수오이 연구팀의 질화알루미늄 분말 제조 기술 및 산업화 연구 진행 상황

수오이 연구팀의 질화알루미늄 분말 제조 기술 및 산업화 연구 진행 상황
질화알루미늄 분말
AlN
CAS 24304-00-5
질화알루미늄(AlN) 세라믹은 높은 열전도율, 우수한 전기 절연성, 낮은 유전 상수 및 실리콘에 가까운 열팽창 계수를 특징으로 합니다. 고출력 반도체, 신에너지 소자 및 고밀도 집적 회로의 핵심 열전도성 패키징 소재로 자리 잡았습니다. 순도, 산소 함량, 입자 크기, 형태 및 분산성을 포함한 AlN 분말의 품질은 AlN 세라믹의 소결 성능과 열전도율을 직접적으로 결정합니다. 본 논문에서는 AlN 분말의 주요 합성 경로를 체계적으로 정리하고, 각 공정의 기술적 장점, 내재적 결함 및 최근 최적화 진행 상황을 분석하며, 국내외 산업 현황을 정리하고, 고품질 AlN 분말의 대량 생산을 제한하는 주요 병목 현상을 논의하고, 새로운 제조 기술 및 산업 고도화의 발전 추세를 전망합니다.

키워드: 질화알루미늄 분말 탄소열 환원 및 질화; 직접 질화; 연소 합성; 산업화; 고열전도성 세라믹

1. 서론
고출력 전자 기기, 전기 자동차 및 5G 통신의 급속한 발전으로 전자 기판의 방열 및 절연 요구 사항이 지속적으로 높아지고 있습니다. 알루미나 기판은 더 이상 높은 열전도성 요구를 충족할 수 없으며, AlN 세라믹은 이상적인 대체 소재로 널리 주목받고 있습니다.
고성능 AlN 세라믹은 고품질 AlN 출발 분말에 크게 의존합니다. 낮은 산소 함량, 좁은 입자 크기 분포, 약한 응집 및 우수한 소결 활성은 상용 고품질 AlN 분말의 필수 지표입니다. 현재 고품질 AlN 분말의 성숙한 대량 생산 기술을 보유한 기업은 소수에 불과합니다. 주요 제조 방법에는 탄소열 환원 및 질화(CRN), 금속 알루미늄의 직접 질화, 자가 전파 고온 합성(SHS/연소 합성), 화학 기상 증착(CVD), 기계화학적 방법 및 플라즈마 보조 합성이 있습니다. 그중에서도 CRN과 직접 질화법이 산업 생산을 주도하고 있으며, 다른 신기술들은 대부분 실험실이나 파일럿 플랜트 단계에 머물러 있습니다.

2. 주요 제조 기술 및 연구 진행 상황

2.1 탄소열환원질화법(CRN)
반응 원리:
알루미나와 탄소 공급원을 균일하게 혼합하고 질소 기류 하에서 1600~1800°C에서 반응시킨 후, 탈탄 처리를 통해 잔류 탄소를 제거합니다.
장점
CRN 공정은 고순도, 균일한 입자 크기, 우수한 일관성 및 안정적인 배치 품질의 분말을 생산할 수 있습니다. 이는 고열전도성 기판용 고품질 AlN 분말 생산에 있어 주요 기술이며, 전 세계 고급 시장을 장악하고 있습니다.
문제점
높은 반응 온도, 긴 유지 시간, 높은 에너지 소비; 질화 전환율을 높이기 위해 과량의 탄소를 첨가하는 경우가 많음; 불완전한 탈탄으로 인한 탄소 오염 및 재산화로 인한 산소 함량 증가.

최근 연구 최적화
연구자들은 반응 온도를 낮추고 유지 시간을 단축하기 위해 활성 알루미나(γ-Al₂O₃), 수산화알루미늄, 졸-겔 전구체 또는 액상 균일 혼합법을 사용합니다. 소결 보조제를 첨가하고 질소 유동장을 최적화하며 2단계 소성을 통해 산소 및 잔류 탄소 함량을 효과적으로 낮추고 입자 조대화를 억제할 수 있습니다.

2.2 알루미늄 분말의 직접 질화
금속 알루미늄 분말은 500~1300°C에서 질소 또는 암모니아와 직접 반응합니다.
장점
공정이 간단하고 설비 투자 비용이 적으며 탄소 불순물이 유입되지 않아 중저급 벌크 분말 및 충전재 제품에 적합합니다.
기존 문제점
강한 발열 반응으로 인해 국부적인 용융, 심각한 응집 및 불완전한 질화가 발생하기 쉽습니다. 형성된 AlN 껍질은 질소 확산을 차단합니다. 또한, 제품을 강하게 분쇄해야 하므로 불순물이 유입되고 분말 형태가 저하됩니다.

최근 최적화
촉매 첨가제(Mg, NH₄Cl), 단계적 가열, 압력 제어 질화 및 플라즈마 전질화를 적용하여 응집 현상을 완화하고 전환율을 높였습니다. 분쇄 후 표면 개질을 통해 가수분해 저항성과 분산성을 향상시켰습니다.

2.3 자가 전파 고온 합성(SHS/연소 합성)
알루미늄 분말을 가압 질소 분위기에서 점화합니다. 방출되는 반응열로 장시간 외부 가열 없이 연속적인 반응이 진행되며, 전체 공정은 몇 분 안에 완료됩니다.