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탈염수 형태의 냉각 액체가 반도체 재료의 분기형 마이크로 채널을 통해 트랜지스터를 흐른다.
열이 생성되는 곳에서 직접 열을 교환한다. 외부 냉각장치 보다 경제적, 미래의 전자제품 더 작고 에너지 효율적으로 제조.

내부 냉각 기능이 있는 최초의 마이크로 칩
반도체의 마이크로 채널은 열이 발생하는 위치에서 트랜지스터를 직접 냉각

차가운 전자 장치 :
연구원들이 외부 냉각이 필요없는 마이크로 칩을 개발했다.
반도체에 통합된 마이크로 채널은 물을 트랜지스터로 직접 가져와 생성된 열을 발산한다.
이는 에너지를 절약하고 미래의 전자 제품을 ‘친환경’으로 만들 수 있다. 또한 이 통합 냉각의 생산은 이전 공정보다 저렴하다고 연구원들은 네이처에 기고했다.

▲ 새로운 시스템에서 냉각수는 마이크로 칩을 통해 직접 흐르고 내부에서 회로를 냉각시킨다. © V. Navikas / EPFL

데이터 센터, 슈퍼컴퓨터 또는 노트북 :
마이크로 칩 및 기타 구성 요소에서 발생하는 강력한 열 생성은 현대 전자 제품의 큰 문제 중 하나다. 한편으로는 구성 요소의 성능과 구조적 밀도를 제한하고 다른 한편으로 냉각은 수냉 용 팬 또는 펌프의 경우 많은 양의 에너지를 소비한다.

이를 해결하기 위해 과학자들은 칩에서 냉각수를 활용해 열을 가능한 한 효과적으로 전달하는 방법을 연구하고 있다. 예를 들어 냉각 시스템과 칩 사이의 특히 열 전도성 금속 접촉 표면에 의해 가능해진다. 칩 표면에 직접 내장된 냉각액 채널을 사용하는 첫 번째 접근법이 이미 있다. 그러나 이들은 높은 압력이 필요하고 제조가 복잡하다.

반도체의 냉각 채널

로잔 폴리 테크닉 대학교(EPFL)의 렘코 판 에르프(Remco van Erp)와  팀은 다른 접근 방식을 개발했다.
칩 외부에 냉각을 적용하는 대신 내부에서 직접 칩을 냉각시킨다. 탈염수 형태의 냉각 액체는 반도체 재료의 분기형 마이크로 채널을 통해 아래에서 트랜지스터를 지나 흐른다.
결과적으로 그들은 열이 생성되는 곳에서 직접 열을 교환한다.

연구원들은 “마이크로 채널은 마이크로 칩의 활성 영역과 직접 접촉한다.
Van Erp와 동료들은 "이는 열점과 냉각 채널 사이에 탁월한 연결을 생성한다. 냉각 채널의 3 차원 분기는 또한 냉각수의 분배를 촉진하고 순환에 필요한 압력을 낮춘다”고 말한다.

효율적이고 경제적

이 온칩(on-chip) 냉각 시스템을 사용한 초기 테스트에 따르면 평방센티미터 당 1.7 킬로와트 이상의 열 흐름을 분산시킬 수 있으며 펌프 전력 평방센티미터 당 0.57 와트만 필요하다.
예를 들어 이전 공정에서 외부에만 에칭된 냉각 채널보다 훨씬 적다.
연구진은 "평방센티미터 당 1킬로와트 이상의 냉각 용량은 이러한 직선형 마이크로 채널에 비해 효율이 50배 증가한 것에 해당한다"고 말했다.

이러한 내부 냉각 칩을 대규모 데이터 센터에서 사용하면 냉각에 필요한 에너지 소비율을 30%에서 0.1%로 줄일 수 있다고 van Erp와 그의 팀은 설명한다. "이 냉각 기술은 또한 전자 장치의 소형화를 가능하게 하여 무어의 법칙을 확장 할 수 있다"고 그들은 덧붙였다.

▲ EFFL 캠퍼스 전경

통합 생산

통합 마이크로 칩 냉각에는 또 다른 장점이 있다.
냉각 채널이 한 번의 작업으로 칩 회로와 함께 반도체에 도입되기 때문에 이후에 외부에서 추가되는 냉각 장치보다 생산 비용이 저렴하다. 먼저, 질화 갈륨으로 코팅된 실리콘 기판에 좁은 슬롯을 에칭한다. 그런 다음 슬롯은 냉각 채널로 확장되고 구멍은 구리로 밀봉된다.
그 위에 전자 회로가 만들어진다.

과학자들은 "전체 냉각 구조를 기판에 직접 통합 할 수 있으며 기존의 제조방법만 필요하므로이를 경제적으로 실현할 수 있다"고 설명했다. 그들은 이러한 내부 냉각 마이크로 칩을 사용하여 미래의 전자 제품이 더 작고 에너지 효율적이 될 수 있다고 가정한다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2666-1)

출처 : Nature, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

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