KR102271060B1 - Layered AlN, manufacturing method thereof and exfoliated AlN nanosheet therefrom - Google Patents

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Abstract

본 발명은 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 종래의 벌크형 AlN와 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 특성을 갖는 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이다. The present invention relates to a layered AlN, a method for manufacturing the same, and an AlN nanosheet peeled therefrom, and more particularly, has a two-dimensional crystal structure unlike the conventional bulk AlN, and has excellent peelability and thus peels off in the form of a nanosheet It is easy to perform and relates to a layered AlN having excellent thermal conductivity, a method for manufacturing the same, and AlN nanosheets peeled therefrom.

Description

층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트{Layered AlN, manufacturing method thereof and exfoliated AlN nanosheet therefrom}Layered AlN, manufacturing method thereof, and AlN nanosheet exfoliated therefrom {Layered AlN, manufacturing method thereof and exfoliated AlN nanosheet therefrom}

본 발명은 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 종래의 벌크형 AlN와 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖는 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이다. The present invention relates to a layered AlN, a method for manufacturing the same, and an AlN nanosheet peeled therefrom, and more particularly, has a two-dimensional crystal structure unlike the conventional bulk AlN, and has excellent peelability and thus peels off in the form of a nanosheet It is easy to perform, and relates to a layered AlN having excellent thermal conductivity and piezoelectric properties, a manufacturing method thereof, and AlN nanosheets peeled therefrom.

그래핀을 비롯한 다양한 초박막 이차원(2D) 재료들은 새로운 물리적, 화학적, 기계적 및 광학적 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 활발히 연구가 되고 있다. 이러한 저차원의 소재는 기존의 벌크 소재가 가지지 못하는 획기적인 신기능이 기대되고 기존소재를 대체할 차세대 미래 소재로서 가능성이 매우 크다. Various ultra-thin two-dimensional (2D) materials including graphene are being actively studied in various fields based on new physical, chemical, mechanical and optical properties. These low-dimensional materials are expected to have innovative new functions that existing bulk materials do not have, and have great potential as a next-generation future material that will replace existing materials.

기존 2D 소재에 대한 연구는 층간(interlayer)의 결합력이 약한 반데르발스 결합을 물리적 및 화학적 방법으로 분리하는 Top-down법, 기상증착법에 기반한 대면적 박막을 성장시키는 Bottom-up법을 기반으로 진행되고 있다. 특히 Top-down법은 박리(exfoliation) 대상 물질의 모상(pristine)이 반드시 2차원적 층상결정구조를 가져야 하므로 밴드갭이 없는 그래핀, 전하 이동도가 낮은 층상 금속산화물/질화물, 전자이동도/전기전도도가 낮은 전이금속 칼코겐화합물 등 연구 대상이 매우 제한적인 문제점이 있다.Research on existing 2D materials is based on the top-down method that separates the van der Waals bond, which has weak interlayer bonding force, by physical and chemical methods, and the bottom-up method that grows a large-area thin film based on the vapor deposition method. is becoming In particular, in the top-down method, since the pristine of the material subject to exfoliation must have a two-dimensional layered crystal structure, graphene without a band gap, layered metal oxide/nitride with low charge mobility, and electron mobility/ There are very limited research subjects such as transition metal chalcogen compounds with low electrical conductivity.

종래 연구 방법의 한계로 인해 2D 소재는 그래핀이나 전이금속 칼코겐화합물 등의 물질을 대상으로 매우 제한적으로 연구가 진행되었으며, 이는 본질적으로 저차원 소재의 개발 가능 여부가 사용하고자 하는 원소의 종류에 따라 제한된다는 점에서 한계를 가지며 층상구조가 아닌 무수히 많은 3D 벌크 소재의 저차원 미래 소재 개발에는 적합하지 않은 방법이다.Due to the limitations of conventional research methods, very limited research on 2D materials has been conducted on materials such as graphene or transition metal chalcogen compounds, which intrinsically depends on the type of element to be used depending on whether low-dimensional materials can be developed. It has limitations in that it is limited according to the requirements and is not suitable for the development of low-dimensional future materials of countless 3D bulk materials that are not layered.

한편, 질화 알루미늄(AlN)은 알루미나의 열전도도 대비 10배 이상의 열전도도(319W/m K)를 갖고, 열팽창계수가 알루미나 보다 상대적으로 낮고, 전기절연성 및 기계적 강도가 우수한 특성이 있다. 이러한 AlN을 2차원 소재로 제조할 경우 상술한 특성들이 향상될 수 있어 고열전도세라믹스의 반도체 기판이나 부품에 응용될 수 있다.On the other hand, aluminum nitride (AlN) has a thermal conductivity (319W/m K) more than 10 times that of alumina, has a relatively lower coefficient of thermal expansion than alumina, and has excellent electrical insulation and mechanical strength. When such AlN is manufactured as a two-dimensional material, the above-described properties can be improved, and thus can be applied to semiconductor substrates or components of high thermal conductivity ceramics.

대한민국등록특허 제10-0954722호Republic of Korea Patent No. 10-0954722

본 발명은 종래의 벌크형 AlN과 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖는 층상형 AlN 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트를 제공하는데 목적이 있다.The present invention is a layered AlN having a two-dimensional crystal structure unlike the conventional bulk AlN, easy to peel off in the form of a nanosheet due to excellent peelability, and excellent thermal conductivity and piezoelectric properties, and an AlN nanosheet peeled therefrom. It is intended to provide

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체를 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득하는 단계 및 (2) 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 상기 층상형 화합물을 처리하는 단계를 포함하는 층상형 AlN의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is (1) a mixture containing a Ca precursor or Ca powder, an Al precursor or Al powder, and an N precursor is heat-treated and then cooled so that the space group is C2/2 or P2 Obtaining a layered compound represented by the formula Ca 3 Al 2 N 4 having a monoclinic crystal structure of /c and (2) Ca contained in the layered compound without changing the crystal structure of the layered compound It provides a method for producing layered AlN, comprising treating the layered compound with a mixed solution containing a salt capable of selectively removing ions and a solvent capable of dissolving the salt.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 염은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the salt may be represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

MaXb(1≤a≤2, 1≤b≤3)M a X b (1≤a≤2, 1≤b≤3)

상기 화학식 1에서 M은 Al, Mg, 및 Mn 중에서 선택된 어느 하나, X는 Cl, F 및 I 중에서 선택된 어느 하나다.In Formula 1, M is any one selected from Al, Mg, and Mn, and X is any one selected from Cl, F and I.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the solvent may be at least one selected from deionized water, tetrahydrofuran, and dichloromethane.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1)단계의 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행될 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the heat treatment in step (1) may be performed at 1000 to 1200° C. for 80 to 200 hours.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1)단계의 냉각은 0.5~3℃/시간 또는 10~15℃/시간의 감온 속도로 수행될 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the cooling in step (1) may be performed at a temperature reduction rate of 0.5 to 3° C./hour or 10 to 15° C./hour.

또한 본 발명은 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 층상형 AlN을 제공한다.The present invention also provides a layered AlN having a monoclinic crystal structure in which a space group is C2/2 or P2/c.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공간군이 C2/2인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 13.54±0.2, 16.68±0.2, 20.79±0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 및 32.33±0.2의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the X-ray diffraction diagram obtained by powder X-ray diffraction using Cu-Kα ray, the layered AlN having a monoclinic crystal structure in which the space group is C2/2 is 13.54 It has peaks at 2θ values of ±0.2, 16.68±0.2, 20.79±0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 and 32.33±0.2, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, There may be no peaks at 2θ values of 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 and 70.95±0.2.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공간군이 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 및 30.11±0.2 의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the layered AlN having a monoclinic crystal structure in which the space group is P2/c is obtained by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays in the X-ray diffraction diagram, It has peaks at 2θ values of 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 and 30.11±0.2, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2 , 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 and 70.95±0.2 may not have peaks at 2θ values.

또한 본 발명은 본 발명에 따른 층상형 AlN로부터 박리되고, 비정질 결정구조를 갖는 AlN 나노시트를 제공한다.In addition, the present invention provides an AlN nanosheet peeled from the layered AlN according to the present invention and having an amorphous crystal structure.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 AlN 나노시트의 두께는 300 nm 이하일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thickness of the AlN nanosheet may be 300 nm or less.

본 발명에 따른 층상형 AlN은 종래의 벌크형 AlN과 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판, 다이리스터의 기판이나 압전 소자에 널리 활용될 수 있다.The layered AlN according to the present invention has a two-dimensional crystal structure, unlike the conventional bulk AlN, has excellent peelability, so it is easy to peel in the form of a nanosheet, and has excellent thermal conductivity and piezoelectric properties, so a semiconductor substrate of high thermal conductivity ceramics , can be widely used for thyristor substrates or piezoelectric elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 층상형 AlN 제조 방법에 대한 모식도이다.
도 2는 비교예1의 3D 벌크형 AlN, 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 3a는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3b는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3c는 실시예1의 층상형 AlN의 SEM 이미지이다.
도 4는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 사진이다.
1 is a schematic diagram for a layered AlN manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the XRD analysis results of the 3D bulk AlN of Comparative Example 1, the layered Ca 3 Al 2 N 4 of the Preparation Example 1, and the layered AlN of Example 1.
Figure 3a is a SEM image of the layered Ca 3 Al 2 N 4 of Preparation Example 1.
Figure 3b is a SEM image of the layered Ca 3 Al 2 N 4 of Preparation Example 1.
Figure 3c is an SEM image of the layered AlN of Example 1.
4 is a photograph of the layered Ca 3 Al 2 N 4 of Preparation Example 1.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명에 따른 층상형 AlN의 제조 방법에 대하여 설명한다.A method for manufacturing layered AlN according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 층상형 AlN의 제조 방법은 기존 3D 구조의 벌크형 AlN를 이차원 구조로 제조할 수 있으며, 기존 벌크형 AlN과는 달리 박리가 용이하고, 우수한 열전도 특성을 갖는 층상형 AlN를 제조할 수 있다.The method for manufacturing layered AlN according to the present invention can manufacture bulk-type AlN with a conventional 3D structure into a two-dimensional structure, and unlike conventional bulk-type AlN, it is easy to peel and can produce layered AlN with excellent thermal conductivity. .

먼저 (1)단계로서, Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체를 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖고 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득 한다.First, as step (1), a mixture containing a Ca precursor or Ca powder, an Al precursor or Al powder, and an N precursor is heat-treated and then cooled to form a monoclinic (space group) of C2/2 or P2/c ( monoclinic) to obtain a layered compound having a crystal structure and represented by the formula Ca 3 Al 2 N 4 .

상기 Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체는 각각 독립적으로 혼합될 수 있고, 상기 N 전구체는 상기 Ca 전구체 또는 Al 전구체와 동일한 물질로 상기 혼합물에 포함될 수 있다. The Ca precursor or Ca powder, the Al precursor or Al powder, and the N precursor may be each independently mixed, and the N precursor may be included in the mixture as the same material as the Ca precursor or the Al precursor.

구체적으로 상기 N 전구체는 N 이온을 포함하는 화합물일 수 있고, 상기 Ca 전구체는 Ca 이온을 포함하는 화합물일 수 있으며, 상기 N 전구체와 Ca 전구체는 Ca 및 N 원소를 포함하는 화합물로서 동일한 물질일 수 있으며, 일예로 Ca3N2일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 Al 전구체는 Al 이온을 포함하는 화합물일 수 있으며, 일예로 AlN일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. Specifically, the N precursor may be a compound containing N ions, the Ca precursor may be a compound containing Ca ions, and the N precursor and the Ca precursor may be the same material as a compound containing Ca and N elements. and, for example , may be Ca 3 N 2 , but is not limited thereto. The Al precursor may be a compound containing Al ions, and may be, for example, AlN, but is not limited thereto.

상기 혼합물은 반응용기에 봉입한 후 열처리될 수 있으며, 상기 반응용기 내부는 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기로 유지될 수 있다.The mixture may be heat-treated after being sealed in a reaction vessel, and the inside of the reaction vessel may be maintained in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere.

또한, 상기 반응용기의 소재는 일예로 알루미나, 몰리브덴, 텅스텐 또는 석영일 수 있으나, 시료와 반응하지 않고, 고온에서 파손되지 않는 물질이라면 소재에 제한 없이 사용할 수 있다. In addition, the material of the reaction vessel may be, for example, alumina, molybdenum, tungsten or quartz, but any material that does not react with the sample and does not break at high temperatures may be used without limitation.

도 1에 도시된 바와 같이 (1) 단계를 통해 준비되는 Ca3Al2N4는 3D 결정 구조의 AlN와 상이한 2D 결정 구조를 가지며, 후술되는 (2)단계에서 상기 Ca3Al2N4의 Ca 이온을 선택적으로 제거하여 상기 Ca3Al2N4의 결정 구조 변화 없이 층상형 AlN를 제조할 수 있다.As shown in FIG. 1, Ca 3 Al 2 N 4 prepared through step (1) has a 2D crystal structure different from AlN of a 3D crystal structure, and in step (2) to be described later, the Ca 3 Al 2 N 4 By selectively removing Ca ions, layered AlN can be prepared without changing the crystal structure of Ca 3 Al 2 N 4 .

상기 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 1000 to 1200° C. for 80 to 200 hours.

만일, 상기 열처리가 1000℃ 미만으로 수행될 경우, 상기 혼합물의 소결 반응이 완료되지 않아 미반응된 원재료가 잔류할 수 있고, 이에 따라 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 열처리가 1200℃를 초과하여 수행될 경우, Ca 이온의 기화로 소결 반응시 사용되는 반응 용기가 파손되거나, 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다.If the heat treatment is performed at less than 1000° C., the sintering reaction of the mixture may not be completed, so unreacted raw materials may remain, and thus there may be problems such as a decrease in the yield of the layered compound produced. have. In addition, when the heat treatment is performed in excess of 1200° C., there may be problems such as destruction of the reaction vessel used during the sintering reaction due to the vaporization of Ca ions, or a decrease in the yield of the layered compound produced.

만일, 상기 열처리가 80시간 미만으로 수행될 경우, 상기 혼합물의 소결 반응이 완료되지 않아 미반응된 원재료가 잔류할 수 있고, 이에 따라 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 열처리가 200시간을 초과하여 수행될 경우, 제조 공정 시간이 불필요하게 증가할 우려가 있다.If the heat treatment is performed for less than 80 hours, the sintering reaction of the mixture may not be completed, so unreacted raw materials may remain, and thus there may be problems such as a decrease in the yield of the layered compound produced. have. In addition, when the heat treatment is performed for more than 200 hours, there is a fear that the manufacturing process time is unnecessarily increased.

상기 (1)단계에서 열처리한 후 냉각하는 과정은 층상형 화합물의 결정화를 위해 필요하며, 냉각 속도에 따라 결정의 단결정 크기가 변할 수 있다.The cooling process after the heat treatment in step (1) is necessary for crystallization of the layered compound, and the single crystal size of the crystal may change according to the cooling rate.

상기 냉각은 10~15℃/시간 또는 0.5~3℃/시간의 감온 속도로 수행될 수 있으며, 상기 감온 속도가 10~15℃/시간일 경우 층상형 Ca3Al2N4를 다결정화할 수 있다. 상기 감온 속도가 0.5~3℃/시간일 경우 층상형 Ca3Al2N4를 단결정화할 수 있으며, 상기 층상형 Ca3Al2N4에 포함되는 Ca 이온 제거 후에도 층상형 AlN의 단결정 크기는 유지될 수 있다. 상기 층상형 AlN의 단결정 크기가 커질수록 입자의 그레인 바운더리(grain boundary)가 감소할 수 있고, 층상형 InAs 박리시 박리되는 InAs 나노시트의 종횡비(aspect ratio)가 증가할 수 있다.The cooling may be performed at a temperature reduction rate of 10-15 °C/hour or 0.5-3 °C/hour, and when the temperature reduction rate is 10-15 °C/hour, layered Ca 3 Al 2 N 4 can be polycrystallized have. When the temperature reduction rate is 0.5 to 3°C/hour, layered Ca 3 Al 2 N 4 can be single crystallized, and the single crystal size of layered AlN even after removal of Ca ions contained in the layered Ca 3 Al 2 N 4 is can be maintained As the single crystal size of the layered AlN increases, the grain boundary of the particles may decrease, and the aspect ratio of the InAs nanosheets that are peeled off during the layered InAs peeling may increase.

만일 상기 감온 속도가 0.5℃/시간 미만일 경우, Ca 이온의 기화로 인해 제조되는 물질의 조성 변화가 발생할 수 있고, 상기 감온 속도가 3℃/시간을 초과할 경우, 제조되는 층상형 화합물이 다결정화될 수 있다.If the temperature reduction rate is less than 0.5°C/hour, a change in the composition of the prepared material may occur due to the vaporization of Ca ions, and when the temperature reduction rate exceeds 3°C/hour, the prepared layered compound is polycrystallized can be

다음으로, (2)단계로서 상기 (1)단계에서 제조된 층상형 화합물을 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 처리하여 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 층상형 AlN를 제조한다.Next, as step (2), the layered compound prepared in step (1) is mixed with a salt capable of selectively removing Ca ions contained in the layered compound and a solvent capable of dissolving the salt By treatment with a solution, layered AlN is prepared without changing the crystal structure of the layered compound.

상기 염은 상기 층상형 화합물에 포함된 알칼리 금속 이온과 용이하게 반응하기 위하여 전기음성도가 큰 음이온 및 상기 알칼리 금속 이온과 Al 이온 사이의 전기음성도 값을 갖는 양이온을 포함할 수 있다.The salt may include an anion having a high electronegativity and a cation having an electronegativity value between the alkali metal ion and the Al ion in order to easily react with the alkali metal ion included in the layered compound.

상기 염은 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 상기 염은 상기 알칼리 금속 이온과 Al 이온 사이의 전기음성도 값을 갖는 양이온으로서 M 및 전기음성도가 큰 Cl 이온으로 구성된다.The salt may be represented by the following Chemical Formula 1, and the salt is a cation having an electronegativity value between the alkali metal ion and Al ion, and is composed of M and Cl ion having high electronegativity.

<화학식 1><Formula 1>

MaXb(1≤a≤2, 1≤b≤3)M a X b (1≤a≤2, 1≤b≤3)

상기 화학식 1에서 M은 Al, Mg, 및 Mn 중에서 선택된 어느 하나, X는 Cl, F 및 I 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. In Formula 1, M may be any one selected from Al, Mg, and Mn, and X may be any one selected from Cl, F and I.

또한 상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. In addition, the solvent may include at least one selected from deionized water, tetrahydrofuran, and dichloromethane.

상기 염은 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온 제거 효율을 증가시키고 Al이온의 제거를 방지하기 위하여 상기 용매에 용해될 수 있는 한 높은 농도로 상기 혼합용액에 포함될 수 있다.The salt may be included in the mixed solution at a high concentration as long as it can be dissolved in the solvent in order to increase the Ca ion removal efficiency of the layered Ca 3 Al 2 N 4 and prevent the removal of Al ions.

상기 염은 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온을 제거하기에 충분한 양으로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 혼합용액 내 층상형 Ca3Al2N4 및 염은 1:1 내지 1:3의 몰비율로 포함될 수 있다. 만일 상기 층상형 Ca3Al2N4 및 염의 몰비율이 1:1 미만일 경우, 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온이 목적하는 수준으로 제거되지 않을 수 있고, 만일 상기 몰비율이 1:3을 초과할 경우 상기 염이 상기 혼합용액에 용해되지 않아 침전물이 발생하는 등의 문제가 있을 수 있다.The salt may be used in an amount sufficient to remove Ca ions of the layered Ca 3 Al 2 N 4 , but preferably the layered Ca 3 Al 2 N 4 and the salt in the mixed solution are 1:1 to 1: It may be included in a molar ratio of 3. If the molar ratio of the layered Ca 3 Al 2 N 4 and the salt is less than 1:1, the Ca ions of the layered Ca 3 Al 2 N 4 may not be removed to a desired level, and if the molar ratio is 1 If it exceeds :3, the salt is not dissolved in the mixed solution, so there may be a problem such as the generation of a precipitate.

또한, 상기 (2)단계는 상기 Ca 이온의 제거 반응이 원활하게 일어날 수 있는 온도에서 수행될 수 있으며, 상기 혼합용액의 조성에 따라 온도가 달라질 수 있으나, 바람직하게는 20 ℃ 이상의 온도, 더욱 바람직하게는 20~60℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만일 20℃ 미만에서 수행될 경우, Ca 이온이 목적하는 수준으로 제거되지 않을 수 있고, 60℃를 초과하는 온도에서 수행될 경우 제조되는 층상형 Ca3Al2N4의 층상형 구조가 붕괴될 수 있다. 또한, 20~60℃의 온도에서 수행될 경우 제조되는 층상형 Ca3Al2N4의 층상형 구조를 유지하면서 알칼리 금속 이온 제거율이 우수할 수 있다.In addition, the step (2) may be performed at a temperature at which the Ca ion removal reaction can occur smoothly, and the temperature may vary depending on the composition of the mixed solution, but preferably a temperature of 20 ° C. or higher, more preferably Preferably, it may be carried out at a temperature of 20 to 60 °C. If it is carried out at less than 20 ℃, Ca ions may not be removed to a desired level, and when it is carried out at a temperature exceeding 60 ℃, the layered structure of the prepared layered Ca 3 Al 2 N 4 may collapse. have. In addition, the alkali metal ion removal rate may be excellent while maintaining the layered structure of the layered Ca 3 Al 2 N 4 prepared when it is performed at a temperature of 20 to 60° C.

또한, 상기 (2)단계는 상기 혼합용액의 조성, Ca 이온의 제거율에 따라 복수회 실시할 수 있으나, 제조되는 층상형 AlN의 층상형 구조를 유지하기 위해 1회 실시하는 것이 바람직하다.In addition, the step (2) may be performed multiple times depending on the composition of the mixed solution and the removal rate of Ca ions, but is preferably performed once in order to maintain the layered structure of the layered AlN to be manufactured.

또한, 상기 (2)단계를 수행한 후 층상형 AlN외에 Ca 이온과 상기 염이 반응하여 생성된 반응물, 일예로 염화칼슘이 존재할 수 있으며, 이를 제거하기 위해 상기 (2)단계를 통해 수득된 분말을 용매로 세척할 수 있다.In addition, after performing the step (2), there may be a reactant produced by the reaction of Ca ions and the salt in addition to the layered AlN, for example, calcium chloride, and in order to remove it, the powder obtained through the step (2) is used. It can be washed with a solvent.

상기 반응물을 제거하기 위한 용매는 염화칼슘에 대한 용해도가 있는 용매라면 제한없이 사용될수 있으며 일예로 물, 탈이온수 및 에탄올 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. The solvent for removing the reactant may be used without limitation as long as it has solubility in calcium chloride, and may be, for example, at least one selected from water, deionized water, and ethanol.

다음으로, 본 발명의 층상형 AlN에 대하여 설명한다.Next, the layered AlN of the present invention will be described.

본 발명에 따른 층상형 AlN는 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계 (monoclinic) 결정구조를 가지며, 이는 기존 3D 벌크형 AlN와 상이한 결정 구조로서 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 특성을 가질 수 있다.The layered AlN according to the present invention has a monoclinic crystal structure in which a space group is C2/2 or P2/c, which has a different crystal structure from the existing 3D bulk-type AlN, and has excellent peelability, resulting in nanosheet It is easy to peel in the form of a, and may have excellent thermal conductivity.

Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 상기 공간군이 C2/2인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 13.54±0.2, 16.68±0.2, 20.79±0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 및 32.33±0.2의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다. 또한, 상기 공간군이 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 및 30.11±0.2 의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.In the X-ray diffraction diagram obtained by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays, the layered AlN having a monoclinic crystal structure in which the space group is C2/2 is 13.54±0.2, 16.68±0.2, 20.79± It has peaks at 2θ values of 0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 and 32.33±0.2, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54 There may be no peaks at 2θ values of ±0.2 and 70.95 ±0.2. In addition, the layered AlN having a monoclinic crystal structure in which the space group is P2/c is 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 and 30.11± It may have peaks at 2θ values of 0.2, and may not have peaks at 2θ values of 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 and 70.95±0.2.

다음으로, 본 발명의 AlN 나노시트에 대하여 설명한다.Next, the AlN nanosheet of the present invention will be described.

본 발명에 따른 AlN 나노시트는 본 발명에 따른 층상형 AlN로부터 박리되어 수득할 수 있으며, 비정질 결정구조를 갖는다.The AlN nanosheet according to the present invention can be obtained by peeling from the layered AlN according to the present invention, and has an amorphous crystal structure.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 AlN 나노시트는 300nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 만일 상기 두께가 300nm를 초과할 경우 AlN 나노시트의 표면적이 저하되어 열전도 및 압전 특성이 저하되거나 상기 AlN 나노시트의 적층이 어려워 질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the AlN nanosheet may have a thickness of 300 nm or less, and if the thickness exceeds 300 nm, the surface area of the AlN nanosheet is lowered to deteriorate thermal conductivity and piezoelectric properties, or the AlN nanosheet Lamination of the sheets may become difficult.

상기 층상형 AlN의 박리 방법은 당업계에서 공지된 층상형 물질의 박리 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 초음파에 의한 에너지로 박리하는 방법, 용매의 침입에 의한 박리 방법, 테이프를 이용한 박리 방법 및 접착성 표면을 가진 물질을 이용한 박리 방법 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다.As the peeling method of the layered AlN, a peeling method of a layered material known in the art may be used, for example, a method of peeling with energy by ultrasonic waves, a peeling method by penetration of a solvent, a peeling method using a tape, and adhesion Any one of the peeling methods using a material having a strong surface may be used.

한편, 상술한 본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트는 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판, 다이리스터의 기판이나 압전 소자에 활용될 수 있다.On the other hand, since the layered AlN and AlN nanosheets according to the present invention described above have excellent thermal conductivity and piezoelectric properties, they can be used for semiconductor substrates of high thermal conductivity ceramics, substrates of thyristors, or piezoelectric elements.

본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트가 압전 소자에 활용될 경우, 압전 소자에 포함되는 압전체로서 본 발명에 따른 층상형 AlN 또는 AlN 나노시트가 포함되어 압전 특성이 우수할 수 있다. 상기 압전 소자에 포함되는 압전체 이외의 구성은 당업계에서 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.When the layered AlN and AlN nanosheets according to the present invention are used in a piezoelectric element, the layered AlN or AlN nanosheets according to the present invention are included as a piezoelectric body included in the piezoelectric element, so that the piezoelectric properties may be excellent. Configurations other than the piezoelectric element included in the piezoelectric element may employ a configuration known in the art, so a detailed description thereof will be omitted in the present invention.

또한, 본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트는 열전도 특성이 우수하기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판 또는 다이리스터의 기판에 활용될 경우, 열전도 특성이 우수할 수 있다. 상기 기판 이외의 구성은 당업계에서 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.In addition, since the layered AlN and AlN nanosheets according to the present invention have excellent thermal conductivity, when used for a semiconductor substrate of high thermal conductivity ceramics or a substrate of a thyristor, thermal conductivity may be excellent. Configurations other than the substrate may employ configurations known in the art, and thus, detailed description thereof will be omitted in the present invention.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention can add components within the scope of the same spirit. , changes, deletions, additions, etc. will be able to easily suggest other embodiments, but this will also fall within the scope of the present invention.

(준비예1) 층상형 Ca(Preparation Example 1) Layered Ca 33 AlAl 22 NN 44 제조 Produce

층상형 Ca3Al2N4의 합성을 위해 Ca3N2 분말과 Al분말을 혼합한 후 진공 분위기의 쿼츠 튜브에 봉입하였다. 시료가 담긴 쿼츠 튜브를 1050℃에서 100시간 동안 열처리하였다. 이후 재 결정화를 위해 2℃/시간의 감온 속도로 냉각하여 고 순도의 층상형 Ca3Al2N4 단결정을 수득하였다.For the synthesis of layered Ca 3 Al 2 N 4 , Ca 3 N 2 powder and Al powder were mixed and then sealed in a quartz tube in a vacuum atmosphere. The quartz tube containing the sample was heat-treated at 1050° C. for 100 hours. Thereafter, it was cooled at a temperature reduction rate of 2° C./hour for recrystallization to obtain a layered Ca 3 Al 2 N 4 single crystal of high purity.

(실시예1) 층상형 AlN 제조(Example 1) Preparation of layered AlN

준비예1에서 제조된 층상형 Ca3Al2N4를 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 AlCl3와 혼합하여 상기 Ca3Al2N4에서 Ca 이온을 제거하였으며, 이를 통해 층상형 AlN를 제조하였다. The layered Ca 3 Al 2 N 4 prepared in Preparation Example 1 was mixed with deionized water, tetrahydrofuran and AlCl 3 to remove Ca ions from the Ca 3 Al 2 N 4 , thereby preparing layered AlN.

(실시예3) AlN 나노시트 제조(Example 3) Preparation of AlN nanosheets

실시예1에서 제조된 층상형 AlN를 테이프로 박리하여 AlN 나노시트를 제조하였다.The layered AlN prepared in Example 1 was peeled off with a tape to prepare an AlN nanosheet.

(비교예1) 3D 벌크형 AlN(Comparative Example 1) 3D Bulk AlN

상용 제품인 3D 벌크형 AlN(시그마알드리치)를 준비하였다.A commercial product, 3D bulk type AlN (Sigma-Aldrich) was prepared.

(실험예1) XRD 분석(Experimental Example 1) XRD analysis

비교예1의 3D AlN, 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN에 대하여 XRD 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 2에 도시하였다.3D AlN of Comparative Example 1, the layered Ca 3 Al 2 N 4 of Preparation Example 1, and the layered AlN of Example 1 were subjected to XRD analysis, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2를 참조하면 층상형 Ca3Al2N4(준비예1)는 공간군이 C2/2 및 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be seen that the layered Ca 3 Al 2 N 4 (Preparation Example 1) has a monoclinic crystal structure in which space groups are C2/2 and P2/c.

또한, 층상형 Ca3Al2N4에서 Ca 이온을 제거한 층상형 AlN(실시예1)은 공간군이 C2/2 및 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 것을 확인할 수 있고 이는 3D 구조의 벌크형 AlN과는 상이한 결정 구조이다.In addition, it can be confirmed that the layered AlN (Example 1) in which Ca ions are removed from the layered Ca 3 Al 2 N 4 has a monoclinic crystal structure in which the space groups are C2/2 and P2/c, which is a bulk type of 3D structure. It has a different crystal structure from AlN.

(실험예2) SEM 분석(Experimental Example 2) SEM analysis

준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN에 대하여 SEM 이미지를 촬영하였으며, 그 결과를 도 3a 및 3c에 도시하였다.SEM images were taken for the layered Ca 3 Al 2 N 4 of Preparation Example 1 and the layered AlN of Example 1, and the results are shown in FIGS. 3a and 3c.

도 3a 및 도 3c를 참조하면, 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온 제거 후 제조된 AlN가 층상형 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3C , it can be seen that the layered Ca 3 Al 2 N 4 AlN prepared after removing Ca ions has a layered structure.

Claims (10)

(1) Ca3N2, 및 Al 분말을 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득하는 단계; 및
(2) 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 AlCl3 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 상기 층상형 화합물을 처리하는 단계;
를 포함하는 층상형 AlN의 제조 방법.
(1) Ca 3 N 2 , and the formula Ca 3 Al 2 having a monoclinic crystal structure in which a space group is C2/2 or P2/c by heat-treating a mixture containing Al powder and cooling it obtaining a layered compound represented by N 4 ; and
(2) A mixed solution containing an AlCl 3 salt capable of selectively removing Ca ions contained in the layered compound without changing the crystal structure of the layered compound and a solvent capable of dissolving the salt, the layered compound processing;
A method for producing a layered AlN comprising a.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 층상형 AlN의 제조 방법.
According to claim 1,
The solvent is at least one selected from deionized water, tetrahydrofuran and dichloromethane.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행되는 층상형 AlN의 제조 방법.
According to claim 1,
The heat treatment of step (1) is a method for producing a layered AlN is performed for 80 to 200 hours at 1000 ~ 1200 ℃.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 냉각은 0.5~3℃/시간 또는 10~15℃/시간의 감온 속도로 수행되는 층상형 AlN의 제조 방법.
According to claim 1,
The cooling in step (1) is a method for producing a layered AlN is carried out at a temperature reduction rate of 0.5 ~ 3 ℃ / hour or 10 ~ 15 ℃ / hour.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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