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문제 정의
- 본 연구에서는 방열기구 소재의 열전도도에 따른 방열 성능 분석을 위하여 단순화된 방열 기구 모델에 대한 기초적인 해석을 수행하였다. 또한 전도성 고분자 복합소재를 이용한 실용적인 방열기구 개발을 위하여, 금속 소재와 전도성 고분자 복합소재가결합된 하이브리드 형 방열 기구 구조를 제시하고 이에 대한 방열 특성 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 열전도성 복합소재를 이용한 조명기구 히트싱크 혹은 자동차 전장 모듈 등의 외장재개발을 위하여, 소재의 열전도도에 따른 방열 성능에 대한 해석 및 실험적 분석을 수행하였다. 이를 통하여 열원의 배치 및 열전달 경로에 따라 소재열전도도의 방열 성능에 미치는 영향을 분석하여, 각 방열 조거 및 환경에서 요구되는 소재의 열전도도 값을 정량적으로 제시하였다.
제안 방법
- Fig. 3에 나타낸 바와 같이 단면 두께 1mm, 길이 100mm인 열전도도 5 W/mK의 복합소재 기판에 열전도도 400 W/mK인 두께 0의 금속 기판이 결합된형태의 단위 방열 구조를 설정하였다. 방열 조건은 상측에 온도 100℃의 열원 하측에 단열 조건, 측면은 각각 주변 온도 23℃에 대해서 자연대류 조건(加 = 5 w/m*)을 적용하였다.
- Fig. 5에서와 같은 오디오 앰프의 방열은 구조를 고려할 때, 대부분 하측 외장재를 통하여 이루어지게 되므로 방열 해석을 위하여 오디오 앰프 및 하우징을 Fig. 6과 같이 단순한 구조로 모델링하였다. 회로 기판 상의 발열 소자 부분만을 열원으로, 회로 기판을 지지하여 고정하는 지지부 및 지지부와 일체형 구조인 하즉 외장재의 바닥면을 해석 대상으로 하여 발열 소자로부터 지지부 및 외장재를 통하여 방 열 되는 구조에 대한 단순화된 모델을 설정하였으며 지지부 및 하측 외장재 기판은 복합소재, 알루미늄 및 복합소재/알루미늄 하이브리드 구조를 적용하여 방열 성능을 해석을 통하여 분석하였다.
- 실제 성형에 사용된 복합소재는 polyketone(PK) 수지에 Boron nitride(BN) 를 열전도보강 재로 0, 30, 40, 50 wt%의 함량으로 압출하여 제조한 소재를 사용하였다. 각각 다른 보강재 함량의 소재로 성형한 히트싱크에 대해서 상면에 금속 기판을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 대해서 LED 기판을 적용하여 LED의 온도 측정을 통하여 방열성능을 실험적으로 평가하였아며, 기준 방열 성능으로 현재 상용화된 알루미늄 히트싱크를 적용한 조명에 대하여 온도를 측정하여 비교하였다. 열 전도성 보강재가 혼합되지 않은 polyketone 히트싱크를적용하는 경우 금속 기판의 적층 없이 LED를 점등하였을 때 온도가 200℃ 이상으로 급격히 상승하여 측정이 매우 어려울 정도였으며, 금속 기판을 적층하여 점등하였을 때에도 LED 소자 부분의 온도가 84℃까지 상승하여 조명의 요구 사양을 충족하지 못하였다(Fig.
- 방열 조건은 상측에 온도 100℃의 열원 하측에 단열 조건, 측면은 각각 주변 온도 23℃에 대해서 자연대류 조건(加 = 5 w/m*)을 적용하였다. 금속 기판의 두께(M)는 0.1, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5 mm를 적용하여 방열 성능에 대한 비교 분석을 하였다(Fig. 4). 금속 기판의 두께가 증가할수록 방열기구 길이 방향(y 방향)으로의 열전달 특성이 향상되어 전체적인 방열 성능이 향상됨을 확인하였다.
- 이때 경계 조건은 방열핀 구조의 내측 표면(S1)에 100℃의 고정 온도 조건, 단위방열 구조의 대칭면에 단열조건, 외측 표면에 해당되는 방열 표면은 자연 대류 조건을 고려하여 h=5w/m2K을 적용하여 열전달 해석을 수행한 후 내측 표면에서의 열유속을 계산하여 방열 특성을 평가하였다. 단위 방열 기구 기판 두께(t)는 2mm, 길이(b)는 10mm, 방열 핀의 폭(w) 및 높이(h)는 각각 0.5mm, 2.5mm이며, 열전도도(k)는 0.5, 5.0, 20, 50, 100 W/mK를 적용하여 비교하였다.
- 회로 기판 상의 발열 소자 부분만을 열원으로, 회로 기판을 지지하여 고정하는 지지부 및 지지부와 일체형 구조인 하즉 외장재의 바닥면을 해석 대상으로 하여 발열 소자로부터 지지부 및 외장재를 통하여 방 열 되는 구조에 대한 단순화된 모델을 설정하였으며 지지부 및 하측 외장재 기판은 복합소재, 알루미늄 및 복합소재/알루미늄 하이브리드 구조를 적용하여 방열 성능을 해석을 통하여 분석하였다. 또한 복합소재/알루미늄 하이브리드 구조에서는 알루미늄의 두께가 0.1, 0.5, 1.0mm 인 경우에 대해서 해석을 수행하여 두께에 따른 방열 특성을 비교 분석하였다. 열원에 대한 조건은 실제 오디오 사용 환경을 모사한 조건에서 의 소자에서의 발열량(11 Watt)을 실측하여 적용하였으며, 대기 중으로의 냉각 조건은 자연대류 조건(hc = 5 w/m*)을 적용하였다.
- 기초적인 해석을 수행하였다. 또한 전도성 고분자 복합소재를 이용한 실용적인 방열기구 개발을 위하여, 금속 소재와 전도성 고분자 복합소재가결합된 하이브리드 형 방열 기구 구조를 제시하고 이에 대한 방열 특성 분석을 수행하였다. 이로부터의 결과를 기반으로 LED 조명의 방열기구 및 자동차제어 모듈의 외장재에 대하여 전도성 고분자 복합소재/금속 소재 하이브리드 구조를 적용하여 방열성능, 성형성, 기계적 물성, 원가, 경량성 등을 개선할 수 있는 방안을 제시하였으며 실험을 통하여 특성을 비교 분석하였다.
- 3에 나타낸 바와 같이 단면 두께 1mm, 길이 100mm인 열전도도 5 W/mK의 복합소재 기판에 열전도도 400 W/mK인 두께 0의 금속 기판이 결합된형태의 단위 방열 구조를 설정하였다. 방열 조건은 상측에 온도 100℃의 열원 하측에 단열 조건, 측면은 각각 주변 온도 23℃에 대해서 자연대류 조건(加 = 5 w/m*)을 적용하였다. 금속 기판의 두께(M)는 0.
- 복합소재 및 복합소재/금속 하이브리드 구조의 방열 특성에 대한 분석을 위하여, 단위 방열 구조모델에 대해서 주요 형상 및 열전도도에 따른 열전달 해석을 수행하였다. 우선 소재의 열전도도에 따른 방열 특성 분석을 위하여 Fig.
- 복합소재의 실제 방열 부품에 대한 적용을 위하여 방열 성능 해석 및 설계를 수행하고 실제 방열부품의 성형 제작을 통하여 성능을 비교 분석하였다. 대상 방열 부품으로는 LED 조명 히트싱크와 자동차 오디오 앰프 외장재를 선정하여 해석 및 실험적 분석을 진행하였다.
- 3에는 제품 표면 방향으로의 방열이 지배적인 구조에 대한 단위 방열 구조를 나타내었다. 여기에서, 평면 방향으로의 단위 방열 구조에 대해서는 복합소재 외에 금속 소재가 결합된 구조를 적용하여 방열 성능에 대한 해석적인 분석을 수행하였다
- 0mm 인 경우에 대해서 해석을 수행하여 두께에 따른 방열 특성을 비교 분석하였다. 열원에 대한 조건은 실제 오디오 사용 환경을 모사한 조건에서 의 소자에서의 발열량(11 Watt)을 실측하여 적용하였으며, 대기 중으로의 냉각 조건은 자연대류 조건(hc = 5 w/m*)을 적용하였다.
- 요구되는 열전도도에 대한 분석을 위하여 Fig. 9 의 LED 조명 히트 싱크에 대해서 20 W/mK ~ 160 W/mK 범위의 열전도를 적용하여 방열 성능 해석을 수행하여, Fig. 10에 계산된 LED 부분의 최고 온도를 나타내었다. 히트싱크 소재의 열전도도가 20 W/mK 까지 증가함에 따라 방열 성능은 크게 향상되는 것으로 평가 되었으며, 이후에는 성능 향상 정도는 점차 둔화되어, 40 ~ 50 W/mK 이상의 열전도도에서는 금속 소재를 적용한 경우와 비교할 때 방열 성능이 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.
- 해석을 수행하였다. 우선 소재의 열전도도에 따른 방열 특성 분석을 위하여 Fig. 1에서와 같이 단위방열 핀 구조를 모델링하여 열전도도에 따른 열전달 해석을 수행하였다. 이때 경계 조건은 방열핀 구조의 내측 표면(S1)에 100℃의 고정 온도 조건, 단위방열 구조의 대칭면에 단열조건, 외측 표면에 해당되는 방열 표면은 자연 대류 조건을 고려하여 h=5w/m2K을 적용하여 열전달 해석을 수행한 후 내측 표면에서의 열유속을 계산하여 방열 특성을 평가하였다.
- 1에서와 같이 단위방열 핀 구조를 모델링하여 열전도도에 따른 열전달 해석을 수행하였다. 이때 경계 조건은 방열핀 구조의 내측 표면(S1)에 100℃의 고정 온도 조건, 단위방열 구조의 대칭면에 단열조건, 외측 표면에 해당되는 방열 표면은 자연 대류 조건을 고려하여 h=5w/m2K을 적용하여 열전달 해석을 수행한 후 내측 표면에서의 열유속을 계산하여 방열 특성을 평가하였다. 단위 방열 기구 기판 두께(t)는 2mm, 길이(b)는 10mm, 방열 핀의 폭(w) 및 높이(h)는 각각 0.
- 또한 전도성 고분자 복합소재를 이용한 실용적인 방열기구 개발을 위하여, 금속 소재와 전도성 고분자 복합소재가결합된 하이브리드 형 방열 기구 구조를 제시하고 이에 대한 방열 특성 분석을 수행하였다. 이로부터의 결과를 기반으로 LED 조명의 방열기구 및 자동차제어 모듈의 외장재에 대하여 전도성 고분자 복합소재/금속 소재 하이브리드 구조를 적용하여 방열성능, 성형성, 기계적 물성, 원가, 경량성 등을 개선할 수 있는 방안을 제시하였으며 실험을 통하여 특성을 비교 분석하였다.
- 이를 실용적으로 해결하기 위해서는 앞에서 제시한 금속 소재와의 하이브리드 구조 적용이 필요하며, Fig. 11에서와 같이 LED 조명의 히트싱크의 회로 기판이 장착되는 상측 면에 금속 시트를 적층하여 중앙부에 위치한 열원인 LED로부터 효율적으로 열전달을 유도하는 구조를 적용하였다. Fig.
- 이를 통하여 열원의 배치 및 열전달 경로에 따라 소재열전도도의 방열 성능에 미치는 영향을 분석하여, 각 방열 조거 및 환경에서 요구되는 소재의 열전도도 값을 정량적으로 제시하였다. 또한 방열 성능을 만족하기 위하여 20 W/mK 이상의 열전도도가 요구되는 경우, 성형성, 기계적 물성, 경제성 및 경량성을 같이 만족시키기 위해 복합소재/금속소재 하이브리드 구조의 히트싱크에 대한 설계/해석 및 실제 성형 제작을 통한 방열 특성 평가를 진행하여, 방열기구 등의 개발을 위하여 복합소재를 실용적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 6과 같이 단순한 구조로 모델링하였다. 회로 기판 상의 발열 소자 부분만을 열원으로, 회로 기판을 지지하여 고정하는 지지부 및 지지부와 일체형 구조인 하즉 외장재의 바닥면을 해석 대상으로 하여 발열 소자로부터 지지부 및 외장재를 통하여 방 열 되는 구조에 대한 단순화된 모델을 설정하였으며 지지부 및 하측 외장재 기판은 복합소재, 알루미늄 및 복합소재/알루미늄 하이브리드 구조를 적용하여 방열 성능을 해석을 통하여 분석하였다. 또한 복합소재/알루미늄 하이브리드 구조에서는 알루미늄의 두께가 0.
대상 데이터
- 대상 방열 부품으로는 LED 조명 히트싱크와 자동차 오디오 앰프 외장재를 선정하여 해석 및 실험적 분석을 진행하였다.
- 12에는 사출 성형된 복합소재 히트싱크에 금속 시트가 적용되지 않은 상태(좌)와 적용된 상태(우)에 대한 사진을 나타내었다. 실제 성형에 사용된 복합소재는 polyketone(PK) 수지에 Boron nitride(BN) 를 열전도보강 재로 0, 30, 40, 50 wt%의 함량으로 압출하여 제조한 소재를 사용하였다. 각각 다른 보강재 함량의 소재로 성형한 히트싱크에 대해서 상면에 금속 기판을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 대해서 LED 기판을 적용하여 LED의 온도 측정을 통하여 방열성능을 실험적으로 평가하였아며, 기준 방열 성능으로 현재 상용화된 알루미늄 히트싱크를 적용한 조명에 대하여 온도를 측정하여 비교하였다.
성능/효과
- 2에 나타내었다. 0.5 W/mK의 열전도도인 경우 낮은 열 유속 값을 나타내어 방열 성능이 좋지 않음을 알 수 있으나, 5 W/mK의 경우 100 W/mK의 열전도도 소재의 경우와 비교할 때 열유속에서의 차이가 없어, 방열 성능이 유사한 것으로 판단된다. 이는 일반적으로 두께가 상대적으로 얇은 방열 기구의 두께 방향으로의 열전달이 지배적인 방열 구조에서는 낮은 열전도도의 방열 기구 소재에 의한 열유동 저항보다는 대류 열전달에서의 저항이 더욱 크기 때문인것으로 판단된다.
- 8에 나타내었다. 1mm 이상의 두께인 경우 알루미늄의 두께에 따른 방열 성능 향상 정도는 매우 작은 결과를 얻었으며, 성능 및 중량을 고려할 때 0.5mm 두께의 알루미늄 층을 적용하는 것이 적절한 것으로 판단되었다.
- 13에 나타난 바와 같이 BN 함량 30 wt%의 복합소재 히트싱크의 경우에도 금속 기판을 적용하지 않은 경우 137℃까지 상승하는 것으로 측정되어 요구 방열 성능을 충족하지 못함을 알 수 있다. BN 함량이 50 wt%인 복합소재 히트싱크를 적용한 조명이 경우, LED부분의 최대 온도는 77℃까지 상승하는 것으로 측정되어 방열 성능은 실제 제품에 적용이 가능한 수준으로 평가되었으나, 성형성, 소재의 취성, 가격 및 중량을 고려할 때 실용성은 낮은 것으로 판단되었다. 동일한 방법으로 복합소재 히트싱크의 상측 면에 금속 기판을 적용하여 방열 성능을 측정하였을 때 BN함량이 각각 30, 40, 50 wt% 인 경우에 64 ℃, 54 ℃, 52 ℃로 측정되어 실제 조명 기구에 적용할 수 있는 충분한 방열성능을 나타내는 것으로 평가되었으며, BN 함량이 40 wt%인 복합소재와 금속 기판으로 구성되는 히트싱크가 방열성능, 성형성, 기계적물성, 원가, 중량 등을 종합적으로 고려할 때 최적의 방안으로 판단되었다.
- 4). 금속 기판의 두께가 증가할수록 방열기구 길이 방향(y 방향)으로의 열전달 특성이 향상되어 전체적인 방열 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한 금속 소재의 열전도도가 복합소재에 비해 매우 높지만, 두께가 얇은 경우 열 유동에 대한 저항이 증가하여 방열 성능 향상이 제한적임을 알 수 있다.
- BN 함량이 50 wt%인 복합소재 히트싱크를 적용한 조명이 경우, LED부분의 최대 온도는 77℃까지 상승하는 것으로 측정되어 방열 성능은 실제 제품에 적용이 가능한 수준으로 평가되었으나, 성형성, 소재의 취성, 가격 및 중량을 고려할 때 실용성은 낮은 것으로 판단되었다. 동일한 방법으로 복합소재 히트싱크의 상측 면에 금속 기판을 적용하여 방열 성능을 측정하였을 때 BN함량이 각각 30, 40, 50 wt% 인 경우에 64 ℃, 54 ℃, 52 ℃로 측정되어 실제 조명 기구에 적용할 수 있는 충분한 방열성능을 나타내는 것으로 평가되었으며, BN 함량이 40 wt%인 복합소재와 금속 기판으로 구성되는 히트싱크가 방열성능, 성형성, 기계적물성, 원가, 중량 등을 종합적으로 고려할 때 최적의 방안으로 판단되었다.
- 이를 통하여 열원의 배치 및 열전달 경로에 따라 소재열전도도의 방열 성능에 미치는 영향을 분석하여, 각 방열 조거 및 환경에서 요구되는 소재의 열전도도 값을 정량적으로 제시하였다. 또한 방열 성능을 만족하기 위하여 20 W/mK 이상의 열전도도가 요구되는 경우, 성형성, 기계적 물성, 경제성 및 경량성을 같이 만족시키기 위해 복합소재/금속소재 하이브리드 구조의 히트싱크에 대한 설계/해석 및 실제 성형 제작을 통한 방열 특성 평가를 진행하여, 방열기구 등의 개발을 위하여 복합소재를 실용적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 해석 결과 열전도도 5 W/mK의 소재를 지지부 및 기판에 사용하는 경우 과도한 온도 상승으로 소자의 제한 온도 범위를 넘는 것으로 평가되었다. 복합소재와 알루미늄을 하이브리드 형태로 적용하는 경우는 지지부에 적용하는 경우가 기판에 적용하는 경우에 비해 방열 특성이 우수한 것으로 평가 되었으며, 지지부에 알루미늄을 기판에 0.5mm 두께의 알루미늄이 복합소재 기판에 적층된 구조를 적용하는 경우 방열 특성이 알루미늄 소재를 전체적으로 적용한 경우에 유사한 방열 특성을 나타내어 요구 방열 성능을 만족하는 것으로 평가되었다.
- 방열 성능은 열원에서의 최고 온도를 계산하여 평가하였는더], 최고 온도가 낮을수록 방열 성능이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 해석 결과 열전도도 5 W/mK의 소재를 지지부 및 기판에 사용하는 경우 과도한 온도 상승으로 소자의 제한 온도 범위를 넘는 것으로 평가되었다. 복합소재와 알루미늄을 하이브리드 형태로 적용하는 경우는 지지부에 적용하는 경우가 기판에 적용하는 경우에 비해 방열 특성이 우수한 것으로 평가 되었으며, 지지부에 알루미늄을 기판에 0.
- 10에 계산된 LED 부분의 최고 온도를 나타내었다. 히트싱크 소재의 열전도도가 20 W/mK 까지 증가함에 따라 방열 성능은 크게 향상되는 것으로 평가 되었으며, 이후에는 성능 향상 정도는 점차 둔화되어, 40 ~ 50 W/mK 이상의 열전도도에서는 금속 소재를 적용한 경우와 비교할 때 방열 성능이 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 그러나, 현재 열전도도가 20 W/mK 이상인 복합소재의 경우 보강재 함량의 과도한 증가가 불가피하여 성형성 및 기계적 물성이 크게 저하되며, 원가도 크게 상승하게 되어 실제 제품에 적용하기에는 아직은 해결해야 할 많은 문제가 존재한다.
후속연구
- 또한 고분자 수지에 비해 가격이 높은 전도성 보강재의 함량증가로 소재의 원가가 상승하여 시장 진입의 큰 걸림돌이 되고 있으며, 소재의 비중 역시 증가하게 되어 경량화 효과를 반감시키는 요인이 되고 있다. 최근 탄소나노튜브나 그래핀과 같이 매우 높은 전도도를 가지는 새로운 보강재 혹은 이러한 소재를 기존의 전도성 보강재와 결합한 하이브리드형 보강재를 적용하여 전도도뿐만 아니라, 성형성, 기계적 물성, 원가 경쟁력, 경량성 등을 모두 개선하기 위한 연구 개발이 진행되고 있으나, 실용성이 있는 소재의 개발 및 적용에는 더 많은 시간 및 투자가 필요할 것으로 예상된다.
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