KR101516991B1 - 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법 - Google Patents

로드 형태의 질화알루미늄 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 포함하는 출발원료를 혼합하는 단계와, 상기 출발원료를 흑연도가니에 충진한 후, 퍼니스에 장입하는 단계와, 상기 퍼니스를 가열하는 단계와, 상기 퍼니스에 질소 성분을 포함하는 가스를 공급하는 단계 및 상기 퍼니스 내를 1300∼2000℃ 온도로 유지하면서 상기 알루미늄 소스가 반응되게 하여 로드 형태의 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 알루미늄 소스와 탄소 소스에 촉매로 전이금속 화합물을 혼합하여 질소 분위기에서 탄화열환원법으로 로드(rod) 형태의 고순도 질화알루미늄(AlN)을 제조할 수 있고, 제조 공정이 간단하고, 재현성이 우수하며, 대량 생산이 가능하고, 비교적 저온에서 반응이 이루어질 수 있고, 표면 뿐만 아니라 벌크(bulk) 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성될 수 있다.

Description

로드 형태의 질화알루미늄 제조방법{Manufacturing method of rod-shape aluminum nitride}
본 발명은 질화알루미늄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 소스와 탄소 소스에 촉매로 전이금속 화합물을 혼합하고 질소 분위기에서 탄화열환원법으로 로드(rod) 형태의 고순도 질화알루미늄(AlN)을 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 구형의 질화알루미늄(AlN) 분말을 생성하는 방법이다. 그러나, 탄소환원법은 알루미나와 질소의 반응을 위해 고온합성기의 온도를 고온으로 유지하여야 하며, 탄소가 첨가되므로 구형의 질화알루미늄(AlN) 분말 생성 후에 잔류하는 탄소를 제거하기 위해 600℃ 이상의 온도에서 추가적인 열처리 공정이 필요하고, 구형의 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.
한편, 분말 형태의 질화알루미늄을 얻기 위해서 다양한 방법이 시도되어 왔지만 아직까지 로드(rod) 또는 휘스커(whisker) 형상을 갖는 질화알루미늄을 얻기 위한 연구는 미진한 상황이다.
Cacers 등은 산화알루미늄과 코크스를 사용하여 순수한 질소 기체를 흘려주는 분위기에서 1800℃에서 3시간 반응시키는 것에 의하여 단결정의 질화알루미늄을 합성하였다 [P.G. Caceres, H.K. Schmid, J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994) 977]. SiC나 Si3N4와 같이 기체-액체-고체(Vapor-Liquid-Solid, VLS)의 메커니즘에 의하여 질화알루미늄 휘스커가 형성되는 것으로 보고하고 있다. 즉, 산화알루미늄이 코크스에 의하여 환원되면서 기체화한 후 액상이 되고, 이 액상 안에서 산화알루미늄과 질소가 반응하여 휘스커 상을 형성하는 것으로 알려져 있다.
이러한 방법으로 AlN 휘스커를 형성하는 것은 높은 온도를 요구하는 단점이 있으며, 또한 원료의 극히 일부인 표면에서만 형성되는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 촉매를 첨가하는 것에 의하여 반응온도를 낮추면서도 표면 뿐만 아니라 벌크(bulk) 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성될 수 있는 질화알루미늄 제조방법을 제공하고자 한다.
Ceram. Soc. 77 (1994) 977
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 알루미늄 소스와 탄소 소스에 촉매로 전이금속 화합물을 혼합하여 질소 분위기에서 탄화열환원법으로 로드(rod) 형태의 고순도 질화알루미늄(AlN)을 제조할 수 있고, 제조 공정이 간단하고, 재현성이 우수하며, 대량 생산이 가능하고, 비교적 저온에서 반응이 이루어질 수 있고, 표면 뿐만 아니라 벌크(bulk) 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성될 수 있는 질화알루미늄의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 산화알루미늄, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 클로라이드 및 알루미늄 하이드레이트 중에서 선택된 1종 이상의 알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 포함하는 출발원료를 혼합하는 단계와, 상기 출발원료를 흑연도가니에 충진한 후, 퍼니스에 장입하는 단계와, 상기 퍼니스를 가열하는 단계와, 상기 퍼니스에 질소 성분을 포함하는 가스를 공급하는 단계 및 상기 퍼니스 내를 1300∼2000℃ 온도로 유지하면서 상기 알루미늄 소스가 반응되게 하여 로드 형태의 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법을 제공한다.
상기 전이금속 화합물은 염화코발트, 산화코발트, 질산화코발트, 유기 코발트화합물, 황화니켈, 염화니켈, 산화니켈, 질산화니켈, 유기 니켈화합물, 황화구리, 염화구리, 산화구리, 질산화구리 및 유기 구리화합물 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전이금속 화합물은 상기 알루미늄 소스 100중량부에 대하여 1∼100중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 소스와 상기 탄소 소스는 탄소와 알루미늄 소스가 몰비로 2∼10:1이 되게 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 탄소 소스는 페놀레진, 스타치, 카본블랙, 흑연 및 활성탄 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 질소 성분을 포함하는 가스는 질소 가스일 수 있고, 상기 질소 가스는 1∼10 ℓ/min의 공급량으로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 로드 형태의 질화알루미늄은 직경이 500㎚∼2㎛ 정도이고, 길이는 5∼50㎛ 정도이다.
본 발명에 의하면, 알루미늄 소스와 탄소 소스에 촉매로 전이금속 화합물을 혼합하여 질소 분위기에서 탄화열환원법으로 로드(rod) 형태의 고순도 질화알루미늄(AlN)을 제조할 수 있고, 제조 공정이 간단하고, 재현성이 우수하며, 대량 생산이 가능하고, 비교적 저온에서 반응이 이루어질 수 있으며, 표면 뿐만 아니라 벌크(bulk) 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성될 수 있다. 탄소 소스로는 페놀레진, 코크스, 카본블랙, 스타치와 같은 다양한 탄소계 원료를 사용할 수 있고 촉매를 소량 첨가함으로써 비교적 낮은 온도에서도 로드 형태의 질화알루미늄을 제조할 수 있다.
기존의 VLS법에 의한 휘스커 형태의 질화알루미늄 제조법과는 다르게 촉매를 첨가함으로써 로드 형태의 질화알루미늄을 원료의 표면에서뿐만 아니라 내부에서도 형성되게 함으로써, 수율을 높일 수 있는 효과가 있다. 기존의 방법은 산화알루미늄 분말과 탄소 분말을 충진하고 질소 분위기 하에서 반응시키면, 충진된 원료의 표면에서만 반응이 일어나고 내부에서는 일어나지 않는 단점이 있었다. 따라서, 수율이 보통은 50%에 그치는 것으로 보고되고 있다. 하지만, 전이금속 화합물을 넣는 것에 의하여 표면 뿐만 아니라 원료의 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성됨으로써 보다 더 쉽게 질화알루미늄의 형태를 제어 가능하고, 또한 형성되는 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 로드 형태의 질화알루미늄은 폴리우레탄이나 실리콘 수지와 혼합하여 패드 형태를 제조할 경우 이방성의 열전도율을 갖는 방열 쉬트를 제조하는 것이 가능하다. 이를 통하여 보다 더 평면으로 열을 확산시킬 수 있는 방열 쉬트를 제조하는 것에 의하여 열확산판으로도 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실험예들에서 알루미늄의 소스(source)로 사용한 산화알루미늄 분말을 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 2는 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄과 스타치, 그리고 전이금속 화합물인 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 구형의 질화알루미늄과, 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄, 스타치 및 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄에 대하여 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5는 실험예 3에 따라 구형의 산화알루미늄과 카본블랙, 그리고 전이금속 화합물인 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 구형의 질화알루미늄과, 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄, 스타치 및 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄, 그리고 표준 질화알루미늄에 대하여 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
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.
본 발명은 전자부품의 열을 발산하기 위하여 사용되는 질화알루미늄의 합성법에 대한 것이다. 질화알루미늄은 탄화열환원법에 의하여 합성되는데, 본 발명에서는 촉매를 첨가하는 것에 의하여 로드(rod)(혹은 휘스커(whisker)) 형태의 질화알루미늄을 제조하는 방법을 제시한다.
기존의 VLS 법에 의하여 제조하는 휘스커 상의 AlN은 출발물질인 산화알루미늄의 표면에서만 일어나기 때문에 수율이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 전이금속 화합물을 넣는 것에 의하여 표면뿐만 아니라 전이금속 화합물에 의하여 시료 전체에서 로드 형태의 질화알루미늄(AlN)을 제조할 수 있다. 알루미늄 소스에 페놀레진, 스타치, 카본블랙과 같은 탄소 소스와 촉매인 전이금속 화합물을 혼합하고 질소 분위기 하에서 탄화열환원법에 반응시키는 경우에 로드 형태의 AlN이 형성되고, 촉매를 첨가하지 않는 경우에는 구상의 AlN이 형성되는 것을 확인하였다. 이를 통하여 형상에 있어서 이방성의 로드 형태의 AlN을 제조함으로써, 방열복합소재에서 이방성의 방열 효과를 갖는 패드 등을 제조할 수 있는 장점이 있다.
로드 형태의 질화알루미늄은 형태의 이방성으로 인하여 열이 전달되는 경로를 이방성으로 조절할 수 있기 때문에 질화알루미늄의 배향을 조절하는 것에 의하여 보다 더 빠르게 열을 방출시키는 것이 가능하다. 휘스커 상의 질화알루미늄은 통상 기상-액상-고상의 반응을 통하여 얻어지기 때문에 이를 제어하기가 무척 어렵다는 점이 단점이지만, 본 발명에서와 같이 탄화열합성법을 이용하면서 촉매로 전이금속 산화물을 사용하는 것에 의하여 형상을 손쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법은, 산화알루미늄, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 클로라이드 및 알루미늄 하이드레이트 중에서 선택된 1종 이상의 알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 포함하는 출발원료를 혼합하는 단계와, 상기 출발원료를 흑연도가니에 충진한 후, 퍼니스에 장입하는 단계와, 상기 퍼니스를 가열하는 단계와, 상기 퍼니스에 질소 성분을 포함하는 가스를 공급하는 단계 및 상기 퍼니스 내를 1300∼2000℃ 온도로 유지하면서 상기 알루미늄 소스가 반응되게 하여 로드 형태의 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함한다.
상기 전이금속 화합물은 염화코발트, 산화코발트, 질산화코발트, 유기 코발트화합물, 황화니켈, 염화니켈, 산화니켈, 질산화니켈, 유기 니켈화합물, 황화구리, 염화구리, 산화구리, 질산화구리 및 유기 구리화합물 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전이금속 화합물은 알루미늄 소스 100중량부에 대하여 1∼100중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 소스와 상기 탄소 소스는 탄소와 알루미늄 소스가 몰비로 2∼10:1이 되게 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 탄소 소스는 페놀레진, 스타치, 카본블랙, 흑연 및 활성탄 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 질소 성분을 포함하는 가스는 질소 가스일 수 있고, 상기 질소 가스는 1∼10 ℓ/min의 공급량으로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 로드 형태의 질화알루미늄은 직경이 500㎚∼2㎛ 정도이고, 길이는 5∼50㎛ 정도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 질화알루미늄을 제조하기 위하여 탄화열환원법(carbothermal reduction method)을 이용한다.
탄화열환원법은 산화물과 같은 원료를 탄소와 혼합하고 환원 분위기에서 가열함으로써 원하는 질화물, 탄화물, 붕화물 등을 합성하는 방법을 말한다. 탄화열환원법은 고온의 합성온도를 요구하기 때문에 흑연을 가열히터로 사용하는 로(furnace)를 사용하는 것이 바람직하다.
로드 형태의 질화알루미늄을 제조하기 위하여 산화알루미늄, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 클로라이드 및 알루미늄 하이드레이트 중에서 선택된 1종 이상의 알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 혼합한다.
알루미늄 소스로 알루미늄 산화물(산화알루미늄)과 같은 분말이나 알루미늄 염화물(알루미늄 클로라이드; AlCl3), 알루미늄 질화물(알루미늄 나이트레이트; Al(NO3)3) 혹은 알루미늄 수산화물(알루미늄 하이드레이트; Al(OH)3)을 사용하여 제조하는 것도 가능하다.
상기 탄소 소스로는 페놀레진, 스타치, 카본블랙, 흑연, 활성탄 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 탄소(C) 성분을 포함하는 물질로서 반응 온도(또는 합성 온도)(예컨대, 1300∼2000℃)에서 열분해될 수 있는 물질이라면 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 탄소 소스로는 페놀레진, 코크스, 카본블랙, 스타치와 같은 다양한 탄소계 원료를 사용할 수 있고 촉매를 소량 첨가함으로써 비교적 낮은 온도에서도 로드 형태의 질화알루미늄을 제조할 수 있다.
알루미늄 소스와 탄소 소스의 혼합 비율은 충분한 알루미늄 소스의 환원과 질소와의 반응으로 질화알루미늄이 완전히 형성되도록 하기 위하여 탄소와 알루미늄 소스가 몰비로 2:1 이상, 바람직하게는 2∼10:1이 되도록 한다. 탄소와 알루미늄 소스의 몰비가 2:1 미만이면, 알루미늄 소스의 환원이 충분하지 못하기 때문에 산화물이 남을 수 있다.
상기 전이금속 화합물을 질화알루미늄의 합성을 위한 촉매로 작용한다. 상기 전이금속 화합물은 염화코발트, 산화코발트, 질산화코발트, 유기 코발트화합물, 황화니켈, 염화니켈, 산화니켈, 질산화니켈, 유기 니켈화합물, 황화구리, 염화구리, 산화구리(I,Ⅱ), 질산화구리, 유기 구리화합물 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 산화알루미늄 분말과 탄소 분말을 충진하고 질소 분위기 하에서 반응시키면, 충진된 원료의 표면에서만 반응이 일어나고 내부에서는 일어나지 않는 단점이 있었다. 따라서, 수율이 보통은 50%에 그치는 것으로 보고되고 있다. 하지만, 전이금속 화합물을 넣는 것에 의하여 표면 뿐만 아니라 원료의 내부에서도 로드 형태의 질화알루미늄이 형성됨으로써 보다 더 쉽게 질화알루미늄의 형태를 제어 가능하고, 또한 형성되는 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기 전이금속 화합물은 알루미늄 소스 100중량부에 대하여 1∼100중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 전이금속 화합물의 함량이 1중량부 미만일 경우에는 알루미늄 소스가 로드 형태로 충분히 성장하지 못할 수 있고, 상기 전이금속 화합물의 함량이 100중량부를 초과하게 되면 합성되는 질화알루미늄에 너무 과도한 전이금속 산화물이 잔류하기 때문에 불순물로 작용하는 문제점이 있을 수 있다. 전이금속 화합물을 사용함으로써 구형의 알루미늄 소스를 사용하더라도 합성되는 질화알루미늄의 형상을 로드 형태로 제어할 수 있는 장점이 있다.
상기 혼합은 볼밀링, 제트밀 등과 같은 다양한 방식의 건식 또는 습식 혼합 공정으로 이루어질 수 있으며, 여기서는 습식 볼밀링 공정을 이용하는 예를 설명한다.
알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 포함하는 출발원료를 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입하여 증류수와 같은 용매와 함께 습식 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 출발원료를 기계적으로 혼합한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 불순물의 생성을 억제하기 위하여 알루미나로 이루어진 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 출발원료는 미세한 크기의 입자로 분쇄되면서 혼합되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다. 상기와 같이 습식 혼합 공정을 거치면 미분화되어 슬러리(slurry) 상태를 이룬다.
이렇게 출발원료를 습식 혼합한 경우에는 건조 오븐에서 건조한다. 상기 건조는 60∼120℃ 정도의 온도에서 1∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
출발원료를 흑연도가니에 충진한 후, 흑연 로(퍼니스)에 장입하여 1300∼2000℃ 정도의 온도에서 반응시킨다. 1300℃ 미만의 온도에서 반응시킬 경우에는 알루미늄 소스의 환원반응이 충분히 일어나지 못할 수 있고, 2000℃를 초과하면 반응온도가 너무 높아 경제적이지 않기 때문에 2000℃ 이하로 제한하는 편이 좋다. 1300∼2000℃ 정도의 온도에서 반응시키게 되면, 알루미늄 소스의 표면 뿐만 아니라 표면 내부에서도 질화가 이루어지며, 고순도의 질화알루미늄을 합성할 수 있다. 상기 반응 온도까지의 퍼니스 승온 속도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직하다. 퍼니스의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스(thermal stress)가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 이때 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하는 것이 바람직하다.
반응시간은 출발원료의 양에 따라서 다르지만, 1시간에서 24시간 이내로 반응시간을 제어하는 것이 바람직하다. 반응 초기에는 알루미늄 소스의 표면에서만 질화알루미늄이 생성되다가 시간이 지남에 따라 질화알루미늄이 형성되는 비율이 증가하고 결국 알루미늄 소스는 전부 질화알루미늄으로 변화되게 된다. 질화알루미늄의 합성을 충분히 하기 위하여 반응시간은 1∼24시간 동안 유지하는 것이 바람직하다.
반응 시 분위기를 제어할 필요가 있는데, 질소 성분을 포함하는 가스를 1ℓ/min 이상(예컨대, 1∼10ℓ/min)으로 흘려주면서 반응시키는 것이 바람직하다. 질소 성분을 포함하는 가스는 알루미늄 소스와 반응하여 질화알루미늄(AlN)을 형성하는 질소 소스로 작용하며, 질소 성분을 포함하는 가스는 질소 가스일 수 있다. 질소 성분을 포함하는 가스는 산화되는 것을 막는 역할을 하고, 질화알루미늄 합성 반응 중에 양압을 걸리게 하여 산소의 유입을 막아준다. 상기 반응에서 알루미늄 소스가 탄소에 의해서 환원이 되고 또한 질소에 의하여 질화가 되면서 질화알루미늄으로 변화가 된다. 1ℓ/min 미만의 질소 가스를 흘려주면 보통 질화 반응이 충분하지 못하기 때문에 산화물이 남을 수 있는 단점이 있다. 또한 반응을 보다 빨리 진행시키기 위해서는 질소보다 반응성이 좋은 암모늄 기체를 흘려줄 수 있다.
반응이 완료되면 질소를 포함하는 가스의 공급을 차단하고, 퍼니스의 온도를 냉각하여 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 얻는다.
상술한 반응에 의해 알루미늄 소스가 질화알루미늄으로 전환되는데, 전이금속 화합물을 알루미늄 소스 및 탄소 소스와 함께 출발원료로 사용함으로써 알루미늄 소스가 로드 형태의 질화알루미늄으로 전환이 이루어진다. 이렇게 제조된 상기 로드 형태의 질화알루미늄은 직경이 500㎚∼2㎛ 정도이고 길이는 5∼50㎛ 정도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실험예들에서 알루미늄의 소스(source)로 사용한 산화알루미늄 분말을 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다. 도 1을 참조하면, 산화알루미늄 입자는 3∼10㎛ 크기의 구상 분말로 이루어져 있는 것을 볼 수 있다.
<실험예 1>
산화알루미늄 70g(0.69 몰)과 스타치 40g(4.1 몰 탄소)을 넣고 증류수를 첨가한 후, 볼밀링을 24시간 동안 행하여 균일하게 혼합되도록 하였다.
그 후 드라이 오븐에서 100℃에서 12시간 건조하여 용매를 증발시켰다.
이렇게 준비된 출발원료를 그라파이트 도가니에 충진한 후, 1700℃에서 2시간 동안 질소를 2ℓ/min으로 흘려주면서 질화알루미늄을 합성하였다.
<실험예 2>
산화알루미늄 70g(0.69 몰)과 스타치 40g(4.1 몰 탄소)를 넣고 질산화코발트를 산화알루미늄 100중량부에 대하여 20중량부를 넣은 후 증류수를 첨가한 다음, 볼밀링을 24시간 동안 행하여 균일하게 혼합되도록 하였다.
그 후 드라이 오븐에서 100℃에서 12시간 동안 건조하여 용매를 증발시켰다.
이렇게 준비된 출발원료를 그라파이트 도가니에 충진한 후, 1700℃에서 2시간 동안 질소를 2ℓ/min으로 흘려주면서 질화알루미늄을 합성하였다.
<실험예 3>
산화알루미늄 70g(0.69 몰)과 카본블랙 40g(4.1 몰 탄소)을 넣고 질산화코발트를 산화알루미늄 100중량부에 대하여 20중량부를 넣은 후 증류수를 첨가한 다음, 볼밀링을 24시간 동안 행하여 균일하게 혼합되도록 하였다.
그 후 드라이 오븐에서 100℃에서 12시간 동안 건조하여 용매를 증발시켰다.
이렇게 준비된 출발원료를 그라파이트 도가니에 충진한 후 1700℃에서 2시간 동안 질소를 2ℓ/min으로 흘려주면서 질화알루미늄을 합성하였다.
합성한 질화알루미늄의 형상은 주사전자현미경을 통하여 입자의 형태를 도 2, 도 3과 도 5에서와 같이 확인하였다.
도 2는 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄과 스타치, 그리고 전이금속 화합물인 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 구형의 질화알루미늄과, 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄, 스타치 및 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄에 대하여 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않은 경우 합성된 질화알루미늄의 형태가 구형의 형태를 가지고 있는 것을 볼 수 있다. 출발원료인 산화알루미늄의 형태는 도 1에 나타낸 바와 같이 완전한 구형이지만, 탄화열환원법으로 반응시킨 경우는 산소가 입자의 내부에서 확산되어 나오고 또한 질소는 입자의 내부로 확산되어 들어가기 때문에 입자 표면은 매끄럽지 못하지만 합성된 질화알루미늄은 구형의 형태를 유지하는 것을 볼 수 있다.
하지만, 실험예 2에 따라 탄소 소스로 스타치를 사용하고 질산화코발트를 사용하여 질화알루미늄을 합성할 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이 입자의 모양이 로드(rod) 형태를 갖는 것을 볼 수 있다.
합성된 질화알루미늄의 결정상은 도 4에서 X-선회절(X-ray diffraction) 분석을 통하여 확인하였는데, 육방정의 질화알루미늄 상이 형성된 것을 확인하였다. 실험예 2에 따라 질산화코발트를 사용하여 질화알루미늄을 합성하는 경우(도 4에서 'With Co(NO3)3' 참조)는 질화알루미늄 내에 산화코발트가 잔류하는 것을 확인하였다.
도 5는 실험예 3에 따라 구형의 산화알루미늄과 카본블랙, 그리고 전이금속 화합물인 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 실험예 1에 따라 전이금속 화합물을 사용하지 않고 구형의 산화알루미늄과 스타치를 사용하여 제조한 구형의 질화알루미늄과, 실험예 2에 따라 구형의 산화알루미늄, 스타치 및 질산화코발트를 사용하여 제조한 로드 형태의 질화알루미늄, 그리고 표준 질화알루미늄(PDF＃03-065-0831)에 대하여 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
실험예 3에 따라 탄소 소스로 카본블랙을 사용하고 질산화코발트를 사용하여 질화알루미늄을 합성할 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이 입자의 모양이 로드(rod) 형태를 갖는 것을 볼 수 있다.
합성된 질화알루미늄의 결정상은 도 6에서 X-선회절(X-ray diffraction) 분석을 통하여 확인하였는데, 육방정의 질화알루미늄 상이 형성된 것을 확인하였다. 실험예 3에 따라 질산화코발트를 사용하여 질화알루미늄을 합성하는 경우는 질화알루미늄 내에 산화코발트가 잔류하는 것을 확인하였다.
실험예 2에서는 탄소 소스로 스타치를 사용하고, 실험예 3에서는 탄소 소스로 카본블랙을 사용한 경우인데, 탄소 소스의 종류와는 무관하게 촉매로 전이금속 화합물이 첨가되는 경우에 합성된 질화알루미늄 입자의 형태가 로드 형태를 이루는 것을 확인하였다.
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.

Claims (7)

  1. 산화알루미늄, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 클로라이드 및 알루미늄 하이드레이트 중에서 선택된 1종 이상의 알루미늄 소스, 탄소 소스 및 전이금속 화합물을 포함하는 출발원료를 혼합하는 단계;
    상기 출발원료를 흑연도가니에 충진한 후, 퍼니스에 장입하는 단계;
    상기 퍼니스를 가열하는 단계;
    상기 퍼니스에 질소 성분을 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 퍼니스 내를 1300∼2000℃ 온도로 유지하면서 상기 알루미늄 소스가 반응되게 하여 로드 형태의 질화알루미늄을 합성하는 단계를 포함하며,
    상기 알루미늄 소스와 상기 탄소 소스는 탄소와 알루미늄 소스가 몰비로 2∼10:1이 되게 혼합하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 화합물은 염화코발트, 산화코발트, 질산화코발트, 유기 코발트화합물, 황화니켈, 염화니켈, 산화니켈, 질산화니켈, 유기 니켈화합물, 황화구리, 염화구리, 산화구리, 질산화구리 및 유기 구리화합물 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 화합물은 상기 알루미늄 소스 100중량부에 대하여 1∼100중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소 소스는 페놀레진, 스타치, 카본블랙, 흑연 및 활성탄 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 질소 성분을 포함하는 가스는 질소 가스이고,
    상기 질소 가스는 1∼10 ℓ/min의 공급량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 로드 형태의 질화알루미늄은 직경이 500㎚∼2㎛이고, 길이는 5∼50㎛인 것을 특징으로 하는 로드 형태의 질화알루미늄 제조방법.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900004488B1 (ko) * 1986-12-11 1990-06-28 아사히 가세이 고오교 가부시끼가이샤 질화 알루미늄 제품 및 그 제조공정
KR960004396B1 (ko) * 1993-05-14 1996-04-02 한국티타늄공업주식회사 고순도 질화알루미늄(a1n) 분말의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900004488B1 (ko) * 1986-12-11 1990-06-28 아사히 가세이 고오교 가부시끼가이샤 질화 알루미늄 제품 및 그 제조공정
KR960004396B1 (ko) * 1993-05-14 1996-04-02 한국티타늄공업주식회사 고순도 질화알루미늄(a1n) 분말의 제조방법

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