KR102234171B1 - 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법 - Google Patents

저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102234171B1
KR102234171B1 KR1020190178813A KR20190178813A KR102234171B1 KR 102234171 B1 KR102234171 B1 KR 102234171B1 KR 1020190178813 A KR1020190178813 A KR 1020190178813A KR 20190178813 A KR20190178813 A KR 20190178813A KR 102234171 B1 KR102234171 B1 KR 102234171B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
silicon carbide
sic
weight
parts
Prior art date
Application number
KR1020190178813A
Other languages
English (en)
Inventor
최우혁
강석원
손재용
정성모
박주석
김경훈
소성민
Original Assignee
(주)삼양컴텍
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)삼양컴텍, 한국세라믹기술원 filed Critical (주)삼양컴텍
Priority to KR1020190178813A priority Critical patent/KR102234171B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102234171B1 publication Critical patent/KR102234171B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/575—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained by pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/563—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on boron carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/36—Glass starting materials for making ceramics, e.g. silica glass

Abstract

본 발명은, SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 갖는 실리콘카바이드계 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실리콘카바이드계 복합체에 의하면, 소재의 위치에 따른 전기저항 차이가 크지 않고, 낮은 전기저항을 나타내며, 열전도 및 기계적 특성이 우수하다.

Description

저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법{Manufacturing method of low-resistance silicon carbide composite}
본 발명은 실리콘카바이드계 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소재의 위치에 따른 전기저항 차이가 크지 않고 낮은 전기저항을 나타내며 열전도 및 기계적 특성이 우수한 저저항 실리콘카바이드계 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실리콘카바이드(Silicon carbide, SiC)는 대표적인 비산화물계 세라믹스로 산화물계 세라믹스보다 우수한 성능을 가지고 있어 새로운 기능성 재료로 주목받고 있다.
SiC는 강도, 경도, 내마모성 같은 기계적 특성이 우수하고, 낮은 열팽창계수, 높은 열전도를 나타내며, 내부식성이 우수하다.
이러한 특성을 갖는 SiC 소결체는 (고온)구조재료, 연마재, 반도체/디스플레이 제조 장비의 부품 등에 응용되고 있다. 그러나, SiC 소결체는 높은 전기저항으로 인해 그 응용에 제한적이다.
SiC 소결체의 전기저항을 낮추려는 연구가 있으나, 기존 저저항 SiC 소결체의 경우 소재의 위치에 따른 전기저항의 차이가 발생하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0637635호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소재의 위치에 따른 전기저항 차이가 크지 않고 낮은 전기저항을 나타내며 열전도 및 기계적 특성이 우수한 저저항 실리콘카바이드계 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 갖는 실리콘카바이드계 복합체를 제공한다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Al2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Y2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 YAG(Yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12) 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC와 B4C가 50:50 내지 90:10의 중량비를 이루고 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 준비하고 혼합하여 슬러리 상태로 만드는 단계와, 슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying) 하여 과립분말을 수득하는 단계와, 상기 과립분말을 몰드에 담아 퍼니스에 장입하는 단계와, 상기 퍼니스의 온도를 승온하고 상기 과립분말에 압력을 가하면서 소결시키는 단계 및 상기 퍼니스를 냉각하여 실리콘카바이드계 복합체를 수득하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물과 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 Al(OH)3 분말을 더 포함할 수 있고, 상기 Al(OH)3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 Y2O3 분말을 더 포함할 수 있고, 상기 Y2O3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 액상 규산소다(sodium silicate)를 더 포함할 수 있고, 상기 액상 규산소다는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.01∼1중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50 내지 90:10의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 소결온도는 1750∼2100℃ 범위인 것이 바람직하다.
상기 과립분말에 가해지는 압력은 10∼60MPa 범위인 것이 바람직하다.
상기 분무건조는 유입구(Inlet) 온도 85∼270℃, 배출구(Outlet)의 온도 60∼120℃, 회전속도 6000∼15000 rpm의 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 가질 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실리콘카바이드계 복합체는 소재의 위치에 따른 전기저항 차이가 크지 않고 낮은 전기저항을 나타낸다. SiC 단일 소결체는 높은 전기저항을 나타내는데, SiC 단일 소결체보다 낮은 전기저항을 갖도록 복합체로 형성하여 반도체 장비용 부품 등의 소재로 적용이 가능하다.
본 발명의 실리콘카바이드계 복합체는 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내며, 입자 사이의 간격이 매우 조밀하고 기공이 거의 형성되지 않은 소결체로서, 결정 상태가 우수하다.
또한, 본 발명의 실리콘카바이드계 복합체는 열전도도 및 기계적 특성(mechanical property)이 우수하다.
도 1은 열간가압소결의 시간에 따른 승온속도, 소결 시 유지시간, 과립분말에 가하는 압력을 보여주는 도면이다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 3은 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 상대밀도를 보여주는 도면이다.
도 4는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 경도를 보여주는 도면이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 강도를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예 1에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 7은 실험예 2에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 실험예 3에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 열전도도를 보여주는 도면이다.
도 10은 비저항을 측정하기 위하여 가로 380㎜, 세로 380㎜의 플레이트(Plate)형 실리콘카바이드계 복합체 시편에 10개의 포인트(앞(F) 5 point, 뒤(B) 5 point)를 선정한 모습을 보여주는 도면이다.
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.
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.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체는, SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 가진다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Al2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Y2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 YAG(Yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12) 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC와 B4C가 50:50 내지 90:10의 중량비를 이루고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법은, 출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 준비하고 혼합하여 슬러리 상태로 만드는 단계와, 슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying) 하여 과립분말을 수득하는 단계와, 상기 과립분말을 몰드에 담아 퍼니스에 장입하는 단계와, 상기 퍼니스의 온도를 승온하고 상기 과립분말에 압력을 가하면서 소결시키는 단계 및 상기 퍼니스를 냉각하여 실리콘카바이드계 복합체를 수득하는 단계를 포함한다.
상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물과 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함할 수 있고, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 Al(OH)3 분말을 더 포함할 수 있고, 상기 Al(OH)3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 Y2O3 분말을 더 포함할 수 있고, 상기 Y2O3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 액상 규산소다(sodium silicate)를 더 포함할 수 있고, 상기 액상 규산소다는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.01∼1중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50 내지 90:10의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 소결온도는 1750∼2100℃ 범위인 것이 바람직하다.
상기 과립분말에 가해지는 압력은 10∼60MPa 범위인 것이 바람직하다.
상기 분무건조는 유입구(Inlet) 온도 85∼270℃, 배출구(Outlet)의 온도 60∼120℃, 회전속도 6000∼15000 rpm의 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 가질 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체를 더욱 구체적으로 설명한다.
SiC 소결체는 강도, 경도, 내마모성 같은 기계적 특성이 우수하고, 낮은 열팽창계수, 높은 열전도를 나타내며, 내부식성이 우수하다. 그러나, SiC 소결체는 높은 전기저항으로 인해 그 응용에 제한적이다. SiC 소결체의 전기저항을 낮추려는 연구가 있으나, 기존 저저항 SiC 소결체의 경우 소재의 위치에 따른 전기저항의 차이가 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체는, SiC-B4C계 복합체로서 SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항(예컨대, 4∼25 Ω·㎝)을 가진다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체는 소재의 위치에 따른 전기저항 차이가 크지 않고 낮은 전기저항을 나타낸다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC와 B4C가 50:50 내지 90:10의 중량비를 이루고 있는 것이 바람직하다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Al2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 Y2O3 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 YAG(Yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12) 결정상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은(예컨대, 51∼130 W/mK) 열전도도를 나타낼 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
실리콘카바이드계 복합체(SiC-B4C계 복합체)를 제조하기 위하여 출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 준비하고 혼합하여 슬러리 상태로 만든다.
B4C는 복합체의 저항을 제어하여 전기저항을 낮추어 주고, 강도, 내마모성이 우수하여 SiC와 복합체 형성시 순수 SiC 보다 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 소결조제의 역할도 하여 입계의 표면에너지를 낮추어 입자의 물질이동을 원활하게 하는 역할을 할 수 있다.
상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50 내지 90:10의 중량비(B4C 분말에 대한 SiC 분말의 중량분율(SiC/B4C)이 50/50 내지 90/10)로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 입경은 실리콘카바이드계 복합체의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 SiC 분말과 B4C 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 실리콘카바이드계 복합체가 고강도, 고경도, 고내마모성, 낮은 전기저항성이 요구되는 점 등을 고려하여 입경이 10㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 3㎛ 이하, 가장 바람직하게는 1㎛ 이하인 구형 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물(aluminium nitrate hydrate)을 더 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 Al(NO3)3·9H2O(aluminium nitrate nonahydrate) 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부, 더욱 바람직하게는 1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 후속의 소결 공정에서 액상을 형성하여 소결온도를 낮추어 주고, 실리콘카바이드계 복합체의 열전도도를 증진하고 비저항을 낮추는 역할도 한다. 또한, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 Al2O3 결정상을 형성하는 소스로 작용할 수도 있다.
또한, 상기 출발원료는 이트륨 나이트레이트 수화물(yttrium nitrate hydrate)을 더 포함할 수 있다. 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 Y(NO3)3·6H2O(yttrium nitrate hexahydrate) 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부, 더욱 바람직하게는 1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 후속의 소결 공정에서 액상을 형성하여 소결온도를 낮추어 주고, 실리콘카바이드계 복합체의 열전도도를 증진하고 비저항을 낮추는 역할도 한다. 또한, 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 Y2O3 결정상을 형성하는 소스로 작용할 수도 있다.
또한, 상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물(aluminium nitrate hydrate)과 이트륨 나이트레이트 수화물(yttrium nitrate hydrate)을 더 포함할 수도 있다. 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물의 전체 함량은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부, 더욱 바람직하게는 1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 1:9 내지 9:1의 중량비(이트륨 나이트레이트 수화물에 대한 알루미늄 나이트레이트 수화물의 중량분율(알루미늄 나이트레이트 수화물/이트륨 나이트레이트 수화물)이 1/9 내지 9/1), 더욱 바람직하게는 2:8 내지 8:2의 중량비, 가장 바람직하게는 3:7 내지 7:3의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 후속의 소결 공정에서 액상을 형성하여 소결온도를 낮추어 주고, 실리콘카바이드계 복합체의 열전도도를 증진하고 비저항을 낮추는 역할도 한다. 또한, 상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 YAG(Yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12) 결정상을 형성하는 소스로 작용할 수도 있다.
상기 출발원료는 Al(OH)3 분말을 더 포함할 수 있다. 상기 Al(OH)3 분말은 Al2O3 결정상을 형성하는 소스로 작용할 수 있다. 상기 Al(OH)3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부, 더욱 바람직하게는 1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 Y2O3 분말을 더 포함할 수 있다. 상기 Y2O3 분말은 Y2O3 결정상을 형성하는 소스로 작용할 수 있다. 상기 Y2O3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부, 더욱 바람직하게는 1∼7중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 액상 규산소다(sodium silicate)를 더 포함할 수도 있다. 액상 규산소다를 혼합하게 되면, 수득된 과립분말의 유동성이 높아질 수 있고, 과립분말을 몰드에 충진 시에 충진율이 높아질 수 있다. 또한, 액상 규산소다는 후속의 소결 공정에서 액상을 형성하여 소결온도를 낮추어 줄 수도 있다. 상기 액상 규산소다는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.01∼1중량부 혼합하는 것이 바람직한데, 0.01중량부 미만일 경우에는 과립분말의 유동성 개선 효과가 미약하고 소결온도를 낮추는 효과도 미약할 수 있고, 1중량부를 초과하는 경우에는 열전도도 및 기계적 특성이 나빠질 수 있다.
물유리라 불리는 액상 규산소다는 점성질의 알칼리성을 나타내는 투명한 용액으로, 액상 규산소다는 R2O(여기서, R은 Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질)와 SiO2의 몰비에 따라 여러가지 조성을 가질 수 있다.
상기 액상 규산소다는 Li2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 1~10)를 포함할 수 있다.
상기 액상 규산소다는 Na2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 1~10)를 포함할 수 있다.
상기 액상 규산소다는 K2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 0.1~10)를 포함할 수 있다.
상기 액상 규산소다는 Li2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 1~10), Na2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 1~10) 및 K2O·mSiO2·nH2O(여기서, m은 1~5, n은 0.1~10)로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 물질을 포함할 수도 있다.
상기 혼합은 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling) 등을 이용할 수 있다.
이하에서, 볼 밀링 공정을 예를 들어 설명한다.
출발원료를 물, 에탄올 등의 용매와 함께 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 기계적으로 혼합한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아, SiC와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 복합체에 불순물 등이 함유되는 것을 억제하기 위하여 SiC 볼을 사용하며, 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 출발원료는 미분화되어 슬러리(slurry) 상태를 이루고 있다.
슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying) 하여 과립분말을 수득한다. 상기 분무건조는 슬러리 투입속도 1∼100㎖/min, 유입구(Inlet) 온도 85∼270℃, 배출구(Outlet)의 온도 60∼120℃, 회전속도 6000∼15000 rpm 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 분무건조는 일반적으로 잘 알려져 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 과립분말을 몰드에 담아 퍼니스에 장입하고, 상기 퍼니스의 온도를 승온하고 상기 과립분말에 압력을 가하면서 소결시킨다. 상기 소결은 열간가압소결(hot press sintering) 등의 방법을 이용할 수 있다.
이하에서, 열간가압소결을 예로 들어 설명한다.
상기 열간가압소결은 높은 압력을 가하면서 소결하는 방법으로써 상압소결보다는 낮은 온도에서도 소결이 가능하며, 소결 시간도 짧아지는 장점이 있다. 상압소결에 의해 소결된 실리콘카바이드계 복합체(소결체)는 상대 밀도가 낮고, 열간가압소결에 의한 경우에 비하여 기계적 특성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 상압소결을 이용할 경우 SiC 및 B4C의 융점 근처까지 온도를 올려 소결하여야 하므로 에너지 소모가 많고 소결 시편에 열적 스트레스(thermal stress)를 너무 많이 가하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 열간가압소결을 이용함으로써, 입자 사이의 간격이 매우 조밀해져서 기공이 거의 형성되지 않는 고밀도 실리콘카바이드계 복합체가 제조될 수 있다.
이하에서, 열간가압소결을 이용하여 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 형성하는 방법을 설명한다.
과립분말을 몰드에 담고, 과립분말이 담긴 몰드를 퍼니스(Furnace)에 장입한다. 상기 몰드는 실린더 또는 각기둥 형상 등으로 구비될 수 있다.
상기 몰드 내에 과립분말을 장입한 후 몰드 상부에서 일방향 압축 등을 실시하여 성형할 수도 있다. 이때, 과립분말에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 10∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 과립분말 입자 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 고밀도의 실리콘카바이드계 복합체를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 그 이상의 효과는 기대할 수 없고 고압에 따른 몰드, 유압장치 등의 설계가 추가됨으로써 설비 제작 비용이 증가할 수 있다. 상기 몰드는 경도가 크고 고융점을 갖는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하여 퍼지(purge)하기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 진공 상태(예컨대, 1×101∼1×10-3 Torr 정도)로 될 때까지 배기한다. 이때, 퍼니스의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단에 전원을 공급하여 퍼니스를 가열하면 퍼니스 내에 잔존하는 불순물 가스가 효율적으로 배기될 수 있다.
상기 퍼니스의 온도를 목표하는 소결 온도(예컨대, 1750∼2100℃)로 상승시킨다. 이때, 소결 시의 분위기 안정화를 위해 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 비활성 가스를 공급하여 주며, 퍼니스의 가스 분위기가 충분히 비활성 가스 분위기를 띠게 공급하는데, 예컨대 200∼2000sccm 정도의 유량으로 비활성 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
소결 온도는 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking) 등을 고려하여 1750∼2100℃ 정도인 것이 바람직한데, 소결 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자의 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소결 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결시키는 것이 바람직하다. 이때, 퍼니스의 승온 속도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 소결체의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다.
퍼니스의 온도가 목표하는 소결 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 10분∼6시간)을 유지하여 소결시킨다. 소결 온도에 따라 소결체의 미세구조 등에 차이가 있는데, 소결 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소결 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소결 시간은 일반적인 열처리를 위한 퍼니스를 사용하는 경우에는 10분∼6시간 정도인 것이 바람직한데, 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어렵고 소결체 입자의 크기가 커지게 되며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있다. 소결시 과립분말에 가해지는 압력은 10∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 원하는 고밀도의 실리콘카바이드계 복합체를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 소결 공정이 완료된 후의 소결체에 균열 등이 발생할 수 있다.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 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.
이렇게 제조된 실리콘카바이드계 복합체는, SiC-B4C계 복합체로서 SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 가진다. 상기 실리콘카바이드계 복합체는 Al2O3 결정상을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘카바이드계 복합체는 Y2O3 결정상을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘카바이드계 복합체는 YAG(Yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12) 결정상을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 칭량하고, 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying)하여 과립분말을 수득하였다. 상기 분무건조 시에 슬러리 투입 속도는 20㎖/min 정도 였고, 유입구의 온도(Inlet temperature)는 100℃ 였으며, 배출구의 온도(Outlet temperature)는 70℃ 였고, 회전속도는 11000 rpm 이었다.
과립분말을 실린더 형태의 몰드에 넣고, 과립분말이 담긴 몰드를 퍼니스(Furnace)에 장입하였다. 상기 몰드는 그라파이트(graphite) 재질의 몰드를 사용하였다.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 퍼지하였다. 퍼니스의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단에 전원을 공급하여 퍼니스를 가열하여 소결온도로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 승온 속도는 1200℃까지는 10℃/min 정도 였고, 1200℃에서 1800℃까지는 7℃/min 정도 였으며, 1800℃에서 소결온도까지는 3℃/min 정도 였다. 승온 과정 동안에 몰드 상부에서 일방향 압력을 가하였고, 상기 몰드에 의해 압축되는 압력은 40 MPa 정도였다. 상기 소결온도는 1900℃, 1950℃, 2000℃로 각각 설정하였다.
퍼니스의 온도를 소결온도로 상승시킨 후, 1시간 동안을 유지하여 소결시켰다. 소결되는 동안에도 과립분말에 가해지는 압력은 40MPa 정도로 일정하게 유지하였다. 도 1은 소결온도를 2000℃로 설정한 경우로서 열간가압소결의 시간에 따른 승온속도, 소결 시 유지시간, 과립분말에 가하는 압력을 보여주고 있다.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 언로딩하였다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하였다.
<실험예 2>
출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 칭량하고, 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
이후의 공정은 상기 실험예 1과 동일하게 진행하여 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 수득하였다.
<실험예 3>
출발원료로 SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 칭량하고, 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
이후의 공정은 상기 실험예 1과 동일하게 진행하여 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 수득하였다.
<실험예 4>
알루미늄 나이트레이트 수화물로서 Al(NO3)3·9H2O(aluminium nitrate nonahydrate)와 이트륨 나이트레이트 수화물로서 Y(NO3)3·6H2O(yttrium nitrate hexahydrate)을 첨가제로 준비하고, Al(NO3)3·9H2O와 Y(NO3)3·6H2O을 62:38의 중량비로 혼합하여 첨가제로 사용하였다.
출발원료로 SiC 분말, B4C 분말, Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O을 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50의 중량비로 혼합하였다. 상기 Al(NO3)3·9H2O와 상기 Y(NO3)3·6H2O는 62:38의 중량비로 혼합하였다. 첨가제(상기 Al(NO3)3·9H2O 및 상기 Y(NO3)3·6H2O)는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 1중량부를 혼합하였다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying)하여 과립분말을 수득하였다. 상기 분무건조 시에 슬러리 투입 속도는 20㎖/min 정도 였고, 유입구의 온도(Inlet temperature)는 100℃ 였으며, 배출구의 온도(Outlet temperature)는 70℃ 였고, 회전속도는 11000 rpm 이었다.
과립분말을 실린더 형태의 몰드에 넣고, 과립분말이 담긴 몰드를 퍼니스(Furnace)에 장입하였다. 상기 몰드는 그라파이트(graphite) 재질의 몰드를 사용하였다.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 퍼지하였다. 퍼니스의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단에 전원을 공급하여 퍼니스를 가열하여 1900℃로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 승온 속도는 1200℃까지는 10℃/min 정도 였고, 1200℃에서 1800℃까지는 7℃/min 정도 였으며, 1800℃에서 1900℃까지는 3℃/min 정도 였다. 승온 과정 동안에 몰드 상부에서 일방향 압력을 가하였고, 상기 몰드에 의해 압축되는 압력은 40 MPa 정도였다.
퍼니스의 온도를 1900℃로 상승시킨 후, 1시간 동안을 유지하여 소결시켰다. 소결되는 동안에도 과립분말에 가해지는 압력은 40MPa 정도로 일정하게 유지하였다.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 언로딩하였다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하였다.
<실험예 5>
알루미늄 나이트레이트 수화물로서 Al(NO3)3·9H2O(aluminium nitrate nonahydrate)와 이트륨 나이트레이트 수화물로서 Y(NO3)3·6H2O(yttrium nitrate hexahydrate)을 첨가제로 준비하고, Al(NO3)3·9H2O와 Y(NO3)3·6H2O을 62:38의 중량비로 혼합하여 첨가제로 사용하였다.
출발원료로 SiC 분말, B4C 분말, Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O을 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50의 중량비로 혼합하였다. 상기 Al(NO3)3·9H2O와 상기 Y(NO3)3·6H2O는 62:38의 중량비로 혼합하였다. 첨가제(상기 Al(NO3)3·9H2O 및 상기 Y(NO3)3·6H2O)는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 3중량부를 혼합하였다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying)하여 과립분말을 수득하였다. 상기 분무건조 시에 슬러리 투입 속도는 20㎖/min 정도 였고, 유입구의 온도(Inlet temperature)는 100℃ 였으며, 배출구의 온도(Outlet temperature)는 70℃ 였고, 회전속도는 11000 rpm 이었다.
과립분말을 실린더 형태의 몰드에 넣고, 과립분말이 담긴 몰드를 퍼니스(Furnace)에 장입하였다. 상기 몰드는 그라파이트(graphite) 재질의 몰드를 사용하였다.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 퍼지하였다. 퍼니스의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단에 전원을 공급하여 퍼니스를 가열하여 1850℃로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 승온 속도는 1200℃까지는 10℃/min 정도 였고, 1200℃에서 1800℃까지는 7℃/min 정도 였으며, 1800℃에서 1850℃까지는 3℃/min 정도 였다. 승온 과정 동안에 몰드 상부에서 일방향 압력을 가하였고, 상기 몰드에 의해 압축되는 압력은 40 MPa 정도였다.
퍼니스의 온도를 1850℃로 상승시킨 후, 1시간 동안을 유지하여 소결시켰다. 소결되는 동안에도 과립분말에 가해지는 압력은 40MPa 정도로 일정하게 유지하였다.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 언로딩하였다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하였다.
<실험예 6>
알루미늄 나이트레이트 수화물로서 Al(NO3)3·9H2O(aluminium nitrate nonahydrate)와 이트륨 나이트레이트 수화물로서 Y(NO3)3·6H2O(yttrium nitrate hexahydrate)을 첨가제로 준비하고, Al(NO3)3·9H2O와 Y(NO3)3·6H2O을 62:38의 중량비로 혼합하여 첨가제로 사용하였다.
출발원료로 SiC 분말, B4C 분말, Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O을 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50의 중량비로 혼합하였다. 상기 Al(NO3)3·9H2O와 상기 Y(NO3)3·6H2O는 62:38의 중량비로 혼합하였다. 첨가제(상기 Al(NO3)3·9H2O 및 상기 Y(NO3)3·6H2O)는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 5중량부를 혼합하였다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
이후의 공정은 상기 실험예 5와 동일하게 진행하여 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 수득하였다.
<실험예 7>
알루미늄 나이트레이트 수화물로서 Al(NO3)3·9H2O(aluminium nitrate nonahydrate)와 이트륨 나이트레이트 수화물로서 Y(NO3)3·6H2O(yttrium nitrate hexahydrate)을 첨가제로 준비하고, Al(NO3)3·9H2O와 Y(NO3)3·6H2O을 62:38의 중량비로 혼합하여 첨가제로 사용하였다.
출발원료로 SiC 분말, B4C 분말, Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O을 혼합하여 슬러리 상태로 만들었다. 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50의 중량비로 혼합하였다. 상기 Al(NO3)3·9H2O와 상기 Y(NO3)3·6H2O는 62:38의 중량비로 혼합하였다. 첨가제(상기 Al(NO3)3·9H2O 및 상기 Y(NO3)3·6H2O)는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 7중량부를 혼합하였다. 상기 SiC 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였고, 상기 B4C 분말은 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하였다. 상기 혼합은 습식 볼 밀링 공정을 이용하였는데, 구체적으로는 에탄올을 용매로 5mm 크기의 SiC 볼을 이용하여 100 rpm의 속도로 12시간 동안 습식 혼합하였다.
이후의 공정은 상기 실험예 5와 동일하게 진행하여 실리콘카바이드계 복합체(소결체)를 수득하였다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에는 SiC 결정상과 B4C 결정상이 공존하는 것으로 나타났다.
도 3은 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 상대밀도를 보여주는 도면이고, 도 4는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 경도를 보여주는 도면이며, 도 5는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 강도를 보여주는 도면이다. 도 3, 도 4 및 도 5에서 (a)는 실험예 1에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이고, (b)는 실험예 2에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이며, (c)는 실험예 3에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 소결온도가 증가할수록 치밀화가 진행되어 기계적 특성이 향상되는 것으로 나타났다. 소결온도 2000℃에서 이론밀도의 99.8% 이상 치밀화가 이루진 것으로 나타났다. 실험예 2에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체)의 강도는 645MPa 정도로서 가장 우수한 것으로 나타났다. 2000℃ 소결온도 조건에서 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체 모두 30GPa 이상의 경도를 나타내었다.
도 6은 실험예 1에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이고, 도 7은 실험예 2에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주전자현미경(SEM) 사진이며, 도 8은 실험예 3에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, B4C 함량이 증가할수록 SiC 결정립은 미세하지만 B4C 결정립 크기는 증가하였다.
도 9는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 열전도도를 보여주는 도면이다. 도 9에서 (a)는 실험예 1에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이고, (b)는 실험예 2에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이며, (c)는 실험예 1에 따라 SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대한 것이다.
도 9를 참조하면, B4C 함량이 증가할수록 열전도도와 비저항이 감소하는 것으로 나타났다. 실험예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체)의 열전도도가 가장 높았고, 실험예 3에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(SiC 분말 및 B4C 분말을 30:70의 중량비로 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체)가 가장 낮은 열전도도를 나타내었다.
실험예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(SiC 분말 및 B4C 분말을 70:30의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결되어 제조된 실리콘카바이드계 복합체)는 24.1Ω·㎝ 정도의 비저항을 나타냈으나, 실험예 2에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(SiC 분말 및 B4C 분말을 50:50의 중량비로 혼합하고 2000℃에서 열간가압소결되어 제조된 실리콘카바이드계 복합체)는 10.4Ω·㎝ 정도의 비저항을 나타냈다.
실험예 2, 실험예 4 내지 실험예 7에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체의 상대밀도, 꺾임강도, 열전도도 및 비저항을 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
첨가제 함량
(중량부)		 소결온도
(℃)		 상대밀도
(%)		 꺾임강도
(MPa)		 열전도도
(W/mK)		 비저항
(Ω·㎝)
실험예 2 0 2000 99.8 645 67 10.4
실험예 4 1 1900 99.7 634 87 7.9
실험예 5 3 1850 99.8 620 101 4.8
실험예 6 5 1850 99.9 596 118 4.3
실험예 7 7 1850 99.9 573 123 4.5
표 1을 참조하면, 실험예 5 내지 실험예 7에 따라 첨가제(Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O)를 혼합하여 제조된 실리콘카바이드계 복합체는 소결온도 1850℃에서도 치밀화가 완료된 것으로 판단되며, 그러나 꺾임강도가 일부 저하된 것으로 나타났다.
첨가제(Al(NO3)3·9H2O 및 Y(NO3)3·6H2O) 함량이 증가할수록 비저항이 소폭으로 감소하고 열전도도는 크게 개선되는 것으로 나타났다.
실험예 1 및 실험예 5에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대하여 부위별 비저항을 측정하여 아래의 표 2에 나타내었다. 실리콘카바이드계 복합체(측정 시편)는 도 10에 나타낸 바와 같이 가로 380㎜, 세로 380㎜의 플레이트(Plate)형 시편을 대상으로 하였고, MCA T7000 장비를 이용하여 10개의 포인트(앞(F) 5 point, 뒤(B) 5 point)를 선정하여 비저항을 각각 측정하여 그 평균값을 표 2 내지 표 4에 나타내었다. 표 3은 실험예 5에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대하여 부위별 비저항을 측정한 것이고, 표 4는 실험예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체에 대하여 부위별 비저항을 측정한 것이다.
밀도 측정장비 측정부위 비저항(Ω·㎝) 비고
범위 평균
실험예 5 2.809 MCA
T7000		 10 Point 4.00×100∼6.33×100 4.87×100 4.8 Ω·㎝
실험예 1 2.950 2.00×101∼3.17×101 2.41×101 24.1 Ω·㎝
항목 위치 No 비저항(Ω·cm) 비고
1차 2차 3차 평균
실험예 5 앞(F) 1 4.63 * 100 3.90 * 100 4.40 * 100 4.31 * 100 4.84 * 100
2 5.21 * 100 6.60 * 100 4.90 * 100 5.57 * 100
3 4.80 * 100 4.89 * 100 4.30 * 100 4.66 * 100
4 6.15 * 100 6.15 * 100 6.69 * 100 6.33 * 100
5 2.00 * 100 3.90 * 100 4.20 * 100 3.36 * 100
뒤(B) 6 6.69 * 100 3.00 * 100 5.93 * 100 5.20 * 100 4.90 * 100
7 4.71 * 100 2.00 * 100 4.85 * 100 3.85 * 100
8 4.00 * 100 6.20 * 100 6.55 * 100 5.58 * 100
9 3.90 * 100 9.00 * 100 4.67 * 100 5.85 * 100
10 3.80 * 100 4.20 * 100 4.00 * 100 4.00 * 100
항목 위치 No 비저항(Ω·cm) 비고
1차 2차 3차 평균
실험예 1 앞(F) 1 1.86 * 101 3.22 * 101 1.71 * 101 2.26 * 101 2.44* 101
2 3.5 * 101 3.80 * 101 2.21 * 101 3.17 * 101
3 2.58 * 101 2.35 * 101 2.34 * 101 2.42 * 101
4 3.16 * 101 1.64 * 101 1.66 * 101 2.15 * 101
5 1.76 * 101 1.74 * 101 3.04 * 101 2.18 * 101
뒤(B) 6 1.88 * 101 2.02 * 101 2.1 * 101 2.00 * 101 2.38 * 101
7 2.14 * 101 2.12 * 101 2.07 * 101 2.11 * 101
8 1.09 * 101 1.85* 101 5.19 * 101 2.71 * 101
9 2.7 * 101 2.86 * 101 3.18 * 101 2.91 * 101
10 1.76 * 101 2.26 * 101 2.45 * 101 2.16 * 101
표 3 내지 표 5를 참조하면, 실험예 1 및 실험예 5에 따라 제조된 실리콘카바이드계 복합체(측정 시편)의 위치별 비저항 측정 결과 모두 균일한 측정 결과를 보였다.
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 (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 출발원료로 SiC 분말, B4C 분말 및 Al(OH)3 분말을 준비하고 혼합하여 슬러리 상태로 만드는 단계;
    슬러리 상태의 출발원료를 분무건조(spray drying) 하여 과립분말을 수득하는 단계;
    상기 과립분말을 몰드에 담아 퍼니스에 장입하는 단계;
    상기 퍼니스의 온도를 승온하고 상기 과립분말에 압력을 가하면서 소결시키는 단계; 및
    상기 퍼니스를 냉각하여 실리콘카바이드계 복합체를 수득하는 단계를 포함하며,
    상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말은 50:50 내지 90:10의 중량비로 혼합하고,
    상기 Al(OH)3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하며,
    상기 실리콘카바이드계 복합체는 SiC 결정상과 B4C 결정상을 포함하면서 92% 보다 높은 상대밀도를 나타내고 30Ω·㎝ 보다 낮은 비저항을 가지며,
    상기 실리콘카바이드계 복합체는 50W/mK 보다 높은 열전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물을 더 포함하고,
    상기 알루미늄 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 출발원료는 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함하고,
    상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 출발원료는 알루미늄 나이트레이트 수화물과 이트륨 나이트레이트 수화물을 더 포함하고,
    상기 알루미늄 나이트레이트 수화물과 상기 이트륨 나이트레이트 수화물은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서, 상기 출발원료는 Y2O3 분말을 더 포함하고,
    상기 Y2O3 분말은 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 출발원료는 액상 규산소다(sodium silicate)를 더 포함하고,
    상기 액상 규산소다는 상기 SiC 분말과 상기 B4C 분말의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.01∼1중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제7항에 있어서, 상기 소결온도는 1750∼2100℃ 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  16. 제7항에 있어서, 상기 과립분말에 가해지는 압력은 10∼60MPa 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  17. 제7항에 있어서, 상기 분무건조는 유입구(Inlet) 온도 85∼270℃, 배출구(Outlet)의 온도 60∼120℃, 회전속도 6000∼15000 rpm의 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
KR1020190178813A 2019-12-31 2019-12-31 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법 KR102234171B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190178813A KR102234171B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190178813A KR102234171B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102234171B1 true KR102234171B1 (ko) 2021-03-31

Family

ID=75237727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190178813A KR102234171B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102234171B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4209474A (en) * 1977-08-31 1980-06-24 General Electric Company Process for preparing semiconducting silicon carbide sintered body
JPH11263667A (ja) * 1998-03-18 1999-09-28 Toshiba Ceramics Co Ltd 炭化ケイ素焼結体およびその製造方法
KR100637635B1 (ko) 1998-11-12 2006-10-23 덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤 탄화규소질 복합체 및 그 제조 방법과 이를 사용한 방열부품
KR20120007115A (ko) * 2010-07-14 2012-01-20 서울시립대학교 산학협력단 이트륨나이트레이트 및 그 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 탄화규소 세라믹스 및 그 제조방법
KR101476603B1 (ko) * 2014-01-17 2014-12-24 아이원스 주식회사 플라즈마 저항성이 향상된 세라믹 피막의 형성 방법 및 이에 따른 세라믹 피막

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4209474A (en) * 1977-08-31 1980-06-24 General Electric Company Process for preparing semiconducting silicon carbide sintered body
JPH11263667A (ja) * 1998-03-18 1999-09-28 Toshiba Ceramics Co Ltd 炭化ケイ素焼結体およびその製造方法
KR100637635B1 (ko) 1998-11-12 2006-10-23 덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤 탄화규소질 복합체 및 그 제조 방법과 이를 사용한 방열부품
KR20120007115A (ko) * 2010-07-14 2012-01-20 서울시립대학교 산학협력단 이트륨나이트레이트 및 그 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 탄화규소 세라믹스 및 그 제조방법
KR101476603B1 (ko) * 2014-01-17 2014-12-24 아이원스 주식회사 플라즈마 저항성이 향상된 세라믹 피막의 형성 방법 및 이에 따른 세라믹 피막

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4987238B2 (ja) 窒化アルミニウム焼結体、半導体製造用部材及び窒化アルミニウム焼結体の製造方法
JP2001080964A (ja) 多結晶ＳｉＣ成形体、その製法及びそれからなる応用品
JPH0930866A (ja) 高熱伝導率窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法ならびに窒化ケイ素質焼結体製絶縁基板
JP2002201075A (ja) 窒化けい素セラミックス基板およびそれを用いた窒化けい素セラミックス回路基板並びにその製造方法
JP7062229B2 (ja) 板状の窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法
EP2636659B1 (en) High rigidity ceramic material and method for producing same
JP7062230B2 (ja) 板状の窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法
JP2007063122A (ja) 半導体装置用基板
CN111902383B (zh) 复合烧结体、半导体制造装置部件以及复合烧结体的制造方法
KR102124766B1 (ko) 플라즈마 처리 장치 및 그 제조방법
KR100494188B1 (ko) 질화알루미늄질 세라믹스, 반도체 제조용 부재, 내식성 부재 및 도전성 부재
KR101178234B1 (ko) 이트륨나이트레이트 및 그 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 탄화규소 세라믹스 및 그 제조방법
JP4804046B2 (ja) 窒化アルミニウム質セラミックス、半導体製造部材及び窒化アルミニウム質セラミックスの製造方法
JP3472585B2 (ja) 窒化アルミニウム焼結体
JP2000513689A (ja) 新規なシリコンカーバイドダミーウエハー
KR102234171B1 (ko) 저저항 실리콘카바이드계 복합체의 제조방법
KR101222478B1 (ko) 진공척용 고통기성 다공성 세라믹 소재 및 이의 제조방법
JP7227954B2 (ja) 複合焼結体、半導体製造装置部材および複合焼結体の製造方法
KR102603574B1 (ko) 1~30 Ωcm 범위의 전기비저항을 갖는 상압소결 탄화규소 소재, 그 조성물 및 그 제조방법
KR102371925B1 (ko) 열물리적 특성이 개선된 질화알루미늄 소결체 및 그 제조방법
JP2002220282A (ja) 窒化アルミニウム焼結体とその製造方法
JP4773744B2 (ja) 窒化アルミニウム焼結体の製造方法
JP7432040B2 (ja) 窒化ケイ素焼結体
JP7339980B2 (ja) 窒化ケイ素焼結体の製造方法
JP2001354479A (ja) 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant