WO2019004561A1 - 고방열 박막 및 그 제조 방법 - Google Patents

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조상호
최벽근
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Definitions

  • the present invention relates to a high heat dissipation thin film and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high heat dissipation thin film including a carbon layer on a metal substrate and a manufacturing method thereof.
  • the most common materials for heat dissipation materials are high thermal conductive filler materials such as carbon materials and ceramic materials and composite materials mixed with polymer materials.
  • Thermally conductive polymers can impart properties of metals and ceramics while retaining the advantages of conventional polymer materials, such as easy processability, low cost, light weight, and variety of product form.
  • the reason for using the composite material is that the high thermal conductivity inorganic filler material is excellent in thermal conductivity but has no adhesive force, and the polymer material has good adhesion, but low thermal conductivity.
  • a large amount of filler is contained. In such a case, the processing conditions are complicated and the physical properties of the product are impaired.
  • Korean Patent Registration No. 10-1534232 discloses an invention for effectively reducing the temperature of a heat source of an electric or electronic product in which space is narrowed due to integration using a heat sink having a highly heat dissipating radiant oil and an inorganic composite coating thin film formed therein .
  • the present invention provides a high heat dissipating thin film having improved thermal conductivity and a method of manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a highly heat dissipating thin film having a simplified manufacturing process and a manufacturing method thereof.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a highly heat dissipating thin film having a reduced manufacturing cost and a manufacturing method thereof.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a high heat dissipation thin film.
  • the high heat dissipation thin film may include a metal substrate and a carbon layer disposed on the metal substrate, the carbon layer being thicker than 2.5 nm and thinner than 10 nm.
  • the carbon layer may comprise graphene.
  • the metal substrate may include at least one of aluminum, copper, and iron.
  • the method for fabricating the high heat dissipation thin film includes the steps of preparing a metal substrate, providing carbon ions on the metal substrate to form a preliminary carbon layer, And forming a carbon layer on the metal substrate.
  • the carbon layer may include a material having a higher thermal conductivity than the pre-carbon layer.
  • the heat treatment temperature can be controlled depending on the type of the metal substrate.
  • the heat treatment may be performed at a temperature higher than 350 ° C but lower than 500 ° C.
  • the heat treatment may be performed at a temperature higher than 500 ⁇ and lower than 900 ⁇ .
  • the heat treatment may be performed in an oxygen-free and hydrogen-free atmosphere.
  • the carbon atoms in the preliminary carbon layer are rearranged, and the carbon layer may include graphene.
  • the thickness of the carbon layer may be greater than 2.5 nm and less than 10 nm.
  • the high heat dissipation thin film according to an embodiment of the present invention includes a carbon layer disposed on a metal substrate, wherein the carbon layer is thicker than 2.5 nm, thinner than 10 nm, and may include graphene. Thereby, a highly heat dissipating thin film having an improved thermal conductivity can be provided.
  • the high heat dissipation thin film may be manufactured by a simple process of providing carbon ions on the metal substrate to form a preliminary carbon layer, and heat-treating the preliminary carbon layer. Accordingly, a manufacturing method of a highly heat dissipating thin film in which the manufacturing cost is reduced and the manufacturing process is simplified can be provided.
  • FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a highly heat dissipating thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views for explaining a highly heat dissipating thin film and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a structure of a carbon layer included in a highly radiating thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing thermal conductivities of thin films according to Examples 1-1 to 1-3 of the present invention, Comparative Example 1-1, and Comparative Example 1-2.
  • FIG. 6 is a graph showing the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film according to the embodiment 1-3 of the present invention measured according to the heat treatment temperature.
  • FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film according to Examples 2-1 to 2-6 of the present invention.
  • first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.
  • FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a highly heat dissipating thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are sectional views for explaining a high heat dissipating thin film and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, 4 is a view for explaining a structure of a carbon layer included in a highly radiating thin film according to an embodiment of the present invention.
  • a metal substrate 110 is prepared (S110).
  • the metal substrate 110 may be an aluminum substrate.
  • the metal substrate 110 may be a copper substrate.
  • the metal substrate 110 may be a substrate including iron.
  • the preliminary carbon layer 120 may be formed by providing carbon ions on the metal substrate 110 (S120).
  • the step of providing the carbon ions on the metal substrate 110 includes the steps of disposing the metal substrate 110 in a chamber, and applying energy to the carbon source in the chamber, And releasing the carbon ions from the source.
  • a carbon ingot may be disposed in the chamber and the carbon ion may be released by applying heat or electric energy to the carbon ingot.
  • the chamber may be an inert gas (for example, argon gas) atmosphere and may have a pressure of 10 to 15 mTorr.
  • the preliminary carbon layer 120 may be formed by depositing the carbon ions on the metal substrate 110. According to one embodiment, the carbon atoms in the spare carbon layer 120 may be in a randomly arranged state.
  • the metal substrate 110 may be pretreatment such that the carbon ions can be easily deposited on the metal substrate 110.
  • a passivation film for example, an oxide film
  • the carbon ions may be inserted into the metal substrate 110 by the passivation film Can be reduced.
  • the carbon layer 130 may be formed on the metal substrate 110 by heat treating the metal substrate 110 and the preliminary carbon layer 120 in operation S130. By the heat treatment, the carbon atoms in the preliminary carbon layer 120 can be rearranged in a random arrangement. Accordingly, the carbon layer 130 may include graphene formed by rearranging the carbon atoms in the preliminary carbon layer 120. In other words, the carbon layer 130 may have a honeycomb structure, as shown in FIG. 4, by rearranging the carbon atoms.
  • the entire carbon layer 130 may be graphene.
  • at least a portion of the carbon layer 130 may be graphene, and some of the carbon atoms may be optionally arranged. That is, from a plan viewpoint, some regions of the carbon layer 130 may be graphene, and some of the remaining regions may be arbitrarily arranged carbon atoms. Or, from a cross-sectional viewpoint, some regions of the carbon layer 130 may be graphene, and some of the remaining regions may be optionally arranged carbon atoms.
  • the carbon layer 130 may have a higher thermal conductivity than the preliminary carbon layer 120.
  • the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film including the metal substrate 110 and the carbon layer 130 may be about 380 W / mk or more.
  • the thickness of the carbon layer 130 When the thickness of the carbon layer 130 is thicker than 2.5 nm and thinner than 10 nm as compared with the case where the thickness of the carbon layer 130 is 2.5 nm or less or 10 nm or more, The thermal conductivity of the thin film including the thin film 130 may be remarkably high. Thus, according to one embodiment, the thickness of the carbon layer 130 may be greater than 2.5 nm and less than 10 nm.
  • the heat treatment temperature can be controlled according to the type of the metal substrate 110, and thus the thermal conductivity of the thin film including the metal substrate 110 and the carbon layer 130 Can be controlled.
  • the thermal conductivity may be lowered when the heat treatment is performed at 350 ° C or lower or 500 ° C or higher. Accordingly, when the metal substrate 110 includes aluminum, the heat treatment may be performed at a temperature higher than 350 ° C but lower than 500 ° C.
  • the thermal conductivity may be lowered when the heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C or lower or 900 ° C or higher. Accordingly, when the metal substrate 110 includes copper, the heat treatment may be performed at a temperature higher than 500 ° C and lower than 900 ° C.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen or an atmosphere containing hydrogen, the carbons included in the preliminary carbon layer 120 react with oxygen and hydrogen to generate CO 2 and CH 3 gas, Accordingly, it is not easy to manufacture the carbon layer 130 from the preliminary carbon layer 120. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed in an oxygen-free and hydrogen-free atmosphere. Specifically, the heat treatment may be performed in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas (for example, argon) atmosphere.
  • the heat treatment may be performed in various ways. According to one embodiment, the heat treatment may be performed using a furnace. Alternatively, according to another embodiment, the heat treatment may be performed by a joule heating method. Specifically, the heat treatment may be performed by contacting a plurality of electrodes on the preliminary carbon layer 120 and applying a current through the plurality of electrodes. In this case, a path of a current may be formed between the plurality of electrodes, and a portion of the spare carbon layer 120 adjacent to the path of the current, or the entire spare carbon layer 120, Layer 120 (graphene). Accordingly, it is possible to easily form the carbon layer 120 by applying locally high-temperature heat to the preliminary carbon layer 120 while minimizing damage to the metal substrate 110 by heat.
  • the preliminary carbon layer 120 is formed by providing the carbon ions on the metal substrate 110, and the preliminary carbon layer 120 is heat-treated to form the carbon A layer 130 may be formed on the metal substrate 110. Accordingly, the thermal conductivity can be improved by the graphene in the carbon layer 130, and thus, the highly radiating thin film including the metal substrate 110 and the carbon layer 130 can be provided.
  • the high heat dissipation thin film can be manufactured by a simple process of providing the carbon ions to the metal substrate 110 and performing the heat treatment.
  • An aluminum substrate of 30 mu m was prepared as a metal substrate. Carbon ions were provided on an aluminum substrate to form a preliminary carbon layer, and a heat treatment process was performed at 400 ° C. Specifically, a heat treatment process was performed for 30 minutes while raising the temperature to 15 ⁇ / minute. According to Examples 1-1 to 1-3 of the present invention, a high heat dissipation thin film having a carbon layer of 2.5 nm, a carbon layer of 5 nm, and a carbon layer of 10 nm was formed on an aluminum substrate.
  • the thin films according to the above-described Examples 1-1 to 1-3 and the thin film according to Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 can be arranged as shown in Table 1 below.
  • FIG. 5 is a graph showing thermal conductivities of thin films according to Examples 1-1 to 1-3 of the present invention, Comparative Example 1-1, and Comparative Example 1-2.
  • the thermal conductivities of the thin films according to Examples 1-1 to 1-3 and the high heat dissipation thin film, Comparative Example 1-1, and Comparative Example 1-2 were measured. Specifically, the thermal conductivity of the thin films according to the above-described Examples 1-1 to 1-3 and the high heat dissipation thin film, Comparative Example 1-1, and Comparative Example 1-2 was measured using the NETZSH LFA equipment . The measurement results are summarized as in [Table 2] and Fig. 5 below.
  • the thermal conductivity is controlled according to the thickness of the carbon layer by comparing Examples 1-1 to 1-3. Specifically, in comparison with the case where the thickness of the carbon layer was 2.5 nm and the case where the thickness of the carbon layer was 10 nm according to Example 1-3 in accordance with Example 1-1, When the thickness is 5 nm, it can be confirmed that the thermal conductivity is remarkably high. Specifically, in the case of the high heat dissipating thin film according to Example 1-2, the thermal conductivity was higher than that of the high heat dissipating thin film according to Example 1-1 by about 13% or more and compared with the high heat dissipating thin film according to Example 1-3 It is confirmed that the thermal conductivity is higher than about 29%.
  • controlling the thickness of the carbon layer formed on the metal substrate to more than 2.5 nm and less than 10 nm is an efficient method of improving the thermal conductivity of the thin film.
  • FIG. 6 is a graph showing the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film according to the embodiment 1-3 of the present invention measured according to the heat treatment temperature.
  • a carbon layer having a thickness of 10 nm is formed on an aluminum substrate according to the above-described Embodiment 1-3, and the heat treatment temperature is set to 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C., 500 ° C., and 600 ° C. Respectively.
  • the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film with different heat treatment temperature was measured using NETZSH LFA equipment. The measurement results are summarized in Table 3 below and FIG.
  • the thermal conductivity is controlled by the heat treatment temperature. Specifically, as compared with the case where the heat treatment temperature is 300 to 350 ⁇ ⁇ and the case where the heat treatment temperature is 500 to 600 ⁇ ⁇ , it can be confirmed that the thermal conductivity is remarkably high when the heat treatment temperature is more than 350 ⁇ ⁇ and less than 500 ⁇ ⁇ . Specifically, when the heat treatment temperature is 400 ° C., the thermal conductivity is the highest at 297 W / mK, which is about 21% higher than the heat treatment temperature of 300 ° C. and about 16% , About 23% higher than that of the heat treatment temperature of 500 ° C and about 46% higher than that of the heat treatment temperature of 600 ° C.
  • a 35 mu m copper substrate was prepared from a metal substrate. Carbon ions were provided on the copper substrate, a preliminary carbon layer was formed, and a heat treatment process was performed at different temperatures. Specifically, a heat treatment process was performed at 400 ° C, 500 ° C, 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C, and 900 ° C for 30 minutes while raising the temperature to 15 ° C / 1 to 2-6, a highly heat-radiating thin film having a carbon layer of 5 nm formed on a copper substrate was prepared.
  • FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity of the high heat dissipation thin film according to Examples 2-1 to 2-6 of the present invention.
  • the thermal conductivity is controlled in accordance with the heat treatment temperature. Specifically, as compared with the case where the heat treatment temperature is 400 to 500 ° C and the case where the heat treatment temperature is 900 ° C, it can be confirmed that the heat conductivity is remarkably high when the heat treatment temperature is higher than 500 ° C and lower than 900 ° C. Specifically, when the heat treatment temperature is 800 ° C., the thermal conductivity is the highest at 460 W / mK, which is about 41% higher than that at 400 ° C. and about 36% , And the heat treatment temperature was measured to be about 20% higher than that at 900 ° C.
  • the present invention relates to a high-heat-generating thin film and can be used as a heat-radiating material for various electronic apparatuses.

Abstract

고방열 박막이 제공된다. 상기 고방열 박막은, 금속 기판, 및 상기 금속 기판 상에 배치되고, 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇은 탄소층을 포함할 수 있다.

Description

고방열 박막 및 그 제조 방법
본 발명은 고방열 박막 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 금속 기판 상의 탄소층을 포함하는 고방열 박막 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
최근 자동차, 전기 전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다.
방열 재료의 소재 성분을 살펴보면 탄소재료나 세라믹 소재 같은 고열전도성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합 소재가 대부분이다. 열전도성 고분자는 기존 고분자 재료의 장점인 용이한 가공성, 저비용, 경량화, 제품형태의 다양성 등을 그대로 유지하면서 금속과 세라믹 재료의 특성을 부여할 수 있다. 또한 복합 소재를 사용하는 이유는 고열전도성 무기 필러 소재가 열전도성이 우수하나 접착력이 없고 고분자 소재는 접착력은 우수하나 열전도성은 낮기 때문이다. 그러나 고분자 복합 재료의 높은 열전도도를 달성하기 위해서는 많은 양의 필러가 들어가게 되는데 이러한 경우에는 가공 조건이 난해해지고 제품의 물리적 성질이 저해되는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록공보 10-1534232에는, 고방열 방사 유,무기 복합 코팅박막이 형성된 히트 싱크를 이용하요, 집적화로 인해 공간이 협소해진 전기, 전자제품의 열원의 온도를 효과적으로 감소시키는 발명이 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 열전도도가 향상된 고방열 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 고방열 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 절감된 고방열 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 고방열 박막을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고방열 박막은, 금속 기판, 및 상기 금속 기판 상에 배치되고, 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇은 탄소층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소층은 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판은, 알루미늄, 구리, 또는 철 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고방열 박막의 제조 방법은, 금속 기판을 준비하는 단계, 상기 금속 기판 상에 탄소 이온을 제공하여, 예비 탄소층을 형성하는 단계, 및 상기 금속 기판 및 상기 예비 탄소층을 열처리하여, 상기 금속 기판 상에 탄소층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 탄소층은 상기 예비 탄소층과 비교하여, 열 전도율이 높은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판의 종류에 따라서, 상기 열처리 온도가 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판이 알루미늄을 포함하는 경우, 350℃ 초과 500℃ 미만에서 상기 열처리가 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판이 구리를 포함하는 경우, 500℃ 초과 900℃ 미만에서 상기 열처리가 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리는 무산소 및 무수소 분위기에서 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리에 의해, 상기 예비 탄소층 내의 탄소 원자들이 재배열되어, 상기 탄소층은 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소층의 두께는, 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막은, 금속 기판 상에 배치된 탄소층을 포함하되, 상기 탄소층은 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇고, 그래핀을 포함할 수 있다. 이에 따라, 열전도율이 향상된 고방열 박막이 제공될 수 있다.
또한, 상기 고방열 박막은, 상기 금속 기판 상에 탄소 이온을 제공하여 예비 탄소층을 형성하고, 상기 예비 탄소층을 열처리하는 단순한 공정으로 제조될 수 있다. 이에 따라, 제조 비용이 절감되고, 제조 공정이 간소화된 고방열 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막에 포함된 탄소층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1, 및 비교 예 1-2에 따른 박막들의 열 전도율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막의 열처리 온도에 따른 열 전도율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막의 열 전도율을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막에 포함된 탄소층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 금속 기판(110)이 준비된다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110)은 알루미늄 기판일 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110)은 구리 기판일 수 있다. 또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110)은 철을 포함하는 기판일 수 있다.
상기 금속 기판(110) 상에 탄소 이온을 제공하여, 예비 탄소층(120)이 형성될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110) 상에 상기 탄소 이온을 제공하는 단계는, 상기 금속 기판(110)을 챔버 내에 배치하는 단계, 및 상기 챔버 내의 탄소 소스에 에너지를 인가하여, 상기 탄소 소스로부터 상기 탄소 이온을 방출시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 챔버 내에 탄소 잉곳(carbon ingot)을 배치시키고 상기 탄소 잉곳에 열 또는 전기 에너지를 인가하여 상기 탄소 이온이 방출될 수 있다. 이 경우, 상기 챔버는 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 가스) 분위기일 수 있고, 10~15mTorr 압력 조건을 가질 수 있다.
상기 예비 탄소층(120)은 상기 탄소 이온들이 상기 금속 기판(110) 상에 증착되어 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 예비 탄소층(120) 내의 탄소 원자들은 임의적으로(randomly) 배열된 상태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 이온들이 상기 금속 기판(110) 상에 용이하게 증착될 수 있도록, 상기 금속 기판(110)이 전처리(pretreatment)될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 금속 기판(110) 상에 페시베이션막(예를 들어, 산화막)이 형성될 수 있고, 상기 페시베이션막에 의해 상기 탄소 이온이 상기 금속 기판(110) 내부로 삽입되는 것이 감소될 수 있다. 이와 달리, 상기 금속 기판(110) 내부로 다수의 상기 탄소 이온들이 삽입되는 경우, 상기 금속 기판(110) 상에 상기 예비 탄소층(120)을 형성하는 것이 용이하지 않고, 이 경우, 후술되는 바와 같이 상기 예비 탄소층(120)의 열처리에 의해 그래핀을 갖는 탄소층(130)을 제조하는 것이 용이하지 않다.
상기 금속 기판(110) 및 상기 예비 탄소층(120)을 열처리하여, 상기 금속 기판(110) 상에 탄소층(130)이 형성될 수 있다(S130). 상기 열처리에 의해, 상기 예비 탄소층(120) 내의 상기 탄소 원자들이 임의적으로 배열된 상태에서 재배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소층(130)은 상기 예비 탄소층(120) 내의 상기 탄소 원자들이 재배열되어 형성된 그래핀을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 상기 탄소층(130)은 상기 탄소 원자들이 재배열되어 도 4에 도시된 바와 같이, honeycomb structure를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소층(130) 전체가 그래핀일 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 탄소층(130)의 적어도 일부는 그래핀이고, 나머지 일부는 탄소 원자들이 임의적으로 배열된 상태일 수 있다. 즉, 평면적 관점에서, 상기 탄소층(130)의 일부 영역이 그래핀이고, 나머지 일부 영역은 탄소 원자들이 임의적으로 배열된 상태일 수 있다. 또는, 단면적 관점에서, 상기 탄소층(130)의 일부 영역이 그래핀이고, 나머지 일부 영역은 탄소 원자들이 임의적으로 배열된 상태일 수 있다.
이에 따라, 상기 탄소층(130)은 상기 예비 탄소층(120)과 비교하여, 높은 열 전도율을 가질 수 있다. 구체적으로, 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110) 및 상기 탄소층(130)을 포함하는 고방열 박막의 열 전도도는 약 380W/mk 이상일 수 있다.
상기 탄소층(130)의 두께가 2.5nm 이하이거나, 또는 10nm 이상인 경우와 비교하여, 상기 탄소층(130)의 두께가 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇은 경우, 상기 금속 기판(110) 및 상기 탄소층(130)을 포함하는 박막의 열 전도율이 현저하게 높을 수 있다. 이에 따라, 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소층(130)의 두께는 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇을 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110)의 종류에 따라서, 상기 열처리 온도가 제어될 수 있고, 이에 따라 상기 금속 기판(110) 및 상기 탄소층(130)을 포함하는 박막의 열 전도율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 상기 금속 기판(110)이 알루미늄을 포함하는 경우, 상기 열처리가 350℃ 이하 또는 500℃ 이상에 수행되는 경우 열 전도율이 저하될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 기판(110)이 알루미늄을 포함하는 경우, 350℃ 초과 500℃ 미만에서 상기 열처리가 수행될 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 금속 기판(110)이 구리를 포함하는 경우, 상기 열처리가 500℃ 이하 또는 900℃ 이상에 수행되는 경우 열 전도율이 저하될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 기판(110)이 구리를 포함하는 경우, 500℃ 초과 900℃ 미만에서 상기 열처리가 수행될 수 있다.
만약, 상기 열처리가 산소를 포함하는 분위기 또는 수소를 포함하는 분위기에서 수행되는 경우, 상기 예비 탄소층(120)에 포함된 탄소들이 산소 및 수소와 반응하여, CO2 및 CH3 가스가 생성되고, 이에 따라, 상기 예비 탄소층(120)으로부터 상기 탄소층(130)을 제조하는 것이 용이하지 않다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 열처리는 무산소 및 무수소 분위기에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스(예를 들어, 아르곤) 분위기에서 상기 열처리가 수행될 수 있다.
상기 열처리는 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 열처리는 furnace를 이용하여 수행될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 열처리는 줄 히팅(joule heating) 방법으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 예비 탄소층(120) 상에 복수의 전극을 접촉시키고, 상기 복수의 전극을 통해 전류를 인가하는 방법으로 상기 열처리가 수행될 수 있다. 이 경우, 복수의 전극들 사이에 전류의 경로(path)가 형성될 수 있고, 상기 전류의 경로에 인접한 상기 예비 탄소층(120)의 일부 영역들 또는 상기 예비 탄소층(120) 전체가 상기 탄소층(120, 그래핀)으로 변환될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 기판(110)에 열에 의한 손상을 최소화시키면서, 상기 예비 탄소층(120)에 국부적으로 고온의 열을 인가하여, 상기 탄소층(120)을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속 기판(110) 상에 상기 탄소 이온을 제공하여 상기 예비 탄소층(120)을 형성하고, 상기 예비 탄소층(120)을 열처리하여 그래핀을 포함하는 상기 탄소층(130)이 상기 금속 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소층(130) 내의 그래핀에 의해 열전도율이 향상될 수 있고, 이에 따라, 상기 금속 기판(110) 및 상기 탄소층(130)을 포함하는 고방열 박막이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 금속 기판(110)에 상기 탄소 이온을 제공하고 열처리를 수행하는 간소한 공정으로 고방열 박막이 제조될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 고방열 박막 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예 및 그 결과가 설명된다.
실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막 제조
금속 기판으로 30㎛의 알루미늄 기판을 준비했다. 알루미늄 기판 상에 탄소 이온을 제공하여, 예비 탄소층을 형성하고, 400℃에서 열처리 공정을 수행하였다. 구체적으로 15℃/분으로 온도를 상승시키면서, 30분 동안 열처리 공정을 수행하였다. 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따라서, 알루미늄 기판 상에 2.5nm의 탄소층, 5nm의 탄소층, 및 10nm의 탄소층이 형성된 고방열 박막을 제조하였다.
비교 예 1-1에 따른 박막
상술된 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막에 대한 비교 예로, 30㎛의 알루미늄 기판을 준비하였다.
비교 예 1-2에 따른 박막
상술된 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막에 대한 비교 예로, 30㎛의 알루미늄 기판을 준비하고, 알루미늄 기판 상에 상술된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 방법와 동일하게 탄소 이온을 제공하여 5nm 두께의 예비 탄소층을 형성하였다. 이후, 상술된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 방법과 달리 열처리 공정을 수행하지 않았다.
상술된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1, 및 비교 예 1-2에 따른 박막은 아래의 [표 1]과 같이 정리될 수 있다.
구분 금속 기판 탄소층의 두께 열처리 온도 열전도율
실시 예 1-1 Al 2.5nm 400℃ 339 W/mK
실시 예 1-2 5nm 400℃ 384 W/mK
실시 예 1-3 10nm 400℃ 297 W/mK
비교 예 1-1 - - 221 W/mK
비교 예 1-2 5nm - 236 W/mK
실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1 및 비교 예 1-2에 따른 박막의 열전도율 측정
도 5는 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1, 및 비교 예 1-2에 따른 박막들의 열 전도율을 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상술된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1, 및 비교 예 1-2에 따른 박막들의 열 전도율을 측정하였다. 구체적으로 NETZSH사의 LFA 장비를 이용하여, 상술된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막, 비교 예 1-1, 및 비교 예 1-2에 따른 박막들의 열 전도율을 측정하였다. 측정 결과는 아래의 [표 2] 및 도 5와 같이 정리된다.
구분 탄소층의 두께 열전도율
실시 예 1-1 2.5nm 339 W/mK
실시 예 1-2 5nm 384 W/mK
실시 예 1-3 10nm 297 W/mK
비교 예 1-1 - 221 W/mK
비교 예 1-2 5nm 236 W/mK
도 5 및 [표 2]에서 알 수 있듯이, 탄소층이 형성되지 않은 비교 예 1-1에 따른 알루미늄 박막과 비교하여, 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막의 열 전도율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다.
또한, 예비 탄소층을 알루미늄 기판 상에 형성한 후, 열처리 공정을 수행하지 않은 비교 예 1-2에 따른 박막의 경우, 예비 탄소층 및 탄소층이 형성되지 않은 비교 예 1-1에 따른 알루미늄 박막과 비교하여, 열 전도율이 다소 높은 것으로 측정되었으나, 열처리 공정을 수행하여 탄소층이 형성된 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막과 비교하여, 열 전도율이 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 알루미늄 기판 상에 탄소 이온을 제공하여 예비 탄소층을 형성하고, 열처리 공정을 수행하는 것이, 박막의 열전도성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시 예 1-1 내지 실시 예 1-3을 비교하면, 탄소층의 두께에 따라서 열 전도율이 제어되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시 예 1-1에 따라서 탄소층의 두께가 2.5nm인 경우, 및 실시 예 1-3에 따라서 탄소층의 두께가 10nm인 경우와 비교하여, 실시 예 1-2에 따라서 탄소층의 두께가 5nm인 경우, 열 전도율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시 예 1-2에 따른 고방열 박막의 경우, 실시 예 1-1에 따른 고방열 박막과 비교하여 열 전도율이 약 13% 이상 높고, 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막과 비교하여 열 전도율이 약 29% 이상 높은 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 금속 기판 상에 형성되는 탄소층의 두께를 2.5nm 초과 10nm 미만으로 제어하는 것이, 박막의 열 전도성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
열처리 온도에 따른 열 전도율 측정
도 6은 본 발명의 실시 예 1-3에 따른 고방열 박막의 열처리 온도에 따른 열 전도율을 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상술된 실시 예 1-3에 따라서 알루미늄 기판 상에 10nm두께의 탄소층을 형성하되, 열처리 온도를 300℃, 350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 및 600℃로 제어하였다. 열처리 온도가 다른 고방열 박막의 열 전도율을 NETZSH사의 LFA 장비를 이용하여, 측정하였다. 측정 결과는 아래의 [표 3] 및 도 6과 같이 정리된다.
구분 금속 기판 탄소층의 두께 열처리 온도 열전도율
실시 예 1-3 Al 10nm 300℃ 245 W/mK
350℃ 256 W/mK
400℃ 297 W/mK
450℃ 290 W/mK
500℃ 241 W/mK
600℃ 203 W/mK
도 6 및 [표 3]에서 알 수 있듯이, 열처리 온도에 따라서, 열 전도율이 제어되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도가 300~350℃인 경우, 및 열처리 온도가 500~600℃인 경우와 비교하여, 열처리 온도가 350℃ 초과 500℃ 미만인 경우, 열 전도율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도가 400℃인 경우 열 전도율이 297W/mK로 가장 높은 것으로 측정되었으며, 열처리 온도가 300℃인 경우와 비교하여 약 21%, 열처리 온도가 350℃인 경우와 비교하여 약 16%, 열처리 온도가 500℃인 경우와 비교하여 약 23%, 열처리 온도가 600℃인 경우와 비교하여 약 46% 높은 것으로 측정되었다.
결론적으로, 알루미늄 기판 상에 예비 탄소층을 형성한 후, 탄소층을 제조하기 위한 열처리 공정의 온도를 350℃ 초과 500℃ 미만으로 조절하는 것이, 박막의 열 전도성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
실시 예 2-1 내지 실시 예 1-6에 따른 고방열 박막 제조
금속 기판으로 35㎛의 구리 기판을 준비했다. 구리 기판 상에 탄소 이온을 제공하여, 예비 탄소층을 형성하고, 온도를 달리하면서, 열처리 공정을 수행하였다. 구체적으로, 15℃/분으로 온도를 상승시키면서, 30분 동안, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 및 900℃ 에서, 열처리 공정을 수행하여, 본 발명의 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따라서, 구리 기판 상에 5nm의 탄소층이 형성된 고방열 박막을 제조하였다.
비교 예 2-1에 따른 박막
상술된 본 발명의 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막에 대한 비교 예로, 35㎛의 구리 기판을 준비하였다.
비교 예 2-2에 따른 박막
상술된 본 발명의 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막에 대한 비교 예로, 35㎛의 구리 기판을 준비하고, 구리 기판 상에 상술된 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 방법와 동일하게 탄소 이온을 제공하여 5nm 두께의 예비 탄소층을 형성하였다. 이후, 상술된 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 방법과 달리 열처리 공정을 수행하지 않았다.
상술된 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막, 비교 예 2-1, 및 비교 예 2-2에 따른 박막은 아래의 [표 4]과 같이 정리될 수 있다.
구분 금속 기판 탄소층의 두께 열처리 온도
실시 예 2-1 Cu 5nm 400℃
실시 예 2-2 500℃
실시 예 2-3 600℃
실시 예 2-4 700℃
실시 예 2-5 800℃
실시 예 2-6 900℃
비교 예 2-1 - -
비교 예 2-2 5nm -
실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막, 비교 예 2-1 및 비교 예 2-2에 따른 박막의 열전도율 측정
도 7은 본 발명의 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막의 열 전도율을 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막의 열 전도율, 및 비교 예 2-1 및 비교 예 2-2에 따른 박막들의 열 전도율을 NETZSH사의 LFA 장비를 이용하여 측정하였다. 측정 결과는 아래의 [표 5] 및 도 7와 같이 정리된다.
구분 열처리 온도 열전도율
실시 예 2-1 400℃ 327 W/mK
실시 예 2-2 500℃ 339 W/mK
실시 예 2-3 600℃ 409 W/mK
실시 예 2-4 700℃ 435 W/mK
실시 예 2-5 800℃ 460 W/mK
실시 예 2-6 900℃ 384 W/mK
비교 예 2-1 - 298 W/mK
비교 예 2-2 - 313 W/mK
도 7 및 [표 5]에서 알 수 있듯이, 탄소층이 형성되지 않은 비교 예 2-1에 따른 구리 박막과 비교하여, 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막의 열 전도율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다.
또한, 예비 탄소층을 구리 기판 상에 형성한 후, 열처리 공정을 수행하지 않은 비교 예 2-2에 따른 박막의 경우, 예비 탄소층 및 탄소층이 형성되지 않은 비교 예 2-1에 따른 구리 박막과 비교하여, 열 전도율이 다소 높은 것으로 측정되었으나, 열처리 공정을 수행하여 탄소층이 형성된 실시 예 2-1 내지 실시 예 2-6에 따른 고방열 박막과 비교하여, 열 전도율이 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 구리 기판 상에 탄소 이온을 제공하여 예비 탄소층을 형성하고, 열처리 공정을 수행하는 것이, 박막의 열전도성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
또한, 열처리 온도에 따라서, 열 전도율이 제어되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도가 400~500℃인 경우, 및 열처리 온도가 900℃인 경우와 비교하여, 열처리 온도가 500℃ 초과 900℃ 미만인 경우, 열 전도율이 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 열처리 온도가 800℃인 경우 열 전도율이 460W/mK로 가장 높은 것으로 측정되었으며, 열처리 온도가 400℃인 경우와 비교하여 약 41%, 열처리 온도가 500℃인 경우와 비교하여 약 36%, 열처리 온도가 900℃인 경우와 비교하여 약 20% 높은 것으로 측정되었다.
결론적으로, 구리 기판 상에 예비 탄소층을 형성한 후, 탄소층을 제조하기 위한 열처리 공정의 온도를 500℃ 초과 900℃ 미만으로 조절하는 것이, 박막의 열 전도성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6, [표 3], 도 7, [표 5]를 참조하면, 사용되는 금속 기판의 종류에 따라서, 열 전도율이 최대값을 갖는 열처리 온도 범위가 상이한 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 금속 기판의 종류에 따라서, 열처리 온도를 제어하는 것이, 열 전도율을 향상시키는 효과적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
본 발명은 고박열 박막에 관한 것으로, 각종 전자 기기의 방열 소재로 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 금속 기판; 및
    상기 금속 기판 상에 배치되고, 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇은 탄소층을 포함하는 고방열 박막.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소층은 그래핀을 포함하는 고방열 박막.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 기판은, 알루미늄, 구리, 또는 철 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 고방열 박막.
  4. 금속 기판을 준비하는 단계;
    상기 금속 기판 상에 탄소 이온을 제공하여, 예비 탄소층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 기판 및 상기 예비 탄소층을 열처리하여, 상기 금속 기판 상에 탄소층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 탄소층은 상기 예비 탄소층과 비교하여, 열 전도율이 높은 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 금속 기판의 종류에 따라서, 상기 열처리 온도가 제어되는 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 금속 기판이 알루미늄을 포함하는 경우, 350℃ 초과 500℃ 미만에서 상기 열처리가 수행되는 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 금속 기판이 구리를 포함하는 경우, 500℃ 초과 900℃ 미만에서 상기 열처리가 수행되는 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 열처리는 무산소 및 무수소 분위기에서 수행되는 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 열처리에 의해, 상기 예비 탄소층 내의 탄소 원자들이 재배열되어, 상기 탄소층은 그래핀을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 탄소층의 두께는, 2.5nm보다 두껍고 10nm보다 얇은 것을 포함하는 고방열 박막의 제조 방법.
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