방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및 제조 기술 지원 ·...

방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및

제조 기술 지원제조 기술 지원제조 기술 지원제조 기술 지원

2003. 6.2003. 6.2003. 6.2003. 6.

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

지원기업 주 테놉스지원기업 주 테놉스지원기업 주 테놉스지원기업 주 테놉스: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 방열판용 고열전도성 알루미늄 합금 설계 및 제조 기술 지원 지원기“ ”(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2002. 7. ~ 2003. 6.) .

2003. 7. 18.2003. 7. 18.2003. 7. 18.2003. 7. 18.

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

황 해 웅황 해 웅황 해 웅황 해 웅

지원기업 주 테톱스지원기업 주 테톱스지원기업 주 테톱스지원기업 주 테톱스: ( ): ( ): ( ): ( )

정 구 봉정 구 봉정 구 봉정 구 봉

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 이 정 무이 정 무이 정 무이 정 무::::

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 ::::

〃〃〃〃 ::::

〃〃〃〃 ::::

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

열전도도 이상의 주조성이 우수한 알루미늄 합금 주조재 개발185 W/mK▶

인장강도 120MPa▶

제품의 제작 비용을 줄일 수 있는 제조 기술 지원▶

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

특허 및 자료 조사▶

미국 일본등의 특허 및 기술자료 조사- ,

방열판 핀재 전선재 등의 특허 및 기술 자료- , ,

알루미늄 합금의 설계▶

계 등의 합금 설계- Al/Fe, Al/Zr, Al/Zn, Al/Ni

소재의 특성 평가▶

소재의 미세조직 평가-

소재의 경도 인장 특성 등 기계적 특성 평가- ,

소재의 전기전도도 열전도도등의 물성 평가- ,

소재의 주조성 평가-

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

특허 및 자료 조사 특허 조사 없음 미국 일본 특허 조사,

알루미늄 합금의 설계 합금설계 없음 합금설계Al/Ni, Si

소재의 특성 평가 열전도도만 측정 소재의 특성평가 진행

※ 지원항목1. :

지원내용2. :

번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목2

별로 구분하여 기재

지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재前後ㆍ

- 4 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 방열판: AMP○

모 델 명 : PHANTOM○

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 t: 15△ ℃ t: 17△ ℃ t: 14△ ℃ 열해석 결과

경쟁제품 대비 가격 만원18 만원12 만원10 판매가

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년/ ( %) 효과판단 불가

인건비 절감 백만원 년/ ( %) 효과판단 불가

계 백만원 년/ ( %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년/ 백만원 년/ % 보완후 판매가능

수 출 천달러 년/ 천달러 년/ % 보완후 판매가능

계 백만원 년/ 백만원 년/ %

참고) 적용제품 주요수출국1. :

작성당시 환율기준2. :

- 5 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/ 보완후 판매가능

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/ 보완후 판매가능

계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

파격적인 방열판 형상 구현▶

제조방식 변경에 의한 생산능력 극대화▶

형태의 다양화Fin▶

주조 방식에 의한 제품구현▶

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

신제품 개발 :▶

공 정 개 선 :▶

상용화 개발 :▶

주조용 재료 :▶

신재료 개발을 통해 다양한 종류의 개발heat sink

주조방안 개선을 통해 생산성 향상

신재료 개발을 통해 고효율 개발하여 수출증대 효heat sink

과

신재료의 다양한 분야 적용 주조용 제품 열전도도( , 190 W/mK

이상 )

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

- 6 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

특허

휜과 보조방열판

의 인서트 주조를

이용한 방열판 제

조방법

10-2002-

0013666

정구봉

박세정이종만 이종만 출원

특허

휜의 인서트 주조

를 이용한 방열판

제조방법

10-2002-

0013667

정구봉

박세정이종만 이종만 출원

의장 히트씽크30-2003-

0005336

박세정

이종현주 테놉스( ) 테놉스 출원

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건5 특허 분석을 통한 합금설계 방향 결정

시제품제작 건5 시험편 제작을 통한 주조성 열전도도 검토,

양산화개발 건5 매회 시험주조시 결과 분석 및 설계방향 제시

공정개선 건2 금형형태 결정 및 주조 조건 분석 및 보완

품질향상 건5 주조품질 분석 및 방향 제시

시험분석 건5 시험제작품의 시험분석 및 결과정리 통보 협의, ,

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

기 타 건

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종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

한국기계연구원에서 수행한 특허 분석결과와 합금원소에 따른 열전도도 특성 예

측 결과를 바탕으로 합금개발 방향을 결정하고 합금개발 시험제작 결과 분석, , ,

등의 연구 개발을 진행하였다 수차례의 시험 주조 및 시제품 제조를 통하여 방.

열판에 적용 가능한 금형 주조용 고열전도성 소재에 대한 개발을 완료하였으며,

수차례의 제작공정 개선을 통하여 생산성을 사형주조로 할 때보다 획기적으로

개선하여 을 제공하였다 그러나 제품 내부에 산재되어 있는 기포를 제Sample . ,

거하는데 미흡하여 현재 상태로는 양산성에 다소 문제가 있을 것으로 판단된다.

그러나 의뢰기관인 주 테놉스가 초기에 지원 받고자 했던 핵심 기술인 금형( )

주조용 고열전도성 알루미늄 합금설계 기술에 대한 부분은 지원이 되어100%

기술 개발이 완료되었다 향후 주 테놉스에서는 제조 공정의 개선을 통하여. , ( )

양산성의 문제를 해결할 예정에 있다.

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

특허 분석특허 분석특허 분석특허 분석1.1.1.1.

미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측2.2.2.2.

차 시험 주조차 시험 주조차 시험 주조차 시험 주조3. 13. 13. 13. 1

차 시작업차 시작업차 시작업차 시작업4. 14. 14. 14. 1







제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

기술지원일지기술지원일지기술지원일지기술지원일지A1.A1.A1.A1.

학회 세미나 전시회학회 세미나 전시회학회 세미나 전시회학회 세미나 전시회A2.A2.A2.A2. ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

기술지원 활용 기자재기술지원 활용 기자재기술지원 활용 기자재기술지원 활용 기자재A3.A3.A3.A3.

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제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

기존의 방열판은 등의 가공용 소재를 사용하여 절단 가공 접합등의 공정을A6063 , ,

거쳐 제조되는 것으로 열전도도 특성이 이상으로 특성은 우수하지만, 185 W/mK

제조 공정이 복잡하여 제조 단가가 높다 이를 개선하고자 주 테놉스에서는. ( ) insert

주조법을 개발하고 이에 대한 특허를 보유하고 있다.

주조법은 주형에 방열판의 구성 부품인 을 심은 후 방열판을 주조하여 제Insert fin

조하는 것으로 제조 공정을 대폭 단축시킬 수 있어 동일 특성 대비 제조 단가를,

절감할 수 있어 상당한 경쟁력을 갖춘 제조 공법이다.

주조법으로 방열판을 제조시에 주조성이 우수한 계 합금인 합Insert Al-Si-Mg A356

금을 사용할 경우 주조성은 양호하나 열전도도가 로 특성이 현저히 저하159W/mk

된다 반면 기존의 방열판 소재인 을 사용할 경우 열전도도는 우수하나 주조. , A6063

성이 현저히 저하되어 방열판 내부에 다량의 수축공을 생성시키고 표면에 hot

을 발생시킨다crack .

따라서 주조법에 대응할 수 있는 양호한 주조성 및 우수한 열전도도를 갖는, insert

합금의 개발이 필요하다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 기술지원과제에서는 상기한 지원 필요성에 따라 주조법에 대응 할 수 있insert

도록 하기 위하여 열전도도 특성이 이상이며 주조성이 양호한 알루미늄185 W/mK

합금 주조재를 개발하는 것을 목표로 하였다

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

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개략적인 기술지원 내용은 다음과 같으며 세부 지원 내용은 장에서 자세히 다루겠2

다.

방열판 제조 관련 특허 분석-

미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측-

시험 주조에 의한 합금 설계-

금형의 설계 및 제작-

시제품 제조 및 특성 평가-

- 11 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

계획된 기술지원의 달성 정도계획된 기술지원의 달성 정도계획된 기술지원의 달성 정도계획된 기술지원의 달성 정도1.1.1.1.

열전도도의 개발 목표를 이상으로 하였으나 개발된 소재의 열전도도는185W/mK

이상이 나왔으며 제조공정의 개선과 병행하여 의 형태를 조정하여 생190W/mK , fin

산성이 개선되는 효과를 얻었다.

수행한 기술지원 내용수행한 기술지원 내용수행한 기술지원 내용수행한 기술지원 내용2.2.2.2.

방열판 제조 관련 특허 분석-

미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측-

시험 주조에 의한 합금 설계-

금형의 설계 및 제작-

시제품 제조 및 특성 평가-

기술지원에 따른 지적재산권 도출기술지원에 따른 지적재산권 도출기술지원에 따른 지적재산권 도출기술지원에 따른 지적재산권 도출3.3.3.3.

제조공정을 개선하던 중 새로운 형태의 배치를 고안하여 형상에 대한 의장특허Fin

건과 재료에 대한 특허 건을 출원할 수 있었다 또한 합금 설계와 관련하여 특1 1 . ,

허 건을 출원할 예정이다1 .

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

특허 분석특허 분석특허 분석특허 분석1.1.1.1.

열전도성이 우수한 방열판용 알루미늄 주조합금을 설계하기 위하여 특허 자료를 입

수하여 분석하였다 특허 자료의 분석은 최근의 기술 동향을 파악하고 개략적인 지.

표를 제공할 수 있다 특허 자료는. WTPS (Worldwide Intellectual Property

Search, home page : http://www2.wips.co.kr 를 통하여 입수하였다/) .

- 12 -

특허 자료 검색시 방열판 핀 알루미늄 열전도도 주조 등의 를 사용하“ , , , , ” keyword

였다 검색으로 입수한 특허 자료 중 본 지원과제의 수행에 밀접한 관련이 있는 자.

료의 내용을 다음에 발췌 요악하였다, .

계계계계(1) P2001-294692 (Al-Ni )(1) P2001-294692 (Al-Ni )(1) P2001-294692 (Al-Ni )(1) P2001-294692 (Al-Ni )

발명의 명칭 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 주물발명의 명칭 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 주물발명의 명칭 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 주물발명의 명칭 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 주물::::▶▶▶▶

용도용도용도용도▶▶▶▶

다이캐스팅에 적합한 고열전도성 알루미늄 합금 주물-

합금계- Al-Ni-Fe-Mg-Si

제시 특성 실시예를 중심으로제시 특성 실시예를 중심으로제시 특성 실시예를 중심으로제시 특성 실시예를 중심으로( )( )( )( )▶▶▶▶

*

번 발명합금1-5**

번 비교합금6-10*** 번은 에 가까운 합금 번은 번 에 이 첨가된 합금7 AA6063 , 8 7 (6063) Ni 0.7% , 1

번은 번 에 이 첨가된 합금7 AA(6063) Ni 1.5%

- 13 -

특허 범위특허 범위특허 범위특허 범위▶▶▶▶

청구항 을 함유하고 및 이외의 기타 원소가 단독으로1 : Ni 1.0-6.0wt.% , Ni Al①

미만으로 면적을 이상의 공정조직이 정출된 조직을 갖는 열전1.0wt.% , 20% Al-Ni

도성이 우수한 알루미늄 합금 주물

청구항 2 : Ni 1.0-6.0wt.%, Si 0.1-0.6wt.%, Mg 0.2-0.9wt.%, Fe②

를 함유하고 나머지가 실질적으로 의 조성을 갖는 청구항 기재의0.1-0.8wt.% , Al 1

알루미늄 합금주물

청구항 여기에 의 종 또는 종을3 : , Ti 0.005-0.15wt.%, B 0.0001-0.05wt.% 1 2③

함유한 청구항 또는 기재의 알루미늄 합금 주물1 2

기타 특기사항기타 특기사항기타 특기사항기타 특기사항( )( )( )( )▶▶▶▶

은 주조성 주조균열 방지 을 개선함 그 효과는 이상에서 현저함 그러Ni ( ) . 1.0% .①

나 이상 첨가시 열전도성 감소6.0% .

은 를 형성하여 강도 향상 그러나 또는 이상 첨Mg, Si Mg2Si . 0.6%Si 0.9%Mg②

가시에는 열전도성 감소.

는 금형과의 융착 방지효과 이상 첨가시에 열전도성 감소Fe . 0.8% .③

계계계계(2) P2001-254135 (Al-Fe-Ni )(2) P2001-254135 (Al-Fe-Ni )(2) P2001-254135 (Al-Fe-Ni )(2) P2001-254135 (Al-Fe-Ni )

발명의 명칭 전기전도성 및 열전도성이 우수한 알루미늄 합금재발명의 명칭 전기전도성 및 열전도성이 우수한 알루미늄 합금재발명의 명칭 전기전도성 및 열전도성이 우수한 알루미늄 합금재발명의 명칭 전기전도성 및 열전도성이 우수한 알루미늄 합금재::::▶▶▶▶


기존 특허에 을 첨가하여 강도를 확보하고 전기전도도 및 열전도도가 우수한Boron

알루미늄 합금재 제조

- 14 -


* 번 발명합금1-14**

번 비교합금 를 제외한 조성15-25 (B )***

발명합금이 비교합금보다 도전을과 도전성이 향상되는 것을 알 수 있다.


청구항 을 를 함유하고 또는1 : B 0.02-0.08wt.% , Fe 0.05-2.5wt.% Ni①

를 함유하고 나머지가 알루미늄 및 불가피적 불순물로 된 것을 특징0.05-2.5wt.% ,

으로 한 알루미늄 합금재

청구항 청구항 에2 : 1 , Si 0.1-4.0wt.%, Zn 0.1-4.0wt%, Mg 0.5-1.0wt.%,②

의 범위 안에 종 또는 종 이상 함유하고 나Cu0.05-1.0wt.%, Co 0.05-2.0wt.% 1 2 ,

머지는 알루미늄 및 불가피적 불순물로 된 것을 특징으로 한 알루미늄 합금재

- 15 -


본 특허의 비교예는 이미 특허로 등록되어 있음.①

주조재인지 전신재인지에 대한 사항은 명시되어 있지 않으나 본 합금 제조시에②

금형 주조하였음.

의 첨가량이 이하에서는 탕 유동성의 개선 효과가 없으며Si 0.1wt.% , 4.0wt.%③

을 초과하면 전도성이 저하된다 바람직한 첨가량은 이다. 0.3-3.0wt.% .

및 의 첨가량에 대한 의 양은 전도성과 강도에 서로 관련이 있어Fe Ni B④

첨가하였다0.2-6.5wt.% .

계계계계(3) P2001-316748 (Al-Si )(3) P2001-316748 (Al-Si )(3) P2001-316748 (Al-Si )(3) P2001-316748 (Al-Si )

발명의 명칭 고열전도 가압 주조용 합금과 그 합금주물발명의 명칭 고열전도 가압 주조용 합금과 그 합금주물발명의 명칭 고열전도 가압 주조용 합금과 그 합금주물발명의 명칭 고열전도 가압 주조용 합금과 그 합금주물::::▶▶▶▶


방열 부품으로 사용할 수 있는 고열전도 가압 주조용 알루미늄 합금 개발-


*


번 와 비교합금1-14 Die-cast

- 16 -


청구항 이하 이하 이하1 : Cu 0.1% , Si 5-16%, Mg 0.20% , Zn 0.1% ,①

이하 이하 이하 이하Fe0.2-1.0%, Mn 0.20% , Ni 0.05% , Ti 0.05% , Pb 0.06% , Sn

이하 이하를 함유하고 나머지는 알루미늄으로 된 일을 특징으로0.05% , Cr 0.10% ,

한 고열전도 가압 주조용 합금

청구항 청구항 에 기재된 합금으로 가압 주조한 것을 특징으로 한 알루미늄2 : 1②

합금 주물


발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재: heat sink: heat sink: heat sink: heat sink▶▶▶▶


기존의 용 다이캐스팅 합금에 소량의 중 종 이상을- heat sink Al-Si Ca, Si, Na 1

함유 시켜 열전도성을 향상시킨다.

- 17 -


*

번 발명합금1-3, 5-7, 9-18**

번 비교합금4, 8, 19-22***

첨가시 비교 합금보다 도전율이 높아지고 첨가량을 바꾸는Ca, Sr, Na, , Si

일 없이 열전도성 개선되었다.


청구항 함유하고1 : Si 4.0-14.0wt.%, Fe 0.2-1.0wt.% , Ca 0.003-0.05wt.%,①

의 것으로 적어도 종 이상 함유하고 나머Sr0.003-0.05wt.%, Na 0.003-0.05wt.% 1 ,

지는 알루미늄 및 불가피적 불순물으로 된 것을 특징으로 한 열전도성에 우수한 히

트 싱크용 알루미늄 합금재

- 18 -


조성의 합금을 금형 주조하였다.①

의 첨가량이 미만일 때는 탕의 유동성이 나쁘고 이상일Si 4.0wt.% , 14.0wt.%②

때는 열전도성이 크게 저하된다 바람직한 양은 이다. Si 7.0-13.0wt.% .

를 첨가하여 알루미늄 합금과 금형의 소부를 방지하였다Fe 0.2-1.0wt.% .③


발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재발명의 명칭 열전도성이 우수한 용 알루미늄 합금재: heat sink: heat sink: heat sink: heat sink▶▶▶▶


다이캐스팅한 합금에 을 첨가하여 열전도성 우수한 알루미늄 합금- Al-Si Boron

제조


*


번 비교합금8-12***

합금 주조용 알루미늄은 순도 사용99.8wt,%****

는 및 에 있어서 함유량이 각각 이1, 2 ADC1 ADC12 Si ADC1 Si★ ★

는 이다11.0-13.0wt.%, ADC12 9.6-12.0wt.% .

- 19 -


청구항 를 함유하고1 : B 0.002-0.08wt.%, Si 4.0-14.0wt.%, Fe 0.2-1.0wt.% ,①

나머지는 알루미늄 및 불가피적 불순물로 된 것을 특징으로 한 용 알루미heat sink

늄 합금재


조성의 합금은 금형 주조 하였다.①

는 용탕의 유동성을 향상시키기 위해 첨가 했다Si 4.0-14.0wt.% .②

열전도성은 도전율에 비례한 관계가 있으므로 도전을 측정의 평가로 열전도성도③

평가 할 수 있다.

특허 분석 결과특허 분석 결과특허 분석 결과특허 분석 결과(6)(6)(6)(6)

이상의 특허를 분석한 결과 열전도성과 주조성의 관점에서 합금 설계시에 유의해야

할 사항을 파악할 수 있었으며 이를 정리하면 다음과 같다, .

는 열전도도를 크게 저하시키지 않으며 주조성을 개선한다- Ni .

미량원소의 첨가량이 증가할수록 기계적 특성은 향상되지만 열전도 특성은 저하-

한다.

미량 첨가한 는 열전도도를 크게 저하시키지 않으며 금형과의 소착을 방지하- Fe

여 주조성의 개선에 도움이 된다.

의 첨가는 주조성을 양호하게 하지만 열전도도의 저하를 초래한다- Si .

미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측미량 첨가원소에 따른 열전도도 특성변화 예측2.2.2.2.

열전도도를 크게 저하시키지 않으며 주조성을 양호하게 가져갈 수 있는 합금계를

설계하기 위하여 미량 첨가 원소가 열전도성에 미치는 영향을 조사하였다 특성 변.

화 예측은 크게 두가지 방법을 사용하였다 첫 번째는 실험에 의한 를 분석하. data

는 방법으로 에서 제조한 시편의 특성 분석 결과와 앞서 보호한 특허의 내음, KIMM

을 분석하여 미량 원소의 함량에 따른 열전도도의 저하를 예측하는 방법이다 두.

번째는 이론적인 방법으로 미랑 원소의 함량에 따른 전기저항의 증가를 역산하여

열전도도의 저하를 예측하는 방범이다.

- 20 -

실험 에 의한 분석 결과실험 에 의한 분석 결과실험 에 의한 분석 결과실험 에 의한 분석 결과(1) data(1) data(1) data(1) data

에 의 함량에 따른 열전도도의 저하가 얼마인지를 예측하기 위하여 합Al Si, Ni, Fe

금 성분에 따라 열전도도의 변화를 하고 미량 원소 첨가량에 따른 특성 저하치plot

를 수식화 하였다.

합금합금합금합금Al-siAl-siAl-siAl-si①①①①

함량에 따른 열전도도의 변화를 그림 에 나타내었다 는 일본특허Si 1 . data

에서 참고한 것이며 의 갯수가 적어 명확한 값을 제시하P2001-316748 , data point

기는 힘들다 대체로 까지는 열전도도가 급격히 감소하고 그 이상에서는 완만히. 2%

감소한다 함량에 따른 열전도도의 감소율 는 대략 다음의 식으로 나타낼 수 있. (y)

다.

y = - 32 wt.%Si (<2wt.%Si)

그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하1 Al-Si Si1 Al-Si Si1 Al-Si Si1 Al-Si Si

- 21 -

합금합금합금합금Al-NiAl-NiAl-NiAl-Ni②②②②

함량에 따른 열전도도의 변화를 그림 에 나타내었다 는 에서 제조한Ni 2 . data KIMM

시험편에서 얻은 것이다 대체로 까지는 열전도도가 완만히 감소하는데 대략 다. 5% ,

음의 식으로 나타낼 수 있다.

y = - 7 wt.%Ni (<51wt.%Ni)

그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하2 Al-Ni Ni2 Al-Ni Ni2 Al-Ni Ni2 Al-Ni Ni

합금합금합금합금Al-FeAl-FeAl-FeAl-Fe③③③③

함량에 따른 열전도도의 변화를 그림 에 나타내었다 는 일본특허Fe 3 . data

에서 참고한 것이며 의 갯수가 적어 명확한 값을 제시하P2001-316748 , data point

기는 힘들다 함량에 따른 감소율은 대략 다음의 식으로 나타낼 수 있다. .

y = - 35 wt.%Fe (<1wt.%Fe)

- 22 -

그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하그림 에서 함량에 따른 열전도도의 저하3 Al-Fe Fe3 Al-Fe Fe3 Al-Fe Fe3 Al-Fe Fe

합금 성분에 따른 열전도도의 예측합금 성분에 따른 열전도도의 예측합금 성분에 따른 열전도도의 예측합금 성분에 따른 열전도도의 예측④④④④

에 등의 성분을 투입하여 합금을 제조하고 각 성분간에 상호 간섭이Al Si, Ni, Fe ,

없다고 가정하면 합금량에 따른 열전도도 값은 다음의 식으로 표시할 수 있다 여.

기서 은 순 알루미늄의 열전도도값이다250 .

Y = 250 - {32[Si] + 7[Ni] + 35[Fe]} (<2wt.%Si, 5wt.%Ni, 1wt.%Fe>)

전기저항 변화에 의한 분석 결과전기저항 변화에 의한 분석 결과전기저항 변화에 의한 분석 결과전기저항 변화에 의한 분석 결과(2)(2)(2)(2)

미량 첨가 원소가 알루미늄의 전기 저항에 미치는 영향을 표 에 나타내었다 전기1 .

저항은 전기전도도 반비례하는 관계를 가지고 있다 또한 전기전도도는 열전도도와. ,

비례하는 관계에 있는데 일반적으로 그 관계는 다음의 비례관계를 따르는 것으로,

알려져 있다.

T.C (W/mK)= 13.4 + 3.51 E.C (%IACS)

- 23 -

따라서 이상의 관계로부터 합금 성분에 따른 열전도도의 변화를 할 수 있는, plot

데 이 관계로 부터 미량 원소 첨가량에 따른 특성 저하치를 수식화 하였다 그림, .

에 중요한 합금원소의 특성 변화 및 특성 저하치를 나타내었다4, 5, 6 .

표 알루미늄 합금에서 미량 첨가 원소의 함량에 따른 전기 저항의 증가표 알루미늄 합금에서 미량 첨가 원소의 함량에 따른 전기 저항의 증가표 알루미늄 합금에서 미량 첨가 원소의 함량에 따른 전기 저항의 증가표 알루미늄 합금에서 미량 첨가 원소의 함량에 따른 전기 저항의 증가1.1.1.1.

- 24 -

그림 합금에서 미량원소 함량에 따른 열전도도의 저하그림 합금에서 미량원소 함량에 따른 열전도도의 저하그림 합금에서 미량원소 함량에 따른 열전도도의 저하그림 합금에서 미량원소 함량에 따른 열전도도의 저하4 Al4 Al4 Al4 Al


- 25 -


결과 분석결과 분석결과 분석결과 분석(3)(3)(3)(3)

이상의 결과에서 보는 바와 같이 열전도 특성을 크게 저하시키지 않는 원소로는

등이 있으며 등은 특성을 상당히 저하시킨다Fe, Ni, Zn , Si, Mn, Mg, Ti, V, Zr .

- 26 -


이상의 특허 분석 및 미량원소가 특성에 미치는 영향 예측 결과를 바탕으로 주조성

을 개선시키고 열전도도의 큰 저하를 초래하지 않는 원소인 에 대한 특성 변화를Ni

조사하였다 한국기계연구원에서 보유한 급 용해로를 이용하여 의 함량별로. 20kg Ni

소재를 제조하였다 제조한 소재에 대하여 성분을 분석하고 전기전도도 및 경도를. ,

측정하였다 상대적인 특성 비교를 위하여 기존의 방열판 소재인 압출재에. A6063

대하여도 동일한 분석을 하였다.

제조 합금의 성분제조 합금의 성분제조 합금의 성분제조 합금의 성분(1)(1)(1)(1)

전기전도도 전기저항 측정값을 환산전기전도도 전기저항 측정값을 환산전기전도도 전기저항 측정값을 환산전기전도도 전기저항 측정값을 환산(2) ( %IACS )(2) ( %IACS )(2) ( %IACS )(2) ( %IACS )

압출재는* A6063 39.1%IACS.

- 27 -

경도 측정경도 측정경도 측정경도 측정(3) (HB)(3) (HB)(3) (HB)(3) (HB)

압출재는* A6063 62.5HB


의 첨가량이 증가함에 따라 전기전도도는 저하되었지만 의 첨가량이 까Ni , Ni 3wt.%

지는 압출재와 비슷한 전기전도도를 유지하고 있음을 알 수 있었다 반면A6063 . ,

의 첨가량이 증가함에 따라 경도는 증가하지만 의 첨가량이 까지도 경도Ni Ni 5wt.%

는 압출재에 도달하지 못하였다 그러나 방열판이 하중을 많이 지탱하는 부A6063 .

품이 아니므로 큰 문제는 없을 것으로 판단된다.


차 시험주조의 결과를 바탕으로 기존의 방열판 소재인 소재에 을 첨가하1 A6063 Ni

여 시제품을 제조하는 작업을 수행하였다 시제품은 고려 주공에서 급 도가니. 500kg

를 이용하여 합금에 모합금을 의 조성을 달리하여 정도A6063 Al-12%Ni Ni 3-4%

가 되게 투입하여 제조하였다 제조한 시제품에 대하여 성분을 분석하고 전기전도. ,

도 및 경도를 측정하였다.

금형 설계 및 제작금형 설계 및 제작금형 설계 및 제작금형 설계 및 제작(1)(1)(1)(1)

소재에 을 첨가할 경우의 주조성을 확인하기 위하여 기존에 미국의A6063 Ni P①

사에 을 제출했던 금형을 사용하였다Sample .

- 28 -

은 삽입하지 않은 상태에서 만을 주조하여 경향을 파악하였다Fin base .②

시제품 형상시제품 형상시제품 형상시제품 형상(2)(2)(2)(2)

그림 차 시제품의 형상 화살표는 균열 발생부위그림 차 시제품의 형상 화살표는 균열 발생부위그림 차 시제품의 형상 화살표는 균열 발생부위그림 차 시제품의 형상 화살표는 균열 발생부위7 1 ( )7 1 ( )7 1 ( )7 1 ( )

(a) A6063 (b) A6063+3.5Ni (c) A6063+4Ni (d) AC4C(A356)(a) A6063 (b) A6063+3.5Ni (c) A6063+4Ni (d) AC4C(A356)(a) A6063 (b) A6063+3.5Ni (c) A6063+4Ni (d) AC4C(A356)(a) A6063 (b) A6063+3.5Ni (c) A6063+4Ni (d) AC4C(A356)

성분분석 습식분석 결과성분분석 습식분석 결과성분분석 습식분석 결과성분분석 습식분석 결과(3) ( )(3) ( )(3) ( )(3) ( )

- 29 -

전기저항에 의한 전기전도도 측정전기저항에 의한 전기전도도 측정전기저항에 의한 전기전도도 측정전기저항에 의한 전기전도도 측정(4)(4)(4)(4)

순동의 전기비저항값 측정된 전기비저항값(Note 1) %IACS = / *

100

경도 측정경도 측정경도 측정경도 측정(5)(5)(5)(5)

경도 하중 콘 직경 사용- brinell , 500kg, 10mm


함량과 주조성- Ni

그림 에서 보는 바와 같이 의 경우 다량의 이 발생하였지만 을7 A6063 hot crack Ni

첨가한 경우 의 발생이 감소하고 다량 첨가시에는 이 발생하지hot crack hot crack

않은 것을 볼 수 있다 이는 주조성이 양호한 에 버금가는 외관을 보이. AC4C(A356)

고 있다 그러나 한편 성분분석결과를 보면 주조가 양호하게 이루어진 번 소재. , , , ③

와 불량이 발생한 번 소재의 함량은 큰 차이가 없다 이는 함량에 따라 주Ni . Ni②

조성이 개선되지만 함량 이외에도 다른 요인이 영향을 미치고 있음을 의미하며, Ni ,

용해시의 주입온도 금형 재질에 따라 주조성이 개선될 수 있음을 의미한다 따라, .

서 과도하게 을 다량 첨가하는 것을 지양하고 의 함량을 사이에서 조절, Ni Ni 1-2%

하고 주입온도 금형 재질 등을 개선하여 주조성을 개선하는 방향으로 연구개발이,

진행되어야 한다.

- 30 -

함량과 전기전도도- Ni

주조재와 압출재의 전기전도도는 거의 동일한 값을 보였지만 이A6063 , Ni

가량 첨가된 번 소재의 도전율은 로 정도 전기전도도가3.5-3.8% , %IACS 5%② ③

감소하였다 따라서 다량의 을 첨가하는 것은 전기전도도의 저하를 초래하므로. Ni

피해야 할 것으로 보인다 또한 특허의 내용을 고려하여 보면 함량을. , , Ni

정도 첨가한 경우 전도도의 저하가 로 우수한 특성을 유지하고 있1.5-2.2% , 1-2%

음을 알 수 있다.

함량과 경도- Ni

예상한 바와 같이 압출재의 경도가 단연 우수하였다 이는 압출재의 경우A6063 .

열처리 및 가공을 받았기 때문에 우수한 경도를 보인다 반면 주조재의 경우 의. , Ni

함량이 증가함에 따라 경도는 증가함을 알 수 있다 따라서 첨가에 따라 경도, . , Ni

나 강도는 그다지 문제삼지 않아도 될 것으로 보인다.


차 시험 주조 및 시제품 주조의 결과를 바탕으로 주조성과 열전도도 특성을 유지1

할 수 있는 합금계를 설계하였다 주조성을 유지하기 위하여 의 함량을 허용하는. Si

범위에서 최소화시키고 이의 대체 원소로 을 첨가하는 합금계로 구성하였다 한Ni .

국기계연구원에서 보유한 급 용해로를 이용하여 의 함량별로 소재를 제20kg Si, Ni

조하였다 제조한 소재에 대하여 성분을 분석하고 전기전도도 및 경도를 측정하였. ,

다 상대적인 특성 비교를 위하여 기존의 방열판 소재인 주조재에 대하여도. AC4C

동일한 분석을 하였다.

- 31 -

제조 합금의 성분제조 합금의 성분제조 합금의 성분제조 합금의 성분(1)(1)(1)(1)

열전도도열전도도열전도도열전도도(2) (W/mK)(2) (W/mK)(2) (W/mK)(2) (W/mK)

- 32 -

경도 측정경도 측정경도 측정경도 측정(3) (HB)(3) (HB)(3) (HB)(3) (HB)

미세조직미세조직미세조직미세조직(4)(4)(4)(4)

그림그림그림그림 8888 차 시험 주조시편의 미세조직차 시험 주조시편의 미세조직차 시험 주조시편의 미세조직차 시험 주조시편의 미세조직2 (a) ASN12 (b) ASN222 (a) ASN12 (b) ASN222 (a) ASN12 (b) ASN222 (a) ASN12 (b) ASN22

(c) ASN32 (d) ASN72 (e) ASN21 (f) ASN23 (g) ASN22F (h) AC4C(c) ASN32 (d) ASN72 (e) ASN21 (f) ASN23 (g) ASN22F (h) AC4C(c) ASN32 (d) ASN72 (e) ASN21 (f) ASN23 (g) ASN22F (h) AC4C(c) ASN32 (d) ASN72 (e) ASN21 (f) ASN23 (g) ASN22F (h) AC4C

- 33 -


그림 는 다양한 및 함량에 따른 열전도도를 분석한 결과이다 의 함량을9 Si Ni . Ni

로 고정하고 의 함량을 변화시킨 경우 그림의 표 의 함량이 증가함에2wt.% Si ( ), Si■

따라 열전도도는 지속적으로 감소하는데 의 함량이 부근에서 약간의 감소세, Si 3%

의 둔화를 보인다 한편 의 함량을 로 고정하고 의 함량을 변화시킨 경. , Si 2wt.% Ni

우 그림의 표 의 함량이 증가함에 따라 열전도도는 감소하는데 의 함량이( ), Ni , Ni●

부근에서 감소세의 둔화를 보인다 과 의 총함량에 따른 변화를 고려하면2% . Si Ni

그림의 표 총 함량의 증가함에 따라 열전도도는 지속적으로 감소하는 함량이( ), ,▲

에서 감소세의 둔화를 보인다4-6% .

그림 차 시험 주조시편에서 함량에 따른 열전도도의 변화그림 차 시험 주조시편에서 함량에 따른 열전도도의 변화그림 차 시험 주조시편에서 함량에 따른 열전도도의 변화그림 차 시험 주조시편에서 함량에 따른 열전도도의 변화9 2 Si, Ni9 2 Si, Ni9 2 Si, Ni9 2 Si, Ni

- 34 -


차 시험주조의 결과를 바탕으로 계 합금에 대하여 시제품을 제조하는 작2 Al-si-Ni

업을 수행하였다 시제품은 고려 주공에서 급 도가니를 이용하여 순알루미늄에. 50kg

모합금을 및 의 조성을 달리하여 제조하였다 제조한 시Al-20%Si, Al-10%Ni Si Ni .

제품에 대하여 성분을 분석하고 전기전도도 및 경도를 측정하였다, .


차 시제품 제조시와 동일한 금형 사용1①

판만 성형Base②

성분분석성분분석성분분석성분분석(2)(2)(2)(2)

전기저항 측정전기저항 측정전기저항 측정전기저항 측정(3)(3)(3)(3) **** 전기전도도 환산값전기전도도 환산값전기전도도 환산값전기전도도 환산값( %IACS )( %IACS )( %IACS )( %IACS )

- 35 -

경도 측정경도 측정경도 측정경도 측정(4)(4)(4)(4)

열전도도 비교열전도도 비교열전도도 비교열전도도 비교(5)(5)(5)(5)


시험 주조를 통해 개발한 합금은 열전도도 특성이 우수하였으며 금형 주조ASN22 ,

시에 외관의 형상이 우수하였다.


차 시험주조의 결과를 바탕으로 하여 를 차 시작업에 적용키로 하였다2 ASN22 3 .


실제 제품에서의 영향을 분석하기 위하여 중계기용 금형을 신규 제작하여 적용①

하였다.

양산성을 개선하기 위하여 의 형태 및 제품의 취출 구조를 달리 하였으며 생Fin②

산성 향상을 차 목적으로 하였다2 .

- 36 -


그림그림그림그림 10101010 시제품 배면형상 시제품 배면형상 시제품 상면시제품 배면형상 시제품 배면형상 시제품 상면시제품 배면형상 시제품 배면형상 시제품 상면시제품 배면형상 시제품 배면형상 시제품 상면(a) #1 (b) #2 (c)(a) #1 (b) #2 (c)(a) #1 (b) #2 (c)(a) #1 (b) #2 (c)

결함부위 결함부위 측면부 형상 표면 형상결함부위 결함부위 측면부 형상 표면 형상결함부위 결함부위 측면부 형상 표면 형상결함부위 결함부위 측면부 형상 표면 형상(d) (e) (f) (g) Crack (h) Fin(d) (e) (f) (g) Crack (h) Fin(d) (e) (f) (g) Crack (h) Fin(d) (e) (f) (g) Crack (h) Fin

형상형상형상형상(i) Fin(i) Fin(i) Fin(i) Fin


차 시험주조의 결과를 바탕으로 생산을 위한 의 형태를 개선하고 용과 같3 JIG AMP

은 소형제품을 생산할 경우의 주조 결함을 검토하기 위하여 차 시험작업을 진행하4

였다.

- 37 -


용과 중계기용 금형을 이용AMP①

중계기용의 생산용 형태 개선JIG②

금형의 탕도부분을 개선하여 흐름성 개선③


그림그림그림그림 11111111 용 용 용 배면 가공형상용 용 용 배면 가공형상용 용 용 배면 가공형상용 용 용 배면 가공형상(a) AMP #1 (b) AMP #2 (c) AMP #1(a) AMP #1 (b) AMP #2 (c) AMP #1(a) AMP #1 (b) AMP #2 (c) AMP #1(a) AMP #1 (b) AMP #2 (c) AMP #1

용 배면 가공형상 중계기용 중계기용용 배면 가공형상 중계기용 중계기용용 배면 가공형상 중계기용 중계기용용 배면 가공형상 중계기용 중계기용(d) AMP #2 (e) #1 (f) #2(d) AMP #2 (e) #1 (f) #2(d) AMP #2 (e) #1 (f) #2(d) AMP #2 (e) #1 (f) #2

중계기용 형상 형상중계기용 형상 형상중계기용 형상 형상중계기용 형상 형상(g) #3 (h) Fin (i) Fin(g) #3 (h) Fin (i) Fin(g) #3 (h) Fin (i) Fin(g) #3 (h) Fin (i) Fin

- 38 -


차 시험주조의 결과를 바탕으로 제품에 나타나는 주조결함 기포 을 개선하4 (Crack, )

기 위하여 차 시험작업을 진행하였다5 .


중계기용의 생산용 형태 및 재질 변경 적용JIG①

금형의 탕도 부분 수정 및 빼기 실시GAS②


그림그림그림그림 12121212 시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4

시제품 시제품 표면 표면시제품 시제품 표면 표면시제품 시제품 표면 표면시제품 시제품 표면 표면(e) #5 (f) #6 (g) Crack #1 (h) Crack #2(e) #5 (f) #6 (g) Crack #1 (h) Crack #2(e) #5 (f) #6 (g) Crack #1 (h) Crack #2(e) #5 (f) #6 (g) Crack #1 (h) Crack #2

표면 표면 표면표면 표면 표면표면 표면 표면표면 표면 표면(i) Crack #3 (j) Crack #4 (k) Crack #5(i) Crack #3 (j) Crack #4 (k) Crack #5(i) Crack #3 (j) Crack #4 (k) Crack #5(i) Crack #3 (j) Crack #4 (k) Crack #5

표면표면표면표면(l) Crack #6(l) Crack #6(l) Crack #6(l) Crack #6

- 39 -

그림 계속그림 계속그림 계속그림 계속12 ( )12 ( )12 ( )12 ( )


차 시험주조의 결과를 바탕으로 제품에 나타나는 주조결함 기포 을 개선하5 (Crack, )

기 위하여 차 시험작업을 진행하였다6 .


중계기용의 생산용 형태 및 재질 변경 적용JIG①

금형의 탕도 부분 수정②

- 40 -


그림그림그림그림 13131313 시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품시제품 시제품 시제품 시제품(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4

시제품 시제품 표면 표면 결함시제품 시제품 표면 표면 결함시제품 시제품 표면 표면 결함시제품 시제품 표면 표면 결함(e) #5 (f) #6 (g) Crack (h)(e) #5 (f) #6 (g) Crack (h)(e) #5 (f) #6 (g) Crack (h)(e) #5 (f) #6 (g) Crack (h)

- 41 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

특허 분석을 통하여 합금의 설계방향을 결정하고 수차례의 시험주조과정을 거쳐

시제품 제작에 착수를 했다 열전도도 측정결과 열전도도는 당장 판매 제품에 적용.

해도 이상이 없는 정도로 개발이 되었으나 제품 취출 상태에서 제품의 변형이나,

등 외관에 나타나는 문제점이 있어 이를 해결하기 위하여 기술 개발을 진행crack

하였고 차 시험주조 작업을 통해서는 만족할 만한 수준의 외관 품질을 확보 할 수6

있었다 그러나 제품의 배면 가공을 통해 내부의 기포를 검토한 결과 예상보다 많.

은 기포가 함유되어 있었다 이 문제점은 주조유동해석 및 주조 조건 제어 주조방. ,

식의 부분적인 변형 등을 통하여 제조 공정을 보완하면 해결이 가능할 것으로 판단

된다.

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방열판용 고열전도성 알루미늄합금 설계 및 제조 기술 지원 ·...

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