KR20080095871A - 그래파이트 물질로 제조된 마이크로채널 히트 싱크 - Google Patents

그래파이트 물질로 제조된 마이크로채널 히트 싱크 Download PDF

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KR20080095871A
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줄리안 노레이
프라딥 스칸다쿠마란
매튜 조지 겟츠
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그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

마이크로채널 히트 싱크가 그래파이트 재료로 제조된다. 히트 싱크 부재(300)는 전자 장치(312)와 열적 접촉을 위한 적어도 제1 열 접촉 표면(308)을 갖는다. 상기 히트 싱크 부재는 상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 적어도 제1 시트(302)로 구성되고, 상기 제1 시트가 두 개의 주 표면을 갖는다. 상기 주 표면 중 하나 이상이 냉각 유체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널(314A)을 갖는다. 상기 마이크로 채널 각각이 상기 주 표면 중의 상기 하나와 평행한 길이를 가지고 상기 길이에 수직인 단면(318)을 갖는다. 상기 단면이 하나 이상의 약 1,000 마이크론 이하의 치수를 갖는다.
히트 싱크, 그래파이트, 마이크로채널

Description

그래파이트 물질로 제조된 마이크로채널 히트 싱크 {MICROCHANNEL HEAT SINK MANUFACTURED FROM GRAPHITE MATERIALS}
본원발명은 그래파이트 물질로 제조된 마이크로채널(microchannel) 히트 싱크에 관한 것이다. 히트 싱크는 마이크로 프로세서와 같은 전자 장치를 냉각하기 위한 기구를 제공한다. 히트 싱크는 특히 두 개의 적층된(stacked) 전자 장치 사이에 삽입되도록 구성될 수 있다.
전자 산업은 열적 제약을 받는 성장의 시기에 들어서고 있다. 전자 부품의 열 유동은 증가하고 있으며 공기 냉각은 더 이상 마이크로 프로세서 및 기타 전자 부품의 원하는 작동 온도를 유지하기에 충분하도록 열을 제거하지 못하게 된다.
종래의 공기 냉각에 의해 관리될 수 있을 것으로 일반적으로 고려되는 최대 열 유동은 약 50 W/cm2 이다. 약 50 W/cm2를 넘는 열 유동을 형성하는 마이크로 프로세서 및 기타 전자 부품이 개발됨에 따라 전자 산업은 액체 냉각식 히트 싱크로 진행하고 있다. 이러한 액체 냉각식 히트 싱크에 대한 한 가지 방안은 소위 마이크로채널 히트 싱크이다. 마이크로채널 히트 싱크는 히트 싱크를 구성하는 재료 내에 형성되는 매우 작은 홈을 구비하고, 이로써 매우 얇은 마이크로채널에 의해 분리되는 매우 얇은 핀을 제공하게 된다. 이는 열을 방출시키기 위한 매우 넓은 표면적을 제공한다. 마이크로채널 히트 싱크는 강제 액체 순환 시스템과 결합하여 냉각 용량 증가를 위한 전자 산업분야의 요구에 대한 가장 유망한 해결방안 중 하나를 제공한다.
지금까지, 마이크로채널 히트 싱크는 실리콘, 다이아몬드, 알루미늄과 구리, 구리-텅스텐 복합재료, 및 산화베릴륨과 같은 세라믹 등의 재료로 구성되어 왔다.
그 세부 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되는 Bonde 등의 미국 특허 5,099,311호에서는 마이크로채널로 냉각제를 전달하기 위한 시스템을 포함하는 실리콘 마이크로채널 히트 싱크를 위한 통상적인 구성을 개시한다.
그 세부 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되는 Walpole 등의 미국 특허 5,099,910호에서는 히트 싱크의 표면 상에 보다 균일한 온도 및 열적 저항을 제공하기 위해 인접한 마이크로채널에서 유체 유동의 방향이 교번하게 되도록 U-형상의 마이크로채널을 갖는 마이크로채널 히트 싱크를 개시한다. Walpole 등의 특허의 히트 싱크는 산화 베릴륨과 같은 세라믹이나 Thermcon® 과 같은 구리-텅스텐 복합재료, 또는 실리콘으로 제조된다.
그 세부 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되는 Vafai 등의 미국 특허 6,457,515호에서는 및 6,675,875호에서는, 히트 싱크를 가로지르는 유체 유동 방향에서 온도 구배를 없애기 위해, 인접한 층 사이에서 반대 방향의 유체 유동을 갖는 다층 마이크로채널이 개시된다.
그 세부 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되는 Shiomi 등의 미국 특허 5,874,775호에서는 다이아몬드 히트 싱크를 개시한다.
그 세부 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되는 Goodson 등의 미국 특허 공개 공보 2003/0062149호에서는 전기 삼투(electroosmotic) 마이크로채널 냉각 시스템을 개시한다.
종래에 사용되던 재료에서 발생되는 문제점 중 일부를 방지하기 위하여 마이크로채널 히트 싱크에 사용하기 위한 재료의 향상이 지속적으로 요구되고 있다. 본원발명은 그래파이트 재료로부터 마이크로채널 히트 싱크를 제조하는 방법 및 마이크로채널 히트 싱크 장치를 제공한다. 대형 채널을 갖는 종래의 히트 싱크 제조에 이미 일부 그래파이트 재료가 사용되어 왔으나, 마이크로채널 히트 싱크에 사용하는 방안은 제안되었던 바가 없다.
그래파이트 재료로 제조된 통상적인 크기의 히트 싱크의 한 가지 예가, 본원발명의 양수인에게 양도된, Getz 등의 미국 특허 6,771,502 호에 개시되어 있다.
Tzeng, Getz, Jr. 및 Weber 의 미국 특허 6,245,400 호에서는, 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 접착제 코팅된 시트를 개시하며, 열적 인터페이스 제품에 특히 유용하다고 기재하고 있다. 또한, Tzeng의 미국 특허 6,482,520호에서는 전자 부품과 같은 열원에 대한 열 확산기(상기 특허에서는 열적 인터페이스라고 지칭된다)로서 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 시트를 사용하는 방안을 개시한다. 실제로, 이러한 재료는 오하이오주 레이크우드에 위치하는 어드밴스드 에너지 테크놀로지(Advanced Energy Technology, Inc.)로부터 eGraf®SpreaderShield 부류의 재료로서 구입할 수 있다.
그래파이트는 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 미세결정으로 구성되고, 미세결정은 서로 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소층을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 그래파이트는 매우 바람직한 미세결정 방향을 갖는다. 그래파이트가 이방성 구조를 가져 열전도도 및 전기전도도와 같은 높은 방향성을 갖는 많은 특성을 나타내거나 가짐을 주목해야 한다.
요컨대, 그래파이트는 탄소의 라미네이트된 구조(laminated structure)를 특징으로 하며, 즉 상기 구조는 약한 반데르바알스 힘에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 라미내(laminae)로 구성된다. 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 탄소 층에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소 층에 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 탄소 층 또는 라미내 사이의 공간이 다소 개방되어 층에 수직한 방향, 즉 "c" 방향으로 현저한 팽창을 제공하여, 탄소 층의 층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부푼 그래파이트 구조를 형성하도록 처리될 수 있다.
매우 팽창된, 보다 구체적으로 초기 "c" 방향 치수 보다 약 80배 또는 그보다 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 플레이크는 바인더의 사용 없이 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 팽창된 그래파이트의 접착성 시트 또는 일체식(integrated) 시트로 형성될 수 있다(일반적으로 "가요성 그래파이트"로 지칭됨). 초기 "c" 방향 치수 보다 약 80배 또는 그보다 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, 매우 큰 압축으로 인해 시트의 대향면에 실질적으로 평행한 그래파이트 층 및 팽창된 그래파이트 입자의 방향성으로 인해서, 열전도도에 있어 큰 이방성을 갖으며, 이로써 열 확산 장치 분야에 유용하다는 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 하 중 하에서 바인더 없이 초기 입자의 "c" 방향 치수보다 약 80배 또는 그보다 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/cc내지 약 2.0g/cc 범위 내에 있을 수 있다.
가요성 그래파이트 시트 재료는, 시트의 대향하고 평행한 주 표면에 평행한 그래파이트 입자의 정렬로 인해 상당한 정도의 이방성을 나타내며, 이방성의 정도는 배향성을 높이기 위하여 시트 재료를 압축할 때 증가한다. 압축된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 대향하고 평행한 시트 표면에 수직한 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이 및 폭을 따른, 즉 대향된 주 표면을 따른 또는 대향된 주 표면에 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적, 전기적 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대하여 그 크기가 매우 상이하게 된다.
따라서, 그래파이트 재료로 형성되는, 경제적으로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크가 요구된다.
따라서, 본원발명의 목적은 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 다른 목적은 비교적 경량인 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 다른 목적은 물 및 기타 종래의 냉각 액체에 비활성인, 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 우수한 열 전도성을 갖는, 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 전자장치 패키징(packaging)에 사용되는 통상적인 반도체 및 세라믹 재료의 열 팽창 계수에 필적하는 열 팽창 계수를 갖는, 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 다른 목적은 마이크로채널이 롤러 엠보싱 가공(roller embossing)과 같은 고 용량 제조 방법을 사용하여 형성될 수 있는, 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본원발명의 다른 목적은 두 개의 적층된 전자 장치 사이에 삽입되기에 적합한, 그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크를 제공하는 것이다.
이하의 설명을 읽음으로써 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 이러한 목적 및 기타의 목적은 전자 장치를 냉각시키기 위한 장치로서, 상기 전자 장치와 열적 접촉을 위한 적어도 제1 열 접촉 표면을 갖는 히트 싱크 부재를 포함하고, 상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 적어도 제1 시트로 구성되고, 상기 시트가 두 개의 주 표면을 가지며, 상기 주 표면 중 하나 이상이 냉각 유체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널을 가지며, 상기 마이크로 채널 각각이 상기 주 표면 중의 상기 하나와 평행한 길이를 가지고 상기 길이에 수직인 단면을 가지며, 상기 단면이 하나 이상의 약 1,000 마이크론 이하의 치수를 갖는, 전자 장치를 냉각시키기 위한 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 상기 장치가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 제2 시트로서, 상기 제1 및 제2 시트가 서로 결합하여 상기 마이크로채널의 상기 단면을 형성하는 제2 시트를 포함한다. 제1 및 제2 열 접촉 표면은 히트 싱크 부재의 반대편 표면 상에 형성되고, 이로써 히트 싱크 부재가 두 개의 적층된 전자 장치 사이에 삽입될 수 있다.
전자 장치를 냉각시키기 위한 장치의 다른 실시예에서는, 히트 싱크 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 제1, 제2 및 제3 시트로 구성될 수 있다. 두 개 층의 마이크로채널은 3개의 시트 사이의 경계면에 형성되고, 이로써 다수의 제1 및 제2 마이크로채널이 반대 방향에서 냉각 유체를 운반할 수 있게 된다.
본원발명의 다른 실시예에서는, 고 열 유동 밀도의 조건하에서 작동가능한, 적층된 제1 및 제2 전자 장치를 갖는 액체 냉각식 전자 장치가 제공된다. 히트 싱크 부재는 상기 적층된 제1 및 제2 전자 장치의 각각과 열적 접촉하며, 이들 사이에 삽입된다. 상기 부재가 그 주 표면들이 서로 결합되는 두 개 이상의 가요성 그래파이트 재료의 시트로 구성되고, 상기 시트 중 하나 이상이 두 개의 적층된 전자 장치 사이에서 냉각 액체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 마이크로채널을 갖는다.
본원발명의 다른 실시예에서는, 그래파이트 재료로부터 마이크로채널 히트 싱크를 제조하는 방법이 제공된다. 각각의 시트가 두 개의 주 표면을 갖는, 가요성 그래파이트 재료의 제1 및 제2 시트가 제공된다. 상기 제1 시트의 상기 주 표면 중 하나 이상에 다수의 마이크로채널이 형성된다. 상기 제1 시트 위에 상기 제2 시트가 겹쳐 놓여 지며, 상기 마이크로채널의 단면을 폐쇄하도록 상기 제1 및 제2 시트의 인접한 주 표면을 서로 결합된다. 전자장치의 장착을 위하여 상기 제1 및 제2 시트 중 하나의 노출된 주 표면 상에 열 접촉 표면이 제공된다. 대안적으로, 열 접촉 표면이 노출된 주 표면들 모두의 위에 제공되고, 이로써 마이크로채널 히트 싱크가 두 개의 적층된 전자 장치 사이에 삽입될 수 있다. 마이크로채널은 가요성 그래파이트 시트를 롤러 엠보싱 가공(roller embossing)함으로써 바람직하게 형성된다.
앞서 설명한 일반적인 설명 및 하기하는 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제공하고, 청구되는 바와 같이 본 발명의 특징 및 성격 그리고 이해를 위한 전반 또는 구조를 제공하기 위한 것임을 이해하여야 한다. 첨부된 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위한 것이며, 발명의 일부를 구성하도록 병합되어 있다. 상기 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있으며, 이는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 작동 및 원리를 설명하는 것을 돕는다.
도 1은 마이크로채널 히트 싱크의 제1 실시예의 사시도이다.
도 2는 마이크로채널 히트 싱크의 제2 실시예의 사시도이다.
도 3은 전자장치와 마이크로채널 히트 싱크 사이의 열적 인터페이스를 구비하여 제1 전자 장치가 그 위에 장착된 도 1의 히트 싱크와 유사한 마이크로채널 히 트 싱크의 단부 도면이다.
도 4는 제1 및 제2의 적층된 전자 장치가 그 반대 측면 상에 장착되는, 도 1의 히트 싱크와 유사한 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다.
도 5는 도 1의 히트 싱크와 유사한 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다.
도 6은 도 2의 히트 싱크와 유사한 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다.
도 7은 가요성 그래파이트 재료의 3개의 시트로 이루어진 대안적인 마이크로채널 히트 싱크로서, 그 내부에 마이크로채널이 형성된 두 개의 외부 시트와 외부 시트 모두의 마이크로채널 상에 덮개를 형성하는 중간 시트를 구비하는 대안적인 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다. 이러한 구성은 두 층의 마이크로채널을 제공한다.
도 8은 가요성 그래파이트 재료의 3개 시트로 구성된 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면으로서, 그 각각의 주 표면 상에 형성되는 마이크로채널을 갖는 중간 시트와 상기 중간 시트의 마이크로채널 상에 덮개를 형성하는 두 개의 외부 시트를 구비하는 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다. 이러한 구성은 두 층의 마이크로채널을 제공한다.
도 9는 가요성 그래파이트 재료의 4개 시트로 구성된 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면으로서, 두 개의 가장 안쪽 시트가 그 가장 바깥쪽 주 표면 상에 형성되는 마이크로채널을 가지고 두 개의 외부 시트가 두 개의 내부 시트의 마이크로 채널 상에 덮개를 형성하는, 마이크로채널 히트 싱크의 단부 도면이다. 이러한 구성은 두 층의 마이크로채널을 제공한다.
도 10은 가요성 그래파이트 재료의 4개 시트로 형성되는 본원발명의 다른 실시예의 단부 도면으로서, 각각의 시트가 그 내부에 형성되는 마이크로 채널을 가지며 인접한 시트의 두 쌍의 각각의 마이크로채널이 서로에 대해 겹쳐 놓이고 상보적으로 형성되어 두 층의 마이크로채널을 형성하는, 본원발명의 다른 실시예에 단부 도면이다.
도 11은 엠보싱 가공에 의하여 그 내부에 형성되는 마이크로채널을 갖는 가요성 그래파이트 재료의 시트의 단면의 현미경사진이다.
도 12는 수지 함침형 가요성 그래파이트 시트의 연속 제조를 위한 시스템을 도시한다.
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 인터카렌트(intercalant)로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 구조가 그래파이트와 인터카렌트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 그래파이트의 입자는 그 후 "인터카레이트된 그래파이트 입자(particles of intercalated graphite)"로 지칭된다. 고온에 노출되면, 그래파이트 내의 인터카렌트는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코 디언 형태로 초기 치수 보다 약 80배 또는 그보다 큰 치수로 팽창한다. 팽창된(혹은 박리된(exfoliated) 지칭됨) 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는 초기의, 그래파이트 플레이크와 달리, 변형된 기계적 충격에 의해 작은 횡단 개구를 가질 수 있으며 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트 내에 함께 압축될 수도 있다.
본 발명에 사용되기에 적절한 가요성 시트용 그래파이트 출발 물질은 할로겐화물뿐만 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 사용될 때, "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 거리 d는 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 그래파이트뿐만 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 요구 된 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. 더욱 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 개시 내용은 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 인터카렌트 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 황산뿐만 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, 인터카레이션 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 환원제(organic reducing agent)와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실 알데히드, 1-프로판 올, 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. 더욱 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 재료가, 바람직하게는 배타적으로, 이용될 수도 있다. 카르복실산이 특히 효과적이라고 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 에스테 르와 같은 반응성 카르복실산이 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카렌트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 유리하게 수용성 인터카렌트 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 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. 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 인터카레이트된 그래파이트 플레이크의 반응을 촉진시킬 수 있다. 가열 기간은 약 20시간까지이며, 전술한 범위보다 높은 온도에 대해서는 더욱 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 이상의 범위의 온도에서 그래파이트 플레이크의 예비 처리 및 유기화제에 유연성 첨가제를 함유함으로써 바람직하게 향상될 수도 있다.
그래파이트 플레이크의 예비처리, 또는 어닐링은 플레이크가 후속적으로 인터카레이션 및 박리될 때 상당히 증가된 팽창(즉, 300%까지 또는 그 이상의 팽창 부피 증가)을 야기한다. 사실, 바람직하게, 팽창의 증가는 어닐링 단계가 없는 유사한 프로세싱과 비교할 때 약 50% 이상이다. 어닐링 단계에 사용되는 온도는 3000℃ 보다 상당히 낮아서는 안 되는 데, 이는 100℃ 더 낮은 온도에서조차 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 바람직하게는 불활성 분 위기에서 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 서로 "응집(clump)"되어, 면적 중량 균일성(area weight uniformity)에 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 "캘린더링")하는데 통상적으로 사용되는 캘린더 스테이션의 베드와 같은)의 베드를 가로질러 벌레의 보다 균일한 분포가 용이하게 된다. 그러므로 결과적인 시트는, 심지어 초기 그래파이트 입자가 종래 사용된 것보다 작을 때에도, 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 바람직하게 장쇄(long chain) 탄화수소이다. 다른 작용기가 존재한다 하더라도, 장쇄 탄화수소기를 갖는 다른 유기 화합물이 또한 사용될 수 있다.
더욱 바람직하게, 유연성 첨가제는 오일이며, 광유(mineral oil)가 특히 장 기간 저장에 있어 중요한 고려사항인 악취 및 냄새가 덜 하다는 사실을 고려할 때 가장 바람직하다. 전술한 소정의 팽창 보조제가 유연성 첨가제의 정의를 충족시킴을 주목한다. 이들 소재가 팽창 보조제로 사용될 때, 유기화제 내에 별도의 유연성 첨가제를 포함할 필요가 없다.
유연성 첨가제는 약 1.4 pph 이상, 더욱 바람직하게 약 1.8pph 이상의 양으로 유기화제 내에 존재한다. 유연성 첨가제 함유의 상한이 하한보다 중요하진 않지만, 약 4pph를 초과하는 정도의 유연성 첨가제를 함유한다고 하여 상당한 추가적인 장점이 있는 것은 아니다.
이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트 입자"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 부피보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는 초기 그래파이트 플레이크와 달리 후술되는 바와 같이 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 작은 횡단 개구를 갖는 가요성 시트로 압축 성형될 수도 있다.
대안적으로, 본 발명의 가요성 그래파이트 시트는 새로이 팽창된 벌레보다 재형성(reground)된 가요성 그래파이트 시트 입자를 이용할 수도 있다. 시트는 새로 형성된 시트 소재, 재활용된 시트 소재, 스크랩 시트 소재, 또는 소정의 다른 적절한 소스일 수도 있다.
또한, 본 발명의 방법은 초기 소재와 재활용된 소재의 혼합물을 이용할 수도 있다.
재활용된 소재의 소스 소재는 전술한 것처럼 압축 성형된 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 예를 들어 예비 캘린더링 롤로 압축된 시트일 수도 있다. 더욱이, 소스 소재는 수지가 함침되었지만 아직 경화되지 않은 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 수지가 함침되고 경화된 시트 또는 시트의 마무리부분일 수도 있다. 소스 소재는 유동 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재활용된 가요성 그래파이트 PEM 연료 전지 성분일 수도 있다. 다양한 그래파이트 소스 각각은 그대로 또는 천연 그래파이트 플레이크와 혼합된 채로 사용될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트의 소스 소재가 이용가능하면, 입자를 생성하기 위해 제트 밀, 에어 밀, 블렌더 등과 같은 공지된 프로세스 또는 장치와 연결될 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬를 통과하고, 더욱 바람직하게 대부분(약 20% 초과, 더욱 바람직하게 약 50% 초과)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 균형 맞추도록 선택될 수도 있다. 그러므로 더욱 작은 입자는 기계가공 및/또는 성형을 용이하게 하는 그래파이트 입자를 야기하는 반면, 보다 큰 입자는 보다 큰 이방성과, 그에 따른 보다 큰 수평(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.
소스 소재가 분쇄되고, 필요에 따라 모든 수지가 제거되면, 이는 재팽창된 다. 재팽창은 인터카레이션과 박리 프로세스 및 Greinke 등에게 허여된 미국 특허 제 4,895,713호 및 Shane에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시된 내용을 이용함으로써 발생할 수도 있다.
일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가열함으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터카레이트된 천연 그래파이트 플레이크는 재활용되고 인터카레이트된 입자에 추가될 수도 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 중에 입자는 약 100cc/g 이상 그리고 약 350cc/g까지 또는 그 이상까지의 범위의 비부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 전술한 것처럼 가요성 시트로 압축될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트 및 포일은 좋은 취급 강도로 밀착되고, 예컨대 세제곱 센티미터당 약 0.1 에서 1.5 그램(g/cc)의 전형적인 밀도 및 약 0.025 mm 에서 3.75mm의 두께로, 예를 들어 압축 성형에 의해 적절하게 압축된다. 비록 항상 바람직한 것은 아니지만, 가요성 그래파이트 시트는 또한, 때때로, 수지로 바람직하게 처리될 수 있으며, 흡수된 수지는 경화 후에 상기 시트의 형태를 "고정" 시킬 뿐 아니라, 가요성 그래파이트 시트의 습기 저항 및 취급 강도, 즉 강성을 향상시킨다. 사용되는 경우, 적합한 수지 내용물은 약 5 중량% 이상이 바람직하고, 약 10 중량% 내지 35 중량%가 더욱 바람직하고, 약 60 중량% 까지도 적합하다. 본 발명의 실시예에서 특히 유용한 것으로 판단되는 수지들은 아크릴-, 에폭시- 및 페놀에 기초한 수지 시스템, 또는 그 혼합물이다. 적합한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A (DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함한다; 적용될 수 있는 페놀 수지는 리소울 및 노보락 페놀을 포함한다. 선택적으로 가요성 그래파이트에는 수지에 추가하여 또는 수지 대신에 섬유 및/또는 염이 함침될 수 있다. 또한, (점착성, 재료 유동, 소수성(hydrophobicity) 등과 같은) 특성을 변경시키기 위하여 반응성 또는 비-반응성 첨가제가 수지 시스템에 사용될 수 있다. 수지 함침형 재료의 열 전도성을 최대화시키기 위하여, 수지는 높은 온도와 압력에서 경화될 수 있다. 보다 구체적으로는, 약 90℃ 이상의 온도와 약 7 MPa 이상의 압력에서 경화시키면, 우수한 열 전도성을 갖는 그래파이트 재료를 제조할 수 있다(실제로, 구리에서 관측되는 것을 초과하는 수평 열 전도성이 얻어질 수 있다).
도 12를 참고하면, 시스템은 수지가 함침된 가요성 그래파이트 시트의 연속적인 생산을 위하여 개시된 것으로, 그래파이트 플레이크 및 액체 삽입성 물질이 반응기(104) 안에 채워진다. 더욱 상세하게는, 액체 삽입성 물질을 담기 위해 용기(101)가 제공된다. 바람직하게는 스테인리스 스틸로 만들어진 용기(101)에는 연속적으로 도관(106)을 경유하여 액체 유기화제가 공급될 수 있다. 용기(102)는 용기(101)로부터 온 삽입성 물질과 함께, 반응기(104)안으로 안내되는 그래파이트 플레이크를 담고 있다. 밸브(108, 107)에 의해서 삽입성 물질 및 그래파이트 플레이크의 반응기(104) 안으로의 각각의 입력 비율이 조절된다. 용기(102) 안의 그래파이트 플레이크는 도관(109)을 경유하여 연속적으로 공급될 수 있다. 예를 들어 트레이스 산과 같은 인터카레이션 증강제와 같은 첨가물, 그리고 유기 화학물이 밸브(111)에 의해 그 출력이 계량되는 디스펜서(110)를 경유하여 추가될 수 있다.
결과적으로 인터카레이트된 그래파이트 입자들은 흠뻑 젖고, 산이 코팅되고, 바람직하게는, 116, 118에서 세척 탱크로 들어가고 나오는 물로 입자들이 세척되는 세척 탱크(114)로 (도관(112)을 통해서) 유입된다. 이때 세척되고 인터카레이트된 그래파이트 플레이크는 도관(120)을 통하여 건조 챔버(122)를 지난다. 팽창 및 사용 동안 박리와 같은 표면 화학 작용을 조절하고, 팽창을 야기하는 가스 발산을 조절하기 위한 목적으로, 버퍼, 산화 방지제, 오염 감소 화학물과 같은 첨가제가 용기(119)로부터 인터카레이트된 그래파이트 플레이크의 유동으로 추가될 수 있다.
인터카레이트된 그래파이트 플레이크는, 바람직하게는 약 75℃에서 약 150℃의 온도에서, 일반적으로 인터카레이트되는 그래파이트 플레이크의 팽창 또는 부풀어오름을 회피하기 위해 건조기(122)에서 건조된다. 건조 후에, 인터카레이트된 그래파이트 플레이크는, 예를 들어, 도관(126)을 통해 수집 용기(124)에 연속적으로 공급됨으로써, 플레임(200) 안으로 스트림으로써 공급되고, 그 후 2로 표시된 것과 같이 팽창 용기(128)에서 플레임(200) 안으로 스트림으로써 공급된다. 분해된 쿼트 글래스 피버, 탄소 및 그래파이트 피버, 지르코니아, 보론 니트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 피버 등으로 형성된 세라믹 피버 및 칼슘 메타실리케이트 피버, 칼슘 알루미늄 실리케이트 피버, 알루미늄 옥사이드 피버와 같은 자연 발생한 무기물 피버 등의 입자와 같은 첨가제는 용기(129)로부터 127에서 안내되는 비-반응성 가스에서 유입에 의해 추진되는 인터카레이트된 그래파이트 입자의 스트림으로 추가될 수 있다.
팽창 챔버(201)에서 플레임(200)을 통과하는 경로에서, 인터카레이트된 그래 파이트 입자(2)는 "c" 방향으로 80배 이상 팽창하고, "벌레 모양으로" 팽창된 형태(5)를 띠게 된다; 129로부터 안내되어 인터카레이트된 그래파이트 입자의 스트림에 혼합된 첨가제는 본질적으로 플레임(200)을 통하는 경로에 의해 영향을 받지 않는다. 팽창된 그래파이트 입자(5)는 중력 분리기(130)를 지날 수 있고, 이때 무거운 애쉬 천연 미네랄 입자는 팽창된 그래파이트 입자로부터 분리되고, 그 후 넓은 상부 하퍼(132)안으로 들어간다. 분리기(130)는 필요하지 않을 때 생략될 수 있다.
팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자(5)는 하퍼(132)에서 다른 첨가제와 함께 자유로이 떨어지고, 자유분방하게 흩어져 통로(134)를 통해서, 압축 스테이션(136) 안으로 지나간다. 압축 스테이션(136)은 박리되고 팽창된 그래파이트 입자(5)를 수용하기 위해 이격되어 설치되고 마주하고 수렴하는 이동 다공성 벨트(157, 158)를 포함한다. 마주보는 이동 벨트(157, 158) 사이의 수렴하는 공간으로 인해, 박리되고 팽창된 그래파이트 입자는 예를 들어 약 25.4로부터 0.075mm, 특별하게는 약 25.4로부터 2.5mm까지의 두께와 약 0.08에서 2.0g/㎤의 밀도를 갖는, 148에서 지시되는, 가요성 그래파이트의 매트로 압축된다. 가스 세정기(149)는 팽창 챔버(201)와 하퍼(132)로부터 발산하는 가스를 제거하고 정화하도록 사용될 수 있다.
매트(148)는 용기(150)를 지나, 스프레이 노즐(138)로부터 액체 수지가 함침되고, 상기 수지는 바람직하게는 진공 챔버(139)에 의해 "매트를 통해 당겨지는 것"이 바람직하고, 상기 수지는 그 후 건조기(160)에서 건조되어 수지의 점착성이 감소되고, 그 후에 수지가 함침된 매트(143)는 캘린더 밀(170)에서 롤 압축된 가요 성 그래파이트 시트(147)로 고밀도화된다. 용기(150)와 건조기(160)로부터 온 가스 및 연기는 가스 세정기(165)안에서 모여서 정화되는 것이 바람직하다.
고밀도화 과정 후에, 가요성 그래파이트 시트(147) 안의 수지는 건조 오븐(180)에서 적어도 부분적으로 경화된다. 대안적으로, 부분적인 경화는 비록 고밀도화 과정 후가 바람직하지만 고밀도화 과정 전에 실행될 수도 있다.
그러나 바람직한 실시예에서, 가요성 그래파이트 시트에는 수지가 함침되지 않으며, 이러한 경우 용기(150), 건조기(160) 및 건조 오븐(180)은 생략될 수 있다.
약 0.1 내지 약 1.1 g/cc 의 출발 밀도를 갖는 수지 함침형(resin-impregnated) 시트는 이후 시트의 공극 조건(void condition)을 변경시키도록 처리된다. 공극 조건은 일반적으로 포획된 공기(entrapped air)의 형태로 발견되는 공극에 의해 표시되는 시트의 백분율을 의미한다. 일반적으로, 이는, 예를 들어 캘린더 밀(calender mill) 또는 플래튼 프레스(platen press)에서, 시트 내의 공극의 수준을 감소시키도록 시트에 압력을 가함으로써(이는 또한 시트의 밀도를 높이는 효과를 갖는다) 달성된다. (비록 시스템 내의 수지의 존재가 이러한 높은 수준까지 고밀도화를 요구하지 않고도 공극을 감소시키는데 사용될 수 있기는 하나) 유리하게, 가요성 그래파이트 시트는 약 1.3 g/cc 이상의 밀도로 고밀도화된다.
공극 조건은 최종 엠보스 가공된 제품의 형태 및 기능 특성을 조정하고 제어하는데에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 및 전기 전도성, 침투율(permeation rate), 침출(leaching) 특성은 엠보싱 가공(embossing) 이전에 시트 의 공극 조건(그리고, 일반적으로, 밀도)을 제어함으로써 제어될 수 있거나 영향받을 수 있다. 따라서, 최종 엠보스 가공된 제품의 원하는 특성 세트가 공극 조건의 조작에 앞서 인식된다면, 공극 조건은 이러한 특성을 달성하기 위하여, 가능한 정도까지, 조절될 수 있다.
유리하게도, 특히 최종 엠보스 가공된 제품이 전기 화학적 연료 전지의 부품으로 사용되고자 하는 경우에, 수지 함침형 가요성 그래파이트 시트는 전기 및 열 전도성을 최적화하기 위하여 비교적 무-공극(void-free)으로 조절된다. 일반적으로, 이는, 비교적 무-공극 조건을 나타내는, 약 1.4 g/cc 이상의 밀도, 더욱 바람직하게는 (수지 함량에 따라) 약 1.6 g/cc 이상의 밀도를 얻음으로써 달성된다. 시트의 열 전도성은 바람직하게는 약 140 W/m°K 이상, 더욱 바람직하게는 약 400 W/m°K 이상이다.
캘린더 가공된 가요성 그래파이트 시트는 이후 이하에서 기술되는 바와 같이 엠보싱 가공 장치를 통과하며, 그 후 가마(oven)에서 수지를 경화시키도록 가열된다. 사용된 수지 시스템의 성질에 따라서, 그리고 특히 (숙련된 기술자에게 알려진 바와 같이 특정 수지 시스템에 맞게 유리하게 조절되는) 사용된 용제의 유형 및 수준에 따라서, 엠보싱 가공 단계 이전에 기화 건조 단계가 포함될 수 있다. 이러한 건조 단계에서는, 수지 함침형 가요성 그래파이트 시트가, 수지 시스템의 경화에 영향을 미치지 않고, 모든 또는 일부 용제를 기화시켜서 이를 제거하기 위하여 열에 노출된다. 이러한 방식으로, 표면 형성과정 동안에 시트의 고밀도화에 의하여 시트 내에 갇히는 용제의 기화에 의해 야기될 수 있는, 경화 단계 동안의 부풀 음(blistering)이 방지된다. 가열의 정도 및 시간은 용제의 속성 및 양에 따라 변화할 것이며, 이러한 목적을 위해 바람직하게는 약 65℃ 이상, 더욱 바람직하게는 약 80℃ 내지 약 95℃ 사이의 온도에서 약 3 내지 20분 동안 있는 것이 바람직하다.
수지가 함침되고 캘린더 가공되는 가요성 그래파이트 재료를 연속적으로 형성하기 위한 장치의 일 실시예가 국제 특허 공개 공보 WO 00/64808 호에 개시되어 있으며 그 내용은 본 명세서에 참조로 병합된다.
이제 도 1을 참조하면, 전자 장치를 냉각시키기 위한 장치로서도 언급되는, 히트 싱크 부재(300A)의 제1 실시예가 도시된다. 히트 싱크 부재(300A)는 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 제1 및 제2 시트(302A 및 304A)로 구성된다. 시트(302A 및 304A)는 가요성 그래파이트 시트로서 기술될 수도 있다.
각각의 시트(302A 및 304A)는 도 1에서 대형 평면의 상부 및 하부 표면인 두 개의 주 표면을 갖는다. 도 1에서는, 제2 시트(304A)의 상부 주 표면(306A)이 보인다.
열 접촉 표면(308A)은 주 표면(306A) 상에 형성되며 대체적으로 직사각형의 점선(310A)으로 표시된다. 열 접촉 표면(308A)은 도 3에 도시된 장치(312)와 같은 전자 장치와 열적 접촉을 하기 위하여 제공된다.
도 1의 실시예에서, 제1 시트(302A)의 상부 주 표면(303A)은 물과 같은 냉각 액체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널(314A)을 갖는다. 마이크로채널(314A)은 각각 주 표면에 평행한 길이(316)를 가지며 길 이(316)에 수직한 단면(318)을 갖는다. 단면(318)은 단면의 치수인 깊이(320) 및 폭(322)을 갖는다. 단면(318)은 약 1,000 마이크론 이하의 치수를 적어도 하나는 갖는다. 예를 들어, 폭(322)이 약 1,000 마이크론 이하일 수 있다. 많은 경우에서, 폭 및 깊이 모두가 1,000 마이크론보다 작을 것이고, 따라서 106 제곱 마이크론보다 작은 마이크로채널 단면적을 제공하게 된다.
바람직하게는, 폭(322)과 같은 하나의 치수가 약 100 마이크론 이상이다. 일부 경우에 폭(322)과 같은 하나의 치수가 100 마이크론보다 작을 수도 있다.
모든 도면에서 마이크로채널은 다소 개략적인 형태로 도시되며 가요성 그래파이트 재료의 시트의 폭, 두께, 및 길이와 비교하여 일정한 비율로 치수화되지는 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
제2 시트(304A)는 제1 시트(302A)에 결합되어 제1 및 제2 시트가 함께 마이크로채널(314A)의 단면(318)을 형성한다. 도 1의 실시예에서, 제2 시트(304A)는 마이크로채널이 없는 평평한 시트이며 제1 시트(302A)의 마이크로채널 상에 덮개를 형성한다.
제1 및 제2 시트(302A 및 304A)는 그 인접한 주 표면을 겹쳐 놓고 이들을 함께 접합시킴으로써 함께 결합된다. 이러한 접합은 주 표면들 중 하나 또는 모두에 수지를 도포함으로써 제공되거나 또는, 수지가 함침된(impregnated) 가요성 그래파이트 시트의 경우에, 수지가 이미 시트에 존재하여 시트를 경화시키면서 이들 시트를 밀접하게 접촉하도록 유지시킴으로써 이들이 함께 접합된다.
이제 도 5의 단부 도면을 참조하면, 제1 시트(302A)는 상부 및 하부 주 표면(303A 및 305A)을 각각 구비한다. 제2 시트(304A)는 상부 주 표면(306A) 및 하부 주 표면(309A)을 갖는다.
이데 도 2 및 5를 참조하면, 마이크로채널 히트 싱크의 대안적인 실시예가 도면부호 "300B"로 표시되어 있다. 히트 싱크 부재(300B)는 제1 시트(302B) 및 제2 시트(304B)로 구성된다. 도 1의 히트 싱크 부재(300A)와 도 2의 히트 싱크 부재(300B) 사이의 차이는 도 2의 실시예에서는 제2 시트(300B)도 그 내부에 형성되는 마이크로채널(315B)을 갖는다는 점이다. 마이크로채널(315B)은 제1 시트(302B)의 마이크로채널(314B) 상에 겹쳐 놓여 이에 상보적인 패턴으로 형성되어, 히트 싱크 부재(300B)를 통한 각각의 마이크로채널이 마이크로채널(315B) 중 하나에 의해 형성되는 상부 반부(half) 및 마이크로채널(314B) 중 하나에 의해 형성되는 하부 반부를 갖게 된다.
도 2의 실시예 및 도 7-10의 후속적인 실시예의 요소에 대한 도면부호 매김(numbering)에 있어서, 유사한 부품에 대해서는 동일한 숫자가 사용되며, 각각의 실시예에 대해 다른 첨자 (A, B, C 등등)가 사용된다.
도 7은 도면부호 "300C" 에 의해 표시되는 히트 싱크 부재의 다른 실시예의 단부 도면을 도시한다. 히트 싱크 부재(300C)는 제1 시트(302C), 제2 가요성 그래파이트 시트(304C) 및 제3 가요성 그래파이트 시트(324C)로 구성된다.
제1 시트(302C)는 그 내부에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널(314C)을 갖는다. 제3 시트(324C)는 다수의 제2 마이크로채널(326C)을 갖는다. 중간 시 트(304C)는 제1 및 제3 시트(302C) 및 (324C) 사이에 샌드위치되는 평평한 시트로서 제1 및 제3 시트 각각의 마이크로채널 상에 덮개로서 작용하여 마이크로채널(314C) 및 다수의 제2 마이크로채널(326C)이 두 개의 평행하지만 독립된 마이크로채널 층을 형성하게 한다. 따라서 도 7의 실시예에서, 마이크로채널(314)의 제1 층을 통한 방향에서의 유체 유동 및 마이크로채널(326C)의 제2 층을 통한 반대 방향에서의 유체 유동을 가질 수 있는 가능성이 제공된다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 알 수 있듯이, 마이크로채널의 교번하는 층에서 반대방향의 유동을 제공함으로써 히트 싱크 부재를 통해 더욱 균일한 열 분배가 제공된다. 이는 마이크로채널을 통한 유체 유동이 마이크로채널을 통과함에 따라 온도가 증가되고, 따라서 마이크로채널의 길이를 따라 열 구배를 제공하기 때문이다. 두 개의 평행한 마이크로채널 층을 통해 반대 방향으로 유체를 유동시킴으로써, 각각의 측에 대한 온도 구배는 인접한 층의 방향으로부터 반대 방향으로 증가하고, 따라서 전체 히트 싱크 부재에 걸쳐 비교적 균일한 가열을 제공하게 된다.
도 8은 제1 시트(302D), 제2 시트(304D) 및 제3 시트(324D)로 구성되는, "300D"로 표시된 또 다른 대안적 실시예를 도시한다.
이 실시예의 제1 시트(304D)는 그 상부 주 표면에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널(314) 및 그 하부 주 표면에 형성되는 다수의 제2 마이크로 채널(326D)을 갖는다. 제2 및 제3 시트(304D 및 324D) 각각은 마이크로 채널(314D 및 326D) 상에 각각 덮개로서 작용하는 평평한 시트이다. 따라서 도 8의 실시예도 역시 인접한 층을 통해 반대방향에서의 유체 유동을 허용하는 두 개의 평행한 마이크로채널 을 제공한다.
이제 도 9를 참조하면 히트 싱크 부재의 다른 실시예가 도면부호 "300E"로 표시되어 있다. 히트 싱크 부재(300E)는 도 1 및 5의 히트 싱크 부재(300A)의 제1 및 제2 시트와 유사하게 구성되는 제1 시트(302E) 및 제2 시트(304E)를 포함한다. 히트 싱크 부재(300E)는 제3 및 제4 시트(324E 및 328E)를 더 포함한다. 제3 시트(324E)는 그 내부에 형성되는 다수의 제2 마이크로채널(326E)을 갖는다. 제4 시트(328E)는 마이크로채널(326E)을 덮도록 작용하는 평평한 시트이다.
도 10은 도면부호 "300F"에 의해 표시되는 히트 싱크 부재의 또 다른 실시예를 도시한다. 히트 싱크 부재(300F)는 4개의 가요성 그래파이트 시트(302F, 304F, 324F, 328F)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 각각의 시트는 그 내부에 형성되는 다수의 마이크로채널을 갖는다. 제1 및 제2 시트(302F 및 304F)의 마이크로채널은 도 2 및 6의 시트(302B 및 304B)의 마이크로채널과 마찬가지로 서로의 위에 겹쳐 놓여져서 서로에 대해 상보적으로 형성된다. 시트의 두 번째 쌍(324F 및 328F)도 그 내부에 형성되는 상보적인 마이크로채널을 가져서, 4개의 시트가 이격된 두 개의 층의 마이크로채널을 함께 제공하고 이로써 히트 싱크 부재(300F)가 두 개의 층에서 반대 방향으로 유체를 운반할 수 있게 한다.
이제 도 3을 참조하면, 도 2 및 도 6의 히트 싱크 부재의 단부 도면이 도시되어 있다. 마이크로프로세서 칩 또는 기타 종래의 전자장치일 수 있는 전자 장치(312)가 열 접촉 표면(308) 상에 장착되어 도시되어 있다.
이방성의 가요성 그래파이트 재료의 시트로 형성된 열적 인터페이스(330)가 히트 싱크 부재(300B)의 제2 시트(304B)에 부착되어 히트 싱크 부재(300B)의 제1 열 접촉 표면(308)을 형성한다. 열적 인터페이스(330)의 사용은 선택적이라는 것을 알 수 있을 것이다. 열적 인터페이스(330)에 대한 바람직한 구성은, 본 명세서에 참조로 병합되고 본원발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 6,746,768호에 개시된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 히트 싱크 부재(300B)는 두 개의 적층된 전자 장치(312 및 332) 사이에 삽입될 수 있다. 제2 전자장치(332)는 시트(302B)의 하부 표면(305B) 상에 형성되는 제2 열 접촉 표면(334) 상에 장착된다. "330" 과 같은 열적 인터페이스는 전자장치(312 및 332) 중 하나 또는 이둘 모두와 히트 싱크 부재(300B) 사이에 제공될 수 있다.
도 4의 구성과 같은 구성이 마이크로채널 히트 싱크 부재(300B)의 사용을 통해 그 사이에 적당한 냉각을 여전히 제공하면서도 매우 고 밀도의 전자 장치를 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 도 5-10에 도시된 히트 싱크 부재(300)의 다양한 대안적 구성 중 어떤 것도 도 3 및 4에 각각 도시된 것과 같이 단일한 전자장치(312)가 장착되거나 두 개의 전자장치(312 및 332) 사이에 삽입될 수 있다.
마이크로채널 히트 싱크는 특히, 50 W/cm2 보다 크다고 대체적으로 여겨지는 고 열 유동 밀도의 상태 하에서 작동가능한 전자 장치(312 및 332)에 사용하기 위한 용도이다.
그 내부에 형성되는 마이크로채널을 갖는 시트(302A)와 같은 각각의 시트는 바람직하게 약 0.4mm 내지 약 3.75mm 까지의 범위의 두께를 갖는다. 바람직하게는 시트가 약 2.0mm 이하의 두께를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 시트가 약 1.0mm 이하의 두께를 갖는다.
본 명세서에 기재된 그래파이트 재료로부터 제조되는 마이크로채널 히트 싱크는 다른 재료로부터 제조된 마이크로채널 히트 싱크에 비하여 많은 장점을 갖는다.
한 가지 장점은 그래파이트 재료가 실리콘, 알루미늄, 구리, 다이아몬드 및 통상적으로 사용되는 기타 재료와 비교할 때 비교적 경량이라는 점이다. 이와 같이 비교적 경량인 고 용량의 마이크로채널 히트 싱크 부재는 랩톱 컴퓨터, 휴대용 정보 단말기(PDA), 및 휴대폰과 같이 비교적 소형의 연산 장치에 특히 유용하다. 히트 싱크 부재(300)를 구성하는 가요성 그래파이트 시트 각각은, 바람직하게는, 약 1.0 g/cc 내지 약 2.0 g/cc 범위의 밀도를 갖는다. 더욱 바람직하게는 시트가 약 1.4 g/cc 내지 약 2.0 g/cc 범위의 밀도를 갖는다. 시트의 열 전도성은 바람직하게는 약 140 W/m°K 이상, 더욱 바람직하게는 약 400 W/m°K 이상이다.
그래파이트 재료로부터 형성된 히트 싱크 부재의 다른 장점은 마이크로채널 히트 싱크에 가장 일반적으로 사용되는 냉각 액체인 물에 불활성이라는 점이다. 이는 마이크로채널 히트 싱크에 사용되었던 알루미늄과 같은 일부의 다른 물질과는 대조적이다. 그래파이트 재료로 제조된 마이크로채널 히트 싱크에 사용되는 바람직한 냉각 매체가 물이라 하더라도, 가요성 그래파이트 시트 내의 수지를 침식시키는 용제(solvents) 등을 포함하지 않는 한 임의의 다른 적당한 냉각 유체가 사용될 수도 있다.
그래파이트 재료로부터 제조된 마이크로채널 히트 싱크의 다른 장점은 재료 자체가 마이크로채널 히트 싱크에 사용되어온 실리콘과 같은 일부의 다른 재료에 비하여 우수한 열 전도성을 갖는다는 점이다.
그래파이트 재료로 제조된 마이크로채널 히트 싱크의 다른 장점은 그래파이트 재료가 마이크로프로세서 및 기타 전자장치에 통상적으로 사용되던 반도체 및 세라믹 재료에 필적하는 열 팽창 계수를 갖는다는 점이다.
그래파이트 재료로 제조되는 마이크로채널 히트 싱크 부재(300)의 다른 장점은 마이크로채널이 재료의 저렴한 제조를 가능하게 하는 롤러 엠보싱 가공(roller embossing)과 같은 고 용량 제조 방법을 사용하여 재료로 형성될 수 있다는 점이다. 폭이 약 100 마이크론까지 줄여지는 채널은 롤러 엠보싱 가공에 의하여 생산될 수 있다.
수지 함침형 그래파이트 시트가 사용되는 경우에 그래파이트 시트는, 바람지하게는, 5 중량% 이상의 수지 함량을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 약 10 중량% 내지 약 35 중량% 까지의 수지 함량을 갖는다. 적절하게는 수지 함량이 약 60 중량% 까지 상승될 수 있다.
가요성 그래파이트 재료의 시트에 마이크로채널을 형성하기 위하여 다른 많은 방법이 사용될 수 있다. 기타의 방법은 기계가공(machining), 산화 식각(acid etching)과 같은 식각, 에어 스크라이빙(air scribing), 음파 가공(sonic machining), 레이저 어블레이션(laser ablation), 스탬핑(stamping), 사진석판 술(photolithography) 등등을 포함할 수 있다.
마이크로채널 히트 싱크(300A)의 제조 방법은 일반적으로 이하의 단계를 포함하는 것으로 기술될 수 있다:
(a) 두 개의 주 표면(303A 및 305A)을 갖는 그래파이트 재료의 제1 시트(302A) 제공 단계;
(b) 제1 시트(302A)의 주 표면 중 하나(303A)에 다수의 마이크로채널(314A)을 형성하는 단계;
(c) 제1 시트(302A) 위에 제2 시트(304A)를 겹쳐 놓고 마이크로채널(314A)의 단면을 폐쇄하도록 제1 및 제2 시트의 인접한 주 표면(303A 및 309A)을 결합시키는 단계;
(d) 전자장치(312)의 장착을 위하여 제2 시트(304A)의 (306A)와 같은 노출된 주 표면 상에 열 접촉 표면(308A)을 제공하는 단계.
대안적인 실시예에서, 마이크로채널 히트 싱크 부재(300A-300F) 중 어떤 것도, 마이크로채널을 물과 같은 액체로 채우고 그 단부를 폐쇄시킴으로써 간단히 열 전달 부재로서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서는, 유체가 마이크로채널을 통해 유동하지는 않지만, 마이크로채널 내에 유체가 존재함으로써 마이크로채널 히트 싱크가 매우 효과적인 히트 파이프(heat pipe)나 열 전달 부재로서 사용할 수 있게 하는 열 전달 매체를 제공하게 된다.
도 11은 각각 하나 및 두 개의 그 주 표면에 엠보싱 가공(embossing)에 의해 형성된 마이크로채널을 갖는 (302A)와 같은 가요성 그래파이트 시트의 단면을 취한 현미경사진이다. 도 11의 사진은 0.25mm 의 척도를 갖는다. 가요성 그래파이트 시트는 약 0.9mm 내지 약 1.2mm 의 두께를 갖는다. 그 내부에 형성되는 마이크로채널은 0.4-0.5mm의 깊이 및 0.6-1.0 mm의 폭을 갖는다.
그래파이트 내에 마이크로채널을 엠보스 가공하는 능력 대(versus) 실리콘 재료에 대해 요구되는 보다 비용이 많이 드는 기계가공 또는 산성 식각은, 그래파이트 마이크로채널 히트 싱크의 가벼운 무게와 함께 본원발명의 또 다른 장점을 제공한다.
본 명세서가 마이크로 프로세서와 같은 전자 장치를 냉각시키기 위한 마이크로채널 히트 싱크의 적용과 관련하여 설명되었으나, 본원발명의 방법 및 히트 싱크는 다른 열원에도 동일하게 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
본원발명에서 언급되는, 모든 인용된 특허 및 공개공보는 참조로서 본 명세서에 병합된다.
본원발명이 이와 같이 설명되었으므로, 다양한 방식으로 변화될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 이러한 변화는 본원발명의 범위 및 기술 사상으로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 되며, 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 이러한 수정은 이하의 청구범위의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 전자 장치를 냉각시키기 위한 장치로서,
    상기 전자 장치와의 열적 접촉을 이루기 위한 적어도 제1 열 접촉 표면을 갖는 히트 싱크 부재를 포함하고,
    상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 적어도 제1 시트로 구성되고, 상기 시트가 두 개의 주 표면을 가지며,
    상기 주 표면 중 하나 이상이 냉각 유체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 제1 마이크로채널을 가지며, 상기 마이크로 채널 각각이 상기 주 표면 중의 상기 하나와 평행한 길이를 가지고 상기 길이에 수직인 단면을 가지며, 상기 단면이 약 1,000 마이크론 이하의 치수를 하나 이상 가지는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 제2 시트를 포함하고, 상기 제1 및 제2 시트가 서로 결합하여 상기 마이크로채널의 상기 단면을 형성하는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 시트가 마이크로채널이 없는 평평한 시트이며 상기 제1 시트의 마이크로채널 상에 덮개를 형성하는
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 시트가 상기 제1 시트의 마이크로채널 상에 겹쳐 놓이며 이에 상보적인 패턴으로, 제2 시트의 내부에 형성되는 다수의 마이크로 채널을 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 접촉 표면이 상기 마이크로채널 반대편의 상기 제1 시트의 주 표면 상에 형성되며,
    상기 제2 시트가 제2 전자 장치와 열적 접촉을 이루기 위한 제2 열 접촉 표면을 가지고, 이로써 상기 히트 싱크 부재가 두 개의 적층된 전자 장치 사이에 삽입될 수 있는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 제3 시트를 포함하고, 상기 제3 시트가 상기 제1 및 제2 시트 중 하나와 결합되며,
    상기 제1 및 제2 시트 중의 상기 하나와 상기 제3 시트가, 그 사이에 형성되어 상기 다수의 제1 마이크로채널로부터 분리되는 다수의 제2 마이크로채널을 가지고, 이로써 상기 다수의 제1 및 제2 마이크로채널이 반대 방향으로 냉각 유체를 운반할 수 있는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부재가 상기 제1 열 접촉 표면의 반대편에 있는 그 측면 상에 제2 열 접촉 표면을 포함하는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    적층된 제1 및 제2 전자 장치와 함께 작동하며, 상기 제1 및 제2 전자 장치가 상기 제1 및 제2 열 접촉 표면 상에 각각 장착되는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단면의 상기 하나 이상의 치수가 약 100 마이크론 이상인,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시트가 약 1.0 g/cc 내지 약 2.0 g/cc 범위의 밀도를 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시트가 약 0.4 mm 내지 약 3.75 mm 범위의 두께를 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 시트가 약 2.0 mm 이하의 두께를 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 시트가 약 1.0 mm 이하의 두께를 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시트에 수지가 함침되며, 약 5 중량% 이상의 수지 함량을 갖는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 접촉 표면을 형성하며 상기 히트 싱크 부재에 부착되는 이방성 가요성 그래파이트 재료의 시트로 형성되는 열적 인터페이스를 더 포함하는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전자 장치와 함께 작동하며, 상기 전자 장치가 상기 제1 열 접촉 표면 상에 장착되는
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로채널이 롤러 엠보싱 가공에 의하여 상기 제1 시트에 형성되는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    약 1,000 마이크론 이하의 상기 하나 이상의 치수가 상기 단면의 폭을 포함하는,
    전자 장치를 냉각시키기 위한 장치.
  19. 액체 냉각식 전자 장치로서,
    고 열 유동 밀도의 조건하에서 작동가능한, 적층된 제1 및 제2 전자 장치;
    상기 적층된 제1 및 제2 전자 장치의 각각과 열적 접촉하며, 이들 사이에 삽입되는 히트 싱크 부재; 를 포함하고,
    상기 부재가 그 주 표면들이 서로 결합되는 두 개 이상의 가요성 그래파이트 재료의 시트로 구성되고, 상기 시트 중 하나 이상이 냉각 액체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 다수의 마이크로채널을 가지는,
    액체 냉각식 전자 장치.
  20. 그래파이트 재료로부터 마이크로채널 히트 싱크를 제조하는 방법으로서,
    (a) 각각의 시트가 두 개의 주 표면을 갖는, 가요성 그래파이트 재료의 제1 및 제2 시트를 제공하는 단계;
    (b) 상기 제1 시트의 상기 주 표면 중 하나 이상에 다수의 마이크로채널을 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 시트 위에 상기 제2 시트를 겹쳐 놓고, 상기 마이크로채널의 단면을 폐쇄하도록 상기 제1 및 제2 시트의 인접한 주 표면을 서로 결합시키는 단계; 및
    (d) 전자장치의 장착을 위하여 상기 제1 및 제2 시트 중 하나의 노출된 주 표면 상에 열 접촉 표면을 제공하는 단계; 를 포함하는,
    마이크로채널 히트 싱크 제조 방법.
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