KR20210088361A - 질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체 - Google Patents

질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료분말을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물을 소결하는 단계;를 포함하고, 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물은 α-질화규소 70 내지 90 중량부 및 β-질화규소 10 내지 30 중량부를 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체에 관한 것이다.

Description

질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체{Method for Preparing Silicon Nitride Sintered Body and The Silicon Nitride Sintered Body Prepared by The Same}
본 발명은 고강도 및 고열전도도를 가지는 질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체에 관한 것이다.
일반적으로 통용되고 있는 세라믹 기판의 재료에는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4) 등이 있다. 종래에는 가격이 저렴한 산화알루미늄(Al2O3)이 널리 사용되고 있었으나 기계적 강도와 열전도율이 낮다는 이유로, 상대적으로 물리적 특성이 우수한 질화알루미늄(AlN)이나 질화규소(Si3N4)가 주로 사용되는 추세이다.
한편 최근 발달된 고집적, 고성능의 회로 기판 소재로 쓰이기 위해서는 보다 높은 열적 및 기계적 안정성이 요구되며, 특히 고강도 특성을 지닌 질화규소(Si3N4)의 열전도도 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
질화규소(Si3N4)의 열전도도를 높이기 위해서 결정립의 크기를 증대시키면 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생하기 때문에, 이를 개선하기 위해서 소결 조제를 첨가하거나, 고온/고압의 가혹한 소결 조건에서 소결을 수행하는 방법이 시도되었으나, 대량 생산이 필요한 산업계에서는 비용적인 측면에서 매우 비효율적이기 때문에 적용에 제한이 있었다.
이에 따라 강도를 높이면서도 열전도도를 향상시키고, 소결 시 치밀화를 높이기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 우수한 열적 및 기계적 특성을 가지는 질화규소 소결체를 얻기 위하여 소결에 앞서서 성형체를 얻기 전에 열처리하거나, 성형체를 소결하는 과정에서 다단계의 열처리 공정을 도입하고, 산화물계 소결 조제를 사용하여 제조되는 질화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 질화규소 소결체를 제공하고자 한다.
본 발명은 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료분말을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물을 소결하는 단계;를 포함하고, 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물은 α-질화규소 70 내지 90 중량부 및 β-질화규소 10 내지 30 중량부를 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 질화규소 소결체의 제조방법으로 제조된 질화규소 소결체를 제공한다.
본 발명에 따른 질화규소 소결체의 제조방법에 따르면, 난소결성의 질화규소를 고밀도의 소결체로 제조하기 위하여 액상 소결을 가능하게 하는 산화물계 소결 조제를 이용함에 따라 비산화물계 소결 조제를 이용하는 경우에 비해 고강도의 질화규소 소결체의 제조가 가능하다.
또한, 소결하기 전에 특정 조건에서 질화규소(Si3N4) 분말 자체를 열처리하는 단계를 추가적으로 수행하여 α-질화규소와 β-질화규소의 혼합비를 최적화한 후에 소결을 진행함으로써, 제조된 질화규소 소결체의 기계적 강도와 열전도도를 개선할 수 있어서 세라믹 기판 소재에 적용 시 우수한 특성을 가질 수 있다.
특히 원료분말을 먼저 성형체로 성형한 후에 열처리한 후 소결하는 단계를 거치는 경우에는, 처음부터 성형체 모양으로 시작하여 소결까지 한 번에 진행되기 때문에, 별도의 분쇄 공정을 거치지 않아도 되기 때문에 공정 효율이 향상된다.
도 1은 실험예 1에 따라 열처리 온도에 따른 질화규소 분말에 대한 XRD 패턴 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 질화규소 소결체의 미세구조 전자현미경 사진을 나타낸 도시이다.
도 3은 실시예 2에서 제조한 질화규소 소결체의 미세구조 전자현미경 사진을 나타낸 도시이다.
도 4는 실시예 3에서 제조한 질화규소 소결체의 미세구조 전자현미경 사진을 나타낸 도시이다.
도 5는 실험예 1에 따라 열처리 온도에 따른 질화규소 분말에 포함된 α-질화규소의 함량을 나타낸 도시이다.
도 6은 실험예 3에 따라 굽힘강도 및 열전도도를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 질화규소(Si3N4) 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 질화규소 소결체의 제조방법은, 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료분말을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물을 소결하는 단계;를 포함한다.
상기 질화규소 소결체의 제조방법은 질화규소 분말 및 산화물계 소결 조제의 원료분말을 소결하는 단계 이전에 열처리 단계를 더 포함함으로써 질화규소의 α상과 β상의 혼합비를 최적의 조건으로 조절하여서 우수한 열적 및 기계적 특성을 가지는 질화규소 소결체를 제조하는 방법을 포함한다.
상기 질화규소 분말은 하기 화학식 1에 따른 직접 질화법, 화학식 2에 따른 환원 질화법, 화학식 3에 따른 기상 반응법, 화학식 4에 따른 열분해법 등에 의해 합성될 수 있고, 상용되는 질화규소 분말로는 Ube-E10, Denka SN-9FWS 등이 있다.
[화학식 1]
3Si + 2N2 → Si3N4
[화학식 2]
3SiO2 + 6C + 2N2 → Si3N4 + 6CO
[화학식 3]
3SiCl4 + 4NH3 → Si3N4 + 12HCl
또는 3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2
[화학식 4]
3SiCl4 + 4NH3 → Si(NH)2 + 4NH4Cl
3Si(NH)2 → Si3N4 + 2NH3
상기 질화규소 분말의 평균 입경(D50)은 레이저 회절 및 분산 방법에 따라 측정될 수 있으며, 예를 들어 상기 질화규소 분말의 평균 입경(D50)가 0.1 내지 5 ㎛일 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 1 ㎛, 또는 0.5 내지 1 ㎛일 수 있다.
상기 질화규소 분말의 평균 입경(D50)이 상기 범위를 만족하지 못하는 경우에는 수백 나노미터 크기의 소결 조제와의 크기 차이가 많이 나서, 소결 중에 질화규소 분말과 소결 조제 간의 상호작용이 낮아지게 되어 결국 소결성이 저하될 수 있다.
초기 질화규소 분말에서 α상의 질화규소(α-질화규소)와 β상의 질화규소(β-질화규소)가 적절히 섞인 상태에서 소결할 경우에 β-질화규소 분말 입자가 소결과정을 거쳐 비정상 입자성장을 하게 된다. 이러한 소결 과정을 거치게 되면 크고 길쭉한 질화규소 결정립은 고르게 퍼지게 되고, 작은 질화규소 결정립이 나머지 공간을 조밀하게 채우고 있는 바이모달(bimodal) 구조를 가지게 되는데, 이러한 바이모달 구조는 우수한 기계적 물성을 지니는데 큰 도움이 된다. 하지만 현재 통용되는 질화규소 상용분말은 약 90 wt% 이상의 α-질화규소로 이루어져 있기 때문에, 초기 β-질화규소 분말을 이용한 기계적 물성 강화 효과를 구현해 내는 것이 어렵다.
그러나 α-질화규소는 1000℃ 이상의 온도에서 β-질화규소로 상이 일부 전환(변이)되기 시작하므로, 본 발명의 상기 질화규소 소결체의 제조방법은, 소결 단계 전에 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료 분말을 특정 조건 하에서 열처리하는 단계를 추가적으로 수행하여서, 단순히 질화규소 분말만을 열처리하여 산소 불순물의 양을 줄이는 것과는 달리, α-질화규소와 β-질화규소의 혼합비를 최적화한 후에 소결을 진행함으로써, 제조된 질화규소 소결체의 기계적 강도와 열전도도를 개선할 수 있어서 세라믹 기판 소재에 적용 시 우수한 특성을 가질 수 있는 장점이 있다.
상기 산화물계 소결 조제는 희토류 산화물 및 알칼리토금속 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 예를 들어 상기 산화물계 소결 조제는 희토류 산화물 및 알칼리토금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 희토류 산화물은 Y2O3, Yb2O3, La2O3, Nd2O3, Gd2O3, 또는 Sc2O3 등을 포함할 수 있고, 상기 알칼리토금속 산화물은 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 또는 RaO 등을 포함할 수 있다.
한편 이차상(secondary phase)의 생성을 줄여서 열전도 특성을 개선하는 효과를 보이는 비산화물계 소결 조제를 이용하는 경우에는 상압 소결 조건에서는 소결성이 낮아서 밀도와 강도 특성이 열화되는 현상이 있어서, 반드시 고온 및 가압 소결을 이용해야 하는 반면에, 본 발명은 상압 조건에서도 소결성이 우수하게 하기 위하여 산화물계 소결 조제를 이용하였다.
상기 산화물계 소결 조제 중에서도, MgO는 질화규소 분말의 액상 소결에 유용한 소결 조제이고, Y2O3 역시 질화규소 분말의 액상 소결에 도움을 주면서 고 열전도 특성을 보이는데 최적화되어 있으며, 또한 상압 소결 조건 하에서도 물성이 가장 준수하다는 점에서, 상기 산화물계 소결 조제로 Y2O3와 MgO를 병용하는 것이 바람직하다.
상기 원료분말은 상기 질화규소 분말과 상기 산화물계 소결 조제를 혼합하여 교반하고 건조시켜서 얻어질 수 있다. 구체적으로는 상기 원료분말은 질화규소 분말과 상기 산화물계 소결 조제를 용매에 혼합시켜서 제조한 슬러리를 건조시켜서 얻어지는 혼합분말을 포함할 수 있다.
상기 용매는 알코올계 용매일 수 있으며, 예를 들어 상기 용매로 이소프로판올 등을 이용할 수 있다. 상기 슬러리는 침전되지 않도록 교반하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 슬러리를 교반함과 동시에 건조시켜서 상기 혼합분말을 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 건조하는 단계는 상온에서 24 시간 동안 1차 건조하는 단계와 70 내지 90℃의 온도의 오븐에서 24 시간 동안 2차 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 원료분말에는 상기 질화규소 분말이 90 내지 98 중량부, 상기 산화물계 소결 조제가 2 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 산화물계 소결 조제가 2 중량부 미만(또는 질화규소 분말 98 중량부 초과)인 경우에는 액상 소결이 원활히 일어나지 않아서 소결성이 저하되는 문제가 있고, 산화물계 소결 조제가 10 중량부 초과(또는 질화규소 분말 90 중량부 미만)인 경우에는 소결체 내의 입계에 열전도도가 낮은 이차상(secondary phase)이 많이 형성됨에 따라, 최종 소결체의 열전도도 물성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 원료분말이 산화물계 소결 조제로 희토류 산화물과 알칼리토금속 산화물을 모두 포함하는 경우에는, 상기 질화규소 분말 90 내지 98 중량부, 상기 희토류 산화물 1 내지 5 중량부, 상기 알칼리토금속 산화물 1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
상기 원료분말 중 상기 질화규소 분말과 상기 산화물계 소결 조제는 9:1 내지 49:1의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 원료분말 중에 상기 질화규소 분말과 상기 산화물계 소결 조제의 혼합비가 9:1의 중량비 미만인 경우에는 소결체 내의 입계에 열전도도가 낮은 이차상(secondary phase)이 많이 형성됨에 따라, 최종 소결체의 열전도도 물성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있고, 49:1의 중량비 초과인 경우에는 액상 소결이 원활히 일어나지 않아서 소결성이 저하되어 기계적 강도 및 열전도도에 문제가 생길 수 있다.
상기 원료분말을 열처리하는 단계는 1400 내지 1500℃의 온도에서 질소 또는 아르곤 분위기 하에 2 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 열처리 단계의 온도가 1400℃ 미만인 경우에는 α-질화규소가 β-질화규소로 상 전환이 일어나는데 시간이 지연되어 효율적이지 못하고, 1500℃ 초과인 경우에는 α-질화규소와 β-질화규소의 최적 혼합비를 지나침과 동시에 소결이 진행되므로 질화규소 소결체의 강도 및 열전도도가 저하될 수 있다.
상기 열처리 단계의 시간이 2 시간 미만인 경우에는, 열처리된 결과물 내의 α-질화규소와 β-질화규소의 혼합 중량비를 최적화 시킬 수 없으며, 5 시간 초과인 경우에는 α-질화규소의 β-질화규소로의 전환이 지나치게 많이 되어서, 질화규소 소결체의 원하는 물성을 얻기 어렵다.
상기 열처리하는 단계를 거친 결과물(열처리된 원료분말)에는 α-질화규소가 70 내지 90 중량부 및 β-질화규소가 10 내지 30 중량부로 포함될 수 있다. 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물 중에 존재하는 α-질화규소가 70 중량부 미만(또는 β-질화규소가 30 중량부 초과)인 경우에는 1450℃ 이상의 온도에서는 상 변이에 의한 소결체의 미세구조 제어 효과보다 소결에 의한 효과가 더 지배적이게 되어서 결과적으로는 질화규소의 상 분율 조절을 통한 미세구조 제어의 효과가 낮아질 수 있고, α-질화규소가 90 중량부 초과(또는 β-질화규소가 10 중량부 미만)인 경우에는 미세구조 조절에 의한 강도 강화 효과를 보기 어렵다.
상기 열처리된 결과물의 결과물에 포함되는 α-질화규소와 β-질화규소의 중량비는 Gazzara and Messier Method를 이용하여 계산할 수 있다.
상기 질화규소 소결체의 제조방법은, 상기 원료분말을 열처리하는 단계 이전에, 상기 원료분말로부터 성형체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다(즉, 혼합-성형-열처리-소결).
구체적으로는 상기 원료분말을 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 형성한 후에, 2 단계의 건조를 거쳐서 혼합분말을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때 상기 용매는 알코올계 용매일 수 있고, 예를 들어 이소프로판올일 수 있다. 상기 슬러리를 건조하는 단계는 상온에서 24 시간 동안 1차 건조하는 단계와 70 내지 90℃의 온도의 오븐에서 24 시간 동안 2차 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 슬러리가 침전되지 않도록 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이렇게 얻어진 상기 혼합분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 성형체는 원반형(디스크형), 또는 다각기둥(예를 들어, 직육면체, 삼각기둥, 육각기둥 등)형 등 다양한 모양으로 성형될 수 있다.
상기 성형체는 냉간 등방 가압법(cold isostatic pressing)을 이용하여 더 높은 밀도를 가지는 성형체로 제조될 수 있다. 상기 냉간 등방 가압법은 150 내지 250 MPa, 5 내지 20분의 조건에서 수행될 수 있다.
즉 본 발명의 질화규소 소결체의 제조방법은, 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료분말로부터 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 열처리하는 단계; 상기 열처리하는 단계를 거친 결과물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 성형체를 형성한 후에, 열처리 단계가 수행될 수 있다. 또한 상기 열처리 단계와 소결 단계는 연속적으로 수행될 수 있어서, 소결하는 시간을 단축시킴에 따라 더욱 효율적인 공정으로 질화규소 소결체의 제조가 가능하다.
또한 상기 질화규소 소결체의 제조방법은, 상기 열처리 단계와 상기 소결 단계의 사이에, 상기 열처리된 결과물로부터 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다(즉, 혼합-열처리-성형-소결).
구체적으로는 상기 열처리된 결과물을 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 형성한 후에, 이를 볼 밀링하여 분산 및 분쇄 과정을 거치는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 용매는 알코올계 용매일 수 있고, 예를 들어 이소프로판올일 수 있다. 상기 볼 밀링된 슬러리가 침전되지 않도록 교반하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 슬러리를 교반함과 동시에 건조시켜서 상기 성형분말을 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 건조하는 단계는 상온에서 24 시간 동안 1차 건조하는 단계와 70 내지 90℃의 온도의 오븐에서 24 시간 동안 2차 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 열처리된 결과물은 성형체로 형성되기 이전에 상기 성형분말로 제조된 후에 성형체로 형성될 수 있다.
또한 상기 성형체는 냉간 등방 가압법(cold isostatic pressing)을 이용하여 더 높은 밀도를 가지는 성형체로 제조될 수 있다. 상기 냉간 등방 가압법은 150 내지 250 MPa의 조건에서 수행될 수 있다.
다만, 원료분말을 성형체로 형성하기 전에 먼저 열처리를 하게 되면 일반적으로 분말들이 뭉쳐져서 굳어진 상태가 될 수 있다. 이러한 분말 덩어리를 소결하기 위해서는 분말 디스크 형태로 만드는 성형 단계가 필수적인데, 이 때 분말이 고울수록 성형하기 좋으므로 분쇄 공정이 추가되어야 한다. 게다가 분말이 굳어진 상태이기 때문에 보통 볼 밀로는 곱게 분쇄가 어려울 수 있고, 고에너지 밀링 공정을 진행해야 하기 때문에 소결체 제조 공정이 다소 복잡해지는 문제가 있다. 따라서 상기 원료분말을 열처리하는 단계 이전에, 상기 원료분말로부터 성형체를 형성하는 단계를 더 포함하여서, 성형체를 열처리한 후 소결하는 단계를 포함하는 것이 더 바람직할 수 있다.
상기 소결 단계는 1750 내지 1850℃의 온도에서 질소 또는 아르곤 분위기 하에 4 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 소결 단계는 상압 조건에서 수행될 수도 있고, 가압 조건에서 수행될 수도 있다.
이 때 소결 단계는 상기와 같이 1750℃ 이상의 고온에서 이루어지게 되는데, 이러한 고온 영역에서는 성형체 또는 소결체 내의 질화규소 분말이 미량 열 분해되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 질화규소 분말의 열 분해는 소결 밀도를 저하시키는 원인이 되므로, 이를 방지하기 위해 상기 소결 단계는 반응 용기(예를 들어, 도가니 등) 내에 분말 베드를 더 포함하여 수행될 수 있다.
상기 분말 베드는 성형체 또는 소결체 내의 질화규소 분말의 열 분해를 막아주는 역할을 수행하므로, 반응성이 없어야 한다. 가령 성형체의 열 분해가 일어날 수 있는 환경에서도, 성형체 또는 소결체 대신 분말 베드에서 열 분해가 일어날 수 있도록 질화규소 분말을 분말 베드로 추가로 포함시킬 수 있다.
다만 이 때 질화규소 분말만 존재하게 되면 고온 영역에서 그대로 소결이 되어버리므로, 반응성이 낮은 질화붕소 분말을 더 포함할 수 있다. 즉 상기 분말 베드는 질화규소 분말과 질화붕소 분말을 약 1:1의 중량비로 포함한 것일 수 있다. 따라서 상기 분말 베드는 성형체 또는 소결체의 열 분해 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명은 전술한 질화규소 소결체의 제조방법에 따라 제조된 질화규소 소결체를 제공한다.
위와 같은 질화규소 소결체의 제조방법에 따라 제조된 질화규소 소결체는 기계적 강도(굽힘강도)와 열전도도가 우수하여서, 세라믹 기판 소재로서 적합하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
1) 원료의 혼합
질화규소 분말(Denka SN-9FWS) 9.4 g과 산화물계 소결 조제로 Y2O3 (Sigma Aldrich), MgO(Alfa Aesar) 각각 0.3 g씩을 이소프로판올 80 ml와 함께 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 혼합 및 분산 과정은 상온에서 24시간 동안 280 rpm의 속도로 수행하였다. 제조된 슬러리가 침전되지 않도록 교반시키면서 80 내지 100℃의 범위에서 1 내지 3 시간 1차 건조시키고, 80℃ 온도 하의 오븐에서 24시간 동안 2차 건조시켜 혼합 분말을 제조하였다.
2) 성형체의 제조
상기 혼합 분말 중 0.3 g을 취하여 3 MPa 압력 조건 하의 일축 가압을 통해 지름 12 mm, 두께 1.5 mm인 디스크형 성형체를 형성하고, 7.2 g을 취하여 가로 36 mm, 세로 24 mm, 두께 4 mm인 직육면체 성형체를 각각 형성하였다. 이어서 냉간 등방 가압법(cold isostatic pressing (CIP))을 200 MPa에서 15 분간 실시하여 좀 더 높은 밀도(약 50 내지 70%의 상대 밀도, CIP 법을 통하여 측정)를 가지는 성형체로 제조하였다.
3) 열처리 단계
그 다음, 그라파이트 도가니 안에 질화붕소 도가니를 설치하고 그 안에 상기 제작된 성형체를 질화붕소와 질화규소가 섞인 분말 베드와 함께 혼합한 후, 준비된 그라파이트 도가니를 상압 소결로에 넣고 질소 분위기 하에서 먼저 1400℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하였다.
4) 소결 단계
그 다음, 상기 열처리를 수행한 결과물을 1800℃에서 6 시간 동안 소결하여 질화규소 소결체를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서, 1400℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것 대신에, 1450℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서, 1400℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것 대신에, 1500℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에서, 1400℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것 대신에, 1300℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에서, 1400℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것 대신에, 1600℃에서 3 시간 동안 열처리를 수행하는 것을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1에서, 상기 열처리하는 단계를 생략하고, 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에서 열처리를 수행한 결과물에 대한 XRD 패턴 분석을 실시한 결과를 하기 도 1에 나타내었다. 도 1에서, 중간에 음영처리된 부분(33 내지 37℃)의 4개의 main peak을 이용하여 Gazzara and Messier Method를 통해 α-질화규소의 중량부를 계산할 수 있으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 5에 나타내었다.
<실험예 2>
상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 질화규소 소결체의 미세구조 전자현미경 사진을 각각 도 2 내지 도 4에 나타내었다.
<실험예 3>
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에서 제조한 질화규소 소결체에 대하여 아래와 같은 평가방법으로 굽힘강도 및 열전도도를 측정한 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었다.
1. 굽힘강도
3점 굽힘법(3-point bending test)을 이용하여 측정하였다. 3점 굽힘 평가는 Instron 사의 만능 시험기(예를 들어, Instron 사의 Instron 5583)를 이용하였다.
구체적으로 3점 굽힘강도는 3 mm X 4 mm X 25 mm 사이즈로 가공된 막대 시편에 대하여 20 mm의 스팬(span) 길이로 샘플 당 10회씩 진행하였습니다. 막대 시편의 윗면과 아랫면을 연마하여 표면의 크랙을 제거하였고, 장비의 크로스헤드 속도는 0.5 mm/min으로 진행되었다. 3점 굽힘강도는 아래의 계산식에 의해 계산하였다.
Figure pat00001
(σf는 3점 굽힘강도(MPa), P는 최대 하중(N), L은 스팬 길이(mm), w는 시편의 너비(mm), t는 시편의 두께(mm))
2. 열전도도
질화규소 소결체의 열전도도는 LFA 467 HyperFlash(Netzsch 사) 레이저 플래쉬법(Laser Flash Method)을 통해 측정하였다. 레이저 플래쉬법을 통해 측정된 열확산율에 재료의 비열 용량, 밀도를 곱하여 계산하였다.
구분 α-질화규소상 함량
(wt%)		 굽힘강도(MPa) 열전도도(W/mk)
실시예 1 85.6 932 74
실시예 2 79.8 875 75.6
실시예 3 71.5 832 72.1
비교예 1 91.1 752 70.5
비교예 2 24.0 813 71.2
비교예 3 2.6 826 68.5
상기 표 1에 따르면, 질화규소 분말의 열처리 온도로 1400 내지 1500℃에서 열처리를 수행한 결과, α-질화규소의 함량이 70 내지 90 중량%에 해당되어(즉, β-질화규소의 함량은 10 내지 30 중량%) 본 발명의 질화규소 소결체의 고강도 및 고열전도도를 위한 최적화된 조건임을 확인하였다.

Claims (7)

  1. 질화규소 분말과 산화물계 소결 조제를 혼합한 원료분말을 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리하는 단계를 거친 결과물을 소결하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 열처리하는 단계를 거친 결과물은 α-질화규소 70 내지 90 중량부 및 β-질화규소 10 내지 30 중량부를 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 1400 내지 1500℃의 온도에서 질소 또는 아르곤 분위기 하에 2 내지 5 시간 동안 수행되는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료분말은 상기 질화규소 분말 90 내지 98 중량부 및 상기 산화물계 소결 조제 2 내지 10 중량부를 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물계 소결 조제는 희토류 산화물 및 알칼리토금속 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소결하는 단계는 1750 내지 1850℃의 온도에서 질소 또는 아르곤 분위기 하에 4 내지 8 시간 동안 수행되는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료분말을 열처리하는 단계 이전에, 상기 원료분말로부터 성형체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 질화규소 소결체의 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 질화규소 소결체.
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