KR102082935B1 - 탄화규소 혼합 분말 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 평균입경(D₅₀)이 상이한 제1탄화규소 분말과 제2탄화규소 분말을 포함하고, 총 불순물 농도가 5ppm이하인 탄화규소 혼합 분말. 탄화규소 혼합 분말을 개시한다.

Description

탄화규소 혼합 분말{SILICON CARBIDE POWDER}

본 발명은 입도 범위가 두 개 이상의 피크를 가지는, 초고순도 탄화규소 혼합 분말에 관한 것이다.

탄화 규소(silicon carbide, SiC)는 물리, 화학적으로 안정하고 내열성과 열 전도성이 좋아 고온 안정성, 고온 강도 및 내마모성이 우수하다. 이에 따라 탄화규소는 산업체 구조용 재료로 널리 이용되고 있으며, 최근에는 반도체 산업에도 적용되고 있다. 이를 위하여, 고순도의 탄화규소 분말이 요구되고 있다.

탄화규소 분말은 에치슨(Acheson) 공법, 탄소열 환원법, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공법 등에 의하여 제조될 수 있다. 이에 따라 제조된 탄화규소 분말은 순도가 낮아 별도의 고순도화 처리가 요구된다.

고순도의 탄화규소 분말을 얻기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있으며, 일 예로 규소에 대한 탄소의 몰비를 한정하여 탄화규소의 순도를 향상시키는 방법 등이 있다.

이렇게 제조된 탄화규소 분말은 충진밀도를 높이기 위하여 입도가 큰 입자와 작은 입자를 적절한 비율로 혼합함으로써 충진밀도를 조절하고 있다.

그러나, 탄화규소 미립분말을 분쇄하여 입도가 큰 입자와 작은 입자를 혼합하는 과정에서 불순물이 유입되며, 이러한 불순물은 관리 제어가 매우 어렵기 때문에 고순도 소결체 또는 단결정 원료 등 고품질의 탄화규소를 얻을 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 탄화규소 분말을 성장시키는 단계에서 입성장 비율이 제어된 탄화규소 혼합분말을 제공한다.

본 발명은 입도 범위가 두 개 이상의 피크를 갖고, 고순도를 갖는 탄화규소 혼합분말을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합 분말은, D₅₀이 10㎛ 내지 50㎛이고, D₉₀/D₁₀이 5 이하인 제1 탄화규소 분말; 및 D₅₀이 100㎛ 내지 400㎛이고, D₉₀/D₁₀이 4이하인 제2 탄화규소 분말;을 포함하고, 총 불순물 농도가 5ppm이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합 분말에서, 충진밀도는 1.7g/cm³ 내지 2.1g/cm³이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합 분말에서, 상기 제1 탄화규소 분말은 베타상이고, 상기 제2 탄화규소 분말은 알파상이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합 분말에서, 상기 제2 탄화규소 분말의 D₅₀과 제1 탄화규소 분말의 D₅₀의 비가 2 내지 40이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합 분말에서, 상기 제2 탄화규소 분말의 부피와 제1 탄화규소 분말의 부피비가 1 내지 4이다.

본 발명에 따르면, 탄화규소 분말을 성장시키는 단계에서 입성장 비율제어가 가능하므로, 별도로 탄화규소 미립분말을 분쇄하여 혼합하지 않고도 충진밀도가 높은 탄화규소 혼합분말을 제조할 수 있다.

또한, 탄화규소 미립분말을 분쇄하여 혼합하지 않으므로 고순도의 탄화규소 혼합분말을 제조할 수 있다.

또한, 최적의 입경으로 탄화규소 분말의 성장을 제어할 수 있으므로 혼합 분말의 충진밀도를 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합분말 제조방법의 흐름도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 SEM 사진이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경과 부피 관계를 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 SEM 사진이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경과 부피 관계를 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 불순물 농도를 측정한 데이터이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경과 부피 관계를 보여주는 그래프이고,
도 9는 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 SEM 사진이고,
도 10은 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경과 부피 관계를 보여주는 그래프이고,
도 11은 비교예 2에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 SEM 사진이고,
도 12는 비교예 2에 따라 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경과 부피 관계를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 혼합분말 제조방법의 흐름도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 분말 제조방법은, 탄화규소 미립분말을 준비하는 단계(S10)와, 상기 탄화규소 미립분말을 성장시켜 입경이 상이한 탄화규소 혼합 분말을 형성하는 단계(S20)를 포함한다.

탄화규소 미립분말을 준비하는 단계(S10)는, 규소원과 탄소원을 혼합하는 단계와, 혼합된 규소원과 탄소원을 열처리하여 탄화규소 미립분말을 제조하는 단계를 포함한다.

먼저, 규소원과 탄소원을 혼합하는 단계는 규소원(Si source)과 탄소원(C source)을 적정 비율로 혼합한다.

규소원은 규소를 제공할 수 있는 다양한 물질 중 하나이다. 규소원은, 예를 들면 건식 실리카(f㎛ed silica), 미세 실리카(silica), 실리카솔(silica sol), 실리카겔(silica gel), 석영 분말 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

탄소원은 고체 탄소원 또는 유기 탄소 화합물일 수 있다. 고체 탄소원은, 예를 들면 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

유기 탄소 화합물은 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 셀룰로오스(cellulose) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

규소원과 탄소원은 습식 또는 건식으로 혼합될 수 있다. 규소원과 탄소원은, 예를 들면 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등을 이용하여 혼합될 수 있다. 혼합 분말은, 예를 들면 체(sieve)를 이용하여 회수될 수 있다.

탄화규소 미립분말을 제조하는 단계는 탄화(carbonization) 공정, 및 합성(synthesis) 공정으로 나뉠 수 있다. 탄화 공정은, 예를 들어 600℃ 내지 1000℃의 조건에서 행해지고, 합성 공정은, 예를 들어 1300℃ 내지 1700℃의 조건에서 소정 시간(예, 3시간) 동안 행해질 수 있다.

제조된 탄화규소 미립분말은 대부분 베타상을 갖게 되고, 평균 입경(D₅₀)은 약 0.5 내지 20㎛를 가질 수 있다. 바람직하게는 1 내지 10㎛의 크기를 갖는 것이 좋다.

이상에서 설명한 탄화규소 미립분말을 준비하는 과정은 예시에 불과하며, 다양한 방법에 따라 베타상의 탄화규소 미립 분말을 제조할 수 있다.

이후, 탄화규소 미립분말을 성장시켜 입경이 상이한 탄화규소 혼합 분말을 제조하는 단계(S20)는, 베타상의 미립 탄화규소 분말을 고온으로 열처리하여 원하는 입도의 분말을 원하는 비율로 성장시킨다.

구체적으로 탄화규소 혼합 분말을 형성하는 단계는, 열처리 온도, 성장 시간, 승온 속도, 및 분위기 가스 중 어느 하나 이상을 제어하여 탄화규소 분말의 입경이 달라지도록 입성장시킨다.

이때, 입성장되는 탄화규소 분말은 입도 분포가 두 개 이상의 피크를 갖도록 성장된다.

일반적으로 베타상의 탄화규소 분말을 고온에서 열처리하면, 베타상의 탄화규소와 알파상의 탄화규소 간의 높은 증기압 차로 인하여 증발-응축이 일어나고, 재결정화에 의하여 입자가 급격하게 성장할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 탄화규소의 분말을 불균일하게 성장시킴으로써 입도 분포가 두 개 이상의 피크를 갖도록 제어한다.

즉, 입도분포가 두 개 이상의 피크를 갖는 것은 탄화규소 미립분말이 제1크기로 성장하는 제1 탄화규소 분말과 제2크기로 성장하는 제2 탄화규소 분말이 혼합되어 성장되는 것을 의미한다.

구체적으로, 고온의 입성장시 베타상의 탄화규소 분말은 약 30㎛의 크기까지 성장하게 되고, 공정 온도에 따라 일정량의 베타상 분말은 알파상 분말로 입성장하게 된다. 입성장된 알파상 분말은 약 100㎛에서 400㎛까지 성장하게 된다.

베타상의 탄화규소 분말의 일부만을 알파상으로 성장시키고 나머지는 베타상으로 잔존하도록 제어하면, 알파상으로 성장된 탄화규소 분말은 상대적으로 대입경을 갖는 분말로 성장하고, 베타상으로 잔존하는 탄화규소 분말은 상대적으로 소입경을 갖는 분말로 성장하게 된다.

즉, 탄화규소를 성장시키는 단계에서 입성장 제어를 통해 원하는 크기의 분말의 비율을 조절할 수 있는 것이다.

따라서, 충진밀도를 높이기 위하여 탄화규소를 분쇄 및 혼합하여 충진밀도를 높이지 않아도, 충분이 크기가 다른 탄화규소 분말을 제조할 수 있으므로 충진밀도가 높은 분말을 제조할 수 있다.

또한, 각각 제조된 탄화규소 분말을 분쇄하여 혼합하는 과정이 생략되므로, 외부 불순물이 유입되는 위험이 제거되어 고순도의 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.

일 예로, 입도가 1.5㎛인 탄화규소 미세분말을 약 1900℃ 내지 2100℃의 온도의 아르곤 분위기에서 1 내지 10시간 열처리 하게 되면 평균 입도(D₅₀)가 10~50㎛인 제1 탄화규소 분말과, 평균입도(D₅₀)가 100~400㎛인 제2 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.

이때, 제2 탄화규소 분말은 알파상으로 성장하면서 바이모달(bimodal) 구조를 갖게 된다. 이러한 제1 탄화규소 분말과 제2 탄화규소 분말은 응집되어 성장할 수 있으며 필요에 따라 분쇄할 수도 있다.

즉, 1900℃ 내지 2100℃에서 성장시키면 베타상이 알파상으로 전이가 일어나므로 열처리 시간을 조절함으로써 시간에 따라 전이되는 비율과 성장하는 입자의 크기를 제어할 수 있는 것이다.

그러나, 이는 예시적인 것으로서, 입성장시 성장 온도, 성장 시간, 승온 속도, 및 분위기 가스 중 어느 하나 이상을 제어함으로써 두 가지 이상의 특정 입도분포를 갖는 분말이 적정한 비율로 혼합되어 있는 분말을 제조할 수도 있다.

이하에서는 본 발명에 따르는 실시예 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 탄화규소 혼합 분말 제조

평균입경이 1.5㎛의 탄화규소 미립분말을 약 2150℃의 온도에서 아르곤 분위기로 150분 동안 열처리하여 탄화규소 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 분말의 SEM 사진을 도 2에 표시하였고, 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경 및 부피를 측정한 그래프를 도 3에 나타내었다.

<실시예 2> 탄화규소 혼합 분말 제조

실시예 1에서 사용된 탄화규소 미립분말을 약 2150℃의 온도에서 아르곤 분위기로 180분 동안 열처리하여 탄화규소 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 분말의 SEM 사진을 도 4에 표시하였고, 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경 및 부피를 측정한 그래프를 도 5에 표시하였다. 또한, 불순물 분석 데이터를 도 6에 표시하였다.

<실시예 3> 탄화규소 혼합 분말 제조

실시예 1에서 사용된 탄화규소 미립분말을 약 2100℃의 온도로 10mbar의 진공(Vac) 분위기에서 100분 동안 열처리하여 탄화규소 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 분말의 SEM 사진을 도 7에 표시하였고, 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경 및 부피를 측정한 그래프를 도 8에 표시하였다.

<비교예 1>

실시예 1에서 사용된 탄화규소 미립분말을 약 2000℃의 온도에서 아르곤 분위기로 60분 동안 열처리하여 탄화규소 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 분말의 SEM 사진을 도 9에 표시하였고, 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경 및 부피를 측정한 그래프를 도 10에 표시하였다.

<비교예 2>

실시예 1에서 사용된 탄화규소 미립분말을 약 2200℃의 온도에서 아르곤 분위기로 300분 동안 열처리하여 탄화규소 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 분말의 SEM 사진을 도 11에 표시하였고, 제조된 탄화규소 혼합 분말의 입경 및 부피를 측정한 그래프를 도 12에 표시하였다.

<분석결과>

도 2와 도 3을 참고하면, 실시예 1에 의해 제조된 탄화규소 혼합 분말은 평균입경이 약 200㎛인 제2탄화규소 분말(20)과, 평균입경이 약 35㎛인 제1 탄화규소 분말(10)이 동시에 존재함을 확인할 수 있다.

또한, 제2 탄화규소 분말(20)의 부피가 제1 탄화규소 분말 (10)의 부피에 비해 큼을 알 수 있다. 이는 탄화규소가 입성장할 수 있는 시간이 길고 충분한 열 에너지가 공급되었기 때문으로 판단된다.

제1 탄화규소 분말은 제1피크(P1)를 갖는 입도 분포를 갖고 제2탄화규소 분말은 제2피크(P2)를 갖는 입도 분포를 가짐을 알 수 있고, 제1 탄화규소 분말의 입도분포(D90/D10)는 5이하이고 제2 탄화규소 분말의 입도분포(D90/D10)는 4이하임을 알 수 있다.

도 3을 이용하면, 입도 분포 곡선을 적분하여 부피비를 계산할 수 있으며, 계산 결과 제2 탄화규소 분말의 부피와 제1 탄화규소 분말의 부피의 비가 1 내지 4의 범위를 가짐을 알 수 있다. 또한, 실시예 1에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말의 충진밀도는 1.78g/cm³임을 확인하였다.

도 4와 도 5를 참조하면, 실시예 2에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말은 평균입경이 약 250㎛인 제2탄화규소 분말(20)과, 평균입경이 약 40㎛인 제1 탄화규소 분말(10)이 동시에 존재함을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 1에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말에 비해 제2탄화규소 분말(20)의 부피가 더 커졌음을 알 수 있다. 이는 실시예 2에서는 상대적으로 더 오랜 시간 동안 입성장시켰기 때문으로 판단된다. 도 5를 이용하여 계산한 결과 탄화규소 혼합분말의 충진밀도는 2.02g/cm³로 실시예 1에 비해 증가하였다.

도 6을 참고하면, 공인실험기관에서 실험한 결과 실시예2에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말은 총 불순물 농도가 5ppm이하임을 확인할 수 있다.

제1 탄화규소 분말의 입도분포(D90/D10)는 5이하이고 제2 탄화규소 분말의 입도분포(D90/D10)는 4이하로 실시예 1과 동일하였다.

도 7과 도 8을 참조하면, 실시예 3에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말은 실시예 1과 2에 의해 제조된 탄화규소 혼합분말에 비해 제2탄화규소 분말(20)의 부피가 더 커졌음을 알 수 있다. 그러나 충진밀도는 1.95g/cm³ 로 실시예 2에 비해 다소 감소하였다.

이에 비해, 도 9 내지 도 10을 참조하면, 비교예 1의 경우 입성장 제어에 필요한 충분한 시간을 갖지 못하여 평균입경이 약 70㎛인 단일 피크를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 혼합 분말을 얻지 못하였으므로 그에 따라 충진밀도 역시 1.2 g/cm³로 매우 낮게 측정되었다.

또한, 도 11과 도 12를 참조하면, 비교예 2의 경우 오히려 너무 오래 입성장 되어 약 평균입경이 약 350㎛인 탄화규소 분말이 제조되었으며, 그에 따라 충진밀도도 1.65 g/cm³로 낮게 측정되었다.

이를 종합한 결과, 입성장 온도와 시간을 적절히 조절함으로써 평균입경이 다른 제1탄화규소 분말과 제2탄화규소 분말을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 평균입경을 제어함으로써 크기가 다른 혼합분말의 제조가 가능하므로 별도로 제조된 탄화규소 분말을 혼합하지 않아도 충진밀도가 1.7 g/cm³ 이상을 가짐을 알 수 있고, 불순물 농도를 현저하게 낮출 수 있음을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 평균입경(D50)이 상이한 제1탄화규소 분말과 제2탄화규소 분말을 포함하고,
   총 불순물 농도가 5ppm이하이고,
   상기 제1 탄화규소 분말은 베타상이고, 상기 제2 탄화규소 분말은 알파상이고,
   베타상의 미립 분말을 성장시키는 과정에서 상기 제1 탄화규소 분말은 베타상으로 잔존하고 상기 제2 탄화규소 분말은 알파상으로 입성장하고,
   상기 제1탄화규소 분말의 평균입경(D50)은 10㎛ 내지 50㎛이고, 상기 제2탄화규소 분말의 평균입경(D50)은 100㎛ 내지 400㎛이고,
   상기 제1탄화규소 분말은 입도분포(D90/D10)가 5이하이고, 제2 탄화규소 분말은 입도분포(D90/D10)가 4이하이고,
   상기 제2 탄화규소 분말과 제1 탄화규소 분말의 부피비가 1 내지 4인 탄화규소 혼합 분말.
   
2. 제1항에 있어서,
   충진밀도는 1.7g/cm³ 내지 2.1g/cm³인 탄화규소 혼합 분말.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 탄화규소 분말의 평균입경(D₅₀)과 제1 탄화규소 분말의 평균입경(D₅₀)의 비가 2 내지 40인 탄화규소 혼합 분말.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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