[논문]생체모방기술을 이용한 Boron Nitride /PMMA 복합체 제조

남경목; 이윤주; 김보연; 권우택; 김수룡; 신동근; 김영희

doi:10.4191/kcers.2014.51.2.103

Abstract ▼ AI-Helper

Nacre is an organic-inorganic composite material; it is composed of $CaCO_3$ platelet and protein. The microstructure of nacre is a matrix that is similar to bricks and mortar. Technology inspired by nature is called biomimetic technology. In this study, to make high thermal conducting ce...

Nacre is an organic-inorganic composite material; it is composed of $CaCO_3$ platelet and protein. The microstructure of nacre is a matrix that is similar to bricks and mortar. Technology inspired by nature is called biomimetic technology. In this study, to make high thermal conducting ceramic composite materials using biomimetic technology, a porous green body was prepared with BN platelets. PMMA was infiltrated into the porous green body to make a composite. The microstructure of the composite was observed with FESEM, and the thermal properties were measured. The thermal conductivity of the prepared organic-inorganic composite was 4.19 $W/m{\cdot}K$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 생체모방기술을 이용하여 유무기 경량 복합 소재를 제조하기 위하여 Boron Nitride 판상입자/PMMA가 적층된 다공성 지지체를 제조하고 입자사이에 MMA를 함침하고 경화시켜 고강도 복합소재를 제조하였다. 제조한 복합체의 미세구조를 SEM으로 관찰한 결과 길이 5 ~ 10 μm, 두께 0.
본 연구에서는 판상형태의 충전제를 사용하여 자연에 존재하는 전복껍질과 유사한 규칙적인 미세구조를 통하여 복합체의 빠른 열전달을 유도하고자 하였다(Fig. 1). 출발물질로 사용한 Boron Nitride 판상입자는 SEM 관찰결과 길이 5 ~ 10 μm, 두께 0.

제안 방법

70 두께 3 mm로 성형하였다. Boron Nitride 판상입자 성형체의 강도를 높여 주기 위하여 150℃에서 6시간 동안 경화하여 손으로 눌러 부서지지 않을 정도의 강도를 갖는 판상형의 Boron Nitride 판상입자가 적층된 다공성 지지체를 얻었다. Boron Nitride 판상입자 다공성 지지체를 80℃의 MMA 경화용 촉매인 benzylperoxide가 5% 용해된 MMA/benzylperoxide 용액을 Boron Nitride 판상입자 사이에 infiltration시키고 경화시켰다.
Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체의 미세구조를 관찰하기 위하여 주사현미경 (JSM-6700F, JEOL)을 사용하였고 TG (TGA 4000, Perkin Elmer)를 사용하여 복합체의 내열성을 확인하였다. 또한 복합체의 열전도도 특성을 보기 위하여 laser flash 기술을 적용하는 LFA427(Leading Thermal Analysis)를 사용하였고 Boron Nitride 판상입자 / PMMA 복합체는 아르키메데스방법을 사용해 밀도를 측정하였으며 각각의 복합체를 상온에서 측정해 신뢰도를 높여주기 위해 3 point씩 측정한 평균치를 열전도율 값으로 수치화하였다.
2). Boron Nitride 판상입자와 phenolic resin을 바인더로 사용하여 Boron Nitride 성형체를 제조하고 경화 후 MMA/benzylperoxide 용액을 함침시키고 PMMA로 전환시켜 유무기복합체를 제조하였다. 제조한 Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체의 미세구조를 주사현미경으로 관찰해본 결과를 Fig.
그 후 판상입자의 배향성을 높이기 위하여 Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체를 100℃, 10 MPa 그리고 200℃ 20 MPa 두 단계에 걸쳐 warm press를 시행하였다.
Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체의 미세구조를 관찰하기 위하여 주사현미경 (JSM-6700F, JEOL)을 사용하였고 TG (TGA 4000, Perkin Elmer)를 사용하여 복합체의 내열성을 확인하였다. 또한 복합체의 열전도도 특성을 보기 위하여 laser flash 기술을 적용하는 LFA427(Leading Thermal Analysis)를 사용하였고 Boron Nitride 판상입자 / PMMA 복합체는 아르키메데스방법을 사용해 밀도를 측정하였으며 각각의 복합체를 상온에서 측정해 신뢰도를 높여주기 위해 3 point씩 측정한 평균치를 열전도율 값으로 수치화하였다.
본 연구에서는 생체모방기술을 이용하여 판상형의 보론나이트라이드와 PMMA(Polymethylmetacrylate)를 사용하여 높은 열전도성을 갖는 유무기 복합 소재를 제조한 후 제조한 복합체의 미세구조를 주사현미경으로 관찰하고 열적특성을 측정하였다.

대상 데이터

생체모방기술을 이용한 BN/PMMA 복합재료를 제조하기 위한 출발물질로 Boron Nitride 판상입자 (chang sung corporation), methylmetacrylate (MMA) monomer (99%, Aldrich), benzylperoxide (99%, Aldrich) 그리고 phenolic resin (99%, Kolon)이 사용 되었다. 10 g의 Boron Nitride 판상입자와 1 g의 phenolic resin을 바인더로 사용하여 에탄올 용매 하에서 잘 섞은 후 1톤 프레스를 사용하여 Ø12.

성능/효과

BN/PMMA 복합체의 경우 열전도성을 측정한 결과 warm press후 4.19W/mk 에서 1.81W/mk로 감소 하였음을 확인하였다(Fig. 6). Warm press를 시도하였을 시 복합체 내부의 치밀화로 인해 열전도도가 증가 할 것으로 기대하였으나, warm press 공정 시 높은 압력으로 인하여 복합체 내부에 lamination이 일어나 오히려 열전도도가 낮아진 것으로 판단된다.
Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체는 일반적인 고분자/세라믹 복합재료보다 열분석 데이타를 관찰한 결과 PMMA 자체는 200℃부터 열분해가 일어나지만 Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체의 경우는 300℃ 까지도 무게변화를 보이지 않아 생체모방 유무기복합소재의 경우 열적안정성도 고분자에 비하여 월등히 증진함을 알 수있었다.
그 후 판상입자의 배향성을 높이기 위하여 Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체를 100℃, 10 MPa 그리고 200℃ 20 MPa 두 단계에 걸쳐 warm press를 시행하였다. 그 결과 판상입자의 배향성은 향상 되었으나 라미네이션이 일어나 판상입자들 사이에 크랙이 관찰되었다(Fig. 4(b)).
Wattanakul 연구팀은 BN/epoxy 복합소재를 제조함에 있어서 유무기 결합력을 증진시키기 위하여 BN 입자 표면을 polystyrene 또는 polymethyl methacrylate로 표면처리후 에폭시와 복합체를 제조하였다. 그 결과 표면 처리전에는 1.5 W/mK의 열전도도를 나타내었으나 표면처리후 2.69W/mK로 열전도도가 증가됨을 보여 주었다.¹¹⁾
제조한 복합체의 미세구조를 SEM으로 관찰한 결과 길이 5 ~ 10 μm, 두께 0.5 ~ 1 μm의 Boron Nitride 판상입자/PMMA가 잘 적층 되어 있으며 판상입자 사이에 PMMA가 기공 없이 채워져 있음을 확인하였다.
PMMA 자체는 200℃ 부터 열분해가 일어나기 시작하며 250℃ 부근에서는 급격한 무게감소를 보여주었다. 하지만 Boron Nitride 판상입자/PMMA 복합체의 경우 300℃까지도 무게변화를 보이지 않고 안정하였으며 350℃에서 열분해가 일어나기 시작하였고 일반적인 유무기복합소재의 세라믹 함량이 5~20% 인 것에 비교하면 본 연구에서 제조한 판상입자를 사용한 생체모방 유무기복합소재의 경우 매우 높은 세라믹함량을 보여 주었으며 열적안정성도 고분자에 비하여 월등한 것을 알 수 있었다.

후속연구

8 W/mk로 감소하게 된다. 향후 warm press 공정시 압력 조절을 통하여 치밀한 BN/PMMA 복합체를 제조할 경우 열전도도의 향상이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전복껍질이 세라믹 소결체보다 2배 이상 높은 기계적 강도를 갖는 이유는?	일반적으로 세라믹소재는 1000oC 이상의 고온에서 소결을 해야 150 MPa 정도의 기계적 강도를 나타내지만 전복껍질은 상온의 바닷물 속에서 만들어지면서도 세라믹 소결체보다 2배 이상 높은 기계적 강도를 갖는다. 이와 같은 이유는 전복 껍질은 길이 약 10 μm, 두께 약 0.5 μm 크기의 탄산칼슘 타일 수천 개가 매우 규칙적으로 쌓여 있는 형태이며 각 타일은 단백질 접착제로 단단하게 붙어 있다.8)
	열 전도성 충전제로 사용되는 세라믹 재료는?	유무기 복합재료의 경우 많은 전자기기에서 발생되는 열방출 물질로 매우 유용하다.9) 열 전도성 충전제로 흔히 사용되는 세라믹 재료에는 알루미늄 나이트라이드 (AlN), 실리콘 나이트라이드 (Si3N4), 보론 나이트라이드 (BN) 등이 있다.
	전자제품의 소형화, 고집적화에 따른 용량 증가로 인해 발생하는 문제는?	전자제품의 소형화, 고집적화에 따른 용량 증가 등의 이유로 전자 제품에서의 열방출은 매우 심각한 문제이다. 전자제품에 사용되는 방열소재는 높은 열전도도가 필요할 뿐아니라 낮은 열팽창 계수가 요구된다.

참고문헌 (11)

A. M. Belcher, X. H. Wu, R. J. Christensen, P. K. Hansma, G. D. Stucky, and D. E. Morse, "Control of Crystal Phase Switching and Orientation by Soluble Mollusc-shell Proteins," Nature, 381 [6577] 56-8 (1996).

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M. E. Launey, E. Munch, D. H. Alsem, H. B. Barth, E. Saiz, A. P. Tomsia, and R. O. Ritchie, "Designing Highly Toughened Hybrid Composites through Nature," Acta Mater., 57 [10] 2919-32 (2009).

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E. Munch, M. E. Launey, D. H. Alsem, E. Saiz, A. P. Tomsia, and R. O. Ritchie, "Tough, Bio-Inspired Hybrid Materials," Science, 322 [5907] 1516-20 (2008).

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L. J. Bonderer, A. R. Studart, and L. J. Gauckler, "Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films," Science, 319 [5866] 1069-73 (2008).

상세보기
A. Chandra, L. S. Turng, K. Li, and H. X. Huang, "Fracture Behavior and Optical Properties of Melt Compounded Semi-transparent Polycarbonate(PC)/alumina Nanocomposites," Composites, Part A, 42 [12] 1903-09 (2011).

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S. Zhao, L. S. Schadler, R. Duncan, H. Hillborg, and T. Auletta, "Mechanisms Leading to Improved Mechanical Performance in Nanoscale Alumina Filled Epoxy," Compos. Sci. Tech., 68 [14] 2965-75 (2008).

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H. Liu, H. Ye, T. Lin, and T. Zhou, "Synthesis and Characterization of PMMA/ $Al_2O_3$ Composite Particles by in Situ Emulsion Polymerization," Particuology, 6 [2] 207-13 (2008).

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K. M. Nam, Y. J. Lee, W. T. Kwon, S. R. Kim, H. M. Lim, H. S. Kim, and Y. H. Kim, "Preparation of $Al_2O_3$ Platelet/ PMMA Composite and Its Characterization(in Korean)," J. Kor. Ceram. Soc., 49 [5] 438-41 (2012).

원문보기 상세보기
J. Hong and S. E. Shim, "Trends in Development of Thermally Conductive Polymer Composites," Appl. Chem. Eng., 21 [2] 115-28 (2010).
W. Zhou, S. Qi, C. Tu, H. Zhao, C. Wang, and J. Kou, "Effect of the Particle Size of $Al_2O_3$ on the Properties of Filled Heat-conductive Silicone Rubber," J. Appl. Polym. Sci., 104 [2] 1312-18 (2007).

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K. Wattanakul, H. Manuspiya, and N. Yanumet, "Effective Surface Treatments for Enhancing the Thermal Conductivity of BN-Filled Epoxy Composite," J. Appl. Polym. Sci., 119 [6] 3234-43 (2011).

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