3-Dimensional Percolated Organic-Inorganic Nanocomposite on Their Thermal and Electrical Applications

Abstract

전도성 고분자 복합체 (Conductive polmyer composites, CPCs)는 전자 장치 (Electronic devices), LED, 자동차 산업, 플렉시블 전자 (Flexible electronics), 필름 히터 (Film heater) 및 열 인터페이스 재료 (Thermal interface materials, TIMs) 등과 같은 수많은 분야에서 기존의 금속 또는 세라믹 소재를 대체하는 유망한 재료로서 널리 연구되어왔다. CPC의 전도 특성은 무기 충진제 (inorganic filler)를 통해 발현되며, 무기 필러의 선택은 복합소재의 용도 및 요구되는 특성에 따라 다양하다. 일반적으로, CPC의 전기적 또는 열 전도성의 생성 및 향상을 위해, 전기전도도 혹은 열전도도가 우수한 금속 (metal), 세라믹 (ceramic) 및 탄소계 재료 (carbon-based)가 선택된다. 또한 CPC의 적용은 필러와 고분자 재료의 네트워크를 기반으로 열전소재 (thermoelectric material), 압전소재 (piezoelectric material), 압력 센서 (pressure sensor), 필름히터 (film heater) 및 유기 가스 센서 (organic-gas sensor)로 그 응용범위가 확장되고 있다. 또한, CPC 분야의 발전에 따라 고분자 복합체의 추세는 기존 무작위로 분포하는 필러 구조 (randomly distributed structure) 에서 최근에는 필러 구조를 제어하는 기하학적 요인을 고려하고 있다. 폴리머 매트릭스에서 필러 구조를 제어하는 것은 효과적인 필러 전도뿐만 아니라 전도 방향 제어에도 이점이 있다. 또한, 고분자 복합 재료 필러의 구조 제어는 1차원 및 2차원 필러와 같이 이방 전도 메커니즘 필러로 채워진 고분자 복합 재료를 개선하는 효과적인 방법이다. 필러 구조의 제어는 크게 일방향 정렬 및 3 차원 구조로 분류 될 수있다. 일방향 배향 고분자 복합체는 한 방향의 고분자 복합체를 통해 전도성이 우수하도록 수직방향 또는 수평방향의 전도가 최대화시키는데 적합하며 3 차원 구조는 모든 방향에서 전도성을 갖는 복합 재료에 적합하다. 본 논문에서는 삼차원 필러 구조를 제작하는 방법 중 다양한 필러 재료를 사용하여 "선택적 분산된 필러구조 (segregated filler structure)"를 갖는 복합 재료를 연구 하였다. 다양한 필러를 이 구조에 적용하였으며, (탄소 나노 튜브, 그래 핀 및 육각형 h-BN), 용액 혼합 및 용매 효과, 정전 결합 및 화학 결합에 의해 제조된 코어(고분자)-쉘(필러)이 각 장에서 논의된다. 전구체의 후 열 프레스 공정으로부터의 3 차원 적으로 네트워킹된 CPC의 전기적 및 열적 특성을 각각의 장에서 평가하였다. 퍼커레이션 이론 (percolation theory)에 기초한 각 개념과 전도 메커니즘은 각각 명확한 설명을하기 위해 상세히 논의되었다.; Conducting polymer composites (CPCs) has been widely researched as a promising material replaced existing metal or ceramic materials in numerous applications such as electronic devices, LED, automobile industry, flexible electronics, plane heater and thermal interface materials etc. The conduction properties of CPCs carried by inorganic fillers. Inorganic fillers could be various according to object of application and needing properties. Typically, for the generation and enhancement of electrical or thermal conductivity of the CPCs, superior materials such as metal, ceramic and carbon-based materials were selected which are well fitted with these properties. Furthermore, application of CPCs now shifts to thermoelectric, piezoelectric, pressure-sensor, plain-heater and organic gas sensor based on collaboration of the filler and polymer materials. According to evolution of the CPC field, the strategy of the polymer composite has been moved from randomly distribution filler structure to geometrical factor controlling of filler structure. The controlling of filler structure in polymer matrix has advantages not only effective filler conduction but also conduction direction control. Additionally, structure control of the filler in polymer composite field is an effective way to improve polymer composite filled with anisotropic conduction mechanism fillers. The control of the filler structure could be classified as one-direction alignment and 3-dimensional structure. The one-direction alignment polymer composite well fit with maximized in- or out-of-plane conduction for excellent conductivity through one-direction of polymer composite, in comparison, 3-dimensional structure is suitable for composite materials having conductivity in all directions. In this dissertation, among methods for fabricating 3-dimensional filler structure, composite with the “segregated filler structure” with diverse filler materials was investigated. Related to the filler categories (carbon nanotube, graphene and hexagonal h-BN), core (polymer)-shell (filler materials) like precursor firstly fabricated by solution mixing and effect of solvents, electrostatic coupling and chemical bond coupling are discussed in each chapter. Electrical and thermal properties of the 3-dimentionally percolated CPCs from post-hot press process of the precursor were evaluated. Each concepts and conduction mechanism based on the percolation theory were discussed in detail in order to give a clear description, respectively.