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반도체 속 첨단 세라믹(3편)
세라믹으로 반도체 내열성 강화하기

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글/정동준 생산기술팀 팀장

세라믹은 다른 소재와 달리 그 특수성을 인정받아 다양한 산업에서 널리 활용되고 있다. 특히 반도체 산업에서의 세라믹은 그 어떤 소재보다도 다방면으로 뛰어난 특성을 가지고 있어 반도체를 구성하는 핵심소재로 자리잡았다. 필자는 이번 기고를 통해 세라믹만이 보유한 각각의 역학적 특성과 전기적 특성 그리고 열 특성을 자세히 살펴보면서 3회에 걸쳐 다뤄보도록 하겠다.

지난 회차에서는 세라믹의 전기적 특성과 주요 물질들을 살펴보면서 많은 산업에서 세라믹이 핵심소재로 기능하는 이유를 설명했다. 이번에는 세라믹이 가지고 있는 열 특성을 중심으로 세라믹의 광범위한 온도에 따른 기능 등 주요 장점을 살펴보고, 세라믹의 열 특성이 주로 어떠한 분야에서 활용되고 있는지 알아보고자 한다.

세라믹의 열 특성

세라믹의 열특성을 이야기하기 전에 열전달의 기초 메커니즘을 이해해야 한다. 열은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 전달 되며 두 물체의 온도가 같게 되면 열전달은 정지된다. 열은 전도 대류 그리고 복사의 세가지 형태로 전달하게 되는데 고체 물질에서는 중요한 두가지 열전도 메커니즘으로 내부 입자의 진동과 자유 전자의 이동으로 전도가 이루어진다.

세라믹과 같은 비금속에서는 자유전자가 많이 부족하여 입자의 진동으로 열 전달이 되는데 이는 자유 전자가 많은 금속에 비하여 열전달이 잘 되지 않는 특성을 같게 된다. 따라서 세라믹은 절연체로 많이 사용 되고 있으나 세라믹 제조 기술의 발달로 현재는 용도에 맞게 열전달이 잘 되는 소재도 개발되어 있다.

파인 세라믹은 극한의 온도를 사용하는 애플리케이션 분야에서 금속, 합금, 고분자를 능가한다. 극고온 또는 극저온을 사용하는 분야에서는 팽창, 수축, 융해 또는 크래킹을 통해 실패하지 않고 성능을 발휘하는 소재가 필요하다. 세라믹은 성공적이고 안전하게 작업을 수행하기 위해 고온 강도, 온도 안정성, 온도 저항성 등이 중요한 다양한 애플리케이션 분야에 적용되고 있다.

열 특성은 특정 소재가 광범위한 온도에서 어떤 성능을 발휘하고 온도 변화에 어떻게 반응하는지를 규정한다. 테크니컬 세라믹은 대부분 본질적인 자재 특성과 구조를 제어해 고온, 저온, 정밀 애플리케이션 분야를 비롯해 특정 온도 성능에 이상적이다. 세라믹 제조법 중 다수는 사용 온도 범위, 열전도성, 열팽창의 상호효율성, 열충격 저항성 등이 중요한 애플리케이션 분야의 열 요건에 맞춰 맞춤화할 수 있다. 이러한 세라믹의 열 특성은 다음과 같은 장점들을 가진다.

첫째, 극한의 온도에서 사용이 가능하다. 첨단 세라믹의 주요 이점 중 하나는 극한의 온도에서 다른 특성을 유지하는 능력이다. 테크니컬 세라믹은 가공한 고분자와 금속보다 높은 온도를 견디며, 최대 2400℃에서 안정적인 성능을 제공한다. 고급 내열 플라스틱의 최대 사용 온도는 약 250℃이며 일부 합금은 최대 1000℃이다. 세라믹은 다른 역학적, 전기적 특성과 함께 고온이나 저온이 중요한 요소인 산업 분야에 이상적인 소재이다.

둘째, 광범위한 열 전도성을 가진다. 열 전도성(단위:W/m*K)은 특정 소재가 내부적으로 열을 얼마나 잘 전달하는지로 측정한다. 열전도성이 높은 냄비는 열이 일정하게 분산돼 음식에 빠르게 전달될 수 있다. 한편, 절연 장갑은 민감한 손에 열이 전달되지 않도록 낮은 열전도성을 띠므로 뜨거운 물체를 잡을 때 사용한다. 세라믹은 열 전도성이 광범위하기 때문에 매우 다양한 목적으로 사용할 수 있다.

셋째, 낮은 상호효율성으로 부품의 안정성을 극대화한다. 열 팽창의 상호효율성(1x10-6/℃)은 특정 소재가 외부 온도에 따라 얼마나 팽창 또는 수축하는지를 정의한다. 대부분의 소재는 열을 가하면 에너지가 원자를 더 빨리 움직이게 하고 결합부가 늘어나게 하므로 팽창한다. 세라믹은 일반적으로 원자간 결합부가 강력해 상호효율성이 낮으므로 다양한 온도 범위에서 더 안정적인 상태를 유지하게 해준다.

넷째, 높은 비열성으로 온도 영향을 통제한다. 비열(단위:J/kg*K)은 단위 질량에 가해진 열량과 이에 따른 온도 변화의 비를 뜻한다. 제품 온도를 얼마나 어렵게 올리는지로 측정하는데, 비열의 범위 또한 광범위하다. 세라믹은 일반적으로 금속보다 비열이 높아 온도 조절이 중요한 경우에 더욱 유용하다.

다섯째, 뛰어난 열충격 저항성(단위:℃)이다. 열충격 저항성은 극적이고 갑작스러운 온도 변화를 견디는 능력으로 측정한다. 급냉기의 경우 제품의 중앙은 아직 뜨겁고 표면은 냉각되므로 균일한 열 수축이 되지 않는다. 열충격 저항성이 낮은 소재는 온도 변화시 균열이 생기는 경향이 있다. 열 팽창의 상호효율성이 낮고 내압 미세구조를 가지고 있는 내화재는 탁월한 열충격 특성을 가지고 있다. 구조용 세라믹은 소재 강도와 열응력을 소멸시키는 능력을 결합시켜 뛰어난 열충격 특성을 보인다. 열전도성이 높고, 열 팽창성이 낮고, 탄성 계수가 낮으면 열응력을 낮추는 데 유리하다.

세라믹의 열 특성이 활용된 애플리케이션 사례

세라믹은 최적의 열 특성이 필요한 산업 분야에서 다음과 같이 활발하게 사용되고 있다.

• 자동차: 고급 자동차 조명, 세라믹 열 교환기

• 항공우주 및 국방: 항공기 엔진, 첨단 추진 장치, 열 절연 타일, 단열 코팅, 거울 및 광학 시스템

• 에너지 생산 및 공장: 전력 생산, 화학 공정, 제철소, 정유소

• 기계 및 장비: 원심 펌프, 컴프레서, 터보 기계류, 주조 필터 

• 반도체: 반도체 웨이퍼 공정, 제조, 패키징, 도가니

열 성능을 활용한 첨단 세라믹 소재

알루미나(산화 알루미늄, Al2O3)는 성능이 다방면으로 양호해 가장 일반적으로 사용되는 테크니컬 세라믹이다. 쿠어스텍 또한 다양한 용도로 온도 저항성이 1500℃ 이상인 100여 가지의 알루미나를 개발하고 있다. 특히, 지르코니아 인성 강화 알루미나(ZTA)는 열충격 저항성을 높이고 강도를 높여 설계한 특수 알루미늄이다.

질화 알루미늄은 높은 열전도성과 강력한 전기 저항성이 결합돼 있다. 다양한 전기 애플리케이션 분야에 적합하며, 전기 시스템의 효율성을 극대화하기 위해 열을 빨리 소멸시킬 수 있다. 따라서 전기회로 기판에 주로 사용된다.

인조 석영 또는 용융 실리카(산화 규소, SiO2) 세라믹은 열 팽창이 극히 낮고 순도가 높아 열 충격 저항성이 뛰어나다. 이러한 독특한 특성과 열 안정성 때문에 열 처리 애플리케이션 분야에 주로 사용된다.

규산염 세라믹은 점토, 고령토, 장석, 동석 등과 같은 천연 규산염에서 개발한 다상 소재이다. 전기 절연체와 주조 필터와 같은 애플리케이션에 유용하다. 스테아타이트(Steatite)는 높은 열 성능이 필요한 제조 공정에 사용되며, 코어디어라이트(Cordierite)는 탁월한 열 충격 특성과 낮은 온도 팽창율을 결합해 절연체에 적합한 소재이다. 멀라이트(Mullite)는 훌륭한 열 충격 저항성과 절연 내력을 가지므로 제조 목적의 전기 부품에 이상적이다. 자기는 역사가 깊은 기술 세라믹 라인이며, 유약을 바르면 탁월한 열 특성을 가진다. 고순도 규산염 내화재는 화학물질 및 용융 금속에 대한 열 팽창 상호 효율성이 극히 낮고, 열 충격 저항성은 높으며, 열 전도성이 낮고, 부식 저항성이 뛰어나다.

탄화 규소(SiC)는 고온에서 경도, 내마모성, 부식 저항성, 강도 등이 높은 소재이다. 특정 애플리케이션 분야의 요건에 맞게 최적화된 탄화 규소 공정과 합성물로서 화학적 증착법 탄화 규소(CVD-SiC)는 극한 환경에서 부식에 저항하며 99.9995%의 순도를 가지므로 초청정 제조업에 이상적이다. 반도체 에지링처럼 열 충격 저항성이 뛰어나며 장시간 고온 제조 공정을 견딜 수 있는 반도체 생산에 사용되는 빠른 열 처리(RTP)에 적합한 소재이다. 또한, UltraClean™ 재결정 탄화 규소의 입자 구조는 고순도가 필요한 초정밀 제조시 탁월한 열 특성을 가진다.

질화 규소(Si3N4)는 독특한 입자 구조를 갖춰 뛰어한 열 충격 저항성과 함께 고강도 및 견고함을 지닌다. 이 소재는 높은 압력, 극한 온도를 가졌으며, 자동차 연료 주입 노즐처럼 까다로운 신뢰성 요건의 애플리케이션 분야에 매우 적합하다. 

지르코니아는 우수한 강도, 높은 파괴 인성, 내마모성, 고온 저항성 등이 결합된 독특한 결정 구조로 구성됐다. 일부 지르코니아는 미세 균열이 형성되면 확장되는 결정 구조를 갖춰 균열 확장을 멈추고 취약성을 예방한다. 이러한 소재는 극한의 역학적 환경, 특히 충격이 많은 분야에 적합하다. 지르코니아는 MgO 나 Y2O3로 안정화 될 때 강도 및 인성이 극대화 된다.

마그네시아 (MgO)부분 안정화 지르코니아는 고온 저항성, 내구성, 부식 저항성이 있는 소재가 필요한 까다로운 조건의 기계 부품과 밸브에 유용하다. 이트리아(Y2O3) 부분 안정화 지르코니아 부품은 매우 강력한 소재로 극한의 환경에서 사용할 수 있다. 피로 내성과 충격 하중 우수성을 가진 절연 특성이 필요한 기계 및 역학적 용도에 적합하다.

이처럼 세라믹의 열 특성과 활용 분야, 주요 소재를 살펴보았다. 첨단 세라믹의 특성은 단독으로 보면 인상적이지만 그 독보성은 각각의 특성 때문만은 아니다. 이러한 특성들을 개별 사양에 부합하도록 설계하는 것이 중요하다. 설계 엔지니어들은 가장 까다로운 요건부터 시작해 역학적, 전기적, 열적 기능의 장점이 올바른 조합을 이루는 세라믹을 만들기 위해 지속적으로 노력하고 있다. 다양한 세라믹 제조법의 발전과 함께 특정 용도에 가장 적합한 소재를 찾는 것이 복잡한 엔지니어링 및 제조 과제에 대한 해결책이 될 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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