KR20100008125A - 균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 분말을 대량으로 합성할 때 입자크기를 5㎛이상으로 균일하게 합성하는 방법에 관한 것이다.

종래에 많이 사용하는 성형 방법으로는 프레스(Press)를 사용한 디스크형이 대부분이며, 반응성을 높이기 위하여 두께를 얇게 성형을 하며, 대량생산을 위해 두께가 높아지게 되면 합성이 내부까지 원활하게이루어지지 않아 표면만 긁어내거나, 불순물을 제거하는 과정에서 합성량에 비해 다량의 불순물을 제거해야하는 단점을 가지고 있어 대량생산에 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 보완하고자 육방정계 질화붕소의 분말 제조 시 출발물질을 여러 방법으로 성형하여 대량합성 시 분말의 손실을 최소한으로 하는 방법을 개발하였고 압출성형 혹은 과립성형을 사용하면 분말 합성 시 손실률을 20~40% 감소시킬 수 있다.

이와 같은 성형방법으로 제조된 성형물은 합성 공정을 거쳐 대량으로 제공할 수 있어 분말생산에 있어 고부가가치를 기대할 수 있는 발명이다.

질화붕소, 과립, 압출, 디스크, 압착, 튜브형, 평관형, 과립형

Description

균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법{Development of uniformity large quantity composition method of hexagonal boron nitride}

본 발명은 입자크기 5㎛이상으로 균일하게 합성하여 대량 생산하는 합성 방법의 제조에 관한 것이다.

일반적으로 합성을 하기 위한 성형물은 디스크형으로, 자동프레스를 사용하여 대량화하는 것이 가능하나 육방정계질화붕소의 출발물질인 비정질상태의 붕산은 쉽게 성형이 가능한 물질이 아니기 때문에 대량화하는데 있어 어려움이 있고, 이러한 경우 두께를 두껍게 하여 합성하는 방법이 가능하나 이런 합성 방법은 반응에 에너지가 많이 요구되는 육방정계질화붕소의 특징상 표면만 합성이 이루어지게 된다. 따라서 합성이 이루어진 표면만을 걷어내고 다시 합성과정을 반복하거나 전체의 50%이상을 불순물의 형태로 제거하여야 하므로, 다량의 반응이 가능하며 성형이 쉬운 합성 방법을 개발할 필요가 있다.

따라서 본 발명에서는 기존의 프레스를 이용한 디스크형을 대신할 수 있는 합성의 방법으로 압출성형기를 통한 튜브형, 평관형, 시트(sheet)형 성형물 제작방법과 과립성형기를 통한 그래뉼(Granule)형 성형물 제작방법을 통하여 대량생산이 가능한 합성 방법을 개발하게 되었다.

상기의 방법에 따르면 압출성형기를 사용하기 위하여 초기 출발물질인 붕산과 각 합성방법에 따라 필요한 물질을 바인더와 용매를 사용하여 혼합한 후, 실린더 형과 평관형의 성형몰드를 사용하여 성형물을 제작하는데 이때 성형물의 내부에 가스가 통과할 수 있도록 제작 하며, 또한 시트형의 성형몰드를 사용하여 얇은 판형으로 제작하여 반응면적을 증가시켜 제작한다. 압출성형기를 사용하면 원하는 양을 계속적으로 산출할 수 있어 자동프레스를 사용하여 성형이 어려운 붕산을 포함한 혼합 물질을 성형하는 것에 비하여, 손실 없이 연속적인 성형이 가능하여 제작량을 비약적으로 증가시킬 수 있다. 또한 상기의 과립성형기를 사용하여 제작 시 혼합과 성형을 동시에 행할 수 있어 공정을 줄일 수 있으며 1일 수백kg에서 많게는 ton단위까지 과립화가 가능하며 1회 1시간 이하로 단시간에 많은 양의 합성이 가능하다.

상기의 방법을 활용함으로 1회의 합성공정으로 균일한 크기의 육방정계질화붕소 분말의 대량 생산에 필요한 양을 제공하는 것이 가능해지며 혼합 및 성형 시간을 크게 단축시킬 수 있어 분말 생산에 유리하게 된다.

본 발명은 육방정계질화붕소의 합성을 위해서는 분말형태 보다 성형물이 많이 사용되며 이러한 성형물을 대량생산이 가능할 수 있도록 제공하기 위하여 튜브형, 평관형, 시트형, 과립형 등 다양한 합성방법으로 다량의 성형물을 제작하였을 때 최대 100kg~수ton/일까지 성형이 가능하며, 다량의 균일한 크기의 육방정계 질화붕소를 합성할 때 기존 60%수준의 손실 양을 20%까지 줄일 수 있는 성형물을 제조하고 이러한 여러 합성법을 통해 5㎛수준의 균일한 크기의 육방정계 질화붕소를 제조하는 것을 기술 과제로 하였다.

육방정계 질화붕소를 합성하는 방법으로는 탄화연소법, 저온합성법, 자가폭발법 등이 있으며 이를 위해 출발물질의 성형을 자동프레스를 통한 디스크형 성형물을 사용한 합성이 대부분이다. 그러나 대량 생산을 하기 위한 디스크형 분말의 합성은 출발물질인 붕산이 쉽게 뭉쳐지지 않기 때문에 자동 프레스를 사용하여 반응을 용이하게 하도록 얇은 성형물을 제작하기 어려우며, 또한 높이가 높은 디스크형 성형물로 제작하게 되면 질소와 반응하는 면적이 줄어들어 대다수는 불순물로 버려야하는 단점이 있다.

그렇지 않은 경우 분말 상태 그대로 사용하게 되는데, 분말을 그대로 사용하게 될 경우 붕산과 질소를 직접 폭발시켜 반응시키는 방법 외에 다른 합성법에는 사용할 수가 없다는 단점이 있다.

따라서 본 발명에서는 성형이 간편하며, 많은 양을 균일한 크기로 대량 생산할 수 있는 합성방법을 과제 해결수단으로 하였다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서 성형체를 다양하게 제작하여 여러 방법으로 합성 시 붕산과 탄소의 특성 상 자동으로 프레스하기 힘든 디스크형에 비하여 대량의 성형이 가능하게 되어 1회 가동 최대 50배까지 균일한 크기의 육방정계 질화붕소의 합성이 가능한 효과가 있다.

이하 본 발명에서의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하면,

(a) 무수붕산과 카본을 B₂O₃:C=1:3을 혼합하는 공정,

(b) 얻어진 혼합물을 혼합물을 튜브형으로 성형하는 공정,

(c) 얻어진 성형물을 N₂ 분위기 하에서 1450~1550℃에서 3~10시간 반응시켜 분말로 합성하는 공정,

(d) 합성된 분말에서 불순물을 제거하는 공정,

(e) (a)과정에서 얻어진 혼합물을 평관형으로 성형하여 (c),(d)로 진행하는 공정,

(f) (a)과정에서 얻어진 혼합물을 시트형으로 성형하여 (c),(d)로 진행하는 공정,

(g) (a)과정에서 얻어진 혼합물을 과립형으로 성형하여 (c),(d)로 진행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소의 합성 시 성형체 제조 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르는 육방정계질화붕소를 여러 합성방법에 의하여 붕소와 탄소를 출발물질로 하여 이들을 일정 비율로 혼합한다. 바람직한 혼합비는 몰 비로 B₂O₃:C=1:3이다.

상기한 혼합공정에서 얻어진 혼합물은 (b)공정에 따라 압출 성형기를 이용하여 튜브형으로 제작한다. 바람직한 압출용 시료의 제작을 위하여 분말과 바인더, 물의 비율을 10:1:1로 한다. 혼합한 분말은 충분한 숙성의 기간을 갖은 후 압출 성형기를 통하여 압출하며, 이때 압출성형기의 speed는 25rpm이상으로 한다.

또한 (e)공정에 따라 압출 성형기를 이용하여 평관형으로 제작한다. 바람직한 압출용 시료의 제작을 위하여 분말과 바인더, 물의 비율을 10:1:1로 한다. 혼합한 분말은 충분한 숙성의 기간을 갖은 후 압출 성형기를 통하여 압출하며, 이때 압출성형기의 speed는 25rpm이상으로 한다.

또한 (f)공정에 따라 압출 성형기를 이용하여 시트형으로 제작한다. 바람직한 압출용 시료의 제작을 위하여 분말과 바인더, 물의 비율을 10:1:1로 한다. 혼합한 분말은 충분한 숙성의 기간을 갖은 후 압출 성형기를 통하여 압출하며, 이때 압출성형기의 speed는 25rpm이상이며 두께는 ≥0.5cm로 한다.

또한 상기의 (g) 공정에 따라 과립성형기를 이용하여 과립형으로 제작한다. 바람직한 과립용 시료의 제작을 위하여 분말과 바인더의 비율을 10:1.3으로 한다. 바람 직한 speed는 초당 100~200rpm으로 하는 것이다.

상기 튜브형, 평관형, 시트형, 과립형의 성형체를 최종 산화물로 합성한다. 이때의 바람직한 반응조건은 N₂ 분위기하에서 1450~1550℃에서 3~10시간 유지시키는 것이다.

이하에 실시 예에 의한 본 발명을 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들의 실시 예에 한정되지 않는 것은 물론이다.

[실시 예 1]

B₂O₃와 C을 1:3으로 혼합시켰다. 혼합된 출발물질에 바인더와 용매를 10:1:1 비율로 첨가하여 분말의 상태가 낱알로 떨어질 때까지 숙성시킨다. 상기의 혼합물질을 압출 성형기를 사용하여 가운데가 비어 질소가 통과할 수 있는 실린더형의 튜브형태로 성형한다. 얻어진 성형체를 N₂ 분위기의 분위기로를 사용하여 1400℃ 이상의 고온에서 3시간 이상 동안 반응시켜 생성물을 합성하였다. 본 예의 성형물의 형태를 도 1에, 결정상 및 입자크기를 표 1에 나타내었다.

[실시 예 2]

상기 실시 예 1의 B₂O₃와 C, 첨가제의 혼합물을 압출 성형기를 사용하여 벽돌의 형 태로 성형한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일한 절차를 반복하였다. 본 예의 성형물의 형태를 도 1에, 결정상 및 입자크기를 표 1에 나타내었다.

[실시 예 3]

상기 실시 예 1의 B₂O₃와 C, 첨가제의 혼합물을 압출 성형기를 사용하여 시트의 형태로 성형한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일한 절차를 반복하였다. 본 예의 성형물의 형태를 도 1에, 결정상 및 입자크기를 표 1에 나타내었다.

[실시 예 4]

상기 실시 예 1의 B₂O₃와 C, 첨가제의 혼합물을 과립성형기를 사용하여 과립형의 그래뉼 형태로 성형한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일한 절차를 반복하였다. 본 예의 성형물의 형태를 도 1에, 결정상 및 입자크기를 표 1에 나타내었다.

[비교 예]

상기 실시 예 1의 B₂O₃와 C, 첨가제의 혼합물을 프레스를 통하여 디스크형으로 성형하였다. 이때의 압력은 1kgf/cm²이었고 형태를 제외하고는 실시 예 1과 동일한 절차를 반복하였다. 본 예의 성형물의 형태를 도 1에 나타내었다.

상기 실험 결과로부터 본 발명에 의하면 종래의 디스크형에 의한 합성에 비하여 다량의 생산이 가능하게 되며 최대 수백kg~수ton/일까지 생산이 가능한 합성을 할 수 있으며 실시 예에 따라 각기 균일한 크기의 육방정계 질화붕소를 합성할 수 있다.

표 1

실시예	결정상	입자크기(㎛)
1	육방정계 질화붕소	≥5㎛
2	육방정계 질화붕소	≥5㎛
3	육방정계 질화붕소	≥3㎛
4	육방정계 질화붕소, 탄화붕소	≥1㎛

도 1은 본 실시 예 1, 2, 3, 4와 비교예의 방법에 의한 성형물의 형태를 나타내는 사진.

Claims (4)

1. 붕산과 탄소를 1:3의 몰비로 혼합하여 바인더를 첨가한 후, 상기 혼합물을 중간부분이 가스의 통과가 자유로운 실린더 형태의 튜브형으로 성형한 후 1500℃이상의 고온에서 3시간이상, 질소 분위기하에서 합성하는 것을 특징으로 하는 균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법.
2. 제 1항에 있어서 혼합물을 중간부분이 가스의 통과가 자유로운 평관형으로 성형하는 것을 특징으로 하는 균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법.
3. 제 1항에 있어서 혼합물은 매우 낮은 두께로 반응면적을 넓힐 수 있는 시트형으로 성형하는 것을 특징으로 하는 균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법.
4. 제 1항에 있어서 붕산(B₂O₃)과 탄소(C)를 1:3의 비율로 혼합시킨 출발물질을 혼합과 동시에 둥근 공모양의 그래뉼로 다량의 기공을 갖는 과립형으로 성형하는 것을 특징으로 하는 균일한 육방정계 질화붕소를 대량으로 합성하는 제조방법.

Images