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문제 정의
- 본 연구에서는 B의 첨가가 알루미늄의 전기전도도 및 열전도도에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 일반적으로 V와 Mn, Ti, Cr의 불순물 총 함량 대비 50%의 B 첨가가 제안되고 있으나[6], B 첨가에 따른 전기전도도의 향상 정도 그리고 열전도도와의 차이에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 순수 알루미늄의 전기전도도 및 열전도도에 미치는 B 첨가량과 그 영향을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- Al 용탕에 B 첨가 시 전기 및 열전도도가 증가하는 것을 확인하였으며 그 원인 분석을 위해 미세조직 및 상분석을 실시하였다. 앞서 언급했듯이 B 화합물은 용탕 내 불순물인 Ti, V과 반응하는 것으로 알려져 있으며 이를 확인하기 위해 0.
- 먼저 알루미늄 10 kg을 전기로에서 완전히 용해한 후 용탕 온도 760oC에서 탈가스를 위해 Ar가스를 흘려주며 GBF(Gas Bubbling Filtration) 처리를 하였다. 탈가스 처리 후 용탕에 Al-xB (x: 0.
- Al 용탕에 B 첨가 시 전기 및 열전도도가 증가하는 것을 확인하였으며 그 원인 분석을 위해 미세조직 및 상분석을 실시하였다. 앞서 언급했듯이 B 화합물은 용탕 내 불순물인 Ti, V과 반응하는 것으로 알려져 있으며 이를 확인하기 위해 0.5wt%B 시편의 용탕 상부와 용탕 하부에서 시편을 채취하여 광학현미경으로 관찰하였다. Fig.
- 95 IACS%의 표준시편을 이용하였다. 열전도도는 각각 열확산도와 비열을 측정하여 계산하였다. 열확산도는 시편을 지름 12.
- C에서 탈가스를 위해 Ar가스를 흘려주며 GBF(Gas Bubbling Filtration) 처리를 하였다. 탈가스 처리 후 용탕에 Al-xB (x: 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1 wt%)의 조성에 맞추어 Al-5wt%B 모합금을 첨가하였으며, 10분간 유지 후 120oC로 예열된 금형에 주탕하였다. 금형의 형태 및 크기는 Fig.
- 형성된 상들에 대한 보다 구체적인 분석을 위해 도가니 하부에서 채취한 시편을 XRD 장비를 이용하여 분석하였는데 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. XRD 분석 결과 B의 첨가로 인해 TiB2 및 VB2상이 형성되었음을 알 수 있다.
대상 데이터
- Table 1. Chemical composition(wt%) of commercial pure aluminum used in this study.
- 전기전도도 시편은 가로 35 mm, 세로 70 mm, 두께 20 mm로 가공하였으며, 측정을 위해 사용한 장비는 독일 FISCHER사의 Sigmascope SMP10이다. 기기의 교정은 58.95 IACS%의 표준시편을 이용하였다. 열전도도는 각각 열확산도와 비열을 측정하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 B 첨가를 통한 알루미늄의 전기 및 열전도도 변화를 분석하기 위해 KB Alloy사의 Al-5wt%B 모합금을 사용하였다. Fig.
- 알루미늄의 조성은 분광분석기(Spark Emission Spectrometer)로 분석하였으며 결과는 Table 1에 나타내었다. 분석에 사용된 장비는 독일 QUANTRON사의 Magellan QM-3로 성분분석용 표준시료에 대한 분석기의 편차 범위는 0.04% 이하이다.
- 알루미늄에 B을 첨가 하였을 때, 함량에 따른 열전도도와 전기전도도의 변화를 알아보기 위해 순수 알루미늄 순도 99.8%와 B의 첨가를 위해 KB Alloys사의 와플 형태의 Al-5wt%B 모합금을 준비하였다. 알루미늄의 조성은 분광분석기(Spark Emission Spectrometer)로 분석하였으며 결과는 Table 1에 나타내었다.
- 열전도도는 각각 열확산도와 비열을 측정하여 계산하였다. 열확산도는 시편을 지름 12.7 mm, 높이 2.5 mm의 원통형으로 가공한 후 독일 Netzsch사의 LFA 457모델을 사용하여 측정하였으며, 비열 시험편은 지름 6 mm, 높이 1 mm의 크기의 원통으로 가공 후, Perkin Elmer사의 DSC8000으로 측정하였다.
- 합금의 전기 및 열전도도의 측정을 위해 도가니 상부에서 주조한 시험편을 활용하였다. 전기전도도 시편은 가로 35 mm, 세로 70 mm, 두께 20 mm로 가공하였으며, 측정을 위해 사용한 장비는 독일 FISCHER사의 Sigmascope SMP10이다. 기기의 교정은 58.
- 합금의 전기 및 열전도도의 측정을 위해 도가니 상부에서 주조한 시험편을 활용하였다. 전기전도도 시편은 가로 35 mm, 세로 70 mm, 두께 20 mm로 가공하였으며, 측정을 위해 사용한 장비는 독일 FISCHER사의 Sigmascope SMP10이다.
이론/모형
- 알루미늄의 열전도도 분석을 위해서 Parker에 의해 개발된 Laser flash법을 이용하여 계산하였다. 이 방법은 고체재료의 열확산도 측정방법으로 현재 가장 널리 이용되고 있다.
성능/효과
- 0.01 wt%의 B가 함유된 합금은 233.8 W/m·K으로 순수 알루미늄에 비하여 열전도도가 약 4.8 W/m·K 가량 증가하였다, 이후 소폭 감소하였지만, 0.05wt%B에서 234.4 W/m·K로 최대 열전도도를 나타내었다.
- 1) 전기전도도의 측정결과 B의 첨가는 전기전도도를 향상시켰으며, 0.05 wt%의 B 첨가 시 B을 첨가하지 않았을 때에 비해 1.13%정도 증가하였다. 하지만 0.
- 2) 열전도도의 측정결과 B의 첨가에 따라 전기전도도와 비슷한 양상을 보였으며, 열전도도 또한 0.05wt%B 함량에서 B을 첨가하지 않았을 때에 비해 4.8 W/m·K 증가한 값을 보였으며, 그 이후 점차 감소함을 보였다.
- 3) SEM-EDS 분석으로부터 알루미늄 용탕 안의 Ti와 V가 B와 반응하여 TM-B 화합물을 생성하여 도가니 바닥부분에 가라앉음을 확인하였고, 이로 인해 전도도가 향상되는 것으로 확인되었다.
- 4) XRD 분석 결과 생성된 TM-B 화합물은 TiB2와 VB2로 분석되었으며, 이들은 AlB2나 AlB12보다 열역학적으로 안정하여 형성됨을 알 수 있었다.
- B의 함량이 0.01 wt%일 경우 63.28% IACS의 전기전도도가, 0.02%B의 경우 63.46% IACS, 그리고 최대 전기전도도는 0.05wt%B을 첨가하였을 때로 순수 알루미늄에 비하여 약 1.13%정도 증가한 63.49% IACS로 측정되었다. 하지만 0.
- 4에서와 같은 짙은 회색의 blocky한 AlB12상과 회색 침상의 AlB2상이 존재하는데, 이 외에 다른 조성을 가진 침상(spectrum ①)과 등축형상(spectrum ②)을 가지는 상들이 관찰되었다. EDS분석 결과, spectrum ①의 침상은 Al-7at%, B-87at%, Ti-2.1at%, V-3.4at%로 분석되었고, spectrum ②의 등축형상의 성분은 Al-3.8at%, B-88at%, Ti-2.9at%, V-5.0at%로 분석되었다.
- 6에 그래프로 나타내었다. 본 연구에 사용된 B을 첨가하지 않은 순수 알루미늄의 전기전도도는 62.36% IACS로 측정되었다. 이 결과는 기존에 보고된 순수 알루미늄의 전기전도도인 61.
- 알루미늄에 Al-5wt%B 모합금 형태로 첨가한 B의 함량은 0.01wt%B에서 최대 1.0wt%B이며, B 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 향상되는 경향을 보였다. 반면 0.
- 6%의 순도를 가지는 1060 알루미늄의 경우 완전 풀림 상태에서 열전도도가 234 W/m·K(temp, 25oC)로 본 실험 결과와 크게 다르지 않음을 알 수 있다[14]. 열전도도 분석 결과 전기전도도와 마찬가지로 B의 첨가에 의해 상승하는 경향을 보였다. 0.
- 06% IACS의 전기전도도가 측정되었으나 여전히 순수 알루미늄의 전기전도도 보다는 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로 보아 전기전도도는 B의 함량이 증가함에 따라 계속 커지는 것이 아니라 일정 함량이 넘어가면 점차 감소하는 경향을 나타내게 됨을 알 수 있고, 알루미늄의 전기전도도를 향상시키기 위한 B의 첨가 효과는 우수한 것으로 판단되며, 최저 0.01wt%B에서 최대 0.05wt%B의 첨가가 적당한 것으로 판단된다.
- 49% IACS로 측정되었다. 하지만 0.1%B 이상의 함량부터는 전기전도도가 떨어지기 시작하여 B 함량이 증가할수록 점차 감소하여 0.5%B의 경우 63.06% IACS의 전기전도도가 측정되었으나 여전히 순수 알루미늄의 전기전도도 보다는 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로 보아 전기전도도는 B의 함량이 증가함에 따라 계속 커지는 것이 아니라 일정 함량이 넘어가면 점차 감소하는 경향을 나타내게 됨을 알 수 있고, 알루미늄의 전기전도도를 향상시키기 위한 B의 첨가 효과는 우수한 것으로 판단되며, 최저 0.
후속연구
- 9의 Ti와 V를 함유하고 있는 침상과 등축형의 상은 AlB12상에 Ti 및 V이 확산하여 미세한 형태의 TiB2, VB2상으로 생성된 것으로 보인다. 문헌에서는 (Ti,V)B2 혹은 (Al,Ti,V)B2상의 생성 또한 제안되었으나 이를 확인하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다[10,14]. 또한 Ti 및 V와의 반응은 AlB12에 비해 AlB2상이 더 빠르지만, 조직 내 AlB12상의 큰 입자 크기와 넓은 표면적에 기인해 우선적으로 AlB12상과 반응하여 상을 형성한 것으로 사료된다[5].
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