MIT 혁신 폴리머, 과열 방지로 더 안전한 폰·노트북 약속

MIT 엔지니어들이 열을 효율적으로 전도하는 '폴리티오펜(polythiophene)'이라는 폴리머를 개발했습니다. 유연하고 가볍고 기존 폴리머보다 10배 더 전도성이 높습니다. 실리콘 웨이퍼와 다양한 전자 기기에 직접 코팅할 수 있습니다.

제작 방법

플라스틱이 완벽한 절연체라는 건 아실 겁니다 — 열을 효과적으로 가둡니다. 이 특성은 커피컵 슬리브 등 수많은 용도에 유용하지만, 폰과 노트북용 플라스틱 케이스 같은 전자 기기에서는 열을 가둬 기기를 더 뜨겁게 만듭니다.

이제 MIT 엔지니어들이 플라스틱 절연체를 열 전도체로 바꾸는 기술을 개발했습니다. 즉, 열을 차단하는 대신 새 소재가 열을 방출합니다. 새 폴리머는 유연하고 가볍고 기존 폴리머보다 10배 더 전도성이 높습니다.

새 소재는 태양전지, 착용형 바이오센서, 플렉시블 디스플레이 같은 전자 기기 개발을 더 쉽게 만듭니다. 기존 폴리머가 열적으로나 전기적으로 절연적인 반면, 이는 열적으로 전도하며 열을 효율적으로 제거합니다.

MIT 엔지니어들은 이 소재가 유기 전자, 광전자, 자가 냉각 대안 등 복잡한 열 관리 응용에도 사용될 수 있다고 믿습니다.

제작 과정

기존 폴리머

폴리머는 여러 반복 서브유닛(끝에서 끝으로 연결된 단량체들)으로 구성된 큰 분자입니다. 지금까지 폴리머 개발은 강한 분자간 상호작용(폴리머 사슬 간 광자 전달) 또는 강한 분자내 상호작용(폴리머 사슬을 따라 광자 전달) 중 하나로 제한됐습니다.

이제 엔지니어들은 두 상호작용을 동시에 달성하려 시도했습니다. 폴리머 사슬 사이와 사슬을 따라 모두 열이 전달되게 하는 기술을 고안했습니다. 강한 p-p 스태킹 비공유 결합(폴리머 사슬 간)과 강한 C=C 공유 결합(연장된 사슬 따라)을 이용하는 바닥-올림식 산화 화학 기상 증착법으로 '폴리티오펜' 또는 '폴리(3-헥실티오펜)'이라 불리는 공액 폴리머를 개발했습니다. 이는 높은 열전도도를 가집니다.

반응으로 기존 폴리머의 꼬인 가닥 대신 단단한 폴리머 사슬이 형성됐습니다. 각각 2cm² 크기의 대규모 프로토타입들을 만들었습니다.

참조: ScienceAdvances | doi:10.1126/sciadv.aar3031 | MIT

테스트 및 결과

이미지 출처: Chelsea Turner / MIT

프로토타입의 열전도도를 테스트하기 위해 엔지니어들은 시간영역 열반사율(time-domain thermal reflectance) 기법을 사용했습니다. 이 기법에서 소재를 레이저 빔에 노출해 표면을 가열합니다. 그런 다음 열이 소재 다른 부분으로 퍼질 때 반사율을 측정해 온도 하락을 분석합니다.

온도 하락은 열이 다른 부분으로 얼마나 빨리 전파되는지 보여주며, 이는 엔지니어들이 소재의 열전도도를 계산하게 합니다.

프로토타입들이 균일하며 초당 미터당 켈빈당 2와트 비율로 열을 전도함을 발견했습니다. 이는 기존 폴리머보다 10배 높습니다. 폴리머가 거의 등방성이라 모든 방향에서 같은 비율로 열을 전도해 소재의 방열 능력을 높입니다.

산화 화학 기상 증착 공정과 소재의 비파괴적 특성으로 수많은 기판에 고품질 열전도 박막 형성이 가능해, 그 다양성과 무수한 적용 가능성을 보여줍니다.

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이 소재는 실리콘 웨이퍼와 다양한 전자 기기에 직접 코팅할 수 있습니다. 엔지니어들은 이 프로젝트를 더 발전시켜 인쇄 회로 기판용 필름, 배터리 케이싱 등 다른 제품과 호환되게 할 계획입니다.