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문제 정의
- 본 연구는 실험의 단순화를 위해 히트싱크 대신에 판상형 금속(metal plate) 재료를 선택해서 두께방향으로 열전도도의 측정시, 측정방법과 실험변수가 열전도도 측정값에 미치는 영향을 알아보기 위한 목적으로 수행되었다. 시편은 산업적으로 널리 사용되는 연강과 스테인리스강의 2종으로 선택하였으며, 각각에 대해 시편두께를 변수로 판상형 금속시편을 제작 후, 섬광법과 ASTM D5470(DynTIM Tester) 방법으로 두께방향의 열전도도를 측정하였다.
가설 설정
- DynTIM Tester에서 열전도도를 측정하는 원리는 ASTM D5470의 규정을 따르며,19) 열적 안정상태(steadystate)로 가정한다. DynTIM Tester에서 시편두께는 2가지 개념으로 사용된다.
제안 방법
- 여기서, S는 열저항-시편두께 특성커브의 기울기(S)이고, A는 디스크 형상의 시편에서 단면적을 의미한다. DynTIM Tester시 시편의 위쪽과 아래쪽에 열그리스(thermal grease,모델명: Cooling Flow-CT250)의 코팅 유무를 실험변수로 선택하였다. 사용한 열그리스의 열전도도는 3.
- 0 A 정도로 큰 전류를 인가하면 발열이 되고, 1 mA로 작은 전류를 인가하면 다이오드는 온도센서 역할을 한다. 본 연구에서는 다이오드에 5.0 A의 전류를 66초 동안 인가시켜 시편의 상단부 온도가 130 ℃ 정도(THD)에 도달 시킨 후, 다이오드에 0.1 mA로 작은 전류를 60초 동안 인가시킴으로써 시편의 냉각과정에서 온도-시간 특성커브를 얻었다.
- 섬광법 적용시, 입사빔의 열흡수가 용이하도록 콜로이드 상태의 흑연입자를 시편의 양쪽면에 2~5μm 두께로 분사코팅 하였다.
- 본 연구는 실험의 단순화를 위해 히트싱크 대신에 판상형 금속(metal plate) 재료를 선택해서 두께방향으로 열전도도의 측정시, 측정방법과 실험변수가 열전도도 측정값에 미치는 영향을 알아보기 위한 목적으로 수행되었다. 시편은 산업적으로 널리 사용되는 연강과 스테인리스강의 2종으로 선택하였으며, 각각에 대해 시편두께를 변수로 판상형 금속시편을 제작 후, 섬광법과 ASTM D5470(DynTIM Tester) 방법으로 두께방향의 열전도도를 측정하였다. 특히, DynTIM Tester법으로 열전도도 측정시 실험변수로 열그리스(thermal grease)의사용 유무를 선택함으로써, 시편과 시편홀더 사이의 계면상태가 열전도도에 미치는 영향에 대해 자세하게 고찰하였다.
- 5 μm 이하로 나타났다. 시편의 미세조직 관찰을 위해 폴리싱법으로 경면가공해서 화학용액으로 에칭한 후 광학현미경 관찰도 하였다.
- Table 3은 DynTIM Tester로 열전도도 측정시, 열저항-시편두께 모드의 실험결과를 나타낸 것이다. 연강과 STS304 재료에 대해 각각 3가지 두께의 시편에 대해 열저항을 측정하였다. Fig.
- DynTIM Tester에서 시편두께는 2가지 개념으로 사용된다. 첫번째는 시편두께를 측정한 후 입력하는 방식인 열저항-시편두께 특성커브 모드이고, 두 번째는 DynTIM Tester로 BLT(bond length thickness)를 측정해서 열저항-BLT 특성커브 모드이다. DynTIM Tester에서 BLT는 시편두께와 비슷하지만, 실제로는 Fig.
- 시편은 산업적으로 널리 사용되는 연강과 스테인리스강의 2종으로 선택하였으며, 각각에 대해 시편두께를 변수로 판상형 금속시편을 제작 후, 섬광법과 ASTM D5470(DynTIM Tester) 방법으로 두께방향의 열전도도를 측정하였다. 특히, DynTIM Tester법으로 열전도도 측정시 실험변수로 열그리스(thermal grease)의사용 유무를 선택함으로써, 시편과 시편홀더 사이의 계면상태가 열전도도에 미치는 영향에 대해 자세하게 고찰하였다.
- 판상형 금속재료에 대해 두께방향으로 열전도도의 측정시 열전도도에 미치는 주요 인자에 대해 연구하기 위해, 시편두께를 변수로 해서 연강과 스테인리스강에 대해 섬광법과 DynTIM Tester로 열전도도를 측정하였다. DynTIM Tester의 적용시 열그리스의 사용 유무가 열전도도에 미치는 영향에 대해 자세하게 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 섬광법과 DynTIM Tester로 열전도도를 측정하기 위해서는 장치마다 시편의 형상과 치수가 엄격하게 규정되어 있다. 대부분 판상의 디스크 형상이 요구되며, 본 연구에 사용된 시편의 형상은 지름이 12.6 mm인 판상으로, 두께는 대략 1 mm, 2 mm 및 3 mm가 되도록 하였다. 연마공정을 통해 시편의 두께 균일도는 5 μm 이내로 제조하였으며, 비접촉 3차원측정현미경(KEYENCE사, 모델명: VK-X250)을 사용해 측정한 디스크형 시편 양쪽의 표면거칠기는 0.
- 시편 제조용 원재료는 상용의 연강(mild steel)과 스테인리스강(STS304)을 선택하였다. 두께가 5 mm인 판상의 재료를 구입해서, 디스크 형태로 기계적 가공하여 열전도도 측정용 시편을 제작하였다. 섬광법과 DynTIM Tester로 열전도도를 측정하기 위해서는 장치마다 시편의 형상과 치수가 엄격하게 규정되어 있다.
- 사용한 열그리스의 열전도도는 3.8 W/m·K이며, 페이스트(paste) 상태의 것으로 시편의 상단면과 하단면에 0.2 mm 정도의 두께로 균일하게 도포해서 사용하였다.
- 시편 제조용 원재료는 상용의 연강(mild steel)과 스테인리스강(STS304)을 선택하였다. 두께가 5 mm인 판상의 재료를 구입해서, 디스크 형태로 기계적 가공하여 열전도도 측정용 시편을 제작하였다.
- 1(b)는 DynTIM Tester로 시편의 두께방향으로 열저항(thermal resistance, Rth) 측정시, 시편의 장착 위치와 온도-시간 특성커브를 나타내는 개념도이다. 시편은 히팅용 다이오드 블록(diode block)과 히트싱크(heater sink)사이에 설치한다. 다이오드에 5.
- 연마공정을 통해 시편의 두께 균일도는 5 μm 이내로 제조하였으며, 비접촉 3차원측정현미경(KEYENCE사, 모델명: VK-X250)을 사용해 측정한 디스크형 시편 양쪽의 표면거칠기는 0.5 μm 이하로 나타났다.
데이터처리
- 92 W/m·K로 나타났다. 측정된 시편의 열확산계수와 열전도도는 이전에 발표된 여러 연구자들의 결과와 비슷하며,16-18) 이 결과를 DynTIMTester로 측정한 결과와 서로 비교 평가하였다.
이론/모형
- 두께가 수 미크론 이하로 얇은 박막재료에 대한 열전도도는 3오메가(3ω)법으로 측정할 수 있다.
- 시편의 두께방향에 대한 열전도도는 섬광법(LFA-467, Netzsch, Germany)과 DynTIM Tester(Mentor Graphics,USA)의 2가지 방법으로 측정하였다. Fig.
- 열전도도(λ)는 시편의 밀도와 비열 및 열확산계수를 사용해 구할 수 있고, 밀도는 아르키메데스의 수중부유법, 비열은 시차주사열량계(DSC)를 사용해 측정하였다.
- 지름을 12.6 mm로 고정시키고 두께를 변수로 해서 제조한 디스크 형상의 연강과 스테인리스강 시편에 대해, 비접촉 방법인 섬광법과 접촉 방법인 DynTIM Tester법 2가지 방법으로 열전도도를 측정하였다. Table 1은 실험에 사용된 6가지 종류의 시편에 대해, 각 재료별로 두께가 1 mm, 2 mm, 3 mm를 목표로 제조한 시편의 실제 두께를 나타낸다.
성능/효과
- 1. 디스크 형상의 연강과 스테인리스강에 대해 비접촉방법인 섬광법으로 측정한 열전도도는 대략 44 W/m·K와 15 W/m·K로 나타났으며, 시편의 두께가 1 mm에서 3 mm의 범위에서 열전도도는 5 % 이내에서 거의 비슷하게 나타났다.
- 열저항은 시편두께에 따라 증가하였으며, 열그리스를 도포하지 않은 경우 접촉저항(contact resistance)의 증가로 인해 열저항이 증가했다.12) 열저항-시편두께 특성커브를 사용해서 회귀방정식(regression equation)으로 구한 연강의 기울기는 스테인리스강에 비해 작았다. 이 결과를 식 (4)에 대입하면, 시편의 열전도도 증가를 의미하기 때문에 예상했던 바와 잘 일치한다.
- 2. 접촉 방법인 DynTIM Tester법으로 측정한 연강과 스테인리스강의 열전도도는 열그리스의 사용 유무에 따라 큰 차이를 보였다. 열그리스를 사용한 경우 열전도도는 섬광법으로 측정한 것보다 높게 나타났고, 열그리스를 사용하지 않으면 섬광법으로 측정한 것보다 낮게 나타났다.
- 3. DynTIM Tester법으로 열전도도 측정시, 열그리스를 사용하면 열저항-시편두께 특성커브에서 장치의 열저항과 함께 기울기도 감소함을 확인하였다. 열저항-시편두께 특성커브에서 기울기의 감소는 열전도도의 증가를 의미하기 때문에, 열그리스를 사용하면 사용하지 않는 경우에 비해 시편의 열전도도가 높게 나타난다.
- DynTIM Tester법으로 측정한 연강과 스테인리스강의 열전도도는 열그리스를 사용한 경우 섬광법으로 측정한 값보다 각각 3.5 %와 25 % 높은 45.61 W/m·K와 18.82 W/m·K로 나타났지만, 열그리스를 사용하지 않은 경우는 섬광법으로 측정한 값보다 각각 20 %와 18.6 % 낮은 35.01 W/m·K와 12.2 W/m·K로 나타났다.
- 결과를 종합하면, Fig. 5에서 보듯이 비접촉 방법인 섬광법과 접촉 방법인 DynTIM Tester법으로 열전도도를 측정했을 때, 동일한 시편에 대해서도 열전도도가 다르게 나타났다. 즉, 섬광법으로 특정한 열전도도에 비해, 접촉 방법인 DynTIM Tester법에서 측정한 열전도도는 열 그리스를 사용하면 더 크게 나타나고, 사용하지 않으면 작게 나타났다.
- 동일한 시편에 대한 열전도도는 비슷하게 나타날 것으로 예상했지만, DynTIM Tester로 측정한 열전도도는 열 그리스의 사용 유무에 따라, 연강의 경우 45.61 W/m·K에서 35.01 W/m·K로 23 % 정도 다르게 나타났다.
- 3에서 보듯이, 연강의 열확산계수와 열전도도는 스테인리스강에 비해 대략 3배 정도 높게 나타났다. 또한, 동일 재료에서는 시편두께가 1 mm에서 3 mm로 증가해도 열확산계수와 열전도도는 5%정도 이내에서 비슷하게 나타났다. 시편두께 증가시 열전도도가 5%정도 증가한 이유는 식 (2)에서 보듯이 열확산계수의 증가 때문으로 보이며, ISO 18755에서는 섬광법 적용시 시편의 최적 두께에 대해 규정하고 있다.
- 접촉 방법인 DynTIM Tester법으로 측정한 연강과 스테인리스강의 열전도도는 열그리스의 사용 유무에 따라 큰 차이를 보였다. 열그리스를 사용한 경우 열전도도는 섬광법으로 측정한 것보다 높게 나타났고, 열그리스를 사용하지 않으면 섬광법으로 측정한 것보다 낮게 나타났다.
- 즉, 열그리스를 사용하면 열저항-시편 두께 특성커브에서 장치의 열저항은 물론 기울기도 감소했다. 이 결과는 DynTIM Tester법으로 열전도도 측정 시 중요한 발견으로, 열그리스를 사용했을 때 시편의 열전도도가 높게 나타났던 원인은 기울기의 감소 때문으로 설명할 수 있다. 하지만, 열그리스의 사용 유무에 따라 기울기의 변화가 생기는 원인 규명에 대한 후속 연구가 필요하다고 본다.
- 5에서 보듯이 DynTIM Tester로 열전도도 측정시 열그리스의 사용 유무는 시편의 열전도도에 지대한 영향을 준다. 즉, 동일한 시편에 대해서도 열그리스를 사용하면 사용하지 않는 시편에 비해 열전도도가 높게 나타났다. Fig.
- 5에서 보듯이 비접촉 방법인 섬광법과 접촉 방법인 DynTIM Tester법으로 열전도도를 측정했을 때, 동일한 시편에 대해서도 열전도도가 다르게 나타났다. 즉, 섬광법으로 특정한 열전도도에 비해, 접촉 방법인 DynTIM Tester법에서 측정한 열전도도는 열 그리스를 사용하면 더 크게 나타나고, 사용하지 않으면 작게 나타났다. 이유는 열그리스의 사용 유무는 접촉 방법인 DynTIM Tester에서 열저항-시편두께 특성커브에서 장치의 열저항은 물론 기울기도 변화시키기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 1-3) 발광다이오드(LED)의 경우, 소자의 접합부에서 발생하는 과열로 인해 비발광(non-radiative) 재결합이 증가해서 발광효율이 크게 떨어진다.4) 전력반도체 소자에서도 고집적화 추세로 인해 발생하는 과열을 효율적으로 방출시키는 기술개발이 시급하다. 반도체 소자에서 과열의 원인은 작은 칩(chip)에 많은 양의 전류가 흐르기 때문인데, 해결책으로는 발열이 적은 반도체 소자를 개발하거나 히트싱크(heat sink, HS) 등의 방열모듈을 사용해 열을 효과적으로 방출시키는 것이다.
- 01 W/m·K로 23 % 정도 다르게 나타났다. 이런 이유로, DynTIM Tester시 열그리스의 사용 유무가 열전도도에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다. 현재까지 수행된 연구결과는 열그리스를 사용하면 시편과 장치의 경계면에 생기는 에어갭(air gap)을 제거함으로써 열저항을 줄이고, 열전도도의 재현성 향상에 기여한다고 알려져 있다.
- 이 결과는 DynTIM Tester법으로 열전도도 측정 시 중요한 발견으로, 열그리스를 사용했을 때 시편의 열전도도가 높게 나타났던 원인은 기울기의 감소 때문으로 설명할 수 있다. 하지만, 열그리스의 사용 유무에 따라 기울기의 변화가 생기는 원인 규명에 대한 후속 연구가 필요하다고 본다.
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