과학자들은 다이아몬드보다 뛰어난 성능을 보이는 물질을 발견했습니다.

붕소비소화물은 다이아몬드를 능가하는 성능을 보이며 열전도와 반도체 설계의 법칙을 새롭게 정의했습니다. 출처: Shutterstock

휴스턴 대학교 연구진은 열전달 연구에서 중요한 과학적 이정표를 달성했습니다. 이들의 새로운 연구 결과는 열전도도에 대한 오랜 가정을 뒤집고, 붕소비소(BA)가 오랫동안 등방성 재료의 기준으로 여겨져 온 다이아몬드보다 열을 더 효과적으로 전달할 수 있음을 보여줍니다.

연구팀은 BAs 결정을 뛰어난 순도로 생산하면 실온에서 열전도도 값이 2,100와트/미터/켈빈(W/mK)을 넘을 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 다이아몬드 자체를 능가할 수도 있습니다.

Materials Today 에 게재된 이 연구는 기존 이론 모델에 의문을 제기하고 과학자들이 고체 물질을 통한 열 이동에 대해 생각하는 방식을 바꿀 수 있습니다. 이 결과는 스마트폰, 고전력 전자 장치, 데이터 센터 등 첨단 열 관리가 필요한 기기에 유망한 새로운 반도체 옵션을 제시합니다.

"우리는 측정 결과를 신뢰합니다. 데이터는 정확하며, 이는 이론에 수정이 필요하다는 것을 의미합니다."라고 휴스턴 대학교 자연과학 및 수학 대학 물리학과 교수이자 교신 저자인 지펭 렌(Zhifeng Ren)은 말했다. "이론이 틀렸다는 것은 아니지만, 실험 데이터와 일치하도록 조정이 필요합니다."

오랫동안 유지되어 온 한계를 돌파하다

이 발견은 휴스턴 대학 텍사스 초전도 센터(렌이 소장), 캘리포니아 대학 산타바바라, 보스턴 칼리지의 협업을 통해 이루어졌습니다.

10년 넘게 붕소비소(BAR)는 과학자들의 호기심을 자극해 왔습니다. 2013년, 보스턴 칼리지 물리학자이자 연구 공동 저자인 데이비드 브로이도와 동료들은 붕소비소(BA)가 이론적으로 다이아몬드만큼, 심지어 다이아몬드보다 더 효율적으로 열을 전도할 수 있다고 예측했습니다. 그러나 2017년 개정된 모델에서는 4포논 산란이라는 복잡한 요인이 추가되어 예측 성능이 약 1,360W/mK로 감소했습니다. 이로 인해 많은 연구자들은 붕소비소가 다이아몬드의 전도도를 능가할 수 있다는 생각을 포기하게 되었습니다.

그러나 렌 연구팀은 문제가 재료 자체의 성능이 아니라 그 안에 있는 불순물 때문이라고 의심했습니다. 이전 실험 샘플에는 성능을 약 1,300 W/mK로 제한하는 결함이 포함되어 있었는데, 이는 이론적 예측에 사용된 이상적인 조건보다 훨씬 낮았습니다.

더 깨끗한 결정, 기록적인 결과

UH가 이끄는 연구팀은 비소를 정제하고 개선된 합성법을 개발함으로써 결함이 현저히 적은 붕소 비소 결정을 개발했습니다. 이 고순도 샘플은 시험 결과 2,100 W/mK 이상의 놀라운 열전도도를 보였으며, 이는 기존 실험 결과뿐만 아니라 이론적 한계치 자체도 뛰어넘는 수치입니다.

이번 성과는 재료의 순도가 열전달 성능에 결정적인 역할을 한다는 것을 확인시켜 주었으며, 더욱 효율적인 열전도 재료를 개발하는 길을 열어주었습니다.

Discovery가 중요한 이유

이 획기적인 기술의 의미는 실험실 측정 수준을 훨씬 뛰어넘습니다. 붕소비소화물은 열을 효과적으로 방출하는 동시에 고품질 반도체로서 기능하는 소재를 제공함으로써 전자 및 반도체 기술에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다.

이 제품의 장점은 다음과 같습니다.

다이아몬드에 비해 극한의 온도나 압력이 필요 없고, 제조가 쉽고 비용 효율적입니다.
뛰어난 열전도성과 효율적인 반도체 동작이 결합되었습니다.
높은 캐리어 이동도, 넓은 밴드갭, 잘 맞는 열팽창 계수 덕분에 실리콘에 비해 잠재적으로 전자적 성능이 우수합니다.

"이 새로운 소재는 정말 훌륭해요." 렌이 말했습니다. "좋은 반도체의 가장 좋은 특성과 좋은 열전도체, 이 모든 좋은 특성이 하나의 소재에 모두 담겨 있어요. 다른 반도체 소재에서는 이런 일이 전혀 없었죠."

미래를 바라보며: 물리학의 경계를 넓히다

이번 발견은 새로운 지평을 열었지만, 연구는 계속 진행 중입니다. 텍사스 초전도 센터의 연구원들은 붕소 비소의 성능을 더욱 향상시키기 위해 연구 방법을 지속적으로 개선해 나갈 계획입니다.

이 연구는 UC 산타바바라의 볼린 리아오가 이끄는 280만 달러 규모의 미국 국립과학재단(NSF) 프로젝트의 일환으로, 휴스턴 대학교, 노트르담 대학교, 그리고 UC 어바인의 지원을 받고 있습니다. 이 연구는 산업 파트너인 코르보(Qorvo)의 부분적인 지원도 받고 있습니다.

렌은 과학자들에게 기존 모델을 재검토하고 BA와 같은 물질을 과소평가했을 수 있는 이론적 가정에 도전할 것을 권장합니다.

렌은 "이론 때문에 더 큰 것을 발견하지 못하는 일이 있어서는 안 됩니다. 이번 연구에서도 정확히 그런 일이 일어났습니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251112011825.htm