고열전도성 질화 알루미늄 세라믹의 저온 소결 및 특성평가에 관한 연구

Abstract

질화 알루미늄은 높은 열전도성과 전기절연성, 높은 유전상수, 그리고 실리콘과 유사한 열팽창계수 등의 특성을 바탕으로 세라믹 기판 소재로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 질화 알루미늄을 실제로 응용하는데 있어서는 몇 가지 대표적인 어려움이 있다. 첫째로 강한 공유결합성 물질로서 소결이 어렵다. 이를 해결하기 위해 고온, 고압 및 소결 첨가제 등의 소결 조건이 필요하다. 하지만, 고온, 고압의 소결 분위기를 유지할 경우 생산원가가 비싸지기 때문에 상업적으로 응용하는데는 어려움이 있다. 1981년 K. Komeya의 논문을 통해 다양한 소결 조제를 이용한 질화 알루미늄의 소결 가능성이 보고된 이 후 소결 조제를 이용한 액상 소결에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 다음으로 소결체의 열전도도가 이론값인 320 W/mK에 크게 못 미치는 문제가 있다. 이는 소결체 내부에 존재하는 불순물과 입계, 이차상 등의 영향에 의한 것으로 알려져 있으며 고순도의 초기 분말을 사용함으로써 개선시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히 입내에 존재하는 산소 불순물이 질화 알루미늄의 열전도도를 떨어뜨리는 주된 원인으로 알려져 있으며, 소결 중에 형성된 액상을 통한 물질 이동으로 이 산소 불순물의 농도를 낮출 수 있는 것으로 선행 연구들을 통해 보고 되고 있다. 본 연구에서는 열역학적인 고찰과 선행 연구 결과들을 통해 소결 조제를 선정하고 보조 소결 조제를 이용하여 이들의 액상이 형성되는 온도를 낮추어 저온 소결을 시도하였다. 소결체의 열전도도를 측정하기 위해 Laser flash method를 이용해 열확산계수를 구하여 밀도와 비열의 곱으로 열전도도를 계산하였으며, 형성된 액상을 통해 입내의 산소 불순물이 효과적으로 제거되었는지를 확인하기 위해 Raman spectroscopy를 이용하여 분석하였다. 그리고 소결체가 충분한 전기 절연성을 갖는지 확인하기 위해 Impedance spectroscopy를 이용해 전기전도도 및 비저항을 측정하였다.