“차세대 방열 소재 시장 선점” 한국광기술원, 플라즈마 이용 MgO 입자 수화 억제 코팅기술 개발

MgO 입자 수화 억제 코팅 전후 접촉각 측정.

한국광기술원(원장 신용진)은 김재필 디지털조명연구본부 박사팀이 플라즈마 기술을 적용해 산화마그네슘(MgO) 입자의 수화 반응을 효과적으로 억제할 수 있는 코팅 기술을 세계 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.

최근 전자제품의 집적화로 발열 문제가 심화돼 고성능 방열 소재 개발이 절실한 상황이다. MgO 입자는 높은 열전도도와 뛰어난 절연성으로 차세대 방열 소재로 주목받고 있다.

MgO 입자는 공기 중에 쉽게 수화해 방열 소재로서의 특성을 잃어버리는 경향이 있다. 따라서 방열 소재로 사용하기 위해서는 수화 억제 코팅이 필수적이다. 하지만 MgO 입자 표면과 코팅물질과의 낮은 반응성 때문에 습식개질·화학증착법 등 일반적인 코팅 방법으로는 개질에 어려움이 있었다.

김 박사팀은 강한 에너지를 지닌 플라즈마를 활용해 코팅물질의 반응성을 높임과 동시에 MgO 입자 표면에 균일하게 코팅막을 형성하는 새로운 방법을 개발했다.

플라즈마 코팅 후 MgO 입자의 물에 대한 접촉각은 흡수로 인한 측정불가에서 125°로 증가하고, 시간에 따른 접촉각 변화가 관찰되지 않아 코팅의 균일성을 확인할 수 있었다. 85°C/85 상대습도(RH) 환경에서 24시간 동안 방치한 뒤 측정한 결과, 코팅된 MgO는 무게 변화가 거의 없어 코팅되지 않은 MgO에 비해 매우 높은 수화안정성을 보였다.

수화반응 후 MgO 입자 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지. 코팅 되지 않는 MgO 입자(왼쪽)) 와 코팅된 MgO 입자.

연구팀은 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지 분석을 통해 수화 억제 효과를 시각적으로 확인했다. 플라즈마를 사용하는 이 기술은 용매를 사용하지 않아 친환경적이며, 30분 미만의 짧은 반응시간으로 MgO 입자의 내습성을 향상시킬 수 있다.

특히 입자 표면의 균일한 코팅막은 MgO 입자의 물성을 장시간 유지해 줄 뿐 아니라 에폭시와 같은 소수성 바인더와의 친화력도 향상시킨다. 실제로 코팅된 MgO 입자를 에폭시와 혼합해 접착강도를 측정한 결과, 접착력이 기존 대비 약 50% 향상된 것으로 나타났다. 접착제 내에서 코팅되지 않은 MgO 입자는 수화로 인한 체적 팽창 및 열전도도 저하 등의 물성 변화가 있어 접착제 성능도 점차 나빠지게 된다.

이번 수화 억제 코팅 기술이 적용된 MgO 입자는 높은 열전도도와 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있다. 발광다이오드(LED) 및 반도체 패키징, 이차전지, 5세대(5G) 통신기기 등 다양한 분야에서 일반적으로 사용하는 알루미나나 실리카 같은 필러를 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

김재필 박사는 “현재 고부가 방열 소재 시장이 빠르게 성장함에 따라, 본 기술이 차세대 방열 소재 시장 선점에 크게 기여할 것으로 보인다”며 “이번 기술은 산업통상자원부 소재부품기술개발사업인 '낮은 수분투과율 및 낮은 가스배출(Low outgassing) 접착소재' 개발을 통해 이뤄졌으며 현재 국내 특허출원을 마치고 해외 특허출원을 준비 중”이라고 말했다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com

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