KRISS(한국표준과학연구원, 원장 강대임)는 양자측정센터 배명호 박사가 포함된 미국 일리노이주립대학교(UIUC) 연구팀이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀 (graphene)의 열전도율을 제어할 수 있다는 연구 결과를 발표하였다고 밝혔다. 이번 연구는 Nature 자매지인 Nature Communications (IF:7.4)에 지난 4월 11일자에 게재되었다.

*그래핀 : 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 연결된 얇은 판 형태의 물질. 뛰어난 열전도율, 전기전도율은 물론 탄성을 유지하고 있어 디스플레이, 전자종이 등 전자정보 산업분야의 차세대 신소재로 각광받고 있다.

제1저자로 참여한 배명호 박사는 미국 UIUC 박사후연구원 재직 당시 관련 연구에 대한 주도적인 역할을 했으며 작년 1월 KRISS에 입사해 전류표준을 위한 반도체 양자점 연구와 그래핀 전자 소자의 열적 특성 연구를 수행 중이다.

연구팀은 그래핀의 두께가 0.35 nm(나노미터, 1 nm=10억분의 1 m)로 매우 얇기 때문에 열·전기전도율 등 고유한 특성들이 주변 환경에 따라 민감하게 변할 수 있다는 것을 이용, 그래핀의 폭을 조절함으로써 열전도율 제어가 가능하다는 것을 실험적으로 밝혔다.

그래핀에서 일어나는 열전도율은 열을 전달하는 매개체인 포논(열적진동)들이 온도가 높은 지점에서 낮은 지점으로 방해 받지 않고 얼마나 빨리 이동했느냐에 따라 결정된다.

이때 그래핀의 폭을 좁게 하면 포논들이 이동하면서 그래핀의 테두리에 충돌하는 횟수가 늘어나 열전도율은 더욱 낮아질 수 있다. 이는 동일한 수의 차량들이 4차선의 넓은 도로와 폭이 좁은 시골길에서 이동할 때 속도 차이가 나는 것과 비슷한 원리이다.

연구팀은 기판위의 그래핀 폭을 300 nm에서 65 nm정도로 줄여 측정한 결과 일반적으로 알려진 값보다 열전도율이 수십 배 이상 감소하는 것을 발견하였고 그래핀 폭 설정을 달리함으로써 열전도율을 자유자재로 조정할 수 있다고 말했다.

배명호 박사는 “그래핀의 열전도율 제어가 가능함에 따라 이에 대한 활용도는 획기적으로 넓어질 수 있다.”고 말하며 열을 보관해야 하는 단열재나 버려지는 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 열전발전기 등을 예로 들었다.

그동안 그래핀은 높은 열전도율을 이용하여 반도체 및 디스플레이 등에서 발생하는 열을 방출 및 분산시키는데 활용되는 것으로 인식되어 왔다.