나노기술 및 정책 정보

• 목록

높은 열전도성을 보유하고 있는 나노다공성 소재는 에너지 저장 및 전자 분야에서 직면하고 있는 여러 가지 도전적인 과제를 해결해 왔는데, 예를 들면 효과적인 흡착제로 사용되어 연료전지 자동차용 천연가스에 대한 신속한 저장을 실현하고, 대형 집적회로 속에서 효과적인 "저 유전체 상수 소재(Low dielectric constant materials)"로 사용되어 과잉 열량을 제거하는 역할을 발휘하고 있는 상황임.

하지만 나노다공성 소재는 밀착 퇴적된 소재에 비해 열전도율을 대폭 낮추고 있음. 예를 들면 나노다공성 실리콘의 열전도 계수(κ)는 약 0.56에서 3.0W m-1K-1 수준에 도달하지만 고체 상태 실리콘의 열전도 계수는 148W m-1 K-1 수준에 달하고 있음.

공유 원자가 유기 프레임워크 소재(COF)는 가벼운 원소의 분자 유기 구조 유닛으로 구성된 동시에 강한 공유 원자가로 결합된 결정형 고체에 속하며, 독특한 디자인 구조와 높은 공극률을 보유하고 있기 때문에 일종 전망이 거대한 다공성 소재로 부상하고 있음.

하지만 개발된 COF는 일반적으로 분산될 수 있을 뿐만 아니라 처리할 수 없는 입자 형태로 되어 있기 때문에 열전달에 지장을 주고 있는 상황임.

지금까지 COF의 κ 수치는 약 0.04에서 0.05W m-1 K-1 수준에 달하고 있기 때문에 양질의 단열재, 예를 들면 면(棉)(0.04W m-1 K-1) 등과 비교할 수 있는데, 주로 COF가 비교적 낮은 결정도, 한정된 입자 크기(일반적으로 50nm 미만임) 및 입자의 분산성을 보유하고 있지만 단결정 COF 입자를 한 개 통합체로 조립하여 높은 성능을 보유할 수 있도록 하는 과제는 지금까지 여전히 한 개 어려운 정도가 높은 도전적인 과제에 속하고 있음.

중국 쭝싼(中山, 중산) 대학교 쩡쯔쿤(鄭治坤) 교수 연구팀은 최근 중국 런민(人民, 인민) 대학교 천싼싼(陳珊珊, 진산산) 교수 연구팀, 드레스덴 대학교(Dresden University) Haoyuan, Qi 등 연구인원들과 공동 연구를 수행하고, 신형 나노다공성 및 높은 열전도 특성을 보유한 단결정 COF 밴드 필름인 SYSU-7을 개발하는데 성공함.

연구팀은 공기-물 인터페이스 위치에서 나노다공성 구조를 보유하고 있는 미크론(micron) 레벨의 단결정 COF 밴드의 특정 방향 성장을 실현하였으며, 동일한 조건 하에서 COFs 밴드의 서로 겹치는 웨이퍼 레벨의 필름을 형성하였는데 비정질(非晶質) 소재를 함유시키지 않은 상황임.

연구팀은 DFT 계산을 통해 SYSU-7의 다공성 결정체 구조를 예측한 동시에 전자 현미경과 방사 광각 X-레이 산란을 통해 표면 특징 분석을 실행하였음.

단결정을 특정 방향의 대 면적 필름 속에 퇴적시키고, COF 밴드 간의 공유원자가 연결을 발견하고, 전체 필름은 쉽게 이전시킨 동시에 목표 지지물과의 단단한 접촉을 실현하여 높은 열전도율을 취득함.

온도가 305K에 도달할 때 열전도율은 5.31±0.37 W m-1 K-1 수준에 도달하여 이미 보도된 COF의 열전도율보다 몇 개 수량 등급이나 높은 것으로 나타났으며, 지금까지 보도된 나노 다공성 소재 중에서 제일 높은 수치 결과 중의 하나에 속하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 단결정 COFs 조립에 대한 탐색 작업을 실행하고, 일종 높은 공극률과 높은 열전도율을 보유한 단결정 COF 밴드 필름인 SYSU-7을 합성하였는데 동 소재는 흡착, 분리, 촉매 등 각 분야에 응용될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society’ ("Nanoporous and Highly Thermal Conductive Thin Film of Single-Crystal Covalent Organic Frameworks Ribbons")에 게재됨.