[논문 리뷰] Review of Thermal Properties of Graphene and Few-Layer Graphene: Applications in Electronics

Zhong Yan, Denis L. Nika외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 06.

Thermal properties of materials참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 실온에서 격자 진동(phonon)에 의해 지배되는 열전도 메커니즘으로 인해 그래핀 및 소수층 그래핀의 뛰어난 열전도성을 분석한다. 이는 고출력 트랜지스터에 소수층 그래핀을 열확산체로 통합함으로써 핫스팟 온도를 효과적으로 낮추어 고성능 전자기기의 성능과 신뢰성을 향상시킨다.

ABSTRACT

We review thermal properties of graphene and few-layer graphene, and discuss applications of these materials in thermal management of advanced electronics. The intrinsic thermal conductivity of graphene - among the highest of known materials - is dominated by phonons near the room temperature. The examples of thermal management applications include the few-layer graphene heat spreaders integrated near the heat generating areas of the high-power density transistors. It has been demonstrated that few-layer graphene heat spreaders can lower the hot-spot temperature during device operation resulting in improved performance and reliability of the devices.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 그래핀 및 소수층 그래핀의 내재된 열전도성, 특히 격자 진동에 의해 유도되는 열전도성 특성을 분석하기 위해.
• 고출력 전자기기에서 소수층 그래핀을 열관리 재료로 사용하는 것의 실현 가능성과 효과성을 평가하기 위해.
• 실제 전자기기 시스템에 그래핀 기반 열확산체를 통합하는 데 있어 핵심 과제와 기회를 규명하기 위해.
• 2차원 재료의 열전도성에 관한 실험적 및 이론적 연구 결과를 종합적으로 검토하기 위해.

제안 방법

• 그래핀 및 소수층 그래핀의 열전도성에 관한 실험적 및 이론적 연구를 체계적으로 검토하기 위해.
• 실온에서 높은 열전도성을 유도하는 격자 진동 분산 및 산란 메커니즘을 분석하기 위해.
• 반도체 기판에 소수층 그래핀을 전이 및 패터닝하는 기술을 포함한 장치 통합 기법을 검토하기 위해.
• 유한요소 해석 모델링과 실험 측정을 통해 열저항 및 열확산 성능을 평가하기 위해.
• coppe 및 다이아몬드와 같은 전통적 열전도 재료와의 비교를 통해 그래핀의 열성능을 평가하기 위해.
• 다수의 연구 결과를 통합하여 그래핀 기반 열관리 솔루션의 규모화 및 신뢰성 평가를 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀의 내재된 열전도성은 얼마이며, 실온에서 이를 지배하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 소수층 그래핀의 열전도성은 단일층 그래핀 및 기타 2차원 재료와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 소수층 그래핀 열확산체는 고출력 트랜지스터의 핫스팟 온도를 어느 정도 낮출 수 있는가?
• RQ4 기존 전자기기 패키징 기술에 그래핀 기반 열관리 솔루션을 통합하는 데 있어 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ5 결함, 결정립 경계 및 기질 상호작용은 소수층 그래핀의 열전도성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 그래핀은 실온에서 5000 W/mK 이상의 높은 내재된 열전도성을 보이며, 주로 격자 진동에 의해 유도된다.
• 소수층 그래핀(3–10층)은 여전히 1000 W/mK 이상의 높은 열전도성을 유지하여 열관리 응용에 적합하다.
• 고출력 트랜지스터의 활성 영역 근처에 소수층 그래핀을 열확산체로 통합함으로써 기존 재료 대비 핫스팟 온도를 최대 30% 감소시킬 수 있다.
• 소수층 그래핀의 열성능은 상호층 간 결합, 결함 및 기질 상호작용에 의해 크게 영향을 받으며, 실제 구현에서는 열전도성이 최대 50% 감소할 수 있다.
• 실험 결과는 소수층 그래핀이 넓은 영역에서 열을 효과적으로 확산시켜 열균일성 향상과 기기 신뢰성 향상에 기여함을 확인한다.
• 이론적 모델링과 시뮬레이션은 실험 결과를 지지하며, 최적화된 소수층 그래핀 구조가 특정 장치 기하구조에서는 기존 금속 및 다이아몬드 기반 열확산체를 능가할 수 있음을 보여준다.