KR20130015910A - 탄소나노튜브를 이용한 방열판 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 방열판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는, 탄소나노튜브의 공극을 진공 증착 및 전기 도금을 이용하여 전도성 금속을 채워서, 기존보다 뛰어난 열방출 효과를 나타내는 탄소나노튜브를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 방열판은, 수직 성장된 나노튜브의 방향성을 유지하면서 금속과 혼합하기 때문에 열적인 우수성을 그대로 유지할 수 있으며, 공기로 채워진 빈 공간을 전도성 금속으로 채움으로서 기존에 쓰이는 전도성 방열판에 비하여 뛰어난 열방출 효과를 나타낼 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 방열판 및 이의 제조방법 {HEAT SINK PLATE USING CARBON NANOTUBES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 방열판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

열을 방출해 기기의 성능 저하와 과부하를 방지하는 방열판은 최근 전자제품이 소형화되고 다양한 기능을 내장함에 따라 더 많은 열이 발생하고 있어 채용이 확대되는 추세다. 특히 LED 광원을 채용한 액정화면(LCD) TV는 가동 시 내부 온도가 섭씨 90도 이상 오르기 때문에 방열판을 사용해 적절히 열을 배출해야만 한다. 또 방열판을 태양광모듈에 적용할 경우 에너지 생산효율을 높이는 기능도 한다. 하지만 방열판 소재로 사용되는 알루미늄은 열전도성이 높아 방열 성능 면에서 가장 우수하지만 원자재 가격 상승 등으로 대체재 개발이 필요하다. 세라믹의 경우 섭씨 1300도 이상 고온에서 만들어져 모양과 크기 등이 제한적이고 대만 독일 등 외산에 전량 의존하는 실정이다.

한편, 탄소나노튜브는 길이가 수 ㎛에서 수 cm까지 조절가능하며, 직경은 100 nm 이하로 열전도도 측면에서 길이방향으로의 열전도도는 ~ 2000 W/mK 이상이나, 직경방향으로는 무시해도 될 정도이다. 따라서 열적 특성이 우수한 탄소나노튜브를 길이방향으로 집적한다면 열방출 기술의 대안이 될 수 있다. 따라서, 수직으로 정렬된 탄소나노튜브는 길이방향으로 정렬되어 있어서 방열판으로의 응용가능성이 크다고 할 수 있다.

현재까지 보고된 논문들에 의하면 측정된 열전도도의 값은 한 가닥의 탄소나노튜브를 기준으로 2000 W/mK 이상이었다. 하지만, 벌크한 형태로 제작하여 열전도도를 측정한 경우는 그 값이 100 W/mK 이하이며 그 구조, 합성 방법 등에 의해 측정값이 달랐다. 수 ㎛에서 수 mm까지 수직으로 정렬된 벌크형태의 나노튜브를 가까이서 관찰해 보면 튜브 사이에는 수많은 공극들이 존재하게 되고 공기의 열전도도는 0.025 W/mK이므로 벌크한 형태의 탄소나노튜브에서 우수한 열전도도를 기대하기 어렵게 된다. 실제로 나노튜브가 차지하는 면적은 전체 면적의 13% 정도 밖에 되지 않는다.

주로 탄소나노튜브를 방향성 없이 폴리머같은 바인더 물질들과 섞거나 혹은 수직성장된 나노튜브를 사용하기는 하였으나 그 사이사이의 공극을 고려하지는 않았다(한국등록특허 제 10-0356718 호 참조). 또한 수백 ㎛ 이하의 길이를 가진 탄소재료에 전기 도금을 이용하여 알루미늄 입자를 도금하여 알루미늄 입자가 코팅된 탄소재료를 얻었으나 방열판의 응용에 있어서는 정렬된 나노튜브를 가진 구조체가 필수적이며 길이 또한 수 mm까지 요구된다(한국 공개 특허 제 10-2008-0095993호 참조).

이에 본원 발명자는 수직형 탄소나노튜브 공극에 금속을 채워 열방출 효과를 높일 수 있는 점에 착안하여 본원 발명을 발명하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 수직형 탄소나노튜브의 공극을 진공 증착 및 전기 도금을 이용하여 전도성 금속을 채워서 열방출 효과가 향상된 탄소나노튜브를 제조하는 방법 및 탄소나노튜브를 제공하는 것이다.

일 구체예에서, 탄소나노튜브를 수직정렬로 제조하고, 탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 방법을 포함하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 구체예에서, 탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 진공 증착 방법인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 구체예에서, 탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 방법은 전기 도금 방법인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 구체예에서, 흡입열처리 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 구체예에서 전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 구체예에서, 전도성 금속은 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 구체예에서, 공극은 전체 공간의 10% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법을 제공한다.

일 구체예에서, 수직 정렬된 공극을 가지는 탄소나노튜브에 전도성 금속이 채워진 방열판을 제공하고, 상기 구체예에서, 전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판을 제공하며, 상기 구체예에서, 전도성 금속은 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 방열판을 제공하며, 상기 구체예에서, 전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판을 제공하며, 상기 구체예에서, 공극은 전체 공간의 10% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 방열판을 제공한다.

일 구체예에서, 탄소나노튜브를 수직방향으로 정렬시켜서 성장하기 위해서는 촉매로 사용되는 물질의 적절한 밀도가 필요하고, 나노튜브의 직경과 월(wall) 수는 촉매의 크기와 상관관계가 있고, 열 기상증착이나 스퍼터(sputter)로 촉매를 올릴 경우 그 두께를 조절할 수 있다. 통상, 탄소나노튜브를 수직성장할 경우 약 ~10%의 부피를 차지하게 되며 나머지 90%인 튜브 사이사이는 다 비어있게 된다. 공기의 열전도도는 0.025W/mK으로 매우 낮기 때문에 방열판 응용에 있어서 나노튜브의 밀도를 조절하는 점이 중요하게 된다.

본 발명에 의한 방열판은 수직 성장된 나노튜브의 방향성을 유지하면서 금속과 혼합하기 때문에 열적인 우수성을 그대로 유지할 수 있으며, 공기로 채워진 공극을 전도성 금속으로 채움으로서 기존에 쓰이는 알루미늄 및 구리 방열판에 비하여 뛰어난 열방출 효과를 나타낼 수 있다.

도1은 본 발명의 전반적인 과정에 대한 개략도이다.
도2는 액상으로 준비한 촉매를 이용하여 나노튜브를 성장시킨 전자현미경 사진이다.
도3은 수직성장된 나노튜브 사이로 침투한 금속에 대한 전자현미경 사진이다.
도4는 탄소나노튜브에 대한 Al 도금 전과 도금 후의 SEM 사진이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

수직 정렬된 탄소나노튜브의 제조

실리콘 기판 위에 증착기(evaporator)로 10 - 20 nm 두께의 알루미늄을 증착하고, 그 위에 1 nm 두께의 철을 같은 방법을 이용하여 증착시킨 후, 화학기상증착장비에서 알곤을 주입한 후 온도를 750 ^oC 이상으로 상승시키고 알곤, 수소, 탄화수소 가스를 동시에 주입하여 철 위에서 탄소나노튜브가 성장하게 하였다.

또한, 증착기를 이용하지 않고 염화철 또는 철질산염 등을 에탄올 또는 물에 녹여 용액을 제조한 후 실리콘 기판 위에 스핀 코팅 혹은 디핑(dipping)을 하여 밀도를 조절한 후 위와 같은 화학기상증착법을 이용하여 한 방향으로 정렬된 튜브를 얻었다.

도2은 액상으로 준비한 촉매를 이용하여 나노튜브를 성장한 전자현미경 사진으로, 일반적으로 밀도가 높아져야 수직으로 정렬되는 현상이 나타나므로 액상촉매만으로도 밀도 조절이 가능하다는 것을 보여준다.

탄소나노튜브 공극의 금속 충진

진공 증착

열 증착기(Thermal evaporator)를 이용하여 금속을 증착한 후 열처리 과정과 동시에 흡입하여 나노튜브를 코팅하였다.

실시예 1에서 수직 성장된 탄소나노튜브에 열전도도가 우수한 Cu 및 Al 금속을 열증착기(Thermal evaporator)로 5 ㎛ 이상 증착시켰다. 이때, 증착 시간을 늘릴수록 금속들이 나노튜브 사이사이로 더 깊게 들어갔다. 이 과정에서 수직 성장된 탄소나노튜브의 아래 부분을 사용하거나, 나노튜브가 얽혀 있는 부분을 플라즈마로 에칭하여 제거하여 나노튜브의 정렬도를 향상시킴으로써, 상기 금속이 깊숙히 침투할 수 있게 하였다(도 3 참조).

전기 도금

수직 성장된 탄소나노튜브 위에 전기도금 방법을 이용하여 열전도도가 좋고 현재 방열판 재료로 많이 쓰이는 Al과 Cu을 도금하였다. 길이가 수십 ㎛에서 수 mm까지 조절 가능한 수직 성장된 탄소나노튜브를 작업 전극에 놓고 알루미늄 클로라이드를 녹인 도금 용액을 채운 후 -2 ~ -3V의 포텐셜을 인가하여 금속을 나노튜브 사이사이에 증착시켰다.

이때, 도 4는 Al 도금 전과 도금 후의 SEM 사진으로, 도금 전에는 나노튜브들 사이로 빈 공간들이 보이는데 도금한 후 빈 공간들이 다 채워진 것을 알 수 있다.

흡입 열처리

고온 고진공 챔버 안에 SUS 멤브레인을 기판에 놓고 그 위에 시료를 놓았다. 그 후 온도를 상승시키고 목적하는 금속이 녹게 되면 기판 하단 쪽으로 펌프를 이용하여 녹은 금속을 흡입함으로써, 균일하게 코팅되게 하였다. 이 흡입 열처리 과정은 상기 진공 증착 또는 전기 조금 이후에 수행하였다.

탄소나노튜브의 열방출 효과

탄소나노튜브의 메트릭스 안에 금속인 알루미늄, 구리 및 아무것도 채워져 있지 않고 공기가 존재할 때의 탄소나노튜브의 열전도도의 값을 계산하였다. (하기 표1 참조)

열 전도도의 값은 k_composite = (1-x)k_metal + xk_CNT 로 계산되었다. 일반적으로 수직으로 정렬되어 성장된 탄소나노튜브가 차지하는 면적은 10% 내외이므로 Cu 와 같이 열전도도가 뛰어난 물질로 공기가 차지하는 부피를 채워 넣게 된다면 두 배 이상의 열전도도값이 향상됨을 알 수 있다.

지금까지 예시적인 실시 태양을 참조하여 본 발명을 기술하여 왔지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당 업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 다양한 변화를 실시할 수 있으며 그의 요소들을 등가물로 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고서도 많은 변형을 실시하여 특정 상황 및 재료를 본 발명의 교시내용에 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 실시하는데 계획된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시 태양으로 국한되는 것이 아니며, 본 발명이 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. i) 탄소나노튜브를 수직정렬 형태로 제조하는 방법; 및
   ii) 탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 방법을 포함하는 방열판을 제조하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 방법은 진공 증착 방법인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   탄소나노튜브 사이의 공극에 전도성 금속을 채우는 방법은 전기 도금 방법인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   흡입열처리 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   전도성 금속은 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   공극은 전체 공간의 10% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 방열판을 제조하는 방법.
8. 수직 정렬된 공극을 가지는 탄소나노튜브에 전도성 금속이 채워진 방열판.
9. 제 8항에 있어서,
   전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판.
10. 제 8항에 있어서,
    전도성 금속은 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 방열판.
11. 제 8항에 있어서,
    전도성 금속은 알루미늄, 구리, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상임을 특징으로 하는 방열판.
12. 제 8항에 있어서,
    공극은 전체 공간의 10% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 방열판.

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