[논문 리뷰] Thermal conductivity of polymers and polymer nanocomposites

Congliang Huang, Xin Qian외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Thermal properties of materialsMaterials Science참고 문헌 269인용 수 19

한 줄 요약

이 리뷰는 고분자 및 고분자 나노복합체의 열전도 메커니즘을 분자 수준에서 체계적으로 분석하며, 고리 사슬 구조, 미세구조 및 사슬 간 결합에 중점을 둡니다. 열전도도를 향상시키기 위한 핵심 전략으로는 필러 정렬 최적화, 인터페이스 공학, 나노구조 설계 등을 규명하였으며, 이로 인해 나노복합체의 열전도도가 최대 10배 향상되었고, 향후 고성능 열관리 재료 개발을 위한 연구 방향도 제시합니다.

ABSTRACT

Polymers are widely used in industry and in our daily life because of their diverse functionality, light weight, low cost and excellent chemical stability. However, on some applications such as heat exchangers and electronic packaging, the low thermal conductivity of polymers is one of the major technological barriers. Enhancing the thermal conductivity of polymers is important for these applications and has become a very active research topic over the past two decades. In this review article, we aim to: 1). systematically summarize the molecular level understanding on the thermal transport mechanisms in polymers in terms of polymer morphology, chain structure and inter-chain coupling; 2). highlight the rationales in the recent efforts in enhancing the thermal conductivity of nanostructured polymers and polymer nanocomposites. Finally, we outline the main advances, challenges and outlooks for highly thermal-conductive polymer and polymer nanocomposites.

연구 동기 및 목표

• 고분자 내 열전도 메커니즘을 분자 수준에서 종합적으로 이해하는 것.
• 고분자의 미세구조, 사슬 구조 및 사슬 간 결합이 열전도도에 미치는 영향를 분석하는 것.
• 나노구조 고분자 및 고분자 나노복합체에서 열전도도 향상에 관한 최근 성과를 평가하는 것.
• 고열전도성 고분자 기반 재료 개발을 위한 주요 과제와 향후 연구 방향을 규명하는 것.

제안 방법

• 고분자 및 나노복합체의 열전도에 관한 실험 및 이론적 연구를 체계적으로 검토하는 것.
• 사슬 정렬, 결정도 및 인터페이스 포논 산산각 등 분자 수준의 요인을 분석하는 것.
• 나노복합체의 열전도도 향상을 위한 나노구조화 기술(예: 필러 분산, 기능화, 필러 정렬)을 평가하는 것.
• 실험 데이터를 해석하기 위해 포논 전도 모델 및 인터페이스 열저항 계산을 활용하는 것.
• 다양한 고분자 나노복합체 시스템 간의 열전도도 값을 합성하고 비교하는 것.
• 다양한 연구의 데이터를 통합하여 열성능 향상을 위한 추세와 설계 원칙을 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분자 사슬 구조와 미세구조는 포논 전도 및 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고분자 내 사슬 간 결합 및 인터페이스 상호작용은 열전도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 고분자 나노복합체의 열전도도 향상에 가장 효과적인 나노구조화 전략은 무엇인가?
• RQ4 필러의 종류, 크기, 형상 및 정렬은 나노복합체의 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고분자 기반 재료에서 고열전도도를 달성하는 데 있어 주요 제약 조건과 병목 현상은 무엇인가?

주요 결과

• 고분자의 열전도도는 사슬 정렬과 결정도에 크게 영향을 받으며, 고도로 정렬되고 결정성이 높은 영역에서는 열전도도가 크게 향상된다.
• 고분자 매트릭스와 나노필러 사이의 인터페이스 열저항은 열전도에 있어 주요 장벽이 되며, 특히 낮은 필러 함량에서 두드러진다.
• 표면 기능화 및 제어된 필러 정렬 전략을 통해 인터페이스 저항을 감소시켜 열전도도를 최대 10배까지 향상시킬 수 있다.
• 정렬된 카본 나노튜브와 보론 nitride 나노시트는 최적화된 나노복합체에서 10 W/m·K를 초과하는 열전도도를 달성할 잠재력을 보인다.
• 이론적 모델은 비정질 고분자 시스템에서의 포논 산산각 및 결함이 최대 달성 가능한 열전도도를 제한함을 시사한다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 고분자의 내재적 포논 산산각과 낮은 내재적 열전도도로 인해 금속 수준의 열전도도를 달성하는 것은 여전히 도전 과제이다.