Special 세라믹 열관리소재 기술 개발 동향(2)

저가 고열전도성 MgO 소재 시대의 도래

안철우_한국재료연구원 기능세라믹연구실 책임연구원
차현애_한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원
민유호_한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원
최종진_한국재료연구원 기능세라믹연구실 책임연구원
한병동_한국재료연구원 세라믹재료연구본부 본부장

1. 서론

첨단산업의 급속한 발전에 따라 전자기기에서 사용되는 전자부품들도 다기능화되고 소형화되면서 고집적화가 빠르게 진행되고 있다. 고집적화된 전자부품에서 발생하는 대표적인 문제는 내부에서 발생하는 열을 외부로 효과적으로 이동시키기 어렵다는 점이다. 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하지 못하면 전자부품의 신뢰성과 내구성이 떨어진다. 고장이 잘 나고, 성능이 떨어지며, 오래 사용하지 못한다는 뜻이다. 방열 소재는 전자산업에서 전자부품의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위해서 사용되는 고열전도성 소재이다. 방열 소재의 열전도도가 높을수록 효과적으로 열을 제어할 수 있다. 계속 고집적화되고 있는 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하기 위해서는 기존보다 열전도도가 높은 소재를 사용해야 하지만, 가격 문제로 저렴한 알루미나 소재가 계속 사용되고 있다. 전자부품의 열관리 문제를 해결하기 위해서 알루미나를 대체할 고열전도성 세라믹 신소재의 개발이 절실한 시점이다.

                           
그림 2. 전자부품의 기본 구조의 예 (LED) 및 방열 개념도

  LED를 비롯한 전자기 부품의 대략적인 구조와 방열에 대한 개념도를 그림 2에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이, 디바이스에서 발생한 열은 절연기판(방열기판)과 열계면소재(TIM, thermal interface materials), heat sink 등으로 구성되는 방열 패키지를 통해서 외부로 방출된다. 이와 같이 방열 패키지는 디바이스의 고열을 외부로 방출시키는 역할을 하며, 방열 성능을 좌우하는 가장 큰 요소가 방열 소재의 열전도도이다. 위 구성 요소 중에서 heat sink는 세라믹 소재가 아니라 주로 Al 등의 금속이 사용되고 있으며, 본고에서 소개하고자 하는 고열전도성 세라믹 소재는 세라믹 방열기판과 TIM용 세라믹 필러 소재로 사용되고 있다.

  후지경제의 ‘2017년 열 제어 방열소재 시장의 현상과 새로운 용도 전개’라는 보고서에 따르면, 그림 3에 나타낸 것처럼, 방열소재 시장은 2016년 6조 원에서 2021년 6.4조 원까지 성장될 것으로 예측된다.[1] 현재의 시장 상황을 살펴보면, 방열 산업에서 전통 시장 격인 LED 조명, 노트북 PC나 스마트폰 등의 일반 전자제품 이외에도 현재 가장 큰 시장을 형성하고 있는 전기자동차 배터리 패키지 및 전장부품과 차세대 AI와 로봇 분야 등의 발달로 인한 새로운 시장이 일부는 이미 열려 급성장하고 있으며, 일부는 시장의 창출이 가시권에 들어오고 있다. 방열 소재 규모의 성장과 고열전도성 신소재의 필요성이 맞물려, 가격 경쟁력과 고열전도도를 동시에 확보한 신소재 개발을 통한 미래 시장 선점이 그 어느 때보다 중요한 시기라고 할 수 있다.

  알루미나보다 월등히 높은 열전도도를 보이는 소재로는 대표적으로 고가 고열전도성 질화물 방열 소재가 있다. 그러나 가격 문제로 사용 분야가 매우 제한적이어서, 저가화 연구가 꾸준히 진행 중이지만 여전히 알루미나 소재와의 가격 격차는 매우 크다. 이러한 가격 격차는 방열 업계에서 질화물 소재의 사용을 여전히 꺼리게 하고 있다. 즉, 전자부품에서 발생하고 있는 열관리 문제를 해결하기 위해서는 고열전도성 방열 소재의 가격 문제가 우선적으로 해결되어야 한다.

  고가의 질화물 소재 이외에, 저렴한 가격이면서 열전도도가 높은 소재로 MgO가 있다. 알루미나와 가격에서 차이가 없는 소재인 MgO(열전도도: 40-60 W/mK)는 알루미나(열전도도: 20-30 W/mK)보다 열전도도가 약 2배 높은 소재이다. 그러나 MgO는 공기 중의 수분과 반응하는 흡습성 문제와 1800℃ 이상의 높은 소결온도로 인해 공정 단가가 비싼 문제점이 있어서, 그동안 방열 소재로 사용되지 못했다. 이와 같은 문제점에도 불구하고, 방열 소재 분야를 선도하고 있는 일본의 기업들은 MgO의 방열 소재로의 사용 가능성을 높게 평가하고 있다. 대표적으로, Denka 社와 Ube 社에서 MgO 방열 소재를 개발하여 최근 판매하기 시작하여 방열 업계의 관심이 집중되고 있다. 그러나 일본에서 생산하여 판매하고 있는 MgO 제품들은 MgO의 흡습성과 높은 소결온도 문제를 해결하지 못한 것으로 알려져 있다. 국내에서는 한국재료연구원에서 MgO를 방열 소재로 사용하기 위한 연구를 2015년부터 자체적으로 진행하여 저가 고열전도성 신소재인 KIMS MgO를 개발하여 연구소기업((주)소울머티리얼)을 통해 사업화를 진행하고 있다. 본고에서는 현재 방열 업계의 관심이 집중되고 있는 저가 고품질 산화물 방열 신소재인 MgO 소재의 개발 동향에 대해서 소개하고자 한다.

그림 9. 방열 세라믹 소재로 제조되는 전기자동차용 방열 제품들의 예

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