KR20220169533A - 히트싱크용 탄소강 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄소강 기판, 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층을 포함하는 히트싱크용 탄소강 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 환원된 산화그래핀이 탄소강 기판에 코팅되어 열확산도 및 열전도도 특성이 개선될 수 있다.

Description

히트싱크용 탄소강 소재 및 그 제조방법{Carbon steel for heat sink and manufacturing method of the same}
본 발명은 탄소강 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환원된 산화그래핀이 코팅되어 열확산도 및 열전도도 특성이 개선된 히트싱크용 탄소강 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 전기전자 소자는 인간생활에 매우 밀접하게 활용되고 있으며, 특히 웨어러블 전자제품의 보급 및 확대로 관련 산업과 시장이 폭발적으로 확장되고 있다. 웨어러블 전기전자 기기를 포함하여 전기전자 소자에 요구되는 고성능, 고출력, 고집적, 경량화의 사용자 및 관련업계의 요구는 소자의 작동에 있어 발생열을 크게 증가시키고 있으며, 이는 소자의 오작동, 수명단축, 고장 및 궁극적으로 인간의 수명에도 큰 영향을 줄 수 있다.
이러한 발생열을 효과적으로 제어하기 위한 수단으로 히트싱크 또는 히트 스프레더 등이 전기전자 소자에 적용된다. 히트싱크 등은 열교환기의 하나로, 소재가 갖는 열물리적 특성을 이용하여 소자에서 발생된 열을 대기중으로 방출하는 역할을 한다. 히트싱크는 일반적으로 열이 많이 발생하는 부품(PC(Personal computer)의 CPU(Central processing unit) 또는 GPU(Graphic processing unit) 등)에 부착되어 효과적으로 발생열을 제어할 수 있으며, 방열팬 등을 이용하여 강제로 배기하는 방법도 많이 적용된다.
이러한 히트싱크 소재로는 일반적으로 Al(알루미늄), Cu(구리) 및 steel(탄소강), 관련 합금 등의 금속 소재가 가장 많이 사용되고 있다. 특히, 알루미늄은 경량소재이며, 열전도도가 매우 우수하기 때문에 방열핀/방열판 부분에도 관련 합금이 많이 적용된다. 열전도성이 우수한 경량 소재의 개발은 향후 개발되는 전기전자 기기의 열제어와 함께 앞으로도 지속적으로 연구되어야 할 분야이다.
대한민국 특허등록번호 제10-0485835호 대한민국 특허등록번호 제10-0522859호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 환원된 산화그래핀이 코팅되어 열확산도 및 열전도도 특성이 개선된 히트싱크용 탄소강 소재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 탄소강 기판, 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층을 포함하는 히트싱크용 탄소강 소재를 제공한다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 상기 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액이 스프레이코팅법으로 반복 코팅되고 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 화학적 환원(chemical reduction) 되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 흑연을 산(acid) 용액에 담그고 교반하는 단계와, 상기 산 용액에서 흑연을 꺼내 세척하고 건조하는 단계와, 건조된 흑연을 열처리 과정을 거쳐 흑연의 층간 거리를 넓히고 팽창흑연으로 합성하는 단계와, 상기 팽창흑연을 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 담가서 상기 팽창흑연이 산화되면서 박리되게 하는 단계와, 산화 및 박리가 이루어진 결과물을 세정(washing)하여 산과 염기를 제거하고 산화그래핀을 수득하는 단계와, 상기 산화그래핀을 용매에 분산시켜 옅은 갈색(light brown)을 나타내는 산화그래핀 분산액을 준비하는 단계와, 상기 산화그래핀 분산액을 탄소강 기판에 코팅하는 단계 및 상기 산화그래핀 분산액이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판을 수득하는 단계를 포함하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법을 제공한다.
상기 열처리는 900 ~ 1200 ℃의 온도로 산화 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기 코팅은 스프레이 코팅법을 이용하여 복수 회 반복 실시하는 것이 바람직하다.
상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖게 하는 것이 바람직하다.
상기 산 용액은 황산과 질산의 혼합용액일 수 있다.
상기 산 용액은 황산과 질산이 1:10∼10:1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.
상기 교반은 10∼1500 rpm의 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액은 황산과 과산화망간칼륨이 1:20∼20:1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.
상기 화학적 환원(chemical reduction)은 HI(Hydrogen iodide) 분위기에 수행할 수 있다.
상기 세정 공정 전 또는 상기 세정 공정 후에 여과(filtration) 공정을 실시할 수 있다.
상기 여과 공정은 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 이용할 수 있다.
상기 멤브레인은 50∼900nm의 기공 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 환원된 산화그래핀이 탄소강 기판에 코팅되어 열확산도 및 열전도도 특성이 개선될 수 있다.
도 1은 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 산화그래핀 분산액이 10회 코팅되고 화학적 환원이 이루어져 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅한 모습을 보여주는 사진이다.
도 4는 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주는 사진이다.
도 5는 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대하여 열확산도(thermal diffusivity)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대하여 열전도도(thermal conductivity)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 탄소강 소재는, 탄소강 기판, 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층을 포함한다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 상기 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액이 스프레이코팅법으로 반복 코팅되고 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 화학적 환원(chemical reduction) 되어 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법은, 흑연을 산(acid) 용액에 담그고 교반하는 단계와, 상기 산 용액에서 흑연을 꺼내 세척하고 건조하는 단계와, 건조된 흑연을 열처리 과정을 거쳐 흑연의 층간 거리를 넓히고 팽창흑연으로 합성하는 단계와, 상기 팽창흑연을 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 담가서 상기 팽창흑연이 산화되면서 박리되게 하는 단계와, 산화 및 박리가 이루어진 결과물을 세정(washing)하여 산과 염기를 제거하고 산화그래핀을 수득하는 단계와, 상기 산화그래핀을 용매에 분산시켜 옅은 갈색(light brown)을 나타내는 산화그래핀 분산액을 준비하는 단계와, 상기 산화그래핀 분산액을 탄소강 기판에 코팅하는 단계 및 상기 산화그래핀 분산액이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판을 수득하는 단계를 포함한다.
상기 열처리는 900 ~ 1200 ℃의 온도로 산화 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기 코팅은 스프레이 코팅법을 이용하여 복수 회 반복 실시하는 것이 바람직하다.
상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖게 하는 것이 바람직하다.
상기 산 용액은 황산과 질산의 혼합용액일 수 있다.
상기 산 용액은 황산과 질산이 1:10∼10:1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.
상기 교반은 10∼1500 rpm의 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액은 황산과 과산화망간칼륨이 1:20∼20:1의 부피비로 혼합된 용액일 수 있다.
상기 화학적 환원(chemical reduction)은 HI(Hydrogen iodide) 분위기에 수행할 수 있다.
상기 세정 공정 전 또는 상기 세정 공정 후에 여과(filtration) 공정을 실시할 수 있다.
상기 여과 공정은 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 이용할 수 있다.
상기 멤브레인은 50∼900nm의 기공 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 탄소강 소재를 더욱 구체적으로 설명한다.
히트싱크 등은 효과적으로 열제어를 하기 위하여 표면적을 극대화하는 형상으로 구성되며, 이를 위하여 방열핀 등으로 구성될 수도 있으며, 두께가 얇은 형태를 갖는 것이 일반적이다.
한편, 웨어러블 전자기기 등의 제품에 있어 발생열의 온도가 매우 높지 않은 경우에는 방열핀이 없는 형태의 히트싱크도 적용될 수 있다. 스마트폰, 태블릿 PC(Personal computer) 등과 같은 소형 전자기기의 경우 열이 발생하는 소자에 Cu 등의 열전도율이 좋은 소재를 접합하여 본체에서 외부로 열을 방출시키는 방법을 적용하기도 한다.
소형 전자기기들의 장시간 사용 시 피부로 뜨거움이 느껴지는 것은 제품 외장 부분이 히트 싱크 역할을 수행하기 때문이다. 히트싱크로 사용되는 금속 소재는 일반적으로 이론적 열전도율보다는 낮은 특성을 나타내며, 대기와의 접촉 등으로 금속 또는 관련 합금 표면에 관련 금속산화막이 형성되어 열전도 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고 히트싱크 소재의 열전도율을 개선하기 위하여 탄소나노소재를 적용하고자 한다. 탄소나노소재는 매우 우수한 열전도 특성을 갖고 있으며, 외부 환경의 변화에도 매우 안정적인 장점을 갖고 있으며, 장시간 열에 노출되어도 분해되지 않은 장점도 갖고 있다. 이를 이용한 소재를 통해 히트싱크 소재의 열전도 효율을 개선하고 관련 소재의 개발 방법을 제시하고자 한다.
탄소나노소재 가운데 그래핀은 열전도도가 이론적으로 5,000 W/m·K에 이를 정도로 매우 높으며, 원자 한층의 평면 형태로 존재하기 때문에 광학적 특성도 매우 뛰어나다. 기존 방열 소재로 사용된 금속 소재는 우수한 열전도 특성을 나타내지만, 탄소나노소재에 비하여 상대적으로 낮은 열전도도를 나타내는 단점이 있다. 또한, 금속 소재는 상대적으로 단순한 형태에 적합하며, 복잡한 형상이나 굴곡진 부분에 응용하기는 어려움이 있다.
그래핀은 실온에서 열전도가 약 5,000 W/m·K로 탄소나노튜브 또는 다이아몬드보다 우수한 열전도 특성을 갖고 있다. 이는 탄소나노튜브보다 50 % 이상 높은 값이며 구리, 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도 큰 값이다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이다. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 준다. 반면 흑연(graphite)의 경우 수직 방향에서는 열전도도(약 100배)가 현저하게 낮아지는 단점이 있다.
상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 200,000 cm2/Vs이다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며, 이로 인하여 긴 평균자유 행로를 가지게 된다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닌다. 또한, 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다.
본 발명의 발명자들은 그래핀의 우수한 열물리적 특성을 이용하기 위해서 환원된 산화그래핀을 이용한 연구 개발을 진행하고 있다. 환원된 산화그래핀(rGO; reduced graphene oxide)은 용매에서 안정적이고 균질한 분산이 가능하며, 이를 이용하여 대상 기판에 손쉽게 증착이 가능해진다. 또한 분산된 환원된 산화그래핀을 이용하여 연속적인 layer-by-layer 증착이 가능하며, 증착 재현성을 증가시킬 수 있으며, 증착 두께의 제어도 가능해진다. 그래핀의 방열소재로의 활용을 위하여 환원된 산화그래핀을 이용하여 금속표면(탄소강)에 증착하여 방열특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 탄소강 소재는, 탄소강 기판, 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층을 포함한다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 열전도율, 코팅방법, 코팅효율 등을 고려하여 10∼500 ㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 상기 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액이 스프레이코팅법으로 반복 코팅되고 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 화학적 환원(chemical reduction) 되어 형성된 것일 수 있다. 산화그래핀 분산액이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하게 되면 환원된 산화그래핀 코팅층이 얻어진다. 상기 화학적 환원은 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 화학적 환원에 의하여 탄소강 기판에 코팅된 산화그래핀이 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide)으로 상변화 되게 된다. 상기 화학적 환원은 HI(Hydrogen iodide)를 공급하여 HI(Hydrogen iodide) 분위기를 조성하고 60∼90 ℃, 더욱 바람직하게는 70∼80 ℃의 온도로 가열하면서 실시하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
흑연(graphite)을 준비한다. 상기 흑연은 플레이크(flake) 등의 형태를 띠는 것일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 환원된 산화그래핀을 얻기 위한 소스 물질로 흑연을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소(C)의 소스(source)로 작용할 수 있는 다른 탄소계 물질들도 사용이 가능하다.
상기 흑연을 산(acid) 용액에 담그고 교반(stirring)한다. 상기 산 용액은 황산과 질산의 혼합용액인 혼합산 용액일 수 있다. 상기 황산과 질산은 1:10∼10:1의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 교반은 10∼1500 rpm 정도의 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 산 용액에서 흑연을 꺼내어 세척하고, 건조한다. 상기 세척은 탈이온수(DI water) 등을 이용할 수 있다. 상기 건조는 진공 오븐을 이용하여 대기압보다 낮은 감압된 상태로 수행하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 건조는 진공오븐(vacuum oven)에서 40 ~ 120 ℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 세척 후에 여과(filtration) 공정을 실시할 수도 있다. 상기 여과는 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하는 경우를 그 예로 들 수 있다. 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인 등으로 이루어질 수 있다. 상기 멤브레인은 나노 크기의 기공, 바람직하게는 50∼900nm 정도의 기공 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
건조된 흑연을 고온 열처리 과정을 거쳐 흑연의 층간 거리를 넓히고 팽창흑연으로 합성한다. 상기 고온 열처리는 900 ~ 1200 ℃, 더욱 바람직하게는 1000 ~ 1100 ℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 고온 열처리는 산소(O2), 공기(air)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 고온 열처리는 10분∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 팽창흑연을 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 넣고 팽창흑연을 산화시킨다. 상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액은 황산과 과산화망간칼륨이 1:20∼20:1의 부피비로 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액에 인산(H3PO4)을 더 첨가할 수도 있다. 이 산화 과정에서 팽창흑연이 산화되어 산화그래핀이 형성되고 박리도 진행된다.
산화 및 박리가 이루어진 결과물을 세정(washing)하여 산과 염기를 제거하고 산화그래핀을 수득한다. 상기 세정은 탈이온수(DI water) 등을 이용할 수 있다. 상기 세정 공정 전 또는 세정 공정 후에 여과(filtration) 공정을 실시할 수도 있다. 상기 여과는 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하는 경우를 그 예로 들 수 있다. 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인 등으로 이루어질 수 있다. 상기 멤브레인은 나노 크기의 기공, 바람직하게는 50∼900nm 정도의 기공 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이렇게 얻어진 산화그래핀은 단일층, 이중층, 다층 형태로 이루어진 것일 수 있다.
이렇게 합성된 산화그래핀을 용매에 분산시켜 옅은 갈색(light brown)을 나타내는 산화그래핀 분산액을 준비한다. 상기 용매는 탈이온수(DI water) 등일 수 있다.
상기 산화그래핀 분산액을 히트싱크 소재용 탄소강 기판에 코팅(coating) 한다. 상기 코팅은 스프레이 코팅 등의 방법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 스프레이 코팅은 0.3 MPa의 압력으로 1 sec를 1회로 설정하고, 복수 회 반복하여 실시할 수 있다. 1 레이어(layer)의 코팅(증착) 과정에서 발생할 수 있는 기공(pore) 또는 보이드(void) 등의 결함(defect)이 반복 적층에 의하여 결합 부분을 채우게 되어 산화그래핀의 열전달 특성 감소를 제어할 수 있게 된다. 복수 반복 코팅 또는 증착을 이용하여 적층된 산화그래핀의 코팅층이 10 ~ 500 nm의 두께를 갖게 하는 것이 바람직하다.
산화그래핀 분산액이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판을 수득한다. 상기 화학적 환원은 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 화학적 환원에 의하여 탄소강 기판에 코팅된 산화그래핀이 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide)으로 상변화 되게 된다. 상기 화학적 환원은 HI(Hydrogen iodide)를 공급하여 HI(Hydrogen iodide) 분위기를 조성하고 60∼90 ℃, 더욱 바람직하게는 70∼80 ℃의 온도로 가열하면서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖게 하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 흑연(graphite)(flake type)을 이용하여 산화그래핀(graphene oxide)을 합성하였다.
산화그래핀(graphene oxide)은 다음과 같은 과정으로 합성하였다.
흑연을 실온에서 산 용액(황산과 질산의 혼합용액, 150 ~ 200 ㎖)에 첨가하고 교반(stirring)을 실시하였다. 상기 교반은 150 ~ 250 rpm으로 24시간 동안 실시하였다. 상기 산 용액은 황산과 질산이 1:1의 부피비로 혼합된 것을 사용하였다.
상기 산 용액에서 흑연을 꺼내고 탈이온수(DI water)로 세척하여 산(acid) 성분을 제거한 후, 여과(filtration) 한 후, 진공오븐(vacuum oven)에서 건조하였다. 상기 건조는 60 ~ 80 ℃에서 수행하였다. 상기 여과는 200nm 정도 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하였으며, 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 사용하였다.
건조된 흑연을 고온 열처리 과정을 거쳐 흑연의 층간 거리를 넓히고 팽창흑연으로 합성하였다. 상기 고온 열처리는 산화 분위기에서 1000 ~ 1100 ℃의 온도로 12시간 동안 실시하였다.
상기 팽창흑연을 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 넣고 팽창흑연을 산화시켰으며, 이 산화과정에서 팽창흑연이 산화되어 산화그래핀이 형성되고 박리도 진행되었다. 상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액은 황산과 과산화망간칼륨이 10:1의 부피비로 혼합된 것을 사용하였다. 상기 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 상기 팽창흑연을 6시간 동안 담가서 산화가 이루어지게 하였다.
산화 및 박리가 이루어진 결과물은 여과(filtration) 및 세정(washing) 공정을 거쳐 산과 염기를 제거하고 궁극적으로 산화그래핀으로 합성하였다. 상기 세정 공정은 탈이온수(DI water)를 이용하였다. 상기 여과는 200nm 정도 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하였으며, 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 사용하였다.
이렇게 합성된 산화그래핀을 탈이온수(DI water)에 분산시켜 옅은 갈색(light brown)을 나타내는 산화그래핀 분산액을 준비하였다.
0.3 MPa의 압력으로 1 sec를 1회로 설정하고 실험조건으로 확립하여 스프레이코팅을 이용하여 산화그래핀 분산액을 히트싱크 소재용 탄소강 기판에 코팅(coating) 하였다. 0.3 MPa의 압력으로 1 sec를 1회로 설정하고, 각각 10회, 50회, 100회 반복 코팅하였다.
산화그래핀 분산액이 반복 코팅된 탄소강 기판을 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판을 수득하였다. 상기 화학적 환원에 의하여 탄소강 기판에 코팅된 산화그래핀이 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide)으로 상변화 되게 된다. 상기 화학적 환원은 HI(Hydrogen iodide)를 공급하여 HI(Hydrogen iodide) 분위기를 조성하고 70∼80 ℃의 온도로 가열하면서 실시하였다.
환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 SEM(JEOL, JSM-7100F)을 이용하여 미세구조를 분석하고, LFA427(NETSCH)를 이용하여 열전도율 분석을 실시하였다.
도 1 및 도 2에서는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)을 이용하여 환원된 산화그래핀(spray coated graphene oxide) 코팅층의 형상(morphology)을 분석하였다. 도 1은 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)을 보여주는 주사전자현미경 사진이고, 도 2는 산화그래핀 분산액이 10회 코팅되고 화학적 환원이 이루어져 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 2를 보면, 전체적으로 균일하게 환원된 산화그래핀이 코팅되어 있는 탄소강 기판을 확인할 수 있으며, 주름진 부분은 환원된 산화그래핀 코팅층의 특성으로 인하여 나타난 것으로 분석되었다.
도 3은 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅한 모습을 보여주는 사진이고, 도 4는 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주는 사진이다. 도 3에서 (a)는 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)을 보여주고, (b)는 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액을 10회 코팅한 모습을 보여주며, (c)는 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액을 50회 코팅한 모습을 보여주고, (d)는 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액을 100회 코팅한 모습을 보여준다. 도 4에서 (a)는 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)을 보여주고, (b)는 산화그래핀 분산액을 10회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주며, (c)는 산화그래핀 분산액을 50회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여주고, (d)는 산화그래핀 분산액을 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판을 보여준다.
도 3에서는 갈색의 산화그래핀이 증착된 것을 확인하였으며, 스프레이 코팅횟수가 증가함에 따라 점차 두께가 증가하는 것으로 분석되었다. 또한, 도 4에서 화학적 환원(chemical reduction)을 진행한 각 탄소강 기판은 갈색에서 흑색으로 변화되어 환원이 진행된 것으로 분석되었다.
산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대하여 열확산도(thermal diffusivity)를 측정하여 도 5에 나타내었고, 산화그래핀 분산액을 각각 10회, 50회, 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대하여 열전도도(thermal conductivity)를 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 5에서 (a)는 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)에 대한 것이고, (b)는 산화그래핀 분산액을 10회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이며, (c)는 산화그래핀 분산액을 50회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이고, (d)는 산화그래핀 분산액을 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이다. 도 6에서 (a)는 산화그래핀 분산액이 코팅되기 전의 탄소강 기판(bare 기판)에 대한 것이고, (b)는 산화그래핀 분산액을 10회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이며, (c)는 산화그래핀 분산액을 50회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이고, (d)는 산화그래핀 분산액을 100회 코팅하고 화학적 환원 공정을 수행하여 환원된 산화그래핀 코팅층이 형성된 탄소강 기판에 대한 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실온부터 200 ℃까지 온도변화에 따른 열확산도 및 열전도도를 분석한 결과, 10회 스프레이코팅을 실시하여 형성된 환원된 산화그래핀의 경우 비교예인 탄소강 기판(bare 기판)과 유사한 열확산도 및 열전도도를 나타내었으나, 코팅 횟수가 증가함에 따라 탄소강 기판에 균질하게 코팅된 환원된 산화그래핀으로 인하여 열확산도 및 열전도도가 증가하는 것으로 분석되었다. 환원된 산화그래핀을 히트싱크용 탄소강 기판에 증착할 경우 발생된 열의 방출 효과가 있는 것으로 판단되며, 히트싱크 소재 뿐만 아니라 웨어러블 전기전자 소자에도 환원된 산화그래핀의 방열효과의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (13)

  1. 탄소강 기판; 및
    상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환원된 산화그래핀 코팅층은 상기 탄소강 기판에 산화그래핀 분산액이 스프레이코팅법으로 반복 코팅되고 HI(Hydrogen iodide) 분위기에서 화학적 환원(chemical reduction) 되어 형성된 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재.
  4. 흑연을 산(acid) 용액에 담그고 교반하는 단계;
    상기 산 용액에서 흑연을 꺼내 세척하고 건조하는 단계;
    건조된 흑연을 열처리 과정을 거쳐 흑연의 층간 거리를 넓히고 팽창흑연으로 합성하는 단계;
    상기 팽창흑연을 황산 및 과산화망간칼륨 혼합 용액에 담가서 상기 팽창흑연이 산화되면서 박리되게 하는 단계;
    산화 및 박리가 이루어진 결과물을 세정(washing)하여 산과 염기를 제거하고 산화그래핀을 수득하는 단계;
    상기 산화그래핀을 용매에 분산시켜 옅은 갈색(light brown)을 나타내는 산화그래핀 분산액을 준비하는 단계;
    상기 산화그래핀 분산액을 탄소강 기판에 코팅하는 단계; 및
    상기 산화그래핀 분산액이 코팅된 탄소강 기판에 대하여 화학적 환원(chemical reduction)을 진행하여 환원된 산화그래핀이 코팅된 탄소강 기판을 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열처리는 900 ~ 1200 ℃의 온도로 산화 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 코팅은 스프레이 코팅법을 이용하여 복수 회 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 탄소강 기판에 형성된 환원된 산화그래핀 코팅층은 10∼500 ㎚의 두께를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 산 용액은 황산과 질산의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 산 용액은 황산과 질산이 1:10∼10:1의 부피비로 혼합된 용액이고, 상기 교반은 10∼1500 rpm의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 황산과 과산화망간칼륨 혼합 용액은 황산과 과산화망간칼륨이 1:20∼20:1의 부피비로 혼합된 용액인 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  11. 제4항에 있어서, 상기 화학적 환원(chemical reduction)은 HI(Hydrogen iodide) 분위기에 수행하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  12. 제4항에 있어서, 상기 세정 공정 전 또는 상기 세정 공정 후에 여과(filtration) 공정을 실시하고,
    상기 여과 공정은 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 하는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 이용하고, 상기 멤브레인은 50∼900nm의 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 히트싱크용 탄소강 소재의 제조방법.
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