폴리머의 열적 특성에 대한 붕사 첨가제의 가교 효과

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16029(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

최근 고분자 기반 소재가 다양한 분야에 활용되고 있으나 열전도율이 낮아 계면 열저항이 높아 활용이 제한되고 있다. 따라서 본 연구에서는 폴리비닐알코올(PVA)의 열적 특성을 향상시키기 위해 1차원 얇은 벽 탄소나노튜브(1D-TWCNT)와 2차원 질화붕소 나노시트(2D-BNNS) 필러를 사용하였다. PVA의 열적 특성을 향상시키는 데 고려해야 할 중요한 요소는 포논 수송을 위한 충분한 경로를 제공하고 필러 나노물질의 고유 열 특성 손실을 제어하는 ​​계면 구성 전략입니다. 본 연구에서는 1D-TWCNT/PVA 및 2D-BNNS/PVA 나노복합체의 열적 특성에 대한 사붕산나트륨(붕사) 첨가제의 효과를 조사했습니다. 붕사는 PVA와 함께 사용할 수 있는 잘 알려진 가교 첨가제입니다. PVA-붕사 나노복합체의 가교 밀도는 붕산염 이온 농도를 변경하여 제어되었습니다. 나노복합체에 붕사를 첨가하면 1D-TWCNT/PVA 나노복합체의 전도도가 최대 14.5%(4wt.% 붕사) 향상되고 2D-BNNS/PVA 나노복합체의 전도도는 BNNS(2wt.% 붕사)에 대해 최대 30.6% 향상됩니다. 따라서 붕사를 첨가한 경우 2D-BNNS/PVA 나노복합체는 1D-TWCNT/PVA 나노복합체보다 더 좋은 결과를 보였다.

향상된 성능 요구 사항과 전기/전자 장치의 고밀도 통합으로 인한 과도한 열 방출로 인해 열 관리가 점점 더 중요해지고 있습니다1. 불균일한 표면으로 인해 전자 부품과 방열판 사이에 틈이나 공극이 존재하며, 이로 인해 열 인터페이스(Kapitza) 저항이 높아집니다2. 따라서 열원과 방열판 사이에 사용되는 열 인터페이스 재료(TIM)는 열을 효과적으로 방출하는 데 중요한 역할을 합니다3,4. 폴리머 기반 재료는 특히 가공 용이성, 유연성 및 저렴한 비용으로 인해 TIM에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 고분자 기반 소재의 열전도율은 낮습니다(예: 0.19 W/m∙K). 따라서 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 질화붕소 등 열전도성이 높은 필러 나노물질을 고분자(매트릭스)에 결합시켜 TIM으로 활용하는 것은 전자소자 간의 접촉면적을 향상시키기 위한 최근 연구 동향 중 하나이다. 구성 요소 및 방열판1. 본 연구에서는 충진재로 1차원 박벽 CNT(1D-TWCNT)와 질화붕소(BN)를 사용하였다.

1차원 CNT는 자연계의 열전도율이 1000~3000W/m∙K5,6로 우수하여 열전도도 향상에 탁월한 특성을 나타냅니다. 열전도율은 재료 내부의 연속 전도성 네트워크 형성에 크게 의존합니다. 그러나 CNT의 함량이 증가하면 CNT와 모재(예: 폴리머)의 접합으로 인한 계면 포논 산란이 발생하여 열전도도 증가가 제한될 수 있습니다. 따라서 높은 열전도도를 유지하면서 복합재의 기계적 성질 및 기타 특성을 충분히 유지하기 위해서는 충진제의 분율을 조절하는 것이 필요하다. 다양한 문헌에서는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등 다양한 고분자 매트릭스를 포함하는 CNT 기반 나노복합체가 TIM 재료로 제안되었다7,8, 9,10,11,12. 또한, CNT는 열전도 측면에서 많은 이점을 갖고 있지만, 특히 금속성 또는 반도체성 특성으로 인해 열 전도성 물질의 전기 절연이 필요한 산업 응용 분야에서의 사용은 제한적입니다.

2차원 BN은 CNT와 유사한 우수한 열적 및 기계적 특성과 함께 높은 화학적 불활성 및 층간 상호 작용을 갖는 우수한 전기 절연체이기 때문에 필러로서 유망한 후보로 간주됩니다. 따라서 TIM15,16,17,18,19에서 폴리머의 낮은 열전도도를 향상시키는 필러로 사용할 수 있습니다. h-BN(육각형 BN)은 실온에서 최대 400W/m∙K의 열전도율을 가지며20 이는 대부분의 금속 및 세라믹 재료보다 높습니다. h-BN은 열물리적 특성(즉, 열전도율)에서 전형적인 이방성 특성을 가지고 있습니다. 즉, 결정면에 평행한 방향에서 300-600W/m∙K의 높은 면내 열전도율과 비교적 낮은 평면 통과 열전도율을 갖습니다. 결정면에 수직 방향으로 20-30 W/m∙K의 열전도율. BN 나노시트(BNNS)는 그래핀의 기하학적 구조와 유사한 2차원 구조를 가지고 있습니다21. 이러한 2D 구조는 반 데르 발스 힘을 통해 적층되고 함께 유지되어 여러 층의 질화붕소 나노시트를 생성할 수 있습니다. 따라서 TIM 응용을 위한 BN 나노시트 사용 시 열원과 흡수원 사이의 열 전달 네트워크를 효과적으로 형성하기 위해 각 층을 배열하는 것이 중요합니다. 이방성 특성을 갖는 수직/수평 정렬 BNNS를 사용하여 PVA의 열 특성 향상은 이전 연구에서 조사되었습니다. 본 연구에서는 고분자 기반 나노복합체를 얻기 위해 2D-BNNS를 필러로 사용하였다. 붕사와 같은 가교제를 사용한 PVA 가교는 PVA의 열적 특성을 향상시키는 데에도 사용될 수 있습니다. 붕사를 사용한 PVA의 가교는 문헌22,23에 언급되어 있습니다.