[논문]발열제어부품소재 적용을 위한 실리콘 복합조성물의 열전도 특성

곽호두; 오원태

doi:10.4313/jkem.2019.32.2.116

[국내논문] 발열제어부품소재 적용을 위한 실리콘 복합조성물의 열전도 특성
Thermal Characteristics of Silicone Composites for the Application to Heat-Controllable Components 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.2, 2019년, pp.116 - 121

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Hexagonal boron nitride particles (s-hBN) modified with 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) were used for the preparation of silicone composite materials. The microstructure of the composite materials was observed, and the thermal conduction and mechanical characteristics of the composite sheets were studied based on the compositions and microstructures. When a small amount of s-hBN particles was used, the thermal conductivity of the composite improved as a whole, and the tensile strength of the sheet also increased. The thermal conductivity and tensile strength of the composite in which a small amount of carbon fiber was added along with s-hBN were further improved. However, the use of carbon nanotubes with structural characteristics similar to those of carbon fiber resulted in lower thermal conductivity and tensile strength. Elastic silicone composites exhibiting 2.5 W/mK of thermal conductivity and a low hardness are expected to be used as thermally conductive interfacial sheet materials.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Filler compositions of the composites in this work.
그림 Fig. 1. (a) FT-IR spectra and (b) XPS plots of hBN and s-hBN particles. S-hBN indicates hexagonal boron nitride (hBN) which is chemically modified with 3-aminopropyl triethoxysilane. Drawing in FT-IR spectra presents the 3-aminopropyl triethoxysilyl group modified on the surface of hBN particle.
그림 Fig. 2. FE-SEM images of silicone composites of which the compositions are summarized in Table 1. CF and MWNT structures are identified within the yellow circles.
그림 Fig. 3. Thermal conductivity plot of silicone composites. The compositions of samples are summarized in Table 1.
$Fig. 4. Tensile and elongation plots at fracture of silicone composite sheets. The compositions of samples are summarized in Table 1. Squared and circled symbols present the tensile strength and elongation, respectively. Open symbols were measured from the as-prepared samples, and filled symbols were measured from the samples after thermo-hygrostat treatment under IEC 60068 standard.$ 그림 Fig. 4. Tensile and elongation plots at fracture of silicone composite sheets. The compositions of samples are summarized in Table 1. Squared and circled symbols present the tensile strength and elongation, respectively. Open symbols were measured from the as-prepared samples, and filled symbols were measured from the samples after thermo-hygrostat treatment under IEC 60068 standard.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열전도 특성이 우수한 hexagonal boron nitride (hBN) 입자의 표면을 유기실란으로 표면 개질하여 실리콘 바인더와의 상용성을 개선시키는 연구를 수행하였다. 유기실란으로 표면 처리된 hBN (s-hBN) 입자를 사용하여 만든 실리콘 복합조성물들의 열전도 특성과 기계적 특성을 비교 분석하여 이들의 구조적 특성과의 관계에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 열전도 특성이 우수한 hexagonal boron nitride (hBN) 입자의 표면을 유기실란으로 표면 개질하여 실리콘 바인더와의 상용성을 개선시키는 연구를 수행하였다. 유기실란으로 표면 처리된 hBN (s-hBN) 입자를 사용하여 만든 실리콘 복합조성물들의 열전도 특성과 기계적 특성을 비교 분석하여 이들의 구조적 특성과의 관계에 대해 고찰하였다.
Hexagonal 형태를 갖는 boron nitride 입자(hBN)를 소량 사용하는 실리콘 복합조성물 시트의 열전도특성과 기계적 특성을 연구하였다. 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)을 사용하여 화학적으로 개질된 s-hBN 입자는 FT-IR과 XPS 분석을 수행하여 확인되었다.

제안 방법

이렇게 산처리된 hBN 입자는 60℃에서 12시간 동안 건조시킨 후에 유기실란(APTES)으로 표면처리하기 위해 사용되었다. 250 mL 3 구 플라스크에 산처리된 hBN 4 g과 톨루엔 120 mL를 넣고교반하면서 0.2 g의 3-Aminopropyl Triethoxysilane(APTES)을 첨가하였다. 혼합용액을 초음파 수조(75Hz)에서 1시간 동안 초음파 처리하고, 계속하여 110℃의 질소 분위기에서 8시간 동안 교반하며 환류 처리하였다.
반응 종료 후에 혼합용액을 진공여과장치를 사용하여 여과하고 에탄올로 세척하였다. APTES로 처리된hBN (s-hBN)은 다시 에탄올을 첨가하여 20분 동안초음파 수조에서 추가적으로 초음파 처리하는 과정을3회 반복하여 잔류하는 미반응 APTES를 제거하였다.만들어진 s-hBN은 80℃의 진공오븐에서 10시간 이상건조되었다.
내습성 분석은 IEC 60068규격으로, 온도 40±2℃, 습도 93±3%의 조건에서 24시간 동안 시트 시료를 처리한 후의 인장 및 신장률과경도 값을 처리 전의 측정치와 비교하여 분석하였다.
S-hBN 입자의 유기실란 표면 개질은 FT-IR(Nicolet 6700, Thermo Scientific, USA)과 XPS(ESCALAB250, resolution of 1 eV and 0.05 eV) 분석을 수행하여 확인하였다. hBN와 s-hBN 시료의 열중량 분석(thermogravimetric analysis)은 TGA (N-1000,SCINCO, Korea)를 사용하여 질소 분위기에서 실시하였다.
05 eV) 분석을 수행하여 확인하였다. hBN와 s-hBN 시료의 열중량 분석(thermogravimetric analysis)은 TGA (N-1000,SCINCO, Korea)를 사용하여 질소 분위기에서 실시하였다. 실리콘 복합조성물 시트의 표면구조 분석은 FE-SEM(Quanta 3D, Thermo Fisher Scientific, USA,operated at 15 kV)으로, 인장 및 신장률 분석은 만능물성시험기(MTS-810, Taewon Tech.
hBN와 s-hBN 시료의 열중량 분석(thermogravimetric analysis)은 TGA (N-1000,SCINCO, Korea)를 사용하여 질소 분위기에서 실시하였다. 실리콘 복합조성물 시트의 표면구조 분석은 FE-SEM(Quanta 3D, Thermo Fisher Scientific, USA,operated at 15 kV)으로, 인장 및 신장률 분석은 만능물성시험기(MTS-810, Taewon Tech. Korea)를 사용하여 5 mm/min의 속도로 실시하였다. 인장 및 신장률시험을 위한 시편의 제작은 KSM 6518 규격에 따라 실시하였다.
시료의 비열은DSC (DSC-200F3, Netzch, Germany)를 사용하여25℃에서 측정하였다. 열전도도를 분석하기 위해 상기와 같은 방법으로 흑연시트를 제조하였고, 지름 25.4mm와 두께 1 mm의 규격으로 가공하였다.
복합조성물 시트의 기계적 특성을 분석하기 위해 인장 및 신장률을 측정한 결과를 그림 4에 정리하였다.시편의 내습 특성을 확인하기 위해 IEC 60068 규격에따라 40℃, 93% 습도 분위기에서 24시간 처리한 후의시편에 대한 분석 결과를 비교하여 정리하였다. 파단시 인장강도는 열전도도의 분석 결과와 비슷한 경향을나타내었는데, 유기실란(APTES)으로 표면을 처리한s-hBN을 소량 사용하였을 때, 처리를 하지 않은 hBN을 사용한 시료의 시편보다 인장강도가 상승하였다.
Hexagonal 형태를 갖는 boron nitride 입자(hBN)를 소량 사용하는 실리콘 복합조성물 시트의 열전도특성과 기계적 특성을 연구하였다. 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)을 사용하여 화학적으로 개질된 s-hBN 입자는 FT-IR과 XPS 분석을 수행하여 확인되었다. APTES로 표면 개질된 s-hBN 입자는 실리콘 바인더와의 상용성이 향상되어 다량으로 사용되는알루미나 입자의 혼합과 분산에 매우 효과적으로 작용한다.
바인더로 액상실리콘 수지(LSR)를 사용하는 복합조성물을 다음과 같이 준비하였다. 실리콘 주제(DS-510A)6.5 g에 표 1에서 보는 바와 같은 함량의 열전도 기능성첨가제 40 g을 Paste Mixer (Suflux, PM-500D)를 사용하여 500 rpm, 800 rpm, 1,000 rpm에서 각각 2분, 2분 30초, 30초 동안 혼합하는 과정을 2회 반복하였다.이후에, 경화제(DS-510B) 3.

대상 데이터

본 연구에서는 열전도 기능성 소재로 hexagonalboron nitride (hBN), 탄소섬유(carbon fiber, CF),탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotube, MWNT)와 알루미나(Al2O3)를 사용하였다. hBN 입자는 평균입도 8 um의 순도 98.
5% 제품으로 DECI사(중국)에서구입하였다. 탄소섬유(CF)는 Mitsubishi Rayon사의DIALEAD K6371M 제품(평균 길이 50 um)을, 탄소나노튜브(MWNT)는 CNANO사(중국)의 Flotube 9200 (직경13~25 nm, 순도 98+%) 제품을 사용하였다. 알루미나(Al2O3, Denka)는 평균 입도 5 um와 45 um인 제품(순도 99.
탄소섬유(CF)는 Mitsubishi Rayon사의DIALEAD K6371M 제품(평균 길이 50 um)을, 탄소나노튜브(MWNT)는 CNANO사(중국)의 Flotube 9200 (직경13~25 nm, 순도 98+%) 제품을 사용하였다. 알루미나(Al2O3, Denka)는 평균 입도 5 um와 45 um인 제품(순도 99.8+%)을 사용하였다. 바인더로 사용되는 액상실리콘수지(liquid silicone resin, LSR)는 대흥특수화학의DS-510A (주제)와 DS-510B (경화제)를 사용하였다.
8+%)을 사용하였다. 바인더로 사용되는 액상실리콘수지(liquid silicone resin, LSR)는 대흥특수화학의DS-510A (주제)와 DS-510B (경화제)를 사용하였다. 이밖에 3-Aminopropyl Triethoxysilane (APTES, 99%)는Sigma-Aldrich에서, 황산(H2SO4, 95%), 질산(HNO3,60~62%), 톨루엔(99.
바인더로 사용되는 액상실리콘수지(liquid silicone resin, LSR)는 대흥특수화학의DS-510A (주제)와 DS-510B (경화제)를 사용하였다. 이밖에 3-Aminopropyl Triethoxysilane (APTES, 99%)는Sigma-Aldrich에서, 황산(H2SO4, 95%), 질산(HNO3,60~62%), 톨루엔(99.5%), 에탄올(99.5%)은 모두 Junsei사에서 구입하여 사용하였다.
바인더로 액상실리콘 수지(LSR)를 사용하는 복합조성물을 다음과 같이 준비하였다. 실리콘 주제(DS-510A)6.

이론/모형

실리콘 복합조성물 시트 시료의 열전도도(λ)는 LaserFlash법(LFA-447, Netzch, Germany)으로 25℃에서열확산도(α)를 측정한 후, 다음의 식 (1)을 이용하여계산하여 구하였다.
Korea)를 사용하여 5 mm/min의 속도로 실시하였다. 인장 및 신장률시험을 위한 시편의 제작은 KSM 6518 규격에 따라 실시하였다. 시트 시료의 경도(hardness) 변화는 ASTMD2240 규격에 따라 Shore A 경도계(HP, Bareiss,Germany)로 분석하였다.
인장 및 신장률시험을 위한 시편의 제작은 KSM 6518 규격에 따라 실시하였다. 시트 시료의 경도(hardness) 변화는 ASTMD2240 규격에 따라 Shore A 경도계(HP, Bareiss,Germany)로 분석하였다. 내습성 분석은 IEC 60068규격으로, 온도 40±2℃, 습도 93±3%의 조건에서 24시간 동안 시트 시료를 처리한 후의 인장 및 신장률과경도 값을 처리 전의 측정치와 비교하여 분석하였다.

성능/효과

이어서, 초음파 처리된 혼합용액을 80℃에서 18시간 동안 다시 교반하며 환류 처리하였다. 교반 이후,처리된 hBN 용액을 pH가 ~6이 될 때까지 증류수로세척하고 원심분리 및 진공 여과장치로 필터링하는 과정을 반복하였다. 이렇게 산처리된 hBN 입자는 60℃에서 12시간 동안 건조시킨 후에 유기실란(APTES)으로 표면처리하기 위해 사용되었다.
이 피크들은 모두hBN 입자에서는 확인되지 않은 것으로, 실험 방법에기술된 방법으로 준비된 s-hBN 입자들 표면에 유기실란이 잘 개질되었음을 보여준다. XPS 분석 결과에서도s-hBN 입자에서 Si2p 피크 (101.8 eV)가 확인되어APTES로 표면 개질이 잘 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 이와 함께 TGA 열안정성 분석 결과에서,s-hBN 입자는 300℃ 넘어서부터 약 1% 정도의 중량감소를 관찰하였는데 (본 논문에 그래프 제시 안 함),이것은 입자 표면에 개질된 APTES 그룹들의 낮은 열안정성에 의해 열분해가 있어났기 때문이다.
각시료의 구체적인 성분비는 표 1에 정리되어 있다. 아무 처리를 하지 않은 hBN을 사용한 시료에 비해 실란으로 표면을 처리한 s-hBN을 사용하였을 때 시료의열전도도가 상승하였다. 이것은 앞서 SEM 이미지 결과를 설명하면서 기술한 바와 같이, APTES로 표면 처리된 s-hBN 입자들이 실리콘 바인더에 잘 섞여 전체적으로 알루미나 입자의 상용성을 향상시키는 데 효과를 나타내었기 때문으로 분석된다.
본 연구에서 준비한Cmp-6 시료에서도 이와 같이 첨가된 MWNT가 집단적으로 응집되어 조성물 내부에서 고르게 분포하기 어려운 상태로 MWNT의 우수한 열전도 특성을 나타내지못한 결과로 이해할 수 있다. 결과적으로 섬유상의 탄소소재는 나노 스케일의 두께를 갖는 MWNT보다 마이크로 수준의 직경을 갖는 CF가 복합조성물 내에서 분산이 더욱 효과적이고 복합조성물 시트의 열전도 특성향상에 유리하다는 것을 보여준다.
시편의 내습 특성을 확인하기 위해 IEC 60068 규격에따라 40℃, 93% 습도 분위기에서 24시간 처리한 후의시편에 대한 분석 결과를 비교하여 정리하였다. 파단시 인장강도는 열전도도의 분석 결과와 비슷한 경향을나타내었는데, 유기실란(APTES)으로 표면을 처리한s-hBN을 소량 사용하였을 때, 처리를 하지 않은 hBN을 사용한 시료의 시편보다 인장강도가 상승하였다. 그리고 CF를 추가로 사용한 Cmp-5 시편은 이보다 인장강도가 더욱 상승하였다.
내습실험후의 인장강도는 이보다 약간 낮은 측정값으로 확인되었는데 습기에 의한 기계적 특성의 저하가 심각하지않았다. 모든 시료 시편들의 신장률은 250% 이상의수준을 나타내었으나, hBN을 사용한 시료의 시편이가장 높은 신장률을 나타냈으며 인장강도가 상승하면신장률은 감소하는 경향을 보였다. S-hBN과 CF 또는MWNT의 사용이 복합조성물의 인성(toughness)을 저하시키는 효과를 주고 있음을 알 수 있다.
시료의 경도(hardness)는 42~48 수준으로 측정되었는데, 인장강도의 변화와 같은 경향을 나타내었으며 내습실험 전후의 차이를 보이지 않았다. 일반적으로 경도와 인성은반비례의 관계를 갖는 것을 고려할 때 본 연구에서 준비된 복합조성물 시료도 이 관계에 잘 일치하는 결과를 나타내었다.
APTES로 표면 개질된 s-hBN 입자는 실리콘 바인더와의 상용성이 향상되어 다량으로 사용되는알루미나 입자의 혼합과 분산에 매우 효과적으로 작용한다. 표면 개질하지 않은 hBN을 사용한 실리콘 복합조성물 시료에 비해 열전도도가 크게 개선되었으며, 탄소섬유를 추가적으로 사용할 경우에 시료의 열전도도는 더욱 크게 개선되는 효과를 확인하였다. 이와 함께s-hBN과 탄소섬유의 사용은 복합조성물의 인장강도와경도 특성을 향상시키는 데 효과가 있음을 확인하였다.
표면 개질하지 않은 hBN을 사용한 실리콘 복합조성물 시료에 비해 열전도도가 크게 개선되었으며, 탄소섬유를 추가적으로 사용할 경우에 시료의 열전도도는 더욱 크게 개선되는 효과를 확인하였다. 이와 함께s-hBN과 탄소섬유의 사용은 복합조성물의 인장강도와경도 특성을 향상시키는 데 효과가 있음을 확인하였다.
유기실란(APTES)으로 표면이 개질된 s-hBN 입자에서는 3,301 cm-1에서 –NH2신축진동 피크, 2,928 cm-1와 2,992 cm-1에서 –CH2-신축진동 피크와 1,119 cm-1와 1,016 cm-1에서 Si-O-Si신축진동 피크를 확인할 수 있다. 이 피크들은 모두hBN 입자에서는 확인되지 않은 것으로, 실험 방법에기술된 방법으로 준비된 s-hBN 입자들 표면에 유기실란이 잘 개질되었음을 보여준다. XPS 분석 결과에서도s-hBN 입자에서 Si2p 피크 (101.
-4)의 열전도도 향상 수준이 오차 범위를 넘는다. S-hBN을 사용하고 추가적으로 CF를 적용한 시료(Cmp-5)의 열전도도는 더욱 향상되어 2.5 W/mK 이상의 결과로 분석되었다. 알루미나, boron nitride 같은 세라믹 입자들의상용성 향상과 함께, 섬유상의 CF가 실리콘 바인더 내에 균일하게 분포됨으로써 이종 재료 사이의 열저항을크게 낮추는 효과를 나타낸 결과로 해석된다 [12].

후속연구

Hexagonal 형태의 boron nitride (hBN)은 매우 높은 면방향 열전도도(~400 W/mK 이상)를 갖는 소재로 알려져 있다 [4,5]. 높은 수준의 면방향 열전도 특성과 전기절연특성은 그래핀을 대체할 수 있는 열전도 응용소재로 활용성이 기대된다. 하지만 두께방향의 열전도도(~20 W/mK)가 상대적으로 낮아 열전도도의 이방성이 뚜렷한 특징을 보인다 [6-8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브의 이론적 열전도도의 수준은 얼마인가?	이와 함께, 탄소나노튜브 및 탄소섬유와같은 대표적인 탄소소재들도 높은 열전도 특성, 우수한열안정성, 기계적 안정성을 나타내어 열전도 응용소재로 많이 고려되고 있다. 그래핀의 높은 열전도도(~5,000 W/mK) 수준에 미치지 못하지만, 탄소나노튜브는 이론적으로 ~3,500 W/mK 정도의 열전도도로 알려져 있으며, 탄소섬유도 종류에 따라 20~500 W/mK정도의 높은 열전도도를 나타내어 열전도성 소재로의 응용을 위해 많이 적용되고 있다. 일본 Dexerials사에서는 열전도도가 ~30 W/mK 수준인 탄소섬유를 사용한실리콘 복합소재 시트제품을 개발하여 시판하고 있다.
	boron nitride의 소재적 특징은 무엇인가?	방열 및 열전도 기능이 우수한 부품소재의 개발을위해 다양한 열전도 기능성 소재들에 대한 관심이 높아지고 있는데, alumina (Al2O3), aluminum nitride(AlN), boron nitride (BN) 등과 같은 세라믹소재 입자들이 높은 열전도 특성은 물론, 전기 절연성, 화학적⋅기계적 안정성과 우수한 내열성 등과 같은 장점들 때문에 많이 적용되고 있다 [1-3]. Hexagonal 형태의boron nitride (hBN)은 매우 높은 면방향 열전도도(~400 W/mK 이상)를 갖는 소재로 알려져 있다 [4,5].높은 수준의 면방향 열전도 특성과 전기절연특성은 그래핀을 대체할 수 있는 열전도 응용소재로 활용성이기대된다.
	boron nitride가 열전도도의 이방성이 뚜렷한 이유는 무엇인가?	높은 수준의 면방향 열전도 특성과 전기절연특성은 그래핀을 대체할 수 있는 열전도 응용소재로 활용성이기대된다. 하지만 두께방향의 열전도도(~20 W/mK)가상대적으로 낮아 열전도도의 이방성이 뚜렷한 특징을보인다 [6-8]. 이와 함께, 탄소나노튜브 및 탄소섬유와같은 대표적인 탄소소재들도 높은 열전도 특성, 우수한열안정성, 기계적 안정성을 나타내어 열전도 응용소재로 많이 고려되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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