Graphene−Carbon−Metal Composite Film for a Flexible Heat Sink

1. 서지정보

Cho, H., Rho, H., Kim, J. H., Chae, S.-H., Pham, T. V., Seo, T. H., Kim, H. Y., Ha, J.-S., Kim, H. C., Lee, S. H., & Kim, M. J. (2017). Graphene−Carbon−Metal Composite Film for a Flexible Heat Sink. ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 40801−40809. https://doi.org/10.1021/acsami.7b11485

2. 연구문제

LED(발광다이오드)·배터리·고집적 트랜지스터 같은 전자기기는 열이 성능과 신뢰성을 갉아먹는 주요 원인인데, 기존 방열 소재(고분자 복합재·금속 복합재·금속 폼)는 각각 열전도도가 낮거나, 공기 대류를 일으킬 다공성 구조가 없거나, 확장성·비용 문제가 있어 고출력 LED 패키지 요구를 충족시키지 못한다. 이 논문은 “그래핀-탄소-금속 복합 필름으로 열전도·대류·복사를 동시에 활용해, 유연하면서도 구리판보다 방열 성능이 좋은 히트싱크(heat sink, 열을 흡수해 외부로 방출하는 방열 부품)를 만들 수 있는가”를 다룬다.

3. 방법

Arc-G(아크 방전 그래핀, arc-discharge graphene) 합성: 6 mm 직경의 흑연봉에 흑연 분말 1 g을 채워 넣고, H2·He 완충 가스(550 Torr, 각 400 sccm)를 흘리며 방전 전압 30 V·전류 150 A로 아크 방전을 일으켜 제조했다.
전기방사(electrospinning): PAN(polyacrylonitrile, 폴리아크릴로니트릴, 10 wt%)을 DMF에 녹인 용액에 Arc-G를 1·3·5·10·15 wt% 비율로 첨가해, 팁-컬렉터 거리 15 cm·전압 15 kV 조건으로 Arc-G/PAN 나노섬유를 방사했다.
안정화·탄화(stabilization/carbonization): 250 °C(2시간, 5 °C/min 승온)로 안정화한 뒤 질소 분위기 1500 °C(5 °C/min 승온)에서 탄화해 Arc-G/CNF(carbon nanofiber, 탄소나노섬유)를 얻었다.
전기도금(electroplating): CuSO4·H2SO4 전해액에서 Arc-G 15%/CNF를 애노드, Cu 볼이 담긴 티타늄 바스켓을 캐소드로 하여 전류밀도 0.03 A/cm²로 Cu 나노입자를 한쪽 면에만 전착시켜 그래핀-탄소-금속 복합 필름을 완성했다.
특성분석: SEM(Nova SEM, FEI), TEM(Tecnai G2 F20, FEI), 라만분광(514/488/785 nm 레이저), XPS, XRD, BET(비표면적), 시트저항 측정, 레이저 플래시(LFA 467)·DSC를 이용한 열확산도·비열 측정, 적외선 열화상 카메라(FLIR T-335)로 LED 칩 온도 측정, ASTM D638 기준 인장강도 측정, 10000회 굽힘 시험을 수행했다.

4. 데이터

Arc-G 함량 0~15 wt%로 조절한 Arc-G/CNF 시리즈 (전기전도도·BET 비교용).
최적 조건으로 선정한 Arc-G 15%/CNF에 Cu를 전착한 그래핀-탄소-금속 복합 필름(2 cm × 2 cm × 150 μm)과, 비교군인 순수 Cu 시트(동일 크기).
유연성 검증용 PET 기판 위 5개 LED가 병렬 실장된 회로(1 × 5 cm 필름), 10000회 굽힘 시험 샘플(50 × 10 mm).
자체 생산 데이터이며 공개 데이터셋은 아니다.

5. 결과

Arc-G는 라만 ID/IG 비가 CVD 그래핀보다는 높지만 환원 그래핀 산화물(RGO)보다는 훨씬 낮아, GO·RGO보다 결정성이 좋은 것으로 확인됐다.
안정화·탄화 후 Arc-G 15% 첨가로 전기전도도가 약 48% 증가했다.
BET 비표면적은 Arc-G 40.78 m²/g, 순수 CNF 14.03 m²/g, Arc-G 15%/CNF 29.00 m²/g로, 순수 CNF 대비 약 200% 증가했다.
Arc-G 15%/CNF(탄소만)의 열전도 성분 분석에서 전자 기여(Ke)는 전체 열전도도(K)의 0.2%에 불과해, 포논(phonon, 격자진동에 의한 열전달 준입자) 지배적 열전도임이 확인됐다.
Arc-G 15%/Cu/CNF(금속 포함) 복합 필름의 열전도도는 면내(in-plane)·고체 상태 기준 112.8 W·m⁻¹·K⁻¹로 측정됐고, 다공성 보정 이론값(138.9 W·m⁻¹·K⁻¹)보다는 낮았다.
350 mA 전류를 24시간 인가했을 때 LED 칩 온도가 순수 Cu 샘플에서는 61.5 °C, 그래핀-탄소-금속 복합 필름에서는 49.7 °C로, 11.8 °C 낮게 유지됐다.
10000회 굽힘 시험 후 저항 증가율은 약 1%에 그쳤고, 곡률반경 0.6 cm로 구부리거나 180°로 비틀어도 LED가 정상 발광했다.

6. 한계

저자가 밝힌 한계: 실측 열전도도(112.8 W·m⁻¹·K⁻¹)가 다공성 보정을 거친 이론값(138.9 W·m⁻¹·K⁻¹)보다 낮았는데, 저자들은 이를 “Arc-G의 복잡한 형태가 복합재 내 포논의 평균자유행로(mean free path)를 줄여 포논의 효과적인 전달을 방해하기 때문”이라고 추정했다(“We suppose that Arc-G might reduce the mean free path of a phonon in the graphene−carbon−metal composite due to the complex morphology of Arc-G, which hampers the phonon’s effective transfer.”) — 확정이 아니라 추정(suppose)에 머문 설명이다. 또한 라만 포논 분산 분석에서 LA·TA 음향 포논 피크는 CNF의 낮은 결정성 때문에 신호 대 잡음비가 낮아 직접 식별하지 못했고, 대신 Wiedemann-Franz 법칙을 이용한 간접적인 전자/포논 기여도 계산으로 우회했다.

읽으면서 느낀 한계:

방열 성능 비교 대상이 순수 Cu 시트 하나뿐이다. 실제 상용 히트싱크(예: Al 방열판, 그래파이트 시트)와의 정량 비교가 없어 “가장 유망한 소재”라는 결론의 상대적 위치를 판단하기 어렵다.
LED 칩 온도 측정이 24시간 단일 시점 비교이고, 장기 신뢰성(수백~수천 시간 단위 열화)이나 반복 열사이클에 따른 방열 성능 저하는 다루지 않았다. 굽힘 내구성은 10000회 검증했지만 열-기계 복합 스트레스(굽힌 상태에서의 장시간 발열) 데이터는 없다.
Cu 전착이 필름 한쪽 면에만 이루어지는데, 이 비대칭 구조가 실제 조립·방열 방향에 따라 성능에 어떻게 영향을 주는지에 대한 논의가 부족하다.
Arc-G 자체는 이 저자 그룹의 선행 특허·논문(ref 34, 35)에 의존해 합성 조건 최적화 과정이 본문에 상세히 제시되지 않았다.

7. 원문 인용

The heat generated from electronic devices such as light emitting diodes (LEDs), batteries, and highly integrated transistors is one of the major causes obstructing the improvement of their performance and reliability. — Abstract

This result reveals that the graphene−carbon−metal composite film is one of the most promising materials for a heat sink of electronic devices in modern electronics. — Abstract

In particular, these carbon nanofibers (CNFs) had porous structures of several hundred square micrometers, which could naturally induce the convection of air due to the effective pathways. — Section 1. Introduction

The morphological and structure analyses of all samples above were observed by scanning electron microscopy (SEM, Nova SEM, FEI), transmission electron microscopy (TEM, Tecnai G2 F20, FEI), and Raman spectroscopy (Horiba, LabRAM HR-UV−vis−NIR, 514 nm Ar laser and Renishaw, InVia Reflex Raman Microscope, 488 nm Ar laser, 514 nm Ar laser, 785 nm diode laser). — Section 2.6, Characterization

According to our results, the temperature of LED chips on the graphene−carbon−metal composites during the operation was 11.8 °C lower than that of the pure Cu sample. — Section 3. Results and Discussion

As shown in the result of the repeated bending test in Figure 5 (c), the resistance increased by approximately 1%, while the repeated bending test performed 10000 cycles. — Section 3. Results and Discussion