트랜지스터, 메모리소자, 열전 소자 등이 나노미터 수준으로 미세화됨에 따라 해당 단위 소자의 높은 집적도로 인해 심각한 발열 문제가 발생하고 있으며, 이러한 열에 의한 손상을 막기 위하여 CPU 및 GPU를 비롯한 반도체 소자의 클럭(clock) 주파수를 의도적으로 제한하고 있는 실정입니다. 따라서 더 높은 클럭 주파수를 허용하고 소자의 집적도를 높여 고성능 및 고효율 소자의 발전을 이루어내기 위해서는 이러한 발열 문제를 반드시 해결해야만 합니다.  나노 소자에서의 열 소거에 가장 큰 걸림돌이 되는 것은 계면에서의 열저항입니다. 결국 나노 소자에서의 발열 문제를 극복하기 위해서는 계면에서의 열 수송 과정에 대한 심층적인 이해가 필수적입니다.

고체 내부에서의 열은 포논에 의해 매개되는 가운데, 포논 역시 특정 주파수를 지니는 고유 모드들로 기술됩니다. 따라서, 개별 주파수의 포논 모드가 계면에 대해서 얼마나 많이 투과되고 반사되는지 확인할 수 있어야만 계면에서의 열 수송 현상을 본질적으로 이해할 수 있게 됩니다.

전자기파의 경우에는 투명한 유리나 얇은 필름 등에 대한 투과율을 주파수별로 정의하고 그 스펙트럼을 쉽게 측정할 수 있지만, 특정 계면에 대한 포논의 주파수별 투과율 스펙트럼을 정의하고 실험적으로 측정하는 것은 매우 까다롭습니다. 본 연구팀은 열반사율 측정법과 볼츠만 수송 방정식에 기반한 모델링을 통해 포논 투과 스펙트럼을 결정하는 실험 기법을 성공적으로 갖추고 이를 이용한 연구를 본격적으로 시도합니다.

본 과제에서는 포논 투과율 스펙트럼 측정법을 통해 나노 계면을 통한 열 수송 현상에 대한 근본적인 이해를 추구합니다. 이러한 이해를 바탕으로 열 수송 기능성을 나노 계면에 부여함으로써 포논 주파수 필터, 포논 주파수 변환기, 포논 다이오드 등의 신개념 나노 계면 열 소자를 구현하면서, 나노 소자의 발열 문제에 대한 근본적인 해결책을 도출하고자 합니다.