[취재] 고성능 전자기기 열관리의 혁신, 방열 기술의 발전
대학생신재생에너지기자단 30기 최태현
산업교육연구소 KIEI, 고성능 전자기기 열관리 혁신 세미나 개최
2026년 08월 28일, 산업교육연구소 세미나실에서 ‘고성능 전자기기 열관리 혁신 – Passive Cooling에서 Active Cooling으로의 대전환 세미나’가 개최됐다. 이번 세미나에서는 삼성전자 방열 소재 분야에서 R&D 분석 경험을 보유한 수석연구원의 발표가 진행됐다. 해당 세미나에서는 AI 반도체와 고성능 전자기기의 고집적화로 발열량이 증가하면서 주목받게 된 열관리 기술의 중요성에 대해 다뤘다.
Passive 방열 기술 소개 및 솔루션
세미나는 삼성전자 박민 수석연구원의 발표를 중심으로 진행되었으며, 첫 번째 순서로 Passive 방열 기술에 대한 소개가 이뤄졌다. 박 연구원은 스마트폰을 비롯한 고성능 전자기기의 대중화로 인해 효과적인 열관리의 중요성이 더욱 커지고 있다고 설명했다. 특히 AP, CPU, GPU 등 주요 열원에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출해 열원의 온도를 낮추는 과정에서 TIM의 역할이 중요하다고 강조했다.
TIM(Thermal Interface Material)은 열이 원활하게 이동할 수 있도록 두 부품 사이의 미세한 빈틈을 채워주는 열전도 소재다. CPU와 방열판처럼 서로 맞닿아 있는 부품 사이에도 미세한 공극이 존재하며, 열전도율이 낮은 공기 대신 TIM을 채움으로써 열저항을 낮추고 열전달 효율을 높일 수 있다. 이러한 TIM을 핵심 주제로 삼아 Passive 방열 기술의 원리와 다양한 방열 솔루션에 대한 설명이 이어진다.
TIM의 활용 분야와 액상 TIM, 고상 TIM
[자료 1. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표 자료]
출처: 30기 최태현
TIM(Thermal Interface Material)은 전기자동차, AI 데이터센터, 스마트폰 등 다양한 제품에 활용되고 있다. 열전달 효율을 향상시키는 핵심 소재로, 기기 내부의 과도한 온도 상승을 방지해 발화, 화상, 오작동 및 열화 등의 문제를 예방하는 데 중요한 역할을 한다.
TIM은 크게 액상 TIM(Liquid TIM)과 고상 TIM(Solid TIM)으로 분류할 수 있다. 이 중 액상 TIM은 주로 실리콘이나 고분자 소재를 기반으로 하며, 대표적으로 Thermal Gel 형태로 활용된다. 액체의 특성을 이용해 필요한 부위에 주입하는 방식으로 적용할 수 있어 복잡한 구조에서도 빈 공간을 효과적으로 채울 수 있다는 장점이 있다. 특히 액상 TIM은 AP와 그래핀 등의 방열 소재를 연결하거나, AP가 탑재된 PBA와 PBA 사이에 주입하는 방식으로 활용된다. AP(Application Processor)는 스마트폰 등 모바일 기기의 연산과 제어를 담당하는 핵심 반도체 칩으로, 구동 과정에서 상당한 열이 발생한다. 이를 쉽게 이해하면 여러 층의 PBA가 빵처럼 겹쳐 있는 구조에서 그 사이에 TIM을 채워 넣는 ‘햄버거 구조’를 생각할 수 있다. 이처럼 부품 사이의 공간에 TIM을 주입해 발생한 열이 방열 소재로 원활하게 전달되도록 하는 것이다. 박 수석연구원은 특히 AP에서 발생하는 열이 한쪽으로만 전달되는 것이 아니라 양방향으로 확산될 수 있다는 점을 강조했다. 따라서 AP에서 발생한 열을 어떤 방향으로, 얼마나 효과적으로 확산시킬 것인지가 스마트폰 열관리에서 중요한 과제라고 설명했다.
고상 TIM은 PCM(Phase Change Material) 등과 같이 형태를 유지하는 TIM이다. 액상 TIM과 달리 제품의 형태가 정해져 있어 원하는 크기와 두께로 제작해 부품 사이에 배치하는 방식으로 적용된다. 특히 조립 과정에서 취급이 용이하고 일정한 두께를 유지할 수 있다는 장점이 있어 다양한 전자기기의 열관리 솔루션으로 활용되고 있다. 박 연구원은 삼성전자는 주로 Liquid TIM을 사용하는 반면, 애플은 Solid TIM을 주로 활용한다고 설명하며, 각 제품의 구조와 열 발생에 맞는 TIM을 적용하는 것이 효과적인 열관리를 위한 핵심이라고 설명했다. 특히 고상 TIM의 대표적인 소재인 PCM에 대해서는 후속 내용에서 구체적으로 살펴볼 예정이다.
고상 TIM, ‘PCM’
고상 TIM의 대표적인 소재인 PCM(Phase Change Material)은 외부에서 열을 받으면 고체와 액체 사이에서 상변화를 일으키며 열을 흡수·저장하는 소재다. PCM에는 주로 파라핀 계열 물질이 활용된다. 액상 TIM과 달리 PCM을 활용한 열관리에서는 AP에서 발생한 열이 수직 방향으로 얼마나 효과적으로 전달되는지가 중요하다. 특히 PCM은 상변화 과정에서 잠열(Latent Heat) 형태로 열을 흡수하고 저장하기 때문에, 일정 시간 동안 발생하는 열을 얼마나 많이 흡수할 수 있는지가 핵심이다. 따라서 PCM의 열 저장 능력을 결정하는 중요한 요소 중 하나가 부피(Volume)다. 동일한 소재를 사용하더라도 PCM의 부피가 클수록 더 많은 열을 흡수할 수 있어, 제한된 공간 안에서 필요한 열관리 성능을 확보하기 위한 적절한 부피 설계가 중요하다.
2D TIM에서 3D TIM으로의 확장
박 연구원은 기존의 2D 형태 TIM만으로는 고성능 AP에서 발생하는 발열을 효과적으로 관리하는 데 한계가 있어, 이를 보완하기 위한 3D TIM 구현의 필요성을 언급했다. 열이 발생하는 위치와 방향을 고려해 TIM을 입체적인 구조로 설계함으로써 보다 효과적인 열확산이 가능하다는 설명이다. 이 과정에서 PCM을 활용하는 주요 이유는 잠열을 이용한 열 저장이 아닌, 원하는 형상을 정교하게 구현하기 위해서다. 박 연구원은 기존 실리콘 소재의 경우 탄성변형으로 인해 정밀한 형상을 제작하고 유지하는 데 어려움이 있다고 설명했다. 반면 파라핀 계열 PCM은 실리콘과 같은 탄성변형이 적어 원하는 형태로 설계하기에 유리하다. 따라서 PCM을 활용하면 AP의 발열 특성과 제품 구조에 맞춰 TIM을 입체적으로 설계할 수 있다. 이는 기존 2D TIM의 한계를 보완하고, 제한된 공간에서도 열을 효과적으로 확산시키기 위한 새로운 열관리 솔루션으로 이어질 수 있다.
방열 기능을 더하다, 쉴드캔(Shield-Can)
[자료 2. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표]
출처: 30기 최태현
스마트폰의 고성능화가 진행되면서 기존 부품에 방열 기능을 더하는 기술도 주목받고 있다. 그 대표적인 사례가 ‘Shield-Can(쉴드캔)’이다. 쉴드캔은 스마트폰 내부의 주요 전자부품을 전자기적 간섭(EMI)과 외부 노이즈로부터 보호하기 위해 사용하는 부품으로, 최근에는 전자파 차폐뿐만 아니라 열을 확산시키는 방열 부품으로서의 역할도 중요해지고 있다. 기존 쉴드캔에는 주로 양백(Cu-Ni-Zn) 합금이 사용됐다. 양백은 기계적 강도와 가공성이 우수하지만 열전도도가 약 30W/m·K 수준으로 낮아 열을 빠르게 확산시키는 데 한계가 있다. 이를 개선하기 위한 소재로 제시된 것이 크롬동(Cu-Cr-Si-Co) 합금이다. 크롬동은 구리를 기반으로 크롬, 실리콘, 코발트 등을 첨가한 합금으로, 상온에서 약 320W/m·K의 높은 열전도도를 나타내 기존 양백보다 약 10배 높은 열전도 성능을 보인다.
하지만 모든 쉴드캔을 고방열 소재로 교체하는 것이 항상 좋은 것은 아니다. AP, PMIC, RF 등 부품마다 발열 특성과 열을 이동시켜야 하는 방향이 다르기 때문이다. 따라서 위치와 용도에 따라 소재를 차등 적용해 열의 이동 경로를 조절하는 것이 중요하다. 결국 쉴드캔의 소재 선택은 단순히 ‘열전도도가 높을수록 좋다’는 문제가 아니다. 각 부품의 발열 특성과 기기 구조를 고려해 서로 다른 소재를 조합하고, 이를 통해 열의 이동 경로와 확산 방향을 조절하는 것이 고성능 스마트폰의 열관리에서 중요한 기술로 자리 잡고 있다.
Active Cooling의 과제화
[자료 3. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표 자료]
출처: 30기 최태현
한편, 박 연구원은 중국 휴대폰 시장에서 최근 등장하고 있는 ‘공랭식 열관리 시스템’을 사례로 들며, 향후 Active Cooling 기술의 발전이 필요하다고 강조했다. 특히 OnePlus의 Magnetic Ice Cooling Clip과 Black Shark의 FunCooler와 같은 외장 냉각 솔루션을 예시로 들며, 고성능 스마트폰의 발열이 증가하면서 Passive Cooling만으로는 열을 효과적으로 관리하는 데 한계가 있을 수 있다고 설명했다. 실제로 두 제품 모두 스마트폰 후면에 부착해 팬 등을 활용하는 능동 냉각 방식으로 열을 외부로 방출한다. 이에 따라 향후에는 공기를 이용해 열을 방출하는 공랭식 냉각뿐만 아니라, 냉각수를 활용하는 수랭식 냉각 등 다양한 Active Cooling 기술에 대한 연구와 발전이 필요하다고 밝혔다.
고집적화 시대, 효과적인 열관리가 핵심이다
반도체가 고집적화됨에 따라 제한된 공간에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하기 위한 열관리 시스템에도 큰 변화가 필요하다. 앞으로 더욱 높은 성능과 집적도를 갖춘 전자기기가 등장하기 위해서는 TIM, PCM, 고방열 쉴드캔과 같은 소재 기술의 발전뿐만 아니라 3D TIM과 Active Cooling 등 새로운 열관리 기술에 대한 연구와 투자가 함께 이뤄져야 한다.
결국 고성능 전자기기의 성능을 안정적으로 구현하기 위해서는 반도체 기술의 발전과 함께 이를 뒷받침할 수 있는 효과적인 열관리 기술의 발전이 필수적이다.
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1. “반도체가 만든 에너지 불균형, 이번에는 전력 생산지로”, 28기 정예빈, 29기 이예람, 30기 김대형, 신준철,
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2. “탠덤 태양전지의 현재와 미래”, 23기 김태현, 27기 이희원, 29기 박승준, 30기 김지아, 박시영,
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[취재] 고성능 전자기기 열관리의 혁신, 방열 기술의 발전
대학생신재생에너지기자단 30기 최태현
산업교육연구소 KIEI, 고성능 전자기기 열관리 혁신 세미나 개최
2026년 08월 28일, 산업교육연구소 세미나실에서 ‘고성능 전자기기 열관리 혁신 – Passive Cooling에서 Active Cooling으로의 대전환 세미나’가 개최됐다. 이번 세미나에서는 삼성전자 방열 소재 분야에서 R&D 분석 경험을 보유한 수석연구원의 발표가 진행됐다. 해당 세미나에서는 AI 반도체와 고성능 전자기기의 고집적화로 발열량이 증가하면서 주목받게 된 열관리 기술의 중요성에 대해 다뤘다.
Passive 방열 기술 소개 및 솔루션
세미나는 삼성전자 박민 수석연구원의 발표를 중심으로 진행되었으며, 첫 번째 순서로 Passive 방열 기술에 대한 소개가 이뤄졌다. 박 연구원은 스마트폰을 비롯한 고성능 전자기기의 대중화로 인해 효과적인 열관리의 중요성이 더욱 커지고 있다고 설명했다. 특히 AP, CPU, GPU 등 주요 열원에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출해 열원의 온도를 낮추는 과정에서 TIM의 역할이 중요하다고 강조했다.
TIM(Thermal Interface Material)은 열이 원활하게 이동할 수 있도록 두 부품 사이의 미세한 빈틈을 채워주는 열전도 소재다. CPU와 방열판처럼 서로 맞닿아 있는 부품 사이에도 미세한 공극이 존재하며, 열전도율이 낮은 공기 대신 TIM을 채움으로써 열저항을 낮추고 열전달 효율을 높일 수 있다. 이러한 TIM을 핵심 주제로 삼아 Passive 방열 기술의 원리와 다양한 방열 솔루션에 대한 설명이 이어진다.
TIM의 활용 분야와 액상 TIM, 고상 TIM
[자료 1. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표 자료]
출처: 30기 최태현
TIM(Thermal Interface Material)은 전기자동차, AI 데이터센터, 스마트폰 등 다양한 제품에 활용되고 있다. 열전달 효율을 향상시키는 핵심 소재로, 기기 내부의 과도한 온도 상승을 방지해 발화, 화상, 오작동 및 열화 등의 문제를 예방하는 데 중요한 역할을 한다.
TIM은 크게 액상 TIM(Liquid TIM)과 고상 TIM(Solid TIM)으로 분류할 수 있다. 이 중 액상 TIM은 주로 실리콘이나 고분자 소재를 기반으로 하며, 대표적으로 Thermal Gel 형태로 활용된다. 액체의 특성을 이용해 필요한 부위에 주입하는 방식으로 적용할 수 있어 복잡한 구조에서도 빈 공간을 효과적으로 채울 수 있다는 장점이 있다. 특히 액상 TIM은 AP와 그래핀 등의 방열 소재를 연결하거나, AP가 탑재된 PBA와 PBA 사이에 주입하는 방식으로 활용된다. AP(Application Processor)는 스마트폰 등 모바일 기기의 연산과 제어를 담당하는 핵심 반도체 칩으로, 구동 과정에서 상당한 열이 발생한다. 이를 쉽게 이해하면 여러 층의 PBA가 빵처럼 겹쳐 있는 구조에서 그 사이에 TIM을 채워 넣는 ‘햄버거 구조’를 생각할 수 있다. 이처럼 부품 사이의 공간에 TIM을 주입해 발생한 열이 방열 소재로 원활하게 전달되도록 하는 것이다. 박 수석연구원은 특히 AP에서 발생하는 열이 한쪽으로만 전달되는 것이 아니라 양방향으로 확산될 수 있다는 점을 강조했다. 따라서 AP에서 발생한 열을 어떤 방향으로, 얼마나 효과적으로 확산시킬 것인지가 스마트폰 열관리에서 중요한 과제라고 설명했다.
고상 TIM은 PCM(Phase Change Material) 등과 같이 형태를 유지하는 TIM이다. 액상 TIM과 달리 제품의 형태가 정해져 있어 원하는 크기와 두께로 제작해 부품 사이에 배치하는 방식으로 적용된다. 특히 조립 과정에서 취급이 용이하고 일정한 두께를 유지할 수 있다는 장점이 있어 다양한 전자기기의 열관리 솔루션으로 활용되고 있다. 박 연구원은 삼성전자는 주로 Liquid TIM을 사용하는 반면, 애플은 Solid TIM을 주로 활용한다고 설명하며, 각 제품의 구조와 열 발생에 맞는 TIM을 적용하는 것이 효과적인 열관리를 위한 핵심이라고 설명했다. 특히 고상 TIM의 대표적인 소재인 PCM에 대해서는 후속 내용에서 구체적으로 살펴볼 예정이다.
고상 TIM, ‘PCM’
고상 TIM의 대표적인 소재인 PCM(Phase Change Material)은 외부에서 열을 받으면 고체와 액체 사이에서 상변화를 일으키며 열을 흡수·저장하는 소재다. PCM에는 주로 파라핀 계열 물질이 활용된다. 액상 TIM과 달리 PCM을 활용한 열관리에서는 AP에서 발생한 열이 수직 방향으로 얼마나 효과적으로 전달되는지가 중요하다. 특히 PCM은 상변화 과정에서 잠열(Latent Heat) 형태로 열을 흡수하고 저장하기 때문에, 일정 시간 동안 발생하는 열을 얼마나 많이 흡수할 수 있는지가 핵심이다. 따라서 PCM의 열 저장 능력을 결정하는 중요한 요소 중 하나가 부피(Volume)다. 동일한 소재를 사용하더라도 PCM의 부피가 클수록 더 많은 열을 흡수할 수 있어, 제한된 공간 안에서 필요한 열관리 성능을 확보하기 위한 적절한 부피 설계가 중요하다.
2D TIM에서 3D TIM으로의 확장
박 연구원은 기존의 2D 형태 TIM만으로는 고성능 AP에서 발생하는 발열을 효과적으로 관리하는 데 한계가 있어, 이를 보완하기 위한 3D TIM 구현의 필요성을 언급했다. 열이 발생하는 위치와 방향을 고려해 TIM을 입체적인 구조로 설계함으로써 보다 효과적인 열확산이 가능하다는 설명이다. 이 과정에서 PCM을 활용하는 주요 이유는 잠열을 이용한 열 저장이 아닌, 원하는 형상을 정교하게 구현하기 위해서다. 박 연구원은 기존 실리콘 소재의 경우 탄성변형으로 인해 정밀한 형상을 제작하고 유지하는 데 어려움이 있다고 설명했다. 반면 파라핀 계열 PCM은 실리콘과 같은 탄성변형이 적어 원하는 형태로 설계하기에 유리하다. 따라서 PCM을 활용하면 AP의 발열 특성과 제품 구조에 맞춰 TIM을 입체적으로 설계할 수 있다. 이는 기존 2D TIM의 한계를 보완하고, 제한된 공간에서도 열을 효과적으로 확산시키기 위한 새로운 열관리 솔루션으로 이어질 수 있다.
방열 기능을 더하다, 쉴드캔(Shield-Can)
[자료 2. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표]
출처: 30기 최태현
스마트폰의 고성능화가 진행되면서 기존 부품에 방열 기능을 더하는 기술도 주목받고 있다. 그 대표적인 사례가 ‘Shield-Can(쉴드캔)’이다. 쉴드캔은 스마트폰 내부의 주요 전자부품을 전자기적 간섭(EMI)과 외부 노이즈로부터 보호하기 위해 사용하는 부품으로, 최근에는 전자파 차폐뿐만 아니라 열을 확산시키는 방열 부품으로서의 역할도 중요해지고 있다. 기존 쉴드캔에는 주로 양백(Cu-Ni-Zn) 합금이 사용됐다. 양백은 기계적 강도와 가공성이 우수하지만 열전도도가 약 30W/m·K 수준으로 낮아 열을 빠르게 확산시키는 데 한계가 있다. 이를 개선하기 위한 소재로 제시된 것이 크롬동(Cu-Cr-Si-Co) 합금이다. 크롬동은 구리를 기반으로 크롬, 실리콘, 코발트 등을 첨가한 합금으로, 상온에서 약 320W/m·K의 높은 열전도도를 나타내 기존 양백보다 약 10배 높은 열전도 성능을 보인다.
하지만 모든 쉴드캔을 고방열 소재로 교체하는 것이 항상 좋은 것은 아니다. AP, PMIC, RF 등 부품마다 발열 특성과 열을 이동시켜야 하는 방향이 다르기 때문이다. 따라서 위치와 용도에 따라 소재를 차등 적용해 열의 이동 경로를 조절하는 것이 중요하다. 결국 쉴드캔의 소재 선택은 단순히 ‘열전도도가 높을수록 좋다’는 문제가 아니다. 각 부품의 발열 특성과 기기 구조를 고려해 서로 다른 소재를 조합하고, 이를 통해 열의 이동 경로와 확산 방향을 조절하는 것이 고성능 스마트폰의 열관리에서 중요한 기술로 자리 잡고 있다.
Active Cooling의 과제화
[자료 3. 삼성전자 박민 수석연구원의 발표 자료]
출처: 30기 최태현
한편, 박 연구원은 중국 휴대폰 시장에서 최근 등장하고 있는 ‘공랭식 열관리 시스템’을 사례로 들며, 향후 Active Cooling 기술의 발전이 필요하다고 강조했다. 특히 OnePlus의 Magnetic Ice Cooling Clip과 Black Shark의 FunCooler와 같은 외장 냉각 솔루션을 예시로 들며, 고성능 스마트폰의 발열이 증가하면서 Passive Cooling만으로는 열을 효과적으로 관리하는 데 한계가 있을 수 있다고 설명했다. 실제로 두 제품 모두 스마트폰 후면에 부착해 팬 등을 활용하는 능동 냉각 방식으로 열을 외부로 방출한다. 이에 따라 향후에는 공기를 이용해 열을 방출하는 공랭식 냉각뿐만 아니라, 냉각수를 활용하는 수랭식 냉각 등 다양한 Active Cooling 기술에 대한 연구와 발전이 필요하다고 밝혔다.
고집적화 시대, 효과적인 열관리가 핵심이다
반도체가 고집적화됨에 따라 제한된 공간에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하기 위한 열관리 시스템에도 큰 변화가 필요하다. 앞으로 더욱 높은 성능과 집적도를 갖춘 전자기기가 등장하기 위해서는 TIM, PCM, 고방열 쉴드캔과 같은 소재 기술의 발전뿐만 아니라 3D TIM과 Active Cooling 등 새로운 열관리 기술에 대한 연구와 투자가 함께 이뤄져야 한다.
결국 고성능 전자기기의 성능을 안정적으로 구현하기 위해서는 반도체 기술의 발전과 함께 이를 뒷받침할 수 있는 효과적인 열관리 기술의 발전이 필수적이다.
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https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?idx=173150976&bmode=view