재료연 "전기차 배터리 발열 잡았다"

연구소기업 '소울머티리얼' 통해 차세대 소재 첫 상용화

전기 자동차 배터리 발열을 해결할 수 있는 방열 소재가 세계 처음 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 세라믹재료연구본부 기능세라믹연구실 안철우 박사 연구팀은 친수성은 줄이고, 열전도도는 증가시키는 방열 소재를 세계 처음 개발했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 이 방열 소재 개발에 단순한 소결 과정만 거치는 화학반응을 활용했다. 이 때문에 표면처리 필요 없이 나노 결정질 복합 층을 형성하는 데 성공했다.

기존 방열 소재로 널리 사용되는 알루미나 필러는 열전도도 개선에 한계가 있었다. 이 대안으로 최근 마그네시아가 이슈화됐다.

<소결 공정의 결정립 성장 과정 모식도.>

마그네시아는 원료 비용이 적게 들고, 방열성능인 열전도도와 비저항성이 우수하다. 반면, 가열해 서로 밀착시키는 소결 온도가 1천800℃로 높다. 또 공기 중에서 물과 반응하는 흡습성 때문에 방열 필러로 활용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 첨가제를 이용해 소결 공정에서 표면에 얇은 나노 결정질 복합 층을 만들어 이 문제를 해결했다. 수분과 반응하는 방어층을 형성시킨 것.

이와 함께 액상 소결을 이용해 소결 온도를 낮췄다. 계란판에 계란 하나가 빠져 있는 것과 같은 고체에 존재하는 점결함을 줄여 고열전도도를 달성했다.

최근 첨단 산업 발전과 함께 전자부품의 소형화 및 다기능화가 급격히 진행 중이다. 이로 인해 업계에서는 전자제품 열관리가 현안이 됐다. 특히 전기차용 배터리의 고용량화와 전자부품 고집적화로 열 밀도 증가에 대응할 고방열 소재가 더욱 절실한 상황이다.

현재 연구팀은 마그네시아의 열전도도를 질화물 방열 세라믹 수준으로 높이는 등 성능 개선을 위한 후속 연구가 진행 중이다.

결함 제어, 고열전도성 가진 산화물 필러 개발

재료연은 이 기술을 출자해 연구소기업 (주) 소울머티리얼을 설립했다. 재료연은 현재 주주로 참여해 양산화를 지원 중이다.

기능세라믹연구실 차현애 선임연구원은 "기존 마그네시아 소재가 가진 제약을 극복한 기술"이라며 "현재 이 기술로 만든 제품이 상용화돼 방열 소재로 시판 중"이라고 말했다.

표면에 얇은 나노결정질 복합층을 가지는 산화 마그네슘이 만들어진 과정을 보여준다.

연구책임자인 재료연 안철우 책임연구원은 “산화물 세라믹 필러의 제조 공정에서 첨가제를 넣어 고분자와의 혼합에 문제가 되는 수분 반응 문제를 해결하고, 결함 제어를 통해 고열전도성을 가진 산화물 필러를 개발했다”며 “이번에 개발된 저가의 고품질 마그네시아 방열 필러가 방열 세라믹 소재 시장을 이끌 것"으로 기대했다.

이 연구성과는 한국재료연구원 기본사업과 산업통상자원부 산하 한국산업기술기획평가원(KEIT) 마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료 국내생산 시범사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰 메소드(Small methods, IF=15.367, 제1 저자 차현애 선임연구원, 교신저자 안철우 책임연구원)’2023년 12월 14일 자로 게재됐다.