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고열전도성 고분자 복합재료의 개발

전문가 제언: ○ 최근 전자기기의 고집적화와 경박 단소 경향에 따라 열 밀도의 증대로 전자기기의 방열성 문제가 점차 중요해지고 있다. 한편 전자부품들의 경량화와 생산성 향상을 위해 고분자 부품이 금속이나 세라믹부품을 대체하기 위해 많은 연구가 경주되고 있다.

○ 고체의 열전도 수단으로는 전자전도, 포논(phonon) 전도, 광자(photon) 전도의 세 가지가 알려져 있다. 전자전도에서는 자유전자, 포논 전도에서는 격자진동, 광자전도에서는 복사가 주 역할을 하고 있다. 자유전자를 갖는 전도성 물질은 전자 속도가 매우 빠르므로 높은 열전도도를 보이고, 자유전자가 없는 절연성 물질은 속도가 낮은 포논 전도이므로 열전도도가 낮아 전도성 물질보다 낮은 열전도도를 갖는다.

○ 일반적으로 고분자 재료는 열전도도가 액정고분자 Vectra의 경우 0.37~0.45, PTFE의 0.35~0.42, 비교적 높은 편에 속하는 PE의 경우 0.33~0.52이고 PVC의 경우 0.13~0.19로 낮다. 이는 전도성인 금속의 100W/m·K 수준, 세라믹의 5~200W/m·K보다 너무 낮아 고분자는 단열재로 사용되어 왔고 고분자는 단열재의 대명사로 인식되어왔다.

○ 전자부품 등의 고분자 부품의 방열성을 높이기 위한 열전도도 향상에는 고분자 재료로는 한계가 있어 고열전도도의 금속이나 세라믹을 충전재로 함유한 고분자 복합재료가 이용되었다. 현재까지는 주로 충전재의 고열전도도나 충전량에 중점을 두어 고열전도도의 질화붕소, 흑연, 구리 등의 50용량%를 PPS(PolyPhenylene Sulphide)에 고충전해도 열전도도는 최고 2.6W/m·K 급이고 점도가 높아 사출성형이 어려웠다.

○ 해결책으로 본문에서 Osaka 시립연구소 소속 저자들은 통상의 고분자 매트릭스 연속상에 분산된 충전제와 달리, 고분자가 분산된 충전재 입자들의 연속상이란 복합재료의 개념과 고열전도도 입자의 저융점 합금 이용으로 통상의 열전도성 고분자 복합재료보다 10배 높은 열전도도인 28.5W/m·K를 얻은 내용을 소개하고 있다. 충전재 사용량이 적어 낮은 점도로 성형가공성도 향상되어 향후 전자부품 외 연료전지 차의 모터, 연료전지의 밀봉재료 등에도 많은 응용이 기대되고 있다.

저자: Yasuyuki AGARI
자료유형: 학술정보