단일벽 탄소나노튜브 고분자 전해질에서 디바 이 길이가 열전도도에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

고출력 전자기기, 반도체 패키지, 고성능 AI 데이터센터와 같은 전자·에 너지 시스템의 발전은 고출력 환경에서 안정적인 열 관리 성능을 필수적 으로 요구하고 있다. 열 전달이 원활하지 않을 경우 배터리 열폭주, 반도 체 내 국부적 발열(hotspot), 성능 저하 및 시스템 수명 단축과 같은 문제 가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 SWCNT 전해질 기반 구 조 제어 기술과 Debye length 조절 전략을 통해 고효율 열전도 필름 및 복합체를 개발하고자 한다. SWCNT는 이론적으로 매우 높은 열전도도와 우수한 전기·기계적 특성을 지니지만, 강한 반데르발스 상호작용에 의해 응집되기 쉽다. 본 연구에서 는 알칼리 금속 기반 환원적 용해 공정을 통해 SWCNT 를 polyelectrolyte 형태로 개별 분산시키고, 용액 내 이온 농도를 변화시켜 Debye length 를 조절하였다. 이때 Debye length 는 SWCNT 간 정전기적 반발력, 액정 형성, 네트워크 연결성을 지배하는 핵심 변수로 작용하였으며, 특히 LiC-5 조건에 서 가장 안정적인 액정성을 확인하였다. LiC-5 기반 필름은 우수한 열전도도(44.75 W/m·K), 낮은 시트저항(0.2 Ω /sq), 높은 인장강도(65 MPa)로 전반적으로 우수한 물성을 달성하였다. 또한 제조된 SWCNT 필름을 실리콘 고무 폼(Silicone Rubber Foam, SRF)에 캡슐화 하여 제작한 SWCNT/SRF 복합체는 열저항 감소와 열확산 성능 향상 효과를 나타냈다. 복합체는 빠른 열 확산과 균일한 온도 분포를 나타내며 기존 SRF 대비 우수한 방열 성능을 보였다. 나아가 SWCNT 네트워크의 연속성을 기반 으로 빠르고 균일한 면상 발열 특성을 확인하였다. 본 연구는 환원적 용해 공정 기반 SWCNT 전해질에서 Debye length 조절 이 분산 안정성, 배향도, 네트워크 형성을 결정하는 핵심 인자임을 규명하였 으며 이를 통해 SWCNT 필름과 SWCNT/SRF 복합체가 차세대 전력 반도체 패키지, 전자기기, 웨어러블 발열소재 등 다양한 산업 분야에서 고성능 열관 리 소재로 활용될 수 있음을 입증하였다. 나아가 본 연구에서 제시한 구조 제어 접근법은 향후 고열전도 나노소재 기반 복합체의 설계와 응용 확장에 중요한 방향성을 제공할 것으로 기대된다. 주제어: 단일벽 탄소나노튜브, 환원적 용해 공정, 전해질, Debye length, 열전 도도, 열 계면 소재

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 이론 4
• 1.2.1 환원적 용해 공정 (Reductive dissolution) 4
• 1.2.2 디바이 길이 (Debye length) 6
• 1.2.3 캡슐화 (Encapsulation) 10
• 1.2.4 열전달 메커니즘(Heat Transfer Mechanism) 11
• 1.3 연구 목적 12
• Ⅱ. 실험 14
• 2.1 실험 재료 14
• 2.2 단일벽 탄소나노튜브 전해질 제조 14
• 2.3 단일벽 탄소나노튜브 필름 제조 17
• 2.4 단일벽 탄소나노튜브 전해질 및 필름 물성 분석 18
• 2.4.1 단일벽 탄소나노튜브 전해질 액정성 분석 18
• 2.4.2 단일벽 탄소나노튜브 필름의 형태학적 분석 18
• 2.4.3 열적 특성 분석 19
• 2.4.4 전기적 특성 분석 20
• 2.4.5 기계적 특성 분석 22
• 2.5 실리콘 고무 폼 기반 단일벽 탄소나노튜브 복합체 제조 23
• 2.5.1 실리콘 고무 폼 도입 23
• 2.5.2 단일벽 탄소나노튜브 필름 및 전해질 캡슐화 23
• Ⅲ. 결과 및 고찰 25
• 3.1 단일벽 탄소나노튜브 전해질 및 필름 특성 25
• 3.1.1 Debye length 에 따른 액정성 및 형태학적 특성 분석 25
• 3.1.2 열전달 시뮬레이션 분석 29
• 3.1.3 SWCNT 필름의 열적 특성 분석 34
• 3.1.4 SWCNT 필름의 전기적 특성 분석 38
• 3.1.5 SWCNT 필름의 기계적 특성 분석 42
• 3.1.6 리튬 비율에 따른 SWCNT 네트워크 최적 비율 선정 45
• 3.2 실리콘 고무 폼 기반 SWCNT 복합체 특성 평가 46
• 3.2.1 형태학적 분석 46
• 3.2.2 다기능성 열적 특성 분석 48
• 3.2.2.1 SWCNT/SRF 복합체의 방열 성능 평가 48
• 3.2.2.2 SWCNT 필름의 전기적, 열적 특성에 따른 발열 성능 분석 55
• 3.2.2.3 SWCNT/SRF 의 전기적, 열적 특성에 따른 발열 성능 분석 62
• Ⅳ. 결론 67
• 참고문헌 69
• Abstract 75