질화붕소, 질화붕소 나노시트를 이용한 폴리이미드 기반 복합필름의 특성에 관한 연구 :A study on the properties of polyimide-based composite films reinforced with boron nitride and boron nitride nanosheet

민유진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 민유진 (연세대학교, 연세대학교 대학원)

지도교수: 김대은

발행연도: 2017

저작권: 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

질화붕소, 질화붕소 나노시트를 이용한 폴리이미드 기반 복합필름의 특성에 관한 연구

민유진 기계공 2017.01 학위논문

2016

폴리머/질화붕소 복합재료의 마찰 특성에 관한 연구

민유진 , 김창래 , 김대은 대한기계학회 춘추학술대회 2016.04 학술대회자료

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최근, 플렉시블 디바이스 어플리케이션에 고분자재료를 적용하고자하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 기존의 사용되는 유리 기판의 경우, 높은 내열성, 투명성, 기체차단성 등의 다양한 특성을 가지고 있어, 특히 디스플레이와 같은 전자산업에서 매우 유용하지만 떨어트리면 깨질 수 있으며 유연성이 없고 비교적 무거워서 플렉시블 기판을 구현함에 있어서 많은 한계를 가지고 있다. 따라서 기존의 유리 기판을 대신할 재료로써, 무게가 가볍고, 우수한 유연성을 지닌 고분자재료를 활용하고자하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 고분자 재료 중 폴리이미드가 최적의 플렉시블 기판으로 주목받고 있다. 하지만 폴리이미드와 같은 고분자재료들은 유리 기판에 비교해볼 때, 고온에 취약한 등의 열적 특성이 좋지 못하다는 단점을 가지고 있어, 디스플레이 공정 중 하나인 고온의 TFT공정이 어려울 뿐만 아니라, 최근 전자소자의 고집적화 및 고성능화에 따라 발생하는 발열문제를 충족시킬 수 있을 정도의 열적 조건을 만족하지 못하고 있다. 또한 대부분의 고분자는 낮은 강도 및 경도를 가지고 있어 쉽게 파손되는 등의 낮은 내구성으로 인해 플렉시블 디바이스 어플리케이션 적용함에 있어 많은 어려움이 있다. 이러한 열적, 기계적 내구성은 시스템의 신뢰성을 저하시키는 주된 요소가 될 수 있다. 따라서 고분자 재료의 신뢰성을 확보하기 위하여 고열전도성 필러를 함유한 복합재료를 개발하고자하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 뛰어난 성능의 복합재료를 개발하기 위해서는 고분자 매트릭스 내에 적정 농도의 필러를 균일하게 분산시키는 것과 고분자 매트릭스와 필러간의 계면특성을 향상시키는 것이 매우 중요하다. 너무 많은 양의 필러를 함유시키게 되면 열적 특성은 증가될 수 있으나, 기계적 특성이 저하되는 문제점이 발생하며, 고분자매트릭스와 필러간의 약한 결합은 필러의 뭉침과 공극의 형성을 유발하여 열의 손실을 증가시키게 된다. 따라서 적절한 필러를 선택하고, 적절한 농도를 결정하는 것이 고분자복합재료의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소라고 볼 수 있다.
따라서 본 연구에서는 폴리이미드의 열적 특성과 내구성을 향상시키기 위하여, 필러 접촉에 의한 thermal path의 연속성을 확보하기 위하여 이방성이 큰 질화붕소를 선택하였고, 여러 층으로 구성되어있는 질화붕소를 박리한 질화붕소나노 시트를 제조하여 총 두 가지의 필러를 준비하였다. 그리고 각각의 필러를 1, 2, 3, 10 wt%로 혼합한 PI/BN, PI/BNNS 복합필름을 각각 제작하였다. 총 9개의 시편에 대한 표면특성, 열 특성, 투명도, 마찰, 마모, 유연성을 평가하여, 모든 특성들을 동시에 개선시킬 수 있는 최적화된 농도를 찾고자하였다.
그리고 같은 재료이지만 형상이 다른 두 필러인 BN과 BNNS가 복합재료의 특성에 미치는 영향을 비교 및 고찰하고, 두 필러를 혼합한 복합필름이 서로 다른 특성을 보여주는 원인에 대한 분석을 진행하였다.
실험 결과, BNNS 필러를 함유한 PI 복합필름의 경우, BN 필러와 비교해, 투명도를 유지하면서 열적, 마찰, 마모, 유연성, 모든 면에서 뛰어난 특성을 보였고, 2 wt% BNNS를 함유한 복합필름이 모든 특성이 적절하게 개선된 최적화된 농도임을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후, 플렉시블 디바이스 어플리케이션이 적용 가능한 고분자복합재료의 내구성 향상과 관련된 연구들에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Recently, many studies have conducted to apply polymers to flexible device applications. Although a conventional glass substrate have various remarkable properties such as excellent heat resistance even at high temperature, high transmittance, and excellent gas barrier property, it is brittle, heavy, and inflexible. These properties limit the utilization of a glass as a flexible substrate.
Polymers have been attracting attention for flexible device applications due to the excellent flexibility, and light weight. Of polymers, polyimide(PI) is considered as the best materials for a flexible substrate. However, for certain applications, PI cannot satisfy the thermal requirements because polymer such as PI have lower thermal conductivity in the range of 0.1-0.2 W/mK than other materials such as glass or metal. Moreover, polymers are vulnerable to high temperatures, compared with a conventional glass substrate. Also, most polymers have low strength and hardness, indicating low durability. These disadvantages of polymers make them difficult to apply to flexible device applications leading to limitation on the extension of the range of applications. Therefore, to acquire the reliability of polymers, many studies for development of polymer composites using thermal conductive filers have conducted. To develop polymer composites with excellent properties, it is important to disperse fillers of an appropriate concentration homogeneously in polymer matrix and improve interfacial interaction properties leading to increase in the bonding strength between fillers and the polymer matrix. If too much filler is added, the thermal properties may increase, but mechanical properties may deteriorate. Also a weak bonding between the polymer matrix and the filler may cause aggregation of fillers with void such as air pocket leading to increase in heat loss. Therefore, choosing the appropriate filler and determining the appropriate concentration can be regarded as a very important factor determining the performance of the polymer composite.
In this work, to improve the thermal properties and durability of PI. as a filler, we chose boron nitride(BN) because it has high anisotropic structure can facilitate the contact between fillers resulting in making thermal path easily. Boron nitride nanosheet(BNNS) were prepared from BN using the liquid phase exfoliation method. Using two types of fillers BN and BNNS, we fabricated the PI-based composite films at 1, 2, 3, 10 wt% BN and BNNS respectively. For total 9 specimens, hardness, surface roughness, transparency, friction, wear, and flexibility of the composite films were investigated and optimized the concentration of filler. Also, the effect of two fillers which is the same material but different shapes, BN and BNNS on the properties of the composite films were explored. As a result, the composite films containing BNNS exhibited better thermal stability, friction, wear and flexibility compared to containing BN. Also, 2 wt% BNNS is the optimized concentration showing the great performances.
The results of this study will aid in the development of polymer based nanocomposite films for flexible device applications.

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