2차원 소재를 이용한 도료 제조 및 방열성능 평가에 대한 연구

Abstract

전자기기들이 고성능화, 소형화됨에 따라 열관리 문제가 이슈(issue)화 되어 효율적인 방열시스템 개발이 절실한 상황이다. Heat sink(방열판/방열핀)는 간단하면서도 일반적인 방열시스템이지 그 효율이 만족스럽지 못하다는 문제점이 있다. 따라서 방열 기능을 갖춘 도료를 heat sink에 적용하여 그 기능을 향상시키고자 하였다. 방열 기능을 갖춘 도료는 내열성 및 내후성이 강한 실리콘 수지에 열전도성 필러를 고속 분산시키는 방법으로 제조되었다. 방열 기능을 갖춘 도료에는 그래핀(graphene) 및 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)와 같이 열전도 특성이 우수한 2차원 소재를 열전도성 필러로 사용하였다. Microscope로 관찰한 표면 특성과 ISO 2409 시험법으로 측정한 도막의 부착력은 매우 우수하였다. 방열 기능을 갖춘 도료의 방열성능은 도장된 시험편과 도장되지 않은 시험편의 온도차이로부터 계산하였다. hBN을 열전도성 필러로 사용한 도료에서는 수지에 대한 hBN의 비율이 1/10의 조건일 때 최고 6.5oC의 방열효과를 나타내었다. Graphene을 열전도성 필러로 사용한 도료에서는 수지에 대한 그래핀의 비율이 1/50인 조건에서 최고 6.5oC의 방열효과를 나타내었다. Graphene과 hBN을 혼합하여 사용하였을 경우, 시너지효과(synergistic effect)가 발생하여 도료의 방열효과가 향상되었다. Graphene과 hBN의 비율이 1:5인 조건에서 최고 7.9oC의 방열효과를 달성할 수 있었다. 2차원 소재들은 이방성(anisotropy)을 갖고 있다. 이방성의 단점을 보완할 수 있는 co-additive(Al paste)는 도료의 방열성능 향상에 도움이 되었다. 또한 방열 도료는 도막층의 열전도도뿐만 아니라 열을 외부로 방출시키는 방사율이 높아야 한다. 방사율이 높은 co-additive(TiO2)는 도료의 방열성능 뿐만 아니라 도막의 색상조절에도 도움이 되었다. 열전도성 필러들의 계면 열저항은 포논산란(phonon boundary scattering)을 야기시키며, 그 결과 열전도도가 감소하게 된다. 포논산란을 감소시킬 수 있는 가장 간단한 방법은 압축공정을 이용하는 것이다. 공정효율, 도막의 파손율 및 방열성능을 고려했을 때, 최적 압축률은 15~20%이며, 압축 후 도료의 방열성능이 43%~53% 향상되는 효과를 얻을 수 있었다.