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LED는 적은 에너지를 소비하는 친환경적 소자이며 또한 우수한 조명기구로의 역할 등으로 인해 LED 전자 소자에 대한 수요가 매년 가파르게 증가하고 있는 추세이다. 이 분야의 연구는 무결함의 GaN 박막을 제조하여 투입된 에너지로부터 최대한 빛을 발생시키는 빛(light) 발생부와 빛으로 전환되지 못한 에너지(...

LED는 적은 에너지를 소비하는 친환경적 소자이며 또한 우수한 조명기구로의 역할 등으로 인해 LED 전자 소자에 대한 수요가 매년 가파르게 증가하고 있는 추세이다. 이 분야의 연구는 무결함의 GaN 박막을 제조하여 투입된 에너지로부터 최대한 빛을 발생시키는 빛(light) 발생부와 빛으로 전환되지 못한 에너지(heat)을 제거하기 위한 방열판 소재부로 나뉘어 진행된다. 일반적으로 방출되는 열은 투입된 전력 대비 50~90% 수준으로 대단히 높으며 LED 조명 기술에서 가장 큰 단점으로 꼽힌다. 또한 열 발생에 의한 2차적인 문제점은 LED 소자의 효율 저하 및 수명이 감소하는 현상으로 LED 산업의 더 큰 발전을 위해 반드시 극복되어야 하는 과제이다. 이에 따라 더 높은 효율의 LED 소자를 제조하는 것과 병행하여 소자로부터 발생하는 열을 효율적으로 제거하여 소자를 장시간 사용할 수 있도록 LED 방열재료를 개발하는 것이 이 분야의 중요한 목표이다. 방열재료에서 중요한 또 다른 이슈는 고온에서 빛발생부와 방열소재 사이가 박리되지 않도록 열팽창 계수의 차이를 최대한 줄이는 것이다. 따라서 본 연구에서는 LED 전자소자에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 열전도도가 우수한 Al-AlN 복합재료를 제조하고자 하였다. 특히 소자에서 발생되는 열로 인해 발생하는 전자 소자와 방열 복합소재와의 박리를 원천적으로 차단할 수 있는 낮은 열팽창계수의 개념을 적용한 Al-AlN 복합재료를 제조하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서 복합재료를 제조하기 위해서 Al 액상과 N을 반응시켜 AlN 분말을 합성, AlN 프리폼 제조, 프리폼 내에 Al 용탕의 무가압침투법을 적용하였다. 본 연구에서 제조된 AlN 분말은 ~97% 순도, Al-AlN 복합재료는 ~10 ㎛ 평균 입경을 갖고 있었다. 특히 용탕중에서 제조된 AlN 분말은 800℃에서 매우 빠르게 질화반응이 일어나서 약 3시간 내에 모두 AlN으로 전환되었으며, 무가압침투법에 의해 제조된 Al-AlN 복합재료는 50% 이상의 매우 높은 AlN 분율을 포함하고 있었으며 상대밀도는 99% 이상으로 매우 치밀한 벌크 상태였다. 또한 이들 Al-AlN 복합재료는 LED 소자의 방열재료로서 가장 이상적인 열특성을 갖고 있었다. 가장 최적 조건에서 제조된 Al-AlN 복합재료의 열전도도는 180 W/mK 이상이었으며, 열팽창계수는 12 ppm/K 이하로 매우 낮았다. Al-AlN 복합재료에서 위와 같은 우수한 방열특성이 얻어진 것은 AlN 고상입자들이 강한 연결성으로 네트워크를 형성하고 있어서 열팽창에 대한 지지체 역할을 담당하고 있으며, Al 기지 역시 서로 네트워크 구조로 연결되어 있어 높은 방열 특성을 갖고 있기 때문이다. LED 소자는 점차로 고기능, 고집적화, 고효율 특성을 요구받고 있기 때문에 방열 특성은 LED 소자에서 점차 큰 이슈로 부각될 것으로 보인다. 본 연구에서 제조된 AlN 분말은 저온 촉매 공정을 이용하기 때문에 고온 탄소반응에 비해 AlN을 합성하는 경쟁력 있는 공정이 될 것이다. 또한 Al-AlN 복합재료는 기존의 구조재와는 달리 50% 이상의 높은 고상 분율과 그것의 네트워크 구조를 갖고 있어 두 가지 모순된 열특성(낮은 열팽창과 높은 열전도도)을 보유하고 있으므로 향후 다양한 방열재료 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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