가로세로 양방향 열전달하는 방열 소재

국내 연구진이 수평, 수직 양방향으로 동시에 열을 분산하는 방열 소재를 개발했다. 방열 관리 시스템을 표현한 이미지. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 수평, 수직 양방향으로 동시에 열을 분산하는 방열 소재를 개발했다. 3차원(3D) 고전력 전자소자에서 제한된 면적에 열이 집중돼 특정 영역의 온도가 급격히 상승하는 ‘핫스팟’ 현상을 효과적으로 관리하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 김태일 성균관대 화학공학부 교수 연구팀이 '마이크로 몰딩 기법'으로 만든 세라믹 입자를 활용해 양방향 열전달이 가능한 열계면 물질을 개발했다고 11일 밝혔다. 고분자 몰드에 미세 패턴을 새긴 뒤 유체를 채워 고열전도성 세라믹계 입자인 ‘질화붕소 μ-플레이트릿’을 형성하는 방식으로 열전도 효율을 높였다. 

고성능 컴퓨팅, 인공지능(AI) 등 전력 소비가 많은 3차원(3D) 적층형 집적 회로 전자 장치에 대한 수요가 급격히 늘면서 효과적인 열 관리 기술이 중요해지고 있다. 고집적 전자소자에서 특정 영역에 열이 상승하는 핫스팟 문제는 성능 저하와 오류 발생, 수명 단축으로 이어진다. 

학계에서는 수직 방향 열전도 성능을 높이기 위한 연구가 활발하지만 기존 공정으로 개발된 열계면물질은 수평 방향은 물론, 열 관리에 더 중요한 수직 열전도성이 매우 낮다는 점이 한계로 지적된다.

연구팀은 효율적인 열 분산이 가능한 방열 소재를 개발하기 위해 평면 방향, 수직 방향 모두에서 이방성 열전도성 특성이 있는 열계면물질을 제작했다. 이방성 열전도성은 수평, 수직 방향에 따라 재료의 열전도율이 달라지는 현상이다.
 
연구팀은 열전도성이 우수한 질화붕소 μ-플레이트릿의 정렬을 하나의 열계면물질 내에서 이분화하는 방법으로 양방향 열 분산에 성공했다. 질화붕소 μ-플레이트릿은 평면 방향 열전도성, 수직 방향 열전도성이 우수해 정렬 방향에 따라 다양한 열전달 경로를 형성할 수 있다. 

연구를 이끈 김태일 교수는 “이번에 개발한 방열 소재는 차세대 고전력 전자소자의 성능 및 수명을 높일 수 있다”며 “기계적 변형이 큰 웨어러블 기기 등 다양한 모바일 소자 및 바이오칩에 쉽게 적용할 수 있게 해 반도체 패키징에 활용될 것”이라고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 4월 게재됐다.

김태일 성균관대 화학공학부 교수. 한국연구재단 제공

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adfm.202421607

[박정연 기자 hesse@donga.com]