열전도율이 높은 세라믹 소재는 무엇인가요?

세라믹 소재의 열전도율은 세라믹 소재의 적용에 중요한 역할을 합니다. 특정 범위에서 특정 방법으로 세라믹 소재의 열전도율을 높이면 열 전도, 열 대류 및 열 복사 능력이 향상되어 적용 분야를 더욱 확장할 수 있습니다. 열전도율이 높은 세라믹 소재는 주로 다결정 다이아몬드 세라믹, 질화 알루미늄, 산화 베릴륨, 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드와 같은 산화물, 질화물, 탄화물 및 붕화물로 구성됩니다.

다결정 다이아몬드(PCD)

다이아몬드는 열전도율이 높습니다. 단결정의 열전도율 이론값은 상온에서 1642W/m-K이며, 측정값은 2000W/m-K입니다. 그러나 대형 단결정 다이아몬드는 제조가 어렵고 가격이 비쌉니다. 다결정 다이아몬드의 소결 공정에서는 높은 열전도율의 PCD 세라믹을 얻기 위해 다이아몬드 분말 간의 결합을 촉진하기 위해 소결 보조제를 첨가하는 경우가 많습니다. 그러나 소결 보조제는 고온 소결 과정에서 다이아몬드 분말의 탄화를 촉매하여 다결정 다이아몬드가 더 이상 절연되지 않도록 할 수 있습니다. 다이아몬드 작은 단결정은 세라믹의 열전도도를 향상시키기 위해 강화 재료로 열전도성 세라믹에 첨가되는 경우가 많습니다.

다결정 다이아몬드 세라믹은 엔지니어링 소재이자 새로운 기능성 소재입니다. 현재 다결정 다이아몬드 세라믹은 우수한 기계적, 열적, 화학적, 음향적, 광학적 및 전기적 특성으로 인해 현대 산업, 국방 및 첨단 및 신기술 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

실리콘 카바이드

현재 실리콘 카바이드 (SiC)는 국내외에서 활발하게 사용되는 열전도 세라믹 소재입니다. 실리콘 카바이드의 이론적 열전도율은 270W/m-K에 달할 정도로 매우 높습니다. 그러나 SiC 세라믹 소재의 표면 에너지와 계면 에너지의 비율이 낮고, 즉 결정립 경계 에너지가 높기 때문에 기존의 소결 방법으로는 고순도, 고밀도 SiC 세라믹을 생산하기 어렵습니다. 기존 소결 방법을 사용할 때 소결 AIDS를 추가해야하며 소결 온도가 2050 ℃ 이상이어야합니다. 그러나 이러한 소결 조건은 SiC 입자의 성장을 유발하고 SiC 세라믹의 기계적 특성을 크게 저하시킵니다.

실리콘 카바이드 세라믹은 고온 베어링, 방탄판, 노즐, 고온 부식 방지 부품 및 전자 장비 부품의 고온 및 고주파 범위 및 기타 분야에서 널리 사용되어 왔습니다.

실리콘 질화물

실리콘 질화물(Si3N4) 세라믹은 높은 인성, 강한 열충격 저항성, 우수한 절연성, 내식성, 무독성 등 우수한 특성으로 국내외 연구자들로부터 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 질화규소 세라믹의 결합 강도, 평균 원자 질량 및 비조화 진동은 SiC와 유사합니다. 질화규소 결정의 이론적 열전도율은 200 ~ 320W/m-K입니다. 그러나 Si3N4의 구조가 질화 알루미늄(AlN)보다 복잡하고 포논의 산란이 더 크기 때문에 소결된 Si3N4 세라믹의 열전도도는 본 연구에서 Si3N4 단결정보다 훨씬 낮아 스케일 촉진 및 응용에도 제한이 있습니다.

베릴륨 산화물

베릴륨 산화물 (BeO)은 육각형 우르츠자이트 구조에 속하며, Be 원자와 O 원자 사이의 거리가 짧고 평균 원자 질량이 작으며 원자 축적이 밀집되어 슬랙 모델의 조건에 부합하며, 이는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

단결정의 높은 열전도율. 1971년 슬랙과 아우터만은 BeO 세라믹과 대형 BeO 단결정의 열전도도를 테스트하여 대형 BeO 단결정의 열전도도가 최대 370W/m-K에 달할 수 있다고 계산했습니다. 현재 제조된 BeO 세라믹의 열전도율은 산화알루미늄(Al2O3) 세라믹보다 10배 높은 280W/m-K에 달할 수 있습니다.

베릴륨 산화물은 항공 우주, 원자력, 야금 공학, 전자 산업, 로켓 제조 등에 널리 사용됩니다. BeO는 항공 전자 공학 변환 회로와 항공기 및 위성 통신 시스템의 캐리어 부품 및 조립품으로 널리 사용되며, BeO 세라믹은 특히 열 충격 저항성이 높아 제트 항공기의 소방관에 사용할 수 있으며, 금속 코팅 된 BeO 플레이트는 항공기 구동 장치의 제어 시스템에 사용되었으며, Ford와 General Motors는 자동차 점화 시스템에 금속 스프레이 베릴륨 산화물 라이닝을 사용하며 BeO는 열 전도성이 우수하고 소형화가 용이하여 레이저 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. 예를 들어, BeO 레이저는 쿼츠 레이저보다 효율이 높고 출력이 더 큽니다.

질화 알루미늄(AlN)

질화알루미늄 세라믹은 가장 널리 사용되는 고열 전도성 소재입니다. 질화 알루미늄 단결정의 이론적 열전도율은 3200W/m-K에 달할 수 있습니다. 그러나 소결 공정에서 피할 수 없는 불순물과 결함으로 인해 이러한 불순물은 AlN 격자에 다양한 결함을 생성하여 포논의 평균 자유도를 감소시켜 열전도도를 크게 감소시킵니다. 열전도도에 대한 AlN 격자 결함의 영향 외에도 입자 크기, 형태 및 입자 경계의 두 번째 단계의 함량 및 분포도 AlN 세라믹의 열전도도에 중요한 영향을 미칩니다. 입자 크기가 클수록 포논의 평균 자유도가 커지고 소결된 AlN 세라믹의 열전도도가 높아집니다.

전형적인 공유 결합체로서 질화 알루미늄은 소결 시 융점이 높고 원자 자기 확산 계수가 낮으며 입자 경계 에너지가 높습니다. 따라서 기존의 소결 방법으로는 고순도 AlN 세라믹을 생산하기 어렵습니다. 또한 적절한 화상 에이즈를 첨가하면 격자의 산소와 반응하여 두 번째 상을 형성하고 AlN 격자를 정제하고 열전도도를 향상시킬 수 있습니다.

일반적인 AlN 세라믹 소결 보조제는 산화 이트륨 (Y2O3), 탄산칼슘(CaCO3), 불화 칼슘(CaF2), 불화 이테르븀(YF3) 등입니다. 현재 국내외에서 적절한 소결 AIDS를 첨가하여 열전도율이 높은 AlN 세라믹에 대한 연구가 활발히 진행되어 약 200W/m-K까지 높은 열전도율을 가진 AlN 세라믹이 준비되어 있습니다. 하지만 긴 소결 시간, 높은 소결 온도, 고품질 AlN 분말의 가격 등으로 인해 AlN 세라믹의 생산 비용이 높습니다.