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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.10 pp.601-609
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.10.601

Effects of Graphite Shape and Composite Fabricating Method on Mechanical Properties of Graphite/Copper Composites

Youhan Sohn and Jun Hyun Han
Department of Materials Science and Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : jhhan@cnu.ac.kr (J. H. Han, Chungnam Nat'l Univ.)
September 17, 2018 September 26, 2018 September 28, 2018

Abstract


To study the effects of graphite shape and the composite fabricating method on the mechanical properties of graphite/copper (Gr/Cu) composites, a copper composite using graphite flakes or graphite granules as reinforcing phases is fabricated using mechanical mixing or electroless plating method. The mechanical properties of the Gr/Cu composites are evaluated by compression tests, and the compressive strength and elongation of the Gr/Cu composites using graphite granules as a reinforcing phase are compared with those of Cu composites with graphite flakes as a reinforcing phase. The compressive yield strength or maximum strength of the Gr/Cu composites with graphite granules as a reinforcing phase is higher than that of the composites using graphite flakes as a reinforcing phase regardless of the alignment of graphite. The strength of the composite produced by the electroless plating method is higher than that of the composite material produced by the conventional mechanical mixing method regardless of the shape of the graphite. Using graphite granules as a reinforcing phase instead of graphite flakes improves the strength and elongation of the Gr/Cu composites in all directions, and reduces the difference in strength or elongation according to the direction.



그라파이트/구리 복합재료의 기계적 특성에 미치는 그라파이트 형상과 복합재료 제조방법의 영향

손유한·한준현
충남대학교 신소재공학과

초록


    National Research Foundation of Korea

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    Heat sink, heat spreader는 전자소자에서 방출되는 열 이 기기의 성능과 수명을 저하시키지 않도록 열을 신속 하게 전달하여 외부로 방출시키는 역할을 하는 것으로 전자기기부터 자동차에 이르기까지 매우 다양한 분야에 널 리 이용되고 있다.1,2) 일반적으로 heat sink, heat spreader 소재로서 알루미늄(열전도도: 210 W/mK, 열팽창계수: 24 ppm/K)과 구리(열전도도: 398 W/mK, 열팽창계수: 16 ppm/K)가 넓게 사용되어 왔으나, 최근에는 전자기기의 고 성능화, 고집적화, 소형화로 인해 더 높은 열전도도, 더 낮은 열팽창계수, 더 우수한 기계적 특성을 갖는 heat sink, heat spreader가 요구되고 있다.

    알루미늄 혹은 구리가 가지고 있는 열적 특성(열전도 도, 열팽창계수)과 기계적 특성보다 더 우수한 열적, 기 계적 특성을 얻기 위해 알루미늄 또는 구리기지에 제 2 상을 첨가한 복합재료의 개발이 꾸준히 진행되고 있다. 순 수 알루미늄 혹은 구리보다 더 우수한 열적, 기계적 특 성을 갖는 복합재료를 제조하기 위해 많이 사용되고 있 는 강화상으로는 그라파이트,3) 그라핀,4) 산화그라핀,5) 탄 소나노튜브(CNT),6) 탄소나노섬유(CNF)7)와 같은 탄소물 질들이 있으며, 최근에 탄소나노분말들을 강화상으로 사 용한 복합재료에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하 지만 복합재료의 열적, 기계적 특성에 대한 뚜렷한 강 화상 첨가효과를 얻기 위해서는 10 vol% 이상의 다량 의 나노분말이 첨가되어야 하는데 Samal et al.의 연구 결과에서 보여준 것과 같이 다량의 나노분말을 첨가할 경우 나노분말 분산의 어려움에 의한 강화상의 뭉침때 문에 오히려 열적, 기계적 특성이 저하하는 문제점을 가 지고 있어 다량의 강화상을 첨가하는데 한계가 있다.8)

    탄소나노분말 대신 조대한 그라파이트분말을 강화상으 로 사용할 경우 나노분말 보다는 뭉침현상이 적어 기지 금속에 다량 첨가하기가 용이한 장점을 가지고 있어 지 금까지 그라파이트분말을 강화상으로 사용한 복합재료에 대한 연구가 일부 진행된 바 있다.9) 하지만 지금까지는 주로 flake 형상의 그라파이트분말을 강화상으로 사용하 였을 뿐 granule 형상과 같이 다른 형상의 그라파이트 분말을 강화상으로 사용한 연구는 거의 이루어지지 않 았다.10) 판상의 그라파이트 flake 분말을 강화상으로 사 용할 경우 기지금속 내에 그라파이트 flake 표면에 평행 한 방향으로 그라파이트분말이 배열되기 쉽기 때문에 열 적, 기계적 특성에 대한 이방성이 매우 큰 단점을 가지고 있다. 또한 지금까지는 탄소/구리 복합재료의 경우 열적 특 성에 관한 연구가 주로 진행되었으며 기계적 특성에 관 한 연구는 매우 미흡한 편이다.

    따라서 본 연구에서는 강화상으로 사용되는 그라파이 트분말의 형상과 배열에 따른 그라파이트 강화 구리복 합재료(Gr/Cu)의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위해 이방성이 적은 granule 형상의 그라파이트와 이방 성이 큰 flake 형상의 그라파이트를 강화상으로 사용하 여 복합재료를 제조하였으며 방향에 따른 기계적 특성 을 비교하였다. 또한 구리기지금속 내 그라파이트분말의 분산성을 향상시키고 그라파이트분말의 배열에 변화를 주 기 위해 그라파이트분말 표면에 구리를 코팅한 코어-쉘 (core-shell) 타입의 Gr/Cu 복합분말을 만든 후 핫프레싱 (hot pressing)에 의해 분말을 벌크화 하였으며, 그라파이 트분말과 구리분말을 기계적으로 혼합한 후 핫프레싱 하 는 기존의 방법에11,12) 의해 제조된 복합재료와 비교함으 로써 복합재료 제조방법의 차이에 따른 그라파이트 강 화상의 분산성과 배열이 복합재료의 기계적 특성에 미 치는 영향을 고찰하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 그라파이트/구리 복합분말 제조

    그라파이트 granule(장축: 35 μm, 단축: 20 μm)과 그라 파이트 flake(직경: 140 μm, 두께: 18 μm)는 Shenzhen사 로부터, 순수 구리분말(직경: 3 μm)은 Alfa Aesar사로부 터 구입되었다. 구입된 그라파이트분말 표면의 불순물을 제거하기 위해 에탄올과 증류수를 이용하여 초음파 세 척하였으며 세척 후에 진공오븐에서 건조하였다. 본 연 구에서는 그라파이트분말 표면에 구리를 코팅하여 코어 -쉘 타입의 Gr/Cu 복합분말을 제조하였으며, 그라파이트 분말과 구리분말을 기계적으로 혼합하여 Gr/Cu 복합분 말을 제조하는 기존의 방법과 비교하였다. 이 때 첨가 상인 그라파이트의 부피분율은 모두 59 %로 고정되었다.

    기계적혼합에 의해 Gr/Cu 복합분말을 제조하기 위해 세 척된 그라파이트 granule 또는 그라파이트 flake 분말을 구리분말과 함께 플라스틱 용기 안에 넣고 turbula 믹서 를 이용하여 6시간동안 질소분위기에서 혼합하였다. 한 편 코어-쉘 타입의 Gr/Cu 복합분말을 제조하기 위해 무 전해도금법을13) 이용하여 그라파이트분말 표면 위에 구 리를 코팅하였다. 무전해도금은 민감화와 활성화의 전처 리 과정을 거친 후 진행되었다. 민감화 용액은 증류수 에 SnCl2 (3 g/L)과 HCl(12 ml/L)를 첨가해서 제조되었으 며, 활성화 용액은 증류수에 PdCl2(0.15 g/L)과 HCl(3 ml/ L)를 첨가해서 제조되었다. 도금 용액은 증류수에 CuSO4 (10 g/L), NaKC4H4O6(50 g/L), NaOH 수용액(40 ml/L), 포 르말린(37 % 포름알데히드 수용액, 15 ml)를 첨가하여 제 조하였다. 민감화 과정과 활성화 과정은 각 용액에서 7 분 동안 초음파 교반 하에서 진행되었으며, 각 단계 종 료 후 그라파이트분말은 증류수 세척과 필터링(filtering) 과정을 통해 분리되었다. 무전해도금은 전처리가 완료된 그라파이트분말이 첨가된 도금용액 안에서 40분 동안 초 음파 교반하에서 진행되었으며 도금용액의 온도는 35 °C 로 유지되었다. 무전해도금에 의해 제조된 Gr/Cu 복합 분말은 증류수를 이용하여 세척한 후 진공펌프를 이용 하여 필터링한 후 60 °C의 진공오븐에서 건조되었다.

    2.2 그라파이트/구리 복합재료 제조

    기계적혼합법과 무전해도금법에 의해 제조된 Gr/Cu 복 합분말을 사용하여 복합재료를 제조하기 위해 본 연구 에서는 스파크 플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)법보다 비용이 저렴하며 쉽게 적용할 수 있는 핫프 레싱법을 이용하였다. Fig. 1은 본 연구에 적용된 핫프 레싱의 공정도를 보여준다. 10−3Torr의 진공분위기에서 챔 버는 6.6 °C/min의 승온속도로 900 °C까지 가열 되고 900 °C에서 1시간 유지 후 냉각되었다. 가열 공정 중 복합 분말에서 발생하는 가스불순물을 제거하기 위해 진공챔 버는 400 °C에서 30분간 유지한 후 재가열 되었다. 온 도가 900 °C에 이르렀을 때 Gr/Cu 복합분말은 50 MPa 의 압력으로 90분 동안 일축으로 가압되었으며 압력은 챔버온도가 300 °C까지 냉각하는 동안 유지되었다.

    2.3 복합재료의 미세조직 및 기계적 특성 분석

    사용된 구리분말 표면의 상분석은 X-선 회절기(X-pert PRO MPD)를 이용해서 진행되었으며, Gr/Cu 복합분말 과 Gr/Cu 복합재료의 미세구조는 광학현미경(Nikon JP/ Eclipse E600Pol)과 주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi S- 4800)으로 관찰되었다. 제조된 Gr/Cu 복합재료의 기계적 특성은 상온에서 universal testing machine(Instron4482) 을 이용한 압축시험을 이용하여 분석되었으며 압축특성 의 이방성을 분석하기 위해 핫프레싱에 의한 복합재료 제조 시 가압방향(through-plane direction)과 가압방향에 수직한 방향(in-plane direction)에서 각각 압축시험을 실 시하였다. 이 때 압축시험편의 지름과 높이는 각각 4 mm, 6 mm 이었으며 변형속도는 1 mm/min이었다. 압축시험 후 파단된 시편의 모양과 균열전파 거동은 SEM을 이용하 여 관찰되었다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 Graphite/copper 복합분말의 형태와 조직 분석

    Fig. 2는 Gr/Cu 복합분말 제조를 위해 본 연구에서 사 용된 초기분말들의 모양을 보여주는 SEM 사진이며, 그 림으로부터 그라파이트 granule, 그라파이트 flake, 순수 구리분말들의 형상과 크기를 알 수 있다. Fig. 3(a-d)는 기계적혼합법과 무전해도금법에 의해 제조된 Gr/Cu 복 합분말의 형상을 보여주는 SEM 사진으로서, Fig. 3(a) 는 그라파이트 granule [Fig. 2(a)]과 순수구리분말 [Fig. 2(c)]을 기계적으로 혼합하여 만든 Gr/Cu 복합분말을 보 여주며, Fig. 3(b)는 그라파이트 flake [Fig. 2(b)]와 순수 구리분말[Fig. 2(c)]을 기계적으로 혼합하여 만든 Gr/Cu 복합분말을 보여준다. 전반적으로 그라파이트분말과 구리 분말이 잘 혼합되어있지만 분말의 크기 차이에 의해 국 부적으로 그라파이트분말 혹은 구리분말들이 모여있는 부 분이 관찰되었다.

    한편 Fig. 3(c,d)는 각각 그라파이트 granule과 그라파 이트 flake 표면에 무전해도금에 의해 구리를 코팅함에 의해 제조된 Gr/Cu 복합분말을 보여준다. Fig. 3(c,d)의 inset의 광학현미경 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이 무전해도금에 의해 구리가 그라파이트 granule 혹은 flake 표면에 일정한 두께로 잘 코팅되어 있음을 알 수 있다. 하지만 그라파이트 flake의 경우 무전해도금 후 평균직 경과 두께가 각각 140 μm에서 78 μm로, 18 μm에서 3 μm로 감소하였는데 이는 전처리와 무전해도금 시 산 또 는 염기용액 내에서의 초음파 조사에 의한 그라파이트 flake의 박리 혹은 파단 때문으로 생각된다. 하지만 그 라파이트 granule에서는 초음파 조사에 의한 그라파이트 의 박리 혹은 파단은 발생하지 않았다. Fig. 3(e)는 무 전해도금에 의해 그라파이트 표면에 코팅된 구리층의 XRD 분석결과로서 구리의 산화층은 발견되지 않았다.

    한편 본 연구에서는 Gr/Cu 복합재료에 미치는 그라파 이트 flake의 이방성을 줄이기 위한 한 방법으로서 Fig. 3(d)의 이방성이 큰 그라파이트 flake와 Fig. 3(c)의 이 방성이 적은 그라파이트 granule을 혼합한 bimodal 형태 의 혼합분말을 제조하였다. 이 때 혼합분말의 충진밀도 를 높이기 위해 큰 flake 분말과 작은 granule 분말을 7:3 부피비로14) 혼합하였다.

    3.2 Graphite/copper 복합재료의 미세구조 분석

    Fig. 4는 Fig. 3(a-d)에서 보여준 Gr/Cu 복합분말들과 Fig. 3(c,d)를 3:7의 부피비로 섞은 혼합분말을 Fig. 1의 동일조건에서 핫프레싱하여 제조한 실린더형 Gr/Cu 복 합재료들의 미세구조를 보여주는 SEM 사진이며, Fig. 4 의 inset은 강화상의 배열 상태를 확인할 수 있는 광학 현미경사진이다. Fig. 4(a,b)와 Fig. 4(e,f)는 각각 그라파 이트 granule과 그라파이트 flake를 순수 구리분말과 기 계적혼합법을 사용하여 만든 Gr/Cu 복합분말을 핫프레 스한 복합재료 시편[이제부터 각각 uncoated granule (UG), uncoated flake(UF)라 칭함]의 plane view, cross section view를 보여주며, Fig. 4(c,d)와 Fig. 4(g,h)는 각 각 무전해구리도금된 그라파이트 granule과 그라파이트 flake분말을 핫프레스 한 복합재료 시편[이제부터 각각 coated granule(CG), coated flake(CF)라 칭함]의 미세조 직을 보여준다. 한편 Fig. 4(i,j)는 무전해구리도금된 그 라파이트 flake와 무전해구리도금된 그라파이트 granule 을 7:3비율로 혼합[이제부터 coated granule flake(CGF) 라 칭함]하여 제조한 복합재료를 보여준다. 전반적으로 핫 프레싱에 의해 큰 기공없이 양호한 Gr/Cu 복합재료가 제 조된 것으로 보여진다. Fig. 4(a,b,e,f)에서 알 수 있는 것 과 같이 기계적혼합법을 사용하여 제조된 복합재료에서 는 전반적으로 구리기지 내에 양호한 그라파이트의 분 산이 얻어지기는 하였으나 그라파이트분말들이 균일하게 분산되지 않고 분말들끼리 서로 접촉하고 있는 부분이 다수 존재하였다. 하지만 Fig. 4(c,d,g,h,i,j)와 같이 무전 해도금법을 이용하여 제조된 복합재료에서는 구리기지 내 그라파이트의 분산이 매우 우수하며 그라파이트분말들끼 리의 접촉없이 개개의 분말들 모두 구리기지 내에 독립 적으로 존재하고 있음을 알 수 있는데, 이는 핫프레스 에 의한 복합재료 제조 이전에 이미 각각의 그라파이트 분말들이 무전해구리도금에 의해 분리되었기 때문이다.

    한편 흥미로운 결과는 기계적혼합법과 무전해도금법에 의해 제조된 그라파이트 flake 강화 복합재료들(UF, CF) 에서 그라파이트의 배열성에 큰 차이가 존재한다는 점 이다. 무전해도금으로 제조된 복합재료[Fig. 4(h)]에서는 그라파이트 flake 강화상이 가로방향인 in-plane방향으로 잘 배열되어 있는데 반해, 기계적혼합법에 의해 제조된 복합재료[Fig. 4(f)]에서는 in-plane방향으로의 배열성이 떨 어진다. 이는 inset의 OM 사진에서 더 확실하게 확인이 가능하며, 배열성의 결과는 무전해도금된 그라파이트 flake 의 경우 무전해도금에 의한 구리 코팅층의 두께가 균일 하여 Fig. 3(d)에서 보는 바와 같이 코팅 후에도 flake 형상이 그대로 유지되고 있어 핫프레싱 이전의 성형다 이 내 분말의 충진시 그라파이트 flake가 in-plane방향으 로 잘 배열되는데 반해, uncoated flake는 함께 충진되 는 구리분말의 양이나 크기에 따라 in-plane방향으로 충 진되지 않는 경우도 많이 발생하기 때문이다. 일반적으 로 일방향프레싱 시 이방성이 큰 그라파이트 flake가 inplane방향으로의 배열성이 좋아진다고 알려져 있지만15) 코 팅된 그라파이트 flake의 배열성보다는 좋지 않음을 본 연 구를 통해 알 수 있었다. 또한 무전해도금을 한 CF[Fig. 4(h)]에서 작은 그라파이트 flake들이 다량 관찰되고 있 는데 이는 그라파이트 flake의 전처리, 무전해도금 과정 중 발생한 그라파이트의 박리 혹은 파단에 기인한 것으 로 이와 같은 그라파이트의 박리 혹은 파단이 Gr/Cu 복 합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하는 것은 매우 의미있는 일일 것이다.

    3.3 Graphite/copper 복합재료의 기계적 특성 분석

    탄소재료를 강화상으로 사용하는 복합재료는 강화상 첨 가 시 열적특성의 향상은 기대할 수 있지만,16,17) 강화상 의 함량이 증가할 경우 복합재료 강도저하에 따른 파괴 가 일어날 수 있는 가능성도 함께 증가하는 문제점을 갖 고 있다.8,18) 더구나 이방성이 매우 큰 그라파이트 flake 를 강화상으로 사용하는 경우 기지금속 내 강화상의 배 열에 따라 복합재료의 기계적 특성도 크게 달라질 것으 로 예상된다. 따라서 그라파이트의 형상과 배열에 따른 Gr/Cu 복합재료의 기계적 특성을 평가하는 것은 열관리 재료로 사용될 수 있는 Gr/Cu 복합재료를 실제 부품으 로 적용하는데 있어 매우 중요한 요소가 된다.

    Fig. 5는 압축시험에서 얻어진 압축응력과 압축변형률 과의 관계를 보여준 그래프로서 복합재료 내 강화상의 형상 및 배열에 따른 복합재료의 압축거동 변화를 나타 낸다. Fig. 5(a,b)는 각각 in-plane방향과 through-plane 방향으로 압축하중이 가해졌을 때의 압축변형거동을 보 여주며, Fig. 5로부터 항복강도(yield strength)와 최대강 도(maximum strength), 연신률(elongation)을 얻었으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 먼저 항복강도와 최대강 도를 비교해보면, in-plane방향과 through-plane방향 모두 에서 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 복합재료 의 강도가 그라파이트 flake를 강화상으로 사용한 복합 재료의 강도보다 더 높음을 알 수 있다. 또한 강화상인 그라파이트의 형상(granule, flake)에 관계없이 구리가 코 팅된 그라파이트(무전해도금법)를 사용한 복합재료의 강 도가 구리가 코팅되지 않은 그라파이트(기계적혼합법)를 사용한 복합재료의 강도보다 높음을 알 수 있다. 한편 연신률을 비교해 보면, 그라파이트 flake를 강화상으로 사 용한 복합재료 보다는 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 복합재료의 연신률이 높았으며, through-plane방향 에서 그라파이트 flake가 강화된 복합재료를 제외하고는 기계적혼합법에 의해 제조된 복합재료 보다는 무전해도 금법에 의해 제조된 복합재료의 연신률이 더 높음을 알 수 있다. 이 결과는 그라파이트 flake보다 그라파이트 granule이 압축하중에 대한 파괴저항이 더 크기 때문이 며, 그라파이트분말 표면에 구리를 코팅함으로써 그라파 이트와 구리 사이 계면의 접합력을 향상시키고 Fig. 4 에서 알 수 있는 것과 같이 그라파이트분말들끼리의 직 접 접촉을 제한함에 의해 균열발생을 억제하였기 때문 이다.

    그라파이트 강화상의 배열에 따른 강도와 연신률을 비 교해보면, 대부분 in-plane방향보다는 through-plane방향에 서 높은 강도와 높은 연신률을 갖는다. 그 중에서 그라 파이트 granule이 강화된 복합재료의 경우 in-plane방향 과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연신률의 차이가 작은데 반해, 그라파이트 flake가 강화된 복합재료의 경 우 in-plane방향과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연 신률의 차이가 크게 나타났으며 이 결과는 그라파이트 granule 보다 그라파이트 flake가 높은 이방성을 가지고 있기 때문이다. 따라서 전반적으로 그라파이트 flake 보 다는 그라파이트 granule을 사용하고, 기존의 기계적혼합 법보다는 무전해도금법을 사용하면 강도와 연신률이 모 두 높은 재료 즉, 인성(toughness)이 높은 Gr/Cu 복합재 료를 제조할 수 있음을 알 수 있었다. 한편 무전해구리 도금된 그라파이트 flake와 무전해구리도금된 그라파이트 granule을 7:3 부피분율로 혼합하여 제조된 복합재료(CGF) 는 Fig. 5로부터 알 수 있는 것과 같이 through-plane방 향에서의 강도를 제외하고 전반적으로 그라파이트 flake 와 그라파이트 granule을 사용해서 제조된 각 복합재료 의 강도와 연신률의 중간값을 갖고 있었다. 하지만 보 다 정확히 분석해보면 강화상인 그라파이트 flake의 부 피분율이 그라파이트 granule의 분율보다 더 높으므로 복 합재료의 강도와 연신률은 그라파이트 flake의 강도와 연 신률에 더 가까운 값을 갖고 있음을 알 수 있었다.

    Fig. 6, 7은 각각 in-plane방향과 through-plane방향으로 압축시험한 시험편의 파단 후 측면의 SEM사진으로 그 라파이트 강화상의 형상과 배열, 제조방법에 따른 균열 전파거동의 차이를 보여준다. Fig. 6에서 알 수 있는 것 과 같이 in-plane방향으로 압축한 경우 그라파이트 granule 이 강화된 복합재료에서는 단일균열이 발생하였지만 그 라파이트 flake가 강화된 복합재료에서는 다중균열이 발 생하였다. 하지만 Fig. 7과 같이 through-plane방향으로 압축한 경우에는 모두 단일균열이 발생하였다. 이 결과 는 in-plane방향의 압축하중에 대해 그라파이트 flake가 취약하다는 것으로 보여주는 결과이다.

    Fig. 6으로부터 in-plane방향으로 압축변형 시 균열전파 경로를 살펴보면, Fig. 6(a,f)와 같이 기계적혼합법으로 제 조된 그라파이트 granule 강화 복합재료(UG)에서는 인접 한 그라파이트 granule 사이를 따라 균열이 전파하고 있 으며, Fig. 6(b,g)와 같이 무전해도금법으로 제조된 그라 파이트 granule 강화 복합재료(CG)에서는 그라파이트와 구리의 계면 부근을 따라 균열이 전파하고 있음을 알 수 있다. 한편 Fig. 6(c,h)와 같이 기계적혼합법으로 제조된 그라파이트 flake 강화 복합재료(UF)에서는 균열이 인접 한 그라파이트 flake 사이 혹은 그라파이트 flake 내부 를 가로질러 전파하고 있음을 알 수 있으며, Fig. 6(d,i) 와 같이 무전해도금법으로 제조된 그라파이트 flake 강 화 복합재료(CF)에서는 구리와 그라파이트 계면 인근 혹 은 그라파이트 flake 내부를 가로질러 균열이 전파하고 있음을 보여준다. 이러한 결과는 기계적혼합법에 의해 제 조된 복합재료에서는 그라파이트의 불균일 분산으로 인 해 그라파이트끼리 접촉하고 있는 부분이 존재하여 이 곳이 균열의 생성원으로 작용하게 되지만 무전해도금법 에 의해 제조된 복합재료에서는 그라파이트의 분산이 균 일하며 그라파이트와 구리와의 계면 접합력이 높기 때 문에 그라파이트와 구리계면에서는 균열이 발생하지 않 고 주로 그 인근에서 균열이 발생하게 된다.

    Fig. 7로부터 through-plane방향으로 압축변형 시 균열 전파 경로를 살펴보면, Fig. 7(a,b,f,g)에서 알 수 있는 것 과 같이 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 복합 재료(UG, CG)의 경우 in-plane방향으로 하중을 가할 때 와 비슷한 양상을 보이고 있지만, 그라파이트 flake를 강 화상으로 사용한 복합재료(UF, CF)의 경우 in-plane방향 과 다르게 균열이 그라파이트 내부를 가로지르는 경우 는 없었으며 UF의 경우 Fig. 7(h)에서와 같이 균열이 그 라파이트와 구리의 계면을 따라 전파하는 debonded 균 열 양상을 보였으며, CF의 경우 Fig. 7(i)와 같이 균열 이 그라파이트 인근에서 전파하는 deflected 균열양상을 보였다. 따라서 강화상의 형상과 배열 혹은 복합재료의 제조방법에 따라 균열의 전파거동은 달라짐을 확인할 수 있었다.

    압축변형 시 각 조건에 따른 균열의 전파경로와 압축 하중과의 방향성 관계를 고찰하기 위해 복합재료의 압 축변형시험 후 각 시편에서 생성되는 파단면의 각도를 측정하였으며 그 평균 값을 Fig. 8에 모식도와 함께 나 타내었다. 이 때 각 파단면의 각도는 이미지프로세서 프 로그램(Image J)을 사용하여 측정되었다. 일반적으로 압 축하중이 가해질 때 최대 전단응력은 하중에 대해 45도 각도에서 발생하게 된다.19,20) Fig. 8에서 알 수 있는 것 과 같이 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 경우 (UG, CG) 파단면의 각도는 복합재료의 제조방법(기계적 혼합법, 무전해도금법)과 하중이 가해지는 방향(in-plane 방향, through-pane방향)과 무관하게 45도로부터 크게 벗 어나지 않음을 알 수 있다. 하지만 그라파이트 flake를 강화상으로 사용한 경우(UF, CF)는 UF보다 CF에서 inplane방향과 through-plane방향에서의 각도차이가 매우 큼 을 알 수 있다. 이러한 결과는 그라파이트 granule을 강 화상으로 사용한 경우 방향에 따른 구리기지 내 그라파 이트 granule 배열의 이방성이 작은데 반해 그라파이트 flake를 강화상으로 사용한 경우 무전해도금법으로 제조 된 복합재료에서 그라파이트 flake의 일방향 배열에 따 른 이방성이 매우 크기 때문이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 그라파이트/구리(Gr/Cu) 복합재료에서 강 화상으로 사용되는 그라파이트분말의 형상(flake, granule) 과 배열(in-plane 방향, through-plane 방향), 복합재료의 제조방법(기계적혼합법, 무전해도금법)이 Gr/Cu 복합재료 의 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 무전해도금법을 이용하여 제조된 복합재료에서는 기 계적혼합법에 의해 제조된 복합재료보다 구리기지 내 그 라파이트분말의 분산이 더욱 우수하였고 그라파이트분말 들끼리의 접촉없이 개개의 분말들 모두 구리기지 내에 독립적으로 존재하고 있었으며, in-plane방향으로 그라파 이트 flake의 배열성이 뛰어나다.

    • 2) 그라파이트의 배열방향(in-plane방향, through-plane방 향)과 무관하게 그라파이트 granule을 강화상으로 사용한 Gr/Cu 복합재료의 강도(항복강도, 최대강도)와 연신률이 그라파이트 flake를 강화상으로 사용한 복합재료보다 더 우수하며, 그라파이트의 형상(granule, flake)과 무관하게 기존의 기계적혼합법에 의해 제조된 복합재료보다 무전 해도금법에 의해 제조된 복합재료의 강도가 더 높다.

    • 3) 그라파이트 granule이 강화된 복합재료에서는 inplane방향과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연신률의 차이가 작은데 반해, 그라파이트 flake가 강화된 복합재 료에서는 in-plane방향과 through-plane방향에서의 강도 혹은 연신률의 차이가 크다.

    • 4) 그라파이트 flake를 대신하여 그라파이트 granule을 강화상으로 사용함으로써 모든 방향에서 복합재료의 강 도와 연신률을 향상시킬 수 있으며, 방향에 따른 강도 혹은 연신률의 차이를 줄일 수 있다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the Source Technology Development Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(2018002635).

    Figure

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    Temperature and pressure conditions of the vacuum hot pressing operation.

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    Scanning electron micrographs of raw materials(graphite granule (a), graphite flake (b), pure copper (c) powders).

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    Graphite/copper composite powders fabricated using mechanical mixing (a, b), electroless copper coating (c, d), and X-ray diffraction pattern of electroless Cu coating layer (e).

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    SEM plane views (a, c, e, g, i) and cross section views (b, d, f, h, j) of the fabricated Gr/Cu composites reinforced with uncoated graphite granule (a, b), coated graphite granule (c, d), uncoated graphite flake (e, f), coated graphite flake (g, h), and mixture of coated graphite granule and coated graphite flake (i, j). Insets show optical images.

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    Compressive stress-strain curves measured in in-plane direction (a) and through-plane direction (b). UG, CG, UF, CF, and CGF mean the composites reinforced with uncoated graphite granule, coated graphite granule, uncoated graphite flake, coated graphite flake, and mixture of coated graphite granule and coated graphite flake, respectively. The red solid arrow, red dotted line, and yellow dotted line indicate crack propagation line, graphite, and crack, respectively.

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    SEM images showing the side surfaces of the fractured specimens after compression tests along the in-plane direction. UG, CG, UF, CF, and CGF mean the composites reinforced with uncoated graphite granule, coated graphite granule, uncoated graphite flake, coated graphite flake, and mixture of coated graphite granule and coated graphite flake, respectively. The red solid arrow, red dotted line, and yellow dotted line indicate crack propagation line, graphite, and crack, respectively.

    MRSK-28-601_F7.gif

    SEM images showing the side surfaces of the fractured specimens after compression tests along the through-plane direction. UG, CG, UF, CF, and CGF mean the composites reinforced with uncoated graphite granule, coated graphite granule, uncoated graphite flake, coated graphite flake, and mixture of coated graphite granule and coated graphite flake, respectively. The red solid arrow, red dotted line, and yellow dotted line indicate crack propagation line, graphite, and crack, respectively.

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    A schematic diagram showing the angle of the fracture surface in the compressive deformation in the in-plane direction and the through-plane direction. UG, CG, UF, CF, and CGF mean the composites reinforced with uncoated graphite granule, coated graphite granule, uncoated graphite flake, coated graphite flake, and mixture of coated graphite granule and coated graphite flake, respectively.

    Table

    Mechanical properties of the graphite/copper composites measured in in-plane and through-plane directions. ‘U’, ‘C’, ‘G’, and ‘F’ mean ‘uncoated’, ‘coated’, ‘granule’, and ‘flake’, respectively.

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