KR20010002267A - 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법에 관한 것으로서, 산소 분압을 조절하기 위하여 H₂, H₂O 기체를 소정 비율로 혼합한 분위기 기체를 반응기의 일방향으로 공급하고, 상기 분위기 기체의 흐름 방향을 고려하여, 실리콘 공급원을 알루미늄 나이트라이드의 상류에 위치시키고, 상기 반응기를 1300∼1500℃ 온도 범위에서 1시간 이상 유지시킴에 의하여, 상기 분위기 기체와 실리콘 공급원이 반응하여 생성된 SiOx 기체가 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착되도록 하는 것임을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법은 간단한 공정으로 알루미늄 나이트라이드의 표면에 치밀한 실리카층을 형성하여, 형성된 실리카층에 의한 균열 둔화로부터의 강도 증진, 고온에서의 산화 거동 방지 및 고온에서의 강도 유지 등의 장점이 있다.

Description

알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법{Method For Strengthening And Oxidation Prevention Of AIN By Formation Of Silica Layer On The Surface}

본 발명은 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법에 관한 것으로서, 특히 알루미늄 나이트라이드 표면에 실리카층을 형성시킴으로써 강도를 증가시키고, 산화 거동을 방지하고자 하는 표면 개질 방법에 관한 것이다.

알루미늄 나이트라이드는 높은 열전도도, 낮은 열팽창 계수, 높은 전기 저항성 등의 물성을 나타내는 재료로서 전기 뿐만 아니라, 고온 재료로서 많은 응용 분야에 이용되고 있다. 알루미늄 나이트라이드는 구조 재료로서 요구되는 높은 강도와 인성을 가졌음에도 불구하고, 800℃ 이상의 고온에 장시간 노출된 경우, 급격한 강도 저하를 나타내는 산화 거동 때문에 그 응용에 많은 제약이 따르고 있다. 따라서 알루미늄 나이트라이드에 대하여 고온에서의 산화 거동을 방지하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

알루미늄 나이트라이드의 고온 산화 거동을 방지하고자 하는 연구로서, 표면에 보호층을 형성하여 물성을 증진시키고자 하는 연구가 진행되었다. 특히, 표면에 형성된 보호층이 산소 화합물인 경우, 고온에서의 큰 산화 저항성을 보이는 것으로 보고되었다. 따라서, 이러한 보호층을 알루미늄 나이트라이드 표면에 형성시킬 수 있다면 고온에서의 산화 거동을 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 알루미늄 나이트라이드의 고온 산화 거동을 방지하고자 하는 것으로서, 간단한 공정을 통하여 알루미늄 나이트라이드 표면에 실리카층을 형성시켜서 강도를 증가시키고, 고온에서의 산화 거동을 방지할 수 있는 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법을 제공하고자 한다.

도1은 본 발명에 따른 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법이 수행되는 분위기 조절로 내부의 개략도,

도2는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편의 표면 사진,

도3은 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편에서 처리 시간에 따른 강도를 측정한 도표,

도4는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편과 표면 개질을 거치지 않은 비교예에 대하여, 고온에서 노출시킨 후의 무게 변화를 보여주는 도표,

도5는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편과 표면 개질을 거치지 않은 비교예에 대하여, 고온에서 노출시킨 후의 강도 변화를 보여주는 도표.

본 발명에 의한 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법은, 산소 분압을 조절하기 위하여 H₂, H₂O 기체를 소정 비율로 혼합한 분위기 기체를 반응기의 일방향으로 공급하고, 상기 분위기 기체의 흐름 방향을 고려하여, 실리콘 공급원을 알루미늄 나이트라이드의 상류에 위치시키고, 상기 반응기를 1300∼1500℃ 온도 범위에서 1시간 이상 유지시킴에 의하여, 상기 분위기 기체와 실리콘 공급원이 반응하여 생성된 SiOx 기체가 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착되도록 하는 것임을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 알루미늄 나이트라이드 개빌 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법이 수행되는 분위기 조절로 내부의 개략도이다.

도1에 도시된 분위기 조절로는 열원에 의하여 그 내부를 가열할 수 있으며, 산소 분압을 조절하기 위하여 H₂, H₂O 기체를 소정 비율로 혼합한 분위기 기체가 일방향으로 공급될 수 있도록 구성된다. 본 발명에 의한 방법에서는 분위기 기체의 산소 분압을 고려하여, H₂, H₂O의 혼합 기체에서 H₂O 기체가 적어도 0.05 부피비인 것이 바람직하다. 분위기 조절로의 내부 공간에 실리콘의 공급원으로서 SiC, Si₃N₄, Si, Sialon, SiO₂중에서 선택된 하나의 분말을 두고, 표면 개질 대상인 알루미늄 나이트라이드 소결체를 위치시킨다. 실리콘 공급원은 분위기 기체의 산소와 반응하여 SiOx 기체를 생성하고, 생성된 SiOx 기체는 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착된다.

이와 같은 분위기 조절로를 이용한 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법을 상세하게 설명한다. 먼저, 상기한 바와 같은 분위기 조절로에 알루미늄 나이트라이드와 예를 들어 SiC 분말을 넣는다. 이 때, SiC 분말은 H₂-H₂0 분위기 기체인 흐름 방향을 고려하여, 알루미늄 나이트라이드의 상류에 위치시킨다. 이는 SiC 분말과 상기 H₂-H₂0 분위기 기체와의 반응에 의하여 생성된 SiOx 기체가 흐름에 따라서 원활하게 이동하여 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 균일한 증착을 위하여 알루미늄 나이트라이드를 SiC 분말로부터 약 2㎝ 정도 떨어진 곳에 약 20°정도 기울여서 위치시킨다.

이러한 상태에서 분위기 조절로 내부를 1300∼1500℃ 온도로 수시간동안 유지한다. 고온에서 SiC 분말이 H₂-H₂0 분위기 기체와 반응하여 기화되기 시작하여 SiOx 기체를 생성하고, 이렇게 생성된 SiOx 기체는 일방향으로 이동하여 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착된다.

본 발명에 따른 알루미늄 나이트라이드의 개질 방법의 효과를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

먼저, 알루미늄 나이트라이드에 소결조제로서 1중량%의 Y₂O₃를 첨가한 후, 1800℃에서 1시간 동안 20 MPa의 압력으로 질소 분위기에서 가압 소결하였다.

소결한 후 3㎜×4㎜×25㎜의 각주 형태로 절단하여 복수개의 시편을 만든 후, 200 grit의 다이아몬드로 표면을 조연마한 후 다시 1㎛ 등급의 미세 연마용 다이아몬드로 미세 연마를 하였다.

이렇게 만들어진 시편을 도1에 도시된 분위기 조절로내에 장입하고, 실리콘 공급원으로서, SiC 분말을 장입하였다. 여기서 실리콘 공급원으로서 사용되는 SiC 대신에 Si를 포함하는 다른 화합물, 예를 들어서, Si₃N₄, Si, Sialon, SiO₂중 어느 하나를 사용하여도 무방하다. 실리콘 공급원은 분위기 기체와 반응하여 SiOx 기체를 생성한다.

알루미늄 나이트라이드의 시편과 SiC 분말을 장입한 후, 분위기 조절로 내의 분위기 기체인 H₂-H₂O 기체의 흐름 속도를 일정하게 유지하면서 1450℃에서 1시간동안 가열한다. 이때 상기 혼합 기체의 각각의 분압은 P_H2:1기압, P_H2O:1×10³기압으로 설정하여 상기 온도에서 분위기 기체가 SiC와 반응하여 SiOx 기체를 원활하게 생성시키게 하기 위한 것이다.

알루미늄 나이트라이드의 산화 거동을 관찰하기 위한 비교예를 위하여, 상기한 바와 같은 열처리를 거치지 않은 시편을 제조하였다.

열처리를 거친 시편과 거치지 않은 시편들을 1000℃∼1400℃에서 소정 시간(20시간 내지 100시간) 공기중에서 유지하고, 소정 시간이 지나면 2종류의 시편을 각각 다섯 개씩 꺼내어 무게의 변화를 전자 저울을 이용하여 측정하고, 표면 조성의 분석을 위하여 X선 및 EDS(Eneray Dispersive Spectroscopy) 측정을 하고, 표면 형상 관찰을 위하여 주사 전자 현미경을 이용하였으며, 4점 곡강도법(헤드 속도 : 0.5㎝/sec, 내부 스팬: 10㎜, 외부 스팬: 20㎜)을 사용하였다.

도2는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편의 표면 사진이다. 도2a는 처리 시간이 30분 경과한 후의 표면 사진이고, 도2b는 처리 시간이 1시간 경과한 후의 표면 사진이다.

도2b에서 보이는 바와 같이, 처리 시간이 1시간인 경우에 표면에 치밀하고 균일한 실리카층이 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이 형성된 치밀한 실리카층은 알루미늄 나이트라이드 표면에 존재하던 균열의 날카로운 첨단부를 무디게 하여 균열 둔화(crack blunting) 현상을 발생시킴으로써 강도를 증가시킨다. 또한, 표면에 증착된 실리카층은 공기 중의 산소나 수분의 침투를 억제하여 알루미늄 나이트라이드 표면과의 반응을 방지하여 산화 거동을 방지할 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편에서 처리 시간에 따른 강도를 측정한 도표이다.

미세 연마한 시편을 본 발명에 의한 방법에 의하여 각각 다른 시간동안 처리한 후에 강도를 측정한 것이다. 처리하기 전과 비교하여 0.5시간 정도 처리된 시편은 강도가 서서히 증가하고, 1시간 이상 처리된 경우에는 강도가 일정해졌다. 이와 같은, 알루미늄 나이트라이드의 강도 증가는 표면 균열 둔화와 관계가 있는 것으로 보인다. 이는 도2에서 보이는 바와 같이, 0.5 시간 동안 처리된 경우에 표면 균열이 감소하지만 표면 실리카층이 충분하지 못한 반면, 1시간이 경과되면 표면 균열을 덮을만큼 실리카층이 충분히 형성되기 때문이다. 1시간이 경과되면 20% 정도 강도가 증가하고, 그 이상 더 처리하여도 강도는 더 이상 증가되지 않았다.

도4는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편과 표면 개질을 거치지 않은 비교예에 대하여, 고온에서 노출시킨 후의 무게 변화를 보여주는 도표이다. 도4a는 본 발명에 의한 처리를 하지 않은 비교예이고, 도4b 본 발명에 의하여 표면이 개질된 경우이다. 일반적인 알루미늄 나이트라이드는 고온에서 노출되었을 때, 공기 중에 존재하는 산소나 수분에 의하여 표면에 알루미나층을 형성하는 것으로 알려져있다.

도4a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 처리를 하지 않은 경우에는 1200℃의 온도에서 노출된 경우에도, 시간이 지남에 따라서 무게가 비례하여 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 산화 거동은 알루미늄 나이트라이드의 표면에 어떠한 보호층도 형성되지 않음을 의미한다.

반면에, 도4b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 처리를 한 경우에는, 알루미늄 나이트라이드의 표면에 실리카층이 형성되어 1400℃의 고온에서도 무게 증가가 급격하지 않는 산화 저항성을 보인다. 본 발명에 의한 표면 개질 처리에 의하여 표면에 실리카층이 형성된 경우에는 실리카층이 산소나 수분이 알루미늄 나이트라이드 표면과 접촉되는 것을 방해하여 산화 거동을 효과적으로 억제할 수 있다.

도5는 본 발명에 따른 표면 개질 방법에 의하여 처리된 알루미늄 나이트라이드 시편과 표면 개질을 거치지 않은 비교예에 대하여, 고온에서 노출시킨 후의 강도 변화를 보여주는 도표이다. 도5a는 본 발명에 의한 처리를 하지 않은 비교예이고, 도5b 본 발명에 의하여 표면이 개질된 경우이다.

도5a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 개질 처리가 되지 않은 시편은 1000℃에서부터 강도가 저하되어 온도가 증가함에 따라서, 또한 시간이 경과함에 따라서 강도가 급격히 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 알루미늄 나이트라이드 층과 산화에 의하여 생성된 알루미나층의 열팽창 계수가 상이하여 고온에서 잔류 응력이 발생하여 표면에 균열이 발생하고, 이러한 표면의 균열이 내부로 진행하여 강도를 저하시킨다.

반면에 본 발명에 의한 표면 개질 처리를 한 시편은 도5b에서 보이는 바와 같이, 강도의 감소가 매우 작으며, 이는 균열 둔화에 의한 강화 효과가 고온에서도 유지됨을 보여주는 것이다. 이 경우에는 알루미늄 나이트라이드 표면에 치밀하게 형성된 실리카층이 산화를 억제하여 알루미나 층이 생성되지 않았기 때문이다.

도3, 도4 및 도5를 종합하면, 본 발명에 따른 표면 개질 방법으로 처리된 알루미늄 나이트라이드는 표면에 형성된 실리카층에 의하여 균열 둔화로 인한 강도 강화 효과가 있고, 고온에서의 산화 거동을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 균열 둔화로 인한 강도 강화 효과가 고온에서 노출된 경우에도 유지되는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법은 간단한 공정으로 알루미늄 나이트라이드의 표면에 치밀한 실리카층을 형성하여, 형성된 실리카층에 의한 균열 둔화로부터의 강도 강화, 고온에서의 산화 거동 방지 및 고온에서의 강도 유지 등의 장점이 있다.

Claims (3)

1. 산소 분압을 조절하기 위하여 H₂, H₂O 기체를 소정 비율로 혼합한 분위기 기체를 반응기의 일방향으로 공급하고,

   상기 분위기 기체의 흐름 방향을 고려하여, 실리콘 공급원을 알루미늄 나이트라이드의 상류에 위치시키고,

   상기 반응기를 1300∼1500℃ 온도 범위에서 1시간 이상 유지시킴에 의하여,

   상기 분위기 기체와 실리콘 공급원이 반응하여 생성된 SiOx 기체가 알루미늄 나이트라이드의 표면에 증착되도록 하는 것임을 특징으로 하는 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법.
2. 제1항에 있어서,

   H₂, H₂O의 혼합 기체인 상기 분위기 기체에서 H₂O가 적어도 0.05 부피비이상인 것임을 특징으로 하는 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 실리콘 공급원으로서 SiC, Si₃N₄, Si, Sialon, SiO₂중 선택된 어느 하나 또는 그 혼합물을 사용하는 것임을 특징으로 하는 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법.