서 론

전자 기술이 발달하면서 전자제품의 소형화와 이의 제품 사용처가 다양화 되면서 관련 소재 기술의 발전이 이뤄져 왔다. 일반적으로 전자기기에서는 열이 발생하는데 소형화 되면서 부품의 밀집도가 높아져 단위 공간 당 발생하는 열 이 많아 기기의 성능에 치명적인 영향을 끼친다. 기기의 작 동 환경 온도가 높으면 기기의 오작동 및 성능 저하의 문제 를 야기할 수 있어 최적의 전자기기 작동 환경 유지를 위한 고성능의 방열 소재 및 시스템 등에 관한 연구의 필요성이 높아지고 있다[1, 2]. 방열 효율 개선과 가장 밀접한 요소들 은 높은 열전도성, 높은 표면 거칠기, 이상적인 구조 설계 등 이 있으나 결국은 구조 설계와 소재 개발로 구분할 수 있다 [1, 3]. 구조 설계는 열의 방출을 위한 면적을 최대화하고 기 체역학을 고려한 공기의 흐름을 반영하여 열의 방출을 최대 화 시키고자 하는 것이고, 소재 설계는 열전달을 최대화함으 로써 방열 효율을 높이는 것과 소재의 경량화 또는 단가를 낮추기 위한 소재에 관한 연구이다. 이를 위한 대표적인 소 재로는 실리콘, 구리와 알루미늄 등이 있다[4]. 지금까지는 이렇게 구조와 소재에 대한 연구가 주로 이뤄졌지만 그 한 계에 직면할 수밖에 없는 실정이다. 따라서 이제는 거시적인 수준의 연구에서 미시적인 수준의 연구로 확장해야 할 필요 성이 대두된다[3].

알루미늄은 상대적으로 가벼울 뿐 아니라 전기적/열적 전도성이 우수해 건축, 자동차 구조, 항공은 물론 전기/전 자, 방열 소재 등으로 사용되어 왔다. 하지만, 내마모성이 낮고 내부식성이 낮아 활용에 많은 제약을 받아 왔지만, 표면에 산화막을 형성시킴으로써 이의 내마모성, 내부식 성, 내화학성, 고온 내열성 등의 물성을 개선시켜 활용도 를 높이고자 하는 연구가 진행되어 왔다[5-8]. 또한 전기 저장체로서의 용량을 향상시키기 위해 표면 에칭을 통한 표면 거칠기 향상에 관한 연구도 진행되었다[9, 10]. 이는 알루미늄 표면을 황산 등으로 에칭 함으로써 작고 치밀하 게 표면에 홀을 만듦으로써 표면적을 향상시키는 것이다. 또한 알루미늄의 산화피막 처리 공정을 이용하여 알루미 늄의 표면 반사율을 낮추는 연구도 진행되었다[11]. 이와 같이 알루미늄은 다양한 표면 처리 공정을 통하여 그 기 능과 용도가 다양화 되어왔다.

본 연구에서는 전기-화학적 표면처리와 후처리 공정을 이용하여 알루미늄 표면의 미세조직을 나노 크기로 제어 하여 표면 거칠기를 높임으로써 방열 효율을 높이고자 하 는 연구를 수행하였다.

우선, 알루미늄 시편의 표면을 세척한 후 Na₂SiO₃의 전해 액 내에서 전기-화학 반응을 실시하고, 임의 온도의 물에 함 침 하는 후처리 공정을 실시하였다. 전기-화학 공정 시 인가 전압을 50V~450V(DC)으로, 반응 시간을 5~20분으로 변화 를 주었으며, 후처리 공정 시 물의 온도는 20℃~100℃에서 1분~15분간 반응 시간을 유지하면서 미세조직의 변화를 관 찰하였다. 이렇게 인가전압/시간, 후처리 공정 온도/시간에 따른 미세조직 변화를 FE-SEM (Field-Emission Scanning Electron Microscope; FEI Co., Serion)을 통하여 분석하였고, 이의 방열 효과에 대한 실험을 위해 표면처리 전과 후의 시 료에 대한 방열 성능 시험을 진행하였다.

실험 방법

그림 1은 알루미늄의 표면 미세조직 제어를 위한 전기 화학 처리 및 후처리 공정에 대한 실험 공정을 나타낸 것 이다. 출발 소재로는 알루미늄 합금 6063(Mg: 0.45~0.8%, Si: 0.2~0.6%)이 사용되었으며, 시편의 크기는 25 mm × 30 mm이고 두께는 1 mm로 제작하였다. 전기-화학 처리를 하기 전 샘플의 표면을 알코올로 깨끗하게 초음파 세척 하였다. 본 실험에서는 Na₂SiO₃(JUNSEI; Lot No. 4L1533) 을 DI water에 녹여 10 g/L의 농도를 갖는 전해액을 만들 어 사용하였다. 전기-화학 처리는 그림 1에서 나타내고 있 는 바와 같이 DC 전압을 인가하였으며 알루미늄 시편에 는 양극을, 반대의 전극에는 Ground를 연결하였다. 시편 과 전극 간의 간격은 5 cm로 유지시켰고, 주파수는 50 Hz, Duty width는 50%로 하였으며, 전해액의 온도를 50℃ 이하로 유지하기 위해 냉각용 칠러를 사용하였다. 반응조 내부의 전해액 온도의 균질성을 위해 마그네틱 바를 이용 하여 지속적으로 전해액을 교반하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram for the electro-chemical reaction and the post-treatment of an aluminium specimen.

전기-화학 반응 시 인가 전압의 영향을 평가하기 위해 DC 전원을 50V, 100V, 200V, 300V, 400V, 450V 조건으로 5분간 인가하였고 100℃에서 10분간 후처리 공정을 실시 하였다. 위 결과 300V일 때 미세조직 제어 및 표면 거칠 기가 가장 높은 것으로 판단하여 300V의 인가전압 조건 으로 다양한 실험을 진행하였다. 전압 인가 시간에 따른 조직 변화를 보기 위해 300V에서 5분과 20분 간 전기-화 학 처리 후 100℃에서 10분간 후처리 하였다. 후처리 공 정 시 온도별 시간에 따른 조직 변화를 평가하기 위해 300V에서 5분간 전기-화학 처리한 시편을 100℃와 50℃ 에서 각각 1분, 3분, 5분, 10분, 15분 간 후처리를 하여 조 직의 변화를 관찰하였다. 후처리 공정의 온도에 따른 조직 의 변화를 평가하기 위해 300V에서 5분간 전기-화학 처리 한 시편을 20℃, 50℃, 80℃, 100℃에서 각각 10분간 후 처리 한 후의 미세조직 변화를 보았다. 한편 미세조직의 변화에 따른 젖음성 차이를 비교하기 위해 표면처리 전, 후의 시편에 대해 물의 접촉각을 비교 실험 하였다. 위 실 험 조건에서 300V에서 5분간 전기-화학 반응과 후처리 공 정을 거친 시편과 초기 시편의 방열 효과를 비교하기 위 해 그림 8과 같이 25 mm × 2 mm 크기의 시편으로 테스 트 하였다. 단열 박스의 하단부에 구멍을 뚫어 시편을 장 착한 후 50cc의 물을 단열 박스에 담고, 단열박스의 하단 부(시편 장착부)에 팬을 돌려줘 공기의 흐름을 유도하도록 하였다. 실험실 온도는 29℃이고, 사용한 물의 초기 온도 는 80℃이며 단열박스와 물의 온도 평형을 위해 기다렸다 가 단열 박스 내 물의 온도가 56℃가 될 때부터 50℃가 될 때까지 소요되는 시간을 측정하여 방열 효율을 비교하 였다.

결과 및 고찰

그림 2는 전기-화학 반응 시 인가 전압이 시편의 표면 조직 변화에 끼치는 영향을 보기 위해 FE-SEM으로 5만 배 배율로 분석한 결과이다. 전원은 DC(pulse)로 50V, 100V, 200V, 300V, 400V, 450V로 5분간 실시하였고, 후처 리 공정은 100℃ DI water에서 10분간 진행되었다. 50V 전압 인가한 경우 표면의 미세조직 변화가 이미 시작되었 음을 볼 수 있다. 인가 전압이 300V까지 증가하면서 조직 이 변화가 뚜렷하게 진행되었으며 표면에 형성된 나뭇잎 구조는 조금씩 조대해 지는 것을 알 수 있다. b)의 100V 에서는 약 200~300 nm 정도의 크기를 갖는 표면 조직이 형성되었고 d)의 300V에서는 400~500 nm 정도 크기를 갖는 조직으로 조대해 졌다. 인가전압이 400V로 증가하였 을 경우에는 더 이상의 조대 현상보다는 형성되었던 나뭇 잎 표면 조직들 간의 결합 반응이 일어나면서 표면적 구 조의 변화와 함께 표면 거칠기가 감소하는 경향을 보였다. f)의 450V에서는 표면의 나뭇잎 구조가 완전히 사라지고 완전한 결정체 구조를 보이는데 분석한 결과 이는 산화막 이 형성됨을 알 수 있었다[12]. 이들 결과를 통하여 인가 전압이 50V 이상에서는 알루미늄의 표면 반응이 일어나 는 임계 에너지 수준인 것으로 판단되며, 400V(e) 이상에 서는 산화반응에 의한 산화피막이 형성됨을 알 수 있다. 그림 2에서와 같이 알루미늄 소재의 경우는 인가 전압에 따라 미세조직 제어가 가능하지만, Ti 소재의 경우에는 위 와 같은 미세조직 변화가 일어나지 않고 바로 산화 피막 이 형성되었다[13]. 이는 알루미늄이 전기-화학 처리와 후 처리 공정에 의한 에칭 때문인 것인지 아니면 화학적 반 응 때문인 것인지에 대하여는 추가적인 연구가 필요하다.

Fig. 2.

SEM microstructure results of the specimens with change of a induced voltage during the electro-chemical reaction; a) 50V, b) 100V, c) 200V, d) 300V, e) 400V, and f) 450V, respectively.

그림 3은 전기-화학 처리 시 전압 인가 시간이 알루미늄 표면 미세조직의 변화에 미치는 영향에 대하여 FE-SEM 으로 분석한 결과를 나타내고 있다. 300V에서 전기-화학 처리를 5분(a), 20분(b) 간 한 후 100℃에서 10분간 후처 리 하였다. 전기-화학 처리를 5분간 한 시료와 20분간 한 시료의 미세조직을 분석한 결과 큰 차이는 보이지 않았다. 그림 2에서 인가 전압의 차이는 미세조직의 차이를 나타 내었지만 전압 인가 시간은 미세조직의 변화에 큰 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다.

Fig. 3.

SEM microstructure results of the specimens with change of the induced time during the electro-chemical reaction; a) 300V(5 min), b) 300V(20 min), c) the enlarged image of a), d) the enlarged image of b).

그림 4는 300V(5분)에서 전기-화학 처리된 시편을 100℃의 DI water에서 후처리 하는 시간(1분, 3분, 5분, 10 분, 15분)에 따른 미세조직의 변화를 분석한 결과이다. 후 처리 시간 1분(a)의 경우에는 전기-화학 처리한 시편의 표 면 조직을 그대로 유지하고 있었는데 후처리 시간 3분(b) 부터는 표면 미세조직의 변화가 진행되었다. 후처리 시간 이 점점 늘어날수록 표면에 형성된 나뭇잎 모양의 조직이 조금씩 성장하는 것을 볼 수 있으며 15분(e)의 경우에는 약 500 nm정도까지 성장한 것을 볼 수 있다. 그러나 후처 리 시간이 길어진다고 하여 지속적으로 성장하지는 않았으 며, 또한 그림 2에서와 같이 산화피막이 형성되는 식의 반 응 역시 일어나지 않았다. 위 결과를 통하여 알 수 있는 것은 후처리 공정에 의한 표면 조직 변화를 위해서는 임 계 후처리 시간(3분 이상)이 필요함을 알 수 있었다.

Fig. 4.

SEM microstructure results of the specimens with change of the induced time during the electro-chemical reaction (300V-5 min) and the post treatment (100oC); a) 1 min, b) 3 min, c) 5 min, d) 10 min, and e) 15 min, respectively.

그림 5는 300V(5분)에서 전기-화학 처리된 시편을 50℃ 의 DI water에서 후처리 하는 시간(1분, 3분, 5분, 10분, 15분)에 따른 조직의 변화를 분석한 결과이다. 그림 4는 100℃ 후처리 온도 조건이었지만, 그림 5는 50℃ 후처리 온도 조건에서의 시간(1분, 3분, 5분, 10분, 15분)에 따른 조직 변화를 분석한 결과이다. 후처리 시간 1분(a), 3분(b), 5분(c), 10분(d), 15분(e)의 모든 경우에 있어 표면 미세조 직의 변화는 일어나지 않았고, 초기 전기-화학 처리한 시 편의 조직과 동일한 상태를 유지하고 있었다. 이 결과는 50℃에서의 후처리 공정은 표면 미세조직 변화를 일으킬 수 있는 조건이 되지 않음을 보이며, 후처리 공정의 시간 보다는 온도 조건이 표면 미세조직 변화를 유도하는데 있 어 주요 요건임을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

SEM microstructure results of the specimens treated by the electro-chemical reaction (300V-5 min) with change of the post treatment (50oC) time; a) 1 min, b) 3 min, c) 5 min, d) 10 min, and e) 15 min, respectively.

알루미늄의 부식에 관련된 선행 연구에서는 NaCl, HCl, H₂SO₄ 등의 염화 용액 내에서 60℃~70℃의 범위에서 DC 전압을 인가하여 에칭함으로써 표면 개질한 결과를 보고 하고 있다[10, 14]. 그러나 조직의 구조를 보면 본 연구 결 과물과는 다르게 표면에 수직 방향으로 길게 홀이 형성된 것을 볼 수 있다. 본 연구의 결과에서 후처리 공정의 시간 (그림 4) 및 온도(그림 6)에 따라 표면 미세조직의 크기가 다른 것을 보면 기존의 에칭 공정과 전혀 다른 메카니즘 에 의해 표면 미세조직의 변화가 일어났음을 알 수 있다.

Fig. 6.

SEM microstructure results of the specimens treated by the electro-chemical reaction (300V-5 min) with change of the post treatment (10 min) temperature; a) 20oC, b) 50oC, c) 80oC, and d)100oC, respectively.

그림 6은 300V(5분)에서 전기-화학 처리된 시편의 후처 리(10분) 온도(20℃, 50℃, 80℃, 100℃)에 따른 미세조직 변화를 분석한 결과이다. 그림 4와 그림 5에서 보았듯이 50℃(b)의 후처리 온도 조건에서는 표면 미세조직 변화가 일어나지 않았고, 100℃(d)에서는 미세조직 변화가 일어 났는데, 80℃(c)의 온도 조건에서도 미세조직의 변화가 진 행되었음을 볼 수 있다. 80℃(c)와 100℃(d)의 미세조직을 비교해 보면 100℃(d)인 경우가 80℃(c)인 경우보다 미세 조직의 크기가 큰 것을 볼 수 있다. 이는 후처리 시간 (그림 4)뿐 아니라 온도 조건에 따라 표면 미세조직의 크 기가 달라짐을 알 수 있는데, 후처리 온도가 높을수록, 후 처리 시간이 길어질수록 조직이 어느 정도까지 성장하는 것을 알 수 있다. 그림 4(b, c)나 그림 6(c)와 같은 경우는 표면의 미세조직이 변화되는 중간 단계를 보이는 것으로 판단되며 그림 4(d, e)나 그림 6(d)의 경우는 표면 미세조 직의 반응이 완성된 단계를 보여주는 결과인 것으로 본다. 그래서 그림 6(c)의 경우는 네트워크를 갖는 다공성 구조 이고, 그림 6(d)는 독립적인 나뭇잎 구조를 보이는 것으로 판단된다.

그림 7은 초기 알루미늄 시편(a)과 전기-화학 및 후처리 된 시편(b)의 젖음성에 대하여 비교한 실험 결과이다. 접 촉각은 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이 룰 때 갖는 각으로서 고체 표면의 젖음성을 나타내는 척 도이다. 낮은 접촉각은 높은 젖음성과 높은 표면 에너지를 의미하고 높은 접촉각은 낮은 젖음성과 낮은 표면 에너지 를 나타낸다. (a)와 (b)의 결과는 각 시편에 DI water를 떨 어뜨린 후의 확산성을 비교한 이미지로서 표면처리 전의 시편에 비해 표면처리를 한 시편의 경우에는 확산성이 월 등히 우수함을 알 수 있다. 이는 표면에 미세하게 형성된 조직들로 인한 표면에너지의 향상으로 인하여 DI water의 젖음성이 높기 때문이다[11]. c)와 d)는 접촉각을 측정한 결과로서 c)의 평균 접촉각은 77o이고 d)의 평균 접촉각은 26o로 약 3배의 차이를 보였다. 이 결과는 d)의 표면 에너 지는 c)보다 높음을 나타내며 이는 d)의 표면 거칠기가 c) 보다 높음을 의미한다.

Fig. 7.

Comparison of wettability between the raw aluminium and the treated aluminium by the electro-chemical reaction; the wettability of the raw Al(a) and the treated Al(b), the contact angle of the Al(c) and the treated Al(d), respectively.

그림 8은 알루미늄 시편과 표면처리 된 알루미늄 시편 의 방열 특성 비교를 위한 시험 개념도를 나타내고 있다. 위 실험 조건에서 표면처리 된 시편은 300V에서 5분간 전 기-화학 반응 후 100℃에서 10분간 후처리 공정을 거친 시편(그림 6(d))이다. 25 mm × 2 mm 크기의 시편을 50cc 의 물이 담긴 단열 박스 하단에 구멍을 뚫어 장착하여 실 험을 진행하였다. 단열 박스 내부 물의 온도가 56℃일 때 부터 50℃가 되는 시점까지 소요되는 시간을 측정하여 방 열 효율을 비교하였다. 측정 결과 값은 표 1에서 나타내고 있다. 표면처리를 하지 않은 시편의 경우 56℃에서 50℃ 까지 도달하는데 걸린 시간이 230초인 반면 표면 처리된 시편의 경우에는 200초 소요되었다. 표면처리 되지 않은 알루미늄 시편을 기준으로 하였을 경우 표면처리 된 시편 의 방열 효율은 약 13% 향상된 것을 알 수 있었다. 이는 열이 방열되는 면적이 넓어짐으로 인하여 방열의 효율이 향상된 것으로 판단한다.

Fig. 8.

Schematic diagram for comparison of the Heat release ability between the raw aluminium and the treated aluminium by the electro-chemical reaction.

Table 1.

Comparison result of the heat release ability of aluminium and the treated aluminium by the electro-chemical reaction

Sample name	Start temp.	Finish temp.	Time (sec)	Heat release ability
Raw Al	56°C	50°C	230 sec	100% (standard)
Treated Al	56°C	50°C	200 sec	113%

결 론

1. 전기-화학 공정 및 후처리 공정을 통하여 알루미늄의 표면적 개선이 가능하였으며, 전기-화학 공정 중 인가 전 압, 반응 시간, 후처리 온도, 후처리 시간에 따라 알루미늄 표면 미세조직 변화의 반응이 진행되었다.

2. 후처리 조건이 100℃(10분)에서, 50V(DC)에서부터 표면 미세조직 변화가 일어났으며, 인가 전압이 400V부터 는 산화 피막이 형성되면서 표면 거칠기가 감소하는 표면 구조를 보였다.

3. 300V에서 5분간 전기-화학 처리 후 후처리 공정을 100℃에 진행하였을 때, 3분이 지나면서 표면 미세조직 변화가 일어났으며 시간이 길어질수록 다공질 구조에서 낙엽 구조로 변하였다.

4. 후처리 공정에 의한 표면 미세조직 변화를 위해서는 80℃ 이상의 온도 조건과 더불어 3분 이상의 후처리 유지 시간이 필요하다. 방열 특성 평가 결과 표면 개질된 시편 의 경우 표면개질 되지 않은 시편에 비해 약 13% 정도 향 상되었다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 인천대학교 자체 연구과제 연구비 지원을 받 아 수행 되었습니다.

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