가로세로 양방향 효율적 열 전달…‘반도체패키징’ 방열소재 나왔다

- 성균관대 김태일·권석준 교수팀

이번 연구를 수행한 김태일(왼쪽), 권석준 교수.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 수평, 수직 양방향으로 동시에 열을 분산하는 방열 소재 개발에 성공했다.

한국연구재단은 성균관대 화학공학부 김태일, 권석준 교수 연구팀이 마이크로 몰딩 기법을 활용, 고열전도성 세라믹계 입자인 질화붕소 μ-플레이트릿의 수직 및 수평 정렬을 통해 양방향 열전달이 가능한 열계면물질을 개발했다고 밝혔다.

고성능 컴퓨팅, 인공지능 등 최근 높은 전력 소비를 요구하는 3차원 적측형 직접 회로 전자 장치에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 효과적인 열 관리 기술이 중요해지고 있다.

이러한 고집적 전자소자에서 특정 영역에 열이 상승하는 핫스팟 문제는 성능 저하와 오류 발생, 수명 단축으로 이어진다.

이에 따라 수직 방향 열전도 성능을 높이기 위한 연구가 활발한데, 기존 공정으로 개발된 열계면물질은 수평 방향은 물론 더 중요한 수직 열전도성이 매우 낮다는 점이 한계로 지적된다.

연구팀은 효율적으로 열 분산을 가능하게 하는 방열 소재 개발을 위해 평면 방향, 수직 방향 모두에서 이방성 열전도성 특성을 갖는 열계면물질을 제작했다.

열전도성이 우수한 세라믹계 입자(질화붕소 μ-플레이트릿)의 정렬을 하나의 열계면물질 내에서 이분화하는 방법으로 양방향 열 분산을 달성했다.

마이크로 몰딩 기반 질화붕소 μ-플레이트릿의 양극화 유도 및 시뮬레이션 분석을 통한 열전도도 최적 영역 계산.[성균관대학교 제공]

특히 질화붕소 μ-플레이트릿은 평면 방향, 수직 방향 열전도성이 우수해 정렬 방향에 따라 다양한 열전달 경로를 형성할 수 있다.

이를 실험으로 구현하기 위해, 원통형 패턴의 마이크로 몰딩 기법을 활용, 원통형 패턴 내부에 질화붕소 μ-플레이트릿의 수직 정렬을 유도하고, 이렇게 제작한 두 개의 몰드를 정밀하게 겹치는 공정을 추가함으로써 구조 전체에 양극화된 정렬이 가능케 됐다.

이를 통해 수직 및 수평 방향 모두에서 우수한 열전도 특성을 입증함은 물론, 굽힘과 같은 기계적 변형 환경에서도 성능을 유지해 다양한 표면 형상에 대한 적용 가능성을 확인했다.

김태일 교수는 “이번에 개발한 방열 소재는 차세대 고전력 전자소자의 성능 및 수명을 높일 수 있다”며 “기계적 변형이 큰 웨어러블 기기, 마이크로 LED 등 다양한 모바일 소자 및 바이오칩 적용이 용이해져 반도체패키징에 활용될 것”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 반도체패키징핵심기술개발사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 4월 21일 게재됐다.