[논문]폴리우레탄과 개질된 질화붕소로 이루어진 난연성 방열 복합체

김민규; 이창록; 조남주

doi:10.14478/ace.2020.1056

폴리우레탄과 개질된 질화붕소로 이루어진 난연성 방열 복합체
Flame Retardant and Heat Radiating Composite Consisting of Polyurethane and Modified Boron Nitride 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.5, 2020년, pp.487 - 494

김민규 (부산대학교 고분자공학과) , 이창록 (부산대학교 고분자공학과) , 조남주 (부산대학교 고분자공학과)

초록
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기존의 방열필름의 연소문제를 해결하기 위해 poly(tetra methylene glycol) (PTMG), 4,4'-methylenebis(phenyl isocyanate) (MDI)와 유기인이 도입된 실란 커플링제로 표면개질한 질화붕소를 사용하여 폴리우레탄과 개질된 질화붕소로 이루어진 복합체를 제작하였다. Fourier transform-infrared (FT-IR) 분광 분석을 통해 질화붕소의 개질과 복합체의 합성 여부를 확인하였다. 또 universal testing machine (UTM) 측정을 통해 개질된 질화붕소의 함량에 따른 복합체의 기계적 물성 변화를 확인하였으며, layser flash analysis (LFA)와 UL94 측정을 통해 열적 특성을 조사하였다. 그 결과, 복합체의 열전도도가 1.19 W/m·K로 증가하였으며, 자기소화성이 없어 타기 쉬운 폴리우레탄의 난연성이 UL94 V-1 등급으로 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polyurethane/modified boron nitride (PU/m-BN) composite was synthesized from the poly(tetra methylene glycol) (PTMG), 4,4'-methylenebis(phenyl isocyanate) (MDI), and modified boron nitride (m-BN). The modification of boron nitride and synthesis of PU/m-BN composite were confirmed by Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic analyses. The mechanical properties of the PU/m-BN composites were measured using the universal testing machine (UTM) and the thermal properties of the composites were investigated ser flash analysis (LFA) and UL94 measurements. As a result, the thermal conductivity of the polyurethane composite increased to 1.19 W/m·K, and the flame retardancy of the easy to burn polyurethane, which was not self-extinguishing was improved to UL94 V-1 grade.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Synthesis of PU.
그림 Figure 2. Surface modification of boron nitride.
그림 Figure 3. Synthesis of PU/m-BN composite using in situ.
그림 Figure 4. FT-IR spectra of (a) m-BN, (b) PU, and (c) PU/m-BN composite.
그림 Figure 5. Mechanical properties of PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b) soft segment content.
그림 Figure 6. Thermal conductivity of PU/m-BN composite.
그림 Figure 7. DSC thermogram of PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b)soft segment content.
그림 Figure 8. TGA profiles PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b) soft segment content.
그림 Figure 9. SEM image of PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b) soft segment content.
표 Table 1. Flame Retardancy of PU/m-BN Composite

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 방열필름의 연소 문제를 해결하기 위해 난연성이 향상된 방열필름용 수지를 제작하였다. 유연하면서 가벼워 필름용 수지로 사용하기에 적합한 폴리우레탄(PU)을 매트릭스로 사용하였으며, PU에 부족한 열전도성과 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 표면 개질한 BN을 필러로 사용하였다.
이처럼 난연성 방열소재에 대한 연구와 개발이 이루어지고 있지만 열전도도와 난연성을 동시에 만족시키는 결과는 찾기 어렵다. 이에 본 연구에서는 표면 개질된 필러를 사용하여 방열필름에 적용 가능한 난연성 수지를 제작하고자 한다. 열전도성 필러인 boron nitride (BN)의 낮은 분산성을 향상시키고 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 BN의 표면을 개질하여 사용하였고, modified BN (m-BN)과 PU를 화학적으로 결합시키는 in situ 방법을 이용해 PU/m-BN 복합체를 제조하여 분산성 및 열적 특성을 고찰하였다.

가설 설정

Figure 5. Mechanical properties of PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b) soft segment content.
Figure 5. Mechanical properties of PU/m-BN composite according to (a) m-BN content and (b) soft segment content.

제안 방법

PU/m-BN 복합체의 열전도도를 측정하기 위해 열전도도 측정기(layser flash thermal conductivity measuring system) LFA-467을 사용하였다. 1종의 시편을 3회 측정한 후 평균값을 구하였다. m-BN의 분산정도를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 사용하였다.
BN의 표면 개질과 PU 및 PU/m-BN의 합성을 확인하기 위해 FT-IR을 측정하였으며, 그 결과를 Figure 4에 나타내었다. 먼저 Figure 4(a)를 살펴보면 1400~1500 cm^-1에서 BN의 B-N stretch peak를, 1110 cm^-1에서 Si-O stretch peak와 3400 cm^-1에서 Si-OH stretch peak를 각각 확인할 수 있었다.
PU/m-BN 복합체의 난연성을 확인하기 위해 UL94 시험을 진행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타냈다. 기계적 성질과 열적 성질의 분석 결과를 토대로 방열필름용 수지로 적합한 것으로 판단되는 40 wt%로 m-BN 함량을 고정하였다.
PU/m-BN 복합체의 열적 안정성을 평가하기 위해 TGA를 측정하였으며, 그 결과를 Figure 8에 나타내었다. TGA측정은 온도 30~600 ℃, 승온속도 10 ℃/min로 설정하였다.
Figure 5(a)에 m-BN 함량에 따른 PU/m-BN의 인장강도와 파단 신율을 나타냈다. PU가 유연할수록 m-BN의 응집에 의한 파단이 적게 발생할 것이라 생각하여 soft segment의 함량을 95 wt%로 고정하고 m-BN 함량을 0~50 wt%로 설정하여 UTM을 측정하였다. PU/m-BN 복합체에서 m-BN의 함량이 증가할수록 인장강도 및 파단 신율이 증가하였으며, 일정량 이상의 함량을 초과하면 m-BN의 응집에 의한 응력 집중 현상으로 기계적 성질이 저하하였다.
Load cell은 1000 kg이며 crosshead speed는 50 mm/min로 하였다. PU의 상분리를 확인하기 위해 시차주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC)를 사용하였으며, PU/m-BN 복합체의 열적 안정성을 확인하기 위해 열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 사용하였고, 난연성을 확인하기 위해 UL94 시험을 진행하였다. PU/m-BN 복합체의 열전도도를 측정하기 위해 열전도도 측정기(layser flash thermal conductivity measuring system) LFA-467을 사용하였다.
m-BN의 개질과 PU/m-BN의 합성을 확인하기 위해 적외선 분광기(Fourier transform-infrared spectroscopy, FT-IR) Jasco 460 Plus spectrometer와 Nicolet 6700을 측정하였다. 400~4000 cm^-1의 범위를 설정하여 실온에서 측정하였다.
m-BN 함량이 50 wt%일 경우 200% 이하의 파단 신율을 나타내어 방열필름용 수지로써 적합하지 않았다. 따라서 m-BN의 함량을 40 wt%로 고정하고 soft segment의 함량을 조절하여 복합체를 제조하였다. Soft segment의 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하고 파단 신율은 증가하였다.
열전도성 필러인 boron nitride (BN)의 낮은 분산성을 향상시키고 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 BN의 표면을 개질하여 사용하였고, modified BN (m-BN)과 PU를 화학적으로 결합시키는 in situ 방법을 이용해 PU/m-BN 복합체를 제조하여 분산성 및 열적 특성을 고찰하였다. 또 m-BN의 함유량과 PU의 상분리에 따른 복합체의 열전도성과 난연성을 체계적으로 조사하였다.
3 h 후 반응 온도를 40 ℃로 낮춘 다음 1,4-BD를 투입하고 질소 분위기에서 2 h 동안 사슬연장반응을 진행시킨 후 60 ℃의 진공 오븐에서 12 h 동안 건조시켰다. 또, 중합 방법에 따른 복합체의 물성, 열전도도 및 난연성을 비교하기 위해 단순 blend로 복합체를 제작하였다. Blend 방법을 이용한 PU/m-BN 복합체의 합성방법은 다음과 같다.
유연하면서 가벼워 필름용 수지로 사용하기에 적합한 폴리우레탄(PU)을 매트릭스로 사용하였으며, PU에 부족한 열전도성과 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 표면 개질한 BN을 필러로 사용하였다. 매트릭스와 필러 사이의 젖음성을 향상시켜 분산도와 열전도도를 증가시키기 위해 in situ 방법을 이용하여 PU/m-BN 복합체를 제조하였다. 먼저 FT-IR을 통해 m-BN의 개질과 PU/m-BN 복합체의 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
14 g/mol, Junsei)에 용해시켜 사용하였다. 목표 인장강도인 3 MPa 을 만족하기 위해 PU의 예상 분자량을 30000 g/mol 로 설정하였으며 용매는 PTMG, MDI의 고형분 함량이 35 wt%가 되도록 실험을 진행하였다. Figure 1에 PU의 합성과정을 나타내었다.
복합체를 제작할 때 PU와 m-BN을 화학적으로 결합시켜 m-BN의 뭉침을 방지하고 매트릭스와 필러간의 젖음성을 향상시키기 위해 in situ 방법을 이용하여 PU/m-BN 복합체를 제조하였다. Figure 3에 합성과정과 구조식을 나타내었다.
그 후 BN을 넣고 80 ℃에서 1 h 동안 스터링하여 반응시킨 뒤 DI water를 이용해 3번 세척하고 필터링한 후 60 ℃의 진공오븐에서 12 h 동안 건조시켜 BN-Si-OH를 얻었다. 삼구 플라스크에 DOPO를 용해시킨 DMF와 BN-Si-OH를 투입하고 AIBN을 용해시킨 DMF를 2 h에 걸쳐 투입한 뒤 60 ℃의 질소분위기에서 24 h 동안 교반하여 합성을 진행하였다. 24 h 후, DI water를 이용하여 세척하고 60 ℃의 진공오븐에서 24 h 동안 건조시켜 m-BN을 얻었다.
이에 본 연구에서는 표면 개질된 필러를 사용하여 방열필름에 적용 가능한 난연성 수지를 제작하고자 한다. 열전도성 필러인 boron nitride (BN)의 낮은 분산성을 향상시키고 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 BN의 표면을 개질하여 사용하였고, modified BN (m-BN)과 PU를 화학적으로 결합시키는 in situ 방법을 이용해 PU/m-BN 복합체를 제조하여 분산성 및 열적 특성을 고찰하였다. 또 m-BN의 함유량과 PU의 상분리에 따른 복합체의 열전도성과 난연성을 체계적으로 조사하였다.
PU/m-BN 복합체의 인장강도와 파단 신율을 확인하기 위해 UTM을 측정하였으며, 그 결과를 Figure 5에 나타냈다. 현재 시판 중인 방열필름들은 주로 3 MPa 이상의 인장강도와 200% 이상의 파단 신율을 나타내고 있으므로 목표 인장강도와 파단 신율을 3 MPa과 200%로 설정하였다. Figure 5(a)에 m-BN 함량에 따른 PU/m-BN의 인장강도와 파단 신율을 나타냈다.

대상 데이터

Poly(tetramethylene glycol) (PTMG, Mn = 1000 g/mol, Aldrich)는 12 h 동안 80 ℃의 진공오븐에서 건조하고, 4,4’-methylenebis(phenyl isocyanate) (MDI, Mn = 250.25 g/mol, Aldrich)와 1,4-butanediol (1,4-BD, Mn = 90.12 g/mol, Aldrich)은 4 Å molecular sieve를 이용하여 수분을 최소화 시킨 N,N-dimethyl formamide (DMF, Mn = 92.14 g/mol, Junsei)에 용해시켜 사용하였다.
Vinyl trimethoxy silane (VTS, Mn = 148.23 g/mol, Aldrich)은 2 h 동안 질소 버블링 후 사용하였고 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene oxide (DOPO, Mn = 216.17 g/mol, TCI)는 12 h 동안 80 ℃ 진공오븐에서 건조하였으며, hexagonal boron nitride (BN, Mn = 24.82 g/mol, Avention)와 2,2’-azo bis(2-methyl propionitrile) (AIBN, Mn = 164.21 g/mol, Aldrich)은 별도의 정제과정 없이 사용하였다.
PU 단독은 난연성이 부족하여 UL94 시험에서 등급을 얻지 못한다[24]. 본 연구에서 제작한 PU/m-BN 복합체는 개별 연소시간이 10~30 s 로 V-1 등급을 나타냈다. 자체적으로 난연성을 가지는 BN과 그 표면에 도입된 DOPO의 영향으로 난연성이 향상된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존의 방열필름의 연소 문제를 해결하기 위해 난연성이 향상된 방열필름용 수지를 제작하였다. 유연하면서 가벼워 필름용 수지로 사용하기에 적합한 폴리우레탄(PU)을 매트릭스로 사용하였으며, PU에 부족한 열전도성과 난연성을 부여하기 위해 유기인이 도입된 실란 커플링제로 표면 개질한 BN을 필러로 사용하였다. 매트릭스와 필러 사이의 젖음성을 향상시켜 분산도와 열전도도를 증가시키기 위해 in situ 방법을 이용하여 PU/m-BN 복합체를 제조하였다.

이론/모형

PU의 상분리를 확인하기 위해 시차주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC)를 사용하였으며, PU/m-BN 복합체의 열적 안정성을 확인하기 위해 열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 사용하였고, 난연성을 확인하기 위해 UL94 시험을 진행하였다. PU/m-BN 복합체의 열전도도를 측정하기 위해 열전도도 측정기(layser flash thermal conductivity measuring system) LFA-467을 사용하였다. 1종의 시편을 3회 측정한 후 평균값을 구하였다.
1종의 시편을 3회 측정한 후 평균값을 구하였다. m-BN의 분산정도를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 사용하였다.

성능/효과

Figure 5(a)와 (b)를 통해 in situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend로 제작한 복합체보다 더 높은 인장강도 및 파단 신율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법이 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 인장강도와 파단 신율의 향상에 효과적임을 확인하였다.
따라서 soft segment의 함량이 작아질수록 hard segment의 비율이 높아지기 때문에 낮은 온도에서 weight loss가 발생하였다[23]. In situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend한 복합체보다 더 높은 온도에서 weight loss가 발생하였으며 더 우수한 열적 안정성을 나타냈다.
Figure 4(b)와 Figure 4(c)는 각각 PU와 PU/m-BN의 FT-IR spectra이다. N-H stretch peak와 C=O stretch peak가 각각 3300과 1700 cm^-1 부근에서 나타났고, 2270 cm^-1에서 NCO stretch peak를 확인하였다. 반응 시간에 따라 2270 cm^-1의 NCO stretch peak가 감소하였고, 3300 cm^-1 부근에서 나타난 urethane 결합의 N-H stretch peak와 1700 cm^-1 부근에서 나타난 urethane 결합의 C=O stretch peak를 통해 PU의 합성이 성공적으로 진행된 것을 확인할 수 있었다[14].
PU/m-BN 복합체 내의 m-BN 함량이 증가할수록 인장강도 및 파단 신율이 증가하였으며, 일정량을 초과할 경우에는 m-BN의 응집에 의한 응력 집중 현상으로 인해 기계적 성질이 저하하였다. 또 m-BN의 함량이 증가할수록 열전도성과 난연성 등의 열적 특성이 우수하였다.
PU가 유연할수록 m-BN의 응집에 의한 파단이 적게 발생할 것이라 생각하여 soft segment의 함량을 95 wt%로 고정하고 m-BN 함량을 0~50 wt%로 설정하여 UTM을 측정하였다. PU/m-BN 복합체에서 m-BN의 함량이 증가할수록 인장강도 및 파단 신율이 증가하였으며, 일정량 이상의 함량을 초과하면 m-BN의 응집에 의한 응력 집중 현상으로 기계적 성질이 저하하였다. 따라서 m-BN의 균일한 분산이 이루어져 응집이 발생하지 않아야 효과적인 물성 향상을 기대할 수 있다.
91 W/m⋅K의 열전도도를 나타내었다. Soft segment의 함량이 증가할수록 열전도도가 증가하였으며 95 wt%일 때 가장 높은 열전도도를 나타내었다. 소수성 표면을 갖는 m-BN은 hard segment에 비해 상대적으로 소수성을 나타내는 soft segment에 보다 균일하게 분산될 가능성이 크다.
따라서 m-BN의 균일한 분산이 이루어져 응집이 발생하지 않아야 효과적인 물성 향상을 기대할 수 있다. m-BN의 함량이 30 wt%일 때 가장 높은 인장강도와 파단 신율을 나타냈으며, 이후에는 m-BN 함량이 증가할수록 감소하였다. 이에 반해 blend 방법으로 제작한 복합체는 20 wt% 일 때 가장 높은 인장강도와 파단신율을 나타내었다.
결론적으로 m-BN과 PU를 in situ 중합법을 이용하여 복합체를 제작함으로써, 기존의 PU가 갖고 있는 취약점인 낮은 열전도성과 난연성이 향상되었으며, soft segment의 함량이 95 wt%이고 m-BN의 함량이 40 wt%인 PU/m-BN 복합체가 난연성 방열필름용 수지로 사용하기에 가장 적합함을 밝혔다. 추가적인 연구를 통해 m-BN을 더욱 균일하게 분산시킨다면 PU/m-BN 복합체의 기계적 물성 및 열적 특성은 더욱 향상될 것으로 기대된다.
PU/m-BN 복합체의 난연성을 확인하기 위해 UL94 시험을 진행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타냈다. 기계적 성질과 열적 성질의 분석 결과를 토대로 방열필름용 수지로 적합한 것으로 판단되는 40 wt%로 m-BN 함량을 고정하였다. PU 단독은 난연성이 부족하여 UL94 시험에서 등급을 얻지 못한다[24].
복합체 내에서 m-BN이 더 균일하게 분산될수록 m-BN의 응집에 의한 응력 집중이 감소하고 복합체 내부의 열전달이 용이해져 복합체의 열전도도가 향상되었다. 기계적 성질과 열적 성질의 측정결과로부터 in situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend하여 제작한 복합체보다 더 높은 인장강도와 파단 신율, 그리고 열전도도를 나타내어 in situ 방법으로 복합체를 제조하는 것이 더 효과적임을 확인할 수 있었다.
PU/m-BN 복합체 내의 m-BN 함량이 증가할수록 인장강도 및 파단 신율이 증가하였으며, 일정량을 초과할 경우에는 m-BN의 응집에 의한 응력 집중 현상으로 인해 기계적 성질이 저하하였다. 또 m-BN의 함량이 증가할수록 열전도성과 난연성 등의 열적 특성이 우수하였다. 한편, PU/m-BN 복합체의 soft segment 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하고 파단 신율은 증가하였으며, 열전도도와 열적 안정성은 향상되었다.
먼저 FT-IR을 통해 m-BN의 개질과 PU/m-BN 복합체의 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 또한 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 단순 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법을 사용할 경우 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 있음을 PU/m-BN 복합체의 SEM 이미지와 열적 거동을 통해 확인하였다. 뭉침 없이 고르게 분산된 필러로 인해 PU/m-BN 복합체의 인장강도와 파단 신율은 증가하였으며, 열적 안정성과 열전도성도 향상되었다.
또한 SEM 이미지를 통해 m-BN의 함량이 높아질수록 in situ 방법으로 제작한 복합체의 m-BN이 단순 blend한 복합체보다 더 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. 이는 PU가 합성되기 전에 m-BN을 투입하여 urethane 사슬 사이에 더 균일하게 분산되고 PU와 m-BN의 화학적 결합을 통해 PU와 m-BN사이의 젖음성이 향상되었기 때문이라 판단된다.
그 결과 soft segment의 함량이 감소하거나 m-BN의 함량이 증가할수록 soft segment의 분자운동성이 제약을 받게 되어 soft segment의 Tg가 상승하고 상분리도가 감소하였다[20,21]. 또한, in situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend로 제작한 복합체보다 더 높은 Tg를 나타냈다. 이는 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법으로 제작한 복합체가 soft domain에 더 많은 m-BN을 포함하고 있기 때문이라 생각된다.
또한, soft segment의 함량에 따른 열전도도 측정결과를 살펴보면, soft segment의 함량이 60~95 wt% 일 때 각 0.8~0.91 W/m⋅K의 열전도도를 나타내었다.
매트릭스와 필러 사이의 젖음성을 향상시켜 분산도와 열전도도를 증가시키기 위해 in situ 방법을 이용하여 PU/m-BN 복합체를 제조하였다. 먼저 FT-IR을 통해 m-BN의 개질과 PU/m-BN 복합체의 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 또한 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 단순 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법을 사용할 경우 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 있음을 PU/m-BN 복합체의 SEM 이미지와 열적 거동을 통해 확인하였다.
먼저 m-BN 함량에 따른 열전도도 측정 결과를 통해 복합체의 m-BN 함량이 0~50 wt%일 때 0.12~1.19 W/m⋅K로 m-BN 함량이 증가할수록 복합체의 열전도도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또한 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 단순 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법을 사용할 경우 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 있음을 PU/m-BN 복합체의 SEM 이미지와 열적 거동을 통해 확인하였다. 뭉침 없이 고르게 분산된 필러로 인해 PU/m-BN 복합체의 인장강도와 파단 신율은 증가하였으며, 열적 안정성과 열전도성도 향상되었다.
이는 PU가 합성되기 전에 m-BN을 투입하여 urethane 사슬 사이에 더 균일하게 분산되고 PU와 m-BN의 화학적 결합을 통해 PU와 m-BN사이의 젖음성이 향상되었기 때문이라 판단된다. 복합체 내에서 m-BN이 더 균일하게 분산될수록 m-BN의 응집에 의한 응력 집중이 감소하고 복합체 내부의 열전달이 용이해져 복합체의 열전도도가 향상되었다. 기계적 성질과 열적 성질의 측정결과로부터 in situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend하여 제작한 복합체보다 더 높은 인장강도와 파단 신율, 그리고 열전도도를 나타내어 in situ 방법으로 복합체를 제조하는 것이 더 효과적임을 확인할 수 있었다.
따라서 방열필름용 수지로 사용되기 위해서는 사용 분야에 따라 100~300 ℃의 열적 안정성이 요구된다. 본 연구에서 제작한 복합체는 모두 200 ℃ 이상의 열적 안정성을 지니고 있어 항공과 자동차를 제외한 분야에 적용 가능한 것으로 판단된다. 이후의 추가적인 연구를 통해 복합체의 열적 안정성을 300 ℃ 이상으로 향상시킨다면 항공 분야에도 사용이 가능할 것이라 생각된다.
이를 통해 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법이 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 인장강도와 파단 신율의 향상에 효과적임을 확인하였다. 본 연구에서 제작한 복합체는 모든 soft segment의 함량에서 목표 인장강도를 만족하였다. 하지만 m-BN의 함량이 50 wt% 이상인 복합체와 soft segment의 함량이 60 wt% 이상인 복합체는 200% 이하의 파단 신율을 나타내어 필름용 수지로써 적합하지 않은 것으로 판단된다.
Figure 5(a)와 (b)를 통해 in situ 방법으로 제작한 복합체가 단순 blend로 제작한 복합체보다 더 높은 인장강도 및 파단 신율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 PU를 합성한 후 m-BN을 투입하는 blend 방법보다 m-BN을 투입한 후 PU를 합성하는 in situ 방법이 urethane 사슬 사이에 m-BN이 더욱 균일하게 분산되어 인장강도와 파단 신율의 향상에 효과적임을 확인하였다. 본 연구에서 제작한 복합체는 모든 soft segment의 함량에서 목표 인장강도를 만족하였다.
본 연구에서 제작한 PU/m-BN 복합체는 개별 연소시간이 10~30 s 로 V-1 등급을 나타냈다. 자체적으로 난연성을 가지는 BN과 그 표면에 도입된 DOPO의 영향으로 난연성이 향상된 것으로 판단된다. 한편 PU/m-BN 복합체의 제조 방법과 soft segment의 함량에 따른 UL94 등급의 차이는 거의 나타나지 않았다.
Figure 9(b)는 soft segment의 함량에 따른 SEM 측정 결과이다. 첨가된 m-BN의 함량이 40 wt%로 동일함에도 불구하고 soft segment의 함량이 작을수록 m-BN의 뭉침이 더 심해지는 것을 알 수 있었다. 이는 soft segment가 감소함에 따라 개질을 통해 표면에 소수성을 나타내는 m-BN이 고르게 분산 가능한 soft domain이 감소하여 뭉침이 발생한 것으로 보이며 뭉침이 발생한 영역은 hard domain으로 추측된다.
또 m-BN의 함량이 증가할수록 열전도성과 난연성 등의 열적 특성이 우수하였다. 한편, PU/m-BN 복합체의 soft segment 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하고 파단 신율은 증가하였으며, 열전도도와 열적 안정성은 향상되었다. 이는 소수성을 갖는 m-BN이 soft segment 함량이 증가할수록 고르게 분산되어 m-BN이 더욱 효과적으로 작용하였기 때문으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서 제작한 복합체는 모두 200 ℃ 이상의 열적 안정성을 지니고 있어 항공과 자동차를 제외한 분야에 적용 가능한 것으로 판단된다. 이후의 추가적인 연구를 통해 복합체의 열적 안정성을 300 ℃ 이상으로 향상시킨다면 항공 분야에도 사용이 가능할 것이라 생각된다.
결론적으로 m-BN과 PU를 in situ 중합법을 이용하여 복합체를 제작함으로써, 기존의 PU가 갖고 있는 취약점인 낮은 열전도성과 난연성이 향상되었으며, soft segment의 함량이 95 wt%이고 m-BN의 함량이 40 wt%인 PU/m-BN 복합체가 난연성 방열필름용 수지로 사용하기에 가장 적합함을 밝혔다. 추가적인 연구를 통해 m-BN을 더욱 균일하게 분산시킨다면 PU/m-BN 복합체의 기계적 물성 및 열적 특성은 더욱 향상될 것으로 기대된다.

질의응답

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	전자 소자가 고집적화되면 무엇이 발생하는가?	최근 자동차, 전기⋅전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다[1].
	전자소자의 방출 열은 어떤 문제의 원인이 되는가?	최근 자동차, 전기⋅전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다[1].
	폴리에스테르, 폴리우레탄 등의 고분자 소재의 문제는 무엇인가?	이에 금속소재와 달리 가공성과 유연성이 뛰어난 고분자 소재가 최근 방열 소재로써 각광받고 있다. 폴리에틸렌, 폴리우레탄(PU), 에폭시 수지 등 대부분의 고분자는 0.1~0.3 W/m⋅K 수준의 낮은 열전도도를 나타내기 때문에 고열전도성 필러를 첨가한 복합소재 형태로 사용되어야 하는데, 이때 사용되는 필러의 양이 많아질수록 비중이 높아지고 가공성 및 제품의 물성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 필러의 양은 최소화 하면서 열전도도는 극대화시키는 것이 중요하다.

참고문헌 (24)

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저자의 다른 논문 :

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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