KR102003193B1

KR102003193B1 - 고온 비저항이 개선된 AlN 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR102003193B1
Application number: KR1020170183570A
Authority: KR
Inventors: 이성민; 류성수
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-24
Also published as: KR20190081206A

Abstract

본 발명은, AlN 분말, 소결조제, 용매 및 볼을 비드밀에 장입하고 비드밀링하여 슬러리를 형성하는 단계와, 상기 슬러리를 건조하는 단계 및 상기 건조에 의해 형성된 분말을 몰드에 장입하고 비활성 가스 분위기에서 가압 소결하거나 방전플라즈마 소결하는 단계를 포함하며, 상기 가압 소결 또는 상기 방전플라즈마 소결은 1450℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 고온 비저항이 개선되어 히터용 소재로 적용하기에 유리한 AlN 소결체를 제조할 수 있다.

Description

고온 비저항이 개선된 AlN 소결체의 제조방법{Manufacturing method of sintered AlN ceramics}

본 발명은 AlN 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 비저항이 개선되어 히터용 소재로 적용하기에 유리한 AlN 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

질화알루미늄(AlN)의 결정구조는 Al 또는 N을 중심으로 한 사면체가 기본구조가 된다. 이러한 사면체가 상호 교차하여 헥사고날 우르자이트(hexagonal wurtzite) 구조를 가지고 있으며, 원자간 결합은 공유결합으로 이루어져 있다. 이상적인 우르자이트(wurtzite) 구조에서는 c축과 a축의 비가 1.633인데 반해, AlN은 격자상수가 a = 0.31127nm, c = 0.49816nm로서 c/a 비가 약간 변이된 우르자이트(wurtzite) 구조를 갖는다.

이러한 질화알루미늄(AlN)은 알루미나(Al₂O₃)보다 10배 이상 높은 열전도성(319W/m·K)과 우수한 전기절연성(9×10¹³Ω·㎝) 특성, 그리고 실리콘(Si)과 비슷한 열팽창계수(4×10^-6), 우수한 기계적강도(430MPa)를 갖는다.

높은 열전도도를 가지는 AlN 세라믹스는 반도체 제조공정의 CVD(Chemical Vapro Deposition) 장치에서 웨이퍼를 가열하는 히터용 소재로 널리 사용되고 있다. AlN 소재의 높은 열전도도는 웨이퍼의 온도분포를 균일하게 하고, 급가열 급냉각시 히터의 파손을 막는 역할을 한다. 그러나, 열전도도 이외에 AlN 히터를 고온에서 응용하기 위하여 더욱 중요하게 취급되고 있는 요소는 충분한 전기적 절연성을 가져야 한다는 것이다. 일반적으로 AlN 히터 내부에는 열을 발생하는 Mo 소재의 금속선이 매설되고 있고, 절연성을 가지는 AlN 세라믹스를 사이에 두고 전기적 접지 역할을 하는 금속 메쉬(mesh)가 매설되어 있다. 통상 AlN 세라믹스는 Y₂O₃를 소결조제로 사용하고 고온가압소결(hot pressing) 방법으로 제조되고 있다. 이렇게 고온가압소결법으로 제조된 AlN 히터는 300~700℃의 온도구간에서 사용되는데, 발열체와 금속 메쉬 사이의 절연체의 비저항이 10⁸ ohm-cm 이상이 될 것을 요구하고 있다.

AlN은 상온에서 우수한 절연체로 알려져 있지만 비저항을 제어하거나 향상시키는 방법에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. AlN 상용분말은 탄소열환원(carbothermal reduction) 법으로 제조되는데, 약 1 wt% 정도의 산소를 포함하고 있다. 소결조제로 Y₂O₃를 첨가하게 되면, AlN의 산소 즉 산화물과 Y₂O₃가 소결과정 중에 반응하여 Al₂O₃-Y₂O₃ 화합물을 생성한다. 특히, 소결과정에서 입자성장이 일어나며, AlN 입자 내부에 있는 산소 또한 화합물 생성반응에 참가하여 AlN 입자 내의 산소가 제거되고 일부분의 산소는 아래와 같은 이온 보상(ionic compensation) 반응을 통하여 AlN 입자 내에 고용되는 것으로 알려져 있다.

[반응식 1]

여기서, 생성된 Al 자리의 공극(vacancy)이 AlN 세라믹의 주전하 전달자로 추정되고 있으나, 이외에도 전자 보상(electronic compensation)에 의하여 전자도 생성될 것으로 추정되고 있다.

대한민국 특허등록번호 제10-1516990호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온 비저항이 개선되어 히터용 소재로 적용하기에 유리한 AlN 소결체를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명은, (a) AlN 분말, 소결조제, 용매 및 볼을 비드밀에 장입하고 비드밀링하여 슬러리를 형성하는 단계와, (b) 상기 슬러리를 건조하는 단계 및 (c) 상기 건조에 의해 형성된 분말을 몰드에 장입하고 비활성 가스 분위기에서 가압 소결하거나 방전플라즈마 소결하는 단계를 포함하며, 상기 가압 소결 또는 상기 방전플라즈마 소결은 1450℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법을 제공한다.

상기 소결조제는 Y₂O₃를 포함할 수 있다.

상기 (a) 단계에서, 상기 소결조제는 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 1∼10중량부 장입하는 것이 바람직하다.

상기 용매는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 포함할 수 있다.

상기 용매는 헥산(hexane)을 포함할 수 있다.

상기 용매로 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 헥산(hexane)을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 (a) 단계에서, 상기 AlN 분말과 상기 소결조제는 상기 볼 100중량부에 대하여 10∼30중량부 장입하고, 상기 비드밀링은 4회 미만으로 순환시키는 것이 바람직하다.

상기 소결은 1380∼1430℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 소결하는 동안에 10∼80MPa의 압력을 인가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 비저항이 개선되어 히터용 소재로 적용하기에 유리한 AlN 소결체를 제조할 수 있다.

도 1은 용매로 각각 이소프로필 알코올(IPA)과 헥산을 사용한 경우로서 테프론 용기와 알루미나 볼을 이용하여 볼밀링 한 후 밀링시간에 따른 산소함량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 비드밀링을 사용한 경우 밀링시간 및 사용한 볼의 양에 따른 입자크기와 산소함량의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 비드밀링한 원료의 형태를 보여주는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 비드밀링을 이용하여 고에너지 밀링에 의해 준비된 AlN 분말의 입자크기 분포를 보여주는 도면이다.
도 5a는 비드밀링을 8회 통과한 원료를 사용하여 1650℃ 1시간 고온가압소결한 시험편의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 비드밀링을 15회 통과한 원료를 사용하여 1650℃ 1시간 고온가압소결한 시험편의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 비드밀의 밀링에 사용하는 볼의 양을 400g, 분말의 양을 50g으로 하였을 때 비드밀링 횟수에 따라 원료를 제조하고 1400℃, 60 MPa에서 10분간 방전플라즈마 소결한 후 시험편의 결정상 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7a는 비드밀의 밀링에 사용하는 볼의 양을 400g, 분말의 양을 50g으로 하였을 때 비드밀링 횟수에 따라 원료를 제조하고 1400℃, 60 MPa에서 10분간 방전플라즈마 소결한 후 시험편의 열전도도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7b는 비드밀의 밀링에 사용하는 볼의 양을 400g, 분말의 양을 50g으로 하였을 때 비드밀링 횟수에 따라 원료를 제조하고 1400℃, 60 MPa에서 10분간 방전플라즈마 소결한 후 시험편의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 Y₂O₃가 동일하게 5wt% 포함된 조성에서 소결온도에 따른 비저항의 변화를 보여주는 그래프이다.

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 발명의 바람직한 실시예에 따른 AlN 소결체의 제조방법은, (a) AlN 분말, 소결조제, 용매 및 볼을 비드밀에 장입하고 비드밀링하여 슬러리를 형성하는 단계와, (b) 상기 슬러리를 건조하는 단계 및 (c) 상기 건조에 의해 형성된 분말을 몰드에 장입하고 비활성 가스 분위기에서 가압 소결하거나 방전플라즈마 소결하는 단계를 포함하며, 상기 가압 소결 또는 상기 방전플라즈마 소결은 1450℃보다 낮은 온도에서 수행한다.

상기 소결조제는 Y₂O₃를 포함할 수 있다.

상기 용매는 헥산(hexane)을 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AlN 소결체의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

AlN의 결정구조는 Al 또는 N을 중심으로 한 사면체가 기본구조가 된다. 이러한 사면체가 상호 교차하여 헥사고날 우르자이트(hexagonal wurtzite) 구조를 가지고 있으며, 원자간 결합은 공유결합으로 이루어져 있다. 이상적인 우르자이트(wurtzite) 구조에서는 c축과 a축의 비가 1.633인데 반해, AlN은 격자상수가 a = 0.31127nm, c = 0.49816nm로서 c/a 비가 약간 변이된 우르자이트(wurtzite) 구조를 갖는다.

AlN은 강한 공유결합의 특성으로 소결이 어렵고 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 2000℃ 이상 고온의 가압소결이 요구되고, 분위기 제어 없이 소결하게 되면 1000℃ 이상의 고온에서 산화되는 성질을 지니고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 AlN 출발원료의 미립화와 알칼리토류 금속 산화물이나 희토류 금속 산화물을 소결조제 첨가를 통하여 상대적으로 저온에서 치밀한 소결체를 얻게 된다.

AlN 분말 크기, 소결 조제와 함께 AlN 분말 제조방법에 따라 소결성 및 열적특성에 차이를 나타낸다. AlN 분말의 제조 방법은 알루미나(Alumina)를 카본과 고온, 고압의 질소분위기에서 AlN을 제조하는 환원질화법, Al과 N₂을 직접 반응시켜 제조하는 직접질화법, 그리고 기상반응법으로 분류된다. 환원질화법은 입경이 균질하고 고순도의 미립자 생성이 용이하다는 장점이 있고, 직접질화법은 환원질화법에 비해 제조법이 간단하여 비교적 저가로 제조가 가능하다. 직접질화법으로 제조한 분말은 불순물이 많고 산소함유량이 많아 열전도도 특성이 저하되는 단점이 있었으나, 용존산소량을 제어하는 기술이 개발됨에 따라 현재는 입자의 크기나 형상의 조정이 용이하고 불순물의 첨가 등 인위적인 조정이 가능하여 소정의 열전도도를 가지면서 강도 향상 등 소결체의 특성 조절이 용이하다는 장점이 있어 최근 자동차용 방열 기판으로 사용이 점점 늘어나고 있다. 그러나, AlN은 소결시 2000℃ 이상의 고온이 필요하며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 소결조제의 첨가이다.

AlN은 앞서 언급했듯이 뛰어난 특성을 가지고 있지만 강한 공유결합의 특성으로 소결이 어렵고 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 2000℃ 이상 고온의 가압소결이 요구되고, 분위기 제어 없이 소결하게 되면 1000℃ 이상의 고온에서 산화되는 성질을 지니고 있다. 따라서 일반적으로 사용하고 있는 Al₂O₃ 기판 대비 생산 비용이 문제가 된다.

소결의 문제점을 보완하기 위하여 AlN에 알칼리토류 금속 산화물이나 희토류 금속 산화물을 소결조제로 첨가를 통하여 상대적으로 저온에서 치밀한 소결체를 얻게 된다. 하지만 여전히 고온의 소결온도가 필요한데 대표적인 소결 조제로 Y₂O₃를 첨가하였을 때에도 1800℃ 이상의 온도이다.

본 발명은 1450℃ 보다 낮은 온도에서 소결하여 고온 비저항이 개선되는 AlN 소결체의 제조방법을 제시한다.

AlN 분말, 소결조제, 용매 및 볼을 비드밀에 장입하고 비드밀링하여 슬러리를 형성한다.

상기 AlN 분말은 100㎚∼20㎛, 더욱 구체적으로는 500㎚∼10㎛ 정도의 입경을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 소결조제는 Y₂O₃를 포함할 수 있다. 상기 소결조제는 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 1∼10중량부 장입하는 것이 바람직하다. 상기 소결조제는 100㎚∼20㎛, 더욱 구체적으로는 500㎚∼10㎛ 정도의 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 용매는 헥산(hexane)을 포함할 수 있다.

상기 용매로 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 헥산(hexane)을 혼합하여 사용할 수도 있다.

상기 AlN 분말과 상기 소결조제는 상기 볼 100중량부에 대하여 10∼30중량부 장입하고, 상기 비드밀링은 4회 미만(1∼3회)으로 순환시키는 것이 바람직하다.

상기 비드밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜∼30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 회전수는 50∼1000rpm 정도의 범위로 설정하며, 밀링은 10분∼48 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

상기 슬러리를 건조한다. 상기 건조을 통해 용매 성분을 증발시켜 분말을 형성한다. 상기 건조는 80∼150℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 건조에 의해 형성된 분말을 몰드에 장입하고 비활성 가스 분위기에서 가압 소결하거나 방전플라즈마 소결한다.

상기 가압 소결 또는 상기 방전플라즈마 소결은 1450℃보다 낮은 온도에서 수행한다. 상기 소결은 고온 비저항을 개선하기 위하여 1380∼1430℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결하는 동안에 10∼80MPa의 압력을 인가하는 것이 바람직하다.

이하에서, 소결 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.

건조에 의해 형성된 분말이 담긴 몰드를 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입한다.

비활성 가스 분위기에서 상기 퍼니스 내의 온도를 상기 소결 온도로 승온하고 상기 소결 온도에서 소결한다. 상기 소결은 1450℃보다 낮은 온도, 바람직하게는 1380∼1430℃℃ 정도의 온도에서 5분∼12시간, 바람직하게는 10분∼12시간, 더욱 바람직하게는 20분∼6시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 소결하는 동안에 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1380℃ 미만인 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 1430℃를 초과하는 경우에는 에너지의 소모가 많아 비경제적일 뿐만 아니라 과도한 입자성장을 가져와 소결체의 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고 고온 비저항 특성이 좋지않을 수 있다. 상기 소결 온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 상기 소결하는 동안에 10∼80MPa의 압력을 인가하는 것이 바람직하다.

상기 소결은 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 비활성 가스 분위기는 아르곤(Ar), 헬륨(He)과 같은 불활성 가스나 질소(N₂) 가스 분위기를 의미한다.

소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시켜 AlN 소결체를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 실험에서는 입자의 분쇄 혹은 해쇄에 효과적인 것으로 알려진 비드밀(bead mill)을 이용하여 AlN 원료 분말을 고에너지 밀링하고 입자크기 변화와 산소함량의 증가에 대하여 조사하였다. 또한, 고온가압소결 혹은 방전프라즈마소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 온도를 달리하여 소결하였을 때, 상 생성의 변화를 관찰하고 소결온도에 따른 절연성의 변화를 조사하였다.

출발원료로는 산소 함유량이 0.9 wt%, 평균입경이 약 1.3 ㎛인 상용 AlN 분말(grade E, Tokuyama Soda Co., Japan)을 사용하였고, 소결조제로 Y₂O₃(grade C, H.C. Starck, Germany)를 5 wt% 첨가하였다.

먼저, 통상의 볼밀링에 따른 산소 함량의 변화를 평가하기 위하여 상기의 원료를 무수 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 혹은 헥산(hexane)을 용매로 500 cc 테프론 용기에 AlN 분말 100g, 알루미나 볼 500g을 넣어 1시간 혹은 24시간 볼밀링을 진행하였다. 혼합이 완료된 AlN 슬러리를 마그네틱 바를 이용하여 침강(sedimentation)되지 않도록 교반시키면서 건조하였고, 이후 80℃ 오븐에서 20시간 동안 건조하였다. 건조가 끝난 볼밀링 AlN 분말의 산소 함량을 N/O 분석기(EMGA920, Horiba, Japan)를 이용하여 측정하였다.

한편, 비드밀에서의 고에너지 밀링 공정(이하, 비드밀링)의 경우, 지르코니아 볼 200 ~ 400g을 원료 50g과 함께 용매인 무수 이소프로필 알코올(IPA) 200g에 넣고, 터뷸러 믹서(turbular mixer)를 사용하여 50 rpm으로 2시간 동안 혼합하여 AlN 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 수직타입의 비드밀(bead mill, UAM-015, Kotobuki, Japan)을 사용하여 고에너지 비드밀링을 진행하였다. 비드밀링은 주속 10 m/s의 조건으로 회전하는 비드밀에서 120 ㎖/min의 토출량을 가지고, 최대 15회(pass) 순환하는 방법으로 진행하였다. 비드밀을 통과시킨 횟수가 증가하면 밀링시간이 길어진 것에 해당한다. 입도분석기(LA950V2, Horiba, Japan)를 이용하여 비드밀링 전후 입자크기 분포를 분석하였다. 비드밀링된 슬러리를 산화를 막기 위하여 80℃의 진공오븐에서 10시간 동안 건조시켰다.

밀링된 AlN 분말을 가압소결 하는 경우, 건조된 분말을 체가름하고 체가름을 마친 분말을 직경 40 mm인 흑연 몰드에 장입하고, 질소 분위기에서 소결온도까지 승온시킨 다음, 1 시간 동안 20 MPa의 압력으로 유지하여 소결한 후, 상온까지 로냉하여 AlN 소결체를 수득하였다.

방전플라즈마소결(spark plasma sintering, SPS)법을 사용하는 경우, 건조된 분말을 체가름하고 체가름을 마친 분말을 직경 20 mm인 흑연 몰드에 장입하고, 질소 분위기에서 승온속도 100℃/min로 승온하고, 1400℃에서 60 MPa의 압력으로 10분간 소결한 후, 상온까지 로냉하여 AlN 소결체를 수득하였다.

소결된 시편(소결체)의 결정상을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절분석기(D/max-2500/PC, Rigaku, Japan)를 사용하였다. 소결체의 파단면 미세구조를 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-9701, JEOL, Japan)으로 관찰하였다. 또한, 소결체 시험편의 열전도도를 측정하기 위하여 레이져 플래시법(LFA427, Netzsch, Germany)을 사용하였다. 측정하고자 하는 시험편은 절연체에 가까울 정도로 고저항이기 때문에 시편의 표면을 따라 흐르는 표면전류를 제거하기 위해서 guarded electrode법을 사용하여 DC 비저항을 측정하였다. 측정을 위해 시험편 위에 스퍼터링 방법으로 백금전극을 코팅을 한 후, 500 V/mm 전계를 가하면서 200℃~500℃ 온도 범위에서 DC 비저항을 측정하였다. 이때, 전압을 인가한 후 60초 이후의 전류를 읽어 비저항을 계산하였다.

일반적인 AlN 원료 제조공정에는 이소프로필 알코올(IPA)와 같은 알코올계가 사용된다. 먼저, 이소프로필 알코올(IPA)을 사용하고, 테프론 용기와 알루미나 볼을 이용하여 볼밀링 한 후, 밀링시간에 따른 AlN 분말의 산소함량을 측정하여 도 1에 나타내었다

도 1을 참조하면, 1시간 밀링한 경우 산소 함량은 1.1 wt%, 24시간 밀링 후에는 1.9 wt%를 나타내었다. 이는 초기 AlN 원료 분말의 산소함량 0.9 wt%를 크게 넘어서는 양으로 이소프로필 알코올(IPA) 내에 용해되어 있는 수분이 분말의 산화에 영향을 준 것으로 판단되었다. 이는 IPA가 물과 완전히 상호 용해되기 때문에 공기 중의 수분이 밀링 공정 중에 IPA에 용해되었을 수도 있고, IPA 제조공정상에 이미 수분이 포함되어 있을 수도 있기 때문이다.

수분의 용해도가 거의 없는 대표적인 유기 용매인 헥산(hexane)을 사용하여 동일한 조건에서 밀링을 하고 AlN 분말의 산소함량을 측정하여 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 1시간 밀링한 경우 산소함량은 0.97 wt%, 24시간 밀링은 1.04 wt%를 나타내어 산소함량의 증가를 거의 관찰할 수 없었다. 헥산 내의 수분의 용해도는 약 0.01 % 정도로 알려져 있어 수분과 AlN 분말의 반응이 크게 억제된 것으로 생각할 수 있다. 오히려 0.1 wt% 수준의 산소함량 증가는 80도 진공 건조과정중에 발생하였을 가능성이 있다. 이와 같이 헥산은 분말의 산소함량의 증가를 억제하는 것으로 확인되었으나, 밀링 공정 중에 폭발의 위험성이 있고, 밀링이 끝난 후 슬러리 내에서 분말 입자의 급격한 침강(sedimentation)이 일어나는 것이 관찰되었다. 침강이 수 초 내에 급격히 일어나 분산성이 떨어지는 것이 확인되었다. 따라서, 헥산을 실용적인 측면에서 이소프로필 알코올과 혼합하여 사용하는 등의 방법으로 AlN 원료 제조공정에 적용하는 것이 바람직해 보인다.

도 2는 비드밀링을 사용한 경우 밀링시간 및 사용한 볼의 양에 따른 입자크기와 산소함량의 변화를 보여주고 있다.

도 2를 참조하면, 밀링시간은 AlN 원료 슬러리를 비드밀에서 순환된 횟수(pass)와 비례한다. 밀링시간이 길수록, 볼의 양이 많을수록 얻어지는 입자의 크기는 감소하고 반대로 산소의 함량이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

도 3a 및 도 3b는 비드밀링한 원료의 형태를 보여주는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진으로서, 도 3a는 8회(8 passes) 비드밀을 통과한 경우이고, 도 3b는 15회(15 passes) 비드밀을 통과한 경우이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 8회 비드밀을 통과한 경우와 15회 통과한 경우를 비교하여 보면, 원료를 구성하는 기본입자의 크기가 크게 변화하지 않는 것으로 보아 도 2에서 보이는 비드밀에 의한 입자크기 감소는 입자의 응집이 줄어들어 발생한 것으로 해석할 수 있었다. 이러한 결과는 입도분석을 실시한 결과에서도 분명히 나타났다(도 4 참조). 각각의 경우 기본입자의 크기가 크게 변화하지 않았음에도 불구하고 8회 통과한 슬러리의 입도분포가 상대적으로 수 ㎛ 이상의 크기까지 넓게 분포하고 있음을 볼 수 있다.

비드밀링을 8회 통과한 원료를 사용하여 1650℃ 1시간 고온가압소결한 시험편의 미세구조를 도 5a에 나타내었고, 비드밀링을 15회 통과한 원료를 사용하여 1650℃ 1시간 고온가압소결한 시험편의 미세구조를 도 5b에 나타내었다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 두 경우 모두 입자의 크기는 크게 차이가 나지 않았는데, 이는 도 3a 및 도 3b에서 보았듯이 기본입자의 크기 자체가 비드밀의 횟수와 크게 연관이 없기 때문으로 보인다. 한편, 비드밀링의 횟수가 8번인 것과 비교하여 15번인 것의 밀도는 99% 이상으로 유사하나 기공의 크기가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 비드밀링의 횟수가 증가할수록 분말의 응집이 줄어들기 때문으로 추정할 수 있다.

도 6은 비드밀의 밀링에 사용하는 볼의 양을 400g, 분말의 양을 50g으로 하였을 때 비드밀링 횟수에 따라 원료를 제조하고 1400℃, 60 MPa에서 10분간 방전플라즈마 소결한 후 시험편의 결정상 변화를 보여주고 있다.

도 6을 참조하면, 비드밀링을 사용하지 않고 일반적인 볼밀을 사용한 경우 기존의 연구결과와 유사하게 2차상으로 Y₄Al₂O₉가 나타났고 미반응 Y₂O₃에 기인한 회절 피크가 관찰되었다. 이는 방전 플라즈마 소결이 1400℃라는 상대적으로 낮은 온도에서 일어나고 소결시간이 10분으로 매우 짧고 입자 사이의 혼합이 충분하지 않아 미반응 Y₂O₃가 남게 된 것으로 볼 수 있다. 비드밀링을 1회라도 통과하면 미반응 Y₂O₃는 완전히 사라지고 AlN 이외의 주결정상으로 Y₄Al₂O₉와 YAlO₃가 관찰되었다. 비드밀링의 횟수가 2, 3회로 증가할수록 YAlO₃의 피크 강도가 낮아지고 Y₃Al₅O₁₂의 회절피크 강도가 점차 강해지는 것이 관찰되었다. 이는 일반적으로 산소를 포함하고 있는 AlN 분말을 사용할 경우 Y₂O₃의 함량이 점차로 낮아질 때 나타나는 결정상의 변화와 유사하다. 즉 밀링시간이 증가할수록 AlN의 산화가 많이 일어나고 결정상 반응에 참가하는 Al₂O₃의 함량이 증가하는 것으로 생각할 수 있다.

한편, 고에너지 비드밀링의 횟수가 증가할수록 ZrN의 결정상이 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 비드밀링의 밀링미디어로 사용되는 지르코니아볼이 마모되어 원료에 불순물로 혼입되고 AlN과 반응하여 아래의 반응식 2와 같이 ZrO₂가 ZrN으로 상변화가 일어난 것으로 볼 수 있다.

[반응식 2]

3ZrO₂ + 4AlN → 3ZrN + 2Al₂O₃ + 0.5N₂

위 반응을 통해 ZrO₂에서 나온 산소는 Al₂O₃의 형태로 Y₂O₃와 결합하여 화합물을 만들거나 AlN 입자 내로 용해된 것으로 생각할 수 있다. 이와 유사한 반응이 질화규소에서도 관찰된 적이 있으며, 이때 산화물의 질화반응은 질소분압에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 한편, 이러한 결과는 고에너지 비드밀링에서 입자크기만을 우선적으로 공정조건을 선택하기 어렵다는 점을 의미한다. 고에너지 밀링의 경우 도 2에서 보인 바와 같이 분말의 산소함량 증가를 가져올 뿐만 아니라 밀링미디어로 사용한 ZrO₂ 마모 또한 고려하여야 하기 때문이다. 분산에 관한 조건이 개선되어 헥산을 용매로 사용할 수 있어 산소함량의 증가가 억제 가능하다 하여도 ZrO₂ 마모를 피할 수는 없기 때문이다. 도 3a 및 도 3b에서 보이듯이 기본입자의 크기를 근본적으로 줄이기 어렵다면 입자의 응집체를 제거하는 정도로만 밀링을 진행하는 것이 타당하다고 판단된다.

도 7a는 이렇게 소결한 시험편의 열전도도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7b는 비드밀링을 3회 통과하고 도 6에서와 동일한 조건으로 소결한 시험편의 미세구조를 나타낸 도면이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 열전도도는 밀링횟수가 3회일 때 가장 높았으며 4회부터는 낮아지기 시작하였다. 일반적인 1750℃ 이상의 고온 소결에서는 Y₄Al₂O₉이 생성될 때 열전도도가 높고 Y₃Al₅O₁₂가 생성되면 열전도도가 낮아진다. 이는 Al₂O₃와 Y₂O₃의 화합물 결정상의 생성이 AlN 입자 내의 원자결함의 원인이 되는 Al₂O₃의 용해도, 즉 산소를 제어하기 때문이다. Y₂O₃의 첨가량이 높아 Y₄Al₂O₉ 2차상이 생기는 경우 Al₂O₃의 활동도가 낮아져 AlN 입자 내 평형 산소함량이 줄어드는 것으로 설명되고 있다. 그러나 본 실험에서처럼 1400℃ 방전플라즈마소결(SPS)한 경우 이러한 해석을 적용하기 어렵다고 판단된다. 왜냐하면, 도 7b에서 보이듯이 방전플라즈마소결(SPS)을 통하여 입자성장이 거의 일어나지 않았고 따라서 용해 재석출로 일어나는 AlN 입자 내부의 산소함량 저감이 거의 일어나지 않았을 것으로 보이기 때문이다. 실제 입자크기를 1650℃ 1시간 소결한 결과인 도 4와 비교하여도 입자크기의 차이가 거의 없다. 이는 열전도도의 절대값이 기존의 고온 소결체와 비교하여 상대적으로 낮은 40 ~ 60 W/mK에 불과한 원인으로 보인다.

도 8은 Y₂O₃가 동일하게 5wt% 포함된 조성에서 소결온도에 따른 비저항의 변화를 보여주고 있다. 1750℃에서 고온가압소결한 경우 일반적인 볼밀을 적용하였고, 1650℃ 고온 가압소결, 1400℃ 방전플라즈마소결(SPS)법을 택한 경우 비드밀링으로 밀링한 원료를 사용하였다. 소결온도가 1750℃에서 1400℃로 낮아짐에 따라 고온 비저항이 약 100배 증가하는 것이 관찰되었다. 이전 연구에 따르면 소결온도에 따라 AlN 입자 내의 산소의 고용이 이온 보상(ionic compensation)뿐만 아니라 전자 보상(electronic compensation) 기구도 일부 일어나며, 전자 보상(electronic compensation)의 비가 소결온도가 낮아짐에 따라 감소하여 DC 비저항이 증가할 수 있다는 가능성이 제시되었다. 그러나 이와 같은 모델을 본 실험의 방전플라즈마소결(SPS) 처럼 입자성장이 거의 일어나지 않아 소결체 내부가 평형상태에 도달하지 않은 경우에도 적용할 수 있을지는 확실하지 않은 상태이다. 특히, 도 4와 도 6을 비교하면 소결온도가 250℃ 차이가 남에도 불구하고 입자크기가 거의 차이가 나지 않은 것을 보면 더욱 그러하다. 따라서, 입계의 효과 등 다른 기구의 검토가 필요하며, 이와 관련된 소결온도가 전기적특성에 미치는 기구에 대한 연구가 향후 추가로 진행되어야 할 것으로 보인다.

본 실험에서 보인 AlN 소재의 비저항이 소결온도에 크게 의존한다는 것은 반도체 공정, 특히 CVD 공정에 널리 사용되는 AlN 히터의 성능개선에 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 통상적인 히터의 사용온도는 AlN 소재의 비저항에 의존한다. 비저항이 10⁸ ohm-cm를 하회하는 경우 누설전류 과다로 사용이 불가능하기 때문이다. 이럴 경우 본 실험 결과에서처럼 소결온도를 낮추는 것이 중요한데, 일반적인 볼밀을 적용하는 경우 저온 소결이 불가능하고 적절한 원료처리를 통하여 입자의 응집체를 제거하는 것이 필요하다고 판단된다. 다만, 이 경우 산소의 증가가 우려되지만 고온 소결과 달리 저온 소결의 경우 입자성장이 거의 일어나지 않기 때문에 오히려 소결온도 저감의 효과가 큰 것으로 보인다.

앞서 살펴본 바와 같이 일반적인 볼밀링과 비드밀을 이용한 고에너지 밀링 등 서로 다른 밀링방법으로 제조한 AlN 분말에 대하여 고온가압소결, 방전플라즈마 소결로 소결방법을 달리하여 소결공정을 진행하고 소결체의 특성을 평가하였다. 일반적으로 AlN 원료의 분산용매로 사용되는 이소프로필 알코올(IPA)을 용매로 사용한 경우 밀링시간에 따라 산소함량이 급격히 증가하였다. 헥산을 용매로 사용한 경우 산소함량의 증가를 억제할 수 있었으나, 볼밀링 후 용매 내 AlN 입자의 침강이 급속히 진행되는 문제점이 발견되었다. 비드밀링의 횟수가 증가함에 따라 입자크기를 측정한 결과, AlN의 1차 입자의 크기는 크게 변화하지 않으나, 분말의 응집은 줄어든 것으로 나타났고, 산소함량 또한 증가하였다. AlN 분말의 비드밀링 횟수가 증가할수록 소결 후 결정상의 종류가 Al₂O₃가 많이 포함된 상으로 생성되는 것이 관찰되었다. 다양한 밀링방법을 적용한 AlN 분말을 소결한 결과, 소결온도가 1750℃에서 1400℃로 낮아짐에 따라 고온 비저항이 약 100배 정도 증가하는 것이 관찰되었다. 이러한 결과로부터 적절한 밀링공정이 도입되는 경우 저온에서 소결할수록 비저항이 높아지고, AlN의 대표적인 응용처인 히터에 적용하기 유리할 것으로 판단되었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

(a) AlN 분말, 소결조제, 용매 및 볼을 비드밀에 장입하고 비드밀링하여 슬러리를 형성하는 단계;
(b) 상기 슬러리를 건조하는 단계; 및
(c) 상기 건조에 의해 형성된 분말을 몰드에 장입하고 비활성 가스 분위기에서 가압 소결하거나 방전플라즈마 소결하는 단계를 포함하며,
상기 용매는 헥산(hexane)을 포함하고,
상기 (a) 단계에서,
상기 소결조제는 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 1∼10중량부 장입하고,
상기 (a) 단계에서 상기 AlN 분말과 상기 소결조제는 상기 볼 100중량부에 대하여 10∼30중량부 장입하며,
상기 비드밀링은 4회 미만으로 순환시키고,
상기 가압 소결 또는 상기 방전플라즈마 소결은 1450℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 소결조제는 Y₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법.
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제1항에 있어서, 상기 용매로 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 헥산(hexane)을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법.
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제1항에 있어서, 상기 소결은 1380∼1430℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 소결하는 동안에 10∼80MPa의 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 AlN 소결체의 제조방법.