삼성전자가 스마트폰의 발열 문제를 해결할 ‘3D 서멀 인터페이스(TIM)’ 기술을 공개했다. 24일 여의도 FKI타워에서 열린 ‘고기능성 반도체 소재 기술 세미나’에서다. ‘3D TIM’기술의 핵심은 소재 성능을 높이는 방식이 아니라, 열이 전달되는 ‘경로 자체’를 확장한 구조적 변화다.

◆ “열전도보다 면적”…발열 설계 패러다임 전환

기존 스마트폰 발열 관리의 핵심은 열전도율(k값)을 높이는 데 있다. 하지만 실제로는 어플리케이션프로세서(AP)와 그래픽처리장치(GPU) 등 특정 영역에 열이 집중되는 구조적 특성 때문에, 소재 성능만으로는 발열 제어에 한계가 있다는 지적이 이어져 왔다.

삼성전자는 이 지점에서 접근 방식을 바꿨다. 기존의 평면 2D TIM 대신, 칩과 주변 부품을 모두 감싸는 3D 구조 TIM을 적용해 발열원과의 접촉 면적을 확대하는 방식을 도입했다.

실제 분석 결과에서도 3D TIM 적용 시 접촉 면적이 기존 대비 크게 확대되며, AP뿐 아니라 전원관리칩(IC)과 저장장치(UFS)까지 발열 커버 영역이 넓어지는 것으로 나타났다.

삼성전자가 공개한 자료에 따르면, TIM 면적은 기존 약 226.9㎟에서 최대 495.1㎟ 수준으로 확대됐다. 약 118% 증가한 수치다.

이에 따라 AP·DRAM 커버율은 90%대 중반까지 높아졌고, 기존에는 거의 대응하지 못했던 전원 IC와 UFS 영역까지 발열 관리 범위에 포함됐다.

◆ 소재·공정·설계기술 결합…“3D 구현이 경쟁력”

3D TIM은 단순한 구조 변경이 아니라 소재와 공정, 설계 기술이 결합된 결과물이다.

우선 소재 측면에서는 상변화 물질(PCM)과 고분자 소재(SEBS)를 결합해 열에 따라 유연하게 변형되면서도 형태를 유지할 수 있도록 설계했다. 여기에 소프트층과 하드층을 결합한 이중 구조를 적용해, 열 전달과 형상 안정성을 동시에 확보했다.

공정에서도 변화가 있었다. 기존 절단·적층 방식 대신 금형 기반 ‘핫프레스(Hot Press)’ 공정을 도입해 복잡한 3D 형상을 구현했다. 이 방식은 복잡한 형상 구현, 부품 간 공차 감소, 두께 슬림화에 유리한 것으로 분석된다.

여기에 수백 개 부품의 높이와 간격을 반영한 ‘피팅(Fitting)’ 설계까지 더해지면서, 실제 양산이 가능한 수준의 정밀도를 확보했다.

특히 공차 설계, 구역 분할, 형상 단순화 등 설계 기술이 결합되면서 TIM이 단순 소재를 넘어 설계 중심 기술 영역으로 확장됐다는 평가가 나온다.

◆ “0.1도 차도 성능과 직결”…패시브에서 액티브로

이 같은 기술 변화는 수치상으로는 미미해 보이지만 의미는 적지 않다.

실험 결과 3D TIM 적용 시 AP 온도는 1.18도, 후면 온도는 0.73도 낮아졌다. 스마트폰 업계에서는 0.1~0.5도 차이도 성능과 직결되는 핵심 변수로 본다.

현재 발열 관리 기술은 빠르게 변화하고 있다. 기존의 TIM, 베이퍼 챔버 중심의 ‘패시브 냉각’에서 나아가 팬이나 액체를 활용하는 ‘액티브 냉각’ 기술까지 일부 시장에서는 도입이 시작된 상황이다.

특히 중국 제조사들을 중심으로 액티브 냉각 적용 사례가 늘어나면서, 발열 관리 경쟁이 새로운 국면에 진입했다는 분석도 나온다.

◆ “소재 조달 넘어 설계 내재화”…밸류체인 변화

‘3D TIM’ 기술은 단순한 제품 개선을 넘어 산업 구조 측면에서도 의미를 갖는다.

삼성전자는 TIM을 외부에서 단순 조달하는 방식에서 벗어나, 협력사와 공동 개발하고 자체 설계를 적용하는 구조를 구축했다. 맞춤형 설계를 통해 제품 성능을 끌어올리는 동시에, 소재·부품 생태계까지 확장하는 전략이다.

이는 글로벌 저가 공세가 이어지는 상황에서, 기술 경쟁력을 기반으로 한 차별화 전략으로도 해석된다. 결국 스마트폰 발열 관리 기술의 핵심이 ‘소재’에서 ‘구조와 설계’로 이동하면서, 관련 산업 전반의 경쟁 구도 역시 재편될 가능성이 커지고 있다.