이 글의 목적은 BN(보론나이트라이드)을 방열 필러로 배합할 때 열전도율을 안정적으로 높이면서 점도 상승, 분산 불량, 접착력 저하 같은 실패 요인을 줄이는 실무 기준을 정리하는 것이다.
1. BN 방열 필러를 쓰는 이유와 기본 특성
BN은 전기절연성을 유지하면서 열전도 경로를 만들기 쉬운 세라믹 필러로 분류되며, 방열 컴파운드, 갭필러, 접착제, 포팅재, 엔지니어링 플라스틱의 열전도 그레이드에 널리 적용되다.
특히 h-BN(육방정 BN)은 판상 입자 형태가 흔하며, 열전도성이 결정 방향에 따라 차이가 커서 배향과 분산이 성능에 직접적으로 영향을 주다.
주의 : BN은 동일한 “BN” 표기라도 결정형, 입도, 비표면적, 표면처리 유무에 따라 점도와 열전도율이 크게 달라지다. 데이터시트의 열전도율 수치만 보고 동일 취급하면 재현성이 무너지다.
1-1. 열전도율에 영향을 주는 핵심 변수
방열 성능은 단일 변수로 결정되지 않으며, 필러의 체적분율, 입자 형상, 입도 분포, 분산 상태, 기지 수지의 열전도율, 계면 열저항, 배향 상태가 동시에 작동하다.
현장에서 반복적으로 성패를 가르는 변수는 “체적분율과 분산”이며, 그 다음이 “표면처리와 점도 관리”이다.
2. BN 등급 선택 기준: 입자 형상·입도·비표면적·순도
BN 방열 배합의 출발점은 등급 선택이다. 같은 로딩이라도 점도와 열전도율이 반대로 움직이는 구간이 자주 발생하므로, 요구 성능과 공정 한계에 맞춘 등급 조합이 필요하다.
| 구분 | 현장 표현 | 장점 | 리스크 | 권장 적용 |
|---|---|---|---|---|
| 판상 h-BN | 플레이크, 플레이트 | 열전도 경로 형성 유리하다 | 배향 의존이 크다 | 갭필러, 시트형 TIM, 압축 성형 |
| 미세 h-BN | 미분, 파우더 | 충진성 좋다, 표면 거칠기 감소하다 | 비표면적 증가로 점도 급상승하다 | 도포형 그리스, 저갭 두께 |
| 조대 + 미세 혼합 | 바이모달 | 공극 감소로 고충진 가능하다 | 혼합비 설계가 필요하다 | 중고점도 갭필러, 포팅재 |
| 표면처리 BN | 실란 처리, 커플링 | 분산 안정, 침강 억제에 유리하다 | 계면층이 열전달을 방해할 수 있다 | 에폭시·우레탄·PA/PP 등 극성 차 큰 시스템 |
2-1. 입도 분포 설계의 실무 포인트
단일 입도만 쓰면 고충진에서 공극이 남아 체적분율 대비 열전도율이 덜 나오다. 조대 입자와 미세 입자를 혼합하면 미세 입자가 조대 입자 사이를 메우며 공극이 감소하다.
다만 미세 분율이 과도하면 비표면적 증가로 점도와 항복응력이 급상승하다. 현장에서는 “열전도율 목표치”와 “도포/충진 공정 가능 점도”를 동시에 만족하는 혼합비를 먼저 잡는 것이 비용을 줄이다.
3. 배합 목표를 체적분율로 설계하는 이유
방열 필러 배합에서 성능에 직접 대응하는 값은 질량분율보다 체적분율이다. BN과 수지의 밀도 차이가 크면 동일 질량%라도 체적분율이 크게 달라지다.
3-1. 체적분율 계산 실무식
질량 기준 배합을 체적 기준으로 바꾸면 목표 설계가 선명해지다. 아래 식은 실무에서 가장 많이 쓰이다.
필러 체적분율 φ = (Wf / ρf) / [ (Wf / ρf) + (Wr / ρr) ] Wf: 필러 질량 Wr: 수지(바인더) 질량 ρf: 필러 밀도 ρr: 수지 밀도주의 : 동일 φ라도 분산 불량, 공기 혼입, 침강으로 실제 유효 체적분율이 낮아지다. 진공 탈포와 공정 점도 창을 같이 설계해야 하다.
4. 기지 수지별 BN 배합 전략
BN은 거의 모든 수지에 들어갈 수 있으나, “젖음”과 “계면”이 달라 공정 창이 크게 달라지다.
4-1. 실리콘 갭필러·그리스
실리콘은 점탄성 설계가 자유롭고 전기절연 요구에 적합하다. BN 고충진이 가능하지만, 충진이 올라갈수록 오일 블리드, 펌프아웃, 침강이 이슈가 되다.
실무에서는 조대 BN로 열전도 골격을 만들고 미세 BN로 공극을 메우며, 소량의 점도 조절제와 침강 억제 구조를 설계하다. 혼련 시 전단이 과하면 실리콘 구조가 깨져 장기 안정성이 떨어지다.
4-2. 에폭시 방열 접착제·포팅재
에폭시는 경화 후 기계적 강도와 내열성이 장점이다. 반면 BN 로딩이 높아지면 경화 수축 응력과 취성이 증가하다. 또한 BN 표면이 젖지 않으면 접착력 저하와 미세 공극이 늘다.
표면처리 BN 또는 커플링제 적용이 도움이 되지만, 과도한 유기층은 계면 열저항을 키워 열전도율이 기대보다 낮아지다. 따라서 “분산 안정에 필요한 최소 수준”을 목표로 최적화하는 방식이 재현성이 좋다.
4-3. 우레탄·아크릴계
유연성이 필요하면 우레탄이나 아크릴계가 쓰이다. 수분 민감성, 반응성 희석제 선택, 기포 관리가 핵심이다. BN은 수분을 담지할 수 있어 가스 발생성 결함을 만들 수 있으므로 건조 보관과 프리드라이가 중요하다.
4-4. 열가소성 수지 컴파운딩
PA, PPS, PBT, PP 같은 열가소성 수지에 BN을 넣으면 사출 부품의 방열화가 가능하다. 다만 사출 유동 중 배향이 발생해 두께 방향 열전도율이 낮게 나오는 경우가 많다.
이 경우 판상 BN 단독보다 형상 다른 필러와의 하이브리드, 또는 바이모달 BN로 3차원 열전도 네트워크를 보완하는 접근이 쓰이다. 또한 스크류 혼련 조건이 과하면 BN 판상이 파쇄되어 기대 성능이 떨어지다.
5. 분산 공정 설계: 혼련 순서가 성능을 결정하다
BN은 응집을 만들기 쉬워 투입 순서와 전단 프로파일이 중요하다. “젖음→분산→탈포→점도 세팅”의 단계가 무너지면 열전도율이 흔들리다.
5-1. 권장 혼련 순서
| 단계 | 목적 | 실무 팁 | 불량 징후 |
|---|---|---|---|
| 1. 바인더 준비 | 젖음 기반 만들다 | 저점도 성분을 먼저 혼합하다 | 초기부터 덩어리 발생하다 |
| 2. BN 분할 투입 | 응집 방지하다 | 조대→미세 순서가 유리한 경우가 많다 | 토크 급상승, 혼련 정지하다 |
| 3. 고전단 분산 | 응집 해체하다 | 온도 상승을 관리하다 | 점도 급상승 후 회복 불가하다 |
| 4. 진공 탈포 | 공기 제거하다 | 점도 창에서 수행하다 | 열전도율 편차 커지다 |
| 5. 최종 점도 조정 | 도포성 확보하다 | 희석제는 최소화하다 | 침강, 블리드 증가하다 |
주의 : “점도만 낮추는 희석”은 단기 공정성은 좋아도 장기 침강과 열전도율 저하를 만들다. 점도는 구조적으로 설계하고 희석은 마지막 수단으로 쓰다.
5-2. 분산 장비 선택 기준
실험실에서는 플래너터리 믹서와 3롤 밀, 고전단 디스퍼서를 조합하는 방식이 흔하다. 양산에서는 진공 플래너터리, 연속식 혼련기, 트윈 스크류가 쓰이다.
BN 판상은 과도한 전단에서 파쇄될 수 있으므로, “응집을 깨는 최소 전단”과 “과분쇄를 피하는 최대 전단” 사이의 창을 찾는 방식이 필요하다.
6. 열전도율을 올리는 배합 설계 포인트
열전도율은 결국 열이 지나갈 수 있는 연속 경로를 만드는 문제이다. BN 로딩을 올리면 대체로 열전도율이 오르지만, 어느 지점부터 점도 상승과 기포, 공정 한계가 먼저 터지다.
6-1. 바이모달·트리모달 설계
입자 크기 조합은 공극을 줄여 같은 점도에서 더 높은 체적분율을 달성하게 하다. 조대 BN로 골격을 만들고 미세 BN로 빈 공간을 채우는 접근이 대표적이다.
현장에서는 “조대:미세”를 한 번에 고정하지 않고, 목표 점도에서 최대 열전도율이 나오는 혼합비를 실험계획으로 좁혀가다.
6-2. 배향을 이용하는 방법과 한계
판상 BN은 흐름 방향으로 배향되기 쉽다. 시트형이나 코팅형에서는 면내 열전도율이 크게 올라가지만, 두께 방향 열전도율이 अपे보다 낮을 수 있다.
따라서 “갭 방향으로 열을 빼야 하는 구조”라면 배향만 믿지 말고, 3차원 연결성을 보완하는 입도 분포와 충진 구조를 같이 설계하다.
6-3. 단순 예측식의 활용
정밀 예측은 어렵지만, 초기 타당성 검토에는 혼합물 열전도율 모델을 참고할 수 있다. 아래는 희석 필러 가정에서 자주 소개되는 형태이며, 실제 고충진에서는 편차가 커질 수 있다.
예시: Maxwell-Eucken 형태(희석 필러 가정) k_eff = k_m * (k_f + 2*k_m - 2*φ*(k_m - k_f)) / (k_f + 2*k_m + φ*(k_m - k_f)) k_eff: 복합재 열전도율 k_m: 기지 수지 열전도율 k_f: 필러 열전도율 φ: 필러 체적분율주의 : 고충진 TIM에서는 계면 열저항, 공기 혼입, 응집, 배향 때문에 단순식이 과대평가하는 경우가 흔하다. 예측식은 “경향 확인” 용도로만 쓰다.
7. 점도·도포성·침강을 동시에 잡는 실무 체크리스트
BN 배합은 “열전도율만 올리면 되는 문제”가 아니라 “열전도율-점도-침강-기계물성”의 동시 최적화 문제이다.
7-1. 점도 관리의 핵심 레버
점도는 입도, 비표면적, 표면처리, 체적분율, 바인더 점도, 분산 상태, 온도에 의해 결정되다. 동일 배합이라도 분산이 좋아지면 점도가 내려가기도 하고 반대로 올라가기도 하다.
실무에서 가장 안전한 접근은 목표 점도 범위를 먼저 정하고, 그 범위에서 체적분율을 최대화하는 방향으로 입도 분포를 조정하는 것이다.
7-2. 침강과 분리 방지
침강은 밀도 차이와 구조 형성 부족에서 시작되다. 단순히 점도를 올리는 것만으로 해결되지 않으며, 항복응력과 점탄성 구조를 설계해야 하다.
특히 갭필러는 저장 중 침강이 없어도 장기 사용 중 펌프아웃이나 오일 블리드가 생길 수 있으므로, 저장 안정과 사용 안정의 평가 항목을 분리해 관리하다.
8. 예시 배합 시나리오: 목표별 접근 방법
아래 표는 대표적인 목표에 따른 방향성을 정리한 것이다. 실제 수치는 원료와 공정에 따라 달라지므로, 표는 의사결정의 기준으로 활용하다.
| 목표 | 권장 BN 구성 | 바인더 방향 | 공정 포인트 | 주요 리스크 |
|---|---|---|---|---|
| 저점도 도포형 | 미세 비중 낮추다, 중간 입도 중심 | 저점도 성분 비율 높이다 | 분할 투입, 단시간 고전단 | 열전도율 한계 빨리 오다 |
| 고열전도 갭필러 | 조대+미세 바이모달 | 구조 형성 성분 포함하다 | 진공 탈포 필수 | 침강, 펌프아웃 |
| 접착력 동시 확보 | 표면처리 BN 또는 커플링 최소 적용 | 극성 매칭 강화하다 | 계면 반응 과도 억제 | 계면층 두꺼워져 열저항 증가 |
| 사출 방열 부품 | 파쇄에 강한 등급, 바이모달 | 유동성 확보하다 | 스크류 조건 과전단 금지 | 배향으로 두께 방향 성능 저하 |
9. 트러블슈팅: BN 배합에서 자주 터지는 문제와 원인
9-1. 열전도율이 기대보다 낮다
첫째 원인은 기포와 공기 혼입이다. 둘째 원인은 응집이다. 셋째 원인은 배향과 계면 열저항이다. 따라서 “탈포 조건”, “분산 상태 확인”, “표면처리 수준”을 순서대로 점검하는 것이 빠르다.
9-2. 점도가 너무 높아 공정이 막힌다
미세 분율 과다, 비표면적 과다, 체적분율 과다, 바인더 점도 과다, 분산 중 온도 상승으로 구조가 잡히는 경우가 흔하다. 입도 분포를 재조정하고, 투입 순서와 온도 프로파일을 바꾸는 것이 우선이다.
9-3. 저장 중 침강·분리가 생긴다
밀도 차이와 항복응력 부족이 원인이다. 점도만 올리면 단기 개선은 되나 장기 분리는 지속될 수 있다. 구조 형성, 표면 젖음, 입도 분포를 동시에 보정하는 접근이 필요하다.
주의 : 침강을 억지로 막기 위해 저분자 희석제를 늘리면, 도포성은 좋아져도 장기적으로 오일 블리드와 열전도율 저하가 커지다.
10. 품질평가 항목: 배합 성공을 수치로 고정하다
BN 방열 배합은 배합자가 바뀌면 성능이 흔들리기 쉬우므로, 최소한의 수치 기준을 잡아야 하다.
| 평가 항목 | 의미 | 권장 관리 포인트 |
|---|---|---|
| 열전도율 | 방열 성능의 핵심 지표이다 | 측정 두께, 압력, 온도 조건을 고정하다 |
| 점도/항복응력 | 도포성과 침강을 동시에 반영하다 | 온도 조건과 전처리 시간을 고정하다 |
| 밀도 | 기포 혼입을 간접적으로 잡다 | 탈포 전후 비교로 관리하다 |
| 침강 안정 | 저장 중 분리 위험을 평가하다 | 가속 조건과 실온 조건을 분리해 보다 |
| 접착/기계물성 | 실사용 신뢰성을 좌우하다 | 경화 조건과 시험편 두께를 고정하다 |
FAQ
BN 로딩을 올리면 열전도율이 무조건 올라가다?
대체로 올라가지만, 공기 혼입과 응집이 함께 늘면 오히려 성능이 떨어지다. 열전도 네트워크가 “연속”으로 형성되는지가 핵심이며, 체적분율만 올리는 방식은 공정 한계를 먼저 만나기 쉽다.
표면처리 BN을 쓰면 항상 더 좋아지다?
분산과 침강에는 유리할 수 있으나, 유기 처리층이 두꺼우면 계면 열저항이 커져 열전도율이 기대보다 낮아질 수 있다. 따라서 분산 안정에 필요한 최소 처리 수준을 찾는 방식이 재현성이 좋다.
바이모달 BN 혼합비는 어떻게 시작하는 것이 안전하다?
공정 점도 한계를 먼저 정하고, 조대 위주에서 미세를 단계적으로 늘려 공극 감소 효과를 확인하는 방식이 안전하다. 미세 분율이 일정 수준을 넘으면 점도와 항복응력이 급상승하므로, 목표 점도에서 열전도율이 최대가 되는 지점을 찾는 것이 실무적이다.
사출 부품에서 두께 방향 열전도율이 낮게 나오는 이유는 무엇이다?
유동 중 판상 BN이 흐름 방향으로 배향되기 때문이다. 면내 방향은 좋아지나 두께 방향 경로가 부족해지다. 입도 분포와 3차원 연결성을 보완하는 설계가 필요하다.
BN 배합에서 가장 먼저 잡아야 할 불량은 무엇이다?
기포와 응집이다. 두 항목이 있으면 점도, 열전도율, 접착력, 장기 안정이 동시에 무너지다. 진공 탈포 조건과 분산 조건을 먼저 고정하는 것이 생산성에 유리하다.