KR20080065159A - Aluminum nitride nanopowders prepared by using melamine and the fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

Aluminum nitride nanopowders prepared by adding melamine and a preparation method of the aluminum nitride nanopowders are provided to synthesize aluminum nitride nanopowders which are more efficient in solving non-economic efficiencies such as high reaction temperatures and long reaction times that are problems of an existing synthetic method. A preparation method of an aluminum nitride nanopowder comprises: a first step of mixing a boehmite(AlOOH) powder, a carbon-containing powder, and a powder containing carbon and nitrogen; a second step of charging the mixed powder into a furnace; a third step of primarily heating the furnace under a hydrogen gas or nitrogen-containing gas atmosphere, thereby decomposing the boehmite powder to form aluminum oxide(Al2O3) that is reducible at low temperatures as an intermediate; and a fourth step of secondly heating the furnace at a temperature higher than that in the first heating process under an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere, thereby reacting the intermediate with a carbon component and a nitrogen component to reduce the intermediate and nitride aluminum at the same time. The preparation method further comprises the step of maintaining temperature of the resulting material at a final process temperature for 1 to 5 hours after performing the second heating process of the fourth step. Further, a mixing ratio of the boehmite(AlOOH) powder, the powder containing carbon and nitrogen and the carbon-containing powder is 1.00:0.36:0.20 to 1.00:5.35:3.00.

Description

멜라민을 이용하여 제조된 질화알루미늄 나노분말 및 그 제조방법{ALUMINUM NITRIDE NANOPOWDERS PREPARED BY USING MELAMINE AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}Aluminum nitride nano powder manufactured using melamine and a method of manufacturing the same {ALUMINUM NITRIDE NANOPOWDERS PREPARED BY USING MELAMINE AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 질화알루미늄 나노분말의 제조과정을 나타내는 순서도이며,1 is a flow chart showing a manufacturing process of the aluminum nitride nano powder of the present invention,

도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 합성된 질화알루미늄 분말의 X-선 회절 곡선을 나타내며,Figure 2 shows the X-ray diffraction curve of the aluminum nitride powder synthesized by the production method of the present invention,

도 3은 본 발명의 제조방법에 의해 합성된 질화알루미늄 분말의 TEM 사진이다.3 is a TEM photograph of aluminum nitride powder synthesized by the production method of the present invention.

본 발명은 멜라민을 이용하여 소결성이 우수한 질화알루미늄 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응집도가 낮고 결정성이 우수한 질화알루미늄 나노 분말을 저비용으로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an aluminum nitride powder having excellent sinterability using melamine and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for producing aluminum nitride nano powder having low cohesion and excellent crystallinity at low cost.

질화알루미늄은 알루미늄을 질소와 결합한 화합물로서 AlN으로 표기된다. 질화알루미늄은 다른 세라믹 소재들에 비하여 열전도도가 대단히 크며(320W/mK), 화 학적으로 매우 안정하다. 또한, 질화알루미늄은 전기적으로 부도체이다. 특히, 질화알루미늄의 열팽창계수는 실리콘의 열팽창계수(4.3×10-6/K)와 비슷하다(I.V. Nicolaescu et al., J. Am. Ceram . Soc ., 77, p2265, 1994). 이러한 특징 때문에 질화알루미늄은 집적도가 빠른 속도로 높아지고 출력이 증가하고 있는 각종 실리콘 반도체 소자들 혹은 대규모 고출력 전자기기들에서 문제가 되고 있는 열 문제를 해결할 수 있는 가장 유망한 열 방출 소재로 주목받고 있다. Aluminum nitride is a compound in which aluminum is combined with nitrogen and is referred to as AlN. Aluminum nitride is much more thermally conductive than other ceramic materials (320 W / mK) and is very chemically stable. In addition, aluminum nitride is an electrically insulator. In particular, the thermal expansion coefficient of aluminum nitride is similar to that of silicon (4.3 × 10 −6 / K) (IV Nicolaescu et al., J. Am. Ceram . Soc ., 77 , p2265, 1994). Because of this feature, aluminum nitride is attracting attention as the most promising heat dissipation material that can solve the thermal problem that is becoming a problem in various silicon semiconductor devices or large-scale high-power electronic devices that are rapidly increasing in density and increasing in output.

방열 소재로 사용되는 질화알루미늄은 주로 분말 형태의 질화알루미늄을 고온에서 치밀화시킨 소결체 형태이다. 따라서, 질화알루미늄의 방열 특성은 최종 소결체의 물성에 따라 결정되는바, 치밀화 정도(소결성)가 높아야 하고 열전달 특성에 나쁜 영향을 미치는 산소, 탄소 등의 성분이 적어야 한다. 소결체에 요구되는 이러한 특성들은 소결 공정의 제어뿐만 아니라 소결의 원료가 되는 분말 특성의 엄격한 제어를 필요로 한다(P.M. Lundquist et al., "Ultraviolet second harmonic generation in ratio-frequency sputter-deposited aluminum nitride thin films", Appl. Phys. Lett ., 65, p1085, 1994; Y. Baik et al., "Aluminum nitride: processing and applications", Key Eng . Mater., 533, pp122-124, 1996).Aluminum nitride, which is used as a heat dissipation material, is a sintered compact mainly obtained by densifying powdered aluminum nitride at high temperature. Therefore, the heat dissipation characteristics of aluminum nitride are determined according to the physical properties of the final sintered compact, so that the degree of densification (sintering) should be high and there should be few components such as oxygen and carbon that adversely affect the heat transfer characteristics. These properties required for the sintered body require not only control of the sintering process but also strict control of the powder properties that are the raw materials of the sintering process (PM Lundquist et al. ", Appl. Phys. Lett ., 65 , p1085, 1994; Y. Baik et al.," Aluminum nitride: processing and applications ", Key Eng . Mater., 533 , pp 122-124, 1996).

질화알루미늄 분말을 제조하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 일반적으로 많이 사용되는 방법은 두 가지이다. 첫 번째 방법은 알루미늄을 직접 질화시키는 방법으로써, 알루미늄 분말을 800℃ 이상의 고온에서 질소 또는 암모니아 분위기에서 하기의 식과 같이 반응시켜 직접 질화시키는 방법이다.There are several methods for producing aluminum nitride powder, and two commonly used methods. The first method is a method of directly nitriding aluminum, which is a method of directly nitriding aluminum powder by reacting it in a nitrogen or ammonia atmosphere at a high temperature of 800 ° C. or higher as shown in the following formula.

2Al + N2 → 2AlN (질소 분위기)2Al + N 2 → 2AlN (nitrogen atmosphere)

Al + N+ → AlN (암모니아 분위기)Al + N + → AlN (ammonia atmosphere)

금속상의 알루미늄을 직접 질화시키는 경우 알루미늄의 융점은 질화온도보다 현저히 낮은 660℃이기 때문에 응집이 심한 질화알루미늄이 형성된다. 이 질화알루미늄을 분쇄하여 질화알루미늄 분말을 제조한다(Yu Qiu et al., "Nitridation reaction of aluminum powder in flowing ammonia", J. European Ceram . Soc ., 23, p2015, 2003; Qinghong Zhang et al., "Synthesis of nanocrystalline aluminum nitride by nitridation of δ-Al2O3 nanoparticles in flowing ammonia", J. Am. Ceram. Soc ., 89, p415, 2006; J.M. Haussonne et al., "A new synthesis process for AlN", Am. Ceram . Soc . Bull., 72, p84, 1993).In the case of directly nitriding aluminum on a metal, aluminum nitride, which is highly agglomerated, is formed because the melting point of aluminum is 660 ° C., which is significantly lower than the nitriding temperature. This aluminum nitride is ground to produce aluminum nitride powder (Yu Qiu et al., "Nitridation reaction of aluminum powder in flowing ammonia", J. European Ceram . Soc ., 23 , p2015, 2003; Qinghong Zhang et al., "Synthesis of nanocrystalline aluminum nitride by nitridation of δ-Al 2 O 3 nanoparticles in flowing ammonia", J. Am. Ceram. Soc ., 89 , p415, 2006; JM Haussonne et al., "A new synthesis process for AlN" , Am. Ceram . Soc . Bull., 72 , p84, 1993).

두 번째 방법은 산화알루미늄인 알루미나 분말을 탄소원료 분말과 혼합한 후, 고온에서 질소를 함유하는 분위기에서 가열하여 탄소열환원을 유도하고 환원된 알루미늄을 질화시키는 방법이다.The second method is a method in which alumina powder, which is aluminum oxide, is mixed with a carbon raw material powder, and then heated in a nitrogen-containing atmosphere at high temperature to induce carbon heat reduction and nitriding the reduced aluminum.

Al2O3 + 3C → 2Al + 3COAl 2 O 3 + 3C → 2Al + 3CO

2Al + N2(혹은 2N+) → 2AlN2Al + N 2 (or 2N + ) → 2AlN

탄소열환원 반응을 유도하기 위해서는 1400~1850℃ 정도의 고온과 함께 7~48시간 정도의 대단히 긴 처리시간이 필요하다. 간혹, 탄소 공급원으로서 탄소 분말 대신에 탄화수소계 가스를 사용하기도 한다. 탄소열환원 반응 후에 잔류하는 일부 탄소 성분은 대기 중 600~900℃에서 가열하여 탄소 성분을 산화시켜 제거한다. 이때, 탄소 성분을 대기 중에서 가열하여 제거하는 동안 질화알루미늄 분말(주로 분말 표면)이 일부 산화될 수 있다. 이 방법으로는 대략 평균 직경 2㎛ 내외의 질화알루미늄 분말을 제조할 수 있다(J.C. Kuang et al., "Formation and characterization of cubic AlN crystalline in a carbothermal reduction reaction", Mater. Lett ., 59, p2006, 2005; T. Suehiro et al., "Synthesis and sintering properties of aluminium nitride nanopowder prepared by the gas-reduction-nitridation method", Nanotechnology, 14, p487, 2003; T. Yamakawa et al., "Synthesis of AlN powder from Al(OH)3 by reduction-nitridation in a mixture NH3-C3H8 gas", J. European Ceram . Soc ., 26, p2413, 2006).In order to induce a carbon heat reduction reaction, a very long processing time of about 7 to 48 hours is required along with a high temperature of about 1400 to 1850 ° C. Occasionally, hydrocarbon gas is used instead of carbon powder as a carbon source. Some of the carbon components remaining after the carbon heat reduction reaction are heated at 600 to 900 ° C. in the air to oxidize and remove the carbon components. At this time, the aluminum nitride powder (primarily the powder surface) may be partially oxidized while the carbon component is removed by heating in the air. By this method, aluminum nitride powders having an average diameter of about 2 μm can be produced (JC Kuang et al., “Formation and characterization of cubic AlN crystalline in a carbothermal reduction reaction”, Mater. Lett ., 59 , p2006, 2005; T. Suehiro et al., "Synthesis and sintering properties of aluminum nitride nanopowder prepared by the gas-reduction-nitridation method", Nanotechnology , 14 , p487, 2003; T. Yamakawa et al., "Synthesis of AlN powder from Al (OH) 3 by reduction-nitridation in a mixture NH 3 -C 3 H 8 gas ", J. European Ceram . Soc ., 26 , p2413, 2006).

상기의 두 가지 방법 이외에도 다양한 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법이 있을 수 있지만 대량 제조를 위한 효율성(경제성)에 문제가 있다. 상기 두 가지 방법을 포함한 기존의 질화알루미늄 분말 제조방법은 직경 2㎛ 이하의 미세한 질화알루미늄 분말, 특히 나노미터 크기(대략 100나노미터 이하)의 질화알루미늄 분말을 제조하기에는 부적합하다. 1700~2100℃ 정도의 고온을 필요로 하는 질화알루미늄 분말의 소결온도를 낮추기 위해서는 질화알루미늄 분말의 크기를 줄이는 것이 필요하다. In addition to the above two methods, there may be a method of manufacturing various aluminum nitride powders, but there is a problem in efficiency (economical efficiency) for mass production. Conventional aluminum nitride powder production methods including the above two methods are unsuitable for producing fine aluminum nitride powder having a diameter of 2 μm or less, particularly an aluminum nitride powder having a nanometer size (about 100 nanometers or less). In order to lower the sintering temperature of the aluminum nitride powder requiring a high temperature of about 1700 ~ 2100 ℃ it is necessary to reduce the size of the aluminum nitride powder.

또한 글루코스나 전분 등을 첨가하여 질화알루미늄 합성에 영향을 미치는지에 대한 연구도 있었으나, 그 연구 역시 1400-1500℃에서 진행되며, 연소 기(Combustion aids) 등을 사용하여 그 제조 과정이 복잡하다(J.C. kuang et al., "Influence of processing parameters on synthesis of nano-sized AlN powders", J. Crystal Growth., 236, p12, 2004).There has also been a study on the effects of addition of glucose or starch on the aluminum nitride synthesis, but the study is also conducted at 1400-1500 ℃, and the manufacturing process is complicated by using combustion aids (JC). kuang et al., "Influence of processing parameters on synthesis of nano-sized AlN powders", J. Crystal Growth., 236 , p12, 2004).

한편, 알루미늄 플레이크에 멜라민을 도포하여 진공분위기의 SHS 공정을 통해 AlN 을 생성하는 연구가 진행되었다. 하지만 사실상 경제적이라 보기 어려우며, 나노분말에 대한 연구는 아니었다 (GunChoo Sim, "Synthesis of AlN in Low Pressure Nitrogen Atmosphere Using Melamine as an Additive", KIGAM Bulletin., 8, p37, 2004).On the other hand, by applying melamine on aluminum flakes, a study of generating AlN through the SHS process in a vacuum atmosphere was in progress. However, it is virtually economical and has not been studied on nanopowders (GunChoo Sim, "Synthesis of AlN in Low Pressure Nitrogen Atmosphere Using Melamine as an Additive", KIGAM Bulletin ., 8 , p37, 2004).

따라서, 기존의 질화알루미늄 합성 방법은 높은 반응 온도, 긴 반응 시간 등의 비경제적이라는 문제점이 있었다. 이에 따라, 본 발명자들은 멜라민을 이용하여 응집도가 낮으면서 결정성이 우수한 질화알루미늄 나노 분말을 저비용으로 제조하는 방법을 발명하게 되었다.Therefore, the conventional aluminum nitride synthesis method has a problem that it is uneconomical, such as high reaction temperature, long reaction time. Accordingly, the present inventors have invented a method for producing aluminum nitride nanopowders having low cohesion and excellent crystallinity using melamine at low cost.

본 발명의 목적은 멜라민을 첨가하여 제조된 질화알루미늄 나누분말 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로서, 기존의 합성방법에 대한 문제점인 높은 반응 온도, 긴 반응 시간 등의 비경제성을 해결하고자 하는데 이어 좀 더 효율적인 질화알루미늄 나노분말을 합성하는데 그 목적이 있는 것이다. An object of the present invention is to provide an aluminum nitride divided powder prepared by adding melamine and a method for preparing the same, and to solve the problems of the conventional synthesis method, such as high reaction temperature and long reaction time, which are more economical. The purpose is to synthesize efficient aluminum nitride nanopowders.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기와 같은 멜라민을 이용한 질화알루미늄 나노분말의 제조방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing aluminum nitride nanopowder using melamine as follows:

보헤마이트(AlOOH) 분말, 탄소 함유 분말, 및 탄소와 질소를 모두 함유하는 분말을 혼합하는 제1단계; 상기 혼합 분말을 노에 장입하는 제2단계; 수소 가스 또는 질소 함유 가스 분위기 하에서 상기 노를 1차 가열함으로써 보헤마이트 분말을 분해하여 중간생성물로써 저온에서 환원이 가능한 산화알루미늄을 형성하는 제3단계; 및 암모니아 및 질소분위기하에서 상기 제3단계에서의 1차 가열 단계보다 높은 온도로 상기 노를 2차 가열함으로써 상기 중간생성물이 탄소 성분과 반응하여 환원과 동시에 알루미늄을 질화시키는 제4단계.A first step of mixing boehmite (AlOOH) powder, carbon-containing powder, and powder containing both carbon and nitrogen; A second step of charging the mixed powder into a furnace; A third step of decomposing boehmite powder by primary heating the furnace in a hydrogen gas or nitrogen containing gas atmosphere to form aluminum oxide which can be reduced at low temperatures as an intermediate product; And a fourth step in which the intermediate is reacted with a carbon component to nitrate aluminum simultaneously with reduction by heating the furnace at a temperature higher than the first heating step in the third step under an ammonia and nitrogen atmosphere.

여기서, 상기 2차 가열 후 최종 공정온도에서 1 내지 5시간 동안 온도를 유지시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.Here, the method may further include maintaining a temperature for 1 to 5 hours at the final process temperature after the second heating.

이때, 상기 1차 가열은 900℃가 될 때까지 이루어지는 것이 바람직하다.At this time, the primary heating is preferably made until it is 900 ℃.

또한, 상기 2차 가열은 900 내지 1400℃의 온도 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the secondary heating is preferably made within a temperature range of 900 to 1400 ℃.

또한, 상기 1차 가열은 수소 가스 혹은 질소 가스 분위기하에서 이루어지고, 상기 2차 가열은 순수 질소 가스나 순수 암모니아 가스 분위기하에서 이루어지거나 또는 상기 1차 가열 단계에서 사용하던 가스에 암모니아 가스를 혼합한 분위기하에서 이루어질 수도 있다.In addition, the primary heating is performed under a hydrogen gas or nitrogen gas atmosphere, and the secondary heating is performed under pure nitrogen gas or pure ammonia gas atmosphere, or an atmosphere in which ammonia gas is mixed with the gas used in the primary heating step. It can also be done under.

또는, 상기 1차 가열 단계와 상기 2차 가열 단계 모두 순수 암모니아 가스 또는 혼합 암모니아 가스를 사용하되, 상기 2차 가열 단계에서 상기 1차 가열 단계에서보다 암모니아 가스의 유량을 높이는 방법을 사용할 수도 있다.Alternatively, both the first heating step and the second heating step may use pure ammonia gas or mixed ammonia gas, but may use a method of increasing the flow rate of ammonia gas in the second heating step than in the first heating step.

또한, 상기 보헤마이트 분말, 상기 탄소 및 질소를 모두 함유하는 분말, 및 상기 탄소함유 분말의 무게 혼합비율은 1.00:0.36:0.20 내지 1.00: 5.35: 3.00의 범위 내인 것이 바람직하다.In addition, the weight mixing ratio of the boehmite powder, the powder containing both carbon and nitrogen, and the carbon-containing powder is preferably in the range of 1.00: 0.36: 0.20 to 1.00: 5.35: 3.00.

또한, 상기 보헤마이트 분말, 상기 탄소 및 질소를 모두 함유하는 분말, 및 상기 탄소함유 분말의 혼합 시 혼합 분말을 습식으로 밀링할 수도 있다.In addition, the boehmite powder, the powder containing both the carbon and nitrogen, and the mixed powder during the mixing of the carbon-containing powder may be wet milled.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 질화알루미늄 분말은, 상기한 방법으로 제조되어 평균 직경이 100나노미터 이하인 것을 특징으로 한다.On the other hand, aluminum nitride powder according to another aspect of the present invention for achieving the above object is characterized in that the average diameter is 100 nanometer or less.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에서 질화알루미늄을 합성하는 반응식은 하기와 같다. In the present invention, a reaction scheme for synthesizing aluminum nitride is as follows.

(1) 6AlOOH → 3Al2O3 + 3H2O(1) 6AlOOH → 3Al 2 O 3 + 3H 2 O

(2) 3Al2O3 + C3H6N6+6C -> 2AlN + 9CO + 2H2 (2) 3Al 2 O 3 + C 3 H 6 N 6 + 6C-> 2AlN + 9CO + 2H 2

(1)-(2) 6AlOOH + C3H6N6+6C -> 6AlN + 9CO + 2H2+3H2O(1)-(2) 6AlOOH + C 3 H 6 N 6 + 6C-> 6AlN + 9CO + 2H 2 + 3H 2 O

질화알루미늄을 합성하기 위하여, 보헤마이트 분말, 탄소 및 질소를 모두 함유하는 분말, 및 탄소함유분말을 혼합한다. 상기 보헤마이트(AlOOH)은 알루미늄 성분을 제공하기 위한 원료로 사용되고, 흑연(graphite), 활성탄(activated carbon) 또는 카본블랙분말과 같은 탄소 함유 분말은 탄소열환원을 위한 원료로 사용되는 것으로서, 바람직하게는 카본블랙분말이 사용된다. To synthesize aluminum nitride, a boehmite powder, a powder containing both carbon and nitrogen, and a carbon containing powder are mixed. The boehmite (AlOOH) is used as a raw material for providing an aluminum component, and carbon-containing powders such as graphite, activated carbon or carbon black powder are used as raw materials for carbon thermal reduction, Carbon black powder is used.

또한, 멜라민, 우레아, 질산암모늄, 염화암모늄 등(암모늄기를 포함하는 화 합물)이 탄소 및 질소를 모두 함유하는 분말로서 이용될 수 있으며, 바람직하게는 멜라민 분말이 사용된다. 이 멜라민은 질소성분과 탄소성분을 함께 가지는 것으로서 탄소열환원 및 질화를 위한 원료로 사용된다. 그러므로, 멜라민은 환원에 필요한 탄소와 질화에 필요한 질소를 모두 함유하고 있어 보헤마이트분말 및 탄소함유분말만을 이용하여 질화알루미늄을 합성할 때보다 더욱 경제적으로 질화알루미늄을 생성할 수 있다. 또한 가스 반응에의 단점인 빠른 유동에 따른 낮은 깊이 투과능에 의한 비접촉 공간을 고체인 멜라민으로 대신하여 기체반응의 단점을 보완하여 대면적으로의 확장성을 확보하게 되고, 멜라민 자체에 탄소 및 수소 소스가 존재하여 환원을 좀더 유리하게 함과 동시에 멜라민의 질소원소 공급으로 상대적으로 암모니아의 사용감소가 유도된다. 또한 암모니아와 탄소와의 반응으로 탄화수소를 생성함으로써 손실되는 과잉탄소량도 줄일 수 있으며, 생성물의 수득율 향상이 유도되어 좀더 경제적으로 질화알루미늄을 대량생산할 수 있는 잇점을 갖는다.In addition, melamine, urea, ammonium nitrate, ammonium chloride and the like (compound including ammonium group) may be used as the powder containing both carbon and nitrogen, and melamine powder is preferably used. This melamine has a nitrogen component and a carbon component, and is used as a raw material for carbon heat reduction and nitriding. Therefore, melamine contains both carbon for reduction and nitrogen for nitriding, so that aluminum nitride can be produced more economically than the synthesis of aluminum nitride using only boehmite powder and carbon-containing powder. In addition, it replaces the non-contact space by the low depth permeability due to the fast flow, which is a disadvantage of the gas reaction, with solid melamine to compensate for the disadvantage of the gas reaction and secures the expandability of the large area. Is present in the presence of a more favorable reduction and at the same time the use of ammonia supply of melamine leads to a relatively reduced use of ammonia. In addition, the amount of excess carbon lost by the production of hydrocarbons by the reaction of ammonia and carbon can be reduced, and the yield of products can be improved, which has the advantage of mass production of aluminum nitride more economically.

매우 미세한 보헤마이트 분말, 나노 크기의 카본블랙 분말 및 멜라민을 균일하게 혼합하기 위해 에탄올을 첨가하고 밀링을 이용한 기계적 분쇄를 실시한다. 한편, 보헤마이트 분말과 멜라민 분말 및 카본블랙의 무게 혼합비율을 1.00:0.36:0.20 내지 1.00: 5.35: 3.00 범위에서 제어하여 반응 전 또는 반응 중 질화알루미늄의 전구체 입자들이 서로 접촉하지 않도록 카본블랙 분말과 멜리민의 비율을 조절하여 혼합한다. In order to uniformly mix very fine boehmite powder, nano-size carbon black powder and melamine, ethanol is added and mechanical grinding using milling is performed. Meanwhile, the weight mixing ratio of the boehmite powder, the melamine powder and the carbon black is controlled in the range of 1.00: 0.36: 0.20 to 1.00: 5.35: 3.00 so that the precursor particles of aluminum nitride may not be in contact with each other before or during the reaction. Mix and adjust the proportion of melamine.

그 후, 상기의 균일한 혼합이 완료된 분말을 건조한 후 도가니에 넣어 노(爐)에 장입한다. 노의 분위기를 수소 또는 질소로 유지하면서 900℃까지 1차 가열 을 수행하여 보헤마이트를 분해시켜 중간생성물로써 저온에서 환원이 가능한 산화알루미늄(Al2O3)을 형성한다. 그 후, 질소 분위기 혹은 암모니아 가스 분위기하에서 종래보다 저온인 900 내지 1200℃의 온도 범위 내에서 노를 2차 가열함으로써 상기 중간생성물이 탄소 성분과 반응하여 환원되고 환원된 알루미늄을 질화시킨다 (도 1 참조).Thereafter, the above-mentioned uniformly mixed powder is dried and charged in a crucible to a furnace. Boehmite is decomposed by primary heating to 900 ° C. while maintaining the atmosphere of the furnace with hydrogen or nitrogen to form aluminum oxide (Al 2 O 3 ) which can be reduced at low temperatures as an intermediate. Thereafter, by heating the furnace secondly within a temperature range of 900 to 1200 ° C., which is lower than conventional temperature, under nitrogen atmosphere or ammonia gas atmosphere, the intermediate product reacts with the carbon component to nitrate the reduced and reduced aluminum (see FIG. 1). ).

보헤마이트는 일반적으로 하기식과 같이 가열 중 분해되어 알루미나와 물을 형성한다.Boehmite is generally decomposed during heating to form alumina and water as in the following formula.

2AlOOH → Al2O3 + H2O2AlOOH → Al 2 O 3 + H 2 O

본 발명의 핵심은, 위 분해반응의 결과 형성되는 알루미나(Al2O3)는 화학적, 열적으로 매우 안정하여 후속의 탄소환원 공정을 어렵게 하고 환원에 매우 높은 온도가 필요하다는 점에 착안하여, 보헤마이트가 분해될 때 형성되는 산화알루미늄 이전 단계인 중간생성물 단계에서 탄소 성분과 결합시켜 저온에서 환원되고 곧바로 질화되도록 하는 것이다. 즉, 활성이 강한 중간생성물과 암모니아 가스의 분해에서 발생하는 원자상 질소(N3 -) 및 수소(H+)가 직접 반응하게 하는 것이다. 또한 이에 더불어 멜라민에서 발생하는 질소 및 탄소가 환원 및 질화에 도움을 주게 되므로 반응을 좀 더 유리하게 가져갈 수 있다.The key point of the present invention is that alumina (Al 2 O 3 ) formed as a result of the above decomposition reaction is chemically and thermally very stable, making subsequent carbon reduction process difficult and requiring a very high temperature for reduction. In the intermediate product stage, which is a step before aluminum oxide formed when the mite is decomposed, it is combined with a carbon component so that it is reduced at low temperature and immediately nitrided. That is, atomic nitrogen (N 3 ) and hydrogen (H + ) generated in the decomposition of highly active intermediates and ammonia gas are allowed to react directly. In addition, since the nitrogen and carbon generated in the melamine helps to reduce and nitrate, the reaction can be brought more advantageously.

상기 1차 가열의 경우 수소 가스 혹은 질소 가스 분위기하에서 900℃까지 가열하고, 2차 가열의 경우 900℃에서 분위기를 순수 질소 가스를 이용하거나, 순수 암모니아 가스로 치환하거나 혹은 1차 가열 단계에서 사용하던 가스에 암모니아 가 스를 혼합한 분위기하에서 최종 공정온도(1400℃ 이하)까지 계속 가열한다. 또는, 1차 가열 단계와 2차 가열 단계 모두 순수 암모니아 가스 혹은 혼합 암모니아 가스를 사용하되, 1차 가열 단계에서는 암모니아 가스의 유량을 낮게 하고 2차 가열 단계에서는 유량을 높이는 방법을 택할 수도 있다.In the case of the primary heating it is heated to 900 ° C under a hydrogen gas or nitrogen gas atmosphere, and in the case of the secondary heating at 900 ° C the atmosphere using pure nitrogen gas, or replaced with pure ammonia gas or used in the primary heating step The heating is continued to the final process temperature (1400 ° C. or less) under an atmosphere of ammonia gas mixed with the gas. Alternatively, pure ammonia gas or mixed ammonia gas may be used in both the first heating step and the second heating step, but the flow rate of the ammonia gas may be lowered in the first heating step and the flow rate may be increased in the second heating step.

그 다음, 완전한 질화 처리 및 결정성을 증진시키기 위하여 최종 공정온도에서 1~5시간 동안 유지시킨다. 반응 후 잔류하는 탄소 성분을 분해 암모니아 가스 혹은 대기 중에서 가열하여 메탄 가스(CH4) 혹은 일산화탄소(CO)의 형태로 제거한다.It is then maintained at the final process temperature for 1-5 hours to promote complete nitriding and crystallinity. The carbon component remaining after the reaction is removed in the form of methane gas (CH 4 ) or carbon monoxide (CO) by heating in decomposed ammonia gas or air.

본 발명에 따라 제조되는 질화알루미늄 분말은 평균 직경이 100나노미터, 바람직하게는 50나노미터 이하이며, 결정성이 우수하고 응집도가 매우 낮다. 제조된 분말이 갖고 있는 결정상을 조사한 X-선 회절분석 결과인 도 2는 제조된 분말이 다른 결정성분을 포함하고 있지 않으며 단일상의 순수 질화알루미늄으로 구성되어 있음을 보여준다. 제조된 질화알루미늄 분말 입자는 거의 일정한 크기와 형상을 갖고 있고 분말 입자간 응집이 심하지 않음을 도 3의 투과전자현미경(TEM) 관찰 사진에서 알 수 있다. The aluminum nitride powder prepared according to the present invention has an average diameter of 100 nanometers, preferably 50 nanometers or less, and has excellent crystallinity and very low cohesion. Fig. 2, which shows the result of X-ray diffraction analysis of the crystalline phase of the powder, shows that the powder does not contain other crystal components and is composed of single-phase pure aluminum nitride. It can be seen from the transmission electron microscope (TEM) observation picture of FIG. 3 that the manufactured aluminum nitride powder particles have a substantially constant size and shape, and the aggregation between the powder particles is not severe.

반응물의 양에 대한 생성물의 수득률이 기존의 탄소만을 이용하여 실험한 경우보다 100%가량 증가한다. 이는 1g의 혼합물을 장입하여 실험하였을때, 탄소분말만 이용한 경우에는 0.1g의 AlN을, 멜라민을 함께 사용한 경우에는 0.2g의 AlN을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉 멜라민을 사용함으로써 수득율이 100% 향상 된 것이다.The yield of the product relative to the amount of reactants is increased by 100% compared to the experiments using only conventional carbon. When 1 g of the mixture was tested, it was confirmed that 0.1 g of AlN was used when only carbon powder was used and 0.2 g of AlN was used when melamine was used together. In other words, by using melamine, the yield is improved by 100%.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 예시일뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 의하여 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1.  One. 보헤마이트Bohemite , 멜라민 및 카본블랙의 혼합비율에 따른 According to the mixing ratio of, melamine and carbon black 질화알루미늄Aluminum nitride 생성률 Generation rate

보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합비율이 질화알루미늄의 생성률에 미치는 영향을 살펴보았다. The effect of the mixing ratio of boehmite, melamine and carbon black on the production rate of aluminum nitride was examined.

보헤마이트, 멜라민, 카본블랙의 혼합 비율을 무게 분율로서 1.00:0.36:0.20 ∼ 1.00:1.78:1.00 범위에서 변화시키며, 혼합물 0.5g을 암모니아 가스를 3ℓ/min의 속도로 불어넣으면서 1100℃에서 3시간 동안 처리한 후 X-선 회절을 분석하고, 합성된 질화알루미늄 분말을 TEM으로 관찰하였다.The mixing ratio of boehmite, melamine and carbon black is varied as a weight fraction in the range of 1.00: 0.36: 0.20 to 1.00: 1.78: 1.00, and 0.5 g of the mixture is blown for 3 hours at 1100 DEG C while blowing ammonia gas at a rate of 3 L / min. After treating for X-ray diffraction, the synthesized aluminum nitride powder was observed by TEM.

그 결과 보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합 비율이 1.00:0.36:0.20인 조건에서부터 질화알루미늄이 형성되기 시작하여, 카본블랙과 멜라민의 혼합 비율이 증가할수록 질화알루미늄 생성량이 선형적으로 증가하였다. 혼합 비율 1.00:1.48:0.80 조건의 경우 순수 질화알루미늄을 얻을 수 있었다. 이렇게 수득된 질화알루미늄 나노분말의 X-선 회절분석 곡선은 도 2에서, 합성한 분말을 관찰한 TEM 사진은 도 3에서 보는 바와 같다. As a result, aluminum nitride began to form under the condition that the mixing ratio of boehmite, melamine and carbon black was 1.00: 0.36: 0.20, and the amount of aluminum nitride produced was linearly increased as the mixing ratio of carbon black and melamine increased. Pure aluminum nitride was obtained for the mixing ratio of 1.00: 1.48: 0.80. The X-ray diffraction curve of the aluminum nitride nanopowder thus obtained is shown in FIG. 2, and the TEM photograph of the synthesized powder is shown in FIG. 3.

실시예Example 2. 질소가스 유입이  2. Inflow of nitrogen gas 질화알루미늄의Aluminum nitride 생성에 미치는 영향 Impact on generation

멜라민 및 카본블랙의 혼합비율을 상기 실시예 1의 경우보다 더욱 증가시키고, 질소 가스를 유입시킬 경우의 질화알루미늄을 생성을 관찰하였다.The mixing ratio of melamine and carbon black was further increased than in the case of Example 1, and production of aluminum nitride was observed when nitrogen gas was introduced.

보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합비율을 1.00:0.36:0.20 ∼ 1.00: 5.35: 3.00로 조절하여 혼합물 0.5g을 장입하여 1100℃에서 질소 유량을 1ℓ/min의 속도로 유지한 채 3시간 동안 처리하였다.The mixture ratio of boehmite, melamine and carbon black was adjusted to 1.00: 0.36: 0.20 to 1.00: 5.35: 3.00, charged with 0.5 g of the mixture, and treated for 3 hours while maintaining the nitrogen flow rate at 1 l / min at 1100 ° C. It was.

X-선 회절분석으로 확인한 결과, 육방정계(hexagonal) 상의 AlN (100) 면의 강도에 대한 γ-Al2O3 (220) 면의 강도 비율이 질소분위기에서 합성한 경우에는 1로 나타났으며, 위 조건과 모두 동일하고 질소 대신 암모니아 분위기에서 합성한 경우 6.147로 나타났다. 암모니아 분위기에서 합성을 하는 것이 질소분위기에서 합성하는 것보다 유리함을 보여주었다.X-ray diffraction analysis showed that the ratio of the intensity of the γ-Al 2 O 3 (220) plane to the strength of the AlN (100) plane on the hexagonal system was 1 when synthesized in a nitrogen atmosphere. In case of synthesis in the ammonia atmosphere instead of nitrogen, it was found to be 6.147. Synthesis in an ammonia atmosphere has been shown to be more advantageous than synthesis in a nitrogen atmosphere.

실시예Example 3. 반응 온도에 따른 입자의 성장 및 응집 3. Growth and Aggregation of Particles According to Reaction Temperature

보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합 비율을 1.00:1.48:0.80 로 고정하여 혼합물 10g을 장입하고 암모니아를 4ℓ/min로 유지하며 1100 및 1150℃에서 실험을 수행하여 반응온도가 입자의 성장 및 응집에 미치는 영향을 관찰하였다.Charge the mixing ratio of boehmite, melamine and carbon black to 1.00: 1.48: 0.80 to charge 10 g of the mixture, keep the ammonia at 4 L / min and perform experiments at 1100 and 1150 ° C to increase the reaction temperature The effect was observed.

상기 실험 수행의 결과, 반응온도가 1100℃의 경우 BET 표면적이 96 m2/g, 1150℃의 경우 46 m2/g 인 것으로 관찰되었다. As a result of the experiment, it was observed that the BET surface area was 96 m 2 / g at 1100 ° C and 46 m 2 / g at 1150 ° C.

실시예Example 4.  4. AlNAlN 합성에 미치는 혼합물의  Of the mixture on the synthesis 장입량이Charge 암모니아 유량과의 관계 Relationship to Ammonia Flow

보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합물이 장입되는 양이 유량에 미치는 영향을 관찰하였다.The effect of the amount charged with the mixture of boehmite, melamine and carbon black on the flow rate was observed.

보헤마이트, 멜라민 및 카본블랙의 혼합 비율을 1.00:1.48:0.80으로 고정하고 1100℃에서 3시간 유지한 합성실험에서, 혼합분말 5g을 장입한 경우는 암모니아 유량 3slm에서, 혼합분말 20g을 장입한 경우는 암모니아 유량 5slm에서 순수 AlN을 얻을 수 있었다. In the synthetic experiment where the mixing ratio of boehmite, melamine and carbon black was fixed at 1.00: 1.48: 0.80 and kept at 1100 ° C for 3 hours, when 5 g of mixed powder was charged, 20 g of mixed powder was charged at 3 slm of ammonia flow rate. Pure AlN was obtained at an ammonia flow rate of 5 slm.

그 결과, 혼합물의 양이 증가함에 따라 유량도 증가시켜 주어야 반응이 완전히 진행됨을 알 수 있었다. 이는 탄소분말만을 이용한 경우 혼합분말 7g을 장입하고 암모니아 유량 5slm 조건, 1100℃에서 3시간 동안 처리한 경우 순수 AlN이 생성되었던 본 발명자의 2006년 출원한 특허에서보다 필요한 암모니아 유량이 적음을 의미한다.As a result, it was found that the reaction proceeded completely only by increasing the flow rate as the amount of the mixture increased. This means that when only carbon powder is used, 7 g of mixed powder is charged and ammonia flow rate is 5 slm condition, and when treated at 1100 ° C. for 3 hours, the required ammonia flow rate is lower than in the 2006 patent filed by the inventors of pure AlN.

상술한 바와 같이, 본 발명은 멜라민을 이용한 질화알루미늄 나노분말 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 가격이 저렴한 보헤마이트 분말, 카본블랙 분말 및 멜라민을 원료로 사용함으로써 기존 탄소만 사용하여 질화알루미늄을 제조하는 경우보다 현저히 적은 탄소를 이용하며, 또한 질소 성분을 공급할 수 있는 멜라민을 첨가함으로써 값비싼 암모니아의 사용량을 줄임과 동시에 낮은 반응온도 및 단축된 반응시간으로 인하여 질화알루미늄의 제조비용을 현저히 낮출 수 있어 관련 제품의 가격 경쟁력이 강화될 수 있다. As described above, the present invention relates to an aluminum nitride nanopowder using melamine and a method for manufacturing the same, which uses aluminum, which is a low-cost boehmite powder, carbon black powder, and melamine as raw materials, to produce aluminum nitride using only existing carbon. The use of significantly less carbon than that and the addition of melamine, which can supply nitrogen components, reduces the use of expensive ammonia and significantly lowers the cost of manufacturing aluminum nitride due to the low reaction temperature and shortened reaction time. The price competitiveness of the product can be strengthened.

또한, 본 발명의 방법에 의해 제조된 질화알루미늄 분말의 입자크기를 나노미터 수준으로 낮추고 입자 간 응집을 줄여 성형성을 개선함으로써 기존 분말에 비하여 소결성을 현저히 개선할 수 있게 되어 반도체 소자용 또는 고출력 전자장치용 열관리 소재(부품)로의 다양한 응용이 기대된다. 또한, 분산성이 우수하므로 열전도율이 더욱 향상된 비수계 나노 유체에의 적용이 가능해질 것이다.In addition, by lowering the particle size of the aluminum nitride powder produced by the method of the present invention to the nanometer level and reducing the cohesion between particles to improve the formability, it is possible to significantly improve the sinterability compared to the conventional powder for semiconductor devices or high power electronics Various applications are expected as thermal management materials (parts) for devices. In addition, it is possible to apply to non-aqueous nano-fluid with improved thermal conductivity because of excellent dispersibility.

Claims (11)

보헤마이트(AlOOH) 분말, 탄소 함유 분말, 및 탄소와 질소를 함께 함유하는 분말을 혼합하는 제1단계;A first step of mixing boehmite (AlOOH) powder, carbon-containing powder, and powder containing carbon and nitrogen together; 상기 혼합 분말을 노에 장입하는 제2단계;A second step of charging the mixed powder into a furnace; 수소 가스 또는 질소 함유 가스 분위기 하에서 상기 노를 1차 가열함으로써 보헤마이트 분말을 분해하여 중간생성물로써 저온에서 환원이 가능한 산화알루미늄(Al2O3)을 형성하는 제3단계; 및A third step of decomposing boehmite powder by primary heating the furnace in a hydrogen gas or nitrogen-containing gas atmosphere to form aluminum oxide (Al 2 O 3 ) capable of reduction at low temperature as an intermediate product; And 암모니아 가스 분위기 혹은 질소 가스 분위기 하에서 상기 1차 가열 단계보다 높은 온도로 상기 노를 2차 가열함으로써 상기 중간생성물이 탄소 성분과 질소성분과 반응하여 환원과 동시에 알루미늄을 질화시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.And a fourth step of heating the furnace at a temperature higher than the first heating step in an ammonia gas atmosphere or a nitrogen gas atmosphere to react with the carbon component and the nitrogen component to nitrate aluminum simultaneously with reduction. Method for producing an aluminum nitride nano powder characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 제4단계에서의 2차 가열 후 최종 공정온도에서 1 내지 5시간 동안 온도를 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, further comprising maintaining the temperature for 1 to 5 hours at the final process temperature after the second heating in the fourth step. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서의 1차 가열은 900℃가 될 때까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the first heating in the third step is made until 900 ℃. 제1항에 있어서, 상기 제4단계에서의 2차 가열은 900 내지 1400℃의 온도 범위 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the second heating in the fourth step is a method for producing aluminum nitride nanopowder, characterized in that made in the temperature range of 900 to 1400 ℃. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서의 1차 가열은 수소 가스 혹은 질소 가스 분위기하에서 이루어지고, 상기 제4단계에서의 2차 가열은 순수 암모니아 가스 분위기 혹은 질소 분위기하에서 이루어지거나 혹은 상기 1차 가열 단계에서 사용하던 가스에 암모니아 가스를 혼합한 분위기하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the first heating in the third step is performed under a hydrogen gas or nitrogen gas atmosphere, and the second heating in the fourth step is performed under a pure ammonia gas atmosphere or a nitrogen atmosphere, or the first heating. A process for producing aluminum nitride nanopowders, characterized in that the mixture is made under an atmosphere in which ammonia gas is mixed with the gas used in the heating step. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서의 1차 가열과 상기 제4단계에서의 2차 가열에는 모두 순수 암모니아 가스 혹은 혼합 암모니아 가스를 사용하되, 상기 2차 가열에서 상기 1차 가열에서보다 암모니아 가스의 유량을 높이는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein pure ammonia gas or mixed ammonia gas is used for both the primary heating in the third step and the secondary heating in the fourth step, but the ammonia is lower than in the primary heating in the secondary heating. The manufacturing method of the aluminum nitride powder which raises the flow volume of gas. 제1항에 있어서, 상기 보헤마이트 분말, 탄소와 질소를 함께 함유하는 분말, 및 탄소 함유 분말의 무게 혼합비율은 1.00:0.36:0.20 ∼ 1.00: 5.35: 3.00의 범위 내인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.According to claim 1, The boehmite powder, the powder containing carbon and nitrogen together, and the weight mixing ratio of the carbon-containing powder is in the range of 1.00: 0.36: 0.20 ~ 1.00: 5.35: 3.00 aluminum nitride nano Method for producing a powder. 제1항에 있어서, 상기 보헤마이트 분말, 탄소와 질소를 함께 함유하고 있는 분말 및 탄소 함유 분말의 혼합시 혼합 분말을 습식으로 밀링하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mixed powder is wet milled when the boehmite powder, the powder containing carbon and nitrogen, and the carbon-containing powder are mixed. 제1항에 있어서, 상기 탄소 함유 분말은 카본블랙 분말인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 나노분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbon-containing powder is carbon black powder. 제 1항에 있어서, 상기 탄소와 질소를 함께 함유하는 분말은 멜라민 분말인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 제조방법.The method of claim 1, wherein the powder containing both carbon and nitrogen is melamine powder production method. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되어 평균 직경이 100나노미터 이하인 질화알루미늄 나노분말.An aluminum nitride nanopowder manufactured by the method of any one of claims 1 to 9 and having an average diameter of 100 nanometers or less.
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