KR20190031099A - 고열전도 마그네슘 합금 및 이를 이용한 방열 히트 싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘(Mg) 합금에 있어서, 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 포함하고, 첨가된 합금 첨가 원소의 일부가 마그네슘 합금에 고용되되, 고용된 합금 첨가 원소는 상온에서 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 2 wt% 이하가 고용되고, 고용되지 않은 합금 첨가 원소는 결정상을 갖는다.
이를 통해 경량이면서 우수한 열전도도를 갖는 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공할 수 있다.

Description

고열전도 마그네슘 합금 및 이를 이용한 방열 히트 싱크{HIGH THERMAL CONDUCTIVITY MAGNESIUM ALLOY AND HEAT SINK USING THE SAME}

본 발명은 고열전도 마그네슘 합금 및 이를 이용한 방열 히트 싱크에 대한 것이다.

최근 자동차, 가전 제품, 조명, 기타 전자기기 등의 전자 제품의 경우 고성능으로 구현됨에 따라 발열 문제가 더욱 부각되고 있다. 이에 따라 열이 발생하는 대부분의 전자 관련 제품에는 방열을 위한 방열 히트 싱크가 많이 사용되고 있다.

종래의 경우 방열 히트 싱크의 소재로 알루미늄(Al) 소재를 많이 사용하였으나, 전세계적인 환경 규제의 추세와 자동차 및 전자 기기와 같은 분야의 경량화 요구에 따라 다른 대체 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 방열 히트 싱크에 사용되는 방열 소재 중에서 알루미늄보다도 경량인 소재로는 마그네슘(Mg), 방열플라스틱 등을 들 수 있다. 하지만 마그네슘과 방열플라스틱 소재의 경우 경량 소재이기는 하나, 열전도도가 낮아서 알루미늄 방열 히트 싱크를 대체하여 사용하는데 어려움이 있었다.

일반적으로 방열 히트 싱크의 방열량은 다음과 같이 측정할 수 있다.

Q = (kA/L)ΔT (Q = 방열량, k = 열전도도, A = 방열 면적, L = 길이, T = 온도)

즉, 방열 성능을 나타내는 방열량은 방열 히트 싱크 소재의 열전도도 및 방열 히트 싱크의 면적과 직접적으로 연관성이 있다.

따라서 최대한의 방열 효과를 내기 위해서는 열전도도가 높은 물질을 사용해야 할 뿐만 아니라, 도 1에서와 같이 방열 히트 싱크의 면적을 최대한 증대시킬 수 있는 복잡한 형상으로의 제조가 가능해야 한다. 이렇게 최대한의 방열 효과를 얻기 위해서는 복잡한 형상의 방열 히트 싱크가 필수적이라 전신재보다는 압출소재 또는 주조재를 사용하는 것이 바람직하다.

차세대 경량화 소재인 마그네슘 소재는 알루미늄의 대략 2/3 정도의 밀도를 갖는 경량 소재이기는 하나 열전도도가 낮은 문제점이 있다. 대표적인 상용 마그네슘 주조재인 AZ91 합금은 열전도도가 53 W/m·K로 상용 알루미늄 주조재인 ADC12의 열전도도 92 W/m·K의 절반 수준에 불과하다.

따라서, 자동차를 비롯한 각종 전자기기에 사용되는 알루미늄 방열 히트 싱크를 대체할 수 있는, 경량이면서도 주조 가능한 고열전도 마그네슘의 합금 개발의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 종래의 알루미늄 합금 소재 대비 경량이면서 우수한 열전도도를 갖는 마그네슘 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 경량과 우수한 방열 특성이 요구되는 방열 히트 싱크용 소재에 적합한 경량의 고열전도 마그네슘 합금을 포함하는 방열 히트 싱크를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

아울러 본 발명은 열전도도가 우수하고 다이캐스팅 등과 같은 주조가 가능한 주조재로 사용될 수 있는 경량의 고열전도 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 마그네슘(Mg) 합금에 있어서, 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 포함하고, 첨가된 합금 첨가 원소의 일부가 마그네슘 합금에 고용되되, 고용된 합금 첨가 원소는 상온에서 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 2 wt% 이하가 고용되고, 고용되지 않은 합금 첨가 원소는 결정상을 갖는 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공한다.

또한 본 발명은 마그네슘 합금의 결정상이 공정상(eutectic phase)과 초정상(primary phase) 중 하나 이상의 상(phase)을 포함하며, 초정상의 비율은 공정상 대비 0 ~ 3.0 인 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공한다.

또한 본 발명은 마그네슘(Mg) 합금에 있어서 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)으로 선택된 합금 첨가 원소를 포함하고, 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 실리콘(Si) 0.1 ~ 5.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함하며, 결정상은 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 0.1 ~ 7.0 wt%인 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공한다.

아울러 본 발명은 결정상이 Mg₂Si와 MgCaSi 중 하나 이상을 포함하는 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공한다.

아울러 본 발명은 마그네슘 합금에 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 아연(Zn) 0.1 ~ 6.0 wt%과 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 알루미늄(Al) 0.1~ 1.0 wt%를 더 포함하는 마그네슘 합금 및 이를 포함하는 방열 히트 싱크를 제공한다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금과 이를 포함하는 방열 히트 싱크는 우수한 방열 특성이 요구되는 방열 히트 싱크용 소재에 적합한 경량이면서도 고열전도도 특성을 갖는 효과가 있다.

아울러 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 열전도도가 우수하고 다이캐스팅 등과 같은 주조가 가능한 주조재로 사용될 수 있고, 또한 이러한 주조재로 방열 특성이 우수한 방열 히트 싱크를 만들 수 있는 추가적인 효과가 있다.

도 1은 일반적인 방열핀 형상에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 아연함량에 따른 열간균열성 그래프이다.
도 3은 상용 마그네슘 합금과 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 EBSD phase map이다.
도 4는 본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금의 Si결정상 형태를 보여주는 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 시료들의 미세구조를 전자현미경 EDS와 EBSD로 관찰한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대해서 마그네슘 함량에 따른 열전도도를 그래프로 나타낸 것이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 하기에서 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

열전도도만을 고려하는 경우 일반적으로 합금보다는 순 금속의 열전도도가 더 높다. 예를 들어 순 마그네슘(Mg)의 열전도도는 대략 155 W/m·K 정도이나, 마그네슘의 합금화가 진행되면 열전도도는 감소하게 된다. 이는 합금화를 위하여 첨가된 원소가 내부에서 열 전달을 하는 전자의 이동을 방해하는 요소로 작용하기 때문이다.

상용 마그네슘 합금은 일반적으로 알루미늄(Al)을 주요 첨가 원소로 하여 구성된다. 알루미늄의 녹는점이 마그네슘과 거의 비슷하고 마그네슘 내에 쉽게 고용되기 때문에 많이 사용되고 있다. 따라서 일반적으로 마그네슘 합금에는 강도와 주조성을 향상하기 위하여 알루미늄이 대략 2 wt% ~ 9 wt% 정도 주요 첨가 원소로 포함된다.

한편, 알루미늄(Al), 주석(Sn), 망간(Mn), 납(Pb) 등과 같은 원소는 높은 비저항을 갖는 원소로 낮은 전기전도도를 갖는다. 일반적으로 열전도도는 전기전도도에 비례하기 때문에 알루미늄(Al), 주석(Sn), 망간(Mn), 납(Pb)과 같은 원소가 마그네슘(Mg)에 첨가되는 경우 열전도도를 감소시키게 된다.

따라서, 알루미늄을 주요 첨가 원소로 하는 상용 마그네슘 합금은 열전도도가 순 마그네슘 금속에 비해 대폭 감소하게 된다. 대표적인 상용 마그네슘 합금인 AZ91의 경우 알루미늄이 9 wt% 가량 첨가되는데, 이에 따라 열전도도가 순 마그네슘 금속의 1/3인 53 W/m·K정도로 대폭 감소하게 된다. 또한 대략 92 W/m·K의 열전도도를 갖는 상용 알루미늄 합금인 ADC12와 비교하였을 때에도 열전도도가 거의 1/2 수준으로 대폭 감소하게 된다.

본 발명은 종래에 사용되던 상용 합금들의 낮은 열전도도를 보완하기 위한 것으로, 열전도도를 대폭 저하시키는 알루미늄과 같은 원소를 포함하지 않거나, 포함하더라도 1 wt% 이하로 최소화하는 고열전도 마그네슘 합금을 제공하고자 한다.

구체적으로 본 발명에 따른 마그네슘 합금은, 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 포함한다. 이 때 마그네슘 합금에 첨가된 합금 첨가 원소의 일부가 마그네슘 합금에 고용되되, 고용된 합금 첨가 원소는 상온에서 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 2 wt% 이하가 고용되고, 고용되지 않은 합금 첨가 원소는 결정상을 갖는다.

여기서 고용이란 마그네슘에 첨가된 합금 첨가 원소가 마그네슘과 고용체(solid solution)를 형성하는 것을 의미한다.

마그네슘 합금 내에 첨가된 원소가 마그네슘 내에 고용되면, 고용된 원소는 마그네슘 내에 균일하게 녹아 들어 마그네슘 원자를 치환하게 된다. 이렇게 치환된 합금 원소는 합금 내에서 열을 전달하는 전자가 이동하는 경로를 막는 장애물과 같은 역할을 하는 일종의 저항(scattering center)으로 작용하여 열전도를 저하시킨다.

따라서 본 발명은 마그네슘 합금에 고용도가 낮은 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 주요 첨가 원소로 포함한다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 상기 첨가된 원소들 이외의 잔부는 마그네슘으로 이루어지며 기타 불가피한 불순물이 포함될 수 있다.

본 발명의 경우 상기 주요 합금 첨가 원소는 일부가 상기 마그네슘 합금에 고용되되, 고용된 합금 첨가 원소는 상온에서 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 2 wt% 이하가 고용되고, 고용되지 않은 합금 첨가 원소는 결정상을 갖게 된다.

상기와 같은 고용도의 범위를 갖고 대부분의 원소가 결정상을 형성하는 본 발명에 따른 합금의 경우에는, 첨가된 원소가 합금 내에 균일하게 녹아 들어 열 전달에 있어서 장애물의 역할을 하는 고용의 경우와 달리, 국부적으로 결정상이 형성됨에 따라 합금 내에서 결정상이 매우 소수의 저항으로만 작용한다.

따라서 본 발명에 따르면 높은 고용도를 갖는 합금 첨가 원소보다는 합금 내에서 소수의 저항으로 작용하는 결정상을 형성하는 첨가 원소를 사용함으로써 고열전도의 마그네슘 합금을 제공할 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예로 상기 합금 첨가 원소 중에서 실리콘(Si)과 칼슘(Ca)을 선택한 발명을 일 실시예로 하여 자세히 설명하도록 한다.

실리콘(Si) 원소는 마그네슘내에 포함되는 경우 상온에서 고용되지 않고, 마그네슘-실리콘 결정상(Mg₂Si)를 형성한다. 이 때 결정상은 공정상(Eutectic phase) 과 초정상(primary phase)중 하나 이상의 상(phase)을 형성하게 된다.

또 다른 원소인 칼슘(Ca)의 경우는 마그네슘 내에 매우 소수의 양이 고용되기는 하지만 상온에서는 거의 고용되지 않기 때문에, 실리콘과 유사하게 상온에서 대부분 결정상을 형성한다. 이 경우에도 역시 결정상은 공정상(Eutectic phase) 과 초정상(primary phase)중 하나 이상의 상(phase)을 형성하게 된다.

이와 마찬가지로 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 주요 합금 첨가 원소로 선택할 경우, Mg-Si과 같이 고용 없이 결정상만을 형성하거나, Mg-Ca의 경우와 같이 일부 고용성이 있지만, 상온에서 고용도가 2 wt% 이하로 대부분의 원소가 결정상을 형성하게 된다.

따라서 본 발명에 따른 주요 합금 첨가 원소들을 마그네슘 합금에 첨가하는 경우 고용에 의한 열전도 저하를 최소화하고 높은 열전도를 가능하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 실리콘(Si) 0.1 ~ 5.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt% 를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 실리콘(Si) 0.1 ~ 3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt% 를 포함할 수 있다. 이 때 실리콘과 칼슘의 첨가로 인한 결정상은 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 0.1 ~ 7.0 wt% 이다.

실리콘의 함량이 너무 높아지면, 실리콘의 높은 용융점에 따라, 용탕을 제조하는 온도가 800℃ 정도까지 매우 높게 상승하기 때문에 실리콘의 함량을 0.1 ~ 5.0wt%로 포함하는 것이 바람직하다. 즉 실리콘의 투입량이 과다해지면 용탕 제작 온도가 너무 높아지며, 유동성 저하, 열전도 저하 등의 부작용을 가져오게 된다.

더욱 바람직하게는 공정온도를 730℃ 이내에서 진행해도 충분하도록, 실리콘의 함량을 0.1 ~ 3.0 wt%로 포함한다. 용탕 온도가 너무 높으면 합금의 제조 온도뿐만 아니라 주조시에 장비의 용탕 온도도 같이 상승하게 되기 때문에 일정 온도 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

더 나아가 용탕 온도를 최하로 낮게 하기 위한 경우에는 공정점(Eutectic point)근처로 실리콘의 함량을 유지하는 것이 더더욱 바람직하다. 이 경우 실리콘 함량을 0.8 ~ 1.3 wt% 로 하여 용탕 온도를 630℃ 이내로 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 칼슘(Ca)의 함량은 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 칼슘은 마그네슘 합금 내에 포함되어 CaO를 형성함으로써 산화를 방지하고, 내발화성을 증대시킬 수 있다. 또한 칼슘은 마그네슘 합금 내에 포함되어 Mg₂Ca, MgCaSi등의 결정상을 형성하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. 특히 상기 범위를 벗어난 과다한 칼슘의 투입은 열간 균열성을 증가시키기 때문에 투입량을 제한하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 1.0 wt% 를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 첨가된 합금 첨가 원소의 총 결정상이 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 0.1 ~ 7.0 wt%의 범위를 갖는다. 총 결정상의 양이 상기 범위를 초과하는 경우 결정상의 존재 자체도 열전도 저항을 증가시켜 고열전도 합금을 얻기 어렵기 때문에 상기의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금의 결정상은 공정상과 초정상 중 어느 하나 이상의 상을 형성할 수 있으며, 초정상의 비율은 상기 공정상 대비 0 ~ 3.0 인 것이 바람직하다. 초정상이 공정상 대비 3.0의 비율을 초과하는 경우 합금의 용융점이 높아지고, 높은 온도에서 먼저 발생한 초정상이 용탕의 유동에 방해물로 작용함으로써, 주조시 유동성을 저하하는 요인이 된다. 따라서 초정상의 비율은 공정상 대비 0 ~ 3.0 가 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 아연(Zn) 0.1 ~ 6.0 wt%를 더 포함할 수 있으며, 아연을 포함함으로써 마그네슘 합금의 강도를 높일 수 있다. 다만 아연의 투입량이 많아지면 열간 균열성에 큰 영향을 끼칠 수 있는 바, 아연은 0.1 ~ 4.0 wt%로 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

그림 2는 아연(Zn)의 함량에 따른 열간균열성을 그래프로 표시한 것이다. 데이터에서 보는 바와 같이 아연의 함량에 따라 열간균열이 증가한다는 것을 알 수 있으며, 따라서 아연의 함량은 가능한 적은 것이 바람직하다. 아연함량이 6 wt%일 경우 열간균열은 80에 이르지만, 4wt% 이하일 경우에는 60점으로 낮아지게 된다. 더구나 2wt%이하에서는 20이하로 주조성에 악영향을 미치는 열간균열을 최소화할 수 있다.

따라서, 더더욱 바람직하게는 아연은 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 강도와 주조성 향상을 위해서 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 알루미늄(Al) 0.1 ~ 1.0 wt%를 더 포함할 수도 있다. 알루미늄은 열전도율을 급격하게 떨어뜨리는 원소이므로 상기 범위를 넘어서서 추가로 포함하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금은 다음과 같은 공정에 따라 형성될 수 있다. 이하의 공정은 합금 첨가 원소로 실리콘, 칼슘을 추가하고 아연, 알루미늄도 추가로 포함하는 것을 일례로 설명한다.

우선 적당량의 순 마그네슘을 산화 방지 분위기하에서 용해로에 650 ~ 700℃로 가열하여 완전 용해시킨다. 이때 산화 방지는 별도의 산화 방지 플럭스로 마그네슘을 감싼 공정으로 진행하거나, 산화 방지 가스(Ar, CO₂, N₂, SF₆)를 이용하는 공정을 통하여 이루어질 수 있다.

이렇게 용해된 순 마그네슘에 합금 첨가 원소(Si, Ca)를 투입하고 충분한 교반을 통하여 완전 용해시킨다. 이때 투입하는 순서 및 온도는 공정과 조건에 따라 조절이 가능하다.

먼저 칼슘을 투입하고 실리콘을 투입하여 교반을 통해 실리콘을 충분히 용해시킨 후 용해가 원활한 나머지 원소인 아연과 알루미늄을 넣을 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않으며 실리콘을 투입하여 교반 공정을 통해 충분히 용해시킨 후, 나머지 원소를 차례로 혹은 한꺼번에 투입하는 것도 가능하고, 혹은 모든 원소를 한꺼번에 투입하여 충분한 교반을 통하여 용해시키는 것도 가능하다. 또는 처음 순 마그네슘 용해 단계부터 모든 원소를 한꺼번에 넣고 용해시키는 방법을 사용할 수 있다.

투입하는 합금 첨가 원소는 순 금속형태를 이용할 수도 있고, 혹은 모합금(Master alloy)형태도 가능하다. 특히 녹는점이 매우 높은 실리콘의 경우는 모합금 형태로 투입하는 것이 좀 더 용해를 원활하게 하는 데 도움이 될 수 있다.

알루미늄과 아연은 용융점이 비교적 낮고 마그네슘내에 쉽게 고용되는 성질로 인해 쉽게 용해가 이루어진다. 합금이 충분히 용해되었으면, 용해된 용탕의 표면 불순물을 제거한 후, 표면의 수분을 제거하고 대략 200℃로 가열된 주조틀에 넣고 냉각시켜 주조합금을 얻는다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 이상과 같이 제조될 수 있으며 합금 용해 방법이나 주조 방법은 기타 여러 가지 다른 방법으로 대체하여 사용할 수 있는 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금은 주조재 혹은 전신재로 사용될 수 있다. 따라서 중력주조, 원심주조, 다이캐스팅을 포함한 일반 주조용 합금으로 제조되고 사용될 수 있으며, 압출, 압연 등을 포함한 전신재로도 제조되어 사용될 수 있다.

도 3은 알루미늄을 다량 함유하는 상용 마그네슘 합금인 AZ91과 본 발명에 따라 실리콘 0.8 wt%, 칼슘 0.3 wt%을 합금 첨가 원소로 한 고열전도 마그네슘 합금의 미세구조를 비교한 사진으로, 결정상 패턴을 보여주는 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction) 상 구조(phase map)를 나타낸 것이다. 본 발명에 사용된 고열전도 마그네슘 합금의 경우 실리콘의 고용도는 없으며, 칼슘의 경우에도 상온에서 고용도가 거의 없어, 결정상의 비율은 약 1.1 wt%이다.

도 3a에서처럼, 상용 마그네슘 합금인 AZ91의 경우 마그네슘 단독상은 거의 보이지 않으며, 대부분의 구조가 마그네슘에 알루미늄이 고용된 형태의 고용상인 Mg_1.95Al_0.05이다. 그리고 입계(Grain boundary)와 내부(Grain)에 마그네슘과 알루미늄의 금속간화합물인 Mg₁₇Al₁₂ 결정상이 군데군데 생성되어 있음을 확인할 수 있다.

이처럼 마그네슘 내부에 고용된 형태의 알루미늄 원소는 마그네슘 내부에 균일하게 녹아서 고용되어 있기 때문에, 마그네슘 금속의 자유전자들이 움직일 때 일종의 저항으로 작용하여 열전도를 감소시키는 요소로 작용한다. 따라서 알루미늄이 다량 함유되고 대부분의 원소가 고용된 상용 마그네슘 합금은 열전도도가 대폭 하락하게 된다.

반면, 본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금의 경우는 이러한 상용 합금의 미세구조와는 다른 특징을 가진다. 도 3b는 본 발명에 따른 고열전도 마그네슘 합금의 상 구조에 대한 것이다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금은 상용 합금과 달리 순 마그네슘 단독상이 전체적으로 분포하고 있으며, 주요 첨가 원소인 실리콘은 마그네슘에 고용되지 않고 결정상을 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로 실리콘 원소는 Mg₂Si와 MgCaSi상을 형성하며 마그네슘 합금내 입계(Grain boundary)와 내부(Grain)에 군데군데 알갱이모양으로 마그네슘과는 다른 결정상으로 분포한다.

즉, 본 발명의 고열전도 마그네슘 합금내의 실리콘 원소는 고용되지 않고, 결정상으로 공정상과 초정상을 형성하며, 구체적으로는 Mg₂Si와 MgCaSi상을 포함하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 도 3b의 시료를 전자현미경(SEM)으로 확대한 실리콘 결정상 구조이다. 바늘모양의 침상으로 보이는 것은 Mg₂Si의 공정상(Eutectic phase)이며, 판상 혹은 다각형의 알갱이로 보이는 것은 MgCaSi의 초정상(Primary phase)이다. 따라서 합금중에서 Si원소는 공정상과 초정상으로 혼재되어 있는 특징을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 시료들의 미세구조를 전자현미경 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)와 EBSD로 관찰한 결과이다. 도 5 (a), (c)는 각각 상태도상 Si의 함량이 0.65%로 적은 아공정 (hypo-eutectic)의 EDS 및 EBSD결과이며, 도 5 (b), (d)는 각각 함량이 1.6%로 많은 과공정 (Hyper-eutectic)의 EDS 및 EBSD결과이다.

도 5(a), (c)와 (b), (d)를 비교해 보면 공정상이 대부분인 아공정 샘플과 달리 과공정 샘플에서는 알갱이 형태의 초정상이 다수 형성되어 있음을 볼 수 있다. 이 때 초정상은 Mg₂Si와 MgCaSi가 주로 관찰된다. 즉 Si함량이 적은 아공정에서는 주로 공정상이 형성되고, Si함량이 증가하여 공정점을 초과하는 범위에서는 공정상과 더불어 초정상이 형성된다. Si함량이 많아질수록 생성되는 초정상은 증가하게 되고, 과도한 초정상은 열전도도와 유동도를 저하시키므로 공정상 대비 초정상의 비율은 0 ~ 3.0 사이로 제한하는 것이 바람직하다.

이하에서는 실시예와 비교예를 통한 실험예를 통해 밀도와 열전도도를 측정하여 비교하도록 한다. 비교예로서는 하기 표 1의 Al성분이 2 wt%로서 1 wt%를 초과하는 경우의 비교예 1, 고용도가 3 wt%으로서 2 wt%를 초과하는 경우의 비교예 2, 결정상이 10 wt%으로서 7 wt%를 초과하는 경우의 비교예 3, 상용 합금인 AZ91인 비교예 4, 실리콘이 함유된 상용 합금인 AS21를 비교예 5로 하여 측정하였다.

실시예 1 ~ 7은 본 발명에 따른 첨가 원소 성분의 조성비를 다양한 비율로 하여 측정한 결과이다. 실시예 1 ~ 7의 경우, Si과 Ca은 상온에서 고용도가 거의 없으며, 결정상 비율이 가장 큰 실시예 6은 결정상 비율이 6.7 wt%로서 7 wt% 미만의 경우이다.

측정은 직경 12.5mm x 2t 인 원형시편을 제작한 후 아르키메데스법에 의해 밀도를 측정하였고, 동일한 샘플을 LFA(Laser Flash Analysis)장비를 이용하여 열확산도(thermal diffusivity)를 측정한 후에 열전도도를 구하였다. 각 원소의 조성은 ICP(Inductive coupled Plasma) 분광법을 이용하여 측정한 결과이다. 아울러 고용도와 결정상의 분율은 EDS 및 EBSD mapping을 이용하여 측정하였다.

	Mg	Si	Zn	Ca	Al	Sn	밀도	열전도도
비교예1	96.1	0.8	1	0.1	2		1.74	81
비교예2	93.9	0.6		0.7		4.8	1.82	89
비교예3	86.6	2.5	8.7	2.2			1.88	92
비교예4	89.3		1		9.7		1.81	51
비교예5	96.8	1			2.2		1.76	81
실시예1	99.5	0.2	0.25	0.1			1.71	139
실시예2	97.5	0.9	1	0.6			1.76	130
실시예3	96.8	1.6	1	0.6			1.77	122
실시예4	95	2.6	1	1.3			1.76	115
실시예5	94	2.1	3	1.3			1.79	112
실시예6	90	1.7	6	2.0			1.83	105
실시예7	97.1	0.8	1	0.1	1		1.74	100

실험 결과값에서 확인할 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 따른 샘플은 전 범위에 걸쳐서 열전도도는 100 W/m·K 이상으로 고열전도 마그네슘 합금이 구현됨을 알 수 있다.

비교예를 보면 발명의 다른 첨가원소의 조성은 유사하지만 알루미늄이 2 wt% 포함된 비교예 1의 경우 열전도도가 81 W/m·K로 1 wt%가 포함된 실시예 7과 대비하여 열전도도가 급격히 하락함을 알 수 있으며, 알루미늄이 다량 포함된 비교예 4의 경우 열전도도가 50 W/m·K 초반이며, 비교예 5의 경우에도 열전도도는 80 W/m·K초반으로 측정된다. 따라서 본 발명의 100 W/m·K이상의 고열전도 마그네슘을 위해서는 알루미늄 함량을 배제하거나, 1 wt%이하로 제한해야 한다는 것을 확인할 수 있다.

비교예 2는 고용도가 3 wt%로 2 wt%를 초과하는 경우의 합금으로 열전도도가 89 W/m·K, 비교예 3은 결정상이 10 wt%로 결정상이 7 wt%를 초과하는 경우의 합금으로 열전도도가 92 W/m·K로 측정된다. 이는 본 발명의 설정범위를 넘어서는 합금의 경우에 열전도도가 100 W/m·K이하로 낮아진다는 것을 보여주는 비교예이다. 일반적인 다이캐스팅용 마그네슘합금의 경우 열전도는 80 W/m·K를 넘기 어려운 데 반해 본 발명의 실시예들은 최소 100 W/m·K이상의 높은 열전도도를 보여주고 있다.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 대해 Mg함량에 따른 열전도도 그래프로 나타낸 것이다. 실시예 7을 제외한 실시예의 경우 전체 열전도도는 첨가원소 함량에 반비례하며, Al이 포함된 실시예 7의 경우는 열전도도가 다른 실시예들보다 하락하는 바 Al은 1 wt%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 통상의 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 마그네슘(Mg) 합금에 있어서,
   실리콘(Si), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 세륨(Ce), 세슘(Cs), 안티몬(Sb), 코발트(Co), 토륨(Th), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 합금 첨가 원소를 포함하고,
   상기 첨가된 합금 첨가 원소의 일부가 상기 마그네슘 합금에 고용되되,
   상기 고용된 합금 첨가 원소는 상온에서 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 2 wt% 이하가 고용되고, 상기 고용되지 않은 합금 첨가 원소는 결정상을 갖는 마그네슘 합금.
   
2. 제1항 있어서,
   상기 결정상은 공정상(eutectic phase)과 초정상(primary phase) 중 하나 이상의 상(phase)을 포함하는 마그네슘 합금.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 초정상의 비율은 상기 공정상 대비 0 ~ 3.0 인 마그네슘 합금.
   
4. 제1항 있어서,
   상기 합금 첨가 원소는 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)이 선택되며,
   상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 실리콘(Si) 0.1 ~ 5.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함하는 마그네슘 합금.
   
5. 제1항 있어서,
   상기 합금 첨가 원소는 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)이 선택되며,
   상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 실리콘(Si) 0.1 ~ 3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함하는 마그네슘 합금.
   
6. 제1항 있어서,
   상기 합금 첨가 원소는 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)이 선택되며,
   상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 실리콘(Si) 0.8 ~ 1.3 wt%, 칼슘(Ca) 0.1 ~ 2.0 wt%를 포함하는 마그네슘 합금.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 결정상은 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 0.1 ~ 7.0 wt%인 마그네슘 합금.
   
8. 제4항에 있어서,
   상기 마그네슘 합금에 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 아연(Zn) 0.1 ~ 6.0 wt%를 더 포함하는 마그네슘 합금.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 마그네슘 합금에 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 아연(Zn) 0.1 ~ 4.0 wt%를 더 포함하는 마그네슘 합금.
   
10. 제4항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금에 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 아연(Zn) 0.1 ~ 2.0 wt%를 더 포함하는 마그네슘 합금.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금에 상기 마그네슘 합금 전체 중량 100 wt% 대비 알루미늄(Al) 0.1 ~ 1.0 wt%를 더 포함하는 마그네슘 합금.
    
12. 제4항에 있어서,
    상기 결정상은 Mg₂Si, Mg₂Ca 및 MgCaSi으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 마그네슘 합금.
    
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 마그네슘 합금으로 제조된 방열 히트 싱크.

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