KR20200068662A - 붕소 구조체 및 붕소 분말 - Google Patents
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Abstract
[과제] 고순도이며, 또한 쉽게 파쇄를 수행할 수 있는 붕소 구조체 및 그의 파쇄물로 이루어지고, 특정의 입경을 가지는 고순도의 붕소 분말을 제공한다.
[해결수단] 본 발명의 붕소 구조체는, Ti, Al, Fe, Cr, Ni, Co, Cu, W, Ta, Mo, Nb의 각 농도가 0.1ppmw 이하인 붕소로 이루어지고, 두께가 0.8~5㎜이다. 그 형상은 관 모양이 바람직하고, 도핑제로서 사용하는 경우, 동위원소인 11B의 비율이 95질량% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 붕소 구조체는 쉽게 파쇄할 수 있으며, 평균 입경이 0.5~3㎜, 각 금속 불순물 농도가 0.3ppmw 이하인 고순도의 붕소 분말을 얻을 수 있다.
[해결수단] 본 발명의 붕소 구조체는, Ti, Al, Fe, Cr, Ni, Co, Cu, W, Ta, Mo, Nb의 각 농도가 0.1ppmw 이하인 붕소로 이루어지고, 두께가 0.8~5㎜이다. 그 형상은 관 모양이 바람직하고, 도핑제로서 사용하는 경우, 동위원소인 11B의 비율이 95질량% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 붕소 구조체는 쉽게 파쇄할 수 있으며, 평균 입경이 0.5~3㎜, 각 금속 불순물 농도가 0.3ppmw 이하인 고순도의 붕소 분말을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 신규한 붕소 구조체 및 붕소 분말에 관한 것이다. 상세하게는, 고순도이고, 또한 쉽게 파쇄를 수행할 수 있는 붕소 구조체 및 특정의 입경을 가지는 고순도의 붕소 분말을 제공하는 것이다.
단결정 실리콘을 제조하는데 있어서, 붕소를 도핑제로서 사용하는 경우가 있다. 이때, 단결정의 인상장치의 도가니에 붕소 분말을 도입한다. 그러나, 붕소 분말 도입의 작업시에 붕소 분말이 비산하는 경우가 있다. 또한, 도핑제로서의 붕소에는 어느 정도의 비표면적이 요구된다. 이 때문에, 붕소 분말의 비산을 방지하고, 또한 어느 정도의 비표면적을 확보하기 위해, 수 밀리미터 사이즈의 입경을 가지는 고순도의 붕소 분말이 요망되고 있다.
종래, 고순도의 붕소는, 산화붕소의 금속환원이나 BF3의 열분해 등에 의해 얻어져 왔다(특허문헌 1 참조). 그런데, 상기 방법에 의해 얻어지는 붕소는 미크론 사이즈의 비정질 결정 또는 미소 결정이며, 도핑제로서 사용하는 경우, 작업시에 비산하기 쉽다. 또한, 취급시에 환경오염을 받아, 특히 표면산화막이 형성되는 때에 환경 분위기 중의 불순물을 흡수하기 때문에, 산소와 금속 성분, 특히, Fe, Ni, Co, Cu 등의 농도가 높아진다는 문제가 있었다.
붕소의 고순도화 기술로서, 미크론 사이즈의 붕소를 제조하고, 그것을 핫프레스로 막대 모양으로 가공하고, 또한 부유대 정제로 고순도화하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조). 그러나, 상기 막대 모양의 붕소는 다이아몬드에 버금가는 경도로 매우 단단하고, 특정의 사이즈(수 밀리미터)의 붕소 분말을 얻기 위해서는 레이저 절단 등의 특수한 대출력의 가공이나 다수회에 걸친 파쇄공정이 필요하게 된다. 막대 모양의 붕소를 파쇄하고, 그 사이즈가 작아질수록, 가공할 때의 불순물 오염, 특히 Fe, Ni, Co, Cu 등이 벌크(파쇄편의 내부)에까지 이르러, 표면 세척해도 제거할 수 없을 정도로 오염되어 버린다. 그러므로, 파쇄편의 입경 사이즈와 얻어지는 붕소 입자의 순도가 트레이드 오프의 관계가 되어 버려, 고순도의 붕소를 얻기 위해서는 입경 사이즈에 한계가 있어, 상기한 입경 사이즈로 고순도의 붕소를 얻는 것이 곤란하였다.
한편, 텅스텐 등으로 이루어지는 판상 또는 선상의 금속 기체(基體) 상에서 붕소 함유 화합물을 분해하여, 붕소를 기체 상에 화학증착이나 물리증착시켜 박막상 붕소를 형성시키고, 그 후, 기체를 화학적 처리에 의해 제거하여 박막상 붕소를 얻는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 3 참조). 이러한 방법에 의하면, 원료로서 사용하는 붕소 함유 화합물을 고순도화하고, 예를 들어 할로겐화 붕소를 6N으로 정제하여, 화학 증착시킨 경우에는, 6N의 고순도의 붕소를 얻는 것이 가능한 것으로 생각된다. 그런데, 상기 방법은, 음향진동부재의 픽업용 캔틸레버나 스피커용 진동판을 제조하는 것을 목적으로 했기 때문에, 얻어지는 붕소막의 두께는 높이 수백㎛의 두께이고, 이것을 분쇄하여도 수 밀리미터 사이즈의 붕소 분말을 얻을 수는 없다.
또한, 비특허문헌 1에는, 4.5㎜Φ의 금속 심선을 가열하고, 이것에 BCl3와 H2의 혼합가스를 접촉시킴으로써 상기 금속 심선 표면에 붕소를 석출시켜, 50㎜Φ의 직경을 갖는 붕소 석출체를 얻은 것이 보고되어 있다. 그러나, 상기 방법은, 50㎜Φ의 붕소 석출체를 얻을 때까지 심선 성분의 금속이 붕소 석출층으로 확산되어 버려 화학적 처리를 반복해서 수행하여도, 도핑제로서 필요한 고순도품은 얻을 수 없다. 또한, 상기 막대 모양 붕소와 마찬가지로, 파쇄가 어렵고, 파쇄에 있어서의 추가 오염도 피할 수 없다.
또한, 유동상 반응기를 이용하여 종(種)붕소 상에서 붕소 함유 화합물을 분해시켜, 종붕소 상에 붕소층을 석출시켜 500~700㎛ 의 평균 입경의 붕소 분말을 얻는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 4 참조). 그러나, 유동상 방식에 의해 붕소 분말을 제조하는 방법은, 입자의 성장시에 반응기벽으로부터의 오염을 받아, 고순도화에는 한계가 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 종래 방법에서는, 실리콘 단결정 인상을 수행하는 공정에서, 도핑제로서 사용하기에 적합한 입경 사이즈로, 고순도의 붕소 분말을 얻는 것이 곤란하였다.
[비특허문헌 1] David R. Stern and Lahmer Lynds, J Electrochem. Soc., 105, No.11 (1958), 676-682
따라서, 본 발명의 목적은 상기 실리콘 단결정 인상을 수행하는 공정에서, 도핑제로서 사용하기에 적합한 입경 사이즈를 가지고, 또한, 높은 순도를 가지는 붕소 분말을 제공하는 것에 있다.
본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 가열된 금속 기체에, BX3 (X는 염소, 브롬, 요오드이고, 불소는 포함되지 않는다.)로 표시되는 할로겐화 붕소를 수소와 함께 공급하여 할로겐화 붕소를 수소환원하고, 상기 금속 기체 상에 붕소를 석출시키는 방법에 있어서, 금속 기체 상에 석출시키는 붕소의 두께를 특정의 두께가 되도록 조정함으로써, 석출시의 금속 기체 성분의 확산에 의한 오염을 억제할 수 있고, 또한, 석출 후, 심선을 제거하여 얻어지는 붕소 구조체는, 고순도임과 동시에 그 두께의 억제에 의해, 매우 용이하게 파쇄를 수행할 수 있고, 파쇄시에 있어서 오염을 효과적으로 저감할 수 있는 것, 또한 상기 붕소 구조체를 파쇄함으로써 종래의 방법에서는 얻을 수 없었던 특정의 입경을 갖는 고순도의 붕소 분말을 얻을 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.1ppmw 이하인 붕소로 이루어지고, 두께가 0.8~5㎜인 붕소 구조체.
(2) 관 모양인 (1)에 기재된 붕소 구조체.
(3) 밀도가 2.2g/㎤ 이상인 (1) 또는 (2)에 기재된 붕소 구조체.
(4) 붕소의 동위원소인 11B의 비율이 95질량% 이상인 (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 붕소 구조체.
(5) 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 붕소 구조체의 파쇄물이고, 평균 입경이 0.5~3㎜, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.3ppmw 이하인 붕소 분말.
(6) 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.2ppmw 이하인, (5)에 기재된 붕소 분말.
(7) 평균 입경이 0.5~3㎜, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.3ppmw 이하인 붕소 분말.
(8) 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.2ppmw 이하인, (7)에 기재된 붕소 분말.
(9) 평균 입경이 0.7㎜ 이상인, (5)~(8) 중 어느 하나에 기재된 붕소 분말.
(10) 평균 입경이 0.8㎜ 이상인, (9)에 기재된 붕소 분말.
(11) 입경이 0.5㎜ 미만인 붕소 미분의 함유량이 40질량% 이하인, (5)~(10) 중 어느 하나에 기재된 붕소 분말.
본 발명의 붕소 구조체는 높은 순도와 특정의 두께를 가진다. 이것에 의해, 파쇄의 용이함과 고순도를 실현한 것으로, 파쇄 장치와의 적은 접촉에 의해, 목적으로 하는 입경까지 파쇄를 수행할 수 있다. 또한, 파쇄에 의해 얻어지는 붕소 분말은 치명적인 오염이 없고, 필요에 따라서 에칭 처리를 수행함으로써, 극히 고순도의 상태로 제공할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 붕소 분말은, 실리콘 단결정 인상을 수행하는 공정에서 도핑제로서 사용하는데 필요한 고순도성을 가지며, 또한 작업에 적합한 입경 사이즈를 갖는 도핑제로서 유용하다.
(붕소 구조체)
본 발명의 붕소 구조체는 금속 불순물 농도가 저감된 붕소로 이루어지고, 두께가 0.8~5㎜, 바람직하게는 1~3㎜인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 붕소 구조체는, 후술하는 바와 같이, 붕소의 석출 두께를 제한함으로써 금속 기체로부터의 금속 성분의 확산이 효과적으로 억제된 것이다. 게다가, 고도로 정제된 할로겐화 붕소의 수소 환원에 의한 제조 방법도 붕소의 고순도화에 공헌하여, 상기와 같은 낮은 금속 불순물 농도가 달성된다.
본 발명에 있어서, 붕소 구조체 및 붕소 분말의 금속 불순물로는, 금속 기체를 구성하는 금속, 원료에 포함되는 금속, 석출 장치를 구성하는 금속, 파쇄 장치에서 유래하는 금속 등에 의한 것으로, 구체적으로는, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀을 들 수 있다. 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리는 주변 장치나 환경, 또는 원료 등에 기인하는 경우가 많고, 또한 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴, 니오븀, 티타늄은 붕소 석출시에 사용하는 금속 기체에서 유래하는 오염을 생각할 수 있다. 본 발명의 붕소 구조체에서는, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 금속 원소의 농도는 모두 0.1ppmw 이하이다. 붕소에 포함되는 금속의 검출 한계는, 현시점에서는 0.1ppmw 정도이다. 따라서, 본 발명의 붕소 구조체에서는, 상기의 금속 불순물 농도는 모두 검출 한계 이하이다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 붕소 구조체에서는, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 합계가, 바람직하게는 0.9ppmw 이하, 더 바람직하게는 0.5ppmw 이하이다.
또한, 본 발명에 있어서, 금속 농도는 붕소를 전용해시킨 용액 중의 금속 농도를 ICP-MS에 의해서 측정한 값이다. ICP-MS에 의하면, 상기 이외의 금속도 분석되지만, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 붕소 구조체에서는 상기 이외의 금속도 실질적으로 포함되지 않고, 모두 검출한계인 0.1ppmw 이하이다.
또한, 본 발명의 붕소 구조체의 두께의 상한은, 이것을 파쇄하여 붕소 분말을 얻는 경우에 매우 중요하며, 상기 두께가 5㎜를 초과하는 경우, 파쇄가 매우 곤란하게 되고, 파쇄시의 오염이 현저하여, 고순도의 붕소 분말을 얻을 수 없다. 즉, 파쇄가 어려워지기 때문에, 파쇄시에 사용하는 해머 등에 의한 충격 강도를 높일 필요가 있고, 또 파쇄 조작을 복수회 수행할 필요가 있다. 이 결과, 파쇄 공구에서 유래하는 금속 오염이 급격히 증가되어 고순도품을 얻을 수 없게 된다. 그러나, 본 발명의 붕소 구조체는 두께가 5㎜ 이하여서 쉽게 소정의 입경까지 파쇄할 수 있기 때문에, 얻어지는 붕소 분말에 있어서 파쇄 공구에서 유래하는 금속 오염을 극히 낮은 수준으로 할 수 있다.
또한, 상기 두께의 상한은, 붕소의 석출시의 오염을 방지하기 위해서도 유효하다. 금속 기체 상에 형성되는 붕소의 두께가 지나치게 두꺼워지면, 석출한 붕소의 표면온도와 금속 기체 계면과의 온도 차이가 커지게 된다. 즉, 열원인 금속 기체로부터 반응 표면으로 열이 전파되기 어려워진다. 이 때문에, 성장면의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는, 금속 기체의 온도를 상승시킬 필요가 있다. 이 결과, 표면온도를 일정하게 하여 붕소를 계속 석출하면, 금속 기체 계면의 온도가 높아지게 되고, 금속 기체를 구성하는 금속성분이 석출한 붕소 내부로 확산되어, 에칭 처리 등으로는 제거할 수 없는 불순물로 잔존한다. 이와 같은 오염은, 특히 벌크 오염이라고 불리기도 한다. 본 발명에서는 석출 두께를 제한함으로써, 상기 금속 기체로부터의 금속 성분의 확산을 방지하여, 고순도의 붕소 구조체를 얻는 데 성공하였다.
한편, 붕소 구조체의 두께가 상기 범위보다 얇은 경우, 얻어지는 붕소 구조체의 강도가 저하되어, 취급 시에 파손되어 미분이 발생하거나, 과도하게 파쇄되어 목적으로 하는 입경의 붕소 분말을 얻을 수 없게 되거나 한다.
본 발명에 있어서, 붕소 구조체의 형상은, 특별히 제한되지 않지만, 후술하는 금속 기체로의 붕소의 석출에 있어서, 해당 금속 기체의 형상에 의존한다. 예를 들어, 금속 기체로서 금속 심선을 사용했을 경우, 얻어지는 붕소 구조체는, 심선을 제거한 후, 관 모양체로 되고, 금속판에 석출시켰을 경우, 붕소 구조체는 판 모양체가 된다. 공업적으로는, 붕소의 석출에 금속 심선을 사용하는 것이 유리하며, 붕소 구조체는 관 모양인 것이 바람직하다. 또한, 관 모양의 붕소 구조체인 경우, 그의 내경(지름)은 1.5㎜ 이상, 바람직하게는 2~5㎜, 더욱 바람직하게는 2~3㎜인 것이 바람직하다. 즉, 상기 내경이 작을수록 관 모양체가 치밀해져, 파쇄가 어려워지는 경향이 있다. 또한, 내경이 지나치게 크면, 심선 금속의 사용량이 증가할 뿐만 아니라, 제거공정에 있어서도 다대한 노력이 들기 때문에, 경제적이지 않다. 또한, 붕소 구조체가 관 모양인 경우에는, 관 모양 구조의 일부가 파손되어 있어도 된다. 금속 심선의 제거 시에, 심선만을 제거하는 것은 곤란하기 때문에, 구조체의 일부가 파손되는 경우가 있다. 따라서, 붕소 구조체가 관 모양인 경우에는, 내벽면의 일부가 노출된, 보트 모양이어도 된다.
붕소 구조체의 두께는, 금속 기체에 석출했을 때의, 금속 기체와의 접촉면과 석출 후의 최표면(성장면)과의 거리를 말한다. 예를 들어, 금속 심선 상에서 석출반응을 수행했을 때에는, 금속 심선을 제거함으로써 관 모양의 붕소 구조체를 얻을 수 있다. 이 경우의 붕소 구조체의 두께는 관내벽면(금속 심선에 접해 있던 면)과 관외벽면(성장면)과의 거리를 말한다. 또한, 판 모양의 금속판에 석출했을 때에는, 판 모양의 붕소 구조체를 얻을 수 있다. 이 때의 붕소 구조체의 두께는, 금속판과의 접촉면과 판 모양 붕소의 최표면(성장면)과의 거리를 말한다. 또한, 두께가 일정하지 않은 경우에는, 최대치를 두께로 한다. 또한, 상기 붕소 구조체의 밀도는, 바람직하게는 2.2g/㎤ 이상, 더 바람직하게는 2.3g/㎤ 이상이다.
또한, 상기 붕소 구조체는, 상기한 도핑제로서 사용하는 경우, 중성자의 흡수에 의한 α 선의 방출을 억제하기 때문에, 동위원소인 11B의 비율이 95질량% 이상인 것이 바람직하다.
(붕소 분말)
본 발명의 붕소 분말은, 그의 제법은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 상기 붕소 구조체의 파쇄물이다. 붕소 분말은, 평균 입경이 0.5~3㎜, 바람직하게는 0.7~3㎜, 더 바람직하게는 0.8~3㎜, 특히 바람직하게는 1~2.5㎜이다. 또한, 본 발명의 붕소 분말에 있어서, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도는 0.3ppmw 이하, 바람직하게는 0.2ppmw 이하, 더 바람직하게는 0.1ppmw 이하이다. 본 발명의 붕소 구조체를 파쇄함으로써, 소망의 입경을 가지고, 금속 불순물 농도가 낮은 붕소 분말을 간편하게 얻을 수 있다. 또한, 붕소 분말의 평균 입경은 체에 의해서 구한 중간 지름이다.
상기 평균 입경의 범위는, 도핑제로서 요구되는 바람직한 입경이며, 이러한 입경은 붕소 구조체의 파쇄 정도에 따라 조정할 수 있다. 상기 파쇄에 있어서, 본 발명의 붕소 구조체는 파쇄가 매우 용이하기 때문에, 파쇄 장치와의 적은 접촉에 의해 목적으로 하는 입경의 붕소 분말을 얻는 것이 가능하다. 그러므로, 붕소 구조체의 분쇄물로 할 때, 붕소 입자의 심부까지 금속 오염이 미치는 일은 없고, 금속 불순물 농도가 극히 낮게 억제될 수 있다. 게다가, 상기한 바와 같이 순도가 극히 높은 붕소 구조체를 파쇄함으로써, 금속 불순물 농도가 극히 낮은 붕소 분말을 얻을 수 있다.
종래, 붕소 막대 모양체를 파쇄하여 상기 평균 입경으로 한 붕소 분말은 알려져 있지만, 이러한 분말은 파쇄에 의한 오염이 현저하여, 도저히 본 발명의 목적으로 하는 순도를 달성할 수는 없다. 따라서, 상기 평균 입경을 가지면서 금속 불순물량을 저감한 붕소 분말은, 본 발명에 의해 처음으로 제공된 것이라고 할 수 있다.
붕소 분말의 금속 불순물은, 상기 붕소 구조체의 제조시에 혼입되는 벌크 오염과, 붕소 분말을 파쇄할 때에 혼입되는 표면오염으로 대별된다. 여기서, 벌크 오염이란, 붕소 구조체 제조시의 주변 장치나 환경, 또는 원료 등에 기인하는 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리 외에, 붕소 석출시에 금속 기체로서 사용하는 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴, 니오븀, 티타늄 등에서 유래하는 오염을 포함한다. 또한, 표면오염이란, 주로 파쇄공구에서 유래하는 금속오염으로, 철, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴 등이다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 붕소 분말에서는, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 합계가 5ppmw 이하, 바람직하게는 4ppmw 이하, 더 바람직하게는 2ppmw 이하이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 붕소 분말에서는, 상기 이외의 금속도 실질적으로 포함되지 않고, 모두 0.3ppmw 이하, 더 바람직하게는 0.2ppmw 이하, 특히 바람직하게는 검출 한계인 0.1ppmw 이하이다.
본 발명의 붕소 분말은, 이와 같이 낮은 금속 불순물 농도를 가짐으로써, 상기한 도핑제로서 사용했을 경우, 해당 금속 불순물에 의한 결함을 효과적으로 방지할 수 있다.
붕소 구조체의 분쇄에 의해 붕소 분말을 제조할 때에는, 붕소 구조체의 두께 방향의 세분화가 우선적으로 일어난다. 즉, 두께가 5㎜ 이하이기 때문에, 붕소 구조체의 표면(성장면)에서부터 이면(금속 기체에 접촉하고 있던 면)을 향해 균열이 발생하여 파쇄된다. 이 때문에, 붕소 구조체의 내부에서의 파괴는 적고, 붕소 분말을 구성하는 입자는 대향하는 두 면(즉, 붕소 구조체의 표면(성장면) 및 이면(금속 기체에 접촉하고 있던 면))을 남긴 상태로 얻어지는 경우가 많다. 붕소 구조체의 표면(성장면) 및 이면(금속 기체에 접촉하고 있던 면)은 모두 평활성이 높고, 파단면과는 분명히 표면 상태가 다르다. 본 발명의 바람직한 붕소 분말에서는, 50질량% 이상의 입자가 붕소 구조체의 평활면을 남긴 상태인 것이다. 평활면은 파단면에 비해 불순물의 부착이 적기 때문에, 본 발명의 붕소 분말은 통상의 파쇄분에 비해 표면오염이 저감된다.
붕소 구조체는 비교적 쉽게 파쇄할 수 있기 때문에, 파쇄시에 과도한 충격을 가하는 일 없이, 소망의 입경의 붕소 분말을 얻을 수 있다. 또한, 파쇄시에 미분이 발생하는 경우도 있지만, 그 생성량은 적다. 바람직한 양태에서는, 파쇄 직후의 붕소 분말에 있어서, 입경이 0.5㎜ 미만인 미분의 비율은 40질량% 이하, 더 바람직하게는 20질량% 이하이다. 또한, 바람직한 양태에서는, 파쇄 직후의 붕소 분말에 있어서, 전체 분말의 60질량% 이상, 바람직하게는 80질량% 이상이 입경 0.5~3㎜의 범위에 있다. 따라서, 붕소 분말은 파쇄 후에 더 체분할 필요가 없이, 도핑제로 사용할 수 있다. 또한, 입경 0.5㎜ 미만의 미분을 제거하기 위해서 체분(篩分)을 수행해도 된다. 또한, 입경이 3㎜를 초과하는 분말에 대해서는, 다시 분쇄를 수행하여 0.5~3㎜의 분말을 얻어도 된다.
(붕소 구조체 및 분말의 제조방법)
본 발명의 붕소 구조체의 제조방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 대표적인 제조방법으로서, 가열된 금속 기체에 BX3(X는 염소, 브롬, 요오드이며, 불소는 포함되지 않는다.)로 표시되는 할로겐화 붕소를 수소와 함께 공급하여 할로겐화 붕소를 수소환원하여, 상기 금속 기체 상에 붕소를 석출시키는 방법에 있어서, 금속 기체 상에 석출시키는 붕소의 두께를 0.8~5㎜, 바람직하게는 1~3㎜가 되도록 조정하고, 석출 종료 후, 금속 기체를 제거하는 방법을 들 수 있다. 또한, 붕소 분말은 상기에서 얻어진 붕소 구조체를 파쇄함으로써 얻을 수 있다. 또한, 고순도의 붕소를 얻는 관점에서, 원료가스인 할로겐화 붕소 및 수소는 모두 고순도로 정제된 가스를 사용하는 것이 바람직하고, 6N 이상의 정제 가스를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
상기 금속 기체로는, 금속 심선, 금속판의 형태가 일반적이다. 또한, 재질로서는, 그의 표면에 석출하는 붕소로의 확산이 적은, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴, 니오븀, 티타늄 등의 금속이 적합하게 사용된다. 상기 금속 심선을 사용하는 경우, 그의 지름은 1.5㎜ 이상, 바람직하게는 2~5㎜, 더욱 바람직하게는 2~3㎜인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 상기 지름이 작을수록 관 모양체로서 얻어지는 붕소 구조체의 내경이 작아지고, 붕소 구조체가 치밀해져 파쇄가 어려워지는 경향이 있다. 상기 금속 심선의 길이는 특별히 제한되지 않지만, 취급성에서 0.2~1m 정도가 권장된다. 한편, 금속판을 채용하는 경우, 그의 두께는 강도와 후술하는 제거의 용이성을 감안하면, 0.1~1㎜ 정도가 바람직하고, 면적은 취급상 0.01~1㎡ 정도가 권장된다. 이들 금속 기체의 표면은 청정한 것이 바람직하고, 석출반응 전에 세척, 에칭, 열처리 등을 실시해도 된다.
또한, 금속 기체의 가열은, 통전(通電) 가열, 고주파 가열 등의 공지의 가열 방식이, 금속 기체의 형상에 따라 채용된다. 구체적으로는, 상기 금속 심선을 사용하는 경우, 통전 가열이 적합하며, 한 쌍의 전극에 금속 심선의 각 단부를 접속하여 통전함으로써 금속 심선의 가열을 수행할 수 있다.
상기 금속 기체의 가열온도는, 할로겐화 붕소 및 수소의 존재 하에 수소환원반응이 일어나는 온도로 설정된다. 구체적으로는, 800~1400℃가 적합하다. 반응시간은 소망의 두께의 붕소 구조체를 얻을 수 있는 시간이면 된다. 또한, 원료가스의 공급량을 증대함으로써, 붕소 구조체의 석출 속도를 증가시킬 수도 있다.
또한, 금속 기체로의 할로겐화 붕소 및 수소의 공급은, 가스 공급구와 가스 배출구를 가지는 밀폐 용기에 상기 금속 기체를 수용하고, 가스 공급구로부터 할로겐화 붕소 및 수소를 공급하는 것에 의해 수행하는 방법이 적합하다. 공급된 할로겐화 붕소 및 수소는 밀폐용기 내에서 가열된 금속 기체와 접촉하여, 그 표면에 붕소를 석출한다. 또한, 반응 후의 배기가스는, 상기 가스 배출구로부터 배출된다. 금속 기체가 금속 심선인 경우, 이러한 밀폐용기로는, 실리콘의 석출에 있어서 사용되고 있는 벨자르(bell jar) 구조가 적합하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 방법에 있어서, 할로겐화 붕소 및 수소의 공급 비율은, H2/BX3 몰비로 2~10이 일반적이다.
할로겐화 붕소의 수소 환원에 의해 붕소를 석출함으로써, 밀도가 2.2g/㎤ 이상인 치밀한 상기 붕소 구조체를 얻을 수 있다. 치밀한 붕소 구조체를 얻는데 있어서는, 반응 온도는 1200℃이상이며, 또한 붕소 구조체의 두께를 0.8㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 반응온도가 높아지고, 또한 붕소 구조체의 두께가 두꺼워지면, 금속 기체에서 유래하는 불순물량이 증대될 수 있기 때문에 주의를 요한다.
본 발명의 붕소 구조체에 있어서, 동위원소인 11B 비율을 95질량% 이상으로 조정하는 방법으로는, 원료인 할로겐화 붕소 중의 11B 동위체의 비율을 공지의 화학교환법에 의해 높이는 방법을 들 수 있다. 11B 동위체의 비율이 천연비율의 80.1질량%인 BF3와 아니솔 (C6H5OCH3)의 에테르 착체를 형성시켜, 이것과 BF3의 화학교환반응(10BF3+11BF3·C6H5OCH3 ⇔ 11BF3+10BF3·C6H5OCH3)과 증류를 조합시킨 반응증류탑에 의해 11B의 비율을 증가시켜서, 11B 동위체 비율이 95질량% 이상인 BF3를 제조할 수 있다. 이 BF3를 가스화 하여, 다른 용기에서 승화시킨 AlX3(X는 Cl, Br, I) 가스와 반응시키는(BF3+AlX3→BX3+AlF3) 것에 의해, 11BX3가 농축된 할로겐화 붕소를 제조할 수 있다. 그 후, 증류 정제하여 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.1ppmw 이하이며, 11B 동위체 비율이 95질량% 이상인 할로겐화 붕소 원료로 한다. 또한, 11B 동위체 비율은, 전체 붕소에 대한 11B의 비율을 말한다.
붕소를 석출 후, 금속 기체를 제거하는 방법은, 특별히 제한되지 않지만, 무수메탄올과 브롬으로 이루어진 처리액에 의해 금속 기체를 용출시켜 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 처리액의 더 구체적인 예는, 일본 특공소56-49852호 공보에 기재되어 있다. 이러한 금속 기체의 제거 조작에 있어서, 붕소 구조체의 표면도 청정화되지만, 필요에 따라서 불산, 질산 등의 에칭액에 의한 청정화 처리, 순수에 의한 세척 등의 청정화 처리를 수행해도 된다.
붕소 구조체는 적당한 두께를 가지고 있기 때문에 분쇄가 쉽고, 적은 분쇄 에너지로 분쇄할 수 있어, 분쇄에 따른 심부로의 오염을 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 분쇄 수단으로는, 공지의 수단이 특별히 제한 없이 채용된다. 구체적으로는, 인력에 의한 해머를 사용한 파쇄, 스탬프 밀 등을 사용한 기계 파쇄가 일반적이지만, 파쇄와의 접촉시의 마찰이 적은 해머에 의한 수동 파쇄가, 얻어지는 붕소 분말의 오염이 보다 저감되어 바람직하다. 상기 분쇄는 평균 입경이 0.5~3㎜, 바람직하게는 1~2.5㎜가 될 때까지 수행된다. 해머 머리부분의 재질은, 특별히 한정되지는 않지만, 붕소 분말의 오염을 저감하는 관점에서 텅스텐이나 몰리브덴 등으로 이루어지는 초경공구여도 되고, 또한 스테인리스강, 탄소강 등의 통상의 해머여도 된다.
또한, 상기 분쇄 후, 필요에 따라서, 불산, 질산 등의 에칭액에 의한 청정화 처리, 순수에 의한 세척 등의 청정화 처리를 수행해도 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 붕소 구조체는 파쇄가 용이하며, 파쇄 장치와의 적은 접촉으로 목적으로 하는 입경으로까지 분쇄할 수 있다. 그러므로, 오염이 심부에까지 도달하지 않기 때문에, 필요에 따라서, 상기 청정화 처리를 수행함으로써 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.3ppmw 이하인 붕소 분말을 얻는 것이 가능하다.
실시예
본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위해, 이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예, 비교예에서, 붕소 구조체의 두께, 금속 불순물 농도, 밀도, 11B 동위체의 비율 및 붕소 분말의 평균 입경, 금속 불순물 농도, 입경이 0.5mm 미만인 미분의 비율은 이하와 같이 평가하였다.
(붕소 구조체의 두께)
금속 심선을 제거한 후의 관 모양의 붕소 구조체에 있어서, 관내 벽면(금속 심선에 접해 있던 면)과 관외 벽면(성장면)과의 거리를, 노기스를 이용하여 측정하였다. 5점 이상을 측정하고, 그의 최대치를 붕소 구조체의 두께로 하였다.
(붕소 구조체의 금속 불순물 농도)
붕소 구조체로부터 약 1g을 취출하여 질산에 용해하였다. 붕소를 전용해시킨 용액 중의 금속 농도(티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀)를 ICP-MS에 의해 측정하였다.
(붕소 구조체의 밀도)
아르키메데스법에 따라 구하였다.
(붕소 구조체의 11B 동위체의 비율)
붕소 구조체로부터 얻어진 분말을 질량분석계로 측정하여, 11B와 10B의 비율을 구하였다.
(붕소 분말의 평균 입경)
체에 의해 분립하고, 히스토그램을 작성하여 입자의 부피의 누계로부터 중간 지름을 구하였다.
(붕소 분말의 금속 불순물 농도)
붕소 구조체와 동일하게 하여 측정하였다. 또한, 파쇄시에는 머리부분이 스테인리스제인 해머를 이용하였다.
(붕소 분말 중의 입경 0.5㎜ 미만인 미분의 비율)
붕소를 석출 후, 금속 심선을 제거한 후의 붕소 구조체의 중량에 대한 입경 0.5㎜ 미만의 미분의 중량 비율을 구하였다.
(실험예 1)
실험예 1-1
바닥부의 지름이 30㎝, 직동부의 높이가 30㎝, 바닥판에서부터 천장부까지의 높이가 50㎝인 벨자르형 반응기를 준비하였다. 지름 2㎜, 길이 200㎜의 텅스텐 심선을 반응기 내에 역U자형이 되도록 세워서 설치하였다. 반응기 내의 공기를 질소로 치환하고, 그 후 수소로 치환하였다. 심선을 통전 가열하여 1200℃로 가열해 두고, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.1ppmw 이하인 시판되는 BCl3와 H2를 H2/BCl3 몰비로 5가 되도록 혼합한 가스를 매분 10리터로 흘려보내어, 텅스텐 선상에 소정의 두께까지 붕소층을 형성시켰다. 얻어진 붕소 로드를 꺼내어, 무수 메탄올과 브롬으로 이루어진 처리 액(브롬 농도: 200g-브롬/리터)을 이용하여 심선 부분을 제거하여, 관 모양의 붕소 구조체를 얻었다. 구조체는 결정성 붕소로 이루어지고, 그의 두께, 금속 불순물 농도, 밀도를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 이 구조체를, 해머(스테인리스제)를 이용하여 수작업으로 파쇄하여 붕소 분말을 얻었다. 이 분말을 질산과 불산의 혼합액으로 세척한 후, 수세하고 건조시켰다. 얻어진 붕소 분말의 일부를 분취하여, 평균 입경, 금속 불순물 농도, 입경이 0.5㎜ 미만인 미분의 비율을 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
실험예 1-2~1-5
붕소의 석출 시간을 변경하고, 붕소 구조체의 두께를 변경하였다. 각 실험예에 있어서의 붕소 구조체의 두께, 금속 불순물 농도, 밀도를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 얻어진 붕소 구조체를 실험예 1-1과 동일하게 해서 분쇄, 세척하였다. 얻어진 붕소 분말의 일부를 분취하여, 평균 입경, 금속 불순물 농도, 입경이 0.5㎜ 미만인 미분의 비율을 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 표 1 및 표 2로부터, 붕소 구조체의 두께가 0.8~5㎜의 범위에 있으면, 이것을 분쇄함으로써, 평균 입경이 0.5~3㎜의 범위에 있고, 미분이 적고, 순도가 높은 붕소 분말을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실험번호 1-1 및 1-5는 비교예이다. 붕소 구조체의 두께가 얇으면(실험번호 1-1), 분쇄시에 과도하게 세분화되어 소망하는 입경의 붕소 분말을 얻을 수 없다. 또한, 붕소 구조체의 두께가 두꺼우면(실험번호 1-5), 주변기기나 심선에서 유래하는 불순물이 다량으로 혼입되고, 또한 분쇄가 어렵기 때문에, 해머에서 유래하는 불순물이 혼입되고, 분말의 입경도 지나치게 커지게 된다.
(실험예 2)
실험예 2-1~2-5
텅스텐 심선을 탄탈럼 심선으로 변경한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 수행하였다. 각 실험예에 있어서의 붕소 구조체의 두께, 금속 불순물 농도, 밀도를 표 1에 나타낸다. 또한, 붕소 분말의 평균 입경, 금속 불순물 농도, 입경이 0.5㎜ 미만인 미분의 비율을 표 2에 나타낸다. 표 1, 표 2로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 붕소 구조체의 두께와 붕소 분말의 금속 불순물 농도의 관계는, 텅스텐 심선을 이용한 경우와 동일한 경향을 나타내었다. 또한, 실험번호 2-1 및 2-5는 비교예이다.
(실험예 3)
시판되는 11B 동위체의 비율이 천연비율의 80.1질량%인 BF3와 아니솔(C6H5OCH3)의 에테르 착체를 형성시키고, 이것과 BF3와의 화학교환 반응과 증류를 수행하는 반응 증류탑에 의해 11B의 비율이 풍부한 BF3를 농축하였다.
얻어진 BF3를 질량분석계로 11B의 비율을 측정한 결과, 11B의 비율이 97질량%였다. 이 BF3를 가스화하여, 승화시킨 AlCl3 가스와 함께 몰비가 1:1이 되도록 유량 조정하여 250℃로 가열된 용기에 투입하여 기상 반응시켜 BCl3를 얻었다. 이렇게 해서 얻어진 BCl3를 질량분석계로 11B의 비율을 측정했더니, 11B의 비율이 97질량%였다.
이 BCl3를 실험예 1-1과 동일하게 수소 환원하여 붕소 구조체를 형성시켰다. 얻어진 붕소 구조체는 결정성 붕소이고, 밀도는 2.37g/㎤이었다. 그 구조체로부터 얻어진 분말을 질량분석계로 11B와 10B의 비율을 측정했더니, 11B가 97질량%였다. 2㎜ 두께의 붕소 구조체로부터, 입경 범위가 0.8~2.5㎜이고 평균 입경이 1.6㎜인 붕소 분말이 붕소 구조체에 대해 94%의 수율로 얻어졌다. 붕소 분말 중 Ti, Al, Fe, Cr, Ni, Co, Cu, W, Ta, Mo, Nb의 농도는 모두 검출한계인 0.1ppmw 이하였다.
Claims (11)
- 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.1ppmw 이하인 붕소로 이루어지고, 두께가 0.8~5㎜인 붕소 구조체.
- 제1항에 있어서,
관 모양인 붕소 구조체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
밀도가 2.2g/㎤ 이상인 붕소 구조체. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
붕소의 동위원소인 11B의 비율이 95질량% 이상인 붕소 구조체. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 붕소 구조체의 파쇄물이고, 평균 입경이 0.5~3㎜, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.3ppmw 이하인 붕소 분말.
- 제5항에 있어서,
티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.2ppmw 이하인 붕소 분말. - 평균 입경이 0.5~3㎜, 티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.3ppmw 이하인 붕소 분말.
- 제7항에 있어서,
티타늄, 알루미늄, 철, 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 탄탈럼, 몰리브덴 및 니오븀의 각 농도가 0.2ppmw 이하인 붕소 분말. - 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 입경이 0.7㎜ 이상인 붕소 분말.
- 제9항에 있어서,
평균 입경이 0.8㎜ 이상인 붕소 분말. - 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 입경이 0.5㎜ 미만인 붕소 미분의 함유량이 40질량% 이하인 붕소 분말.
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