구리처럼 전도하고 텅스텐처럼 버틴다 — 반도체 방열판 속 숨은 합금

전기차용 SiC(실리콘카바이드) 전력반도체 시장은 2030년까지 연평균 10% 넘게 성장할 것으로 전망됩니다. 그런데 이 화려한 성장 곡선 뒤에는 잘 알려지지 않은 골칫거리가 하나 있습니다. 반도체 칩이 뿜어내는 열을 어떻게 빼낼 것인가, 하는 문제입니다. 칩은 뜨거워졌다 식었다를 반복하는데, 그때마다 칩과 방열판 사이에 팽창률 차이가 쌓이면 결국 접합부가 갈라지고 소자가 고장 납니다. 이 딜레마를 푸는 소재가 바로 텅스텐과 구리, 성질이 정반대인 두 금속을 억지로 붙여놓은 합금입니다.

지금까지 광물백과에서는 텅스텐 중합금, 초경합금, 니켈기 초내열합금을 다뤄왔는데, 이번 편에서는 텅스텐 중합금 편에서 잠깐 스쳐 지나갔던 텅스텐-구리 합금(W-Cu)을 집중적으로 파헤쳐 보겠습니다.

텅스텐구리 합금 방열판 - 반도체 패키징의 핵심 소재

섞이지 않는 두 금속을 억지로 붙이다

텅스텐과 구리는 원래 서로 잘 섞이지 않는 조합입니다. 두 금속의 녹는점 차이가 워낙 커서(텅스텐 3,422℃, 구리 1,085℃), 일반적인 용융 합금 방식으로는 균일하게 섞이지 않습니다. 그래서 W-Cu는 진짜 '합금'이라기보다는 복합재료에 가깝습니다. 텅스텐 분말을 먼저 눌러서 다공성 뼈대(스켈레톤)를 만든 뒤, 그 틈새로 녹인 구리를 침투시켜 굳히는 분말야금 공정으로 제조됩니다. 텅스텐이 뼈대 역할을, 구리가 그 틈을 채우는 통로 역할을 하는 셈이죠.

이렇게 만들어진 소재는 두 금속의 장점을 동시에 갖습니다. 텅스텐 쪽에서는 낮은 열팽창률과 높은 강성을, 구리 쪽에서는 뛰어난 열전도율과 전기전도율을 가져옵니다. 흥미로운 점은 텅스텐과 구리의 배합 비율을 조절하는 것만으로 열전도율과 열팽창계수를 원하는 수준으로 '설계'할 수 있다는 것입니다. 즉 하나의 소재군이지만 배합비를 바꿔가며 수십 가지 등급을 만들어낼 수 있는, 맞춤형 소재인 셈입니다.

배합 비율에 따라 달라지는 성질 — 등급별 비교

W-Cu는 통상 텅스텐 50~90%, 구리 10~50% 범위에서 배합되며, 텅스텐 비율이 높을수록 열팽창계수는 낮아지지만 열전도율은 다소 떨어지는 트레이드오프가 나타납니다. 대표적인 등급을 정리하면 다음과 같습니다.

등급	W : Cu 비율	밀도(g/cm³)	열전도 특성	열팽창 특성	주요 용도
W90Cu10	90 : 10	약 16.8~17.2	낮음 (구리 함량 최소)	매우 낮음 (텅스텐에 근접)	고출력 반도체 패키지 기판, 정밀 부품
W85Cu15	85 : 15	약 16.0~16.5	중간	낮음	광통신 PLC 칩 방열 블록
W80Cu20	80 : 20	약 15.4~15.8	중간~높음	중간	RF·마이크로파 패키지, 레이저 다이오드 히트싱크
W75Cu25	75 : 25	약 14.8~15.3	높음	중간~높음	고전력 모듈, LED 방열판
W70Cu30	70 : 30	약 14.0~14.7	매우 높음 (구리에 근접)	상대적으로 높음	전기접점, 저항용접 전극, EDM 전극

이 표에서 보듯, 반도체 칩과 직접 맞닿는 정밀 패키지 기판에는 열팽창계수를 최대한 낮춘 W90Cu10 계열이, 대전력을 다루면서도 열을 빠르게 빼야 하는 응용에는 상대적으로 구리 비율이 높은 등급이 선호됩니다.

왜 반도체는 '열팽창 궁합'에 목숨을 거는가

반도체 소자에서 발생한 열은 지속적으로 팽창과 수축을 반복시키는데, 이때 소자와 방열 부재의 열팽창계수 차이가 크면 접합부에 피로가 쌓여 결국 파괴로 이어집니다. 실리콘이나 갈륨비소 같은 반도체 기판의 열팽창계수는 매우 낮은 편이라, 방열판 소재도 이에 최대한 가깝게 맞춰야 미세한 크랙이나 박리를 막을 수 있습니다. 순수 구리만 쓰면 열전도율은 뛰어나지만 열팽창계수가 반도체보다 훨씬 커서 접합부가 쉽게 손상되고, 반대로 순수 텅스텐만 쓰면 열팽창 문제는 해결되지만 열을 충분히 빼내지 못합니다. W-Cu는 바로 이 '중간 지점'을 정밀하게 조준한 소재입니다.

실제로 광통신 PLC(평면광도파로) 칩 패키지에서는 텅스텐과 구리 비율이 85:15인 W-Cu 블록이 칩 하부에 부착되어 소자에서 발생하는 열을 흡수·방출하는 역할을 합니다. 전기차용 SiC·GaN 전력반도체 모듈이나 5G 기지국의 고출력 증폭기(PA) 패키지에서도 같은 원리로 W-Cu 방열 기판이 활용됩니다.

전력반도체 모듈 - 텅스텐구리 합금이 지키는 열관리

숨은 경쟁자, 몰리브덴-구리(Mo-Cu)

여기서 짚어야 할 비판적 시각이 있습니다. W-Cu가 반도체 방열 시장을 독점하고 있는 것은 아닙니다. 기존 고출력 파워모듈이나 패키징용 복합금속 방열 소재로는 고열전도·저열팽창 특성을 지닌 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 계열도 주로 사용되어 왔습니다. 그런데 국내 특허 문헌에 따르면 희소금속인 몰리브덴은 가격이 매우 비싸고 전량 해외에서 수입되며, 합금 제조 공정 자체도 친환경적이지 않고 복잡해 경제성이 떨어진다는 한계가 지적됩니다.

문제는 W-Cu라고 해서 이 딜레마에서 완전히 자유롭지 않다는 점입니다. 텅스텐 역시 중국이 세계 공급의 80% 이상을 쥐고 있는 광물이고, 최근 중국의 수출통제와 채굴 쿼터 감축으로 텅스텐 가격 자체가 1년 새 300% 넘게 급등한 상태입니다. "몰리브덴 대신 텅스텐을 쓰면 원가 문제가 해결된다"는 식의 단순한 대체 논리는, 텅스텐 역시 특정 국가에 생산이 집중된 전략광물이라는 사실 앞에서 다시 검토될 필요가 있습니다. 결국 W-Cu와 Mo-Cu는 서로 다른 희소금속에 기대고 있을 뿐, 둘 다 공급망 리스크에서 완전히 벗어나 있지는 못한 셈입니다. 여기에 최근에는 다이아몬드 복합재나 알루미늄-탄화규소(AlSiC) 같은 대안 소재 연구도 병행되고 있어, W-Cu의 시장 지위가 장기적으로 절대적이라고 단정하기는 이릅니다.

전력반도체 성장이 부메랑으로 돌아오는 이유

SiC·GaN 전력반도체 시장의 성장세는 역설적으로 W-Cu 수요와 원가 부담을 동시에 키우는 요인이 됩니다. SiC는 고전압과 고온에 강해 전기차 인버터, 고속 충전기, 산업용 장비에 필수적으로 쓰이고, GaN은 빠른 스위칭 속도 덕분에 5G 기지국과 데이터센터 전력 공급 장치에 채택되는 흐름이 뚜렷합니다. 두 소재 모두 기존 실리콘보다 훨씬 높은 전력 밀도로 작동하기 때문에, 단위 면적당 발열량도 그만큼 커집니다. 즉 전력반도체가 고도화될수록 방열 소재에 대한 요구 성능은 더 까다로워지고, 그만큼 고순도 W-Cu에 대한 수요도 함께 늘어나는 구조입니다.

여기서 앞서 짚은 텅스텐 가격 급등이 다시 발목을 잡습니다. 방열판 하나에 들어가는 텅스텐 함량 자체는 크지 않더라도, 전력반도체 모듈 생산량 자체가 늘어나면 누적되는 텅스텐 소요량도 커질 수밖에 없습니다. 차세대 전력반도체 육성이라는 산업 정책과, 그 소재의 상당 부분을 차지하는 텅스텐의 공급망 불안정성이 같은 시기에 맞물려 있다는 점은, 정책 설계 단계에서부터 함께 고려해야 할 변수입니다.

FAQ — 텅스텐-구리 합금에 대해 자주 묻는 질문

Q1. 텅스텐-구리 합금은 왜 '합금'이 아니라 '복합재료'로 분류되나요? 텅스텐과 구리는 녹는점 차이가 커서 일반적인 용융 방식으로 균일하게 섞이지 않습니다. 텅스텐 분말로 뼈대를 만들고 그 틈에 구리를 침투시키는 분말야금 공정으로 만들어지기 때문에 진정한 합금보다는 복합재료에 가깝습니다.

Q2. 반도체 방열판에 순수 구리를 쓰면 안 되나요? 구리는 열전도율이 뛰어나지만 열팽창계수가 반도체 기판보다 훨씬 커서, 온도 변화가 반복되면 접합부에 피로가 쌓여 크랙이나 박리가 발생하기 쉽습니다.

Q3. 텅스텐 비율이 높을수록 무조건 좋은가요? 그렇지 않습니다. 텅스텐 비율이 높으면 열팽창계수는 낮아지지만 열전도율은 상대적으로 떨어집니다. 용도에 맞는 배합 비율을 선택하는 것이 중요합니다.

Q4. 몰리브덴-구리 합금과 텅스텐-구리 합금 중 어느 쪽이 더 경제적인가요? 몰리브덴은 텅스텐보다 비싸고 전량 수입에 의존하는 경향이 있지만, 텅스텐 역시 최근 가격이 급등한 전략광물이어서 어느 한쪽이 절대적으로 경제적이라고 단정하기 어렵습니다.

Q5. 텅스텐-구리 합금은 반도체 외에 어디에 쓰이나요? 고압 차단기의 아크 접점, 방전가공(EDM) 전극, 저항용접용 전극 등 높은 내열성과 전기전도성이 동시에 필요한 산업 전반에 폭넓게 활용됩니다.