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  • 기사등록 2018-12-27 15:04:06
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경사기능 이종복합재료, 고성능 전자 디바이스 방열·차폐 신소재 각광



고성능 디바이스를 활용하는 전기/전자/기계 장치 부품과 제품들은 열기계적 응력 (Thermomechanical stress: 고온과 저온이 반복되어 형성되는 기계적 피로 현상) 현상에 의한 성능 저하 및 파손의 가능성을 항상 내포하고 있다.


예를 들어 휴대폰의 경우에도 최근의 트렌드를 보면 전화기로서의 단순 기능 보다는 휴대용 개인 컴퓨터를 표방하고 있으며 소비자들은 더욱 더 응답속도가 빠르면서도 다양한 프로그램을 동시에 구현 할 수 있는 고성능의 디바이스를 요구 하고 있는 실정이다. 물론 최근 이슈가 되고 있는 4세대 이동통신 기술의 뒤를 잇는 5G가 일반인들에게도 상용화 될 경우 디바이스의 속도 문제는 해결될 수 있는 상황이지만 이 역시 디바이스 자체의 열기계적 응력은 보다 더 가중 시키는 결과를 초래 할 수 있어 단순 인프라 구축에 의한 고성능화는 한계가 있는 것이 사실이다.


즉, 이러한 문제점들은 모든 산업 군에서 발생 할 수 있는 것으로서 이를 해결할 수 있는 솔루션은 역시 신소재 개발을 통한 원천 소재 자체의 혁명(Revolution)이 없이는 불가능 할 것으로 예측된다.


최근 들어 단일 소재가 지닌 특성의 한계를 극복하고자 이종의 소재들을 조합하여 방열 및 차폐능을 효율적으로 설계하고 그로 인한 소재부품의 응력 집중 현상을 해결하고자 하는 기술이 급속도로 발전하고 있다. 특히 반도체 기반 전자부품에서 폴리머 기반의 열전도성 컴파운드 (Heatsink compound)는 대표적인 이종소재 조합의 좋은 사례로 볼 수 있다. 물론 열기계적특성 제어에 효율적인 소재로써 각광을 받고 있지만 열전도성 컴파운드 역시 태생적으로 지니고 있는 금속 소재 대비 낮은 방열 특성과 온도 변화에 따른 박리 현상은 해결해야 하는 문제점으로 지적되고 있는 실정이다.


경사기능재료(Functionally Graded Materials: FGM)는 1980년대 일본이 우주왕복선에 대응하기 위하여 고안된 새로운 신소재 컨셉으로서 다양한 이종 소재간의 함유량에 차이를 두어서 특별한 기능을 구현시킬 수 있는 특수한 이종복합재료이다. 특히 함유될 수 있는 원료로는 금속, 세라믹, 폴리머 및 이들의 혼합물 등 수없이 많은 조합이 가능하여 원천적으로 다기능성 (Multifunctionality) 구현이 가능하면서도 열기계적 응력에 대응이 가능한 특성을 지니고 있다.


또한 넓은 의미로 볼 때 최근 이슈가 되고 있는 적층제조기술의 대표적인 공정으로 알려져 있는 3D프린팅 기술과 다성분계의 고엔트로피(High Entropy) 합금 역시 경사기능재료의 효과적인 공정 기술의 사례임을 알 수 있다.


1980년대 우주왕복선 적용 시작, 3D프린팅·고엔트로피 합금 등 확대 발전

차세대소재연구소 상용화 돌입, 소재혁명 기술선진국·인류문제 해결 열쇠


필자가 2014년 창업한 ㈜차세대소재연구소는 지난해 기술보증기금의 ‘대학기술 사업화 지원 플랫폼(U-TECH밸리)’ 사업을 통해 20억원 규모의 지원을 받은 데 이어 최근 ㈜차세대소재연구소 주식 액면가 5천원의 75배인 37만5천원으로 15억원의 후속 투자를 받았다. 이 평가에 따르면 발행주식 수가 약 2만4천주인 ㈜차세대소재연구소는 약 100억원 대의 가치가 있는 기업으로 인정받은 것이다. ㈜차세대소재연구소는 분말야금(Powder Metallurgy) 공정을 기반으로 경사기능재료 컨셉을 활용하여 맞춤형 다기능성 이종복합재료를 연구 개발하는 소재 전문 기업으로서, 연구실 수준에 머무르지 않고 실제 상업적으로 적용되는 이종복합재료를 자체 생산하고 판매하고 있다.


특히 ㈜차세대소재연구소는 소재의 특성 향상에 대한 관점을 단일 기능의 강화효과뿐만 아니라 다양한 고기능성을 동시에 발현 할 수 있도록 하는 하이브리드(Hybrid) 재료의 관점으로 연구개발하고 있으며 소재 설계와 제조까지 구현 할 수 있는 신소재 기술과 인프라를 보유하고 있다. 이러한 기술이 바탕이 되어 ㈜차세대소재연구소의 매출은 절반 이상이 해외에서 일어나고 있으며 최근 일본의 미쯔이 물산과 세이코-엡손사와의 신소재 개발 및 납품 협력 체결에 따른 매출 증대가 기대되고 있는 상황이다. 또한 국내의 소규모 벤처 기업임에도 불구하고 글로벌 기업들의 협업이 이루어 질 수 있다는 것은 산업시장에서의 소재기술이 미칠 수 있는 그 영향력과 파괴력이 얼마나 크다는 것을 단적으로 시사하는 것이다.


사실 국내 산업 기술 구조를 보면 반도체 정보통신등과 같이 세계적으로도 경쟁력이 있는 기술을 보유하고 있는 것은 틀림없는 사실이지만 실제 그 속을 들여다 보면 상황이 다르다는 것도 알 수 있다. 대부분의 원천 소재 기술은 국내 개발 기술이 아닌 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이러한 상황을 고려할 때 첨단소재 기술 개발 기업은 국내외적으로 더욱 더 육성 되어야 할 것이다.


과학기술의 발전은 이제까지 그러했듯이 앞으로도 비약적인 발전이 이루어 질 것이란 것은 그 누구도 거부 할 수 없는 명백한 시대적 흐름이며 사실이다. 특히 소재(materials)의 관점으로 볼 때 과학기술의 발전은 현실적으로 대두 되고 있는 소재부품의 기능에 대한 문제점 해결뿐만 아니라 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 지구온난화(Global Warming)의 근본적인 문제점 역시 친환경 소재 적용으로 원천 해결할 수 있다는 것을 의미한다.


끝으로, 세계적인 기술 트렌드의 급격한 변화를 고려할 때, 정보통신기술(ICT)과 인공지능 (AI)으로 대변되는 4차 산업혁명 이후의 5차 산업혁명의 핵심은 원천소재(materials)의 혁명이 될 것이며 기술선진국이 되기 위해서는 국가적으로 다양한 신소재 산업 육성과 발전에 관심을 기울여야 할 것이다.

▲ 고엔트로피 합금과 3D 프린팅 티타늄 합금(B. Murty, J.-W. Yeh, S. Ranganathan, High-entropy alloys, Butterworth-Heinemann, 2014.)


▲ 에너지변환 경사기능재료:Scientific Reports volume6, Article number: 23064 (2016)



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