[논문]제조 공정별 대형 알루미나 세라믹스의 전기적 특성

조경식; 이현권; 박용일; 김미영

doi:10.4191/kcers.2012.49.2.179

제조 공정별 대형 알루미나 세라믹스의 전기적 특성
Electrical Properties of Large Alumina Ceramics Prepared by Various Processing 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.2, 2012년, pp.179 - 184

조경식 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 이현권 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 박용일 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 김미영 ((주)원익쿼츠)

Abstract ▼ AI-Helper

The size of various alumina ceramics used in semiconductor and display industry is required to increase with increase in wafer and panel size. In this research, large alumina ceramics were fabricated by uniaxial pressing, cold isostatic pressing and filter pressing with commercial powder and thereafter sintering at $1600^{\circ}C$ in gas furnace. The large alumina ceramics exhibited dense microstructure corresponding to 98.5% of theoretical density and 99.8% of high purity. The impurities and microstructural defects of the alumina were found to influence the resistance and dielectric properties. The volume resistances in these four aluminas were almost the same while the pure alumina was higher value. The dielectric constant, dielectric loss and dielectric strength of aluminas were placed within the range of 10.3~11.5, 0.018~0.036, and 10.1~12.4 kV/mm, respectively.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

미세조직은 0.2 µm 다이아몬드 페이스트로 최종 연마하고 1450°C에서 20~60분 동안 열에칭한 후 FE-SEM(JSM-6500F, JEOL, Japan)으로 관찰하였다.
산업체에서 알루미나 생산에 직접 적용하는 성형방법에 따라 적정조건의 분말공정으로 대형 판상 알루미나 소재를 제조하였다. 알루미나 출발 분말은 순도 99.
상업용 알루미나 분말로부터 일축가압, 정수압 성형 및 필터프레스 방법으로 성형체를 제조하고 1600°C의 가스로에서 소결하여 대형 평판 알루미나 세라믹스 소재를 제조하여 체적저항, 유전성 및 절연내력의 전기적 특성을 비교하였다.
성형방법에 따른 판상 알루미나 소결체의 밀도, 순도, 미세구조 및 전기적 특성을 관찰하였는데, 알루미나 세라믹 부재의 크기에 따라 특성분석 항목별로 6부위 이상으로 시편을 채취하여 특성분석의 신뢰성을 높였다. 밀도는 아르키메데스 원리를 이용하여 부피밀도를 측정하고 이론밀도에 대한 상대밀도로 구하였다.
절연내력(dielectric strength)은 직경 10 mm 두께 0.5 mm로 시편 가공하고 은전극을 인가한 후 Withstanding Voltage Tester(TOS 5051A, Kikusui, Japan)를 이용하여 1 MHz, 25°C의 공기중에서 55초마다 0.25 kV씩 단계적(step by step)으로 전압을 증가시키는 ASTM D-149 B방법에 따라 파괴되는 전압을 측정하였다.
즉, 주어진 전압(50 V, 100 V 및 300 V)의 (+) 바이어스를 인가 후 특정한 지연시간(15초) 후 전류를 측정하고, 극성을 역전시켜 동일한 지연시간을 이용하여 전류를 측정하여 측정전류의 가중평균을 취하였으며 다음과 같이 체적저항(ρv, Ω·m)을 구하였다.
단결정과 다결정 알루미나의 유전상수와 유전손실에 대해 측정한 결과 불순물에 기인하여 다결정 알루미나가 높다고 하였으며,¹⁵⁾ 알루미나의 구성 양이온 Al³⁺와 같은 하전을 띠는 Cr³⁺, Fe³⁺ 등의 불순물보다 다른 하전을 띠는 불순물이 영향이 더 크다. 특히 유전상수는 Mg²⁺, 유전손실은 Si⁴⁺가 영향을 크게 주는 것을 보고하였는데, 이는 점결함에 관련된 결함농도를 증가시켜 유전상수와 유전손실을 증가시키는 요인으로 분석하였다.¹⁶⁾ 또한 알루미나 원료 정제 시 필연적으로 존재하게 되는 Na₂O 불순물,¹⁴⁾ TiO₂ 함량에 따라서도 유전상수와 유전손실을 증진시키며,¹⁵⁾ 물론 알루미나 세라믹스에 순수 알루미나 이외의 다른 2차 결정상이 존재할 정도로 불순물 양이 많으면 유전손실을 더욱 증가시키는 결과도 보고되었다.

대상 데이터

알루미나 출발 분말은 순도 99.8% 이상이며, 크기 중앙값(d(50))이 약 0.5~1.2 µm인 3종의 상용 알루미나 분말을 사용하였다.

데이터처리

3는 여러 가지 성형법을 거쳐 제조한 각종 알루미나 시편의 체적저항이다. 각각의 시편에 대해 부위별로 3-5회 반복 측정값의 평균(막대그래프의 진한 색 영역) 및 표준편차(막대그래프의 밝은 색 영역)이다. 알루미나의 체적저항은 1.

이론/모형

성형방법에 따른 판상 알루미나 소결체의 밀도, 순도, 미세구조 및 전기적 특성을 관찰하였는데, 알루미나 세라믹 부재의 크기에 따라 특성분석 항목별로 6부위 이상으로 시편을 채취하여 특성분석의 신뢰성을 높였다. 밀도는 아르키메데스 원리를 이용하여 부피밀도를 측정하고 이론밀도에 대한 상대밀도로 구하였다. 순도는 KSL 3419에 의해 불순물 유입을 최소화하면서 분쇄하고 가압분해법으로 전 처리한 후, ICP-AES(Optima 4300, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 측정하였다.
밀도는 아르키메데스 원리를 이용하여 부피밀도를 측정하고 이론밀도에 대한 상대밀도로 구하였다. 순도는 KSL 3419에 의해 불순물 유입을 최소화하면서 분쇄하고 가압분해법으로 전 처리한 후, ICP-AES(Optima 4300, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 측정하였다. 미세조직은 0.
유전상수(dielectric constant)와 유전손실(dielectric loss(tanδ))은 직경 10 mm 두께 5 mm로 시편 가공하고 은전극을 처리하고 Impedance Analyser(4991A, Agilent, USA)를 이용하여, 1MHz, 25°C의 조건에서 교정과 보상을 거친 후 ASTM D-150 방법에 따라 측정하였다.
체적저항은 3 × 80 × 80 mm로 시편을 가공하여 HighResistance Meter (6517A, 8009, Kiethley Instruments, USA)를 이용하여, 25°C의 조건에서 ASTM D-257 방법으로 Fig. 1과 같이 준비하여 측정하였다.

성능/효과

036 범위이다. 가압성형으로 제조한 시편(CP와 PR)과 필터프레싱으로 제조한 시편(FP1와 FP2) 사이에는 유전율의 차이가 크지 않으나, 유전손실은 가압소결한 알루미나와 같이 불순물과 구조결함이 많을수록 높았다.
^21,22) 알루미나에 기공(특히 개기공)과 같은 구조적 결함이 존재하면 절연내력을 낮추고, 실제 전자산업용 장치부재의 사용환경에서 수분 및 산알칼리가 게재되어 공기 중에서 측정한 절연내력보다 쉽게 절연파괴를 일으킬 수 있음으로 더욱 주위를 기울여야 할 것이다. 본 연구범위에서는 대형 알루미나 제조시 가장 미세구조와 순도가 좋은 필터프레스 알루미나가 가장 우수한 절연내력을 나타내어 전기장이 강하게 작용하는 장치부재에 사용하는 것이 적합하다고 판단된다.
분무건조 분말을 가압성형 하여 소성한 CP와 PR은 각각 97.0% 이상의 상대밀도를 나타내었으며, 필터프레스 성형한 FP1과 FP2 소결시편은 그보다 약간 낮거나 높은 95.9%와 98.5%이었다.
다결정 알루미나의 미세구조가 치밀하고 정교하면 상대적으로 높은 절연내력을 나타낸다. 불순물과 기공과 같은 구조적 결함과 관련된 불균일성이 절연내력을 낮추고 계면도 절연내력에 영향을 주는 것으로 연구되었다. 알루미나의 결정립 크기를 낮추면 불순물 이온의 입계 포획 농도가 증진되어 절연내력을 낮춘다고 알려져 있다.
전체적으로 2~3 µm의 등축상 미세입자와 10 µm 이상의 비정상 입성장 조대결정립으로 구성되어 있으며 입계 기공과 입내 기공도 포함되어 있는 전형적인 알루미나의 미세구조를 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형 알루미나 세라믹스를 산업체에서 제조하는 성형 방법은?	대형 알루미나 세라믹스를 산업체에서 제조하는 성형 방법은 일축가압 성형(uniaxial pressing), 냉간정수압 성형(cold isostatic pressing, CIP), 슬립캐스팅(slip casting)과 필터프레스(filter press)가 대표적이다.3-6) 일축가압 성형은 단순 형상 대량생산 제품을 치수정밀도가 높게 제조할 수있지만 밀도 균질성 및 크기 대형화에 한계점이 있고, CIP는 단순 형상 제품을 대량생산 할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 복잡한 형상을 가진 제품을 만들기 힘들고, 후 가공, 초기 투자비용 등에서 문제를 가지고 있다.
	냉간정수압 성형의 장단점은?	대형 알루미나 세라믹스를 산업체에서 제조하는 성형 방법은 일축가압 성형(uniaxial pressing), 냉간정수압 성형(cold isostatic pressing, CIP), 슬립캐스팅(slip casting)과 필터프레스(filter press)가 대표적이다.3-6) 일축가압 성형은 단순 형상 대량생산 제품을 치수정밀도가 높게 제조할 수있지만 밀도 균질성 및 크기 대형화에 한계점이 있고, CIP는 단순 형상 제품을 대량생산 할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 복잡한 형상을 가진 제품을 만들기 힘들고, 후 가공, 초기 투자비용 등에서 문제를 가지고 있다. 슬립캐스팅은 형상이 복잡한 모양의 제품을 만들 수 있으므로 다품종 소량생산에 적합한 방법이지만 숙련된 기술 요구 및 석고모듈의 빈번 교체 등에 단점을 갖고 있다.
	알루미나 세라믹스 소재의 단점은?	또한 금속재료보다 약 15-20배의 저팽창, 내마모 특성과 고온고압 및 고주파 영역에서 높은 절연 효과와 낮은 유전손실을 보유하고 있어 일반적인 기계구조용 뿐만 아니라 반도체 및 디스플레이 제조공정 등에 범용되고 있다. 그러나 알루미나 세라믹스 소재에서 나타나는 취성파괴, 열적 열화 한계성은 내구성 및 신뢰성 저하의 문제를 초래하며, 부품이 대형화 될수록 부재의 생산공정, 가공공정 및 실재 부품으로서의 조립 및 사용 환경에서 문제점은 더욱 더 심각해진다. 이에 따라 대형 알루미나 세라믹의 물성 제어기술 확보가 관건이 되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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