KR20200078415A - Aluminium nitride Ceramic Precursor and Method for Preparing the Aluminium nitride Ceramic - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화알루미늄 세라믹 전구체 및 이를 이용하여 질화알루미늄 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것으로, 유기용매에 대한 용해도가 뛰어나 복잡한 형상의 세라믹의 성형이 가능하고 높은 세라믹 수율로 인한 우수한 치밀화를 나타내는 전구체를 이용하여 우수한 물성 및 낮은 온도에서도 질화알루미늄 결정이 형성되는, 질화알루미늄 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum nitride ceramic precursor and a method of manufacturing an aluminum nitride ceramic using the same, which is excellent in solubility in an organic solvent, and can form a complex shaped ceramic, and uses a precursor that exhibits excellent densification due to high ceramic yield. Therefore, it relates to a method of manufacturing an aluminum nitride ceramic in which aluminum nitride crystals are formed even at excellent properties and at a low temperature.
질화알루미늄(AIN)은 열전도도 및 전기절연성이 알루미나보다 우수한 반도체 물질로, 비산화물계 세라믹 소재이다. 질화알루미늄은 열팽창계수가 Si 웨이퍼와 비슷하며, 기계적 강도가 우수하여, 방열기판이나 부품에 응용되고 있다. 반도체장치용 질화알루미늄 부품, 금속박막접착 질화알루미늄기판, LED용 방열기판, 고출력 Si 장치용 방열판, 화합물반도체용 기판, 레이저소자용 기판, 하이브리드자동차 전원제어용 기판 등에 이용되고 있다.Aluminum nitride (AIN) is a semiconductor material that is superior in thermal conductivity and electrical insulation to alumina, and is a non-oxide-based ceramic material. Aluminum nitride has a coefficient of thermal expansion similar to that of a Si wafer, and has excellent mechanical strength, and has been applied to heat dissipation substrates and components. It is used in aluminum nitride components for semiconductor devices, metal thin film adhesive aluminum nitride substrates, heat dissipation substrates for LEDs, heat dissipation plates for high-power Si devices, substrates for compound semiconductors, substrates for laser devices, and substrates for power control for hybrid vehicles.
질화알루미늄은 알루미늄을 질소 하에서 열처리하여 직접질화법으로 제조하거나, 질소 하에서 알루미나와 carbon의 탄화환원질화반응에 의해 제조하거나, AlCl3, 알킬알루미늄 등을 암모니아에서 기상반응 하여 제조되고 있다.Aluminum nitride is produced by heat treatment of aluminum under nitrogen by a direct nitriding method, or by carbonization reduction nitration reaction of alumina and carbon under nitrogen, or by vapor phase reaction of AlCl 3 and alkyl aluminum with ammonia.
질화알루미늄은 고온 고강도 재료로서 뿐 아니라 높은 열전도 특성으로 인하여 기존의 알루미나 전자회로 기판을 대신할 수 있는 신소재로서 기대되고 있다. 그러나 그 물리적 특성에 대한 기대치에도 불구하고 AlN 분말이 1,600 ℃ 이상의 고온에서 제조되는 만큼, 성형이 어렵고 코팅, 세라믹 섬유와 같이 다양한 용도로서 적용되는데 한계가 있다. 특히 질화알루미늄 코팅과 관련하여 가장 일반적인 방법은 CVD와 같은 화학증착법인데, 암모니아 분위기에서 금속알루미늄을 원료물질로 사용하기도 하지만 single source로 저분자량의 alkylaluminum imide 등을 사용하기도 한다. 이 경우 원료물질이 대기 중에서 불안정하여 위험성이 따르기도 하며, 생성물인 질화알루미늄의 Al/N이 화학 양론적으로 일치하기가 어렵다.Aluminum nitride is expected not only as a high-temperature high-strength material, but also as a new material that can replace the existing alumina electronic circuit board due to its high thermal conductivity properties. However, despite the expectation for its physical properties, AlN powder is manufactured at a high temperature of 1,600°C or higher, so it is difficult to mold and is limited in application to various uses such as coating and ceramic fiber. In particular, the most common method related to aluminum nitride coating is chemical vapor deposition, such as CVD. Metal aluminum is used as a raw material in an ammonia atmosphere, but low molecular weight alkylaluminum imide is used as a single source. In this case, the raw material is unstable in the atmosphere, and there are risks, and it is difficult to stoichiometrically match the Al/N of aluminum nitride as a product.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 금속 원소가 안정되어 작업 안정성을 확보할 수 있고, 용융 및 용해가 가능하여 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능한 질화알루미늄 세라믹을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above-mentioned general problems, and the object of the present invention is to stabilize the metal elements to ensure work stability, and to melt and dissolve, enabling the formation of complex shaped ceramics. It is to provide an aluminum nitride ceramic.
한편으로, 본 발명은On the one hand, the present invention
(i) 알루미늄 화합물 및 아민 함유 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 화합물로 표시되는 질화알루미늄 세라믹 전구체의 모노머를 제조하는 단계;(i) reacting an aluminum compound and an amine-containing compound to prepare a monomer of an aluminum nitride ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 below;
(ii) 상기 모노머로부터 중합(polymerization) 반응에 의하여 새장 구조(cage structure)로 성장하게 되는 고분자 상태의 질화알루미늄 세라믹 전구체를 제조하는 단계;(ii) preparing a polymerized aluminum nitride ceramic precursor that is grown in a cage structure by a polymerization reaction from the monomer;
(iii) 상기 질화알루미늄 세라믹 전구체를 열처리하는 단계; 및(iii) heat-treating the aluminum nitride ceramic precursor; And
(iv) 상기 열처리된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 상기 열처리하는 단계의 온도 이상의 온도로 재열처리하여 질화알루미늄 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 세라믹의 제조방법을 제공한다.(iv) reheating the heat-treated aluminum nitride ceramic precursor to a temperature equal to or higher than the temperature of the heat-treating step, thereby converting the aluminum nitride ceramic precursor into an aluminum nitride ceramic.
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서 R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.In the above formula, R 1, R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
본 발명의 일 실시형태에서, 새장 구조로 성장하게 되는 질화알루미늄 세라믹 전구체는 아래 화학식 2 내지 6의 화합물과 같은 입체구조로 표시되는 것을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the aluminum nitride ceramic precursor that is grown in a cage structure includes those represented by three-dimensional structures such as the compounds of Formulas 2 to 6 below.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기 식에서,In the above formula,
R1, R2 및 R3 는 각각 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.R 1, R 2 and R 3 are each hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
본 발명의 일 실시형태에서, (iii) 단계가 질소 분위기에서 이루어지고, 열처리 온도는 적어도 1,000 ℃ 내지 1,850 ℃ 인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 세라믹의 제조방법이 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, step (iii) is performed in a nitrogen atmosphere, and the heat treatment temperature may be provided in a method of manufacturing an aluminum nitride ceramic, characterized in that at least 1,000 °C to 1,850 °C.
본 발명의 일 실시형태에서, (iii) 단계가 암모니아 분위기에서 이루어지고, 열처리 온도는 적어도 500 ℃ 내지 1,300 ℃ 인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 세라믹의 제조방법이 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, step (iii) is performed in an ammonia atmosphere, and the heat treatment temperature may be provided in a method of manufacturing an aluminum nitride ceramic, characterized in that at least 500 °C to 1,300 °C.
본 발명의 일 실시형태에서, (i) 단계에서 상기 아민 함유 화합물은 아세토니트릴(acetonitrile), 프로피오니트릴(propionitrile), 부티로니이트릴(butyronitrile), 트리메틸아세토니이트릴(trimethylacetonitrile), 발레로니트릴(valeronitrile) 등을 포함하는 시아나이드 (cyanide)계 화합물으로부터 선택된 1종일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step (i), the amine-containing compound is acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, trimethylacetonitrile, valeronitrile ( valeronitrile) and the like, and may be one selected from cyanide-based compounds.
본 발명의 일 실시형태에서, (ii) 단계에서 질화알루미늄 세라믹 전구체의 세라믹 수율은 50% 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ceramic yield of the aluminum nitride ceramic precursor in step (ii) may be 50% or more.
본 발명의 일 실시형태에서, (iv) 단계에서 재열처리 반응은 열분해와 결정화로 나누어 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reheating reaction in step (iv) may be performed by dividing into thermal decomposition and crystallization.
본 발명의 일 실시형태에서, (iv) 단계에서 열처리 반응은 1회 이상 반복 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment reaction in step (iv) may be repeated one or more times.
본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체는 낮은 열처리 온도에서도 질화알루미늄 결정이 형성되며, 질화알루미늄 결정이 뚜렷하게 관찰되는 효과가 있다.In the aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention, aluminum nitride crystals are formed even at a low heat treatment temperature, and aluminum nitride crystals are clearly observed.
또한, 본 발명에 의한 질화알루미늄 세라믹 전구체는 알루미늄 금속 원소가 안정화되어 작업 안정성을 확보할 수 있으며, 용융 및 용해가 가능하여 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능한 효과가 있다.In addition, the aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention has the effect that the aluminum metal element is stabilized to ensure work stability, and it is possible to melt and dissolve to form a complex shaped ceramic.
또한, 질화알루미늄 세라믹 전구체는 액상의 수득물이 아닌 분말형상의 수득물을 얻기에 용이하고, 열안정성이 확보되고, 열분해 수율이 현저히 높아져 50 % 이상의 세라믹 수율을 갖는 효과가 있다.In addition, the aluminum nitride ceramic precursor is easy to obtain a powdery product rather than a liquid product, thermal stability is secured, and the thermal decomposition yield is remarkably high, which has an effect of having a ceramic yield of 50% or more.
도 1은 본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체 모노머로부터 축합반응하여 형성된 고분자 전구체로 분자량이 낮아 액상으로 형성된 수득물(좌)과 높은 분자량으로 인하여 분말 형상으로 얻어진 수득물(우)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체의 온도에 따른 고체를 나타내는 중합상태와 유기용매에 대한 용해도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체의 과중합상태이며 유기용매에 대한 낮은 용해도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체의 질소 분위기의 열분석 결과로 중합도에 따라 달라지는 열안정성과 세라믹 수율을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 질소 분위기에서 1,100 ℃ 열처리하여 수득된 질화알루미늄 분말을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 질소 분위기에서 열처리하여 수득된 질화알루미늄의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 암모니아 분위기에서 1,000 ℃ 열처리하여 수득된 질화알루미늄 분말을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 암모니아 분위기에서 열처리하여 수득된 질화알루미늄의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 질화알루미늄 코팅 시편과 단면을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 질화알루미늄 코팅 시편의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a polymer precursor formed by condensation reaction from an aluminum nitride ceramic precursor monomer according to the present invention, showing a product having a low molecular weight (left) and a product obtained in powder form due to high molecular weight (right).
2 is a graph showing the results of FT-IR analysis of an aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention.
Figure 3 shows the polymerization state and the solubility in the organic solvent showing a solid according to the temperature of the aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention.
Figure 4 is a super-polymerization state of the aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention shows a low solubility in an organic solvent.
Figure 5 shows the thermal stability and the ceramic yield, which varies depending on the degree of polymerization as a result of thermal analysis of the nitrogen atmosphere of the aluminum nitride ceramic precursor prepared by the present invention.
Figure 6 shows the aluminum nitride powder obtained by heat treatment of an aluminum nitride ceramic precursor prepared by the present invention in a nitrogen atmosphere at 1,100 ℃.
7 is a graph showing the results of XRD analysis of aluminum nitride obtained by heat treatment of an aluminum nitride ceramic precursor prepared by the present invention in a nitrogen atmosphere.
Figure 8 shows the aluminum nitride powder obtained by heat treatment of an aluminum nitride ceramic precursor prepared by the present invention at 1,000 ℃ in an ammonia atmosphere.
9 is a graph showing the results of XRD analysis of aluminum nitride obtained by heat treatment of an aluminum nitride ceramic precursor prepared by the present invention in an ammonia atmosphere.
10 shows a cross section and an aluminum nitride coated specimen prepared according to the present invention.
11 is a graph showing XRD analysis results of an aluminum nitride coated specimen prepared according to the present invention.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 질화알루미늄 세라믹 전구체 및 이를 이용한 질화알루미늄 세라믹의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.With reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the aluminum nitride ceramic precursor according to embodiments of the present invention and a method of manufacturing an aluminum nitride ceramic using the same. The present invention may be variously modified and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure form, it should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged than actual ones for the sake of clarity of the present invention, or reduced in scale than actual ones in order to understand a schematic configuration.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Further, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. On the other hand, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
PDC(polymer derived ceramics)란 고분자 특성을 가지는 무기고분자를 출발물질로 하여 성형하고, 이의 성형체를 열처리함으로써 세라믹 성형물을 제조하는 기술이다. 대다수의 무기화합물은 용해 및 용융이 불가능한 고체상이나 유기물과 complex를 이루는 유기금속 화합물의 경우 용해 및 용융이 가능해진다.PDC (polymer derived ceramics) is a technology for forming a ceramic molded product by molding an inorganic polymer having polymer characteristics as a starting material and heat-treating the molded body. Most inorganic compounds can be dissolved and melted in the case of a solid phase that cannot be dissolved and melted, or in the case of an organometallic compound complexed with an organic material.
침지 또는 스핀 코팅에 적합한 세라믹 전구체(또는 preceramic polymer)를 제조하기 위하여, Diisobutylaluminum hydride와 acetonitrile을 출발물질로 하고 반응 온도 및 시간 변화를 통해 고분자화 여부를 확인한다.In order to prepare a ceramic precursor (or preceramic polymer) suitable for immersion or spin coating, Diisobutylaluminum hydride and acetonitrile are used as starting materials, and the polymerization temperature is checked by changing the reaction temperature and time.
diisobutylaluminum hydride(diBAl-H)를 유기용매에 용해시키고, acetonitrile을 톨루엔에 용해시킨다. 이후 ice bath에서 용액에 혼합물을 적하하고 상온이 될 때까지 교반상태를 유지한다. 혼합물에 환류관을 장착하고 환류를 유지한다. 진공상태 및 일정 온도에서 용매를 제거한다. 이후 단계적으로 온도를 상승시켜 일정 시간 동안 반응시킨다.Diisobutylaluminum hydride (diBAl-H) is dissolved in an organic solvent, and acetonitrile is dissolved in toluene. Thereafter, the mixture is added dropwise to the solution in an ice bath, and the stirring state is maintained until room temperature is reached. Attach the reflux tube to the mixture and maintain reflux. The solvent is removed under vacuum and constant temperature. Subsequently, the temperature is gradually increased to react for a certain period of time.
Al은 13족 원소로 아민계 물질과는 Lewis acid base reaction에 의하여 화합물을 형성한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체를 제조하기 위한 모노머(monomer)는, 하기 화학식 1의 화합물로 표시될 수 있다.Al is a group 13 element and forms a compound with an amine-based material by Lewis acid base reaction. A monomer for preparing an aluminum nitride ceramic precursor according to an embodiment of the present invention may be represented by a compound of Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서 R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다. 본 명세서에서 사용되는 C1 내지 C6의 알킬기는 탄소수 1 내지 6개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 1가 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.In the above formula, R 1 , R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group. As used herein, the C 1 to C 6 alkyl group means a straight chain or branched monovalent hydrocarbon composed of 1 to 6 carbon atoms, for example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl , n-pentyl, n-hexyl, and the like.
상기 질화알루미늄 세라믹 전구체를 제조하기 위한 모노머 기본 구조에서, 반응온도 100 ℃ 내지 200 ℃ 범위에서 중합 반응에 의하여 다음과 같은 새장 구조(cage structure)를 형성할 수 있다.In the basic structure of the monomer for preparing the aluminum nitride ceramic precursor, the following cage structure may be formed by a polymerization reaction at a reaction temperature of 100°C to 200°C.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기와 같이 고분자화가 진행되면 대기 중에서 매우 불안정하여 쉽게 발화되는 기본구조와 달리, 금속 원소가 안정화되어 작업 안정성을 확보할 수 있으며, 열안정성과 세라믹 수율이 향상되고, 일부 구조는 용융 및 용해가 가능하여 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능하다.Unlike the basic structure, which is highly unstable in the atmosphere and easily ignites when the polymerization proceeds as described above, metal elements are stabilized to ensure work stability, thermal stability and ceramic yield are improved, and some structures can be melted and dissolved. Thus, it is possible to form a complex shaped ceramic.
Al, N과의 cage opening reaction에 의한 반응 메커니즘은 J ceram soc jap 2006, 114, 563-566에 공지되어 있다..The reaction mechanism by cage opening reaction with Al and N is known from J
[반응식 1][Scheme 1]
본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄 세라믹은 모노머 상태의 알루미늄-아민계 화합물을 고분자화시켜 안정적인 조건에서 용융 및 용해가 가능한 질화알루미늄 세라믹 전구체로 제조되는 것을 포함한다.The aluminum nitride ceramic according to an embodiment of the present invention includes polymerizing an aluminum-amine-based compound in a monomer state to produce an aluminum nitride ceramic precursor capable of melting and dissolving under stable conditions.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체를 이용한 질화알루미늄 세라믹의 제조방법은 다음을 포함한다.A method of manufacturing an aluminum nitride ceramic using an aluminum nitride ceramic precursor according to an embodiment of the present invention includes the following.
(i) 알루미늄 화합물 및 아민 함유 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 화합물로 표시되는 질화알루미늄 세라믹 전구체의 모노머를 제조하는 단계;(i) reacting an aluminum compound and an amine-containing compound to prepare a monomer of an aluminum nitride ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 below;
(ii) 상기 모노머로부터 중합(polymerization) 반응에 의하여 새장 구조(cage structure)로 성장하게 되는 고분자 상태의 질화알루미늄 세라믹 전구체를 제조하는 단계;(ii) preparing a polymerized aluminum nitride ceramic precursor that is grown in a cage structure by a polymerization reaction from the monomer;
(iii) 상기 질화알루미늄 세라믹 전구체를 열처리하는 단계; 및(iii) heat-treating the aluminum nitride ceramic precursor; And
(iv) 상기 열처리된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 상기 열처리하는 단계의 온도 이상의 온도로 재열처리하여 질화알루미늄 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 세라믹의 제조방법:(iv) reheating the heat-treated aluminum nitride ceramic precursor to a temperature equal to or higher than the temperature of the heat-treating step, thereby converting the aluminum nitride ceramic precursor into an aluminum nitride ceramic;
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서 R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다. 본 명세서에서 사용되는 C1 내지 C6의 알킬기는 탄소수 1 내지 6개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 1가 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.In the above formula, R 1 , R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group. As used herein, the C 1 to C 6 alkyl group means a straight chain or branched monovalent hydrocarbon composed of 1 to 6 carbon atoms, for example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl , n-pentyl, n-hexyl, and the like.
화학식 1의 질화알루미늄 세라믹 전구체의 모노머는 대기 중에서 매우 불안정하여 쉽게 발화될 수 있지만, 새장 구조로 이루어지게끔 중합 반응을 시킨 질화알루미늄 세라믹 전구체를 사용하는 경우, 액상의 전구체가 고체상으로 전환되고 유기용매에 용해가 가능한 분말형상의 수득물을 얻게 되는 것이 가능하다. 고분자화가 진행될수록 열안정성이 확보되고, 열분해 수율이 현저히 높아져 50 % 이상의 세라믹 수율이 나타난다.The monomer of the aluminum nitride ceramic precursor of Formula 1 is very unstable in the atmosphere and can be easily ignited, but when using the aluminum nitride ceramic precursor subjected to polymerization to achieve a cage structure, the liquid precursor is converted into a solid phase and an organic solvent. It is possible to obtain a powder-like product that is soluble in water. As the polymerization proceeds, thermal stability is secured, and the thermal decomposition yield is significantly increased, resulting in a ceramic yield of 50% or more.
중합 정도에 따라 하기 화학식 2 내지 6과 같이 입체구조로 표시되는 질화알루미늄 세라믹 전구체일 수 있으며, 더 큰 분자구조로 성장도 가능하다.Depending on the degree of polymerization, it may be an aluminum nitride ceramic precursor represented by a three-dimensional structure as shown in the following Chemical Formulas 2 to 6, and may be grown with a larger molecular structure.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기 식에서, R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.In the above formula, R 1 , R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
화학식 2 내지 6과 같이 중합이 진행되면, 매우 불안정하여 대기 중에서 쉽게 발화되는 기본 구조(화학식 1)에 비해 금속 원소가 상당히 안정화되어 작업성을 확보할 수 있다. 또한 일부 구조는 유기용매에 용융 및 용해가 가능하여 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능하다.When the polymerization proceeds as shown in Chemical Formulas 2 to 6, it is very unstable and metal elements are significantly stabilized compared to the basic structure (Chemical Formula 1) that is easily ignited in the air, thereby ensuring workability. In addition, some structures can be melted and dissolved in an organic solvent to form a complex shaped ceramic.
질화알루미늄 세라믹 전구체는 액상인 경우 성형작업에 유리하지만 성형 상태를 유지하는 것이 불가능하고, 열분해 수율이 낮은 단점이 있으므로, 용융 또는 용해가 가능한 상태의 고체상(열분해 수율 50 % 이상)이 될 때까지 고분자화 시키는 것이 바람직하다. The aluminum nitride ceramic precursor is advantageous for molding in the case of a liquid, but it is impossible to maintain the molding state, and has a disadvantage of low thermal decomposition yield, so that it is a polymer until it becomes a solid phase (50% or more of thermal decomposition) that can be melted or dissolved. It is desirable to be angry.
이때 질화알루미늄 세라믹 전구체는 반응 온도를 단계적으로 상승하여 고분자화시킬 수 있는데, 이때 약 100 ℃ 내지 200 ℃ 온도 범위에서 단계별로 > 5시간 씩 반응시키는 것을 포함한다. 250 ℃ 이상부터는 질화알루미늄 세라믹 전구체가 유기용매에 녹지 않는 고체상으로 전환되므로 110 ℃ 내지 180 ℃ 가 바람직하다. 반응온도가 높을수록 고분자화가 진행되어 C≡N, C=N bond에 의한 peak가 줄어들게 되며 전반적으로 peak의 sharpness를 잃게 된다.At this time, the aluminum nitride ceramic precursor may be polymerized by increasing the reaction temperature step by step, wherein the reaction is performed at a temperature range of about 100°C to 200°C in steps of >5 hours. From 250°C or higher, the aluminum nitride ceramic precursor is converted into a solid phase insoluble in an organic solvent, so 110°C to 180°C is preferable. The higher the reaction temperature is, the higher the polymerization temperature is, and the peak caused by C≡N and C=N bonds decreases, and overall the sharpness of the peak is lost.
제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체는 진한 갈색의 분말로 얻어진다.The prepared aluminum nitride ceramic precursor is obtained as a dark brown powder.
제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체 5 g씩 각각 THF, hexane, toluene 20 ml에 첨가하여 용해도 테스트를 한 결과, 유기용매에 용해도가 높은 것으로 나타난다. 이러한 특성을 기반으로 질화알루미늄 세라믹 전구체의 일부 구조가 용융 및 용해 가능하게 되어 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능하다.As a result of the solubility test by adding 5 g of each of the prepared aluminum nitride ceramic precursors to 20 ml of THF, hexane, and toluene, the solubility in the organic solvent appears to be high. Based on these characteristics, some structures of the aluminum nitride ceramic precursor can be melted and melted, so that a complex shaped ceramic can be formed.
본 발명의 일 실시예에 따른 (iii) 열처리 단계는, 질소 분위기 또는 암모니아 분위기에서 이뤄질 수 있다.The heat treatment step (iii) according to an embodiment of the present invention may be performed in a nitrogen atmosphere or an ammonia atmosphere.
질소 분위기인 경우, 열처리 온도는 1,000 ℃ 내지 1,850 ℃ 인 것이 바람직하고, 1,100 ℃ 내지 1,850 ℃에서 각각 1시간씩 유지하는 것을 포함한다.In a nitrogen atmosphere, the heat treatment temperature is preferably 1,000°C to 1,850°C, and includes maintaining at 1,100°C to 1,850°C for 1 hour each.
질화알루미늄 세라믹 전구체를 사용함으로써, 질소 분위기에서 열처리 하는 경우 일반적인 질화알루미늄의 결정형성 온도보다 낮은 약 1,100 ℃부터 질화알루미늄 결정이 형성되기는 하지만 1,850 ℃까지 열처리 온도를 상승해야 질화알루미늄 결정이 성장할 수 있다.By using an aluminum nitride ceramic precursor, when heat treatment in a nitrogen atmosphere, although aluminum nitride crystals are formed from about 1,100°C lower than the crystallization temperature of general aluminum nitride, aluminum nitride crystals cannot grow until the heat treatment temperature is raised to 1,850°C.
암모니아 분위기인 경우, 열처리 온도는 500 ℃ 내지 1,300 ℃ 인 것이 바람직하고, 1,000 ℃ 내지 1,300 ℃에서 각각 1시간씩 유지하는 것을 포함한다.In the case of an ammonia atmosphere, the heat treatment temperature is preferably 500°C to 1,300°C, and includes maintaining at 1,000°C to 1,300°C for 1 hour each.
질화알루미늄 세라믹 전구체를 사용함으로써, 암모니아 분위기에서 열처리 하는 경우 일반적인 열처리 온도보다 낮은 약 1,300 ℃부터 질화알루미늄 결정이 형성, 성장하여 X-선 회절분석에서도 뚜렷하게 확인이 가능하다.By using an aluminum nitride ceramic precursor, when heat treatment is performed in an ammonia atmosphere, aluminum nitride crystals are formed and grown from about 1,300°C, which is lower than the normal heat treatment temperature, and thus can be clearly confirmed in X-ray diffraction analysis.
암모니아 분위기인 경우, 질소 분위기 조건에 비해 빠르게 결정이 성장하므로 결정화도가 높으며, 질소 분위기 조건 열처리에 비해 탈탄효과가 좋아 분말의 색이 밝게 나타난다. 때문에, 비교적 낮은 온도인 1,300 ℃ 열처리 조건에서도 결정화도가 현저히 좋다. 특히 전구체를 사용하는 경우, > 1,200 ℃ 조건이 되어야 결정이 형성되기 시작하는 직접질화법 또는 탄화환원질화법에 비해 낮은 온도인 1,000 ℃ 내지 1,100 ℃ 범위에서도 결정이 형성되기 시작한다.In the ammonia atmosphere, crystals grow faster than nitrogen atmosphere conditions, so crystallinity is high, and the color of the powder appears brighter due to the better decarburization effect compared to nitrogen atmosphere conditions. Therefore, the crystallinity is remarkably good even under a relatively low temperature of 1,300° C. heat treatment conditions. In particular, when a precursor is used, crystals begin to be formed even in a range of 1,000° C. to 1,100° C., which is a lower temperature than the direct nitridation method or the carbonization reduction nitridation method in which crystals are formed only when the conditions are> 1,200 °C.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 (i) 단계에서 아민 함유 화합물은 아세토니트릴(acetonitrile), 프로피오니트릴(propionitrile), 부티로니이트릴(butyronitrile), 트리메틸아세토니이트릴(trimethylacetonitrile), 발레로니트릴(valeronitrile) 등을 포함하는 시아나이드 (cyanide)계 화합물을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the amine-containing compound in step (i) is acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, trimethylacetonitrile, valeronitrile ( valeronitrile) may be used, such as cyanide (cyanide)-based compound, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 질화알루미늄 세라믹 전구체의 세라믹 수율은 50% 이상이며, 열처리 초기의 열분해로 인한 중량 감소가 최소화된 것을 특징으로 한다. 따라서, 세라믹 수율이 높은 질화알루미늄 세라믹 전구체를 이용하여 제조되는 세라믹은 열처리 단계에서 중량 감소에 의한 손실이 적어 높은 치밀화에 유리하므로 초고온 세라믹으로서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.The ceramic yield of the aluminum nitride ceramic precursor according to the present invention is 50% or more, and is characterized in that weight loss due to thermal decomposition at the beginning of heat treatment is minimized. Therefore, the ceramic produced using the aluminum nitride ceramic precursor having a high ceramic yield has a low loss due to weight reduction in the heat treatment step, and thus is advantageous for high densification, and thus can exhibit excellent effects as an ultra-high temperature ceramic.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 재열처리 반응은 열분해와 결정화로 나누어 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열분해 공정은 800 ℃ 내지 1,000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 상기 결정화 공정은 1,200 ℃ 내지 2,000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열분해 공정은 중량감소가 가장 크게 일어나는 구간으로 중량 감소에 의한 수축변형으로부터 성형물을 안정하게 유지하기 위해서는 열분해 공정에서의 승온과 유지시간이 중요하다.In one embodiment of the present invention, the reheat treatment reaction may be performed by dividing into thermal decomposition and crystallization. Specifically, the pyrolysis process is preferably performed at 800°C to 1,000°C, and the crystallization process is preferably performed at 1,200°C to 2,000°C. The thermal decomposition process is the section where the greatest weight loss occurs. In order to stably maintain the molded product from shrinkage deformation due to weight reduction, the temperature increase and the maintenance time in the thermal decomposition process are important.
상기 재열처리 반응은 1회 이상 반복 수행될 수 있다.The reheat treatment reaction may be repeated one or more times.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples. It is apparent to those skilled in the art that these examples are only for describing the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
실시예 1: 질화알루미늄 세라믹 전구체 제조Example 1: Preparation of aluminum nitride ceramic precursor
a) diisobutylaluminum hydrogen (diBAl-H) 5 g을 50 ml 톨루엔에 용해시켰다.a) 5 g of diisobutylaluminum hydrogen (diBAl-H) was dissolved in 50 ml toluene.
b) acetonitrile 60 ml를 톨루엔에 용해시켰다.b) 60 ml of acetonitrile was dissolved in toluene.
c) ice bath에서 b 용액에 a 혼합물을 적하하고 상온이 될 때까지 교반상태를 유지했다.c) The mixture a was added dropwise to the solution b in an ice bath and kept agitated until it reached room temperature.
d) c 혼합물에 환류관을 장착하고 환류를 12시간 유지했다.d) The c mixture was fitted with a reflux tube and reflux was maintained for 12 hours.
e) 진공상태 및 80 ℃에서 용매를 제거했다.e) The solvent was removed under vacuum and at 80 °C.
f) 130 ℃ 내지 200 ℃ 범위에서 단계적으로 온도를 상승시켜 24시간 동안 반응시켰다.f) The reaction was carried out for 24 hours by gradually raising the temperature in the range of 130°C to 200°C.
제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체는 반응 온도가 높을수록 고분자화가 진행되어 C≡N, C=N bond에 의한 peak가 줄어들게 되며 전반적으로 peak의 sharpness를 잃게 되었다. 또한 반응 온도와 시간에 따라 점도 있는 액상 수득물 또는 분말 형상의 수득물을 얻을 수 있었으며(도 1 및 도 2 참조), 수득한 고체상의 질화알루미늄 세라믹 전구체 5g을 20ml THF, hexane, toluene에 각각 첨가한 결과 용해도가 뛰어났다.The higher the reaction temperature, the higher the reaction temperature of the prepared aluminum nitride ceramic precursor decreases the peaks due to C≡N and C=N bonds, and generally loses the sharpness of the peaks. In addition, it was possible to obtain a viscous liquid or powdery product according to the reaction temperature and time (see FIGS. 1 and 2), and 5 g of the obtained solid aluminum nitride ceramic precursor was added to 20 ml THF, hexane, and toluene, respectively. As a result, the solubility was excellent.
실시예 2: 질화알루미늄 세라믹의 제조 1Example 2: Preparation of aluminum nitride ceramic 1
실시예 1에서 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 BN 도가니에 담고 질소분위기의 튜브로에 장착했다. 1,000 ℃에서 1시간 유지하여 열처리했다. 이후 1,100 ℃, 1,300 ℃, 1,850 ℃ 조건에서 각각 1시간씩 유지했다.The aluminum nitride ceramic precursor prepared in Example 1 was contained in a BN crucible and mounted in a nitrogen atmosphere tube furnace. It was kept at 1,000°C for 1 hour and heat-treated. Since 1,100 ℃, 1,300 ℃, 1,850 ℃ conditions were maintained for 1 hour each.
낮은 온도인 1,100 ℃에서도 질화알루미늄 결정이 형성되는 것이 확인되었으며, 1,850 ℃에서는 결정이 성장하여 X선 회절분석 결과에서 뚜렷하게 관찰되었다(도 6 및 도 7 참조). It was confirmed that aluminum nitride crystals were formed even at a low temperature of 1,100° C., and crystals were grown at 1,850° C. and clearly observed in the X-ray diffraction analysis results (see FIGS. 6 and 7 ).
실시예 3: 질화알루미늄의 제조 2Example 3: Preparation of aluminum nitride 2
실시예 1에서 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 BN 도가니에 담고 암모니아분위기의 튜브로에 장착했다. 500 ℃에서 1시간 유지하여 열처리했다. 이후 800 ℃, 1,100 ℃, 1,300 ℃, 1,850 ℃ 조건에서 각각 1시간씩 유지했다.The aluminum nitride ceramic precursor prepared in Example 1 was contained in a BN crucible and mounted in a tube furnace of an ammonia atmosphere. It was kept at 500°C for 1 hour and heat-treated. Thereafter, the temperature was maintained at 800°C, 1,100°C, 1,300°C, and 1,850°C for 1 hour, respectively.
낮은 온도인 1,100 ℃에서도 질화알루미늄 결정이 형성되는 것이 확인되었다. 또한 실시예2의 질소 조건에 비하여 결정화도가 높은 것이 확인되었다. 질소 조건 열처리에 비하여 탈탄효과가 좋아 분말의 색이 밝게 나타났으며, 1,300 ℃ 열처리 조건에서도 결정화도가 현저히 좋아지는 것이 확인되었다(도 8 및 도 9 참조). It was confirmed that aluminum nitride crystals were formed even at a low temperature of 1,100°C. In addition, it was confirmed that the crystallinity is high compared to the nitrogen condition of Example 2. The decarburization effect was better than that of the nitrogen condition heat treatment, and the color of the powder appeared bright, and it was confirmed that the crystallinity was remarkably improved even under the heat treatment conditions of 1,300 °C (see FIGS. 8 and 9).
실시예 4: 질화알루미늄 코팅Example 4: Aluminum nitride coating
실시예 1에서 제조된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 cyclohexane에 용해시켜 20 % 용액을 제조했다. 알루미나 블록을 1 mm/sec의 속도로 침지 및 꺼낸 후 건조시켰다. 질소분위기로 치환된 튜브로에서 1,200 ℃에서 1시간씩 유지했다.The aluminum nitride ceramic precursor prepared in Example 1 was dissolved in cyclohexane to prepare a 20% solution. The alumina block was immersed and taken out at a rate of 1 mm/sec and then dried. It was maintained at 1,200° C. for 1 hour in a tube furnace substituted with a nitrogen atmosphere.
침지, 건조 및 열처리를 거친 코팅 기판(알루미나 블록)에 대해 질화알루미늄 코팅층의 형성 여부를 확인하기 위하여 X-선 회절분석, SEM, XPS 등을 측정하고 분석하였다.X-ray diffraction analysis, SEM, XPS, etc. were measured and analyzed to determine whether or not an aluminum nitride coating layer was formed on the coated substrate (alumina block) subjected to immersion, drying, and heat treatment.
용융 또는 끓음 현상이 없이 약 2 μm 두께의 균일한 질화알루미늄 도막이 형성되는 것이 확인되었다(도 10 및 도 11 참조). It was confirmed that a uniform aluminum nitride coating film having a thickness of about 2 μm was formed without melting or boiling (see FIGS. 10 and 11 ).
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.In the above, the configuration and features of the present invention have been described based on the embodiments according to the present invention, but the present invention is not limited to this, and various modifications or changes can be made within the spirit and scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art, and thus, such changes or modifications are found to fall within the scope of the appended claims.
Claims (8)
(ii) 상기 모노머로부터 중합(polymerization) 반응에 의하여 새장 구조(cage structure)로 성장하게 되는 고분자 상태의 질화알루미늄 세라믹 전구체를 제조하는 단계;
(iii) 상기 질화알루미늄 세라믹 전구체를 열처리하는 단계; 및
(iv) 상기 열처리된 질화알루미늄 세라믹 전구체를 상기 열처리하는 단계의 온도 이상의 온도로 재열처리하여 질화알루미늄 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 질화알루미늄 세라믹의 제조방법:
[화학식 1]
상기 식에서, R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.
(i) reacting an aluminum compound and an amine-containing compound to prepare a monomer of an aluminum nitride ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 below;
(ii) preparing a polymerized aluminum nitride ceramic precursor that is grown in a cage structure by a polymerization reaction from the monomer;
(iii) heat-treating the aluminum nitride ceramic precursor; And
(iv) reheating the heat-treated aluminum nitride ceramic precursor to a temperature equal to or higher than the temperature of the heat-treating step, thereby converting the aluminum nitride ceramic precursor into an aluminum nitride ceramic;
[Formula 1]
In the above formula, R 1 , R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 식에서, R1, R2 및 R3 는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.
According to claim 1, The aluminum nitride ceramic precursor of the cage structure is represented by a three-dimensional structure, such as a compound of Formulas 2 to 6, the method of manufacturing an aluminum nitride ceramic:
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
[Formula 5]
[Formula 6]
In the above formula, R 1 , R 2 and R 3 are each the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
The method of claim 1, wherein the step (iii) is performed in a nitrogen atmosphere, and the heat treatment temperature is at least 1,000°C to 1,850°C.
The method of claim 1, wherein the step (iii) is performed in an ammonia atmosphere, and the heat treatment temperature is at least 500°C to 1,300°C.
The method of claim 1, wherein in the step (i), the amine-containing compound is acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, trimethylacetonitrile, valeronitrile. ) One method selected from the group consisting of, aluminum nitride ceramic manufacturing method.
The method of claim 1, wherein the ceramic yield of the aluminum nitride ceramic precursor in step (ii) is 50% or more.
The method according to claim 1, wherein the reheating reaction in step (iv) is performed by dividing into thermal decomposition and crystallization.
The method of claim 1, wherein in the step (iv), the reheat treatment reaction is repeatedly performed one or more times.
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Non-Patent Citations (2)
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| Journal of the Ceramic Society of Japan, vol.100, pp.101-103 * |
| Journal of the Ceramic Society of Japan, vol.114, pp.563-566 * |
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