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- 반도체 게르마늄에 10~14%의 주석을 첨가, 전기적 특성을 유지하면서 열전도도 크게 감소
- 실리콘 기반 마이크로칩에 열전소자로 집적하면 작동 중 발생하는 폐열을 이용해 전기에너지로 변환

컴퓨터 칩에서 전원 공급
새로운 열전 소재는 마이크로칩에서 직접 전기를 회수할 수 있는 길을 열었다.

두 가지 이점:
새로운 소재는 미래에 컴퓨터 및 기타 전자 제품을 냉각시키는 동시에 마이크로칩 수준에서 직접 전기를 생성할 수 있다. 이는 반도체 게르마늄과 주석으로 만든 합금으로 가능하다. 열전기적으로 반응해 온도 구배가 형성되면 전자를 방출한다. 동시에, 이 열전 물질은 연구원들이 보고한 바와 같이 마이크로칩에 직접 통합될 수 있는 최초의 물질이다. 이를 통해 AI 시스템, 데이터 센터 및 기타 컴퓨터를 더욱 기후 친화적으로 만들 수 있다. 

▲ 새로운 열전재료가 전문 저널의 첫 페이지를 장식했다. © ACS Applied Energy Materials/ CC-by 4.0

인공 지능, PC 또는 대규모 데이터 센터 등 전자 제품 및 컴퓨터 기술은 많은 전력을 필요로 할 뿐만 아니라 충분한 냉각 없이 마이크로칩이 뜨거워지는 폐열을 발생시킨다. 그러나 지금까지 이 열은 대부분 사용되지 않은 채 소멸되었다. 유럽에서만 매년 IT 인프라, 데이터 센터 또는 스마트 장치에서 약 1.2엑사줄의 에너지가 손실된다. 이는 오스트리아나 루마니아와 같은 국가의 에너지 소비량에 해당한다.

열전발전용 소재를 찾고 있다

이론적으로 이러한 사용되지 않은 에너지 중 일부는 열전 재료를 사용하여 회수되어 전기로 변환될 수 있다. 이러한 결정성 고체는 열전도율이 낮지만 전기를 매우 잘 전도합니다. 이는 한쪽 면을 가열할 때 강한 온도 차를 생성하여 결정 격자의 전자를 동원하여 전류가 흐른다. 이러한 열전 발전기는 우리 몸의 열로도 전기를 생산할 수 있다.

그러나 문제는 열로부터 직접 전기를 생산하는 방식이 아직 전자 장치에 통합되지 않았다는 점이다. "이것은 큰 단점 때문이다. 지금까지 집적 회로의 작동 온도에서 열전되는 마이크로칩의 실리콘 반도체와 호환되는 재료가 없었다"고 Jülich 연구 센터의 Omar Concepción Díaz와 그의 동료는 설명했다. 표준 칩 제조 기술로 통합할 수 있는 반도체는 이에 비해 매우 좋은 열 전도체다.

게르마늄-주석 합금이 적합할 것이다.

Díaz와 그의 팀은 이제 좋은 열전 특성을 갖고 있으면서도 마이크로칩에 쉽게 통합될 수 있는 재료를 발견했다. 이것은 반도체 게르마늄에 10~14%의 주석을 첨가한 것이다. 율리히 연구센터(독일 Forschungszentrum Jülich)의 수석 저자인 Dan Buca는 "게르마늄에 주석을 추가하면 전기적 특성을 유지하면서 열전도도가 크게 감소한다. 이는 열전 응용 분야에 이상적인 조합이다"고 설명했다. 

▲ 연구 개요도 (출처:관련논문 Room Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys / Copyright © 2024 The Authors. Published by American Chemical Society. This publication is licensed under CC-BY 4.0.)

구체적으로 테스트 결과, “주석 첨가제는 순수 게르마늄보다 30배, 실리콘보다 10배 낮은 열전도율을 유발한다”고 팀은 보고했다. 12%의 주석을 함유한 게르마늄-주석 합금은 100~700나노미터의 층 두께에서 미터당 5와트 x 켈빈의 열전도율을 나타낸다. 이는 재료의 전기 전도성에 영향을 미치지 않는다.
“그린 IT”에 대한 좋은 전망

Díaz와 그의 팀에 따르면 이는 컴퓨터 기술을 보다 효율적이고 기후 친화적으로 만들 수 있는 새로운 기회를 열어준다. 게르마늄-주석 합금을 실리콘 기반 마이크로칩에 열전소자로 집적하면 작동 중 발생하는 폐열을 이용해 전기에너지로 변환할 수 있다. 이 온칩(on-chip) "에너지 수확"은 외부 냉각 및 전력의 필요성을 줄여 전자 장치의 효율성을 높일 수 있다.

공동저자인 프랑크푸르트/오데르 라이프니츠 혁신 마이크로일렉트로닉스 연구소의 Giovanni Capellini는 "우리의 연구는 '그린 IT' 인프라 분야에 상당한 영향을 미칠 수 있다"고 말했다. 저널은 이번 호의 표지에 팀의 연구를 게재했다.
(ACS Applied Energy Materials, 2024; doi: 10.1021/acsaem.4c00275)
출처: 율리히(Jülich) 연구센터

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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