전자기기의 소형화는 여러 장점을 갖지만 부품의 집적화로 인한 열 발생이 기기 결함으로 이어지는 경우가 많다. 때문에 열 제어를 위해 가장 우수한 열 전도를 나타내는 꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 탄소나노튜브를 충진재로 적용하려는 연구가 이어지고 있다.

이 두 가지 필러를 적용하면 열 전도율이 높아 전자기기 내부의 열을 탁월하게 제어할 수 있다는 단편적 실험결과들이 있긴 하지만 재료 내부에 형성된 나노 구조와 열전도도의 관계를 명확하게 설명할 수 있는 이론과 모델이 없어 상용화에 치명적 걸림돌이 되고 있다.

이러한 걸림돌을 해결할 수 있는 방안을 전북대학교 김성륜 교수와 한양대 김성훈 교수팀이 제시해 세계 학계에 비상한 관심을 받고 있다.

연구팀은 탄소나노튜브와 그래핀 등의 2가지 필러를 복합재료에 동시에 적용한 나노 하이브리드 필러 시스템 복합재료의 열 전도도 양상을 규명, 새로운 이론과 모델을 제시했다.

김 교수팀은 나노 하이브리드 필러 시스템이 적용된 복합재료의 열전도도를 나노 구조에 기반하여 예측할 수 있는 이론식을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 Composites Part B: Engineering(IF: 9.078, JCR 랭킹 상위 0.55%) 온라인 최신판에 게재됐다. 오프라인에는 2021년 10월 1일 게시될 예정이다.

연구팀은 그래핀 및 탄소나노튜브가 동시에 충진된 고분자 복합재료를 제조하였고, 미세단층촬영 (Micro-CT) 을 이용해 하이브리드 필러들이 3차원적으로 연결된 나노 브릿지(bridge)의 존재를 관찰했으며, 나노 브릿지 효과와 복합재료 열전도도와의 관계를 규명했다.

또한 연구팀은 이러한 발견과 실험결과들에 기초하여 연구팀의 이름 이니셜을 딴 KJL(Kim-Jang-Lee) 모델을 제안했고, 제안된 모델이 실제 열 제어를 위한 재료의 열전도도를 정확히 계산할 수 있음을 확인했으며, 모델에 기초하여 최적의 방열 특성을 나타내는 복합재료의 조성을 예측할 수 있었다.

제1저자로 참여한 장지운 박사과정생(한양대 유기나노공학과)은 “학부 연구생일 때 처음 수행했던 연구도 복합재료 열전도도 관련 실험이었던 만큼 이번 연구 성과와 의미는 각별하다”며 “값진 연구를 완성하는 데 지도해주신 교수님들께 감사드리며, 관련 분야에서 더욱 진전된 연구 성과를 낼 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

김성륜 교수는 “개발된 이론과 모델은 나노탄소 기반 복합재료의 설계와 열전도도 제어에 관한 통찰력을 제공하고, 나아가 나노복합재료 기반 열 관리 재료의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “본인만의 철학과 이론을 가진 연구자가 되겠다는 은사님과의 약속을 이제야 지킬 수 있게 된 것 같아 뿌듯하고, 이번 연구에 도움을 주신 선후배님들과 참여학생들에게 감사인사를 전한다”고 말했다.