새로운 전자 장치는 정확하고 신속하게 열을 켜고 끌 수 있습니다. UCLA 과학자 팀이 전기장을 사용하여 반도체 장치의 열 이동을 제어하는 ​​안정적인 전고체 열 트랜지스터를 처음으로 공개했습니다. 최근 사이언스(Science) 저널에 발표된 연구팀의 연구에서는 장치의 작동 방식과 잠재적인 응용 방법을 자세히 설명합니다.

UCLA 연구원들은 전기장을 사용하여 반도체의 열 이동을 효과적으로 제어하는 ​​새로운 고체 열 트랜지스터를 공개했습니다. 이는 컴퓨터 칩의 열 관리 및 인체의 열 조절을 이해하는 잠재적 응용 분야에서 큰 발전을 의미합니다. 전기장을 사용하여 열의 이동을 제어하는 ​​UCLA에서 개발한 고체 열 트랜지스터의 그림입니다. 출처: H-Lab/UCLA

트랜지스터는 매우 빠르고 성능이 뛰어나며 원자 수준 설계 및 분자 공학을 통해 컴퓨터 칩의 열 관리에 새로운 영역을 열 수 있습니다. 이러한 발전은 또한 신체가 열을 조절하는 방법에 대한 이해를 더욱 발전시킬 수 있습니다.

열관리 기술의 도약

"재료를 통해 열이 흐르는 방식을 정확하게 제어하는 ​​것은 물리학자와 엔지니어에게 오랫동안 어려운 꿈이었습니다."라고 UCLA Samueli 공과대학의 기계 및 항공우주공학 교수인 공동 저자인 Yongjie Hu가 말했습니다. "이 새로운 설계 원리는 수십 년 동안 트랜지스터가 해왔던 것처럼 전기장을 켜고 꺼서 열의 이동을 관리하기 때문에 그 점에서 큰 도약입니다."

전자 트랜지스터는 현대 정보 기술의 기본 구성 요소입니다. 1940년대 Bell Labs에서 처음 개발한 이 장치에는 게이트, 소스, 싱크라는 3개의 터미널이 있습니다. 전기장이 게이트를 통과하면 칩을 통과하는 전류(전자 형태)의 이동을 조절합니다. 이러한 반도체 장치는 전기 신호와 전력을 증폭하거나 전환할 수 있습니다.

그러나 수년에 걸쳐 트랜지스터 크기가 줄어들면서 수십억 개가 단일 칩에 들어갈 수 있게 되면서 전자 이동으로 발생하는 열이 증가하여 칩 성능에 영향을 미쳤습니다. 기존 라디에이터는 핫스팟에서 수동적으로 열을 빼내지만 열을 적극적으로 조절하는 보다 동적인 제어 방법을 찾는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.

과거의 한계를 극복하다

열전도율을 조정하려는 노력이 있었지만 움직이는 부품, 이온 운동 또는 액체 용액 구성에 대한 의존성으로 인해 성능이 저하되었습니다. 이로 인해 몇 분 이하의 매우 느리게 스위치를 켜고 끄는 열 동작이 발생하여 성능 신뢰성 및 반도체 제조와의 비호환성에 문제가 발생합니다.

새로운 열 트랜지스터는 전계 효과(외부 전계를 적용하여 재료의 열전도도 조절) 및 전고체(움직이는 부품 없음) 특성을 갖고 있어 고성능일 뿐만 아니라 반도체 제조 공정에 사용되는 집적 회로와도 호환됩니다. 팀의 설계는 원자 인터페이스에서 전하 역학의 전계 효과를 통합하여 무시할 수 있는 전력을 사용하여 고성능, 연속 스위칭 및 증폭된 열 유속을 달성합니다.

기록적인 성능과 잠재적인 응용 분야

UCLA 팀은 1MHz 이상, 즉 초당 100만 번 이상 스위치를 켜고 끄는 기록적인 고성능을 달성한 게이트 열 트랜지스터를 시연했습니다. 또한 1300% 열전도율 조정 가능성과 100만 번의 스위칭 주기에 걸쳐 안정적인 성능을 제공합니다.

공동 저자인 화학 및 생화학 교수인 Paul Weiss는 "이 연구는 분자와 인터페이스에 대한 자세한 이해를 활용하여 중요한 물질 특성을 제어하고 실제 영향을 미칠 수 있는 중요한 단계를 밟을 수 있었던 놀라운 협력의 결과입니다."라고 말했습니다. "우리는 열 변환 효과의 속도와 크기를 이전에 가능했던 크기로 늘릴 수 있었습니다."

팀의 개념 증명 설계에서는 열이 이동하는 채널 역할을 하기 위해 자가 조립 분자 인터페이스가 제작되었습니다. 세 번째 엔드 게이트를 통해 전기장을 켜고 끄면 원자 인터페이스의 열 저항이 제어되어 열이 재료를 통해 정확하게 흐를 수 있습니다.

연구진은 분광학 실험을 통해 트랜지스터의 성능을 검증하고, 전기장이 원자 및 분자 특성에 미치는 영향을 설명하기 위해 제1원리 이론적 계산을 수행했습니다.

이 연구는 칩 제조 및 성능에서 지속 가능한 에너지를 위한 확장 가능한 기술 혁신을 제공합니다. Hu는 이 개념이 인체의 열 관리를 이해하는 새로운 방법을 제공한다고 믿습니다.

Hu는 "가장 기본적인 수준에서 이 플랫폼은 살아있는 세포의 분자 수준 메커니즘에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.

참조: "전기적으로 게이트된 분자 열 스위치", 저자: ManLi, HuanWu, ErinM.Avery, ZihaoQin, DominicP.Goronzy, HuuDuyNguyen, TianhanLiu, PaulS.Weiss 및 YongjieHu, 2023년 11월 2일, "과학".

DOI:10.1126/science.abo4297

컴파일된 소스: ScitechDaily