탄소 나노튜브에서의 열 추적

 

최근 IBM 연구진은 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 장치의 구동 시 발생하는 열

과 에너지 분포를 측정할 수 있는 새로운 기술을 개발함으로써, 나노전자소자 분야

의 새로운 지표를 수립하였다. 이번에 개발된 기술을 이용하여 IBM 연구진은 나노튜

브를 통해 흐르는 전류 에너지가 어떻게 열로 변환되며, 이러한 열이 나노튜브 원자

의 집합적 진동뿐 아니라 매질의 표면 진동(surface vibrations)으로 어떻게 방출되

는지를 확인할 수 있었다. 

 

열이 특정 나노튜브 장치를 통해 어떻게 흐르는지를 이해함으로써 미래의 탄소 기

반 장치를 구동하고 집적하는데 중요한 시사점이 제공되었다고 IBM의 패돈 아부리

스(Phaedon Avouris)는 말한다. 이번 발견은 장치의 열을 조절하는 나노-열 관리 

시스템(nano-thermal management systems)의 제조뿐 아니라 기초과학의 입장에

서 매우 중요한 연구 결과이다. 한편 이번 연구 결과는 Nature Nanotechnology에 

보고되었다. 

 

탄소 나노튜브는 사람의 모발보다 10만배 얇은 분자 튜브로서, 원자 규모의 닭뼈 와

이어와 유사한 육각형 탄소 시트가 말려있는 구조이다. 나노튜브는 미래 컴퓨터 칩

의 와이어 및 활성 채널로서 주된 후보자이며, 표준 칩의 요소보다 수천배 밀집된 형

태를 취할 수 있다. 

 

수년 동안 과학자들은 탄소 나노튜브 장치가 구동되면 뜨거워진다는 것을 알고 있었

다. 하지만, 이러한 효과와 장치 구조 내에서의 에너지 전달 그리고 이러한 열이 어

떻게 방출되는지를 측정할 수 없었다. 

 

이러한 궁금증을 해결하기 위해 IBM 연구진은 트랜지스터의 활성 채널로서 단일 반

도체 탄소 나노튜브가 도입된 시스템을 연구하였다. 전자수송측정(electrical 

transport measurements)과 더불어 공명 광 산란 검출법(resonant light 

scattering detection)의 우수한 감도를 이용하여 연구진은 전류가 흐르는 상황에서 

나노튜브의 광학 성질 변화를 모니터링할 수 있었다. 연구진은 이러한 변화를 "온도

계(thermometers)" 로 활용하여 나노튜브를 형성하는 원자 및 매질 원자의 상이한 

진동 거동으로 전류 에너지가 어떻게 방출되는지를 파악할 수 있었다. 

 

IBM 연구진은 위의 방법을 이용하여 나노튜브의 주된 진동 상태 분포를 규정할 수 

있었으며, 작동하고 있는 트랜지스터의 에너지 방출 경로를 파악할 수 있었다. 연구

진은 1000도 이상의 "효과 온도"로 가열된 고에너지 모드를 갖는 상이한 진동 모드간

의 비열평형(non-thermal-equilibrium), 비통계적 분포를 발견하였다. 한편, 저 에

너지 모드는 동일한 전력 수준에 대해선 상대적으로 낮은 400도의 온도를 유지하였

다. 

 

이번 연구에서 가장 중요한 것은 장치내에서의 전자 이동 그리고 나노튜브에서 매질

로의 열 전달이 효율적인 직접-커플링 메커니즘(direct-coupling mechanism)에 의

해 영향을 받는다는 사실이다. 이러한 메커니즘은 나노튜브 그리고 절연 매질 표면

에서의 원자 격자 진동(atomic lattice vibrations) 사이에서 발생한다. 기존의 벌크 

반도체 장치와 비교해 볼 때 이러한 방출 채널을 통한 에너지 전달은 상당히 효과적

인 것으로 나타났다. 

 

이번 연구 성과는 탄소 나노튜브와 같은 1차원 재료에서 진동 상태간의 에너지 평형

이 저지될 수 있다는 것을 입증함으로써, 응집 물질 물리 및 물리 화학 분야의 오랜 

패러다임에 도전적인 과제를 부과하였다. 또한 전류 펌핑 저차원 시스템에서의 비평

형 진동 분포가 관찰됨으로써 새로운 과학적 질문이 제기되었다. 다시 말해, 위와 같

은 시스템의 물리 및 화학적 성질이 평형과 비평형 진동 전이에서 어떻게 달라지는

가이다. 

 

[그림] 

전자 흐름을 통해 가열된 나노튜브의 모식도. 에너지 전자는 K로 표지된 탄소 원자

의 진동을 전이시킴. 이후 에너지는 F, IFM, RBM으로 표지된 진동 모드로 흘러 말

단에서 비평형 에너지 분포가 형성됨.

 

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-03