그리고 이제, 새로운 시대가 열린다 – 초박막 냉각 소자의 등장
펠티어 기술이 생활 속에서 유용하게 쓰이고 있지만, 사실 지금까지는 뚜렷한 한계가 있었습니다.
가장 큰 문제는 바로 ‘효율’과 ‘두께’였습니다.
왜 더 널리 쓰이지 못했을까?
펠티어 냉각 소자는 전기를 넣으면 열을 이동시킬 수 있다는 점에서 획기적이지만, 전기를 너무 많이 먹는다, 냉각 효과는 생각보다 크지 않다, 두께와 구조가 일반 전자기기 설계와 잘 안 맞는다는 실질적인 문제들이 있었던 겁니다.
예를 들어, 펠티어 모듈을 노트북에 넣고 싶다고 해도, 그 부피와 소비전력이 워낙 커서 발열은 줄지 않고 배터리만 닳는 경우가 많았습니다.
그런데, 나노 기술이 이 한계를 바꾸고 있습니다.
최근 연구진은 펠티어 모듈을 ‘두께 수십 나노미터 수준의 초박막(ultrathin-film)’으로 만드는 데 성공했습니다. 그 중에서도 이번에 소개할 연구는 UC 버클리와 나노시스템 연구소(LBNL)가 발표한 획기적인 실험으로, 전례 없는 구조인 CHESS와 소재 혁신을 결합해 새로운 냉각 시대를 열고 있습니다.
CHESS 구조란?
CHESS는 “Cross-Plane Energy Selective Structures” 의 약자로, 쉽게 말하면 열 이동을 ‘선택적으로’ 제어할 수 있는 수직 박막 구조입니다.
전통적인 열전 소재는 전기전도와 열전도를 동시에 고려해야 했지만, CHESS 구조는 에너지 장벽을 정밀하게 설계하여 전자는 통과시키고, 열은 억제하는 고효율 필터 같은 역할을 합니다.
이 말은 곧, ‘열만 골라서 막고’, ‘냉각하고 싶은 부위만 정밀하게 조절’할 수 있다는 뜻입니다. 이 구조 덕분에 이전보다 훨씬 얇고 가볍지만, 냉각 성능은 수배 이상 높인 냉각 소자가 가능해진 것이죠.
이번 연구에서 무엇을 해냈을까?
연구진은 수십 나노미터 두께의 열전층을 반도체 공정 방식으로 제작하여 CHESS 구조를 통해 전자 흐름은 유지하고, 열 흐름은 억제해서 결과적으로, 기존 펠티어 냉각 모듈보다 두께는 수백 배 얇고, 냉각 성능은 획기적으로 향상됨을 입증했습니다. 특히, 이 초박막 냉각층을 기존 실리콘 칩 위에 직접 통합함으로써, ‘반도체 위 냉각기술’이라는 새로운 패러다임을 열었습니다.
스마트폰, 노트북, 웨어러블… 냉각의 판이 바뀐다
지금까지는 스마트폰이나 초슬림 노트북에서 발열 문제를 해결하기 위해 히트파이프, 베이퍼 챔버, 액체 금속, 팬 등 다양한 기계적 수단이 쓰였습니다. 하지만 이번 연구에서처럼 고체 박막으로 정밀한 냉각이 가능하다면?
더 이상 팬 소음 없이도 고성능을 유지할 수 있고 웨어러블 기기처럼 얇고 가벼운 제품에도 냉각 기능을 내장할 수 있으며 나아가 칩 내부 온도를 실시간으로 조절해 배터리 효율까지 높이는 AI 기반 열 제어 시스템도 가능해집니다.
우리는 지금, 전기만으로 냉각하는 미래를 보고 있다
이제 펠티어 기술은 더 이상 ‘효율이 낮은 과거의 유물’이 아닙니다.
나노 구조 설계와 반도체 공정 기술이 결합하면서, 얇고 효율적인 초소형 냉각 소자가 현실화되고 있습니다. 그리고 이 모든 변화의 중심에 이번 연구, 「Nano-engineered thin-film thermoelectric materials enable practical solid-state refrigeration」이 자리하고 있습니다.
