김다흰교수님 2조 - 편집 역사

Uosche231: /* 시장상황에 대한 분석 */

2023-12-19T06:58:03Z

‎시장상황에 대한 분석

Uosche231: /* 시장상황에 대한 분석 */

2023-12-19T06:57:48Z

‎시장상황에 대한 분석

Uosche231: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

2023-12-19T06:57:26Z

‎관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

Uosche231: /* 시장상황에 대한 분석 */

2023-12-19T06:55:45Z

‎시장상황에 대한 분석

Uosche231: /* 시장상황에 대한 분석 */

2023-12-19T06:53:44Z

‎시장상황에 대한 분석

차이 보기

Uosche231: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

2023-12-19T06:53:10Z

‎관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

Uosche231: /* 개발 과제의 배경 */

2023-12-19T06:51:50Z

‎개발 과제의 배경

Uosche231: /* 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) */

2023-12-19T06:48:28Z

‎관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

Uosche231: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

2023-12-19T06:48:11Z

‎이론적 계산 및 시뮬레이션

Uosche231: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

2023-12-19T06:47:57Z

‎이론적 계산 및 시뮬레이션

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 ====시장상황에 대한 분석====
 ◇ Surface Modification
- Polymer-Filler Composite의 열전달 효율은 Filler Dispersibility와 Polymer-Filler Interfacial Compatibility와 큰 관련이 있다. Pristine BNNS는 Chemical Activity가 낮아 Polymer-Filler Interface에서 thermal resistance가 크게 발생한다. 따라서, Surface Modification을 이용하여 다음 BNNS의 Chemical Activity를 높이는 방법이 연구되고 있다.
+Polymer-Filler Composite의 열전달 효율은 Filler Dispersibility와 Polymer-Filler Interfacial Compatibility와 큰 관련이 있다. Pristine BNNS는 Chemical Activity가 낮아 Polymer-Filler Interface에서 thermal resistance가 크게 발생한다. 따라서, Surface Modification을 이용하여 다음 BNNS의 Chemical Activity를 높이는 방법이 연구되고 있다.
 [[파일:f26.jpg]]

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	====시장상황에 대한 분석====		====시장상황에 대한 분석====
		+	◇ Surface Modification
		+	Polymer-Filler Composite의 열전달 효율은 Filler Dispersibility와 Polymer-Filler Interfacial Compatibility와 큰 관련이 있다. Pristine BNNS는 Chemical Activity가 낮아 Polymer-Filler Interface에서 thermal resistance가 크게 발생한다. 따라서, Surface Modification을 이용하여 다음 BNNS의 Chemical Activity를 높이는 방법이 연구되고 있다.
		+
		+	[[파일:f26.jpg]]
		+
		+	Fig 26. mBNNS-TDI
		+
		+	위 그림은 BNNS를 Surface Modification하여 Matrix에 정렬하는 방법을 간단하게 묘사한 것이다. 각각의 단계를 살펴보면, 우선 negative charge를 띄는 BNNS 표면에 positive charge를 띄는 Fe3O4가 부착되게 된다. 용액에서는 FeCl2.4H2O와 NaCl 용액이 Fe(OH)2 colloidal solution을 형성한다. 형성된 colloid는 BNNS 표면에서 Fe3O4를 산화시키고, 이때 흰색의 BNNS가 검은색으로 변한다. 이렇게 만들어진 검은색 BNNS는 자성에 반응할 수 있다. 논문에서는 mBNNS 표면에 추가적으로 TDI(2,4-diisocyanate)라는 물질을 결합시켰다. Isocyanate는 다양한 무기 화합물과 결합할 수 있어, mBNNS에 추가적인 Chemical Activity를 제공한 것이다.
		+
		+	[[파일:f27.jpg]]
		+
		+	Fig 27. Magnetization
		+
		+	위 그래프에서 볼 수 있듯, mBNNS에 TDI가 결합되어도 자성은 유지되었다. 결과적으로 mBNNS 표면의 Chemical Activity를 향상시켜 Polymer-Filler interfacial interaction을 향상시키고, 자성은 유지되어 고분자 내에서 정렬될 수 있는 mBNNS-TDI filler가 완성되었다.
		+
		+	[[파일:f28.jpg]]
		+
		+	Fig 28. SEM image of RmBNNS/TPU, ImBNNS/TPU, ImBNNS-TDI/TPU
		+
		+	위 그림은 filler을 다양한 조건으로 TPU 고분자에 사용했을 때의 SEM 이미지이다. (a,d)는 RmBNNS/TPU(random), (b,e)는 ImBNNS/TPU(In-Plane), 그리고 (c,e)는 ImBNNS-TDI/TPU의 이미지다. Surface Modification의 영향을 확인하기 위해 b와 c를 비교해 보면, ImBNNS-TDI/TPU의 Filler 구조가 더욱 잘 정렬되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 TDI의 –NCO기가 TPU의 –OH와 반응하여 Dispersibility를 증가시키고, interfacial affinty를 증가시켜 filler가 aggregation되지 않고, 계면의 interfacial interactin을 향상시킨 것이다.
		+
		+	[[파일:f29.jpg]]
		+
		+	Fig 29. Fillers Content vs Thermal Conductivity
		+
		+	위 그래프는 물질들의 In-Plane Thermal Conductivity를 나타낸 것이다. Filler가 잘 정렬되고, Polymer-Filler 계면의 Thermal resistance가 가장 적은 ImBNNS-TDI/TPU가 모든 filler loading에서 가장 우수한 Thermal Conductivity를 가진다. Filler loading이 증가할수록 Thermal Conductivity 역시 증가하는 경향을 보인다. 하지만 Filler loadng이 많아질수록 고분자 점도 증가로 열이 잘 빠져나가지 못하고, Thermal Stability가 감소하는 경향이 있어 적절한 용량을 찾는 것이 중요하다.
		+
		+	[[파일:table2.jpg]]
		+
		+	Table 2. Filler and Matrix Thermal Conductivity
		+
		+	표에서 확인할 수 있듯이, 특정 Polymer Matrix에 적절한 Filler의 적절한 용량 투입으로 Polymer의 Thermal Conductivity를 적게는 138%, 많게는 3012%까지 향상될 수 있음을 확인할 수 있다. 그리고 Filler Alignment, Filler Structure, 그리고 Surface Modification 등 다양한 조건들이 Polymer Composite의 Thermal Conductivity에 영향을 미침을 알 수 있다.
		+
		+	◇ Segregated Structure
		+
		+	Boron Nitride는 높은 열전도도, 충분한 전기 저항, 뛰어난 열적 안정성으로 유망한 Polymer Filler로 연구가 진행중이다. 하지만 Interfacial Thermal Resistance 때문에 열전도도가 기대보다 훨씬 낮게 측정되고 있는 상황이고, BN의 열전도도는 방향에 따라 달라져 In-Plane뿐만 아니라 Out-Plane 방향의 열 전도도를 높이는 것도 중요하다. Polymer Matrix에 분포되는 Filler는 Filler Interface에서 산란되는 phonon을 감소시켜 열전달을 향상시킨다. 결과적으로, 분리되어 떨어져있는 Polymer Filler가 무작위로 분포되어져 있는 Filler보다 더 나은 Conductive Pathway를 제공할 수 있게 된다.
		+
		+	[[파일:f30.jpg]]
		+
		+	Fig 30. Segregated Structure
		+
		+	Magnetic Field를 회전시키지 않고 In-Plane Thermal Conductivity를 향상시키는 방법이 제시되었는데, 위 그림에서 간단하게 확인할 수 있다. PVA Particle, NaCl Partivle, Boron Nitride를 넣고 혼합 후, 냉각하여 재결정화한다. 그 후 Blending Water로 NaCl을 세척하면 속이 비어있는 Hollow BNMB(Boron Nitride Microbead)가 만들어진다. 이렇게 만들어진 BNMB는 서로 연결되어있는 네트워크 덕분에 In-Plane, Out-Plane 모두 뛰어난 Thermal Conductivity를 가진다. 이렇게 만들어진 BNMB를 Mold에 넣고 적절한 압력을 주면 mold의 크기에 따라 내부 구조를 조절할 수 있다. Mold에서 나와 특정 구조를 가지는 hollow BNMB에 Epoxy Resin과 같은 polymer를 넣고 공정하면 Composite가 만들어진다.
		+
		+	[[파일:f31.jpg]]
		+
		+	Fig 31. Hollow Particle
		+
		+	Hollow BNMB가 만들어지는 과정을 확인해보면 NaCl Particle과 BN이 우선 결합한다. 그 후 PVA Particle을 중심으로 원형 particle이 만들어지고, 점점 커진다. 그 후 NaCl을 씻어내면 hollow BNMB가 만들어 진다.
		+
		+	[[파일:f32.jpg]]
		+
		+	Fig 32. Molding by size
		+
		+	위는 만들어진 다양한 사이즈의 BNMB를 같은 크기 mold에 찍어 냈을때의 SEM 이미지이다. 순서대로 지름이 10, 15, 25, 35um인 Microbead이다. d를 보면 Rotating Magnetic Field를 사용했을 때처럼 Filler가 정렬이 잘 되어있는 것을 볼 수 있다.
		+
		+	[[파일:f33.jpg]]
		+
		+	Fig 33. Volume vs Thermal Conductivity
		+
		+	그래프를 통해 각각의 Thermal Conductivity를 살펴보면 mold 부피가 V일 때, In-Plane 방향으로 d의 Thermal Conductivity가 가장 높다. BN Layer가 압력을 받아 In-Plane 방향으로 정렬되기 때문이다. 하지만 Out-Plane 방향으로는 c가 가장 높았고, 결국 목적에 따라 적절한 Filler Loading과 Mold의 부피를 설정하는 과정이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
		+
		+	[[파일:f34.jpg]]
		+
		+	Fig 34. Heating Plate Experiment
		+
		+	만들어진 EP/BNMB를 Heating Plate에 올려놓고 실험한 결과이다. 위의 Thermal Conductivity 그래프와 함께 해석해보면, c는 240초가 지난 후 edge부분만 뜨거워 졌음을 확인할 수 있다. 하지만 d는 전체 부분이 고르게 뜨거워졌음을 확인할 수 있는데, 이는 다시 목적에 따라 공정이 달라져야 함을 확인시켜준다.
		+
		+	*특허조사 및 특허 전략 분석
		+
		+	◇ 방열 소재로서의 Boron nitride Nano Sheet (BNNS)
		+
		+	BNNS는 두께가 증가함에 따라 강도가 급격히 감소하는 그래핀과 달리, 소수 층의 질화붕소 시트는 단층 질화붕소와 유사한 강도를 갖는다. 높은 열전도도, 구조적 안정성, 우수한 기계적 및 항산화 특성으로 인해 육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 장치와 같이 우수한 열 관리가 필요한 복합재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 기능성 필러로 간주된다. 이론적 연구들은 물질의 두께를 축소함으로써 음향-음향 산란이 감소되기 때문에 2차원 (2D) BN이 대량 h-BN보다 더 높은 열전도도(평면에서 최대 400 Wm−1K−1)를 가지고 있다. 이 때문에, 2D 붕소 질화물 나노시트(BNNS)는 열을 효율적으로 분산시키는 복합재료의 설계에 활용될 수 있다.
		+
		+	◇ rotational degeneracy 감소
		+
		+	육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 소자의 방출 열을 제어하는 기술에 필요한 복합 재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 가능성 필러로 간주 된다. 이에 붕소 질화물 나노시트를 자기장 하에 정렬하여 연전도도를 향상 시키는 연구가 진행되어 왔는데, 마그네틱 물질을 도핑한 붕소 질화물 나노시트를 자기장 내에서 정렬시키면 random하게 배향 된 BNNS에 비해서는 열전도도가 높아진다. 그러나 배향된 붕소 질화물이 유체에 영향을 받아 자기장과 완전히 수직한 방향으로 정렬시키기 어렵다는 한계점이 존재하는데, 본 특허에서는 2D BNNS를 자기장에 수직인 방향으로 정렬시킬 수 있는 방법을 연구하여 rotational degeneracy를 줄여 높은 orientational order를 얻어서 높은 thermal conductivity를 얻고자 한다. 또한 높은 점성의 epoxy를 사용하여 자기장을 제거하여도 나노시트의 정렬이 유지되어 효율적인 heat dissipation pathway 설계가 가능할 것으로 보인다.
		+
		+	◇ 질화붕소 나노시트와 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록 특허
		+
		+	제10-1212717호에서는 다성분계 저온 공융 온도 시스템을 이용한 고품질 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법에 관하여 개시하고 있다. 구체적으로는,
		+	(i) 두 종류 이상의 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는 염 혼합물과 육방정 질화붕소를 혼합하여 육방정 질화붕소-염 혼합물을 제조하는 단계;
		+	(ii) 상기 육방정 질화붕소-염 혼합물을 상기 염 혼합물의 공융 온도 이상으로 가열하여, 상기 염 혼합물을 융해시키는 단계;
		+	(iii) 상기 염 혼합물이 융해되어 생성된 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 상기 육방정 질화붕소의 층간에 삽입하여 상기 육방정 질화붕소의 층 사이 간격을 증가시키고 육방정 질화붕소 층을 분리시켜, 육방정 질화붕소 층간 화합물을 형성하는 단계
		+	(iv) 상기 육방정 질화붕소 층간 화합물로부터 상기 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 제거하여 육방정 질화붕소 나노시트를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법을 제공하고 있다. 그러나, 상기 종래기술에서도 여전히 높은 온도에서 공정을 수행하고 있어 제조단가가 높은 단점이 있다.
		+
		+
		+	◇ 차세대 반도체 패키지 및 고성능 LED에서 고열 발생으로 인한 효율 저하와 열적 스트레스에 의한 손상은 국내 기술경쟁력에 큰 문제를 야기하고 있다. 소자의 안정적 가동과 성능, 내구성 확보를 위해 전자기기용 고방열 소재의 개발이 시급하다. 에너지, 환경적 측면에서 기존의 전등을 대체하는 LED 소자 관련 연구가 정부 차원에서 진행되고 있으나, 소자 및 회로 연구에 비해 소재 고유의 열전도도를 향상시켜 발열 성능을 개선하는 연구는 상대적으로 부족하다.
		+
		+	[[파일:f35.jpg]]
		+
		+	Fig 35. 전세계 조명시장 및 LED 조명시장 규모 및 전략(한국투자증권,2013)
		+
		+	고성능 소자의 세라믹 기판으로 주로 사용되는 질화알루미늄(AIN)의 경우 방열기판 및 반도체 제조장비 분야 등을 중심으로 3,000억원의 시장규모가 형성되어 있고, 그중 기판용 소재의 제조를 위한 질화알루미늄 시장 규모는 전세계 생산량이 약 430만톤/년이며, 일본이 70% 이상을 독점하고 있다. 국내의 경우 기술력이 태동 단계 수준이며 성능, 단가 경쟁력 측면에서 모두 뒤쳐진다.
		+
		+	[[파일:f36.jpg]]
		+
		+	Fig 36. 고분자 방열소재 관련 국제 특허 현황 (검색식 : heat and dissipation and polymer)
		+
		+	기존에는 단순히 첨가 공정, 강화재 함량과 열전도도의 상관관계 등을 바탕으로 복합재료 열전도도 향상을 꾀했으나, 최근 연구에서는 새로운 강화재의 제조 또는 강화재 형태나 배열의 선택적 조절을 통해 열전도도를 효율적으로 증가시키는 논문 및 특허가 보고되고 있다.
		+
		+	◇ 저차원 나노소재를 통한 고분자 기지의 열전도율 향상을 위해 고려해야 할 요소에는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 고품질의 저차원 나노소재를 제조하는 것이다. 탄소계열 나노소재의 경우 어느 정도 대량 생산을 위한 연구/산업적 기반이 마련되어 있으나, BNNT, BNNP 등 질화붕소 계열 나노소재는 산업적 기반이 전혀 갖춰져 있지 않아 이의 제조를 위한 연구개발이 실험실 수준에서 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 자기장을 이용해 hBN 나노시트를 정렬하여 열전도도를 향상시키고 더 나아가, 수직 정렬 시 발생하는 rotational degeneracy를 해결하여 더 높은 효율의 열전도도를 갖는 열전도 복합체를 제시하고자 한다.

	===개발과제의 기대효과===		===개발과제의 기대효과===

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248번째 줄:		248번째 줄:

	30wt% FeCo + 30wt% BN을 사용한 composite film이 다른 두 film보다 우수한 heat dissipation behavior를 보인다. substrate의 TC가 높을 경우, LED에서 발생하는 열이 chip에서 film의 아랫면으로 빠르게 전달될 수 있기 때문에 최적 조건에서의 온도가 가장 높게 나타났다.		30wt% FeCo + 30wt% BN을 사용한 composite film이 다른 두 film보다 우수한 heat dissipation behavior를 보인다. substrate의 TC가 높을 경우, LED에서 발생하는 열이 chip에서 film의 아랫면으로 빠르게 전달될 수 있기 때문에 최적 조건에서의 온도가 가장 높게 나타났다.
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−	~~◇ Surface Modification~~
−	Polymer-Filler Composite의 열전달 효율은 Filler Dispersibility와 Polymer-Filler Interfacial Compatibility와 큰 관련이 있다. Pristine BNNS는 Chemical Activity가 낮아 Polymer-Filler Interface에서 thermal resistance가 크게 발생한다. 따라서, Surface Modification을 이용하여 다음 BNNS의 Chemical Activity를 높이는 방법이 연구되고 있다.
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−	~~[[파일:f26.jpg]]~~
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−	~~Fig 26. mBNNS-TDI~~
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−	위 그림은 BNNS를 Surface Modification하여 Matrix에 정렬하는 방법을 간단하게 묘사한 것이다. 각각의 단계를 살펴보면, 우선 negative charge를 띄는 BNNS 표면에 positive charge를 띄는 Fe3O4가 부착되게 된다. 용액에서는 FeCl2.4H2O와 NaCl 용액이 Fe(OH)2 colloidal solution을 형성한다. 형성된 colloid는 BNNS 표면에서 Fe3O4를 산화시키고, 이때 흰색의 BNNS가 검은색으로 변한다. 이렇게 만들어진 검은색 BNNS는 자성에 반응할 수 있다. 논문에서는 mBNNS 표면에 추가적으로 TDI(2,4-diisocyanate)라는 물질을 결합시켰다. Isocyanate는 다양한 무기 화합물과 결합할 수 있어, mBNNS에 추가적인 Chemical Activity를 제공한 것이다.
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−	~~[[파일:f27.jpg]]~~
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−	~~Fig 27. Magnetization~~
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−	위 그래프에서 볼 수 있듯, mBNNS에 TDI가 결합되어도 자성은 유지되었다. 결과적으로 mBNNS 표면의 Chemical Activity를 향상시켜 Polymer-Filler interfacial interaction을 향상시키고, 자성은 유지되어 고분자 내에서 정렬될 수 있는 mBNNS-TDI filler가 완성되었다.
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−	~~[[파일:f28.jpg]]~~
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−	~~Fig 28. SEM image of RmBNNS/TPU, ImBNNS/TPU, ImBNNS-TDI/TPU~~
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−	위 그림은 filler을 다양한 조건으로 TPU 고분자에 사용했을 때의 SEM 이미지이다. (a,d)는 RmBNNS/TPU(random), (b,e)는 ImBNNS/TPU(In-Plane), 그리고 (c,e)는 ImBNNS-TDI/TPU의 이미지다. Surface Modification의 영향을 확인하기 위해 b와 c를 비교해 보면, ImBNNS-TDI/TPU의 Filler 구조가 더욱 잘 정렬되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 TDI의 –NCO기가 TPU의 –OH와 반응하여 Dispersibility를 증가시키고, interfacial affinty를 증가시켜 filler가 aggregation되지 않고, 계면의 interfacial interactin을 향상시킨 것이다.
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−	~~[[파일:f29.jpg]]~~
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−	~~Fig 29. Fillers Content vs Thermal Conductivity~~
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−	위 그래프는 물질들의 In-Plane Thermal Conductivity를 나타낸 것이다. Filler가 잘 정렬되고, Polymer-Filler 계면의 Thermal resistance가 가장 적은 ImBNNS-TDI/TPU가 모든 filler loading에서 가장 우수한 Thermal Conductivity를 가진다. Filler loading이 증가할수록 Thermal Conductivity 역시 증가하는 경향을 보인다. 하지만 Filler loadng이 많아질수록 고분자 점도 증가로 열이 잘 빠져나가지 못하고, Thermal Stability가 감소하는 경향이 있어 적절한 용량을 찾는 것이 중요하다.
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−	~~[[파일:table2.jpg]]~~
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−	~~Table 2. Filler and Matrix Thermal Conductivity~~
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−	표에서 확인할 수 있듯이, 특정 Polymer Matrix에 적절한 Filler의 적절한 용량 투입으로 Polymer의 Thermal Conductivity를 적게는 138%, 많게는 3012%까지 향상될 수 있음을 확인할 수 있다. 그리고 Filler Alignment, Filler Structure, 그리고 Surface Modification 등 다양한 조건들이 Polymer Composite의 Thermal Conductivity에 영향을 미침을 알 수 있다.
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−	~~◇ Segregated Structure~~
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−	Boron Nitride는 높은 열전도도, 충분한 전기 저항, 뛰어난 열적 안정성으로 유망한 Polymer Filler로 연구가 진행중이다. 하지만 Interfacial Thermal Resistance 때문에 열전도도가 기대보다 훨씬 낮게 측정되고 있는 상황이고, BN의 열전도도는 방향에 따라 달라져 In-Plane뿐만 아니라 Out-Plane 방향의 열 전도도를 높이는 것도 중요하다. Polymer Matrix에 분포되는 Filler는 Filler Interface에서 산란되는 phonon을 감소시켜 열전달을 향상시킨다. 결과적으로, 분리되어 떨어져있는 Polymer Filler가 무작위로 분포되어져 있는 Filler보다 더 나은 Conductive Pathway를 제공할 수 있게 된다.
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−	~~[[파일:f30.jpg]]~~
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−	~~Fig 30. Segregated Structure~~
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−	Magnetic Field를 회전시키지 않고 In-Plane Thermal Conductivity를 향상시키는 방법이 제시되었는데, 위 그림에서 간단하게 확인할 수 있다. PVA Particle, NaCl Partivle, Boron Nitride를 넣고 혼합 후, 냉각하여 재결정화한다. 그 후 Blending Water로 NaCl을 세척하면 속이 비어있는 Hollow BNMB(Boron Nitride Microbead)가 만들어진다. 이렇게 만들어진 BNMB는 서로 연결되어있는 네트워크 덕분에 In-Plane, Out-Plane 모두 뛰어난 Thermal Conductivity를 가진다. 이렇게 만들어진 BNMB를 Mold에 넣고 적절한 압력을 주면 mold의 크기에 따라 내부 구조를 조절할 수 있다. Mold에서 나와 특정 구조를 가지는 hollow BNMB에 Epoxy Resin과 같은 polymer를 넣고 공정하면 Composite가 만들어진다.
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−	~~[[파일:f31.jpg]]~~
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−	~~Fig 31. Hollow Particle~~
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−	Hollow BNMB가 만들어지는 과정을 확인해보면 NaCl Particle과 BN이 우선 결합한다. 그 후 PVA Particle을 중심으로 원형 particle이 만들어지고, 점점 커진다. 그 후 NaCl을 씻어내면 hollow BNMB가 만들어 진다.
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−	~~[[파일:f32.jpg]]~~
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−	~~Fig 32. Molding by size~~
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−	위는 만들어진 다양한 사이즈의 BNMB를 같은 크기 mold에 찍어 냈을때의 SEM 이미지이다. 순서대로 지름이 10, 15, 25, 35um인 Microbead이다. d를 보면 Rotating Magnetic Field를 사용했을 때처럼 Filler가 정렬이 잘 되어있는 것을 볼 수 있다.
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−	~~[[파일:f33.jpg]]~~
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−	~~Fig 33. Volume vs Thermal Conductivity~~
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−	그래프를 통해 각각의 Thermal Conductivity를 살펴보면 mold 부피가 V일 때, In-Plane 방향으로 d의 Thermal Conductivity가 가장 높다. BN Layer가 압력을 받아 In-Plane 방향으로 정렬되기 때문이다. 하지만 Out-Plane 방향으로는 c가 가장 높았고, 결국 목적에 따라 적절한 Filler Loading과 Mold의 부피를 설정하는 과정이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
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−	~~[[파일:f34.jpg]]~~
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−	~~Fig 34. Heating Plate Experiment~~
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−	만들어진 EP/BNMB를 Heating Plate에 올려놓고 실험한 결과이다. 위의 Thermal Conductivity 그래프와 함께 해석해보면, c는 240초가 지난 후 edge부분만 뜨거워 졌음을 확인할 수 있다. 하지만 d는 전체 부분이 고르게 뜨거워졌음을 확인할 수 있는데, 이는 다시 목적에 따라 공정이 달라져야 함을 확인시켜준다.
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−	*특허조사 및 특허 전략 분석
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−	~~◇ 방열 소재로서의 Boron nitride Nano Sheet (BNNS)~~
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−	BNNS는 두께가 증가함에 따라 강도가 급격히 감소하는 그래핀과 달리, 소수 층의 질화붕소 시트는 단층 질화붕소와 유사한 강도를 갖는다. 높은 열전도도, 구조적 안정성, 우수한 기계적 및 항산화 특성으로 인해 육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 장치와 같이 우수한 열 관리가 필요한 복합재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 기능성 필러로 간주된다. 이론적 연구들은 물질의 두께를 축소함으로써 음향-음향 산란이 감소되기 때문에 2차원 (2D) BN이 대량 h-BN보다 더 높은 열전도도(평면에서 최대 400 Wm−1K−1)를 가지고 있다. 이 때문에, 2D 붕소 질화물 나노시트(BNNS)는 열을 효율적으로 분산시키는 복합재료의 설계에 활용될 수 있다.
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−	~~◇ rotational degeneracy 감소~~
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−	육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 소자의 방출 열을 제어하는 기술에 필요한 복합 재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 가능성 필러로 간주 된다. 이에 붕소 질화물 나노시트를 자기장 하에 정렬하여 연전도도를 향상 시키는 연구가 진행되어 왔는데, 마그네틱 물질을 도핑한 붕소 질화물 나노시트를 자기장 내에서 정렬시키면 random하게 배향 된 BNNS에 비해서는 열전도도가 높아진다. 그러나 배향된 붕소 질화물이 유체에 영향을 받아 자기장과 완전히 수직한 방향으로 정렬시키기 어렵다는 한계점이 존재하는데, 본 특허에서는 2D BNNS를 자기장에 수직인 방향으로 정렬시킬 수 있는 방법을 연구하여 rotational degeneracy를 줄여 높은 orientational order를 얻어서 높은 thermal conductivity를 얻고자 한다. 또한 높은 점성의 epoxy를 사용하여 자기장을 제거하여도 나노시트의 정렬이 유지되어 효율적인 heat dissipation pathway 설계가 가능할 것으로 보인다.
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−	~~◇ 질화붕소 나노시트와 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록 특허~~
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−	~~제10-1212717호에서는 다성분계 저온 공융 온도 시스템을 이용한 고품질 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법에 관하여 개시하고 있다. 구체적으로는,~~
−	(i) 두 종류 이상의 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는 염 혼합물과 육방정 질화붕소를 혼합하여 육방정 질화붕소-염 혼합물을 제조하는 단계;
−	~~(ii) 상기 육방정 질화붕소-염 혼합물을 상기 염 혼합물의 공융 온도 이상으로 가열하여, 상기 염 혼합물을 융해시키는 단계;~~
−	(iii) 상기 염 혼합물이 융해되어 생성된 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 상기 육방정 질화붕소의 층간에 삽입하여 상기 육방정 질화붕소의 층 사이 간격을 증가시키고 육방정 질화붕소 층을 분리시켜, 육방정 질화붕소 층간 화합물을 형성하는 단계
−	(iv) 상기 육방정 질화붕소 층간 화합물로부터 상기 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 제거하여 육방정 질화붕소 나노시트를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법을 제공하고 있다. 그러나, 상기 종래기술에서도 여전히 높은 온도에서 공정을 수행하고 있어 제조단가가 높은 단점이 있다.
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−	◇ 차세대 반도체 패키지 및 고성능 LED에서 고열 발생으로 인한 효율 저하와 열적 스트레스에 의한 손상은 국내 기술경쟁력에 큰 문제를 야기하고 있다. 소자의 안정적 가동과 성능, 내구성 확보를 위해 전자기기용 고방열 소재의 개발이 시급하다. 에너지, 환경적 측면에서 기존의 전등을 대체하는 LED 소자 관련 연구가 정부 차원에서 진행되고 있으나, 소자 및 회로 연구에 비해 소재 고유의 열전도도를 향상시켜 발열 성능을 개선하는 연구는 상대적으로 부족하다.
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−	~~[[파일:f35.jpg]]~~
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−	~~Fig 35. 전세계 조명시장 및 LED 조명시장 규모 및 전략(한국투자증권,2013)~~
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−	고성능 소자의 세라믹 기판으로 주로 사용되는 질화알루미늄(AIN)의 경우 방열기판 및 반도체 제조장비 분야 등을 중심으로 3,000억원의 시장규모가 형성되어 있고, 그중 기판용 소재의 제조를 위한 질화알루미늄 시장 규모는 전세계 생산량이 약 430만톤/년이며, 일본이 70% 이상을 독점하고 있다. 국내의 경우 기술력이 태동 단계 수준이며 성능, 단가 경쟁력 측면에서 모두 뒤쳐진다.
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−	~~[[파일:f36.jpg]]~~
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−	~~Fig 36. 고분자 방열소재 관련 국제 특허 현황 (검색식 : heat and dissipation and polymer)~~
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−	기존에는 단순히 첨가 공정, 강화재 함량과 열전도도의 상관관계 등을 바탕으로 복합재료 열전도도 향상을 꾀했으나, 최근 연구에서는 새로운 강화재의 제조 또는 강화재 형태나 배열의 선택적 조절을 통해 열전도도를 효율적으로 증가시키는 논문 및 특허가 보고되고 있다.
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−	◇ 저차원 나노소재를 통한 고분자 기지의 열전도율 향상을 위해 고려해야 할 요소에는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 고품질의 저차원 나노소재를 제조하는 것이다. 탄소계열 나노소재의 경우 어느 정도 대량 생산을 위한 연구/산업적 기반이 마련되어 있으나, BNNT, BNNP 등 질화붕소 계열 나노소재는 산업적 기반이 전혀 갖춰져 있지 않아 이의 제조를 위한 연구개발이 실험실 수준에서 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 자기장을 이용해 hBN 나노시트를 정렬하여 열전도도를 향상시키고 더 나아가, 수직 정렬 시 발생하는 rotational degeneracy를 해결하여 더 높은 효율의 열전도도를 갖는 열전도 복합체를 제시하고자 한다.

	====시장상황에 대한 분석====		====시장상황에 대한 분석====

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	====시장상황에 대한 분석====		====시장상황에 대한 분석====
−	~~◇ Surface Modification~~
−	Polymer-Filler Composite의 열전달 효율은 Filler Dispersibility와 Polymer-Filler Interfacial Compatibility와 큰 관련이 있다. Pristine BNNS는 Chemical Activity가 낮아 Polymer-Filler Interface에서 thermal resistance가 크게 발생한다. 따라서, Surface Modification을 이용하여 다음 BNNS의 Chemical Activity를 높이는 방법이 연구되고 있다.
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−	~~Fig 22. mBNNS-TDI~~
−	위 그림은 BNNS를 Surface Modification하여 Matrix에 정렬하는 방법을 간단하게 묘사한 것이다. 각각의 단계를 살펴보면, 우선 negative charge를 띄는 BNNS 표면에 positive charge를 띄는 Fe3O4가 부착되게 된다. 용액에서는 FeCl2.4H2O와 NaCl 용액이 Fe(OH)2 colloidal solution을 형성한다. 형성된 colloid는 BNNS 표면에서 Fe3O4를 산화시키고, 이때 흰색의 BNNS가 검은색으로 변한다. 이렇게 만들어진 검은색 BNNS는 자성에 반응할 수 있다. 논문에서는 mBNNS 표면에 추가적으로 TDI(2,4-diisocyanate)라는 물질을 결합시켰다. Isocyanate는 다양한 무기 화합물과 결합할 수 있어, mBNNS에 추가적인 Chemical Activity를 제공한 것이다.
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−	~~Fig 23. Magnetization~~
−	위 그래프에서 볼 수 있듯, mBNNS에 TDI가 결합되어도 자성은 유지되었다. 결과적으로 mBNNS 표면의 Chemical Activity를 향상시켜 Polymer-Filler interfacial interaction을 향상시키고, 자성은 유지되어 고분자 내에서 정렬될 수 있는 mBNNS-TDI filler가 완성되었다.
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−	~~Fig 24. SEM image of RmBNNS/TPU, ImBNNS/TPU, ImBNNS-TDI/TPU~~
−	위 그림은 filler을 다양한 조건으로 TPU 고분자에 사용했을 때의 SEM 이미지이다. (a,d)는 RmBNNS/TPU(random), (b,e)는 ImBNNS/TPU(In-Plane), 그리고 (c,e)는 ImBNNS-TDI/TPU의 이미지다. Surface Modification의 영향을 확인하기 위해 b와 c를 비교해 보면, ImBNNS-TDI/TPU의 Filler 구조가 더욱 잘 정렬되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 TDI의 –NCO기가 TPU의 –OH와 반응하여 Dispersibility를 증가시키고, interfacial affinty를 증가시켜 filler가 aggregation되지 않고, 계면의 interfacial interactin을 향상시킨 것이다.
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−	~~Fig 25. Fillers Content vs Thermal Conductivity~~
−	위 그래프는 물질들의 In-Plane Thermal Conductivity를 나타낸 것이다. Filler가 잘 정렬되고, Polymer-Filler 계면의 Thermal resistance가 가장 적은 ImBNNS-TDI/TPU가 모든 filler loading에서 가장 우수한 Thermal Conductivity를 가진다. Filler loading이 증가할수록 Thermal Conductivity 역시 증가하는 경향을 보인다. 하지만 Filler loadng이 많아질수록 고분자 점도 증가로 열이 잘 빠져나가지 못하고, Thermal Stability가 감소하는 경향이 있어 적절한 용량을 찾는 것이 중요하다.
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−	~~Table 2. Filler and Matrix Thermal Conductivity~~
−	표에서 확인할 수 있듯이, 특정 Polymer Matrix에 적절한 Filler의 적절한 용량 투입으로 Polymer의 Thermal Conductivity를 적게는 138%, 많게는 3012%까지 향상될 수 있음을 확인할 수 있다. 그리고 Filler Alignment, Filler Structure, 그리고 Surface Modification 등 다양한 조건들이 Polymer Composite의 Thermal Conductivity에 영향을 미침을 알 수 있다.
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−	~~◇ Segregated Structure~~
−	~~Boron Nitride는 높은 열전도도, 충분한 전기 저항, 뛰어난 열적 안정성으로 유망한 Polymer Filler로~~
−	연구가 진행중이다. 하지만 Interfacial Thermal Resistance 때문에 열전도도가 기대보다 훨씬 낮게 측정되고 있는 상황이고, BN의 열전도도는 방향에 따라 달라져 In-Plane뿐만 아니라 Out-Plane 방향의 열 전도도를 높이는 것도 중요하다. Polymer Matrix에 분포되는 Filler는 Filler Interface에서 산란되는 phonon을 감소시켜 열전달을 향상시킨다. 결과적으로, 분리되어 떨어져있는 Polymer Filler가 무작위로 분포되어져 있는 Filler보다 더 나은 Conductive Pathway를 제공할 수 있게 된다.
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−	~~Fig 26. Segregated Structure~~
−	Magnetic Field를 회전시키지 않고 In-Plane Thermal Conductivity를 향상시키는 방법이 제시되었는데, 위 그림에서 간단하게 확인할 수 있다. PVA Particle, NaCl Partivle, Boron Nitride를 넣고 혼합 후, 냉각하여 재결정화한다. 그 후 Blending Water로 NaCl을 세척하면 속이 비어있는 Hollow BNMB(Boron Nitride Microbead)가 만들어진다. 이렇게 만들어진 BNMB는 서로 연결되어있는 네트워크 덕분에 In-Plane, Out-Plane 모두 뛰어난 Thermal Conductivity를 가진다. 이렇게 만들어진 BNMB를 Mold에 넣고 적절한 압력을 주면 mold의 크기에 따라 내부 구조를 조절할 수 있다. Mold에서 나와 특정 구조를 가지는 hollow BNMB에 Epoxy Resin과 같은 polymer를 넣고 공정하면 Composite가 만들어진다.
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−	~~Fig 27. Hollow Particle~~
−	Hollow BNMB가 만들어지는 과정을 확인해보면 NaCl Particle과 BN이 우선 결합한다. 그 후 PVA Particle을 중심으로 원형 particle이 만들어지고, 점점 커진다. 그 후 NaCl을 씻어내면 hollow BNMB가 만들어 진다.
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−	~~Fig 28. Molding by size~~
−	위는 만들어진 다양한 사이즈의 BNMB를 같은 크기 mold에 찍어 냈을때의 SEM 이미지이다. 순서대로 지름이 10, 15, 25, 35um인 Microbead이다. d를 보면 Rotating Magnetic Field를 사용했을 때처럼 Filler가 정렬이 잘 되어있는 것을 볼 수 있다.
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−	~~Fig 29. Volume vs Thermal Conductivity~~
−	그래프를 통해 각각의 Thermal Conductivity를 살펴보면 mold 부피가 V일 때, In-Plane 방향으로 d의 Thermal Conductivity가 가장 높다. BN Layer가 압력을 받아 In-Plane 방향으로 정렬되기 때문이다. 하지만 Out-Plane 방향으로는 c가 가장 높았고, 결국 목적에 따라 적절한 Filler Loading과 Mold의 부피를 설정하는 과정이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
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−	~~Fig 30. Heating Plate Experiment~~
−	만들어진 EP/BNMB를 Heating Plate에 올려놓고 실험한 결과이다. 위의 Thermal Conductivity 그래프와 함께 해석해보면, c는 240초가 지난 후 edge부분만 뜨거워 졌음을 확인할 수 있다. 하지만 d는 전체 부분이 고르게 뜨거워졌음을 확인할 수 있는데, 이는 다시 목적에 따라 공정이 달라져야 함을 확인시켜준다.

	===개발과제의 기대효과===		===개발과제의 기대효과===

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	◇Magnetic Alignment of Hexagonal Boron Nitride Platelets in Polymer Matrix : Toward High Performance Anisotropic Polymer Composites for Electronic Encapsulation		◇Magnetic Alignment of Hexagonal Boron Nitride Platelets in Polymer Matrix : Toward High Performance Anisotropic Polymer Composites for Electronic Encapsulation
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−	~~[[파일:f20.jpg]]~~
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−	~~Fig 20. schematic illustration of the preparation of magnetically responsive hBN and its alignment hBN under an external magnetic field for anisotropic polymer composite~~

	양전하를 띠는 iron oxide nanoparticle과 음전하를 띠는 hBN platelet 사이의 정전기적 상호작용을 이용하여 hBN의 표면을 개질한다.		양전하를 띠는 iron oxide nanoparticle과 음전하를 띠는 hBN platelet 사이의 정전기적 상호작용을 이용하여 hBN의 표면을 개질한다.

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 ====개발 과제의 배경====
 ◇ 전자기기의 소형화로 인한 문제점
- 전자기기 소형화, 직접화로 인해 방열 소재 시장은 지속 성장할 전망이다. 전자기기가 소형화되면 더욱 많은 열이 방출하게 되는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하하며, 주변 소자의 오작동, 기판 열화, 수명 단축의 원인이 되기 때문에 방출열을 제어하는 기술이 필요하다.
+전자기기 소형화, 직접화로 인해 방열 소재 시장은 지속 성장할 전망이다. 전자기기가 소형화되면 더욱 많은 열이 방출하게 되는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하하며, 주변 소자의 오작동, 기판 열화, 수명 단축의 원인이 되기 때문에 방출열을 제어하는 기술이 필요하다.
 [[파일:F1.jpg]]

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 ◇ 방열 소재로서의 Boron nitride Nano Sheet (BNNS)
- BNNS는 두께가 증가함에 따라 강도가 급격히 감소하는 그래핀과 달리, 소수 층의 질화붕소 시트는 단층 질화붕소와 유사한 강도를 갖는다. 높은 열전도도, 구조적 안정성, 우수한 기계적 및 항산화 특성으로 인해 육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 장치와 같이 우수한 열 관리가 필요한 복합재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 기능성 필러로 간주된다. 이론적 연구들은 물질의 두께를 축소함으로써 음향-음향 산란이 감소되기 때문에 2차원 (2D) BN이 대량 h-BN보다 더 높은 열전도도(평면에서 최대 400 Wm−1K−1)를 가지고 있다. 이 때문에, 2D 붕소 질화물 나노시트(BNNS)는 열을 효율적으로 분산시키는 복합재료의 설계에 활용될 수 있다.
 ◇ rotational degeneracy 감소
 육각형 붕소 질화물(h-BN)은 전자 소자의 방출 열을 제어하는 기술에 필요한 복합 재료를 생산하기 위한 폴리머의 유망한 가능성 필러로 간주 된다. 이에 붕소 질화물 나노시트를 자기장 하에 정렬하여 연전도도를 향상 시키는 연구가 진행되어 왔는데, 마그네틱 물질을 도핑한 붕소 질화물 나노시트를 자기장 내에서 정렬시키면 random하게 배향 된 BNNS에 비해서는 열전도도가 높아진다. 그러나 배향된 붕소 질화물이 유체에 영향을 받아 자기장과 완전히 수직한 방향으로 정렬시키기 어렵다는 한계점이 존재하는데, 본 특허에서는 2D BNNS를 자기장에 수직인 방향으로 정렬시킬 수 있는 방법을 연구하여 rotational degeneracy를 줄여 높은 orientational order를 얻어서 높은 thermal conductivity를 얻고자 한다. 또한 높은 점성의 epoxy를 사용하여 자기장을 제거하여도 나노시트의 정렬이 유지되어 효율적인 heat dissipation pathway 설계가 가능할 것으로 보인다.
-◇ 질화붕소 나노시트와 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록 특허 제10-1212717호에서는 다성분계 저온 공융 온도 시스템을 이용한 고품질 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법에 관하여 개시하고 있다. 구체적으로는,
+◇ 질화붕소 나노시트와 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록 특허
 (i) 두 종류 이상의 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는 염 혼합물과 육방정 질화붕소를 혼합하여 육방정 질화붕소-염 혼합물을 제조하는 단계;
 (ii) 상기 육방정 질화붕소-염 혼합물을 상기 염 혼합물의 공융 온도 이상으로 가열하여, 상기 염 혼합물을 융해시키는 단계;
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- ◇ 차세대 반도체 패키지 및 고성능 LED에서 고열 발생으로 인한 효율 저하와 열적 스트레스에 의한 손상은 국내 기술경쟁력에 큰 문제를 야기하고 있다. 소자의 안정적 가동과 성능, 내구성 확보를 위해 전자기기용 고방열 소재의 개발이 시급하다. 에너지, 환경적 측면에서 기존의 전등을 대체하는 LED 소자 관련 연구가 정부 차원에서 진행되고 있으나, 소자 및 회로 연구에 비해 소재 고유의 열전도도를 향상시켜 발열 성능을 개선하는 연구는 상대적으로 부족하다.
+◇ 차세대 반도체 패키지 및 고성능 LED에서 고열 발생으로 인한 효율 저하와 열적 스트레스에 의한 손상은 국내 기술경쟁력에 큰 문제를 야기하고 있다. 소자의 안정적 가동과 성능, 내구성 확보를 위해 전자기기용 고방열 소재의 개발이 시급하다. 에너지, 환경적 측면에서 기존의 전등을 대체하는 LED 소자 관련 연구가 정부 차원에서 진행되고 있으나, 소자 및 회로 연구에 비해 소재 고유의 열전도도를 향상시켜 발열 성능을 개선하는 연구는 상대적으로 부족하다.
- ◇ 저차원 나노소재를 통한 고분자 기지의 열전도율 향상을 위해 고려해야 할 요소에는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 고품질의 저차원 나노소재를 제조하는 것이다. 탄소계열 나노소재의 경우 어느 정도 대량 생산을 위한 연구/산업적 기반이 마련되어 있으나, BNNT, BNNP 등 질화붕소 계열 나노소재는 산업적 기반이 전혀 갖춰져 있지 않아 이의 제조를 위한 연구개발이 실험실 수준에서 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 자기장을 이용해 hBN 나노시트를 정렬하여 열전도도를 향상시키고 더 나아가, 수직 정렬 시 발생하는 rotational degeneracy를 해결하여 더 높은 효율의 열전도도를 갖는 열전도 복합체를 제시하고자 한다.
+[[파일:f35.jpg]]
-*기술 로드맵
+◇ 저차원 나노소재를 통한 고분자 기지의 열전도율 향상을 위해 고려해야 할 요소에는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 고품질의 저차원 나노소재를 제조하는 것이다. 탄소계열 나노소재의 경우 어느 정도 대량 생산을 위한 연구/산업적 기반이 마련되어 있으나, BNNT, BNNP 등 질화붕소 계열 나노소재는 산업적 기반이 전혀 갖춰져 있지 않아 이의 제조를 위한 연구개발이 실험실 수준에서 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 자기장을 이용해 hBN 나노시트를 정렬하여 열전도도를 향상시키고 더 나아가, 수직 정렬 시 발생하는 rotational degeneracy를 해결하여 더 높은 효율의 열전도도를 갖는 열전도 복합체를 제시하고자 한다.
 ====시장상황에 대한 분석====

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 ◇ Aligning
-만들어진 Barium Ferrite-hBN은  Barium Ferrite의 자성을 따라갈 것으로 예측된다. 그림에서 볼 수 있듯 Barium Ferrite는 ferromagnetic한 성질을 가지고 있고, 다른 물질이 결합되어도 그 특성을 유지한다. Barium Ferrite-hBN은 위 그림처럼 Barium Ferrite가 자기장에서 표면에 수직한 방향으로 정렬한다는 특징을 따라 용액 내에서 Rotational Degeneracy가 사라진 상태로 정렬된다.
+ 만들어진 Barium Ferrite-hBN은  Barium Ferrite의 자성을 따라갈 것으로 예측된다. 그림에서 볼 수 있듯 Barium Ferrite는 ferromagnetic한 성질을 가지고 있고, 다른 물질이 결합되어도 그 특성을 유지한다. Barium Ferrite-hBN은 위 그림처럼 Barium Ferrite가 자기장에서 표면에 수직한 방향으로 정렬한다는 특징을 따라 용액 내에서 Rotational Degeneracy가 사라진 상태로 정렬된다.
 ===상세설계 내용===