소개
흑연 포일은 전자, 에너지 기술, 기계 공학 등 소재의 얇은 두께에도 불구하고 효율적인 열 방출이 필요한 많은 기술 분야에서 사용됩니다. 높은 내열성 및 내화학성 외에도 뚜렷한 이방성 열 전도성이 특징입니다.
호일 평면(관통면)에 수직인 열전도도는 비교적 낮은 반면, 평면(내면)에서는 매우 높은 열전도도를 나타냅니다. 이러한 특성은 주로 압연과 같은 생산과 관련이 있습니다. 평면 내 열전도율은 호일 표면을 가로지르는 빠른 측면 열 분배를 가능하게 합니다. 이는 국부적인 열원을 효율적으로 방출할 수 있기 때문에 국부적인 핫스팟을 줄이는 데 특히 중요합니다. 따라서 흑연 포일은 열 스프레더 역할을 하여 최신 기술 시스템의 열 안정성과 신뢰성에 크게 기여합니다.
스루-플레인 대 인-플레인
관통면 및 평면 내 열전도도를 정확하게 측정하는 것은 많은 기술 애플리케이션을 설계하는 데 있어 매우 중요합니다. LFA(레이저 플래시 분석)는 적합한 시료 홀더와 모델을 사용하여 이 작업을 쉽고 사용자 친화적으로 처리할 수 있습니다. 평면 통과 측정은 얇은 시료 측정에 최적화된 포일 시료 홀더를 사용하여 수행됩니다(그림 1, 왼쪽 참조). 그러나 평면 내 측정은 평면 내 시료 홀더(열이 안쪽으로 흐르는 방식)를 사용하여 수행됩니다(그림 1, 오른쪽 참조).
평면 측정은 시료 표면에 수직으로 수행됩니다. 평면 내 측정은 시료의 링 모양 조명을 사용하여 온도 상승이 시료 중심에서 감지되는 반면, 평면 내 측정은 시료의 링 모양 조명을 사용합니다. 따라서 측정 신호는 평면에서 열 전도의 특성을 갖습니다. 그림 2는 이를 설명하는 스케치입니다.
측정 조건
측정 조건은 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: 측정 조건
| LFA 시스템 | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| 샘플 | 그라파이트 호일 |
| 샘플 두께 | 500 μm |
| 밀도 | 데이터시트에서 ~ 1g/cm³ |
| 비열 용량 | POCO 흑연 [2]의 문헌 값 [2] |
| 온도 프로그램 | 25 ~ 500°C |
| 대기 | 질소 |
| 측정 방향 | 평면 통과 및 평면 내 |
| 샘플 홀더 | 스루플레인 → 포일용 시료 홀더 평면 내 → 평면 내 시료 홀더(열 흐름이 안쪽으로) |
| 평가 모델 | 평면 통과 → 케이프 리먼 기반 표준 모델 평면 내 → 직교 모델 |
직교 모델
평가 시 흑연 포일의 뚜렷한 이방성을 설명하기 위해 직교 모델은 열 확산도를 시료 평면에 수직인 부분(α )과 평면에 있는 부분(α||)의 두 가지 독립적인 구성 요소로 방향에 따라 달라지는 양으로 설명합니다. 이는 기본 열전도 방정식에 직접 반영됩니다.
여기서 z는 시료 표면에 수직인 방향(관통면)을, r은 평면 내 반경 방향(평면 내)을 나타냅니다. 이 모델은 모든 방향에서 균일한 확산성을 가정하는 대신 α|| 및 α에 대한 독립적인 파라미터 값을 통합하여 이방성 재료의 실제 열 전파를 설명할 수 있습니다. 평면 내 측정을 평가할 때, 이전에 별도의 측정에서 결정되었던 평면 통과 확산도 α 가 알려진 입력 파라미터로 계산에 통합됩니다. 이를 통해 α||를 정확하게 결정할 수 있습니다.
많은 상용 LFA 시스템은 평면 내 측정값을 평가하기 위해 1차원 모델만 사용합니다. 이러한 모델은 단일 공간 방향을 따라 열 전파를 설명하기 때문에 처음부터 평면 내 확산성과 평면 통과 확산성을 구분하는 것은 불가능합니다. 흑연 호일과 같이 이방성이 뚜렷한 재료의 경우 열 확산성을 과소평가할 수밖에 없습니다.
선택한 모델이 측정 결과에 미치는 영향
그림 3은 상온에서 흑연 호일의 열 확산도를 관통면과 평면 방향으로 보여줍니다. 표면(관통면)에 수직인 열 확산도는 케이프 리만(Cape Lehman) [1]을 기반으로 한 표준 모델로 평가됩니다. 이는 평면 내 열 확산도보다 두 배 정도 낮습니다. 따라서 평면 내 측정값을 평가하기 위해 직교 모델을 사용합니다. 자세히 살펴보면 평면 내 측정에서 등방성 거동과 이방성 거동의 차이는 상당히 큽니다.
그림 4는 이를 명확하게 보여줍니다. 여기에서는 등방성 모델과 직교 모델을 모두 사용하여 평가한 흑연 호일에서의 측정값을 보여줍니다. 등방성 평가는 훨씬 더 낮은 값(약 -18%)을 산출하며 곡선 적합도도 현저히 떨어집니다.
온도 및 측정 방향의 함수로서의 열 전도성
그림 5는 상온에서 500°C까지 흑연 포일의 관통면 및 평면 내 방향의 열전도도를 보여줍니다. 열전도율은 POCO 그라파이트의 비열용량[2]과 상온에서의 밀도를 사용하여 계산했습니다. 열전도율은 양방향 모두 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 평면 내 열전도도는 평면 통과 열전도도보다 훨씬 높습니다.
요약
적절한 시료 홀더와 함께 사용하면 레이저 플래시 분석을 통해 흑연 포일의 이방성이 높은 열전도도를 평면 및 평면 내 방향 모두에서 안정적으로 측정할 수 있습니다. 이를 통해 열의 효율적인 분배와 핫스팟 감소에 매우 중요한 평면 내 열전도도를 확인할 수 있습니다. 등방성 접근법은 특성을 상당히 과소평가하기 때문에 정확한 평가를 위해서는 이방성을 고려한 모델을 사용하는 것이 필수적입니다.