그래핀 구조에 따른 복합소재 열전도도 규명, 방열소재 상용화 전기 마련

그래핀의 형태학적 구조와 복합소재 열전도도의 관계 규명

그래핀 기반 방열복합소재의 효율적인 디자인 제작 및 상용화 기대

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 김성륜 박사팀은 평판의 크기 및 두께가 다른 다양한 그래핀을 이용하여 고체를 액화시키는 방법으로 복합소재를 제조했다. 또한, 마이크로 메카닉스 이론(*용어설명)에 기초하여 그래핀의 형태학적 구조와 복합소재 열전도도 간의 관계를 규명하였다. 

꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 이용하여 다양한 응용 분야 및 신시장 창출이 중요한 사회 이슈로 부각되고 있다. 특히, 스마트 전자기기의 다양성 증가와 소형화에 따라 그래핀 기반 방열복합소재에 대한 관심이 폭증하고 있으나, 그래핀 구조와 방열복합소재의 열전도도의 관계가 명확하게 규명되지 않아 상용화에 어려움이 있었다. 

본 연구팀은 미세단층촬영 (Micro X-ray CT)을 이용하여 플레이크 그래핀 기반 방열복합소재 내부의 3차원적 구조 및 분산을 확인했다. 또한, 열적외선 카메라를 이용하여 방열복합소재의 실제 방열 특성을 평가해본 결과, 평판 사이즈 및 두께가 큰 그래핀을 적용한 방열복합소재의 열전도도 및 방열특성이 가장 우수함을 발견하였다. 플레이크 그래핀의 형태학적 구조는 그래핀 기반 방열복합소재의 열전도도 및 방열 특성을 결정하는 매우 중추적인 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 

기판이 필요하지 않은 파우더 형태로 대량생산이 가능한 소재인 플레이크 그래핀은 기판 형태로 제작되는 소량 고품질 소재인 CVD 그래핀에 비해 방열 복합소재의 소재 부가가치뿐만 아니라 응용분야 제품 단가 절감의 유리한 점이 있다. 

본 연구팀은 그래핀 기반 방열복합소재의 효율적인 디자인 및 제조를 위해서 그래핀 평판 사이즈 및 두께와 방열복합소재 열전도도의 관계를 규명해 낸 것에 큰 의의를 두고 있다. 

 

KIST 김성륜 박사는 “플레이크 그래핀 구조에 따른 효율적인 방열복합소재 디자인 및 제조 최적화로 그래핀 상용화를 앞당길 수 있다”고  밝혔다. 

이번 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 중소기업 융복합기술개발 사업 및 산업통상자원부의 WPM (World Premier Materials) 사업에서 진행되었다. 본 연구 결과는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 5월 25일자로 온라인 게재되었다.

* (논문명) "Thermal conductivity of polymer composites with the geometrical characteristics of graphene nanoplatelets"

      - (제1저자) 한국과학기술연구원 김현수 연구원

      - (제2저자) 한국과학기술연구원 배현성 연구원

      - (제3저자) 한국과학기술연구원 유재상 박사

      - (교신저자) 한국과학기술연구원 김성륜 박사

<그림자료>

<그림 1> 다양한 평판 크기와 두께의 플레이크 그래핀

<그림 2> 그래핀의 형태학적 구조와 복합소재 열전도도의 관계

<그림 3> 그래핀의 형태학적 구조와 복합소재 방열 성능의 관계