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400℃에서 작동하는 열 다이오드 개발

  • 2017.05.08.
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컴퓨터를 개발해서 지금까지 사용하면서 발생한 가장 큰 문제 중 하나는 어떻게 하면 컴퓨터를 냉각시키느냐 하는 것이다. 컴퓨터가 뜨거워지면 꺼지거나 수명이 줄어들기 때문이다.

컴퓨터를 켜면 데스크 탑이나 노트북이나 바람부는 소리가 나는데, 이것은 냉각용의 작은 선풍기를 돌리면서 나는 소리이다.

그런데 컴퓨터에서 발생하는 열을 꼭 비용을 들여 냉각시켜야 할까? 열을 다른 방식으로 잘 이용할 수는 없을까? 이것이 바로 네브라스카-링컨대학(University of Nebraska–Lincoln)의 두 엔지니어들이 한 생각이다.

미국 네브라스카-링컨대학 연구팀 발표

과학자들이 지금까지 나온 것 중 가장 높은 온도에서 가동하는 열다이오드(thermal diode)를 개발했다. 이 열 다이오드는 아마도 미래에 열컴퓨터를 개발하는데 사용될 가능성이 있어서 관심을 끈다.

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시디 엔다오(오른쪽)와 대학원생인 마무드 엘주카. ⓒ UNIVERSITY OF NEBRASKA–LINCOLN

이 대학 기계 및 재료공학과 조교수인 시디 엔다오(Sidy Ndao)와 대학원생인 마무드 엘주카(Mahmoud Elzouka) 연구팀이 개발한 나노서멀메커니컬(NanoThermoMechanical) 메모리 및 논리장치는 데이터를 처리하고 기록하는데 전기 대신 열을 사용한다.

전기가 없는 곳에서도 열을 가지고 컴퓨팅을 할 수 있다. 예를 들어 금성을 탐사하려면 400 °C이상의 고열이 발생하는데 이때 따로 전기를 만들지 않아도 된다. 물론 열 배터리를 개발해서 폐열을 회수해서 사용하는데 이용할 수도 있다.

열 다이오드는 열이 한쪽 방향으로만 흐르도록 하는 장치이다. 전기다이오드가 전기를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 것과 같다. 전기 다이오드는 전기가 흐르게 했다가 멈추게 했다가 하는 방식으로 0과 1의 2진수를 표시할 수 있다.

이번에 개발한 새 열다이오드는 ‘고정 터미널’과 ‘정지 터미널’이라는 두 개의 표면사이의 거리를 통제하면서 열 전달을 통제한다. 이들이 개발한 열다이오드는 열, 이격거리, 열전달 비율, 그리고 열흐름의 방향 등 4가지 요소를 열다이오드에 이용한 첫 번째 사례라고 피스오르그(phys.org)는 보도했다.

이들이 개발한 열다이오드는 24개 쌍의 고정 및 이동 터미널로 구성되어있다. 그리고 각 터미널의 온도를 독립적으로 측정하면서 조절할 수 있는 2개의 매우 얇은 백금 소형 히터(microheater)로 구성되어 있다.

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열다이오드의 개념도 ⓒ UNIVERSITY OF NEBRASKA–LINCOLN

고정 터미널이 이동 터미널 보다 뜨거울 때, 이격거리는 늘어나면서 열전달율은 낮아진다. 반대로 이동 터미널이 고정 터미널보다 뜨거울 땐, 두 터미널 사이가 가까워지면서 이격거리가 줄어 열전달율이 높아진다.

이같은 열전달은 물리적으로 근거리열복사(near-field thermal radiation)라고 부르는 프로세스에 따라 발생한다. 근거리열복사 현상은 아주 가까운 두 공간표면 사이의 소실성표면파의 터널링효과에서 나온다.

이번 연구는 근거리열복사 현상으로 높은 온도에서 열다이오드가 작동하는 것을 보여주는 첫 번째 연구이다. 지금까지는 나노 스케일의 이격거리를 조절하기 어려운 기술적 난제를 극복하지 못했다.

이번 연구의 또다른 장점은 특별한 재료를 필요로 하지 않고 이미 반도체산업에서 많이 이용하는 재료를 사용한 것이라고 피스오르그는 설명했다.

시디 엔다오는 대학에서 발표한 보도자료에서 “열과 전기는 많은 부분에서 비슷하기 때문에 전기가 하는 일은 열도 할 수 있다”고 말했다. 엔다오는 “기본적으로 열과 전기는 모두 에너지를 전달하는 통로이다. 만약 열을 통제할 수 있다면 우리는 그 열로 컴퓨터를 가동하는데 사용할 수 있으며 과열문제를 해결할 수 있다”고 덧붙였다.

엔다오와 마무드 엘주카가 쓴 논문은 사이언틱 리포츠 저널 3월호에 게재됐다. 이 논문에서 두 사람은 자기들이 개발한 장치가 약 400℃에서 작동한다고 발표했다.

엔다오는 이 장치가 궁극적으로는 최고 720℃에서도 작동할 것으로 예상했는데 이 온도는 많은 산업계에서 중요한 의미를 갖는 온도이다.

엔다오는 “우리는 말하자면 열 컴퓨터의 핵심 부품을 개발한 것과 같다”고 설명했다. 예를 들어서 높은 열이 나오는 우주개발이나 지구내부 탐사, 유정개발 등 매우 다양한 분야에 응용이 가능하기 때문이다. 열컴퓨터는 지금까지는 할 수 없었던 실제 현장에서 데이터를 처리하고 계산을 할 수 있게 된다.

나노기술 이용, 열전달 효율 높여

열다이오드는 낭비되는 에너지의 양을 줄이는데도 도움을 준다. 미국에서 소비되는 에너지의 거의 60%는 열로 낭비되는 것으로 추정된다. 만약 이 열을 다스려서 열컴퓨터로 활용한다면 에너지의 낭비를 줄이면서 에너지 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

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열다이오드 장치 ⓒ UNIVERSITY OF NEBRASKA–LINCOLN

다음 단계로 연구팀은 좀 더 효율적으로 가동하는 열다이오드로 만들어 실제로 높은 온도에서 가동하는 컴퓨터를 만들어보는 수준이 될 것이다.

연구팀은 이에 대한 특허를 출원했으나, 엘주카는 “아직 다이오드의 성능을 개선하는 작업이 남아있다”고 말했다.

엔다오는 “세계에서 최로초 열 컴퓨터를 개발하기를 원한다”면서 “아마 어느날엔 열컴퓨터가 우주의 신비를 풀어주고, 지구 내부지질학을 탐사하면서 낭비되는 열을 이용하는 데 이용될 것”이라고 전망했다.

출처
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