KR20230089447A - 복합재료 및 이 복합재료를 포함하는 방열부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속과 비금속의 복합재료와 이 복합재료로 구성된 방열부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는 금속 기지 내에 열전도성이 우수한 다이아몬드 입자가 분산된 구조를 포함하는 복합재료로, 특히 가혹한 열 사이클이 가해지는 군사, 항공 및 우주 등의 사용 환경에서도 우수한 방열특성을 유지할 수 있는 고신뢰성의 복합재료와 이 복합재료를 포함하는 방열부품에 관한 것이다.

Description

복합재료 및 이 복합재료를 포함하는 방열부품 {Composite and heat dissipation parts}
본 발명은 금속과 다이아몬드의 복합재료와 이 복합재료로 구성된 방열부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는 금속 기지 내에 열전도성이 우수한 다이아몬드 입자가 분산된 구조를 포함하며, 특히 가혹한 열 사이클이 가해지는 군사, 항공 및 우주와 같은 사용 환경에서도 우수한 방열특성을 유지할 수 있는 고신뢰성의 방열부품용 복합재료와 이 복합재료로 만들어진 방열부품에 관한 것이다.
전자기기의 고출력화에 따르고, 전자기기에 갖추는 반도체 소자의 작동 시의 발열량이 점점 증가하는 경향에 있다. 이에 따라 반도체 소자에는 방열부품을 설치하여 반도체 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하고 있다. 이러한 방열부품은 높은 열전도도와 함께 반도체 소자의 열팽창계수와 차이가 작은 열팽창계수를 가지는 것이 요구된다.
열전도도를 높이고 반도체 소자와의 열팽창계수를 낮게 유지하기 위하여, 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg)과 같은 금속 기지에 다이아몬드나 탄화실리콘(SiC)과 같은 열전도성이 양호한 입자를 분산시켜 복합화한 복합재료로 만들어진 방열부품이 사용되고 있다. 이러한 복합재료로는 Cu-다이아몬드 복합재료, Ag-다이아몬드 복합재료, Al-다이아몬드 복합재료, Mg-SiC 복합재료, Al-SiC 복합재료 등 다양한 조합이 알려져 있다.
이중 구리(Cu)와 같은 금속기지 내에 열전도성이 우수한 다이아몬드 입자를 분산시킨 금속기 다이아몬드 복합재료는 우수한 열전도성과 반도체 소자와 유사한 열팽창계수를 구현할 수 있기 때문에 고출력 소자의 방열부품용으로 주목을 받고 있다.
그런데 종래의 금속기 다이아몬드 복합재료의 경우, 낮은 온도와 높은 온도 사이의 반복적인 열 사이클이 가해지는 환경에서는 방열특성이 저하되는 신뢰성에 문제가 있다. 특히, 군사, 항공 및 우주와 같은 가혹한 사용 환경에서는 단시간 내에 방열특성이 저하되는 문제점이 있다.
일본 공개특허공보 제2018-111883호
본 발명의 일 목적은 군사 및 우주 작전용 전자소자의 테스트 조건인 MIL-STD-883K-C의 열사이클 테스트에도 방열특성의 저하가 작은 고신뢰성을 가지면서, 고출력 반도체 소자에 요구되는 열팽창계수를 구현할 수 있는 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 복합재료를 사용한 방열부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 다이아몬드 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 다이아몬드 입자는 부피비로 15% ~ 80% 포함되고, 상기 금속 기지와 상기 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부에는 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직을 포함하는 계면층이 형성되어 있고, 상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직 내에는 상기 금속 기지와 동일한 금속으로 이루어진 덴드라이트(dendrite)가 형성되어 있는 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 2 층과, 상기 제 2 층 상에 형성되며, 상기한 복합재료로 이루어지는 제 3 층과, 상기 제 3 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 4 층과, 상기 제 4 층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 5 층을 포함하는 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상기 본 발명의 일 측면 또는 다른 측면에 따른 복합재료로 구성된 방열부품을 제공한다.
본 발명에 따른 복합재료는 군사 및 우주 작전용 전자소자의 테스트 조건 중 하나인 MIL-STD-883K-C 스탠다드 테스트 후에도 열전도도 특성의 저하가 10% 이하(바람직하게는 5% 이하, 더 바람직하게는 1% 이하)로, 종래의 복합재료에 비해 현저하게 향상된 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료로 만들어진 판재는 두께 방향으로 고출력 반도체 소자에 요구되는 400W/mK 이상의 우수한 열전도도를 구현할 수 있고, 동시에 면 방향으로는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K로 제어된 열팽창계수를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방열부품은 일반적인 사용환경은 물론 온도 차이(150℃ 이상)가 큰 열 사이클이 반복적으로 가해지는 환경에서도 신뢰성이 높은 방열특성을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료로 만들어진 판재의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 복합재료로 만들어진 판재의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 복합재료를 제조하는데 사용한 타이타늄(Ti)을 코팅한 다이아몬드 분말의 XRD 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 복합판재의 단면 사진이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 5b는 도 5a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이다.
도 6a는 본 발명의 실시예 2에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 6b는 도 6a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이다.
도 7a는 본 발명의 실시예 3에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 7b는 도 7a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이다.
도 8a는 본 발명의 실시예 4에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 8b는 도 8a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 8에 따라 제조된 복합판재를 다른 판재와 적층한 구조의 단면 사진이다.
도 10은 비교예 1에 따른 복합재료의 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 비교예 2에 따른 복합재료의 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 12는 비교예 3에 따른 복합재료의 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 비교예 4에 따른 복합재료의 계면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 14는 MIL-STD-883K-C 스탠다드에 따른 열 사이클 테스트 프로파일을 나타낸 것이다.
도 15는 계면층을 구성하는 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직에서 TiC의 함량에 따른 열전도도(TC)와 열전도도 저하율(%)을 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[제 1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료로 만들어진 판재의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료는, 판(plate) 형상으로 이루어지며, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 다이아몬드 입자가 분산된 조직을 가지고, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 다이아몬드 입자는 부피비로 15% ~ 80% 포함되고, 상기 금속 기지와 상기 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부에는 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직을 포함하는 계면층이 형성되어 있고, 상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직 내에는 상기 금속 기지와 동일한 금속으로 이루어진 덴드라이트(dendrite)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 「이들의 합금」이란 Cu 합금, Ag 합금, Al 합금 및 Mg 합금을 의미하며, 각각의 합금은 주 원소인 Cu, Ag, Al 또는 Mg를 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상 포함하고, 합금 성분으로는 상기 주 원소에 합금 가능한 공지의 모든 원소를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 열전도도의 저하가 크지 않은 합금원소를 포함한다.
상기 「금속 기지와 동일한 금속으로 이루어진 덴드라이트(dendrite)」는 상기 복합조직의 내부에 계면층을 따라 연장하면서 다수의 돌기가 형성된 형상의 조직으로, 단면조직 상으로는 다수의 아일랜드 형상의 금속이 연결되거나 떨어진 형상으로 나타난다.
상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직 내에 형성되는 덴드라이트(dendrite)는 복합화되는 다이아몬드 표면에 금속 기지와 동일한 금속을 코팅하는 방법으로 만들 수도 있으나, 상기 금속 기지를 구성하는 금속이 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직의 내부에 침투하여 형성된 형상이 금속 기지와의 결합력을 보다 증대시킬 수 있으므로 바람직하다.
상기 덴드라이트(dendrite) 조직은 도 4a와 같이 단면으로 관찰하였을 때, 계면층 전체 면적의 1 ~ 70% 정도로 포함되는 것이 바람직하다. 1% 미만일 경우 전술한 덴드라이트 조직의 효과가 충분하지 않을 수 있고, 70%를 초과할 경우, 타이타늄과 타이타늄 탄화물의 복합조직이 부여하는 다이아몬드 입자와 구리 기지 간의 접합면에서의 결합력 유지라는 효과를 얻기 어려울 수 있기 때문이다. 보다 바람직한 덴드라이트 조직의 면적분율은 5 ~ 50%이다.
타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직의 내부에 형성된 금속 기지와 동일한 금속으로 이루어진 덴드라이트(dendrite) 조직은 열 사이클이 가해질 때 금속 기지와 다이아몬드 간의 열팽창계수의 차이에 의해 계면층에 가해지는 응력을 완화시키고 금속 기지와 계면층과의 접합상태가 유지되도록 하여, 열사이클에 대해 신뢰성 높은 방열특성을 얻을 수 있도록 한다.
상기 다이아몬드 입자를 부피비로 15% 미만으로 포함하게 되면 고출력 소자에 요구되는 열전도성을 구현하기 어렵고 열팽창계수를 맞추기 어려우며, 80% 초과하여 포함하게 되면 열전도성은 양호해지나 다이아몬드 입자들을 결합시키기 용이하지 않고 열팽창계수도 지나치게 낮아지기 때문에 바람직하지 않다. 생산성, 열전도성 및 열팽창 특성의 측면에서 다이아몬드 입자의 부피비는 15 ~ 60%인 것이 더 바람직하고, 30 ~ 50%인 것이 가장 바람직하다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 계면층은 상기 금속 기지와 상기 다이아몬드 입자 사이의 모든 계면에 형성되어 있을 수 있다. 상기한 덴드라이트를 포함하는 계면층이 형성되지 않은 부분이 있을 경우 신뢰성의 저하가 커질 수 있으므로, 금속 기지와 다이아몬드 입자 사이의 모든 계면에는 상기 계면층이 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 계면층의 평균 두께는 100nm ~ 10㎛ 일 수 있다. 상기 계면층의 평균 두께가 100nm 미만일 경우, 본 발명에서 목적하는 덴드라이트가 형성된 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직을 얻기 어렵기 때문이고, 10㎛를 초과할 경우 열전도도의 저하가 심해지기 때문이다. 보다 바람직한 계면층의 평균 두께는 200nm ~ 5㎛이고, 가장 바람직한 계면층의 평균 두께는 200nm ~ 2㎛이다.
상기 「계면층의 평균 두께」는 복합화된 다이아몬드 입자 별로 최소 두께와 최대 두께를 구한 후, 구해진 값들의 평균값을 의미한다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직에서, 타이타늄 탄화물의 함량은 10 ~ 45중량%일 수 있다. 상기 타이타늄 탄화물의 함량이 전체 복합조직에서 10중량% 미만일 경우, 열전도도가 낮아질 수 있고, 45중량% 초과할 경우, 온도차가 150℃ ~ 300℃인 열사이클이 가해질 경우, 열전도도의 저하가 10% 이상 발생할 수 있기 때문에, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 타이타늄 탄화물은 TiC일 수 있다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 다이아몬드 입자의 크기는 열전도도 향상의 측면에서 200㎛ 이상인 것이 바람직하고, 300㎛ 이상인 것이 더 바람직하고, 400㎛ 이상인 것이 가장 바람직하다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 금속 기지의 내부에 분산되는 다이아몬드 입자는 서로 접하지 않고 금속 기지가 개재한 상태로 분산되어 있을 수 있다.
금속 기지에 분산되는 다이아몬드 입자 들은 서로 접하지 않고 금속 기지를 개재한 상태로 분산되어 있는 것이 복합재료에 열사이클이 가해질 때, 방열특성을 유지하는데 유리할 수 있기 때문이다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료는 MIL-STD-883K-C 스탠다드로 테스트하였을 때, 열전도도의 저하가 10% 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 5% 이하일 수 있다.
MIL-STD-883 스탠다드는 군사 및 우주 작전을 포함하여 자연 요소 및 조건의 유해한 영향에 대한 전자 장치의 내구성을 평가하기 위한 스탠다드로, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료는 군사 및 우주 작전에 사용될 수 있을 정도의 신뢰성을 제공한다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료는, 판 형상으로 이루어지고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 500W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K일 수 있다.
본 발명에 있어서, 「두께 방향」이란 판 형상의 복합재료에서 판의 두께에 평행한 방향이고, 「면 방향」이란 판의 면에 평행한 방향을 의미한다.
제 1 실시형태에 따른 복합재료는 반도체 소자와 같은 전자소자의 방열부품에 사용될 수 있다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태에 따른 복합재료는, 도 2에 도시된 것과 같이, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 2 층과, 상기 제 2 층 상에 형성되며, 상술한 복합재료로 이루어지는 제 3 층과, 상기 제 3 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 4 층과, 상기 제 4 층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 5 층을 포함하는 적층구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 층, 제 3 층 및 제 5 층은 구리(Cu) 99.9중량% 이상의 구리를 포함하는 순 구리(Cu)는 물론, 다양한 합금원소를 0.1중량% 초과 포함하는 구리(Cu) 합금으로 이루어질 수 있고, 구리(Cu) 합금의 경우 방열특성을 고려할 때, 구리(Cu)를 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상 포함할 수 있다.
상기 제 2 층과 제 4 층은 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금은 구리(Cu): 5 ~ 40중량%, 몰리브덴(Mo): 60 ~ 95중량% 포함하는 것이 바람직한데, 이는 구리(Cu) 함량이 5중량% 미만이면 구리(Cu)층과의 결합력을 양호하게 유지하기 어렵고 판재의 두께방향으로의 열전도도가 감소하며, 40중량% 초과이면 판재의 면방향의 열팽창계수를 낮게 유지하기 어렵기 때문이다.
상기 제 1 층, 제 3 층 및 제 5 층의 두께는 10 ~ 1000㎛ 범위를 유지할 경우, 방열판재의 면방향의 열팽창계수를 세라믹 소재와 유사한 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하고, 두께방향의 열전도도를 400W/mK 이상으로 구현하기에 유리하기 때문에 상기 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 층과 제 4 층의 두께는 10㎛ 미만일 경우, 판재의 면방향으로의 열팽창계수를 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하기가 어렵고, 60㎛ 초과일 경우, 판재의 두께방향으로의 열전도도를 400W/mK 이상으로 유지하기 어려우므로, 10 ~ 60㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
<실시예 1>
실시예 1에서는 구리(Cu) 기지(matrix)에 다이아몬드 입자가 균일하게 분산되어 복합화된 복합재료를 다음과 같은 방법을 통해 제조하였다.
먼저, 입자 크기가 200㎛인 다이아몬드 분말을 준비하였다. 분말을 구성하는 입자들의 크기는 상기 대표값(평균)의 ±20% 이내(더 바람직하게는 ±10% 이내)의 크기를 가지는 균일한 크기의 다이아몬드 입자를 사용하였다.
다이아몬드 입자의 표면에 타이타늄(Ti)을 코팅하였고, 이때 다이아몬드와 타이타늄(Ti)의 계면에는 도 3에서 확인되는 것과 같이 다이아몬드를 구성하는 탄소(C)와 타이타늄(Ti)의 일부가 반응하여 탄화타이타늄(TiC)이 형성되었다. 타이타늄(Ti) 코팅방법으로는 PVD (Physical vapor deposition)법, 스퍼터링법 (Sputtering), CVD (Chemical vapor deposition) 법을 사용할 수 있다. 이때 Ti 코팅량은 전체 복합분말의 중량에서 약 0.4wt%가 되도록 하였다.
타이타늄(Ti)이 코팅된 다이아몬드 입자의 표면에 무전해도금법을 사용하여 구리(Cu) 코팅층을 형성하였다. 이때, 구리(Cu) 코팅층의 두께는 약 50 ~ 100㎛가 되도록 하였다.
이어서, 다이아몬드 입자가 깨지지 않는 압력 범위 내에서 다이아몬드 입자의 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하였다. 이때 프레스의 성형압은 200MPa로 설정하였다.
이러한 프레스 성형을 통해 다이아몬드 입자가 단층을 형성한 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체를 방전플라즈마소결(spark plasma sintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, 도 4에 나타난 것과 같은 단면조직을 가지는 Cu-다이아몬드 복합재료로 이루어진 시트(sheet)를 제작하였다.
이와 같이 제작한 시트(sheet)를 필요한 두께에 맞추어 2층, 3층, 4층, 5층 등 다양한 숫자로 적층한 후 소결하여 접합시키는 방법을 통해, 다양한 두께를 가지고 다이아몬드 입자의 부피비가 15% ~ 80% 정도로 포함되면서, 다이아몬드 입자들이 서로 접촉하지 않는 복합재료로 이루어진 방열기판을 제작하였다.
실시예 1에 따라 제작한 방열기판은 다이아몬드 부피비가 약 35%이고, 55mm×55mm×1.1mm(가로×세로×두께)로 제작되었다.
<실시예 2>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 2의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 0.5wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 3>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 3의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 0.6wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 4>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 4의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 0.7wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 5>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 5의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 0.8wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 6>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 6의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 0.9wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 7>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 실시예 7의 경우 실시예 1과 다르게 다이아몬드 입자에 코팅되는 Ti의 양을 1.0wt%로 하여 제조하였으며, 그 결과 본 발명의 덴드라이트가 형성된 계면층을 가지는 방열기판을 얻었다.
<실시예 8>
실시예 8에서는 실시예 1에 따라 제조한 Cu-다이아몬드 복합판재를 클래딩하여 5층 적층구조의 방열기판을 제작하였다.
먼저, 구리(Cu) 판재, 구리-몰리브덴(Cu-Mo) 판재, Cu-다이아몬드 복합판재, 구리-몰리브덴(Cu-Mo) 판재, 구리(Cu) 판재 순으로 적층한 후, 방전플라즈마소결(spark plasmaintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, 도 9에 나타난 것과 같은 단면조직을 가지고 55mm×55mm×1.4 mm(가로×세로×두께)의 치수를 가지는 Cu/Cu-Mo/Cu-다이아몬드/Cu-Mo/Cu 적층판재를 제작하였다.
상기 적층판재를 구성하는 각층의 두께는 Cu층 100㎛, Cu-Mo층 50㎛, Cu-다이아몬드층 1.1mm로 하였다.
<비교예 1>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 비교예 1의 경우 실시예 1과 다르게, 다이아몬드 분말의 표면에 타이타늄 코팅층을 형성하지 않고 구리 도금만 행한 것을 사용하였다.
<비교예 2>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 비교예 2의 경우 실시예 1과 다르게, 다이아몬드 분말의 표면에 타이타늄 코팅층을 100nm 정도의 비교적 얇은 두께로 일부 코팅 된 형태로 형성하여 Ti의 양을 0.1wt%로 하여 제조하였으나 계면에 덴드라이트 형상이 형성되어 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
<비교예 3>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 비교예 3의 경우 실시예 1과 다르게, 코팅층을 100nm 정도의 비교적 얇은 두께로 균일하게 코팅 된 형태로 형성하여 Ti의 양을 0.2wt%로 하여 제조하였으나 계면에 덴드라이트 형상이 형성되어 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
<비교예 4>
실시예 1과 대부분의 공정은 동일하게 하여 구리-다이아몬드 복합판재를 제조하였다. 비교예 4의 경우 실시예 1과 다르게 표면에 타이타늄 코팅은 500nm 정도로 비교적 두꺼운 두께로 형성하였고 SPS 소결 온도를 실시예 1에 비해 100℃ 낮은 온도에서 진행하였다.
미세 조직
실시예 1 ~ 4, 비교예 1 ~ 4에 따라 제작된 복합판재의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하였다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 5b는 도 5a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이고, 도 6a는 본 발명의 실시예 2에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 6b는 도 6a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이고, 도 7a는 본 발명의 실시예 3에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 7b는 도 7a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이고, 도 8a는 본 발명의 실시예 4에 따른 복합재료의 계면층에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 8b는 도 8a의 복합재료의 계면층에 대한 EDS 맵핑 결과이다.
도 10 내지 13은 각각 비교예 1 내지 4에 따라 제작된 복합판재의 주사전자현미경 사진이다.
도 5a 및 도 5b에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 복합판재에 있어서 다이아몬드 입자(도 5a에서 "C"로 표시된 영역)와 구리 기지(도 5a에서 "Cu"로 표시된 영역)의 사이에 타이타늄(도 5a에서 "Ti"로 표시된 영역)과 타이타늄 탄화물(도 5a에서 "TiC"로 표시된 영역)의 복합조직이 형성된 계면층이 형성되어 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1에 따른 복합판재의 계면층의 내부에는 금속 기지를 구성하는 구리(Cu)가 상기 복합조직의 내부로 침투하여 계면층을 따라 다수의 돌기를 가지는 구리 덴드라이트(dendrite) 조직이 형성되어 있다.
도 6 ~ 8에서 확인되는 바와 같이, 실시예 2 ~ 4에 따른 복합판재의 계면층의 내부에도 금속 기지를 구성하는 구리(Cu)가 상기 복합조직의 내부로 침투하여 계면층을 따라 다수의 돌기를 가지는 구리 덴드라이트(dendrite) 조직(단면상으로는 아일랜드 조직으로 보임)이 형성되어 있다.
이에 비해, 도 10에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 다이아몬드 입자의 표면에 타이타늄 코팅처리를 하지 않았기 때문에, 구리 기지와 다이아몬드 입자 사이에 타이타늄과 타이타늄 탄화물로 이루어진 경계층이 형성되어 있지 않다.
또한, 비교예 2의 경우에는 도 11에서 확인되는 바와 같이, 계면층은 단면조직 상에 타이타늄 탄화물(Ti) 사이에 타이타늄 조직이 아일랜드 형태로 존재하고 있으며, 이 복합조직의 내부에는 구리 기지로부터 돌출한 구리 덴드라이트(dendrite) 조직이 형성되어 있지 않다
또한, 비교예 3의 경우에는 도 12에서 확인되는 바와 같이, 구리 기지와 다이아몬드 입자 사이에 타이타늄과 타이타늄 탄화물의 복합조직이 형성된 계면층이 형성되어 있다. 비교예 3의 계면층은 본 발명의 실시예 1과 유사하게 타이타늄 조직이 타이타늄 탄화물(TiC) 조직에 비해 상대적으로 더 많은 조직으로 이루어져 있으나, 이 복합조직의 내부에는 구리 기지로부터 돌출한 구리 덴드라이트(dendrite) 조직이 형성되어 있지 않다.
또한, 비교예 4의 경우에는 도 13에서 확인되는 바와 같이, 구리 기지와 다이아몬드 입자 사이에 타이타늄과 타이타늄 탄화물의 복합조직이 형성된 계면층이 형성되어 있으나 경계층의 내부에는 구리 덴드라이트(dendrite) 조직이 형성되어 있지 않다.
열전도도 및 열팽창계수 측정
실시예 1 ~ 8, 비교예 1 ~ 4에 따라 제작된 복합판재에 대하여, 열전도도 및 열팽창계수를 측정하였다.
열전도도는 복합판재의 두께방향에 대하여, 신틸레이션법(laserlight flash method)을 사용하는 열전도도 측정기로 측정하였다. 또한, 열팽창계수는 열팽창계수 측정기(Dilatometer)로 사각형으로 만들어진 판재의 가로와 세로의 열팽창계수를 측정하였다. 아래 표 1은 측정된 열전도도 및 열팽창계수(판재의 가로와 세로 값의 평균값)를 나타낸 것이다.
샘플 판재 두께방향 열전도도
(W/mK)		 판재의 면방향 열팽창계수
(×10-6/K) 25 ~ 100℃
실시예 1 676 10.5
실시예 2 669 10.4
실시예 3 650 10.4
실시예 4 631 10.6
실시예 5 612 10.5
실시예 6 604 10.4
실시예 7 596 10.5
실시예 8 591 10.6
비교예 1 712 10.4
비교예 2 710 10.7
비교예 3 690 10.3
비교예 4 683 10.2
본 발명의 실시예 1에 따른 복합판재는 구리-다이아몬드 복합판재로만 이루어져 있어, 복합판재의 두께방향의 열전도도는 676W/mK로 매우 우수하였다.
또한, 실시예 2 ~ 7에 따른 복합판재도 596 ~ 669W/mK로 양호한 수준이었으며, 대부분의 실시예가 600W/mK 이상의 우수한 열전도도를 나타내었다.
한편, 실시예 8에 따른 복합판재는 Cu/Cu-Mo/Cu-다이아몬드/Cu-Mo/Cu의 적층구조로 이루어져 있어, 두께방향의 열전도도는 591W/mK로 다소 낮았다.
비교예 1 ~ 4의 경우, 본 발명의 실시예들에 비해 두께방향의 열전도도가 다소 우수하고 면방향의 열팽창계수는 실시예 1과 유사한 수준으로 나타났다.
열 사이클 테스트
실시예 1, 실시예 7, 비교예 1 ~ 4에 따라 제작된 복합판재에 대하여, 도 14 및 표 2에 나타낸 것과 같은 프로파일로 열 사이클 시험을 수행하였다.
온도 범위 사이클수 가열 시간
(분)		 냉각 시간
(분)		 비고
-65 ~ 150℃ 1,000 10 10 MIL-STD-883K-C
상기 표 2의 테스트를 통하여 열전도도 저하율을 측정하였다. 열전도도 저하율은 열전도도 저하율은 하기 [식 1]로 계산하였고, 아래 표 3은 수행한 열 사이클 시험결과를 나타낸 것이다.
[식 1]
열전도도 저하율(%) = (가열 전 열전도도 - 가열 후 열전도도)/(가열 전 열전도도)×100
샘플 시험 전
TC
(W/mK)		 -65 ~ 150℃ 1000 사이클 시험 후
TC (W/mK) △TC (%)
실시예 1 714 710 0.56
실시예 7 596 595 0.17
비교예 1 712 322 55
비교예 2 710 433 39
비교예 3 690 469 32
비교예 4 683 581 15
표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1과 7에 따른 복합판재는 열전도도의 저하가 거의 일어나지 않았다. 즉 매우 가혹한 사이클 조건이라고 할 수 있는 MIL-STD-883K-C의 조건에서 우수한 신뢰성을 나타냈다.
이에 비해 비교예 1 ~ 4는 15% ~ 55%까지 두께 방향의 열전도도의 저하가 발생하였다. 즉, 열사이클이 반복되는 사용환경에서의 신뢰성이 본 발명의 실시예에 따른 제품에 비해 현저하게 떨어지는 결과를 나타냈었다.
계면층의 타이타늄 탄화물과 열전도도
도 15는 계면층을 구성하는 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물(TiC)의 복합조직에서 TiC의 함량 비율에 따른 열전도도(TC)와 열전도도 저하율(%)을 나타낸 것이다. 또한 "TC drop"은 온도범위 -5 ~ 350℃ 가열 10분, 냉각 10분, 사이클수 100회의 가속 조건으로 수행한 시험결과를 나타낸 것이다.
도 15에 나타난 바와 같이, 계면층에 타이타늄 탄화물(TiC)의 비율이 낮을 때에는 계면층의 내부에 금속 기지로부터 돌출하는 덴드라이트 조직이 형성되어 있을 경우, 열 사이클에 의한 열전도도의 저하(도면상 "TC drop"로 나타낸 데이타)는 거의 없으나, 타이타늄 탄화물(TiC)의 부족으로 인해 열전도도 수준이 상대적으로 낮게 나타나고, 계면층에 타이타늄 탄화물(TiC)의 비율이 높을 경우에는 계면층의 내부에 금속 기지로부터 돌출하는 덴드라이트 조직이 형성되지 않아 열전도도 저하가 발생한다.
그러므로 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물(TiC)의 복합조직을 포함하는 계면층에서, 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물(TiC)을 합한 중량에서 타이타늄 탄화물(TiC)의 함량은 1 ~ 45중량%(도 15에 청색으로 표시된 영역)인 것이 바람직하고, 보다 바람직한 타이타늄 탄화물(TiC)의 함량은 10 ~ 45중량%이다.

Claims (9)

  1. 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 다이아몬드 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로,
    상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고,
    상기 다이아몬드 입자는 부피비로 15% ~ 80% 포함되고,
    상기 금속 기지와 상기 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부에는 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직을 포함하는 계면층이 형성되어 있고,
    상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직 내에는 상기 금속 기지와 동일한 금속으로 이루어진 덴드라이트(dendrite)가 형성되어 있는, 복합재료.
  2. 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 1 층과,
    상기 제 1 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 2 층과,
    상기 제 2 층 상에 형성되며, 제 1 항에 기재된 복합재료로 이루어지는 제 3 층과,
    상기 제 3 층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제 4 층과,
    상기 제 4 층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제 5 층을 포함하는, 복합재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 계면층의 평균 두께는 100nm ~ 10㎛인, 복합재료.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직에 있어서, 타이타늄 탄화물의 함량은 1 ~ 45중량%인, 복합재료.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 기지는 Cu 또는 이의 합금인, 복합재료.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 덴드라이트(dendrite)는 상기 금속 기지를 이루는 금속이 상기 타이타늄(Ti)과 타이타늄 탄화물의 복합조직 내로 침투하여 형성된 것인, 복합재료.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합재료를 MIL-STD-883K-C 스탠다드로 테스트하였을 때, 열전도도의 저하가 10% 이하인, 복합재료.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합재료는 판 형상으로 이루어지고,
    상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 500W/mK 이상이고,
    상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인, 복합재료.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 복합재료를 포함하는 방열부품.
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