전류와 열을 동시에 제어할 수 있는 투명 망토

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-11-28
투명망토는 스펙트럼의 가시 광선 영역의 빛에 대해서 물체를 보이지 않게 할 뿐만 아니라 다른 많은 물리적 여기에 대해서도 물체를 안보이게 한다. 이것은 음향파, 물질파, 열 플럭스 그리고 적외선 또는 자외선 전자기파를 포함한다. 그러나 지금까지 어떤 단일 투명 망토도 이런 다양한 여기 종류들 중 두 개 이상에 대해서 물체를 보이지 않게 하는 것을 성공시키지 못하였다. 이제 중국 항조우에 위치한 Zhejiang 대학의 연구진은 새로운 연구에서 처음으로 동시에 전류 및 열 플럭스에 대해서 물체를 보이지 않게 하는 실험을 성공적으로 수행하였다. 이 투명 망토는 실리콘과 다른 물질로 이루어졌으며 전류와 열을 포함하는 온칩 디바이스뿐만 아니라, 고성능 태양전지와 같은 새로운 응용을 가능하게 할 수 있을 것이다. 이들 연구진은 그들의 연구에서 가장 중요한 것은 처음으로 이용 가능한 물질을 이용하여 다중 기능 망토 성능을 얻는 것이 실제적으로 가능하다는 것을 증명한 것이라고 말하였다. 투명 망토의 일반적인 개념은 상당히 간단하다. 그것은 물체 주위의 빛을 휘게 하는 것으로써 어떤 빛도 물체에 의해서 산란되지 않고 보이지 않게 한다. 그러나 실제로 이런 개념은 성취시키기는 어렵다. 그 이유는 그것이 매우 복잡한 메타 물질을 필요로 하기 때문이다. 이런 메타물질은 정확하게 제작된 다수의 미세 요소로 만들어지며 매우 특정한 방식으로 물리적 여기에 반응한다. EM 투명 망토는 전기 및 자기 분극을 고려해야만 하며, 그 중 어떤 것도 최대 9개의 필요한 동역학적 원소를 가지고 있다. 반면에 일시적인 열 투명망토는 이방성 열전도도, 열용량, 그리고 밀도를 동시에 다루어야 한다. 이중 기능성 전기-열 투명 망토를 디자인하기 위해서, 이들 연구진은 먼저 다른 방정식들을 하나로 결합시키는 것이 가능하다는 것을 보이고 그 다음에 이런 구조를 실험적으로 실현시킬 수 있는 물질을 개발해야만 한다. 이 결과적인 투명 망토 디자인은 이중층 껍질 시스템으로 이루어졌다. 내부층은 공기 공동이라고 불리며, 전류 또는 열흐름을 알아내는 강한 산란자이다. 외부층은 내부 층과 반대 역할을 한다. 그것은 전류 및 열흐름을 끌어당기고 집중시킨다. 연구진은 이런 층을 실리콘으로 제작하였다. 이들 연구진은 실리콘과 비교하여 무시할만한 전도도를 가진 폴리디메틸실로산으로 채워진 다공성 구멍을 가진 실리콘으로 만들어진 배경을 이용하였다. 연구진은 이런 구조 물질의 최적화된 결합이 물체 내부 공기 공동에 의해 야기된 변동을 소멸시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 단일 망토 안에서 두 개의 기능을 통합시킴으로써, 몇 개의 응용이 가능하게 되었다. 예를 들면, 투명 망토는 전류 및 전자 디바이스의 열을 제어할 수 있는 능력을 제공할 수 있으며, 그것은 또한 전류-열 디바이스의 개발을 가능하게 해준다. 이 디바이스는 한 축을 따라 전류를 집중시킬 수 있으며 다른 수직축을 따라 열 플럭스를 안보이게 해줄 수 있다. 연구진은 그들의 디바이스는 표준 반도체 제작 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에서 제작되었으며 원하는 방식으로 전류 및 열흐름을 제어할 수 있다고 설명하였다. 원하지 않는 전류 및 열 배경 요동은 휴대폰 또는 노트북 컴퓨터와 같은 우리가 일상적으로 사용하는 전자 디바이스에 통합된 마이크로전자 부품의 성능에 영향을 주는 두 개의 핵심적인 소음원이다. 현재 연구는 이런 요동을 원래 디자인으로부터 제어할 수 있는 잠재적인 방법을 제공한다. 따라서 이들의 디바이스는 전류 및 열 관리 관점에서 더 강한 성능을 가질 수 있으며 크기가 줄어들고 기능이 더 강력해질 때 더 중요해질 것이다. 현재 디자인은 전류 및 열적으로 물체를 보호하는 것을 목표로 하고 있다. 이런 디자인 방법은 다중 기능성을 실현시키기 위해서 수정될 수 있다. 즉, 독립적으로 전류 및 열 흐름을 제어하는 것이다. 하나의 잠재적인 응용은 그것이 전류 망토 및 열 집중기로서 거동할 수 있는 디바이스를 우리가 가지도록 하는데 도움을 줄 수 있는 것이다. 결국, 그것은 전자 디바이스의 모든 종류에서 피할 수 없게 생성된 열을 모으고 이용할 수 있는 효율적인 방법을 제공하여 줄 수 있을 것이다. 더구나, 동시에 전류와 열을 제어할 수 있는 능력은 열광전지 기술에 중요할 수 있다. 이것은 열을 전기로 직접 바꿀 수 있는 기술이다. 전류와 열 특성의 독립적인 제어는 또한 열광전지 기술에서 매우 중요한 응용을 찾을 수 있을 것이다. 이 기술은 높은 전류 전도도를 가진 물질을 필요로 하지만 극도로 낮은 열전도도를 요구한다. 비슷한 다중 물리 디바이스는 또한 전류 디자인 방법을 이용하여 이런 엄격한 요구 사항을 만족시킬 수 있도록 제작될 수 있을 것이다. 앞으로 이들 연구진은 이중 기능 디바이스를 계속해서 연구할 것이며 그것들의 실질적인 응용을 위해 연구를 할 계획이라고 말하였다. 연구진은 저주파수에서 전류 및 자기를 숨기기는 것과 같은 다른 이중 투명망토는 현재 그들의 연구 주제 중 하나라고 말하였다. 그들의 목적은 효율적으로 이런 기본적인 문제를 해결하는 것이라고 연구진은 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 "Experimentaql Demonstration of a Multiphysics Cloak: Manipulating Heat Flux and Electric Current Simultaneously"라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 첨부그림 1: 다중 물리 망토의 여러 기능 중의 하나인, 열 플럭스 망토 시뮬레이션. (c) 에서 열 전달 측정 장치는 뜨겁고 차가운 탱크와 적외선 카메라를 이용하여 열 복사선 방출에 의한 온도를 포획한다. 첨부그림 2: (a) 전류와 열흐름을 집중시키는 외부 고체 매체(오렌지)와 더불어 전류와 열흐름을 산란시키는 빈 공동으로 이루어진 이중 기능 망토. (b) 망토 껍질의 내부 및 외부 반경 비의 함수로써 전기 및 열 전도도. (c) 투명 망토 사진. multiphysics.jpg 1-multiphysics.jpg http://phys.org/print335774143.html