[논문]탄소나노튜브 양에 따른 CMP-PLA 방열 소재의 특성

김영곤

doi:10.4313/jkem.2013.26.12.924

탄소나노튜브 양에 따른 CMP-PLA 방열 소재의 특성
Characteristics of CMP-PLA Heatsink Materials with Carbon Nanotube Contents 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.12, 2013년, pp.924 - 927

김영곤 ((주) 이노셈코리아)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed CMP-PLAs to replace the Al heat sinks as heat sink materials, and investigated heat dissipation characteristics of the LED lighting devices using them. The crystallinity of the proposed CMP-PLA heat sinks decreased with increasing carbon nanotube contents in CMP-PLA. However, the thermal conductivity was improved with the increase of the carbon nanotube contents. The heat dissipation characteristics of the LED lighting devices using CMP-PLA heat sinks was improved with increasing carbon nanotube contents in CMP-PLA. For the LED lighting devices using CMP-PLA heat sinks with 40% carbon nanotube contents, the initial temperature measured at the heat sink plate was $27^{\circ}C$, which increased as time, and it was saturated around $56^{\circ}C$ after an hour. The LED lighting devices using CMP-PLA heat sinks are expected to be functional materials that can reduce their weight and improve their electric properties, compared to those using existing Al heat sinks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Al 방열 소재를 대체하기 위하여 탄소나노튜브 복합체인 CMP-PLA를 방열 소재로서 제안하고, 이를 제조하여 LED 등기구에 적용하여 LED 등기구의 방열 특성을 고찰하였다. 제안한 CMP-PLA 방열 소재는 탄소나노튜브의 함량을 증가할수록 PLA 결정성은 다소 감소되었다.
탄소나노튜브는 기계적 강도가 크며, 전기적으로 열전도도가 우수한 소재이다. 이들은 혼합한 CMP (carbon nano tube metal addition polymer)-PLA 방열 소재를 제조하여 기계적 특성과 전기적 특성을 고찰하고자 한다.

제안 방법

CMP-PLA 방열 소재를 제조하기 위하여 20∼70 wt%의 탄소나노튜브와 PLA (poly lactic acid)와 PBS (poly butylene succinate)를 멜트 블렌딩 (melt-blending)한 생분 해성 20∼70 wt%의 고분자와 대두유를 혼합하여 조성된 10∼20 wt%의 오일과 80∼90 wt%의 흑운모 (biotite)를 혼합으로 하여 조성한 5∼10 wt%의 PLA 결정화 핵제를 150∼220℃에서 1,000∼1,500 rpm의 속도로 교반한다.
제조한 CMP-PLA형 방열 소재의 구조적 특성은 XRD와 FT-IR를 통해 고찰하였으며, 표면 특성은 FESEM으로 고찰하였다. 또한 열전도도 특성은 4-point porbe를 이용하여 측정하였으며, 이를 바탕으로 구조적 특성과 전기적, 표면 특성과의 관계를 고찰하였다.
여기서 생분해성 고분자는 70∼95 wt%의 PLA (poly laticacid) 5∼30 wt%의 PBS (poly butylene succinate)를 175∼180℃에서 80∼120 rpm의 교반 속도로 30초∼90초 동안 교반하여 멜트 블렌딩 (melt-blending)한다. 제조한 CMP-PLA형 방열 소재의 구조적 특성은 XRD와 FT-IR를 통해 고찰하였으며, 표면 특성은 FESEM으로 고찰하였다. 또한 열전도도 특성은 4-point porbe를 이용하여 측정하였으며, 이를 바탕으로 구조적 특성과 전기적, 표면 특성과의 관계를 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 방열 소재로서 카본알루미늄 복합 소재를 사용하였다. 카본 알루미늄 복합 소재는 방열판의 전체적인 부피와 체적을 크게 줄여 경량화를 유도할 수 있으며, 제품의 생산 원가를 대폭 절감할 수 있다.

성능/효과

50에서 이루어진다. PLA에 탄소나노튜브를 섞는 비율이 증가되어질수록 PLA의 결정화 피크의 강도는 줄어들고 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 30% 이상의 CNT를 포함한 PLA의 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PLA의 결정화에 포함 되어진 탄소나노튜브의 양에 밀접한 영향이 있음을 확인할 수 있다.
특히 30% 이상의 CNT를 포함한 PLA의 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PLA의 결정화에 포함 되어진 탄소나노튜브의 양에 밀접한 영향이 있음을 확인할 수 있다. 결론적으로 탄소나노튜브의 양은 CMP-PLA의 결정화에 영향을 미친다.
또한 40% 탄소나노튜브를 포함한 CMP-PLA 방열판을 사용한 LED 등기구의 경우 방열판에서 측정되어지는 초기 온도는 27℃이었으며, 시간이 지날수록 방열판에서 측정되어지는 온도는 증가되어졌고, 1시간 이후부터는 56℃의 온도 정도로 포화되었다. CMP-PLA 방열판 적용한 LED 등기구는 기존 Al 방열판을 사용한 LED 등기구보다 무게를 줄일 수 있으며, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성 소재로 기대되어진다.
그림에서 확인할 수 있듯이, PLA에 탄소나노튜브 양의 증가는 표면에서 금속과 결합한 탄소나노튜브의 수가 증가된 것을 확인할 수 있다. 또한 비교적 탄소나노튜브가 잘 분산된 것을 확인할 수 있으며, 탄소나노튜브 증가는 파단면에 공극의 수도 다소 증가했다는 것을 확인할 수 있다.
FT-IR 스펙트럼에서 1,266 cm ^-1, 1,369 cm ^-1, 1,446 cm ^-1등의 피크는 탄소나노 튜브 함량에 따라 서서히 증가하는 것을 보이고 있다. 이 피크들은 탄소나노튜브가 가지고 있는 고유 피크로서, 결론적으로 CMP-PLA 방열 소재 내에 포함되어지는 탄소나노튜브의 결합이 증가되었다는 것을 가리킨다.
탄소나노튜브의 함량의 증가는 CMP-PLA 방열 소재의 열전도도 값을 증가시켰다. 이러한 결과는 탄소나노튜브의 가장 큰 장점인 열전도도 특성이 PLA 의 열전도 특성을 향상시킨 것이라고 판단할 수 있다. 기존 PLA의 경우 약 1∼5 W/m.
그러나 PLA 내에 탄소나노튜브의 함량의 증가는 PLA 방열 소재의 열전도 특성의 향상을 가져왔다. 이러한 결과를 바탕으로 CMP-PLA 방열 소재를 적용한 LED 등기구의 방열 특성을 고찰한 결과 탄소나노튜브의 함량 증가는 LED 등기구의 방열 특성을 향상시켰다.
본 연구에서는 Al 방열 소재를 대체하기 위하여 탄소나노튜브 복합체인 CMP-PLA를 방열 소재로서 제안하고, 이를 제조하여 LED 등기구에 적용하여 LED 등기구의 방열 특성을 고찰하였다. 제안한 CMP-PLA 방열 소재는 탄소나노튜브의 함량을 증가할수록 PLA 결정성은 다소 감소되었다. 그러나 PLA 내에 탄소나노튜브의 함량의 증가는 PLA 방열 소재의 열전도 특성의 향상을 가져왔다.
PLA에 탄소나노튜브를 섞는 비율이 증가되어질수록 PLA의 결정화 피크의 강도는 줄어들고 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 30% 이상의 CNT를 포함한 PLA의 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PLA의 결정화에 포함 되어진 탄소나노튜브의 양에 밀접한 영향이 있음을 확인할 수 있다. 결론적으로 탄소나노튜브의 양은 CMP-PLA의 결정화에 영향을 미친다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PLA의 장점은?	PLA (poly lactic acid)는 생분해성 플라스틱으로 대표적이다. 다른 생분해성 재료에 비해 비교적 가격이 저렴하고, 제품 성형이 용이한 장점을 지니고 있으며, 또한 우수한 기계적 특성들을 보유하고 있다. PLA는 환경 친화적인 소재로서 플라스틱 제품 응용 에 가장 많이 쓰이며, 생체적합성 등으로 바이오와 의료 제품에 가장 많은 응용이 이루어지고 있다.
	PLA의 단점은?	PLA는 환경 친화적인 소재로서 플라스틱 제품 응용 에 가장 많이 쓰이며, 생체적합성 등으로 바이오와 의료 제품에 가장 많은 응용이 이루어지고 있다. 그 러나 PLA는 석유 화학적 플라스틱 보다 낮은 열 변형 온도와 낮은 용융점이라는 단점을 가지고 있고, 또한 잘 부러지기 (brittle) 때문에 충격 강도가 낮아 제품 응용에 한계가 있다 [1-3].
	PLA는 어디에 쓰이는가?	다른 생분해성 재료에 비해 비교적 가격이 저렴하고, 제품 성형이 용이한 장점을 지니고 있으며, 또한 우수한 기계적 특성들을 보유하고 있다. PLA는 환경 친화적인 소재로서 플라스틱 제품 응용 에 가장 많이 쓰이며, 생체적합성 등으로 바이오와 의료 제품에 가장 많은 응용이 이루어지고 있다. 그 러나 PLA는 석유 화학적 플라스틱 보다 낮은 열 변형 온도와 낮은 용융점이라는 단점을 가지고 있고, 또한 잘 부러지기 (brittle) 때문에 충격 강도가 낮아 제품 응용에 한계가 있다 [1-3].

참고문헌 (3)

B. Y. Shin, B. H. Cho, K. H. Hong and B. S. Kim, Polymer(Korea), 33, 588 (2009)
S. Ishida, R. Nagasaki, K. Chino, T. Dong and Y. Inoue, J. Appl. Polym. Sci., 113, 558 (2009)

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Y. Q. Xu and J. P. Qu, J. Appl. Polym. Sci., 112, 3185, (2009)

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