한국재료연구원 나노재료연구본부는 계란 흰자 단백질 발포 공정을 활용, 기존 대비 최대 2.6배 높은 열전도도를 가진 방열 복합 소재를 개발했다고 밝혔다.

차현애 선임연구원 연구팀은 친환경성과 저비용 공정을 동시에 구현하면서도 고성능을 확보한 3차원 구조의 산화 마그네슘(MgO) 방열 소재 개발에 성공했다. 이 소재는 열을 빠르고 효율적으로 전달하는 경로를 형성해 우수한 방열 성능을 보였다.

전자기기의 고성능화와 소형화가 가속화되면서 발열 문제가 심각해지고 있어 방열 기술의 중요성이 더 커지고 있다.

특히 전기차 배터리의 경우 열 관리가 제대로 되지 않으면 성능 저하뿐만 아니라 화재나 폭발 위험까지 초래할 수 있어 정교한 열 관리 시스템이 필수적이다. 이런 시스템의 핵심 구성 요소가 바로 열 인터페이스 재료(Thermal Interface Material, TIM)다.

기존 열 인터페이스 재료는 필러를 고분자 재료에 혼합하는 방식으로 제작됐지만, 필러가 불규칙하게 분산돼 열 전달 경로가 끊기는 문제가 있었다. 성능 향상을 위해 필러 함량을 증가시키면 가공성이 떨어지고 비용도 상승하는 한계가 있었다.

연구팀은 단백질 발포법을 도입해 이 문제를 해결했다. 계란 흰자 단백질이 고온에서 팽창하는 특성을 이용해 입자들이 규칙적이고 조밀하게 연결된 3D 구조를 구현했다. 이를 통해 열 전달 경로가 끊기지 않고 연속적으로 이어진 복합체를 제작할 수 있었으며 17.19W/mK의 높은 열전도도를 달성했다.

가볍고 저렴한 산화마그네슘을 사용했음에도 불구하고 일반적으로 사용되는 알루미늄 산화물은 물론 질화물 기반 방열 소재보다 우수한 열전도 성능을 나타낸 것이 특징이다. 또 에폭시 수지와 결합해 실제 응용 가능한 복합체로 제작됐다.

이 기술은 전자기기, 반도체 패키지, 전기차 배터리, 5G 통신장비, 고성능 서버 등 고발열 장치의 성능과 안정성 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다. 국내 방열 인터페이스 재료 시장은 연간 2000억원 이상으로 추정되지만 대부분 수입에 의존하고 있어, 본 기술의 상용화는 국내 기술 자립에도 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

차현애 선임연구원은 "단백질 발포 기반 공정을 통해 고열전도도 소재를 친환경적이고 저비용으로 제작할 수 있다"며 "이번 연구는 경량 고성능 방열 소재의 실현 가능성을 보여준 좋은 사례"라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술 개발사업 지원으로 수행됐으며 연구 성과는 세계적인 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 5월 28일자로 게재돼 표지 논문으로 선정됐다.