고성능 전자기기의 발열 문제와 해결 방안 기술

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 고출력 LED 조명과 LED TV 시장이 확대되고 있으며, 고성능 전자기기의 수요가 증가하고 있음. 이로 인해 전자기기의 동작 중 발생하는 발열로 인한 오작동과 수명 단축 문제가 빈번하게 발생하고 있음.
• 전기 자동차, 파워 모듈, 전력 전자 기기 등 고출력을 요구하는 장치에서는 내전압 특성이 우수한 재료가 필요하며, 동시에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 수 있는 방열책이 필요함.
• 기존의 방열 복합 소재와 시트는 대부분 알루미나와 같은 무기 필러를 사용하며, 필러 사이의 공극으로 인해 열전도도가 낮아지고 전력 기기의 내전압 특성이 저하되는 문제가 있음.
• 열전도도를 높이기 위해 무기 필러의 함량을 증가시키고 충진 밀도를 높여야 하지만, 분산률에 따른 물성 재현성 문제와 복합 소재의 내전압 특성 저하가 발생함.

기술의 필요성

• 전자기기와 전력기기의 높은 성능 및 안정성을 위해 방열 특성과 내전압 특성을 동시에 만족시키는 복합 소재 개발이 필요함. 이를 통해 장치의 오작동 및 수명 단축 문제를 감소시킬 수 있음.

구현방법

기술의 원리

• 본 발명의 무기 필러 나노코팅 방법은 실란 용액을 이용하여 무기 필러 표면을 나노 두께로 코팅하여 필러의 슬립성을 향상시키고 충진 함량을 높이는 원리를 적용함.

구체적인 구현 방법

• 1. 실란을 용매로 희석함. 희석 농도는 20-40%로 유지함.
• 2. 무기 필러를 실란 용액에 첨가하고 교반함.
• 3. 필러 분쇄 후 경화제 또는 바인더를 첨가하여 교반함.
• 4. 실란이 코팅된 무기 필러를 여과하고 경화함.
• 5. 희석하는 과정에서 저분자량의 실란 커플링제를 사용하고, 용매로는 이소프로판올, 에탄올 또는 지방족 용매를 사용할 수 있음.
• 6. 무기 필러로는 산화알루미늄을 사용하며, 저분자량 실란을 사용하여 교반 속도와 시간을 제어함.
• 7. 경화제 또는 바인더는 메탄올을 사용하며, 필요 시 초음파를 이용하여 무기 필러를 분산 시킴. 이 과정에서 산화알루미늄을 증류수로 세척하고 열경화를 통해 건조함.

발명의 활용 방안

활용 방안

• 본 발명의 무기 필러 나노코팅 방법을 사용한 방열 복합 소재 및 시트는 고출력 LED 조명, LED TV, 전기 자동차, 파워 모듈 및 고성능 전자기기 등에 적용 가능함.
• 내전압이 우수하여 전력 조절기와 같은 분산형 발전기에도 적용 가능함.

기대효과

• 본 발명의 기술로 제조된 방열 복합 소재는 내전압 특성과 열전도도를 동시에 향상시킬 수 있어 전자기기의 안정성 및 성능을 크게 개선할 수 있음.
• 방열 복합 소재 및 시트는 재현성이 우수하여 일관된 성능을 제공할 수 있음.
• 전력 기기의 열 제어 최적화를 통해 수명 연장 및 에너지 효율 향상이 기대됨.

시장 동향

고출력 LED 조명 시장 동향

• 조명 LED 시장은 2021년부터 2026년까지 복합연간성장률(CAGR)이 8.4%에 달할 것으로 전망됨. 인간 중심 조명(HCL) 및 스마트 조명 등의 촉진으로 시장 규모는 지속적으로 성장할 것임.
• 고출력 LED 조명은 에너지 효율이 높아 기존 조명을 대체하며 보급이 증가하고 있음. 건물 전체 에너지 소비량의 20~30%를 차지하는 조명 분야에서 효율이 좋은 LED 조명의 활용이 확산 중임.
• 2021년 글로벌 원자재 가격 상승으로 인해 고출력 조명 LED 제품(1와트 이상)은 가격 상승률이 3~6%에 이르렀음.

LED 소재 시장 주요 업체 및 기술 동향

• LED 재료 시장의 주요 기업은 Nichia Corporation, Epistar Corporation, Koninklijke Philips NV, OSRAM Licht AG, II-VI Inc, AkzoNobel, Fagerhult Group, Cree, Inc., Hitachi Metals, Ltd, Sumitomo Electric Industries, UBE Industries, Ltd, Addison Engineering, Inc., China Crystal Technologies Co., Ltd, Dowa Electronic Materials Co Ltd, Epigan NV, Everlight Electronics Co., Ltd 등임.
• 삼성전자는 미드파워 LED, 하이파워 LED, CSP(Chip Scale Package) LED, COB(Chip on Board) LED 등 전 제품군에서 효율성과 기술 경쟁력을 강화하고 있음.
• COB LED는 상업 조명용 LED로 우수한 색 품질 조명에 대한 수요 증가와 함께 주목받고 있으며, 특화된 스펙트럼을 통해 색감을 살려주는 제품으로 개발되고 있음.

LED TV 시장 동향

• 미니 LED와 OLED를 합친 하이엔드 TV 카테고리 가운데, 미니 LED의 점유율이 지난해 40%를 넘었으며, 성장세가 지속돼 2027년에는 미니 LED가 OLED TV 출하량을 넘어설 것으로 전망됨.
• 프리미엄 TV 시장은 2028년까지 연평균 8% 성장할 것으로 예상됨. 특히 OLED TV보다는 미니 LED TV 성장세가 두드러질 것으로 관측됨.
• 2021년부터 2028년까지 연도별 미니 LED TV 출하량 예상치는 2021년 230만대, 2022년 340만대, 2023년 425만대, 2024년 680만대, 2025년 1020만대, 2026년 1640만대, 2027년 2160만대, 2028년 2550만대임.
• 2023년 OLED TV 출하량은 전년 대비 20.6% 줄어든 548만대, 미니 LED TV 출하량은 같은 기간 24.7% 늘어난 425만대로 기록됨.
• 하이센스의 미니 LED TV 출하량은 1년 만에 18배 증가했고 TCL도 전년 동기 대비 출하량이 112% 늘어남.

전기 자동차 시장 동향

• 2024년 첫 분기에 전기차 판매는 2023년 동기 대비 25% 증가했으며, 이는 전 세계적으로 전기차의 수요가 지속적으로 높아지고 있음을 보여줌. 특히, 중국에서는 거의 모든 두 번째 차량이 전기차로 판매되고 있음. 유럽에서는 전기차가 전체 자동차 판매의 4분의 1 이상을 차지하며, 미국에서는 약 1/9이 전기차로 판매되고 있음.
• SNE 리서치에 따르면, 2024년 전기차 판매량은 약 1,641만 대이며, 이는 전년 대비 16.6% 성장한 수치로 작년 성장률 33.5%에 비해 크게 감소했음. 이는 경제 불확실성, 충전 인프라 부족, 고물가 및 고금리에 따른 소비심리 위축 등의 이유로 성장세 둔화가 본격화될 전망임.
• 2023년 1~8월 세계 각국에 등록된 전기차에 탑재된 총 배터리 사용량은 약 429.0GWh로 전년 동기 대비 48.9% 성장했음. 그러나, 2023년 하반기부터 전기차 수요가 둔화되기 시작했고, 전년 대비 성장률이 30%에서 20%로 감소할 것으로 예측됨.

파워 모듈 시장 동향

• 파워 모듈 시장은 재생 에너지 시스템과 광전지 시스템(PV)의 높은 수요로 인해 성장하고 있음. 온실 가스 배출 통제와 전기 발생 및 에너지 변환을 위한 재생 에너지 채택이 강화됨. 예를 들어, Trina Solar Co., Ltd.는 태양 에너지 애플리케이션을 위한 500W를 초과하는 전력 출력이 있는 지능형 파워 모듈을 출시함.
• COVID-19 전염병으로 인해 글로벌 공급망 병목 현상이 발생하고, 다양한 무역 제한으로 인해 파워 모듈 시장 참가자의 기능이 제한됨. 또한 자동차와 같은 일부 제조 공장이 폐쇄되어 소비자 전자제품의 수요가 감소함.
• 파워 모듈 시장은 2019년에 1억 달러를 초과했으며 2020년에서 2026년 사이에 9% 이상의 CAGR로 성장할 것으로 예상됨.
• 국제 로봇 협회(IRF)에 따르면, 2020년에서 2022년 사이 약 2백만 개의 새로운 산업 로봇이 공장에 설치될 예정임. 이는 산업 자동화와 로봇의 발전이 고출력 파워 모듈의 수요를 가속화할 것임을 보여줌.
• QY리서치는 글로벌 파워 모듈 시장 규모가 2025년까지 22억 3300만 달러에 도달하여 연평균 33.5% 성장할 것으로 전망함.

전력 전자 기기 시장 동향

• 전력 전자 장치 시장 규모는 2022년 약 250억 달러에 달했으며 2023년부터 2032년까지 연평균 성장률(CAGR) 5.5%로 성장할 것으로 예상됨
• 전력 전자 기기는 통신, 의료, 산업 및 자동차 응용 분야에서 사용되고 있으며, 특히 GaN 전력 장치는 이 시장의 주요 부문을 차지함
• GaN 전력 장치 시장은 2022년에 약 0.9억 달러로 평가되었으며, 예측 기간 동안 CAGR 28%로 성장할 것으로 예상됨

방열 복합 소재 시장 동향

• 방열 소재 시장은 전기차 판매량 증가와 전자부품의 고집적화로 인해 2025년 약 9조 7천억 원 규모로 성장할 것으로 전망됨.
• 세계 방열 소재 시장은 최근 5년간 연평균 6.5% 성장, 내년에는 약 152억 달러(약 21조 원) 규모에 이를 것으로 예상됨.

내전압 소재 시장 동향

• SiC 웨이퍼의 전기차 채택률은 2025년까지 60% 이상으로 증가할 것으로 전망됨. 현재 시장 규모는 2억1800만달러이며, 2025년에는 8억1100만달러로 확대될 것으로 예상됨.
• 최근 들여다본 시장조사업체 IHS 및 욜(Yole)의 데이터에 따르면 SiC 웨이퍼를 기반으로 제조되는 전기자동차 및 통신용 전력반도체의 전 세계 시장규모는 올해 13억 달러에서 2025년 52억 달러로 4배 증가할 전망임.
• 국내 기업들도 적극적으로 시장에 뛰어들고 있음. 예스파워테크닉스는 포항에 최대 연산 1만4400장 규모의 SiC 전력반도체 생산라인을 구축했으며, SK는 SiC 웨이퍼 생산능력을 연간 3만장에서 2025년 60만장으로 확대할 계획임.