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- 컴퓨터 프로세서, 전자제품, 에어컨 등 방열판에서 열을 발산하는 데 구리와 은 표준 소재
- 약 400W/m·K의 열전도율을 가진 이 두 금속은 열전달 효율이 가장 뛰어나
- 구리는 고성능 AI 칩의 주요 소재로 사용돼, AI기술 발전에 따라, 열 방출하는 데 한계
- 최초로 초고효율 방열재 중 하나인 α-TaN(세타상 탄탈륨 질화물)을 합성,테스트 성공
- 이 소재는 컴퓨터와 AI 냉각 시스템에 혁명을 일으킬 가능성

기록적인 열전도율을 가진 금속 발견
육각형 탄탈륨 질화물, 컴퓨터 및 AI 냉각 시스템 혁신 기대

잠재력을 지닌 기록적인 발견:
새로운 금속 소재는 구리나 은보다 3배나 뛰어난 열전도율을 보였다. 이는 금속에서 측정된 열전도율 중 최고치다. 소위 세타상 탄탈륨 질화물로 불리는 이 소재는 컴퓨터와 AI 냉각 시스템에 혁명을 일으킬 가능성이 있다고 연구진은 과학 저널 '사이언스'에 발표했다. 이 소재의 열전도율은 1,100W/m·K로, 기존에 달성 가능했던 최대값을 훨씬 뛰어넘는다. 

▲ 소위 세타상 탄탈륨 질화물은 알려진 어떤 금속보다 열을 더 잘 그리고 빠르게 전달한다. 이그림은 수 피코초 이내의 열 전달 과정이다. © H-Lab/UCLA

컴퓨터 프로세서, 전자제품, 에어컨 등의 방열판에서 과도한 열을 효율적으로 발산하는 데 있어 구리와 은은 오랫동안 표준 소재로 사용됐다. 약 400W/m·K의 열전도율을 가진 이 두 금속은 열전달 효율이 가장 뛰어나다. 특히 구리는 고성능 AI 칩의 주요 소재로 사용된다. "인공지능 기술이 빠르게 발전함에 따라, 필요한 열을 방출하는 데 한계에 다다르고 있다"고 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 선임 저자인 용지에 후(Yongjie Hu)는 설명했다.

지금까지는 구리와 은의 열전도율이 달성 가능한 최대치로 여겨졌다. 이 금속들의 원자 격자 구조가 더 이상의 열전도율을 허용하지 않는다고 추정되었기 때문이다. 금속 전자와 격자 진동 사이의 상호작용으로 인해 더욱 효율적인 열전도가 저해되었기 때문이다. 이론 모델에서는 특정 금속 화합물이 이러한 한계를 극복할 수 있다고 제시했지만, 실험적으로 확인된 사례는 드물었다.

그런데 후 교수와 제1 저자인 수이쉬안 리(Suixuan Li) 교수가 이끄는 연구팀은 최초로 이러한 초고효율 방열재 중 하나인 α-TaN(세타상 탄탈륨 질화물)을 합성하고 테스트하는 데 성공했다. 탄탈륨과 질소로 이루어진 이 화합물은 일반적으로 소금과 유사한 결정 격자를 형성하지만, 특정 조건에서는 육각형 격자 구조로도 배열될 수 있다. "이 구조에서 탄탈륨과 질소 원자는 서로 얽혀 있는 공유 결합 네트워크를 형성한다"고 연구팀은 설명했다.

▲ 컴퓨터 프로세서용 일반적인 방열판은 열을 발산하기 위해 팬이나 냉각 핀과 함께 구리를 사용한다. 구리와 은은 열전도율이 가장 높은 금속이다. © Rainer Knäpper/ Free Art License

문제는 지금까지 이 세타상 질화탄탈륨은 극한의 고온 고압 조건에서만 생산할 수 있었다는 점이다. 하지만 리(Li) 연구팀은 이 문제를 해결하는 방법을 발견했다. 그들은 산화탄탈륨을 질소 분위기에 놓고 용융된 나트륨을 환원제 및 변환 보조제로 첨가했다. 이 플럭스 보조 반응의 결과로 원하는 세타상 구조를 갖는 질화탄탈륨 단결정을 얻었다. 연구팀은 이 질화탄탈륨 변종의 열전도율을 상온에서 처음으로 측정했다.

"가능성의 한계를 뛰어넘다"

결과:
"상온에서 미터당 1,100와트의 열전도율을 측정했다. 이는 금속 물질에서 측정된 값 중 가장 높은 수치다"고 연구진은 발표했다. 따라서 이 새로운 질화탄탈륨은 결정 방향에 관계없이 구리나 은보다 거의 세 배나 뛰어난 열전도율을 자랑한다.

리 교수와 그의 동료들은 "이번 연구를 통해 기존 이론을 입증하고, α-탄탈륨 질화물이 열 방출 소재의 새로운 기준이 될 수 있음을 확인했다"고 밝혔다. 이 소재는 기존 금속으로는 불가능하다고 여겨졌던 한계를 뛰어넘는다.

추가 분석 결과, 이 소재가 구리나 다른 금속보다 열을 훨씬 효율적으로 전달하는 이유가 밝혀졌다. 기존 금속과는 달리, α-탄탈륨 질화물의 원자 격자에서는 전자와 격자 진동으로 생성되는 포논 사이의 상호작용이 거의 없다. 이로 인해 산란 효과가 최소화되어 열전달 효율이 높아진다.

다양한 응용 분야 가능성

리 교수와 그의 동료들에 따르면, α-탄탈륨 질화물은 완전히 새로운 기술적 가능성을 열어준다. 연구팀은 "금속적인 성질과 매우 높은 열전도율을 결합한 α-TaN은 미래의 열 방출 기술에 혁명을 일으킬 수 있을 것"이라고 전망했다. 기존 탄탈륨 질화물은 이미 컴퓨터 기술, 특히 반도체 칩 생산 및 박막 저항기 등에 사용되고 있다.

새로운 탄탈륨 질화물 변형체는 우수한 방열판으로도 사용될 수 있다. 후 교수 연구팀은 이 물질이 인공지능 데이터 센터, 양자 플랫폼, 기타 전자 기기뿐만 아니라 항공우주 및 에너지 기술 분야에서도 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있다고 보고 있다.

참고: Science, 2026; doi: 10.1126/science.aeb1142
출처: Science, Science, University of California – Los Angeles

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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