나노메타물질은 근거리 복사열 전달을 대조군보다 4배 증가시킵니다.

요약:

카네기 멜론 대학, 스탠포드 대학, 퍼듀 대학의 연구원들은 나노 규모에서 열 전달을 조절하는 방법을 시연했습니다. 즉, 두 표면이 매우 좁은 간격을 통해 서로 마주하도록 얇은 필름에 미세한 금 구조를 만들어 전자기 복사 형태로 간격을 가로지르는 열 전달 효율을 크게 향상시키는 것입니다.

일상 규모에서 물체는 주로 열전도, 대류 및 일반 열복사를 통해 열을 교환합니다. 그러나 두 표면이 수백 나노미터에 가까우면 근거리장 효과가 중요해집니다. 이때 표면 근처의 전자기장은 갭 커플링을 통해 반대쪽으로 에너지를 전달할 수 있어 열 복사 열 전달이 원거리 흑체 복사의 한계를 초과하게 됩니다. 연구팀은 약 250, 450 및 730 나노미터의 표면 간격을 테스트하고 실리콘 질화물 필름에 금 분할 링 공진기를 포함한 구조를 구축했으며 나노갭을 통한 열 전달 변화를 측정했습니다.

두 구조의 시너지 효과를 높이세요. 금 분할 링 공진기에 의해 생성된 공명 모드는 질화규소 표면의 포논 폴라리톤에 강력하게 결합됩니다. 포논 폴라리톤은 전자기파와 물질 격자 진동의 결합으로 형성된 표면파입니다. 근거리 장의 틈새를 통해 에너지를 전달할 수 있습니다. 연구팀은 전자기 시뮬레이션과 결합 모드 이론 분석을 통해 이러한 설명을 뒷받침했습니다. 즉, 단순히 열전도 채널을 늘리는 것이 아닌, 소재의 표면 구조를 세심하게 설계하여 두 공진이 서로 향상되도록 하는 연구가 진행되고 있습니다.

연구원들은 이 방법이 미래에 칩과 고성능 컴퓨팅 시스템에 새로운 냉각 아이디어를 제공할 수 있다고 믿습니다. 또한 열 복사를 사용하여 전기를 생성하는 열광발전 시스템의 효율성을 향상시키고 적외선 센서의 신호 제어 기능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 현재 결과는 나노 규모로 정밀하게 정렬되고 제어된 실험실 조건에서 얻은 것이며 상용 칩에 직접 사용할 수 있는 냉각기, 발전 장치 또는 감지 제품은 아직 입증되지 않았습니다. 연구팀은 앞으로도 이 구조를 실제 장치에 어떻게 통합할 것인지, 극히 작은 간격을 유지할 것인지, 대면적 제조를 달성할 것인지 등 공학적 문제가 여전히 해결되어야 한다고 말했다.