Special  초광역경제권연계협력 AlN 기술개발 사업

고순도 AlN 원료소재 상용화 기술개발 동향

양 창 열_ KC주식회사 연구소 연구원
신 광 희_ KC주식회사 연구소 과장
김 대 웅_ KC・KA주식회사 중앙연구소 소장

1. 고순도 질화알루미늄 원료개발 배경

질화알루미늄(AlN)은 알루미나의 약10배가 넘는 고열전도율과 실리콘에 가까운 열팽창율, 우수한 전기절연성 및 기계적 강도, 안정적인 열팽창계수를 보유하고 있어 고열전도성 세라믹스가 적용되는 반도체용 기판이나 부품, LED용방열판, 고출력 실리콘 장치용 방열판, 화합물반도체 레이저소자용 기판, 하이브리드자동차 전원제어용 기판 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다.

이렇게 널리 사용되는 질화알루미늄의 국내 Val-ue Chain 분석 결과, 질화알루미늄 산업과 관련하여 원천소재 및 부품기업이 미약하여 산업연계의 연결고리가 단절되어있는 상황으로 원료 - 소재 - 부품 – 완제품으로 이어지는 원추형 구조가 붕괴되어 있는 실정이다.
전후방산업의 불균형은 향후 시스템의 고성능 및 고집적화가 급속화 되면서 질화알루미늄의 최종 수요산업체에 해당하는 반도체 장비제조 기업, 반도체 조명제조 기업, 전자기기 제조 기업 등의 성장에도 결정적인 걸림돌이 될 것으로 판단되고  최종 완제품에 적용하는 수요업체만이 팽창되는 역삼각형 산업구조가 고착되어 이에 대한 전후방 산업군을 유기적으로 연결하기 위한 원천소재 개발 및 부품산업 육성에 대한 국가적 전략이 절실한 실정이다.
이러한 상황에 국내 KC(주)와 포스코엠텍과의 합작사인 포스하이알에서 99.995%이상의 고순도알루미나를 년간 2,000톤 생산할 수 있는 공장이 완공됨에 따라 고순도 질화알루미늄 개발에 박차를 가하게 되었다.

그림 1. 질화알루미늄의 결정구조 및 특성

2. 질화알루미늄 특성
전세계 질화알루미늄 분말시장의 생산규모는 510톤/년(Fuji Chimera, 2013)으로 2010년 이전보다는 연평균 성장률이 다소 둔화됐지만 꾸준히 증가하고 있으며, 이를 활용한 응용제품 역시 지속적으로 성장하고 있는 추세이다.
이러한 질화알루미늄은 다른 세라믹 재료에 비교해서 열적, 전기적 특성이 우수하기 때문에 비산화물계 대표적 재료로서 반도체 장비분야에서 활발한 연구 및 상업화가 진행되고 있다
질화알루미늄은 구성원소가 간단하고, 결정구조 역시 단순하며 공유결합성이 강하기 때문에 포론(Phnon) 전도가 지배적이어서 다른 재료에 비해 열전도성이 높다. 표 2.에는 각종 세라믹 소재에 대한 열전도율을 나타냈다.

표 1. 각종 세라믹 특성 비교

표 2. 각종 세라믹 재료의 열전도율

그림 2. KC주식회사의 환원질화법의 AlN 제조 공정도

그림 3. 초고순도 알루미나 전구체를 활용한 질화알루미늄 합성

3. 질화알루미늄 제조특성
질화알루미늄 제조방법에 대해서는 이미 많이 알려져 있듯이 환원질화법, 직접질화법 및 기상법이 있으며 당사에서는 고순도 질화알루미늄을 생산하기 위하여 환원질화법을 사용하였으며 이들 각각에 대한 제조방법은 다음과 같다.

가. 환원질화법 질화알루미늄의 대표적인 업체인 일본 토쿠야마에서 제조하는 방법으로 고순도알루미나와 카본을 혼합하여 질소분위기 하에서 제조하는 방법으로 흡열반응이기 때문에 반응제어가 용이하며 입경이 일정한 고순도 질화알루미늄을 얻을수 있는 장점이 있으며 반응식은 다음과 같다.
Al2O3 + 3C + N2 → 2AlN + 3CO
ΔH = 27kj/kg-mol

질화알루미늄의 순도와 입자 크기는 출발 원료인 알루미나의 순도와 입자 크기에 크게 의존하며 반응후 잔존된 카본을 제거하기 위해서는 탈탄공정이 부가적으로 필요하다.
앞서 언급했듯이 고순도 질화알루미늄의 분말을 합성시키기 위해서는 알콕사이드 합성에 의해 제조된 고순도 알루미나를 출발물질로 이용한다.

나. 직접질화법

이 방법은 고온에서 금속알루미늄과 질소가스와의 자전합성법에 의해 제조하는 방식으로 연쇄반응적으로 자기발열을 동반하기 때문에 반응제어가 극히 어렵고 질화 반응후 괴(傀) 형태로 제조되기 때문에 분쇄, 분급 공정 중 다량의 불순물 혼입에 따른 순도저하가 우려되며 반응식은 아래와 같다
2Al + N2(or NH3) → 2AlN
ΔH = -320kj/kg-mol

기상법

이 방법의 장점은 나노분말(100 nm이하)제조가 용이하고 고순도 분말제조가 가능하나, 트리에틸알루미늄이 수지중합 촉매로서 공기중에서 자연스럽게 물과 폭발적으로 반응하기 때문에 취급이 어려운 단점을 가지고 있으며 반응식은 다음과 같다.
Al(C2H5)3 + NH3 → AlN + 3C2H6