▲ (a) COF-102 유도체의 구조 모식도, (b) 소재군별 질량 밀도와 열전도성의 상관관계. 본 연구에서 설계된 공유결합 유기골격체 (COF-102-1)는 현재까지 보고된 유기 골격체 중 최고 수준의 방열 성능을 보임.


▲ (왼쪽부터) 서울대학교 공과대학 기계공학부 김성재 박사과정생, 김태용 교수.

서울대학교 공과대학 기계공학부 김태용 교수 연구팀은 유기 다공성 소재의 구조 설계를 통해 기존 유기 소재의 한계를 넘어서는 방열 성능을 구현할 수 있음을 밝혔다. 연구팀은 3차원 공유결합 유기 골격체 (covalent organic framework, COF) 유도체 중 질량 밀도가 가장 높은 COF-102-1 구조에서 약 27 W m⁻¹ K⁻¹에 이르는 높은 열전도성이 나타남을 확인했으며, 이는 기존 COF-102 대비 약 50배 이상 향상된 수치이다.

유기 소재는 가볍고 구조 설계 자유도가 높아 차세대 전자·에너지 소재로 주목받고 있지만, 일반적으로 열전도성이 낮아 방열 소재로의 활용에는 한계가 있다. 이번 연구는 이러한 한계를 넘어, 유기 다공성 소재에서도 골격 구조의 차이에 따라 우수한 방열 성능을 구현할 수 있음을 보여주었다. 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션을 통해 서로 다른 링커 구조와 토폴로지를 갖는 여섯 종류의 COF-102 유도체를 비교 분석했으며, 이를 통해 유기 다공성 소재의 구조적 특성과 열전도성 사이의 밀접한 상관관계를 제시했다. 특히 질량 밀도가 높은 구조일수록 더욱 우수한 열전도 특성이 나타났으며, COF-102-1은 보고된 유기 골격체 중 최고 수준의 열전도성을 보였다.

연구팀은 높은 열전도성이 나타나는 원인도 함께 규명했다. 질량 밀도가 높은 구조에서는 유기 링커의 회전이 억제되어 열전달을 저해하는 구조적 불규칙성이 감소하고, 동시에 구조 강성이 증가함에 따라 높은 열전도성이 나타나는 것으로 분석됐다. 즉, 유기 골격체 내 분자의 회전 자유도와 구조 강성을 함께 제어하는 것이 우수한 방열 특성 구현의 핵심 설계 인자임을 확인했다.

이번 연구는 유기 소재의 열전도 성능이 단순한 재료 조성보다 질량 밀도와 구조적 질서에 크게 좌우된다는 점을 규명함으로써, 유기 소재의 활용 영역을 기존 기능성 소재를 넘어 고방열 소재 분야로 확장할 수 있는 가능성을 제시했다.

본 연구는 한국연구재단의 우수신진연구 사업과 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 2025년 7월 31일 Journal of Physical Chemistry C에 게재되었다. 논문 제목은 “High Thermal Conductivity Dominated by Thermal Phonons with Mean Free Paths Exceeding Hundred Nanometers in Three-Dimensional Covalent Organic Framework Derivatives: A Molecular Dynamics Study” 이다.

[문의사항]
서울대학교 공과대학 기계공학부 김태용 교수 / 02-880-1677 / tkkim@snu.ac.kr