KITECH

전자부품 과열, 고성능 방열소재로 방지한다

- 생기원, 열전도도 최대 2배 뛰어난‘메탈 하이브리드 방열소재’개발
- 구리 등 금속소재에 흑연 분말 복합화해 600W/mK급 열전도도 달성

□ 전자제품이 제 성능을 오랫동안 유지하기 위해서는 작동 중 발생하는 열을 효과적으로 제어하고 방출해주는 방열부품의 역할이 중요하다.

ㅇ 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.

ㅇ 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(원장 이성일, 이하 생기원)이 방열소재로 주로 쓰이는 구리, 알루미늄 등의 금속소재에 흑연 분말을 복합화하여 열전도도*를 1.5~2배가량 향상시킨 ‘메탈 하이브리드 방열소재’를 개발했다.

* 어떤 특정 물체에서 열이 고온부에서 저온부로 전달되는 정도(단위 : W/mK)로, 열전도도가 높을수록 열에너지를 더 잘 전달한다.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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) 구조**를 형성시킬 수 있다.

* 물체의 물리적 특성이 방향에 따라 다른 성질

** 붙임(자료사진) 참조

ㅇ 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.

ㅇ 그 결과, 열전도도와 같은 열적 특성을 전자제품 사양에 맞춰 소재별로 다르게 부여할 수 있는 방열소재 제조 원천기술을 확보했다.

ㅇ 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.

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

ㅇ 연구팀은 2019년 4월 국내 특허 등록을 완료했고, 5월에는 세계 최대 방열시장을 가진 미국에 특허를 출원했다.

ㅇ 한편 방열부품소재 세계시장은 2019년 약 4조 원 규모로 형성되어 매년 3천억 원 이상 증가하고 있으며, 국내시장은 약 8천억 원 규모이다.