KR102070741B1 - 열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료의 제조 방법, 열 전도성 패드 및 열 싱크 시스템 - Google Patents

열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료의 제조 방법, 열 전도성 패드 및 열 싱크 시스템 Download PDF

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Abstract

열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법, 열 전도성 패드 및 열 소산 시스템이 제공된다. 열 인터페이스 재료는 금속 지르코늄 코일(1) 및 탄소 나노튜브 어레이들(2)을 포함하고, 금속 지르코늄 코일은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖고, 탄소 나노튜브 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면 상에 분포되고, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.

Description

열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료의 제조 방법, 열 전도성 패드 및 열 싱크 시스템
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본 발명은 재료 기술 분야에 관한 것이고, 특히, 열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법, 열 전도성 패드 및 열 소산 시스템에 관한 것이다.
전자 디바이스에서 칩과 같은 가열 요소에 의해 발생되는 열은 일반적으로 열 소산 컴포넌트를 사용하는 것에 의해 외부로 소산될 필요가 있다. 미시적 관점에서, 가열 요소와 열 소산 컴포넌트 사이의 접촉 인터페이스 상에는 많은 거칠기가 존재하고, 가열 요소와 열 소산 컴포넌트 사이의 접촉 인터페이스를 채우기 위해 열 인터페이스 재료(Thermal Interface Materials, TIM)가 사용되어, 접촉 열 저항을 감소시킬 필요가 있다.
현재, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브 어레이를 성장시키는 것에 의해, 산업에서 비교적 우수한 열 전도 효과를 갖는 열 인터페이스 재료가 형성된다. 그러나, 열 인터페이스 재료에서 금속 지르코늄 코일의 인터페이스 열 저항은 비교적 크다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성은 비교적 낮다.
이 출원은 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 감소시키고 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성을 향상시키기 위해 열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법, 열 전도성 패드 및 열 소산 시스템을 제공한다.
제1 양태에 따르면, 이 출원의 실시예는 금속 지르코늄 코일 및 탄소 나노튜브 어레이들을 포함하는 열 인터페이스 재료를 제공한다. 금속 지르코늄 코일은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는다. 탄소 나노튜브 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면 상에 분포되고, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다.
이 출원의 이 실시예에서, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 제1 가능한 구현예에서, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 양자 모두 노출된 금속 지르코늄이다. 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 양자 모두가 노출된 금속 지르코늄인 경우, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 더 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성은 개선된다.
제1 양태 또는 제1 양태의 제1 가능한 구현예를 참조하면, 제1 양태의 제2 가능한 구현예에서, 탄소 나노 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면에 수직이다. 본 명세서에서, 탄소 나노 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면에 수직이지만, 실제 제조시, 모든 탄소 나노튜브가 제1 표면 및 제2 표면에 수직인 것은 아니라는 점을 유의해야 한다. 종래 기술에서 에러율이 충족된다면, 탄소 나노 어레이들에서의 탄소 나노튜브들이 제1 표면 및 제2 표면에 수직인 것으로 간주될 수 있다. 이 경우, 탄소 나노튜브 어레이에서의 탄소 나노튜브들의 밀도는 비교적 균일하고, 모든 탄소 나노튜브들의 방향이 특정 측면을 향하기 때문에 야기되는 농도 차이는 없다.
제1 양태, 제1 양태의 제1 가능한 구현예 또는 제1 양태의 제2 가능한 구현예를 참조하면, 제1 양태의 제3 가능한 구현예에서, 탄소 나노튜브 어레이들에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭이 수지로 채워지고, 수지는 예를 들어 실리콘 수지일 수 있다. 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 금속 기판의 표면 상의 금속 산화물과 탄소 나노튜브 사이에 있고, 인터페이스 상에 있는 공기에 의해 주로 야기된다. 또한, 고밀도 탄소 나노튜브 어레이에서도, 탄소 나노튜브들 사이에 여전히 공기가 존재한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 감소시키기 위해, 더 높은 열 전도도를 갖는 재료가 사용되어 공기를 대체할 수 있고, 탄소 나노튜브들 사이에 채워진다.
제1 양태의 제3 가능한 구현예를 참조하면, 제1 양태의 제4 가능한 구현예에서, 수지의 열 전도도는 0.1 W/m.k보다 커서 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 보장될 수 있다.
제1 양태, 또는 제1 양태의 제1 가능한 구현예 내지 제1 양태의 제4 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제1 양태의 제5 구현예에서, 탄소 나노튜브 어레이들에서의 나노튜브들 중, 제1 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도는 제2 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도와 동일하다.
탄소 나노튜브 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면에 균일하게 분포된다. 따라서, 이 실시예에서 열 인터페이스 재료가 사용될 때, 열 인터페이스 재료는 라디에이터 인터페이스와 더 잘 접촉할 수 있어서, 열 전도 특성이 개선된다.
제1 양태, 또는 제1 양태의 제1 가능한 구현예 내지 제1 양태의 제5 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제1 양태의 제6 가능한 구현예에서, 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 질량 밀도는 0.16 내지 0.5 g/cm3이다.
열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 더 높은 질량 밀도는 열 인터페이스 재료의 더 나은 열 전도 효과를 초래한다. 이 출원에서, 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 질량 밀도는 0.16 내지 0.5 g/cm3에 도달하고, 이 밀도는 규칙적인 성장 기술을 사용하는 것에 의해 제조된 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 대략 10배의 질량 밀도일 수 있어서, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 크게 개선된다.
제1 양태, 또는 제1 가능한 구현예 내지 제6 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제7 가능한 구현예에서, 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 10 내지 100 nm이다. 탄소 나노튜브들 사이의 더 작은 갭은 탄소 나노튜브들의 더 높은 밀도 및 더 나은 열 전도 효과를 초래한다. 갭이 더 작은 경우, 탄소 나노튜브를 성장시키는 것이 어렵고, 일부 탄소 나노튜브도 성장시킬 수 없다. 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭이 10 내지 100 nm인 경우, 탄소 나노튜브 어레이의 열 전도 효과가 확보될 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브 어레이를 성장시키는 것에 대한 어려움이 증가되지 않는다.
제1 양태, 또는 제1 양태의 제1 가능한 구현예 내지 제1 양태의 제7 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제1 양태의 제8 가능한 구현예에서, 금속 지르코늄 코일의 두께는 10 내지 100 ㎛이다. 이 출원에서 탄소 나노튜브들이 고밀도이기 때문에, 금속 지르코늄 코일의 특정 두께가 보장될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 탄소 나노튜브들이 균일하게 분포되어도, 금속 지르코늄 코일이 변형되기 쉬울 수 있다. 따라서, 금속 지르코늄 코일의 두께는 10 내지 100㎛일 수 있다.
제1 양태, 또는 제1 양태의 제1 가능한 구현예 내지 제1 양태의 제8 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제1 양태의 가능한 제9 구현예에서, 탄소 나노튜브들은 다중 벽 탄소 나노튜브들일 수 있다. 탄소 나노튜브의 직경은 10 내지 20 nm일 수 있고, 길이는 30 내지 100 ㎛일 수 있다.
제2 양태에 따르면, 이 출원의 실시예는 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법을 제공하고, 이 방법은 다음을 포함한다:
금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이를 형성하기 위해 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계; 및
열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 탄소 나노튜브 어레이가 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 형성된 후에 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계- 열 인터페이스 재료에서의 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함함 -.
탄소 나노튜브 어레이가 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 형성된 후에, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응이 수행되어, 획득된 인터페이스 재료에서의 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
제2 양태를 참조하면, 제2 양태의 제1 가능한 구현예에서, 열 인터페이스 재료에서의 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 양자 모두는 노출된 금속 지르코늄이다. 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 양자 모두가 노출된 금속 지르코늄인 경우, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 더 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성은 개선된다.
제2 양태 또는 제2 양태의 제1 가능한 구현예를 참조하면, 제2 양태의 제2 가능한 구현예에서, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계는,
2개의 표면 상에 탄소 나노튜브 어레이가 성장된 금속 지르코늄 코일을 어닐링 환원 처리를 위한 H2 분위기에 배치하는 단계를 포함한다.
환원 반응은 금속 지르코늄 코일의 표면들 상에서 산화물에서의 원자 O를 사용하는 것에 의해 H2에 대해 수행되어, H2O를 생성시킬 수 있다. 따라서, 양호한 감소 효과가 달성되고, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 효과적으로 감소될 수 있다.
제2 양태의 제2 가능한 구현예를 참조하면, 제2 양태의 제3 가능한 구현예에서, 본 발명자는 H2 분위기에서 어닐링 환원 처리를 수행하는 프로세스에서, 금속 지르코늄 코일의 표면들 상에서 산화물에서의 원자 O를 사용하는 것에 의해 H2에 대해 환원 반응을 수행하는 최적의 효과가 H2 유량이 5 내지 100 SCCM이고, 대기압이 0.005 내지 0.5 Mpa이고, 어닐링 처리 온도가 350 ℃ 내지 650 ℃이고, 어닐링 처리의 지속 기간이 5 내지 30 분인 경우에 달성되는 것을 실제 테스트들을 통해 검증한다.
제2 양태, 또는 제2 양태의 제1 가능한 구현예 또는 제2 양태의 제3 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제2 양태의 제4 가능한 구현예에서, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계 후에, 이 방법은 다음을 더 포함한다:
열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 증발 기술을 사용하는 것에 의해 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭을 진공에서 수지로 채우는 단계.
열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 금속 기판의 표면 상의 금속 산화물과 탄소 나노튜브 사이에 있고, 인터페이스 상에 있는 공기에 의해 주로 야기된다. 또한, 고밀도 탄소 나노튜브 어레이에서도, 탄소 나노튜브들 사이에 여전히 공기가 존재한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 감소시키기 위해, 더 높은 열 전도도를 갖는 재료가 사용되어 공기를 대체할 수 있고, 탄소 나노튜브들 사이에 채워진다.
제2 양태의 제4 가능한 구현예를 참조하면, 제2 양태의 제5 가능한 구현예에서, 증발 기술의 조건은 온도가 100 ℃ 내지 300 ℃이고, 작동 대기압이 5 내지 50 Torr이라는 것이다.
제2 양태, 또는 제2 양태의 제1 가능한 구현예 내지 제2 양태의 제5 가능한 구현예 중 임의의 하나를 참조하면, 제2 양태의 제6 가능한 구현예에서, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에서 탄소 나노튜브 어레이를 형성하기 위해 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계는 다음을 포함한다:
금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 금속 입자 촉매들을 분포시킨 후, 2개의 표면 상에 촉매들이 분포된 금속 지르코늄 코일을 진공 반응 챔버 내에 배치하는 단계- 공기 흐름 확산 제어 장치는 진공 반응 챔버 내에 추가로 배치되고, 공기 흐름 확산 제어 장치는 제1 공기 흐름 확산 제어 판 및 제2 공기 흐름 확산 제어 판을 포함하고, 제1 공기 흐름 확산 제어 판은 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면의 측부 상에 위치되고, 제2 공기 흐름 확산 제어 판은 금속 지르코늄 코일의 다른 표면의 측부 상에 위치됨 -; 및
제어 하에 진공 반응 챔버 내에 C2H2 및 Ar의 혼합 공기 소스를 균일하게 주입하는 단계- 혼합 공기 소스가 제1 공기 흐름 확산 제어 판을 사용하는 것에 의해 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면에 블로잉되고, 혼합 공기 소스가 제2 공기 흐름 확산 제어 판을 사용하는 것에 의해 금속 지르코늄 코일의 다른 표면에 블로잉되어, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브들을 5 내지 20분 동안 성장시키고 탄소 나노튜브 어레이를 형성하고, 진공 반응 챔버 내에서의 총 대기압은 10 내지 100 Torr이고, 성장 온도는 500 ℃ 내지 900 ℃임 -.
제2 양태의 제6 구현예를 참조하면, 제2 양태의 제7 가능한 구현예에서, 제1 공기 흐름 확산 제어 판과 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면 사이의 거리는 0.1 mm 내지 20 mm이고, 제1 공기 흐름 확산 제어 판의 스루 홀은 0.1 mm 내지 10.0 mm이고, 1 내지 100개의 스루 홀/cm2이 있다. 이러한 조건 하에서, 진공 챔버에서의 혼합 공기 소스는 극도로 좁은 범위에서 블로잉된다. 따라서, 공기 흐름이 비교적 안정적이고 균일할 수 있어서, 탄소 나노튜브 어레이가 균일하게 성장한다.
제2 양태의 제7 가능한 구현예를 참조하면, 제2 양태의 제8 가능한 구현예에서, 혼합 공기 소스에서 C2H2는 2% 내지 50%를 차지하고, Ar은 50% 내지 98%를 차지한다. 이 비율 범위 내에서의 혼합 공기 소스는 탄소 나노튜브들이 고밀도 탄소 나노튜브 어레이로 성장하는 것을 효과적으로 보장할 수 있다.
제3 양태에 따르면, 이 출원의 실시예는 열 전도성 패드를 제공하고, 열 전도성 패드는 제1 양태 또는 제1 양태의 임의의 가능한 구현예에 따른 열 인터페이스 재료로 만들어진다.
제4 양태에 따르면, 이 출원의 실시예는 가열 피스, 라디에이터, 및 열 전도성 패드를 포함하는 열 소산 시스템을 제공하고, 열 전도성 패드는 제1 양태 또는 제1 양태의 임의의 가능한 구현예에 따른 열 인터페이스 재료로 만들어지고, 가열 피스는 라디에이터의 측부 상에 위치되고, 가열 피스와 라디에이터 사이에는 열 전도성 패드가 부착되어, 가열 피스는 열 전도성 패드를 사용하는 것에 의해 라디에이터에 열을 전달하는 것에 의해 열을 소산시킨다.
이 출원의 실시예들에서, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
도 1은 이 출원의 열 인터페이스 재료의 실시예의 개략도이다;
도 2는 이 출원의 열 인터페이스 재료의 다른 실시예의 개략도이다;
도 3은 이 출원의 열 소산 시스템의 실시예의 개략도이다; 및
도 4는 이 출원에서 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법의 실시예의 개략도이다.
이 출원은 열 인터페이스 재료, 열 인터페이스 재료, 열 전도성 패드 및 열 소산 시스템을 준비하는 방법을 제공하여, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
본 기술분야의 통상의 기술자들이 본 발명의 기술적 해결책들을 더 잘 이해하게 하기 위해, 이하에서는 이 출원에서의 첨부 도면들을 참조하여 이 출원의 기술적 해결책들을 명확하고 완전하게 설명한다. 명백하게, 설명된 실시예들은 본 발명의 실시예들의 전부가 아니라 단지 일부이다. 창의적인 노력 없이 본 발명의 실시예들에 기초하여 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 획득된 다른 모든 실시예들은 본 발명의 보호 범위 내에 속할 것이다.
본 발명의 명세서, 청구항들, 및 첨부 도면들에서, "제1(first)", "제2(second)" 등의 용어들은 (있다면) 유사한 대상들 사이를 구별하기 위해 의도되는 것이지만, 반드시 구체적인 순서 또는 시퀀스를 나타내는 것은 아니다. 그러한 방식으로 칭해지는 데이터는 본 명세서에 설명되는 실시예들이 본 명세서에 예시되거나 설명되는 순서와 다른 순서들로 구현될 수 있도록 적절한 상황들에서 교환가능하다는 점이 이해되어야 한다. 또한, "포함하다", "갖다"라는 용어들 및 임의의 다른 변형들은 비배타적인 포함을 커버하고자 하는 것이며, 예를 들어, 단계들 또는 유닛들의 목록을 포함하는 프로세스, 방법, 시스템, 제품, 또는 디바이스가 반드시 그러한 유닛들로 제한되는 것은 아니고, 명시적으로 열거되지 않은 또는 그러한 프로세스, 방법, 시스템, 제품, 또는 디바이스에 고유한 다른 단계들 또는 다른 유닛들을 포함할 수 있다.
이 출원의 실시예들에서 관련된 기본 개념들이 먼저 간단히 후술된다.
탄소 나노튜브: 버키(Bucky) 튜브라고도 지칭되고, 특수 구조의 1차원 양자 재료이다(반경 치수는 나노미터 레벨이 되고, 축방향 치수는 마이크로미터 레벨이 되고, 기본적으로 튜브의 2개의 단부 양자 모두가 밀봉됨). 탄소 나노튜브는 6각형으로 배열된 탄소 원자들을 주로 포함하는 수십 개의 동축 원형 튜브 층에 대한 여러 개의 층이다. 레이어들 사이에는 고정된 거리가 있다. 거리는 대략 0.34 nm이고, 직경은 일반적으로 2 내지 20 nm이다. 또한, 탄소 육각형들의 축 방향들에 따른 상이한 방향들에 따라 탄소 나노튜브들은 지그재그 형, 안락 의자 형, 나선형의 세 가지 유형으로 분류된다. 나선형 탄소 나노튜브는 키랄성을 갖지만, 지그재그 형 및 안락 의자 형 탄소 나노튜브들은 키랄성을 갖지 않는다. 특수 분자 구조로 인해, 탄소 나노튜브는 분명한 전자 특성을 갖는다. 탄소 나노튜브는 나노전자 장치 및 광전자 장치, 전계 방출 전자 소스, 고강도 복합 재료, 센서 및 액추에이터, 열 전도성 재료, 광학 재료, 전도성 막, 나노미터 레벨 템플릿 및 홀 등에 널리 응용되고 있다.
에틴: 그 분자식은 C2H2이다. 에틴은 일반적으로 공기 석탄(air coal) 및 아세틸렌으로 알려져 있으며 알킨 화합물 시리즈에서 가장 작은 부피를 갖는 구성원이다. 에틴은 주로 예를 들어, 탄소 나노튜브를 성장시키는 것과 같은 산업 용도를 위한 것이다. 에틴은 실온에서 무색이며 극도의 가연성 가스이다.
아르곤: 원소 기호가 Ar인 비금속 원소이다. 아르곤은 단원자 분자이고, 그 단원소 물질은 무색, 무취 및 무미의 가스이다. 아르곤은 공기 중 가장 높은 함량을 갖는 비활성 가스이고, 현재 자연계에서 상당히 높은 함량으로 인해 최초로 발견된 비활성 가스이다. 아르곤은 극도로 화학적으로 비활성이다. 그러나, 아르곤의 화합물, 즉 아르곤 플루오로하이드라이드가 이미 제조되어 있다. 아르곤은 연소될 수도 없고, 연소 지원형도 아니고, 일반적으로 보호 가스로서 사용된다.
증발 기술은 도금에 사용되는 금속, 합금 또는 화합물을 금속, 합금 또는 화합물이 용융될 때까지 진공 챔버 내에서 가열하여 금속, 합금 또는 화합물이 분자 또는 원자의 상태로 유출되고, 도금될 재료의 표면 상에 퇴적되어 고체 막 또는 코팅을 형성하는 방법이다.
SCCM: 부피 유량의 단위이다. 그 정식 영문 이름은 standard-state cubic centimeter per minute(분당 표준-상태 세제곱 센티미터)이다. SCCM은 일반적으로 화학 반응에서 사용된다.
Torr: 압력의 단위이다. 원래 1 Torr는 "가는 직선 파이프에서 수은을 1 밀리미터 들어 올리는 압력"이다. 그러나, 일반 대기압은 수은을 760 mm까지 들어 올릴 수 있다. 따라서, 1 Torr는 대기압의 1/760로서 정의된다.
이 출원의 실시예들에 따른 열 인터페이스 재료의 실시예가 이하에 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 출원의 열 인터페이스 재료의 실시예는 금속 지르코늄 코일(1) 및 탄소 나노튜브 어레이들(2)을 포함한다. 금속 지르코늄 코일(1)은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는다. 탄소 나노튜브 어레이들(2) 내의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면 상에 분포되고, 금속 지르코늄 코일(1)의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다.
이 실시예에서, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
이 출원의 이 실시예에서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 더 감소시키고 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성을 개선시키기 위해, 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면 양자 모두는 노출된 금속 지르코늄일 수 있다.
선택적으로, 탄소 나노 어레이들 내의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면에 수직이다. 본 명세서에서, 탄소 나노 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 제1 표면 및 제2 표면에 수직이지만, 실제 제조시, 모든 탄소 나노튜브가 제1 표면 및 제2 표면에 수직인 것은 아니라는 점을 유의해야 한다. 종래 기술에서 에러율이 충족된다면, 탄소 나노 어레이들에서의 탄소 나노튜브들이 제1 표면 및 제2 표면에 수직인 것으로 간주될 수 있다. 이 경우, 탄소 나노튜브 어레이에서의 탄소 나노튜브들의 밀도는 비교적 균일하고, 모든 탄소 나노튜브들의 방향이 특정 측면을 향하기 때문에 야기되는 농도 차이는 없다.
열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 금속 기판의 표면 상의 금속 산화물과 탄소 나노튜브 사이에 있고, 인터페이스 상에 있는 공기에 의해 주로 야기된다. 또한, 고밀도 탄소 나노튜브 어레이에서도, 탄소 나노튜브들 사이에 여전히 공기가 존재한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 감소시키기 위해, 더 높은 열 전도도를 갖는 재료가 사용되어 공기를 대체할 수 있고, 탄소 나노튜브들 사이에 채워진다. 선택적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 수지로 채워지고, 수지는 예를 들어 실리콘 수지일 수 있다.
탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭이 수지로 채워지는 경우, 더 바람직하게, 수지의 열 전도도는 0.1 W/m.k보다 크다. 이 경우, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 보장될 수 있다.
이 출원의 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 어레이들에서의 나노튜브들 중, 제1 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도는 제2 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도와 동일하다. 본 명세서에서 설명된 밀도가 동일하다는 것이 밀도가 절대적으로 동일하다는 것을 의미하지 않는다는 것이 이해될 수 있다. 대신에, 본 기술분야의 기술에서, 밀도 차이 백분율이 충족되고, 제1 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도 및 제2 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도가 균일한 경우에 영향을 미치는 명백한 차이는 없다.
탄소 나노튜브 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 금속 지르코늄 코일의 제1 표면 및 제2 표면에 균일하게 분포된다. 따라서, 이 실시예에서 열 인터페이스 재료가 사용될 때, 열 인터페이스 재료는 라디에이터 인터페이스와 더 잘 접촉할 수 있어서, 열 전도 특성이 개선된다.
탄소 나노튜브를 포함하는 열 인터페이스 재료에서, 열 인터페이스 재료에서 탄소 나노튜브들의 더 높은 질량 밀도는 열 인터페이스 재료의 더 나은 열 전도 효과를 초래한다. 이 출원에서, 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 질량 밀도는 0.16 내지 0.5 g/cm3에 도달하고, 이 밀도는 규칙적인 성장 기술을 사용하는 것에 의해 제조된 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 대략 10배의 질량 밀도일 수 있어서, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 크게 개선된다. 바람직하게는, 열 인터페이스 재료에서의 탄소 나노튜브들의 질량 밀도는 0.3 내지 0.5 g/cm3이다.
이 출원에서 탄소 나노튜브들이 고밀도이기 때문에, 금속 지르코늄 코일의 특정 두께가 보장될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 탄소 나노튜브들이 균일하게 분포되어도, 금속 지르코늄 코일이 변형되기 쉬울 수 있다. 따라서, 금속 지르코늄 코일의 두께는 10 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 내지 60 ㎛일 수 있다.
선택적으로, 이 출원에서, 탄소 나노튜브들은 다중 벽 탄소 나노튜브들일 수 있다. 탄소 나노튜브의 직경은 10 내지 20 nm일 수 있고, 길이는 30 내지 100 ㎛일 수 있다.
선택적으로, 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 10 내지 100 nm이다. 탄소 나노튜브들 사이의 더 작은 갭은 탄소 나노튜브들의 더 높은 밀도 및 더 나은 열 전도 효과를 초래한다. 물론, 탄소 나노튜브들 사이의 갭이 극도로 작은 경우, 탄소 나노튜브들의 밀도가 더 증가될 수 있다. 그러나, 탄소 나노튜브들의 탄소 튜브 갭이 특정한 정도로 작은 경우, 탄소 나노튜브 성장 동안, 탄소 나노튜브들의 성장 품질이 저하되기 쉽고, 과도하게 큰 밀도 때문에 탄소 나노튜브들의 성장 어려움이 증가된다. 이는 주로 탄소 소스 가스(예를 들어, C2H2)의 유량 제한 때문이다. (즉, 탄소 나노튜브들이 극도로 고밀도인 경우에 가스가 원활하게 통과할 수 없기 때문에, 결과적으로, 충분하고 안정한 탄소 소스들이 제공될 수 없고, 일부 탄소 나노튜브는 성장하기를 중지한다). 따라서, 탄소 나노튜브들 사이의 갭은 적절한 거리가 있을 필요가 있다. 이 출원의 이 실시예에서, 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 10 내지 100 nm이어서, 탄소 나노튜브 어레이의 열 전도 효과가 보장될 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브 어레이를 성장시키는 것에 대한 어려움이 증가되지 않는다. 더욱 바람직하게는, 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 30 내지 70 nm이다.
이 출원의 실시예에서, 열 전도성 패드가 더 제공된다. 열 전도성 패드는 전술한 열 인터페이스 재료로 만들어진다.
이 출원의 실시예에서, 열 소산 시스템이 더 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열 소산 시스템은 가열 피스(31), 라디에이터(32) 및 열 전도성 패드(33)를 포함한다. 열 전도성 패드(33)는 전술한 열 전도성 패드이다. 열 전도성 패드는 전술한 열 인터페이스 재료로 만들어진다. 가열 피스(31)는 라디에이터(32)의 측부 상에 위치된다. 열 전도성 패드(33)는 가열 피스(31)와 라디에이터 사이에 부착되어, 가열 피스(31)는 열 전도성 패드(33)를 사용하는 것에 의해 라디에이터(32)로 열을 전달하는 것에 의해 열을 소산시킨다.
이하에서는 이 출원의 실시예에 따른 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법의 실시예를 설명한다.
도 4를 참조하면, 이 출원의 실시예에 따른 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법의 실시예는 다음의 단계들을 포함한다:
401. 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이를 형성하기 위해 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브들을 성장시킨다.
402. 열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이가 형성된 후에 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행한다.
열 인터페이스 재료에서 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다.
이 실시예에서, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이가 형성된 후에, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응이 수행되어, 획득된 인터페이스 재료에서의 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성이 개선된다.
선택적으로, 열 인터페이스 재료의 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 양자 모두는 노출된 금속 지르코늄이다. 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 양자 모두가 노출된 금속 지르코늄인 경우, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 더 감소되고, 열 인터페이스 재료의 열 전도 특성은 개선된다.
선택적으로, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계는:
2개의 표면 상에 탄소 나노튜브 어레이가 성장된 금속 지르코늄 코일을 어닐링 환원 처리를 위한 H2 분위기에 배치하는 단계를 포함한다.
환원 반응은 금속 지르코늄 코일의 표면들 상에서 산화물에서의 원자 O를 사용하는 것에 의해 H2에 대해 수행되어, H2O를 생성시킬 수 있다. 따라서, 양호한 감소 효과가 달성되고, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항이 효과적으로 감소될 수 있다.
선택적으로, 본 발명자는, H2 분위기에서 어닐링 환원 처리를 수행하는 프로세스에서, 금속 지르코늄 코일의 표면들 상에서 산화물에서의 원자 O를 사용하는 것에 의해 H2에 대해 환원 반응을 수행하는 최적의 효과가 H2 유량이 5 내지 100 SCCM이고, 대기압이 0.005 내지 0.5 Mpa이고, 어닐링 처리 온도가 350 ℃ 내지 650 ℃이고, 어닐링 처리의 지속 기간이 5 내지 30 분인 경우에 달성되는 것을 실제 테스트들을 통해 검증한다.
열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항은 금속 기판의 표면 상의 금속 산화물과 탄소 나노튜브 사이에 있고, 인터페이스 상에 있는 공기에 의해 주로 야기된다. 또한, 고밀도 탄소 나노튜브 어레이에서도, 탄소 나노튜브들 사이에 여전히 공기가 존재한다. 따라서, 열 인터페이스 재료의 인터페이스 열 저항을 감소시키기 위해, 더 높은 열 전도도를 갖는 재료가 사용되어 공기를 대체할 수 있고, 탄소 나노튜브들 사이에 채워진다. 선택적으로, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계 후에, 이 방법은 다음을 더 포함한다:
열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 증발 기술을 사용하는 것에 의해 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭을 진공에서 수지로 채우는 단계.
선택적으로, 증발 기술의 조건은 온도가 100 ℃ 내지 300 ℃이고 작동 대기압이 5 내지 50 Torr인 것이다.
선택적으로, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이를 형성하기 위해 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계는 다음을 포함한다:
금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 금속 입자 촉매들을 분포시킨 후, 2개의 표면 상에 촉매들이 분포된 금속 지르코늄 코일을 진공 반응 챔버 내에 배치하는 단계- 공기 흐름 확산 제어 장치는 진공 반응 챔버 내에 추가로 배치되고, 공기 흐름 확산 제어 장치는 제1 공기 흐름 확산 제어 판 및 제2 공기 흐름 확산 제어 판을 포함하고, 제1 공기 흐름 확산 제어 판은 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면의 측부 상에 위치되고, 제2 공기 흐름 확산 제어 판은 금속 지르코늄 코일의 다른 표면의 측부 상에 위치됨 -; 및
제어 하에 진공 반응 챔버 내에 C2H2 및 Ar의 혼합 공기 소스를 균일하게 주입하는 단계- 혼합 공기 소스가 제1 공기 흐름 확산 제어 판을 사용하는 것에 의해 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면에 블로잉되고, 혼합 공기 소스가 제2 공기 흐름 확산 제어 판을 사용하는 것에 의해 금속 지르코늄 코일의 다른 표면에 블로잉되어, 금속 지르코늄 코일의 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브들을 5 내지 20분 동안 성장시키고 탄소 나노튜브 어레이를 형성하고, 진공 반응 챔버 내에서의 총 대기압은 10 내지 100 Torr이고, 성장 온도는 500 ℃ 내지 900 ℃임 -.
선택적으로, 제1 공기 흐름 확산 제어 판과 금속 지르코늄 코일의 하나의 표면 사이의 거리는 0.1 mm 내지 20 mm이고, 제1 공기 흐름 확산 제어 판 상의 스루 홀의 크기는 0.1 mm 내지 10.0 mm이고, 1 내지 100개 스루 홀/cm2이 존재한다. 이러한 조건 하에서, 진공 챔버에서의 혼합 공기 소스는 극도로 좁은 범위에서 블로잉된다. 따라서, 공기 흐름이 비교적 안정적이고 균일할 수 있어서, 탄소 나노튜브 어레이가 균일하게 성장한다.
선택적으로, 혼합 공기 소스에서 C2H2는 2% 내지 50%를 차지하고 Ar은 50% 내지 98%를 차지한다. 이 비율 범위 내에서의 혼합 공기 소스는 탄소 나노튜브들이 고밀도 탄소 나노튜브 어레이로 성장하는 것을 효과적으로 보장할 수 있다.
편리하며 간략한 설명을 위해, 전술한 시스템, 장치 및 유닛의 상세한 작동 프로세스에 대해, 전술한 방법 실시예들에서의 대응하는 프로세스를 참조하고, 세부 사항들은 본 명세서에서 다시 설명되지 않는다는 점이 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 명확하게 이해될 수 있다. 전술한 실시예들에서, 각각의 실시예의 설명은 각각의 주안점들을 갖는다. 실시예에서 상세히 설명되지 않은 부분에 대해서는, 다른 실시예들에서의 관련 설명들을 참조한다.
설명을 간단하게 하기 위해, 전술한 방법 실시예들은 일련의 액션들로서 표현된다는 점을 유의해야 한다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 발명에 따르면, 일부 단계가 다른 순서들로 수행되거나 동시에 수행될 수 있기 때문에, 본 발명은 설명된 액션 순서에 제한되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 또한, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 명세서에 설명된 실시예들 모두가 바람직한 실시예들이며, 관련 액션들 및 모듈들이 본 발명에 반드시 의무적인 것이 아니라는 것을 또한 이해해야 한다.
이 출원에서 제공된 여러 실시예들에서, 개시된 시스템, 장치, 및 방법은 다른 방식들로 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 전술한 장치 실시예는 단지 예이다.
전술한 실시예들은 본 발명을 제한하기 위해서가 아니라 본 발명의 기술적 해결책들을 설명하기 위해 의도될 뿐이다. 본 발명은 전술한 실시예들을 참조하여 상세하게 설명되지만, 본 기술분야의 통상의 기술자들이라면, 그들이 본 발명의 실시예들의 기술적 해결책들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 여전히 전술한 실시예들에 설명된 기술적 해결책들에 대해 수정들을 행하거나 그것의 일부 기술적 피처에 대해 등가의 대체들을 행할 수 있다는 점을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 열 인터페이스 재료로서,
    금속 지르코늄 시트 및 탄소 나노튜브 어레이들
    을 포함하고, 상기 금속 지르코늄 시트는 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖고, 상기 탄소 나노튜브 어레이들에서의 탄소 나노튜브들은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 상에 분포되고, 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 지르코늄 시트의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 양자 모두는 상기 노출된 금속 지르코늄인, 열 인터페이스 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 어레이들에서의 상기 탄소 나노튜브들은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 수직인, 열 인터페이스 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭이 수지로 채워지는, 열 인터페이스 재료.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수지의 열 전도도가 0.1 W/m.k보다 큰, 열 인터페이스 재료.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 어레이들에서의 상기 나노튜브들 중, 상기 제1 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도는 상기 제2 표면 상에 분포된 탄소 나노튜브 어레이의 밀도와 동일한, 열 인터페이스 재료.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 인터페이스 재료에서의 상기 탄소 나노튜브들의 질량 밀도는 0.16 내지 0.5 g/cm3인, 열 인터페이스 재료.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭은 10 내지 100 nm인, 열 인터페이스 재료.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 지르코늄 시트의 두께는 10 내지 100 ㎛인, 열 인터페이스 재료.
  10. 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법으로서,
    금속 지르코늄 시트의 2개의 표면 각각 상에 탄소 나노튜브 어레이를 형성하기 위해 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계; 및
    상기 열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 상기 탄소 나노튜브 어레이가 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 각각 상에 형성된 후에 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 단계- 상기 열 인터페이스 재료에서의 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면은 노출된 금속 지르코늄을 포함함 -
    를 포함하는, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열 인터페이스 재료에서 상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 양자 모두는 상기 노출된 금속 지르코늄인, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 상기 단계는,
    상기 2개의 표면 상에 탄소 나노튜브 어레이가 성장된 상기 금속 지르코늄 시트를 어닐링 환원 처리를 위한 H2 분위기에 배치하는 단계를 포함하는, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 H2 분위기에서의 상기 어닐링 환원 처리의 프로세스에서, H2 유량이 5 내지 100 SCCM이고, 대기압이 0.005 내지 0.5 MPa이고, 어닐링 처리 온도가 350 ℃ 내지 650 ℃이고, 상기 어닐링 처리의 지속 기간이 5 내지 30 분인, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 지르코늄 시트의 상기 2개의 표면 상에서 환원 반응을 수행하는 상기 단계 후에, 상기 방법은,
    상기 열 인터페이스 재료를 획득하기 위해, 증발 기술을 사용하는 것에 의해 상기 탄소 나노튜브 어레이에서의 2개의 인접한 탄소 나노튜브 사이의 갭을 진공에서 수지로 채우는 단계를 더 포함하는, 열 인터페이스 재료를 준비하는 방법.
  15. 열 소산 시스템으로서,
    가열 피스, 라디에이터, 및 열 전도성 패드
    를 포함하고, 상기 열 전도성 패드는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 상기 열 인터페이스 재료로 만들어지고, 상기 가열 피스는 상기 라디에이터의 측부 상에 위치되고, 상기 가열 피스와 상기 라디에이터 사이에는 상기 열 전도성 패드가 부착되어, 상기 가열 피스는 상기 열 전도성 패드를 사용하는 것에 의해 상기 라디에이터에 열을 전달하는 것에 의해 열을 소산시키는, 열 소산 시스템.
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  20. 삭제
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