[논문]기계적 합금법에 의한 Al/graphite 복합체 제조 및 열전도도 특성 분석

이정일; 김태완; 윤요한; 조현수; 류정호

doi:10.6111/jkcgct.2016.26.4.155

기계적 합금법에 의한 Al/graphite 복합체 제조 및 열전도도 특성 분석
Thermal conductivity analysis of Al/graphite composite fabricated by a mechanical alloying 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.4, 2016년, pp.155 - 158

이정일 (한국교통대학교 신소재공학과) , 김태완 (한국교통대학교 신소재공학과) , 윤요한 (한국교통대학교 신소재공학과) , 조현수 (한국교통대학교 신소재공학과) , 류정호 (한국교통대학교 신소재공학과)

초록
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전자소자내의 방열특성은 제품의 신뢰성을 결정하는 우주 중요한 인자중의 하나이다. 본 연구에서는 Al과 graphite 분말을 기계적 합금법(mechanical alloying)을 이용하여 Al/graphite 복합체 분말을 합성하고, 합성된 분말을 열처리한 시편에 대한 물리적 특성을 분석하였다. 열처리가 완료된 Al/graphite 샘플에서 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 $Al_4C_3$ 이차상의 비율이 증가함을 확인하였다. 또한 Al/graphite 샘플의 열전도도는 순수 Al 분말 샘플에 비해 현저히 낮았으나, 열처리 온도와 시간에 비례하여 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal conductivity is a very important factor for applicability and reliability in electrical devices. In this study, Al/graphite composite is fabricated by a mechanical alloying and heat-treatment and its physical properties are characterized. The XRD peak intensity of the $Al_4C_3$ ceramic phase observed in the heat-treated Al/graphite composite increased with heat-treatment temperature and time. The thermal conductivity of the heat-treated Al/graphite composite sample was very lower than that of the pure Al sample, and increased with heat-treatment temperature and time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, graphite/aluminum 복합체를 기계적 합금법 (mechanical alloying)법을 이용하여 제조하고 상변화, 미세구조, 열전도도 등의 물리적 특성을 분석하고자 한다. 이를 통하여 가전제품과 LED 등에의 방열소재로서의 응용가능성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는, graphite/aluminum 복합체를 기계적 합금법 (mechanical alloying)법을 이용하여 제조하고 상변화, 미세구조, 열전도도 등의 물리적 특성을 분석하고자 한다. 이를 통하여 가전제품과 LED 등에의 방열소재로서의 응용가능성을 확인하고자 하였다. 낮은 열저항, 중량감소, 비용절감, 친환경성과 내식성 등이 우수할 것으로 판단됨.

제안 방법

최종적으로 열처리한 샘플(Fig. 1)에 대해 XRD 분석을 통하여 상분석을 실시하였으며, SEM 및 EDS 분석을 통하여 미세구조와 화학적 성분 분석을 실시하였다. 열특성 측정장치(Thermal Analysis System, JP/TC7000, Sinku-Riko)를 이용하여 열적 특성을 분석하였다.
5에 나타내었다. Graphite 첨가에 대한 열전도도 변화를 비교하기 위하여 순수한 Al 분말을 이용하여 제작한 시편에 대한 열전도도 분석도 병행하였다. Fig.
1)에 대해 XRD 분석을 통하여 상분석을 실시하였으며, SEM 및 EDS 분석을 통하여 미세구조와 화학적 성분 분석을 실시하였다. 열특성 측정장치(Thermal Analysis System, JP/TC7000, Sinku-Riko)를 이용하여 열적 특성을 분석하였다.

대상 데이터

Al 분말(99.9 %, −200 mesh)과 graphite 분말을 wt%로 9 : 1 비율로 혼합하여 고른 분포를 위해 일반 볼밀에서 2시간 정도 혼합을 실시하고 고에너지볼밀에서 10분부터 최대 30분까지 기계적 합금화(mechanical alloying)를 실시하였다[7, 8]. 기계적 합금화를 30분간 실시한 분말을 냉간프레스를 이용하여 5톤의 압력으로 내경 10 mm금형에 장입하여 압축해서 성형체를 제작하였다.
본 연구에서는 Al과 graphite 분말을 기계적 합금법(mechanical alloying)과 열처리공정에 의해 Al/graphite 복합체 샘플을 제조하였다. 기계적 합금화 공정을 15분 실시한 시편에서부터 기계적 합금화에 따른 복합체 합성이 이루어진 것으로 확인되었다.

성능/효과

기계적합금화를 실시한 후 분말의 형상을 관찰하기 위해 SEM을 이용하여 분말의 형상을 관찰한 결과 Fig. 2(a~d)과 같이 처음 혼합한 분말의 경우 Al 분말과 graphite 분말이 일정하게 분포되어 있음을 확인하였으며 기계적 합금화 시간이 증가됨에 따라 분말의 미세화가 진행되는 것을 관찰 할 수 있었다. 기계적 합금화 30분을 실시한 경우 Fig.
300℃에서 2시간 열처리한 시편부터 Al₄C₃상이 발견되으며, 열처리 온도 및 열처리 시간이 증가됨에 따라 Al₄C₃상의 생성비율이 증가함을 확인하였다. 순수 Al 분말을 이용하여 제작한 시편의 경우에 비해 Al/graphite 복합체 샘플의 경우에는 열전도도가 감소되었으며, 이는 이론밀도 대비 샘플밀도의 저하와 Al₄C₃상과 같은 열전도도가 낮은 Al₄C₃상의 생성에 의한 것으로 판단되었다.
4와 같이 300℃에서 2시간 열처리한 시편부터 Al₄C₃상이 발견되었다. 이는 기계적 합금화 공정과 열처리 공정을 통하여 Al과 graphite가 합성되어 새로운 상이 합성된 것으로 추측되며, 열처리 온도 및 열처리 시간이 증가됨에 따라 Al₄C₃상의 생성비율이 증가함을 확인할 수 있었다. Al₄C₃상은 강도측면에서는 우수한 특성이 있으나 열전도도를 저하하는 원인이 되므로[9, 10], 방열소재로 사용하기 위해서는 최적의 열처리 온도를 설정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

이는 이론밀도 대비 샘플의 벌크밀도의 저하와 Al₄C₃상과 같은 열전도도가 낮은 2차상의 생성에 의한 것으로 판단된다. 그러나 열처리 온도와 시간이 증가됨에 따라 열전도도 값이 증가되는 것이 확인되었으며, 보다 최적화된 열처리 공정을 통하여 열전도도 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.
이는 기계적 합금화 공정과 열처리 공정을 통하여 Al과 graphite가 합성되어 새로운 상이 합성된 것으로 추측되며, 열처리 온도 및 열처리 시간이 증가됨에 따라 Al₄C₃상의 생성비율이 증가함을 확인할 수 있었다. Al₄C₃상은 강도측면에서는 우수한 특성이 있으나 열전도도를 저하하는 원인이 되므로[9, 10], 방열소재로 사용하기 위해서는 최적의 열처리 온도를 설정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자소자 내에서 방열특성은 어떠한 인자인가?	전자소자내의 방열특성은 제품의 신뢰성을 결정하는 우주 중요한 인자중의 하나이다. 본 연구에서는 Al과 graphite 분말을 기계적 합금법(mechanical alloying)을 이용하여 Al/graphite 복합체 분말을 합성하고, 합성된 분말을 열처리한 시편에 대한 물리적 특성을 분석하였다.
	방열장치에 주로 사용되는 소재는?	소자의 내부에는 장비의 운용시 발생되는 열을 방출시키는 방열 장치(heat-sink)가 있으며, 이러한 방열장치는 주로 구리나 알루미늄 같은 금속 소재를 사용하고 있다. 또한 작은 팬이나 유체의 흐름을 통하여 냉각 속도를 향상시키지만 부피를 줄이는 것에는 한계가 있으며, 특히, 고출력 증폭기의 경우에는 고출력 트랜지스터에서 발생한 대량의 열을 방출시키기 위해서는 종래의 금속 소재로는 방열성이 충분치 못한 것으로 지적되어 왔다[3].
	합금화 공정을 15분 실시한 시편부터 graphite peak이 소멸된 이유는?	3과 같이 기계적 합금화 공정을 15분 실시한 시편에서부터 graphite peak이 소멸되는 것을 알 수 있다. 이는 기계적합금화에 따른 복합체 합성이 이루어진 것으로 판단되며 20분 이상 기계적 합금화를 실시한 경우 graphite peak이 완전히 소멸된 것이 관찰되었다.

참고문헌 (10)

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