최신 스마트폰의 강력한 전자 장치를 냉각하는 것은 큰 과제가 될 수 있습니다. 킹 압둘라 과학기술대학교 연구진은 전자 기기의 열을 방출하는 데 이상적인 탄소 소재를 빠르고 효율적으로 만드는 방법을 개발했습니다. 이 다재다능한 소재는 가스 센서부터 태양광 패널까지 다양한 분야에 적용될 수 있습니다.
많은 전자 기기는 전자 부품에서 발생하는 열을 전도하고 방출하기 위해 흑연 필름을 사용합니다. 흑연은 탄소의 천연 형태이지만, 전자 기기의 열 관리는 까다로운 응용 분야이며, 종종 고품질 마이크론 두께의 흑연 필름 사용에 의존합니다. "하지만 폴리머를 원료로 사용하여 이러한 흑연 필름을 만드는 방법은 복잡하고 에너지 집약적입니다."라고 이 연구를 주도한 페드로 코스타 연구실의 박사후연구원 기탄잘리 데오카르는 설명합니다. 이 필름은 최대 섭씨 3,200도의 온도를 필요로 하는 다단계 공정을 거쳐 제작되며, 수 마이크론보다 얇은 필름을 제작할 수 없습니다.
데오카르, 코스타, 그리고 동료들은 약 100나노미터 두께의 흑연 시트를 만드는 빠르고 에너지 효율적인 방법을 개발했습니다. 연구팀은 화학 기상 증착(CVD)이라는 기술을 사용하여 니켈 포일 위에 나노미터 두께의 흑연 필름(NGF)을 성장시켰는데, 여기서 니켈은 포일 표면에서 뜨거운 메탄을 흑연으로 전환하는 촉매 작용을 합니다. 데오카르는 "900°C의 반응 온도에서 단 5분의 CVD 성장 단계로 NGF를 달성했습니다."라고 말했습니다.
NGF는 최대 55cm² 면적의 시트 형태로 성장할 수 있으며, 포일 양면에 성장할 수 있습니다. 단일층 그래핀 필름 작업 시 일반적으로 요구되는 폴리머 지지층 없이도 제거하여 다른 표면으로 옮길 수 있습니다.
전자현미경 전문가 알레산드로 제노베세와 협력하여 연구팀은 니켈 표면의 NGF 단면에 대한 투과전자현미경(TEM) 이미지를 얻었습니다. 코스타는 "흑연 필름과 니켈 포일 사이의 계면을 관찰한 것은 전례 없는 성과이며, 이러한 필름의 성장 메커니즘에 대한 추가적인 통찰력을 제공할 것입니다."라고 말했습니다.
NGF의 두께는 시중에서 판매되는 마이크론 두께의 흑연 필름과 단층 그래핀의 중간 정도입니다. 코스타는 "NGF는 그래핀과 산업용 흑연 시트를 보완하여 적층 탄소 필름의 활용 범위를 넓혀줍니다."라고 말했습니다. 예를 들어, NGF는 유연성 덕분에 현재 시장에 출시되고 있는 플렉시블 휴대폰의 열 관리에 사용될 수 있습니다. 그는 "그래핀 필름과 비교했을 때 NGF를 적용하면 비용이 저렴하고 안정성도 더 높아질 것입니다."라고 덧붙였습니다.
하지만 NGF는 방열 외에도 다양한 용도로 활용됩니다. TEM 이미지에서 드러난 흥미로운 특징은 NGF의 일부 영역이 탄소 몇 겹 두께에 불과하다는 것입니다. 데오카는 "놀랍게도 여러 겹의 그래핀 도메인이 존재하기 때문에 필름 전체에 걸쳐 충분한 가시광선 투과율을 보장합니다."라고 말했습니다. 연구팀은 전도성 반투명 NGF가 태양 전지의 구성 요소 또는 이산화질소 가스 감지용 감지 소재로 사용될 수 있을 것이라는 가설을 세웠습니다. 코스타는 "NGF를 장치에 통합하여 다기능 활성 소재로 활용할 계획입니다."라고 말했습니다.
추가 정보: Gitanjali Deokar 외, 웨이퍼 크기 니켈 포일에서 나노미터 두께 흑연 필름의 빠른 성장 및 구조 분석, Nanotechnology (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
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게시 시간: 2024년 9월 5일