[논문 리뷰] Nanostructured Polymer Films with Metal-like Thermal Conductivity

Yanfei Xu, Daniel Kraemer외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 21.

Thermal properties of materials참고 문헌 43인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 나노섬유 구조를 가진 고도로 도전성인 비정질 상을 설계함으로써, 기존 고분자보다 600배 이상 높고 많은 금속을 초월하는 기록적인 열전도도 62 W/m-K를 갖는 폴리에틸렌 필름을 가공할 수 있는 확장 가능한 제조 방법을 입증한다. 이는 고분자에서 열전도가 주로 정결도에 의해 결정된다는 전통적 믿음을 도전한다.

ABSTRACT

Thermally conductive polymers are of fundamental interest and can also be exploited in thermal management applications. Recent studies have shown stretched polymers can achieve high thermal conductivity. However, the transport mechanisms of heat in thermally conductive polymers have yet to be elucidated. Here we report a method for scalable fabrication of polyethylene films with a high thermal conductivity of 62 W/m-K. The achieved thermal conductivity is over two orders-of-magnitude greater than that of typical polymers (~0.1 W/m-K), and exceeds those of many metals and ceramics used as traditional heat conductors. Careful structural studies are carried out and reveal that the film consists of nanofibers with crystalline and amorphous regions. Contrary to conventional wisdom, we reveal the importance of the amorphous morphology in achieving such high thermal conductivity, rather than simply from enhancements in the degree of crystallinity and crystallite alignment. The amorphous phase reaches a remarkably high thermal conductivity of ~16 W/m-K. Even still, we identify that the presence of this amorphous phase is the dominant factor as the film thermal conductivity is still much lower than the predicted values for bulk single-crystal polyethylene (237 K/m-K). This work lays the foundation for the rational design and synthesis of thermally conductive polymers, and opens up new opportunities for advanced heat management, particularly when flexible, lightweight, chemically inert and electrically insulating thermal conductors are desired.

연구 동기 및 목표

• 금속 수준의 성능을 갖는 열전도성 고분자 필름을 확장 가능한 방법으로 제조하는 것.
• 특히 나노구조 및 상 구조의 역할을 고려할 때, 높은 열전도성 고분자에서의 열전도 메커니즘을 이해하는 것.
• 높은 정결도와 결정립 정렬이 열전도도 향상의 주요 기여 요소라는 기존의 가정을 도전하는 것.
• 고급 열관리 응용 분야에 적합한 경량, 유연, 전기絕縁성, 화학적으로 안정된 열전도체를 체계적으로 설계할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 폴리에틸렌 필름에서 고분자 사슬을 나노섬유 구조로 정렬시키기 위해 확장 가능한 한 방향으로 끈어내는 공정을 사용하였다.
• 광각 X선 회절 및 열미량량법을 포함한 고급 구조 분석 기법을 활용하여 정결 및 비정질 상 분포를 분석하였다.
• 3ω 방법을 사용하여 열전도도를 측정하여 열전도 성능을 정량화하였다.
• 일반 단일 결정체 폴리에틸렌의 이론적 최대값(237 W/m-K)과 실험 결과를 비교하여 구조적 효율성을 평가하였다.
• 일반적으로 고분자에서 열전도도가 낮은 편이지만, 비정질 영역이 전체 열전도도에 기여하는 정도를 체계적으로 평가하였다.
• 형태학적 특성과 열전도 성능 간의 상관관계를 분석하여 비정질 상이 열전도에 핵심 기여 요소임을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 형태학적 특성을 통해 나노구조 고분자 필름이 금속 수준의 열전도도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 높게 정렬된 폴리에틸렌 필름에서 열전도에 기여하는 정결 영역과 비정질 영역의 상대 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ3 실험적으로 측정된 열전도도가 단일 결정체 폴리에틸렌의 이론적 예측치보다 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ4 고분자 사슬의 정렬 및 나노구조화가 진동자(포논)의 전도 및 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비정질 영역이 고분자에서 열전도도에 상당한 기여를 할 수 있는가? 이는 기존의 이해와 반대되는가?

주요 결과

• 제작된 폴리에틸렌 필름은 열전도도 62 W/m-K를 달성하였으며, 이는 일반 고분자(~0.1 W/m-K)보다 2개 이상의 주기 높고 많은 금속 및 세라믹보다도 높다.
• 나노구조 필름의 비정질 상은 놀랍게도 약 16 W/m-K의 높은 열전도도를 보였으며, 이는 비정질 영역이 본질적으로 열전도가 떨어진다는 가정을 도전한다.
• 높은 정결도와 정렬 상태에도 불구하고 측정된 열전도도는 단일 결정체 폴리에틸렌의 이론적 최대값(237 W/m-K)보다 크게 낮아, 구조적 제약이 있음을 시사한다.
• 비정질 상의 존재 및 형태학적 특성이 정결도나 정렬만으로는 결정되지 않는 열전도도 향상의 주요 요인임이 규명되었다.
• 이 연구는 나노구조화를 통해 고분자에서 놀라운 열전도 성능을 이끌어내기 위해 정결 및 비정질 영역을 모두 설계할 수 있음을 밝혀내며, 새로운 설계 원칙을 제시한다.
• 확장 가능한 제조 공정을 통해 경량, 유연, 전기絕縁성, 화학적으로 안정된 열전도체를 생산할 수 있으며, 고급 열관리 시스템에 적합하다.