서론
실리콘 기반 갭 패드는 전자기기, 전력 모듈 및 배터리 시스템에서 열 인터페이스 재료(TIM)로 널리 사용됩니다. 이 재료의 주요 기능은 발열 부품과 방열판 사이의 공기 틈을 메우는 동시에 표면 거칠기와 기계적 공차를 보정하는 것입니다. 기계적 유연성 외에도, 패드의 열전도율은 특정 열 관리 설계에서 해당 패드의 적합성을 평가하는 핵심 매개변수 중 하나입니다.
방법 및 측정 조건
특히 저온에서 의미 있는 열전도도 값을 얻기 위해서는, LFA 측정과 DSC를 기반으로 한 비열용량 측정을 병행하는 것이 이상적입니다. LFA, DSC 및 밀도 데이터의 강력한 조합은 물질의 열적 성능에 대한 포괄적이고 신뢰할 수 있는 정보를 제공합니다.
따라서 열확산율은 NETZSCH LFA 717 HyperFlash® 를 사용하여 레이저 플래시 분석(LFA)으로 측정하였다. 비열용량(비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp)은 NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®를 사용하여 별도로 결정되었습니다. 시료 밀도와 함께 다음 식에 따라 열전도도를 계산하였습니다:
다음과 같이
λ = 열전도도 (W/(m·K))
α = 열확산도 (mm²/s)
비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp = 비열용량 (J/(g·K))
ρ = 밀도 (g/cm³)
측정은 질소 분위기 하에서 수행되었다. DSC 측정을 통해 실리콘 패드의 비열용량과 에너지 전이를 확인하였다. 총 두 개의 시료를 시험하였으며, 열전도율 계산에는 평균비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp 값을 사용하였다.
LFA 측정을 통해 온도에 따른 열확산율을 구했다.
표 1은 DSC 및 LFA의 측정 조건을 보여준다.
표 1: DSC 및 LFA 측정 조건
| 방법 | DSC | LFA |
|---|---|---|
| 장비 | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| 대기 조건 | 질소 | 질소 |
| 온도 프로그램 | -150°C ~ 310°C | -100°C ~ 300°C |
| 가열 속도 | 10 K/분 | 10 K/분 |
| 시료 질량 | 시료 1: 11.205 mg; 시료 2: 11.224 mg | - |
| 시료 치수 | 직경 4 mm, 두께 1 mm | 20 mm × 20 mm × 0.8 mm |
| 센서/열전대 | DSC 204 F1 t-센서, E형 | MCT, K형 |
결과
DSC 측정 결과, -150°C에서 310°C 사이의 온도 범위에서 실리콘 패드의 온도에 따른 비열용량이 나타납니다(그림 1). 저온에서는 약 -121°C에서 유리전이 현상이 관찰됩니다. 유리 전이 시 비열용량의 변화량은 약 0.09 J/(g·K)이다. 약 -41°C에서 뚜렷한 흡열 피크가 나타나며, 이는 결정질 또는 정렬된 실리콘 관련 영역의 용융 전이로 해석된다. 측정된 용융 엔탈피는 약 23 J/g이다.
결과에 따르면, 고분자 재료에서 예상되는 바와 같이 온도가 상승함에 따라비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp 값이 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다. -41°C 부근에서 나타나는 흡열 현상은 열전도도 계산에 직접 활용되지 않았다. 대신, 열전도도 계산에 잠열의 영향을 포함하지 않기 위해 이 전이 영역에 걸쳐비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp 곡선을 보간하였다.
실리콘 패드의 열확산율은 온도가 상승함에 따라 지속적으로 감소하며, 이는 그림 2에서 확인할 수 있다. -100°C 전후의 저온에서는 열확산율이 약 0.18 mm²/s이다. 실온에서는 약 0.14 mm²/s의 값이 관측된다. 300°C에서는 확산 계수가 약 0.08 mm²/s로 감소한다.
이러한 현상은 고분자 기반 재료에서 흔히 나타나는 특징입니다. 온도가 상승함에 따라 분자 이동성이 증가하고 산란 과정이 강화되어 포논 전달 효율이 떨어집니다. 그 결과, 비열용량은 증가하지만 열확산율은 감소합니다.
계산된 열전도도는 조사된 온도 범위 내에서 비교적 좁은 범위 내에 머무릅니다. 저온에서는 열전도도가 약 0.25 W/(m·K)입니다. 온도가 상승함에 따라 열전도도는 감소하여 300°C에서 약 0.17 W/(m·K)에 도달합니다.
결론
이 예시는 LFA 717 HyperFlash® 가 반응 속도가 느린 실리콘 기반 인터페이스 패드를 사용하더라도 높은 감도와 정밀한 온도 제어 덕분에 까다로운 극저온 조건을 포함한 광범위한 온도 범위에서 신뢰할 수 있는 열확산률 데이터를 제공함을 보여줍니다. 특히 저온 범위에서는 DSC를 이용한 비열용량의 추가 측정이 매우 중요합니다. LFA 데이터,비열용량(cp) 값 및 밀도를 종합해야만 열전도도를 신뢰성 있게 계산할 수 있기 때문입니다. 실온 이하에서도 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는 이러한 능력은 현대적인 실리콘 TIM(열전도 물질) 개발에 있어 분명한 장점입니다.