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음파를 이용한 마이크로 전자디바이스 냉각 Thermal, Heatsink


음파를 이용한 마이크로 전자디바이스 냉각


soundcouldsa라이스 대학의 연구진은 그라핀 리본을 따라 진행하는 음파를 매우 미세한 전자 디바이스의 열을 제거하는 데 사용할 수 있다는 것을 발견하였다.



미국 라이스 대학의 물리학자인 보리스 야콥슨(Boris Yakobson)과 동료 연구진은 단일층 탄소 원자들이 벌집 구조를 이룬 그라핀이 파동을 통해서 열 에너지를 전달할 수 있다는 이론적 모델을 제시하였다. 그라핀의 탄성적 특성으로 인해 장파장의 음향이 잘 열에너지를 가장 잘 전달할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

그라핀의 산란 특성이 적기 때문에 이와 같은 파동은 서로 간섭 받지 않고 또한 물질의 결함과도 충돌 없이 빨리 그리고 더 멀리 갈 수 있는 것이다. 음파가 그라핀 리본을 따라 진행하며 열을 효율적으로 전달할 수 있는 이런 특성은 매우 작은 전자 디바이스로부터 열을 제거할 수 있는 유용한 방법이 될 수 있을 것이다.

야콥슨은 나노스케일 리본에 귀를 아무리 가까이 가져가도 어떤 소리도 들을 수 없지만, 과학자들은 나노스케일에서 그라핀의 독특한 물리적 특성을 이용하여 이런 소리를 이용할 수 있게 해줄 수 있다고 말하였다. 음파의 속도는 에너지가 전달될 수 있는 속도이다. 야콥슨과 그의 동료 연구진은 연구 결과를 나노 레터스 저널에 발표하였다.

연구진은 빛의 포톤과 동등한 음파의 양자 입자인 포논의 거의 탄도적인 행동은 그라핀 물질이 구리나 금보다 10배나 열 전달을 더 좋게 만든다는 것을 발견하였다. 이와 같은 그라핀의 효과적으로 열 전달을 이용하여 그라핀 열 전달 파이프를 만들기 위해서는 열이 그라핀 리본의 끝에 도달했을 때 어디로 가는지를 이해해야 한다고 연구진은 말하였다.

현재 마이크로전자기술의 전력밀도는 매크로스케일에서 보면 수 초안에 주전자를 가열시킬 만큼 충분하다. 따라서 민감한 디바이스로부터 열을 제거하고 열을 공기 중으로 신속히 방출시키는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 야콥슨은 센티미터 제곱의 면적당 킬로와트 정도되는 매우 높은 열 밀도는 디바이스에 매우 심각한 손상을 초래할 것이라고 말하였다.

열을 매우 작은 디바이스로부터 방출시키는 방법을 찾는 것은 집적회로에 2년마다 트랜지스터를 두 배씩 더 넣을 수 있다는 무어의 법칙을 유지하는데 핵심적으로 중요한 문제이다. 이런 리본의 또 다른 흥미로운 응용은 포논 웨이브가이드라고 연구진은 덧붙였다. 그라핀 리본은 다른 컴퓨터 아키텍처의 나노스케일 회로에서 전자 대신에 포논으로 정보 전달을 가능하게 해 줄 수 있을 것이라고 연구진은 내다보고 있다.


 




Sound could save circuits: Researchers theorize acoustic waves may cool microelectronics



soundcouldsa

"Hot sounds" has one meaning to music fans and another to physicists. Count a team of researchers at Rice University among the latter, as they've discovered that acoustic waves traveling along ribbons of graphene might be just the ticket for removing heat from very tiny electronic devices.

A theoretical model by Rice physicist Boris Yakobson and his students has determined graphene - a single-layer honeycomb of carbon atomsand the focus of much materials science and electronics research - can transmit thermal energyin waves. Given the elastic properties of graphene, long waves of the acoustic kind seem to work best. Because the scattering properties of graphene are low, such waves can go fast and far, unobstructed by each other or by imperfections in the material.

You'd never hear anything, no matter how close you put your ear to the nanoscale ribbon, Yakobson said. But to the researchers, the implications are clear as a bell.

"On this scale, graphene has promise for fundamental reasons," said Yakobson, a Rice professor in mechanical engineering and materials science and of chemistry and part of a program recently named No. 1 in the world for the quality of its materials scienceresearch. "The speed of sound is the speed with which energy can be carried away, because heatis transported, essentially, through vibrations."

Yakobson and his co-authors, former postdoctoral associate Enrique Muñoz, now an assistant professor in the Department of Mathematics and Physics at the University of Playa Ancha in Chile, and Jianxin Lu, a Rice graduate student, published their results last week in the online edition of the journal Nano Letters.

Muñoz, the paper's primary author, said the "nearly ballistic behavior" of phonons, quantum particlesconsidered sound's equivalent to light's photons, makes the graphene material 10 times better than copper or gold at conducting heat.

The trick to making such graphene-enabled heat pipes effective will be to figure out where the heat goes when it gets to the end of the ribbon, an issue Lu continues to study for both nanoribbons and nanotubes. Without an effective interface, the propagating waves of phonons would simply bounce back.

"You need another medium," Yakobson said. "That's why I say this is more of a heat pipe than a heat sink, because at the far end of the graphene, you need contact with fluid, in a gas or liquid phase, so this wave energy can dissipate."

The power density of current microelectronics would, on a macro scale, be enough to heat a teapot to boiling in seconds. So it's becoming increasingly important to remove heat from sensitive instruments and release it to the air in a hurry.

"We're dealing with a very high heat density - maybe a kilowatt per centimeter square," Yakobson said. "When you want to barbecue, such heat is very useful. But in this case, you'd basically barbecue your device."

Finding a way to deal with transmitting heat away from ever-smaller devices is critical to sustaining Moore's Law, which accurately predicted (so far) that the number of transistors that could be placed on an integrated circuit would double about every two years.

"Another interesting application of these ribbons is in the construction of phononwaveguides," Muñoz added. "Graphene ribbons could be pieces in a nanoscale circuit where phonons, instead of electrons, serve as information carriers in a different computer architecture."


More information:
Read the abstract here:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl904206d

Provided by Rice University

"Sound could save circuits: Researchers theorize acoustic waves may cool microelectronics." April 28th, 2010. www.physorg.com/news191687359.html




Source
: KISTI, PhysOrg.com.





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