Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 양철민 센터장/책임연구원
한국과학기술연구원 다기능구조용복합 소재연구센터
자동차의 온실가스 배출 제한과 연비규제 강화에 따라 전기자동차 등 친환경 자동차의 개발에 전 세계가 무한경쟁을 하고 있는 상황이다.
또한 자동차 회사는 물론 정보기술회사들도 교통 혼잡 해소와 교통사고 감소를 위한 자율주행자동차의 개발에 뛰어들고 있다.
이러한 차세대 자동차의 경우 배터리 및 자율주행과 관련된 다양한 전자기기를 장착함으로써 자동차의 무게 증가와 발열문제가 불가피하다.
또한, 전자기기가 소형화되고 고성능화됨에 따라 전자기기 내의 발열량이 증가하고 있다.
한 통계 자료에 의하면 전자기기의 고장은 55%가 온도에 의한 것으로 발열은 전자기기의 내열성 및 장수명화의 관점에서 중요한 문제점 중 하나이다.
따라서 이러한 자동차와 전자기기의 열을 효율적으로 방출시키기 위한 경량 방열부품에 대한 관심이 높아지고 있고, 이로 인하여 고성능 방열소재 시장은 점점 증가하고 있는 추세이다.
방열은 부품에서 발생한 열을 이동시켜 부품의 온도상승을 억제하는 개념으로, 다양한 방법들이 제안되어 오고 있다. 열을 이동시키는 메커니즘은 크게 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)로 구분할 수 있다.
일반적으로 이용되는 방법은 전도에 의한 방열 방법으로 열을 확산시키기 위한 가장 효과적인 방법이다.
대류를 이용한 예로서 부품의 발열로 발생하는 상승 기류를 부품 표면을 따라 흐르게 해 열을 기기외부로 방출시키는 방식을 들 수 있는데, 순환시키기 위한 충분한 공간을 확보할 필요가 있어 소형이고 발열량이 큰 제품에는 적합하지 않다.
복사를 이용한 대표적인 것은 원적외선 복사 방식이다.
이것은 열을 직접 원적외선으로 바꾸어 발열체로부터 열을 방출시키는 방법이기 때문에 별도의 방열 핀 등을 장착하지 않아도 그 자체로 방열 효과를 높이는 것이 가능하나, 실용화 수준의 방열 효과를 얻기 어려운 수준으로 좀 더 지속적인 연구개발이 필요한 상황이다.
따라서 방열 효과를 얻기 위한 가장 효과적인 접근으로 방열소재의 열전도성을 이용하는 방법이 주를 이루고 있어 소재의 열전도성을 높이는 기술의 개발이 필요한 상황이다.
지금까지의 방열부품은 우수한 열전도도를 갖는 금속 및 세라믹 소재가 주로 이용되었으나, 무게가 무겁고 성형성이 좋지 않으며 제조단가가 높다는 단점을 지니고 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 가볍고 성형성이 좋은 방열소재의 필요성이 대두되고 있다. 방열 고분자 복합소재는 가볍고 성형성이 좋으며 낮은 제조원가로 인해 방열부품 소재로 주목받고 있다.
그러나 다양한 장점에도 불구하고 금속 및 세라믹 소재와 비교해 낮은 열전도도로 인하여 사용이 제한되고 있어 열전도도를 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
방열 고분자 복합소재는 다양한 열전도성 필러를 고분자 매트릭스와 복합화하여 열전달 경로의 효율적 형성을 통해 최종 소재의 열전도도를 향상시킨다.
일반적으로 방열 고분자 복합소재를 얻기 위해, 열전도성이 우수한 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소계 필러, 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 알루미나 등과 같은 세라믹계 필러를 단독으로 사용하거나 혹은 혼합하여 고분자 매트릭스에 균일하게 분산 및 고충전하여 제조하는 방법을 사용한다.
전기적 절연 특성이 요구되는 제품의 경우 세라믹계 필러를 적용하고 비절연성 제품의 경우 탄소계 필러를 적용하는 것이 일반적이다.
열전도성 필러의 가격차에 기인하여 절연성이 비절연성에 비해 제조원가가 높고 고열전도도의 구현이 어려운 것이 일반적이다(그림 1).
기존의 방식은 이종 필러 간의 융합 문제와 고분자 매트릭스와의 계면에서 발생하는 문제로 인해 비용 대비 열전달 성능이 낮아 고방열 성능을 위한 고열전도성을 구현하는 데 어려움이 있다.
또한 필러의 고함량 사용에 따른 복합소재의 기계적 물성 저하 및 취약한 성형성이 상용화 및 시장 확대의 장애 요인이 되고 있다.
따라서 방열 고분자 복합소재의 열전도도를 향상시키기 위한 개발 방향으로, 첫 번째, 열전도성 필러의 단순 혼합방식을 탈피하고 열전달 성능을 극대화하기 위해 열전도성이 우수한 다양한 형태, 크기, 성분을 갖는 필러의 하이브리드화 등을 통해 기존 소재 대비 유사한 가격 수준을 유지하면서 고열전도도를 발현할 수 있는 필러 설계 기술의 개발이다.
두 번째, 열전도성 필러의 고분자 내 분산 및 성형 기술의 개발이다.
즉, 필러의 혼입방식, 최적 혼합방식, 효율적 분산제 적용 등을 통한 분산공정 제어기술, 금형 구조 및 압력/온도 등의 성형공정 제어를 통한 필러의 배향제어 및 분산도 향상과 같은 방열부품 성형조건 제어 기술 개발을 들 수 있다.
방열 고분자 복합소재의 방열부품 적용은 기존 금속 및 세라믹 소재와 비교하여 극히 제한적이지만, 고분자 복합소재의 경우 경량이면서 사출성형 등에 의한 제품의 생산성이 매우 우수하고 다양한 디자인으로 부품을 제조할 수 있기 때문에 그 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.
그러나 현재 방열 고분자 복합소재의 세계 시장규모는 1천억 원 이하의 작은 시장으로 추정되고 있다. 원인으로는 방열 고분자 복합소재의 제조에 있어서 기술적 진전이 없다는 것이다.
대부분의 기업들의 제품화 기술은 고분자 수지에 열전도성 필러를 혼입하는 일반적인 방법을 적용하고 있으며 사용하는 열전도성 필러도 거의 동일한 상황이다.
또한 최근에는 부품의 방열 특성 외에도 전자파 차폐, 난연성 등 다양한 기능이 요구되고 있어 제품화가 더욱 어려운 상황이다.
전자기기가 박형화 됨에 따라 2차원 형태인 방열시트에 대한 관심도 높아지고 있다. 방열시트는 주로 열전도성이 우수한 탄소재료를 주로 이용하는데 탄소재료 방열시트는 얇고 유연하며 높은 열전도도 값을 보이는 특성이 있다.
현재 탄소재료 방열시트는 천연 흑연을 팽창시킨 후 시트 형태로 압연하는 방법의 천연 흑연시트와 고분자 필름을 고온 열처리하여 흑연화 하는 방법으로 제조하는 인조 흑연시트가 주로 이용되고 있다.
인조 흑연시트는 천연 흑연시트에 비해 가격이 비싸다는 단점이 있지만 면방향의 경우 열전도도가 3배 이상 높고, 박막화가 가능하며, 기계적 강도가 우수한 장점이 있다. 인조 흑연시트의 경우 폴리이미드 필름을 고온 열처리하여 흑연화 하는 방법으로 제조된다(그림 2).
이 인조 흑연시트의 열전도도 값은 최고 2,000 W/mK으로 구리에 비해 4배 정도 높은 값을 나타내고 있다.
현재 이러한 흑연계 방열시트는 면방향의 열전도도는 높은 데 반해 수직 방향의 열전도도는 높지 않은 경향이 있어 열을 면방향으로 분산시켜 전체적으로 온도를 낮추는 데 매우 효과적인 소재이다.
그러나 흑연계 방열시트의 경우 높은 전기전도성 때문에 절연성이 요구되는 적용 분야에서는 사용이 제한되고, 사용하더라도 고분자 필름 등의 절연층을 추가함으로써 흑연시트 고유의 우수한 열전도성이 크게 감소하게 된다.
한국과학기술연구원에서는 탄소소재 표면을 BN과 같은 세라믹 소재로 전화시키는 방법으로 절연성이면서 고열전도성을 유지하는 방열소재 개발을 위한 연구를 진행하고 있다.
현재 발광 소자에서 발생하는 열의 방출 특성을 향상시켜 전력 손실을 줄이고 효율 향상을 도모하는 방법에는 크게 두 가지가 있다.
첫 번째 방법은 발광 소자 외부에 방열판 또는 방열시트를 부착하여 열 방출을 향상시키는 방법으로서 이는 현재 가장 많이
사용되는 기술이다.
두 번째 방법은 발광 소자 내부에서 열 방출을 향상시키는 방법으로 그래핀과 같은 탄소소재를 이용한 탄소층을 형성시키는 등의 시도가 이에 해당한다.
그러나 첫 번째 방법에서는 발광 소자 외부에 방열판 또는 방열시트를 부착해야 하기 때문에 발광소자의 부피가 커져서 박형의 발광 소자 응용에 어려움이 있고, 수분의 누수 등에 의하여 그 작동 성능이 크게 감소할 수 있으며 발광 소자 효율을 크게 저하시킬 수 있다.
두 번째의 발광 소자 내부에 탄소층을 삽입, 설치하는 방법도 공정이 번거로우며 전기전도도가 매우 높은 소재이기 때문에 발광 소자 작동에 문제를 야기할 수 있다.
한국과학기술연구원의 기술은 코팅 공정 및 식각 공정을 이용하여 탄소 함유 유기물 또는 무기물 전구체 패턴층을 발광 소자 내부 즉 사파이어와 같은 무기물 기판 상에 형성시킨 후, 일정한 조건하에서 고온가열 처리를 함으로써 패턴층을 BN 방열 패턴층으로 쉽게 전환시킬 수 있다.
따라서 간편한 공정으로 발광소자의 발광 특성을 개선할 수 있는 방열 패턴층을 갖는 기판을 용이하게 제조할 수 있는 기술이다.
최근 개발되고 있는 방열시트는흑연시트, 세라믹-고분자 복합시트, 다층 코팅 금속 박막시트 등의 형태이다. 그러나 흑연시트는 수평 방향의 열 방출 특성은 뛰어나지만 수직 방향의 열 방출 특성은 매우 낮다.
또한 층간 박리 등으로 내구성이 좋지 않다. 세라믹-고분자 복합시트는 고분자 소재의 낮은 열전도도에 기인하여 낮은 방열 성능을 보이는 단점을 갖고 있다.
다층 코팅 금속 박막시트는 수평 방향으로의 열 방출 효율이 낮은 것이 문제가 되고 있다. 따라서 수평 방향뿐 아니라 수직 방향으로도 열 방출 성능이 우수하고 내구성이 뛰어난 방열시트 개발의 필요성이 대두되고 있다.
한국과학기술연구원의 연구는 금속 호일 위에 탄소를 함유하는 유무기물 전구체를 증착시킨 후 일정한 조건하에서 고온 가열 처리를 함으로써 BN 방열층으로 전환시키는 기술이다.
이렇게 제조된 방열시트의 열 흡수층과 열 방출층은 열전도도가 높으면서도 서로 다른 열전도도를 갖는다.
이때 열을 흡수하는 성질이 강한 금속 호일은 열을 빠르게 흡수하는 역할을 하고 BN 방열층은 열전도도가 높기 때문에 흡수된 열을 수평 방향뿐 아니라 수직 방향으로 빠르게 외부로 방출시킬 수 있다.
이렇게 제조된 소재는 두 층 사이의 결합력이 강하고 BN의 결정 품질이 우수하여 내구성이 뛰어나다. 이러한 복합 방열시트는 다양한 전자소자, 광소자, 에너지 소자 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다.