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전자부품 과열, 고성능 방열소재로 방지한다

생기원, 열전도도 2배 높은 메탈 하이브리드 방열 소재 개발
구리 알루미늄 등에 흑연 분말 복합화해 성공
메탈 하이브리드 방열소재 시제품 2종과 분말 3종. 좌측 상단부터 시계방향으로 Al계, Cu계 방열소재 시제품 및 Cu계, Al계, Ag계 방열소재 분말.<사진=한국생산기술연구원>메탈 하이브리드 방열소재 시제품 2종과 분말 3종. 좌측 상단부터 시계방향으로 Al계, Cu계 방열소재 시제품 및 Cu계, Al계, Ag계 방열소재 분말.<사진=한국생산기술연구원>

최근 전기차나 IT, 생활가전에 들어가는 전자부품들이 고성능, 고출력, 고집적, 소형화 되면서 작동온도가 기존 120~200℃에서 최대 400℃까지 상승할 것으로 전망되며 고성능 방열소재 개발 연구가 더욱 중요해지고 있다.

실제 전자부품의 고장 중 약 56%는 과도한 발열이 원인이다. 열 방출 문제로 작동 온도가 임계치보다 10℃ 상승할 경우 제품 수명은 평균 2배 정도 감소하게 된다.

국내 연구진이 기존 방열소재보다 열전도도를 2배정도 향상시키며 발열 문제를 해결할 수 있을 전망이다.

한국생산기술연구원(원장 이성일)은 오익현 EV 부품소재그룹 박사 연구팀이 방열소재로 주로 쓰이는 구리, 알루미늄 등 금속 소재에 흑연 분말을 복합화해 열전도도를 1.5~2배 정도 향상시킨 '메탈 하이브리드 방열소재'를 개발하는데 성공했다고 20일 밝혔다.

연구팀이 개발한 방열소재는 열전도도가 600W/mK급으로 구리(400W/mK), 알루미늄(220W/mK) 단일 소재들보다 1.5~2배가량 높아 열 방출이 빠르다.

또 기존의 단일 상용소재들과 비교해 부품 불량의 원인인 열팽창계수도 1.5~2배 정도 낮아 열로 인한 변형이 적고 비중도 50% 수준으로 전자제품 경량화에 유리하다는 게 연구팀의 설명이다.

기술의 핵심은 흑연 분말의 방향성 제어 공정기술, 금속소재와 흑연 분말을 복합화하는 소결 공정에 있다. 연구팀은 흑연 고유의 물리적 특성인 방향에 따라 다른 성질을 이용했다. 즉 흑연 분말을 열전도도가 우수한 방향으로 제어해 겹겹이 층을 이루는 형태의 층상 구조로 형성시켰다.

그 결과 열전도도는 향상되고 열이 특정방향으로 방출돼 전자부품 발열시 서로 달라붙는 융착 현상이나 뒤틀림 문제를 방지했다.

연구팀은 기존 방열소재인 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 대상으로 흑연과의 조성비, 방향성 제어율과 최적 공정 조건을 연구해 소재 활용도를 넓히는데 주력했다. 이를 통해 연구팀은 전자제품 사양에 맞춰 소재별로 다르게 부여할 수 있는 방열소재 제조 원천 기술을 확보했다.

열전도도 550~640W/mK급 Cu계 방열 소재는 반도체 분야, 250~320W/mK급 Al계 방열 소재는 LED 분야, 550~600W/mK급  Ag계 방열소재는 스위칭 소자 분야에 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 올해 4월 국내 특허 등록을 완료했고 5월에 미국 특허를 출원했다.

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