[논문]탄소물질을 이용한 전자부품의 열 방출효과

엄운용; 노재승; 안재상; 강동수; 서승국; 김석환

doi:10.3740/mrsk.2010.20.4.204

Abstract ▼ AI-Helper

Recent high efficiency electronic devices have been found to have heat emission problems. As for LEDs, an excessive increase in the device temperature causes a drop of the luminous efficiency and circuit lifetime. Therefore, heat release in the limited space of such electronic parts is very importan...

Recent high efficiency electronic devices have been found to have heat emission problems. As for LEDs, an excessive increase in the device temperature causes a drop of the luminous efficiency and circuit lifetime. Therefore, heat release in the limited space of such electronic parts is very important. This is a study of the possibility of using a coating of carbon materials as a solution for the thermal emission problem of electronic devices. Powdered carbon materials, cokes, carbon blacks, amorphous graphite, and natural flakes were coated with an organic binder on an aluminum sheet and the subsequent thermal emissivity was measured with an FT-IR spectrometer and was found to be in the range of $5{\sim}20\;{\mu}m$ at $50^{\circ}C$. The emissivity of the carbon materials coated on the aluminum sheet was shown to be over 0.8 and varied according to carbon type. The maximum thermal emissivity on the carbon black coated-aluminum surface was shown to be 0.877. The emissivity of the anodized aluminum sheets that were used as heat releasing materials of the electronic parts was reported to be in the range of 0.7~0.8. Therefore, the use of a coating of carbon material can be a potential solution that facillitates heat dissipation for electronic parts.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

8정도인 것을 감안할 때 탄소물질이 코팅된 방열판은 LED 및 태양광소자 등의 전자부품의 열방출에 효과가 클 것으로 판단된다.¹⁹⁾ 추후 전자부품의 알루미늄 방열판에 탄소물질을 직접 코팅을 실시하여 열방출 효과를 입증하고자 한다.
본 연구는 열방사 능력이 우수한 탄소 및 흑연분말을 유기바인더와 혼합하여 전자부품의열방출을 위한 방열판소재로 널리 이용되는 알루미늄 기판 위에 코팅하였으며, 탄소재료의 코팅 전과 코팅 후의 열방사율 변화를 비교하여 LED 및 태양광소자 등의 전자부품의 열방출효과 가능성을 타진하고자 하였다.

제안 방법

각각의 분말과 유기바인더를 50℃에서 3시간 동안 교반시켜 페이스트를 제조하였고, 제조한 각각의 페이스트를 기판에 코팅 한 후 150℃에서 30분간 건조시켰다. 기판으로는 알루미늄(Al 6061) 판을 이용하였으며, 열방사율을 측정기의 시료 장착실에 맞추기 위하여 Fig.
전자현미경을 이용하여 각각의 분말의 이미지와 기판에 코팅한 후 코팅층의 이미지를 관찰하였다. 관찰 배율은 5,000배였으며, 코팅 전 분말의 입자 형상과 코팅 후 코팅층의 표면의 입자 형상을 관찰하였다.
원적외선 측정 장비를 이용하여 탄소와 흑연의 종류에 따른 열방사율을 비교하였다. 그리고 탄소 및 흑연 분말을 유기바인더와 혼합하여 금속 기판에 코팅하여 코팅전과 후의 열방사율 변화를 측정하였고, 분말의 입도에 따른 열방사율 차이를 비교하였다. 열방사율은 50℃에서 측정하였다.
5 µm이었다. 라만분광분석으로 얻은 피크의 Id/Ig와 FWHM으로 시편의 결정성을 비교하였다.
원적외선 측정 장비를 이용하여 탄소와 흑연의 종류에 따른 열방사율을 비교하였다. 그리고 탄소 및 흑연 분말을 유기바인더와 혼합하여 금속 기판에 코팅하여 코팅전과 후의 열방사율 변화를 측정하였고, 분말의 입도에 따른 열방사율 차이를 비교하였다.
전자현미경을 이용하여 각각의 분말의 이미지와 기판에 코팅한 후 코팅층의 이미지를 관찰하였다. 관찰 배율은 5,000배였으며, 코팅 전 분말의 입자 형상과 코팅 후 코팅층의 표면의 입자 형상을 관찰하였다.
이렇게 얻어진 분말들의 입도분석기(MASTERSIZER200, MALVERN INSTRUMENT사)를 이용하여 측정된 평균입도는13~18 µm였다. 제조된 분말들은 Raman 분광분석기를 이용하여 결정화도를 측정하였으며, 본 연구에 사용된 탄소 및 흑연 분말의 기본 물성을 Table 1에 나타내었다.
코크스, 인상흑연 그리고 토상흑연 분말을 유기바인더와 혼합하여 알루미늄 기판에 코팅한 후 코팅 전 각각의 분말과 코팅 후 코팅층의 열방사율을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

기판으로는 알루미늄(Al 6061) 판을 이용하였으며, 열방사율을 측정기의 시료 장착실에 맞추기 위하여 Fig. 1과 같이 40 × 40 × 3(mm)의 크기로 하였다.
라만분광분석기(Invia system, Renishaw, UK)는 Ar 레이저(514 nm)를 광원으로 사용하였고, 레이저의 spot size는 0.5 µm이었다.
연구에 사용된 탄소 및 흑연은 카본블랙(REGAL 330R, Cabot, 평균입도 : 25 µm), 코크스(NP-COKE60, HYUNDAI COMA, 평균입도 : 30 µm, 순도 : >98%), 인상흑연(HC398, HYUNDAI COMA, 평균입도 : 50 µm, 순도 : >98.5%), 그리고 토상흑연(HK-38, HYUNDAI COMA, 평균입도: 30 µm, 순도 : >80%) 분말이었으며 ball milling(250rpm, 12h) 후 sieving(#500)을 실시하여 분말의 입도를 균일하게 조절하였다.

데이터처리

본 연구에 사용 된 분말의 결정성과 기판에 코팅한 후 코팅층의 결정성을 비교하기 위해 라만 분광분석을 실시하였다. 라만분광분석기(Invia system, Renishaw, UK)는 Ar 레이저(514 nm)를 광원으로 사용하였고, 레이저의 spot size는 0.

성능/효과

1. 코크스, 토상흑연 분말의 열방사율은 5~20 µm 파장대 전영역에서 0.9에 가까운 높은 복사특성을 보였으며, 각각의 분말을 알루미늄 기판에 코팅하여 열방사율을 측정한 결과 열방사율은 0.8이상을 나타내었다.
2. 인상흑연의 경우 결정성은 가장 높았으나 열방사율은 가장 낮았다. 이것은 Flake 형상의 인상은 결정립의 배향성이 열방사율에 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
3. 탄소재료의 열방사율에 영향을 미치는 요인으로는 탄소재료의 종류뿐 아니라 코팅된 분말의 형상에 따라 달라지는 것으로 나타났다.
4. Carbon black을 알루미늄 판에 코팅하였을 경우 방사율은 0.877을 나타내어 최고 값을 얻을 수 있었으며, 원료분말의 방사율(0.890)과 큰 차이가 없었다.
일반적으로 결정성이 높은 흑연이 비결정성 탄소보다 열방사율이 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서는 상이한 결과를 보여주고 있는데 이는 흑연 분말이 c-축에 수직인 면에서 가장 큰 방사율 값을 나타내므로 분말의 어느 면이 방사율 측정표면으로 노출되느냐에 따라 그 값이 달라진다는 것을 알 수 있다.^13,14,16)
라만 스펙트럼의 1360 cm^-1 및 1580 cm^-1 피크가 각각 비결정성과 결정성의 척도가 된다. 따라서 I₁₃₆₀/I₁₅₈₀은 결정성을 나타내는 척도가 되는데 연구에 사용된 코크스, 인상흑연 그리고 토상흑연 모두 코팅 후 G-peak 대비 D-peak의 강도가 증가하였다. 이는 코팅 후 탄소재료의 결정성이 떨어졌다고 할 수 있으나 실제 탄소재료의 결정성이 떨어졌다기 보다는 사용된 바인더가 원료분말을 가리는 효과 때문에 D-peak의 강도가 상대적으로 증가한 것으로 판단된다.
카본블랙, 코크스, 토상흑연 분말은 5~20 µm 전 영역에서 0.9 에 가까운 높은 복사 특성을 나타내고 있으며, 특히 단파장에서도 0.8이상의 높은 복사 특성을 가지고 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열방사율은 무엇을 표현하는데 이용되는가?	열방사율은 이상적인 완전방사체인 흑체의 열방사를 1로 할 때, 이에 대한 방사 휘도의 비율로서 물체의 열방사 정도를 표현한다. 열방사율은 금속재료, 세라믹재료, 플라스틱재료 등의 열적 물성을 표현하는데 다양하게 이용되고 있으며, 상대적으로 저온 영역에서의 열전달에서도 열방사는 매우 중요한 역할을 한다고 알려졌다. 이를 이용하여 항공우주분야, 소방 안전, 건강의료, 플라스틱 가공, 섬유산업, 전기 전자부품 등 산업 전반에 걸쳐 많은 연구가 진행되고 있다.
	흑연의 결정구조는 어떠한가?	이러한 특성은 흑연의 결정구조에서 그 원인을 찾을 수 있다. 흑연의 결정구조는 육방정구조로써 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)은 강한 sp2결합을 하고 있으며 c-축으로는 약한 Van der Waals 결합을 하고 있다. 따라서 a-축으로는 전기전도도, 열전도도 및 강성률 등이 우수하며 c-축 방향으로는 이러한 특성들이 상대적으로 미약하다.
	흑연 구조의 축에 따른 특성은 어떠한가?	흑연의 결정구조는 육방정구조로써 a-축 방향으로의 기저면(basal plan)은 강한 sp2결합을 하고 있으며 c-축으로는 약한 Van der Waals 결합을 하고 있다. 따라서 a-축으로는 전기전도도, 열전도도 및 강성률 등이 우수하며 c-축 방향으로는 이러한 특성들이 상대적으로 미약하다.6,7) 방사율 또한 이런 이방성 특성을 나타내고 있다고 알려져 있다.

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