고급 세라믹의 열팽창 계수

열팽창계수(CTE)는 고급 세라믹의 설계 및 적용에 있어 가장 중요한 파라미터 중 하나입니다. 이는 온도 변화에 따라 재료가 얼마나 팽창하거나 수축하는지를 결정하며, 다중 재료 어셈블리, 고온 환경 및 정밀 시스템에서 결정적인 역할을 합니다. 치수 안정성이 뛰어나고 CTE 값이 낮은 것으로 알려진 고급 세라믹은 까다로운 열 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

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고급 세라믹 - 열 특성 - 열팽창 계수

열팽창계수가 중요한 이유

서로 다른 재료 간의 열팽창 불일치는 복합 구조물에서 열 응력, 균열 또는 박리를 유발할 수 있습니다. 엔지니어는 적절한 CTE를 갖춘 세라믹을 선택함으로써 이러한 위험을 최소화하고 제품의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있습니다.

저열 팽창 첨단 세라믹 사용의 이점: 열팽창성이 낮은 세라믹의 장점

실리콘 질화물(Si₃N₄), 실리콘 카바이드(SiC), 질화 알루미늄(AlN)과 같은 저CTE 세라믹은 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축이 최소화됩니다. 따라서

  • 고정밀 애플리케이션(예: 광학, 반도체)에서 일관된 치수 정확도를 유지합니다.
  • 가열 및 냉각 주기 동안 뒤틀림, 변형 또는 정렬 불량 방지.

팽창 계수가 낮을수록 급격한 온도 변동 시 내부 응력이 감소하여 열 균열의 위험이 최소화됩니다. 따라서 Si₃N₄ 및 SiC와 같은 소재가 이상적입니다:

  • 열 교환기
  • 버너 노즐
  • 항공우주 부품
  • 자동차 엔진 부품

세라믹을 금속이나 기타 기판에 접착할 때 열 불일치는 접합 실패의 주요 원인입니다. 저CTE 세라믹:

  • 금속-세라믹 브레이징에서 계면 응력을 줄입니다.
  • 전자 패키지 및 피드스루의 장기적인 밀봉과 신뢰성을 개선합니다.
  • 전자제품의 반도체(예: GaN, Si)와 더 나은 CTE 매칭을 허용합니다.

망원경, 레이저 시스템, 계측 장비에서는 미크론 수준의 팽창도 광 경로를 왜곡할 수 있습니다. 저CTE 세라믹:

  • 다양한 온도 범위에서 광학 정렬을 유지하세요.
  • 우주 및 방위 광학 분야의 거울, 렌즈 마운트, 지지 구조물(예: 우주 망원경의 SiC)에 널리 사용됩니다.

저CTE 세라믹은 열 피로와 미세 균열 전파를 줄임으로써 부품의 작동 수명을 연장합니다:

  • 고전력 전자 모듈
  • 고속 베어링
  • 고온 원자로

확산이나 이완을 통해 열 응력을 완화할 수 없는 초고진공 또는 화학적으로 불활성인 시스템에서는 저CTE 세라믹이 도움이 됩니다:

  • 구조적 장애를 방지하세요.
  • 진공 챔버, X-선 튜브 및 이온 빔 시스템에서 엄격한 허용 오차를 유지합니다.

주요 첨단 세라믹의 CTE 데이터

세라믹 소재 (×10-⁶/K), 20-300°C에서 특성
실리콘 카바이드(SiC) 2.3 매우 단단하고 내식성 및 내마모성이 뛰어나며 열전도율이 높습니다.
질화규소(Si₃N₄) ~3.7 높은 골절 인성, 열충격 저항성, 저밀도
질화 알루미늄(AlN) 4.2~5.6 높은 열 전도성, 전기 절연성, 낮은 유전체 손실
베릴륨 산화물(BeO) ~6 매우 높은 열전도율, 전기 절연성, 분말화 시 유독성
질화 붕소(h-BN) ~7.2 윤활, 열적 안정성, 전기 절연성
알루미나(Al₂O₃) 7.2~7.5 높은 경도, 우수한 내마모성, 우수한 전기 절연성
가공 가능한 유리 세라믹(MGC) 9.3 손쉬운 가공성, 우수한 유전체 강도, 낮은 열 전도성
지르코니아(ZrO₂) ~10 높은 인성, 낮은 열전도율, 상변태 강화

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

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비교: 세라믹과 금속 및 플라스틱 비교

아래 막대 차트는 초경도 세라믹부터 일반 산업용 플라스틱까지 다양한 엔지니어링 소재의 열팽창 계수를 높은 것부터 낮은 것까지 순서대로 보여줍니다.

세라믹
금속
플라스틱

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

세라믹 열팽창 계수 기반 애플리케이션

  • 도전:

    포토리소그래피 및 웨이퍼 공정에서는 미크론 수준의 열팽창도 정렬 불량이나 장비 고장을 일으킬 수 있습니다. 금속 부품은 열에 의해 크게 팽창하는 경향이 있습니다.

  • 솔루션:

    • 질화규소(Si₃N₄)와 질화알루미늄(AlN)은 낮은 CTE(3.2~4.5 ×10-⁶/°C)로 인해 구조 또는 실장 부품으로 사용되며 빠른 열 순환 시 치수 안정성이 보장됩니다.
    • 또한 이 소재는 열충격 저항성과 전기 절연성이 뛰어나 반도체 환경에 대한 적합성을 더욱 향상시킵니다.

  • 도전:

    세라믹을 금속(예: 코바, 몰리브덴)에 브레이징하려면 온도 변화 시 접합부 균열을 방지하기 위해 일치하거나 호환되는 CTE가 있는 재료가 필요합니다.

  • 솔루션:

    • 알루미나(Al₂O₃)는 CTE가 ~7.1로 코바(~6.5)와 거의 일치하여 밀폐 피드스루, 센서 하우징 및 전자 패키지의 표준 재료로 사용됩니다.
    • 더 높은 강도 또는 인성을 위해 지르코니아(ZrO₂)를 사용할 수 있지만, 더 높은 팽창(~10.5)을 수용하기 위해 특수 브레이징 합금 또는 중간층을 사용할 수 있습니다.

  • 도전:

    고휘도 LED는 상당한 열을 발생시키므로 기판은 기계적 무결성을 유지하면서 열을 효율적으로 전도해야 합니다.

  • 솔루션:

    • 질화 알루미늄(AlN)은 높은 열전도율(~170W/m-K)과 적당한 CTE(~4.5)를 제공하여 기판 재료로 이상적입니다.
    • 열팽창은 GaN 및 기타 반도체와 호환되므로 열 불일치로 인한 고장을 최소화합니다.

  • 도전:

    인공위성과 우주 망원경에서 광학 부품은 극심한 열 구배를 경험하며, 이로 인해 변형과 초점 손실이 발생할 수 있습니다.

  • 솔루션:

    • 실리콘 카바이드(SiC)는 낮은 CTE(~4.0), 높은 강성, 가벼운 무게로 인해 미러 구조에 선택됩니다.
    • NASA와 ESA는 가이아 및 허셜 우주 천문대와 같은 임무에 SiC 미러를 사용했습니다.

  • 도전:

    프로토타입 툴링 및 계측 설비에서 열팽창은 치수 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

  • 솔루션:

    • 플루오르플로고파이트 기반 복합재와 같은 MGC(기계 가공 가능한 유리 세라믹)는 특정 금속 및 유리 유형에 가까운 중간 정도의 CTE(~9.0)를 제공합니다.
    • 이 소재는 맞춤형 성형, 빠른 배송, 적당한 열 성능이 필요한 곳에 사용됩니다.

열팽창에 중요한 재료

열전도율이 높은 질화 알루미늄 세라믹

알앤세라믹

CTE : 4.2-5.6(×10-⁶/K)

질화 규소 세라믹-낮은 열팽창 계수 세라믹

질화규소 세라믹

CTE : ~3.7(×10-⁶/K)

알루미나 세라믹 - 열팽창 계수 세라믹

알루미나 세라믹

CTE : 7.2-7.5(×10-⁶/K)

가공 가능한 세라믹 - 열팽창 계수 세라믹

MGC

CTE : 9.3(×10-⁶/K)

자주 묻는 질문(FAQ)

세라믹은 단단한 격자 구조 내에서 이온/공유 결합을 하며, 이러한 결합은 원자 팽창에 저항합니다.

CTE ~4-5×10-⁶/K의 질화 알루미늄(AlN)은 실리콘(~2.6)과 거의 일치하여 반도체 제조 시 열 스트레스를 줄여줍니다.

예 - 일치하는 CTE를 선택하면(예: 지르코니아 ~10, 티타늄 합금 ~8.6) 응력이 최소화됩니다. 그렇지 않으면 브레이징 또는 유연한 접착제와 같은 접착 방법이 필요합니다.

Yes-Macor(~9.3)는 최대 ~1000°C까지 반복 가능한 성능을 제공하며 열 순환이 발생하는 실험실 장비에 사용됩니다.

고급 세라믹 - 열 특성 - 최대 온도

최대 작동 온도

고급 세라믹 - 열 특성 - 열 전도성

열 전도성

고급 세라믹 - 열적 특성 - 내열 충격성

열 충격 저항