재료연구원, 친수성↓-열전도도↑ 방열소재 세계최초 개발

세라믹재료연구본부 기능세라믹연구실 안철우·차현애 박사 연구팀
화학반응 활용해 단순한 소결 과정만으로 나노결정질 복합층 형성

[창원=뉴시스]pure MgO와 개발된 매끄러운 표면의 MgO 소결 공정 중 결정립 성장 과정 모식도.(자료=한국재료연구원 제공) 2024.03.21. photo@newsis.com

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 세라믹재료연구본부 기능세라믹연구실 안철우·차현애 박사 연구팀이 화학반응을 활용하여 단순한 소결 과정만으로 나노결정질 복합층을 형성해 친수성은 감소시키고 열전도도는 증가시키는 방열소재를 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

기존 방열소재로 널리 사용되는 알루미나 필러는 열전도도 개선에 한계가 있어 원료 비용이 적고 열전도도와 비저항성 면에서 우수한 마그네시아의 잠재적인 활용이 기대된다.

하지만 마그네시아는 방열 성능은 우수하나 1800도의 높은 소결 온도, 그리고 공기 중에서 물과 반응하는 흡습성 문제 등으로 인해 방열 필러로 활용하지 못하는 한계가 있었다.

이에 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 첨단산업 발전과 함께 전자부품의 소형화 및 다기능화가 급격히 진행 중인데, 이로 인해 전자제품의 열관리는 더욱 어려워졌다.

특히, 전기차용 배터리의 고용량화와 전자부품의 고집적화로 열 밀도 증가에 대응하기 위한 고방열 특성의 방열소재가 더욱 필요한 실정이다.

전기차 판매량을 기반으로 2025년 전기차의 열 계면 소재에 사용되는 방열소재 시장은 9조7000억 원에 이를 것으로 전망되고 있다.

[창원=뉴시스]간단한 액상 소결을 통해 표면에 얇은 나노결정질 복합층을 형성하는 MgO(MgO-SM).(자료=한국재료연구원 제공) 2024.03.21. photo@newsis.com

따라서 이번 연구 결과는 기존 저가 방열소재의 수분 반응과 높은 소결온도 문제를 해결했다는 데 점에서 큰 의미가 있다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업과 산업통상자원부의 마그네슘(Mg)계 세라믹원재료 국내생산 시범사업을 통해 수행됐다.

연구 결과는 세계적인 학술지 '스몰 메소드(Small methods, IF=15.367, 제1 저자 재료연 차현애 선임연구원)'에 2023년 12월 14일 자로 게재됐다.

연구책임자인 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"면서 "개발된 저가 고품질의 마그네시아 방열 필러가 방열 세라믹 소재 시장을 이끌 것으로 기대한다"고 말했다.

현재 연구팀은 마그네시아의 열전도도를 질화물 방열 세라믹 수준으로 높이는 등 성능 향상을 위한 후속 연구를 이어가고 있다.

또, 재료연은 기술출자를 통해 설립된 연구소기업 ㈜소울머티리얼의 주주로 참여해 안철우 박사팀이 개발한 기술 상용화 및 양산화를 지원하고 있다.

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