UCLA 연구팀, 상온에서 포논 집속 현상 실험 입증

포논 집속이란 무엇인가

고체 내 열 이동을 담당하는 포논(phonon)은 원자 격자의 양자적 진동이다. 일반적인 고체에서 포논은 사방으로 흩어지며 확산 방식으로 열을 전달하지만, 결정 구조의 이방성이 강한 물질에서는 포논이 특정 방향으로 집중되어 광선처럼 좁은 경로를 따라 이동할 수 있다. 이를 포논 집속이라고 하며, 지금까지는 절대영도 근방의 극저온에서만 관측 가능한 현상으로 간주됐다. 상온에서는 포논 산란이 심해 파동 결맞음이 빠르게 소실되기 때문이다.

보론 아세나이드에서 상온 관측 성공

연구팀은 나노스케일 온도 분포 매핑 기법을 자체 개발해 보론 아세나이드 결정의 열 흐름을 직접 시각화했다. 일반 반도체에서는 원형의 확산 패턴이 나타난 반면, 보론 아세나이드에서는 결정 방향을 따라 뚜렷한 광선형 온도 패턴이 관측됐다. 결정면 방향에 따라 6중, 8중, 4중 집속 패턴이 각각 다르게 나타났으며, 이 패턴들은 이론 계산 결과와 정확히 일치했다. 집속 효과는 1 마이크로미터 이상, 잠재적으로는 수십 마이크로미터 거리까지 유지될 수 있어 현대 전자·광자·양자 소자에 적용 가능한 규모다.

보론 아세나이드가 가능케 한 이유

보론 아세나이드는 Hu 교수 연구팀이 2018년 열전도율 측면에서 처음 실험적으로 주목시킨 물질이다. 이 물질의 핵심 특성은 비정상적으로 약한 포논 산란 특성으로, 포논이 산란 없이 이동할 수 있는 거리가 여타 반도체 대비 현저히 길다. 이 덕분에 상온에서도 포논의 파동적 성질이 유지되어 집속 현상이 발생할 수 있었다. 연구팀은 그간 보론 아세나이드를 이용한 고성능 열계면 소재 및 질화갈륨(GaN) 소자 냉각 응용 연구도 축적해 왔다.

열 관리 공학에 대한 시사점과 한계

이번 연구는 열을 수동적으로 분산·제거하는 기존 방식에서 벗어나, 열 흐름을 나노 정밀도로 경로 설계할 수 있다는 가능성을 보여준다. AI 가속기, 마이크로프로세서, 항공우주 전자 장비 등 발열이 성능 한계를 결정짓는 분야에 직접 적용 가능하며, 포논과 전자 사이의 에너지 교환을 제어하는 양자 정보·감지 기술로도 확장될 수 있다. 다만 현재 시연은 보론 아세나이드라는 단일 물질에 국한되어 있고, 실제 소자 통합과 대면적·대량 공정으로의 전환 가능성은 별도 검증이 필요하다. 연구의 주요 저자는 Man Li 등 Hu 교수 H-Lab 소속 대학원생들이다.