| 초록 |
서문 모바일 기기와 웨어러블 기기의 소형화 및 고성능화, 고집적화 등으로 인해 기기 내에서 발생하는 방출 열을 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 필요하게 되었다. 열전도성 고분자 복합재료는 가볍고 유연한 고분자의 특징과 뛰어난 열전도도를 가지는 필러의 특징이 모두 있는 효과적인 복합재료이다. 소형 전자기기에 적용하기 위해서는 열전도도가 더욱 뛰어난 열전도성 고분자 복합재료의 개발이 필요하며, 적은 양의 필러를 사용하여 더욱 가볍고, 비싸지 않은 복합재료를 개발할 필요가 있다. 본 분석에서는 알루미늄 등 금속 방열 소재를 대체하기 위한 열전도성 고분자 복합소재를 소개하고자 한다. 1. 개요 최근 자동차와 전자 분야 등에서 사용되는 전자기기는 소형화, 경량화, 다기능화, 고집적화 등 여러 방면에서 진화를 거듭하고 있다. 이러한 전자소자의 집적도가 높아질수록 내부에서의 열이 더욱 많이 발생하게 되는데, 소재에서 방출되는 방출 열은 소자의 기능을 저하시키고, 소자 주변에서 오작동을 일으키거나, 전자 소재의 열화를 일으키는 등 다양한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 전자소자의 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 방열 소재의 시장도 꾸준한 상승세를 보이고 있다. 또한 웨어러블 기기가 대두됨에 따라 유연하고, 더 나아가 연성이 있는 방열 소재가 각광을 받고 있다. 최근 보고가 되는 첨단 방열 소재는 높은 열전도율뿐만 아니라, 가벼운 무게, 유연성, 저비용 재료의 사용 등 다양한 강점이 있다. 특히 고분자 복합재료(polymer composite materials)는 유연하고 가벼운 고분자의 특성과 뛰어난 열전도율을 가지는 필러를 사용하여 두 장점을 모두 살릴 수 있다. 이 보고서에서는 방열 첨단소재 중에서도 유연성과 열전도율이라는 두 마리 토끼를 모두 잡은 연구에 대해서 알아보도록 하겠다. 그림 1. 방열 소재의 세계시장 (단위: 억 엔) 1 2. 물질의 열전도와 열전도성 재료 2.1. 물질의 열전도 방열 소자에 대해 설명하기에 앞서, 열전도에 대해 설명이 필요하다. 열전도란 물질 내에서 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 열이 이동하는 것이다. 고체의 열전도에는 크게 두 가지 메커니즘이 있다. 첫째로 포논(Phonon, 고체 내의 원자의 격자진동 등을 양자화함으로써 생기는 준입자) 전도로 인해서 생기는 열전달이며 나머지는 자유전자의 전도에서 생기는 열전달이다. 세라믹과 같은 비금속에서 열의 이동은 포논에 의한 것이 주된 것이다. 포논에 의한 열전도는 포논 산란(pho-non scattering)에 의해서 열저항이 생기는데, 포논 산란은 포논-포논 산란, 가장자리 산란(boundary scattering), 불순물 산란(impurity scattering) 등이 열전도에 영향을 미칠 수 있다. 이 산란을 억제시킨다면 최대의 포논의 평균이동거리(mean free path)를 증가시키고, 결과적으로 가장 높은 열전도도를 얻을 수 있다. 2.2. 열전도성 고분자 복합재료의 필요성 앞서 언급했듯이, 최근 모바일 산업과 웨어러블 기기의 시장이 커짐에 따라 고성능의 작은 전자소자가 개발이 되는 추세이다. 이런 소형 전자기기의 경우 항상 휴대하기 때문에 가벼운 방열 소재가 필요하다. 주로 사용되는 고분자 소재는 0.1~0.3 W/m?K 수준으로 열전도도가 매우 낮기 때문에 방열 소재로 사용하기에는 부적합하다. 이런 문제를 해결하고자 유연하고 가벼운 고분자를 매트릭스로, 열전도도가 높은 세라믹 혹은 나노카본(nanocarbons) 등을 필러로 사용한 복합재료를 제조하는 연구가 보고되고 있다. 열전도성 고분자 소재는 기존의 고분자 재료의 뛰어난 가공성, 저비용, 경량화뿐 아니라 다양한 형태로 성형이 쉽다는 특성에 세라믹과 나노카본 등의 특성을 부여할 수 있다. 그러나 고분자 복합재료에 열전도 특성을 높이기 위해서는 상당히 많은 양의 필러가 들어가게 되는데, 이런 경우에는 가공 조건이 까다로워지고 제품의 물리적 성질(강도, 유연성, 연성 등)에 영향을 미치게 된다는 문제점이 있다. 표 1에 다양한 재료의 열전도도와 고분자 소재의 열전도도에 대해 나타내었다. 고분자 복합재료의 열전도도를 향상시키기 위해서는 열전도성 필러가 연결되어 네트워크를 형성하도록 하거나 필러와 필러의 접촉에서 생기는 열저항 접촉의 수를 줄이기 위하여 크기가 큰 입자를 사용한다. 전자소자의 고집적화로 인해 열 밀도가 증가하고, 이것은 전자부품의 수명과 신뢰도에 큰 영향을 미치고 있다. 전자제품에 적용하기 위한 방열 소재의 열전도도는 1~30 W/m?K 값을 가져야 하고 방열 소재로는 금속, 세라믹, 나노카본 등 열전도성 필러와 고분자로 이루어진 복합재료를 사용하는 경우가 증가하고 있다. 표 1. 다양한 재료의 열전도도 2 3. 열전도성 고분자 복합재료의 연구 동향 3.1. Boron Nitride 나노튜브와 셀룰로오스 나노섬유의 복합재료를 이용한 방열 소재 Boron nitride는 30~600 W/m?K로 열전도도가 뛰어나지만 전기적으로는 부도체의 특징을 지니고 있는 재료다. 특히 Boron nitride 나노튜브(Nanotube; 크기가 나노미터 수준인 원기둥 모양의 재료)는 열전도도가 매우 높은 1차원 재료로 쉽게 구부려지고 기계적 강도가 뛰어난 재료이다. 기존의 큰 사이즈의 필러를 사용하였을 때보다, 1차원의 재료를 필러로 사용할 경우 앞서 얘기했던 고분자 복합재료의 단점(많은 필러가 필요한 문제, 가공이 어려운 문제 등)을 해결할 수 있을 것이라고 보고되고 있다 3 . 이런 이유에서 최근 Boron nitride 나노튜브의 복합재료를 이용한 방열 소재에 대한 연구가 이루어지고 있다. 중국 Chinese Academy of Sciences의 Wong 그룹은 Boron nitride 나노튜브와 셀룰로오스 나노섬유를 이용하여, 21 W/m?K로 열전도도가 높은 복합재료를 제작하였다 4 . 두 재료는 강력한 소수성-소수성 상호작용(hydrophobic-hydrophobic interaction)에 의해 계면에서의 높은 열전달이 일어나기 때문에 열전도도가 굉장히 높다. 해당 연구그룹에서는 복합재료로 제작한 필름을 실제 방열 소재로 적용하여 전자기기의 쿨링 어플리케이션으로 사용이 가능함을 보였다. 1차원 재료인 Boron nitride 나노튜브를 이용한 복합재료는 효과적으로 전자 재료의 열을 제어해줄 뿐 아니라 구기거나 접을 수 있는 유연성을 띠고 있다. 3.2. 그래핀과 셀룰로오스를 이용한 친환경 방열 재료 그래핀은 2000~5300 W/m?K에 이를 만큼 열전도도가 매우 높은 나노카본 재료이다. 다양한 연구에서 그래핀과 고분자 재료의 복합화를 통해 열전도도가 뛰어난 방열 재료를 보고하고 있다. 중국의 Shanghai University의 Peng Ding 그룹에서는 최근 그래핀과 셀룰로오스의 하이드로겔(hyrdro-gel)을 이용하여 방열 성능이 뛰어난 셀룰로오스-그래핀 복합체를 제조하였다. 5 친수성의 성질을 띠는 셀룰로오스는 표면에 관능기가 붙은 그래핀과 수소결합을 통해 상호작용하게 된다. 셀룰로오스-그래핀 복합체는 열전도도가 9 W/m?K인 것을 확인할 수 있다. 이 연구에서는 생분해성 고분자인 셀룰로오스를 기반으로 하여 복합체를 제조하는 한편, 하이드로겔을 핫프레싱(hot-pressing) 방법으로 필름화하여 한쪽 방향으로 정렬된 구조를 만들어 열전도도가 뛰어나도록 하였다. 3.3. 구조 제어를 통해 구현한 그래핀과 에폭시의 복합재료 단순히 섞는 방식의 복합재료를 통해서는 열전도의 네트워크를 형성하기 힘들다. 이런 문제를 해결하는 방식이 몇 가지 제시가 되었는데, 복합체 내부에서 필러의 배향을 조절하는 식의 접근방법들이 그것이다. 최근 중국의 Beijing University of Chemical Technology의 Zhong-Zhen Yu 그룹에서는 수직 방향으로 그래핀의 배향을 주는 방식으로 열전도가 뛰어난 그래핀-에폭시 복합체에 대한 연구를 발표하였다. 해당 연구에서는 directional-freezing 방법을 이용하여 그래핀이 수직 배향을 가지는 그래핀 에어로겔(aerogel)을 제작하였고, 에폭시를 추가하여 수직 방향으로 열전도도가 최대 6.5 W/m?K인 복합체의 제작 방법을 제시하였다. 아주 소량의 그래핀 함량(1.5 wt #37;)만으로 기존의 에폭시의 |
