중앙대학교 공과대학 화학신소재공학부 (2011년 2월 24일 접수, 2011년 4월 2일 채택)
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The Effect of Surface Modification on the Disperisibilities and the Thermal Conductivities of Single-Walled Carbon Nanotube (SWCNT)/Epoxy Composites
Jiwon Kim, Hyungu Im, and Jooheon Kim
†
Department of Chemical Engineering, Chungang University, Seoul 156-756, Korea (Received February 24, 2011; Accepted April 2, 2011)
단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT)의 우수한 열적 특성을 이용하여 에폭시 수지의 열전도도 특성을 향상시키기 위해 SWCNT와 에폭시 수지 복합체를 제작하여 열전도도를 측정하였다. SWCNT에 카보닐기와 아민기를 도입하여 분산도 향상을 유도하였으며 diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA)와 bisphenol F (DGEBF) 두 종류의 에폭시 레진에 각각의 SWCNT를 첨가하여 제작한 복합체들은 파단면 분석을 통하여 분산 특성을 관찰하였다.
각 복합체의 분산도는 표면 처리를 거치면서 생성된 극성분자와 에폭시 간의 상호작용으로 인하여 SWCNT를 첨가한 것이 순수한 SWCNT 복합체와 비교하여 높은 분산성을 나타내었다. SWCNT/에폭시 복합체의 열전도도는 DGEBA와 DGEBF 두 종류의 에폭시에서 산처리한 SWCNT 복합체가 가장 높은 값을 가지는 것으로 측정되었다.
Single-walled carbon nanotube (SWCNT)/Epoxy composites were prepared for improving thermal conductivities and dis- persion of SWCNTs in the epoxy matrix. Composites obtained different types of SWCNTs which are pristine and functional- ized of the SWCNTs by acid and amine treatments. Three types of SWCNTs were dispersed in diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and bisphenol F (DGEBF). Enhanced interaction between functional groups on SWCNT and epoxy resins was evidenced by an improvement in the dispersion of the SWCNTs in the epoxy matrix. Thermal conductivity of composites containing acid SWCNTs were found to be much better than those containing pristine and amine treated SWCNTs.
Keywords: epoxy resin, SWCNT, dispersity, thermal conductivity
1. 서 론
1)
에폭시 수지는 접착성, 탄성률, 부식에 대한 저항성, 인장강도, 기계적 강도, 내열성 등이 우수하여 접착제, 전지 절연재, 코팅, 고기능 복합 재료의 매트릭스 등으로 여러 산업 범위에서 다양한 목적으로 사용되 고 있다[1,2]. 그러나 에폭시 수지의 이러한 여러 가지 장점에도 불구 하고 경화도가 높아짐에 따라 취성(brittleness)을 보이는 경향이 나타 나며 열 안정성 및 치수 안정성 등에서 취약한 단점이 있다. 이를 보 완하며 에폭시 수지에 요구되는 가공성, 기계적/열적 성질, 전기적 특 성 등 여러 특성을 충족시키기 위해 다양한 충진제를 첨가하여 에폭 시 수지의 내약품성, 열전도성의 향상과 내마모성의 증가, 기계적 강 도의 향상 등의 목적으로 사용된다[3-10]. 이러한 이유로 인하여 클레이, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 실리카[11-13]
등 여러 무기 충진제를 이용하여 에폭시 수지를 보완하는 연구가 이루 어지고 있다. 이러한 다양한 충진제의 종류 중 CNT는 고유의 전기적,
† 교신저자 (e-mail: [email protected])
화학적 그리고 기계적 특성 등으로 인해 여러 분야의 산업적 응용이
기대되고 있다. CNT는 전기 전도도가 구리와 비슷하고 열전도율의
경우 다이아몬드와 같으며 강도는 철강보다 100배 가량 뛰어나며 이
러한 CNT의 우수한 특성으로 인해 반도체, 평판 디스플레이, 배터리,
초강력 섬유, 생체 센서 등과 같은 다양한 장치에 접목되고 있다
[14-16]. 그러나 CNT의 배열 조작 및 유기/무기물 기지재에서 분자간력
(van der waals force) 으로 인한 군집현상(agglomeration)으로 인해 분
산이 어렵기 때문에 CNT의 상용화를 위해서는 기지 내의 분산도
확보를 위한 더 많은 연구가 요구된다. CNT를 고분자 복합체의 충진
재로 사용한 여러 연구 결과들을 살펴보면 poly(methyl methacrylate,
PMMA), polyaniline, polyurethane, polystyrene 등 여러 고분자 물질에
첨가되어 전기전도성 또는 열전도성을 향상시키거나 기계적 물성을
증가시키는 등 고분자의 개질에 이용되고 있다[17-20]. 다양한 복합체
중에서 에폭시 수지를 이용하여 CNT 복합체를 제작한 사전 연구 결
과들을 살펴보면, multi-walled CNT (MWCNT)와 single-walled CNT
(SWCNT) 를 이용하여 기계적 물성, 전기전도도 및 열전도도의 변화
를 관찰하고 CNT의 화학적 처리를 통한 에폭시 수지 내의 분산도 향
Figure 1. Chemical structures of epoxy resins and curing agent : (a)
DGEBA, (b) DGEBF, and (c) DDM. Figure 2. Synthetic methods for functionalization of SWNTs.
상을 가져오는 결과들을 발표했다[21-23]. 이처럼 현재까지의 연구 결 과들은 CNT를 정제하여 복합체의 기계적 강도와 전기전도도, 열전도 도 등을 측정하는 연구가 많이 이루어지고 있지만 아민 처리를 통한 SWCNT 의 첨가가 에폭시 수지의 열전도도에 미치는 영향에 대한 보 고는 아직 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SWCNT의 산 처 리와 아민 처리를 통한 표면 기능화를 이용해 bisphenol A와 bi- sphenol F 계 수지 내 SWCNT의 분산도 변화를 살펴보고 SWCNT의 함량 변화에 따른 매트릭스 내의 충진제 분산도 변화 또한 살펴보았 다. SWCNT/에폭시 복합체들 중 SWCNT를 1 wt% 넣은 복합체들은 열전도도 측정을 통해 SWCNT의 기능화가 에폭시의 열전도도에 미 치는 영향에 대하여 고찰하고자 하였다.
2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
본 연구에서 사용된 에폭시 수지는 diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA)계 에폭시인 YD-128 (Kukdo Chemical, Korea, E.E.W = 186.8 g/eq)과 diglycidyl ether of bisphenol F (DGEBF)계 에폭시인 YD-170 (Kukdo Chemical, Korea, E.E.W = 167.5 g/eq) 이며 에폭시 수 지는 진공오븐에서 3 h 동안 감압하여 수분제거 후 사용하였다. 경화 제로는 4,4-diamino diphenyl methane (DDM, TCI, Korea)을 사용하였 으며 butyl glycidyl ether (Sigma Aldrich, Korea)는 희석제로 DGEBA의 점도를 낮추는데 사용되었다. 충진제로 사용된 SWCNT는 SWNT1- 0001 (NANOCS Inc., USA) 으로 순도 95% 이상의 제품을 구입하여 사용하였다. SWCNT의 기능화를 위하여 사용한 1,3-phenylenediamine (m-PDA, Sigma Aldrich, Korea), thionyl chloride (SOCl 2 , Samchun, Korea), N,N-dimethyleneformamide (DMF, Samchun, Korea), 질산 (HNO 3 , Samchun, Korea), 황산(H 2 SO 4 , Samchun, Korea), 에탄올 (Samchun, Korea) 과 기타 유기용매의 경우는 별도의 정제처리를 거치 지 않고 바로 사용하였다. 실험에서 사용한 에폭시 수지와 경화제의 화학 구조식을 각각 Figure 1에 나타내었다.
2.2. SWCNT 기능화
본 연구에서 진행된 CNT의 기능화 과정을 Figure 2에 도식화하였다.
SWCNT의 산 처리는 H 2 SO 4 /HNO 3 혼합용액(3 : 1 by volume) 200 mL 에 0.5 g의 SWCNT를 넣은 후 ultrasonicator를 이용하여 1 h의 초음파
처리를 통해 분산시킨 용액을 60 ℃, 12 h 동안 교반 가열함으로써 카 르복실기가 도입된 SWCNT용액을 제조하였다. 이 용액을 이차증류수 를 이용하여 수 차례 세척을 통해 SWCNT의 pH 7의 SWCNT 분산 용액을 제조하였으며 이 후 nylon membrane 필터(0.45 µm)를 이용하여 진공 감압 여과를 시행하였다. 이렇게 제조된 SWCNT는 수분 제거를 위하여 진공오븐에서 80 ℃, 12 h 건조시켜 카르복실기로 기능화된 SWCNT 파우더를 얻었다. 카르복실기로 기능화된 SWCNT는 과량의 SOCl 2 용액에 넣어 상온에서 초음파처리를 통해 분산시켰으며, 이 용 액을 60 ℃에서 교반 가열한 후 PTFE membrane필터(0.2 µm)로 여과 하여 COCl 작용기가 도입된 SWCNT를 얻을 수 있었으며 이후의 SWCNT 은 5 g의 m-PDA을 첨가한 DMF에 교반과 초음파 처리를 통 하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 분산된 SWCNT 용액을 110 ℃에서 72 h 동안 교반 가열 반응을 시켜 m-PDA와 COCl 작용기가 도입된 SWCNT 간의 반응을 유도하였다. 이후 DMF를 이용하여 수 차례 세척을 진행하고 membrane 필터(Nylon, 0.45 µm)로 여과한 후 진공오븐에서 8 h 이상 건조하여 m-PDA으로 기능화된 SWCNT를 제조하였다.
2.3. SWCNT/에폭시 복합체 제조
SWCNT/에폭시 복합재료는 DGEBA, DGEBF 각각의 에폭시에 처
리되지 않은 SWCNT (p-SWCNT), 산 처리된 SWCNT (a-SWCNT),
아민 처리된 SWCNT (m-SWCNT)를 각각 1 wt%로 농도를 맞추어 복
합체를 제조하였다. 에폭시 내에 SWCNT의 균일한 분산을 위하여 용
매를 이용한 SWCNT를 분산시키는 단계를 진행하였다. 각각의 복합
체를 얻는 방법은 모두 유사하므로 p-SWCNT를 1 wt% 첨가한
DGEBA 복합체를 예로 설명하면 다음과 같다. 시린지 필터로 거른 에
탄올에 SWCNT를 넣고 교반기와 초음파기를 이용하여 SWCNT를 분산
시켰다. SWCNT가 분산된 용액에 에폭시를 첨가한 후 SWCNT의 에
폭시 내 고른 분산을 위해 교반처리를 실시하였다. 얻어진 용액은 에탄
올 제거를 위해 80 ℃ 오븐에서 12 h 이상 에탄올 제거 후 진공오븐에
서 잔여 에탄올을 완전히 제거하였다. 에폭시의 점도를 낮추기 위하
여 희석제(butyl glycidyl ether, BEG)를 1 phr 첨가한 후 교반 및 초음
파처리를 통한 수지 내 충진제의 분산도를 향상시켰다. 이를 에폭시와
당량비 1/0.35 비율로 DDM을 넣어 100 ℃에서 교반하였다. 얻어진 혼
합물은 몰드에 채운 후 100 ℃에서 4 h, 120 ℃에서 2 h, 160 ℃에서 3 h
이상의 경화를 통하여 SWCNT/에폭시 복합체를 제조하였다. 희석제의
경우에는 DGEBA 시스템에서만 사용되었다.
(a) (b) (c)
Figure 3. XPS spectra of m-PDA functionalized SWCNT : (a) wide-scan of functionalized SWCNT ; (1) p-SWCNT, (2) a-SWCNT, and (3) m-SWCNT, (b) C1s spectra of functionalized SWCNT (m-SWCNT), and (c) N1s spectra of functionalized SWCNT (m-SWCNT).
2.4. SWCNT/에폭시 복합체의 특성 2.4.1. X선 광전자 분광 분석
화학적 표면 처리된 SWCNT의 표면의 성분을 조사하여 작용기의 생성 여부를 확인하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCA 2000, VG microtech, UK)를 이용하여 분석하였다.
2.4.2. 전계방사형 주사전자현미경 분석
개질된 SWCNT의 표면 상태와 에폭시 내에 SWNT의 분산도를 확 인하기 위하여 전계방사형 주사전자현미경(FE‐SEM, SIGMA, Carl Zeiss) 을 이용하여 SWCNT의 표면과 SWCNT/에폭시 복합체의 단면 을 관찰하였다.
2.4.3. 열전도도 분석
SWCNT/에폭시 복합체의 열전도도 측정을 위하여 정사각형 테플 론 몰드를 이용하여 800∼1200 µm 두께의 시편을 제작해 레이저 섬 광법(Laser Flash Apparatus, LFA 457, NETZCH)을 이용하여 상온 298 K 에서 측정하였다. 보다 구체적으로 시료 전면에 레이저를 발진 시켜 시료를 가열하고, 시료 이면의 온도 변화를 방사계(Radiometer) 를 이용하여 측정한 후, 측정된 데이터를 곡선 보간법을 이용하여 해 석 및 열확산 계수를 측정한다. 이렇게 측정된 열확산 계수는 하기의 식에 의해 측정된 밀도, 열용량을 이용하여 열전도도를 구할 수 있다.
k = α × ρ × C p
여기에서 k, α , ρ 그리고 C p 는 열전도도[W/(m K)], 열확산계수 (mm 2 /s), 밀도(kg/m 3 ) 그리고 열용량[J/(kg K)]을 나타낸다.
3. 결과 및 고찰
3.1. SWCNT의 표면 특성 분석
SWCNT 의 기능화 여부를 확인하기 위해 p-SWCNT, a-SWCNT, m-PDA 와 반응시킨 m-SWCNT의 표면분석을 시행하였다. XPS분석을 통해 SWCNT의 표면 성분과 결합상태를 분석하여 화학적 표면처리 가 SWCNT 로드에 어떠한 영향을 주었는지 살펴보고, 각 시료의 표 면에 일어난 변화를 확인하기 위하여 FE‐SEM을 통한 SWCNT 표면
관찰을 진행하였다. Figure 3은 SWCNT 표면에 처리된 관능기의 종류 및 화학 조 성을 살펴보기 위하여 XPS분석을 실행한 결과로 Figure 3(a) 에서는 p-SWCNT (1)와 a-SWCNT (2), 그리고 m-SWCNT (3)의 전 영역 스캔 결과를 나타내었고 Figure 3(b)는 C1s, Figure 3(c)에서 는 N1s의 특성피크 결과를 도식하였다. Figure 3(a)를 보면 모든 SWCNT의 C1s 피크가 동일하게 284.5 eV에서 나타나고 있음을 확인 할 수 있으며, 529.9 eV에서 O1s, 399.9 eV에서 N1s의 특성피크가 나 타난다. a-SWCNT의 경우 O1s, m-SWCNT의 경우 O1s와 N1s 피크를 통해 SWCNT 표면에 결합이 형성된 것을 확인할 수 있다. 관능기 도 입에 관한 보다 자세한 분석을 위하여 m-SWCNT의 C1s와 N1s의 피 크를 Figures 3(b), 3(c)에 나타내었다. C1s의 경우 3개의 피크로 분할 되는데, 가장 높은 강도를 가지는 피크의 경우, 284.9 eV 값에서 결합 에너지를 가지게 된다. 이는 탄소-탄소간의 결합을 나타내며 SWCNT 와 그 밖의 탄소 결합에서 나타나는 결합에너지를 나타내게 된다. 주 된 피크 이외에도 286.9와 288.4 eV에서 방출되는 결합에너지의 경우 는 각각 카르복실기 그룹의 O-C=O 결합(288.4 eV)과 O=C-N 결합 (287.1 eV) 이 생성된 것을 확인할 수 있다[24-26]. O-C=O 결합의 경 우 m-PDA를 SWCNT에 반응시키기 이전에 산 처리를 통해 카르복실 기 결합을 생성하는 과정에서 만들어지는 작용기로 m-PDA와 미반응 된 작용기가 남아있는 것으로 보여진다. 아마이드와 아민의 N1s 결합 에너지는 399.5∼400.5 eV 사이의 값에서 나타나는 것으로 알려져 있 는데[27], 이를 토대로 Figure 3(c)에 나타낸 N1s 결합에너지를 측정한 데이터를 살펴보면 N1s결합이 생성된 것을 확인할 수 있다. 위의 XPS 결과들을 토대로 본 연구를 통해 제조된 SWCNT-mPDA의 경우 SWCNT 와 m-PDA간의 결합이 이루어졌음을 확인할 수 있다.
SWCNT 의 표면처리를 통한 기능화를 진행한 이후 FE-SEM을 이용 하여 SWCNT의 표면을 관찰한 결과를 Figure 4에 나타내었다.
p-SWCNT (Figure 4(a)) 의 경우 비정질 탄소, 금속촉매 등의 불순물이
포함되어 있으며 로드의 길이가 길고 손상되지 않은 모습을 보이고
있다. 반면, a-SWCNT (Figure 4(b))의 경우는 산처리를 통하여 작용
기가 형성되는 과정에서 a-SWCNT의 표면이 개질되며 SWCNT의 다
발이 뭉치지 않고 각각 떨어져 풀려있는 현상을 관찰할 수 있다. 이러
한 결과는 극성 작용기 간에 발생하는 반발력이 로드간의 응집력을
줄여주었기 때문이다. 또한 산처리 이후 p-SWCNT가 함유하고 있던
불순물들이 제거되어 표면이 균일한 것을 확인할 수 있다. m-SWCNT
Figure 4. FE-SEM photographs of SWCNTs : (a) p-SWCNT, (b) a-SWCNT after acid treatment, and (c) m-SWCNT after m-PDA treatment.
Figure 5. FE-SEM photographs of SWCNT/DGEBF composites containing 1 wt% of SWCNT : (a) p-SWCNT (b) a-SWCNT, and (c) m-SWCNT.
Figure 6. FE-SEM photographs of SWCNT/DGEBA composites containing 1 wt% of SWCNT : (a) p-SWCNT, (b) a-SWCNT, and (c) m-SWCNT.
(Figure 4(c)) 의 경우에는 a-SWCNT와 비교하여 로드의 표면이 두꺼 워진 것을 관찰할 수 있으며 이는 벤젠고리를 가지고 있는 m-PDA와 의 결합으로 인하여 SWCNT의 두께가 증가한 것으로, 이를 통하여 SWCNT 에 m-PDA가 반응된 것임을 확인할 수 있었다.
3.2. SWCNT/에폭시 복합체의 분산
CNT 의 기능화를 통해 수용액, 유기용매, 고분자 매트릭스에서의 분산도를 증가시킨 연구 결과[28]를 바탕으로 본 연구에서도 에폭시 수지 내의 SWCNT 분산도를 향상시키기 위하여 산 처리와 m-PDA 처리를 진행하였다. 그 결과를 살펴보기 위하여 FE-SEM을 이용하여 복합체들의 파단면을 관찰한 결과를 Figures 5와 6에 나타내었다.
SWCNT 의 상태에 따른 복합체 내의 분산도의 변화는 Figures 5와 6 에서 보는 바와 같이, p-SWCNT를 첨가한 복합체의 경우(Figures 5(a), 6(a)) SWCNT 의 응집 현상을 뚜렷하게 나타내고 있지만 a-SWCNT를 첨가한 경우 분산성이 표면처리 되지 않은 SWCNT에 비하여 매우 향 상된 모습을 보인다. 이러한 현상은 산 처리 반응으로 인해 SWCNT 로드에 생성된 극성 작용기가 매트릭스와 상호작용을 일으켜 SWCNT 간의 응집을 저하시켰기 때문이다. m-SWCNT는 표면 처리를 함으로 인하여 에폭시 수지 내에 m-SWCNT가 응집된 곳 없이 고르게 분산되
어 있는 모습을 보이고 있다. 이는 산처리된 SWCNT와 같은 이유로 표면에 도입된 NH 2 작용기가 에폭시 수지 내의 극성 작용기와의 상호 작용으로 인해 고분자 매트릭스 내에서의 고른 분산도를 형성시키는 것으로 판단된다.
3.3. SWCNT/에폭시 복합체의 열전도도 분석
충진제 함량에 따르는 복합체의 열전도도를 파악하기 위하여 각기
다른 매트릭스에 SWCNT 농도에 의한 열전도도 변화를 파악하여
Figure 7 에 나타내었다. Figure 7에 나타나는 바와 같이 매트릭스 내의
SWCNT 함량이 높아질수록 열전도도의 증가가 관찰되며, 또한 같은
함량의 SWCNT의 함량에서 각 매트릭스의 열전도도는 DGEBF 복합
체에서 DGEBA 복합체보다 높은 열전도도가 관찰된다. 이는 각기 매
트릭스의 화학구조에 의해 설명이 가능하며 화학구조에 사이드 그룹
의 형성이 그렇지 않은 고분자 매트릭스 내에서 고분자 사슬 내부에
서의 열전도성이 매우 불리함이 알려져 있다. 특히 Phillpot 그룹은 동
역학적 시뮬레이션을 통해, 이러한 이유는 고분자 사슬 내부에서의
열전도에 의한 진동(vibration)에 의한 에너지 전도현상과 관련지어지
며 각기 분자 구조에서 사이드 그룹의 형성은 사이드 그룹의 진동에
의한 에너지 소실이 그렇지 않은 구조에 비해 매우 크며 이러한 이유
Figure 7. The thermal conductivity of DGEBA and DEGBF/SWCNT composite as a function of SWCNT concentration.
Figure 8. The comparison of thermal conductivity.
0.1 - 0.9451 - 1.0124
0.3 1.0636 - - 1.0041
0.5 1.1017 0.9608 1.0555 1.0207
0.7 1.1483
1 1.2203 - - -
로 열전도성이 매우 감소되어 짐을 보고하기도 하였다[29]. 본 연구의 결과 역시 유사한 경향의 열전도도를 보임을 관찰할 수가 있으며, Figure 7 에서 나타낸 바와 같이 SWCNT의 도입을 통한 복합체의 열 전도 특성 역시 벤젠고리 구조 사이의 메틸 그룹의 곁가지가 형성되 어 있지 않은 DGEBF 복합체에서 더 높은 열전도도를 나타냄을 확인 할 수 있다.
Figure 8은 SWCNT 표면 처리 유무 및 방법에 따르는 복합체의 열 전도도의 변화를 살펴보기 위해 각각 1 wt% P-SWCNT, a-SWCNT, m-SWCNT 복합체의 열전도성을 나타낸 결과이다. 앞서 기술한 바와 같이 각각의 순수 에폭시와 비교하여 SWCNT 복합체의 열전도도가 모두 향상된 결과를 보여주나 각각의 표면처리 방법에 따라 그 값은
차이를 보이게 됨을 확인할 수 있다. a-SWCNT의 경우 같은 농도의 p-SWCNT 와 비교하였을 때 높은 열전도도 값을 나타내며 이는 앞서 매트릭스 상에 분산된 SWCNT가 p-SWCNT보다 우수한 분산성을 나 타낸 결과를 바탕으로 SWCNT간의 inter-connection 이 증가되어 보다 수월한 열전도성 경로(thermal conductive path)가 형성되는 것으로 사료된다. 하지만 표면처리가 시행된 a-SWCNT, m-SWCNT의 경우 m-SWCNT가 a-SWCNT보다 낮은 열전도성을 보였으며 이러한 결과 는 복합체 내에서 분산도를 확보하기 위하여 시행된 화학적 표면개질 의 영향으로 판단된다. 상기 기술된 바와 같이 표면에 형성된 아민 작 용기는 에폭시 그룹의 형성과 더불어 매트릭스 내부에서 분산도를 향 상시킴으로서 열전도성 경로의 확보를 위함이었으나 열확산 및 전도 성 경로의 확보와 달리 열전도성 경로에서 형성되어 있는 작용기에 의한 진동 열손실 및 작용기 형성으로 인한 SWCNT의 순도 저하가 그 원인으로 여겨진다[29,30,32].
특히 최근 A. Yu[32]의 연구결과에 따르면 SWCNT의 순도가 높을 수록 열전도도 값의 향상이 크며 표면 처리 등에 의해 생성될 수 있는 흑연과 비정질탄소가 많이 포함될수록 열전도도값의 상승폭이 작아 진다는 연구를 발표하였다. 또한 A. Mosala그룹은 MWCNT와 SWCNT 를 화학적 표면 개질 처리 한 후 처리한 후 다양한 농도에서 CNT/에 폭시 복합체의 열전도도를 측정하여 MWCNT를 충진제로 첨가한 경 우는 충진제를 첨가하지 않은 시편과 비교하여 열전도도가 증가한 반 면 SWCNT를 첨가한 시편의 열전도도는 하락하였다는 연구 결과를 보고하였다[30]. 또한 Shiren Wang의 연구결과를 살펴보면 처리를 하 지 않은 SWCNT와 비교 분석한 결과 0.5 wt%의 농도로 충진제를 혼 합한 SWCNT/에폭시 레진의 경우에 열전도도가 떨어지는 연구 결과 를 보고하였다[31].
본 연구의 결과 역시 같은 측면으로 해석이 가능하며 작용기 형성 으로 인해 상대적인 진동 손실에 의한 전도도 하락과 함께 m-SWCNT 의 경우 여러 단계의 화학적 처리로 인하여 SWCNT 벽면의 손상을 가져옴으로써 열전도도 값의 상승폭이 작아지게 되는 것으로 판단된다.
따라서 에폭시 수지 내의 열전도성을 확보하기 위한 SWCNT 복합 체제조에 있어 a-SWCNT와의 복합체 형성이 분산도 및 열전도성 확 보에 매우 유리함을 확인할 수 있다.
Table 1은 본 연구에서 확보된 DEGBF/a-SWCNT 복합체의 열전도
도 증가율 및 기존 연구를 통하여 보고된 결과를 비교하여 표기하였
다. Table 1에서 확인할 수 있듯이 본 연구에서 확보된 전도도의 증가
율이 상대적으로 높음을 확인할 수 있으며 특히 상대적으로 높은
함량의 a-SWCNT의 함량을 통해 보다 높은 열전도성의 확보가 가능
함을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 SWCNT의 에폭시 수지 내에서의 분산도 향상을 위 하여 기능화된 SWCNT를 충진제로 사용하여 DGEBA와 DGEBF 두 종류의 에폭시를 이용한 SWCNT/에폭시 복합체를 제조하였다. SWCNT 의 기능화 여부를 확인하기 위하여 XPS분석을 시행하였으며 FE‐SEM 을 통하여 표면개질 이후의 SWCNT상태를 관찰하였다. 각각의 복합 체는 충진제의 농도를 1 wt%로 제작하여 분산도를 확인하였다.
FE-SEM을 통해 관찰한 복합체의 분산성은 두 종류의 에폭시 수지 모 두에서 기능화 처리된 SWCNT를 첨가한 것이 순수한 SWCNT를 첨 가한 것보다 향상됨을 관찰할 수 있었다. 복합체의 열전도도는 각 복 합체별로 1 wt%의 충진제를 첨가하여 측정하였으며 SWCNT 복합체 모두 순수한 에폭시 수지에 비해 열전도성의 향상을 보였으며 기능화 를 진행함에 따라 SWCNT 표면이 손상되어 m-SWCNT를 첨가한 복 합체의 열전도도가 a-SWCNT를 첨가한 것과 비교하여 감소하는 것을 확인할 수 있다.
감 사
이 논문은 중소기업청에서 지원하는 2010년도 산학연공동기술개발 사업(No. 000440680110)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.
참 고 문 헌
