전기전자 포논 충돌 간의 거리를 계산하는 툴

2015.06.09 20:30

포논 충돌 간의 거리를 계산하는 툴 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060091&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-08

현대 컴퓨터칩에는 매우 작은 수십억 개의 트랜지스터들이 손톱만한 폭의 실리콘 기판 위에 빽빽하게 놓어져 있다. 수십 나노미터 정도의 폭을 갖는 각각의 트랜지스터는 스위치로서 동작하며 다른 트랜지스터들과 협력하여 컴퓨터의 동작을 수행하게 된다. 트랜지스터가 조밀하게 놓여진 것들이 신호를 여기저기로 전송하게 되면, 열이 발생하게 된다. 그래서 칩이 너무 뜨거워지게 되면, 전자제품이 과열될 수 있게 된다.

제조업체들은 일반적으로 컴퓨터칩 내에서 트랜지스터의 온도 상승을 측정하기 위해 고전적인 확산 이론을 적용하고 있다. 그러나 현재 MIT 엔지니어들이 실행한 실험에 의하면 이러한 일반적인 이론이 매우 초소형 규모의 길이에서는 유지될 수 없다고 한다. 이 연구그룹의 실험결과는 확산 이론이 컴퓨터칩의 트랜지스터와 같은 나노규모의 열 소스에 대한 온도 상승을 과소평가하고 있다는 것을 보여주는 것이다. 이러한 계산 착오는 칩과 다른 마이크로 전자기기들의 신뢰성과 성능에 영향을 줄 수 있다.

“열 소스가 매우 작을 때, 기기의 온도 상승을 산출하기 위해서 확산이론을 사용할 수 없다는 것을 우리가 증명하였다. 온도 상승은 확산 예상보다 더 높아지게 된다. 마이크로전자에서 당신은 이러한 일들이 일어나는 것을 원치 않을 것이다. 그러므로 이것은 마이크로 전자에서 온도 문제의 모델링 방법에 관하여 사람들이 생각하는 것을 변화시켜주게 될 것”이라고 MIT 기계공학과의 학과장인 Gang Chen 교수가 말했다.

이 연구그룹에는 MIT의 대학원생인 Lingping Zeng과 연구교수인 Mildred Dresselhaus, LA 캘리포니아대학교(University of California at Los Angeles)의 Yongjie Hu 및 칼텍(Caltech)의 Austin Minnich가 참여하고 있다. 이들은 이 연구결과를 이번 주에 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널에 발표하였다.

Chen과 그의 동료들은 물질 내에서 히트 캐리어(heat carriers)의 평균자유행로(mean free path) 확산을 측정하기 위해서 실험을 한 뒤에 결과에 이르게 되었다. 반도체와 유전체에서 열은 일반적으로 포논의 형태를 따라서 흘러가게 된다. 즉, 이것은 물질을 통해서 열을 전달하고, 이와 같이 전달을 하는 동안에 다양한 산란을 겪게 되는 파동 입자이다. 포논의 평균자유행로는 포논이 다른 입자와 충돌하기 전에 열을 전달할 수 있는 경로이다. 그래서 포논의 평균자유행로가 더 길어짐에 따라서, 열을 더 잘 전달하거나 전도될 수 있게 되는 것이다.

평균자유행로가 몇 나노미터부터 마이크론의 길이를 갖는 주어진 물질에서 포논에서 포논으로 다양해지게 될 때, 이 물질들은 평균자유행로, 즉, 경로를 보여주는 것이다. MIT 파워공학과의 Carl Richard Soderberg Professor인 Chen은 이러한 확산의 측정이 물질들의 열전달 능력에 대한 더 자세한 내용을 제공해줄 수 있다고 확신하였다. 그래서 연구원들은 물질을 측정할 수 있기 때문에, 포논이 움직이는 거리에 제한을 갖는 나노구조와 같은 것을 사용할 수 있게 될 것이다.

연구그룹은 여러 가지 기술적으로 흥미 있는 물질들에 평균자유행로를 측정하기 위해서 기본 구조와 툴을 만들려는 시도를 진행하고 있다. 확산 체계와 유사방탄(quasiballistic) 체계라는 두 가지의 열 전달 체계가 있다. 전자는 벌크 열전도성이 되돌아오기 때문에 중요한 평균자유행로 확산이 감추어지게 된다. 포논의 평균자유행로를 연구하기 위해서 연구원들은 유사방탄 체계를 액세스하기 위한 포논의 평균자유행로를 작은 열소스와 비교할 필요가 있다는 것을 알게 되었다. 이때, 더 큰 열소스들이 필수적으로 개별적인 포논의 효과를 감추게 되는 것이다.

나노규모의 열소스를 만드는 것은 중요한 도전이 되었다. 레이저는 빛 파장의 크기만을 알아내는데 초점이 맞추어질 수 있다. 이것은 몇몇 포논에서 평균자유행로 크기의 10배 이상을 갖는 약 1마이크론 정도이다. 훨씬 더 세밀한 영역에서 레이저 빛 에너지를 집중하기 위해서 연구팀은 다양한 크기의 알루미늄 점을 패턴화하였다. 이것은 수십 마이크로미터에서 30마이크로미터 정도였으며, 실리콘, 실리콘 게르마늄 합금, 갈륨비소, 질화 칼륨 및 사파이어의 표면을 따라서 만들어지게 된다. 각각의 점은 레이저의 열을 흡수하고 집중시키게 되기 때문에, 포논과 같은 기본 물질들을 따라서 흘러가게 된다.

이 실험에서 Chen과 그의 동료들은 알루미늄 점의 크기를 다양화할 수 있는 마이크로제조방법을 사용하였으며, 물질로부터 반사된 펄스 레이저의 감쇠를 측정하였다. 이것은 물질 내에서 직접적으로 열전달을 측정한 것이다. 그들은 열 소스의 크기가 점점 작아짐에 따라서 온도 상승이 확산이론에서 벗어난다는 것을 발견하였다.

그들은 열 소스인 금속 점이 점차 작아짐에 따라서 점과 떨어져 있는 포논이 산란되지 않고 기본 물질을 따라서 움직이는 탄도와 같은 경향이 발생하게 된다고 분석하였다. 이러한 경우에 포논이 물질들의 열 전도에 크게 영향을 미치지 않게 된다. 그러나 동일한 물질에서 열소스가 점차 커지게 되면, 포논은 다른 포논들과 충돌을 하게 되며, 거의 산란하게 된다. 이러한 경우에 현재 사용되고 있는 확산이론이 유효한 것이 된다.

각 물질들을 위해서 연구원들은 평균자유행로의 확산을 표시하였으며, 물질들의 히터 크기에 기반한 열 전도성을 통하여 재구성하게 되었다. 전체적으로 그들은 예상된 새로운 열전도 그림을 볼 수 있었다. 일반적일 때, 고전적인 확산 이론은 대규모의 열소스에 적용할 수 있지만, 작은 열소스에는 적용할 수 없었다. 열소스의 크기가 다양해짐에 따라서, Chen과 그의 동료들은 포논이 충돌을 통해서 얼마나 멀리 움직일 수 있는지에 대한 지도를 그렸으며, 그것들이 열 전도에 얼마나 기여하는지를 정리하게 되었다.

Zeng은 연구그룹의 실험적인 설정이 더 나은 이해를 위해서 사용될 수 있으며, 잠재적으로 물질의 온도전도성을 조정하는데 사용될 수 있을 것이라고 말했다. 예를 들어, 엔지니어들이 특정한 열 특성을 가진 물질들을 원한다면, 평균자유행로는 물질 내에서 특정한 산란의 중심을 디자인할 수 있는 청사진의 역할을 할 수 있을 것이다. 그래서 빠르게 포논 충돌이 발생하는 지점에서 열 전도가 흩어지게 되며, 열을 전달하는 능력이 감소되는 것이다. 이러한 효과가 컴퓨터 칩을 냉각시키는데 바람직하지 않을지라도, 그것들은 열전기기에 적합할 것이며, 열을 전기로 변환하게 될 것이다. 이러한 애플리케이션에서는 전기적으로는 전도성을 갖게 되지만 온도적으로 절연되는 물질이 바람직하다.

“중요한 것은 우리가 평균자유행로 확산을 측정할 수 있는 분광학적 툴을 가지게 되었다는 것이다. 그리고 이러한 확산은 많은 기술적 애플리케이션에서 중요한 것이 될 것”이라고 Zeng이 말했다.

이 연구는 MIT 고체상태 태양열 에너지변환센터(Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center)에서 지원을 받았으며, 미국에너지부(U.S. Department of Energy)로부터 연구비를 지원받고 있다.

[출처] http://newsoffice.mit.edu/2015/measuring-distance-between-phonon-collisions-0601

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