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휴대전화는 왜 더 작아지지 못할까. 여러 이유 중 하나는 바로 열 때문이다. 휴대전화에서 나는 열을 잘 배출하지 못하면 열에 약한 전자부품이 망가지기 쉽다. 따라서 휴대전화처럼 작은 전자기기를 만드는 기업은 열을 잡는 것이 언제나 숙제였다. 답 중 하나가 바로 방열판이다. 방열판은 전자부품에서 발생하는 열을 빨아들이고 공기 중으로 발산시킨다. 열을 이동시킬 수 있는 성질인 열전도성이 높을수록 더 좋은 방열판이라 할 수 있다.

데유 리 미국 반더빌트대 기계공학과 교수는 비금속 나노 필름을 쌍을 지어 마주 놓으면 한 장만 사용할 때보다 열전도성이 최대 45%까지 향상될 수 있다는 사실을 밝혀내 최근 ‘네이처 나노테크놀로지’에 발표했다.

쌍을 지은 비금속 나노 필름의 열전도성을 높이려면 두 가지 조건을 만족시켜야 한다. 첫 번째 조건은 나노 필름의 두께가 매우 얇으면서도 특정한 값을 가져야 한다. 연구팀은 실험에서 20nm(나노미터, 10억 분의 1m) 두께의 붕소 나노필름을 사용했다. 두 번째 조건은 열이 전도되는 방향이 필름의 방향과 평행해야 한다. 두 조건을 만족시키는 한 쌍의 나노필름은 온도가 올라갈수록 열전도성이 함께 증가했다.

이는 두 필름 사이에서 작용하는 약한 전자기력인 ‘반 데르 발스 힘’이 열이 전달되는 과정을 도와 열전도성이 증가됐기 때문이다. 반 데르 발스 힘은 열의 전도를 방해하는 것으로만 알려져 있었다. 실제로 위 두 조건을 만족하지 않는 나노 구조물들 사이에서는 반 데르 발스 힘이 열을 전달하는 ‘전도사’ 역할을 하는 입자(포논)의 움직임을 방해해 열전도성을 떨어뜨렸다.

리 교수는 이번 연구결과가 “초소형 광전자 소재나 나노구조물 기반의 열전자 소재의 발열을 관리하는 데 큰 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한 쌍의 나노구조물의 열전도성을 자유자재로 바꿀 수 있다는 점에서도 큰 주목을 받았다. 각기 다른 두 종류의 알코올로 나노구조물을 적셨다가 증발시키는 기작을 통해 열전도성을 높일 수도, 낮출 수도 있었다.