[논문 리뷰] Enhancing thermal conductivity of bulk polyethylene along two directions by paved crosswise laminate

Xiaoxiang Yu, Chengcheng Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Thermal properties of materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 두 차원의 평면 내에서 고분자체의 열전도도를 향상시키기 위해 흔들림 없는 횡방향 다층 구조를 도입한다. 체인 간 반데르발스 상호작용을 촉진함으로써 이 방법은 열전도도 181 W/m·K라는 기록을 달성하였으며, 이는 비정질 폴리에틸렌의 수백 배에 해당하고 단일 체인 폴리에틸렌의 두 배 이상이다. 이는 대규모 고분자 체계에서 결정성과 유사한 극도로 이방성 있는 열전도 경로를 보여준다.

ABSTRACT

Recently, some reports show that the ultra-low thermal conductivity of bulk polymers can be enhanced along one direction, which limits its applications. Here, we proposed paved crosswise laminate methods which can enhance the thermal conductivity of bulk polyethylene (PE) along two directions. We find that the thermal conductivity of paved crosswise polyethylene laminate (PPEL) reaches as high as 181 W/m-K along two in-plane directions, which is three orders of magnitude larger than bulk amorphous polyethylene and even more than two times larger than PE single chain (54 W/m-K). The analyses of mechanism indicated that PPEL is a much more crystal-like structure due to the inter-chain van der Waals interactions. Our study may provide guides on the design and fabrication of polymer structures with high thermal conductivity.

연구 동기 및 목표

• 대부분의 고분자체는 열전도도가 낮아 열관리 응용 분야에서의 활용이 제한되어 있다. 이를 해결하고자 한다.
• 다양한 방향으로 높은 열전도도를 갖는 고분자체를 확장 가능하고 대량 공정에 적합한 방법으로 개발하고자 한다.
• 체인 간 반데르발스 상호작용을 설계하여 효율적인 포논 전도를 촉진하는 고분자 구조를 개발하고자 한다.
• 일차원적 정렬을 초월하여 폴리에틸렌에서 두 차원적 열전도도 향상을 입증하고자 한다.
• 계층적 구조 제어를 활용한 고열전도도 고분자 재료 설계 원칙을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 연구진은 횡방향으로 배열하고 쌓은 폴리에틸렌 층을 이용해 흔들림 없는 횡방향 다층 구조(PPEL)를 제작하였다.
• 기계적 압축과 열처리를 통해 인접 층 간 체인 간 반데르발스 상호작용을 강화하는 방법을 사용하였다.
• 결과적으로 고도로 질서정렬된 결정성과 유사한 미세구조를 가지며, 결함이 감소하고 계면 결합이 향상된 특성을 보였다.
• 열전도도는 3ω 방법을 사용하여 측정하였으며, 이중 수직 방향의 평면 내 측정을 통해 이방성 특성을 평가하였다.
• 분자 동역학 시뮬레이션과 구조 분석을 통해 증가된 정렬도와 체인 간 상호작용 강도를 확인하였다.
• 성능 향상을 평가하기 위해 PPEL은 대량 비정질 폴리에틸렌과 단일 체인 폴리에틸렌과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조 공학을 통해 폴리에틸렌과 같은 대량 고분자체가 두 평면 내에서 높은 열전도도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 체인 간 반데르발스 상호작용은 폴리에틸렌 다층 구조의 열전도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 흔들림 없는 횡방향 다층 구조는 단일 체인 또는 비정질 폴리에틸렌과 비교해 열전도도에서 어떤 차이를 보이는가?
• RQ4 처리 가능성이나 확장성의 손실 없이 대량 고분자체의 열전도도를 어느 정도까지 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 PPEL에서 우수한 열전도 성능을 유도하는 주요 구조적 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 흔들림 없는 횡방향 다층 폴리에틸렌 라미네이트(PPEL)는 두 평면 방향에서 열전도도 181 W/m·K를 달성하였으며, 이는 대량 비정질 폴리에틸렌 대비 세 개의 지수 배 높은 수준이다.
• 이 값은 단일 체인 폴리에틸렌(54 W/m·K)의 두 배 이상을 초월하여 대량 고분자체에서 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.
• 향상된 열전도도는 강력한 체인 간 반데르발스 상호작용에 의해 안정화된 고도로 질서정렬된 결정성과 유사한 구조 덕분이다.
• PPEL는 높은 이방성을 보이며, 평면 내에서는 높은 열전도도를, 평면 외부에서는 상당히 낮은 열전도도를 보인다.
• 이 방법은 나노스케일 봉쇄나 복잡한 합성 공정 없이도 고열전도도 고분자체의 대량 제조를 가능하게 한다.
• 연구는 제어된 계면 및 구조적 공학을 통한 고열전도도 고분자체 설계를 위한 블루프린트를 제공한다.