열압착 질화 붕소(HPBN)와 열분해 질화 붕소(PBN) 비교

1 소개

첨단 세라믹 소재인질화붕소(BN)는 초고열 전도성, 뛰어난 전기 절연성, 뛰어난 고온 안정성(불활성 대기에서 2000°C 이상 사용 가능), 대부분의 용융 금속 및 부식 환경에 대한 화학적 불활성, 낮은 유전율 및 손실 탄젠트, 고유한 윤활성 등의 탁월한 특성으로 인해 주요 산업 및 기술 분야에서 필수 불가결한 소재로 부상하고 있습니다. 반도체 제조의 단결정 성장 도가니와 열 관리 부품부터 야금학의 고온 용융 금속 취급, 나아가 항공우주, 원자력, 첨단 전자 패키징의 극한 환경 애플리케이션에 이르기까지 BN 기반 소재는 혁신적인 잠재력을 보여줍니다.

그러나 BN 소재의 최종 형태(예: 벌크, 코팅 또는 필름)와 핵심 성능 특성(예: 순도, 밀도, 이방성, 기계적 강도, 열/전기 전도성 방향성)은 제조 공정에 따라 크게 영향을 받습니다. 다양한 제조 경로 중에서 열압착 질화붕소(HPBN)와 열분해 질화붕소(PBN)는 벌크 및 후막 BN 생산에 가장 핵심적인 두 가지 기술입니다. 이 두 공정은 동일한 기본 재료를 공유하지만 원리(물리적 소결 대 화학적 기상 증착), 작동 매개변수(고온/고압 응집 대 대기/저압 기상 반응), 결과적인 재료 특성에서 근본적으로 다르므로 미세 구조, 특성 프로파일 및 응용 영역이 서로 다릅니다. 이 리뷰에서는 HPBN과 PBN 기술 간의 과학적 원리, 공정 워크플로우, 기술적 장점/한계, 재료 성능 차이(순도, 밀도, 열/전기 이방성, 기계적 거동, 진공 특성 포함)를 체계적으로 비교합니다. 이 연구는 최적의 적용 시나리오를 설명함으로써 재료 엔지니어와 설계자에게 특정 기술 요구 사항에 맞는 정보에 입각한 재료 선택과 공정 이해를 위한 엄격한 이론적 프레임워크와 실용적인 지침을 제공하는 것을 목표로 합니다.

그림 1 다양한 질화붕소 세라믹 제품들

2 세부 공정 원리 및 워크플로

2.1 열간 압착 질화 붕소 - HPBN

열간 압착 질화 붕소 (HPBN) 의 제조는 고순도 육방정 질화 붕소(h-BN) 분말을 주원료로 하여 시작됩니다. 소결 치밀화를 향상시키기 위해 일반적으로 소결 보조제인 산화붕소(B2O3), 산화칼슘(CaO) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)을 분말 혼합물에 소량 첨가합니다. 핵심 공정은 균질화된 분말을 특수 설계된 흑연 다이에 넣은 다음 불활성 대기(일반적으로 질소, N2 또는 아르곤, Ar) 또는 진공 조건에서 고온(1700-2000°C)과 일축 압력(10-40 MPa)을 동시에 가하는 것입니다.

열간 프레스 중 치밀화 메커니즘에는 (1) 고온에서 h-BN 입자의 열 연화, (2) 압력에 의한 입자 슬라이딩, 재배열 및 소성 변형, (3) 고온에서 소결 보조제로 인한 액체상 형성 등 시너지 효과를 내는 물리화학적 상호 작용이 포함됩니다. 이 액체상은 입자 표면에서의 용해-재침전 과정과 입자 경계 슬라이딩을 통해 치밀화를 가속화합니다. 전체 워크플로에는 정밀한 파우더 혼합, 다이 로딩, 분위기 제어(진공 펌핑 또는 가스 퍼징), 동시 온도/압력 램핑, 완전한 치밀화를 달성하기 위한 등온 등압 유지, 탈형 전 냉각/감압 제어가 포함됩니다. 열간 프레스는 그물 모양에 가까운 부품을 생산하지만, 최종 치수 공차를 충족하기 위해 후속 기계 가공 작업(예: 절단, 연삭)이 필요한 경우가 많습니다.

HPBN 제품은 주로 플레이트, 로드, 도가니, 노즐 및 특수 단열 부품을 포함한 고밀도 벌크 재료로 나타납니다. 달성 가능한 형상과 치수는 흑연 툴링 시스템의 설계 및 하중 지지력에 의해 직접적으로 제약을 받습니다.

2.2 열분해 질화 붕소 - PBN

열분해 질화 붕소(PBN) 는 삼염화 붕소(BCl3) 또는 삼화붕소(BBr3)와 같은 기체 전구체와 암모니아(NH3)를 반응 기체로 사용하여 화학 기상 증착(CVD)을 통해 제조됩니다. 이 공정은 저진공에서 대기압에 이르는 압력에서 1400°C에서 1900°C 범위의 온도에서 작동하는 특수 증착로 내에서 이루어집니다. 증착 시퀀스는 세척된 기판(일반적으로 고순도 흑연)을 반응 챔버에 로딩하는 것으로 시작하여 진공 펌핑과 정밀하게 제어된 전구체/담지 가스 혼합물의 도입으로 이어집니다. 프로그래밍된 가열을 통해 목표 증착 온도에 도달하면 전구체 가스는 가열된 기판 표면에서 열분해 및 재결합을 거쳐 반응을 통해 원자 규모의 물질 성장을 가능하게 합니다: BCl3 + NH3 → BN + 3HCl.

물질 성장 메커니즘은 기체 분자가 기판 표면에 흡착하여 이동하고 핵을 형성한 후 화학 결합을 통해 BN 결정 구조를 형성하는 표면 반응에 의한 층별 축적 과정을 따릅니다. 증착층 밀도, 결정학적 방향, 성장 속도는 네 가지 매개변수에 의해 결정됩니다:

1. 기판 온도(표면 반응 동역학 및 원자 이동도 조절)
2. 반응기 압력(기체 분자 평균 자유 경로에 영향을 미침)
3. 전구체 가스 유량 비율(반응 평형 및 불순물 수준 결정)
4. 기판 표면 상태(핵 형성 밀도에 영향을 미치는 거칠기 및 결정학적 방향).

제어된 냉각 후 최종 제품은 기계적/화학적 방출을 통해 희생 기판에서 분리된 독립형 구조 또는 기능성 부품에 직접 증착된 컨포멀 코팅의 두 가지 범주로 분류됩니다. PBN 제품은 초고순도(>99.99%) 및 비다공성 미세 구조와 다음과 같은 특징적인 형태를 나타냅니다:

1. 복잡한 곡선형 코팅(일반적으로 두께 500μm 미만)
2. 얇은 벽의 자립형 구조(튜브, 도가니, 밀리미터 단위의 벽 두께를 가진 보트)
3. 복잡한 3D 프로파일을 가진 밀폐된 형상

PBN은 복잡한 구성의 증착이 가능하지만, 본질적으로 성장 속도가 느리기 때문에 두꺼운 섹션(5mm 이상)의 경우 제작 시간이 기하급수적으로 증가하여 대량 적용을 위한 핫 프레스 같은 벌크 성형 기술에 비해 경제성이 떨어집니다.

그림 2 다양한 성형 온도에서 질화붕소 블록의 기계적 특성 및 미세 구조의 변화

3 핵심 공정 특성 및 비교

3.1 공정 본질 및 원료 시스템

HPBN(핫 프레스 질화붕소):

이 방법은 고체 소결 기술을 활용합니다. 육방정 질화 붕소(h-BN) 분말로 시작하여 고온과 고압에서 치밀화가 이루어집니다. 소결 보조제(예: B2O3 또는 CaO)는 입자 경계 에너지를 감소시키는 액상을 형성하여 입자 재배열과 소성 흐름을 촉진함으로써 치밀화를 촉진합니다.

PBN(열분해 질화 붕소):

화학 기상 증착(CVD) 기술입니다. 기체 전구체(BCl3 또는 BBr3)가 NH3와 반응하여 표면 화학 반응(예: BCl3 + NH3 → BN + 3HCl)을 통해 원자 수준의 증착을 가능하게 합니다. 이 공정은 고순도를 달성하고 기계적 압축이 필요하지 않습니다.

3.2 주요 공정 파라미터

표 1 HPBN과 PBN의 주요 공정 파라미터 비교

3.3 미세 구조 형성 메커니즘

HPBN:

치밀화는 물리적 메커니즘에서 비롯됩니다:

1. 입자 슬라이딩 및 재배열(고압에 의해 구동됨)
2. 입자 경계 확산(온도 상승에 의해 촉진됨)
3. 액상 보조 용해-재침전(소결 보조제에 의해 활성화됨)

결과물은 약 5~20μm의 입자 크기를 가진 다결정 집합체입니다.

PBN:

성장은 화학적 동역학에 의해 좌우됩니다:

1. 기체 상태 분자의 기판 흡착
2. 표면 이동 및 핵 형성(온도에 매우 민감함)
3. 화학적 결합으로 층상 구조 형성

이 제품은 두께를 관통하는 성장을 보이는 고도로 정렬된 원주형 입자를 특징으로 합니다.

그림 3 SPS를 통해 제조된 벌크 세라믹의 XRD 패턴 및 미세 구조.

3.4 제품 성능 및 기하학적 특성

표 2 열간 압착(HPBN)과 열분해 질화 붕소(PBN)의 특성 비교

3.5 기술 및 경제성 비교

HPBN은 상대적으로 적은 장비 투자(핫 프레스 대 CVD 시스템)로 두꺼운 단면 부품(예: 도가니, 절연판)을 비용 효율적으로 대량 생산하는 데 탁월합니다. 반대로 PBN은 반도체 애플리케이션에 필수적인 초고순도, 무오염 환경을 구현하고 복잡한 박벽 구조의 그물 모양에 가까운 제작을 실현하여 재료 낭비를 크게 줄입니다.

두 기술 모두 내재적인 제약에 직면해 있습니다: HPBN은 이형 시 부서지기 쉬운 파손 위험으로 인해 1mm 미만의 얇은 벽을 가진 부품 제조에 어려움을 겪고 있으며, PBN은 느린 증착 속도(~20μm/h)로 인해 5mm 두께를 넘어가면 비용이 기하급수적으로 증가합니다.

표 3 제조 공정 비교: 열압착 질화붕소(HPBN) 소결 대 열분해 질화붕소(PBN) 화학 기상 증착 비교

4 재료 특성 비교 분석

열압착 질화붕소(HPBN)와 열분해 질화붕소(PBN)는 모두 육각형 질화붕소계에 속하지만, 미세 구조적 차이로 인해 근본적으로 다른 거시적 특성이 나타납니다. 고온/고압 소결을 통해 형성된 HPBN은 1.8-2.0g/cm3의 밀도를 가진 미량의 고립된 폐쇄 기공(0.5-3 μm)을 포함하는 다결정 구조를 생성하는 무작위 배향 입자를 나타냅니다. 잔류 소결 보조제(예: B2O3)는 순도를 99.5-99.9%로 제한합니다. 반면, 화학 기상 증착을 통해 생산되는 PBN은 기판에 정상적으로 성장하는 원주형 입자를 생성하여 소결 첨가제 없이 순도 99.99%를 초과하는 완전 고밀도(2.20-2.25g/cm3)의 단상 구조를 생성합니다.

4.1 열 및 전기적 특성

PBN의 원주형 결정 구조는 증착면(a-b 평면) 방향의 열전도도가 150-220 W/(m-K)에 달해 h-BN 단결정의 이론적 한계에 근접하는 반면, 증착면(c축) 방향에 수직인 열전도도는 1-3 W/(m-K)로 급격히 떨어지며 자연 열 장벽을 형성하는 극단적인 이방성 열전도 특성을 가집니다. 반면 HPBN은 무질서한 결정립 배열로 인해 등방성 열전도율(25~60W/(m-K))을 나타내며, 결정립 경계면이 포논 산란을 통해 열전도율을 크게 감소시킵니다. 두 소재 모두 체적 저항이 10^13 Ω-cm를 초과하는 우수한 전기 절연 특성을 나타냅니다. 그러나 PBN은 기공이 없는 구조로 인해 HPBN(30~40kV/mm)보다 파괴 강도(40~50kV/mm)가 약간 더 높습니다.

4.2 진공 및 화학적 안정성

PBN의 완전 고밀도 구조 덕분에 초고진공 환경(<10^-10 mbar)에서 5×10^-11 Torr-L/(s-cm^2)의 낮은 탈기체율을 달성할 수 있으며, 이는 HPBN보다 1~2배 낮은 수치로 반도체 에피택셜 장비의 핵심 부품에 선호되는 선택입니다. 화학적 불활성 측면에서 두 재료 모두 용융 금속(Al, Cu, Au) 및 비산화 산에 의한 부식에 저항합니다. 그러나 PBN은 불순물 상이 없기 때문에 용융 알칼리 부식(예: NaOH)에 대한 저항성이 우수합니다. 고온 산화 임계값 테스트 결과 PBN은 건조한 공기에서 최대 850°C까지 안정적으로 유지되어 HPBN의 800°C 임계값을 능가하는 것으로 나타났습니다. 이러한 차이는 산화 과정을 가속화하는 HPBN의 입자 경계에 있는 촉진제에서 비롯됩니다.

4.3 기계적 특성 및 가공성

HPBN의 굴곡 강도(30-100 MPa)와 파괴 인성(2.5-3.5 MPa-m^1/2)은 흑연과 유사한 가공성을 부여하여 기존의 기계 가공을 통해 복잡한 형상을 생산할 수 있게 해줍니다. PBN은 a-b 평면 방향에서 더 높은 강도(120-180 MPa)를 나타내지만, 층상 구조로 인해 c축 방향을 따라 부서지기 쉬운 박리(파괴 인성 1.0-1.8 MPa-m^1/2에 불과)가 발생하며 미세 경도(350-400 kgf/mm2)는 HPBN의 약 1.5배에 달합니다. 이러한 높은 경도와 낮은 인성의 상반된 조합으로 인해 PBN은 선삭 또는 밀링을 통한 가공이 거의 불가능하며 정밀 연삭 또는 증착 공정을 통해서만 직접 성형할 수 있습니다.

표 4 주요 성능 파라미터 비교

4.4 성능 차이의 물리적 본질

PBN의 뚜렷한 이방성은 고도로 배향된 원주형 입자 구조에서 비롯됩니다. a-b 평면 내의 강한 공유 결합은 높은 열 전도 경로를 촉진하는 반면, c축 방향을 따라 약한 반데르발스 힘은 상당한 열 저항을 유발합니다. 반대로 HPBN은 무작위 입자 적층으로 인해 균일한 특성을 나타냅니다. 고립된 미세 기공은 기계적 강도를 약간 떨어뜨리지만 가공성을 가능하게 합니다. 특히, PBN의 높은 평면 내 강도(증착 표면과 평행)와 약한 관통 두께 무결성이 공존하는 것은 근본적으로 육각형 질화붕소의 층상 결정 구조를 반영하는데, 여기서 기저면 공유 결합은 층간 반데르발스 힘보다 두 배 이상 큰 강도를 나타냅니다.

4.5 엔지니어링 선택 원칙

반도체 초고진공 시스템에서 PBN 도가니는 매우 낮은 가스 배출과 높은 순도로 인해 필수 불가결한 것으로 입증되었습니다. 기계적 내하중 성능 또는 복잡한 성형(예: 용융염 전기분해 셀 라이닝)이 필요한 응용 분야의 경우, HPBN이 더 큰 공정 이점을 제공합니다. 이러한 성능 차이는 구조적 제어 정밀도에서 비롯됩니다: HPBN은 기존 분말 야금에 내재된 성능 저하를 나타내는 반면, PBN은 재료 고유의 특성을 극대화할 수 있는 기상 증착의 능력을 보여줍니다. 향후 발전을 위해서는 PBN의 처리 한계를 해결하거나 입자 방향 제어 기술을 통해 HPBN의 열 전도성을 향상시켜야 합니다.

그림 4 열분해 질화 붕소 VGF 도가니

5 일반적인 응용 시나리오 분석

5.1. 열압착 질화붕소(HPBN)의 유리한 분야

HPBN은 등방성 특성, 기계 가공성, 비용 효율성이 요구되는 응용 분야에서 대체 불가능한 가치를 보여줍니다: GaAs/GaP 반도체 용융 도가니(직경 300mm 이상) 및 알루미늄 합금 주조 분배 팬과 같은 대규모 고온 용기는 균일한 열팽창 계수(3.5-4.5×10^-6/°C)를 활용하여 열 순환 응력을 견디며, 상당한 벽 두께(≥20mm)로 용융된 재료를 봉쇄할 수 있습니다. 복잡한 기능성 부품의 경우 HPBN은 아크 침식에 강한 플라즈마 아크 챔버 라이닝의 냉각 채널을 가공하고 유리 성형 금형에서 Ra 0.4μm의 표면 마감을 달성하여 접착을 방지합니다. 용접 노즐이나 열처리 설비와 같이 비용에 민감한 응용 분야에서 HPBN의 소결 제조는 제어된 다공성(3% 미만)으로 기능 성능을 유지하면서 PBN에 비해 비용을 60~80% 절감할 수 있습니다. 주목할 만한 사례로는 1560°C에서 2000시간 후 0.5mm 미만의 변형을 보이는 다결정 실리콘 잉곳 용광로 단열 지지대(굴곡 강도 ≥80MPa)가 있으며, 이는 흑연 대체품보다 훨씬 뛰어난 성능입니다.

PBN은 고순도(>99.99%), 내재적 치밀화 및 엔지니어링된 열 이방성을 통해 하이엔드 애플리케이션에서 우위를 점하고 있습니다. 초고순도 반도체 제조에서 MBE 소스 보트는 금속 오염(Al, Fe)을 방지하는 반면, PBN의 탈기체율은 5×10^-11 Torr-L/(s-cm^2) 이하로 필름 무결성을 보존합니다. 수직 브리지맨(VB) GaAs 결정 성장은 PBN 도가니를 사용하여 탄소 불순물 수준을 <10^15 원자/cm^3로 달성합니다. 싱크로트론 빔라인 콜리메이터(10^-10 Pa)와 같은 중요 진공 시스템은 탄화수소 탈착을 방지하기 위해 PBN 라이너를 활용하고 질량 분석기 이온 소스는 낮은 스퍼터링 수율(<10^-4 원자/이온)을 활용합니다. 방향성 열 관리에는 2mm PBN 기판이 200W/(m-K) 이상의 평면 내 전도성을 제공하면서 c축 전도를 1.5W/(m-K)로 제한하는 레이저 다이오드 히트 싱크와 1600°C 핫존에서도 200°C 미만의 차가운 끝을 유지하는 연속 주조 모니터 실드가 포함됩니다. PBN의 그물망에 가까운 성형 기능은 RF 플라즈마 발생기 튜브(0.8-1.2mm 두께, 증착된 Ra<0.1μm)와 같은 얇은 벽 구조를 생성하여 후처리 없이 플라즈마 균일성을 보장합니다. PBN 아크 챔버(순도 99.995%)를 사용한 이온 주입기 사례 연구에서는 실리콘 웨이퍼 금속 오염을 알루미나 성분보다 두 배 낮은 5×10^9 원자/cm2로 줄였습니다.

표 5 선택 결정 메커니즘

5.2 애플리케이션 시나리오의 심층적인 상호 연결성

본질적 순도 이점:

반도체 애플리케이션에서 PBN의 우위는 내재적 순도에서 비롯됩니다. 증착 공정은 소결 보조제에 존재하는 B와 O 이외의 원소(예: Ca, Al)의 유입을 방지하지만, HPBN의 0.1% B2O3도 1400°C 이상에서 휘발하여 InP 에피택셜 층을 오염시킬 수 있습니다.

열 관리 혁신:

PBN의 열 이방성은 혁신적인 방열 아키텍처를 가능하게 합니다. 킬로와트급 레이저 모듈에서 PBN 기판은 열에 민감한 광학 장치의 온도 상승을 5°C 미만으로 제한하면서 방열 효율을 300%까지 높여 일반적으로 30°C 이상의 온도 상승을 유발하는 기존 AlN 기판보다 크게 개선되었습니다.

그림 5 CVD 공정은 또한 아래 그림에서 볼 수 있듯이 거의 완벽한 레이어 구조를 가진 PBN을 생성합니다. 이로 인해 증착 방향(A 방향)과 증착 평면에 수직인 방향(C 방향)의 열전도도가 약 20배 차이가 나는 이방성 열전도도가 발생하여 결정 성장 도가니 제조에 이상적인 소재가 됩니다. 따라서 PBN 도가니는 GaAs 결정 성장 분야에서도 인기 있는 선택입니다.

고장 모드 완화:

플라즈마 아크 챔버에서 HPBN의 적용은 균일한 마모 특성을 활용합니다. 다결정 구조는 등방성 스퍼터 침식 속도(0.1-0.3mm/1000h)를 가능하게 하는 반면, PBN은 이방성 층상 구조로 인해 이온 충격 시 층별 박리를 경험할 수 있습니다.

6 결론

열압착 질화붕소(HPBN)와 열분해 질 화붕소(PBN)의 성능 차이는 서로 다른 제조 공정에서 비롯됩니다. 분말 소결을 통해 형성되는 HPBN은 등방성 특성과 우수한 기계 가공성을 갖춘 다결정 구조를 낮은 비용으로 형성합니다. 그러나 잔류 다공성(0.5~3%)과 소결 첨가제로 인해 순도가 ≤99.9%로 제한되어 진공 탈기체(~10^-8 Torr-L/(s-cm^2))가 더 많이 발생합니다. 반면, PBN은 화학 기상 증착을 통해 원주형 입자를 성장시켜 순도 99.995% 이상과 5×10^-11 Torr-L/(s-cm^2) 미만의 탈기체율을 달성합니다. 열 전도성은 뚜렷한 이방성을 나타내며, a-b 평면에서는 220W/(m-K)에 이르지만 c축에서는 2W/(m-K)에 불과하지만 층간 결합이 약해 가공 취성을 유발합니다.

애플리케이션 선택은 성능 한계에 따라 달라집니다:

• HPBN은 복잡한 가공 또는 비용 민감도가 요구되는 대형 용융 도가니(예: 구리 제련) 및 플라즈마 챔버 라이너에 탁월합니다.
• PBN은 99.99% 이상의 순도 또는 방향성 열 관리가 요구되는 MBE 도가니, 이온 주입기 아크 챔버 및 레이저 방열판에서 대체할 수 없는 소재입니다.

선택 프레임워크는 세 가지 중요한 매개변수에 우선순위를 둡니다:

• 진공 요구 사항: 압력 <10^-8 Pa의 경우 PBN 의무화
• 열 관리: 방향성 전도성이 필요한 경우 PBN은 필수입니다(<3%의 관통 두께 누출로 평면 내 200W/(m-K) 이상).
• 비용 임계값: PBN은 성능 요구가 가공 용이성 및 비용 민감성보다 중요한 시나리오에서 선호됩니다.

미래의 혁신은 근본적인 한계를 해결해야 합니다: HPBN은 향상된 평면 내 전도성(현재 40W/(m-K) 미만)이 필요한 반면, PBN은 향상된 C축 인성이 필요합니다. 하이브리드 구조(예: HPBN 기판의 PBN 코팅)는 이미 반도체 캐리어 트레이에서 50% 수명 향상을 검증한 실행 가능한 솔루션을 제시합니다.

HPBN과 PBN의 고유한 장점을 최대한 활용하려면 고품질의 애플리케이션별 소재에 대한 일관된 접근이 무엇보다 중요합니다. 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)는 이 공급망의 선두에 서서 반도체, 항공우주 및 산업 분야의 엄격한 요구 사항을 충족하는 광범위한 질화붕소 제품을 제공합니다. SAM은 제품 공급 외에도 전문 기술 지원과 맞춤형 솔루션을 제공하여 재료 엔지니어와 설계자가 성능을 최적화하고 혁신을 가속화할 수 있도록 지원합니다. SAM과 같은 신뢰할 수 있는 공급업체와의 파트너십은 다양하고 도전적인 기술 분야에서 질화붕소 폴리모프의 혁신적 잠재력을 완전히 실현할 수 있도록 보장합니다.