첨단 세라믹의 열 전도성

열전도율(k, 단위: W/m-K)은 열을 전도하는 재료의 능력을 측정하는 것으로 전자, 항공우주, 에너지 및 산업 응용 분야에서 매우 중요한 특성입니다. 이 글에서는 첨단 세라믹이 금속 및 플라스틱과 어떻게 다른지, 왜 중요한지, 어디에 사용되는지 살펴봅니다.

고급 세라믹 - 열 특성 - 열 전도성

세라믹 열전도율이 중요한 이유

세라믹은 높은 열전도율과 우수한 전기 절연성이라는 독특한 특성을 가지고 있기 때문에 열 관리에 널리 사용됩니다. 열과 전기를 모두 전도하는 금속과 달리 질화알루미늄(AlN), 산화베릴륨(BeO), 탄화규소(SiC) 같은 고급 세라믹은 전류 흐름을 막으면서도 열을 효율적으로 전달할 수 있습니다. 따라서 전기 절연과 안정적인 열 방출이 중요한 전자 부품, 전력 장치 및 고온 애플리케이션에 이상적입니다.

또한 세라믹은 다음을 제공합니다:

  • 높은 온도에서 높은 열 안정성
  • 열악한 환경에서의 부식 방지
  • 열 순환에 따른 기계적 강도 및 내구성

이러한 특성 덕분에 세라믹은 전자, 항공우주, 자동차, 에너지와 같은 산업에서 효과적인 열 확산기, 기판, 단열 방열판 역할을 할 수 있습니다.

자료의 적용 방향은 어떻게 결정하나요?

  • 열전도율이 높은 고급 세라믹은 전자 패키징, 항공우주 열 제어, 반도체 열판 등과 같은 열 관리의 핵심 부품에 적합합니다.
  • 고강도 소재와 결합된 중간 열전도율은 고하중 기계 베어링 및 노즐과 같은 동적 고온 부품에 적합합니다.
  • 열전도율이 낮은 소재는 단열 코팅 및 단열 파티션과 같은 단열 및 온도 제어 영역에 사용됩니다.

주요 첨단 세라믹의 열전도도 데이터

세라믹 소재 k(W/m-K) 특성
베릴륨 산화물(BeO) 230-330 매우 높은 열전도율, 전기 절연성, 분말화 시 유독성
질화 알루미늄(AlN) 170-210 높은 열 전도성, 전기 절연성, 낮은 유전체 손실
실리콘 카바이드(SiC) 120-200 매우 단단하고 내식성 및 내마모성이 뛰어나며 열전도율이 높습니다.
질화 붕소(h-BN) ~60 윤활, 열적 안정성, 전기 절연성
알루미나(Al₂O₃) 25-35 높은 경도, 우수한 내마모성, 우수한 전기 절연성
질화규소(Si₃N₄) 20-30 높은 골절 인성, 열충격 저항성, 저밀도
지르코니아(ZrO₂) 2-3 높은 인성, 낮은 열전도율, 상변태 강화
가공 가능한 유리 세라믹(MGC) ~2 손쉬운 가공성, 우수한 유전체 강도, 낮은 열 전도성

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

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비교: 세라믹과 금속 및 플라스틱 비교

아래 막대 차트는 초경도 세라믹부터 일반적인 산업용 플라스틱까지 다양한 엔지니어링 소재의 열전도도를 높은 것부터 낮은 것까지 순서대로 보여줍니다.

세라믹 금속 플라스틱

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

세라믹 열 전도성 기반 애플리케이션

  • 애플리케이션 세라믹:

    • 질화 알루미늄(AlN)
    • 베릴륨 산화물(BeO)
    • 질화규소(Si₃N₄)
  • 적용 사례:

    • 높은 열 하중을 견디는 단열 개스킷: Si₃N₄ 세라믹은 열전도율(약 20~30W/m-K), 내열성 및 내충격성이 우수하며 고속 스핀들에서 효과적으로 열을 전도하고 과열을 방지하기 위해 사용됩니다.
    • 모터 방열 엔드 커버: 열전도율(약 170-220W/m-K)이 높은 AlN은 무게와 열 스트레스를 줄이기 위해 기존 금속을 대체하는 고효율 모터 하우징에 자주 사용됩니다.
    • 고전력 장비 열교환 베이스: CNC 공작 기계의 전력 모듈 냉각에 사용됩니다.
  • 애플리케이션 세라믹:

    • 질화 알루미늄(AlN)
    • 베릴륨 산화물(BeO)
    • 알루미늄 산화물(Al₂O₃)
  • 적용 사례:

    • 고주파 통신 모듈 방열 기판(AlN/BeO): 높은 열전도율(BeO >250W/m-K)로 마이크로파 칩의 온도를 안전한 범위 내에서 제어할 수 있어 5G 및 레이더 모듈에 일반적으로 사용됩니다.
    • LED 패키지 방열 베이스: AlN 세라믹은 열전도율이 높고 단열성이 우수하며 고전력 LED 패키징의 주류 소재입니다.
    • IGBT/전력 반도체 패키지 기판: AlN 기판은 칩의 국부적 과열을 효과적으로 억제하고 수명을 향상시킵니다.
  • 애플리케이션 세라믹:

    • 질화 알루미늄(AlN)
    • 질화규소(Si₃N₄)
    • 알루미나 세라믹
  • 적용 사례:

    • 파워 배터리 열 관리 세라믹 개스킷: AlN 세라믹은 배터리 모듈 스페이서에 사용되어 열을 빠르게 전도하고 열 폭주를 방지합니다.
    • 전기 제어 시스템 전력 모듈 기판: 시스템 냉각 효율을 개선하기 위해 SiC MOSFET 모듈의 방열 베이스에 사용됩니다.
    • 전기 구동 시스템 세라믹 베어링: Si₃N₄는 열전도율과 전기 절연성이 우수하여 에너지 소비와 온도 상승을 줄이기 위해 모터 베어링에 널리 사용됩니다.
  • 애플리케이션 세라믹:

    • 질화규소(Si₃N₄)
    • 질화 알루미늄(AlN)
    • 베릴륨 산화물(BeO)
  • 적용 사례:

    • 로켓 추진 시스템의 단열/열전도성 세라믹 부품: 노즐 부싱 및 고속 가스 덕트 등 Si₃N₄는 내열성, 열전도성 및 내충격성을 모두 갖추고 있습니다.
    • 위성 전자 부품 방열 베이스: 항공우주 전자 모듈의 안정적인 작동 온도를 보장하기 위해 효율적인 방열을 위해 BeO 또는 AlN을 사용합니다.
    • 고속 항공기 전자 장비의 열 제어: AlN 세라믹은 비행 제어 시스템의 전력 부품에서 열을 방출하여 시스템 안정성을 향상시키는 데 사용됩니다.
  • 애플리케이션 세라믹:

    • 질화규소(Si₃N₄)
    • 실리콘 카바이드(SiC)
    • 알루미나 세라믹
  • 적용 사례:

    • 스틸 용융 온도 프로브 보호 슬리브(Si₃N₄, SiC): 열전도율과 내화학성이 우수하여 온도 신호를 빠르게 전달하고 수명을 연장할 수 있습니다.
    • 알루미늄 용융 열 도가니/노즐: 열전도율이 높은 세라믹(예: SiC)을 사용하면 고르게 가열하고 국부적인 과열을 방지할 수 있습니다.
    • 열전대 보호 슬리브: 열전도율이 높은 세라믹 쉘이 온도 변화에 빠르게 반응하여 제련 온도 제어의 정확성을 보장합니다.

관련 고열 전도성 세라믹

관련 단열 세라믹

자주 묻는 질문(FAQ)

베릴륨 산화물(BeO)은 ~285W/m-K로 산화물 세라믹을 능가하며 전기적 절연성을 유지하면서 구리의 성능에 근접합니다.

높은 열전도율과 전기 절연성을 제공하여 PCB, LED, 전력 반도체의 열 제거에 적합합니다.

구리와 같은 금속은 세라믹을 능가하지만(~400 vs ~285W/m-K) 세라믹은 부식에 강하고 더 가볍고 전기가 통하지 않습니다.

열팽창 매칭과 높은 전도성을 위해 맞춤화된 2D h-BN 라미네이트, 단결정 SiC(>490W/m-K) 및 복합재(예: AlSiC)에 중점을 둡니다.