발열 열관리 소재 혁신 – 반도체와 배터리 냉각의 한계를 넘다

‘열’을 다스리는 자가 미래 산업을 지배한다

 

“뜨거움이 성능을 제한한다” – 발열이 기술의 병목으로 떠오르다

21세기 기술 산업의 가장 큰 화두는 ‘온도 관리(thermal management)’입니다.

AI 반도체의 연산 속도, 전기차 배터리의 안전성, 데이터센터의 에너지 효율…

모두 ‘열’을 얼마나 잘 다루느냐에 따라 성능과 생명이 달라집니다.

 

최근 3nm 이하 반도체, 350kW급 초급속 충전 배터리, 100MW 규모 데이터센터가 등장하면서,

열이 단순한 부산물이 아닌 ‘설계 변수’로 바뀌었습니다.

즉, 냉각은 선택이 아닌 생존의 문제이며, 이를 해결하기 위한 핵심은 ‘열관리 소재’입니다.

 

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1. 열관리의 본질 – 왜 냉각이 기술의 한계를 결정하는가

(1) 반도체의 경우

• 트랜지스터 밀도가 높아질수록 전력 소모량과 발열이 기하급수적으로 증가
• 고온은 전자 이동속도를 저하시키고, 회로 누설전류를 증가시켜 성능 저하 및 수명 단축 유발
• 1°C 온도 상승은 평균 2%의 수명 단축으로 이어짐

(2) 배터리의 경우

• 리튬이온 배터리는 40°C 이상에서 화학적 불안정성 증가 → 열폭주 위험
• 셀 간 온도 불균형은 전력 효율 저하 및 충방전 편차 초래
• 냉각 효율은 곧 배터리 팩의 안전성과 수명을 좌우

(3) 데이터센터의 경우

• 전 세계 전력소비의 2~3%를 차지
• 서버 1대당 평균 발열량은 2kW 이상
• 냉각 효율 1% 개선이 연간 수억 원의 운영비 절감 효과

결국 “열”은 단순한 에너지 손실이 아니라, 산업의 효율·안정·수익을 좌우하는 결정적 요인이 된 것입니다.

 

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2. 전통적 냉각 방식의 한계

기존 열관리 기술은 대부분 공랭(Air Cooling) 혹은 수랭(Liquid Cooling)에 의존했습니다.

구분	방식	장점	한계
공랭식	팬·히트싱크를 이용해 공기로 냉각	단순, 저비용	고발열 기기에는 한계, 소음, 공간 차지
수랭식	냉각수나 냉매를 순환	효율적 열전달	누수 위험, 복잡한 구조, 높은 유지비
히트파이프	증기압력차로 열 이동	효율 우수	제한적 길이, 중력 방향 영향

 

AI 칩·고출력 배터리처럼 밀집형·고발열 구조가 늘면서, 공랭·수랭만으로는 한계에 봉착했습니다.

이에 따라 “소재 자체로 열을 제어”하는 새로운 패러다임이 등장했습니다.

 

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3. 차세대 열관리 소재의 등장

(1) 그래핀(Graphene)

• 탄소 원자 1층 두께의 2차원 물질
• 열전도율 5,000 W/m·K 이상 (구리의 약 10배)
• 초박형 반도체 방열층, 전자기기 방열필름 등에 적용
• 삼성전자·LG·TSMC 등 주요 반도체 업체가 패키징용 그래핀 열전도층 연구 중

(2) 질화붕소(Boron Nitride, BN)

• ‘백색 그래핀’이라 불리며 전기 절연성과 고열전도성을 동시에 가짐
• 절연이 필요한 전력반도체·BMS 회로에 최적
• BN 나노시트(BNNS)는 폴리머 복합소재와 결합해 경량 방열재로 활용

(3) 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)

• 원자 단위의 원통형 구조로 뛰어난 열전도 특성
• 2D 그래핀보다 3D 구조 활용에 용이
• 전극 소재, 배터리 냉각 라미네이트, 스마트 방열코팅 등 다양화

(4) 액체금속(Galinstan 등)

• 인듐·갈륨 합금 형태의 상온 액체금속
• 열전도율 25~40 W/m·K, 유연한 변형 가능
• 마이크로채널 냉각, 웨어러블 디바이스 방열 솔루션으로 각광

(5) PCM(Phase Change Material, 상변화물질)

• 일정 온도에서 고체↔액체로 상변화하며 잠열로 열을 흡수/방출
• 반도체 모듈·배터리팩에 탑재되어 온도 스파이크 완화
• 파라핀·염화물·하이드레이트계 등 다양한 종류 개발 중

 

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4. 반도체 산업에서의 열관리 혁신

(1) 고집적 AI 반도체의 과열 문제

• 1개의 GPU에서 500W 이상 전력 소모
• 칩 내부 열 집중 구역(Hot Spot)은 120°C 이상
• 기존 실리콘 인터포저의 한계를 극복하기 위해,
• TSMC·Intel·Samsung은 고열전도성 인터포저 및 그래핀 TIM(Thermal Interface Material) 적용을 확대 중

(2) 3D 패키징과 열 분산 기술

• 칩을 수직으로 쌓는 3D 구조에서 열 분산은 핵심 이슈
• ‘TSV(Through-Silicon Via)’를 통한 열통로(thermal via) 기술 개발
• 구리 기반 대신 W-Cu, AlN, 다이아몬드 복합소재로 전환 진행

(3) AI 기반 열 시뮬레이션

• NVIDIA·Ansys·Synopsys 등은 AI 기반 열해석 솔루션을 도입
• 칩 설계 단계에서 발열 지점을 예측하고 방열소재 최적 배치

 

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5. 배터리 열관리 시스템(TMS) 혁신

(1) 기존 방식의 문제점

• 액체 냉각은 효율적이지만 복잡한 구조와 비용 부담
• 공랭식은 단가가 낮지만 고출력 배터리에 부적합

(2) 소재 기반 혁신 사례

• PCM 기반 패시브 냉각 : 파라핀계 PCM을 셀 사이에 적용하여 급속 충전 시 온도 상승을 억제
• 그래핀 시트 기반 냉각판 : 전도성 폴리머와 결합해 열전도율을 4배 이상 향상
• 액체금속 마이크로채널 : 전기차용 냉각 플레이트로 연구 중 (특히 BYD, CATL 등 중국 기업이 적극 개발)

(3) 열전 발전과 결합

• 배터리의 폐열을 전기로 재활용하는 TEG(Thermoelectric Generator) 연구도 활발
• 5~10%의 에너지 회수 효과 기대

 

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6. 데이터센터 냉각의 패러다임 전환

구분	기존 방식	혁신 기술
공랭식	외기 및 팬을 이용한 냉각	한계 도달, 효율 저하
수랭식	서버 랙 단위 냉각수 순환	누수·복잡성 문제
침지식 냉각(Immersion Cooling)	서버 전체를 절연 냉각유에 담가 냉각	열전달 효율 100배 향상
2상 냉각(Two-Phase Cooling)	냉매가 기화하며 열 제거	고밀도 서버에 적용 확산 중

냉매 소재 혁신

• 불소계 대신 친환경 탄화수소계(HFO) 또는 CO₂ 냉매로 전환 중
• 열전도성 향상 첨가제(나노 Al₂O₃, CNT 등) 적용

 

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7. 열관리 소재 연구의 핵심 트렌드

1. 복합화(Composite) 기술
   • 그래핀+폴리머, BN+실리콘, CNT+에폭시 등
   • 기계적 강도와 유연성 확보
2. 나노구조 제어
   • 입자 크기·방향성을 제어하여 열전달 경로 최적화
   • 열전도율 2~5배 향상 가능
3. AI 기반 소재 설계
   • 머신러닝으로 소재 조합과 열특성 예측
   • 실험 대신 시뮬레이션 중심 연구 확산
4. 친환경·재활용 가능 소재 개발
   • 불소계·은계 소재를 대체하는 지속가능한 열전도소재 연구 증가

 

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8. 산업별 적용 현황

산업	주요 기업	기술특징
반도체	TSMC, Intel, 삼성전자	그래핀 TIM, 다이아몬드 패키지, AI 열분석
전기차 배터리	CATL, LG에너지솔루션, 파나소닉	PCM 냉각, 그래핀 시트, 액체금속 채널
데이터센터	Google, Microsoft, 네이버클라우드	침지식 냉각, CO₂ 냉매, 나노유 기반 냉각
웨어러블	Apple, 삼성전자	액체금속·고분자 복합소재로 온도 제어

 

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9. 열관리 소재 시장 전망

• 글로벌 열관리 소재 시장 규모 : 2023년 46억 달러 → 2030년 98억 달러(연평균 성장률 11.2%)
• 특히 AI 반도체 냉각용 고열전도소재 시장은 2025년 이후 폭발적 성장 예상
• 정부·기업 모두 탄소중립과 에너지 효율성 관점에서 “냉각 = ESG 핵심 인프라”로 인식 전환 중

 

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열을 다스리는 기술이 미래를 결정한다

과거 산업은 ‘전기를 얼마나 잘 쓰느냐’의 경쟁이었다면,

이제는 ‘열을 얼마나 효율적으로 제어하느냐’가 핵심 경쟁력이 되었습니다.

 

AI 반도체, 전기차, 데이터센터…

이 세 산업은 모두 “발열 관리”가 성능과 안정성을 좌우하며,

그 중심에는 열관리 소재 혁신이 자리 잡고 있습니다.

 

그래핀·BN·PCM·액체금속 등 신소재는

단순한 냉각을 넘어 에너지 회수·탄소감축·시스템 통합의 핵심 기술로 발전하고 있습니다.

 

미래의 기술 리더는 ‘빠른 자’가 아니라, ‘식히는 자’일수도 있습니다. 

열을 제어하는 기술이 곧 산업의 생명을 연장하고,

지속가능한 혁신의 속도를 결정하게 될 것입니다.