차세대 방열 소재 '붕화 비소', 컴퓨터 냉각 성능 획기적 향상

컴퓨터 프로세서는 수년간 나노미터 규모로 축소되어 단일 칩에 수십억 개의 트랜지스터가 집적되었습니다. 트랜지스터 증가는 컴퓨터를 더 빠르고 강력하게 만들지만, 좁은 공간에 더 많은 열점을 생성합니다. 작동 중 열을 효율적으로 방출하지 못하면 프로세서 속도가 저하되고 신뢰할 수 없는 비효율적 컴퓨팅이 발생합니다. 또한 칩의 고농도 열과 치솟는 온도는 과열 방지를 위해 추가 에너지를 필요로 합니다.

결함 없는 붕화 비소: 다이아몬드·탄화규소 능가

초고열관리 소재인 결함 없는 붕화 비소(boron arsenide)가 개발되어, 다이아몬드와 탄화규소 같은 기존 금속이나 반도체 소재보다 열을 끌어당기고 방출하는 데 더 효과적임이 입증되었습니다. 연구진은 이 소재를 갈륨 나이트라이드 기반 최첨단 와이드밴드갭 트랜지스터인 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)가 장착된 컴퓨터 칩에 통합했습니다.

압도적 냉각 성능 입증

프로세서를 최대 용량에 가깝게 구동했을 때, 붕화 비소를 방열 스프레더로 사용한 칩은 실온에서 최대 87°C(188°F)까지 온도가 상승했습니다. 이는 다이아몬드를 사용한 칩(약 137°C/278°F)이나 탄화규소 칩(약 167°C/332°F)보다 현저히 낮은 수치입니다.

이 결과는 붕화 비소 소자가 기존 열관리 소재를 사용하는 프로세서보다 훨씬 높은 작동 전력을 유지할 수 있음을 명확히 보여줍니다. 붕화 비소는 우수한 열전도도를 보일 뿐만 아니라 낮은 열전달 저항도 나타내기 때문에 열관리에 이상적입니다. 열이 한 소재에서 다른 소재로 경계를 넘을 때 일반적으로 다음 소재로 들어가는 데 일정한 지연이 발생하지만, 붕화 비소는 열경계 저항이 매우 낮습니다.

붕화 인산도 우수한 방열 후보

팀은 또 다른 우수한 방열 스프레더 후보인 붕화 인산(boron phosphide)도 개발했습니다. 실험에서 연구진은 붕화 비소를 사용한 반도체 구조 구축 방법을 먼저 시연한 후, 이를 HEMT 칩 설계에 통합했습니다.