KR20140069754A - 열전도도가 향상된 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도도가 향상된 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 2.5 내지 4.5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.25 내지 0.35 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.2 내지 0.5 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하며 종래 알루미늄 합금 대비 열전도도가 증가되고 다이캐스팅 공법을 적용할 수 있는 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치에 관한 것이다.

Description

열전도도가 향상된 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치{Aluminum alloy improved heat conductivity and a heat radiating device using the same}

본 발명은 열전도도가 향상된 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금의 조성비를 조절함으로써 열전도도가 향상된 알루미늄 합금과 상기 알루미늄 합금을 이용한 다이캐스팅 공법으로 제조되며 전자부품이나 자동차용 구동계 부품 등에 적용되는 방열장치에 관한 것이다.

알루미늄 및 알루미늄 합금은 음료수 캔, 차량, 가전용품, 건축, 기계, 전기, 항공기 등 현대 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 상기 알루미늄은 가볍고 가공성이 좋으며 전기 전도도가 높을 뿐만 아니라, 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 망간(Mn), 구리(Cu) 등의 원소와 함께 다양한 종류의 고강도, 고내식성 합금으로 이용된다.

특히 알루미늄 합금은 경량화, 가공성, 주조 용이성 및 내부식성 등의 특성이 있기 때문에, 철강이 적용될 수 없는 많은 분야에 적용되고 있다. 더불어, 알루미늄 관련 기술의 진보에 의해 응용성이 넓어져서 건축, 자동차, 전차, 항공기 및 가전제품 등 여러 분야에서 이용되고 있다.

위와 같은 알루미늄 합금은 특히 자동차용 재료로 사용되면 차체 경량화를 달성할 수 있으며, 종래 자동차 생산라인의 설비를 일부 혹은 전부 사용할 수 있기에 대체 소재로 주목받고 있다. 특히, 자동차 산업분야에서 철강 대신 알루미늄 합금을 적용하면 최대 40% 정도 자동차의 경량화가 가능하기 때문에 상기 알루미늄 합금을 폭넓게 사용하고 있다.

또한, 최근에 자동차 전자제어 증가에 따른 전자 디바이스(Device)의 집약으로 방열 특성이 중요한 문제로 부각되고 있어 사용 재질에 대한 방열 특성에 요구되는 물성치가 높아지는 추세이다.

그러나, 종래 다이캐스팅 공법에 이용되는 알루미늄 합금은 순 알루미늄 대비 강도(Strength) 등과 같은 물성은 뛰어나지만 여러 합금 원소에 의해 열전도도가 감소되어 소물류 전자부품이나 대물류 자동차용 구동계 부품 등 방열 특성이 요구되는 방열장치 제조에 사용되기에는 한계가 있었다.

따라서, 방열장치에는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 합금 원소가 덜 첨가되어 열전도도가 우수한 알루미늄 합금 압출재가 사용되고 있으나, 압출 공정의 특성상 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 부품의 설계자유도가 떨어지고, 고가의 소재를 사용하게 되는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 합금 내 실리콘(Si)의 함량을 최적화하여 다이캐스팅 공법 적용이 가능하며 열전도도가 향상된 알루미늄 합금 및 이를 이용한 방열장치를 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 열전도도가 향상된 알루미늄 합금은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 2.5 내지 4.5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.25 내지 0.35 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.2 내지 0.5 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 합금은 불가피한 불순물을 더 포함하고, 상기 불순물은 전체 합금 중량 대비 0.05 중량% 이하인 것이 바람직하며, 상기 실리콘(Si)은 4.4 중량%, 마그네슘(Mg)은 0.3 중량%, 철(Fe)은 0.5 중량% 및 니켈(Ni)은 0.3 중량% 및 불순물은 0.04 중량% 인 것이 보다 바람직하다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 방열장치는 상기와 같은 조성을 가진 알루미늄 합금을 이용한 다이캐스팅 공법으로 제조된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 등의 함량을 규제하여 높은 기계적 물성을 유지함과 동시에 기존 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 열전도도를 60% 이상 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 알루미늄 합금은 다이캐스팅 공법을 적용할 수 있어 원가가 절감되어 경제성이 향상되며, 다이캐스팅 공법 적용으로 인해 압출 공정 대비 설계자유도가 증대되는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 위와 같은 알루미늄 합금을 방열판 등의 방열장치 제조에 이용하여 경량화 및 방열특성이 우수한 방열장치를 제조할 수 있다.

도 1은 일 실시예로 본 발명에 의한 알루미늄 합금으로 제조된 카오디오 외장앰프 방열판을 나타낸 사진이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일 관점에서, 본 발명은 열전도도가 향상된 알루미늄 합금에 관한 것이다.

구분	Cu	Si	Mg	Zn	Fe	Mn	Ni	B	Cr	Al
비교예1 (중량%)	1.5 ~3.5	9.6 ~12.0	0.3 이하	1.0 이하	1.3 이하	0.5 이하	0.5 이하	-	-	잔부
비교예2 (중량%)	0.15~ 0.40	0.4 ~0.8	0.8 ~1.2	0.25 이하	0.7 이하	0.10 이하	-	-	0.04 ~0.35	잔부
비교예3 (중량%)	-	0.4 ~1.6	0.3 ~0.7	-	0.2 ~1.0	-	-	0.002 ~0.08	-	잔부
비교예4 (중량%)	-	0.1 ~0.6	0.2 ~0.9	-	0.1 ~0.8	-	1.0 ~0.6	0.0001 ~0.05	-	잔부

상기 표 1은 다이캐스팅 공법이나 압출 공법에 적용되는 종래 알루미늄 합금 조성을 비교한 표이다.

상기 비교예 1은 일반적인 다이캐스팅 공법이 적용되는 알루미늄 합금을 나타낸 것인데, 실리콘(Si)과 구리(Cu)를 주요 성분으로 하고 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni) 성분을 규제함으로써 물성을 향상시킨 것에 그 특징이 있다.

다만, 상기 비교예 1의 알루미늄 합금은 다이캐스팅 공법 적용을 위해 용탕의 유동성 및 금형과의 소착성을 향상시키기 위한 많은 합금원소들을 함유하기에 합금의 열전도도가 낮다. 예를 들어, 상기 구리(Cu)는 알루미늄 합금의 강도를 향상시키지만, 함량 과다 시 합금의 열전도도가 감소되고 주조시 열간 취성이 발생되는 문제가 있다.

상기 비교예 2의 알루미늄 합금은 비교예 1의 알루미늄 합금과 대비하여 첨가된 합금의 함량을 낮춤으로써 우수한 열전도도를 구현할 수 있지만, 합금의 유동성을 향상시키는 실리콘(Si)의 함량이 부족하여 다이캐스팅 공법을 적용할 수 없다. 또한, 이를 대체하여 압출 공법을 이용할 수 있지만, 압출 소재의 경우 다이캐스팅 소재와 대비하여 약 70% 이상 고가의 소재를 사용하여야 하기에 원가 측면에서 불리하며 압출 공법의 특성상 다이캐스팅 공법 대비 설계자유도가 현저히 떨어져 설계 제약 조건이 많은 문제가 있다.

상기 비교예 3 및 4의 알루미늄 합금은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 및 붕소(B)의 함량을 제한함으로써 상기 비교예 1의 알루미늄 합금 대비 열전도도는 향상되나 상기 실리콘(Si)의 함량이 기존 대비 미량으로 용탕의 유동성이 현저히 저하되는바 자동차 등에 주로 적용되는 대물류 방열장치 제조에 사용되기에는 한계가 있다.

한편, 본 발명에 의한 알루미늄 합금은 주조성 확보에는 유리하나 열전도도를 감소시키는 실리콘(Si)의 함량을 최적화하고, 강도를 향상시는 마그네슘(Mg), 다이캐스팅 공법 적용 시 금형 소착을 방지하는 철(Fe) 및 금형 소착을 방지하고 고온 강도와 공성을 향상시키는 니켈(Ni)을 포함하며, 불순물 혼입에 의한 열전도도 저하를 방지하기 위해 상기 원소 이외의 불순물 함량을 제한하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 본 발명에 의한 열전도도가 개선된 알루미늄 합금은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 2.5 내지 4.5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.25 내지 0.35 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.2 내지 0.5 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는바 이하에서 상세히 알아본다.

먼저, 상기 실리콘(Si)은 용탕의 유동성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 2.5 내지 4.5 중량% 를 포함하는 것이 바람직한데, 2.5 중량% 미만인 경우에는 용융된 알루미늄 합금의 유동성이 저하되어 자동차 부품과 같은 대물류 다이캐스팅 공법을 적용하기 어려우며, 4.5 중량% 초과인 경우에는 유동성은 증가하나 열전도도가 감소되어 방열판 등의 방열 특성이 요구되는 방열장치에 이용되기 어렵기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금의 강도에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 0.25 내지 0.35 중량% 를 포함하는 것이 바람직한데, 0.25 중량% 미만인 경우에는 합금의 강도가 급격히 저하되며, 0.35 중량% 초과인 경우에는 합금의 열전도도가 감소되고 주물에 산화물이 과다하게 형성되어 주조 품질이 떨어지며 열처리에 의한 신율 저하가 발생되기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 철(Fe)은 다이캐스팅 공법 적용시 금형과의 소착 방지에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 0.1 내지 1.0 중량% 를 포함하는 것이 바람직한데, 0.1 중량% 미만인 경우에는 상기 효과가 크게 저하되며 1.0 중량% 초과인 경우에는 취성 화합물이 생성되어 합금의 내구성이 저하되기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 니켈(Ni)은 금형과의 소착 방지 및 고온 강도와 가공성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 0.2 내지 0.5 중량% 를 포함하는 것이 바람직한데, 0.2 중량% 미만인 경우에는 상기 효과가 불충분하며 0.5 중량% 초과인 경우에는 내식성이 저하되고 원가가 크게 상승하기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

한편 금속 속에 다른 원소가 주입되는 경우, 그 원소가 주입되는 것이 물성에 유리한 경우에는 상기 원소를 합금원소, 불리한 경우에는 불순물이라고 한다. 일반적으로 다른 원소를 의도적으로 주입하면 상기 원소를 합금원소라고 하고, 제조 과정에서 기술상의 문제로 불가피하게 주입되며, 그 함유량을 허용량 이하로 제한함으로써 그 존재가 인정되는 것이 불순물이다. 상기 불순물 원소의 제한량은 상기 불순물이 금속에 미치는 유해성이 어느 정도인가에 따라 달라진다.

본 발명에 의한 알루미늄 합금은 앞서 언급한 원소를 제외한 기타 합금 원소인 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있는데, 그 함량은 전체 합금 중량 대비 0.05 중량% 이하를 포함하는 것이 바람직한데, 0.5 중량% 초과인 경우에는 열전도도가 감소하여 본 발명의 목적을 벗어나기 때문이다.

다른 관점에서, 본 발명은 상기 알루미늄 합금을 이용하여 다이캐스팅(die casting) 공법으로 제조된 방열장치에 관한 것이다.

즉, 상기와 같은 조성을 가진 알루미늄 합금은 열전도도가 현저하게 개선되며, 다이캐스팅 공법이 적용가능하기에 통상의 공지된 다이캐스팅 공법을 적용하여 방열장치 제조에 이용될 수 있다.

이 때, 본 발명에서 언급되는 상기 "방열장치" 는 전자부품 및 자동차 부품 등에 적용되며 방열 특성이 요구되는 장치를 의미하는 것으로서, 친환경 자동차의 인버터 하우징, 구동 모터 하우징 및 방열판(heat sink) 등을 모두 포함하는 용어로 사용된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

구분	Cu	Si	Mg	Zn	Fe	Mn	Ni	Al
비교예5 (중량%)	2.5	10.8	0.15	0.05	0.65	0.25	0.25	잔부
실시예1 (중량%)	-	4.4	0.3	-	0.5	-	0.3	잔부

상기 표 2는 일 실시예로 일반적인 다이캐스팅 공법이 적용되는 알루미늄 합금과 본 발명에 의한 알루미늄 합금의 조성을 나타낸 표이다.

즉, 상기 실시예 1은 본 발명에 의한 열전도도가 개선된 알루미늄 합금의 조성 범위에 해당되는 알루미늄 합금인데, 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 4.4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.3 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 중량% 및 불가피한 불순물 0.04 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 합금의 열전도도 및 강도 등의 물성을 측정하기 위하여 상기 합금을 720 ℃에서 용융한 후 다이캐스팅 공법을 적용하여 210 ℃로 예열시킨 금형에 주입하여 카오디오 외장앰프 방열판을 제조하였으며, 그 결과물은 도 1에 나타내었다.

또한, 상기 비교예 5는 앞서 언급한 비교예 1의 조성 범위에 해당되는 알루미늄 합금으로, 상기 합금의 물성을 측정하기 위하여 상기 합금을 730 ℃ 에서 용융한 후 다이캐스팅 공법을 적용하여 180 ℃로 예열시킨 금형에 주입하여 상기 실시예 1과 동일한 방열판을 제조하였다.

구분	열전도도(W/mK)	인장강도(MPa)
비교예5	112	230
실시예1	180	170

상기 표 3은 상기 표 2에서 언급한 카오디오 외장앰프 방열판의 시편을 채취하여 열전도도 및 인장시험을 실시한 후 그 결과를 비교한 표이다.

상기 표에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 알루미늄 합금은 종래 일반적인 다이캐스팅 공법이 적용되는 알루미늄 합금과 대비하여 인장강도는 약 20% 저감되나 170 MPa 의 우수한 강도를 나타내었으며, 열전도도는 180 W/mk 로 약 60% 이상 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (4)

1. 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 2.5 내지 4.5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.25 내지 0.35 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.2 내지 0.5 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도도가 향상된 알루미늄 합금.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 합금은 불가피한 불순물을 더 포함하고, 상기 불순물은 전체 합금 중량 대비 0.05 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 열전도도가 향상된 알루미늄 합금.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 실리콘(Si)은 4.4 중량%, 마그네슘(Mg)은 0.3 중량%, 철(Fe)은 0.5 중량% 및 니켈(Ni)은 0.3 중량% 및 불순물은 0.04 중량% 인 것을 특징으로 하는 열전도도가 향상된 알루미늄 합금.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 알루미늄 합금을 이용한 다이캐스팅 공법으로 제조된 방열장치.

Images