[논문 리뷰] Thermal Percolation Threshold and Thermal Properties of Composites with Graphene and Boron Nitride Fillers

Kargar, Fariborz, Zahra Barani외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 10.

Thermal properties of materials참고 문헌 76인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 무작위로 배향된 그래핀과 질화붕소 필러를 고체적률(최대 45 vol.%)을 가진 에폭시 복합재에서 열 퍼지와 열전도도를 조사한다. 20 vol.% 이상의 열 퍼지 임계점이 존재함을 규명하였으며, 이는 열전도가 퍼지하는 필러 네트워크를 통해 지배적으로 이루어지는 시점임을 시사한다. 그래핀은 질화붕소보다 열전도 성능이 뛰어나며, 놀랍게도 2차원 필러의 수직 방향 열전도도가 열전달에 중대한 영향을 미친다. 이는 고충적 복합재에서 열퍼지 메커니즘을 명확히 한다.

ABSTRACT

We investigated thermal properties of the epoxy-based composites with a high loading fraction - up to f=45 vol.% - of the randomly oriented electrically conductive graphene fillers and electrically insulating boron nitride fillers. It was found that both types of the composites revealed a distinctive thermal percolation threshold at the loading fraction f>20 vol.%. The graphene loading required for achieving the thermal percolation was substantially higher than the loading for the electrical percolation. Graphene fillers outperformed boron nitride fillers in the thermal conductivity enhancement. It was established that thermal transport in composites with the high filler loading, above the thermal percolation threshold, is dominated by heat conduction via the network of percolating fillers. Unexpectedly, we determined that the thermal transport properties of the high loading composites were influenced strongly by the cross-plane thermal conductivity of the quasi-two-dimensional fillers. The obtained results shed light on the debated mechanism of the thermal percolation, and facilitate the development of the next generation of the efficient thermal interface materials for electronic applications.

연구 동기 및 목표

• 고체적률의 그래핀과 질화붕소 필러를 가진 에폭시 복합재에서 열퍼지 임계점을 이해하기 위해.
• 전기적으로 도전성인 그래핀과 절연성인 질화붕소 필러 간의 열전도도 향상 정도를 비교하기 위해.
• 열퍼지 복합재에서 수직 방향 열전도도의 역할을 조사하기 위해.
• 고충적, 무작위로 배향된 2차원 필러 시스템에서 열퍼지의 메커니즘을 명확히 하기 위해.
• 전자기기용 차세대 열인터페이스 재료 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 최대 45 vol.%의 무작위로 배향된 그래핀과 질화붕소 필러를 포함한 에폭시 복합재 제조.
• 정적 또는 일시적 방법(열퍼지 분석에 의해 암시됨)을 이용한 열전도도 측정.
• 0에서 45 vol.%까지 필러 충적률을 체계적으로 변화시켜 열퍼지 임계점을 규명.
• 도전성 그래핀과 절연성 질화붕소 필러 간의 열전달 거동 비교.
• 임계점 이상에서 퍼지하는 필러 네트워크를 통한 열전달 지배 메커니즘 분석.
• 2차원 필러의 수직 방향 열전도도가 복합재 전체의 열성능에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀과 질화붕소를 포함한 에폭시 복합재에서 열퍼지가 발생하는 필러 충적률은 어느 수준인가?
• RQ2 그래핀을 함유한 복합재에서 열전도도의 열퍼지 임계점은 전기적 퍼지 임계점과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 2차원 필러의 수직 방향 열전도도는 고충적 복합재에서 열전달에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 두 필러 모두 2차원 구조임에도 불구하고, 그래핀이 질화붕소보다 열전도도 향상에서 더 뛰어난 이유는 무엇인가?
• RQ5 열퍼지 임계점 이상에서 복합재의 주요 열전달 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 그래핀과 질화붕소 복합재 모두에서 20 vol.% 이상의 충적률에서 뚜렷한 열퍼지 임계점이 확인되었다.
• 그래핀 복합재의 열퍼지 임계점은 전기적 퍼지 임계점보다 상당히 높게 나타나, 서로 다른 퍼지 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 동일한 충적률에서 그래핀 필러가 질화붕소 필러보다 열전도도 향상에 더 효과적으로 기여하였다.
• 퍼지 임계점 이상의 복합재에서 열전달은 퍼지하는 필러 네트워크를 통한 열전도에 의해 지배된다.
• 편평한 2차원 필러의 수직 방향 열전도도가 전체 복합재의 열전달 성능에 강력한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 이는 예상과는 반대였다.
• 결과는 여전히 논란의 여지가 있었던 열퍼지 메커니즘에 대한 통찰을 제공하며, 고성능 열인터페이스 재료 설계를 뒷받침한다.