AI 반도체 ‘발열 지옥’ 뚫는다…구리보다 3배 빠른 금속 신소재 발견

인공지능(AI) 시대의 최대 난제인 반도체 발열 문제를 해결할 획기적인 금속 신소재가 발견됐다.

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교(UCLA) 융지에 후(Yongjie Hu) 교수팀은 기존에 열전도율이 가장 높다고 알려진 구리와 은을 압도하는 ‘세타상 질화탄탈륨’의 물리적 특성을 확인했다고 지난 9일(현지시각) 과학 전문 매체 사이트 이노바상 테크놀로지카가 보도했다.

이번 연구는 기존 금속 소재가 가진 열 전달의 한계를 깨고, AI 가속기와 고성능 칩의 냉각 효율을 3배 이상 높일 수 있는 길을 열었다는 점에서 학계와 산업계의 이목을 끌고 있다.

현재 전 세계 방열 소재 시장을 주도하는 구리는 약 400W/mK(와트 매 미터 켈빈)의 열전도율을 기록하며 금속 중 최상위권 성능을 유지해 왔다.

그러나 이번 연구에서 확인된 세타상 질화탄탈륨의 열전도율은 약 1100W/mK에 이른다. 이는 구리보다 3배 가까이 높은 수치로, 지금까지 측정된 금속 소재의 열전도율 가운데 가장 높다.

연구를 주도한 수이쉬안 리(Suixuan Li) 연구팀은 질화탄탈륨의 여러 구조(알로트로프) 중 ‘세타상’이 열 전달에 가장 최적화되어 있다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 0.1에서 10피코초(1조 분의 1초) 단위의 초미세 펄스 광을 활용해 전자가 열 에너지를 실어 나르는 과정을 실시간으로 분석했다. 이 과정에서 세타상 구조가 전자의 이동을 극대화하여 열을 비약적으로 빠르게 확산시킨다는 점을 입증했다.

이러한 신소재의 등장은 AI 하드웨어 시장에 시급한 과제를 해결할 대안으로 꼽힌다. AI 연산을 처리하는 대규모 서버와 가속기는 극심한 열을 발생시키는데, 소재의 한계 탓에 발생하는 ‘열 정체 현상’은 기기 수명을 단축하고 전력 소모를 늘리는 고질적인 원인이었다.

융지에 후 교수는 이번 발표에서 “AI 기술의 급격한 발전으로 인해 구리와 같은 전통적 금속은 성능 한계점에 도달했다”며 “현재 칩과 AI 가속기가 구리에 과도하게 의존하는 구조는 전 세계적인 기술적 우려 사항”이라고 지적했다.

그는 이어 “세타상 질화탄탈륨은 이러한 한계를 극복할 근본적인 대안이며 차세대 소재 설계의 기준점이 될 것”이라고 덧붙였다. 업계 전문가들은 이 소재가 상용화될 경우 전자 기기 내부의 국소 과열 지점(Hot Spot)을 효과적으로 제어할 수 있다고 분석한다.

이는 반도체의 집적도를 높이면서도 안정적인 동작을 보장할 수 있는 핵심 기술이 될 것이라는 평가다.


다만 산업 현장에 즉시 투입하기 위해서는 대량 생산 공정의 경제성 확보가 선행되어야 한다. 탄탈륨은 희유금속에 속하며, 특정 결정 구조인 세타상을 대면적으로 일정하게 합성하는 기술은 구리 가공에 비해 난도가 높기 때문이다.

그럼에도 불구하고 시장 참여자들 사이에서는 이번 발견이 소재 공학의 새로운 장을 열었다는 평가가 우세하다.

반도체 설계 및 하드웨어 제조 업계에서는 "기존 금속의 물리적 한계를 돌파한 만큼, 고성능 컴퓨팅 환경을 재설계하는 강력한 동력이 될 것"으로 내다보고 있다.

연구팀은 앞으로 이 소재의 안정적인 대량 합성 방법과 실제 반도체 패키징 공정 적용을 위한 후속 연구에 박차를 가할 계획이다.


서진욱 글로벌이코노믹 기자 jinwook@g-enews.com