[논문]CVD 다이아몬드가 코팅된 알루미늄 방열판의 방열 특성

윤민영; 임종환; 강찬형

doi:10.5695/jkise.2015.48.6.297

CVD 다이아몬드가 코팅된 알루미늄 방열판의 방열 특성
Heat Spreading Properties of CVD Diamond Coated Al Heat Sink 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.48 no.6, 2015년, pp.297 - 302

윤민영 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 임종환 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 강찬형 (한국산업기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Nanocrystalline diamond(NCD) coated aluminium plates were prepared and applied as heat sinks for LED modules. NCD films were deposited on 1 mm thick Al plates for times of 2 - 10 h in a microwave plasma chemical vapor deposition reactor. Deposition parameters were the microwave power of 1.2 kW, the working pressure of 90 Torr, the $CH_4/Ar$ gas ratio of 2/200 sccm. In order to enhance diamond nucleation, DC bias voltage of -90 V was applied to the substrate during deposition without external heating. NCD film was identified by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The Al plates with about 300 nm thick NCD film were attached to LED modules and thermal analysis was carried out using Thermal Transient Tester (T3ster) in a still air box. Thermal resistance of the module with NCD/Al plate was 3.88 K/W while that with Al plate was 5.55 K/W. The smaller the thermal resistance, the better the heat emission. From structure function analysis, the differences between junction and ambient temperatures were $12.1^{\circ}C$ for NCD/Al plate and $15.5^{\circ}C$ for Al plate. The hot spot size of infrared images was larger on NCD/Al than Al plate for a given period of LED operation. In conclusion, NCD coated Al plate exhibited better thermal spreading performance than conventional Al heat sink.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 LED 모듈의 방열판 재료로 사용되고 있는 알루미늄 판재 위에 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition; MPCVD)으로 NCD 박막을 증착하여 방열 특성을 평가하였다. 통상적으로 알루미늄 기판 위에서는 다이아몬드 입자의 핵생성이 어려워 다이아몬드 박막 코팅이 불가능한 것으로 알려져 있다^6,7).

가설 설정

LED에 공급되는 전력(PD)이 모두 열로 소모된다고 가정하면 열저항은 Rth = ΔT/PD로 나타낼 수 있다.

제안 방법

LED 칩이 내장된 모듈을 기존의 알루미늄 방열판과 이번에 준비한 NCD 박막이 증착된 알루미늄 방열판 위에 각각 실장한 후 두 시편의 방열 특성을 비교 평가하였다.
6 ~ 4 V, 전류: 700 mA, 광속: 200 ~ 220 lm, 색상: 백색)를 그림 1과 같이 부착한 후 방열 특성을 평가하였다. Via를 통하여 전선을 연결하고 LED를 작동시켜 발열을 유도하였다.
기존 Al 방열판과 NCD/Al 방열판 위에 각각 LED 소자(전력: 3 W, 전압: 3.6 ~ 4 V, 전류: 700 mA, 광속: 200 ~ 220 lm, 색상: 백색)를 그림 1과 같이 부착한 후 방열 특성을 평가하였다. Via를 통하여 전선을 연결하고 LED를 작동시켜 발열을 유도하였다.
열화상 카메라는 피사체에서 나오는 적외선을 분석하여 온도에 따라 다른 색으로 표현하여 이미지를 볼 수 있게 한 카메라이다. 기존 Al 방열판과 NCD/Al 방열판을 사용한 두 LED 모듈의 발열 후 앞면과 뒷면을 촬영하여 최고 발열 부위(hot spot)의 크기를 비교하였다.
기존에 LED 모듈의 방열판으로 쓰이는 알루미늄 기판에 MPCVD법으로 −90 V의 직류 전압을 인가하면서 나노결정질 다이아몬드(NCD) 박막을 증착하였다.
5 mm, 두께: 1 m)을 제공 받아 표면 연마를 통하여 표면 조도를 100 nm 이하로 낮추었다. 기판에 다이아몬드 핵생성 자리를 만들기 위해 나노 다이아몬드 분말이 분산된 에탄올에 1 h 동안 초음파기기(UIL-920)에서 seeding 처리하고 MPCVD 공정으로 다이아몬드 박막을 증착하였다. 공정 조건으로 반응 시 진공도 90 Torr, 반응가스 비율 Ar : CH₄ = 200 : 2 sccm, 마이크로웨이브 전력 1.
증착시간을 2 ~ 10 h로 변화시켜 증착한 다이아몬드 시편의 표면을 SEM으로 관찰하였다. 또한 시편을 집속이온빔(FIB)으로 가공하여 수직단면을 만들고 SEM으로 관찰하였다. 박막의 결정성을 평가하기 위하여 X선회절(Rigaku사, D/Max-220PC) 시험과 라만분광 (JobinYvon사, LabRamHR) 시험을 실시하였다.
또한 시편을 집속이온빔(FIB)으로 가공하여 수직단면을 만들고 SEM으로 관찰하였다. 박막의 결정성을 평가하기 위하여 X선회절(Rigaku사, D/Max-220PC) 시험과 라만분광 (JobinYvon사, LabRamHR) 시험을 실시하였다.
통상적으로 알루미늄 기판 위에서는 다이아몬드 입자의 핵생성이 어려워 다이아몬드 박막 코팅이 불가능한 것으로 알려져 있다^6,7). 본 연구에서는 시편 홀더의 가열 없이 기판 위에 DC Bias 전압을 인가하고 다이아몬드 핵 생성과 입자 성장을 촉진시키는 BEN (Bias Enhanced Nucleation) 방법^8-10)을 적용함으로써 알루미늄 기판 위에서 다이아몬드 박막을 형성할 수 있었다.
즉 13 cm × 15 cm 크기의 SEM 사진으로부터 10 cm × 10 cm 사각형을 임의로 잡고 그 안에 들어가 있는 입자의 평균 크기(넓이)를 먼저 구한 뒤 입자의 개수를 세어 둘을 곱한 뒤에 전체 면적으로 나누고 100을 곱해서 구하였다.
2 kW, DC 바이어스 전압 −90 V였다. 증착시간을 2 ~ 10 h로 변화시켜 증착한 다이아몬드 시편의 표면을 SEM으로 관찰하였다. 또한 시편을 집속이온빔(FIB)으로 가공하여 수직단면을 만들고 SEM으로 관찰하였다.
한편 열화상카메라(Inpitron사, Timage IR Pro+)¹²⁾를 사용하여 그림 1과 같이 준비한 시료를 발열시킨 후 시료의 열화상을 촬영하였다. 열화상 카메라는 피사체에서 나오는 적외선을 분석하여 온도에 따라 다른 색으로 표현하여 이미지를 볼 수 있게 한 카메라이다.

대상 데이터

LED 모듈 제조업체에서 사용하고 있는 알루미늄 기판(직경: 3.5 mm, 두께: 1 m)을 제공 받아 표면 연마를 통하여 표면 조도를 100 nm 이하로 낮추었다. 기판에 다이아몬드 핵생성 자리를 만들기 위해 나노 다이아몬드 분말이 분산된 에탄올에 1 h 동안 초음파기기(UIL-920)에서 seeding 처리하고 MPCVD 공정으로 다이아몬드 박막을 증착하였다.

이론/모형

모듈의 방열특성은 열유동측정기(Thermal Transient Tester)인 T3ster(MicRed사)¹¹⁾를 사용하여 JEDECJESD-51 표준에 따라 평가하였다. T3ster는 그림 1과 같이 준비한 시료에 일정 전류를 인가하여 열원(LED)에서 발열되어 수직으로 열이 방출되는 과정을 분석하고 열 통로에 있는 각 구조(재료)의 열저항 값을 측정하는 장비이다.

성능/효과

10 h의 증착 시간에 NCD 박막의 두께가 300 nm일 정도로 느린 속도로 증착되었지만, 저자들이 아는 범위에서 처음으로 벌크 Al 기판에 NCD의 증착에 성공하였다. NCD가 증착된 Al 기판에 LED 모듈을 부착하고 열유동측정기인 T3Ster를 이용하여 방열특성을 평가한 결과, 다이아몬드/Al 방열판이 기존의 Al 방열판보다 열저항 값이 작았다. 발열 시간의 경과에 따라 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 LED 접합 온도가 낮은 것으로 나타났는데, 이는 다이아몬드의 높은 열전도도로 인하여 다이아몬드/Al 기판의 방열 특성이 우수하기 때문으로 판단된다.
발열 시간의 경과에 따라 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 LED 접합 온도가 낮은 것으로 나타났는데, 이는 다이아몬드의 높은 열전도도로 인하여 다이아몬드/Al 기판의 방열 특성이 우수하기 때문으로 판단된다. 열화상카메라를 활용하여 LED가 부착된 전면부와 열이 방열되는 후면부의 최고 발열 부위를 관찰한 결과, 전면부에서는 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 최고 발열 부위 면적이 더 작게 나타났고, 후면부에서는 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 발열 부위의 면적이 더 넓게 나타났다. 이러한 결과를 종합할 때, 다이아몬드 박막을 적용한 방열판이 기존의 Al 방열판에 비하여 방열특성이 우수하여, 이를 적용할 경우 LED등 전자제품의 효율과 수명이 향상될 수 있다고 사료된다.
열화상카메라를 활용하여 LED가 부착된 전면부와 열이 방열되는 후면부의 최고 발열 부위를 관찰한 결과, 전면부에서는 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 최고 발열 부위 면적이 더 작게 나타났고, 후면부에서는 다이아몬드/Al 방열판이 Al 방열판보다 발열 부위의 면적이 더 넓게 나타났다. 이러한 결과를 종합할 때, 다이아몬드 박막을 적용한 방열판이 기존의 Al 방열판에 비하여 방열특성이 우수하여, 이를 적용할 경우 LED등 전자제품의 효율과 수명이 향상될 수 있다고 사료된다.
55 K/W이다. 즉 다이아몬드를 증착한 방열판이 기존 알루미늄 방열판보다 수직 방향으로 열을 더 잘 방출하고 있다고 해석할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연 단결정 다이아몬드가 방열용 기판으로 사용될것이라 기대 된 이유는?	천연 단결정 다이아몬드는 재료 중에서 가장 높은 열전도도(약 2,000 W/mK)를 갖고 전기적으로 부도체이기 때문에 방열용 기판으로 기대가 되어 왔으나, 가격과 프로세스 상의 문제 등으로 실제 적용에 제약이 있었다.1,2) 근래에 들어서 나노결정질 다이아몬드(Nanocrystalline Diamond; NCD) 박막이 개발되면서3) 다이아몬드가 방열 재료로서 재조명을 받게 되었다.
	나노결정질 다이아몬드의 장점은?	1,2) 근래에 들어서 나노결정질 다이아몬드(Nanocrystalline Diamond; NCD) 박막이 개발되면서3) 다이아몬드가 방열 재료로서 재조명을 받게 되었다. 특히 NCD 박막은 열전도도가 단결정 다이아몬드의 70 ~ 80% 수준이며, 나노미터 크기 수준의 결정립과 표면조도로 인하여 증착 후 표면 가공 처리 없이 그대로 방열기판으로 사용이 가능 하다4,5).
	알루미늄 기판에 다이아몬드 박막 코팅이 불가능한 이유는?	본 연구에서는 LED 모듈의 방열판 재료로 사용되고 있는 알루미늄 판재 위에 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition; MPCVD)으로 NCD 박막을 증착하여 방열 특성을 평가하였다. 통상적으로 알루미늄 기판 위에서는 다이아몬드 입자의 핵생성이 어려워 다이아몬드 박막 코팅이 불가능한 것으로 알려져 있다6,7). 본 연구에서는 시편 홀더의 가열 없이 기판 위에 DC Bias 전압을 인가하고 다이아몬드 핵 생성과 입자 성장을 촉진시키는 BEN (Bias Enhanced Nucleation) 방법8-10)을 적용함으로써 알루미늄 기판 위에서 다이아몬드 박막을 형성할 수 있었다.

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X. J. Li, L. L. He, Y. S. Li, Q. Yang, A. Hirose, Diamond Relat. Mater. 50 (2014) 103.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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