Special 세라믹 열관리소재 기술 개발 동향(1)

상온분사공정을 통한 열관리용 세라믹 코팅막 제조 기술

윤세중 한국재료연구원 기능세라믹연구실 학생연구원
민유호 한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원
안철우 한국재료연구원 기능세라믹연구실 책임연구원
최종진 한국재료연구원 기능세라믹연구실 실장
한병동 한국재료연구원 세라믹재료연구본부 본부장

1. 서론

세라믹스(Ceramics)란 흙으로 만들어진, 혹은 불에 태워서 만든 물건이란 뜻인 고대 그리스어 Keramos에서 유래된 것으로, 열을 가해 만든 비금속 무기재료를 총괄하여 부르는 말이다. 쉽게 생각하면 도자기, 시멘트, 유리 등을 예로 들 수 있다. 세라믹스는 매우 독특한 특성을 지니는데 열에 잘 견디며, 표면이 딱딱하고, 화학적인 침식에 강하고, 최근에는 전자기적인 특성을 나타내는 세라믹스에 대한 발견 및 응용 연구들이 활발히 진행되고 있다. 즉, 세라믹스는 타 소재 대비 뛰어난 기계적, 화학적, 열적, 광학적, 생체친화적인 물성을 가진다. 동전에 양면이 존재하듯이, 세라믹스는 깨지기 쉬우며, 따라서 복잡한 형상 등으로 가공이 어렵다는 점이 단점이라 할 수 있으나, 최근에는 기술 발전으로 인해 이런 단점들을 거의 극복할 수 있는 수준에 다다르고 있다.
  세라믹스 자체로 활용하는 경우와 달리, 목적에 따라 특정 소재나 부품 표면에 얇은 세라믹 막을 입혀서 응용하는 산업 역시 지속적으로 발전하고 있다. 즉, 코팅은 모재의 물성은 유지한 채, 벌크 내부와는 달리 표면 물성을 변화시킬 수 있는 대표적인 방법으로, 과거에는 주로 표면의 마모나 부식을 방지하는 목적으로 널리 활용되었다면, 최근에는 항균, 전자파 차폐, 효율 향상, 열관리 등 다양한 기능성을 가지는 재료로 그 활용 범위가 확대되고 있다. 예컨대, 우리가 주방에서 자주 접할 수 있는 프라이팬이나 칼에서부터 반도체, TV, 치아, 센서, 스마트 윈도우, 이차전지, 가스터빈, 자동차, 항공 등 평소 알지 못했던 우리 일상 속에도 세라믹 코팅은 깊숙이 자리 잡고 있다(그림 1).
  그중에서도, 첨단산업이 발전함에 따라 다양한 소재/부품 등의 열관리에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라 세라믹 코팅의 역할과 중요성도 크게 부각되고 있다. 최근 전자제품의 고집적화, 소형화, 다기능화가 가속화되어 그에 따라 증가하는 발열량은 전자기기의 수명 단축, 성능 저하, 신뢰성 감소라는 많은 문제를 야기하고 있다.[1] 올해 출시된 스마트폰 기기의 경우, 사용 중 섭씨 40~50도까지 온도가 올라가는 현상이 발생하였고 일부 전기차의 배터리 또한 발열 현상으로 인해 화재가 발생하여 문제시 되었다.[2,3] 첨단산업의 열 관련 문제는 계속해서 전자기기 발전의 혁신을 막는 장벽이 될 수 있기 때문에 효율적인 열방출 및 열저항에 대한 연구가 함께 이루어져야 한다. 일반적으로 사용되는 방열 효과를 얻기 위한 가장 효과적인 방법 중 하나는 열전도성이 높은 고방열소재를 이용하는 것이다. 따라서 소재의 열전도성을 높이고 이를 방열소재로 적용할 수 있는 공정 방법에 대한 개발이 중요하다.

그림 1. 세라믹 코팅의 응용분야

 
방열 세라믹 소재는 표 1에 나타내었듯이 저가형 산화물인 Al2O3 (20-30 W/m･K), 고가형 질화물에선 AlN (100-270 W/m･K), Si3N4 (80-100 W/m･K) 등이 대표적이라 할 수 있다.[4]
널리 사용되는 고열전도 세라믹 소재 중 하나인 AlN은 높은 열전도도와 1014Ω․cm의 높은 전기 절연성, 낮은 열팽창계수 등을 바탕으로 세라믹스가 적용되는 LED 및 Laser용 기판으로 활발히 연구가 진행되어 왔다.[5~7] 하지만, AlN은 기계적 물성이나 화학적 안정성이 낮아서 최근에는 그 관심이 기계적 특성 및 신뢰성이 우수한 Si3N4 소재로 이동하는 추세이다. 소형 전자소자/부품의 열을 효율적으로 배출하기 위해선, 열전도성이 우수한 금속방열판(Heat Sink)과 접합을 해야 하는데, 일반적으로 소자/부품의 기판인 세라믹 소재와 직접 접합하기보다는 공기층을 제거하고 높은 접합력을 부여하기 위해서 고분자와 세라믹 필러가 혼합된 계면접착물질(Thermal Interface Materials, TIM)이 세라믹 기판과 금속방열판 사이에 위치하게 된다. 이는 고분자 물질인 TIM의 낮은 열전도와 높은 열저항의 문제를 야기할 수 있다. 따라서, TIM을 제거하여 공정을 간소화하고, 열저항 감소의 효과도 가지는 방열 세라믹 코팅막을 TIM 대신 직접 코팅하는 방법 역시 연구되어 왔다. 현재까지 알려진 대표적인 방열세라믹 코팅막 제조 방법은 주로 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 플라즈마 용사(Plasma Spraying), 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition, AD) 등이 있다.[8~10]
  열관리용 세라믹 코팅기술은 앞서 살펴본 방열기술 이외에도 단열 목적으로 활용될 수 있다. 즉, 열을 기기 외부로 방출시키는 방열기술과 달리 열을 차단시켜 고온의 환경에서 기기를 보호하거나 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단하여 부품 효율을 증진시키는 단열 기술에도 적용이 가능하다. 대표적인 단열코팅 기술인 열차폐 코팅은 고온의 사용 환경에서 항공기나 발전용 가스터빈 엔진의 적용되는 기술로서, 코팅막은 모재로 전달되는 열을 단열성이 우수한 막을 통해 차단하여 모재를 보호하고 에너지 효율을 향상시키는 역할을 한다.[11] 단열 코팅은 고온의 극한 환경과 지속적인 열응력에서 코팅층 역할을 수행해야 하기 때문에 소재 선택에 있어 열전도도가 낮고 모재와의 열팽창계수 차이가 비슷하며, 고온에서도 안정적인 물질이어야 한다. 대표적인 단열 소재로 고융점, 화학적 고안정성, 낮은 열전도도를 가지는 YSZ가 널리 사용되고 있다. 하지만 최근 가스터빈의 온도가 1700℃ 고온 영역으로 발전하면서 고온 안전성을 가지는 Gd2O3, La2O3 등이 첨가된 신소재에 대한 연구 역시 진행하고 있다.[12,13] 표 2에 단열 소재로 보고된 세라믹재료들의 열전도도 및 열팽창계수를 나타내었다.

 이와같이, 현재까지 개발된 다양한 코팅기술을(CVD, PVD, 플라즈마 용사, AD 등) 활용하여 열관리용 세라믹 막을 제조하고 있으며, 본 내용에서는 이 중 대표적인 코팅 공정인 AD 기술 소개, 이를 활용한 방열 및 단열용 세라믹 코팅 기술 사례, 열관리 세라믹 코팅 시장 동향 및 전망에 대해 언급하고자 한다. 

그림 9. (a) AD 공정을 이용한 AlN 코팅막 단면 (b) GSV 공정을 이용한 AlN 코팅막 단면[21]

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