KR20100051124A - 높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100051124A
KR20100051124A KR1020107007552A KR20107007552A KR20100051124A KR 20100051124 A KR20100051124 A KR 20100051124A KR 1020107007552 A KR1020107007552 A KR 1020107007552A KR 20107007552 A KR20107007552 A KR 20107007552A KR 20100051124 A KR20100051124 A KR 20100051124A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
composite material
graphite
powder
metal
graphite composite
Prior art date
Application number
KR1020107007552A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101193991B1 (ko
Inventor
토시유키 우에노
타카시 요시오카
Original Assignee
시마네켄
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 시마네켄 filed Critical 시마네켄
Publication of KR20100051124A publication Critical patent/KR20100051124A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101193991B1 publication Critical patent/KR101193991B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/14—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by powder metallurgy, i.e. by processing mixtures of metal powder and fibres or filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은, 열의 2차원적인 확산에 바람직한 2축 방향으로 높은 열전도율을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 금속-그라파이트 복합재료는 20 내지 80부피%의 비늘형 그라파이트 분말; 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스를 포함하고, 금속-그라파이트 복합재료의 열전도 용이면의 법선 벡터에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말이 상기 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대하여 15% 이하이며, 금속-그라파이트 복합재료는 95% 이상의 상대밀도를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법{METAL-GRAPHITE COMPOSITE MATERIAL HAVING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 효율적인 방열을 필요로 하는 반도체 기기 등의 냉각에 적합한 2축 방향으로 높은 열전도율을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 기기의 방열부품용 재료에는 보다 높은 열전도율이 요구된다. 또한, 열팽창·수축에 의한 열적 접속의 파괴를 방지하기 위하여, 열원인 반도체 재료와 동등한 열팽창율을 가질 것이 요구되고 있다. 게다가, 휴대용 반도체 기기로의 응용에서는 경량성도 중시되고 있다.
최근, 상기 목적에 대하여, 금속보다 높은 열전도율, 및 낮은 열팽창율 및 밀도를 갖는 재료로서 그라파이트성 탄소 섬유를 이용한 복합재료가 주목을 받고 있다. 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)계 탄소 섬유로 대표되는 랜덤 구조를 갖는 그라파이트성 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유로 대표되는 방사상(radial) 구조를 갖는 그라파이트성 탄소 섬유, 및 기상 성장 탄소 섬유(VGCF, vapor grown carbon fiber)로 대표되는 튜브형 구조를 갖는 그라파이트성 탄소 섬유를 이용한 복합재료가 주목을 받고 있다.
그러나 그라파이트의 높은 열전도율은 그라파이트의 결정 구조에서 탄소원자로 이루어지는 육각망 구조(그라파이트 구조)와 평행한 방향으로 실현된다. 그리고 그라파이트 구조와 교차 내지 직교하는 방향(육각망을 관통하는 방향)의 그라파이트의 열전도율은 낮다. 상술한 그라파이트성 탄소 섬유는 모두 섬유의 길이방향으로 그라파이트 구조가 발전되어 있기 때문에, 그라파이트성 탄소 섬유의 길이방향에서 높은 열전도율이 수득된다. 하지만, 모든 섬유에서 섬유 두께방향으로는 그라파이트 구조와 교차 내지 직교하는 부분이 존재하고, 그 때문에 섬유 두께방향으로의 열전도율은 섬유 길이방향에 비하여 낮은 것이다.
최근 들어 반도체의 미세화에 따라 반도체로부터 발생한 열을 1방향으로 전하여 다른 장소에 방열하는 것이 아니라, 열을 2차원적으로 확산시켜서 방열면적을 늘려 방열하는 구조가 검토되고 있다. 특히, 국소적인 고온화가 바람직하지 않은 노트북 컴퓨터나 휴대용 통신기기 등에서 이와 같은 구조가 검토되고 있다.
이에 대하여, 그라파이트성 탄소 섬유를 이용한 복합재료는 사용되는 탄소 섬유의 열전도율의 이방성(anisotropy) 때문에 열의 2차원적인 확산에 부적합하고, 그 열전도율에 대해서도 탄소 섬유를 1축 방향으로 나열하였을 경우를 제외하고, 열전도율이 가장 높은 금속인 은(열전도율=약 430W/mK) 이상의 열전도율은 실현하지 못하였다.
또한, 그라파이트의 비늘형 분말은 높은 자기 윤활성이 주목되어, 특히 구리와의 복합재료가 직류 전동기용 브러시 등의 슬라이딩 이동 부품에서 널리 사용되고 있다(특허문헌 1 및 2 참조). 상기 슬라이딩 이동 부품은 자기 윤활성을 효율적으로 발현시키기 위하여 금속 내부로의 그라파이트 분말의 분산성이 중시되고 있고, 열전도율 및 높은 열전도율을 실현시키기 위한 그라파이트 분말의 배향에 대해서는 검토가 거의 이루어지지 않았다. 또한, 이 부품을 제조할 때에는 무가압 소결법이 널리 이용되고 있다. 소결시에 가압되지 않고 구리와 그라파이트 표면의 친화성이 낮기 때문에, 이 재료들의 밀도는 낮은 것으로 인식된다.
또한, 그라파이트의 비늘형 분말 및 구리의 구형 입자와 함께, 편평한 형상의 구리 분말을 포함하는 혼합물을 소결시켜서 슬라이딩 이동 부품용 복합재료를 얻는 방법도 검토되고 있다(특허문헌 3 참조). 하지만, 편평한 형상의 구리 분말의 사용량은 구리 전체에 대하여 40 질량%까지이다. 더구나, 편평한 형상의 구리 분말의 사용은 슬라이딩 이동 부품용 복합재료의 표면에 구리를 편석(偏析, segregation)시키는 것을 목적으로 하고 있으며, 그에 따른 그라파이트의 비늘형 분말의 배향에 대해서는 전혀 언급되고 있지 않다.
특허문헌 1: 일본특허공개공보 H07-207253호 특허문헌 2: 일본특허공개공보 H08-331811호 특허문헌 3: 일본특허공개공보 2004-300485호
비특허문헌 1: P. M. Adams, H. A. Katzman, G. S. Rellick 및 G. W. Stupian, "CHARACTERIZATION OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY CARBON FIBERS AND A SELF-REINFORCED GRAPHITE PANEL", Carbon, Vol.36, No.3, pp.233-245(1998)
본 발명의 과제는 열의 2차원적인 확산에 바람직한 2축 방향으로 높은 열전도율을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1실시 태양에 따른 금속-그라파이트 복합재료는 20부피% 내지 80 부피%의 비늘형 그라파이트 분말, 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스를 포함하고, 상기 금속-그라파이트 복합재료의 열전도 용이면의 법선 벡터에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말이 상기 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대하여 15% 이하이고, 상기 금속-그라파이트 복합재료는 95% 이상의 상대밀도를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 실시 태양에서 비늘형 그라파이트 분말은 X선 회절에 의해 측정되는 그라파이트 결정의 d002값이 0.3345nm 내지 0.3360nm의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 비늘형 그라파이트 분말은 10 내지 100의 평균 종횡비 및/또는 50㎛ 내지 1000㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료는 탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 더 포함하여도 된다.
본 발명의 제2실시 태양에 따른 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법은 (1) 비늘형 그라파이트 분말; 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스의 비늘형 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 얻는 공정, (2) 상기 분말 혼합체를 이용하여 소결 전구체를 형성하는 공정, 및 (3) 상기 소결 전구체를 1축 가압하면서 소결시키는 공정을 포함하고, 상기 비늘형 그라파이트 분말은 상기 금속-그라파이트 복합재료의 20부피% 내지 80부피%를 구성하고, 상기 금속-그라파이트 복합재료는 95% 이상의 상대밀도를 가지며, 상기 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대한 공정 (3)의 1축 가압의 방향 벡터에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말의 비율이 15% 이하인 것을 특징으로 한다. 본 실시 태양은 상술한 방법에 의해 제조되는 금속-그라파이트 복합재료를 포함한다. 여기서, 비늘형 그라파이트 분말은 X선 회절에 의해 측정되는 그라파이트 결정의 d002값이 0.3345nm 내지 0.3360nm의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 비늘형 그라파이트 분말은 10 내지 100의 평균 종횡비 및/또는 50㎛ 내지 1000㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료는 탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 더 포함하여도 된다.
또한, 제2실시 태양에서의 공정 (2)는 분말 혼합체로부터 압분(壓粉)에 의해 소결 전구체를 형성하기 위하여, 아래의 공정, 즉 (2a) 몰드 내에 상기 분말 혼합체를 충전하는 공정, 및 (2b) 상기 충전된 분말 혼합체를 1축 가압하는 공정을 반복함으로써 실시하여도 된다. 여기서, 1회의 공정 (2a) 및 (2b)에서 수득되는 소결 전구체의 공정 (2b)의 1축 가압 방향에서의 두께는 5mm 이하이어야 한다.
또는 제2실시 태양에서의 공정 (2)는 분말 혼합체로부터 슬러리를 거쳐 소결 전구체를 형성하기 위하여, 아래의 공정, 즉 (2c) 상기 분말 혼합체와 액체 매질을 혼합하여 슬러리를 형성하는 공정, (2d) 상기 슬러리를 닥터 블레이드법을 이용하여 기판 위에 전개시키는 공정, 및 (2e) 액체 매질을 제거하는 공정을 포함하여도 된다. 여기서, 공정 (2c) 내지 공정 (2e)에서 수득되는 소결 전구체의 두께는 5mm 이하이어야 한다.
이상의 구성을 채용함으로써, 본 발명에 따른 금속-그라파이트 복합재료는 일반적인 금속재료에 비하여 2축 방향으로 보다 높은 열전도율을 갖는다. 따라서, 열을 2차원적으로 확산하면서 수송함으로써 냉각을 필요로 하는 기기의 열을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 금속-그라파이트 복합재료는 낮은 열팽창율을 가지기 때문에, 금속재료보다 낮은 열팽창율을 갖는 Si 등의 반도체의 냉각 부재로서 신뢰성이 높은 접합 상태를 실현할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 수득된 복합재료의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 2에서 수득된 복합재료의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 3은 비교예 2에서 수득된 복합재료의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 4는 비교예 3에서 수득된 복합재료의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 8에서 수득된 Cu-10CCF-40Gr의 파괴면의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 8에서 수득된 Cu-10CCF-40Gr의 파괴면의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 8에서 수득된 Cu-10CCF-40Gr의 파괴면의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예 9의 샘플 2의 단면조직 사진을 나타내는 도면이다.
본 발명의 제1실시 태양에 따른 금속-그라파이트 복합재료는 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스를 포함하고, 95% 이상의 상대밀도를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상대밀도란 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 부피% 및 진밀도(true density)로부터 계산되는 이상밀도에 대한 실제밀도의 비를 의미하고, 아래의 식에 의해 계산된다.
(상대밀도)=(실제밀도)/(이상밀도)
(이상밀도)=(비늘형 그라파이트 분말의 진밀도)×(비늘형 그라파이트 분말의 부피%)/100+(매트릭스의 진밀도)×(매트릭스의 부피%)/100
95% 이상의 상대밀도를 갖는다는 것은, 복합재료 안에 열전도를 저해하는 틈이 거의 없다는 것을 보증하며, 기계적 강도 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 사용하는 비늘형 그라파이트 분말은 높은 결정성을 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 학진법(Kakushin 방법 또는 JSPS 방법)에 의해 결정되는 비늘형 그라파이트 분말의 d002값은 0.3345nm 내지 0.3360nm의 범위이다. d002값은 그라파이트 분말 중의 그라파이트 면 간격에 상당하는 양이며, 이상값은 0.3345nm이다. 하지만, 통상의 경우 결정의 흐트러짐 등에 의해 d002값은 이상값 0.3345nm보다 큰 값을 나타낸다. 높은 결정성을 갖는 비늘형 그라파이트 분말은 비늘형 면의 방향(즉, 직교하는 2축 방향)으로 높은 열전도율을 가지고, 상술한 범위의 d002값을 갖는 입자는 1000 내지 2000W/mK 범위의 열전도율을 갖는다(비특허문헌 1 참조).
본 발명에서 사용하는 비늘형 그라파이트 분말은 10 내지 100, 바람직하게는 30 내지 100의 평균 종횡비를 갖는다. 본 발명에서 평균 종횡비란 입자의 두께에 대한 비늘형 면의 대표길이의 비의 평균을 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용하는 비늘형 그라파이트 분말은 50㎛ 내지 1000㎛, 바람직하게는 80㎛ 내지 500㎛의 평균 입자 크기를 갖는다. 본 발명에서 평균 입자 크기란 분말의 비늘형 면의 평균 대표 길이를 의미한다.
필수적인 것은 아니지만, 특히 매트릭스로서 알루미늄 또는 그 합금을 사용하는 경우, 비늘형 그라파이트 분말의 표면에 피복을 적용하여 매트릭스와의 친화성을 향상시키고, 수득되는 복합재료의 기계적 강도 등을 향상시킬 수 있다.
본 실시 태양에서 매트릭스는 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금이며, 제2실시 태양에서 후술하는 바와 같이, 비늘형 분말의 가압 소결에 의해 제작된다. 열전도율을 증대시킨다는 관점에서는, 구리 또는 알루미늄의 순금속을 이용하는 것이 바람직하다. 하지만, 기계적 강도 또는 열팽창율 등의 다른 특성의 향상, 또는 제조효율의 향상을 고려할 필요가 있는 경우에는 구리의 합금 또는 알루미늄의 합금을 사용할 수 있다.
본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료는 제2실시 태양에서 후술하는 바와 같이 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스를 형성하는 비늘형 분말의 가압 소결에 의해 제작되고, 이 때 비늘형 그라파이트 분말의 비늘형 면의 법선 벡터는 가압 방향(즉, Z방향)으로 정렬된다. 그리고, 비늘형 그라파이트 분말의 비늘형 면은 가압 방향과 직교하도록(즉, XY면내로) 정렬되며, 열전도 용이면을 형성한다. 본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료에서는, 열전도 용이면의 법선 벡터(즉, 가압 방향의 방향 벡터)에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어져 있는 비늘형 그라파이트 분말이 비늘형 그라파이트 분말 전체의 15% 이하인 것이 중요하다. 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말은 소량이더라도, 비늘형 면의 정렬에 의한 열전도 용이면의 형성을 저해하고 열전도 용이면 안의 열전도율을 떨어뜨리기 때문이다.
본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료는 20부피% 내지 80부피%의 비늘형 그라파이트 분말 및 80 내지 20부피%의 매트릭스를 포함한다. 이와 같은 범위의 부피비를 이룸으로써, 열전도 용이면 내의 높은 열전도율 및 낮은 열팽창율을 동시에 만족할 수 있다. 또한, 본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료는 탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 더 포함하여도 된다.
본 발명의 제2실시 태양에 따른 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법은 (1) 비늘형 그라파이트 분말; 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스의 비늘형 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 얻는 공정, (2) 상기 분말 혼합체를 이용하여 소결 전구체를 형성하는 공정, 및 (3) 상기 소결 전구체를 1축 가압하면서 소결시키는 공정을 포함한다.
공정 (1)에서 사용되는 매트릭스의 비늘형 분말은 알루미늄, 구리, 또는 이들을 기본으로 하는 합금으로 제작할 수 있다. 매트릭스의 비늘형 분말은 10 내지 100, 바람직하게는 30 내지 100의 평균 종횡비를 가진다. 매트릭스의 비늘형 분말의 평균 입자 크기는 사용하는 그라파이트 분말의 평균 크기의 1% 내지 50%인 것이 바람직하다. 한편, 비늘형 그라파이트 분말은 실시예 1에 기재한 것을 공정 (1)에서 사용할 수 있다.
알루미늄 또는 그 합금의 비늘형 분말을 이용하는 경우, 그라파이트 분말이 금속을 충전할 수 있는 범위내에서 가능한 한 큰 평균 입자 크기를 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 통상의 경우, 알루미늄의 비늘형 분말의 표면은 산화되어 있기 때문이다. 분말 표면의 산화물은 소결시에 제거할 수 없으며, 복합재료 안의 알루미늄 매트릭스 안에 잔존하여 열전도를 저해하는 요인이 될 수 있다. 그 영향을 줄이기 위하여, 가능한 한 표면적이 작은 분말을 이용하여 알루미늄 매트릭스 안에 잔존하는 산화물의 양을 줄이는 것이 중요하다. 알루미늄 또는 그 합금의 비늘형 분말의 평균 입자 크기는 사용하는 그라파이트 분말의 평균 크기의 30% 내지 50% 정도인 것이 특히 바람직하다.
구리 또는 그 합금을 이용하는 경우, 알루미늄의 경우에 관하여 상술한 요인을 고려할 필요는 없다. 하지만, 구리 또는 그 합금과 그라파이트의 비중차가 크기 때문에, 수득되는 복합재료 안에 편석이 생기기 쉬워진다. 편석을 방지하기 위하여, 구리 또는 그 합금의 비늘형 분말을 사용하는 경우에는, 가능한 한 평균 입자 크기가 작은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 구리 또는 그 합금의 비늘형 분말의 평균 입자 크기는 사용하는 그라파이트 분말의 평균 크기의 1% 내지 50% 정도인 것이 특히 바람직하다.
비늘형 그라파이트 분말과 매트릭스의 비늘형 분말의 혼합은, 해당 기술에서 알려진 임의의 수단을 이용하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 비늘형 분말에 불활성 액체 매질을 더하여 유성 볼밀(planetary ball mill) 등을 이용하여 혼합하고, 그 후 건조기 등을 이용하여 액체 매질을 제거함으로써 분말 혼합체를 얻을 수 있다.
비늘형 그라파이트 분말과 매트릭스의 비늘형 분말의 혼합비율은 최종적으로 수득되는 복합재료 내의 비늘형 그라파이트 분말이 복합재료의 20부피% 내지 80부피%를 구성하도록 결정된다. 또한, 본 실시 태양의 분말 혼합체는 탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 더 포함하여도 된다.
공정 (2)에서는 공정 (1)에서 수득된 분말 혼합체를 이용하여 소결 전구체를 형성한다. 공정 (2)를 실시하였을 때, 비늘형 그라파이트 분말이 고도로 배향되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들어, 공정 (2)를 (2a) 몰드 내에 상기 분말 혼합체를 충전하는 공정 및 (2b) 상기 충전된 분말 혼합체를 1축 가압하는 공정을 반복함으로써 실시하여도 된다. 여기서, 몰드로서는 해당 기술에서 알려진 임의의 것을 사용할 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 공정 (3)에서 사용하는 소결몰드(예를 들어, 펄스 통전 소결에서 사용하는 펀치와 다이스의 조합)에 충전하는 것이 편리하다.
공정 (2b)에서의 1축 가압에는 5MPa 내지 150MPa 범위의 압력을 이용할 수 있다. 공정 (2b)에서 1축 가압될 때, 비늘형 그라파이트 분말의 비늘형 면은 그 법선 벡터가 가압 방향이 되도록 배향된다.
단, 한번에 다량의 분말 혼합체를 충전하였을 경우에는 공정 (2b)에서 충분한 배향이 달성되지 않고, 결국에는 소결 후 복합재료 안의 비늘형 그라파이트 분말의 충분한 배향이 달성되지 않을 우려가 있다. 이 때문에, 공정 (2a)에서 충전하는 분말 혼합체의 양을 제한하여, 공정 (2b)에서 충분한 배향을 달성하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 1회의 공정 (2a) 및 (2b)에서 수득되는 소결 전구체의 공정 (2b)의 1축 가압 방향에서의 두께를 5mm 이하, 바람직하게는 3mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 큰 두께를 갖는 복합재료를 제작하는 경우에는, 상술한 공정 (2a) 및 (2b)를 적당한 회수에 걸쳐서 반복하여 소결 전구체를 형성한다.
다른 방법으로, 분말 혼합체 및 액체 매질로 형성되는 슬러리형 혼합물을 몰드에 유입하고, 계속해서 액체 매질을 제거하여 소결 전구체를 형성할 수 있다. 이 방법에서는, 분말 혼합체가 중력에 의해 몰드의 바닥부에 침강하여 쌓이고, 그 때 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 비늘형 분말 모두의 비늘형 면의 법선 벡터가 연직 방향을 향하도록 배향한다. 이 방법의 변형예로서, 몰드의 바닥면에 석고같은 액체 매질의 흡수체를 배치하고, 몰드에 대한 슬러리형 혼합물의 유입과 액체 매질 제거를 동시에 실시하는, 이른바 슬립 캐스팅(slip casting)을 실시하여도 된다.
또는, 아래의 공정, 즉 (2c) 상기 분말 혼합체와 액체 매질을 혼합하여 슬러리를 형성하는 공정, (2d) 상기 슬러리를 닥터 블레이드법을 이용하여 기판 위에 전개시키는 공정 및 (2e) 액체 매질을 제거하는 공정에 의해 소결 전구체를 형성하여도 된다.
공정 (2c)에서는 분말 혼합체 및 액체 매질을 혼합하여 슬러리형 혼합물을 A만든다. 필요에 따라 결합제를 첨가하여도 된다. 결합제로서는 폴리에틸렌글리콜, 에틸셀룰로오스, 파라핀, 아교 등의 해당 기술에서 알려진 재료를 사용할 수 있다. 수득되는 복합재료의 열전도성에 대한 결합제의 영향을 억제하기 위하여, 필요 최소한 양의 결합제를 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 공정 (2d)에서는 소정 양의 슬러리형 혼합물을 기판 위에 떨어뜨리고, 기판과의 사이에 일정한 간격을 유지하여, 이동가능한 블레이드를 이용하여 슬러리형 혼합물을 기판 위에 전개한다. 슬러리형 혼합물이 가로 방향으로 전개하는 것을 제한하기 위하여, 일정한 폭의 홈을 갖는 기판을 사용하고, 그 홈 안에 슬러리형 혼합물을 떨어뜨려서, 홈이 뻗는 방향에 따라서 블레이드를 이동시켜도 된다.
마지막으로, 공정 (2e)에서 가열 또는 감압 등의 해당 기술에서 알려진 임의의 수단을 이용하여 액체 매질을 제거하고 소결 전구체가 수득된다.
이 방법에서는, 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 비늘형 분말 모두의 비늘형 면의 법선 벡터가 기판면의 법선 벡터와 일치하도록 이들 분말이 배향한다. 여기서, (2c) 내지 (2e) 공정에서 수득되는 소결 전구체의 두께는 0.5mm 내지 5mm이어야 한다. 보다 두꺼운 소결 전구체가 필요한 경우에는, 공정 (2d) 및 (2e)를 여러 번 반복하여 수득되는 복수 개의 소결 전구체를 겹쳐서 공정 (3)의 소결 공정을 실시한다.
공정 (3)에서는 공정 (2)에서 수득된 소결 전구체를 1축 가압하면서 소결시켜서 복합재료를 형성한다. 본 공정에서는 핫 프레스법, 펄스 통전 소결(SPS)법, 열간 정수압 소결(HIP)법 등의 방법을 이용할 수 있다.
핫 프레스법에서는 관통구멍을 갖는 다이(die)와 이 관통구멍에 끼우는 2개의 펀치로 이루어지는 몰드를 이용한다. 소결 전구체는 공정 (2)에서의 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 비늘형 분말의 비늘형 면이 펀치에 의한 가압 방향과 직교하도록 다이의 관통구멍 안에 배치된다. 이어서, 2개의 펀치로 소결 전구체를 끼워서 가압하고, 동시에 히터 등의 가열 수단으로 몰드 전체를 가열하여 소결 전구체를 소결시킨다.
SPS법에서는, 핫 프레스법과 마찬가지로 하여 다이 및 2개의 펀치로 이루어지는 몰드 내에 소결 전구체를 배치하고, 2개의 펀치로부터 소결 전구체에 대하여 펄스형의 전류를 흘려서, 그에 의해 소결 전구체 안에 발생하는 줄 열(joule熱)을 이용하여 소결을 진행시킨다.
공정 (2a) 및 (2b)의 반복에 의해 형성되는 소결 전구체를 상기 2개의 방법 중 어느 것에 의해 소결시키는 경우, 공정 (2a) 및 (2b)에서 관통구멍을 갖는 다이와 상기 관통구멍을 끼우는 하나의 펀치로 이루어지는 몰드를 사용하고, 공정 (3)에서 또 하나의 펀치를 조합하여서 소결을 실시하여도 된다. 바꾸어 말하면, 공정 (2) 및 (3)에서 공통 몰드를 사용할 수 있다.
핫 프레스법 또는 SPS법 중 어느 것을 이용하여 소결을 실시하는 경우, 장치 안의 압력을 30Pa 이하로 감압하는 것이 바람직하다. 또한, 펀치에 의한 1축 가압에서는 20MPa 내지 150MPa의 압력을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, HIP법을 이용하는 경우에는, 1축 방향으로 신축성을 갖는 몰드 안에 소결 전구체를 배치한다. 이 때, 소결 전구체는 공정 (2)에서의 비늘형 그라파이트 분말 및 매트릭스의 비늘형 분말의 비늘형 면이 몰드의 신축 방향과 직교하도록 배치된다. 이어서, 소결 전구체를 수용한 몰드를 가압 유체를 포함하는 가압 용기 내에 배치하고, 가열 수단에 의해 가압 유체를 가열하는 동시에, 가압 유체에 압력을 인가하여 소결을 진행시킨다. 가압 유체에 인가하는 압력은 20MPa 내지 300MPa의 범위인 것이 바람직하다.
이상의 방법 중 어느 것을 이용하더라도, 알루미늄 또는 이를 기본으로 하는 합금을 매트릭스로서 사용한 경우에는 소결 전구체의 최고 도달 온도가 500 내지 650℃의 범위가 되는 조건에서 소결을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 구리 또는 이를 기본으로 하는 합금을 매트릭스로서 사용하였을 경우에는 소결 전구체의 최고도달온도가 800℃ 내지 1000℃의 범위가 되는 조건에서 소결을 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예 2의 방법에 의해 제조되는 금속-그라파이트 복합재료는 실시예 1의 복합재료와 마찬가지로 95% 이상의 상대밀도를 가진다. 또한, 본 실시 태양의 금속-그라파이트 복합재료에서 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대한 공정 (3)의 1축 가압의 방향 벡터(복합재료의 열전도 용이면의 법선 벡터에 상당함)에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말의 비율은 15% 이하이다.
실시예
(실시예 1)
본 실시예에서 사용한 구리 분말은 평균 입자 크기 5㎛, 평균 두께 200nm의 비늘형 분말로서, 그 평균 종횡비는 25이고, 진밀도는 8.93g/cm3이다. 본 발명에서 사용한 그라파이트 분말은 평균 입경 300㎛, 평균 두께 10nm의 비늘형 분말이며, 그 종횡비는 30이고, 진밀도는 2.27g/cm3이다. 그라파이트 분말의 결정성을 20 질량%의 내부 표준용 규소 가루를 혼합한 시료에 학진법을 적용하여 평가하였다. 그 결과, 그라파이트 분말의 d002는 0.3347nm로 고결정성인 것이 명백해졌다.
구리 분말 80.2g, 그라파이트 분말 19.8g, 에탄올 30g 및 직경 10mm의 SUS 볼 300g을 유성 볼밀에 첨가하였다. 유성 볼밀을 150rpm의 베이스 회전수(공전수) 및 -2.5의 회전비(마이너스 부호는 베이스 회전과 반대방향의 회전을 나타냄)의 조건하에서 10분에 걸쳐서 혼합하였다. 수득된 분말 혼합체를 유성 볼밀에서 꺼내어 하루에 걸쳐서 바람으로 건조하고, 그리고 1시간에 걸쳐서 70℃의 온풍 건조기로 건조시켰다.
수득된 분말 혼합물을 펄스 통전 소결법을 이용하여 소결시켰다. 사각 20mm의 관통구멍을 갖는 그라파이트제 다이에 분말 혼합물 4g 내지 5g을 충전하고, 20MPa 정도의 압력을 인가하여 압분하였다. 1회의 충전/압분 공정에서 두께 3mm의 압분체가 얻어졌다. 이 충전/압분 공정을 10회에 걸쳐서 반복하여, 가압 방향의 두께가 30mm인 소결 전구체를 얻었다. 이어서, 펄스 통전 소결장치 안을 30Pa 이하로 감압하고, 소결 전구체에 대하여 50PMa의 압력(20kN의 가압력)을 인가하여, 10분에 걸쳐서 펄스폭 0.5ms, 주파수 375Hz, 전류밀도 1000A/cm2의 전류를 흘려서 소결을 실시하였다. 그 때의 최고도달온도는 900℃이고, 최고도달온도에서의 보존시간을 5분으로 하였다. 소결에 의해 수득된 복합재료는 20mm×20mm×20mm의 치수를 가졌다. 복합재료 내의 그라파이트 분말의 부피%(Vf)는 50%이었다.
수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다. 한편, 표 1에서 Z방향이 소결시의 가압 방향이고, X 및 Y방향은 Z방향과 직교하는 2개의 방향이다.
또한, 수득된 복합재료의 단면조직 사진을 도 1에 나타낸다. 이 단면조직 사진의 관찰에 의해, 복합재료 안의 그라파이트 분말의 배향성을 평가하였다. 복합재료의 XZ 단면을 제조하고, 0.5mm마다 Z방향으로 뻗는 10개의 라인, 및 0.5mm마다 X방향으로 뻗는 10개의 라인으로 이루어지는 그리드(grid)를 상정하여, 그리드 안의 100개의 라인 교점에 존재하는 그라파이트 분말의 비늘형 면의 법선 벡터와 Z축이 이루는 각을 측정하였다. 평가결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 2)
분말 혼합체를 제조할 때 구리 분말 73.0g 및 그라파이트 분말 27.0g을 이용한 것을 제외하고, 실시예 1의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 60%이었다.
수득된 복합재료의 단면조직 사진을 도 2에 나타낸다. 이 단면조직 사진의 관찰에 의한 복합재료 안의 그라파이트 분말의 배향성 평가 결과, 및 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 3)
분말 혼합체를 제조할 때 구리 분말 63.4g 및 그라파이트 분말 36.6g을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 70%이었다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 4)
아래의 점을 제외하고, 실시예 1의 순서를 반복하여 복합재료를 형성하였다.
구리 분말 대신에 평균 입경 30㎛, 평균 두께 1㎛, 종횡비 30을 갖는 알루미늄 분말을 사용하였다. 분말 혼합체를 제조할 때, 알루미늄 분말 36.4g 및 그라파이트 분말 22.7g을 사용하였다. 전류밀도를 750A/cm2로 변경한 것, 및 최고도달온도에서의 보존시간을 0분으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지 순서로 펄스 통전 소결법을 실시하여 복합재료를 제조하였다.
본 실시예에서는 펄스 통전 소결법을 할 때의 도달온도가 625℃이었다. 또한, 수득된 복합재료의 Vf는 50%이었다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 5)
분말 혼합체를 제조할 때 알루미늄 분말 29.7g 및 그라파이트 분말 27.7g을 이용한 것을 제외하고, 실시예 4의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 60%이었다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 6)
분말 혼합체를 제조할 때 알루미늄 분말 22.7g 및 그라파이트 분말 33.0g을 이용한 것을 제외하고, 실시예 4의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 70%이었다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 7)
실시예 1과 같은 구리 분말 및 그라파이트 분말을 사용하고 닥터 블레이드법을 이용하여 그린 시트를 제조하였다.
구리 분말 65.0g, 그라파이트 분말 11.0g, 에탄올 25g 및 직경 10mm의 SUS 볼 300g을 유성 볼밀 안에 첨가하였다. 유성 볼밀을 150rpm의 베이스 회전수(공전수) 및 -2.5의 회전비(마이너스 부호는 베이스 회전과 반대방향의 회전을 나타냄)의 조건하에서 10분에 걸쳐서 혼합하고, SUS 볼을 제거하여 슬러리를 얻었다.
수득된 슬러리 200g에 대하여 6g의 폴리에틸렌글리콜(분자량 300)을 첨가하여 도포 혼합물을 얻었다. 이 도포 혼합물을 기판 위에 70mm의 간격으로 설치된 높이 2mm의 몰드에 유입하고, 몰드 위에 알루미늄제 닥터 블레이드를 미끄러지게 하고, 이어서 몰드 안의 슬러리를 건조시켜서 폭 70mm, 길이 300mm, 두께 2mm의 그린 시트를 얻었다.
수득된 그린 시트를 길이 70mm로 절단하였다. 폭 70mm×길이 70mm×두께 2mm의 그린 시트를 사각 70mm의 관통구멍을 갖는 그라파이트제 다이 안에 배치하고, 실시예 1과 마찬가지 조건에 의한 펄스 통전 소결법을 이용하여 소결시켰다. 수득된 복합재료는 폭 70mm×길이 70mm×두께 0.5mm의 치수, 및 40%의 Vf를 가졌다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 1)
실시예 1과 마찬가지 순서에 따라서 분말 혼합체를 조제하였다. 수득된 분말 혼합체를 50PMa의 압력을 사용하는 1축 가압 성형하여, 직경 20mm, 두께 5mm의 원반형의 압분성형체를 얻었다. 수득된 압분성형체를 진공로 안에 배치하고, 진공로 안을 30Pa 이하로 감압하여 1시간에 걸쳐서 900℃로 가열함으로써 무가압 소결을 실시하였다. 수득된 복합재료는 직경 20mm, 두께 5mm의 원반형이었다. 수득된 복합재료의 Vf는 50%이었다. 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다. 한편, 본 비교예에서의 Z방향은 1축 가압 성형시의 가압 방향이다.
(비교예 2)
그라파이트제 다이에 대한 분말 혼합체의 충전량을 1회당 20g으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 2의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 60%이었다.
수득된 복합재료의 단면조직 사진을 도 3에 나타낸다. 이 단면조직 사진의 관찰에 의한 복합재료 안의 그라파이트 분말의 배향성 평가결과, 및 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 3)
비늘형 구리 분말 대신에 아토마이즈법에 의해 제조한 구형 구리 분말을 이용한 것을 제외하고, 실시예 1의 순서를 반복하여 복합재료를 제조하였다. 수득된 복합재료의 Vf는 50%이었다.
수득된 복합재료의 단면조직 사진을 도 4에 나타낸다. 이 단면조직 사진의 관찰에 의한 복합재료 안의 그라파이트 분말의 배향성 평가 결과, 및 수득된 복합재료의 상대밀도, 열전도율 및 열팽창율을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001
이상의 결과로부터, 실시예 1 내지 6에서 수득된 복합재료는 모두 95% 보다 큰 상대밀도를 나타내고, 복합재료 안에 틈이 거의 없는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 1축 가압 성형후에 무가압 소결을 실시한 비교예 1의 상대밀도는 54.1%로, 복합재료 안에 상당수의 틈이 존재한다는 것을 알 수 있다. 틈의 존재에 의해, 비교예 1의 복합재료는 XY방향에서 낮은 열팽창율(5.2ppm/K)을 나타내지만, 그 열전도율(특히 XY방향)은 각 실시예의 복합재료에 비하여 낮았다.
또한, 그라파이트 분말의 배향성 평가로부터 실시예 1 내지 6의 복합재료에서는 비늘형 면의 법선 벡터가 20°를 넘어 기울어진 그라파이트 분말의 비율이 12% 이하였다. 이와 같이, 그라파이트 분말의 비늘형 면이 XY면에 따라 정렬됨으로써, 실시예 1 내지 6의 복합재료는 가압 방향과 수직한 면내(즉, XY방향)에서 높은 열전도율을 나타내는 동시에, 가압 방향(Z방향)에서 낮은 열전도율을 나타내었다. 이에 대하여, 압분공정에서의 1회당 충전량을 늘린 비교예 2에서는, 상대밀도는 실시예의 복합재료와 동등하였지만, 비늘형 면의 법선 벡터가 20°를 넘어 기울어진 그라파이트 분말의 비율이 16%가 되었다. 이러한 정렬의 흐트러짐에 의해, 비교예 2의 복합재료의 XY방향에서의 열전도율이 떨어졌다. 또한, 비늘형 구리 분말 대신에 구형 구리 분말을 사용한 비교예 3에서는, 비늘형 면의 법선 벡터가 20°를 넘어 기울어진 그라파이트 분말의 비율이 45%가 되어, 복합재료의 XY방향에서의 열전도율이 현저히 떨어졌다.
(실시예 8)
실시예 1에서 사용한 구리 분말 및 그라파이트 분말, 그리고 실시예 4에서 사용한 알루미늄 분말과 함께, 직경 10㎛, 길이 3mm의 단섬유 탄소 섬유(Chopped Carbon Fiber, 이하 CCF라고 함)를 이용하여 금속-그라파이트 복합재료를 형성하였다. 사용한 재료의 혼합 및 소결은 실시예 1과 같은 순서를 이용하여 실시하였다.
본 실시예에서는, 그라파이트 분말 및 CCF의 총량을 50부피%로 고정하고, 그라파이트 분말과 CCF의 배합비를 변화시켰다. 수득된 재료의 밀도, 상대밀도, 열전도율, 열팽창계수, 및 휨강도를 측정하였다. 휨강도는 3mm×2mm×20mm 치수의 샘플을 스판 16mm의 2지점에서 지지하고, 상기 2지점의 중앙부에 속도 0.5mm/min로 가중을 인가하는 3점휨시험으로 측정하였다. 수득된 결과를 표 2에 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00002
표 2에서 'Cu-10CCF-40Gr'은, 10부피%의 CCF, 40부피%의 그라파이트 분말 및 잔여 Cu를 포함하는 원료로 제조한 복합재료를 나타낸다. 또한, 열전도율 및 열팽창율에 관하여, Z방향이 소결시의 가압 방향이고, X 및 Y방향은 Z방향과 직교하는 2개의 방향이다.
표 2로부터 명확하게 CCF의 첨가량이 증대됨에 따라 열전도율은 약간 감소하지만, Cu를 기본으로 하는 복합재료에서는 휨강도가 대폭 증대되는 것을 알 수 있다. 또한, Al을 기본으로 하는 복합재료에서도 휨강도가 약간 증대되는 것이 확인되었다.
이어서, Cu-10CCF-40Gr을 XZ면에서 파단하고, 그 파단면, 및 해당 파단면을 연마한 연마면을 관찰하였다. 도 5에 Cu-10CCF-40Gr의 파단면의 단면조직 사진(500배)을 나타내고, 도 6에 Cu-10CCF-40Gr의 파단면의 단면조직 사진(30배)을 나타내고, 도 7에 Cu-10CCF-40Gr의 연마면의 단면조직 사진(1000배)을 나타내었다.
도 5에서 파단면에서 비늘형의 그라파이트 분말이 파단되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, CCF는 그 일부가 파단면으로부터 돌출하고, 그리고 그 일부는 파단면으로부터 빠져 있다. 이로부터, CCF가 복합재료의 휨강도 향상에 기여하고 있는 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7로부터 비늘형 그라파이트 분말이 거의 XY평면 내에 배열되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 7에서 비늘형 그라파이트 분말 사이의 매트릭스 금속 안에 직경 10㎛ 정도의 CCF의 단면 조직이 있는 것, 그리고 CCF가 XY평면 내에서 랜덤하게 배향되어 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 9)
본 실시예에서는, 서로 다른 형상의 매트릭스 금속의 분말을 이용하여 수득되는 복합재료의 특성을 평가하였다. 본 실시예에서 사용한 비늘형 구리 분말은 약 50㎛의 평균 입경 및 약 30의 평균 종횡비를 가진다. 또한, 본 실시예에서 사용한 구형 구리 분말은 물 아토마이즈법으로 제조되고, 약 40㎛의 평균 입경을 가진다. 더욱이, 본 실시예에서는 300㎛의 평균 입경 및 10nm의 평균 두께를 갖는 비늘형 그라파이트 분말을 이용하였다.
70부피%의 구리 분말과 30부피%의 비늘형 그라파이트 분말을 이용하여 2종류의 복합재료를 제조하였다. 한쪽에서는 구리 분말로서 비늘형 구리 분말만을 사용하였다. 다른 한쪽에서는 구리 분말로서 40부피%의 비늘형 구리 분말과 60부피%의 구형 구리 분말의 혼합물을 이용하였다. 복합재료의 제조는 실시예 1의 순서를 이용하여 실시하였다.
수득된 2종류의 복합재료에 관하여, 밀도, 상대밀도, 열전도율, 열팽창율, 휨강도 및 그라파이트 분말의 배향상태를 평가하였다. 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 비늘형 구리 분말과 구형 구리 분말의 혼합물을 이용하여 제조한 복합재료의 단면조직 사진을 도 8에 나타낸다.
[표 3]
Figure pct00003
표 3으로부터 알 수 있듯이, 비늘형 구리 분말과 구형 구리 분말의 혼합물을 이용한 샘플 2에서는, XY 평면에 대하여 20도 이상 기울어져 배열된 그라파이트 분말의 비율이 18%까지 상승하였다. 즉, 구형 구리 분말을 이용함으로써, 그라파이트 분말의 배향이 흐트러진 것을 알 수 있었다. 이 배향의 흐트러짐에 의해, 샘플 2의 XY 평면내의 열전도율(570.1W/mK)이 비늘형 구리 분말만을 이용한 샘플 1의 열전도율(631.6W/mK)에 비하여 약 10% 떨어졌다. 더욱이, 구형 구리 분말을 이용한 샘플 2의 휨강도(26MPa)는 비늘형 구리 분말만을 이용한 샘플 1의 휨강도(53.5MPa)의 약 절반이었다. 이로부터, 그라파이트 분말 배향의 흐트러짐이 복합재료의 기계적 강도에도 악영향을 미치는 것을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 20부피% 내지 80부피%의 비늘형 그라파이트 분말; 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스를 포함하는 금속-그라파이트 복합재료로서,
    상기 금속-그라파이트 복합재료의 열전도 용이면의 법선 벡터에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말이 상기 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대하여 15% 이하이고,
    상기 금속-그라파이트 복합재료는 95% 이상의 상대밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 X선 회절에 의해 측정되는 그라파이트 결정의 d002값이 0.3345nm 내지 0.3360nm의 범위인 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 10 내지 100의 평균 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 50㎛ 내지 1000㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
  5. 제 1 항에 있어서,
    탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
  6. (1) 비늘형 그라파이트 분말; 및 구리, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 매트릭스의 비늘형 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 얻는 공정,
    (2) 상기 분말 혼합체를 이용하여 소결 전구체를 형성하는 공정, 및
    (3) 상기 소결 전구체를 1축 가압하면서 소결시키는 공정을 포함하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법으로서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 금속-그라파이트 복합재료의 20 내지 80부피%를 구성하고, 상기 금속-그라파이트 복합재료는 95% 이상의 상대밀도를 가지며, 상기 비늘형 그라파이트 분말 전체에 대한 공정 (3)의 1축 가압의 방향 벡터에 대하여 비늘형 면의 법선 벡터가 20° 이상 기울어진 비늘형 그라파이트 분말의 비율이 15% 이하인 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 X선 회절에 의해 측정되는 그라파이트 결정의 d002값이 0.3345nm 내지 0.3360nm의 범위인 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 10 내지 100의 평균 종횡비를 가지고, 상기 매트릭스의 비늘형 분말은 10 내지 100의 평균 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 비늘형 그라파이트 분말은 50㎛ 내지 1000㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 분말 혼합체에 탄소 섬유 또는 카본 나노 화이버를 첨가하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    공정 (2)는
    (2a) 몰드 내에 상기 분말 혼합체를 충전하는 공정, 및
    (2b) 상기 충전된 분말 혼합체를 1축 가압하는 공정을 1회 이상 반복함으로써 실시되고,
    1회의 공정 (2a) 및 (2b)에서 수득되는 소결 전구체의 공정 (2b)의 1축 가압 방향에서의 두께는 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    공정 (2)는
    (2c) 상기 분말 혼합체와 액체 매질을 혼합하여 슬러리를 형성하는 공정,
    (2d) 상기 슬러리를 닥터 블레이드법을 이용하여 기판 위에 전개시키는 공정, 및
    (2e) 액체 매질을 제거하는 공정에 의해 실시되고,
    공정 (2c) 내지 공정 (2e)에서 수득되는 소결 전구체의 두께는 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료의 제조방법.
  13. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 금속-그라파이트 복합재료.
KR1020107007552A 2007-10-18 2008-10-14 높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법 KR101193991B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2007-271660 2007-10-18
JP2007271660 2007-10-18
PCT/JP2008/068557 WO2009051094A1 (ja) 2007-10-18 2008-10-14 高熱伝導性を有する金属－黒鉛複合材料およびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100051124A true KR20100051124A (ko) 2010-05-14
KR101193991B1 KR101193991B1 (ko) 2012-10-24

Family

ID=40567358

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107007552A KR101193991B1 (ko) 2007-10-18 2008-10-14 높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8501048B2 (ko)
EP (1) EP2213756B1 (ko)
JP (1) JP4441768B2 (ko)
KR (1) KR101193991B1 (ko)
CN (1) CN101821415B (ko)
WO (1) WO2009051094A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101343997B1 (ko) * 2011-11-18 2013-12-31 강형식 미세 금속 분말을 포함하는 첨가형 열전도성 분말 및 그 제조방법
WO2014129696A1 (ko) * 2013-02-21 2014-08-28 엠케이전자 주식회사 두께 방향으로 우수한 열전도 특성을 갖는 방열판의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열판
KR20150099091A (ko) * 2014-02-21 2015-08-31 한국교통대학교산학협력단 그라파이트-금속기 복합소재의 기계적 합금화를 이용한 나노 복합소재의 제조방법 및 그 제조방법에 의한 나노 복합소재
KR101961466B1 (ko) * 2018-05-30 2019-03-22 한국생산기술연구원 메탈 하이브리드 방열소재의 제조방법

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008010746A1 (de) * 2008-02-20 2009-09-03 I-Sol Ventures Gmbh Wärmespeicher-Verbundmaterial
JP5352893B2 (ja) * 2008-04-14 2013-11-27 東洋炭素株式会社 炭素繊維炭素複合成形体及び炭素繊維強化炭素複合体材料並びにその製造方法
JP5640239B2 (ja) * 2009-03-26 2014-12-17 島根県 鱗状黒鉛含有板状前駆体および焼結成形体
JP5504406B2 (ja) * 2009-05-29 2014-05-28 島根県 金属−黒鉛複合材料の製造方法および金属−黒鉛複合材料
FR2951047B1 (fr) * 2009-10-07 2011-12-09 Valeo Etudes Electroniques Module d'electronique de puissance et de procede de fabrication de ce module
US9403722B2 (en) * 2010-02-09 2016-08-02 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Sintered objects and processes for producing same
JP2012236751A (ja) * 2011-05-13 2012-12-06 Toyo Tanso Kk 金属−炭素複合材及びその製造方法
CN103081037B (zh) * 2011-06-24 2016-08-03 日东电工株式会社 稀土类永久磁铁及稀土类永久磁铁的制造方法
JP2013189568A (ja) * 2012-03-14 2013-09-26 Du Pont-Toray Co Ltd グラファイト粉体含有高熱伝導性ポリイミドフィルム
ITVI20130077A1 (it) 2013-03-20 2014-09-21 St Microelectronics Srl Un materiale riempitivo a base di grafene con una elevata conducibilita' termica per il collegamento di chips in dispositivi a microstruttura
CN103343265B (zh) * 2013-07-24 2015-12-02 上海交通大学 石墨/硅混杂增强高导热低膨胀铝基复合材料
US9963395B2 (en) 2013-12-11 2018-05-08 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Methods of making carbon composites
WO2015102415A1 (ko) * 2013-12-31 2015-07-09 주식회사 아모그린텍 복합 시트 및 그를 구비한 휴대용 단말
JP6340956B2 (ja) * 2014-07-01 2018-06-13 Dic株式会社 熱接着シート及び物品
US9325012B1 (en) 2014-09-17 2016-04-26 Baker Hughes Incorporated Carbon composites
US10315922B2 (en) * 2014-09-29 2019-06-11 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Carbon composites and methods of manufacture
US10480288B2 (en) * 2014-10-15 2019-11-19 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Articles containing carbon composites and methods of manufacture
US9962903B2 (en) 2014-11-13 2018-05-08 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Reinforced composites, methods of manufacture, and articles therefrom
US9745451B2 (en) 2014-11-17 2017-08-29 Baker Hughes Incorporated Swellable compositions, articles formed therefrom, and methods of manufacture thereof
US11097511B2 (en) 2014-11-18 2021-08-24 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Methods of forming polymer coatings on metallic substrates
US9714709B2 (en) 2014-11-25 2017-07-25 Baker Hughes Incorporated Functionally graded articles and methods of manufacture
US10300627B2 (en) 2014-11-25 2019-05-28 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Method of forming a flexible carbon composite self-lubricating seal
US20160186031A1 (en) * 2014-12-08 2016-06-30 Baker Hughes Incorporated Carbon composites having high thermal conductivity, articles thereof, and methods of manufacture
US9840887B2 (en) 2015-05-13 2017-12-12 Baker Hughes Incorporated Wear-resistant and self-lubricant bore receptacle packoff tool
US10125274B2 (en) 2016-05-03 2018-11-13 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Coatings containing carbon composite fillers and methods of manufacture
US11247365B2 (en) 2016-05-04 2022-02-15 Somnio Global Holdings, Llc Additive fabrication methods and devices for manufacture of objects having preform reinforcements
US10344559B2 (en) 2016-05-26 2019-07-09 Baker Hughes, A Ge Company, Llc High temperature high pressure seal for downhole chemical injection applications
CN106231836B (zh) * 2016-08-05 2023-05-26 京东方科技集团股份有限公司 封闭式显示装置及其组装方法
JP6755779B2 (ja) 2016-11-11 2020-09-16 昭和電工株式会社 金属−炭素粒子複合材及びその製造方法
JP6821409B2 (ja) * 2016-11-30 2021-01-27 昭和電工株式会社 金属−炭素粒子複合材の製造方法
IT201700000485A1 (it) 2017-01-03 2018-07-03 St Microelectronics Srl Dispositivo a semiconduttore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti
DE102017216290B4 (de) 2017-09-14 2022-09-08 Freie Universität Berlin Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung, Kühlkörper und elektronisches Bauteil
WO2019215867A1 (ja) * 2018-05-10 2019-11-14 日産自動車株式会社 軸受部材
AU2020279748A1 (en) * 2019-05-20 2021-12-23 Battelle Energy Alliance, Llc Spark plasma sintering methods for fabricating dense graphite
JP2020191347A (ja) * 2019-05-21 2020-11-26 昭和電工株式会社 冷却装置
CN110453101B (zh) * 2019-08-08 2020-09-01 长春工业大学 夹金属铜鳞片石墨增强铜基复合材料及其制备方法和应用
CN114761588A (zh) * 2019-12-17 2022-07-15 Ｕｂｅ株式会社 石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法
RU2754225C1 (ru) * 2020-08-26 2021-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "ВодоРод" Способ получения высокотеплопроводного алюминий-графитового композита
JP2022157111A (ja) * 2021-03-31 2022-10-14 Ｕｂｅ株式会社 黒鉛－銅複合材料、それを用いたヒートシンク部材、および黒鉛－銅複合材料の製造方法
CN115233043A (zh) * 2022-06-15 2022-10-25 有研工程技术研究院有限公司 一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法
CN116178035B (zh) * 2022-09-08 2023-12-22 中钢集团南京新材料研究院有限公司 一种柔性高导热石墨材料及其制备方法和应用
CN115821103B (zh) * 2022-11-09 2023-11-24 三峡大学 三相双界面互穿网络铝合金/石墨复合热沉的制备方法
CN116005029B (zh) * 2023-01-04 2024-05-17 广东省科学院新材料研究所 石墨片金属基复合材料及其制备方法、组装模具、应用

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8409047D0 (en) 1984-04-07 1984-05-16 Mixalloy Ltd Production of metal strip
US4961902A (en) * 1986-02-03 1990-10-09 Eltech Systems Corporation Method of manufacturing a ceramic/metal or ceramic/ceramic composite article
CA2000805C (en) * 1988-10-17 1994-01-18 Kiyoshi Sudani Carbon/metal composite
JPH07207253A (ja) 1994-01-21 1995-08-08 Akechi Ceramics Kk 金属基複合摩擦材料
JPH0821446A (ja) * 1994-07-06 1996-01-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 表面平滑部品
JPH08253826A (ja) * 1994-10-19 1996-10-01 Sumitomo Electric Ind Ltd 焼結摩擦材およびそれに用いられる複合銅合金粉末とそれらの製造方法
FR2734669B1 (fr) 1995-05-22 1997-06-20 Le Carbonne Lorraine Bagues d'alternateurs et collecteurs cylindriques en materiau composite cupro-graphitique fritee
JPH09222143A (ja) * 1996-02-16 1997-08-26 Toshiba Tungaloy Co Ltd 鱗片状黒鉛添加焼結摩擦材料の製造方法
US5863467A (en) * 1996-05-03 1999-01-26 Advanced Ceramics Corporation High thermal conductivity composite and method
JP4497585B2 (ja) 1999-07-27 2010-07-07 株式会社豊田中央研究所 リチウム二次電池用正極ペースト組成物およびリチウム二次電池用正極
US6355340B1 (en) * 1999-08-20 2002-03-12 M Cubed Technologies, Inc. Low expansion metal matrix composites
CH710862B1 (de) * 1999-11-26 2016-09-15 Imerys Graphite & Carbon Switzerland Sa Verfahren zur Herstellung von Graphitpulvern mit erhöhter Schüttdichte.
US20010049028A1 (en) * 2000-01-11 2001-12-06 Mccullough Kevin A Metal injection molding material with high aspect ratio filler
JP2001354951A (ja) * 2000-06-14 2001-12-25 Exedy Corp 摩擦材
US6564059B1 (en) * 2000-10-11 2003-05-13 Lucent Technologies Inc. Modification of link identifier to include routing label that allows base station message routing to serving processor
US6888661B1 (en) * 2002-06-13 2005-05-03 Cheetah Omni, Llc Square filter function tunable optical devices
US6837915B2 (en) * 2002-09-20 2005-01-04 Scm Metal Products, Inc. High density, metal-based materials having low coefficients of friction and wear rates
JP4211048B2 (ja) 2003-03-28 2009-01-21 三菱マテリアルＰｍｇ株式会社 摺動部品の製造方法
US7282265B2 (en) * 2003-05-16 2007-10-16 Hitachi Metals, Ltd. Composite material having high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, and heat-dissipating substrate, and their production methods
KR100904043B1 (ko) * 2004-11-09 2009-06-22 시마네켄 금속기 탄소섬유 복합재료 및 그 제조방법
US7723408B2 (en) * 2005-02-16 2010-05-25 Georgia Tech Research Corporation Composite materials having low filler percolation thresholds and methods of controlling filler interconnectivity
CN101151384B (zh) * 2005-03-29 2011-07-06 日立金属株式会社 高热导性石墨粒子分散型复合体及其制造方法
US8372184B2 (en) * 2005-04-22 2013-02-12 Societe Bic Composite hydrogen storage material and methods related thereto
US8043703B2 (en) * 2007-09-13 2011-10-25 Metal Matrix Cast Composites LLC Thermally conductive graphite reinforced alloys

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101343997B1 (ko) * 2011-11-18 2013-12-31 강형식 미세 금속 분말을 포함하는 첨가형 열전도성 분말 및 그 제조방법
WO2014129696A1 (ko) * 2013-02-21 2014-08-28 엠케이전자 주식회사 두께 방향으로 우수한 열전도 특성을 갖는 방열판의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 방열판
KR20150099091A (ko) * 2014-02-21 2015-08-31 한국교통대학교산학협력단 그라파이트-금속기 복합소재의 기계적 합금화를 이용한 나노 복합소재의 제조방법 및 그 제조방법에 의한 나노 복합소재
KR101961466B1 (ko) * 2018-05-30 2019-03-22 한국생산기술연구원 메탈 하이브리드 방열소재의 제조방법
US11383297B2 (en) 2018-05-30 2022-07-12 Korea Institute Of Industrial Technology Method of manufacturing a metal hybrid, heat-dissipating material

Also Published As

Publication number Publication date
JP4441768B2 (ja) 2010-03-31
KR101193991B1 (ko) 2012-10-24
WO2009051094A1 (ja) 2009-04-23
JPWO2009051094A1 (ja) 2011-03-03
CN101821415B (zh) 2012-12-05
EP2213756A1 (en) 2010-08-04
US8501048B2 (en) 2013-08-06
US20100207055A1 (en) 2010-08-19
EP2213756A4 (en) 2013-01-16
EP2213756B1 (en) 2015-03-04
CN101821415A (zh) 2010-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101193991B1 (ko) 높은 열전도성을 갖는 금속-그라파이트 복합재료 및 그 제조방법
Qiu et al. 3D Printing of highly textured bulk thermoelectric materials: mechanically robust BiSbTe alloys with superior performance
KR101534478B1 (ko) 고열 전도성 복합 재료
KR101499409B1 (ko) 냉각판, 그 제조방법 및 반도체 제조 장치용 부재
TWI599554B (zh) Cooling plate, method of manufacturing the same, and device for semiconductor manufacturing apparatus
JP5224682B2 (ja) 伝熱複合材、関連するデバイス及び方法
KR101365251B1 (ko) 알루미늄ㆍ마그네슘ㆍ규소 복합재료 및 그 제조 방법, 그리고 이 복합재료를 이용한 열전변환 재료, 열전변환 소자, 및 열전변환 모듈
US8053069B2 (en) High heat conduction composite material
JP7190529B2 (ja) 接合用組成物、並びに導電体の接合構造及びその製造方法
JP6982320B2 (ja) 黒鉛／グラフェン複合材、集熱体、伝熱体、放熱体および放熱システム
JP2006001232A (ja) 高熱伝導・低熱膨脹複合体およびその製造方法
Guillemet et al. An innovative process to fabricate copper/diamond composite films for thermal management applications
JP7165341B2 (ja) 黒鉛－銅複合材料、それを用いたヒートシンク部材、および黒鉛－銅複合材料の製造方法
JP6908248B2 (ja) 被覆ＳｉＣナノ粒子を用いたＳｉＣセラミックス及びその製造方法
CN103966533B (zh) 一种金刚石导热复合材料及其制备方法
JP5743752B2 (ja) 回路基板
Jiraborvornpongsa et al. Effects of trace amount of nanometric SiC additives with wire or particle shapes on the mechanical and thermal properties of alumina matrix composites
JP2013243212A (ja) 熱拡散装置
Bresch et al. Lowering the sintering temperature of calcium manganate for thermoelectric applications
TWI768045B (zh) 鎂系熱電變換材料、鎂系熱電變換元件、及鎂系熱電變換材料之製造方法
Xiao et al. A method to rapidly determine the sintering process parameters of powder metallurgy by real-time resistivity monitoring
JP6875211B2 (ja) 金属−炭素粒子複合材の製造方法
Guillemet et al. Fabrication by tape casting and hot pressing of copper diamond composite films
JP2020089819A (ja) 粒子塗工箔の製造方法及び金属−粒子複合材の製造方法
JP2019091826A (ja) 熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び移動体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150826

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160825

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180823

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190829

Year of fee payment: 8