KR101323111B1 - 박판형 질화알루미늄의 제조방법 - Google Patents

박판형 질화알루미늄의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 판형의 알루미늄 금속 박판을 준비하는 단계와, 상기 알루미늄 금속 박판을 질화처리챔버에 공급하는 단계와, 상기 알루미늄 금속 박판이 공급된 상기 질화처리챔버를 가열하는 단계와, 상기 질화처리챔버에 암모니아 가스를 공급하는 단계 및 상기 알루미늄 금속 박판을 500~1300℃에서 질화처리하여 박판형 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 판형의 알루미늄 금속 박판을 암모니아 가스 분위기에서 직접 질화처리하는 방법으로 대면적을 갖는 박판형 질화알루미늄을 제조하는 것이 가능하다.

Description

박판형 질화알루미늄의 제조방법{Manufacturing method of aluminium nitride in shape of thin plate}
본 발명은 박판형 질화알루미늄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 금속 박판을 직접 질화처리하여 고순도를 가지면서도 대면적을 갖는 박판형 질화알루미늄을 제조하는 방법에 관한 것이다.
질화알루미늄(AlN)은 고온에서 안정하고, 유전상수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 2.64×10-6/K 정도 이다.
이와 같은 물리적 특성으로 인해 질화알루미늄(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.
상업적으로 많이 사용되는 질화알루미늄(AlN) 분말의 제조방법에는 자전고온합성법(Self-propagating high temperature synthesis method), 탄소환원법 등이 있다.
탄소환원법은 알루미나(Al2O3) 분말을 고온의 질소(N2) 분위기에서 탄소(C)로 환원시켜 질화알루미늄(AlN) 분말을 생성하는 방법이다. 그러나, 탄소환원법은 알루미나와 질소의 반응을 위해 고온합성기의 온도를 1800℃ 이상으로 유지하여야 하며, 탄소가 첨가되므로 질화알루미늄(AlN) 분말 생성 후에 잔류하는 탄소를 제거하기 위해 600℃ 이상의 온도에서 추가적인 열처리 공정이 필요하고, 질화알루미늄(AlN) 분말 내에 산소가 잔존한다는 단점이 있다. 탄소환원법을 이용하여 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 내부에 존재하는 산소는 0.8∼2.0중량％ 정도라고 알려져 있으며, 이와 같은 산소는 질화알루미늄(AlN) 분말의 불순물로서 열전도도를 저하시키는 원인이 된다.
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 질화알루미늄(AlN)의 열전도도에 악영향을 미치는 산소가 불순물로 혼입될 수 있다는 문제점이 있다.
자전고온합성법은 화학 반응시 발생하는 발열을 이용하여 질화알루미늄(AlN) 분말을 합성하는 방법이다.
대한민국 특허출원 제10-1993-0005742호는 금속 알루미늄 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 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 생성된 질화알루미늄 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 질화알루미늄(AlN)을 얻기가 어렵다는 단점이 있다.
대한민국 특허출원 제10-1999-0004068호는 알루미늄(Al) 분말이 10∼90중량% 이고 반응조절제로서 질화알루미늄(AlN)이 10∼90중량% 혼합된 분말을 질소 가스 압력이 1∼10㎏f/㎠ 유지된 반응기에 연속으로 투입시켜 분말 충진층이 형성되게 한 후 발열체를 이용하여 발열 반응시켜 내화재용 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법에서는 자전 고온 반응시 2,000℃ 이상의 고열이 발생하여 질화알루미늄 입자가 크게 성장하기 때문에 합성 후에 분쇄 ㆍ분급 공정이 필요하다. 또한 이 분쇄 공정에서 많은 불순물이 혼입되어 순도를 저하시키는 원인이 된다.
살펴본 바와 같이, 분말 형태의 질화알루미늄을 얻기 위해서 다양한 방법이 시도되어 왔지만 아직까지 박판 형상을 갖는 질화알루미늄을 얻기 위한 연구는 이루어지지 않고 있는 상황이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 출발물질로 알루미늄 금속 박판을 사용하고 암모니아 가스를 공급하여 직접 질화처리하는 방법으로 고순도의 대면적 질화알루미늄 박판을 제조할 수 있는 박판형 질화알루미늄의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 판형의 알루미늄 금속 박판을 준비하는 단계와, (b) 상기 알루미늄 금속 박판을 복수 개의 층으로 겹쳐서 공급하는 경우에 질화알루미늄 박판들이 서로 붙는 것을 억제하고 질화알루미늄 박판 사이의 박리를 위해 상기 알루미늄 금속 박판이 겹쳐지는 부분에 질화붕소(BN)를 도포하는 단계와, (c) 겹쳐지는 부분에 질화붕소(BN)이 도포된 상기 알루미늄 금속 박판을 복수 개의 층으로 겹쳐서 질화처리챔버에 공급하는 단계와, (d) 상기 알루미늄 금속 박판이 공급된 상기 질화처리챔버를 가열하는 단계와, (e) 상기 질화처리챔버에 암모니아 가스를 공급하는 단계 및 (f) 상기 알루미늄 금속 박판을 500~1300℃에서 질화처리하여 박판형 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법을 제공한다.
상기 알루미늄 금속 박판은 복수 개의 층으로 이루어지고, 상기 알루미늄 금속 박판을 준비하는 단계는, 질화알루미늄 박판들이 서로 붙는 것을 억제하기 위하여 상기 알루미늄 금속 박판이 겹쳐지는 부분에 질화붕소(BN)을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계에서 질화처리챔버의 안정화를 위해 질소 가스를 상기 질화처리챔버에 공급할 수 있다.
상기 질소 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min로 설정하는 것이 바람직하다.
질화처리하는 단계에서, 상기 질소 가스와 상기 암모니아 가스를 1:0.5~1:3의 부피비로 일정하게 공급하는 것이 바람직하다.
상기 암모니아 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 금속 박판의 두께는 10㎛~2mm이고, 상기 알루미늄 금속 박판의 면적은 1㎠~10㎡ 일 수 있다.
상기 질화처리챔버의 온도가 400~500℃에 도달하면 상기 암모니아 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 판형의 알루미늄 금속 박판으로부터 직접 질화하는 방법을 사용하여 고순도의 대면적 질화알루미늄 박판을 얻는 것이 가능하다.
또한 암모니아 가스를 산소가 존재하지 않는 분위기에서 열분해 시키는 방법을 사용하기 때문에 AlON과 같은 부차적인 합성물이 생성되지 않고 단일상을 갖는 고순도의 대면적 질화알루미늄 박판의 제조가 가능하다. 암모니아의 열분해를 이용하기 때문에 낮은 온도에서 질화알루미늄 박판의 합성이 가능하다.
본 발명에 따르면 출발물질로 알루미늄 금속 박판을 활용하여 이를 직접 질화처리함으로써 대면적 박판형 질화알루미늄을 연속적 또는 단속적으로 제조할 수 있다.
도 1은 질화처리장치를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화알루미늄 박판의 제조 과정을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따라 알루미늄 금속 박판을 질화처리하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 사용된 알루미늄 금속 박판의 X선 회절(X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 5와 도 6은 실시예 1 및 실시예 에 사용된 알루미늄 금속 박판의 측면을 보여주는 주사전자현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따라 합성된 질화알루미늄 박판의 X선 회절 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따라 알루미늄 금속 박판을 1000℃에서 질화처리하여 얻은 질화알루미늄 박판의 사진이다.
도 9 및 도 10은 실시예 2에 따라 알루미늄 금속 박판을 1200℃에서 질화처리하여 얻은 질화알루미늄 박판의 사진이다.
도 11은 실시예 1에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 주사전자현미경(SEM)으로 200배에서 관찰한 사진이다.
도 12는 실시예 1에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 300배에서 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13은 도 11의 A 부분에 대한 확대도로서 20000배의 배율에서 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 14는 실시예 2에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 20000배의 배율에서 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 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.
본 발명은 알루미늄 금속 박판을 직접 질화처리하여 고순도의 질화알루미늄 박판을 형성하는 방법을 제시한다. 본 발명에 따른 박판형 질화알루미늄의 제조방법에 의하면, 질화알루미늄을 형성하기 위한 알루미늄의 소스(source)가 되는 알루미늄 금속 박판에 암모니아 가스를 공급하여 알루미늄 금속 박판을 질화처리한다.
본 발명에 따른 박판형 질화알루미늄의 제조방법에 의하면, 판형의 알루미늄 금속 박판을 출발원료로 하여 직접 질화처리함으로써 대면적을 갖는 고순도의 질화알루미늄 박판을 합성할 수 있는 장점이 있다.
알루미늄은 원자가 전자가 3가인 금속으로서 연성과 전성이 좋다. 또한 밀도가 낮아서 가벼운 특성을 가지고 있다. 따라서 압연기를 이용하여 쉽게 얇은 두께를 갖는 알루미늄 금속 박판의 제조가 가능하다. 본 발명에 따르면, 두께가 10㎛~2mm인 알루미늄 금속 박판을 출발 물질로 하여 질화알루미늄 박판을 제조할 수 있다. 상기 알루미늄 금속 박판은 롤 형태로 감겨 있을 수 있고, 질화알루미늄 박판을 제조하기 위하여 상기 알루미늄 금속 박판을 질화처리챔버에 공급한다.
이때 질화알루미늄 박판의 면적은 1㎠~10㎡ 범위로 용도에 따라 다양하게 제조하는 것이 가능하다. 특히 알루미늄 금속 박판의 면적은 질화처리 공정을 거치는 동안에 질화알루미늄(AlN) 박판으로 바뀌게 되기 때문에 원하는 질화알루미늄 박판의 면적을 고려하여 알루미늄 금속 박판의 면적을 산정한다.
도 1은 질화처리장치를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 질화처리장치는 가스공급장치(50), 질화처리챔버(60), 필터(70) 및 쇼워링시스템(showering system)(80)을 포함한다. 그리고 쇼워링시스템(80)의 우측으로 유량제어기(Mass flow meter)(100)가 설치되어 있고, 질화처리챔버(60)를 냉각하기 위한 냉각수 배출구(water out)(90)가 구비되어 있다.
상기 가스공급장치(50)는 질소 또는 암모니아 가스를 공급하는 역할을 한다. 도시하지 않았지만, 가스공급장치(50)의 출력부에는 가스 공급 유량을 조절할 수 있도록 유량제어기를 설치하는 것이 바람직하다.
가스공급에 대한 제어가 이루어진 상태에서 알루미늄 금속 박판(10)의 공급이 이루어져야 하는데, 박판형 질화알루미늄을 제조하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 질화처리챔버(60)를 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 공급되는 알루미늄 금속 박판의 공급형태에 따라 단속적으로 질화알루미늄 박판을 제조할 수도 있고, 연속적으로 질화알루미늄 박판을 제조할 수도 있다.
질화처리챔버(60)는 알루미늄 금속 박판(10)을 가열하여 질화처리는 장치이고, 질화처리챔버(60) 내의 분위기는 질화알루미늄(AlN) 박판을 합성하는 과정 중에 산화분위기가 되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 산화분위기가 되지 않도록 하기 위해서는 질소 가스나 아르곤 가스의 공급이 가능하다. 또한 진공분위기에서 질화알루미늄 박판을 합성하는 것도 가능하다.
본 발명에 따라 알루미늄 금속 박판(10)을 질화시키기 위해서 암모니아 가스가 필요하다. 질소 가스를 사용하여 질화알루미늄 박판의 제조를 하는 방법도 고려할 수 있지만, 질소 가스만을 사용하는 경우에는 1500℃ 이상의 고온이 필요하다. 따라서 질소 가스는 본 발명에서 알루미늄 금속 박판이 산화되는 것을 막는 역할을 하고, 알루미늄 금속 박판으로부터 생성되는 합성 반응 중에 양압을 걸리게 하여 산소의 유입을 막아준다. 암모니아 가스를 사용하여 질화처리하여 생성되는 질화알루미늄 박판의 경우에는 다른 방법(예를 들면, 자전고온합성법(Self-propagating high temperature synthesis method), 탄소환원법)으로 제조하는 방법보다 고순도의 질화알루미늄 박판이 얻어지게 된다.
본 발명에 따른 박판형 질화알루미늄의 제조방법은 직접 질화처리하는 방법을 사용한다. 직접 질화법은 알루미늄을 직접 질화시키는 방법이다. 본 발명에서는 알루미늄 금속 박판을 500∼1300℃의 온도에서 암모니아 가스 분위기에서 반응식 1 또는 반응식 2와 같은 반응식에 의해 직접 질화시키는 방법을 사용한다.
[반응식 1]
2Al(s) + N2(g) → 2AlN
[반응식 2]
Al(s) + N+ → AlN
상기의 반응식 1과 반응식 2는 발열반응이며, 알루미늄 금속 박판을 암모니아 가스 분위기 중에 둠으로써 질화알루미늄 박판을 용이하게 제조할 수 있는 반응이다. 단, 반응식 1과 반응식 2에 따른 반응을 유도하기 위해서는 산화분위기가 아닌 환원분위기에서 진행하는 것이 바람직하다. 환원분위기가 아닌 산화분위기에서 질화 반응을 진행시키면, AlON과 같은 2차상이 생길 수 있고, 순도를 저하시키는 원인이 된다.
본 발명에 따른 박판형 질화알루미늄의 경우에는 두께가 10㎛~2mm의 범위인 알루미늄 금속 박판을 사용하여 질화알루미늄 박판을 제조하기 때문에 응집 현상이 발생하지 않는다.
알루미늄 금속 박판의 경우 표면 뿐만 아니라 표면 내부에서도 질화가 이루어지는 특징을 보인다. 특히 암모니아 가스가 열분해되는 온도는 약 500℃ 이상이며, 암모니아 가스가 열분해되는 온도 이상의 온도(예컨대, 500~1300℃의 온도)에서 질화처리되어 질화알루미늄 박판이 생성된다.
도 2는 본 발명에 따른 박판형 질화알루미늄의 제조 과정을 보여주는 모식도이다. 도 3은 본 발명에 따라 알루미늄 금속 박판을 질화처리하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 알루미늄 금속 박판(10)을 준비하고, 질화처리챔버(60)에 공급한다. 알루미늄 금속 박판(10)은 단일 박판으로 이루어진 것일 수도 있고, 복수 개의 박판이 겹쳐져 있는 것일 수도 있다. 상기 알루미늄 금속 박판은 균일한 질화처리를 위해 두께가 10㎛~2mm이고, 면적이 1㎠~10㎡의 범위에서 공급하는 것이 바람직하다.
질화처리챔버(60)에 알루미늄 금속 박판(10)이 장입되면, 질화알루미늄 박판의 합성 중에 외부 공기가 유입되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 질화처리 중에 산소가 유입하게 되면 질화처리 과정 중에 부산물인 AlON이 형성되어 질화알루미늄(AlN)의 순도를 낮추고, 수율을 떨어뜨릴 수 있다.
질화처리챔버(60)로 공급된 알루미늄 금속 박판(10)은 질화처리 과정을 거쳐 질화알루미늄 박판(30)이 합성되어 나오게 된다. 알루미늄 금속 박판(10)이 연속적으로 질화처리되어 질화알루미늄 박판이 형성될 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 질화처리장치에는 롤러(40)가 배치되어 있을 수 있다. 알루미늄 금속 박판(10)을 복수 개의 층으로 겹쳐서 공급하는 경우, 상기 알루미늄 금속 박판(10)이 서로 겹쳐지는 각 층들에는 질화붕소(BN)를 도포하여 고온의 질화처리 과정에서 알루미늄 금속 박판(10)들이 서로 붙는 것을 억제하는 것이 바람직하다. 질화붕소(BN)는 스프레이 방식 등 다양한 방식으로 도포하는 것이 가능하고, 질화붕소(BN)는 1300℃에서도 안정하고 화학안정성이 우수한 물질이다. 상기 질화붕소(BN)은 박판형 질화알루미늄의 제조 공정 중에 녹지 않고 안정된 형태를 이루기 때문에 질화알루미늄 박판 제조 후에도 질화알루미늄 박판 사이를 용이하게 박리할 수 있다.
상기 롤러(40)에 의해서 알루미늄 금속 박판(10)은 0.1~10mm/min의 공급 속도로 질화처리챔버(60)에 공급되는 것이 바람직하다.
질화처리챔버(60)에는 가스공급장치(50)를 통해 암모니아(NH3) 가스를 공급한다. 가스공급장치(50)는 암모니아 가스 또는 질소 가스를 질화 처리 장치에 공급하는 역할을 수행한다. 가스공급장치(50)는 가스의 공급 유량을 제어하는 유량제어기(Mass flow controller; MFC)와 밸브를 포함할 수 있다. 유량제어기와 밸브의 제어를 통해서 암모니아 가스를 질화처리챔버(60)로 공급한다. 암모니아(NH3) 가스는 T1(예컨대, 400∼500℃) 이상의 온도에서 공급하는 것이 바람직하며, 암모니아(NH3) 가스는 질화처리 온도(T2)(예컨대, 500~1300℃)에서도 계속적으로 일정하게 공급하여 주는 것이 바람직하다. 알루미늄 금속 박판으로부터 질화알루미늄 박판의 합성 반응을 유도하기 위해서 암모니아(NH3) 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min인 것이 바람직하다.
질화처리챔버(60)에는 안정화를 위해 질소(N2) 가스를 공급할 수 있으며, 이 경우 질소 가스 대신에 아르곤 가스를 공급하거나 진공 분위기에서 질화알루미늄 박판을 제조하는 것도 가능하다. 또한, 상기와 같이 질소 가스를 공급하는 이유는 질화처리챔버(60)의 내부를 양압으로 만들어 산소 가스가 유입되는 것을 방지하기 위함이다. 양압이라는 것은 내부 압력이 외부 압력보다 높은 상태를 의미한다. 음압에 반대되는 개념이라고 할 수 있는데 음압이 걸려있을 때에는 공기가 내부로 빨려 들어오게 되지만 양압이 걸려있으면 외부공기보다 내부의 압력이 높기 때문에 음압이 걸려 있을 때와 반대 현상이 일어나 외부 공기의 유입을 차단할 수 있는 효과가 있다. 질소 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min인 것이 바람직하다. 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 경우에도 가스공급 유량은 동일하게 적용할 수 있다.
상온에서부터 안정화를 위해 질소(N2) 가스를 공급하다가 400℃ 이상이 되었을 때 암모니아(NH3) 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이때 질화처리 온도(예컨대, 500∼1300℃)에서 질소 가스와 암모니아 가스의 공급 유량은 부피비로 1:0.5~1:3 정도가 되도록 것이 바람직하다. 상기 질화처리 온도까지의 질화처리챔버의 승온 속도는 2~10℃/min 정도인 것이 바람직하다.
상기 질화처리챔버의 온도를 T2(예컨대, 500~1300℃)의 온도로 일정하게 유지하여(t3 구간) 알루미늄 금속 박판에 대하여 질화처리 한다. 암모니아 가스는 500℃ 이상이 되면 반응식 3에 따라 질소와 수소로 열분해되거나 반응식 4와 같은 과정을 거쳐 열분해되된다. 이 과정에서 반응식 1 또는 반응식 2와 같은 질화알루미늄 박판의 생성반응이 이루어진다.
암모니아 가스는 500℃ 이상의 온도에서 열분해가 일어난다. 암모니아 가스를 질화처리챔버(60)에 공급하고 가열하면 열분해 반응이 일어나서 반응식 3 또는 반응식 4와 같은 분해반응이 진행된다.
[반응식 3]
2NH3 → N2 + 3H2
[반응식 4]
NH3 + S → NH3(ad) → NH + H2(g)
반응식 4에 따르면 암모니아(NH3)는 고체(S)와 접촉할 수 있고 그 과정에서 고체 표면에 흡착이 발생한다. 고체(S) 표면에 흡착된 암모니아(NH3)는 반응식 4에 의한 분해가 일어난다. 그리고 지속적인 가열 과정에서 H기가 공기 중으로 빠져나가면서 질화알루미늄(AlN) 박판이 합성된다.
따라서 500℃ 이상의 고온에서 알루미늄 금속 박판 표면층으로부터 질화알루미늄(AlN) 박판이 생성되리라고 추측된다. 낮은 온도에서는 암모니아의 분해물인 NH가 알루미늄 금속 박판 표면에 흡착(adsorption)되는 정도에 불과하지만 온도가 상승함에 따라 표면에 흡착되어 형성된 AlNH가 질화알루미늄(AlN)으로 바뀌게 되고 상기와 같은 반응이 점차적으로 진행됨에 따라 알루미늄 금속 박판은 질화알루미늄(AlN) 박판으로 변화된다.
초기에는 박판 형상의 알루미늄 금속 표층에서만 질화알루미늄 박판이 생성되다가 시간이 지남에 따라 질화알루미늄 박판이 형성되는 비율이 증가하고 결국 알루미늄 금속 박판(10)은 전부 질화알루미늄 박판으로 합성이 이루어지게 된다. 질화알루미늄 박판의 합성을 충분히 하기 위하여 도 3에 나타낸 t3 구간은 1~24시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. t3 구간에서도 질소 가스는 계속적으로 공급하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 형성된 질화알루미늄 박판을 T3(400∼500℃)까지 냉각하며(t4 구간), T3까지 냉각시키는 동안 질화알루미늄 박판의 산화를 막기 위해서 암모니아 가스의 공급이 계속해서 이루어지는 것이 바람직하다. t4 구간에서도 질소 가스는 계속적으로 공급하는 것이 바람직하다.
암모니아 가스의 공급을 차단하고, 질화처리챔버의 온도를 T4(예컨대, 상온)까지 냉각하여 순도가 높은 박판형 질화알루미늄(AlN)을 얻는다.
본 발명에 따른 질화알루미늄 박판의 경우 알루미늄 금속 박판(10) 전부가 반응의 진행과정을 통해서 질화알루미늄 박판으로 합성되기 때문에 알루미늄과 질화알루미늄의 열팽창계수의 차이에 따른 균열 발생과 같은 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상기와 같은 방법으로 제조하게 되면 질화알루미늄 박판의 제조 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 단일상을 갖는 대면적의 고순도 질화알루미늄 박판을 얻을 수 있는 특징이 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 박판형의 질화알루미늄의 제조방법에 대한 실시예을을 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
16㎛의 두께를 갖는 알루미늄 금속 박판 20장을 준비하였다. 알루미늄 금속 박판들이 서로 붙는 것을 방지하기 위하여 알루미늄 금속 박판이 겹쳐지는 각 층에 스프레이 방식으로 질화붕소(BN)를 도포하였다. 질화붕소(BN)는 1300℃에서도 안정하고 화학안정성이 우수한 물질이며, 박판형 질화알루미늄의 제조 공정 중에 녹지 않고 안정된 형태를 이루기 때문에 질화알루미늄 박판 제조 후에도 질화알루미늄 박판 사이를 용이하게 박리할 수 있다.
준비된 알루미늄 금속 박판을 질화처리챔버에 장입하였다.
상기 질소 가스를 질화처리챔버에 공급하기 전에 전처리 작업으로서 로터리 펌프(미도시)를 이용해서 질화처리챔버 내에 잔존하는 산소 등의 기타 불순물이 될 수 있는 기체 등을 제거하였다. 불순물 기체가 제거되고 난 후, 가스공급장치로부터 질소를 공급하였다. 질소 가스의 공급 유량은 1ℓ/min으로 하였다.
3℃/min의 승온 속도로 질화처리챔버(60)를 천천히 가열하였다. 가열하면서 질화처리챔버의 내부 온도가 400℃가 되었을 때 가스공급장치에서 암모니아 가스를 공급하였다. 암모니아 가스의 공급 유량은 1ℓ/min로 하였다.
질소 가스와 암모니아 가스를 공급하면서 질화처리챔버 내부의 온도를 계속 승온시켜서 1000℃가 되도록 하였다.
그리고 1000℃의 온도에서 1시간 동안 유지하여 질화알루미늄 박판을 합성하였다. 질화처리 온도(1000℃)에서 질소 가스와 암모니아 가스의 공급 유량은 부피비로 1:1 정도가 되도록 하였다.
질화알루미늄 박판을 400℃까지 냉각하였고, 400℃까지 냉각시키는 동안 질소 가스와 암모니아 가스의 공급이 계속해서 이루어지게 하였다.
암모니아 가스와 질소 가스의 공급을 차단하고, 질화처리챔버의 온도를 상온까지 냉각하여 순도가 높은 박판형 질화알루미늄(AlN)을 얻었다.
<실시예 2>
16㎛의 두께를 갖는 알루미늄 금속 박판 10장을 준비하였다. 알루미늄 금속 박판들이 서로 붙는 것을 방지하기 위하여 알루미늄 금속 박판이 겹쳐지는 각 층에 스프레이 방식으로 질화붕소(BN)를 도포하였다. 질화붕소(BN)는 1300℃에서도 안정하고 화학안정성이 우수한 물질이며, 박판형 질화알루미늄의 제조 공정 중에 녹지 않고 안정된 형태를 이루기 때문에 질화알루미늄 박판 제조 후에도 질화알루미늄 박판 사이를 용이하게 박리할 수 있다.
준비된 알루미늄 금속 박판을 질화처리챔버에 장입하였다.
상기 질소 가스를 질화처리챔버에 공급하기 전에 전처리 작업으로서 로터리 펌프(미도시)를 이용해서 질화처리챔버 내에 잔존하는 산소 등의 기타 불순물이 될 수 있는 기체 등을 제거하였다. 불순물 기체가 제거되고 난 후, 가스공급장치로부터 질소를 공급하였다. 질소 가스의 공급 유량은 1ℓ/min으로 하였다.
3℃/min의 승온 속도로 질화처리챔버(60)를 천천히 가열하였다. 가열하면서 질화처리챔버의 내부 온도가 400℃가 되었을 때 가스공급장치에서 암모니아 가스를 공급하였다. 암모니아 가스의 공급 유량은 1ℓ/min로 하였다.
질소 가스와 암모니아 가스를 공급하면서 질화처리챔버 내부의 온도를 계속 승온시켜서 1200℃가 되도록 하였다.
그리고 1200℃의 온도에서 1시간 동안 유지하여 질화알루미늄 박판을 합성하였다. 질화처리 온도(1200℃)에서 질소 가스와 암모니아 가스의 공급 유량은 부피비로 1:1 정도가 되도록 하였다.
질화알루미늄 박판을 400℃까지 냉각하였고, 400℃까지 냉각시키는 동안 질소 가스와 암모니아 가스의 공급이 계속해서 이루어지게 하였다.
암모니아 가스와 질소 가스의 공급을 차단하고, 질화처리챔버의 온도를 상온까지 냉각하여 순도가 높은 박판형 질화알루미늄(AlN)을 얻었다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 사용된 알루미늄 금속 박판의 X선 회절(X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, X선 회절 그래프 상에서 50°와 60°부근에서 알루미늄의 피크(Peak)들이 관찰된다.
도 5와 도 6은 실시예 1 및 실시예 2에 사용된 알루미늄 금속 박판의 측면을 보여주는 주사전자현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진이다. 도 5는 알루미늄 금속 박판의 200배 확대도이고, 도 6은 알루미늄 금속 박판의 300배 확대도이다.
도 5와 도 6을 참조하면, 알루미늄 입자가 치밀하게 형성되어 있다는 것이 확인된다.
도 7은 실시예 1에 따라 합성된 질화알루미늄 박판의 X선 회절 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 30°와 40°사이에서 질화알루미늄(AlN)을 나타내는 3개의 피크들이 보이고, 약 48°와 약 58°에서 피크가 관찰된다. 이로부터 알루미늄 금속 박판으로부터 질화알루미늄 박판이 합성되었음을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 1에 따라 알루미늄 금속 박판을 1000℃에서 질화처리하여 얻은 질화알루미늄 박판의 사진이다.
도 8을 참조하면, 질화알루미늄 박판이 다층으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 실시예 2에 따라 알루미늄 금속 박판을 1200℃에서 질화처리하여 얻은 질화알루미늄 박판의 사진이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 박판형 질화알루미늄이 제조되었음을 확인할 수 있다.
도 11은 실시예 1에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 주사전자현미경(SEM)으로 200배에서 관찰한 사진이다.
도 11을 참조하면, 질화알루미늄 박판이 판의 형상을 가지고, 치밀하게 형성되어있는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 실시예 1에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 300배에서 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 12를 참조하면, 도 4 또는 도 5에서 관찰된 알루미늄 금속의 구조와 확연하게 차이가 나는 형상을 가지고 있는 것을 알 수 있다.
도 13은 도 11의 A 부분에 대한 확대도로서 20000배의 배율에서 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 13을 참조하면, 질화알루미늄이 알루미늄 금속으로부터 합성되는 과정에서 입자들이 치밀하게 연결되어 있다. 질화알루미늄 박판을 구성하는 입자의 형상이 직각기둥 형태라는 것이 확인된다.
도 14는 실시예 2에 따라 형성된 박판형 질화알루미늄의 옆면을 20000배의 배율에서 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 14를 참조하면, 질화알루미늄 박판의 입자형상이 직각기둥 형태라는 것을 알 수 있다. 이는 질화알루미늄 박판이 육방정계의 구조를 가지고 있다는 사실과도 일치하는 부분이다.
상술한 바와 같이, 알루미늄 금속 박판으로부터 고순도의 질화알루미늄 박판을 대면적으로 제조할 수 있고 각종 소자에 적용가능할 것이다.
상기와 같은 방법으로 제조된 질화알루미늄 박판의 경우에는 이방향 결정성을 가져서 일방향으로 열전도도가 높은 특징을 갖는다.
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.
10: 알루미늄 금속 박판
30: 질화알루미늄 박판 40: 롤러
50: 가스공급장치 60: 질화처리챔버
70: 필터 80: 쇼워링시스템
90: 냉각수 배출구 100: 유량제어기

Claims (8)

  1. (a) 판형의 알루미늄 금속 박판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 알루미늄 금속 박판을 복수 개의 층으로 겹쳐서 공급하는 경우에 질화알루미늄 박판들이 서로 붙는 것을 억제하고 질화알루미늄 박판 사이의 박리를 위해 상기 알루미늄 금속 박판이 겹쳐지는 부분에 질화붕소(BN)를 도포하는 단계;
    (c) 겹쳐지는 부분에 질화붕소(BN)이 도포된 상기 알루미늄 금속 박판을 복수 개의 층으로 겹쳐서 질화처리챔버에 공급하는 단계;
    (d) 상기 알루미늄 금속 박판이 공급된 상기 질화처리챔버를 가열하는 단계;
    (e) 상기 질화처리챔버에 암모니아 가스를 공급하는 단계; 및
    (f) 상기 알루미늄 금속 박판을 500~1300℃에서 질화처리하여 박판형 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하며,
    상기 (d) 단계에서 질화처리챔버의 안정화를 위해 질소 가스를 상기 질화처리챔버에 공급하며,
    상기 질화처리챔버의 온도가 400~500℃에 도달하면 상기 암모니아 가스를 공급하고,
    질화처리하는 단계에서, 상기 질소 가스와 상기 암모니아 가스를 1:0.5~1:3의 부피비로 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 질소 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min로 설정하는 것을 특징으로 하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 암모니아 가스의 공급 유량은 50~3000㎖/min 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 금속 박판의 두께는 10㎛~2mm이고, 상기 알루미늄 금속 박판의 면적은 1㎠~10㎡인 것을 특징으로 하는 박판형 질화알루미늄의 제조방법.
  8. 삭제
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