생기원 등, AI 기기 발열 잡는다

- 생기원-강원대-동아대 공동연구, 차세대 ‘액체금속 방열 신소재’ 개발

- 고집적 반도체 패키징과 생체전자기기 분야 열관리 활용 기대

방열 성능평가 결과. (자료제공: 생기원)

액체금속을 활용한 생체적합형 방열 복합소재 유연성 테스트. (자료제공: 생기원)

한국생산기술연구원(이하 생기원)은 섬유솔루션부문 김시형 수석연구원이 강원대 화학공학전공 임태환 교수, 동아대 신소재공학과 김정한 교수 연구팀과 공동으로 전기는 차단하면서도 전 방향으로 열을 고르게 방출할 수 있는 ‘생체적합형 방열 복합소재’를 개발했다고 6월 30일 밝혔다.

AI 반도체를 비롯해 웨어러블·바이오칩 등 첨단 전자기기는 크기와 부피가 줄어드는 것과 비례해 내부의 열을 안정적으로 제어하는 기술이 중요해진다. 이 중 방열 소재의 경우 주로 금속이나 세라믹 기반의 고열전도성 입자를 넣어, 칩에서 발생한 열이 소재를 따라 빠르게 빠져나가도록 유도하는 기술이 핵심이다.

그러나 열전도 입자의 함량을 높일수록 소재가 경직되고, 금속 입자 간 접촉으로 전기가 흐를 수 있다. 열은 효과적으로 전달하면서 방열 성능과 전기 차단성, 얇고 유연한 형태를 유지하는 고도의 소재 설계가 필요한 상황이다.

이번에 개발한 방열 복합소재는 부피 대비 최대 60%의 액체 금속을 첨가해 방열 성능을 극대화한 것이 특징이다. 전기전도성과 신축성이 우수한 액체금속을 방열 복합소재에 적용하기 위해 표면장력이 큰 갈륨(Ga) 기반의 액체금속을 미세한 구형 입자 형태로 제작·첨가한 것이 주효했다. 

구형 액체금속 입자는 단단한 세라믹 입자와 달리 부드러운 물성을 유지하면서도, 열이 특정 방향에 치우치지 않고 전 방향으로 고르게 전달하는 역할을 한다.

연구팀은 이어 전기가 잘 통하지 않는 에폭시를 구형 액체금속 입자 표면에 얇게 코팅해 개별 입자마다 절연막을 형성시켰다.

이를 통해 입자들 사이에 25.31(±2.51) 나노미터(㎚) 두께의 미세한 '나노 절연 간격(Nano insulating gap)'을 구현, 금속 입자가 직접 맞닿아 전기가 흐르는 현상을 완벽하게 차단하면서 열은 원활하게 전달되도록 설계했다.

나아가 액체금속 함량에 따른 열전달과 전기 차단 성능의 상관관계를 분석해, 두 특성이 가장 완벽한 균형을 이루는 최적의 비율 60%를 도출해 냈다.

연구팀이 최적의 비율로 설계한 신소재 ‘엘피이60(LPE60)’의 성능평가 결과, 뛰어난 방열 효과와 전기절연성, 인체 조직에 가까운 부드러운 물성을 보였다. LED 칩에 새로운 소재를 적용한 실험에서 표면 온도가 92.4℃로 나타나 기존 상용 제품인 방열 에폭시 대비 19.1℃ 낮았고, 전기절연 기준도 넉넉하게 충족했다. 

특히, 72시간 피부 세포 노출 실험에서도 세포 생존율이 100%를 유지해 인체에 무해한 것으로 확인됐으며, 원래 길이보다 20% 늘어나는 수준의 반복 인장 변형과 굽힘·가열 시험 후에도 물성과 방열 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

강원대 임태환 교수는 “개발된 소재는 액체금속의 높은 열전도 특성을 살리면서도 입자 사이 나노 절연 구조를 통해 전기적 안정성을 확보한 것이 핵심”이라며 “열관리와 생체적합성이 모두 필요한 분야에 적용하는 후속 검증을 이어갈 계획”이라고 밝혔다. 

생기원 김시형 수석은 “차세대 AI 반도체와 웨어러블․이식형 바이오칩 분야는 특히 열을 효과적으로 제어하면서 얇고 유연한 구조에 적용할 수 있는 소재가 필요하다”며 “고집적 반도체 패키징과 생체전자기기 분야의 열관리 소재 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 2026년 6월 세계적 국제학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재 됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]