다음의 설명을 읽는 숙련된 기술자에게 명백한 상기 목적들은 발광형 디스플레이 장치의 배면을 향하는 방전 셀 부분의 표면 영역보다 더 큰 표면 영역을 갖는, 박리된 그래파이트의 압축 입자로 이루어진 하나 이상의 쉬트를 포함하는 발광형 디스플레이 장치용 열 확산기를 제공함으로써 달성된다. 발광형 디스플레이 장 치는 플라즈마 디스플레이 패널 또는 발광 다이오드 패널일 수 있다. 더욱 상세하게는 박리된 그래파이트의 압축 입자로 이루어진 하나 이상의 쉬트가 상기 장치의 배면을 향하는 다수개의 방전 셀 부분의 표면 영역보다 더 큰 표면 영역을 구비한다. 바람직하게는, 상기 열 확산기는 박리된 그래파이트의 압축 입자로 이루어진 다수개의 쉬트를 포함하는 적층물이다.
바람직한 실시예에서, 열 확산기는 접착제 및 릴리스 재료(release material)를 구비하고, 상기 접착제는 상기 열 확산기와 릴리스 재료의 사이에 끼워지도록 위치한다. 상기 릴리스 재료 및 접착제는 상기 열 확산기에 바람직하지 않은 손상을 야기함이 없이 상기 릴리스 재료가 소정의 제거율을 허용하도록 선택된다. 실제로, 접착제와 릴리스 재료는 초당 1미터의 제거 속도(release speed)에서 센티미터 당 약 40그램 이하의, 보다 바람직하게는 초당 1 미터의 제거 속도에서 센티미터당 약 10그램이하의 평균 제거 부하(release load)를 제공한다.
추가적으로, 접착제는 제곱 센티미터당 약 125 그램 이상의 최소 랩 전단 접착 강도(minimun lap shear adhesion strength)를 달성하는 것이 바람직하며, 제곱 센티미터 당 약 700 그램 이상의 평균 랩 전단 접착 강도를 달성하는 것이 더욱 바람직하다. 열 확산기 재료 자체와 비교할 때, 상기 접착제는 접착제/열 확산기의 전체 두께(through thickness)에 대한 열 저항의 증가를 약 35% 이하로 되게 한다. 접착제의 두께는 약 0.015 mm 이하이어야 하며, 더욱 바람직하게는 약 0.006mm 이하이어야 한다.
앞서 설명한 일반적인 설명 및 하기하는 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제공하고, 청구되어지는 본 발명의 특징 및 성격 그리고 이해를 위한 전반 또는 구조를 제공하기 위한 것임이 이해될 수 있을 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위한 것이며, 발명의 일부를 구성하도록 병합되어 있다. 상기 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있으며, 이는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 작동 및 원리를 설명하는 것을 돕는다.
그래파이트는 평면들 사이에서 약한 결합을 갖는 편평한 층 평면 내에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정 구조이다. 그래파이트의 가요성 쉬트와 같은 원료를 얻을 때, 천연 그래파이트 플레이크와 같은 그래파이트 입자는 예를 들어 황산과 질산의 용액의 유기화제(intercalant)와 일반적으로 처리되어, 그래파이트의 결정 구조가 그래파이트와 유기화제의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 그래파이트의 입자는 이하 "인터카레이트(intercalated)된 그래파이트 입자"로 지칭된다. 그래파이트 내의 유기화제가 고온에 노출될 때, 유기화제는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수 보다 약 80배 이상 큰 치수로 팽창한다. 팽창된(그렇지 않으면 박리된으로 지칭됨) 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는, 초기의 그래파이트 플레이크와 달리, 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있고 변형시키는 기계적 충격에 의해 작은 횡단 개구를 가질 수 있는 가요성 쉬트로 함께 압축될 수 있다.
본 발명에 사용되기에 적절한 가요성 쉬트용 그래파이트 초기 소재는 할로겐화물 뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터카레이트(intercalate)시킬 수 있고 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 그래파이트 탄소질 소재(highly graphitic carbonaceous material)를 포함한다. 이들 고도의 그래파이트 탄소질 소재는 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화도(a degree of graphitization)를 갖는다. 본원에서 사용될 때, "흑연화도"란 용어는 g = [[3.45-d(002)]/0.095]에 따른 값 g를 지칭하며, 여기서 d(002)는 옹스트롱 단위로 측정된 결정 구조 내의 탄소의 그래파이트 층 사이의 거리이다. 그래파이트 층 사이의 거리는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 이들 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 거리를 유도하기 위해 표준 최소 자승법 기술이 이용된다. 고도의 그래파이트 탄소질 소재의 예로는 다양한 소스로부터의 천연 그래파이트 뿐만 아니라 화학 기상 증착, 폴리머의 고온 열분해, 또는 용융 금속 용액으로부터의 결정화 등에 의해 준비된 그래파이트와 같은 다른 탄소질 소재를 포함한다. 천연 그래파이트가 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 가요성 쉬트용 그래파이트 초기 소재는 초기 소재의 결정 구조가 요구된 흑연화도를 유지하고 초기 소재가 박리될 수 있는 한 비-그래파이트 성분을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구된 흑연화도를 소유하고 박리될 수 있는 탄소 함유 소재는 본 발명에 사용되기에 적절하다. 이러한 그래파이트는 바람직하게 20중량% 이하의 애쉬(ash) 함량을 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명에 사용된 그래파이트는 약 94% 이상의 순도를 가진다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 그래파이트는 약 98% 이상의 순도를 가진다.
그래파이트 쉬트를 제조하는 방법은 본원에 참조되고 쉐인(Shane) 등에게 허여된 미국 특허 제 3,404, 061호에 개시되어 있다. 쉐인 등에게 허여된 특허 방법의 실행에서, 천연 그래파이트 플레이크는 예를 들어 질산과 황산의 혼합물을 함유하는 용액 내에서 바람직하게는 100 중량부의 그래파이트 플레이크(pph) 당 약 20 내지 약 300 중량부의 유기화제 용액 레벨로 플레이크를 분산킴으로써 인터카레이트된다. 인터카레이션(intercalation) 용액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 산화제 및 다른 삽입성 물질(intercalating agent)을 함유한다. 그 예로는 예를 들어 농축된 질산 및 클로레이트, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강 유기산 예를 들어 트리플루오로아세트산의 혼합물 또는 질산, 칼륨 클로레이트, 크롬산, 과망간산 칼륨, 칼륨 크로메이트, 칼륨 디크로메이트, 과염소산 등을 함유하는 용액 및 유기산에 용해가능한 강 산화제와 같은 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 것을 포함한다. 대안적으로, 전기 포텐셜이 그래파이트의 산화를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 그래파이트 결정에 유입될 수 있는 화학종은 황산뿐만 아니라 다른 산들을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 삽입성 물질은 황산, 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 등의 혼합 용액이다. 덜 바람직할 수도 있지만, 인터카레이션 용액은 염화 제1철(ferric chloride), 및 황산과 혼합된 염화 제1철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬 용액으로서의 브롬 및 유기 용매 내의 황산 또는 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수도 있다.
인터카레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 350 pph 그리고 보다 일반적으로 약 40 내지 약 160pph 범위일 수 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다.
대안적으로, 인터카레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40 pph 범위로 제한될 수도 있는데, 이로 인해 본원에 참조된 미국 특허 제 4,895,713호에 개시되고 설명된 것처럼 세척 단계가 제거될 수 있다.
인터카레이션 용액으로 처리된 그래파이트 플레이크 입자는 예를 들어 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터카레이팅 용액의 표면 필름과 반응하는 알코올, 설탕, 알데히드 및 에스테르로부터 선택되는 유기 환원제와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프럭토스, 락토스, 수크로스, 포테이토 스타치, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노술페이트와 같은 리그린 유도 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 그래파이트 플레이크 입자의 약 0.5 내지 4 중량% 가 적절하다.
인터카레이션 전에, 중에 또는 직후에 적용된 팽창 보조제의 이용이 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이들 개선점 중에는 박리 온도의 감소와 팽창된 부피(또한 "벌레 부피"로 지칭됨)의 증가가 있다. 본원에서 팽창 보조제는 바람직하게는 팽창 개선을 달성하기 위해 인터카레이션 용액 내에 충분히 용해 가능한 유기 소재일 것이다. 보다 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 소재가 바람직하게 배타적으로 이용될 수도 있다. 카르복실산이 특히 효과적이라고 알려져 있다. 팽창 보조제로서 유용한 카르복실산은 1 개 이상의 탄소 원자, 바람직하게 약 15 개 까지의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 지환족, 직쇄 또는 분지쇄의, 포화 및 불포화 모노카르복실산, 디카르복실산 및 폴리카르복실산으로부터 선택될 수 있고, 박리에 대한 하나 이상의 양상을 개선하기에 효과적인 양으로 인터카레이션 용액에 용해된다. 적절한 유기 용매가 인터카레이션 용액 내의 유기 팽창 보조제의 용해성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
포화 지방족 카르복실산의 대표적인 예는 화학식 H(CH2)nCOOH와 같은 산이고, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 낙산, 펜탄산, 헥산산 등을 포함하며, 여기서 n은 0에서 약 5까지의 수이다. 카르복실산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테르와 같은 반응성 카르복실산 유도체가 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카랜트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 바람직하게는 수용성 유기화제 내에 플레이크를 주입시키기 전에 그래파이트 플레이크와 접촉된다. 대표적인 디카르복실산은 2-12 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복실산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복실산, 1,6-헥산디카르복실산, 1,10-데칸디카르복실산, 시클로헥산-1,4-디카르복실산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복실산이다. 대표적인 알킬 에스테르는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르복실산이고 대표적인 방향족 카르복실산은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m-, 및 p-토릴산, 메톡시 및 오톡시 벤조산, 아세토아세트아미도벤조산 및, 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프토산이다. 대표적인 하이드록시 방향족 산은 하이드록시 벤조산, 3-하이드록시-1-나프토산, 3-하이드록시-2-나프토산, 4-하이드록시-2-나프토산, 5-하이드록시-1-나프토산, 5-하이드록시-2-나프토산, 6-하이드록시-2-나프토산 및 7-하이드록시-2-나프토산이다. 폴리카르복실산 중에는 구연산이 대표적이다.
인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 1 내지 10%의 팽창 보조제를 함유하며, 이 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터카레이션 용액 내에 주입되기 전 또는 주입된 후에 그래파이트 플레이크와 접촉되는 실시예에서, 일반적으로 그래파이트 플레이크의 약 0.2중량% 내지 약 10 중량% 범위의 양으로 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 팽창 보조제는 그래파이트와 혼합될 수 있다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트하고, 그 후 인터카레이트된 그래파이트 플레이크와 유기 환원제를 혼합한 후에, 상기 혼합물은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출되어 환원제와 인터카레이트된 그래파이트 플레이크의 반응을 촉진시킬 수 있다. 가열 기간은 약 20시간 까지이며, 전술한 범위 보다 높은 온도에 대해서는 보다 짧은 가열 기간, 예를 들어 적어도 약 10분이다. 30분 이하의 시간, 예를 들어 10 내지 25분 정도가 보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트시키고 박리시키는 전술한 방법은 흑연화 온도, 즉 약 3000℃ 범위의 온도에서 그래파이트 플레이크의 예비 처리 및 유기화제에 유연성 첨가제를 함유함으로써 바람직하게 향상될 수도 있다.
그래파이트 플레이크의 예비처리, 또는 어닐링은 플레이크가 후속적으로 인터카레이션 및 박리될 때 상당히 증가된 팽창(즉, 300%까지 또는 그 이상의 팽창 부피 증가)을 야기한다. 사실, 바람직하게, 팽창의 증가는 어닐링 단계가 없는 유사한 프로세싱과 비교할 때 약 50% 이상이다. 어닐링 단계에 사용되는 온도는 3000℃ 보다 상당히 낮아서는 안되는데, 이는 100℃ 더 낮은 온도에서 조차 실질적으로 감소된 팽창을 야기하기 때문이다.
본 발명의 어닐링은 인터카레이션 및 후속적인 박리 시에 향상된 정도의 팽창을 갖는 플레이크를 야기하기에 충분한 시간 동안 수행된다. 일반적으로 요구된 시간은 1 시간 이상, 바람직하게 1 내지 3시간이고, 가장 바람직하게는 불활성 분위기에서 진행한다. 최대의 유익한 결과를 위해, 어닐링된 그래파이트 플레이크는 팽창 정도를 향상시키기 위해 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 다른 프로세스, 즉 유기 환원제, 유기 산과 같은 인터카레이션 보조제, 및 인터카레이션 후 계면활성제 세척제의 존재 하에서의 인터카레이션을 거칠 것이다. 더욱이, 최대의 유익한 결과를 위해, 인터카레이션 단계는 반복될 수도 있다.
본 발명의 어닐링 단계는 흑연화 분야에서 공지되고 인식된 유도로 또는 다른 유사한 장치에서 수행되고, 여기서 사용되는 온도는 3000℃ 범위이고, 흑연화 프로세스에서 일어날 수 있는 높은 범위의 온도이다.
예비 인터카레이션 어닐링을 거친 그래파이트를 이용하여 생성된 벌레는 종종 서로 "응집(clump)"되어, 면적 중량 균일성(area weight uniformity)에 악영향을 줄 수 있다고 관찰되었기 때문에, "자유 유동" 벌레의 형성을 보조하는 첨가제가 매우 바람직하다. 인터카레이션 용액에 유연성 첨가제를 첨가하면 압축 장치(그래파이트 벌레를 가요성 그래파이트 쉬트로 압축(또는 "칼랜더링")하는데 통상적으로 사용되는 칼랜더 스테이션의 베드와 같은)의 베드를 가로질러 벌레의 보다 균일한 분포가 용이하게 된다. 그러므로 결과적인 쉬트는, 심지어 초기 그래파이트 입자가 종래 사용된 것보다 작을 때에도, 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 바람직하게 장쇄(long chain) 탄화수소이다. 다른 작용기가 존재한다 하더라도, 장쇄 탄화수소기를 갖는 다른 유기 화합물이 또한 사용될 수 있다.
보다 바람직하게, 유연성 첨가제는 오일이며, 광유(mineral oil)가 특히 장기간 저장에 있어 중요한 고려사항인 악취 및 냄새가 덜 하다는 사실을 고려할 때 가장 바람직하다. 전술한 소정의 팽창 보조제가 유연성 첨가제의 정의를 충족시킴을 주목한다. 이들 소재가 팽창 보조제로 사용될 때, 유기화제 내에 별도의 유연성 첨가제를 포함할 필요가 없다.
유연성 첨가제는 약 1.4 pph 이상, 보다 바람직하게 약 1.8pph 이상의 양으로 유기화제 내에 존재한다. 유연성 첨가제 함유의 상한이 하한 보다 중요하진 않 지만, 약 4pph를 초과하는 정도의 유연성 첨가제를 함유한다고 하여 상당한 추가적인 장점이 있는 것은 아니다.
이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트 입자"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피 보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는 초기 그래파이트 플레이크와 달리 후술되는 바와 같이 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 작은 횡단 개구를 갖는 가요성 쉬트로 압축 성형될 수도 있다.
대안적으로, 본 발명의 가요성 그래파이트 쉬트는 새로이 팽창된 벌레 보다 재형성(reground)된 가요성 그래파이트 쉬트 입자를 이용할 수도 있다. 쉬트는 새로 형성된 쉬트 소재, 재활용된 쉬트 소재, 스크랩 쉬트 소재, 또는 소정의 다른 적절한 소스일 수도 있다.
또한 본 발명의 방법은 초기 소재와 재활용된 소재의 혼합물을 이용할 수도 있다.
재활용된 소재의 소스 소재는 전술한 것처럼 압축 성형된 쉬트 또는 쉬트의 마무리부분, 또는 예를 들어 예비 칼랜더링 롤로 압축된 쉬트일 수도 있다. 더욱이, 소스 소재는 수지가 함침되었지만 아직 경화되지 않은 쉬트 또는 쉬트의 마무리부분, 또는 수지가 함침되고 경화된 쉬트 또는 쉬트의 마무리부분일 수도 있다. 소스 소재는 유동 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재활용된 가요성 그래파이트 PEM 연료 전지 성분일 수도 있다. 다양한 그래파이트 소스 각각은 그대로 또는 천연 그래파이트 플레이크와 혼합된 채로 사용될 수도 있다.
가요성 그래파이트 쉬트의 소스 소재가 이용가능하면, 입자를 생성하기 위해 제트 밀, 에어 밀, 블렌더 등과 같은 공지된 프로세스 또는 장치와 연결될 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬를 통과하고, 보다 바람직하게 대부분(약 20% 초과, 보다 바람직하게 약 50% 초과)이 80 U.S. 메쉬를 통과하지 않는 지름을 갖는다. 가장 바람직하게 입자는 약 20 메쉬 이하의 입자 크기를 갖는다.
분쇄된 입자의 크기는 요구된 열적 특성과 그래파이트 입자의 기계가공성 및 성형성을 균형맞추도록 선택될 수도 있다. 그러므로, 보다 작은 입자는 기계가공 및/또는 성형을 용이하게 하는 그래파이트 입자를 야기하는 반면, 보다 큰 입자는 보다 큰 이방성과, 그에 따른 보다 큰 수평(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.
소스 소재가 수지로 함침되면, 수지는 입자로부터 제거되는 것이 바람직하다. 수지 제거에 대한 상세한 내용은 후술된다.
소스 소재가 분쇄되고, 소정 수지가 제거되면, 이는 재팽창된다. 재팽창은 인터카레이션과 박리 프로세스 및 Greinke 등에게 허여된 미국 특허 제 4,895,713호 및 Shane에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시된 내용을 이용함으로써 발생할 수도 있다.
일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가열함으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터카레이트된 천연 그래파이트 플레이크는 재활용되고 인터카레이트된 입자에 추가될 수도 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 중에 입자는 약 100cc/g 이상 그리고 약 350cc/g까지 또는 그 이상까지의 범위의 비부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 전술한 것처럼 가요성 쉬트로 압축될 수도 있다.
가요성 그래파이트 쉬트 및 포일은 좋은 취급 강도로 밀착되고, 예컨대 세제곱 센티미터당 약 0.1 에서 1.5 그램(g/cc)의 전형적인 밀도 및 약 0.025 mm 에서 3.75mm의 두께로, 예를 들어 압축 성형에 의해 적절하게 압축된다. 비록 항상 바람직한 것은 아니지만, 가요성 그래파이트 쉬트는 또한, 때때로, 수지로 바람직하게 처리될 수 있으며, 흡수된 수지는 경화 후에 상기 쉬트의 형태를 "고정" 시킬 뿐 아니라, 가요성 그래파이트 쉬트의 습기 저항 및 취급 강도, 즉 강성을 향상시킨다. 사용되는 경우, 적합한 수지 내용물은 중량의 약 5%이상이 바람직하고, 중량의 약 10% 내지 35%가 더욱 바람직하고, 중량의 약 60%까지 인 것이 적합하다. 본 발명의 실시예에서 특히 유용한 것으로 판단되는 수지들은 아크릴-, 에폭시- 및 페놀에 기초한 수지 시스템, 또는 그 혼합물이다. 적합한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A (DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함한다; 적용될 수 있는 페놀 수지는 리소울 및 노보락 페놀을 포함한다.
도면을 참고하면, 시스템은 수지가 함침된 가요성 그래파이트 쉬트의 연속적인 생산을 위하여 개시된 것으로, 그래파이트 플레이크 및 액체 삽입성 물질이 반응기(104) 안에 채워진다. 더욱 상세하게는, 액체 삽입성 물질을 담기 위해 용기(101)가 제공된다. 바람직하게는 스테인리스 스틸로 만들어진 용기(101)에는 연속적으로 도관(106)을 경유하여 액체 유기화제가 공급될 수 있다. 용기(102)은 용기(101)로부터 온 삽입성 물질과 함께, 반응기(104)안으로 안내되는 그래파이트 플레이크를 담고 있다. 밸브(108, 107)에 의해서 삽입성 물질 및 그래파이트 플레이크의 반응기(104) 안으로의 각각의 입력 비율이 조절된다. 용기(102) 안의 그래파이트 플레이크는 도관(109)을 경유하여 연속적으로 공급될 수 있다. 예를 들어 트레이스 산과 같은 인터카레이션 증강제와 같은 첨가물, 그리고 유기 화학물이 밸브(111)에 의해 그 출력이 계량되는 디스펜서(110)를 경유하여 추가될 수 있다.
결과적으로 인터카레이트된 그래파이트 입자들은 흠뻑 젖고, 산이 코팅되고, 바람직하게는, 116, 118에서 세척 탱크로 들어가고 나오는 물로 입자들이 세척되는 세척 탱크(114)로 (도관(112)을 통해서) 유입된다. 이 때 세척되고 인터카레이트된 그래파이트 플레이크는 도관(120)을 통하여 건조 챔버(122)를 지난다. 팽창 및 사용동안 박리와 같은 표면 화학 작용을 조절하고, 팽창을 야기하는 가스 발산을 조절하기 위한 목적으로, 버퍼, 산화 방지제, 오염 감소 화학물과 같은 첨가제가 용기(119)로부터 인터카레이트된 그래파이트 플레이크의 유동으로 추가될 수 있다.
인터카레이트된 그래파이트 플레이크는, 바람직하게는 약 75℃에서 약 150℃의 온도에서, 일반적으로 인터카레이트되는 그래파이트 플레이크의 팽창 또는 부풀어오름을 회피하기 위해 건조기(122)에서 건조된다. 건조 후에, 인터카레이트된 그래파이트 플레이크는, 예를 들어, 도관(126)을 통해 수집 용기(124)에 연속적으로 공급됨으로써, 플레임(200) 안으로 스트림으로써 공급되고, 그 후 2로 표시된 것과 같이 팽창 용기(128)에서 플레임(200) 안으로 스트림으로써 공급된다. 분해된 쿼트 글래스 피버, 탄소 및 그래파이트 피버, 지르코니아, 보론 니트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 피버 등으로 형성된 세라믹 피버 및 칼슘 메타실리케이트 피버, 칼슘 알루미늄 실리케이트 피버, 알루미늄 옥사이드 피버와 같은 자연 발생한 무기물 피버 등의 입자와 같은 첨가제는 용기(129)로부터 127에서 안내되는 비-반응성 가스에서 유입에 의해 추진되는 인터카레이트된 그래파이트 입자의 스트림으로 추가될 수 있다.
팽창 챔버(201)에서 플레임(200)을 통과하는 경로에서, 인터카레이트된 그래파이트 입자(2)는 "c" 방향으로 80배 이상 팽창하고, "벌레 모양으로" 팽창된 형태(5)를 띠게 된다; 129로부터 안내되어 인터카레이트된 그래파이트 입자의 스트림에 혼합된 첨가제는 본질적으로 플레임(200)을 통하는 경로에 의해 영향을 받지 않는다. 팽창된 그래파이트 입자(5)는 중력 분리기(130)를 지날 수 있고, 이때 무거운 애쉬 천연 미네랄 입자는 팽창된 그래파이트 입자로부터 분리되고, 그 후 넓은 상부 하퍼(132)안으로 들어간다. 분리기(130)는 필요하지 않을 때 생략될 수 있다.
팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자(5)는 하퍼(132)에서 다른 첨가제와 함께 자유로이 떨어지고, 자유분방하게 흩어져 통로(134)를 통해서, 압축 스테이션(136) 안으로 지나간다. 압축 스테이션(136)은 박리되고 팽창된 그래파이트 입자(5)를 수용하기 위해 이격되어 설치되고 마주하고 수렴하는 이동 다공성 벨트(157, 158)를 포함한다. 마주보는 이동 벨트(157, 158) 사이의 수렴하는 공간으로 인해, 박리되고 팽창된 그래파이트 입자는 예를 들어 약 25.4로부터 0.075mm, 특별하게는 약 25.4로부터 2.5mm까지의 두께와 약 0.08에서 2.0g/㎤의 밀도를 갖는, 148에서 지시되는, 가요성 그래파이트의 매트로 압축된다. 가스 세정기(149)는 팽창 챔버(201)와 하퍼(132)로부터 발산하는 가스를 제거하고 정화하도록 사용될 수 있다.
매트(148)는 용기(150)를 지나, 스프레이 노즐(138)로부터 액체 수지가 함침되고, 상기 수지는 바람직하게는 진공 챔버(139)에 의해 "매트를 통해 당겨지는 것"이 바람직하고, 상기 수지는 그 후 건조기(160)에서 건조되어 수지의 점착성이 감소되고, 그 후에 수지가 함침된 매트(143)는 캘린더 밀(170)에서 롤 압축된 가요성 그래파이트 쉬트(147)로 고밀도화 된다. 용기(150)과 건조기(160)로부터 온 가스 및 연기는 가스 세정기(165)안에서 모여서 정화되는 것이 바람직하다.
고밀도화 과정 후에, 가요성 그래파이트 쉬트(147)안의 수지는 건조 오븐(180)에서 적어도 부분적으로 경화된다. 대안적으로, 부분적인 경화는 비록 고밀도화 과정 후가 바람직하지만 고밀도화 과정 전에 실행될 수도 있다.
그러나, 바람직한 실시예에서, 가요성 그래파이트 쉬트에는 수지가 함침되지 않으며, 이러한 경우 용기(150), 건조기(160) 및 건조 오븐(180)은 생략될 수 있다.
비록 본 실시예가 플라즈마 디스플레이 패널에 사용되는 열 확산기의 적용례의 관점에서 쓰여졌으나, 본 발명적인 방법 및 열 확산기는 동일하게 다른 발광형 디스플레이 장치 열원, 또는 발광 다이오드와 같은 (관련 기능에 있어 플라즈마 디스플레이 패널을 만드는 개별적인 방전 셀의 집합체와 동일한 )열원 집합체(collection)에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
플라즈마 디스플레이 패널은 현재 (모서리로부터 모서리까지) 1m 및 그 이상의 크기로 생산되고 있다. 따라서, 그러한 패널에서 열점의 효과를 개선하고 냉각하기 위해 사용되는 열 확산기는 약 270mm ×약 500mm만큼 큰 크기로, 또는 약 800mm ×500mm의 크기로, 또는 그 이상으로 비교적 커야 한다. 상기에서 논의한 플라즈마 디스플레이 패널에는, 플라즈마 가스를 각각 담고있는, 수십만 개의 셀이 존재한다. 전압이 각각의 셀에 인가되는 경우, 상기 플라즈마 가스는 각각의 셀에서 색깔을 띤 빛을 생성하도록 인광체와 반응한다. 플라즈마를 생성하도록 가스를 이온화시키기 위해서는 상당한 전력이 필요하기 때문에, 플라즈마 디스플레이는 매우 뜨거워지기 쉽다. 게다가, 패널의 특정한 영역에서의 색깔에 따라, 패널 자체에 열적인 스트레스를 야기할 뿐 아니라 디스플레이의 수명을 짧게 하는 인광체의 조숙한 파손을 야기할 수 있는 스크린에서의 열점이 생성될 수 있다. 따라서, 이러한 열점의 영향을 줄이기 위한 열 확산기가 요구된다.
박리된 그래파이트의 압축 입자로 이루어진 쉬트, 특별하게는 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 쉬트의 적층물은 플라즈마 디스플레이 패널용 열 확산기로 특히 유용하다는 것이 발견되었다. 보다 상세하게는, 여기에서 가요성 그래파이트 쉬트로서 언급되는, 박리된 그래파이트의 압축 입자로 이루어진 하나 또는 그 이상의 쉬트는 플라즈마 디스플레이 패널의 배면에 열 접촉하도록 위치하고, 그 결과 가요성 그래파이트 쉬트는 패널에서 다수개의 열원(즉, 방전 셀)을 덮고 있다. 다른 말로 말하면, 가요성 그래파이트 쉬트의 표면 영역은 플라즈마 디스플레이 패널의 배면에 있는 방전 셀의 표면 영역보다 크다; 실제로, 가요성 그래파이트 쉬트의 표면 영역은 플라즈마 디스플레이 패널의 배면의 다수개의 방전 셀의 표면 영역보다 크다. 게다가 본 발명에 따른 열 확산기가 형성되는 가요성 그래파이트 소재의 특성때문에, 패널에 의해서 디스플레이되는 이미지가 변함에 따라, 플라즈마 디스플레이 패널 위의 다른 위치에서 발생하는 열점으로부터 열이 퍼질 것이다.
가요성 그래파이트 쉬트 소재의 특성상, 다른 소재들, 또는 그래파이트의 다른 형태들보다 더 정합성(conformability)이 있다는 점에서, 열 확산기와 플라즈마 디스플레이 패널 사이의 접촉 저항은 감소되고, 동일한 적용 압력이 적용된 선행 기술에 따른 열 확산기를 사용할 때 보다 더 나은 열적 접촉이 달성된다.
본 발명에 따른 가요성 그래파이트 쉬트 열 확산기는 플라즈마 디스플레이 패널 위 지역들 사이의 열 차이(즉, △T)를 줄이도록 작용한다. 다른 말로 말하면, 흰색 이미지가 생성되는 지역과 같은 패널 위의 열점과 어두운 이미지가 생성되는 근접 영역과 같은 패널 위의 열점 사이의 온도 차이가, 가요성 그래파이트 쉬트가 존재하지 않는 경우의 △T 와 비교할 때, 본 발명에 따른 가요성 그래파이트 열 확산기를 사용함으로써 감소될 수 있다. 따라서, 그렇지 않았더라면 플라즈마 디스플레이 패널이 노출되는 열적 스트레스가 감소되고, 패널 수명과 효과가 향상된다. 게다가, 열점(즉, 열 스파이크)이 줄어들기 때문에, 전체 유닛이 보다 높은 온도에서 작동할 수 있고 이는 이미지 향상을 가져온다.
사실상, 특히 플라즈마 디스플레이 패널 조립 프로세스 중에, 그래파이트 열 확산기가 열 확산기를 플라즈마 디스플레이 패널에 접착시키는 접착층을 갖도록 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 릴리스 라이너(release liner)는 접착제를 덥도록 사용되어야 하고, 접착제는 릴리스 라이너와 그래파이트 쉬트 사이에 끼워져 플라즈마 디스플레이 패널에 접착되기 전에 그래파이트 열 확산기의 저장 및 선적을 허용한다.
릴리스 라이너와 함께 접착제로 코팅된 그래파이트 쉬트(또는 쉬트의 적층물)를 사용하는데 있어서는, 대규모 플라즈마 디스플레이 패널 제조 프로세스에 실용적이기 위해서 충족시켜야할 일정한 요구조건이 있다. 보다 구체적으로, 그래파이트가 얇은 층으로 갈라지지 않고, 릴리스 라이너가 고속으로 쉬트로부터 제거될 수 있어야 한다. 얇은 층으로 갈라지는 것(delamination)은 릴리스 라이너가 접착제를 당길 때 발생하고 릴리스 라이너가 제거될 때 쉬트로부터 벗겨진 소정의 그래파이트는 그래파이트의 손실, 그래파이트 쉬트 자체의 손상, 및 그래파이트 쉬트를 플라즈마 디스플레이 패널에 접착시키는데 필요한 접착제의 감소 뿐만 아니라 보기 흉하고 불쾌한 외형을 야기한다.
그러나, 그래파이트가 얇은 층으로 갈라짐이 없이 접착제/그래파이트 쉬트로부터 릴리스 라이너의 제거를 허용하도록 접착제 및 릴리스 라이너가 선택되어야 함에도 불구하고, 접착제는 패널이 다양한 배향을 취하는 동안에도 플라즈마 디스플레이 패널 상의 정위치에 그래파이트 쉬트를 유지시키고 열 확산기와 패널 사이의 양호한 열 접촉을 보장하도록 충분히 강해야 한다.
게다가, 열 확산기의 열적 성능의 상당한 감소가 접착제에 의해 야기되어서는 않된다. 즉, 상당한 두께의 층으로 도포된 접착제는, 플라즈마 디스플레이 패널로부터 열 확산기로의 열 전도를 방해하기 때문에, 열 확산기의 열적 성능을 방해할 수 있다.
그러므로, 접착제 및 릴리스 라이너의 조합은 예를 들어 ChemInstruments HSR-1000 고속 제거 테스터에서 측정될 때 약 1m/s의 제거 속도에서, 약 40g/cm 이하, 보다 바람직하게 약 20g/cm 이하 및 가장 바람직하게 약 10g/cm 이하의 제거 부하를 제공하도록 균형을 달성해야 한다. 예를 들어, 플라즈마 디스플레이 패널의 대규모 제조 요구사항을 충족시키기 위해 약 1m/s의 속도에서 릴리스 라이너를 제거하는 것이 바람직하다면, 릴리스 라이너의 평균 제거 부하는 상기 제거 속도에서 그래파이트가 얇은 층으로 갈라짐을 야기함이 없이 릴리스 라이너의 제거를 허용하도록 약 40g/cm 이하, 보다 바람직하게는 약 20g/cm 이하, 및 가장 바람직하게는 약 10g/cm 이하이어야 한다. 이를 달성하기 위해, 접착제의 두께는 가장 바람직하게 약 0.006mm 이하이어야 한다.
균형 맞추어져야 하는 또다른 인자는 전술한 것처럼 플라즈마 디스플레이 패널 제조 프로세스 중에 플라즈마 디스플레이 패널 상의 정위치에 열 확산기를 유지시키고 열 확산기와 플라즈마 디스플레이 패널 사이의 양호한 열 접촉을 보장하기에 충분한 접착제의 접착 강도이다. 요구된 접착을 달성하기 위해, 접착제는 예를 들어 ChemInstruments TT-1000 인장 테스터에서 측정될 때 약 125g/㎠ 이상의 최소 랩 전단 접착 강도(lap shear adhesion strength), 보다 바람직하게 약 700g/㎠ 이상의 평균 랩 전단 접착 강도를 가져야 한다.
여기에 덧붙여, 전술한 것처럼 접착제는 열 확산기의 열적 성능을 실질적으로 방해해서는 안된다. 이는 접착제의 존재가 접착제 없는 열 확산기 자체와 비교할 때 열 확산기의 전체 두께를 통한 열 저항의 증가가 약 100% 를 초과해서는 안된다는 것을 의미한다. 사실, 보다 바람직한 실시예에서, 접착제는 접착제 없는 열 확산 소재와 비교할 때 약 35% 초과의 열 저항 증가를 야기하지 않을 것이다. 그러므로, 접착제는 바람직하지 않은 열 저항의 상당한 증가를 피하기에 충분히 얇으면서 제거 부하 요구사항 및 평균 랩 전단 접착 강도 요구사항을 충족시켜야 한다. 이를 위해서, 접착제는 약 0.015mm, 보다 바람직하게 약 0.006mm 보다 두껍지 않아야 한다.
열 확산기가 약 2.0mm 이하의 두께와 약 1.6 내지 약 1.9g/cc 범위의 밀도를 갖는 박리된 그래파이트의 압축된 입자 쉬트 또는 쉬트의 적층물인, 대규모 제조 프로세스에서 플라즈마 디스플레이 패널에 도포되는데 유용한 열 확산기의 제조를 위해 요구되는 전술한 균형을 달성하기 위해, Technicote Inc.의 분사인 Sil Tech로부터 제조되어 이용되는 L2 릴리스 라이너와 같은 실리콘 코팅된 크라프트 종이(Kraft paper)로 제조된 릴리스 라이너와 함께 소정 두께의 Ashland Chemical 사로부터 제조되어 이용되는 Aroset 3300 압력 민감 아크릴 접착제가 바람직한 결과를 달성할 수 있다. 그러므로, 접착제가 열 확산 소재와 릴리스 재료 사이에 끼워지도록 제거층이 위치되고, 열 확산기의 열적 성능이 실질적으로 손상되지 않는 두께의 접착제를 갖는, 박리된 그래파이트의 압축된 입자의 쉬트 또는 쉬트의 적층물과 같은 열 확산 소재를 포함하는 열 확산 복합소재가 제공된다. 작동에 있어서, 릴리스 재료는 열 확산기/접착제 조합으로부터 제거될 수 있고, 이후 접착제가 열 확산 소재를 플라즈마 디스플레이 패널에 접착시키도록 열 확산 소재/접착제 조합이 플라즈마 디스플레이 패널에 도포될 수 있다. 더욱이, 다수의 플라즈마 디스플레이 패널이 제조될 때, 하나 이상의 열 확산기/접착제 조합이 다수의 플라즈마 디스플레이 패널 각각에 도포된다.
가요성 그래파이트 적층물이 본 발명에 따른 열 확산기로서 사용될 때, 다른 적층물 층들이 또한 포함될 수 있고, 이는 상기 적층물의 기계적인 또는 열적인 성능을 향상시킨다. 예를 들어, 알루미늄 또는 구리와 같은 열적으로 전도성인 금속의 적층물 층들은 그래파이트에 의해서 존재하는 낮은 접촉 저항을 희생시키지 않고 상기 적층물의 열 확산 특성을 증가시키기 위해 가요성 그래파이트 층들 사이에 끼워질 수 있다; 폴리머와 같은 다른 소재들이 또한 적층물의 강도의 향상 또는 보강을 위해서 사용될 수 있다. 추가적으로, 그래파이트 소재는 단일 쉬트이건 적층물이건 간에, 본 발명의 열 확산기의 열 확산 성능을 손상함이 없이, 패널에 적용 또는 선적되는 동안 쉬트에 손상을 줄이고 및/또는 소재의 취급을 향상하기 위해, 예를 들어, 얇은 플라스틱 쉬트 또는 대안적으로, 건조된 수지의 얇은 코팅의 배면층이 제공될 수 있다. 절연 소재의 층이 또한 사용될 수 있다.
실시예 1
플라즈마 디스플레이 패널의 배면에 부착된 아크릴 열 확산기를 이용하여 파나소닉 플라즈마 TV 모델 번호 TH42PA20의 열적 특성이 다음의 상이한 스크린 조건 하에서 분석된다. 백색 및 흑색의 패턴이 디스플레이 상에 발생되고 스크린 표면 온도가 적외선 카메라를 이용하여 측정된다. 모든 경우에 배경은 흑색이다. 패턴은 1) 스크린을 가로질러 수평으로 균일하게 이격된 세 개의 백색 라인(23.9%의 스크린 조명) 및 2) 균일하게 이격된 백색 도트의 4 ×3 어레이(4% 스크린 조명)로 구성된다. 종래의 아크릴 열 확산기를 갖는 유닛을 시험한 후에, 아크릴 확산기는 제거되고 두께가 1.4mm이고 수평 열 전도도가 약 260W/m°K인 가요성 그래파이트 열 확산기로 대체된다. 플라즈마 디스플레이는 그 후 전술한 것과 동일한 조건 하에서 재시험되고, 그 결과가 표 1에 나타난다.
패턴 |
열 확산기 |
T최대 |
백색 패턴 T 범위 |
주위 |
백색 라인 패턴 |
아크릴 |
49.3 |
30 |
24.1 |
백색 라인 패턴 |
가요성 그래파이트 |
48.6 |
34.4 |
23.5 |
백색 도트 어레이 패턴 |
아크릴 |
51.8 |
30.4 |
24.3 |
백색 도트 어레이 패턴 |
가요성 그래파이트 |
39.3 |
28.3 |
23.4 |
실시예 2
플라즈마 디스플레이 패널의 배면에 부착된 알루미늄/실리콘 열 확산기를 이용하여 NEC 플라즈마 디스플레이 모델 Plasmasync 42" 42XM2 HD의 열적 특성이 다음의 상이한 조건 하에서 분석된다. 백색 및 흑색의 패턴이 디스플레이 상에 발생되고 스크린 표면 온도가 적외선 카메라를 이용하여 측정된다. 모든 경우에 배경은 흑색이다. 패턴은 1) 스크린을 가로질러 수평으로 균일하게 이격된 세 개의 백색 라인(23.9%의 스크린 조명) 및 2) 균일하게 이격된 백색 도트의 4 ×3 어레이(4% 스크린 조명)로 구성된다. 종래의 알루미늄/실리콘 열 확산기를 갖는 유닛을 시험한 후에, 알루미늄/실리콘 열 확산기는 제거되고 두께가 1.4mm이고 열 전도도가 약 260W/m°K인 가요성 그래파이트 열 확산기로 대체된다. 디스플레이는 그 후 전술한 것과 동일한 조건 하에서 재시험되고, 그 결과가 표 2에 나타난다.
패턴 |
열 확산기 |
T최대 |
백색 패턴 T 범위 |
주위 |
백색 라인 패턴 |
알루미늄/ 실리콘 |
61.4 |
32.9 |
25.2 |
백색 라인 패턴 |
가요성 그래파이트 |
55.1 |
33.9 |
24.9 |
이들 실시예는 최대 온도(T최대)와 관찰된 온도 범위(T범위) 모두에서 종래의 열 확산기 기술에 대한 가요성 그래파이트 열 확산기의 이용 장점을 설명한다.
본원에서 언급된 모든 인용특허와 공보는 본원에 참조된다.
그러므로 본 발명은 설명된 것처럼, 다양한 방식으로 변경될 수도 있음이 명백하다. 이러한 변형은 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어난다고 간주되지 않고 당업자에게 명백한 이러한 모든 수정예는 다음의 청구범위에 포함된다고 의도된다.