질화알루미늄의 열전도도: 알아야 할 사항

질화알루미늄은 세라믹 기술의 발전과 함께 과학 분야에서 활발하게 활용되어 왔습니다. AlN은 열전도도와 전기 절연성이 우수합니다. 또한, AlN은 가공 중 작업자의 건강 위험을 유발하지 않는다는 장점이 있습니다. 따라서 AlN은 다른 경쟁 세라믹보다 우수한 것으로 여겨집니다.

AlN의 특성: 참고를 위한 빠른 가이드

알루미늄 질화물의 모든 특성을 배우는 간단한 가이드입니다. 이 표를 통해 AlN 사용 환경을 평가하는 데 도움이 될 것입니다.

질화알루미늄은 어떻게 합성되나요?

질화알루미늄은 알루미나를 직접 질화하여 생산할 수 있습니다. 다른 생산 방법으로는 알루미나를 탄소 열 환원법으로 제조하는 방법이 있습니다. AlN의 공유 결합은 매우 강하여 소결이 어렵습니다. 소결을 통해 AlN을 제조하려면 액체 형태의 특수 첨가제가 필요합니다.

고급 세라믹을 생산하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 질화물 세라믹의 전 세계 생산은 기본적으로 등방성 가압 성형 또는 건식 가압 성형으로 이루어집니다. 다른 방법으로는 세라믹을 이용한 사출 성형이나 저압 사출 성형이 있습니다. AlN의 소결 방법은 스파크 플라즈마 소결, 무압 소결, 그리고 마이크로파 소결을 고려합니다.

질화물 세라믹의 성형 공정은 건식과 습식 두 가지 유형으로 나뉩니다. 건식 성형은 일반 성형과 냉간 등방성 성형으로 나눌 수 있습니다. 습식 성형은 복잡한 형상을 제작하는 데 사용됩니다. 슬립 성형, 테이프 겔 캐스팅, 사출 성형 등의 방법이 있습니다.

알루미늄 질화물의 물리적 특성에 대한 세부 설명

질화알루미늄은 이름에서 알 수 있듯이 알루미나로 구성된 고체 형태의 질화물을 의미합니다. 넓은 밴드갭을 가지고 있으며, 원자량이 작고 원자간 결합이 강하여 세라믹의 강도가 높습니다. 일반적으로 우르자이트 결정 구조를 따르며, 준안정 입방정계 상을 가집니다.

알루미늄의 열전도도는 150~320 W/m·K입니다. 질화알루미늄의 전기 전도도는 약 10-11~10-13입니다. 도핑하면 전도도는 10-5 또는 10-6으로 감소합니다. 일반적으로 우르자이트 상태의 알루미늄은 광전자공학과 관련된 분야에 사용됩니다.

AlN은 약 2200°C의 고온에서 안정적입니다. 표면의 산화막은 1370°C의 작동 온도에서 재료를 보호합니다. 내식성에 대해 말하자면, 알칼리와 무기산에 의한 부식에 취약합니다. 그러나 질화물 세라믹은 용융염에 대한 부식 저항성이 우수합니다.

AlN 속성: 간략히 보기

다음은 AlN의 주요 특성에 대한 간략한 요약입니다.

• 고온 작동

• 알루미나보다 5배 더 큰 뛰어난 열전도도

• Aln의 CTE 값은 낮습니다.

• 유전율 값이 작습니다

• 우수한 전기 저항률 및 절연 특성

• 우수한 압축 저항성

• 산 및 알칼리를 제외한 우수한 내식성

• AlN의 순도는 높은 편입니다.

알루미늄 질화물 CTE

열팽창 계수는 재료의 온도 거동을 명확하게 보여줍니다. 고급 세라믹은 열팽창 계수가 낮은 것으로 알려져 있습니다. CTE 값은 인가된 온도에서 재료가 어떻게 팽창하는지 보여줍니다. 그러나 열을 가하면 재료가 팽창하더라도 원자 구조는 안정적으로 유지됩니다.

AlN과 같은 고급 세라믹은 금속에 비해 열팽창 계수가 절반입니다. CTE 값이 낮기 때문에 압축 시 기계적 강도를 유지합니다. 열팽창 계수 측면에서는 지르코니아와 알루미나가 가장 높은 반면, 질화규소와 탄화규소는 가장 낮은 값을 보입니다.

 알루미늄 질화물의 CTE는 작동 온도 범위 300K에서 x축과 z축을 따라 5.3~4.2(x 10-6) K-1 범위에 있습니다. 알루미늄 질화물의 CTE는 실리콘과 동등한 것으로 간주됩니다.

열팽창계수와 세라믹 기판의 효율

AlN은 우수한 온도 전달 특성과 마이크로전자공학에 도움이 되는 전기 저항성을 갖추고 있습니다. AlN 기반 세라믹 기판의 작동에 CTE가 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.

DBC 기판의 열팽창 영향

DBC 기판에는 구리에 Aln 또는 실리콘 질화물이 결합되어 있습니다. Aln, Cu, SiN의 열팽창 차이(4.5ppm, 17ppm, 3ppm)는 높은 기계적 응력을 유발합니다. 이러한 응력은 기판의 형상에 균열을 유발합니다. 이 균열은 세라믹의 가열 및 냉각 과정에서 발생하는 충격 사이클의 결과로 형성됩니다.

따라서 CTE 관리는 세라믹 기판의 장기 작동에 매우 중요합니다. 위에서 다양한 세라믹 재료의 CTE를 비교했습니다.

질화알루미늄의 열전도도

열전도도는 재료가 열 에너지를 얼마나 잘 통과시키는지를 나타냅니다. AlN은 열전도도가 높습니다. 또한, 높은 전기 저항을 가지고 있어 우수한 방열 재료로 활용될 수 있습니다. 세라믹 전도도는 다양한 특성에 영향을 받습니다.

불순물의 존재는 열 전달에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 산소 불순물이 증가함에 따라 AlN의 전도도가 증가하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 결정 격자에 존재하는 빈자리 수, 즉 실리콘과 탄소 불순물은 열 전도도를 감소시킵니다.

AlN의 열 특성은 생산 공정 자체에서 제어할 수 있습니다. 미세 구조의 변화와 가공 중 다양한 조건은 열 흐름의 변화에 영향을 미칩니다. 고순도 분말을 사용하고 소결 공정에 적용된 방법을 통해 열전도도가 크게 향상됩니다.

AlN의 열전도도는 BeO보다 왜 더 좋은가?

BeO와 AlN은 모두 높은 열전도도를 가진 세라믹입니다. 따라서 고온 응용 분야에 사용될 수 있습니다. AlN이 BeO를 능가하는 방식을 살펴보겠습니다.

산화베릴륨(BeO)

Beo의 열전도도는 330 W/Mk입니다. 이 소재는 열 관리가 중요한 환경에 주로 사용됩니다. 베릴륨 산화물은 뛰어난 전도성으로 인해 기판 및 절연체로 사용됩니다. 또한, 열 안정성이 중요한 마이크로파용 튜브 제조에도 사용됩니다.

베릴륨 산화물의 문제는 독성입니다. 베릴륨 산화물은 유해하며 취급 시 주의해야 합니다. 세라믹의 재활용 및 재사용은 BeO 취급 시 상당한 어려움을 겪습니다.

질화알루미늄(AlN)

질화알루미늄의 전도도는 170~210 W/mK 범위에서 BeO보다 상대적으로 낮습니다. 무독성이 요구되는 경우 질화 세라믹이 사용됩니다. ALN 세라믹은 LED 및 반도체 전자 부품에서 방열을 위해 사용됩니다. AlN은 BeO보다 전력 전자 응용 분야에서 우수한 장점으로 선호됩니다.

AlN은 높은 전기 저항과 열 안정성을 가지고 있어 절연성이 뛰어납니다. 질화알루미늄은 고온 응용 분야에 적합하며, 소비자용 전자 제품 공급 시 안전하지 않은 취급 상황을 방지하기 위해 사용됩니다.

다양한 세라믹의 전도도: 개요

위 그래프는 다양한 세라믹 재료의 전도도를 비교한 것입니다. 일반적으로 전도도가 낮은 재료가 전기 절연체로 선호됩니다. 표에서 알 수 있듯이 지르코니아는 전도도가 낮아 절연체로 적합합니다. AlN은 열전도도가 매우 높아 방열 성능이 뛰어납니다.

AlN의 전도성이 두드러지게 활용되는 분야 중 하나는 고출력 LED와 다이오드입니다. 이러한 기기는 일반적으로 열을 발생시킵니다. AlN의 방열 특성은 과열을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이는 신뢰성을 높이고 수명을 연장합니다.

AlN 열전도도를 측정하는 데 사용되는 널리 사용되는 두 가지 기술은 핫와이어법과 과도 핫스트립법입니다.

AlN의 산업적 활용

알루미늄 질화물 세라믹의 대중적인 산업적 사용 사례는 아래와 같습니다.

• 내화 물질: AlN은 우수한 내화물입니다. 도가니 라이닝이나 주조용 주형 및 관련 부속품의 구조적 지지대로 사용됩니다.

• 전자 기판: AlN 기판은 군용 멀티칩 모듈로 사용됩니다. 전력 전자, 레이저 다이오드, LED 방열판의 방열판 역할을 합니다. AlN 기판의 뛰어난 방열 성능은 AlN 기판의 우수한 전도성에 기인합니다.

• 자동차: 질화알루미늄은 열 및 가스 기반 하이브리드 자동차 점화 엔진에 사용되며, 고온에서 안정적입니다.

• 포장재: 질화알루미늄은 내열성과 내구성이 뛰어난 좋은 포장재입니다.

결론

질화알루미늄의 도입은 고온 엔지니어링 응용 분야에서 최고의 기능성을 제공했습니다. 경쟁 소재 대비 뛰어난 열전도도 덕분에 전력 전자 분야에서 효율적인 방열 장치가 탄생했습니다. 즉, 질화알루미늄의 장점인 재료의 수명과 성능이 향상됩니다.