[논문]무전해도금 및 방전 플라즈마 소결을 이용한 구리/흑연 복합재료 제조 및 열물성 특성 평가

이재성; 강지연; 김슬기; 정찬회; 이동주

doi:10.4150/kpmi.2020.27.1.25

무전해도금 및 방전 플라즈마 소결을 이용한 구리/흑연 복합재료 제조 및 열물성 특성 평가
Thermophysical Properties of Copper/graphite Flake Composites by Electroless Plating and Spark Plasma Sintering 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.1, 2020년, pp.25 - 30

이재성 (충북대학교 신소재공학과) , 강지연 (충북대학교 신소재공학과) , 김슬기 (충북대학교 신소재공학과) , 정찬회 ((주)미래이피) , 이동주 (충북대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the amount of heat generated in devices has been increasing due to the miniaturization and high performance of electronic devices. Cu-graphite composites are emerging as a heat sink material, but its capability is limited due to the weak interface bonding between the two materials. To overcome these problems, Cu nanoparticles were deposited on a graphite flake surface by electroless plating to increase the interfacial bonds between Cu and graphite, and then composite materials were consolidated by spark plasma sintering. The Cu content was varied from 20 wt.% to 60 wt.% to investigate the effect of the graphite fraction and microstructure on thermal conductivity of the Cu-graphite composites. The highest thermal conductivity of 692 W m-1K-1 was achieved for the composite with 40 wt.% Cu. The measured coefficients of thermal expansion of the composites ranged from 5.36 × 10-6 to 3.06 × 10-6K-1. We anticipate that the Cu-graphite composites have remarkable potential for heat dissipation applications in energy storage and electronics owing to their high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이번 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 흑연의 표면처리 공정을 통해 구리와 흑연의 계면 결합력을 높이고, 무전해 도금을 통해 흑연 표면에 구리를 코팅 함으로써 흑연의 응집을 억제하여 분산성을 향상시키고자 하였다. 합성된 구리/흑연 복합분말을 방전 플라즈마 소결 (spark plasma sintering)을 통해 소결하여 압력에 의해 흑연이 배향성을 갖도록 복합재료를 제조하고 열물성 평가를 진행하였다.
본 연구에서는 무전해 도금과 방전 플라즈마 소결을 이용해 구리/흑연 복합재료를 제조하고 구리 함량에 따른 미세조직 및 열물성 특성평가를 진행하였다. 무전해 도금을 통해 흑연 표면에 구리가 균일하게 코팅된 구리/흑연 복합 분말을 제조할 수 있었으며, 이는 탈지 및 표면조정 공정에서 표면 불순물 제거 및 표면기능기 생성으로 인해 계면결합력이 향상됐기 때문이다.

제안 방법

구리 무전해도금 공정은 황산구리 5수화물(CuSO4·5H20,Junsei, 99%) 100 g/L, 환원제(Formalin, Junsei, 36~38%)60 ml/L, 도금 안정제(Triethanolamine, Sigma Aldrich,≥99%) 2%/L가 포함된 도금욕을 40~45 oC의 온도에서 수산화나트륨으로 pH를 12~13로 조절하며 10분 동안 흑연 표면에 구리 무전해 도금을 진행하였다.
구리 무전해도금의 전처리 공정으로 흑연(graphite flake, Sigma Aldrich, 순도 99%,+50 mesh, ≥80%, natural)의 탈지 및 표면조정을 위해 탈지제(Ethylenediaminetetraacetic acid(EDTA), Sigma Aldrich, ≥99%)와 수산화나트륨(NaOH, Samchun, 98%)를 1:1로 혼합 후 증류수에 10%/L로 투입하여 10분간 반응시키고 증류수로 세척하였다.
구리/흑연 복합분말을 30 mm의 내경을 갖는 graphite mold에 채운 후 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering (SPS), DR. SINTER LABTM) 공정을 통해 소결체를 제조 하였다. 복합분말의 소결조건은 20 MPa의 압력 하에서 C/min의 승온 속도로 700 oC까지 올린 후 5분간 유지하였다.
구리/흑연 복합분말의 상분석은 X-선 회절분석기(X-ray Diffractometer, X’pert PRO MRD, PANAlytical) 을 이용해 진행하였고, 접속이온빔장치(Focused Ion Beam, Crossbeam 540, Zeiss사)와 EDS(Energy Dispersive Spec-trometer)를 이용하여 구리/흑연 복합분말의 구리 도금층두께 및 소결체의 미세조직을 분석하였다.
열전도도 샘플은 열전달 방향으로 흑연이 평행 및 수직하게 배향될 수있도록 절삭하여 준비하였다. 구리/흑연 복합재료의 밀도는 진밀도측정장비(He Gas Pycnometer, AccuPyc II 1340, Micromeritics)로, 비열은 온도변조 시차주사 열량계(Mo-dulated Differential Scanning Calorimeter, DSC204 F1 Phoenix, NEYZSCH)로, 열확산은 열확산 측정장비(Laser Flash Apparatus, LFA 467, NEYZSCH)로 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 샘플의 열팽창계수는 상온에서 200^oC 까지 대기 분위기에서 열팽창측정기(Dilatometer, DIL 402 C, NEYZSCH)로 측정하였다.
반응이 끝난 후 증류수로 세척 후, 진공오븐에서 건조를 하여 구리가 코팅된 흑연(Cu/GF) 복합분말을 얻었다. 다양한 질량비(20 wt.%Cu, 40 wt.%Cu, 60 wt.%Cu) 를 가진 구리/흑연 복합분말(20Cu/GF, 40Cu/GF, 40Cu/GF)을 합성 하기 위해 흑연과 황산구리 수화물의 질량 비를 각각 1:1.32, 1:5.26, 1:7.958로 도금액의 황산구리 수화물 양을 조절하여 무전해 도금 공정을 진행하였다.
무전해도금을 위한 촉매 코팅을 위해 염화 팔라듐(PdCl2, Sigma Aldrich, 99%) 0.3 g/L, 염화 주석 수화물(SnCl2·2H2O, Sigma Aldrich, 99%) 20 g/L 염산(HCl, Junsei, 35~37%) 200 ml/L를 첨가한 수용액에서 5분 간 반응 시킨 후 증류수로 세척하여 팔라듐 코팅을 진행한 후 표면활성화를 위해 15% 황산(H2SO4, Junsei, 95%) 수용액에 촉매 코팅된 흑연을 3분간 장입하였다.
본 연구에서는 구리/흑연 복합분말을 제조하기 위해 무전해도금과 방전 플라즈마 소결 공정을 진행하였으며 모식도는 Fig. 1에 나타내었다. 구리 무전해도금의 전처리 공정으로 흑연(graphite flake, Sigma Aldrich, 순도 99%,+50 mesh, ≥80%, natural)의 탈지 및 표면조정을 위해 탈지제(Ethylenediaminetetraacetic acid(EDTA), Sigma Aldrich, ≥99%)와 수산화나트륨(NaOH, Samchun, 98%)를 1:1로 혼합 후 증류수에 10%/L로 투입하여 10분간 반응시키고 증류수로 세척하였다.
구리/흑연 복합재료의 밀도는 진밀도측정장비(He Gas Pycnometer, AccuPyc II 1340, Micromeritics)로, 비열은 온도변조 시차주사 열량계(Mo-dulated Differential Scanning Calorimeter, DSC204 F1 Phoenix, NEYZSCH)로, 열확산은 열확산 측정장비(Laser Flash Apparatus, LFA 467, NEYZSCH)로 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 샘플의 열팽창계수는 상온에서 200^oC 까지 대기 분위기에서 열팽창측정기(Dilatometer, DIL 402 C, NEYZSCH)로 측정하였다.
구리/흑연 복합재료의 구리 함량 및 배향에 따른 열전도도 및 열팽창계수 결과를 Table 1에 나열하였다. 열전도도샘플은 열전도 방향 및 열전도와 수직 방향으로 흑연이 배향되도록 하였다. 열전달 방향으로 흑연이 배향하도록 가공한 샘플의 경우 열전도도는 흑연의 함량이 증가함에 따라 증가하여 40Cu/GF 샘플에서 692 W/m·K로 가장 높은 값을 보이다가 20Cu/GF 샘플에서 감소하는 경향을 보이고 있다.
따라서 이번 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 흑연의 표면처리 공정을 통해 구리와 흑연의 계면 결합력을 높이고, 무전해 도금을 통해 흑연 표면에 구리를 코팅 함으로써 흑연의 응집을 억제하여 분산성을 향상시키고자 하였다. 합성된 구리/흑연 복합분말을 방전 플라즈마 소결 (spark plasma sintering)을 통해 소결하여 압력에 의해 흑연이 배향성을 갖도록 복합재료를 제조하고 열물성 평가를 진행하였다.
흑연의 표면분석은 X-선 광전자 분광(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS, PHI Quantera-II) 을 이용해 진행하였다. 구리/흑연 복합분말의 상분석은 X-선 회절분석기(X-ray Diffractometer, X’pert PRO MRD, PANAlytical) 을 이용해 진행하였고, 접속이온빔장치(Focused Ion Beam, Crossbeam 540, Zeiss사)와 EDS(Energy Dispersive Spec-trometer)를 이용하여 구리/흑연 복합분말의 구리 도금층두께 및 소결체의 미세조직을 분석하였다.

성능/효과

이를 통해 흑연표면에 구리가 균일하게 코팅된 것으로 관찰되었다. 계면에서 공극(void)이나 균열(crack)없이 흑연 표면을 구리가 둘러싸고 있는 것으로 보아 EDTA와 수산화나트륨을 이용한 탈지 및 표면조정 공정에서 불순물이 제거됨과 동시에 Fig. 4와 같이 산화에 의해 흑연표면에 미량의 산소기능기 그룹이 생성되어 구리와 흑연 간 계면 접합력이 향상된 것으로 보인다.
흑연의 XRD의 결과 (002)와 (004) 면에 해당하는 26.44°, 54.78°에서 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, 구리 무전해 도금 후에는 구리 코팅을 한 흑연의 경우 흑연상과 함께 43.30°, 50.43°, 74.13° 에서 구리 상이 관찰되는 것을 통해 무전해 도금 공정을 통해 구리가 생성되었음을 확인하였다.

후속연구

36까지 증가했다. 이를 통해 제조된 구리/흑연 복합 재료는 고열전도성과 열팽창에 의한 변형 발생이 적은 차세대 방열소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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