엔지니어드 그래핀 기반 열 인터페이스 재료 개발을 위한 레이저 플래시 방법의 사용

저자: 호주 스윈번 공과대학교 과학, 공학 및 기술 학부 스마트 재료 및 복합재료 그룹 아자데 미라베디니 박사 및 니샤르 하미드 화학공학 박사, MPhil, 박사 과정

독특한 물리적, 기계적 특성을 지닌 2차원 벌집 모양의 결정 격자인 그래핀(^{sp2-하이브리드화된} 탄소)은 가볍고 지능적이며 견고한 하이브리드 소재 개발에 대한 학계와 업계의 관심이 집중되고 있습니다. 그래핀은 초강도와 깃털처럼 가벼운 무게 외에도 열 및 전기 전도성이 뛰어나며 투명하고 유연성이 높다는 장점이 있습니다. 그래핀의 고유 열전도도는 주로 측면 치수, 결정 품질 및 결함 농도에 따라 2000-4000 ^Wm-1K-1 범위로 보고되고 있으며, 이는 알려진 소재 중 가장 높은 수치입니다.^[1,2] 흥미롭게도 그래핀의 열전도도는 소재 내 그래핀 전도 경로의 크기에 따라 대수적으로 증가하는 값으로 변화할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이 희소성 덕분에 폴리머 복합재와 코팅에 사용되어 다양한 열 관리 목적에 '무제한' 기능을 부여할 수 있게 되었습니다. 이에 따라 그래핀 기반 폴리머 복합재는 열 인터페이스 재료 및 방열판, 열 스프레더, 열 그리스, 냉각제 등 다양한 응용 분야에 사용되는 것으로 보고되고 있습니다^[3].

대부분의 현재 그래핀 생산 방법은 아직 large 수량으로 확장할 수 없기 때문에 최근 몇 층으로 이루어진 그래핀(FLG) 나노 소재를 사용하는 것이 실용적인 열 응용 분야에서 가장 효과적이고 저렴하며 확장 가능한 접근 방식 중 하나가 되었습니다.^[4,5] FLG는 우수한 열 전도 특성을 유지하면서 열 플럭스에 대한 더 넓은 단면적을 제공하고 폴리머 매트릭스 내에서 FLG 필러의 상호 연결된 네트워크를 형성하여 복합체의 열 성능을 향상시킬 수 있습니다^[6]

열 전도는 열 에너지가 표면에 흡수되어 입자의 미세한 충돌을 일으키고 에너지를 이웃 입자로 전달할 때 분자 수준에서 발생하며, 이 과정은 열이 추가되는 한 계속 진행됩니다. 열 확산도는 재료의 열 전달 특성을 특성화하기 위한 가장 중요한 열물리학적 재료 파라미터입니다. 레이저 플래시 기술은 비파괴적이고 비접촉식이며 정밀한 방법으로, 고온에서 재료의 열 성능을 측정하는 데 가장 널리 사용되는 방법입니다.

측정과 모델링의 통합 방법

최근 산업 및 엔지니어링 화학 연구 저널에 게재된 논문에서는 그래핀 나노플라넷(GnP)-개질 에폭시 폴리머 나노복합체의 열 확산 특성 조사에 대한 NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®®의 적용에 대해 설명합니다. GnP는 평균 입자 지름이 약 25µm이고 약 18~24개의 그래핀 층으로 구성되어 있습니다. 이 디바이스의 높은 데이터 수집 속도인 2MHz는 전도성이 높거나 얇은 물질을 안정적이고 정확하게 측정할 수 있게 해줍니다. 주조된 나노 복합체를 측면 길이가 10mm인 정사각형 모양의 시편으로 절단했습니다. 가열 및 냉각 실행 중에 실온과 150°C 사이에서 열 확산도를 측정했습니다. 효과적인 medium 이론을 사용하여^[7] 카피차 저항(계면 열 저항 또는 열 경계 저항이라고도 함)과 그래핀-그래핀 접촉 저항을 모두 포함하는 간단한 분석 모델을 개발하여 나노 복합체의 효과적인 열 전도성을 계산했습니다.

그런 다음 각 시편의 열전도율은 밀도, 열확산도, 재료의 비열의 곱으로 계산했습니다. 온도에 따른 준비된 GnP-에폭시 시료의 열전도도는 그림 1(a-b)에 다양한 GnP(xGnP M-25 및 M-5, 이하 각각 0.5 - 5.0 wt.%)를 포함하는 나노 복합체에 대해 표시되어 있습니다(이하 각각 GnP25 및 GnP5로 약칭함).

크기와 로딩이 중요한 이유

열전도도 값은 입자 크기뿐만 아니라 GnP 로딩이 증가함에 따라 향상되는 것으로 나타났으며, 나노 복합체는 가시적인 열 투과 임계값을 제공하지 않았습니다. 새로운 유효 열 전도성 모델은 무작위 배향 2상 이종 GnP-에폭시 나노 복합체에 대한 실험 결과를 통해 검증되었습니다. 표 1은 생성된 열전도도 모델에 삽입된 입력 파라미터와 실험 데이터와 그림 2(a-b)에 표시된 이론적 열 모델과의 상관관계를 각각 GnP25 및 GnP5를 포함하는 GnP-에폭시 나노 복합체에 대해 설명합니다.

필러 로딩이 증가함에 따라 열전도도가 꾸준히 증가하는 것이 GnP25와 GnP5 입자 모두에서 관찰되었습니다. 또한 두 유형의 복합재에 대해 열전도도 모델에 의한 예측값과 실험 데이터 간에 강한 일치도가 관찰되었으며(그림 2 (a-b) 참조), 계산된 상관 계수는 GnP5와 GnP25를 포함하는 나노 복합재의 경우 각각 ~0.98 및 ~0.99였습니다. 이 결과는 연구에서 구축한 열전도도 모델이 다양한 GnP 하중에서 GnP-에폭시 나노 복합체의 열전도도를 잘 예측할 수 있음을 증명합니다. 제조 확장성의 효율성을 높이고 현재의 재료 모델을 확장하면 예측 가능한 특성과 안전한 고장 모드를 가진 그래핀 복합 구조 설계에 도움이 되며, 이는 결국 항공우주 및 자동차 산업과 같은 다양한 고급 응용 분야를 위한 확장 가능한 적층 구조 복합 재료의 제조를 용이하게 할 수 있습니다.

이 연구는 호주 전역의 연구 및 산업 파트너 네트워크와 관련된 DMTC가 관리하는 협업에 기여했습니다. 자세한 내용은 기사에서 확인할 수 있습니다: Https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621 링크

참고 문헌

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