KR20190055907A - Alumina complex ceramics composition and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are an alumina composite ceramic composition allowing general room temperature sintering, and providing both excellent mechanical strength and heat radiating character, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, instead of replacing the content of yttria-stabilized zirconia (YSZ) deteriorating thermal conductivity, boron nitride nanotube (BNNT) as a secondary reinforcement agent is added to an [alumina + YSZ] composition adding YSZ as a first reinforcement agent to alumina to increase mechanical strength and thus, [alumina + YSZ + BNNT] composite ceramic is manufactured. Accordingly, excellent thermal conductivity can be acquired while having largely improved mechanical strength, thereby simultaneously attaining both of the largely improved mechanical strength and heat radiating characteristic. Moreover, B_2O_3 and/or H_3BO_3 are added to an [alumina + YSZ + BNNT] composition, thereby effectively decreasing a sintering temperature while providing good mechanical strength and thermal conductivity, and providing compatibility in concurrent sintering with a general metal electrode material, such as tungsten, and the like, due to an advantage of the decreased sintering temperature.

Description

알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 {ALUMINA COMPLEX CERAMICS COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to alumina composite ceramics,

본 발명은 알루미나 복합체 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 가지면서도 저온 소성이 가능한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to an alumina composite ceramic composition, and more particularly, to an alumina composite ceramic composition capable of low temperature calcination while having excellent mechanical strength and good thermal conductivity.

또한, 본 발명은 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing the alumina composite ceramics composition.

최근의 모바일 기기와 차세대 ICT(Information & Co㎜unication Technology) 기기는 높은 에너지 밀도와 높은 파워 밀도를 필수 요건으로서 초소형 집적화되고 있다. 이에 따라, 초소형 초박형 패키지 소자에서 요구되는 고방열 성능과 높은 기계적 강도를 갖춘 패키지 소재의 수요가 점점 증가하고 있는 추세이다.Recent mobile devices and next generation ICT (Information & Coaling Technology) devices are being integrated in a compact form with the requirement of high energy density and high power density. Accordingly, the demand for package materials having high heat dissipation performance and high mechanical strength required in ultra-thin and ultra-thin package devices is increasing.

이러한 패키지 소자 중의 하나인 칩타입 슈퍼캡(super capacitor) 패키지를 예로 들면, 예컨대 3225(3.2×2.5㎜2) 사이즈의 패키지에 사용되는 세라믹 기판의 두께는 현재 약 0.3㎜ 정도로서, 이는 전체 패키지 두께(대략 0.9~1.0㎜)의 거의 33% 정도나 차지한다. 따라서, 이러한 세라믹 기판을 더 박형화하여 차지하는 두께 비중을 이보다 더 줄일 수만 있다면, 그만큼 슈퍼캡의 액티브 셀(active cell)의 용적을 증가시켜 정전용량을 크게 늘려 소자 성능을 향상시킬 수 있거나 또는 더 박형화된 칩타입 슈퍼캡의 제조가 가능해진다. 뿐만 아니라, 이러한 박형화로 인해 방열 성능이 그만큼 상대적으로 향상되므로, 이러한 초박형 기판 소재는 패키지 제품의 소형화, 박형화뿐 아니라 양호한 방열기능을 갖는 유리한 패키지를 제공할 수 있게 한다.Taking a chip type super capacitor package as one example of such a package element, for example, the thickness of a ceramic substrate used in a package of 3225 (3.2 x 2.5 mm 2 ) size is about 0.3 mm at present, Approximately 0.9 to 1.0 mm). Therefore, if the thickness of the ceramic substrate is made thinner than that of the ceramic substrate, the capacitance of the active cell of the supercap can be increased so that the capacitance can be greatly increased to improve the device performance, or the thinner Chip type super cap can be manufactured. In addition, since such thinness improves the heat dissipation performance, such an ultra-thin substrate material makes it possible to provide an advantageous package having not only miniaturization and thinness of the package product but also good heat radiation function.

그러나, 초박형화된(예컨대 0.3㎜ 이하의 두께로) 세라믹 기판을 패키지에 적용하는 경우, 현재 수준의 세라믹 소재로는 그의 곡강도 수준이 250~350 MPa 범위에 그쳐 쉽게 파손(깨짐)되기 쉬우므로 적용이 어렵다. 따라서, 우수한 기계적 강도와 양호한 열 전도도를 함께 갖춘 초박형 세라믹 기판 소재가 요망되고 있으며, 이는 예컨대 칩형 슈퍼캡 패키지, 모바일 기기용 카메라, 전력소자용 고방열 기판 등을 포함한 패키지 소자에 매우 유리하게 적용될 수 있다.However, when an ultra-thin ceramic substrate (for example, having a thickness of 0.3 mm or less) is applied to a package, the bending strength of the current ceramic material is in the range of 250 to 350 MPa and easily breaks This is difficult. Accordingly, there is a demand for an ultra-thin ceramic substrate material having excellent mechanical strength and good thermal conductivity, which can be very advantageously applied to a package device including a chip-type supercap package, a camera for a mobile device, a high heat- .

한편, 위와 같은 절연성 기판 소재로는 크게 폴리머 소재와 세라믹 소재가 있다. 이러한 폴리머 기판소재는 가격이나 가공성, 경량성 측면에서 우수하나, 세라믹 기판소재에 비하여 상대적으로 내습성, 내열성, 내후성 및 내구성이 열악하고, 특히 기계적 강도나 열전도도 측면에서는 세라믹 기판소재가 훨씬 우수하다. 이러한 세라믹 기판소재로는 알루미나, 질화알루미늄, 질화실리콘 등의 조성이 개발되고 있다. On the other hand, the above-mentioned insulating substrate materials include a polymer material and a ceramic material. Such a polymer substrate material is superior in terms of cost, processability and light weight, but is relatively poor in moisture resistance, heat resistance, weather resistance and durability compared with a ceramic substrate material, and particularly excellent in ceramic substrate material in terms of mechanical strength and thermal conductivity . As such ceramic substrate materials, compositions such as alumina, aluminum nitride, and silicon nitride have been developed.

먼저, 질화알루미늄의 경우, 높은 열 전도도와 곡강도를 갖지만, 반면에 원료분말이 고가일 뿐만 아니라, 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 대략 1700℃ 이상의 고온이 필요하고 환원 분위기의 소성이 반드시 필요하여 제조비용이 매우 높으므로, 실용성이 크게 떨어진다. 개시된 해당 종래기술로서는 일본 특허공고 소63-46032호, 일본 특허공개 평09-315867호, 국내특허 제10-0494188호 등이 있다.Aluminum nitride, on the other hand, has high thermal conductivity and bending strength. On the other hand, in addition to high cost of the raw material powder, a high temperature of about 1700 DEG C or more is required to obtain a dense sintered body, The practicality is greatly reduced. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 63-46032, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 09-315867, and Korean Patent No. 10-0494188 disclose corresponding prior arts disclosed.

또한, 질화실리콘의 경우, 우수한 곡강도와 양호한 열 전도도를 가지며 열충격에 매우 강하고 고온 강도가 크다는 장점이 있으나, 강한 공유결합으로 인하여 자기확산이 어렵고 고온에서의 열분해로 인하여 고온 및 고압의 소결이 필요하며 소결 후에 다시 열처리를 하기 때문에, 제조비용이 매우 높고 생산성이 크게 떨어진다. 개시된 해당 종래기술로서는 국내 공개특허 제10-2007-0103330호, 국내 공개특허 제10-2017-0109515호, 국내공개특허 제10-2017-0021418호 등이 있다.In addition, silicon nitride has excellent bending strength and good thermal conductivity, and is very strong in thermal shock and has high strength at high temperature. However, due to strong covalent bonding, it is difficult to self diffusion and sintering at high temperature and high pressure is required due to thermal decomposition at high temperature Since the heat treatment is performed again after the sintering, the production cost is very high and the productivity is greatly reduced. Examples of the related arts disclosed in Korean Patent Laid-Open Nos. 10-2007-0103330, 10-2017-0109515, and 10-2017-0021418 are disclosed.

따라서, 세라믹 기판소재로서는 실용적인 알루미나 조성이 일반적으로 가장 많이 사용되는데, 종래 알루미나와 이에 기반한 소재는 곡강도가 대부분 280~350 MPa 범위에 그친다. 최근에는 알루미나에 강화제로서 탄소나노튜브나 그래핀을 첨가하여 기계적 강도와 열전도 특성 모두를 개선한 복합체가 제시되었으나, 이러한 복합체 소결체는 전기적으로 반도성 내지는 전도성을 나타내므로, 전기전자회로를 포함한 소자 및 부품의 절연기판으로 사용하기에는 부적합하다(E. Zapata-Solavas et. al., J. Eur. Ceram. Soc., 32(2012) 3001-3020; Liu et. al., Ceramics Int'l, 39 (2013) 6215-6221).Therefore, a practical alumina composition is generally used most as a ceramic substrate material. Conventionally, alumina and materials based thereon have a bending strength in the range of 280 to 350 MPa. In recent years, a composite material improved in both mechanical strength and thermal conductivity by adding carbon nanotubes or graphene as a reinforcing agent to alumina has been proposed. However, since such a composite sintered body exhibits an electrically semiconductive or conductive property, (Zapata-Solavas et al., J. Eur. Ceram. Soc., 32 (2012) 3001-3020; Liu et al., Ceramics Int'l, 39 2013) 6215-6221).

따라서, 종래의 알루미나 기반 소재보다도 향상된 기계적 강도와 열 전도도를 가지면서도, 단순하고 저비용의 제조공정과 우수한 생산성을 달성가능한 소재가 요망된다.Therefore, there is a demand for a material capable of achieving a simple, low-cost manufacturing process and excellent productivity while having mechanical strength and thermal conductivity that are higher than those of conventional alumina-based materials.

이에, 본 발명은 향상된 기계적 강도와 열 전도도를 가지면서도 간단하고 저비용의 제조공정과 우수한 생산성을 달성가능한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물과 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention provides an alumina composite ceramics composition and a method of manufacturing the same, which can achieve a simple, low-cost manufacturing process and excellent productivity while having improved mechanical strength and thermal conductivity.

위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서 질화보론나노튜브(BNNT)를 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an alumina composite ceramics composition comprising alumina (Al 2 O 3 ), yttria stabilized zirconia (YSZ) as a first additive, boron nitride nanotubes BNNT). ≪ / RTI >

이때, 상기 제1첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 25vol% 이하일 수 있고, 상기 제2첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 5wt% 이하일 수 있다.At this time, the content of the first additive may be 25 vol% or less with respect to the content of [alumina + YSZ], and the content of the second additive may be 5 wt% or less with respect to the content of [alumina + YSZ].

또한, 상기 조성은 제3첨가제로서 산화보론(B2O3) 및 붕산(H3BO3) 중의 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이러한 제3첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 0.1~1 wt% 범위일 수 있다.In addition, the composition may further include at least one of boron oxide (B 2 O 3 ) and boric acid (H 3 BO 3 ) as a third additive. The content of the third additive may range from 0.1 to 1 wt% with respect to the content of [alumina + YSZ].

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서 질화보론나노튜브(BNNT)의 각 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 상압하에 소성하여 소결체를 이루는 공정을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing an alumina composite ceramic composition, which comprises mixing alumina (Al 2 O 3 ), yttria stabilized zirconia (YSZ) as a first additive, boron nitride nanotubes (BNNT ) May be mixed to form a mixture, the mixture may be molded to form a formed body, and then the formed body may be sintered under atmospheric pressure to form a sintered body.

이때, 상기 제1첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 25vol% 이하로 될 수 있고, 상기 제2첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 5wt% 이하로 될 수 있다.At this time, the content of the first additive may be 25 vol% or less with respect to the content of [alumina + YSZ], and the content of the second additive may be 5 wt% or less with respect to the content of [alumina + YSZ].

또한, 상기 소성의 온도는 1450~1700℃의 범위로 되고 상기 제1첨가제의 함량을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.In addition, the temperature of the firing may be controlled by varying the content of the first additive in the range of 1450 to 1700 ° C.

또한, 상기 혼합물은 제3첨가제로서 산화보론(B2O3) 및 붕산(H3BO3) 중의 하나 이상을 더 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 제3첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 0.1~1 wt% 범위로 될 수 있다.Further, the mixture may be formed by further containing at least one of boron oxide (B 2 O 3 ) and boric acid (H 3 BO 3 ) as a third additive. The content of the third additive may be in the range of 0.1 to 1 wt% with respect to the content of [alumina + YSZ].

또한, 상기 소성의 온도는 1400~1500℃의 범위로 되고 상기 제2첨가제 및 제3첨가제 중의 하나 이상의 함량을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.Also, the temperature of the firing may be controlled by changing the content of at least one of the second additive and the third additive to be in the range of 1400 to 1500 ° C.

또한, 상기 소성은 환원 분위기에서 수행될 수 있다. Further, the firing can be performed in a reducing atmosphere.

또한, 상기 소성은 질소 가스, 질소 및 수소의 혼합가스, 또는 아르곤 가스로 된 분위기에서 수행될 수 있다.In addition, the firing can be performed in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen gas, nitrogen and hydrogen, or argon gas.

본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물과 이의 제조방법은 비교적 저온에서 일반적인 상압소결이 가능하고 크게 개선된 기계적 강도를 가지면서도 우수한 열전도도를 얻을 수 있으므로, 우수한 기계적 강도와 방열특성이라는 두 과제를 동시에 달성할 수 있다. 또한, 상기 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 여전히 양호한 기계적 강도와 열전도도를 가지면서 효과적으로 소결온도를 낮출 수 있고 이로써 유리하게 텅스텐 등 통상의 금속 전극소재와의 동시소성 호환성을 갖는다. The alumina composite ceramics composition according to the present invention and the method for producing the same can achieve both normal pressure and sintering at a relatively low temperature and have excellent mechanical strength and excellent thermal conductivity, can do. In addition, the alumina composite ceramic composition still has good mechanical strength and thermal conductivity and can effectively lower the sintering temperature, thereby advantageously having co-firing compatibility with conventional metal electrode materials such as tungsten.

본 발명은 알루미나 기반의 소재에 있어서 기계적 강도와 열 전도도 모두가 향상되면서도 비교적 저온 소성이 가능한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물을 제공한다.The present invention provides an alumina composite ceramics composition which is improved in both mechanical strength and thermal conductivity in an alumina-based material and can be baked at a comparatively low temperature.

이를 위한 본 발명에 의하면, 먼저 기지상으로서의 알루미나(Al2O3)에 1차 강화제로서 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria stabilized zirconia: YSZ)를 첨가하여 기계적 강도를 증가시킨 [알루미나＋YSZ] 혼합상(ZTA)을 포함한다. 이러한 이트리아 안정화 지르코니아는 일반적으로 지르코니아에 3mol%의 이트리아(Y2O3)를 첨가한 조성을 사용함이 바람직하나, 본 발명은 상기 첨가량 이외의 이트리아가 첨가된 지르코니아 조성 또한 사용할 수 있다.According to the present invention, a mixed phase of alumina + YSZ (ZTA) having mechanical strength increased by adding yttria stabilized zirconia (YSZ) as a first strengthening agent to alumina (Al 2 O 3 ) . The yttria-stabilized zirconia is generally prepared by adding 3 mol% yttria (Y 2 O 3 ) to zirconia, but the yttria-added zirconia composition other than the above-mentioned added amount can also be used in the present invention.

그런데, 이러한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 지르코니아 소재의 경우, 기계적 강도는 매우 높은 반면에, 열전도도가 약 4W/mK로서 알루미나계 세라믹스의 18~26 W/mK에 비해 매우 낮아 방열특성을 열화시킨다. 뿐만 아니라, 이러한 지르코니아 소재는 소결을 위하여 핫프레스(hot press)나 온정수압프레스(hot isostatic press: HIP)와 같은 고압 소결법이나 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering: SPS)과 같은 고에너지 공정을 수반하므로 결국 제조비용의 상승과 생산성 저하를 초래한다.However, zirconia materials such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) have a very high mechanical strength, while their thermal conductivity is about 4 W / mK, which is much lower than that of alumina ceramics of 18 to 26 W / mK. Degrade. In addition, these zirconia materials are subject to high energy processes such as high pressure sintering such as hot press or hot isostatic press (HIP) or spark plasma sintering (SPS) for sintering Resulting in an increase in manufacturing cost and a decrease in productivity.

따라서, 이를 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면, 상기 [알루미나＋YSZ] 조성에서 상기 YSZ의 함량을 줄이는 대신, 2차 강화제로서 질화보론 나노튜브(boron nitride nanotube: BNNT)를 첨가하여 [알루미나＋YSZ＋BNNT]의 조성물을 제조함으로써 기계적 강도를 증가시키면서도 열전도도의 저하를 방지할 수 있다. In order to solve this problem, according to the present invention, instead of reducing the YSZ content in the [alumina + YSZ] composition, a boron nitride nanotube (BNNT) is added as a second strengthening agent to form [alumina + YSZ + BNNT] By making the composition, it is possible to prevent the thermal conductivity from lowering while increasing the mechanical strength.

이러한 BNNT 소재는 결정구조적으로 탄소나노튜브(CNT)와 유사한 물질이며, 일반적으로 육각의 탄소원자 위치에 보론(B)과 질소(N) 원자들이 순환적으로 위치하는 형태를 가진다. BNNT는 일반적으로 화학적 열적 안정성이 뛰어나며, 특히 대기중에서도 800℃까지 산화되지 않고 안정할 뿐 아니라, 열중성자 흡수능력(B ~760b, N ~1.8b, 여기서 b＝10-24m2), 기계적 특성(~ 1.18GPa) 및 열전도 특성(~ 3,000W/m·K)이 우수한 특징을 지닌다. These BNNT materials are similar to carbon nanotubes (CNTs) in crystal structure, and generally have a form in which boron (B) and nitrogen (N) atoms are cyclically located at hexagonal carbon atom positions. BNNT is generally excellent in chemical and thermal stability and is stable not only in the atmosphere but also in the atmosphere up to 800 ° C and is not only stable but also capable of absorbing thermal neutrons (B to 760b, N to 1.8b, where b = 10 to 24 m 2 ) (~ 1.18 GPa) and thermal conductivity (~ 3,000 W / m · K).

따라서, 본 발명에서는 이러한 BNNT의 첨가에 의해 전술한 압력을 부가하는 소결방법이나 SPS 등과 같은 특수한 장비의 도움없이 일반적인 상압의 분위기 소성로를 사용하여 소성이 가능하며, 특히 대략 1550℃의 온도에서 소결될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 소결은 환원 분위기로 소성됨이 바람직하다. 이렇게 본 발명에 따른 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성은 높은 곡강도와 우수한 열전도도를 갖는다. Therefore, in the present invention, it is possible to carry out sintering by using an atmospheric sintering furnace at normal atmospheric pressure, without the aid of special equipment such as SPS or sintering method of adding the above-mentioned pressure by the addition of such BNNT, . In the present invention, it is preferable that the sintering is performed in a reducing atmosphere. Thus, the [alumina + YSZ + BNNT] composition according to the present invention has a high bending strength and excellent thermal conductivity.

본 발명에 의하면, 상기 YSZ의 함량은 상기 [알루미나＋YSZ] 대비 25vol% 이하일 수 있다. 또한, 상기 BNNT의 함량은 상기 [알루미나＋YSZ] 대비 5wt% 이하로 함이 바람직하다. According to the present invention, the content of the YSZ may be 25 vol% or less relative to the [alumina + YSZ]. It is preferable that the content of the BNNT is 5 wt% or less based on [alumina + YSZ].

또한, 본 발명의 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성에 있어서, 위와 같이 1550℃로 고온인 소결온도는 패키지 소자로의 기판으로서 적용시 함께 사용되는 예컨대 텅스텐(W)과 같은 금속 전극소재와의 동시소성(co-firing)을 위해서는 곤란하며 그 이하의 온도로 낮춰져야 한다. In the above-mentioned [alumina + YSZ + BNNT] composition of the present invention, the sintering temperature at a high temperature of 1550 占 폚 as described above causes co-firing with a metal electrode material such as tungsten (W) co-firing) and should be lowered to a lower temperature.

따라서, 이를 구현하기 위한 본 발명의 다른 일 구현예에 의하면, 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 기본조성에 소량의 산화보론(B2O3)가 첨가될 수 있고, 이에 따라 소결온도는 1400~1500℃, 바람직하게는 1450℃의 소결온도로 저하될 수 있으며, 이렇게 비교적 낮은 소결온도에서도 여전히 높은 곡강도와 우수한 열전도도를 유지한다. 또한, 본 구현예에서는 상기 산화보론(B2O3) 대신에 또는 이와 함께 붕산(H3BO3)이 사용될 수도 있다. 또한, 상기 B2O3 또는 H3BO3의 함량은 상기 [알루미나＋YSZ] 대비 0.1~1 wt% 범위, 바람직하게는 0.3~0.5 wt% 범위로 될 수 있다.Therefore, according to another embodiment of the present invention, a small amount of boron oxide (B 2 O 3 ) may be added to the basic composition of [Alumina + YSZ + BNNT], and the sintering temperature may range from 1400 to 1500 ° C., Deg.] C, preferably 1450 [deg.] C, and still maintains high bending strength and good thermal conductivity even at this relatively low sintering temperature. In this embodiment, boric acid (H 3 BO 3 ) may be used in place of or in addition to the above-mentioned boron oxide (B 2 O 3 ). The content of B 2 O 3 or H 3 BO 3 may be in the range of 0.1 to 1 wt%, preferably 0.3 to 0.5 wt%, relative to [alumina + YSZ].

따라서, 위와 같이 신규한 본 발명에 따르면, 고강도 및 고열전도를 갖거나, 또는 이 외에도 추가적으로 텅스텐 등의 금속전극소재와 동시소결이 가능한 범위의 저온으로 소결가능한, 알루미나계 복합 소결체를 유리하게 얻을 수 있다. Therefore, according to the present invention as described above, an alumina-based composite sintered body having high strength and high thermal conductivity, or additionally capable of sintering at a low temperature in a range capable of simultaneous sintering with a metal electrode material such as tungsten is advantageously obtained have.

이에 대한 본 발명의 바람직한 실시예들을 아래에서 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예들로만 한정되는 것은 아니다.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the following embodiments of the present invention are provided to facilitate an understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.

비교예: [알루미나＋YSZ] 조성(ZTA)의 제조 및 물성 평가Comparative Example: Preparation of [Alumina + YSZ] composition (ZTA) and evaluation of physical properties

먼저, 비교예로서 종래 [알루미나＋이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)] 조성(ZTA)을 다음과 같이 제조하고 그의 곡강도와 열전도도를 측정 및 평가하였다.First, as a comparative example, a conventional (alumina + yttria stabilized zirconia (YSZ)) composition (ZTA) was prepared as follows and its bending strength and thermal conductivity were measured and evaluated.

또한, 아래 사용하는 Al2O3 분말은 평균입경(D50) 50~150㎚, 순도 99.9%의 시중에서 구입가능한 나노분말(Nanostructured & Amorphous Materials사)을 사용하고, 아래 사용하는 YSZ 분말은 3mol% 이트리아를 포함하는 평균입경 15~50㎚, 순도 99.5%의 시중에서 구입가능한 안정화 지르코니아 분말(Nanostructured & Amorphous Materials사)을 사용하였다.A commercially available nano powder (Nanostructured & Amorphous Materials Co.) having an average particle diameter (D50) of 50 to 150 nm and a purity of 99.9% was used as the Al 2 O 3 powder to be used, and 3 mol% Commercially available stabilized zirconia powder (Nanostructured & Amorphous Materials Co.) having an average particle size of 15 to 50 nm and a purity of 99.5% containing yttria was used.

Al2O3와 YSZ 분말을 각각 체적비(vol%)로서 100:1, 90:10, 80:20, 70:30 및 60:40으로 칭량후 볼밀로 혼합하며, 볼밀 조건은 상기 혼합분말 30g 기준으로 구경 5㎜ 및 10㎜의 지르코니아 볼을 각각 75:275(g)으로 하고 여기에 용매로서 에탄올을 100cc 넣어 130rpm에서 6시간 볼밀링하여 혼합하였다. Al 2 O 3 and YSZ powder were weighed at a volume ratio (vol%) of 100: 1, 90:10, 80:20, 70:30 and 60:40, respectively, and then mixed by a ball mill. Zirconia balls having diameters of 5 mm and 10 mm were 75: 275 (g), respectively, and 100 cc of ethanol as a solvent was added thereto, followed by ball milling at 130 rpm for 6 hours.

상기 혼합된 슬러리는 85℃ 오븐에서 충분히 건조한 후 유발로 분쇄하고, 이후 2wt% PVA 수용액을 분말에 분무하여 그래뉼화시킨 다음, 100MPa의 압력에서 지름 15.5㎜, 두께 1~2㎜인 디스크 시편을 성형하고, 또 다른 시편은 곡강도 측정을 위한 것으로서 4.8×41.5×2 ㎜3 크기의 막대형 시편으로 성형하였다. The mixed slurry was thoroughly dried in an oven at 85 ° C., pulverized with induction, granulated by spraying 2 wt% aqueous PVA solution into powders, and molded into disk specimens having a diameter of 15.5 mm and a thickness of 1 to 2 mm at a pressure of 100 MPa And another specimen was used for bending strength measurement and was formed into a rod specimen of 4.8 × 41.5 × 2 ㎜ 3 size.

그리고, 상기 성형한 시편은 질소, 질소+수소 또는 아르곤 분위기에서 1,600℃ 온도로 4시간 소결하여 ZTA 복합체 세라믹을 제조하였다. 이때, 승온 및 냉각속도는 공히 10℃/min으로 하였고, 다만 승온 단계에서는 도중에 400℃에서 1~4시간 유지하여 시편에 함유된 유기물을 번아웃하였다.Then, the molded specimen was sintered at 1,600 ° C for 4 hours in a nitrogen, nitrogen + hydrogen, or argon atmosphere to prepare a ZTA composite ceramic. At this time, both the temperature increase and the cooling rate were set to 10 ° C / min, but the temperature was maintained at 400 ° C for 1 to 4 hours while the temperature was raised to burn out the organic materials contained in the specimen.

이후, 위 소결된 시편들은 각각 소결밀도, 곡강도 및 열전도도를 측정하였다. 소결밀도는 아르키메데스법으로, 기계적 강도는 만능시험기(UTM)를 사용하여 3점 곡강도를, 열전도도는 레이저 플래쉬법(laser flash: LFA 427, Netzsch)을 이용하여 열확산율(thermla diffusivity)을 측정하고 여기에 시편의 밀도와 비열을 곱한 값으로 열전도도값을 산출하였다. Then, the sintered specimens were sintered density, bending strength and thermal conductivity. The thermal diffusivity was measured using the Archimedes method for the sintered density, the three-point bending strength using the universal testing machine (UTM) and the thermal conductivity using a laser flash method (LFA 427, Netzsch) Here, the thermal conductivity value was calculated by multiplying the density of the specimen by the specific heat.

아래 표 1은 비교예에 의해 제조된 ZTA 복합체 세라믹스에서 YSZ 함량에 따른 물성변화를 나타낸다(소결온도: 1600℃-4h).Table 1 below shows the change in physical properties according to the YSZ content in the ZTA composite ceramics prepared by the comparative example (sintering temperature: 1600 ° C -4h).

Al2O3 : YSZ
(vol%)Al 2 O 3 : YSZ
(vol%) 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 100:0100: 0 3.913.91 304304 37.4037.40 90:1090:10 4.114.11 360360 30.9230.92 80:2080:20 4.334.33 352352 24.5624.56 70:3070:30 4.504.50 382382 22.3922.39 60:4060:40 4.704.70 368368 17.6117.61

표 1을 참조하면, 상기 [알루미나＋YSZ](ZTA) 조성에서 1차 강화제인 YSZ 함량이 증가함에 따라, 소결 밀도와 곡강도는 증가하나 상대적으로 열전도도는 반비례하여 크게 감소함을 알 수 있다. 더 상세하게는, [알루미나＋YSZ] 복합체에서 YSZ의 부피분율이 30% 일 때, 최대 곡강도인 382MPa을 나타내어 순수 알루미나의 304MPa보다 25% 향상되었으나, 열전도도는 22.39W/mK로서 순수 알루미나 소결체의 37.4W/mK보다 40%나 감소함을 알 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that as the YSZ content as the first reinforcing agent increases in the [Alumina + YSZ] (ZTA) composition, the sintering density and the bending strength increase, but the thermal conductivity decreases inversely. More specifically, when the volume fraction of YSZ in the [alumina + YSZ] composite was 30%, the maximum curvature was 382 MPa, which was 25% higher than 304 MPa of pure alumina. However, the thermal conductivity was 22.39 W / mK, W / mK is decreased by 40%.

특히, 알루미나 기지상에 단순히 YSZ만을 포함한 복합체에서는 강도의 향상은 있으나 일반 상압소결법에 의해서는 여전히 400MPa를 넘지못함이 확인된다. 뿐만 아니라, YSZ의 낮은 열전도도로 인해, YSZ의 함량이 증가할수록 강도는 증가하나 열전도도는 크게 감소됨이 확인된다.In particular, the strength of the composite containing only YSZ on the alumina matrix is improved, but it is still not exceeded by 400 MPa by the normal pressure sintering method. In addition, due to the low thermal conductivity of YSZ, it is confirmed that as the content of YSZ increases, the strength increases but the thermal conductivity decreases greatly.

제1실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성의 제조 및 물성 평가Example 1: Preparation of [Alumina + YSZ + BNNT] composition and evaluation of physical properties

본 실시예에서는 본 발명에 따라 [알루미나＋YSZ](ZTA) 조성에 질화보론 나노튜브(BNNT)를 첨가한 복합체 세라믹스를 다음과 같이 제조하고 그의 곡강도와 열전도도를 측정 및 평가하였다.In this embodiment, composite ceramics obtained by adding boron nitride nanotubes (BNNT) to a composition of [alumina + YSZ] (ZTA) according to the present invention were prepared as follows, and their bending strength and thermal conductivity were measured and evaluated.

또한, 본 실시예에서 사용된 Al2O3 및 YSZ 분말은 위 비교예와 동일한 것을 사용하였고, 사용된 BNNT는 나노튜브의 직경이 약 5㎚이고, 비표면적 ＞100m2/g, BNNT 함량 ＞60%, elemental B ＜25%인 시중의 제품(TEKNA사, model BNNT-R)을 사용하였다.The Al 2 O 3 and YSZ powders used in this example were the same as those in the comparative example. The BNNT used had a nanotube diameter of about 5 nm, a specific surface area of> 100 m 2 / g, a BNNT content of> (TEKNA, model BNNT-R) with an elemental B <25%.

그리고, 본 실시예에서, 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성물은 위 비교예와 동일한 방법으로 제조되었으나, 다만 본 실시예는 비교예와는 달리 Al2O3를 YSZ 및 BNNT 분말과 동시에 혼합하되 상기 YSZ의 함량은 [알루미나＋YSZ] 대비 25vol%로 한정하고 BNNT의 함량은 아래 표 2와 같이 [알루미나＋YSZ] 대비 0~0.5 wt% 범위에서 변화시키고, 소결온도를 1600~1700℃ 범위로 설정하였다.In this example, the [alumina + YSZ + BNNT] composition was prepared in the same manner as in the above comparative example except that Al 2 O 3 was mixed with YSZ and BNNT powders simultaneously, unlike the comparative example. The content is limited to 25 vol% based on [alumina + YSZ], and the content of BNNT is varied in the range of 0 to 0.5 wt% with respect to [alumina + YSZ] and the sintering temperature is set in the range of 1600 to 1700 ° C as shown in Table 2 below.

아래 표 2는 제1실시예에 의해 제조된 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 복합체 세라믹스에서 BNNT의 함량 변화에 따른 물성변화를 나타낸다(YSZ 함량: 25vol%).Table 2 below shows the change in physical properties of the [alumina + YSZ + BNNT] composite ceramics produced by the first embodiment according to the content of BNNT (YSZ content: 25 vol%).

ZTA로의
BNNT
첨가량
(wt%)ZTA
BNNT
Addition amount
(wt%) 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 0.00.0 4.284.28 4,384.38 4.394.39 344344 447447 344344 17.7317.73 20.6520.65 18.2718.27 0.10.1 4.284.28 4.384.38 4.404.40 376376 471471 347347 18.1318.13 20.7220.72 18.8618.86 0.20.2 4.334.33 4.394.39 4.404.40 434434 484484 368368 18.4818.48 21.0821.08 19.8219.82 0.30.3 4.354.35 4.404.40 4.414.41 492492 609609 383383 18.5018.50 21.3821.38 19.9919.99 0.40.4 4.234.23 4.354.35 4.374.37 409409 515515 250250 16.8216.82 20.5820.58 17.9217.92 0.50.5 4.224.22 4.234.23 4.324.32 231231 480480 197197 16.7816.78 20.0720.07 17.2517.25

표 2의 각 소결 시편에 대한 물리적 특성을 보면, 2차 첨가제인 BNNT의 함량이 0.3wt%일 때 소결 밀도와 곡강도 및 열전도도가 가장 양호하며, 이들 특성은 BNNT의 함량에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 일 예로서, 1650℃에서 소결한 0.3wt% BNNT 첨가 복합체 세라믹스의 경우, 곡강도가 609MPa까지 증가하여 전술한 비교예(BNNT 무첨가 순수 ZTA)의 447MPa에 비하여 기계적 강도가 무려 36%나 향상되었다. The physical properties of each sintered specimen in Table 2 show that the sintered density, bending strength and thermal conductivity are the best when the content of BNNT as the second additive is 0.3 wt%, and these properties are increased in proportion to the content of BNNT Able to know. As an example, in the case of the 0.3 wt% BNNT-added composite ceramics sintered at 1650 ° C, the bending strength was increased to 609 MPa, and the mechanical strength was improved by about 36% compared with that of the comparative example (pure ZTA without BNNT) of 447 MPa.

또한, 열전도도는 표 2에서 BNNT의 함량이 0%인 BNNT 무첨가 순수 ZTA(즉, 비교예 조성)의 20.65W/m·K에서 0.3wt% BNNT 첨가시에는 21.38W/m·K로 증가하고, BNNT가 0.4wt% 이상이 되면 열전도도는 다시 20.58W/mK 이하로 감소하는데, 이는 BNNT 함량이 과도하면 소결성이 떨어져 소결밀도가 표 2에 보이듯이 감소하기 때문이다. 또한 소결온도 1700℃ 이상에서는 곡강도와 열전도도 모두 1,650℃의 소결체에 비해 감소하였으며, 이는 1700℃에서 소결 밀도는 증가하나 입성장에 의해 파괴전단력이 약해지고 고온 소결에 따른 액상분율이 증가함에 따른 것으로 분석된다.In addition, the thermal conductivity is increased to 21.38 W / m · K when 0.3 wt% BNNT is added at 20.65 W / m · K of BNNT pure ZTA (ie, comparative composition) in which the BNNT content is 0% , And when the BNNT is 0.4 wt% or more, the thermal conductivity decreases again to 20.58 W / mK or less because the sintering density is lowered as shown in Table 2 when the BNNT content is excessive. In addition, the bending strength and thermal conductivity were decreased in comparison with the sintered body at 1,650 ℃ at the sintering temperature of 1700 ℃ or higher. This indicates that the sintering density at 1700 ℃ was increased, but the fracture shear force was weakened by the grain growth and the liquid fraction was increased by high temperature sintering. do.

위와 같은 제1실시예의 결과들로부터 ZTA 복합체 세라믹스에 BNNT를 첨가함으로써 기계적 강도와 열전도도가 향상되는 효과를 확인할 수 있다.From the results of the first embodiment, it can be seen that the addition of BNNT to ZTA composite ceramics improves mechanical strength and thermal conductivity.

제2실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성의 제조 및 물성 평가Example 2: Preparation of [Alumina + YSZ + BNNT] composition and evaluation of physical properties

본 실시예에서 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 복합체 세라믹스는 위 제1실시예와 동일한 방법으로 제조되었고, 사용된 알루미나, YSZ 및 BNNT 시료 모두 제1실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 BNNT의 함량을 [알루미나＋YSZ] 대비 0.3wt%로 고정하고 YSZ의 함량을 [알루미나＋YSZ] 대비 0~25vol% 범위에서 변화시킨 점만이 제1실시예와 다르다.In the present embodiment, the [alumina + YSZ + BNNT] composite ceramics were produced in the same manner as in the first embodiment, and the alumina, YSZ and BNNT samples used were the same as those in the first embodiment. However, this embodiment differs from the first embodiment only in that the content of BNNT is fixed to 0.3 wt% with respect to [alumina + YSZ] and the content of YSZ is changed in the range of 0 to 25 vol% relative to [alumina + YSZ].

아래 표 3은 제2실시예에 의해 제조된 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 복합체 세라믹스에서 BNNT 함량을 0.3wt%로 고정할 때 YSZ 함량 변화에 따른 물성변화를 나타낸다(BNNT 함량: 0.3wt%).Table 3 below shows the change in the physical properties of the [Alumina + YSZ + BNNT] composite ceramics produced according to the second embodiment according to the change in YSZ content (BNNT content: 0.3 wt%) when the BNNT content is fixed at 0.3 wt%.

Al2O3 : YSZ
(vol%)Al 2 O 3 : YSZ
(vol%) 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 소결온도(℃-4h)Sintering temperature (℃ -4h) 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 1,6001,600 1,6501,650 1,7001,700 100 : 0100: 0 3.913.91 -- -- 304304 -- -- 37.437.4 -- -- 90 : 1090: 10 4.064.06 4.084.08 4.014.01 481481 473473 399399 30.730.7 27.427.4 27.427.4 85 : 1585: 15 4.144.14 4.174.17 4.024.02 518518 520520 492492 28.528.5 26.326.3 26.526.5 80 : 2080: 20 4.214.21 4.294.29 4.094.09 544544 547547 506506 24.924.9 21.821.8 21.421.4 75 : 2575: 25 4.224.22 4.334.33 4.364.36 492492 609609 383383 18.518.5 21.421.4 20.020.0

앞서 상기 제1실시예의 표 2에서 알 수 있듯이, BNNT의 함량이 0%인 BNNT 무첨가 순수 ZTA(즉, 비교예 조성)의 경우, 400MPa이상의 곡강도를 얻기위해서는 1차 강화제인 YSZ를 적어도 25vol% 이상 첨가하고 소결온도도 1650℃ 이상으로 높아야 되며, 더욱이 낮은 열전도도를 갖는 YSZ상의 영향으로 인해 복합체의 열전도도가 20.65 W/m·K 이하로까지 감소하였었다.As can be seen from Table 2 of the first embodiment, in order to obtain a bending strength of 400 MPa or more in the case of BNNT pure ZTA without BNNT (i.e., comparative example) having a BNNT content of 0%, at least 25 vol% And the sintering temperature should be higher than 1650 ℃. Moreover, the thermal conductivity of the composite decreased to 20.65 W / m · K or less due to the influence of YSZ phase having low thermal conductivity.

반면에, 본 제2실시예에서는, 표 3에 보이듯이 2차 강화제인 BNNT를 0.3wt%로 소량 첨가하여도, 열전도도를 저하시키는 YSZ의 함량을 25vol% 이하로 줄이면서 종전보다 낮은 1,600℃의 소결온도에서도 적어도 480MPa 이상의 곡강도를 보인다. 뿐만 아니라, 본 실시예에서는 10~20 vol%의 YSZ 함량에서 24.9~30.7 W/m·K로 더욱 증가된 열전도도를 보인다. On the other hand, in the second embodiment, as shown in Table 3, even when a small amount of BNNT, which is the second strengthener, is added in a small amount of 0.3 wt%, the content of YSZ that lowers the thermal conductivity is reduced to 25 vol% Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 480 MPa &lt; / RTI &gt; In addition, in this embodiment, the thermal conductivity is further increased to 24.9 ~ 30.7 W / m · K at a YSZ content of 10-20 vol%.

또한, 본 실시예에서 1차 강화제인 YSZ가 25vol%, 2차 강화제인 BNNT가 0.3wt% 포함된 조성은 1650℃ 소결온도에서 609MPa의 높은 곡강도를 얻어 비교예 조성(BNNT 무첨가 순수 ZTA)보다 60%나 개선된 곡강도를 보인다. In the present embodiment, the composition containing the first reinforcing agent YSZ at 25 vol% and the second reinforcing agent BNNT at 0.3 wt% has a high bending strength of 609 MPa at the sintering temperature of 1650 DEG C, which is higher than that of the comparative example (BNNT free pure ZTA) % Or better bending strength.

위와 같이, 본 실시예에 의하면, 상기 복합체 세라믹스 조성에 BNNT를 첨가함으로써 열전도 특성에 악영향을 주는 YSZ 함량을 효과적으로 낮출 수가 있고, 이로써 크게 향상된 곡강도 및 열전도도 모두를 달성한다.As described above, according to the present embodiment, by adding BNNT to the composite ceramics composition, the YSZ content that adversely affects the heat conduction characteristics can be effectively lowered, thereby achieving both greatly improved bending strength and thermal conductivity.

제3실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성의 제조 및 물성 평가Example 3: Preparation of [Alumina + YSZ + BNNT] composition and evaluation of physical properties

본 실시예에서 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 복합체 세라믹스는 위 제1실시예와 동일한 방법으로 제조되었고, 사용된 알루미나, YSZ 및 BNNT 시료 모두 제1실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 YSZ의 함량을 [알루미나＋YSZ] 대비 15vol%로 고정하고 BNNT의 함량을 [알루미나＋YSZ] 대비 최대 0.5wt%까지로 변화시킨 점만이 제1실시예와 다르다.In the present embodiment, the [alumina + YSZ + BNNT] composite ceramics were produced in the same manner as in the first embodiment, and the alumina, YSZ and BNNT samples used were the same as those in the first embodiment. However, this embodiment differs from the first embodiment only in that the content of YSZ is fixed at 15 vol% based on [alumina + YSZ] and the content of BNNT is changed up to 0.5 wt% with respect to [alumina + YSZ].

아래 표 4는 제3실시예에 의해 제조된 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 복합체 세라믹스에서 BNNT 함량을 변화시킴에 따른 물성변화를 나타낸다(YSZ 함량: 15vol%).Table 4 below shows changes in physical properties (YSZ content: 15 vol%) as the BNNT content is changed in the [alumina + YSZ + BNNT] composite ceramics produced by the third embodiment.

ZTA/BNNTZTA / BNNT 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 소성조건(4h)Firing conditions (4h) 소성조건(4h)Firing conditions (4h) 소성조건(4h)Firing conditions (4h) BNNT (wt%)BNNT (wt%) 1,450℃1,450 ° C 1,550℃1,550 ° C 1,450℃1,450 ° C 1,550℃1,550 ° C 1,450℃1,450 ° C 1,550℃1,550 ° C 00 3.673.67 4.194.19 179179 425425 17.417.4 24.024.0 0.10.1 3.603.60 4.214.21 140140 449449 17.417.4 24.424.4 0.20.2 3.633.63 4.254.25 158158 460460 17.717.7 25.025.0 0.30.3 3.673.67 4.234.23 193193 474474 18.218.2 25.625.6 0.40.4 3.683.68 4.214.21 204204 487487 18.518.5 25.725.7 0.50.5 3.613.61 4.204.20 200200 520520 17.917.9 25.825.8

특히, 본 제3실시예는 표 4에 보이듯이 소성온도를 앞서 제2실시예(표 3)에서의 1600~1700℃보다 낮은 1450~1550℃로 100~150℃ 낮춘 온도에서도 소결이 가능함을 보인다. 이는 제2실시예에서 사용한 YSZ의 함량을 최대 25vol%에서 본 제3실시예에서는 15vol%로 10vol%나 낮추었기 때문에 저온소결이 가능해진 까닭이다. Particularly, as shown in Table 4, the third embodiment shows that sintering is possible even at a temperature lowered by 100 to 150 ° C from 1450 to 1550 ° C, which is lower than 1600 to 1700 ° C in the second embodiment (Table 3) . This is because the content of YSZ used in the second embodiment was lowered from 25 vol% at maximum to 15 vol% at 10 vol% in the third embodiment, which enabled low-temperature sintering.

그 결과, 본 제3실시예에서는 표 4에 보이듯이 15vol% YSZ를 포함하는 조성(BNNT 무첨가시)은 1550℃ 소성시에도 적어도 425MPa의 곡강도가 얻어졌고, 더욱이 이에 BNNT 2차 강화제가 0.1~0.5 wt% 첨가될 경우, 449~520 MPa의 높은 곡강도가 얻어졌다. 뿐만 아니라, 제2실시예(표 2)에서는 열전도도가 1650℃ 소성한 시료에서는 겨우 20.07~21.38 W/mK에 불과하였으나, 본 제3실시예(표 4)에서는 열전도도가 상기 1650℃보다 100℃ 낮은 1550℃ 소성한 시료에서도 24.0~25.8W/mK로 20%나 개선된 방열특성을 얻을 수 있게 되었다.As a result, in the third embodiment, as shown in Table 4, the bending strength of at least 425 MPa was obtained even when the composition containing 15 vol% YSZ (at the time of no BNNT addition) was fired at 1550 캜, When added wt%, a high bending strength of 449 to 520 MPa was obtained. In the second embodiment (Table 2), the thermal conductivity of the sample baked at 1650 ° C was only 20.07 to 21.38 W / mK. However, in the third embodiment (Table 4) It is possible to obtain a heat radiation characteristic improved by 20% from 24.0 to 25.8 W / mK even in a sample baked at a low temperature of 1550 ° C.

위와 같이, 본 제3실시예에서는 1450~1550℃로 저하된 소성온도에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라 기계적 강도와 열전도도 모두가 증가함이 확인된다.As described above, in the third embodiment, it is confirmed that not only sintering is possible at a firing temperature lowered to 1450 to 1550 캜, but also both mechanical strength and thermal conductivity are increased.

제4실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(BExample 4: [Alumina + YSZ + BNNT + (B 22 OO 33 또는 H Or H 33 BOBO 33 )] 조성의 제조 및 물성 평가)] &Lt; / RTI &gt;

본 실시예에서 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(B2O3 또는 H3BO3)] 복합체 세라믹스는 위 제1실시예와 동일한 방법으로 제조되었고, 사용된 알루미나, YSZ 및 BNNT 시료 모두 제1실시예와 동일하다. 다만, 제1실시예와 다른 점은, 본 실시예에서는 Al2O3를 YSZ, BNNT 및 B2O3 또는 H3BO3 시료와 동시에 혼합하되, [알루미나＋YSZ] 대비, 상기 YSZ의 함량은 15vol%, BNNT의 함량은 0.3wt%로 각각 한정하며 B2O3 또는 H3BO3의 함량은 최대 1.0wt% 범위에서 변화시킨 점과, 소결온도를 1450℃에서 수행한 점이다.In this embodiment, the [alumina + YSZ + BNNT + (B 2 O 3 or H 3 BO 3 )] composite ceramics was prepared in the same manner as in the above Example 1, and the alumina, YSZ and BNNT samples used were the same as those in Example 1 Do. However, the difference from the first embodiment is that Al 2 O 3 is mixed with YSZ, BNNT and B 2 O 3 or H 3 BO 3 samples at the same time in this embodiment, and the content of YSZ relative to [alumina + YSZ] The content of B 2 O 3 or H 3 BO 3 is changed in the range of maximum 1.0 wt%, and the sintering temperature is 1450 ° C.

즉, 본 제4실시예는 텅스텐 등의 금속 전극소재와의 동시소성을 위해 앞서 제1~3 실시예들에서의 소성온도를 낮춘 조성으로서, B2O3 또는 H3BO3가 제1~3 실시예들 조성에 첨가된 것이다.That is, the fourth embodiment is a composition having a lower firing temperature in the first to third embodiments for simultaneous firing with a metal electrode material such as tungsten, wherein B 2 O 3 or H 3 BO 3 is used as the first- 3 Examples were added to the composition.

아래 표 5는 제4실시예에 의해 제조된 [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(B2O3 또는 H3BO3)] 복합체 세라믹스에서 B2O3 또는 H3BO3 함량을 변화시킴에 따른 물성변화를 나타낸다(YSZ 함량: 15vol%, BNNT 함량: 0.3wt%, 소결온도: 1450℃-4h).Table 5 below shows the change in physical properties as the B 2 O 3 or H 3 BO 3 content is changed in the [alumina + YSZ + BNNT + (B 2 O 3 or H 3 BO 3 )] composite ceramics produced by the fourth embodiment YSZ content: 15 vol%, BNNT content: 0.3 wt%, sintering temperature: 1450 DEG C -4 h).

B2O3 /H3BO3
(wt%)B 2 O 3 / H 3 BO 3
(wt%) 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 00 3.67 (82%TD)3.67 (82% TD) 193193 18.2418.24 0.30.3 4.12 (92%TD)4.12 (92% TD) 478478 21.4221.42 0.50.5 4.20 (94%TD)4.20 (94% TD) 525525 21.0421.04 1.01.0 4.07 (91%TD)4.07 (91% TD) 374374 19.8119.81

본 실시예에 있어서, 표 5에 보이듯이 0.3wt%의 B2O3 또는 H3BO3(이하 "B2O3/H3BO3") 첨가에 의해 1450℃에서 이론밀도(TD) 대비 약 92%의 상대밀도를 갖는 소결체를 얻을 수 있었고, 478MPa의 곡강도값을 제공할 수 있었다. 이때의 열전도도는 B2O3/H3BO3 첨가에 의해 다소 낮은 21.42W/mK가 얻어졌다. In the present embodiment, as shown in Table 5, by adding 0.3 wt% of B 2 O 3 or H 3 BO 3 (hereinafter referred to as "B 2 O 3 / H 3 BO 3 "), A sintered body having a relative density of about 92% was obtained, and a bending strength value of 478 MPa was obtained. The thermal conductivity at this time was 21.42 W / mK which was somewhat lowered by the addition of B 2 O 3 / H 3 BO 3 .

B2O3/H3BO3를 0.5wt% 첨가할 경우, 곡강도는 더욱 증가하여 525MPa의 증가한 곡강도를 얻었으나, 다만 열전도도는 0.3wt% 첨가한 경우보다 약간 낮은 21.04 W/mK를 얻었다. 이는 B2O3/H3BO3 첨가에 의해 소결성은 향상되었으나 소결체 내에 액상 형성량이 증가한데 기인한다. 반면에, 소결조제인 B2O3/H3BO3 첨가량이 1wt%인 경우에는 소결밀도, 곡강도 및 열전도도 특성 모두가 0.5wt%인 조성과 대비하여 크게 감소하였다.When 0.5 wt% of B 2 O 3 / H 3 BO 3 was added, the bending strength was increased to 525 MPa, but the thermal conductivity was slightly lower than that of 0.3 wt% addition, which was 21.04 W / mK. The sinterability was improved by the addition of B 2 O 3 / H 3 BO 3 , but the amount of liquid phase formed in the sintered body increased. On the other hand, when the addition amount of B 2 O 3 / H 3 BO 3 as the sintering additive was 1 wt%, the sintering density, the bending strength and the thermal conductivity characteristics were greatly reduced compared to the composition of 0.5 wt%.

특히, 본 제4실시예에서는 앞서 제3실시예와 동일한 1450℃에서 소결함에도 불구하고 제3실시예에 비해 월등히 우수한 곡강도와 열전도도를 보인다. 위와 같이 본 실시예에 따르면, B2O3/H3BO3 첨가에 의해 곡강도와 열전도도 특성의 열화없이 소결온도를 1450℃로 저하시킬 수 있고 상기 첨가량은 400MPa이상의 곡강도와 20W/mK 이상의 열전도도를 얻기 위해서는 1wt% 이하로 조절하는 것이 바람직함을 알 수 있다. Particularly, in the fourth embodiment, even though sintering is carried out at 1450 캜, which is the same as in the third embodiment, the bending strength and thermal conductivity are much higher than those of the third embodiment. As described above, according to this embodiment, the addition of B 2 O 3 / H 3 BO 3 can lower the sintering temperature to 1450 ° C. without deteriorating the bending strength and thermal conductivity characteristics, and the addition amount is preferably not less than 400 MPa, It is preferable to adjust it to 1 wt% or less.

제5실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(BFifth Embodiment: [Alumina + YSZ + BNNT + (B 22 OO 33 또는 H Or H 33 BOBO 33 )] 조성의 제조 및 물성 평가)] &Lt; / RTI &gt;

본 실시예에서 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(B2O3 또는 H3BO3)] 복합체 세라믹스는 위 제4실시예와 동일한 방법으로 제조되었고, 사용된 알루미나, YSZ 및 BNNT 시료 모두 제4실시예와 동일하다. 다만, 제4실시예와 다른 점으로서, 본 실시예에서는 B2O3 또는 H3BO3의 함량을 0.3wt%로, 상기 YSZ의 함량은 15vol%로 고정하고, BNNT의 함량은 0.3wt% 및 0.5wt%로 각각 변화시켰다.In this example, the [alumina + YSZ + BNNT + (B 2 O 3 or H 3 BO 3 )] composite ceramics was prepared in the same manner as in the above Example 4, and the alumina, YSZ and BNNT samples used were the same as those in Example 4 Do. However, the difference from the fourth embodiment is that the content of B 2 O 3 or H 3 BO 3 is fixed to 0.3 wt%, the content of YSZ is fixed to 15 vol%, the content of BNNT is 0.3 wt% And 0.5 wt%, respectively.

아래 표 6은 제5실시예에 의해 제조된 [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(B2O3 또는 H3BO3)] 복합체 세라믹스에서의 BNNT의 함량을 변화시킴에 따른 물성변화를 나타낸다(YSZ 함량: 15vol%, B2O3 또는 H3BO3 함량: 0.3wt%, 소결온도: 1450℃-4h).Table 6 below shows the change in physical properties as a result of changing the content of BNNT in the [alumina + YSZ + BNNT + (B 2 O 3 or H 3 BO 3 )] composite ceramics produced according to the fifth embodiment (YSZ content: 15 vol% B 2 O 3 or H 3 BO 3 content: 0.3 wt%, sintering temperature: 1450 ° C. -4 h).

물리적 특성Physical Characteristics BNNT
(wt%)BNNT
(wt%) 소결온도Sintering temperature 1,400℃1,400 ° C 1,450℃1,450 ° C 1,475℃1,475 ° C 1,500℃1,500 ℃ 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 0.30.3 3.983.98 4.124.12 4.164.16 4.194.19 0.50.5 -- 4.024.02 4.104.10 4.174.17 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 0.30.3 216216 478478 512512 333333 0.50.5 -- 238238 322322 368368 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 0.30.3 18.4718.47 21.4221.42 22.7222.72 23.2423.24 0.50.5 -- 19.7419.74 20.3820.38 22.0822.08

표 6에 나타내듯이, BNNT 함량이 0.3wt%일 때 곡강도 및 열전도도가 가장 양호하였고, BNNT 함량이 0.5wt%일 때는 0.3wt%인 경우에 비해 오히려 곡강도가 낮아졌다. 이는 BNNT 함량이 0.5wt% 첨가되면 ZTA 복합체의 소결성이 떨어지기 때문이다. As shown in Table 6, the bending strength and thermal conductivity were the best when the BNNT content was 0.3 wt%, and the bending strength was lower than the 0.3 wt% when the BNNT content was 0.5 wt%. This is because when the BNNT content is 0.5 wt%, the sinterability of the ZTA composite deteriorates.

위와 같이 본 제5실시예에서도 낮춰진 소결온도(1450~1475℃)에서도 양호한 곡강도 및 열전도도를 나타냄을 알 수 있다.As described above, the fifth embodiment also shows a good bending strength and thermal conductivity at a reduced sintering temperature (1450 to 1475 ° C).

제6실시예: [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(BExample 6: [Alumina + YSZ + BNNT + (B 22 OO 33 또는 H Or H 33 BOBO 33 )] 조성의 제조 및 물성 평가)] &Lt; / RTI &gt;

본 실시예는 위 제5실시예와 마찬가지로 동일하나, 다만 제조되는 [알루미나＋YSZ＋BNNT＋(B2O3 또는 H3BO3)] 조성에서 B2O3 또는 H3BO3의 함량을 0.3wt%에서 0.5wt%로 늘린 것만이 다르다(위 제5실시예와 동일하게, YSZ의 함량은 15vol%로, BNNT의 함량은 0.3wt% 및 0.5wt%로 설정하였다).The present embodiment is the same as the fifth embodiment, except that the content of B 2 O 3 or H 3 BO 3 in the composition [alumina + YSZ + BNNT + (B 2 O 3 or H 3 BO 3 )] is 0.3 wt% (The content of YSZ is set to 15 vol%, and the content of BNNT is set to 0.3 wt% and 0.5 wt%, as in the fifth embodiment).

물리적 특성Physical Characteristics BNNT
(wt%)BNNT
(wt%) 소결온도Sintering temperature 1,400℃1,400 ° C 1,450℃1,450 ° C 1,475℃1,475 ° C 1,500℃1,500 ℃ 밀도
(g/cm3)density
(g / cm 3) 0.30.3 4.144.14 4.214.21 4.174.17 4.124.12 0.50.5 4.104.10 4.204.20 4.214.21 4.184.18 곡강도
(MPa)Ruggedness
(MPa) 0.30.3 387387 541541 522522 433433 0.50.5 348348 526526 534534 498498 열전도도
(W/m·K)Thermal conductivity
(W / mK) 0.30.3 19.8719.87 21.0421.04 21.0021.00 21.0221.02 0.50.5 19.9019.90 21.2021.20 21.1521.15 21.0821.08

표 7에 나타나듯이, 본 실시예는 B2O3 또는 H3BO3의 함량을 0.3wt%에서 0.5wt%로 늘린 것이다. 최적의 소결밀도는 2차 강화제인 BNNT 함량이 0.3wt%일 경우 1450℃에서 얻어졌고 이때의 곡강도는 541MPa가 얻어졌다. BNNT가 0.5wt% 첨가된 조성에서는 최적의 소결밀도는 1475℃에서 얻어졌고 이때의 곡강도는 534MPa가 얻어졌다. 열전도도는 소결밀도가 92%TD 이상인, 1450℃ 이상에서 소성한 시편에서는 모두 21W/mK 이상의 열전도도를 보였으며, 이 경우에는 2차 강화제나 소결조제의 첨가량에 대해 매우 적은 변화 의존성을 보였다.As shown in Table 7, the present embodiment increases the content of B 2 O 3 or H 3 BO 3 from 0.3 wt% to 0.5 wt%. The optimum sintering density was obtained at 1450 ℃ when the content of BNNT as the second strengthener was 0.3 wt% and the bending strength was 541 MPa. The optimum sintering density was obtained at 1475 ℃ and the bending strength was 534MPa at 0.5wt% BNNT. The thermal conductivity of the specimens sintered above 1450 ℃ with a sintered density of 92% TD or higher showed a thermal conductivity of 21W / mK or more. In this case, the amount of secondary reinforcement and sintering additive showed little change dependence.

상기 제4 내지 제7 실시예들로부터, 2차 강화제인 BNNT와 소결 첨가제인 B2O3 또는 H3BO3를 각각 0.3~0.5wt%로 상기 복합체 세라믹스에 첨가한 경우, 1450℃의 낮은 소성온도에서도 478~541 MPa의 높은 곡강도와 21~21.42 W/mK의 양호한 열전도도를 제공할 수 있음을 알 수 있고, 이는 유리하게 텅스텐 등의 금속 전극소재와의 동시소성 호환성을 부여한다.From the fourth to seventh embodiments, when BNNT as the second strengthening agent and B 2 O 3 or H 3 BO 3 as the sintering additive are respectively added to the composite ceramics at 0.3 to 0.5 wt% It can be seen that even at the temperature it can provide a high bending strength of 478 to 541 MPa and a good thermal conductivity of 21 to 21.42 W / mK, which advantageously provides co-firing compatibility with metal electrode materials such as tungsten.

위와 같이, 본 발명에 의하면, 알루미나에 1차 강화제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 첨가하여 기계적 강도를 증가시킨 [알루미나＋YSZ] 조성에 열전도특성을 열화시키는 상기 YSZ의 함량을 줄이는 대신 2차 강화제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 첨가하여 [알루미나＋YSZ＋BNNT]의 복합체 세라믹스를 제조함으로써 크게 개선된 기계적 강도를 가지면서도 우수한 열전도도를 얻을 수가 있으므로, 크게 향상된 기계적 강도와 방열특성 둘 다를 동시에 달성할 수 있다.As described above, according to the present invention, yttria stabilized zirconia (YSZ) is added as a primary strengthening agent to alumina to reduce the content of YSZ which deteriorates the thermal conductivity in the [alumina + YSZ] composition in which the mechanical strength is increased, (BNNT) as an additive to produce composite ceramics of [alumina + YSZ + BNNT] as a result of which the improved mechanical strength and excellent thermal conductivity can be obtained, have.

뿐만 아니라, 본 발명에 의하면, 상기 [알루미나＋YSZ＋BNNT] 조성에 산화보론(B2O3) 및/또는 붕산(H3BO3)을 첨가함으로써 여전히 양호한 기계적 강도와 열전도도를 가지면서도 효과적으로 소결온도를 더욱 낮출 수가 있고 이는 유리하게 텅스텐 등 통상의 금속 전극소재와의 동시소성 호환성을 부여한다. In addition, according to the present invention, by adding boron oxide (B 2 O 3 ) and / or boric acid (H 3 BO 3 ) to the composition of [alumina + YSZ + BNNT], the sintering temperature Which advantageously provides co-firing compatibility with conventional metal electrode materials such as tungsten.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 조성들을 비교적 저온의 소결온도에서 일반상압법으로 제조함에도 우수한 기계적 강도와 열전도도를 갖는 복합체 세라믹스 조성물의 제조가 가능하다.Also, according to the present invention, it is possible to produce a composite ceramic composition having excellent mechanical strength and thermal conductivity even when the above compositions are prepared at a relatively low temperature sintering temperature and a general atmospheric pressure method.

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. The various characteristics of the preferred embodiments of the present invention described above may vary somewhat within a conventional error range depending on the powder characteristics such as the average particle size, distribution and specific surface area of the composition powder, and the purity of the raw material, Is quite natural for those of ordinary skill in the art.

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. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. , Additions and the like are to be regarded as belonging to the claims.

Claims (14)

알루미나(Al2O3)와;
제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와;
제2첨가제로서 질화보론나노튜브(BNNT)를 포함하는 조성의 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.Alumina (Al 2 O 3) and;
Yttria stabilized zirconia (YSZ) as a first additive;
And a boron nitride nanotube (BNNT) as a second additive. 제1항에 있어서,
상기 제1첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 25vol% 이하인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the content of the first additive is 25 vol% or less with respect to the content of [alumina + YSZ]. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 5wt% 이하인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.3. The method according to claim 1 or 2,
And the content of the second additive is 5 wt% or less with respect to the content of [alumina + YSZ]. 제1항에 있어서,
상기 조성은 제3첨가제로서 산화보론(B2O3) 및 붕산(H3BO3) 중의 하나 이상을 더 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the composition further comprises at least one of boron oxide (B 2 O 3 ) and boric acid (H 3 BO 3 ) as a third additive. 제4항에 있어서,
상기 제3첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 0.1~1 wt% 범위인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.5. The method of claim 4,
Wherein the content of the third additive is in the range of 0.1 to 1 wt% with respect to the content of [alumina + YSZ]. 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서 질화보론나노튜브(BNNT)의 각 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 상압하에 소성하여 소결체를 이루는 공정을 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The mixture is formed by mixing each powder of alumina (Al 2 O 3 ), yttria-stabilized zirconia (YSZ) as a first additive, and boron nitride nanotubes (BNNT) as a second additive, And forming the sintered body by firing the molded body under atmospheric pressure. 제6항에 있어서,
상기 제1첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 25vol% 이하로 되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the content of the first additive is 25 vol% or less with respect to the content of [alumina + YSZ]. 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제2첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 5wt% 이하로 되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.8. The method according to claim 6 or 7,
Wherein the content of the second additive is 5 wt% or less with respect to the content of [alumina + YSZ]. 제6항에 있어서,
상기 소성의 온도는 1450~1700℃의 범위로 되고 상기 제1첨가제의 함량을 변화시킴으로써 조절되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the firing temperature is in the range of 1450-1700 &lt; 0 &gt; C and is controlled by varying the content of the first additive. 제6항에 있어서,
상기 혼합물은 제3첨가제로서 산화보론(B2O3) 및 붕산(H3BO3) 중의 하나 이상을 더 포함하여 형성되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the mixture further comprises at least one of boron oxide (B 2 O 3 ) and boric acid (H 3 BO 3 ) as a third additive. 제10항에 있어서,
상기 제3첨가제의 함량은 [알루미나＋YSZ]의 함량대비 0.1~1 wt% 범위로 되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the content of the third additive ranges from 0.1 to 1 wt% with respect to the content of [alumina + YSZ]. 제10항에 있어서,
상기 소성의 온도는 1400~1500℃의 범위로 되고 상기 제2첨가제 및 제3첨가제 중의 하나 이상의 함량을 변화시킴으로써 조절되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the firing temperature is in the range of 1400 to 1500 ° C. and is controlled by varying the content of one or more of the second additive and the third additive. 제6항에 있어서,
상기 소성은 환원 분위기에서 수행되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the calcination is performed in a reducing atmosphere. 제6항에 있어서,
상기 소성은 질소 가스, 질소 및 수소의 혼합가스, 또는 아르곤 가스로 된 분위기에서 수행되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the calcination is performed in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen gas, nitrogen and hydrogen, or argon gas.
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