이봉재·이승섭 KAIST 교수팀 "사물인터넷 센서 등 적용"

금속-유전체 다층나노구조의 충전인자에 따른 복사열전달량 분석 결과. 파란선은 각 구조에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤 분산 조건, 컨투어는 복사열전달량을 나타냄. a 충전인자=1.0. b 충전인자=0.1. c 충전인자=0.23.<사진=KAIST 제공>
금속-유전체 다층나노구조의 충전인자에 따른 복사열전달량 분석 결과. 파란선은 각 구조에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤 분산 조건, 컨투어는 복사열전달량을 나타냄. a 충전인자=1.0. b 충전인자=0.1. c 충전인자=0.23.<사진=KAIST 제공>
국내 연구팀이 금속-유전체 사이의 '근접장 복사열전달량'을 측정·제어하는 기술을 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 이봉재·이승섭 기계공학과 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정하고 제어하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

두 물체 사이의 거리가 나노미터 단위일 때 물체 사이의 복사열전달은 거리가 가까워질수록 크게 증가한다. 그 값은 복사열전달량의 이론적인 최댓값이라 여겨졌던 흑체 복사열전달량보다 1000배에서 1만 배 이상 커질 수 있다. 이런 현상을 근접장 복사열전달이라고 한다.

최근 나노기술의 발전으로 다양한 물질 사이의 근접장 복사열전달을 규명하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어가 가능해진다.

이런 이유로 박막, 다층나노구조, 나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 계속 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다.

연구팀은 커스텀 MEMS 장치 통합 플랫폼과 3축 위치 나노제어 시스템을 이용해 금속-유전체 다층나노구조 사이의 진공 거리에 따른 근접장 복사열전달량을 측정하는 데 성공했다.

금속-유전체 다층나노구조는 일정한 두께를 갖는 금속과 유전체가 반복적으로 쌓인 구조를 말한다. 금속-유전체 단일 층 쌍을 단위 셀이라 부르며 단위 셀에서 금속층이 차지하는 두께의 비율을 충전인자라 한다.

연구팀은 다층나노구조의 충전인자와 단위 셀 개수의 변화에 따른 근접장 복사열전달량 측정 결과를 통해 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링으로 근접장 복사열전달량을 크게 향상시켰다. 나아가 열전달의 파장별 제어가 가능함을 증명했다.

이봉재 교수는 "그동안 실험적으로 규명된 등방성 물질은 근접장 복사열전달의 파장별 제어에 한계가 있었다"라며 "이번에 밝혀낸 다층나노구조를 사용한 근접장 복사열전달 제어 기술은 열광전지, 다이오드, 복사냉각 등 다양한 근접장 복사열전달 적용 장치 개발에 첫걸음이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난달 16일자 온라인 판에 게재됐다.

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