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반도체 소자 내 과열 해결방법 제시
최근 반도체 소자의 소형화로 인해 과열점(hot spot)에서 발생한 열이 효과적으로 분산되지 않아 소자의 신뢰성과 내구성이 저하되고 있다. 기존의 열관리 기술만으로는 심각해지는 발열 문제를 관리하는 데 한계가 있으며, 소자가 더욱 집적화됨에 따라 전통적 열관리 기술에서 탈피해 극한 스케일에서의 열전달 현상에 대한 근본적 이해를 바탕으로 한 접근이 필요하다. 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견해 해결책을 제시하여 화제다. 우리 대학 기계공학과 이봉재 교수 연구팀이 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. ☞ 표면 플라즈몬 폴라리톤: 유전체와 금속의 경계면의 전자기장과 금속 표면의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자들이 강하게 상호작용한 결과로, 금속 표면에 형성되는 표면파(surface wave)를 의미한다. 연구팀은 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다. 이 새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에, 소자 제작과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 반경이 약 3cm인 100나노미터 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25% 증가함을 보였다. 연구를 주도한 이봉재 교수는 "이번 연구의 의의는 공정난이도가 낮은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 일어나는 표면파에 의한 새로운 열전달 모드를 세계 최초로 규명한 것으로, 이는 초고발열 반도체 소자 내 과열점 바로 근처에서 효과적으로 열을 분산시킬 수 있는 나노스케일 열 분산기(heat spreader)로 응용 가능하다ˮ고 말했다. 연구팀의 연구는 나노스케일 두께의 박막에서 열을 평면 방향으로 빠르게 분산시키는데 적용될 수 있다는 점에서 향후 고성능 반도체 소자 개발에 시사하는 바가 크다. 특히, 나노스케일 두께에서는 경계 산란에 의해 박막의 열전도도가 감소하는데, 연구팀이 규명한 이 새로운 열전달 모드는 오히려 나노스케일 두께에서 효과적인 열전달을 가능하게 해 반도체 소자 단위 열관리의 근본적인 문제를 해결해 줄 것으로 기대된다. 이번 연구는 국제학술지 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 4월 26일 字에 온라인 게재됐으며, 편집자 추천 논문(Editors' Suggestion)에 선정됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.05.18
조회수 2986
이봉재, 이승섭 교수, 금속-유전체 간 근접장 복사열전달량 제어 기술 개발
〈 왼쪽 위부터 시계방향으로 이승섭 교수, 이봉재 교수, 임미경 박사, 송재만 박사과정 〉 우리 대학 기계공학과 이봉재 교수와 이승섭 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정하고 제어하는 데 성공했다. 연구팀의 복사열전달 제어 기술은 차세대 반도체 패키징과 열광전지, 열관리 시스템 등에 적용 가능하고 폐열의 재사용을 통한 에너지 절감, 사물인터넷 센서의 지속적 전력 공급원 등에 응용 가능할 것으로 기대된다. 임미경 박사와 송재만 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 16일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Tailoring Near-Field Thermal Radiation between Metallo-Dielectric Multilayers using Coupled Surface Plasmon Polaritons, 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링을 이용한 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달 제어) 두 물체 사이의 거리가 나노미터 단위일 때 물체 사이의 복사열전달은 거리가 가까워질수록 매우 크게 증가한다. 그 값은 복사열전달량의 이론적인 최댓값이라 여겨졌던 흑체 복사열전달량보다 1천 배에서 1만 배 이상 커질 수 있다. 이 현상을 근접장 복사열전달이라고 한다. 최근 나노기술의 발전으로 다양한 물질 사이의 근접장 복사열전달을 규명하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어가 가능해진다. 이런 이유로 박막, 다층나노구조, 나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 계속 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다. 이봉재, 이승섭 교수 공동 연구팀은 커스텀 MEMS 장치 통합 플랫픔과 3축 위치 나노제어 시스템을 이용해 금속-유전체 다층나노구조 사이의 진공 거리에 따른 근접장 복사열전달량을 최초로 측정하는 데 성공했다. 금속-유전체 다층나노구조는 일정한 두께를 갖는 금속과 유전체가 반복적으로 쌓인 구조를 말한다. 금속-유전체 단일 층 쌍을 단위 셀이라 부르며 단위 셀에서 금속 층이 차지하는 두께의 비율을 충전인자라 한다. 연구팀은 다층나노구조의 충전인자와 단위 셀 개수의 변화에 따른 근접장 복사열전달량 측정 결과를 통해 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링으로 근접장 복사열전달량을 크게 향상시켰으며, 나아가 열전달의 파장별 제어가 가능함을 증명했다. 연구를 주도한 이봉재 교수는 “그동안 실험적으로 규명된 등방성 물질은 근접장 복사열전달의 파장별 제어에 한계가 있었다”며 “이번에 밝혀낸 다층나노구조를 사용한 근접장 복사열전달 제어 기술은 열광전지, 다이오드, 복사냉각 등 다양한 근접장 복사열전달 적용 장치 개발에 첫걸음이 될 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 근접장 복사열전달 측정 3차원 개념도와 개발한 장치 그림2. 금속-유전체 다층나노구조의 충전 인자에 따른 복사 열전달량 분석 결과
2018.11.14
조회수 9186
백승욱 교수, 국제 복사 열전달 학회 기여업적상 수상
〈 백 승 욱 교수 〉 우리 대학 항공우주공학과 백승욱 교수가 지난 6월 9일 터키 카파도키아에서 열린 국제 복사 열전달 학회에서 기여업적상(Achievement award of the significant contribution to radiation transfer)을 수상했다. 국제 복사 연전달 학회는 전 세계 연구자들이 복사 열전달 분야의 연구 결과를 발표하고 토론하는 국제 학회이다. 국제 열‧물질 전달센터(ICHMT)가 주최하는 이 학회는 1968년 시작돼 지금까지 이어지고 있으며 열 및 물질 전달을 연구하는 과학자와 공학자들이 모여 우수한 성과를 사회에 환원하기 위한 다양한 노력을 수행한다. 기여업적상은 국제 복사 열전달 학회에서 관련 분야의 전체 연구자를 대상으로 연구 활동의 파급력, 학계 발전 기여도, 후학 양성 등을 종합해 4년에 한 번 수상자를 배출한다. 백 교수는 1985년 우리 대학에 부임 후 30년 간 국제학술지 논문 150편, 국제학회 논문 176편, 국내학술지 논문 100편, 국내학회 논문 136편을 발표했다. 이를 통해 복사 열전달 분야의 연구 역량과 수준을 높이면서 외연확장을 위한 선도적 역할을 수행한 공을 인정받았다. 백 교수의 주요 연구주제로는 고체 입자 또는 기체가 복사 특성에 미치는 영향, 재연소 과정에서의 복사 열전달, 복사에 의한 점화 및 화염 확산 과정 등이 있고, 역해석 기법을 활용한 복사 열전달 연구로 양질의 논문을 발표했다. 이번 학회에서는 ‘연소 현상의 열복사 특성’이라는 제목으로 지금까지의 연구 성과를 발표하는 기조 연설자로도 선정됐다.
2016.07.07
조회수 9147
김종현 교수 미국 기계공학회에서 2개의 상 수상
원자력 및 양자공학과 김종현 석좌교수가 미국 기계공학회(ASME)로부터 공로상을 최근 수상했다. 이 상은 탁월한 연구성과, 모범적인 리더십, 그리고 ASME에 지속적으로 헌신 봉사를 한 개인에게 수여된다. 김교수는 지속적이고 모범적인 봉사, 리더쉽 및 학술적 공헌을 인정받아 이 상을 수상했다. 또한, ASME는 김교수를 열전달 기념상의 수상자로 선정되었다고 발표했다. 이 상은 오는 11월에 열리는 ASME 총 연차대회에서 수여될 예정이다. 이 상은 열전달 분야의 교육, 연구, 활용 및 설계 등을 통하여 탁월한 공헌을 한 사람에게 수여된다. 김교수는 열전달과 열공학의 과학, 기술, 기예를 산업체에 창조적으로 응용하여 우수하고 영향력 있는 공헌을 한 것을 인정받아 이 상의 수상자로 선정됐다. 김교수는 ASME의 열전달분과 위원장을 맡는 동안에 산업체의 참여를 증진시키고 국제교류를 확대시켰다. 또한, 웹을 이용한 학술대회 개최의 조직화를 주도하여 ASME의 모든 학술대회 개최 표준화의 초석이 되는 데 공헌했다. 김교수는 특히 원자력 산업에서 심각한 안정성 문제를 야기시킬 수 있는 기술적으로 매우 어렵고 중요한 몇 가지 문제점을 해결했다. 35년간에 걸친 김교수의 연구성과는 에너지와 원자력 산업에 큰 영향을 끼쳤으며, 적어도 수억 불에 달하는 비용절감의 효과를 창출한 것으로 추산된다. ASME (American Society of Mechanical Engineers, 미국기계공학회)는 지난 1880년 창설돼 120여 년의 역사를 자랑하는 기관으로, 각종 기계류의 제작과 조립에 사용되는 부품 및 재료에 대한 기술기준과 표준규격을 제정하는 비영리 단체다. 미국기계학회가 정한 표준과 규격은 미국내 표준이자 세계의 기술기준으로 권위를 인정받고 있다. 전 세계적으로 12만명에 달하는 공학자를 회원으로 하고 있다. 김교수는 ASME의 종신회원(Fellow)이다.
2009.09.01
조회수 13503
장순흥 교수, 관련 분야 최다인용 논문 선정
- 세계최대 학술논문 출판사인 엘스비어社 선정, 열 및 물질전달 분야에서셀(Cell)誌 등을 발행하는 세계최대 학술논문 출판사인 엘스비어(Elsevier)社는 최근 장순흥(張舜興, 54) KAIST 원자력 및 양자공학과 교수가 저술한 논문이 ‘열 및 물질 전달’ 분야에서 지난 2002년부터 2005년까지 4년간 발표된 논문 중에서 가장 많이 인용된 논문 중 하나로 선정됐다고 발표했다. 지난 2005년, SCI 등록 학술지 중 ‘열 및 물질 전달’ 분야에서 가장 권위 있는 학술지 중 하나인 국제 열 및 물질 전달 학술지(International journal of heat and mass transfer)에 등재된 이 논문의 제목은 “순수한 표면의 수조 비등에서 Al2O3를 이용한 나노 유체의 비등 열전달 성능 및 현상(Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-waternano-fluids from a plain surface in a pool)”이다. 張 교수는 이 논문에서 당시 세계적으로 정확히 규명되지 않았던 나노 유체에 의한 임계열유속 증진 현상의 원인을 나노 입자의 침전에 의한 표면의 변화에 기인한다는 내용을 밝혔다. 이는 기존 연구들에서 제시된 임계열유속 증진 원인이 실제 실험과 모순되는 상황에서 적절한 해결 방법을 제시한 것이었다. 최근에는 이 논문의 결과가 향후 관련 연구 분야의 연구 방향을 이끌고 있다. ‘임계열유속’은 원자로 노심과 화력 발전소 보일러의 열원의 열을 제거할 수 있는 한계출력을 의미하며, 발전소 효율 및 안전성에 결정적인 영향을 주는 인자다. 논문에 따르면, 나노 유체는 임계열유속을 최대 150%까지 증진시킬 수 있으며, 발전소의 출력 및 안전성도 크게 증대시킬 수 있다. 또한 임계열유속 증진은 발전소 관련 산업뿐만 아니라, 핵융합로 실용화에도 결정적인 관건이 되며, IT분야와 같은 초소형 열 교환기의 설계에서도 중요한 요소이므로 이 연구의 파급 효과는 앞으로도 지속될 것으로 예상된다. 이 논문을 저술한 張 교수는 지난 26년간 임계열유속 분야와 원자력 안전 및 설계와 관련된 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, 지난 2006년 6월에는 국제적인 학술 업적을 인정 받아 국제 원자력계의 최고의 영예인 미국 원자력학회(The American Nuclear Society) 학술상 수상 및 펠로우(Fellow)에 선정되기도 했다. 현재 KAIST 교학부총장을 역임하고 있다.
2008.04.29
조회수 17638
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