보론 비소화물, 열 전달에서 다이아몬드를 앞섰다

휴스턴대학교 공학자들이 이끄는 국제 연구팀이 오랫동안 받아들여져 온 열전도 이론이 틀렸음을 입증했습니다. 이번 연구는 재료과학의 한계를 한층 넓혔으며 앞으로 몇 달 동안 관련 분야의 여러 혁신을 촉발할 수 있습니다. 과학계가 이를 중요한 이정표로 평가하는 이유와 핵심 내용을 살펴보겠습니다.

현대 전자기기에서 열전도율이 중요한 이유

이번 성과의 중요성을 이해하려면 오늘날 기술에서 열 차단 코팅이 맡는 핵심 역할을 알아야 합니다. 일반적으로 금속 부품에 적용되는 이 코팅은 중요 부품이 열에 노출되는 정도를 줄여 줍니다.

이 코팅이 만드는 열전도 장벽은 엔진의 내구성을 높이고 컴퓨터를 더 빠르게 만들며 여러 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 이러한 표면을 개선하려는 연구가 끊임없이 진행되고 있습니다. 합성 소재가 크게 발전했지만 지금까지는 자연 소재의 성능을 넘지 못했습니다.

다이아몬드

수십 년 동안 다이아몬드는 열전도에 가장 뛰어난 등방성 소재로 여겨졌습니다. 등방성 소재는 모든 결정학적 방향으로 열을 균일하게 분산한다는 특징이 있습니다. 다이아몬드는 강한 탄소-탄소 공유결합을 비롯한 여러 이유로 열 전달 성능이 매우 뛰어납니다.

다이아몬드의 열 전도체로서의 한계

다이아몬드 열 코팅에는 연구자들이 다른 소재를 계속 찾게 만드는 몇 가지 문제가 있습니다. 우선 다른 등방성 소재보다 비싸며 가공하기도 어렵습니다.

이러한 한계에도 빠른 방열이 절대적으로 중요한 분야에서는 다이아몬드가 계속 사용됩니다. 그러나 합성 소재로 다이아몬드의 성능을 뛰어넘을 수 있다고 보는 공학자가 늘고 있습니다. 최근 주목받는 소재 가운데 하나가 비화붕소입니다.

비화붕소(BAs)

비화붕소(BAs)는 과학자들이 붕소와 비소의 합성에 성공한 1959년에 처음 등장했습니다. 초기 실험은 수십 년 동안 진전이 없다가 2000년대 컴퓨터 모델링과 재료과학이 발전하면서 BAs가 잠재적 열전도체가 될 수 있다는 가능성이 새롭게 드러났습니다.

2013년 보스턴칼리지의 물리학자 David Broido는 BAs의 열전도율이 다이아몬드를 능가할 수 있다고 과감하게 예측했습니다. 그는 3-포논 산란 접근법을 사용할 경우 이 소재가 실온에서 2,200 W/m·K의 열전도율을 달성할 수 있음을 계산으로 보였습니다.

2015년 휴스턴대학교의 Zhifeng Ren 교수는 연구팀과 함께 실험실에서 BAs 결정을 성장시키고 시험하며 이 개념을 한 단계 발전시켰습니다. 여러 실험에서 단결정의 실온 열전도율 1,500 W/m·K를 달성했습니다.

이 수치는 BAs를 열전도율 면에서 다이아몬드에 근접한 2위로 올려놓았습니다. 또한 Broido가 앞서 예측한 실온 2,200 W/m·K의 최적 열전도율을 달성하기 위한 추가 연구를 촉진했습니다.

고순도 BAs 구현의 과제

이후 BAs를 열전도체로 활용하기 위한 연구가 이어졌습니다. 그러나 포논 산란 전략의 변화와 다른 문제로 측정 결과는 약 1,300 W/mK 수준에 머물렀습니다. 최근 연구는 이러한 한계의 원인과 이를 줄이는 방법을 밝혀냈습니다.

비화붕소 연구

학술지 Materials Today에 게재된 실온에서 2,100 W/m·K를 넘는 비화붕소의 열전도율¹ 연구는 공학자들이 비화붕소 단결정에서 실온 기준 전례 없는 2,100 W/m·K의 열전도율을 얻은 방법을 설명합니다.

문제는 무엇이었는가?

공학자들이 지적했듯 계산에는 문제가 없었지만 실험 결과는 기대에 미치지 못했습니다. 연구팀은 개선 지점을 찾기 위해 핵심 구성요소와 방법을 다시 검토했고, 전도율 손실의 주요 원인 가운데 하나가 불순물임을 확인했습니다.

출처 – Materials Today

등방성 소재에서 열은 결정학적 경로를 따라 전달됩니다. 이상적인 조건에서는 이 경로를 통해 열이 원활히 이동합니다. 그러나 이전 실험에 사용된 결정에는 성능을 떨어뜨리는 여러 결함이 있었습니다. 연구팀은 가능한 한 순수한 BAs를 성장시키는 작업에 착수했습니다.

불순물 없는 BAs 성장 방법

연구팀은 공정을 처음부터 다시 설계했습니다. 초고순도 비소로 시작한 뒤 불순물을 더욱 줄이는 4단계 합성 과정을 거쳤습니다.

다음 단계에서는 석영관을 완전히 세척했습니다. 공학자들은 아세톤, 에탄올, 탈이온수를 사용한 여러 차례의 초음파 세척 등 표준 반도체 세정 공정을 적용했습니다. 이후 남은 수분을 제거하기 위해 오븐에서 건조했습니다.

연구팀은 투과광을 이용해 열전도율과 불순물을 검사했습니다. 그 결과 개별 결정의 점결함 농도가 이전 시도보다 현저히 낮아졌음을 즉시 확인했습니다.

연구팀이 BAs 열전도율을 측정한 방법

연구팀은 매우 정밀한 여러 방법으로 결정의 열전도율을 측정했습니다. 먼저 시간영역 열반사법(TDTR)을 사용했습니다. 정확도를 높이기 위해 전자빔 증착으로 결정 표면에 100 nm 두께의 알루미늄 변환기 층을 입혔습니다.

이어 라만 분광법으로 결정에 남은 불순물을 확인했습니다. 두 측정 자료를 결합해 소재의 성능과 한계를 정확히 파악했으며, 그 결과는 열역학 연구의 향후 방향을 바꿀 만한 것이었습니다.

기록적인 열전도율 측정 결과

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시험 결과 BAs가 다이아몬드 수준의 열전도율을 달성할 수 있음이 입증됐습니다. 연구팀은 실온에서 2,100 W/mK를 기록했습니다. 라만 스펙트럼을 통해 T−1.8 의존성도 관찰할 수 있었으며, 이는 추가 연구와 성능 향상의 길을 열었습니다.

공학자들은 수정된 이론 계산을 활용하면 현재 일반적인 4-포논 산란 대신 4–8 THz 범위의 포논에 3-포논 산란을 적용하도록 공정을 조정할 수 있다고 설명했습니다. 연구팀은 이 접근법으로 300~400 K 구간의 온도 의존성을 측정하는 데 성공했습니다.

비화붕소의 장점

이번 연구는 여러 실용적 이점을 제공합니다. 다이아몬드는 비싸고 희귀하지만 BAs는 수요에 맞춰 생산할 수 있고 제조와 통합도 더 쉽습니다. 따라서 미래의 첨단 기기를 더욱 저렴하고 폭넓게 보급할 가능성을 엽니다.

반도체 소재로서의 비화붕소

예상 밖의 발견은 BAs가 우수한 반도체로도 작동한다는 점입니다. 시험 결과 이번에 만든 BAs는 전도율, 전하 운반자 이동도, 열팽창, 지원 가능한 밴드갭 등 여러 핵심 항목에서 실리콘보다 뛰어났습니다.

열 재료과학의 새로운 시대

이번 성과는 더 나은 결과를 얻기 위해 과학자들이 왜 계속 한계를 넓혀야 하는지를 보여 줍니다. 수십 년 동안 다이아몬드는 열전도율의 독보적인 기준이었습니다. 이제 과학계 전체가 기존 이론을 재검토해야 하며, 그 과정에서 과거에는 불가능하다고 여겼던 발전이 가능해질 수 있습니다.

비화붕소의 실제 적용 분야와 일정

이번 연구는 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 소재를 다이아몬드보다 저렴하고 안정적으로 합성할 수 있다면 차세대 열 관리 소재와 전자기기의 길이 열립니다. 제조업체의 열 관리 방식도 바뀔 수 있습니다. 주요 잠재적 응용 분야는 다음과 같습니다.

고출력 전자기기

노트북을 온종일 무릎 위에 놓아도 열이 느껴지지 않는 상황을 생각해 보십시오. 전도성이 매우 높은 열 장벽을 통합하면 첨단 휴대용 전자기기의 새 시대를 열 수 있습니다. 기기는 추가 냉각 시스템 없이도 더 빠르고 강력해질 수 있습니다.

전기차(EV) 및 전력 전자공학

BAs를 열전도체로 통합하면 전기차의 성능이 크게 향상될 수 있습니다. 제조업체는 차량을 더 가볍고 안전하게 만들 수 있고, 그 결과 한 번 충전으로 더 긴 주행거리를 확보할 수 있습니다. 장기적으로 전기차 비용을 낮출 가능성도 있습니다.

데이터 센터

데이터센터는 이 기술의 혜택을 가장 먼저 누릴 분야 가운데 하나입니다. AI 시장의 기록적인 성장으로 대규모 데이터센터 수요가 높아지고 있기 때문입니다. 이 기술은 앞으로 AI 분야의 성능과 역량, 운영비에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

비화붕소 상용화 일정

소비자는 앞으로 7~10년 안에 전자기기에서 이런 열 코팅을 접할 수 있습니다. 군사 및 특수 첨단기술 분야는 5년 이내 또는 그보다 일찍 소재를 도입할 가능성이 있습니다. 제조비가 훨씬 낮고 공급이 용이하다는 점은 통합 기간을 크게 단축할 것입니다.

비화붕소 연구진

실온에서 2,100 W/m·K를 넘는 비화붕소의 열전도율 연구는 캘리포니아대학교 산타바버라캠퍼스, 보스턴칼리지, 휴스턴대학교 등 여러 유수 기관이 참여한 공동 연구입니다.

논문에는 Zhifeng Ren 교수와 Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido, Ying Peng이 연구 기여자로 이름을 올렸습니다.

BAs 소재의 향후 연구 방향

이 중대한 성과에 도달하기까지 수년이 걸린 만큼 연구팀은 BAs의 열전도율을 더욱 높이는 작업을 계속할 것으로 예상됩니다. 앞으로는 비슷하거나 더 나은 결과를 낼 수 있는 다른 소재도 조사할 계획입니다.

열전도 소재 기업에 투자하기

열전도 코팅을 생산하는 기업은 많으며, 이들은 오늘날 첨단기술·운송·산업 부문에 필수적입니다. 다음은 선도적인 기술과 제품으로 시장에서 중요한 역할을 해 온 기업입니다.

Graphjet Technology

Graphjet Technology (GTI )는 2019년에 설립된 말레이시아의 흑연 제조업체로, 전기차와 전자기기 및 통신 시스템에 필요한 음극재와 기타 핵심 소재를 공급합니다.

Graphjet은 여러 측면에서 시장을 선도해 왔으며, 독자적인 지속가능성 접근법을 확대하기 위해 MIT와 맨체스터대학교를 비롯한 여러 기관과 전략적 협력 관계를 맺고 있습니다.

Graphjet Technology는 지속가능성을 사업의 중심에 둔다는 점에서 경쟁사와 차별화됩니다. 재활용 팜핵 껍질 형태의 농업 폐기물을 배터리급 흑연으로 전환하는 산업 규모 공정을 구축한 세계 최초의 제조업체입니다.

말레이시아 공장은 고순도 인조흑연, 단층 그래핀 및 기타 필수 소재를 생산합니다. 연간 폐기물 9,000톤을 흑연 3,000톤으로 전환할 수 있으며, 흑연 1kg당 CO₂ 배출량은 2.95kg에 불과해 대안 공정보다 83% 더 청정합니다.

이러한 요소는 Graphjet Technology에 대한 투자자의 관심을 계속 높이고 있습니다. 혁신적이고 지속가능한 제조업체 주식을 찾는 투자자는 Graphjet을 추가로 조사해 볼 수 있습니다.