[산업기술] 질화알루미늄 (AlN) 한눈에 이해하기

안녕하세요. 달차 입니다.

이번엔 AlN (알루미늄 나이트라이드) 에 대해서 기본적인 사항에 대해서 알아보겠습니다.

지난 포스팅에서 AlN 의 가능성에 대해서 알아봤는데, 이게 어떻게 생긴것인가 궁급했습니다.

그래서 2탄으로 준비해 봤습니다.

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알루미늄 나이트라이드(AlN) 세라믹 한눈에 이해하기

알루미늄 나이트라이드(Aluminum Nitride, AlN)는 육방정계 위르츠석 구조(hexagonal wurtzite structure)를 가진 공유결합 화합물이다. 격자 상수는 a = 0.3110 nm, c = 0.4978 nm이며, Al 원자는 육방 밀집 배열을 이루고, N 원자는 사면체의 절반 공간을 차지한다. Al 원자는 인접한 N 원자와 왜곡된 [AlN₄] 사면체를 형성하며, C축 방향의 Al-N 결합 길이는 0.1917 nm이고, 나머지 세 방향의 Al-N 결합 길이는 0.1885 nm이다. 순수한 AlN 세라믹은 무색 투명하지만, 불순물이 섞이면 다양한 색상을 띠며, 일반적으로 회색, 회백색 또는 옅은 황색을 나타낸다.

AlN 결정구조

 

1. 알루미늄 나이트라이드 세라믹의 발전 역사

• 1862년 – F. Briegler와 A. Geuther가 AlN을 발견함.
• 1877년 – J. W. Mallets가 최초로 AlN을 합성함. 당시 AlN은 질소 고정제(nitrogen-fixing agent)로 사용됨.
• 1950년대 – AlN 세라믹 재료 등장. 고온 내식성이 우수하지만, 밀도가 낮고 강도가 낮아 내화재로 알루미늄 및 알루미늄 합금 용해에 사용됨.
• 1970년대 중후반 – 고밀도의 AlN 세라믹이 제조되었으며, 우수한 열 및 전기적 특성이 주목받으며 연구가 활발해짐.
• 1990년대 초반 – 고품질 AlN 기판 및 패키징 재료 등장. 일본과 미국 등 선진국에서 산업화가 진행됨.
• 현재 – AlN 기판이 전자 패키징의 일반적인 재료로 자리 잡았으며, 중국에서도 연구 및 산업화가 빠르게 발전함.

 

2. 알루미늄 나이트라이드의 제조 방법

 

AlN 제조 기술은 직접 질화법, 탄소열 환원법, 고에너지 볼밀링법, 고온 자전 합성법, 원위치 자발 반응 합성법, 졸-겔법 등이 있다. 현재 산업화가 이루어진 주요 제조 기술은 직접 질화법, 탄소열 환원법, 자전 합성법, 원위치 합성법, 화학 기상 증착법(CVD) 등이 있다.

 

제조 방법장점단점개선 방안

 

제조방법	Advantage	Disadvantage	해결 방안
직접 질화법	원료가 풍부, 공정 간단, 불순물 없음, 저에너지 소비, 대량 생산 가능	수율 낮음, 입자 응집 발생, 불규칙한 입자 형상, 입도 분포가 넓음	공정 최적화, 적절한 첨가제 추가
탄소열 환원법	원료 풍부, 공정 간단, 고순도 분말, 미세 입자 및 균일한 분포	합성 시간 김, 높은 질화 온도 필요, 탄소 불순물 제거 필요, 높은 생산 비용	고품질 원료 사용, 혼합 공정 개선, 반응성이 높은 원료 사용
고에너지 볼밀링법	장비 간단, 생산 효율 높음	불순물 혼입 가능, 분말 품질 저하	내마모성 장비 사용, 불순물 감소
고온 자전 합성법	외부 열원 불필요, 에너지 절약, 저비용	반응이 격렬하고 제어 어려움, 입자 응집 발생	분산제 추가, 반응 열 조절
화학 기상 증착법 (CVD)	고순도, 미세 입자, 나노화 가능	장비 비용 높음, 생산 효율 낮음	-

 

3. 알루미늄 나이트라이드의 특성

1) 열적 특성

• 단결정 AlN의 열전도율 이론값: 320 W/(m·K)
• 실온에서의 열전도율은 Al₂O₃보다 수 배 높으며, BeO와 유사하지만 독성이 없음
• 실온에서의 열팽창 계수: 4.5 × 10⁻⁶ ˚C, 이는 실리콘(3.5~4 × 10⁻⁶ ˚C)과 유사

2) 전기적 특성

• 실온에서 우수한 절연체, 전기 저항률: 10¹⁶ Ω·m
• 절연 파괴 강도: 15 kV/mm
• 유전율: 8.9 F/m (1 MHz 기준)
• 유전 손실: (3~10) × 10⁻⁴ (1 MHz 기준)

3) 기계적 특성

• 경도: 12 GPa
• 밀도(이론값): 3.26 g/cm³
• 탄성 계수(Young’s modulus): 308 GPa
• 굽힘 강도: 300 MPa
• 1300°C에서 고온 강도 저하율이 20% 이내로 낮음

4) 화학적 특성

• 고온 내식성 우수, GaAs(갈륨비소) 용융체에서도 안정
• Al, Cu, Ni 등의 금속이 AlN을 침투하지 못함
• 700~800°C에서 산화 시작, 실온에서 산화 문제 없음
• 공기 중 수분과 반응할 수 있으므로 건조한 환경에서 보관 필요

 

4. 알루미늄 나이트라이드의 응용 분야

1. 패키징 및 방열 기판
   • 전력 반도체, 대규모 집적 회로, 고출력 LED, 레이저 다이오드 등의 기판
2. 반도체 장비 부품
   • 정전 척(ESC), AlN 히터(Heater), 세라믹 노즐, 고온 내식 부품
3. 열전도 충전재
   • 수지 및 플라스틱의 열전도성 향상을 위한 첨가제
4. 반도체 웨이퍼 및 광전자 소자
   • 고전력, 고주파 전자 소자 및 UV 검출기, UV 레이저, 심자외선 LED 등의 기판
5. 열교환 부품
   • 고온 내식성 및 내열 충격성이 우수하여 선박용 가스터빈 열교환기, 내연기관 부품
6. 고온 내화재
   • 알루미늄, 칼슘 등과 반응하지 않음, 도가니, 보호관, 주조 몰드 등으로 사용
7. 광학 부품
   • 적외선 창 및 IR 유도체로 활용
8. 압전 박막
   • SAW 필터 및 압전 MEMS 센서

 

이렇게 질화 알루미늄은 많은 곳에 사용이 가능합니다.

 

그럼 좋은 하루 되세요.