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제목 열전도 플라스틱용 신소재
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2016/07/01 00:00

열전도 플라스틱용 신소재

폴리머 마이크로비즈에 금속을 코팅한 초경량 금속복합분말을 통해 복합소재 및 열전도성 고분자가 갖는 문제들을 일정 수준 해결하는 솔루션을 소개하고자 한다. 이를 통해 기존의 방열 솔루션이 가진 단점을 보완하는 새로운 열전도성 필러인 폴리머-금속 복합입자가 모바일 전자기기, LED 방열기판, 전기자동차 등의 분야에서 광범위하게 검토될 것으로 기대한다. 최돈철 박사 (마이크로컴퍼지트, cufe@u-composite.com)

열전도성 플라스틱은 경박단소화된 전자제품에서 고성능 및 다기능을 구현하기 위한 소자들간 고밀도 집적화에 따라 불가피하게 수반되는 발열 문제를 해결하는 주요 솔루션으로 인식되고 있다. 현재 산업계에서 광범위하게 적용되는 방열 소재는 고열전도 필러와 고분자 수지를 혼합한 복합소재 형태이다. 이와 같은 복합소재의 장점은 우수한 열전도도 성능과 용이한 가공성을 동시에 얻는 것이지만, 높은 열전도도를 얻기 위해 다량으로 투입하는 무기계 필러에 의해 가공성, 플라스틱 고유의 물리적 특성 저하 등의 문제가 존재하고 있다. 이를 극복하기 위해 다수의 열전도성 고분자 소재가 개발되고 있으나 아직까지 무기계 필러와 비교할 때 열전도도가 크게 낮거나 고가의 제조공정 등 근본적인 한계를 가지고 있다. 본 원고에서는 폴리머 마이크로비즈에 금속을 코팅한 초경량 금속복합분말을 통해 위에서 언급한 복합소재 및 열전도성 고분자가 갖는 문제들을 일정 수준 해결하는 솔루션을 소개하고자 한다. 이를 통해 기존의 방열 솔루션이 가진 단점을 보완하는 새로운 열전도성 필러인 폴리머-금속 복합입자가 모바일 전자기기, LED 방열기판, 전기자동차 등의 분야에서 광범위하게 검토될 것으로 기대한다. 우리 주변의 전자기기들은 상호간 유/무선 통신으로 연결된 네트워크 기반위에서 각종 센서들을 통해 사용자 및 주변환경의 상태를 반영해 실시간으로 동작하는 스마트화의 추세속에 있다. 이를 가능케 하는 동력은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 지속적으로 진보하고 있는 소형화, 경량화, 고속화, 고집적화, 저전력화, 다기능화, 임베디드화 및 다양한 콘텐츠로서, 이들이 결합되어 시장의 요구를 충족하고 있다. 하드웨어 관점에서 상기와 같은 동력은 낮은 신호대 잡음비 조건에서 신호 무결성을 유지하기 위한 전자파 및 신호간 간섭 억제, 높은 발열조건에서 적정 동작 온도를 유지하기 위한 높은 열전도도 구현, 기구적 내구성 등의 이슈들을 발생시킨다. 이중 발열 문제를 해결하는 방열소재 솔루션은 상기와 같은 전자기기의 추세와 더불어 LED 조명의 대중화가 빠르게 진행되고, 자동차산업의 핵심 경쟁력이 부품의 전장화 및 동력원의 전기화로 이동하면서 최근 들어 크게 대두되고 있다. 전자소자의 가장 큰 고장 원인으로 50% 이상을 차지하는 것이 적정 동작 온도 범위를 벗어난 과열이다. 즉, 발열부의 열에너지가 방열되지 못하고 축적될 경우 집적회로 등 능동소자는 오작동하게 되고 각종 수동소자 및 전극 소재들이 열화되어 그 신뢰성이 급속히 저하하게 된다. 일례로 LED 반도체 소자의 경우, 소자의 온도가 10℃ 높아질 때마다 소자의 수명은 대략 2배 정도 짧아지는 것으로 나타난다. 현재 산업계에서 광범위하게 적용되는 방열 소재는 고열전도 필러와 고분자 수지를 혼합한 복합소재 형태이다. 이와 같은 복합소재의 장점은 우수한 열전도도 성능과 용이한 가공성을 동시에 얻는 것이지만, 높은 열전도도를 얻기 위해 다량으로 투입하는 무기계 필러에 의해 가공성, 플라스틱 고유의 물리적 특성 저하 등의 문제가 존재하게 된다. 이를 극복하기 위해 다수의 열전도성 고분자 소재가 개발되고 있으나 아직까지 무기계 필러와 비교할 때 열전도도가 크게 낮거나 고가의 제조공정 등 근본적인 한계를 가지고 있다. 본 원고에서는 폴리머 마이크로비즈에 금속을 코팅한 초경량 금속복합분말을 통해 위에서 언급한 복합소재 및 열전도성 고분자가 갖는 문제들을 일정 수준 해결하는 솔루션을 소개하고자 한다. 즉, 플라스틱 수지와 초경량 금속복합분말을 혼합한 복합소재의 경우, 일반적인 금속 필러가 가진 고중량 단점을 극복하고, 세라믹계 필러의 낮은 각형비에 따른 고충진과 비정형 형상에 따른 압출기 스크류 마모 등의 단점을 극복하며, 열전도성 고분자 및 탄소계 필러보다 훨씬 가벼우면서 금속에 준하는 열전도도를 나타내고 있다. 따라서 기존의 방열 솔루션이 가진 문제를 보완하는 새로운 열전도성 필러인 폴리머-금속 복합입자가 모바일 전자기기, LED 방열기판, 전기자동차 등의 분야에서 광범위하게 검토될 것으로 사료된다. [표1]



기존 솔루션

금속계 방열 필러
Cu, Ag 등 금속계 필러의 경우 열전도도는 우수하지만(표 1) 분말 밀도가 3g/cc 이상으로 높아, 열전도 복합재 내에서 열전달 경로를 형성하는 수준에 도달하는 필러 함량에 대해서는 복합재 무게가 크게 증가하므로 제한적으로 적용되고 있는 상황이다. 일반적으로 열전도 복합재는 필러의 부피 함량이 높아질수록 열전도도가 비선형적으로 증가하며 필러 입자의 크기가 작을수록 열전도도가 증가하는 것으로 발표되었다.(그림 1) 그림 1에 나타난 바와 같이 필러의 부피 함량에 따른 전기전도도 거동에서 필러 입자가 더 작을 경우 더 낮은 부피 함량에서 임계치(Percolation threshold)에 도달하는 현상과는 달리, 열전도도의 경우 필러의 부피 함량이 증가함에 따라 임계 거동없이 지속적으로 증가한다는 특징이 존재한다. (그림 1) 고분자 복합재 내에서 열저항으로 동작하는 공극을 감소시키기 위해서는 필러 분말에 유기산으로 표면처리하여 필러-고분자간 계면접착력 및 젖음성을 높여야 하며 이는 고온 신뢰성에도 큰 영향을 주게 된다.

세라믹계 방열 필러
AlN, BN, Al2O3, SiC 등과 같은 질화물, 산화물, 탄화물계 열전도 필러의 장점은 높은 열전도도와 절연 특성을 동시에 가지고 있어 내전압 특성이 요구되는 절연 복합재에 사용되고 있다. 그러나 복합재에서 높은 열전도도를 얻기 위해서는 고분자 수지내 필러의 함량이 높아져야 하므로 가공성이 크게 저해되며 분말 입자의 경도가 높고 비정형 형상을 가지고 있어 혼련시 압출기 스크류의 마모가 심하다는 단점이 있다. 세라믹계의 열전도 필러의 열전달 기구는 격자 진동모드(Phonon)의 전파에 의한 것이므로, 열전도도를 높이기 위해서는 원자량이 작은 원소들간 강한 공유결합이 필요하고 온도차에 따라 전파되는 격자 진동모드를 산란시키는 결함, 계면 등의 요인을 줄여야 한다.

탄소계 방열 필러
탄소섬유, 흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소계 필러는 높은 열전도도, 저렴한 가격, 저비중 특성을 가지므로 경량화 요구에 부응하는 고열전도성 필러이다.(표) 그러나 sp2 혼성 결합을 가진 축방향, 면방향의 열전도도는 매우 높지만 그 직교 방향으로는 상대적으로 매우 낮기 때문에 방열 필러의 배향성을 제어하여 복합재를 제작해야 한다는 단점이 존재한다. 또한 고분자 수지 내에서 필러의 분산성이 높지 않아 균일한 열전도도 특성을 얻기 위해서는 입자의 표면처리가 중요하다.

열전도성 고분자
일반적인 폴리머 소재의 열전도도는 0.2 W/mK 수준으로 이는 폴리머 내에 존재하는 각종 결함들에 의해 격자 진동모드(Phonon)가 대부분 산란되어 전파되지 않기 때문이다. 따라서 높은 열전도도를 가진 폴리머를 구현하기 위해서는, 열전도 경로에 걸쳐 강한 공유결합으로 구성된 폴리머 사슬이 끊기지 않고 연속적으로 이어져 있어야 하며, 이러한 조건이 만족될 경우 금속에 준하는 100 W/mK 수준의 열전도도가 구현되는 것으로 발표되고 있다.(표)



신규 솔루션

초경량 금속복합입자 방열 필러
위에서 언급한 기존 솔루션의 단점을 극복하는 대안중 하나로서, 0.5g/cc 이하의 비중을 가진 초경량 금속복합입자에 대해 소개하고자 한다. 입자의 형상은 진구에 가까운 구형으로 분말의 흐름성이 좋아 임의 형상으로 미세 성형하는데 유리하며, 표면은 순수 금속에 해당하는 높은 결정성을 가지고 있다.(그림 2) 입자의 표면은 유기산으로 덮여 있어 고분자 수지 내에서 분산성이 양호하고 필러-고분자 계면의 젖음성과 접착력을 높이고 있으며, 입자간 마찰계수를 줄여 압출성형기 스크류의 마모도를 크게 감소시킬 것으로 예상된다. 현재 초경량 Cu, Ag, Ni, Sn 금속계 복합분말이 상용화되어 있으며 입자의 평균크기는 15~40um 수준으로 알려져 있다. 섬유형 금속계 복합분말의 경우, 직경 15um, 길이 200um로서 10에 근접하는 각형비를 가지고 있어 구형 필러와 적절히 혼합하여 사용하면 열전도 플라스틱의 열전도도와 기계적인 특성을 제어할 수 있을 것으로 사료된다. [그림 2] 방열 대책은 휴대형 정보통신단말기 등 각종 전자기기의 스마트화, 자동차산업의 부품 전장화, LED 조명의 대중화 등의 추세 속에서 안정된 성능을 지속적으로 유지하기 위한 필수 요소로 크게 주목받고 있다. 시장의 요구를 만족시키는 하드웨어를 설계하는 과정에서, 기기 내부의 열원은 점차 많아지고 또한 각각의 열원에서 발생하는 발열량은 크게 높아지고 있다. 그러나 이를 위한 방열 솔루션은 제한된 공간 및 소재의 물리적 한계로 인하여 적절히 부응하지 못하고 있다. 위에서 언급한대로 다양한 방열 필러가 함유된 고분자 복합재 및 열전도성 고분자 솔루션들은 단일 솔루션의 단점을 보완하기 위해 상호간 조합되어 요구되는 방열 대책에 적용해야 하는 상황으로, 초경량 금속복합입자는 기존 방열 필러와 차별화되는 특징을 가지므로 그 효용성을 가지고 있다고 판단된다. 다음 호에는 열전도 플라스틱의 방열 성능을 높이기 위한 복합재 구성의 주요한 아이디어들에 대해 소개하고자 한다.

필자 약력_최돈철 박사
•現 한양대학교 나노센서연구소 연구원, 마이크로컴퍼지트 대표
•삼성전기, LG이노텍, 정보통신산업진흥원 근무
•한양대학교 재료공학과 박사
•KAIST 재료공학과 석사
•연세대학교 금속공학과 학사

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