KR20130111703A - Manufacturing method of high purity aluminium nitride - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화알루미늄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액상의 페놀 수지 용액으로 알루미늄 소스 입자를 코팅하여 질화 처리함으로써, 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 균일한 질화 처리가 이루어질 수 있고, 국부적이 아니라 전체적으로 균일하게 질화가 이루어지므로 국부적으로 잔존 산소량이 많이 존재하는 등의 문제를 개선할 수 있어 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 합성할 수 있으며, 합성된 질화알루미늄(AlN)에는 잔존 산소량이 최소화될 수 있고, 질화 처리 후에 탈탄 공정을 저온에서 실시할 수 있으며, 탈탄 공정을 짧은 시간 내에 완료할 수 있는 고순도 질화알루미늄의 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of producing aluminum nitride by coating aluminum source particles with a liquid phenolic resin solution and subjecting the aluminum source particles to a nitriding treatment so as to obtain a uniform surface (bulk) (AlN) having high purity can be synthesized because the nitriding treatment can be performed, and the uniformity of the nitriding can be achieved not in a localized manner but in a locally large amount of residual oxygen, The present invention relates to a method for producing a high purity aluminum nitride which can minimize the amount of remaining oxygen in aluminum (AlN), can be decarburized at a low temperature after nitriding treatment, and can be completed within a short time.
질화알루미늄(AlN)은 고온에서 안정하고, 유전상수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 2.64×10-6/K 정도로서 실리콘과 유사하여 반도체의 기판 재료나 폴리머 패키지 재료의 충진재로 사용할 수 있다. Aluminum nitride (AlN) is stable at high temperatures, has low dielectric constant and dielectric loss, is excellent in electrical insulation, and has a thermal conductivity of about 320 W / mK, which is higher than that of metal. In addition, aluminum nitride (AlN) has a thermal expansion coefficient of about 2.64 x 10 < -6 > / K and is similar to silicon and can be used as a filler for semiconductor substrate materials and polymer package materials.
이와 같은 물리적 특성으로 인해 질화알루미늄(AlN)은 고열전도성 절연기판, 고내식성 재료 등으로 사용될 수 있다. 특히, 우수한 전기 절연성 및 방열성이 요구되는 고집적 반도체칩의 패키지(package)나 높은 열전도도 및 높은 내식성이 요구되는 열교환기와 같은 고온 재료에 사용될 수 있어 그 합성법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. Due to such physical properties, aluminum nitride (AlN) can be used as a high thermal conductivity insulating substrate, a high corrosion resistant material and the like. Particularly, it is possible to use a package of a highly integrated semiconductor chip requiring excellent electrical insulation and heat dissipation, high temperature materials such as heat exchangers requiring high thermal conductivity and high corrosion resistance,
상업적으로 많이 사용되는 질화알루미늄(AlN) 분말의 제조방법에는 자전고온합성법(Self-Propagating High Temperature Synthesis Method), 탄소환원법 등이 있다. Methods for producing commercially available aluminum nitride (AlN) powders include Self-Propagating High Temperature Synthesis Method and Carbon Reduction Method.
탄소환원법은 알루미나(Al2O3) 분말을 고온의 질소(N2) 분위기에서 고상의 탄소(C)로 환원시켜 질화알루미늄(AlN)을 생성하는 방법이다. 그러나, 탄소환원법은 알루미나와 질소의 반응을 위해 희석제로서 고상의 탄소가 첨가되어 고온합성기의 온도를 1800℃ 이상으로 유지하여야 하며, 질화알루미늄(AlN) 분말 내에 산소가 잔존한다는 단점이 있다. 질화알루미늄(AlN)의 내부에 존재하는 산소는 1.0∼2.0중량% 정도라고 알려져 있으며, 이와 같은 산소는 질화알루미늄(AlN) 분말의 불순물로서 열전도도를 저하시키는 원인이 된다.The carbon reduction method is a method of producing aluminum nitride (AlN) by reducing alumina (Al 2 O 3 ) powder to solid phase carbon (C) in a high temperature nitrogen (N 2 ) atmosphere. However, the carbon reduction method is disadvantageous in that solid carbon is added as a diluent for the reaction of alumina and nitrogen, the temperature of the high-temperature synthesizer must be maintained at 1800 ° C or higher, and oxygen remains in the aluminum nitride (AlN) powder. It is known that the oxygen present inside the aluminum nitride (AlN) is about 1.0 to 2.0 wt%, and such oxygen is an impurity of the aluminum nitride (AlN) powder, which causes the thermal conductivity to deteriorate.
대한민국 특허출원 제10-1993-0008310호는 탄소환원법을 이용한 질화알루미늄(AlN)의 제조방법을 제시하고 있다. 그러나, 고순도의 알루미나를 사용하여야 하기 때문에 질화알루미늄 생산 단가가 높아지는 문제점이 있고, 카본블랙(carbon black)과 같은 고상의 탄소재를 사용하는 경우에는 알루미나와의 균일한 혼합이 어려워 부분적으로는 질화 처리가 이루어지지 않아 국부적으로 잔존 산소량이 많이 존재할 수 있으며, 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 합성하는데 한계가 있다.Korean Patent Application No. 10-1993-0008310 discloses a method for producing aluminum nitride (AlN) using a carbon reduction method. However, since high purity alumina must be used, there is a problem in that the production cost of aluminum nitride is increased. In the case of using a solid carbon material such as carbon black, it is difficult to uniformly mix with alumina. There may be a large amount of residual oxygen locally, and there is a limitation in synthesizing aluminum nitride (AlN) having high purity.
자전고온합성법은 화학 반응시 발생하는 발열을 이용하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 방법이다. The rotating high temperature synthesis method is a method of synthesizing aluminum nitride (AlN) by using heat generated during a chemical reaction.
대한민국 특허출원 제10-1993-0005742호는 금속알루미늄 분말에 탄소 분말을 희석제로 혼합하여 시료를 만들고 상기의 시료를 가볍게 두드려서 일정 두께의 판상 알루미늄 분말 성형체로 만들어 반응기에 장입시키고 반응기 내에 존재하는 대기 가스를 제거하여 질소 압력을 3∼10기압으로 유지하며 시료를 전기 아크를 이용하여 고온자전 질화 반응의 점화를 실시하여 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 생성된 질화알루미늄 분말과 탄소분말의 혼합체인 시료를 볼밀 등을 사용하여 분쇄하고, 분쇄된 시료를 대기중이나 산소분위기에서 650-750℃의 온도로 유지시켜 탄소분말을 제거시키는 공정이 추가되므로 공정이 복잡하고 불순물의 유입 가능성이 커서 고순도의 질화알루미늄(AlN)을 얻기가 어렵다는 단점이 있다. Korean Patent Application No. 10-1993-0005742 discloses a method in which a sample is prepared by mixing a carbon powder with a metal aluminum powder with a diluent, tapping the sample lightly to form a plate-like aluminum powder compact having a predetermined thickness, charging it into the reactor, And the nitrogen pressure is maintained at 3 to 10 atm. The sample is then subjected to ignition at high-temperature nitrification reaction using an electric arc to produce aluminum nitride powder. However, there is added a step of pulverizing a sample which is a mixture of the produced aluminum nitride powder and carbon powder by using a ball mill and removing the carbon powder by maintaining the pulverized sample at a temperature of 650-750 ° C in an atmosphere or an oxygen atmosphere There is a disadvantage that it is difficult to obtain high purity aluminum nitride (AlN) since the process is complicated and the possibility of introduction of impurities is high.
대한민국 특허출원 제10-1999-0004068호는 알루미늄(Al)분말이 10∼90중량% 이고 반응조절제로서 질화알루미늄(AlN)이 10∼90중량% 혼합된 분말을 질소 가스 압력이 1∼10㎏/㎠ 유지된 반응기에 연속으로 투입시켜 분말 충진층이 형성되게 한 후 발열체를 이용하여 발열 반응시켜 내화재용 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법에서는 자전 고온 반응시 2,000℃ 이상의 고열이 발생하여 질화알루미늄 입자가 크게 성장하기 때문에 합성 후에 분쇄 ㆍ분급 공정이 필요하다. 또한 이 분쇄 공정에서 많은 불순물이 혼입되어 순도를 저하시키는 원인이 된다.
Korean Patent Application No. 10-1999-0004068 discloses that a powder in which aluminum (Al) powder is 10 to 90% by weight and aluminum nitride (AlN) as a reaction modifier is mixed in an amount of 10 to 90% by weight is subjected to a nitrogen gas pressure of 1 to 10 kg / Cm < 2 > so as to form a powdered filler layer, and then exothermic reaction is performed using a heating body to produce an aluminum nitride powder for refractory material. However, in this method, since a high temperature of 2,000 DEG C or more occurs during a high-temperature rotation reaction, aluminum nitride particles grow large, so that a pulverizing and classifying step is required after synthesis. In addition, many impurities are mixed in the pulverizing step, which causes the purity to be lowered.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액상의 페놀 수지 용액으로 알루미늄 소스 입자를 코팅하여 질화 처리함으로써, 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 균일한 질화 처리가 이루어질 수 있고, 국부적이 아니라 전체적으로 균일하게 질화가 이루어지므로 국부적으로 잔존 산소량이 많이 존재하는 등의 문제를 개선할 수 있어 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 합성할 수 있으며, 합성된 질화알루미늄(AlN)에는 잔존 산소량이 최소화될 수 있고, 질화 처리 후에 탈탄 공정을 저온에서 실시할 수 있으며, 탈탄 공정을 짧은 시간 내에 완료할 수 있는 고순도 질화알루미늄의 제조방법을 제공함에 있다.
The problem to be solved by the present invention is to coat the aluminum source particles with a liquid phenolic resin solution and subject them to a nitriding treatment so that uniform nitriding treatment can be performed not only on the surface of the aluminum source particles but also on the surface (bulk) It is possible to synthesize aluminum nitride (AlN) having high purity since the nitridation is uniformly performed as a whole, so that the problem of locally remaining large amounts of oxygen can be solved, and the aluminum nitride (AlN) And a decarburization process can be carried out at a low temperature after the nitriding process and the decarburization process can be completed within a short time.
본 발명은, 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 알루미늄 소스가 유기용매에 분산된 졸을 형성하는 단계와, 페놀 수지가 용해된 페놀 수지 용액을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄 소스의 입자들이 상기 페놀 수지로 코팅되게 하기 위하여 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액을 혼합하는 단계와, 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 혼합용액에 대하여 열처리하는 단계와, 질소 성분을 포함하는 반응가스를 주입하면서 열처리된 결과물을 질화 처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계 및 질화 처리된 결과물에 함유된 잔류 탄소를 제거하기 위하여 탈탄 처리하는 단계를 포함하는 질화알루미늄의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a phenolic resin, comprising the steps of: forming a sol in which an aluminum source containing an aluminum (Al) component is dispersed in an organic solvent; forming a phenolic resin solution in which the phenolic resin is dissolved; A step of mixing the sol and the phenol resin solution so as to be coated with the phenol resin solution; and a heat treatment of the mixed solution of the sol and the phenol resin solution; and a step of nitriding the heat- And a step of decarburization treatment to remove residual carbon contained in the nitrided product. The present invention also provides a method for producing aluminum nitride, comprising the steps of:
상기 알루미늄 소스는 알루미나(Al2O3), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 및 베마이트(AlOOH) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용할 수 있다.The aluminum source may be at least one powder selected from alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and boehmite (AlOOH).
상기 알루미늄 소스는 10∼50㎚의 평균 입경을 갖는 베마이트(AlOOH) 분말을 사용할 수 있다.The aluminum source may be a boehmite (AlOOH) powder having an average particle diameter of 10 to 50 nm.
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액은 상기 졸에 함유된 알루미늄 소스와 상기 페놀 수지 용액에 함유된 페놀 수지가 중량비로 1:0.42∼3의 비율을 이루도록 혼합하는 것이 바람직하다.It is preferable that the sol and the phenol resin solution are mixed so that the aluminum source contained in the sol and the phenol resin contained in the phenol resin solution are in a ratio of 1: 0.42 to 3 by weight.
알루미늄 소스의 분산성을 향상시키기 위하여 질산(HNO3) 용액을 첨가하여 pH가 1∼4 범위인 상기 졸을 형성하는 것이 바람직하다.In order to improve the dispersibility of the aluminum source, it is preferable to add a nitric acid (HNO 3 ) solution to form the sol having a pH ranging from 1 to 4.
상기 열처리는 350∼500℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of 350 to 500 캜.
질소 소스로 작용하는 상기 반응가스는 질소(N2)와 수소(H2)가 부피비로 90:10∼99.9:0.1의 비율로 혼합된 혼합가스를 사용할 수 있고, 질화 처리 과정에서 수소(H2)는 환원제 역할을 하여 상기 알루미늄 소스 내에 함유된 산소 성분을 트랩(trap) 함으로써 잔류 산소를 감소시킨다.The reaction gas that acts as
상기 질화 처리는 1500∼1700℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The nitriding treatment is preferably performed at a temperature of 1500 to 1700 캜.
상기 탈탄 처리는 650∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The decarburization treatment is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 650 to 800 ° C.
상기 탈탄 처리 시에 산소(O2) 가스를 0.1∼20ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다.
It is preferable to flow oxygen (O 2 ) gas at a flow rate of 0.1 to 20 L / min during the decarburization treatment.
본 발명에 의하면, 액상의 페놀 수지 용액으로 알루미늄 소스 입자를 코팅하여 질화 처리함으로써, 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 균일한 질화 처리가 이루어질 수 있고, 국부적이 아니라 전체적으로 균일하게 질화가 이루어지므로 국부적으로 잔존 산소량이 많이 존재하는 등의 문제를 개선할 수 있어 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 합성할 수 있으며, 합성된 질화알루미늄(AlN)에는 잔존 산소량이 최소화될 수 있고, 질화 처리 후에 탈탄 공정을 저온에서 실시할 수 있으며, 탈탄 공정을 짧은 시간 내에 완료할 수 있다.According to the present invention, by nitriding aluminum source particles with a liquid phenolic resin solution, uniform nitriding can be performed not only on the surface of the aluminum source particles but also on the surface (bulk) of the aluminum source particles, (AlN) having a high purity can be synthesized, and the amount of oxygen remaining in the synthesized aluminum nitride (AlN) can be minimized And the decarburization process can be performed at a low temperature after the nitriding process, and the decarburization process can be completed in a short time.
질소 소스로 작용하는 반응가스로 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용함으로써, 질화 처리 과정에서 수소(H2)는 환원제 역할을 하여 산소 성분을 트랩(trap) 함으로서 잔류 산소를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. By using a mixed gas of nitrogen (N 2) and hydrogen (H 2) as a reaction gas that acts as nitrogen source, the hydrogen in the nitriding treatment process (H 2) it has a residual oxygen by the trap (trap) the oxygen component and the reducing agent act Can be reduced.
알루미늄 소스로 가격이 저렴하고 입자의 크기를 500㎚ 이하(예컨대, 10∼50㎚)로 제조할 수 있는 베마이트(AlOOH)를 사용함으로써, 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 균일한 질화 처리가 이루어질 수 있고, 합성된 질화알루미늄에서 잔류 산소가 작으며, 비교적 저온에서 탈탄 공정이 수행될 수 있는 장점이 있다.
By using boehmite (AlOOH), which is cheap in price with an aluminum source and can be produced with a particle size of 500 nm or less (for example, 10 to 50 nm), not only the surface of the aluminum source particle but also the inside (bulk) ), A uniform nitriding process can be performed, and the synthesized aluminum nitride has a small residual oxygen, which is advantageous in that the decarburization process can be performed at a relatively low temperature.
도 1 및 도 2는 실시예 1에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 3 및 도 4는 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 입도분석을 보여주는 그래프이다.1 and 2 are scanning electron microscope (SEM) photographs of aluminum nitride (AlN) powders prepared according to Example 1. FIG.
3 and 4 are scanning electron microscope (SEM) photographs of aluminum nitride (AlN) powder prepared according to Example 2. FIG.
5 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of aluminum nitride (AlN) powder prepared according to Example 2. Fig.
FIG. 6 is a graph showing particle size analysis of aluminum nitride (AlN) powder prepared according to Example 2. FIG.
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. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.
이하의 설명에서 '나노'라 함은 나노미터(nm) 단위의 크기로서 1nm 내지 1000nm 범위의 크기를 의미하는 것으로 사용한다.In the following description, 'nano' refers to a size in nanometers (nm), which means a size ranging from 1 nm to 1000 nm.
질화알루미늄(AlN)은 이론 열전도도가 320 W/mK 정도로서 우수한 열전도성을 갖는 절연체이며, 실리콘(Si)에 가까운 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 질화알루미늄(AlN)은 고집적화 반도체 장치의 기판, 방열판, 정전척 등에 널리 사용되고 있다.Aluminum nitride (AlN) has a theoretical thermal conductivity of about 320 W / mK and is an insulator having excellent thermal conductivity and has a thermal expansion coefficient close to that of silicon (Si). Therefore, aluminum nitride (AlN) is widely used for a substrate of a highly integrated semiconductor device, a heat sink, an electrostatic chuck, and the like.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄(AlN)의 제조방법은, 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 알루미늄 소스가 유기용매에 분산된 졸을 형성하는 단계와, 페놀 수지가 용해된 페놀 수지 용액을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄 소스의 입자들이 상기 페놀 수지로 코팅되게 하기 위하여 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액을 혼합하는 단계와, 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 혼합용액에 대하여 열처리하는 단계와, 질소 성분을 포함하는 반응가스를 주입하면서 열처리된 결과물을 질화 처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계 및 질화 처리된 결과물에 함유된 잔류 탄소를 제거하기 위하여 탈탄 처리하는 단계를 포함한다.A method for producing aluminum nitride (AlN) according to a preferred embodiment of the present invention comprises the steps of forming a sol in which an aluminum source containing aluminum (Al) component is dispersed in an organic solvent, and a phenol resin solution Mixing the sol and the phenolic resin solution so that the particles of the aluminum source are coated with the phenolic resin; heat treating the mixed solution of the sol and the phenolic resin solution; (AlN) by nitriding the heat-treated product while injecting a reaction gas containing the nitrogen-containing component, and a step of decarburizing to remove the residual carbon contained in the nitrided product.
상기 알루미늄 소스는 알루미나(Al2O3), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 및 베마이트(AlOOH) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용할 수 있다.The aluminum source may be at least one powder selected from alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and boehmite (AlOOH).
상기 알루미늄 소스는 10∼50㎚의 평균 입경을 갖는 베마이트(AlOOH) 분말을 사용할 수 있다.The aluminum source may be a boehmite (AlOOH) powder having an average particle diameter of 10 to 50 nm.
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액은 상기 졸에 함유된 알루미늄 소스와 상기 페놀 수지 용액에 함유된 페놀 수지가 중량비로 1:0.42∼3의 비율을 이루도록 혼합하는 것이 바람직하다.It is preferable that the sol and the phenol resin solution are mixed so that the aluminum source contained in the sol and the phenol resin contained in the phenol resin solution are in a ratio of 1: 0.42 to 3 by weight.
알루미늄 소스의 분산성을 향상시키기 위하여 질산(HNO3) 용액을 첨가하여 pH가 1∼4 범위인 상기 졸을 형성하는 것이 바람직하다.In order to improve the dispersibility of the aluminum source, it is preferable to add a nitric acid (HNO 3 ) solution to form the sol having a pH ranging from 1 to 4.
상기 열처리는 350∼500℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of 350 to 500 캜.
질소 소스로 작용하는 상기 반응가스는 질소(N2)와 수소(H2)가 부피비로 90:10∼99.9:0.1의 비율로 혼합된 혼합가스를 사용할 수 있고, 질화 처리 과정에서 수소(H2)는 환원제 역할을 하여 상기 알루미늄 소스 내에 함유된 산소 성분을 트랩(trap) 함으로써 잔류 산소를 감소시킨다.The reaction gas that acts as
상기 질화 처리는 1500∼1700℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The nitriding treatment is preferably performed at a temperature of 1500 to 1700 캜.
상기 탈탄 처리는 650∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The decarburization treatment is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 650 to 800 ° C.
상기 탈탄 처리 시에 산소(O2) 가스를 0.1∼20ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다.
It is preferable to flow oxygen (O 2 ) gas at a flow rate of 0.1 to 20 L / min during the decarburization treatment.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄의 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing aluminum nitride according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.
유기용매에 알루미늄 소스가 분산된 졸을 형성한다. Thereby forming a sol in which an aluminum source is dispersed in an organic solvent.
상기 알루미늄 소스는 질화알루미늄 형성을 위한 알루미늄(Al)의 소스(source)로 작용하는 역할을 한다. 알루미늄 소스로는 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 알루미나(Al2O3), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 및 베마이트(AlOOH) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용할 수 있다. 알루미나는 가격이 고가이고 입자의 크기를 500㎚ 이하의 나노 크기로 제조하는데 어려움이 있고 입자의 크기를 작게 만들 수 없기 때문에 합성된 질화알루미늄에서 부분적으로 잔류 산소가 높게 나타날 수 있으며 탄소의 국부적 잔류에 의한 고온에서의 탈탄 공정이 요구되고 탈탄 공정 시간도 장시간화되는 문제점이 있을 수 있다. 반면에 베마이트(AlOOH)는 가격이 저렴하고 입자의 크기를 500㎚ 이하(예컨대, 10∼50㎚)로 제조할 수 있어 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 균일한 질화 처리가 이루어질 수 있고 합성된 질화알루미늄에서 잔류 산소가 작으며 비교적 저온에서 탈탄 공정이 수행될 수 있는 장점이 있다. The aluminum source serves as a source of aluminum (Al) for aluminum nitride formation. As the aluminum source, at least one powder selected from among alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and boehmite (AlOOH) containing aluminum (Al) Since alumina is expensive, it is difficult to make the particle size of nano-sized particles of 500 nm or less, and it can not make the particle size small, so that the residual oxygen in the synthesized aluminum nitride may be partially high and the local residual of carbon The decarburization process at a high temperature is required and the decarburization process time may be prolonged. On the other hand, the boehmite (AlOOH) is inexpensive and can be produced with a particle size of 500 nm or less (for example, 10 to 50 nm), so that the surface of the aluminum source particle as well as the surface (bulk) The nitriding process can be performed, and the synthesized aluminum nitride has a small residual oxygen, and the decarburization process can be performed at a relatively low temperature.
상기 유기용매는 다양한 용매를 사용할 수 있으나, 알루미늄 소스 입자의 분산성, 졸의 점도, 졸의 장기 보관성 등의 면을 고려하여 알콜계 또는 아세톤계 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다. The organic solvent may be any of various solvents, but it is preferable to use an alcohol-based or acetone-based organic solvent in consideration of the dispersibility of the aluminum source particles, the viscosity of the sol, and the storage stability of the sol.
알루미늄 소스의 분산성을 향상시키기 위하여 질산(HNO3) 용액을 첨가하여 졸을 형성하는 것이 바람직하다. 질산 용액은 산성 용액으로서 강한 산성을 띤다. 염산(HCl)을 사용하는 경우에는 후 공정에서 염소(Cl) 성분을 다시 제거해야 하는 문제점이 있을 수 있고, 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 황산나트륨(Na2SO4; sodium sulfate)이나 세나다이트(Na2SO4; thenardite) 등이 생성될 수 있으며, 인산(H3PO4)을 사용하는 경우에는 인(P) 성분으로 인해 원하지 않는 2차상이 생성될 수 있으므로, 알루미늄 소스와 반응하여 염(salt)을 형성하지 않는 질산(HNO3)을 사용하는 것이 바람직하다. In order to improve the dispersibility of the aluminum source, it is preferable to add a nitric acid (HNO 3 ) solution to form a sol. The nitric acid solution is strongly acidic as an acidic solution. In the case of using hydrochloric acid (HCl), there may be a problem that the chlorine (Cl) component should be removed again in the post-process. When using sulfuric acid (H 2 SO 4 ), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) or senadayi agent (Na 2 sO 4; thenardite) and the like can be produced, since the phosphoric acid (H 3 PO 4) the case of using, the secondary phase undesirable because of the phosphorus (P) component can be produced, the aluminum source and It is preferable to use nitric acid (HNO 3 ) which does not form a salt upon reaction.
상기 질산 용액의 농도는 10~80% 정도인 것이 바람직하다. 상기 질산 용액의 농도가 10% 미만일 경우에는 분산성 향상을 위해 많은 양의 산성 용액이 필요하며, 상기 질산 용액의 농도가 80%를 초과하게 되면 산도가 너무 높아 위험할 수 있다. The concentration of the nitric acid solution is preferably about 10 to 80%. When the concentration of the nitric acid solution is less than 10%, a large amount of acidic solution is required for improving the dispersibility, and if the concentration of the nitric acid solution exceeds 80%, the acidity is too high and can be dangerous.
상기 질산 용액의 첨가를 통해 상기 졸의 pH가 1∼4 범위를 이루도록 하는 것이 바람직하다. It is preferable that the pH of the sol is in the range of 1 to 4 through the addition of the nitric acid solution.
상기 졸은 알루미늄 소스가 3∼40중량%를 이루는 것이 바람직하다. 고형분(알루미늄 소스)이 졸 100중량%에 대하여 3∼40중량%를 이루는 것이 알루미늄 소스 입자의 분산성, 졸의 점도, 졸의 장기 보관 등을 고려할 때 바람직하다. The sol preferably comprises 3 to 40% by weight of an aluminum source. The solid content (aluminum source) of 3 to 40% by weight based on 100% by weight of the sol is preferable considering the dispersibility of the aluminum source particles, the viscosity of the sol, and the long-term storage of the sol.
페놀 수지를 아세톤(acetone)과 같은 용제에 녹여 페놀 수지 용액을 형성한다. 페놀 수지는 페놀류와 포름알데히드류의 축합 반응에 의해 형성되는 열경화성 수지로서 탄소(C)를 포함하는 물질이다. 페놀 수지는 질화 처리 공정에서 탄소(C)의 소스로 작용하는 역할을 하게 된다. 페놀 수지는 고체 상태로 존재하며, 아세톤에 잘 녹는 성질이 있다. 상기 페놀 수지 용액은 고형분(페놀 수지)이 페놀 수지 용액 100중량%에 대하여 2∼50중량%를 이루는 것이 페놀 수지의 분산성, 점도, 장기 보관 등을 고려할 때 바람직하다. The phenolic resin is dissolved in a solvent such as acetone to form a phenolic resin solution. A phenolic resin is a material containing carbon (C) as a thermosetting resin formed by the condensation reaction of phenols and formaldehyde. The phenolic resin serves as a source of carbon (C) in the nitriding process. The phenolic resin exists in a solid state and has a property of dissolving in acetone. The phenolic resin solution preferably has a solid content (phenolic resin) of 2 to 50% by weight based on 100% by weight of the phenolic resin solution in view of the dispersibility, viscosity and long-term storage of the phenolic resin.
알루미늄 소스를 포함하는 졸과 페놀 수지 용액을 혼합한다. 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액은 졸에 함유된 알루미늄 소스와 페놀 수지 용액에 함유된 페놀 수지가 중량비로 1:0.42∼3의 비율, 바람직하게는 5:5∼7:3의 비율을 이루도록 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 혼합에 의해 알루미늄 소스 입자들은 페놀 수지로 코팅되어 둘러싸인 구조를 이루게 된다. The sol containing the aluminum source and the phenolic resin solution are mixed. The sol and the phenol resin solution are mixed so that the aluminum source contained in the sol and the phenol resin contained in the phenol resin solution are in a ratio of 1: 0.42 to 3, preferably 5: 5 to 7: 3 by weight . By such mixing, the aluminum source particles are coated with a phenol resin to form a structure surrounded.
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 충분한 혼합이 이루어지면, 열처리 공정을 수행한다. 열처리 공정은 60℃∼600℃, 바람직하게는 350∼500℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정은 용매 성분을 일부 제거하기 위하여 60∼150℃ 정도의 온도에서 1차 열처리를 수행하고, 액상화된 페놀 수지에서 유기용매의 제거와 페놀수지 내의 OH기를 제거하여 탄소 성분만 잔류시키기 위하여 300∼600℃(바람직하게는 350∼500℃)의 온도에서 2차 열처리를 수행하는 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 60℃ 미만인 경우 용매 성분의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 600℃를 초과하는 고온 열처리 시에는 에너지의 소모가 많고 탄소의 산화가 발생하여 비경제적이다. 상기 열처리는 공기(air)와 같은 산화 분위기에서 1∼72시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정에 의하여 졸과 페놀 수지 용액의 혼합용액은 겔(gel)화 되면서 뭉쳐져 있는 덩어리 형태를 띠게 된다. When the sol and the phenol resin solution are sufficiently mixed, a heat treatment process is performed. The heat treatment process is preferably performed at a temperature of 60 ° C to 600 ° C, preferably 350 ° C to 500 ° C. In the heat treatment process, first heat treatment is performed at a temperature of about 60 to 150 DEG C to remove a solvent component, and in order to remove the organic solvent from the liquefied phenol resin and to remove the OH group in the phenol resin, And a step of performing a secondary heat treatment at a temperature of from 600 to 600 占 폚 (preferably from 350 to 500 占 폚). When the heat treatment temperature is less than 60 캜, it is difficult to evaporate the solvent components, and when the heat treatment is performed at a high temperature exceeding 600 캜, energy consumption is high and carbon is oxidized, which is uneconomical. The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere such as air for 1 to 72 hours. By the heat treatment process, the mixed solution of the sol and the phenol resin solution becomes a gel and becomes a lump in the form of a lump.
열처리 공정을 거친 결과물을 질화 처리(nitridation) 한다. 상기 질화 처리는 질소 성분을 포함하는 반응가스(reaction gas)를 주입하면서 1400∼1800℃ 정도의 온도, 바람직하게는 1500∼1700℃ 정도의 온도에서 10분∼72시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 질화 처리 시 질소 소스로 작용하는 반응가스는 질소(N2) 가스 또는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스인 것이 바람직하다. 반응가스는 알루미늄 소스와 반응하여 질화알루미늄(AlN)을 형성하는 질소 소스로 작용한다. 질소 소스로 작용하는 반응가스는 질소(N2) 가스를 단독으로 사용할 수도 있으나, 질소(N2)와 수소(H2)가 부피비로 90:10∼99.9:0.1의 비율로 혼합된 혼합가스를 사용하는 것이 바람직하다. 반응가스로 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하는 경우에는 알루미늄 성분과 질소 성분의 반응 안정화 측면, 고순도의 질화알루미늄 형성 측면, 잔류 산소의 최소화 측면 등에 있어서 바람직하다. 질화 처리 시에 질소(N2) 가스 또는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스는 0.1∼10ℓ/min, 바람직하게는 1∼5ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다. Nitridation of the resultant after the heat treatment process. The nitriding treatment is preferably performed at a temperature of about 1,400 to 1,800 ° C., preferably about 1,500 to 1,700 ° C., for 10 minutes to 72 hours while injecting a reaction gas containing a nitrogen component. It is preferable that the reaction gas serving as a nitrogen source in the nitridation treatment is a nitrogen (N 2 ) gas or a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ). The reaction gas reacts with an aluminum source to act as a nitrogen source to form aluminum nitride (AlN). The reaction gas serving as the nitrogen source may be a nitrogen gas (N 2 ) gas alone, but may be a mixture gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) in a volume ratio of 90:10 to 99.9: 0.1 Is preferably used. When a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) is used as the reaction gas, it is preferable in terms of reaction stabilization of the aluminum component and the nitrogen component, aspect of high purity aluminum nitride formation and minimization of residual oxygen. It is preferable to flow a nitrogen (N 2 ) gas or a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) at a flow rate of 0.1 to 10 L / min, preferably 1 to 5 L / min.
베마이트(AlOOH)와 같은 알루미늄 소스의 알루미늄(Al) 성분과 반응가스의 질소 성분이 반응하여 질화알루미늄(AlN)이 합성되게 된다. 알루미늄 소스로서 알루미나(Al2O3)를 사용한 경우에 질화알루미늄(AlN)의 생성 반응식은 아래의 반응식 1에 나타내었고, 알루미늄 소스로서 베마이트(AlOOH)를 사용한 경우에 질화알루미늄(AlN)의 생성 반응식은 아래의 반응식 2에 나타내었다.The aluminum (Al) component of an aluminum source such as boehmite (AlOOH) reacts with the nitrogen component of the reaction gas to synthesize aluminum nitride (AlN). The reaction formula for forming aluminum nitride (AlN) in the case of using alumina (Al 2 O 3 ) as the aluminum source is shown in the following
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
Al2O3 + 3C + N2 → 2AlN + 3CO Al 2 O 3 + 3C + N 2 → 2AlN + 3CO
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
2AlOOH + 3C + N2 → 2AlN + 3CO + H2O 2AlOOH + 3C + N 2 → 2AlN + 3CO + H 2 O
반응가스로 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하는 경우, 질화 처리 과정에서 수소(H2)는 환원제 역할을 하여 산소 성분을 트랩(trap) 함으로써 잔류 산소를 감소시키는 역할을 한다. When a reaction gas a mixed gas of nitrogen (N 2) and hydrogen (H 2), hydrogen in the nitriding treatment process (H 2) may serve to reduce the residual oxygen by the trap (trap) the oxygen component and the reducing agent act .
질화 처리 시에 알루미늄 소스의 입자들은 페놀 수지로 코팅되어 둘러싸여 있으며, 따라서 알루미늄 소스의 입자들을 둘러싸는 탄소(C) 성분은 알루미늄 소스 내에 존재하는 산소 성분을 트랩(trap)하는 역할을 하며, 탄소 성분과 산소 성분은 반응하여 일산화탄소(CO)로 변환되어 배출되게 된다. 액상의 페놀 수지 용액으로 각각의 알루미늄 소스의 입자를 코팅하여 질화 처리함으로써, 합성된 질화알루미늄(AlN)에는 잔존 산소량이 최소화될 수 있으며, 페놀 수지의 탄소 성분들은 산소와 반응하여 일산화탄소(CO)로 변환되어 배출되게 되므로 질화 처리 후에 탈탄 공정을 저온에서 실시할 수 있고 탈탄 공정을 짧은 시간 내에 완료할 수 있는 장점이 있다. 카본블랙(carbon black)과 같은 고상의 탄소재를 사용하는 경우에는 알루미늄 소스와의 균일한 혼합이 어려워 부분적으로는 질화 처리가 이루어지지 않아 국부적으로 잔존 산소량이 많이 존재하거나 순도가 높은 질화알루미늄(AlN)을 합성하는데 한계가 있으나, 액상의 페놀 수지 용액으로 각각의 알루미늄 소스의 입자를 코팅하여 질화 처리함으로써, 알루미늄 소스 입자의 표면 뿐만 아니라 표면 내부(벌크(bulk))에서도 질화가 이루어질 수 있어 고순도의 질화알루미늄(AlN)을 합성할 수 있다.During the nitriding process, the particles of the aluminum source are surrounded and surrounded by a phenolic resin, so that the carbon (C) component surrounding the particles of the aluminum source serves to trap the oxygen component present in the aluminum source, And the oxygen component react with each other to be converted into carbon monoxide (CO) and discharged. The amount of oxygen remaining in the synthesized aluminum nitride (AlN) can be minimized by coating the respective aluminum source particles with a liquid phenolic resin solution, and the carbon components of the phenolic resin react with oxygen to form carbon monoxide (CO) So that the decarburization process can be performed at a low temperature after the nitriding process, and the decarburization process can be completed within a short time. In the case of using a carbon material of a solid phase such as carbon black, it is difficult to uniformly mix with an aluminum source, so that the nitriding treatment is not carried out in part, so that there is a large amount of residual oxygen locally, or aluminum nitride However, nitriding can be carried out not only on the surface of the aluminum source particles but also on the surface (bulk) of the aluminum source by coating the respective particles of the aluminum source with a liquid phenolic resin solution, Aluminum nitride (AlN) can be synthesized.
질화 처리된 결과물을 목표하는 입자 크기로 미분화하는 분쇄 공정을 수행할 수도 있다. 상기 분쇄 공정은 제트 밀(jet mill), 볼 밀링(ball milling), 유발 분쇄 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 볼 밀링 공정을 예로 들어 설명하면, 질화 처리된 결과물을 균일하게 분쇄하기 위하여 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 기계적으로 균일하게 분쇄한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 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㎜∼10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있으며, 볼 밀링은 1∼48 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. A pulverizing step of pulverizing the nitrided product to a target particle size may be carried out. The pulverization process may be performed by various methods such as jet mill, ball milling, trigger milling and the like. To describe the ball milling process as an example, the nitrided product is charged into a ball milling machine to uniformly crush the nitrided product, and is mechanically uniformly pulverized by rotating it at a constant speed using a ball milling machine. The ball used for ball milling may be a ball made of ceramics such as alumina or zirconia, and the balls may be all the same size or may be used together with balls having two or more sizes. The size of the ball, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball miller. For example, the size of the ball may be set in the range of about 1 mm to 10 mm, the rotational speed of the ball miller may be set in the range of about 50 to 500 rpm, and the ball milling is preferably performed for 1 to 48 hours .
질화 처리된 결과물을 산화 분위기에서 탈탄 처리하여 고순도의 질화알루미늄(AlN) 분말을 수득한다. 탈탄 처리 공정은 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다. The nitrided product is decarburized in an oxidizing atmosphere to obtain aluminum nitride (AlN) powder of high purity. The decarburization treatment process can be performed in the following manner.
질화 처리된 결과물을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고, 목표하는 탈탄 처리 온도로 상승시킨다. 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 열적 스트레스(thermal stress)가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 이때 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하는 것이 바람직하다. The nitrided product is charged into a furnace such as an electric furnace, and the temperature is raised to a target decarburization treatment temperature. In this case, it is preferable that the temperature rise rate of the furnace is about 1 to 50 DEG C / min. If the temperature rise rate of the furnace is too slow, it takes a long time to decrease the productivity. If the temperature rise rate of the furnace is too fast, it is preferable to increase the temperature of the furnace at the heating rate within the above range. At this time, it is preferable that the pressure in the furnace is maintained at normal pressure.
퍼니스의 온도가 목표하는 탈탄 처리 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 10분∼24시간)을 유지한다. 상기 탈탄 처리는 산소(O2), 공기(air)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 탈탄 처리 온도에서 일정 시간을 유지하게 되면 잔류하는 탄소(C) 성분이 제거되어 고순도의 질화알루미늄(AlN)을 얻을 수가 있다. 탈탄 처리 시에 산소(O2) 가스를 공급하는 경우에 산소(O2) 가스는 0.1∼20ℓ/min, 바람직하게는 1∼5ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다. When the temperature of the furnace rises to the target decarburization treatment temperature, it is maintained for a predetermined time (for example, 10 minutes to 24 hours). The decarburization treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere such as oxygen (O 2 ) and air. If a certain period of time is maintained at the decarburization treatment temperature, the remaining carbon (C) component is removed and high purity aluminum nitride (AlN) can be obtained. In the case of supplying oxygen (O 2 ) gas during the decarburization treatment, it is preferable to flow the oxygen (O 2 ) gas at a flow rate of about 0.1 to 20 L / min, preferably about 1 to 5 L / min.
상기 탈탄 처리 온도는 600∼900℃ 정도, 바람직하게는 650∼800℃ 정도인 것이 바람직한데, 탈탄 처리 온도가 너무 높은 경우에는 에너지 소모가 많아 비경제적이고, 탈탄 처리 온도가 너무 낮은 경우에는 잔류하는 탄소(C) 성분이 미처 제거되지 않을 수 있으므로 상기 범위의 탈탄 처리 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. If the decarburization treatment temperature is too high, the energy is consumed so much that it is uneconomical. If the decarburization treatment temperature is too low, the residual carbon The component (C) may not be removed. Therefore, it is preferable to carry out the treatment at the decarburization treatment temperature in the above range.
탈탄 처리 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 질화알루미늄(AlN) 분말을 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.
After the decarburization process is performed, the furnace temperature is lowered to unload the aluminum nitride (AlN) powder. The furnace cooling may be effected by shutting down the furnace power source to cool it in a natural state, or optionally by setting a temperature decreasing rate (for example, 10 DEG C / min). It is preferable to keep the pressure inside the furnace constant even while the furnace temperature is being lowered.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in more detail, and the present invention is not limited to the following embodiments.
<실시예 1>≪ Example 1 >
유기용매인 에탄올 10ℓ에 알루미늄 소스인 수산화알루미늄(Al(OH)3) 4㎏이 분산된 졸을 형성하였다. 수산화알루미늄(Al(OH)3)은 평균 입경이 1㎛인 분말을 사용하였다. 상기 졸은 질산(HNO3) 용액이 첨가되어 pH가 2 정도를 이루게 하였다. 상기 질산(HNO3) 용액은 질산(HNO3)의 농도가 33%인 용액을 사용하였다. A sol having 4 kg of aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) as an aluminum source was dispersed in 10 liters of ethanol as an organic solvent. Aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) was powder having an average particle diameter of 1 탆. The sol was added with a nitric acid (HNO 3 ) solution to achieve a pH of about 2. The nitric acid (HNO 3 ) solution was a solution having a concentration of nitric acid (HNO 3 ) of 33%.
페놀 수지 1.2㎏을 아세톤 1ℓ에 녹여 페놀 수지 용액을 형성하였다. 1.2 kg of a phenol resin was dissolved in 1 liter of acetone to form a phenol resin solution.
수산화알루미늄(Al(OH)3)을 포함하는 졸과 상기 페놀 수지 용액을 혼합하였다.The sol containing aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and the phenolic resin solution were mixed.
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 혼합용액에 대하여 열처리 공정을 수행하였다. 상기 열처리 공정은 용매 성분을 일부 제거하기 위하여 80℃의 온도에서 10시간 동안 1차 열처리를 수행하고, 500℃의 온도에서 5시간 동안 2차 열처리를 수행하는 공정으로 이루어졌다. 상기 열처리는 공기(air) 분위기에서 수행하였다.The mixed solution of the sol and the phenol resin solution was subjected to a heat treatment process. The heat treatment process was performed by performing a primary heat treatment at a temperature of 80 ° C. for 10 hours and a secondary heat treatment at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in order to partially remove the solvent component. The heat treatment was performed in an air atmosphere.
열처리 공정을 거친 결과물을 흑연 도가니에 담고 질화 처리(nitridation) 하였다. 상기 질화 처리는 열처리 공정을 거친 결과물을 흑연 도가니에 담아 진공 전기로에 장입하고, 로터리 펌프를 작동하여 진공 전기로 내를 진공 상태로 만든 다음에, 질소(N2) 가스를 공급하여 진공 전기로 내의 가스를 퍼지(purge)한 후, 진공 전기로의 온도를 10℃/min로 1700℃까지 승온하고, 1700℃에서 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 1ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주면서 2시간 동안 수행하였다. 상기 혼합가스는 질소(N2)와 수소(H2)가 부피비로 97:3의 비율로 혼합된 가스를 사용하였다.The resulting product was subjected to a heat treatment process and was nitrided in a graphite crucible. In the nitriding process, the resultant is subjected to a heat treatment process, charged into a graphite crucible, charged into a vacuum electric furnace, operated by a rotary pump to evacuate the vacuum furnace, and then nitrogen (N 2 ) After the gas was purged, the temperature of the vacuum electric furnace was raised to 1700 ° C at a rate of 10 ° C / min and a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) was supplied at a flow rate of about 1 l / min at 1700 ° C Followed by flowing for 2 hours. The mixed gas was a gas in which nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) were mixed at a volume ratio of 97: 3.
질화 처리된 결과물을 유발로 1시간 동안 분쇄하였다. The nitrided resultant was pulverized for one hour with induction.
분쇄된 결과물을 산화 분위기에서 탈탄 처리하여 질화알루미늄(AlN) 분말을 수득하였다. 상기 탈탄 처리는 분쇄된 결과물을 알루미나 도가니에 담아 전기로(박스로)에 장입하고, 전기로의 온도를 10℃/min로 750℃까지 승온하고, 750℃에서 공기(air)를 5ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주면서 5시간 동안 수행하였다.
The pulverized product was decarburized in an oxidizing atmosphere to obtain aluminum nitride (AlN) powder. In the decarburization treatment, the pulverized product was placed in an alumina crucible and charged into an electric furnace (box furnace). The temperature of the electric furnace was raised to 750 ° C at a rate of 10 ° C / min. Flow rate for 5 hours.
<실시예 2><Example 2>
유기용매인 에탄올 10ℓ에 알루미늄 소스인 베마이트(AlOOH) 4㎏이 분산된 졸을 형성하였다. 베마이트(AlOOH)는 평균 입경이 50㎚인 분말을 사용하였다. 상기 졸은 질산(HNO3) 용액이 첨가되어 pH가 2 정도를 이루게 하였다. 상기 질산(HNO3) 용액은 질산(HNO3)의 농도가 33%인 용액을 사용하였다. A sol having 4 kg of aluminum source in boehmite (AlOOH) dispersed in 10 liters of ethanol as an organic solvent was formed. A boehmite (AlOOH) powder having an average particle diameter of 50 nm was used. The sol was added with a nitric acid (HNO 3 ) solution to achieve a pH of about 2. The nitric acid (HNO 3 ) solution was a solution having a concentration of nitric acid (HNO 3 ) of 33%.
페놀 수지 1.2㎏을 아세톤 1ℓ에 녹여 페놀 수지 용액을 형성하였다. 1.2 kg of a phenol resin was dissolved in 1 liter of acetone to form a phenol resin solution.
베마이트(AlOOH)를 포함하는 졸과 상기 페놀 수지 용액을 혼합하였다.The sol containing the boehmite (AlOOH) and the phenol resin solution were mixed.
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 혼합용액에 대하여 열처리 공정을 수행하였다. 상기 열처리 공정은 용매 성분을 일부 제거하기 위하여 80℃의 온도에서 10시간 동안 1차 열처리를 수행하고, 500℃의 온도에서 5시간 동안 2차 열처리를 수행하는 공정으로 이루어졌다. 상기 열처리는 공기(air) 분위기에서 수행하였다.The mixed solution of the sol and the phenol resin solution was subjected to a heat treatment process. The heat treatment process was performed by performing a primary heat treatment at a temperature of 80 ° C. for 10 hours and a secondary heat treatment at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in order to partially remove the solvent component. The heat treatment was performed in an air atmosphere.
열처리 공정을 거친 결과물을 흑연 도가니에 담고 질화 처리(nitridation) 하였다. 상기 질화 처리는 열처리 공정을 거친 결과물을 흑연 도가니에 담아 진공 전기로에 장입하고, 로터리 펌프를 작동하여 진공 전기로 내를 진공 상태로 만든 다음에, 질소(N2) 가스를 공급하여 진공 전기로 내의 가스를 퍼지(purge)한 후, 진공 전기로의 온도를 10℃/min로 1700℃까지 승온하고, 1700℃에서 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 1ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주면서 2시간 동안 수행하였다. 상기 혼합가스는 질소(N2)와 수소(H2)가 부피비로 97:3의 비율로 혼합된 가스를 사용하였다.The resulting product was subjected to a heat treatment process and was nitrided in a graphite crucible. In the nitriding process, the resultant is subjected to a heat treatment process, charged into a graphite crucible, charged into a vacuum electric furnace, operated by a rotary pump to evacuate the vacuum furnace, and then nitrogen (N 2 ) After the gas was purged, the temperature of the vacuum electric furnace was raised to 1700 ° C at a rate of 10 ° C / min and a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) was supplied at a flow rate of about 1 l / min at 1700 ° C Followed by flowing for 2 hours. The mixed gas was a gas in which nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) were mixed at a volume ratio of 97: 3.
질화 처리된 결과물을 유발로 1시간 동안 분쇄하였다. 100메쉬(mesh)의 체(sieve)를 통과할 정도의 입경을 갖도록 상기 분쇄가 이루어졌다.The nitrided resultant was pulverized for one hour with induction. The milling was carried out so as to have a particle size enough to pass through a sieve of 100 mesh.
분쇄된 결과물을 산화 분위기에서 탈탄 처리하여 질화알루미늄(AlN) 분말을 수득하였다. 상기 탈탄 처리는 분쇄된 결과물을 알루미나 도가니에 담아 전기로(박스로)에 장입하고, 전기로의 온도를 10℃/min로 750℃까지 승온하고, 750℃에서 공기(air)를 5ℓ/min 정도의 유량으로 흘려주면서 5시간 동안 수행하였다.
The pulverized product was decarburized in an oxidizing atmosphere to obtain aluminum nitride (AlN) powder. In the decarburization treatment, the pulverized product was placed in an alumina crucible and charged into an electric furnace (box furnace). The temperature of the electric furnace was raised to 750 ° C at a rate of 10 ° C / min. Flow rate for 5 hours.
도 1 및 도 2는 실시예 1에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이고, 도 3 및 도 4는 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIGS. 1 and 2 are scanning electron microscope (SEM) photographs of aluminum nitride (AlN) powders prepared according to Example 1 and FIGS. 3 and 4 are photographs of aluminum nitride ) SEM photograph of the powder.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 알루미늄 소스로 수산화알루미늄(Al(OH)3)을 사용한 경우에는 입자들이 응집되어 있는 모습이 관찰되었으며 입자들의 크기도 0.5∼3㎛ 정도로 비교적 큰 질화알루미늄 분말을 얻을 수 있었으며, 알루미늄 소스로 베마이트(AlOOH)를 사용한 경우에는 입자들이 응집되지는 않았으며 입자들의 크기도 10∼200㎚ 정도로 미세한 질화알루미늄 분말을 얻을 수가 있었다.
Referring to FIGS. 1 to 4, when aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) is used as an aluminum source, aggregation of particles is observed, and a relatively large aluminum nitride powder having a particle size of about 0.5 to 3 μm is obtained When aluminum source boehmite (AlOOH) was used, the particles were not agglomerated and fine aluminum nitride powders with particle sizes of about 10 to 200 nm could be obtained.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 5에서 (a)는 질화 처리 후 탈탄 처리 전의 X-선회절 패턴을 보여주고, (b)는 탈탄 처리 후의 X-선회절 패턴을 보여준다.5 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of aluminum nitride (AlN) powder produced according to Example 2. Fig. FIG. 5 (a) shows the X-ray diffraction pattern after the nitriding treatment, and FIG. 5 (b) shows the X-ray diffraction pattern after the decarburization treatment.
도 5를 참조하면, 질화알루미늄(AlN) 결정상만이 존재하는 것으로 관찰되었다.
Referring to FIG. 5, only an aluminum nitride (AlN) crystal phase was observed to be present.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 입도분석을 보여주는 그래프이고, 아래의 표 1은 입도분석 결과를 보여준다.FIG. 6 is a graph showing the particle size analysis of the aluminum nitride (AlN) powder produced according to Example 2. Table 1 below shows the particle size analysis results.
실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 잔존 산소의 함량을 측정한 결과 0.79∼1.0중량%을 나타내었고, 실시예 2에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 분말의 잔존 탄소의 함량을 측정한 결과 약 200ppm을 나타내었다.
The content of residual oxygen in the aluminum nitride (AlN) powder prepared according to Example 2 was 0.79 to 1.0 wt%, and the content of residual carbon in the aluminum nitride (AlN) powder prepared according to Example 2 As a result, it was about 200 ppm.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.
Claims (10)
페놀 수지가 용해된 페놀 수지 용액을 형성하는 단계;
상기 알루미늄 소스의 입자들이 상기 페놀 수지로 코팅되게 하기 위하여 상기 졸과 상기 페놀 수지 용액을 혼합하는 단계;
상기 졸과 상기 페놀 수지 용액의 혼합용액에 대하여 열처리하는 단계;
질소 성분을 포함하는 반응가스를 주입하면서 열처리된 결과물을 질화 처리하여 질화알루미늄(AlN)을 합성하는 단계; 및
질화 처리된 결과물에 함유된 잔류 탄소를 제거하기 위하여 탈탄 처리하는 단계를 포함하는 질화알루미늄의 제조방법.
Forming an aluminum source containing an aluminum (Al) component in a sol dispersed in an organic solvent;
Forming a phenol resin solution in which the phenol resin is dissolved;
Mixing the sol with the phenolic resin solution to cause particles of the aluminum source to be coated with the phenolic resin;
Heat-treating the mixed solution of the sol and the phenol resin solution;
Nitriding the heat-treated product while injecting a reaction gas containing a nitrogen component to synthesize aluminum nitride (AlN); And
A method of producing aluminum nitride comprising the step of decarburizing to remove residual carbon contained in the nitrided result.
The method according to claim 1, wherein the aluminum source uses at least one powder selected from alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and boehmite (AlOOH) Way.
The method according to claim 1, wherein the aluminum source uses boehmite (AlOOH) powder having an average particle diameter of 10 to 50 nm.
The method according to claim 1, wherein the sol and the phenol resin solution are mixed so that the aluminum source contained in the sol and the phenol resin contained in the phenol resin solution are in a ratio of 1: 0.42 to 3 by weight, Method of manufacturing aluminum.
The method according to claim 1, wherein a sol of nitric acid (HNO 3 ) solution is added to improve the dispersibility of the aluminum source to form the sol having a pH ranging from 1 to 4.
The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of 350 ~ 500 ℃.
The method of claim 1, wherein the reaction gas serving as a nitrogen source uses a mixed gas in which nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) are mixed in a ratio of 90:10 to 99.9: 0.1 by volume, and nitriding treatment process. In hydrogen (H 2 ) acts as a reducing agent to trap the oxygen component contained in the aluminum source (trap) to reduce the residual oxygen, the method of producing aluminum nitride.
The method according to claim 1, wherein the nitriding treatment is performed at a temperature of 1500 to 1700 占 폚.
The method according to claim 1, wherein the decarburization treatment is performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of 650 to 800 ° C.
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