시골길에서 고속도로까지 – 질화알루미늄이 열 관리의 새로운 지평을 열고 있습니다

신에너지 자동차용 SiC 모듈과 AI 서버용 GPU의 소비 전력이 킬로와트(kW)를 넘어서면서, 기존의 알루미나 충전재(20~30W/(m·K))만으로는 극한의 열유속을 처리하기 어려운 상황이 되었습니다. 업계는 이러한 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재를 시급히 필요로 하고 있습니다.

바로 이 지점에서 질화알루미늄(AlN) 열충전 분말이 주목받고 있습니다.

질화알루미늄 미분말의 고유 열전도율은 170~320 W/(m·K) 수준으로, 알루미나보다 최대 8배 높습니다. 하지만 소재 고유의 물성과 실제 열전도성 인터페이스 소재(TIM) 의 성능은 구분할 필요가 있습니다. 실제 TIM의 유효 열전도율은 고분자 매트릭스 종류, 필러 함량, 계면 저항, 가공 조건 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 일반적으로 한 자릿수에서 10 W/(m·K) 초반 수준에 머무릅니다. 이는 AlN 고유 열전도율보다 현저히 낮은 수치입니다. 그럼에도 불구하고, 동일한 배합 조건에서는 질화알루미늄 기반 TIM이 알루미나 기반 제품보다 월등히 우수한 성능을 나타냅니다.

열전도 성능뿐만 아니라, 고순도 질화알루미늄 분말은 우수한 전기 절연성(체적 저항률 약 10¹⁴ Ω·cm)을 제공합니다. 이는 전기차 파워트레인이나 태양광 인버터와 같이 방열과 절연 내구성이 모두 중요한 고전압 애플리케이션에 매우 적합한 특성입니다.

무엇보다도 중요한 것은 열팽창 계수(CTE) 입니다. 질화알루미늄 미분말의 열팽창 계수는 약 4.3×10⁻⁶/K로, 실리콘 칩의 열팽창 계수(약 3.5~4.0×10⁻⁶/K)와 매우 근접합니다. 이는 알루미나(약 7.0×10⁻⁶/K)에 비해 훨씬 우수한 정합성입니다. 이러한 CTE 정합성은 온도 사이클링 과정에서 열기계적 응력을 최소화하여 TIM의 균열, 박리, 펌프아웃 현상을 억제하고, 궁극적으로 소자의 수명을 연장하는 데 기여합니다. 바로 이러한 이유로 파워 모듈 TIM용 질화알루미늄 필러는 차량용 전력 모듈에서 필수적인 소재로 자리 잡고 있습니다.

더욱 높은 충전재 함량과 우수한 유동성이 요구되는 용도의 경우, 구형 질화알루미늄 필러 구형 형태는 고함량에서 점도를 감소시켜 TIM 매트릭스 내에서 더 조밀한 패킹과 더 효율적인 열 전달 경로를 가능하게 하는 등 뚜렷한 이점을 제공합니다.

충전재 함량을 높이면서도 우수한 유동성이 요구되는 경우, 구형 질화알루미늄 필러는 뚜렷한 장점을 제공합니다. 구형 입자는 고충전 조건에서도 점도 상승을 억제하여 TIM 매트릭스 내에서 조밀한 충진과 효율적인 열 전달 경로 형성을 가능하게 합니다.

요약하자면, 높은 열전도율, 우수한 전기 절연성, 실리콘에 정합된 CTE 특성을 모두 갖춘 질화알루미늄 열충전 분말은 알루미나를 단순히 대체하는 수준을 넘어, 신에너지 자동차, AI 인프라, 대규모 에너지 저장 장치 등 신뢰성이 핵심인 고급 시장에서 독자적인 위치를 구축하고 있습니다.

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