KR101881436B1 - 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열핀을 포함하는 방열판에 나노크기의 탄화규소층을 적층하고, 그 위에 탄소나노튜브와 그라핀이 혼합된 코팅층을 형성함으로써, 내후성 및 방열 성능을 극대화시킨 것이며, 또한 방열성능의 향상을 통하여 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라서 전자소자 등의 소형화가 가능하고, 고집적화된 전자회로의 칩의 열배출 문제를 해결함으로써 동작회로의 수명과 성능을 향상시킨다.

Description

탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법 {manufacturing method for High-capacity heat sink coated with carbon nanotube and graphene mixture}
본 발명은 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열핀을 포함하는 방열판에 나노 크기의 탄화규소층을 적층하고, 그 위에 탄소나노튜브와 그라핀이 혼합된 코팅층을 형성함으로써, 내후성 및 방열 성능을 극대화시킨 것이며, 또한 방열성능의 향상을 통하여 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라서 전자소자 등의 소형화가 가능하고, 고집적화된 전자회로의 칩의 열배출 문제를 해결함으로써 동작회로의 수명과 성능을 향상시킬 수 있다.
최근 전자제품의 고집적화 및 제품 소형화에 따라 방열문제는 매우 큰 과제로 대두되고 있다. 일반적으로, 방열을 위한 방법으로는 알루미늄이나 구리의 압출성형을 통해 표면적을 극대화한 방열판을 제조하고, 이것으로 부족할 시에는 방열구조체를 흑화처리(에노다이징)하여 방사효율을 향상시키거나 송풍 장치를 장착하여 공기대류로 전자소자의 냉각문제를 해결하고 있는 실정이다. 그러나 송풍장치는 소음, 제품수명, 가격, 소형화 불가능 등 많은 문제점을 갖고 있기 때문에 제품적용의 한계를 가지고 있다.
열을 방출해 기기의 성능 저하와 과부하를 방지하는 방열판은 태양광모듈에 적용할 경우 에너지 생산효율을 높이는 기능도 한다. 하지만 방열판 소재로 사용되는 알루미늄은 열전도성이 높아 방열 성능 면에서 가장 우수하지만 원자재 가격 상승 등으로 대체재 개발이 필요하다. 세라믹의 경우 섭씨 1300도 이상 고온에서 만들어져 모양과 크기 등이 제한적이고 대만 독일 등에 전량 의존하는 실정이다.
이러한 문제로 제품의 소형화 및 제품성능의 향상, 디자인의 다양화가 어려워 방사효율이 우수한 제품 개발 및 연구가 지속적으로 연구되고 있다.
방사효율의 극대화를 위한 방사코팅제에 있어 탄소나노튜브는 매우 탁월한 특성을 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있다. 탄소나노튜브는 독특한 내부구조를 가지고 있고, 뛰어난 열전도성을 가지고 있어 열의 전도 및 열방사 효과가 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 탄소나노튜브는 길이가 수 ㎛에서 수 cm까지 조절가능하며, 직경은 100 nm 이하로 열전도도 측면에서 길이방향으로의 열전도도는 ~ 2000 W/mK 이상이나, 직경방향으로는 무시해도 될 정도이다. 따라서 열적 특성이 우수한 탄소나노튜브를 길이방향으로 집적한다면 열방출 기술의 대안이 될 수 있다.
또한, 그라핀은 시료 전체가 하나의 탄소원자층으로 이루어져 있기 때문에 탄소나노튜브나 메탈 옥사이드 나노와이어(metal oxide nanowire)에서 나타나는 접점(junction)이 존재하지 않아 시료의 우수한 전기적 특성을 그대로 발현할 수 있으며, 뛰어난 열전도도 때문에 균일한 발열체를 구현할 수 있다
한편, 열방출에 대한 관련기술에 다수의 선행문헌에서 제시하고 있다. 한국 등록특허공보 제10-674404호(2007.01.29. 공고일)는 함침법에 의한 탄소나노튜브를 무정형으로 흡착하여 방열판을 제조하는 방법에 관한 것이며, 한국 공개특허공보 제10-2016-0056628호(2016.05.20.자)는 방열도료를 이용한 방열코팅막 형성방법에 관한 것이며, 한국 공개특허공보 제10-2016-0047384호(2016.05.02.자)는 탄소나노튜브를 이용한 LED용 방열판에 관한 것이다.
이들 선행문헌들에 의해 개시된 방열판 및 이들의 제조방법은 여전히 방열판과 발열체 사이의 열을 효과적으로 제거하지 못하며, 이로 인하여 장시간 제품을 사용할 때에는 발열로 인하여 전자제품의 과열현상이 발생하는 등 전자부품의 오작동 등의 신뢰성에 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판를 통하여 열을 효과적으로 제거함으로써 제품의 내구성, 안정성 등의 성능을 극대화시키는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방열핀을 포함하는 방열판에 나노크기의 탄화규소층을 적층하고, 그 위에 탄소나노튜브와 그라핀이 혼합된 코팅층을 형성함으로써, 내후성 및 방열 성능을 극대화시키는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방열성능의 향상을 통하여 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라서 전자소자 등의 소형화가 가능하고, 고집적화된 전자회로의 칩의 열배출 문제를 해결함으로써 동작회로의 수명과 성능을 향상시키는 데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
방열핀이 형성된 방열판을 형성하는 단계; 상기 방열핀이 형성된 방열판에 대하여 표면처리하는 단계; 상기 표면처리된 방열판에 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제1 도포액을 도포하여 제1층을 형성하는 단계; 상기 제1층의 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제1 코팅액을 도포하여 제1 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1층 및 제1 코팅층이 형성된 방열판을 80 내지 110℃에서 건조하는 단계; 상기 건조단계 이후에 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계; 를 포함하며, 상기 플라즈마 처리단계에서의 플라즈마 처리시간은 0.5 내지 30분인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계에서, 상기 플라즈마는 아르곤과 수소의 혼합기체를 이용하며, 아르곤과 수소의 부피 혼합비는 95:5 내지 80:20의 범위인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 방열판 및 상기 방열핀은 구리, 니켈, 주석, 아연, 텅스텐, 니켈, 은, 철 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄화규소, 카본나노튜브, 및 그라핀 크기는 1 내지 100 nm 인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 코팅층의 표면 위에 상기 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제2 도포액을 도포하여 제2층을 형성하는 단계; 상기 제2층의 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제2 코팅액을 도포하여 제2 코팅층을 형성하는 단계; 를 더 포함하며; 상기 제2층 및 상기 제2 코팅층을 1회 이상 반복하여 적층하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 코팅액은 용매, 분산제를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 도포액은 용매, 분산제, 수용성 폴리머를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택되며; 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 코팅액에 수용성 폴리머를 더 포함하며, 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1층을 형성하는 단계와 상기 제1코팅층을 형성하는 단계에서는 스프레이코팅, 전착코팅, 콤마코팅 중에서 어느 하나를 선택하여 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 코팅액에 포함된 탄소나노튜브와 그라핀의 중량비가 10: 1 내지 1: 1의 범위 인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제2 코팅액에 포함된 탄소나노튜브와 그라핀의 중량비가 10: 1 내지 1: 1의 범위 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도포액에 나노크기의 AlN(aluminium nitride) 분말을 더 포함하며, 상기 제1 도포액에 포함된 탄화규소 분말과 AlN 분말의 중량비는 10: 1 내지 1: 1인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 방열핀을 포함하는 방열판에 나노크기의 탄화규소층을 적층하고, 그 위에 탄소나노튜브와 그라핀이 혼합된 코팅층을 형성함으로써, 내후성 및 방열 성능을 극대화시킨 것이며, 또한 방열성능의 향상을 통하여 방열판의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라서 전자소자 등의 소형화가 가능하고, 고집적화된 전자회로의 칩의 열배출 문제를 해결함으로써 동작회로의 수명과 성능을 향상시키는 등의 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법의 흐름도이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 제조방법의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다.
본 발명은 방열핀이 형성된 방열판을 형성하는 단계; 상기 방열핀이 형성된 방열판에 대하여 표면처리하는 단계; 상기 표면처리된 방열판에 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제1 도포액을 도포하여 제1층을 형성하는 단계; 상기 제1층 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제1 코팅액을 도포하여 제1 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1층 및 제1 코팅층이 형성된 방열판을 80 내지 110℃에서 건조하는 단계; 상기 건조단계 이후에 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계; 를 포함하며, 상기 플라즈마 처리단계에서의 플라즈마 처리시간은 0.5 내지 30분을 가진다.
또한, 본 발명은 제1 코팅층의 표면 위에 상기 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제2 도포액을 도포하여 제2층을 형성하는 단계; 상기 제2층의 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제2 코팅액을 도포하여 제2 코팅층을 형성하는 단계; 를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제2층 및 제2코팅층을 1회 이상 반복하여 적층할 수 있다.
상기 플라즈마는 아르곤과 수소의 혼합기체를 이용하며, 아르곤과 수소의 부피 혼합비는 95:5 내지 80:20의 범위에서 적용할 수 있다.
또한, 방열판 및 상기 방열핀은 순수금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 구체적으로는 구리, 니켈, 주석, 아연, 텅스텐, 니켈, 은, 철 및 이들의 조합에서 선택가능하다. 구체적으로 비중, 중량 및 열전도도 등에서 유리한 구리, 니켈, 주석, 아연, 텅스텐, 니켈, 은으로부터 선택된 순수금속, 이들의 합금을 사용할 수 있다. 또한 평면의 방열판을 변형하여 복수개의 돌출된 방열핀이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 방열핀이 형성된 방열판에 대한 표면처리를 하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 표면처리를 위하여 산소플라즈마 처리 후에 산세척 및 DI 세척 및 건조할 수 있다. 상기 표면처리는 대상체 내의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 것이다.
본 발명의 제1도포액은 용매, 분산제, 수용성 폴리머를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택되며; 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 제2도포액은 용매, 분산제, 수용성 폴리머를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택되며; 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 제1도포액과 제2도포액에 포함되는 탄화규소는 방열효율을 높이기 위해 나노크기의 탄화규소 분말을 이용할 수 있다. 탄화규소(SiC)는 탄소와 규소의 화합물로, 코크스와 규사를 전기로에 넣고 섭씨 1,800~1,900도로 가열하여 만든다. 순수한 것은 무색투명한 결정이나 보통은 검은 갈색의 가루이다. 탄화규소는 내용해성·내용융성·내산화성 외에 열방출 효율이 크며, 이러한 성질로 인하여 방열소재로 이용된다. 본 발명의 탄화규소 분말의 크기는 1 내지 100nm인 것이 바람직하다. 상기 분말 크기 이하에서는 분산도에 문제가 있어서 균일한 도포층을 형성하기 어렵고, 상기 분말 크기 이상에서는 도포층이 치밀하지 못하여 열방출에 어려움이 있다. 또한 상기 탄화규소 나노 분말은 p형 또는 n형의 탄화규소 나노분말을 사용할 수 있으며, 상기 p형의 탄화규소 나노분말의 경우에는 p형 도핑농도가 1 x E19 내지 5 x E21 /cm3 인 것이 바람직하다, 또한 n형의 탄화규소 나노분말의 경우에는 n형 도핑농도가 1 x E19 내지 5x E21 /cm3 인 것이 바람직하다.
또한, 제1도포액과 제2도포액에는 탄화규소 나노분말외에 AlN 나노분말을 더 포함할 수 있다. 상기 AlN 나노분말은 방열소재 중 하나이며, 이때 AlN 분말의 크기는 1 내지 100nm인 것이 바람직하다. 또한 제1도포액과 제2도포액에 포함되는 나노분말인 탄화규소 나노분말과 AlN 나노분말의 중량비는 10: 1 내지 1: 1인 것이 바람직하다. 상기 중량비의 범위내에서는 균일하게 코팅되어서 방열효과의 향상을 가져올 수 있다.
또한, 제1도포액과 제2도포액은 열전도도를 높이기 위해 금속나노분말을 더욱 더 포함할 수 있다. 상기 금속나노분말은 Cu, Al, Silver의 나노입자를 이용하는 것이 바람직하며, 금속나노분말의 입자는 1 내지 100nm인 것이 바람직하며, 상기 금속나노분말의 함량은 탄화규소 나노분말 100중량부를 기준으로 20 내지 500중량부의 범위내에서 부가시키는 것이 바람직하며, 상기 중량부 범위 내에서는 도포액층의 전기전도도 및 열전도도의 향상을 가져올 수 있다.
본 발명에서는 제1 코팅액은 탄소나노튜브, 그라핀, 용매, 분산제를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 또한 상기 제1 코팅액은 수용성 폴리머를 더 포함하며, 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명에서 제2 코팅액은 탄소나노튜브, 그라핀, 용매, 분산제를 포함하며, 상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며, 상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 또한 상기 제1 코팅액은 수용성 폴리머를 더 포함하며, 상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 제1코팅액과 제2코팅액에 포함되는 탄소나노튜브와 그라핀은 방열판의 방열효율을 높이기 위해 나노크기의 탄소나노튜브와 그라핀의 혼합분말을 이용할 수 있다. 상기 나노크기의 탄소나노튜브와 그라핀 혼합분말은 공지의 탄소나노튜브와 그라핀을 이용할 수 있다.
또한, 상기 제1코팅액과 제2코팅액에 포함된 나노크기의 탄소나노튜브와 그라핀의 중량비가 10: 1 내지 1: 1의 범위가 바람직하다. 상기 중량비의 범위내에서는 균일하게 코팅되어서 방열효과의 향상을 가져올 수 있다. 또한 본 발명의 나노크기의 탄소나노튜브와 그라핀의 크기는 각각 1 내지 100nm인 것이 바람직하다. 상기 분말 크기 이하에서는 분산도에 문제가 있어서 균일한 도포층을 형성하기 어렵고, 상기 분말 크기 이상에서는 도포층이 치밀하지 못하여 열방출에 어려움이 있다.
그리고, 본 발명의 제1도포액, 제2도포액, 제1코팅액, 제2코팅액은 공지의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 공지의 첨가제로는 분산안정제, 계면활성제, 산화방지제, 점도조절제, 표면평활제를 사용할 수 있다.
본 발명의 분산안정제로서는, 특별히 한정되지 않지만, 분산 안정성을 위해 사용될 수 있으며, 특히, 상기 수성 분산제는 산기를 갖는 고분자 습윤 분산제가 바람직하고, 산가가 20 ∼ 200 mgKOH/g 인 고분자 습윤 분산제가 보다 바람직하다. 그 구체예로는, 빅케미ㆍ재팬 (주) 제조의 고분자 습윤 분산제, 예를 들어 BYK-W161, BYK-W903, BYK-W940, BYK-W996, BYK-W9010, Disper-BYK110, Disper-BYK111, Disper-BYK180, BYK-P 4102, byk-p-9065 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 산화방지제는 공지의 산화방지제를 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 2,2-티오비스(4-메틸-6-t-부틸페놀), 또는 2,6-di-t-부틸페놀 등을 사용할 수 있으며, 이들에 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 계면활성제로는 예를 들어 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양성 계면활성제, 반응성 계면활성제 등의 공지의 계면활성제를 사용할 수 있다. 계면활성제로는, 통상 탄소수 4 이상의 알킬기, 알케닐기, 알킬아릴기 또는 알케닐아릴기를 소수기로서 갖는 것을 사용한다. 비이온성 계면활성제로는, 예를 들어 폴리옥시에틸렌세틸에테르, 폴리옥시에틸렌스테아릴에테르, 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르, 모노라우린산 폴리옥시에틸렌솔비탄 등을 들 수 있다. 음이온성 계면활성제로는, 예를 들어 폴리아크릴산 암모늄염 등을 들 수 있다. 양이온성 계면활성제로는, 예를 들어 염화 스테아릴트리메틸암모늄, 브롬화 아세틸트리메틸암모늄 등을 들 수 있다. 양성 계면활성제로는, 예를 들어 라우릴디메틸아미노아세트산 베타인 등을 들 수 있으며, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 또한 본 발명의 점도조절제, 표면평활제는 공지의 점도조절제 및 표면평활제를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제1도포액, 제2도포액, 제1코팅액, 제2코팅액을 방열핀이 형성된 방열판에 도포하기 위하여 코팅방법은 특별히 제한되지 않으며, 통상적인 코팅방법은 스프레이, 콤마, 전착법 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 코팅층의 건조를 위하여 80 내지 110℃에서 진공 중에서 건조시키는 것이 바람직하다. 건조된 이후에는 코팅층의 내부치밀화를 위하여 Ar과 수소 분위기의 플라즈마에서 0.5 내지 30분동안 처리하는 것이 바람직하며, 바람직한 플라즈마 처리시간은 30분 이상일 경우에는 표면의 거칠기가 증가되어 방열성능이 감소되며, 0.5분 이하의 경우에는 계면의 치밀도가 떨어져서 방열성능이 저하된다.
본 발명의 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판 및 그 제조방법을 이용하여 물품을 제조할 수 있고, 상기 물품의 구체적인 예는 방열부품, 방열시트, 히트싱크, 금속시트 중에서 선택된 어느 하나로 사용되며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태를 들어 더 자세하게 설명한다.
하기 표 1에는 제조예 1 내지 4를 이용하여 방열판을 제조하기 위한 구체인 예시를 제시하였다.
(제조예 1: 제1, 2 도포액 제조)
반응기에 평균입경 20nm 크기의 나노 탄화규소 분말 10 g, 분산제인 리튬 도데실 설페이트 0.5g, 용매는 에탄올 200mL를 투입하고, 반응기 내로 수용성 폴리머인 폴리비닐피롤리돈 15.7g을 적하시키면서 교반하여 도포액을 제조하였다.
(제조예 2: 제1, 2 코팅액 제조)
반응기에 평균입경 20nm 크기의 나노 카본나노튜브 분말 5 g, 그라핀 5g, 분산제인 리튬 도데실 설페이트 0.5g, 그리고 용매는 에탄올 200mL를 투입한 후, 교반하여 도포액을 제조하였다.
(제조예 3: 제1,2 코팅액에 수용성 폴리머를 투입하여 제조된 코팅액)
제조예 2에서 제조된 코팅액에 반응기 내로 수용성 폴리머인 폴리비닐피롤리돈 15.7g을 적하시키면서 교반하여 도포액을 제조하였다.
(제조예 4: 제1, 2 도포액 제조)
반응기에 평균입경 20nm 크기의 나노 탄화규소 분말 5 g, 평균입경이 20nm 크기의 AlN 분말 5g, 분산제인 리튬 도데실 설페이트 0.5g, 용매는 에탄올 200mL를 투입하고, 반응기 내로 수용성 폴리머인 폴리비닐피롤리돈 15.7g을 적하시키면서 교반하여 도포액을 제조하였다.
하기의 표 1은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 대하여, 본 발명의 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법을 나타내었다.
실시예 1 실시예2 실시예 3 비교예 1 비교예2 비교예3 비교예4
1단계 O O O O O O
4단계 O
2단계 O O O O O O
3단계 O
건조단계 O O O O O
플라즈마
처리단계		 O O O O O
※ 상기 표 내에서 O는 단계를 실시하였고, 빈칸은 해당 단계를 실시하지 않음
본 표에서는 방열핀이 형성된 방열판을 이용하여 코팅하였으며, 방열핀 및 방열판의 재질은 모두 구리판(Cu plate)임.
○ 1단계 : 제조예 1의 제1 도포액을 도포하여 제1층을 형성하는 단계
○ 2단계 : 제조예 2의 제1 코팅액을 도포하여 제1코팅층을 형성하는 단계
○ 3단계 : 제조예 1의 제2 도포액을 도포하여 제2층을 형성하고, 그 위에 제조예 3의 제2 코팅액을 도포하여 제2코팅층을 형성하는 단계
○ 4단계 : 제조예 4의 도포액을 도포하여 제1층을 형성하는 단계
○ 건조단계 : 80~110℃의 진공에서 1시간 동안 건조시킴
○ 플라즈마처리단계 : Ar/H2 플라즈마 분위기에서 5분동안 처리하는 단계
<작업성>
스프레이를 사용하여 방열판에 도포하였고, 작업의 용이성 등을 관찰하였고, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 작업성은 모두 양호한 것으로 관찰되었다.
하기의 표 2는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 대하여 제조된 방열판의 성능을 테스트한 결과이다.
<방열판의 방열 측정 실험평가>
12개의 LED 바를 방열판 위에서 가동 후 OTR(oven tracking Recoder) 센서를 이용하여 방열판과 LED 바의 온도변화를 측정하였다. 온도 측정은 처음 시각시간의 온도와 2시간 후의 온도를 30분 간격으로 측정하여 방열성능을 평가하였다. 방열성능의 해석은 시작온도와 2시간 후의 온도의 차가 적을수록, 또한 LED와 방열판의 온도차가 적을수록 열전도성 및 방열성능이 우수한 것으로 평가한다. 또한 상기 방열측정은 항온실에서 평가하였으며, 평가결과는 표 2에 표시하였다. 또한 온도측정장비는 Datapaq(Ver 7.3)을 사용하였다. 표 2의 단위는 ℃ 이다.
온도센서
위치		 초기값 30min 60min 90min 120min
실시예 1 LED바 25.5 42.5 43.5 44.0 44.0
방열판 25.5 36.5 37.3 37.1 37.2
온도차 0 6.0 6.2 6.9 6.8
실시예 2 LED바 25.5 43.0 44.0 44.2 44.2
방열판 25.5 36.5 37.3 37.1 37.2
온도차 0 6.5 6.7 7.1 7
실시예 3 LED바 25.5 42.7 43.7 43.9 43.9
방열판 25.5 36.7 37.3 37.1 37.2
온도차 0 6.0 6.4 6.8 6.7
비교예 1 LED바 25.5 48.5 48.6 48.9 48.6
방열판 25.5 32.1 33.1 33.1 33.1
온도차 0 16.4 15.5 15.8 15.6
비교예 2 LED바 25.5 48.5 49.6 50.1 50.6
방열판 25.5 31.5 31.8 32.0 32.0
온도차 0 17.0 17.8 18.1 18.6
비교예 3 LED바 25.5 49.1 50.1 50.5 50.5
방열판 25.5 33.1 33.8 34.0 33.8
온도차 0 16 16.3 16.5 16.7
비교예 4 LED바 25.5 44.2 45.1 45.5 455
방열판 25.5 33.1 33.8 34.0 33.8
온도차 0 11.1 11.3 11.5 11.7
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판을 이용할 경우에 방열판의 방열성능이 뛰어남을 알 수 있었다.
이상 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명하였다. 상기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하는 예시적인 것일 뿐이고, 이에 의해 본 발명의 기술적 사상의 본질이 변하거나 범위가 축소되는 것은 아니다. 상기 실시예에서 제시되지 않은 여러 가지 실시예 및 적용예들이 가능함은 당업자에게 있어 당연할 것이다.

Claims (12)

  1. 방열핀이 형성된 방열판을 형성하는 단계;
    상기 방열핀이 형성된 방열판에 대하여 표면처리하는 단계;
    상기 표면처리된 방열판에 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제1 도포액을 도포하여 제1층을 형성하는 단계;
    상기 제1층의 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제1 코팅액을 도포하여 제1 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 제1층 및 제1 코팅층이 형성된 방열판을 80 내지 110℃에서 건조하는 단계;
    상기 건조단계 이후에 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계;를 포함하며, 상기 플라즈마 처리단계에서의 플라즈마 처리시간은 0.5 내지 30분이며,
    상기 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제1 도포액은 용매, 분산제, 수용성 폴리머를 포함하며,
    상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며,
    상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택되며;
    상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택되며;
    또한 제1 도포액에 나노크기의 AlN(aluminium nitride) 분말을 더 포함하며, 상기 제1 도포액에 포함된 탄화규소 분말과 AlN 분말의 중량비는 10: 1 내지 1: 1인 것;을
    특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계에서, 상기 플라즈마는 아르곤과 수소의 혼합기체를 이용하며, 아르곤과 수소의 부피 혼합비는 95:5 내지 80:20의 범위인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 방열판 및 상기 방열핀은 구리, 니켈, 주석, 아연, 텅스텐, 니켈, 은, 철 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화규소, 카본나노튜브, 및 그라핀 크기는 1 내지 100 nm 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코팅층의 표면 위에 상기 나노크기의 탄화규소를 포함하는 제2 도포액을 도포하여 제2층을 형성하는 단계;
    상기 제2층의 표면 위에 탄소나노튜브와 그라핀을 포함하는 제2 코팅액을 도포하여 제2 코팅층을 형성하는 단계; 를 더 포함하며;
    상기 제2층 및 상기 제2 코팅층을 1회 이상 반복하여 적층하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코팅액은 용매, 분산제를 포함하며,
    상기 용매는 디클로로벤젠, 이소프로필알코올, 에탄올, 프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 1종 이상 선택되며,
    상기 분산제는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x 및 이들의 조합에서 선택하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 코팅액에 수용성 폴리머를 더 포함하며,
    상기 수용성 폴리머는 PVA(polyvinyl alcohol), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PEO(polyethylene oxide), CMC(carboxyl methyl cellulose), PAA(polyacrylic acid) 및 히알루론산(Hyaluronic acid), 메틸셀룰로오스로 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1층을 형성하는 단계와 상기 제1코팅층을 형성하는 단계에서는 스프레이코팅, 전착코팅, 콤마코팅 중에서 어느 하나를 선택하여 적용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코팅액에 포함된 탄소나노튜브와 그라핀의 중량비가 10: 1 내지 1: 1의 범위 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 코팅액에 포함된 탄소나노튜브와 그라핀의 중량비가 10: 1 내지 1: 1의 범위 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그라핀 혼합체가 코팅된 고용량 방열판의 제조방법.
  12. 삭제
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