미국 연구진은 플라스틱의 열 전도성을 매우 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 그래핀 적층 코팅은 플라스틱 재료의 열 전도성을 600배까지 향상시킬 수 있었다.

이 새로운 연구결과는 Alexander Balandin과 Konstantin Novoselov가 이끄는 연구팀에 의해서 수행되었고, 플라스틱이 더 폭넓은 분야에 적용시킬 수 있는 새로운 길을 열어 줄 것이다. 또한 그래핀이 코팅된 플라스틱은 고체-상태 광원과 같은 지금까지 가능하지 않는 분야와 전자 칩의 냉각과 같은 열 관리 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

그래핀은 벌집 모양의 격자 속에 배열된 탄소 원자들의 평편한 시트이다. 이것은 벌크 흑연의 기계적 박리로 2004년에 처음 만들어진 이후로 많은 과학자들로부터 큰 관심을 끌고 있다. 그래핀의 독특한 전기적 및 열적 특성들은 새로운 전자장치를 만드는데 유용하다. 이것은 전자들이 탄소 물질 속에 지극히 빠르게 움직일 수 있다는 사실 때문에 오늘날 존재하는 어떤 것보다 더 빠른 트랜지스터를 만들 수 있게 한다.

그래핀은 상온 근처에서 2000~5000 W/mK의 매우 높은 열 전도성을 가지는데, 이것은 다이아몬드의 열전도성보다 더 높다. 다이아몬드는 최고의 벌크 열 전도체로 알려져 있다. 그래핀은 기판 위에 설치될 때 열 전도성이 저하되지만, 여전히 상당히 높다. 탄소 물질 속의 서로 다른 원자 층에 포논(phonon)이 결합될 수 있고 포논 산란이 열전도를 방해하기 때문에 열전도성은 감소된다. 포논은 열을 전달하는 결정격자의 양자화된 진동이다.

이번 연구팀은 그래핀 적층 박막들이 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate)의 열 전도성을 증가시킬 수 있는 방법을 조사했다. 폴리에틸렌 테레프타레이트는 PET라고 일반적으로 알려져 있다. 이번 연구진은 열 측정을 위해서 비-접촉식 광열 라만 기술을 사용했다. 이 기술의 경우에, 마이크로-라만 분광기가 샘플의 온도 증가를 측정하기 위한 일종의 온도계로서 사용되고, 장치 속에 사용되는 레이저는 히터로서 활용된다.

“우리의 연구결과는 그래핀 적층 박막들로 코팅될 때 PET의 열 전도성이 600배까지 증가할 수 있다는 것을 보여준다"고 Balandin이 말했다. “PET의 열 전도성은 상온에서 0.15~0.24 W/mK일 정도로 매우 낮고, 다른 플라스틱 재료들도 매우 낮은 열 전도체이다. 이런 단점은 플라스틱이 저렴하고 내구성이 강하며 가볍다는 장점이 있는데도 불구하고 많이 분야에 적용될 수 없게 한다. 이 연구는 플라스틱 박막 위에 몇 마이크론 두께의 그래핀 층을 증착했을 때 열전도를 매우 향상시킬 수 있다는 것을 증명했기 때문에, 이러한 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 이번 연구진은 말했다.

이 연구에는 캘리포니아 대학의 리버사이드 캠퍼스(University of California Riverside), 맨체스터 대학(University of Manchester), 블루스톤 글로벌 테크(Bluestone Global Tech), 몰도바 국립대학(Moldova State University)의 연구진이 참여했다. 이번 연구진은 그래핀 적층의 열 전도성이 그래핀 박편 크기와 불순물 농도에 따라서 어떻게 달라지는지를 설명하기 위해서 상당히 간단한 이론적 모델을 사용했다. “우리는 그래핀 적층이 열 관리 분야의 코팅 재료로서 최적화시키도록 그래핀 속의 열전달을 시뮬레이션할 수 있는 더 상세한 모델을 개발하기를 원하고 있다”고 Balandin이 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 게재되었다.

 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』