Thermal Conductivity of Amorphous Poly(acrylic acid) Engineered by Metal Impregnation Phenomena of Atomic Layer Deposition

국문 초록 (Abstract)

기계적 안정성과 함께 폴리머의 열적 특성은 다양한 응용 분야에서 고려해야 할 핵심 엔지니어링 요소 중 하나이다. 이 연구에서는, 원자층 단위 증착 공정(Atomic Layer Deposition, ALD) 에서 일반적으로 발생하는 금속 함침 현상을 응용하여 비정질 폴리 (아크릴산) (poly (acrylic acid), PAA) 고분자의 열전도도를 조절할수 있음을 실험적으로 증명을 하였다. 원자층 단위 증착 공정의 독특한 기상 반응이 비정질 PAA 중합체에 금속 함침 (예 : Al)을 일으킬수 있음을 실험적으로 관찰을 하였고, Time-domain thermoreflectance (TDTR) 측정법을 이용하여 제작된 하이브리드 물질의 열전도도를 측정하였다. 금속 함침이 PAA의 열 전도성에 미치는 영향을 명확히 규명하기 위하여, 다양한 분광학적 기법을 이용하여 분석을 수행하고, 함침 된 금속 이온이 PAA의 화학적 구조에 상당한 변화를 일으킨다는 것을 발견하였다. 특히, PAA의 카르복실기 (-COOH)가 침투된 금속이온에 의하여 구조가 크게 변화된것으로 관찰되었고, 이 변화된 구조가 하이브리드 물질의 열전도도를 결정하는 주요인자로 현재 추정이 되고 있다. 금속이온 침투를 응용하는 방법은 다양한 고분자 재료의 열적 특성을 설계할수 있는 간단하고 유용한 방법이 될 수 가 있을 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thermal properties of polymer, together with mechanical stability, have been one of the key engineering factors to be considered for various applications. In this study, we engineered the thermal conductivity of amorphous poly (acrylic acid) (PAA) polymer by metal impregnation phenomena which have been usually occurred during atomic layer deposition (ALD) process. We observed that the unique gas phase reaction of the ALD causes metal impregnation (e.g. Al) into the amorphous PAA polymer, which consequently significantly affects the thermal conductivity of the PAA. We carefully measured and compared the thermal conductance of the PAA before and after metal impregnation using time-domain thermoreflectance (TDTR) method. In order to clarify the effect of the metal impregnation on thermal conductance of the PAA, we performed various spectroscopic studies. We found that the impregnated metal elements give rise to considerable changes in the chemical configuration of PAA. In particular, carboxyl groups (-COOH) in PAA was observed to be clearly modified and the bonding states of carbon and oxygen were significantly changed by the tiny amounts of the impregnated metal elements, which likely resulted in enhancement in thermal conductance .We believe that our method could be a simple and useful way to engineer thermal properties of various polymeric materials.

목차 (Table of Contents)

• Abstract………………………………………………………..………….....i
• Contents…………………………….………………………..………….....v
• List of Figures……………………………..………………..………….….viii
• List of Tables…………………………………………………....….......…..x
• INTRODUCTION………………………………..…...……......………......1
• Background………………………………….………………....….…….....1
• Problem description…………………………….……..…….……….…….3
• 1 . BASIC THEORY…………………….……………..……...…….………4
• 1.1 Thermal conductivity…………………...……………..………..4
• 1.1.1 Heat transfer in macroscopic scale......................……….4
• 1.1.2 Heat conduction……………………….....................…….5
• 1.2 Atomic layer deposition……………………………….....…......9
• 1.3 Time-domain thermoreflectance…………..…………...........12
• 2 .EXPERIMENTS AND METHODOLOGY………….……….………...18
• 2.1 Samples preparation………..........…….……...………...…...18
• 2.1.1 ALD treatment….………….…….…………………….….18
• 2.1.2 Magnetron sputtering………………….…………………21
• 2.2 Methodology.…………………….………...…………....…….22
• 2.2.1 ALD………....……………………...………………………22
• 2.2.2 TDTR measurement ….……………………………..…...23
• 2.3 Equipment………………………………..…………………….25
• 3 .RESULTS AND DISCUSSION……………………....……………….26
• 3.1 Thermal conductivity behavior…..………..………………….26
• 3.2 Growth rate and ALD materials on polymer………………....29
• 3.2.1 Growth rate…………...……...……………………………29
• 3.2.2 ALD materials on polymer………..…...…......................32
• 3.3 Characterization of surface topology………..……………….33
• 3.3.1 Observation by SEM image………………………………33
• 3.3.2 Observation by AFM image………………………………35
• 3.3.3 Contact angle measurement…………………………….38
• 3.4 Infiltration of ALD materials………………..………………….40
• 3.5 Characterization of molecular bonding…………………..…..43
• 3.5.1 FTIR……………………………………….……………….43
• 3.5.2 XPS depth profile of C and O atoms……………………45
• 4 .PRESUMABLE MODEL……………………………………………….47
• CONCLUSION………………………………..…...……......……….......48