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Kapitza 열저항이 존재하는 나노복합재의 열전도 특성 예측을 위한 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법에 관한 연구
A Study on the Sequential Multiscale Homogenization Method to Predict the Thermal Conductivity of Polymer Nanocomposites with Kapitza Thermal Resistance 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.25 no.4, 2012년, pp.315 - 321  

신현성 (서울대학교 기계항공공학부) ,  양승화 (서울대학교 기계항공공학부) ,  유수영 (서울대학교 기계항공공학부) ,  장성민 (서울대학교 기계항공공학부) ,  조맹효 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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본 연구에서는 분자동역학 전산모사와 유한요소해석 기반의 균질화 기법을 통해 나노복합재의 열전도 특성을 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법을 제안하였다. 나노입자크기효과가 나노복합재의 유효 열전도 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 크기가 다른 구형 나노입자가 첨가된 나노복합재의 열전도 계수를 분자동역학 전산모사를 통해 예측했고, 그 결과 나노입자의 크기가 작아질수록 계면에서의 Kapitza열저항에 의해 나노복합재의 열전도 계수가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 나노입자의 크기효과를 균질화 해석모델을 통해 정확하게 묘사하기 위해 Kapitza 열저항에 의한 계면에서의 온도 불연속 구간과 고분자 기지가 높은 밀도를 가지며 흡착되는 유효계면을 추가적인 상으로 도입하여 나노복합재를 입자, Kapitza 계면, 유효계면, 기지로 구성된 4상의 연속체 구조로 모델링하였다. 이후 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법을 통해 유효계면의 열전도 계수를 나노복합재의 열전도 계수로부터 역으로 예측했으며, 이를 입자의 반경에 대한 함수로 근사하였다. 근사 함수를 토대로 다양한 입자 체적분율과 반경에 대한 나노복합재의 유효 열전도 특성을 예측하였으며, 유효계면에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.

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In this study, a sequential multiscale homogenization method to characterize the effective thermal conductivity of nano particulate polymer nanocomposites is proposed through a molecular dynamics(MD) simulations and a finite element-based homogenization method. The thermal conductivity of the nanoco...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 Kapitza 열저항을 포함하는 나노복합재에 대해 나노입자의 크기 효과가 나노복합재의 유효 열전도 특성에 미치는 영향을 분자동역학 산모사로부터 예측했고, 이를 연속체 모델에 반할 수 있도록 순차 멀티스케일 균질화 해석기법을 제안하다. 계면에서의 낮은 포논 전달 특성을 고려하기 위해 Kapitza 계면 상을 도입하고, 총 4개의 상으로 구성된 연속체 모델을 적용하였다.
  • 따라서 계면의 낮은 포논 전달 특성으로 인한 온도 불연속 구간과 높은 부피 대비 표면으로 인한 나노입자의 계면 효과를 반영한 연속체 모델을 구성하기 해서는 Kapitza 계면과 유 효계면 상의 두께와 열전도율을 알아야만 한다. 본 연구에서는 별도로 탄화규소와 에폭시 두 층으로 이루어진 분자 모델을 구성하여 Kapitza 계면의 두께와 열전도 특성을 계산하고, 고분자 기지의 도함수로부터 유효계면의 두께를 평가하다. 유효계면의 열전도 계수는 분자동역학 산모사를 통해 예측된 나노복합재의 열전도계수로부터 역으로 계산하으며, 본 연구에서 제안된 수치 알고리즘을 사용하다(그림 1).
  • 본 연구에서는 분자동역학 전산모사와 유한요소해석에 기반한 균질화 해석기법을 순차으로 연계하는 멀티스케일 균질화 해석기법을 통해 구형 탄화규소 나노입자를 포함하는 에폭시 나노복합재의 유효계면 열전도 특성을 예측하는 방법을 제안한다. 입자의 반경에 따른 크기 효과를 확인하기 해, 5.
  • 유효계면의 두께와 열전도율이 나노복합재의 열전도 특성에 미치는 영향을 자세히 고찰하기 위해 유효계면의 두께와 열전도율에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
분자동역학 전산모사의 단점을 극복하기 위해 제안된 방법은 무엇인가? 그러나 분자동역학 전산모사의 경우, 매우 높은 계산 용량과 과도한 연산시간을 필요로 한다는 점에서 반복인 계산이나 나노복합재의 설계 문제에 직접으로 적용될 수 없다는 단점이 있다. 이에 따라 나노입자의 크기효과가 기계 물성(Yang 등, 2008)  열탄성 물성(Yang 등, 2010)에 미치는 영향을 분자동역학 산모사로부터 측정한 뒤, 이를 연속체 모델에 달하는 순차 멀티스케일 브리징 방법론이 제안된 바 있 다(양승화 등, 2009; Yu 등, 2009). 연속체 모델에서는 나노입자의 크기 효과를 반하기 해 고분자 기지가 높은 밀도 를 가지면서 흡착되는 역을 유효계면(effective interphase) 으로 모델링하고, 이를 포함한 3상(phase)의 미시역학 모델이 기계 물성  열탄성 물성의 예측에 적용되었다.
높은 열전도 특성을 가지는 재료를 고분자 나노복합재의 충진제 (filler)로 사용하면 어떤 효과를 기대할 수 있는가? 고분자 나노복합재는 나노입자의 크기 효과(size effect) 로부터 비롯된 높은 물성이나 경량화의 이(weight advantage)  다기능성(multifunctionality) 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있다(Zeng 등, 2008). 특히, 그래핀, 탄소 나노튜 등의 나노탄소재료나 탄화규소(SiC)와 같이 높은 열전도 특성을 가지는 재료를 고분자 나노복합재의 충진제 (filler)로 사용하게 되면, 고분자 기지의 낮은 열전도 특성을 효율으로 개선할 수 있다(Jones 등, 2010). 이러한 이점  때문에, 미세 전기 회로 시스템이나 반도체 장비, 전자패키징 구조 등의 경우 고분자 나노복합재가 기존의 재료를 대체할 수 있는 새로운 재료로 적용될 수 있다(Han 등, 2011).
고분자 나노복합재가 다양한 분야에서 활용될 수 있는 이유는 무엇인가? 고분자 나노복합재는 나노입자의 크기 효과(size effect) 로부터 비롯된 높은 물성이나 경량화의 이(weight advantage)  다기능성(multifunctionality) 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있다(Zeng 등, 2008). 특히, 그래핀, 탄소 나노튜 등의 나노탄소재료나 탄화규소(SiC)와 같이 높은 열전도 특성을 가지는 재료를 고분자 나노복합재의 충진제 (filler)로 사용하게 되면, 고분자 기지의 낮은 열전도 특성을 효율으로 개선할 수 있다(Jones 등, 2010).
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참고문헌 (16)

  1. 양승화, 유수영, 조맹효 (2009) 나노입자의 크기효과와 체적분율 효과를 동시 고려한 나노복합재의 멀티스케일 브리징 해석기법에 관한 연구, 한국전산구조공학회 논문집, 22(4), pp.343-348. 

  2. Asakuma, Y., Miyauchi, S., Yamamoto, T., Aoki, H., Miura, T. (2004) Homogenization Method for Effective Thermal Conductivity of Metal Hydride bed, International Journal of Hydrogen Energy, 29(2), pp.209-216. 

  3. Bathe, K.J. (1982) Finite Element Procedures, Prentice-Hall, NJ, p.1039. 

  4. Bendsøe, M.P., Kikuchi, N. (1988) Generating Optimal Topologies in Structural Design Using a Homogenization Method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 71, pp.197-224. 

  5. Cho, M., Yang, S., Chang, S., Yu, S. (2011) A Study on the Prediction of the Mechanical Properties of Nanoparticulate Composites Using the Homogenization Method with the Effective Interface Concept, International Journal of Numerical Methods in Engineering, 85, pp.1564-1583. 

  6. Dunn, M. L., Taya, M. (1993) The Effective Thermal Conductivity of Composites with Coated Reinforcement and the Application to Imperfect Interfaces, Journal of Applied Physics, 73, pp.1711. 

  7. Guedes, J. M., Kikuchi, N. (1990) Preprocessing and Postprocessing for Materials Based on the Homogenization Method with Adaptive Finite Element Methods, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 83, pp.143-198. 

  8. Han, Z., Finab, A. (2011) Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes and Their Polymer Nanocomposites: A Review, Progress in Polymer Science, 36, pp.914-944. 

  9. Jones Jr. WE, Chiguma J, Johnsom E, Pachamuthu A, Santos D. (2010) Electrically and Thermally Conducting Nanocomposites for Electronic Applications, Materials, 3(2), pp.1478- 1496. 

  10. Mori, T., Tanaka, K. (1973) Average Stress in Matrix and Average Elastic Energy of Materials with Misfitting Inclusions, Acta Metallurgica, 21(5), pp.571-574. 

  11. Yang, S., Cho, M. (2008) Scale Bridging Method to Characterize Mechanical Properties of Nanoparticle/ Polymer Nanocomposites, Applied Physics Letter, 93, 043111. 

  12. Yang, S., Yu. S., Cho, M. (2010) Sequential Thermoelastic Multiscale Analysis of Nanoparticulate Composites, Journal of Applied Physics, 108, 056102. 

  13. Yang, S., Yu, S., Kyoung, W., Han, D., Cho. M. (2012) Multiscale Modeling of Size-Dependent Elastic Properties of Carbon Nanotube/Polymer Nanocomposites with Interfacial Imperfections, Polymer, 53(2), pp.623-633. 

  14. Yu, S., Yang, S., Cho, M. (2009) Multi-scale Modeling of Cross-Linked Epoxy Nanocomposites, Polymer, 50(3), pp.945-952. 

  15. Yu, S., Yang, S., Cho, M. (2011) Multiscale Modeling of Cross-Linked Epoxy Nanocomposites to Characterize the Effect of Particle Size on Thermal Conductivity, Journal of Applied Physics, 110, 124302. 

  16. Zeng, Q.H., Yu, A.B., Lu, G.Q. (2008) Multiscale Modeling and Simulation of Polymer Nanocomposites, Progress in Polymer Science, 33, 194. 

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