방전 플라즈마 소결 공정 변수에 따른 Aluminum-Diamond 복합재료의 열적 특성 평가 = Evaluation of Thermal Properties of Aluminum-Diamond Composites fabricated by Spark Plasma Sintering.

국문 초록 (Abstract)

현대 전자 산업의 고집적화 및 고출력화 경향에 따라 소자의 성능과 신뢰성 을 보장하기 위한 고효율 방열 소재의 개발이 필수적이다. 알루미늄-다이아몬드 (Al-Dia.) 복합재는 높은 열적 특성을 가지나, 액상 금속 침투법이나 교반 주조 법 등의 제조 과정에서 형성되는 알루미늄 카바이드(Al4C3)가 계면 열 저항을 증 가시켜 열전도도를 저하시키고 수분 취약성을 유발하는 것이 주요 기술적 난제 이다. 또한, 장시간 소결 시 진공 챔버 내 잔류 산소와의 반응으로 산화알루미늄 (Al2O3)이 형성될 수 있으며, 다이아몬드의 높은 화학적 안정성을 고려할 때 단 시간 공정인 SPS에서 검출되는 Al4C3는 Al-Dia. 계면보다는 반응성이 높은 흑 연(Graphite) 몰드와 Al 기지의 반응으로 형성될 가능성이 높다. 본 연구는 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS) 공정 변수를 최적화하여 Al2O3와 Al4C3의 생성을 제어한 고열전도성 Al-Dia. 복합재를 소결하고 분석하여 그 영 향을 고찰하는 것을 목적으로 한다. 실험을 위해 분말 혼합 공정에서는 고에너지 볼 밀링(High Energy Ball Milling)의 과도한 기계적 에너지로 인한 다이아몬드 의 흑연화 손상 및 Al 입자의 과도한 미세화를 방지하기 위해 다축 혼합기를 이 용하여 Al과 Dia. 분말(50:50 부피비)을 균일하게 혼합하였다. 혼합 분말에 대해 소결 전 X-선 회절 분석을 수행한 결과, Al과 Dia. 피크 외에 어떠한 2차상도 검출되지 않았다. 이후 방전 플라즈마 소결법을 이용해 소결 온도, 승온 속도, 소결 압력 및 유지 시간을 변수로 하여 소결을 수행하였다. 제조된 소결체의 밀 도, 미세구조 및 열전도도를 분석하였다. 소결 후 미세구조 및 XRD 분석 결과, 고온 및 장시간 유지 조건에서도 제2상인 Al2O3상이나 Al4C3상은 검출되지 않았 다. 이는 방전 플라즈마 소결법 특유의 빠른 승온 속도와 제어된 온도가 산화물 이나 탄화물 형성을 속도론적으로 억제했음을 의미한다. 실험 결과, 630℃ 조건 에서는 Al의 융점 이하임에도 불구하고 천이 액상 소결 메커니즘이 작용하여 입 자 재배열을 촉진하고 Dia. 사이의 미세 기공을 효과적으로 제거하였다. 반면, 압력 변수 실험에서는 80 MPa의 고압 조건에서는 오히려 열전도도를 저하시키 는 현상이 관찰되었다. 결과적으로 630℃, 60 MPa 및 60분의 등온 유지 시간의 최적 공정 조건에서 Al4C3 없는 물리적으로 견고한 계면과 98.5%의 상대 밀도 를 확보하였으며, 이를 통해 순수 pure Al 대비 약 2.5배 향상된 약 616.4 W/m·K의 열전도도로 측정되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid advancement toward miniaturization and high-power integration in
the electronics industry necessitates the development of advanced thermal
management materials to ensure system reliability. Aluminum-Diamond (Al-Dia)
composites offer superior thermal properties however, the formation of
aluminum carbide (Al4C3) during fabrication presents a significant challenge, as
this hygroscopic interfacial product degrades thermal conductivity and
structural integrity. This study investigates the optimization of Spark Plasma
Sintering (SPS) process parameters to synthesize high-conductivity Al-Dia. composites without Al4C3 inclusion and to clarify the associated densification
mechanisms. Pure aluminum and diamond powders were uniformly blended at a
50:50 volume ratio using a multi-axis mixer. X-ray diffraction analysis of the
precursor mixture confirmed the absence of secondary phases. The blended
powders were subsequently consolidated via SPS, with sintering temperature,
heating rate, applied pressure, and holding time acting as the key variables. The
density, microstructure, and thermal properties of the sintered bodies were
systematically evaluated. Analysis after sintering revealed that no deleterious
Al4C3 phases were formed, even under high temperature and prolonged holding
conditions, indicating that the rapid heating and precise temperature control of
SPS effectively kinetically inhibited carbide formation. At a sintering
temperature of 630°C, a transient liquid phase sintering mechanism was
activated below the melting point of aluminum, facilitating particle
rearrangement and effectively eliminating interstitial voids. Conversely,
experiments on pressure variation demonstrated that an excessive pressure of
80 MPa induced dislocation proliferation and lattice distortion within the
aluminum matrix, which unexpectedly reduced thermal conductivity. As a result,
under the optimized conditions of 630°C, 60 MPa, and 60 minutes, a
mechanically robust interface free of reaction products was achieved, yielding a relative density of 98.5%. This achieved a thermal conductivity of 616.4 W/m·K,
approximately 2.5 times higher than pure aluminum.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 및 필요성 1
• 나. 이론적 배경 6
• 1) Aluminum 6
• 2) Diamond 8
• 다. 방전 플라즈마 소결법 (SPS) 11
• 라. Al-Dia. 복합재의 열적 특성 17
• 2. 실험 방법 20
• 가. 원재료 및 복합 분말 제조 20
• 나. 방전 플라즈마 소결 공정 조건 설정, 제조 및 특성 평가 26
• 1) 소결 변수 27
• 2) Al-Dia. 복합재의 특성 평가 31
• 3. 실험 결과 및 고찰 35
• 가. 소결 온도 변화에 따른 Al-Dia. 복합재 특성 평가 35
• 나. 승온 속도 변화에 따른 Al-Dia. 복합재 특성 평가 46
• 다. 소결 압력 변화에 따른 Al-Dia. 복합재 특성 평가 51
• 라. 등온 유지 시간 변화에 따른 Al-Dia. 복합재 특성 평가 60
• 마. 최적 소결 공정 변수 도출 및 특성 분석 65
• 1) 최적 소결체의 미세 구조 및 물성 평가 68
• 2) 열적 특성 향상 메커니즘 고찰 69
• 4. 결론 72
• 참고문헌 75
• Abstract(영문초록) 84