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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김상우, 류성수
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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전자산업의 급속한 기술발전으로 고집적화, 고출력화된 회로를 요구하게 됨에 따라 회로에 발생하는 발열문제를 해결하기 위해서 높은 열전도도를 갖는 기판 및 패키지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 AlN소재는 방열효과에 용이한 높은 열전도도와 메탈라이징에 적합한 낮은 열팽창계수를 나타내어 각광을 받고 있다. 그러나 AlN은 강한 공유결합의 특성으로 소결이 어렵고 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 2000℃ 이상 고온의 가압소결이 요구되고, 분위기 제어 없이 소결하게 되면 1000℃ 이상의 고온에서 산화되는 성질을 지니고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 Y2O3, CaO 등과 희토류나 알카리토류 같은 소결조제를 첨가하여 치밀화된 AlN을 제조할 수 있으나, 1800℃의 고온이 요구된다. 최근 생산비용의 감소와 기계적 강도의 향상을 위해서 뿐만 아니라, 다층기판(multilayer substrate)에서의 동시소성을 위해서도 기존에 비해 좀 더 낮은 온도에서 소결이 매우 중요하다.
본 연구에서는 AlN의 소결온도를 낮추기 위해 융점이 비교적 낮은 세라믹 glass를 소결조제로 사용하였다. 특히, glass 분말을 착체중합법(ploymeric complex method)을 이용하여 나노크기의 MgO-CaO-Al2O3-SiO2 (MCAS) 계 glass 분말을 제조하여 첨가하였다. 합성된 나노 MCAS glass 분말의 특성을 분석하고, AlN 분말에 5wt%∼20wt% 범위로 첨가하여 AlN의 소결거동을 분석하였다.
나노 MCAS glass 분말은 먼저 Metal(MgO : CaO : Al2O3 : SiO2 = 5 : 19 : 26 : 50) : Citric Acid를 1 : 5의 몰비로 혼합하여 금속 이온들과 유기조직 결합으로 이루어진 고분자 전구체를 형성하여 Powder precursor를 합성한 후, 700℃에서 열처리를 통해 50nm의 균일한 나노분말을 얻을 수 있었다. 나노 MCAS glass를 첨가에 따른 AlN의 소결거동을 조사하기 위해 먼저 AlN에 소결조제인 나노 MCAS glass 분말을 5wt% 첨가하여 Dilatometer로 수축거동을 조사한 결과, 1300℃부터 수축이 시작되었고 1535℃에서 가장 큰 수축거동을 나타냈으며, 분말 성형체를 1300℃∼1700℃에서 4 시간 동안 질소분위기에서 등온 소결한 결과 1400℃에서 이미 97.6%의 높은 상대밀도를 나타내었으며, 1500℃에서 98.5%, 1600℃에서는 3.19 g/㎤의 이론밀도에 가까운 완전 치밀화된 소결체를 얻을 수 있었다. 이는 기존에 알려진 AlN의 소결온도에 비해 200℃ 낮은 결과이다. Dilatometer 분석, 소결체 XRD 상분석, 소결체 전자현미경 미세구조 분석결과로 바탕으로 나노 MCAS 분말이 첨가된 AlN의 치밀화는 용융된 glass에 의한 액상소결(liquid phase sintering)에 의한 것임을 알 수 있었다. 또한, 나노 MCAS glass의 첨가는 AlN의 치밀화에 매우 우수한 소결조제역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 소결체의 열전도도 값을 측정한 결과, 1600℃에서 82.6W/mk에서 가장 높은값을 나타냈다. 소결조제를 5wt%∼20wt%까지 첨가한 결과 함량이 증가할수록 밀도값은 감소하였고 액상의 양은 증가하였으며 열전도도 값은 감소하였다.
본 연구에서는 AlN의 소결온도를 낮추기 위해 융점이 비교적 낮은 세라믹 glass를 소결조제로 사용하였다. 특히, glass 분말을 착체중합법(ploymeric complex method)을 이용하여 나노크기의 MgO-CaO-Al2O3-SiO2 (MCAS) 계 glass 분말을 제조하여 첨가하였다. 합성된 나노 MCAS glass 분말의 특성을 분석하고, AlN 분말에 5wt%∼20wt% 범위로 첨가하여 AlN의 소결거동을 분석하였다.
나노 MCAS glass 분말은 먼저 Metal(MgO : CaO : Al2O3 : SiO2 = 5 : 19 : 26 : 50) : Citric Acid를 1 : 5의 몰비로 혼합하여 금속 이온들과 유기조직 결합으로 이루어진 고분자 전구체를 형성하여 Powder precursor를 합성한 후, 700℃에서 열처리를 통해 50nm의 균일한 나노분말을 얻을 수 있었다. 나노 MCAS glass를 첨가에 따른 AlN의 소결거동을 조사하기 위해 먼저 AlN에 소결조제인 나노 MCAS glass 분말을 5wt% 첨가하여 Dilatometer로 수축거동을 조사한 결과, 1300℃부터 수축이 시작되었고 1535℃에서 가장 큰 수축거동을 나타냈으며, 분말 성형체를 1300℃∼1700℃에서 4 시간 동안 질소분위기에서 등온 소결한 결과 1400℃에서 이미 97.6%의 높은 상대밀도를 나타내었으며, 1500℃에서 98.5%, 1600℃에서는 3.19 g/㎤의 이론밀도에 가까운 완전 치밀화된 소결체를 얻을 수 있었다. 이는 기존에 알려진 AlN의 소결온도에 비해 200℃ 낮은 결과이다. Dilatometer 분석, 소결체 XRD 상분석, 소결체 전자현미경 미세구조 분석결과로 바탕으로 나노 MCAS 분말이 첨가된 AlN의 치밀화는 용융된 glass에 의한 액상소결(liquid phase sintering)에 의한 것임을 알 수 있었다. 또한, 나노 MCAS glass의 첨가는 AlN의 치밀화에 매우 우수한 소결조제역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 소결체의 열전도도 값을 측정한 결과, 1600℃에서 82.6W/mk에서 가장 높은값을 나타냈다. 소결조제를 5wt%∼20wt%까지 첨가한 결과 함량이 증가할수록 밀도값은 감소하였고 액상의 양은 증가하였으며 열전도도 값은 감소하였다.
목차
제 1 장 서론 1제1절 AlN 소재의 응용분야 1제2절 AlN의 소결특성 및 향상방안 4제3절 착체중합법에 의한 나노 분말 합성 10제4절 연구목적 13제 2 장 실험 방법 14제1절 원료 분말 141. AlN 분말 142. 나노 MCAS glass 분말 합성 16제2절 나노 MCAS glass 분말의 특성 분석 21제3절 나노 MCAS glass가 첨가된 AlN의 소결 22제4절 AlN 소결체의 특성분석 24제 3 장 결과 및 고찰 26제1절 합성된 나노 MCAS glass 분말의 특성 261. 열적 거동 분석 결과 262. X-선 회절분석 결과 293. 입자크기 및 형상 분석 결과 31제2절 나노 MCAS glass가 첨가된 AlN의 온도에 따른 소결 특성 분석 결과 351. Dilatometer 수축 거동 352. 소결체 소결밀도 373. 소결체 미세구조 414. X-선 회절분석 결과 475. 열전도도 49제3절 나노 MCAS glass 함량에 따른 AlN의 소결특성 분석 결과 511. Dilatometer 수축 거동 512. 소결체 소결밀도 533. 소결체 미세구조 554. X-선 회절분석 결과 585. 열전도도 60제4절 나노 MCAS glass와 용융 glass 첨가 AlN의 소결거동 비교 결과 621. Dilatometer 수축 거동 비교 622. 소결밀도 비교 결과 653. 소결체 미세구조 비교 결과 674. X-선 회절분석 비교 결과 69제 4 장 결론 71참고문헌 73ABSTRACT 78
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