KR101757069B1 - 알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 종래의 알루미나 기반 소재보다도 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 가지면서도 동시에 전기적으로 절연성을 가지며, 따라서 전자소자의 절연 패키징 또는 기판 등의 소재로 유망하다. 본 발명의 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 지르코니아(ZrO2) 또는 이트리아 안정화 지르코니아와, 제2첨가제로서 산화 그래핀 및 탄소나노튜브를 포함하는 조성으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 소결성 및 전기적 비저항 특성의 양 측면을 고려하여, 상기 산화 그래핀은 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물 내에서 산화 그래핀 상과 환원 그래핀 상 둘 다의 형태로 공존하도록 적절히 조절됨이 바람직하다.

Description

알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 {ALUMINA COMPOSITE CERAMIC COMPOSITION AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 알루미나 복합체 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 가지면서도 동시에 전기적으로 절연성을 갖는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 각종 전자부품에서 발생하는 열을 방출하기 위한 절연기판의 소재로서는 주로 사용되어온 알루미나 외에도, 알루미나의 대체소재로서 베릴리아, 질화규소, 질화 알루미늄 등의 세라믹스가 개발되고 있다.
알루미나(Al2O3)는 산화물 세라믹스 중에서 대기분위기에서 소결 가능하며 동시에 10W/m·K 이상의 높은 열 전도도를 가지므로 절연기판의 소재로서 유리하다. 그러나, 알루미나는 기판소재로 사용되기 위해서는 통상 1600℃ 이상의 고온에서 소성이 필요하며, 알루미나에 소결조제를 첨가하여도 여전히 소성에는 적어도 1,500℃ 이상의 고온이 필요하다. 이렇게 제조된 일반적인 알루미나는 대개 18~23 W/m·K의 열 전도도를 나타낸다.
또한, 알루미나의 대체소재 중에서 특히 질화 알루미늄(AlN)은 전기절연성이 우수하고, 열전도율이 높으며, 또한 열팽창계수가 실리콘에 비교적 가깝기 때문에 예를 들어 고전력 하이브리드 IC용 기판으로서의 응용도 기대된다는 장점이 있다. 질화 알루미늄의 열전도율은 일반적으로 170/m·K 정도이며 최대 230W/m·K에 이른다.
이러한 질화 알루미늄의 제조에 관한 종래기술로서, 일본 특허공고 소63-46032호(1988. 2. 26 공고) "고열전도성 질화 알루미늄 소결체의 제조방법"에서는 질화알루미늄을 주성분으로 하고 이에 이트륨, 란탄, 프라세오디뮴, 니오비움, 사마륨, 가돌리늄, 디스프로슘의 산화물을 미량 첨가하여 1600~1800℃로 핫 프레스(hot press)함으로써 121W/m·K에 이르는 열전도율을 얻었다고 개시한다. 또한, 일본 특허공개 평09-315867호(1997. 12. 9 공개) "질화 알루미늄 소결체, 금속 이설품, 전자기능 재료 및 정전척"은 고순도의 질화알루미늄에 산화이트륨을 미량 첨가하고 최고 1750~2300℃로 핫 프레스하여 80~100W/m·K의 열 전도도를 얻었다고 개시한다. 또한, 국내특허 제10-0494188호(2005. 6. 10 공고) "질화알루미늄질 세라믹스, 반도체 제조용 부재, 내식성 부재 및 도전성 부재"에서는 질화 알루미늄 소결체의 원료에 탄화붕소를 소정량 첨가하고 1700~2200℃로 소결하여 최대 135W/m·K의 열 전도도를 얻었다고 개시한다.
위와 같이, 질화 알루미늄은 높은 열 전도도를 갖지만, 반면에 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 대략 1700℃ 이상의 고온이 필요하다는 점, 그리고 질화물이어서 고온의 열처리 시 산화하기 쉬우므로 예컨대 질소가스 또는 수소-질소 혼합가스를 사용하는 환원 분위기의 소성이 반드시 필요하다는 점 등으로 인해 제조비용이 매우 높다. 더구나, 질화 알루미늄의 원료분말은 단가가 일반 산화물에 비해 매우 비싸다. 그 결과, 아직까지 질화 알루미늄 소결체는 알루미나 소결체보다도 고가이어서 절연기판의 소재로서는 그다지 실용적이지 못하다.
한편, 기계적 강도의 측면에 있어서, 전술한 알루미나와 이에 기반한 소재는 기계적 강도(본 명세서에서는 곡강도(flexural strength)를 의미함)가 대부분 280~350MPa에 그친다.
따라서, 종래의 알루미나 기반 소재보다도 향상된 기계적 강도와 열 전도도를 갖는 소재가 요구된다.
이에, 본 발명은 종래의 알루미나 기반 소재보다도 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 가지면서도 동시에 전기적으로 절연성을 갖는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물과 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 지르코니아(ZrO2) 또는 이트리아 안정화 지르코니아와, 제2첨가제로서 그래핀(G) 및 산화 그래핀(GO)과 탄소나노튜브(CNT)를 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나의 중량 대비 30wt% 이하일 수 있고 상기 알루미나의 중량 대비 10wt% 이상일 수 있다.
또한, 상기 제2첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 상기 제1첨가제의 총중량 대비 2.0wt% 이하일 수 있고 상기 알루미나 및 상기 제1첨가제의 총중량 대비 0.5wt% 이상일 수 있다.
또한, 상기 산화 그래핀은 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물 내에서 산화 그래핀 상과 환원 그래핀 상 둘 다의 형태로 공존하도록 될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일 측면에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서의 지르코니아(ZrO2) 또는 이트리아 안정화 지르코니아를 혼합하여 제1혼합물을 형성하는 단계와; 제2첨가제로서의 산화 그래핀(GO) 및 탄소나노튜브(CNT)를 상기 제1혼합물에 첨가하고 혼합하여 제2혼합물을 형성하는 단계와; 상기 제2혼합물을 성형하고 소성하여 소결체를 얻되, 상기 소성은 상기 소결체에 그래핀(G) 상과 산화 그래핀(GO) 상이 공존하도록 하는 소성온도 및 분위기에서 수행되는 단계를 포함할 수 있다.
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이때, 상기 소성온도는 1600~1750℃ 온도범위이고, 이 온도범위로 4시간 이하로 행해질 수 있다. 이때, 상기 소성은 질소(N2) 가스 분위기 또는 질소(N2)＋수소(H2)의 혼합가스 분위기에서 행해질 수 있고, 상기 질소(N2)＋수소(H2)의 혼합가스 분위기에서 상기 수소의 함량은 상기 혼합가스 총중량대비 0.5~3.0 wt% 범위로 될 수 있다.
또한, 상기 제2혼합물은 특히 기공율을 감소시키기 위하여 상기 성형하기 이전에 상기 제2혼합물 내에서 상기 산화 그래핀(GO)의 일부가 환원되도록 전처리되는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 전처리 단계는 상기 제2혼합물을 대기 분위기 또는 N2 분위기로 350~400℃의 온도범위에서 열처리하는 것을 포함할 수 있고 상기 열처리는 1시간 이하로 행해질 수 있다.
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또한, 상기 산화 그래핀 및 탄소나노튜브는 각각 수용액의 형태로서 상기 제1혼합물에 첨가될 수 있고, 상기 수용액은 상기 산화 그래핀 및 탄소나노튜브가 각각 물에 0.5~1 wt% 분산되어 제조될 수 있다. 이때, 상기 제2첨가제는 산화 그래핀 및 탄소나노튜브의 혼합물로 될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 종래의 알루미나 기반 소재보다도 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 가지면서도 동시에 전기적으로 절연성을 가진다. 이러한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 전자소자의 절연 패키징 또는 기판 등의 소재로 유망하게 적용가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법을 간략히 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 종래의 알루미나 기반 소재보다도 향상된 기계적 강도와 열 전도도를 가지면서도 동시에 전기적으로 절연성을 갖는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물을 제공한다.
본 발명에 의한 상기 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법을 도 1에 간략히 도시한다.
먼저, 본 발명은 기본조성으로서 알루미나(Al2O3)에 지르코니아(ZrO2)나 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria stabilized zirconia)를 첨가하여 기계적 강도를 증가시킨다. 본 발명에서 이러한 이트리아 안정화 지르코니아는 지르코니아에 3mol%의 Y2O3를 첨가한 일반적인 이트리아 안정화 지르코니아("3YSZ")를 사용할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
이러한 지르코니아(ZrO2)나 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ)는 알루미나(Al2O3) 중량대비 30wt% 이하, 더 바람직하게는 10~30 wt% 범위로 혼합되어 알루미나＋지르코니아 혼합 기지상(matrix)을 형성할 수 있다.
하지만, 이 경우 의도한 바와 같이 기계적 강도는 증가하지만, 첨가하는 지르코니아는 열 전도도가 약 4W/mK로서 낮으므로, 제조되는 복합체 세라믹스 조성물의 열 전도도가 크게 열화될 것이다.
이를 감안하여, 본 발명은 나아가 상기 알루미나＋지르코니아 혼합 기지상에 산화 그래핀(graphene oxide: "GO") 및 탄소나노튜브(carbon nanotube: "CNT")을 첨가함으로써 복합체 세라믹스 조성물의 열 전도도가 열화되는 것을 완충하는 한편, 기계적 강도를 더욱 향상시킨다.
즉, 이러한 GO 및 CNT의 첨가로 인하여, 그래핀(graphene: "G") 및 산화물(GO) 자체의 뛰어난 기계적 강도, GO 나노 시트의 파괴균열(crack)의 우회 기능, 및 입내 삽입구조에 의한 입자간 클러치 기능, 아울러 CNT의 매트릭스 입자간 브릿징(bridging) 기능 등에 의하여 복합체 세라믹스 조성물의 기계적 강도가 증가할 수 있다.
상기 GO 및 CNT는 GO/CNT 함량비율(wt%)이 0~1의 범위로 혼합된 형태로서 상기 알루미나＋지르코니아 혼합 기지상에 상기 혼합 기지상의 중량대비 최대 2.0wt%까지, 더 바람직하게는 0.5~2.0 wt% 범위로 첨가될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 GO 및 CNT는 각각 순수(D.I water)에 0.5~1 wt% 분산된 용액으로서 제공되어 혼합된 후, 알루미나 분말에 첨가되어 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명에서 위와 같이 형성된 복합체 조성물은 1600~1750℃ 온도범위에서 4시간 이하로 소성될 수 있고, 상기 소성 이전에 프레싱 등과 같은 일반적인 성형공정을 통하여 성형될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 소성은 질소(N2) 가스 또는 질소(N2)＋수소(H2)의 혼합가스 분위기에서 수행될 수 있고 수소 함량은 상기 혼합가스 총중량대비 대략 0.5~3.0 wt% 범위로 될 수 있다.
본 발명에서 상기 복합체 조성물은 상기 소성 공정 이전에 전처리로서 대기 또는 N2 분위기의 350~400℃ 온도범위에서 적어도 1시간 열처리될 수 있다. 이를 통해 지르코니아 또는 이트리아 안정화 지르코니아/알루미나 복합체 기지상에 혼합된 GO가 부분 환원되고 상기 복합체 세라믹의 밀도를 증가시켜 특히 기공율을 감소시키는 데 기여한다. 일 비교예로서, GO를 위와 같은 전처리 없이 상기 복합체 기지상에 혼합 후 소결하는 경우, 다량의 기공이 발생하여 치밀화가 현저히 저하됨이 관찰된다. 이때, GO의 환원여부는 통상의 라만 분광법 등으로 확인가능하다.
다만, 본 발명에 있어서, 전기적으로 G는 전도성인데 반해 GO는 절연성이므로, 용도에 따라 요구되는 소정의 절연성을 유지하기 위해서는 상기 복합체 기지상에 함유되는 이들 첨가물의 적절한 분율을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 전처리와 상기 소성에 의한 열처리에 의해 GO가 완전 환원되지 않고 G와 GO 상이 공존하도록 하여 소결체가 적절한 저항값을 갖도록 분위기를 조절함이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 더 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
가) 복합체 조성물 분말의 제조
우선 기지상으로서 순도 99% 이상, 평균 입도 150㎚ 크기의 알루미나 분말과 3mol%의 이트리아가 도핑된 평균 입도 30~50nm 크기의 지르코니아 분말(3YSZ)을 각각 알루미나 분말 중량대비 최대 40wt%까지 혼합하되, 각각 0, 10, 20, 30 및 40 wt%로 혼합한다.
그리고, 여기에 기계적 강도와 열전도도 향상을 위한 첨가제로서 산화그래핀(GO)과 탄소나노튜브(CNT)를 각각 상기 알루미나＋지르코니아 혼합 기지상 중량대비 최대 2.0wt% 첨가하되, GO와 CNT는 0~1의 GO/CNT의 비율 범위에서 각각 1:0, 1:3, 1:1, 3:1 및 0:1의 중량비로 혼합된다. 이때, 본 실시예에서 사용되는 GO는 판상(flake)의 나노분말로서 입경은 0.5~5㎛이나 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 벌크상 또는 침상의 나노분말도 사용가능하다. 또한, 본 실시예에 사용되는 CNT는 직경이 50㎚이고 길이가 20~50㎛이며, 본 발명은 이러한 수치 범위에 한정되지 아니한다.
그리고, 알루미나/지르코니아 분량을 상기 제시한 소정의 분율로 칭량하고, 여기에 GO/CNT도 동시에 볼밀용 자(jar)에 투입한다. 이때, GO 및 CNT는 통상 분말의 형태로 취급하기 어려우므로, 0.5~1wt% 수용액으로 만들어 알루미나/지르코니아와 혼합하되, 별도로 에탄올을 첨가하여 볼밀용 슬러리의 점도를 맞춘다. 볼밀 조건으로서, HDPE제 자에 0.3~10㎜ 구경의 지르코니아 볼을 사용하고 볼밀의 회전속도는 130rpm으로 하여 6시간 동안 혼합하였다. 이후 슬러리는 글라스 용기에 부어 오븐에서 건조한 후, 유발로 분쇄한다.
나) 전처리
상기 건조 분쇄한 분말은 알루미나 도가니에 장입하여 400℃에서 1시간 동안 N2분위기에서 열처리하여 GO를 부분 환원시킨다.
다) 성형 및 소성
전처리된 알루미나/지르코니아(Al2O3/3YSZ)＋탄소소재(GO/CNT) 혼합분말은 2wt% PVA 수용액을 분사 혼합하거나, 그래뉼화 한 다음 98MPa의 압력으로 성형한다. 이때, 성형 시편은 두 가지로 준비하되, 열전도도 측정용 시료는 소결 후 직경 12.5㎜, 두께 1~2 ㎜의 크기로서, 기계적 강도, 즉 3점 곡강도 측정용 시료는 3×4×40㎣ 크기의 막대 형태로 성형하였다.
성형한 시편은 각각 지르코니아 세터에 로딩하여 분위기 조절 가능한 소성로에서 우선 1차로 400℃에서 1시간 바인더 탈거 과정을 거쳐 분당 5℃의 승온율로 가열하여 1,600~1,750℃ 범위의 소결온도에서 각각 4시간 유지하고 강온율은 분당 10℃로 하여 상온까지 냉각시켰다. 이때, 소성분위기는 2.85wt% H2 ＋ N2 혼합가스로 하였다.
라) 물성측정
위와 같이 소결이 완료된 복합체 세라믹스 조성물 시편은 열전도도를 측정하기 위해서 먼저 시료의 직경 및 두께, 밀도와 비열을 측정한다. 그리고, 해당 시료를 카본 코팅한 후, 통상의 레이저 플래쉬법(사용장비: LFA 447, Netzsch)으로 열확산율을 측정하고, 열전도도는 열확산율×밀도×비열[W/m·K]의 산출공식을 통해 얻는다. 또한, 상기 복합체 세라믹스 조성물 시편의 기계적 강도는 통상의 3점 곡강도 측정법(사용장비: 만능시험기(UTM))을 사용하여 측정한다.
이상, 위와 같이 얻어진 본 발명의 복합체 세라믹스 조성물에 대한 제반 특성들은 다음과 같이 고찰된다.
먼저, 아래 표 1은 본 발명 조성물의 제조에 앞서 시험적으로 제조 및 측정한 알루미나/3YSZ 복합체 세라믹스 조성물의 물리적 특성을 정리한 것이다. 이들 시험조성 시편들은 전술한 방법으로 제조되되, 소결온도는 1600℃로 소성되었다.
알루미나/3YSZ 복합체 세라믹스 조성물의 물리적 특성

시험조성		 복합체 조성물(wt%) 물리적 특성(1,600℃)
기지상 2차상 소결밀도
(g/cc)		 3점 곡강도
(MPa)		 열전도도
(W/mK)
Al2O3 3YSZ
1 100 0 3.91 283 38.71
2 90 10 4.11 360 30.92
3 80 20 4.33 352 24.56
4 70 30 4.50 382 22.39
5 60 40 4.70 368 17.61
표 1을 보면, 알루미나/3YSZ 복합체 조성물에서 3YSZ의 함량이 20~30wt% 일 때 통상의 지르코니아 첨가 알루미나 복합체의 이론밀도(%TD)인 4.54g/cc에 근접한 치밀도가 얻어진다. 반면에, 지르코니아의 함량이 30wt%를 초과하면, 복합체의 열전도도가 크게 감소함을 알 수 있다.
이로부터, 소결밀도, 곡강도 및 열전도도의 개선을 의도하는 본 발명에서는 지르코니아(즉, 여기서는 3YSZ)의 적절한 조성함량은 10~30wt% 범위라고 볼 수 있다.
아래 표 2는 본 발명에 의한 [알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹스 조성물 시편들의 각 조성비에 따른 소결밀도, 즉 알루미나/3YSZ에 첨가되는 GO/CNT 혼합물의 첨가량 및 이의 GO/CNT 혼합비에 따른 소결밀도 특성을 정리한 것이다. 이들 시편들 역시 전술한 방법으로 제조되었으며, 3YSZ/알루미나 함량비(wt%)는 20/80이다.
[알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹 조성물의 소결밀도
조성물
시편		 복합체 조성물(wt%) GO/CNT
혼합비
(중량비)		 소결밀도
기지상 첨가제
1,650℃ 1,700℃ 1,750℃
20YSZ/80Al2O3 GO/CNT g/cc g/cc g/cc
비교예 100 0 - 4.40 -
실시예 1 99.5 0.5 1:0 4.46 - -
실시예 2 3:1 4.41 - -
실시예 3 1:1 4.38 - -
실시예 4 1:3 4.39 - -
실시예 5 0:1 4.38 - -
실시예 6 99 1.0 1:0 4.36 4.32 4.38
실시예 7 3:1 4.39 4.35 4.39
실시예 8 1:1 4.37 4.35 4.40
실시예 9 1:3 4.43 4.34 4.46
실시예 10 0:1 4.34 4.27 4.38
실시예 11 98 2.0 1:0 4.24 - -
실시예 12 3:1 4.35 - -
실시예 13 1:1 4.39 - -
실시예 14 1:3 4.36 - -
실시예 15 0:1 4.41 - -
표 2를 참조하면, 본 발명 조성물의 거의 모든 조성비에서 1,650~1,750℃ 온도범위의 소결시 4.24~4.46g/cc의 소결밀도를 얻었으며, 이는 이론밀도 대비 93.4~98.2%의 치밀도를 갖는 것으로 본 발명 조성물들이 우수한 소결성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 1,650~1,750℃ 온도범위에서 각 소결온도에 따른 소결밀도 값이 큰 차이를 보이지 않음이 관찰된다. 이에 따라, 표 2를 비롯한 표 3~5에서 [알루미나/3YSZ]:[GO/CNT]의 혼합비가 99:1인 조성들에만 1,700℃ 및 1,750℃의 두 소결온도에서의 특성 데이터를 제공하고 나머지 조성들의 경우는 1,650℃ 소결온도에서만의 데이터를 제공한다.
아래 표 3은 본 발명에 의한 [알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹스 조성물 시편들의 각 조성비에 따른 3점 곡강도 특성을 정리한 것이다. 이들 시편들은 위의 표 2의 실시예 시편들과 동일한 것이다.
[알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹 조성물의 3점 곡강도
조성물
시편		 복합체 조성물(wt%) GO/CNT
혼합비
(중량비)		 3점 곡강도(MPa)
기지상 첨가제
소성온도
20YSZ/80Al2O3 GO/CNT 1,650℃ 1,700℃ 1,750℃
비교예 100 0 - 308 - -
실시예 1 99.5 0.5 1:0 593 - -
실시예 2 3:1 722 - -
실시예 3 1:1 679 - -
실시예 4 1:3 629 - -
실시예 5 0:1 556 - -
실시예 6 99 1.0 1:0 286 533 531
실시예 7 3:1 491 589 546
실시예 8 1:1 561 604 584
실시예 9 1:3 532 587 563
실시예 10 0:1 649 668 622
실시예 11 98 2.0 1:0 307 - -
실시예 12 3:1 344 - -
실시예 13 1:1 624 - -
실시예 14 1:3 581 - -
실시예 15 0:1 520 - -
표 3을 보면, 3점 곡강도는 본 실시예 조성들에서 GO/CNT를 첨가함에 따라 크게 증가함을 알 수 있다. 즉, GO/CNT를 첨가하지 않은 비교예 조성은 308MPa였으나, 본 실시예 조성들은 GO/CNT를 첨가함에 따라 722MPa까지 증가하여 약 234%의 향상율을 얻었다. 이러한 GO/CNT 첨가에 따른 기계적 강도의 향상 메커니즘은 앞서 설명한 바 있다.
아래 표 4는 본 발명에 의한 [알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹스 조성물 시편들의 각 조성비에 따른 열 전도도 특성을 정리한 것이다. 이들 시편들은 앞서 표 2의 실시예 시편들과 동일한 것이다.
[알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹 조성물의 열 전도도
조성물
시편		 복합체 조성물(wt%) GO/CNT
혼합비
(중량비)		 열전도도(W/m·K)
기지상 첨가제
소성온도
20YSZ/80Al2O3 GO/CNT 1,650℃ 1,700℃ 1,750℃
비교예 100 0 - 18.41 18.32 18.24
실시예 1 99.5 0.5 1:0 19.39 - -
실시예 2 3:1 20.60 - -
실시예 3 1:1 20.83 - -
실시예 4 1:3 21.29 - -
실시예 5 0:1 19.61 - -
실시예 6 99 1.0 1:0 19.51 16.80 18.43
실시예 7 3:1 21.67 18.87 18.97
실시예 8 1:1 21.54 18.61 19.99
실시예 9 1:3 23.10 18.87 21.15
실시예 10 0:1 22.04 17.94 20.60
실시예 11 98 2.0 1:0 20.19 - -
실시예 12 3:1 20.90 - -
실시예 13 1:1 20.23 - -
실시예 14 1:3 22.81 - -
실시예 15 0:1 20.54 - -
표 4에서 관찰되듯이, 열전도도는 GO/CNT가 첨가된 본 실시예들의 경우 GO/CNT를 첨가하지 않은 비교예 조성에 비해 증가하였으며 대략 19~23W/mK 범위를 나타내었다. 이는 부분 산화된 그래핀에 따른 G 및 GO상의 공존, 소재중 G상의 높은 열전도도와 CNT 소재의 열전도도가 기여한 것이라 판단된다. 한편, 소결온도가 지나치게 중가하면 열전도도는 다소 감소한다.
아래 표 5는 본 발명에 의한 [알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹스 조성물 시편들의 각 조성비에 따른 비저항 특성을 정리한 것이다. 이들 시편들은 앞서 표 2의 실시예 시편들과 동일하다.
[알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹 조성물의 전기적 비저항값
조성물
시편		 복합체 조성물(wt%) GO/CNT
혼합비
(중량비)		 비저항(Ω·cm)
기지상 첨가제
소성온도
20YSZ/80Al2O3 GO/CNT 1,650℃ 1,700℃ 1,750℃
비교예 100 0 - 3.4E11 - -
실시예 1 99.5 0.5 1:0 2.8E11 - -
실시예 2 3:1 3.8E11 - -
실시예 3 1:1 4.2E11 - -
실시예 4 1:3 4.2E11 - -
실시예 5 0:1 1.6E11 - -
실시예 6 99 1.0 1:0 1.0E11 3.1E11 5.4E9
실시예 7 3:1 9.2E10 2.2E11 9.4E8
실시예 8 1:1 4.7E10 1.7E11 3.9E8
실시예 9 1:3 2.2E10 2.3E11 3.5E8
실시예 10 0:1 1.6E10 6.1E11 2.7E8
실시예 11 98 2.0 1:0 8.1E10 - -
실시예 12 3:1 5.7E10 - -
실시예 13 1:1 3.5E10 - -
실시예 14 1:3 1.7E10 - -
실시예 15 0:1 1.4E10 - -
표 5를 참조하면, GO/CNT가 첨가되지 않은 비교예에 비해, GO/CNT가 첨가된 본 실시예들에서는 미소하게 비저항값이 낮아지고, 또한 소성온도가 증가할수록 환원 분위기의 영향으로 절연성인 GO의 환원이 촉진되어 비저항값이 낮아진다.
앞서 기술했듯이, 전기적으로 G는 전도성인데 반해 GO는 절연성이므로, 용도에 따라 요구되는 소정의 절연성을 유지하기 위해서는 상기 복합체 기지상에 함유되는 이들 첨가물의 적절한 분율을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 상기 전처리와 상기 소성에 의한 열처리에 의해 GO가 완전 환원되지 않고 G와 GO 상이 공존하도록 하여 소결체가 적절한 저항값을 갖도록 분위기를 조절함이 바람직하다.
표 5를 참조하면, 1,650~1,700℃ 소성온도 조건의 경우에는 적어도 1010Ω·cm 이상의 비저항을 가지므로, 전자소자의 절연 패키징 또는 기판의 소재로 유망하게 적용가능하다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 [알루미나/3YSZ]＋[GO/CNT] 복합체 세라믹스 조성물은 우수한 기계적 강도와 양호한 열전도도 및 전기 절연성을 갖는다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들의 제반 특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 알루미나(Al2O3)와;
    제1첨가제로서 지르코니아(ZrO2) 또는 이트리아 안정화 지르코니아와;
    제2첨가제로서 그래핀(G) 및 산화 그래핀(GO)과 탄소나노튜브(CNT)를 포함하는 조성으로 구성되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나의 중량 대비 30wt% 이하인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 상기 제1첨가제의 총중량 대비 2.0wt% 이하인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나의 중량 대비 10wt% 이상인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 상기 제1첨가제의 총중량 대비 0.5wt% 이상인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이트리아 안정화 지르코니아는 지르코니아와 3mol%의 이트리아를 포함한 조성인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  8. 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서의 지르코니아(ZrO2) 또는 이트리아 안정화 지르코니아를 혼합하여 제1혼합물을 형성하는 단계와;
    제2첨가제로서의 산화 그래핀(GO) 및 탄소나노튜브(CNT)를 상기 제1혼합물에 첨가하고 혼합하여 제2혼합물을 형성하는 단계와;
    상기 제2혼합물을 성형하고 소성하여 소결체를 얻되, 상기 소성은 상기 소결체에 그래핀(G) 상과 산화 그래핀(GO) 상이 공존하도록 하는 소성온도 및 분위기에서 수행되는 단계를 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 소성온도는 1600~1750℃ 온도범위인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 소성은 4시간 이하로 수행되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 분위기는 질소(N2) 가스 분위기 또는 질소(N2)＋수소(H2)의 혼합가스 분위기인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 질소(N2)＋수소(H2)의 혼합가스 분위기에서 상기 수소의 함량은 상기 혼합가스 총중량대비 0.5~3.0 wt% 범위인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2혼합물은 상기 성형하기 이전에 상기 제2혼합물 내에서 상기 산화 그래핀(GO)의 일부가 환원되도록 전처리되는 단계를 더 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전처리되는 단계는 상기 제2혼합물을 대기 분위기 또는 N2 분위기로 350~400℃의 온도범위에서 열처리하는 것을 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 열처리는 1시간 이하로 수행되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2첨가제로서의 산화 그래핀(GO) 및 탄소나노튜브(CNT)를 상기 제1혼합물에 첨가하고 혼합하여 제2혼합물을 형성하는 단계는 상기 산화 그래핀 및 탄소나노튜브를 각각 수용액의 형태로서 상기 제1혼합물에 첨가하고 혼합하여 제2혼합물을 형성하는 것을 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 수용액은 상기 산화 그래핀 및 탄소나노튜브가 각각 물에 0.5~1 wt% 분산되어 제조되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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