KR20140097649A - 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법 - Google Patents

메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법 Download PDF

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전자부품연구원
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Abstract

메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법은 복수개의 기공을 구비하는 다공질의 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅하는 1단계; 및 상기 기공의 적어도 일부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입시키는 2단계를 포함한다.

Description

메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법{METHOD OF PRODUCING METAL FOAM-GRAPHITE HEAT RADIATION SHEET}
본 발명은 방열시트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법에 관한 것이다.
고성능, 고기능화에 따른 각종 전자기기 부품들(반도체 패키지, LED 모듈 등)의 대용량화 및 고집적화와 같은 발달은 대량의 열 발생 문제를 초래하여 제품의 성능과 품질의 저하에 큰 영향을 미치고 있다. 따라서, 이들 부품으로부터 발생하는 열을 효율적으로 제거하기 위한 방열장치는 제품의 성능 및 품질 저하를 방지하기 위해 필수적으로 채택되고 있는 실정이다.
종래 전자부품으로부터의 발열은 구리나 알루미늄 등의 열전도성이 좋은 금속 플레이트에 핀(fin)을 형성한 형태의 히트싱크(heat sink)를 제작하여 외부로 방열을 시키는 경우가 많았으나, 최근에는 경량화를 달성할 수 있으면서도 열전도율이 높은 다공질 메탈폼(porous metal foam)을 이용하여 방열소재를 제조하는 방법이 개시된 바 있다.
그러나 상술한 다공질 메탈폼의 경우에는 종래 핀(fin) 형태의 히트싱크에 비하여 공기 접촉면이 넓어 보다 방열효과가 향상된다는 장점이 있으나, 강도 측면에서 다소 약점을 가지고 있으며 전자부품의 대용량화, 고집적화의 진전에 수반하는 발열량의 증대에 대응하기에는 여전히 충분하지 않으므로 다공질 메탈폼의 방열 효과를 증진시키기 위한 방안들이 모색되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 강도 및 방열 특성이 향상된 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수개의 기공을 구비하는 다공질의 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅하는 1단계; 및 상기 기공의 적어도 일부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입시키는 2단계를 포함하는 메탈폼-그래파이트 방열시트가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 1단계에서의 코팅은 전해 흡착 공정 또는 무전해 침지 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 1단계에서 상기 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드가 코팅되는 경우에, 상기 그래핀 옥사이드를 환원시켜 전기 전도도를 부여하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2단계 이후에, 상기 메탈폼을 프레싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2단계 이후에, 상기 그래파이트 입자가 상기 기공 내에 삽입된 상기 메탈폼을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 메탈폼은 구리, 니켈, 은, 백금, 철, 스테인리스강 및 티타늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 메탈폼의 기공 내부에 그래파이트 입자를 삽입함으로써 방열시트의 강도 및 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 메탈폼의 표면에 그래핀을 형성함으로써(그래핀 옥사이드 코팅 후 환원) 방열시트의 강도 및 방열 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 메탈폼의 기공 내부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입하고 프레싱 공정 및 열처리 공정을 통해 상기 그래파이트 입자를 팽창시켜 상기 기공 내부에 밀착시킴으로써 그래파이트의 높은 열전도율을 효과적으로 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방밥의 1단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법의 2단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 메탈폼의 기공에 그래파이트 입자를 삽입하는 다양한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법의 후처리 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법은 복수개의 기공을 구비하는 다공질의 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅하는 1단계와, 상기 기공의 적어도 일부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입시키는 2단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
(1) 1단계
1단계는 복수개의 기공을 구비하는 다공질의 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드(grapheme oxide) 또는 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)를 코팅하는 단계이다.
관련하여, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법의 1단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 메탈폼-그래파이트 방열시트(100, 이하에서는 방열시트로 칭하기로 함)를 제조하기 위하여 우선, 복수개의 기공(110a)을 구비하는 다공질의 메탈폼(110)의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅한다.
여기에서 다공질의 메탈폼(110)은 금속으로 이루어진 것으로, 내부에 수많은 기포를 갖는 다공질(porous) 기재를 의미한다. 상기 금속의 예로는 구리, 니켈, 은, 백금, 철, 스테인리스강 및 티타늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 또는 이들의 합금 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
메탈폼(110)에 형성되어 있는 기공(110a)은 닫혀있느냐 열려있느냐에 따라 개포형 타입(open cell type)과 폐포형 타입(closed cell type)으로 구분될 수 있다. 특히, 전자의 경우에는 메탈폼(110) 내부의 기공(110a)들이 서로 연결된 형태를 가지고 있어 기체 또는 유체의 통과가 보다 용이하다는 특성이 있다. 본 발명의 실시예들에서 메탈폼(110)은 상기 개포형 타입 및 폐포형 타입 모두를 포함하는 개념임을 밝혀둔다.
메탈폼(110)의 크기는 한정되지 않으며, 형상 역시 특정 형상으로 한정되는 것은 아니다. 도 1에서는 메탈폼(110)의 형태를 시트 형상으로 도시하였음을 밝혀둔다. 이러한 메탈폼(110)은 상용화된 것을 사용하는 것이 가능하다.
한편, 기공(110a)의 크기는 한정되지 않으며, 예를 들면 400㎛ 내지 600㎛ 사이즈를 가질 수 있다. 또한, 메탈폼(110)에 형성되어 있는 기공(110a)들의 크기는 균일하지 않을 수 있으며, 다양한 크기를 갖는 기공(110a)들이 형성되어 있을 수 있다.
상술한 메탈폼(110)의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅하게 되는데, 여기에서 메탈폼(110)의 "표면"이란 메탈폼(110)의 각 면과, 메탈폼(110)의 기공(110a) 내부 표면까지도 포함하는 의미로 사용되었음을 밝혀둔다.
기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 메탈폼의 표면에 코팅하는 방법은 전해 흡착 공정 또는 무전해 침지 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 관련하여, 도 1에서는 전해 흡착 공정을 이용하여 기능화된 그래핀 옥사이드를 메탈폼(110)의 표면에 코팅하는 모습을 도시하였음을 밝혀둔다.
여기에서 "기능화된 그래핀 옥사이드"란 그래핀 옥사이드의 가장자리와 면에 금속산화물 등의 금속 성질을 갖는 물질들을 붙임으로써 그래핀 옥사이드가 전해액(130)에 분산될 수 있도록 기능을 부여한 것을 의미한다. 예컨데, 그래핀 옥사이드는 천연 흑연을 강산으로 산화 처리함으로써 얻어질 수 있으며, 상기 그래핀 옥사이드는 가장자리와 면에 에폭시기, 수산기, 카르보닐기, 카르복실산기 등의 여러가지 산소 기능기들을 가지게 되어 극성 용매 등에 용이하게 분산될 수 있다. 또한, 상기 산소 기능기들로 인하여 금속산화물 등의 다른 물질들을 붙여 기능화가 가능하다.
또한, 여기에서 "환원 그래핀 옥사이드"란 그래핀 옥사이드를 환원시킨 물질을 의미한다. 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀과 유사한 특성을 가지고 있으며 그래핀 옥사이드의 산소 기능기들을 구비한 채로 전기전도성이 부여된다는 특징이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 메탈폼(110)을 양극에 연결하고 상대전극(30)을 음극에 연결한 채로 전해액(130)에 침지시킨다. 전해액(130) 내에는 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드가 분산되어 있다. 다음으로, 양 전극에 전압을 가하면 전해액(130)에 분산되어 있는 상기 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드가 메탈폼(110)의 표면에 코팅될 수 있다.
한편, 도 1에 도시되지는 않았으나, 무전해 침지 공정을 이용하여 메탈폼(110)의 표면에 그래핀 옥사이드를 코팅하는 방법에 대하여 간략히 설명하면, 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드가 분산되어 있는 분산액을 준비하고, 상기 분산액에 메탈폼(110)을 침지시킨 후에 인출하여 건조시킴으로써 마찬가지로 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 메탈폼(110)의 표면에 코팅할 수 있다. 이 때, 메탈폼(110)은 상기 그래핀 옥사이드 분산액에 침지되기 전에 표면처리 공정을 거쳐 표면에 친수성을 부여하는 공정을 추가적으로 거칠 수 있다.
한편, 메탈폼(110)의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드가 코팅되는 경우라면, 상기 그래핀 옥사이드를 환원시켜 전기 전도도를 부여하는 단계가 추가적으로 더 포함될 수 있다. 이는 그래핀 옥사이드를 환원시킬 때 그래핀과 유사한 특성이 발현되기 때문이다.
상기와 같이 메탈폼(110)의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드를 코팅한 다음에 상기 그래핀 옥사이드를 환원시키거나, 메탈폼(110)의 표면에 환원 그래핀 옥사이드를 코팅시키게 되면 메탈폼(110)의 표면에는 그래핀(grapheme)과 유사한 특성이 부여된다.
그래핀(Graphene)은 강철보다 강한 강도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다도 높은 열전도성을 가지는 소재로 알려져 있다. 따라서, 메탈폼(110)의 표면에 환원된 그래핀 옥사이드를 형성하는 경우에는 방열시트(100)의 강도 및 방열특성을 크게 향상시킬 수 있다(이상 1단계).
(2) 2단계
2단계는 메탈폼(110, 도 1 참조)의 기공의 적어도 일부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입시키는 단계이다.
관련하여, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법에서 2단계를 개략적으로 도시한 도면이다. 한편, 도 2에서는 메탈폼(110) 표면에 코팅된 그래핀(기능화된 그래핀 옥사이드, 환원 그래핀 옥사이드)을 도시하지 않았음을 밝혀둔다.
그래파이트 입자(120)는 기공(110a)에 삽입되는 것으로, 이 때, 그래파이트 입자(120)가 메탈폼(110)에 존재하는 기공(110a)에 삽입된다고 함은, 그래파이트 입자(130)가 기공(110a) 모두에 각각 삽입되는 경우뿐만 아니라 기공(110a)들 중 적어도 일부에 삽입되는 경우도 포함한다.
한편, 그래파이트 입자(120)는 팽창가능한(expandable) 그래파이트 입자이다. 상기 팽창가능한 그래파이트 입자는 그래파이트 분말을 화학 처리한 후에 압축 성형한 것으로, 열에 의해 팽창될 수 있다. 이러한 팽창가능한 그래파이트 입자는 상용화된 것을 사용하는 것이 가능하다.
그래파이트 입자(120)가 팽창가능한 그래파이트 입자인 경우에는 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)가 삽입된 후에 열처리를 통하여 그래파이트 입자(120)를 팽창시킴으로써 메탈폼(110)의 기공(110a) 내부에 그래파이트 입자(120)를 밀착하여 위치시킬 수 있다.
그래파이트 입자(120)는 열전도율이 구리나 알루미늄에 비해 2배 이상 높은 것으로 알려져 있으며, 또한 금속에 비해 상대적으로 경량이므로 메탈폼(110) 내부에 그래파이트 입자(120)를 삽입하는 경우에는 방열시트(100)의 경량화를 달성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 방열 특성 역시 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그래파이트 입자(120)의 크기는 메탈폼(110)의 기공(110a) 내부에 삽입될 수 있는 크기면 되고, 특정 크기로 한정되지 않는다. 예를 들면, 상용화된 그래파이트 입자를 볼 밀링(ball milling), 압축 성형, 열처리 등의 방법을 이용하여 삽입하고자 하는 메탈폼 기공 크기에 맞춰 가공하는 것이 가능하다. 즉, 팽창가능한 그래파이트 입자(120)를 메탈폼(110)의 기공(110a)에 삽입하기 전에 기공(110a) 사이즈에 맞추어 팽창가능한 그래파이트 입자(120)를 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 그래파이트 입자(120)를 메탈폼(110)의 기공(110a)에 삽입하는 방법은 다양할 수 있다.
관련하여, 도 3에서는 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)를 삽입하는 다양한 실시예를 개략적으로 도시하였다.
도 3을 참조하면, 첫째, 그래파이트 입자가 함유된 용액(s)이 담긴 수조(10)안에 메탈폼(110)을 넣은 후에, 열처리하여 상기 용액(s)을 증발시킴으로써 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)를 삽입할 수 있다(도 2a).
둘째, 그래파이트 입자가 함유된 용액(s)이 담긴 수조(10)안에 메탈폼(110)을 넣었다 뺌으로써(디핑, dipping), 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)를 삽입할 수 있다(도 2b).
셋째, 그래파이트 입자가 함유된 용액(s)이 담긴 수조(10)안에 메탈폼(110)을 넣은 후에, 흡출기(13, aspirator)를 이용하여 상기 용액(s)을 다른 용기(12)로 흡출시킴으로써 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)를 삽입할 수 있다. 이 때, 메탈폼(110)의 하부에 여과지(11)를 배치하는 것이 가능하다(도 2c).
넷째, 그래파이트 입자가 함유된 용액(s)을 스프레이건(20)을 사용하여 메탈폼(110)의 표면으로 분사시킴으로써(스프레이 공정), 메탈폼(110)의 기공(110a)에 그래파이트 입자(120)를 삽입할 수 있다(도 2d).
상기 열거한 방법은 예시한 것으로, 그 이외에도 팽창가능한 그래파이트 입자(120)를 메탈폼(110)에 삽입하는 방법은 다양할 수 있다(이상 2단계).
(3) 후속 공정들
도 4 및 도 5는 상기에서 설명한 제조단계 이후의 후처리 공정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5에 도시된 메탈폼(110)은 표면에 그래핀이 형성되어 있으나(환원된 그래핀 옥사이드), 이를 도시하지는 않았음을 밝혀둔다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 상기에서 설명한 제조단계 이후에 그래파이트 입자(120)가 기공(110a) 내에 삽입된 메탈폼(110)을 프레싱하는 단계(이하, 프레싱 단계)와, 메탈폼(110)을 열처리하는 단계(이하, 열처리 단계)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 프레싱 단계와 열처리 단계는 시계열적인 단계가 아님을 밝혀둔다. 즉, 그래파이트 입자(120)가 삽입된 메탈폼(110)을 프레싱 단계를 거치고 열처리 단계를 거치는 것이 가능하고, 반대로 열처리 단계를 거치고 프레싱 단계를 거치는 것이 가능하다.
상기 프레싱 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 프레스기(P) 사이에 메탈폼(110)을 배치하고, 메탈폼(110)의 상부 및 하부에서 압착함으로써 이루어질 수 있다. 상기 프레싱 단계를 통하여 메탈폼(110)이 보다 치밀해 질 수 있다. 프레싱 압력 및 시간은 특정되지 않으며, 예를 들면, 상기 프레싱 단계는 2000rpm의 프레스 압력으로 1분동안 수행될 수 있다.
상기 열처리 단계는 도 5에 도시된 바와 같이 메탈폼(110)을 열처리함으로써 이루어질 수 있다. 상기 열처리 단계를 통하여 메탈폼(110)에 삽입되어 있는 팽창가능한 그래파이트 입자(120)가 팽창하여 기공(110a)내에 밀착하여 위치될 수 있다. 상기 열처리는 마이크로웨이브 오븐(microwave oven) 등을 통해서 이루어질 수 있으며, 열처리 온도는 특정 온도로 한정되지 않고 예를 들면 900℃ 내지 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다.
이와 같은, 프레싱 단계 및 열처리 단계의 후처리 공정을 거친 후에는 상기 그래파이트 입자가 팽창되어 상기 기공 내부에 밀착될 수 있으므로 그래파이트의 높은 열전도율을 효과적으로 활용 가능하며, 상술한 공정등을 거쳐 메탈폼-그래파이트 방열시트가 제조될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 메탈폼-그래파이트 방열시트는 각종 전자기기(예를 들면, 반도체 패키지, LED 모듈, IGBT(insulated gate bi-polar transitor) 모듈 등)에 방열소재로 활용될 수 있으며, 종래 전자기기에서 채용되던 방열판(방열시트)을 대체하여 사용되는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 시험예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 하기 시험예가 본 발명을 한정하지 않음은 자명하다.
시험예
구리 메탈폼(비교예 1), 그래핀이 형성된 구리 메탈폼(비교예 2), 및 그래파이트 입자가 내부에 삽입되고 그래핀이 형성된 구리 메탈폼(실시예)의 열확산율 및 열전도도를 측정하였다.
비열(Cp)은 DSC(differential scanning calorimetry) 장비를 이용하여 측정되었으며, 열확산율 및 열전도도는 LFA(laser flash analysis) 장비를 이용하여 측정되었다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 정리하였다.
두께(mm) 무게(mg) 열확산계수(mm2/s) 비열(Cp,J/g*k) 밀도(g/cm3) 열전도도(W/m*k)
비교예 1
(Cu foam)		 0.7 39 30 0.388 0.85 9.89
비교예 2
(grapheme/Cu foam)		 0.76 40 39 0.392 0.85 12.99
실시예
(graphite/grapheme/Cu foam)		 1 37 111 0.704 0.85 66.42
상기 [표 1]을 참조하면, 실시예에 해당하는 방열시트의 열확산율 및 열전도도가 비교예 1,2에 비하여 매우 크다는 것을 확인할 수 있는 바, 본 발명의 실시예에 따른 방열시트의 방열효과가 크게 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 메탈폼의 기공 내부에 그래파이트 입자를 삽입함으로써 방열시트의 강도 및 방열 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 메탈폼의 표면에 그래핀을 형성함으로써 방열시트의 강도 및 방열 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 수조 11: 여과지
12: 다른 용기 13: 흡출기
20: 스프레이건 s: 그래파이트 입자 함유 용액
30: 상대전극
100: 메탈폼-그래파이트 방열시트
110: 메탈폼 110a: 기공
120: 그래파이트 입자 130: 전해액

Claims (6)

  1. 복수개의 기공을 구비하는 다공질의 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드 또는 환원 그래핀 옥사이드를 코팅하는 1단계; 및
    상기 기공의 적어도 일부에 팽창가능한 그래파이트 입자를 삽입시키는 2단계를 포함하는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 1단계에서의 코팅은 전해 흡착 공정 또는 무전해 침지 공정을 이용하여 수행되는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 1단계에서 상기 메탈폼의 표면에 기능화된 그래핀 옥사이드가 코팅되는 경우에, 상기 그래핀 옥사이드를 환원시켜 전기 전도도를 부여하는 단계를 더 포함하는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 2단계 이후에,
    상기 메탈폼을 프레싱하는 단계를 더 포함하는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 2단계 이후에,
    상기 그래파이트 입자가 상기 기공 내에 삽입된 상기 메탈폼을 열처리하는 단계를 더 포함하는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탈폼은 구리, 니켈, 은, 백금, 철, 스테인리스강 및 티타늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 또는 이들의 합금으로 형성되는 메탈폼-그래파이트 방열시트 제조방법.
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