질화 알루미늄 분말을 수정하는 이유

질화 알루미늄 (AlN), 신흥 고급 세라믹 소재로서, 우수한 열전도성(이론값 최대 320 W/m·K), 신뢰성 있는 전기 절연성, 실리콘과 일치하는 낮은 열팽창 계수 덕분에 전자, 광전자, 항공우주 등 분야에서 “열전도성 스타 소재”라는 명성을 얻었습니다. 그러나 많은 사용자들이 원료 질화알루미늄 분말을 직접 사용할 때 분산이 어렵고, 가수분해가 용이하며, 기판과의 접착력이 떨어지는 등의 문제를 자주 겪습니다. 이러한 현상의 핵심 원인은 미처리된 질화알루미늄 분말의 표면 특성에 내재된 결함에 있습니다.

핵심 질문: 왜 “원시적” 알루미늄 질화물 분말을 개질해야 하는가?
“원시” 질화알루미늄 분말의 표면은 높은 극성을 가지며 풍부한 알루미늄 하이드록실기를 포함하고 있어, 이는 세 가지 핵심 과제를 초래한다:

고도로 가수분해된: 질화알루미늄 분말은 물 분자에 극도로 민감하여 물과 반응하여 수산화알루미늄과 암모니아 가스를 생성합니다. 이는 분말의 화학적 조성 변화를 초래할 뿐만 아니라 최종 소결체의 열전도율을 저하시키며, 가공 과정에서 기포를 발생시켜 제품의 고밀도화 실패 및 결함으로 이어집니다.
분산성 불량: 높은 표면 에너지는 분말 입자 간 강한 응집 경향을 유발하여 유기 용매나 폴리머 수지(에폭시 수지, 실리콘 등)에 균일하게 분산되기 어렵게 합니다. 응집체는 열전도율 향상의 “걸림돌'이 되어 복합 재료의 열전도율 개선을 심각하게 제한합니다.
매트릭스와의 낮은 호환성: 극성 분말 표면과 비극성 유기 고분자 매트릭스 사이에는 물리적·화학적 특성의 현저한 차이가 존재하여 약한 계면 결합을 초래합니다. 이는 열전도율에 영향을 미칠 뿐만 아니라 기계적 성능의 취약점으로 작용하여 균열 및 박리 현상을 쉽게 유발할 수 있습니다.
수정 없이 그대로 사용하면 질화알루미늄의 우수한 잠재력이 크게 감소할 뿐만 아니라, 심지어 사용 불가능해질 수도 있습니다.

해결책: 표면 개질이 어떻게 “돌을 금으로 바꾸는” 효과를 낼 수 있을까?
표면 개질 기술은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 질화 알루미늄 분말 입자 표면에 개질제 분자 층을 코팅하거나 접목함으로써 상기 문제들에 대한 근본적인 해결책이다.
수정 목표:
수분 분해 저항성 향상: 분말과 수분의 직접 접촉을 차단합니다.
분산성 향상: 표면 에너지를 감소시키고, 입자 간 힘을 줄이며, 안정적이고 균일한 분산을 달성합니다.
계면 결합 강화: 분말과 매트릭스 사이에 “분자 다리”를 구축하여 계면 접착력을 강화합니다.
일반적인 수정 방법:
결합제 개질: 실란 결합제, 티타네이트 결합제 등과 같은 결합제 개질은 가장 주류적이고 효과적인 기술 중 하나이다.
표면 코팅: 무기 산화물(예: SiO₂) 또는 유기 고분자로 코팅.
현장 수정: 분말 제조 공정 중에 표면 수정이 직접 수행된다.

제품 장점 및 적용 분야: 개질 알루미늄 질화물 분말이 제공하는 가치
개질된 질화알루미늄 분말의 가치는 최종 제품에 완벽하게 반영됩니다.

고열전도성 겔/열전도성 개스킷 적용
문제 해결: 실리콘 오일/실리콘 고무 시스템에서 분말의 침전, 응집 및 급속한 점도 증가라는 난제를 해결했습니다.
제품의 장점:
고충진 및 저점도: 개질된 분말은 우수한 분산성을 지녀 충진 비율(>70%)을 높일 수 있으며, 동시에 시스템의 유동성과 가공성을 유지하여 분배 및 자동화 생산이 용이합니다.
열전도율 2배 향상: 균일한 분산으로 열저항의 병목 현상을 해소하여 열전도율이 5-15 W/m·K를 손쉽게 돌파하며, 이는 알루미나 시스템을 훨씬 뛰어넘는 수치입니다.
우수한 안정성: 가수분해로 인한 성능 저하 및 장치 부식 위험을 방지합니다.
고열전도성 에폭시 플라스틱 실란트 적용
문제 해결: 분말과 에폭시 수지 간의 습윤성을 개선하여 계면에서의 공극 형성을 방지했습니다.
제품의 장점:
탁월한 열전도성과 절연성: 전력 반도체(예: IGBT) 및 LED 칩에 효율적인 방열 경로와 신뢰할 수 있는 절연 보호 기능을 제공합니다.
고강도 및 저응력: 강력한 인터페이스 접합력은 패키지의 기계적 강도를 향상시키고 열팽창 불일치로 인한 내부 응력을 감소시켜 장치 신뢰성을 개선합니다.
고온 구조용 세라믹스에서의 적용
문제 해결: 소결 활성 향상 및 소결 온도 감소.
제품의 장점:
고밀도화: 개질 분말은 우수한 유동성과 높은 충전 밀도를 가지며, 세라믹 기판이나 구조 부품을 이론 밀도에 근접하게 소결하기 쉬워 이론값에 가까운 높은 열전도도를 얻을 수 있다.
안정적인 성능: 우수한 가수분해 저항성은 소결 전 분말 처리의 안정성을 보장하여 완제품의 수율을 크게 향상시킵니다.

고객 실제 사례 (익명)
고객 A: 유명 전력 모듈 제조사가 에폭시 실란트 제조 시 무개질 알루미늄 질화물을 사용했을 때 경화 후 점도 불안정 및 내부 미세 기포 발생 문제를 겪었습니다.
저희 솔루션: 해당 용도에 특화된 실란 커플링 에이전트로 개질된 질화알루미늄 분말 모델을 제공합니다.
효과: 본 분말은 에폭시 수지 내 우수한 분산성을 보이며, 점도 안정성이 50% 이상 향상되었습니다. 경화 후 제품은 치밀하고 결함이 없으며, 열전도율이 약 25% 증가했습니다. 고객사의 제품 수율이 크게 개선되었습니다.
고객 B: 고급 열전도성 인터페이스 소재 기업이 열전도율 10W/m·K 이상의 열전도성 젤 개발을 희망하나, 고분말 충전 시 점도가 급격히 증가하는 기술적 난관에 직면해 있다.
저희 솔루션: 극히 낮은 표면 에너지와 우수한 입체 장애 효과를 지닌 저희의 유기 고분자 코팅 알루미늄 질화물 분말을 추천합니다.
효과: 고객사는 78%의 높은 충전량을 성공적으로 달성하였으며, 열전도율 12.5 W/m·K를 유지하면서도 우수한 유동성과 시공 성능을 확보하여 최종 고객사 인증을 성공적으로 통과하였습니다.

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