맞춤형 부품 설계에서 열전도도와 열팽창의 관계

제조 공정에서 열 관리 기술을 숙달하는 것은 부품이 첫날부터 고장 날지, 아니면 수년 동안 견딜 수 있을지를 결정짓는 요인입니다. 열전도도와 열팽창이라는 관점에서 열을 이해하면, 엔지니어들은 부품 제조 과정에서 일어나는 열전달의 원리를 파악하는 데 도움이 됩니다. 또한 온도 구배는 재료 내 두 지점 간의 온도 차이를 나타내는 중요한 요소입니다.

이 두 가지 특성이 어떻게 상호작용하는지 이해하면 실제 생산 현장에서 발생하는 문제를 예방할 수 있습니다. 예를 들어, 경도를 이유로 금형용 강재를 선택하면서 열전도율은 간과한다면 사이클 시간이 길어질 것입니다. 또한, 열팽창계수(CTE) 불일치를 확인하지 않고 플라스틱과 금속을 조립한 설계를 사용할 경우, 현장에서 부품이 뒤틀리거나 끼이는 현상이 발생할 수 있습니다.

이 가이드는 열전도도와 열팽창의 중요성, 그리고 이것이 금속 및 엔지니어링 플라스틱에 미치는 영향을 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.

열전도율과 열팽창의 정의: 왜 중요한가?

물질의 열전도율은 온도 변화 시 열을 전달하는 능력을 나타냅니다. 이는 (k)로 표기되며, 와트/미터·켈빈(W/mK) 단위로 측정됩니다. ^[1]. 금형 제작에서는 이 특성이 냉각 사이클 시간에 영향을 미치며, CNC 가공에서는 가공 중의 열 방출에 영향을 미칩니다.

열팽창이란 온도의 변화에 따라 크기와 부피가 어떻게 변하는지를 설명하는 현상입니다. 수학적으로는 선형 열팽창 계수(CTE, ∝=∆L/Lθ∆T)로 정의되며, 단위는 ×10⁻⁶/°C, 10⁻⁶/°K 또는 ppm/K로 표기됩니다.

∝: 선형 열팽창 계수(CTE).

∆L: 재료 길이의 변화량 (L-Lθ).

Lθ: 원재료의 길이.

∆T: 온도 변화 (최종 온도 - 초기 온도)

즉, 1 K의 변화는 1°C의 변화와 같습니다. 이를 맥락에 맞춰 설명하자면, 1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K입니다. 더 구체적으로 설명하자면, 23 ppm/K의 열팽창 계수(CTE)는 온도가 1 K 상승할 때마다 1미터 길이의 보가 23 µm 팽창함을 의미합니다.

열팽창 도식.

CTE는 단독으로 작용할 때보다 다른 재료와 결합될 때 더 큰 영향을 미치는데, 이는 서로 다른 CTE를 가진 두 결합 부품이 온도 변화에 따라 서로 다른 방식으로 팽창하기 때문입니다. 이러한 현상으로 인해 이종 재료 조립체에서 여러 가지 열적 적합성 문제가 발생합니다.

금형강, 알루미늄, 구리 합금 등 다양한 금속 간의 열전도율 차이

금속은 각각 서로 다른 열전도도를 보입니다. 특히 열 관리나 온도 민감도가 관여하는 제조 공정에서는 열전도도의 변화를 파악하는 것이 매우 중요합니다.

이 표는 각 물질의 열전도율과 다양한 산업 분야에서 수행하는 역할을 보여줍니다.

금속의 열전도율 편차는 다음과 같은 요인에 기인합니다:

• 원자 구조: 금속과 같은 물질은 원자 격자가 매우 정연하게 배열되어 있어 전자가 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 열을 더 잘 전도합니다.
• 재료 밀도: 밀도가 높을수록 열전도율도 높아집니다. 밀집된 원자 분자들은 열을 빠르게 전달합니다. 밀도가 10.49 g/cm³인 은은 밀도가 2.70 g/cm³인 알루미늄에 비해 열전도율이 높습니다.
• 온도: 온도의 변화는 열전도율에 영향을 미칩니다. 고온에 노출되면 구리나 철과 같은 일부 물질은 열전도율이 감소하는 경향이 있는 반면, 실리콘과 같은 다른 물질은 열전도율이 증가합니다.

왜 열팽창 계수의 절대값보다 열팽창 불일치가 공학적 위협으로 더 큰가?

열팽창계수(CTE) 불일치가 갖는 공학적 중요성은 열팽창계수가 서로 다른 두 재료를 조립할 때 발생합니다. 온도 변화가 발생하면 두 재료는 서로 다른 속도로 팽창 및 수축하게 되며, 이로 인해 계면 부위에 기계적 응력이 축적됩니다. 이러한 현상이 반복되면 재료 파손, 균열 또는 열피로가 발생합니다. 박리 현상이 발생하는 심각한 경우에는 오염 물질이나 수분이 침투하여 부품의 기능을 저해할 수 있습니다.

강철과 알루미늄과 같은 두 가지 금속을 예로 들면, 강철의 열팽창 계수(CTE)는 12.6×10⁻⁶/°C인 반면, 알루미늄은 약 23.6×10⁻⁶/°C로 팽창하며, 이는 강철의 거의 두 배에 달합니다. ^[2]. 각각 1미터 길이의 부재를 서로 1°C씩 상승시킬 경우, 이 두 부재를 서로 고정하면 11μm의 편차가 발생한다.

따라서 알루미늄 금형판과 강철 가이드 핀을 조합할 때는 단순히 실온뿐만 아니라 작동 온도에서 유격 계산을 수행해야 합니다.

전자 조립 과정에서 PCB와 콘포멀 코팅은 온도 변화 주기에 따라 팽창 및 수축합니다. FR-4 PCB의 팽창률은 기판 평면 방향에서 14~17 ppm/°C인 반면, Z축 방향에서는 70~90 ppm/°C입니다.  아크릴 코팅(70~120 ppm/°C), 우레탄(60~100 ppm/°C), 실리콘(150~300 ppm/°C) 등 다양한 코팅을 사용할 수 있습니다. 이는 많은 코팅재가 그 아래에 있는 PCB보다 훨씬 빠르게 팽창하고 접촉한다는 것을 보여줍니다. 이러한 차이로 인해 다음과 같은 특정 고장이 발생합니다.

1. 납땜 접합부의 피로: 코팅은 솔더 접합부와 표면 실장 부품을 둘러싸고 있기 때문에, 열에 의해 팽창하고 수축할 때 BGA나 QFP 핀과 같은 작은 칩 핀을 위로 당겨 접합부가 파손됩니다.
2. 유리전이온도(Tg)의 급격한 상승 현상: 코팅의 유리전이온도(Tg)를 초과하는 온도는 열팽창계수(CTE)를 증가시켜 기계적 변형을 가속화할 수 있습니다.

삽입 성형 공정에서 대부분의 금속 삽입 부품은 플라스틱 하우징으로 둘러싸여 있습니다. 황동 나사산 인서트는 ABS 재질의 외피를 갖추고 있으며, 열팽창 계수(CTE)로 인한 틈새를 흡수할 수 있도록 스탠드오프 형상으로 설계되었습니다. 이는 플라스틱이 금속보다 5~10배 더 빠르게 팽창하기 때문입니다.

단일 부품의 열팽창계수(CTE)는 균일한 부품의 열적 변화가 예측 가능하고 보정하기 쉬우므로 문제가 되는 경우가 거의 없습니다.

엔지니어들은 다중 재료 조립체에서 열팽창 계수(CTE) 불일치를 어떻게 고려하여 설계해야 할까요?

제품 설계자라면 업무 중 적어도 한 번쯤은 열팽창 계수의 차이로 인해 발생한 문제를 겪어본 적이 있을 것입니다. 실온에서는 완벽하게 맞던 부품도 온도가 변하면 뒤틀리거나, 갈라지거나, 변형될 수 있습니다. 이러한 결함은 CTE(α) 불일치로 인해 발생합니다.

당사의 엔지니어들은 부품 설계의 초기 단계부터 재료 선정, 공차 분석 및 열 평가 과정에서 열팽창 계수(CTE)를 고려합니다.

실온뿐만 아니라 작동 온도에서의 맞물림 및 접합부 계산

재료의 열팽창 계수(CTE)가 서로 다르면, 20°C에서 조립 시 완벽하게 맞았던 부품도 80–150°C에서는 동일한 간극을 유지하지 못할 수 있습니다.

가능한 경우 재료의 열팽창 계수(CTE)를 일치시킵니다.

이는 다중 재질 조립체에 가해지는 열 응력을 최소화하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 재질들이 동일한 비율로 팽창하고 수축한다면 치수 안정성을 유지할 가능성이 높습니다. 베릴륨 구리(BeCu)와 강철은 열팽창계수(CTE) 값이 거의 비슷하므로, 강철과 베릴륨 구리를 혼합한 금형 베이스는 반복적인 열 사이클에서도 안정성을 유지합니다.

플라스틱-금속 접합부의 규격 준수 특성

스탠드오프, 리브, 보스 등과 같은 규격에 부합하는 형상을 적용하면, 경질 금속 인서트보다 열팽창 차이를 더 효과적으로 관리할 수 있습니다.

플라스틱의 유리전이온도(Tg) 부근에서 나타나는 비선형 열팽창 계수(CTE) 거동을 고려한다.

PEEK와 같은 플라스틱 및 기타 반결정성 고분자는 유리전이온도(Tg)에 근접하거나 이를 초과함에 따라 열팽창계수(CTE)가 크게 변합니다. 단일한 상수 값의 CTE에만 의존하면 설계 계산 결과가 부정확해집니다.

열 성능 검증을 위한 시뮬레이션 및 프로토타이핑

설계 계산은 확실한 기준이 되지만, 실제 열 거동은 동적인 운전 변수에 의해 좌우됩니다. 유한요소법(FEA)과 열 시뮬레이션을 통해 온도가 변할 때 재료가 어떻게 반응할지 예측할 수 있습니다.

엔지니어링 플라스틱의 열전도율 및 팽창 계수 비교

금속 외에도 플라스틱은 제조 분야에서 중요한 역할을 하므로, 플라스틱의 열전도율을 측정하는 것 역시 마찬가지로 중요합니다. 열전도율과 열팽창률 측면에서 볼 때, 플라스틱은 두 척도 모두에서 정반대의 특성을 보입니다. 과도 평면 열원(TPS) 방식은 고분자의 열전도율을 정확하고 신속하게 측정해 줍니다. 과도 선원(TLS)은 용융 폴리머의 열전도율을 측정합니다.

ABS는 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스티렌을 의미합니다. 아크릴로니트릴 성분은 ABS의 열적 안정성을 높이는 데 기여합니다. ABS의 열전도율은 0.14~0.21 W/m·K 범위입니다. ABS의 브랜드인 CYCOLAC™ 수지는 비충진 등급 중에서도 뛰어난 치수 안정성과 낮은 선형 열팽창 계수(CTE)를 제공합니다. 따라서 차량 내장재 및 그릴, 도어 핸들, 아플리케와 같은 기타 장식 부품에서 소비자가 요구하는 미적 요소와 편안함을 충족시킵니다.

POM(델린/아세탈)의 열전도율은 0.31 W/m·K이며, 열팽창 계수(CTE)는 1.1 × 10⁻⁴ /°C입니다. 이 팽창률은 다른 일반적인 플라스틱에 비해 가장 높은 수준에 속합니다. 이러한 특성 덕분에 POM은 우수한 단열재 역할을 하며, 열 축적을 방지하는 데 도움이 됩니다.

PEEK는 치수 안정성과 열 안정성 면에서 뛰어난 성능을 보입니다. 0.24~0.26 W/m·K 범위의 낮은 열전도율 덕분에 우수한 절연체입니다. 선형 열팽창 계수(CTE)가 45–55 × 10⁻⁶ /°C인 PEEK는 유리전이온도(Tg)가 143°C로, 대부분의 고분자 소재보다 높은 260°C까지의 고온을 견딜 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 PEEK는 자동차 및 항공우주 산업의 다양한 엔지니어링 용도에 이상적입니다.

나일론은 열전도율이 0.22~0.25 W/(m·K)로 매우 낮아, 열전도체보다는 단열재로 더 적합합니다. 이러한 특성 덕분에 엔진 커버나 공기 흡입 매니폴드와 같은 부품을 산업적으로 생산하는 데 유용하게 사용됩니다.

결론

이 기사에서는 열전도도와 열팽창이 단순히 재료의 특성 그 이상이며, 제품 성능에 결정적인 영향을 미치는 요소임을 밝혀냈다. 재료가 열을 전달하는 방식을 이해함으로써 엔지니어와 혁신가들은 다양한 산업 분야에서 효과적인 열 관리 솔루션을 개발할 수 있게 된다.

퍼스트 몰드(First Mold)에서는 제조업체 및 엔지니어들의 협력을 바탕으로, 제품 개발의 초기 단계부터 이러한 과제를 해결해 나가고 있습니다. 당사는 소재 전문 지식, DFM(제조성 설계) 원칙, 그리고 철저한 열 분석을 반영함으로써, 실제 작동 환경에서도 당사 부품이 안정적인 성능을 발휘하도록 합니다.

저희는 제조 팀의 지원을 통해 고객 여러분이 이러한 과제를 극복할 수 있도록 돕는 데 열정을 쏟고 있습니다. 저희는 단순히 작동만 하는 제품을 만드는 것이 아니라, 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 일관된 성능을 발휘하는 제품을 제조합니다.

참조

[1] Pelleg, J. (2012). 재료의 기계적 특성. 스프링거. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International. (1990). ASM 핸드북, 제1권: 물성 및 선정: 철, 강 및 고성능 합금. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610