생기원, 열전도도 최대 2배 뛰어난 '‘메탈 하이브리드 방열소재' 개발
구리 등 금속소재에 흑연 분말 복합화해 600W/mK급 열전도도 달성
【서울=뉴시스】메탈 하이브리드 방열소재 시제품 2종과 분말 3종. 왼쪽 상단부터 시계방향으로 Al계, Cu계 방열소재 시제품 및 Cu계, Al계, Ag계 방열소재 분말. (사진/한국생산기술연구원 제공) [email protected]
【서울=뉴시스】이국현 기자 = 국내 연구진이 전제제품 과열을 막기 위해 열전도도가 최대 2배 가량 높은 고성능 방열 소재 개발에 성공했다.
한국생산기술연구원은 방열 소재로 주로 쓰이는 구리, 알루미늄 등 금속 소재에 흑연 분말을 복합화해 열전도도를 1.5~2배 가량 향상시킨 '메탈 하이브리드 방열소재'를 개발했다고 20일 밝혔다.
전자제품이 성능을 오랫동안 유지하기 위해서는 작동 중 발생하는 열을 효과적으로 제어하고, 방출해주는 방열부품의 역할이 중요하다. 전자부품 고장 중 56%는 과도한 발열 때문에 발생하며, 열 방출 문제로 작동 온도가 임계치보다 10℃ 상승할 경우 제품 수명은 평균 2배 정도 감소한다.
최근 전기차나 IT, 생활가전에 들어가는 전자부품들이 고성능, 고출력, 고집적, 소형화되며 작동온도가 기존 120~200℃에서 향후 최대 400℃까지 상승할 것으로 전망되며 고성능 방열소재 개발 연구가 중요해지고 있다.
EV부품소재그룹 오익현 박사 연구팀이 개발한 방열소재는 열전도도가 600W/mK급으로 구리(400W/mK), 알루미늄(220W/mK) 단일 소재보다 1.5~2배 가량 높아 열 방출이 빠르다. 이는 세계 최고 수준이다.
기존의 단일 상용소재들과 비교해 부품 불량의 원인이 되는 열팽창 계수가 1.5~2배 가량 낮아 열로 인한 변형이 덜하며, 비중도 50% 수준으로 전자제품 경량화에 유리하다.
개발된 방열소재 제조의 핵심은 흑연 분말의 방향성 제어 공정기술, 금속소재와 흑연 분말을 복합화하는 소결 공정에 있다.
흑연은 방향에 따라 물리적 특성이 다른 특성이 있는데 소결 공정을 활용하면 열전도도가 우수한 방향으로 제어해 겹겹이 층을 이루는 형태의 층상 구조를 형성할 수 있다. 이 구조는 열전도도를 향상시킬 뿐 아니라 열이 특정방향으로 방출될 수 있도록 유도해 전자부품 발열 시 서로 달라붙는 융착 현상이나 뒤틀림 등의 문제를 방지할 수 있다.
연구팀은 3년의 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 보인다.
오익현 박사는 "순수 국내 기술력으로 그동안 수입에 의존해왔던 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 지난 4월 국내 특허 등록을 완료했고, 5월에는 세계 최대 방열시장을 가진 미국에 특허를 출원했다.
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