기능성 플라스틱 소재
플라스틱은 불과 170여 년 전 스위스의 한 화학 실험 실에서 실수에 의해 질산셀룰로소 합성법이 발견된 이 래 처음 당구공으로 사용되던 상아를 대체하기 위하여 사용되었고, 그 후 천연 섬유의 대체품 등으로 개발되어 현재 인류 생활에 없어서는 안될 재료가 되었다. 플라스 틱의 발견이 없었다면 우리는 얼마나 불편한 생활을 하 고 있을지, 그리고 수많은 발명가들이 머리 속에서 구상 해왔던 현재와 같이 과학기술의 발달한 세상에서 필수 적인 첨단기기와 생필품들이 실제 지금과 같은 값싼 가 격에 양산될 수 있었을지 가늠하기 어렵다. 플라스틱은 철, 알루미늄, 구리와 같은 금속, 그리고 목재, 모래 등 과 같이 자연적으로 얻을 수 있는 비금속 재료들과 비교 하여 가볍고, 싸며, 가공성이 뛰어나고, 화학적으로 안 정되어 있다는 장점을 가지고 있다. 반면 낮은 용융점, 기계적인 강성, 전기적, 열적인 성질 등의 물리 물성은 다른 소재와 비교하여 단점으로 작용하는 경우가 많으 며, 이 때문에 대부분의 산업 제품에서 플라스틱, 금속 및 기타 소재에 대한 역할 분담은 확실하게 구분이 되어 있는 편이다.
근래에 구리 등 금속 원자재 가격의 가파른 상승과 경
량화 제품에 대한 요구 등으로 기능성 플라스틱 제품에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 알루미늄의 기계 적인 강도에 버금가거나 이를 초과하는 유리 혹은 탄소 섬유가 첨가된 폴리머 복합재료는 물탱크, 고성능 스포 츠 용품 및 자동차 소재 등으로 이미 적용되어 있어서 쉽게 실생활에서 찾아볼 수 있다. 또한 휴대용 전자기 기, 휘어지는 디스플레이 장치, 태양광전지 등의 개발로 인하여 금속 소재의 고유 영역이라고 여겨졌던 전기 및 열 전도성재료로도 폴리머 복합재료의 영역이 확장되 고 있다. 대표적인 적용 예로, 핸드폰 등 스마트 기기의 폭발적인 발전에 따라 가볍고, 기계적인 내구성이 확보 되어 있으면서 전자파 차폐 역할을 할 수 있는 전기전도 성 플라스틱 외장 커버 및 기판을 들 수 있다. 또한 자동 차 부품 업계를 비롯한 수송기기 분야에서도 정전기로 인한 연료의 폭발 위험성을 없애면서 경량화를 실현할 수 있도록 정전기 차단 폴리머 복합재료를 엔진 부품에 적용하기 위하여 노력을 기울이고 있다. 이와 같이 전자 파와 정전기를 차단하기 위해서는 핸드폰 케이스, 자동 차 연료관 등과 같은 부품을 일반 플라스틱과 같은 절연 체가 아닌 전기적 접지 역할을 할 수 있는 도체 소재로 제작하는 것이 필수적이다.
가까운 미래에 우리 생활을 뒤바꿀 것으로 예상되는
오 동 욱 한국기계연구원 열공정극한기술연구실 선임연구원 ㅣe-mail : [email protected] 송 찬 호 한국기계연구원 열공정극한기술연구실 선임연구원 ㅣe-mail : [email protected] 이 공 훈 한국기계연구원 열공정극한기술연구실 책임연구원 ㅣe-mail : [email protected]
이 글에서는 기존 플라스틱 대비 최고 10배 높은 열전도율, 알루미늄에 버금가는 강도, 그리고 뛰어난 내환경성을 가
지며, 금속소재 대비 가볍고 가공성이 좋은 폴리머 복합재료 제조 기술과 이를 극한 환경용 열교환기의 재료로 적용
하기 위한 연구에 대해 소개하고자 한다.
플렉시블 미디어 장치에는 광학적으로 투명하면서도 유연하고, 전기 및 열전도 성이 뛰어난 폴리머 재료 기술이 필요하 다. 이와 같은 산업적 요구에 의해 폴리 머 복합재료의 기능화가 현재까지 많이 이루어지고 있다. 일반적으로 전기 및 열전도성 플라스틱복합재료는 전기 및 열전도율이 뛰어난 탄소, 금속, 세라믹 등의 입자 또는 섬유 등이 폴리머 원재 료에 첨가되어 만들어진다. 근래 들어 나노입자 제조기술의 발전과 생산성 증 가에 의하여 나노입자의 가격이 낮아짐 에 따라 전도성이 우수한 것으로 알려진
카본블랙을 비롯한 탄소나노섬유 혹은 그래핀 등을 충 진제로 이용하는 연구가 많이 시도되고 있다. 앞으로 나 노소재의 지속적인 가격하락에 힘입어 나노재료가 첨 가된 기능성 폴리머 복합재료에 대한 개발은 더욱 활발 하게 이루어질 것으로 예상된다.
열전도성 폴리머 복합재료
최근 LED 조명기기 등과 같은 고집적 전자제품의 인 기와 더불어 방열용 소재로 열전도성 폴리머 복합재료 에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 폴리머 복합 재료에 있어서 전기전도성 소재와 열전도성 소재는 탄 소계열의 충진제가 주로 사용한다는 점에서는 비슷하 다. 하지만 전기 전도성 폴리머 복합재료에는 열전도성 소재와는 다르게 문턱 스며들기(percola tion threshold) 라는 독특한 현상이 관찰된다. 문턱 스며들기는 충진제 를 폴리머 원재료 대비 일정 부피비 이상으로 첨가하였 을 때 소재의 전기저항이 급격하게 낮아지는 현상을 지 칭한다. 복합재료에서 전기저항이 낮은 탄소충진제의 부피비를 증가시키면 어떤 임계부피비에서 충진제 연 결로 인한 전자통로가 확보되며, 이를 기점으로 전체 복 합재료의 전기전도도가 급격하게 증가하게 된다. 특히
충진제의 종횡비가 극단적인 탄소나노섬유의 경우 카 본블랙 등과 같은 구형입자들과 비교하여 보다 낮은 부 피비에서 문턱 스며들기 현상이 나타나는 것으로 알려 져 있다. 반면, 폴리머 복합재료의 열전도율은 전기전도 율과 같이 급격하게 변하지 않는다. 전자에의 한열에너 지 전달이 극히 제한적이기 때문이다. 폴리머 복합재료 의 열물성은 충진제와 폴리머 원재료의 부피 평균값을 따르는 것으로 알려져 있다. 즉, 높은 열전도율을 가진 충진제를 많이 첨가할 수록 복합재료의 열전도율은 비 례적으로 증가하게 된다.
일반적으로 폴리머 소재의 열전도율은 0.1에서 0.5 W/mK 사이에 위치한다. 이는 그림 1에서 볼 수 있는 바와 같이 수은 등 일부 액체 금속을 제외한 대부분의 액체와 비슷한 수준이며, 가장 낮은 금속과 비교하여 약 1/10 수준의 값이다. 반면 충진제로 사용되는 카본블랙 의 경우 가장 높은 열전도율을 가지는 금속인 구리와 비 슷한 수준이며, 탄소나노튜브의 길이 방향 혹은 그래핀 의 면방향 열전도율은 자연계에서 가장 높은 열전도율 을 가지는 다이아몬드보다 높은 것으로 알려져 있다. 이 때문에 열전도성 폴리머 복합재료의 충진제로 탄소 계 열의 소재가 많이 사용된다.
적절한 충진제의 첨가는 복합재료의 물리적 성질을
그림 1
물질의 열전도율 분포
보완할 수 있지만 동시에 재료의 용융 시 점성의 증가로 인하여 사출성형 등과 같은 가공성을 나빠진다. 또한 플 라스틱 소재의 고유 특징인 연성 및 취성 등 기계적인 성질이 나빠지는 방향으로 변한다. 종횡비가 극단적인 탄소나노튜브나 그래핀을 충진제로 사용할 경우, 복합 재료의 열전도율을 비롯한 물리물성이 비등방성을 보 이게 된다. 이 때문에 복합재료의 제조에서 충진제의 정 렬이 중요한 변수가 된다. 또한 일반적으로 충진제는 폴 리머 원재료에 비하여 밀도가 높고 가격도 비싸서 경량 화 및 단가절감측면에서 가급적 낮은 첨가비율로 사용 하는 것이 바람직하다.
시중에는 이미 LED를 비롯한 전자장 비방열판 용도 로 여러 종류의 열전도성 폴리머 복합재료가 개발되어 상품화되어 있다. 특히 미국의 쿨폴리머 사(Coolpoly
Ⓡ) 는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등 여러 가지 폴리머 원재료에 탄소계열의 충진제를 첨가하여 상온에서 스 테인리스강보다 약 30 % 높은 열전도율(20 W/mK)을 가진 제품을 판매하고 있다. 국내의 LG화학에서도 최대 15 W/mK의 열전도율을 가진 전기 및 열전도성 폴리머 제품군인 LUCON 시리즈를 판매하고 있다.
폴리머 열교환기 설계
플라스틱 열교환기는 부식성이 강한 화학약품의 처리공정에 적용 되거나 얇은 요철필름(corrugated film) 형태의 공조장치환기배열 회 수용 열교환기로 사용되어 왔고, 최 근에는 열전도성 폴리머 복합재료 를 이용하여 방열판 등 히트싱크를 제작하여 사용하는 예를 쉽게 볼 수 있다. 반면에 산업적으로 응용 분야 가 넓은 유체-유체 사이의 열교환에 적용된 경우는 매우 제한적이다. 최 근 들어 바닷물이나 화학약품을 작 동유체로 사용하는 고부식성 환경 에서 고가의 티타늄합금 소재를 사용하는 열교환기를 대체하기 위한 목적으로 열교환기 재료로 사용할 수 있 는 폴리머 복합재료에 대한 기초 연구 결과가 학술발표 나 저널을 통하여 많이 발표되고 있다.
열교환기의 작동환경에 따른 적절한 재료선택은 열 교환기 설계에 있어서 매우 중요한 요소이다. 자동차의 라디에이터와 같은 열교환기를 예로 들어보자. 엔진을 순환하는 냉각수는 열교환기 프레임을 사이에 두고 외 부 공기에 열에너지를 방출한다. 효율이 높은 열교환기 는 냉각수와 외부 공기의 온도차를 최소화하는 장치로 정의할 수 있다. 즉, 열교환기의 양측에 흐르는 냉각수 와 공기 사이의‘열저항’을 최소화해야 한다. 냉각수와 공기 사이의 열저항은 ① 냉각수-열교환기 사이의 대류 열 전달 ② 열교환기 내부 고체 재료에서의 열전도와 ③ 열교환기-공기 사이의 대류열전달에 의한 열저항과 같 이 총 세 가지의 요소로 구성되어 있다. 여기에서 열교 환기 표면의 요철 및 유체의 유동 속도 등에 의하여 결 정되는 대류열전달 부분을 무시한다면 열교환 효율을 높이기 위하여 열교환기 설계자가 고려할 수 있는 것은 열교환기의 재료와 그 두께이다. 열교환기를 구리와 같
그림 2
열전도성 폴리머 복합재료 제품(Coolpoly
Ⓡ제품 적용 예)
은 열전도율이 높은 금속으로 제작 하거나, 열교환기 판의 두께를 가능 한 얇게 제작하여 두 유체의 열교환 기 표면 온도 차이를 최소화하는 것 이다. 하지만 열교환기 표면에서 유 체 유동에 의하여 이루어지는 대류 열전달은 열교환기 설계에 있어서 무시하지 못할 요인이다. 이 때문에 대류열전달과 열교환기 재료 내부 에서 이루어지는 전도열전달의 상 대적인 비율에 따라서 열교환기 재 료의 특성이 중요할 수도 있고 아닐 수도 있다.
자연대류나 유체의 유속이 낮은 환경에서 운용되는 열교환기의 경 우에는 열교환기 재료가 알루미늄 이건 그보다 1/100 수준의 열전도율 값을 가지는 폴리머 복합재료이건 성능차이가 없을 수 있다. 열교환기 재료 내부에서 이루어지는 전도 열
전달에 의한 열저항이 열교환기 표면에서 유체의 유동 에 의한 대류열전달의 열저항에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작을 수 있기 때문이다. 이 때문에 폴리머 복합 재료로 제작한 열교환기의 상용화에 성공한 예는 주로 대류열전달 계수가 낮은 자연대류용 방열판이나 저유 속 환경에서 작동되는 배열회수장치이다.
따라서 폴리머 열교환기 설계에 있어서는 기존 금속 재료를 사용하는 열교환기와는 다른 접근 방식을 사용 해야 한다. 기존 금속 열교환기에서는 일례로 열교환기 표면에 표면에 요철을 형성함으로써 난류 강도를 증가 시켜 대류열전달을 촉진시키는 방향으로 열교환기의 설계가 이루어져 왔다. 그러나 폴리머 열교환기의 설계 에서는 적용 환경에 따라서 대류열전달 증가보다는 열 교환기 재료의 열저항을 줄이는 방향으로 열교환기의 설계 방법이 달라져야 한다.
폴리머 복합소재제조 및 열물성 측정
폴리머 복합소재의 개발은 일반적으로 그림 4와 같은 장비를 사용하여 진행된다. 폴리머 복합재료의 기본이 되는 폴리머 원재료에 충진제를 혼합하는 기계가 컴파 운딩 장비이다. 그림의 컴파운딩 장비는 연구용으로 제 작된 초소형 컴파운딩 장비로(Haake 사 MiniCTW) 최 대 7 mL 혹은 5 g의 폴리머 복합재료를 제조할 수 있다.
탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 탄소, 금속 입자, 섬유 를 충진제로 첨가할 수 있으며 트윈스크루(twin screw) 와 바이패스(by pass) 구조로 균일한 충진제 혼합이 가 능하다. 이렇게 컴파운딩된 폴리머 복합재료는 열 및 기 계 물성 측정을 위하여 디스크, 판 혹은 표준 물성 측정 법에서 정해진 형상으로 가공을 해야 한다. 이를 위하여 사용할 수 있는 간이사출성형기와 금형의 예시가 그림
그림 3
공조용 폴리머 열교환기 시제품 및 열유동성능평가실험
4의 아래에 표시되어 있다.
위의 방법으로 제조된 폴리머 복합재료는 그 특성을
파악하기 위하여 정확한 열전도율, 비열, 녹는 점 및 유리전이온도 측정 등의 열분석을 필요로 한다. 또한 충 진제가 균일하게 혼합되어 있는지, 충진제의 정렬이 등방성인지, 또는 비등방성인지를 평가하기 위하여 열물성 측정 기법이 도입될 수 있다.
본 연구실에서는 물질의 열확산율 을 측정할 수 있는 레이저 플래시 분 석장비(laser flash apparatus), 비열 과 용융잠열 등을 측정하는 시차 주 사 열 량 측 정 장 비 (differential scanning calori metry), 그리고 0.1 mm 미만의 공간 분해능을 가진 열 전 도 율 측 정 장 비 인 3오 메 가 (3 method) 장비를 보유하고 있다. 이 들 장비를 이용하여 폴리머 복합재 료의 열전도율, 비열뿐만 아니라 충 진제의 혼합 균일도, 열전도율의 비등방성까지 정량적 으로 분석을 하고 있다.
그림 4
