폭염같은 AI 반도체 발열에 '단비', θ-TaN

폭염같은 AI 반도체 발열에 '단비', θ-TaN

대학생신재생에너지기자단 28기 박시우

θ-TaN의 등장

최근 미국 로스엔젤레스의 캘리포니아대학교에서 θ-TaN(세타상 질화탄탈륨)이라는 신소재를 발견했다. 이는 기존에 열전도율이 높다고 알려진 구리(약 400W/mK), 은(약 429W/mK)과 같은 전통적인 금속을 단숨에 압도하는 열전도율(약 1100W/mK)을 가진다. 이는 현재까지 측정된 금속의 열전도율 중 가장 높은 수준이다. 후술하겠지만 이러한 높은 열전도율은 전자기기, 특히 AI 반도체와 칩 내부의 과열된 지점을 냉각하는 데에 엄청난 효과를 낼 수 있다.

발열 문제 해결, 전통적인 금속으로는 한계

[자료 1. AI 반도체]

출처 : freepik

AI 반도체는 여러 개의 D램을 쌓아 올린 HBM(고대역폭 메모리)을 사용하는데, 이는 성능이 높을 뿐더러 D램의 필연적인 적층 수가 존재하기 때문에 발열이 발생할 수밖에 없다. 특히 AI 반도체의 빠르고 복잡한 처리 능력은 kW 단위의 높은 열 발생량을 반드시 수반한다. 반도체 성능의 발전이 눈부신 지금, 발열을 저지하는 능력은 반도체 업계에서 단연코 중요한 문제이다.

반도체 냉각 기술은 AI 반도체의 등장으로 인해 기존의 공랭식에서 수랭식으로 바뀌어가는 추세이다. 또 수랭식 기술의 한계를 극복하기 위해 반도체를 냉각액에 담가 열을 제거하는 액침 냉각 기술도 있다. 기존 플라스틱 기판보다 열에 강하고 휨 현상이 적은 유리 기판을 활용하는 냉각 기술도 있지만, 수율이 낮고 깨지기 쉽다는 단점이 있어 상용화는 어려운 실정이다. HBM이 원활한 데이터 이동을 위해 GPU와 밀접하게 위치한다는 점을 이용해 설계 자체에 방열판을 일체화하는 방법도 있다.

이렇게 다양한 냉각 기술들을 활용하는 과정에서 100년 넘게 방열 소재의 선두로 꼽히는 물질은 구리와 은이다. 특히 구리는 가격이 싸고 공정에 적용하는 것이 쉽다는 장점이 있어 전체 방열판 시장 소재의 30%를 차지하고 있다. 그러나 HBM의 적층과 GPU에 인접한 배치로 열이 국소적인 부분에 집중되는 AI 반도체에서는, 구리의 열전도율만으로는 완벽하게 발열 문제와 칩 집적도 문제를 해결하기 힘들다.

θ-TaN이 알려주는 냉각 해법 

[자료 2. 진동]

출처 : unsplash

구리와 같은 기존 금속의 열전도율이 임계점에 다다른 지금, θ-TaN은 어떻게 구리의 3배에 해당하는 열전도율을 가질 수 있을까? 답은 전자와 포논(phonon, 원자의 진동) 사이의 관계에 있다.

금속에서는 전자와 포논이 충돌해 저항이 발생하고, 이 저항이 열의 흐름을 방해하게 된다. 싱크로트론 X선 산란 분석과 초고속 광학 분광 기법에 의해 밝혀진 바에 따르면, θ-TaN은 전자와 포논 간의 상호작용이 극도로 약해서 열이 방해받지 않고 끊임없이 전달될 수 있다. 아울러 θ-TaN은 진동의 종류가 다양해 진동끼리 부딪히기도 어려운 구조를 가지고 있어, 진동이 운반하는 열도 효율적으로 전달된다. 즉 TaN의 여러 구조 중 θ상이 전자의 이동을 가장 극대화할 수 있어 열 전달에 가장 최적화된 구조라고 볼 수 있다.

θ-TaN의 전망

θ-TaN이 냉각 솔루션의 새로운 지평을 열 수 있는 소재임은 분명하다. 하지만 θ-TaN은 희소 금속에 속하며, 일반적인 실험 결과가 산업계의 대량 공정으로 이어지기까지에는 오랜 시간과 연구가 필요하다. 꾸준한 후속 연구가 고성능 전자기기의 새 시대를 하루빨리 열어주기를 기대해 본다.

신소재에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "이산화탄소를 빨아들이는 금속 스펀지 MOF, 노벨상에서 주목하다", 26기 김대건, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=169028690&t=board

2. "도로를 갉아먹는 제설제는 이제 그만!", 27기 천혜원, 28기 박시우, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToyOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjtzOjQ6InBhZ2UiO2k6Mjt9&bmode=view&idx=169020249&t=board

참고문헌 

[θ-TaN의 등장]

1) 서진욱, “AI 반도체 ‘발열 지옥’ 뚫는다…구리보다 3배 빠른 금속 신소재 발견”, 글로벌이코노믹, 2026.02.12, https://www.g-enews.com/article/Global-Biz/2026/02/2026021122334099382bd56fbc3c_1

[발열 문제 해결, 전통적인 금속으로는 한계]

1) 고성민, “AI 반도체 발열 잡는 냉각 기술로 승부…수랭식 한계 극복“, 조선비즈, 2025.04.22, https://biz.chosun.com/it-science/ict/2025/04/22/PBC3VJ3U3RBMHCL73GAAT32WZI/

2) 김견희, “"AI 반도체 발열 잡는다"... 전자업계, 냉각 솔루션 고도화 추진“, 미디어펜, 2025.07.16, https://www.mediapen.com/news/view/1030054 

3) 박소라, “유리기판·액침냉각 … AI칩 발열잡는 기술 각축전“, 매일경제, 2025.02.02, https://www.mk.co.kr/news/business/11230403

[θ-TaN이 알려주는 냉각 해법] 

1) 김성은, “[신소재 신기술(220)]"구리보다 3배 빠르다"⋯UCLA, AI 반도체 열 관리 바꿀 '초전도체급' 신소재 발견”, 포커스온경제, 2026.01.31, https://www.foeconomy.co.kr/id/FtMBtXpXgG0JNOcG7PwV

2) 이재탁, “구리의 3배 열전도율, 상식 뒤엎는 금속 재료 발견”, 테크튜브, 2026.01.29, https://www.techtube.co.kr/news/articleView.html?idxno=6779