히트 싱크용 소재에 응용할 목적으로 단층금속과 2층금속 클래드메탈에 대해 열전도 특성에 대한 연구를 하였다. 단층시편으로는 스테인리스강과 알루미늄을 선택하였으며, 2층 금속으로는 스테인리스강과 알루미늄을 압연해서 제조한 클래드메탈을 사용하였다. 열전도도는 섬광법으로 측정한 열확산계수와 비열 및 밀도를 사용해 얻었다. 실험을 통해 얻은 측정값을 참고문헌에 보고된 자료를 사용해 얻은 계산값과 비교하였다. 단층시편의 경우, 실험을 통해 얻는 열확산계수와 열전도도는 계산값보다 작았다. 스테인리스강의 경우, 측정한 열전도도는 계산값에 비해 6% 정도 작았으며, 알루미늄의 경우 18% 정도 작았다. 반면, 2층 금속인 스테인리스강과 알루미늄의 클래드메탈은 측정한 열전도도가 계산값에 비해 55% 정도 낮게 나타났다. 섬광법으로 측정한 열전도도가 계산값보다 55% 정도 낮게 나타난 이유는 스테인리스강과 알루미늄의 사이에 존재하는 계면의 영향 때문이다. 스테인리스강과 알루미늄의 사이에 존재하는 계면은 열전도 특성을 지배하는 전자와 탄성파의 이동을 어렵게 하기 때문이다. 우수한 방열특성을 갖는 다층구조 방열모듈을 개발하기 위해서는 열전도 특성에 결정적으로 영향을 주는 계면 특성의 조절이 중요하다.
히트 싱크용 소재에 응용할 목적으로 단층금속과 2층금속 클래드메탈에 대해 열전도 특성에 대한 연구를 하였다. 단층시편으로는 스테인리스강과 알루미늄을 선택하였으며, 2층 금속으로는 스테인리스강과 알루미늄을 압연해서 제조한 클래드메탈을 사용하였다. 열전도도는 섬광법으로 측정한 열확산계수와 비열 및 밀도를 사용해 얻었다. 실험을 통해 얻은 측정값을 참고문헌에 보고된 자료를 사용해 얻은 계산값과 비교하였다. 단층시편의 경우, 실험을 통해 얻는 열확산계수와 열전도도는 계산값보다 작았다. 스테인리스강의 경우, 측정한 열전도도는 계산값에 비해 6% 정도 작았으며, 알루미늄의 경우 18% 정도 작았다. 반면, 2층 금속인 스테인리스강과 알루미늄의 클래드메탈은 측정한 열전도도가 계산값에 비해 55% 정도 낮게 나타났다. 섬광법으로 측정한 열전도도가 계산값보다 55% 정도 낮게 나타난 이유는 스테인리스강과 알루미늄의 사이에 존재하는 계면의 영향 때문이다. 스테인리스강과 알루미늄의 사이에 존재하는 계면은 열전도 특성을 지배하는 전자와 탄성파의 이동을 어렵게 하기 때문이다. 우수한 방열특성을 갖는 다층구조 방열모듈을 개발하기 위해서는 열전도 특성에 결정적으로 영향을 주는 계면 특성의 조절이 중요하다.
A study on thermal properties for a single-layer metal and a 2-ply metal (clad metals) was investigated for the application of heat sink. For the single-layer metal, a stainless steel (STS) and an aluminum (Al) were selected. Also, a roll bonded clad metal with STS and Al was chosen for the 2-ply me...
A study on thermal properties for a single-layer metal and a 2-ply metal (clad metals) was investigated for the application of heat sink. For the single-layer metal, a stainless steel (STS) and an aluminum (Al) were selected. Also, a roll bonded clad metal with STS and Al was chosen for the 2-ply metal. The thermal conductivity of the sample was obtained from the thermal diffusivity measured by the light flash analysis (LFA), specific heat and density. Measured thermal property values were compared with the calculated values using the data from the references. For the single-layer metal, measured values for the thermal diffusivity and thermal conductivity were smaller than calculated values. Differences between measured and calculated values were about 6% and 18% for the STS and Al samples, respectively. For the clad metals, however, a large difference (55%) was observed. Here, a relatively small thermal conductivity measured by LFA was due to the existence of a interface between STS and Al in the clad metal. Such a interface reduces the moving velocity of free electrons and phonons in the clad metal. For the development of a high performance heat-issipation module with the multi-layer structure, the control of interface properties which determine thermal properties was confirmed to be important.
A study on thermal properties for a single-layer metal and a 2-ply metal (clad metals) was investigated for the application of heat sink. For the single-layer metal, a stainless steel (STS) and an aluminum (Al) were selected. Also, a roll bonded clad metal with STS and Al was chosen for the 2-ply metal. The thermal conductivity of the sample was obtained from the thermal diffusivity measured by the light flash analysis (LFA), specific heat and density. Measured thermal property values were compared with the calculated values using the data from the references. For the single-layer metal, measured values for the thermal diffusivity and thermal conductivity were smaller than calculated values. Differences between measured and calculated values were about 6% and 18% for the STS and Al samples, respectively. For the clad metals, however, a large difference (55%) was observed. Here, a relatively small thermal conductivity measured by LFA was due to the existence of a interface between STS and Al in the clad metal. Such a interface reduces the moving velocity of free electrons and phonons in the clad metal. For the development of a high performance heat-issipation module with the multi-layer structure, the control of interface properties which determine thermal properties was confirmed to be important.
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문제 정의
본 연구는 LED용 다층구조 방열모듈에서 두께 방향으로 열전도 특성을 알아보기 위해 수행되었다. 연구의 단순화를 위해 시편의 선택은 단층금속과 2층 금속(2-ply metal)의 2가지 그룹으로 제한하였다.
전자소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 기술의 개발이 필요하기 때문에, 히트 싱크용 단층금속과 클래드메탈의 열전도 특성에 미치는 인자에 대한 연구를 수행하였다. 단층금속의 경우, 문헌에 보고된 물리적 값들을 사용해서 계산한(calculated) 열전도 특성값은 실험으로 측정한(measured) 열전도 특성값과 18% 이내의 범위에서 일치하였다.
가설 설정
4에서 보듯이, 압연법으로 클래드메탈을 제조하면 계면이 치밀하게 본딩된다.17) STS와 Al의 계면(STS/Al interface) 부분을 100배의 배율로 관찰하면 본딩이 완벽한 것처럼 관찰된다. Fig.
제안 방법
단층시편과 2층 시편에 대해 섬광법(LFA)으로 두께 방향으로 열확산도를 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 각 시편의 열전도 특성을 비교함으로써 계면이 클래드메탈의 두께 방향으로 열전도 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
단층금속으로는 알루미늄(Al)과 스테인리스강(STS)을 선택하였고, 2층 금속으로는 Al과 STS 판재를 압연(rolling)해서 제조한 2층 시 편인 클래드메탈을 사용하였다. 단층시편과 2층 시편에 대해 섬광법(LFA)으로 두께 방향으로 열확산도를 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 각 시편의 열전도 특성을 비교함으로써 계면이 클래드메탈의 두께 방향으로 열전도 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
4 ms이고 pulse당 3 Joule의 열량을 갖는 Xenon-flash lamp를 조사하였다. 시편의 윗면에서는 비접촉식 적외선 온도센서를 사용하여 시간에 따른 온도 증가 모드의 그래프를 통해 열확산계수를 구했다. 시편의 열전도도는 아래의 식을 사용해서 계산하였다.
본 연구는 LED용 다층구조 방열모듈에서 두께 방향으로 열전도 특성을 알아보기 위해 수행되었다. 연구의 단순화를 위해 시편의 선택은 단층금속과 2층 금속(2-ply metal)의 2가지 그룹으로 제한하였다. 단층금속으로는 알루미늄(Al)과 스테인리스강(STS)을 선택하였고, 2층 금속으로는 Al과 STS 판재를 압연(rolling)해서 제조한 2층 시 편인 클래드메탈을 사용하였다.
열전도도(thermal conductivity, λ)의 산출은 2가지 방법으로 수행하였다.
시편의 열확산계수는 Netzsch 사의 light flash analysis(모델명: LFA 447 NanoFlash)를 사용해 상온에서 측정하였다. 열확산계수의 측정시, 시편의 아랫면에 파장이 0.4 ms이고 pulse당 3 Joule의 열량을 갖는 Xenon-flash lamp를 조사하였다. 시편의 윗면에서는 비접촉식 적외선 온도센서를 사용하여 시간에 따른 온도 증가 모드의 그래프를 통해 열확산계수를 구했다.
대상 데이터
1과 Table 1은 본 연구에 사용된 단층금속과 2층 금속인 클래드메탈의 종류별 시편(sample)의 구분을 나타낸다. 단층금속으로는 2가지 종류의 스테인리스강 (STS304, STS439)과 2가지 종류의 알루미늄합금(Al3003, Al1050)이 사용되었다. 클래드메탈은 한국클래드텍(주)에서 압연법으로 제조한 것으로, 클래드메탈의 단면부분 관찰시, 전체 두께에서 Al이 차지하는 두께의 비율을 70~80%까지 변화시켜 제조한 시편을 사용하였다.
연구의 단순화를 위해 시편의 선택은 단층금속과 2층 금속(2-ply metal)의 2가지 그룹으로 제한하였다. 단층금속으로는 알루미늄(Al)과 스테인리스강(STS)을 선택하였고, 2층 금속으로는 Al과 STS 판재를 압연(rolling)해서 제조한 2층 시 편인 클래드메탈을 사용하였다. 단층시편과 2층 시편에 대해 섬광법(LFA)으로 두께 방향으로 열확산도를 측정한 후 열전도도를 계산하였다.
이론/모형
10-13) 두 번째는, 각 시편에 대해 비열(specific heat, Cp)과 밀도(ρ) 및 열확산계수(thermal diffusivity, α)를 측정해서 얻는 열전도도이다. 비열은 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용해 측정하였으며, 밀도는 아르키메데스의 수중부유법을 사용해서 측정하였다. Fig.
섬광법(LFA)으로는 소재의 열전도도를 직접 측정할 수 없으며, 열확산계수를 측정한 후 식 (1)을 사용해 열전도도를 구할 수 있다. 섬광법으로 클래드메탈의 열전도도 산출시 생기는 문제점을 예측하기 위해, 단층금속의 열전도도를 섬광법을 이용해서 산출하였다. Table 2는 참고문헌에 보고된 단층금속의 비열, 밀도 및 열전도도 자료를 나타내며,10-13) 식 (1)을 사용해서 계산한(calculated) 열 확산계수도 나타냈다.
1에서 보듯이, 열확산계수의 측정을 위해 시편을 8×8 mm2의 크기로 방전가공 하였으며, 표면레이저 펄스의 균일한 흡수를 위해 콜로이드 상태의 흑연입자를 시편의 양쪽면에 분사 코팅하였다. 시편의 열확산계수는 Netzsch 사의 light flash analysis(모델명: LFA 447 NanoFlash)를 사용해 상온에서 측정하였다. 열확산계수의 측정시, 시편의 아랫면에 파장이 0.
성능/효과
2(b)와 Fig. 3(b)의 결과를 종합하면, 클래드메탈에서 측정값의 열전도도가 낮게 나타난 55% 중에서, STS와 Al이 기여하는 부분은 6%와 18%로 작았고, 대부분을 차지 하는 31%는 계면의 영향으로 계산되었다.
예측한 바와 같이, 단층금속의 경우 밀도와 비열은 금속재료의 미세조직에 크게 영향을 받지 않음을 확인하였다. 반면, 열확산계수와 열전도도는 섬광법으로 측정한 값이 대략 18~20% 정도 낮게 나타남을 보았다. 이런 차이가 생기는 이유는, 시편의 제조공정 시 발생한 서로 다른 압하율 등으로 생긴 미세구조의 변화가 열확산계수와 열전도도에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
이상의 결과에서, 단층금속의 두께 방향으로 열전도 특성 평가에서 열확산계수와 열전도도의 변화는 비슷한 경향을 나타냄을 알았다. 예측한 바와 같이, 단층금속의 경우 밀도와 비열은 금속재료의 미세조직에 크게 영향을 받지 않음을 확인하였다. 반면, 열확산계수와 열전도도는 섬광법으로 측정한 값이 대략 18~20% 정도 낮게 나타남을 보았다.
이상의 결과에서, 단층금속의 두께 방향으로 열전도 특성 평가에서 열확산계수와 열전도도의 변화는 비슷한 경향을 나타냄을 알았다. 예측한 바와 같이, 단층금속의 경우 밀도와 비열은 금속재료의 미세조직에 크게 영향을 받지 않음을 확인하였다.
6 W/mK로, Table 2의 계산으로 산출한 열확산계수와 열전도도인 72 mm2/s와 193 W/mK 에 비해 더욱 낮게 나타났다. 즉, 섬광법으로 측정해서 산출한 측정값은 참고문헌을 사용해서 산출한 계산값에 비해, 열확산계수는 STS시편의 경우 대략 6%, 알루미늄시편의 경우 18% 정도 낮게 나타났다.
3%의 차이가 나타났다. 즉, 측정한 열전도도가 계산된 열전도도에 비해 약 55% 낮게 나타났다. 또한, 클래드메탈에서 생기는 열전도도 변화의 크기는 섬광법으로 측정한 열확산계수에 대부분 의존함을 볼 수 있다.
3(b)는 열전도도를 나타낸다. 클래드메탈에서 Al의 부피분율이 증가할수록 열확산계수와 열전도도는 증가하였다. 이유는 Table 2에서 보듯이, 클래드메탈을 구성하는 STS439 시편(S-2)에 비해 Al1050 시편(S-4)의 열확산계수와 열전도도가 훨씬 높기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발광다이오드의 발광효율이 저하되는 원인은 무엇인가?
전자소자의 고출력화와 고집적화 추세가 빠르게 진행 됨에 따라 단위면적당 소비되는 전력의 증가와 함께 발열량의 증가는 심각한 문제가 되고 있다.1-3) 발광다이오드(LED)의 경우, 반도체소자의 접합부에서 발생하는 과도한 발열로 인해 LED소자가 가열되면 발광효율이 급격 하게 저하한다. 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)와 전력반도체 등의 소자에서도 소형화와 고성능화 추세와 함께 전자소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 기술의 개발이 필요하다.
전자소자의 발열 원인은 무엇인가?
컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)와 전력반도체 등의 소자에서도 소형화와 고성능화 추세와 함께 전자소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 기술의 개발이 필요하다. 전자소자에서 생기는 발열의 원인은 작은 반도체 칩(chip)에 많은 전류가 흐르기 때문이며, 칩에서 발생한 열을 방출시키는 방법은 몇 가지가 있다. 산업적 관점에서 가장 널리 사용되는 열방출 기술은 반도체소자의 뒷면에 방열모듈을 추가로 붙이는 것이다.
칩에서 발생한 열을 방출시키는 방법은 무엇인가?
전자소자에서 생기는 발열의 원인은 작은 반도체 칩(chip)에 많은 전류가 흐르기 때문이며, 칩에서 발생한 열을 방출시키는 방법은 몇 가지가 있다. 산업적 관점에서 가장 널리 사용되는 열방출 기술은 반도체소자의 뒷면에 방열모듈을 추가로 붙이는 것이다. 반도체소자의 경우 리드프레임을 사용해 방열 기능을 갖도록 하지만, 발열문제가 심각한 경우 히트 싱크(heat sink) 나 히트 파이프(heat pipe)를 추가로 장착해야 한다.
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