한양대학교 유기나노공학과 김성훈 교수가 참여한 공동연구팀이 전자기기의 소형화 관련 나노복합재료 열전도도의 새로운 이론식을 개발했다.

전자기기의 소형화는 부품들의 집적화로 인한 열 발생이 기기 결함으로 이어지는 경우가 많다. 따라서 열 제어를 위해 그래핀과 탄소나노튜브를 충진재로 적용하려는 연구가 계속돼 왔다.

이 두 가지 필러를 적용하면 열 전도율이 높아 전자기기 내부의 열을 탁월하게 제어할 수 있다. 하지만 지금까지는 재료 내부에 형성된 나노 구조와 열전도도의 관계를 명확하게 설명할 수 있는 이론과 모델이 없었다.

김 교수와 전북대 김성륜 교수, 한양대학교 유기나노공학과 장지운 박사과정생으로 구성된 공동연구팀은 나노 하이브리드 필러 시스템이 적용된 복합재료의 열전도도를 나노 구조에 기반하여 예측할 수 있는 이론식을 개발했다. 나노 하이브리드 필러 시스템 복합재료는 탄소나노튜브와 그래핀 등의 2가지 필러를 복합재료에 동시에 적용한 것이다.

연구팀은 그래핀 및 탄소나노튜브가 동시에 충진된 고분자 복합재료를 제조하고 미세 단층촬영 (Micro-CT)을 이용해 하이브리드 필러들이 3차원적으로 연결된 나노 브리지(bridge)의 존재를 관찰했다. 이를 통해 나노 브리지 효과와 복합재료 열전도도와의 관계를 규명했다.

또한, 연구팀은 발견과 실험 결과들에 기초하여 연구팀의 이름 이니셜을 딴 KJL(Kim-Jang-Lee) 모델을 제안했다. 연구팀은 제안된 모델이 실제 열 제어를 위한 재료의 열전도도를 정확히 계산할 수 있음을 확인했고, 모델에 기초하여 최적의 방열 특성을 나타내는 복합재료의 조성을 예측할 수 있었다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 'Composites Part B: Engineering'의 온라인 최신판에 게재됐다. 오프라인에는 2021년 10월 1일 게시될 예정이다. 논문명은 'Nano-bridge effect on thermal conductivity of hybrid polymer composites incorporating 1D and 2D nanocarbon fillers' 이다.