1. 서 론
최근 자동차, 전기, 전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자기기의 개발 방향은 경량화 및 소형화와 함께 다기능화에 있다. 이로 인해 다양한 기능성 전
* Corresponding Author: Goo-Hwan Jeong
Department of Advanced Materials Science and Engineering, Kangwon National University
Tel: +82-33-250-6268; Fax: +82-33-259-5548 E-mail: [email protected]
자 소자의 고집적화가 요구되면서 소자로부터 발생 하는 열은 더욱 많아지고 있다. 이러한 방출 열은 소자의 수명을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동 및 기판 열화(Degradation) 등의 직접적인 원 인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 재료 및 기술 개발 연구가 활발하게 이루어지고 있다[1,2]. 더욱 이, 슬림화 및 소형화가 가속되어 가고 있는 전자기 기 내에는 Heat sink 등의 방열판을 장착할 공간적 여유가 부족하기 때문에, 최근에는 열전도성과 점 착성이 우수한 얇은 시트(Sheet)를 사용하여 열원
<연구논문>
ISSN 2288-8403(Online) https://doi.org/10.5695/JKISE.2020.53.4.160
열전도성 점착제 응용을 위한
고분자 기반 탄소나노소재 복합체 제조 및 특성 평가
이병주1, 조성일1, 윤은혜2, 이애리2, 이우영1, 허성규1, 황재성2, 정구환1,*
1강원대학교 대학원 신소재공학과, 2(주)태양 3C
Fabrication and characterization of polymer-based carbon nanomaterial composites for thermal conductive adhesive application
Byeong-Joo Lee1, Sung-Il Jo1, Eun-Hye Yoon2, Ae-Ri Lee2, Woo-Young Lee1, Sung-Gyu Heo1, Jae-Sung Hwang2, and Goo-Hwan Jeong1,*
1Department of Advanced Materials Science and Engineering, Graduate School of Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
2Taeyang 3C, Omokro, Yangcheongu, Seoul 08028, Republic of Korea (Received 29 June, 2020 ; revised 24 July, 2020 ; accepted 14 August, 2020)
Abstract5)
A polymer-based carbon nanomaterial composite was fabricated and characterized for the application of a thermal conductive adhesive. Low-dimensional carbon nanomaterials with excellent thermal conductivity such as carbon nanotube (CNT) and graphene were selected as a filler in the composite. Thermal, electrical and adhesive properties of the composite were investigated with respect to the morphology and content of the low-dimensional carbon nanomaterials. As a result, the composite-based adhesive fabricated by the loading of surface-treated MWCNTs of 0.4 wt% showed uniform dispersion, moderate adhesion and effective heat dissipation properties. Finally, it was confirmed through the thermal image analysis of LED module that the temperature reduction of 10°C was achieved using the fabricated composite adhesive with MWCNT-6A.
Expecially, heat dissipation performance of the optimized composite adhesive was evident at the hot spot in the module compared to other samples mixed with graphene or different MWCNT loading ratios.
Keywords : Polymer-based composites, Carbon nanomaterials, Filler, Thermal conductive adhesive, Heat dissipation
(Hot spot)으로부터의 열 확산을 유도하여 온도를 낮추려는 접근법을 주로 이용하고 있다[3-5]. 열원 으로부터 발생하는 열을 효과적으로 이동시키기 위 해서는 열원과 방열시트 사이에 공극(Pore)이 존재 하지 않는 우수한 밀착력이 요구되며, 이를 위해서 열원과 방열시트 사이에 점착층(Adhesive layer)을 삽입하는 기술이 이용되고 있다. 그러나, 현재 사용 되고 있는 대부분의 점착제는 아크릴계, 우레탄계 등의 고분자 소재로서 0.02∼0.5 W/m⋅K의 비교적 낮은 열전도도를 가져 방열층의 열 이동에 제한적 인 특성을 보이고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위 해서는 점착제에 열전도 특성이 우수한 충전소재 (Filler)를 첨가하여 향상된 열전도 특성을 가지는 새로운 점착 복합소재의 개발이 필요한 시점이다.
기존에는 전도성 및 비전도성 점착제를 제조하기 위하여 금속 및 세라믹분말을 충전재로 사용해 왔 지만[6,7] 열전도도의 향상을 위해서는 혼합량을 늘 릴 수 밖에 없는 단점을 갖고 있다. 반면 대표적 탄 소나노소재인 탄소나노튜브(Carbon nanotubes;
CNTs)의 경우 우수한 전기전도성과 높은 종횡비 (Aspect ratio)를 보이고 있어서 이를 충전재로 이용 하고자 하는 도전성 점착제 개발 연구가 최근 활발 히 수행되고 있다[8-10]. 탄소나노튜브는 sp2공유결 합을 갖는 기저면(Basal plane)이 동그랗게 말린 나 노구조체로서 열전도도가 다이아몬드와 유사한 것 으로 알려져 있다[11,12]. 특히 탄소나노튜브는 고 분자 수지에서 연속적인 연결망(Network)을 형성하 여, 길게 확장된 나노튜브 망의 접합지점에서 탄소 나노튜브 사이의 전자 이동(Hopping)을 가능하게 하고, 이를 통해 전기전도도를 크게 향상시킴은 물 론 강도, 강성, 열전도도, 안정성, 내마모성 등의 기 계적 특성의 향상이 예상된다[13,14]. 따라서 탄소 나노튜브의 형상 즉 직경과 길이는 전기전자적, 물 리적 특성을 좌우하는 주요한 역할이 되므로 그 영 향을 자세하게 살펴볼 필요가 있다. 또한 복합재료 의 물성을 결정 짓는 가장 중요한 변수 중 다른 하 나는 충전재의 함량이다. 열전도성 점착재의 성능 은 열적 절연재인 고분자 기지(Matrix)에 열전도성 충전재가 무작위로 혼합된 복합재료의 열적 특성에 대해서 격자 퍼콜레이션 이론(lattice percolation theory)을 고려하여 충전재의 함량에 대한 영향을 확인하는 것이 필요하다.
한편, 충전재의 물성이 우수할지라도 복합화 과 정에서 재료의 손상(Damage) 및 낮은 분산도 문제 로 복합재료의 물성이 크게 향상되지 않는 경우가 발생할 수 있어, 복합재료에서 충전재의 우수한 특
성이 그대로 유지시킬 수 있는 핵심 기술의 개발 또한 필요하다. 충전재의 특성을 복합재료에 최대 한 활용하기 위해서는 충전재의 분산(Dispersion), 배향(Orientation), 계면(Interface)의 상태가 매우 중 요하다. 탄소나노튜브도 고분자 기지(Matrix) 내에 서의 균일 분산과 계면에서의 접착력 문제점으로 인하여 제품 개발에 많은 제약을 받아오고 있다 [15,16]. 이를 해결하기 위하여 다양한 표면 개질 (Surface modification) 처리를 통하여 특성이 향상된 고분자 복합체를 제조한 연구들도 발표되었다. 하 지만, 현재까지 탄소나노소재의 표면처리를 통하여 복합재료의 충전재로 이용하고자 하는 많은 연구가 보고되었으나[9, 17-20], 우수한 방열 특성을 목적으 로 열전도성 점착제로 이용하고자 하는 연구는 상 대적으로 적은 실정이며, 방열 특성에 미치는 충전 재의 형상, 분산 정도, 함량 등에 관한 체계적인 연 구가 필요한 상황이다.
이러한 이유로 본 연구에서는 탄소나노소재와 아 크릴을 주요 성분으로 하는 열전도성 점착제 개발 을 목표로 연구를 수행하였다. 아크릴계 점착제는 고무, 실리콘, 우레탄계 점착제와 비교하여 내열성, 투명도, 내후성 및 내용매성이 우수하기에 대상으 로 선정하였다. 주요변수로는 충전재로 사용하는 탄소나노튜브와 그래핀의 물리적인 형상과 혼입 함 량을 설정하였고 제조한 점착제의 전기전도도, 점 착력, 방열특성을 평가하였다.
2. 실험방법
복합체 제조를 위한 충전재로는 탄소나노튜브와 그래핀을, 고분자 기지는 상용 아크릴계 고분자 (TT-2071, Think Top Technology)를 사용하였다. 충 전재로 사용된 탄소나노튜브의 경우 직경과 길이가 상이한 2종의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT-6A, -20A; JEIO)를 선정하여 사용하였으며, MWCNT-6A 의 경우 직경이 5-7 nm, 길이가 50-150 μm이고, MWCNT-20A는 직경이 15-25 nm 길이가 20-100 μ m인 다중벽 탄소나노튜브이다. 그래핀의 경우 두께 와 크기가 각각 5 nm 이하, 2-3 μm 이상인 다층 그 래핀 클레이(WDG; MExplorer)를 사용하였다. 사용 된 탄소나노재료의 순도 및 형상과 관련해서는 표1 에 정리하였다.
탄소나노재료의 분산도 향상을 위해 2가지의 표 면처리 방법을 이용하였다. 첫째는 상용 분산제인 BYK-9077 (BYK)를 사용하는 방법으로, 1 g의 탄소 나노재료와 100 ml의 tetrahydrofuran (99%, Daejung)
을 혼합하여 bath-type 초음파분산기(500W, JAC-5020, Kodo)를 사용하여 상온에서 10분간 처리 한다. 이후 1 g의 BYK-9077을 추가 혼합하여 자석 식 교반기(Magnetic bar stirrer)를 이용하여 상온에서 770 rpm으로 3시간 동안 교반하여 분산액을 제조하 였다. 다른 분산액 제조 방법은 N-Vinyl-2- pyrrolidinone (PVP, 99%, Daejung) 용액을 사용하는 방법으로, 1 g의 탄소나노소재를 100 g의 PVP 용액 에 넣고 bath-type 초음파분산기를 사용하여 상온에 서 50분간 처리한다. 이후 분산액 중 분산이 되지 않고 응집되어있는 충전재나 의도하지 않은 불순물 의 혼입을 배제하기 위하여 분산액을 상온에서 24 시간 정치한 후 상등액을 수집하여 사용하였다. 복 합체 기반의 점착제를 제조하기 위하여 위의 방법 으로 제작된 분산액을 0.1-3 wt%의 탄소나노튜브 무게 비율로 TT-2071 고분자와 혼합하고 자석식 교 반기를 이용하여 상온에서 770 rpm으로 24시간 동 안 교반하여 복합체 기반 점착제를 제조하였다. 일 반적으로 MWCNT와 그래핀의 밀도가 각각 2.6 g/cm3와 2.3 g/cm3인 것을 고려하여 부피비로 환산 하면 0.1-3 wt%는 MWCNT의 경우 0.002–0.47 vol%, 그래핀의 경우 0.002-0.1 vol%에 해당한다. 제조한 점착제의 점착특성과 방열특성, 전기전도도를 측정 하기 위하여 2 mm 두께의 Al 판(99%)과 graphite 기 반의 상용 방열필름(TYCS-20T-AM, Taeyang 3C)에 블레이드 코터를 이용하여 350 μm 두께로 5 mm/sec의 속도로 점착제를 코팅하였다. 이후 용매 를 제거하고 경화를 시키기 위해 100 °C 오븐에서 5분 이후 40 °C 오븐에서 72 시간 열처리(Curing) 하였다. 열처리 이후 점착재의 두께는 50 ± 7 μm 임을 확인하였다.
충전재인 탄소나노소재의 형상과 분산도는 광학 현미경(BX41M, Olympus)과 주사전자현미경(SEM;
S-4800, Hitachi)을 이용하여 확인하였다. 표면처리 과정에서 형성될 수 있는 결함과 표면 작용기를 분 석하기 위하여 라만 분광기(Raman spectroscopy;
Horiba Aramis)와 적외선 분광기(FTIR; Perkin Elmer)를 이용하여 표면분석을 실시하였다. Raman
분석의 경우 532 nm 파장의 레이저를 이용하여 동 일위치에서 3회 분석 후 평균치를 데이터로 사용하 였다. FTIR 분석은 64회 분석을 수행하여 평균값을 데이터로 사용하였다. 점착제의 전기적 특성은 전 압전류 계측기(MST-5500B, MS Tech)를 사용하여 0-5 V 범위로 전압을 인가하는 동안 전류의 변화를 측정하는 방법으로 확인하였다. 점착력은 90° 박리 강도를 측정하여 평가하였다. 구체적으로는 한국산 업규격(KS-T-1028)에 의거하여 제조된 시편을 25 x 250 mm2 크기로 잘라서 사용하였으며, 시편을 2 kg 롤러를 사용하여 SUS 시험판에 부착하였다. 90° 박 리강도 측정기(HZ-1007E, MMS Tech)를 사용하여 300 mm/min의 속도로 3회 측정하여 평균치를 결과 로 사용하였다. 방열특성 평가는 직경 5 cm의 LED 모듈(2835 LED chips)과 열화상카메라(T540, FLIR) 를 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
본 논문에서 사용된 탄소나노소재의 SEM 이미지 와 제작된 복합체의 광학현미경 이미지를 그림 1에 나타내었다. MWCNT 중에서 직경이 작고(5-7 nm) 길이가 긴(50-150 μm) MWCNT-6A의 경우 다발 (Bundle) 형태로 존재하는 것을 확인하였으며[그림 1(a)], 직경이 크고(15-25 nm) 길이가 짧은(20-100 μ m) MWCNT-20A의 경우 엉켜진 실타래와 같은 형 태로 존재함을 확인하였다[그림 1(b)]. 한편 그래핀 의 경우 작고 얇은 그래핀 시트가 적층되어 필름의 형태로 존재하였다[그림 1(c)].
탄소나노소재의 표면개질을 수행하지 않고 아크 릴계 점착제인 TT-2071와 혼합한 후 상온에서 770 rpm으로 24시간 교반하여 복합체를 제조하였다. 제 조된 복합체를 슬라이드 글라스에 코팅한 후 광학 현미경을 통해 분산도를 확인하였다. 그 결과 MWCNT-6A의 경우 MWCNT가 분산되지 않고 번 들의 형태로 분포함을 확인하였다[그림 1(d)].
MWCNT-20A의 경우도 마찬가지로 MWCNT가 분 산되지 않은 상태로 존재하였다[그림 1(e)].
Table 1. Purity and morphological information of carbon nanomaterials used as fillers.
MWCNT의 분산성이 낮은 것은 큰 종회비로 인한 구조적인 영향으로 응집된 탄소나노튜브가 존재하 여 나타난 결과이며, 이렇게 분산도가 낮은 경우에 는 아크릴 기지 내에서 나노튜브의 연결망 (Network)이 연속적으로 형성되지 않아 복합체의 열전도도가 낮을 것으로 예상된다. 이와는 대조적 으로 그래핀의 경우 MWCNT와 그래핀의 부피비가 각각 0.095 vol%와 0.106 vol%로 유사함에도 불구하 고 상대적으로 작은 2-3 μm 크기의 형상으로 인하 여 특별한 표면개질처리를 하지 않았음에도 그래핀 플레이크들의 응집없이 분산도가 양호한 것을 확인 하였다[그림 1(f)]. percolation theory 관점에서 복합 재료의 전기 및 열 전도도는 σ=σ0(V-Vc)s 로 나타 낼수있으며 이때 σ0는 충전재의 전도도, V는 충전 재의 부피비, VC는 percolation threshold을 넘어 전도 가 일어나기 시작하는 임계 부피비, S는 상수로 일 반적으로 3-D 복합재료에서는 1.5-1.6의 값을 갖는 다[21]. 따라서 임계 부피비와 관련된 percolation threshold가 중요한 변수이며, 종횡비가 큰 충전재의 경우 percolation threshold가 낮아 적은 양의 충전재 로도 전도도를 확보할 수 있다. 따라서 열전도도는 충전재의 형상에 큰 영향을 받으며, 이러한 이유로 충전재의 밀도가 동일할 경우 종횡비가 큰 1차원
구조의 MWCNT보다 플레이크 형태의 그래핀을 충 전재로 사용한 경우 열전도성을 확보하기 위한 percolation threshold가 높아 방열 특성이 우수하지 못할 것으로 예상된다. 일반적으로, 복합체의 방열 특성을 향상시키기 위해서는 종횡비가 큰 MWCNT 의 표면처리를 통하여 분산도를 향상시키고 연속적 인 나노튜브의 연결망을 형성시킴으로써 열전도 특 성을 향상시키는 것이 요구된다.
탄소나노소재의 표면은 sp2 결합을 기본으로 하 여 소수성을 나타내고 있으며, 표면개질 및 결함 형 성을 유도하여 분산도를 향상시키는 연구결과들이 보고되어 왔다[17-19]. 본 연구에서는 MWCNT의 분 산도를 향상시키기 위하여 분산제로 BYK-9077 (BYK법)과 N-Vinyl-2-pyrrolidinone(PVP법)을 선정하 였다. 실험결과, 직경이 작고 길이가 긴 MWCNT- 6A의 경우 표면처리 전[그림 2(a)]과 비교하여 처리 후 분산도가 향상된 것을 SEM 분석을 통해 확인할 수 있다. 그러나 BYK법은 번들의 형태가 여전히 존재하는 반면[그림 2(b)], PVP법의 경우 분산된 MWCNT를 확인하였다[그림 2(c)]. 이를 통해 BYK 법 보다 PVP법이 MWCNT의 분산도 향상에 적합함 을 확인하였다. 한편 표면처리 공정 중에 형성될 수 있는 MWCNT의 구조적인 결함의 정도를 확인하기 위하여 라만 분석을 수행하였다[그림 2(d)]. 일반적 으로 탄소재료의 라만 스펙트럼에는 1350 cm-1과 1600 cm-1 근처에서 각각 D-band와 G-band로 알려진 피크가 존재한다. D-band의 경우 탄소재료의 구조적 인 결함(Structural disorder)으로부터 기인하는 피크 이며, G-band는 흑연구조 고유의 진동(Tangential vibration mode)에서 기인하는 피크이다. 따라서 탄 소나노재료의 구조적 완결성(Structural integrity)의 정도는 D-band와 G-band의 강도비(Intensity ratio)인
Fig. 1. SEM images of (a) MWCNT-6A, (b) MWCNT-20A and (c) graphene, and optical microscope images of the composite fabricated using (d) MWCNT-6A, (e) MWCNT-20A and (f) graphene without surface treatment. Insets are low-magnified images of corresponding ones.
Fig. 2. SEM images of (a) as-prepared and surface-
treated MWCNT-6A using (b) BYK and (c) PVP. (d)
Raman spectra from the samples.
ID/IG값을 통해 판단할 수 있다[22]. 이를 바탕으로 표면처리 전과 BYK법 및 PVP법으로 표면처리한 MWCNT-6A의 ID/IG값이 모두 1.35로 일정한 것을 통해 표면처리 과정에서 MWCNT의 열전도를 저해 할 수 있는 구조적 결함의 증가가 일어나지 않았음 을 확인하였다. 특히, MWCNT 표면이 비정질화 (Amorphization) 되면 D-band는 비교적 높은 배경 강 도(Background intensity)와 퍼짐현상(Broadening)을 보이게 되나, 본 시료들에서는 D-band 형태가 변함 이 없음을 확인하였다.
그림 3(a-d)는 BYK법과 PVP법으로 표면처리한 MWCNT-6A와 -20A를 아크릴계 점착제와 교반하여 제조한 복합체의 광학현미경 이미지이다. 탄소나노 재료 복합재료의 분산도를 평가하기 위하여 자외선 -가시광선(UV-vis) 분광광도계를 이용해 측정한 투 광도 스펙트럼을 그림 3(e)에 나타내었다. 일반적으 로 CNT의 함량이 증가될수록 복합재료의 투광도가 낮아지는 것을 통해 Beer-Lambert 법칙을 적용할 수 있으며, 또한 Beer-Lambert 법칙을 응용하여 분산도 가 향상됨에 따라 흡수되는 유효 단면적이 증가되 어 투광도의 변화를 통해에 분산도를 확인가능하다 고 알려져있다[23]. 이를 토대로 MWCNT-6A와 -20A 모두 PVP법을 통해 표면처리한 경우 응집된 MWCNT가 적고 투광도가 47%로 낮아진 것을 통해 분산도가 우수한 것을 확인하였다. 표면처리 시 MWCNT의 표면에 형성되는 다양한 표면 작용기 (Functional group)를 확인하여 분산도 향상의 원인 을 고찰하고자 MWCNT-6A의 표면처리 전, 후의 FT-IR 분석을 수행하였다[그림 3(f)]. 일반적으로 복 합체 제조에 있어 탄소나노소재의 분산도를 향상시 키는 대표적인 방법 중 하나는 소재 표면에 직접적 으로 공유결합에 의한 작용기를 도입하는 방법이 다. 이는 흑연 구조 고유의 극성을 변화시켜 탄소나 노소재간의 반데르발스 힘을 약화시킴으로써 분산 도를 향상시키는 방법으로 C=O 및 -COOH 등의 작 용기를 도입시키는 것이다[24,25]. 본 연구에서도 표면 개질 후 탄소나노튜브 표면에 C-O (800-1200 cm-1), C=O (1300-1750 cm-1), CH (2700-2950 cm-1), OH (3200-3400 cm-1) 등의 다양한 작용기들이 형성 되었으며, 형성된 작용기로 인하여 분산도가 향상 되었음을 확인할 수 있었다. BYK법을 통해 표면처 리된 MWCNT-6A는 PVP법으로 처리된 샘플과는 달리 C-O와 OH 작용기의 형성이 적고 상대적으로 C=O 및 CH 작용기들이 주로 형성된 것을 확인하 였다. 반면, PVP법으로 표면처리된 탄소나노튜브 표면에는 C=O 및 CH 작용기의 형성은 작지만 C-O
및 OH 작용기가 형성되었음을 확인하였다. 이러한 결과들로부터 C-O 및 OH 작용기들이 형성된 탄소 나노튜브가 아크릴계 기지에서 높은 분산성을 보임 을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 PVP법을 통해 아크릴계 점착제인 TT-2071 기지 내에
Fig. 3. Optical images of the composite fabricated
using surface-treated MWCNT-6A using (a) BYK and
(b) PVP, and surface-treated MWCNT-20A using (c)
BYK and (d) PVP. (e) Optical transmittance of the
compsites fabricated using as-prepared and
surface-treated MWCNT-6A and 20A. (f) FTIR spectra
of as-prepared and surface-treated MWCNT-6A using
BYK and PVP.
MWCNT-6A를 구조적 결함 발생을 억제하며 균일 하게 분산하였다.
복합체 제조 시 탄소나노튜브 함량이 전기 및 열 전도성과 점착특성에 미치는 영향을 확인하기 위하 여 MWCNT-6A의 함량을 0.1, 0.4, 1, 2 wt%로 변경 하여 복합체를 제조하고 그 물성을 평가하였다. 그 림 4(a-d)는 각각 MWCNT-6A의 함량이 0.1, 0.4, 1, 2 wt%인 복합체의 광학현미경 이미지이다.
MWCNT-6A의 함량이 0.1, 0.4 wt%인 경우 탄소나
노튜브가 균일하게 분산이 된 것으로 확인되었으 나, 함량이 1 wt% 이상일 경우에는 인접 튜브들끼 리의 응집(Agglomeration)현상에 의해 분산성이 저 하됨을 확인하였다. 이렇게 탄소나노튜브의 응집이 발생하는 시료들은 복합체의 전류-전압 곡선에서 mA 수준의 전류가 흐르며 전도성을 갖는 것을 확 인하였다. 반면에 높은 분산성을 보였던 0.4 wt% 이 하의 시료에서는 전류값이 pA 수준으로 아크릴 점 착제와 같은 절연체임을 확인하였다. 예를 들면, Ohm의 법칙으로부터 0.4 wt%의 튜브 혼입시료의 저항은 5 x 109 Ω임을 알 수 있다. 이를 통해 0.4 wt% 이하의 MWCNT-6A를 첨가하여 높은 분산도 로 제작한 복합체 기반의 점착제는 절연 성능을 보 유하고 있음을 확인하였다. 점착제의 중요한 특성 인 점착력이 탄소나노튜브 충전재의 혼입량에 따라 어떻게 변화하는 지를 측정하기 위해 MWCNT-6A 함량을 달리한 시료들의 점착력을 90°박리강도 측 정법으로 평가하였다[그림 4(f)]. 측정 결과, MWCNT-6A의 함량이 증가할수록 점착력은 저하되 며, 함량이 1 wt% 이상일 경우에는 점착특성이 현 저히 감소되는 것을 확인하였다. 이는 응집된 탄소 나노튜브들이 제조한 점착제의 표면에 노출되고 기 판과의 결합력에 전혀 기여를 하지 못한 결과로 사 료된다. 반면, MWCNT-6A가 0.4 wt% 첨가되어 제 작된 점착제의 경우 2.95 kgf/cm의 점착력을 보여 점착특성이 양호함을 확인하였다. 위의 결과들을 종합하면, 탄소나노소재를 충전재로 이용하여 점착 제를 제조함에 있어서 충전재의 적정 혼입 함량을 도출하는 것이 매우 중요하며, 본 연구에서 0.4 wt%
가 최적의 혼입 조건임을 알 수 있다.
끝으로 열원(Hot spot)과 방열 시트 사이에서 우 수한 열전달 특성을 갖는 방열 기능성 점착제의 최 적 제조 조건을 도출하기 위하여, LED 모듈을 이용 하여 온도저감 특성을 평가하였다. 본 연구에서 제 작한 복합체 기반 방열 점착제를 상용 방열시트에 부착한 후 열화상 카메라를 이용하여 온도 변화를 시간에 따라 직접 측정하였으며, 주요 변수인 탄소 나노소재의 종류 및 함량에 따른 LED 온도 변화를 그림 5에 나타내었다. 그림 5(a)는 점착제와 방열시 트가 부착되지 않은 기준 시편(Ref.)과 충전재 없이 아크릴 점착제만 사용한 시료(0 wt%), MWCNT-6A 의 함량이 각각 0.1, 0.4 wt%인 점착제를 사용하여 방열시트를 부착시킨 시료, 그리고 MWCNT-20A와 그래핀을 0.4 wt% 첨가한 점착제를 사용하여 방열 시트를 부착시킨 시편들의 열화상 카메라 측정 결 과로서, 모든 이미지는 LED 점등 후 300초 경과한
Fig. 4. Optical images of the composite fabricated
using surface-treated MWCNT-6A using PVP with
different loading of (a) 0.1, (b) 0.4, (c) 1 and (d) 2
wt%. (e) I-V curve and (f) adhesiveness of the
composite fabricated with different loading ratio of
MWCNT-6A.
시점의 상태를 보여주고 있다. 그림 5(b)와 5(c)는 각각 LED 열원과 모듈 판에서 측정한 온도 변화 그래프이다. MWCNT-6A의 함량이 0.1 wt%인 경우 와 MWCNT-20A 및 그래핀을 각각 0.4 wt%로 첨가 하여 제작한 점착제의 경우 탄소나노소재 충전재를 첨가하지 않은 샘플 (0 wt%)과 유사한 방열 특성을 보이는 것을 확인하였다. MWCNT-6A가 0.1 wt% 첨 가된 경우 낮은 충진율로 인하여 탄소나노튜브가 연속적인 열전도 경로로 작용하지 못하여 방열 특 성이 낮은 것으로 사료된다. 직경이 굵고 길이가 짧 은 MWCNT-20A의 경우, 짧은 길이로 인해 효과적 인 방열 망(Heat dissipation network)의 형성이 어렵 게 되었고, 표면처리를 통한 분산 공정 후에도 탄소 나노튜브가 뭉쳐진 형태로 존재하여[그림 3(c,d)] 방 열특성이 향상되지 못한 것으로 사료된다. 그래핀 샘플의 경우는 높은 분산도를 보였으나 작은 그래 핀 사이즈로 인해 증가된 접점(Contact point)에서의 열전도 차단 현상으로 방열특성이 낮은 것을 예상 할 수 있었다. 한편, MWCNT-6A를 0.4 wt% 첨가하 여 제작한 점착제의 경우에는 방열시트를 부착하지 않은 기준시편(Ref.)과 비교하여 LED 열원과 모듈 기판에서 모두 10°C 이상의 온도저감 효과를 확인 하였으며, 특히, 온도가 훨씬 높은 LED의 경우에서
는 그래핀 및 MWCNT-20A (0.4 wt%) 및 MWCNT-6A (0.1 wt %)를 혼입한 점착제의 경우보 다 약 5°C의 온도 감소를 확인하였다. 이러한 향상 된 방열 특성은 MWCNT-6A의 약 16000에 달하는 높은 종횡비를 갖는 적합한 형상과 0.4 wt%의 함량 에서 47%의 가시광 투광도에 해당하는 최적의 분 산을 통해 얻어진 높은 분산도로 인한 결과임을 확 인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 열전도성 점착제 응용을 위하여 아크릴 고분자 기지에 탄소나노소재 충전재의 복합 체를 제조하였다. 탄소나노소재의 종류 및 형상 그 리고 분산방법이 분산도에 미치는 영향을 고찰하여 분산도가 높은 복합체를 제작하였으며, 이들의 열 및 전기 전도도, 점착력을 평가하였다. 분산성 향상 을 위한 표면처리 결과, BYK법의 경우는 C=O 및 CH의 작용기들만 형성된 것에 반해, PVP법으로 표 면처리된 시료에서는 C-O 및 OH등의 작용기가 추 가로 형성되면서 분산성이 향상된 것을 확인하였 다. LED 및 모듈기판의 온도측정 실험 결과, MWCNT-6A를 0.4wt% 혼입하여 제작한 점착제를
Fig. 5 (a) Thermal camera images are taken at 300 sec after turn-on of LED modules: (Ref.: without
adhesive and heat-dissipation sheet), (0 wt%: with heat-dissipation sheet attached to pure acrylic
adhesive), (0.1 and 0.4 wt%: with heat-dissipation sheet attached to composite adhesive fabricated
using MWCNT-6A at each loading condition), and (MWCNT-20A and graphene: with heat-dissipation
sheet attached to composit adhesive fabricated using 0.4 wt% MWCNT-20A and graphene,
respectively). (b) and (c) show temperature changes with elapsed time measured at LED hot spot and
module plate, respectively. Insets show variation of temperature reduction with time.
이용한 시료는 방열시트를 부착하지 않은 시료보다 10°C 이상의 높은 온도저감 효과를 나타내었다. 특 히, 온도가 높은 LED(hot spot)에서는 그래핀 및 다 른 조건의 탄소나노튜브 혼입 점착제들보다 약 5°C 의 추가적인 온도저감 효과를 확인하였다. 이러한 향상된 방열 특성은 MWCNT-6A의 가시광 투광도 47%에 해당하는 최적의 분산결과와 함께 길이 50-150 μm, 직경 5-7 nm로 열전도 패스로서 적합한 약 16000에 달하는 높은 종횡비(aspect ratio)의 1차 원 구조에서 기인한 결과로 사료된다.
후 기
본 연구는 2019년 중소벤쳐기업부 산학연 Collabo R&D 사업(S2736927)의 지원으로 수행되었음.
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