수직·수평 열전달 모두 잡았다…고출력 전자소자용 ‘양방향 방열소재’ 개발
성균관대 연구진, 마이크로 몰딩 기반 이중 정렬 TIM…핫스팟 현상 억제 기술 입증
한국연구재단은 성균관대학교 화학공학부 김태일·권석준 교수 연구팀이 마이크로 몰딩 기법을 활용해, 세라믹계 고열전도 입자인 질화붕소 μ-플레이트릿을 수직과 수평 방향으로 이중 정렬한 열계면물질(TIM, Thermal Interface Material)을 제작했다고 16일 밝혔다.
이 소재는 각각 6.9 W/mK(수직) 및 7.4 W/mK(수평)의 열전도도를 구현해 기존 TIM의 성능 한계를 넘어섰다. 일반적으로 고집적 회로 내 특정 부위에 열이 집중되면 핫스팟 현상이 발생해 성능 저하와 소자 수명 단축이 일어나는데, 이를 완화할 수 있는 구조적 해결책으로 주목받는다.
핵심은 원통형 패턴을 이용한 마이크로 몰딩 공정이다. 연구진은 정밀 패턴 내부에 질화붕소 입자의 정렬을 유도하고, 수직·수평 정렬된 두 개의 몰드를 겹치는 방식으로 양극화된 입자 배열을 구현했다. 이 과정을 통해 이방성 열전도 특성을 극대화했다.
정렬 조건 최적화에는 FSI(유체-구조 연성) 및 FEA(유한요소 해석) 시뮬레이션이 활용됐으며, 실제 공정에서도 동일한 열전도 성능이 재현됐다. 40wt% 수준의 고함량 세라믹 충진 구조임에도 소재는 굽힘이 가능한 유연성을 유지해 곡면 접합 구조에도 적용 가능하다.
김태일 교수는 “정밀 정렬 기반 TIM은 반도체 패키징뿐 아니라 마이크로 LED, 웨어러블 디바이스, 바이오칩 등 곡면 열 분산이 요구되는 전자기기에서도 유용할 것”이라고 밝혔다.
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