붕소비화물이 열 전달 능력에서 다이아몬드를 간신히 앞질렀습니다.

휴스턴 대학교 공학자들이 주도하는 국제 과학자팀이 오랫동안 통용되어 온 열전도율 이론이 틀렸음을 증명했습니다. 이번 연구는 재료 과학의 한계를 뛰어넘는 획기적인 발견이며, 향후 몇 달 안에 이와 관련된 여러 연구 성과를 이끌어낼 가능성이 있습니다. 따라서 이번 연구 결과는 과학계에서 중요한 이정표로 여겨지고 있습니다. 자세한 내용을 살펴보겠습니다.

현대 전자 기기에서 열전도율이 중요한 이유

이 획기적인 기술의 중요성을 이해하려면 오늘날 기술에서 열 차폐 코팅이 수행하는 핵심적인 역할을 이해하는 것이 필수적입니다. 일반적으로 금속 부품에 적용되는 이러한 코팅은 중요 부품에 대한 열 노출을 줄이는 데 도움이 됩니다.

자연이 만들어내는 열전도 장벽은 오늘날 엔진의 내구성을 높이고 컴퓨터의 속도를 향상시키며, 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 이러한 표면을 개선하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있습니다. 합성 소재 분야에서 많은 발전이 있었지만, 자연이 만들어내는 장벽을 완전히 대체할 수는 없습니다.

다이아몬드

수십 년 동안 다이아몬드는 열전도에 가장 적합한 등방성 물질로 여겨져 왔습니다. 등방성 물질은 모든 결정학적 방향에 걸쳐 균일한 열 분포를 제공한다는 점에서 독특합니다. 특히, 다이아몬드가 열 전달에 탁월한 이유는 탄소-탄소의 강력한 공유 결합을 비롯한 여러 가지 핵심적인 요소 때문입니다.

다이아몬드의 열전도체로서의 한계

다이아몬드 열 코팅을 사용하는 데에는 몇 가지 문제점이 있으며, 이로 인해 연구자들은 다른 재료를 탐색하는 데 더욱 매진하고 있습니다. 우선, 다이아몬드 코팅은 다른 등방성 재료보다 가격이 비쌉니다. 또한, 가공하기가 어려울 수 있습니다.

이러한 한계에도 불구하고, 빠른 열 방출이 매우 중요한 상황에서는 여전히 다이아몬드가 사용됩니다. 하지만 최근에는 합성 소재를 사용하여 다이아몬드의 성능을 능가할 수 있다는 의견이 점점 늘어나고 있습니다. 그중에서도 특히 주목받는 소재가 바로 붕소비화물(Boron Arsenide)입니다.

붕소비화물(BAs)

붕소비화물(BAs)은 과학자들이 붕소와 비소를 성공적으로 합성한 1959년에 처음 등장했습니다. 이 초기 실험은 2000년대에 들어서기 전까지 수십 년 동안 잊혀져 있었습니다. 그러다가 컴퓨터 모델링과 재료 과학의 발전으로 BAs가 잠재적인 열 전도체로 사용될 수 있다는 사실이 갑자기 주목받게 되었습니다.

2013년이 되어서야 보스턴 칼리지의 물리학자 데이비드 브로이도가 BA가 다이아몬드의 열전도율을 능가하는 시나리오를 예측하는 획기적인 발표를 했습니다. 그는 3포논 산란 방식을 사용하여 이 물질이 상온에서 2200W/m·K의 열전도율을 달성할 수 있음을 계산을 통해 보여주었습니다.

2015년, 휴스턴 대학교의 즈펑 렌 교수는 연구실에서 BAs 결정을 성장시키고 테스트하면서 이 개념을 한 단계 더 발전시켰습니다. 그는 여러 실험을 통해 상온에서 단결정의 열전도율이 1500 W/m·K에 달하는 것을 확인했습니다.

이 평가를 통해 BA는 열전도율 면에서 다이아몬드에 이어 두 번째로 우수한 소재로 자리매김했습니다. 또한, 이는 소재에 대한 추가 연구를 촉발하여 브로이도가 수년 전에 예측했던 상온에서의 최적 열전도율인 2200 W/m·K를 달성하기 위한 방법을 모색하게 했습니다.

고순도 바이오제닉 화합물(BA) 달성의 어려움

그 이후로 BA를 열전도체로 활용하는 연구가 진행되어 왔습니다. 그러나 포논 산란 전략의 변화와 기타 문제로 인해 연구 결과는 약 1,300 W/mK 수준으로 떨어지는 데 그쳤습니다. 다행히 최근 연구에서 이러한 한계의 원인과 해결 방법을 밝혀냈습니다.

붕소비화물 연구

The 상온에서 붕소비화물의 열전도율은 2100W/m/K 이상입니다.¹ 과학 저널 Materials Today에 발표된 연구에 따르면, 엔지니어들은 상온에서 붕소비화물 단결정에서 전례 없는 2100 W/m·K의 열전도율을 얻을 수 있었던 방법을 밝혀냈습니다.

문제는 무엇이었나요?

엔지니어들이 지적했듯이, 계산상으로는 문제가 없었지만 실험 결과는 기대에 미치지 못했습니다. 그래서 그들은 핵심 구성 요소와 전략을 재평가하여 개선할 부분을 찾기로 했습니다. 그들이 발견한 전도성 손실의 주요 원인 중 하나는 불순물이었습니다.

출처 – Materials Today

특히 등방성 물질에서 열 전달 능력은 물질의 결정학적 경로를 따릅니다. 최적의 조건에서 이러한 경로는 원활한 열 전달을 제공합니다. 그러나 엔지니어들은 이전 실험에서 사용된 결정에 여러 가지 결함이 있어 성능을 저해한다는 사실을 발견했습니다. 따라서 그들은 가능한 한 가장 순수한 BA를 성장시키기 위한 연구에 착수했습니다.

불순물 없이 바이오제닉 오일을 재배하는 방법

이 과제를 완수하기 위해 그들은 처음부터 공정을 재구상하기 시작했습니다. 초고순도 비소를 시작으로, 저는 4단계 합성 과정을 거쳐 불순물을 더욱 줄였습니다.

다음 단계는 석영 튜브를 완전히 세척하는 것이었습니다. 엔지니어들은 아세톤, 에탄올, 탈이온수 등 여러 가지 물질을 사용하여 여러 차례 초음파 세척을 하는 표준 반도체 세척 공정을 활용했습니다. 그런 다음 오븐에서 건조시켜 남아있는 수분을 완전히 제거했습니다.

그 후 엔지니어들은 투과광을 사용하여 열전도율과 불순물을 확인했습니다. 그들은 개별 결정 내 점결함 농도가 이전 시도에 비해 상당히 낮다는 것을 즉시 알아차렸습니다.

연구자들이 BA의 열전도율을 측정한 방법은 다음과 같습니다.

과학자들은 여러 가지 매우 정확한 방법을 사용하여 결정의 열전도율을 측정했습니다. 연구팀은 먼저 시간 영역 열반사(TDTR) 방법을 사용하여 열전도율을 측정했습니다. 이 테스트에서 엔지니어들은 정확도를 높이기 위해 전자빔 증착법으로 100nm 두께의 알루미늄 변환기 층을 결정 표면에 코팅했습니다.

그 후, 연구팀은 라만 분광법을 이용하여 결정에 남아있는 불순물을 찾아냈습니다. 그리고 이러한 데이터를 종합하여 재료의 장점과 단점을 정확하게 파악했습니다. 그들의 발견은 향후 열역학 연구에 큰 변화를 가져올 것입니다.

기록적인 열전도율 측정 결과

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연구팀의 실험 결과, BA(바이오액터)가 다이아몬드 수준의 열전도율을 달성할 수 있음이 입증되었습니다. 특히, 상온에서 2,100W/mK의 열전도율을 기록했습니다. 주목할 만한 점은 라만 스펙트럼 분석을 통해 T⁻¹⁸의 온도 의존성을 관찰할 수 있었으며, 이는 향후 연구 및 성능 향상의 가능성을 열어주었습니다.

엔지니어들은 수정된 이론적 계산을 통해 현재 일반적으로 사용되는 4포논 산란 대신 4~8THz 범위의 포논에 대해 3포논 산란을 활용하도록 공정을 조정할 수 있음을 확인했습니다. 이러한 접근 방식을 사용하여 연구팀은 300~400K 범위에서 온도 의존성을 기록하는 데 성공했습니다.

붕소비화물의 이점

이 연구는 시장에 여러 가지 이점을 가져다줍니다. 우선, 미래의 첨단 기기들이 훨씬 더 쉽게 접근 가능하고 저렴해질 수 있는 길을 열어줍니다. 다이아몬드는 비싸고 희귀한 반면, 바이오디젤(BA)은 필요에 따라 생산할 수 있습니다. 또한, 제조 및 통합이 더 용이합니다.

반도체 소재로서의 붕소비화물

예상치 못한 발견 중 하나는 BA가 우수한 반도체 역할을 한다는 점이었습니다. 테스트 결과, 그들이 만든 BA는 여러 핵심 영역에서 실리콘보다 뛰어난 성능을 보였습니다. 특히, 전도성, 전하 이동도, 열팽창률이 우수하고 더 넓은 밴드갭을 지원할 수 있습니다.

열 재료 과학의 새로운 시대를 열다

이 연구는 과학자들이 탁월한 결과를 얻기 위해 끊임없이 연구의 한계를 뛰어넘어야 하는 이유를 보여줍니다. 수십 년 동안 다이아몬드는 열전도율 면에서 독보적인 위치를 차지해 왔습니다. 그러나 이제 과학계 전체는 기존 이론을 재평가해야 하며, 이는 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 새로운 발전을 위한 여지를 만들어냅니다.

붕소비화물의 실제 적용 사례 및 개발 일정

이 연구는 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 특히, 제조업체들이 열 관리 방식을 재고하는 데 큰 영향을 미칠 것입니다. 만약 이 소재를 다이아몬드 대체재보다 저렴하고 쉽게 합성할 수 있다면, 차세대 열 관리 소재 및 전자 기기 개발의 가능성을 열어줄 것입니다. 몇 가지 잠재적 응용 분야를 소개합니다.

고출력 전자 장치

노트북을 하루 종일 무릎 위에 올려놓고 사용하는데 열이 전혀 발산되지 않는다고 상상해 보세요. 이러한 높은 열전도율을 가진 열 차단막의 도입은 첨단 휴대용 전자 기기의 새로운 시대를 열어갈 수 있습니다. 추가적인 냉각 시스템 없이도 기기의 속도와 성능을 향상시킬 수 있을 것입니다.

전기 자동차(EV) 및 전력 전자 장치

바이오리튬(BA)을 열전도체로 활용하면 전기차 시장의 성능이 크게 향상될 수 있습니다. 이러한 소재를 통해 제조사는 차량을 더욱 가볍고 안전하게 만들 수 있으며, 결과적으로 1회 충전으로 주행 거리를 늘릴 수 있습니다. 또한, 이러한 전략은 향후 전기차 생산 비용 절감에도 기여할 수 있습니다.

데이터 센터

데이터 센터는 이 기술의 혜택을 가장 먼저 누릴 분야 중 하나입니다. 인공지능(AI) 시장이 기록적인 성장을 보이면서 이러한 대규모 생태계에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 따라서 이 기술은 향후 AI 분야의 역량, 성능 및 운영 비용에 직접적인 영향을 미칠 것입니다.

붕소비화물 연혁

민간 부문에서는 향후 7~10년 내에 전자 제품에 이러한 열 코팅 기술이 적용되는 것을 볼 수 있을 것입니다. 하지만 군사 및 기타 특수 첨단 기술 분야에서는 5년 이내에 이러한 소재를 활용할 수 있을 것으로 예상됩니다. 제조 비용이 훨씬 저렴하고 접근성이 용이하다는 점이 통합 시간을 크게 단축하는 데 도움이 될 것입니다.

붕소비화물 연구원들

The 상온에서 붕소비화물의 열전도율은 2100W/m/K 이상입니다. 이번 연구는 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스, 보스턴 칼리지, 휴스턴 대학교를 비롯한 여러 명망 있는 기관의 연구를 결합한 공동 연구였습니다.

구체적으로 이 논문에는 Zhifeng Ren 교수, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido 및 Ying Peng 교수가 이 작업의 공헌자로 나열되어 있습니다.

바이오제닉 아민(BA) 소재의 향후 연구 방향

이러한 기념비적인 성과를 달성하는 데 수년간의 노력이 투입된 만큼, 연구팀은 앞으로도 BA의 열전도율을 향상시키기 위한 노력을 지속할 것으로 예상됩니다. 또한, 향후에는 이와 유사하거나 더 나은 결과를 제공할 수 있는 다른 소재의 활용 가능성도 검토할 예정입니다.

흑연 제조에 투자하기

열전도성 코팅을 생산하는 기업은 많습니다. 이러한 기업들은 오늘날 첨단 기술, 운송 및 산업 분야에 매우 중요합니다. 그중에서도 선구적인 노력과 제품으로 시장에서 중요한 역할을 해온 한 기업을 소개합니다.

그래프젯 기술

그래프젯 기술(GTI )2019년에 설립된 이 말레이시아 흑연 제조업체는 오늘날 전기차 시장, 전자 제품 및 통신 시스템에 필요한 양극재 및 기타 핵심 소재를 공급합니다.

이 회사는 여러 가지 이유로 시장의 선구자 역할을 해왔으며, MIT, 맨체스터 대학교를 비롯한 여러 기관과 전략적 파트너십을 맺고 독창적인 지속 가능한 접근 방식을 확대해 나가고 있습니다.

Graphjet Technology는 여러 면에서 경쟁업체와 차별화됩니다. 무엇보다도, 이 회사는 지속가능성을 최우선으로 생각합니다. 농업 폐기물인 팜핵 껍질을 재활용하여 배터리 등급의 흑연으로 전환하는 산업 규모 공정을 개발한 세계 최초의 제조업체입니다.

이 회사의 말레이시아 시설은 고순도 인조 흑연, 단층 그래핀 및 기타 필수 소재를 생산합니다. 특히 이 시설은 연간 9,000톤의 폐기물을 3,000톤의 흑연으로 전환할 수 있는 놀라운 능력을 자랑합니다. 또한 흑연 2kg당 이산화탄소 배출량은 2.95kg에 불과하여 기존 방식보다 83% 더 친환경적입니다.

이러한 모든 요인들이 Graphjet Technologies에 대한 투자자들의 관심을 지속적으로 불러일으키고 있습니다. 혁신적이고 지속 가능한 제조 기업의 주식을 찾는 투자자들은 Graphjet 주식에 대해 더 자세히 알아볼 필요가 있습니다.