열전도도 및 방열에 있어서 탄소소재의 장점

현재 전자 및 광전자 산업에서 전자 장치와 그 제품이 고집적화 및 고성능 컴퓨팅으로 발전함에 따라 소비 전력은 두 배로 증가했습니다. 방열은 점차 전자 산업의 지속 가능한 발전을 저해하는 핵심 요인이 되었습니다. 차세대 집적 회로 및 3차원 전자 제품 설계에 있어 우수한 열전도도를 가진 열 관리 소재를 찾는 것은 매우 중요합니다.

기존 세라믹 소재(예: 질화붕소, 질화알루미늄)와 금속 소재(예: 구리, 알루미늄)의 열전도도는 기껏해야 수백 W/(m·K)에 불과합니다. 이에 비해 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유와 같은 탄소 소재의 열전도도는 훨씬 더 놀랍습니다. 예를 들어, 흑연은 결정층에 평행한 방향으로 최대 4180W/m·K의 이론 열전도도를 가지며, 이는 구리, 은, 알루미늄과 같은 기존 금속 소재의 거의 10배에 달합니다. 탄소 소재는 낮은 밀도, 낮은 열팽창 계수, 우수한 고온 기계적 특성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다.

그래핀

그래핀은 흑연에서 벗겨낸 단층 탄소 원자 표면 소재입니다. 단층 탄소 원자가 정육각형으로 촘촘하게 배열된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 매우 안정적이며, 그래핀 내부 탄소 원자 간의 연결은 매우 유연합니다. 외부 힘이 그래핀에 가해지면 탄소 원자 표면이 휘어지고 변형되어 탄소 원자가 외부 힘에 적응하기 위해 재배열할 필요가 없어 구조적 안정성을 유지합니다. 이러한 안정적인 격자 구조 덕분에 그래핀은 뛰어난 열전도도를 보입니다.

탄소 나노튜브

1991년 탄소 나노튜브가 발견된 이후, 많은 과학자들이 탄소 나노튜브의 열전도도 연구에 관심을 가져왔습니다. 탄소 나노튜브는 단층 또는 다층 흑연 시트가 말려 만들어진 구조로, 단일벽, 이중벽, 다중벽의 세 가지 유형으로 나뉩니다.

탄소 나노튜브는 이러한 특수 구조로 인해 매우 높은 열전도도를 갖습니다. 일부 연구자들은 상온에서 단일벽 탄소 나노튜브의 열전도도가 3980 W/(m·K), 이중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 3580 W/(m·K), 다중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 2860 W/(m·K)라고 계산했습니다.

다이아몬드

다이아몬드의 결정 구조는 탄소 원자가 사면체 형태로 밀집되어 배열된 구조이며, 모든 전자가 결합에 참여합니다. 따라서 상온 열전도도는 2000~2100 W/(m·K)로 자연계에서 가장 뛰어난 열전도도를 가진 재료 중 하나입니다. 이러한 특징은 고급 방열 분야에서 탄소 나노튜브를 대체할 수 없는 재료가 되게 합니다.

탄소 섬유

탄소 섬유는 고온 탄화 처리를 통해 터보스트랫(turbostratic) 흑연 구조를 형성합니다. 축 방향 흑연 격자가 고배향성을 가지면 매우 높은 열전도도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 메조상 피치 기반 탄소 섬유의 열전도도는 1100 W/(m·K)이고, 기상 성장 탄소 섬유의 열전도도는 1950 W/(m·K)에 도달할 수 있습니다.

흑연

흑연은 6개의 면과 2개의 조밀 기저면으로 구성된 육방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 탄소 원자로 구성된 육각형 격자의 첫 번째 층은 육각형 대각선의 1/2만큼 엇갈리게 배열되어 두 번째 층과 평행하게 겹쳐집니다. 세 번째 층과 첫 번째 층은 위치가 반복되어 ABAB… 배열을 형성합니다. 천연 흑연의 (002) 결정면을 따른 열전도도는 2200 W/(m·K)이며, 고배향 열분해 흑연의 면내 열전도도는 2000 W/(m·K)에 달할 수 있습니다.

위의 탄소 재료는 모두 매우 높은 열전도도를 가지고 있어 고방열 요구 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 다음으로, 몇 가지 대표적인 탄소 기반 전도성/방열 재료를 살펴보겠습니다.

독특한 결정 구조와 물리적, 화학적 특성을 가진 탄소 재료는 열전도도 및 방열 분야에서 대체할 수 없는 이점을 보여주었습니다. 제조 기술의 발전과 응용 분야 확대에 따라 그래핀과 다이아몬드와 같은 탄소 기반 재료는 전자 및 항공우주 산업과 같은 산업에서 방열 솔루션을 한 단계 더 발전시킬 것으로 기대됩니다.