전자소자 내 빠르게 증가하는 전력 밀도로 인해, 발생하는 열을 관리하는 것은 컴퓨터와 반도체 디자인 에서 가장 중요한 문제들 중 하나가 되었다. 특히, 열 분산은 나노크기에서 더 기본적인 문제가 되었다. 더 많은 열의 제거는 전기적인 이동과 태양 전지들의 과열을 막기 위한 에너지 발생에 매우 중요하다.
열 계면 물질들 (TIMs)은 열관리의 기본적인 재료이다. TIM은 열 원천, 예를 들어, 컴퓨터 칩들과 방열판 사이에서 적용됐다. 그리고 TIM의 역할은 짝을 이루는 표면들의 완벽하지 못한 표면 마무리에 의해 생겨난 구멍들과 홈들을 채우는 것이다. 열적으로 전도성이 있는 입자들을 가지고 채워진 일반적인 TIM은 실온에서 약 1-5 W/mK 수준 내에서 합성물질의 열전도성을 얻기 위해 충전 입자들의 높은 부피 비율 (f~50%)을 요구한다.
현재 5 W/mK 에서 25 W/mK로 상업적인 TIM의 열전도성 증가는 전자소자에서뿐만 아니라 예를 들어 태양 전지 등, 에너지 발생에서도 혁명적인 일이라고 UC 리버사이드 번스 공학대학 전기 공학과 교수 Alexander Balandin이 밝혔다. 많은 연구그룹들은 높은 열전도성을 가진 합성물질들을 만들기 위해 기본 물질에게 주어진 서로 다른 충전재들로 실험하고 있다. TIM으로써 이용되기 위해서는 이 합성체들이 적당한 점성과 낮은 가격과 같은 수많은 다른 요구 조건들을 충족해야만 한다.
나노 레터스 최근호에 "Graphene-Multilayer Graphene Nanocomposites as Highly Efficient Thermal Interface Materials"라는 제목으로 게재된 논문에서 Balandin의 Nano-Device Laboratory 연구그룹은 그라핀과 다중층 그라핀의 최적화된 혼합으로 획기적인 TIM의 열전도성의 향상을 보였다.
에폭시 매트릭스 물질의 열전도성은 그라핀 로딩 (loading)의 10 부피 %에서 23배나 증가되었다. 에폭시-그라핀 합성물질은 산업 TIM 응용들에 대해 요구된 모든 특성들을 유지했다. 실용적인 응용들에 대한 중요한 점은 이 연구팀이 저가 액체-상-박리 기술을 이용하여 그들의 그라핀/수층 그라핀 용액을 준비했다는 것이다. 이는 TIM의 산업적인 생산을 위해 확대할 수 있는 고 생산성 기술이다.
또한, 이 연구팀의 결과들은 물리학자들을 위해 흥미로울 수 있다. 즉, 더 두꺼운 그라파이트 층을 가지고 동시에 단일층과 이중층 그라핀의 어떤 부분이 열전도성 향상에 필수적인가를 발견했기 때문이다. 탄소 나노튜브들에 비해 그라핀의 우수한 성능은 그라핀이 매트릭스 에 더 잘 결합되어 그라핀과 매트릭스 물질 사이에서 더 작은 Kapitza 저항을 이끈다는 것이다.
Balandin 연구그룹의 결과들은 그라핀과 수층 그라핀 플래이크(flake)들이 알루미나 나노입자들 같은 일반적으로 이용된 충전재보다 TIM 의 열전도성을 증가하고 더 효율적인 충전물질이 될 수 있다는 것을 입증함으로써 이 분야에 많은 진보를 이루었다. 이 연구팀에 의해 이용된 그라핀과 수층 그라핀은 몇 가지 화학물질들의 이용으로 크기 변화가 가능한 기술에 의해 얻어졌다.
새로운 그라핀 기반 충전재들은 이전에 시도된 탄소 나노튜브와 나노크기 차원을 가진 더 두꺼운 그라파이트 입자들인 그라파이트와는 다르다. TIM 내에서 충전재로써 탄소 나노튜브들과 같은 매우 열적으로 전도성 있는 나노물질들을 이용하기 위해 이전 시도들은 매트릭스 (즉, 기본) 물질들에 탄소 나노튜브의 약한 열적 결합과 높은 가격으로 실용적인 응용들을 만들어 내지 못했다. Balandin 연구그룹의 해법은 기본 에폭시 물질로 그라핀의 더 나은 결합으로 가능해 졌다.
첫 번째 TIM 층으로 집적화된 열 스프레더 (IHS)로 부착된 컴퓨터 칩의 개략도. HIS는 두 번째 TIM 층으로 방열판에 부착된다. 개선된 (오른쪽) 열 이동에 대한 TIM을 가지고 채워진 HIS와 다이(die) 사이 계면.
그라핀/수층 그라핀 충전재 부피 로딩 비율에 따른 측정된 열전도 향상 요소. 최적 나노합성체에 대하여 f=10 vol. %에서 ~2300%의 매우 큰 향상이 있다.
그라핀-폴리머 나노합성체의 합성 그림과 특성; (왼쪽) 그라파이트 원 재료과 그라핀 용액의 광학 이미지: (중앙) 수층 그라핀 플래이크의 주사 전자 현미경; (오른쪽) 그라핀을 가지고 준비된 TIM의 다른 형태들과 긴 그라핀 층의 이미지.
1997년 이후부터 Balandin은 초 박막과 나노와이어들을 포함한 나노구조들의 열적 특성을 연구해 왔다. 그의 동기는 많은 물질들 내에서 열 전하들인 포논들의 전파를 조절하기 위한 나노크기 효과들을 이용하는 것이었다. 2005년, 영국, 그는 캠브리지 대학에서의 안식년 동안, 탄소 나노튜브를 가진 에폭시 합성체들에 관심을 가지게 되었다. 이 탄소 나노튜브들은 일련의 합성체의 열전도성을 증가시킬 목적으로 부가되었다. 그는 UC 리버사이드에서 그의 동료들과 함께 열 계면 물질들로써 이용에 대한 합성체들을 개선하는 방법에 대한 그의 생각을 나누었다. 그러나, 2008년, 이들은 TIM 충전재로써 그라핀이 매우 우수한 내부 열전도성을 가지고 있다는 것으로 발견하고 그라핀의 이용에 대해 연구했다. 다음의 중요한 단계는 액체-상 박리 기술에 관해 연구하고 충분한 양을 준비하기 시작했을 때 시작되었다. 이 연구에 대한 실제적인 동기는 2010년 라스 베가스 ITherm 학술대회에서 탄소 기반 TIM의 전문가 패널로써 일할 때였다고 Balandin은 언급했다.
최근의 연구에서 Balandin의 연구팀은 에폭시 기반 합성체와 산업적인 그리스 (grease) 형태 TIM의 열전도성의 주된 개선을 보였다. 실제 TIM으로써 전자 산업에 이용되는 상업적인 그리스의 경우, 그라핀의 2% 만의 부가로 5.8 W/mK에서14 W/mK로 열전도성이 증가할 수 있었다. 연구원들은 현재 그라핀에 기초되고 다른 응용들의 특수한 요구들에 만족하는 차세대 TIM을 개발하기 위해 산업 공학자들과 함께 연구할 계획이다.
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