AI 반도체를 비롯한 첨단 전자기기의 발열 난제를 해소할 수 있는 기술이 국내 협력 연구로 도출됐다.
한국생산기술연구원은 강원대·동아대와 함께 전기는 차단하면서 전 방향으로 열을 고르게 방출할 수 있는 '생체적합형 방열 복합소재'를 개발했다고 30일 밝혔다.
김시형 생기원 섬유솔루션부문 수석연구원, 임태환 강원대 화학공학전공 교수, 김정한 동아대 신소재공학과 교수팀이 공동 개발한 이 방열 복합소재는 부피 대비 최대 60% 액체 금속을 첨가해 방열 성능을 극대화했다.
전기전도성·신축성이 우수한 액체금속을 방열 복합소재에 적용하기 위해 표면장력이 큰 갈륨 기반 액체금속을 미세 구형 입자 형태로 제작·첨가한 것이 주효했다.
구형 액체금속 입자는 부드러운 물성을 유지하면서도, 열을 특정 방향에 치우치지 않고 전 방향으로 고르게 전달하는 역할을 한다. 연구팀은 이어 전기가 잘 통하지 않는 에폭시를 구형 액체금속 입자 표면에 얇게 코팅해 개별 입자마다 절연막을 형성했다.
이를 통해 입자들 사이에 25.31(±2.51) 나노미터(㎚) 두께 미세 '나노 절연 간격'을 구현, 금속 입자가 직접 맞닿아 전기가 흐르는 현상을 완벽 차단하면서 열은 원활하게 전달되도록 설계했다.
연구팀이 설계한 신소재 '엘피이60(LPE60)' 성능평가 결과, 뛰어난 방열 효과와 전기절연성, 인체 조직에 가까운 부드러운 물성을 보였다.
발광다이오드(LED) 칩에 신소재를 적용한 실험에서 표면 온도가 92.4도로 나타나 기존 상용 제품인 방열 에폭시 대비 19.1도 낮았다. 전기절연 기준도 넉넉하게 충족했다.
72시간 피부 세포 노출 실험에서도 인체에 무해한 것으로 확인됐고, 원래보다 20% 늘어나는 수준의 반복 인장 변형과 굽힘·가열 시험 후에도 물성·방열 성능이 안정적이었다.
임태환 강원대 교수는 “열관리와 생체적합성이 모두 필요한 분야에 적용하는 후속 검증을 이어갈 계획”이라고 밝혔다.
김시형 생기원 수석은 “차세대 AI 반도체와 웨어러블.이식형 바이오칩 분야는 특히 열을 효과적으로 제어하면서 얇고 유연한 구조에 적용할 수 있는 소재가 필요하다”며 “고집적 반도체 패키징과 생체전자기기 분야의 열관리 소재 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 케미칼 엔지니어링 저널에 게재 됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
