KR102026277B1 - 질화알루미늄 판재의 제조방법 - Google Patents

질화알루미늄 판재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 질화알루미늄 분말 91 내지 98 중량%, Y2O3 1 내지 8 중량%, 및 TiO2 0.1 내지 1 중량%를 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 혼합물에 알루미나볼 및 용제를 넣고 습식볼밀을 수행한 후, 건조하여 질화알루미늄 혼합 분말을 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 질화알루미늄 혼합 분말 1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 3 중량부, 바인더 1 내지 3 중량부, 가소제 0.1 내지 1.5 중량부, 및 용제 0.1 내지 3 중량부를 혼합하여 질화알루미늄 슬러리를 제조하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 스프레이 및 건조하여 과립분말을 제조하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 제조된 과립분말을 냉간정수압가공(CIP)에 의해 판재로 성형하는 단계; (f) 상기 (e)단계에서 제조된 판재에 대하여 탈지공정을 수행하는 단계; 및 (g) 상기 탈지공정이 완료된 판재를 소결하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 판재의 제조방법을 제공한다.

Description

질화알루미늄 판재의 제조방법{Manufacturing method of aluminum nitride plate}
본 발명은 반도체 제조 장치 부품, 금속박막접착 질화알루미늄기판, LED용 방열기판, 고출력 Si 장치용 방열판, 화합물반도체용 기판, 레이저소자용 기판, 하이브리드자동차 전원제어용 기판 등에 이용되는 질화알루미늄 판재의 제조방법에 관한 것이다.
질화알루미늄(AIN)은 열전도도 및 전기절연성이 알루미나보다 우수하다. 또한, 상기 질화알루미늄은 열팽창계수가 Si 웨이퍼와 비슷하며, 기계적 강도가 우수하여, 방열기판이나 반도체 제조 장치용 부품 등에 사용되고 있다.
구체적으로 상기 반도체장치용 질화알루미늄 부품, 금속박막접착 질화알루미늄기판, LED용 방열기판, 고출력 Si 장치용 방열판, 화합물반도체용 기판, 레이저소자용 기판, 하이브리드자동차 전원제어용 기판 등에 이용되고 있다.
특히, 상기 질화알루미늄은, 반도체 제조 장치용 부품에 이용될 때, 열전도성과 열팽창성 및 내플라즈마성이 우수하여 히터, 정전척(Electrostatic Chuck), 세라믹 챔버 부품 등에 사용되고 있다. 또한, 200W/m·K 이상의 열전도 질화알루미늄은 레이저 다이오드나 백색 LED용 방열판으로서도 활발히 사용되고 있다.
한편, 반도체 제조공정 중 TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 공정은 차세대 반도체 제조 기술로 각광받고 있다. 상기 TSV 공정에서 여러 개의 칩을 적층할 때는 반도체 제조 방치용 히터 위에 여러 개의 웨이퍼 칩을 올린 후 열을 가하면서 균일하게 본딩 공정을 수행한다.
TSV 공정에서 웨이퍼 칩의 균일한 본딩을 위해서는 히터에서 발생하는 열을 웨이퍼에 빨리 전달시키는 것이 요구된다. 그러나 기존에 히터의 상부면에 사용되고 있는 Al2O3 세라믹 판재는 내화학성은 양호하나 25W/mk의 낮은 열전도도 특성을 가지므로 칩 또는 웨이퍼의 균일한 본딩에는 적합하지 못한 단점이 있었다.
그러므로, 상기와 같은 단점을 갖는 Al2O3 판재를 대체하여 내화학성도 양호하고 100W/mk 이상의 높은 열전도도를 갖는 질화알루미늄 세라믹을 사용하는 질화알루미늄 판재가 사용되고 있다.
질화알루미늄 세라믹은 기본적으로 비산화물이기 때문에 일반 산화 분위기의 소결이 아닌 진공 및 N2, Ar 가스를 사용한 분위기 소결을 해야하며, 강한 공유결합 때문에 소결하기 어려운 대표적인 난소결성 세라믹이다. 따라서, 종래의 질화알루미늄 판재는 주로 성형과 소결을 동시에 진행하는 열간가압소결 방식의 HOT PRESS 소결 방법에 의해 제작되고 있다.
그러나, 상기와 같은 HOT PRESS 소결에 의한 질화알루미늄 판재의 제조방법은 소결 1회에 판재를 1장 밖에 제조할 수 없어서 생산성이 매우 낮은 단점을 갖는다.
한편, 차세대 반도체 기술로 인정되고 있는 TSV 공정은 이 분야에서 폭넓게 실시되고 있다. 또한, TSV 장비 1대는 질화알루미늄 판재 8장을 사용하므로, 이 분야에 운용되고 있는 수십, 수백 대의 장비에 요구되는 질화알루미늄 판재의 양은 상당한 것으로 파악되고 있다.
그러므로, 상기와 같은 질화알루미늄 판재의 수요를 충족시키기 위해서는 높은 생산성을 갖는 질화알루미늄 판재의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1346817호
본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 예의 노력한 바, 질화알루미늄 판재의 제조에 상압소결 방식을 적용하여 1회에 5~6장 이상의 질화알루미늄 판재를 소결할 수 있는 방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
그러므로, 본 발명은 고품질의 질화알루미늄 판재를 매우 우수한 생산효율로 제조할 수 있는 질화알루미늄 판재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 반도체 TSV 공정용 300m급 이상의 대면적 질화알루미늄 판재를 고품질 및 우수한 생산효율로 제조할 수 있는 질화알루미늄 판재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여,
(a) 질화알루미늄 분말 91 내지 98 중량%, Y2O3 1 내지 8 중량%, 및 TiO2 0.1 내지 1 중량%를 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 제조된 혼합물에 알루미나볼 및 용제를 넣고 습식볼밀을 수행한 후, 건조하여 질화알루미늄 혼합 분말을 제조하는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 질화알루미늄 혼합 분말 1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 3 중량부, 바인더 1 내지 3 중량부, 가소제 0.1 내지 1.5 중량부, 및 용제 0.1 내지 3 중량부를 혼합하여 질화알루미늄 슬러리를 제조하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 스프레이 및 건조하여 과립분말을 제조하는 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 제조된 과립분말을 냉간정수압가공(CIP)에 의해 판재로 성형하는 단계;
(f) 상기 (e)단계에서 제조된 판재에 대하여 탈지공정을 수행하는 단계; 및
(g) 상기 탈지공정이 완료된 판재를 소결하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 질화알루미늄 판재의 제조방법은 고품질의 질화알루미늄 판재를 매우 우수한 생산효율로 제조할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 질화알루미늄 판재의 제조방법은 반도체 TSV 공정용 300m급 이상의 대면적 질화알루미늄 판재를 고품질 및 우수한 생산효율로 제조할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 조성에 따른 질화알루미늄 판재의 제조공정을 나타내는 흐름도이고,
도 2는 질화알루미늄 판재 제조를 위한 과립분말 스프레이 드라이 공정조건과 이에 따른 결과의 미세구조 사진을 나타내며,
도 3은 냉간정수압성형시 압력별 성형테스트 결과를 나타내는 사진이고,
도 4는 탈지조건을 분석하기 위한 PVB 바인더의 열분석 결과이고,
도 5는 탈지 후 소결한 질화알루미늄의 미세구조를 나타내는 사진이고,
도 6은 소결한 시편의 곡강도를 나타내는 그래프이고
도 7는 소결한 시편의 열전도도 특성을 나타낸다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은, 도 1에 도시된 바와 같이,
(a) 질화알루미늄 분말 91 내지 98 중량%, Y2O3 1 내지 8 중량%, 및 TiO2 0.1 내지 1 중량%를 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 제조된 혼합물에 알루미나볼 및 용제를 넣고 습식볼밀을 수행한 후, 건조하여 질화알루미늄 혼합 분말을 제조하는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 질화알루미늄 혼합 분말 1 내지 5 중량%, 분산제 0.1 내지 3 중량%, 바인더 1 내지 3 중량%, 가소제 0.1 내지 1.5 중량%, 및 용제 0.1 내지 3 중량%를 혼합하여 질화알루미늄 슬러리를 제조하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 스프레이 및 건조하여 과립분말을 제조하는 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 제조된 과립분말을 냉간정수압가공(CIP)에 의해 판재로 성형하는 단계;
(f) 상기 (e)단계에서 제조된 판재에 대하여 탈지공정을 수행하는 단계; 및
(g) 상기 탈지공정이 완료된 판재를 소결하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 판재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 질화알루미늄 판재는 반도체 제조 장치 부품, 금속박막접착 질화알루미늄기판, LED용 방열기판, 고출력 Si 장치용 방열판, 화합물반도체용 기판, 레이저소자용 기판, 하이브리드자동차 전원제어용 기판 등에 사용될 수 있다. 특히, 반도체 제조 장치 부품으로 바람직하게 사용될 수 있다. 구체적으로 반도체 제조 장치인 히터 판재(플레이트)로 사용될 수 있다.
상기 질화알루미늄 판재는 예를 들어, TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 공정에서 여러 개의 칩을 적층할 때 사용되는 히터에 바람직하게 사용될 수 있다. 즉, TSV 공정은 히터 위에 여러 개의 웨이퍼 칩을 올린 후 열을 가하면서 본딩을 실시하는데, 이 때 균일한 본딩을 위해서는 히터의 열전도도가 높아야 한다. 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 질화알루미늄 판재는 100W/mk 이상의 높은 열전도도 특성을 가지며 내화학성도 양호하다. 따라서 반도체 제조 장치인 히터의 판재(플레이트)로 유용하게 사용될 수 있다.
종래의 Al2O3 세라믹은 내화학성은 양호하나 25W/mk의 낮은 열전도도 특성을 가지므로, 칩, 웨이퍼의 균일한 본딩이 이루어지지 않는 문제가 있었다. 그러므로 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 판재는 상기와 같은 종래기술의 문제를 획기적으로 해결할 수 있다.
본 발명의 제조방법 중 (a)단계 및 (B)단계에 의한 질화알루미늄 혼합 분말은 질화알루미늄 분말 91 내지 98 중량%, Y2O3 1 내지 8 중량%, 및 TiO2 0.1 내지 1 중량%를 혼합하여 제조된다.
상기에서 Y2O3는 소결밀도, 곡강도, 열전도도 등을 향상시키는 첨가제로 사용된다. TiO2는 어두운 색상의 플레이트를 선호하는 패키징업체의 요구에 부합하기 위해 사용된다. TiO2는 N2 분위기 소결에서 착색제 기능을 수행한다.
상기 (b)단계에서 용제로는 저급알코올이 바람직하게 사용되며, 특히 이소프로필알코올이 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. 질화알루미늄 분말이 비산화물 세라믹이기 때문에 수계 유기용제를 사용할 수 없다. 따라서 저급알코올을 용매로 사용한다.
상기 (b)단계에서는 20~30 시간 정도 습식볼밀을 실시한 후, 90~110℃ 오븐에서 20~30 시간 동안 건조하여 건조분말을 제조한다.
상기 (c)단계에서 질화알루미늄 슬러리는 (b)단계의 질화알루미늄 혼합 분말 1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 3 중량부, 바인더 1 내지 3 중량부, 가소제 0.1 내지 1.5 중량부, 및 용제 0.1 내지 3 중량부를 혼합하여 제조한다.
상기에서 바인더로는 PVB(polyvinylbutyral) 바인더가 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 바인더로는 PVB와 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체를 8:2 내지 6:4로 혼합한 혼합물이 사용될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112019007843411-pat00001
상기 식에서 R1, R2, 및 R3는 수소 또는 메틸기이며,
a, b 및 c는 몰분율로서 a는 0.1~0.5이며, b는 0.1~0.5이며 및 c는 0.1~0.5이며, a+b+c=1이다.
화학식 1로 표시되는 공중합체는 포스페이트기, 카테콜기 및 메톡시실란기를 포함함으로써, 강한 결합력을 제공하므로 바인더의 사용량을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
상기 화학식 1로 표시되는 공중합체는 중량평균분자량은 50,000 내지 3000,000인 것이 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 70,000 내지 150,000인 것이 사용될 수 있다.
상기에서 분산제로는 이 분야에서 공지된 성분이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 이온성 또는 비이온성 계면 활성제로서 HPC, CTAB, CTAC, TTAB, Triton X-100, HS-215, SDS, SPAN 80 등이 사용될 수 있다.
상기 용제로는 저급알코올이 바람직하게 사용되며, 특히 이소프로필알코올이 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. 질화알루미늄 분말이 비산화물 세라믹이기 때문에 수계 유기용제를 사용할 수 없다. 따라서 저급알코올을 용매로 사용한다.
상기 (c)단계 및 (d)단계는 과립분말의 제조공정이다. 본 발명에서는 분말의 유동성을 향상시키기 위하여, 시판되는 일반 파우더를 구입하여 사용하지 않고, 스프레이 드라이 공정을 통해 구형의 과립입자를 제조하여 사용한다.
상기 과립분말을 제조하기 위해서는 먼저, 질화알루미늄 분말에 분산제, 가소제, 바인더, 용제 등을 혼합하여 액상의 슬러리를 제조한다.
스프레이 드라이 공정은 액상의 슬러리를 고르게 분사시키면서 열풍으로 용제를 건조시켜서 질화알루미늄 분말, 바인더, 가소제가 응집된 구형의 과립분말을 제조한다.
상기 과립분말 제조에 영향을 미치는 주요 공정인자는 슬러리를 분사시키는 Atomizer 회전속도, 상부 건조온도, 하부 건조온도 등이 있다. 그러므로, 이러한 슬러리 조성, 스프레이 드라이 공정조건을 변화시키면서 스프레이 및 드라이 공정의 조건을 확보한다.
상기 (d)단계에서 과립분말의 제조에서 질화알루미늄 슬러리의 스프레이 및 건조에는 오토마이저(Atomizer)가 사용되며, 상기 오토마이저는 5,000 내지 10,000의 속도, 90~120℃의 상부온도, 60~80℃의 하부온도, 5~10 ml/s 의 공급속도의 조건으로 운전되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 조건에 의해, 도 2에 도시된 바와 같이, 평균직경이 60~70um인 과립분말을 얻을 수 있다.
상기 (e)단계는 냉간정수압가공(CIP) 공정이다. 즉, 상기 (d)단계에서 제조된 과립분말을 냉간정수압가공(CIP)에 의해 판재로 성형하는 단계이다. 상기 냉간정수압가공(CIP) 공정은 구체적으로 CIP 몰드에 분말을 충진 후, CIP 공정조건 확보를 위해 압력 별로 성형하여 성형체 크랙이 발생하지 않는 최소 압력을 선정하여 소결 전 탈지 공정에서의 탈 바인더 효과를 극대화하는 것이 바람직하다.
상기 냉간정수압가공(CIP)은 750 내지 1,500 bar, 더욱 바람직하게는 750 내지 850 bar의 압력하에서 수행될 수 있다. 700bar 이하에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 성형체 크랙이 발생하므로, 크랙이 발생하지 않은 상기 압력 범위에서 냉간정수압가공(CIP)이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 (f)단계는 탈지공정이다. 상기 과립분말 제조에 사용된 바인더, 가소제 등의 유기물은 소결 전에 제거를 하고 소결해야 양호한 소결체를 얻을 수 있는데 소결 전에 유기물 제거하는 공정이 탈지 공정이다. 상기 탈지 조건은 사용된 바인더의 열 분해 거동을 먼저 확인해야 최적의 조건을 선정할 수 있다.
본 발명에서 바인더로 사용되는 PVB 또는 PVB와 화학식 1의 공중합체의 혼합물에 대하여 TG 열분석을 진행한 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 약 275℃에서 분해가 시작하여 약 605℃에서 거의 분해가 되는 것으로 확인되었다.
탈지 후 성형체가 핸들링 과정에서 파손이 발생하지 않게 하기 위하여, 상기 바인더 등의 유기물 첨가량의 100% 탈지가 아닌 85% 탈지가 되는 온도를 탈지 피크온도로 선정하는 것이 바람직하다.
그러므로, 상기 탈지공정은 450~550℃를 피크 온도로 하며, 250~300℃까지는 0.5~1.5℃/min의 속도로 승온시키고, 그 이후 450~550℃까지는 0.25~0.75℃/min의 속도로 승온시키고, 450~550℃에서 60~80시간을 유지하는 조건으로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 (g)단계는 탈지공정이 완료된 판재를 소결하는 소결공정이다. 이 때, 소결은 상압 조건에서 1,820~1,900℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 온도범위 미만에서 입자성장은 7~10um 정도로 일정 수준 이루어지지만, 치밀화가 이루어지지 않아 grain과 grain간의 necking이 이루어지지 않으므로 바람직하지 않다. 반면, 상기 범위에서는 입자성장과 치밀화 모두 충분히 이루어져서 양호한 소결성이 얻어진다.
또한, 상기 소결온도 범위에서는 높은 강도 특성이 얻어지며, 상온에서 우수한 열전도도가 얻어진다.
또한, 상기 소결공정은 진공소결로를 사용하여 N2 가스분위기에서 실시될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
제조예 1: 화학식 1의 화합물의 합성
2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트(2-(Methacryloyloxy)ethyl phosphate) 단량체, 도파민 메타크릴아마이드(dopamine methacrylamide) 및 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate) 단량체를 1:1:1의 몰비로 첨가하고, 전체 단량체 100 중량부에 노르말 머캡탄 0.5 중량부를 혼합하여 균일하게 만들었다. 교반기가 부착된 스테인레스 스틸 고압 반응기에 이온교환수 130 중량부에 소량의 디소듐하이드로겐 포스페이트를 용해시키고 교반하며, 질소 등의 불활성 기체로 반응기 내부를 채우고 가열하였다. 72 ℃에서 3시간, 110℃에서 2시간을 중합하여 반응을 종결하였다. 반응이 종결된 후 세척, 탈수, 건조하여 중량평균분자량이 125,000인 화학식 1의 화합물을 얻었다.
[화학식 1]
Figure 112019007843411-pat00002
상기 식에서 R1, R2, 및 R3는 메틸기이며, a, b 및 c는 몰분율로서 1/3, 1/3 및 1/3이다.
실시예 1~3: 질화알루미늄 혼합 분말 제조
질화알루미늄 분말, Y2O3, 및 TiO2를 하기 표 1의 조성으로 혼합하고, 용기에 상기 혼합 분말, 알루미나볼, 및 이소프로필알코올을 넣고 24시간 동안 습식볼밀 후 100℃ 오븐에서 24시간 건조하여 파우더를 제조하였다.
질화알루미늄 분말 Y2O3 TiO2
실시예 1 97.7 2 0.3
실시예 2 95.7 4 0.3
실시예 3 93.7 6 0.3
(단위 중량%)
실시예 4~7: 질화알루미늄 슬러리의 제조
상기에서 제조된 실시예 1 내지 3의 질화알루미늄 혼합 분말, 분산제, PVB 바인더, 가소제 및 이소프로필알코올을 하기 표 2의 조성으로 혼합하여 질화알루미늄 슬러리를 제조하였다.
질화알루미늄 혼합
분말		 분산제 PVB 바인더 가소제 이소프로필
알코올
실시예 4 실시예 1 제조 3 1.0 1.5 0.525 0.5
실시예 5 실시예 2 제조 3 1.0 1.5 0.525 0.5
실시예 6 실시예 3 제조 3 1.0 1.5 0.525 0.5
실시예 7 실시예 2 제조 3 1.0 PVB과 화학식1 공중합체 혼합(중량비 7:3) 0.525 0.5
1.5
(단위: 중량부)
실험예 1: 질화알루미늄 과립분말 제조 공정 조건 선택
상기 실시예 5에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 사용하여, 하기 표 3의 조건에 따라 Atomizer를 사용하여 질화알루미늄 과립분말을 제조하여 바람직한 공정 조건을 선택하였다.
Atomizer 속도 상부온도 하부온도 공급속도(ml/s)
5,000 100 70 10
7,500 100 70 10
10,000 100 70 10
7,500 110 70 10
7,500 100 60 10
7,500 90 70 10
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 스프레이 드라이 공정조건은 Atomizer 속도, 상/하부 건조온도 등을 변화시켜가며 공정기술 확보를 진행했다.
상기 실험결과, 도 2로부터 확인되는 바와 같이, 일부 핀홀이 있기는 하나 60~70um 정도의 입자크기를 갖는 #4의 Atomizer 속도 7500rpm, 상부온도 110℃, 하부온도 70℃의 AlN 과립분말 공정조건을 확보하였다.
실시예 8~11: 질화알루미늄 과립분말의 제조
상기 실시예 4 내지 7에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 상기 실험예 1에서 확보된 공정 조건에 따라 오토마이저를 사용하여 질화알루미늄 과립분말을 제조하였다.
실시예 12~15: 냉간정수압가공(CIP) 및 가공조건 선정
상기 실시예 8 내지 11에서 제조된 질화알루미늄 과립분말을 사용하여 냉간정수압공정을 실시하였다.
냉간정수압공정은 1500bar부터 순차적으로 압력을 감소시키면서 진행한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 700bar에서 플레이트 성형체에 크랙이 발생하여 크랙이 발생하지 않은 직전 압력인 800bar 5분의 조건을 CIP 공정조건으로 선정하였다.
실시예 16~19: 탈지공정 및 탈지조건 선정
상기 실시예 12 내지 15에서 제조된 플레이트 성형체에 대하여 탈지공정을 실시하였다.
PVB 바인더에 대해 TG 열분석을 진행한 결과 약 275℃에서 분해가 시작하여 약 605℃에서 거의 분해가 되는 것을 확인하였다(도 4).
탈지 후 성형체의 핸들링 과정에서 파손이 발생하지 않게 하기 위해 바인더 첨가량의 100% 탈지가 아닌 85% 탈지가 되는 500℃로 탈지 피크온도로 선정하였으며 열분해가 시작하는 275℃까지는 1℃/min으로 승온하고 275℃~500℃까지는 충분한 탈지를 위해 0.5℃/min으로 승온을 천천히 하고 500℃에서는 72시간 유지하는 것으로 탈지조건을 선정하였다.
실시예 20~23: 소결공정 및 소결조건 선정
상기 실시예 16 내지 19에서 제조된 플레이트 성형체에 대하여 소결공정을 실시하였다.
탈지공정을 거친 플레이트 성형체에 대하여 소결공정을 진행하였다. 조성별로는 Y4T0.3 조성(실시예 2)이 Y6T0.3 조성(실시예 3)과 거의 비슷한 소결성을 나타내어 Y2O3 4%, TiO2 0.3% 첨가한 Y4T0.3 조성(실시예 2)을 선정하였다.
1850℃에서 소결한 Y4T0.3 조성에 대해 미세구조, 곡강도, 열전도도 분석을 진행하였으며, 1850℃ 온도 선정의 적합성과 소결성 비교를 위해 1800℃ 소결 시편에 대해서도 같이 분석하여 비교하였다.
1800℃ 소결 조성의 경우 입자성장은 7~10um 정도로 일정 수준 이루어 졌으나 치밀화가 이루어지지 않아 grain과 grain간의 necking이 이루어지지 않았음을 확인할 수 있었으며, 1850℃ 소결 조성의 경우 입자성장과 치밀화 모두 충분히 이루어져서 양호한 소결성을 나타냄을 확인하였다(도 5).
일반적으로 세라믹은 소결밀도가 높고 치밀한 미세구조를 나타내면 우수한 기계적 특성, 열적 특성, 전기적 특성을 나타내는데, 곡강도 분석결과 위의 소결밀도, 미세구조 데이터와 마찬가지로 1850℃ 소결 조성이 352MPa로 1800℃의 310MPa에 비해 높은 강도 특성을 나타내었다.
상온 열전도도 데이터 역시 1850℃ 소결 조성이 134W/mk, 1800℃ 소결 조성이 100W/mk를 나타내었다.
결과적으로, 수축율, 소결밀도 데이터를 근거로 선정하여 분석 진행한 Y2O3 4%와 TiO2 0.3% 첨가 조성(실시예 2)을 1850℃로 소결한 질화알루미늄 판재가 우수한 물성을 나타내는 것으로 확인되었다.

Claims (8)

  1. (a) 질화알루미늄 분말 91 내지 98 중량%, Y2O3 1 내지 8 중량%, 및 TiO2 0.1 내지 1 중량%를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 제조된 혼합물에 알루미나볼 및 용제를 넣고 습식볼밀을 수행한 후, 건조하여 질화알루미늄 혼합 분말을 제조하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계의 질화알루미늄 혼합 분말 1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 3 중량부, 바인더 1 내지 3 중량부, 가소제 0.1 내지 1.5 중량부, 및 용제 0.1 내지 3 중량부를 혼합하여 질화알루미늄 슬러리를 제조하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계에서 제조된 질화알루미늄 슬러리를 스프레이 및 건조하여 과립분말을 제조하는 단계;
    (e) 상기 (d)단계에서 제조된 과립분말을 750 내지 850 bar의 압력하에서 3~10분의 조건으로 수행되는 냉간정수압가공(CIP)에 의해 판재로 성형하는 단계;
    (f) 상기 (e)단계에서 제조된 판재에 대하여 탈지공정을 수행하는 단계; 및
    (g) 상기 탈지공정이 완료된 판재를 상압 조건에서 1,850℃에서 소결하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d)단계에서 질화알루미늄 슬러리의 분사에 의한 과립분말의 제조에는 오토마이저(Atomizer)가 사용되며, 상기 오토마이저는 7,500의 속도, 110℃의 상부온도, 70℃의 하부온도, 10 ml/s 의 공급속도의 조건으로 운전되고,
    상기 오토마이저에 의해 제조되는 과립분말은 평균직경이 60~70um인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 판재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계 및 (c)단계에서 용제는 저급알코올인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 판재의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 바인더는 PVB(polyvinylbutyral) 바인더인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 판재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (f)단계에서 탈지공정은 450~550℃를 피크 온도로 하며, 250~300℃까지는 0.5~1.5℃/min의 속도로 승온시키고, 그 이후 450~550℃까지는 0.25~0.75℃/min의 속도로 승온시키고, 450~550℃에서 60~80시간을 유지하는 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 판재의 제조방법.
  8. 삭제
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