방열소재는 전자기기의 발열문제가 대두됨에 따라 수요가 증가할 것으로 예상되는 가운데 전기자동차 시장이 신규수요를 견인할 것으로 기대되고 있다.
모바일기기의 고성능화, 가전제품의 인버터화, 자동차의 전장화 등 전자기기의 고밀도화 및 공간 절감화가 급속하게 진행됨에 따라 다양한 분야에서 방열소재 수요가 증가하고 있다.
특히, 인버터 및 배터리 등을 중심으로 전기자동차 소재 수요가 크게 증가할 것으로 예상되고 있다.
다만, 방열제품은 스마트폰, 자동차, 배터리, 컴퓨터 등 전자제품 수명 및 성능에 영향을 미치고 있어 경량화 및 박막화가 요구되고 있다.
IT제품은 컴팩트화 및 고기능화로 발열량이 증가함에 따라 방열소재 수요가 증가하고 있다.
LED(Light Emitting Diode) 및 칩(Chip) 관련제품은 발열로 고장 및 성능 저하가 발생할 수 있어 방열의 효율성 제고를 위한 R&D(연구개발)가 활발해지고 있다.
자동차에는 LED 램프와 ECU(Electronic Control Unit) 주변, 리튬이온 2차전지(LiB: Lithium-ion Battery), 모터, 컨버터용 등으로 채용되고 있다.
방열 효율성 제고를 위한 R&D 활발
방열소재는 기판 및 시트를 중심으로 방열제품 수요가 증가함에 따라 효율성 제고를 위한 연구가 활발해지고 있다.
알루미나(Alumina), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN) 등 원료 시장도 성장하고 있으며 세라믹, 금속, 탄소, 플래스틱 등을 중심으로 연구가 진행되고 있다.
방열소재는 금속, 탄소소재, 세라믹 등 열전도성이 높은 필러와 폴리머 복합소재가 대부분으로 열전도성이 낮은 수지에 필러소재를 다량 충전함으로써 열전도 및 방열 성능을 나타내고 있다.
디스플레이 필름, 반도체, PCB, 메탈 등 다양한 소재에 방열성능을 부가하며 Metal PCB(Printed Circuit Board), 히트싱크(Heat Sink), 방열시트, 방열도료 등이 주로 사용되고 있다.
방열기판은 칩의 고출력화에 따라 수요가 증가하고 있는 가운데 가전제품에서 방열수지기판, 자동차 및 산업용에서 세라믹계 수요 증가가 예상되며 2018년에는 시장규모가 1025억엔에 달할 것으로 파악되고 있다.
방열수지 기판은 TV용 LED BLU(Back Light Unit)와 LED 조명이 주 수요처이며 가전제품 인버터용으로 알루미늄 회로기판을 대체하고 있고 자동차 구동부용 파워 모듈에도 채용이 검토되고 있다.
특히, 질화알루미늄 기판은 중국의 철도 및 산업인프라, 차세대 자동차용 수요를 중심으로 시장이 대폭 확대되고 있다.
방열시트는 자동차 LED 헤드램프와 ECU, 전기자동차 배터리, 모터, 컨버터용으로 사용되고 자동차의 전장화로 수요 증가가 기대되고 있다.
흑연시트는 스마트폰 및 태블릿 단말기용을 중심으로 인공시트 수요가 크게 증가한 가운데 그라파이트(Graphite) 시트가 시장을 견인하고 있으며 천연시트는 LED TV와 노트북, 피처폰 성장 둔화로 수요가 정체돼 있다.
LED조명 시장 기대했지만 “파멸”
방열소재는 LED조명 시장 확대가 지연됨에 따라 기대했던 수요가 창출되지 않아 수익성이 악화된 것으로 파악되고 있다.
LED는 온도가 증가하면 효율이 감소하는 동시에 수명이 저하되며 발열에 따른 성능저하 문제를 개선하기 위해 방열소재가 적용되고 있다.
LED는 유입되는 전류를 빛으로 생성시키는 수준이 30% 이하로 나머지는 열에너지로 전환되며 모듈에서 발생하는 열을 배출하지 못하면 수명이 단축될 가능성이 높은 것으로 알려졌다.
LED 시장은 TV가 주도했으나 TV 시장은 방열소재 중요성이 자동차나 조명에 비해 상대적으로 낮아 수요가 크지 않은 것으로 알려졌다.
편광판을 비롯해 다양한 부품 성능이 향상됨과 동시에 열 저항 설계방식을 통해 2W 수준의 저출력 LED만으로도 기존과 동일한 휘도를 구현할 수 있기 때문이다.
반면, 조명 부문은 10W 이상 고출력 LED가 사용됨에 따라 발열량도 높아 방열 기술이 필수적인 것으로 나타났다.
조명은 장시간 동안 켜 있어야 하기 때문에 실시간으로 열을 배출시키지 않으면 전력 효율이 급격히 떨어져 방열소재의 효율성이 더욱 부각되고 있다.
LED 조명은 고장 발생의 55%가 발열이며 고출력화 추세로 방열소재 채용이 급증할 것으로 예상되고 있다.
하지만, LED 조명은 저와트 조명이 자체적인 빛 전환효율 향상으로 성장함에 따라 방열소재 수요를 투입할 필요성이 낮아지고 있다.
시장 관계자는 “LED 조명 시장이 크게 확대될 것으로 예상해 다수의 중소기업들이 방열소재 시장에 뛰어들었으나 예상했던 것보다 수요가 늘지 않았고 수익성도 낮아 도산한 곳이 많다”며 “고출력 조명이나 자동차 부품용도 10와트 이상 고출력을 요구하는 부문에서만 수요가 증가하고 있다”고 밝혔다.
LED조명은 기존 백열등과 형광등을 대체하기 위해 높은 광 출력이 요구되고 방열이 필수적인 것으로 알려졌다.
전기자동차 시장만 바라본다!
방열소재는 기대했던 LED조명 시장 확대가 지연됨에 따라 전기자동차 시장이 수요를 견인할 것으로 기대되고 있다.
자동차는 고성능화에 따른 부품의 전장화가 활발한 가운데 전자부품의 소형화, 고밀도화가 요구됨에 따라 발열량이 증가하고 있어 방열소재 필요성이 강조되고 있기 때문이다.
자동차용 방열소재는 내열성, 내한성, 내진동성이 요구되며 실리콘 소재가 내후성, 전기특성 등 장기신뢰성이 우수해 각광받고 있다.
자동차 생산기업들은 대량생산이 가능한 방열 그리스를 많이 사용했으나 블리드아웃이나 펌프아웃 현상이 나타나는 단점이 존재해 방열소재 투입이 시급한 것으로 지적되고 있다.
특히, 방열시트는 중앙처리장치(CPU)의 각종 파워모듈에 이어 자동차 및 산업 분야에서 채용이 잇따르고 있으며 최근에는 고강도 질화알루미늄 방열소재가 개발돼 전기자동차용 채용이 증가할 것으로 기대되고 있다.
기존의 질화알루미늄 소재는 다른 세라믹 소재에 비해 강도가 비교적 낮고 열적 내구성이 단점으로 지적됐으며 1800도 이상의 초고온에서 생산됨에 따라 시설투자비용이 높아 국내 기업들이 신규 진입하기 어려웠던 것으로 파악되고 있다.
한국세라믹기술원은 자체 개발한 나노 글라스 입자를 첨가함으로써 기존 질화알루미늄의 강도를 70% 이상 향상시켜 열적 내구성 문제를 해결했다고 밝혔다.
또 고강도 질화알루미늄 소재는 기존 소재보다 200℃ 낮은 온도에서 생산이 가능해 양산성 및 경제성이 뛰어난 것으로 알려졌으며 기존 생산기업들이 별도의 설비투자 없이 생산이 가능해 신규진입이 늘어날 것으로 기대되고 있다.
세라믹 방열기판은 전기자동차 파워모듈로 사용되고 있고 Maruwa, Denka 등 일본기업과 CeramTec 등 독일기업이 독점하고 있으며 국내에서는 전량 수입에 의존하고 있다.
글로벌 자동차 시장은 친환경자동차로 전환되고 있어 전기자동차 파워모듈용 방열기판은 수요가 계속해서 증가할 것으로 예상된다.
그래핀·CNT, 그라파이트 뒤를 이을 탄소후보
그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 등 탄소소재는 열전도가 우수하면서도 냉각이 빠르게 진행돼 방열소재로 각광받고 있다.
그래핀은 강철보다 200배 이상 강도가 높을 뿐만 아니라 다이아몬드보다 열전도성이 뛰어나 현존하는 최고의 열전도체로 그래핀을 활용한 방열판 및 방열시트 등의 개발이 활발하며 자동차 외관 코팅용으로 신규 수요 창출이 기대되고 있다.
방열판과 공기가 만나는 면적이 넓을수록 대류를 통한 열 방출량이 증가하기 때문에 방열도료로 방열판을 코팅하는 방안이 제안되고 있다.
시장 관계자는 “그래핀이 방열도료 소재로 상용화된다면 자동차 코팅용으로 투입될 가능성이 높다”며 “가벼우면서도 강도가 강철보다 세기 때문에 경량화에 기여하는 동시에 자동차에 안전성을 부여할 수 있기 때문”이라고 밝혔다.
방열 코팅제를 활용하면 기판의 방열성이 10-20% 가량 향상돼 효율성을 나타내는 것으로 파악되고 있다.
방열 코팅제는 기판 표면에 적용되면 방사율이 떨어지는 단점이 있어 열방사율 향상을 위한 R&D가 진행되고 있으며 탄소소재 도료가 상용화되면 기판의 부피를 최소화함으로써 코스트절감도 가능할 것으로 기대되고 있다.
CNT 방열도료는 열전도성과 열방사 특성이 우수해 200% 이상의 냉각효과를 나타내고 반도체 트랜지스터에 응용하면 응답 속도를 10배 이상 높이면서 열 발생도 줄일 수 있는 것으로 알려졌다.
인공 그라파이트 시트는 천연 시트에 비해 열전도율이 2배 이상 높아 고기능성을 바탕으로 시장 확대를 견인할 것으로 기대되고 있다.
인공 그라파이트 시트는 스마트폰, 태블릿PC용으로 수요가 증가하고 있는 반면 천연 그라파이트 시트는 LED TV와 노트북 수요 감소로 고전하고 있다.
경량화와 저가격화 “필수”
방열소재는 세라믹, 금속 등을 플래스틱으로 대체하려는 시도가 활발한 편이다.
IT기기, 전기자동차 등 수요산업이 슬림화 및 경량화 추세에 있기 때문으로 알루미늄 방열기판을 제거함으로써 코스트절감 및 경량화가 추진되고 있다.
알루미늄은 열전도율이 상당히 높아 방열성능이 우수하고 세라믹에 비해 값이 저렴해 LED조명 등을 중심으로 히트싱크에 채용되고 있으나 금속이기 때문에 경량화 트렌드에 부합하지 않는 것으로 평가되고 있다.
세라믹을 필러로 사용한 폴리머는 전자부품 소재로 사용되고 있으며 AIN, BN, Al2O3(산화알루미늄) SiC(탄화규소), BeO(산화베릴륨) 등이 열전도성과 절연성 모두 높아 가장 각광받고 있다.
기존에는 열전도성 필러를 첨가해 열전도도를 증가시키는 시도가 활발했으나 최근에는 새로운 무기입자 생산 및 무기입자 형태나 배열을 조절함으로써 열전도도를 증가시키는 방법들이 연구되고 있다.
폴리머 소재는 대부분 열전도율이 낮아 열전도성 필러를 첨가하는 방안이 제안되고 있으며 복합소재는 마이크로 사이즈의 필러를 사용할수록 열전도성이 높아지는 것으로 알려졌다.
CNT, 탄소섬유(Carbon Fiber), 그래핀 등 탄소계 필러들은 열전도성이 높으면서 가볍고 기계적 물성이 우수해 고기능성 복합소재와 응용이 기대되고 있다.
특히, 그래핀은 열전도성이 우수하면서 가격이 저렴해 필러소재 가운데 가장 각광받고 있다.
그래핀은 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나고 구부리거나 늘려도 물리적 특성을 잃지 않기 때문에 방열소재로 개발되고 있으나 분산성에서 한계를 나타내고 있다. <박주현 기자>
