소결형 Heat Pipe 제조기술 개발지원

2003. 5. 30.

지원기관 : 한국생산기술연구원

지원기업 : (주)대흥기업

산 업 자 원 부

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “소결형 Heat Pipe 제조 에 관한 기술 개발 지원”(지원기간 :

2002.5.1〜2003.4.30)과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다.

2003. 05. 30.

지원기관 : 한국생산기술연구원(대표자) 주 덕 영

지원기업 ： (주)대홍기업

(대표자) 김 상 식

지원책임자 : 김 성 완

참여연구원: 문 경 일

〃 : 박 종 덕

〃 : 조 현 진

〃 : 변 상 모

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목 차

제 1 장 서 론

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 본 론

제 1 절 기술지원 성과

1. 금속분말의 형태와 입도분석

2. 히트파이프의 소결에 영향을 미치는 변수의 분석

3. 투과도(Permeability)의 개념과 그 측정 원리

4. 다양한 구조의 소결윅 제조기술

5. 지원기술 결과의 평가

6. 지적 재산권

7. 기업에의 기여도

제 2 절 기술지원 수행

1. 기술 지원 추진 일정별 결과

2. 기술 지원 수행 방법 (기자재의 활용)

제 3 장 결 론

부 록

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제 1 장 서론

제 1 절 기술지원 필요성

히트파이프는 밀폐용기안의 작동유체가 연속적인 상변화를 이루며 열전달을 이루는

장치로 작은 온도차에서도 많은 열을 전달하기 때문에 전기 철도 차량의 전력반도

체냉각, 증폭기 등의 통신장비 냉각, 컴퓨터 등의 CPU냉각과 위성용 소자의 냉각

장치 및 통신 밀폐 함체 냉각용 열교환기 등에 그 응용이 급격히 증가하는 추세이

며 또한 폐열회수와 같은 열교환기용으로 개발 및 응용이 활발하게 진행되고 있다.

중력을 이용하는 열사이폰 (Thermosyphon, Wickless heat pipe) 형태의 히트파이

프가 주로 사용되며 그동안 본 과제의 요청기관인 (주)대홍기업은 이러한 히트파이

프의 작동특성과 설계, 히트파이프 냉각기의 설계 및 제조기술에 대한 연구와 개발

을 진행하여 기술과 가격경쟁력을 확보함으로써 현재는 수입에 의존하던 일본으로

수출하는 형편에 이르고 있다. 그러나 이러한 열사이폰은 중력에 의한 체적력을 이

용하기 때문에 열원과 냉각원의 배치에 많은 제한을 받는다. 이러한 제약을 해소하

기 위해서는 히트파이프 내부에 작동유체의 귀환을 위해 다공성의 심지를 설치하여

모세관 현상에 의한 펌핑력을 발생시키는 구조의 히트파이프가 요구되어진다. 이러

한 목적으로 설치되는 히트파이프의 윅은 히트파이프의 열전달 한계나 열전달 계수

를 결정하는 중요한 요소로써 그동안 높은 펌핑력과 낮은 열저항을 갖도록 다양한

구조의 윅이 개발되었으며 일반적으로 널리 사용되는 윅으로는 금속망(screen), 금

속소결(sintered metal), 그루브(groove), artery, slab, 복합 윅(composite wick),

mono-groove 등이 있다. 여러 모세관 구조물 중 금속분말형 윅은 수백도의 고온

환경 하에서 용기의 내벽에 미세 금속분말이나 fiber를 다층 소결하여 다공성을 갖

게 하는 방법이다.

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이것은 스크린 윅과 비교할 때 비교적 윅 설치 방법이 단순하고 내벽에 접촉상태가

우수하며 용기 벽에 윅의 형상을 비교적 자유롭게 설치할 수 있기 때문에 대량의

히트파이프를 생산에 용이한 방법이다.

한편 히트파이프 성능을 판단하게 하는 주요인자는 최대 열전달율과 열전달 계수

즉, 열전달 한계와 열저항으로, 특히 여러 열전달 한계의 요인 중 모세관 한계는 상

온의 온도범위와 지상에서 사용되는 히트파이프의 열전달 한계를 결정하는 가장 중

요한 요소이다. 금속소결 윅형 히트파이프에서 모세관 한계의 크기와 관련된 인자

로는 금속 분말의 지름, 형상, 기공율(porosity), 투과도(permeability), 소결체의 두

께 등으로 이중 높은 기공율과 투과도를 가지도록 소결하는 기술은 특히 히트파이

프용 금속분말 소결에서 요구되는 핵심 사항이다. 이와 함께 생산 공정 중 개입될

수 있는 내부의 산화나 불순물의 잔류 등에 의한 히트파이프 성능을 저하할 수 있

는 요인에 대한 제거는 히트파이프용 금속 분말 소결공정의 필수적인 요소이다.

제 2 절 기술지원 목표

히트파이프 윅으로 사용될 금속분말 소결체가 가져야할 기본적인 요소는 높은 기공

율과 투과도를 유지하면서 안정된 윅 구조를 이루도록 하는 것이다. 또한 이러한

윅의 제조공정이 단순하면서 안정적이며 산화와 이물질을 잔류시키지 않아야 한다.

이러한 목적에 따라 관내, 외벽, 관의 지름, 분말입자의 크기 등 다양한 적용환경에

적합한 금속분말 고착방법을 마련하고 소결의 분위기, 온도, 시간 등 관련변수를 제

어함으로써 각각의 소결조건을 확립하고자 하였다. 그리고 이러한 소결체의 기공율,

투과도 등 소결체의 시험 및 분석기법을 확보하여 제조된 소결체를 분석하는 기준

을 마련하였으며 이러한 관련 기술로부터 생산최적화를 위한 설비의 조건과 사양을

제시하고자 하였다.

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제 3 절 기술지원 내용

상기의 목표로부터 세부적으로 지원된 기술을 정리하면 아래와 같다.

-수입부품 제조기술 분석을 위한 reverse engineering

-분말의 입도 및 입자 분석자료 제시

-질소, 수소, 진공 등 분위기, 시간, 온도에 의한 소결체 제작과 소결조건 확립

-소결분위기에 따른 기공율, 투과도, 경도 등의 정량적 상관관계

-소결체의 기공율과 투과도 측정방법 및 기준 제시

-산화막, 분순물 등의 제거를 위한 방법 제시

-상용생산을 위한 설비 검토

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제 2 장 본론

제 1 절 기술지원 성과

1. 금속분말의 형태와 입도분석

히트파이프용 윅으로 사용하기 위한 금속 분말 소결체는 높은 기공율과 투과도를

가져야 한다. 따라서 적절한 소결환경을 찾고자 여러 가지 환경 하에서 수많은 소

결을 수행하여 소결 환경과 소결체의 특성을 파악하였다. 이를 위해 먼저 사용된

분말의 입도 및 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 분말 입자를 분석하였다(그림 1).

그림 1 분말의 형상 및 입도 분포를 보여주는 SEM 전자 현미경 사잔

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이 분말은 국내 C사에서 제조한 것으로 이들 분말중 ACU-140의 입도 분포가 그림

2에서 보는 것과 같이 매우 크기 때문에 ACU-140 분말은 -325 메쉬 채(sieve)를

이용하여 -325, +325의 분말로 분리하였으며 결국, ACU-140, ACU-140+325,

ACU-140-325, ACU-80의 4가지 종류의 동 분말로 실험을 행하였다. 이때 분말의

평균입도는 각각 60㎛, 70~80㎛, 30㎛, 170㎛ 였다. 분말 입도에 관계없이 모든

분말의 표면은 매우 불규칙 한 모양을 보였으며 이러한 표면형태는 많은 표면적을

가짐으로써 소결을 용이하게 하는 것으로 알려져 있다. 본 기술지원 과제의 관심사

항인 기공율 증대에도 긍정적인 역할을 하는 것으로 보인다.

그림 2 분말 입자의 입도 분포.

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2. 히트파이프의 소결에 영향을 미치는 변수의 분석

히트파이프용 소결윅은 전술한 바와 같이 높은 기공율과 투과도를 가져야 하며 또

한 내부 소결체의 기공이 최대한 많이, 고르게 분포하는 것이 중요하다. 그런데 이

기공의 분포 상태는 소결 공정 당시에 분위기에 의하여 결정 된다. 이 실험에서는

소결형 히트파이프의 소결체의 기공률에 영향을 미칠 수 있는 소결 변수들을 변화

하며 이들 관련인자에 따른 기공률의 변화를 파악하고자 하였다.

소결로는 생기원에서 보유하고 있는 연속로 타입의 로를 사용하였다. 본 로는 벨트

타입로로서 분위기 유지와 시편의 장입에 유리하였지만 박스형태의 로에 비교하여

대량생산에 어려움이 있는 것으로 판단되었다.

1) 실험 조건

-소결 온도 : 온도는 통상적으로 450도에서 30분 유지, 850도에서 30분을 기준으

로 온도의 영향을 파악하고자 450도 환경에서 온도의 유지 유무, 800도나 950도에

서 30분 유지하는 조건

-소결 분위기 가스 : 질소와 수소 분위기

수소 가스는 질소에 비해 같은 소결 조건이라면 분말 표면의 산화물을 환원시키는

역할을 하기 때문에 소결진행이 원활해질 수 있음.

-소결시간 : 소결 시간의 변화 실험에서는 450도의 어닐링 공정을 제거가능성을

파악.

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소결 히트파이프의 경우 소결을 최대한 적게 진행하여 소결의 초기 단계에서 분말

사이의 neck 형성만 이루어진 상태에서 소결이 종료되어야 하며 생산성의 증대라

는 관점에서도 소결 시간 감소가 요구됨.

2) 기공율 측정법과 기공율 측정 결과

알려진 기공율 측정 방법을 아래 표에 정리하였으며 그 특성을 비교하였다. 이중

흡습법, imbibition, porosimeter, photography (image analysis) 법을 사용하여 측

정하고 그 각각의 결과를 비교 분석하였다.

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3) 기공율 측정 결과

①분말의 변화에 따른 기공율 변화

동일 소결 조건이라면 ACU-140 중 +325의 기공율이 제일 높고 ACU-80, -325의

순으로 나타나고 있다. 같은 소결 조건이라면 질소에 비해 수소 분위기가 낮은 기

공율을 갖게 하며 흡습법 이외의 다른 기공률 측정 방법은 일정한 경향을 보이지

않으므로 측정 상의 오차가 존재 했던 것으로 사료된다.

② 소결 분위기에 따른 ACU-140의 소결체 특성

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동일한 공정 온도와 시간에서 질소첨가물 환경을 제외한 나머지 분위기에서는 공극

율에 미치는 영향이 미소한 것으로 판단되며 이중에서 질소 분위기 소결 후 수소

환원 공정은 비교적 제조 시간과 분위기 유지가 유리한 방법으로 판단된다.

③ 소결 온도 변화에 따른 기공율의 변화 (질소 분위기)

동일한 질소분위기에서 소결 온도 변화에 따른 기공률의 값은 큰 차이를 보이지 않

음으로써 800~900℃의 온도 변위에서 온도는 기공율 변화에 영향을 미치지 않은

것으로 판단된다.

④ 450도 어닐링 공정의 유무에 따른 기공률의 변화(질소 분위기, 수소 분위기) 소

결 공정 중 450도로 미리 예열(어닐링)하는 경우의 유무와 관계없이 기공률에 있어

서는 큰 차이가 나지 않음으로써 예열과정은 공정시간을 증가하는 원인이 된다. 그

러나 소결체 내부에 존재할 수 있는 불순물 등의 제거가 필요한 경우는 이 공정이

요구되는 경우도 있을 수 있다.

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4) 소결체의 경도

실험 소결 시편의 크기가 일반 비커스 경도기나 록크웰 경도기 등으로 측정하기에

는 작아서 측정이 곤란하였다. 따라서 대표적인 소결 조건에 대해 소결 시편을 제

작하여 록크웰 B scale 경도를 측정하였다.

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측정 결과 분말 입도에 따라 경도값의 차이는 매우 미소한 것으로 파악 되었으며

그 값은 소결형 히트 파이프에서 요구하는 경도값을 잘 만족하였다.

5) 소결 실험 결론

① 소결체의 기공률을 측정하는 여러 가지 방법(흡습법, porosimeter, image

analysis)중 히트파이프용으로 실제의 작동유체가 함유되는 질량으로부터 정량적으

로 분석하는 흡습법이 적당한 방법으로 보인다. 이러한 이유는 흡습법의 경우는 기

공률이 약 0.5 정도의 값을 보이며 이는 소결이 안된 상태에서의 충진 질량비로부

터 구한 기공률인 0.55와 유사한 반면 porosimeter의 경우 0.25, image analysis의

경우 경향이 없이 0.1~0.2인 것과는 매우 많은 차이가 난다.

② 소결 입도 변화별 실험의 경우 ACU-140 중 +325가 기공률이 제일 높은 값을

보이며 미분이 많은 -325의 기공률이 가장 낮은 것으로부터 기공률을 높히기 위해

서는 입도가 보다 균일한 분말을 써야 할 것이다. 그러나 실제로 생산공정을 고려

할 때 분말을 체로 걸러서 사용하기 힘든 경우(대량 생산인 경우)라면 ACU-140 보

다는 입도가 균일한 ACU-80을 사용하는 것이 보다 낳을 것으로 보인다.

③ 소결 분위기는 질소 보다 수소 분위기가 소결이 더 빠르게 진행되는 것으로 보

인다. 이 결과 기공율이 낮아지는 결과를 초래한다. 따라서 소결로 내의 오염 문제

만 없다면 안전하고 저렴하며 기공률도 높은 질소분 위기가 추천될 수 있을 것으로

보인다.

④ 소결 온도 변화시 800도에서 900도 까지의 온도 범위에서 기공률은 큰 차이가

발생하지 않았다. 즉 이 온도 범위에서는 소결 온도 보다는 분말의 겉보기밀도가

기공률에 더 영향을 미치는 것으로 보인다. 히트파이프용 소결이 요구하는 높은 기

공율을 고려할 때 소결진행을 제어하여 초기 진행단계에서 소결을 종료하는 것이

유리한 것으로 판단되므로 온도는 700도 정도까지 낮추어 수행하는 것이 보다 적

절할 것으로 사료된다.

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⑤ 소결 공정 중 450도로 미리 어닐링 하는 공정을 제거한 결과 기공률에 있어서

는 큰 차이가 나지 않았으므로 일단 소결 시간의 단축이 가능할 것이다. 그러나 실

제 소결 후 시편 상태가 어닐링을 하지 않은 경우 오염이 상대적으로 많으므로 소

결공정 후 아닐링 과정에서의 환원처리 등으로 산화막 제거 등을 이룰 수 있도록

판단하여 수행하는 것이 추천된다.

⑥ 정량적으로 파악되지는 못하였으나 육안으로 확인되는 외관 상태나 노의 오염

문제 등을 모두 고려하면 수소 분위기를 이용한 환원공정이 요구되나 기공률 감소

를 초래하는 것으로 파악되므로 질소 분위기로 생산하고 수소 분위기로 환원 하는

등의 방법도 가능할 것이다. 외관 상태는 특히 온도가 올라갈수록 시편 표면이 산

화 되는 경향이 심하며 이를 방지하기 위한 방법으로 질소 가스를 저온 보다 더 많

이 주입하거나 노의 청소, 지그의 청소, 또는 수소 분위기의 사용 등으로 해결할 수

있을 것으로 사료된다.

3. 투과도(Permeability)의 개념과 그 측정 원리

투과도는 일정 압력구배 하에서 유체가 임의의 단면을 투과하는 유량으로 정의할

수 있다. 히트파이프로 사용되는 윅은 주어진 모세관암에 의하여 펌핑되는 액체가

윅을 통과할 때 증발부로 이동할 수 있는 액체의 양을 결정함으로써 열전달 한계를

지배하는 매우 중요한 요소이다. 주어진 투과 단면적과 길이로부터 투과도와 유량

은 아래의 식으로 표현할 수 있다.

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여기서 Q는 액체 유동율(m2/s), K는 투과도(m2), ΔP는 소결체 전후의 액체 압력

차(pa), Ac는 단면적(m2), L은 액체의 유동방향 길이(m), μ는 점성계수(Ns/m2)이

다.

그림3은 투과도를 시험하기 위한 장치의 개요를 보여준다. 실험장치는 ASTM을 참

조하여 일정한 수두를 유지하도록 정압탱크와 시편 그리고 액체의 온도가 일정한

온도를 유지하도록 항온장치를 이용하여 구성하였다.

투과도 실험은 아래의 방법으로 수행하였다. 먼저 항온조의 온도를 주변으로의 열

손실에 의한 온도변화를 최소화 하도록 20°C로 일정한 온도를 유지한 상태에서 증

류소를 액체 관로에 유동시켜 액체 전 관로의 온도 변화가 0.5°C 미만의 온도차를

유지할 때 시편을 통과한 증류수의 유량을 측정하였다. 실험에 사용된 시편은

ACU-140과 ACU-80의 두 가지 분말로 소결하여 얻어진 서로 다른 기공율의 소결

체를 사용하였다. 일정의 정압을 가한 상태에서 투과된 액체량을 측정 하여 얻어

진 실험값으로부터 상관식을 이용하여 투과도를 계산하였다. 먼저 그림 13-7은 계

측된 값으로 부터 계산된 투과도를 곡극율의 함수로 나타내었다. 그림에는 또한 잘

알려진 투과도를 계산하는 Blake-Kozeny 상관식을 이용하여 계산한 결과도 함께

도시하였다. 그림에서 Blake-Kozeny 상관식의 ACU-140의 경우는 50㎛, ACU-80

인 분말의 경우는 100㎛인 경우와 비교적 일치하고 있다. 이러한 결과는 부록의 평

균 입도 분석결과와도 비교적 접근하는 것으로 파악된다.

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그림 3 투과도 시험장치 개요도.

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그림 4 투과도의 상관식과 실험결과 비교.

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4. 다양한 구조의 소결윅 제조기술

히트파이프는 적용분야에 따라 지름과 형상이 변화하기 때문에 요구되는 윅의 구조

도 달라진다. 적용된 응용분야에 따른 윅의 구조는 아래와 같다.

- 원관 내부소결

- 사각단면 다통로형 소결

- 히트컵용 외면 소결

- 미니어쳐용 사각 단면 내부 소결

1) 원관 내부 소결

이 윅 구조는 가장 일반적인 원형 히트파이프용으로 사용될 수 있는 구조이다. 그

림 5는 소결체의 SEM촬영결과를 보여준다. 일반적으로 Cu 소결체의 경우, 기공율

이 40%일 경우 대부부의 기공이 open pore로 존재하며 따라서 본 실험에서 제조

된 소결체도 open pore로 구성되었을 것으로 예상된다.

그림 5 소결 구조와 소결 분말 SEM.

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그림 6 히트파이프 소결윅의 구조.

2) 사각단면 다통로형 소결

이 구조는 통신장비의 증폭기 냉각을 위한 열분산형 히트싱크에 사용될 목적으로

개발된 윅 구조로서 그림 7에서 보여지는 것과 같이 통로가 4개인 경우와 3개인

것으로 제조하였다.

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그림 7 사각 히프파이프의 단면 구조.

3) 히트컵 용 외면 소결

히트컵은 회전형 점도계나 Rheometer등의 시료를 수납하여 균일한 온도를 유지하

며 온도를 w제어하는 장치이다. 이 외로 레이져 마커용 스캐너 정밀온도제어 용으

로도 개발되었다. 그동안 사용되어오던 동 구조를 히트파이프 구조로 고안하였으며

이를 위하여 동봉 외면에 금속 분말을 소결하였다.

a) 히트파이프 히트컵 b) 히트파이프 히트컵용 소결체

그림 8 히트파이프 히트컵의 구조.

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4) 미니어쳐용 사각 단면 내부 소결

이 구조는 사각 단면을 갖는 미니어쳐 히트파이프용 소결체이다.

그림 9 미니어쳐 히트파이프용 소결체.

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5. 지원기술 결과의 평가

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6. 지적 재산권

1. 특허 출원

1) 히트파이프식 등온유지용기와 이를 이용한 등온유지장치

출원번호: 10-2002-65772

2) 레이저빔 포지션닝 장치(laser beam positioning device)

7. 기업에의 기여도

상기 소결체를 이용하여 (주) 대홍기업은

1. 최적 소결 공정 및 소결체 제어기술 (분위기 온도, 시간으로 공극율, 투과도 제

어 및 계측법) 확보

2. 히트파이프 설계(구조에 대한 열전달 한계, 열전달 계수해석과 용기 형상과 증기

통로 지름, 소결두께 공극율, 투과율 제어 )와 성능실험법등을 확보함으로써

3. 적용환경을 고려한 다양한 형태와 구조의 금속 분말 소결형 히트파이프 및 응용

장치를 개발하였다. 기간 내에 개발된 장치로는 반도체 소자의 냉각용 열분산형 히

트싱크, Rheometer, 회전형 점도계의 등온유지 용기(히트 컵), 레이져 마커용 스캐

너 모터 온도제어장치, 고성능 히트 파이프 식 열교환기 등으로써 현재 내수 및 수

출을 진행 중이며 아래 표에 정리하였다.

한편 소결환경을 검토함으로써 생산을 위한 소결로의 사양을 결정하였으며 설계를

완료하여 현재 제작 중이다. 결과물로서 소결로 설계도를 첨가하였다.

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※ 기술지원 응용제품의 시장 및 예상 매출현황

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제 2 절 기술지원 수행

1. 기술 지원 추진 일정별 결과

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2. 기술 지원 수행 방법 (가자재의 활용)

1) 연구 인력의 활용

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2) 사용 연구 장비 및 기자재의 활용

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3) 기술지원기관과 요청기업의 주요 업무분야와 활동

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4) 기술 지원 일지

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제 3 장 결론

1) 소결 입도 변화별 실험의 경우 ACU-140 중 +325가 기공률이 제일 높은 값을

보였으며 미분이 많은 -325의 기공률이 가장 낮은 것으로 나타났다. 최적 소결체

의 기공도는 0.49-0.51로서 Heat Pipe에 요구되는 최적의 기공률을 나타냈다.

2) 분위기에 따른 실험결과, 수소 분위기에서 보다 질소 분위기에서 좋은 기공도를

나타냈으나, 수소 분위기에서 소결 중 발생하는 환원 효과는 산화물 및 오염물의

제거 효과가 있었다. 결국, 최적 소결 공정은 질소분위 기에서 850°C에서 30분간의

열처리에 의해 소결체 제조 후, 수소 분위기 에서 650°C 에서 30분간 환원 처리하

는 것으로 나타났다.

3) 생기원의 최적 소결 공정 및 소결체 제어기술과 대홍기업의 히트파이프 설계 기

술 및 성능평가 능력을 접목하여 적용환경을 고려한 다양한 형태와 구조의 금속 분

말 소결형 히트파이프 및 응용장치를 개발하였다.

4) 흡습법 (imbibition), porosimeter, photography법을 이용하여 기공율을 측정하

였으며 흡습법을 이용할 경우 가장 정확한 값을 얻을 수 있었다.

5) 투과도(Permeability) 측정 결과를 Blake-Kozeny 상관식에 의해 계산된 결과와

비교할 ACU-140의 경우는 50㎛, ACU-80인 분말의 경우는 100㎛인 경우와 잘 일

치하는 것으로 나타났다.

6) 양산화 설비에 대한 사양이 결정되었으며 설비가 마련되면 본 연구의 중요 목표

중 하나인 제조원가 (φ=15mm, L300mm기준) 5,000원이하가 가능할 것이다. 이를

통해 sintered heat pipe의 국산화가 가능할 것이며 수출 가능한 해외 시장 발굴의

기틀을 마련하였다. 중요 실적으로 특허 1 건, 실용신안 2건, 연구 논문 및 기술 자

료 8건이 있다.

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