KR20160065141A - 성능이 증강된 열 확산기 - Google Patents

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KR20160065141A
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coating layer
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thermal conductivity
pyrolytic graphite
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KR1020167010987A
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리차드 제이. 르마크
로버트 제이. 모스케이티스
Original Assignee
스페셜티 미네랄스 (미시간) 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 양태들은 열분해 흑연 기재 표면의 적어도 일부 위에 무정형 및/또는 미세 입자 마이크로구조의 금속을 함유하는 금속 코팅 층을 배치하는 방법을 포함하고, 상기 금속은 니켈, 철, 니켈-철 합금 또는 이의 임의의 조합을 함유하며, 이 금속의 입자들은 크기가 1 nm 내지 10000 nm이다. 또한, 본 발명의 양태들은 코팅된 열분해 흑연 입자를 포함한다. 이 코팅된 기재는 미코팅된 기재보다 낮지 않은 열전도율을 나타낸다.

Description

성능이 증강된 열 확산기{PERFORMANCE ENHANCED HEAT SPREADER}
본 발명은 열분해 흑연 기재에 코팅을 적용하는 방법 및 열전도율이 향상된 코팅된 열분해 흑연에 관한 것이다.
코팅된 열분해 흑연은 장치로부터 열을 전도하기 위한 열 확산기로써 사용될 수 있다. 전자 부품들은 더욱 소형화되고 있고, 반면 열 분산 요구들은 더욱 커지고 있다. 이러한 전자 부품들에 의해 발생된 열을 분산시키기 위해 전자 부품과 열 싱크(sink) 사이에는 열 확산기가 이용된다. 열 확산기는 고체 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. 고체 전도성 금속은 열을 확산시키는 능력이 제한적이고 열전도율 특성들이 제한적이다.
인용문헌
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허출원 문헌들은 각각의 간행물, 특허 또는 특허출원이 각각 특별하게 참고 인용되는 것으로 표시되어 있고, 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 여기에 모든 도면을 포함해서 충분히 기술되었지만, 동일한 정도로 참고 인용된 것이다.
본 발명의 비제한적 양태들은 다음과 같은 문단들에 설명된다:
본 발명의 제1 양태들은 열분해 흑연 기재 표면의 적어도 일부 위에 금속을 함유하는 금속 코팅 층을 배치하는 방법으로써, 상기 금속은 니켈, 철, 니켈-철 합금 또는 이의 임의의 조합을 함유하며, 이 금속의 입자(grain)들은 크기가 1 나노미터(nm) 내지 10000 nm이거나, 무정형이거나 또는 이 둘 모두인 방법을 포함한다.
본 발명의 제2 양태들은 열분해 흑연 기재의 적어도 일부 표면 위에 배치된 금속을 함유하는 금속성 코팅 층을 함유하는 물품으로써, 이 금속이 니켈, 철, 니켈-철 합금 또는 이의 임의의 조합을 함유하며, 이 금속의 입자가 1nm 내지 10000 nm 크기이거나, 이 금속이 무정형이거나, 또는 이 둘 모두인 것인 물품을 포함한다.
본 발명의 제3 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 상기 제1 양태에 기술된 방법 또는 상기 제2 양태에 기술된 물품에서, 열분해 흑연 기재는 고 배향성 열분해 흑연, 화학 증착 침착된 열분해 흑연 또는 이의 조합이다.
본 발명의 제4 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태에 기술된 방법 또는 제2 양태에 기술된 물품에서, 열분해 흑연 기재는 PYROID® HT, PYROID® SN, PYROID® CN 또는 이의 조합이다.
본 발명의 제5 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제4 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 기재 위에 배치된 Nanovate™ N2040 코팅은 금속성 코팅 층을 함유한다.
본 발명의 제6 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제5 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층은 금속 입자 크기가 2nm 내지 5000nm인 미세 입자형(fine grained) 금속을 함유한다.
본 발명의 제7 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제6 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅은 금속 입자 크기가 5nm 내지 1000nm인 미세 입자형 금속을 함유한다.
본 발명의 제8 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제7 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅은 금속 입자 크기가 10nm 내지 500nm인 미세 입자형 금속을 함유한다.
본 발명의 제9 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제5 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅은 금속 입자 크기가 2nm, 5nm 및 10nm 중에서 선택되는 최소 크기 및 100nm, 500nm, 1000nm, 5000nm 및 10,000nm 중에서 선택되는 최대 크기의 범위인 미세 입자형 금속을 함유한다.
본 발명의 제10 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제9 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 코팅은 합금 첨가를 함유한다.
본 발명의 제11 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제10 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 합금 첨가는 B, C, H, O, P, S 및 이의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다.
본 발명의 제12 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제10 양태에 기술된 방법 또는 물품에서, 합금 첨가는 Ag, Au, B, Cr, Mo, P, Pb, Pd, Rh, Ru, Sn, Zn 및 이의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다.
본 발명의 제13 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제12 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 코팅은 고체 미립자가 금속; 금속 산화물; B, Cr, Bi, Si, W의 탄화물 또는 이의 조합; 탄소, 유리; 중합체 물질; MoS2; 또는 이의 임의의 조합인 고체 미립자를 함유한다.
본 발명의 제14 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제13 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 중합체 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 에폭시 수지 및 이의 임의의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다.
본 발명의 제15 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제14 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 코팅은 95 부피% 이하의 고체 미립자를 함유한다.
본 발명의 제16 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제14 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 코팅은 1 내지 95 부피%의 고체 미립자를 함유한다.
본 발명의 제17 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제16 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층의 두께는 10㎛ 내지 50mm이다.
본 발명의 제18 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제17 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층의 두께는 25㎛ 내지 25mm이다.
본 발명의 제19 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제18 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층의 두께는 30㎛ 내지 5mm이다.
본 발명의 제20 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제19 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층이 적용되기 전에 기재에는 하나 이상의 중간 코팅 층이 적용된다.
본 발명의 제21 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제20 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 중간 코팅 층(들) 중 적어도 하나는 금속, 중합체, 또는 금속과 중합체를 둘 다 함유한다.
본 발명의 제22 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제21 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 중간 코팅 층 두께는 금속 코팅 층 두께보다 20% 이상 적다.
본 발명의 제23 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제22 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속 코팅 층 및 중간 코팅 층(들)(존재한다면)은 기재의 외부 표면을 전부 피복(cover)한다.
본 발명의 제24 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제22 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층 및 중간 코팅 층(들)(존재한다면)은 기재의 외부 표면 중 일부만을 피복한다.
본 발명의 제25 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제24 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 코팅된 열분해 흑연의 열전도율은 미코팅된 열분해 흑연 기재보다 작지 않다.
본 발명의 제26 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제25 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층으로 코팅된 기재는 미코팅된 기재의 열전도율의 약 105%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 105% 이상, 250% 이하의 열전도율을 나타낸다.
본 발명의 제27 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제26 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층으로 코팅된 기재는 미코팅된 기재의 열전도율의 약 110%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 110% 이상, 250% 이하의 열전도율을 나타낸다.
본 발명의 제28 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제27 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층으로 코팅된 기재는 미코팅된 기재의 열전도율의 약 115%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 115% 이상, 250% 이하의 열전도율을 나타낸다.
본 발명의 제29 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제28 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층으로 코팅된 기재는 미코팅된 기재의 굴곡 강도(flexural strength)보다 큰 굴곡 강도를 나타낸다.
본 발명의 제30 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제29 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층으로 코팅된 기재는 미코팅된 기재의 굴곡 강도의 약 110%의 굴곡 강도, 또는 미코팅된 기재의 110% 이상, 미코팅된 기재의 2000% 이하의 굴곡 강도를 나타낸다.
본 발명의 제31 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제30 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층은 모든 방향에서 실온의 선형 열팽창의 계수가 25 × 10-6 K-1 미만이다.
본 발명의 제32 양태들에서, 예컨대 비제한적으로 제1 양태 내지 제30 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 금속성 코팅 층은 모든 방향에서 실온의 선형 열팽창 계수가 5.0 × 10-6 K-1 내지 25 × 10-6 K-1 사이의 범위이다.
본 발명의 제33 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제1 양태 내지 제32 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 기재는 열확산기이다.
본 발명의 제34 양태들에서, 예컨대 비제한적으로, 제33 양태에 기술된 방법 또는 물품 중 어느 하나에서, 열확산기는 미국 특허 8,085,531, 7,859,848, 7,808,787 및 8,059,408에 기술된 것 중 어느 하나이다.
도 1은 흑연 시트 구조의 한 예를 도시한 것이다.
도 2는 고 배향성 열분해 흑연의 제조 방법을 도시한 것이다.
청구범위를 비롯한 본원에 단수의 사용은 다른 분명한 표시가 없는 한 복수를 포함하고, 그 반대도 마찬가지이다. 즉, 단수적 표현은 이 단어가 수식하는 것 중 하나 이상을 의미한다. 예컨대, "물품"은 물품 1개, 2개 등을 의미할 수 있다. 마찬가지로, 단어들, 예컨대 비제한적으로 "물품들"은 분명하게 언급되지 않거나 문맥에서 의도되지 않음이 분명하지 않는 한, 복수의 물품들뿐만 아니라 하나의 물품을 의미하기도 한다.
본원에 사용된, 근사치의 용어들, 예컨대 비제한적으로 "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 "대략"은 이 용어가 수식하고 있는 단어 또는 어구가 기재된 그대로일 필요는 없고, 기재된 설명과 어느 정도 다를 수 있다는 것을 의미한다. 절대적 형태 또는 완전한 형태인 기재된 설명의 문자적 의미와 설명이 다를 수 있는 정도는 변화가 얼마나 크게 도입될 수 있는지에 따라 달라질 것이고, 당업자는 수식된 버전(version)을 수식된 단어 또는 어구의 성질, 특징 및 역량을 그대로 보유하는 것으로 인식할 것이다. 일반적으로, 하지만 상기 논의를 고려하여, 본원에서 대략이란 단어가 수식하고 있는 수치 값은 다른 분명한 표시가 없는 한, 제시된 값에서 ±15% 정도 변동될 수 있다.
본원에 사용된, 제시된 모든 범위는 말단 값을 포함한다. 예를 들어, "10℃ 내지 30℃ 사이의 온도" 또는 "10℃ 내지 30℃의 온도"는 10℃ 및 30℃, 뿐만 아니라 그 사이의 모든 온도를 포함한다.
본원에 사용된, 제시된 기재 "위에 배치된" 층 또는 필름(예, 코팅)으로 설명된 물질은 예컨대 기재 표면의 적어도 일부 위에 직접 또는 간접적으로 침착된 물질의 코팅을 의미한다. 제공된 물질의 "층" 또는 "코팅"은 이 물질의 길이 및 너비에 비해 두께가 작은 물질 영역이다(예컨대, 길이 및 너비 치수 모두가 일부 양태들에서 두께 치수의 적어도 5, 10, 20, 50, 100배 이상일 수 있다). 직접 침착은 코팅이 기재의 표면에 바로 적용되는 것을 의미한다. 간접 침착은 코팅이 기재 위에 직접 또는 간접적으로 침착되어 있는 중재 층에 적용되는 것을 의미한다. 코팅은 기재의 표면에 직접 또는 간접으로 침착되든지 간에, 기재의 표면에 의해 지지된다. 본원에 사용된 층은 반드시 평면일 필요는 없고, 예컨대 기저 기재의 윤곽 위에 탑재될 수 있다. 층은 불연속성일 수 있다. 층은 비균일한 두께일 수도 있다. "코팅", "층" 및 "코팅 층"이란 용어는 호환 사용될 것이며, 이 문단에 기술된 바와 같은 층, 필름 또는 코팅을 의미한다.
본원에 사용된, "코팅 두께" 또는 "층 두께"란 용어는 침착 방향으로의 깊이를 의미한다.
이제, 본 발명은 이하의 상세한 설명과 비제한적 실시예를 참고로 하여 상세하게 설명될 것이다. 추가 상술 없이, 당업자는 이전 설명으로 본 발명을 충분하게 이용할 수 있다고 생각한다. 따라서, 이하의 양태들은 예시적일 뿐, 본 개시내용의 나머지를 어떤 식으로든지 제한하지 않는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 양태들은 열분해 흑연을 함유하는 기재에, 금속, 또는 금속 매트릭스 복합재(composite) 또는 이 둘 모두를 포함하는 하나 이상의 금속 코팅 층(들)을 적용하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다. 금속 코팅 층의 금속의 마이크로구조(microstructure)는 무정형, 미세 입자형 금속 또는 이의 조합일 수 있다. 본원에 사용된 "미세 입자형 금속"은 평균 입자 크기가 1 내지 5,000 nm 사이인 금속이다. 본원에 사용된, "금속 매트릭스 복합재"(MMC)란 용어는 미세 입자형 및/또는 무정형 금속 매트릭스에 매립된 미립자 물체(평균 입자 크기가 1 내지 5,000nm 사이인 금속)로써 정의된다. 금속 코팅 층은 모든 방향에서 실온 선형 열팽창 계수(CLTE)가 25 × 10-6 K-1 미만, 예컨대 5.0 × 10-6K- 1와 25 × 10-6 K-1 사이의 범위이다. 또한, 본 발명의 양태들은 코팅된 열분해 흑연 물품 및 구체적으로 열 확산기를 포함한다.
미세 입자형 금속, 무정형 금속 또는 이 둘 다를 함유하는 코팅 및 이를 적용하는 방법은 미국 특허 출원 공개 2010/0028714(2010년 2월 4일 공개) 및 미국 특허 8,394,507(2013년 3월 12일 허여)에 기술되어 있다. 이러한 코팅은 Nanovate™ 코팅(Integran Technologies, Inc., Toronto, Canada)으로써 입수할 수 있다. 바람직한 양태에 따르면, 코팅은 인테그란 테크놀로지스, 인크.(캐나다 토론토)의 고강도 저열팽창계수의 나노구조화된 니켈-철 코팅인 Nanovate™ N2040 코팅이다.
열분해 흑연, 구체적으로 PRYOID® HT 열분해 흑연의 기재에 인테그란 테크놀로지스, 인크.(캐나다 토론토)의 고강도 저열팽창계수의 나노구조화된 니켈-철 코팅인 Nanovate™ N2040 코팅의 적용은 샘플의 열전도율을 약 10% 증가시켰다. 모든 종래 연구에서, 열분해 흑연의 코팅은 이 코팅의 열저항 증가로 인해 열전도율의 감소를 초래했다. 또한, Nanovate™ N2040 코팅은 기계적 성질, 예컨대 비제한적으로 샘플의 굴곡강도를 증가시켰다.
MMC는 예컨대 전기도금법을 사용하는 경우에, 적당한 도금조에 입자를 현탁시키고 미립자 물체를 전기침착물에 내포(inclusion)시켜 생산하거나, 또는 예컨대 저온 분무(cold spraying)를 사용하는 경우에는 비-변형성 미립자를 분말 공급물에 첨가하여 생산할 수 있다. 금속 코팅 층을 생산하는 다른 방법으로는 DC 또는 펄스 전기침착, 무전해 침착, 물리적 증착(PVD), 화학적 증착(CVD) 및 기체 응축 등을 포함한다. 몇가지 예시적 방법들은 미국 특허출원 공개번호 2005/0205425 A1(2005년 9월 22일에 공개); 미국 특허 7,387,578(2008년 6월 17일에 허여); 및 DE 10,288,323에 기술된 것을 포함한다.
MCC의 형성에 사용될 수 있는 고체 미립자 물질은 금속(Ag, Al, Cu, In, Mg, Si, Sn, Pt, Ti, V, W, Zn); 금속 산화물(Ag2O, Al2O3, SiO2, SnO2, TiO2, ZnO); B, Cr, Bi, Si, W의 탄화물; 탄소(탄소 나노튜브, 다이아몬드, 흑연, 흑연 섬유); 유리; 중합체 재료(폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 및 에폭시 수지); 및 자가윤활 재료, 예컨대 비제한적으로 MoS2를 포함한다. 고체 미립자는 코팅의 95 부피% 이하일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 95 부피%, 더욱 바람직하게는 5 내지 75 부피%, 특히 더 바람직하게는 10 내지 50 부피%일 수 있다.
합금 첨가는 금속 코팅 층에 사용될 수 있고, 미국 특허출원 공개번호 2010/0028714, 및 미국 특허 8,394,507(2013년 3월 12일에 허여)에 기술되어 있다.
기재 표면과 금속 코팅 층(들) 사이에는 하나 이상의 중간 코팅 층이 존재할 수 있다. 중간 코팅 층(들)은 비제한적으로 금속, 중합체 또는 금속과 중합체 모두를 포함할 수 있다. 중간 층에 사용된 재료는 미국 특허 8,394,507, 및 미국 특허출원 공개번호 2010/0028714에 기술되어 있다.
기재의 표면은 미국 특허 8,394,507에 기술된 바와 같이 "고착화(anchoring) 구조" 또는 "고착화 부위"라 불리는 특정 표면 형태를 형성하기 위해 적어도 하나의 표면을 교합(mate)되도록 적당히 조면화(roughening) 또는 텍스처링(texturing)하여 전처리할 수 있다.
사용된 기재와 관련하여, 미국 특허 8,394,507은 기재로써 중합체성 또는 중합체 복합재를 논하지만, 탄소 기재는 개시하지 않는다. 미국 특허출원 공개번호 2010/0028714는 "흑연, 흑연 섬유 및 탄소 나노튜브로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 탄소계 재료"의 기재를 개시한다.
흑연은 탄소 원자가 6각형 배열 또는 망구조인 층 평면으로 이루어진다. 이러한 6각형 배열인 탄소 원자의 층 평면은 실질적으로 편평하고, 실질적으로 평행이고 서로 등거리에 있도록 배향되어 있다. 탄소 원자의 실질적으로 편평한 평행 층은 기본 평면(basal plane)이라 불리고, 미소결정(crystallite)으로 배열된 그룹으로 함께 연결되거나 결합된다. 통상의 또는 전해질성 흑연은 미소결정들에 불규칙적 순서를 갖고 있다. 고도로 규칙적인 흑연은 고도의 바람직한 미소결정 배향을 지닌다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 흑연 시트(2)는 적층형 결정 구조에 육각형 공유 결합을 보유하고, 각 흑연 시트(2)의 흑연 층들은 반데르발스 힘에 의해 연결되어 있다. 흑연 시트(2)는 흑연 시트(2)의 X-Y 면에서 두께 방향인 Z 방향에서보다 큰 열전도율을 나타낸다. 흑연을 특성화하는 다른 방식은 2개의 주축을 나타내는 것으로써, 탄소 층에 수직인 축 또는 방향으로써 일반적으로 정의되는 "c" 축 또는 방향 및 이 c 축에 횡방향이고 탄소 층에 평행한 "a" 축들 또는 방향들이다. 이 대안적 명칭도 도 1에 표시되어 있다. "c" 축은 Z 방향에 상당하고, 2개의 "a" 축은 X-Y 면에 상당한다. 흑연 시트의 축들과 관련하여 본원에 사용된, "XY"란 용어는 "a" 및 "a-a"와 호환해서 사용될 것이고, "Z"란 용어는 "c"와 호환해서 사용될 것이다.
고도의 배향을 나타내는 흑연 재료는 천연 흑연 및 합성 또는 열분해 흑연을 포함한다. 천연 흑연은 박편(소판) 또는 분말 형태로써 시중에서 입수할 수 있다. 열분해 흑연은 승온에서 적당한 기재 위에서 탄소계 기체의 열분해에 의해 생산된다. 간략하게 설명하면, 가열된 노에서 적당한 압력 하에 열분해 침착 공정을 수행할 수 있고, 이때 가열된 노에는 메탄, 천연 기체, 아세틸렌 등과 같은 탄화수소 기체가 도입되고 임의의 적당한 형태를 가진 흑연과 같은 적당한 조성의 기재 표면에서 열분해된다. 기재는 열분해 흑연으로부터 제거되거나 분리될 수 있다. 열분해 흑연은 그 다음 고온에서 가열 어닐링으로 추가 처리되어, HOPG라 통칭되는 고도로 배향된 열분해 흑연을 형성할 수 있다.
열확산기에 사용하고자 하는 경우에는 열전도율이 1,500 W/m°Ｋ 초과인 고도로 배향된 열분해 흑연을 사용하는 것이 바람직하고, 사용하기에 적당한 예는 특히 상표명 PYROID® HT(MINTEQ International Inc.(New York, N.Y.))이다. 일반적으로, 열전도율은 자유 전자들과 격자 진동에 의해 유발된다. 다이아몬드의 높은 열전도율(1000 내지 2000 W/m°Ｋ)은 격자 진동에 의한 것인 반면, 극도의 비등방성 HT 흑연의 열전도율은 자유 전자 및 격자 진동 모두로 인하여 다이아몬드와 같거나 그 미만이다.
하지만, PYROID® HT 열분해 흑연은 다음과 같은 많은 유용한 특징이 있다: 밀도 2.22g/cc, 인장 강도 28900 kPa(XY 방향), 탄성률 50 GPa(XY 방향), 굴곡 탄성률 33200 MPa(XY 방향), 열팽창계수 0.6×10-6/℃(XY 방향), 25×10-6/℃(Z 방향), 열전도율 1,700 와트/m°Ｋ(XY 방향), 7와트/m°Ｋ(Z 방향), 5.0×10-4 전기비저항 Ω㎝(XY 방향), 0.6 Ω㎝(Z 방향), 산화 역치 650℃(XY 방향), 및 투과성 10-6 mmHg.
PYROID® HT 열분해 흑연의 XY 방향으로의 열전도율은 다른 재료의 열전도율에 비해 극히 높고, 예컨대 질화알루미늄(AlN) 및 산화베릴륨(BeO) 값의 약 6배, 및 특히 구리(Cu) 물질의 총 열확산 값의 약 4배이다.
PYROID® HT 열분해 흑연은 도 2에 도시된 바와 같이 CVD 법에 의해 생산된다. 진공 펌프(21)에 의한 진공 하의 챔버(20)에서 실린더(22)로부터 원료 기체로써 공급된 탄화수소 기체는 가열기(23)에 의해 2,000℃ 초과로 가열되는 기체에 의해 분해되고, 반면 분쇄된 탄소 핵 C는 기재(24) 위에 침착하고 결정화하며, 층상 형태로 적층하고 침착하고, PYROID® HT 열분해 흑연이 생산된다. PYROID® HT 열분해 흑연은 0.25mm 내지 20mm의 두께로 입수할 수 있고, 적층 및 침착 시간을 조정하여 300mm 정사각형 형태의 구조만큼 큰 다양한 크기의 보드(board)로 생산될 수 있다.
MINTEQ International Inc.(New York, N.Y.)는 또한 CVD법으로 생산한 PYROID® SN(기재 유핵화) 및 PYROID® CN(연속 유핵화) 등급의 열분해 흑연도 만든다. 이들은 PYROID® HT 열분해 흑연보다 열전도율이 낮다.
또한, 본 발명의 양태들은 코팅된 열분해 흑연 물품도 포함한다. 코팅된 열분해 흑연의 구체적인 용도는 열확산기에서이다. 바람직한 양태들에 따르면, PYROID® HT 열분해 흑연이 사용되지만, 다른 등급의 PYROID® 흑연, 또는 다른 등급의 열분해 흑연이 사용될 수도 있다. 이러한 양태들에서, 열확산기는 하나 이상의 금속 코팅 층에 의해, 경우에 따라 하나 이상의 중간 층도 포함해서, 외부면 전체가 코팅되거나, 외부면 거의 전체가 코팅된다. 이러한 코팅은 열확산기를 감싸거나 캡슐화하거나, 또는 본질적으로 감싸거나 캡슐화한다. 코팅될 수 있는 열확산기의 예로는 미국 특허 8,085,531, 7,859,848, 7,808,787 및 8,059,408에 기술된 모든 것을 포함한다. 바람직한 양태들에 따르면, 코팅은 고체 미립자, 바람직하게는 중합체 물질인 고체 미립자를 경우에 따라 포함하는, 니켈-철 합금을 미세 입자형 금속, 무정형 금속 또는 이의 조합으로써 포함한다. 바람직한 양태들에 따르면, 미세 입자형 금속은 존재한다면 입자 크기가 2nm 내지 5000nm인 것이다. 바람직한 양태들에 따르면, 금속 층 코팅의 두께는 10 내지 500㎛이다.
바람직한 양태에 따르면, 기재는 모든 표면 또는 본질적으로 모든 표면이 인테크란 테크놀로지스, 인크.(캐나다 토론토)에서 제조한 고강도의 낮은 열팽창계수를 가진 나노구조화된 니켈-철 코팅인 25 내지 50 ㎛ Nanovate™ N2040 코팅으로 코팅된 열확산기로써 사용되는 PYROID® HT 열분해 흑연이고, PYROID® HT 열분해 흑연을 모든 표면 또는 본질적으로 모든 표면에 25 내지 50㎛ Nanovate™ N2040 코팅으로 코팅하는 방법도 제공된다.
실시예
이하 제시된 실시예들은 본 발명을 예시하는 것뿐이고 어떠한 식으로든지 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되거나, 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
10개의 PYROID® HT 열분해 흑연 샘플을 가지고 ASTM E1461 열전도율 측정의 급속 방법을 사용하여 열전도율을 시험했다. 표 1에서 처음 5개 샘플은 열전도율을 XY 배향으로 측정했고, 그 다음 5개 샘플에서는 열전도율을 Z 방향으로 측정했다. 표 1에 제시된 바와 같이, 열전도율 λ(W/m-K)는 XY 방향으로 1567 내지 1737 범위이다.
ASTM E1461 급속법 열전도율 결과
샘플 두께
△x 25℃
(mm)		 벌크 밀도
ρ@25℃
(g/㎤)		 온도
T
(℃)		 비열
cp
(J/g-K)		 확산율
α
(㎟/s)		 전도율
λ
(W/m-K)
Pyroid-HT FAOBond
Lot# 11028-FAO		 3.022 2.26 25 0.761 1010 1737
Pyroid-HT
Lot# 12172 플레이트 2C		 2.970 2.24 25 0.772 967 1672
Pyroid-HT CN
Lot# 12172 플레이트 9C		 3.003 2.23 25 0.767 916 1567
Pyroid-HT
Lot# 12172 플레이트 10C		 2.940 2.22 25 0.770 930 1590
Pyroid-HT
Lot# 12172 플레이트 17C		 3.011 2.25 25 0.777 975 1705
Pyroid-HT
Lot# 10062-8805-구리
플레이트 5A		 3.208 2.30 25 0.846 24.6 47.9
Pyroid-HT
Lot# 12172-CN-8805-구리
플레이트 9C		 3.180 2.31 25 0.882 23.4 47.7
Pyroid-HT
Lot# 12172-8805-구리
플레이트 10C		 3.146 2.31 25 0.807 22.1 41.2
Pyroid-HT
Lot# 12172-CN-VHB-구리
플레이트 9C		 3.101 2.32 25 0.838 27.2 52.9
Pyroid-HT
Lot# 12172-VHB-구리
플레이트 10C		 3.027 2.30 25 0.813 25.6 47.9
실시예 2
5개의 PYROID® HT 열분해 흑연 샘플을 가지고 ASTM E1461 열전도율 측정을 위한 급속법을 사용하여 열전도율을 시험했다. UA1051, UA1052 및 UA1053이라 표지된 샘플 #1 내지 #3은 Nanovate™ 니켈-철 합금 코팅으로 각각 코팅 두께 25㎛, 50㎛ 및 50㎛로 코팅했다. 샘플 #4 및 #5는 코팅하지 않았다. 샘플 #1 및 #2의 열전도율은 XY 방향으로 측정했다. 샘플 #3 내지 #5에 대해서는 열전도율을 Z 방향으로 측정했다. 표 2에 도시된 바와 같이, XY 방향으로 측정된 2개의 코팅된 샘플, 샘플 #1 및 #2 각각의 λ(W/m-K)는 실시예 1에서 측정된 5개의 미코팅된 샘플 중 어떠한 것보다도 더 높았다. 또한, Z 방향으로의 열전도율은 미코팅된 샘플 #4 및 #5에 비해 코팅된 샘플 #3에서 더 높았다.
ASTM E1461 급속법 열전도율 결과
샘플 두께
△x 25℃
(mm)		 벌크 밀도
ρ@25℃
(g/㎤)		 온도
T
(℃)		 비열
cp
(J/g-K)		 확산율
α
(㎟/s)		 전도율
λ
(W/m-K)
UA1051(#1) 2.859 2.42 25 0.743 1082 1946
UA1052(#2) 2.895 2.47 25 0.720 982 1746
UA1053(#3) 2.905 2.42 25 0.742 5.47 9.82
11028(#4) 2.976 2.24 25 0.771 4.40 7.60
12172(#5) 2.995 2.24 25 0.833 4.32 8.06
실시예 3
두께가 0.0625 인치이고 너비가 0.5625 인치이며 길이가 0.90 인치인 10개의 미코팅된 PYROID® HT 열분해 흑연 샘플의 XY 방향으로의 굴곡 확장(flexural extension)은 ASTM D790 시험 절차를 사용하여 73℉의 온도 및 50% 상대습도 하에 측정했다. 10개 샘플의 결과는 표 3에 제시했다:
굴곡 항복 최대점 계산값에서의 굴곡 응력(psi) 항복 변형률(%) 굴곡 항복 최대점 계산값에서의 부하(lbf)
1 4891.09228 5.13 -9.55
2 5061.94668 5.09 -9.89
3 5132.65699 5.14 -10.02
4 4907.34853 0.41 -9.58
5 5340.14713 0.43 -10.43
6 5490.64692 0.42 -10.72
7 5059.92494 1.32 -9.88
8 5007.05097 1.24 -9.78
9 4720.94366 1.21 -9.22
10 5369.86506 1.26 -10.49
평균 5098.16242 2.16 -9.96
표준 편차 240.43257 2.07130 0.46959
실시예 4
두께가 0.0625 인치이고 너비가 0.5625 인치이며 길이가 0.90 인치인 4개의 미코팅된 PYROID® HT 열분해 흑연 샘플의 Z 방향에서의 굴곡 확장은 ASTM D790 시험 절차를 사용하여 73℉의 온도 및 50% 상대습도 하에 측정했다. 4개 샘플의 결과는 표 4에 제시했다:
굴곡 항복 최대점 계산값에서의 굴곡 응력(psi) 항복 변형률(%) 굴곡 항복 최대점 계산값에서의 부하(lbf)
1 7318.15204 0.79 -14.29
2 7535.14671 0.71 -14.72
3 10004.47820 -0.04 -19.54
4 9512.44969 0.40 -18.58
평균 8592.55666 0.47 -16.78
표준 편차 1364.05628 0.37846 2.66417
실시예 5
두께가 0.0625 인치이고 너비가 0.5625 인치이며 길이가 0.90 인치인 4개의 코팅된 PYROID® HT 열분해 흑연 샘플의 Z 방향으로의 굴곡 확장을 73℉의 온도와 50%의 상대습도에서 ASTM D790 시험 절차를 사용하여 측정했다. 샘플 #1은 두께가 25 미크론인 Nanovate™ 니켈-코발트 합금 코팅으로 코팅했다. 샘플 #2는 두께가 25 미크론인 Nanovate™ 니켈-철 합금 코팅으로 코팅했다. 샘플 #3은 Nanovate™ 니켈-코발트 합금 코팅으로 두께 50 미크론으로 코팅했다. 샘플 #4는 Nanovate™ 니켈-철 합금 코팅으로 두께 50 미크론으로 코팅했다. Nanovate™ 코팅은 인테그란 테크놀로지스, 인크.에 의해 제공되고 적용되었다. 4개의 샘플의 결과는 표 5에 제시했다:
굴곡 항복 최대점 계산값에서의 굴곡 응력(psi) 항복 변형률(%) 굴곡 항복 최대점 계산값에서의 부하(lbf)
1 14700.55896 0.59 -28.71
2 20956.63154 3.00 -40.93
3 37968.68219 1.57 -74.16
4 59287.40545 4.68 -115.80
평균 33228.31954 2.46 -64.90
표준 편차 19961.79046 1.78007 38.98787
표 5에서 볼 수 있듯이, 굴곡 응력은 표 5에 제시된 4가지 각 샘플이 표 4에 제시된 샘플들에 비해 더 높았다. 항복 변형률은 샘플 #1 외에는 표 5의 모든 샘플들이 더 높았다.
따라서, 본 발명의 상기 설명은 당업자라면 생각할 수 있는 변형, 변화 및 개정을 받을 수 있고, 이러한 변형, 변화 및 개정은 후속 청구범위에서 제시된 본 발명의 범위 내인 것으로 생각되어야 한다.

Claims (20)

  1. 열분해 흑연 기재 표면의 적어도 일부 위에 금속을 함유하는 금속 코팅 층을 배치하는 방법으로, 상기 금속은 니켈, 철, 니켈-철 합금 또는 이의 임의의 조합을 함유하며, 이 금속의 입자들은 크기가 1 나노미터(nm) 내지 10000 nm이거나, 무정형이거나 또는 이 둘 모두인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 열분해 흑연이 고 배향성 열분해 흑연, 화학 증착 침착된 열분해 흑연 또는 이의 조합인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 코팅이 Nanovate™ N2040 코팅인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 입자 크기가 2nm 내지 5000 nm인 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 합금 첨가를 함유하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 합금 첨가가 B, C, H, O, P, S 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 고체 미립자인 금속; 금속 산화물; B, Cr, Bi, Si, W의 탄화물 또는 이의 혼합물; 탄소; 유리; 중합체 재료; MoS2; 또는 이의 임의의 혼합물을 함유하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 코팅이 95부피% 이하의 고체 미립자를 함유하는 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 층 코팅 두께가 10㎛ 내지 50mm인 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층을 적용하기 전에 하나 이상의 중간 코팅 층이 적용되는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 중간 코팅 층이 금속, 중합체 또는 금속과 중합체 둘 모두를 함유하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 중간 코팅 층 두께가 금속 코팅 층 두께 미만인 방법.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층이 기재의 외부면 전체를 피복하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층이 기재의 외부면 중 일부만을 피복하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층으로 코팅된 기재가 열전도율이 미코팅 기재보다 낮지 않은 방법.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층으로 코팅된 기재가 미코팅된 기재의 열전도율의 약 105%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 105% 이상, 미코팅된 기재의 250% 이하의 열전도율을 나타내는 방법.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층으로 코팅된 기재가 미코팅된 기재의 열전도율의 약 110%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 110% 이상, 미코팅된 기재의 250% 이하의 열전도율을 나타내는 방법.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층으로 코팅된 기재가 미코팅된 기재의 열전도율의 약 115%의 열전도율을 나타내거나, 또는 미코팅된 기재의 115% 이상, 미코팅된 기재의 250% 이하의 열전도율을 나타내는 방법.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 코팅 층이 모든 방향으로의 실온 선형 열팽창계수가 25×10-6 K-1인 방법.
  20. 열분해 흑연 기재;
    이 열분해 흑연 기재의 적어도 일부 표면 위에 침착된 금속을 함유하는 금속성 코팅 층을 함유하고, 이 금속이 니켈, 철, 니켈-철 합금 또는 이의 임의의 조합을 함유하며, 이 금속의 입자가 1nm 내지 10000 nm 크기이거나, 이 금속이 무정형이거나, 또는 이 둘 모두인 것인 물품.
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