환원 그래핀 산화물 나노시트와 3D 그래핀 네트워크 공동 변형으로 고성능 열 인터페이스 소재 구현

요약

마이크로전자 소자의 급속한 소형화로 효율적인 열 방출이 핵심 병목이 되었습니다. 그래핀 보조 에폭시 수지(ER) 시스템이 열 성능 향상에 유망하나, 환원 그래핀 산화물(RGO) 나노시트와 3차원 그래핀 네트워크(3DGN)의 한계가 추가 발전을 제한합니다. 본 연구에서는 RGO 나노시트와 3DGN으로 ER을 공동 변형해 상호 보완적 이점을 활용했습니다: 3DGN은 연속적인 포논 수송 네트워크를 제공하고, RGO 나노시트는 그래핀과 ER 매트릭스 간 계면 결합을 개선합니다. 각 충전재 비율과 RGO 환원도를 최적화해 열전도도, 기계적 강도, 열안정성에서 시너지 향상을 달성했으며, 이 복합체의 실용적 TIM 적용 잠재력을 입증했습니다.

배경

그래핀으로 강화된 열 인터페이스 소재(TIM)는 뛰어난 열적, 기계적 특성으로 관심을 끌고 있습니다. 김 등은 순수 ER 대비 1400% 열전도도 증가를 보고했고, 전 그룹은 10 wt% 그래핀 충전재로 ~2 W m⁻¹ K⁻¹을 달성했습니다. 그러나 이는 그래핀 고유 전도도(~5000 W m⁻¹ K⁻¹)에 훨씬 미치지 못합니다. 주요 장애물은 RGO 시트의 불연속적 네트워크와 수많은 그래핀-매트릭스 계면 및 결함 유도 포논 산란으로 인한 높은 계면 열저항입니다. 화학 기상 증착으로 제작된 고품질 3DGN은 연속적인 저결함 네트워크를 제공하지만, 표면 작용기 부족으로 ER 매트릭스와의 젖음성이 제한됩니다. 3DGN에 제어된 표면 결함을 도입하면 계면 결합이 개선되지만 CVD 공정이 복잡합니다. 3DGN을 RGO 나노시트로 공동 기능화하면 연속적인 포논 경로와 향상된 계면 결합을 결합하는 유망한 전략이 됩니다.

실험 방법

재료

니켈 폼(300 g m⁻², 12 mm 두께)을 3DGN 제작 주형으로 사용했습니다. 에탄올, HCl, FeCl₃, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA, Mₙ≈996,000, 에틸 락테이트 4%)를 북경 화학시약 공장에서 구매했습니다. 에틸 락테이트, 천연 흑연, PMMA, 아세톤은 알라딘에서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 도데실벤젠술폰산 나트륨은 황강에서 구매했습니다. 에폭시 수지(ER)와 경화제는 삼무에서 제공했습니다. 탈이온수(비저항 18 MΩ cm)를 모든 수용액 제조에 사용했습니다.

제조

RGO 나노시트와 3DGN은 기존 보고 프로토콜[12–14]에 따라 제조했습니다(보충자료 참조). RGO-3DGN-ER 복합체는 2단계 공정으로 제작했습니다. 먼저 RGO 나노시트와 3DGN을 50 mL 탈이온수에 분산시키고 30분 초음파 처리한 후 도데실벤젠술폰산 나트륨 1 mg을 처리했습니다. 혼합물을 테플론 용기에서 80°C로 6시간 수열 반응시키고, 탈이온수로 3회 세척했습니다. 이 과정으로 RGO 나노시트가 3DGN 표면에 고정됩니다. 둘째, RGO-3DGN 복합체를 ER과 경화제와 몰드에서 혼합했습니다: ER 층을 고체 표면에 붓고, 그 위에 RGO-3DGN 층을 올리는 순서를 3~4회 반복해 ER이 다공성 네트워크로 모세관 침투되도록 했습니다. 최종 혼합물을 110°C에서 3시간 경화했습니다.

특성 분석

SEM(FEI Sirion 200, 5 kV)과 TEM(JEM-2100F, 20 kV)으로 복합체 형태를 관찰했습니다. AFM(나노스코프 IIIa 및 E-스위프)을 태핑 모드로 사용해 표면 지형을 평가했습니다. 라만 분광법(LabRam-1B, 532 nm)으로 결함 밀도를 정량화했고, XPS(RBD PHI-5000C)로 원소 조성을 확인했습니다. FTIR(IR Prestige-21)로 작용기를 확인했습니다. 기계적 특성은 트리톤 DMTA(주파수 1 Hz, 가열 속도 5°C min⁻¹)로 2×4 cm 시편에서 측정했습니다. 열전도도는 레이저 플래시 분석으로, 비열은 시차 주사 열량계로 측정했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 RGO 나노시트(평균 측면 크기 400-600 nm), 3DGN(연속 다공성 네트워크), RGO-3DGN, 최종 RGO-3DGN-ER 복합체의 AFM과 SEM 이미지를 보여줍니다. 복합체 표면은 미세 기공이 최소화된 매끄러운 모습으로, ER의 우수한 침투를 나타냅니다.

라만 분석(그림 2a)은 RGO에서 두드러진 G, 2D, D 피크를 보여주는 반면 3DGN에서는 D 피크가 미미해 낮은 결함 밀도를 나타냅니다. I_G/I_D 비율로 평균 RGO 측면 크기 ~500 nm를 얻었으며, AFM 데이터와 일치합니다. FTIR 스펙트럼(그림 2b)은 RGO에서만 뚜렷한 1335 cm⁻¹ 피크(O=C-OH)를 보이며, ER 통합 후 사라져 계면에서 공유 결합 형성을 확인하고 열경계 저항 감소를 입증합니다.

그림 3은 복합체 열전도도를 보여줍니다. 순수 ER은 ~0.2 W m⁻¹ K⁻¹로 실용 요구에 훨씬 미치지 못합니다. 충전재 로딩 증가에 따라 전도도가 거의 선형적으로 상승합니다. 공동 변형 RGO-3DGN-ER 시료가 동일 질량 분율에서 단일 충전재 시스템을 능가해 시너지 효과를 확인합니다. 우수한 성능은 연속적인 3DGN 네트워크와 RGO 작용기에 의한 개선된 계면 결합에서 기인합니다. 발란딘 모델(식 2)은 전도도를 열경계 저항(δ)과 연결합니다; 계산 결과 RGO-ER과 RGO-3DGN-ER의 δ가 유사해 RGO가 3DGN 표면에 상주함을 나타내며, 3DGN-ER의 δ는 젖음성 불량으로 더 높습니다.

고온 안정성 시험(그림 5a)에서 모든 복합체는 온도 상승에 따라 움클랍 산란 증가로 전도도가 감소합니다. 그러나 RGO 첨가 시료는 더 민감한 카피차 산란 덕분에 더 나은 안정성을 유지합니다. 장기 사이클링(240시간) 결과 모든 복합체에서 <10% 열화로 견고한 열 성능을 확인했습니다.

기계적 시험(보충자료 표 S1 추가 데이터)은 3DGN-ER과 RGO-3DGN-ER 모두 높은 극한 강도와 신율을 유지함을 보여줍니다. 이는 연속적인 3DGN 골격과 표면 결합 RGO의 무시할 만한 방해 덕분입니다.

결론

3DGN의 연속적인 포논 네트워크와 RGO 나노시트의 계면 결합을 활용하는 RGO-3DGN-ER TIM을 성공적으로 제작했습니다. 9 wt% 3DGN과 1 wt% RGO를 포함할 때 복합체는 ~4.6 W m⁻¹ K⁻¹에 도달해 10 wt% 3DGN 또는 10 wt% RGO 단독 대비 각각 10%와 36% 높으며, 우수한 기계적 특성과 열안정성(100°C에서 ≤25% 전도도 손실)을 유지합니다. 이 결과는 공동 변형 그래핀 복합체가 첨단 전자 응용 분야의 고성능 TIM으로서의 가능성을 강조합니다.