김다흰교수님 2조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 2차원 나노소재 기반 열전도성 절연 복합재료 연구

영문 : A Study on Thermal Conductivity Insulation Composite Materials Based on 2D Nanomaterials

과제 팀명

김다흰2조

지도교수

김다흰 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 2019340051 한명준(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 2018340017 박나림

서울시립대학교 화학공학부·과 2018340036 이지현

서울시립대학교 화학공학부·과 2018340037 이지형

서울시립대학교 화학공학부·과 2019340003 권주미

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ aligning nanosheet deposit magnetic materials to ruduce rotational degeneracy in magnetic field
◇ nanosheet의 heat thermal conductivity를 향상시킨다
◇ nanosheet의 heat dissipation pathway 성능을 검토한다

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.

우리나라 가전 시장 규모는 2019년 기준 40조 670억으로 이전 해보다 약 4.6% 성장하였으며, 올해 전 세계 가전시장은 작년 1천300조원 대비 2.5% 늘어난 1천340조원에 이를 것이라는 전망이다. 특히 소형가전은 8%가량 작년 대비 성장하였다. 즉, 소형 전자기기 시장은 현재 성장 추세를 보이며 앞으로도 성장할 것으로 전망된다. 또한, 이에 따라 방열 소재의 시장 전망도 점점 성장하는 추세를 보인다. 세계적으로는 6.5 % 의 연평균 성장률을 보이며, 국내에서는 5.8 % 의 성장률을 보였다. 즉, 전자기기의 소형화 미세화에 따라 손상을 가할 수 있는 열을 제어하고 관리하기 위해, 열전도도가 더욱 뛰어난 열전도성 고분자 복합재료의 개발이 필요하며, 적은 양의 필러를 사용하여 더욱 가볍고, 비싸지 않은 복합재료를 개발할 필요가 있다.

◇ Boron Nitirde 구조 및 특성

Boron nitride(BN)은 sp2-conjugated 붕소와 질소 원자로 구성되어 있으며 벌집 구조를 형성한다. BN은 armchair와 zig-zag edge로 구성되어 있다. Armchair의 가장자리는 붕소 혹은 질소 원자로 구성되고 zig-zag edge 가장자리는 붕소와 질소 원자가 번갈아 가며 구성된다. 이러한 2D 구조는 서로 겹쳐 쌓일 수 있으며 반 데르 발스 힘에 의해 유지되어 층 구조의 BN 나노시트(BNNS)를 형성한다. BNNS의 기계적 성질로는 평균 영률이 0.865 TPa이고 파괴 강도가 70.5 GPa이다. 두께가 증가함에 따라 강도가 급격히 감소하는 그래핀과 달리, 소수 층의 질화붕소 시트는 단층 질화붕소와 유사한 강도를 갖는다. 단층 질화 붕소는 700 °C까지 산화되지 않으며 공기 중에서 최대 850 °C까지 견딜 수 있다. BNNS는 전기 절연체이며 ~ 5.9 eV의 넓은 밴드 갭을 가지며, 이는 구조 내 Stone-Wales 결함의 존재, 도핑 또는 기능화 또는 층수의 변경에 의해 변경될 수 있다. 육각형 원자 구조, 그래핀과의 작은 격자 불일치(~2%) 및 높은 균일성으로 인해 BN 나노시트는 그래핀 기반 장치의 기판으로 사용된다. 또한 BNNS는 또한 우수한 양성자 전도체이다. 높은 양성자 수송 속도와 높은 전기 저항이 결합되어 연료 전지 및 물 전기 분해에 응용될 수 있다. 따라서, 우수한 열 안정성, 기체 및 액체에 대한 높은 불투과성 및 전기 절연성으로 인해 금속 및 흑린과 같은 기타 2차원 재료의 표면 산화 및 부식을 방지하기 위한 원자적으로 얇은 질화붕소 전위 코팅 재료로서 사용된다.

Drift – 전기장이 가해졌을 때 발생되는 캐리어들의 움직임
(m: 도펀트의 질량, v: 도펀트의 속도, : 전기장, : 충돌 사이의 평균 자유시간)

충돌 사이에 얻는 드리프트 운동량은 힘과 평균 자유시간의 곱과 같다.

(: 도펀트의 이동도)

따라서, 도펀트의 이동도가 클수록 전류가 크다는 것이고 고속동작이 가능하다. Drift의 요소로는 carrier scattering이 있고 carrier scattering은 phonon scattering과 ionized impurity scattering으로 나뉜다.

1. Phonon Scattering
결정 내에 있는 원자의 진동을 입자로 나타낸 것을 phonon, 음향자라고도 한다. 결정 진동은 주기적인 결정 구조를 왜곡시키고 전자 파동을 산란시킨다.

phonon scattering의 이동도는 온도가 증가할 때 감소한다. 즉, 산란이 강해진다. 
2. Ionized impurity scattering 
도펀트 이온은 반도체 내의 고정된 전하이다. 그들은 쿨롱 힘을 통해서 전자와 정공의 운동 방향을 바꿀 수 있다.

높은 온도에서 더 빠른 열 속도를 갖는다. 빠르게 지나치므로 도펀트 이온의 영향을 덜 받는다. 즉, ionized impurity scattering의 이동도는 온도가 증가할 때 증가한다. (산란이 약해짐)
3. Total Scattering
Total scattering rate은 phonon scattering rate과 ionized impurity scattering을 더한 것이다. 따라서, 전체 이동도는 다음과 같다.

도핑 농도가 낮을 때, 이동도는 phonon scattering에 의해 좌우되고 도핑 농도가 높을 때, 이동도는 ionized impurity scattering에 의해 좌우된다.

◇ 열전도의 원리 – 포논에 의한 산란으로 열전도가 낮아짐 -> 낮출 수 있는 방법 = alignment 모든 고체는 입자간 상호작용에 의하여 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열이 전도된다. 이 때, 물질 내 자유전자 또는 포논이 주된 매개체로 열전도가 일어난다. 금속의 경우 내부의 자유전자가 주된 열전도 매개체이고, 비금속의 경우 음파에 의하여 일어나는 격자진동인 포논이 주된 열전도 매개체로 탄소 소재의 경우 열의 이동은 주로 포논에 의한 격자 진동으로부터 일어난다. 비금속에서의 열전도는 주로 포논에 의한 격자 이동에 의하여 일어나며, 포논 이동 시 열에너지가 다방면으로 반사되거나 분해되는 현상이 나타는데 이를 포논산란이라고 한다. 포논산란은 주로 포논 간의 충돌, 포논과 계면의 충돌, 포논과 결점/불순물과의 충돌에 의한 열저항으로부터 발생된다. 먼저 포논과 포논이 충돌할 경우 정상과정(normal-process) 또는 반전과정(umklapp-process)이 발생한다. 정상과정은 서로 다른 포논이 충돌 후 하나의 포논으로 결합되는 경우와 충돌 후 포논이 산란되어 각기 다른 방향으로 에너지가 나눠지는 현상이며, 반전과정이란 포논의 결합과 분해가 동시에 발생하는 현상으로 예측이 어렵다. 포논과 불순물 간의 충돌이란 결함, 공극 및 전위에서 발생하는 탄성산란을 의미한다. 탄성산란 시 포논의 에너지 손실은 없고 방향만 변경된다. 마지막으로 포논과 계면과의 충돌은 포논의자유이동거리와 큰 관련이 있다. 포논의 자유이동거리란 한 결정 내에서 기본적으로 산란하지 않고 이동할 수 있는 최대 거리를 의미하며 나노물질에서의 포논 자유이동거리는 물질의 특성을 나타내는 기준이 된다. 이러한 포논산란은 포논의 불필요한 이동에 따른 열전도 효율을 감소시키기 효과적인 열전도 위해서 포논산란을 제어하는 것이 매우 중요하다. 포논의 산란 제어 유형은 크게 충진재 간의 열적 네트워크를 구축하는 방법, 규칙적 배향을 통해 산란 발생 빈도를 줄이는 방법, 그리고 충진재와 기지재 간의 계면 저항을 감소시키는 방법으로 나누어질 수 있다. 이중에서 본 연구에서는 규칙적 배향을 통해 산란 발생 빈도를 줄여 열전도도를 높일 것이다.

◇ 현 기술 현황 전자기기내 발열소자는 MPU, CPU, SSD, GPU, AP 등 각종 시스템 칩과 LED, 배터리라 할 수 있다. 발열제어에 적용되는 소재와 부품은 TIM (Thermal Interface Material; 열계면소재)이나 방열코팅제 등 기초소재, 방열기판, 히트씽 크, 열확산시트, 그래파이트 시트, 히트파이프, 베이퍼챔버와 같은 히트 스프레더(heat spreader), 세라믹 또는 금속기판 등 열전도율이 높은 기판으로 분류할 수 있다.

써멀 인터페이스(thermal interface; 열계면)는 온도가 다른 두 물질 사이의 경계 영역으로서, 더 뜨거운 물질에서 더 차가운 물질로 열이 전달되는 부분을 말한다. 전자기기에서 써멀 인터페이스는 마이크로프로세서, 방열판, 써멀 인터페이스 재료(TIM; thermal interface material)와 같은 구성 요소들 사이에 존재한다. 써멀 인터페이스 재료는 구성 요소 간의 “열 전달을 개선”하여 전자기기의 열 관리에 대한 효율성을 높이는데 매우 중요하기에, 나

◇ 자기장을 이용 시 rotational degeneracy 발생 측면 존재

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. 따라서 붕소 질화물 나노시트를 자기장 하에 정렬하여 열전도도를 향상시킨 연구가 진행되어왔다. 마그네틱 물질을 도핑한 붕소 질화물 나노시트를 자기장 내에서 정렬시키면 (b)와 같이 정렬한 것을 볼 수 있다. random 하게 배향된 붕소 질화물 나노시트에 비해서는 정렬이 이뤄져있으며 열전도도 또한 높아졌다. 그러나 배향된 붕소 질화물이 유체에 영향을 받아 자기장과 완전히 수직한 방향으로 정렬시키기 어렵다는 한계점이 존재하며 따라서 rotational degeneracy가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 rotational degeneracy를 해결하고 더 높은 효율의 열전도도를 갖는 열전도 복합체를 제시하고자 한다.

고분자를 이용한 전자기기용 방열 소자는 높은 성형성이 필요한 분야에 널리 사용되고 있다. 기본적으로 고분자 소재는 열전도율이 1W/mK 이하로 매우 낮은데, 이 역시 ‘공극’ 혹은 ‘공차’라 명명되는 공기 (0.03W/mK)에 비해서는 매우 높은 값이므로 이 ‘공극’을 메우기 위한 소재로 주로 이용된다. 이는 TIM(Thermal interface material)이라는 용어로 통칭되며, 방열시트, 방열구리스, 방열접착체, phase change materials (상변화소재) 등이 있다.

Figure 2는 고분자 방열 나노복합재료 관련 최신 연구 동향을 정리한 것이다. CNT, BNNT 등을 비롯한 기존 연구에서 나아가 2차원 나노소재인 그래 핀, BNNS 등을 응용하는 연구가 점차 증가하고 있으며, 나노소재의 제조 와 분산이 가장 중요한 이슈로 자리잡고 있다. 그래핀과 BNNS의 경우 top-down 방식의 제조가 가능하기 때문에 가격경쟁력이 있고, percolation threshold가 1차원 나노소재에 비해 낮다 고 알려져 있기 때문에 적은 양의 첨가만으로도 기지의 열전도율을 200~300% 향상시키는 연구결과로 주목받고 있다.

기존에는 단순히 첨가 공정, 강화재 함량과 열전도도의 상관관계 등을 바탕으로 복합재료 열전도도 향상을 꾀했으나, 최근 연구에서는 새로운 강 화재의 제조 또는 강화재 형태나 배열의 선택적 조절을 통해 열전도도를 효율적으로 증가시키는 논문 및 특허가 보고되고 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

◇ 고열전도도 세라믹 강화재를 통해 열전도도가 향상된 전자기기용 세라믹 기판의 경우 컴퓨터, 스마트폰 등의 고장율을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 예상됨.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

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특허 출원 내용

내용