탄탈륨 질화물을 이용한 열전도 기록

2021년 3월 31일

비엔나 공과대학교

보온병은 온도를 유지하는 역할을 하지만 때로는 그 반대를 달성하고 싶을 때도 있습니다. 컴퓨터 칩은 칩이 파괴되지 않도록 가능한 한 빨리 방출해야 하는 열을 생성합니다. 이를 위해서는 특히 열전도 특성이 우수한 특수 소재가 필요합니다.

따라서 TU Wien의 연구팀은 중국과 미국의 그룹과 협력하여 최적의 열 전도체를 찾기 시작했습니다. 그들은 마침내 매우 특정한 형태의 질화탄탈륨에서 찾고 있던 것을 발견했습니다. 알려진 다른 어떤 금속 재료도 더 높은 열 전도성을 가지고 있지 않습니다. 이 기록적인 물질을 확인하기 위해 그들은 먼저 원자 수준에서 그러한 물질의 열 전도에 어떤 과정이 역할을 하는지 분석해야 했습니다. 이번 연구 결과는 과학저널인 Physical Review Letters에 게재됐다.

"기본적으로 열이 재료에 전파되는 메커니즘에는 두 가지가 있습니다"라고 TU Wien 소재 화학 연구소의 Georg Madsen 교수는 설명합니다. "첫째, 물질을 통해 이동하는 전자를 통해 에너지를 얻습니다. 이것은 좋은 전기 전도체의 주요 메커니즘입니다. 그리고 두 번째로 물질의 집단 격자 진동인 포논을 통해입니다." 원자가 움직이면 다른 원자도 흔들리게 됩니다. 더 높은 온도에서는 이러한 진동의 전파를 통한 열 전도가 일반적으로 결정적인 영향을 미칩니다.

그러나 전자나 격자 진동 모두 물질을 통해 완전히 방해받지 않고 전파될 수 없습니다. 이러한 열에너지 전파를 늦추는 다양한 과정이 있습니다. 전자와 격자 진동은 서로 상호 작용할 수 있고, 흩어질 수 있으며, 재료의 불규칙성에 의해 멈출 수 있습니다.

어떤 경우에는 한 원소의 다양한 동위원소가 물질에 내장되어 있다는 사실, 즉 중성자 수가 다른 유사한 원자로 인해 열 전도가 극적으로 제한될 수도 있습니다. 이 경우 원자의 질량은 정확히 동일하지 않으며 이는 물질 내 원자의 집합적인 진동 거동에 영향을 미칩니다.

Georg Madsen은 "이러한 효과 중 일부는 억제할 수 있지만 일반적으로 동시에 모두 억제할 수는 없습니다."라고 말합니다. "두더지 잡기 놀이를 하는 것과 같습니다. 하나의 문제를 해결하는 동시에 다른 곳에서 새로운 문제가 발생합니다."

뜨거운 금속판에 손을 데는 일상적인 경험에도 불구하고 금속은 일반적으로 평범한 열전도율을 가지고 있습니다. 알려진 열전도율이 가장 높은 금속은 은이며, 이는 기록 보유 재료인 다이아몬드의 전도율의 일부에 불과합니다. 그러나 다이아몬드는 가격이 비싸고 가공이 매우 어렵습니다.

정교한 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 팀은 마침내 적합한 재료인 탄탈륨 질화물의 육각형 θ상을 식별하는 데 성공했습니다. 탄탈륨은 다른 동위원소가 거의 없기 때문에 특히 유리합니다. 자연적으로 발생하는 탄탈륨의 거의 99.99%는 동위원소인 탄탈륨 181이며, 다른 변종은 거의 발생하지 않습니다.

"질소와 특수 원자 규모의 기하학의 결합은 상을 금속으로 만들고 열 전달 진동과 다른 진동 및 전도성 전자의 상호 작용을 억제합니다. 이는 바로 다른 재료의 열 전도를 억제하는 상호 작용입니다."라고 Georg는 말합니다. 매드슨. "이러한 상호 작용은 에너지 보존 법칙을 위반하기 때문에 이 물질에서는 불가능합니다."

따라서 이러한 형태의 질화 탄탈륨은 몇 가지 중요한 장점을 결합하여 은보다 몇 배 더 높고 다이아몬드와 비교할 수 있는 열 전도성을 갖춘 기록적인 소재가 되었습니다.

"칩 산업에서 탄탈륨 질화물은 매우 유망한 소재입니다"라고 Madsen은 확신합니다. "칩이 점점 더 작아지고 강력해지면서 열 전도가 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다. θ상 질화 탄탈륨보다 이 문제를 더 잘 해결하는 재료는 없습니다."