붕소 질화물 기반의 열 전도성 폴리머 복합체 :: 전체

중국 연구진은 우수한 열전도성을 가지지만 높은 전기 절연성을 가진 폴리머/붕소 질화물 나노복합체를 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

열전도성 입자로 채워진 폴리머 복합체들은 열 관리(thermal management) 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 그들은 쉽게 가공될 수 있고 충전재를 이용해서 열 전도성을 향상시킬 수 있다. 수많은 나노입자들이 그들을 제조하는데 사용될 수 있지만 그중에서 붕소 질화물과 같은 유전성 세라믹 입자들이 많이 사용되고 있다. 이것은 이런 열 전도성 복합체들이 전자 장치 및 장비에 전기 절연성을 제공할 수 있기 때문이다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합물을 제조할 수 있는 새로운 합성 기술을 제시했다.

열전도성 및 전기 절연성 폴리머/붕소 질화물 나노복합체는 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 그러나 폴리머/붕소 질화물 나노복합체를 위한 대부분의 제조 방법들은 후처리를 하는데 많은 어려움을 가지고 있다. 이번 연구진은 이것을 해결할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합체의 제조를 위한 대부분의 방법들은 상용 폴리머 기질 또는 열경화성 프로-폴리머(pre-polymer) 속에 붕소 질화물 나노입자를 첨가하는 프로세스를 이용한다. 그러나 현장 중합(in situ polymerization)을 이용한다면, 다음과 같은 몇 가지 장점들을 가지고 있기 때문에 이런 폴리머 나노복합체를 제조하는데 유망하다. 첫 번째로, 공유 결합된 폴리머 사슬들은 나노입자와 폴리머 기질 간의 강한 상호작용을 보장한다. 두 번째로, 폴리머 사슬은 나노입자 응집을 상당히 억제하고, 뛰어난 나노입자 분산과 감소된 충전제 간의 상호작용을 초래한다.

상하이 자오퉁 대학(Shanghai Jiao Tong University)과 홍콩 시립 대학(City University of Hong Kong)의 다학제 연구팀은 붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합체를 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이것은 RAFT(reversible addition fragmentation chain transfer)에 의해서 기능화된 붕소 질화물 나노구조의 표면 위에 폴리스티렌 고분자 사슬을 직접 성장시킨다. 그 후에 핫-프레스 성형(hot-press molding)을 수행한다. 나노복합체의 열전도도의 향상은 스티렌/붕소 질화물의 공급 비율이 5:1일 때 1375%에 도달한다.

가장 중요한 것은 나노복합체가 서로 다른 형상을 가지도록 다중 용융 가공을 할 수 있다는 점이다. 이 방법은 다양한 단량체와 나노충전제를 가진 열전도성, 전기 절연성, 용융 가공성을 가진 폴리머 나노복합체를 제조할 수 있는 보편적인 방법이 될 수 있을 것이다.

붕소 질화물 나노구체@폴리스티렌 나노복합체는 진동수에 대한 약한 의존성과 낮은 유전 손실을 가진 뛰어난 유전체 특성들을 가진다. 폴리스티렌의 가공성과 붕소 질화물 나노구체의 구형은 우수한 열 재활용성을 가지게 한다. 이것은 현재의 나노복합체가 열경화성 복합체보다 더 유용하게 다양한 분야에 적용될 수 있게 한다. 여기서 제안된 방법은 우수한 열전도성을 가지고 뛰어난 전기 절연성을 가지며 용융 처리를 할 수 있는 폴리머 나노복합체의 일반적인 제조 기술로서 활용될 수 있을 것이다.

이번 연구진은 높은 열전도성을 가진 폴리머 유전체와 높은 유전상수를 가진 폴리머 나노복합체를 디자인하고 중합하는 연구를 현재 수행하고 있다. 이런 나노복합체는 에너지를 저장하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Thermally conductive, electrically insulating and melt-processable polystyrene/boron nitride nanocomposites prepared by in situ reversible addition fragmentation chain transfer polymerization” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/1/015705)

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』