열관리 능력 향상을 위한 액정고분자의 합성 및 복합재료 연구 : 다양한 열적특성을 나타내는 액정고분자의 수소결합 구조가 열전도도 향상에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

기존 6-hydroxy-2-naphthoic acid, 4-aminophenol, 그리고 isophthalic acid 단량체를 이용한 반응 몰 수 변화 및 대체 구성체 도입으로 나프탈렌 계열 액정 결정성 고분자 (naphthoic-liquid crystalline polymer, LCP)를 합성하였다. 합성된 12가지 LCP는 우세한 몰 수의 단량체를 기준으로 명명하였고, 이는 135.81 °C (3‘ HNA-LCP) 부터 225.14 °C (2’ m-AP-LCP) 까지 다양한 전이온도를 나타낼 뿐만 아니라, 열분해온도의 열적 특성에서도 확연한 차이를 나타내었으며 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), m-cresol, dimethylformamide (DMF)와 같은 쌍극성 반양성자성 용매 (dipolar aprotic solvent)에 용해되었다. 합성된 LCP를 matrix로, 열전도도 향상과 절연성 부여를 위해 5 μm 크기의 알루미나 충전제 (calcined alumina filler, Al2O3)를 10, 30, 그리고 50 vol% 투입하여 각각의 LCP/Alumina 복합체 (composite)를 제조하였다. 이 때 순수 LCP의 열전도도 평균은 0.766 W/m·K, 50 vol%의 filler가 투입됐을 때의 열전도도 평균은 4.401 W/m·K 으로 5.745 배의 열전도도 향상을 나타내었다. 열전도도 예측에 쓰이는 다양한 모델들 중에 Agari, Ueda, and Nagai’s (AUN’s) 모델과 비교한 결과 거의 일치하였고, AUN’s 모델을 열전도도 예측에 좋은 참고, 또는 기준이라 판단하였다. 한편, 합성된 LCPs 중에서도 열전도도에 차이가 나타나 구조적인 분석을 통해 그 차이를 확인하였다. Alumina filler와의 복합재료에서 열전도도 값이 가장 낮은 1‘ HNA와 2’ HNA-LCPs (파랑 그룹), 열전도도 값이 가장 높은 3‘ HNA와 2’ AI-LCP (빨강 그룹)를 채택해 어떤 구조가 열전도도 향상에 기인하는지 연구하였다. WAXD (wide-angle X-ray diffraction)를 통해 분석한 결과, 순수 LCP에선 메소겐 사이 (inter-mesogenic organization)의 거리가 짧은 파랑 그룹의 열전도도가 높게 나왔고, LCP/Alumina 복합체에선 배열된 라멜라 그룹 사이 (layer spacing of lamellae orientation)의 길이가 짧은 빨강 그룹이 높은 열전도도를 나타내었다. LCP 사슬 내 ester, amide 등의 functional group이 일으키는 inter-chain interaction, 즉 hydrogen bonding이 라멜라 그룹 사이의 거리에 어떤 영향을 끼치는지 확인하기 위해 ATR-FTIR (attenuate total reflectance-FTIR spectroscopy), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 분석하였다. 그 결과 순수 LCP에서 메소겐 사이의 거리가 짧았지만 복합체에선 라멜라 그룹 사이의 거리가 길었던 파랑 그룹의 수소결합의 세기 및 nitrogen, oxygen 함유량 (content)보다, 순수 LCP에서 상대적으로 먼 메소겐 사이 거리와 복합체에서 라멜라 그룹 사이의 거리가 짧았던 빨강 그룹의 수소결합의 세기 및 nitrogen, oxygen 함유량이 더 높게 나타났다. 따라서 lamellae orientation은 수소결합에 영향을 받고 이의 세기가 클수록 spacing이 좁아 phonon transfer와 free electron의 활성화를 높이게 된다. 즉, 수소결합에 의해 lamellae spacing이 짧은 고분자일수록, packing, density, thermal diffusivity, 그리고 thermal conductivity의 향상, thermal management에서 better performance를 구현할 수 있다는 걸 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 서론 및 연구목적
• 제1장
• 단량체의 반응 몰 수 변화와 대체 구성체 도입을 통한 액정고분자 합성 및 전이온도의 변화
• 1.1 소개
• 1.2 실험
• 가. 원료 및 합성 계획
• 나. 합성 반응 과정 및 세부 절차
• 다. 물성 측정기기 소개
• 1.3 결과 및 고찰
• 가. 나프탈렌계열 액정고분자의 합성에 따른 구조적 분석
• 나. 다양한 용제에 따른 액정고분자의 용해성 확인
• 다. 온도상승에 따른 액정고분자의 상변화 관찰
• 라. 열분석법에 근거한 합성 액정고분자의 열적 특성 분석
• 1.4 결론
• 제2장
• 액정고분자/알루미나 복합체 제조를 통한 방열특성 향상 및 열전도에
• 영향을 주는 액정고분자의 구조 분석
• 2.1 소개
• 2.2 실험
• 가. 원료 및 조형 계획
• 나. 조형 과정 및 세부 절차
• 다. 물성 측정기기 소개
• 라. ASTM E1461과 ASTM E1952에 근거한 열전도도 측정 및 계산법
• 마. 열전도도 예측 모델 소개 및 Agari, Ueda and Nagai’s model 계산법
• 바. Bragg’s law에 의한 결정구조의 격자 간격 계산법
• 2.3 결과 및 고찰
• 가. 액정고분자와 알루미나 충전제 사이의 분포 및 분산도
• 나. 제작된 복합체 시편의 특성 및 열확산도
• 다. 순수 LCP 및 LCP/Alumina 복합체의 열전도도
• 라. Intermesogenic distance와 lamellae spacing 분석을 통한 액정고분자의 구조적
• 특성
• 마. LCP 사슬 내 작용기 운동의 특정 파수 분석
• 바. 액정고분자 시편의 표면 분석에 따른 원소의 정성·정량 분석
• 2.4 결론
• Abstract (English)