수오이 연구팀의 질화알루미늄 분말 제조 기술 및 산업화 연구 진행 상황
2026-09-07
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
알루미늄 분말을 가압 질소 분위기에서 점화합니다. 방출되는 반응열로 장시간 외부 가열 없이 연속적인 반응이 진행되며, 전체 공정은 몇 분 안에 완료됩니다.
수오이(SUOYI) 구형 열전도성 및 절연성 복합 분말
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수오이(SUOYI)는 구형 열분사 분말을 연구 및 생산합니다.
이 입자는 플라즈마 스프레이 및 고속 산소 연료(HVOF) 스프레이와 같은 열분사 공정에 특화된 구형 분말입니다.
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고열전도성 절연 무기 충전재(알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 등)는 열전도성 실리콘, 열전도성 젤, 열전도성 패드, 열전도성 엔지니어링 플라스틱, 질화알루미늄 세라믹 기판의 핵심 원료입니다. 전력 반도체, 신에너지 자동차, 5G 기지국, AI 컴퓨팅, 태양광 에너지 저장 산업의 급속한 발전에 힘입어 이 산업은 꾸준하고 높은 성장세를 유지하고 있습니다. 특히 고급 질화알루미늄 및 질화붕소 충전재는 일반 알루미나 충전재보다 훨씬 높은 성장률을 보이고 있습니다.
고열전도성 절연 충전재 시장 규모 및 발전 동향
