Thermal Conductivity Measurement of Supported Graphene in Contact with Substrate

Abstract

그래핀은 그 탁월한 물성으로 각광을 받고 있는 신소재이며, 특히 높은 열전도도를 보유하고 있어 열분산기를 비롯한 열관리 응용이 기대되고 있는 물질이다. 그러나 상용화에 적합한 그래핀의 형상은 기판과 면접촉을 이루는 지지된 그래핀임에도 불구하고, 현재까지 그래핀의 열물성에 대한 실험적인 보고는 매달린 형상의 그래핀에 치중되어 왔으며, 이는 지지된 그래핀의 열전도도에 대한 신뢰성 있고 신속한 계측 기법의 부재에서 기인한다. 마이크로 저항 기법의 경우 100 K에서부터 400 K에 이르는 온도 범위에서 지지된 그래핀의 열전도도 측정에 이용되었는데, 측정 정밀도가 우수한 대신에 시편제작 비용이 막대하고 패턴 공정에 따른 시편 오염의 문제가 심각하다. 반면 광열 라만 기법의 경우 시편 제작이 간편하고 실험 결과를 신속하게 획득할 수 있다는 장점이 있으나 지지된 그래핀의 열전도도 측정에 적용하기에는 측정 오차가 과도하게 크다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 지지된 그래핀의 열전도도 측정을 위하여 광열 라만 기법을 바탕으로 그 측정 정밀도를 획기적으로 향상시키는 측정 기법을 개발하였다. 광열 라만 측정에 대한 3차원 열전달 모델을 수립하여 수치해석을 수행한 결과, 열전도도 측정 정밀도를 좌우하는 가장 결정적인 파라미터가 기판의 두께임을 규명하였으며, 극박막 기판을 도입하여 실험적으로 이를 입증하였다. 이러한 계측 기법을 활용하여 세계 최초로 350 K에서부터 600 K에 이르는 온도범위에서 지지된 그래핀의 열전도도를 성공적으로 측정하였으며, 이러한 실험 결과는 그래핀의 상용화 및 열관리 응용에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 나아가서 지지된 그래핀 시편 제작 과정에서의 열처리 반복 회수와 열전도도 간의 강한 상관관계를 실험적으로 관측하였으며, 이는 열처리가 반복될수록 그래핀과 기판의 접착도가 높아지는데 기인함을 규명하였다. 박막 탄성이론에 기초한 그래핀과 기판 간의 상호작용력 및 힘 상수를 계산을 통하여 그래핀과 기판의 접착도가 높아질수록 기판에 의한 그래핀의 포논산란이 강해지는 경향성을 확인하였으며, 이는 실험적 관측을 뒷받침한다. 본 연구에서 개발한 열전도도 계측 기법은 그래핀에 국한되지 않고 다양한 2차원 물질 적용이 가능하다는 점에서 저차원 신소재의 열물성에 대한 실험적 연구에 기여할 것으로 전망되며, 지지된 그래핀의 열전도도가 그래핀과 기판 간의 상호작용에 강한 의존성을 가진다는 본 연구 결과는 향후 그래핀과 2차원 신소재의 열물성 제어 및 열전성능 향상에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.