KAIST 연구진, 반도체 소자 내 과열 해결법 제시

티타늄 박막의 열전도도 측정 원리에 대한 개략도와 티타늄 박막의 표면 플라즈몬 폴라리톤 열전도도 측정 결과(KAIST 제공)

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 반도체 소자 내 과열을 해결할 방법을 제시했다.

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 이봉재 교수 연구팀이 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

최근 반도체 소자의 소형화로 인해 과열점에서 발생한 열이 효과적으로 분산되지 않아 소자의 신뢰성과 내구성이 저하되고 있다.

기존의 열관리 기술만으로는 심각해지는 발열 문제를 관리하는 데 한계가 있고, 소자가 더욱 집적화됨에 따라 전통적 열관리 기술에서 탈피해 극한 스케일에서의 열전달 현상에 대한 근본적 이해를 바탕으로 한 접근이 필요하다.

이에 연구팀은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견해 해결책을 제시했다.

연구팀은 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다.

새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에 소자 제작과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작 가능하다는 장점이 있다.

반경이 약 3cm인 100nm(1nm=10억 분의 1m) 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25% 증가함을 보였다.

이번 연구는 나노스케일 두께의 박막에서 열을 평면 방향으로 빠르게 분산시키는데 적용될 수 있다는 점에서 향후 고성능 반도체 소자 개발에 시사하는 바가 크다.

이봉재 KAIST 교수

이봉재 교수는 "이번 연구의 의의는 공정난이도가 낮은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 일어나는 표면파에 의한 새로운 열전달 모드를 세계 최초로 규명한 것"이라며 "이는 초고발열 반도체 소자 내 과열점 바로 근처에서 효과적으로 열을 분산시킬 수 있는 나노스케일 열 분산기로 응용 가능하다"고 말했다.

한국연구재단의 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 4월 26일 게재됐다. 또 편집자 추천 논문(Editors' Suggestion)에 선정됐다.

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