Science
뛰어난 열 전도성을 가진 초박막 탄소 물질
장종엽엔에스
2010. 4. 26. 23:41
| KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-21 | ||||||
2004년에 그라핀이 발견된 이후부터, 그라핀은 우수한 전자 이동성, 기계적 강도, 열 전도성 때문에 유망한 새로운 전자 물질로 간주되었다. 이런 특징은 점점 더 작아지는 전자장치에서 매우 중요하다. 그러나 나노 및 마이크로 전자장치를 충분히 효율적으로 작동시키기 위해서는 장치를 계속적으로 냉각시켜야 하는 기본적인 문제를 해결해야 한다. 마이크로 및 나노크기 장치의 결합 공간에 존재하는 “핫 스팟(hot spot)”에서 열을 방출할 수 있기 때문에 그라핀은 유망한 후보자로서 연구되었다. 이론적 측면에서 연구진은 그라핀이 열을 어떻게 전달되는지에 대한 새로운 견해를 개발했다. 매달려 있을 경우에, 그라핀은 켈빈(Kelvin) 당 미터 당 3,000 와트(Watt)에서 5,000 와트의 지극히 높은 열전도도를 가진다. 그러나 실제 적용을 위해서, 철망 같은 그라핀 격자는 기판에 부착된다. 연구진은 지지된 그라핀이 상온 근처에서 켈빈 당 미터 당 600 와트 정도의 열전도도를 가진다는 사실을 알게 되었다. 이것은 약 250 와트인 구리의 열전도도와 전자장치에서 현재 사용되고 있는 10 와트의 실리콘 박막에 비해서 매우 큰 값이다. 열 전달 시의 손실은 기판과 그라핀의 상호작용의 결과이다. 이것은 인접한 기판에 부딪쳤을 때 그라핀 원자의 진동파를 방해한다. 매달려 있는 그라핀 내의 열 전달에 대한 이전의 이론적 모델의 도움을 받아서 이번 연구진은 매달려 있는 그라핀의 성능을 설명할 수 있는 이론적 모델을 재조사했다. 이론학자의 관점에 보면 연구진의 연구는 장치 또는 공학적 측면으로부터 구애를 받지 않는다. 연구진은 그라핀 시트를 통해서 에너지가 어떻게 흐르는지에 중점적으로 설명하였다. 연구진은 매달린 그라핀에 대한 기존의 모델을 기반으로 해서 그라핀과 기판 사이에서 일어나는 상호작용과 물질을 통한 열 이동에 대한 영향을 설명하였다. 우수한 강도, 전자 이동도, 열전도성 이외에도 그라핀은 박막 실리콘 트랜지스터 장치와 호환되고 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있다. 또한 그라핀 나노전자장치는 더 적은 에너지를 소비하고 더 빠르게 냉각할 수 있고 더 신뢰할 수 있으며 기존의 실리콘 및 구리 장치에 비해서 더 빠르게 작동할 수 있다. 이 연구결과는 열전달 프로세스 프로그램(Thermal Transport Processes Program), 국립과학재단(National Science Foundation)의 재료역학 프로그램, 미 해군 연구소(U.S. Office of Naval Research), 미 자원부 과학사무소(Department of Energy Office of Science)에서 자금을 지원받았고, 저널 Science에 “Two-Dimensional Phonon Transport in Supported Graphene” 이라는 제목으로 게재되었다(10.1126/science.1184014). 그림. 실리콘 이산화물 지지물 위에 존재하는 원자 한 개 두께의 그라핀 시트. 이번 연구진은 이 그라핀이 뛰어난 열전도체라는 것을 증명했다. 실리콘 이산화물과의 상호작용은 지지물이 없이 매달려 있을 경우와 비교해 보면 열전도도가 저하되지만, 지지된 그라핀은 여전히 실리콘 및 구리 나노구조에 비해서 매우 높은 열 전도성을 가진다는 것이 증명되었다. 그라핀의 우수한 강도와 전자 이동성이 결합된 이번 연구결과는 그라핀을 차세대 나노전자장치의 유망한 후보 물질로 만든다.
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