KR100494239B1

KR100494239B1 - ＡＩ－ＳｉＣ 복합재료 박판의 제조방법

Info

Publication number: KR100494239B1
Application number: KR10-2002-0054844A
Authority: KR
Inventors: 강석봉; 어광준; 구이만창
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2005-06-13
Also published as: DE10340863B4; KR20040023181A; JP2004100045A; US7056467B2; DE10340863A1; US20040071896A1

Abstract

전자기기의 열관리 소자의 경우에는 저열팽창계수- 고열전도도- 저밀도- 저생산비의 특성을 지니는 재료의 개발이 필수적이다. 알루미늄 기지 복합재료의 경우 저열팽창계수를 만족시키기 위해서는 높은 강화재 분율이 필수적으로 요구된다. 하지만, 기존의 가압함침법, 무가압함침법, 진공 플라즈마 합성법 등과 같은 복합재료의 제조방법은 예비성형체 제조, 후속 공정의 제한, 소재의 형상 제한 등의 단점으로 생산성이 저하된다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 알루미늄 분말과 강화재 분말을 혼합하여 제조한 용사용 혼합 분말을 대기 플라즈마 용사를 이용하여 단순하면서도 후속 공정이 필요 없는 알루미늄 기지 복합재료 박판을 제조하는 방법을 제공한다.

Description

ＡＩ－ＳｉＣ 복합재료 박판의 제조방법{Process for Manufacturing Aluminium Matrix Composite Sheets Reinforced with High Volume Fraction of SiC}

본 발명은 금속기지 복합재료의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 용사를 이용한 SiC 강화 알루미늄 기지 복합재료 박판의 제조방법에 관한 것이다.

금속기지 복합재료는 강화재의 종류와 분율에 따라 열전달계수 및 열팽창계수의 제어가 용이하다는 점에서 전자패키지용 히트싱크(heat sink for electronic package) 소재와 같은 각종 전자기기의 열관리 소자로서 각광받고 있으며, 여러 가지 기지금속과 강화재를 이용한 복합재료 제조방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 전자기기의 열관리 소자의 경우에는 저열팽창계수-고열전도도-저밀도-저생산비의 특성을 지니는 재료의 개발이 핵심적으로 이루어지고 있다. 알루미늄 기지 복합재료의 경우 저열팽창계수를 만족시키기 위해서는 높은 강화재 분율이 필수적으로 요구된다. 예컨대, 알루미늄기지 SiC 강화 복합재료의 경우 40～70% 정도의 SiC 체적분율을 요구하는 데, 40% 이하의 SiC 강화 복합재료의 경우에는 열팽창계수가 너무 커고(15.5×10^-6/℃ 이상), 70% 이상의 SiC 강화 복합재료의 경우에는 열전도도가 너무 낮아서(149W/m·K) 전자패키지용 열관리 소자로서 부적합하다.

강화재의 체적 분율이 40% 이상인 알루미늄 기지 복합재료의 제조에 있어서 기존의 제조방법은 미국의 Lanxide Electronic Component 사 등에서 개발한 가압함침법이나 무가압함침법(US patent 6,228,453, US patent 5,856,025)이 주를 이루었다. 그러나, 이러한 함침법의 경우 예비성형체 제조에 상당한 어려움이 있고, 제조 후 가공이 거의 불가능하여 후속 공정이 극히 제한적이다. 따라서, 복잡한 제조 공정으로 인하여 제조 원가가 상승될 뿐만 아니라 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 활용성의 척도가 되는 박판 형상으로의 절단 및 가공이 매우 어려워서 EDM(electro discharge machining), 레이저 절단, 다이아몬드 공구 가공 등의 고가의 절삭가공 비용이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 개선하고자 제안된 것으로, 그 목적은 전자기기의 열관리 소자에 적합한 저열팽창계수-고열전도도-저밀도의 복합재료, 특히 박판 형상의 복합재료를 간단한 제조공정을 통하여 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Al-SiC 복합재료의 제조방법은, 금속기지 복합재료의 제조방법에 있어서, 알루미늄 분말과 SiC 분말을 혼합하여 용사용 분말을 얻은 후, 상기 용사용 분말을 흑연기판에 플라즈마 용사하여 박판을 형성하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은, SiC 분말로 강화된 알루미늄 기지 복합재료의 제조에 적합하다. 특히, 본 발명의 제조방법은 SiC 분말이 높은 체적분율로 함유된 알루미늄 기지 복합재료, 바람직하게는, 알루미늄 기지에 40～70체적%의 SiC가 함유된 박판의 복합재료의 제조에 더 적합하다. 이러한 복합재료는 전자패키지용 열관리 소자로서 매우 유용하다.

본 발명에 따른 복합재료의 제조를 위해서는, 우선 Al 분말과 SiC 분말을 혼합하여 용사용 분말을 얻는다. 상기 용사용 분말은 상기한 범위로 혼합하는 것이 바람직하다. 분말의 혼합은 두 종류의 분말을 단순히 혼합하는 방식도 좋으나, 기계적 방식, 예컨대 볼밀(ball mill)에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다. 볼밀에 의해서 혼합을 할 때는 스테아릭산(stearic acid)과 같은 공정 조절제를 첨가하는 것이 좋다.

이러한 용사용 분말은 적당히 건조한 후, 대기 플라즈마 용사를 통하여 박판으로 제조된다.

도1은 플라즈마 용사를 이용하여 상기 박판의 제조과정을 설명하기 위한 모식도를 보이고 있다. 본 발명의 복합재료 박판(1)는 도1에 도시된 바와 같이, 용사건(gun)(3)의 선단 쪽으로 공급부(4)를 통하여 상기 용사용 분말이 공급되고, 상기 용사건(3)과 마주보고 일정 거리를 두고 떨어져 위치한 기판(2)에 용사용 분말을 화염과 함께 뿜어내면서 용사시킴으로써 제조된다.

용사에 사용되는 기판(2)으로는 흑연기판이 바람직한데, 이는 알루미늄과 젖음성이 좋지 않고 열팽창계수 차이가 커서 용사 후 박리가 용이하기 때문이다. 상기 기판(2)은 그 크기를 늘여 박판의 크기를 조절할 수 있다. 큰 치수의 박판을 제조하기 위하여 용사 작업을 할 때는 기판으로부터 박판의 박리가 더욱 유리하도록 예컨대 질화붕소(BN)를 분사하여 기판 중앙 부위의 표면을 코팅함으로써, 실제 흑연기판에 용사되는 면적을 일정하게 유지하면 용사 후 박리의 어려움이 없다.

상기 기판(2)은 고정대(미도시됨)에 위치되어 있으며, 상기 플라즈마 용사건(3)은 이동대(미도시됨)에 설치하여 프로그램을 통하여 일정한 속도로 이동될 수 있다.

본 발명에서 플라즈마 용사를 할 때, 플라즈마 아크는 20～30kW 정도가 적당하다. 이는 플라즈마 아크가 20kW 이하이면 분말이 충분한 온도까지 가열되지 않아 기판에 적층이 어려워져 회수율이 감소하며, 반면에 플라즈마 아크가 40kW 이상이면 고온에서의 용사로 인하여 산화물 등의 결함이 증가하게 되어 바람직하지 않다.

또한, 용사건(3)의 선단 노즐에서 기판까지의 거리는 110～130 mm가 적당하다. 이는 거리가 110mm 이하이면 플라즈마 아크에 의하여 기판의 온도가 너무 상승하므로 공정의 안정성이 저하되며, 반면에 거리가 130mm 이상이면 용융분말의 응고로 인한 회수율의 감소가 나타나므로 바람직하지 않다.

그리고, 용사용 분말의 이동속도는 20～30 g/min의 범위로 설정하고, 1차 가스의 유속을 45～55 ℓ/min의 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 이는 분말의 이송속도가 20g/min 이하이면 용사되는 분말의 양이 너무 적어 경제적으로 바람직하지 않고, 이송속도가 30g/min 이상이면 분말의 흐름이 원활하지 않아 고른 용사면을 얻기가 어렵기 때문이다. 또한, 1차 가스 유속이 45ℓ/min 이하나 55ℓ/min 이상이면 분말이 플라즈마 아크의 중심부가 아닌 외곽에서 이송되어 균일한 용사가 불가능하므로 바람직하지 않다.

이와 같은 조건하에서 플라즈마 용사를 이용하면, 종래의 기술로 제조하기 어려운 높은 강화재 분율의 복합재료 박판을 제조할 수 있다. 그리고, 이렇게 제조되는 복합재료 박판은 높은 열전달계수와 낮은 열팽창계수를 갖고 있을 뿐만 아니라, 절삭성이 매우 양호하므로, 전자기기의 열관리 소재 등에 매우 적합하다. 특히, 본 발명에서는 이러한 복합재료 박판을 제조할 때, 선택하는 강화재 분말의 종류와 체적 분율에 따라 원하는 물성을 설계할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명하지만, 아래의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 아래의 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

[실시예 1]

평균 입경 약 24㎛의 순 알루미늄 분말과 평균 입경 약 17㎛의 SiC 분말을 체적 분율 50:50으로 하여 교반기에서 건식혼합하여 용사용 분말을 제조하였다. 제조된 용사용 분말을 150℃에서 1시간 동안 건조시켜 수분을 제거하였다. 제조된 용사용 분말을 약 23kW의 플라즈마 아크로 주입시켜서 300×200mm 크기의 흑연 기판에 적층시켰다. 플라즈마 용사 조업 조건은 표 1과 같았다.

아크 전류(A)	380-420
아크 전압(V)	55-65
아크 파워(kW)	21-27
1차가스 유속(Ar, ℓ/min)	45-55
노즐에서 기판까지의 거리(mm)	110-130
용사건의 이동속도(mm/s)	30
분말 이동속도(g/min)	20-30

상기 방법으로 제조한 Al-SiC 복합재료 박판의 형상을 도 2에, 박판의 미세조직을 도 3에 나타내었다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따라 길이 300mm, 폭 200mm, 두께 약 1～2mm 크기의 박판형상의 Al-SiC 복합재료를 제조할 수 있으며, 도 3에서 볼 수 있듯이 SiC 입자의 체적분율이 약 46% 정도로 고르게 분포되어 있었다.

또한, 표 2에 본 발명으로 제조한 Al-SiC 복합재료의 실제 측정한 열팽창계수 값과 열전도도를 나타내었다. 복합재료의 경우 열팽창계수와 열전도도는 강화상과 기지금속의 분율에 따라 이론적으로 계산될 수 있는 데, 본 발명의 복합재료에 대한 이론적인 열팽창계수와 열전도도 값과 비교하였다.

구분	실시예 1	이론치 1(Kerner Model & Maxwell Model)	이론치 2(Rule of Mixture)
열팽창계수 (10^-6/℃)	14.1	14.2 (Kerner's)	14.9
열전도도 (W/m·K)	172.5	174.7 (Maxwell's)	179.3

표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 복합재료에 대하여 실제 측정한 열팽창계수와 열전도도는 이론치의 값과 유사한 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

평균 입경 45㎛의 순 알루미늄 분말과 평균 입경 17㎛의 SiC 분말을 체적분율 30:70로 하여 스텐레스강 단지에 장입한 후, 지르코니아(ZrO₂) 볼을 첨가하여 단순 회전방법으로 90rpm의 속도로 약 7시간 동안 혼합하여 용사용 분말을 제조하였다. 이때, 공정 조절제로써 스테아릭산을 상기 용사용 분말 대비 1.5중량%로 첨가하였으며, 볼과 분말의 중량비는 10:1로 하였다. 볼밀 후 혼합 분말을 150 ℃에서 약 4시간 동안 건조시켜 수분과 조절제를 제거하였고, 80 mesh 크기의 체를 이용하여 조대한 분말을 제거하였다. 상기 방법으로 준비된 용사용 분말을 이용하여 35kW의 플라즈마 아크로 용사를 실시하였고, 100×100 mm크기의 흑연 기판을 이용하여 두께 약 2mm의 복합재료 박판을 제조하였다. 상기 방법으로 제조한 Al-SiC 복합재료 박판의 미세조직을 도 4에 나타내었다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합재료 박판은, SiC의 체적분율이 약 66%정도로 고른 분포를 갖고 있었다.

또한, 상기 복합재료의 열팽창계수를 측정한 결과, 이론치(Kerner Model; 10.0×10^-6/℃)보다 약간 작은 9.1×10^-6/℃를 나타내었으며, 열전도도는 이론치(Maxwell Model; 153W/m·K)보다 작은 148W/m·K 이었다. 이론치와 차이가 발생한 것은 이론에서 강화재가 독립적인 입자로 존재한다는 가정 때문으로, SiC 체적분율의 증가로 입자들간의 접촉이 많아져 독립적인 입자로 존재하는 비율이 줄었기 때문이다.

한편, 도 5에 상기 방법으로 제조한 Al-SiC 복합재료 박판의 절단휠을 이용하여 절단한 형상을 나타내었다. 기존의 방법으로 제조한 고 체적분율 SiC 강화 복합재료는 가공 및 절단이 어렵지만, 본 발명에서 제조한 복합재료 박판은 도5에 도시된 바와 같이, 두께가 얇아서 종전의 절단휠을 이용하여 절단이 가능하였다. 따라서, 본 발명의 박판 형상의 복합재료는 다이아몬드나 레이저 절단 없이도 충분히 절단이 가능하여 절삭 가공비용이 감소할 것임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따르면, 종래의 기술로 제조하기 어려운 높은 강화재분율의 복합재료 박판을 플라즈마 용사를 이용한 손쉬운 공정을 통하여 제조할 수 있다. 이렇게 제조되는 복합재료 박판은 높은 열전달계수와 낮은 열팽창계수를 갖고 있으므로, 전자기기의 열관리 소재 등에 사용하는 것이 가능하다.

도1은 본 발명의 Al-SiC 복합재료 박판 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 Al-SiC 복합재료 박판의 형상이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 복합재료의 미세조직 사진이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 복합재료의 미세조직 사진이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 복합재료 박판의 절단된 형상이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 ..... 박판 2 ..... 기판

3 ..... 용사건 4 ..... 투입구

Claims

금속기지 복합재료의 제조방법에 있어서,

Al 분말에 체적%로 50~70%의 SiC 분말을 혼합하여 용사용 분말을 얻은 후, 상기 용사용 분말을 흑연기판에 플라즈마 용사하여 박판을 형성하고, 이를 흑연기판으로부터 박리하는 것을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 Al-SiC 복합재료 박판의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 용사용 분말은 볼밀에 의해 혼합되는 것을 특징으로 하는 Al-SiC 복합재료 박판의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 용사는 용사 노즐에서 기판까지 거리를 110～130 mm 범위로 하고, 용사용 분말의 이동속도를 20～30 g/min의 범위로 설정하여, 1차 가스의 유속을 45～55 ℓ/min의 범위로 조절한 다음, 20~ 40kW의 플라즈마 아크 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 Al-SiC복합재료 박판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 흑연기판은 표면을 코팅하여 박리의 용이성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 Al-SiC 복합재료 박판의 제조방법.