미국과 중국 연구진은 12 개의 탄소를 가진 순수한 그래핀이 정상적인 그래핀보다 상온에서 훨씬 더 높은 열전도도를 가진다는 것을 발견했다. 이것은 그래핀의 열전도도가 동위원소 비율에 따라 매우 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구결과는 2차원 물질의 열전도성 이론을 정확하게 개발하는데 도움을 주고, 순수한 그래핀이 전기 회로의 매우 작은 구성요소를 냉각시키는데 이상적이라는 것을 보여준다.
단지 원자 1 개 두께의 2차원 탄소 시트로 구성된 그래핀은 이것의 독특한 전기적 및 기계적 성질 때문에 차세대 전자 물질로서 실리콘을 대체할 것으로 종종 간주된다. 게다가 이 물질은 매우 높은 열전도도를 가지고 있어서 많은 각광을 받고 있다. 전자장치는 점점 더 작아지고 국부적인 열 발생(장치의 성능을 저하시킴)은 점점 더 중요하게 여겨지고 있다. 특히 실리콘은 이런 측면(열 발생)에서 여러 가지 문제를 발생시킨다. 더 높은 열전도도를 가진 물질들은 낮은 열전도도를 가진 물질보다 더 효율적으로 열을 제거할 수 있다.
그래핀 등과 같이 자연적으로 발생하는 탄소 물질들은 두 개의 안정적인 동소체로 구성되어 있는데, 약 99%가 탄소-12로 되어 있고 단지 1%만이 탄소-13으로 되어 있다. 탄소-13이 탄소-12보다 한 개 이상의 중성자를 가지기 때문에 동소체 간의 이런 차이는 탄소 원자의 원자 밀도에 달려 있다. 텍사스 대학(University of Texas)의 Rodney Ruoff가 이끄는 연구팀과 캘리포니아 대학 리버사이드 캠퍼스(University of California Riverside)의 연구팀은 탄소-13 그래핀의 탄소를 한 개 제거하여서 큰 결정격자 변형을 유발하였고 이로 인해서 열전도도가 상당히 향상된다는 것을 발견했다.
이 연구결과는 그래핀과 다른 2차원 결정의 정확한 열전도 이론을 개발하는데 도움을 줄 것이라고 연구진을 설명해다. 이것은 서로 다른 동위 원소 조성을 가진 그래핀의 열전도도의 변화로 인해서 서로 다른 질량을 가진 원자가 포논(phonon)(열을 제거하는 역할을 하는 결정격자의 진동)을 어떻게 산란시킬 수 있는지를 더 잘 이해할 수 있게 한다. 이런 동위원소 산란은 샘플의 불순물 원자에 의해서 발생된 산란을 이론적으로 더 잘 설명할 수 있게 하는데, 이것은 질량, 크기 등의 많은 매개변수들에 따라서 달라진다.
광열 레이저 라만 기술(optothermal laser Raman technique)을 사용해서, 이번 연구팀들은 탄소-12 그래핀의 열전도도가 320K의 온도에서 4000 Wm?1K?1보다 더 높고, 절반이 탄소-12이고 절반이 탄소-13으로 구성된 그래핀 시트의 열전도도보다 2배 더 높다는 것을 발견했다. 컴퓨터 칩을 냉각시키는데 폭넓게 사용되는 벌크 구리는 단지 약 400 Wm?1K?1의 열전도도를 가진다.
조사된 그래핀 샘플들은 탄소-12와 탄소-13의 비율이 서로 다르게 분포되도록 대면적 화학 기상 증착으로 만들어졌다. 이것은 동일한 실험을 서로 다른 동위원소 비율을 가진 부분들에게서 동시에 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 물체를 레이저빔으로 조사했을 때, 인입 에너지의 일부가 고체에 의해서 반사되고, 일부는 이것을 통과해서 전달되고, 나머지는 물질로 흡수된다. 연구진들은 물질을 가열했을 때, 물질이 흡사한 에너지의 양에 흥미를 가지게 되었다. 라만 산란 신호는 포논의 방출 또는 흡수를 나타내고, 이런 두 개의 신호 비율은 포논의 전체 수를 평가하는데 사용될 수 있는데, 이것은 결정 온도를 평가할 수 있게 한다.
이 기술의 흥미로운 특징은 레이저 열로 증가된 그래핀의 온도가 라만 피크의 위치로 간단하게 측정할 수 있다는 것이다. 이 연구결과는 순수한 그래핀이 뛰어난 열전달 특성을 가지고 있기 때문에 열 관리가 필요한 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이라는 것을 보여준다. 중국 하문 대학(Xiamen University)의 연구진이 포함된 이번 연구팀은 상온 이하에서 그래핀의 열전도도 특성을 평가할 계획을 가지고 있다. 연구진은 포논-동위원소 산란에 대한 정확한 이론적 설명을 개발하는데 현재 매진하고 있다. 이것은 2차원 포논 이동에 대한 더 많은 물리학적 고찰을 제공할 것이라고 연구진은 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 게재되었다.
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