- 팽창율이 큰 흑연의 방열특성이 향상되는 메커니즘 규명

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

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

열전도 특성이 우수하다고 알려진 탄소소재 중 저렴한 가격과 복합소재 방열특성을 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 열처리하여 제조하는데, 흑연 시트가 층간 간격을 두고 적층된 독특한 형태로 나타난다. 이러한 구조는 고분자 복합소재의 열전도도를 효율적으로 향상시킨다.

KIST 김성륜 박사팀은 이러한 팽창흑연을 자체 개발한 유도 결합형 플라즈마를 이용하여 결함 및 표면특성 변화를 최소화하면서도 팽창정도를 제어하고 고속으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

연구진은 유도 결합형 플라즈마의 처리온도를 높일수록 팽창흑연의 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.

본 연구진이 직접 설계 및 제작한 유도 결합형 플라즈마는 결함발생이나 표면특성 변화를 최소화하면서도 시스템의 가스온도를 제어함으로써 흑연의 팽창구조를 자유롭게 제어할 수 있다. 기존 열처리 공정에 비해 팽창처리 시간을 상당히 단축하여, 향후 고속화 및 자동화된 연속공정으로의 개발이 가능할 것으로 보인다. 고방열 소재(TIM) 세계 시장규모는 2025년 8조 6,680억 원으로 예측되며, 앞으로 경량 자동차 방열부품 및 전자재료(모바일, IT, LED분야 등) 등으로 확대 적용될 것으로 기대된다.

KIST 김성륜 박사는 “최근 고방열 플라스틱의 열전도성 필러**로 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 원인규명에 중요한 연구가 될 것”이라고 말했다.

** 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 KIST기관고유사업과 중소기업청 융복합기술개발과제로 수행되었으며, 탄소소재분야의 세계적 권위의 국제학술지인 ‘Carbon’(IF : 6.198)에 한국시간으로 4월 14일(금)자에 온라인 게재되었다.

* 논문명 : Volume control of expanded graphite based on inductively coupled plasma and enhanced thermal conductivity of epoxy composite by formation of the filler network

한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 김성륜 박사(좌) 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 교수(우)