KR101221060B1 - 탄소성형체 또는 탄소소성체와 알루미늄의 계면에 탄화규소가 형성된 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소기반 알루미늄 복합재료는, 규소성분이 1.6~16.0중량% 함유된 알루미늄 합금을 용융시켜 탄소입자나 탄소섬유를 포함하는 탄소성형체 또는 탄소소성체에 합침시킴으로써 표면에 탄화규소가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 용융 온도는 650~900℃인 것이 바람직하고, 상기 용융 후 40~120 MPa 으로 가압하여 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체에 상기 용융된 알루미늄 합금을 함침시키는 것이 바람직하다. 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체는 60~95체적%의 충전율을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 메탄가스와 같은 원하지 않는 공해물질이 배출되지 않고 종래와 같은 탄화알루미늄이나 산화알루미늄의 생성도 없으므로 제품으로서 필요한 열팽창율과 함께 열전도 특성을 얻을 수 있게 된다.

Description

탄소성형체 또는 탄소소성체와 알루미늄의 계면에 탄화규소가 형성된 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법{Carbon-based aluminium composite and method for fabricating the same which silicon carbide is formed at the interface of compacted or sintered carbon bulk and aluminium}

본 발명은 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 소정의 공극률을 가지는 탄소성형체(또는 탄소소성체, 이하에서 탄소성형체라 함은 탄소소성체를 포함하는 의미임)의 공극에 알루미늄이 침투되도록 상기 탄소성형체에 알루미늄을 합침시킬 때에 상기 탄소성형체와 상기 알루미늄의 계면에 탄화규소층이 형성되도록 한 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전자장치의 고기능화 및 대용량화에 따르는 열 발생의 증가로 열전도성이 좋고 열팽창률이 작은 방열소재가 요구되고 있다.

베이스(base) 기판의 재료로 사용되는 알루미늄, 구리, 또는 이들의 합금은 열전도성은 양호하나 열팽창률이 크기 때문에, 베이스 기판 상에 열팽창률이 작은 실리콘 반도체 소자 또는 세라믹스로 이루어지는 전자회로를 구성할 경우 상호 열팽창 차이로 인한 구부러짐이나 또는 벗겨지는 등의 문제점이 발생한다.

가볍고 열전도성이 우수하며 제품의 요구조건에 맞게 열팽창계수를 맞춤식으로 얻기에 용이하다는 잇점을 갖고 있어서, 탄소입자나 탄소섬유를 포함하는 탄소성형체 또는 탄소소성체에 다양한 금속을 함침시키는 기술이 개발되고 있다.

이러한 일환 중의 하나로 탄소기반 알루미늄 복합소재를 방열소재로서 사용하기 위한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 현재 탄소기반 알루미늄 복합소재의 경우 복합화 공정 중에 우리가 원하는 효과를 얻기에 적합하지 않은 탄화알루미늄이 부분적으로 생성되어 문제이다. 이 성분은 열전도율이 낮을 뿐만 아니라 후공정에서는 수분과 결합하여 산화알루미늄과 메탄가스를 생성시켜 또 다른 문제를 만든다.

산화알루미늄은 경도가 높아 가공성이 아주 나쁠 뿐만 아니라 열전도율이 탄소기반 알루미늄 복합소재보다 낮아 제품의 용도에 더욱 부정적인 영향을 미친다. 그리고 메탄가스는 지구의 온실가스로 분류되어 대기환경 측면에서 발생을 축소해 나가야 하는 규제대상 물질이어서 이를 발생시키는 공정은 최대한 퇴출되어야 한다.

대한민국 등록특허 제710398호(2007.04.16)에는 탄소성형체에 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용탕단조에 의해 가압 함침시키는 기술이 게시된 바 있는데, 이러한 경우에 바로 상기의 문제점이 나타난다.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 소정의 공극률을 가지는 탄소성형체의 공극에 알루미늄이 침투되도록 탄소성형체에 알루미늄을 합침시킬 때에, 탄소성형체와 알루미늄의 반응에 의하여 탄화알루미늄이 생성되는 것이 방지되도록 탄소성형체와 알루미늄의 계면에 탄화규소층이 형성되도록 함으로써, 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소기반 알루미늄 복합재료는, 규소성분이 1.6~16.0중량% 함유된 알루미늄 합금을 용융시키고, 상기 용융된 알루미늄 합금을 60~95체적%의 충전율을 가지는 탄소성형체 또는 탄소소성체에 합침시킴으로써, 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체의 공극에 상기 용융된 알루미늄 합금이 침투되어 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 50~200mm 두께의 탄화규소층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 용융 온도는 650~900℃ 인 것이 바람직하다.
상기 용융 후 40~120 MPa 으로 가압하여 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체에 상기 용융된 알루미늄 합금을 함침시키는 것이 바람직하다.
상기 용융된 알루미늄 합금을 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체에 함침시키기 전에 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체를 300~950℃에서 예열하는 것이 바람직하다.

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상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소기반 알루미늄 복합재료 제조방법은,
60~95체적%의 충전율을 가지는 탄소성형체나 탄소소성체를 불활성가스 분위기에서 300~950℃에서 예열하는 단계; 및
규소성분이 1.6~16.0% 함유된 알루미늄 합금을 650~900℃ 에서 용융한 다음 40~120 MPa의 고압으로 가압하여 상기 예열된 탄소성형체 또는 탄소소성체에 함침시킴으로써, 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체의 공극에 상기 용융된 알루미늄 합금이 침투되어 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 50~200mm 두께의 탄화규소층이 형성되도록 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 의하면, 알루미늄에 접하는 탄소성형체의 표면에 탄화규소층이 형성되기 때문에 탄소성형체의 탄소와 알루미늄의 반응에 의해 탄화알루미늄이 생성되는 것이 방지되며, 메탄가스와 산화알루미늄의 생성 또한 획기적으로 감소된다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도;
도 2는 본 발명에 사용되는 용탕단조장치를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소기반 알루미늄 복합재료 및 그 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 복합재료의 제조에 사용되는 용탕단조장치를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 다른 탄소기반 알루미늄 복합재료는 규소성분이 1.6~16.0중량% 함유된 알루미늄 합금을 650~900℃ 범위의 온도에서 용융한 다음 40~120 MPa의 고압으로 가압하여 용탕단조법으로 탄소성형체에 함침시켜 상기 탄소성형체의 공극에 상기 용융된 알루미늄을 침투시킬 때에, 상기 탄소성형체에 포함되어 있는 탄소와 상기 용융된 알루미늄 합금에 포함되어 있는 실리콘이 반응하여 상기 탄소성형체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 탄화규소가 형성되도록 한 것을 특징으로 한다. 이 때 탄화규소가 형성되는 표면 두께는 50~200mm인 것이 바람직하다.
상기 탄소성형체 대신에 탄소소성체를 사용하여도 무방함은 이미 서두에서 언급하였으며, 상기 탄소성형체(또는 탄소소성체)는 탄소입자나 탄소섬유 등을 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서 탄소성형체나 탄소소성체는 제품이 요구하는 특성에 맞추어서 계산된 최적의 소재를 선택하여 사용한다. 그리고 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체는 내부에 기포 등이 포함될 수 있는데, 이러한 기포가 너무 많으면 바람직하지 않으므로 60~95체적%의 충전율을 가지는 것이 바람직하다. 여기서 충전율은 "1-기공율"로 표현될 수도 있다.

제조방법은 다음과 같다. 먼저 흑연화된 탄소입자나 탄소섬유를 포함하는 탄소성형체를 불활성가스 분위기에서 300~950℃에서 예열한 뒤(S10), 여기에 규소성분이 1.6~16.0중량% 함유된 알루미늄 합금을 650~900℃ 범위의 온도로 용융한 다음 40~120 MPa의 고압으로 가압하여 용탕단조법으로 함침시킨다(S20).
그러면, 상기 탄소성형체의 공극에 상기 용융된 알루미늄 합금이 침투되는데, 이 때 상기 탄소성형체를 이루는 탄소와 상기 용융된 알루미늄 합금 내의 실리콘이 반응하여 상기 탄소성형체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 탄화규소층이 형성된다(S30).

도 2는 용탕단조장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2에 도시된 같이 금형(20) 내에 탄소성형체나 탄소소성체(30)를 장입한 다음에 그 위에 용융된 알루미늄합금(40)을 올려놓고 펀치(10)로 가압함으로써 함침이 이루어진다.

본 발명은 본 출원의 발명자가 경제적이면서 탄소기반 알루미늄 복합소재의 특성을 최대한 살릴 수 있는 첨가성분을 예의 검토한 결과, 규소를 포함하는 알루미늄 합금을 이용하여 함침시의 고열과 압력에 의하여 탄화규소를 형성하도록 하는 것이 최선의 방법이라고 판단하고 이를 시행해 본 결과 예상대로 알루미늄에 접하는 탄소소성체의 표면에 탄화규소가 형성되는 것을 확인하였고 이를 위해서는 알루미늄 합금 내에 적정량, 즉 1.6~16.0중량% 의 규소가 함유되는 것이 바람직하다는 결론을 얻었다. 더욱 바람직하게는 규소성분이 2.5~12.5중량% 함유되는 것이 품질이 안정된 제품을 만드는데 더 좋다. 사용하는 알루미늄 소재에 규소함량이 1.6중량% 이하이면 탄화규소의 형성에 불충분하며, 반대로 규소의 함량이 높게 되면 용융점이 높아지게 되는데 이 때 규소함량이 16.0중량%를 넘게 되면 탄화알루미늄이 형성되어 제품의 목표특성과는 전혀 다른 물질이 만들어지기 때문에 이러한 적정량이 요구되는 것이다.

본 발명에 의하면, 메탄가스와 같은 원하지 않는 공해물질이 배출되지 않고 종래와 같은 탄화알루미늄이나 산화알루미늄의 생성도 없으므로 제품으로서 필요한 열팽창율과 함께 열전도 특성을 얻을 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 규소성분이 1.6~16.0중량% 함유된 알루미늄 합금을 용융시키고, 상기 용융된 알루미늄 합금을 60~95체적%의 충전율을 가지는 탄소성형체 또는 탄소소성체에 합침시킴으로써, 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체의 공극에 상기 용융된 알루미늄 합금이 침투되어 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 50~200mm 두께의 탄화규소층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소기반 알루미늄 복합재료.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 용융 온도가 650~900℃ 인 것을 특징으로 하는 탄소기반 알루미늄 복합재료.
4. 제1항에 있어서, 상기 용융 후 40~120 MPa 으로 가압하여 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체에 상기 용융된 알루미늄 합금을 함침시키는 것을 특징으로 하는 탄소기반 알루미늄 복합재료.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 용융된 알루미늄 합금을 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체에 함침시키기 전에 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체를 300~950℃에서 예열하는 것을 특징으로 하는 탄소기반 알루미늄 복합재료.
7. 60~95체적%의 충전율을 가지는 탄소성형체나 탄소소성체를 불활성가스 분위기에서 300~950℃에서 예열하는 단계; 및
   규소성분이 1.6~16.0% 함유된 알루미늄 합금을 650~900℃ 에서 용융한 다음 40~120 MPa의 고압으로 가압하여 상기 예열된 탄소성형체 또는 탄소소성체에 함침시킴으로써, 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체의 공극에 상기 용융된 알루미늄 합금이 침투되어 상기 탄소성형체 또는 탄소소성체와 상기 용융된 알루미늄 합금의 계면에 50~200mm 두께의 탄화규소층이 형성되도록 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소기반 알루미늄 복합재료 제조방법.
8. 삭제

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