KR20230048460A - 질화붕소 나노튜브 강화 전기 부품 - Google Patents

질화붕소 나노튜브 강화 전기 부품 Download PDF

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알. 로이 휘트니
케빈 씨. 조단
마이클 더블유. 스미스
조나단 씨. 스티븐스
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비엔엔티 엘엘씨
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Abstract

정렬된 고품질 질화붕소 나노튜브(BNNT)는 열 제거를 강화하고 발열을 줄이기 위해 그룹 및 번들 내로 혼입되고 전자 및 전기 부품(EC)에 배치될 수 있다. 고품질 BNNT는 나노 수준에서 뛰어난 열 전도체이다. 고품질 BNNT는 전기 절연성이며 유전 발열을 감소시킬 수 있다. BNNT는 광범위한 세라믹, 금속, 중합체, 에폭시 및 열 그리스와 잘 복합화됨으로써 개선된 열 관리와 더불어 EC 설계에 있어서 큰 유연성을 제공한다. 서로 그리고 EC의 표면과 층 모두에 대한 BNNT의 정렬 제어는 EC에 대해 바람직한 구현예를 제공한다.

Description

질화붕소 나노튜브 강화 전기 부품{BORON NITRIDE NANOTUBE ENHANCED ELECTRICAL COMPONENTS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2014년 12월 17일에 출원된 U.S. 특허 가출원 제62/092,906호; 2015년 4월 27일에 출원된 U.S. 특허 가출원 제62/153,155호; 2015년 6월 16일에 출원된 U.S. 특허 가출원 제62/180,353호; 및 2015년 6월 26일에 출원된 U.S. 특허 가출원 제62/185,329호의 이익을 청구하며; 2015년 4월 24일에 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US15/27570호에 관련된다. 이들 출원의 내용이 명시적으로 참조로 포함된다.
정부 지원에 관한 진술
없음.
기술분야
본 개시는 일반적으로 질화붕소 나노튜브의 혼입을 통한 전기 부품의 성능 강화에 관한 것이다.
전자 및 전기 부품(EC), 예컨대 다이오드, 발광 다이오드(LED), 트랜지스터, 집적 회로 및 다층 집적 회로가 보다 일반적인 소자가 됨에 따라, EC 성능은 더 중요해진다. 대부분의 경우에서, EC 성능은 발열을 최소화하고 발열 영역에서부터 열 싱크까지의 열 수송을 개선함으로써 접속부 온도 및 부품 온도를 낮게 유지하고 EC를 구성하는 물질 및 층에서 열로 생성된 기계적 스트레스를 줄이는 EC의 능력에 의해 빈번하게 제한된다.
EC 내의 다이오드, 트랜지스터 등은 모두 소정량의 전기 저항을 갖는다. EC에서 전류가 흐르는 경우, 열이 생성된다. 하나의 중요한 파라미터는 접속부 온도로, 여기서는 하나의 유형의 반도체가 또 다른 유형의 반도체와 인터페이스를 형성한다. 이는 또한 상당한 저항이 존재하는 위치이다. 이러한 위치에서 생성된 열은 EC의 수명을 포함하여 성능에 영향을 미친다. 이러한 열을 제거하고 접속부 온도를 가능한 낮게 유지하는 것이 EC의 적절한 기능수행을 위해 중요하다.
탄소 나노튜브(CNT), 그래핀 및 열분해 그래파이트는 전기 전도성 및/또는 반전도성 특성이 요구되는 경우 EC에 혼입될 수 있다. CNT 및 그래핀은 또한 열 수송 및 구조적 강도에 긍정적으로 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 이들은 물질이 전기 절연성일 것을 필요로 하는 경우에는 작동하지 않는다. 따라서, CNT는 EC 강화에 대해 제한된 유효성을 갖는다.
질화붕소 나노튜브(BNNT)는 여러 예상 적용, 예컨대, 세라믹, 금속 및 중합체 복합물의 강도 강화, 광범위한 화학 반응을 위한 다른 부착 분자를 이용한 작용화, 특정 복합물의 열 전도성 강화, 필터 및 연관된 매트, 중성자 검출기, 암 치료용 전기천공을 포함하는 생체의학 상호작용, 압전 소자 및 수퍼커패시터(울트라커패시터로도 알려져 있음) 내 전기 절연층의 생성을 위해 고려되어 왔다.
고품질 BNNT, 예컨대 BNNT, LLC(Newport News, Virginia)에서 제조되는 것들은 결함이 거의 없고, 촉매 불순물을 갖지 않으며, 2-월(wall)에서 피크 분포를 가지며 더 큰 수의 월을 갖는 것은 빠르게 감소하는 1- 내지 10-월을 갖는다. 치수는 제조 공정에 따라 변할 수 있지만, BNNT 지름은 전형적으로 1.5 내지 6 nm 범위이지만 상기 범위를 넘어설 수 있고, 길이는 전형적으로 수 백 nm 내지 수백 마이크론 범위이지만 상기 범위를 넘어설 수 있다.
이전 특허 및 공개 출원은 EC에 들어가는 물질 내로 BNNT를 포함하는 물질의 첨가를 제시하였다. 예를 들어, U.S. 특허 공개 US2014/0080954 A1(Raman et al.); 및 U.S. 특허 6,864,571 B2(Arik et al.)을 참고한다. 그러나, Raman에 의해 개시된 방법은 단순히 벌크 BNNT의 이용을 개시하며, Arik에 의해 개시된 방법은 단순히 "촉매 층으로부터 연장되는 일반적으로 정렬된 나노튜브", 즉 평면-외에서 그리고 EC의 제한된 양태에 있어서 유사한 평면-외 열 전달을 제시한다. EC로 들어가는 물질 내로의 BNNT의 단순 분산 또는 포함이나 평면-외 열 전도성은 EC에서 열 관리를 강화하기에 불충분하다. Arik의 화학적 증착(CVD) 성장 방법은 이들이 고품질 BNNT에 대해 요구되는 것보다 훨씬 못미치는 온도 및 질소압에서 일어나므로, 고품질, 즉 적은 월, 높은 어스펙트비, 최소 결함을 가지며 촉매가 없는 BNNT를 생산하지 않는다. 실제로, BNNT를 형성하기 위한 Arik의 화학적 증착의 이용은 BNNT 그룹 층을 이용하여 EC를 강화하는 Arik의 능력을 심각하게 제한한다. EC에서 열 관리를 강화하기 위한 보다 효과적인 방법이 필요하다.
간략한 요약
본 개시는 전자 및 전기 부품(전자 및 전기 부품 모두에 대한 EC)에 BNNT를 혼입함으로써 이들의 고유한 특성을 레버리지하는 것에 관한 것이다. 생성되는 EC는 개선된 열 관리, 개선된 유전 특성, 강화된 이온 수송 및 강화된 강도를 가짐으로써 강화된다. 전자 및 전기 부품에서 BNNT의 대부분의 도입에 있어서, 개선되거나 강화되는 성능에는 정렬되거나 부분 정렬된 BNNT를 갖는 것이 포함된다. 이는 정렬이 열 전도성을 크게 강화하고 바람직한 유전 및 구조 특성을 추가로 제공하므로 상기 배경기술에서 언급된 바와 같이 중요하다. 또한, 이러한 특성은 방향성을 가질 수 있다; 예를 들어 정렬은 바람직한 방향으로 열을 수송하기 위한 열 방향 "파이프"를 생성할 수 있다.
BNNT 그룹의 열 전도성은 음자가 하나의 BNNT를 또 다른 것과 커플링될 수 있도록 BNNT가 이들의 길이를 따라 서로 가깝게 정렬되는 경우 크게 강화된다. 또한 BNNT 열 전도성 강화를 위해서는 음자가 전파되기 위한 상당한 길이를 그리고 다른 BNNT 또는 BNNT가 복합화되거나 층화 복합물인 경우 코팅되는 다른 물질에 대해 음자를 커플링할 기회를 갖도록 벽과 결함이 거의 없는 매우 긴 BNNT를 갖는 것이 중요하다. 제조 공정에 따라, 고품질 BNNT는 붕소, 무정형 BN 및 h-BN 불순물을 가질 수 있으며, 이들은 모두 또한 전기 절연성 물질이다.
최적 성능을 달성하기 위해서는 물질 내 BNNT의 패턴이 중요하다. 많은 경우, 열 흐름이 방향성을 갖는 것이 바람직하며 본원에 기재되는 BNNT는 이러한 방향성을 제공한다. 다른 경우, 모든 방향에서 균일한 열 흐름이 바람직하다. 최적 구성은 EC-특이적이며, 이에 따라 상이한 구현예에서 변할 수 있다. 또한, EC의 전자적 특성, 예컨대 유전값은 BNNT의 적절한 정렬에 의해 강화될 수 있다.
전기 부품에서의 열 관리 방법에는 BNNT 그룹층이 접촉 표면과 일반적으로 평행하게 정렬되도록, BNNT 그룹층 내의 BNNT가 접촉 표면과 일반적으로 평행하도록, BNNT 그룹층을 전기 부품 내 물질층의 접촉 표면에 대해 적용하는 단계가 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT 그룹층은 BNNT가 또한 서로에 대해 일반적으로 평행하도록 선형으로 정렬될 수 있다. "일반적으로 평행한"에는 BNNT 그룹 내 대부분의 BNNT에 있어서 장축이 접촉 표면에 대해 90도 미만으로 배향되는 구현예가 포함됨이 이해되어야 한다. 실제로, BNNT 그룹 내 BNNT의 배향에는 다양성이 존재한다. 예를 들어, 대부분의 BNNT는 표면에 대해 90도 미만으로 배향되고, 더 작은 분획은 표면에 대해 약 45도 미만으로 배향되고, 더욱 더 작은 분획은 표면에 대해 약 15도 미만으로 배향될 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 BNNT에 대한 장축은 접촉 표면에 대해 거의 평행하다. 그러나 실제로, BNNT는 비선형 부분을 가지며, 이에 따라 본 명세서에서는 비선형 부분뿐만 아니라 BNNT 그룹 내 BNNT의 다양성에 대해 설명하기 위해 "일반적으로 평행하다"라고 언급한다. 접촉 표면에는 다이오드의 경우에서와 같이, 소스 및 드레인이 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, EC는 트랜지스터일 수 있고, 접촉 표면에는 소스, 게이트 및 드레인이 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT 그룹층은, 예컨대 층-대-층 열 상호연결부를 제공하기 위해, EC의 층에 대해 평면-외일 수 있다. 당연히, EC, 예컨대 트랜지스터 또는 다이오드는 BNNT 그룹층과 접촉하는 다른 물질층을 가질 수 있다. 정렬은 BNNT가 서로에 대해 일반적으로 평행하도록 선형일 수 있다. 대안적으로, 정렬은 2-차원 또는 2-D일 수 있다. BNNT 그룹층은, 예를 들어, BNNT 매트 또는 BNNT 번들, 예컨대 BNNT 섬유 및 직조 BNNT 실(yarn)일 수 있다. EC는 하나 이상의 이러한 특징부를 갖도록 제작될 수 있다.
다양한 기법이 BNNT 그룹층을 정렬하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 층은 평탄화 및/또는 신장 공정을 통해 정렬될 수 있다. BNNT는 또한 BNNT 섬유 및 실의 형성에서와 같이 BNNT 합성 또는 제조 공정에서, 또는 또 다른 예로서 BNNT 매트의 형성에서 정렬될 수 있다.
일부 구현예에서, BNNT 그룹층에는 하나 이상의 복합화 물질이 포함될 수 있다. 복합화 물질(들)은 벌크로, 예로, BNNT 그룹층을 통해 일반적으로 균일하게 복합화될 수 있다. 일부 구현예에서, 복합화 물질(들)은 부위-특이적일 수 있다, 예로 BNNT 그룹층의 특정한 부분, 예컨대 BNNT 번들의 길이를 따른 특정 위치에 존재할 수 있다. 구현예에 따라, 복합화 물질은, 예를 들어, 세라믹, 금속, 중합체, 에폭시, 및/또는 열 그리스일 수 있다. 일부 구현예에는 BNNT 그룹층에 주입된 복합화 물질이 포함될 수 있다. BNNT 그룹층은 일부 구현예에서 전기 전도체와 복합화될 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT 섬유는 먼저 하나의 물질로 코팅된 후, 이 코팅된 BNNT 섬유가 제3 물질로 복합화될 수 있다.
EC에는 물질층 내로 압축된 BNNT 그룹층이 포함될 수 있다. 일부 EC, 예컨대 집적 회로에는 여러 층이 포함될 수 있다. 이러한 구현예에서, 하나 이상의 BNNT 그룹층은 EC 내에서 물질층 간에 샌드위치될 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT 그룹층 내의 일부 BNNT는 BNNT 그룹층이 접촉 표면에 임베딩되도록 접촉 표면을 투과한다. 일부 구현예는, 예로 일부 BNNT의 말단이 환경(예로, 공기 또는 또 다른 매질)으로 직접 열을 전달할 수 있도록, BNNT 그룹층의 종말단을 환경에 노출시켜 둘 수 있다. 일부 구현예에서, 종말단은 BNNT가 복합화 물질로 열을 전달하도록, 복합화 물질에 존재할 수 있다.
도 1은 생산되는 고품질 BNNT 물질을 나타내며 "면 볼"의 외관을 갖는다.
도 2는 무작위 정렬된 BNNT 분자 또는 섬유가 평탄화되거나 신장되는 경우 어떻게 정렬되는지를 예시한다.
도 3은 매트로 압축되어 BNNT 섬유 정렬을 생성하는 BNNT 면 볼을 나타낸다.
도 4는 BNNT 초기 실 또는 가닥이 생성되는 고품질 BNNT 합성 공정 중 하나에서 합성된 BNNT 섬유를 나타낸다.
도 5는 여과 공정에서 제조되는 BNNT 매트를 나타낸다.
도 6은 BNNT 매트로 직조되는 BNNT 실/스트링을 예시한다.
도 7A~7C는 복합화 물질로 복합화된 BNNT 섬유, 실/스트링 및 직조물을 예시한다.
도 8은 EC의 2개 층 또는 하위층 사이에서 평면-내 정렬된 BNNT의 말단도를 예시한다.
도 9는 EC의 2개 층 또는 하위층 사이에 평면-내 정렬된 BNNT의 측면도를 예시한다.
도 10A~10C는 EC의 층 또는 하위층에 대한 연결부를 만들기 위한 복합 상호연결부 또는 열 싱크를 갖는 BNNT 번들을 예시한다.
도 11은 위쪽에 걸쳐 정렬된 BNNT를 갖는 트랜지스터를 예시한다.
도 12는 이들의 위쪽에 걸쳐 정렬된 BNNT를 갖는 여러 트랜지스터를 예시한다.
도 13은 위쪽에 걸쳐, 그리고 더 아래층에 대해서는 아래쪽에 걸쳐, 정렬된 BNNT를 갖는 다층 트랜지스터를 예시한다.
도 14는 트랜지스터의 여러 층에 걸쳐 열을 수송하는 정렬된 BNNT가 첨가된, 이들의 위쪽에 걸쳐, 그리고 중간 및 더 아래층에 대해서는 이들의 아래쪽에 걸쳐, 정렬된 BNNT를 갖는 다층 트랜지스터를 예시한다.
도 15는 BNNT가 그 접속부 온도를 낮추기 위해 이용될 수 있는 발광 다이오드를 예시한다.
하기 설명은 본 접근의 예시적 구현예를 수행하는 최적의 현재 고려되는 방식에 대한 것이다. 본 설명은 제한하는 개념으로 간주되어서는 안 되며, 단순히 본 접근의 일반 원리를 예시하기 위한 목적으로 수행된다.
BNNT는 그룹으로, 예로, 층을 형성하는 몇몇 나노튜브로 EC 내에 존재할 수 있다. BNNT 그룹은 다양한 형태, 예컨대, 섬유, 가닥, 매트 또는 실일 수 있다. 복수의 BNNT의 정렬은 BNNT 그룹의 열 전도성에 영향을 미칠 것이다. BNNT 그룹의 열 전도성은 BNNT가 이들의 길이, 즉 일반적으로 동일한 방향으로 진행하는 각 튜브의 장축을 따라 서로에 대해 가깝게 정렬되는 경우 크게 강화된다. 추가적으로, BNNT 열 전도성은 긴, 예로, 나노튜브 지름의 1,000배 초과, 바람직하게는 지름의 10,000배 초과 길이를 가지며, 소수, 예로 1~10개, 바람직하게는 2- 및 3-월 범위에서 피크를 가지는 월을 가지고, 음자가 나노튜브의 장축을 따라 전파될 수 있도록 결함이 거의 없는 BNNT의 이용을 통해 강화될 수 있다. 일부 구현예에서, 음자 전파는 매우 순수한 BNNT 물질로 추가 강화되므로, 동위원소적으로 순수한 붕소, 즉 10B 또는 11B가 이용될 수 있다. 매우 긴 BNNT도 음자에게 다른 BNNT, 또는 BNNT와 복합화되거나 이를 코팅하는 EC 내의 다른 물질과 커플링할 기회를 제공한다. 정렬된 BNNT는, 예를 들어, 특정한 합성 공정, 신장 및 압축 공정에 의한, 및/또는 수행하지 않는 경우에는 정렬되지 않거나 최소로만 정렬된 BNNT가 될 수 있는 정제 및 정렬 공정의 수행에 의한 것을 포함하는 다양한 기법을 이용해서 생산될 수 있다. 이들 기법은 독립적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다.
고품질 BNNT는 일반적으로 결함이 거의 없고, 촉매 불순물을 갖지 않으며, 2-월에서 피크 분포를 가지며 더 큰 수의 월은 빠르게 감소하는 1- 내지 10-월을 갖는다. BNNT, LLC(Newport News, Virginia)에서는 무엇보다 이러한 파라미터를 갖는 고품질 BNNT를 생산한다. BNNT 지름은 전형적으로 1.5 내지 6 nm 범위이지만, 상기 범위를 초과하여 연장될 수 있고, 길이는 전형적으로 수 백 nm 내지 수 백 마이크론 범위이지만, 상기 범위를 초과하여 연장될 수 있다. 제조 공정에 따라, 고품질 BNNT는 붕소, 무정형 BN 및 h-BN 불순물을 가질 수 있으며, 이들 모두는 또한 전기 절연성 물질이다. BNNT 나노튜브 대 나노튜브 상호작용의 양은 불순물이 적을수록 증가하기 때문에, 일부 경우에서 불순물의 양을 최소화하는 것이 유익하다.
BNNT의 중요한 특성에는 하기가 포함된다: 900C 초과까지 공기 중 열 안정성, 심지어 더 높은 온도까지 대부분의 물질 중에서의 열 안정성, 탄소 나노튜브(CNT)와 유사한 강도, 900C를 초과하는 온도 및 -269C 미만 온도에서의 강도 유지. 또한, BNNT는 대략 6 eV 밴드 갭을 갖는 전기 절연체이며, 대부분의 물질과의 화학 반응이 최소이고, 대부분의 세라믹, 금속 및 중합체와 잘 복합화하며, 높은 열 전도성을 갖는다.
열분해 질화붕소는 전기 절연층이 요구되는 EC에 혼입될 수 있다. 그러나, 열분해 질화붕소 시트 또는 코팅의 두께는 전형적으로 EC를 구성하는 하위부품에 대해 가까운 표면 연결부를 제공하여 원하는 수준의 강화된 성능을 제공하기에는 너무 두껍다.
그래핀과 유사한 6각형 질화붕소(h-BN) 시트 및 플레이크는 h-BN의 열 전도성 그리고 일부 경우에는 h-BN의 유전 특성으로 인해, 일부 EC에 대해 일부 강화된 열 관리를 제공할 수 있다. 그러나, 이들의 통상적으로 중공형 중심을 갖는 고품질 BNNT의 관형 성질이 대부분의 구현예에서 바람직한 강화를 제공한다.
최적 열 관리 성능을 달성하기 위해서는 EC 내 물질에서 BNNT의 패턴이 중요하다. 여러 경우에서 열 흐름이 방향성을 갖는 것이 바람직하다. 본원에 기재되는 BNNT는 상기 방향성을 제공한다. 다른 경우, 모든 방향에서 균일한 열 흐름이 바람직하다. 따라서, 최적 구성은 EC-특이적이다. 일부 구현예는 여러 구성을 특징으로 할 수 있다. 또한, EC의 전자적 특성, 예컨대 유전값은 BNNT의 적절한 정렬에 의해 강화될 수 있다.
도 1은 BNNT, LLC로부터 벌크로 이용 가능한 "생산된 상태의" 고품질 BNNT의 사진이다. 상기 사진에서의 BNNT는 고온, 고압 합성 공정을 이용해서 생산되었으며, 대략 0.5 ~ 1그램/리터의 탭 밀도를 갖는 면 볼의 외관을 갖는다. 도 2는 신장 및 평탄화 공정 조합이 도 1에 나타낸 BNNT의 정렬을 조작하기 위해 어떻게 이용될 수 있는지를 나타낸다. 도 2는 도 1에 나타낸 바와 같은 BNNT 볼에 존재할 수 있는 무작위 정렬된 BNNT 섬유 21을 예시한다. 도 2에 예시된 BNNT 섬유 21의 정렬은 도 2에 예시된 바와 같이, 압축 및/또는 신장을 통해 점진적으로 증가한다. 다양한 기계적 공정이 BNNT 21 상에서 압축 및/또는 신장을 수행하기 위해 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 평탄화 공정은 BNNT 그룹에 대해 2-D 정렬을 강화하는 반면, 신장 및 평탄화 공정은 BNNT 그룹의 1-D 또는 선형 정렬을 강화한다.
도 3은 BNNT 볼의 신장 및 압축으로부터 신장되고 압축된 BNNT의 일례를 나타낸다. BNNT, LLC에 의해 제조된 BNNT 볼이 2개의 유리 실린더 사이에서 기계적으로 압축되었다. 물질의 밀도는 비율 100을 초과하여 증가되었다.
BNNT 제조 공정은 또한 정렬된 BNNT, 특히 선형 정렬된 BNNT의 대안적 생산 방법을 제공한다. 도 4는 합성 공정에 의해 생산되는 BNNT 초기 실을 나타내며, BNNT 섬유는 합성 공정의 일환으로 부분 정렬된다. 그 전문이 참조로 포함되는 국제 출원 번호 PCT/US15/027570은 BNNT 섬유 및 실의 제조 공정을 기재한다. 이들 공정은 때때로 건식 방사로 불린다. 건식 방사 공정에서, BNNT는 반 데르 발스력으로 인해 자연 정렬하고 추가 정렬을 위해 함께 당겨진다. BNNT 초기 실에 복합화 물질이 주입되고 연신되어 정렬을 추가 강화하고 일부 구현예에서 유용한 분포 기전을 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, BNNT 그룹, 예컨대 BNNT 매트는 분산 및 여과 공정을 통해 형성될 수 있다. BNNT는 액체 분산제, 예컨대 계면활성제를 함유하는 물, 알코올, 톨루엔 등에 분산된 뒤 필터를 통해 당겨질 수 있다. 다양한 분산제가 이용될 수 있으며, 본 개시는 분산제의 유형을 제한하려는 것이 아니다. 도 5는 초음파분쇄를 통해 에틸 알코올 중에 BNNT 볼을 분산시키고 40마이크론 여과지를 통해 분산된 BNNT를 함유하는 알코올을 당겨서 생산되는 BNNT의 매트(501)를 나타낸다. 수집된 BNNT 물질은 BNNT 섬유의 2-D 정렬을 갖는 필터를 통해 BNNT 매트(501)를 형성한다. BNNT 매트(501)는 필터로부터 쉽게 박리된다. BNNT 매트(501)에 복합화 물질이 주입되고 추가 신장될 수 있다. 예를 들어, 액체 복합 물질이 BNNT 매트(501)에 걸쳐 전개될 수 있고, 이어서 커버된 매트가 진공 챔버에 배치될 수 있다. 진공은 복합화 물질이 BNNT 매트(501) 내로 완전 주입되거나 분산되도록 유도한다. 일부 구현예에서, BNNT 매트(501)는 추가 압축될 수 있고, 일부 복합화 물질에 있어서, 열 또는 빛이 복합물을 경화하거나 물질 표면 내로의 결합을 강화하기 위해 복합물에 적용될 수 있다. 리튬-이온 배터리에는 애노드 및 캐소드 사이에, 전형적으로 중합체 물질로 형성되는 투과막 분리장치가 포함된다. 리튬-이온 배터리에 대한 구현예에서, BNNT 매트(501)는 중합체 분리장치 물질의 표면 내로 압축될 수 있다. 압축은 중합체의 용융점 근처에서 일어남으로써 중합체 물질이 BNNT 매트 내로 주입되고 강화된 강도, 열 전도성 및 다공성을 갖는 분리장치 물질이 생성될 수 있다. 당업자가 이해할 바와 같이, BNNT 매트(501)의 제조 및 BNNT 매트(501)와 복합화 물질의 조합을 위한 다양한 기법이 존재한다.
도 6은 2-D 직물(600) 내로 직조된 1-D 또는 선형-정렬된 BNNT 실(601 및 602)의 일례를 예시한다. 천 년간 있어왔던 것과 같이 다양한 직조 기술이 이용될 수 있다. 예를 들어, 복합화 물질이 직물(600) 내로 직조되는 BNNT 실(601 및 602)을 형성하는 BNNT 가닥에 첨가될 수 있다. 일부 구현예에서, 울이 종종 직조 후 세척되는 것과 동일한 방식으로 화학적 또는 가열 공정이 이후 복합화 물질을 제거할 수 있다. 추가로, 울이 직조 전에 염색될 수 있는 방식과 유사하게, 일부 구현예에서 BNNT 실(601 및 602)은 화학적으로 가공되고 직조 공정 이전 또는 이후 다른 화학물질의 첨가로 작용화될 수 있다. 2-D 직물(600)은 BNNT 간격 및 밀도의 관점에서, EC 부품의 레이아웃과 매칭하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 특정한 EC 레이아웃이 부품 간 규칙화된 간격을 가지며 2-D 직물(600)이 상기 간격에 매칭하여 직조될 수 있다.
원하는 BNNT 정렬을 달성하기 위한 추가 공정에는 BNNT 및 중합체와 같은 물질의 복합물 제조에 이어, 1-D 또는 2-D 배열로의 중합체 복합물의 신장이 관여될 수 있다. 예를 들어, BNNT 및 가열된 복합화 물질의 벌크 복합물은 이것이 개구를 통해 통과 후 섬유 축을 따라 정렬된 BNNT를 포함하는 고체 물질로 냉각되는 복합 섬유를 제조하기 위해 소형 개구를 통해 압출될 수 있다. 또 다른 구현예에서, BNNT는 전단력이 흐름 방향으로 BNNT 정렬을 개선하도록, 채널을 통해 액체 또는 기체 흐름 중에 분산될 수 있다. 일부 구현예에서, BNNT는 정렬될 수 있고, 이어서 복합화 물질에 BNNT가 주입된 후, 복합물이 신장되고/되거나 평탄화되어 정렬을 추가 강화할 수 있다. 정렬 정도가 변할 수 있음이 이해되어야 한다.
"일반적으로 평행하다"에는 BNNT 그룹 내 대부분의 BNNT에 대한 장축이 접촉 표면에 대해 90도 미만으로 배향되는 구현예가 포함됨이 이해되어야 한다. 실제로, BNNT그룹 내 BNNT의 배향에는 다양성이 존재한다. 예를 들어, 대부분의 BNNT는 표면에 대해 90도 미만으로 배향되고, 더 작은 분획은 표면에 대해 약 45도 미만으로 배향되고, 더욱 더 작은 분획은 표면에 대해 약 15도 미만으로 배향될 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 BNNT에 대한 장축은 접촉 표면에 대해 거의 평행하다. 그러나 실제로, BNNT는 비선형 부분을 가지며, 이에 따라 본 명세서에서는 비선형 부분뿐만 아니라 BNNT 그룹 내 BNNT의 다양성에 대해 설명하기 위해 "일반적으로 평행하다"고 언급한다.
도 7A~7C는 상기에서 보이는 복합화 물질이 주입된 BNNT 물질의 절편을 예시한다. 도 7A는 복합화 물질(703)이 주입된 2-D BNNT 매트(701)를 예시한다. 도 7B는 일반적으로 정렬 방향인 방향성 열 수송 및 구조 강화를 달성하기 위해, 복합화 물질(713)이 주입된 1-D 또는 선형-정렬된 BNNT(711)를 예시한다. 도 7C는 2-D 방향 열 수송, 구조 강화 및 유전 그리드를 제공하기 위해 복합화 물질(723)이 주입된 BNNT 직조 직물(721)을 예시한다. 당업자가 상기로부터 이해할 바와 같이, 다양한 물질에서 BNNT 섬유의 정렬을 달성하기 위해 이용될 수 있는 다양한 기법이 존재한다.
일반적으로, EC는 전형적으로 평탄 시트 및 롤을 포함하며 종종 다양한 상호연결부와 함께 천공되는 다양한 기하구조의 물질층을 갖는다. EC에는 부품의 하나 이상의 층이 포함되며 다시 각 층은 부품, 예컨대 반도체, 유전체, 전기 절연성 또는 전도성 물질, 글루, 열 수송층, 열 싱크 등의 하위층을 가질 수 있다. EC 층 및 하위층에는 물질, 예컨대 탄소 나노튜브, 그래핀, Ge, Si, SiO2, Al2O3, InGaN, InGaAs, AlGaN, GaN, SiO, 사파이어, 다른 산화물 및 반전도체, 알루미늄, 구리, 금, 유기물 등이 포함될 수 있다. 빈번하게, 하나 이상의 층, 또는 이들의 일부는 도핑될 수 있다. 정렬된 BNNT는 임의의 이러한 물질로 복합화될 수 있다. 물질에 따라, 하나 이상의 기법이 원하는 위치에 BNNT를 보유하기 위해 이용될 수 있다. 이들에는, 예를 들어, 용융물의 냉각, 열 또는 빛을 통한 에폭시를 포함하는 중합체의 경화 및 기계적 요소가 포함된다.
BNNT는 다른 유익한 강화 중에서도 열 관리를 위해 하나 이상의 EC 층에 유리하게 혼입될 수 있다. 도 8은 단순 EC층(80)의 말단도(또는 횡단면)를 예시한다. 층(80)에는 상부층(82) 및 하부층(83) 사이에 정렬된 BNNT(81)가 포함된다. BNNT층(81)에는 불순물(84)이 포함되며, 이는 BNNT층(81)을 형성하기 위해 이용되는 특정한 제조 공정에서 생성될 수 있다. 도 8에 예시되지 않았지만, BNNT층(81)에는 복합화 물질이 포함될 수 있다. 상기 도면에 예시된 구현예는 BNNT의 정렬 방향과 같이, 평면-내 방향에서 페이지 밖으로 강화된 열 수송을 갖는다. 또한, 정렬 방향으로의 열 수송 만큼은 아니지만 BNNT 섬유-대-섬유, 즉 나노튜브-대-나노튜브 접촉이 그 방향으로 강화된 효율로 열을 수송하는 평면-외 강화된 열 수송이 존재한다.
도 9는 도 8에 예시된 것과 동일한 EC층(80)의 측면도를 예시한다. 측면에서 볼 때, EC층(80)에는 왼쪽에서 오른쪽으로 선형 정렬된 BNNT층(91)이 포함되며, 제조 공정에서 생성된 불순물(94)을 포함한다. 상기 도면에 예시된 정렬 정도는 거의 수직인 일부 BNNT가 존재하므로 다소 낮다. 정렬 정도는 특정 구현예에서 이용되는 제조 및 가공에 따라 변할 수 있음이 이해되어야 한다. 그러나 일반적으로, 그룹 내 BNNT는 바람직하게는 각각의 나노튜브의 장축이 동일한 일반 방향으로 배향되도록 정렬된다. 대부분의 제조 공정에 의해 생산되는 BNNT는 완벽하게 선형인 구조가 아니라, 대신에 도 4에 나타낸 바와 같이 다양한 꼬임, 굽힘 및 비-선형 길이가 포함되므로, 도 9가 실린더로서의 각각의 BNNT와 근사하며, 층(92 및 93)의 접촉 표면과 일반적으로 평행한 방향으로 경사진 각 실린더의 일반 배향을 나타냄이 이해되어야 한다. BNNT층(91)은 상부층(92) 및 하부층(93) 간에 배치된다. 상기 구현예에서, BNNT층(91)은 일부 BNNT 부분이 층을 투과하도록 2개의 인접층(92 및 93)에 약간 임베딩된다. 상기 예에서, 임베딩은 층(92 및 93)에 대해 이용되는 물질에 따른 상황에서와 같이 균일하지 않다. 도 9에 예시되지 않았지만, 복합화 물질, 예컨대 세라믹, 금속 및 중합체가 BNNT층(91)에 포함될 수 있다. 도면에서 예시되거나 본 설명에서 명시적으로 언급되지 않았지만, 각각의 구현예에 복합화 물질이 포함될 수 있음이 이해되어야 한다.
일부 구현예에서, BNNT 그룹층은 하나 이상의 부위-특이적인 주입된 복합화 물질을 특징으로 할 수 있다. 부위-특이적 주입은 BNNT 그룹층의 일부에만 존재하는, 예컨대 BNNT 번들 길이를 따른 별개 위치에서의 주입을 나타낸다. 도 10A~10C는 부위-특이적인 주입된 복합화 물질을 포함하는 정렬된 BNNT의 예를 예시한다. 도 10A는 불순물(104)이 거의 없는 선형-정렬된 BNNT(101)를 예시한다. 화살표는 열 전달 방향을 나타낸다. 도 10B는 별개의 위치에서 별개의 복합화 물질(102 및 103)이 주입된 정렬된 BNNT(101)를 예시한다. 복합화 물질(102 및 103)은 EC에서 다른 부품 또는 층에 대해 정렬된 BNNT의 상호연결을 위해 유용할 수 있다. 예를 들어, 솔더, 복합화 물질의 액적 등이 EC 내 적절한 위치에 주사되거나 침적될 수 있다. 도 10C는 별개 위치에서 정렬된 BNNT(101)가 주입된 3개의 상이한 복합화 물질(105, 106 및 107)을 예시한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 이용되는 기하구조 및 물질의 관점에서 큰 다양성이 달성 가능하다. 복합화 물질은 특정 부위에서의 복합화 물질에 대한 필요성에 따라, 전기 절연성, 전기 전도성, 또는 반전도성 물질일 수 있다. 고온에서 이들의 안정성에 기인하여, BNNT는 비유사 물질과 함께 작용할 것이다, 예로 EC의 일부분은 세라믹일 수 있고 또 다른 부분은 금속, 상이한 세라믹, 중합체, 금속, 또는 임의의 상기 물질의 반복일 수 있다.
BNNT층을 갖는 EC의 제작 공정에는 세라믹의 레이저 유도 소결, 금속의 레이저 유도 용융 및 중합체를 포함하는 펠트, 실 및/또는 직물의 BNNT 레이아웃 형성에 이어 중합체의 산화 제거 및 세라믹(들) 및/또는 금속(들)의 BNNT 내로의 분산, 그리고 이어서 분산된 세라믹(들) 및/또는 금속(들)에 가두기 위한 가열이 포함된다. 제작 당업자가 이해할 바와 같이, EC의 제작을 위해 이용되는 매우 다양한 기술 세트가 존재하며, 방법은 특정한 층 또는 하위층의 물질 특성과 마찬가지로 층 별로 및 하위층 별로 변한다. 특정한 층 또는 하위층 내로의 BNNT의 혼입 기법은 층 또는 하위층을 형성하는 특정 물질에 특이적이어야 한다.
EC에서의 열 수송은 층 간 및 다층 구조에서 열을 수송하는 BNNT 번들, 실 및/또는 스트링에 의해 강화될 수 있다. 용어 BNNT "번들"은 단일 BNNT 물질을 형성하는 복수의 BNNT 그룹, 스트링, 또는 실을 나타낸다. 일부 경우에서, 열 전달은 BNNT와 접촉하는 복합화 물질 및 일부 구현예에서, EC층 또는 하위층의 존재에 의해 강화될 수 있다. 예를 들어, BNNT는 BNNT가 EC층에 대한 열 연결을 갖도록 하는 기하구조로 CVD, 플라즈마, 전자 빔, 이온 빔 공정 등에 의해 주입되는 세라믹, 금속, 중합체, 에폭시, 열 그리스 또는 다른 물질과 복합화될 수 있다. 하나의 층에 대한 연결을 위해 이용되는 물질은 EC의 다른 층에 대한 연결을 위해 이용되는 물질과 상이할 수 있다. BNNT, 또는 이들의 일부는 이들의 유전성 또는 비-전기 전도성 특성을 이용하기 위해 하나 이상의 층으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. BNNT는 열 수송 및 전기 전도성을 모두 제공하기 위해 전기 전도체와 복합화될 수 있다. 무정형 BN, h-BN 및 붕소의 소립자도 존재할 수 있으며, 대부분의 구현예에서 이러한 소립자의 양이 최소화되는 경우 성능이 강화된다.
열은 주로 도 10A에 예시된 정렬된 BNNT(101)의 장축을 따라 전파되며 정렬된 BNNT(101)의 번들 말단 근처 환경으로 방출된다. 도 10A에 예시된 BNNT(101)의 하위층 번들의 외부 말단은 전형적으로 공기일 것이지만, 다른 매질 또는 물질일 수 있는 주변 환경에 대해 개방되어 있다. 도 10B에서 BNNT(101)의 하위층 번들의 외부 말단은 복합화 물질(102 및 103)에 임베딩되며, 이는, 예를 들어, 알루미늄, 금, 열분해 그래파이트, 및/또는 열 전도성 에폭시 등으로 이루어지는 열 싱크일 수 있다. 도 10C에서 BNNT(101) 번들의 외부 말단은 복합화 물질(105 및 107)에 임베딩되며, 이는, 예를 들어, 알루미늄, 구리, 금, 열분해 그래파이트, 및/또는 열 전도성 에폭시 등으로 이루어지는 열 싱크 또는 커넥터일 수 있다. 복합화 물질(105 및 107)은 구현예에 따라 유사하거나 비유사한 물질로 형성될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 예를 들어, 상기 언급된 물질 중 임의의 하나로 이루어지는, 또 다른 열 싱크 또는 커넥터일 수 있는 중간체 복합화 물질(106)이 존재할 수 있다. 당업자가 이해할 바와 같이, 유사하거나 비유사한 물질의 열 싱크의 상기 순서는 임의의 횟수로 BNNT(101) 번들을 따라 반복될 수 있다.
예시적 구현예로서, 도 11은 소스(112), 게이트(113) 및 드레인(114)을 포함하는 트랜지스터(1101)를 예시한다. 이들 3가지 하위부품은 절연성, 반전도성 및 전도성 물질(115~118)의 여러 하위층 상에 배치되거나 내에 임베딩될 수 있고, 열 싱크 하위부품(119)이 존재할 수 있다. 도 11에 예시된 구성은 단순히 예시적인 것이며, 특정 소자에 따라 추가적이거나 더 적은 하위층이 존재할 수 있다. 게이트(113)는 다이오드를 생성하기 위해 제거될 수 있다. LED의 경우, 투명 물질층은 소스(112) 및 드레인(114)을 커버할 수 있다. BNNT가 IR 및 가시광선에 대해 광학적으로 투명하며, 이에 따라 LED를 방해하지 않을 것임이 주지된다. 소스(112), 게이트(113), 드레인(114) 및 하위층(115~118)을 포함하는 여러 하위부품은 전형적으로 수 nm 내지 수십 nm 두께에 불과할 수 있지만, 특정한 EC에 따라 이들 범위를 초과하여 연장될 수 있다. 소스, 게이트 및 드레인에 가까운 하위층의 두께는 전형적으로 수 nm 내지 수십 nm이지만, PCB, PWB 및 열 싱크 하위층(존재하는 경우)에 있어서, 최대 mm 이상을 포함하며 상기 범위를 초과하여 연장될 수 있다. 추가적인 하위층이 도 11에 예시된 것과 대비되어 존재할 수 있다. 소스(112), 게이트(113) 및 드레인(114)은 단순한 형태를 가질 수도 갖지 않을 수도 있고, 상부 하위층(들)에 임베딩될 수도 임베딩되지 않을 수도 있다. 소스(112), 게이트(113) 및 드레인(114) 간 간격(1110~1114)은 전형적으로 0.1 내지 5마이크론 범위지만, 일부 구현예에서, 특히, 예를 들어, 집적 회로(IC)를 포함하는 다층 EC에 있어서, 상기 범위를 초과하거나 상기 범위 미만으로 연장될 수 있다. 일부 EC는 다른 하위부품, 예컨대 레지스터, 커패시터 등을 가질 수 있다.
도 11에 예시된 BNNT(111)는 상부쪽 하위층으로서 예시되지만, 하부쪽과 같은 다른 표면 상에 있을 수 있다. 대부분 단지 1.5~6 nm의 작은 지름을 가지며, BNNT(111)는 소스(112), 게이트(113), 드레인(114) 및 근처 물질과 가깝게 접촉하거나 인터페이스를 형성할 수 있고, 소스(112), 게이트(113) 및 드레인(114)은 이들이 접촉하는 하위층(들)과 접속부를 만드는 중추 영역에서부터 열을 수송함으로써 소자를 통해 흐르는 주어진 수준의 전류에 있어서 접속부 온도(들)를 낮춘다. BNNT(111)는 또한 서로 가까이 접촉함으로써 음자에 대해 하나의 BNNT에서 다른 BNNT로 흐르는 경로를 제공한다. 음자 흐름은 또한 물질, 예컨대 에폭시, 열 그리스, 국소 기체 등의 코팅, 복합화 또는 연결을 통해 일어날 수 있다. 도 11은 정렬된 BNNT(111)의 방향과 수직인 면의 단면도로서, 열은 도면의 면 밖으로 수송된다. BNNT(111)에 부가하여, 붕소, 무정형 BN 또는 h-BN 입자(115)가 예시된다. 성능을 강화하기 위해, 이들 입자가 입자의 수 및 이들의 크기 모두에 대해 최소화된다.
BNNT(111)의 하위층 번들의 응집물 폭(1117)은 소자에 따라 수십 nm 내지 수백 마이크론 또는 심지어 수십 mm로 변할 수 있다. 폭(1117)은 소스, 게이트(존재하는 경우), 드레인, 레지스터, 커패시터 등의 폭 및 간격에 의존하며, 폭(1117)은 수송될 것으로 예상되는 EC로부터의 발열량에 의존한다. BNNT(111)의 하위층 번들의 높이 또는 두께(1116)는 하위부품의 특징부 크기, 복합화 또는 코팅 물질(존재하는 경우)의 양, 다른 주변 층 및 하위층까지의 거리 및 수송될 열의 양에 의존한다.
도 12는 동일한 층 상에 제작된 3개의 트랜지스터(121, 122 및 123)를 갖는 EC(1200)를 예시한다. 명확히 임의의 수, 예로 일부 IC의 경우 2, 3, 4, ..., 수백 만 또는 심지어 수십 억 개가 주어진 층 상에 놓일 수 있다. 또한, 트랜지스터로 예시된 하위부품은 EC에 따라, 대신 다이오드, LED, 레지스터, 커패시터 등일 수 있다. 모든 경우에서, 임의의 코팅 또는 복합화 물질을 따라 도 11에 예시되는 BNNT(111)는 페이지 내로 또는 밖으로의 방향에서 열 수송을 강화하기 위해 여러 하위부품에 걸쳐 배치될 수 있다.
도 13은 도 12에 예시된 층과 유사한 2개의 층(131 및 132)을 포함하여 다층 IC를 형성하는 EC(1300)를 예시한다. 단일 열 싱크(133)가 본 구현예에 포함된다. BNNT층(1301)은 상부층(132)까지 후방쪽 층을 형성하는 반면, 하부층(131)에 있어서는 상부쪽 층이 된다. 인터레이 연결부 및 하위부품, 예컨대 커패시터는 예시되지 않지만, 당업자는 여러 상호연결부, 하위층 및 하위부품이 다층 IC(1300)를 구성할 수 있음을 이해한다. 도 11에 상세히 예시된 번들 BNNT(111) 및 도 12 및 13에 예시된 BNNT층은 EC에 대해 강화된 열 수송뿐만 아니라 물질 구조 강화를 제공하며, 이에 따라 EC 성능을 개선한다. 또한, BNNT 번들은 개질된 유전 상수, 특히 BNNT의 다공성에 기인하여 더 낮은 유전 상수를 제공하며, 이는 가변 전기 흐름으로 작동하는 EC 및 IC에 있어서 대부분의 적용에서 부품 가열을 감소시킬 것이다.
도 14는 3개의 일차 층(148, 149 및 1410) EC를 포함하는 EC(1400)의 하나의 구현예를 예시한다. 본 구현예에서 각각의 일차 층에는 예시적 목적을 위한 여러 하위층(142~146) 및 여러 부품(147)이 포함된다. 단일 열 싱크(141)가 예시되지만, 실제로 다른 열 싱크, 예컨대 상부쪽 열 싱크가 존재할 수 있다. BNNT층(146)은 도면 안으로 및 밖으로의 방향에서 낮은 유전 특성 및 열 전도성을 제공한다. 유전 특성은 BNNT층으로 들어가는 BNNT의 정렬 수준을 제어함으로써 조작될 수 있다.
층간 및 하위층 BNNT 상호연결부(1412) 그리고 층 및 하위층 연결부(1411, 1413 및 1414)는 연관된 유전 특성을 가지며 전기 절연성이거나, 전기 전도성 또는 반전도성일 수 있는 열 수송을 제공한다. 일부 구현예에서, 상이한 하위층은 상이한 특성을 가질 수 있다, 예로, 하나의 하위층은 전기 절연성일 수 있고 또 다른 하위층은 전기 전도성일 수 있다. BNNT 상호연결부(1412) 및 하위층 연결부(1411, 1413 및 1414)는, 예를 들어, 적용에 정밀 피팅되기 위해 절단된 BNNT 번들일 수 있다. 예를 들어, BNNT 번들은 층-간 연결 지점에 대한 상호연결을 위해 BNNT 번들을 따라 주기적으로 분산된 다양한 복합화 물질을 갖는 스트링 또는 실로서 제조될 수 있으며, BNNT 스트링 또는 실은 상호연결부 위치를 통해 스레딩될 수 있다. BNNT 및/또는 이들의 일부와 복합화하거나 이를 코팅하기 위해 이용되는 세라믹, 금속, 및/또는 중합체 물질의 선택은 하위층의 특성을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 제1 하위층 내 BNNT의 일부는 세라믹과 복합화되거나 이로 코팅될 수 있고, 제2 하위층 내 BNNT의 일부는 중합체 물질과 복합화되거나 이로 코팅될 수 있다. 상기 방식으로, 주어진 층에 대한 열적 연결은 주어진 하위층 또는 층 내 물질에 대한 열적 연결을 위해 복합화 또는 코팅 물질을 최적화함으로써 강화될 수 있다.
EC를 다른 부품에 연결하기 위한 층간 연결부 및 하위부품, 예컨대 금속 전도체, 커패시터 및 상호연결부는 예시되지 않지만, IC 및 다층 IC 분야의 당업자가 이해할 바와 같이, 매우 다양한 수의 상호연결부, 하위층 및 하위부품이 다층 IC를 구성할 수 있다.
발광 다이오드를 포함하는 다이오드는 BNNT의 혼입을 통해 이익을 얻을 수 있는 또 다른 EC 분류를 나타낸다. 도 15는 하기 층 및 부품을 포함하는 발광 다이오드(1500)를 예시한다: 열 싱크(151), 기초판(152), 인터페이스(153), 솔더(154), 전이 열 싱크(155), 부착층(156), 방출체 또는 LED 방출체(157), 인광체(158), 수지-글루(159), 렌즈(1510) 및/또는 전극(1511). 이들 층 및 부품은 일반 발광 다이오드의 예시로서 의도되며, 구현예는 변할 수 있다. 선택된 구현예에서, BNNT는 열 싱크(151), 솔더(154) 수지-글루(159) 및 렌즈(1510)를 포함하는 BNNT와 복합화되어 상용성인 복합화 물질로 제조될 수 있는 임의의 층에 포함될 수 있다. 예를 들어, 수지-글루층(159) 내 BNNT의 포함은 방출체 또는 LED 방출체(157)의 중추 접속부 온도를 낮출 수 있도록 한다. 또한, BNNT는 다공성을 증가시킴으로써 수지-글루층(159)의 유전값을 낮추어, 부착층(156) 접속부 내로 가는 더 낮은 열을 제공한다.
일반적으로, 다층 상호연결부를 위해 이용되는 BNNT의 기하구조는 단면적 및 길이가 크게 변할 수 있다. BNNT 자체는 전형적으로 1.5 내지 6 nm 지름이며 이들의 길이는 수십 nm부터 수백 마이크론까지의 변할 수 있다. 결과적으로, BNNT 번들, 실 및/또는 스트링을 형성하기 위해 소수 내지 매우 큰 수의 BNNT 조립에 있어서 매우 상당한 가능성 범위가 존재한다.
도 8, 9, 10, 11, 12, 13 및 14는 평면-내 또는 대부분 평면-내인 BNNT 번들을 나타낸다. 도 14는 예시된 3개 층 및 이들의 하위층에 대해 평면-외인 일부 BNNT 번들을 나타낸다. 모든 경우에서, 바람직한 열 수송은 정렬된 BNNT의 방향이다. 그러나, BNNT의 가까운 접촉은 또한 BNNT 섬유에 걸쳐 열 전도성을 강화하는 BNNT 튜브-대-튜브 또는 섬유-대-섬유 접촉을 생성한다. 따라서 일차 열 경로는 BNNT의 길이를 따르는 반면, 또한 BNNT 섬유를 가로지르는 열 제거가 강화된다. 그 결과, BNNT 정렬의 주의깊은 관리는 Raman에 의해 제안된 벌크 물질 내로의 단순한 BNNT 투입 또는 Arik에 의해 제안된 제한된 위치에서의 단순한 평면-외 BNNT 투입을 훨씬 넘어서서 EC 내 열 관리를 강화한다.
BNNT는 EC의 설계자 및 제작자에게 EC 내로의 효과적인 열 수송 및 전기 특성의 조작에서 큰 유연성을 제공한다. BNNT층은 가장 고온 영역에서부터 열이 EC로부터 발산될 수 있는 더 저온인 영역까지 열을 수송한다.
EC에서의 열 수송은 층 및 다층 구조를 구성하는 물질 내로 복합화되는 것에 부가하여 상부쪽 및 하부쪽 물질과 접촉하는 BNNT 튜브에 의해 강화될 수 있다. 일부 경우에서, 열 접촉은 BNNT 및 EC 하위부품과 접촉하는 복합화 물질의 존재 하에 강화될 수 있다. 예를 들어, BNNT는 CVD, 플라즈마, 전자 빔, 이온 빔 공정 등에 의해 주입되는 박층 양의 에폭시, 열 그리스, 또는 다른 물질로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 무정형 BN, h-BN 및 붕소의 소립자도 존재할 수 있다. 클램프 또는 글루가 BNNT를 상부쪽, 하부쪽 등의 부품과 접촉하도록 유지하는 것으로 돕기 위해 이용될 수 있다.
당업자가 이해할 바와 같이, 본원에 기재된 구현예는 나노미터 내지 한자리수 센티미터, 즉 7차수의 크기 척도 범위이다. 여러 유익한 효과는 일반적으로 수 nm 내지 마이크론 척도 구조의 EC와 가까이 접촉하게 되며 열을 열 싱크까지 수송하는 전형적인 수 nm 지름의 BNNT + BNNT로부터 BNNT로 열을 수송함으로써 훨씬 더 긴 거리 및 훨씬 더 넓은 영역에 걸쳐 열을 널리 전개하고 수송하는 고품질 BNNT의 능력으로 인해 일어난다. BNNT는 EC 및 IC의 설계자 및 제작자에게 EC 내로의 효과적인 열 수송 조작에서 큰 유연성을 제공한다. BNNT는 가장 고온 영역에서부터 열이 발산될 수 있는 더 저온 영역까지 열을 수송한다. 전기 절연체인 BNNT는 EC에서 전기 전도성 물질과 최소 간섭을 제공하는 반면 유전 특성의 최적화, 예컨대 더 낮은 전기 손실 및 결과적으로 더 낮은 발열을 위해 낮은-k를 달성하는 nm 및 마이크론 척도 다공성의 도입을 위한 신규 도구를 설계자에게 제공하는 것과 동시에, BNNT의 강도가 EC의 고온 작동 및 열 사이클링을 위해 귀중한 구조 강화를 제공한다.
모든 상기 공정에서, 일부 양의 무정형 붕소, 무정형 질화붕소(BN) 및/또는 6각형-질화붕소(h-BN) 입자(때때로 BN 소구(platelet)로 불림)가 존재할 수 있다. 층의 화학적 특징에 따라, 정제 단계가 이들 입자를 제거하기 위해 이용되어 강화된 열 전도성 성능을 달성할 수 있다. 일부 경우에서, 이러한 입자는 강화된 열 전도성에 기여할 수 있다. EC는 또한 그 탁월한 강도로 인해, BNNT의 첨가에 의해 외부력에 대한 회복력이 더 높을 것이다. BNNT 기반 복합물은 큰 열 변동, 진동, 가속 등을 더 잘 견딤으로써 특히 극한 환경에서 개선된 성능을 제공할 것이다.
본원에서 이용되는 용어는 단지 특정 구현예를 설명하기 위한 목적이며, 접근을 제한하려는 것이 아니다. 본원에서 이용되는 단수 형태는 문맥 상 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함되는 것이다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 이용되는 경우, 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 부품, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 첨가를 배제하지 않음이 추가로 이해될 것이다.
본원에 기재되는 원리는 이들의 정수 또는 본질적 특징에서 벗어나지 않고 다른 구체 형태로 구현될 수 있다. 따라서 본 구현예는 모든 측면에서 예시적인 것이며 제한적인 것이 아닌 것으로 고려되어야 한다.

Claims (18)

  1. 접촉 표면을 갖는 물질층; 및
    BNNT를 포함하는 열 관리 BNNT 그룹층;을 포함하는 전기 부품으로서,
    상기 BNNT 그룹층은 상기 BNNT 중 적어도 일부가 상기 접촉 표면과 접촉하는 외표면과 장축을 갖도록 상기 접촉 표면과 접촉하고,
    상기 BNNT 그룹층 내의 BNNT 중 적어도 일부는 상기 BNNT 그룹층이 상기 접촉 표면에 임베딩되도록 상기 접촉 표면을 투과하는 전기 부품.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층 내의 BNNT는 서로에 대해 일반적으로 평행한 전기 부품.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 표면은 소스 및 드레인을 포함하는 전기 부품.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 상기 소스 및 드레인과 접촉하는 전기 부품.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 표면은 소스, 게이트, 및 드레인을 포함하고, 상기 BNNT 그룹층은 상기 소스, 게이트, 및 드레인과 접촉하는 전기 부품.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 BNNT 매트 및 BNNT 번들 중 적어도 하나를 포함하는 전기 부품.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 적어도 하나의 복합화 물질을 포함하는 전기 부품.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복합화 물질은 세라믹, 금속, 중합체, 에폭시, 및 열 그리스 중 적어도 하나인 전기 부품.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 적어도 하나의 복합화 물질로 주입되는 전기 부품.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 전기 전도체와 복합화되는 전기 부품.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 상기 물질층 내로 압축되는 전기 부품.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층의 제1측은 상기 물질층의 상기 접촉 표면과 접촉하고, 상기 BMNT 그룹층의 제2 표면 상에 제2 물질층을 추가로 포함하는 전기 부품.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 복합화 물질이 상기 BNNT 그룹층의 일부에 주입되도록 부위-특이적 주입을 포함하는 전기 부품.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 종말단을 포함하고, 상기 종말단은 환경에 노출되는 전기 부품.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 종말단을 포함하고, 복합화 물질에 상기 종말단을 임베딩하는 것을 추가로 포함하는 전기 부품.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 상기 BNNT 그룹층 내의 BNNT가 상기 접촉 표면에 대해 일반적으로 평행하게 정렬되도록 상기 접촉 표면에 대해 일반적으로 평행하게 정렬된 BNNT를 포함하는 전기 부품.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 BNNT 매트를 포함하는 전기 부품.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 BNNT 그룹층은 BNNT 번들을 포함하는 전기 부품.
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