최신 스마트폰에 탑재된 고성능 전자 장치를 냉각하는 것은 상당한 어려움이 따릅니다. 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST) 연구진은 전자 기기에서 발생하는 열을 효과적으로 발산하는 데 이상적인 탄소 소재를 빠르고 효율적으로 만드는 방법을 개발했습니다. 이 다재다능한 소재는 가스 센서부터 태양광 패널에 이르기까지 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
많은 전자 기기는 전자 부품에서 발생하는 열을 전달하고 방출하기 위해 흑연 필름을 사용합니다. 흑연은 천연 탄소 형태이지만, 전자 기기의 열 관리는 매우 까다로운 분야이며 종종 고품질의 마이크론 두께 흑연 필름 사용에 의존합니다. "하지만 폴리머를 원료로 사용하여 이러한 흑연 필름을 만드는 방법은 복잡하고 에너지 집약적입니다."라고 이번 연구를 이끈 페드로 코스타 연구실의 박사후 연구원 기타안잘리 데오카르는 설명합니다. 이 필름은 최대 3,200도에 달하는 고온을 필요로 하는 다단계 공정을 통해 만들어지며, 수 마이크론보다 얇은 필름은 생산할 수 없습니다.
데오카르, 코스타 및 동료 연구진은 약 100나노미터 두께의 흑연 시트를 빠르고 에너지 효율적으로 제조하는 방법을 개발했습니다. 연구팀은 화학 기상 증착(CVD)이라는 기술을 사용하여 니켈 호일 위에 나노미터 두께의 흑연 필름(NGF)을 성장시켰는데, 이때 니켈은 표면에서 고온의 메탄을 흑연으로 전환하는 촉매 역할을 합니다. 데오카르는 "섭씨 900도의 반응 온도에서 단 5분간의 CVD 성장 공정만으로 NGF를 얻을 수 있었습니다."라고 말했습니다.
NGF는 최대 55cm² 면적의 시트로 성장할 수 있으며 호일의 양면에 성장할 수 있습니다. 또한, 단일층 그래핀 필름을 다룰 때 일반적으로 필요한 고분자 지지층 없이도 제거하여 다른 표면으로 옮길 수 있습니다.
연구팀은 전자현미경 전문가인 알레산드로 제노베세와 협력하여 니켈 기판 위에 형성된 나노흑연 필름(NGF) 단면의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 얻었다. 코스타 교수는 “흑연 필름과 니켈 포일 사이의 계면을 관찰한 것은 전례 없는 성과이며, 이러한 필름의 성장 메커니즘에 대한 추가적인 통찰력을 제공할 것”이라고 말했다.
NGF의 두께는 시판되는 마이크론 두께의 흑연 필름과 단층 그래핀의 중간 정도입니다. 코스타는 "NGF는 그래핀 및 산업용 흑연 시트를 보완하여 적층 탄소 필름의 활용 범위를 넓혀줍니다."라고 말했습니다. 예를 들어, NGF는 유연성이 뛰어나 최근 시장에 출시되기 시작한 플렉서블 휴대폰의 열 관리 분야에 활용될 수 있습니다. 그는 또한 "그래핀 필름과 비교했을 때 NGF를 통합하는 것이 더 저렴하고 안정적일 것입니다."라고 덧붙였습니다.
하지만 NGF는 열 방출 외에도 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. TEM 이미지에서 눈에 띄는 흥미로운 특징은 NGF의 일부가 탄소층이 몇 겹에 불과하다는 점입니다. 데오카 연구원은 "놀랍게도, 여러 층의 그래핀 도메인이 존재하기 때문에 필름 전체에 걸쳐 가시광선 투과율이 충분히 유지됩니다."라고 말했습니다. 연구팀은 전도성이 있고 반투명한 NGF가 태양 전지의 구성 요소나 이산화질소 가스 감지용 센서 소재로 사용될 수 있을 것이라고 가설을 세웠습니다. 코스타 연구원은 "NGF를 다양한 기능을 갖춘 활성 소재로 활용할 수 있도록 여러 장치에 통합할 계획입니다."라고 밝혔습니다.
추가 정보: Gitanjali Deokar 외, 웨이퍼 크기 니켈 포일 상의 나노미터 두께 흑연 필름의 급속 성장 및 구조 분석, 나노기술(2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
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게시 시간: 2024년 9월 5일