Thermal dissipation was investigated for poly methyl methacrylate (PMMA) composite films containing graphite and multi wall carbon nanotube(CNT) powders as filler materials. After mixing PMMA with fillers, solvent, and dispersant, the pastes were prepared by passing through a three roll mill for thr...
Thermal dissipation was investigated for poly methyl methacrylate (PMMA) composite films containing graphite and multi wall carbon nanotube(CNT) powders as filler materials. After mixing PMMA with fillers, solvent, and dispersant, the pastes were prepared by passing through a three roll mill for three times. The prepared pastes were coated $15{\sim}40{\mu}m$ thick on a side of 0.4 mm thick aluminium alloy plate and dried for 30 min at $150^{\circ}C$ in an oven. The content of fillers in dried films was varied as 1, 2, and 5 weight % maintaining the ratio of graphite and CNT as 1:1. Raman spectra from three different samples exhibited D, G and 2D peaks, as commonly observed in graphite and multi wall CNT. Among those peaks, D peak was prominent, which manifested the presence of defects in carbon materials. Thermal emissivity values of three samples were measured as 0.916, 0.934, and 0.930 with increasing filler content, which were the highest ever reported for the similar composite films. The thermal conductivities of three films were measured as 0.461, 0.523, and $0.852W/m{\cdot}K$, respectively. After placing bare Al plate and film coated samples over an opening of a polystyrene box maintained for 1 h at $92^{\circ}C$, the temperatures inside and outside of the box were measured. Outside temperatures were lower by $5.4^{\circ}C$ in the case of film coated plates than the bare one, and inside temperatures of the former were lower by $3.6^{\circ}C$ than the latter. It can be interpreted that the PMMA composite film coated Al plates dissipate heat quicker than the bare Al plate.
Thermal dissipation was investigated for poly methyl methacrylate (PMMA) composite films containing graphite and multi wall carbon nanotube(CNT) powders as filler materials. After mixing PMMA with fillers, solvent, and dispersant, the pastes were prepared by passing through a three roll mill for three times. The prepared pastes were coated $15{\sim}40{\mu}m$ thick on a side of 0.4 mm thick aluminium alloy plate and dried for 30 min at $150^{\circ}C$ in an oven. The content of fillers in dried films was varied as 1, 2, and 5 weight % maintaining the ratio of graphite and CNT as 1:1. Raman spectra from three different samples exhibited D, G and 2D peaks, as commonly observed in graphite and multi wall CNT. Among those peaks, D peak was prominent, which manifested the presence of defects in carbon materials. Thermal emissivity values of three samples were measured as 0.916, 0.934, and 0.930 with increasing filler content, which were the highest ever reported for the similar composite films. The thermal conductivities of three films were measured as 0.461, 0.523, and $0.852W/m{\cdot}K$, respectively. After placing bare Al plate and film coated samples over an opening of a polystyrene box maintained for 1 h at $92^{\circ}C$, the temperatures inside and outside of the box were measured. Outside temperatures were lower by $5.4^{\circ}C$ in the case of film coated plates than the bare one, and inside temperatures of the former were lower by $3.6^{\circ}C$ than the latter. It can be interpreted that the PMMA composite film coated Al plates dissipate heat quicker than the bare Al plate.
893으로써 더 높은 방사율을 얻기 위한 연구의 필요성이 제기되었다. 본 연구에서는 아크릴계 수지인 PMMA(poly methyl methacrylate)에 1 ~ 5%의 흑연과 탄소나노튜브를 분산시켜 방열도료를 제조한 후 알루미늄 기판 위에 도포하고 경화시킨 시편을 준비하여 표면 형상을 분석하고, 열전도도와 열 방사율을 측정하여 방열 특성을 평가하였다.
제안 방법
PMMA 수지에 충전제로 흑연과 MWCNT를 1 :1 비율로 유지하고 전체 중량 대비 1, 2, 5%로 함량을 다르게 혼합하고 3단 롤 밀로 분산시켜 제조한 세 종류의 방열도료를 알루미늄 기판에 도포한후 건조시킨 복합체 박막의 물성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 복합체 박막의 라만 분광분석 결과, D peak의 강도가 높게 측정되어 복합체 박막 내의 충전제에 결함이 존재하는 것으로 추측할 수 있고 이 결함이 포논 산란 즉 열전도도에 영향을 미칠 것으로 사료된다.
대상 데이터
실험에 사용된 방열도료는 수지(resin)로 PMMA(해인C&P, 고형분: 50%), 용제(solvent)로 Isophoron(수지켐), 분산제(dispersant)로 Anti-Terra-U(BYK), 충전제로 흑연(원화화공, 입경: 25 μm)과 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)(카본나노텍, 입경: 15 μm)를 사용하였다. 표 1과 같이 세 가지 조성을 설정하고, 교반기에 용제, 수지, 분산제, 충전제 순으로 원료를 투입하고 300 rpm으로 1 h 동안 교반한 후 3단 롤 밀(three roll mill)을 3회 통과시켜 분산을 강화하여 방열도료를 제조하였다.
성능/효과
PMMA 수지에 충전제로 흑연과 MWCNT를 1 :1 비율로 유지하고 전체 중량 대비 1, 2, 5%로 함량을 다르게 혼합하고 3단 롤 밀로 분산시켜 제조한 세 종류의 방열도료를 알루미늄 기판에 도포한후 건조시킨 복합체 박막의 물성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 복합체 박막의 라만 분광분석 결과, D peak의 강도가 높게 측정되어 복합체 박막 내의 충전제에 결함이 존재하는 것으로 추측할 수 있고 이 결함이 포논 산란 즉 열전도도에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 세 가지 복합체 박막의 열방사율을 40℃에서 측정한 결과 충전제 함량 순으로 각각 0.
893보다 더 큰 수치로서 충전제 함량의 증가와 3단 롤 밀에 의한 충전제 분산 효과에 기인하는 것으로 보인다. 복합체 박막의 열전도도를 25℃에서 측정한 결과 충전제 함량 순으로 각각 0.461, 0.523, 0.852 W/m·K로서 충전제 함량이 증가할수록 열전도도가 증가하는 경향이 나타났다. 방열도료를도포하지 않은 Al 5052 기판과 그 위에 복합체 박막을 형성시킨 샘플의 상부와 하부 온도를 측정한 결과 도료가 도포된 샘플의 온도가 Al 5052 기판의 온도보다 낮게 측정되었다.
930의 높은 수치를 나타내었다. 이는 충전제가 1 중량 % 함유되고 볼밀로 분산시킨 도료로부터 얻은 복합체 박막의 열방사율 0.893보다 더 큰 수치로서 충전제 함량의 증가와 3단 롤 밀에 의한 충전제 분산 효과에 기인하는 것으로 보인다. 복합체 박막의 열전도도를 25℃에서 측정한 결과 충전제 함량 순으로 각각 0.
후속연구
이는 복합체 박막이 기판 하부의 열을 빠르게 외부로 방출시키는 것으로 해석된다. 결론적으로, 본 연구에서 개발한 방열도료는 열을 외부로 방출하는 효과가 우수한 것으로 나타났으며, 이를 전자소자 방열판에 적용할 경우 방열효과를 더욱 증대시켜 제품의 성능과 수명 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자기기들은 하나의 디바이스에 여러 가지 기능이 집약되고 제한된 공간에서 고집적화와 박형화가 이루어 지기 때문에 발생하는 문제는?
스마트 폰이나 태블릿 PC를 비롯한 전자기기들은 하나의 디바이스에 여러 가지 기능이 집약되고 제한된 공간에서 고집적화와 박형화가 이루어지고 있다. 이러한 변화는 기기 내부의 열 밀도를 증대시켜 제품의 수명 단축, 성능 저하, 고장 등의 문제를 야기하며, 제품 내부의 열을 빠르게 외부로 방출시키는 방열기술의 필요성이 대두되고 있다[1,2]. 열 문제를 해결하기 위해 열전도율이 높은 방열판 또는 강제대류를 일으키는 팬을 설치하는 기계적인 방법이 사용되고 있으나, 부피나 중량 문제로 휴대용 기기에는 적용하기 어려운 단점이 있다.
전자기기들의 열 문제를 해결하기 위해 기계적인 방법 외에 연구되는 방법은?
열 문제를 해결하기 위해 열전도율이 높은 방열판 또는 강제대류를 일으키는 팬을 설치하는 기계적인 방법이 사용되고 있으나, 부피나 중량 문제로 휴대용 기기에는 적용하기 어려운 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 경량의 고방열 물질을 도료(paint) 또는 시트(sheet) 형태로 제작해 방열판 또는 제품에 부착하여 열을 방출시키는 방법이 연구되어 왔다[3-8].
고분자 소재의 장단점은?
방열도료 또는 방열시트는 PP(Poly Propylene), PA(Poly Amide), Epoxy, Acrylic 등의 고분자 기지(matrix)에 세라믹 또는 탄소 재료 같은 고열전도성충전제(filler) 분말이 혼합된 복합재료 형태로 주로 사용된다. 고분자 소재는 가공성, 점착성, 경량성 등이 우수하고 비용이 저렴하지만 열전도성이 매우 낮고, 충전제는 열전도성이 우수하나 점착성이 없어 목표하는 물체에 단독으로 사용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 고분자 수지의 장점을 유지하면서 충전제의 높은 열전도성을 활용하기 위해 고분자 수지와 고열전도성 충전제를 혼합한 복합재료가 사용된다[5-13].
참고문헌 (21)
S. Garimella, A. S. Fleischer, J. Y. Murphy, A. Keshavarzi, R. Prasher, C. Patel, S. H. Bhavnani, R. Venkatasubramanian, R. Mahajan, Y. Joshi, B. Sammakia, B. A. Myers, L. Chorosinski, M. Baelmans, P. Sathyamurthy, Thermal challenges in next-generation electronic systems, IEEE Trans. Comp. Pack. Tech., 31 (2008) 801-813.
H. Yu, G. Xu, X. Shen, X. Yan, C. Shao, C. Hu, Effects of size, shape and floatage of Cu particles on the low infrared emissivity coatings, Progr. Org. Coating., 66 (2009) 161-166.
J.-S. Roh, J.-S. Ahn, B.-J. Kim, H.-Y. Jeon, S.-K. Seo, S. H. Kim, S.-W. Lee, Thermal emissivity changes as a function of degree of flakes alignment on the graphite surfaces, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 42 (2009) 95-101.
W.-Y. Eom, J.-S. Roh, S.-K. Seo, J.-S. Ahn, D.-S. Kang, S. H. Kim, Thermal emission effect of electronic parts using carbon materials, Kor. J. Mater. Res., 20 (2010) 204-209.
S.-M. Kim, S.-M. Lee, Preparation and characteristics of the excellent heat-releasing composites sheet containing AlN and graphite powder, J. Kor. Inst. Electric. Electronic Mater. Eng, 25 (2012) 462-466.
J.-G. Kim, H.-S. Park, H. Kim, B.-D. Hahn, Y.-R. Cho, Evaluation of thermal conductivity for screen-printed AlN layer on Al substrate in thickness direction, J. Microelectron. Packag. Soc., 22 (2015) 65-70.
B. Weidenfeller, M. Hofer, F. R. Schilling, Thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat capacity of particle filled polypropylene, Composites: Part A, 35 (2004) 423-429.
G.-W. Lee, M. Park, J. Kim, J. I. Lee, H. G. Yoon, Enhanced thermal conductivity of polymer composites filled with hybrid filler, Composites: Part A, 37 (2006) 727-734.
J. H. Lee, M.-H. Song, C. H. Kang, Characteristics of Thermal Radiation Pastes Containing Graphite and Carbon Nanotube, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 49 (2016) 218-224.
American Society for Testing and Materials, ASTME 1933-99a, Standard test methods for measuring and compensating for emissivity using infrared imaging radiometers.
Korean Agency for Technology and Standards, KS L 1604 : 2002, Fine ceramics - Determination of thermal diffusivity, specific heat capacity, and thermal conductivity of monolithic ceramics by laser flash method.
American Society for Testing and Materials, ASTME 1461-11, Standard test method for thermal diffusivity by the flash method.
American Society for Testing and Materials, ASTME 1269-11, Standard test method for determining specific heat capacity by differential scanning calorimetry.
S. Reich, C. Thomsen, Raman spectroscopy of graphite, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362 (2004) 2271-2288.
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