다결정 다이아몬드는 수많은 미세한 다이아몬드 결정으로 구성된 소재입니다. 이 소재는 높은 열전도율, 고강도, 우수한 화학적 안정성과 같은 다이아몬드 본연의 장점을 유지하면서도, 단결정 다이아몬드가 가진 높은 비용과 가공의 어려움이라는 문제점을 극복합니다. 현재 다결정 다이아몬드를 제조하는 방법으로는 화학 기상 증착(CVD), 고온·고압(HPHT) 합성, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 등이 있습니다. 각 기술은 고유한 특징을 지니고 있으며, 모두 높은 열전도율을 갖추고 생산 비용은 낮으며 가공이 용이한 다결정 다이아몬드 소재를 개발하는 것을 목표로 합니다
1. 높은 열전도율
단결정 및 다결정 다이아몬드는 구리나 알루미늄과 같은 기존 방열 소재보다 열전도율이 월등히 높습니다. 구리의 열전도율은 385 W/m·K, 알루미늄은 237 W/m·K인 반면, 단결정 및 다결정 다이아몬드는 이보다 훨씬 뛰어난 성능을 제공합니다. 구체적으로, 단결정 다이아몬드 방열판은 1,500~2,200 W/m·K, 다결정 다이아몬드 방열판은 1,200~2,000 W/m·K의 열전도율을 나타냅니다.
2. 우수한 기계적 특성
다결정 다이아몬드는 높은 경도와 내마모성을 갖추고 있어, 극한 환경에서의 방열 용도로 매우 적합하며 가혹한 조건에서도 장비가 안정적으로 작동할 수 있도록 돕습니다.
3. 화학적 안정성
단결정 및 다결정 다이아몬드는 다른 물질과의 화학적 반응에 대한 저항성이 매우 높습니다. 덕분에 다양한 환경에서 일관되고 장기적인 방열 성능을 유지하며 사용할 수 있습니다.
4. 가공 용이성
다결정 다이아몬드는 절단이나 연마와 같은 공정을 통해 형태와 크기를 조절할 수 있어, 특정 방열 요구 사항에 맞춰 맞춤형으로 제작이 가능합니다.
실용적 적용 사례
1. 첨단 패키징 기술
국내 연구진은 2.5D 유리 인터포저(glass-interposer) 패키지에 탑재된 칩의 뒷면에 다결정 다이아몬드 기판을 성공적으로 결합했습니다. 이 기술은 칩의 최고 접합 온도(peak junction temperature)를 크게 낮추고 패키지의 열 저항을 감소시킴으로써, 첨단 패키징 분야에서 다결정 다이아몬드가 가진 엄청난 잠재력을 입증했습니다.
2. 반도체 레이저
반도체 레이저에는 다이아몬드 방열판(heat sink)이 사용되며, 이를 통해 방열 효율이 크게 향상됩니다. 예를 들어, 허난 톈유 슈퍼하드 머티리얼즈(Henan Tianyou Superhard Materials Co., Ltd.)가 첨단 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD) 기술을 사용하여 생산한 고품질 다이아몬드 방열판은 반도체 레이저의 온도를 대폭 낮추고 출력 성능을 높이는 데 기여했습니다.
3. 5G 통신
5G 통신 분야에서 다이아몬드 방열판은 고주파·고출력 무선 주파수(RF) 소자에 탁월한 열 관리 기능을 제공하여 시스템 신뢰성을 높여줍니다. 나아가 다이아몬드 소재는 신에너지 자동차 분야에도 적용되어, 열 폭주(thermal runaway)를 완화하고 배터리 주행 거리를 연장하며 전반적인 안전성을 개선하는 역할을 합니다.
4. 고출력 소자
다이아몬드 소재는 제4세대 열관리 소재로 알려져 있으며, 고출력 전자 소자나 반도체 칩과 같은 핵심 부품에서 발생하는 열을 방출하는 데 중요한 역할을 합니다.
허난 톈유 슈퍼하드 머티리얼즈(Henan Tianyou Superhard Materials Co., Ltd.)는 MPCVD, PVD, MOCVD를 비롯한 세계적 수준의 생산 시스템을 갖추고 있습니다. 동사는 MPCVD 공정을 통해 다이아몬드 소재를 대량 생산하는 분야에서 국내 선구적인 기업입니다. 다이아몬드 합성 및 가공과 관련하여 독자적인 첨단 기술을 보유하고 있으며, 자체 개발한 제품들은 국제적으로 선도적인 수준에 도달해 있습니다. 주요 제품군으로는 다이아몬드 방열판, 다이아몬드 웨이퍼, 다이아몬드 광학 윈도우, 그리고 다이아몬드 기반의 이종 집적 복합 기판 등이 있습니다. 특히 동사의 다이아몬드 방열판은 1000~2200 W/(m·K)의 열전도율을 자랑하며, 웨이퍼급 다이아몬드는 1nm 미만의 표면 거칠기(Ra)를 구현합니다. 이러한 제품들은 현재 항공우주, 고출력 반도체 레이저, 광통신, 칩 열 관리, 핵융합 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
