‘고발열 전자기기 열관리의 해법’…상변화 방열 복합소재 구현
복잡한 공정 없이 열전도도 20 W/m·K 이상 달성···상용 소재 대비 성능 입증
부산대 연구팀의 방열 복합소재 설계 개념이 반영된 국제 학술지 Small 표지 이미지[제공=부산대]
전자기기의 소형화·고출력화가 빨라지면서 내부 발열을 효과적으로 제어할 수 있는 차세대 방열 소재 개발 경쟁도 치열해지고 있다.
이런 가운데 부산대학교 연구팀이 서로 잘 섞이지 않는 두 종류의 상변화 물질 계면을 활용해 열이 지나가는 통로를 스스로 형성하도록 유도한 고성능 방열 복합소재를 개발했다.
부산대학교는 응용화학공학부 김채빈 교수 연구팀이 상변화 기능과 고열전도 특성을 동시에 구현한 방열 복합소재를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 김채빈 교수가 교신저자 이동훈 석사과정생이 제1저자로 수행했으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원을 받았다.
이번에 개발된 소재의 핵심은 서로 섞이지 않는 두 유기 상변화 물질의 경계면을 활용했다는 점이다. 연구팀은 파라핀 왁스(PW)와 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 비상용성 계면에 열전도 필러인 육방정계 질화붕소(h-BN) 입자가 선택적으로 위치하도록 설계했다. 이를 통해 별도의 계면활성제나 복잡한 캡슐화 공정 없이도 필러가 연속적인 열전도 네트워크를 형성하도록 유도했다.
상변화 물질(PCM)은 열을 흡수해 순간적인 온도 상승을 완화할 수 있어 차세대 방열 소재로 주목받아 왔다. 하지만 자체 열전도도가 낮아 발생한 열을 신속하게 외부로 내보내기 어렵고, 녹는 과정에서 누액이 발생할 수 있다는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 열전도 필러를 첨가하는 방식이 활용돼 왔지만, 필러가 무작위로 분산되면서 연속적인 열전도 경로를 확보하기 어렵고, 공정이 복잡해지면서 비용 부담도 커지는 문제가 뒤따랐다.
연구팀은 이 같은 기존 한계를 비상용성 계면이라는 구조적 특성으로 풀어냈다. 서로 섞이지 않는 파라핀 왁스와 PEG의 경계면에 h-BN이 자연스럽게 집적되도록 설계함으로써, 필러가 자발적으로 연결된 열전도 네트워크를 형성하게 한 것이다. 이 과정에서 상변화 기능은 유지하면서도 구조 안정성과 누액 억제 성능까지 함께 확보했다는 설명이다.
연구 결과, 해당 방열 복합소재는 20 W/m·K 이상의 높은 열전도도를 나타냈다. 또 상변화 과정에서도 형태를 유지했고, 반복적인 가열·냉각 이후에도 접착력과 구조 안정성이 유지되는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이러한 구조적 특성이 현미경 관찰과 열전도 모델 분석을 통해 명확히 확인됐으며, 비상용성 계면에 형성된 h-BN 네트워크가 성능 향상의 핵심 역할을 하는 것으로 분석했다.
이는 기존 상변화 방열 소재에서 동시에 달성하기 어려웠던 성능 조합이라는 점에서 의미가 크다. 열을 흡수해 온도 상승을 완화하는 기능과 함께, 열을 빠르게 외부로 전달하는 능력, 그리고 반복 작동 환경에서도 무너지지 않는 구조적 안정성을 함께 확보했기 때문이다.
이 같은 특성은 CPU, 전력반도체, 전기차 배터리 등 고발열 부품이 적용되는 분야에서 활용 가능성을 높인다. 특히 고성능 전자기기와 전기차처럼 열 밀도가 높고 장시간 안정성이 중요한 응용처에서 실질적인 방열 인터페이스 소재로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
김채빈 부산대 교수는 “이번 성과는 복잡한 공정 없이도 높은 열전도도와 구조 안정성을 확보해 실제 전자기기 환경에 적용할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “차세대 전자기기와 전기차 등 고발열 시스템의 열 관리 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
해당 연구 결과는 에너지 및 친환경 재료 분야의 저명한 국제 학술지 스몰(Small) 3월 3일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
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