KR101442646B1 - Manufacturing method of aluminium nitride powder - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 알루미나(Al2O3) 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 상기 알루미나 분말이 상기 페놀레진에 분산된 형태의 전구체 용액을 형성하는 단계와, 상기 전구체 용액을 건조하여 고체-젤 혼합물을 형성하는 단계와, 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성하는 단계 및 상기 전구체 분말을 질소를 포함하는 가스를 흘려주면서 1600∼1800℃에서 열처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계를 포함하는 질화알루미늄 분말의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 비교적 저온에서도 질화알루미늄 분말을 합성할 수 있고, 제조 공정이 간단하며, 재현성이 높고, 판상 구조의 AlN 분말도 합성할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a solid-gel mixture, comprising the steps of mixing an alumina (Al 2 O 3 ) powder and a liquid phenol resin to form a precursor solution in which the alumina powder is dispersed in the phenol resin, Forming a precursor powder by pulverizing the solid-gel mixture; and heat-treating the precursor powder at a temperature of 1600 to 1800 占 폚 with flowing a gas containing nitrogen to synthesize aluminum nitride (AlN) To a process for producing an aluminum nitride powder. According to the present invention, it is possible to synthesize an aluminum nitride powder even at a relatively low temperature, to produce an AlN powder having a plate-like structure with a simple manufacturing process and high reproducibility.

Description

질화알루미늄 분말의 제조방법{Manufacturing method of aluminium nitride powder}[0001] Manufacturing method of aluminum nitride powder [0002]

본 발명은 질화알루미늄 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화알루미늄 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 고체-젤 혼합물을 형성하고 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성한 후 탄화열환원(carbothermal reduction) 질화법으로 질소분위기 하에서 질화알루미늄 분말을 합성하는 방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method for producing an aluminum nitride powder, and more particularly, to a method for producing an aluminum nitride powder, which comprises mixing an aluminum oxide powder and a liquid phenol resin to form a solid-gel mixture, pulverizing the solid- To a method of synthesizing aluminum nitride powder under a nitrogen atmosphere by a carbothermal reduction nitriding method.

마이크로일렉트로닉스(microelectronic devices)가 고전력소비 및 고주파를 사용하는 추세이기 때문에, 발광다이오드(light emitting diode; 이하 'LED'라 함)와 고집적메모리칩과 같은 전자제품에서 발생하는 열을 방출시키는 것이 많은 주목을 받고 있다. Since microelectronic devices are in the trend of using high power consumption and high frequencies, it is very important to emit heat generated from electronic products such as light emitting diodes (hereinafter referred to as "LEDs") and highly integrated memory chips .

LED에서 가장 많이 발생하는 문제가 발열로 인한 온도의 증가에 따른 출력의 점차적인 감소와 효율 저하이다. 고출력 LED의 개발과 함께 이전의 전자디바이스와 비교해서 정션(junction)의 온도가 90∼100℃에 달하는 것으로 알려져 있다. 이러한 가혹한 열적인 스트레스가 빛 출력의 열화현상의 주된 요인으로 작용하고 있으며, 교통신호기나 자동차의 신호 등에 사용되는 외기에 노출된 LED의 경우는 외부의 환경변화에 취약하다. 따라서, 방열문제를 해결함으로써 LED의 수명을 연장하고자 하는 노력들이 이루어지고 있다. The most common problem in LEDs is the gradual decrease in output and the decrease in efficiency due to the increase in temperature due to heat generation. With the development of high-power LEDs, junction temperature is known to reach 90-100 ° C compared to previous electronic devices. These harsh thermal stresses are the main cause of deterioration of light output, and LEDs that are exposed to outside air used for traffic signals and automobile signals are vulnerable to changes in the external environment. Accordingly, attempts have been made to extend the lifetime of the LED by solving the heat dissipation problem.

방열은 전자제품의 수명과 성능향상에 매우 중요한 설계 요소로 취급되고 있으며, 상업화와 대중화를 위해서 성능의 안정성, 신뢰성 확보, 가격대비 성능이라는 가격효율성 측면에서 고방열을 달성하는 것이 매우 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서, LED와 마이크로칩의 패키징에서 폴리머-세라믹 복합재를 많이 사용하고 있는데, 반도체칩의 패키징에서는 에폭시가 주로 패키징 재료로서 사용되고 있다. 하지만, 폴리머의 경우 폴리머 체인이 결합되어 있는 형태이기 때문에 보통은 1W/mK 이하의 열전도성능을 갖고 있기 때문에 실리카, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화보론과 같은 세라믹 필러가 충진된 폴리머 복합소재를 사용하고 있다. Heat dissipation is regarded as a very important design element for improving the lifetime and performance of electronic products. It is very important to achieve high heat dissipation in terms of cost efficiency such as performance stability, reliability, and price / performance for commercialization and popularization . Therefore, a lot of polymer-ceramic composites are used in the packaging of LED and microchip. In the packaging of semiconductor chips, epoxy is mainly used as a packaging material. However, since the polymer has a polymer chain bonded thereto, the polymer composite material filled with a ceramic filler such as silica, aluminum oxide, aluminum nitride or boron nitride is usually used because it has a thermal conductivity of 1 W / mK or less have.

세라믹은 양이온과 음이온의 이온 및 공유결합으로 이루어진 화합물인데, 금속산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물 등이 이에 속한다. 질화알루미늄은 울짜이트(Wurtzite) 상의 w-AlN이 대표적인 결정상인데, 6.2eV의 넓은 밴드갭을 가지고 있어서 자외광전소자로서 잠재적인 응용 시장을 가지고 있다. Ceramics are compounds composed of ions and covalent bonds of positive and negative ions, including metal oxides, nitrides, carbides, borides and the like. Aluminum nitride is a typical crystalline phase of w-AlN on Wurtzite, and has a wide band gap of 6.2 eV, which has a potential application market as an ultraviolet light-emitting device.

질화알루미늄은 1862년에 브레글러(F. Bregler)에 의하여 처음 발견되었고, 1877년 말릿(J.W. Mallet)이 처음으로 합성하였다. 하지만, 1980년대 중반에 이르러서야 상대적으로 높은 열전도율을 가지고 있으면서 동시에 절연성능을 가지고 있는 것으로 마이크로일렉트로닉스에 처음으로 응용되기 시작하였다. 다결정성 질화알루미늄은 70∼210 W·m-1·K-1의 열전도율을 나타내고, 단결정은 285W·m-1·K-1의 열전도율을 갖는다. 높은 열전도율과 높은 전기절연성으로 인해 AlN은 많은 전자제품의 방열기판으로서 흥미로운 소재라고 할 수 있다. Aluminum nitride was first discovered by F. Bregler in 1862 and first synthesized in 1877 by JW Mallet. However, by the mid-1980s, it had a relatively high thermal conductivity, and at the same time, it had insulation performance, which was first applied to microelectronics. Polycrystalline aluminum nitride represents the thermal conductivity of 70~210 W · m -1 · K -1 , the single crystal has a thermal conductivity of 285W · m -1 · K -1. Because of its high thermal conductivity and high electrical insulation, AlN is an interesting material as a radiator plate for many electronic products.

AlN은 6.2eV의 넓은 밴드갭에너지의 반도성 소재이고, 높은 전기비저항(1013Ω㎝), 저유전상수(8.8 at 1MHz), 그리고 낮은 열팽창계수(실리콘과 유사, 4.7×10-6 K-1)를 갖는 소재이다. 소결 AlN 기판은 방열기판 소재로서 이용된다. AlN is a semiconductive material with a wide bandgap energy of 6.2 eV and has high electrical resistivity (10 13 Ω cm), low dielectric constant (8.8 at 1 MHz) and low thermal expansion coefficient (similar to silicon, 4.7 × 10 -6 K -1 ). The sintered AlN substrate is used as a radiator plate material.

나노로드, 나노튜브, 나노쉬트와 같은 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 이방성 세라믹 소재는 높은 열전도율을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 이방성 BN 쉬트 복합소재의 경우 AlN 복합소재보다 더 높은 열전도율을 보이고 있는 것으로 알려져 있다. BN 복합소재는 1.2W/mK의 값을 가지는데 반해 AlN 복합소재는 0.6W/mK 값을 나타낸다. 왜냐하면, 판상의 BN 입자는 보다 더 필러 충진이 잘 되고, 인-플레인(in-plane) 방향으로 배향이 이루어져서 복합소재의 인-플레인(in-plane) 방향으로 방열 성능의 향상을 가져오기 때문이라고 생각된다. Anisotropic ceramic materials with high aspect ratios such as nanorods, nanotubes, and nanosheets are known to have high thermal conductivity. For example, anisotropic BN sheet composites are known to exhibit higher thermal conductivity than AlN composites. The BN composite has a value of 1.2 W / mK whereas the AlN composite has a value of 0.6 W / mK. This is because the plate-like BN particles have better filler filling and are oriented in the in-plane direction to improve the heat radiation performance in the in-plane direction of the composite material I think.

방열 성능은 필러의 형상에 많은 영향을 받기 때문에 형상요인이라고 언급되는 종횡비를 정량화할 필요가 있다. 열전도율은 형상 인자에 의해서 변하는 것으로 보고되고 있다. 형상 인자 이외에 입자의 크기도 열전도율에 영향을 미치는데, 이는 필러의 충진율, 필러와 폴리머 매트릭스의 접촉면적, 계면특성, 열전도 패스에 관여하기 때문이다. 그러므로, 입자의 형상을 제어하는 것과 입자의 종횡비를 조절하는 것은 복합소재의 열전도율을 향상시키는데 중요한 인자라고 할 수 있다.Since the heat dissipation performance is greatly affected by the shape of the filler, it is necessary to quantify the aspect ratio referred to as the shape factor. Thermal conductivity is reported to vary with shape parameters. In addition to the shape factor, the particle size also affects the thermal conductivity because it is involved in the packing rate of the filler, the contact area between the filler and the polymer matrix, the interface characteristics, and the heat conduction path. Therefore, controlling the shape of the particles and controlling the aspect ratio of the particles are important factors in improving the thermal conductivity of the composite material.

AlN을 합성하기 위한 방법으로는 Al 금속입자를 질소와 암모늄 분위기 하에서 직접질화하는 방법, Al2O3-C-N2 시스템이 Al2O3-NH3-C3H8 시스템에서 Al2O3를 탄화열환원(carbothermal reduction)하는 방법, 증기상 합성(vapor phase synthesis), 플라즈마 합성(plasma synthesis), 자가발열합성법(self-propagating high temperature synthesis) 등이 있다. A method for the synthesis of AlN is a method of directly nitriding the Al metal particles under a nitrogen atmosphere and the ammonium, Al 2 O 3 2 -CN system is the Al 2 O 3 in the Al 2 O 3 -NH 3 -C 3 H 8 system Carbothermal reduction, vapor phase synthesis, plasma synthesis, self-propagating high temperature synthesis, and the like.

직접질화법과 탄화열환원법 등이 질화알루미늄 상용화 방법으로 사용되고 있다. 탄화열환원법으로 합성한 AlN 분말은 높은 순도, 소결성, 습도에 대한 안정성 등에서 장점을 가지고 있다. 단점으로는 출발원료를 균일하게 혼합하기 어려운 점, 높은 합성온도에 의한 제조비용이 많이 드는 것과, 고순도의 Al2O3와 고순도 탄소를 필요로 하는 점이다. 실버만(Silverman)은 균일한 혼합을 위해서 콜로이드 산화알루미늄을 폴리머에 균일하게 분산시킨 것을 출발원료로 하여 AlN을 합성하였으며(Silverman L D, J. Adv. Ceram. Mater, 3 [4], 418-419 (1988)), 하쉬모토(Hashimoto)는 알루미늄 콤플렉스와 글루코스를 사용하여 합성하였다(Hashimoto N, Yoden H, Nomura K, J. Am. Ceram. Soc., 74 [6], 1282-1286 (1991)). 그들의 연구결과는 출발원료의 혼합이 반응온도와 반응결과에 영향을 미치는 것으로 보고하고 있다. 그러므로 출발원료의 선택과 균일한 혼합은 양질의 AlN을 합성하는데 중요한 요소라고 할 수 있다.
Direct nitriding and carbonitriding are used as a method for commercializing aluminum nitride. The AlN powder synthesized by the carbonization heat reduction method has advantages in high purity, sinterability and stability against humidity. The disadvantages are that it is difficult to uniformly mix the starting materials, the production cost is high due to the high synthesis temperature, and that high purity Al 2 O 3 and high purity carbon are required. Silverman synthesized AlN by starting from the uniform dispersion of colloidal aluminum oxide in the polymer for uniform mixing (Silverman LD, J. Adv. Ceram. Mater, 3 [4], 418-419 Hashimoto synthesized using an aluminum complex and glucose (Hashimoto N, Yoden H, Nomura K, J. Am. Ceram. Soc., 74 [6], 1282-1286 (1991) ). Their results report that mixing of starting materials affects reaction temperature and reaction results. Therefore, selection and homogeneous mixing of starting materials is an important factor for synthesizing high quality AlN.

Silverman L D, J. Adv. Ceram. Mater, 3 [4], 418-419 (1988)Silverman L D, J. Adv. Ceram. Mater, 3 [4], 418-419 (1988) Hashimoto N, Yoden H, Nomura K, J. Am. Ceram. Soc., 74 [6], 1282-1286 (1991)Hashimoto N, Yoden H, Nomura K, J. Am. Ceram. Soc., 74 [6], 1282-1286 (1991)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비교적 저온에서도 질화알루미늄 분말을 합성할 수 있고, 제조 공정이 간단하며, 재현성이 높고, 판상 구조의 AlN 분말도 합성할 수 있는 질화알루미늄 분말의 제조방법을 제공함에 있다.
A problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing aluminum nitride powder capable of synthesizing aluminum nitride powder even at a relatively low temperature, simplifying the manufacturing process, exhibiting high reproducibility, and also capable of synthesizing AlN powder having a plate- .

본 발명은, (a) 알루미나(Al2O3) 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 상기 알루미나 분말이 상기 페놀레진에 분산된 형태의 전구체 용액을 형성하는 단계와, (b) 상기 전구체 용액을 건조하여 고체-젤 혼합물을 형성하는 단계와, (c) 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성하는 단계 및 (d) 상기 전구체 분말을 질소를 포함하는 가스를 흘려주면서 1600∼1800℃에서 열처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계를 포함하는 질화알루미늄 분말의 제조방법을 제공한다.(A) mixing a powder of alumina (Al 2 O 3 ) with a liquid phenol resin to form a precursor solution in which the alumina powder is dispersed in the phenol resin; (b) (C) forming a precursor powder by pulverizing the solid-gel mixture; and (d) drying the precursor powder at a temperature of 1600 to 1800 占 폚 while flowing a gas containing nitrogen And then heat-treating the aluminum nitride to synthesize aluminum nitride (AlN).

상기 (a) 단계에서 촉매 또는 융제로 황화코발트를 더 혼합할 수 있다.In step (a), cobalt sulfide may be further mixed with the catalyst or the flux.

상기 알루미나 분말과 상기 황화코발트는 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것이 바람직하다.The alumina powder and the cobalt sulfide are preferably mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.

상기 (a) 단계에서 융제로 할로겐화물을 더 혼합할 수 있다.The halide may be further mixed with the flux in the step (a).

상기 할로겐화물은 NaCl, KCl, NH4Cl 및 NH4F 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 상기 알루미나 분말과 상기 할로겐화물은 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것이 바람직하다.The halide may be composed of at least one material selected from NaCl, KCl, NH 4 Cl and NH 4 F, and the alumina powder and the halide are mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.

상기 알루미나 분말은 구형 혹은 판상의 α-Al2O3로 이루어진 분말을 사용할 수 있다.The alumina powder may be a powder made of spherical or plate-like? -Al 2 O 3 .

상기 (d) 단계에서 상기 질소를 포함하는 가스는 0.5∼5L/min의 흐름양으로 흘려주는 것이 바람직하다.In the step (d), the nitrogen-containing gas is preferably flowed at a flow rate of 0.5 to 5 L / min.

상기 액상의 페놀레진은 알코올 용매에 레솔 타입의 페놀레진이 혼합된 용액일 수 있다.
The liquid phenol resin may be a solution in which a phenol resin of the resole type is mixed with an alcohol solvent.

본 발명에 의하면, 산화알루미늄 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 고체-젤 혼합물을 형성하고 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성한 후 탄화열환원(carbothermal reduction) 질화법으로 질소분위기 하에서 고순도의 질화알루미늄 분말을 합성할 수 있다.According to the present invention, a solid-gel mixture is formed by mixing an aluminum oxide powder and a liquid phenol resin, and the solid-gel mixture is pulverized to form a precursor powder, followed by carbothermal reduction nitrification under a nitrogen atmosphere A high purity aluminum nitride powder can be synthesized.

본 발명에 의하면, 비교적 저온에서도 질화알루미늄 분말을 합성할 수 있고, 제조 공정이 간단하고 재현성이 높다는 장점이 있다. According to the present invention, an aluminum nitride powder can be synthesized even at a relatively low temperature, and the manufacturing process is simple and the reproducibility is high.

촉매 또는 융제로 황화코발트를 사용하고 1800℃ 미만에서 열처리하는 경우에는 본 발명에 따라 합성된 AlN은 판상의 입자 구조를 가지므로, 높은 종횡비를 갖는 판상의 AlN를 이용하여 복합소재를 합성할 때에 보다 높은 열전도율을 나타낼 수 있고, 구형 입자 구조를 갖는 AlN에 비하여 보다 더 필러 충진이 잘 될 수 있으며, 인-플레인(in-plane) 방향으로 배향이 이루어져서 복합소재의 인-플레인(in-plane) 방향으로 방열 성능의 향상을 가져올 수 있다.
When cobalt sulfide is used as a catalyst or a flux and heat treatment is performed at a temperature lower than 1800 ° C., since AlN synthesized according to the present invention has a plate-like particle structure, it is preferable to use a plate-like AlN having a high aspect ratio (AlN) having a spherical particle structure can be filled more filler, and the orientation can be made in an in-plane direction so that the in-plane direction of the composite material The heat radiation performance can be improved.

도 1은 실시예 1에 따라 형성된 고체-젤 혼합물의 열중량 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 2는 실시예 1에 따라 질소가스 흐름 하에서 1300∼1800℃에서 2시간 동안 합성된 생성물의 결정상을 보여주는 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴이다.
도 3은 α-Al2O3에서 AlN으로 전환되는 것에 대해서 합성온도의 효과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 h-AlN, c-AlN 및 AlN의 활성화에너지를 결정하는 자연로그반응상수(lnk)와 1/T의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 실시예 1에 따라 1600℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 이미지이고, 도 5b는 1650℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 5c는 1700℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 5d는 1800℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 1에 따라 1600∼1800℃에서 합성된 생성물의 입자 크기를 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 2에 따라 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용한 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절(XRD) 패턴과, 촉매 또는 융제를 사용하지 않은 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 8a는 촉매 또는 융제를 사용하지 않은 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 8b는 실시예 2에 따라 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용한 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이다.
도 9는 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1200∼1800℃에서 2시간 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다.
도 10은 합성온도에 따른 Al2O3의 반응율(reaction rate)(%)과 h-AlN과 c-AlN의 형성율(formation rate)(%)을 보여주는 도면이다.
도 11a는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1600℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 11b는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1650℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 11c는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 11d는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1800℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이다.
도 12는 판상의 AlN 입자의 종횡비(d/t)를 나타낸 그래프이다
도 13은 합성온도에 따른 생성물의 입자 크기를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예 2에 따라 질소의 흐름양을 1∼4L/min으로 변화시키면서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 X-선회절 패턴이다.
도 15는 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소의 흐름양에 따른 h-AlN과 c-AlN의 반응율(%)을 보여주는 그래프이다.
도 16a는 실시예 2에 따라 1L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 16b는 2L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 16c는 3L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 16d는 4L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이다.
도 17은 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소 흐름양에 따른 종횡비를 보여주는 그래프이다.
도 18은 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소 흐름양에 따른 입자 크기를 보여주는 그래프이다.
FIG. 1 is a graph showing the result of thermogravimetric analysis of a solid-gel mixture formed according to Example 1. FIG.
2 is an X-ray diffraction (XRD) pattern showing the crystalline phase of the product synthesized at 1300 to 1800 캜 for 2 hours under a nitrogen gas flow according to Example 1. Fig.
3 is a graph showing the effect of the synthesis temperature on the conversion of? -Al 2 O 3 to AlN.
4 is a graph showing the relationship between the natural logarithmic reaction constant (lnk) and 1 / T, which determines the activation energies of h-AlN, c-AlN and AlN.
FIG. 5A is an FE-SEM (field emission scanning electron microscope) image of the product synthesized at 1600 ° C. according to Example 1, FIG. 5B is an FE-SEM image of the product synthesized at 1650 ° C., FIG. 5D is an FE-SEM image of the synthesized product, and FIG. 5D is an FE-SEM image of the product synthesized at 1800.degree.
FIG. 6 is a graph showing the particle size of a product synthesized at 1600 to 1800 ° C. according to Example 1. FIG.
7 is a graph showing the XRD pattern of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2 and the XRD pattern of a product obtained by using a catalyst or a flux at 1700 캜 ≪ / RTI > for 2 hours.
FIG. 8A is an FE-SEM image of a product obtained by reacting at 1700 ° C. for 2 hours in the case of not using a catalyst or a flux, FIG. 8B is an FE-SEM image of a product obtained by using cobalt sulfide as a catalyst or flux according to Example 2 at 1700 ° C. The FE-SEM image of the product obtained by reaction for 2 hours.
9 is an X-ray diffraction pattern of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1200 to 1800 ° C for 2 hours.
FIG. 10 is a graph showing the reaction rate (%) of Al 2 O 3 and the formation rate (%) of h-AlN and c-AlN according to the synthesis temperature.
11A is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1600 DEG C for 2 hours under a nitrogen gas flow according to Example 2, and FIG. 11B is an FE-SEM image of a product obtained under a nitrogen gas flow FIG. 11C is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or flux at 1650 ° C for 2 hours, and FIG. 11C is a FE-SEM image of a product obtained by using cobalt sulfide as a catalyst or flux under a nitrogen gas flow at 1700 ° C. Fig. 11D is an FE-SEM image of the product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or flux for 2 hours at 1800 DEG C under nitrogen gas flow according to Example 2. Fig. to be.
12 is a graph showing the aspect ratio (d / t) of the sheet-like AlN particles
13 is a graph showing the particle size of the product according to the synthesis temperature.
14 is an X-ray diffraction pattern of a product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours while changing the flow rate of nitrogen to 1 to 4 L / min according to Example 2. Fig.
15 is a graph showing the reaction rate (%) of h-AlN and c-AlN according to the amount of nitrogen flow in the product obtained by reacting at 1700 ° C for 2 hours according to Example 2. Fig.
16A is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or flux at 1700 캜 for 2 hours in a nitrogen flow rate of 1 L / min according to Example 2. Fig. 16 FIG. 16C is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a flow amount at 1700 ° C for 2 hours using a catalyst or a flux, and FIG. 16c is an FE-SEM image of a product obtained by using cobalt sulfide as a catalyst or flux at a flow rate of 3 L / 16D shows the FE-SEM image of the product obtained by reacting cobalt sulfide with cobalt sulfide as a catalyst or flux for 2 hours at 1700 ° C in a nitrogen flow rate of 4 L / min. Image.
17 is a graph showing the aspect ratio according to the amount of nitrogen flow of the product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2. Fig.
18 is a graph showing the particle size according to the amount of nitrogen flow of the product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2. Fig.

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. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.

고열전도성 복합소재는 최근 컴퓨터의 중앙처리장치(central processing unit; CPU), 반도체칩, 발광다이오드의 고전력소비 및 소형화에 맞추어서 점차적으로 중요한 소재로 부각되고 있다. 전자제품의 패키징에서 방열능력은 제품의 수명뿐만 아니라 성능과 신뢰성에서도 중요한 요인이다. 고방열 성능을 얻기 위해서는 고열전도성 필러를 첨가하는 것이 필요하며, 붕화질소, 질화알루미늄과 같은 세라믹필러에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. Recently, high temperature conductive composites have become increasingly important materials for high power consumption and miniaturization of computer central processing unit (CPU), semiconductor chip, and light emitting diode. In electronic packaging, heat dissipation is important not only in terms of product life, but also in performance and reliability. In order to obtain a high heat dissipation performance, it is necessary to add a high thermal conductive filler, and a lot of studies have been made on ceramic fillers such as boron nitride and aluminum nitride.

질화알루미늄은 불활성 분위기에서는 높은 온도에서 안정하고, 2800℃ 정도에서 녹는다. 진공 중에서는 AlN은 1800℃ 정도에서 분해하기 시작한다. 공기 중에서는 700℃ 이상에서 표면이 산화하기 시작하고, 심지어는 실온에서도 표면 산화는 일어나며, 표면산화층의 두께는 5∼10nm 정도이다. 이 산화층은 1370℃까지 질화알루미늄을 보호하고, 이 온도 이상에서는 벌크가 산화하기 시작한다. 질화알루미늄은 980℃까지 수소와 이산화탄소 분위기에서 안정하다. 질화알루미늄은 입계를 통하여 산에 의해서 천천히 용해되고, 강염기에서는 질화알루미늄이 입계를 통하여 침식된다. 질화알루미늄은 물에서 서서히 수화반응이 일어나고, 염화물 등에서 대부부의 용융염으로부터의 침식에는 저항성을 보인다.Aluminum nitride is stable at high temperatures in an inert atmosphere and melts at about 2800 ° C. In vacuum, AlN begins to decompose at around 1800 ℃. In air, the surface begins to oxidize at 700 ° C or higher, and even at room temperature, surface oxidation occurs, and the thickness of the surface oxide layer is about 5 to 10 nm. This oxide layer protects aluminum nitride up to 1370 ° C, and above this temperature the bulk begins to oxidize. Aluminum nitride is stable in a hydrogen and carbon dioxide atmosphere up to 980 ° C. Aluminum nitride is slowly dissolved by the acid through the grain boundaries, and in the strong bases, aluminum nitride is eroded through the grain boundaries. Aluminum nitride is slowly hydrated in water and is resistant to erosion from the molten salt of the major part in chlorides and the like.

알루미나와 산화베릴륨과 마찬가지로 질화알루미늄도 금속전극을 입히는 것에 의하여 전자제품에 응용된다. Similar to alumina and beryllium oxide, aluminum nitride is also applied to electronic products by applying metal electrodes.

현재, 질화갈륨을 이용한 LED를 대체할 소재로 AlN은 자외선 LED로 응용될 것으로 여겨지고 있다. 2006년에 210nm에서 효율이 낮은 LED가 발표되었다. AlN 단결정의 밴드갭은 6.2eV로 측정되었으며, 원리적으로 200nm의 파장의 빛이 나올 수 있다. At present, AlN is considered to be used as an ultraviolet LED as a material to replace LED using gallium nitride. In 2006, low efficiency LEDs were released at 210nm. The bandgap of the AlN single crystal was measured to be 6.2 eV, and light of a wavelength of 200 nm could be emitted in principle.

광전소자, 광스토리지매체에서 유전층, 고열전도율이 요구되는 기판이나 칩캐리어 등의 응용분야가 있다. Optoelectronic devices, dielectric layers in optical storage media, substrates requiring high thermal conductivity, and chip carriers.

질화알루미늄 에피택시 결정성장은 AlN의 압전특성으로 인하여 실리콘 웨이퍼 위에 형성되어 표면음향센서로 사용된다. 이러한 AlN 박막을 신뢰성 있게 형성하는 곳은 드물다. The aluminum nitride epitaxial crystal growth is formed on the silicon wafer due to the piezoelectric properties of AlN and is used as a surface acoustic sensor. It is rare to reliably form such an AlN thin film.

보통 AlN은 소결기판 형태로 많이 사용되고, 폴리머 복합체 등으로도 응용이 되고 있다. 폴리머 복합소재의 경우 고열전도성을 얻기 위해서는 AlN의 함량을 높이는 것이 필요하다. 많은 연구자들이 폴리머 매트릭스 내에 세라믹 필러를 더 많이 분산시키기 위하여 노력하고 있다. 높은 함량의 분산된 AlN은 열전도 패스를 형성하여 높은 열전도율 특성을 나타낸다. In general, AlN is widely used as a sintered substrate, and is also applied to a polymer composite. In the case of polymer composites, it is necessary to increase the content of AlN in order to obtain high thermal conductivity. Many researchers are trying to disperse more ceramic fillers in the polymer matrix. The high content of dispersed AlN forms a heat conduction path and exhibits high thermal conductivity characteristics.

AlN을 합성하는 방법은 금속 Al을 질소와 알루미늄 분위기에서 직접환원하는 방법, Al2O3-C-N2 시스템이 Al2O3-NH3-C3H8 시스템에서 Al2O3을 탄화열환원법으로 합성하는 방법, 증기상 합성방법, 플라즈마, 자화열합성법 등이 있다. 두가지 상용화된 방법이 직접질화법과 탄화열환원법이라고 할 수 있다.Method for synthesizing the AlN is how to reduce the metal Al directly in a nitrogen atmosphere and aluminum, Al 2 O 3 system is -CN 2 Al 2 O 3 -NH 3 -C 3 H 8 system carbonization heat the Al 2 O 3 on the reduction A vapor phase synthesis method, a plasma method, a magnetization thermal method, and the like. Two commercially available methods are direct nitriding and carbonitriding.

본 발명에서는 산화알루미늄을 페놀레진에 분산시킴으로써, 균일한 혼합을 하는 방법인 고체-젤 혼합에 의하여서 질화알루미늄 분말을 합성하는 효과적인 방법을 제시하고자 한다.In the present invention, an effective method of synthesizing aluminum nitride powder by solid-gel mixing, which is a method of uniformly mixing aluminum oxide with phenol resin, is proposed.

또한, 본 발명은 판상의 AlN 분말의 합성방법에 대해서 제시하고자 한다. In addition, the present invention is intended to suggest a method for synthesizing plate-shaped AlN powder.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄 분말의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing an aluminum nitride powder according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

알루미나(Al2O3) 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 상기 알루미나 분말이 상기 페놀레진에 분산된 형태의 전구체 용액을 형성한다. Alumina (Al 2 O 3 ) powder and a liquid phenol resin are mixed to form a precursor solution in which the alumina powder is dispersed in the phenol resin.

이때, 촉매 또는 융제로 황화코발트를 더 혼합할 수 있으며, 상기 알루미나 분말과 상기 황화코발트는 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것이 바람직하다.At this time, cobalt sulphide may be further mixed with a catalyst or a flux, and the alumina powder and the cobalt sulphide are preferably mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.

또한, 융제로 할로겐화물을 더 혼합할 수도 있다. 상기 할로겐화물은 NaCl, KCl, NH4Cl 및 NH4F 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 상기 알루미나 분말과 상기 할로겐화물은 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것이 바람직하다.Further, a halide may be further mixed with the flux. The halide may be composed of at least one material selected from NaCl, KCl, NH 4 Cl and NH 4 F, and the alumina powder and the halide are mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.

상기 알루미나 분말은 구형 혹은 판상의 α-Al2O3로 이루어진 분말을 사용할 수 있다. 상기 액상의 페놀레진은 메탄올과 같은 알코올 용매에 레솔 타입의 페놀레진이 혼합된 용액일 수 있다. 상기 알루미나 분말은 볼밀링(ball milling)과 같은 분쇄 공정을 수행하여 미분화하여 사용할 수도 있다. 상기 알루미나 분말의 입자 크기가 작을수록 합성되는 질화알루미늄 분말의 입자 크기도 작아지게 된다. 액상의 페놀레진을 사용하기 때문에 페놀레진과 알루미나 분말은 균일하게 혼합될 수 있고 낮은 합성온도에서도 충분한 환원 및 질화 반응이 일어날 수 있다. 질화 반응 동안 산화알루미나가 카본 매트릭스(페놀레진) 내에 균일하게 분포되어 있고, 페놀레진의 탈수와 분해에 의해서 카본화가 일어나고 이로 말미암아 카본과 산화알루미늄이 균일하게 접촉이 된다. 본 발명에서는 카본 소스(carbon source)로 액체 페놀레진을 사용하여 출발원료인 알루미나(산화알루미늄)와 충분히 균일하게 혼합이 되고, 알루미나와 카본 소스가 균일하게 혼합되어 낮은 합성온도에서도 환원과 질화 반응이 일어날 수 있는 것이다. The alumina powder may be a powder made of spherical or plate-like? -Al 2 O 3 . The liquid phenol resin may be a solution in which a resole type phenol resin is mixed with an alcohol solvent such as methanol. The alumina powder may be pulverized such as ball milling to be pulverized. The smaller the particle size of the alumina powder is, the smaller the particle size of the synthesized aluminum nitride powder is. Due to the use of liquid phenolic resin, phenol resin and alumina powder can be mixed uniformly and sufficient reduction and nitrification reaction can occur even at low synthesis temperature. During the nitridation reaction, the alumina oxide is uniformly distributed in the carbon matrix (phenol resin), and the carbonization is caused by the dehydration and decomposition of the phenol resin, whereby the carbon and the aluminum oxide are uniformly contacted. In the present invention, liquid phenol resin is used as a carbon source to sufficiently uniformly mix alumina (aluminum oxide) as a starting material, and alumina and carbon source are uniformly mixed, It can happen.

상기 전구체 용액을 건조하여 고체-젤 혼합물을 형성한다. 상기 건조는 액상의 페놀레진에서 사용된 용매의 끓는점 보다 높은 온도(예컨대, 80∼180℃)의 온도에서 10분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 전구체 용액을 건조하게 되면, 용매가 증발하여 제거되게 되고, 알루미나 분말은 고체 성분을 이루고 페놀레진은 젤 성분을 이루면서 결합된 형태의 고체-젤 혼합물이 형성되게 된다. The precursor solution is dried to form a solid-gel mixture. The drying is preferably performed at a temperature higher than the boiling point of the solvent used in the liquid phenol resin (for example, 80 to 180 DEG C) for 10 minutes to 48 hours. When the precursor solution is dried, the solvent is evaporated off, the alumina powder forms a solid component, and the phenol resin forms a gel component to form a solid-gel mixture in the form of a solid.

상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성한다. 고체-젤 혼합물을 갈게 되면 분말 형태의 전구체가 얻어지게 된다. The solid-gel mixture is pulverized to form a precursor powder. Grading the solid-gel mixture will result in a powdered precursor.

이렇게 얻어진 전구체 분말을 도가니에 담고, 상기 도가니를 퍼니스에 장입한 후, 질소를 포함하는 가스를 흘려주면서 1600∼1800℃에서 열처리하여 질화알루미늄(AlN) 분말을 합성한다. 상기 질소를 포함하는 가스는 0.5∼5L/min의 흐름양으로 흘려주는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 10∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리의 온도와 열처리 시간을 적절히 조절하여 원하는 입경, 원하는 형상(구형 또는 판상 구조)을 갖는 질화알루미늄 분말을 형성할 수 있다. The precursor powder thus obtained is placed in a crucible, the crucible is charged into a furnace, and then heat treatment is performed at 1600 to 1800 ° C while flowing a gas containing nitrogen to synthesize aluminum nitride (AlN) powder. The nitrogen-containing gas is preferably flowed at a flow rate of 0.5 to 5 L / min. The heat treatment is preferably performed for about 10 to 48 hours. By appropriately adjusting the temperature of the heat treatment and the heat treatment time, an aluminum nitride powder having a desired particle size and a desired shape (spherical or plate-like structure) can be formed.

본 발명에 의하면, 산화알루미늄을 페놀레진에 분산시킴으로써, 균일한 혼합을 하는 방법인 고체-젤 혼합에 의하여서 질화알루미늄 분말을 효율적으로 합성할 수 있다. 열처리(어닐링)하는 것에 의하여 페놀레진은 분해되어 탄화되고 이로 말미암아 산화알루미늄과 탄소가 균일하게 혼합되고 보다 균일한 AlN을 합성하는 것이 가능하다. 그렇게 하여 합성된 질화알루미늄 분말은 온도에 따라서 Al2O3와 AlN, 큐빅상의 AlN과 헥사고날상의 AlN, 그리고 헥사고날상의 AlN으로 결정상이 변화되는 것으로 나타난다. 큐빅상의 AlN은 250∼600 W·m-1·K- 1으로 헥사고날상의 AlN보다 더 큰 열전도값을 나타내는 것으로 알려져 있다. According to the present invention, by dispersing aluminum oxide in phenol resin, aluminum nitride powder can be efficiently synthesized by solid-gel mixing, which is a method of uniform mixing. By heat treatment (annealing), the phenol resin is decomposed and carbonized, whereby it is possible to uniformly mix aluminum oxide and carbon and synthesize more uniform AlN. The thus synthesized aluminum nitride powder has a crystal phase changed by Al 2 O 3 and AlN depending on temperature, AlN on cubic phase, AlN on hexagonal phase and AlN on hexagonal phase. AlN is on the cubic 250~600 W · m -1 · K - are known to exhibit greater thermal conductivity than AlN on the hexagonal to one.

또한, 본 발명에 의하면, 판상의 AlN 분말을 합성할 수 있다. 높은 종횡비를 갖는 판상의 AlN은 복합소재를 합성할 때 보다 높은 열전도율을 나타낼 것으로 예상이 되고 이를 위해서 판상의 AlN을 합성하는 것이 필요하다. Further, according to the present invention, plate-shaped AlN powder can be synthesized. It is expected that plate-like AlN having a high aspect ratio will exhibit a higher thermal conductivity when synthesizing a composite material, and it is necessary to synthesize plate-shaped AlN.

이하에서 설명하는 본 발명의 실시예들에서는 판상의 AlN은 판상의 산화알루미늄과 페놀레진을 혼합한 고체-젤 혼합물을 탄화열환원 질화법으로 합성하였다. 이때 촉매 또는 융제로서 황화코발트를 사용하였고, 이것이 판상의 AlN 형성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 게다가 촉매의 영향뿐만 아니라 합성온도, 질소가스의 흐름양 등이 결정성이나 종횡비, 입자 크기와 형상에 미치는 영향을 고찰하였다. In the embodiments of the present invention described below, the plate-shaped AlN was synthesized by a carbonization thermal reduction nitridation method in which a solid-gel mixture in which plate-shaped aluminum oxide and phenol resin were mixed. At this time, cobalt sulfide was used as a catalyst or flux, and it was examined how this affects the formation of plate-like AlN. In addition, the influence of the catalyst temperature, the synthesis temperature and the flow rate of nitrogen gas on the crystallinity, aspect ratio, particle size and shape were investigated.

고체-젤 혼합물을 전구체(precursor)로 사용하여 질화알루미늄의 합성의 효율성을 향상시키고자 하였는데, C/Al2O3 = 3의 몰비(페놀레진 0.05몰과 Al2O3 0.1몰을 혼합한 경우로서 카본(C)과 Al2O3의 몰비로 환산하면 C/Al2O3는 3이 됨)로 탄소(C)의 전구체로 페놀레진을 사용하여 산화알루미늄 분말과 혼합한 후 탄화열환원(carbothermal reduction) 질화법으로 질소분위기 하에서 질화알루미늄 분말을 합성하였다. 반응온도, 페놀레진의 분해, 산화알루미늄의 환원과 질화알루미늄으로의 반응율에 대하여 연구를 진행하였다. 페놀레진을 사용하여 질화알루미늄을 합성할 경우 산화알루미늄 분말을 페놀레진으로 잘 코팅한 후 어닐링 및 하소 처리에 의하여 탄소로 전환하는 것에 의하여 효율적으로 산화알루미늄 분말을 환원 및 질화하는 것이 가능하다.In order to improve the efficiency of synthesis of aluminum nitride using a solid-gel mixture as a precursor, the molar ratio of C / Al 2 O 3 = 3 (0.05 mol of phenol resin and 0.1 mol of Al 2 O 3 were mixed And C / Al 2 O 3 is converted to 3 in terms of molar ratio of carbon (C) and Al 2 O 3 ), mixed with aluminum oxide powder using phenol resin as a precursor of carbon (C) Aluminum nitride powders were synthesized under nitrogen atmosphere by carbothermal reduction. The reaction temperature, decomposition of phenol resin, reduction of aluminum oxide and reaction rate to aluminum nitride were studied. In the case of synthesizing aluminum nitride using phenol resin, it is possible to efficiently reduce and nitrify aluminum oxide powder by coating aluminum oxide powder with phenol resin and then converting it into carbon by annealing and calcining treatment.

전자소자의 방열을 위하여 방열복합소재의 방열 성능을 향상시키기 위해서 폴리머 매트릭스 내에 납작한 플레이트 형상의 세라믹 입자를 분산시킨다. 납작한 플레이트 형상의 세라믹 입자는 높은 종횡비를 가지며, 납작한 플레이트 형상의 세라믹 입자는 필러의 충진과 입자들간의 네트워크를 잘 시켜주기 때문에 복합소재의 인-플레인(in-plane) 방향으로의 방열 성능을 향상시킨다. In order to improve the heat dissipation performance of the heat-dissipating composite material in order to dissipate heat of the electronic device, flat plate-shaped ceramic particles are dispersed in the polymer matrix. Flat plate-shaped ceramic particles have a high aspect ratio. Flat plate-shaped ceramic particles improve filler filling and networking between particles, which improves the heat dissipation performance of the composite material in the in-plane direction. .

본 발명에서는 플레이트 형상의 산화알루미늄 입자를 원료로 사용하여 1200∼1800℃ 사이에서 질소를 흘려주면서 반응시켰을 경우, 황화코발트와 같은 촉매 혹은 융제의 첨가가 어떻게 판상의 질화알루미늄을 형성시키는지에 대해서 연구를 진행하였다. 이 경우 두께 대비 입자의 길이(또는 직경) 비율, 즉 종횡비가 10∼20 정도의 판상의 질화알루미늄을 형성하는 것이 가능하였다.In the present invention, a study is made on how to add a catalyst such as cobalt sulfide or a flux to form plate-shaped aluminum nitride when nitrogen is flowed at 1200 to 1800 ° C using plate-shaped aluminum oxide particles as a raw material. . In this case, it was possible to form plate-shaped aluminum nitride having a length (or diameter) ratio of particles to thickness, that is, an aspect ratio of about 10 to 20.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited to the following embodiments.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

탄화열환원 질화법(carbothermal reduction nitridation method)에 의하여 산화알루미늄-페놀레진의 고체-젤 혼합물로부터 질화알루미늄 분말을 합성하였다.Aluminum nitride powders were synthesized from a solid - gel mixture of aluminum oxide - phenol resin by carbothermal reduction nitridation method.

구체적인 실험방법은 다음과 같다. Specific experimental methods are as follows.

출발원료로 코델(Kodell)사에서 제공하고 있는 알파(α)상의 α-Al2O3 분말과 50% 메탄올(용매)에 희석된 레솔 타입(resol type)의 페놀레진(강남화학)을 사용하였다. 0.1 몰의 α-알루미나 분말과 0.05 몰의 페놀레진을 혼합하였는데, 혼합액은 알루미나 분말이 액상 페놀레진에 분산된 형태이다. As the starting material, α-Al 2 O 3 powder of alpha (α) phase and resol type phenol resin (Kangnam Chemical) diluted in 50% methanol (solvent) as supplied by Kodell were used . 0.1 mol of? -Alumina powder and 0.05 mol of phenol resin were mixed, and the mixed solution was a form in which alumina powder was dispersed in liquid phenolic resin.

110℃에서 건조하여 용매를 제거하는 것에 의하여 고체-젤 혼합물을 얻었다. 이 고체-젤 혼합물은 진한 갈색의 물질인데, 갈아서 전구체 분말을 만들었다. 이 고체-젤 혼합물을 질량열분석을 하면 도 1에 나타낸 바와 같이 800℃ 이하에서 80%의 페놀레진이 분해한다. 그러면 산화알루미늄 분말이 탄소(C)에 분산된 형태가 된다. The solid-gel mixture was obtained by drying at 110 DEG C to remove the solvent. This solid-gel mixture is a dark brown substance, which is ground to produce a precursor powder. When this solid-gel mixture is subjected to mass thermal analysis, 80% of the phenol resin decomposes at 800 ° C or less as shown in FIG. Then, the aluminum oxide powder is dispersed in carbon (C).

탄화열환원 질화 반응을 일으키기 위해서 그라파이트(graphite) 퍼니스(furnace)에서 AlN 합성을 행하였다. 전구체 분말을 그라파이트 도가니(crucible)에 담아 퍼니스에 장입하고, 가열하기 전에 퍼니스를 진공으로 한 후 질소가스를 채운 후 가열하였다. 질소가스가 흐르는 가운데 전구체 분말이 1300∼1800℃에서 반응온도를 변화시키면서 2시간 동안 AlN 합성을 진행하였다. AlN synthesis was carried out in a graphite furnace in order to cause a carbonization thermal reduction nitrification reaction. The precursor powder was charged into a furnace in a graphite crucible, and the furnace was evacuated before being heated, then filled with nitrogen gas and then heated. While the nitrogen gas was flowing, the precursor powder was subjected to AlN synthesis for 2 hours while changing the reaction temperature at 1300 to 1800 ° C.

질소가스의 순도는 5N 이었고, 질소가스의 흐름양은 1L/min으로 진행하였다. 시차열 중량열분석을 실온에서 1000℃의 범위에서 질소 분위기 하에서 행하였고, 결정상의 분석을 위해서 합성된 분말에 대하여 X-선회절(X-ray diffraction; XRD)(XRD-6000 diffractometer with CuKα radiation, RIGAKU)을 관찰하였다. FE-SEM(전계방출 주사전자현미경, JSM-6700F, JEOL, Japan)을 사용하여 합성된 분말의 형상을 관찰하였다. AlN의 입자분포도는 레이저 입자 크기 분석기(LPSA)를 사용하여 분석하였다. The purity of the nitrogen gas was 5 N and the flow rate of the nitrogen gas was 1 L / min. The XRD-6000 diffractometer (XRD-6000 diffractometer with CuK alpha radiation (XRD)) was used for the analysis of the crystal phase. , RIGAKU) were observed. The shapes of powders synthesized by FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL, Japan) were observed. The particle size distribution of AlN was analyzed by laser particle size analyzer (LPSA).

레솔 타입의 페놀레진은 메틸렌(-CH2-)에 의해서 가교되고 크레솔(cresol)의 형성과 페놀과 자일레놀(xylenol)의 형성이 일어난다. 온도의 증가와 함께 (=CH-) 결합은 감소하고 디페놀 에테르(diphenol ether)는 증가한다. Resol type phenol resins are crosslinked by methylene (-CH 2 -), forming cresol and forming phenol and xylenol. With increasing temperature, the (= CH-) bond decreases and the diphenol ether increases.

도 1에서 보는 바와 같이 600℃ 이하에서 산화알루미늄-페놀레진 혼합물의 5가지 분해 단계를 관찰할 수 있다. As shown in FIG. 1, five decomposition steps of the aluminum oxide-phenol resin mixture can be observed at 600 ° C. or less.

도 1을 참조하면, 영역 I인 20∼150℃에서 0.4%의 질량감소가 일어나는데, 이는 잔류하고 있는 수분이나 용매의 증발에 의한 것이라고 예상된다. 영역 II에서의 2.1%의 질량감소는 150∼250℃에서 일어나는데, 메틸렌 가교의 분해에 의해서 크레솔이 형성되는 것과 관계하고 있는 것으로 여겨진다. 250℃ 이상에서는 페놀레진의 분해가 일어나기 시작하는데, 크레솔과 자일레놀로부터 (=CH-)기가 250∼400℃ 사이에서 분해한다(영역 III). 400∼600℃의 영역 IV에서, 10%의 질량감소가 일어나는데, 이는 페놀레진이 분해해서, 즉 페놀로부터 (-OH)와 (=CH)가 분해해서 탄소화하는 것으로 여겨진다. 영역 V인 600∼1300℃에서 알루미나 주변의 탄소가 점차적으로 분해하면서 알루미나 표면을 환원시키고, 1300℃ 이상에서는 질화가 일어난다(영역 VI).Referring to FIG. 1, a mass reduction of 0.4% occurs in the region I at 20-150 ° C, which is expected to be due to evaporation of residual water or solvent. A mass reduction of 2.1% in Region II occurs at 150-250 ° C, which is believed to be related to the formation of a cresol by the decomposition of methylene bridges. Above 250 ° C, decomposition of the phenolic resin begins to take place, and the (= CH-) group from the cresol and xylenol decomposes between 250 and 400 ° C (region III). In the region IV of 400 to 600 ° C, a mass reduction of 10% takes place, which is believed to be the decomposition of phenol resin, ie decomposition of (-OH) and (= CH) from phenol to carbonization. The carbon around the alumina gradually decomposes at 600-1,300 ° C in the region V and the alumina surface is reduced, and nitridation takes place at 1300 ° C or higher (region VI).

도 2는 실시예 1에 따라 질소가스 흐름 하에서 1300∼1800℃에서 2시간 동안 합성하여 얻은 생성물의 결정상을 보여주는 X-선회절 패턴이다. 2 is an X-ray diffraction pattern showing the crystal phase of the product obtained by synthesizing at 1300 to 1800 캜 for 2 hours under a nitrogen gas flow according to Example 1. Fig.

도 2를 참조하면, 1300℃에서 합성한 샘플(생성물)은 α-Al2O3 결정상만 나타났으며, 도 1에서 보는 바와 같이 8.5%의 질량감소는 탄화열환원에 의한 것으로 생각된다. Referring to FIG. 2, the sample (product) synthesized at 1300 ° C is? -Al 2 O 3 Only crystalline phase appeared, and as shown in Fig. 1, the mass reduction of 8.5% is thought to be due to carbonization heat reduction.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Al2O3(s) + 2C(s) → Al2O + 2CO(g)Al 2 O 3 (s) + 2 C (s)? Al 2 O + 2 CO (g)

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Al2O(g) + 고체 표면(solid surface) → Al2O(s)Al 2 O (g) + solid surface → Al 2 O (s)

1400℃에서 합성한 샘플의 경우, 약한 h-AlN이 α-Al2O3와 함께 검출되었으며, 1400℃ 이상에서 질량은 빠르게 감소하였는데, 1400℃에서 질화 반응이 일어나기 시작하는 것으로 여겨진다. h-AlN은 다음과 같은 반응에 의해서 일어나는 것으로 보인다. For samples synthesized at 1400 ° C, weak h-AlN was detected with α-Al 2 O 3, and at 1400 ° C or higher, the mass rapidly decreased, and it is believed that the nitridation reaction starts to occur at 1400 ° C. h-AlN appears to be caused by the following reaction.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Al2O(s) + N2(g) + CO(g) → Al7O9N(s) + CO2(g)Al 2 O (s) + N 2 (g) + CO (g)? Al 7 O 9 N (s) + CO 2 (g)

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

Al7O9N(s) + N2(g) + CO(g) → AlN(hexagonal)(s) + CO2 Al 7 O 9 N (s) + N 2 (g) + CO (g)? AlN (hexagonal) (s) + CO 2

반응식 1 내지 반응식 4에 따르면, 반응식 5와 같이 된다.According to Reaction Schemes 1 to 4, Reaction Scheme 5 is obtained.

[반응식 5][Reaction Scheme 5]

Al2O3(s) + N2(g) + 3C(s) → 2AlN(hexagonal)(s) + 3CO(g)Al 2 O 3 (s) + N 2 (g) + 3 C (s)? 2 AlN (hexagonal) (s)

반응온도를 1400℃에서 1650℃로 증가시키면, h-AlN 피크가 증가하는 것을 알 수 있으며, 1650℃에서는 h-AlN이 주요 결정상이지만, α-Al2O3은 약간 잔류하는 것을 알 수 있다. 1700∼1800℃에서 c-AlN 상이 나타나고, α-Al2O3상은 완전히 사라졌다. 큐빅상의 AlN 결정상은 중간상으로 1800℃에서는 h-AlN으로 결정이 완전히 전이하는 것을 알 수 있다. When the reaction temperature is increased from 1400 ° C to 1650 ° C, it can be seen that the h-AlN peak is increased. At 1650 ° C, h-AlN is the main crystal phase, but a-Al 2 O 3 is slightly remained. In 1700~1800 ℃ c-AlN phase appears, α-Al 2 O 3 phase completely disappeared. It can be seen that the crystal phase of cubic AlN crystal phase is an intermediate phase and the crystal is completely transformed to h-AlN at 1800 ° C.

도 3은 α-Al2O3에서 AlN으로 전환되는 것에 대해서 합성온도의 효과를 나타내는 것이다. Figure 3 shows the effect of the synthesis temperature on the conversion of alpha -Al 2 O 3 to AlN.

도 3을 참조하면, 질화 반응은 1300∼1800℃에서 세가지 단계를 거쳐서 일어난다. 1300℃에서 알루미나는 안정하고, 1300℃ 이하에서는 환원과 질화가 일어나기에는 너무 낮은 온도라는 것을 알 수 있다. 알루미나-카본블랙 시스템에서는 알루미나가 질화알루미늄으로 완전히 전환되기 위해서는 1800℃에서 5시간 반응을 시켜야 한다. 하지만 고체-젤 혼합물을 사용하여 반응시킨 경우에는 보다 낮은 온도인 1700℃ 2시간 반응으로 알루미나가 질화알루미늄으로 완전히 전환되었다. 출발원료가 균일하게 혼합되었기 때문에 보다 낮은 온도에서 충분한 반응이 일어나기 때문으로 생각된다. 이 발명에서는 카본 소스(carbon source)로 액체 페놀레진을 사용하여 출발원료인 산화알루미늄과 충분히 균일하게 혼합이 되고, 산화알루미늄과 카본이 균일하게 혼합되어 보다 낮은 온도에서도 환원과 질화 반응이 일어나도록 하였다. 즉, 질화 반응 동안 산화알루미나가 카본 매트릭스(페놀레진) 내에 균일하게 분포되어 있고, 페놀레진의 탈수와 분해에 의해서 카본화가 일어나고 이로 말미암아 카본과 산화알루미늄이 균일하게 접촉이 된다. Referring to FIG. 3, the nitridation reaction takes place in three steps at 1300 to 1800 ° C. It can be seen that the alumina is stable at 1300 ° C, and below 1300 ° C is too low to cause reduction and nitrification. In the alumina-carbon black system, in order to completely convert alumina to aluminum nitride, the reaction should be carried out at 1800 ° C for 5 hours. However, when the reaction was carried out using a solid-gel mixture, alumina was completely converted to aluminum nitride at a lower temperature of 1700 ° C for 2 hours. It is considered that sufficient reaction occurs at a lower temperature since the starting materials are uniformly mixed. In the present invention, liquid phenol resin is used as a carbon source, and the aluminum oxide and carbon are uniformly mixed with the starting material aluminum oxide, so that the reduction and nitridation reaction occur even at a lower temperature . That is, during the nitriding reaction, the alumina oxide is uniformly distributed in the carbon matrix (phenol resin), and the carbonization is caused by the dehydration and decomposition of the phenol resin, whereby the carbon and the aluminum oxide are uniformly contacted.

영역 I에서 산화알루늄 결정만이 존재하고, 영역 II의 1400∼1650℃에서 h-AlN은 급격히 증가하고 α-Al2O3의 양은 급격히 줄어든다. 1650∼1700℃의 영역에서 c-AlN상이 나타나고 온도의 증가와 함께 그 양은 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, c-AlN은 불안정한 중간상인 것을 알 수 있다. 1700℃에서 h-AlN과 c-AlN의 비율은 59%와 41%로 나타났으며, 1800℃에서는 c-AlN의 양이 31%로 줄어드는 것으로 나타났다. Aluminum oxide crystals exist only in region I, and at 1400 to 1650 ° C in region II, h-AlN increases sharply and the amount of -Al 2 O 3 sharply decreases. The c-AlN phase appears in the region of 1650 ~ 1700 ℃ and its amount decreases with increasing temperature. That is, it can be seen that c-AlN is an unstable intermediate phase. At 1700 ℃, the ratio of h-AlN to c-AlN was 59% and 41%, respectively, and the amount of c-AlN decreased to 31% at 1800 ℃.

아레니우스 식은 화학반응의 반응상수 k의 온도 T의 의존성과 활성화 에너지Ea는 다음과 같은 식으로 정리된다. In the Arrhenius equation, the dependence of the reaction constant k on the temperature T and the activation energy E a of the chemical reaction is summarized as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013017941291-pat00001
Figure 112013017941291-pat00001

여기에서 A는 상수이고, Ea는 반응에 대한 활성화에너지, R은 가스 상수, T는 절대온도이다. 수학식 1은 다음 식으로 표현될 수 있다. Where A is a constant, E a is the activation energy for the reaction, R is the gas constant, and T is the absolute temperature. Equation (1) can be expressed by the following equation.

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112013017941291-pat00002
Figure 112013017941291-pat00002

도 4에서 질화반응상수 k는 도 3으로부터 계산할 수 있다. h-AlN과 c-AlN 그리고 AlN의 활성화에너지를 결정하기 위해서, 자연로그반응상수(lnk)와 1/T의 관계를 도 4와 표 1에 나타내었다. In FIG. 4, the nitridation reaction constant k can be calculated from FIG. The relationship between the natural logarithmic reaction constant (lnk) and 1 / T is shown in Fig. 4 and Table 1 to determine the activation energies of h-AlN, c-AlN and AlN.

1300oC1300 o C 1400oC1400 o C 1600oC1600 o C 1650oC1650 o C 1700oC1700 o C 1800oC1800 o C 결정상(Crystal phase)(%)Crystal phase (%) Al2O3 Al 2 O 3 100100 8787 3636 3131 00 00 h-AlNh-AlN 00 1313 6464 6969 5858 6464 c-AlNc-AlN 00 00 00 00 4242 3636 Ea
(kJ/mol)
E a
(kJ / mol)
AlNAlN -206 -80
-8
- 91
-206 -80
-8
- 91
h-AlNh-AlN c-AlNc-AlN 결정 크기(Crystal size)(㎛)Crystal size (탆) -- 0.850.85 0.750.75 0.70.7

1300∼1650℃에서 AlN에 대한 활성화에너지는 -206kJmol-1이었으며, 1700∼1800℃에서 -80kJmol-1이었다. 그러나 1700∼1800℃에서 h-AlN에 대한 활성화에너지는 -8kJmol-1, c-AlN에 대해서는 91kJmol-1이었다. 온도의 증가와 더불어 c-AlN에서 h-AlN으로의 전환이 계속해서 일어나는 것으로 나타났다. The activation energy of the AlN in the 1300~1650 ℃ was -206kJmol -1, -1 was -80kJmol in 1700~1800 ℃. However, at 1700 ~ 1800 ℃, the activation energy for h-AlN was -8kJmol- 1 and for c-AlN was 91kJmol- 1 . Along with the increase in temperature, the conversion from c-AlN to h-AlN was found to continue.

도 5a는 실시예 1에 따라 1600℃에서 합성된 생성물의 전계방출 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope; 이하 'FE-SEM'이라 함) 이미지이고, 도 5b는 1650℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 5c는 1700℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 5d는 1800℃에서 합성된 생성물의 FE-SEM 이미지이다. 도 6은 실시예 1에 따라 1600∼1800℃에서 합성된 생성물의 입자 크기를 나타낸 도면이다. 5A is an image of a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of a product synthesized at 1600 ° C. according to Example 1, and FIG. 5B is an FE image of a product synthesized at 1650 ° C. Fig. 5C is an FE-SEM image of the product synthesized at 1700 DEG C, and Fig. 5D is an FE-SEM image of the product synthesized at 1800 DEG C. Fig. FIG. 6 is a graph showing the particle size of a product synthesized at 1600 to 1800 ° C. according to Example 1. FIG.

도 5a 내지 도 6을 참조하면, 입자 크기는 온도의 증가와 함께 줄어드는 것을 알 수 있는데, 0.85㎛에서 0.7㎛로 줄어드는 것으로 나타났다. α-Al2O3의 환원과 더불어 산소이온이 내부로부터 외부로 확산되고, 질화와 함께 질소는 내부로 확산되기 때문에 입자의 크기는 온도의 증가와 더불어 작아지는 것으로 보인다. Referring to Figures 5A-6, it can be seen that the particle size decreases with increasing temperature, which has been shown to decrease from 0.85 탆 to 0.7 탆. Along with the reduction of α-Al 2 O 3 , oxygen ions diffuse from the inside to the outside, and nitrogen is diffused into the inside along with nitriding, so the size of the particles seems to decrease with increasing temperature.

앞서 살펴본 바와 같이, 헥사고날과 큐빅 결정의 질화알루미늄(AlN) 입자가 고체-젤 혼합물 형성과 탄화열환원 질화법에 의해서 성공적으로 합성되었다. 이때 C/Al2O3=3의 몰비(페놀레진 0.05몰과 Al2O3 0.1몰을 혼합한 경우로서 카본(C)과 Al2O3의 몰비로 환산하면 C/Al2O3는 3이 됨)로 전구체 분말을 형성하였다. 그 결과는 α-Al2O3를 고체-젤 전구체로 균일하게 혼합하는 것에 의해서 비교적 낮은 온도에서 AlN으로의 환원 및 질화 반응이 일어나는 것으로 보였다. α-Al2O3 에서 AlN으로의 전환은 1700℃에서 완전히 일어났는데, 이는 출발원료인 페놀레진이 산화알루미늄과 균일하게 혼합되고 탄화되어 카본과 산화알루미늄이 균일하게 혼합되어 반응이 보다 낮은 온도에서 일어나기 때문으로 사료된다. 1700℃와 1800℃에서 h-AlN과 c-AlN이 공존하는 것을 알 수 있는데, c-AlN은 준안정상인 것으로 보인다. 1800℃ 이상에서는 c-AlN은 사라지고 h-AlN으로 전환된다. 세가지 영역이 있는데, 1400℃ 미만에서 산화알루미늄이 주안정상이고(영역I), 1400∼1650℃에서 h-AlN의 형성이 시작되며(영역II), 1700∼1800℃에서 산화알루미늄은 완전히 AlN으로의 전환이 일어난다(영역III). 영역 II에서 활성화에너지는 -206kJ/mol, 영역 III에서는-80kJ/mol이며, 여기서 c-AlN은 91kJ/mol로 준안정상이다. 여기서 페놀레진은 AlN을 합성하는데 좋은 카본 소스이고, 이로 말미암아 낮은 온도에서 AlN을 합성하는 것이 가능함을 알 수 있다.
As we have seen, hexagonal and cubic aluminum nitride (AlN) grains were successfully synthesized by solid-gel mixture formation and carbonization thermal reduction nitridation. At this time, when the molar ratio of C / Al 2 O 3 = 3 (0.05 mol of phenol resin and 0.1 mol of Al 2 O 3 is mixed and converted into the molar ratio of carbon (C) to Al 2 O 3 , C / Al 2 O 3 is 3 To form a precursor powder. The result is an α-Al 2 O 3 solid showed that the reduction and nitrification of the AlN at a relatively low temperature by being uniformly mixed with the gel precursor takes place. The conversion of α-Al 2 O 3 to AlN completely took place at 1700 ° C. because phenol resin, which is the starting material, was uniformly mixed and carbonized with aluminum oxide to uniformly mix carbon and aluminum oxide, It is thought that this is happening. It can be seen that h-AlN and c-AlN coexist at 1700 ° C and 1800 ° C, and c-AlN appears to be a metastable phase. Above 1800 ℃, c-AlN disappears and is converted to h-AlN. There are three areas: at less than 1400 ° C, aluminum oxide is predominant (Region I), h-AlN begins to form at 1400-1650 ° C (Region II) and at 1700-1800 ° C aluminum oxide is completely A transition occurs (region III). In region II, the activation energy is -206 kJ / mol and in region III is -80 kJ / mol, where c-AlN is 91 kJ / mol. Here, phenol resin is a good carbon source for synthesizing AlN, which makes it possible to synthesize AlN at a low temperature.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

이방성 판상 AlN 분말을 합성하였다. Anisotropic plate - like AlN powders were synthesized.

구체적인 실험방법은 다음과 같다. Specific experimental methods are as follows.

출발원료로 코델(Kodell)사가 제공한 판상의 알루미나(α-Al2O3)와 강남화학에서 제공한 50%의 메탄올에 희석된 레솔 타입의 페놀레진을 사용하였다. 이때 황화코발트(cobalt sulfate)를 촉매 또는 융제로 첨가하였다. 0.1몰의 판상 알루미나를 0.05몰의 페놀레진과 혼합하고, 110℃에서 건조하여 용매를 제거하는 것에 의하여 고체-젤 혼합물을 얻었다. 고체-젤 혼합물을 갈아서 전구체 분말을 만들었다. 탄화열환원질화 반응을 일으키기 위해서 그라파이트(graphite) 퍼니스(furnace)에서 AlN 합성을 행하였다. 0.1몰의 알루미나에 대비하여 황화코발트를 0.2mmol 첨가하였다(Al 대비 황화코발트를 1.0mmol 첨가). 전구체 분말을 그라파이트 도가니(crucible)에 담아 퍼니스에 장입하고, 가열하기 전에 퍼니스를 진공으로 한 후 질소가스를 채운 후 가열하였다. 질소가스가 흐르는 가운데 전구체 분말이 1200∼1800℃에서 반응온도를 변화시키면서 2시간 동안 AlN 합성을 진행하였다. Plate-shaped alumina (α-Al 2 O 3 ) provided by Kodell as a starting material and phenol resin of a resole type diluted in 50% methanol provided by Kangnam Chemical were used. At this time, cobalt sulfate was added as a catalyst or flux. 0.1 mol of flaky alumina was mixed with 0.05 mol of phenol resin and dried at 110 캜 to remove the solvent to obtain a solid-gel mixture. The solid-gel mixture was ground to produce precursor powder. AlN synthesis was carried out in a graphite furnace in order to cause a carbonization thermal reduction nitrification reaction. 0.2 mmol of cobalt sulfide was added in comparison with 0.1 mol of alumina (1.0 mmol of cobalt sulfide was added to Al). The precursor powder was charged into a furnace in a graphite crucible, and the furnace was evacuated before being heated, then filled with nitrogen gas and then heated. While the nitrogen gas was flowing, the precursor powder was subjected to AlN synthesis for 2 hours while changing the reaction temperature at 1200 to 1800 ° C.

1200∼1800℃에서 2시간 반응시키면서 생성물(반응물)의 결정상과 형상을 관찰하였다. 리가쿠(Rigaku)사의 X-선회절 분석기를 이용하여 반응생성물의 결정상을 관찰하였으며, 제올(JEOL)사의 FE-SEM(JSM-6700F, JEOL, Japan)으로 결정의 형상을 관찰하였다. 브룩해븐(BrookHaven)사의 레이저 파티클 어낼라이저를 사용하여 입자의 크기를 관찰하였다.And the crystal phase and shape of the product (reactant) were observed while reacting at 1200 to 1800 ° C for 2 hours. The crystal phase of the reaction product was observed using an X-ray diffractometer of Rigaku Co., and the shape of the crystal was observed with an FE-SEM (JSM-6700F, JEOL, Japan) of JEOL. The particle size was observed using a Brookfield Laser Particle Analyzer.

도 7은 실시예 2에 따라 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용한 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절(XRD) 패턴과, 촉매 또는 융제를 사용하지 않은 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다. 황화코발트(코발트 황산화물)를 촉매 또는 융제로 사용한 것은 도 7에서 'with catalyst'로 나타내었고, 촉매 또는 융제를 사용하지 않은 것은 도 7에서 'without catalyst'로 나타내었다. 7 is a graph showing the XRD pattern of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2 and the XRD pattern of a product obtained by using a catalyst or a flux at 1700 캜 &Lt; / RTI &gt; for 2 hours. The use of cobalt sulfide (cobalt sulfide) as a catalyst or flux is shown in FIG. 7 as 'with catalyst' and the absence of catalyst or flux is shown as 'without catalyst' in FIG.

도 7을 참조하면, 황화코발트를 사용한 경우와 황화코발트를 사용하지 않은 경우에서 두 생성물의 XRD 패턴은 h-AlN과 c-AlN이 동시에 존재하는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 7, in the case of using cobalt sulfide and the case of using cobalt sulfide, the XRD patterns of the two products were found to contain both h-AlN and c-AlN.

도 8a는 촉매를 사용하지 않은 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지를 보여주고, 도 8b는 실시예 2에 따라 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용한 경우로서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜서 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지를 보여준다.FIG. 8A shows an FE-SEM image of a product obtained by reacting at 1700 ° C for 2 hours in the case of not using a catalyst, and FIG. 8B shows an FE-SEM image of the product obtained by using cobalt sulfide as a catalyst or flux according to Example 2 at 1700 ° C. SEM image of the product obtained by reaction for 2 hours.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 황화코발트를 사용하지 않은 경우 입자들은 구형의 형태를 가지고 있는 것을 알 수 있으며, 반면에 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용한 경우 도 8b에서 보는 바와 같이 판상의 입자들이 많이 잔존하는 것을 볼 수 있다. 판상의 입자들이 균일하지는 않지만, 판상 입자의 직경은 10∼13㎛의 크기를 갖는 것을 알 수 있다. 황화코발트가 판상의 형태를 유지하는데 역할을 하는 것으로 판단되지만, 정확한 메커니즘은 알 수 없다. 황화코발트가 융제와 같은 역할을 하거나 산화알루미늄과 카본의 반응에서 계면에서 에너지를 낮추어 주어서 판상 형태를 그대로 유지하는데 역할을 하는 것으로 판단된다. 단결정의 성장에서도, NaCl, KCl, NH4Cl, NH4F과 같은 할로겐화물을 융제로 사용하면, 보다 낮은 온도에서 단결정의 형상을 합성할 수 있다. 이와 마찬가지로 황화코발트도 융제와 같은 역할을 하여 생성되는 질화알루미늄의 결정형태를 판상으로 유지시켜주는 것으로 생각할 수 있다. 8A and 8B, it can be seen that when the cobalt sulfide is not used, the particles have a spherical shape. On the other hand, when cobalt sulfide is used as a catalyst or a flux, It can be seen that much remains. Although the particles of the platelets are not uniform, the diameter of the platelets is in the range of 10 to 13 mu m. It is believed that cobalt sulfide plays a role in maintaining the plate morphology, but the exact mechanism is unknown. It is considered that cobalt sulphide plays a role like flux or to maintain the plate shape by lowering the energy at the interface in the reaction of aluminum oxide and carbon. Even in the growth of a single crystal, when a halide such as NaCl, KCl, NH 4 Cl, or NH 4 F is used as a flux, the shape of a single crystal can be synthesized at a lower temperature. Likewise, cobalt sulfide acts as a flux and can be considered to maintain the crystal form of aluminum nitride produced in a plate form.

황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1200∼1800℃에서 2시간 반응시켜서 얻은 생성물의 X-선회절 패턴을 도 9에 나타내었다. The X-ray diffraction pattern of the product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1200 to 1800 ° C for 2 hours is shown in FIG.

도 9를 참조하면, 1200℃에서는 α-Al2O3상만이 관찰되었으며, 이때는 산화알루미늄과 비정질의 카본만이 존재하는 것으로 보여진다. 1300℃에서 카본이 산화되면서 CO 기체가 생성되어 날아가고 산화알루미늄이 환원되기 시작하는 것으로 볼 수 있다. Referring to FIG. 9, only α-Al 2 O 3 phase is observed at 1200 ° C., and only aluminum oxide and amorphous carbon are present at this time. At 1300 ℃, carbon is oxidized and CO gas is generated and blown, and aluminum oxide starts to be reduced.

[반응식 6][Reaction Scheme 6]

Al2O3(s) + 2C(s) → Al2O + 2CO(g)Al 2 O 3 (s) + 2 C (s)? Al 2 O + 2 CO (g)

[반응식 7][Reaction Scheme 7]

Al2O(g) + 고체표면(solid surface) → Al2O(s)Al 2 O (g) + solid surface → Al 2 O (s)

온도의 증가와 함께 환원된 산화알루미늄은 질소가스와 일산화탄소와 반응해서 산화질화물을 형성하고 최종적으로 질화알루미늄으로 변환되는 것으로 생각할 수 있다. Aluminum oxide reduced with the increase of temperature can be considered to react with nitrogen gas and carbon monoxide to form oxynitride and finally to aluminum nitride.

[반응식 8][Reaction Scheme 8]

Al2O(s) + N2 (g) + CO(g) → Al7O9N(s) + CO2 (g)Al 2 O (s) + N 2 ( g) + CO (g)? Al 7 O 9 N (s) + CO 2 ( g)

[반응식 9][Reaction Scheme 9]

Al7O9N(s) + N2 (g) + CO(g) → AlN(hexagonal)(s) + CO2 Al 7 O 9 N (s) + N 2 ( g) + CO (g)? AlN (hexagonal) (s) + CO 2

최종적으로 이 반응을 정리하면 다음과 같이 반응이 일어난다고 할 수 있다. The final reaction is summarized as follows.

Al2O3(s) + N2 (g) + 3C(s) → 2AlN(hexagonal)(s) + 3CO(g)Al 2 O 3 (s) + N 2 ( g) + 3 C (s)? 2 AlN (hexagonal) (s)

1300∼1650℃에서 AlN 피크의 강도는 온도의 증가와 함께 커지는 것으로 나타났으며, 1650℃에서 주결정상은 h-AlN이지만, α-Al2O3은 잔존하고 있는 것을 볼 수 있다. 1700∼1800℃에서 큐빅상 AlN(c-AlN)은 h-AlN과 함께 공존하지만, α-Al2O3은 완전히 사라지는 것으로 나타났다. AlN peak intensity of at 1300~1650 ℃ is was found to increase with an increase in temperature, but the main crystal phase is h-AlN in 1650 ℃, α-Al 2 O 3 can be seen that there are remaining. In 1700~1800 ℃ cubic phase AlN (c-AlN) will co-exist with the h-AlN, however, α-Al 2 O 3 was found completely disappeared.

도 10은 X-선회절 패턴에서 AlN상을 근거로 α-Al2O3상에서 AlN상으로의 전환비율을 나타낸 것이다. 다음과 같은 식으로 반응율을 계산하였다. FIG. 10 shows the conversion ratio of? -Al 2 O 3 to AlN phase based on the AlN phase in the X-ray diffraction pattern. The reaction rate was calculated as follows.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112013017941291-pat00003
Figure 112013017941291-pat00003

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112013017941291-pat00004
Figure 112013017941291-pat00004

[수학식 5]&Quot; (5) &quot;

Figure 112013017941291-pat00005
Figure 112013017941291-pat00005

여기서, R1, R2 및 R3는 큐빅 AlN, 헥사고날 AlN, α-Al2O3 상의 반응율을 나타낸 것이다.

Figure 112013017941291-pat00006
,
Figure 112013017941291-pat00007
,
Figure 112013017941291-pat00008
는 각각 큐빅 AlN, 헥사고날 AlN, α-Al2O3 상의 전체 피크의 총면적을 나타낸다. Here, R 1 , R 2 and R 3 are cubic AlN, hexagonal AIN, α-Al 2 O 3 Lt; / RTI &gt;
Figure 112013017941291-pat00006
,
Figure 112013017941291-pat00007
,
Figure 112013017941291-pat00008
Are each cubic AlN, hexagonal AlN, α-Al 2 O 3 Lt; / RTI &gt;

도 10에서 보는 바와 같이 질화 반응은 1200∼1800℃에서 세가지 단계로 일어난다. 1단계에서는Al2O3 상이 안정한 영역이고, 1200℃에서는 산화알루미늄의 환원과 질화 반응이 일어나기에는 너무 낮은 온도이다. 보통 산화알루미늄과 카본블랙이 반응하여 환원과 질화 반응이 완전히 일어나는 데에는 1800℃에서 5시간의 반응을 필요로 한다. 하지만, 우리는 페놀레진을 액체 상태로 산화알루미늄과 균일하게 혼합한 후 탄화시키는 것에 의해서 출발원료를 보다 더 균일하게 혼합하는 것에 의해서 낮은 온도에서 환원과 질화 반응이 일어나도록 하는 것이 가능하였다. 질화 반응이 진행될수록 카본 매트릭스 내에 균일하게 분산된 알루미나가 보다 쉽게 환원과 질화 반응에 의해서 질화알루미늄으로의 변환이 일어날 수 있다고 생각된다. 영역 II인 1300∼1650℃에서는 h-AlN이 생성되고 그 피크가 강해지는 것을 통하여 h-AlN 상이 점차적으로 성장하고, 대신에 α-Al2O3 상은 줄어드는 것으로 보인다. 1700∼1800℃에서는 h-AlN과 c-AlN이 공존하는 영역이 존재하는데, 온도의 증가와 더불어 c-AlN은 줄어드는 것을 알 수 있다. 더우기, 황화코발트를 첨가한 경우, c-AlN은 보다 더 안정한 것으로 보인다(도 3과 도 10 비교). 황화코발트를 첨가한 경우, c-AlN의 양은 약 42%에서 52%로 증가한 것으로 나타났다(도 10 및 표 2 참조). As shown in FIG. 10, the nitridation reaction takes place in three stages at 1200 to 1800 ° C. In the first step, Al 2 O 3 Phase is a stable region, and the temperature is too low to cause reduction and nitridation reaction of aluminum oxide at 1200 ° C. In general, the reaction between aluminum oxide and carbon black requires a reaction at 1800 ° C for 5 hours in order for reduction and nitridation reaction to take place completely. However, it has been possible to cause reduction and nitridation reactions at lower temperatures by mixing the starting materials more evenly by uniformly mixing the phenolic resin with the aluminum oxide in liquid form and carbonizing it. It is considered that as the nitridation reaction progresses, alumina uniformly dispersed in the carbon matrix can be more easily converted to aluminum nitride by reduction and nitrification reaction. The h-AlN phase grows gradually through the generation of h-AlN and the stronger peak at 1300-1650 ° C, which is the region II, and instead, α-Al 2 O 3 The prize seems to be shrinking. At 1700-1800 ° C, there is a region where h-AlN and c-AlN coexist, and c-AlN decreases with increasing temperature. Moreover, when cobalt sulfide is added, c-AlN appears to be more stable (compare Fig. 3 and Fig. 10). When cobalt sulfide was added, the amount of c-AlN increased from about 42% to 52% (see FIG. 10 and Table 2).

아래의 표 2는 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 전구체로부터 합성된 생성물의 판상 입자와 결정 크기의 결정상(%), 형상(morphology), 종횡비(d/t)를 합성온도에 따라 나타낸 것이다. Table 2 below shows the crystal phase (%), morphology, and aspect ratio (d / t) of the particle size and crystal size of the product synthesized from the precursor using cobalt sulphide as a catalyst or flux according to the synthesis temperature.

1200 oC1200 o C 1300oC1300 o C 1400oC1400 o C 1600oC1600 o C 1650oC1650 o C 1700oC1700 o C 1800oC1800 o C 결정상(Crystal phase)(%)Crystal phase (%) Al2O3 Al 2 O 3 100100 80.2780.27 78.178.1 48.1748.17 41.9441.94 00 00 h-AlNh-AlN 00 19.7319.73 21.921.9 51.8351.83 58.0658.06 52.452.4 46.846.8 c-AlNc-AlN 00 00 00 00 00 41.9441.94 53.253.2 형태(Shape)Shape FlakeFlake FlakeFlake FlakeFlake FlakeFlake FlakeFlake FlakeFlake ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle 판상 AlN의 종횡비(d/t)The aspect ratio (d / t) of the plate- -- -- -- 8.87- 21.238.87-21.23 8.45 - 14.348.45 - 14.34 3.86 - 93.86 - 9 1One AlN의 입자 크기(nm)Particle size of AlN (nm) -- -- -- 318.5-
353.81
318.5-
353.81
555.26-
673.71
555.26-
673.71
556.17-
703.26
556.17-
703.26
402.54-
509.27
402.54-
509.27

도 11a 내지 도 11d는 질소기체를 흘리면서 1600∼1800℃에서 2시간 반응시켜서 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 11a는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1600℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 11b는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1650℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 11c는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 11d는 실시예 2에 따라 질소가스 흐름 하에서 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1800℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이다.11A to 11D are FE-SEM images of products obtained by reacting at 1600 to 1800 DEG C for 2 hours while flowing nitrogen gas. 11A is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or a flux at 1600 DEG C for 2 hours under a nitrogen gas flow according to Example 2, and FIG. 11B is an FE-SEM image of a product obtained under a nitrogen gas flow FIG. 11C is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or flux at 1650 ° C for 2 hours, and FIG. 11C is a FE-SEM image of a product obtained by using cobalt sulfide as a catalyst or flux under a nitrogen gas flow at 1700 ° C. Fig. 11D is an FE-SEM image of the product obtained by reacting cobalt sulfide as a catalyst or flux for 2 hours at 1800 DEG C under nitrogen gas flow according to Example 2. Fig. to be.

도 11a 내지 도 11d를 참조하면, 반응온도가 생성물의 입자 크기와 형성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 1600℃와 1700℃에서 합성된 생성물은 판상의 입자들과 구형 입자들이 동시에 존재하는 것으로 나타났다. 하지만 1800℃에서는 구형의 입자가 주로 존재하는 것으로 나타났다. Referring to FIGS. 11A to 11D, it can be seen that the reaction temperature influences the particle size and formation of the product. The products synthesized at 1600 ℃ and 1700 ℃ were found to have both plate - like particles and spherical particles. However, spherical particles were mainly present at 1800 ℃.

도 12에서는 판상의 AlN 입자의 길이와 두께 비, 즉 종횡비(d/t)를 나타낸 것이다. 12 shows the length and the thickness ratio, that is, the aspect ratio (d / t), of the plate-shaped AlN particles.

도 12를 참조하면, 반응온도가 증가함에 따라서 종횡비는 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 표 2에서 나타낸 바와 같이 종횡비는 1600, 1650, 1700, 1800℃에서 각각 8.87∼21.23, 8.4∼14.34, 3.88∼9, 그리고 약 1의 범위에 있는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 12, it can be seen that as the reaction temperature increases, the aspect ratio decreases greatly. As shown in Table 2, the aspect ratios are in the range of 8.87 to 21.23, 8.4 to 14.34, 3.88 to 9, and about 1 at 1600, 1650, 1700, and 1800 ° C, respectively.

더우기, 도 13에 나타난 바와 같이 구형 입자의 크기는 1600∼1700℃에서는 337nm에서 630nm로 온도의 증가와 더불어 커지는 것을 알 수 있다. 도 13은 합성온도에 따른 생성물의 입자 크기를 나타낸 그래프이다. Further, as shown in Fig. 13, the size of the spherical particles increases with increasing temperature from 337 nm to 630 nm at 1600 to 1700 ° C. 13 is a graph showing the particle size of the product according to the synthesis temperature.

도 13을 참조하면, 1700∼1800℃에서는 온도의 증가와 더불어 입자 크기는 급격히 작아지는 것을 알 수 있다. 1800℃에서 합성된 생성물의 형상은 구형 입자이고 입자 크기는 456nm이었다. 앞에서도 설명한 바와 같이 Al2O3가 환원되고 질화되는 과정에서 산소이온은 입자의 내부에서 밖으로 확산되어 나오고 질소이온은 외부에서 내부로 확산되어 들어가는 과정을 통하여 질화알루미늄 결정으로 전환되는데, 이때 황화코발트는 융제로서 역할을 하기 때문에 판상 형태를 유지하는 것으로 판단되며, 온도의 증가와 더불어서 환원과 질화 반응속도는 빠르기 때문에 열역학적으로 안정한 구형의 질화알루미늄을 형성한다고 볼 수 있다. 하지만, 1700℃에서는 원하는 판상의 질화알루미늄을 형성하는 것이 가능하였다. Referring to FIG. 13, it can be seen that the particle size sharply decreases with an increase in temperature at 1700 to 1800 ° C. The product synthesized at 1800 ℃ had spherical particles and a particle size of 456nm. As described above, in the process of reducing and nitriding Al 2 O 3 , oxygen ions diffuse out from the inside of the particle, and nitrogen ions are converted into aluminum nitride crystals through diffusion from the outside to the inside, Is considered to maintain the plate shape because it acts as a flux and the reduction and nitridation reaction speed is fast due to the increase of the temperature, so it can be seen that the aluminum nitride is formed thermodynamically stable. However, it was possible to form a desired plate-like aluminum nitride at 1700 ° C.

도 14는 실시예 2에 따라 질소의 흐름양을 1∼4L/min으로 변화시키면서 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 X-선회절 패턴을 나타낸 것이다. 14 shows an X-ray diffraction pattern of a product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours while changing the flow rate of nitrogen to 1 to 4 L / min according to Example 2. Fig.

도 14를 참조하면, 큐빅상의 AlN과 헥사고날상의 AlN이 공존하는 것으로 나타났으며, 온도의 증가와 더불어 큐빅상은 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 질소의 흐름양을 증가시킬 경우도 큐빅상은 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 14, it was found that AlN on cubic and AlN on hexagonal phase coexisted, and cubic phase decreased with increasing temperature. It can be seen that the cubic phase decreases sharply even when the flow rate of nitrogen is increased.

도 15는 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소의 흐름양에 따른 h-AlN과 c-AlN의 반응율(%)을 보여주는 그래프이다.15 is a graph showing the reaction rate (%) of h-AlN and c-AlN according to the amount of nitrogen flow in the product obtained by reacting at 1700 ° C for 2 hours according to Example 2. Fig.

도 15를 참조하면, 각 상에 대한 반응율을 질소의 흐름양에 대해서 살펴보면, 질소의 흐름양을 증가시킬수록 h-AlN의 양은 많아지고 큐빅상인 c-AlN은 감소하는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 15, when the reaction rate of each phase is examined with respect to the amount of nitrogen flow, the amount of h-AlN increases as the amount of nitrogen flow increases, and the amount of c-AlN as a cubic phase decreases.

도 16a 내지 도 16d는 실시예 2에 따라 질소의 흐름양을 달리하여 1700℃에서 2시간 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 16a는 1L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 16b는 2L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이며, 도 16c는 3L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이고, 도 16d는 4L/min의 질소 흐름양으로 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 FE-SEM 이미지이다. 도 17은 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소 흐름양에 따른 종횡비를 보여주는 그래프이다. 도 18은 실시예 2에 따라 1700℃에서 2시간 동안 반응시켜 얻은 생성물의 질소 흐름양에 따른 입자 크기를 보여주는 그래프이다. 아래의 표 3은 황화코발트를 촉매 또는 융제로 사용하여 전구체로부터 합성된 생성물의 판상 입자와 결정 크기의 결정상(%), 형상(morphology), 종횡비(d/t)를 질소 흐름양에 따라 나타낸 것이다. 16A to 16D are FE-SEM images of the product obtained by reacting at 1700 ° C for 2 hours with different amounts of nitrogen flow according to Example 2. FIG. FIG. 16A is an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide with a nitrogen flow rate of 1 L / min as a catalyst or flux at 1700 ° C for 2 hours, and FIG. 16B shows an FE-SEM image of a product obtained by reacting cobalt sulfide FIG. 16C is an FE-SEM image of a product obtained by reacting at 1700.degree. C. for 2 hours using a catalyst or a flux as a catalyst or a flux; And FIG. 16D is an FE-SEM image of the product obtained by reacting cobalt sulfide with cobalt sulfide as a catalyst or flux at 1700 ° C. for 2 hours in a nitrogen flow rate of 4 L / min. 17 is a graph showing the aspect ratio according to the amount of nitrogen flow of the product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2. Fig. 18 is a graph showing the particle size according to the amount of nitrogen flow of the product obtained by reacting at 1700 캜 for 2 hours according to Example 2. Fig. Table 3 below shows the crystallinity (%), morphology, and aspect ratio (d / t) of the particle size and crystal size of the product synthesized from the precursor using cobalt sulfide as a catalyst or flux according to the amount of nitrogen flow .


1 L/min1 L / min 2 L/min2 L / min 3 L/min3 L / min 4 L/min4 L / min
결정상(Crystal phase) (%)Crystal phase (%) h-AlNh-AlN 52.2952.29 53.8753.87 42.4142.41 61.161.1 c-AlNc-AlN 47.547.5 46.1346.13 57.5957.59 38.938.9 형상(Morphology)Morphology FlakeFlake FlakeFlake -- -- ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle ParticleParticle 판상 AlN의 종횡비(d/t)The aspect ratio (d / t) of the plate- 3.86 ∼ 93.86 ~ 9 10.64∼13.3510.64-13.35 1One 1One AlN 입자 크기(nm)AlN particle size (nm) 630∼703630-703 682∼803682-803 378∼538378-538 393∼533393-533

도 16a 내지 도 18 및 표 3을 참조하면, AlN의 형상은 질소의 흐름양에 영향을 받는데, 도 17에서도 보는 바와 같이 2L/min의 흐름으로 반응시킨 경우가 종횡비는 가장 큰 값을 나타내고, 그 이상에서는 감소하는 경향을 나타내었다. 질소의 양이 많아지면 판상 입자의 형상이 깨어지고 보다 안정한 구형의 입자로 변환되는 것으로 나타났다. 도 18에서 입자의 크기도 동일한 경향을 나타내는 것을 볼 수 있다. 즉, 1L/min에서 2L/min으로 증가하면 입자의 크기가 다소 증가하다가 그 이상에서는 감소하는 경향을 나타내었다.
Referring to FIGS. 16A to 18 and Table 3, the shape of AlN is influenced by the flow amount of nitrogen. As shown in FIG. 17, when the reaction is performed at a flow rate of 2 L / min, the aspect ratio exhibits the greatest value, , Respectively. When the amount of nitrogen is increased, the shape of the plate-like particles is broken and converted into more stable spherical particles. It can be seen that the particle size also shows the same tendency in Fig. That is, as the particle size increased from 1 L / min to 2 L / min, the particle size slightly increased and then decreased.

앞서 살펴본 바와 같이, α-Al2O3상과 페놀레진을 전구체로 사용하고 황화코발트를 촉매 및 융제로 사용하여 이방성, 판상의 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 것이 가능하였다. 황화코발트를 첨가하고, C/Al2O3 = 3의 몰비(페놀레진 0.05몰과 Al2O3 0.1몰을 혼합한 경우로서 카본(C)과 Al2O3의 몰비로 환산하면 C/Al2O3는 3이 됨)가 되도록 고체-젤 혼합물의 전구체를 그라파이트 퍼니스에서 탄화열환원 질화법에 의해서 질화알루미늄을 생성하였다. 이때 황화코발트는 판상의 질화알루미늄을 형성하는데 매우 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이 황화코발트가 없으면 구형의 질화알루미늄이 생성되지만, 황화코발트를 첨가하면 1700℃에서 2시간 반응시키는 것에 의해서 약 10 정도의 종횡비를 갖는 판상의 질화알루미늄을 생성시킬 수 있었다. As described above, it was possible to synthesize anisotropic, sheet-like aluminum nitride (AlN) by using α-Al 2 O 3 phase and phenol resin as precursors and using cobalt sulfide as a catalyst and flux. When cobalt sulfide is added and the molar ratio of C / Al 2 O 3 = 3 (0.05 mol of phenol resin and 0.1 mol of Al 2 O 3 is mixed and converted into the molar ratio of carbon (C) to Al 2 O 3 , C / Al 2 O &lt; 3 &gt; is 3) was produced by carbonization thermal reduction nitrification in a graphite furnace to give a precursor of a solid-gel mixture. At this time, cobalt sulfide was found to play a very important role in the formation of plate-like aluminum nitride. Spherical aluminum nitride was produced in the absence of cobalt sulphide. Platinum-form aluminum nitride having an aspect ratio of about 10 could be produced by reacting cobalt sulfide at 1700 ° C for 2 hours.

또한, 황화코발트는 이것을 사용하지 않은 경우와 비교해서 상대적으로 높은 큐빅상의 질화알루미늄을 형성하는 것으로 나타났다. In addition, cobalt sulfide was found to form relatively high cubic alumina aluminum compared to the case without it.

또한, 질화알루미늄의 형상은 질소의 흐름양과 관련이 있는데, 2L/min 까지는 입자의 크기도 크고 판상의 형태를 보다 잘 유지하지만, 그 이상의 질소를 흘릴 경우 입자의 크기도 작아지고 종횡비도 급격히 줄어드는 것으로 나타났다.
In addition, the shape of aluminum nitride is related to the amount of nitrogen flow. When the amount of nitrogen is larger than 2 L / min, the particle size is larger and the plate shape is maintained better. appear.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.

Claims (8)

(a) 알루미나(Al2O3) 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 상기 알루미나 분말이 상기 페놀레진에 분산된 형태의 전구체 용액을 형성하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액을 건조하여 고체-젤 혼합물을 형성하는 단계;
(c) 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 전구체 분말을 질소를 포함하는 가스를 흘려주면서 1600∼1800℃에서 열처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계에서 촉매 또는 융제로 황화코발트를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
(a) mixing an alumina (Al 2 O 3 ) powder and a liquid phenol resin to form a precursor solution in which the alumina powder is dispersed in the phenol resin;
(b) drying the precursor solution to form a solid-gel mixture;
(c) pulverizing the solid-gel mixture to form a precursor powder; And
(d) synthesizing aluminum nitride (AlN) by heat-treating the precursor powder at 1600 to 1800 캜 while flowing a gas containing nitrogen,
Wherein the cobalt sulfide is further mixed with the catalyst or the flux in the step (a).
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 알루미나 분말과 상기 황화코발트는 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the alumina powder and the cobalt sulfide are mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.
(a) 알루미나(Al2O3) 분말과 액상의 페놀레진을 혼합하여 상기 알루미나 분말이 상기 페놀레진에 분산된 형태의 전구체 용액을 형성하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액을 건조하여 고체-젤 혼합물을 형성하는 단계;
(c) 상기 고체-젤 혼합물을 분쇄하여 전구체 분말을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 전구체 분말을 질소를 포함하는 가스를 흘려주면서 1600∼1800℃에서 열처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계에서 융제로 할로겐화물을 더 혼합하고,
상기 할로겐화물은 NaCl, KCl, NH4Cl 및 NH4F 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
(a) mixing an alumina (Al 2 O 3 ) powder and a liquid phenol resin to form a precursor solution in which the alumina powder is dispersed in the phenol resin;
(b) drying the precursor solution to form a solid-gel mixture;
(c) pulverizing the solid-gel mixture to form a precursor powder; And
(d) synthesizing aluminum nitride (AlN) by heat-treating the precursor powder at 1600 to 1800 캜 while flowing a gas containing nitrogen,
In the step (a), the halide is further mixed with the flux,
Wherein the halide is composed of at least one material selected from the group consisting of NaCl, KCl, NH 4 Cl and NH 4 F.
제4항에 있어서, 상기 알루미나 분말과 상기 할로겐화물은 1:0.0001∼0.01의 몰비로 혼합되게 하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
5. The method according to claim 4, wherein the alumina powder and the halide are mixed in a molar ratio of 1: 0.0001 to 0.01.
제1항에 있어서, 상기 알루미나 분말은 구형 혹은 판상의 α-Al2O3로 이루어진 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
The method for producing an aluminum nitride powder according to claim 1, wherein the alumina powder is a powder made of spherical or plate-like? -Al 2 O 3 .
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 질소를 포함하는 가스는 0.5∼5L/min의 흐름양으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the nitrogen-containing gas is flowed at a flow rate of 0.5 to 5 L / min in the step (d).
제1항에 있어서, 상기 액상의 페놀레진은 알코올 용매에 레솔 타입의 페놀레진이 혼합된 용액인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the liquid phenol resin is a solution in which an alcohol solvent and a phenol resin of a resole type are mixed.
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