쿨링 부분의 혁명? 레이저 쿨링 기술

(As they are cooled by the laser, the nanocrystals developed by the UW team emit a reddish-green "glow" that can be seen by the naked eye. Credit: Dennis Wise/University of Washington )​

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 엔진, 냉장고, IT 기기를 비롯해서 여러 영역에서 냉각(Cooling)은 중요한 문제입니다. 그렇기 때문에 많은 엔지니어와 과학자들이 효과적인 냉각 장치를 만들기 위해서 여러 가지 시도를 하고 있습니다. 여기에는 여러 가지 기상 천외한 아이디어들이 있지만, 레이저를 이용한다는 아이디어는 사실 처음 들으면 쉽게 이해가 가지 않는 이야기입니다. 보통은 열을 집중시켜 뭔가를 태우거나 녹이는데 사용되는게 레이저기 때문이죠.

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 워싱턴 대학의 피터 파우자우스키 교수(Peter Pauzauskie, UW assistant professor of materials science and engineering)가 이끄는 연구팀은 레이저를 이용해 물과 같은 일반적인 물질의 온도를 낮추는 연구를 저널 PNAS에 발표했습니다.

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 이 신기술의 가장 놀라운 점은 레이저로 냉각을 한다는 것은 물론이고 아주 작은 지점에 냉각을 할 수 있는 포인트 쿨(point cool) 방식이라는 점입니다. (위의 사진 참조) 원하는 부위만 국소 냉각이 가능하기 때문에 작업 내용에 따라서 온도가 올라가는 부위가 다른 CPU나 GPU에 매우 효과적인 냉각 방식을 제공할 수 있습니다.

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 더 나아가 연구팀은 세포 단위의 정밀한 냉각을 통해서 생물학 연구 및 유전자 연구에 혁신을 일으킬 수 있다고 생각하고 있습니다. 이런 이유로 연구팀은 세포에 손상을 주지 않는 적외선 영역 파장의 레이저를 연구했다고 합니다. (다만 표적에 부딪혀 산란되면 적녹색의 점처럼 빛나는 구조)

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 가장 흥미로운 것은 과연 어떻게 이런일이 가능한지 인데, 연구팀의 설명으로는 흡수하는 에너지보다 더 많은 에너지를 특수한 파장으로 내놓는 구조의 적외선 레이저("...infrared laser light to excite a unique kind of glow that has slightly more energy than that amount of light absorbed")를 이용한다고 합니다. 물체에 흡수된 적외선 레이저는 다시 적녹색 파장으로 더 많은 에너지를 방출하게끔 유도한다는 것인데 꽤 신선한 방식인 것 같습니다.

 이를 연구하면 만화에서 보는 것 같은 냉동 광선을 가능하게 할 것 같지만, 아직은 냉각할 수 있는 범위가 매우 작습니다. 이 레이저는 나노크리스탈과 그 주변의 물을 냉각시키는 능력은 있지만, 사람이나 그보다 더 큰 물체를 한번에 얼릴 수 있는 것은 아니라고 하네요. 하지만 이 정도로도 상당히 여러 분야에서 응용이 될 가능성이 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있습니다.

 사실 레이저를 이용한 쿨링 기술은 완전히 새로 나온 것은 아니라고 합니다. 최초 성공은 1995년 로스 앨라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory)에서 였는데, 당시는 특수한 진공 환경에서 매우 비싼 레이저를 사용해서 가능했던 일이라고 합니다. 연구팀은 저렴한 레이저를 이용해서 물 같은 흔한 매질에서 이 작업을 가능케 했습니다.

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 실용화 여부는 아직 판단하기 이르지만, 이걸로 CPU를 냉각할 수 있다면 경우에 따라서는 획기적이지 않을까 하는 생각도 드네요. 거대한 CPU와 GPU는 작업 프로세스에 따라 (예를 들어 다중코어를 사용하는지, 단일 코어를 사용하는지) 열이 나는 부위가 서로 다른 특징을 가지고 있습니다. 레이저로 정밀하게 그 부위를 식힐 수 있다면 꽤 재미있는 결과가 나올 것 같네요.

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참고

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Laser refrigeration of hydrothermal nanocrystals in physiological media, Proceedings of the National Academy of Sciences,www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1510418112                                        

  http://phys.org/news/2015-11-team-refrigerates-liquids-laser.html#jCp

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