KR20180059419A - 방열기의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두께와 무게를 감소시키는 동시에 열전달 면적이 확장되면서 열 발산 효율이 향상되는 방열기의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 방열기의 제조방법은, 열전도성 기판 상에, 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계 및 열처리를 통해 상기 소정의 돌기 패턴을 상기 돌기 패턴을 구성하는 열전도성 물질을 소성하여 상기 열전도성 기판에 고정하는 단계를 포함한다.

Description

방열기의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열기 {MANUFACTURING METHOD FOR HEAT SINK AND HEAT SINK MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 히트싱크(Heat Sink)로 이용될 수 있는 방열기의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 열전달 면적이 넓어 방열효율이 우수하고 종래의 히트싱크에 비해 두께가 얇고 가벼우며 부피도 줄일 수 있는 방열기의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열기에 관한 것이다.

LED 조명이란 LED 칩을 조합하여 광원으로 사용하는 것으로, 기존의 형광등이나 백열전구보다 전력소모가 적고 수명이 길어 차세대 조명으로 부각되고 있으며 신호등, 자동차의 전조등, 및 각종 생활 조명용으로 그 적용이 확대되고 있다.

그런데, LED 칩에서는 상당한 열이 발생하므로, 실내외에서 장시간 사용되는 조명으로 이용할 경우, LED 칩에서 발생한 열이 패키지 전체를 통해 효과적으로 방출되지 못하면, LED 칩의 온도가 높아져 LED 칩이 열화되고 수명이 단축되는 결과로 나타나게 된다. 따라서, LED 조명에 있어서 장시간 동안 대용량의 전류를 흘려주기 위해서는 LED 칩으로부터 열을 다량으로 신속하게 배출할 수 있는 방열기를 구비하는 것이 중요하다.

종래의 LED 조명의 방열은 일반적으로 날개부(fin)를 구비한 알루미늄 재질의 히트싱크를 사용한다. PCB(Printed Circuit Board)에 탑재된 각 LED 칩이 열원이 되고, 이 열원에서 발생한 열은 히트싱크 몸체를 통하여 전달되며, 날개부는 공기와의 접촉면적을 확대하기 위해 형성된다.

그런데, 이렇게 본체와 날개부가 일체형으로 제작된 히트싱크는 두께가 두꺼운 압출이나 다이캐스팅 방식으로 제작되기 때문에 무게가 무겁고 공기와의 접촉 면적에 있어서도 한계를 갖는다. 따라서, LED 조명의 발열량이 증가하게 되면 히트싱크의 크기도 대형화되며 그에 따라 무게나 부피가 크게 증가하게 되고, 가볍거나 부피를 작게 할 경우 방열성능이 충분하지 못해 LED의 신뢰성이나 내구성을 현저하게 저하시키는 문제점을 가진다.

또한, 하기 특허문헌에는, 유기 고분자 매트릭스에 배향된 흑연입자가 분산된 열전도 시트를 방열용으로 사용하는 예가 개시되어 있는데, 이와 같은 열전도 시트는 전술한 알루미늄 압출 또는 주조재에 비해서는 가벼우나 역시 일정 이상의 무게를 가질 뿐 아니라, 방열 표면적이 넓지 않아 열 방출 효율의 측면에서는 개선의 여지가 있다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0074772호

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 열 방출 특성이 우수하면서도 종래의 방열기에 비해 박판화와 경량화가 가능하여 방열이 요구되는 다양한 기기에 적합하게 적용될 수 있는 방열기의 제조방법과 이 제조방법에 의해 제조된 방열기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면은, 열전도성 기판 상에, 소정의 패턴을 포함하는 몰드를 설치하는 단계와, 상기 몰드의 패턴을 통하여 상기 열전도성 기판 상에 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 방열기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1측면에 의하면, 미세한 패턴이 형성된 몰드를 사용하여 열전도성 기판 상에 열전도성 물질로 이루어진 돌기 패턴을 형성하므로, 종래의 압출이나 주조방법에 비해 얇으면서도 방열면적을 현저하게 증대시킬 수 있어서, 얇고 가벼우며 방열특성도 우수한 방열기를 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 제2측면은, 열전도성 기판 상에, 소정의 패턴을 포함하는 몰드를 설치하는 단계와, 상기 몰드의 패턴을 통하여 상기 열전도성 기판 상에 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계와, 상기 돌기 패턴 상에 추가로 열전도성 기판을 부착하는 단계를 포함하는 방열기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2측면에 의하면, 돌기 패턴을 사이에 두고 열전도성 기판이 합판되어 있는 구성의 방열기가 제공되는데, 돌기 패턴 사이에 냉매를 흐르게 할 경우, 단순히 돌기 패턴을 통해 방열하는 경우에 비해 방열효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 제3측면은, 상기한 방법으로 제조된 방열기로, 열전도성 기판과, 상기 열전도성 기판 상에 형성된 열전도성 물질로 이루어진 다수의 돌기 패턴을 구비한 방열기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제4측면은, 상기한 방법으로 제조된 방열기로, 2개의 열전도성 기판과, 상기 2개의 열전도성 기판 사이에 개재되어 형성된 열전도성 물질로 이루어진 다수의 돌기 패턴과, 상기 돌기 패턴에 배치된 냉매를 구비한 방열기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라 제조된 방열기는 열전도성 박판 상에 열전도성이 우수한 돌기 패턴이 방열층으로 형성되어 있어, 종래의 방열 구조에 비해 박판화와 경량화가 가능할 뿐 아니라 비표면적이 넓어 방열 특성이 우수하다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 열전도성 박판과 돌기로 이루어진 방열기를 상판과 하판으로 구비하여 서로 맞닿도록 합판하거나 하판 위에 열전도성 박판을 합판시킴으로서 방열 파이프 형태로 제작하여 내부에 냉각유체를 주입하면 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 3차원 네트워크 형상의 다수의 열전도성 돌기를 가지므로, 분위기와의 접촉 면적이 크게 증대되어 방열 특성을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 인쇄방법을 이용하여 열전도성 방열기를 제작하기 위한 몰드의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전도성 기판 위에 상기 몰드를 이용하여 열전도성 돌기 패턴을 형성하여 제작한 방열기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 돌기 패턴을 형성하는데 사용하는 임프린트 몰드의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조한 방열기의 사진과 상기 돌기 패턴을 비접촉식 표면 3차원 형상 측정기로 측정한 결과를 나타낸 도표이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 방열기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 방열기의 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 방열기의 제조방법은, 열전도성 기판 상에, 소정의 패턴을 포함하는 몰드를 설치하는 단계와, 상기 몰드의 패턴을 통하여 상기 열전도성 기판 상에 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 열전도성 기판은, 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금을 포함하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 방열기에 요구되는 성능에 맞추어 다양한 기판이 사용될 수 있다.

상기 열전도성 물질은, 다수의 열전도성 입자와, 상기 열전도성 입자에 유동성을 제공하는 용매 물질을 포함할 수 있다. 이중, 열전도성 입자는 예를 들어, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 합금, 흑연, 그래핀과 같이 열전도 특성이 우수한 물질 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 용매는 바람직하게 끓는점이 상이한 2종 이상의 용매를 혼합한 혼합용매를 사용할 수 있다. 또한, 상기 열전도성 물질에는 열전도성 입자에 성형성을 부여할 수 있는 플라스틱 또는 고무 중에서 선택된 1종 이상의 유기물을 포함할 수 있다.

또한, 상기 열전도성 물질은 열전도성 기판과 동일한 물질로 형성될 수도 있다.

상기 돌기 패턴은 바람직하게 스크린 프린팅법 또는 임프린팅법을 통해 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않고 본 발명의 목적에 따른 미세한 돌기 패턴을 형성할 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않는다.

일 예로, 상기 돌기 패턴의 형성은, 상기 열전도성 기판 상에 소정의 패턴이 형성된 몰드를 설치하는 단계, 상기 몰드에 열전도성 물질을 충전하여 상기 열전도성 기판 상에 다수의 돌기 패턴을 형성하는 단계 및 상기 몰드를 제거하는 단계를 포함하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 몰드의 설치는, 상기 열전도성 기판 상에 접착용 페이스트를 도포한 후 상기 몰드를 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 몰드는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 이들의 혼합물 등 다양한 재료로 만들어질 수 있다.

다른 예로, 상기 열전도성 기판을 가열하는 단계와, 상기 열전도성 기판에 상기 몰드를 가압하여 열전도성 기판 자체를 성형하는 방법으로 상기 열전도성 기판상에 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 다수의 돌기 패턴은 3차원적으로 상호 네트워크 형태로 연결될 수 있으며, 이 경우 국소적으로 높은 열이 발생하는 핫스폿(hot spot)으로부터 신속하게 열을 확산시켜 배출할 수 있어, 핫스폿의 발생이 문제가 되는 어플리케이션에 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 상기 소성된 돌기 패턴 상에 추가로 열전도성 기판을 부착하여, 열전도성 기판 사이에 냉매를 흘려줄 수 있는 유로를 형성할 수 있다.

또한, 2장의 열전도성 기판 사이에 다수의 돌기 패턴이 개재된 형상은, 예를 들어, 열전도성 기판 상에, 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계, 상기 돌기 패턴을 구비한 열전도성 기판 2장을 준비하는 단계, 상기 2장의 열전도성 기판에 구비된 돌기 패턴을 서로 접하도록 하는 단계 및 상기 2장의 돌기 패턴을 열처리하여 상기 돌기 패턴을 구성하는 열전도성 물질을 소성하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.

또한, 열전도성 기판 상에, 열전도성 물질로 이루어진 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계, 열처리를 통해 상기 소정의 돌기 패턴을 소성하여 상기 돌기 패턴을 구성하는 열전도성 물질을 소성하여 상기 열전도성 기판에 고정하는 단계, 상기 돌기 패턴을 구비한 열전도성 기판 2장을 준비하는 단계 및 상기 2장의 열전도성 기판에 구비된 돌기 패턴을 서로 접착하는 단계를 포함하는 방법으로도 제조될 수 있다. 이때, 상기 돌기 패턴 간의 접합은 레이저를 이용한 열처리를 통해 이루어질 수도 있다.

또한, 열전도성 기판의 표면에 열전도성 재료로 이루어진 돌기가 형성된 방열판(하판)에 다른 열전도성 기판(상판)을 합판하여 복합 방열기를 형성할 수도 있다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1에 따른 방열기는 열전도성 기판 위에 열전도성 돌기 패턴을 인쇄하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.

인쇄용 몰드로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 테두리와, 상기 테두리의 내측에 틈(slit)을 두고 두께 방향으로 다수의 구멍(hole)으로 이루어진 패턴을 구비하는 몰드가 사용될 수 있다.

상기 몰드 재료는 세라믹 물질, 금속 물질 또는 폴리머 물질 등 열전도성 물질을 인쇄할 수 있는 것이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.

예를 들어, 세라믹 물질로는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(Zr₂O₃)와 같은 물질이 사용될 수 있고, 금속으로는 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금 중에서 선택된 1종 이상, 폴리머 물질로는 플라스틱 또는 고무 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질도 사용될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 몰드 이외에도 패턴이 형성된 스크린(screen)이나 메쉬(mesh)를 사용하여 인쇄를 수행할 수도 있다.

상기 몰드나 스크린의 두께를 변화시키면 상기 열 전도성 물질의 돌기 패턴의 높이를 조절할 수 있으며, 상기 몰드나 스크린에 형성되는 패턴의 크기를 변화시키면 상기 열 전도성 돌기의 크기와 모양을 조절할 수 있다. 상기 몰드나 스크린의 두께는 10㎛ ~ 1mm, 패턴의 크기는 10㎛ ~ 100㎛ 사이로 적용하는 것이 바람직하다.

이러한, 도 1의 몰드를 열전도성 기판 상에 설치한다. 이때, 열전도성 기판 상에 몰드를 움직이지 않도록 고정하기 위하여 대기압 이상의 압력으로 몰드를 기판에 압착하는 방법을 적용할 수 있다.

이와 같이, 열전도성 기판 상에 밀착된 몰드 위에 열전도성 물질을 도포한다.

열전도성 물질은, 열전도성 분말과 열전도성 분말에 유동성과 성형성을 부여하기 위한 용매 물질을 포함할 수 있다. 상기 열전도성 입자는 방열기에 요구되는 방열특성에 맞추어 다양한 열전도도를 구비한 물질이 사용될 수 있는데, 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Ag)과 같이 열전도성이 우수한 금속 또는 이들의 합금 분말이나, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 열전도성이 우수한 탄소계 물질, 또는 이들의 복합물질이 사용될 수 있다.

열전도성 분말의 입도는 요구되는 특성에 따라 다양하게 사용될 수 있으나, 바람직하게는 1nm ~ 100㎛의 물질이 사용될 수 있다.

이러한 열전도성 분말의 패턴 형성을 위하여 열전도성 분말을 포함하는 페이스트 또는 잉크가 사용될 수 있는데, 페이스트 또는 잉크에 요구되는 특성에 맞추어 용매 물질이 선택될 수 있다.

예를 들어, 잉크용 용매는, 알코올류, 글리콜류, 알킬계, 및 싸이클로헥사논 등에서 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 혼합 용매를 사용하면 낮은 끓는점을 가진 용매가 먼저 증발되고 높은 끓는점을 가진 용매는 인쇄된 이미지의 과도한 번짐 현상 없이 서서히 증발되므로 높은 끓는점과 낮은 끓는점을 가진 용매로 이루어진 혼합 용매를 사용하면 인쇄 과정에서 페이스트의 점성을 조절할 수 있으므로 돌기 패턴을 정확하게 전사할 수 있게 된다. 이뿐 아니라, 패턴을 형성한 이후에도 열처리를 통하여 소성하는 과정에서 높은 끓는점을 가진 용매가 제거되면서 인쇄된 돌기 패턴이 경화되므로 패턴 형상을 용이하게 유지할 수 있도록 하므로, 보다 바람직하다.

혼합 용매를 사용할 경우, 낮은 끓는점을 가진 용매로서는 이소프로필알코올, 프로필렌 글리콜 또는 상기 물질의 조합을 포함할 수 있고, 높은 끓는점을 가진 용매는, N-메틸 피롤리돈, 디메틸포름아마이드, α-테르피네올과 같은 테르피네올, 카비톨, 부틸셀로솔브 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

한편, 스크린 인쇄법은 스크린의 패턴이 심각하게 변형되지 않는 범위에서 반복 사용할 수 있으며 페이스트를 위한 용매 물질은 원하는 프린팅 특성을 제공하고 스크린에 적합한 물질 중에서 선택하도록 한다. 이와 같이 함으로써 스크린이 페이스트에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.

이상과 같이 준비한 페이스트 또는 잉크를 사용하여, 상기 몰드를 통해 상기 전도성 기판 상에 몰드에 형성된 패턴을 전사하게 되면, 도 2에 도시된 것과 같은 돌기 패턴이 전도성 기판 상에 형성된다.

또한, 상기한 구멍이 형성된 몰드나, 스크린, 메쉬와 같은 수단을 사용하지 않고, 임프린트 몰드를 사용하여 돌기 패턴을 형성할 수도 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 트렌치(trench) 패턴을 구비한 몰드를 이용하여, 열전도성 기판 상에 열전도성 물질을 포함하는 물질을 도포한 후, 임프린트 몰드를 사용하여 임프린팅을 하여 돌기 패턴을 형성할 수도 있다.

이와 같이 형성된 돌기 패턴을 열처리를 통해 소성하여 유기물을 제거하고, 금속 또는 탄소계 물질 간의 결합력을 부여함으로써, 방열기가 형성된다.

이때 열처리는 대기압 분위기 또는 10torr 이하의 진공 중에서 300~900℃ 범위의 온도로 10~60분 동안 가열하는 방법을 포함한다.

한편, Al이나 Al 합금 등의 700℃ 이하의 저융점을 갖는 금속 박판을 열전도성 기판으로 사용하는 경우에는 단순하게 임프린트 몰드를 이용하여 금속 기판의 융점보다 낮은 온도, 예를 들어 Al이나 Al 합금 물질로 이루어진 기판의 경우에 있어서 300~500℃ 범위로 기판을 가열하면서 임프린트 몰드를 기판에 가압함으로써 돌기 패턴을 직접 기판 자체에 형성할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 0.2mm의 Cu 박판으로 이루어진 열전도성 박판 상에 임프린트 방법으로 Cu 돌기 패턴을 형성한 방열기의 시험 샘플 사진과 상기 돌기를 비접촉식 표면 3차원 형상 측정기로 측정한 결과를 나타낸 것으로서 상기 열전도성 돌기의 크기는 약 30㎛, 높이는 약 170㎛ 이내에서 형성된 것을 알 수 있으며, 이를 통해 두께는 약 0.4mm의 매우 얇은 두께를 갖는 방열기가 제작되었다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2에 따른 방열기는, 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 방열기의 돌기 패턴 중 열전도성 기판에 고정되지 않은 단부에 제2의 열전도성 기판을 부착한 구조를 갖는다.

이와 같이 제2의 열전도성 기판이 부착되면, 양 기판 사이에 유로가 형성될 수 있고, 이 유로에 냉매를 순환시킬 경우, 공랭 방식에 비해 훨씬 빠른 속도로 방열이 가능해 질 수 있다.

제2의 열전도성 기판의 부착은, 실시예 1에 따라 돌기 패턴을 형성하고 소성을 한 후, 제2 열전도성 기판을 돌기 패턴에 접한 후, 열처리 또는 접착제를 사용하여 부착할 수 있다.

다른 방법으로는 실시예 1에 따른 돌기 패턴에 대한 소성처리를 하기 전에, 제2의 열전도성 기판을 배치한 후, 소성처리를 하는 방법을 사용할 수도 있다.

[실시예 3]

본 발명의 실시예 3에 따른 방열기는, 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 돌기 패턴을 구비한 방열기 2개를 돌기 패턴이 대향되도록 배치한 후, 돌기 패턴을 접합시킴으로써, 양 기판 사이에 유로가 형성된 구조를 갖도록 한 것이다.

이러한 돌기 패턴 간의 접합은 접합부에 레이저 가열과 같은 열처리를 통해 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에서는 방열이 요구되는 LED에 적용하는 경우에 대하여 기술하였으나 PC, 노트북, 스마트 폰 등으로 포함하는 각종 전자제품에 있어서도 프로세서 등의 반도체가 국부적으로 가열되면 그 반도체의 수명과 특성이 열화된다. 따라서 반도체 소자의 방열에 대한 필요성이 지속적으로 요구되므로 본 발명의 열 확산기와 제조방법은 LED를 포함하는 모든 반도체 소자에 적용하는 것을 포함한다.

Claims (1)

1. 열전도성 기판 상에, 소정의 패턴을 포함하는 몰드의 패턴을 통하여 상기 열전도성 기판 상에 소정의 돌기 패턴을 형성하는 방열기의 제조방법으로,
   상기 소정의 돌기 패턴을 형성하는 단계는,
   상기 몰드에 열전도성 물질을 충전하여 상기 열전도성 물질로 이루어진 돌기 패턴을 형성하는 단계와,
   열처리를 통해 상기 열전도성 물질로 이루어진 돌기 패턴을 소성하는 단계를 포함하며,
   상기 열전도성 물질은, 다수의 열전도성 입자와, 상기 열전도성 입자에 유동성을 제공하는 용매 물질을 포함하고,
   상기 용매 물질은 끓는점이 상이한 2종 이상의 용매를 혼합한 혼합용매를 포함하는 방열기의 제조방법.

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