실험실 프레스를 통한 기계적 하중 적용은 두 금속 간의 미세 인터페이스를 근본적으로 변화시킵니다. 표면을 서로 밀착시켜 미세한 거칠기를 극복하고 직접 접촉 면적을 늘리며 절연 간격을 얇게 만들어 열전도율을 크게 향상시킵니다.
열 전달의 주요 장벽은 금속 자체가 아니라 불완전한 접촉으로 인한 "수축 저항"입니다. 기계적 압력은 표면 불규칙성을 변형시켜 더 직접적인 고전도성 경로를 생성하는 동시에 저전도성 유체층을 압축하여 통합된 열 인터페이스를 만듭니다.
인터페이스 저항 극복
직접 접촉점 증가
강철 또는 구리와 같은 광택 처리된 금속 표면조차도 미세하게 거칠게 되어 있습니다. 압력이 없으면 가장 높은 봉우리, 즉 거칠기에서만 접촉합니다.
기계적 하중은 이러한 표면을 밀착시켜 봉우리를 물리적으로 변형시킵니다. 이를 통해 금속 원자 간의 직접 접촉점 수가 크게 증가합니다.
이 지점들은 "다리" 역할을 하여 열이 절연 간격을 통과하지 않고 하나의 고전도성 고체에서 다른 고체로 직접 흐르도록 합니다.
수축 저항 감소
접촉이 몇 개의 지점으로 제한될 때 열 흐름선은 이를 통과하기 위해 함께 압착되어야 합니다. 이 현상을 수축 저항이라고 합니다.
압력을 가하면 총 접촉 면적이 증가하여 열이 통과할 수 있는 "게이트"가 효과적으로 넓어집니다.
이는 병목 현상을 줄여 금속 간 열 에너지의 더 원활하고 저항이 적은 전달을 가능하게 합니다.
간극 유체 압축
표면 봉우리 사이의 간격은 일반적으로 공기 또는 오일과 같은 유체로 채워져 있습니다. 이러한 유체는 일반적으로 니켈 또는 구리와 같은 금속에 비해 열전도율이 낮습니다.
가해진 압력은 인터페이스 간격 내에 갇힌 이러한 유체층의 두께를 압축합니다.
더 얇은 유체층은 열 흐름에 대한 저항이 적어 이종 재료의 인터페이스 전반에 걸쳐 총 열 전달 플럭스를 향상시킵니다.
장단점 이해
탄성 한계
압력을 증가시키면 전도성이 향상되지만 재료의 특성에 의해 결정되는 물리적 한계가 있습니다.
더 부드러운 금속(예: 강철-구리 쌍의 구리)의 항복 강도를 초과하는 하중을 가하면 영구적인 소성 변형이 발생합니다. 이는 접촉을 최대화하는 데 바람직할 수 있지만 샘플의 기하학적 구조를 영구적으로 변경합니다.
수확 체감
압력과 전도성 간의 관계는 무한하지 않습니다. 수확 체감 곡선을 따릅니다.
"수축 저항"이 최소화되고 유체 간격이 무시할 수 있을 정도로 표면이 충분히 밀착되면 더 많은 압력을 가해도 열적 이득은 미미합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
금속 인터페이스의 열 성능을 최적화하려면 다음 접근 방식을 고려하십시오.
- 주요 초점이 최대 열 전달인 경우: 장비의 안전 한계 내에서 가능한 가장 높은 기계적 하중을 가하여 접촉점을 최대화하고 유체 간격 두께를 최소화합니다.
- 주요 초점이 샘플 보존인 경우: 영구 변형을 피하기 위해 더 부드러운 금속의 항복점을 넘기 전에 접촉을 설정하기에 충분한 하중을 가합니다.
목표는 기계적 힘을 사용하여 두 개의 분리된 표면을 하나의 열적으로 효율적인 시스템으로 만드는 것입니다.
요약표:
| 메커니즘 | 열전도율에 미치는 영향 | 결과 |
|---|---|---|
| 거칠기 변형 | 직접 접촉점(다리) 증가 | 고체-고체 열 흐름 증가 |
| 게이트 확장 | 수축 저항 감소 | 열 병목 현상 최소화 |
| 유체 압축 | 절연 공기 또는 오일 층 얇게 만들기 | 인터페이스 열 저항 감소 |
| 압력 스케일링 | 수확 체감 곡선 따름 | 최적의 하중으로 효율성 극대화 |
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참고문헌
- Rachid Chadouli, Makhlouf Mohammed. Modeling of the thermal contact resistance of a solid-solid contact. DOI: 10.9790/1684-11527282
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