서 론

현대사회에서는 다양한 전자기기들이 중소형의 일상생 활 용품을 시작으로 대형의 산업용 부품 및 장치 등으로 사용되고 있다[1, 2]. 특히 전자부품 및 기기 등의 초소형 집적화와 고성능화는 산업계 전반에 있어 절실하게 요구 되고 있는 주요 이슈로서 이러한 트렌드를 실현시키기 위 해서는 무엇보다도 전자기기용 소재 부품 산업이 혁신적 인 발전을 이루지 않고서는 불가능 한 것이 사실이다[3]. 일반적으로 전자기기의 수명단축과 고장에 치명적으로 기 인하는 요인 중 하나로 작동 중 발생하는 열의 집중에 의 한 열 응력에 의한 것으로 알려져 있다[4]. 즉, 이러한 점 으로 미루어 볼 때 전자부품 및 기기 등의 초소형화와 고 성능화를 실현하기 위해서는 무엇보다도 효율적인 열관리 가 필수 적으로 뒷받침 되어야 한다는 것을 알 수 있다. 효율적 열관리를 위해서는 열 설계를 고려한 전자부품 기 기의 제조 공정 기술이 수반되어야 하지만 무엇보다도 가 장 중요한 요인은 원천적으로 열 관리 특성이 우수한 소 재를 사용하는 것이 바람직하다.

다양한 산업 군에서 일반적으로 광범위하게 사용되고 있는 방열용 소재로는 구리와 알루미늄을 들 수 있다. 구 리 (Copper: Cu)는 우수한 열 방출(열전도도: 약 400 W/ mK) 특성을 지니고 있지만 상대적으로 비중 (8.94 g/cm³) 이 높고 가격이 알루미늄 보다 약 4배 가량 비싼 소재이 다. 알루미늄 (Aluminum: Al)은 가공성이 뛰어나고 비중 (2.7 g/cm³)은 낮지만 구리대비 상대적으로 열 방출 (열전도 도: 약 230 W/mK) 특성이 낮은 것으로 알려져 있다[5-7]. 최 근 들어 수송기계용 부품은 경량화가 우선시 되고 있는 실정이며 특히 LED헤드라이트용 방열소재로는 알루미늄 이 주를 이루고 있는 추세이다. 또한 대부분의 LED헤드 라이트용 방열소재는 순수Al 보다는 상대적으로 열전도성 이 낮더라도 기계적 특성이 우수한 알루미늄 합금(열전도 도: 약 100 W/mK급)이 주를 이루고 있다 [8].

Cu 와 Al 두 소재 모두 우수한 방열특성을 지니고 있지 만 초박형의 고성능 차세대반도체 부품 및 고성능 차량용 헤드라이트 등에서 열을 효율적으로 방출하기 위해서는 보다 더 성능이 우수한 방열용 신소재 개발이 필요한 실 정이다. 탄소동소체 물질은 가볍고 (비중: ~2.0 g/cm³) 열 전도율 (~6,600 W/mK) 이 뛰어나 차세대 방열 소재로써 적용이 가능할 것으로 알려져 있지만 탄소를 벌크화 시키 기 위해서는 고온의 공정이 수반되어야 하며 금속소재보 다 내 충격에 대한 기계적 안정성이 다소 떨어지는 것으 로 알려져 있다[9-11].

이에 본 연구에서는, 탄소동소체 중 상대적으로 쉽게 제 조가 가능하고 가격이 저렴한 흑연 (Graphite) 분말을 Al 분말과 혼합하여 가볍고 열전도성이 우수하며 기계적 안정 성이 뛰어난 차량용 LED헤드라이트 램프용 Al-Graphite 복 합재료를 볼밀링 공정과 방전플라즈마소결 (Spark Plasma Sintering: SPS) 공정을 통하여 제조하고자 하였다. Graphite분 말 첨가량에 따른 Al-Graphite 복합분말의 분산 거동을 조 사하기 위해서 전자현미경 사진을 관찰하였다. 특히 Al- Graphite 복합분말의 소결 거동을 분석하기 위해 시간에 따른 전류기울기와 수축변위 그리고 온도에 따른 전류기 울기 등을 측정하고 분석하였다. 또한 제조된 복합재료의 Graphite 분말의 첨가함량에 따른 열 특성 분석을 위해서 열전도도 값과 열팽창 계수를 측정하였다.

실험방법

원료로는 평균입자크기 6 μm의 판상 형태의 Graphite 분말과(99.9%, Artificial Graphite KBS06, Dominik Georg Luh, TECHNOGAFIT GmbH, Germany) 가스아토마이즈 로 제조된 평균입자크기 125 μm의 불규칙한 형상의 Al 분말 (99.95%, ECKA Granules, Germany GmbH)을 사용 하였다 (그림 1). 소결에 앞서 G 함량을 1, 3, 5, 10 vol% 로 첨가한 Al-Graphite 혼합분말을 Ø10 mm 스테인레스 볼과 함께 스테인레스 용기에 장입 하고 분말의 비율 (Ball to Powder Ration: BPR)을 8:1로 하여 공정제어제 (Process Control Agent: PCA)로 헵탄 20 ml을 첨가후 200 rpm, 24시간의 조건으로 기계적 볼밀링을 통하여 Al- Graphite 복합분말을 제조하였다. 또한 잔여 헵탄을 제거 하기 위해 제조된 Al-Graphite 복합분말은 40°C 오븐에서 1시간 열처리 하였다. 제조된 Al-Graphite 복합분말을 각 조성별로 Ø15mm 흑연 다이에 장입 하고 방전플라즈마소 결기 (SPS-321LX, Fuji Electronic Industrial Co., Ltd., Japan)를 이용하여 6 Pa의 진공에서 소결 온도 600°C, 가 압력 50 MPa, 유지시간 5분, 승온속도 100°C/min의 조건 으로 소결하고 복합재료를 제조하였다. Graphite 분말 함 량에 따른 Al-Graphite 복합분말의 분산 거동을 관찰하기 위해서 주사전자현미경 (SEM, Tescan, Vega, Czech) 과 에너지분산 X선분광분석기 (EDS, Horiba, Emax, Japan)를 사용하였다. 또한 탄소 함량에 따른 Al-Graphite 복합분말 의 상을 분석하기 위해서 X선 회절 분석(XRD, Rigaku, Ultima, Japan)을 하였다.

Fig. 1

SEM images of raw materials: (a) and (b) pure Al, (c) and (d) Graphite.

SPS 소결된 Al-Graphite 벌크 복합재료의 기공도를 알 기 위해서 아르키메데스 원리를 이용하여 밀도를 측정하 였고 Graphite 분말 함량에 따른 SPS 소결 거동을 분석하 기 위해서 시간에 따른 전류기울기와 수축변위 그리고 온 도에 따른 전류기울기 등을 측정하고 분석하였다. SPS소 결 공정을 통해서 제조된 G함량이 다른 Al-Graphite 복합 재료는 열특성 분석을 위해서 레이저플래쉬법 (Netzsch, LFA 467, Germany)을 통해서 열전도도 값을 측정하였고 열기계분석 (TA instrument, Q400EM, USA) 장비를 사용 하여 열팽창 계수 (Coefficient of Thermal Expansion)값을 측정하였다.

실험결과 및 고찰

그림 2는 Graphite 분말 함유량에 따른 Al-Graphite 복합 분말의 SEM 이미지 결과이다. SEM 이미지에서 알 수 있 듯이 Graphite 분말의 함량과 무관하게 모든 조성에서 Al 분말과 Graphite 분말이 균일하게 혼합되어 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 적어도 본 실험에 사용된 기계 적 볼밀링 공정 조건이 순수 Al분말과 graphite분말의 균 일 혼합에 (SEM레벨) 매우 유효하게 사용될 수 있다는 것 을 의미한다.

Fig. 2

SEM images of Al-Graphite composite powders: (a) Al-1 vol.% Graphite, (b) Al-3 vol.% Graphite, (c) Al-5 vol.% Graphite, (d) Al-10 vol.% Graphite.

그림 3은 Al-5 vol% Graphite 혼합분말의 고배율 SEM 이미지와 EDS 분석결과를 나타내었다. 상대적으로 넓은 표면을 지니고 있는 판상의 분말입자를 EDS 분석한 결과 Al 과 carbon 이 함께 혼재되어 있음을 알 수 있었고 이러 한 경향은 대부분의 입자에서 관찰 되었다. 다시 말해 이 러한 결과는 앞서 설명한 SEM이미지 관찰 결과에서도 알 수 있었듯이 입자크기가 상대적으로 작은 Graphite 입자가 Al입자 표면에 균일하게 분산되어 있음을 나타낸다.

Fig. 3

SEM image and EDS spectrum of Al-5 vol.% Graphite.

그림 4는 기계적 볼밀링 후 SPS소결한 각 조성별 Al- Graphite 복합재료의 XRD 상분석 결과를 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 Graphite 함량이 증가 할수록 Graphite 피크의 피크강도가 증가함을 알 수 있는데 이는 정량적으로 볼 때 Graphite 함량이 상대적으로 증가함을 나타낸다. 일반적으로 Al과 탄소동소체 사이에서는 안정 한 화합물인 알루미늄카바이드 (Al₄C₃)가 형성 되는 것으 로 알려져 있다[12]. 또한 Al₄C₃는 수분흡착력이 강하여 물에 쉽게 분해가 되며 취성이 높은 물질로서 일반적으로 구조재료에서는 억제되어야 하는 물질 중 하나이다[13].

Fig. 4

XRD patterns of SPSed Al and Al-Graphite composite materials. (a) pure Al, (b) Al-1 vol.% Graphite, (c) Al-3 vol.% Graphite, (d) Al-5 vol.% Graphite, (e) Al-10 vol.% Graphite.

XRD분석 결과로부터 알 수 있듯이 본 실험에서 제조된 Al-Graphite 복합재료에서는 Graphite 함량과 무관하게 Al 과 Graphite 피크 이외에는 어떠한 제2상이 검출되지 않았 다. 이는 본 공정에 사용된 기계적 볼밀링과 고상의 SPS 소결 조건에서는 Al과 Graphite 가 반응을 일으킬 수 있는 수준의 고 에너지가 발생되지 않았음을 뜻한다. 이러한 이 유로 인해서 제조된 Al-Graphite 복합재료는 Al₄C₃등과 같 은 취약한 화합물이 생성되지 않은 건전한 상태인 것을 알 수 있다.

본 실험에 사용된 SPS 공정사이클은 그림 5에 나타내었 다. 급격한 승온으로 인해서 발생 할 수 있는 과열 (overheating)을 방지하기 위해 580°C 까지는 100/min로 승온 하였으며 이후 최종 목표온도 600°C 까지는 20°C/ min로 승온 속도를 조절하여 보다 더 정확한 목표온도에 서 5분간 등온 소결 할 수 있도록 하였다. 또한 승온과 등 온 유지시에는 동일하게 50 MPa로 가압을 하였고 소결이 끝난 후에는 5 MPa로 유지하며 로냉각 하였다.

Fig. 5

Temperature profile in spark plasma sintering.

표 1에서 알 수 있듯이 제조된 Al-Graphite 복합재료는 Graphite 분말 함량과 거의 무관하게 모든 조건에서 약 99%의 높은 치밀도를 나타내었으며 이는 난소결성 재료 로 알려져 있는 Al과 Graphite 분말의 소결시에 SPS 공정 이 매우 유용하게 적용 될 수 있음을 시사한다.

Table 1

Summary of physical properties of Al-Graphite composites

Sample name	Bulk density (g/cm3)	Relative Density (%)	Thermal diffusivity (mm2/s)	Specific heat (J/g·K)	Thermal conductivity (W/mK)	CTE (μm/m·°C)	Vickers Hardness (HV)
Al-1 vol.% Graphite	2.692	99.8	52.5	0.895	126	21	42
Al-3 vol.% Graphite	2.682	99.8	43.2	0.892	103	21	44
Al-5 vol.% Graphite	2.667	99.6	36.7	0.888	87	19	36
Al-10 vol.% Graphite	2.624	98.8	31.7	0.879	73	19	32

Graphite분말 함량에 따라 각각 제조된 Al-Graphite 복합 분말의 소결거동을 해석하기 위해서 특정 시간과 온도영 역에서의 전류 기울기 값을 측정하여 분석을 시도하였다. 그림 6은 SPS소결시의 시간에 따른 전류 파형를 나타내었 으며 표 2에 각 조성별 복합재료의 특정 소결 구간 (A 영 역: 100~250초, B영역: 250~360초)에 따른 전류 기울기 값과 A영역을 B영역으로 나누어 얻어진 값을 나타내었다. 특정시간에 따른 전류기울기 값은 Graphite 함량이 높아 질수록 증가하는 것을 알 수 있었는데 이는 전류 소모량 의 차이가 있음을 시사한다. 다르게 말하자면, 조성이 상 이한 복합분말들은 동일한 승온 속도를 설정하더라도 승 온 속도를 동일하게 유지하기 위해서는 전류 소모량을 다 르게 해주어야 한다는 것을 뜻한다. 즉, Al-10 vol% Graphite가 가장 많은 전류를 소모하며 이는 입자크기가 적 은 Graphite 분말의 계면저항으로 인한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Time-current spectra of Al-Graphite composites during spark plasma sintering.

Table 2

Summary of sintering behavior of Al-Graphite composites during spark plasma sintering

Sample name	Current slope as function of time during SPS			Current slope as function of temperature during SPSc)	isplacement as function of time during SPSd)
	Aa)	Bb)	A/B
Al-1 vol.% Graphite	0.95	1.46	0.65	0.92	2.18
Al-3 vol.% Graphite	0.87	1.22	0.71	0.77	1.86
Al-5 vol.% Graphite	0.91	1.11	0.82	0.71	1.80
Al-10 vol.% Graphite	0.95	0.88	1.08	0.56	1.43

^a)values were obtained by linear fitting of region A, B in Fig. 6.

^b)values were obtained by linear fitting of region A, B in Fig. 6.

^c)values were obtained by linear fitting from 400 to 580 in Fig. 7.

^d)values were obtained at 360 sec. in Fig. 8.

그림 7은 SPS소결시의 온도에 따른 전류 파형을 나타내 었다. 그래프 곡선의 유형은 모두 유사한 패턴을 나타내었 지만 특정 온도구간 (400~580°C)을 선형 피팅하여 얻어진 값들을 비교해 보면 각 조성별 큰 차이를 나타내고 있음 을 알 수 있다. 특히 Graphite 함량이 증가 할수록 기울기 값이 감소되어짐을 알 수 있었는데 이는 온도적 관점으로 볼 때 계면 저항이 많은 Al-10 vol% Graphite의 경우가 SPS소결중 열발생이 더 쉽게 일어날 수 있음을 시사한다. 일반적으로 SPS소결은 공정시에 방전플라즈마의 생성과 줄열의 발생으로 소결이 일어난다고 보고되고 있지만 현 재까지 소결메커니즘에 대해서는 명확하게 밝혀져 있지 않은 실정이다[14]. 어떻든 보다 더 명확한 소결 거동을 분석하기 위해서는 특정 구간의 승온에 따른 전류기울기 의 분석뿐만 아니라 등온 구간을 포함하는 전 영역에서의 전류 파형 분석 및 각 소결체의 미세구조 분석이 반듯이 수반 되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 7

Temperature-current spectra of Al-Graphite composites during spark plasma sintering.

그림 8에 SPS 소결 시간에 따른 각 조성별 Al-Graphite 복합분말의 변위량을 나타내었다. Graphite 함량이 증가하 면 증가할수록 수축율이 낮은 것을 알 수 있었는데 이는 일반적으로 Graphite 가 Al보다 고온 변형에 대한 저항성 이 큰 물질이기 때문이다. 다시 말하자면, 본 실험 조건에 서 두물질이 동일한 온도 영역에 존재 한다고 할지라도 융점과 탄성계수가 낮은 Al이 Graphite 보다 더 수축하였 기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 수축율에 대한 거동은 그림 8의 변위와 시간그래프를 피팅하여 얻어진 값 (표 2) 을 비교해 보면 보다 더 명확하게 알 수 있다. 즉, Graphite 함량이 많을수록 피팅값이 작다는 것은 그 만큼 수축율이 감소함을 나타낸다. 또한 SPS소결체들은 전반적 으로 상대밀도가 약 99% 이상으로 매우 높은 치밀도를 나 타내고 있는 것을 알 수 있었다. 그렇지만 Graphite 함량 에 따라 다소 미세하게 밀도 값의 차이가 발생함을 알 수 있었는데 (표 1) 이러한 밀도 값의 차이는 그림 8의 소결 시간에 따른 수축율 커브를 피팅한 값의 순서와 동일한 거동을 나타내고 있어 Graphite 함량에 따라 경향성이 있 음을 알 수 있다.

Fig. 8

Time-displacement spectra of Al-Graphite composites during spark plasma sintering.

Graphite 함량에 따른 SPS소결체의 기계적 물성을 분석 하기 위해서 비커스 경도를 측정 하였다. 표 1에서 알 수 있듯이 비커스 경도는 3vol% Graphite 함량에서 최대치의 값을 나타내었고 이후 감소하는 경향을 나타내었다.

비커스 경도값에서 차이가 발생하는 주된 이유로는 강 화상인 Graphite 분말의 분산거동이 지배적일 수 있다. 즉, 본 실험에는 Graphite 분말의 첨가량 3 vol% 까지는 Graphite 분말이 비교적 Al기지 내부에 균일하게 분산이 되었을 것으로 판단된다. 그러나 Graphite 와 Al의 계면특 성 역시 비커스 경도에 영향을 미칠 수 있는 인자인 만큼 향후 보다 더 명확한 강화기구 해석을 위해서는 다양한 미세조직 관찰이 반듯이 수반되어야 할 것이며 이는 본 연구의 다음 중요 목표가 될 것이다.

Graphite 함량에 따른 SPS소결체의 열전도도 값은 실험 적으로 얻어진 데이터와 다음 식으로부터 구하였다[15].

(1)

λ=a×Cp×ρ

여기서 λ는 열전도도 (W/mK) 이며 a는 열확산도 (mm²/s) 이고 C_p는 비열 (J/gk) 그리고 ρ는 밀도를 말한다. 표 1에 서 알 수 있듯이 Graphite 함량이 최소인 Al-1vol% Graphite 소결체가 가장 높은 열전도도 값을 나타내었으며 Graphite 함량이 올라갈수록 열전도도 값을 감소하는 경향 을 나타내었다. 이는 강화상인 Graphite가 Al분말중 함량 이 낮을수록 본 실험에서 사용된 조건에서는 상대적으로 분산이 될 수 있다는 것을 시사한다. 열팽창계수 (CTE)는 Graphite 함량에 따라 미량의 값의 차이를 나타내었지만 거의 동일한 수준의 값의 분포를 나타내는 것을 알 수 있 었다 (표 1). 전제적으로 볼 때 본 실험에서 제조된 Al- 1vol% Graphite SPSed 복합재료는 기존 LED헤드램프용 으로 사용되고 있는 Al합금 보다 기계적 물성은 동일하지 만 열전도도는 최대 30%이상 높은 것을 알 수 있었다.

결 론

본 연구에서는 탄소동소체를 첨가한 금속기지 기반 차 량용 LED헤드라이트 방열소재 개발의 가능성을 검토하기 위한 목적으로 탄소동소체의 하나인 Graphite 분말을 강화 상으로 첨가한 Al기지 복합재료를 기계적 밀링 및 SPS 공 정을 통하여 제조 하였다. Graphite 함량에 따른 소결 거 동분석을 위해서 SPS 공정중 특정 시간과 온도에 따른 전 류기울기와 수축거동을 분석하였다. 그 결과 Graphite 함 량에 따라 일정한 경향성을 나타내고 있는 것을 알 수 있 었으며 특히 Al-Graphite 시스템에서는 Graphite 함량이 소결 거동에 절대적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또 한 1 vol%의 미량의 Graphite 함량에도 불구하고 종래의 차량용 LED헤드라이트용으로 사용되고 있는 Al합금계열 의 방열소재보다 열전도도가 우수함을 알 수 있었다. 이러 한 점으로 볼 때 차세대 Al기지 방열소재는 강화상으로 Graphite 뿐만이 아니라 최근 주목을 받고 있는 탄소 동소 체인 나노카본 (탄소나노튜브, 그래핀, 나노다이아몬드) 에 의한 물성 향상 역시 가능할 것으로 판단된다.

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