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[IT뉴스]자성으로 열 전달 조절…반도체 발열 줄일까

온카뱅크관리자

2026-10-26 16:27:25

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 자성을 이용해 전기 절연체의 열 전달 속도를 바꿀 수 있다는 연구결과가 발표됐다. 챗GPT 생성 이미지
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 국내 연구자들이 자성을 이용해 전기 절연체의 열 전달 속도를 바꿀 수 있다는 사실을 알아냈다. 반도체처럼 작은 부품이 집적되는 전자 소자에서 발생한 열을 효과적으로 배출하는 데 활용될 것으로 기대된다.
 광주과학기술원(GIST)은 이종석, 신동빈 물리·광과학과 교수팀이 한국표준과학연구원(표준연) 등 공동연구팀과 함께 자성을 띠는 금속막의 자기적 방향을 반대로 바꾸면 맞닿아 있는 전기 절연체에서 열이 전달되는 정도가 달라진다는 사실을 확인했다고 26일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 13일 게재됐다.
 전기가 통하지 않는 절연체에서는 고체를 이루는 원자들이 진동하며 주변으로 에너지를 전달하는 방식으로 열이 이동한다. 열을 운반하는 원자들의 집단적인 움직임을 '포논(phonon)'이라고 한다.
 포논 중에는 원자들이 회전하는 특성을 지닌 것도 있다. 연구팀은 회전하는 특성의 포논을 가지면서 동시에 '카이랄 구조'를 이루는 절연체에 주목했다. 카이랄은 화학적으로 동일한 물질이지만 왼손과 오른손처럼 서로 거울에 비친 형태를 가져 구조적으로는 구분되는 성질을 말한다.
 연구팀은 같은 물질로 구성된 절연체라도 카이랄 구조가 다르면 포논의 회전 특성이 다르게 나타날 수 있다고 예측했다. 똑같이 시계 방향으로 회전하더라도 왼손이 회전하는 모습과 오른손이 회전하는 모습이 다른 것과 유사한 원리다.
 연구팀은 코발트(Co)와 백금(Pt)을 여러 층으로 쌓은 자성 금속막을 카이랄 구조를 가진 석영 결정 위에 결합한 ‘자성체–카이랄 석영 결합 구조’를 제작했다. 카이랄 구조를 가진 석영은 '왼손형'과 '오른손형' 두 종류로 구분된다.
 금속은 내부 전자의 '스핀' 방향이 일정한 방향으로 정렬되면 자성을 띤다. '스핀'이란 전자가 고유하게 가진 각운동량이다.
 회전하는 물체가 갖는 운동의 세기인 각운동량을 가진 전자는 인접한 원자의 포논 회전에 영향을 미칠 수 있다. 자성 금속막 속 전자의 스핀은 맞닿아 있는 석영 원자의 포논 회전에 영향을 미친다.
 연구팀은 금속막의 자화 방향을 위쪽과 아래쪽으로 바꿔가며 왼손형 석영 결정과 오른손형 석영 결정의 열전달 특성을 비교했다. 금속막을 레이저로 가열한 뒤 시간에 따른 열의 이동을 측정하고 금속막과 석영이 맞닿은 부근에서 열이 얼마나 잘 전달되는지 나타내는 '유효 열전도도'를 분석했다.
 분석 결과 금속막의 자화 방향을 반대로 바꾸자 유효 열전도도가 달라졌다. 왼손형 석영에서는 자화 방향이 위쪽일 때, 오른손형 석영에서는 자화 방향이 아래쪽일 때 열이 더 잘 전달되는 것으로 나타났다.
 열전달 차이가 석영의 카이랄성과 관련이 있는지 확인하기 위해 석영과 마찬가지로 이산화규소로 이루어졌지만 원자들이 규칙적으로 배열되지 않은 ‘비정질 이산화규소’에서도 같은 실험을 진행했다.
 비정질 이산화규소에서는 자화 방향을 바꿔도 유효 열전도도가 거의 달라지지 않았다. 이는 규칙적인 원자 배열을 가진 석영에서 나타난 열전달 변화가 석영의 결정 구조와 관련이 있음을 뒷받침하는 결과다.
 연구팀은 온도를 달리해 자화 방향에 따른 열전달 차이를 비교했다. 자화 방향을 위쪽과 아래쪽으로 바꿨을 때 유효 열전도도의 최댓값과 최솟값은 상온에서 약 7% 차이가 났으며, 50캘빈(약 -223℃)에서는 그 차이가 약 20%로 커졌다.
 연구진은 온도가 낮아지면서 원자 진동 사이의 상호작용이 줄어들어, 진동의 회전 성향에 따른 열전달 차이가 더 뚜렷해진 것으로 분석했다.
 양자역학 등 기본 물리 법칙에 따른 계산 결과를 활용하는 ‘제일원리 기반 기계학습’ 시뮬레이션에서는 같은 오른손형 석영에서도 회전 방향에 따라 열이 전달되는 양상이 달랐다.
 신 교수는 "이번 연구는 자성체의 자화 방향에 따라 절연체의 열전달 특성이 달라진다는 사실을 확인하고 그 변화에 원자 진동의 회전 성향이 관여할 가능성을 제시한 성과"라고 말했다.
 &lt;참고자료&gt; doi: 10.1002/adma.75346
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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