[그린 디톡스] 고성능의 발목을 잡는 발열을 잡아라! ①방열소재_이론편

[그린 디톡스] 고성능의 발목을 잡는 발열을 잡아라! ①방열소재_이론편

대학생신재생에너지기자단 28기 정예빈

기술 발전의 끝에는 발열이란 장벽이

배터리, 반도체, 전력 계통, ESS, 산업설비 등 대부분의 산업에서 열이 문제가 되고 있다. 자연의 법칙에 따라 엔트로피가 증가하는 방향, 즉 에너지는 대부분 열로 소모되려는 경향을 보이는데 이렇게 열로 전환될 경우 다시 사용하기 힘들어져 에너지 낭비가 돼 버린다. 자연스러운 현상으로 우리는 발열 문제에서 결코 자유로울 수 없고, 항상 발목을 잡는 원인 중 하나가 된다. 또한 현대의 대부분은 사용하기 좋은 형태인 ‘전기’로 사용하고 있는데, 이것의 가장 큰 문제는 발열이 생기기 때문에 지속적으로 냉각하여 온도를 낮춰야 하고 여기에 추가적인 에너지가 필요하기에 결과적으로 환경에도 악영향을 미친다. 첨단산업에서는 디바이스의 기능 향상과 소형화를 추구하고 있으며, 이에 따라 경량화, 고출력, 고집적화로 전자 장비의 ‘열관리 기술’이 항상 주목받고 있다. 열관리 기술이란 열원의 열을 열 계면체를 통해 방열판(Heat Sink)으로 전달해, 대기 중으로 복사하는 것을 의미한다. 더 높은 성능을 내기 위해 더 많은 에너지를 더 작은 공간에서 빠르게 처리하기 때문에 단위 면적·부피당 발생하는 열이 증가하여 성능과 발열은 불가분의 관계를 가진다. 이렇게 상승한 온도가 다시 소자의 성능과 효율에 영향을 미치기 때문에 열은 성능 향상의 결과이면서 동시에 성능 향상을 제한하는 요인이다.

반도체가 집적화되고, AI 데이터 센터가 장시간 효율적으로 구동되고, 배터리가 장시간 구동되며, ESS가 장시간 에너지를 저장하기 위해서는 이 발열 문제를 잡는 것이 중요하다. 전자기기 내부의 발열이 적절히 제어되지 않으면 기기의 성능 저하, 제품의 수명 단축, 폭발이나 화재로 이어질 수 있다. 환경적 측면에서도 소비전력을 줄여 에너지 사용의 효율성을 증대시킬 수 있어 긍정적인 영향을 가진다. 열관리 기술에는 접촉면의 접촉 열 저항을 줄이는 접촉 경계부의 열적 특성, 방열기술, 쿨링 기술 등이 있는데 추가적인 쿨링 장치 및 에너지 소모보다는 애초에 열 방출이 잘 되는 소자로 만들어 열을 빠르게 빼낼 수 있는 방열기술의 방열 소재에 대해서 알아보고자 한다.

[자료 1. 방열소재 적용 제품 예]

출처 : 대한민국 공개특허 10-2010-0100200  

열방사율이란?

방열 소재를 선택할 때 대부분 열전도율을 주로 확인하지만 실제로는 열방사율 역시 매우 중요한 요소이다. 열을 빠르게 방출시키면서 온도 상승을 막는 것이 성능과 수명을 좌우한다. 방열소재에서 고려되는 특성은 다음과 같다. 열방사율, 열전도율, 내열성, 내구성, 절연성, 친환경성, 시공성, 경제성이다. 여기서 기능적인 측면에서 열방사율, 열전도율에 대해 살펴보도록 하자. 열방사율은 물체가 가지는 열에너지를 복사의 형태로 외부로 방출하는 능력을 의미한다. 흔히 아는 열화상 카메라로 감지하는 전자기 복사로 상온에서는 열복사가 주로 적외선 영역에서 나타난다. 표면의 방사율은 완벽한 흑체를 기준(방사율 1)으로 0~1 사이로 수치화하며 이는 화학적 조성과 기하학적 구조 등에 따라 달라진다. 실온에서 물질에 따른 방사율은 물이 0.96, 피부가 0.97~0.99, 종이가 0.86~0.88, 광택 있는 철이 0.06, 알루미늄 박이 0.03을 가진다. 광택이 있고 매끈한 표면을 가진 금속은 적외선을 강하게 반사하여 흡수율이 낮아지는 경향이 있으며, 이에 따라 낮은 방사율을 나타낸다.

열방사율 vs 열전도율

열방사율은 물질에서 내에서 표면 밖 외부로 복사의 방식으로 열이 방출되는 것이고, 열전도율은 물질 내부에서 전도의 방식으로 열이 전달되는 것을 의미한다. 열전도율은 내부에서 발생하는 열이 표면까지 얼마나 빨리 운반할 수 있는가의 척도이고, 열방사율은 표면에 도달한 열을 적외선 형태로 얼마나 외부로 잘 방출할 수 있는가의 척도이다. 물질의 내부 열에너지가 전자 및 포논의 전자기적 과정에 의해 표면에서 전자기파 형태로 방출되는 과정이다. 방열 소재에서는 재료 내부 열 이동의 열전도율보다 재료 표면에서 외부 전자기장과 상호작용하는 열방사율을 더 중점적으로 봐야 하는 것이다.
방사율은 같은 물질이라도 표면의 상태에 따라 방사율이 다르며, 재료의 광학적/전자기적 특성을 모두 고려해야 한다. 열전도율과 방사율은 특정 관계를 가지지 않기 때문에 열전도율이 높아도 열방사율이 낮을 수 있다. 예를 들어 알루미늄은 금속 물질로 열전도율은 좋지만 광택 상태에서는 적외선을 반사하기 때문에 방사율이 낮다.

[자료 2. 물질별 열방사율 비교]

 출처 : ⓒ 28기 정예빈 Gemini 생성

방열소재의 종류 및 구조 

고분자 및 세라믹 재료가 방열재료로 많이 사용되는데, 우수한 열전도도의 세라믹과 우수한 접착성과 가공성을 가지는 고분자 각각의 특성을 살린 복합재료도 많이 사용되고 있다. 고분자 수지로는 폴리에틸렌, 나일론, 에폭시 레진 등이 있고, 세라믹 방열 소재는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 질화붕소(BN) 등이 대표적이다. 방열소재는 유기 바인더(Matrix)에 열전달을 담당하는 무기 필러(Filler)를 넣는 구조인데, 이는 열전달뿐만 아니라 전기 절연성, 경량화, 유연성 모두 필수 요인이기 때문이다. 고분자/세라믹 복합재료에서는 세라믹 필러가 열전달 경로를 형성하기 때문에 효과적인 분산이 매우 중요하다. 또는 알루미늄, 은, 구리, 니켈 등 금속 입자를 필러로 이용하여 열전도도와 전기전도도가 증가하지만 밀도가 증가하여 경량화가 요구되는 분야에서는 적용이 어렵다.

[자료 3. 고분자/세라믹 복합재료]

 출처 : ⓒ 28기 정예빈 ChatGPT 생성

Graphite, CNT(탄소나노튜브), 탄소섬유, 그래핀 등의 탄소계 필러들은 열전도성이 높고 가벼우면서도 기계적 물성이 우수하기 때문에 복합재료에서 응용이 기대되는 물질들이다. 그래핀은 두께가 약 0.35nm 정도로 매우 얇으면서도 우수한 전기 전도성과 열전도성, 강도를 가지고 있으며, 구부리거나 늘려도 물리적 특성을 잃지 않아 방열소재로서의 우수한 특징을 모두 갖추고 있다. 하지만 낮은 분산성의 문제라는 제약이 있어 계속 연구가 진행 중이다.

[자료 4. 방열소재 이미지]

 출처 : ⓒ 28기 정예빈 Gemini 생성

복합재료의 한계점 개선 

그런데 두 소재의 장점을 결합한 복합재료에서도 문제가 발생한다. 고분자/세라믹 복합재료에서 열은 세라믹-고분자-세라믹의 경로로 이동해야 하는데, 이때 계면 열저항이 발생하며 열전달 효율이 저하된다. 필러 함량이 많을수록 성능은 향상되지만 가공이 어려워지고 공정 비용도 높아진다.

한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 연구팀이 친환경성과 저비용 공정의 고성능 방열 복합소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 계란 흰자가 가열되면 부풀어 오르는 현상과 같이 계란 흰자 기반의 단백질 발포 공정을 활용해 3차원 구조의 산화마그네슘(MgO) 방열 소재를 개발했다. 열 관리 시스템의 핵심 요소인 열 계면 물질 TIM(Thermal Interface Materials)을 기존의 필러에서 단백질 발포법을 이용해 입자들을 규칙적이고 촘촘하게 연결되도록 만들었다. 이로써 열전달 경로가 끊기지 않고 열전도도가 기존 방열복합체 소재 대비 최대 2.6배 높은 17.19W/mK에 달하는 고성능 TIM 재료를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 가볍고 저렴한 소재인 MgO를 사용했음에도 일반적으로 많이 사용되는 Al₂O₃뿐만 아니라 질화물 기반 방열 소재보다 더 높은 열전도 성능을 구현하며 경량 고성능 방열 소재의 실현 가능성을 보여줬다. 또한, 에폭시 수지와의 결합을 통해 실제 응용 가능한 복합체로 제작됐다.

열관리 기술과 방열소재의 방향

전자기기가 점차 소형화와 함께 고효율을 추구하고 있다. 또한, 고용량·장시간 사용을 요구하는 만큼 성능과 안전을 위해 열관리는 필수적이다. 다른 기능들의 전기적·구조적 물성을 제어하여 고성능·고효율을 이루더라도, 그 끝에는 발열 문제를 마주하게 된다. 특히 AI에 사용되는 반도체 칩의 소형화·집적화에 따른 발열과 전기차 배터리의 폭발 위험 등을 다루기 위해서는 열을 빠르게 빼내거나 조절하여 열을 관리하는 방열 소재의 중요성이 더욱 증가하고 있다. 결국 본질적인 한계는 소재를 엔지니어링 하는 데에 있으며, 경량성·고효율·고성능 등의 모든 조건을 만족하기 위한 해답의 가능성을 찾는 연구는 계속 진행되고 있다. 다음 편에서는 실제 산업에서 방열 소재가 어떻게 적용되고 있는지에 대해 다룰 예정이다.

열관리 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "새로운 냉매를 찾는 동안, 우리는 기존 냉매를 잊었다", 27기 김주희, https://renewableenergyfollowers.org/environmental-policy/?idx=172379350&bmode=view

2. "폭염같은 AI 반도체 발열에 '단비', θ-TaN", 28기 박시우, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?idx=170360691&bmode=view

참고문헌 

[기술 발전의 끝에는 발열이란 장벽이]

1) “나노세라믹분말에 의한 열전도성 열가소성 플라스틱 제조”, ㈜저먼코리아/성균관대 공동기기원, 2012.01.30, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=TRKO201200006416&dbt=TRKO&rn=&page=15&keyword=%EB%B0%A9%EC%97%B4%EC%86%8C%EC%9E%AC

2) 정현상, “방열 소재 기술시장동향”, 한국접착및계면학회, 4호, p.245-252, 2025.12.30, https://koreascience.or.kr/article/JAKO202508454172420.pdf

[열방사율이란?]

1) “방사율”, 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%A9%EC%82%AC%EC%9C%A8

[열방사율 vs 열전도율]

1) “열전도율”, 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EC%A0%84%EB%8F%84%EC%9C%A8

[방열소재의 종류 및 구조]  

1) 정현상, “방열 소재 기술시장동향”, 한국접착및계면학회, 4호, p.245-252, 2025.12.30, https://koreascience.or.kr/article/JAKO202508454172420.pdf

[복합재료의 한계점 개선]

1) 노동균, “[신년 기획/K테크 현장에선] 재료硏 '세계 1등' 방열 세라믹 소재기술 상용화”, 전자신문, 2025.01.02, https://www.etnews.com/20241226000244 

2) 홍정명, “한국재료연구원, 고성능 산화 마그네슘 방열 소재 개발”, 뉴시스, 2025.09.11, 한국재료연구원, https://www.newsis.com/view/NISX20250911_0003324542