니라 다른 산을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 인터카레이팅제는 황산, 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 등의 혼합 용액이다. 덜 바람직할 수도 있지만, 인터카레이션 용액은 염화제1철(ferric chloride), 및 황산과 혼합된 염화제1철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬 용액으로서의 브롬 및 유기 용매 내의 황산 또는 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수도 있다.

인터카레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 150pph 그리고 보다 일반적으로 약 50 내지 약 120pph 범위일 수도 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 임의의 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다.

대안적으로, 인터카레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 50pph 범위로 제한될 수도 있는데, 이로 인해 참고로 본원에 병합된 미국 특허 제 4,895,713호에 개시되고 설명된 것처럼 세척 단계가 제거될 수 있다.

인터카레이션 용액으로 처리된 그래파이트 플레이크 입자는 예를 들어 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터카레이팅 용액의 표면 필름과 반응하는 알코올, 설탕, 알데히드 및 에스테르로부터 선택되는 유기 환원제와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 유기 환원제(organic reducing agent)는 박리시에 팽창된 부피("벌리 부피" 라고도 불리움)를 증가시키며, 따라서 팽창 보조제로도 불리운다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프럭토스, 락토스, 수크로스, 포테이토 스타치, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노술페이트와 같은 리그린 유도 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 적절하게 그래파이트 플레이크 입자의 약 0.5 내지 4 중량%이다.

인터카레이팅 용액이나 인터카레이션 전에 그래파이트 플레이크에 첨가될 수 있고 상술한 유기 환원제와 함께 상승작용적으로 작용할 수 있는 다른 부류의 팽창보조제는 카르복실산이다. 본원에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창 개선을 달성하 기 위해 인터카레이션 용액 내에 충분히 용해 가능한 유기 재료일 것이다. 보다 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 재료가, 바람직하게는 배타적으로, 이용될 수도 있다. 팽창 보조제로서 유용한 카르복실산은 1 개 이상의 탄소 원자, 바람직하게 약 15 개 이하의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 지환족, 직쇄 또는 분지쇄의, 포화 및 불포화 모노카르복실산, 디카르복실산 및 폴리카르복실산으로부터 선택될 수 있고, 박리의 하나 이상의 측면의 개선을 제공하기에 효과적인 양으로 인터카레이션 용액에 용해 가능하다. 적절한 유기 용매는 인터카레이션 내의 유기 팽창 보조제의 용해성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.

포화 지방족 카르복실산의 대표적인 예는 화학식 H(CH₂)_nCOOH와 같은 산이고, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 낙산, 펜탄산, 헥산산 등을 포함하며, 여기서 n은 0에서 약 5까지의 수이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카랜트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 유리하게 수용성 인터카랜트 내에 플레이크를 주입시키기 전에 그래파이트 플레이크와 접촉된다. 대표적인 디카르복실산은 2-12 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복실산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복실산, 1,6-헥산디카르복실산, 1,10-데칸디카르복실산, 시클로헥산-1,4-디카르복실산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복실산이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르복실산이고 대표적인 방향족 카르복실산은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p- 아미노벤조산, 살리실산, o-, m-, 및 p-토릴산, 메톡시 및 오톡시 벤조산, 아세토아세트아미도벤조산 및, 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프토산이다.

인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 0.2 내지 10%의 팽창 보조제를 함유하며, 이 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터카레이션 용액 내에 주입되기 전 또는 주입된 후에 그래파이트 플레이크와 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 그래파이트와 일반적으로 약 0.2중량% 내지 약 10중량% 범위의 양으로 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 혼합될 수 있다.

그래파이트 플레이크를 인터카레이트하고, 그 후 인터카레이트된 그래파이트 플레이크와 유기 환원제를 혼합한 후에, 상기 혼합물은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출되어 환원제와 인터카렌트 코팅의 반응을 촉진시킬 수 있다. 가열 기간은 약 20시간까지이며, 전술한 범위보다 높은 온도에 대해서는 보다 짧은 가열 기간, 예를 들어 적어도 약 10분이다. 30분 이하의 시간, 예를 들어 10 내지 25분 정도가 보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.

이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피 보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는, 초기 그래파이트 플레이크와 달리, 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있고 이하에서 설명되는 바와 같이 기계적 충격을 변형시킴으로써 작은 횡단 개구부가 제공될 수 있는 가요성 시트로 압축 성형될 수도 있다.

그래파이트 플레이크를 인터카레이트시키고 박리시키는 전술한 방법은 흑연화 온도, 즉 약 3000℃ 및 그 이상 범위의 온도에서 그래파이트 플레이크의 예비 처리 및 인터카랜트에 유연성 첨가제의 함유에 의해 유리하게 향상될 수도 있다.

그래파이트 플레이크의 예비처리, 또는 어닐링은 플레이크가 후속적으로 인터카레이션 및 박리될 때 상당히 증가된 팽창(즉, 300% 이상의 팽창 부피 증가)을 야기한다. 사실, 바람직하게, 팽창의 증가는 어닐링 단계 없는 유사한 프로세싱과 비교할 때 적어도 약 50%이다. 어닐링 단계에 사용되는 온도는 3000℃ 보다 상당히 낮아서는 안되며, 이는 100℃ 보다 낮은 온도가 실질적으로 감소된 팽창을 야기하기 때문이다.

본 발명의 어닐링은 인터카레이션 및 후속적인 박리 시에 향상된 정도의 팽창을 갖는 플레이크를 야기하기에 충분한 시간 동안 수행된다. 일반적으로 요구된 시간은 1 시간 이상, 바람직하게 1 내지 3시간이고 가장 유리하게 불활성 분위기에서 진행한다. 최대의 유익한 결과를 위해, 어닐링된 그래파이트 플레이크는 팽창 정도를 향상시키기 위해 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 다른 프로세스, 즉 유기 환원제, 유기 산과 같은 인터카레이션 보조제, 및 인터카레이션 후 계면활성제 세척제의 존재 하에서의 인터카레이션을 거칠 것이다. 더욱이, 최대의 유익한 결과를 위해, 인터카레이션 단계는 반복될 수도 있다.

본 발명의 어닐링 단계는 흑연화 분야에서 공지되고 인식된 유도로 또는 다른 유사한 장치에서 수행되고, 여기서 사용되는 온도는 3000℃ 범위이고, 흑연화 프로세스에서 일어날 수 있는 높은 범위의 온도이다.

예비 인터카레이션 어닐링을 거친 그래파이트를 이용하여 생성된 벌레는 종종 "응집(clump)"되어, 충격 면적 중량 균일성에 악영향을 줄 수 있다고 관찰되었기 때문에, "자유 유동" 벌레의 형성을 보조하는 첨가제가 매우 바람직하다. 인터카레이션 용액에 유연성 첨가제를 첨가하면 압축 장치(그래파이트 벌레를 가요성 그래파이트 시트로 압축 또는 "칼랜더링" 하는데 통상적으로 사용되는 칼랜더 스테이션의 베드와 같은)의 베드를 가로질러 벌레의 보다 균일한 분포가 용이하게 된다. 그러므로 결과적인 시트는, 출발 그래파이트 입자가 통상적으로 사용되는 것보다 작더라도, 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 장쇄(long chain) 탄화수소인 것이 바람직하다. 다른 작용기가 존재하지만, 장쇄 탄화수소기를 갖는 다른 유기 화합물이 또한 사용될 수 있다.

보다 바람직하게, 유연성 첨가제는 오일이며, 광유가 특히 장기간 저장에 있어 중요한 고려사항인 악취 및 냄새가 덜 하다는 사실을 고려할 때 가장 바람직하다. 전술한 소정의 팽창 보조제가 유연성 첨가제의 정의를 충족시킴을 주목한다. 이들 재료가 팽창 보조제로 사용될 때, 인터카랜트 내에 별도의 유연성 첨가제를 포함할 필요가 없다.

유연성 첨가제는 약 1.4pph 이상, 보다 바람직하게 약 1.8pph 이상의 양으로 인터카랜트 내에 존재한다. 유연성 첨가제 함유의 상한이 하한 보다 중요하진 않 지만, 약 4pph 정도 이상 유연성 첨가제를 함유한다고 하여 상당한 추가적인 장점이 있는 것은 아니다.

이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피 보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 이하에서 설명되는 바와 같이 벌레는, 초기 그래파이트 플레이크와 달리, 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는, 작은 횡단 개구를 갖는 가요성 시트로 함께 압축 성형될 수도 있다.

대안적으로, 본원발명의 가요성 그래파이트 시트는 새로이 팽창된 벌레보다는 재가공된(reground) 가요성 그래파이트 입자를 사용할 수 있다. 이러한 재가공된 시트는 새롭게 형성된 시트 재료, 재생된 시트 재료, 작은 조각(scrap)의 시트 재료, 또는 기타 적절한 소스(source)가 될 수 있다.

또한 본원발명의 처리 과정은 순수 재료(virgin material)와 재생된 재료의 혼합물을 사용할 수도 있다.

재생된 재료의 소오스 재료는 전술한 것처럼 압축 성형된 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 예를 들어 예비 칼랜더링 롤로 압축되지만 수지로 주입되지 않은 시트일 수도 있다. 더욱이, 소오스 재료는 수지가 함침되었지만 아직 경화되지 않은 시트 또는 시트의 손질된 부분이거나 또는 수지가 함침되어 경화된 시트 또는 시트의 손질된 부분일 수 있다. 소오스 재료는 플로우 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재생된 가요성 그래파이트 PEM 연료 전지 성분일 수도 있다. 다양한 그래파이트 소오스 각각은 그대로 또는 천연 그래파이트 플레이크와 혼합된 채로 사용될 수도 있다.

가요성 그래파이트 시트의 소오스 재료가 이용가능하면, 입자를 생성하기 위해 제트 밀, 에어 밀, 블렌더 등과 같은 공지된 프로세스 또는 장치에 의해 분쇄될 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬를 통과하고 보다 바람직하게 대부분(약 20% 이상, 보다 바람직하게 약 50% 이상)이 80 U.S. 메쉬를 통과하지 않는 지름을 갖는다. 가장 바람직하게 입자는 약 20 메쉬 이하의 입자 크기를 갖는다.

분쇄된 입자의 크기는 요구된 열적 특성과 그래파이트 입자의 기계가공성 및 성형성을 균형맞추도록 선택될 수도 있다. 그러므로, 보다 작은 입자는 기계가공 및/또는 성형을 용이하게 하는 그래파이트 입자를 야기하는 반면, 보다 큰 입자는 보다 큰 이방성, 및 보다 큰 수평(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.

소오스 재료가 수지 함침되었다면, 수지가 입자로부터 바람직하게 제거된다. 수지 제거에 관한 세부 사항은 이하에서 상세하게 설명된다.

소오스 재료가 분쇄되고 모든 수지가 제거되면, 이는 재팽창된다. 재팽창은 인터카레이션과 박리 프로세스 및 그레인크(Greinke) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,895,713호 및 쉐인(Shane)에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시된 내용 을 이용함으로써 발생할 수도 있다.

일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가열함으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터카레이트된 천연 그래파이트 플레이크는 재생되고 인터카레이트된 입자에 추가될 수도 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 중에 입자는 약 100cc/g 이상 그리고 약 350cc/g 또는 그 이상까지의 범위의 비부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 전술한 것처럼 가요성 시트로 압착될 수 있다.

가요성 그래파이트 시트 및 호일은 양호한 처리 강도를 가지면서 응집성이 있으며, 예를 들어 롤러 압착에 의해 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께 및 약 0.1 내지 1.5g/cm³의 전형적인 밀도로 적절히 압축된다. 약 1.5 내지 30 중량%의 세라믹 첨가제가 최종 가요성 그래파이트 생성물에 향상된 수지 주입을 제공하기 위해 미국 특허 제 5,902,762호(본원에 병합됨)에 개시된 것처럼 인터카레이트된 입자 플레이크와 혼합될 수 있다. 첨가제는 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자를 포함한다. 입자의 폭은 적절하게 약 0.04 내지 0.004mm 범위이다. 세라믹 섬유 입자는 그래파이트에 비반응성 및 비접착성이며 약 1100℃, 바람직하게 약 1400℃ 이상까지의 온도에서 안정하다. 적절한 세라믹 섬유 입자는 매서레이티드(macerated) 석영 유리 섬유, 탄소 및 그래파이트 섬유, 지르코니아, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 칼슘 메타실리케이트 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등과 같은 자연 발생 광 섬유 로부터 형성된다.

이제 도면을 참조하면, 본원발명에 따라 마련된 열 관리 시스템이 도시되어 있으며 전반적으로 도면 번호 "10" 으로 표시되어 있다. 모든 도면에서, 명확성을 위해 시스템(10)의 모든 구성부품 및 요소가 도시 및/또는 표시되지는 않았다. 또한 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "위", "아래", "상부", "하부" 등은 도 3 및 4에 도시된 방향에서 열 관리 시스템을 언급하는 것이다. 그러나, 당업자라면 열 관리 시스템(10)이 사용시에 어떠한 특정 방향도 채용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

열 관리 시스템(10)은 열원, 보다 구체적으로는 전자 부품(100)으로부터의 열 방출을 보조하기 위해 사용된다. 전자 부품(100)은, 방출되지 않는다면 전자 부품(100) 또는 전자 부품(100)이 구송요소인 시스템의 작동을 손상시키기에 충분한 열을 발생시키는 어떠한 전자 장치나 부품도 포함할 수 있다. 전자 부품(100)은 레이저나 전기장효과 트랜지스터(field-effect transistor)(FET)와 같은 광학 장치용 제어 전자장치, 집적회로, 마이크로 프로세서나 컴퓨터 칩 또는 이들의 구성부품을 포함할 수 있다. 전자 부품(100)은 하나 이상의 표면(100a)("외부 표면" 으로 표시됨)을 포함하며, 이러한 회부 표면으로부터 열이 방사되며 또한 이러한 외부 표면은 전자 부품(100)으로부터 방출될 열의 열원으로서 사용될 수 있다.

이제 도 1, 2, 및 3을 참조하면, 본원발명의 열 관리 시스템(10)은 열적 인터페이스(20)를 포함한다. 열적 인터페이스(20)의 주요 기능은 바람직하지 않은 높은 압력을 가할 필요 없이 전자 부품(100)의 외부 표면(100a)과 충분한 작용적 결합을 형성하는 것이다. 열 관리 시스템(10)의 다른 구성요소의 속성에 따라, 열적 인터페이스(20)의 제2 기능은 전기 부품(100)으로부터의 열 방출을 보조하고, 이와 같이 하여, 열적 확산기나 열 확산기로서 작용하도록, 전기 부품(100)의 표면(100a)의 유효 표면적을 증가시키는 것이다.

상술한 바와 같이, 효과적인 열 전달(즉, 낮은 열적 저항)은 전기 부품의 성능 및 수명에 있어서 중요하다. 이를 위해서, 열적 인터페이스(20)는 바람직하게 가요성 그래파이트 시트를 포함한다. 가요성 그래파이트 시트는 박리된 그래파이트, 특히 천연 그래파이트의 압축된 시트를 의미한다. 대안적으로, 가요성 그래파이트 시트는 고중합체 필름의 열분해에 의해 제조될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 평면 간의 약한 결합을 갖는 평평한 층 평면에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정 형태이다. 천연 그래파이트 플레이크와 같은 그래파이트 입자를 예를 들어 황산이나 질산 용액의 인터칼랜트로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 구조는 그래파이트와 인터칼랜트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 이렇게 처리된 그래파이트 입자는 "인터카레이트된 그래파이트 입자(particles of intercalated graphite)"로 지칭된다. 고온에 노출되면, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수 보다 약 80배 이상 큰 치수로 팽창한다. 팽창된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는 초기의 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트 내에 함께 압축될 수도 있다.

이와 같이 가요성 그래파이트 시트가 마련되면, 열적 인터페이스(20)를 형성 하도록 크기에 맞게 절단될 수 있다. 용도에 따라, 일련의 원하는 치수의 가요성 그래파이트 시트가, 열적 인터페이스(20)를 형성하기 위하여, 아크릴 접착제와 같은 압력 민감성 접착제(pressure sensitive adhesive)를 사용하여 샌드위치를 형성하도록 함께 적층될 수 있으나, (사이에 배치되는 접착제로) 도포되는 층이 더 많을수록 원하는 열적 특성은 감소하게 된다. 따라서 바람직하게는, 열적 인터페이스(20)가 단일한 가요성 그래파이트 시트를 포함한다.

본원발명의 열적 인터페이스를 포함하는 가요성 그래파이트 시트는 바람직하게는 약 0.05mm 내지 약 1.0mm, 보다 바람직하게는, 약 0.1mm 내지 약 0.5mm 의 두께를 갖는다. 본원발명에 따라 사용될 수 있는 가요성 그래파이트 시트의 일례를 오하이오 레이크우드의 Advanced Energy Technology Inc. 로부터 eGraf^® 라는 상표로 구입할 수 있다. 적절한 다른 그래파이트 시트로는 일본 세라믹 디비젼의 Matsushita Electric Components Company Ltd. 로부터 Panasonic PGS^® 라는 상표로 구입할 수 있는 것과 같은 열분해성(pyrolytic) 그래파이트 시트가 있다.

본원발명의 열적 인터페이스(20)의 사용 장점은 그 정합성(conformability)에 있다. 전자 부품(100)의 외부 표면(100a)은 대체적으로 금속 또는 세라믹 재료, 또는 기타 유사한 재료로서 형성되므로, 외부 표면(100a)의 표면은 (비록 나안(naked eye)이나 만져봤을 때 매끄럽게 보인다 하더라도) 완전히 매끄럽지는 않으며, 표면 변형부나 요철부, 또는 "피크(peak) 및 밸리(valley)" 에 의해 덮혀있다. 이는 열원 및/또는 히트 싱크와 열적 인터페이스의 표면 간의 열적 단열체로 서 작용하는 공기 간극의 원인이 된다.

이러한 변형부로 인하여, 역시 표면 변형부를 갖는 (구리와 같은) 금속 또는 (그래파이트 히트 싱크와 같은) 다른 종류의 히트 싱크와, 열적 결합을 형성하기 위해 많은 압력을 가하지 않으면서 확실하게 열적 결합을 이루는 것은 어렵다.

과거에는, 히트 싱크와 열원 간에 금속 대 금속 결합을 위해 50 psi 를 훨씬 넘는 압력이 필요했었다. 이러한 압력은 전자 부품(100)을 손상시킬 위험을 갖는다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본원발명의 열적 인터페이스가 사용될 수 있다. 본원발명의 열적 인터페이스는 오일을 함유하는 가요성 그래파이트 시트를 포함한다. 오일/그래파이트 시트 조합은 정합성을 향상시키며, 이에 따라 열적 저항을 감소시킨다. 이론에 얽매이지 않고, 오일은 각각의 부분이 연결되는 지점에 존재하는 공기를 대체할 수 있다. 또한, 오일은 그래파이트 시트를 "더욱 부드럽게" 만들며, 또한 열원/냉각 모듈의 표면 변형부나 요철부에 더욱 정합하도록 만든다.

본원발명에서 사용되는 오일은 예를 들어 광유, 식물성 오일, 동물성 오일, 정유(essential oil), 식용유(edible oil), 실리콘유(silicone oil)와 같은 합성유(synthetic oil), 및 이들의 조합을 포함하는 넓은 범위의 물질을 포함한다. 본원발명에 사용되는 광유는, 예를 들어 파라핀 광유(paraffinic mineral oil), 나프텐 광유(naphthenic mineral oil), 중간 생성물계 광유(intermediate-based mineral oil) 등을 포함한다. 본원발명에 사용하기 위한 광유는 통상적으로 석유 계 오일(petroleum based oil)이며, 지방족, 방향족, 및 혼합계 오일을 포함한다. 본원발명에 사용되는 광유의 구체적 예로는 중성유(neutral oil), 중 중량 중성유(medium-gravity neutral oil), 고 중량 중성유(heavy neutral oil), 브라이트스톡(bright stock), 및 엔진 오일과 같은 통상적인 윤활유, 그리고 정제된 파라핀유(refined paraffin oil)과 같은 의학용 오일이 있다. 본원발명과 관련하여 사용되는 식물성 오일은 주로 씨앗이나 견과류로부터 추출되며, 채종유(rapeseed oil), 카놀라 오일(canola oil), 콩기름, 옥수수기름, 면실유, 아마인유(linseed oil), 올리브유, 동유(tung oil), 낙화생유(peanut oil), 해바리기유, 홍화유(safflower oil), 호호바 오일(jojoba oil), 팜유(palm oil), 파마자유, 코코넛 오일(coconut oil) 등을 포함한다. 식물성계 오일은 예를 들어 유전적으로 변형된 식물로부터 얻어질 수 있거나 또는 수세척(water washing), 정제(refining), 에스테르화(esterification), 가수분해 등에 의해 변형될 수 있다. 본원발명과 관련하여 사용되는 동물성 오일은 어유(fish oil), 어간유(fish-liver oil), 올레산유(oleic acid oil) 등이 있다. 본원발명과 관련하여 사용되는 정유에는 꽃, 줄기, 및 잎, 그리고 종종 전체 식물로부터 추출되는 액체가 있다. 이러한 오일은 통상적으로 화장품에 사용되는 오일을 포함한다. 또한, 전통적인 식용유도 본원발명과 관련하여 사용될 수 있다. 이러한 오일은 과일이나 씨앗 및 식물로부터 추출된다. 가장 일반적인 것은 옥수수, 코코넛, 콩, 올리브, 목화씨, 및 잇꽃(safflower)이다. 이러한 오일들은 가변하는 포화도(degree of saturation)를 갖는다. 마지막으로, 합성유가 본원발명과 관련하여 사용될 수 있다. 합성유는 에스테르(ester) 형태의 오일, 폴리알파올레핀(polyalfaolefin) 올리고머 또는 알킬레이트 벤젠(alkylated benzenes)이 있다.

본원발명에 사용되는 오일에 관한 주요 요구조건에는 실온에서 액체로 유지되어 오일이 그래파이트 시트에 흡수될 수 있어야 하며 그래파이트 시트의 기공 내에 존재하는 공기의 열 전도도보다 높은 열전도도를 가져야 한다는 것이 있다. 최광의 의미로, 본원발명에 사용되는 오일은 공기보다 높은 열 전도도를 가지며 그래파이트 시트에 흡수될 수 있는 액체라면 어느 것이라도 가능하다.

바람직하게는, 본원발명과 관련하여 사용되는 오일은 37.8℃ 에서 약 1 내지 약 400 센트 푸아즈(centipoises)(cps)의 점성도를 갖는 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 약 2 내지 약 200 cps 인 것이 좋으며, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 50 cps 인 것이 좋다.

바람직하게는 그래파이트 시트 내에 존재하는 오일이 약 2 내지 약 75 중량 % 인 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 약 10 내지 55 중량 %, 가장 바람직하게는 약 15 내지 40 중량 % 인 것이 좋다. 바람직한 실시예에서는, 그래파이트 시트의 기공이 대체로 오일로 채워질 때까지 오일이 첨가된다. 즉, 기공 내의 공기는 오일이 그래파이트 시트 내로 흡수됨에 따라 오일로 대체된다. 따라서, 그래파이트 시트 내에 존재하는 오일의 중량 %는 서로 다른 중량을 갖는 서로 다른 오일 및 서로 다른 기공 부피를 갖는 서로 다른 그래파이트 시트로 인해 변할 수 있다.

바람직하게는, 분사, 침액(dipping), 잠금(immersion), 또는 기타 적절한 기술에 의해 그래파이트 시트에 오일이 적용될 수 있다. 시트의 표면은 오일을 흡수 하고, 이로써 표면은 바람직하게 기름진 촉감이나 특성을 나타내지 않게 된다.

본원발명의 열적 인터페이스(20)는 히트 싱크 뿐만 아니라 전자 부품(100)의 외부 표면(100a)의 표면 형상과 더욱 정합하게 되므로, 표면 변형부를 갖는 히트 싱크와 전자 부품(100) 간의 더욱 뛰어난 열적 결합을 얻을 수 있게 된다.

본원발명의 열적 인터페이스(20)는 여러가지 방법에 의하여 전자 부품(100)의 외부 표면(100a)에 부착되거나 장착될 수 있다. 예를 들어, 압력 민감성의 열적으로 활성화되는 얇은 층의 접착제가 열적 인터페이스(20)를 전자 부품(100)에 장착하기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 히트 싱크가 사용되는 경우에는, 열적 인터페이스(20)가 히트 싱크와 전자 부품(100) 사이에 "샌드위치" 될 수 있다. 당업자라면 열적 인터페이스(20)를 전자 부품(100)에 부착시키거나 장착시킬 수 있는 기타의 동일하게 유효한 방법을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 본원발명의 열 관리 시스템(10)이 열 수집 표면(30a) 및 하나 이상의 열 방출 표면(32)을 제공하도록 형성된 히트 싱크(30)를 바람직하게 포함하고 있다. 히트 싱크(30)의 열 수집 표면(30a)이 열원, 즉 전자 부품(100)의 외부 표면(100a)과 작용적으로 연결되면, 열이 외부 표면(100a)으로부터 히트 싱크(30)의 하나 이상의 열 방출 표면을 통해 방출된다.

본 명세서에서 사용되는 열 방출 표면은 외부 표면(100a)으로부터 (열적 인터페이스(20)가 존재하는 경우에는 이를 통해) 히트 싱크(30)로 전달되는 열이 외부로 방출되는 히트 싱크(30)의 영역을 의미한다. 가장 일반적으로, 히트 싱크(30)의 하나 이상의 열 방출 표면(32)은 공기나 다른 냉각 유체가 팬(도시되지 않음)의 작용 등에 의해 히트 싱크(30)를 가로질러 통과하는 히트 싱크(30)의 표면을 의미한다. 히트 싱크(30)로부터 냉각 유체로의 열 전달을 최대화하기 위하여, 히트 싱크(30)의 하나 이상의 열 방출 표면(32)은 가능한한 넓은 표면적을 갖도록 형성 및/또는 설계되어야 한다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(30)의 하나 이상의 열 방출 표면(32)은 열 수집 표면(30a)의 반대편에서 히트 싱크(30)의 표면에 형성된 핀(32a)을 포함하여, 열이 열 수집 표면(30a)으로부터 핀(32a)으로 흐르게 되며, 이때 핀(32a)을 가로질러 통과하는 공기나 다른 냉각 유체는 핀(32a)으로부터의 열(또한, 확대하여 전자 부품(100)으로부터의 열)을 흡수하여 열을 빼앗게 된다. 핀(32a)의 형상, 크기 및 개수는 냉각 유체의 유동과 표면적 간의 균형을 맞추기 위하여 제조자에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 각각이 그 사이에 보다 적은 공간을 가지는 많은 수의 얇은 핀을 사용함으로써 표면적을 증가시킬 수 있으나, 냉각 유체의 유동을 방해할 수 있으며; 마찬가지로, 그 사이에 넓은 공간을 갖는 적은 수의 큰 핀(32a)을 사용하게 되면 열적 대류 효율은 증가시킬 수 있으나 표면적이 적어지게 된다.

이하의 실시예는 본원발명을 좀더 설명하기 위하여 제시되었으며, 본원발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

인터칼레이트된 천연 그래파이트 플레이크를 박리시킴으로써 제조된 열적 인터페이스 물질이 0.254mm 의 두께로 압축 및 압연된다. 이러한 물질의 열적 특성 은 16 psi 의 접촉 압력에서 측정된다. 열적 접촉 저항은 1.09 cm²°K/W 이며, 열 전도도는 5.2 W/m°K 이다. 이후 열적 인터페이스 물질은 가벼운 광유(light mineral oil)로 균일하게 코팅되어 오일이 인터페이스 물질 내부로 스며들게 된다. 오일의 무게 증가는 50 중량 %이다. 이러한 물질의 열적 접촉 저항은 0.79 cm²°K/W (28% 의 향상) 까지 감소되며, 열 전도성은 6.13 W/m°K (18%의 향상)까지 증가하게 된다.

본원발명에서 언급된 모든 특허 및 공개 공보는 참조로서 병합된다.

이상과 같이 본원발명이 설명되었으며, 본원발명이 다양한 방식으로 변형될 수 있다는 것은 명백하다. 이러한 변형은 본원발명의 사상이나 범위를 벗어나는 것이 아니며 당업자엑 명백한 이러한 변경 모두는 이하의 청구범위의 범위 내에 속하는 것이다.

본원발명에 따른 재료는 전자부품 등의 열원에 의해 발생되는 열의 방출을 촉진시키는데 유용하다.

Claims (14)

1. 열적 인터페이스 물질로서,

   가요성 그래파이트 시트 제품을 포함하고,

   상기 시트 제품이 오일을 함유하는,

   열적 인터페이스 물질.
2. 제1항에 있어서,

   상기 오일이 광유, 식물성 오일, 합성유, 정유, 식용유, 동물성 오일, 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
3. 제1항에 있어서,

   상기 오일이 광유인 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
4. 제1항에 있어서,

   상기 오일이 상기 가요성 그래파이트 시트 제품의 2 내지 75 중량% 의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
5. 제1항에 있어서,

   상기 오일이 상기 가요성 그래파이트 시트 물질의 약 10 내지 약 55 중량% 의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
6. 제3항에 있어서,

   상기 광유가 상기 가요성 그래파이트 시트 제품의 약 2 내지 약 75 중량% 의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
7. 제1항에 있어서,

   상기 가요성 그래파이트 시트가 약 0.05 내지 약 1.0 mm 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
8. 제1항에 있어서,

   상기 오일이 약 1 내지 약 400 cps 의 점성도를 갖는 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
9. 제1항에 있어서,

   상기 가요성 그래파이트 시트가 이방성인 것을 특징으로 하는,

   열적 인터페이스 물질.
10. 열적 인터페이스 물질을 제공하기 위한 방법으로서,

    (a) 가요성 그래파이트 시트 재료를 제공하고 오일을 제공하는 단계; 및

    (b) 약 2 내지 약 75 중량%의 오일이 열적 인터페이스 물질 내부로 흡수될 때까지 상기 그래파이트 시트를 오일과 접촉시키는 단계; 를 포함하는,

    열적 인터페이스 물질 제공 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 오일이 광유, 식물성 오일, 합성유, 정유, 식용유, 동물성 오일, 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는,

    열적 인터페이스 물질 제공 방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 오일이 광유인 것을 특징으로 하는,

    열적 인터페이스 물질 제공 방법.
13. 열적 인터페이스 물질로서,

    제10항의 방법에 따라 제조된 열적 인터페이스 물질.
14. 열적 인터페이스 물질로서,

    제12항의 방법에 따라 제조된 열적 인터페이스 물질.

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