Review of Thin-Film Materials with High Thermal Conductivity and Low Electrical Conductivity for High-Temperature Superconductor Applications

Abstract

Thin-film materials with high thermal conductivity and low electrical conductivity are essential for high-temperature superconducting applications. Superconducting coils require electrical insulation to ensure stable current flow, while quench events demand efficient heat dissipation to prevent damage. This review examines protective thin films, including Al₂O₃, BeO, SiC, and AlN (Aluminium Nitride), emphasizing their thermal properties and the impact of deposition techniques on performance. AlN emerges as a particularly promising material due to its superior thermal conductivity, even in the amorphous phase. Future research directions are proposed to optimize deposition conditions and enhance the functionality of these materials in superconducting systems.

Keywords: AlN, High thermal conductivity, Low electrical conductivity, Superconducting wire

서론

초전도 선재(Coated Conductor)는 금속 기판 위에 REBa₂ Cu₃ O_7-δ (REBCO, RE: Y and rare earth elements) 고온초전도체(High-temperature superconductor, HTS)를 포함한 8가지 층으로 구성된다(Fig. 1).[1] 이러한 다층 구조는 초전도층의 이축배향성을 형성하는 동시에, 화학적, 기계적으로 초전도 층을 보호하는 역할을 한다.[2] REBCO 고온 초전도체는 기존 저온 초전도체(Low-temperature superconductor)에 비해 높은 임계 온도(∼92 K)[3]를 가지므로, 값비싼 액체 헬륨 대신 액체 질소 혹은 냉동기를 이용한 초전도 자석 개발이 가능하다. 이러한 HTS 기반의 초전도 선재는 높은 임계 전류밀도 뿐만 아니라 임계 자기장이 높기 때문에 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다.[2]

Fig. 1.

Structure of a high-temperature superconducting (HTS) wire.[1] A diffusion barrier layer of Al₂O₃ and a seed layer of Y₂O₃ are deposited on a metal substrate, followed by the deposition of an MgO layer using the ion-beam assisted deposition (IBAD) technique to achieve biaxial texture. A buffer layer of La(Sr)MnO₃ is then deposited to reduce lattice mismatch with the substrate, after which the REBCO superconducting layer is formed. Finally, an Ag layer is deposited to protect the superconducting film. Reproduced from Sunam Co., Ltd. Sunam official website. (Sunam Co., Ltd., n.d.).[1]

최근 이러한 고온초전도 선재를 활용한 초고자기장 자석[4,5]이 제작되면서, 자기공명영상장치 (Magnetic resonance imaging, MRI), 핵자기공명(Nuclear magnetic resonance, NMR) 뿐만 아니라 핵융합 설비 등 다양한 응용 분야에서도 주목받고 있다.[2] 이 때 초전도 선재를 코일 형태로 감아 자석을 만드는 과정에서 각 턴 사이의 절연을 제거하는 무절연 방식이 도입되어 26.4 T의 초고자기장을 달성하는데 성공하였다.[4]

무절연 방식은 고온초전도 자석의 주요 문제인 퀜치(Quench) 현상을 효과적으로 완화하는 데 기여하였다. 초전도체는 임계온도, 임계전류밀도, 임계자기장을 초과하는 에너지가 공급될 경우 상전도 상태로 전이되어 저항이 발생한다. 초전도 선재 내에서 국소적으로 임계값 이상의 에너지가 전달되면 퀜치가 발생하며, 초기 상전도 영역은 점 형태로 형성되어 저항과 전류에 의해 열을 발생시키고, 이로 인해 주변 온도가 상승하면서 더 넓은 영역이 연쇄적으로 상전도 상태로 전이된다. 상전도 영역의 전파 속도는 냉매와의 열전달, 비열, 열전도 등의 열적 특성과 밀접한 관련이 있으며,[6] 전파 속도가 빠를수록 퀜치가 급격하게 진행되고, 느릴수록 점진적으로 확산된다. 무절연 방식은 뛰어난 열전달 특성을 통해 퀜치 발생 시 순간적으로 생성되는 열을 효과적으로 방출할 수 있어 시스템 보호에 유리하다. 이러한 기술을 활용하여 2019년 서울대학교 한승용 교수 연구팀은 미국 국립 고자기장연구소와의 공동연구를 통해45.5 T의 직류 자기장 생성에 성공하였으며, 이는 당시 세계 최고 기록을 경신한 성과였다.[5]

그러나 무절연 방식에서는 코일의 각 턴 사이에 전기적 절연이 존재하지 않기 때문에, 전류가 초전도 선재의 감긴 방향뿐만 아니라 코일 내부의 방사형 경로 등 비의도적인 방향으로 흐를 수 있다. 이로 인해 고속 충전 및 방전 시 전류 제어가 어렵고, 시스템 안정성에 제약이 생긴다. 이러한 문제를 해결하기 위해 초전도 선재 표면에 절연막을 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 일반적인 절연 코팅은 열전도도가 낮은 특성을 가지므로, 퀜치 발생 시 열을 효과적으로 방출하지 못해 자석 손상 위험이 커지는 문제가 있다.

따라서 이상적인 절연막은 전기적으로는 턴 간 절연 기능을 제공하면서도, 열적으로는 높은 열전도도를 유지하여 퀜치 시 발생하는 열을 빠르게 방출할 수 있어야 한다. 그러나 대부분의 절연체는 전기전도도가 낮은 대신 열전도도 역시 낮기 때문에, 이러한 상반된 요구 조건을 동시에 만족시키는 재료는 제한적이다. 이러한 조건을 만족할 수 있는 재료로는 주로 세라믹 계열이 주목받고 있으며, 대표적으로 Al₂O₃, BeO, SiC, AlN 등이 있다. 이들 재료는 높은 밴드갭과 큰 비저항을 바탕으로 우수한 전기 절연 특성을 제공할 뿐만 아니라, 동시에 높은 열전도도를 갖추고 있어 초전도 선재용 절연막 후보로서 높은 잠재력을 지니고 있다.

본 논문에서는 이러한 세라믹 재료들이 박막 형태로 증착되었을 때의 열전달 특성에 주목하였다. 각 재료의 박막 형성 공정을 분석하고, 증착 조건에 따른 열전도도의 변화를 체계적으로 평가함으로써, 고온초전도 선재에 적용 가능한 최적의 절연막 소재를 탐색하고 그 가능성을 제시하고자 한다.

본론

2.1 원자층 증착법을 이용한 TiO₂ 및 Al₂O₃ 증착 사례

원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition, ALD)은 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 기술 중 하나로, 원자층 단위로 균일한 박막을 형성할 수 있는 장점으로 인해 주목받고 있다.[7,8] ALD는 서로 다른 전구체(Precursor)를 순차적으로 기판 표면에 도입하여 화학 반응을 유도하는 self-limiting 방식으로 진행되며, 따라서 특정 표면에서만 반응이 일어나도록 설계된다. 일반적으로 전구체 도입, 퍼지(Purge), 공동반응기 주입, 두 번째 퍼지 과정을 반복하여 원하는 두께의 박막을 형성하며, 이를 통해 높은 균일성과 두께 제어성을 갖는다. 또한, ALD는 고종횡비(High aspect ratio) 구조에서도 균일한 코팅이 가능하여 반도체, 디스플레이, 배터리, 광전자소자 등 다양한 산업에서 활용된다.[9]

본 논문은 원자층 증착법으로 성장된 비정질 TiO₂ 및 Al₂O₃ 박막의 열전도도(Thermal conductivity)가 박막의 두께와 밀도에 따라 어떻게 변화하는지를 연구하였다. 특히, 나노미터 수준의 박막에서 열전도도 감소 현상을 분석하고, 열경계저항(Thermal boundary resistance)이 박막의 열전달 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 기존 연구에서는 결정질 물질의 열전도도 변화에 대한 연구가 많았으나, 본 연구에서는 비정질 산화물 박막의 열전도도에 대한 체계적인 분석을 수행하여, ALD-grown amorphous oxides의 열적 특성을 정량적으로 평가하였다. 이는 고온초전도 선재 응용에 있어서 중요한데, 생산 속도를 높이기 위해서는 비정질 막의 형성이 보다 유리하기 때문이다.

본 연구에서 비정질 TiO₂ 및 Al₂O₃의 박막은 프로그램을 통해 제어된 ALD 반응 장치를 사용하여 증착되었다. Trimethylaluminum와 Titanium tetrachloride는 각각 Al₂O₃와 TiO₂를 형성할 수 있는 전구체로 사용되었다.[7] 운반 가스로는 초고순도 질소(99.999%)가 사용되었으며, 실리콘 기판은 증착 전에 플라즈마 세정을 통해 표면을 처리하였다. ALD 공정은 금속 전구체(t₁)와 산화제(t₃)를 순차적으로 도입하고, 각 단계 사이에 퍼지(purge) 단계(t₂, t₄)를 포함하는 t₁/t₂/t₃/t₄ 시퀀스로 반복 수행되었다. t₁ 단계에서는 전구체가 기판 표면에 도입되어 화학적으로 흡착되고, 이어지는 t₂ 퍼지 단계에서 반응하지 않은 전구체 잔여물 및 부산물이 제거된다. 이후 t₃ 단계에서 산화제가 주입되어, t₁에서 흡착된 전구체와 반응하여 금속 산화물 박막(Al₂O₃, TiO₂)을 형성하며, 마지막 t₄ 단계에서 불필요한 기체 및 부산물을 제거하는 퍼지가 수행된다. 연구진은 다양한 온도(38–300°C)와 ALD 시퀀스를 적용하여 TiO₂ 및 Al₂O₃ 박막을 증착하고, Time-domain thermoreflectance (TDTR) 기법을 이용해 열전도도를 측정하였다. Al₂O₃는 0.1/30/0.1/30 시퀀스로 증착되었으며, 50–200°C 범위에서 약 0.11  nm/cycle의 성장률을 나타냈다. TiO₂는 0.5/45/0.1/30 및 0.5/90/0.1/45 시퀀스를 적용하여 성장률을 보정하였다.

TDTR 측정 결과, 박막 두께가 50  nm 이하일 경우 열전도도가 급격히 감소하는 경향을 보였으며, 이는 얇은 박막에서 열경계저항의 영향이 크게 작용하기 때문으로 해석되었다. 반면, 50  nm 이상의 박막에서는 열전도도가 두께에 크게 의존하지 않았으며, 이는 일정한 내재적(Intrinsic) 열전도도가 유지되었기 때문으로 분석되었다. 또한, 박막의 원자 밀도 증가가 열전도도 향상과 밀접한 관련이 있음을 실험적으로 확인하였다. 비정질 박막에서는 원자 밀도가 높을수록 원자 간 결합이 강해지고, 이에 따라 열에너지가 보다 효율적으로 전달된다. 열전도도 예측에는 차등 유효 매질(Differential Effective Medium) 모델이 활용되었으며, 이는 낮은 원자 밀도를 가진 박막에서도 정확한 예측이 가능함을 보였다.

결론적으로, 본 연구는 ALD 공정을 통해 비정질 산화물 박막의 열전도도를 두께 및 원자 밀도 조절을 통해 제어할 수 있음을 보여주었으며, 특히 50  nm 이상의 박막에서는 원자 밀도가 핵심적인 역할을 함을 밝혔다.

2.2 반응성 이온화 클러스터 빔 증착법을 이용한 BeO 증착 사례

이 논문은 반응성 이온화 클러스터 빔(Reactive Ionized-Cluster Beam, R-ICB) 기법을 이용하여 성장된 BeO(베릴륨 산화물) 박막의 결정 구조, 광학적 특성, 열전도도 등을 연구하고, 이를 반도체 및 GHz 대역 표면 탄성파(SAW) 소자에 응용할 가능성을 확인해 보고자 했다. BeO는 Wurtzite 결정 구조를 가지며, 300 K에서의 비저항은 10¹³ Ω⋅ cm로 매우 우수한 절연체이다.[10] 또한 11.2 eV의 큰 밴드갭을 가지고 있으며 격자 진동에 의한 열전도도는 Al과 비슷한 수치를 나타낸다. 이러한 특성 때문에 다양한 응용에서 절연체 및 방열 재료로 활용될 수 있다.

본 연구진은 고순도(99.9%) Be 원료를 1360°C에서 승화시켜 산소와 반응시키는 R-ICB 공정 (Fig. 2)을 통해 박막을 증착하였다. 이 과정에서 BeO 클러스터가 형성되어 기판에 도달하면서 성장되었으며, 기판 온도는 약 400°C로 유지되었다. BeO 박막은 유리, Al₂O₃(0001), Si(100) 기판에서 성장되었으며, 특히 Al₂O₃ 기판에서는 BeO의 격자 상수가 유사하기 때문에 고품질의 에피텍셜 박막을 형성할 수 있었다.

Fig. 2.

Schematic diagram of the ionized cluster beam. Reproduced from Takeuchi et al. J Phys Chem B 2003;107:14278–14282, with permission of the American Chemical Society.[11]

X-ray Diffraction (XRD) 분석 결과, Al₂O₃ 위에 성장된 BeO 박막은 유리 기판 위에 성장된 박막과 비교하였을 때 c축 방향으로 우선 성장되었음을 보였다.[12] BeO 박막의 열전달 특성을 분석한 결과, 열전도도(κₚₕ)가 약 2.6 W/cm⋅°C로 측정되었으며, 이는 기존의 고열전도 산화물(예: Al₂O₃)과 비교하여 높은 값이다. 이는, BeO의 높은 Debye 온도(θ_D = 1053 K)에서 기인한 것으로 생각되며,[13] 향후 고온초전도 선재의 절연막 응용 가능성을 확인할 수 있었다.

2.3 RF magnetron sputtering법을 이용한 SiC 증착 연구

본 논문은 비정질 실리콘 카바이드(SiC) 박막의 열전도도를 연구하여, 박막 두께 변화에 따른 열전달 특성을 분석하고 열경계저항의 영향을 평가하였다. SiC는 높은 열전도도와 내구성을 갖춘 소재로, 마이크로전자 소자 및 방열 소재로 활용 가능성이 크다.[14] 하지만 SiC 박막의 열전도도는 벌크와 비교하여 상당히 감소하는 경향이 있으며, 그 원인은 구조적 무질서(Structural Disorder)와 열경계저항과 관련이 있음이 알려져 있다.

연구진은 Radio Frequency Magnetron Sputtering (RF 마그네트론 스퍼터링) 공정을 통해 100∼2500  nm 두께의 SiC 박막을 실리콘 기판 위에 증착하였다. RF 마그네트론 스퍼터링은 고주파(RF) 전원을 이용해 플라즈마를 형성하고, 자기장을 활용하여 이온화된 기체(주로 Ar)가 타겟 물질을 효율적으로 충돌 및 제거할 수 있도록 유도하는 물리적 증착법(Physical Vapor Deposition)의 일종이다. 이 방식은 절연성 타겟에서도 안정적인 플라즈마 방전이 가능하며, 높은 박막 균일성과 밀도를 확보할 수 있다. 또한, 낮은 공정 온도에서도 박막 증착이 가능하여 열에 민감한 기판에도 적용할 수 있고, 박막 두께의 정밀 제어가 가능하다는 점에서 고온초전도 선재의 절연막 형성에 유리한 공정으로 평가된다.

본 연구에서는 XRD 및 Transmission Electron Microscopy (TEM) 분석을 통해 증착된 SiC 박막이 비정질 구조임을 확인하였다. 이로 인해 결정질 SiC에 비해 포논의 평균 자유 경로(Mean free path)가 크게 감소하며, 그 결과 열전도도도 급격히 낮아지는 것으로 나타났다. 실제로 비정질 SiC 박막의 열전도도는 약 1.7  W/m⋅ K로 측정되어, 벌크 SiC(320–490  W/m⋅ K)와 비교해 현저히 낮은 값을 보였다. 또한, 박막 두께가 50  nm 이하로 줄어들면 열경계저항의 영향이 커져 열전도도가 추가로 감소하는 경향을 나타냈다.

열전도도 측정은 TDTR 기법을 활용하였으며, 금(Au) 박막을 증착한 후, 레이저를 이용해 박막의 온도 변화를 광학적으로 감지하는 방식을 사용하였다. 측정 결과, 박막이 얇아질수록 포논 산란 및 열경계저항의 증가로 인해 열전도도가 급격히 저하됨을 확인하였다.

본 연구는 비정질 SiC 박막의 열전달 특성을 정량적으로 평가하고, 이를 기반으로 전자 소자의 방열층이나 나노미터급 열 관리 재료로의 응용 가능성을 제시하였다. 그러나 고온초전도 선재와 같은 고열⋅고전류 환경에서는 높은 열전도성과 구조적 안정성이 요구되므로, 열전달 특성이 제한적인 비정질 SiC 박막의 실용화에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 특히 비정질 구조는 낮은 원자 밀도와 무질서한 격자 배열로 인해 포논 전달이 비효율적이며, 이로 인해 축적된 열을 효과적으로 방출하지 못하는 문제가 발생한다. 따라서 고온초전도 선재의 절연층으로 SiC를 적용하기 위해서는 결정질 박막의 형성이 필수적이며, 이를 구현하기 위한 공정 온도 조절 및 결정 성장 제어 등의 기술적 과제를 해 결해야 할 것 이다.

2.4 금속-유기 화학 기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)을 이용한 AlN 증착 연구

AlN은 높은 열전도성으로 주목받고 있지만, 박막 형태에서는 결정 결함이나 불순물로 인해 열전도성이 벌크에 비해 감소하는 경우가 많아, 박막에서도 높은 열전도성을 확보하는 것이 여전히 중요한 과제로 남아 있다.[17] 본 연구에서는 MOC VD 방식(Fig. 3)으로 3∼22 µ m 두께의 초고순도 단결정 AlN 박막을 증착한 후, 열전도도를 평가하였다.[15]

Fig. 3.

기존 문헌에 따르면 AlN의 열전도도는 불순물 농도와 결정 구조에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 본 연구에서 제작한 AlN 막의 이차 이온 질량 분석 (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometery) 결과, 실리콘(Si), 탄소(C), 산소(O) 등의 불순물 농도가 기존 문헌에 보고된 단결정 AlN보다 낮은 것으로 나타났다. 22 µ m 두께의 AlN 박막을 대상으로 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscpe, SEM)과 주사투과전자현미경(Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) 관찰을 수행한 결과, 박막 내부 구조에서 두 가지 뚜렷한 영역이 확인되었다. (Fig. 4) 먼저 AlN/사파이어 계면 근처 약 1.5 µ m 두께의 결함이 많이 존재하는 핵생성층이며, 그 다음 그 위로부터 박막 표면까지 연장되는 저결함 단결정 성장 영역이다. Fig. 4c-e의 STEM 이미지 분석에 따르면, 계면 근방의 핵생성층에서는 높은 전위 밀도가 관찰되었지만, 필름 두께가 증가함에 따라 결함 밀도는 현저히 감소한다. 이러한 관찰을 바탕으로, 상부의 고품질 단결정 영역이 충분히 두껍게 확보되기 위해서는 전체 AlN 박막 두께가 일정 수준 이상이어야 함을 유추할 수 있으며, 이는 열전도도 측정을 위한 신뢰성 있는 영역 확보에 필수적이다.

Fig. 4.

Plan-view and cross-sectional SEM and STEM images of a 22 µ m-thick aluminium nitride (AlN) thin film grown on sapphire. (a) Cross-sectional SEM image of the 22 µ m-thick AlN film, (b) cross-sectional SEM image of the lower∼10 µ m region, (c) plan-view STEM image of the lower∼2.0 µ m region near the AlN/sapphire interface, (d) cross-sectional STEM image along the (11-20) direction of the lower∼2.5 µ m region, and (e) plan-view STEM image along the (11-20) direction near the surface region of a 17.5 µ m-thick AlN sample. Reproduced from Koh et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020;12:29443–29450, with permission of the American Chemical Society.[15]

AlN 박막이 벌크 수준의 열전도도를 유지하는 것은, 박막 두께가 수 마이크로미터 이상으로 충분히 크고, 포논-경계 산란의 영향이 미미하기 때문으로 해석된다. 두께에 대한 영향을 보다 파악하기 위하여, Hoque 등[16]은 사파이어 기판 위에 증착된 AlN 막의 두께를 3.05, 3.75, 6 µ m로 조절하여 분석하였다. Fig. 5는 다양한 고열전도성 재료(AlN, 다이아몬드, 실리콘(Si), 흑연, GaN, 육방정 질화붕소(hBN))에 대해 박막 두께에 따른 평면 내 열전도도(In-plane thermal conductivity)의 변화를 보여준다. 일반적으로 박막의 두께가 얇아질수록 열전도도가 급격히 감소하는 경향을 보이는데, 이는 열 phonon(격자진동자)의 평균 자유 경로보다 박막 두께가 작아질 경우, 경계 산란(Boundary scattering)이 증가하기 때문이다. 그러나 본 연구에서 측정된 AlN 박막은 두께가 얇음에도 불구하고 높은 평면 내 열전도도를 유지하며, 기존 문헌에서 보고된 다른 고열전도 재료들과 비교했을 때도 경쟁력 있는 열전도 성능을 보인다.

Fig. 5.

Graph showing the in-plane thermal conductivity of various high thermal conductivity materials as a function of film thickness. The values for AlN thin films were obtained in this study, while those for other materials (diamond, Si, graphite, GaN, and hexagonal boron nitride [hBN]) were cited from the literature. Reproduced from Hoque et al. ACS Nano 2021;15:9588–9599, with permission of the American Chemical Society.[16]

Fig. 6은 3.05 µ m AlN 박막의 평면 내 열전도도를 120 K부터 400 K까지 Steady-State Thermoreflectance (SSTR) 기법으로 측정한 결과이다. 비교를 위해, 상업용 약 500 µ m 두께 AlN 웨이퍼의 수직 열전도도 및 고순도 단결정 AlN의 열전도도, 그리고 이론적으로 계산된 AlN의 평면 내 열전도도도 함께 제시되어 있다. 측정된 3.05 µ m 박막의 열전도도는 대부분의 온도 범위에서 벌크 AlN 및 이론 예측값보다 낮은데, 이는 계면 근처에 형성되는 핵생성층의 영향 때문이다. 그러나 온도가 낮아질수록 박막의 열전도도는 증가하는 경향을 보이며, 이는 열전도도가 내부 격자진동(phonon) 간의 상호작용에 의해 주로 결정된다는 것을 의미한다. 특히 저온에서는 3.05 µ m 박막의 열전도도가 상업용 500 µ m AlN 웨이퍼의 수직 열전도도보다 더 높게 나타나는데, 이는 상업용 웨이퍼 내 높은 농도의 Al vacancy가 phonon 산란을 유발해 열전도도를 크게 낮추기 때문이다. 실제로 상업용 웨이퍼에는 약 3×10¹⁹ cm⁻³ 수준의 Al vacancy가 존재하는 반면, 본 연구의 박막에서는 무시할 수 있을 정도로 적다. 상온에 가까워질수록 phonon 간 산란이 지배적으로 작용하면서 두 샘플의 열전도도 차이는 줄어들지만, 저온에서는 phonon–공공 산란이 주요 메커니즘으로 작용해 상업용 웨이퍼의 열전도도가 더 낮아지는 결과를 낳는다.

Fig. 6.

Temperature-dependent in-plane thermal conductivity of a 3.05 µ m AlN thin film. For comparison, the cross-plane thermal conductivity of a commercial AlN wafer (∼500 µ m thick) and that of high-purity single-crystal bulk AlN are also shown. The dashed line represents the first-principles calculation of the in-plane lattice thermal conductivity of isotope-enriched bulk AlN. Reproduced from Hoque et al. ACS Nano 2021;15:9588–9599, with permission of the American Chemical Society.[16]

Fig. 7에서는 3.05, 3.75, 6 µ m 두께의 AlN 박막의 온도에 따른 평면 내 열전도도를 비교하였으며, 세 시편 모두 유사한 열전도도 값을 보여주었다. 이는 박막 두께에 따른 경계 산란이 열전도도에 큰 영향을 미치지 않음을 의미하며, 열전도도가 주로 내부 phonon 간의 산란에 의해 결정된다는 것을 시사한다. 따라서 온도가 낮아질수록 열전도도가 증가하는 경향을 보이며, 이는 일반적인 박막 재료에서 온도 감소 시 경계 및 결함 산란으로 인해 열전도도가 감소하는 현상과는 대조적인 결과이다.

Fig. 7.

Temperature-dependent in-plane thermal conductivity of 3.05, 3.75, and 6 µ m AlN thin films. Reproduced from Hoque et al. ACS Nano 2021;15:9588–9599, with permission of the American Chemical Society.[16]

결론적으로, 본 연구는 MOCVD 공정을 통해 성장된 초고순도 단결정 AlN 박막이 기존 고열전도성 재료들과 비교해도 매우 우수한 열전도 특성을 나타냄을 실험적으로 입증하였다. 특히 수 마이크로미터 두께의 박막에서도 경계 산란이나 결함 산란의 영향을 거의 받지 않고, phonon− phonon 상호작용이 열전달을 지배함으로써 온도 감소에 따라 오히려 열전도도가 증가하는 특이한 거동을 보였다. 이는 기존의 박막 재료들과는 상반되는 결과로, AlN 박막이 벌크 수준의 열전도도를 유지할 수 있음을 보여준다. 또한 박막 내 존재하는 핵생성층과 단결정 성장층의 구조적 차이에 따라 저온에서의 열전도도 이방성이 유도되며, 이러한 특성은 결함 공학을 통한 열전도도 제어 가능성을 시사한다. 이러한 결과는 AlN 박막이 고온초전도선재의 코팅 재료로 활용될 수 있는 가능성을 보여주며, 극저온 환경에서도 높은 열전도도를 유지할 수 있어 초전도 소자의 열 확산 및 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

2.5 RF magnetron sputtering법을 이용한 AlN 증착 연구

앞서 살펴본 바와 같이 단결정 AlN은 약 3 µ m 이상의 두께에서 벌크 AlN과 유사한 열전도도를 보이지만, 실제 양산 공정에 적용하기 위해서는 보다 얇은 두께, 다결정 또는 비정질 형태에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 AlN(질화알루미늄) 박막을 성장시키고, 반응성 가스 조성이 박막의 결정성, 화학 조성, 열전도도에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다.

AlN 박막은 AlN 세라믹 타겟을 사용하여 Si(100) 기판 위에 약 200 nm 두께로 증착되었으며, 스퍼터링 가스로는 Ar, Ar:H₂, Ar:N₂ 혼합물을 사용하였다. XRD 분석 결과, Ar 및 4% H₂ 가스를 사용한 경우 AlN(100) 피크가 뚜렷하게 관찰되어 높은 결정성을 나타낸 반면, 10% N₂ 가스를 사용한 경우 박막이 비정질(Amorphous) 상태로 성장하는 경향을 보였다. [19] 이는 N₂ 농도가 증가함에 따라 스퍼터링 효율이 저하되어 결정 형성이 저해된 결과로 해석된다.

FE-SEM 및 TEM 분석을 통해 미세구조를 관찰한 결과, 10% N₂ 조건에서는 균일한 나노 크기의 입자들이 박막 전반에 고르게 분포되어 있었으며, TEM에서도 유사한 나노스케일 구조가 확인되었다. 또한 FT-IR 분석을 통해 Al-N 결합 강도를 측정한 결과, 10% N₂ 조건에서 Al-N 결합이 더욱 강하게 형성되었음을 알 수 있었다. 이는 높은 N₂ 농도가 Al-N 결합의 형성을 촉진함을 의미한다.

Table 1.

Comparison of film thickness, deposition methods, and thermal conductivity of various thin-film materials.

박막 재료	두께	박막 증착 방식	열전도도 (W/m⋅ K)	참고문헌
Al₂ O₃	5∼25 nm	ALD	1.28 ± 0.13 (@323 K)	[7]
Al₂ O₃	5∼25 nm	ALD	1.88 ± 0.09 (@473 K)	[7]
TiO₂	5∼40 nm	ALD	1.13 ± 0.13 (@323 K)	[7]
TiO₂	5∼40 nm	ALD	1.29 ± 0.13 (@373 K)	[7]
BeO	∼1 µ m	R-ICB(이온 클러스터 빔)	260 (@298 K)	[10,12]
SiC	0.3∼2.5 µ m	RF Magnetron sputtering	0.83∼1.17 (@298 K)	[14]
AlN	22 µm	MOCVD	320 ± 42 (@298 K)	[15]
AlN	3.05 µm	MOCVD	1200 ± 300 (@120 K)	[16]
AlN	3.05 µm	MOCVD	260 ± 40 (@ 298 K)	[16]
AlN	0.1 µm	RF Magnetron sputtering	134 (@298 K)	[19]

열전도도 측정 결과, 10% N₂ 조건에서 증착된 비정질 AlN 박막은 134 W/m⋅ K의 높은 열전도도를 나타내었으며, 이는 일반적인 Si₃N₄ passivation 박막 대비 약 9배 높은 수치이다. 일반적으로 결정성이 낮을 경우 열전도도가 저하되는 경향이 있으나, 본 연구에서는 Al-N 결합 비율이 높게 유지되면 비정질 상태에서도 열전도도가 향상될 수 있음을 확인하였다. 반대로, 결정성이 우수한 박막이라도 화학 조성이 비화학량론적(Nonstoichiometric)일 경우 열전도도는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 따라서 AlN 박막의 열전도도를 향상시키기 위해서는 결정성보다도 화학량론적 조성 유지(Stoichiometry 유지)가 더욱 중요한 요소임을 입증하였다.[20-22]

결론적으로, 본 연구는 AlN 박막의 스퍼터링 증착 시 반응성 가스 조성이 열전도 특성에 미치는 영향을 규명하였으며, 높은 열전도도를 확보하기 위해서는 박막의 결정성뿐 아니라 정확한 조성 제어가 핵심임을 제시하였다. 이는 고온초전도선재의 절연 코팅재로 AlN 을 활용할 때에도 중요한 시사점을 제공하며, 열전달 성능을 높이기 위해서는 결정성 확보보다도 박막의 화학적 완전성을 우선 고려해야 함을 의미한다.

현재까지 논의한 열전달 재료들의 연구 내용을 정리하면 위의 표와 같다.

결론

고온초전도 선재는 고자기장 자석, MRI, NMR, 핵융합 설비 등 다양한 분야에서 핵심 구성 요소로 활용되고 있으며, 그 성능은 퀜치(Quench) 현상 대응 능력과 밀접하게 관련되어 있다. 특히 무절연 방식의 초전도 자석이 높은 열전달 성능을 요구하게 되면서, 전기 절연 특성과 함께 높은 열전도도를 갖춘 절연막 재료의 필요성이 대두되었다. 그러나 일반적으로 절연체는 열전도도가 낮다는 물리적 제약이 존재하므로, 열전도도와 절연성을 동시에 만족하는 고성능 박막 재료 탐색이 중요하다. 본 연구에서는 ALD, R-ICB, RF 마그네트론 스퍼터링, MOC VD 등 다양한 박막 증착 기술을 활용한 세라믹 박막의 열전도 특성을 비교 분석하였다. Al₂O₃, TiO₂, BeO, SiC, AlN 등은 모두 밴드갭이 큰 절연체로서 우수한 전기 절연 특성을 제공하면서도, 증착 조건 및 조성 제어에 따라 높은 열전도도까지 달성 가능함을 확인하였다. 특히 비정질 AlN이나 TiO₂의 경우에도 원자 밀도가 높고 결합 구조가 잘 형성되면 열전도도 손실 없이 증착이 가능함을 보였고, 결정질 BeO나 MOC VD-grown AlN은 수 마이크론 두께 이상에서 벌크 수준의 열전도도를 구현할 수 있었다. 이러한 결과들은 고온초전도 선재의 절연막 설계에서 단순한 절연성뿐 아니라, 열전도 성능을 유지하기 위한 결정성 및 조성 제어가 매우 중요함을 보여준다. 특히 AlN의 경우, 결정성이 낮아도 stoichiometry가 유지되면 열전도도를 높일 수 있음을 입증하였고, 이는 박막 기반 절연 코팅재 개발에 있어 보다 대량생산에 적합한 설계 방향을 제시한다. 궁극적으로 본 연구는 고온초전도 선재의 열적 안정성을 확보하면서 고속 충방전에 대응 가능한 절연막 소재 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.