pure MgO와 개발된 매끄러운 표면을 가지는 MgO의 소결 공정중 결정립 성장 과정 모식도. (사진=재료연 제공)

한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연) 세라믹재료연구본부 기능세라믹연구실의 안철우 박사 연구팀은 화학반응을 활용해 표면처리를 필요로 하지 않는 단순한 소결 과정만으로도 나노결정질 복합층을 형성해 친수성을 감소시키고 열전도도를 증가시키는 방열 소재를 세계 최초로 개발했다.

기존 방열 소재로 널리 사용되는 알루미나 필러는 열전도도 개선에 한계를 가져, 원료 비용이 적고 열전도도와 비저항성 면에서 우수한 마그네시아의 잠재적인 활용이 기대된다. 하지만, 마그네시아는 방열 성능은 우수하나 1800℃의 높은 소결 온도, 그리고 공기 중에서 물과 반응하는 흡습성 문제 등으로 인해 방열 필러로 활용하지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 첨가제를 이용해 소결 공정에서 표면에 얇은 나노결정질 복합층을 만들어 수분과 반응하는 방어층을 형성하고, 이와 함께 소결 온도를 낮춰 결함을 제어함으로써 열전도도를 증가시키는 데 성공했다. 이는 기존 마그네시아 소재가 가진 제약을 극복한 것으로 차세대 산업의 열관리 소재에 새로운 지평을 열었다는 평가를 받는다.

최근 첨단 산업 발전과 함께 전자부품의 소형화 및 다기능화가 급격히 진행 중이다. 이로 인해 전자제품의 열관리는 더욱 어려워졌다. 특히 전기차용 배터리의 고용량화와 전자부품의 고집적화로 열 밀도 증가에 대응하기 위한 고방열 특성의 방열 소재가 더욱 필요한 실정이다. 전기차 판매량을 기반으로 2025년 전기차의 열 계면 소재에 사용되는 방열 소재 시장은 약 9조 7000억 원에 이를 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 기존 저가 방열 소재의 수분 반응과 높은 소결 온도 문제를 해결했다는 데 큰 의미를 둘 수 있다.

연구책임자인 재료연 안철우 책임연구원은 "산화물 세라믹 필러의 제조 공정에서 첨가제를 통한 간단한 방법으로 고분자와의 혼합에 문제가 되는 수분 반응 문제를 해결하고, 결함 제어를 통해 고열전도성을 가진 산화물 필러를 개발할 수 있었다"며 "개발된 저가 고품질 마그네시아 방열 필러가 방열 세라믹 소재 시장을 이끌 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 재료연 기본사업과 산업통상자원부의 마그네슘(Mg)계 세라믹원재료 국내생산 시범사업을 통해 수행됐다. 또한 연구 결과는 세계적인 학술지인 '스몰 메소드(Small methods, IF=15.367)'에 지난해 12월 14일 자로 게재됐다.

현재 연구팀은 마그네시아의 열전도도를 질화물 방열 세라믹 수준으로 높이는 등 성능 향상을 위한 후속 연구를 이어가고 있다. 또한, 본 기술의 상용화를 위해 재료연은 기술출자를 통해 설립된 연구소기업인 소울머티리얼의 주주로 참여해 양산화를 지원하고 있다.