[논문]고열전도성 카본나노튜브-고분자 소재의 응용 기술

김종원; 송병갑; 김미경; 염정현; 김해식

고열전도성 카본나노튜브-고분자 소재의 응용 기술 원문보기

김종원 (한국염색기술연구소) , 송병갑 (한국염색기술연구소) , 김미경 (한국염색기술연구소) , 염정현 (경북대학교 기능물질공학과) , 김해식 (울산과학기술대학교 친환경에너지공학부)

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문제 정의

체계적인 열관련 기반 인프라 구축이 미흡하여 개발된 소재를 활용하여 부품 화할 수 있는 체계가 없으며, 이는 새롭게 개발된 소재에 대해서도 적용가능성을 어렵게 하는 요인이 된다. 일창프리시전과 휘닉스피디이가 알루미늄 페이스트를 이용한 고열전도성 냉각솔루션에 대해서 메모리 방열판과 태양열전지 방열부품으로 개발하기 위해 공동연구를 진행하고 있다. 클라스타 인스트루먼트에서 CNT를 이용한 알루미늄 heat sink용 방열도료를 개발하여 일부 상용화하였으며, 추가적인 제품에 대한 개발을 진행하고 있으며, 접착제 등 2차원 형태 및 준 3차원에서 고방열, 고열전도성을 구현할 수 있는 CNT 복합체를 연구하고 있다(Fig.

대상 데이터

마이크로 열전도성 점액형 소재는 마이크로 길이의 열전도성이 20W/m․K 이상인 소재이다. 마이크로 열전도성 점액형 소재를 이용한 고열전도성 소재는 소재가공 기술의 형태에 따라 Sheet, 접착제, 필름형태의 다양한 중간재 형태의 제품을 개발할 수 있으며, 동시에 제품화 경쟁력 강화를 위한 복합기능성 소재로서 정전분산성능(ESD)가 구현되면서 마이크로 열전도성이 20W/m․K 이상인 소재로 구현가능하다.

성능/효과

이를 극복하기 위해 CNT의 표면을 개질하여 matrix와의 상용성을 강화하고자 많은 기계적, 화학적 방법이 동원되었다. 이들 중에는 기계적으로 CNT 덩어리를 분쇄하여 좀 더 크기가 작은 tube로 개질하면 end point가 많이 matrix에 노출 될 것이고 따라서 상용성이 좋아질 것이라고 생각해서 매우 심한 마찰을 가하는 방법도 있고, 강산에 CNT를 넣어 교반하면 CNT 표면에 화학적으로 active site가 생기고 이 site에 기능기들이 붙어 matrix와의 가교역할을 할 것이라고 생각하고 오랜 시간동안 산(酸)에 넣어 교반하는 방법도 있었다. 하지만, 아직까지 이런 방법들 중에서 대규모로 적용 가능한 성공적인 방법은 도출되지 않았다.

후속연구

CNT-고분자 복합재는 나노기술의 고도화에 따라 향후 신규 제품에서 요구하는 물성을 부합시킬수 있는 유일한 신소재로서 다양한 신규 제품구현이 CNT-고분자 복합재 제조기술 기반 위에서 실현될 수 있으며 향후 5~10년 이내에 기술적 파급효과 크고 산업기술 경쟁력을 획기적으로 강화할수 있는 핵심 원천기술을 확보할 수 있을 것이며, 융합분야의 범위가 상당히 포괄적이어서 고품위 플라스틱 복합소재, 차세대 flexible 디스플레이, 각종 백라이트용 투명전극, 터치패널, LED, 유기 태양전지, wearable PC 및 넓은 의미의 섬유용 디지털 페이퍼, 고품위 전자파차폐/흡수제, 면상발열체, 군수 및 우주 항공산업, 초고강도/초경량의 전도성 섬유, 대전방지, 차세대 intelligent 스마트 섬유 등의 신규 제품에서 요구하는 물성을 부합시킬 수 있는 유일한 신소재로서 응용시장이 확대될 것이다.
고열전도성 CNT-고분자 복합재 기술은 향후 NT-IT-ET 융합 분야에서 신기술, 신상품이 출현할 가능성이 매우 높기 때문에 CNT-고분자 복합재 관련 상용화 기술을 선진국에 비해 조속히 확보할 경우 NT-IT 융합기술 분야의 선두국가로 부상하는데 큰 기여를 할 것으로 판단되며, 특히, CNT-고분자 복합재는 NT-IT 융합기술 분야만이 아니라 NT-ET, NT-BT 융합기술 분야에서도 핵심 소재로 응용될 것으로 예상된다. 특히 국가 차원에서는 CNT 분야가 전 세계적으로도 선두권에 있는 기술이므로 향후 산업 주도권을 확보할 수 있고 국가의 지속적인 성장도 가능하다는 관점에서 보자면, 세계 산업의 흐름에 맞춰 산업적 파급효과가 크며 이미 일부 제품이 상용화가 진행되고 있을 만큼 산업의 도입기에 와 있는 CNT 소재를 바탕으로 한 CNT-고분자 복합재료의 개발을 현시점에서 적극적으로 활성화하여 선진국과 대등한 기술력을 확보해야 할 것이다.
특히, 열 관련 소재의 경우 선진국의 대부분 제조업체들이 실리콘 기반, 금속기반의 제품으로 각종 제품들을 생산하고 있으며, 한국의 경우 거의 대부분의 열 관련 소재에 대해서 수입에 의존하고 있어, 기존의 기술적인 장벽과 지적재산권 문제를 회피하고 새로운 소재 채택과 경쟁력 강화를 위해서 CNT를 이용한 복합소재를 사용하여 고열전도성, 고방열 특성의 소재연구를 본격적으로 진행하여 시장 우월적 지위를 확보해야 한다. 기존에 한국이 참여하고 있지 못했던 약 127억 달러에 달하는 새로운 거대시장에 참여함으로서 새로운 제품의 확보와 동시에 기존의 전략전통사업인 자동차, 전자, 전기, 섬유, LED, 에너지 등의 산업분야에 경쟁력을 강화해야 할 것이다.
벌크형 CNT-고분자 복합재는 on-line painting을 위한 fender, door handles, mirror housing 등의 차량용 플라스틱 외장재, fuel line/tank, quik connects, O-ring, pump modules 등의 차량용 연료시스템 등의 자동차 산업에 현재 시험 적용 혹은 일부 제품화 되고 있으며, 컴퓨터 및 반도체 산업에 CNT-고분자 복합재가 적용된 부품 및 제품들이 향후 시장에서 크게 활성화 될 전망이다. 또한 반도체, IC 패키징, 가전, 전자부품 등에서의 방열문제를 효율적으로 해결할 수 있는 고열전도성의 CNT-고분자 점액형 중간재 형태의 제품이 앞으로 시장에서 크게 주목을 받을 것으로 예상된다. 섬유형 CNT-고분자 복합재는 최근에 들어서 관심을 갖는 특성들인 방수, 방염, 방화, 방열, 방전 제품 뿐 아니라 전류를 통하거나, 초고강도, 초고탄성, 초고흡수 및 극한의 열과 불에 견딜 수 있는 섬유나 빛 투과성이 있는 섬유, 역삼투 섬유, 이온 또는 가스 교환 섬유, 자가 점착 섬유(self adherence) 등에 활용될 수 있는 분야이다.
고열전도성 CNT-고분자 복합재 기술은 향후 NT-IT-ET 융합 분야에서 신기술, 신상품이 출현할 가능성이 매우 높기 때문에 CNT-고분자 복합재 관련 상용화 기술을 선진국에 비해 조속히 확보할 경우 NT-IT 융합기술 분야의 선두국가로 부상하는데 큰 기여를 할 것으로 판단되며, 특히, CNT-고분자 복합재는 NT-IT 융합기술 분야만이 아니라 NT-ET, NT-BT 융합기술 분야에서도 핵심 소재로 응용될 것으로 예상된다. 특히 국가 차원에서는 CNT 분야가 전 세계적으로도 선두권에 있는 기술이므로 향후 산업 주도권을 확보할 수 있고 국가의 지속적인 성장도 가능하다는 관점에서 보자면, 세계 산업의 흐름에 맞춰 산업적 파급효과가 크며 이미 일부 제품이 상용화가 진행되고 있을 만큼 산업의 도입기에 와 있는 CNT 소재를 바탕으로 한 CNT-고분자 복합재료의 개발을 현시점에서 적극적으로 활성화하여 선진국과 대등한 기술력을 확보해야 할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

CNT-고분자란?

CNT-고분자는 CNT의 뛰어난 열전도 특성을 이용한 소재로서 고분자를 이용하여 마이크로 크기에서의 열전도성, 열방사성, 전기전도성을 극대화한 소재로서 그 가공기술에 따라 다양한 형태의 소재, 부품으로 형상화 될 수 있는 점액형(viscous) 소재로서, 고체와 액체의 중간형태의 페이스트형 재료이다.

고열전도성 카본나노튜브의 고분자복합체는 어떤 특성을 가지고 있는가?

고열전도성 카본나노튜브(Cabon Nanotube, CNT)-고분자 복합재는 기본적으로 낮은 표면저항을 가지면서 열전도성, 투명성, 친환경, 고강도, 난연성, 광택성, 내화학성 특성 등이 복합적으로 구현될 수 있는 제품을 창출할 수 있으며 향후 최소 수조 이상의 엄청난 신규시장을 창출할 수 있는 전형적인 나노기반의 전략 산업분야이다.

고열전도성 CNT-고분자 복합재 기술은 어떤 제품들이 요구하는 바를 만족시킬 신소재기술일까?

CNT-고분자 복합재는 나노기술의 고도화에 따라 향후 신규 제품에서 요구하는 물성을 부합시킬수 있는 유일한 신소재로서 다양한 신규 제품구현이 CNT-고분자 복합재 제조기술 기반 위에서 실현될 수 있으며 향후 5~10년 이내에 기술적 파급효과 크고 산업기술 경쟁력을 획기적으로 강화할수 있는 핵심 원천기술을 확보할 수 있을 것이며, 융합분야의 범위가 상당히 포괄적이어서 고품위 플라스틱 복합소재, 차세대 flexible 디스플레이, 각종 백라이트용 투명전극, 터치패널, LED, 유기 태양전지, wearable PC 및 넓은 의미의 섬유용 디지털 페이퍼, 고품위 전자파차폐/흡수제, 면상발열체, 군수 및 우주 항공산업, 초고강도/초경량의 전도성 섬유, 대전방지, 차세대 intelligent 스마트 섬유 등의 신규 제품에서 요구하는 물성을 부합시킬 수 있는 유일한 신소재로서 응용시장이 확대될 것이다.

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