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스파게티와 같은 내부 구조를 지닌 대부분의 플라스틱은 일반적으로 열을 잘 전도하지 않는다. 하지만 미시간대(University of Michigan)의 연구자들이 플라스틱 혼합(plastic blend)을 통해 일반적인 플라스틱에 비해 열을 10배 잘 전달할 수 있는 플라스틱을 개발하는데 성공했다. 

플라스틱은 가볍고 저렴하며 플렉서블하다는 장점이 있지만 열의 흐름을 제한하는 성질이 있기 때문에 이들의 이용은 컴퓨터, 스마트폰, 자동차, 비행기 등과 같이 속성이 중요하며 열의 분산이 중요한 영역으로 제한되어 있다. 이번에 이루어진 미시간대의 새로운 연구 결과는 가볍고 다양한 기능을 가지고 있으며 금속 대체 재료로 이용이 가능한 새로운 재료를 소개하는 것으로 보다 강력한 전자기기나 효과적인 운송수단 등 다양한 곳에 응용이 가능할 것으로 보인다. 

이 새로운 물질은 무정형 고분자(amorphous polymer)에 열이 흐를 수 있도록 엔지니어링한 재료의 혼합으로 만들어졌다. 고분자는 작은 반복 분자들로 이루어진 거대분자이며 플라스틱은 일반적으로 합성 고분자를 의미한다. 

고분자에서 열의 전달을 향상시키기 위한 이전의 노력들은 금속, 혹은 세라믹 충전 재료 등을 직선 형태의 라인 안에 채워 넣는 방법에 의존해왔다. 그러한 방법들은 스케일 업 하기가 힘들고 재료의 무게와 비용을 늘리고 재료를 불투명하게 만들어 전기를 전도하거나 빛을 반사하는 속성에 영향을 주어왔다. 이번에 개발된 재료는 이러한 결점을 가지고 있지 않으며 일반적인 방법으로도 제조가 용이하다고 연구자들은 말했다. 

이와 관련해 이번 연구를 주도한 미시간대 기계공학과 조교수인 Kevin Pipe는 "연구자들은 유기 LED나 태양 전지를 위해 전기를 잘 전도하는 고분자를 디자인하기 위해 많은 노력을 기울여왔지만 분자 디자인을 통해 열적 속성을 엔지니어링하는 것은 열 전달이 매우 중요함에도 불구하고 거의 무시되어 왔다"고 말했다. 연구진의 이번 연구 결과는 저명한 과학저널인 Nature Materials 지에 게재되었으며 Pipe는 Jinsang Kim 등과 함께 이번 연구를 수행했다. 

열에너지는 분자진동(molecular vibration)과 같은 물질을 통해 이동한다. 열이 효과적으로 재료를 통과하기 위해서는 강력하게 결합된 원자나 분자들에 의해 연속적인 통로를 만들어주는 것이 필수적이다. 그렇지 않으면 열은 갇히게 되고 물체는 뜨거워지게 된다. 이에 대해 Pipe는 "대부분의 플라스틱에서 고분자 사슬은 스파게티와 같은 모양을 하고 있다. 그들은 길며 서로 잘 붙지 않는 성질을 지니고 있다. 열이 재료의 한 쪽 끝부분에 가해지면 진동이 발생하지만 이러한 진동들은 사슬 사이를 잘 움직일 수가 없는데 그 이유는 사슬들이 너무 느슨하게 결합되어 있기 때문이다. Pipe와 Kim이 이끄는 연구진은 폴리아크릴산(polyacrylic acid (PAA))이라고 불리는 고분자의 긴 사슬과 폴리아크릴로일 피페리딘(polyacryloyl piperidine (PAP))이라 불리는 고분자의 짧은 사슬을 강력하게 결합시킬 수 있는 방법을 개발했다. 

이 새로운 결합은 대부분의 플라스틱에서 관찰되는 것들에 비해 10~100배 가량 강력한 결합을 가능하게 하는 수소결합에 의존한다. 이에 대해 Kim은 "우리는 이러한 연결고리를 만들었고 이를 통해 열에너지가 지속적으로 재료 사이를 통과한다는 것을 발견할 수 있었다. 여전히 가야 할 길이 멀지만 이러한 결과들은 이 방법을 통해 플라스틱을 엔지니어링하는 기작을 이해하는데 중요한 역할을 한다. 금속에 비해 10배 가량 낮은 열전도도를 지니고 있지만, 우리의 연구 결과는 지속적인 성능 향상을 위한 계기를 마련한데서 그 의의를 찾을 수 있다"고 말했다. 

이러한 결론에 도달하기 위해 연구자들은 PAP 플라스틱 가닥을 개별적으로 3개의 서로 다른 고분자와 결합시켜 서로 다른 방법으로 수소결합이 형성되도록 했다. 그런 다음 연구자들은 각각의 열전도를 테스트해 보았다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [High thermal conductivity in amorphous polymer blends by engineered interchain interactions, Nature Materials (2014) DOI: 10.1038/nmat4141]을 참고하기 바란다. 
KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-11-28
그림: 엔지니어링을 통한 무정형 고분자 내에서의 뛰어난 열 전도특성







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