[논문 리뷰] Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Polycrystalline Graphene: Thermally Enhanced Kapitza Conductance

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 25.

Thermal properties of materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다결정 그래핀의 온도 의존성 열전도도를 조사하기 위해 비평형 분자역학 시뮬레이션을 사용하며, 결정립 경계를 관통하는 카피차 도전도가 온도가 상승함에 따라 증가하여 순수한 영역의 열전도도 감소를 상쇄함을 밝혀냈다. 작은 결정립 크기(<30 nm)에서는 총 열전도도가 300 K에서 500 K로 상승함에 따라 안정되거나 오히려 증가하는 경향을 보이며, 나노구조 그래핀의 열관리 응용 분야에서 뛰어난 열성능을 보임을 시사한다.

ABSTRACT

Graphene has drawn wide attention due to its exceptional thermal conductivity but complete understanding of thermal characteristics of polycrystalline graphene is still elusive to date. For the first time, herein, we have systematically studied the effect of temperature on the thermal conductance behavior of polycrystalline graphene for a range of grain sizes and grain boundary types, by using non-equilibrium molecular dynamics simulations. It is noted that increasing the tempera-ture remarkably enhances thermal boundary conductance (Kapitza conductance) across grain boundaries while it deteriorates thermal conductivities of defect-free grain regions, regardless of grain sizes and grain boundary types. This enhancement effect becomes more important for smaller grain sizes and higher temperatures, whose normal adverse effects on the heat transfer are thus ideally counterbalanced, making total thermal conductivity rather robust against the temperature increment for sufficiently small grain sizes. Upon heating from 300 to 500 K, thermal conductivity of graphene with maximally tilted grain boundaries decreases only by 9 % for a grain size of 50 nm in contrast to the decrease of 28 % for 250 nm, and further, it even increases below 30 nm. We presented quantitative mapping of its (grain, grain boundaries, and total) thermal conductivi-ties in terms with grain sizes and temperatures, providing a guideline for graphene-based thermal engineering and suggesting novel defect-based thermal architectures as well.

연구 동기 및 목표

• 다양한 결정립 크기와 결정립 경계 유형에서 다결정 그래핀의 열전도도의 온도 의존성을 이해하기 위해.
• 열전도도 감소와 경계 도전도 증가라는 상반된 영향을 가진 온도의 영향을 해소하기 위해.
• 총 열전도도가 온도 상승에 따라 안정되거나 향상되는 조건을 규명하기 위해.
• 결정립 경계 공학을 활용한 그래핀 기반 열구조 설계를 위한 정량적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 제어된 결정립 크기와 경계 유형을 갖는 다결정 그래핀에서 열전도를 모델링하기 위해 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 열전도도와 카피차 도전도 행동을 평가하기 위해 300 K에서 500 K의 온도 범위에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• 최대 기울기 경계를 포함한 다양한 경계 유형을 체계적으로 변화시켜 열전도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 개별 결정립, 경계, 전체 시스템의 열전도도를 결정립 크기와 온도의 함수로 계산하고 맵핑하였다.
• 주로 결정립 영역 내 포논 산산조각과 경계에서 증가하는 계면 도전도 간의 경쟁에 초점을 맞추었다.
• 열공학 응용을 안내하기 위해 정량적 열전도도 맵핑을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정 그래핀에서 온도가 상승함에 따라 결정립 경계를 관통하는 카피차 도전도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 온도 상승에 따른 계면 도전도 향상은 순수한 영역의 열전도도 감소를 어느 정도 상쇄하는가?
• RQ3 결정립 크기와 경계 유형은 총 열전도도의 순수한 온도 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 특정 나노구조 조건에서 다결정 그래핀의 열전도도가 온도 상승에 따라 안정되거나 증가할 수 있는가?
• RQ5 공학적 경계를 갖춘 그래핀에서 안정적인 열구조를 설계하기 위한 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 최대 기울기 경계를 갖는 50 nm의 결정립 크기에서, 온도가 300 K에서 500 K로 상승할 때 다결정 그래핀의 열전도도는 오직 9% 감소하였다.
• 반면, 더 큰 250 nm의 결정립 크기에서는 동일한 온도 범위에서 열전도도가 28% 감소하였으며, 이는 결정립 크기 의존성이 뚜렷함을 시사한다.
• 30 nm 이하의 작은 결정립 크기에서는 온도가 300 K에서 500 K로 상승함에 따라 열전도도가 실제로 증가하였으며, 일반적으로 온도 상승에 따라 열전도도가 감소하는 경향과는 정반대였다.
• 온도 상승에 따라 경계에서 카피차 도전도가 증가하는 것이 총 열전도도의 안정화에 주요한 요인임을 발견하였다.
• 이 연구는 열적 증가에 따른 계면 도전도 향상이 특히 소형 결정립 시스템에서 포논 산산조각을 효과적으로 상쇄할 수 있음을 입증하였다.
• 정량적 맵핑 결과, 소형 결정립과 공학적 경계를 갖춘 다결정 그래핀에서 최적의 열성능을 달성할 수 있음을 밝혀냈다. 특히 고온 조건에서 뛰어난 성능을 발휘한다.