질화알루미늄(AlN)은 고열전도도를 특징으로 주목받고 있는 소재지만 낮은 소결성을 갖는 문제가 있다. 질화알루미늄을 가압소결(hot-pressing)과 상압소결(pressureless sintering)로 준비하여, 각각의 소결기술이 질화알루미늄 세라믹스의 소결성과 ...
질화알루미늄(AlN)은 고열전도도를 특징으로 주목받고 있는 소재지만 낮은 소결성을 갖는 문제가 있다. 질화알루미늄을 가압소결(hot-pressing)과 상압소결(pressureless sintering)로 준비하여, 각각의 소결기술이 질화알루미늄 세라믹스의 소결성과 열전도도에 미치는 영향을 고찰하였다. 가압소결에서는 균질하게 거무스름한 색상을 띄는 고열전도 질화알루미늄 세라믹스를 제조하기 위해 착색제를 첨가했다. 3 wt% 산화이트륨(Y2O3)과 0.1 wt% 카본블랙(carbon black)을 첨가하고 1850℃에서 5시간동안 소결하여 제조한 질화알루미늄 세라믹스는 상대밀도 99%와 열전도도 166 W/mK를 나타냈다. 소결조제 첨가량과 소결조건이 열전도도에 미치는 영향을 알아보기 위해, 산화이트륨을 1~3 wt% 범위로 첨가하여 1900℃에서 2~10시간동안 질소(N2) 분위기로 소결했다. 모든 질화알루미늄 시편은 산화이트륨 함량이 증가하고 소결시간이 길어질수록 높은 열전도도를 나타냈다. 질화알루미늄 표면의 산화알루미늄(Al2O3)과 산화이트륨이 반응하여 생성되는 이차상(yttrium aluminates)의 형성은 질화알루미늄 시편의 열전도도를 향상시킨다. 이것은 이차상이 질화알루미늄 격자 내의 산소 함량을 줄이기 때문이다. 또한 소결시간이 길어질수록 열전도도가 향상되는데, 소결시간이 길어짐에 따라 입계에 존재하는 이차상이 휘발에 의해 제거되고 입계에 균일하게 분포된다. 열탄소환원(carbothermal reduction) 반응 또한 열전도도에 영향을 미친다. 1900℃에서 10시간동안 질소분위기로 소결한 질화알루미늄 시편은 소결조제 함량에 따라 120~205 W/mK의 열전도도를 나타냈다. 탈지(debinding) 조건이 1850℃에서 5시간동안 질소분위기로 상압소결한 질화알루미늄 세라믹스의 열전도도에 미치는 영향을 고찰했다. 3~5 wt% 산화이트륨과 0.5 wt% PVB 결합제를 포함하는 분무건조로 제조된 질화알루미늄 과립은 대기(air) 또는 질소 분위기에서 탈지되었다. 탈지 조건은 소결된 질화알루미늄 세라믹스의 이차상과 이차상의 분포 그리고 열전도도에 영향을 주었다. 소결된 질화알루미늄 세라믹스는 상대밀도 98% 이상을 나타냈다. 대기 분위기에서 탈지된 시편은 140 W/mK 이하의 열전도도를 나타내는 반면, 질소 분위기에서 탈지된 시편은 보다 높은 166 W/mK의 열전도도를 나타냈다. 탈지과정에서 공정 분위기에 따라 소결체 내에 형성되는 이차상이 다르다. 이것은 산화 분위기에서 탈지된 질화알루미늄 분말 표면에 산화알루미늄이 형성되기 때문이다. 또한 질소 분위기에서 탈지된 질화알루미늄 소결체는 시편의 내부와 표면의 색상이 달랐다. 이것은 탈지 과정에서 잔류카본이 남기 때문이다. 그 결과 질화알루미늄의 산소 농도에 영향을 주어 대기 분위기에서 소결된 시편보다 높은 열전도도를 나타냈다.
질화알루미늄(AlN)은 고열전도도를 특징으로 주목받고 있는 소재지만 낮은 소결성을 갖는 문제가 있다. 질화알루미늄을 가압소결(hot-pressing)과 상압소결(pressureless sintering)로 준비하여, 각각의 소결기술이 질화알루미늄 세라믹스의 소결성과 열전도도에 미치는 영향을 고찰하였다. 가압소결에서는 균질하게 거무스름한 색상을 띄는 고열전도 질화알루미늄 세라믹스를 제조하기 위해 착색제를 첨가했다. 3 wt% 산화이트륨(Y2O3)과 0.1 wt% 카본블랙(carbon black)을 첨가하고 1850℃에서 5시간동안 소결하여 제조한 질화알루미늄 세라믹스는 상대밀도 99%와 열전도도 166 W/mK를 나타냈다. 소결조제 첨가량과 소결조건이 열전도도에 미치는 영향을 알아보기 위해, 산화이트륨을 1~3 wt% 범위로 첨가하여 1900℃에서 2~10시간동안 질소(N2) 분위기로 소결했다. 모든 질화알루미늄 시편은 산화이트륨 함량이 증가하고 소결시간이 길어질수록 높은 열전도도를 나타냈다. 질화알루미늄 표면의 산화알루미늄(Al2O3)과 산화이트륨이 반응하여 생성되는 이차상(yttrium aluminates)의 형성은 질화알루미늄 시편의 열전도도를 향상시킨다. 이것은 이차상이 질화알루미늄 격자 내의 산소 함량을 줄이기 때문이다. 또한 소결시간이 길어질수록 열전도도가 향상되는데, 소결시간이 길어짐에 따라 입계에 존재하는 이차상이 휘발에 의해 제거되고 입계에 균일하게 분포된다. 열탄소환원(carbothermal reduction) 반응 또한 열전도도에 영향을 미친다. 1900℃에서 10시간동안 질소분위기로 소결한 질화알루미늄 시편은 소결조제 함량에 따라 120~205 W/mK의 열전도도를 나타냈다. 탈지(debinding) 조건이 1850℃에서 5시간동안 질소분위기로 상압소결한 질화알루미늄 세라믹스의 열전도도에 미치는 영향을 고찰했다. 3~5 wt% 산화이트륨과 0.5 wt% PVB 결합제를 포함하는 분무건조로 제조된 질화알루미늄 과립은 대기(air) 또는 질소 분위기에서 탈지되었다. 탈지 조건은 소결된 질화알루미늄 세라믹스의 이차상과 이차상의 분포 그리고 열전도도에 영향을 주었다. 소결된 질화알루미늄 세라믹스는 상대밀도 98% 이상을 나타냈다. 대기 분위기에서 탈지된 시편은 140 W/mK 이하의 열전도도를 나타내는 반면, 질소 분위기에서 탈지된 시편은 보다 높은 166 W/mK의 열전도도를 나타냈다. 탈지과정에서 공정 분위기에 따라 소결체 내에 형성되는 이차상이 다르다. 이것은 산화 분위기에서 탈지된 질화알루미늄 분말 표면에 산화알루미늄이 형성되기 때문이다. 또한 질소 분위기에서 탈지된 질화알루미늄 소결체는 시편의 내부와 표면의 색상이 달랐다. 이것은 탈지 과정에서 잔류카본이 남기 때문이다. 그 결과 질화알루미늄의 산소 농도에 영향을 주어 대기 분위기에서 소결된 시편보다 높은 열전도도를 나타냈다.
Aluminum nitride (AlN) has excellent thermal conductivity, whereas it has some disadvantage such as low sinterability. AlN ceramics were prepared by hot pressing and pressureless sintering, and the effect of two sintering techniques on the sinterability and thermal conductivity of AlN ceramics were ...
Aluminum nitride (AlN) has excellent thermal conductivity, whereas it has some disadvantage such as low sinterability. AlN ceramics were prepared by hot pressing and pressureless sintering, and the effect of two sintering techniques on the sinterability and thermal conductivity of AlN ceramics were studied in detail. In the hot-pressing of AlN, the coloring agent used to obtain uniform blackish colored sintered bodies of AlN having a high thermal conductivity. A percent theoretical density of 99% and a thermal conductivity of 166 W/mK were obtained for a specimen which was hot-pressed at 1900℃ with a soaking time of 3 h under 30 MPa and 3 wt% of Y2O3, 0.1 wt% carbon black added. The effects of sintering additive content and sintering condition on thermal conductivity of pressurelss sintered AlN ceramics were examined on the variables of 1~3 wt% sintering additive (Y2O3) content at 1900 ℃ in N2 atmosphere with holding time of 2~10 h. All AlN specimens showed higher thermal conductivity as the Y2O3 content and holding time increase. The formation of secondary phases (yttrium aluminates) by reaction of Y2O3 and Al2O3 from AlN surface promoted the thermal conductivity of AlN specimens, because the secondary phases could reduce the oxygen contents in AlN lattice. Also, thermal conductivity was increased by long sintering time because of the uniform distribution and the elimination of the secondary phases at the grain boundary by the evaporation effect during long holding time. A carbothermal reduction reaction was also affected on the thermal conductivity. The thermal conductivity of AlN specimens sintered at 1900 ℃ for 10 h showed 120~205 W/mK according to the content of sintering additive. The effects of debinding condition on the thermal conductivity of AlN pressureless sintered at 1850 C for 5 h in a N2 atmosphere were also investigated. Spray dried AlN powder compacts incorporating 3~5 wt% Y2O3 sintering additive and 0.5 wt% PVB binder were calcined in air or a N2 atmosphere for binder burn-out. The debinding condition affected the second phase, the second phase distribution, and the thermal conductivity of the sintered AlN samples. All sintered AlN samples were densified to higher than 98% theoretical density. The sample debinded in a N2 atmosphere showed higher thermal conductivity (166 W/mK) than that of the sample debinded in an air atmosphere (<140 W/mK). In the sample debinded in the air atmosphere, a YAG phase, Y3Al5O12, was observed as the secondary, intergranular phase showing a wide distribution. On the other hand, when the debinding process was conducted in a N2 atmosphere, Y4Al2O9, YAlO3 and Y2O3 phases were observed at the triple point, and the sample color was different at the sample surface and interior due to the residual carbon. These results are attributed to the formation of Al2O3 on the surface of the AlN powder due to the oxidizing atmosphere. In the sintered AlN sample debinded in a N2 atmosphere, the color of the sample surface and interior was different due to the residual carbon, and the measured thermal conductivity was higher than that of the AlN debinded in the air atmosphere. The higher thermal conductivity was caused by the YAG phases being more concentrated on the triple points, and the residual carbon led to a decrease of oxygen content in the AlN lattice.
Aluminum nitride (AlN) has excellent thermal conductivity, whereas it has some disadvantage such as low sinterability. AlN ceramics were prepared by hot pressing and pressureless sintering, and the effect of two sintering techniques on the sinterability and thermal conductivity of AlN ceramics were studied in detail. In the hot-pressing of AlN, the coloring agent used to obtain uniform blackish colored sintered bodies of AlN having a high thermal conductivity. A percent theoretical density of 99% and a thermal conductivity of 166 W/mK were obtained for a specimen which was hot-pressed at 1900℃ with a soaking time of 3 h under 30 MPa and 3 wt% of Y2O3, 0.1 wt% carbon black added. The effects of sintering additive content and sintering condition on thermal conductivity of pressurelss sintered AlN ceramics were examined on the variables of 1~3 wt% sintering additive (Y2O3) content at 1900 ℃ in N2 atmosphere with holding time of 2~10 h. All AlN specimens showed higher thermal conductivity as the Y2O3 content and holding time increase. The formation of secondary phases (yttrium aluminates) by reaction of Y2O3 and Al2O3 from AlN surface promoted the thermal conductivity of AlN specimens, because the secondary phases could reduce the oxygen contents in AlN lattice. Also, thermal conductivity was increased by long sintering time because of the uniform distribution and the elimination of the secondary phases at the grain boundary by the evaporation effect during long holding time. A carbothermal reduction reaction was also affected on the thermal conductivity. The thermal conductivity of AlN specimens sintered at 1900 ℃ for 10 h showed 120~205 W/mK according to the content of sintering additive. The effects of debinding condition on the thermal conductivity of AlN pressureless sintered at 1850 C for 5 h in a N2 atmosphere were also investigated. Spray dried AlN powder compacts incorporating 3~5 wt% Y2O3 sintering additive and 0.5 wt% PVB binder were calcined in air or a N2 atmosphere for binder burn-out. The debinding condition affected the second phase, the second phase distribution, and the thermal conductivity of the sintered AlN samples. All sintered AlN samples were densified to higher than 98% theoretical density. The sample debinded in a N2 atmosphere showed higher thermal conductivity (166 W/mK) than that of the sample debinded in an air atmosphere (<140 W/mK). In the sample debinded in the air atmosphere, a YAG phase, Y3Al5O12, was observed as the secondary, intergranular phase showing a wide distribution. On the other hand, when the debinding process was conducted in a N2 atmosphere, Y4Al2O9, YAlO3 and Y2O3 phases were observed at the triple point, and the sample color was different at the sample surface and interior due to the residual carbon. These results are attributed to the formation of Al2O3 on the surface of the AlN powder due to the oxidizing atmosphere. In the sintered AlN sample debinded in a N2 atmosphere, the color of the sample surface and interior was different due to the residual carbon, and the measured thermal conductivity was higher than that of the AlN debinded in the air atmosphere. The higher thermal conductivity was caused by the YAG phases being more concentrated on the triple points, and the residual carbon led to a decrease of oxygen content in the AlN lattice.
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