200°C에서 뜨거운 전자기기를 냉각시켜 주는 열전도성 고분자 :: 전체

전자중합(electropolymerization) 공정을 이용해 원래의 고분자보다 열전도 능력을 20배 증가시켜 열전달 물질(thermal interface material)로 기능할 수 있도록 고분자 나노섬유 어레이를 활용하는 방안이 조지아공과대학(Georgia Tech) 연구팀에 의해 제시되었다. 보통 고분자 재료는 분자 체인이 무질서하게 배열되어 있어서 열전도성 포논(phonon)의 평균이동거리(mean free path)를 감소시키기 때문에 열절연체(thermal insulator)로 사용된다. 이 변형된 재료는 200°C의 온도에서도 신뢰성 있는 능력을 보여주었다.

이 새로운 열전달 물질은 서버, 자동차, 고광도 LED 및 일부 모바일 기기에서의 전자장치로부터 열을 제거하는데 사용될 수 있다. 이 물질은 냉각장치(heat sink) 및 방열장치(heat spreader) 상에 제작되며 기기에 잘 부착되며, 잠재적으로 다른 열전도 물질에서의 차등팽창(differential expansion)에 의해 발생하는 신뢰성 문제를 해결해 줄 수도 있다. 본 연구결과는 Nature Nanotechnology지에 게재되었다.

국립과학재단(National Science Foundation)의 지원 하에 진행된 본 프로젝트에는 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology), 텍사스 대학(University of Texas at Austin), 및 레이시온사(Raytheon Company)의 연구팀이 참여하였다. 조지아 공과대학의 Virendra Singh 및 박사과정 학생인 Thomas Bougher가 본 연구의 공동 제1저자이다.

비록 고분자에서 정렬된 결정성 구조를 만듦으로써 무정형 고분자(amorphous polymer) 재료에서의 열전달이 향상될 수도 있지만, 섬유의 연신 공정을 통해 형성되는 이런 구조는 재료의 취성을 증가시켜 가열과 냉각 사이클 동안 팽창과 수축으로 균열이 쉽게 형성된다.

새로운 열전달 물질은 polythiophene으로 알려진 공액 고분자(conjugated polymer)로부터 만들어지며, 나노섬유 상에 정렬된 고분자 체인은 포논 전달을 용이하게 하지만 결정성 구조에서 나타나는 취성은 보이지 않는다. 나노섬유의 형성은 상온에서 4.4 W m?1 K?1 정도의 열전도도를 보이는 무정형 물질의 제조를 가능하게 한다. 이런 특성은 섬유 장축에 따른 분자 체인의 배열에 의한 것으로, 나노크기의 템플릿을 사용한 전자방사의 결과로 얻어진다.

자동차 분야에서도 응용할 수 있도록 본 물질을 이용해 200°C까지 실험을 진행하였다. 칩과 냉각장치 사이의 열전달 물질로 땜납용 재료도 사용해 보았지만, 리플로우(reflow) 온도에 근접하면 그리 신뢰할 수 없었다.

전형적인 고분자는 저온에서도 분해되기 때문에 열전달 물질로 여겨지지 않는다. 그러나 공액 고분자는 이미 태양전지 및 전자 기기에 사용되고 있으며, 열전달 물질로의 사용도 가능하다. 보통의 고분자보다 결합력이 더 강하기 때문에 더 높은 열안정성을 이용할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다.

단량체 전구체를 포함하고 있는 전해질로 둘러싸인 작은 구멍을 포함한 알루미나 템플릿을 시작으로 다단계 공정을 통해 구조가 완성된다. 전압이 템플릿에 가해지면 각 구멍에 있는 전극은 단량체를 끌어당겨 중공(hollow) 나노섬유를 생성하기 시작한다. 인가된 전류의 양과 성장시간을 통해 섬유의 길이와 섬유 벽의 두께를 조절할 수 있으며, 구멍의 크기를 이용해 지름을 조절하게 된다. 템플릿의 구멍에 의해 섬유의 지름은 18 ∼ 300 나노미터로 조절된다.

단량체 체인을 형성한 후에 나노섬유는 전자중합 공정을 통해 가교결합(cross-linked)되며, 템플릿은 제거된다. 최종 구조는 물이나 용매와 같은 액체를 이용해 전자기기에 부착될 수 있다. 액체는 섬유 사이로 퍼져 모세관 현상과 반데르 발스 힘(van der Waals force)을 통해 부착력을 제공한다. 전자방사 공정을 통해 연구팀은 고분자의 체인을 배열시킬 수 있었으며, 템플릿은 체인이 결정 내로 접히는 것을 방지하여 무정형성을 유지시킨다. 비록 본 물질이 결정학적 측면에서 무정형(비결정형)이지만, 고분자 체인은 일부 샘플의 경우 40%에 이르는 상당한 배열을 하고 있다.

전기방사 공정을 이용해 연구팀은 고분자의 체인을 정렬시킬 수 있었으며, 템플릿은 결정 내로 체인의 접힘을 방지하여 무정형(비결정성)을 유지하도록 하였다. 비록 결정이라는 관점에서 보면 무정형이지만, 고분자 체인은 일부 시편의 경우 40%정도까지 매우 잘 정렬되어 있었다.

장치의 소형화가 진행될수록, 열을 제거하는 것이 점점 더 어려워지고 있다. 연구팀은 더 높은 열전도도를 가진 물질을 추구하기보다, 계면에서의 접촉면적이 더 높은 물질을 탐구하기 시작했다. 어떤 최상의 열전달 물질의 경우 접촉면적은 1%가 채 되지 않는 경우도 있다.

Cola는 접촉이 80%에 이르는 gecko foot의 응용논문을 보고난 후에, polythiophene을 사용하기로 결정하였다. 200°C에서 80회의 사이클 동안 어떤 성능의 변화도 나타나지 않았다. 정확한 메커니즘을 밝히기 위해서는 추가적인 연구가 필요하겠지만, 연구팀은 결합력보다도 고분자의 점착력이 더 큰 비중을 차지하고 있다고 믿고 있다.