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방열기술, 제품 최적화의 마지막 단계
방열기술

 

전자기술의 특징은 지속적으로 제품의 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구된다는 점이다. 소비자 입장에서는 점점 더 발전하는 기기를 사용할 수 있다는 점에서 분명 좋은 것이지만, 문제는 이러한 기술적 경향들이 제품의 발열을 더욱 높인다는 점이다. 고집적된 전자소재들은 열을 발생시키고, 이는 오작동의 원인이 되는 것은 물론 사용자에게도 불안감을 주게 된다. 따라서 전자기술이 발전할수록 방열기술도 동시에 발전하게 되어 있다. 특히 이러한 방열기술은 제품을 최적화시키는 마지막 단계라고 볼 수 있다. 현재 방열기술은 어디까지 와 있을까?

방열기술이 절실한 LED 조명업계
방열기술이 가장 많이 사용되는 곳은 스마트폰이나 태블릿PC, LED조명기구, TV, 자동차 등이다. 물론 플랜트나 대형제조기계 등에도 방열기술이 필요한 곳이 있지만, 일반인들이 접하기는 쉽지 않다. 반면 스마트폰이나 LED의 경우 일반 소비자들이 이용하기 때문에 기술의 발전 속도가 빠르다. TV 역시 LED를 넘어 HD, UHD로 계속 고해상도로 발전해 나가고 있기 때문에 방열기술의 필요성이 점점 대두되고 있다. 자동차 분야의 방열기술 역시 미래에 더 많이 발전할 것으로 예상된다. 향후 다양한 전자 제어장치들이 자동차에 탑재될 것으로 보여 발열과 방열 문제를 반드시 해결해야 하기 때문이다.
방열, 즉 열의 발생을 최소화하거나 이미 발생한 열을 외부로 방출시키는 기술은 크게 몇 가지 분야로 나눠진다. 기존의 PCB(Printed Circuit Board)에 특수한 금속을 씌운 메탈 PCB를 사용하거나 PCB에 방열판인 히트싱크(Heat sink)를 붙이는 방법, 특정 부위에 방열시트를 붙이는 방법, 또는 특수하게 제작된 방열도료를 바르는 방법 등이 있다.
이외에 소형 냉각팬을 활용하거나 방열 기능이 있는 접착제를 사용하는 경우도 있다. 이렇듯 방열기술은 특정한 경향성을 가지고 있기보다는 매우 다양한 방법으로 시도되고 있다. 특히 디바이스들이 다양화되고 그 설계와 구조가 제각각인 만큼, 구체적인 스펙에 맞는 다양한 방법들이 적용되고 있다.
방열기술이 가장 절실하게 필요한 분야는 바로 LED 분야다. LED 소자의 경우 에너지의 20% 정도만 빛을 발산할 뿐, 나머지 80%는 손실로 전환된다. 문제는 이 과정에서 접합부의 온도가 지속적으로 높아지고, 이는 LED 반도체의 수명저하로 직결된다는 점이다. 소자의 온도가 약 10도 향상될 때 수명은 두 배 정도 감소하는 것으로 알려져 있다. 따라서 LED 분야에서의 방열기술이란 제품의 수명이 걸린 중요한 문제가 될 수밖에 없는 상황이다. 이제까지는 주로 PCB기판에 열교환 성능이 뛰어난 히트싱크를 불이는 방법을 주로 활용했다. 하지만 문제는 별도로 히트싱크를 붙이기 때문에 소형화에 한계가 있을 수밖에 없고, 제작원가도 비싸다는 점이다. 따라서 현재 업계에서는 다양한 회사와 연구소들이 앞다투어 LED 방열기술을 개발하고 있는 상황이다.
가장 대표적인 것으로 PCB기판 자체를 없애고 방열체 자체에 LED를 접합하는 기술이 있다. 국내 업체인 파인테크닉스(대표 최정혁)에서 특허를 가지고 있는 이 기술은 LED광원의 온도를 평균 8~9%까지 낮출 수 있는 것으로 알려졌다. 또한 PCB기체가 열을 받아서 휘거나 들뜨는 것을 방지할 수 있어 불량품 예방에도 도움이 된다. 방열과 품질을 한번에 잡은 기술이라고 할 수 있다.
2중 냉각구조의 방열기술도 있다. 고출력 LED 스포츠 조명분야에서 활약하고 있는 비솔(대표 이재영)은 냉각팬이 외부의 공기를 조명 내부로 유입시키고, 이 유입된 공기가 LED사이를 통과하면서 열을 방출하도록 하고 있다. 또한 2차적으로 냉각팬이 가동되면서 열을 더욱 빨리 식히는 작용을 한다. 이러한 2중 냉각구조는 경쟁제품 대비 200%의 효과를 가지고 있다는 것이 회사의 설명이다.
최근 국내 연구진이 ‘초고방열 접착기술’을 세계 최초로 개발하기도 했다. 한국광기술원 김재필 박사와 연구진은 그간 독일과 일본 등 기술 선진국에서도 해결하지 못했던 은나노를 이용한 접착기술을 성공시켰다. 일반적으로 LED칩 접착제는 LED칩을 기판에 부착하고 칩에서 발생한 열을 외부로 방출하는 역할을 한다. 그간 업계에서는 에폭시 등의 고분자 재료에 무기물을 혼합하는 방식으로 접착제를 만들어 왔지만, 방열 성능이 제한되는 문제를 안고 있었다. 독일이나 일본 등지에서는 은나노 입자를 활용해 방열 효과를 높이는 방안을 연구해왔으나 만족할 만한 성과를 얻지 못했던 것이 사실이다. 반면 김재필 박사팀은 레이저를 활용해 짧은 시간만 가열해 은나노 입자를 접착하는 방식을 취했다. 그 결과 과전류가 흐르는 상황에서도 LED의 표면온도가 증가되지 않고 기존에 비해 2.5배 이상 향상된 고출력 제품을 구현할 수 있게 됐다.

스마트폰 방열기술도 속속 개발
스마트폰의 콘텐츠 발전은 방열기술과 연관을 맺고 있다. 고화질 동영상이나 3D그래픽 게임이 쏟아져 나오면서 발열이 더욱 가속화되기 때문이다. 또 한번에 하나의 앱만 사용하는 것이 아니라 한꺼번에 많은 앱을 구동시키는 사용자도 적지않다. 자연스레 발열이 심화될 수밖에 없다. 여기다가 스마트폰의 경우 끊임없이 얇아지려는 기술적 트렌드도 가세하고 있다.
스마트폰 방열에서 가장 많이 사용되는 기술은 그라파이트 방열시트이다. 연성인쇄회로기판(FPCB) 등 열을 발생시키는 부품이나 제품에 부착해서 사용할 수 있다. 특히 이 시트는 기존의 구리와 알루미늄 기반의 방열시트보다 다섯 배 이상 높은 성능을 보인다.
하지만 아쉽게도 현재 국내에서는 그라파이트 방열시트를 상용화해낼 수 있는 기업이 현저하게 부족하다. 일부 업체가 시도하고 있지만 생산능력이 미진해서 삼성 등의 대형 제조사에 납품을 하지 못하고 있는 것이다. 상황이 이렇다보니 한국 내 방열시트 수요를 둘러싼 소송전이 이어지기도 한다. 중국의 생산업체인 탄유엔이 자사의 제품이 삼성의 물량공급에서 실패하자 특허권 침해 소송을 낸 것이다. 물론 이 소송에서 탄유엔이 이길 가능성은 낮지만, 이러한 소송전 자체가 방열시트의 중요성과 미래 전망을 나타내는 방증이기도 할 것이다.
그러나 그라파이트 방열시트만이 스마트폰 방열기술의 전부는 아니다. 구리를 이용해 내부 방열처리를 하는 ‘카파 블록(copper block)’도 새로운 기술로 급부상하고 있다. 이는 회로와 기판 사이에 열전도성이 높은 구리 소재를 블록처럼 설치해 방열을 하는 기술이다. 그간에는 비교적 크기가 큰 PCB에 많이 사용되었지만, 최근에는 더 작게 설계되어 스마트폰에도 사용되고 있다. 또한 외부 온도에 의한 영향을 차단하려는 기술도 최근에 함께 개발되고 있다. 예를 들어 여름철의 경우에는 높은 실외 온도 자체도 스마트폰을 뜨겁게 만드는 하나의 요인이다. 따라서 휴대폰의 화면부분에도 방열처리를 해서 스마트폰이 더욱 안정적으로 사용될 수 있도록 기술을 개발하고 있다.
자동차 역시 방열기술이 꼭 필요한 분야라고 할 수 있다. 일반적인 차량뿐 아니라 특히 사막 등의 열대지방, 혹은 한랭지방에서는 방열성은 물론이고 내열성, 내한성, 내진동성까지 모두 갖춰야 한다. 현재 자동차 분야에서는 실리콘 계열의 방열 재료가 많이 사용되고 있다.
TV 방열의 경우 내부 방열강판이 많이 활용되고 있다. 지난 2011년 포스코가 세계 최초로 LED TV용 방열강판 개발에 성공해 양산에 들어간 이후 국내 가전사에서는 이 방법을 많이 활용하고 있다. 이 강판은 방열수지용액을 강판 표면에 머리카락 50분의 1 두께로 정밀하게 코팅한 것으로, 방열 성능이 뛰어난 것이 특징이다. 그간에는 알루미늄 판재를 사용해왔지만 열전도성이 높은 반면 가격이 비싼 단점이 있었다. 하지만 내부 방열강판의 경우에는 강성을 최적으로 유지하면서도 높은 가공성을 보유하고 가격도 합리적인 평가를 받고 있다. 현재 이 방열강판은 국내의 다양한 스마트TV, 3DTV에 사용되고 있다.
다른 기술도 마찬가지겠지만, 방열기술은 특히 소비자와의 접점에서 구현되는 제품이다. 제품이 자주 뜨거워지거나 그로 인해 오작동이 많아진다면 소비자들 역시 해당 제품과 기업을 신뢰하지 못하는 일이 발생하기 때문이다. 그런 만큼 방열기술은 앞으로도 꾸준한 발전이 이뤄질 수 있는 기술 분야라고 할 수 있다.

세계 방열시장에 도전장을 낸 한국 중소기업들

현실적으로 방열소재 시장은 중국과 대만이 90% 이상을 장악하고 있다. 하지만 최근 들어서 이러한 세계 방열시장에 도전하는 한국 중소기업들이 늘어나고 있다. 방열소재 전문업체 티티엠(대표 최유진)은 국내 모 대기업과 합작 회사를 설립, 외국 회사들과의 경쟁에 돌입했다. 티티엠은 그간 PC용 방열제품인 맞춤형 쿨러를 개발해 HP, 델 등에 안정적으로 공급해왔다. 또한 대만 디스플레이 업체인 치메이와도 TV용 쿨러 공급 계약을 체결했다. 이는 국내 방열소재 기업이 세계무대에서 공식적으로 기술력을 인정받은 첫 번째 사례라고 할 수 있다. 뿐만 아니라 티티엠은 미국의 전기자동차 업체인 테슬라와도 전기 자동차 배터리용 쿨러를 공동으로 개발하고 있다.
LED용 방열 소재를 개발하고 있는 솔루나(대표 김호성)도 최근 해외진출을 본격화했다. 자체적으로 개발한 LED조명용 금속동박적층판(MCCL)은 5W/mk의 높은 열전도를 자랑한다. 그간의 제품들이 2W/mk 수준이었다는 점에 비하면, 그 성능이 200% 이상 향상된 것이다. 솔루나는 최근에 이 제품을 일본 메탈PCB 제조업체와 영국 등의 기업과 샘플 테스트를 마치고 공급을 협의 중에 있다. 이 분야는 그간 일본, 영국, 미국 기업들이 장악하고 있었던 만큼 솔루나의 활약이 기대되고 있다.

이남훈 전문기자​

조회수 : 2,384기사작성일 : 2015-06-26
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