KR102153324B1 - Manufacturing method of aluminum nitride-yttria composite ceramics - Google Patents

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Abstract

본 발명은, AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 용매에 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, 상기 슬러리를 건조하여 복합분말을 형성하는 단계와, 상기 복합분말을 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, MgO 분말을 첨가함으로써 입계(grain boundary)에 의한 저항을 증가시켜 전체적으로 전기저항이 높은 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 제조할 수 있다.The present invention includes the steps of forming a slurry by mixing AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder with a solvent, drying the slurry to form a composite powder, and molding the composite powder. It relates to a method of manufacturing an aluminum nitride-yttria composite ceramic comprising the step of sintering the resultant product. According to the present invention, an aluminum nitride-yttria composite ceramic having high electrical resistance as a whole can be manufactured by increasing the resistance due to grain boundaries by adding MgO powder.

Description

질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법{Manufacturing method of aluminum nitride-yttria composite ceramics}Manufacturing method of aluminum nitride-yttria composite ceramics}

본 발명은 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MgO 분말을 첨가하여 입계(grain boundary)에 의한 저항을 증가시켜 전체적으로 전기저항이 높은 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing aluminum nitride-yttria composite ceramics, and more particularly, by adding MgO powder to increase resistance due to grain boundaries, thereby producing aluminum nitride-yttria composite ceramics having high overall electrical resistance. It relates to a method that can be manufactured.

질화알루미늄(AlN)은 이론 열전도도가 320 W/m·K를 가지며, 웨이퍼의 균일한 온도 분포를 필요로 하는 반도체 제조 공정에서 내플라즈마 세라믹 소재로서 많이 사용되고 있다. Aluminum nitride (AlN) has a theoretical thermal conductivity of 320 W/m·K, and is widely used as a plasma-resistant ceramic material in semiconductor manufacturing processes that require a uniform temperature distribution of a wafer.

특히, 최근에는 정전기적인 인력으로 웨이퍼를 고정시키는 부품인 정전척의 소재로 널리 사용되고 있다. 정전척의 기능을 하기 위해서는 열적 특성도 중요하지만 기판표면에 정전기력을 발생시켜 웨이퍼를 끌어당기려면 소재의 고저항과 고유전상수 값을 갖는 전기적 특성 또한 매우 중요하다. In particular, in recent years, it has been widely used as a material for an electrostatic chuck, which is a component that fixes a wafer by electrostatic attraction. In order to function as an electrostatic chuck, thermal characteristics are also important, but in order to attract a wafer by generating electrostatic force on the substrate surface, the electrical characteristics of the material having high resistance and high dielectric constant are also very important.

웨이퍼를 정전기력을 이용하여 고정시키는 기구에는 크게 쿨롱법과 존슨-라벡법 두가지가 알려져 있다. 쿨롱법은 웨이퍼와 전극 사이의 고저항의 유전체가 1000∼3000 V 정도의 고전압을 전극에 인가할 때 발생시키는 정전기력으로 웨이퍼를 고정한다. 반면 존슨-라벡형은 109∼1013 Ω·cm의 저항을 갖는 유전체에 전극에 수백 V의 전압을 가하면 전하운반자가 유전체의 표면으로 이동하여 발생시키는 웨이퍼와의 정전기력을 이용한다. 기존의 존슨-라벡형 정전척의 메커니즘은 유전체의 전하운반자가 전자 혹은 정공인 경우에 생기는 고정시키는 힘에 기인하는 것으로 설명되고 있다. There are two known mechanisms for fixing wafers using electrostatic force, the Coulomb method and the Johnson-Rabeck method. In the Coulomb method, the high-resistance dielectric between the wafer and the electrode fixes the wafer with electrostatic force generated when a high voltage of about 1000 to 3000 V is applied to the electrode. On the other hand, the Johnson-Rabeck type uses the electrostatic force with the wafer generated by the charge carrier moving to the surface of the dielectric when a voltage of several hundred V is applied to the electrode to a dielectric having a resistance of 10 9 ∼ 10 13 Ω·cm. The mechanism of the existing Johnson-Ravec type electrostatic chuck is explained to be due to the fixing force generated when the charge carrier of the dielectric is an electron or a hole.

최근에는 고온에서 고정밀도의 리소그라피(Lithography)가 요구되는 반도체공정이 증가하고 있어 고온에서의 정전기적인력을 유지할 수 있는 세라믹 소재가 요구되고 있다. 따라서, 고온에서도 전기적 저항이 유지되고(>1E8 ohm cm @500도) 유전율이 높은 소재가 요구되고 있다. 그러나 실제 사용되는 AlN 같은 유전체의 경우 전자 혹은 정공 이외에도 이온이 전하 운반자가 되는데, 세라믹스에서 입자와 입계에서의 이온전도에 대한 체계적인 임피던스 분석은 매우 미진한 실정이다.In recent years, semiconductor processes that require high-precision lithography at high temperatures are increasing, and thus ceramic materials capable of maintaining electrostatic force at high temperatures are required. Therefore, there is a demand for a material that maintains electrical resistance even at high temperatures (>1E8 ohm cm @500 degrees) and has a high dielectric constant. However, in the case of a dielectric material such as AlN that is actually used, ions in addition to electrons or holes become charge carriers. In ceramics, systematic impedance analysis for ion conduction at particle and grain boundaries is very poor.

정전척 소재로 널리 사용되는 AlN 소재의 경우, 침탄법 (carbothermal)으로 제조된 AlN 분말을 사용하여 제조된다. 침탄 공정으로 생산되는 AlN 상용분말에는 일반적으로 1 wt% 전후의 산소가 포함되어 있다. 따라서, 소결조제로 Y2O3를 사용하는 경우, AlN 원료 중의 상당량 Al2O3 성분과 Y2O3 가 반응하여 YAG(Y3Al5O12)와 같은 Yttrium-Aluminate를 형성하고, 나머지 약 0.5 wt%의 산소는 다음 반응식 1과 같은 ionic compensation 반응을 통하여 AlN 입자 내에 고용된다고 알려져 있다. In the case of an AlN material widely used as an electrostatic chuck material, it is manufactured using AlN powder manufactured by a carbothermal method. AlN commercial powder produced by the carburization process generally contains around 1 wt% of oxygen. Therefore, when using Y 2 O 3 as a sintering aid, a significant amount of Al 2 O 3 components in the AlN raw material and Y 2 O 3 react to form Yttrium-Aluminate such as YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), and the rest It is known that about 0.5 wt% of oxygen is dissolved in AlN particles through an ionic compensation reaction as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112018125051456-pat00001
Figure 112018125051456-pat00001

대한민국 등록특허공보 제10-1402501호Korean Patent Publication No. 10-1402501

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 MgO 분말을 첨가하여 입계(grain boundary)에 의한 저항을 증가시켜 전체적으로 전기저항이 높은 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다. An object to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing aluminum nitride-yttria composite ceramics having a high overall electrical resistance by adding MgO powder to increase resistance due to grain boundaries.

본 발명은, (a) AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 용매에 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, (b) 상기 슬러리를 건조하여 복합분말을 형성하는 단계와, (c) 상기 복합분말을 성형하는 단계 및 (d) 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of (a) mixing AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder with a solvent to form a slurry, (b) drying the slurry to form a composite powder, and (c) the It provides a method of manufacturing an aluminum nitride-yttria composite ceramics comprising the steps of forming the composite powder and (d) sintering the formed product.

상기 (a) 단계에서 Ta2O5 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.The slurry may be formed by further mixing Ta 2 O 5 powder in step (a).

상기 (a) 단계에서 WO3 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In the step (a), the slurry may be formed by further mixing WO 3 powder.

상기 (a) 단계에서 TiO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.The slurry may be formed by further mixing TiO 2 powder in step (a).

상기 (a) 단계에서 HfO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In step (a), HfO 2 powder may be further mixed to form the slurry.

상기 (a) 단계에서 SrO 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In step (a), the slurry may be formed by further mixing SrO powder.

상기 Y2O3 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The Y 2 O 3 powder is preferably mixed with 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 MgO 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The MgO powder is preferably mixed with 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 소결은 1500∼1620℃의 소결온도에서 수행하는 것이 바람직하다. The sintering is preferably performed at a sintering temperature of 1500 to 1620°C.

상기 소결 후에 상기 소결온도보다 낮은 온도에서 어닐링(Annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the sintering, the step of annealing at a temperature lower than the sintering temperature may be further included.

상기 어닐링은 1300∼1550℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The annealing is preferably performed at a temperature of 1300 to 1550°C.

본 발명에 의하면, MgO 분말을 첨가함으로써 입계(grain boundary)에 의한 저항을 증가시켜 전체적으로 전기저항이 높은 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 제조할 수 있다.According to the present invention, an aluminum nitride-yttria composite ceramic having high electrical resistance as a whole can be manufactured by increasing the resistance due to grain boundaries by adding MgO powder.

도 1은 실험예 1에 따라 Y2O3를 1.0 wt% 첨가하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스, 실험예 2에 따라 Y2O3 1.0 wt%, MgO 2.0 wt%를 첨가하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스, 그리고 실험예 3에 따라 Y2O3 1.0 wt%, MgO 2.0 wt%를 첨가하고 어닐링(Annealing) 하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 미세구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에 대하여 100V/mm의 전계하에서 온도에 따른 DC 전기전도도와 활성화 에너지를 나타낸 도면이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에 대하여 100V/mm의 전계하에서 온도에 따른 전기전도도(electronic conductivity)를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여주는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여주는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여준다.
도 9는 임피던스 스펙트럼을 ZVIEW 프로그램을 이용하여 입자, 입계, 전극에 의한 분극현상을 고려하여 등가회로(equivalent circuit)를 구성하고 수치조정(numerical fitting)을 통하여 각각의 분극에 대응하는 저항과 정전용량(capacitance)값을 나타낸 도면이다.
도 10은 입내와 입계의 저항을 분리하여 온도에 따른 전기전도도를 표시하고 활성화 에너지를 구하여 나타낸 도면이다.
1 is an aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by adding 1.0 wt% of Y 2 O 3 according to Experimental Example 1, prepared by adding 1.0 wt% of Y 2 O 3 and 2.0 wt% of MgO according to Experimental Example 2 X-ray diffraction of aluminum nitride-yttria composite ceramics, and aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by adding 1.0 wt% Y 2 O 3 and 2.0 wt% MgO and annealing according to Experimental Example 3 (X -ray diffraction (XRD) is a diagram showing the analysis result.
2 is a diagram showing the microstructure of aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3. FIG.
3 is a diagram showing an EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping image of aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3. FIG.
4 is a diagram showing DC electrical conductivity and activation energy according to temperature under an electric field of 100V/mm for the aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 3. FIG.
5 is a view showing the electrical conductivity of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3 according to temperature under an electric field of 100V/mm.
6A and 6B are diagrams showing changes in impedance spectra of aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 1. FIG.
7A and 7B are diagrams showing changes in the impedance spectrum of the aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 2.
8A and 8B show changes in the impedance spectrum of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3.
9 shows an impedance spectrum using the ZVIEW program to configure an equivalent circuit in consideration of polarization by particles, grain boundaries, and electrodes, and resistance and capacitance corresponding to each polarization through numerical fitting. It is a diagram showing the (capacitance) value.
FIG. 10 is a diagram showing electrical conductivity according to temperature by separating resistance of an intragranular and grain boundary, and calculating activation energy.

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, the following examples are provided so that the present invention may be sufficiently understood by those of ordinary skill in the art, and may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is limited to the examples described below. It does not become.

발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.In the detailed description of the invention or in the claims, when any one component "includes" another component, it is not construed as being limited to only the component unless otherwise stated, and other components are further included. It should be understood that it may contain.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법은, (a) AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 용매에 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, (b) 상기 슬러리를 건조하여 복합분말을 형성하는 단계와, (c) 상기 복합분말을 성형하는 단계 및 (d) 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an aluminum nitride-yttria composite ceramic according to a preferred embodiment of the present invention includes the steps of (a) mixing AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder in a solvent to form a slurry, and (b) the Drying the slurry to form a composite powder, (c) forming the composite powder, and (d) sintering the formed product.

상기 (a) 단계에서 Ta2O5 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.The slurry may be formed by further mixing Ta 2 O 5 powder in step (a).

상기 (a) 단계에서 WO3 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In the step (a), the slurry may be formed by further mixing WO 3 powder.

상기 (a) 단계에서 TiO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.The slurry may be formed by further mixing TiO 2 powder in step (a).

상기 (a) 단계에서 HfO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In step (a), HfO 2 powder may be further mixed to form the slurry.

상기 (a) 단계에서 SrO 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수 있다.In step (a), the slurry may be formed by further mixing SrO powder.

상기 Y2O3 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The Y 2 O 3 powder is preferably mixed with 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 MgO 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The MgO powder is preferably mixed with 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 소결은 1500∼1620℃의 소결온도에서 수행하는 것이 바람직하다. The sintering is preferably performed at a sintering temperature of 1500 to 1620°C.

상기 소결 후에 상기 소결온도보다 낮은 온도에서 어닐링(Annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the sintering, the step of annealing at a temperature lower than the sintering temperature may be further included.

상기 어닐링은 1300∼1550℃의 소결온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The annealing is preferably performed at a sintering temperature of 1300 to 1550°C.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다. A method of manufacturing an aluminum nitride-yttria composite ceramic according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

출발원료로 AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 준비한다. As starting materials, AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder are prepared.

AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 용매에 혼합하여 슬러리를 형성한다. 상기 Y2O3 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 MgO 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder are mixed in a solvent to form a slurry. The Y 2 O 3 powder is preferably mixed with 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder. The MgO powder is preferably mixed with 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 용매는 물(H2O), 에탄올, 메탄올 등과 같은 알코올류 등일 수 있다.The solvent may be water (H 2 O), alcohols such as ethanol, methanol, and the like.

Ta2O5 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 Ta2O5 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The slurry may be formed by further mixing Ta 2 O 5 powder. The Ta 2 O 5 powder is preferably mixed with 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

WO3 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 WO3 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The slurry may be formed by further mixing WO 3 powder. The WO 3 powder is preferably mixed with 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

TiO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 TiO2 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.TiO 2 powder may be further mixed to form the slurry. The TiO 2 powder is preferably mixed in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

HfO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 HfO2 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The slurry may be formed by further mixing HfO 2 powder. The HfO 2 powder is preferably mixed with 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

SrO 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 SrO 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The slurry may be formed by further mixing SrO powder. The SrO powder is preferably mixed with 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.

상기 혼합은 볼 밀링 공정 등을 이용할 수 있다. 상기 볼 밀링 공정에 대하여 설명하면, 출발원료를 용매와 함께 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 기계적으로 혼합한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 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 균일한 혼합 등을 위해 10분∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 습식 혼합 공정을 거친 혼합물은 미분화되어 슬러리(slurry) 상태를 이루고 있다. The mixing may use a ball milling process or the like. In the description of the ball milling process, the starting material is charged into a ball milling machine together with a solvent. Mix mechanically by rotating at a constant speed using a ball mill. The balls used in the ball milling are preferably made of ceramic materials such as alumina and zirconia, and all of the balls may be of the same size, or balls having two or more sizes may be used together. Adjust the size of the ball, milling time, and rotation speed per minute of the ball mill. For example, the size of the ball may be set in the range of 1 mm to 50 mm, and the rotation speed of the ball mill may be set in the range of 50 to 500 rpm. Ball milling is preferably performed for 10 minutes to 48 hours for uniform mixing and the like. The mixture that has undergone the wet mixing process as described above is finely divided to form a slurry state.

상기 슬러리를 건조하여 복합분말을 형성한다. 상기 건조는 40∼90℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The slurry is dried to form a composite powder. The drying is preferably performed at a temperature of about 40 to 90°C.

상기 복합분말을 성형한다. 상기 성형은 일반적으로 알려져 있는 가압 성형, 주입성형 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다. The composite powder is molded. For the molding, various methods such as commonly known pressure molding and injection molding may be used.

성형된 결과물을 소결한다. 상기 소결은 1500∼1620℃의 소결온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 소결하는 동안에 로(furnace) 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결은 산화 분위기(예컨대, 산소(O2) 또는 공기(air) 분위기)에서 실시하는 것이 바람직하다. The molded result is sintered. The sintering is preferably performed at a sintering temperature of 1500 to 1620°C. During sintering, it is desirable to keep the pressure inside the furnace constant. The sintering is preferably carried out in an oxidizing atmosphere (eg, oxygen (O 2 ) or air atmosphere).

상기 소결 후에 상기 소결온도보다 낮은 온도에서 어닐링(Annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 어닐링은 1300∼1550℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 어닐링은 산화 분위기(예컨대, 산소(O2) 또는 공기(air) 분위기)에서 실시하는 것이 바람직하다. After the sintering, the step of annealing at a temperature lower than the sintering temperature may be further included. The annealing is preferably performed at a temperature of 1300 to 1550°C. The annealing is preferably carried out in an oxidizing atmosphere (eg, oxygen (O 2 ) or air atmosphere).

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. In the following, experimental examples according to the present invention are specifically presented, and the present invention is not limited to the experimental examples presented below.

정전척 소재로 널리 사용되는 AlN 소재의 경우, 침탄법 (carbothermal)으로 제조된 AlN 분말을 사용하여 제조된다. 침탄 공정으로 생산되는 AlN 상용분말에는 일반적으로 1 wt% 전후의 산소가 포함되어 있다. 따라서, 소결조제로 Y2O3를 사용하는 경우, AlN 원료 중의 상당량 Al2O3 성분과 Y2O3 가 반응하여 YAG(Y3Al5O12)와 같은 Yttrium-Aluminate를 형성하고, 나머지 약 0.5 wt%의 산소는 ionic compensation 반응을 통하여 AlN 입자 내에 고용된다고 알려져 있다. In the case of an AlN material widely used as an electrostatic chuck material, it is manufactured using AlN powder manufactured by a carbothermal method. AlN commercial powder produced by the carburization process generally contains around 1 wt% of oxygen. Therefore, when using Y 2 O 3 as a sintering aid, a significant amount of Al 2 O 3 components in the AlN raw material and Y 2 O 3 react to form Yttrium-Aluminate such as YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), and the rest It is known that about 0.5 wt% of oxygen is dissolved in AlN particles through an ionic compensation reaction.

이렇게 질소 자리에 치환된 산소 이온이 AlN 세라믹스의 전기전도도에 미치는 영향에 대하여 여러 연구들이 진행되었다. 하지만, 전이금속 또는 금속산화물을 도핑한 경우, 입자(grain)와 입계(grain boundary)의 전기전도도에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 충분히 진행된 바 없다. TiO2가 낮은 농도로 도핑된 경우, Ti로 인하여 생성된 결함들이 Al 공극(vacancy)과 이온쌍을 이루며 전하 운반자 (Charge carrier)의 이동도(mobility)를 감소시키게 되며 입자(grain)과 입계(grain boundary)의 전도도가 감소한다. 하지만, 다양한 금속 산화물(MxOy, M=M+III, M+IV, M+V)이 첨가된 경우, MxOy의 결정립 내 고용 또는 2차상(MxAlyOz)의 생성이 전기저항에 미치는 영향이 체계적으로 연구되어 있지 못하다. AlN 소결체에 첨가하였을 때 고온에서의 저항이 증가하는 것으로 알려진 MgO 첨가의 경우, 치환되었을 때 전자가(산화수)가 다르고 따라서 생성되는 결함이 다르기 때문에 저항 증가 메커니즘이 다를 것으로 예상되나, 이에 대해서는 연구된 바가 없다. 게다가 소결온도나 소결시간 등 공정조건에 따른 Mg의 분포와 전기적 특성에 대한 연구는 체계적으로 진행된 바 없다.Several studies have been conducted on the effect of oxygen ions substituted at the nitrogen sites on the electrical conductivity of AlN ceramics. However, in the case of doping with a transition metal or metal oxide, studies on the effect on the electrical conductivity of grains and grain boundaries have not been sufficiently conducted. When TiO 2 is doped at a low concentration, defects generated by Ti form an ion pair with Al vacancy, reducing the mobility of the charge carrier, and reducing the mobility of the charge carrier and the grain and grain boundaries. grain boundary) decreases in conductivity. However, when various metal oxides (M x O y , M=M +III , M +IV , M +V ) are added, the solid solution in the crystal grains of M x O y or the secondary phase (M x Al y O z ) The effect of generation on electrical resistance has not been systematically studied. In the case of MgO addition, which is known to increase the resistance at high temperature when added to AlN sintered body, the mechanism of increasing resistance is expected to be different because the electron value (oxidation number) is different when substituted and thus the defects generated are different. There is no bar. In addition, studies on the distribution and electrical properties of Mg according to process conditions such as sintering temperature and sintering time have not been systematically conducted.

본 실험에서는 AlN에 MgO를 첨가하고 소결조건을 변화시켜 이에 따라 변화되는 입내와 입계에서의 전기전도도를 임피던스 분광법을 이용하여 관찰하고자 하였다. 이를 투과전자현미경(Transmission electron microscope; TEM) 분석 결과와 연관하여 미세구조와 전기전도 기구의 상관관계를 밝히고자 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 AlN의 전기전도 기구가 AlN 소재의 고온 정전척 소재로의 기능에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 하였다.In this experiment, MgO was added to AlN and the sintering conditions were changed, and the electrical conductivity in the grain and grain boundaries changed accordingly was to be observed using impedance spectroscopy. In connection with the result of transmission electron microscope (TEM) analysis, this study attempted to reveal the correlation between the microstructure and the electric conduction mechanism. Based on these results, this study attempted to investigate the effect of AlN's electrical conduction mechanism on the function of AlN material as a high-temperature electrostatic chuck material.

<실험예 1><Experimental Example 1>

원료분말로 AlN 분말(Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., 일본, 1.1 ㎛)을 사용하였고, Y2O3 분말(99.99%, H.C STARCK, 미국)을 사용하였다. As raw material powder, AlN powder (Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., Japan, 1.1 μm) was used, and Y 2 O 3 powder (99.99%, HC STARCK, USA) was used.

250㎖의 용기에 원료분말인 AlN 분말, Y2O3 분말, 용매인 무수 알코올 (anhydrous alcohol, Sigma Aldrich, 미국)을 혼합하고 20시간 동안 볼밀링(ball milling)을 통해 슬러리(slurry)를 제조하였다. 상기 Y2O3 분말은 원료분말인 AlN 분말 대비 1.0 wt%를 혼합하였다. Mixing AlN powder as raw material powder, Y 2 O 3 powder, and anhydrous alcohol (Sigma Aldrich, USA) as a solvent in a 250 ml container, and preparing a slurry through ball milling for 20 hours I did. The Y 2 O 3 powder was mixed with 1.0 wt% of the AlN powder as a raw material powder.

제조된 슬러리를 회전증발기(rotary evaporator)를 이용하여 50 에서 3시간 동안 유지하여 건조하였다. The prepared slurry was maintained at 50 for 3 hours using a rotary evaporator and dried.

얻어진 분말은 지름 40 mm 흑연몰드(graphite mold)에 7 ~ 8 g을 넣고, 15 MPa의 압력을 가압하였다. The obtained powder was put into a graphite mold with a diameter of 40 mm, 7 to 8 g, and a pressure of 15 MPa was pressed.

그리고, 1600 ℃까지 분당 5 ℃/min으로 승온하고 5시간 동안 유지하여 소결한 뒤 로냉하여 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 수득하였다. Then, the temperature was raised to 1600° C. at 5° C./min per minute, maintained for 5 hours, sintered, and cooled by furnace to obtain an aluminum nitride-yttria composite ceramic.

<실험예 2><Experimental Example 2>

원료분말로 AlN 분말(Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., 일본, 1.1 ㎛)을 사용하였고, Y2O3 분말(99.99%, H.C STARCK, 미국)을 사용하였다. As raw material powder, AlN powder (Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., Japan, 1.1 μm) was used, and Y 2 O 3 powder (99.99%, HC STARCK, USA) was used.

250㎖의 용기에 원료분말인 AlN 분말, Y2O3 분말, MgO 분말(99,99%, 고순도화학, 일본), 용매인 무수 알코올 (anhydrous alcohol, Sigma Aldrich, 미국)을 혼합하고 20시간 동안 볼밀링(ball milling)을 통해 슬러리(slurry)를 제조하였다. 상기 Y2O3 분말은 원료분말인 AlN 분말 대비 1.0 wt%를 혼합하였다. 상기 MgO 분말은 원료분말인 AlN 분말 대비 2.0 wt%를 혼합하였다.In a 250 ml container, mix raw material powder AlN powder, Y 2 O 3 powder, MgO powder (99,99%, high purity chemistry, Japan), and anhydrous alcohol (Sigma Aldrich, USA) as a solvent for 20 hours. A slurry was prepared through ball milling. The Y 2 O 3 powder was mixed with 1.0 wt% of the AlN powder as a raw material powder. The MgO powder was mixed with 2.0 wt% of the AlN powder as a raw material powder.

제조된 슬러리를 회전증발기(rotary evaporator)를 이용하여 50 에서 3시간 동안 유지하여 건조하였다. The prepared slurry was maintained at 50 for 3 hours using a rotary evaporator and dried.

얻어진 분말은 지름 40 mm 흑연몰드(graphite mold)에 7 ~ 8 g을 넣고, 15 MPa의 압력을 가압하였다. The obtained powder was put into a graphite mold with a diameter of 40 mm, 7 to 8 g, and a pressure of 15 MPa was pressed.

그리고, 1600 ℃까지 분당 5 ℃/min으로 승온하고 5시간 동안 유지하여 소결한 뒤 로냉하여 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 수득하였다. Then, the temperature was raised to 1600° C. at 5° C./min per minute, maintained for 5 hours, sintered, and cooled by furnace to obtain an aluminum nitride-yttria composite ceramic.

<실험예 3><Experimental Example 3>

원료분말로 AlN 분말(Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., 일본, 1.1 ㎛)을 사용하였고, Y2O3 분말(99.99%, H.C STARCK, 미국)을 사용하였다. As raw material powder, AlN powder (Grade H, Tokuyama Soda Co. Ltd., Japan, 1.1 μm) was used, and Y 2 O 3 powder (99.99%, HC STARCK, USA) was used.

250㎖의 용기에 원료분말인 AlN 분말, Y2O3 분말, MgO 분말(99,99%, 고순도화학, 일본), 용매인 무수 알코올 (anhydrous alcohol, Sigma Aldrich, 미국)을 혼합하고 20시간 동안 볼밀링(ball milling)을 통해 슬러리(slurry)를 제조하였다. 상기 Y2O3 분말은 원료분말인 AlN 분말 대비 1.0 wt%를 혼합하였다. 상기 MgO 분말은 원료분말인 AlN 분말 대비 2.0 wt%를 혼합하였다.In a 250 ml container, mix raw material powder AlN powder, Y 2 O 3 powder, MgO powder (99,99%, high purity chemistry, Japan), and anhydrous alcohol (Sigma Aldrich, USA) as a solvent for 20 hours. A slurry was prepared through ball milling. The Y 2 O 3 powder was mixed with 1.0 wt% of the AlN powder as a raw material powder. The MgO powder was mixed with 2.0 wt% of the AlN powder as a raw material powder.

제조된 슬러리를 회전증발기(rotary evaporator)를 이용하여 50 에서 3시간 동안 유지하여 건조하였다. The prepared slurry was maintained at 50 for 3 hours using a rotary evaporator and dried.

얻어진 분말은 지름 40 mm 흑연몰드(graphite mold)에 7 ~ 8 g을 넣고, 15 MPa의 압력을 가압하였다. The obtained powder was put into a graphite mold with a diameter of 40 mm, 7 to 8 g, and a pressure of 15 MPa was pressed.

그리고, 1600 ℃까지 분당 5 ℃/min으로 승온하고 5시간 동안 유지하여 소결한 뒤, 1500 ℃까지 분당 5 ℃/min으로 냉각하고 10시간 유지하여 어닐링(Annealing) 한 뒤 로냉하여 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 수득하였다. Then, the temperature was raised to 1600°C at 5°C/min per minute, maintained for 5 hours, and then sintered, cooled to 1500°C at 5°C/min per minute, and maintained for 10 hours for annealing, followed by furnace cooling to aluminum nitride-yttria. Composite ceramics were obtained.

소결하여 얻은 시편의 밀도는 아르키메데스법으로 측정하였다. X-선회절 분석기(D/max-2500, RIGAKU, 일본)를 사용하여 결정상의 변화를 관찰하였다. 체적저항을 측정하기 위하여, 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 백금 전극을 증착시켰다. 저항측정은 고저항측정기(high resistance meter)(Keysight B2985A, 미국)를 이용하여 25 ~ 550 ℃구간에서 100 V/mm의 전압을 인가한 뒤 60초 후의 저항값을 측정하였다. 임피던스 분석을 위해서 10 × 10 × 1 mm 규격으로 시편을 가공하였다. 각 시편은 임피던스 분석기(Solatron impedance analyser SI1260, 영국)를 이용하여 25~550℃ 온도구간에서 측정하였다. (OSC : 1.0V, 0.1 Hz ~ 3.0 MHz) 측정된 임피던스값은 ZVIEW software(Version 2.9c, Scribner Associates, Inc)를 이용하여 분석하였다. Cs-TEM(JEM-ARM200F, JEOL, 일본)을 이용하여 소결체의 미세구조를 관찰하였다(200 kV).The density of the specimen obtained by sintering was measured by the Archimedes method. Changes in the crystal phase were observed using an X-ray diffraction analyzer (D/max-2500, RIGAKU, Japan). In order to measure the volume resistance, a platinum electrode was deposited using a sputtering method. Resistance measurement was performed using a high resistance meter (Keysight B2985A, USA) to measure the resistance value after 60 seconds after applying a voltage of 100 V/mm in the 25 ~ 550 ℃ section. For impedance analysis, the specimen was processed in a 10 × 10 × 1 mm standard. Each specimen was measured at a temperature range of 25~550℃ using an impedance analyzer (Solatron impedance analyzer SI1260, UK). (OSC: 1.0V, 0.1 Hz ~ 3.0 MHz) The measured impedance value was analyzed using ZVIEW software (Version 2.9c, Scribner Associates, Inc). The microstructure of the sintered body was observed using Cs-TEM (JEM-ARM200F, JEOL, Japan) (200 kV).

실험예 1에 따라 Y2O3를 1.0 wt% 첨가하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스, 실험예 2에 따라 Y2O3 1.0 wt%, MgO 2.0 wt%를 첨가하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스, 그리고 실험예 3에 따라 Y2O3 1.0 wt%, MgO 2.0 wt%를 첨가하고 어닐링(Annealing) 하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 분석 결과를 도 1에 나타내었다. Aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by adding 1.0 wt% Y 2 O 3 according to Experimental Example 1, aluminum nitride prepared by adding 1.0 wt% Y 2 O 3 and 2.0 wt% MgO according to Experimental Example 2- X-ray diffraction (X-ray diffraction) of yttria composite ceramics, and aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by adding 1.0 wt% of Y 2 O 3 and 2.0 wt% of MgO and annealing according to Experimental Example 3. ; XRD) The analysis results are shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 분석 결과 세 시편 모두 주 결정상이 AlN상 이었다. Yttrium Aluminum Garnet(YAG, Y3Al5O12)상 뿐만 아니라 Al2O3상도 2차상으로 관찰되었다. 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스 및 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에서는 YAlO3(YAP)와 MgAl2O3(MSP)의 2차상을 볼 수 있었다. 본 실험예들에서 사용한 AlN 원료는 침탄법으로 제조된 것으로 약 0.8 wt%의 산소를 함유하고 있는데, 이 산소가 산화물(oxide) 형태로 있다고 가정하면 Y2O3와 MgO의 첨가로 YAG, YAP, MSP의 결정상의 석출된다고 생각된다. Referring to FIG. 1, as a result of the analysis, the main crystal phase of all three specimens was an AlN phase. The Yttrium Aluminum Garnet (YAG, Y 3 Al 5 O 12 ) phase as well as the Al 2 O 3 phase was observed as a secondary phase. In the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2 and the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3, secondary phases of YAlO 3 (YAP) and MgAl 2 O 3 (MSP) could be seen. . The AlN raw material used in these experimental examples is prepared by carburization and contains about 0.8 wt% of oxygen. Assuming that this oxygen is in the form of oxide, YAG and YAP are added by adding Y 2 O 3 and MgO. , It is thought that the crystal phase of MSP is precipitated.

도 2에 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 미세구조를 나타내었고, 도 3에 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping 이미지를 나타내었다. 도 2에서 (a)는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 사진이고, (b)는 (a)를 확대하여 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진이며, (c)는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 입계(grain boundary)를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이고, (d)는 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 투과전자현미경(TEM) 사진이며, (e)는 (d)를 확대하여 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진이고, (f)는 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 입계(grain boundary)를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이며, (g)는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 투과전자현미경(TEM) 사진이고, (h)는 (g)를 확대하여 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진이며, (i)는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 입계(grain boundary)를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 3에서 (a)는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX mapping 이미지이고, (b)는 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX mapping 이미지이며, (c)는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX mapping 이미지이다.2 shows the microstructure of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3, and FIG. 3 shows the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping image is shown. In FIG. 2, (a) is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 1, and (b) is a transmission electron microscope (a) magnified. TEM) is a photograph, (c) is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the grain boundaries of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1, and (d) is prepared according to Experimental Example 2. Is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the aluminum nitride-yttria composite ceramics, (e) is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing an enlarged view of (d), and (f) is a nitride prepared according to Experimental Example 2. It is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the grain boundary of the aluminum-yttria composite ceramics, (g) is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3 , (h) is a transmission electron microscope (TEM) photograph magnified in (g), and (i) is a transmission electron microscope showing the grain boundary of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3. This is a (TEM) picture. In FIG. 3, (a) is an EDX mapping image of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1, and (b) is an EDX mapping image of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2. , (c) is an image of EDX mapping of aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2의 (a) 내지 (c)에서 보이는 바와 같이 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에서는 YAG 2차상이 AlN 주상과 독립적으로 관찰된다. 반면 실험예 2 및 실험예 3에 따라 MgO가 도핑되어 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에서는 Y, Al, Mg, O, N으로 구성된 액상의 필름(film)이 입계(grain boundary)에서 관찰되며 독립적인 2차상은 관찰되지 않는다(도 2에서 (d) 내지 (i) 참조). 2 and 3, in the aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 1, as shown in FIGS. 2A to 2C, the YAG secondary phase was observed independently from the AlN column. On the other hand, in the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by doping MgO according to Experimental Examples 2 and 3, a liquid film composed of Y, Al, Mg, O, and N was observed at the grain boundary. No independent secondary phase was observed (see (d) to (i) in FIG. 2).

실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 EDX mapping 이미지인 도 3의 (a)에서도 (Y, Al, O)로 구성된 YAG 산화물이 2차상으로 존재함을 확인할 수 있다. 도 3의 (b)에서 보이는 바와 같이 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에서는 Mg이 주로 입계에 존재함을 알 수 있으며, 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에서는 도 3의 (c)에 보이는 바와 같이 임계에 있던 Mg이 어닐링(Annealing) 후에 입내(inside grain)로 확산해 들어가는 것을 확인할 수 있었다. In Fig. 3 (a), which is an EDX mapping image of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1, it can be seen that the YAG oxide composed of (Y, Al, O) exists as a secondary phase. As shown in (b) of Figure 3, in the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2, it can be seen that Mg mainly exists in the grain boundary, and the aluminum nitride-yttria composite prepared according to Experimental Example 3 In ceramics, as shown in Fig. 3(c), it was confirmed that Mg, which was at the critical level, diffused into the inside grain after annealing.

AlN 세라믹스는 전자에 의한 전도도가 고유한(intrinsic) 성질보다는 전하 주게(donor)에 의한 외적인(extrinsic) 부분에 크게 의존한다고 알려져 있다. 산소 이온이 AlN 결정립 내에 용해될 때 반응식 1과 같이 ionic compensation 이외에도 반응식 2와 같은 electronic compensation 기구 또한 가능하다.AlN ceramics are known to have a large dependence on the extrinsic part of the donor rather than the intrinsic property of the electron conductivity. When oxygen ions are dissolved in AlN grains, in addition to ionic compensation as shown in Scheme 1, an electronic compensation mechanism such as Scheme 2 is also possible.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112018125051456-pat00002
Figure 112018125051456-pat00002

AlN 세라믹스에서 ionic compensation 기구가 electronic compensation 기구보다 월등히 우세하며, ionic compensation과 electronic compensation의 비는 최종적인 열처리 조건 및 도핑원소에 의하여 결정된다고 추정할 수 있다. 일반적으로 열처리 온도가 낮을수록 ionic compensation이 electronic compensation에 비하여 우세하게 일어나는 것으로 알려져 있다. In AlN ceramics, the ionic compensation mechanism is far superior to the electronic compensation mechanism, and it can be estimated that the ratio of ionic compensation and electronic compensation is determined by the final heat treatment conditions and doping elements. In general, it is known that the lower the heat treatment temperature, the more predominantly ionic compensation occurs than electronic compensation.

도 4에 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에 대하여 100V/mm의 전계하에서 온도에 따른 DC 전기전도도와 활성화 에너지를 나타내었다. 도 4에서 red: RT, black: 100 ℃, blue: 200 ℃, Cyan: 300 ℃, pink: 400 ℃, green: 500℃를 각각 나타낸다. FIG. 4 shows DC electrical conductivity and activation energy according to temperature under an electric field of 100V/mm for the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3. In FIG. 4, red: RT, black: 100 °C, blue: 200 °C, Cyan: 300 °C, pink: 400 °C, and green: 500 °C are respectively shown.

도 5는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에 대하여 100V/mm의 전계하에서 온도에 따른 전기전도도(electronic conductivity)를 나타낸 도면이다. 5 is a view showing the electrical conductivity of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3 according to temperature under an electric field of 100V/mm.

도 4 및 도 5를 참조하면, 체적저항은 시간에 따라 급격히 증가하다가 일정 시간이 흐른 뒤에 포화되었다. 이는 전하 운반자(charge carrier)가 전극에서 blocking되어 전류흐름이 점차로 차단되는 전극에 의한 분극효과로 판단된다. 시간에 따른 전류의 흐름의 변화를 보면, 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 경우 비슷한 형태를 보이지만 400℃ 이상에서 측정한 경우, 비교적 짧은 시간 안에 전류의 흐름이 포화되는 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 백금 전극을 사용하였으므로 전자의 흐름은 전극과 시편의 계면에서 방해받지 않는데 비하여 이온의 흐름전극에 의해서 제한될 수 있다. AlN의 주요 전하 운반자가 Al 자리의 공극(vacancy)인 이온결함인 경우 나타날 것으로 예상되는 결과이다. 따라서, 직류 저항측정의 초기에는 이온과 전자이동이 전체 전류 흐름에 기여하나 이온의 흐름이 점차로 전극에 의하여 제한되다가 최종적으로 전자에 의한 이동만이 전류 흐름에 기여하는 것으로 볼 수 있다. 4 and 5, the volume resistance rapidly increased with time and then saturated after a certain period of time. This is judged as a polarization effect by an electrode in which a charge carrier is blocked at the electrode and current flow is gradually blocked. Looking at the change in the flow of current over time, the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3 show a similar shape, but when measured at 400°C or higher, the current flows within a relatively short time. It can be seen that this is saturated. In this experiment, since a platinum electrode was used, the flow of electrons is not disturbed at the interface between the electrode and the specimen, but may be limited by the flow of ions. This is the expected result when the major charge carrier of AlN is an ion defect, which is a vacancy in the Al site. Accordingly, it can be seen that the movement of ions and electrons contributes to the total current flow at the beginning of the DC resistance measurement, but the flow of ions is gradually restricted by the electrode, and finally only movement by electrons contributes to the current flow.

도 5의 결과는 측정기기의 측정 한계치로 인하여 비교적 고온인 200℃ 이상에서만 측정되었다. 주로 200℃ 이상의 고온 데이터를 위주로 살펴보면, 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스보다 실험예 2 및 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스가 1 order 이상 높은 전기저항과 더 높은 활성화 에너지를 보이고 있는 것을 알 수 있다. 이는 전자 전도도를 지배하는 운반자(carrier)의 농도가 줄어들었거나, 이동도가 Mg의 첨가에 따라 달라졌음을 의미한다. MgO가 AlN 매트릭스에 첨가될 경우, 다음과 같은 반응이 일어날수 있다.The results of FIG. 5 were measured only at a relatively high temperature of 200° C. or higher due to the measurement limit of the measuring device. Looking mainly at the high-temperature data of 200°C or higher, the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 2 and 3 were 1 order or more higher than the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1. It can be seen that and are showing higher activation energy. This means that the concentration of carriers that dominate the electron conductivity has decreased or that the mobility has been changed with the addition of Mg. When MgO is added to the AlN matrix, the following reaction can occur.

[반응식 3][Scheme 3]

Figure 112018125051456-pat00003
Figure 112018125051456-pat00003

[반응식 4][Scheme 4]

Figure 112018125051456-pat00004
Figure 112018125051456-pat00004

[반응식 5][Scheme 5]

Figure 112018125051456-pat00005
Figure 112018125051456-pat00005

반응식 3에 따라서 AlN의 매트릭스(matrix)에 Y2O3를 첨가함에 따른 electronic compensation 기구를 알 수 있었으며, 이것은 반응식 2와 유사하다. 이는 Al3 +(0.54Å)에 비해 Y3+(0.9Å)의 이온반경(ionic radius)가 다소 크더라도 Y2O3를 첨가에 의해 전자 운반자들이 생성되기 때문인 것으로 생각된다. 반응식 4는 양과 음의 운반자가 각각 증가하여 총 운반자 전하(net carrier charge)는 변함이 없음을 나타낸다. 반응식 5의 경우에는, N2 분위기에서 공극 운반자(hole carrier)가 생성되지만 MgO의 첨가에 의해 반응식 3의 반응으로부터 생긴 electronic contribution는 감소될 수 있다. 결과적으로 반응식 4에서 보여지듯이 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스와, 실험예 2 및 실험예 3에 따라 MgO가 도핑되어 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 비교했을 때 MgO의 첨가에 의해서 전자에 의한 전도도가 수 order 이상 감소함을 알 수 있다. 이것은 MgO 도핑에 의해서 전자 운반자가 감소한 때문이라고 해석할 수 있다(반응식 5 참조). 또한 온도에 따른 활성화 에너지를 구하였을 때, 실험예 2 및 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 경우 전기전도도의 활성화 에너지는 각각 1.19 eV와 1.17 eV 이었고, 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 경우는 활성화 에너지가 0.86 eV 이었다. 따라서, MgO 도핑에 의해서 이동도를 감소시키는 결과가 또한 얻어진 것으로 보인다. AlN 세라믹스의 경우, 이온전도에 의한 전도도가 무시할 수 없는 정도라고 알려져 있으며, 입자 또는 입계의 영향을 정확히 분석하기 위하여 임피던스 분광 분석 및 미세구조 분석을 실시하였다.According to Scheme 3, the electronic compensation mechanism according to the addition of Y 2 O 3 to the AlN matrix was found, which is similar to Scheme 2. This is thought to be because electron transporters are generated by adding Y 2 O 3 even though the ionic radius of Y 3+ (0.9Å) is somewhat larger than Al 3 + (0.54Å). Equation 4 shows that the positive and negative carriers increase, respectively, so that the net carrier charge remains unchanged. In the case of Scheme 5, a hole carrier is generated in an N 2 atmosphere, but the electronic contribution resulting from the reaction of Scheme 3 can be reduced by the addition of MgO. As a result, as shown in Scheme 4, when comparing the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1 and the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared by doping MgO according to Experimental Examples 2 and 3, MgO It can be seen that the conductivity of electrons decreases by more than several orders by the addition of. It can be interpreted that this is due to the decrease in electron carriers by MgO doping (refer to Scheme 5). In addition, when the activation energy according to the temperature was calculated, in the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2 and Experimental Example 3, the activation energy of electrical conductivity was 1.19 eV and 1.17 eV, respectively, according to Experimental Example 1. In the case of the prepared aluminum nitride-yttria composite ceramics, the activation energy was 0.86 eV. Thus, it appears that the result of reducing the mobility by MgO doping was also obtained. In the case of AlN ceramics, it is known that the conductivity due to ion conduction cannot be ignored, and impedance spectral analysis and microstructure analysis were performed to accurately analyze the effect of particles or grain boundaries.

실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스에 대하여 온도(RT-550도)에 따른 복소임피던스 스펙트럼을 측정하였다. 우선, 측정주파수 f에 따른 커패시턴스 C p 와 그에 따른 유전율 ε을 저항과 커패시터의 병렬연결을 가정하고 복소 임피던스(Z real, Z imag)로부터 다음의 수학식 1을 사용하여 계산하였다.The complex impedance spectrum according to the temperature (RT-550 degrees) was measured for the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Examples 1 to 3. First, the capacitance C p according to the measurement frequency f and the resulting dielectric constant ε were calculated using the following equation (1) from the complex impedance ( Z real , Z imag ) assuming the parallel connection of the resistor and the capacitor.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018125051456-pat00006
Figure 112018125051456-pat00006

세라믹스의 유전율은 크게 주파수 범위에 따라 3가지 영역으로 구분되어 주파수에 따라 서로 다른 세 가지의 분극 기구가 존재한다고 알려져 있다. 고주파 영역대는 입자에 기인한 것으로 판단되며 104 Hz 범위에서는 입계, 102 Hz 이하에서는 이온 분극에 의한 효과로 추정할 수 있다. The dielectric constant of ceramics is largely divided into three regions according to the frequency range, and it is known that there are three different polarization mechanisms depending on the frequency. The high frequency band is considered to be due to particles, and it can be estimated as the effect of grain boundaries in the range of 10 4 Hz and ion polarization in the range of 10 2 Hz or less.

도 6a 및 도 6b는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여주고, 도 7a 및 도 7b는 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여주며, 도 8a 및 도 8b는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 임피던스 스펙트럼의 변화를 보여준다. 6A and 6B show changes in the impedance spectrum of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 1, and FIGS. 7A and 7B are the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2. It shows the change of the impedance spectrum, and FIGS. 8A and 8B show the change of the impedance spectrum of the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3. FIG.

임피던스 스펙트럼을 ZVIEW 프로그램을 이용하여 입자, 입계, 전극에 의한 분극현상을 고려하여 등가회로(equivalent circuit)를 구성하고 수치조정(numerical fitting)을 통하여 각각의 분극에 대응하는 저항과 정전용량(capacitance)값을 도 9에 나타낸 바와 같이 구하였다. 도 9에서 '1Y'는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 나타내고, '1Y2M'은 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 나타내며, '1Y2M-A'는 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스를 나타낸다.Using the ZVIEW program, the impedance spectrum is composed of an equivalent circuit in consideration of polarization caused by particles, grain boundaries, and electrodes, and resistance and capacitance corresponding to each polarization through numerical fitting. The value was calculated as shown in FIG. 9. In FIG. 9, '1Y' denotes the aluminum nitride-yttria composite ceramics manufactured according to Experimental Example 1, and '1Y2M' denotes the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 2, and '1Y2M-A' Represents the aluminum nitride-yttria composite ceramics prepared according to Experimental Example 3.

모든 온도 범위에서 입내저항(입자에 의한 저항, grain term)에 비하여 입계저항(입계에 의한 저항, grain boundary term)이 1~2 order 이상 크게 나타나고 도핑에 의하여 입내저항과 입계저항이 크게 변화하는 것을 보여주고 있다. 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)의 경우, MgO 도핑에 따라 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y)에 비하여 입내저항이 감소하나, 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)의 경우, 300도 이상 고온부에서는 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y)에 비하여 입내저항이 1 order 이상 증가함을 알 수 있었다. 이것은 어닐링에 의한 저항증가 효과가 MgO 도핑에 의한 저항감소 효과보다 고온부에서는 더 크기 때문이라고 생각된다. In all temperature ranges, the grain boundary resistance (grain boundary term) is 1~2 orders higher than that of the grain resistance (grain term), and the grain resistance and grain boundary resistance are significantly changed by doping. Showing. In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared according to Experimental Example 2, the grain resistance decreased compared to the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y) prepared according to Experimental Example 1 according to MgO doping, but the experiment In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to Example 3, the grain resistance was 1 order compared to the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y) prepared according to Experimental Example 1 at a high temperature of 300 degrees or more. It could be seen that the increase was increased. This is considered to be because the effect of increasing the resistance by annealing is greater in the high temperature region than the effect of reducing the resistance by doping with MgO.

도 9에서 볼 수 있는 것과 같이, 입계에 의한 저항은 입내저항보다 높으며 고온부에서 저항을 지배함을 알 수 있다. 즉, AlN 소결체의 고온 저항을 높이는데 있어서 입계의 저항을 조절하는 것이 주요한 인자임을 의미한다. 실험예 2에 따라 MgO를 도핑하여 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)의 경우, 300℃ 이상 고온에서의 저항이 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y) 보다 1 order 정도 증가하며, 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)의 경우, 모든 온도에서 >1 order 증가함을 알 수 있다. 이것은 입계에 절연성이 높은 액상 필름이 생기거나, Mg가 입계에 많이 석출되어 쇼트키 장벽 (Schottky barrier)을 높이기 때문으로 해석할 수 있다. 2가의 양전하를 갖는 Mg 이온이 Al 이온을 치환하게 되면, 음전하를 갖는 결함(

Figure 112018125051456-pat00007
)이 생성되고( 반응식 4 참조) 주된 운반자인 Al 공극(
Figure 112018125051456-pat00008
) 의 농도가 입계에서 지수적으로(exponentially) 감소하면서 공핍(depletion) 현상이 일어나게 된다. Al 공극는 입계에서 보다 높은 쇼트키 장벽을 느끼게 되고 따라서 입계에서의 저항은 증가한다. 특히 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)의 경우 도 3의 (c)에서 볼 수 있는 것과 같이 어닐링 후 Mg가 입내로 확산되었으며, 이것이 입계저항을 한층 더 증가시킨 것으로 생각된다. As can be seen in FIG. 9, it can be seen that the resistance due to the grain boundary is higher than the internal resistance and dominates the resistance in the high temperature portion. That is, it means that controlling the resistance of the grain boundary is a major factor in increasing the high temperature resistance of the AlN sintered body. In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared by doping MgO according to Experimental Example 2, the resistance at a high temperature of 300°C or higher was higher than that of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y) prepared according to Experimental Example 1. It can be seen that in the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) manufactured according to Experimental Example 3, an increase of about 1 order is increased by >1 order at all temperatures. This can be interpreted because a liquid film with high insulating properties occurs at the grain boundary, or because a large amount of Mg is precipitated at the grain boundary to increase the Schottky barrier. When Mg ions having a divalent positive charge replace Al ions, defects having negative charges (
Figure 112018125051456-pat00007
) Is created (see Scheme 4) and the main carrier, Al pore (
Figure 112018125051456-pat00008
) As the concentration of) decreases exponentially at the grain boundary, depletion occurs. Al voids feel a higher Schottky barrier at the grain boundary and thus the resistance at the grain boundary increases. In particular, in the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to Experimental Example 3, Mg diffused into the grain after annealing as shown in FIG. 3(c), which further increases the intergranular resistance. I think it was.

도 10에서는 입내와 입계의 저항을 분리하여 온도에 따른 전기전도도를 표시하고 활성화 에너지를 구하였다. 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)와 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)의 경우 입내의 전기전도도의 활성화 에너지는 0.264 eV과 0.163 eV이었고, 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y)의 활성화 에너지가 각각 0.62 eV의 값을 가지고 있었다. 활성화 에너지가 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)와 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)에서 증가한 것은 MgO 도핑에 의한 영향으로 생각된다. 실험예 1에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y)의 경우는 입계의 활성화 에너지가 1.184 eV이고, 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)와 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)의 경우는 1.252, 1.387 eV이였다. 실험예 2에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M)의 입계에 대한 활성화 에너지가 증가한 것은 것은 전술한대로 Mg가 입계에 석출되어 Al 공극의 이동에 대한 쇼트키 장벽을 증가시키는 현상이 일어났거나 미세구조 분석에서 전술한대로 입계에 절연성이 높은 액상 필름이 생겼음을 의미한다. 그리고 실험예 3에 따라 제조된 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스(1Y2M-A)에서 입계저항이 더 증가하고, 활성화 에너지가 더 증가한 것은 어닐링에 의해서 Mg가 입계로 더 확산되었기 때문이거나, 저항이 높은 상(e.g. Spinel상, MgAl2O6)이 더 넓은 범위에서 생성되어, 이 때문에 입계저항을 더 증가시킨 것으로 생각할 수 있다. 그러나, XRD 분석결과를 보면, 어닐링 후에도 스피넬(Spinel)상의 증가 등 결정상의 변화는 관찰되지 않는다. 따라서, Mg의 확산에 의한 쇼트키 장벽의 증가로 이동도가 감소한 때문으로 추정된다.In FIG. 10, the resistance of the intragranular and grain boundaries was separated to indicate the electrical conductivity according to the temperature, and the activation energy was calculated. In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared according to Experimental Example 2 and the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to Experimental Example 3, the activation energy of the electrical conductivity in the mouth was 0.264 eV and It was 0.163 eV, and the activation energy of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y) prepared according to Experimental Example 1 had a value of 0.62 eV, respectively. The increase in activation energy in the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared according to Experimental Example 2 and the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to Experimental Example 3 is considered to be the effect of MgO doping. do. In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y) prepared according to Experimental Example 1, the activation energy of the grain boundary was 1.184 eV, and the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared according to Experimental Example 2 and Experimental Example 3 In the case of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to the method, it was 1.252, 1.387 eV. The increase in the activation energy for the grain boundary of the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M) prepared according to Experimental Example 2 was caused by the phenomenon that Mg precipitated at the grain boundary as described above, thereby increasing the Schottky barrier against the movement of Al pores. It means that a liquid film with high insulating properties has occurred at the grain boundary as described above in the microstructure analysis. And in the aluminum nitride-yttria composite ceramics (1Y2M-A) prepared according to Experimental Example 3, the grain boundary resistance was further increased, and the activation energy was further increased because Mg was more diffused to the grain boundary by annealing, or the resistance was high. The phase (eg Spinel phase, MgAl 2 O 6 ) is generated in a wider range, and thus it can be considered that the grain boundary resistance is further increased. However, looking at the XRD analysis results, no change in the crystal phase such as an increase in the spinel phase was observed even after annealing. Therefore, it is presumed that the mobility decreased due to an increase in the Schottky barrier due to diffusion of Mg.

복소 임피던스 분광 분석 및 미세구조분석을 통하여 MgO가 도핑된 AlN 세라믹스의 입내과 입계의 온도에 따른 이온전도도와 전자전도도를 분석하였다. 전자 전도가 대부분 기여하리라고 믿어지는 DC 전도도는 MgO의 첨가에 의하여 1 order이상 크게 낮아지고 활성화 에너지 또한 증가하였다. 임피던스 분석결과, MgO를 첨가한 경우, 입자에 의한 저항은 감소함에 반하여 입계에 의한 저항과 활성화 에너지는 증가하며 이는 Mg가 입계에 석출되어 쇼트키 장벽을 높이거나, 입계에 고저항을 갖는 액상 필름이 이온 전도를 감소시키기 때문으로 생각된다. 이는 결정립 사이 입계에 고르게 잘 분포된 Mg를 포함한 비정질 액상의 존재를 보여주는 미세구조 분석결과와 잘 일치한다. 반면 MgO 첨가 후 어닐링을 한 경우, 입계의 저항이 더욱 증가하는데 이는 도핑된 Mg 이온이 입계의 저항을 한층 더 증가시키기 때문이라고 생각된다. Through complex impedance spectroscopy and microstructure analysis, the ion conductivity and electron conductivity of MgO-doped AlN ceramics were analyzed according to the temperature of the grain boundary and the inside of the grain. DC conductivity, which is believed to contribute most of electron conduction, is significantly lowered by more than 1 order by the addition of MgO, and activation energy is also increased. As a result of impedance analysis, when MgO is added, resistance by particles decreases, while resistance and activation energy by grain boundaries increase. This is because Mg precipitates at grain boundaries to increase the Schottky barrier, or liquid films with high resistance to grain boundaries. It is considered to be because this ion conduction is reduced. This is in good agreement with the microstructure analysis results showing the presence of an amorphous liquid phase containing Mg evenly distributed at the grain boundaries between grains. On the other hand, in the case of annealing after addition of MgO, the resistance of the grain boundary further increases, which is thought to be because the doped Mg ions further increase the resistance of the grain boundary.

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.In the above, a preferred embodiment of the present invention has been described in detail, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible by those of ordinary skill in the art.

Claims (11)

(a) AlN 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 용매에 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;
(b) 상기 슬러리를 건조하여 복합분말을 형성하는 단계;
(c) 상기 복합분말을 성형하는 단계; 및
(d) 성형된 결과물을 1500∼1620℃의 소결온도에서 산화 분위기에서 소결하는 단계를 포함하며,
상기 소결 후에 상기 소결온도보다 낮은 온도에서 산화 분위기에서 어닐링(Annealing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
(a) forming a slurry by mixing AlN powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder with a solvent;
(b) drying the slurry to form a composite powder;
(c) molding the composite powder; And
(d) sintering the molded resultant in an oxidizing atmosphere at a sintering temperature of 1500 to 1620°C,
After the sintering, the method of manufacturing an aluminum nitride-yttria composite ceramics, further comprising annealing in an oxidizing atmosphere at a temperature lower than the sintering temperature.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 Ta2O5 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the slurry is formed by further mixing Ta 2 O 5 powder in step (a).
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 WO3 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the slurry is formed by further mixing WO 3 powder in step (a).
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 TiO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the slurry is formed by further mixing TiO 2 powder in step (a).
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 HfO2 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the slurry is formed by further mixing HfO 2 powder in step (a).
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 SrO 분말을 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the slurry is formed by further mixing SrO powder in step (a).
제1항에 있어서, 상기 Y2O3 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the Y 2 O 3 powder is mixed with 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.
제1항에 있어서, 상기 MgO 분말은 상기 AlN 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the MgO powder is mixed with 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the AlN powder.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 어닐링은 1300∼1550℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄-이트리아 복합 세라믹스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the annealing is performed at a temperature of 1300 to 1550°C.
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