[로이슈 전여송 기자] 수평, 수직 양방향으로 동시에 열을 분산하는 방열 소재가 개발돼 3차원 고전력 전자소자의 핫스팟 현상을 효과적으로 관리할 수 있게 됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대 화학공학부 김태일, 권석준 교수 연구팀이 마이크로 몰딩 기법을 활용, 고열전도성 세라믹계 입자인 질화붕소 μ-플레이트릿의 수직 및 수평 정렬을 통해 양방향 열전달이 가능한 열계면물질을 개발했다고 11일 밝혔다.

한국연구재단에 따르면 핫스팟(Hot Spot)이란 3차원 등 고집적 전자소자는 제한된 면적에 열이 집중돼 특정 영역의 온도가 급격히 상승하는 현상이다. 마이크로 몰딩(Micromolding)이란 고분자 몰드에 다양한 음각 패턴을 새긴 후 유체를 넣어 패턴과 같은 입자를 성형하는 기술을 뜻한다.

질화붕소 μ-플레이트릿에서 질화붕소는 붕소와 질소가 결합한 화합물로 우수한 열전도성을 띈다. 마이크로 플레이트릿(μ-platelet)은 여기에서 마이크로 크기의 입자나 조각을 의미한다. 열계면물질(TIM, thermal interface material)이란 발열 소자와 방열판 사이에 놓여 열을 방출해 과열을 방지하는 물질이다.

고성능 컴퓨팅, 인공지능 등 최근 높은 전력 소비를 요구하는 3차원 적측형 직접 회로 전자 장치에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 효과적인 열 관리 기술이 중요해지고 있다.

이런 고집적 전자소자에서 특정 영역에 열이 상승하는 핫스팟 문제는 성능 저하와 오류 발생, 수명 단축으로 이어진다.

이에 따라 수직 방향 열전도 성능을 높이기 위한 연구가 활발한데, 기존 공정으로 개발된 열계면물질은 수평 방향은 물론 더 중요한 수직 열전도성이 매우 낮다는 점이 한계로 지적된다.

연구팀은 효율적으로 열 분산을 가능하게 하는 방열 소재 개발을 위해 평면 방향, 수직 방향 모두에서 이방성 열전도성 특성을 갖는 열계면물질을 제작했다.

열전도성이 우수한 세라믹계 입자(질화붕소 μ-플레이트릿)의 정렬을 하나의 열계면물질 내에서 이분화하는 방법으로 양방향 열 분산을 달성했다.

특히, 질화붕소 μ-플레이트릿은 평면 방향 열전도성(400~600 W/mK), 수직 방향 열전도성(1~30 W/mK)이 우수해 정렬 방향에 따라 다양한 열전달 경로를 형성할 수 있다.

이를 실험으로 구현하기 위해, 원통형 패턴의 마이크로 몰딩 기법을 활용, 원통형 패턴 내부에 질화붕소 μ-플레이트릿의 수직 정렬을 유도하고, 이렇게 제작한 두 개의 몰드를 정밀하게 겹치는 공정을 추가함으로써 구조 전체에 양극화된 정렬이 가능케 됐다.

이를 통해 수직 및 수평 방향 모두에서 우수한 열전도 특성(~7 W/mK)을 입증함은 물론, 굽힘과 같은 기계적 변형 환경에서도 성능을 유지해 다양한 표면 형상에 대한 적용 가능성을 확인했다.

김태일 교수는 “이번에 개발한 방열 소재는 차세대 고전력 전자소자의 성능 및 수명을 높일 수 있다”며, “기계적 변형이 큰 웨어러블 기기, 마이크로 LED 등 다양한 모바일 소자 및 바이오칩 적용이 용이해져 반도체패키징에 활용될 것”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 반도체패키징핵심기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 세계적 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advancde Functional Materials)’에 4월 21일 게재되었다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr