▲ 단백질 발포법을 통한 3D MgO Skeleton 및 3D MgO 복합 소재 제조 방법

국내 연구진이 계란 흰자 기반 단백질 발포 공정을 활용해 3D 구조 산화마그네슘 방열 복합소재를 개발, 전자기기와 전기차 배터리, 5G 통신장비 등 고열 장치의 성능 향상과 안정성 확보, 국내 방열 소재 기술 자립 달성에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 나노재료연구본부 차현애 박사 연구팀이 친환경성과 저비용 공정을 동시에 만족시키는 고성능 방열 복합소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 계란 흰자 기반 단백질 발포 공정을 활용해 3차원 구조의 산화 마그네슘(MgO) 방열 소재를 제작했다. 이 구조는 열을 빠르고 효율적으로 전달하는 경로를 형성해 기존 방열복합체 대비 최대 2.6배 높은 열전도도를 나타냈다.

전자기기 고성능화와 소형화가 빠르게 진행되면서 열 관리 기술의 중요성이 커지고 있다. 전기차의 경우 배터리 과열은 성능 저하와 화재 위험으로 이어지며, 이를 해결하는 핵심 요소가 열 인터페이스 재료(Thermal Interface Material, TIM)다.

기존 TIM은 열을 전달하는 필러를 고분자 재료에 섞는 방식으로 제작됐지만, 필러가 불규칙하게 분포해 열 전달 효율이 떨어지고 필러 함량을 늘리면 가공이 어려워지고 비용도 증가했다.

연구팀은 단백질 발포법을 통해 입자들이 규칙적이고 촘촘하게 연결되도록 했다. 계란 흰자 단백질이 고온에서 부풀어 오르며 입자들을 연결, 끊김 없는 3D 열 전달 구조를 형성했다. 이를 통해 열전도도 17.19W/mK(와트 퍼 미터 켈빈)의 고성능 TIM 제작에 성공했다.

이번 기술은 가볍고 저렴한 MgO를 사용하면서도 일반적으로 많이 쓰이는 알루미늄 산화물이나 질화물 기반 소재보다 높은 열전도 성능을 보인다. 또 에폭시 수지와 결합해 실제 응용 가능한 복합체 제작도 가능하다.

이 기술은 전자기기, 반도체 패키지, 전기차 배터리, 5G 통신장비, 고성능 서버 등 고열 장치 성능과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히 국내 방열 TIM 시장은 연간 2천억 원 규모지만 대부분 수입에 의존하고 있어, 상용화 시 국내 기술 자립에도 큰 도움이 될 전망이다.

연구책임자인 차현애 선임연구원은 “단백질 발포 기반 공정으로 고열전도 소재를 친환경적·저비용으로 제작할 수 있다”며, “경량 고성능 방열 소재 구현 가능성을 보여준 사례”라고 말했다.