Metal Material Extrusion Additive Manufacturing 공정을 적용한 순수 구리 금속의 제조와 미세조직, 기계적 및 열전 특성

초록

Metal material extrusion additive manufacturing (M-MEAM)은 금속분말과 폴리머 바인더가 혼합된 filament 혹은 pellet 형태의 피드스톡을 압출하는 방식으로 적층제조를 한 후 탈지와 소결을 거쳐 near net shape의 순수 금속 부품을 얻는 소결기반 적층제조 방식이다. 전자 모듈의 모빌리티 확대 등으로 인해 전자 부품의 형태와 종류가 급격히 다양화됨에 따라 최근 적층제조를 도입하여 최적형상의 구리 부품을 제조하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 구리의 경우 레이저 반사율이 매우 높이 레이저를 사용하는 대표적인 금속 적층제조 방식 (powder bed fusion, directed energy deposition)으로 제조하기 어려움이 있으며 laser의 파장을 제어하거나 열원을 전자빔 등으로 변경하더라도 안정적인 물성을 얻기 힘들고 더욱 큰 비용 부담을 발생시킨다. 본 연구에서는 M-MEAM 공정을 활용하여 순수 구리 금속을 제조하였으며 그 미세조직 및 기계적 물성과 열전 특성을 열간압연 구리 판재와 비교하였다. 제조된 M-MEAM 시편의 내부 상대 밀도 측정 결과 99.3% 이상의 밀도를 갖는 것으로 확인되었다. 미세조직 관찰결과 M-MEAM Cu 소재는 등방형의 결정립과 어닐링 쌍정을 특징으로 하였다. 열간압연재의 경우 이방성이 있는 타원형의 결정립 형상을 가지며 결정립 내부에 다량의 slip trace를 보여 높은 초기 전위밀도가 의심되었다. 인장 시험 결과 항복강도의 경우 M-MEAM이 67.9 MPa, 열간 압연재는 283.8 MPa로, 인장강도의 경우 M-MEAM은 200.2 MPa, 열간압연재는 299.8 MPa로, 연신율의 경우 M-MEAM 은 56.4%, 열간 압연재는 13.3% 로 확인되었다. 인장 변형조직 관찰결과 M-MEAM은 깊고 큰 dimples가 고르게 분포 하였으며 multi-slip band가 다수 관찰되었다. 열간 압연재의 경우 뚜렷한 전단 밴드가 확인되었고 multi-slip 변형이 지배적이며 dimple은 일부 영역에서만 존재하였다. 열전도도 측정결과 M-MEAM 소재는 329.45 W/m*K를, 열간 압연재는 331.82 W/m*K를 보이며 M-MEAM 소재는 열간 압연재와 큰 열전도도 차이를 보이지 않았다. 추가로 digital correlation, 이론 열전도도 계산 등을 수행했으며 M-MEAM Cu의 변형거동과 열전도 기구를 공정 특징 및 미세조직과 연계하여 규명하고자 하였다.