KR20080032018A - 열 전달 합성물, 열 전달 합성물 제조 방법 및 열 전달 디바이스 - Google Patents

열 전달 합성물, 열 전달 합성물 제조 방법 및 열 전달 디바이스 Download PDF

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KR20080032018A
KR20080032018A KR1020060120032A KR20060120032A KR20080032018A KR 20080032018 A KR20080032018 A KR 20080032018A KR 1020060120032 A KR1020060120032 A KR 1020060120032A KR 20060120032 A KR20060120032 A KR 20060120032A KR 20080032018 A KR20080032018 A KR 20080032018A
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heat transfer
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graphite
matrix
composite
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하룩 새이어
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

열 전달 합성물은 열 전달 합성물의 약 50 체적% 이상의 양에 존재하는 다수의 열 분해성 그래파이트 부분과, 결합 매스 내에 열 분해성 그래파이트 부분을 유지하는 비 탄소성 매트릭스를 포함한다. 일 실시예에서, 열 전달 합성물은 비 탄소성 매트릭스 내에 무작위로 분포된 열 분해성 그래파이트 부분의 양을 포함한다. 다른 실시예에서, 열 전달 합성물은 비 탄소성 재질을 포함하는 시트층 사이에 배치되는 열 분해성 그래파이트 부분의 별개의 층을 포함한다.

Description

열 전달 합성물 및 열 전달 합성물 제조 방법{HEAT TRANSFER COMPOSITE, ASSOCIATED DEVICE AND METHOD}
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 열 전달 장치를 형성하는 데 가용하기 위한 합성물 블럭에 대한 서로 다른 실시예를 나타낸 도면들,
도 2는 열 분해성 그래파이트 부분이 비 탄소성 재질층 사이에 배치된, 본 발명의 열 전달 합성물의 다른 실시예에 대한 단면도,
도 3(a)는 도 2에 도시된 열 전달 합성물의 다른 실시예에 대한 단면도,
도 3(b)는 도 2에 도시된 열 전달 합성물에 대한 예시적인 평면도로서, 비 탄소성 재질층에 매립된 열 분해성 그래파이트 부분의 평면을 나타낸 도면.
본 출원은 2006년 10월 8일자 출원된 미국특허출원번호 60/828,647호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 열 전달 합성물, 열 전달 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
마이크로 전자 기술이 진보함에 따라 신호 및 데이터를 초고속으로 처리하는 전자 장치가 생성되었다. 전자 부품 및/또는 집적 회로("IC") 장치, 예를 들어, 마이크로프로세서, 메모리 장치등은 보다 소형으로 되는 반면, 열소산 요건(heat dissipation requirement)은 더욱 증가한다. 시스템의 불안정 또는 손상을 방지하기 위해서는, 반도체로부터 열이 효율적으로 제거되어야 한다. 열 확산기 및/또는 히트싱크(heat sink)는 전자 부품의 표면에서 냉각기 환경(통상적으로는 주변 대기)으로 열을 소산시키는 데 빈번하게 이용된다.
열 확산기 및/또는 히트싱크와 같은 열 전달 장치를 이용하여 전도(conduction)를 통해 전자 장치로부터 열을 제거하는 것은 해당 산업에서 지속적으로 연구하는 영역이다. 미국특허번호 제5,998,733호에는, 시스템으로부터 열을 소산시키기 위한 것으로, 알루미늄 매트릭스내에 70-90체적%의 그래파이트(graphite)를 함유한 그래파이트-금속 매트릭스 합성물 부재를 포함하는 전자 하우징 패키지가 개시된다. 미국특허공개번호 20050189647호에는 그래파이트층들간에 매립된 다이어몬드 그릿(diamond grits)을 포함하고, 알루미늄으로된 금속 매트릭스가 그래파이트 및 다이어몬드를 결합 매스(consolidated mass)내에 유지시키는 합성물 열 확산기가 개시된다. 이 문헌에서 다이어몬드 그릿을 이용하는 것은 이방성 열 전도를 제공하도록 고안된 열확산기에서 이방성 재질의 그래파이트가 이용될 수 있도록 하기 위한 것이다.
다이어몬드 그릿은 여러 방향으로 1300W/m/°K를 초과하는 뛰어난 열적 전도성을 가진다. 그러나, 다이어몬드는 아주 고가로서 분말 형태로 이용되어야만 하기 때문에 열 관리 장치에 이용하기에는 실용적인 선택이 될 수 없다. 또한, 다이어몬드는 큰 계면 영역을 갖게 되는데, 그 이유는 다이어몬드가 많은 작은 알갱이들 또는 분말로서 합성물내에 도입되어야 하기 때문이다. 이러한 순 분량의 다이어몬드 입자는 열 통과에 대한 보다 많은 계면을 생성하여, 열 장벽을 형성하고 최종적인 벌크 열 전도성을 감소시킨다. 그러므로, 등방성 성질을 가진 열 관리 재질이 여전히 필요하다. 본 발명은 금속 매트릭스의 열 분해성 그래파이트로된 하이퍼 전도성 매체(hyper-conductive media)를 필수적으로 포함하는 열 전달 합성물과 관련이 있으며, 임의의 방향으로 비교적 균일한 열 전도성을 가지며, 다이어몬드에 근접한 열전도성(최대 1000W/m/°K)을 가진 저밀도 열 관리 장치를 제공하도록 구성된다.
본 발명은 열 제거를 요하는 전자 장치 또는 그와 유사한 시스템으로부터 열 에너지를 소산시키는 열 전달 합성물을 제공한다. 일 실시예에 있어서, 열 전달 합성물은 비 탄소성 매트릭스내의 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 포함하며, 비 탄소성 매트릭스는 열 분해성 그래파이트 부분을 결합 매스내에 유지시킨다. 일 실시예에 있어서, 열 전달 합성물은 비 탄소성 매트릭스내에서 일정하지 않게 분포된 소정량의 열 분해성 그래파이트 부분을 포함한다. 다른 실시예에서, 열 전달 합성물은 비 탄소성 재질을 포함하는 시트층(the layers of sheets)들 간에 배치된 별 개의 열 분해성 그래파이트 부분 층을 포함한다.
본 발명은 열 전달 합성물을 구성하는 방법에 관한 것으로, 그 방법은 비 탄소성 및 등방성 재질을 함유한 매트릭스내에, 매스 또는 벌크 재질을 형성하는 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 배치하는 단계와, 비 탄소성 매트릭스내의 열 분해성 그래파이트 부분을 매립하기에 충분한 온도 및 압력까지 비 탄소성 및 등방성 매트릭스내의 열 분해성 그래파이트의 매스를 가열하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 비 탄소성 재질 매트릭스는 알루미늄 시트층의 형태이고, 열 분해성 그래파이트는 알루미늄 시트층 사이에 분포된다.
본 명세서에서 이용된, 근사적 표현은 그 용어와 관련된 기본적인 기능의 변경없이 가변될 수 있는 임의의 정량적 표시를 수정하는 데 적용될 수 있다. 따라서, 몇몇 경우에는, "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수정되는 값이 지정된 값으로 정확하게 제한되는 것은 아니다. 상세한 설명의 전 범위 및 청구범위는 종료점을 포함하고 독립적으로 조합될 수 있다. 상세한 설명 및 청구범위의 수치값들은 지정된 값으로 제한되는 것은 아니며, 지정된 값과 다른 값을 포함할 수 있다. 수치값들은, 당업계에 알려진 측정 기법으로 인한 실험적 에러 및/또는 그 값을 결정하는 데 가용된 기구의 정밀성을 고려하여, 설명된 값에 근사한 값을 포함하도록 정밀하지 않게 되어있다.
본 명세서 및 청구항에서 이용된 "단수형" 표현이나 "상기"라는 표현은, 그 문장이 명확하게 다른 것을 지칭하는 것이 아니라면, 다수의 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "열 분해성 그래파이트 부분" 또는 "열 분해성 그래파이트 입자"에 대한 언급은 하나 이상의 그러한 부분 또는 입자를 포함한다.
본 명세서에서 이용된 "부분"은, 참고로, 열 전달 합성물 내에서 하이퍼-전도성 매체로서 이용하기 위한 PG 입자와 같은 "입자"와 교호적으로 이용된다. 본 명세서에서 이용된 용어인 하이퍼-전도성 매체는, ab 방향으로 300 - 1850W/m-°K 범위내의 열 전도 성질(또는 이론적 열 전도성)을 가진 열 분해성 그래파이트 부분을 지칭한다.
열 전달 합성물: 본 명세서에서 이용된 용어인 "열 분해성 그래파이트"는 "열적 분해 그래파이트"(TGP"), "고방향성 및 열 분해성 그래파이트"(HOPG"), 또는 압축 어닐링 열 분해성 그래파이트("CAPG")와 교호적으로 이용되며, 이것은 그래파이트 재질의 평면내(in-plane)(a-b 방향) 열 전도성이, 열 분해성 그래파이트에 대한 300W/m-°K에서부터 TPG, HOPG 또는 CAPG에 대한 1800W/m-°K까지의 범주내에 있음을 지칭한다.
열 분해성 그래파이트(PG)는 진공로내에서 아주 고온으로 하이드로카본(hydrocabon) 가스를 분해하여 제조한 고유한 형태의 그래파이트이다. 그 결과는 이론상의 밀도 및 극한의 이방성에 근접한 아주 순수한 생성물로서, 평면내 열 전도성은 ab 방향으로 300W/m-°K 및 c 방향으로 3.5W/m-°K 이다. TPG, HOPG, 또는 CAPG는 아주 큰 크기의 결정체로 이루어진 특정 형태의 열 분해성 그래파이트를 지칭하며, 그 결정체는 서로에 대한 정렬성 또는 방향성이 높으며, 잘 정렬된 탄소층 또는 고도의 바람직한 결정체 방향성을 가진다. 일 실시예에 있어서, TPG는 c 방향으로 1,500W/m-°K 보다 크지만 20W/m-°K 보다 작은 평면내 열 전도성을 가진다. 다른 실시예에 있어서, TPG는 a-b 방향에 대해 1,700W/m-°K 초과의 열 전도성을 가진다.
열 분해성 그래파이트("PG")는 GE Advanced Ceramics of Strongsville, OH로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 열 분해성 그래파이트 재질은 열 절연체, 로켓 노즐(rocket nozzles), 이온 빔 그리드(ion beam grids)등의 애플리케이션을 위해 표준 또는 주문 크기 및/또는 표준 또는 주문 형태로 상용화중이다. 열 분해성 그래파이트 부분의 제조에 있어서, 프로세스시의 치수적 에러 및/또는 손상으로 인해 일부 불합격 PG 부분이 존재한다. 기계 가공/드릴링으로부터 찌꺼기 PG 부분이 존재한다. 또한, 얇게 갈라지거나 이용할 수 없는 크기의 PG도 존재한다. 그 부분들은 전형적으로 폐기되며, 일정하지 않은 크기 및 형상으로 된 부분들도 폐기된다. 본 명세서에서는, 전형적으로 폐기된 부분을 재생 PG 부분이라 할 것이다. 재생 PG 부분은 일정하지 않은 방향으로 수 미크론 내지 (가장 긴 치수로)수십 미크론 범주내의 크기를 가진다. 재생 부분은 일정하지 않은 덩어리 또는 조각뿐만이 아니라 특정의 기하학적 형상, 즉, 큐빅, 원통형, 반 원통형, 정사각형, 타원형, 반 타원형, 쐐기형등의 형상을 가진다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 열 전달 합성물은 재생 PG 부분을 하이퍼-전도성 매체로서 채용한다. 다른 실시예에 있어서, 상업적으로 입수할 수 있거나 신생 PG 재질이 하이퍼-전도성 재질로서 이용될 수 있다. 제 3 실시예에서는, 재생된 PG 재질과 신생 PG 재질을 혼합하여 이용한다. 재생 부분이 이용되는 일 실시예에 있어서, 그 부분은 조각들로 분쇄되고 적절한 크기 및 형상 카테고리로 소트된다. 예를 들어, PG 부분의 가장 긴 치수는 0.5cm 미만이고, 전체적인 덩어리 크기에서 가장 짧은 것은 적어도 1mm이며, (스트립 처럼)전반적으로 긴 형상의 크기를 갖는다. 소트화 및 크기 조정은 수동으로 실행되거나, 당 분야에 알려진 분립기를 이용하여 실행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 열 전달 혼합물의 등방성 성질을 최대화하기 위해 다른 크기 및 형상 분포를 가진 PG 부분의 혼합물이 이용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 열 분해성 그래파이트 부분은 열 전달 혼합물의 약 50체적 %를 초과하는 양으로 존재한다. 일부 실시예에 있어서, 열 분해성 그래파이트는 약 30 내지 95 체적%의 양으로 존재할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 분해성 그래파이트는 약 40 내지 60 체적 %의 양으로 존재할 수 있다.
열 분해성 그래파이트 부분은 비 탄소성 및 등방성 재질을 포함하는 매트릭스, 예를 들어, 확산 접착될 수 있는 다양한 금속 및 합금 또는 다른 재질을 포함하는 금속 매트릭스의 결합 매스내에 합체된다. 본 명세서에서 이용된, 확산 접착은, 2개의 계면, 또는 열 분해성 그래파이트 부분 및 매트릭스 재질과 같은 2개의 재질이 수분 내지 수시간동안 압력을 인가하여 상승된 온도에서 결합되고, 그에 따라 결합 매스내의 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 유지할 수 있는 프로세스를 의미한다. 일 실시예에 있어서, 상승 온도는 매트릭스 재질의 절대 용융점의 약 50 내지 90%의 온도를 의미한다.
일 실시예에 있어서, 비 탄소성 및 등방성 재질은 적어도 50체적 %의 알루미 늄을 함유한 금속 매트릭스를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 금속 매트릭스는 알루미늄을 필수적으로 포함하는데, 그것은 습성 및 열 분해성 그래파이트에 대한 탁월한 기능으로 인해 금속 매트릭스으로 이용하기에 효과적이라고 증명되었다. 용융된 알루미늄은 열 분해성 그래파이트 요소에 대해 침투되기 때문에, 그 알루미늄은 열 분해성 그래파이트를 젖게하고, 열 분해성 그래파이트와 화학적 접착을 이루면서, 알루미늄 탄화물을 형성한다. 그 결과, 열 전달 합성물내의 임의의 보이드(void) 또는 에어 포켓(air pocket)은, 전체적으로 제거되지 않는다면, 상당히 최소화될 것이다. 에어 포켓 또는 보이드의 최소화는, 열 전달 합성물내에 미세한 구멍이 존재하는 경우에 열 전달 합성물의 전체적인 열 전도성을 크게 줄일 수 있다는 점에서, 중요한 고려 사항이다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 본 발명의 열 전달 합성물은 열 분해성 그래파이트 입자들 사이에 보이드 또는 충진되지 않은 격자 사이의 공간이 실질적으로 없다.
알루미늄은 약 660℃의 용융점을 가지는데, 이는 본 발명의 열 전달 합성물을 형성하기 위한 프로세스에서 이용하기에 충분할 정도로 낮다. 일부 실시예에 있어서, 알루미늄 합금은 열 전달 합성물의 매트릭스으로 이용되어, 그의 용융점을 추가 감소시킨다. 일 실시예에 있어서, 금속 매트릭스는 알루미늄 합금, 예를 들어, 약 450℃의 용융점을 가진 Al-Mg 합금을 포함한다(공융 혼합물(eutectic composition)에서는 약 36중량%의 Mg를 가짐). 제 2 실시예에 있어서, 금속 매트릭스는 약 577℃의 용융점을 가진 Al-Si 합금을 포함한다(공융 혼합물에서는 약 12.6중량 %의 Si를 가짐).
일 실시예에 있어서, 알루미늄 결합제에 구리를 이용하면 열 전달 합성물의 전체적인 열 전도성을 증가시킬 수 있으며, 물론, 열 소오스로부터 열을 제거하는 데 있어서 열 전달 장치의 효율을 증가시킨다. 다른 실시예에 있어서, 그 매트릭스는 약 548℃의 용융점에 대해 32 중량 %의 Cu를 가진 Al-Cu 합금을 포함한다. 예를 들어, 25 중량 %의 Ag를 가진 Al-Ag의 금속 매트릭스는 약 567℃에서 용융되어, 열 전도성을 증가시킨다. 다른 예시로는, 약 598℃에서 약 7 중량 %의 Li를 가진 Al-Li가 있다.
비교적 낮은 용융점을 가진 알루미늄 합금의 이용에 부가하여, 일 실시예에 있어서, 금속 매트릭스는 그 매트릭스의 전체적인 용융점을 감소시키는 다양한 요소를 포함한다. 매트릭스의 용융점을 감소시키는 적절한 요소는 Mn, Ni, Sn 및 Zn을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 합성물에 이용될 수 있는 다른 재질은 Fe, Cu, 그들의 합금등을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
열 전달 합성물을 제조하기 위한 프로세스: 도 1(a) 내지 도 1(c)에 도시된 일 실시예에 있어서, 일정하지 않은 크기 및/또는 형상의 열 분해성 그래파이트 입자는 예를 들어 합성물의 금속 매트릭스과 같은 비 탄소성 및 등방성 재질내에 무질서하게 분포된다. 알려진 바와 같이, 열 분해성 그래파이트는 뛰어난 열 전도성, 즉, 300 내지 1700W/m-°K 이상 (약 1800W/m-°K 까지)의 열 전도성을 가지며, 이 열 전도는 열 분해성 그래파이트 평면의 길이 방향을 따르는 a 방향, 즉, 열 확산기의 그래파이트 층 또는 섬유에 평행한 방향으로 이루어진다. 도 1(a) 내지 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 도시된 열 분해성 그래파이트 입자는 열 전달 합성물내 에서 일정하지 않은 방향성을 가지며, 개별적인 열 분해성 그래파이트 조각의 ab 방향은 xy축에 대해 일정하지 않은 방향이다.
일 프로세스 실시예에 있어서, 원하는 량의 열 분해성 그래파이트 부분이 가열된 주형에 배치된다. 다음 단계에서, 용융된 금속(예를 들어, 알루미늄)/합금(또는 다른 적절한 비 탄소성 및 등방성 재질)이 열 분해성 그래파이트 부분에 제공되어 그 부분들 사이의 보이드들을 실질적으로 충진함으로서 결합 매스를 형성한다. 그 매트릭스내의 가변하는 열 전도 그래디언트를 위한 다른 실시예에서는, 열 분해성 그래파이트 부분 및 용융된 알루미늄의 추가가 여러 단계에서 실행될 수 있으며, 각 단계에서 추가된 열 분해성 그래파이트 부분의 크기, 형상 및/또는 양(농도)은 열 전달 매트릭스의 여러 섹션에서 열 전도성을 가변시키도록 조절된다.
일 실시예에 있어서, 결합 매스 또는 매트릭스가 형성된 후, 그 매스는, 시작시의 결합 매스의 바람직한 열 전도 그래디언트와 최종 애플리케이션에 의거한 바람직한 두께 또는 형상으로 기계 가공되거나 절단되거나 슬라이스화된다. 일 실시예에 있어서, 열 전달 매트릭스는 0.5mm 내지 2cm의 두께를 가진 스트립 또는 시트로 절단된다. 제 2 실시예에 있어서, 시트는 결합 열 전달 매트릭스으로부터 형성되어, 최종 두께가 1mm 내지 0.5cm로 된다.
다른 프로세스 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 열 전달 합성물이 형성된다. 이 실시예에서는, 열 분해성 그래파이트 조각 또는 부분이 비 탄소성 시트층들 사이에 배치되는데, 그 계층화된 시트들은 고온 압착되어 결합 매트릭스를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 계층화된 시트(알루미늄 시트들 사이의 열 분해성 그래파이트 부분)는 고온 압착되고 적어도 400℃, 예를 들어, 450 - 500℃의 온도로 가열된다. 지각 균형성 압력이 적어도 300psi 및 450 내지 500℃의 온도로 제공되어, 결합 매스 또는 매트릭스를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 지각 균형성 압력은 적어도 500psi로 실행된다.
알루미늄과 같은 비 탄소성 시트의 수와, 시트 또는 팔레트의 두께와, 시트 사이의 열 분해성 그래파이트 부분(pyrolytic graphite parts)의 양, 크기, 형상 및 분포는 최종 응용 및 사용가능한 열 분해성 그래파이트 부분의 유형에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 열 분해성 그래파이트 부분은 알루미늄 시트의 각 층마다 적어도 하나의 열 분해성 그래파이트 부분이 존재하도록 시트 사이에 계층화된다.
일 실시예에서는, 10미크론 내지 2mm의 두께를 갖는 알루미늄 포일 시트가 사용된다. 제 2 실시예에서는, 10-25mm의 두께를 갖는 알루미늄 시트가 사용된다. 제 3 실시예에서는, 적절한 양의 알루미늄 시트가 1mm 내지 0.5cm의 최종 두께를 갖는 최종 복합 매트릭스에 사용된다. 일 실시예에서, 알루미늄 시트는 1/32" 내지 5/18" 범주를 갖는 공칭 두께를 갖는다. 제 2 실시예에서, 알루미늄 시트의 두께는 0.025"이다.
도 2에 예시한 바와 같이, 열 분해성 그래파이트 부분은 계층화된 방향성으로 열 전달 합성물 내에 분포되는데, 열 분해성 그래파이트 조각은 고전도성 평면이 알루미늄 합금 시트의 평면에 평행하게 놓이도록 배치된다. 도 3(a)에 예시한 바와 같은 일 실시예에서, PG 조각은 열적 전도성이 열 전달 합성물의 횡단부(시트 의 평면에 수직인 방향)를 따라 비교적 균일하도록 금속 시트 사이에 엇갈리는 방식으로 배치된다. 도 3(b)에 예시한 바와 같은 다른 실시예에서, PG 조각은 재질의 사용가능성에 따라 가변적인 형상 및 기하 배열, 예를 들어, 소형 정사각형, 조각 또는 청크(chunks) 등을 갖는다. 일 실시예(도시하지 않음)에서, 비교적 균일한 크기 및 형상의 다수의 열 분해성 그래파이트 조각은 알루미늄 (또는 알루미늄 합금) 시트 사이에 배치된다.
도 2의 계층화된 매트릭스의 또 다른 실시예에서, 가변적 열적 전도성 그래디언트는 열원(heat source)에 더욱 가까이 있는 것으로 예측되는 영역 내에서의 후속 사용을 위해서는 알루미늄 시트 사이에 더 많거나 더 두꺼운 PG 조각을 배치함으로써, 또한 열원으로부터 멀리 떨어진 영역 내에서의 후속 사용을 위해서는 알루미늄 시트 사이에 더 적거나 더 얇은/더 작은 PG 조각을 배치함으로써 열 전달 합성물 내에 선택적으로 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 양상은 매우 국부적인 영역(예를 들어, "핫 스폿(hot spot)")으로부터 비교적 더 넓은 표면적을 갖는 열 확산기로 열을 확산시키는 것이 바람직할 때 유리할 수 있다.
비 탄소성 등방성 재질 매트릭스 내에 열 분해성 그래파이트 부분이 무작위로 분포된 일 실시예에서, 합성물 내의 열 분해성 그래파이트 부분의 (a-b) 평탄 표면은 일정하지 않다. 즉, a-b 방향은 열 분해성 그래파이트를 채용하는 종래기술의 열 관리 솔루션에서처럼 무작위로 분포되고 균일/평행하지 않다.
비 탄소성 등방성 재질 매트릭스 내에 열 분해성 그래파이트 부분이 무작위로 분포된 일 실시예에서, 본 발명의 열 전달 합성물은 합성물의 임의의 방향으로 100-1000 W/m-°K의 범주를 갖는 비교적 균일한 열적 전도성을 갖는다. 본원에서 사용되는 용어 "비교적 균일함"은 매트릭스 내에서 임의의 2개의 스폿 사이의 열적 전도성이 25%보다 작게 변화한다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 열 전달 합성물은 매트릭스 내의 임의의 2개의 스폿 사이에서 10%보다 작은 열전도성 변화를 갖는다.
열 분해성 그래파이트 구성(농도, 크기, 형상, 분포 등)이 주의 깊게 제어되는 일 실시예에서, 합성물의 열적 전도성은 특정 열원의 열 팽창 계수를 매칭시키는 데 일조하도록 맞추어질 수 있다. 이것은, 열 확산기 및 열원이 열원과 열 확산기 사이의 접착을 손상시키지 않도록 유사한 비율로 팽창 및 축소될 수 있다.
열 전달 매트릭스의 응용(Applications of Heat Transfer Matrix): 본 발명의 열 전달 매트릭스는 다양한 열원(이들 중 어떤 것도 도면에는 도시되어 있지 않으며, 이러한 열원의 일례로서 CPU가 대표적임은 당업자에게는 잘 알려져 있음)과 관련지어 사용될 수 있다. 이러한 것으로 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 열 확산기는 대형 형상으로 용이하게 형성될 수 있는 비교적 저렴한 열 확산기가 바람직한 다양한 전기기구로부터 열을 전달 또는 전도시키는 데 사용될 수 있다.
본원에서 기술한 응용 이외에도, 본 발명은 열원으로부터 열을 전달시키기 위한 냉각 시스템과 관련지어 사용될 수 있다.
열 전달 합성물의 응용(Applications of Heat Transfer Composite): 본 발명 의 열 전달 매트릭스는 열원으로부터 열을 전달시키기 위한 임의의 장치, 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 열 전달 매트릭스는 마이크로프로세서, 메모리 장치 등과 같은 전자 및/또는 집적 회로("IC") 장치에서 사용하기 위한 열 확산기를 형성하는 데 사용된다.
일례: 본원에서 일례는 본 발명을 예시하도록 제공된 것으로, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도된 것이 아니다.
예 1: 미국 오하이오주 스트롱빌의 GE 어드밴스드 세라믹스의 열 분해성 그래파이트 (TPG) 부분은 붕소 질화물 이형제(boron nitride release agent)가 분무되어 있는 철강 다이 내로 유입된다. 약 577℃의 용융점(melting point)에서 주조된 Al--Si는 회전하는 철강 혼합기에 의해 그 열 분해성 그래파이트 부분과 동시에 압축 및 혼합되면서 주형 내로 유입된다. 열 분해성 그래파이트 부분 양측 모두를 습윤시킨 주조된 합금은 그 부분 사이의 모든 보이드를 실질적으로 충진하여, 결합 매스 열 확산기를 안출한다. 결과로서 생성된 열 확산기의 측정된 열적 전도성은 약 600 W/m°K이다. 보드(board)의 성능은 궁극적인 벌크 또는 국소 열 성능이 하이퍼-전도성 매체율을 변화시킴으로써 맞춰질 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되고 있지만, 당업자라면, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도, 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명을 실시하기 위한 최선 의 양식으로 개시된 특정 실시예로 한정되는 것이 아니라 첨부한 청구범주의 범주 내의 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다. 본원에서 참조한 모든 인용문은 본원에서 참조로서 명확히 수록된다.
본 발명은 열 제거를 요하는 전자 장치 또는 그와 유사한 시스템으로부터 열 에너지를 소산시키는 열 전달 합성물을 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 열 전달 합성물에 있어서,
    비 탄소성 재질을 함유하는 매트릭스 내에서, 결합 매스(consolidated mass) 내에 수용되는 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 포함하되,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분은 각각 ab 방향으로 300 W/m-°K이고 c 방향으로 3.5W/m-°K인 평면내 열적 전도성을 갖고,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분의 상기 a-b 방향은 상기 합성물 내에 랜덤하게 분포되는
    열 전달 합성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 재질을 함유하는 상기 매트릭스는 상기 열 전달 합성물의 총 체적에 따라 적어도 50 체적%인
    열 전달 합성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 등방성 재질은 상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분과 확 산 접착될 수 있는 재질을 포함하고,
    상기 열 분해성 그래파이트 부분은 열 분해성 그래파이트, 고방향성 열 분해성 그래파이트, 압축 어닐링된 열 분해성 그래파이트 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는
    열 전달 합성물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 등방성 재질은 금속 매트릭스를 포함하고,
    상기 금속 매트릭스는 알루미늄 및 그룹 Al--Mg; Al--Si; Al--Cu; Al--Ag; Al--LI; 및 Al--Be로부터 선택된 알루미늄 합금 중 적어도 하나를 포함하는
    열 전달 합성물.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 Mn; Ni; Sn; 및 Zn으로 구성되는 그룹으로부터 선택되어 상기 금속 매트릭스의 용융점을 감소시키는 적어도 하나의 요소를 포함하는
    열 전달 합성물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분은 재생된 열 분해성 그래파이트 부분인
    열 전달 합성물.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 분해성 그래파이트 부분은 열 분해성 그래파이트, 고방향성 열 분해성 그래파이트, 압축 어닐링된 열 분해성 그래파이트 부분으로부터 선택된 부분의 혼합물을 포함하며,
    상기 열 분해성 그래파이트 부분은 300 W/m-°K 내지 1800 W/m-°K의 범주를 갖는 평면내 (a-b 방향) 열적 전도성과, 랜덤한 크기 및 형상을 갖는
    열 전달 합성물.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 매트릭스는 다수의 비 탄소성 시트층을 포함하고,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분은 상기 비 탄소성 시트층 사이에 배치되는
    열 전달 합성물.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 매트릭스는 다수의 알루미늄 시트층을 포함하고,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분은 상기 알루미늄 시트층 사이에 배치되며,
    각 알루미늄 시트층마다 적어도 하나의 열 분해성 그래파이트 부분이 존재하고,
    상기 계층화된 시트는 적어도 450℃의 온도 및 적어도 300 psi에서 가열 압착되는
    열 전달 합성물.
  10. 열 전달 합성물을 제조하는 방법으로서,
    비 탄소성 등방성 재질의 매트릭스 내에 다수의 열 분해성 그래파이트 부분 - 상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분은 각각 ab 방향으로 300 W/m-°K이고 c 방향으로 3.5W/m-°K인 평면내 열적 전도성을 가짐 - 을 배치하여 매스를 형성하는 단계와,
    상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분의 a-b 방향이 상기 합성물 내에 랜 덤하게 분포되도록 상기 비 탄소성 매트릭스 내에 상기 열 분해성 그래파이트 부분을 매립하기에 충분한 온도 및 압력으로 상기 열 분해성 그래파이트 부분 매스를 가열하는 단계를 포함하는
    열 전달 합성물 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 등방성 재질은 금속을 포함하는
    열 전달 합성물 제조 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 금속은 Al--Mg; Al--Si; Al--Cu; Al--Ag; Al--LI; 및 Al--Be로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 합금을 포함하며,
    상기 금속 매트릭스는 Mn; Ni; Sn; 및 Zn으로 구성되는 그룹으로부터 선택되어 상기 금속 매트릭스의 용융점을 감소시키는 적어도 하나의 요소를 포함하는
    열 전달 합성물 제조 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 분해성 그래파이트 부분은 열 분해성 그래파이트, 고방향성 열 분해성 그래파이트, 압축 어닐링된 열 분해성 그래파이트 부분의 혼합물을 포함하며, 300 W/m-°K 내지 1800 W/m-°K의 범주를 갖는 평면내 (a-b 방향) 열적 전도성과, 일정하지 않은 크기 및 형상을 갖는
    열 전달 합성물 제조 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 탄소성 매트릭스 내에 상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 배치하는 단계는 비 탄소성 재질을 포함하는 층 사이에 상기 다수의 열 분해성 그래파이트 부분을 분포시키는 단계를 포함하는
    열 전달 합성물 제조 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 열 전달 합성물을 포함하는 열 전달 장치.
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