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반도체 소자 내 과열 해결방법 제시
최근 반도체 소자의 소형화로 인해 과열점(hot spot)에서 발생한 열이 효과적으로 분산되지 않아 소자의 신뢰성과 내구성이 저하되고 있다. 기존의 열관리 기술만으로는 심각해지는 발열 문제를 관리하는 데 한계가 있으며, 소자가 더욱 집적화됨에 따라 전통적 열관리 기술에서 탈피해 극한 스케일에서의 열전달 현상에 대한 근본적 이해를 바탕으로 한 접근이 필요하다. 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견해 해결책을 제시하여 화제다.
우리 대학 기계공학과 이봉재 교수 연구팀이 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는 데 성공했다고 밝혔다.
☞ 표면 플라즈몬 폴라리톤: 유전체와 금속의 경계면의 전자기장과 금속 표면의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자들이 강하게 상호작용한 결과로, 금속 표면에 형성되는 표면파(surface wave)를 의미한다.
연구팀은 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다. 이 새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에, 소자 제작과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 반경이 약 3cm인 100나노미터 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25% 증가함을 보였다.
연구를 주도한 이봉재 교수는 "이번 연구의 의의는 공정난이도가 낮은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 일어나는 표면파에 의한 새로운 열전달 모드를 세계 최초로 규명한 것으로, 이는 초고발열 반도체 소자 내 과열점 바로 근처에서 효과적으로 열을 분산시킬 수 있는 나노스케일 열 분산기(heat spreader)로 응용 가능하다ˮ고 말했다.
연구팀의 연구는 나노스케일 두께의 박막에서 열을 평면 방향으로 빠르게 분산시키는데 적용될 수 있다는 점에서 향후 고성능 반도체 소자 개발에 시사하는 바가 크다. 특히, 나노스케일 두께에서는 경계 산란에 의해 박막의 열전도도가 감소하는데, 연구팀이 규명한 이 새로운 열전달 모드는 오히려 나노스케일 두께에서 효과적인 열전달을 가능하게 해 반도체 소자 단위 열관리의 근본적인 문제를 해결해 줄 것으로 기대된다.
이번 연구는 국제학술지 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 4월 26일 字에 온라인 게재됐으며, 편집자 추천 논문(Editors' Suggestion)에 선정됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.05.18 조회수 5397 -
이봉재, 이승섭 교수, 금속-유전체 간 근접장 복사열전달량 제어 기술 개발
〈 왼쪽 위부터 시계방향으로 이승섭 교수, 이봉재 교수, 임미경 박사, 송재만 박사과정 〉
우리 대학 기계공학과 이봉재 교수와 이승섭 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정하고 제어하는 데 성공했다.
연구팀의 복사열전달 제어 기술은 차세대 반도체 패키징과 열광전지, 열관리 시스템 등에 적용 가능하고 폐열의 재사용을 통한 에너지 절감, 사물인터넷 센서의 지속적 전력 공급원 등에 응용 가능할 것으로 기대된다.
임미경 박사와 송재만 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 16일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Tailoring Near-Field Thermal Radiation between Metallo-Dielectric Multilayers using Coupled Surface Plasmon Polaritons, 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링을 이용한 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달 제어)
두 물체 사이의 거리가 나노미터 단위일 때 물체 사이의 복사열전달은 거리가 가까워질수록 매우 크게 증가한다. 그 값은 복사열전달량의 이론적인 최댓값이라 여겨졌던 흑체 복사열전달량보다 1천 배에서 1만 배 이상 커질 수 있다. 이 현상을 근접장 복사열전달이라고 한다.
최근 나노기술의 발전으로 다양한 물질 사이의 근접장 복사열전달을 규명하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어가 가능해진다.
이런 이유로 박막, 다층나노구조, 나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 계속 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다.
이봉재, 이승섭 교수 공동 연구팀은 커스텀 MEMS 장치 통합 플랫픔과 3축 위치 나노제어 시스템을 이용해 금속-유전체 다층나노구조 사이의 진공 거리에 따른 근접장 복사열전달량을 최초로 측정하는 데 성공했다.
금속-유전체 다층나노구조는 일정한 두께를 갖는 금속과 유전체가 반복적으로 쌓인 구조를 말한다. 금속-유전체 단일 층 쌍을 단위 셀이라 부르며 단위 셀에서 금속 층이 차지하는 두께의 비율을 충전인자라 한다.
연구팀은 다층나노구조의 충전인자와 단위 셀 개수의 변화에 따른 근접장 복사열전달량 측정 결과를 통해 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링으로 근접장 복사열전달량을 크게 향상시켰으며, 나아가 열전달의 파장별 제어가 가능함을 증명했다.
연구를 주도한 이봉재 교수는 “그동안 실험적으로 규명된 등방성 물질은 근접장 복사열전달의 파장별 제어에 한계가 있었다”며 “이번에 밝혀낸 다층나노구조를 사용한 근접장 복사열전달 제어 기술은 열광전지, 다이오드, 복사냉각 등 다양한 근접장 복사열전달 적용 장치 개발에 첫걸음이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 근접장 복사열전달 측정 3차원 개념도와 개발한 장치
그림2. 금속-유전체 다층나노구조의 충전 인자에 따른 복사 열전달량 분석 결과
2018.11.14 조회수 11201