한 대학 연구팀이 대규모 제조가 가능한 다이아몬드 방열층 기술을 개발해 전자기기의 작동 온도를 23℃ 낮추는 데 성공했으며, 이는 고출력 칩의 방열을 위한 새로운 공학적 접근법을 제시한다.
다이아몬드는 극히 높은 열전도율로 인해 방열 재료의 '표준'으로 여겨지지만, 경도가 매우 높아 가공이 어려워 실제 적용이 제한되어 왔다.
이에 연구팀은 ‘하향식(bottom-up)’ 다이아몬드 성장 방식을 제안했다. 칩 표면에 직접 패턴화된 다이아몬드 층을 구축해 열을 정밀하게 배출하는 방식이다. 기존 ‘상향식’ 가공 방식(전체 다이아몬드 블록을 먼저 제작한 후 절삭·조각)과 달리, 이 신기술은 재료 손상과 고비용 문제를 피할 수 있다.
이 기술은 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착 공정을 활용한다. 연구진은 먼저 리소그래피 기술로 칩 표면에 '템플릿'을 제작한 후, 이 템플릿 위에 나노 다이아몬드 '결정핵'을 배치했다.
고에너지 반응기 내에서 탄소 함유 가스는 마이크로파 에너지 작용으로 플라즈마로 전환되며, 탄소 원자가 핵에 증착·부착되어 층층이 열전도 다이아몬드 층으로 성장한다. 연구진은 핵생성이 다이아몬드 성장의 핵심 단계로, 탄소 원자가 결정 구조를 형성하는 기반을 제공한다고 설명했다.
전자 분야에서 열은 성능을 제한하는 핵심 요소다. 온도를 23℃ 낮추는 것은 실질적인 의미를 지니며, 장치 수명 연장은 물론 과열 없이 작동 속도를 높일 수 있다.
고해상도 복잡 패턴 적용 시에는 리소그래피 기술을, 대면적 적용 시에는 레이저 박막 절단 방식을 사용해 다양한 시나리오에 맞는 공정 적응성을 구현했다. 이러한 유연성이 산업화 가능성을 열었다고 평가된다.
또한 이 공정은 실리콘과 질화 갈륨 등 다양한 반도체 기판 재료와 호환되어 서로 다른 기술 로드맵에 고성능 다이아몬드 방열층을 통합하는 기반을 마련했다.
연구팀은 새로운 방법이 이미 2인치 웨이퍼 제조 규모로 성공적으로 확장되었으며, AI 칩과 5G 하드웨어 등 고전력 반도체 소자에 적용될 전망이라고 밝혔다.
팀은 다이아몬드 방열 기술을 전자 소자에 통합할 수 있는 확장 가능하고 효과적인 방식을 찾아냈다. 이는 휴대폰, 배터리 및 컴퓨팅 장치의 효율성과 신뢰성 향상에 잠재적 의미를 지닌다.
연구팀의 다음 단계 목표는 다이아몬드 층과 하부 전자 소자 간의 계면 결합을 최적화하여 더 긴밀한 구조적 통합을 실현하는 것이다. 이 부분에서 돌파구가 마련된다면 더 높은 속도와 더 큰 전력을 지닌 차세대 트랜지스터 소자 구축에 기여할 것이다.
