[논문 리뷰] Strong Enhancement of Thermal Properties of Copper Films after Chemical Vapor Deposition of Graphene

Pradyumna Goli, Ning Hao외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 23.

Graphene research and applications참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 화학기상증착(CVD)을 통해 coppeR 필름에 그래핀을 증착하는 것이 실온 근처에서 9 μm 두께 필름에서는 최대 24%, 25 μm 두께 필름에서는 최대 16%까지 열확산도와 열전도도를 크게 향상시킨다는 것을 입증한다. 이 향상은 그래핀의 고유한 열전도성보다는 그래핀 성장 및 관련 열처리 과정에서 발생하는 구조적 변화에 기인한다.

ABSTRACT

We demonstrated that chemical vapor deposition of graphene on Cu films strongly enhances their thermal diffusivity and thermal conductivity. Deposition of graphene increases the thermal conductivity of 9 micrometer (25 micrometer) thick Cu films by up to 24% (16%) near room temperature. Interestingly, the observed improvement of thermal properties of graphene coated Cu films is primarily due to changes in Cu morphology during graphene deposition and associated with it temperature treatment rather than graphene's action as an additional heat conducting channel. Enhancement of thermal properties of metal films via graphene coating may lead to applications in electronic circuits and metallurgy.

연구 동기 및 목표

• 화학기상증착(CVD)을 통한 그래핀 코팅이 coppeR 필름의 열적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 그래핀이 추가적인 열전도 경로로 작용하는지, 아니면 구조적 변화가 열전도도 향상에 주요 기여를 하는지 규명하기 위해.
• 그래핀 코팅된 coppeR 필름이 전자 회로 및 금속공학적 응용 분야에서 열관리에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 다양한 두께의 coppeR 필름에서 그래핀 증착 후 열전도도 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 9 μm 및 25 μm 두께의 coppeR 필름은 표준 증착 기술을 사용하여 제작되었다.
• 메탄을 탄소 원료로 사용하여 화학기상증착(CVD)을 통해 coppeR 필름 상에 그래핀을 성장시켰다.
• 시간영역 열반사법(TDTR) 기술을 사용하여 열확산도와 열전도도를 측정하였다.
• 전자현미경 및 X선 회절을 이용하여 coppeR의 미세구조적 및 표면형상 변화를 분석하여 열성능과 연관성을 규명하였다.
• 그래핀과 열처리의 영향을 분리하기 위해 코팅되지 않은 coppeR 필름을 대조군으로 사용한 제어 실험을 실시하였다.
• CVD 중 열처리의 역할을 평가하기 위해 후열처리 단계가 있는 및 없는 샘플을 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CVD를 통해 증착된 그래핀이 coppeR 필름의 열전도도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ2 열전도도 향상의 주요 원인은 그래핀의 고유한 열전도성인가, 아니면 coppeR 기질의 구조적 변화인가?
• RQ3 coppeR 필름의 두께가 그래핀 코팅 후 열전도도 향상 정도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 CVD 중 열처리가 coppeR의 미세구조 및 열적 성질을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 그래핀 코팅된 coppeR 필름은 순수한 coppeR보다 열관리 응용 분야에서 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 실온 근처에서 9 μm 두께의 coppeR 필름 열전도도는 그래핀 CVD 코팅 후 최대 24% 향상되었다.
• 25 μm 두께의 coppeR 필름에서는 그래핀 증착 후 열전도도가 최대 16% 향상되었다.
• 이 향상은 주로 CVD 공정과 관련된 고온 처리 과정에서 발생하는 coppeR의 미세구조 및 결정립 변화에 기인하였다.
• 그래핀이 직접적인 열전도 경로로 작용하는 것은 미세구조적 변화에 비해 보조적인 역할로 나타났다.
• 관측된 열전도도 향상은 다양한 두께에서 일관되게 나타나, CVD 공정이 coppeR의 고유한 열전달 성질에 영향을 미치는 강력한 효과를 가짐을 시사한다.
• 결과적으로, 그래핀의 높은 고유 열전도도에 의존하지 않고도 CVD를 통한 그래핀 코팅이 coppeR의 열적 성질 향상에 실용적인 길이 될 수 있음을 시사한다.