전자부품 과열, 고성능 방열 소재로 방지한다

[이데일리 이연호 기자] 한국생산기술연구원은 방열소재로 주로 쓰이는 구리, 알루미늄 등의 금속소재에 흑연 분말을 복합화해 열전도도를 1.5~2배가량 향상시킨 ‘메탈 하이브리드 방열 소재’를 개발했다고 20일 밝혔다.

메탈 하이브리드 방열 소재 시제품 2종과 분말 3종. (좌측 상단부터 시계방향으로) Al계, Cu계 방열소재 시제품 및 Cu계, Al계, Ag계 방열 소재 분말. 사진=생기원.

EV부품소재그룹 오익현 박사 연구팀이 개발한 방열소재는 열전도도가 600W/mK급으로 구리(400W/mK), 알루미늄(220W/mK) 단일 소재들보다 1.5~2배 가량 높아 열 방출이 빠르며 이는 세계 최고 수준이다.

또 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 공정 기술 그리고 금속 소재와 흑연 분말을 복합화하는 소결 공정에 있다.

흑연은 고유의 물리적 특성인 이방성(異方性)을 갖는데 소결 공정을 활용하면 흑연분말을 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 유도해 전자부품 발열 시 서로 달라붙는 융착 현상이나 뒤틀림 등의 문제를 방지할 수 있다.

연구팀은 3년 간의 개발기간 동안 기존 방열소재인 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 대상으로 흑연과의 조성비, 방향성 제어율 및 최적 공정 조건 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 방열 소재는 전력반도체와 시스템반도체 분야에, 250~320W/mK급 Al계 방열 소재는 발광다이오드(LED) 분야에, 550~600W/mK급 Ag계 방열소재는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자 분야에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

오익현 박사는 “순수 국내 기술력으로 그동안 수입에 의존해 왔던 방열소재를 국산화하고 공정제어를 통해 세계 최고 수준의 고열전도도 달성에 성공했다”며 “향후 전기차, 5G통신, 스마트그리드 등 신산업 분야에 적용할 수 있는 맞춤형 방열소재 실용화 연구와 기술 이전에 주력할 계획”이라고 말했다.

연구팀은 지난달 국내 특허 등록을 완료한 데 이어 이달에는 세계 최대 방열시장을 가진 미국에 특허를 출원했다. 올해 약 4조 원 규모의 방열부품소재 세계 시장은 매년 3000억 원 이상 증가하고 있으며 국내시장은 약 8000억 원 규모다.