2023년부터 알루미늄 질화물의 글로벌 시장 규모 1억 5,150만 달러에 도달했으며, 2024년부터 2032년까지 1억 5,980만 달러에서 2억 4,650만 달러로 계속 성장할 것으로 예상됩니다. 이는 첨단 소재로서 질화알루미늄의 중요성을 보여줍니다.
질화알루미늄 세라믹에 대해 알고 계신가요? 이 글에서는 질화알루미늄 세라믹의 주요 특성과 응용 가치를 자세히 설명해 드리겠습니다.
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알루미늄 질화물 세라믹 소개
알루미늄 질화 세라믹이란?
질화알루미늄 세라믹 알루미늄 질화물로 만들어졌는데, 이는 알루미늄과 질소 원소로 구성된 고성능 비산화물 세라믹 재료이며 화학식은 AlN입니다.
질화알루미늄 세라믹은 매우 우수한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있으며, 실제 응용 분야에서의 색상은 대개 흰색이나 밝은 노란색입니다.
현대 산업에서 질화알루미늄 세라믹의 중요성
질화알루미늄 세라믹은 일상생활 곳곳에서 흔히 볼 수 있습니다. 네, 질화알루미늄 세라믹은 현대 산업에서 없어서는 안 될 역할을 합니다.
고성능 전자 세라믹 소재인 질화알루미늄 세라믹은 반도체 제조, LED 패키징, 고전력 전자 장비, 항공우주 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.
그중에서도 질화알루미늄은 170 W/mK 이상의 열전도도를 가지며 뛰어난 전기 절연성을 가지고 있습니다. 이러한 희귀한 특성 조합은 전자 응용 분야의 방열 및 절연에 특히 적합합니다.
다른 일반적인 세라믹 소재와 비교했을 때 주목할 점은 다음과 같습니다. 산화 알루미늄(Al₂O₃)질화알루미늄의 열전도도는 산화알루미늄의 5배 이상입니다. 또한, 산화베릴륨(BeO)은 유사한 열 특성을 가지고 있지만 심각한 독성 문제를 가지고 있는데, 질화알루미늄은 이러한 문제를 극복하여 더 안전하고 효율적인 대안을 제공합니다.
알루미늄 질화물 세라믹 성능 특성
참고를 위한 알루미늄 질화물 세라믹의 몇 가지 특성은 다음과 같습니다.
|
성과 범주 |
성과 지표 |
매개변수 값 |
단위 |
|
열적 특성 |
열전도도(25℃) |
170-321 |
W/(m·K) |
|
열팽창계수(25~400℃) |
4.5 |
×10⁻⁶/℃ |
|
|
최대 작동 온도(불활성 가스) |
2200 |
섭씨 |
|
|
산화 개시 온도(공기) |
700 |
섭씨 |
|
|
전기적 특성 |
체적 저항률(25℃) |
>1014 |
Ω·cm |
|
유전 상수 속도(1MHz) |
8.5-9.0 |
– |
|
|
유전 손실(1MHz) |
0.0005 |
– |
|
|
파괴전압 강도 |
15-20 |
kV/mm |
|
|
기계적 특성 |
밀도 |
3.26 |
g/cm³ |
|
비커스 경도 |
12 |
학점 |
|
|
굽힘 강도 |
350-420 |
엠파 |
|
|
탄성계수 |
320 |
학점 |
|
|
푸아송 비 |
0.22 |
– |
|
|
압축 강도 |
3000 |
엠파 |
열적 특성
열전도도：
질화알루미늄 세라믹의 가장 큰 특징은 뛰어난 열전도도입니다. 상온에서 열전도도는 321 W/(m·K)에 달하며, 실제 응용 분야에서는 다결정 질화알루미늄 세라믹의 열전도도가 보통 170 W/(m·K)를 초과합니다. 이러한 뛰어난 성능은 알루미나 세라믹을 훨씬 능가합니다.
열팽창 계수：
질화알루미늄 세라믹의 열팽창 계수 또한 주목할 만합니다. 이 열팽창 계수는 실리콘과 호환됩니다. 25~400℃ 범위에서 질화알루미늄의 열팽창 계수는 4.5×10-6/℃인 반면, 실리콘의 열팽창 계수는 3.5~4×10⁻⁶/℃입니다. 두 재료를 비교하면 열팽창 계수가 매우 유사함을 알 수 있습니다. 따라서 이러한 뛰어난 매칭 성능으로 열 사이클링 중 응력 축적을 효과적으로 줄여 전자 장비의 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.
열 안정성：
열 안정성 측면에서 질화알루미늄 세라믹은 여전히 우수한 성능을 유지하며 매우 높은 내열성을 가지고 있습니다. 불활성 분위기에서는 2200°C의 고온에서도 안정성을 유지할 수 있습니다. 공기 중에서조차 표면 산화는 700°C 이상이 되어야 시작되며, 표면 산화층은 1370°C까지 내부 재료를 보호할 수 있습니다.
전기적 특성
전기 절연：
적합한 전자 세라믹 재료를 선택할 때 전기적 특성은 무시할 수 없는 핵심 요소입니다. 질화알루미늄은 매우 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며, 체적 저항률은 실온에서 10¹⁴ Ω·cm 이상에 도달할 수 있습니다. 이러한 높은 절연 성능은 질화알루미늄이 고전압 전자 소자 응용 분야에서 매우 높은 신뢰성을 보장할 수 있도록 합니다.
유전상수/유전강도：
질화알루미늄의 유전율은 약 8.5~9(1MHz)이고 유전 손실은 약 0.0005입니다. 이러한 특성으로 인해 고주파 전자 소자에 이상적입니다. 동시에 질화알루미늄의 유전 강도는 15~20kV/mm에 달하여 절연 보호 성능을 효과적으로 향상시킵니다.
기계적 특성
질화알루미늄 세라믹은 다양한 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 비커스 경도는 약 12GPa이며, 굽힘 강도는 350~420MPa에 달합니다. 이러한 우수한 기계적 강도는 알루미나 세라믹보다 훨씬 높아 혹독한 환경에서도 우수한 신뢰성을 유지합니다.
내식성
내구성 측면에서 질화알루미늄은 화학적 부식에 대한 뛰어난 내성을 보입니다. 대부분의 용융 금속(구리, 리튬, 알루미늄 등)에 의한 부식에도 질화알루미늄은 우수한 성능을 발휘하며, 이러한 특성 덕분에 가혹한 화학 환경에서도 우수한 안정성을 유지합니다.
질화알루미늄은 내피로성이 우수하다는 점도 언급할 가치가 있습니다. 고온 환경에서 질화알루미늄의 강도 감소는 상온 강도의 약 20%에 불과합니다. 일반 알루미나와 비교했을 때, 알루미나는 동일한 조건에서 일반적으로 50%의 강도를 잃습니다.
알루미늄 질화물 제조 공정
질화알루미늄 세라믹이 어떻게 제조되는지 궁금하시나요? 질화알루미늄 세라믹의 제조 공정은 최종 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 아래에서 질화알루미늄 제조의 몇 가지 핵심 단계를 더 자세히 살펴보겠습니다.
질화알루미늄 분말 합성
질화알루미늄 분말 합성은 전체 제조 공정의 기반이 됩니다. 현재 사용되는 주요 방법은 두 가지, 즉 열탄소 환원법과 직접 질화법입니다.
탄소열환원법은 1500~1800°C의 질소 분위기에서 알루미나와 탄소를 반응시키는 방법입니다. 이 방법은 비교적 비용이 저렴하고 대량 생산에 적합합니다.
직접 질화법은 금속 알루미늄 분말을 질소와 직접 반응시키는 방법으로, 더 높은 순도의 제품을 얻을 수 있습니다.
성형 공정
성형은 세라믹의 최종 형태를 결정하는 핵심 단계입니다. 주요 성형 방법으로는 건식 프레스, 사출 프레스, 등방성 프레스 등이 있습니다.
건식 프레스 성형：이 성형법은 기판 및 기판과 같이 형상이 단순한 세라믹 제품에 적합합니다. 질화알루미늄 분말을 균일하게 가압하여 원하는 형상으로 성형합니다.
사출성형：이 성형법은 복잡한 형상의 부품 제조에 적합합니다. 질화알루미늄 분말을 유기 바인더와 혼합하여 슬러리 형태로 만든 후 금형에 주입하여 성형합니다.
등방성형성형：이 성형법은 대형 및 일반 형상의 세라믹 제품 제조에 적합합니다. 유압 등방압 성형을 통해 균일한 제품 밀도를 확보할 수 있습니다.
소결 공정
소결은 세라믹 제조 공정에서 매우 중요한 단계이며, 질화알루미늄 세라믹의 품질을 향상시키는 핵심 공정이기도 합니다. 질화알루미늄의 공유 결합 특성으로 인해 소결 공정 중 특별한 공정 관리가 필요합니다. 열간 가압 소결과 가압 2단계 소결이 주로 사용됩니다.
소결 보조제로 적정량의 이트륨 산화물(Y₂O₃)을 첨가하면 소결 온도를 크게 낮추고 재료 밀도를 높일 수 있습니다. 최적의 소결 온도는 일반적으로 1650~1800℃ 범위로 조절됩니다.
정밀 가공
질화알루미늄 세라믹을 가공할 때는 소재의 높은 경도 특성을 고려해야 하며, 현재 다이아몬드 공구는 주로 정밀 가공에 사용됩니다.
녹색 가공：소결 전 재료의 예비 성형은 후속 가공의 어려움을 크게 줄일 수 있습니다.
연삭 연마：다이아몬드 연삭 휠을 사용한 정밀 연삭으로 완벽한 표면 품질 보장
레이저 절단：얇은 시트의 경우 레이저 기술을 사용하여 정밀 가공이 가능합니다.
품질 관리
엄격한 품질 관리를 통해 생산된 알루미늄 질화 세라믹이
질화알루미늄 세라믹의 안정적인 성능을 보장하기 위해서는 제조 공정 중에 포괄적인 품질 관리가 구현되어야 합니다.
공정 제어：합성 및 소결 등의 주요 공정에 여러 개의 검출 지점을 설정하여 실시간으로 공정 매개변수를 모니터링할 수 있습니다.
온도 곡선 모니터링
대기 성분 제어
압력 매개변수 조정
완제품 검사：다음과 같은 첨단 검사 장비를 사용하여 완제품의 종합적인 품질 평가:
열전도도 시험
밀도 결정
미세구조 분석
기계적 성능 테스트
알루미늄 질화물 세라믹의 응용
전자 산업
전자 산업 분야에서 질화알루미늄 세라믹은 뛰어난 성능 특성을 자랑합니다.
방열 기판 설계 시, 질화알루미늄 세라믹 기판의 열전도도는 170W/mK를 초과하여 알루미나 기판과 같은 다른 세라믹 소재보다 훨씬 높습니다. 이처럼 뛰어난 열전도도를 통해 전자 장치에서 발생하는 열을 빠르게 분산 및 전도하여 국부 과열을 효과적으로 방지하고 장비의 안정성과 수명을 향상시킵니다.
전력 소자 패키징 측면에서 질화알루미늄 세라믹은 특히 중요합니다. 주변에 관련 질화알루미늄 세라믹 제품이 있다면, 이 제품은 뛰어난 방열 성능뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼와 유사한 열팽창 계수를 가지고 있다는 것을 알 수 있을 것입니다. 이러한 매칭은 열 응력 발생을 크게 줄이고 세라믹 패키징의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 동시에, 뛰어난 전기 절연성은 전력 소자의 안전한 작동을 보장합니다.
반도체 산업
반도체 제조 공정에서 질화알루미늄 세라믹은 필수적인 역할을 합니다.
웨이퍼 가공 공정은 매우 정밀한 온도 제어를 요구합니다. 질화알루미늄 세라믹의 높은 열전도도와 온도 균일성은 가공 공정의 안정성과 제품의 품질을 보장합니다.
정전척은 반도체 제조 공정의 핵심 장치입니다. 질화알루미늄 세라믹은 뛰어난 유전 특성과 기계적 강도를 가지고 있어 정전척 소재로 이상적입니다. 고온 환경에서도 안정적인 전기적 특성을 유지할 수 있으며, 반복 사용에도 충분한 기계적 강도를 가지고 있습니다.
고주파 장치에서 질화알루미늄 세라믹은 낮은 유전 손실과 열 관리 능력으로 이상적인 패키징 소재입니다. 마이크로파 통신 및 무선 주파수 장치에서 찾아볼 수 있습니다.
기타 고급 애플리케이션
광전자 제품 응용 분야에서 질화 알루미늄 세라믹은 레이저 소자의 방열 기판으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 광 저장 매체의 유전체층으로도 사용될 수 있습니다.
항공우주 산업은 소재 선정에 매우 까다롭습니다. 질화알루미늄은 고온 안정성, 절연성, 그리고 우수한 기계적 강도 덕분에 항공우주 전자 장비 및 위성 통신과 같은 다양한 주요 분야에 널리 사용됩니다.
군사 분야에서도 질화알루미늄은 매우 중요합니다. 레이더 시스템의 방열 부품부터 항법 장비의 핵심 부품에 이르기까지 질화알루미늄 세라믹은 중요한 역할을 합니다. 뛰어난 종합적 성능 덕분에 군사 장비가 극도로 혹독한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
군수 산업 분야에서도 질화알루미늄 세라믹의 적용은 매우 중요합니다. 레이더 시스템의 방열 부품부터 항법 장비의 핵심 부품에 이르기까지 질화알루미늄 세라믹은 중요한 역할을 합니다. 뛰어난 종합적 성능은 극한 환경에서도 군 장비의 안정적인 작동을 보장합니다.
알루미늄 질화물 제품을 어떻게 선택하나요?
질화 알루미늄 제품이 필요하지만 어떻게 선택해야 할지 모르겠다면, 다음 내용이 도움이 될 수 있습니다.
알루미늄 질화물 기판 선택
질화알루미늄 기판이 필요한 경우 다음의 주요 매개변수를 참조할 수 있습니다.
표준 기판 두께 범위는 보통 0.25mm에서 2.0mm 사이이고, 면적은 150mm×200mm에 이를 수 있습니다.
적용 요구 사항에 따라 열전도도가 170W/mK에서 230W/mK까지 다양한 종류의 기판을 선택할 수 있습니다.
표면 거칠기는 Ra 0.3~0.5μm 이내로 제어되고, 평탄도는 밀리미터당 2% 이내로 제어됩니다.
귀하의 신청이 충족되도록 하려면 다음 매개변수 사양에 집중하는 것이 좋습니다.
치수 허용차 : ±0.1mm 이내로 조절하는 것이 가장 좋습니다.
두께 균일성: 표준 편차는 5%를 초과하지 않습니다.
금속화 호환성: 응용 분야에 따라 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 다양한 금속화 옵션 중에서 선택할 수 있습니다.
표면처리 : 연마, 샌드블라스팅 등 다양한 처리방법을 필요에 따라 선택 가능
냉각 구성 요소 선택
적합한 냉각 장치를 선택할 때는 방열 요구 사항과 사용 가능한 장착 공간을 모두 고려하는 것이 중요합니다. 고전력 애플리케이션의 경우, 열전도도가 200W/mK 이상인 제품을 권장합니다. 또한, 더 높은 방열 성능이 필요한 애플리케이션의 경우, 서멀 페이스트를 도포하거나 서멀 패드를 사용하여 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
맞춤형 솔루션 제안
귀사의 애플리케이션 시나리오에 맞춰 맞춤형 솔루션을 선택하시기 바랍니다. 주의해야 할 주요 사항은 다음과 같습니다.
- 작업 환경 온도 범위를 명확히 하세요
- 최대 전력 밀도 요구 사항을 명확히 하십시오
- 설치 공간 제한 사항을 명확히 하세요
- 냉각 시스템 통합 요구 사항 명확히하기
도움이 필요하시면 자세한 적용 매개변수를 제공해 주시면 재료 선택, 구조 설계, 표면 처리 등을 포함하여 귀하에게 가장 최적화된 솔루션을 맞춤 설계해 드리겠습니다. 지금 연락하세요.
비용 효율적
질화알루미늄 세라믹 제품의 가격은 주로 다음 요인에 의해 영향을 받습니다.
재료 등급: 열전도도가 높을수록 비용이 높아집니다.
가공 정확도: 선택하는 정밀도 요구 사항이 높을수록 가공 비용이 높아집니다.
배치 크기: 대량으로 생산하면 단가를 크게 줄일 수 있습니다.
최상의 비용-편익 비율을 달성하는 데 도움이 되도록 다음을 권장합니다.
저전력 응용 분야의 경우 기본적인 요구 사항을 충족하는 동시에 비용을 제어할 수 있는 표준 170W/mK 등급 제품을 선택하는 것이 좋습니다.
중간 전력 응용 분야의 경우 성능과 비용의 균형을 이루는 200W/mK 등급 제품을 선택하는 것이 좋습니다.
고전력 애플리케이션의 경우, 230 W/mK 등급 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 초기 비용은 높지만, 최고의 방열 성능을 제공하고 장비 수명을 연장하여 전체 운영 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다.
결론
질화알루미늄 세라믹은 다양한 산업 분야에 이상적인 소재입니다. 읽어주셔서 감사하며, 도움이 되셨으면 좋겠습니다.
자세히 알아보세요.
자주 묻는 질문.
1. 질화알루미늄(AlN)의 화학식은 무엇입니까?
질화알루미늄의 화학식은 AlN이며, 알루미늄(Al) 원자와 질소(N) 원자가 화학양론비 1:1로 구성되어 있습니다. 구조적으로 알루미늄과 질소는 공유 결합을 이루며, 우르츠광(wurtzite) 구조를 가진 안정적인 결정성 화합물입니다.
2. 알루미늄 질화 세라믹의 열전도도는 얼마입니까?
질화알루미늄 세라믹은 실온에서 약 170~321 W/(m·K)의 우수한 열전도도를 가지며, 이론상 최대 열전도도는 321 W/(m·K)입니다. 시중에 판매되는 다결정 AlN은 일반적으로 170 W/(m·K) 이상의 열전도도를 보이는데, 이는 산화알루미늄보다 5배 이상 높습니다.
3. 질화알루미늄과 산화알루미늄(Al₂O₃)의 성능 차이는 무엇입니까?
질화 알루미늄은 여러 주요 성능 측면에서 산화 알루미늄보다 성능이 뛰어납니다.
- 질화알루미늄의 열전도도(>170 W/m·K)는 산화알루미늄(20-30 W/m·K)의 5배입니다.
- 질화 알루미늄은 산화 알루미늄보다 열충격에 더 잘 견디며, 열팽창 계수는 실리콘과 더 잘 맞습니다.
- 열전도도가 중요하지 않은 응용 분야에서는 산화 알루미늄을 사용하면 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
4. 질화알루미늄 세라믹의 녹는점은 무엇입니까?
불활성 가스에서 질화알루미늄의 녹는점은 약 2200°C입니다. 그러나 진공 환경에서는 질화알루미늄이 1800°C에서 분해되기 시작한다는 점에 유의해야 합니다.
공기 중에서 질화알루미늄 표면은 700°C에서 산화되기 시작하여, 1370°C 이전에는 내부 재료가 안정을 유지하는 것을 방지하는 보호층을 형성합니다.
5. 질화알루미늄 기판의 표준 두께 사양은 무엇입니까?
표준 질화알루미늄 기판의 두께는 0.25~2.0mm입니다. 또한, 일반적인 규격은 0.25mm, 0.38mm, 0.63mm, 1.0mm이며, 치수 공차는 일반적으로 ±0.1mm 이내로 관리됩니다.
특정 적용 요구 사항에 따라 두께를 맞춤 설정할 수 있으며, 표면 거칠기는 Ra 0.3-0.5μm로 유지하는 것이 가장 좋습니다.
6. 질화알루미늄 세라믹의 유전율은 얼마입니까?
질화알루미늄 세라믹의 유전율은 1MHz에서 8.5~9.0이다.
7. 질화알루미늄의 열팽창 계수는 실리콘과 얼마나 일치합니까?
질화알루미늄의 열팽창 계수(4.5×10⁻⁶/°C)는 실리콘(3.5~4×10⁻⁶/°C)과 매우 유사하여 반도체 응용 분야에서 열응력을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 이러한 호환성 덕분에 질화알루미늄은 실리콘 기반 소자에 이상적인 기판으로 사용되어 열 사이클링 중 균열 위험을 크게 줄일 수 있습니다.
8. 질화알루미늄 세라믹의 절연 특성은 얼마나 좋은가요?
질화알루미늄 세라믹은 우수한 절연 특성을 가지고 있습니다. 실온에서 체적 저항률은 10¹⁴ Ω·cm를 초과합니다. 또한, 15~20 kV/mm의 높은 유전 강도를 유지하여 우수한 절연체입니다.
9. 질화알루미늄 세라믹 기판의 일반적인 응용 분야는 무엇입니까?
질화알루미늄 세라믹 기판은 다양한 산업에 사용될 수 있습니다.
- 전력 전자 분야에서는 고전력 및 IGBT 모듈의 방열 기판으로 활용이 가능합니다.
- LED 산업에서는 고휘도 LED의 열 관리 소재로 사용될 수 있습니다.
- 반도체 산업에서 질화알루미늄 기판은 주로 웨이퍼 가공 장비와 RF/마이크로파 장비에 사용됩니다.
- 질화알루미늄 기판은 항공우주 및 군사 분야에서도 중요한 역할을 하며, 주로 다양한 방열 제품에 사용됩니다.
10. 질화 알루미늄은 이온 화합물인가, 공유 결합 화합물인가?
질화알루미늄은 공유 결합 화합물입니다. 알루미늄 원자와 질소 원자 사이에 강한 공유 결합이 있다는 것이 특징입니다. 이러한 구조는 질화알루미늄에 높은 열전도도와 우수한 기계적 강도를 부여합니다. 하지만 알루미늄 원자와 질소 원자 사이의 명백한 전기음성도 차이로 인해 일부 극성 특성이 나타나며, 전체적인 결합은 여전히 공유 결합입니다.
11. 질화알루미늄 세라믹의 기계적 강도는 무엇입니까?
질화알루미늄 세라믹은 350~420MPa의 굽힘 강도와 약 3000MPa의 압축 강도를 지닌 뛰어난 기계적 특성을 보입니다. 이 소재는 12GPa의 비커스 경도와 320GPa의 영률을 나타냅니다. 이러한 기계적 특성은 특히 열 및 기계적 응력 사이클에 노출될 때 까다로운 응용 분야에서 안정적인 성능을 보장합니다.
12. LED 패키징에서 질화알루미늄 세라믹의 장점은 무엇입니까?
질화알루미늄의 주요 장점은 다음과 같습니다. 뛰어난 열전도도로 고전력 LED에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있고, 전기 절연성이 뛰어나 안전한 작동을 보장하며, 열팽창 계수가 반도체 소재와 일치하여 열 응력을 줄일 수 있습니다.
13. 알루미늄 질화물은 베릴륨 산화물(BeO)에 비해 어떤 장점이 있습니까?
질화알루미늄의 열적 특성은 산화베릴륨과 유사하며, 질화알루미늄은 완전히 무독성입니다. 산화베릴륨은 가공 또는 취급 시 독성이 매우 강하기 때문에, 질화알루미늄은 대량 생산 시 비용 효율성이 더욱 높습니다.
14. 질화알루미늄 세라믹에 사용할 수 있는 표면 처리 공정은 무엇입니까?
질화알루미늄 세라믹의 표면 처리 공정에는 정밀 연삭, 다이아몬드 연마 및 다양한 금속 가공 공정이 포함됩니다.
- 표면처리를 통해 Ra 0.3~0.5μm의 거칠기 값을 얻을 수 있습니다.
- 금속화에는 전기 연결을 위한 텅스텐, 몰리브덴 및 구리 패턴이 포함됩니다.
- 특수 처리 공정에는 표면 젖음성 향상, 열 인터페이스 재료의 접착력 개선 등이 포함됩니다.