KR102500847B1 - 리튬 치환된 질화알루미늄 분말 및 이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

리튬 치환된 질화알루미늄 분말 및 이를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화알루미늄 입자들의 군(group)인 질화알루미늄 분말로서,
상기 질화알루미늄 입자들은, 알루미늄(Al) 격자 내에서 Al의 일부가 리튬(Li)로 치환되어 있고, 상기 리튬(Li)의 치환율은 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 1 내지 7 원자%인 질화알루미늄 분말 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

리튬 치환된 질화알루미늄 분말 및 이를 제조하기 위한 방법{Boron-Substituted Aluminum Nitride Powder and Method of Preparing the Same}
본 발명은 리튬 치환된 질화알루미늄 분말 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
질화 알루미늄은 높은 열전도성과 뛰어난 전기 절연성을 가지며, 고열전도성 기판, 방열 부품, 절연 방열용 필러 등으로 이용되고 있다. 최근, 노트북 컴퓨터 및 정보단말 등으로 대표되는 고성능 전자기기에 탑재되는 IC나 CPU 등의 반도체 전자부품은 점점 소형화나 고집적화가 진행되고 있어, 이에 따라 방열부재도 소형화가 필수가 되고 있다. 이들에 사용되는 방열부재로서는, 예를 들면 수지나 고무 등의 매트릭스에 고열전도 필러를 충전시킨 방열 시트나 필름형상 스페이서, 실리콘 오일에 고열전도 필러를 충전시켜서 유동성을 갖게 한 방열 그리스, 에폭시 수지에 고열전도 필러를 충전시킨 방열성 접착제 등을 들 수 있다.
여기서, 고열전도 필러로서는 질화 알루미늄, 질화 붕소, 알루미나, 산화 마그네슘, 실리카, 그라파이트, 각종 금속 분말 등이 이용된다.
그런데, 방열 재료의 열전도율을 향상시키기 위해서는 고열전도성을 갖는 필러를 고충전하는 것이 중요하며, 대표적인 고방열필러로서 질화 붕소가 있으나, 상기 물질은 이방성으로 인해 제한적으로 활용될 수 밖에 없다.
이 때문에 이러한 문제 없이 다방면에서 사용될 수 있는 고열전도성 물질로서, 또한, 수㎛∼수십㎛의 질화알루미늄 입자로 이루어지는 질화알루미늄 분말이 요구되고 있다.
*그러나, 전자기기가 박형화/소형화될수록 질화알루미늄의 열전도도을 더욱 높여 고방열 효과를 나타내고자 하는 노력은 계속 있어왔다.
그러나, 이러한 연구는 박막에 국한되어 있을 뿐 아니라, 아직까지 매우 드물게 이뤄지고 있어, 실질적으로 이렇다 할 연구실적이 없어, 질화알루미늄 분말의 열전도도를 더욱 높일 수 있는 기술에 대한 필요성이 큰 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, AIN 필러에 리튬(Li)를 도핑하여 Al 격자 내에 Al 일부를 Li로 치환시킴으로써 열전도도를 높인 질화알루미늄 분말 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구현예에 따르면,
질화알루미늄 입자들의 군(group)인 질화알루미늄 분말로서,
상기 질화알루미늄 입자들은, 알루미늄(Al) 격자 내에서 Al의 일부가 리튬(Li)으로 치환되어 있고, 상기 리튬(Li)의 치환율은 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 1 내지 7 원자%인 질화알루미늄 분말이 제공된다.
이와 같이, 질화알루미늄 입자들의 알루미늄(Al) 격자 내의 Al의 일부가 리튬으로 치환되는 경우, (1120)면 방향의 격자 상수를 감소시켜, 열전도도를 높일 수 있다.
결정구조를 가지는 모든 분자들은 구성원자들이 공간적인 격자 모양으로 규칙성 있게 배열되어 만들어지며, 결정인 입자는 최소단위 입체격자인 분자가 3차원적으로 쌓여서 만들어진다.
따라서, 결국 질화알루미늄 입자 역시 결정구조를 가지는 분자들이 3차원적으로 쌓여 만들어지기 때문에, 가로, 세로, 높이 등과 같은 길이로 서술할 수 있으며, 이를 격자 상수라 한다.
여기서, 질화 알루미늄 입자는 Wurtzite의 결정구조를 가지며, 따라서, (1120)면 방향의 격자 상수 a와, (0001)면 방향의 격자 상수 c로 나타낼 수 있다.
이중, 상기 리튬의 치환에 의해 격자 상수 a의 값이 감소하게 되며, 이로 인해 포논-포논의 거리가 감소하여 열전달의 길이가 감소하게 되는 바 열전도도가 향상된다.
더욱 구체적으로, 상기 열전도도를 더욱 향상시키기 위한 리튬(Li)의 치환율은 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 3 내지 7 원자%일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 리튬의 치환율이 1 원자% 미만인 경우, 소망하는 열전도도의 향상 효과를 얻을 수 없고, 7 원자%를 초과하는 경우, 결정 구조를 파괴하여 AIN이 비정질로 변형되는 바, 바람직하지 않다.
상기 질화알루미늄 분말은, 평균 입경(D50)이 5 마이크로미터 내지 200 마이크로미터일 수 있고, 상세하게는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터일 수 있으며, 더욱 상세하게는 10 내지 20 마이크로미터일 수 있다.
상기 범위를 벗어나는 경우에는 필러로서 사용되기에 적합하지 않으므로, 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 평균 입경(D50)은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 직경이며, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Horiba LA-960)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다. 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50%가 되는 지점에서의 입자 직경을 산출함으로써, D50을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 리튬으로 치환된 질화알루미늄 분말과 수지를 포함하는 방열 복합체를 제공할 수 있다.
이때, 수지는 방열 복합체의 성질에 따라 선택될 수 있고, 당업계에 공지된 구성이 모두 가능하다.
이와 같이 상기 범위의 리튬으로 치환된 질화알루미늄 분말과 수지를 포함하는 방열 복합체의 열전도도는 치환 원소를 포함하지 않는 질화알루미늄 분말을 포함하는 방열 복합체의 열전도도보다 우수하다.
예를 들어, 수지로서 에폭시 수지를 사용하는 경우, 본 발명과 같이 리튬으로 치환된 질화알루미늄 분말과 에폭시 수지를 포함하는 방열 복합체의 열전도도는 구체적으로 2.6 내지 3.0 W/m·K, 상세하게는, 2.6 내지 2.9 W/m·K, 더욱 상세하게는, 2.8 내지 3.0 W/m·K일 수 있다. 치환 원소를 포함하지 않는 질화알루미늄 분말과 에폭시 수지를 포함하는 방열 복합체의 열전도도가 약 2.55W/m·K의 열전도도를 나타내는 점을 고려할 때, 이는 약 2% 내지 18% 정도의 열전도도 향상 효과를 나타낼 수 있음을 의미한다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,
질화알루미늄 입자들의 군(group)인 질화알루미늄 분말을 제조하기 위한 방법으로서,
(i) 평균 입자 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 구형의 Al-전구체 입자들, 리튬-전구체 입자들, 플럭스(flux), 바인더, 및 분산제를 용매 하에서 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 과정;
(ii) 상기 과정(i)에서 제조되는 혼합 용액을 분무건조하는 과정;
(iii) 상기 분무건조된 건조분말을 카본계 물질과 혼합하는 과정;
(iv) 상기 과정(iii)의 혼합물을 질소 분위기 하에서 열처리하는 과정; 및
(v) 상기 과정(iv)의 열처리 화합물을 공기 분위기 하에서 탈탄소 처리하는 과정;
을 포함하는, 질화알루미늄 분말의 제조방법이 제공된다.
즉, 본 발명에 따르면, Al-전구체 입자들을 리튬-전구체 입자들과 함께 혼합하여 분무 건조하고, 이를 카본계 물질과 혼합하여 열처리하는 경우, 리튬이 Al 자리로 일부 치환되어 최종 수득되는 질화알루미늄 분말의 열전도도를 높일 수 있다.
이때, 상기 Al-전구체 입자들은, Al(OH)3, 또는 Al2O3 입자들일 수 있다. 이와 같은 전구체들은 수분 안정성이 높아, 이후 설명하는 바와 같이 분무 건조시 전처리가 불필요하여, 공정 단계를 줄일 수 있는 바, 공정 효율면에서 바람직하다.
이러한 Al-전구체 입자들은 평균 입경(D50)이 5 마이크로미터 이하, 상세하게는 0.1 마이크로미터 내지 2 마이크로미터일 수 있다. 만일 상기 범위를 벗어나, 너무 큰 경우에는 입자 내부까지 환원 질화 반응이 진행되기 어렵고, 내부에 알루미나가 잔존되는 경우가 있다. 한편, 상기 평균 입경이 너무 작으면 저온, 단시간에 환원 질화 반응이 완결되는 경향이 있으며, 입자성장, 및 물질 이동이 어렵고, 대입경의 질화알루미늄 분말을 얻는 것이 어렵게 될 수 있다.
상기 리튬-전구체 입자들은 탄산리튬, 수산화리튬, 할로겐화 리튬, 및 산화리튬으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 입자들일 수 있고, 더욱 상세하게는 Li2O일 수 있다. 이러한 리튬-전구체는, 리튬(Li)이 최종 수득되는 질화 알루미늄 분말의 질화 알루미늄(Al) 입자 내에서 총 원자의 1 내지 7 원자%의 치환되도록 첨가될 수 있으며, 예를 들어, Al-전구체 입자들이 Al2O3 입자들이고, 리튬-전구체가 Li2O인 경우, 리튬-전구체 입자들은, Al-전구체 입자들 100 중량부 대비 0.08 중량부 내지 0.54 중량부로 포함될 수 있다.
상기 플럭스는, 낮은 공융점(섭씨 1200도 내지 1800도)으로 Al-전구체 입자들과 공융 액상이 형성될 수 있는 것이 바람직하므로, 예를 들어, Cu2O, TiO2, Bi2O3, CaF2, CaO, CaCO3, CuCO3, Y2O3, MgO 및 CuO로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
이때, 상기 플럭스는 입상이며, 입경이 한정되지 아니하나, 평균 입경이 0.01 내지 50 마이크로미터일 수 있고, BET 비표면적 또한 특별히 한정되지 아니하나, 0.01 내지 500 m2/g, 상세하게는 0.1 내지 100 m2/g일 수 있다.
상기 비표면적은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP Max를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다.
상기 플럭스는, 혼합 용액 전체 중량을 기준으로, 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는, 분무 건조시 입자의 형상 유지를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있으며, 혼합 용액 전체 중량을 기준으로, 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 사용되는 바인더로는, 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐 알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐 알코올 등일 수 있으며, 이들 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 분산제는, Al-전구체 입자들 및 리튬-전구체 입자들이 용매 하에서 균일하게 혼합되는 것을 보다 용이하게 하고 고농도의 슬러리를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 혼합 용액 전체 중량을 기준으로, 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 분산제는, 예를 들어, 양이온성 계면 활성제, 음이온성 계면 활성제, 비이온성 계면 활성제, 또는 고분자 물질 등일 수 있다.
또한 상기 물질들이 혼합되는 용매는 극성 용매일 수 있으며, 상세하게는 물일 수 있다.
상기 용매가 톨루엔과 같은 비극성 용매의 경우, 방폭 설비 등의 특수한 설비가 되어 있는 분무 건조 장비에서만 사용가능 하므로, 생산 및 비용 효율면에서 바람직하지 않다.
반면에, 본원발명은 물을 용매로 사용하므로, 일반적인 분무 건조 장비에서도 쉽게 사용할 수 있어 매우 효율적이다.
상기 용매 하에서 혼합은, 각 원료가 균일하게 혼합될 수 있는 방법이라면 한정되지 아니하나, 일반적으로 고상의 물질을 혼합할 때 사용할 수 있는 것으로, 예를 들어, 블렌더, 믹서, 또는 볼밀에 의해 행해질 수 있다.
이러한 혼합 용액은 구형의 건조분말로 제조하기 위해 다양한 방법을 수행할 수 있으나, 건조분말 입경의 조절 용이성, 및 경제성의 관점에서 분무건조법에 의해 수행될 수 있다. 이때, 건조분말의 입경이나 비표면적 등은 혼합 용액의 고형분 농도를 조절하거나, 분무 건조기의 노즐 크기를 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 분무건조의 방식으로는 노즐식 디스크식 등이 가능하나, 상세하게는 노즐식일 수 있고, 분무건조의 조건은 사용되는 건조기의 크기, 종류, 혼합용액의 농도, 점도 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.
이와 같이 형성된 건조분말은 이후 행해지는 열처리에서 환원되기 위해, 환원제로서 카본계 물질과 혼합되는데, 이때, 상기 카본계 물질은 카본 블랙, 흑연 분말 등을 사용할 수 있고, 상세하게는 카본 블랙일 수 있다. 카본 블랙의 예로서는, 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 케첸 블랙, 및 아세틸렌 블랙 등이 있다.
상기 카본계 물질의 BET 비표면적은 0.01 내지 500 m2/g일 수 있다.
이러한 카본계 물질은 건조분말의 중량을 기준으로, 30 내지 70 중량%로 포함될 수 있고, 상세하게는 40 내지 60 중량%로 포함될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 카본계 물질이 너무 적게 포함되는 경우에는, 충분한 환원이 일어날 수 없어, 소망하는 정도의 질화알루미늄을 수득할 수 없고, 즉, 전환율이 저하되고, 너무 많게 포함되는 경우에는 제조 비용이 상승하여 효율적이지 못하다.
상기 카본계 물질과의 혼합은 환원제로서의 역할 이외에도 건조분말과의 혼합으로 건조 분말들을 서로 분리시켜, 열처리 이후에도 분말들끼리 서로 결합하지 않게 하는 효과도 발휘할 수 있다.
카본계 물질과 건조분말의 혼합 역시, 교반기, 블렌더, 믹서, 볼 밀 등에 의해 구형의 건조분말이 유지되는 조건 하에서 양자를 건식 혼합하여 행해질 수 있다.
한편, 이와 같이 건조분말과 카본계 물질의 혼합물은 질소 분위기 하에서 열처리됨으로써, 환원 질화된다.
이때, 반응 용기 내의 질소 분위기는, 원료로서 사용되는 건조분말의 질화 반응이 충분히 진행할 만큼의 양의 질소 가스를, 연속적 또는 간헐적으로 공급함으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 열처리는 예를 들어, 본래의 질화알루미늄의 소성온도보다 낮은 온도인 예를 들어, 섭씨 1200 내지 1950도, 상세하게는 섭씨 1300 내지 1900도의 온도에서, 1 내지 10시간동안 수행될 수 있다. 이 소성 온도는, 상기 온도 범위보다도 낮은 경우에는, 질화 반응이 충분히 진행되지 않아, 목적으로 하는 질화 알루미늄 분말이 얻어지지 않는 경우가 있다.
상기 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나, 너무 높을 경우에는, 질화 반응은 충분히 진행되지만, 종종 열전도도가 낮은 산질화물(AlON)이 생성되기 쉽고, 또한, 입자의 응집이 일어나기 쉬워져, 목적으로 하는 입경의 질화알루미늄 분말을 얻기가 곤란해질 우려가 있다. 또한, 열처리 온도가 너무 낮은 경우에는 질화알루미늄으로의 전환율이 낮아 얻어지는 분말 자체의 열전도도가 낮아질 수 있다.
또한, 열처리 시간이 1시간 미만이면 질화 반응이 완결되지 않을 수 있고, 열처리 시간이 10시간을 초과하여 너무 길면, 형성되는 질화알루미늄 분말끼리 응집될 수 있어 바람직하지 않다.
더 나아가, 본 발명에 있어서는, 상기의 열처리 후 얻어지는 질화알루미늄 분말에 존재하는 잉여의 카본계 물질을 제거하기 위해서 탈탄소 처리를 수행할 수 있다.
이러한 탈탄소 처리는 카본을 산화시켜 제거하는 것이며, 산화성 가스를 이용하여 행해지므로, 상세하게는 공기 분위기 하에서 행해질 수 있고, 이때, 탈탄소 처리는, 섭씨 600 내지 900도에서 1 내지 10시간 동안 행해질 수 있다.
상기 탈탄소 처리 온도가 너무 높거나, 긴 시간 행해지면 질화알루미늄 분말의 표면이 지나치게 산화되어 열전도율이 하락하는 등 적절하지 않으며, 너무 낮거나, 짧은 시간 행해지는 경우에는 잉여 카본계 물질이 완전하게 제거되지 못하고, 불순물로 잔존해지는 바, 바람직하지 않다.
이와 같이 제조된 질화알루미늄 분말은 상기에서 설명한 바와 같이, 기존의 질화알루미늄 분말 대비 2 내지 18% 정도의 열전도도 향상 효과를 가지므로 고방열 필러로서 사용되기에 더욱 적합하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화알루미늄 분말 및 이의 제조방법은, AIN 필러에 리튬(Li)를 도핑하여 Al 격자 내에 Al 일부를 Li로 치환시킴으로써 열전도도가 개선되어 보다 우수한 고방열 필러로서 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실험예 2에 따른 질화알루미늄 시료의 XRD 그래프들이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 비표면적은 BET 일점법으로 측정하였고, 평균 입경은 시료를 균질기에서 5% 피로인산 소다수 용액 중에 분산시켜, 레이저 회절 입자도 분포 장치(Horiba LA-960)로 평균 입경(D50)을 측정했다.
<비교예 1>
100g의 Al2O3(평균 입경: 1㎛)와, 물 150g, 플럭스(Cu2O) 3 g, 분산제(FS 40, BASF사) 7g, 및 바인더(폴리에틸렌글리콜, PEG) 2g을 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이후, 볼을 분리하고, inlet 230℃, 디스크 회전속도 10,000 rpm의 조건으로 50㎛ 급으로 입자를 분무건조하여 건조분말을 얻었다. 얻어진 건조분말 10g에 카본 블랙(비표면적: 70m2/g) 4g을 첨가하여 튜블라 믹서로 혼합하고, 혼합물을 N2 분위기 하에서 1900℃로 5시간동안 열처리하였다. 이후 열처리된 질화알루미늄 열처리 화합물을 공기 분위기 하에서 800℃로 5시간 동안 탈탄소 처리하여 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<비교예 2>
100g의 Al2O3(평균 입경: 1㎛)와, Li2O 0.05g, 물 150g, 분산제(FS 40, BASF사) 2g, 및 바인더(폴리에틸렌글리콜, PEG) 2g을 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이후, 볼을 분리하고, inlet 230℃, 디스크 회전속도 10,000 rpm의 조건으로 50㎛ 급으로 입자를 분무건조하여 건조분말을 얻었다. 얻어진 건조분말 10g에 카본 블랙(비표면적: 70m2/g) 4g을 첨가하여 튜블라 믹서로 혼합하고, 혼합물을 N2 분위기 하에서 1900℃로 5시간동안 열처리하였다. 이후 열처리된 질화알루미늄 열처리 화합물을 공기 분위기 하에서 800℃로 5시간 동안 탈탄소 처리하여 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<실시예 1>
비교예 2에서 Li2O 를 0.15g 첨가한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<실시예 2>
비교예 2에서 Li2O 를 0.51g 첨가한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<실시예 3>
비교예 2에서 Li2O 를 1.02g 첨가한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<비교예 3>
비교예 2에서 Li2O 를 1.2g 첨가한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 최종 질화알루미늄 분말을 얻었다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3에서 얻어진 최종 질화알루미늄 분말을 XRF 형광분석기를 사용하여 질화 알루미늄 분말 내 리튬 함량을 측정(wt%)하고, 그 함량을 at%로 변환하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
<실험예 2>
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3에서 얻어진 최종 질화알루미늄 분말을 XRD 회절분석기를 사용하여 분석 후 그 결과를 도 1에 도시하였고, 분석 값을 바탕으로, 시료의 (100)면을 하기 Bragg's law에 의해 계산하여 격자 상수 a(Å)값을 구하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
여기서, 도 1은, 실시예 및 비교예의 intensity를 나타내는 y축으로 그래프를 이동하여 보기 쉽게 나타내었다. 또한, XRD 그래프 중에서 2theta가 30~40도인 부분만 확대해서 도시하였다.
[Bragg's law]
Figure 112019035857349-pat00001
상기 식에서, θ는 X선 파장의 입사각으로, XRD 그래프에서는 2θ로 나타내지는 값의 1/2을 의미하며 본 XRD peak에서는 33˚ 부근의 (100) peak를 계산에 사용하였으며, 계산에 사용되는 단위는 rad 이다. λ는 X선의 파장으로 1.542 Å이고, (100) peak로 계산을 하였으므로 h는 1, k는 0, l은 0 값을 가지며, c는 AlN의 층간 격자 상수 이다.
<실험예 3>
Epon 사의 828 에폭시 레진과 이미다졸계 경화제를 4:1로 핸드 믹싱한 레진을 준비하였다.
상기 레진에 상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3에서 얻어진 최종 질화알루미늄 분말을 각각 전체 볼륨 대비 55vol%가 되도록 첨가하여 다시 핸드 믹싱하여 혼합물을 제조하였다.
12.7Ø의 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드에 상기 혼합물을 부어 70℃에서 4시간 경화시키고, 그 경화물의 양면을 샌드 페이퍼(sand paper)로 갈아 2 mm 두께의 디스크로 다듬어 시료들을 제조하였다.
제조된 시료들의 열전도도를 측정하였다.
상기 열전도도는 시료를 레이저 플래시 분석법(LFA)으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Li 함량(at%) 격자 상수 a(Å) 열전도도
(W/m·K)
비교예 1 0 3.10 2.55
비교예 2 0.35 3.10 2.54
실시예 1 1 3.08 2.58
실시예 2 3.41 3.05 2.80
실시예 3 6.8 3.01 2.91
비교예 3 8 계산 불가(비정질) 0.25
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3과 같이 리튬(Li)가 적정량으로 Al의 격자 내에 치환되는 경우, 비교예 1과 비교하여 격자 상수 a 값을 감소시켜 열전도도를 높이는 것을 확인할 수 있다. 반면, 너무 적은 Li 치환은 충분한 열전도도의 향상이 없이 치환되지 않는 경우와 거의 유사하고, 너무 많은 리튬(Li)의 치환은 AlN 입자를 비정질로 변환시킴에 따라, 열전도도가 급격히 감소하는 바, 바람직하지 않음을 비교예들을 통해 확인할 수 있다.

Claims (15)

  1. Wurtzite의 결정구조를 가지는 질화알루미늄 입자들의 군(group)인 질화알루미늄 분말로서,
    상기 질화알루미늄 입자들은, 알루미늄(Al) 격자 내에서 Al의 일부가 리튬(Li)으로 치환되어 있고, 상기 리튬(Li)의 치환율은 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 1 내지 7 원자%인 질화알루미늄 분말.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬(Li)의 치환율은 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 3 내지 7 원자%인 질화알루미늄 분말.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 질화알루미늄 분말은,
    5 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 평균 입경(D50)을 가지는 구형의 질화알루미늄 분말.
  4. 제 1 항에 따른 질화알루미늄 분말과 수지를 포함하는 방열 복합체.
  5. Wurtzite의 결정구조를 가지는 질화알루미늄 입자들의 군(group)인 질화알루미늄 분말을 제조하기 위한 방법으로서,
    (i) 평균 입자 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 구형의 Al-전구체 입자들, 리튬-전구체 입자들, 플럭스(flux), 바인더, 및 분산제를 용매 하에서 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 과정;
    (ii) 상기 과정(i)에서 제조되는 혼합 용액을 분무건조하는 과정;
    (iii) 상기 분무건조된 건조분말을 카본계 물질과 혼합하는 과정;
    (iv) 상기 과정(iii)의 혼합물을 질소 분위기 하에서 열처리하는 과정; 및
    (v) 상기 과정(iv)의 열처리 화합물을 공기 분위기 하에서 탈탄소 처리하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 리튬-전구체 입자들은, 리튬(Li)이, 최종 수득되는 질화알루미늄 분말의 질화알루미늄 입자 내에서 총 원자의 1 내지 7 원자%로 치환되도록 첨가되는, 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 Al-전구체 입자들은, Al(OH)3, 또는 Al2O3 입자들인 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 리튬-전구체 입자들은, 탄산리튬, 수산화리튬, 할로겐화 리튬, 및 산화리튬으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 입자들인 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 리튬-전구체 입자들은, Li2O 입자들인 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 플럭스는, Cu2O, TiO2, Bi2O3, CaF2, CaO, CaCO3, CuCO3, Y2O3, MgO 및 CuO로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 바인더는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐 알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 분산제는 양이온성 계면 활성제, 음이온성 계면 활성제, 비이온성 계면 활성제, 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 카본계 물질은, 카본 블랙인 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 카본계 물질은,
    건조분말의 중량을 기준으로 30 내지 70 중량%로 혼합되는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  14. 제 5 항에 있어서, 상기 과정(iv)의 열처리는, 섭씨 1200도 내지 1950도에서 1 내지 10시간동안 수행되는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
  15. 제 5 항에 있어서, 상기 과정(v)의 탈탄소 처리는, 섭씨 600도 내지 900도에서 1 내지 10시간동안 수행되는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
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