KR100972992B1 - Manufacturing method of aluminum nitride powder and apparatus for chemical vapor synthesis of aluminum nitride powder - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 반응 챔버를 가열 수단에 의해 가열하여 800∼1400℃의 온도로 일정하게 유지하는 단계와, 가열 수단을 이용하여 가열하여 알루미늄 소스 저장부에 장입된 알루미늄 소스를 기화시키는 단계와, 기화된 알루미늄 소스 가스를 반응 챔버로 유입하면서 질소 소스 가스를 상기 반응 챔버로 주입하는 단계와, 상기 반응 챔버에서 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 화학적으로 기상 반응하여 질화 알루미늄 분말이 형성되는 단계와, 상기 반응 챔버에서 합성된 질화 알루미늄 분말을 및 반응 부산물을 포집기에서 포집하는 단계 및 포집된 반응 부산물을 제거하기 위하여 반응 부산물이 열분해되는 온도보다 높고 질화 알루미늄이 열분해되는 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 반응 부산물을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 질화 알루미늄 분말의 제조방법 및 질화 알루미늄 분말을 제조하기 위한 화학기상합성 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 알루미늄 소스와 질소 소스를 이용하여 반응 챔버에서 화학 기상 반응시켜 고순도의 질화 알루미늄 나노 분말을 합성할 수가 있다.
질화 알루미늄 분말, 화학기상합성, 알루미늄 소스(aluminum source), 질소 소스(nitride source), 포집, 열처리
The present invention comprises the steps of heating the reaction chamber by heating means to maintain a constant temperature of 800 ~ 1400 ℃, heating by using the heating means to vaporize the aluminum source charged in the aluminum source storage unit, vaporization Injecting a nitrogen source gas into the reaction chamber while introducing the prepared aluminum source gas into the reaction chamber, and chemically vapor-phase reaction between the aluminum source gas and the nitrogen source gas in the reaction chamber to form aluminum nitride powder; Collecting the aluminum nitride powder synthesized in the reaction chamber and the reaction by-products in a collector and heat-treating the reaction by-products at a temperature higher than the temperature at which the reaction by-products are pyrolyzed and lower than the temperature at which aluminum nitride is pyrolyzed to remove the collected reaction by-products. Nitriding alu comprising a step of selectively removing It relates to a process for producing a titanium powder and a chemical vapor synthesis apparatus for manufacturing aluminum nitride powder. According to the present invention, a high-purity aluminum nitride nanopowder can be synthesized by chemical vapor phase reaction in an reaction chamber using an aluminum source and a nitrogen source.
Aluminum Nitride Powder, Chemical Vapor Synthesis, Aluminum Source, Nitrogen Source, Capture, Heat Treatment
Description
본 발명은 질화 알루미늄 분말의 제조방법 및 질화 알루미늄 분말을 제조하기 위한 화학기상합성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 소스와 질소 소스를 이용하여 반응 챔버에서 화학 기상 반응시켜 고순도의 질화 알루미늄 나노 분말을 합성하는 질화 알루미늄 분말의 제조방법 및 질화 알루미늄 분말을 제조하기 위한 화학기상합성 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing aluminum nitride powder and a chemical vapor synthesis apparatus for producing aluminum nitride powder, and more particularly, to high-purity aluminum nitride nanopowder by chemical vapor phase reaction in a reaction chamber using an aluminum source and a nitrogen source. The present invention relates to a method for producing aluminum nitride powder for synthesizing a compound and a chemical vapor phase synthesis device for producing an aluminum nitride powder.
질화 알루미늄(AlN)은 고온에서 안정하고, 유전상수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화 알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 2.64×10-6/K 정도로서 실리콘과 유사하여 반도체의 기판 재료나 폴리머 패키지 재료의 충진제로 사용할 수 있다. Aluminum nitride (AlN) is stable at high temperatures, has a low dielectric constant and low dielectric loss, excellent electrical insulation, and thermal conductivity of about 320 W / mK, which has physical properties higher than that of metals. In addition, aluminum nitride (AlN) has a thermal expansion coefficient of about 2.64 × 10 −6 / K, which is similar to silicon, and can be used as a filler for a substrate material or a polymer package material of a semiconductor.
이와 같은 물리적 특성으로 인해 질화 알루미늄(AlN)은 고열전도성 절연기판, 고내식성 재료 등으로 사용될 수 있다. 특히, 우수한 전기 절연성 및 방열성이 요구되는 고집적 반도체칩의 패키지(package)나 높은 열전도도 및 높은 내식성이 요구되는 열교환기와 같은 고온 재료에 사용될 수 있어 그 합성법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. Due to such physical properties, aluminum nitride (AlN) may be used as a high thermal conductive insulating substrate, a high corrosion resistant material, and the like. In particular, many researches on the synthesis method have been conducted since they can be used in high-temperature materials such as packages of highly integrated semiconductor chips requiring excellent electrical insulation and heat dissipation, and heat exchangers requiring high thermal conductivity and high corrosion resistance.
상업적으로 많이 사용되는 질화 알루미늄(AlN) 분말의 제조방법에는 자전고온합성법(Self-Propagating High Temperature Synthesis Method), 탄소환원법 등이 있다. Commercially available methods of producing aluminum nitride (AlN) powder include a self-propagating high temperature synthesis method (Self-Propagating High Temperature Synthesis Method), carbon reduction method.
탄소환원법은 알루미나(Al2O3) 분말을 고온의 질소(N2) 분위기에서 탄소(C)로 환원시켜 질화 알루미늄(AlN)을 생성하는 방법이다. 그러나, 탄소환원법은 알루미나와 질소의 반응을 위해 고온합성기의 온도를 1800℃ 이상으로 유지하여야 하며, 희석제로서 탄소가 첨가되므로 질화 알루미늄(AlN) 분말 생성 후에 잔류하는 탄소를 제거하기 위해 600℃ 이상의 온도에서 추가적인 열처리 공정이 필요하고, 질화 알루미늄(AlN) 분말 내에 산소가 잔존한다는 단점이 있다. 질화 알루미늄(AlN)의 내부에 존재하는 산소는 0.8∼2.0중량% 정도라고 알려져 있으며, 이와 같은 산소는 질화 알루미늄(AlN) 분말의 불순물로서 열전도도를 저하시키는 원인이 된다.The carbon reduction method is a method of producing aluminum nitride (AlN) by reducing alumina (Al 2 O 3 ) powder to carbon (C) in a high temperature nitrogen (N 2 ) atmosphere. However, in the carbon reduction method, the temperature of the high temperature synthesizer must be maintained at 1800 ° C or higher for the reaction of alumina and nitrogen, and the carbon is added at a temperature of 600 ° C or higher to remove the carbon remaining after the aluminum nitride (AlN) powder is formed because carbon is added as a diluent. In addition, there is a disadvantage in that an additional heat treatment process is required and oxygen remains in the aluminum nitride (AlN) powder. Oxygen present in the aluminum nitride (AlN) is known to be about 0.8 to 2.0% by weight, and such oxygen causes the thermal conductivity to decrease as an impurity of the aluminum nitride (AlN) powder.
대한민국 특허출원 제10-1993-0008310호는 탄소환원법을 이용한 질화알루미늄(AlN)의 제조방법을 제시하고 있다. 그러나, 대한민국 특허출원 제10-1993- 0008310호에 의할 경우 탄소환원법에 의하여 생성된 반응물에 탄소가 잔존하므로 이 잔존 탄소를 제거하기 위하여 650℃ 내지 750℃의 온도로 1∼3시간 동안 재가열처리하는 별도의 과정을 거치게 된다. 이 공정에서 질화 알루미늄(AlN)의 열전도도에 악영향을 미치는 산소가 불순물로 혼입될 수 있다는 문제점이 있다.Korean Patent Application No. 10-1993-0008310 discloses a method for producing aluminum nitride (AlN) using a carbon reduction method. However, according to Korean Patent Application No. 10-1993- 0008310, since carbon remains in the reactants produced by the carbon reduction method, reheating is performed for 1 to 3 hours at a temperature of 650 ° C to 750 ° C to remove the remaining carbon. There is a separate process. In this process, there is a problem that oxygen, which adversely affects the thermal conductivity of aluminum nitride (AlN), may be mixed as impurities.
자전고온합성법은 화학 반응시 발생하는 발열을 이용하여 질화 알루미늄(AlN)을 합성하는 방법이다. The autothermal high temperature synthesis method is a method for synthesizing aluminum nitride (AlN) using the heat generated during the chemical reaction.
대한민국 특허출원 제10-1993-0005742호는 금속알루미늄 분말에 탄소 분말을 희석제로 혼합하여 시료를 만들고 상기의 시료를 가볍게 두드려서 일정 두께의 판상 알루미늄 분말 성형체로 만들어 반응기에 장입시키고 반응기 내에 존재하는 대기 가스를 제거하여 질소 압력을 3∼10기압으로 유지하며 시료를 전기 아크를 이용하여 고온자전 질화 반응의 점화를 실시하여 질화 알루미늄 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 생성된 질화 알루미늄 분말과 탄소분말의 혼합체인 시료를 볼밀 등을 사용하여 분쇄하고, 분쇄된 시료를 대기중이나 산소분위기에서 650-750℃의 온도로 유지시켜 탄소분말을 제거시키는 공정이 추가되므로 공정이 복잡하고 불순물의 유입 가능성이 커서 고순도의 질화 알루미늄(AlN)을 얻기가 어렵다는 단점이 있다. Korean Patent Application No. 10-1993-0005742 makes a sample by mixing carbon powder with a metal aluminum powder with a diluent, and tapping the sample into a plate-shaped aluminum powder compact having a predetermined thickness, and charging it into a reactor and the atmospheric gas present in the reactor. It is proposed that a method for producing aluminum nitride powder by igniting a high-temperature autonitrification reaction using an electric arc while maintaining the nitrogen pressure of 3 to 10 atm by removing the. However, a process of pulverizing the sample, which is a mixture of the produced aluminum nitride powder and carbon powder, using a ball mill and the like, and removing the carbon powder by maintaining the pulverized sample at a temperature of 650-750 ° C. in the air or oxygen atmosphere is added. It is difficult to obtain high purity aluminum nitride (AlN) because the process is complicated and the inflow of impurities is large.
대한민국 특허출원 제10-1999-0004068호는 알루미늄(Al)분말이 10∼90중량% 이고 반응조절제로서 질화알루미늄(AlN)이 10∼90중량% 혼합된 분말을 질소 가스 압력이 1∼10㎏/㎠ 유지된 반응기에 연속으로 투입시켜 분말 충진층이 형성되게 한 후 발열체를 이용하여 발열 반응시켜 내화재용 질화 알루미늄 분말을 제조하는 방 법을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법에서는 자전 고온 반응시 2,000℃ 이상의 고열이 발생하여 질화 알루미늄 입자가 크게 성장하기 때문에 합성 후에 분쇄 ㆍ분급 공정이 필요하다. 또한 이 분쇄 공정에서 많은 불순물이 혼입되어 순도를 저하시키는 원인이 된다.Korean Patent Application No. 10-1999-0004068 discloses a powder containing 10 to 90% by weight of aluminum (Al) powder and 10 to 90% by weight of aluminum nitride (AlN) as a reaction regulator. It is proposed to prepare a refractory aluminum nitride powder by the exothermic reaction by using a heating element after the continuous injection into the reactor maintained in
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알루미늄 소스와 질소 소스를 이용하여 반응 챔버에서 화학 기상 반응시켜 질화 알루미늄 분말을 합성하고, 질화 알루미늄 분말과 반응 부산물을 포집기에서 포집한 후 반응 부산물만을 선택적으로 제거하여 고순도의 질화 알루미늄 나노 분말을 형성하는 질화 알루미늄 분말의 제조방법을 제공함에 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is to synthesize the aluminum nitride powder by chemical vapor phase reaction in the reaction chamber using an aluminum source and a nitrogen source, to collect the aluminum nitride powder and the reaction by-products in the collector and to selectively remove only the reaction by-products of high purity It is to provide a method for producing aluminum nitride powder to form the aluminum nitride nano powder.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 알루미늄 소스와 질소 소스를 이용하여 반응 챔버에서 화학 기상 반응시켜 고순도의 질화 알루미늄 나노 분말을 합성하는 질화 알루미늄 분말의 화학기상합성 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a chemical vapor synthesis apparatus of aluminum nitride powder for synthesizing high purity aluminum nitride nanopowder by chemical vapor phase reaction in a reaction chamber using an aluminum source and a nitrogen source.
본 발명은, (a) 반응 챔버를 가열 수단에 의해 가열하여 800∼1400℃의 온도로 일정하게 유지하는 단계와, (b) 가열 수단을 이용하여 가열하여 알루미늄 소스 저장부에 장입된 알루미늄 소스를 기화시키는 단계와, (c) 기화된 알루미늄 소스 가스를 반응 챔버로 유입하면서 질소 소스 가스를 상기 반응 챔버로 주입하는 단계와, (d) 상기 반응 챔버에서 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 화학적으로 기상 반응하여 질화 알루미늄 분말이 형성되는 단계와, (e) 상기 반응 챔버에서 합성된 질화 알루미늄 분말과 반응 부산물을 포집기에서 포집하는 단계 및 (f) 포집된 반응 부산물을 제거하기 위하여 반응 부산물이 열분해되는 온도보다 높고 질화 알루미늄이 열분해되는 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 반응 부산물을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 질화 알루미늄 분말의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of (a) heating the reaction chamber by heating means to maintain a constant temperature of 800 ~ 1400 ℃, and (b) heating by using the heating means to the aluminum source charged into the aluminum source storage unit Vaporizing, (c) injecting a nitrogen source gas into the reaction chamber while introducing a vaporized aluminum source gas into the reaction chamber, and (d) an aluminum source gas and a nitrogen source gas are chemically vaporized in the reaction chamber. Reacting to form aluminum nitride powder, (e) collecting the aluminum nitride powder synthesized in the reaction chamber and the reaction by-product in a collector, and (f) the temperature at which the reaction by-product is pyrolyzed to remove the collected reaction by-product. Selectively removing reaction byproducts by heat treatment at a temperature higher than the temperature at which aluminum nitride is pyrolyzed. Provides a method of manufacturing aluminum nitride powder.
상기 질화 알루미늄 분말의 제조방법은, 상기 (a) 단계 전에, 알루미늄 소스가 저장된 알루미늄 소스 저장부, 상기 반응 챔버 및 상기 포집기 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 진공 상태로 배기하는 단계와, 운반 가스를 상기 반응 챔버에 주입하는 단계 및 펌핑부의 펌핑량을 감소시킨 후 배기되는 가스의 양이 균일하게 유지하는 단계를 포함할 수 있다. In the method of manufacturing the aluminum nitride powder, before the step (a), the aluminum source is stored in a vacuum by operating a rotary pump to remove the impurity gas existing in the storage unit, the reaction chamber and the collector and to create a vacuum state Exhausting to a state, injecting a carrier gas into the reaction chamber, and maintaining a uniform amount of exhausted gas after reducing a pumping amount of a pumping unit.
상기 반응 챔버 및 상기 알루미늄 소스 저장부에 운반 가스를 공급하고, 상기 운반 가스로는 질소 또는 불활성 가스를 사용하며, 상기 운반 가스의 공급 유량은 100∼500㎖/분 정도로 설정하는 것이 바람직하다. Preferably, a carrier gas is supplied to the reaction chamber and the aluminum source storage unit, nitrogen or an inert gas is used as the carrier gas, and the supply flow rate of the carrier gas is set to about 100 to 500 ml / min.
상기 운반 가스에는 반응 챔버 또는 알루미늄 소스 저장부 내에 존재하는 잔존 산소를 제거하기 위하여 수소 가스가 1∼3%가 더 포함되는 것이 바람직하다.Preferably, the carrier gas further contains 1 to 3% hydrogen gas in order to remove residual oxygen present in the reaction chamber or the aluminum source reservoir.
상기 (b) 단계는, 가열 수단을 이용하여 가열하여 알루미늄 소스 저장부에 장입된 알루미늄 소스를 기화시키되, 가열 수단에 의한 가열은 간접 가열 방식을 적용하여 가열 수단에 의해 가열하고 알루미늄 소스 저장부의 온도는 100∼280℃로 유지되게 하며, 상기 알루미늄 소스 저장부와 상기 반응 챔버 사이의 도관은 가열 수단을 이용하여 일정 온도보다 높게 유지하는 것이 바람직하다. Step (b) is to vaporize the aluminum source charged into the aluminum source storage by heating using a heating means, the heating by the heating means is heated by the heating means by applying an indirect heating method and the temperature of the aluminum source storage Is maintained at 100 to 280 ° C., and the conduit between the aluminum source reservoir and the reaction chamber is preferably maintained above a certain temperature using heating means.
상기 (e) 단계에서, 상기 포집기는 1차 포집부와 2차 포집부를 포함하여 이루어지며, 상기 1차 포집부의 둘레에 구비된 냉각 실린더 내를 냉각수가 순환되게 하여 질화 알루미늄과 반응 부산물이 응축되어 스테인레스 재질의 상기 1차 포집부에 포집되게 하고, 상기 2차 포집부로 내화학성과 내열성을 갖는 테프론 재질의 필터를 사용하고 상기 1차 포집부를 통과한 질화 알루미늄 분말과 반응 부산물을 포집할 수 있다. In the step (e), the collector comprises a primary collector and a secondary collector, and the cooling water is circulated in the cooling cylinder provided around the primary collector is condensed aluminum nitride and reaction by-products The first collection unit made of stainless steel may be collected, and a Teflon filter having chemical resistance and heat resistance may be used as the secondary collection unit, and the aluminum nitride powder and reaction by-products passing through the primary collection unit may be collected.
상기 반응 부산물의 열분해는 질소 또는 불활성 가스 분위기에서 200~500℃의 온도로 30분∼2시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. The pyrolysis of the reaction byproduct is preferably performed for 30 minutes to 2 hours at a temperature of 200 to 500 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere.
상기 알루미늄 소스로는 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 AlCl3를 사용하고, 상기 질소 소스로는 질소 성분을 포함하는 암모니아(NH3)와 질소(N2) 가스를 사용할 수 있다. AlCl 3 containing aluminum (Al) may be used as the aluminum source, and ammonia (NH 3 ) and nitrogen (N 2 ) gas including nitrogen may be used as the nitrogen source.
상기 알루미늄 소스로는 염화 알루미늄(AlCl3)을 사용하고, 상기 질소 소스로는 암모니아(NH3)를 사용하며, 상기 반응 챔버에서 염화 알루미늄(AlCl3) 가스와 암모니아(NH3) 가스가 화학 기상 반응하여 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물인 염화 암모늄(NH4Cl)이 합성되며, 상기 염화 암모늄(NH4Cl)의 열분해 온도보다 높은 온도에서 염화 암모늄(NH4Cl)이 선택적으로 제거될 수 있다. Aluminum chloride (AlCl 3 ) is used as the aluminum source, ammonia (NH 3 ) is used as the nitrogen source, and aluminum chloride (AlCl 3 ) gas and ammonia (NH 3 ) gas are chemical vapor phases in the reaction chamber. reaction with aluminum nitride (AlN) powder and the reaction of this is the synthesis of ammonium chloride (NH 4 Cl) by-product, the ammonium chloride (NH 4 Cl) ammonium chloride (NH 4 Cl) from a temperature above the thermal decomposition temperature are to be selectively removed in the Can be.
형성된 상기 질화 알루미늄 분말은 10∼80㎚의 입경을 갖는다.The formed aluminum nitride powder has a particle diameter of 10 to 80 nm.
또한, 본 발명은, 알루미늄 소스와 질소 소스가 화학 반응하여 질화 알루미늄 분말을 합성하는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버에 알루미늄 소스 가스를 공급하는 알루미늄 소스 공급부와, 상기 반응 챔버에 질소 소스 가스를 공급하는 질소 소 스 공급부와, 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스를 상기 반응 챔버로 운반하는 역할을 하는 운반 가스 공급부와, 상기 반응 챔버에서 합성된 질화 알루미늄을 포집하는 포집기와, 상기 반응 챔버와 상기 포집기를 진공 상태로 만들고 상기 반응 챔버에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말이 포집기로 흐르도록 유도하는 펌핑부를 포함하며, 상기 알루미늄 소스 공급부는, 알루미늄 소스를 저장하여 반응 챔버로 알루미늄 소스 가스를 공급하기 위한 알루미늄 소스 저장부와, 알루미늄 소스를 가열하여 기화시키기 위한 가열 수단과, 간접 가열 방식을 적용하기 위한 액체 저장부와, 상기 알루미늄 소스 저장부와 상기 액체 저장부 사이에 상기 알루미늄 소스 저장부를 전기적으로 절연시키면서 간접 가열하기 위한 액체를 구비하는 질화 알루미늄 분말을 제조하기 위한 화학기상합성 장치를 제공한다.The present invention also provides a reaction chamber for synthesizing aluminum nitride powder by chemical reaction between an aluminum source and a nitrogen source, an aluminum source supply unit supplying an aluminum source gas to the reaction chamber, and supplying a nitrogen source gas to the reaction chamber. A nitrogen source supply unit, a carrier gas supply unit serving to transport aluminum source gas and nitrogen source gas to the reaction chamber, a collector for collecting aluminum nitride synthesized in the reaction chamber, and a vacuum for the reaction chamber and the collector. And a pumping unit configured to bring the aluminum nitride (AlN) powder synthesized in the reaction chamber into a collector, wherein the aluminum source supply unit stores an aluminum source and supplies an aluminum source gas to the reaction chamber. To vaporize the reservoir and aluminum source by heating Aluminum nitride powder comprising a heating means, a liquid reservoir for applying an indirect heating method, and a liquid for indirect heating while electrically insulating the aluminum source reservoir between the aluminum source reservoir and the liquid reservoir. Provided is a chemical vapor synthesis apparatus for manufacturing.
상기 알루미늄 소스 저장부는 내열성과 내화학성을 갖는 테프론 재질로 코팅되어 있고, 운반 가스가 유입되게 운반 가스 공급부와 도관을 통해 연통되어 있으며, 상기 알루미늄 소스 저장부와 상기 반응 챔버를 연통하는 도관의 둘레에는 가열 수단이 구비되어 있을 수 있다. The aluminum source reservoir is coated with a Teflon material having heat resistance and chemical resistance, and is in communication with the carrier gas supply part through a conduit for introducing a carrier gas, and around the conduit communicating the aluminum source reservoir with the reaction chamber. Heating means may be provided.
상기 반응 챔버는 내열 충격성을 갖는 석영(quartz)으로 이루어지고, 반응 챔버 둘레에는 가열 수단이 구비되어 있을 수 있다. The reaction chamber is made of quartz having thermal shock resistance, and heating means may be provided around the reaction chamber.
상기 포집기는, 내열성과 내화학성을 갖는 스테인레스로 된 원통 형상의 1차 포집부 및 상기 1차 포집부에서 미처 포집되지 않은 질화 알루미늄 분말과 반응 부산물을 필터링하기 위한 2차 포집부를 포함하며, 상기 1차 포집부의 둘레에는 냉각 실린더가 구비되고, 냉각 실린더 내부를 냉각수가 순화되게 하여 질화 알루미늄 분 말 및 반응 부산물이 응축되어 1차 포집부의 벽면에 달라붙어 포집되게 구성하고, 상기 2차 포집부는 상기 1차 포집부를 통과한 질화 알루미늄 분말 및 반응 부산물을 걸러내기 위한 필터로 구성할 수 있다. The collector includes a cylindrical primary collector of stainless steel having heat resistance and chemical resistance, and a secondary collector for filtering aluminum nitride powder and reaction by-products not captured by the primary collector. A cooling cylinder is provided around the primary collecting unit, and the inside of the cooling cylinder is made to purify the cooling water so that the aluminum nitride powder and the reaction by-product are condensed and stuck to the wall of the primary collecting unit. It can be configured as a filter for filtering out the aluminum nitride powder and the reaction by-products passed through the tea collection unit.
본 발명에 의하면, 알루미늄 소스와 질소 소스를 이용하여 반응 챔버에서 화학 기상 반응시켜 질화 알루미늄(AlN) 분말을 합성하고, 질화 알루미늄 분말과 반응 부산물을 포집기에서 포집한 후 반응 부산물만을 선택적으로 제거하여 고순도의 질화 알루미늄(AlN)을 형성할 수 있다. 얻어진 고순도의 질화 알루미늄(AlN) 나노 분말은 전기 절연성이 우수하고 열전도율이 크며 내식성이 우수하고 고온에서 화학적으로 안정하여 다양한 분야에서 적용할 수 있다.According to the present invention, aluminum nitride (AlN) powder is synthesized by chemical vapor phase reaction in a reaction chamber using an aluminum source and a nitrogen source, and the aluminum nitride powder and the reaction by-product are collected in a collector, and only the reaction by-product is selectively removed to obtain high purity. Aluminum nitride (AlN) can be formed. The obtained high purity aluminum nitride (AlN) nanopowder is excellent in electrical insulation, high in thermal conductivity, excellent in corrosion resistance and chemically stable at high temperature, and can be applied in various fields.
또한, 기존 500㎚ 이상의 질화 알루미늄(AlN) 분말을 사용하여 소결체를 제작할 경우 1700℃ 이상의 고온에서 가압 소결해야만 치밀한 소결체가 얻어지나, 본 발명에 의해 제조된 나노급 질화 알루미늄 분말을 사용할 경우 비표면적 증가로 인해 소결성 향상이 기대되어 저온 저압에서도 치밀한 질화물 소결체가 제작될 것으로 기대된다.In addition, when the sintered body is manufactured using aluminum nitride (AlN) powder of 500 nm or more, a compact sintered body is obtained only by pressure sintering at a high temperature of 1700 ° C. or higher, but the specific surface area is increased when using the nano-grade aluminum nitride powder prepared according to the present invention. As a result, sinterability is expected to be improved, and thus, a compact nitride sintered body is expected to be manufactured even at low temperature and low pressure.
본 발명은 제조 공정이 간단하고 대량 생산이 가능하며, 산소(O2)가 잔존하지 않는 고순도의 질화 알루미늄 나노 분말을 얻을 수 있는 장점이 있다. The present invention has the advantage of obtaining a high-purity aluminum nitride nanopowder in which the manufacturing process is simple and mass production is possible, and oxygen (O 2 ) does not remain.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen. Like numbers refer to like elements in the figures.
본 발명은 화학기상합성(Chemical Vapor Synthesis)법을 이용하여 고순도의 질화 알루미늄(AlN) 나노 분말을 제조하는 방법을 제시한다. 본 발명은 화학기상합성법을 적용하여 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스를 화학 반응시켜 질화 알루미늄(AlN) 분말을 합성한다. 본 발명에 의하면 100㎚ 이하의 입경을 갖는 고순도의 질화 알루미늄(AlN) 나노 분말을 단시간 내에 합성할 수 있다. 나노라 함은 나노미터(㎚) 크기를 의미하고, 1∼1000㎚ 범위의 크기를 의미하는 것으로 사용한다. The present invention proposes a method for producing high purity aluminum nitride (AlN) nanopowder using chemical vapor synthesis (Chemical Vapor Synthesis) method. The present invention synthesizes aluminum nitride (AlN) powder by chemically reacting an aluminum source gas and a nitrogen source gas by applying a chemical vapor phase synthesis method. According to the present invention, high purity aluminum nitride (AlN) nanopowders having a particle diameter of 100 nm or less can be synthesized in a short time. Nano means nanometer (nm) size and is used to mean a size in the range from 1 to 1000 nm.
알루미늄 소스로는 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 AlCl3 등을 사용할 수 있고, 질소 소스로는 질소 성분을 포함하는 가스, 예컨대 암모니아(NH3)와 질소(N2) 가스를 사용할 수 있다. 예를 들면, 염화알루미늄(AlCl3)은 181.2℃(1기압에서)에서 승화되는 특성을 갖는다. 이와 같은 염화알루미늄(AlCl3)의 낮은 승화 온도를 이용하여 기화시키고 질소(N) 성분과 기상 화학 반응시켜 질화 알루미늄(AlN)을 합성할 수 있다. AlCl 3 containing aluminum (Al) may be used as the aluminum source, and a gas containing nitrogen may be used as the nitrogen source, such as ammonia (NH 3 ) and nitrogen (N 2 ). For example, aluminum chloride (AlCl 3 ) has the property of subliming at 181.2 ° C. (at 1 atmosphere). By using a low sublimation temperature of the aluminum chloride (AlCl 3 ) it is possible to synthesize aluminum nitride (AlN) by vaporizing and vapor-phase chemical reaction with the nitrogen (N) component.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상합성 장치를 설명하기 위 하여 도시한 도면이다.1 is a view illustrating a chemical vapor synthesis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
화학기상합성 장치(100)는 알루미늄 소스(source) 가스와 질소 소스(source) 가스가 화학 반응하여 질화 알루미늄(AlN) 분말을 합성하는 반응 챔버(110)와, 반응 챔버(110)에 알루미늄 소스 가스를 공급하는 알루미늄 소스 공급부(120)와, 반응 챔버(110)에 질소 소스 가스를 공급하는 질소 소스 공급부(130)와, 알루미늄 소스와 질소 소스를 반응 챔버(110)로 운반하는 역할을 하는 운반 가스 공급부(140)와, 반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말을 포집하는 포집기(150)와, 반응 챔버(110)와 포집기(150)를 진공 상태로 만들고 반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN)이 포집기(150)로 흐르도록 유도하는 펌핑부(160)를 포함한다. The chemical
반응 챔버(110)는 알루미늄 소스 가스, 질소 소스 가스 및 운반 가스가 유입되는 입구부(112)와, 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 화학 반응하여 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물(예컨대, NH4Cl)이 배출되는 출구부(114)를 포함한다. 입구부(112)는 도관을 통해 알루미늄 소스 공급부(120) 및 질소 소스 공급부(130)와 연통되어 있다. 출구부(114)는 도관을 통해 포집기(150)와 연통되어 있다. 반응 챔버(110)는 내열 충격성을 갖는 물질, 예컨대 석영(quartz)과 같은 물질로 이루어진 원통형의 튜브(tube) 형상을 갖는다. 입구부(112)와 출구부(114) 사이의 반응 챔버(110) 둘레에는 가열 수단(heater)(116)이 구비되어 있다. 가열 수단(116)은 반응 챔버(110)의 내부 온도를 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 반응하여 합성될 수 있는 목표 온도(예컨대, 800∼1400℃)로 상승시키고 일정하게 유지하는 역할을 한다. The
알루미늄 소스 공급부(120)는 반응 챔버(110)에 알루미늄 소스 가스를 공급한다. 알루미늄 소스 공급부(120)는 알루미늄 소스를 저장하여 반응 챔버(110)로 알루미늄 소스 가스를 공급하기 위한 알루미늄 소스 저장부(122)와, 알루미늄 소스를 가열하여 기화시키기 위한 가열 수단(heater)(124)을 포함한다. 가열 수단(124)은 알루미늄 소스 저장부(122)의 내부 온도를 알루미늄 소스가 기화될 수 있는 목표 온도로 상승시키는 역할을 한다. 가열 수단(124)에 의한 간접 가열 방식을 적용하기 위해 액체 저장부(126)가 구비되고, 알루미늄 소스 저장부(122)와 액체 저장부(126) 사이에는 액체(예컨대, 실리콘 오일)(128)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 액체(128)는 알루미늄 소스 저장부(122)를 균일하게 가열하는 역할을 한다. 알루미늄 소스 저장부(122)는 내화학성을 갖는 재질, 예컨대 테프론 재질로 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 알루미늄 소스로 염화 알루미늄(AlCl3)을 사용하는 경우에 염소(Cl) 성분은 금속을 부식시키므로 내화학성을 갖는 테프론 재질로 코팅하여 알루미늄 소스 저장부(122)가 부식되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 알루미늄 소스 저장부(122)로부터 반응 챔버(110)로 알루미늄 소스 가스 공급을 원활하게 하기 위하여 알루미늄 소스 저장부(122)는 운반 가스 공급부(140)와 도관을 통해 연통되어 있을 수 있다. 운반 가스 공급부(140)로부터 알루미늄 소스 저장부(122)로 유입된 운반 가스는 알루미늄 소스 가스를 반응 챔버(110)로 밀어주는 역할을 하고 알루미 늄 소스 가스가 알루미늄 소스 저장부(122)와 반응 챔버(110) 사이에 구비된 도관(129)의 벽에 달라붙지 않게 하는 역할을 한다. 알루미늄 소스 저장부(122)와 반응 챔버(110)를 연통하는 도관(129)의 둘레에는 가열 수단(129a, 129b)이 구비되어 도관(129)의 온도를 일정 온도 이상으로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. The aluminum
질소 소스 공급부(130)는 질소 소스를 반응 챔버(110)에 공급하는 역할을 한다. 질소 소스 공급부(130)는 질소 소스 가스의 공급 유량을 제어하는 유량제어기(mass flow controller; MFC)(132)와 밸브(134)를 포함할 수 있다. 유량제어기(MFC)(132)와 밸브(134)의 제어를 통해 질소 소스 가스를 반응 챔버(110)로 공급하게 된다. 질소 소스 공급부(130)로부터 반응 챔버(110)로 질소 소스 가스 공급을 원활하게 하기 위하여 질소 소스 공급부(130)로부터 배출된 질소 소스 가스가 도관(136)을 통해 흐를 때 운반 가스에 의해 운반되도록 할 수 있다. 운반 가스 공급부(140)로부터 도관(136)으로 유입된 운반 가스는 질소 소스 가스를 반응 챔버(110)로 밀어주는 역할을 하고 질소 소스 가스가 질소 소스 공급부(130)와 반응 챔버(110) 사이에 구비된 도관(136)의 벽에 달라붙지 않게 하는 역할을 한다. The nitrogen source supply unit 130 serves to supply a nitrogen source to the
운반 가스 공급부(140)는 운반 가스를 알루미늄 소스 공급부(120), 도관(136), 반응 챔버(110)로 운반 가스를 공급하는 역할을 한다. 운반 가스 공급부(140)는 운반 가스의 공급 유량을 제어하는 유량제어기(MFC)(142a, 142b, 142c)와 밸브(144a, 144b, 144c)를 포함할 수 있다. 유량제어기(142a, 142b, 142c)와 밸브(144a, 144b, 144c)의 제어를 통해 운반 가스를 공급하게 된다. The carrier
포집기(150)는 반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말을 포집 한다. 포집기(150)는 내열성과 내화학성이 우수한 재질, 예컨대 스테인레스(SUS)로 된 원통 형상의 1차 포집부(152)와, 1차 포집부(152)에서 미처 포집되지 않은 질화 알루미늄(AlN)을 필터링하기 위한 2차 포집부(154)를 포함한다. 1차 포집부(152)의 둘레에는 냉각 실린더가 구비되고, 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수(Cooling Water; CW)에 의해 1차 포집부(152)를 수냉시켜 질화 알루미늄(AlN) 분말이 1차 포집부(152)의 벽면에 달라붙어 포집되게 한다. 냉각 실린더에는 냉각수 유입관(Cooling Water Inlet; CWI)을 연결하여 냉각수를 공급하고, 공급된 냉각수는 냉각수 배출관(Cooling Water Outlet; CWO)을 통해 배출되도록 하며, 냉각수가 냉각 실린더를 순환되게 하여 1차 포집부(152)가 전체적으로 골고루 냉각될 수 있도록 한다. 2차 포집부(154)는 1차 포집부(152)를 통과한 미세한 질화 알루미늄(AlN) 분말을 걸러내기 위한 필터로 구성된다. 상기 필터는 내화학성이 우수한 재질, 예컨대 테프론 재질의 필터로 이루어지거나 테프론이 코팅된 필터로 이루어지는 것이 바람직하다. 1차 포집부(152) 및 2차 포집부(154)에는 질화 알루미늄(AlN) 분말과 함께 반응 부산물(예컨대 NH4Cl)도 포집되게 된다. 2차 포집부(154)에 반응부산물(예컨대 NH4Cl)도 함께 포집되므로 필터의 기공 크기는 질화 알루미늄(AlN) 분말의 입자 크기보다 크더라도 질화 알루미늄(AlN) 분말이 포집될 수 있다. 예를 들면, 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말이 100㎚ 이하의 크기를 갖더라도 필터의 기공 크기가 0.2㎛(200㎚) 정도이더라도 충분히 질화 알루미늄(AlN) 분말을 포집할 수가 있다. The
펌핑부(160)는 반응 챔버(110), 알루미늄 소스 저장부(122) 및 포집기(150)를 진공 상태로 만들고 반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN)이 포집기(150)로 배출되도록 유도한다. 펌핑부(160)는 진공 상태로 만들기 위한 로터리 펌프(Rotary Pump)(162)와, 반응 챔버(110), 알루미늄 소스 저장부(122) 및 포집기(150)로부터 배기된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출구(164)와, 펌프(162)에 의한 가스의 배기를 차단하거나 조절하기 위한 밸브(166a, 166b)를 포함한다. The
이하에서, 화학기상합성 장치(100)를 이용하여 질화 알루미늄(AlN) 분말을 제조하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing aluminum nitride (AlN) powder using the chemical
알루미늄 소스를 알루미늄 소스 저장부(122)에 장입하고, 밸브(134, 144a, 144b, 144c)를 잠근 상태에서 밸브(166a, 166b)을 열고 알루미늄 소스 저장부(122), 반응 챔버(110) 및 포집기(150) 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프(162)를 작동시켜 진공 상태(예컨대, -100KPa(-1000mbar) 정도 이하)로 될 때까지 배기한다. 이때, 반응 챔버(110)의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단(116)에 전원을 공급하여 반응 챔버(110)를 가열하면 반응 챔버(110) 내에 잔존하는 불순물 가스를 효율적으로 배기할 수 있다. Charge the aluminum source into the
밸브(166b)를 잠근 다음, 밸브(144a, 144b, 144c)를 열고 운반 가스를 유량제어기(142a, 142b, 142c)를 통하여 주입한다. 운반 가스의 공급 유량은 100∼500㎖/분 정도인 것이 바람직하다. 운반 가스로는 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 사용할 수 있는데, 질소 소스로서도 작용할 수 있는 질소(N2) 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 운반 가스에는 수소(H2) 가스가 1∼3% 정도 포함될 수 있는데, 이는 화학기상합성 장치(100)의 도관(129, 136), 반응 챔버(110) 등에 잔존하는 산소(O2)를 제거하기 위함이다. 운반 가스의 유입에 의해 알루미늄 소스 저장부(122), 도관(129, 136), 반응 챔버(110), 포집기(150) 등은 운반 가스로 충분히 채워지게 된다. After closing the valve 166b, the
밸브(166b)을 열고 로터리 펌프(162)의 펌핑량을 감소시킨 후, 일정하게 유지하여 배기되는 가스의 양이 균일하게 유지되도록 한다. 이에 의해 반응 챔버(110)의 내부 압력도 일정하게 유지되며, 로터리 펌프(162)의 계속적인 작동에 의해 반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말이 반응 챔버(110)와 포집기(150) 사이에 구비된 도관의 벽에 달라붙지 않고 포집기(150)로 효율적으로 유도될 수 있다. 로터리 펌프(162)에 의해 가스 배출구(164)로 배출되는 가스압은 질화 알루미늄(AlN) 분말이 포집되는 속도 등을 고려하여 -100mbar 정도가 되도록 로터리 펌프(162)의 펌핑량을 설정하는 것이 바람직하다. 가스 배출구(164)로 배출되는 가스압이 너무 작으면 질화 알루미늄(AlN) 분말이 반응 챔버(110)와 포집기(150) 사이에 구비된 도관의 벽에 달라붙는 현상이 발생할 수 있어 포집기(150)에서 효율적으로 포집할 수 없고, 가스 배출구(164)로 배출되는 가스압이 너무 크면 반응 챔버(110)에서 질화 알루미늄(AlN) 분말의 합성에 나뿐 영향을 미치거나 1차 포집부(152)에서 포집되는 수율이 떨어지는 문제가 있을 수 있다. After opening the valve 166b and reducing the pumping amount of the
가열 수단(124)을 이용하여 가열하여 알루미늄 소스 저장부(122)에 장입된 알루미늄 소스를 기화시킨다. 알루미늄 소스로는 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 AlCl3 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 소스는 고순도(예컨대, 순도 98% 이상)의 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 입경은 크게 제한이 없으나 본 발명의 실시예에서는 2∼3㎜의 염화 알루미늄(AlCl3)을 사용하였다. 기화된 알루미늄 소스 가스는 도관(129)을 통해 반응 챔버(110)로 유입되게 된다. 이때, 운반 가스 공급부(140)의 밸브(144c)를 통해 알루미늄 소스 저장부(122)로 유입된 운반 가스는 알루미늄 소스 가스를 반응 챔버(110)로 밀어주는 역할을 하고 알루미늄 소스 가스가 알루미늄 소스 저장부(122)와 반응 챔버(110) 사이에 구비된 도관(129)의 벽에 달라붙지 않게 한다. 가열 수단(124)에 의한 가열은 간접 가열 방식을 적용하는 것이 바람직하며, 알루미늄 소스 저장부(122)의 온도는 알루미늄 소스의 승화되는 온도를 고려하여 100∼280℃ 정도로 유지되게 하는 것이 바람직하다. 간접 가열 방식은 알루미늄 소스가 승화점 부근에서 급격하게 승화되는 것을 억제하여 서서히 일정하게 승화가 일어나도록 하는 효과가 있다. The
알루미늄 소스 가스를 반응 챔버(110)로 유입하면서 밸브(134)를 열고 질소 소스 가스를 유량제어기(132)를 통하여 반응 챔버(110)로 주입한다. 질소 소스로는 질소 성분을 포함하는 가스, 예컨대 암모니아(NH3)와 질소(N2)를 사용할 수 있다. 운반 가스 공급부(140)로부터 도관(136)으로 유입된 운반 가스는 질소 소스 가스를 반응 챔버(110)로 밀어주는 역할을 하고 질소 소스 가스가 질소 소스 공급부(130)와 반응 챔버(110) 사이에 구비된 도관(136)의 벽에 달라붙지 않게 하여 반응 챔 버(110)로 원활하게 운반될 수 있게 한다. Opening the
알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 유입되기 전에 반응 챔버(110)는 가열 수단(116)에 의해 가열되어 일정 온도를 유지하고 있는 상태인 것이 바람직하다. 가열 수단(116)에 의해 가열된 반응 챔버(110)의 내부 온도는 알루미늄 소스와 질소 소스가 반응하여 합성될 수 있는 온도(예컨대, 800∼1400℃)로 일정하게 유지한다. It is preferable that the
반응 챔버(110)에 유입된 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스는 화학적으로 반응하여 질화 알루미늄(AlN) 분말을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상합성법에 의한 질화 알루미늄(AlN) 분말의 생성 반응식은 반응식 1과 같다. The aluminum source gas and the nitrogen source gas introduced into the
아래의 반응식 1은 알루미늄(Al)의 소스로서 염화알루미늄(AlCl3)를 사용한 경우이고, 질소 소스로서 암모니아(NH3)를 사용한 경우의 반응식이다. Scheme 1 below is a case where aluminum chloride (AlCl 3 ) is used as a source of aluminum (Al), and a case where ammonia (NH 3 ) is used as a nitrogen source.
반응 챔버(110)에 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스가 유입되면, 800∼1400℃의 온도, 바람직하게는 900∼1200℃의 온도에서 알루미늄 소스 가스와 질소 소스 가스는 화학적으로 기상 반응하게 된다. 예를 들어, 알루미늄 소스 가스인 염화 알루미늄(AlCl3) 가스와 암모니아(NH3) 가스는 화학적으로 기상 반응하여 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물인 염화 암모늄(NH4Cl)을 형성한다. When the aluminum source gas and the nitrogen source gas flow into the
반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물은 포집기(150)의 1차 포집부(152)에 포집된다. 원통형의 1차 포집부(152) 둘레에 흐르는 냉각수에 의해 1차 포집부(152)가 수냉되므로 질화 알루미늄(AlN) 분말 및 반응 부산물이 응축되어 1차 포집부(152)의 벽면에 달라붙어 포집된다. 1차 포집부(152)에서 미처 포집되지 않은 질화 알루미늄(AlN) 분말 및 반응 부산물은 테프론 재질의 필터로 이루어진 2차 포집부(154)에서 포집되게 된다. Aluminum nitride (AlN) powder and reaction by-products synthesized in the
1차 포집부(152) 및 2차 포집부(154)에서는 반응 부산물도 포집되므로 질화 알루미늄(AlN) 분말만을 걸러낼 필요가 있다. 반응 부산물을 열분해 등의 방법을 이용하여 제거할 수 있다. 열분해 방법을 이용하는 경우에는 질화 알루미늄(AlN)이 열분해되는 온도(100㎚ 이하의 질화 알루미늄 분말은 약 600℃에서 열분해됨)보다 낮은 온도에서 열분해 시켜야 한다. 예컨대, 반응 부산물로 형성되는 염화 암모늄(NH4Cl)은 386℃ 이상의 온도에서 열분해되는 특성을 갖는다. Since the reaction by-products are also collected in the
포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물을 퍼니스(전기로)에서 열처리하여 반응 부산물만을 선택적으로 제거한다. 반응 부산물의 열분해는 질소 또는 불활성 가스 분위기에서 30분∼2시간 동안 실시하여 수행할 수 있다. 구체적 반응 부산물의 열분해 과정을 설명하면, 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 반응 부산물을 퍼니스(furnace)에 로딩(loading)하고, 상기 퍼니스의 온도를 목표하는 열분해 온도(200~500℃)까지 상승시킨다. 이때, 퍼니 스의 가스 분위기는 질소 또는 불활성 가스 분위기로 설정한다. 퍼니스의 온도가 목표하는 열처리 온도까지 상승하면, 일정 시간 동안 그 온도에서 유지하여 열처리한다. 상기 열처리는 30분~2시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 너무 작으면 반응 부산물의 충분한 열분해가 이루어지지 않고, 열처리 시간이 너무 길면 시간이 많이 소요되어 비경제적이고 질화 알루미늄(AlN) 분말 입자들이 응집되는 현상이 일어날 수 있다. 상기 열처리에 의하여 반응 부산물이 열분해되어 질화 알루미늄(AlN) 분말만이 남아있게 된다. 열처리 공정을 수행한 후, 퍼니스의 온도를 하강시켜 질화 알루미늄(AlN) 분말을 언로딩(unloading)한다. The aluminum nitride (AlN) powder and the reaction byproduct collected in the
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.The invention is described in more detail with reference to the following examples, which are not intended to limit the invention.
<실시예><Examples>
염화 알루미늄(AlCl3)을 알루미늄 소스 저장부(122)에 장입하고, 밸브(134, 144a, 144b, 144c)를 잠근 상태에서 밸브(166a, 166b)을 열고 알루미늄 소스 저장부(122), 반응 챔버(110) 및 포집기(150) 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프(162)를 작동시켜 -100KPa(-1000mbar) 정도 이하로 될 때까지 배기하였다. 이때, 반응 챔버(110)의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단(116)에 전원을 공급하고 반응 챔버(110)를 가열하여 반응 챔버(110) 내에 잔존하는 불순물 가스를 배기하였다. Charge aluminum chloride (AlCl 3 ) into the
밸브(166b)를 잠근 다음, 밸브(144a, 144b, 144c)를 열고 운반 가스를 유량제어기(142a, 142b, 142c)를 통하여 주입하였다. 운반 가스의 공급 유량은 500㎖/분 정도로 설정하였다. 운반 가스로는 질소(N2) 가스를 사용하였고, 이때 수소(H2) 가스도 3% 정도 포함되게 하였다. After closing the valve 166b, the
밸브(166b)을 열고 로터리 펌프(162)의 펌핑량을 감소시킨 후, 일정하게 유지하여 배기되는 가스의 양이 균일하게 유지되도록 하였다. 로터리 펌프(162)에 의해 가스 배출구(164)로 배출되는 가스압은 질화 알루미늄(AlN) 분말이 포집되는 속도 등을 고려하여 -100mbar 정도가 되도록 로터리 펌프(162)의 펌핑량을 설정하였다. After opening the valve 166b and reducing the pumping amount of the
가열 수단(124)을 이용하여 가열하여 알루미늄 소스 저장부(122)에 장입된 염화 알루미늄(AlCl3)을 기화시켰다. 염화 알루미늄(AlCl3)은 입경 2∼3㎜의 순도 98%의 물질을 사용하였다. 기화된 염화 알루미늄(AlCl3)이 도관(129)을 통해 반응 챔버(110)로 유입되게 하였고, 이때, 운반 가스 공급부(140)의 밸브(144c)를 통해 알루미늄 소스 저장부(122)로 운반 가스가 유입되도록 하였다. 가열 수단(124)에 의한 가열은 간접 가열 방식을 적용하였으며, 알루미늄 소스 저장부(122)의 온도는 280℃ 정도로 유지되게 하였으며, 도관(129)의 둘레에 구비된 가열 수단(129a, 129b)에 의해 도관(129)의 온도가 110℃ 정도를 유지하게 하였다. The
염화 알루미늄(AlCl3) 가스를 반응 챔버(110)로 유입하면서 밸브(134)를 열 고 암모니아(NH3) 가스를 유량제어기(132)를 통하여 반응 챔버(110)로 주입하였다. 이때, 질소 소스 공급부(130)와 반응 챔버(110) 사이에 구비된 도관(136)의 벽에 달라붙지 않게 하기 위하여 운반 가스 공급부(140)로부터 도관(136)으로 운반 가스를 유입시켰다. While introducing the aluminum chloride (AlCl 3 ) gas into the
염화 알루미늄(AlCl3) 가스와 암모니아(NH3) 가스가 유입되기 전에 반응 챔버(110)는 가열 수단(116)에 의해 가열하여 1200℃ 정도의 온도를 유지하고 있게 하였다. Before the aluminum chloride (AlCl 3 ) gas and the ammonia (NH 3 ) gas were introduced, the
반응 챔버(110)에서 염화 알루미늄(AlCl3) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 화학적으로 반응시켜 질화 알루미늄(AlN) 분말을 형성하였다. In the
반응 챔버(110)에서 합성된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)은 포집기(150)의 1차 포집부(152)와 2차 포집부(154)에서 포집하였다. 1차 포집부(152)는 냉각수가 냉각 실린더를 순환되게 하여 전체적으로 골고루 냉각되게 하였고, 2차 포집부(154)는 0.2㎛ 크기의 기공을 갖는 테프론 재질의 필터를 사용하였다. Aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) synthesized in the
도 2a 내지 도 2d는 1차 포집부(152)와 2차 포집부(154)에서 채집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)의 모습을 보여주는 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope; 이하 'FE-SEM'이라 함) 사진들이다. 도 3은 1차 포집부(152)와 2차 포집부(154)에서 채집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)에 대한 X-레이 회절(X-ray Diffraction; 이하 'XRD'라 함) 그래프이다. 도 3에서 2θ가 약 32인 위치에서 나타나는 피크(peak)는 염화 암노늄(NH4Cl)에 의한 것이고 원형으로 나타난 것은 질화 알루미늄(AlN) 분말에 의한 것이다. 도 2a 내지 도 2d 및 도 3에 나타난 바와 같이 크기가 비교적 일정한 분말이 형성되었음을 알 수 있다. 2A to 2D are field emission scanning electron microscopes showing the appearance of aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) collected from the
반응 부산물인 염화 암모늄(NH4Cl)을 제거하기 위하여 증류수 세척을 하였다. 염화 암모늄(NH4Cl)은 물에 잘 용해되는 특성을 이용한 것이다. 도 4a 및 도 4b는 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 증류수로 세척한 후의 FE-SEM 사진들이다. 도 5는 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 증류수로 세척한 후의 XRD 그래프이다. 증류수로 세척하게 되면 염화 암모늄(NH4Cl)은 제거되나 질화 알루미늄(AlN)이 물과 반응하여 AlOOH로 변화되게 되므로, 증류수 세척에 의한 방법은 바람직하지 않다는 결론을 얻었다. Distilled water was washed to remove ammonium chloride (NH 4 Cl) as a byproduct. Ammonium chloride (NH 4 Cl) takes advantage of the ability to dissolve well in water. 4A and 4B are FE-SEM photographs after washing aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) collected in the
따라서, 반응 부산물인 염화 암모늄(NH4Cl)을 제거하기 위하여 열처리 방법을 이용하였다. 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 전기로에서 열처리하여 염화 암모늄(NH4Cl)만을 선택적으로 제거하였다. Therefore, a heat treatment method was used to remove the reaction by-product ammonium chloride (NH 4 Cl). Aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) collected in the
염화 암모늄(NH4Cl)의 열분해는 질소(N2) 가스 분위기에서 400℃의 온도로 30분 동안 실시하여 수행하였다. 도 6a 및 도 6b는 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 400℃의 온도로 30분 동안 열처리한 후의 FE-SEM 사진들이다. 도 7은 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 400℃의 온도로 30분 동안 열처리한 후의 XRD 그래프이다. 도 6a 및 도 6b에 나타난 바와 같이 질화 알루미늄(AlN) 분말은 입경이 100㎚ 이하로서 10∼80㎚ 정도의 크기를 가짐을 알 수 있다. 도 6a, 도 6b 및 도 7에 나타난 바와 같이 열처리 후에도 염화 암모늄(NH4Cl)이 약간 잔존하는 것을 확인할 수 있었다. Pyrolysis of ammonium chloride (NH 4 Cl) was carried out for 30 minutes at a temperature of 400 ℃ in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere. 6A and 6B are FE-SEM photographs after heat treatment of aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) collected in the
따라서, 반응 부산물인 염화 암모늄(NH4Cl)을 완전히 열분해하여 선택적으로 제거하기 위하여 질소(N2) 가스 분위기에서 400℃의 온도로 1시간 동안 실시하여 수행하였다. 도 8은 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 400℃의 온도로 1시간 동안 열처리한 후의 XRD 그래프이다. 도 9a 및 도 9b는 포집기(150)에서 포집된 질화 알루미늄(AlN) 분말과 염화 암모늄(NH4Cl)을 400℃의 온도로 1시간 동안 열처리하여 염화 암모늄(NH4Cl)을 선택적으로 제거한 후의 투과전자현미경(Transmission Electron Micorscope; TEM) 사진들이다. 도 8, 도 9a 및 도 9b에 나타난 바와 같이 염화 암모늄(NH4Cl)이 완전히 제거되어 질화 알루 미늄(AlN) 분말만이 존재함을 알 수 있다. 또한, 도 9a 및 도 9b에 나타난 바와 같이 질화 알루미늄(AlN) 분말은 입경이 100㎚ 이하로서 10∼80㎚ 정도의 크기를 가짐을 알 수 있다. Therefore, in order to completely remove the reaction by-product ammonium chloride (NH 4 Cl) to selectively remove by performing pyrolysis in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere at a temperature of 400 ℃ for 1 hour. 8 is an XRD graph of an aluminum nitride (AlN) powder and ammonium chloride (NH 4 Cl) collected in the
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상합성 장치를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.1 is a view for explaining a chemical vapor synthesis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2d는 1차 포집부와 2차 포집부에서 채집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄의 모습을 보여주는 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 사진들이다. 2a to 2d are field emission scanning electron microscope (FE-SEM) images showing the appearance of aluminum nitride powder and ammonium chloride collected from the primary and secondary collectors.
도 3은 1차 포집부와 2차 포집부에서 채집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄에 대한 X-레이 회절(XRD) 그래프이다. FIG. 3 is an X-ray diffraction (XRD) graph of aluminum nitride powder and ammonium chloride collected at the primary and secondary collectors.
도 4a 및 도 4b는 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 증류수로 세척한 후의 FE-SEM 사진들이다. 4A and 4B are FE-SEM photographs after washing aluminum nitride powder and ammonium chloride collected in a collector with distilled water.
도 5는 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 증류수로 세척한 후의 XRD 그래프이다. 5 is an XRD graph after washing aluminum nitride powder and ammonium chloride collected in a collector with distilled water.
도 6a 및 도 6b는 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 400℃의 온도로 30분 동안 열처리한 후의 FE-SEM 사진들이다. 6A and 6B are FE-SEM photographs after heat treatment of aluminum nitride powder and ammonium chloride collected in a collector for 30 minutes at a temperature of 400 ° C.
도 7은 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 400℃의 온도로 30분 동안 열처리한 후의 XRD 그래프이다. 7 is an XRD graph after heat treatment of aluminum nitride powder and ammonium chloride collected in a collector for 30 minutes at a temperature of 400 ℃.
도 8은 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 400℃의 온도로 1시간 동안 열처리한 후의 XRD 그래프이다. 8 is an XRD graph of the aluminum nitride powder collected in the collector and ammonium chloride after heat treatment at 400 ° C. for 1 hour.
도 9a 및 도 9b는 포집기에서 포집된 질화 알루미늄 분말과 염화 암모늄을 400℃의 온도로 1시간 동안 열처리하여 염화 암모늄을 선택적으로 제거한 후의 투 과전자현미경(TEM) 사진들이다. 9A and 9B are transmission electron microscope (TEM) photographs after the aluminum nitride powder collected in the collector and ammonium chloride were heat treated at a temperature of 400 ° C. for 1 hour to selectively remove ammonium chloride.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: 화학기상합성 장치 110: 반응 챔버100: chemical vapor synthesis apparatus 110: reaction chamber
120: 알루미늄 소스 공급부 130: 질소 소스 공급부120: aluminum source supply unit 130: nitrogen source supply unit
140: 운반 가스 공급부 150: 포집기140: carrier gas supply unit 150: collector
160: 펌핑부160: pumping unit
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