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  • 나노크기에서 만 배 빠른 열방사등록일 : 2015/12/12
  • 열이 접촉하기 않은 더 물체들 사이를 이동할 때, 인간의 머리카락의 1/50000이나 DNA의 직경 정도의 크기인 가장 작은 크기에서 다르게 흐른다.

    연구원들이 수 십년 동안 이를 인식하고 있었지만, 그들은 이 과정을 이해하지 못했다. 열은 흔히 막거나 이용될 필요가 있고 이를 예측하기 위한 정확한 방법의 부족은 나노기술 개발에서 병목 현상을 초래하고 있다.

    최근 미시건 대학 유일 초저진동 연구실에서, 공학자들은 2나노미터의 거리에서 진공 내 한 표면에서 다른 표면으로 열이 어떻게 방사하는지 측정했다.

    열 에너지는 따뜻한 장소에서 차가운 장소로 여전히 흐르지만, 연구원들은 모닥불과 차가운 두 손의 크기보다 10,000배 더 빠르다는 것을 발견했다. 여기서 더 빠르다는 것은 한 샘플의 온도가 다른 샘플의 온도를 변화시키는 속도를 언급하고 있으며 열 자신이 이동하는 속도를 의미하는 것은 아니다. 열은 전자기 방사의 형태이어서 빛의 속도로 이동한다. 나노크기에서 다른 것은 이 과정의 효율이다.

    연구원들은 매우 근접장 내에서 방사 열 플럭스들의 현격한 향상을 최초로 보였다고 기계 공학과 재료 공학 부교수인 프라모드 레디 박사가 전했다. 또한 그는 연구원들의 실험들과 계산들은 열이 매우 작은 갭에서 수 천, 수 만배 더 빠르게 흐르는 것을 암시한다고 부연 설명했다.

    레디와 기계 공학과 바이오의료 공학 교수인 에드거 메이호페르 박사는 이 연구를 지도했다. 이 발견에 대한 논문이 네이처 지에 최근 게재되었다.

    이 발견들은 나노기술에 많이 응용된다. 그들은 열 보조 자기 기록과 같은 차세대 정보 저장을 선도할 수 있다. 그들은 현재 낭비되고 있는 자동차와 우주선 내 발생되는 열 등 열에서 전기로 직접적으로 더 전환되는 소자들을 발전시킬 수 있다. 이들은 그저 몇 가지 잠재적인 이용의 예일 뿐이다.

    연구원들이 연구했던 현상은 절대 영도 이상인 모든 물질이 방출하는 전자기 방사 혹은 빛인 방사열이다. 이는 절대 영도 이상에서만 발생하는 움직임인 물질 내 입자들의 움직임에서 물질의 내부 에너지 방출이다.

    과학자들은 이 현상이 우리 근처 세계에서 이미 감지될 수 있는 거시적인 거리와 크기부터 우리가 볼 수 없는 크기까지 어떻게 발생하는지 설명할 수 있다. 100여 년 전, 독일 물리학자 막스 플라크는 이것이 가능하게 하는 방정식들을 작성했다. 그의 모델은 실온에서 10마이크로미터까지 도달하도록 상대적으로 작은 구멍들까지의 크기에 걸친 열전달을 설명하고 있다. 하지만 이 갭은 이 보다 더 작을 경우 이 방정식들은 정확한 값을 보여줄 수 없다.

    지난 세기 중반, 러시아 라디오 물리학자 세르게이 라이토프는 10마이크로보다 작은 거리에서 열전달을 설명하기 위해 변동 전기동력학이라 불리는 새로운 이론을 제안했다. 지금까지 연구결과들은 항상 이 이론과 다른 값들을 보여왔다.

    1990년대와 2000년대 초기 이 이아디어들을 더 시험하려고 시도했던 실험들이 있었으며 연구원들은 이론이 예측한 것과 실험이 보여준 것 사이 큰 차이를 발견했다.U-M 연구실의 첨단화로 인해, 연구원들은 그들의 발견들이 이 경우에 근접할 것으로 기대한다.

    레디 박사는 자신들의 연구가 중요한 논쟁을 종식시키고 열전달의 연구에 중요한 기여를 보이고 있으며 이 결과들은 단자리 나노미트 크기 갭 내 상대 열전달이 실재 이론에 의해 설명될 수 없는 나노크기 열전달 내 현재 학설이 틀림을 증명하고 있다고 말했다.

    연구원들이 이용했던 시설은 이 대학의 새롭게 개조된 기계 공학 단지인 G. G. 브라운 연구실 내 초저 진동 실험실이다. 이 실험실은 작은 발자국으로도 방해될 수 있을 정도로 정확하게 나노크기 실험들을 수행하도록 주문 디자인되었다. 이 방들은 교통과 같은 외부의 진동과 냉온방 시스템과 같은 내부의 소음들을 막는다. 또한 음향 소음, 온도와 습도 변화, 라디오 주파수와 자기 간섭 등을 제한하고 있다.

    이 시설은 최첨단이다. 나노크기 열 방사 실험들에 요구되는 나노크기 갭을 만들 때 조그마한 변동도 실험을 망치게 할 수 있다고 메이호퍼 박사가 전했다.

    이 실험실 내에서 연구원들은 실리카의 두 상태들, 실리콘과 금 사이 흐르는 열이 얼마나 빠르게 흐르는지 직접 연구할 수 있었던 주문 제작된 주사 열 현미경 탐침들을 이용했다. 연구원들은 그들이 나노기술을 일반적으로 이용하기 때문에 이 물질들을 선택했다.

    개별 물질의 경우, 그들은 화씨 305도까지 가열될는 한 샘플을 디자인했고 같은 물질로 탐침의 팁을 코팅했지만 이 팁은 98도씨로 냉각했다. 이 샘플과 천천히 움직여 그들이 접촉할 때까지 50나노미터에서 시작하여 함께 탐침을 움직였고 일정한 간격으로 팁의 온도를 측정했다.

    연구원들이 발견해던 빠른 열전달의 원인은 나노크기 갭에서 열을 전달하는 두 쪽의 표면과 소멸파들 모두를 겹치게 할 수 있었기 때문이다.

    이 파들은 물질 사이 작은 거리 갭에서만 도달한다고 기계공학과 대학원생이며 주저자들 중 한 명인 바이 송이 말했다. 또한 그는 매우 근접계에서 그들의 세기는 더 큰 거리에서 전자기 파들에 비해 크며 두 개의 다른 소자들에서 이 파들이 겹칠 때, 큰 열 플럭스가 흐르게 된다고 부연 설명했다.

    그림 1: 나노크기에서 열 플럭스들의 상상도

    그림 2: 나노크기에서 온도 플럭스들을 측정하기 위해 이용된 초고진공 주사 열 현미경 내부 사진.

    참고 자료: Kyeongtae Kim et al. Radiative heat transfer in the extreme near field, Nature (2015). DOI: 10.1038/nature16070
  • 키워드 : 나노크기, 열방사, 열전달
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑