오사카 시립 대학교(Osaka Metropolitan University)의 연구진은 열이 방출되는 위치를 제어할 수 있으면서 전원이 제거된 후에도 설정을 기억할 수 있는 프로그래밍 가능한 열 장치(programmable thermal device)를 개발했습니다. 이러한 능력은 언젠가 고성능 칩, 실리콘 포토닉스 (silicon photonics), 적외선 센서 및 에너지 수확 (energy-harvesting) 시스템의 더 스마트한 열 관리(thermal management)에 기여할 수 있습니다. Laser & Photonics Reviews에 게재된 이 연구는 비가역적 열 장치(nonreciprocal thermal devices)의 실질적인 구현을 가로막았던 두 가지 오랜 장애물을 극복했습니다.

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(이미지 출처: tsmc)

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이 장치는 자기장(magnetic field)이 존재할 때 광학적 특성이 변하는 물질인 자기 광학 물질(magneto-optical material)과 게르마늄-안티모니-텔루륨(GST)으로 알려진 상변화 물질(phase-change material)을 결합하여, 표면이 적외선 복사(infrared radiation)를 흡수하고 방출하는 방식을 독립적으로 제어합니다. 전원이 차단되면 기능을 상실하거나 빛이 표면에 극단적인 각도로 입사할 때만 작동했던 이전 설계들과 달리, 연구진은 이 장치가 지속적인 에너지 입력 없이도 프로그래밍된 상태를 유지하면서 거의 수직에 가까운 각도에서도 작동한다고 설명합니다.

일반적인 상황에서 물질은 특정 파장과 방향에서 표면이 열을 효율적으로 흡수한다면, 동일한 조건에서 열을 똑같이 잘 방출해야 한다는 원칙을 따릅니다. 키르히호프의 복사 법칙(Kirchhoff's law of thermal radiation)으로 정의되는 이 관계는 기존 물질들에 적용되며, 엔지니어들이 열을 얼마나 정밀하게 조작할 수 있는지를 제한합니다. 이러한 물질들은 열에너지를 가장 유용한 곳으로 유도하는 대신, 단순히 흡수하는 방식에 따라 열을 방출할 뿐입니다.

이 관계를 우회하는 것은 엔지니어들에게 열에너지를 제어할 수 있는 완전히 새로운 방법을 제공할 수 있기 때문에 활발한 연구 분야가 되었습니다. 흡수와 방출을 독립적으로 조절할 수 있는 장치는 복사 냉각(radiative cooling), 열을 전기로 변환하는 열광전지(thermophotovoltaic) 시스템, 적외선 센싱(infrared sensing), 열 통신(thermal communication), 그리고 빛을 제어하는 것만큼이나 열을 제어하는 것이 중요한 기타 광학(photonic) 기술들을 개선할 수 있습니다.

연구진은 입사되는 전자기파와 방출되는 전자기파를 연결하는 물리적 원리인 로렌츠 상호성 (Lorentz reciprocity)을 깨뜨림으로써 이를 달성하기 위한 여러 방법을 탐구해 왔습니다. 대부분의 접근 방식은 자기 광학 (magneto-optical) 물질, 자기적 Weyl 준금속 (magnetic Weyl semimetals), 또는 능동적으로 변조되는 메타표면 (metasurfaces)에 의존합니다. 그러나 이러한 설계들은 일반적으로 두 가지 주요 문제에 직면해 왔습니다. 첫째, 강한 방향성 동작을 생성하기 위해 빛이 매우 비스듬한 각도, 즉 스침각 (grazing angles)으로 표면에 입사되어야 합니다. 이는 실험적으로는 가능하지만, 사용 가능한 열 복사 (thermal radiation)의 양을 크게 감소시키고 넓고 비효율적인 방출 패턴을 생성합니다. 둘째, 기존의 많은 설계는 휘발성입니다. 이들을 제어하는 자기장, 전기 신호 또는 가열원이 제거되는 즉시 그 동작이 사라지기 때문에, 단순히 작동 상태를 유지하기 위해서조차 지속적인 전력이 필요합니다.

오사카 시립 대학교 (Osaka Metropolitan University) 팀은 상호 보완적인 역할을 수행하는 두 가지 물질을 결합함으로써 이 두 가지 한계를 해결했습니다. 첫 번째는 인듐 비소 (InAs)로, 자기장이 존재하는 환경에서 적외선과의 상호작용이 변하는 자기 광학 (magneto-optical) 반도체입니다. 이 물질은 빛이 모든 방향에서 동일하게 행동하도록 두는 대신, 비가역적 열 동작 (nonreciprocal thermal behavior)을 가능하게 하는 방향성 비대칭성 (directional asymmetry)을 도입합니다. 두 번째 요소는 GST로, 비정질 (amorphous) 상태와 결정질 (crystalline) 상태 사이를 가역적으로 전환할 수 있는 상변화 물질 (phase-change material)입니다. 이는 광학적 특성을 극적으로 변화시키면서도, 전원이 제거된 후에도 기록된 상태를 그대로 유지합니다.

연구진은 InAs 층 위에 GST를 미세한 격자(grating) 형태로 패턴화하여, 그들이 '자기-광학 메타격자 (magneto-optical metagrating)'라고 설명하는 구조를 형성했습니다. InAs는 열 흡수와 열 방출을 분리하는 데 필요한 방향성 제어(directional control)를 제공하며, GST 층은 장치의 동작 모드를 저장하는 비휘발성 스위치 (non-volatile switch) 역할을 합니다. 자기장 (magnetic field)을 가하면 적외선 복사 (infrared radiation)가 구조와 상호작용하는 방식이 조절되며, GST의 상 (phase)을 변화시키면 의도적으로 다시 쓰기 전까지 해당 동작이 영구적으로 변경됩니다. 결과적으로, 이 장치는 지속적인 에너지 공급 없이도 열을 다르게 방출하도록 프로그래밍할 수 있으며 해당 구성을 유지할 수 있습니다.

연구진에 따르면, 프로토타입은 단 3도의 입사각 (incidence angle)에서 0.9에 달하는 비가역성 계수 (nonreciprocity factor)를 달성했습니다. 이는 기존 설계에서 통상적으로 요구되던 급격한 각도보다 수직 입사 (normal incidence)에 훨씬 가까운 수치입니다. 또한 이 시스템은 자기장이나 입사각의 변화를 통한 연속적인 튜닝 (continuous tuning)뿐만 아니라, GST 상 전이 (phase transition)를 통한 디지털 온-오프 (on-off) 스위칭도 지원합니다. 연구팀은 GST의 상태가 변할 때 비가역적 효과가 약해지는 이유를 추가로 분석하였으며, 이러한 감소가 단순한 흡수 손실 (absorption losses) 때문이 아니라 광학적 장 (optical field)의 재분배와 증가된 댐핑 (damping)의 결합에서 비롯된다는 결론을 내렸습니다.

비록 이 기술은 초기 단계의 연구 시연 단계에 머물러 있지만, 열 복사 (thermal radiation)를 프로그래밍할 수 있는 능력은 프로세서가 점점 더 조밀한 패키지 안에 더 많은 트랜지스터, 칩렛 (chiplets), 광학 부품 (photonic components)을 집적함에 따라 향후 컴퓨팅 하드웨어에서 가치 있게 쓰일 수 있습니다. 미래의 열 메타표면 (thermal metasurfaces)은 엔지니어들에게 핫스팟 (hotspots)으로부터 열을 유도하여 배출하거나, 인접한 칩렛 간의 열 간섭을 줄이거나, 온도에 따라 광학적 특성이 변하는 실리콘 포토닉스 (silicon photonic) 장치를 안정화하는 데 사용할 수 있는 또 다른 도구를 제공할 수 있습니다.

컴퓨팅을 넘어, 연구진은 복사 냉각 (radiative cooling), 열광전지 (thermophotovoltaic) 에너지 변환, 적외선 방출기 (infrared emitters), 열 통신 시스템 (thermal communication systems), 그리고 광학 메모리 (photonic memory) 기술 분야에서의 응용도 구상하고 있습니다. 하지만 현재로서는 이 연구가 실제 배치 가능한 기술이라기보다는 실험실 수준의 시연 단계에 머물러 있습니다. 프로그래밍 가능한 열 방출기 (programmable thermal emitters)가 상용 전자 제품에 도입되기 전까지는 상당한 공학적 과제들이 남아 있습니다.