소개
오늘날 전 세계적으로 찾을 수 있는 최고의 열전도성 소재 중 하나는 질화알루미늄입니다. 질화알루미늄은 다양한 응용 분야에서 뛰어난 열전도도를 제공할 뿐만 아니라, 뛰어난 전기 절연체로서 필요한 유전 강도를 갖추고 있습니다. 질화알루미늄이 많은 산업 분야에서 큰 인기를 얻고 널리 사용되는 것도 당연한 일입니다. 오늘 기사에서는 질화알루미늄의 고유한 특성, 합성 및 응용 분야에 대해 알아보겠습니다. 질화알루미늄 소재 질화알루미늄 히터에 대해서도 알아봅니다. 또한 질화알루미늄 제조 방법, 발생할 수 있는 어려움, 그리고 질화알루미늄 소재의 현재 시장 동향도 살펴보겠습니다.
알루미늄 질화물은 무엇에 사용되나요?
질화알루미늄은 알루미늄과 질소로 구성된 매우 내열성이 뛰어난 세라믹 소재입니다. 화학식은 AlN이며, 공유 결합된 작은 원자량을 가지고 있습니다. 이 무색 결정질 화합물은 최고급 전기 절연체이자 반도체 소재로 여겨집니다. 사실, 오늘날 전기 절연성과 열전도도에 대해 이야기할 때 AlN 세라믹 소재를 빼놓을 수 없습니다. AlN 세라믹 소재는 고출력 전자 제품, 히터, 방열판과 관련된 응용 분야에서 사용할 수 있는 최고의 소재 중 하나입니다. 어떤 온도에서도 놀라운 속도로 열을 확산하고 방출할 수 있기 때문입니다.
AlN은 주로 육방정계 우르자이트 결정 형태와 준안정 입방정계 광아연 광상(zinc blende phase)으로 존재하는 알루미늄의 고체 질화물입니다. 실온에서 이 우르자이트 알루미늄 질화물(w-AlN)은 6eV의 밴드갭을 가지므로 광전자 분야에서 심자외선(Deep Ultraviolet) 주파수에서 효율적으로 작동할 수 있습니다. AlN의 단순하면서도 강력한 원자 결합 구조는 320 w/mk-1의 높은 열전도도를 갖는 주요 원인 중 하나입니다. 산소와 같은 불순물은 AlN의 열전도도를 감소시키는 반면, 도핑은 재료의 전기 전도도를 향상시킵니다. 흥미롭게도, 질화알루미늄을 사용하여 반도체를 보호하고 코팅함으로써 전력 소비율을 줄일 수 있습니다.
질화알루미늄 재료의 특성
질화알루미늄 세라믹 소재는 다양한 분야에서 탁월하고 유용하게 활용되는 고유한 특성을 많이 가지고 있습니다. 그중 몇 가지를 소개합니다.
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321 W/mk-1의 높은 열전도도
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우수한 전기 절연체
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고온에서도 최적의 성능을 발휘할 수 있는 능력.
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열팽창 계수는 5.6 x 10-6K-1로 낮습니다.
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높은 압축 강도, 경도, 열 충격 저항성을 가지고 있습니다.
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약 2,200℃로 높은 녹는점.
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베릴리아에 이어 두 번째로 넓은 6eV의 밴드갭을 가지고 있습니다.
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육방정계 뷔르차이트 결정 구조로 인해 자발적 분극이 나타납니다.
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유전율이 8.6인 높은 유전 강도.
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높은 연성과 310 GPa의 탄성 한계를 가지고 있습니다.
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0.2μm - 13.6μm의 인상적인 투명도 창.
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CMOS(보완형 금속산화물 반도체)와의 원활한 호환성.
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용융 금속, 염화물, 소금 및 알칼리에 대한 강한 내성을 가지고 있습니다.
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밀도는 3.32g/cm³입니다.
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비열은 780 J.Kg/K-1입니다.
질화알루미늄 소재의 합성
브리글렙과 고이터는 1862년 최초로 질화알루미늄을 합성(생산)한 과학자였으며, 그 이후로 수많은 산업에서 이 매우 중요한 반도체 물질을 합성하고 있습니다. 현재 질화알루미늄 물질은 세 가지 주요 방법으로 합성할 수 있습니다.
알루미나의 탄소열환원:
이 방법은 고순도 및 내수성을 가진 질화알루미늄을 생산하는 가장 일반적인 방법입니다. 이 방법에서는 수산화알루미늄 또는 알루미나를 질소 가스 흐름과 주로 환원제로 작용하는 탄소 하에서 1,750°C까지 가열합니다.
알루미늄의 직접 질화:
AlN은 알루미늄 분말과 질소 가스를 조절된 온도와 질소 가스 유량 하에서 직접 반응시켜 합성할 수 있습니다. 가열 온도 범위는 650°C입니다.
화학 기상 증착(CVD):
이 방법은 650°C ~ 750°C 범위의 온도에서 가장 효과적입니다. 이 방법에서는 진공 상태와 같은 특정 조건 하에서 염화알루미늄 화합물(AlCl3)을 암모니아 가스 또는 질소로 질화하여 AlN을 생성합니다.
알루미늄 질화물 재료의 응용 분야
질화알루미늄 세라믹 소재는 다양한 산업에 적용되며, 그 중 일부는 다음과 같습니다.
전자 산업
질화알루미늄을 사용하면 LED, 컴퓨터, 모바일 기기 등 빠른 방열이 필요한 고전력 전자 제품의 방열판을 제작할 수 있습니다. 또한, 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 마이크로전자 부품 고밀도가 요구되는 분야에 사용됩니다. RF 필터, 전기 절연체, 음향파 센서는 모두 AlN 세라믹 소재를 사용합니다.
반도체
질화알루미늄 기판은 다른 반도체 소재에서는 찾아보기 힘든 매우 독특한 냉각 성능을 자랑합니다. 당연히 점점 더 많은 반도체 산업에서 AlN 세라믹 소재로 가열판, 레이저, 클램프 링, 마이크로파 장치, 칩 캐리어를 생산하고 있습니다.
군대
AlN 세라믹 소재는 높은 비열과 열 충격에 견디는 능력 덕분에 장갑 탱크, 연마재, 고급 총알 등과 같은 군용 무기와 차량을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.
내화 물질
일부 산업에서는 알루미늄 질화물이 극한의 온도를 안정적으로 견딜 수 있고 형태를 잃지 않으면서 최적의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 AlN의 내화성을 이용해 용광로 안감, 도가니, 단열재를 만드는 경우도 있습니다.
운송 및 자동차 산업
레이더 시스템, 전력 모듈, 항공우주 장치, 자동차 예비 부품, 엔진은 모두 AlN 세라믹 소재로 생산할 수 있습니다.
알루미늄 질화물 제조 공정
제품 사양, 생산 비용 및 용도에 따라 다양한 공정을 사용하여 질화알루미늄 부품을 제조할 수 있습니다. 이러한 질화알루미늄 제조 공정 중 일부는 다음과 같습니다.
냉간 등방압 가압(CIP)
이 공정을 통해 AlN 분말의 모든 면에 동일한 압력을 가한 후 최종적으로 질화알루미늄 가공을 진행하여 질화알루미늄 부품을 제작할 수 있습니다. 이 방법을 통해 고성능 질화알루미늄 소재를 생산할 수 있습니다.
세라믹 사출 성형(CIM)
이 방법에서는 AlN 분말을 유기 담체(바인더)와 혼합하여 원하는 모양에 따라 원하는 몰드에 붓습니다. 그런 다음 바인더를 제거하고 고온 고압에서 원하는 모양으로 소결합니다. 소결은 AlN 재료가 견고한 밀도를 갖도록 하기 위해 수행됩니다.
저압 분말 사출 성형
비용을 절감하면서도 복잡한 형상의 AlN 재료를 생산하고 싶다면 이 방법이 가장 적합합니다. CIM 방법과 매우 유사하지만, 저압에서 진행됩니다. 단, 유기 캐리어를 제대로 제거하지 않으면 AlN 재료에 균열이 발생할 수 있습니다.
테이프 캐스팅
이 방법을 사용하면 금속 전극과의 높은 상용성을 자랑하는 고밀도 질화알루미늄 부품을 얻을 수 있습니다. 이 방법에서는 먼저 AlN 분말, 분산제, 유기 담체, 그리고 가소제를 적절히 혼합합니다. 그런 다음 지지체 표면에 캐스팅하여 매끄러운 녹색 테이프를 얻고, 건조 후 230°C(470°F)에 달하는 온도에서 2~3분간 소결합니다.
정밀 가공
이 질화알루미늄 제조 방법은 고정밀 CNC 기계를 사용하여 AlN을 연삭하고 성형하는 것을 포함합니다. 그러나 AlN 세라믹 소재의 극한 경도로 인해 질화알루미늄 가열판 제조는 점점 더 까다로운 공정이 되고 있습니다. 가공 중 과도한 진동은 이러한 질화알루미늄 부품의 높은 압축 강도로 인해 절삭 공구 및 기계의 성능을 손상시키거나 크게 저해할 수 있습니다. 결과적으로, 주로 다이아몬드 성분 덕분에 질화알루미늄 판 가공에 다결정 다이아몬드(PCD)와 같은 더 효과적인 공구를 사용할 수 있습니다. 질화알루미늄 판의 견고하고 단단한 특성 외에도 제조업체가 질화알루미늄 가열판을 가공할 때 직면하는 또 다른 과제는 이 소재의 높은 열전도도와 취성입니다. 즉, 올바르게 취급하지 않으면 심한 기계적 응력을 받으면 균열이 발생할 수 있습니다.
알루미늄 질화물 히터의 특성
질화알루미늄 히터는 주로 질화알루미늄 소재로 제작된 발열체입니다. AlN의 여러 가지 고유한 열적 및 전기적 특성 덕분에 모든 유형의 고온을 처리할 수 있으며, 적합한 모든 응용 분야에서 뛰어난 열 전달을 제공합니다. AlN 히터의 몇 가지 특성은 다음과 같습니다.
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최대 작동 온도는 1,000°C입니다.
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그들은 초당 약 115°C의 가열 속도를 가지고 있습니다.
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밀도는 3.26g/cm³입니다.
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열전도도는 220w/mk-1입니다.
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최대 왁스 밀도 155w/cm²
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두께는 약 3mm에 달합니다.
알루미늄 질화물 히터의 응용 분야
알루미늄 질화물은 다음과 같은 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.
광전자공학
고온을 관리하고 열에너지를 제어할 수 있는 능력 덕분에 알루미늄 히터는 광전자공학에서 레이저 다이오드, LED 조명 및 기타 마이크로 전자제품을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.
반도체 산업
웨이퍼 가공이 필요한 에피택시나 물리 기상 증착(PVD)과 같은 복잡한 작업에 질화알루미늄 히터를 사용할 수 있습니다. 또한 반도체 소자의 측정 장비를 테스트할 수도 있습니다.
약
의학 분야에서는 DNA 증폭을 위해 질화알루미늄 히터를 사용할 수 있습니다. 이 AlN 히터는 정밀한 온도 제어 덕분에 DNA 및 중합효소 연쇄 반응(PCR)과 같은 여러 중요 검사 장비를 생산하는 의학 검사실에서 사용됩니다.
핫플레이트 생산
이 알루미늄 히터는 가정에서 음식을 데우는 데 사용하는 핫플레이트를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한 산업용 핫플레이트도 제작할 수 있습니다.
화학
AlN 히터를 사용하면 최적의 작동을 위해 매우 높은 온도가 필요한 장비를 생산할 수 있습니다. 이러한 장비 중 일부는 크로마토그래피, 질량 분석 등 화학 분야에서 사용될 수 있습니다.
알루미늄 질화물의 현재 시장 동향
2023년 기준, 알루미늄 질화물의 세계 시장 규모는 1조 4천억 원($)을 약간 넘었습니다. 2024년 시장 동향을 살펴보면, 시장이 1조 4천억 원($)으로 반등하면서 약 1조 1천억 원($)의 눈에 띄는 증가를 보일 것입니다. 시장 분석가들은 세계 수요 증가와 치열한 시장 경쟁으로 인해 연평균 성장률(CAGR) 5조 6천억 원(5TP3T)을 기록하여 2030년까지 시장 규모가 2조 4천억 원($)을 넘어설 것으로 예상합니다. 북미 기업 Surmet은 이후 대규모 AlN 제조 및 공급 분야의 주요 기업으로 자리매김했습니다. ggs세라믹스, 또한 고품질이면서도 저렴한 알루미늄 질화물 히터, 알루미늄 질화물 세라믹 소재 등 원하는 제품을 구매하실 수 있습니다.
자주 묻는 질문
질화알루미늄(AlN)은 폭발성 물질인가요?
아니요. 일반적으로 AlN은 화학적으로 불활성인 화합물입니다. 그러나 염소 증기와 산이 존재할 경우 폭발할 수 있습니다.
질화알루미늄은 독성이 있나요?
네, AlN은 삼키거나, 섭취하거나, 흡입하면 심각한 해를 끼칠 수 있습니다. 피부와 눈 자극을 유발하거나 골수와 폐를 손상시킬 수 있습니다.
알루미늄 질화물과 실리콘 카바이드 중 어느 반도체 재료가 더 나은가요?
고전력 전자장치용 반도체 소재는 효율적인 열전도도와 방열이 있을 때 더욱 효과적입니다. 질화알루미늄 소재는 초광대역 밴드갭을 가지고 있어 다른 반도체 소재보다 이러한 측면에서 우위를 점하고 있으며, 이는 탄화규소(SiC)보다 앞서 있음을 의미합니다.
결론
질화알루미늄 세라믹 소재는 반도체 산업에서 꾸준히 새로운 지평을 열고 있습니다. 질화알루미늄 플레이트부터 질화알루미늄 히터 및 방열판에 이르기까지 AlN은 다양한 산업 분야에 적용되어 왔습니다. 투자 가치가 높은 분야이며, 질화알루미늄이 반도체 산업의 미래를 주도할 것으로 확신합니다.