[논문]복사에너지를 이용한 TIM소재의 방열 특성 향상을 위한 연구

황명원; 김도형; 정우창; 정원섭

doi:10.5695/jkise.2019.52.2.58

복사에너지를 이용한 TIM소재의 방열 특성 향상을 위한 연구
Study on Improvement of Heat Dissipation Characteristics of TIM Material Using Radiant Energy 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.2, 2019년, pp.58 - 61

황명원 (부산대학교 재료공학과) , 김도형 (부산대학교 재료공학과) , 정우창 (한국생산기술연구소 동남지역본부) , 정원섭 (부산대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to quantitatively demonstrate the possibility of heat transfer by thermal radiation by comparing heat transfer by conventional heat transfer and radiation by radiation. 1) The heat transfer was measured by using filler of TIM material with low thermal conductivity (CuS). As a result, heat transfer was easier than ceramic with high thermal conductivity ($Al_2O_3$ and $Si_3N_4$). 2) The reason for this is thought to be that the infrared wave due to radiation of the air diaphragm has moved easily. 3) From the above results, the heat dissipation of the TIM material indicates the possibility of heat transfer by thermal radiation.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematics diagram of the apparatus for measuring the temperature of sample.
표 Table 1. Composition of samples with various fillers
그림 Fig 2. the high heat-dissipating ceramic composite powder; (A) SEM analysis and (b) EDAX analysis [3].
그림 Fig 3. The emissivity of the filler used in the experiment
그림 Fig 4. Change of temperature with time
표 Table 2. Temperature(℃) measured at thermocouple
그림 Fig. 5. Heat transfer mechanism inside TIM by thermal radiation
표 Table 3. Thermal conductivity of each materials

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 열전도에 의한 열전달과 복사에 의한 열전달을 비교 검토하여 열복사에 의한 열전달의 가능성을 정량적으로 나타내는 것이 본 연구의 목표이다. 본 연구는 저렴한 고방열 세라믹 복합체(이하, CuS)를 충전재로 활용하여 Air pocket의 틈을 열복사를 이용한 열전달을 이용함으로써 저비용·고성능 TIM 소재용 열 이동에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구는 저렴한 고방열 세라믹 복합체(이하, CuS)를 충전재로 활용하여 Air pocket의 틈을 열복사를 이용한 열전달을 이용함으로써 저비용·고성능 TIM 소재용 열 이동에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

bulk형 방열블록을 제작 한 후, 표면 온도를 측정하기 위하여 세라믹 열원을 145^oC 온도로 유지하고 10 분 간격으로 thermocouple을 이용하여 온도를 측정하였다.
배합한 방열도료를 경화시킬 때, 15×15×2 mm 크기의 mold에 주입 후, 225oC의 Heating Plate를 이용하여 1 시간 동안 경화시켜 bulk형 시편을 제작하였다.
본 연구는 저렴한 고방열 세라믹 복합체(이하, CuS)를 충전재로 활용하여 Air pocket의 틈을 열복사를 이용한 열전달을 이용함으로써 저비용·고성능 TIM 소재용 열 이동에 대한 연구를 수행하였다. 아크릴 수지와 열방사율이 높은 충전재인 CuS를 혼합하여, 방열도료를 제조하고 방열 특성을 평가하였다.

대상 데이터

수지는 녹는점이 200^oC인PMMA (Polymethly Methacrylate)를 사용하였고, 무게 대비 50 wt. %로 방열효과를 부여하는 충전재로 각각 CuS, Al₂O_3, Si₃N₄를 사용하였다. 단, Si₃N₄는 낮은 비중으로 인하여 부피비 5:5 로 첨가하였다.
본 연구에 사용된 충전재인 CuS는 산화규소(SiO₂) 23g, 산화철(Fe₂O₃) 73g, 산화마그네슘(MgO) 2g, 산화알루미늄(Al₂O₃) 3g의 조성으로 산화물 분말을 혼합하고, 1400oC에서 열처리한 후, 급냉하여 세라믹 복합체 분말을 제조하였다. 이를 plantery mill을 이용하여 분쇄한 후, 미분을 sieve를 이용하여 분급한 뒤 사용하였다 [4].
이를 plantery mill을 이용하여 분쇄한 후, 미분을 sieve를 이용하여 분급한 뒤 사용하였다 [4]. 수지는 녹는점이 200^oC인PMMA (Polymethly Methacrylate)를 사용하였고, 무게 대비 50 wt. %로 방열효과를 부여하는 충전재로 각각 CuS, Al₂O_3, Si₃N₄를 사용하였다.

성능/효과

1) 열전도도가 낮은 산화물(CuS)을 TIM 재료의 필러(충전재)를 사용하여 열전달을 측정한 결과 열 전도도가 높은 세라믹(Al₂O₃ 및 Si₃N₄)보다 열 이동이 용이하였다.
3) 위와 같은 결과로부터 TIM 소재의 방열은 열 복사에 의한 열전달의 가능성이 있음을 나타낸다.
측정된 온도가 높을수록 방출되는 열량이 많은 것을 의미하므로 CuS 방열블록의 방열 특성이 가장 우수함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자소자가 고집적화가 가져오는 문제점은?	최근 자동차, 전기·전자 분야 등에서 사용되고 있는 전기소자는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 진행되고 있다. 전자소자가 고집적화될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이렇게 생성된 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 생성열을 제어하는 기술에 대해 많은 연구가 진행되고 있다 [1-3].
	TIM 생산단가의 상승의 이유는?	TIM 소재는 대부분 두 물체 사이의 열 이동을 원활하게 하기 위하여 일반적으로 가격이 저렴한 Al2O3세라믹 충전재를 사용한다. TIM 제작 시에는 충전재와 수지 간에 air pocket이 형성된다. 이때, 충전재와 수지 간의 air pocket의 공기는 열전도도가 극히 낮은 매질(0.025 W/m·K)로 열전도에 의한 열전달에 장애물로 작용한다. 이와 같은 Air pocket의형성을 막기 위해 TIM 생산 공정에서 진공 공정을 도입하는데 이는 TIM 생산단가의 상승을 야기한다.
	TIM이란?	소자의 방열은 ⓵ 소자 세트 내부의열전도에 의한 열전달, ⓶ 소자에서 방열판으로의 열전도에 열전달, ⓷ 방열판 내부의 열전도에 열전달, ⓸ 방열판에서 대기로의 열복사와 열대류에 의한 열전달과 같은 과정을 거쳐 열을 방출한다. 이와 같이 소자의 방열을 위해 방열판을 사용하며, 방열판과 소자 사이의 경계면에서 가장 큰 열 저항을 받게 된다. 이러한 경계면에서 열 저항을 줄이기 위해 사용하는 물질을 TIM (Thermal Interface Materials)라 한다. TIM의 성능 개선을 위해 열전도도가 높은 충전재 개발과 효과 있는 열전달을 위한 많은 연구가 진행되었다.

참고문헌 (6)

Jo, S. J, Kim, J. H, Ko, S. W, Lim S. M, Heat dissipation of Al2O3 Insulation layer Prepared by Anodizing Process for Metal PCB, J. Korean Inst. Surf. Eng., 48 (2015) 33-37

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X. Zhang and C. P. Grigoropoulos, Thermal conductivity and diffusivity of freestanding silicon nitride thin films, Rev. Sci. Instrum., 66 (1995) 1115.

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A. E. Mushin, Chemical Vapor Deposition of Aluminium Oxide (Al2O3) and Beta Iron Disilicide ( ${\beta}$ -FeSi2) Thin Films, PhD-Thesis, University of Duisburg-Essen, (2007)

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