[논문 리뷰] Extremely High Thermal Conductivity of Graphene: Experimental Study

Alexander A. Balandin, Subrata Ghosh외 5명|ArXiv.org|2008. 02. 11.

Graphene research and applications참고 문헌 3인용 수 30

한 줄 요약

이 실험적 연구는 비접촉 광학 기법을 사용하여 떠 있는 단일층 그래핀의 열전도도를 측정하였으며, 실온에 가까운 온도에서 4,840에서 5,300 W/mK 사이의 값을 기록하여 어떤 물질이든 측정된 바 있는 최고 수준의 값 중 하나임을 밝혀냈다. 결과는 그래핀이 뛰어난 열전도 능력을 지니고 있음을 입증하며, 탄소 나노튜브를 뛰어넘어 나노전자소자에서의 열관리 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

We report on the first measurement of the thermal conductivity of a suspended single layer graphene. The measurements were performed using a non-contact optical technique. The near room-temperature values of the thermal conductivity in the range ~ 4840 to 5300 W/mK were extracted for a single-layer graphene. The extremely high value of the thermal conductivity suggests that graphene can outperform carbon nanotubes in heat conduction.

연구 동기 및 목표

• 예측된 초우량한 열적 성질을 지닌 물질인 떠 있는 단일층 그래핀의 열전도도를 실험적으로 측정하는 것.
• 오랫동안 이론적으로 예측되어 온 그래핀의 열전도 성질을 직접 실험적으로 검증하여 해결하는 것.
• 열관리 분야의 기준 물질인 탄소 나노튜브와의 비교를 통해 그래핀의 열전도 성능을 평가하는 것.
• 그래핀과 같은 이중성 물질의 열전도도를 측정하기 위한 신뢰할 수 있는 실험 방법을 수립하는 것.
• 환경 조건에서 떠 있는 그래핀의 본질적 열전도 성질을 정량화하는 것.

제안 방법

• 떨어져 있는 그래핀 막대에서 열전도도를 측정하기 위해 비접촉 광학 기법을 사용하였다.
• 레이저 빔을 이용한 국소적 열 자극과 Raman 분광법을 통한 온도 상승 모니터링을 통해 열전도도를 측정하였다.
• 그래핀 시트에서의 온도 프로파일의 공간적 및 시간적 변화를 분석하여 열전도도를 추출하였다.
• 기판 및 환경의 열간섭을 최소화하기 위해 떠 있는 그래핀 샘플에서 측정을 수행하였다.
• 물리적 접촉 없이 정밀한 열전도도 측정이 가능하여 측정 오차를 감소시켰다.
• 관측된 열반응을 2차원 막대에서의 열확산 이론 모델에 맞추어 피팅함으로써 데이터 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 떨어져 있는 단일층 그래핀의 본질적 열전도도는 실온에 가까운 온도에서 얼마인가?
• RQ2 유사 조건에서 그래핀의 열전도도는 탄소 나노튜브와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 비접촉 광학 기법은 그래핀과 같은 이중성 물질의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 기판과 산란 중심의 부재가 그래핀의 열전도도에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 단일 원자 두께의 탄소층에서 달성 가능한 열전도도의 상한선은 얼마인가?

주요 결과

• 떨어져 있는 단일층 그래핀의 열전도도는 실온에 가까운 온도에서 4,840에서 5,300 W/mK 사이로 측정되었다.
• 이 값은 어떤 물질이든 측정된 바 있는 최고 수준의 값이며, 기존의 흑연과 탄소 나노튜브의 열전도도를 크게 뛰어넘었다.
• 높은 열전도도는 떠 있는 그래핀 막대에서의 높은 격자 진동수 평균 자유로움과 낮은 결함 밀도 때문으로 기인된다.
• 비접촉 광학 기법은 샘플을 훼손하지 않고도 정확한 열전도도 측정을 가능하게 하였다.
• 이론적 예측이 그래핀이 2차원 구조와 강한 공유결합으로 인해 뛰어난 열전도 성질을 나타낸다는 것을 확인하였다.
• 그래핀의 열전도도는 탄소 나노튜브를 뛰어넘어, 향후 열관리 응용 분야에서 뛰어난 잠재력을 지닌다는 것을 시사한다.