전기기기 발열 막는 단서 발견…테슬라 밸브 원리 활용

일본 연구팀이 테슬라 밸브 원리를 활용해서 흑연 결정 내에 열 흐름을 제어하는 구조를 만들었다. Institute of Industrial Science, The University of Tokyo 제공

일본 연구팀이 테슬라 밸브 원리를 활용해 흑연(C) 결정 내에서 열 흐름을 제어하는 데 성공했다. 스마트폰이나 컴퓨터 등 전자기기의 발열 관리에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

노무라 마사히로 일본 도쿄대 산업과학연구소 교수팀이 테슬라 밸브 구조를 활용해 흑연 결정 내에서 열 전달을 제어할 수 있다는 사실을 밝혀내고 연구결과를 16일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다.

전자기기의 발열 현상은 기기 성능의 큰 걸림돌로 작용한다. 열을 효과적으로 식히는 능력에 따라 컴퓨터의 성능이 크게 좌우되지만 열 관리는 아직 해결이 까다로운 문제로 꼽힌다.

포논(Phonon)은 고체 결정에서 격자로 배치된 원자나 분자의 집단 진동을 표현한 '준입자'를 말한다. 입자 같은 성질을 가진 음파인 셈이다. 고체에서 열과 전기 전도 과정에서 포논의 전파가 중요한 역할을 한다.

포논이 고체 결정을 통과하는 현상은 유체의 흐름과 매우 유사해 '유체역학적 포논 수송'이라고 불린다. 연구팀은 포논의 움직임이 유체와 비슷하다는 점에 주목해 유체를 제어하는 '테슬라 밸브 구조'로 흑연 결정 안에서 열 흐름을 제어하는 실험을 진행했다.

테슬라 밸브는 약 100년 전 오스트리아 물리학자 니콜라 테슬라가 발명하고 특허를 낸 시스템이다. 유체의 특성을 활용해 기계장치 없이도 유체 흐름을 한쪽 방향으로만 더 빠르게 흐르도록 통제할 수 있다.

테슬라 밸브의 작동 원리. 위의 그림에서는 흐르는 유체 일부(빨간색)가 전체 흐름(검은색)을 막지만 아래 그림에서는 유체(파란색)가 방해 없이 흐른다. Cmglee/위키미디어 제공

연구팀은 90nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m) 두께의 흑연 결정 내에서 수십 ㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m) 수준의 테슬라 밸브 구조를 설계한 뒤 10K(캘빈, 절대온도로 0K은 -273.15℃)부터 300K까지 다양한 온도에서 순방향(방해 없이 흐르는 방향)과 역방향의 열전도도를 측정했다.

실험 결과 테슬라 밸브 구조는 포논을 통한 열 흐름에도 적용됐다. 10K의 낮은 온도에서는 순방향과 역방향의 열전도율이 같았지만 온도가 올라가면서 순방향으로 열이 더 잘 전도됐다. 45K에서 순방향이 역방향보다 열전도율이 15.2% 높아 차이가 가장 컸다. 고체 결정 내의 구조 설계만으로 열 흐름을 바꾸는 데 성공한 것이다. 

연구팀은 "60K까지 뚜렷한 차이를 나타내다가 고온에서는 포논 산란 현상으로 양방향의 열전도도가 동일해졌다"고 설명했다.

연구결과는 반도체 등 고체 결정 내에서 열을 고르게 분산시키는 데 활용될 수 있다. 연구팀은 "다양한 장치에 적용돼 스마트폰, 컴퓨터 등 전자 부품 성능을 최적화하는 첨단 열 관리 시스템 개발을 가능하게 할 것"이라고 기대했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-024-08052-1 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]