열관리 시스템, 폐열 재사용, 사물인터넷(IoT)센서 등에 적용 가능한 근접 복사열전달 제어기술이 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 이봉재 교수와 이승섭 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정하고 제어하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

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.

a 근접장 복사열전달 측정 3차원 개념도. b,c 제작된 MEMS 기반 마이크로 장치.

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 나노기술 발전으로 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어가 가능해진다.

이에 박막, 다층나노구조, 나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다.

금속-유전체 다층나노구조의 충전 인자에 따른 복사열전달량 분석 결과. 파란선은 각 구조에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤 분산 조건, 컨투어는 복사열전달량을 나타냄. a 충전인자=1.0. b 충전인자=0.1. c 충전인자=0.23.

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 구조다. 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 향상시켰다. 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.

* 용어 설명

근접장 복사열전달 (Near-field thermal radiation)

열적으로 유도된 전자기파는 방사체 표면에서 진행파 모드와 소멸파 모드로 방출 된다. 소멸파는 표면에서 멀어질수록 세기가 기하급수적으로 감소하기 때문에 일반적인 상황에서 복사열전달에 영향을 주지 않는다. 하지만 두 물체 사이의 거리가 열적 복사의 특성 파장보다 더 작아지면 소멸파의 상호작용에 의해서 소멸파를 통한 복사에너지 전달이 가능해진다. 이를 근접장 복사열전달이라 부르며 그 양은 흑체 복사열전달량의 1000배~10000배에 이른다.

표면 플라즈몬 폴라리톤 (Surface plasmon polariton)

금속 또는 반도체 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 준입자를 플라즈몬이라 한다. 표면 플라즈몬 폴라리톤은 빛과 표면의 플라즈몬이 강하게 상호작용을 할 때 생성되는 준입자를 칭한다.