This paper introduction was written based on the 'Development of Copper MIM Powders for Thermal Management Applications' published by 'Not explicitly stated in the paper'.
1. 개요:
- 제목: 구리 MIM 분말의 열 관리 응용 분야 개발 (Development of Copper MIM Powders for Thermal Management Applications)
- 저자: R. Zauner, R. Nagel, E. Neubauer, K. Portschy, P.A Davies, M.A.Kearns
- 출판 연도: 논문에 명시되어 있지 않음
- 출판 저널/학술 단체: 논문에 명시되어 있지 않음
- 키워드: 금속 사출 성형 (Metal Injection Moulding), 구리 MIM 분말 (Copper MIM powders), 열 관리 응용 분야 (Thermal Management Applications), 방열판 (Heat sinks), 미세 구리 분말 (Fine copper powders), 정미 성형 (Net-shape forming)
2. 초록 또는 서론
초록
금속 사출 성형(Metal Injection Moulding)은 사용되는 부품 및 재료의 다양성과 양에서 지속적인 성장을 보이고 있습니다. 본 연구에서는 열 관리 응용 분야를 위한 방열판의 MIM용 미세 구리 분말의 개발 및 응용에 대해 보고합니다. 이는 소형 전자 장치의 냉각 필요성이 증가하고 고가의 재료에 대해 비용 효율적인 정미 성형 방법의 필요성이 증가함에 따라 개발에 중요한 분야입니다. Sandvik Osprey Ltd.는 ARC Seibersdorf에서 MIM 공급 원료에 통합된 미세 저산소 분말(90% -22µm 및 90% -31µm)을 생산했습니다. 완성된 부품의 특성이 제시되고 열 관리 응용 분야에서의 잠재력이 논의됩니다.
서론
구리는 높은 열전도율과 비교적 높은 소결 활성으로 인해 열 관리 응용 분야에 특히 적합한 재료입니다. MIM과 같은 정미 성형 공정과 결합하여 최적화된 열적 특징을 가진 복잡한 방열판 부품을 제조할 수 있습니다 [1,2]. 열 파이프용 다공성 요소를 통합하는 복합 구조도 개발 중입니다.
3. 연구 배경:
연구 주제 배경:
소형 전자 장치의 효율적인 냉각 솔루션에 대한 수요 증가는 고급 열 관리 재료 개발과 고가 재료 가공을 위한 비용 효율적인 정미 성형 기술의 필요성을 야기합니다. 구리는 고유한 높은 열전도율과 유리한 소결 특성으로 인해 열 관리 응용 분야에 특히 적합한 재료로 확인되었습니다. 금속 사출 성형(MIM)은 최적화된 열적 특징을 가진 복잡한 방열판 부품을 생산할 수 있는 유망한 정미 성형 공정으로 부상하고 있습니다.
기존 연구 현황:
존슨 & 라이-킹 탄 [2]의 이전 연구에서는 다양한 공정을 통해 제조된 다양한 구리 분말 공급 원료를 사용하여 구리 MIM 부품을 제작하는 것을 탐구했습니다. 이러한 연구들은 소결 부품의 열전도율에 대한 다공성 및 불순물의 중요한 영향을 강조했습니다. 보고된 소결 밀도는 93%에서 96% 범위였으며, 해당 열전도율은 280-385 W/mK 범위였습니다. 이러한 값의 상한은 단조 구리의 성능에 접근하여 고성능 구리 부품의 비용 효율적인 제조 가능성을 강조합니다.
연구의 필요성:
알루미늄 고압 다이캐스팅과 같은 기존 제조 공정의 한계와 고유한 재료 특성으로 인해 개선된 열 관리 전략에 대한 탐구가 필요합니다. 특히, 원래 알루미늄 방열판 설계는 단일 1.25W 전력 LED의 열 방출만 관리할 수 있었습니다. 더 높은 전력 밀도 추세와 제한된 공간에 여러 개의 전력 LED를 수용해야 하는 요구 사항은 향상된 열 관리 솔루션 개발을 요구합니다. 본 연구는 고성능 방열판 생산을 위한 실행 가능한 대안으로 구리 MIM을 조사함으로써 이러한 필요성을 해결합니다.
4. 연구 목적 및 연구 질문:
연구 목적:
본 연구의 주요 목적은 열 관리 응용 분야용 방열판 제작에 금속 사출 성형(MIM)을 위한 미세 구리 분말의 개발 및 응용을 조사하는 것입니다. 본 연구는 MIM 공정 구리 부품의 특성을 평가하고 열 관리, 특히 LED 냉각과 같은 까다로운 응용 분야에서의 사용 가능성을 평가하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구:
본 연구는 다음 사항에 중점을 둡니다.
- 미세 구리 분말을 사용한 MIM 기술을 활용하여 방열판 부품 제조.
- 사전 정의된 설계 목표에 대한 제조된 방열판의 열 성능 평가.
- MIM 공정 부품의 열적 특성에 대한 다양한 구리 분말 공급 원료, 특히 입자 크기가 <31 µm 및 <22 µm인 분말의 영향 조사.
연구 가설:
본 연구는 구리 분말의 금속 사출 성형이 약 380 W/mK의 열전도율을 달성할 수 있다는 전제하에 진행됩니다. 이 값은 단조 구리와 비슷하고 알루미늄 다이캐스트 부품보다 훨씬 높습니다. 본 연구는 실험적 조사와 MIM 구리 부품의 열물리적 특성화를 통해 이 가정을 검증하는 것을 목표로 합니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 재료 개발, 공급 원료 준비, 금속 사출 성형(MIM)을 통한 부품 제작 및 포괄적인 열물리적 특성화를 포함하는 실험적 설계를 채택합니다. 입자 크기 분포가 다른 두 가지 구리 분말을 사용하여 시험편과 대표적인 방열판 부품을 제작했습니다.
데이터 수집 방법:
다음과 같은 데이터 수집 방법이 사용되었습니다.
- 입자 크기 분포: Malvern Mastersizer를 사용하여 구리 분말의 d10, d50 및 d90 값을 특성화하여 측정했습니다.
- 산소 수준: 최소 산소 함량을 보장하기 위해 각 분말 배치에 대해 측정했습니다.
- 밀도: Quantachrome pycnometer를 사용하여 신선한 분말, 처리된 분말 및 MIM 공급 원료에 대해 평가했습니다.
- 열확산율: 온도 함수로서 레이저 플래시 방법을 사용하여 측정했습니다.
- 비열: 온도 함수로서 동적 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정했습니다.
- 열팽창 계수(CTE): 온도 함수로서 팽창계를 사용하여 측정했습니다.
분석 방법:
수집된 데이터는 다음 방법을 사용하여 분석되었습니다.
- 분말 특성 비교: 두 가지 다른 구리 분말의 입자 크기 분포와 밀도를 비교했습니다.
- 열전도율 계산: 열전도율은 측정된 열확산율, 비열 및 밀도 데이터를 사용하여 관계식 λ(T) = a(T)· ρ(T)· cp (T)를 사용하여 계산했습니다.
- 그래프 분석: 열확산율, 비열, CTE 및 열전도율 데이터를 온도 함수로 플롯하여 두 분말 유형에 대해 플롯하고 순수 구리의 문헌 값과 비교했습니다.
- 성능 비교: MIM 구리 방열판의 열 성능을 열 방출 능력 측면에서 원래 알루미늄 다이캐스트 방열판 설계와 비교했습니다.
연구 대상 및 범위:
본 연구는 다음 사항에 중점을 두었습니다.
- 재료: Sandvik Osprey Ltd.에서 공급한 두 가지 미세 구리 분말, 90% <31 µm 및 90% <22 µm로 분류, 가스 분무를 통해 고전도성(HC) 구리에서 생산.
- 공급 원료: 독점 왁스-폴리머 바인더 시스템과 최적화된 60 vol%의 분말 로딩이 ARC Seibersdorf에서 MIM 공급 원료 준비에 사용되었습니다.
- 부품: LED 냉각용으로 설계된 자동차 열 관리 응용 분야용 방열판이 시연 부품으로 선정되었습니다.
- 제작: 부품 제작은 Arburg 320 C 사출 성형기와 최대 온도 1030°C의 수소 분위기 하에서 결합된 탈지 및 소결로를 사용하여 수행되었습니다.
6. 주요 연구 결과:
핵심 연구 결과:
- 분말 특성화: Sandvik Osprey Ltd.는 낮은 산소 함량의 미세 구리 분말을 생산했습니다. 입자 크기 분포는 표 1에 나와 있습니다.
표 1. 출발 물질의 입자 크기 분포 및 분말 밀도.
| 제품 | D10 μm | D50 μm | D90 μm |
|---|---|---|---|
| 90% <31 μm | 6.0 | 14.5 | 30.5 |
| 90% <22 μm | 4.9 | 10.6 | 21.8 |
- 소결 밀도: 달성된 소결 밀도는 22 µm 분말의 경우 96.5%, 31 µm 분말의 경우 95.5%였습니다.
- 열전도율: 그림 9에 표시된 바와 같이 두 분말 재료 모두에 대해 유도된 열전도율 값은 약 380 W/mK였습니다.
그림 9. 순수 구리의 문헌 값과 비교하여 22 µm 및 31 µm 구리 분말로 만든 소결 부품의 열확산율 및 유도된 열전도율.
[그림 9 삽입 위치]
- 열 방출 성능: 그림 7에 설명된 바와 같이 MIM 구리 방열판 설계는 원래 알루미늄 설계(1 LED용 1.25W)에 비해 4배 증가된 열 방출 능력(4 LED용 5.00W)을 입증했습니다.
그림 7. LED 방열판의 구형 및 신형 설계
[그림 7 삽입 위치]
제시된 데이터 분석:
그림 9에 제시된 데이터는 두 구리 분말 재료 모두 테스트된 온도 범위에서 열확산율 및 유도된 열전도율 측면에서 유사한 열적 거동을 나타냄을 나타냅니다. 다공성(31 µm 분말의 경우 1% 더 높음)의 약간의 차이에도 불구하고 열전도율 값은 비슷하며, 이는 이 범위 내의 입자 크기가 결정 경계와 같은 다른 요인에 비해 이차적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 그림 8은 두 분말 크기에 대한 비열 및 CTE 값이 유사하고 순수 구리의 문헌 값과 일치하지만 CTE는 31µm 분말의 경우 더 높은 온도에서 약간의 편차를 보이며 이는 잠재적으로 다공성 때문일 수 있습니다. 그림 7의 비교는 알루미늄에서 구리 MIM으로 전환하고 방열판 설계를 최적화함으로써 달성된 열 방출의 상당한 개선을 강조합니다.
그림 목록:
- 그림 1. 열 관리를 위한 LED 방열판
- 그림 2. ARC Seibersdorf 연구 GmbH에서 부품 제작에 사용된 사출 성형기
- 그림 3. 몰드 인서트가 있는 몰드 프레임
- 그림 4. 사출 성형된 LED 방열판
- 그림 5. 최대 온도 1100°C의 결합된 탈지 및 소결로
- 그림 6. 소결 부품: 치수 56 mm x 48 mm x 32 mm (높이)
- 그림 7. LED 방열판의 구형 및 신형 설계
- 그림 8. 순수 구리의 문헌 값과 비교하여 22 µm 및 31 µm 구리 분말로 만든 소결 부품의 온도 함수로서의 비열 및 CTE.
- 그림 9. 순수 구리의 문헌 값과 비교하여 22 µm 및 31 µm 구리 분말로 만든 소결 부품의 열확산율 및 유도된 열전도율.
7. 결론:
주요 연구 결과 요약:
본 연구는 고성능 열 관리 부품의 금속 사출 성형(MIM)에 미세 구리 분말이 적합함을 성공적으로 입증했습니다. 제작된 구리 MIM 방열판은 기존 알루미늄 다이캐스트 솔루션에 비해 4배 증가된 열 방출을 달성했습니다. 두 구리 분말 크기(90% <22 µm 및 90% <31 µm) 모두 유사한 열적 특성을 나타냈으며, 소결 열전도율은 약 380 W/mK에 도달했습니다.
연구의 학문적 의의:
본 연구는 고급 열 관리 응용 분야를 위한 재료 선택 및 가공에 대한 학문적 이해에 기여합니다. 이는 구리 MIM을 활용하여 높은 열전도율을 가진 부품을 생산하는 것이 가능하다는 경험적 증거를 제공하여 소형 전자 장치의 증가하는 요구 사항을 해결합니다. 또한 본 연구는 MIM에서 분말 특성, 가공 매개변수 및 결과 재료 특성 간의 복잡한 상호 작용을 강조합니다.
실용적 의미:
본 연구 결과는 전자 산업, 특히 고전력 밀도 LED 및 기타 발열 부품용 냉각 솔루션의 설계 및 제조에 중요한 실용적 의미를 갖습니다. 구리 MIM은 복잡한 형상의 고성능 방열판을 생산하기 위한 실행 가능한 제조 경로를 제공하여 향상된 열 관리를 가능하게 하고 잠재적으로 전자 장치의 신뢰성과 성능을 향상시킵니다.
연구의 한계 및 향후 연구 분야:
본 연구는 유망한 결과를 보여주지만, 완전한 밀도의 소결체를 달성하고 잠재적으로 순수 구리의 고유한 열전도율에 도달하려면 추가 최적화가 필요합니다. 본 연구는 결정 경계 효과가 높은 소결 밀도에서도 열전도율을 제한하는 데 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 향후 연구는 다음 사항에 초점을 맞춰야 합니다.
- 결정립 크기 및 결정 경계와 열 수송에 미치는 영향을 특성화하기 위한 미세 구조 분석.
- 밀도 및 열전도율을 더욱 향상시키기 위한 고급 소결 기술 및 후처리 열처리 조사.
- 분말 형태 및 산소 함량의 영향에 대한 보다 자세한 탐구.
- LED 전력 밀도가 계속 증가함에 따라 다른 제조 방법과 비교하여 구리 MIM 방열판의 경제적 타당성을 완전히 평가하기 위한 비용-편익 분석 수행.
8. 참고 문헌:
- [1] R. M. German and A. Bose, ‘Injection Molding of Metals and Ceramics', 1997, Princeton, NJ, MPIF.
- [2] J.L. Johnson and Lye- King Tan, Electronics Cooling, 2004.
- [3] K. Portschy, MSc Thesis, FH Technikum Wien, 2006
- [4] H. Klan, VDI Wärmeatlas, 8th edition, Part F, VDI – Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (VDI-GVC), 1996
9. 저작권:
- 본 자료는 "R. Zauner, R. Nagel, E. Neubauer, K. Portschy, P.A Davies, M.A.Kearns"의 논문: "구리 MIM 분말의 열 관리 응용 분야 개발 (Development of Copper MIM Powders for Thermal Management Applications)"을 기반으로 합니다.
- 논문 출처: 제공된 논문의 첫 페이지.
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