반도체 디바이스 및 회로기판의 용량은 증가하는데 비해 사이즈의 컴팩트화는 지속적으로 이루어지고 있다. 따라서 현대사회는 높은 전력과 대용량 데이터 처리로 인한 열전도 및 열방출 처리기술이 심각하게 대두되고 있는 실정이다. 최근 산업계에서는 열전도 특성이 향상된 매트릭스와 첨가제로 사용되는 나노 복합소재에 대한 관심을 많이 가지고 있다. 매트릭스 내에서 뛰어난 물리적의 물성을 나타내는 탄소나노섬유(CNFs)와 같은 신소재는 우수한 열전도 특성을 가지기 때문에 이 소재를 응용한 새로운 합성물을 제조하는 기술이 필요하다. 그리고 탄소나노튜브(CNTs)와 나노 다이아몬드는 탄소재료의 동소체로써 방열특성이 매우 우수한 장점이 있다. CNTs는 열전도 응용 및 경제적 적용의 가능성이 매우 높은 소재로서, CNTs가 첨가된 탄소나노섬유 복합재료의 방열소재 또한 우수한 열전도도 특성을 지니는 것으로 알려지고 있다.
본 연구에서는 전기방사법(Electrospinning)으로 제각되는 탄소나노섬유에 CNTs를 첨가하여 탄소나노섬유 복합재를 제작하여 열전도 및 화학구조적 특성 등을 조사하고 분석하고자 하였다.
나노섬유의 제작공정으로는 전기방사법 공정을 사용하였다. 전기방사법은 CNFs를 연속된 나노섬유로 만들수 있는 방법이다. 본 연구에서는 폴리아크릴로 니트릴(PAN) 중합체로 사용하고, 질량 분율의 변화에 따른 다층벽 탄소나노튜브(MWCNTs)를 첨가하고, 디메틸 포름아미드(DMF)의 용매에 혼합하여 용액으로 사용하였다. 이 혼합용액은 균일한 용액으로 물리적 교반을 시킨 후 전기방사실험을 진행하였다. 이때, 섬유직경에 따른탄소나노섬유 복합재료(MWCNTs ecCNFs)르 제작하였다. 또한, 전기방사된 MWCNTs ecCNFs는 시트형태와 유연성 좋은 Paper형태로 제작하였다.
전기방사 된 MWCNTs 복합재료는 석영관 챔버에서 안정화반응, 산화반응 및 환원반응의 공정을 거쳐서 우수한 탄소나노섬유 복합재료를 제작할 수 있었다. 표면형태와 화학구조 분석 그리고 열전도 특성에 대한 결과 등을 정밀 분석하여 그 특성을 조사하였다. 또한 열전도성 특성 결과를 통해서, MWCNTs ecCNFs 시트/Paper가 유망한 열 방출 소재로 적용 가능함을 확인할 수 있었다. 그리고 최적화 된 수직방향(나노섬유 배열방향이 시트와 수직방향)의 열전도도 측정시험조건을 바탕으로 MWCNTs ecCNFs의 수평방향(나노섬유 배열 방향이 시트에 수평방향)의 열전도도를 추가로 분석하여 그 특성을 조사하였다.
우선으로 MWCNTs ecCNF시트의 수직방향의 열전도도는 나노복합소재 MWCNTs의 첨가 질량분율이 5.66wt% 일 때 실온에서 339%증가되었다. 또한, 473.15K에 측정온도에서, MWCNTs ecCNF시트 원래의 수직방향의 열전도도는 나노복합소재의 MWCNTs 첨가질량분율이5.66wt%일 때 실온에서 295% 증가됨을 확인하였다. MWCNTs ecCNF시트는 나노 다이아몬드-PTFE용액으로 스핀코팅 공정으로 진행하였다. 나노 다이아몬드-PTFE는 상당히 높은 열전특성을 가지고 있기 때문에 나노복합소재의 열전도특성을 개선하는 기능이 뿐만이라, 전기방사 된 난섬유에서 발생하는 나노섬유간 구조적인 틈새발생으로 열 저항이 발생하므로 나노 다이아몬드로 중간틈새를 메우는 패치효과로 열전도효과를 극대화 시키는 MWCNTs ecCNF시트를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
그 결과로 MWCNTs ecCNF시트는 나노 다이아몬드-PTFE용액으로 스핀코팅 공정으로 진행하였다. 나노 다이아몬드-PTFE는 상당히 높은 열전특성을 가지고 있기 때문에 나노복합소재의 열전도특성을 개선하는 기능이 뿐만이라, 전기방사 된 난섬유에서 발생하는 나노섬유간 구조적인 틈새발생으로 열 저항이 발생하므로 나노 다이아몬드로 중간틈새를 메우는 패치효과로 열전도효과를 극대화 시키는 MWCNTs ecCNF시트를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 향상되고 향473.15K에서는 234% 향상됨을 확인하였다.
본 연구에서는MWCNTs ecCNF 탄소나노 복합재료를 다앙한 형태와 조건으로 제조하는 기법을 소개하였으며, 타소나노 복합재료에 MWCNTs를 첨가 함으로서 수직방향의 열전도도와 수평방향의 열전도도가 많이 향상되는 현상을 알 수 있었다. 이 결과로 인해 MWCNTs ecCNF 탄소나노 복합재료는 향후 방열재료(Heat Sink materials)로 적용 될 수 있는 큰 잠재력을 가지는 소재로 예측된다.