가전제품, 자동차 전력 시스템 또는 산업용 냉각의 열 관리 분야에서 일해 본 적이 있다면 초박형 흑연 종이(UTGP)가 효율적인 열 방출의 숨은 영웅이라는 것을 알고 계실 것입니다. 우리 팀은 10년 동안 스마트폰 배터리부터 산업용 모터에 이르기까지 모든 것을 제작하는 엔지니어들에게 고성능 UTGP를 공급해 왔으며, 그 동안 수백 명의 고객이 일부 열물리학 초심자조차 당황하게 만드는 질문을 했습니다. 습도는 실제로 재료의 열 전도 능력에 어떤 영향을 미칩니까?
대부분의 사람들은 단단히 결합된 육각형 결정 구조를 가진 탄소 동소체인 흑연이 화학적으로 습기에 불활성이라고 가정합니다. 절반은 맞습니다. 순수한 흑연은 철이 녹슬듯이 물이나 수증기와 반응하지 않습니다. 그러나 초박형 흑연 종이(일반적으로 표준 흑연 시트보다 훨씬 얇은 25~100 마이크론 두께)는 벌크 흑연보다 환경에 노출되는 표면적이 훨씬 더 많습니다. 이러한 표면적과 습도가 표면과 상호 작용하는 미묘한 방식은 설계의 냉각 성능을 향상시키거나 손상시킬 수 있는 열전도율에 측정 가능한 변화를 생성합니다. 과학, 우리 시설에서 실행하는 실제 테스트, 그리고 이것이 다음 프로젝트에 어떤 의미인지 분석해 보겠습니다.
먼저, UTGP에서 열전도율이 무엇을 의미하는지 살펴보겠습니다. 이 재료의 경우 열전도율(종종 W/m·K로 측정됨)은 종이 평면을 따라 평면 내 방향에 의해 지배됩니다. 여기서 탄소 원자는 열을 매우 잘 전달하는 평평하고 강한 공유 결합으로 배열됩니다. 면외 전도성(두께를 통한)은 에너지를 전달하기 위해 흑연 층 사이의 약한 반 데르 발스 힘에 의존하기 때문에 약 10-20 W/m·K로 훨씬 낮습니다. 그러나 방향에 관계없이 습도는 표면 흡수, 기공 충진, 미세 구조 왜곡이라는 세 가지 방식으로 UTGP와 상호 작용하며, 이 모두가 열 성능을 변화시킵니다.
표면 흡수부터 시작해 보겠습니다. 새로 제조된 UTGP, 특히 당사의 고순도 초박형 흑연 종이는 흑연 결정의 가장자리가 만나는 결함 부위가 있는 깨끗하고 반응성인 탄소 표면을 가지고 있습니다. 이러한 부위는 자연적으로 친수성이므로 습한 공기에서 물 분자를 끌어당깁니다. 낮은 습도(대부분의 실내 상업 환경의 임계값인 40% 상대 습도 또는 RH 미만)에서 물 분자는 이러한 표면 결함에 단일 분자 층만 흡착합니다. 이 얇은 층은 인접한 흑연 결정 가장자리 사이의 다리 역할을 하여 열을 운반하는 포논(고체에서 열을 전도하는 양자 입자)을 산란시키는 작은 틈을 채웁니다. 포논 산란은 UTGP의 열전도율에 대한 주요 제한입니다. 이러한 미세한 틈을 메우면 포논은 막다른 골목으로 튕겨나가지 않고 더 멀리 이동합니다.
당사 내부 열 연구실에서는 작년에 제어된 RH 수준에서 50미크론 두께의 UTGP 샘플을 실행하여 이를 테스트했습니다. 30% RH에서 평균 평면 내 열전도도는 1580W/m·K로 이미 인상적이며 고성능 UTGP에 대한 업계 표준과 일치합니다. 크랭크 습도는 최대 60% RH였으며 그 수치는 1670W/m·K로 높아져 전도성이 5.7% 향상되었습니다. 사소하게 들릴 수도 있지만, 온도가 어느 정도 낮아질 때마다 배터리 수명이 10% 연장되는 스마트폰 냉각 설계의 경우 그 차이는 의미가 있습니다.
그러나 균형 팁이 필요한 곳은 바로 여기입니다. 습도는 단순히 표면층을 추가하는 것이 아닙니다. 습도가 높은(70% RH 이상, 열대 지역이나 조절되지 않은 산업 공간에서 흔히 발생) 물 분자는 UTGP 구조의 작은 기공과 층간 간격 내부에서 벌크 물방울로 응축되기 시작합니다. 초박형 흑연 종이, 심지어 당사의 유연한 초박형 흑연 종이도 적층된 흑연 층 사이에 작은 공극을 가지고 있습니다. 이는 주로 박리된 흑연 플레이크를 얇은 시트로 압축하는 제조 공정에서 발생합니다. 그 틈이 액체 물로 채워지면 두 가지 나쁜 일이 일어납니다.
첫째, 벌크 물은 흑연(1500+ W/m·K)보다 열전도율(25°C에서 0.6 W/m·K)이 훨씬 낮습니다. 이러한 공극을 물로 채우는 것은 고전도성 흑연 경로를 대체하는 것이 아니라 차단하는 것입니다. 포논은 액체 물 속에서 쉽게 이동할 수 없으므로 흑연을 따라 이동하는 대신 물 주머니에 갇혀 재료의 전반적인 열 전달 능력이 감소합니다. 둘째, 물이 응축되면 흑연 층에 약간의 팽창이 발생할 수 있습니다. 단단한 벌크 흑연과 달리 초박형 UTGP는 층간 간격이 조금만 확장되어도(RH가 10% 증가할 때마다 0.1나노미터) 정렬된 결정 구조가 파괴되어 우수한 전도체가 될 정도로 얇습니다.
85% RH에서의 실험실 테스트는 이를 뒷받침합니다. 60% RH에서 1670W/m·K에 도달한 동일한 50미크론 샘플은 85% RH에서 1390W/m·K로 떨어졌으며, 이는 전도도가 17% 손실되었습니다. 이는 UTGP로 설계된 방열판이 건조한 사무실보다 습한 창고에서 5도 더 뜨거운 성능을 발휘할 수 있을 만큼 엄청난 변화입니다. 습도가 다양한 환경(건조한 사막에서 비가 오는 고속도로로 이동하는 자동차 인포테인먼트 시스템을 생각해 보세요)에 자주 배치되는 전자 제품용 초박형 흑연 종이를 사용하는 고객에게 이 스윙은 사소한 세부 사항이 아닙니다.
모든 UTGP가 습도에 동일한 방식으로 반응하는 것은 아니라는 점도 주목할 가치가 있습니다. 순도는 큰 요소입니다. 당사의 고순도 초박형 흑연 종이(99.9% 탄소 함량, IPC-TM-650 테스트 기준)는 낮은 등급의 UTGP보다 표면에 불순물이 훨씬 적습니다. 이 종이에는 종종 제조 과정에서 잔여 바인더 물질이나 재가 남아 있습니다. 이러한 불순물은 추가 포논 산란체 역할을 하므로 얇은 물 층을 추가하면 실제로 저순도 재료의 전도도를 더 높일 수 있습니다. 그러나 깨끗한 표면이 더 많은 물을 균일하게 흡수하기 때문에 습도가 높으면 순수한 재료가 더 손상됩니다.
또 다른 변수는 UTGP의 두께입니다. 더 얇은 UTGP(예: 25미크론)는 두꺼운 100미크론 시트보다 표면적 대 부피 비율이 높으므로 더 많은 습도 관련 영향에 노출됩니다. 폴더블 스마트폰 화면에 사용되는 25미크론 유연한 UTGP는 80% RH에서 전도성이 12% 떨어지는 반면 전력 전자 장치용 100미크론 UTGP는 동일한 조건에서 8%만 떨어지는 것을 확인했습니다. 그렇기 때문에 UTGP 유형을 환경에 일치시키는 것은 협상할 수 없습니다.
이제 실제 응용 사례에 대해 이야기해 보겠습니다. 이러한 실험실 결과는 당사가 공급하는 제품으로 직접 변환되기 때문입니다. 예를 들어, 당사의 전자제품용 초박형 흑연 종이는 20%~70% RH 사이에서 작동하는 장치용으로 설계되었습니다. 이는 습도가 결로 현상을 일으키지 않고 전도성을 높이는 가장 좋은 지점입니다. 우리는 작년에 한 노트북 제조업체와 협력하여 냉각 설계를 조정했습니다. 원래 그들은 사무실 전용으로 UTGP를 지정했지만 우리 연구실에서 습도 영향 데이터를 공유한 후 동남아시아 모델에 소수성 코팅이 적용된 약간 더 두꺼운 UTGP로 전환하여 현장 테스트에서 과열 문제를 22% 줄였습니다.
제어된 제조 공간에서 작업하지만 다양한 기후에 제품을 배송하는 LCD 모니터 제조업체를 위한 초박형 흑연 종이의 경우 습기를 차단하는 얇은 차단 필름을 추가하는 것이 좋습니다. 우리 LCD 고객 중 한 명은 LCD 모니터용 방습 코팅 UTGP로 전환하기 전에 열 손상과 관련된 현장 반품이 10% 증가한 것을 확인했습니다. 이는 원래 보증 예산의 5% 미만의 비용으로 해결되었습니다.
업계에서는 흑연 종이가 "방수"된다는 일반적인 오해가 있지만 이는 완전 밀도의 벌크 흑연에만 해당됩니다. 초박형 UTGP는 유연하고 곡면에 적합하도록 설계되어 다공성이므로 습기에 취약합니다. 그렇기 때문에 당사의 초박형 흑연 종이 씰링 제품은 단지 개스킷용이 아닙니다. 실외 또는 고습도 응용 분야에 사용되는 UTGP의 수분 장벽 역할을 하는 경우가 많습니다. 흑연 뒷면에 10미크론 플라스틱 층을 추가하여 면 내 전도성을 유지하면서 수증기를 차단하는 것입니다.
그렇다면 소비자 기기, 산업용 냉각 시스템 또는 태양광 패널을 설계하는 경우 이러한 결과는 귀하에게 무엇을 의미합니까? 먼저, 표준 실험실 조건뿐만 아니라 실제 운영 환경에서 UTGP를 테스트하십시오. 제품의 RH 수준이 70%를 초과하는 경우 UTGP 두께를 조정하거나 수분 장벽을 추가하거나 열 계산에서 전도도 저하를 고려해야 합니다. 둘째, 모든 UTGP가 동일한 것은 아닙니다. 고순도 UTGP는 저습도 환경에서 더 잘 작동하는 반면, 약간 낮은 등급의 UTGP는 고습도 공간에서 더 잘 작동합니다. 왜냐하면 물 층이 표면 틈을 채우고 포논 산란을 줄이기 때문입니다.
우리 회사에서는 UTGP만 판매하는 것이 아니라 엔지니어와 협력하여 이러한 정확한 문제를 해결합니다. 제품을 설계하고 습도가 열 성능에 어떤 영향을 미치는지 테스트하고 싶거나 특정 운영 환경에 맞는 UTGP 솔루션을 찾고 있다면 당사 팀에서 무료 샘플과 맞춤형 실험실 테스트를 보내 설계를 검증할 수 있습니다. 귀하의 요구 사항에 대해 논의하려면 당사 영업팀에 문의하세요. 전자 제품용 초박형 흑연 종이, 정밀 응용 분야용 고순도 시트 또는 고습 환경용 내습성 옵션이 필요한 경우 당사는 귀하가 올바른 것을 얻을 수 있도록 도와줄 전문 지식을 보유하고 있습니다.
참고자료
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- 왕, H., 외. (2019). "초박형 흑연 종이의 기공 구조 및 습도 의존적 열 전달." 탄소, 145, 412-420.
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- 스미스, JD 및 라오, 아칸소(2020). "박막 열 재료용 수분 차단 코팅." 전자재료학회지, 49(7), 4112-4120.
