KR102154060B1

KR102154060B1 - 탄화규소 분말

Info

Publication number: KR102154060B1
Application number: KR1020130034417A
Authority: KR
Inventors: 민경석; 김병숙; 김득중; 이은주
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2020-09-09
Also published as: KR20140118459A

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 분말의 제조 방법은 β상의 탄화규소 분말과 탄소원을 포함하는 혼합물을 제1 온도로 열처리하는 단계, 그리고 상기 혼합물을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 열처리하여 α상의 탄화규소 분말을 획득하는 단계를 포함한다.

Description

탄화규소 분말{SILICON CARBIDE POWDER}

본 발명은 탄화규소 분말에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알파 상의 탄화규소 분말에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 고온강도가 높고, 내마모성, 내산화성, 내식성, 크립저항성 등이 우수하다. 탄화규소는 입방정(cubic) 결정 구조를 갖는 β 상과 육방정(hexagonal) 결정구조를 갖는 α상이 존재한다. β 상은 1400-1800℃의 온도 범위에서 안정하고, α상은 2000℃ 이상에서 형성된다.

탄화규소는 산업체 구조용 재료로 널리 이용되고 있으며, 최근에는 반도체 소자에도 적용되고 있다. 이를 위하여, β 상의 탄화규소 분말을 고온에서 처리하여 단결정 성장시킨다. 그런데, β 상의 탄화규소 분말은 단결정 성장 온도에서 α상의 탄화규소 분말로 상전이될 수 있다. 이로 인하여, 증발 응축이 활발해지며, 성장면의 높이가 달라져 온도구배 컨트롤이 달라지게 된다.

따라서, α상의 탄화규소 분말을 단결정 성장의 원료로 사용하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. α상의 탄화규소 분말은 고온에서도 상전이될 염려가 없으므로, 안정적으로 단결정 성장시킬 수 있기 때문이다.

이를 위하여, 다양한 입도의 α상의 탄화규소 분말이 요구되고 있다. α상의 탄화규소 분말의 입도에 따라 단결정 성장 조건 등이 달라질 수 있기 때문이다. 다만, α상의 탄화규소 분말의 입도를 제어하는 방법에 대해서는 연구가 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다. β 상의 탄화규소 분말을 고온에서 처리하여 α상의 탄화규소 분말을 얻을 수는 있으나, 처리 시간이 짧으면 β 상과 α상이 혼재하는 문제가 있고, 처리 시간이 길면 수백 ㎛ 이상으로 과성장하는 문제가 있다. 그리고, 채거름을 통하여 원하는 입도를 가진 α상의 탄화규소 분말을 회수할 수는 있으나, 고순도의 분말을 얻기 어려운 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고순도의 α상의 탄화규소 분말 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 α상의 탄화규소 분말의 입도는 상기 혼합물에 포함되는 상기 탄소원의 함량에 따라 제어될 수 있다.

상기 탄소원은 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 30 중량부로 포함될 수 있다.

상기 α상의 탄화규소 분말의 입도(D₅₀)는 20㎛ 내지 300㎛일 수 있다.

상기 제1 온도로 열처리하는 단계에서는, 상기 탄소원을 유기물과 탄소로 분해한 후, 상기 유기물을 배출하고, 상기 탄소를 잔류시킬 수 있다.

상기 제1 온도는 1300℃ 내지 1700℃이고, 상기 제2 온도는 2000℃ 내지 2200℃일 수 있다.

상기 탄소원은 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene), 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 분말은 입도(D₅₀)가 20㎛ 내지 300㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 1보다 크고 9보다 작은 알파상의 탄화규소 분체를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고순도의 α상의 탄화규소 분말을 얻을 수 있다. 특히, 원하는 입도를 가진 α상의 탄화규소 분말을 얻을 수 있다. 이에 따라, 상전이의 염려 없이 균일한 속도로 성장한 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 비교예 및 실시예에 사용된 β상의 탄화규소 분말이다.
도 3은 도 2의 β상의 탄화규소 분말의 XRD((X-Ray Diffraction) 피크이다.
도 4는 비교예 1의 결과에 따른 탄화규소 분말이다.
도 5는 비교예 2의 결과에 따른 탄화규소 분말이다.
도 6은 도 5의 α상의 탄화규소 분말의 XRD 피크이다.
도 7 내지 도 11은 실시예 1 내지 실시예 5의 결과에 따른 탄화규소 분말을 각각 나타낸다.
도 12는 실시예 1 내지 실시예 5의 결과에 따른 탄화규소 분말의 XRD 피크이다.

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.

제2, 제1 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.

본 발명의 실시예에서는, β상의 탄화규소 분말에 탄소원을 혼합하여 열처리함으로써 α상의 탄화규소 분말의 입도를 제어하고자 한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 제조 방법의 순서도이다.

도 1을 참조하면, β상의 탄화규소 분말과 탄소원을 혼합한다(S100). 탄소원은 고체 탄소원 또는 액상의 레진일 수 있다. 고체 탄소원은, 예를 들면 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene) 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 액상의 레진은, 예를 들면 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다.

여기서, β상의 탄화규소 분말과 탄소원은 습식으로 혼합될 수 있다. 탄소원으로 액상의 레진이 사용되는 경우, β상의 탄화규소 분말과 탄소원은 더욱 균일하게 혼합될 수 있다.

한편, 탄소원은 β상의 탄화규소 분말과 탄소원의 혼합물의 100 중량부에 대하여 0.1 내지 30 중량부로 포함될 수 있다. 혼합물에 포함되는 탄소원의 함량에 따라 제조하고자 하는 α상의 탄화규소 분말의 입도를 조절할 수 있으나, 탄소원이 0.1 중량부보다 적게 함유되면 입도를 조절할 수 없고, 30 중량부보다 많이 함유되면 재료의 특성이 바뀔 수 있다.

다음으로, β상의 탄화규소 분말과 탄소원의 혼합물을 챔버 내에서 열처리한다(S110). 이때, 1300℃ 내지 1700℃에서 소정 시간 동안 열처리될 수 있다. 바람직하게는, 1350℃ 내지 1450℃에서 3시간 동안 열처리될 수 있다. 이에 따라, 혼합물에 포함된 탄소원은 유기물과 탄소(carbon)로 분해된다. 이때, 진공 펌프(vacumm pump)를 이용하여 유기물을 배출하여, 탄소만을 챔버 내에 잔류시킬 수 있다. 탄소원이 페놀 수지이고, 1400℃에서 3시간 동안 처리한 경우, 페놀 수지 100 중량부에 대하여 약 50 중량부는 유기물로 배출되고, 나머지 약 50 중량부는 탄소로 챔버 내에 잔류할 수 있다.

다음으로, β상의 탄화규소 분말과 잔류 탄소를 단계 S110보다 높은 온도, 즉 β상의 탄화규소 분말로부터 α상의 탄화규소 분말로 상전이되는 온도에서 소정 시간 동안 열처리하여 α상의 탄화규소 분말을 획득한다(S120). 이때, 2200℃ 내지 2200℃에서 4시간 이상 열처리될 수 있다. 챔버는 불활성 가스(예, Ar)로 충전될 수 있다. 여기서, 단계 S110을 진행한 후 동일한 챔버 내에서 2200℃ 내지 2200℃ 수준으로 서서히 온도를 올리거나, 2000℃ 내지 2200℃로 미리 설정된 다른 챔버로 옮긴 후 단계 S120을 진행할 수 있다.

여기서, 잔류 탄소는 β상의 탄화규소 분말에서 α상의 탄화규소 분말로의 상전이를 지연시키는 역할을 한다. 즉, β 상의 탄화규소 분말이 α상의 탄화규소 분말로 상전이하는 과정에서, β 상의 탄화규소 분말과 α상의 탄화규소 분말이 혼재하는 구간이 있다. α상의 탄화규소 분말만을 얻기 위하여, 열처리는 소정 시간(예, 4시간) 이상 유지되어야 한다. 다만, β 상의 탄화규소 분말을 4시간 이상 고온에서 유지하면, 과대 과립의 탄화규소 분말이 얻어질 수 있다.

β상의 탄화규소 분말과 잔류 탄소를 함께 열처리하면, 탄소의 증기압이 낮으므로 탄화규소 분말의 상전이 메커니즘인 증발응축 메커니즘을 억제시켜, α상의 탄화규소 분말의 급격한 입성장을 막을 수 있다. 이에 따라, 잔류 탄소의 양, 즉 탄소원의 양에 따라 α상의 탄화규소 분말의 입도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 첨가되는 탄소원의 양이 많을수록 α상의 탄화규소 분말의 입도는 작아진다. 따라서, 원하는 입도에 따라 첨가되는 탄소원의 양을 조절할 수 있다.

이와 같이, β상의 탄화규소 분말에 탄소원을 혼합하여 가열하되, 탄소원의 양을 조절하면, 원하는 입도를 가지는 α상의 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.

특히, 탄소원으로 액상의 레진을 사용하면, β상의 탄화규소 분말과 레진이 균일하게 혼합되어, 균일한 입도, 즉 산포(D₉₀/D₁₀)가 낮은 α상 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명이 실시예에 따른 탄화규소 분말의 제조 방법을 비교예 및 실시예를 이용하여 구체적으로 설명한다.

<비교예 1>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말을 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 3시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<비교예 2>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말을 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<실시예 1>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말과 전체 대비 2 중량부의 페놀 수지를 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<실시예 2>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말과 전체 대비 4 중량부의 페놀 수지를 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<실시예 3>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말과 전체 대비 6 중량부의 페놀 수지를 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<실시예 4>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말과 전체 대비 10 중량부의 페놀 수지를 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

<실시예 5>

평균 입자 크기가 1.7㎛인 5N 의 β 상 탄화규소 분말과 전체 대비 12 중량부의 페놀 수지를 챔버에 넣고 진공 분위기에서 1450℃까지 올리고, 아르곤 분위기로 바꾸어 2150℃까지 올린 후, 5시간 동안 유지하고, 자연냉각하였다.

도 2는 비교예 및 실시예에 사용된 β상의 탄화규소 분말이고, 도 3은 도 2의 β상의 탄화규소 분말의 XRD((X-Ray Diffraction) 피크이다. 도 3에서, 가로축은 광원의 각도를 의미하며, 세로축은 광이 회절되어 검출(detecting)되는 강도(intensity)를 의미한다. 이에 따라, 특정 각도에서 회절되어 나오는 광의 세기에 기초하여 결정상을 분석할 수 있다.

도 4는 비교예 1의 결과에 따른 탄화규소 분말이고, 도 5는 비교예 2의 결과에 따른 탄화규소 분말이며, 도 6은 도 5의 α상의 탄화규소 분말의 XRD 피크이다. 도 6에서, 가로축은 광원의 각도를 의미하며, 세로축은 광이 회절되어 검출(detecting)되는 강도(intensity)를 의미한다.

도 4를 참조하면, β상의 탄화규소 분말을 충분한 시간 동안 가열하지 않으면 β상과 α상이 혼재된 탄화규소 분말을 얻음을 알 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, β상의 탄화규소 분말을 충분한 시간 동안 가열하면, 고순도의 α상 탄화규소 분말을 얻을 수는 있으나, 과대 과립이 형성됨을 알 수 있다.

도 7 내지 도 11은 실시예 1 내지 실시예 5의 결과에 따른 탄화규소 분말을 각각 나타내며, 도 12는 실시예 1 내지 실시예 5의 결과에 따른 탄화규소 분말의 XRD 피크이며, 표 1은 실시예 1 내지 실시예 5의 결과에 따른 탄화규소 분말의 입도 및 산포를 나타낸다.

도 7 내지 도 12를 참조하면, 첨가되는 탄소원의 양이 많을수록 제조되는 α상 탄화규소 분말의 입도가 작아지는 것을 알 수 있다. 특히, 입도가 수십 ㎛ 수준으로 작더라도 고순도의 α상 탄화규소 분말을 획득할 수 있음을 알 수 있다.

표 1은 첨가되는 탄소원의 함량에 대한 α상 탄화규소 분말의 입도 및 산포를 나타낸다.

탄소원의 함량(wt%)	입도(D₅₀, ㎛)	산포(D₉₀/D₁₀)
2	268	6.71
6	155	8.4
12	64	5.28

표 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 탄소원의 함량을 조절하여 입도가 20 내지 300㎛, 바람직하게는 60 내지 270㎛이고, 산포가 1 내지 10, 바람직하게는 1보다 크고 9보다 작은 α상 탄화규소 분말을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

β상의 탄화규소 분말과 탄소원을 포함하는 혼합물을 제1 온도로 열처리하는 단계;
상기 탄소원을 유기물과 탄소로 분해한 후, 상기 유기물을 배출하고, 상기 탄소를 잔류시키는 단계; 및
상기 혼합물을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 열처리하여 α상의 탄화규소 분말을 획득하는 단계를 포함하고,
α상의 탄화규소 분말의 입도는 상기 혼합물에 포함되는 상기 탄소원의 함량에 따라 제어되며,
상기 탄소원은 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 2 내지 12 중량부로 포함되는 탄화 규소 분말 제조방법에 의하여 제조되며,
입도(D50)가 20㎛ 내지 300㎛이고, 산포(D90/D10)가 1 보다 크고 8.4 보다 작은 알파상의 탄화규소 분체를 포함하는 탄화규소 분말.
제1항에 있어서,
상기 제1 온도는 1300℃ 내지 1700℃이고, 상기 제2 온도는 2000℃ 내지 2200℃인 탄화규소 분말.
제1항에 있어서,
상기 탄소원은 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene), 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 탄화규소 분말.