KR20180039215A - 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 조성은 기계적 강도가 크게 향상되면서도 우수한 열전도도와 비저항을 갖는다. 아울러, 본 발명의 조성은 열전도도를 열화시키는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 함량을 줄여도 특히 낮춘 소결온도에서도 우수한 기계적 강도와 열전도도를 가지므로 매우 유리하다. 이를 위한 본 발명의 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 포함한 조성으로 구성된다. 이때, 상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니아의 각 함량의 합산량 대비 25vol% 이하일 수 있고, 상기 제2첨가제의 함량은 바람직하게는 총중량대비 0.1~5wt% 범위, 더욱 바람직하게는 총중량대비 0.1~0.5wt% 범위일 수 있다.

Description

알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 {ALUMINA COMPLEX CERAMICS COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 알루미나 복합체 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 우수한 기계적 강도를 가지면서 동시에 양호한 열 전도도와 전기 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 외에 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.
이러한 질화 알루미늄의 열전도율은 일반적으로 170/m·K 정도이며 최대 230W/m·K에 이른다. 관련한 종래기술로서, 일본 특허공고 소63-46032호(1988. 2. 26 공고) "고열전도성 질화 알루미늄 소결체의 제조방법", 일본 특허공개 평09-315867호(1997. 12. 9 공개) "질화 알루미늄 소결체, 금속 이설품, 전자기능 재료 및 정전척", 국내특허 제10-0494188호(2005. 6. 10 공고) "질화알루미늄질 세라믹스, 반도체 제조용 부재, 내식성 부재 및 도전성 부재" 등에서는 질화 알루미늄에 이트륨이나 탄화붕소 등을 첨가한 조성물을 1700~2300℃의 고온에서 고압 소결하는 기술을 개시한다.
위와 같이 질화 알루미늄은 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 대략 1700℃ 이상의 고온이 필요하다는 점, 또한 질화 알루미늄은 질화물이어서 고온의 열처리 시 산화하기 쉬우므로 예컨대 질소가스 또는 수소-질소 혼합가스를 사용하는 환원 분위기의 소성이 반드시 필요하다는 점 등으로 인해 질화 알루미늄의 제조비용은 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.
이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 출원인의 현재 출원중인 특허출원 제10-2015-166339호(2015. 11. 26 출원) "알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법"에 의하면, 지르코니아 알루미나 복합체에 그래핀과 탄소나노튜브를 첨가한 조성으로서 최대 722MPa에 이르는 우수한 기계적 강도를 가지면서도 양호한 열 전도도와 적절한 전기 절연성을 얻는다.
다만, 이 특허출원의 조성에서 상기 그래핀은 전도성이어서 조성물의 전기 절연성이 열화될 수 있으므로, 특히 절연성인 상기 탄소나노튜브와의 함량 분율을 적절히 조절함으로써 전기 비저항을 조절한다. 그러나, 이렇게 함량 분율을 조절하여 전기 절연성을 유지하는 것만으로는 실용적으로 다양한 여러 용도에 적용하기에는 한계가 있을 수 있다.
본 발명은 종래의 알루미나 기반 소재보다도 우수한 기계적 강도를 가지면서도 양호한 열 전도도와 전기 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 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 포함한 조성으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니아의 각 함량의 합산량 대비 25vol% 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2첨가제의 함량은 바람직하게는 총중량대비 0.1~5wt% 범위일 수 있고, 더욱 바람직하게는 총중량대비 0.1~0.5wt% 범위일 수 있다.
또한, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 지르코니아와 3mol%의 이트리아를 포함한 조성으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법은 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서의 질화보론 나노튜브(BNNT)를 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 성형하고 소성하여 고용된 알루미나 복합체 세라믹스를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 소성은 1600~1700℃ 온도범위에서 행해질 수 있고, 질소(N2) 가스 분위기, 질소(N2)＋수소(H2) 혼합가스 분위기, 또는 질소(N2)＋아르곤(Ar) 혼합가스 분위기에서 행해질 수 있다.
또한, 상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 복합체 세라믹스의 열전도도 크기와 반비례하도록 조절될 수 있고, 바람직하게는 상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니아의 각 함량의 합산량 대비 25vol% 이하의 범위로 조절될 수 있다.
본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성은 기계적 강도가 크게 향상되면서도 우수한 열전도도와 비저항을 갖는다. 아울러, 본 발명의 조성은 열전도도를 열화시키는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 함량을 줄여도 특히 낮춘 소결온도에서도 우수한 기계적 강도와 열전도도를 가지므로 매우 유리하다.
일반적으로 종래의 알루미나(Al2O3) 기반 조성물의 기계적 강도와 전기 절연성을 향상시키기 위해서는 우수한 강도를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 알루미나에 첨가하는 방안을 고려할 수가 있다. 이러한 알루미나＋지르코니아 복합체 세라믹스는 소위 지르코니아 강화 알루미나(Zirconia Toughened Alumina: "ZTA") 세라믹스라고도 한다.
그러나, 이렇게 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가는 기계적 강도는 증가시키지만, 대신에 지르코니아는 열 전도도가 약 4W/m·K로서 낮아 최종 알루미나 복합체의 열전도도는 크게 열화되어 버린다. 즉, 상기 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성은 지르코니아 자체의 열악한 열전도 특성으로 인하여 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 첨가하면 조성의 열전도 특성이 크게 열화된다.
따라서, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성에서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 함량에 따른 곡강도의 개선과 열전도 특성의 유지라는 두 측면은 서로 트레이드 오프(trade-off)적인 관계이어서 이들 두 측면을 타협하여 서로 어느 정도 수준에서 절충할 수밖에 없으므로, 상기 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성은 원천적으로 기계적 강도 및 열전도 특성의 개선에 한계가 있을 수밖에 없다. 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성에서 위와 같은 절충된 수준을 얻기 위한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량은 ZTA 총량대비 대략 30~40vol% 범위이다.
따라서, 알루미나 복합체의 열전도도를 열화시키지 않는 범위로 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량을 감소시키면서, 여전히 높은 기계적 강도와 전기 절연성을 유지하는 복합체 조성이 바람직하다.
이를 만족시키는 것으로서, 본 발명은 알루미나를 주 조성으로 하고, 이에 제1강화제로서 지르코니아 또는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를, 제2강화제로서 질화보론나노튜브(BNNT)를 각각 첨가한 알루미나 복합체 세라믹스 조성을 제시한다.
본 발명의 조성에 첨가되는 상기 질화보론 나노튜브(BNNT)는 결정구조적으로 탄소나노튜브(CNT)와 유사한 물질이며, 육각의 탄소원자 위치에 보론(B)과 질소(N) 원자들이 순환적으로 위치하는 형태를 가진다. 이러한 BNNT는 화학적 열적 안정성이 뛰어나며, 특히 대기 중에서도 800℃까지 산화되지 않고 안정할 뿐 아니라, 열중성자 흡수능력(B ~760b, N ~1.8b, 여기서 b＝10-24m2) 및 기계적 특성(~ 1.18GPa)과 열전도 특성(~ 3,000W/m·K)이 우수하다는 특징을 갖는다.
따라서, 이러한 본 발명의 조성은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)만을 첨가한 상기 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성과 대비하여 우월한 기계적 특성[곡강도(flexural strength)]과 방열 특성[열전도도(thermal conductivity)] 및 절연 특성[비저항(specific resistivity)]을 갖는다.
또한, 유리하게도 이와 같은 본 발명의 알루미나 복합체 세라믹스 조성물은 1600~1700℃ 온도범위, 바람직하게는 1600~1650℃ 온도범위에서 수 시간(예컨대, 4시간) 동안 상압 소결하여 소성 가능하므로, 고온 및 고압을 가하는 HIP(Hot Isostatic Press)나 SPS(Spark Plasma Sintering) 등과 같이 특수한 장비가 요구되는 소결공정이 전혀 불필요하다.
또한, 본 발명에서 상기 소성 이전에 프레스와 같은 일반적인 성형공정을 통하여 소정의 형상으로 성형될 수 있다. 그리고, 본 발명에서 상기 소성은 대기중 또는 환원 분위기에서 상압 소결될 수도 있고, 예로서 상기 소성은 질소(N2) 가스나, 질소(N2)＋수소(H2) 또는 질소(N2)＋아르곤(Ar)의 혼합가스 분위기에서 수행될 수 있고 상기 수소 함량은 상기 혼합가스 총중량대비 대략 0.5~3.0 wt% 범위로 조절될 수 있다.
위와 같이 소결된 본 발명의 알루미나 복합체 세라믹스는 대략 481~609MPa 범위로서 우수한 기계적 강도를 가지면서도, 대략 24.9~30.7 W/m·K의 양호한 열전도도와 대략 1.9×1012 Ω·cm 이상의 우수한 비저항값을 갖는다.
이와 대조적으로, 아래 표 1에서 후술하겠지만, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)만이 첨가된 전술한 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성의 경우, 최대값으로서 382MPa의 곡강도, 22.4W/m·K의 열전도도 및 1.5×1012Ω·cm의 비저항을 갖는데 그치므로, 본 발명 조성은 이러한 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성에 비해 매우 우수한 특성을 갖는 것이다.
뿐만 아니라, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성의 위 특성은 본 발명의 조성보다 더 높은 소결온도에서 소결하여 얻어지는 것이어서, 본 발명 조성은 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성에 비해 이보다 더 낮은 온도에서 소결되면서 이보다 우수한 특성을 갖는 것이다.
특히, 본 발명의 알루미나 복합체 세라믹스 조성은 알루미나에 질화보론 나노튜브(BNNT)를 더 첨가하므로, 열전도도를 열화시키는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량을 상기 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성보다 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이로써 본 발명의 조성은 상기 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가에 따른 열전도도의 열화가 억제되면서도, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성에 비해 우수한 기계적 강도 수준을 가지므로 매우 유리하다.
본 발명의 조성에서 상기 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량은 바람직하게는 알루미나＋YSZ 함량대비 25vol% 이하이고, 상기 질화보론 나노튜브(BNNT)의 첨가량은 바람직하게는 총중량대비 0.1~5wt%, 더 바람직하게는 0.1~0.5wt%이다.
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
1) 사용 분말
본 실시예들 및 비교예들에서 질화보론 나노튜브(BNNT)는 나노튜브의 직경이 약 5㎚이고 비표면적이 ＞100m2/g, BNNT 함량이 ＞60%, elemental B가 ＜25%인 나노분말(TEKNA사)이 사용되었다.
또한, 기지상인 알루미나는 평균입경(D50) 150㎚의 나노분말(Nanostructured & Amorphous Materials사)이, 그리고 제1강화제인 이트리아 안정화 지르코니아(이하 "YSZ")는 3mol% 이트리아를 포함하는 평균입경 40㎚의 안정화 지르코니아 분말(Nanostructured & Amorphous Materials사)이 각각 사용되었다.
2) 비교예(지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 복합체 세라믹스)의 제조와 물성의 측정 및 평가
먼저, Al2O3와 YSZ 분말을 아래 표 1에 나타내듯이 각각 체적비(vol%)로서 100:1, 90:10, 80:20, 70:30 및 60:40의 조성비로 칭량하고 볼밀로 혼합하였다. 볼밀 조건은 상기 혼합한 분말 30g 기준으로 구경이 5㎜와 10㎜인 지르코니아 볼을 각각 75g:275g의 비율로 혼합하고, 여기에 용매로서 에탄올을 100cc 넣어 130rpm에서 6시간 볼밀링법으로 혼합하였다.
상기 혼합한 슬러리는 85℃ 오븐에서 충분히 건조한 후 유발로 분쇄하였고, 2wt% PVA 수용액을 상기 분쇄한 분말에 분무하여 그래뉼화하였다. 그리고, 100MPa의 압력에서 지름 15.5㎜, 두께 2㎜인 디스크 시편을 성형하는 한편, 다만 곡강도 측정을 위한 것으로는 4.8×41.5×2mm3 크기의 막대형 시편으로 성형하였다.
그리고, 상기 성형한 시편은 질소, 질소＋수소 또는 질소＋아르곤 분위기에서 1,600℃ 온도로 4시간 소결하여 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 복합체 세라믹스를 제조하였다. 이때, 승온 및 냉각 속도는 둘 다 10℃/min으로 하고, 승온단계에서는 400℃에서 1~4시간 유지하며 시편에 함유된 유기물을 탈거(burn-out)하였다.
이후, 상기 소결된 시편은 각각 소결밀도, 기계적 강도, 열전도도 및 비저항을 측정하였다. 소결밀도는 아르키메데스법으로 측정하고, 기계적 강도로는 만능시험기(UTM)를 사용하여 3점 곡강도를 측정하였다. 또한, 열전도도는 레이저 플래쉬(laser flash) 법으로 열확산율을 측정한 후(사용장비: LFA 447, Netzsch), 열확산율×밀도×비열[W/m·K]의 산출공식을 통해 열전도도를 산출하였다.
아래 표 1은 비교예들로서 위와 같이 제조한 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 복합체 세라믹스의 제반 물성(밀도, 곡강도, 열전도도 및 비저항)을 정리한 것이다. 표 1에서 "YSZ"는 이트리아 안정화 지르코니아를 가리키고, YSZ의 첨가량은 0~40vol% 범위에서 증가되었다.
Al2O3:YSZ
(wt%)		 밀도
(g/cm3)		 곡강도
(MPa)		 열전도도
(W/m·K)		 비저항
(Ω·cm)
100:0 3.91 304 37.40 4.3×1010
90:10 4.11 360 30.92 7.8×1010
80:20 4.33 352 24.56 9.5×1010
70:30 4.50 382 22.39 1.5×1011
60:40 4.70 368 17.61 5.9×1011
표 1을 참조하면, 전술한 바대로, 제1강화제인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 함량이 증가함에 따라, 소결 밀도와 곡강도는 증가하는 경향을 보이지만, 대신 상대적으로 열전도도는 반비례하여 크게 감소함을 알 수 있다.
결국, 비교예와 같이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)만이 첨가된 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 복합체 조성으로는 곡강도의 개선정도와 열전도 특성의 유지라는 양 측면을 타협하여 어느 정도 수준(예컨대, Al2O3:YSZ가 70:30 조성비의 수준)에서 절충할 수밖에 없다.
3) 실시예(지르코니아 강화 알루미나(ZTA)＋질화보론 나노튜브(BNNT))의 제조와 물성의 측정 및 평가
본 실시예의 제조방법은 전술한 비교예의 제조방법과 동일하게 수행되었다. 다만, 알루미나 주 조성 분말에 제1강화제로서 YSZ 분말을 알루미나＋YSZ 함량대비 25vol% 첨가한 지르코니아 강화 알루미나(이하 "ZTA") 조성 분말에 제2강화제로서 질화보론 나노튜브(이하 "BNNT") 분말을 아래 표 2에서 나타내듯이 총중량대비 0.1~0.5wt% 범위에서 각각 첨가함으로써 BNNT 분말을 알루미나 및 YSZ 분말과 동시에 혼합한 분말을 사용하는 것만이 다르다. 그 외 나머지 모든 제조공정은 위 비교예와 동일하다.
비교예와 동일하게 성형 및 소결되어 측정된 본 실시예 조성 세라믹스의 소결밀도, 곡강도, 열전도도 및 비저항을 BNNT 함량에 따라 아래 표 2에 나타낸다.
BNNT (wt%)

 밀도
(g/cm3)		 곡강도
(MPa)		 열전도도
(W/m·K)		 비저항
(Ω·cm)
소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h)
1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700
0.0 4.28 4,38 4.39 344 447 344 17.73 20.65 18.27 8.4×1011 6.4×1011 8.4×1011
0.1 4.28 4.38 4.40 376 471 347 18.13 20.72 18.86 1.2×1012 7.2×1011 5.8×1011
0.2 4.33 4.39 4.40 434 484 368 18.48 21.08 19.82 9.1×1012 6.5×1012 2.3×1012
0.3 4.35 4.40 4.41 492 609 383 18.50 21.38 19.99 2.5×1013 7.6×1012 6.7×1012
0.4 4.23 4.35 4.37 409 515 250 16.82 20.58 17.92 5.7×1013 1.4×1013 1.1×1013
0.5 4.22 4.23 4.32 231 480 197 16.78 20.07 17.25 3.4×1014 1.3×1014 1.4×1013
표 2를 참조하면, 제2강화제인 BNNT의 첨가량이 0.3wt%의 조성에서 소결 밀도와 곡강도 및 열전도도가 가장 양호함을 알 수 있다. 그리고, 전기 절연성을 나타내는 비저항값은 BNNT의 첨가량에 비례하여 증가함이 확인된다.
특히, BNNT의 첨가량이 0.3wt%인 조성을 1,650℃에서 소결한 실시예 조성 세라믹스의 경우, BNNT가 첨가되지 않은 조성과 대비하여, 곡강도는 447MPa에서 609MPa로 크게 향상되었고, 열전도도는 20.65W/m·K에서 21.38W/m·K로 증가하였으며, 비저항은 6.4×1011Ω·cm에서 7.6×1012Ω·cm로 1-order가 증가하였음을 알 수 있다. 더구나, BNNT의 첨가량을 더 증가시켜 0.5wt%로 한 실시예 조성 세라믹스의 경우에는 비저항이 획기적으로 증가하여 1.33×1014Ω·cm로 3-order나 향상되었음을 알 수 있다.
위로부터 본 발명에 의하면, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)에 제2강화제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 첨가함으로써 기계적 강도와 전기 절연성이 향상되면서도 열전도도가 향상되어 요구되는 제반 특성이 모두 개선됨을 알 수 있다.
한편, 전술했듯이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가는 기계적 강도의 증가에는 기여하지만 대신에 열전도도를 크게 열화시킨다. 그러나, 본 발명의 복합체 세라믹스 조성은 질화보론 나노튜브(BNNT)를 더 첨가하여 위에서 살핀 바와 같이 기계적 강도는 물론 열전도도 또한 증가시키므로, 열전도도를 열화시키는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량을 유리하게 줄일 수가 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 다른 실시예로서 알루미나 주 조성에 제2강화제로서 질화보론 나노튜브(BNNT) 분말을 일정한 고정함량으로서 총중량대비 0.3wt%로 첨가하고, 동시에 제1강화제인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 첨가량을 알루미나＋YSZ 함량대비 0~25vol% 범위로 한정한 조성의 복합체 세라믹스를 제조하고 그의 물성을 측정하였다.
즉, 본 실시예에서 위 YSZ 첨가량 0~25vol%는 일반적으로 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)에 함유되는 YSZ의 첨가량보다 낮은 수준의 범위이다. 본 실시예의 결과를 아래 표 3에 나타낸다.
Al2O3:YSZ
(BNNT 함량은
0.3wt%)		 밀도
(g/cm3)		 곡강도
(MPa)		 열전도도
(W/m·K)		 비저항
(Ω·cm)
소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h) 소결온도(℃-4h)
1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700 1,600 1,650 1,700
100:0 3.91 - - 304 - - 37.4 - - 4.3×1010 - -
90:10 4.06 4.08 4.01 481 473 399 30.7 27.4 27.4 1.9×1012 2.0×1012 1.2×1012
85:15 4.14 4.17 4.02 518 520 492 28.5 26.3 26.5 3.3×1012 3.8×1012 2.5×1012
80:20 4.21 4.29 4.09 544 547 506 24.9 21.8 21.4 7.0×1012 5.7×1012 6.6×1012
75:25 4.22 4.33 4.36 492 609 383 18.5 21.4 20.0 2.5×1013 7.6×1013 6.7×1013
표 3을 참조하면, 본 실시예에서 YSZ 함량을 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)에서 일반적으로 대략 400MPa 이상의 기계적 강도를 얻기 위한 YSZ의 함량보다도 낮은 수준으로(즉, 10~20vol%) 감소시켰음에도, 더 낮은 온도의 1600℃로 소결하여 481~544 MPa의 우수한 기계적 강도에서 18.5~30.7W/m·K의 양호한 열전도도를 나타냄을 알 수 있다.
상대적으로 더 높은 1650℃로 소결한 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성의 기계적 강도 및 열전도도는 YSZ가 30wt% 첨가되는 경우에는 382MPa 및 22.39W/m·K, YSZ가 40wt% 첨가되는 경우에는 368MPa 및 17.61W/m·K로서(표 1 참조), 위와 같은 본 발명 실시예의 열전도도 및 기계적 강도와 대비하여 크게 열악하다.
즉, 앞서 표 1에서도 살폈듯이, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성의 경우는 400MPa 이상 수준의 기계적 강도를 얻기 위해서 YSZ의 함량을 적어도 30vol% 이상 첨가하고 소결온도도 1650℃ 이상으로 높아야 하지만, 본 발명에 의한 조성은 YSZ의 함량을 10~25vol% 수준으로 낮추고 상대적으로 저온인 1600℃에서 소결하면서도 오히려 위 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 조성보다 향상된 기계적 강도와 열전도도를 얻을 수 있다.
이상 살폈듯이, 본 발명에 의한 알루미나 복합체 세라믹스 조성은 주 성분인 알루미나에 제1강화제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를, 제2강화제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 각각 첨가하여 구성됨으로써 기계적 강도가 크게 향상되면서도 우수한 열전도도와 비저항을 갖는다. 이러한 본 발명 복합체 조성의 특성은 상기 질화보론 나노튜브(BNNT)가 첨가되지 않은 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 복합체 조성과 비교하여 크게 향상된 값들을 나타낸다. 따라서, 세라믹 절연 기판으로서 유용하다.
아울러, 본 발명 복합체 조성은 열전도도를 열화시키는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 함량을 줄여도 특히 낮춘 소결온도에서도 우수한 기계적 강도와 열전도도를 가지므로 매우 유리하다.
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 (10)

  1. 알루미나(Al2O3)와;
    제1첨가제로서 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와;
    제2첨가제로서 질화보론 나노튜브(BNNT)를 포함한 조성으로 구성되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니아의 각 함량의 합산량 대비 25vol% 이하인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2첨가제의 함량은 총중량대비 0.1~5wt% 범위인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2첨가제의 함량은 총중량대비 0.1~0.5wt% 범위인 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이트리아 안정화 지르코니아는 지르코니아와 3mol%의 이트리아를 포함한 조성으로 이루어지는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물.
  6. 알루미나(Al2O3)와, 제1첨가제로서의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와, 제2첨가제로서의 질화보론 나노튜브(BNNT)를 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 성형하고 소성하여 고용된 알루미나 복합체 세라믹스를 제조하는 단계를 포함하는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소성은 1600~1700℃ 온도범위에서 행해지는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 소성은 질소(N2) 가스 분위기, 질소(N2)＋수소(H2) 혼합가스 분위기, 또는 질소(N2)＋아르곤(Ar) 혼합가스 분위기에서 행해지는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 복합체 세라믹스의 열전도도 크기와 반비례하도록 조절되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  10. 제6항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1첨가제의 함량은 상기 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니아의 각 함량의 합산량 대비 25vol% 이하의 범위로 조절되는 알루미나 복합체 세라믹스 조성물의 제조방법.
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