KR20070098450A - 개선된 탈열기 및 열 방출기 - Google Patents

개선된 탈열기 및 열 방출기 Download PDF

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KR20070098450A
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할룩 사이르
아릭 메메트
에반 비 쿠퍼
튠 이코즈
마크 šv켄스
시앙 리우
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

전자 장치 또는 열 발생 장치를 위한 탈열 어셈블리는 초박형 그라파이트(graphite) 층으로부터 구성된다. 이 초박형 그라파이트 층은 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 평면에서 500W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내고, 하나 이상의 그라펜(graphene) 층을 포함한다. 초박형 그라파이트 층은, 금속, 중합체성 수지, 세라믹 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 층에 의해 구조적으로 지지되고, 그라파이트 층의 하나 이상의 표면 위에 배치된다.

Description

개선된 탈열기 및 열 방출기{ADVANCED HEAT SINKS AND THERMAL SPREADERS}
도 1은 극소한 두께를 갖는 다수의 그라펜(graphene) 층을 포함하는 그라파이트(graphite) 분리를 도시한 투시도이다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 탈열기의 다양한 실시양태를 보여주는 휜(fin) 두께의 단면도이다.
도 3a 및 3b는 탈열기를 제조하는 공정에서 본 발명의 하나의 실시양태를 보여주는 부분 단면도이다.
도 4는 기재판에 수평으로 배향된 부분 및 수직으로 배향된 나머지 부분을 갖는, 굽은(bent) 휜 배열을 갖는 탈열기의 하나의 실시양태를 보여주는 부분 단면도이다.
도 5는 기재에 부착된 다수의 직사각형 휜을 갖는 탈열기의 하나의 실시양태를 보여주는 투시도이다.
도 6은 방사상 휜의 형태로 본 발명의 초박형 그라파이트 탈열기를 사용하는 하나의 실시양태를 보여주는 투시도이다.
도 7은 중첩된 휜의 형태를 본 발명의 초박형 그라파이트 탈열기를 사용하는 하나의 실시양태를 보여주는 투시도이다.
도 8은 중첩된 휜을 사용하는, 본 발명의 초박형 그라파이트 탈열기의 제 2의 실시양태를 보여주는 투시도이다.
도 9는 중첩된 휜을 사용하는 또다른 실시양태의 투시도이다.
도 10은 부분 방사상 휜을 갖는 탈열기에 있어서 또다른 실시양태의 투시도이다.
도 11은 핀(pin)-휜 탈열기를 갖는 실시양태의 또다른 실시양태를 보여주는 투시도이다.
도 12는 벌집-유사 다공성 구조를 갖는 초박형/초경량 탈열기를 보여주는 투시도이다.
도 13은 펼쳐진 묶음(expanded bundle)의 형태 또는 벌어진(splayed) 패턴을 갖는 초박형 탈열기를 보여주는 투시도이다.
도 14는 기류 채널의 상이한 단계를 지정하는 다수의 슬릿(slit)을 갖는 초박형 탈열기를 보여주는 측면도이다.
도 15는 다양한 크기의 휜을 포함하는 탈열기 어셈블리에서 열전도성의 함수로서 전도성 열저항(conductive thermal resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 16은 상이한 물질의 휜을 포함하는 탈열기 어셈블리에서 열전도성의 함수로서 전도성 열저항을 나타내는 그래프이다.
본원은 2006년 3월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제 60/743998 호(이는 그 전체로서 본원에 참고로 인용되어 있음)에 대해 우선권을 주장한다. 본원은 또한 2004년 1월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/761,567 호의 계속 출원(CIP)이다.
본 발명은 열원으로부터 열을 외부로 전달하는데 사용될 수 있는 것으로서, 예를 들어 탈열기, 예를 들어 열원과 탈열기 사이에서 열원과 접촉하고 열을 소산시키기 위한 탈열기와 같은 열 방출기를 포함하나 이들로써 제한되는 것은 아닌 열 관리 어셈블리에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열 관리 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
마이크로전자공학의 진보를 통해 전래없는 빠른 속도로 신호 및 데이터를 갖는 전자장치가 개발되었다. 전자 및/또는 집적회로("IC") 장치, 예를 들어, 마이크로프로세서, 메모리 장치 등은 점점 작아지는 반면, 열 방출 기기는 점점 커지고 있다. 전자장치, 예컨대 100 와트 이상의 전력을 소산하는 최근의 펜티엄 및 파워 PC 칩을 갖는 개인용 컴퓨터내에서 발생되는 열 에너지는 난로 버너의 열 에너지와 비교될 수 있다.
열은, 불안정 또는 손상으로부터 시스템을 보호하기 위해 효율적으로 제거되어야 한다. 흔히, 전자 부품의 표면으로부터 보다 냉각된 환경, 대개 주변 공기로 열을 소산시키는데 열 방출기 및/또는 탈열기가 사용된다. 열원 표면으로부터 주변 공기로의 열 전달율은 전형적으로 불량하다.
탈열기는 열원에 열적으로 연결되어 열원으로부터 열 에너지를 전도하는 다량의 물질로 이루어진 열 소산 장치(theraml dissipation device)이다. 탈열기는 전형적으로 IC 상의 열 방출기로부터 주변 공기로 열을 전달시키도록 고안된다. 탈열기는 휜의 형태이거나 집적화된 열 방출기일 수 있다. 탈열기는 고온 구역(즉, 프로세서)으로부터 저온 구역(즉, 탈열기)으로 열 에너지를 전도한다. 이어서, 열 에너지는 대류 및 복사에 의해 탈열기의 표면으로부터 탈열기 주변의 대기로 소산된다. 전형적으로, 탈열기는 일차적으로 공기와 직접 접촉하는 표면 영역을 증가시킴으로써 열전달 효율을 증가시키도록 고안된다. 이를 통해, 보다 많은 열이 소산될 수 있고, 이로써 장치 작동 온도를 낮출 수 있다.
냉각 전자 부품에 사용되는 탈열기는 전형적으로 냉각될 장치와 직접 연결되는 열전도성 기재판 및 기재판으로부터 확장되는 판 또는 핀 휜 세트를 포함한다. 휜은 공기와 직접 접촉하는 표면 영역을 증가시킴으로써 열원과 주변 공기 사이의 열전달 효율을 증가시킨다.
종래의 통상적인 탈열기에 있어서, 휜은 탈열기를 기본으로 구성되거나 다양한 종래의 고정 기술을 통해 기재에 조립된다. 기재와 휜이 함께 조립되는 탈열기에 있어서, 기재는 전형적으로 구리 또는 알루미늄이고, 휜은 구리 또는 알루미늄이다. 구리는 알루미늄과 비교하여 우수한 열전도성(390 대 101 W/m.k)을 갖지만, 비용이 알루미늄보다 비싸다. 구리는 또한 탈열기를 가중시키고 탈열기 및 전자장치를 쇼크 및/또는 진동으로 인한 손상에 대해 보다 민감하다. 따라서, 구리를 포함하는 탈열기는 무겁고 비싸다는 단점이 있으며, 알루미늄 휜은 효능이 충분하지 못하다는 단점이 있다. 미국 특허 제 6862183 호는 합성 휜, 즉 기재와 열적으로 연결된 구리로부터 제조되어 기재로부터 열 에너지를 전도하는 제 1 부 및 알루미늄으로부터 제조된 제 2 부를 갖는 탈열기를 개시하였다.
구리 및/또는 알루미늄을 사용하는 통상적인 탈열기의 중량 문제점을 극복하기 위하여, 그라파이트를 사용한 탈열기가 제안되었다. 미국 특허 제 6538892 호는 휜의 평면으로 정렬된 그라파이트 층을 갖는 평면성 휜을 포함함으로써 평면에 대해 평행한 열전도성이 수직 방향의 열전도성보다 큰, 방사상 휜의 탈열기 어셈블리를 개시하였다. 각각의 휜은, 압착 정도를 조절함으로써 변경할 수 있는 밀도 및 두께, 예를 들어 약 0.075 내지 3.75 mm의 두께를 갖는 것으로서, 압착되거나 밀착되는 그레파이트 "시이트"를 포함한다. 미국 특허 제 6749010 호는 금속 기재 및 이러한 기재에 부착된 다수의 휜을 갖는 탈열기 시스템을 개시하였으며, 이러한 휜은, 각각 약 0.075 내지 3.75 mm 두께를 갖는 그라파이트 시이트와 함께, 박리된 그라파이트의 압축 입자의 "시이트"의 수지-주입된 적층물로 구성된다.
그라파이트를 사용하는 것은 종래의 알루미늄/구리 탈열기의 중량 문제점을 극복하는 하나의 방법이다. 그러나, 종래의 그라파이트 열 방출기는 마이크로미터 수준의 다수의 그라파이트 층 또는 조각을 포함하는 그라파이트 "시이트"를 교시한다. 따라서, 중량에 대한 열전도성의 비를 최대화하기 위해 초박형 탈열기를 갖는 개선된 열 관리 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전자 장치 또는 열 제거가 요구되는 유사한 시스템으로부터 열 에너지를 소산시키기 위한 열 관리 어셈블리를 제공하는 것이다. 어셈블리는 전자 장치에 열적으로 연결되도록 적용되는 기재; 및 상기 기재에 열적으로 연결되는 탈열기를 필수적으로 포함한다. 탈열기는 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 평면에서 500 W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내는 그라파이트 층을 필수적으로 포함하고, 상기 그라파이트 층은 제 1 표면, 제 2 표면 및 그라펜 층을 포함하는 두께를 갖는다. 상기 그라파이트 층은, 그라파이트 층의 하나 이상의 표면에 분산된 것으로서 금속, 중합체 수지, 세라믹 및 이의 혼합물중 하나 이상의 물질을 포함하는 층에 의해 구조적으로 지지된다.
또한, 본 발명은, 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 평면에서 500 W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내는 그라파이트 시이트로부터 0.1 미만의 두께를 갖는 하나 이상의 그라파이트 층을 분리하여 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 그라파이트 층을 수득함으로써, 탈열기에 사용하기 위한 핀을 구성하는 방법에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 약어는 관련된 기본 기능에서의 변화는 유발하지 않으면서 변화될 수 있는 임의의 정량적인 표기를 변형하는데 사용될 수 있다. 따라서, 용어 또는 용어들, 예컨대 "약" 및 "실질적으로"에 의해 변형되는 값은 일부 경우에서 특정된 정확한 값으로 한정되지 않을 수 있다.
"탈열기"라는 용어는 "열 소산기"와 혼용될 수 있으며, 이러한 용어는 열을 모으는 것 뿐만 아니라 소산 기능을 수행하는 소자를 지칭한다.
본원에서 사용되는 "기재판" 또는 "받침틀"이란 용어는 냉각되거나, 이로부터 열이 제거되는 장치로서, 열 방출기와 직접 연결된 열전도성 구조 또는 소자를 지칭하며, 서로 혼용될 수 있다. 본원에서 사용되는 "열 방출기"란 용어는 전형적으로 열원 및 탈열기와 접촉되는 칼집의 형태인 장치를 의미한다. 또한, 열 방출기는 종종 충격 또는 진동에 취약한 IC 부품을 보호하는 절연체로서의 기능을 수행한다.
또한, 본원에서 사용되는 "열분해 그라파이트"("TPG")는 유의적인 크기의 결정체, 서로 고도로 정렬 또는 배향되고 1000 W/m-K보다 높은 평면내(a-b 방향) 열전도성을 갖는, 잘 정돈된 탄소층 또는 바람직한 결정체 배향의 우수한 정도를 갖는 결정체로 구성된 그라파이트 물질을 의미하는 것으로, "고배향된 열분해 그라파이트"("HOPG") 또는 압축 어닐링된 열분해 그라파이트"("CAPG")와 혼용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, TPG는 1,5000 W/m-K보다 큰 평면내 열전도성을 갖는다.
본원에서 사용되는 "그라펜" 또는 "그라펜 필름"이란 용어는, 적층되어 그라파이트에서 "분리될 수 있는" 층(또는 돌비늘 같은 조각)을 이루는 극소한 두께의 탄소 시이트 또는 층(도 1에 예시된 바와 같음)을 의미한다.
본 발명은 중량에 대한 열전도성의 비를 최대화하기 위한 것으로서, 그라파이트의 하나 이상의 단일 층 또는 단일 조각을 포함하는, 개선된 열 관리 시스템, 즉 초박형 탈열기에 관한 것이다.
그라파이트는 이방성 구조를 가지며, 이에 따라 고도 지향성을 갖는 많은 성질, 예를 들어 열전도성 및 전기전도성 및 유체 확산성을 나타낸다. 그라파이트는 탄소원자의 6방정계 정렬 또는 네트워크의 층 평면으로 구성된다. 도 1에 예시된 바와 같이, 6방정계로 배열된 탄소원자의 층 평면(10)은 실질적으로 평평하며 실질적으로 다른 것과 수평이면서 등거리가 되도록 배향 또는 정렬된다. 대개 그라펜 층 또는 기저 평면으로서 언급되는, 실질적으로 평평하고 수평이며 등거리에 있는 탄소원자의 시이트 또는 층(10)은 함께 연결 또는 결합되며, 이들의 무리는 결정체로 정렬된다. 그라파이트에서 탄소원자의 포개진 층 또는 적층은 약한 반데르 발스력에 의해 함께 결합된다. 그라파이트 구조를 고려할 때, 두 개의 축 또는 방향이 대개 "c" 축 또는 방향 및 "a" 축 또는 방향으로 인식될 것이다. "c" 축 또는 방향은 탄소층에 대해 수직방향으로서 고려될 수 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 대해 수평방향 또는 "c" 방향에 대해 수직방향으로 고려될 수 있다.
다수의 층 또는 평면은 그라파이트로서 이루어지며, 그라파이트는 층구조를 이루기 때문에 기저 평면에 따라 거의 돌비늘과 같이 분리된다. 간단한 공정, 예컨대 테이프의 조각을 옮기고 평평한 그라파이트 표면상에서 이를 압축시킨 다음, 이를 벗겨내는 공정을 사용하여 그라파이트의 얇은 조각(1)을 갖는 테이프를 수득할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각 조각(1)은 탄소의 극소한 층(단위 셀 층)의 다수의 그라펜 층(10)을 포함한다. 2 mm 두께의 그라파이트 블록의 시이트에 있어서 하나는 20 내지 40개의 25 내지 50 ㎛의 조각으로 구성된다는 사실이 보고된 바 있다. 그라파이트의 질이 보다 우수할수록, 그라파이트 시이트의 mm 당 보다 얇은 그라파이트 조각을 보다 많은 조각으로 수득할 수 있다. 탈열기의 고안은 광범위한 수학-한정된 원소 분석, 유체 동력학 등을 요구하는 복합한 임무일 수 있다. 탈열기의 고안에 있어서, 열 저항, 탈열기의 영역, 탈열기의 모양, 즉, 휜을 갖든지 갖지 않든지, 또는 핀 디자인, 및 핀 또는 휜의 높이, 팬이 사용되는지또는 사용되지 않는지, 및 이의 기류 비율, 탈열기 물질, 및 다이에서 허용되는 최대 온도를 포함하는 다양한 인자가 고려된다.
열 저항은 탈열기의 고안에서 중요한 매개변수이다. 열 저항은 물질의 두께에 대해 정비례하며, 물질 및 열 흐름의 표면 영역의 열전도성에 대해 반비례한다. 본 발명은 최적화된 열 저항을 갖는 개선된 열 관리 시스템, 즉, 1000 W/m-K 이상의 높은 열전도성을 갖고 하나의 탄소 원자층의 극소한 층두께를 갖는 그라파이트와 같은 전도성 물질을 포함하는 초박형 탈열기에 관한 것이다.
초박형 두께가 개선된 열 방출기의 제조 방법
한 양태에서, 피롤리틱 그라파이트("PG") 시이트가 본 발명의 개선된 열 방출기에 사용하기 위한 그라파이트의 초박형 분리용 공급원료원으로서 사용된다. PG는 일반적으로, 높은 온도에서 유지된 기판상에서 저압에서 탄소질 기체를 통과시킴으로써 제조되되, 열분해가 발생하고, 그라파이트가 노출된 맨드릴 표면상에 증기-증착된다. 피롤리틱 그라파이트 시이트를 기재 기판으로부터 분리하고, 추가로 열 단련 공정을 거친다. 단련 단계에서, PG는 단련되는 생성물의 두께 및 벌크에 따라 충분한 시간동안 2900℃ 초과의 온도에서 가열하여 열적 피롤리틱 그라파이트("TPG")를 형성한다. 한 양태에서, 상기 충분한 시간은 1분 미만이다. 제 2 양태에서는 45초이다. 제 3 양태에서는 30초이다. 제 4 양태에서는 10초이다. 단련 공정에서, 결정학적인 변화가 일어나 층 평면 배향의 개선을 야기하고, 층 평면에 수직인 두께는 감소하고(c 방향에서의 감소), 길이 및 너비 치수는 증가한다(a 방향에서의 증가). 결정화 크기의 증가에 따라 개선된 배향은 특정 방향에서 마감처리된 물질에서 1000W/m-K의 우수한 열 전도성을 야기한다. 한 양태에서, 우수한 열 전도성의 TPG 시이트 및 그라파이트 층 또는 조각의 병행을 위해, PG 층은 단련하는 동안에 고온 압착된다. 고온 압착은 당업계에 공지된 방법 및 장치, 예를 들면 다이, 롤러 등을 사용하여 수행될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "그라파이트 층"은 하나 이상의 nm 두께의 그라펜 층을 포함하는 PG의 단일 조각을 지칭한다. 또한, 본원에 사용된 바와 같은 용어 "분리"는 그라파이트의 시이트를 박리, 제거 또는 추출, 또는 분리하여, 하나 이상의 nm 두께의 단일 그라펜 층을 포함하는, 하나 이상의 초박형 층의 그라파이트를 수득하는 방법을 지칭한다. 그라파이트의 "시이트"는 그라파이트의 둘 이상의 조각 또는 층을 포함하며, 각각 다시 다수의 그라펜 층을 포함한다.
비록 일반 용어 "그라파이트"가 본원에 사용될 수 있지만, 적용에 따른 본 발명의 초박형 탈열기는 500W/m-K 미만의 전형적인 평면정렬(in-plane)(a-b 방향) 열 전도성을 갖는 피롤리틱 그라파이트(PG) 또는 600W/m-K 초과의 평면정렬(a-b 방향) 열 전도성을 갖는 열적 피롤리틱 그라파이트(TPG)를 사용한다. 한 양태에서, 출발 공급원료는 파나소닉(Panasonic), 제너럴 일렉트릭 캄파니(General Electric Company) 등을 포함하는 공급원에서 시판중인 0.1±0.05mm의 두께를 갖는 그라파이 트 시이트이다.
그라펜 층을 포함하는 초박형 그라파이트 층의 제조 방법
한 양태에서, 그라파이트 시이트를 먼저 당업계에 공지된 삽입제로 처리하여 층의 박리(exfoliation) 또는 분리를 촉진하여 c 축에서 그라파이트화된 피롤리틱 그라파이트의 조각을 수득한다. 삽입, 즉 삽입제로 처리한 후, 처리된 피롤리틱 그라파이트를 세척하거나 퍼징하여 과량의 삽입제를 제거할 수 있다. 삽입제의 예는 유기 및 무기 산, 예컨대 질산, 황산, 퍼할로산 및 이들의 혼합물, 7,7,8,8-테트라사이아노퀴노메탄(TCNQ), 테트라사이아노에틸렌(TCNE), 1,2,4,5-테트라사이아노벤젠(TCBN), 등; 브롬 및 염화 제2철; 질산 및 가성 칼륨의 클로레이트를 포함한다.
또 다른 양태에서, 층간 상호작용을 약화시키기 위하여, 화학 공급원(chemical source), 예컨대 입자, 유체, 기체 또는 액체를 먼저 도입하여 그라펜 층 사이의 영역에서 응력을 증가시키고, 그라펜 층을 그라파이트 표면으로부터 박리하도록 한다. 한 양태에서, 화학 공급원으로부터의 입자를 선택된 투여량으로 조각 층에 도입하여 제어된 방식으로 분리를 촉진한다. 한 양태에서, 아세톤, 벤젠, 나프탈렌과 같은 시약을 사용하여 그라펜 층의 층간 상호작용을 약화시킴으로써 그라파이트 표면으로부터 그라펜 층을 박리한다.
한 양태에서, 초음파를 사용하여 개별 그라펜 층을 수득하되, 이때 초음파의 선택성은 그라펜 층 사이의 상호접속 계면에서 에너지를 농축시키기 위해 사용된다. 그라펜 사이의 층간 계면이 아세톤, 벤젠 등과 같은 화학 공급원의 사용을 통 해 약화되면서, 초음파의 에너지는 흡수되어 그라펜 층을 분리하고 파괴하며, 이로 인해 효율적이고 신속하게 그라펜 층을 분리한다. 초음파 조건, 즉 주파수, 세기, 시간 등은 그라펜의 층간 상호작용을 약화시키기 위해 사용된 화학 공급원에 따라 변한다.
또 다른 양태에서, 그라펜 층은 문헌[Zhang et al. in APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 073104 2005, May 6, 2005]에 기술된 바와 같은 미세기계 조정을 사용하여 분리되어 10 내지 100nm의 두께 d를 갖는 그라파이트 결정자(crystallite)를 수득한다. 상기 문헌은 본원에 참조로서 혼입되어 있다. 상기 방법에서, 그라파이트 시이트 또는 블록을 미세기계화된 규소 캔틸레버에 전달하고 접착제를 사용하여 접착한다. 얇은 미시적인 조각은 캔틸레버 및 기판 사이의 수직항력을 조율함으로써 수득/제어될 수 있다.
한 양태에서, 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 개별 조각은, 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 PG의 상부 조각이 포토레지스트 층에 부착되도록, PG의 시이트를 유리 기판상의 포토레지스트 스프레드의 층에 압착시킴으로써 수득된다. 포토레지스트 층은 아세톤과 같은 용매에 용해되어 후에 하나 이상의 nm 두께의 그라펜 층을 갖는 PG의 단일 조각 층을 남길 수 있다.
또 다른 양태에서, 뒷면에 고 전도성 압력-민감성 접착제를 갖는 구리, 알루미늄 또는 주석도금 구리박 테이프를 피롤리틱 그라파이트 기판에 압착시키고 하나 이상의 그라펜 막 또는 층을 포함하는 피롤리틱 그라파이트의 분리를 위해 박리한다. 한 양태에서, 금속박은 5.0 내지 2.5㎛의 두께를 가지고, 뒷면에 탄소 또는 파릴렌(Parylene), 이어서 고 전도성 압력 민감 접착제의 층이 있다. 금속박 테이프는 코메릭스 앤드 레보우 캄파니(Chomerics and Lebow Company)를 포함하는 공급원에서 시판되고 있다.
미세-가공/식각 단계
식각된 미세-가공, 또는 패턴화된 표면은 구조적 지지체/초박막 그라파이트 층에 대해 요구되는 완전성을 제공하는데 필요한 적층/피복층에 있어 부착력의 증가를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 당분야에 공지된 기술, 예컨대 진공 건조/이온 식각, 플라스마 식각, 반응성 이온 식각 또는 화학 식각, 그라펜 표면상에 분열, 갭, 또는 피트의 생성을 포함하는 플라스마-보조된 공정 을 사용하여 표면은 패턴화되고, 미세가공화되거나 또는 식각된다.
하나의 실시양태에서, 식각은 이온 식각과 같은 물리적 공정을 통해 수행된다. 제 2 실시양태에서, 식각은 플라스마 식각 또는 산화와 같은 화학 반응을 통해 수행된다. 제 3 실시양태에서, 물리적 효과 및 반응성 이온 식각과 같은 화학적 효과의 조합이 그라펜의 표면을 미세가공하는데 사용된다. 하나의 실시양태에서, 건조 식각은 기체 종류, 예컨대 산소, 아르곤 및 불소 기체(예컨대 프레온, SF6 및 CF4)를 사용하여 수행된다. 하나의 실시양태에서, 산화 식각은 산소 라디칼을 사용하여 수행됨으로써 탄소는 산화(연소됨)되고 그라펜 필름상에 패턴을 생성하는 이산화탄소로 전환될 수 있다. 산화 식각의 하나의 실시양태에서, 산소 분자는 자외선으로 조사되어 그라펜 층의 표면을 식각하는데 사용하기 위한 산소 라디칼을 생성한다. 또다른 실시양태에서, 그라펜 층은 500 내지 800℃의 온도에서 산화됨으로써 식각되며, 이때 라펜 표면상의 피트의 밀도 및 그피트 직경은 산화 온도에 따라 증가한다는 것을 주의해야 한다.
그라펜 층으로의 구조적 집적물의 제공
본 발명의 탈열기는 원자 층 두께, 즉 nm 스케일의 그라펜 층으로부터 제조되는데, 초박형 그래파이트 층에 피복층(그라파이트 층중 한 면 또는 두 면 모두 위에)의 형태의 구조적 집적물/지지체가 제공되거나, 또는 지지체 층(필요한 경우 한 면 또는 두 면 위에)과 함께 적층된다. 도 2a에 도시된 하나의 실시양태에서, 초박형 그라파이트 층은 두 면 또는 표면 상에 피복된다. 도 2c에 도시된 제 2 실시양태에서, 그라파이트 층은 단지 핀의 상부 또는 팁에서 부분적으로 피복된다. 제 3 실시양태에서(도시되지 않음)는, 그라파이트 층의 단지 하단이 탈열기의 핀에서 구조적 지지체로 피복된다. 도 2b에 도시된 제 4 실시양태에서는, 그라파이트 층이 받침틀과 동일한 피복물로 피복된다.
하나의 실시양태에서, 피복 이전에, 전자 탈전하 기계가공(Electro Discharge Machining; EDM), 전자 탈전하 분쇄(Electro Discharge Grinding; EDG), 레이저 및 플라스마를 포함한 당분야에 공지된 방법을 사용하여 초박형 그라파이트 층에 직경 0.1 내지 5mm의 크기를 갖고 2 내지 25mm의 간격으로 떨어진 구멍 또는 바이어스를 만들 수 있다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 그라펜 층을 갖는 초박형 그라파이트 스트립은 수지, 금속, 세라믹 또는 이들의 혼합물로 피복되거나 처리된다. 예로는 파릴렌; 규소 니트라이드, 규소 옥사이드; 알루미늄 옥사이드, 규소 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 티탄 옥사이드, 안티몬 옥사이드, 아연 옥사이드, 주석 옥사이드, 인듐 옥사이드, 세륨 옥사이드 및 금속(예를 들어 알루미늄 또는 텅스텐)의 나노 입자; 시아노아크릴레이트; 탄소 필름; 자가-조립된 단층 물질; 퍼플루오로폴리에터; 헥사메틸다이실라잔; 퍼플루오로데칸 카복실산; 규소 다이옥사이드; 실리케이트 유리; 아크릴; 에폭시; 실리콘; 우레탄; 페놀계 수지 시스템; 또는 이들의 조합물을 들 수 있다. 상기 피복물은 내수분성, 구조적 완전성 및 취급 강도, 즉 그라파이트 층에서의 단단함을 제공할 뿐만 아니라, 그라파이트 층의 형태를 "고정"시킨다.
사용된 피복물의 양 및 피복 두께는 최종 초박형 그라파이트 층이 탈열기에 사용하기에 충분한 구조적 완전성을 갖기에 충분해야 하며, 이 때 그라파이트의 이방성 열전도성에 불리한 영향을 끼치지 않아야 한다. 하나의 실시양태에서, 피복물의 두께는 50 내지 1000nm이다. 제 2 실시양태에서, 피복물의 두께는 500nm이다. 제 3 실시양태에서, 피복물의 충분한 양은 표면층에 균열이 충분히 없도록(이는 광학 현미경 또는 10kqo 확대한 SEM으로 관찰시 균열이 없어야 함을 의미한다) 적용된다. 또한, 균열은 구멍, 천공, 기공 또는 선을 포함한다.
피복층은 당분야에 공지된 공정을 통해 적용될 수 있다(사용되는 피복 물질의 형태에 따라 적용 방법이 좌우된다). 피복 방법의 예는 열 플라스마(ETP), 이온 플레이팅, 플라스마 강화된 화학적 증착(PECBVD), 금속 유기 화학적 증착(MOCVD)(유기금속 화학적 증착(OMCVD)로도 지칭됨), 금속 유기 증착 상 에피텍 시(MOVPE), 물리적 증착 공정, 예를 들어 스퍼터링, 반응성 전자빔 침착, 플라스마 분무, 수동 붓질, 침적, 분무 및 유동 피복을 포함하나, 이들로써 한정되는 것은 아니다.
작은 부피의 탈열기 제품을 위해, 본 발명의 방법으로서 사용될 수 있는 붓질(brushing)은 작은 부피에서 탁월하나, 피복 두께가 불일치하게 되어 피복 물질이 일반적으로 "공기 건조될 수 있는" 용매-기재 또는 습기 경화성이 된다. 분무(spraying)가 사용될 수 있고, 이는 분무 부스 또는 자동화 적용 시스템에서 손으로 유지하는 분무 총을 통해 수행되고, 피복 두께의 균일성 및 표면 덮개에서 변화가 생길 수 있다. 다른 양태에서, 유동 피복은 한쪽 면 피복에 대해 사용되고, 이때 그라파이트 층은 특정 각에서 피복 물질의 "웨이브" 상으로 통과하고, 웨이브 상으로 지나는 속도 및 물질의 점도에 의해 조절된다.
하나의 양태에서, 파릴렌 C는 초박형 탈열기에 대한 피복 물질로서 사용되고, 얇은 불활성의 및 매우 등각인 필름의 피복을 위한 것이다. 파릴렌 C는 물리적 피복 방법, 예컨대 붓질, 침적 또는 분무에 의한 것일 수 있다. 제 2 양태에서, 초박형 탈열기의 두 면 모두는 화학적 증착 가공을 사용하는 파릴렌 C로 피복된다.
다른 양태에서, 그라파이트 층의 초박형 성질 및 나노-구조 때문에, 불꽃 분무 또는 플라스마 증착 기술이 500nm 미만의 피복 두께에 대해 사용된다. 하나의 양태에서, 피복물을 금속을 포함하고, 이때 초박형 그라파이트 층은 플라스마 피복 공정에서 증발된 금속에 노출된다. 다른 양태에서, 알루미늄 옥사이드의 층은 피 복 층으로서 사용되고, 이때 알루미늄 금속은 유도 결합된 산소 플라스마중에서 증발되고, 따라서 노출된 그라펜 표면상에 층을 형성한다.
하나의 양태에서, 그라파이트 층을 처리하거나 피복하는데 사용되는 수지는 다른 층을 갖는 수지-처리된 그라파이트, 예를 들어 금속박 또는 다른 초박형 그라파이트 층을 추가로 적층하기 위한 접착제로서 작용할 수 있다. 하나의 양태에서, 에폭시는 피복 층으로서 사용되고, 경화시 이 층은 그라파이트 층을 구조적 지지체(예: 금속박)를 위한 다른 층에 결합된다. 다른 양태에서, 금속 유사 세라멧(세라믹/금속) 전구체는 플레임 분무(플라스마 분무)중에서 사용되어 초박형 그라파이트 층의 한 면 또는 두 면상에서 모두 피복층/지지체 층을 형성하고, 초박형 강화된 그라파이트 층을 형성하고, 이는 추가로 가공되어 초박형 휜 또는 초박형 탈열기를 형성한다.
하나의 양태에서, 초박형 필름/피복된 그라파이트 층은 그 자체로 그라파이트 층을 습윤시키지 않는 브레이징 물질을 사용하여 다른 물질 또는 부품, 즉 받침틀, 수-냉각된 시스템 등으로 후속적으로 브레이즈화된다.
목적 형상을 갖는 휜의 커팅/형성
하나의 양태에서, 초박형 강화된 그라파이트 스트립은 당분야에 공지된 임의의 EDM, EDG, 레이져, 플라스마 또는 다른 방법에 의해 목적 크기로 커팅된다. 하나의 양태에서, 커팅 후, 스트립은 최종 열적 조절 적용에 따라 목적 형상으로 형성되거나 구부러질 수 있다. 하나의 양태에서, 스트립은 튜브로 회전되고, "핀 휜"를 형성한다.
하나의 양태에서, 그라파이트 층이 적층물 또는 피복 층으로 강화된 후 커팅/형성 단계가 수행된다. 제 2 양태에서, 적층/피복 공정 전에 커팅/형성 단계가 수행된다.
다른 양태에서, 루버스(louvers), 슬릿 또는 바이어스(vias)는 EDM, EDG, 레이져, 플라스마 또는 당분야에 공지된 다른 방법에 의해 그라파이트 층중에서 형성되거나 관통된다. 하나의 양태에서, 바이어스는 확산 결합이 그라파이트 층의 두 면상에 다수의 수지 피복물을 통해 형성될 수 있다. 바이어스는 어디든 직경 1 내지 5mm이고 3 내지 25 mm으로 떨어뜨려 두어 열적 및 기계적 성능을 최적화시킨다.
추가의 양태에서, 그라파이트 층은 상세하게는 다수의 공극 또는 바이어스로 설계되어 약한 기계적 구조를 형성하고, 작용을 충전시키거나 피복된 바이어스 작용으로 구조를 지지하면서 탈열기 또는 열적 응력을 최소화한다. 바이어스의 수 및 위치를 조절함으로써, TPG를 통한 열전도성 및 TPG의 기계적 통합은 특정 용도에 최적화되고, 피복 물질(예: 파릴렌, 금속 등)로서 공극을 통과하여 유입되고 융합되고, 이는 구획 모듈러스를 개선시키기 위해 반대 면과 함께 교차연결되는 기계적 바이어스를 생성한다. 다른 양태에서, 바이어스의 기계화된 크기 및 공간은 TPG의 낮은 z-방향 전도성을 완화하는 것을 돕고, 단 최종 생성물중에서 두께를 통과하는 전도성이 증강된다.
다른 양태에서, 높은 열전도성 그라파이트 층의 표면은 층이 효과적으로 결합되고/거나 접착되어 물질, 캡슐화물질 또는 적층 물질을 브레이즈화 시키도록 직물화되거나 거칠게 된다.
초박형 탈열기의 조립
휜(14) 형태의 초박형 그라파이트 층은 받침틀 또는 기재판과 밀접하게 접촉하기 위해 조립되어 휜(14)을 통해 a-b 방향(휜의 높이 또는 길이는 배열에 의존적임)으로 효과적으로 전달된다. 하나의 양태에서, 받침틀(또는 기재판)은 모든 기계가공 및 드릴처리를 제거하기 위한 플라스틱 물질을 포함한다. 제 2 양태에서, 플라스틱은 EMI 차폐를 위한 금속 충전된 물질로 금형되거나, 탈열기가 어셈블리중에서 기재판으로 납땜될 수 있도록 매우 열 저항으로 성형된다. 다른 양태에서, 받침틀은 각인시키고 금속으로 형성되고, 이는 기계가공 및 드릴처리를 제거할 뿐만 아니라 열 소산으로 보조한다.
초박형 탈열기는 공지된 방법으로 받침틀로 고정될 수 있고, 그러한 방법으로는 접착제 사용, 납땜, 권축(crimping), 스웨이징(swaging), 스태킹(stacking), 브레이징(bazing), 결합, 용접 및 스팟 용접이 포함되나, 이로써 한정되지 않는다. 하나의 양태에서, 도 3a 및 3b에서 도시된 바와 같이, 접착은 권축 공정을 통해 일어난다. 제 2 양태에서, 접착제는 휜(14)을 추가로 관여시키기 위한 권축전에 슬롯에 첨가된다.
도 4에 도시된 바와 같은 양태에서, 부분적으로 변형된 TPG는 여전히 탁월한 열전도성으로 열을 전도시키기 때문에, 피복된/강화된 그라파이트 휜(14)은 휜의 일부가 기재판(12)으로 수평적으로 배항되고 나머지 부분이 수직으로 배향되도록 휘어진다. 본 발명의 하나의 양태 및 주어진 초박형 그라파이트 층의 층상 구조에서, 구부러지는 것은 층간 결합의 실패를 예방하고 층의 완전한 파손을 예방하기 위해 점진적으로 일어난다. 구부러짐 동안 층의 파손을 예방하기 위한 하나의 양태에서, 몇몇 그라펜 층은 구부러진 구역(수평 말단 및 수직 말단에 비해 구부러진 오목한 면)으로부터 제거되어, 구부러진 오목한 면상에 그라펜 층의 번칭(bunching)을 제한하고 후속적인 압축된 탈층 및 파손을 제한할 수도 있다. 다른 양태에서, 구부러진 영역은 그라펜 층을 번칭으로부터 예방하는 공극의 배열을 함유할 수도 있다. 공극은 층들이 미끄러지고 분실한 물질을 채우는 것을 허용하여 스트립의 파손 및 압축된 탈층을 예방한다.
하나의 양태에서, 접착제는 초박형 그라파이트 탈열기를 받침틀에 고정하기 위해 사용된다. 본원에 사용된 바와 같은 접착제는 탈열기를 결합하기 위해 사용될 수 있는 임의의 유기 또는 무기/유기 조성물 시스템을 지칭한다. 하나의 양태에서, 접착제는 충전된 시스템, 예를 들어 중합 매트릭스(예컨대, BN 충전된 에폭시 등)중에서 금속 적재된 중합체(예: 은 적재된 접착제, 질화붕소(BN)의 혼성물, Al2CO3, 실리카 또는 이들의 혼합물)이고, 이는 적절한 열전도성 및 사용 온도에서 구조적 통합성의 높은 정도를 유지한다. 다른 양태에서, 양 면의 열적으로 접착제 테입은 받침틀로 탈열기의 각각의 휜을 안정적으로 접착하는데 사용된다.
하나의 양태에서, 초박형 그라파이트 층을 습윤화하는 브레이즈는 초박형 그라파이트 탈열기를 받침틀에 고정시키기 위해 사용된다. 활성 브레이즈의 예로는 "Ti-Cu-Sil"(티타늄, 구리, 은), 티타늄 기재의 브레이즈 및 규소와 인듐의 조합으로 티타늄 하이브리드; 및 저온 브레이즈 물질이 포함된다. 하나의 양태에서, 브 레이즈는 견고한 진공 환경(예: 약 10E-6 Torr 이하)중에서 적용되어, 휜을 받침틀에 결합시키는 공정에서, 브레이즈가 그라펜 층을 습윤시키는 것을 허용하게 한다.
초박형 탈열기의 양태
본 발명의 초박형 그라파이트 탈열기는 다양한 상이한 열 조절 장치(냉각 시스템, 탈열기, 열 방출기 및 열전도성 성분을 포함하나 이로써 한정되지 않음)중에서 사용되기 위해 휜으로서 동일하게 형상화되고 캡슐화되거나 적층된 것으로 구부러지고 적층될 수 있다. 휜의 수, 이의 차원 및 공간은 제품의 냉각 요건에 따라 다양하다.
그의 초박형 및 초경량 특성 덕분에, 탈열기는 최적으로 제공되어, 장치 또는 설치에 생성되는 열로부터 열을 제거하기 위한 농후한 열 조절 용액을 사용하는 선행기술보다 양호한 성능을 나타낸다. 모범적인 제품으로는 본원의 발명에 포함되나, 이로써 한정되지 않는 시판되는 제품, 예컨대 연료 전지, 핵 반응기, 자동차, 노트북, 레이져 다이오드, 증발기 등이 있고 방어-관련 제품 및 우주선, 제트기 등을 포함하는 우주선 제품이 많은 형상 및 형태를 갖는다.
도 15에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 열 모델로부터, 전도성 열 저항은 전형적으로 열적 다형 그라파이트로 열전도성 기능은 거의 변하지 않고, 이 물질은 본 발명의 탈열기중에 사용된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 상이한 물질을 사용하는 탈열기 어셈블리의 컴퓨터 열모델에 대해, 다형체의 그라파이트에 대한 전도성 열 저항은 선행 기술의 물질, 즉 알루미늄, eGAF(등록상표) HS-400(상표명) 물질, 또는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)를 사용하는 탈열기 어셈블리의 그것보다 훨씬 적다. 초박형 휜을 갖는 본 발명의 탈열기는 최대 열전도성 및 최소 두께의 조합으로 열전도 저항성을 최적으로 제공한다. 이는 탈열기(즉, 휜)의 중량 면에서 제거될 수 있는 열의 최대양, 또는 열 제거/냉각의 원인인 총 표면적에 관한 최적화된 열 관리이다.
선행 기술의 탈열기에 비교하면, 초박형 탈열기는 초경량(즉, 2.18 내지 2.24 g/㎤의 밀도)이다. 이는 구리의 밀도인 8.9 g/㎤ 및 알루미늄의 밀도인 2.072 g/㎤에 필적할만하다. 휜으로서 그라파이트 층의 사용 또는 그라파이트 시이트로부터의 분열은 본 발명의 탈열기중에서 휜으로서 휜을 초박형이 되도록 허용하고, 휜 두께는 nm 수준, 예를 들어 5nm 이상 내지 50 mil(0.0254 mm) 미만이고, 이는 전형적으로 0.25 mm 내지 0.75 mm 두께인 종래 분야의 휜에 비교된다. 하나의 양태에서, 휜은 10nm 내지 30 mil의 두께를 갖는다. 제 2 양태에서, 50 nm 내지 20 mil이다. 초박형 그라파이트 층으로 제조된 휜의 두께에 대해서는 상한선이 없으나, 최대 열 제거 수용능력에 대해 가능한 한(따라서, 수 nm 미만으로 가능한 한 얇은 휜을 갖게 된다) 경량인 탈열기를 갖는 것이 바람직하다.
초박형 및 초경량 특성 덕분에, 본 발명의 탈열기는 표면적당 열 제거량 또는 탈열기의 중량당 열 제거량을 최적화시킨다(1000W/mK 이상의 TPG의 열전도성 대 구리에 대해서 400 W/mK, 및 알루미늄에 대해서 200 W/mK). 하나의 양태에서, 탈열기는 10mm 미만의 높이, 1 gm 미만의 총중량을 갖는 공간이 제한적인 전기통신 폐쇄 내에서 사용되기 위해 낮은 특성 탈열기의 다수를 포함한다. 하나의 양태에서, 탈열기는 10mm 이상의 높이, 10mm 이상의 넓이(총면적100m㎡ 이상), 및 5gm 미 만의 중량을 갖는 각 20 내지 100 휜을 포함한다.
하나의 양태에서, 초박형 탈열기는 도 5에 도시된 바와 같은 직사각형 형상을 갖는 다수의 휜을 포함하고, 휜의 가로세로비(높이 대 넓이)는 100:1 초과이다. 휜(14)의 a-b 축은 기재판(12)을 따라 뻗어있다. 전기 장치, 예컨대 마이크로프로세서(20)는 열 계면 물질을 사용하여 기재판(12)으로 연결된다. 다른 양태에서(도시되지 않음), 통합된 열 방출기는 전자 장치(20)와 기재판(12) 사이에 적용될 수 있다.
도 6에서 도시된 바와 같이 또다른 실시태양에서, 탈열기는 다수의 방사상 분포된 공간의 휜(14)과 수직 받침틀(12)에 부착된 휜의 하나의 쌍을 포함한다. 한 실시태양에서(제시되지 않음), 탈열기 어셈블리는 추가로 냉각 탈열기용 기류를 유도하는 팬을 포함한다.
도 7에서 도시된 바와 같이 한 실시태양에서, 그라파이트 기판을 목적 크기로 절단한 후, 기판을 아코디언 포선형 부분과 평면 부분을 교대하는 방식의 유형으로 중첩한다. 중첩된 휜(14)을, 휜(14)의 한쪽면 상에 포선형 부분을 블레이징, 솔더링에 의해서 또는 접착제에 의해 기재판(12)에 부착된 기재판(12)의 상부 표면에 인접하게 하도록 기재판(12)의 상부 상에 위치시킨다.
도 8에 도시된 바와 같이 열 관리 시스템의 제 2 실시태양에서, 중첩된 휜(14)은 탄소 원자 두께의 그라펜을 포함하는 초박형 그라파이트층의 조각으로부터의 형태이다. 중첩된 휜(14)은 다수의 교대하는 평면 부분 및 곡선 부분을 갖고, 휜의 곡선 부분을 갖는 실질적으로 포선형 아코디언 유형의 휜은 실질적으로 기재판의 상부 표면에 수직이고 기재판의 상부 표면으로부터 확장되고, 중첩된 막(14)의 직선 모서리(14b)는 기재판(12)에 부착된다. 한 실시태양에서, 정탑(30)을 휜(14)의 각각의 곡선의 부분 상에 형성하여 공기 통로 및 열의 대류를 촉진시킨다. 도시된 바와 같이 또다른 실시태양에서, 다수의 슬릿(31)을 휜(14)내에 혼입한다. 도 8에 제시되지 않았지만, 선택적인 상 교환 특성(즉, 탈열기와 연결된 전기 성분의 사용 온도 동안 액화됨)을 갖는 열전도성 화합물을 기재판(12) 상에 제공하여 공기 간격을 최소화를 돕는다. 한 실시태양에서, 층은 우수한 열 전도 특성 뿐만 아니라 유전체 강도 둘다를 갖는 물질을 포함한다.
도 9는 중첩된 휜(14) 어셈블리가 일반적으로 사문석 배열을 갖도록 형성되고, 기재판(12)과 접합하도록 배향된 다수의 하향으로 향하는 밴드와 함께 제공되는 또다른 실시태양을 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이 또다른 실시태양에서, 초박형 열 휜은 구 격자 배열에 의해 인쇄된 회로판에 부착된 바와 같이 전자 성분(칩 어셈블리와 같이)과 같은 열원을 냉각하는데 사용하기 위한 방사상 휜화된 탈열기의 형태이고, 이때 기재판(12)에 의해 지지된 다중 평행 방사상 휜(14)이 사용된다. 기재판 또는 탑재된 프레임(12)은 그라파이트, 금속 또는 고온 열가소제를 포함할 수 있다. 각각의 휜 부재(14)는 휜(14)의 평면과 1차적으로 결합되는 그라펜 층을 가짐에 따라서 각각의 휜(14)은 그라파이트의 ab 방향의 기대된 바와 같은 최대 열전도성을 갖는다.
도 11에서 도시된 바와 같이, 초박형 스트립은 다수의 "핀" 휜으로 절단되고 형성된다. 한 실시태양에서, 핀은 또한 TPG의 낮은 z-방향 전도성을 완화시킴을 돕는 구멍을 내거나 다수의 바이어스 또는 정공과 함께 제공되어 최종 생성물에서 증강된 통과-두께 전도성을 제공한다. 핀 휜의 치수(핀의 높이 및 직경) 뿐만 아니라 구멍낸 정공은 은 핀을 통한 기류 분 만 아니라 열 제거 속도를 최적화시키도록 고안될 수 있다.
도 12에서 도시된 바와 같이 한 실시태양에서, 초박형 탈열기를 육각형 또는 다른 개방형 다공성 구조를 갖는 각각의 휜과 함께 완전한 벌집형 다공성 구조를 갖는 휜(14) 형태로 형성할 수 있다. 벌집형 구조는 전달용으로 최대화된 표면 구역 또는 기재 부분을 통해 전달된 열의 다른 소실을 제공한다. 추가로 구조는 단계 가요성 또는 "스프링"을 나타내는 네트워크를 허용하고, 스프링은 벌집형이 구부려지거나 달리 기재로 합치되어 기재판(12)이 부착된 전기 패키지 또는 다른 표면내에 평면에서 뒤틀림 및 다른 편향을 수용하도록 허용한다. 주름잡힌 스트립이 접착제 또는 납땜으로, 또는 레이저 또는 점 용접에 의해서 스택 및 기재판(12)내에 인접한 스트립의 상응하는 홈통의 세로 범위를 따라서 결합되거나 또는 달리 연결된다.
도 13에서 도시된 바와 같이 실시태양에서, 초박형 탈열기는 확장된 번들의 형태이고, 휜(14)용으로 한쪽 말단이 번들링되고 결합 선 또는 접착제 물질(11)을 따라서 결합되고, 휜(14)의 다른 말단과 함께 인접한 휜으로부터 별개로 간격을 유지하여 스플레이(splay)된 유형을 형성한다. 또다른 실시태양에서(제시되지 않음), 초박형 탈열기는 단일 동심원 또는 다수의 동심원, 정방형, 근본적으로 임의의 구조인 상이한 크기, 형태, 공간 등의 형태이고, 이들은 전기 장치로부터 주위 공 기로 열의 전달을 최적화시키도록 고안된다.
모든 실시태양에서, 휜(14)은 선택적으로 다수의 바이어스, 슬릿 또는 슬롯과 함께, 추가의 설비로 열 환류 및 기류를 제공할 수 있음을 추가로 주지해야한다. 바이어스 및/또는 슬릿의 크기, 이들의 공간화는 최종 적용에 따라서 다양화될 수 있다. 도 14에서 도시된 한 실시태양에서, 탈열기의 휜(14)을 슬릿의 상이한 수 및 연속적인 단계중 증가하는 슬릿의 수로 제공한다. 휜(14)에서 상이한 단계중, 기류 채널이 기류 채널 벽으로부터 환류 열 전달에 대한 균형으로서 전기 모듈로부터 멀리 열의 요구되는 열 전도에 따라서 조절될 수 잇다.
또한, 모든 실시태양에서, 압력 클립 또는 괄호(제시되지 않음)는 선택적으로 사용되어 하향으로 압축력을 제공한다. 추가로 위치에 단단히 놓여진/기재판(12)에 부착된 중첩된 휜(14)을 보유한다. 방사상 휜화 또는 벌집형 탈열기의 한 실시태양에서, 구멍난 시이트의 유형중 와이어 메쉬 또는 네트가 위치중 단단히 놓여진 탈열기를 유지하기 위한 휜 또는 벌집형의 상부에 위치된다.
실시예
하기 실시예는 본원에서 본 발명을 예시하지만 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 1
제너럴 일렉트릭 캄파니(General Electric Company)로부터 시판된 열분해성 그라파이트(TPG) 시이트가 평평한 표면에 대해 안전하다. TPG 시이트를 약간 겹치 도록 고전도성 접착제 테이프, 다이 절단으로 지지된 금속 호일을 TPG 시이트에 대해 압착한다. 금속 호일 테이프가 씨에이치오-호일(CHO-FOIL, 등록상표) 또는 씨에이치오-호일(등록상표) EMI 쉘딩 테이프로서 쵸메릭스(Chomerics)를 포함하는 원료로 시판된다. 금속 호일 시이트를 벗기고, 열분해성 그라파이트 표면으로부터 그라펜 층 상부의 클레빙(cleaving)을 유도하고, 클레빙에 대해서 금속 호일 테이프의 접착성 뒷면에 부착된다.
실시예 2
실시예 1에서 그라파이트 스트립을 지지된 금속-호일 노출된(적층되지 않음) 그라파이트 층 표면이 0.10, 0.25, 0.50, 0.75 및 1.00mil(인치의 1/1000)의 두께로 작은 페인트 붓을 사용하여 파릴렌(Parylene) C로 붓질한다. 결과물은 파릴렌 증가의 두께로서, 본 발명의 초박형 탈열기의 기계적 강인성이 약 0.50mil에서 감소되는 강인성에 획득으로 증가됨을 나타낸다.
실시예 3
두 부분, 은 부하, B-단계 접착제 시스템이 실시예에서 수득된 금속-호일 지지된 스트립의 노출된 그라파이트 층 표면상에 도포된다. 탈열기의 생성된 열전도성은 미피복된 TPG 생성물의 75% 이상이다.
본 발명이 바람직한 실시태양을 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 가능하고 그의 요소를 치환할 수 있음은 당업자에 의해 이해된다. 본 발명을 수행하기 위해서 예상된 가장 좋은 방식으로서 개시된 특정 실시태양으로 제한되지 않고 첨부된 청구항의 범위 내에 속하는 모든 실 시태양을 포함하고자 한다. 모든 인용된 특허, 특허 출원 및 다른 참조문헌은 전체가 참조로 본원에 혼입된다.
본 발명에 의해 최적화된 열 저항을 갖는 개선된 열 관리 시스템인 초박형 탈열기가 제공된다.

Claims (13)

  1. 열 발생 장치에 열적으로 연결되도록 적용되는 기재; 및 상기 기재에 열적으로 연결되는 하나 이상의 탈열기(heat sink)를 포함하는 어셈블리로서,
    상기 탈열기가, (i) 제 1 표면, 제 2 표면, 및 하나 이상의 그라펜(graphene) 층을 포함하는 두께를 갖는 그라파이트 층을 포함하고, (ii) 금속, 중합체성 수지, 세라믹 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함하는 지지층을 추가로 포함하며;
    이 때, 상기 그라파이트 층이, 상기 하나 이상의 그라펜 층을 그라파이트 시이트로부터 분리함으로써 수득되고, 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 평면에서 500W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내고,
    상기 지지층이, 피복, 붓질(brushing), 분무, 펼침(spreading), 침적(dipping), 적층 및 분말 피복으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 공정에 의해 상기 그라파이트 층의 하나 이상의 표면 위에 배치되는,
    열 발생 장치로부터 열 에너지를 소산시키기 위한 열 관리 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    그라파이트 층 위에 지지층이 배치되기 전에, 그라파이트 층이 플라스마 식각, 이온 식각, 화학 식각 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 공정에 의해 처리되는 열 관리 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    지지층이 그라파이트 층의 하나 이상의 표면 위에 파릴렌을 적용함으로써 형성되고, 이 때 상기 파릴렌은 붓질, 침적, 분무 및 화학적 증착 공정중 하나의 공정에 의해 그라파이트 층에 적용되는 열 관리 어셈블리.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    지지층이 열전도성 접착층을 뒷면으로 하는 금속박을 포함하고,
    이 때, 열전도성 접착제를 뒷면으로 하는 상기 금속박 층을 그라파이트 층의 하나 이상의 표면에 대해 압착시키는 단계; 및 상기 금속박 층을 상기 하나 이상의 그라파이트 층에서 벗겨내는 단계로서, 이후 이 그라파이트 층이 그라파이트 시이트에서 분리되고 금속박 층의 뒷면인 열전도성 접착제에 부착되게하는 단계에 의해,
    상기 지지층이 상기 그라파이트 층의 하나 이상의 표면 위에 배치되는,
    열 관리 어셈블리.
  5. 제 1 표면, 제 2 표면, 및 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 두께를 갖고,
    이 때, 상기 하나 이상의 그라펜 층을 그라파이트 시이트로부터 분리함으로써, 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 평면에서 500W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내는 그라파이트 층이 수득되는,
    열 관리 어셈블리에 사용하기 위한 열 소산 휜(fin).
  6. 제 5 항에 있어서,
    5nm 내지 50mil의 두께를 갖는 열 소산 휜.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    지지층이 파릴렌; 규소 니트라이드, 규소 옥사이드; 알루미늄 옥사이드, 규소 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 티탄 옥사이드, 안티몬 옥사이드, 아연 옥사이드, 주석 옥사이드, 인듐 옥사이드, 세륨 옥사이드, 금속 분말 및 시아노아크릴레이트의 나노 입자; 탄소 필름; 퍼플루오로폴리에터; 헥사메틸다이실라잔; 퍼플루오로데칸 카복실산; 규소 다이옥사이드; 실리케이트 유리; 아크릴; 에폭시; 실리콘; 우레탄; 및 페놀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 열 소산 휜.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    열전도성 접착제를 뒷면으로 하는 금속박 층을 그라파이트 층의 하나 이상의 표면에 대해 압착함으로써, 지지층이 상부에 배치되어 강화된 그라파이트 층이 형성되는 열 소산 휜.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지층에 대해 플라스마 침착 공정을 통해 500nm 미만의 두께를 갖도록 그라파이트 층의 하나 이상의 표면을 피복시킴으로써, 지지층이 상부에 배치되어 강화된 그라파이트 층이 형성되는 열 소산 휜.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    방사상 또는 부분 방사상 휜;
    교차되고 구부러진 부분을 갖는 중첩된 휜;
    복수개의 다공성 구조물을 포함하는 주름잡힌 휜;
    하나로 묶인 말단 및 확장된 말단을 포함하고, 이 때 상기 확장된 말단에서의 휜이 인접한 휜과 떨어져 위치하는 벌어진 패턴(splayed pattern)을 갖는 복수개의 휜;
    고체 직사각형 휜;
    탈열기를 통과하는 하나 이상의 공기 통로를 만들기 위한 복수개의 슬릿(slit)을 포함하는 직사각형 휜;
    교차되고 구부러진 부분을 포함하고, 이 때 각각의 구부러진 부분이 탈열기를 통과하는 하나 이상의 공기 통로를 만들기 위한 복수개의 수직 슬릿을 포함하는, 중첩된 휜;
    복수개의 핀(pin) 휜; 및
    이들의 조합물중 하나에, 지지층이 상부에 배치되어 강화된 그라파이트 층이 제조되는,
    열 소산 휜.
  11. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 열 소산 휜을 포함하는 열 관리 어셈블리.
  12. 집적 회로판; 상기 집적 회로판에 연결된 프로세서; 및 상기 프로세서에 열적으로 연결된 탈열기를 포함하는 냉각 시스템으로서,
    상기 탈열기가, (i) 상기 프로세서로부터 열을 외부로 전달하기 위한 기재; 및 상기 기재에 열적으로 연결된 것으로서, 제 1 표면, 제 2 표면, 및 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 두께를 갖는 하나 이상의 그라파이트 층을 포함하는 휜을 포함하고; (ii) 금속, 중합체성 수지, 세라믹 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 지지층을 추가로 포함하며;
    이 때, 상기 그라파이트 층이, 그라파이트 시이트로부터 상기 하나 이상의 층을 분리함으로써 수득되고, 본질적으로 이방성이고 하나 이상의 표면에서 500W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내고,
    상기 지지층이, 피복, 붓질, 분무, 펼침, 침적, 적층 및 분말 피복으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 공정에 의해 상기 그라파이트 층의 하나 이상의 표면 위에 배치되는,
    냉각 시스템.
  13. 1mil 미만의 두께 및 하나 이상의 그라펜 층을 포함하는 것으로서, 본질적으로 이 방성이고 하나 이상의 평면에서 500W/m℃를 초과하는 열전도성을 나타내는 그라파이트 층을, 그라파이트 시이트로부터 분리함으로써 휜을 구성하는 단계;
    상기 휜을 기재에 연결시켜 탈열기를 형성하는 단계; 및
    상기 탈열기를 집적 회로에 열적으로 연결시켜, 집적 회로 작동 도중 상기 탈열기가 집적 회로로부터 열 에너지를 외부로 전도하게 하는 단계를 포함하는,
    열 관리 시스템을 구성하는 방법.
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