유도 결합형 플라즈마 기술로 고방열 플라스틱 저비용·고속 제조공정 개발(전북분원 김성륜 박사)

KIST 연구진, 팽창율이 큰 흑연의 방열특성이 향상되는 메커니즘 규명
고속으로 대량의 고품질 팽창흑연 제조 및 고방열 플라스틱 개발 가능성 기대
 

한국과학기술연구소(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 다기능구조용복합소재연구센터 김성륜 박사팀과 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 교수는 자체 개발한 유도 결합형 플라즈마*를 이용해 결함 발생이나 표면 특성 변화 없이 흑연의 팽창구조를 제어하여 우수한 고방열 복합소재를 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

<그림 1> KIST 김성륜, 이헌수 박사팀은 결함의 발생이나 표면 특성 변화없이 고속으로 흑연의 팽창구조를 제어하기 위해 유도 결합형 플라즈마를 직접 설계 및 제작 하였다. 기존 퍼니스 기반 열처리 공정 대비 고속으로 고품질 팽창 흑연을 제조할 수 있었다.

*유도 결합형 플라즈마 : 고주파 코일의 축을 따라 혼합물을 흘려 전자적으로 플라즈마 상태를 생성시킨 광원

열전도 특성이 우수하다고 알려진 탄소소재 중 저렴한 가격과 복합소재 방열 특성을 효율적으로 향상시킨다고 알려진 팽창흑연은 최근 경량 고방열 플라스틱 제조를 위해 첨가하는 열전도성 충전재(filler)로써 재 주목받고 있다. 팽창흑연은 일반적으로 연필심의 원료인 흑연을 산처리(acidification) 후 고온 열처리 하여 제조하는데 흑연 시트가 층 간 간격을 두고 적층된 독특한 형태로 나타난다. 이러한 구조는 고분자 복합소재의 열전도도를 효율적으로 향상시킨다. KIST 김성륜 박사팀은 이러한 팽창 흑연을 자체 개발한 유도 결합형 플라즈마를 이용하여 결함 및 표면 특성 변화를 최소화하면서도 팽창 정도를 제어하고 고속으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 연구진은 유도 결합형 플라즈마의 처리 온도를 높일수록 팽창 흑연의 팽창율이 증가하였고, 가장 크게 팽창된 흑연을 혼입한 고방열 플라스틱의 열전도도는 사용된 플라스틱의 열전도도에 비해 최대 약 58배, 팽창되지 않은 흑연을 혼입한 플라스틱의 열전도도에 비해 최대 약 5.7배 향상되는 것을 밝혔다.

<그림 2> 유도 결합형 플라즈마 처리 공정에서 가스 온도를 제어함으로써 그림과 같이 흑연의 팽창 정도를 제어할 수 있었다.

본 연구진이 직접 설계 및 제작한 유도 결합형 플라즈마는 결함 발생이나 표면 특성 변화를 최소화 하면서도 시스템의 가스 온도를 제어함으로써 흑연의 팽창구조를 자유롭게 제어할 수 있다. 기존 열처리 공정에 비해 팽창 처리 시간을 상당히 단축하여, 향후 고속화 및 자동화된 연속 공정으로의 개발이 가능할 것으로 보인다.
고방열 소재(TIM) 세계 시장 규모는 2025년 8조 6680억 원으로 예측되며 앞으로 경량 자동차 방열

 

부품 및 전자재료(모바일, IT, LED분야 등) 등으로 확대 적용될 것으로 기대된다. KIST 김성륜 박사는 “최근 고방열 플라스틱의 열전도성 필러로 탄소소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이번 성과를 활용하면 가격이 저렴하고 고품질의 고방열 플라스틱 제조할 수 있을 것”이며 “학술적으로도 최근 이슈가 되고 있는 소재에 일어나는 열전도특성의 이상적인 변화(thermal percolation) 거동의 발견과 원인 규명에 중요한 연구가 될 것”이라고 말했다.

<그림 3> 흑연의 팽창율이 복합소재 열전도도에 미치는 영향을 규명하기 위해 팽창 정도가 각각 제어된 흑연을 플라스틱에 혼입하여 복합소재를 제조하였고, 제조된 복합소재의 내부구조를 파악하기 위해 X-ray 소스 기반 마이크로 CT 장비를 이용한 3차원 비파괴 분석기법을 적용하였고, 그림과 같이 복합소재 제조 후에도 제어된 흑연의 팽창율이 유지됨을 확인할 수 있었고, 팽창율이 클수록 필러의 접촉으로 거대 네트워크를 형성함을 확인할 수 있다.

**고방열 플라스틱 열전도성 필러 : 플라스틱의 열전도도를 향상시키기 위해서는 열전도도가 우수한 금속 혹은 세라믹을 혼합하는 방법을 사용하는데, 열전도도가 향상된 플라스틱을 고방열 플라스틱 및 이를 위해 혼입된 소재를 열전도성 필러라고 한다.

본 연구결과는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업과 중소기업청 융복합기술개발과제로 수행되었으며, 탄소 소재분야의 세계적 권위의 국제학술지인 ‘Carbon’(IF : 6.198) 에 한국시간으로 4월 14일(금)자에 온라인 게재되었다.

<그림4> 실제로 제조된 복합소재의 방열특성을 평가하였을 때, 혼입된 팽창 흑연의 함량이 동일함에도 불구하고 팽창율이 큰 경우 훨씬 우수한 방열 특성이 나타남을 확인하였다.

 * (논문명) ‘Volume control of expanded graphite based on inductively coupled plasma and enhanced thermal conductivity of epoxy composite by formation of the filler network’
      - (공동제1저자) 김현수 박사과정, 김종혁 석사과정
      - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 김성륜 박사
      - (공동교신저자) 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 교수