This dissertation contains the contents of the fabrication and the application of various multifunctional composite materials including high heat dissipation materials and hydrogen production materials using gallium-based liquid metal. Liquid metal refers to a metal which is liquid at or near room temperature. Among various liquid metals, unlike mercury, gallium-based liquid metals with low toxicity have been actively studied for the past 10 years. Utilizing the electrical and thermal conductivity of liquid metal, it has been widely used as an electronical circuits or heat dissipation materials for various soft robotics or flexible devices. However, the heat dissipation material had a limited processing method such as dispersing a low content of liquid metal, and accordingly, the thermal conductivity of the liquid metal composite was much lower than that of the liquid metal. In this dissertation, a 3D printable heat dissipation material was fabricated by increasing the liquid metal filler to achieve high thermal conductivity and controlling the rheological properties at the high filler fraction. In addition, by using liquid metal as a filler, the trade-off relation of thermal conductivity and processability of conventional heat dissipating materials was overcome, and high thermal conductivity and excellent processability were achieved at the same time. Furthermore, the actual heat dissipation rate was observed through an IR camera and quantified by comparing it with simulation.
More recently, research has been conducted to utilize liquid metals as catalysts in various reactions including hydrogen production and photocatalysis. However, the related research has not been conducted enough to be expressed as an incubation state, and the mechanism has not yet been elucidated. Therefore, in this dissertation, an aluminum-liquid metal composite material was fabricated, used for hydrogen production, and the mechanism was observed. In addition, based on the observation, the structure was designed and fabricated to increase the yield of hydrogen production.
본 박사학위논문은 갈륨계 액체금속을 이용하여 고방열 소재, 수소생산 소재를 포함한 여러가지 다기능성 복합소재 제작 및 그 응응에 대한 내용을 담고 있다. 액체금속은 실온 혹은 그에 가까운 온도에서 액체인 금속을 뜻한다. 그 중에서도 갈륨계 액체금속은 수은과 달리 독성이 낮은 물질로, 최근 10여년간 더욱이 활발한 연구가 진행되고 있다. 액체금속은 실온에서 흐르면서도 높은 전기전도도/열전도도 보이기 때문에 주로 소프트 로보틱스, 플랙시블 디바이스 등의 전자 소재 혹은 방열 소재로 많이 활용이 되어왔다. 그러나 방열소재 측면에서는 주로 낮은 액체금속은 낮은 함량 분산시키는 등 가공방식이 한정적이었으며, 그에 따라 액체금속의 높은 열전도도를 크게 활용하지 못한다는 한계점이 있었다. 본 학위 논문에서는 액체금속 필러를 기존보다 훨씬 높이는 공정을 통해 높은 열전도도를 달성하는 했으며, 높은 부피 분율에서 달라지는 유변 특성을 조절함으로써, 3D 프린팅이 가능한 방열 소재를 제작했다. 또한 열전도도와 가공성이 trade-off의 관계에 있게 되는 기존 고방열 소재의 한계를 극복하고, 높은 열전도도와 우수한 가공성을 동시에 달성하는 결과를 보였다. 더 나아가 본 학위 논문에서는 실제 방열성능을 IR 카메라를 통해 관찰하고, 시뮬레이션과 비교하여 정량화했다.
더 최근으로 와서는 액체금속을 수소 생산, 광촉매 반응을 포함한 여러 반응에서 촉매로 활용하는 연구가 진행이 되어왔다. 그러나 아직 이 부분에 대해서는 인큐베이션 상태라고 표현이 될 만큼 많은 연구가 진행되지 않았고, 특히 메커니즘 측면에서 아직 많은 부분이 밝혀지지 않은 상태이다. 따라서 본 학위 논문에서는 알루미늄-액체금속 복합소재를 제작하여, 이를 수소 생산에 활용하고, 액체금속에 의한 알루미늄에서의 수소생산 메커니즘을 실제로 관찰하고자 했다. 또한 관찰한 결과를 토대로 구조를 설계 및 구현하여 수소 생산 수율을 높였다.
