생기원, 열은 방출·전기는 차단 '액체금속 방열 신소재' 확보

강원대-동아대와 공동연구, 열관리 난제 풀 핵심 소재 개발

차세대 전자기기 성능·안전성 높일 핵심 기술

[대전=뉴시스]전기는 차단하면서도 열을 고르게 방출할 수 있는 생체적합형 방열 복합소재를 개발한 연구진(위)와 개발 소재 유연성 테스트(아래 왼쪽), 발열성능 열화성 사진.(사진=생기원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기는 차단하면서 열은 빠르게 방출하는 차세대 액체금속 기반 방열 신소재를 국내 연구진이 개발했다. 이 기술은 인공지능(AI) 반도체와 웨어러블 기기, 바이오칩 등 발열관리가 중요한 차세대 전자기기의 성능 및 안전성을 높일 핵심 기술이다.

한국생산기술연구원(생기원은 섬유솔루션부문 김시형 수석연구원팀이 강원대, 동아대와 공동연구를 통해 전기 절연성과 높은 방열 성능을 동시에 갖춘 생체적합형 방열 복합소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

전자기기는 소형·고집적화될수록 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하는 기술이 중요하지만 기존 방열소재는 금속이나 세라믹 입자를 많이 넣을수록 열은 잘 전달되나 소재가 딱딱해지고 금속입자가 맞닿으면서 전기가 흐를 수 있다는 문제가 있었다.

이번에 공동 연구팀은 부피 기준 최대 60%의 갈륨(Ga) 기반 액체금속을 미세한 구형 입자형태로 제작해 복합소재에 적용했다.

구형 액체금속 입자는 단단한 세라믹 입자와 달리 부드러운 물성을 유지하면서도 열을 특정 방향이 아닌 모든 방향으로 고르게 전달하는 역할을 한다.

연구팀은 또 전기가 통하지 않는 에폭시를 액체금속 입자표면에 얇게 코팅해 각각의 입자에 절연막을 형성했다. 이를 통해 입자 사이에 평균 25.31±2.51나노미터(㎚) 두께의 나노 절연 간격을 구현, 금속입자가 직접 접촉해 전기가 흐르는 현상을 차단하면서도 열은 원활하게 전달되도록 설계했다.

특히 액체금속 함량에 따른 방열 성능과 전기 절연 성능의 상관관계를 분석해 두 성능이 가장 균형을 이루는 최적 비율인 60%를 찾아냈다.

최적 비율로 제작한 신소재 '엘피이60(LPE60)'는 성능 평가에서 기존 상용 방열 에폭시보다 우수한 방열 성능과 전기 절연성, 유연성을 모두 확보한 것으로 확인됐다.

LED 칩에 적용한 실험에서는 표면 온도가 92.4도로 기존 상용 방열 에폭시보다 19.1도 낮았으며 전기 절연 기준도 충분히 만족했다.

72시간 피부세포 노출 시험에서는 세포 생존율이 100%를 기록해 생체 적합성이 확인됐고 원래 길이보다 20% 늘어나는 반복 인장과 굽힘, 가열시험 이후에도 물성과 방열 성능이 안정적으로 유지됐다.

열관리와 전기 절연, 유연성이 동시에 요구되는 차세대 AI 반도체와 웨어러블 전자기기, 이식형 바이오칩, 고집적 반도체 패키징 분야 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대되는 이번 연구결과는 최근 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

강원대 임태환 교수는 "액체금속의 높은 열전도 특성을 유지하면서도 입자 사이 나노 절연 구조를 구현해 전기적 안정성을 확보한 것이 이번 기술의 핵심"이라며 "열관리와 생체 적합성이 동시에 필요한 다양한 분야로 후속 검증을 확대할 계획"이라고 말했다.

김시형 수석연구원은 "차세대 AI 반도체와 웨어러블·이식형 바이오칩은 효과적인 열 제어와 얇고 유연한 소재가 필수적이다"면서 "고집적 반도체 패키징과 생체전자기기용 열관리 소재 개발에 기여할 것"이라고 밝혔다.


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