[첨단 헬로티]
전자부품 고장 중 약 56%는 과도한 발열 때문에 발생하며, 열 방출 문제로 작동온도가 임계치보다 10℃ 상승할 경우 제품 수명은 평균 2배 정도 감소하게 된다.
최근 전기차나 IT, 생활가전에 들어가는 전자부품들이 고성능, 고출력, 고집적, 소형화 되면서 작동온도가 기존 120~200℃에서 향후 최대 400℃까지 상승할 것으로 전망됨에 따라 고성능 방열소재 개발 연구가 중요해지고 있다.
한국생산기술연구원(이하 생기원)이 방열소재로 주로 쓰이는 구리, 알루미늄 등의 금속소재에 흑연 분말을 복합화하여 열전도도를 1.5~2배가량 향상시킨 ‘메탈 하이브리드 방열소재’를 개발했다.
EV부품소재그룹 오익현 박사 연구팀이 개발한 방열소재는 열전도도가 600W/mK급으로 구리(400W/mK), 알루미늄(220W/mK) 단일 소재들보다 1.5~2배가량 높아 열 방출이 빠르며, 이는 세계 최고 수준이다.
또한 기존의 단일 상용소재들과 비교해 부품 불량의 원인이 되는 열팽창계수가 1.5~2배가량 낮아 열로 인한 변형이 덜하며, 비중도 약 50% 수준이어서 전자제품 경량화에 유리하다.
개발된 방열소재 제조의 핵심은 흑연 분말의 방향성 제어 공정기술, 그리고 금속소재와 흑연 분말을 복합화하는 소결 공정에 있다.
흑연은 고유의 물리적 특성인 이방성(異方性, 물체의 물리적 특성이 방향에 따라 다른 성질)을 갖는데, 소결 공정을 활용하면 흑연 분말을 열전도도가 우수한 방향으로 제어해 겹겹이 층을 이루는 형태의 층상(層狀) 구조를 형성시킬 수 있다. 이 구조는 열전도도를 향상시켜줄 뿐 아니라 열이 특정방향으로 방출될 수 있도록 유도하여 전자부품 발열 시 서로 달라붙는 융착 현상이나 뒤틀림 등의 문제를 방지할 수 있다.
연구팀은 3년간의 개발기간 동안 기존 방열소재인 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 대상으로 흑연과의 조성비, 방향성 제어율 및 최적 공정조건 등을 연구해 소재 활용도를 넓히는 데 주력했다. 그 결과, 열전도도와 같은 열적 특성을 전자제품 사양에 맞춰 소재별로 다르게 부여할 수 있는 방열소재 제조 원천기술을 확보했다.
열전도도 550~640W/mK급의 Cu계 방열소재는 전력반도체와 시스템반도체 분야에, 250~320W/mK급 Al계 방열소재는 LED 분야에, 550~600W/mK급 Ag계 방열소재는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자 분야에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
▲메탈 하이브리드 방열소재 시제품 2종(좌측 상단부터 시계 방향으로 Al계, Cu계)과 분말 3종(Cu계, Al계, Ag계).
오익현 박사는 “향후 전기차, 5G 통신, 스마트그리드 등 신산업 분야에 적용할 수 있는 맞춤형 방열소재 실용화 연구와 기술 이전에 주력할 계획”이라고 말했다.
연구팀은 2019년 4월 국내 특허 등록을 완료했고, 5월에는 세계 최대 방열시장을 가진 미국에 특허를 출원했다.
