KR20070048137A - 금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트싱크 - Google Patents

금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트싱크 Download PDF

Info

Publication number
KR20070048137A
KR20070048137A KR1020067024946A KR20067024946A KR20070048137A KR 20070048137 A KR20070048137 A KR 20070048137A KR 1020067024946 A KR1020067024946 A KR 1020067024946A KR 20067024946 A KR20067024946 A KR 20067024946A KR 20070048137 A KR20070048137 A KR 20070048137A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat sink
graphite
base
pin
sink unit
Prior art date
Application number
KR1020067024946A
Other languages
English (en)
Inventor
죠지 주니어. 겟츠
마이클 프래스타씨
Original Assignee
어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드 filed Critical 어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드
Publication of KR20070048137A publication Critical patent/KR20070048137A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices
    • F28D2021/0029—Heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

본원발명에서는 약 150 W/mK 이상의 열 전도성을 갖는 금속 베이스(12)를 포함하는 히트 싱크 장치(10)가 개시된다. 금속 베이스(12)는 구리나 알루미늄으로 바람직하게 구성된다. 상기 히트 싱크 장치(10)는 또한 상기 베이스(12)에 부착되는 다수의 핀(14A-H)을 더 포함하며, 상기 핀은 상기 베이스에 수직인 비교적 높은 열 전도성 방향을 갖는 이방성 그래파이트 재료로 구성된다.
그래파이트, 히트 싱크, 핀

Description

금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트 싱크 {COMPOSITE HEAT SINK WITH METAL BASE AND GRAPHITE FINS}
본원발명은 전자 장치와 같은 열원으로부터의 열을 처리할 수 있는 히트 싱크에 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.
전자 장치로부터의 열 방출을 보조하기 위하여 몇 가지 형태의 열 방출 부품이 이용된다. 본원발명은 핀 형태의 히크 싱크에 직접 적용될 수 있다.
이러한 히트 싱크는 열-발생 전자 장치와 같은 열원의 표면으로부터 보통 공기인 차가운 외부 환경으로의 열 방출을 촉진시킨다. 히트 싱크는 주로 공기나 다른 열 전달 매체와 직접 접촉하는 표면적을 증가시킴으로써 전자 장치와 외부 공기와의 열 전달 효율을 향상시킨다. 이로써 더 많은 열이 방출될 수 있으며, 결과적으로 전자장치의 작동 온도를 낮출 수 있다. 열 방출 부품의 주 목적은 그 설계자/제조자에 의해 특정된 최대 가용 온도 이하로 장치의 온도를 유지하는 것을 돕는 것이다.
통상적으로 히트 싱크는 금속, 특히 구리나 알루미늄으로 형성되는데, 이는 구리와 같은 금속은 즉각적으로 열을 흡수하여 이를 그 전체 구조체 주변으로 전달할 수 있기 때문이다. 구리 히트 싱크는, 히트 싱크의 표면적을 증가시키기 위하여, 종종 핀이나 기타 구조체를 구비하여 형성되며 공기가 (예를 들어 팬에 의해서) 핀을 통해서 또는 핀을 가로질러 흐르도록 하여 전자 부품으로부터 구리 히트 싱크를 통해 공기로 열을 방출시킨다.
구리나 알루미늄의 열 방출 부재를 사용하게 되면, 특히 열 방출 부품의 열 전달 영역이 전자 장치의 그것보다 상당히 클 경우에 금속의 무게로 인하여 문제가 발생하게 된다. 예를 들어, 순수 구리는 8.96 g/cm3 의 밀도를 가지며, 순수 알루미늄은 2.70 g/cm3 의 밀도를 갖는다.
예를 들어, 많은 장치에 있어서, 회로 보드 상의 다양한 부품으로부터 열을 방출시키기 위하여 회로 보드 상에 몇 개의 히트 싱크가 배치될 필요가 있다. 금속제 히트 싱크가 사용되면, 보드 상에 위치하는 금속의 전단 무게(sheer weight)로 인하여 보드에 쪼개짐(cracking)이나 기타 바람직하지 않은 손상이 발생할 수 있으며, 또한 부품 자체의 무게를 증가시키게 된다. 휴대용 전자 장치에 있어서는, 열 방출 특성은 유지하면서도 무게를 줄일 수 있는 방법이 특히 요구된다.
히트 싱크에 사용하기에 적합한 다른 그룹의 재료로는 일반적으로 그래파이트로 알려진 재료가 있으나, 이하에서는 특히 천연 그래파이트계와 같은 그래파이트 및 가요성 그래파이트가 기술된다. 이러한 재료는 이방성을 가지며, 히트 싱크를 원하는 방향으로 열을 전달하도록 구성할 수 있게 한다. 또한 그래파이트 물질은 무게가 매우 가벼워서 구리나 알루미늄에 비해 많은 장점을 제공할 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 약한 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 가요성이 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.
종래의 구성과 비교하여, 비교적 높은 열 전도성과 비교적 적은 무게를 제공하는 향상된 히트 싱크에 대한 지속적인 필요성이 있어 왔다.
본원발명에서는 약 150 W/mK 이상의 열 전도성을 갖는 금속제 베이스 및 상기 베이스에 부착된 다수의 핀을 포함하고, 상기 핀이 상기 베이스에 수직방향으로 비교적 높은 열 전도성을 갖는 이방성 그래파이트 재료로 구성되는 히트 싱크 장치를 제공한다.
본원발명의 구체적인 실시예에서는 베이스가 구리나 알루미늄으로 구성된다.
따라서, 본원발명의 목적은 전자장치의 열 관리를 위한 향상된 히트 싱크 구성을 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 금속제 베이스와 이방성 그래파이트 재료로 구성된 핀을 갖는 복합재료의 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 그래파이트 핀을 구비하는 구리 베이스를 갖는 복합재료의 히트 싱크로서, 구리로만 이루어진 히트 싱크의 무게보다 적은 무게를 가지면서도 구리로만 이루어진 히트 싱크의 열적 성능과 거의 동일한 열적 성능을 갖는 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 알루미늄 베이스와 다수의 그래파이트 핀을 구비하여, 알루미늄으로만 이루어진 히트 싱크의 무게보다 적은 무게를 가지면서도 알루미늄으로만 이루어진 동일한 크기의 히트 싱크의 열적 성능보다 뛰어난 열적 성능을 갖는 히트 싱크 장치를 제공하는 것이다.
본원발명의 기타의 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면과 함께 이하의 설명에 의해 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본원발명에 의해 구성된 히트 싱크의 평면도이다.
도 2는 도 1의 히트 싱크의 측면도이다.
상술한 바와 같이, 본원발명의 히트 싱크를 구성할 수 있는 재료 중 하나는 그래파이트 시트 재료이다. 이러한 히트 싱크의 구성을 설명하기에 앞서, 그래파이트 및 이를 가요성 시트로 형성하는 것에 대한 간략한 설명을 한다.
가요성 그래파이트 시트의 준비
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. 쉐인 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 350pph 그리고 보다 일반적으로 약 40 내지 약 160pph 범위일 수도 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 임의의 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다. 대안적으로, 인터카 레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40pph 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. 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.
인터카레이션 전에, 중에 또는 직후에 적용된 팽창 보조제의 이용이 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이들 개선점 중 박리 온도는 감소될 수 있고 팽창된 부피(또한 "벌레 부피"로 지칭됨)는 증가될 수 있다. 본원에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창 개선을 달성하기 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. 카르복실산이 특히 효과적 이라고 알려져 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. 카르복실산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테르와 같은 반응성 카르복실산이 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 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 알킬 에스테르는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르 복실산이고 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. 대표적인 하이드록시 방향족 산은 하이드록시 벤조산, 3-하이드록시-1-나프토산, 3-하이드록시-2-나프토산, 4-하이드록시-2-나프토산, 5-하이드록시-1-나프토산, 5-하이드록시-2-나프토산, 6-하이드록시-2-나프토산 및 7-하이드록시-2-나프토산이다. 폴리카르복실산 중에는 구연산이 대표적이다.
인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 1 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.
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 관찰되었 기 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 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 장쇄(long chain) 탄화수소인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 10개 이상의 탄소를 갖는 탄화수소인 것이 좋다. 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 않지만, 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 1200℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분 인 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 있는 가요성 시트로 압축 성형될 수도 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 섬유로부터 형성된다.
가요성 그래파이트 시트는 수지로 처리될 수 있고 흡수된 수지는 경화 후에 내습성 및 처리 강도, 즉 가요성 그래파이트 시트의 강성도를 향상시킬 뿐만 아니라 시트의 형상을 고정시킨다. 적절한 수지 함량은 바람직하게는 약 60 중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 35 중량% 이하, 가장 바람직하게 약 4 내지 약 15 중량% 이다. 본 발명의 실시에서 특히 유용하다고 알려진 수지는 아크릴-, 에폭시- 및 페놀-계 수지 시스템 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함하며; 사용될 수 있는 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 페놀을 포함한다.
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 않았거나 또는 수지가 함침되어 경화될 수 있다. 소오스 재료는 플로우 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재생된 가요성 그래파이트 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. 가요성 그래파이트 시트는 분쇄 프로세스 중에 수지 시스템에 열 손상을 방지하기 위해 분쇄되기 때문에 수지 주입될 때 가요성 그래파이트 시트를 냉각시키는 것이 바람직할 수도 있다.
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 인-플레인(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.
소오스 재료가 분쇄되면(소오스 재료가 수지 함침되었다면, 수지가 입자로부터 바람직하게 제거되고), 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 내용을 이용함으로써 발생할 수도 있다.
일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가 열함으로써 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 접착성(coherent) 물질로 압축되어 수지가 함침될 수 있다.
전술한 설명에 따라 준비된 그래파이트 재료는 일반적으로 박리된 그래파이트의 압축된 입자로도 불리운다. 재료에 수지가 함침되었으므로, 시트 내의 수지는 시트를 전자부품 열 관리장치 등과 같은 원하는 용도에 사용하기 전에 경화되어야 한다.
바람직한 그래파이트 재료의 준비
이하에서 설명되는 그래파이트 핀은 Norley 등이 2004년 4월 23일에 출원한 미국 특허 출원 "수지-함침된 가요성 그래파이트 시트"에서 설명된 방식으로 수지가 함침된 그래파이트 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 특허 출원은 본원발명의 양수인에게 양도된 대리인 서류 번호 P1048-1/N1169 로서 그 내용은 본 명세서에 참조된다.
Norley 등의 방법에 의하면, 약 4mm 내지7mm 또는 그 이상의 두께를 가지고 상기와 같이 준비되는 가요성 그래파이트 시트에 에폭시, 아크릴, 또는 페놀 수지 시스템과 같은 열 경화성 수지가 함침된다. 적절한 에폭시 수지 시스템으로는 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether) 또는 비스페놀 A(bisphenol A)(DGEBA)가 있으며; 다른 다기능성 에폭시 수지 시스템도 본원발명에 사용하기에 적절하다. 적절 한 페놀 수지로는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 수지가 있다. 이후 시트는 ,약 3mm 보다 바람직하게는 약0.35mm 내지 0.5mm 의 두께로 압축 롤링되며, 이때 에폭시가 함침되어 압축 롤링된 가요성 시트는 약 1.4g/cm3 내지 약 1.9g/cm3 의 밀도를 갖게 된다.
수지가 함침된 그래파이트 시트 내의 수지 함량은 최종적으로 조립되고 경화된 층 구조체가 밀도가 높고 점착성이 되기에 충분하면서도 밀집된 그래파이트 구조체의 이방성 열 전도성에 부정적인 영향을 미치지 않는 양이어야 한다. 바람직한 수지 함량은 약 3 중량% 이상이며, 보다 바람직하게는, 최종 제품에서 요구되는 특성에 따라 약 5 중량% 내지 약 45 중량% 인 것이 좋다.
통상적인 수지 함침 단계에서, 가요성 그래파이트 물질이 용기를 통과하여 예를 들어 분사 노즐로부터의 수지 시스템으로 함침되며, 이러한 수지 시스템은 진공 챔버에 의해 바람직하게 "매트를 통해 잡아 당겨진다". 반드시는 아니지만 통상적으로, 수지 시스템은 가요성 그래파이트로의 도포를 용이하게 하기 위해 용매화된다. 이후 수지는 바람직하게 건조되어 수지 및 수지 함침된 제품의 점착성을 감소시킨다.
수지가 함침되고 압축 롤링된 가요성 그래파이트 시트를 연속적으로 형성하기 위한 장치 중 하나의 형태가 미국 특허 6,432,336 호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 참조된다.
(캘린더링과 같은) 압축단계 이후에, 함침된 재료는 적당한 크기의 조각으로 잘려져서 프레스 내에 배치되며, 여기서 수지가 높은 온도에서 경화된다. 프레스에서 사용되는 온도는 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 끼치지 않으면서도, 경화 압력에서 라멜라(lamellar) 구조체가 고밀도화되기에 충분한 온도이어야 한다. 대체로, 이를 위해서는 적어도 약 90℃ 이상, 그리고 일반적으로는 약 200℃ 까지의 온도가 요구된다. 가장 바람직하게는, 약 150℃ 내지 200℃ 사이의 온도에서 경화가 이루어지는 것이 좋다. 경화에 사용되는 압력은 어느 정도는 사용된 온도의 함수가 될 것이나, 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 미치지 않으면서 그래파이트 구조체가 고밀도화되는 것을 보장하기에 충분해야 할 것이다. 일반적으로, 제조의 편리를 위해, 요구되는 정도까지 구조체를 고밀도화시키기 위해 필요한 최소 압력이 사용될 것이다. 이러한 압력은 약 7 Mpa (1Mpa는 약 1000 psi 에 해당한다) 이상 약 35Mpa (5000 psi 에 해당한다) 이하가 일반적이며, 더욱 널리 사용되는 값은 약 7 내지 21Mpa (1000 내지 3000psi) 이다. 경화 시간은 사용된 압력, 온도 및 수지 시스템에 따라 다르게 되나, 대체로 약 0.5 내지 2 시간 사이이다. 경화가 완료된 이후에, 상기 재료는 약 1.8g/cm3 이상, 일반적으로는 약 1.8 내지 2.0g/cm3 의 밀도를 갖는다.
비록 캘린더링이나 몰딩을 통한 시트의 형성이 본원발명의 실시에 유용한 그래파이트 재료의 형성방법으로서 가장 일반적이기는 하나, 다른 형성방법이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 박리된 그래파이트 입자가 네트(net) 형태나 이에 거의 유사한 형태로 압축 성형될 수 있다. 따라서, 원하는 장치가 히트 싱크나 열 확산기 와 같이 일정한 형태나 프로파일을 갖는 제품을 필요로 한다면, 수지 함침 전이나 후에 그래파이트 제품이 이러한 형태나 프로파일이 성형될 수 있다. 이후 동일한 형태를 취하면서 주형 내에서 경화가 이루어지며; 더구나 바람직한 실시예에서는, 압축과 경화가 동일한 주형에서 이루어진다. 최종 형태로의 기계가공은 이후에 이루어진다.
도 1-2의 상세한 실시예
이제 도면, 특히 도 1 및 2를 참조하면, 히트 싱크 장치가 도시되어 있으며 대체적으로 도면번호 "10"으로 표시되어 있다. 히트 싱크 장치(10)는 150 W/mK의 열 전도성을 갖는 금속 베이스(12)를 포함한다. 바람직하게는, 금속 베이스(12)가 구리나 알루미늄으로 구성된다. 구리 베이스(12)는 약 350 W/mK 이상의 열 전도성을 갖는다. 알루니늄 금속 베이스(12)는 약 150 W/mK 이상의 열 전도성을 갖는다.
또한 히트 싱크 장치(10)는 도면 번호 14A 내지 14H 와 같은 다수의 핀을 포함한다.
핀(14)은 가요성 그래파이트 시트 재료로 구성되며, 바람직하게는 수지가 함침된 가요성 그래파이트 시트로 구성된다.
전술한 바와 같이, 그래파이트 시트 재료는 이방성을 가지며, 시트의 평면 방향에서 약 400 W/mK 의 비교적 높은 열 전도성을 가지며, 시트의 두께를 가로질러서는 매우 낮은 열 전도성을 갖는다. 따라서, 핀이 시트 재료로 구성되면, 베이스(12)의 방향에 대체적으로 수직인 핀의 평면 내에서 비교적 높은 열 전도성을 갖는다.
핀을 구성하는 그래파이트 재료는 동일한 크기의 구리 핀에 비해 매우 가벼우며, 마찬가지로 동일한 크기의 알루미늄에 비해서도 매우 가볍다. 순수한 구리는 8.96 g/cm3 의 밀도를 가지며, 순수한 알루미늄은 2.70 g/cm3 의 밀도를 갖는다. 반면 그래파이트 시트 재료의 밀도는 약 0.04 g/cm3 내지 약 2.0 g/cm3 사이의 값을 갖는다. 상술한 바와 같이 바람직하게 수지가 함침된 그래파이트 시트는 약 1.94 g/cm3 의 밀도를 갖는다.
따라서, 그래파이트 핀(14)과 함께 구리 베이스(12)를 사용하면, 히트 싱크 장치(10)는 구리로만 이루어진 히트 싱크의 무게보다 가벼우면서도 구리로만 이루어진 히트 싱크의 열적 성능과 대략적으로 동일한 열적 성능을 갖게 될 것이다.
마찬가지로, 그래파이트 핀(14)과 함께 알루미늄 베이스(12)를 사용하면, 히트 싱크 장치(10)는 알루미늄으로만 이루어진 히트 싱크의 무게보다 가벼우면서도, 그리고 확실하게는 알루미늄으로만 이루어진 히트 싱크의 무게 이하의 무게를 가지면서도, 알루미늄으로만 이루어진 히트 싱크의 열적 성능보다 뛰어난 열적 성능을 갖게 될 것이다.
바람직하게는, 베이스(12) 내에 16A 내지 16H 와 같은 다수의 홈을 기계가공하여 핀(14) 각각의 하부 엣지가 각각의 홈(16) 내에 밀접하게 수용됨으로써 핀(14)이 베이스(12)에 부착된다.
핀(14)은 마찰 결합(friction fit), 열 수축 결합(thermal shrink fit), 또는 접착제의 사용에 의하여 홈(16) 내의 제위치에 고정될 수 있다.
히트 싱크 장치(10)에 의해 냉각될 전자장치(18)가 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 베이스(12)의 하부 표면에 결합되어 있다. 전자장치(18)는 열적 그리스(thermal grease)나 접착제의 층에 의하여, 또는 얇은 그래파이트 재료 시트로 구성된 열적 인터페이스(thermal interface) 층에 의하여 베이스(12)에 열적으로 연결된다.
따라서 본원발명의 장치는 언급된 것 뿐만 아니라 본래 가지고 있던 장점 및 목적을 용이하게 달성할 수 있다. 본원발명의 개시를 위하여 본원발명의 바람직한 실시예 중 하나가 도시되고 설명되었지만, 그 배열 및 구성에 있어 다양한 변화가 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 가해질 수 있으며, 이러한 변화는 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본원발명의 범위 및 사상 내에 포함된다.
본원발명에 따라 금속제 베이스와 이방성 그래파이트 재료로 구성된 핀을 갖는 복합재료의 히트 싱크는 전자 장치 등에서 발생하는 열을 방출시키는데 유용하다.

Claims (12)

  1. 약 150 W/mK 이상의 열 전도성을 갖는 금속 베이스; 및
    상기 베이스에 부착되는 다수의 핀; 을 포함하고,
    상기 핀은 고온에서 압력 경화된 수지 함침된 그래파이트 재료로 구성되는,
    히트 싱크 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀이 상기 베이스에 수직인 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스가 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스가 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베이스가 그 내부에 형성되는 다수의 평행한 홈을 갖고,
    상기 핀이 평면형 핀이며, 각각의 핀이 상기 홈들 중 하나에 밀접하게 수용되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 핀이 약 90℃ 이상의 온도와 약 7Mpa 이상의 압력에서 압력 경화된 수지 함침된 가요성 그래파이트 시트로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  7. 히트 싱크 장치로서,
    구리 베이스; 및
    상기 베이스에 부착되는 다수의 평면형 그래파이트 핀; 을 포함하고,
    상기 그래파이트 핀이 고온에서 압력 경화된 수지 함침된 그래파이트 시트 재료로 형성되고, 핀의 평면 내에서 비교적 높은 열 전도성을 가지며 각각의 핀의 두께를 가로질러서는 비교적 낮은 열 전도성을 가져서, 상기 히트 싱크 장치가 구리로만 이루어진 히트 싱크보다 적은 무게를 가지면서도 구리로만 이루어진 히트 싱크의 열적 성능과 대략 동일한 열적 성능을 갖는,
    히트 싱크 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그래파이트 핀이 약 90℃ 이상의 온도와 약 7Mpa 이상의 압력에서 압력 경화된 수지 함침된 가요성 그래파이트 시트로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 베이스가 그 내부에 형성되는 다수의 평행한 홈을 갖고,
    상기 핀이 평면형 핀으로서 각각의 핀이 상기 홈들 중 하나에 밀접하게 수용되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  10. 히트 싱크 장치로서,
    알루미늄 베이스; 및
    상기 베이스에 부착되는 다수의 그래파이트 핀; 을 포함하고,
    상기 그래파이트 핀이 고온에서 압력 경화된 수지 함침된 그래파이트 시트 재료로 형성되어 상기 베이스로부터 연장하고, 상기 시트의 평면 내에 알루미늄의 열 전도성보다 비교적 높은 열 전도성의 축을 가지고 상기 시트 재료의 두께를 가로질러서는 비교적 낮은 열 전도성을 가지며 상기 그래파이트 시트 재료가 알루미늄의 비중 이하의 비중을 가져서, 상기 히트 싱크 장치가 알루미늄으로만 이루어진 비슷한 크기의 히트 싱크보다 작거나 같은 무게를 가지면서도 알루미늄으로만 이루 어진 비슷한 크기의 히트 싱크의 열적 성능보다 높은 열적 성능을 갖는,
    히트 싱크 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 그래파이트 핀이 약 90℃ 이상의 온도와 약 7Mpa 이상의 압력에서 압력 경화된 수지 함침된 가요성 그래파이트 시트로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 베이스가 그 내부에 형성되는 다수의 평행한 홈을 갖고,
    상기 핀이 평면형 핀으로서 각각의 핀이 상기 홈들 중 하나에 밀접하게 수용되는 것을 특징으로 하는,
    히트 싱크 장치.
KR1020067024946A 2004-09-07 2005-04-01 금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트싱크 KR20070048137A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/833,928 US20050155743A1 (en) 2002-06-28 2004-09-07 Composite heat sink with metal base and graphite fins
US10/833,928 2004-09-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070048137A true KR20070048137A (ko) 2007-05-08

Family

ID=36036670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067024946A KR20070048137A (ko) 2004-09-07 2005-04-01 금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트싱크

Country Status (6)

Country Link
US (2) US20050155743A1 (ko)
EP (1) EP1787080A4 (ko)
JP (1) JP2008512852A (ko)
KR (1) KR20070048137A (ko)
CN (1) CN101014821A (ko)
WO (1) WO2006028511A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022114788A1 (ko) 2020-11-27 2022-06-02 전제욱 그래파이트 시트를 핀으로 사용한 히트 싱크 장치

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6478793B1 (en) 1999-06-11 2002-11-12 Sherwood Services Ag Ablation treatment of bone metastases
US20050155743A1 (en) * 2002-06-28 2005-07-21 Getz George Jr. Composite heat sink with metal base and graphite fins
US7553309B2 (en) * 2004-10-08 2009-06-30 Covidien Ag Electrosurgical system employing multiple electrodes and method thereof
US7282049B2 (en) 2004-10-08 2007-10-16 Sherwood Services Ag Electrosurgical system employing multiple electrodes and method thereof
US7776035B2 (en) * 2004-10-08 2010-08-17 Covidien Ag Cool-tip combined electrode introducer
US7467075B2 (en) * 2004-12-23 2008-12-16 Covidien Ag Three-dimensional finite-element code for electrosurgery and thermal ablation simulations
US20060225874A1 (en) * 2005-04-11 2006-10-12 Shives Gary D Sandwiched thermal article
US20070066971A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-22 Podhajsky Ronald J Method and system for treating pain during an electrosurgical procedure
AU2005215926B2 (en) * 2005-09-27 2012-09-13 Covidien Ag Cooled RF ablation needle
JP4871559B2 (ja) * 2005-09-27 2012-02-08 コヴィディエン・アクチェンゲゼルシャフト 冷却ｒｆアブレーションニードル
EP1767165B1 (en) * 2005-09-27 2017-03-01 Covidien AG Cooled ablation needle
US7879031B2 (en) * 2005-09-27 2011-02-01 Covidien Ag Cooled RF ablation needle
US20070078453A1 (en) * 2005-10-04 2007-04-05 Johnson Kristin D System and method for performing cardiac ablation
US8795270B2 (en) * 2006-04-24 2014-08-05 Covidien Ag System and method for ablating tissue
US20070258838A1 (en) * 2006-05-03 2007-11-08 Sherwood Services Ag Peristaltic cooling pump system
US20070260240A1 (en) 2006-05-05 2007-11-08 Sherwood Services Ag Soft tissue RF transection and resection device
US7763018B2 (en) 2006-07-28 2010-07-27 Covidien Ag Cool-tip thermocouple including two-piece hub
US8211099B2 (en) * 2007-01-31 2012-07-03 Tyco Healthcare Group Lp Thermal feedback systems and methods of using the same
US9486269B2 (en) * 2007-06-22 2016-11-08 Covidien Lp Electrosurgical systems and cartridges for use therewith
US8181995B2 (en) 2007-09-07 2012-05-22 Tyco Healthcare Group Lp Cool tip junction
US8292880B2 (en) 2007-11-27 2012-10-23 Vivant Medical, Inc. Targeted cooling of deployable microwave antenna
CN101977976B (zh) * 2008-03-20 2014-08-27 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 导热塑料材料的热沉
US8608739B2 (en) 2008-07-22 2013-12-17 Covidien Lp Electrosurgical devices, systems and methods of using the same
TW201035513A (en) * 2009-03-25 2010-10-01 Wah Hong Ind Corp Method for manufacturing heat dissipation interface device and product thereof
US8955580B2 (en) * 2009-08-14 2015-02-17 Wah Hong Industrial Corp. Use of a graphite heat-dissipation device including a plating metal layer
US20100256735A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-07 Board Of Regents, The University Of Texas System Intraluminal stent with seam
TWM363192U (en) * 2009-04-17 2009-08-11 chong-xian Huang Heat dissipating device
JP2011049311A (ja) * 2009-08-26 2011-03-10 Shinko Electric Ind Co Ltd 半導体パッケージ及び製造方法
WO2011051855A2 (en) * 2009-10-27 2011-05-05 Koninklijke Philips Electronics N.V. Electron collecting element with increased thermal loadability, x-ray generating device and x-ray system
US9953957B2 (en) * 2015-03-05 2018-04-24 Invensas Corporation Embedded graphite heat spreader for 3DIC
CN108352371A (zh) * 2015-11-20 2018-07-31 捷恩智株式会社 放热器、电子机器、照明机器及放热器的制造方法
WO2018071612A1 (en) * 2016-10-14 2018-04-19 Magna Seating Inc. Flexible graphite ribbon heat sink for thermoelectric device
KR101835385B1 (ko) * 2017-09-29 2018-03-09 인동전자(주) 인조 흑연 분말을 이용한 열전도성 박막의 제조방법
JP2019096702A (ja) * 2017-11-21 2019-06-20 トヨタ自動車株式会社 冷却器
CN207939941U (zh) * 2018-03-27 2018-10-02 京东方科技集团股份有限公司 用于显示面板的散热装置和显示装置
CN117878071A (zh) * 2024-03-12 2024-04-12 青岛澳芯瑞能半导体科技有限公司 一种igbt半导体器件及其工艺方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB991581A (en) * 1962-03-21 1965-05-12 High Temperature Materials Inc Expanded pyrolytic graphite and process for producing the same
US3913666A (en) * 1972-03-20 1975-10-21 Peter Bayliss Heat resistant wall construction
US4867235A (en) * 1986-10-20 1989-09-19 Westinghouse Electric Corp. Composite heat transfer means
US4895713A (en) * 1987-08-31 1990-01-23 Union Carbide Corporation Intercalation of graphite
US5077637A (en) * 1989-09-25 1991-12-31 The Charles Stark Draper Lab., Inc. Solid state directional thermal cable
US5390734A (en) * 1993-05-28 1995-02-21 Lytron Incorporated Heat sink
US6085830A (en) * 1997-03-24 2000-07-11 Fujikura Ltd. Heat sink, and process and apparatus for manufacturing the same
US5902762A (en) * 1997-04-04 1999-05-11 Ucar Carbon Technology Corporation Flexible graphite composite
CA2344509C (en) * 1999-04-07 2008-03-25 Graftech Inc. Flexible graphite article and method of manufacture
US6503626B1 (en) * 2000-02-25 2003-01-07 Graftech Inc. Graphite-based heat sink
US20020108743A1 (en) * 2000-12-11 2002-08-15 Wirtz Richard A. Porous media heat sink apparatus
US20020157818A1 (en) * 2001-04-04 2002-10-31 Julian Norley Anisotropic thermal solution
US20020166654A1 (en) * 2001-05-02 2002-11-14 Smalc Martin D. Finned Heat Sink Assemblies
US6758263B2 (en) * 2001-12-13 2004-07-06 Advanced Energy Technology Inc. Heat dissipating component using high conducting inserts
US20030173060A1 (en) * 2002-03-13 2003-09-18 Krassowski Daniel W. Heat sink with cooling channel
US20050155743A1 (en) * 2002-06-28 2005-07-21 Getz George Jr. Composite heat sink with metal base and graphite fins
US6771502B2 (en) * 2002-06-28 2004-08-03 Advanced Energy Technology Inc. Heat sink made from longer and shorter graphite sheets
US6749010B2 (en) * 2002-06-28 2004-06-15 Advanced Energy Technology Inc. Composite heat sink with metal base and graphite fins
US20040118553A1 (en) * 2002-12-23 2004-06-24 Graftech, Inc. Flexible graphite thermal management devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022114788A1 (ko) 2020-11-27 2022-06-02 전제욱 그래파이트 시트를 핀으로 사용한 히트 싱크 장치

Also Published As

Publication number Publication date
EP1787080A1 (en) 2007-05-23
WO2006028511A1 (en) 2006-03-16
US20050155743A1 (en) 2005-07-21
EP1787080A4 (en) 2009-06-17
JP2008512852A (ja) 2008-04-24
US20070221369A1 (en) 2007-09-27
CN101014821A (zh) 2007-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070048137A (ko) 금속 베이스와 그래파이트 핀을 구비한 복합재료의 히트싱크
KR101061262B1 (ko) 샌드위치식 핀스톡
KR100935275B1 (ko) 휴대폰용 열 방산 및 열 차폐 시스템
KR101031174B1 (ko) 금속 베이스 및 흑연 핀을 구비한 합성 히트 싱크
KR100555610B1 (ko) 전자 장치용 열방출 솔루션
US6771502B2 (en) Heat sink made from longer and shorter graphite sheets
US7494712B2 (en) Resin-impregnated flexible graphite articles
US20060056157A1 (en) Integral heat spreader
US20060225874A1 (en) Sandwiched thermal article
KR101168099B1 (ko) 삽입된 열적 솔루션
KR20070083642A (ko) 히트 라이저
US20060099406A1 (en) Heat spreader for printed circuit boards
KR20070035504A (ko) 개선된 열적 인터페이스 물질

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application