뛰어난 열 전도성을 가진 초박막 탄소 물질
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.
텍사스 대학(University of Texas at Austin), 보스턴 대학(Boston College), 그리고 프랑스 원자력 위원회(Commission for Atomic Energy)는 3차원 탄소 물질인 그라핀에서 만들어진 탄소 원자의 초박막 시트가 구리 박막보다 2 배 그리고 실리콘 박막에 비해서 50배 더 효율적으로 열을 전달할 수 있다는 것을 증명했다. 단일 원자 두께를 가진 그라핀은 기판에 의해 지지될 때 높은 열 전도성을 가지는데 이것은 나노전자장치의 구성요소로서 유용한 성질이다. 이 연구결과는 저널 Science에 4월 9일에 게재되었다.
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).
출처 : sciencedaily.com
Graphene: Super-Thin Material Advances Toward Next-Generation Applications
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A one-atom thick sheet of graphene (highlighted in the circular window) on top of a silicon dioxide support proves to be an excellent thermal conductor, according to new research published in the journal Science. Although the interaction with the silicon dioxide suppressed the thermal conductivity of graphene compared to its freestanding form, supported graphene still demonstrated much higher heat conducting capability than silicon and copper nanostructures. This finding combined with graphene's superior strength and electron mobility make it a promising candidate for use in next-generation nano-electronic devices. (Credit: University of Texas at Austin) |
ScienceDaily (Apr. 15, 2010) — The single-atom thick material graphene maintains its high thermal conductivity when supported by a substrate, a critical step to advancing the material from a laboratory phenomenon to a useful component in a range of nano-electronic devices, researchers report in the April 9 issue of the journal Science.
The team of engineers and theoretical physicists from the University of Texas at Austin, Boston College, and France's Commission for Atomic Energy report the super-thin sheet of carbon atoms -- taken from the three-dimensional material graphite -- can transfer heat more than twice as efficiently as copper thin films and more than 50 times better than thin films of silicon.
Since its discovery in 2004, graphene has been viewed as a promising new electronic material because it offers superior electron mobility, mechanical strength and thermal conductivity. These characteristics are crucial as electronic devices become smaller and smaller, presenting engineers with a fundamental problem of keeping the devices cool enough to operate efficiently.
The research advances the understanding of graphene as a promising candidate to draw heat away from "hot spots" that form in the tight knit spaces of devices built at the micro and nano scales. From a theoretical standpoint, the team also developed a new view of how heat flows in graphene.
When suspended, graphene has extremely high thermal conductivity of 3,000 to 5,000 watts per meter per Kelvin. But for practical applications, the chicken-wire like graphene lattice would be attached to a substrate. The team found supported graphene still has thermal conductivity as high as 600 watts per meter per Kelvin near room temperature. That far exceeds the thermal conductivities of copper, approximately 250 watts, and silicon, only 10 watts, thin films currently used in electronic devices.
The loss in heat transfer is the result of graphene's interaction with the substrate, which interferes with the vibrational waves of graphene atoms as they bump against the adjacent substrate, according to co-author David Broido, a Boston College Professor of Physics.
The conclusion was drawn with the help of earlier theoretical models about heat transfer within suspended graphene, Broido said. Working with former BC graduate student Lucas Lindsay, now an instructor at Christopher Newport University, and Natalio Mingo of France's Commission for Atomic Energy, Broido re-examined the theoretical model devised to explain the performance of suspended graphene.
"As theorists, we're much more detached from the device or the engineering side. We're more focused on the fundamentals that explain how energy flows through a sheet graphene.
We took our existing model for suspended graphene and expanded the theoretical model to describe this interaction that takes place between graphene and the substrate and the influence on the movement of heat through the material and, ultimately, it's thermal conductivity."
In addition to its superior strength, electron mobility and thermal conductivity, graphene is compatible with thin film silicon transistor devices, a crucial characteristic if the material is to be used in low-cost, mass production. Graphene nano-electronic devices have the potential to consume less energy, run cooler and more reliably, and operate faster than the current generation of silicon and copper devices.
Broido, Lindsay and Mingo were part of a research team led by Li Shi, a mechanical engineering professor at the University of Texas at Austin, which also included his UT colleagues Jae Hun Seol, Insun Jo, Arden Moore, Zachary Aitken, Michael Petttes, Xueson Li, Zhen Yao, Rui Huang, and Rodney Ruoff.
The research was supported by the Thermal Transport Processes Program and the Mechanics of Materials Program of the National Science Foundation, the U.S. Office of Naval Research, and the U.S. Department of Energy Office of Science.
Story Source:
Adapted from materials provided by Boston College.
Journal Reference:
Jae Hun Seol, Insun Jo, Arden L. Moore, Lucas Lindsay, Zachary H. Aitken, Michael T. Pettes, Xuesong Li, Zhen Yao, Rui Huang, David Broido, Natalio Mingo, Rodney S. Ruoff, and Li Shi. Two-Dimensional Phonon Transport in Supported Graphene. Science, 2010; 328 (5975): 213 DOI: 10.1126/science.1184014
Source : KISTI, sciencedaily
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