KR20180047524A - 금속-탄소 복합소재를 포함하는 히트파이프용 소결 윅 및 히트파이프 - Google Patents

금속-탄소 복합소재를 포함하는 히트파이프용 소결 윅 및 히트파이프 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 파이프 내벽에 부착된 바인더; 상기 바인더 상에 위치하되, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하는 금속-카본계 복합소재를 포함하고, 상기 금속-카본계 복합소재는 소결된 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅(sintering wick) 및 상기 소결 윅을 포함하는 히트파이프를 제공한다.

Description

금속-탄소 복합소재를 포함하는 히트파이프용 소결 윅 및 히트파이프{Heat pipe and it's wick containing Metal-Carbon composite material}
본 발명은 히트파이프 윅에 사용되는 복합소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트파이프 윅에 사용되는 금속-탄소 복합소재에 관한 것이다.
최근 모바일 장치, 노트북, 휴대용 단말기, 전자수첩 등 다양한 종류의 전자기기는 소형화, 정량화와 함께 전자부품 간의 신호 전달 속도를 고속화할 수 있도록 연구되고 있다.
이와 같이 인쇄회로기판의 미세 회로화가 진행됨에 따라 근접회로 간의 발열 현상에 의한 피해가 증가되고 있으며, 최근에는 모바일 기기가 작동하는 도중 폭발하는 사고가 발생하면서, 모바일 기기 내에 사용될 수 있는 마이크로 히트 파이프에 대한 관심이 급증하고 있다.
히트 파이프란, 파이프 속에 작동유체로서 증발성 액체를 봉해 넣고, 파이프의 한 끝을 가열하는 경우, 파이프 내부에서 증발이 일어나고 다른 한 쪽에서는 액체로 응축하게 되면서 방열하는 원리를 이용하는 전열관으로, 전자 기기 내부에서 냉각기능을 수행하는 쿨러(cooler)용 부품 중 하나로 많이 사용된다.
히트파이프는 작동유체가 증발부로의 귀환하는 방법에 따라 윅 또는 그루브가 있는 히트파이프와 윅이 없는 히트파이프(thermosyphon)로 구분된다.
이때, 윅의 구조가 어떤 것이냐에 따라 소결타입(sinter powder type), 매쉬 타입(mesh type)으로 구분되는데, 일반적으로 소결타입의 윅이 히트파이프 종류 중에는 방향성이 적은 편이나, 히트파이프로서의 성능은 가장 우수한 편이다. 일반적으로 이때, 윅을 구성하는 물질은 금속 자체, 이를테면 순동 등을 윅의 소재로 사용한다.
하지만, 윅 구성물질을 금속 자체를 사용하는 경우 내화학성 및 기계적 특성이 상대적으로 약하다는 문제점이 있다. 이와 관련하여, 한국 등록 특허 제10-1250326호(이하 종래기술 1)에 따르면, 히트파이프 윅의 구조에 관한 것으로서 금속분말을 사용하여 이중 공극 구조를 형성하는 방법에 대해서 개시되어 있다. 본 발명의 경우, 이중 공극 구조에 대해서만 언급이 있을 뿐 윅을 구성하는 금속 자체는 일반적으로 사용되는 단일 금속에 불과하여, 일 물질만을 사용하는 경우보다 내화학성 및 기계적 특성을 향상시키기에는 문제가 있었다.
한국 등록 특허 제10-1250326호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속입자에 카본계 화합물이 코팅된 복합소재를 소결 윅(sintering wick)의 소재로 사용하여, 단순 금속 분말로 제조되는 윅 구조 또는 단순 합금 소재로 제조되는 윅 구조를 대체하기 위한 것이다.
또한, 금속-카본계 복합소재로 형성되는 소결 윅을 포함하는 히트 파이프를 제공하여 열 전달력이 더 증대되는 히트파이프를 제공할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 파이프 내벽에 부착된 바인더; 상기 바인더 상에 위치하고, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하는 금속-카본계 복합소재;를 포함하고, 상기 금속-카본계 복합소재는 소결된 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅(sintering wick)을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속 분말은 구리, 구리합금, 은, 금, 알루미늄, 철, 아연, 백금, 주석, 및 텅스텐 중 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 카본계 화합물은, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO), 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 및 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 카본계 화합물을 0.1wt% 내지 0.5wt% 포함하는 것을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속-카본계 복합소재의 열확산도는 90㎟/s 내지 150㎟/s인 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 진공상태로 밀봉되어 있는 파이프; 상기 파이프 내부에 위치하는 작동유체; 및 상기 파이프 내벽에 위치하고, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하며 소결된 금속-카본계 복합소재를 포함하는 소결 윅(sintering wick);을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속입자에 카본계 화합물이 코팅된 복합소재를 포함하는 소결 윅(sintering wick) 및 상기 소결 윅을 포함하는 히트 파이프를 제공하는 것으로, 기존에 사용되는 단순 금속 분말만을 사용한 윅 구조를 가지는 히트파이프보다 모세관력을 증대시킬 수 있어, 히트 파이프 내부에 위치하는 작동 유체의 응측부에서 증발부로, 또는 증발부에서 응측부로의 귀환능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 소결 윅에 금속-카본계 복합소재를 사용하는 경우, 단속 금속 분말만을 사용하는 윅 구조를 가지는 히트파이프보다 열 확산력이 더 높아, 충분한 열전달력을 가져 히트파이프로서의 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 물리적 방법에 의해 제조된 금속-카본계 복합소재를 나타낸 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 2는 화학적 방법에 의해 제조된 금속-카본계 복합소재를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 3은 금속-카본계 복합소재를 나타낸 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscope) 사진이다.
도 4는 금속-카본계 복합소재에 대한 XRD 그래프이다.
도 5는 금속-카본계 복합소재의 카본계 화합물의 질량 퍼센트(weight percent, wt%)에 따른 열확산도를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 본 발명인, 히트파이프용 소결 윅(sintering wick)에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 히트파이프용 소결 윅은, 파이프 내벽에 부착된 바인더, 상기 바인더 상에 위치하고, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하는 금속-카본계 복합소재를 포함하고, 상기 금속-카본계 복합소재는 소결된 것일 수 있다.
상기 금속-카본계 복합소재는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 한다. 상기 코어- 쉘 구조란, 금속분말을 코어로 하고, 상기 코어 형태의 금속분말의 표면 전체를 카본계 화합물로 둘러싸는 쉘 구조일 수 있다.
이때, 상기 금속분말 코어의 형태는 구형, 다각형을 비롯한 다양한 형태일 수 있다. 다만. 상기 금속분말 코어의 형태는 어느 하나의 형태에 한정되지는 않는다.
히트파이프란, 열을 효율적으로 전달하기 위한 파이프로서, 파이프 내벽에는 윅이 형성될 수도 있고, 윅이 없는 경우도 있다. 윅 구조가 있는 경우, 윅구조는 크게, 소결 윅구조 (sintering wick structure), 스크린 윅구조(screen wick structure), 그루브 윅구조(groove wick structure)로 크게 나뉜다.
이때, 소결 윅 구조를 형성하기 위해서는 일반적으로 파이프 내벽에 바인더를 부착한 후, 상기 바인더 상에 금속 분말을 소결하여 소결 윅 구조를 형성하는 것이 일반적이다. 최근에는 하나 이상의 윅 구조를 사용하여 그루브 윅 구조 상에 소결 금속을 더 도포하는 혼합형 윅 구조를 사용하는 경우도 있다.
본 발명은, 소결 윅에 관한 것으로, 소결 윅의 소재로서 금속-카본계 복합소재를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속-카본계 복합소재에 사용되는 금속분말은, 구리, 구리합금, 은, 금, 알루미늄, 철, 아연, 백금, 주석, 및 텅스텐 중 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속-카본계 복합소재에 사용되는 카본계 화합물은, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO), 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 및 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 중 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 카본계 화합물은 그래핀 옥사이드 및 탄소나노튜브의 혼합물 또는 환원 그래핀 옥사이드 및 탄소나노튜브의 혼합물 일 수 있다.
이때, 탄소나노튜브 대신 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber, CNF), 흑연나노섬유, 탄소나노로드가 사용될 수 있다.
상기 카본계 화합물인 그래핀의 열전도도는 약 3,000 W/mK 이상이어서 구리와 알루미늄의 약 10배 이상의 열적 특성을 나타낼 수 있다. 또한 상기 카본계 화합물은 고열전도성 뿐만 아니라 고열방사율을 가지기 때문에 열전도성 접/점착제, 코팅제, 테이프, 패드, 복합체로의 활용은 기존 방열소재가 나타낼 수 없는 우수한 방열특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 카본계 화합물과 금속 분말을사용한 금속-카본계 복합소재를 히트파이프로서 사용하는 경우, 그 방열효과가 증대될 수 있다.
특히, 상기 금속-카본계 복합소재에 포함된 그래핀은 금속 입자와 결합함으로써, 금속의 인장 강도와 같은 기계적 특성을 향상시키는 강화제로 작용할 수 있다.
상기 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 매우 빠르게 전자를 이동시키며 단순 금속을 사용하는 경우보다도 매우 큰 전류를 흐르게 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 회로의 기초 소재로 사용되고 있다.
또한, 그래핀은 일반적으로 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라 전기적 특성이 변화할 수 있으므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있고 이에 따라 쉽게 소자를 디자인할 수 있다. 따라서 그래핀은 탄소계 전기 또는 전자기 소자 등에 효과적으로 이용될 수 있다.
이와 같이, 그래핀은 열전도 특성이 우수하므로 본 발명의 실시예에서 제조된 금속-카본계 복합소재는 열을 방출하는 방열시트, 방열필름 등의 방열 소재에 응용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물을 0.1wt% 내지 0.5wt% 포함할 수 있다. 카본계 화합물이 0.1wt% 미만으로 포함되는 경우, 기존의 단순 금속 분말, 합금 분말을 사용하는 것보다 열 확산률이 증대되지 않을 수 있고, 충분하게 금속 분말의 표면 상에 층을 형성하기 어려울 수 있다. 반면, 상기 카본계 화합물이 0.5wt%를 초과하는 경우에는, 카본계 화합물이 자체적으로 응집되려는 경향을 띄며, 금속과의 결합이 어려워짐은 물론, 카본계 화합물의 자체적인 응집으로 인하여 금속입자 형태의 변형이 생길 수 있게 되어 복합소재를 형성하기 어려울 수 있어, 금속-카본계 복합소재를 형성하기 위해서는 상기 범위 내로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 구성인 상기 금속-카본계 복합소재는 물리적 방법 또는 화학적 방법으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 물리적 방법을 사용하는 경우,
상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물 분말을 용매에 분산하여 분산용액을 제조하는 단계; 상기 분산용액에 금속분말을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액을 건조하여 용매를 제거한 후 금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 상기 금속-카본계 혼합분말을 소결 처리하여 제조될 수 있다.
상기 카본계 화합물 분말은, 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 환원 그래핀 옥사이드(RGO; Reduced Graphene Oxide) 분말, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 분말 중 선택되는 어느 하나 이상이 적용될 수 있다.
분산용액을 제조하는 분산단계에서는, 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 환원 그래핀 옥사이드(RGO; Reduced Graphene Oxide) 분말, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 분말 중 선택되는 어느 하나 이상을 용매에 분산시킨다. 이때, 그래핀 옥사이드는 공지의 공정을 통해 흑연(graphite) 구조로부터 분리하여 획득될 수 있다. 그래핀 옥사이드는 흑연의 탄소 다층 구조로부터 산화되어 분리되는 낱개의 시트(sheet)일 수 있다.
상기 분산단계에서 사용되는 용매는 순수, 에탄올, 메탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜, 엔메틸피롤리돈, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸포름아미드, 메틸에틸케톤 등 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 카본계 화합물 분말을 균일하게 분산할 수 있는 공지의 다양한 종류의 용매가 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분산단계에서는 초음파 처리와 같은 분산 처리를 실시함으로써 카본계 물질이 용매 내에서 균일하게 분포될 수 있다.
상기 분산용액에 금속 분말을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계에서는, 카본계 화합물 분말이 분산된 용액에 금속 염(salt)을 혼합한다. 이때, 용액에 분산된 카본계 물질의 양과 비교하여 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 물질이 서로 응집하는 것을 방지하기 위해 카본계 물질 및 금속 염의 양을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최종 산물로서 금속-카본계 복합소재 내에 분산되는 카본계 물질의 양이 0.1wt% 내지 0.5wt%의 질량비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 물질의 양이 전체 질량의 0.5wt%를 초과하는 질량비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염을 제공하는 경우, 카본계 화합물이 자체적으로 응집되려는 경향을 띄며, 금속과의 결합이 어려워짐은 물론, 카본계 화합물의 자체적인 응집으로 인하여 금속입자 형태의 변형이 생길 수 있게 되어 복합소재의 형성이 어려울 수 있다는 문제점이 생길 수 있다.
일 실시예에 따르면, 혼합단계에서는 카본계 물질 및 금속 염이 용매 내에서 균일하게 혼합 분산될 수 있도록 초음파 처리 또는 자성 혼합 처리를 실시할 수 있다.
상기 혼합용액을 건조하여 용매를 제거하는 단계에 있어서, 50℃ 내지 90℃ 의 온도조건 하에서 열처리하여 건조할 수 있다. 예컨대, 건조단계는 진공 드라이 오븐(vacuum dry oven)을 사용하여 4시간 내지 6시간 동안 진행될 수 있다.
다만, 상기 건조하여 용매를 제거하기 전에, 획득된 금속-카본계 혼합 분말을 에탄올 또는 물 등을 이용하여 세척하여 불순물을 제거할 수 있다.
상기 카본계 화합물이 그래핀 옥사이드를 포함하는 경우, 금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계 이후, 상기 금속-카본계 복합소재 형성하는 단계 이전에 환원하는 단계를 더 거칠 수 있다.
환원단계에서는, 상기 그래핀 옥사이드를 포함하는 카본계 화합물 및 금속 염을 환원시킨다. 일 실시예에 따르면, 카본계 화합물 및 금속 염이 포함된 용매에 환원제를 제공한 후에 열처리하는 환원 공정을 진행한다. 환원제는 하이드라진(NH2NH2)을 적용할 수 있다.
한편, 상기 카본계 화합물로서 상기 그래핀 옥사이드를 제외한 환원 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브 혼합물만을 사용하는 경우, 환원 그래핀 옥사이드는 이미 환원된 상태이므로 별도의 환원 단계를 진행할 필요는 없다.
일 실시예에 의하면, 환원단계는 그래핀 옥사이드, 금속 염 및 환원제를 포함하는 용액을 수소 분위기 내에서 600℃ 내지 900℃의 온도로 4시간 내지 6시간 동안 열처리함으로써 달성할 수 있다. 환원단계에 의하여, 금속에 카본계 물질이 결합되는 금속-카본계 복합소재를 획득할 수 있다.
상기 환원단계의 조건 하에서, 금속-카본계 복합소재 내에 잔류하는 산소와 같은 불순물을 제거하고, 카본계 화합물의 결정성을 향상시킬 수 있다. 수소 열처리는 예컨대, 튜브 형태의 노를 사용하며, 수소를 포함하는 가스를 반응 가스로 하여 진행할 수 있다.
마지막으로, 소결단계에서는, 제조된 금속-카본계 복합 분말을 소결 처리하여 벌크 소재를 형성할 수 있다. 제1 실시예에 따르면, 소결단계는 금속의 녹는점의 50% 내지 80%의 온도에서 고압을 인가하면서 진행할 수 있다. 예컨대, 금속이 구리인 경우, 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 50MPa 내지 150MPa의 압력을 인가하여 소결 공정을 진행할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 복합물질을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 복합물질을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구성인 상기 금속-카본계 복합소재를 화학적 방법을 사용하는 경우,
카본계 화합물 분말을 용매에 분산하여 분산용액을 제조하는 단계, 상기 분산용액과 금속 용액(금속이온을 함유하고 있는 용액)을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 혼합단계, 산성 상태의 혼합 용액을 중성화시키는 원심분리단계, 원심분리된 혼합 용액을 건조하는 건조단계, 수소 분위기에서 열처리를 통해 옥사이드를 환원하는 환원단계, 환원된 카본계 물질과 금속을 스파크 플라즈마를 통해 소결 처리하는 소결단계를 포함한다. 환원단계와 소결단계 사이에 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
다만, 화학적 방법을 사용하는 경우, 카본계 물질은 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브의 혼합 분말 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
상기 분산단계에서는, 카본계 화합물을 용매에 분산시킨다. 예컨대, 카본계 화합물은 그 자체로 분산이 어려우므로 방열용 조성액 내에서의 분산을 위하여 분산액 형태로 포함되는 것이 바람직하다.
용매는 예컨대 순수(DI water) 또는 에탄올을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 카본계 화합물을 균일하게 분산할 수 있는 공지의 다양한 종류의 용매가 적용될 수 있다.
카본계 물질 중 그래핀 옥사이드는 공지의 공정을 통해 흑연(graphite) 구조로부터 분리하여 획득될 수 있다. 그래핀 옥사이드는 흑연의 탄소 다층 구조로부터 산화되어 분리되는 낱개의 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀 옥사이드는 초음파 처리와 같은 분산 처리를 실시함으로써 용매 내에서 균일하게 분포될 수 있다.
상기 혼합단계에서는, 카본계 물질이 분산된 용매에 황산구리(CuSO4)과 같은 금속염을 용해하여 금속 이온을 함유하는 금속 용액을 제조한 뒤, 카본계 물질과 상기 금속 이온 이온을 결합한다. 이때, 용매에 분산된 카본계 물질의 양과 비교하여 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 1몰의 금속 염에 대해 0.1 내지 1몰의 카본계 물질이 혼합될 수 있다. 금속 염 1몰에 대해 카본계 물질이 1몰을 초과할 경우, 이후 공정에서 카본계 물질이 환원되어 형성되는 카본계 물질이 서로 응집할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최종 산물로서 금속-카본계 복합소재 내에 분산되는 카본계 화합물의 양이 0.1wt% 내지 0.5wt%의 부피비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 물질의 양이 0.5wt%를 초과하는 질량비를 갖도록 그래핀 옥사이드 및 금속 염을 제공하는 경우, 환원되는 카본계 화합물이 자체적으로 응집되려는 경향을 띄며, 금속과의 결합이 어려워짐은 물론, 환원된 카본계 화합물의 자체적인 응집으로 인하여 금속입자 형태의 변형이 생길 수 있게 되어 복합소재를 형성하기 어려울 수 있어, 발생할 수 있다.
카본계 물질의 구조 변형은 일 예로서, 그래핀의 흑연으로의 구조 변환 등을 들 수 있으며, 이는 제조되는 금속-카본계 복합물질 내에서 금속 입자와 결합하여 기지 금속의 기계적 특성을 향상시키는 카본계 물질의 작용을 저해한다.
일 실시예에 따르면, 혼합단계에서는 카본계 물질 및 금속 염이 용매 내에서 균일하게 혼합 분산될 수 있도록 초음파 처리 또는 자성 혼합 처리를 실시할 수 있다.
이때, 용매 내의 금속 염을 산화시켜 금속 산화물을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 카본계 물질 및 금속 염이 포함된 용매에 산화제를 제공한 후에 열처리하여 금속 산화물을 형성한다. 산화제는 예컨대, 수산화나트륨(NaOH)을 적용할 수 있다.
일 예로서, 산화 공정은 카본계 물질, 금속 염 및 산화제를 포함하는 용액을 40℃ 내지 100℃ 온도 범위에서 열처리함으로써 달성할 수 있다. 산화 공정에 의하여, 금속 염으로부터 금속 산화물을 형성한다. 이에 따라 카본계 물질과 금속 산화물이 결합된 혼합 분말을 형성한다. 여기서 결합이란, 카본계 물질과 금속 산화물 간의 물리적 또는 화학적 결합을 포괄하는 개념이다.
원심분리단계에서는, 원심 분리기를 이용하여 카본계 물질과 금속 산화물의 혼합분말을 용매와 분리시킬 수 있다. 이때 보다 순도가 높은 카본계 물질과 금속 산화물을 포함하는 혼합분말을 획득할 수 있도록, 용매가 제거된 혼합분말을 물과 에탄올로 세척하거나, 혼합분말을 미세 기공을 가지는 필터 및 펌프를 사용하여 진공 필터링을 진행할 수 있다.
건조단계에서는, 금속-카본계 혼합 용액을 50℃ 내지 90℃에서 열처리하여 건조하여 용매를 제거한다. 예컨대, 건조단계는 진공 드라이 오븐(vacuum dry oven)을 사용하여 4시간 내지 6시간 동안 진행될 수 있다.
건조단계를 진행하기 전에, 획득된 금속-카본계 혼합 소재를 에탄올 또는 물 등을 이용하여 세척하여 불순물을 제거할 수 있다.
환원단계에서는, 카본계 물질 및 금속염을 환원시킨다. 일 실시예에 따르면, 카본계 물질 및 금속염이 포함된 용매에 환원제를 제공한 후에 열처리하는 환원 공정을 진행한다. 환원제는 하이드라진(NH2NH2)을 적용할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 환원단계는 카본계 물질, 금속염 및 환원제를 포함하는 용액을 수소 분위기 내에서 600℃ 내지 900℃의 온도로 4시간 내지 6시간 동안 열처리함으로써 달성할 수 있다. 환원단계에 의하여, 금속 입자에 카본계 물질이 결합되는 금속-카본계 복합물질을 획득할 수 있다.
이를 통해 금속-카본계 복합물질 내에 잔류하는 산소와 같은 불순물을 제거하고, 그래핀의 결정성을 향상시킬 수 있다. 수소 열처리는 예컨대, 튜브 형태의 노를 사용하며, 수소를 포함하는 가스를 반응 가스로 하여 진행할 수 있다.
소결단계에서는, 제조된 복합 분말을 소결 처리하여 벌크 소재를 형성할 수 있다. 이때, 소결단계는 금속의 녹는점의 50% 내지 80%의 온도에서 고압을 인가하면서 진행할 수 있다. 예컨대, 구리-카본계 복합물질의 경우, 구리의 녹는 점의 50% 내지 80% 온도범위인, 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 50MPa 내지 150MPa의 압력을 인가하여 소결 공정을 진행할 수 있다.
환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 혼합분말을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 의해 제조되는 금속-카본계 복합소재를 포함하는 소결 윅을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 히트 파이프는, 진공상태로 밀봉되어 있는 파이프; 상기 파이프 내부에 위치하는 작동유체; 및 상기 파이프 내벽에 위치하고, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하며 소결된 금속-카본계 복합소재를 포함하는 소결 윅(sintering wick)을 포함할 수 있다.
상기 금속-카본계 복합소재는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 한다. 상기 코어- 쉘 구조란, 금속분말을 코어로 하고, 상기 코어 형태의 금속분말의 표면 전체를 카본계 화합물로 둘러싸는 구조일 수 있다.
이때, 상기 금속분말 코어의 형태는 구형, 다각형을 비롯한 다양한 형태일 수 있다. 다만. 상기 금속분말 코의 형태는 어느 하나의 형태에 한정되지는 않는다.
히트파이프란, 열을 효율적으로 전달하기 위한 파이프로서, 최근 초박형 또는 초소형의 마이크로소자를 사용하는 모바일 기기의 경우, 그 기능이 다양화되고 고사양의 성능을 요구하게 되면서, 중앙처리 장치 등에서 고온의 열이 발생할 때에도 히트파이프가 필요한데. 초소형의 부품을 사용하는 최신 IT 제품에는 히트 파이프의 크기 또한 미세한, 마이크로 히트파이프를 사용하 수 있다. 또한 상기와 같은 마이크로 히트 파이프는 제조 공정이 복잡하고 생산단가는 높은 반면 냉각성능이 떨어지는 문제점이 있는데, 상기와 같은 마이크로 히트 파이프 내벽에도 상기 금속-카본계 복합소재를 소결 윅으로 사용하는 경우, 초소형의 크기의 히트 파이프를 사용하면서도, 냉각성능이 뛰어난 마이크로 히트파이프를 제조할 수 있다.
본 발명은, 상기 금속- 카본계 복합소재로 형성되는 소결 윅을 포함하는 히트파이프에 관한 것으로, 히트파이프의 크기(직경)와 무관하게, 소결 윅의 소재로서 금속-카본계 복합소재를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속-카본계 복합소재에 사용되는 금속분말은, 구리, 구리합금, 은, 금, 알루미늄, 철, 아연, 백금, 주석, 및 텅스텐 중 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속-카본계 복합소재에 사용되는 카본계 화합물은, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO), 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 및 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 중 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 탄소나노튜브 대신 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber, CNF), 흑연나노섬유, 탄소나노로드가 사용될 수 있다.
상기 카본계 화합물인 그래핀의 열전도도는 약 3,000 W/mK 이상이어서 구리와 알루미늄의 약 10배 이상의 열적 특성을 나타낼 수 있다. 또한 상기 카본계 화합물은 고열전도성 뿐만 아니라 고열방사율을 가지기 때문에 열전도성 접/점착제, 코팅제, 테이프, 패드, 복합체로의 활용은 기존 방열소재가 나타낼 수 없는 우수한 방열특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 카본계 화합물과 금속 분말을사용한 금속-카본계 복합소재를 히트파이프로서 사용하는 경우, 그 방열효과가 증대될 수 있다.
본 발명인 히트파이프에 있어서, 히트파이프에 포함되는 소결 윅을 형성하는 상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물을 0.1wt% 내지 0.5wt% 포함할 수 있다. 카본계 화합물이 0.1wt% 미만으로 포함되는 경우, 기존의 단순 금속 분말, 합금 분말을 사용하는 것보다 열 확산률이 증대되지 않을 수 있고, 충분하게 금속 분말의 표면상에 층을 형성하기 어려울 수 있다. 반면, 상기 카본계 화합물이 0.5wt%를 초과하는 경우에는, 카본계 화합물 들이 자체적으로 응집되면서, 금속과 복합소재를 형성하기 어려울 수 있어, 금속-카본계 복합소재를 형성하기 위해서는 상기 범위 내로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명인 히트파이프에 있어서, 히트 파이프에 포함되는 소결 윅을 형성하는 상기 금속-카본계 복합소재는 물리적 방법 또는 화학적 방법으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 물리적 방법을 사용하는 경우,
상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물 분말을 용매에 분산하여 분산용액을 제조하는 단계; 상기 분산용액에 금속분말을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액을 건조하여 용매를 제거한 후 금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 상기 금속-카본계 혼합분말을 소결 처리하여 제조될 수 있다.
상기 카본계 화합물 분말은, 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 환원 그래핀 옥사이드(RGO; Reduced Graphene Oxide) 분말, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 분말 중 선택되는 어느 하나 이상이 적용될 수 있다.
분산용액을 제조하는 분산단계에서는, 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 환원 그래핀 옥사이드(RGO; Reduced Graphene Oxide) 분말, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 분말 중 선택되는 어느 하나 이상을 용매에 분산시킨다. 이때, 그래핀 옥사이드는 공지의 공정을 통해 흑연(graphite) 구조로부터 분리하여 획득될 수 있다. 그래핀 옥사이드는 흑연의 탄소 다층 구조로부터 산화되어 분리되는 낱개의 시트(sheet)일 수 있다.
상기 분산단계에서 사용되는 용매는 순수, 에탄올, 메탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜, 엔메틸피롤리돈, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸포름아미드, 메틸에틸케톤 등 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 카본계 화합물 분말을 균일하게 분산할 수 있는 공지의 다양한 종류의 용매가 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분산단계에서는 초음파 처리와 같은 분산 처리를 실시함으로써 카본계 물질이 용매 내에서 균일하게 분포될 수 있다.
상기 분산용액에 금속 분말을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계에서는, 카본계 화합물 분말이 분산된 용액에 금속염(salt)을 혼합한다. 이때, 용액에 분산된 카본계 물질의 양과 비교하여 금속염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 물질이 서로 응집하는 것을 방지하기 위해 카본계 물질 및 금속염의 양을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최종 산물로서 금속-카본계 복합소재 내에 분산되는 카본계 물질의 양이 금속-카본계 복합소재 총 질량의 0.1wt% 내지 0.5wt%의 질량비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 물질의 양이 금속-카본계 복합소재 총 질량의 0.5wt%를 초과하는 질량비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염을 제공하는 경우, 카본계 물질이 서로 응집될 수 있음은 물론, 이후 단계에서 환원된 그래핀 간의 응축에 의해 카본계 물질의 구조 변형이 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 혼합단계에서는 카본계 물질 및 금속 염이 용매 내에서 균일하게 혼합 분산될 수 있도록 초음파 처리 또는 자성 혼합 처리를 실시할 수 있다.
상기 혼합용액을 건조하여 용매를 제거하는 단계에 있어서, 50℃ 내지 90℃ 의 온도조건 하에서 열처리하여 건조할 수 있다. 예컨대, 건조단계는 진공 드라이 오븐(vacuum dry oven)을 사용하여 4시간 내지 6시간 동안 진행될 수 있다.
다만, 상기 건조하여 용매를 제거하기 전에, 획득된 금속-카본계 혼합 분말을 에탄올 또는 물 등을 이용하여 세척하여 불순물을 제거할 수 있다.
상기 카본계 화합물이 그래핀 옥사이드를 포함하는 경우, 금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계 이후, 상기 금속-카본계 복합소재 형성하는 단계 이전에 환원하는 단계를 더 거칠 수 있다.
환원단계에서는, 상기 그래핀 옥사이드를 포함하는 카본계 화합물 및 금속 염을 환원시킨다. 일 실시예에 따르면, 카본계 화합물 및 금속 염이 포함된 용매에 환원제를 제공한 후에 열처리하는 환원 공정을 진행한다. 환원제는 하이드라진(NH2NH2)을 적용할 수 있다.
한편, 상기 카본계 화합물로서 상기 그래핀 옥사이드를 제외한 환원 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브 혼합물만을 사용하는 경우, 환원 그래핀 옥사이드는 이미 환원된 상태이므로 별도의 환원 단계를 진행할 필요는 없다.
일 실시예에 의하면, 환원단계는 그래핀 옥사이드, 금속 염 및 환원제를 포함하는 용액을 수소 분위기 내에서 600℃ 내지 900℃의 온도로 4시간 내지 6시간 동안 열처리함으로써 달성할 수 있다. 환원단계에 의하여, 금속에 카본계 물질이 결합되는 금속-카본계 복합소재를 획득할 수 있다.
상기 환원단계의 조건 하에서, 금속-카본계 복합소재 내에 잔류하는 산소와 같은 불순물을 제거하고, 카본계 화합물의 결정성을 향상시킬 수 있다. 수소 열처리는 예컨대, 튜브 형태의 노를 사용하며, 수소를 포함하는 가스를 반응 가스로 하여 진행할 수 있다.
마지막으로, 소결단계에서는, 제조된 금속-카본계 복합 분말을 소결 처리하여 벌크 소재를 형성할 수 있다. 제1 실시예에 따르면, 소결단계는 금속의 녹는점의 50% 내지 80%의 온도에서 고압을 인가하면서 진행할 수 있다. 예컨대, 금속이 구리인 경우, 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 50MPa 내지 150MPa의 압력을 인가하여 소결 공정을 진행할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 복합물질을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 복합물질을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구성인 상기 금속-카본계 복합소재를 화학적 방법을 사용하는 경우,
카본계 화합물 분말을 용매에 분산하여 분산용액을 제조하는 단계, 상기 분산용액과 금속 용액(금속이온을 함유하고 있는 용액)을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 혼합단계, 산성 상태의 혼합 용액을 중성화시키는 원심분리단계, 원심분리된 혼합 용액을 건조하는 건조단계, 수소 분위기에서 열처리를 통해 옥사이드를 환원하는 환원단계, 환원된 카본계 물질과 금속을 스파크 플라즈마를 통해 소결 처리하는 소결단계를 포함한다. 환원단계와 소결단계 사이에 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
다만, 화학적 방법을 사용하는 경우, 카본계 물질은 그래핀 옥사이드(GO; Graphene Oxide) 분말, 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브의 혼합 분말 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
상기 분산단계에서는, 카본계 화합물을 용매에 분산시킨다. 예컨대, 카본계 화합물은 그 자체로 분산이 어려우므로 방열용 조성액 내에서의 분산을 위하여 분산액 형태로 포함되는 것이 바람직하다.
용매는 예컨대 순수(DI water) 또는 에탄올을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 카본계 화합물을 균일하게 분산할 수 있는 공지의 다양한 종류의 용매가 적용될 수 있다.
카본계 물질 중 그래핀 옥사이드는 공지의 공정을 통해 흑연(graphite) 구조로부터 분리하여 획득될 수 있다. 그래핀 옥사이드는 흑연의 탄소 다층 구조로부터 산화되어 분리되는 낱개의 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀 옥사이드는 초음파 처리와 같은 분산 처리를 실시함으로써 용매 내에서 균일하게 분포될 수 있다.
상기 혼합단계에서는, 카본계 물질이 분산된 용매에 황산구리(CuSO4)과 같은 금속염을 용해하여 금속 이온을 함유하는 금속 용액을 제조한 뒤, 카본계 물질과 상기 금속 이온 이온을 결합한다. 이때, 용매에 분산된 카본계 물질의 양과 비교하여 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 1몰의 금속 염에 대해 0.1몰 내지 1몰의 카본계 물질이 혼합될 수 있다. 1몰의 금속 염에 대해 카본계 물질이 1몰을 초과할 경우, 이후 공정에서 카본계 물질이 환원되어 형성되는 카본계 물질이 서로 응집할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최종 산물로서 금속-카본계 복합소재 내에 분산되는 카본계 화합물의 양이 금속-카본계 복합소재 총 질량의 0.1wt% 내지 0.5wt%의 질량비를 갖도록 카본계 물질 및 금속 염의 양을 조절할 수 있다. 카본계 화합물의 양이 금속-카본계 복합소재의 총 질량의 0.5wt%를 초과하는 질량비를 구성하는 경우, 카본계 화합물이 자체적으로 응집되려는 경향을 띄며, 금속과의 결합이 어려워짐은 물론, 카본계 화합물의 자체적인 응집으로 인하여 금속입자 형태의 변형이 생길 수 있게 되어 복합소재를 형성하기 어려울 수 있다.
카본계 물질의 구조 변형은 일 예로서, 그래핀의 흑연으로의 구조 변환 등을 들 수 있으며, 이는 제조되는 금속-카본계 복합물질 내에서 금속 입자와 결합하여 기지 금속의 기계적 특성을 향상시키는 카본계 물질의 작용을 저해한다.
일 실시예에 따르면, 혼합단계에서는 카본계 물질 및 금속 염이 용매 내에서 균일하게 혼합 분산될 수 있도록 초음파 처리 또는 자성 혼합 처리를 실시할 수 있다.
이때, 용매 내의 금속 염을 산화시켜 금속 산화물을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 카본계 물질 및 금속 염이 포함된 용매에 산화제를 제공한 후에 열처리하여 금속 산화물을 형성한다. 산화제는 예컨대, 수산화나트륨(NaOH)을 적용할 수 있다.
일 예로서, 산화 공정은 카본계 물질, 금속염 및 산화제를 포함하는 용액을 40℃ 내지 100℃ 온도 범위에서 열처리함으로써 달성할 수 있다. 산화 공정에 의하여, 금속염으로부터 금속 산화물을 형성한다. 이에 따라 카본계 물질과 금속 산화물이 결합된 혼합 분말을 형성한다. 여기서 결합이란, 카본계 물질과 금속 산화물 간의 물리적 또는 화학적 결합을 포괄하는 개념이다.
원심분리단계에서는, 원심 분리기를 이용하여 카본계 물질과 금속 산화물의 혼합분말을 용매와 분리시킬 수 있다. 이때, 보다 순도가 높은 카본계 물질과 금속 산화물을 포함하는 혼합분말을 획득할 수 있도록, 용매가 제거된 혼합분말을 물과 에탄올로 세척하거나, 혼합분말을 미세 기공을 가지는 필터 및 펌프를 사용하여 진공 필터링을 진행할 수 있다.
건조단계에서는, 금속-카본계 혼합 용액을 50℃ 내지 90℃ 에서 열처리하여 건조하여 용매를 제거한다. 예컨대, 건조단계는 진공 드라이 오븐(vacuum dry oven)을 사용하여 4시간 내지 6시간 동안 진행될 수 있다.
건조단계를 진행하기 전에, 획득된 금속-카본계 혼합 소재를 에탄올 또는 물 등을 이용하여 세척하여 불순물을 제거할 수 있다.
환원단계에서는, 카본계 물질 및 금속 염을 환원시킨다. 일 실시예에 따르면, 카본계 물질 및 금속 염이 포함된 용매에 환원제를 제공한 후에 열처리하는 환원 공정을 진행한다. 환원제는 하이드라진(NH2NH2)을 적용할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 환원단계는 카본계 물질, 금속 염 및 환원제를 포함하는 용액을 수소 분위기 내에서 600℃ 내지 900℃의 온도로 4시간 내지 6시간 동안 열처리함으로써 달성할 수 있다. 환원단계에 의하여, 금속 입자에 카본계 물질이 결합되는 금속-카본계 복합물질을 획득할 수 있다.
이를 통해 금속-카본계 복합물질 내에 잔류하는 산소와 같은 불순물을 제거하고, 그래핀의 결정성을 향상시킬 수 있다. 수소 열처리는 예컨대, 튜브 형태의 노를 사용하며, 수소를 포함하는 가스를 반응 가스로 하여 진행할 수 있다.
소결단계에서는, 제조된 복합 분말을 소결 처리하여 벌크 소재를 형성할 수 있다. 이때, 소결단계는 금속의 녹는점의 50% 내지 80%의 온도에서 고압을 인가하면서 진행할 수 있다. 예컨대, 구리-카본계 복합물질의 경우, 구리의 녹는 점의 50% 내지 80% 온도범위인, 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 50MPa 내지 150MPa의 압력을 인가하여 소결 공정을 진행할 수 있다.
환원단계와 소결단계 사이에 볼 밀을 통해 금속-카본계 혼합분말을 고르게 분산시켜 상호 간의 계면 밀착도를 높이기 위한 볼 밀링단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 설명한다.
실시예 1
상기 물리적, 화학적 방법을 이용하여 금속은 구리로, 카본계화합물은 그래핀옥사이드 또는 환원그래핀옥사이드를 사용하여 복합소재를 제조하였다.
이에 따라, 하기 도 1은 물리적 방법에 의해 제조된 금속-카본계 복합소재를, 하기 도 2는 화학적 방법에 의해 제조된 금속-카본계 복합소재를 나타낸 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope) 사진이다.
나아가, 하기 도 3에서는 금속- 카본계 복합소재를 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscope) 사진을 통하여 나타내었다.
하기 도 1 및 도 2를 참조하면, 물리적 방법을 택하는 경우 보다 균일한 형태의 구리-카본계 복합소재가 제조되는 것을 확인할 수 있고, 구리분말 입자의 표면 상에 그래핀이 균일하게 도포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 화학적 방법에 의한 경우에도, 동일하게 그래핀이 구리분말 입자의 표면상에 도포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 하기 도 3은 투과전자현미경으로 관찰한 금속-카본계 복합 소자에 관한 것으로, 금속은 구리로 하고, 100nm, 20nm 기준으로 확대하여 관찰한 경우(도 3(a)) 구리-카본계 복합소재가 균일하게 제조됨을 확인할 수 있고, 5nm 기준으로 확대하여 관찰한 경우(도 3(c)) 및 도3(d)의 사진을 참조할 경우, 구리 입자가 내부에 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다.
하기 도 4는, 금속-카본계 복합소재에 대한 XRD 그래프로서, 금속은 구리로 하고, 카본계 화합물은 환원 그래핀 옥사이드로 하여 제조한 경우, XRD 그래프로 분석 결과, 구리-환원 그래핀 옥사이드가 복합된 화합물이 존재함을 확인할 수 있다.
하기 도 5는 금속-카본계 복합소재의 카본계 화합물의 질량 퍼센트(weight percent, wt%)에 따른 열확산율(thermal diffusivity)를 나타낸 그래프이다. 보다 구체적으로, 하기 도 5의 그래프는 카본계 화합물은 환원 그래핀 옥사이드로 하고, 금속은 구리로 한 금속-카본계 복합소재를 제조한 것에 대한 것으로, 환원 그래핀 옥사이드의 질량퍼센트가 0.1wt% 내지 0.5wt%인 경우, 열확산율이 높은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 0.5wt%를 초과하는 경우, 환원 그래핀 옥사이드가 자체적으로 응집하게 되어, 금속과 환원 그래핀 옥사이드와 구리입자 간의 결합이 어려워짐은 물론, 구리입자 형태의 변형을 발생시켜, 환원 그래핀 옥사이드 질량 퍼센트에 따른 열 확산율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 금속-카본계 복합소재의 전체 질량 대비 카본계 화합물의 질량 퍼센트는 0.1wt% 내지 0.5wt%인 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 파이프 내벽에 부착된 바인더; 및
    상기 바인더 상에 위치하되, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면 상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하는 금속-카본계 복합소재;를 포함하고,
    상기 금속-카본계 복합소재는 소결된 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅(sintering wick).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 구리, 구리합금, 은, 금, 알루미늄, 철, 아연, 백금, 주석, 및 텅스텐 중 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프용 소결 윅.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카본계 화합물은, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO), 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 및 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물을 0.1wt% 내지 0.5wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재의 열확산도는 90㎟/s 내지 150㎟/s인 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재는,
    카본계 화합물 분말을 용매에 분산하여 분산용액을 제조하는 단계;
    상기 분산용액에 금속분말을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
    상기 혼합용액을 건조하여 용매를 제거한 후 금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 금속-카본계 혼합분말을 소결 처리하여 금속-카본계 복합소재를 형성하는 단계;
    를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 카본계 화합물이 그래핀 옥사이드를 포함하는 경우,
    금속-카본계 혼합 분말을 제조하는 단계 이후, 상기 금속-카본계 복합소재 형성하는 단계 이전에 환원하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 히트파이프용 소결 윅.
  9. 내부가 진공상태로 밀봉되어 있는 파이프;
    상기 파이프 내부에 위치하는 작동유체; 및
    상기 파이프의 내벽에 위치하되, 금속분말 및 상기 금속분말의 표면상에 형성된 카본계 화합물 층을 포함하는 금속-카본계 복합소재를 포함하고,
    상기 금속-카본계 복합소재는 소결된 것을 특징으로 하는 금속-카본계 복합소재를 포함하는 소결 윅(sintering wick);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 하는 히트파이프.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 금속 분말은 구리, 구리합금, 은, 금, 알루미늄, 철, 아연, 백금, 주석, 및 텅스텐 중 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 카본계 화합물은, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO), 환원 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 및 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 금속-카본계 복합소재는, 카본계 화합물을 0.1wt% 내지 0.5wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
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