결정 구조 순도

고순도 α-SiC 단결정의 이론적 열전도율은 490W/(m-K)에 달할 수 있지만, 실제 소재는 입자 경계 및 불순물과 같은 요인으로 인해 열전도율이 현저히 감소합니다. 예를 들어, 불순물 함량이 0.1% 증가할 때마다 열전도율은 약 5-8% 감소합니다.

다공성

다공성은 포논 전송을 방해하며, 다공성이 1% 증가할 때마다 열전도도는 5-10%씩 감소합니다. SISIC의 다공성은 일반적으로 0.5% 미만이며, SSIC의 다공성은 소결 공정의 차이로 인해 2%에 달할 수 있습니다.

소결 보조제

SSIC에 일반적으로 사용되는 Al₂O₃-Y₂O₃ 첨가제는 낮은 열 전도성 입계 상(열 전도성 <10W/(m-K)를 형성하는 반면, SISIC의 입계 열 전도성은 유리 실리콘의 존재로 인해 120-150W/(m-K)에 도달할 수 있습니다.

입자 크기

큰 입자(>20μm)는 입자 경계의 수를 줄이고 열전도율을 15-20%까지 높일 수 있습니다. SISIC 입자는 일반적으로 1-5μm이고 SSIC는 5-20μm에 달할 수 있습니다.

탄화규소 격자의 열전도는 주로 포논 전달을 통해 이루어집니다. 온도 변화는 세 가지 측면에서 열 전도도에 영향을 미칩니다:

1. 향상된 포논 산란
   온도 상승은 격자 진동을 강화(포논 농도 ↑)하여 포논-포논 산란 확률 증가 및 평균 자유 경로 단축(열전도 저항 ↑)을 초래합니다.
2. P하세 변경 및 인터페이스 효과
   RB-SiC의 유리 실리콘(녹는점 1414℃)은 녹는점에 가까워지면 연화되어 실리콘/SiC 인터페이스의 열 저항이 급격히 증가합니다.
3. 결함 활성화
   고온에서는 입자 경계에서 불순물 원자의 확산이 강화되어 추가 산란 중심(특히 500℃ 이상)이 형성됩니다.

실온~800℃ 범위(비파괴 온도 범위)

• 열 전도성 변화: 180W/(m-K) → 95W/(m-K)(47% 감소)
• 지배적인 요인: 움클랩 산란이 지배적 요인
• 주요 현상:
  • 300℃에서 변곡점이 나타나고 열전도율 감소율이 -0.25W/(m-K-℃)에서 -0.15W/(m-K-℃)로 느려집니다.
  • 입자 경계 열 저항 비율이 15%에서 35%로 증가합니다.

800~1300℃ 범위(구조적 안정성 한계)

• 열 전도성 변화: 95W/(m-K) → 62W/(m-K)(35% 감소)
• 지배적인 요인:
  • 유리 실리콘(4.5×10-⁶/℃)과 SiC(4.0×10-⁶/℃)의 열팽창 계수 차이로 인해 미세 균열이 발생합니다.
  • 실리콘 상 점성 흐름이 시작됩니다(＞1200℃).
• 비정상적인 현상:
  • 실리콘 상 결정성 향상과 관련된 1050℃ 부근에서 열전도도(약 +5%)의 국부적 증가가 발생할 수 있습니다.

1300~1400℃ 범위(임계 장애 영역)

• 열 전도성 변화: 62W/(m-K) → 28W/(m-K)(55% 감소)
• 실패 메커니즘:
  • 실리콘 상이 녹아 액체 필름을 형성합니다(>1414℃에서 완전히 녹음).
  • 다공성이 3-5%로 증가합니다.

1. 포논 산란에 의해 지배되는 열 전도

PLS-SiC의 열전도는 주로 **격자 진동(포논)** 전달을 통해 이루어집니다. 온도 변화는 다음과 같은 경로를 통해 열전도율에 영향을 미칩니다:

• 움클랩 산란 향상: 온도가 상승하면 포논 밀도가 증가하고 격자 부조화 진동이 심해지며 평균 자유 경로가 짧아집니다.
• 결정립 경계 산란 효과: 소결 보조제(예: Al₂O₃-Y₂O₃)에 의해 형성된 결정립 경계상은 열전도율이 낮고(<10W/(m-K)) 고온에서 결정립 경계 열 저항의 비율이 증가합니다.
• 결함 열 활성화: 500℃ 이상에서는 격자 공극과 불순물 원자의 확산이 강화되어 추가적인 산란 중심을 형성합니다.

2. 입자 경계 단계의 동적 진화

저온 영역(<600℃): 입자 경계 유리상은 고체로 유지되며 열전도율 감소는 주로 포논 산란에 의해 지배됩니다.

• 중간 및 고온 영역(600~1400℃): 일부 결정립 경계 상이 연화되고(예: Y-Si-Al-O 유리 상) 계면 열 저항이 크게 증가합니다.
• 초고온 영역(＞1400℃): 입자 경계상이 분해되거나 휘발되어 다공성이 증가할 수 있습니다.

1. 실온~600℃: 선형 감소 단계

• 열 전도성 변화: 150W/(m-K) → 110W/(m-K)(27% 감소)
• 지배적인 요인: 움클랩 산란이 지배적 요인
• 주요 데이터:
  • 열 전도성 온도 계수: -0.07W/(m-K-℃)
  • 입자 경계 열 저항 비율이 20%에서 35%로 증가했습니다.

2. 600-1400℃: 비선형 감쇠 단계

• 열 전도성 변화: 110W/(m-K) → 65W/(m-K)(41% 감소)
• 메커니즘 분석:
  • 결정립 경계에서 유리상의 점도가 감소하고 계면 열 저항이 증가합니다(기여율 > 50%).
  • 입자 경계를 따라 미세 균열이 발생(열팽창 계수의 차이로 인해 발생)
• 비정상적인 현상:
  • 단기 플랫폼(변화율 < 5%)은 800-1000℃ 범위에서 나타날 수 있으며, 이는 입자 경계상의 부분 결정화와 관련이 있습니다.

3. 1400-1600℃: 초고온 제한 영역

• 열 전도성 변화: 65W/(m-K) → 45W/(m-K)(31% 감소)
• 실패 메커니즘:
  • 입자 경계상 휘발(예: Y₂O₃ 승화 온도> 2400℃, 국부적으로 농축된 영역이 분해될 수 있음)
  • 비정상적인 결정립 성장(크기가 5μm에서 15μm로 증가), 결정립 경계 밀도는 감소하지만 단결정 이방성은 증가합니다.

* 위 데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

주요 전환점:

• 300℃: SSIC 열전도도는 입자 경계 상 안정화를 완료하고 RB-SiC를 능가합니다.
• 1000℃: SISIC 실리콘 상이 흐르기 시작하고 열 전도성 감쇠율이 0.2W/(m-K-℃)로 증가합니다.

* 위 데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

• 제한된 예산 + <800℃: SISIC 선택(30-50% 더 저렴한 비용)
• 장기간 고온 서비스: SSIC가 선호됨(수명이 2~3배 연장됨)
• 극한의 열충격 환경: SISIC(최대 800℃의 열충격 저항 ΔT)

* 위 데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

25°C에서의 열전도율을 기준으로, 고온에 30분간 노출된 후의 유지율입니다.

반응 소결 탄화규소와 무압 소결 탄화규소는 각각 열 전도성에서 고유한 장점을 가지고 있습니다. 최적의 열 관리 솔루션을 달성하려면 온도, 매체 환경 및 비용을 종합적으로 고려한 엔지니어링 선택이 필요합니다. 어떤 소재가 애플리케이션에 적합한지 아직 잘 모르겠다면 당사에 문의해 주세요.