Percolation theory를 적용한 전도성 유/무기 복합소재의 설계 및 특성평가

Abstract

고분자 복합소재는 사용되는 재료의 조합에 따라 기계적, 전기적 특성의 제어가 용이하고 제조비용이 저렴하여 여러 산업의 응용 분야에 주목을 받고 있다. 특히 나노 필러 (filler) 소재가 첨가된 복합소재의 경우 열적, 전기적 특성이 발현되는 특징이 있기 대문에 전자 소자의 터치스크린, 투명전극, 전자 패키징 및 자동차 산업의 내 • 외장재, 배터리 패키징 등에 폭넓게 이용될 수 있다. 한편, 복합소재 제조 측면에서 필러와 고분자 소재를 혼합하기 위하여 일반적으로 Melt blending, Solution casting, In-situ polymerization등 다양한 방법을 이용하여 제조되어오고 있다. 하지만 위와 같은 방법은 복잡하고, 환경 오염을 유발시킬 뿐만 아니라 복합소재의 특성 발현을 위해 상당한 양의 필러가 필요하여 제조 단가가 높아지는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점의 극복을 위해서, 소량의 필러의 첨가로도 복합소재의 특성을 극대화 시킬 수 있도록 복합소재 내의 필러의 배열을 최적화 하도록 제조하는 것이 중요하다. 본 연구에서는, 모제 물질로서 Polymethylmethacrylate (PMMA), Polymethyl-silsesquioxane (PMSQ) 등의 고분자와 필러 물질인 Boron nitride, CNT, Gra-phene 등을 주 원료로 하여 필러의 percolation을 이용하여 적은 양으로도 우수한 특성을 갖는 복합소재의 제조 방법에 대해 연구하였다. Percolation은 필러 간의 직접적인 접촉으로 인한 전도 경로(conductive path)가 전체 고분자 모제 내에 생성되어 전기적, 열적 특성이 발현되는 현상으로 이를 적절히 이용하면 소량의 필러를 사용하여도 우수한 특성의 복합소재의 제조가 가능하다. Percolation 현상을 극대화 시키기 위한 방법으로 먼저, 고분자 수지, 비드, 필러 물질의 비를 제어하는 이중 Percolation법으로 복합 소재를 제조하여 필러가 고분자 수지에만 선택적으로 분산되도록 하였다. 또한, 고분자 비드의 표면에 필러를 다양한 방법으로 코팅시킨 복합 분말을 제조 한 후 열 가압 성형이라는 후처리 공정을 도입하여 모제 내 입계를 따라 필러가 배열된 복합소재를 제조하였다. 제조된 각각의 복합소재의 미세구조를 Optical microscope, Scanning electron microscope 등으로 확인하였고, 벌집(Honey-comb)구조의 전도 경로가 생성됨을 확인하였다. 또한, 이렇게 제조된 복합 소재의 전기 및 열적 특성을 평가한 결과 낮은 함량의 필러로도 우수한 특성이 발현됨을 확인하였고, 이는 상기 언급한 다양한 응용분야로의 응용이 기대된다. 한편 본 연구에서는, 필러의 percolation을 이용하여 적은 양으로도 우수한 특성을 갖는 고분자 기반 복합소재의 제조 방법에 대해 연구하였다. Percolation 현상을 극대화 시키기 위한 방법으로 먼저, 고분자 수지, 비드, 필러 물질의 비를 제어하는 이중 Percolation법으로 복합 소재를 제조하여 필러가 고분자 수지에만 선택적으로 분산되도록 하였다. 또한, 고분자 비드의 표면에 필러를 다양한 방법으로 코팅시킨 복합 분말을 제조 한 후 열 가압 성형이라는 후처리 공정을 도입하여 모제 내 입계를 따라 필러가 배열된 복합소재를 제조하였다. 복합 소재의 전기 및 열적 특성을 평가한 결과 낮은 함량의 필러로도 우수한 특성이 발현됨을 확인하였고, 이는 상기 언급한 다양한 응용분야로의 응용이 기대된다. |Hexagonal Boron Nitride (h-BN) shows excellent properties, such as high thermal conductor and also good electrical insulator as well as good thermal stability and chemical inertness. In addition, carbon based filler material, such as carbon nanotube (CNT) and graphene shows excellent electrical and thermal conduction properties as well as good mechanical property. Such unique properties of the filler material can be utilized or maximized by the fabrication of polymer composite materials. The conduction properties of polymeric composite can be enhanced by the formation of conductive pathways created by the directly contacted or in proximity between the fillers in the polymer matrix. Therefore, maximizing of the thermal pathways in the polymer matrix with the use of small amount of the filler material is a dominant issue to fabricate high thermally conductive composite materials. In this work, polymeric composites with three-dimensional (3-D) microstructure were fabricated using the filler coated bead and double percolation structure. In order to see the concept feasibility of the structure, three types of the filler material (Boron nitride, CNT, graphene) and two types of the polymer materials (polymethylmethacrylate (PMMA), polymethylsilsesquioxane (PMSQ)) were chosen for the composite fabrication. In addition, for preparing filler uniformly coated polymer composite powder, both materials were mixed using surface charge difference and Van der waals interaction and chemical bonding. Moreover, morphologies and conduction properties of composites were compared with respect to the percolation characteristics of filler in the polymer matrix.; Hexagonal Boron Nitride (h-BN) shows excellent properties, such as high thermal conductor and also good electrical insulator as well as good thermal stability and chemical inertness. In addition, carbon based filler material, such as carbon nanotube (CNT) and graphene shows excellent electrical and thermal conduction properties as well as good mechanical property. Such unique properties of the filler material can be utilized or maximized by the fabrication of polymer composite materials. The conduction properties of polymeric composite can be enhanced by the formation of conductive pathways created by the directly contacted or in proximity between the fillers in the polymer matrix. Therefore, maximizing of the thermal pathways in the polymer matrix with the use of small amount of the filler material is a dominant issue to fabricate high thermally conductive composite materials. In this work, polymeric composites with three-dimensional (3-D) microstructure were fabricated using the filler coated bead and double percolation structure. In order to see the concept feasibility of the structure, three types of the filler material (Boron nitride, CNT, graphene) and two types of the polymer materials (polymethylmethacrylate (PMMA), polymethylsilsesquioxane (PMSQ)) were chosen for the composite fabrication. In addition, for preparing filler uniformly coated polymer composite powder, both materials were mixed using surface charge difference and Van der waals interaction and chemical bonding. Moreover, morphologies and conduction properties of composites were compared with respect to the percolation characteristics of filler in the polymer matrix.