[논문]PVA 용액법을 통한 나노 Cu 분말합성 및 소결체의 열적 특성

오복현; 마충일; 이상진

doi:10.3740/mrsk.2020.30.2.93

PVA 용액법을 통한 나노 Cu 분말합성 및 소결체의 열적 특성
Synthesis of Nano-Sized Cu Powder by PVA Solution Method and Thermal Characteristics of Sintered Cu Powder Compacts 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.30 no.2, 2020년, pp.93 - 98

오복현 (국립목포대학교 신소재공학과) , 마충일 (국립목포대학교 신소재공학과) , 이상진 (국립목포대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Effective control of the heat generated from electronics and semiconductor devices requires a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient appropriate for devices or modules. A method of reducing the thermal expansion coefficient of Cu has been suggested wherein a ceramic filler having a low thermal expansion coefficient is applied to Cu, which has high thermal conductivity. In this study, using pressureless sintering rather than costly pressure sintering, a polymer solution synthesis method was used to make nano-sized Cu powder for application to Cu matrix with an AlN filler. Due to the low sinterability, the sintered Cu prepared from commercial Cu powder included large pores inside the sintered bodies. A sintered Cu body with Zn, as a liquid phase sintering agent, was prepared by the polymer solution synthesis method for exclusion of pores, which affect thermal conductivity and thermal expansion. The pressureless sintered Cu bodies including Zn showed higher thermal conductivity (180 W/m·K) and lower thermal expansion coefficient (15.8×10-6/℃) than did the monolithic synthesized Cu sintered body.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 높은 열전도도를 가지면서 낮은 열팽창계수를 갖는 방열 소재를 개발하기 위해 기지로 사용될 Cu의 소결성을 향상시키는 실험을 진행하였다. 액상법을 이용하여 Cu를 기지로 하는 균질한 Cu-AlN 복합체 제조를 위한 사전 단계로, 폴리머 용액법에 의한 균질한 Cu 전구체 및 Zn이 포함된 Cu 전구체를 제조하여 가압 성형체를 얻은 후 이들의 소결거동을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Cu-AlN 고방열 재료를 디자인하기 위하여 선행되어야 할 Cu 기지재의 치밀화를 위하여 새로운 방법인 PVA 폴리머 용액법을 사용하여 나노 Cu 분말을 합성하고 소결거동을 고찰하였다. 특히 Cu 분말에 Zn을 첨가하여 액상소결에 의한 소결 치밀화를 유도하였다.

대상 데이터

순수한 Cu 분말 전구체는 cupric nitrate hydrate(CuN₂O₆ × 2.5H₂O) 분말을 증류수에 용해시켜 제조하였다. Cu 금속 양이온의 분산을 극대화하기 위해서 5 wt% PVA 용액을 nitrate 분말 무게비의 10배가 되도록 첨가하여 졸(sol) 내의 양이온간의 응집을 억제시켰다.

데이터처리

하소된 분말은 일정한 2,000 psi의 압력으로 일축가압 프레스하여 성형체를 제조한 후, 분당 3 o C의 승온 속도로 4 % H₂ - Ar gas의 환원분위기하 튜브로에서 990 ^oC까지 온도를 올린 후 한 시간 동안 유지후 노냉하였다. 비교 실험을 위하여 상업용 Cu 분말 (< 425 mm, 99.5 %, Sigma-Aldrich, Korea)을 사용하여 같은 방법으로 건식 성형과 소결을 실시하여 미세구조 및 열적성질을 비교·고찰 하였다.

성능/효과

특히 Cu 분말에 Zn을 첨가하여 액상소결에 의한 소결 치밀화를 유도하였다. PVA 폴리머 용액 합성법을 통하여 약 10 nm 크기의 응집된 Cu 분말을 얻을 수 있었으며, 상용 Cu 분말에 비하여 소결성이 향상되었으나, 부분적으로 기공들이 관찰되었다. Zn을 첨가한 소결체는 액상소결의 효과로 인하여 단미의 Cu 소결체보다 더 치밀한 구조를 보여주었다.
Zn을 첨가한 소결체는 액상소결의 효과로 인하여 단미의 Cu 소결체보다 더 치밀한 구조를 보여주었다. Zn 첨가에 의하여 치밀화된 샘플은 단미의 Cu 소결체에 비하여 열전도도는 180 W/m·K로 높아졌으며, 열팽창계수는 15.8 × 10⁻⁶/^oC로 낮아졌다. 그러나, 첨가된 Zn의 영향에 의하여 Cu 자체의 높은 열전도도를 구현할 수는 없었다.
PVA 폴리머 용액 합성법을 통하여 약 10 nm 크기의 응집된 Cu 분말을 얻을 수 있었으며, 상용 Cu 분말에 비하여 소결성이 향상되었으나, 부분적으로 기공들이 관찰되었다. Zn을 첨가한 소결체는 액상소결의 효과로 인하여 단미의 Cu 소결체보다 더 치밀한 구조를 보여주었다. Zn 첨가에 의하여 치밀화된 샘플은 단미의 Cu 소결체에 비하여 열전도도는 180 W/m·K로 높아졌으며, 열팽창계수는 15.

후속연구

그러나, 첨가된 Zn의 영향에 의하여 Cu 자체의 높은 열전도도를 구현할 수는 없었다. 이러한 기지재를 이용하여 고방열을 위한 금속-세라믹 복합체의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu-AlN 복합재료가 Cu 분말과 AlN 분말을 기계적 혼합 방법을 사용하였을때 발생하는 문제점은?	8,9) 종래의 Cu-AlN 복합재료는 Cu 분말과 AlN 분말을 기계적 혼합 방법을 이용하여 제조하는 방식을 사용하였다. 이러한 고상 혼합 방법은 균질한 혼합이 불가능하여 국부적인 Cu/Cu 또는 AlN/AlN 결합이 존재하여 열적특성의 불균일을 초래하였다.9) 또한 기공의 제거를 위하여 비용이 드는 가압소결 등을 활용하였다.
	Cu의 특성은?	최근에 열전도도와 전기전도도가 높은 Cu의 특성을 유지하면서, 낮은 열팽창계수를 갖는 AlN을 필러로 사용하여 Cu의 열팽창계수를 획기적으로 줄이기 위한 방법 으로 Cu-AlN 복합재료가 제안되었다.8,9) 종래의 Cu-AlN 복합재료는 Cu 분말과 AlN 분말을 기계적 혼합 방법을 이용하여 제조하는 방식을 사용하였다.
	Cu-AlN 복합재료가 제안된 이유는?	최근에 열전도도와 전기전도도가 높은 Cu의 특성을 유지하면서, 낮은 열팽창계수를 갖는 AlN을 필러로 사용하여 Cu의 열팽창계수를 획기적으로 줄이기 위한 방법 으로 Cu-AlN 복합재료가 제안되었다.8,9) 종래의 Cu-AlN 복합재료는 Cu 분말과 AlN 분말을 기계적 혼합 방법을 이용하여 제조하는 방식을 사용하였다.

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