수직·수평 열전달 모두 잡았다…고출력 전자소자용 ‘양방향 방열소재’ 개발

고성능 컴퓨팅과 인공지능 칩에서 흔히 발생하는 핫스팟(Hot Spot) 문제를 해결할 수 있는 새로운 열전달 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 수직·수평 양방향으로 동시에 열을 분산할 수 있어, 고집적 3차원 전자소자의 안정성과 수명 향상에 기여할 수 있을 것으로 평가된다.

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.