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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이종근
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 금오공과대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2017
2016
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본 연구에서는 열전도성이 우수한 열경화성 수지 복합체를 개발하기 위하여 저점도 고무상 수지에 열전도도가 높은 분쇄형 탄소섬유(Milled Carbon Fiber, MCF)를 첨가하여 복합체를 제조하였다. 고무상 수지는 실리콘와 우레탄을 사용하였으며 경화 반응 시 영구자석(자기밀도=5100 Gauss)으로 자기력을 인가하여 MCF를 자기장 방향으로 배향시켰다. 그리고 자기장의 효과를 관찰하기 위하여 레이저플래시분석(Laser Flash Analysis, LFA)으로 열전도도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 MCF의 배향 상태를 조사하였다.
실리콘 수지/MCF 시스템에서 자기력을 인가하지 않은 경우 MCF를 첨가하지 않은 시편의 열전도도 0.10 W/mK에서 12 vol%까지 첨가하였을 때 0.61 W/mK로 점차 증가하였다. 그러나 자기장을 인가한 경우는 MCF를 8 vol% 까지 첨가하였을 때 열전도도가 5.18 W/mK로 증가하여 MCF를 첨가하지 않은 시편에 비해 980% 크게 증가하였다. 그러나 MCF 10 vol% 이상 첨가하였을 때는 오히려 소폭 감소하였는데, 이는 MCF의 함량이 높아지면서 MCF간의 거리가 좁아지고 서로 접촉하여 상호간의 작용이 커지게 되어, 자기력에 의해 배향할 때 MCF의 회전 및 이동에 방해받기 때문이다.
또한 본 연구에서는 MCF간의 상호 방해 작용으로 열전도도가 감소하는 MCF 함량 10 vol%에 대하여 효과적인 배향을 위해 실리콘용 희석제를 사용하여 점도를 낮추어 자기장에 의한 열전도도의 변화를 조사하였다. 이 MCF 10 vol% 시료에 자기력을 인가하였을 때 희석제를 사용하지 않은 시료에서 열전도도가 5.31 W/m·K이었으나, 희석제를 10 phr을 첨가한 경우 6.31 W/m·K로 증가하여 수지의 점도가 MCF의 배향과 열전도도에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 실리콘과 동일한 MCF 함량의 우레탄 시스템에 대하여 실험을 진행한 결과 자기장에 의한 MCF 배향과 열전도도 변화가 유사하게 관찰되었다.
또한 배향에 영향을 주는 요소로 자성 입자의 함량을 변화시켜 실험을 수행하였다. 그 결과 실리콘 시스템에서 자성 입자를 0.6 wt% 첨가했을 때 열전도도가 7.36 W/m·K으로 가장 높게 나타났으나, 우레탄 시스템에서는 본 연구에서 사용한 자성 입자 함량에서는 열전도도 상승효과를 거의 관찰할 수 없었다.
본 연구에서 실험으로부터 얻어진 실리콘과 우레탄 시스템에 대한 MCF 함량에 따른 열전도도 값에 단섬유 필러를 포함한 복합체에 대한 열전도도 예측 모델로 알려진 Halpin-Tsai, Nielsen, Modified Nielsen 모델에 적용하였다. 자기장을 인가하지 않은 즉 MCF가 랜덤하게 존재하는 경우는 사용한 모든 모델이 실험값과 잘 맞았으나, 자기장을 인가한 경우는 Halpin-Tsai 모델은 실험값에 크게 벗어났다. 그러나 Nielsen과 Modified Nielsen 모델은 이 식의 형상계수인 A를 적절하게 보정해줌으로써 실험값에 거의 근접한 이론값을 얻을 수 있었다.
실리콘 수지/MCF 시스템에서 자기력을 인가하지 않은 경우 MCF를 첨가하지 않은 시편의 열전도도 0.10 W/mK에서 12 vol%까지 첨가하였을 때 0.61 W/mK로 점차 증가하였다. 그러나 자기장을 인가한 경우는 MCF를 8 vol% 까지 첨가하였을 때 열전도도가 5.18 W/mK로 증가하여 MCF를 첨가하지 않은 시편에 비해 980% 크게 증가하였다. 그러나 MCF 10 vol% 이상 첨가하였을 때는 오히려 소폭 감소하였는데, 이는 MCF의 함량이 높아지면서 MCF간의 거리가 좁아지고 서로 접촉하여 상호간의 작용이 커지게 되어, 자기력에 의해 배향할 때 MCF의 회전 및 이동에 방해받기 때문이다.
또한 본 연구에서는 MCF간의 상호 방해 작용으로 열전도도가 감소하는 MCF 함량 10 vol%에 대하여 효과적인 배향을 위해 실리콘용 희석제를 사용하여 점도를 낮추어 자기장에 의한 열전도도의 변화를 조사하였다. 이 MCF 10 vol% 시료에 자기력을 인가하였을 때 희석제를 사용하지 않은 시료에서 열전도도가 5.31 W/m·K이었으나, 희석제를 10 phr을 첨가한 경우 6.31 W/m·K로 증가하여 수지의 점도가 MCF의 배향과 열전도도에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 실리콘과 동일한 MCF 함량의 우레탄 시스템에 대하여 실험을 진행한 결과 자기장에 의한 MCF 배향과 열전도도 변화가 유사하게 관찰되었다.
또한 배향에 영향을 주는 요소로 자성 입자의 함량을 변화시켜 실험을 수행하였다. 그 결과 실리콘 시스템에서 자성 입자를 0.6 wt% 첨가했을 때 열전도도가 7.36 W/m·K으로 가장 높게 나타났으나, 우레탄 시스템에서는 본 연구에서 사용한 자성 입자 함량에서는 열전도도 상승효과를 거의 관찰할 수 없었다.
본 연구에서 실험으로부터 얻어진 실리콘과 우레탄 시스템에 대한 MCF 함량에 따른 열전도도 값에 단섬유 필러를 포함한 복합체에 대한 열전도도 예측 모델로 알려진 Halpin-Tsai, Nielsen, Modified Nielsen 모델에 적용하였다. 자기장을 인가하지 않은 즉 MCF가 랜덤하게 존재하는 경우는 사용한 모든 모델이 실험값과 잘 맞았으나, 자기장을 인가한 경우는 Halpin-Tsai 모델은 실험값에 크게 벗어났다. 그러나 Nielsen과 Modified Nielsen 모델은 이 식의 형상계수인 A를 적절하게 보정해줌으로써 실험값에 거의 근접한 이론값을 얻을 수 있었다.
목차
제 1 장 서론 11.1 실리콘 고분자 11.1.1 실리콘 고분자의 개요 11.1.2 실리콘의 제조공정 11.1.3 실리콘의 종류 41.1.3.1 실리콘 오일 41.1.3.2 실리콘 고무 41.1.4 실리콘의 특성과 용도 71.2 폴리우레탄 121.2.1 폴리우레탄의 개요 121.2.2 폴리우레탄의 부반응 131.2.2.1 폴리우레아 반응 131.2.2.2 알로파네이트 반응과 뷰렛 반응 131.2.3 우레티딘디온 및 이소시아누레이트 반응 131.2.4 폴리우레탄의 원료-이소시아네이트 171.2.4.1 톨루엔 디이소시아네이트 171.2.4.2 디페닐메탄 디이소시아네이트 171.2.5 폴리우레탄의 원료-폴리올 211.2.6 폴리우레탄의 종류 251.2.7 폴리우레탄의 특성과 용도 261.3 고무상 수지 복합체의 열전도도에 관한 연구 271.3.1 실리콘 수지 복합체 291.3.2 우레탄 수지 복합체 361.4 방열 소재 411.4.1 Thermal interface materials 431.4.2 Thermal pad 46제 2 장 실험 552.1 고분자 복합체 제조 552.1.1 실리콘/MCF 시스템 552.1.2 우레탄/MCF 시스템 552.1.3 열전도도 측정용 시편 제작 572.2 시험편의 특성 분석 572.2.1 수지의 점도 측정 572.2.2 레이저 플래시 분석 602.2.3 광학현미경 63제 3 장 결과 및 고찰 643.1 실리콘/MCF 시스템 643.1.1 MCF의 함량에 따른 열전도도 변화 643.2 희석제의 효과 703.2.1 시간에 따른 점도의 변화 703.2.2 열전도도에 미치는 영향 723.3 자성 입자 함량에 따른 열전도도 변화 763.3.1 저함량 MCF 시스템 773.3.2 고함량 MCF 시스템 783.4 우레탄/MCF 시스템 843.4.1 시간에 따른 점도의 변화 843.4.2 MCF 함량에 따른 열전도도 변화 863.4.3 자성 입자 함량에 따른 열전도도 변화 903.5 열전도도 분석 모델 적용 903.5.1 열전도도 분석 모델 903.5.1.1 Halpin-Tsai 모델 943.5.1.2 Nielsen 모델 943.5.1.3 Modified Nielsen 모델 973.5.2 실리콘/MCF 시스템 983.5.3 우레탄/MCF 시스템 102제 4 장 결론 113참고 문헌 115
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