육방정 질화붕소/폴리아미드 복합재료의 열전도도에 대한 제2상의 입자크기 및 입자분포의 영향

Abstract

발광 다이오드(LED)와 같은 전자기기의 성능 및 수명은 작동온도에 지수 함수적으로 감소하게 되므로 전자기기에서 방출되는 열을 효과적으로 배출할 수 있는 기술의 중요성이 점점 더 부각되고 있다. 특히 LED 조명은 에너지 절약과 친환경성으로 그 보급이 급격히 증가될 것으로 예상되고 있다. 현재 LED 조명의 보급에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 비용 문제를 해결하기 위하여 LED 칩의 고효율화와 더불어 하우징 재료의 생산성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

높은 열전도성과 전기절연성, 그리고 우수한 성형을 요구하는 LED 조명의 하우징 재료로 열전도성 세라믹 필러를 첨가한 플라스틱 복합재료를 적용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 폴리아미드 수지에 열전도성 필러로 h-BN을 첨가하여 복합재료를 만들고, h-BN의 입자크기 및 입자 크기 분포가 복합재료의 열전도도에 미치는 영향을 살펴보았다. 국부적으로 발행하는 열을 효과적으로 배출하기 위해서는 하우징 재료의 수직 열전도도보다 수평 열전도도가 더 중요한 의미를 가지게 되므로 본 연구에서는 복합재료의 수직 열전도도와 수평 열전도도를 함께 평가하였다.

h-BN의 평균 입자 크기가 커질수록 수직 열전도도는 감소하는 경향을 보이는 반면, 수평 열전도도는 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 h-BN이 얇은 판 모양을 하고 있기 때문에 입자의 직경이 커질수록 복합재료 성형과정에서 흐름방향으로 배향하려는 경향이 증가하기 때문으로 판단된다.

복합재료의 열전도도에 대한 h-BN 입자 크기 분포의 영향을 조사하기 위하여 평균 입자 크기가 30 μm인 h-BN에 평균 입자 크기가 2 μm인 h-BN과 8 μm인 h-BN, 그리고 16 μm인 h-BN을 각각 1대1 중량비로 혼합하여 bimodal 입자 크기 분포를 가지는 h-BN 분말을 만들고, 이 분말을 첨가하여 복합재료를 제조하였다. h-BN이 bimodal 입자 크기 분포를 가지는 복합재료는 각각의 h-BN을 단독으로 적용한 복합재료에 비하여 수직 및 수평 열전도도가 향상되는 결과를 나타내었다. h-BN의 입자 크기 분포가 가장 넓은 평균 입자 크기 30 μm인 h-BN과 평균 입자 크기 2 μm인 h-BN을 혼합한 경우가 열전도도 향상 효과가 가장 크게 나타나며, 입자 크기 분포가 좁은 경우에는 열전도도 향상 효과가 거의 나타나지 않았다. 이는 복합재료의 성형과정에서 흐름방향으로 배향하는 경향이 큰 30 μm 이상의 큰 입자들은 수평방향으로 배향되고, 이들 큰 입자들 사이에서 배향의 경향이 작은 평균 입자 크기 10 μm 이하의 입자들이 고르게 분산되기 때문인 것으로 판단된다.

열경화성 수지의 열전도도 향상을 목적으로 개발된 agglomerated h-BN을 폴리아미드 복합재료에 적용한 결과 수직 열전도도는 소폭 높아지지만, 수평 열전도도는 변화가 없었다.

h-BN과 팽창흑연을 함께 열전도성 필러로 첨가한 하이브리드 복합재료의 전기 절연 특성을 유지하기 위해서는 팽창흑연을 10 wt% 이하로 첨가해야 하며, 팽창 흑연 8.4 wt%와 h-BN 40.3 wt% 첨가한 하이브리드 복합재료에서 h-BN 53.3 wt% 첨가한 복합재료와 동등 이상의 열전도도를 얻을 수 있었다. 이는 팽창 흑연이 h-BN 입자들을 서로 연결하는 가교역할을 하기 때문으로 판단되며, 고가의 h-BN의 첨가량을 줄여서 하이브리드 복합재료의 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.