새로운 이방성 필름으로 트랜지스터를 더 가깝게 묶을 수 있음

Oct 28, 2023

트랜지스터를 서로 가깝게 포장하면 장치가 열에 튀는 문제가 발생합니다. 이제 과학자들은 열을 한 방향으로 전도하는 동시에 다른 방향의 주변 환경으로부터 열을 절연시키는 최고의 인공 재료를 개발했습니다. 이 연구는 언젠가 과열로 인한 손상 없이 마이크로칩이 더욱 강력해지는 데 도움이 될 수 있습니다.

전자 장치가 계속해서 소형화됨에 따라 주어진 공간에서 더 많은 양의 열이 발생하므로 열 제어가 전자 설계의 주요 과제가 됩니다. "컴퓨터나 노트북이 과열되면 안전 문제가 될 수 있습니다."라고 시카고 대학의 분자 엔지니어인 연구 주저자 Shi En Kim은 말합니다.

열 관리 분야의 최근 발전에는 소위 이방성 열 전도체가 포함됩니다. 이러한 물질에서는 열이 다른 방향보다 한 방향으로 더 빠르게 흐릅니다.

다수의 천연 결정 구조는 강력한 이방성 열 전도체입니다. 예를 들어 흑연의 경우 열은 느린 축보다 빠른 축을 따라 약 340배 빠르게 전달됩니다. 그러나 이러한 천연 재료는 대규모 제조 기술에 사용하기 어려운 경우가 많으며 장치에 바람직한 전기적 또는 광학적 특성이 부족할 수 있습니다. 대조적으로, 대부분의 인공적으로 구조화된 재료는 열악한 이방성 열 전도체이며, 상온에서 빠르고 느린 열 흐름 비율이 20 미만인 경우가 많습니다.

이제 과학자들은 실온에서 최대 약 880의 빠르고 느린 열 흐름 비율을 갖는 인공 재료를 만들었습니다. 이는 지금까지 보고된 것 중 가장 높은 것 중 하나입니다. 그들은 네이처(Nature) 저널 9월 30일자에 자신들의 연구 결과를 자세히 게재했습니다.

비결은 원자적으로 얇은 층이 적층된 필름(이 경우에는 이황화 몰리브덴)으로 구성된 재료를 사용하는 것입니다. 층은 반 데르 발스 상호 작용으로 알려진 약한 전기력에 의해 서로 결합됩니다. 이는 종종 접착 테이프를 끈적하게 만드는 것과 동일한 힘입니다. 다른 층상 반 데르 발스 재료에는 흑연 및 소위 전이 금속 디칼코게나이드가 포함됩니다.

이황화 몰리브덴은 2차원에서는 열을 효율적으로 쌓지만 3차원에서는 그렇지 않습니다. 단열 효과의 핵심은 인접한 필름의 격자가 서로에 대해 회전하는 방식입니다. (체커보드 더미를 상상해 보세요. 각 보드는 회전하여 사각형 중 어느 것도 이웃의 사각형과 정렬되지 않습니다.)

이러한 스택에서 열의 주요 운반자는 결정 격자 구조의 진동으로 구성된 준입자인 포논입니다. 황화 몰리브덴의 인접한 필름이 적층되어 격자가 정렬되면 포논은 층 내에서 더 효율적이기는 하지만 모든 방향으로 쉽게 흐릅니다. 그러나 이러한 격자가 서로에 대해 회전하면 포논은 층 내에서만 효율적으로 흐릅니다.

과학자들이 이 스택을 사용하여 높이가 15나노미터, 너비가 100나노미터에 불과한 금 전극을 코팅했을 때 전극이 과열되지 않고 더 많은 전류를 전달할 수 있으며 열이 장치 표면에 도달하는 것을 차단할 수 있다는 것을 발견했습니다. “우리는 우리의 재료가 전자제품의 열 관리에 유용할 수 있다고 믿습니다.”라고 Kim은 말했습니다.

Kim은 이전에 재료의 대형 필름을 성장시키는 방법을 개발했기 때문에 이황화 몰리브덴을 실험하기로 결정했다고 지적합니다. 원칙적으로 그래핀과 같이 원자적으로 얇은 다른 재료로 만들어진 스택도 그와 같거나 더 나은 성능을 발휘할 수 있습니다. 향후 연구에서는 두 개 이상의 서로 다른 재료를 쌓아 만든 소위 이종 구조가 어떻게 작동하는지 조사할 수도 있다고 그녀는 말합니다.

Kim은 실험에 대해 "우리의 필름은 손으로 쌓기 때문에 매우 두꺼운 필름을 만드는 데 확장 가능한 방법이 아닙니다. 결국 이러한 재료는 실용적인 응용 프로그램을 가질 수 있지만 생산 확장을 위해서는 문제가 해결되어야 합니다."라고 주의를 줍니다.