다성분 복합재의 열성능 및 화재 적응성 분석에 관한 연구 = A study on the Thermal Performance and Fire-Adaptivity of Multicomponent Composites

국문 초록 (Abstract)

전력·전자 시스템의 고성능화와 열밀도 증가에 따라 효율적인 열관리 의 중요성이 높아지고 있으며 특히 경제성, 운영성, 적용성에서 유리한 수동(Passive) 열관리 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 상변 화물질(Phase Change Material, PCM)은 높은 잠열을 활용해 온도 상승을 완화할 수 있는 대표적 열관리 재료이지만, 고체–액체 전이에서 발생하는 누출, 낮은 열전도도, 가연성 등의 한계가 적용성 확대의 주요 장애 요인 으로 작용한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 파라핀계 PCM을 기반으로 올레핀 블록 공중합체(Olefin Block Copolymer, OBC), 팽 창 흑연(Expanded Graphite, EG), 팽창형 난연제(Intumescen Flame Retardant, IFR)를 조합한 다성분 복합재를 설계·제작하고, 상안정성·열 성능·화재 적응성을 중심으로 성능을 정량적으로 평가하였다. 상안정성 평가는 PCM을 기본으로 OBC 함량을 변화시킨 복합재 시편을 대상으로 열 주기(고체→액체→고체)를 반복하여 이루어졌다. 순수 PCM 시편은 반복 4회 이내에 완전 누출이 발생하였으나, OBC가 포함된 복합 재는 10회 반복 후에도 초기 질량의 99% 이상을 보존하였고 누출이 육안 으로 전혀 관찰되지 않았고 기하학적 변형도 없어 우수한 상안정성을 확 보하였다. 열성능 평가는 상안정성이 확보된 P8O2 복합재를 기준으로 EG 함량을 5–20 wt%로 조정한 시편에 대해 수행하였다. 열전도도는 EG 증가에 따라 0.236 → 0.486 W/m·K까지 향상되었으며, Maxwell–Eucken 모델과 90% 이상의 높은 일치도를 보였다. 이는 EG의 판상 구조가 복합재 내부에서 열전달 경로를 연속적으로 형성하여 열확산을 촉진함을 의미한다. 잠열량 은 EG 비율 증가에 따라 감소하였으나, 열확산 향상과 잠열 보존의 균형 을 고려할 때 EG10 조성이 가장 적절한 조합으로 판단되었다. 화재 적응성은 UL-94 수직 연소실험을 통해 복합재의 난연 성능으로 평가하였다. EG10IFR40 시편은 낙하물 착화가 발생하여 V-2 등급 수준의 난연 성능을 보였으며 내부 난연제 첨가만으로는 충분한 난연 성능 확보 가 어려운 것으로 나타났다. 이에 따라 IFR 기반 난연 코팅층을 복합재 표면에 추가로 적용한 시편을 평가한 결과, 초기 및 2차 잔염 시간이 대 폭 감소하였고 낙하물 착화·화염의 클램프 도달도 발생하지 않아 V-0에 해당하는 난연성을 확보하였다. 반면 IFR 대신 에폭시 기반 난연 코팅제 를 내부에 첨가한 시편은 잔염 및 낙하물 착화가 발생하여 난연 성능이 상대적으로 저하되었다. 이는 난연 코팅제가 내부에 혼합될 경우 충분한 팽창·탄화층이 형성되지 못하였음을 보여 준다. 본 연구는 PCM의 핵심 한계인 누출·낮은 열전도도·가연성을 OBC 기 반 상안정화, EG 기반 열확산 네트워크 형성, IFR 기반 난연 설계를 통해 효과적으로 보완할 수 있음을 입증하였다. 특히 P9O1EG10 조성과 IFR 이 중 난연의 조합은 상안정성·열성능·난연 성능을 동시에 확보하는 구조 로 확인되었으며, 이는 배터리·전력전자·재생에너지 시스템 등 열관리 와 화재 안전성이 요구되는 다양한 응용 영역에서 실질적 적용 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법 2
• 제2장 다성분 복합재 이론적 고찰 5
• 2.1 상변화물질 5
• 2.2 매트릭스· 9
• 2.3 첨가제 11
• 2.4 다성분 복합재의 제조 방법 14
• 2.5 연구 동향 17
• 제3장 다성분 복합재 실험 설계 21
• 3.1 다성분 복합재 구성 재료 21
• 3.1.1 상변화물질 21
• 3.1.2 올레핀 블록 공중합체 23
• 3.1.3 팽창 흑연 27
• 3.1.4 팽창형 난연제 29
• 3.2 다성분 복합재 설계 및 제작 31
• 3.3 다성분 복합재 실험 개요 35
• 3.3.1 상안정화 실험 35
• 3.3.2 열 성능 실험 37
• 3.3.3 화재 적응성 실험 39
• 제4장 실험 결과 및 분석 44
• 4.1 상안정화 실험 결과 및 분석 44
• 4.2 열 성능 실험 결과 및 분석 46
• 4.3 화재 적응성 실험 결과 및 분석 50
• 제5장 결 론 61
• 참고문헌 64
• ABSTRACT 69