KR20170068865A - 탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재를 알루미늄 분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보함으로써 종래의 알루미늄 방열판에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법{Heat exchanger materials using carbon composites and manufacturing method thereof}
본 발명은 탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 종래의 알루미늄의 방열판에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 장점으로 인해 종래의 알루미늄 방열판의 대체가 가능한 탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
조명등은 일반적으로 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 빛을 출사하는 장치이며, 조명 인프라가 발달함에 따라 전체 전기 사용량의 20%가 조명을 위한 용도로 사용되고 있다.
특히 LED 조명은 소비전력이 낮아 에너지 자원을 절감하며, 수은과 온실가스(CO2)등의 폐기물 배출이 적은 친환경 소재이고, 다양한 색상과 조명 연출이 가능하고, 수명이 길어 운영비용이 절감되는 등의 장점으로 인해 친환경 차세대 조명으로서 각광받고 있다.
그러나 LED 조명등은 작은 소자에서 고휘도의 빛을 출사하므로 소자에서 국부적인 열이 발생되며, 특히 제품이 소형화, 집적화됨에 따라 LED 칩이 밀집되어 설치될 때 LED 발광 시 발생되는 열로 인해 회로가 정상적으로 동작되지 않거나, LED의 수명이 단축되며, 조도가 떨어지게 되는 문제점이 발생된다.
즉 LED 조명등은 LED 발광 시 발생되는 열이 적정하게 방열되지 않을 경우에는 LED 조명등의 수명과 성능에 심대한 영향을 발생시키기 때문에 방열판 설계는 LED 연구의 중요한 문제로 대두되고 있다.
도 1은 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허 등록된 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 등기구)에 개시된 방열 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 1의 방열 프레임(이하 종래기술이라고 함)(100)은 상하 길이방향을 갖는 사각 기둥형상으로 형성되며, 사각 기둥의 각면에 형성되는 기판 접촉면(137), (137'), (137''), (137''')들과, 기판 접촉면(137), (137'), (137''), (137''')들의 연접부에 형성되는 통풍부(145), (145'), (145''), (145''')들로 이루어진다.
또한 종래기술(100)은 길이 방향으로 내부에 공기가 통과되는 통로인 통공(133)이 형성되고, 통공(133)은 상하부가 개구되어 외부의 차가운 공기가 하부 개구부를 통해 유입되되 내부에서 열 교환된 더운 공기들은 상부 개구부를 통해 외부로 배출된다.
또한 종래기술(100)의 내면에는 내면으로부터 내측으로 돌출되는 방열날개(134)들이 길이 방향으로 연결되게 형성되고, 방열날개(134)는 LED 모듈(미도시)에 의해 발생된 열이 외부로부터 유입된 차가운 공기에 접촉되는 방열면적을 증가시킨다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 다양한 각도를 갖는 각면에 형성된 기판 접촉면에 LED 모듈이 설치됨으로써 빛의 균제도가 개선되며, 확산 커버의 외측으로 방열 프레임의 통풍부가 돌출되도록 함으로써 통풍부가 공기에 노출되도록 함으로써 열 교환이 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 극대화시킬 수 있다.
다시 말하면, LED 등기구에 적용되는 방열 프레임의 방열효율을 높이기 위한 방법은 1)도 1에서 전술하였던 바와 같이 프레임의 구조 및 형상의 변형을 이용한 것과, 2)프레임을 형성하는 조성물 자체의 열전도성을 높이는 것이나, 종래기술은 단순히 알루미늄 재질로 제조되는 프레임의 구조 및 형상을 변형시킨 것이기 때문에 방열효율의 증가율에 한계를 갖게 된다.
또한 종래기술(100)은 알루미늄이 높은 비중을 갖는 특성으로 인해 소망의 방열효과를 갖기 위해서는 제품의 무게 및 체적이 과도하게 증가하고, 이에 따라 최근 추세인 소형화 및 집적화를 충족시키지 못하는 단점을 갖는다.
또한 종래기술(100)은 고비용의 알루미늄 재질로 프레임을 제조함에 따라 제품의 제조원가를 증가시키는 문제점이 발생한다.
즉 제품의 슬림화 및 발열이 높은 LED 모듈의 특성에 따라 알루미늄 소재의 한계성이 드러나, 기존 알루미늄 소재에 비교하여 방열효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품의 경량화를 유도할 수 있는 새로운 방열 소재에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보함으로써 종래의 알루미늄 방열판에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 탄소복합소재를 이용한 방열소재 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 열을 발생시키는 전자기기에 결합하여 열을 방출시키는 방열체에 적용되는 방열소재 제조 방법에 있어서: 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계; 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계; 상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 열처리 및 분산단계는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 청구항 제2항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 볼밀링 단계는 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계; 상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고, 상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85%를 혼합하여 밀링 시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 대략 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재를 알루미늄 분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보함으로써 종래의 알루미늄 방열판에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허 등록된 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 등기구)에 개시된 방열 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열소재 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 교반단계에서 0 중량%의 탄소복합소재가 첨가된 방열소재에 의한 방열체의 표면을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이고, (b)는 20 중량%의 탄소복합소재가 첨가된 방열체의 표면을 나타내는 사진이고, (c)는 40 중량% 탄소복합소재가 첨가된 방열체의 표면을 나타내는 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이다.
도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소복합소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열소재 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.
본 발명의 일실시예인 방열소재 제조 방법(S1)은 LED 모듈, LED 등기구 등과 같이 구동 시 열을 발생시키는 전자기기에 설치되어 전자기기로부터 발생되는 열을 방출시키기 위한 방열체에 적용되는 조성물이다.
또한 방열소재 제조 방법(S1)은 교반단계(S10)와, 1차 볼밀링 단계(S20), 2차 볼밀링 단계(S30), 열처리 및 분산단계(S40)로 이루어진다.
교반단계(S10)는 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반하는 공정 단계이다. 이때 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합일 수 있고, 카본 나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이루어지는 육각 모양이 서로 연결되어 튜브 형상을 형성하고, 다중벽 카본 나노튜브(MWCNT)는 복수개의 관들이 동심원 형상을 형성한다.
이때 금속분말은 열전도성이 높은 금속의 분말로 구성될 수 있으며, 상세하게로는 알루미늄 분말인 것이 바람직하다.
또한 교반단계(S10)에서, 탄소복합소재는 방열체의 형상에는 영향을 미치지 않으나, 만약 함유량이 10 중량% 미만이면 탄소복합소재의 함유량이 과도하게 줄어들어 열전도도 및 열 방출속도, 열방출율이 떨어지고, 만약 함유량이 30 중량% 이상이면 분산이 어려워져 방열체의 물리적 특성이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물은 1차 볼밀링 단계(S20)로 공급된다.
1차 볼밀링 단계(S20)는 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물을 공지된 볼밀링(Ball milling) 장비를 이용하여 1차 분쇄, 파쇄시키는 공정 단계이다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물 15 ~ 20 중량%와, 유기용매 80 ~ 85 중량%를 볼들이 수용되는 포트인 볼밀 자(ball mill jar)로 공급하며, 회전속도 200 ~ 250rpm으로 볼밀 자를 회전시킴으로써 금속분말 및 탄소복합소재를 파쇄시킨다. 이때 유기용매로는 에테르나 아세톤, 알코올 등이 적용될 수 있고, 상세하게로는 에탄올인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 금속분말, 탄소복합소재 및 유기용매의 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%의 분산촉진제를 첨가할 수 있고, 이때 분산촉진제는 탄소복합소재의 분산을 촉진시키는 성질을 갖는 스테아르산(Stearic acid)인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 대략 1시간의 주기(T) 동안 공정을 수행하고, 마찰 시 열을 발생시키는 에탄올의 특성을 감안하여 한 번의 공정 이후에 대략 30분 동안 회전을 멈춰 공정을 수행하지 않고, 1시간의 주기(T) 동안 수행되는 공정을 1회라고 할 때 4 ~ 5회의 공정을 수행한다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물은 2차 볼밀링 단계(S30)로 공급된다.
2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물을 공지된 볼밀링 장비를 이용하여 더욱 미세하게 파쇄시키기 위한 공정 단계이다.
이때 2차 볼밀링 단계(S30)에 적용되는 볼들은 1차 볼밀링 단계(S20)에 적용되는 볼들보다 작은 직경으로 이루어진다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S30)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 유기용매를 볼들이 수용된 볼밀 자(Ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 회전속도로 대략 3 ~ 5시간 동안 볼밀 자를 회전시킴으로써 1차 파쇄물을 더욱 미세하게 파쇄시킨다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)에 의해 파쇄된 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재)은 열처리 및 분산단계(S40)로 공급된다.
열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 탄소복합소재가 응집력이 높아 분산력이 떨어짐과 동시에 금속분말 및 탄소복합소재의 기계적 특성이 상이하여 임베디드가 어려운 특성을 감안하여 미세 파쇄된 금속분말에 탄소복합소재를 분산 및 임베디드 시키기 위한 공정 단계이다.
이때 임베디드란 1, 2차 볼밀링 단계(S20), (S30)들을 통해 미세 파쇄되면서 표면이 비정질화된 금속분말의 일부에 탄소복합소재가 붙어 있는 현상으로 정의된다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합을 위한 용매로 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, 이하 PEG라고 함)을 사용한다.
이때 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 대략 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 폴리에틸렌글리콜을 적용한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 혼합물의 점성이 증가되도록 폴리에스테르계 바인더를 첨가한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 우선 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 공지된 트윈 스크류 믹서를 이용하여 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점인 65 ~ 75℃로 대략 20분 정도 가열시킨다. 그 이후 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 폴리에스테르계 바인더를 가열된 상태의 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 투입하고, 이러한 화합물(PED ＋ 금속분말 ＋ 탄소복합소재 ＋ 폴리에스테르계 바인더)을 50 ~ 70rpm의 속도로 회전함과 동시에 65 ~ 75℃의 온도로 30분 동안 가열한다.
즉 열처리 및 분산단계(S40)는 화합물을 용융시키면서 블렌딩(blending) 함으로써 탄소복합소재가 금속분말에 균일하게 분산 및 임베디드 되도록 함으로써 본 발명의 방열소재가 제조된다.
이때 열처리 및 분산단계(S40)는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 방열소재는 금속분말, 탄소복합소재, 바인더 및 PEG를 포함하고, 방열체 제조 시 가공을 위해 열이 가해지면 바인더는 회멸되고, PEG는 휘발됨에 따라 미세구조의 공극이 형성되고, 이러한 공극을 통해 LED 방열구조에서 고온의 열이 방출하여 방열효율이 증가하게 된다.
도 3의 (a)는 본 발명의 교반단계에서 0 중량%의 탄소복합소재가 첨가된 방열소재에 의한 방열체의 표면을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이고, (b)는 20 중량%의 탄소복합소재가 첨가된 방열체의 표면을 나타내는 사진이고, (c)는 40 중량% 탄소복합소재가 첨가된 방열체의 표면을 나타내는 사진이다.
실시예 1은 도 2의 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 분말 80 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
실시예 2는 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT) 30 중량% 및 알루미늄 분말 70 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말 100 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 2는 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT) 40 중량% 및 알루미늄 분말 60 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
도 3은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 표면 분석에 의해 측정된 실시예 1과 비교예 1, 2의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말만이 첨가되기 때문에 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 파단면에 결함(Defect)이 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
실시예 1은 교반단계(S10)에서 카본나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 80 중량%가 첨가되기 때문에 (b)에 도시된 바와 같이 카본나노튜브(CNT)가 20 중량%가 첨가됨에 따라 파단면에 공극이 발생하는 것을 알 수 있고, 비교예 2는 카본나노튜브(CNT) 40 중량%가 첨가되어 (c)에 도시된 바와 같이 파단면에 공극이 더 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
이때 공극은 방열소재를 제조한 후 열을 가하여 방열체 샘플을 만들 때 바인더가 화멸되고 PEG가 휘발됨에 따라 형성된다.
즉 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 증가하면 할수록 공극이 활발하게 형성되어 열 방출효율이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b), (c)를 참조하여 살펴보면, 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 증가함에 따라 방열체 표면에서 알루미늄 분말에 결합하는 카본나노튜브(CNT)의 수가 증가하는 것과, 비교적 탄소나노튜브(CNT)의 분산이 균일하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 방열소재는 2 = 26.50, 54.60일 때 결정화가, 2 = 26.50일 때 주요 결정화가 이루어지고, 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 방열소재의 결정화 피크의 강도는 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
특히 방열소재는 카본나노튜브(CNT)가 30 중량% 이상으로 함유되는 경우 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어들어 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 피크의 강도에 영향, 상세하게로는 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 방열소재의 피크의 강도는 줄어드는 것을 알 수 있다.
즉 도 3과 4에 도시된 바와 같이 카본나노튜브(CNT)의 함유량은 방열소재의 미세구조, 미세공극 및 결정화에 영향을 미치게 된다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하여 본 발명을 살펴보면, 방열소재는 카본나노튜브(CNT)의 함유량에 상관없이 유사한 피크에서 강도를 나타낸다.
또한 방열소재의 2,937
Figure pat00001
및 3,450
Figure pat00002
의 피크는 각각 전형적인 C H기 및 OH기를 나타내고, 1,758
Figure pat00003
및 1,200
Figure pat00004
의 피크는 C = O 결합 및 아세틸(acetyl)의 피크를 각각 나타낸다.
또한 FT-IR 스펙트럼에서 1,266
Figure pat00005
, 1,369
Figure pat00006
, 1,446
Figure pat00007
등의 피크는 카본나노튜브(CNT)의 함유량에 따라 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
즉 카본나노튜브(CNT)의 고유 피크에 의하여 방열 소재의 피크가 결정되고, 결론적으로 방열소재 내에 포함되는 카본나노튜브(CNT)의 결합이 증가되었다는 것을 나타낸다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이고, 도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이고, 도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소복합소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
도 6을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 카본나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 방열소재의 열전도도가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 카본나노튜브(CNT)의 우수한 열전도를 갖는 특성에 따라 방열소재의 열전도가 향상되는 것을 알 수 있다.
이때 카본나노튜브(CNT)는 대략 3,000W/m.k 이하의 열전도 값을 갖기 때문에 방열소재의 열전도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 알루미늄 분말과의 함유량 조절에 따라 열전도율을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 방열체에서 측정되는 초기 온도는 27℃이나, 시간이 경과할수록 LED 램프에서 발생되는 열에 의하여 온도가 증가하게 된다.
이러한 상태로 1시간 경과하면, 카본나노튜브(CNT)가 첨가되지 않은 비교예 1은 72℃ 이상으로 과열되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 카본나노튜브(CNT)가 첨가되는 실시예 1, 2 및 비교예 2를 살펴보면, 2시간 동안의 온도 범위가 70℃ 미만으로 측정되어 열방출효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
즉 본 발명은 도 8의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 열전도가 우수한 탄소복합소재를 함유하여 종래의 알루미늄 소재의 방열체에 비교하여 열 방출속도 및 열 방출효율을 현저히 높일 수 있다.
S1:방열소재 제조 방법 S10:교반단계 S20:1차 볼밀링 단계
S30:2차 볼밀링 단계 S40:열처리 및 분산단계

Claims (8)

  1. 열을 발생시키는 전자기기에 결합하여 열을 방출시키는 방열체에 적용되는 방열소재 제조 방법에 있어서:
    금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계;
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계;
    상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계는
    상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키는 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  4. 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼밀링 단계는
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계;
    상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고,
    상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85%를 혼합하여 밀링 시키는 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  5. 청구항 제4항에 있어서, 상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  6. 청구항 제5항에 있어서, 상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 대략 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 공정을 수행하는 방열소재 제조 방법.
  7. 청구항 제6항에 있어서, 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
  8. 청구항 제6항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 방열소재 제조 방법.
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