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전자부품 과열 방지하는 세계 최고 수준 방열소재 개발…생기원, 열전도 2배 높인 메탈 하이브리드 방열소재 원천기술 확보

2019-05-20박응서 기자

메탈 하이브리드 방열소재 시제품 2종과 분말 3종(왼쪽 위부터 시계방향으로 알루미늄계, 구리계 방열소재 시제품과 구리계, 알루미늄계, 은계 방열소재 분말). 사진제공 생기연

국내 연구진이 전자부품 과열을 방지하는데 효과적인 세계 수준의 새로운 방열소재를 개발했다.

한국생산기술연구원(이하 생기원) EV부품소재그룹 오익현 박사팀이 방열소재로 구리와 알루미늄 같은 금속소재에 흑연 분말을 복합화해 열전도도가 세계 최고 수준인 ‘메탈 하이브리드 방열소재’를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀이 개발한 방열소재는 열전도도가 600W/mK급으로 구리(400W/mK), 알루미늄(220W/mK) 단일 소재보다 1.5~2배가량 높아 열 방출이 빠르며, 세계 최고 수준이다.

특히 열을 특정방향으로 방출될 수 있도록 유도해 전자부품 발열 시 서로 달라붙는 융착 현상이나 뒤틀림 같은 문제를 방지할 수 있다. 또 열팽창계수가 0.5배 정도로 낮아 열로 인한 변형이 적고, 비중도 50% 수준이어서 전자제품 경량화에도 유리하다.

전자제품이 제 성능을 오랫동안 유지하려면 작동할 때 발생하는 열을 효과적으로 조절하며, 방출할 수 있어야 한다. 전자부품 고장 중 약 56%가 과도한 발열 때문에 발생하며, 열 방출 문제로 작동온도가 임계치보다 10℃ 올라가면 제품 수명이 평균 2배 정도 감소한다.
최근 전기차나 IT기기, 생활가전에 들어가는 전자부품들이 고성능, 고출력, 고집적, 소형화하면서 작동온도가 기존 120~200℃에서 앞으로 최대 400℃까지 상승할 것으로 전망됨에 따라 고성능 방열소재 개발 연구가 중요하다.

연구팀은 3년 간 기존 방열소재인 구리와 알루미늄, 은을 대상으로 흑연과 조성비, 방향성 제어율, 최적 공정조건 등을 연구해 소재 활용도를 넓히는 데 주력했다. 연구 결과 열전도도 같은 열적 특성을 전자제품 사양에 맞춰 소재별로 다르게 부여할 수 있는 방열소재 제조 원천기술을 확보했다.
열전도도 550~640W/mK급의 구리계 방열소재는 전력반도체와 시스템반도체 분야에, 250~320W/mK급 알루미늄계 방열소재는 LED 분야에, 550~600W/mK급 은계 방열소재는 트랜지스터 같은 스위칭 소자 분야에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

오익현 박사는 “그동안 수입에 의존해온 방열소재를 국산화하고 공정제어로 세계 최고 수준의 고 열전도도 달성에 성공했다”며, “앞으로 전기차와 5G, 스마트그리드 같은 신산업 분야에 적용할 수 있는 맞춤형 방열소재 실용화 연구와 기술 이전에 주력할 계획”이라고 말했다.

한편 연구팀은 2019년 4월 국내 특허 등록을 완료했고, 5월에는 세계 최대 방열시장을 가진 미국에 특허를 출원했다. 방열부품소재 세계시장은 2019년 약 4조원 규모이며, 매년 3000억원 이상 늘고 있다. 국내시장은 약 8000억원 규모다.