기록적 열전도체 발견: 탄탈륨 질화물로 칩 냉각 혁신 가능

중국과 미국 연구그룹들과 협력하여 TU 빈 연구팀이 최적의 열전도체를 찾기 위해 나섰습니다. 그들은 매우 특정한 형태의 탄탈륨 질화물에서 찾던 것을 마침내 발견했습니다. 다른 어떤 금속 물질보다 높은 열전도율을 가집니다. 이 기록적인 물질을 식별하기 위해 먼저 원자 수준에서 이러한 물질의 열전도에 어떤 과정이 역할을 하는지 분석해야 했습니다.

열전도의 두 가지 메커니즘

"기본적으로 물질에서 열이 전파되는 두 가지 메커니즘이 있습니다."라고 TU 빈 재료화학연구소의 게오르그 마드센(Georg Madsen) 교수는 설명합니다. "첫째, 물질을 통과하며 에너지를 운반하는 전자를 통해서입니다. 이는 양호한 전기 전도체에서 주요 메커니즘입니다. 둘째, 포논(phonon)을 통해서인데, 이는 물질 내 집단 격자 진동입니다. 원자가 움직여 다른 원자를 흔들게 합니다. 고온에서는 이러한 진동 전파를 통한 열전도가 보통 결정적인 효과입니다."

열전도 방해 요인들

하지만 전자도 격자 진동도 물질을 완전히 방해받지 않고 통과할 수는 없습니다. 열에너지 전파를 늦추는 다양한 과정이 있습니다. 전자와 격자 진동은 서로 상호작용하고, 산란되며, 물질의 불규칙성에 의해 멈출 수 있습니다. 어떤 경우에는 물질에 서로 다른 동위 원소가 내장되어 있어 열전도가 극적으로 제한될 수 있습니다. 이때 원자들이 정확히 같은 질량을 가지지 않아 원자들의 집단 진동 거동에 영향을 미칩니다.

"이러한 효과 중 일부는 억제될 수 있지만, 보통 모든 것을 동시에 억제할 수는 없습니다."라고 마드센은 말합니다. "두더지 잡기 게임 같습니다: 한 문제를 해결하면 동시에 다른 곳에서 새로운 문제가 생깁니다."

탄탈륨 질화물 θ-상의 탁월성

금속은 일반적으로 보통 수준의 열전도율을 가집니다. 가장 높은 열전도율을 가진 금속은 은이지만, 기록 보유 물질인 다이아몬드의 일부분에 불과합니다. 하지만 다이아몬드는 비싸고 가공이 매우 어렵습니다.

정교한 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 팀은 마침내 적합한 물질을 식별했습니다: 탄탈륨 질화물의 육방정 θ-상. 탄탈륨은 거의 다른 동위 원소가 없다는 점에서 특히 유리합니다. 자연적으로 존재하는 탄탈륨의 99.99% 이상이 탄탈륨-181 동위 원소이며 다른 변종은 거의 존재하지 않습니다.

"질소와의 결합과 특수한 원자 규모 기하학이 이 상을 금속으로 만들고, 열을 운반하는 진동이 다른 진동 및 전도 전자와 상호작용하는 것을 억제합니다. 바로 그 상호작용이 다른 물질에서 열전도를 억제합니다."라고 마드센은 말합니다. "이 물질에서는 그러한 상호작용이 에너지 보존 법칙을 위반하기 때문에 불가능합니다."

따라서 이 형태의 탄탈륨 질화물은 몇 가지 중요한 이점을 결합하여 은보다 몇 배 높고 다이아몬드에 버금가는 열전도율을 가진 기록적인 물질이 됩니다. 마드센에 따르면 탄탈륨 질화물은 칩 산업에 매우 유망한 소재입니다. "칩은 점점 작아지고 강력해지므로 열전도가 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다. θ-상 탄탈륨 질화물만큼 이 문제를 잘 해결하는 다른 물질은 없습니다."라고 그는 말했습니다.