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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 용접자동화의 눈, ‘레이저 비전 센서’ 개발 |
占쏙옙占쏙옙占� 열전도도 600W/mK급 세계 최고 수준의 메탈하이브리드 방열소재 개발 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 홈케어링 시스템 시대 열 섬유형 압력 센싱기술 개발 |
연구책임자 : 서남지역본부 EV부품소재그룹 오익현 수석연구원
전기차는 지금까지 소재, 배터리 관련 기술 개발에 집중해 왔다. 하지만 전기차의 주요 부품인 인버터나 전력반도체에서 발생하는 열을 잘 배출시키는 기술도 못지않게 중요하다. 서남지역본부 EV부품소재그룹에서 개발한 메탈하이브리드 방열소재는 시스템에서 발생하는 열을 외부로 배출시키고 경량화를 가능케 하는 소재기술로 전기차산업을 비롯해 모든 반도체 및 전기·전자산업 분야에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대된다.
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전기·전자제품, 열 배출이 가장 중요하다
최근 반도체의 고성능, 고출력, 고집적, 소형화가 진행되면서 전기·전자제품에서 발생하는 열이 증가하고 있다. 임계 수치 이상으로 온도가 상승할 경우 반도체 소자 및 전기·전자제품에 변형, 산화 등이 발생할 수 있다. 또 제품 수명이 단축되고, 열로 인한 함몰 등으로 오작동이 발생하게 된다. 발열에 의한 이 같은 치명적인 문제 때문에 반도체 소자 및 전기·전자제품에서 열을 배출시키는 기술이 주목받고 있다.
방열소재로 쓰이는 금속의 가장 중요한 특성은 열전도도이다. 금속의 열전도도는 종류에 따라 고유한 값을 지니기 때문에 열전도도를 높이는 데 한계가 있다. 지금까지 국내에서는 방열소재의 변경보다는 방열설계를 변화시켜 성능을 높이는 연구가 진행돼 왔다. 하지만 이미 해외에서는 금속에 탄소를 복합화한 하이브리드소재를 방열소재로 사용하는 기술을 지속적으로 연구하고 있다. 이에 따라 국내에서도 고열전도도 방열소재의 개발이 중요한 이슈로 떠올랐다.
세계 최고 수준의 고열전도도 방열소재의 국산화
방열소재 분야의 세계 시장 규모는 약 4조 원으로 해마다 3천억 원 이상 증가하고 있다. 국내의 관련 시장 규모도 8천억 원 수준이다. 전기차, LED, 전력반도체, 생활가전 등 다양한 산업 분야에서 제품의 열을 방출하기 위해 방열소재를 사용한다. 이러한 가운데 서남지역본부 EV부품소재그룹 오익현 수석연구원과 장준호 연구원이 기존 방열소재의 열전도도를 넘어선 복합소재를 개발해 전기차를 비롯한 전기․전자제품 분야 상용화를 앞두고 있다.
금속 중 열전도도가 높은 소재는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al)이다. 기존 방열소재로는 구리와 알루미늄이 주로 쓰였다. 하지만 구리와 알루미늄의 열전도도는 각각 400W/mK와 220W/mK 수준으로, 단일소재의 한계가 있다. 이에 비해 오 수석연구원과 장 연구원이 개발한 방열소재의 열전도도는 600W/mK급으로, 기존 소재보다 1.5~2배가량 높아 세계 최고 수준이다.
“3년간의 연구과정을 거쳐 만들어낸 방열소재 개발의 핵심은 구리와 알루미늄에 탄소계 소재인 흑연분말을 복합화했다는 점입니다. 흑연 고유의 물리적 특성을 이용해 방향성을 제어함으로써 열전도도를 세계 최고 수준으로 높일 수 있었습니다.”
기존에 미국의 한 기업에서 구리와 다이아몬드를 혼합해 열전도도를 500~700W/mK까지 높인 선례가 있지만, 다이아몬드라는 소재가 워낙 고가이기 때문에 가격 단가가 높을 수밖에 없었다. 하지만 이번에 개발된 방열소재의 경우 소재의 원가 측면에서 충분한 경제성이 확보되었을 뿐만 아니라, 경량화 측면에서도 기존 소재들보다 1.5배가량 가볍고, 열팽창계수는 1.5배에서 2배가량 낮다는 장점을 지니고 있다.
이번 기술 개발의 또 다른 핵심은 펄스통전소결공정이라 불리는 소결공법에 있다. 기존의 외부간접가열방식 소결공법이 아니라 분말에 전류를 직접 통전시켜 줄열(Joule heat)을 이용하여 소결하는 직접가열방식이다. 기존 소결공정에 비해 불순물 혼입을 억제하고, 공정시간을 6~7배 단축할 수 있으며, 99.5% 이상의 고밀도 소결체를 효과적으로 제조할 수 있다.
전기차 등 미래 전자 디바이스에 영향 미칠 핵심기술
오 수석연구원은 이번 기술 개발의 의의가 “열전도도가 높은 방열소재 제작의 원천기술을 우리가 가진 점”이라며 “기업이 원하는 대로 열전도도를 제어해서 제작 공급할 수 있다”고 말했다. 하이브리드 방열소재 개발과 성형공정에 이르는 원천기술을 확보해 수요자에 따른 맞춤형 설계 및 기술 이전이 가능해진 것이다.
현재 한 자동차 부품 회사를 상대로 기술 이전을 위한 샘플을 제작해 양산시스템 검증을 추진 중이다. 전기자동차 부품의 방열 기능이 높아지면 여러 가지 불량이나 변형 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한 부품 경량화로 차의 연비가 높아져 전기자동차 대중화 시대를 앞당기는 데에도 기여할 것으로 예상된다.