KR20190023485A - Aluminum nitride sintered body and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an aluminum nitride sintered body with improved mechanical properties and a production method thereof. The aluminum nitride sintered body is obtained by sintering a composition comprising an aluminum nitride (AlN) powder and a sintering aid, wherein the sintering aid comprises zirconia stabilized with a metal oxide and an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium.

Description

질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법{ALUMINUM NITRIDE SINTERED BODY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}[0001] ALUMINUM NITRIDE SINTERED BODY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME [0002]

본 발명은 저온소결이 가능한 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum nitride sintered body capable of low temperature sintering and a method of manufacturing the same.

최근에 전자기기의 소형화, 다기능화, 및 고속화에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이러한 수요에 부응하기 위해서 반도체 소자의 고밀도 실장 및 고출력화가 필요하다. 그러나 반도체 소자의 실장 밀도와 출력을 높이면 실장 기판의 발열량이 증가하기 때문에 방열 특성이 우수한 절연기판이 요구된다. 한편, 질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도율 및 고절연성을 가진 재료로서 최근 파인세라믹스의 하나로 주목 받고 있다. 특히, 질화알루미늄이 가진 특성 중에서 우수한 열적 특성이 가장 주목 받고 있다.In recent years, there is an increasing demand for miniaturization, multi-functioning, and high-speed operation of electronic devices. In order to meet such demands, high-density packaging of semiconductor devices and high output are required. However, if the mounting density and output of the semiconductor device are increased, the amount of heat generated by the mounting substrate is increased, so that an insulating substrate having excellent heat dissipation characteristics is required. On the other hand, aluminum nitride (AlN) has attracted attention as one of recent fine ceramics as a material having high thermal conductivity and high insulation. Particularly, excellent thermal characteristics are attracting the most attention among the properties of aluminum nitride.

상기 질화알루미늄(AlN)은 난소결성(sinter-resisting) 세라믹이기 때문에, 고밀도의 소결체 제조와 소결 온도를 낮추기 위하여 산화이트륨(Y2O3), 산화칼슘(CaO) 등과 같은 희토류 금속 산화물, 알칼리 토금속 등을 소결조제로 사용된다. 그러나 일반적으로 질화알루미늄(AlN)의 소결온도는 1800 ℃ 이상의 고온으로 알루미나에 비해 소결하기 어렵고, 이에 따른 많은 소결 에너지가 필요하며, 그로 인해 제조단가가 높아지는 문제점을 가지고 있다.Since the aluminum nitride (AlN) is a sinter-resisting ceramic, rare-earth metal oxides such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and calcium oxide (CaO), alkaline earth metals Etc. are used as sintering aids. However, in general, the sintering temperature of aluminum nitride (AlN) is higher than 1800 ° C., so that it is difficult to sinter compared with alumina, and accordingly, a large amount of sintering energy is required, thereby increasing manufacturing costs.

상기 질화알루미늄(AlN) 소결체에 관한 종래 기술로서, 한국 등록특허공보 제1996-0703766호에서는 희토류 금속산화물로 이루어진 소결조제와 유리프릿트 및 B, Na, K, Ca, Mn, W 등의 산화물을 첨가제로 하는 소결체의 제조방법에 대해 기재되어 있고, 한국 공개특허공보 제2010-0088479호에서는 산화이트륨과 산화크롬의 소결조제와 질화알루미늄(AlN) 원료분말을 1700 ~ 1800 ℃의 소결 온도에서 소결함으로써 얻어지는, 높은 열전도성을 나타내는 질화알루미늄(AlN) 소결체에 관한 기술이 기재되어 있다.As a conventional art relating to the above aluminum nitride (AlN) sintered body, Korean Patent Registration No. 1996-0703766 discloses a sintering aid composed of a rare earth metal oxide, a glass frit and oxides such as B, Na, K, Ca, Discloses a method for producing a sintered body using an additive. In Korean Patent Laid-Open Publication No. 2010-0088479, a sintering aid for yttrium oxide and chromium oxide and an aluminum nitride (AlN) raw material powder are sintered at a sintering temperature of 1700 to 1800 ° C (AlN) sintered body exhibiting high thermal conductivity is obtained.

그러나 현재까지 상기와 같은 종래기술을 포함하여, 질화알루미늄(AlN) 소결체 제조과정에서 저온 소결을 위한 방안으로서 희토류 금속 산화물이나 알칼리 토금속 산화물을 소결조제로서 사용하는 다양한 방법들이 제시되었지만, 산업계에서 요구하는 물성을 충족시키기 위해 저온에서 소결이 가능하며 기계적 강도가 우수한 질화알루미늄(AlN) 소결체 제조를 위한 연구의 필요성은 지속적으로 증대되고 있는 실정이다.However, various methods of using a rare earth metal oxide or an alkaline earth metal oxide as a sintering assistant as a method for low temperature sintering in the process of manufacturing an aluminum nitride (AlN) sintered body including the above-described conventional techniques have been proposed to date, In order to satisfy the physical properties, the necessity of research for manufacturing aluminum nitride (AlN) sintered body capable of sintering at low temperature and having excellent mechanical strength is continuously increasing.

본 발명의 목적은 저온에서 소결이 가능하며 굽힘 강도와 같은 기계적 특성이 향상된 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an aluminum nitride sintered body capable of sintering at a low temperature and having improved mechanical properties such as bending strength and a method for manufacturing the same.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 질화알루미늄(AlN) 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물을 소결하여 얻어지는 질화알루미늄 소결체로서, 상기 소결조제는 금속산화물로 안정화된 지르코니아 및 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물을 포함하는 것인 질화알루미늄 소결체를 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is a sintered aluminum nitride obtained by sintering a composition comprising an aluminum nitride (AlN) powder and a sintering auxiliary agent, wherein the sintering auxiliary agent comprises zirconia and an alkaline earth metal stabilized with a metal oxide And an oxide of a composite metal containing zirconium.

또한 본 발명의 다른 측면은 질화알루미늄 분말, 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아를 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것, 상기 슬러리를 건조하고 이를 성형하여 얻어진 분말을 소결 반응기에 투입하는 것, 및 상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, there is also provided a method for forming a slurry by mixing an aluminum nitride powder, an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide together with a solvent, Feeding the obtained powder into a sintering reactor, and sintering the sintered body by raising the temperature of the reactor.

또한 본 발명의 또 다른 측면은 질화알루미늄 분말, 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아를 바인더와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것, 상기 슬러리를 주입성형(slip casting)하여 시트를 제작하고 이에 의해 얻어지는 성형체를 소결 반응기에 투입하는 것, 및 상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.Yet another aspect of the present invention is a method for forming a slurry by mixing an aluminum nitride powder, an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide together with a binder, casting the mixture to form a sheet, injecting the resulting molded body into a sintering reactor, and sintering the sintered body by raising the temperature of the reactor.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 종래에 비해 낮은 온도에서 이차 상이 형성됨으로 인해 종래의 질화알루미늄 소결체에 대비 저온 소결이 가능하면서도 굽힘 강도가 우수한 장점이 있다.The aluminum nitride sintered body of the present invention is advantageous in that the secondary phase is formed at a lower temperature than in the prior art, so that the low-temperature sintering can be performed in comparison with the conventional aluminum nitride sintered body and the bending strength is excellent.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화알루미늄 소결체의 주사현미경(SEM) 이미지이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) image of an aluminum nitride sintered body according to an embodiment of the present invention.

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

1. 질화알루미늄 소결체1. Aluminum nitride sintered body

본 발명의 일 측면은 질화알루미늄 소결체(AlN)를 제공한다One aspect of the present invention provides an aluminum nitride sintered body (AlN)

상기 질화알루미늄 소결체는 질화알루미늄 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물을 소결하여 얻어질 수 있다.The aluminum nitride sintered body can be obtained by sintering a composition including an aluminum nitride powder and a sintering auxiliary agent.

질화알루미늄은 우수한 열전도성을 갖는 절연체이며, 실리콘(Si)에 가까운 열팽창 계수를 갖는다. 따라서 질화알루미늄은 고집적화 반도체 장치의 기판, 방열판 등에 널리 사용되고 있다.Aluminum nitride is an insulator having excellent thermal conductivity and has a thermal expansion coefficient close to that of silicon (Si). Therefore, aluminum nitride is widely used for substrates, heat sinks, and the like of highly integrated semiconductor devices.

상기 질화알루미늄은 난소결성(sinter-resisting) 세라믹으로 세라믹의 밀도를 향상시키기 위해 소결조제를 사용하는데, 이러한 소결조제는 질화알루미늄 분말에 포함된 불순물 산소가 질화알루미늄 결정 입자 내에 고용(solid-dissolving)되는 것을 방지하여 세라믹의 열저항이 증가하는 것을 억제한다.The aluminum nitride is sinter-resisting ceramics, and a sintering aid is used to improve the density of ceramics. The sintering aid is solid-dissolving impurity oxygen contained in the aluminum nitride powder in the aluminum nitride crystal grains, Thereby suppressing an increase in thermal resistance of the ceramic.

상기 질화알루미늄 분말의 평균 입경은 0.1 내지 2 ㎛인 것이 바람직하다. 질화알루미늄 분말의 평균 입경이 0.1 ㎛ 미만이면 질화알루미늄 소결체의 열전도율이 저하되고, 질화알루미늄 분말의 평균 입경이 2 ㎛를 초과하면 질화알루미늄 소결체의 강도가 저하될 수 있다.The average particle diameter of the aluminum nitride powder is preferably 0.1 to 2 占 퐉. If the average particle diameter of the aluminum nitride powder is less than 0.1 탆, the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body is lowered, and if the average particle diameter of the aluminum nitride powder exceeds 2 탆, the strength of the aluminum nitride sintered body may be lowered.

본 발명의 질화알루미늄(AlN) 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물은 85 내지 98 중량부의 상기 질화알루미늄 분말과 1 내지 15 중량부의 소결조제를 포함한다. 상기 질화알루미늄(AlN) 분말의 함량이 85 중량부 미만이면 불순물 증가에 따른 열전도도 감소요인이 될 수 있으며, 질화알루미늄 분말의 함량이 98 중량부를 초과하면 첨가되는 소결조제의 함량이 미미하여 저온 소결을 이루기가 어려워 1800℃ 이상의 고온에서 소결해야 하는 단점이 있다. 또한 상기 소결조제의 과도한 사용은 질화알루미늄 결정입자의 열전도도는 높아질 수 있지만 낮은 열전도도를 갖는 이차상이 많이 형성됨으로 소결조제의 함량에 따라 열전도도의 증감 현상이 나타날 수 있다. 따라서 상기 소결조제의 함량이 상기 범위일 때 질화알루미늄(AlN) 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물을 소결 시 활성이 우수할 수 있다.The composition comprising the aluminum nitride (AlN) powder of the present invention and the sintering aid comprises 85 to 98 parts by weight of the aluminum nitride powder and 1 to 15 parts by weight of the sintering auxiliary. If the content of the aluminum nitride (AlN) powder is less than 85 parts by weight, thermal conductivity may be decreased due to the increase of impurities. If the content of the aluminum nitride powder exceeds 98 parts by weight, the content of the sintering auxiliary added is insufficient, It is difficult to achieve the sintering at a high temperature of 1800 DEG C or more. Also, excessive use of the sintering assistant agent may increase the thermal conductivity of the aluminum nitride crystal grains, but a large number of secondary phases having a low thermal conductivity may be formed, thereby increasing or decreasing the thermal conductivity depending on the content of the sintering auxiliary agent. Therefore, when the content of the sintering auxiliary agent is in the above range, the composition including the aluminum nitride (AlN) powder and the sintering aid may be excellent in sintering activity.

상기 소결조제는 금속산화물로 안정화된 지르코니아, 또는 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 금속산화물로 안정화된 지르코니아와, 알칼리 토금속 및 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물을 함께 병용할 수 있다.The sintering aid may comprise zirconia stabilized with a metal oxide, or an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium, preferably zirconia stabilized with the metal oxide, a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium Can be used together.

상기 금속산화물로 안정화된 지르코니아는 가열, 냉각을 동반한 복잡한 결정구조의 변화에 의한 급격한 체적변화를 방지하기 위해서 금속산화물을 첨가하여 결정구조를 부분적으로 안정화시킨 지르코니아를 의미하며, 상기 금속산화물은 산화칼슘(CaO), 산화이트륨(Y2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2)등 일 수 있다.The metal oxide stabilized zirconia means zirconia in which a crystal structure is partially stabilized by adding a metal oxide in order to prevent a rapid change in volume due to a change in a complex crystal structure accompanied by heating and cooling, may be a calcium (CaO), yttrium oxide (Y 2 O 3), magnesium oxide (MgO), cerium oxide (CeO 2).

상기 금속산화물로 안정화된 지르코니아는 칼시아 안정화 지르코니아(Calcia-stabilized zirconia, CaSZ), 이트리아 안정화 지르코니아 (Yttria-stabilized zirconia, YSZ), 마그네시아 안정화 지르코니아(Magnesia-stabilized zirconia, MSZ), 세리아 안정화 지르코니아(Ceria-stabilized zirconia, CSZ) 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 이트리아 안정화 지르코니아 (Yttria-stabilized zirconia, YSZ)를 사용할 수 있다. 이와 같이 금속산화물로 안정화된 지르코니아는 강도 및 인성이 극대화되며, 이를 이용하는 질화알루미늄 소결체의 굽힘 강도가 향상될 수 있다.The metal oxide stabilized zirconia may be selected from the group consisting of calcia-stabilized zirconia (CaSZ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), magnesia-stabilized zirconia (MSZ), ceria stabilized zirconia Ceria-stabilized zirconia, CSZ) and the like. Preferably, yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used. As described above, zirconia stabilized with a metal oxide maximizes strength and toughness, and the bending strength of the aluminum nitride sintered body using the zirconia can be improved.

상기 지르코니아는 30 내지 50wt%의 금속산화물로 부분 안정화된 것일 수 있다. 상기 지르코니아가 30 내지 50wt%의 금속산화물로 부분 안정화됨으로써 질화알루미늄(AlN) 소결체에 인성강화기구 효과를 적용할 수 있다. The zirconia may be partially stabilized with 30 to 50 wt% of a metal oxide. The zirconia is partially stabilized with a metal oxide of 30 to 50 wt%, so that a toughening mechanism effect can be applied to the aluminum nitride (AlN) sintered body.

한편, 상기 알칼리 토금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 등일 수 있다. 상기 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물의 가능한 예로서, BeZrO3, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, BaZrO3, RaZrO3 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 CaZrO3를 사용할 수 있다. Meanwhile, the alkaline earth metal may be Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, or the like. As a possible example of a composite metal oxide of the alkaline earth metal and containing zirconium, BeZrO 3, MgZrO 3, CaZrO 3, SrZrO 3, BaZrO 3, RaZrO 3 Or the like can be used, and CaZrO 3 can be preferably used.

이와 같은 상기 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물을 소결조제로 사용할 경우, 소결을 할 때 결정입자 계면(grain boundary)에 고정(pinning) 되어 결정입자 성장(grain growth)을 억제 할 수 있어 소결 후에도 작은 결정입자(grain)을 갖을 수 있고, 높은 기계적 강도를 가질 수 있는 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있다.When such an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium is used as a sintering aid, it is pinned to a grain boundary at the time of sintering to inhibit grain growth It is possible to produce an aluminum nitride sintered body which can have small crystal grains even after sintering and can have high mechanical strength.

또한, 질화알루미늄 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물을 소결 시에 소결조제로 지르코니아(ZrO2)만 첨가하게 되면 질화알루미늄이 소결 온도에서 열분해되어 소결체로서의 특성이 떨어지게 되기 때문에 알칼리 토금속(예컨대, Ca)과 지르코니아(ZrO2)의 안정상인 CaZrO3를 사용하는 것이 바람직하다.Further, when zirconia (ZrO 2 ) alone is added as a sintering aid in the composition containing the aluminum nitride powder and the sintering auxiliary agent, the aluminum nitride is thermally decomposed at the sintering temperature to deteriorate the properties as a sintered body. And CaZrO 3 , which is a stable phase of zirconia (ZrO 2 ).

이러한 본 발명의 소결조제는 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아가 5 : 2 ~ 5 : 5 로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 금속산화물로 안정화된 지르코니아의 함량이 상기 수치범위를 벗어나면 질화알루미늄 소결체의 굽힘강도 및 열전도도가 저하될 수 있다.In the sintering aid of the present invention, it is preferable that an oxide of a composite metal including an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide are mixed in a ratio of 5: 2 to 5: 5. If the content of the zirconia stabilized with the metal oxide is out of the above range, the bending strength and thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body may be lowered.

또한 본 발명의 소결조제는 질화알루미늄 소결체의 소결성을 향상시키기 위해 희토류 산화물을 더 포함할 수 있다. 상기 희토류 산화물은 이트륨산화물, 란타늄산화물, 세륨산화물, 네오디뮴산화물, 사마륨산화물, 가돌리늄산화물, 디스프로슘산화물, 에르븀산화물, 이테르븀산화물 등일 수 있으며, 이트륨산화물이 바람직하다. 상기 희토류 산화물의 함량은 조성물 100 중량부를 기준으로, 1 내지 8 중량부 포함될 수 있다. 상기 희토류 산화물의 함량이 1 중량부 미만이면 질화알루미늄 소결체의 소결성이 약화되어, 상대 밀도가 저하되며, 상기 희토류 산화물의 함량이 8 중량부를 초과하면 질화알루미늄 소결체의 체적 저항율의 변화율이 상대적으로 증가한다.Further, the sintering auxiliary agent of the present invention may further include a rare earth oxide to improve sinterability of the aluminum nitride sintered body. The rare earth oxides may be yttrium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, gadolinium oxide, dysprosium oxide, erbium oxide, ytterbium oxide, and the like. Yttrium oxide is preferred. The content of the rare earth oxide may be 1 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of the composition. If the content of the rare earth oxide is less than 1 part by weight, the sinterability of the aluminum nitride sintered body is weakened and the relative density is lowered. When the content of the rare earth oxide exceeds 8 parts by weight, the rate of change of the volume resistivity of the aluminum nitride sintered body is relatively increased .

또한 본 발명의 질화알루미늄(AlN) 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물은 용매, 바인더등을 추가적으로 더 포함할 수 있다. The composition comprising the aluminum nitride (AlN) powder of the present invention and the sintering aid may further comprise a solvent, a binder and the like.

상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 등의 알코올, 탄화수소, 아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤류 등을 사용할 수 있으며, 증류수를 사용할 경우 소결체의 특성이 낮아지게 되고 소결성도 떨이지는 단점이 있어, 이소프로판올 등의 알코올류를 사용하는 것이 바람직하다. 경우에 따라 본 발명에서 사용되는 용매에 포함되는 수분의 함량을 줄일 수 있는 것이 바람직할 수 있다.The solvent may be distilled water, alcohols such as ethanol, methanol, isopropanol, ketones such as hydrocarbon, acetone, methyl ethyl ketone and the like. When distilled water is used, the characteristics of the sintered body are lowered and sintering property is also deteriorated. And the like. In some cases, it may be desirable to reduce the amount of water contained in the solvent used in the present invention.

상기 용매의 함량은 질화알루미늄의(AlN) 분말이 수화 혹은 산화되는 것을 방지할 수 있을 정도이면 함량에 구애 받지 않으나, 질화알루미늄 분말 : 용매 = 3 : 1 내지 1 : 3의 혼합비인 것이 바람직하다.The content of the solvent is not limited so far as it can prevent the (AlN) powder of aluminum nitride from being hydrated or oxidized, but it is preferably a mixture ratio of aluminum nitride powder: solvent = 3: 1 to 1: 3.

상기 바인더는 폴리비닐 부티랄 수지(polyvinyl butyral resin), 셀룰로스 수지, 아크릴수지(acrylic resin), 비닐 아세테이트 수지, 폴리비닐 알코올 수지 등이 주로 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.The binder may be a polyvinyl butyral resin, a cellulose resin, an acrylic resin, a vinyl acetate resin, a polyvinyl alcohol resin, or the like, but is not limited thereto.

상기 바인더의 함량은 조성물 100 중량부를 기준으로 3 내지 20 중량부일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 15 중량부 일 수 있다. 만약 바인더 함량이 상기 수치범위를 벗어나면 성형체 크랙이 발생할 수 있다.The content of the binder may be 3 to 20 parts by weight, preferably 5 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the composition. If the binder content is out of the above range, a molded body crack may occur.

2. 제조방법2. Manufacturing Method

본 발명의 다른 측면은 질화알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method of manufacturing an aluminum nitride sintered body.

상기 질화알루미늄 소결체는 질화알루미늄 분말 및 상술한 소결조제를 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것, 상기 슬러리를 건조하고 이를 성형하여 얻어진 분말을 소결 반응기에 투입하는 것, 및 상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함한다.Wherein the aluminum nitride sintered body is obtained by mixing aluminum nitride powder and the above-described sintering auxiliary agent together with a solvent to form a slurry, drying the slurry and injecting powder obtained by molding the slurry into a sintering reactor, Followed by sintering.

구체적으로, 상기 질화알루미늄 분말 85 내지 98 중량부 및 상기 소결조제 1 내지 15 중량부를 용매와 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 볼밀을 통해 분쇄하여 슬러리를 형성시킨다.Specifically, 85 to 98 parts by weight of the aluminum nitride powder and 1 to 15 parts by weight of the sintering auxiliary are mixed with a solvent to prepare a mixture, and the mixture is pulverized through a ball mill to form a slurry.

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 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 상기 볼밀과정은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1 내지 24 시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 배합 원료는 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 되어 평균입자가 0.6 ㎛ 내지 2.0 ㎛ 이며, 바람직하게는 0.9 ㎛ 내지 1.2 ㎛를 갖는 슬러리가 형성될 수 있다.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 balls, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball miller are adjusted so as to be crushed to the target particle size. The ball milling process is performed for 1 to 24 hours in consideration of the size of the target particles and the like. By means of ball milling, the blended raw materials are pulverized into fine-sized particles and have a uniform particle size distribution, so that a slurry having an average particle size of 0.6 mu m to 2.0 mu m, preferably 0.9 mu m to 1.2 mu m can be formed.

이와 같이 형성된 슬러리를 교반기를 이용하여 침전되지 않도록 100 내지 120 ℃에서 40분 내지 1시간 30 분 동안 열판(hot plate)에서 교반시키며 건조할 수 있으며, 이를 60 ℃ 진공 오븐에서 30분 내지 1 시간 동안 건조하여 균질성을 갖는 분말을 제조한 후 소결 반응기에 투입한다. The slurry thus formed can be dried by stirring in a hot plate at 100 to 120 ° C for 40 minutes to 1 hour and 30 minutes so as not to precipitate using a stirrer, and this is dried in a 60 ° C vacuum oven for 30 minutes to 1 hour Dried to prepare a powder having homogeneity and then introduced into a sintering reactor.

상기 건조 과정에서 회전증발기(rotary evaporator)를 이용하여 80 내지 90 ℃의 온도에서 중탕시키며, 진공 분위기에서 1시간 30분 내지 2시간 동안 건조할 수 있다. 본 발명은 상기 건조된 분말을 소결 반응기에 투입하기 전에 냉간 등방압 가압법(CIP)에 의해 분말을 성형하여, 지름 30 ㎜, 두께 2.5 ㎜ 원반형 성형체로 만드는 과정을 포함할 수 있다. 상기 냉간 등방압 가압법의 압력은 100∼1000 기압의 범위 내에서 처리할 수 있고, 바람직하게는 100 내지 500 MPa의 압력 조건에서 수행할 수 있다.In the drying process, the mixture may be stirred at a temperature of 80 to 90 ° C using a rotary evaporator, and dried in a vacuum atmosphere for 1 hour and 30 minutes to 2 hours. The present invention may include a step of forming a powder by a cold isostatic pressing (CIP) method before putting the dried powder into a sintering reactor to form a disk-shaped molded body having a diameter of 30 mm and a thickness of 2.5 mm. The pressure of the cold isostatic pressing method may be in the range of 100 to 1000 atm, preferably 100 to 500 MPa.

냉간 등방압 가압법(CIP)은 물 등의 액체를 압력 매체로 하여 재료를 물속에 재료를 넣고, 높은 등방압으로 압력을 주는 방법으로, 박막을 갖는 기판의 전체면을 가압하므로, 고밀도로 균일성이 있는 성형체를 형성하고 이를 소결 반응기에 투입한다.The cold isostatic pressing (CIP) is a method in which a material such as water is used as a pressure medium, a material is put into water, and a pressure is applied at a high isostatic pressure, so that the entire surface of the substrate having a thin film is pressed. To form a sintered body, which is put into a sintering reactor.

상기 반응기의 승온 온도는 1600 ℃ 이하에서 진행되며, 승온 조건은 분당 20 ℃ 에서 40 ℃ 범위에서 승온될 수 있고, 바람직하게는 분당 10 ℃ 범위로 승온할 수 있으며, 소결 온도 유지 시간은 1시간 내지 10시간, 바람직하게는 1시간 내지 5시간으로 이루어질 수 있다.The temperature of the reactor may be raised to 1600 ° C or lower, the temperature may be increased from 20 ° C to 40 ° C per minute, preferably 10 ° C / minute, 10 hours, preferably 1 hour to 5 hours.

한편, 본 발명의 질화알루미늄 소결체의 또 다른 제조방법으로서, 질화알루미늄 분말, 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아를 바인더와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것, 상기 슬러리를 주입성형(slip casting)하여 시트를 제작하고 이에 의해 얻어지는 성형체를 소결 반응기에 투입하는 것, 및 상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함한다.On the other hand, as another manufacturing method of the aluminum nitride sintered body of the present invention, a slurry is formed by mixing an aluminum nitride powder, an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide together with a binder, Slip casting the slurry to prepare a sheet, introducing the resulting molded body into a sintering reactor, and sintering the sintered body by raising the temperature of the reactor.

상기 상기 질화알루미늄 분말 85 내지 98 중량부 및 상기 소결조제 1 내지 15 중량부를 바인더와 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 볼밀을 통해 분쇄하여 슬러리를 형성시킨다. 이때, 상기 혼합물에 용매를 더 포함할 수 있다.85 to 98 parts by weight of the aluminum nitride powder and 1 to 15 parts by weight of the sintering auxiliary are mixed with a binder to prepare a mixture, and the mixture is pulverized through a ball mill to form a slurry. At this time, the mixture may further contain a solvent.

또한, 상기 슬러리를 형성하기 위해 볼밀을 이용하여 배합 원료를 균일하게 혼합하며 분쇄하는데 1차 볼 밀링으로 3 시간 내지 3일 정도 진행할 수 있다. 상기 바인더는 볼 밀링 과정이후에 추가로 투입될 수 있는데, 이 경우 볼밀 가공은 6시간 내지 24시간 동안 2차 볼 밀링을 진행할 수 있다.Further, in order to form the slurry, the blending materials may be uniformly mixed and pulverized using a ball mill, and may be performed for about three to three days by primary ball milling. The binder may be further added after the ball milling process, in which case the ball milling may proceed with a second ball milling for 6 to 24 hours.

이와 같이 형성된 슬러리를 주입성형(slip casting)하여 시트를 제작하고, 이에 의해 얻어지는 성형체를 소결 반응기에 투입한다.The thus formed slurry is subjected to slip casting to prepare a sheet, and the resulting molded body is put into a sintering reactor.

주입성형(slip casting)은 몰드 안에서 고형물체로 만들어 성형하기 위하여, 주입될 슬러리를 만든 후, 일정형상의 형틀(몰드)내에 부어서 성형체를 형성할 수 있으며, 상기 본 발명에서 주입성형 후 바인더 제거를 위해 상온에서 600 ℃ 까지 12시간 내지 48시간 동안 서서히 승온 후 600 ℃에서 2 시간 내지 8시간 유지하면서 바인더가 충분히 제거되는 과정을 포함할 수 있으며, 이후 다시 상온으로 4시간 내지 24시간 동안 서서히 온도를 감소하여 바인더가 완전히 제거된 성형체를 형성하고, 이를 소결 반응기에 투입한다.The slip casting can be performed by forming a slurry to be injected into a mold and pouring it into a mold having a predetermined shape in order to form a solid body in a mold. In the present invention, And then gradually raising the temperature from room temperature to 600 ° C for 12 to 48 hours, followed by sufficiently removing the binder while maintaining the temperature at 600 ° C for 2 hours to 8 hours, and then gradually lowering the temperature to room temperature for 4 to 24 hours To form a molded article from which the binder has been completely removed, and this is injected into the sintering reactor.

상기 반응기의 승온 온도는 1600 ℃ 이하에서 진행되며, 승온 조건은 분당 1.0 ℃에서 3.0 ℃가 바람직하며, 소결 온도 유지 시간은 1시간 내지 10시간, 바람직하게는 1시간 내지 5시간으로 이루어질 수 있다.The temperature of the reactor is elevated to below 1600 ° C. The temperature of the reactor is preferably 1.0 ° C to 3.0 ° C per minute, and the sintering temperature is maintained for 1 hour to 10 hours, preferably 1 hour to 5 hours.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되지 아니한다.However, the following examples illustrate the present invention in detail, and the present invention is not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1 내지  1 to 실시예Example 6 6

하기 표 1의 조성 및 함량을 준비하고 바인더와 가소제를 용매인 이소프로판올 100 ml에 혼합하여 혼합액을 제조한다. 혼합액을 지르코니아 볼을 이용하여 상온에서 400 rpm으로 24시간 동안 볼 밀링을 통해 원료를 분산시켜 슬러리를 제조한다. 얻어진 슬러리를 일정형상의 몰드내에 부어 넣고, 상온에서 600 ℃까지 12시간동안 서서히 승온 후 600 ℃에서 6시간 유지하여 아크릴수지(바인더)가 제거된 성형체를 형성한다. 상기 성형체를 소결 반응기에 투입하고 소결 반응기에서 분당 2 ℃로 단계적으로 승온하여, 소결온도에 도달하도록 하며 소결을 진행하였다. 상기 소결반응시 질소분위기를 유지함으로써, 소결 중 산화를 방지하도록 하였다. 질소분위기 하에서 1600 ℃, 1650 ℃, 1700℃, 1750 ℃ 로 소결온도를 달리하여 각각 3시간 동안 소결하여 질화알루미늄 소결체를 제조하였다. The composition and the contents of the following Table 1 are prepared, and a binder and a plasticizer are mixed with 100 ml of isopropanol as a solvent to prepare a mixed solution. The slurry was prepared by dispersing the raw materials by ball milling at 400 rpm for 24 hours at room temperature using zirconia balls. The obtained slurry was poured into a mold having a predetermined shape, and the temperature was gradually raised from room temperature to 600 ° C for 12 hours and then maintained at 600 ° C for 6 hours to form a molded article from which an acrylic resin (binder) was removed. The shaped body was charged into a sintering reactor, and the temperature of the sintering reactor was gradually raised to 2 ° C per minute to reach a sintering temperature and sintering was carried out. During the sintering reaction, a nitrogen atmosphere was maintained to prevent oxidation during sintering. The sintered aluminum nitride sintered body was sintered at 1600 ° C, 1650 ° C, 1700 ° C and 1750 ° C in nitrogen atmosphere for 3 hours, respectively.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 입도D50Particle size D50 AlNAlN 9292 9191 9090 9292 9191 9090 1㎛1 탆 Y2O3 Y 2 O 3 55 55 55 55 55 55 1~2㎛1 to 2 탆 YSZYSZ 22 22 22 1One 22 33 0.04㎛0.04 m CaZrO3 CaZrO 3 1One 22 33 22 22 22 1~1.5㎛1 to 1.5 탆

[[ 비교예Comparative Example ]]

비교예Comparative Example 1 내지  1 to 비교예Comparative Example 2 2

하기 표 2의 조성 및 함량으로, 상기 실시예와 동일하게 질화알루미늄 소결체를 제조하였다.Aluminum nitride sintered bodies were prepared in the same manner as in the above examples, with the compositions and contents shown in Table 2 below.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 입도D50Particle size D50 AlNAlN 9494 8585 1㎛1 탆 Y2O3 Y 2 O 3 55 55 1~2㎛1 to 2 탆 YSZYSZ -- -- 0.04㎛0.04 m CaZrO3 CaZrO 3 1One 1010 1~1.5㎛1 to 1.5 탆

[[ 실험예Experimental Example ]]

상기 실시예 및 비교예에 따른 질화알루미늄 소결체를 다음의 방법에 의해 각각 평가하였다.The aluminum nitride sintered bodies according to the above examples and comparative examples were evaluated by the following methods, respectively.

상대밀도Relative density

평가 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The evaluation results are shown in Table 3 below.

구분division 1600℃1600 ° C 1650℃1650 ℃ 1700℃1700 ℃ 1750℃1750 ℃ 실시예 1Example 1 94%94% 96%96% 100%100% 100%100% 실시예 2Example 2 98%98% 100%100% 100%100% 100%100% 실시예 3Example 3 100%100% 100%100% 100%100% 100%100% 실시예 4Example 4 96%96% 99%99% 100%100% 100%100% 실시예 5Example 5 98%98% 100%100% 100%100% 100%100% 실시예 6Example 6 97%97% 99%99% 100%100% 100%100% 비교예 1Comparative Example 1 92%92% 94%94% 97%97% 100%100% 비교예 2Comparative Example 2 100%100% 100%100% 100%100% 100%100%

미세조직Microstructure

상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 질화알루미늄 소결체를 전자현미경(SEM)으로 확인하였으며, 이를 도 1에 도시하였다. The aluminum nitride sintered body produced according to the above Examples 1 to 3 was confirmed by an electron microscope (SEM), which is shown in Fig.

도 1을 참고하면 온도가 높아질수록 결정입자의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that as the temperature increases, the size of the crystal grains increases.

굽힘 강도Bending strength

굽힘강도 시편은 기판을 레이져를 이용하여 직사각형으로 4.0mm X 0.63mm X 50mm로 절단하여 준비를 한다. UTM(universal test machine, Z020, Zwick/Roell AG, Germany) 설비를 이용하여 3점 측정을 하였다. 측정 조건은 Cross-head speed 0.2mm/min이다.The bending strength specimen is prepared by cutting the substrate into a rectangle of 4.0 mm × 0.63 mm × 50 mm using a laser. Three points were measured using UTM (universal test machine, Z020, Zwick / Roell AG, Germany). The measurement conditions were a cross-head speed of 0.2 mm / min.

평가 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The evaluation results are shown in Table 4 below.

구분division 1600℃1600 ° C 1650℃1650 ℃ 1700℃1700 ℃ 1750℃1750 ℃ 실시예 1Example 1 447447 445445 608608 555555 실시예 2Example 2 492492 514514 592592 555555 실시예 3Example 3 504504 621621 634634 613613 실시예 4Example 4 482482 508508 615615 540540 실시예 5Example 5 493493 518518 603603 557557 실시예 6Example 6 490490 510510 618618 570570 비교예 1Comparative Example 1 455455 471471 515515 523523 비교예 2Comparative Example 2 535535 527527 488488 465465

상기 표 3 및 표 4를 참고하면, 질화알루미늄 소결체의 밀도가 증가할수록 굽힝강도 역시 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 밀도가 증가하더라도 소결온도(예컨대, 1750℃)가 높아 결정입자의 크기가 2 ㎛를 초과하면 질화알루미늄 소결체의 강도가 저하되는 것을 확인하였다.Referring to Tables 3 and 4, it was confirmed that as the density of the aluminum nitride sintered body increases, the bending strength also increases. However, even when the density is increased, the sintering temperature (for example, 1750 ° C) is high and it is confirmed that the strength of the aluminum nitride sintered body is lowered when the crystal grain size exceeds 2 μm.

Claims (10)

질화알루미늄(AlN) 분말 및 소결조제를 포함하는 조성물을 소결하여 얻어지는 질화알루미늄 소결체로서,
상기 소결조제는 금속산화물로 안정화된 지르코니아, 및 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물을 포함하는 질화알루미늄 소결체.
1. An aluminum nitride sintered body obtained by sintering a composition comprising an aluminum nitride (AlN) powder and a sintering aid,
Wherein the sintering assistant comprises zirconia stabilized with a metal oxide, and an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium.
청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물은 산화칼슘(CaO), 산화이트륨(Y2O3), 산화마그네슘(MgO) 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
The metal oxide is calcium (CaO), yttrium oxide (Y 2 O 3), magnesium oxide (MgO), and at least one member of aluminum nitride sintered body is selected from the group consisting of cerium oxide (CeO 2) oxidation.
청구항 1에 있어서,
상기 지르코니아는 30 내지 50wt%의 금속산화물로 부분 안정화된 것인 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the zirconia is partially stabilized with 30 to 50 wt% of a metal oxide.
청구항 1에 있어서,
상기 알칼리 토금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the alkaline earth metal is one selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba and Ra.
청구항 1에 있어서,
상기 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물은 CaZrO3인 것인 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
And the oxide of the composite metal containing the alkaline earth metal and zirconium is CaZrO 3 .
청구항 1에 있어서,
상기 소결조제는 희토류 산화물을 더 포함하는 것인 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering aid further comprises a rare earth oxide.
청구항 1에 있어서,
상기 소결조제는 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아가 5 : 2 ~ 5 : 5 로 혼합되는 것인 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering aid is a mixture of an oxide of a composite metal containing an alkaline earth metal and zirconium and zirconia stabilized by a metal oxide in a ratio of 5: 2 to 5: 5.
청구항 1에 있어서,
상기 조성물은 85 내지 98 중량부의 질화알루미늄 분말과 1 내지 15 중량부의 소결조제를 포함하는 질화알루미늄 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the composition comprises 85 to 98 parts by weight of aluminum nitride powder and 1 to 15 parts by weight of a sintering aid.
질화알루미늄 분말, 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아를 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것,
상기 슬러리를 건조하고 이를 성형하여 얻어진 분말을 소결 반응기에 투입하는 것, 및
상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
An aluminum oxide powder, an oxide of a composite metal including an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide together with a solvent to form a slurry,
Drying the slurry, molding the slurry, and introducing the obtained powder into a sintering reactor; and
Wherein the temperature of the reactor is raised to sinter the aluminum nitride sintered body.
질화알루미늄 분말, 알칼리 토금속과 지르코늄을 포함하는 복합금속의 산화물, 및 금속산화물로 안정화된 지르코니아를 바인더와 함께 혼합하여 슬러리를 형성하는 것,
상기 슬러리를 주입성형(slip casting)하여 시트를 제작하고 이에 의해 얻어지는 성형체를 소결 반응기에 투입하는 것, 및
상기 반응기의 온도를 승온하여 소결시키는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
An aluminum oxide powder, an oxide of a composite metal including an alkaline earth metal and zirconium, and zirconia stabilized with a metal oxide together with a binder to form a slurry,
Slip casting the slurry to prepare a sheet, and introducing the resulting molded body into a sintering reactor; and
Wherein the temperature of the reactor is raised to sinter the aluminum nitride sintered body.
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GB2619750A (en) * 2022-06-16 2023-12-20 Dyson Technology Ltd Ceramic casting method and formulation

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