한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이봉재 교수와 이승섭 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정·제어하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
두 물체 사이의 거리가 나노미터 단위일 때 물체 사이의 복사열전달은 거리가 가까워질 수록 크게 증가한다.
이 값은 복사열전달량의 이론적인 최댓값이라 여겨졌던 흑체 복사열전달량보다 1000~1만배 이상 커질 수 있다. 이 현상을 ‘근접장 복사열전달’이라고 한다.
특히 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있다. 그뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어도 가능하다.
이 같은 이유로 박막·다층나노구조·나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 계속 진행되고 있지만, 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다.
연구팀은 커스텀 MEMS 장치 통합 플랫폼과 3축 위치 나노제어 시스템을 이용, 일정한 두께를 갖는 금속과 유전체가 반복적으로 쌓인 구조인 ‘금속-유전체 다층나노구조’ 사이의 진공 거리에 따른 근접장 복사열전달량을 최초로 측정하는 데 성공했다. 금속-유전체 단일 층 쌍을 ‘단위 셀’이라 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 향상시켰으며, 열전달의 파장별 제어가 가능함을 증명했다.
이번에 개발된 복사열전달 제어 기술은 차세대 반도체 패키징과 열광전지·열관리 시스템 등에 적용 가능하고, 폐열의 재사용을 통한 에너지 절감 및 사물인터넷 센서의 지속적 전력 공급원 등에 활용될 것으로 연구팀은 기대하고 있다.
이봉재 교수는 “그동안 실험으로 규명된 등방성 물질은 근접장 복사열전달의 파장별 제어에 한계가 있었다”며 “이번에 밝혀낸 다층나노구조를 사용한 근접장 복사열전달 제어 기술이 근접장 복사열전달 적용 장치 개발의 첫걸음이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 임미경 박사와 송재만 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 16일자 온라인 판에 게재됐다.
대전=전희진 기자 heejin@kmib.co.kr
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