▲ 연구모식도(출처=전북대)  © 특허뉴스

<기사요약>

그래핀·질화붕소 복합소재의 전기·열전도 특성 예측 이론 세계 최초 제시

‘분리구조 기반 복합소재 설계’로 전도성·방열성 모두 혁신적 향상

AI 반도체, 전기차, 서버 등 차세대 산업소재 핵심기술로 주목

국제 학술지 『Advanced Composites and Hybrid Materials』 게재

전북대학교 김성륜 교수 연구팀이 세계 최초로 전자파 차폐와 방열 기능을 동시에 향상시킬 수 있는 복합소재의 이론적 설계 원리를 정립했다.

이 연구는 그래핀(Graphene)과 질화붕소(Boron Nitride) 기반 복합소재의 전기적·열적 전도 특성을 정확히 예측할 수 있는 물리 모델을 제시함으로써, 차세대 AI 반도체 및 전자소자 핵심소재의 설계 패러다임을 바꿀 기술 혁신으로 평가된다.

‘분리구조’ 제어로 전도성 극대화... 적은 양으로도 탁월한 성능

김 교수팀은 녹는점이 다른 두 종류의 고분자를 활용해 복합소재 내부의 미세 구조를 정밀하게 제어, 전도성 물질이 특정 영역에 집중된 ‘분리 구조(segregated structure)’를 구현하는 데 성공했다.

이 방식은 기존처럼 많은 양의 전도성 필러를 투입하지 않고도 높은 전도 성능을 발휘할 수 있는 구조로, 실험 결과 단 9%의 필러 함량으로 전자파 차폐 성능 40dB, 열전도도 7W/m·K라는 뛰어난 수치를 달성했다.

이는 기존 상용 복합소재 대비 월등한 수준으로, 에너지 효율과 경량화, 내구성을 동시에 만족시키는 혁신적 결과로 평가된다.

세계 최초 ‘고도 침투이론(Advanced Percolation Model)’ 정립

연구팀은 실험 데이터를 기반으로 ‘고도 침투이론(Advanced Percolation Model)’을 제시했다.

이 모델은 그동안 학계에서 모호하게 다뤄졌던 분리구조 복합소재의 전기·열전도 특성을 정밀하게 예측할 수 있는 세계 최초의 이론 체계로, 소재 내부에서 나노 인터커넥션(nano-interconnection)과 마이크로 보이드(micro-void) 구조가 전도 경로 형성에 미치는 영향을 정량적으로 설명했다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 저명 학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'(IF 21.8, JCR 상위 1.5%)에 “Advanced percolation models incorporating excluded volume effects in segregated composites via nano-interconnection and micro-void structure optimization” 이라는 제목으로 게재됐다.

AI 반도체·전기차·고성능 서버까지... 차세대 방열·차폐소재의 게임체인저

최근 반도체 소형화와 고집적화가 가속되면서 전자파 간섭(EMI)과 열 축적은 성능 저하와 수명 단축의 주요 원인으로 떠오르고 있다.

김 교수팀의 이번 연구는 이러한 문제를 해결할 수 있는 차세대 EMI 차폐 및 열 관리 복합소재의 설계 원리를 제시함으로써, AI 반도체, 전기차 배터리, LED 패키징, 고성능 서버 등 첨단 산업 전반에 적용 가능한 핵심 기술로 주목받고 있다.

김성륜 교수는 “이번 연구로 제시한 분리구조 기반 복합소재 설계 이론은 반도체, 전기차, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 경량화와 고효율을 동시에 달성할 수 있는 새로운 소재 설계 패러다임을 열었다”고 밝혔다.

이번 연구에는 김기훈 석박사통합과정생(제1저자), 김성진 박사과정생, 유균영 석박사통합과정생 등이 공동저자로 참여했다. 

이번 연구는 복합소재 설계의 ‘이론적 지도’를 완성한 세계 최초의 사례로, 한국이 AI 반도체·전기차 소재 패권 경쟁에서 기술 초격차를 이어갈 수 있는 발판을 마련했다. 그래핀이 전자의 미래를 열었다면, 이번 연구는 “전도와 열을 동시에 제어하는 소재 혁명”의 문을 연 것이다.