전자기기 열관리, 좀 더 간단하게! 좀 더 우수하게!

재료硏, 수분 반응 방어층을 가진 고열전도도 방열 소재 개발

□ 과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환/ 이하 재료연) 세라믹재료연구본부 기능세라믹연구실의 안철우 박사 연구팀은 화학반응을 활용하여 표면처리를 필요로 하지 않는 단순한 소결 과정만으로도 나노결정질 복합층을 형성하여, 친수성을 감소시키고 열전도도를 증가시키는 방열 소재를 세계 최초로 개발했다.

□ 기존 방열 소재로 널리 사용되는 알루미나 필러는 열전도도 개선에 한계를 가져, 원료 비용이 적고 열전도도와 비저항성 면에서 우수한 마그네시아의 잠재적인 활용이 기대된다. 하지만, 마그네시아는 방열 성능은 우수하나 1,800℃의 높은 소결 온도, 그리고 공기 중에서 물과 반응하는 흡습성 문제 등으로 인해 방열 필러로 활용하지 못하는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 첨가제를 이용해 소결 공정에서 표면에 얇은 나노결정질 복합층을 만들어 수분과 반응하는 방어층을 형성하고, 이와 함께 소결 온도를 낮춰 결함을 제어함으로써 열전도도를 증가시키는 데 성공했다. 이는 기존 마그네시아 소재가 가진 제약을 극복한 것으로 차세대 산업의 열관리 소재에 새로운 지평을 열었다는 평가를 받는다.

□ 최근 첨단 산업 발전과 함께 전자부품의 소형화 및 다기능화가 급격히 진행 중이다. 이로 인해 전자제품의 열관리는 더욱 어려워졌다. 특히 전기차용 배터리의 고용량화와 전자부품의 고집적화로 열 밀도 증가에 대응하기 위한 고방열 특성의 방열 소재가 더욱 필요한 실정이다. 전기차 판매량을 기반으로 2025년 전기차의 열 계면 소재에 사용되는 방열 소재 시장은 약 9조 7천억 원에 이를 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 기존 저가 방열 소재의 수분 반응과 높은 소결 온도 문제를 해결했다는 데 큰 의미를 둘 수 있다.

□ 연구책임자인 재료연 안철우 책임연구원은 “산화물 세라믹 필러의 제조 공정에서 첨가제를 통한 간단한 방법으로 고분자와의 혼합에 문제가 되는 수분 반응 문제를 해결하고, 결함 제어를 통해 고열전도성을 가진 산화물 필러를 개발할 수 있었다.”라며 “개발된 저가 고품질 마그네시아 방열 필러가 방열 세라믹 소재 시장을 이끌 것으로 기대한다.”라고 말했다.

□ 이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업과 산업통상자원부의 마그네슘(Mg)계 세라믹원재료 국내생산 시범사업을 통해 수행됐다. 또한 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘스몰 메소드(Small methods, IF=15.367, 제1 저자 재료연 차현애 선임연구원)’에 ’23년 12월 14일 자로 게재됐다. 현재 연구팀은 마그네시아의 열전도도를 질화물 방열 세라믹 수준으로 높이는 등 성능 향상을 위한 후속 연구를 이어가고 있다. 또한, 본 기술의 상용화를 위해 재료연은 기술출자를 통해 설립된 연구소기업인 ㈜소울머티리얼의 주주로 참여하여 양산화를 지원하고 있다.