세기원, 전자기기의 발열 문제 해결 실마리 찾아

산소 결함이 결정외부로 선택적으로 이동하여 제어되는 소재의 개요도. (자료제공: KICET)

최근 전자기기들의 고성능화로 인해 전력반도체의 출력밀도가 향상됨에 따라 발열의 문제로 기기의 오작동 및 고장, 수명저하의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전자기기들의 열을 효과적으로 방출하기 위한 방열(Heat Dissipation)에 대한 연구가 활발하게 진행중이다.
한국세라믹기술원(원장 정연길)은 세라믹섬유항공소재센터 도환수 박사 연구팀이 소재 내부의 산소 결함 제어를 이용하여 열에너지 전달의 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다고 지난달 11일 밝혔다.
기존의 방열소재의 열물성은 이론적으로는 매우 우수한 성능을 보이는 것으로 보고되고 있으나, 소재 고유의 내부 결함으로 인하여 열전달 특성의 효율을 높이는데 한계가 있고, 제작공정에서 발생하는 산소 결함이 효율적인 열전달을 방해하였다.
이러한 단점을 극복하고자 연구팀은 방열 소재의 원소재 자체에 필수적으로 포함된 산소 결함을 우선적으로 제어하여 결정 내부에서 결정 외부 표면으로 선택적으로 이동시키는 공정을 개발하였다. 산소 결함은 결정 내부에서 열전달 움직임을 방해하는 인자로 작용함에 따라 결정 외부 표면으로 이동시켜 버려지는 열에너지가 없도록 하였으며, 모든 방향으로 열에너지 전달이 효율적으로 이루어지도록 설계 하였다.
실제 설계된 소재의 열물성을 분석한 결과, 소재의 기계적 특성에는 영향을 미치지 않은 상태로 산소 결함이 선택적으로 결정 외부로 이동한 것을 확인하였으며, 열전달 효율도 10~15% 향상되었음을 입증하였다.
한국세라믹기술원 도환수 박사는 “방열소재의 결함제어를 선택적으로 하여 포논 산란을 제어함으로써 열에너지 전달 효율을 극대화할 수 있는 소재를 설계하고 개발했다는데 의의가 있다.”며 “향후 웨어러블 전기·전자기기뿐만 아니라 우주·항공 및 바이오 분야 등의 방열 문제를 해결할 수 있는 실마리를 찾은 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료 및 공학분야 국제 학술지 ‘Advanced Engineering Materials’에 10월호 표지논문으로 게재됐다.