공유결합으로 네트워크화된 탄소나노튜브 매트의 열적 특성 연구

Abstract

본 논문은 탄소나노튜브를 공유 결합하여 수평 방향으로 높은 열전도도를 갖는 탄소나노튜브 매트를 제작하는 데 목적이 있다. 또한 탄소나노튜브 매트의 열적 특성을 측정함에 있어 나타나는 방법상의 한계를 기술하고, 공유 결합과 열전도도의 관계를 고찰하였다. 먼저 가교제인 벤조퀴논 용액을 이용하여 탄소나노튜브를 공유 결합한 후 진공 여과 장치를 사용하여 탄소나노튜브 매트를 만들었으며, 공유 결합 여부를 육안관찰 및 장비를 이용하여 정성적으로 평가하였다. 그 후, 공유 결합된 탄소나노튜브 매트의 수평 방향 열전도도를 레이저 섬광법(Laser flash method)을 이용하여 측정하였다. 그 결과, 두께 50㎛ 정도의 시편에서 열확산도는 대략 1,000mm/s2, 열전도도는 300W/mK 정도로 높은 열적 특성을 나타내었다. 그러나 가시적인 열분포 실험인 적외선 카메라와 열분포 측정 필름을 이용해서 측정한 결과는 위의 결과와는 상반된, 열이 수평 방향으로 전달되지 않는 형태가 관찰되었다. 또한, 유한요소법을 이용하여 열전달 해석을 수행한 결과도 열이 수평으로 퍼져 나가지 않는 것이 확인되었다. 그리고 앞의 결과와 비교하기 위해 공유 결합되지 않은 탄소나노튜브 매트의 수평 방향 열전도도를 레이저 섬광법을 이용하여 측정하였다. 그 결과, 두께는 40㎛로 조금 차이는 있지만 오히려 더 높은 1,500mm/s2 정도의 열확산도를 나타내었다. 결과적으로, 레이저 섬광법을 이용한 수평 방향 열확산도 결과는 공유 결합과는 관계 없이 두께에 의존하는 경향을 보였으며, 두께가 100㎛ 이상에서는 수십 정도로 열확산도가 급격히 떨어지는 경향을 보였다. 이는 진공 여과 장치를 이용하여 제조시 두께가 증가함에 따라 제대로 공유 결합이 이루어지지 않았기 때문이며, 레이저 섬광법에서 탄소나노튜브 매트의 열확산도가 높게 측정된 것은 완벽하지 않지만 탄소나노튜브 간의 미미한 정도의 열전달이 이루어져 장비에 의해 정밀 측정되었기 때문에, 가시적 열분포 실험에서 확인할 수 없었던 것은 미미한 정도의 열전달을 정밀하게 측정할 수 없기 때문으로 판단되며, 레이저 섬광법을 이용해서는 탄소나노튜브 매트의 정확한 열적 특성을 측정할 수 없는 한계가 있음을 확인하였다. 또한, 본 연구에서의 공유 결합과 열전도도의 상관 관계는 없는 것으로 여겨진다.