WO2018212555A1 - 히트파이프의 제조 방법 - Google Patents

히트파이프의 제조 방법 Download PDF

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WO2018212555A1
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신종민
유동우
김소진
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주식회사 엘지화학
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps

Definitions

  • the present application relates to a method of manufacturing a heat pipe.
  • the material itself In order for the heat dissipation material included in highly miniaturized or integrated electronic and information devices to exhibit excellent heat dissipation performance, the material itself must be able to realize high heat dissipation performance even at a very thin thickness.
  • composite materials have been developed by adding various thermally conductive fillers to a polymer matrix having excellent moldability, and have given heat dissipation performance.
  • these composite materials are not only low in heat dissipation efficiency, but also have limitations in implementing in a thin thickness.
  • heat pipes As another heat radiation material, there is a material called a heat pipe.
  • Heat pipes are typically implemented with an outer tube, an wick therein, and an inner fluid passage.
  • Such heat pipes have excellent heat dissipation efficiency compared to conventional materials, but have a problem in that a thin heat pipe is very difficult to implement, and it is difficult to set a passage of the fluid inside so that the condensed fluid can move quickly.
  • the present application provides a method for producing a heat pipe.
  • it is possible to manufacture a heat pipe having excellent heat dissipation efficiency through a simple process, and to provide a manufacturing method capable of forming a heat pipe having a thin thickness when necessary.
  • the physical properties are the physical properties measured at room temperature.
  • room temperature is a natural temperature that is not heated or cooled, and may be, for example, any temperature in the range of 10 ° C to 30 ° C, about 23 ° C, or about 25 ° C.
  • a metal foam is formed on a metal sheet (first metal sheet) using a specific metal-containing slurry, and the peripheral portions are joined after facing the other metal sheet (second metal sheet). It comprises the step of.
  • the metal foam formed on the first metal sheet may face the second metal sheet. If necessary, the metal foam may be formed on the second metal sheet.
  • a metal foam precursor may be formed using the slurry on a metal sheet, and then formed by sintering the metal foam precursor.
  • the slurry may include, for example, at least a metal powder, a binder, and a dispersant, and in one example, the slurry may be coated on a metal sheet to form the metal foam precursor.
  • the metal foam precursor may be formed in the center of the metal sheet so that the peripheral portion of the metal sheet has a portion that can be bonded in a bonding process described later.
  • the metal foam precursor as described above may be sintered to form a metal foam integrated with the metal sheet.
  • the metal foam may be formed in the same manner as in the case of the first metal sheet, or may be formed in another manner if necessary.
  • the joining of the peripheral portions of the first and second metal sheets may be formed by abutting the first and second metal sheets to face each other and welding the peripheral portions to be joined.
  • the heat pipe manufacturing method of the present application includes the above manufacturing steps, the pore size and porosity of the metal foam layer constituting the intermediate and / or the inside of the heat pipe are properly maintained, and high heat dissipation efficiency even at a thin thickness.
  • This secured heat pipe can be provided by a simple process.
  • the term metal foam or metal skeleton refers to a porous structure containing metal as a main component.
  • the main component of the metal is that the proportion of the metal is 55% by weight, 60% by weight, 65% by weight, 70% by weight, 75% by weight or more, based on the total weight of the metal foam or metal skeleton. It means when the weight percent or more, 85 weight% or more, 90 weight% or more or 95 weight% or more.
  • the upper limit of the ratio of the metal contained as the main component is not particularly limited.
  • the proportion of the metal may be up to 100% by weight or less than about 100% by weight.
  • porosity may refer to a case where the porosity is at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 75% or at least 80%.
  • the upper limit of the porosity is not particularly limited and may be, for example, less than about 100%, about 99% or less, or about 98% or less.
  • the porosity in the above can be calculated in a known manner by calculating the density of the metal foam or the like.
  • the method of forming the metal foam on the metal sheet may include sintering the metal foam precursor including the metal component.
  • metal foam precursor refers to a structure before undergoing a process performed to form the metal foam, such as the sintering, that is, a structure before the metal foam is produced.
  • the metal foam precursor is not necessarily porous by itself, even if it is called a porous metal foam precursor, and may be called a porous metal foam precursor for convenience as long as it can form a metal foam which is finally a porous metal structure. have.
  • the metal foam precursor may be formed using a slurry including at least a metal component, a dispersant, and a binder.
  • the slurry as described above it is possible to freely control the characteristics such as pore size and porosity of the metal foam, and to produce the metal foam in the form of a film or sheet, especially thin film or sheet, which was difficult to manufacture in the past It is possible to form a metal foam layer having excellent mechanical strength and other physical properties on the metal sheet with excellent adhesion.
  • Metal powder may be applied as the metal component.
  • the metal powders that can be applied are defined according to the purpose, but are not particularly limited, but for example, copper powder, molybdenum powder, silver powder, platinum powder, gold powder, aluminum powder, chromium powder, indium powder, tin Powder, magnesium powder, phosphorus powder, zinc powder and any one powder selected from the group consisting of manganese powder, a metal powder mixed with two or more of the above, or a powder of two or more of the alloys, etc. may be exemplified, but It is not limited.
  • the metal component may include a metal component having a relative magnetic permeability and conductivity in a predetermined range. These metal components can be helpful when choosing an induction heating method during the sintering process. However, since the sintering does not necessarily need to proceed in an induction heating method, the metal component having the permeability and conductivity is not an essential component.
  • a metal powder having a relative permeability of 90 or more may be used as the metal powder that may be optionally added.
  • the term relative permeability ( ⁇ r ) is the ratio ( ⁇ / ⁇ 0 ) of permeability ( ⁇ ) of the material to permeability ( ⁇ 0 ) in vacuum.
  • the relative permeability is about 95 or more, 100 or more, 110 or more, 120 or more, 130 or more, 140 or more, 150 or more, 160 or more, 170 or more, 180 or more, 190 or more, 200 or more, 210 or more, 220 or more 230 or more, 240 or more, 250 or more, 260 or more, 270 or more, 280 or more, 290 or more, 300 or more, 310 or more, 320 or more, 330 or more, 340 or more, 350 or more, 360 or more, 370 or more, 380 or more, 390
  • At least 400 at least 410, at least 420, at least 430, at least 440, at least 450, at least 460, at least 470, at least 480, at least 490, at least 500, at least 510, at least 520, at least 530, at least 540, at least 550, 560 or more, 570 or more, 580 or more, or 590 or more. Since the relative permeability is higher when the
  • Metal powders that may optionally be added may also be conductive metal powders.
  • the term conductive metal powder in the present application has a conductivity at 20 ° C. of about 8 MS / m or more, 9 MS / m or more, 10 MS / m or more, 11 MS / m or more, 12 MS / m or more, 13 MS / m or more Or a powder of 14.5 MS / m or more of the metal or such alloy.
  • the upper limit of the conductivity is not particularly limited, and may be, for example, about 30 MS / m or less, 25 MS / m or less, or 20 MS / m or less.
  • the metal powder having the relative permeability and conductivity may be simply referred to as a conductive magnetic metal powder.
  • conductive magnetic metal powder may include, but are not limited to, a powder such as nickel, iron, or cobalt.
  • the proportion of the conductive magnetic metal powder in the total metal powder is not particularly limited.
  • the ratio may be adjusted so that proper joule heat is generated during induction heating.
  • the metal powder may include 30 wt% or more of the conductive magnetic metal powder based on the weight of the entire metal powder.
  • the ratio of the conductive magnetic metal powder in the metal powder is at least about 35 wt%, at least about 40 wt%, at least about 45 wt%, at least about 50 wt%, at least about 55 wt%, at least 60 wt% , At least 65 wt%, at least 70 wt%, at least 75 wt%, at least 80 wt%, at least 85 wt% or at least 90 wt%.
  • the upper limit of the ratio of the conductive magnetic metal powder is not particularly limited, and may be, for example, less than about 100% by weight or less than 95% by weight. However, the ratio is an exemplary ratio.
  • the size of the metal powder is also not particularly limited to be selected in consideration of the desired porosity or pore size, for example, the average particle diameter of the metal powder is in the range of about 0.1 ⁇ m to about 200 ⁇ m Can be in.
  • the average particle diameter is, in another example, about 0.5 ⁇ m or more, about 1 ⁇ m or more, about 2 ⁇ m or more, about 3 ⁇ m or more, about 4 ⁇ m or more, about 5 ⁇ m or more, about 6 ⁇ m or more, about 7 ⁇ m or more, or about 8 ⁇ m. It may be abnormal.
  • the average particle diameter may be about 150 ⁇ m or less, 100 ⁇ m or less, 90 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or less, 70 ⁇ m or less, 60 ⁇ m or less, 50 ⁇ m or less, 40 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or less, or 20 ⁇ m or less.
  • metal in a metal particle what differs in an average particle diameter can also be applied.
  • the average particle diameter may be selected in consideration of the shape of the desired metal foam or heat pipe, for example, the thickness, porosity, etc. of the metal foam.
  • the average particle diameter of the metal powder may be obtained by a known particle size analysis method, and for example, the average particle diameter may be a so-called D50 particle size.
  • the ratio of the metal component (metal powder) in the slurry as described above is not particularly limited, and may be selected in consideration of the desired viscosity, process efficiency, and the like.
  • the proportion of the metal component in the slurry may be about 0.5 to 95% by weight, but is not limited thereto.
  • the ratio is, in another example, at least about 1%, at least about 1.5%, at least about 2%, at least about 2.5%, at least about 3%, at least about 5%, at least 10%, at least 15%, at least 20%, at 25%.
  • the metal foam precursor may be formed using a slurry including a dispersant and a binder together with the metal powder.
  • Alcohols include methanol, ethanol, propanol, pentanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, pentanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-butoxyethanol, glycerol, texanol Or monohydric alcohols having 1 to 20 carbon atoms such as terpineol, or dihydric alcohols having 1 to 20 carbon atoms or higher polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, hexanediol, octanediol or pentanediol, and the like. It may be, but the kind is not limited to the above.
  • the slurry may further comprise a binder.
  • a binder The kind of such a binder is not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the kind of metal component or dispersant applied at the time of preparing the slurry.
  • the binder may be a polyalkylene carbonate having an alkylene unit having 1 to 8 carbon atoms, such as an alkyl cellulose having 1 to 8 carbon atoms such as methyl cellulose or ethyl cellulose, polypropylene carbonate, or polyethylene carbonate;
  • a polyvinyl alcohol-based binder hereinafter, may be referred to as a polyvinyl alcohol compound
  • polyvinyl alcohol or polyvinyl acetate may be exemplified, but is not limited thereto.
  • the ratio of each component in such a slurry is not specifically limited. Such a ratio may be adjusted in consideration of process efficiency such as coating property or moldability in the process of using the slurry.
  • the binder in the slurry may be included in a ratio of about 1 to 500 parts by weight relative to 100 parts by weight of the above-described metal component.
  • the ratio is, in another example, at least about 2 parts by weight, at least about 3 parts by weight, at least about 4 parts by weight, at least about 5 parts by weight, at least about 6 parts by weight, at least about 7 parts by weight, at least about 8 parts by weight, about 9 parts by weight.
  • the dispersant in the slurry may be included in a ratio of about 10 to 2,000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the binder.
  • the ratio is, in another example, at least about 20 parts by weight, at least about 30 parts by weight, at least about 40 parts by weight, at least about 50 parts by weight, at least about 60 parts by weight, at least about 70 parts by weight, at least about 80 parts by weight, about 90 parts by weight.
  • the unit weight part means a ratio of weights between components, unless otherwise specified.
  • the slurry may further comprise a solvent if necessary.
  • the slurry may not include the solvent.
  • an appropriate solvent may be used in consideration of the solubility of components of the slurry, for example, the metal component and the binder.
  • the solvent one having a dielectric constant in the range of about 10 to 120 can be used.
  • the dielectric constant may be about 20 or more, about 30 or more, about 40 or more, about 50 or more, about 60 or more, or about 70 or more, about 110 or less, about 100 or less, or about 90 or less.
  • solvent examples include water, alcohols having 1 to 8 carbon atoms such as ethanol, butanol or methanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), or N-methylpyrrolidinone (NMP), but are not limited thereto. no.
  • alcohols having 1 to 8 carbon atoms such as ethanol, butanol or methanol
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • DMF dimethyl formamide
  • NMP N-methylpyrrolidinone
  • the solvent When the solvent is applied, it may be present in the slurry in a ratio of about 50 to 400 parts by weight relative to 100 parts by weight of the binder, but is not limited thereto.
  • the ratio of the solvent is, in another example, about 60 parts by weight, about 70 parts by weight, about 80 parts by weight, about 90 parts by weight, about 100 parts by weight, about 110 parts by weight, about 120 parts by weight or more.
  • At least about 130 parts by weight, at least about 140 parts by weight, at least about 150 parts by weight, at least about 160 parts by weight, at least about 170 parts by weight, at least about 180 parts by weight or at least about 190 parts by weight It may be 300 parts by weight or less or 250 parts by weight or less, but is not limited thereto.
  • the slurry may also contain known additives which are additionally required in addition to the components mentioned above.
  • the process of the present application may be performed using a slurry that does not include a blowing agent in known additives.
  • the manner of forming the metal foam precursor using the slurry as described above is not particularly limited. Various methods for forming a metal foam precursor are known in the field of manufacturing metal foam, and all of these methods may be applied in the present application.
  • the metal foam precursor may form the metal foam precursor by maintaining the slurry in an appropriate template or by coating the slurry in an appropriate manner.
  • the metal foam in the form of a film or sheet it may be advantageous to apply the coating process, especially when manufacturing the metal foam in the form of a thin film or sheet.
  • the desired metal foam may be formed through the sintering process described below.
  • the slurry is directly coated on a metal sheet to form a metal foam precursor, and in the case of manufacturing a metal foam, a metal foam layer having excellent adhesion to the metal sheet can be formed, thereby making it possible to manufacture a heat pipe having excellent durability. It is possible.
  • the metal foam precursor may be in the form of a film or a sheet.
  • the thickness is 2,000 ⁇ m or less, 1,500 ⁇ m or less, 1,000 ⁇ m or less, 900 ⁇ m or less, 800 ⁇ m or less, 700 ⁇ m or less, 600 ⁇ m or less, 500 ⁇ m or less, 400 ⁇ m Or about 300 ⁇ m or less, 200 ⁇ m or less, 150 ⁇ m or less, about 100 ⁇ m or less, about 90 ⁇ m or less, about 80 ⁇ m or less, about 70 ⁇ m or less, about 60 ⁇ m or less, or about 55 ⁇ m or less.
  • Metal foams generally have brittle characteristics in terms of their porous structural characteristics, and thus are difficult to manufacture in the form of a film or sheet, in particular in the form of a thin film or sheet, and have a problem of brittleness even when manufactured.
  • the lower limit of the thickness of the precursor is not particularly limited.
  • the thickness of the precursor in the form of a film or sheet may be about 5 ⁇ m or more, 10 ⁇ m or more, or about 15 ⁇ m or more.
  • an appropriate drying process may be performed in the process of forming the metal foam precursor.
  • the metal foam precursor may be formed by drying the slurry for a predetermined time after molding the slurry by the above-described coating or the like.
  • the conditions of the drying are not particularly limited, and for example, the solvent contained in the slurry can be controlled at a level at which the desired level can be removed.
  • the drying may be performed by maintaining the molded slurry at a temperature within a range of about 50 ° C to 250 ° C, about 70 ° C to 180 ° C, or about 90 ° C to 150 ° C for a suitable time. Drying time may also be selected in the appropriate range.
  • the metal foam precursor or metal foam may be formed on a metal sheet such as a metal substrate for manufacturing a heat pipe.
  • a metal sheet such as a metal substrate for manufacturing a heat pipe.
  • the slurry described above may be coated onto a metal sheet, and if necessary, the metal foam precursor may be formed through the aforementioned drying process. In this way, even a thin metal foam can be formed with excellent adhesion on the metal sheet.
  • the kind of the metal sheet is not particularly limited depending on the purpose, and for example, a substrate of the same or different type of metal as the metal foam to be formed may be applied.
  • the metal sheet may be a base material or a mixture of two or more metals selected from the group consisting of copper, molybdenum, silver, platinum, gold, aluminum, chromium, indium, tin, magnesium, phosphorus, zinc, and manganese; It may be a substrate of an alloy, and if necessary, a substrate of any one or two or more alloys or mixtures selected from the group consisting of nickel, iron, and cobalt, which are conductive magnetic metals described above, or a mixture or alloy of the conductive magnetic metal with the other metal. Substrates and the like can also be used.
  • the thickness of such a metal sheet is not particularly limited and may be appropriately selected according to the purpose.
  • the metal foam may be manufactured by sintering the metal foam precursor formed in the above manner.
  • the manner of performing sintering for producing the metal foam is not particularly limited, and a known sintering method may be applied. That is, the sintering may be performed by applying an appropriate amount of heat to the metal foam precursor in an appropriate manner.
  • the conditions of the sintering may be performed by considering the state of the applied metal precursor, for example, the type and amount of the metal powder or the type and amount of the binder or dispersant, and the metal powders are connected to form a porous structure. It can be controlled so that it can be removed, and the specific conditions are not particularly limited.
  • the sintering may be performed by maintaining the precursor at a temperature in the range of about 500 ° C. to 2000 ° C., in the range of 700 ° C. to 1500 ° C., or in the range of 800 ° C. to 1200 ° C. May also be arbitrarily selected.
  • the holding time may be in a range of about 1 minute to 10 hours in one example, but is not limited thereto.
  • the sintering may be performed by an induction heating method.
  • the induction heating method means sintering using heat generated by applying an electromagnetic field to a slurry. In this way, including the pores formed uniformly, it is possible to more smoothly manufacture the metal foam having excellent mechanical properties and porosity is adjusted to the desired level.
  • Induction heating is a phenomenon in which heat is generated from a specific metal when an electromagnetic field is applied.
  • an electromagnetic field is applied to a metal having appropriate conductivity and permeability
  • eddy currents are generated in the metal, and joule heating is generated by the resistance of the metal.
  • the sintering process may be performed through such a phenomenon.
  • the sintering of the metal foam may be performed in a short time by applying the same method, thereby ensuring processability.
  • the metal sheet including the metal foam layer having a high porosity and excellent mechanical strength can be manufactured, the heat pipe having excellent thickness and excellent heat dissipation efficiency by using the metal sheet as described above. Can be prepared.
  • the conditions for applying the electromagnetic field are not particularly limited as determined according to the type and ratio of the conductive magnetic metal particles in the green structure.
  • the induction heating may be performed using an induction heater formed in the form of a coil or the like.
  • induction heating may be performed, for example, by applying a current of about 100A to 1,000A.
  • the magnitude of the applied current may be 900 A or less, 800 A or less, 700 A or less, 600 A or less, 500 A or less, or 400 A or less.
  • the magnitude of the current may be about 150 A or more, about 200 A or more, or about 250 A or more.
  • Induction heating can be performed, for example, at a frequency of about 100 kHz to 1,000 kHz.
  • the frequency may be 900 kHz or less, 800 kHz or less, 700 kHz or less, 600 kHz or less, 500 kHz or less, or 450 kHz or less.
  • the frequency may, in another example, be at least about 150 kHz, at least about 200 kHz, or at least about 250 kHz.
  • Application of the electromagnetic field for the induction heating may be performed, for example, within a range of about 1 minute to 10 hours.
  • the application time may in another example be at least about 10 minutes, at least about 20 minutes or at least about 30 minutes.
  • the application time is, in another example, about 9 hours or less, about 8 hours or less, about 7 hours or less, about 6 hours or less, about 5 hours or less, about 4 hours or less, about 3 hours or less, about 2 hours or less, about Up to 1 hour or up to about 30 minutes.
  • the above-mentioned induction heating conditions for example, the applied current, the frequency and the applied time may be changed in consideration of the type and ratio of the conductive magnetic metal particles as described above.
  • the sintering step may be performed only by the above-mentioned induction heating, or may be performed while applying appropriate heat with the induction heating, that is, the application of the electromagnetic field.
  • the sintering step may be performed by applying an external heat source to the green structure together with the application of the electromagnetic field or alone.
  • the sintering takes into consideration the state of the applied metal precursor, for example, the type and amount of the metal powder or the type and amount of the binder or dispersant, and the metal powder is connected to form the porous structure.
  • the binder and the dispersant may be controlled to be removed.
  • the first metal sheet and the second metal sheet on which the metal foam is formed are oriented so that the metal foam on the first metal sheet faces the second metal sheet.
  • the heat pipes can be produced by placing them oppositely and joining peripheral portions of the first and second metal substrates. A schematic diagram of this process is shown in FIG. 3.
  • the metal foam may be formed on the surface of the second metal substrate facing the first metal substrate, and the metal foam on the second metal sheet may also be formed in the same manner as described above. Can be formed.
  • FIG. 1 is a view illustrating a form in which the porous metal structure 12, which is a metal foam, is formed on the metal sheet 11 as an example of the metal sheet with metal foam 10 as described above.
  • the metal foam may have a porosity in the range of about 40% to 99%.
  • the porosity and the mechanical strength can be adjusted while including uniformly formed pores.
  • the porosity may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 75% or more, or 80% or more, 95% or less, or 90% or less.
  • the porosity in the above can be calculated in a known manner by calculating the density of the metal foam.
  • the metal foam may also exist in the form of a thin film or sheet.
  • the metal foam may be in the form of a film or sheet.
  • the metal foam in the form of a film or sheet has a thickness of 2,000 ⁇ m or less, 1,500 ⁇ m or less, 1,000 ⁇ m or less, 900 ⁇ m or less, 800 ⁇ m or less, 700 ⁇ m or less, 600 ⁇ m or less, 500 ⁇ m or less, 400 ⁇ m or less, or 300 ⁇ m. Or about 200 ⁇ m, about 150 ⁇ m or less, about 100 ⁇ m or less, about 90 ⁇ m or less, about 80 ⁇ m or less, about 70 ⁇ m or less, about 60 ⁇ m or less, or about 55 ⁇ m or less.
  • the thickness of the metal foam in the form of a film or sheet may be about 5 ⁇ m or more, about 10 ⁇ m or more, about 15 ⁇ m or more, about 20 ⁇ m or more, about 30 ⁇ m or more, about 40 ⁇ m or more, or about 50 ⁇ m or more. , At least about 100 ⁇ m, at least about 150 ⁇ m, at least about 200 ⁇ m, at least about 250 ⁇ m, at least about 300 ⁇ m, at least about 350 ⁇ m, at least about 400 ⁇ m, at least about 450 ⁇ m or at least about 500 ⁇ m.
  • the metal foam has excellent mechanical strength, for example, the tensile strength may be 2.5 MPa or more, 3 MPa or more, 3.5 MPa or more, 4 MPa or more, 4.5 MPa or more or 5 MPa or more. In addition, the tensile strength may be about 10 MPa or more, about 9 MPa or more, about 8 MPa or more, about 7 MPa or more, or about 6 MPa or less. Such tensile strength can be measured, for example, by KS B 5521 at room temperature.
  • the heat pipe manufacturing method of the present application as illustrated in FIG. 3, two metal sheets manufactured in the same manner as described above may be opposed to each other, and the heat pipe may be manufactured by joining peripheral portions of the two metal sheets to form a pipe.
  • the coupling method is not particularly limited, and for example, a welding method of a general metal may be applied.
  • a heat pipe in the form of a pipe can be formed. Since the metal sheet formed by the above-described steps has a high porosity of the metal foam layer, a small pore size, and can be manufactured in a thin shape, it is possible to provide a thin heat pipe with excellent heat dissipation efficiency when welding the periphery of the metal sheet. have.
  • the pipe forming step of the present application may further include, for example, pressing the periphery of the metal sheet to form a pipe by welding the periphery of the two metal sheets back so that the metal foam layer is present therein. have.
  • the method of pressing the periphery of the metal sheet is not particularly limited, and a known method of pressing a metal material may be used.
  • the pipe can be easily formed by welding by the step of pressing the peripheral portion of the metal sheet.
  • the heat pipe manufacturing method of the present application manufactures a heat pipe using a thin metal sheet
  • a heat pipe having a thin thickness can be provided.
  • the above-described drying step and the sintering step of the present application can provide a thin metal sheet with high porosity, small pore size, and when the heat pipe is manufactured using the metal sheet as described above, the heat dissipation performance is excellent and the thickness is high. Thin heat pipes can be produced.
  • the upper limit of the thickness of the heat pipe of the present application is not particularly limited, but may be, for example, 0.8 mm or less, 0.5 mm or less, or 0.3 mm or less.
  • the lower limit of the thickness of the heat pipe of the present application is not particularly limited, but may be, for example, 0.06 mm or more, 0.08 mm or more, or 0.1 mm or more.
  • the present application can provide a method for manufacturing a heat pipe that exhibits excellent heat dissipation characteristics and durability even when formed to a thin thickness as needed.
  • FIG. 1 is a view showing the shape of a metal sheet with a metal foam of an exemplary application of the present application.
  • Figure 2 is a SEM photograph of the metal foam formed in the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a manufacturing method of the present application by way of example.
  • a slurry was prepared using copper (Cu) powder having an average particle diameter (D50 particle diameter) of about 10 ⁇ m to 20 ⁇ m as a metal component.
  • the copper powder was mixed with ethylene glycol (EG) and ethyl cellulose (EC) as a binder in a weight ratio (EG: EC) of 4: 5 in a weight ratio of about 10: 1.
  • a slurry was prepared by mixing to (Cu: EC).
  • the slurry was coated on a copper substrate in the form of a film and dried at about 120 ° C. for about 1 hour to form a metal foam precursor. At this time, the thickness of the coated metal foam precursor was about 100 ⁇ m.
  • Copper precursor was manufactured by applying an external heat source in an electric furnace to maintain the precursor for 2 hours at a temperature of about 1000 ° C. in a hydrogen / argon gas atmosphere.
  • the porosity of the prepared sheet-shaped copper foam was about 65%.
  • 2 is a SEM photograph showing a metal foam layer on a copper substrate formed as described above.
  • a slurry was prepared in the same manner as in the case of the first metal sheet except that terpineol was used instead of ethylene glycol and polyvinylacetate (PVAc) was used instead of ethyl cellulose (EC) as a binder.
  • PVAc polyvinylacetate
  • EC ethyl cellulose
  • the mixing ratio of the copper powder, the dispersant, and the polyvinylacetate was 1: 1: 0.1 (Cu: terpineol: PVAc) by weight.
  • the slurry was coated on a copper substrate in a film shape to a thickness of about 30 ⁇ m, and dried in the same manner as in the case of the first metal sheet to form a metal foam precursor on the copper substrate.
  • the copper foam integrated with the copper base material was formed.
  • the porosity of the prepared copper foam was about 68%, and was integrated with the copper substrate with excellent adhesion.
  • the first and second metal sheets prepared above were arranged such that the metal foam layers on the surfaces of the surfaces faced each other, and press welded the peripheral portion as shown in FIG. 3 to prepare a heat pipe.

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Abstract

본 출원은 히트 파이프의 제조 방법을 제공한다. 본 출원은, 필요에 따라서 얇은 두께로 형성되는 경우에도 우수한 방열 특성과 내구성을 나타내는 히트 파이프를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

Description

히트파이프의 제조 방법
본 출원은 2017년 5월 16일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2017-0060631호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 히트 파이프의 제조 방법에 대한 것이다.
전자기기 및 정보기기의 소형화나, 집적화에 따라 전자기기의 작동 시 발행하는 열이 전자기기의 성능 저하 및 오작동의 원인이 되는 빈도가 증가하고 있다.
고도로 소형화나 집적화된 전자기기 및 정보기기에 포함되는 방열 소재가 우수한 방열 성능을 나타내기 위해서는, 해당 소재 자체가 매우 얇은 두께에서도 높은 방열 성능을 구현할 수 있어야 한다.
통상 성형성이 우수한 고분자 매트릭스에 각종 열전도성 필러를 첨가하여 방열 성능을 부여한 복합 소재가 개발되고 있으나, 이러한 복합 소재들은 방열 효율이 낮을 뿐만 아니라, 얇은 두께로 구현하기에도 한계가 있다.
다른 방열 소재로서, 소위 히트 파이프로 호칭되는 소재가 있다. 히트 파이프는 통상 외부 튜브(tube)와 그 내부의 중간체(wick), 그리고 내부의 유체 이동 통로로 구현된다. 이러한 히트 파이프는 방열 효율은 기존 소재 대비 우수하지만, 얇은 두께의 히트 파이프의 구현이 매우 어렵고, 내부의 유체의 통로를 응축 유체가 신속히 이동할 수 있도록 설정하는 것에 어려움이 있다는 문제가 있다.
본 출원은, 히트 파이프의 제조 방법을 제공한다. 본 출원에서는 간단한 공정을 통해 방열 효율이 우수한 히트 파이프를 제조할 수 있고, 필요한 경우에 얇은 두께의 히트 파이프를 형성할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 물성에 영향을 미치는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 물성이다.
본 출원에서 용어 상온은 가열되거나 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도일 수 있다.
본 출원의 히트파이프 제조방법은, 특정 금속 함유 슬러리를 사용하여 금속 시트(제 1 금속 시트)상에 금속폼을 형성하고, 이를 다른 금속 시트(제 2 금속 시트)와 대향 배치한 후에 주변부를 결합시키는 단계를 포함한다. 상기 대향 배치시에는 제 1 금속 시트상에 형성된 금속폼이 상기 제 2 금속 시트를 향하도록 할 수 있다. 필요한 경우에 상기 제 2 금속 시트상에도 금속폼이 형성되어 있을 수 있다.
상기에서 금속폼의 형성 방법은, 예를 들면, 금속 시트상에 상기 슬러리를 사용하여 금속폼 전구체를 형성하고, 이를 소결시켜 형성할 수 있다. 상기에서 슬러리는 예를 들면, 금속 분말, 바인더 및 분산제를 적어도 포함할 수 있으며, 일 예시에서 이러한 슬러리를 금속 시트상에 코팅하여 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다. 이 때 금속폼 전구체는, 금속 시트의 주변부가 후술하는 결합 공정에서 결합될 수 있는 부위를 가지도록 금속 시트의 중심부에 형성할 수 있다. 상기와 같은 금속폼 전구체를 소결하여 금속 시트와 일체화된 금속폼을 형성할 수 있다.
제 2 금속 시트상에도 금속폼을 형성하는 경우에, 상기 금속폼은 제 1 금속 시트의 경우와 동일한 방식으로 형성할 수 있고, 필요한 경우에 다른 방식으로 형성할 수도 있다.
상기 제 1 및 제 2 금속 시트의 주변부의 결합은, 제 1 및 제 2 금속 시트를 서로 대향되도록 맞대고, 결합시키고 싶은 주변부를 용접하는 방식으로 형성할 수 있다.
본 출원의 히트 파이프 제조방법은 상기와 같은 제조 단계를 포함함으로써, 히트 파이프의 중간체(Wick) 및/또는 내부를 구성하는 금속폼층의 기공 크기 및 기공률이 적절하게 유지되고, 얇은 두께에서도 높은 방열 효율이 확보되는 히트 파이프를 간단한 공정으로 제공할 수 있다.
본 출원에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 금속의 비율은 100 중량% 이하 또는 약 100 중량% 미만일 수 있다.
용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기에서 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.
본 출원에서 금속 시트상에 금속폼을 형성하는 방법은, 금속 성분을 포함하는 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 금속폼 전구체는, 상기 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 또한, 상기 금속폼 전구체는, 다공성 금속폼 전구체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 금속폼 전구체라고 호칭될 수 있다.
본 출원에서 상기 금속폼 전구체는, 금속 성분, 분산제 및 바인더를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.
상기와 같은 슬러리를 적용함으로써, 금속폼의 기공 크기 및 기공도 등의 특성을 자유롭게 제어할 수 있고, 종래에 제조가 어려웠던 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로도 금속폼을 제조할 수 있고, 기계적 강도 등 기타 물성도 우수한 금속폼층을 금속 시트상에 우수한 밀착력으로 형성할 수 있다.
금속 성분으로는 금속 분말이 적용될 수 있다. 적용될 수 있는 금속 분말의 예는, 목적에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 구리 분말, 몰리브덴 분말, 은 분말, 백금 분말, 금 분말, 알루미늄 분말, 크롬 분말, 인듐 분말, 주석 분말, 마그네슘 분말,인 분말, 아연 분말 및 망간 분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 분말, 상기 중 2종 이상이 혼합된 금속 분말 또는 상기 중 2종 이상의 합금의 분말 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
필요하다면, 임의 성분으로서, 상기 금속 성분은, 소정 범위의 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속 성분을 포함할 수 있다. 이러한 금속 성분은 소결 과정에서 유도 가열 방식을 선택하는 경우에 도움이 될 수 있다. 다만, 소결은 반드시 유도 가열 방식으로 진행할 필요는 없기 때문에, 상기 투자율과 전도도를 가지는 금속 성분은 필수 성분은 아니다.
일 예시에서 상기 임의적으로 추가될 수 있는 금속 분말로는 상대 투자율이 90 이상인 금속 분말이 사용될 수 있다. 용어 상대 투자율(μr)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ0)의 비율(μ/μ0)이다. 상기 상대 투자율은, 다른 예시에서 약 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 상기 상대 투자율은 그 수치가 높을수록 유도 가열이 적용되는 경우에 유리하므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.
임의적으로 추가될 수 있는 금속 분말은 또한 전도성 금속 분말일 수 있다. 본 출원에서 용어 전도성 금속 분말은 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상인 금속 또는 그러한 합금의 분말을 의미할 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.
본 출원에서 상기 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속 분말은 단순하게 전도성 자성 금속 분말로도 호칭될 수 있다.
이러한 전도성 자성 금속 분말의 구체적인 예로는, 니켈, 철 또는 코발트 등의 분말이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
사용되는 경우에 전체 금속 분말 내에서 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 비율은, 유도 가열 시에 적절한 줄열을 발생시킬 수 있도록 비율이 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 분말은 상기 전도성 자성 금속 분말을 전체 금속 분말의 중량을 기준으로 30 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속 분말 내의 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율은, 약 35 중량% 이상, 약 40 중량% 이상, 약 45 중량% 이상, 약 50 중량% 이상, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속 분말의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다. 그러나, 상기 비율은 예시적인 비율이다.
상기 금속 분말(Metal Powder)의 크기도 목적하는 기공도나 기공 크기 등을 고려하여 선택되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 금속 분말의 평균 입경은, 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다. 금속 입자 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 것을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼 내지는 히트 파이프의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있다.
상기에서 금속 분말의 평균 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있고, 예를 들면, 상기 평균 입경은, 소위 D50 입경일 수 있다.
상기와 같은 슬러리 내에서 금속 성분(금속 분말)의 비율은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 점도나 공정 효율 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일 예시에서 슬러리 내에서의 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 0.5 내지 95 % 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
상기 금속폼 전구체는 상기 금속 분말과 함께 분산제와 바인더를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.
상기에서 분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 펜탄올, 옥타놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥산디올, 옥탄디올 또는 펜탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.
슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분이나 분산제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는, 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스, 폴리프로필렌 카보네이트 또는 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등의 폴리비닐알코올계 바인더(이하, 폴리비닐알코올 화합물로 호칭할 수 있다.) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같은 슬러리 내에서 각 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 비율은 슬러리를 사용한 공정 시에 코팅성이나 성형성 등의 공정 효율을 고려하여 조절될 수 있다.
예를 들면, 슬러리 내에서 바인더는 전술한 금속 성분 100 중량부 대비 약 1 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 2 중량부 이상, 약 3 중량부 이상, 약 4 중량부 이상, 약 5 중량부 이상, 약 6 중량부 이상, 약 7 중량부 이상, 약 8 중량부 이상, 약 9 중량부 이상, 약 10 중량부 이상, 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상 또는 약 250 중량부 이상일 수 있고, 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 350 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하, 약 50 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 30 중량부 이하, 약 20 중량부 이하 또는 약 10 중량부 이하일 수 있다.
슬러리 내에서 분산제는, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 10 내지 2,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있고, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하 또는 약 1,000 중량부 이하일 수 있다.
본 명세서에서 단위 중량부는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 각 성분간의 중량의 비율을 의미한다.
슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함할 수 있다. 다만, 본 출원의 일 예시에 의하면, 상기 슬러리는 상기 용매를 포함하지 않을 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 성분이나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수가 약 10 내지 120의 범위 내에 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 유전 상수는 다른 예시에서 약 20 이상, 약 30 이상, 약 40 이상, 약 50 이상, 약 60 이상 또는 약 70 이상이거나, 약 110 이하, 약 100 이하 또는 약 90 이하일 수 있다. 이러한 용매로는, 물이나 에탄올, 부탄올 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
용매가 적용될 경우에 상기는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 내지 400 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용매의 비율은, 다른 예시에서 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 160 중량부 이상, 약 170 중량부 이상, 약 180 중량부 이상 또는 약 190 중량부 이상이거나, 약 350 중량부 이하, 300 중량부 이하 또는 250 중량부 이하일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다. 다만, 본 출원의 공정은, 공지의 첨가제 중에서 발포제를 포함하지 않는 슬러리를 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
상기와 같은 슬러리를 사용하여 상기 금속폼 전구체를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼의 제조 분야에서는 금속폼 전구체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속폼 전구체는, 적정한 틀(template)에 상기 슬러리를 유지하거나, 혹은 슬러리를 적정한 방식으로 코팅하여 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다.
본 출원의 하나의 예시에 따라서 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우, 특히 얇은 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우에는 코팅 공정을 적용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 적절한 기재상에 상기 슬러리를 코팅하여 전구체를 형성한 후에 후술하는 소결 공정을 통해서 목적하는 금속폼을 형성할 수 있다.
특히 금속 시트상에 직접 상기 슬러리를 코팅하여 금속폼 전구체를 형성하고, 금속폼을 제조하는 경우에 금속 시트에 대한 밀착성이 우수한 금속폼층을 형성할 수 있고, 이에 의해 내구성이 우수한 히트 파이프의 제조가 가능하다.
이와 같은 금속폼 전구체의 형태는 목적하는 금속폼에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서 상기 금속폼 전구체는, 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 전구체가 필름 또는 시트 형태일 때에 그 두께는 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 금속폼은, 다공성인 구조적 특징상 일반적으로 브리틀한 특성을 가지고, 따라서 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로 제작이 어렵고, 제작하게 되어도 쉽게 부스러지는 문제가 있다. 그렇지만, 본 출원의 방식에 의해서는, 얇은 두께이면서도, 내부에 균일하게 기공이 형성되고, 기계적 특성이 우수한 금속폼의 형성이 가능하다.
상기에서 전구체의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 전구체의 두께는 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상일 수 있다.
필요하다면, 상기 금속폼 전구체의 형성 과정에서는 적절한 건조 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 전술한 코팅 등의 방식으로 슬러리를 성형한 후에 일정 시간 건조하여 금속폼 전구체가 형성될 수도 있다. 상기 건조의 조건은 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 슬러리 내에 포함된 용매가 목적 수준으로 제거될 수 있는 수준에서 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조는, 성형된 슬러리를 약 50℃ 내지 250℃, 약 70℃ 내지 180℃ 또는 약 90℃ 내지 150℃의 범위 내의 온도에서 적정 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다. 건조 시간도 적정 범위에서 선택될 수 있다.
히트 파이프의 제조를 위해서 상기 금속폼 전구체 또는 금속폼은 금속 기판 등의 금속 시트상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 전술한 슬러리를 금속 시트상에 코팅하고, 필요한 경우에 전술한 건조 공정을 거쳐서 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다. 이러한 방식을 통해 설령 얇은 두께의 금속폼인 경우에도 금속 시트상에 우수한 부착력으로 형성할 수 있다.
금속 시트의 종류는 목적에 따라서 정해지는 것은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 형성되는 금속폼과 동일 종류 혹은 다른 종류의 금속의 기재가 적용될 수 있다.
예를 들면, 금속 시트는, 구리, 몰리브덴, 은, 백금, 금, 알루미늄, 크롬, 인듐, 주석, 마그네슘, 인, 아연 및 망간으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속의 기재 또는 2종 이상의 혼합이나 합금의 기재일 수 있으며, 필요하다면, 전술한 전도성 자성 금속인 니켈, 철 및 코발트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금이나 혼합물의 기재나 상기 전도성 자성 금속과 상기 기타 금속의 혼합 내지 합금의 기재 등도 사용될 수 있다.
이러한 금속 시트의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라서 적정하게 선택될 수 있다.
상기와 같은 방식으로 형성된 금속폼 전구체를 소결하여 금속폼을 제조할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 제조하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속폼 전구체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.
이 경우 소결의 조건은 적용된 금속 전구체의 상태, 예를 들면, 금속 분말의 종류 및 양이나 바인더나 분산제의 종류 및 양 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되면서 상기 바인더 및 분산제 등이 제거될 수 있도록 제어될 수 있고, 구체적인 조건은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 상기 소결은, 상기 전구체를 약 500℃ 내지 2000℃의 범위 내, 700℃ 내지 1500℃의 범위 내 또는 800℃ 내지 1200℃의 범위 내의 온도에서 유지하여 수행할 수 있고, 그 유지 시간도 임의적으로 선택될 수 있다. 상기 유지 시간은 일 예시에서 약 1분 내지 10 시간 정도의 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기존의 공지 방식과는 다른 방식으로서, 본 출원에서는 상기 소결을 유도 가열 방식으로 수행할 수 있다. 유도 가열 방식이란, 슬러리에 전자기장을 인가하여 발생하는 열을 이용하여 소결을 진행하는 것을 의미한다. 이러한 방식에 의해서 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기계적 특성이 우수하며 기공도도 목적하는 수준으로 조절된 금속폼의 제조가 보다 원활하게 될 수 있다.
상기에서 유도 가열은, 전자기장이 인가되면 특정 금속에서 열이 발생하는 현상이다. 예를 들어, 적절한 전도성과 투자율을 가지는 금속에 전자기장을 인가하면, 금속에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 금속의 저항에 의해 줄열(Joule heating)이 발생한다. 본 출원에서는 이러한 현상을 통한 소결 공정을 수행할 수 있다. 본 출원에서는 이와 같은 방식을 적용하여 금속폼의 소결을 단시간 내에 수행할 수 있어서 공정성을 확보할 수 있다. 또한, 상기와 같은 방식에 의하여 기공도가 높은 박막 형태이면서도 기계적 강도가 우수한 금속폼층을 포함하는 금속 시트를 제조할 수 있으므로, 상기와 같은 금속시트를 이용하여 두께가 얇으면서도 방열 효율이 우수한 히트 파이프를 제조할 수 있다.
유도 가열에 의해 소결 단계를 수행하는 경우, 전자기장을 인가하는 조건은 그린 구조체 내의 전도성 자성 금속 입자의 종류 및 비율 등에 따라서 결정되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 유도 가열은, 코일 등의 형태로 형성된 유도 가열기를 사용하여 진행할 수 있다. 또한, 유도 가열은, 예를 들면, 100A 내지 1,000A 정도의 전류를 인가하여 수행할 수 있다. 상기 가해지는 전류의 크기는 다른 예시에서, 900A 이하, 800 A 이하, 700 A 이하, 600 A 이하, 500 A 이하 또는 400 A 이하일 수 있다. 상기 전류의 크기는 다른 예시에서 약 150 A 이상, 약 200 A 이상 또는 약 250 A 이상일 수 있다.
유도 가열은, 예를 들면, 약 100kHz 내지 1,000kHz의 주파수로 수행할 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서, 900 kHz 이하, 800 kHz 이하, 700 kHz 이하, 600 kHz 이하, 500 kHz 이하 또는 450 kHz 이하일 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서 약 150 kHz 이상, 약 200 kHz 이상 또는 약 250 kHz 이상일 수 있다.
상기 유도 가열을 위한 전자기장의 인가는 예를 들면, 약 1분 내지 10시간의 범위 내에서 수행할 수 있다. 상기 인가 시간은 다른 예시에서 약 10분 이상, 약 20 분 이상 또는 약 30 분 이상일 수 있다. 상기 인가 시간은, 다른 예시에서, 약 9시간 이하, 약 8 시간 이하, 약 7 시간 이하, 약 6 시간 이하, 약 5 시간 이하, 약 4 시간 이하, 약 3 시간 이하, 약 2 시간 이하, 약 1 시간 이하 또는 약 30분 이하일 수 있다.
상기 언급한 유도 가열 조건, 예를 들면, 인가 전류, 주파수 및 인가 시간 등은 전술한 바와 같이 전도성 자성 금속 입자의 종류 및 비율 등을 고려하여 변경될 수 있다.
상기 소결 단계는 상기 언급한 유도 가열에 의해서만 수행하거나, 상기 유도 가열, 즉 전자기장의 인가와 함께 적절한 열을 인가하면서 수행할 수도 있다. 예를 들면, 상기 소결 단계는 상기 전자기장의 인가와 함께 또는 단독으로 그린 구조체에 외부의 열원을 인가하여 수행할 수도 있다.
즉, 전술한 바와 같이 상기 소결은, 적용된 금속 전구체의 상태, 예를 들면, 금속 분말의 종류 및 양이나 바인더나 분산제의 종류 및 양 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되면서 상기 바인더 및 분산제 등이 제거될 수 있도록 제어될 수 있다.
상기와 같은 방식으로 제 1 금속 시트의 일면에 금속폼을 형성한 후에 상기 금속폼이 형성된 제 1 금속 시트와 제 2 금속 시트를 상기 제 1 금속 시트상의 금속폼이 상기 제 2 금속 시트를 향하도록 대향 배치하고, 제 1 및 제 2 금속 기재의 주변부를 결합시켜서 히트 파이프를 제조할 수 있다. 이 과정에 대한 모식도가 도 3에 나타나 있다.
이 때 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 제 2 금속 기재의 상기 제 1 금속 기재를 향하는 면에도 금속폼이 형성되어 있을 수 있는데, 이 제 2 금속 시트상의 금속폼도 필요하다면 전술한 것과 동일한 방식으로 형성할 수 있다.
상기와 같은 방식으로 금속 시트의 일면에 형성된 금속폼은 필요에 따라 얇은 두께로 제조된 경우에도 금속 시트에 대한 우수한 밀착성과 적절한 기공 특성(기공율 및 기공 크기)을 나타낼 수 있다. 도 1은 상기와 같은 금속폼 부착 금속 시트(10)의 예시로서, 금속 시트(11)상에 금속폼인 다공질 금속 구조체(12)가 형성된 형태를 보여주는 도면이다.
상기 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 40% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 언급한 바와 같이, 본 출원의 방법에 의하면, 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기공도와 기계적 강도를 조절할 수 있다. 상기 기공도는, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 95% 이하 또는 90% 이하일 수 있다. 상기에서 기공도는 금속폼의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.
상기 금속폼은 박막의 필름 또는 시트 형태로도 존재할 수 있다. 하나의 예시에서 금속폼은 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 이러한 필름 또는 시트 형태의 금속폼은, 두께가 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 두께는, 약 5㎛ 이상, 약 10㎛ 이상, 약 15㎛ 이상, 약 20㎛ 이상, 약 30㎛ 이상, 약 40㎛ 이상, 약 50㎛ 이상, 약 100㎛ 이상, 약 150㎛ 이상, 약 200㎛ 이상, 약 250㎛ 이상, 약 300㎛ 이상, 약 350㎛ 이상, 약 400㎛ 이상, 약 450㎛ 이상 또는 약 500㎛ 이상일 수 있다.
상기 금속폼은, 우수한 기계적 강도를 가지고, 예를 들면, 인장 강도가 2.5 MPa 이상, 3 MPa 이상, 3.5 MPa 이상, 4 MPa 이상, 4.5 MPa 이상 또는 5 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 인장 강도는, 약 10 MPa 이상, 약 9 MPa 이상, 약 8 MPa 이상, 약 7 MPa 이상 또는 약 6 MPa 이하일 수 있다. 이와 같은 인장 강도는 예를 들면, 상온에서 KS B 5521에 의해 측정할 수 있다.
본 출원의 히트 파이프 제조방법에서는 도 3에 예시한 바와 같이 상기와 같은 방식으로 제조된 금속시트 2장을 서로 대향되도록 맞대고, 2장의 금속시트의 주변부를 결합하여 파이프 형태로 함으로써 히트 파이프를 제조할 수 있다. 상기에서 결합 방식은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 일반적인 금속의 용접 방식 등을 적용할 수 있다.
금속폼층이 내부에 존재하도록 맞댄 금속 시트의 주변부를 용접함으로써, 파이프 형태의 히트 파이프를 형성할 수 있다. 상술한 단계에 의하여 형성된 금속시트는 금속폼층의 기공도가 높고, 기공 크기가 작으며, 박형으로 제조할 수 있으므로 상기 금속시트의 주변부를 용접할 경우 방열 효율이 우수하면서도 박형인 히트 파이프를 제공할 수 있다.
본 출원의 파이프 형성 단계는 금속폼층이 내부에 존재하도록 맞댄 상기 2장의 금속시트의 주변부를 용접하여 파이프를 형성하기 위하여, 예를 들면, 상기 금속시트의 주변부를 프레스하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 금속시트의 주변부를 프레스하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 금속 소재를 프레스하는 공지된 방식을 이용할 수 있다. 금속시트의 주변부를 프레스하는 공정에 의하여 용접에 의해 파이프를 용이하게 형성할 수 있다.
본 출원의 히트 파이프 제조방법은 박형 금속시트를 이용하여 히트 파이프를 제조하므로, 두께가 얇은 히트 파이프를 제공할 수 있다. 본 출원의 상술한 건조 단계 및 소결 단계는 기공도가 높고, 기공 크기가 작으면서도 박형인 금속 시트를 제공할 수 있으므로, 상기와 같은 금속 시트를 이용해 히트 파이프를 제조할 경우 방열 성능이 우수하면서도 두께가 얇은 히트 파이프를 제조할 수 있다. 본 출원의 히트 파이프의 두께의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 0.8mm 이하, 0.5mm 이하 또는 0.3mm 이하일 수 있다. 본 출원의 히트 파이프의 두께의 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 0.06mm 이상, 0.08mm 이상 또는 0.1mm 이상일 수 있다.
본 출원은, 필요에 따라서 얇은 두께로 형성되는 경우에도 우수한 방열 특성과 내구성을 나타내는 히트 파이프를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 예시적인 본 출원의 금속폼 부착 금속 시트의 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는, 실시예에서 형성된 금속폼에 대한 SEM 사진이다.
도 3은, 본 출원의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 도면이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1.
제 1 금속 시트의 제조
평균 입경(D50 입경)이 약 10μm 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말을 금속 성분으로 사용하여 슬러리를 제조하였다. 분산제로서, 에틸렌글리콜(EG) 및 바인더로서 에틸셀룰로오스(EC)가 4:5의 중량 비율(EG:EC)로 혼합된 혼합물에 상기 구리 분말을 상기 바인더와 구리 분말이 약 10:1의 중량 비율(Cu:EC)이 되도록 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 구리 기재 상에 필름 형태로 코팅하고, 약 120℃에서 약 1 시간 동안 건조하여 금속폼 전구체를 형성하였다. 이 때 코팅된 금속폼 전구체의 두께는 약 100 μm 정도였다. 상기 전구체가 수소/아르곤 가스 분위기의 약 1000℃의 온도에서 2시간 동안 유지되도록 전기로에서 외부 열원을 인가하여 소결을 진행하여 구리폼을 제조하였다. 제조된 시트 형태의 구리폼의 기공도는 약 65% 정도의 수준이었다. 도 2는 상기와 같이 형성된 구리 기재상의 금속폼층을 나타내는 SEM 사진이다.
제 2 금속 시트의 제조
분산제로서 에틸렌글리콜 대신 테르피네올(terpineol)을 사용하고, 바인더로서 에틸 셀룰로오스(EC) 대신 폴리비닐아세테이트(PVAc)를 사용한 것을 제외하고는 제 1 금속 시트의 경우와 동일하게 슬러리를 제조하였다. 슬러리 제조 시에 구리 분말, 분산제 및 폴리비닐아세테이트의 배합 비율은 중량 기준으로 1:1:0.1(Cu:terpineol:PVAc)로 하였다. 상기 슬러리를 구리 기재상에 필름 형상으로 약 30㎛ 수준의 두께로 코팅하고, 제 1 금속 시트의 경우와 동일하게 건조시켜 구리 기재상에 금속폼 전구체를 형성하였다. 이어서 상기 제 1 금속 시트의 경우와 동일 조건에서 소결하여, 구리 기재와 일체화된 구리폼을 형성하였다. 상기 제조된 구리폼의 기공도는 약 68% 수준이었고, 구리 기재와 우수한 밀착력으로 일체화되어 있었다.
히트 파이프의 제조
상기에서 제조된 제 1 및 제 2 금속 시트를 서로의 표면의 금속폼층이 대향하도록 배치하고, 도 3에 나타난 것과 같이 주변부를 프레스 용접하여 히트 파이프를 제조하였다.

Claims (14)

  1. 금속 분말: 바인더; 및 분산제를 포함하는 슬러리를 사용하여 제 1 금속 시트의 일면에 금속폼을 형성하는 단계; 상기 금속폼이 형성된 제 1 금속 시트와 제 2 금속 시트를 상기 제 1 금속 시트상의 금속폼이 상기 제 2 금속 시트를 향하도록 대향 배치하고, 제 1 및 제 2 금속 시트의 주변부를 결합시키는 단계를 포함하는 히트 파이프의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 금속 시트상에 금속폼을 형성하는 단계는, 슬러리를 사용하여 제 1 금속 시트상에 금속폼 전구체를 형성하는 단계; 및 상기 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함하는 히트파이프의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 슬러리는, 금속 분말 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 바인더; 및 상기 바인더 100 대비 10 내지 2,000 중량부의 분산제를 포함하는 히트파이프의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 금속 분말은 평균 입경이 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내인 히트파이프의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 바인더는, 알킬 셀룰로오스, 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올계 바인더인 히트파이프의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 분산제는 알코올인 히트파이프의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 슬러리는 용매를 추가로 포함하는 히트파이프의 제조 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 금속폼 전구체는 필름 또는 시트 형태로 형성되는 히트파이프의 제조 방법.
  9. 제 2 항에 있어서, 소결은, 500℃ 내지 2000℃의 범위 내의 온도에서 수행하는 히트파이프의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 2 금속 시트의 제 1 금속 시트를 향하는 면에도 금속폼이 형성되어 있는 히트 파이프의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 금속폼의 기공도는 60% 내지 99%의 범위 내인 히트 파이프 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 금속폼의 기공 크기가 100nm 내지 100μm의 범위 내인 히트 파이프 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 금속폼의 두께가 500μm 이하인 히트 파이프 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 히트 파이프의 두께가 0.06mm 내지 0.8mm의 범위 내인 히트 파이프 제조방법.
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