KR20210085455A - 코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법 - Google Patents

코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전도도 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에는 측정이 어려웠던 코팅된 박막의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법에 관한 것이다.

Description

코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법{Method of measuring thermal conductivity of coating layer and determining method of heat dissipation coating layer using same}
본 발명은 열전도도 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에는 측정이 어려웠던 코팅된 박막의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법에 관한 것이다.
물질의 열전도도는 금속의 경우 원소의 종류에 따라서 달라진다. 예를 들면, 은(Ag)은 428 W/m·K, 구리(Cu)는 401 W/m·K, 알루미늄(Al)은 236 W/m·K 이다. 하지만 알루미늄은 히트싱크 소재로 사용시는 순수한 알루미늄이 아닌 합금된 다이캐스팅 합금 소재로 제작하는 경우가 대부분으로 이로 인해 순수한 알루미늄의 열전도도인 236 W/m·K에는 훨씬 미치지 못하고 150 W/m·K 정도의 수준으로 알려져 있다.
히트싱크 자체의 열전도도를 측정하려면 같은 종류의 물질 원소나 합금을 선택해서 시료를 제작하여 비교하여야 한다. 즉, 히트 싱크 자체의 열전도도 측정은 어렵고 비교 시편을 제작하여 열전도도 측정이 이루어진다. 이러한 열전도도의 측정은 벌크 소재에 대해서 행해지며, 박막이나 코팅의 경우는 특별한 측정 방법이 없었다. 하지만 벌크 소재의 측정방식을 이용하여 박막의 열전도도를 측정하는 방법이 있다면, 이는 획기적으로 코팅으로 인한 히트싱크 성능의 기여와 효율성을 확인하는 좋은 방법이 될 것이다. 사실 이러한 방법 자체가 없다는 것은 이렇게 히트싱크에 코팅하여 열전도도를 획기적으로 낮춘다는 개념 자체가 정립되지 않고 자주 사용되어지지 않았기 때문이다.
한편, 히트싱크 표면에 코팅을 함으로써 히트싱크 자체의 열방출 성능을 상당히 향상시킬 수 있다는 사실은 알려져 있지만, 코팅으로 인한 열전도도와 열방출 성능의 향상은 직접적으로 알 수 있는 방법이 부재하였고, 이를 벌크 측정방법에서 활용하는 것이 중요한 점이다. 특히 핫플레이트 위에서 히트싱크의 온도변화를 코팅한 히트싱크와 코팅하지 않은 히트싱크에서 비교하는 방법으로 열전도도가 향상되는 것을 확인할 수 있으나 직접적인 열전도도 수치를 알 수 있는 것은 아니었다.
따라서, 히트싱크에 적용되는 코팅의 종류에 따라서 미리 확인해 볼 수 있어 커다란 히트싱크에 직접 코팅하여 전기를 걸어 열방출 되는 정도를 확인하는 번거로움이나 핫플레이트에서 비교하는 방법에 비해 수고를 훨씬 줄이고 다양한 코팅의 적용과 빠른 코팅 물질과 방법의 선택에도 도움을 줄 수 있도록 코팅층의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 개발될 필요가 있었다.
대한민국 공개특허번호 제10-2028530호
본 발명자들은 다수의 연구결과 벌크소재에 형성된 코팅층의 열전도도를 측정하는 방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 LFA(laser flash analysis 또는 light flash analysis)측정기와 저울을 이용하여 도금이나 스퍼터링으로 벌크소재 표면에 형성된 박막형 코팅층의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 서로 대향되는 양면을 갖는 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계; 상기 벌크소재의 어느 일면에 코팅층을 형성하는 단계; 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계; 상기 측정된 열확산도, 비열 및 밀도 값을 하기 수학식1에 대입하여 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계; 및
[수학식 1]
Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
는 열전도도 값이고,
Figure pat00003
는 LFA 열확산도 값이며,
Figure pat00004
는 DSC/LFA 비열값이고,
Figure pat00005
는 DIL/TMA/Balance 밀도 값이다.)
상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도 측정값에서 상기 벌크소재의 열전도도 측정값을 빼서 상기 코팅층의 열전도도 값을 결정하는 단계;를 포함하는 코팅층의 열전도도 측정방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 벌크소재는 지름 10mm이상 두께 2.5mm이상인 디스크형태로서 다이캐스팅 알루미늄 재질이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 도금 또는 스퍼터링으로 형성된 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스퍼터링 조건은 바이어스전압 15-60W, DC파워 50-250W, 처리시간 30-400min, 압력 1 ~ 6 mTorr 및 캐리어가스 유량 20 ~ 55 SCCM이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 코팅층의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계는 LFA측정기 및 저울을 이용하여 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 벌크소재의 재질이 다이캐스팅 된 알루미늄이고, 상기 코팅층이 스퍼터링으로 형성된 구리층인 경우, 상기 코팅층의 두께가 14㎛이면 열전도도가 28.8 W/m·K 이고, 그 두께가 28㎛이면 열전도도가 38.6 W/m·K 이다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 코팅층의 열전도도 측정방법으로 디스크형 벌크소재의 재질에 따라 다양한 재질 및 두께를 가진 코팅층의 열전도도를 측정하는 단계; 상기 측정된 코팅층의 열전도도 값을 DB화하는 단계; 및 상기 DB를 이용하여 제품의 재질에 따른 열방출코팅층의 재질 및 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 열방출코팅층 결정방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 디스크형 벌크소재의 재질은 열전도도가 120 W/m·K 이다.
상술된 본 발명에 의하면, LFA측정기와 저울을 이용하여 도금이나 스퍼터링으로 벌크소재 표면에 형성된 박막형 코팅층의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있고, 이를 이용하여 히트싱크 등 열방출이 필요한 제품에 적용될 수 있는 최적의 열방출코팅층을 결정할 수 있다.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코팅층의 열전도도 측정방법을 설명하는 개략 흐름도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 열전도도 측정방법에서 사용되는 LFA 측정기의 일 구현예를 나타낸 사진이고, 도 2b는 벌크소재의 디스크형태에 대한 일구현예를 도시한 모식도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 열전도도 측정방법으로 측정된 결과데이터들이고, 도 3d는 상기 측정된 결과데이터를 막대그래프로 나타낸 것이다. 여기서 파란색 숫자는 Al alloy(Bare시편, 코팅하지 않은 시편)과의 차이를 나타내는 값으로 코팅으로 인해 향상된 열전도도 값이다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 LFA(Laser Flash Apparatus)측정기와 저울을 이용하여 도금이나 스퍼터링으로 벌크소재 표면에 형성된 박막형 코팅층의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있고, 이를 이용하여 히트싱크 등 열방출이 필요한 제품에 적용될 수 있는 최적의 열방출코팅층을 결정할 수 있는 코팅층의 열전도도 측정방법 및 이를 이용한 열방출코팅층 결정방법에 있다.
따라서, 본 발명의 코팅층의 열전도도 측정방법은 서로 대향되는 양면을 갖는 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계; 상기 벌크소재의 어느 일면에 코팅층을 형성하는 단계; 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계; 상기 측정된 열확산도, 비열 및 밀도 값을 하기 수학식1에 대입하여 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계;
[수학식 1]
Figure pat00006
(여기서,
Figure pat00007
는 열전도도 값이고,
Figure pat00008
는 LFA 열확산도 값이며,
Figure pat00009
는 DSC/LFA 비열값이고,
Figure pat00010
는 DIL/TMA/Balance 밀도 값이다.) 및 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도 측정값에서 상기 벌크소재의 열전도도 측정값을 빼서 상기 코팅층의 열전도도 값을 결정하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 열방출코팅층 결정방법은 코팅층의 열전도도 측정방법으로 디스크형 벌크소재의 재질에 따라 다양한 재질 및 두께를 가진 코팅층의 열전도도를 측정하는 단계; 상기 측정된 코팅층의 열전도도 값을 DB화하는 단계; 및 상기 DB를 이용하여 제품의 재질에 따른 열방출코팅층의 재질 및 두께를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 디스크형 벌크소재는 적어도 열전도도가 120 W/m·K 이상인 재질일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코팅층의 열전도도 측정방법을 설명하는 개략 흐름도이고, 도 2a는 도 1에 도시된 열전도도 측정방법에서 사용되는 LFA 측정기의 일 구현예를 나타낸 사진이고, 도 2b는 벌크소재의 디스크형태에 대한 일구현예를 도시한 모식도이다. 도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 열전도도 측정방법으로 측정된 결과데이터들이고, 도 3d는 상기 측정된 결과데이터를 막대그래프로 나타낸 것이다.
여기서, 벌크소재는 열전도도가 높은 재질로서 서로 대향되는 양면을 갖기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 도 2b에 도시된 바와 같이 지름 10mm이상 두께 2.5mm이상인 디스크형태로서 다이캐스팅 알루미늄 재질일 수 있다. 이 때 양면은 평평하게 연마된 상태일 수 있다. 특히, 벌크소재의 형태가 지름 11 - 15mm이고 두께가 2.5 ~ 4 mm인 디스크형태가 LFA 측정기로 코팅층의 열전도도를 측정하는데 적합함을 실험적으로 확인하였다.
벌크소재의 양면 중 어느 일면에 형성되는 코팅층은 도금 또는 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 코팅층의 두께는 수나노에서 수십마이크로미터일 수 있으나, 일 구현예로서 몇백 나노미터 또는 수마이크로미터의 두께를 갖는 박막일 수 있다.
벌크소재의 어느 일면에 코팅층을 형성하기 위한 스퍼터링조건은 코팅층을 형성하는 타겟 재질에 따라 상이할 수 있지만, 2인치 또는 4인치의 타겟 사이즈를 갖는 경우 바이어스전압(파워) 15-60W, DC파워 50-250W, 처리시간 30-400min, 압력 1 ~ 6 mTorr 및 캐리어가스 유량 20 ~ 55 SCCM 범위 내에서 이루어질 수 있다. 이 때 캐리어 가스는 Ar이 사용될 수 있다.
벌크소재의 상면에 형성된 코팅층의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계는 LFA측정기 및 저울을 이용하여 수행되는데, 일 구현예로서 도 2a에 도시된 바와 같이 LFA 467 Hyperflash 계열의 열확산계수 측정장비가 사용될 수 있다.
실시예 1
1. 벌크소재 준비 및 열전도도 측정
다이캐스팅 알루미늄 재질이고, 도 2a에 도시된 형태와 크기를 갖는 디스크형 벌크소재를 100개 준비하였다. 여기서, 디스크형 벌크소재의 양면은 폴리싱하여 매끄럽게 가공하였다. 그 후 공지된 벌크소재의 열전도도 측정방법대로 열전도도를 측정하였다. 도 3a에 도시된 바와 같이 디스크형 벌크소재의 열전도도 측정값을 128.159 W/m·K였다.
2. 디스크형 벌크소재의 상면에 코팅층 형성
디스크형 벌크소재의 상면에 구리코팅층1을 형성하기 위해, 구리를 타겟으로 bias 20W, DC power 200W, 60 min간 코팅, 압력 5 mTorr, Ar유량 50 SCCM인 조건에서 스퍼터링 처리하여 디스크형 벌크소재 상면에 형성된 구리코팅층1을 얻었다. 여기서, 구리코팅층1의 두께는 약 14㎛였다.
3. 코팅층이 형성된 벌크소재의 열확산도, 비열 및 밀도 측정
LFA를 이용하여 구리코팅층1이 형성된 벌크소재의 열확산도 및 비열을 측정하고 저울을 이용하여 밀도를 측정하였다.
4. 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도를 측정
측정된 열확산도, 비열 및 밀도 값을 하기 수학식1에 대입하여 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도를 측정하였다.
[수학식 1]
Figure pat00011
(여기서,
Figure pat00012
는 열전도도 값이고,
Figure pat00013
는 LFA 열확산도 값이며,
Figure pat00014
는 DSC/LFA 비열값이고,
Figure pat00015
는 DIL/TMA/Balance 밀도 값이다.)
도 3b와 같이 자동으로 계산된 구리코팅층1이 형성된 디스크형 벌크소재의 열전도도 측정값은 156.986 W/m·K 였다.
5. 코팅층의 열전도도 값 결정
디스크형 벌크소재에 스퍼터링 코팅된 구리코팅층1만의 열전도도 값은 28.827 W/m·K 였다.
실시예 2
실시예 1에서 디스크형 벌크소재에 코팅층을 형성하는 단계를 다음과 같이 수행한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 구리코팅층2의 열전도도를 측정하였다.
디스크형 벌크소재의 상면에 구리코팅층2를 형성하기 위해, 구리를 타겟으로 bias 50W, DC power 100W, 360min간 코팅, 압력 1.5 mTorr, Ar유량 25 SCCM인 조건에서 스퍼터링 처리하여 디스크형 벌크소재 상면에 형성된 구리코팅층2를 얻었다. 여기서, 구리코팅층2의 두께는 약 28㎛였다.
그 후 구리코팅층2가 형성된 디스크형 벌크소재의 열전도도를 측정하여 도 3c와 같이 166.836 W/m·K의 열전도도 측정값을 얻었고, 그 결과적 구리코팅층2의 열전도도는 38.677 W/m·K 으로 결정되었다.
이와 같이 디스크형 벌크소재의 재질이 동일하고 코팅층의 재질이 동일해도 코팅층의 두께 및/또는 코팅 공정조건이 다르면 코팅층의 열전도도가 상이한 것을 알 수 있으므로, 예를 들어 히트싱크의 재질로 주로 사용되는 다이캐스팅된 알루미늄 재질의 디스크형 벌크소재에 구리, 은, DLC 등 열전도도가 높은 다양한 재질의 코팅층을 두께를 달리 하여 형성한 후 열전도도를 측정하고 그 측정값을 DB화 하게 되면 히트싱크 제조업자에게 히트싱크가 사용되는 용도에 따라 열방출코팅층으로 사용될 수 있는 최적의 재질은 물론 두께까지도 제공할 수 있다.
실험예
코팅층을 형성하지 않은 히트싱크와 구리코팅층을 형성한 히트싱크의 온도를 상온과 핫플레이트 온도 450 ℃ 설정하여 60분 가열 후 각각 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 가열 전 가열 후
구리코팅층 형성된 히트싱크 27.4 53.4
코팅층 없는 히트싱크 27.0 118.0
본 발명의 열방출코팅층결정방법에 의해 코팅된 구리코팅층을 가진 히트싱크가 코팅층 없는 히트싱크에 비해 열방출효율이 매우 높은 것을 알 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 서로 대향되는 양면을 갖는 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계;
    상기 벌크소재의 어느 일면에 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 열확산도, 비열 및 밀도 값을 하기 수학식1에 대입하여 상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도를 측정하는 단계; 및
    [수학식 1]
    Figure pat00016

    (여기서,
    Figure pat00017
    는 열전도도 값이고,
    Figure pat00018
    는 LFA 열확산도 값이며,
    Figure pat00019
    는 DSC/LFA 비열값이고,
    Figure pat00020
    는 DIL/TMA/Balance 밀도 값이다.)
    상기 코팅층이 형성된 벌크소재의 열전도도 측정값에서 상기 코팅되지 않은 동일한 벌크소재의 열전도도 측정값을 빼서 상기 코팅층의 열전도도 값을 결정하는 단계;를 포함하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크소재는 지름 10mm이상 두께 2.5mm이상인 디스크형태로서 다이캐스팅 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층은 도금 또는 스퍼터링으로 형성된 것을 특징으로 하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 조건은 바이어스전압 15-60W, DC파워 50-250W, 처리시간 30-400min, 압력 1 ~ 6 mTorr 및 캐리어가스 유량 20 ~ 55 SCCM인 것을 특징으로 하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층의 열확산도, 비열 및 밀도를 측정하는 단계는 LFA측정기 및 저울을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벌크소재의 재질이 다이캐스팅 된 알루미늄이고, 상기 코팅층이 스퍼터링으로 형성된 구리층인 경우,
    상기 코팅층의 두께가 14㎛이면 열전도도가 28.8 W/m·K 이고, 그 두께가 28㎛이면 열전도도가 38.6 W/m·K 인 것을 특징으로 하는 코팅층의 열전도도 측정방법.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 코팅층의 열전도도 측정방법으로 디스크형 벌크소재의 재질에 따라 다양한 재질 및 두께를 가진 코팅층의 열전도도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 코팅층의 열전도도 값을 DB화하는 단계; 및
    상기 DB를 이용하여 제품의 재질에 따른 열방출코팅층의 재질 및 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 열방출코팅층 결정방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 디스크형 벌크소재의 재질은 열전도도가 120 W/m·K 인 것을 특징으로 하는 열방출코팅층 결정방법.
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