출처: https://phys.org/news/2017-04-block-thermal.html

Illustration and scanning electron micrographs of the NanoThermoMechanical rectifier.

Credit: Elzouka and Ndao. Published in Nature Scientific Reports.

나노열기계식 정류기의 개요도와 그 주사전자현미경 사진

엘주카와 느다오 제공, 네이처 사이언티픽 리포츠 게재

Researchers have built the hottest thermal diode to date, which operates at temperatures of more than 600 K (326 °C). Thermal diodes may serve as the building blocks of future thermal computers, which could run at temperatures at which today's electronic computers would quickly overheat and stop working.

미국 연구진이 600K (섭씨 326도 이상)에서도 작동하는 열다이오드를 만드는데 성공했다. 열다이오드는 미래에 개발될 열컴퓨터에 기본소자로 사용될 가능성이 있으며, 열다이오드를 이용하여 제작한 열컴퓨터는 전자컴퓨터라면 곧 과열되어 작동을 멈추었을 고온 환경에서도 정상적인 작동이 가능하다.

The researchers, Assistant Professor Sidy Ndao and graduate student Mahmoud Elzouka at the University of Nebraska-Lincoln's Department of Mechanical & Materials Engineering, have published a paper on the NanoThermoMechanical diode in a recent issue of Nature's Scientific Reports.

"We have demonstrated the building block of what could be the thermal computer of the future, and it works at very high temperatures," Ndao told Phys.org. "For someone who also actively works in electronics cooling, it makes you wonder 'What if we stopped cooling electronics all together?'

"Unlike electronics, NanoThermoMechanical memory and logic devices use heat instead of electricity to record and process data; hence they can operate in harsh environments where electronics typically fail. A few examples include the exploration of planet Venus with average temperature over 400 °C, and deep-Earth drilling for petroleum and geothermal energies. Also equally important is the opportunity that this technology presents for waste heat recovery with the development of thermal batteries."

네브라스카주립대학의 기계재료공학부 소속의 조교수 사이디 느다오와 대학원생 마흐무드 엘주카는 네이처지의 사이언티픽 리포츠에 나노열기계식 다이오드에 관한 논문을 게재했다. "저희는 미래에 개발될 열컴퓨터의 기본소자를 시연하였으며, 해당 소자는 매우 고온에서도 작동합니다"라고 느다오가 Phys.org와의 인터뷰에서 말했다. "전자기기 냉각을 전공하는 사람이라면 누구나 '모든 전자기기의 냉각이 중단되면 어떻게 하지?'라는 질문을 가졌을 것입니다. 전자기기와는 달리 나노열기계식 메모리와 논리장치는 전기 대신 열을 사용하여 데이터를 기록 및 처리합니다. 때문에 이들은 전자기기가 일반적으로 고장나는 열악한 환경에서도 작동합니다. 그러한 환경의 예로는 평균 온도가 섭씨 영상 400도를 넘는 수성 탐사나 석유/지열에너지 채취를 위한 심도채굴이 있습니다. 또한 해당 기술은 열배터리 개발 및 폐열회수에 새로운 가능성을 제시해주고 있습니다."

The function of a thermal diode is to allow heat to flow primarily in one direction but not the other, similar to how an electronic diode allows electric current to flow primarily in one direction. This ability to control the direction of flow enables diodes to produce two distinct levels of a signal, forming the basis for the "0" and "1" binary logic levels.

열다이오드는 전자다이오드와 마찬가지로 열이 한 방향으로만 흐르도록 하는 소자이다. 흐름 제어가 가능하다는 다이오드의 특성을 이용하면 2진법 논리의 0과 1에 각각 대응하는 2개의 신호수준을 만들 수 있다.

The new thermal diode achieves two distinct levels of heat flow by controlling the distance between two surfaces: a moving terminal and a stationary terminal. The researchers showed that changing the relative temperatures of the two terminals changes the gap size between them, which changes the amount of heat transfer, which in turn depends on the direction of heat flow.

새로 개발된 열다이오드는 두 개의 표면(동적말단 표면과 정적말단 표면) 간 거리를 제어하여 2개의 열흐름 수준을 만들 수 있다. 연구진은 이 두 말단 간 상대온도가 변할 경우 표면 간 간격이 변하며, 이는 곧 열전달량을 변화시킴을 보였다. 열전달량은 또한 열흐름의 방향에 좌우된다.

This is the first time that the relation among these four factors—temperature, separation gap, heat transfer rate, and heat flow direction—has been exploited for use in a thermal diode.

위에서 말한 4개의 요인, 즉 온도 / 간격 / 열전달율 / 열흐름 방향 간 관계를 이용하여 열다이오드를 구현한 것은 이번이 처음이다.

The entire device consists of 24 pairs of moving and fixed terminals, along with two thin-film platinum microheaters that independently control and measure the temperatures of each pair of terminals. When the fixed terminal is hotter than the moving terminal, the gap is large, resulting in a low heat transfer rate. When the moving terminal becomes hotter than the fixed terminal, the moving terminal moves closer to the fixed terminal and the gap decreases, leading to a higher heat transfer rate.

열다이오드 자체는 24 쌍의 동적/정적 말단들과 2개의 박막 플라티늄 미소가열기로 구성되어 있다. 박막 플라티늄 미소가열기는 각각의 말단쌍을 독립적으로 제어하고 그 온도를 측정한다. 정적말단이 동적말단보다 뜨거우면 동적말단이 정적말단에서 멀어져 열전달율이 낮아진다. 반대로 동적말단이 정적말단보다 뜨거우면 동적말단이 정적말단에 가까워져 열전달율이 높아진다.

At this scale, the heat transfer physically occurs due to a process called near-field thermal radiation, which results mainly from the tunneling of evanescent surface waves between two closely spaced surfaces. This demonstration is the first time that near-field thermal radiation has been used to operate a thermal diode at high temperatures. Doing this has been difficult due to the technical challenges in controlling the nanoscale gap.

이러한 극소 스케일에서는 열전달이 '근접장열복사'의 형태로 이루어진다. 근접장열복사는 주로 가깝게 접해 있는 두 표면 간 감쇄표면파의 터널링으로 인해 발생한다. 이번 연구에서는 근접장열복사를 이용하여 고온에서 열다이오드를 작동시킬 수 있음을 사상 최초로 입증한 것이다. 지금까지는 나노 크기의 간격을 제대로 제어할 수 없어 열다이오드을 고온에서 작동시키는 것이 매우 힘들었다.

Tests showed that the thermal diode can operate at temperatures of up to 600 K, and the researchers expect that higher temperatures with improved performance are possible through design optimization.

연구진은 실험을 통해 이번에 개발된 열다이오드가 600 K (섭씨 영상 326도)에서도 작동함을 보였으며, 디자인을 최적화할 경우 더 높은 온도에서도 더 나은 성능을 보일 것으로 예상하였다.

Another benefit of the method is that the thermal diode can be easily implemented, as it does not require exotic materials but instead uses standard techniques already known to the semiconductor industry.

해당 기술이 가지는 또 하나의 장점은, 희귀한 재료를 쓸 필요 없이 현재 반도체 산업에서 일반적으로 쓰이는 공정만으로도 열다이오드를 제작할 수 있어 쉽게 상용화가 가능하다는데 있다.

More information: Mahmoud Elzouka and Sidy Ndao. "High Temperature Near-Field NanoThermoMechanical Rectification." Scientific Reports. DOI: 10.1038/srep44901

참고문헌: 마흐무드 엘주카와 사이디 느다오. "고온 근접장 나노열기계적 정류에 관한 연구" 사이언티픽 리포츠. DOI: 10.1038/srep44901