고집적 전자소자의 '뜨거움' 막는다

[아이뉴스24 정종오 기자] 수평, 수직 양방향으로 동시에 열을 분산하는 방열 소재가 나왔다. 3차원 고전력 전자소자의 핫스팟(제한된 면적에 열이 집중돼 특정 영역의 온도가 급격히 상승하는 현상) 현상을 효과적으로 관리할 수 있게 됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대 화학공학부 김태일, 권석준 교수 연구팀이 마이크로 몰딩(고분자 몰드에 다양한 음각 패턴을 새긴 후 유체를 넣어 패턴과 같은 입자를 성형하는 기술) 기법을 활용해 수직과 수평 정렬을 통해 양방향 열전달이 가능한 열계면 물질(발열 소자와 방열판 사이에 놓여 열을 방출해 과열을 방지하는 물질)을 개발했다고 11일 발표했다.

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

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

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(수평, 수직 방향에 따라 재료의 열전도율이 달라지는 현상) 특성을 갖는 열계면 물질을 제작했다.

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

수직과 수평 방향 모두에서 우수한 열전도 특성(~7W/mK)을 입증했고 굽힘과 같은 기계적 변형 환경에서도 성능을 유지해 다양한 표면 형상에 대한 적용 가능성을 확인했다.

김태일 교수는 “이번에 개발한 방열 소재는 차세대 고전력 전자소자의 성능과 수명을 높일 수 있다”며 “기계적 변형이 큰 웨어러블 기기, 마이크로 LED 등 다양한 모바일 소자와 바이오칩에 적용할 수 있어 반도체 패키징에 활용될 것”이라고 설명했다.

연구 성과(논문명: Bi-Directional Assembly of Boron Nitride µ-Platelets by Micro-Molding for Advanced Thermal Interface Materials)는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advancde Functional Materials)’에 4월 21일자로 실렸다.