[논문]그라파이트/구리 복합재료의 기계적 특성에 미치는 그라파이트 형상과 복합재료 제조방법의 영향

손유한; 한준현

doi:10.3740/mrsk.2018.28.10.601

Abstract ▼ AI-Helper

To study the effects of graphite shape and the composite fabricating method on the mechanical properties of graphite/copper (Gr/Cu) composites, a copper composite using graphite flakes or graphite granules as reinforcing phases is fabricated using mechanical mixing or electroless plating method. The...

To study the effects of graphite shape and the composite fabricating method on the mechanical properties of graphite/copper (Gr/Cu) composites, a copper composite using graphite flakes or graphite granules as reinforcing phases is fabricated using mechanical mixing or electroless plating method. The mechanical properties of the Gr/Cu composites are evaluated by compression tests, and the compressive strength and elongation of the Gr/Cu composites using graphite granules as a reinforcing phase are compared with those of Cu composites with graphite flakes as a reinforcing phase. The compressive yield strength or maximum strength of the Gr/Cu composites with graphite granules as a reinforcing phase is higher than that of the composites using graphite flakes as a reinforcing phase regardless of the alignment of graphite. The strength of the composite produced by the electroless plating method is higher than that of the composite material produced by the conventional mechanical mixing method regardless of the shape of the graphite. Using graphite granules as a reinforcing phase instead of graphite flakes improves the strength and elongation of the Gr/Cu composites in all directions, and reduces the difference in strength or elongation according to the direction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 강화상으로 사용되는 그라파이트분말의 형상과 배열에 따른 그라파이트 강화 구리복합재료(Gr/Cu)의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위해 이방성이 적은 granule 형상의 그라파이트와 이방성이 큰 flake 형상의 그라파이트를 강화상으로 사용하여 복합재료를 제조하였으며 방향에 따른 기계적 특성을 비교하였다. 또한 구리기지금속 내 그라파이트분말의 분산성을 향상시키고 그라파이트분말의 배열에 변화를 주기 위해 그라파이트분말 표면에 구리를 코팅한 코어-쉘(core-shell) 타입의 Gr/Cu 복합분말을 만든 후 핫프레싱(hot pressing)에 의해 분말을 벌크화 하였으며, 그라파이트분말과 구리분말을 기계적으로 혼합한 후 핫프레싱 하는 기존의 방법에^11,12) 의해 제조된 복합재료와 비교함으로써 복합재료 제조방법의 차이에 따른 그라파이트 강화상의 분산성과 배열이 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 그라파이트/구리(Gr/Cu) 복합재료에서 강화상으로 사용되는 그라파이트분말의 형상(flake, granule)과 배열(in-plane 방향, through-plane 방향), 복합재료의 제조방법(기계적혼합법, 무전해도금법)이 Gr/Cu 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

그라파이트 granule(장축: 35 µm, 단축: 20 µm)과 그라파이트 flake(직경: 140 µm, 두께: 18 µm)는 Shenzhen사로부터, 순수 구리분말(직경: 3 µm)은 Alfa Aesar사로부터 구입되었다. 구입된 그라파이트분말 표면의 불순물을 제거하기 위해 에탄올과 증류수를 이용하여 초음파 세척하였으며 세척 후에 진공오븐에서 건조하였다.

이론/모형

기계적혼합법과 무전해도금법에 의해 제조된 Gr/Cu 복합분말을 사용하여 복합재료를 제조하기 위해 본 연구에서는 스파크 플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)법보다 비용이 저렴하며 쉽게 적용할 수 있는 핫프레싱법을 이용하였다. Fig.
사용된 구리분말 표면의 상분석은 X-선 회절기(X-pert PRO MPD)를 이용해서 진행되었으며, Gr/Cu 복합분말과 Gr/Cu 복합재료의 미세구조는 광학현미경(Nikon JP/Eclipse E600Pol)과 주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi S4800)으로 관찰되었다. 제조된 Gr/Cu 복합재료의 기계적 특성은 상온에서 universal testing machine(Instron4482)을 이용한 압축시험을 이용하여 분석되었으며 압축특성의 이방성을 분석하기 위해 핫프레싱에 의한 복합재료제조 시 가압방향(through-plane direction)과 가압방향에 수직한 방향(in-plane direction)에서 각각 압축시험을 실시하였다. 이 때 압축시험편의 지름과 높이는 각각 4 mm, 6 mm이었으며 변형속도는 1 mm/min이었다.

성능/효과

1) 무전해도금법을 이용하여 제조된 복합재료에서는 기계적혼합법에 의해 제조된 복합재료보다 구리기지 내 그라파이트분말의 분산이 더욱 우수하였고 그라파이트분말들끼리의 접촉없이 개개의 분말들 모두 구리기지 내에 독립적으로 존재하고 있었으며, in-plane방향으로 그라파이트 flake의 배열성이 뛰어나다.
2) 그라파이트의 배열방향(in-plane방향, through-plane방향)과 무관하게 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 Gr/Cu 복합재료의 강도(항복강도, 최대강도)와 연신률이 그라파이트 flake를 강화상으로 사용한 복합재료보다 더 우수하며, 그라파이트의 형상(granule, flake)과 무관하게 기존의 기계적혼합법에 의해 제조된 복합재료보다 무전해도금법에 의해 제조된 복합재료의 강도가 더 높다.
3) 그라파이트 granule이 강화된 복합재료에서는 inplane방향과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연신률의 차이가 작은데 반해, 그라파이트 flake가 강화된 복합재료에서는 in-plane방향과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연신률의 차이가 크다.
4) 그라파이트 flake를 대신하여 그라파이트 granule을 강화상으로 사용함으로써 모든 방향에서 복합재료의 강도와 연신률을 향상시킬 수 있으며, 방향에 따른 강도 혹은 연신률의 차이를 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Heat sink, heat spreader의 역할은 무엇인가?	Heat sink, heat spreader는 전자소자에서 방출되는 열이 기기의 성능과 수명을 저하시키지 않도록 열을 신속하게 전달하여 외부로 방출시키는 역할을 하는 것으로 전자기기부터 자동차에 이르기까지 매우 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.1,2) 일반적으로 heat sink, heat spreader소재로서 알루미늄(열전도도: 210 W/mK, 열팽창계수: 24 ppm/K)과 구리(열전도도: 398 W/mK, 열팽창계수: 16ppm/K)가 넓게 사용되어 왔으나, 최근에는 전자기기의 고성능화, 고집적화, 소형화로 인해 더 높은 열전도도, 더 낮은 열팽창계수, 더 우수한 기계적 특성을 갖는 heat sink, heat spreader가 요구되고 있다.
	판상인 flake 형상의 그라파이트분말을 강화상으로 사용할 때 발생하는 단점은?	9) 하지만 지금까지는 주로 flake 형상의 그라파이트분말을 강화상으로 사용하였을 뿐 granule 형상과 같이 다른 형상의 그라파이트분말을 강화상으로 사용한 연구는 거의 이루어지지 않았다.10) 판상의 그라파이트 flake 분말을 강화상으로 사용할 경우 기지금속 내에 그라파이트 flake 표면에 평행한 방향으로 그라파이트분말이 배열되기 쉽기 때문에 열적, 기계적 특성에 대한 이방성이 매우 큰 단점을 가지고있다. 또한 지금까지는 탄소/구리 복합재료의 경우 열적 특성에 관한 연구가 주로 진행되었으며 기계적 특성에 관한 연구는 매우 미흡한 편이다.
	복합재료의 다량의 나노분말을 첨가할 경우 발생하는 문제점은?	하지만 복합재료의 열적, 기계적 특성에 대한 뚜렷한 강화상 첨가효과를 얻기 위해서는 10 vol% 이상의 다량의 나노분말이 첨가되어야 하는데 Samal et al.의 연구 결과에서 보여준 것과 같이 다량의 나노분말을 첨가할 경우 나노분말 분산의 어려움에 의한 강화상의 뭉침때문에 오히려 열적, 기계적 특성이 저하하는 문제점을 가지고 있어 다량의 강화상을 첨가하는데 한계가 있다.8)

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