KR950005298B1 - Method of preparing a nitriding aluminium powder - Google Patents

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Abstract

mixing Al powder and carbon powder as a thinner, charging a plate-shape Al compact of constant thickness; which is produced by light pressing the mixture, in reactor; maintaining nitrogen pressure of the reactor to 3-10 air pressure by drawing air out the reactor; creating a nitriding reaction in the reactor by using an electric arc; crushing the mixture of the nitrided Al powder and the carbon powder to use a ball mill; and maintaining the crushed mixture at 650-750 deg.C in an air or in an oxygen atmosphere in order to remove the carbon powder.

Description

고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법Method for manufacturing aluminum nitride powder using high temperature autosynthesis

본 발명은 우수한 전기절연성 및 열전도도의 특성이 요구되는 고집적 반도체칩의 페키징재료나 열교환기등의 고온재료에 사용되는 고순도의 질화알루미늄분말을 제조하는 것으로, 특히 고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말의 제조방법에 관한 것이다.The present invention manufactures high purity aluminum nitride powders used for packaging materials of high density semiconductor chips and high temperature materials such as heat exchangers, which require excellent electrical insulation and thermal conductivity properties. In particular, aluminum nitride powders using high temperature magnetic synthesis method It relates to a manufacturing method of.

질화알루미늄은 세라믹질의 일반적인 특성인 전기절연성이 우수함은 물론, 열전도도가 200W/mK 이론치는 320w/mk) 정도로 대부분의 금속 재질보다도 높은 특이한 물리적 특성을 가지고 있다.Aluminum nitride not only has excellent electrical insulation, which is a general characteristic of ceramics, but also has a specific physical property that is higher than most metal materials such as the thermal conductivity of 200 W / mK (320 W / mk).

현재 이러한 질화알루미늄의 특성을 이용하여 절연성 및 방열성을 동시에 요구하는 실리콘 반도체칩의 페키징재료나 열전도도 및 내식성이 요구되는 열교환기와 그밖의 고온구조용 재료로서의 연구 및 실용화가 활발히 이루어지고 있다.At present, research and practical use of packaging materials for silicon semiconductor chips requiring heat insulation and heat dissipation and heat exchangers requiring heat conductivity and corrosion resistance and other high temperature structural materials have been actively conducted using the characteristics of aluminum nitride.

일반적으로 질화알루미늄분말의 제조방법에는 탄소환원법(Carbothermal Reduction Method), 고온자전 합성법(Self-Propagating High Temperature Synthesis Method), 직접질화법(Direct Nitridation Method), 유동반응로법(Filuidized Furnace Method), 플라즈마회전전극법, 기상 합성법(Vapor Phase Synthesis Method)등이 알려져 있다.In general, methods for producing aluminum nitride powder include carbon reduction method, self-propagating high temperature synthesis method, direct nitridation method, fluidized furnace method, and plasma. Rotating electrode methods and vapor phase synthesis methods are known.

알려진 방법중 상업적으로 가장 많이 사용되고 있는 방법은 탄소환원법인데, 이것은 알루미나분말을 고온의 질소분위기에서 탄소로 환원시켜 질화알루미늄을 생성하는 것이며, 이때의 화학반응식은 아래의 식(1)과 같다.Among the known methods, the most commonly used method is the carbon reduction method, which is to produce aluminum nitride by reducing the alumina powder to carbon in a high temperature nitrogen atmosphere.

Al2O3+3C+N2=2AlN+3CO식 (1)Al 2 O 3 + 3C + N 2 = 2AlN + 3CO (1)

그리고 상기의 생성반응이 상업적으로 가능한 속도로 진행되기 위해서는 반응온도를 1700℃정도까지 유지하여야 하며, 또한 알루미나와 탄소분말간의 반응은 고체와 고체간의 반응이므로, 이들 분말간의 직접적인 접촉이 유지되어야만 반응이 계속될 수 있는 단점이 있다.In order to proceed at a commercially possible rate, the reaction temperature must be maintained at about 1700 ° C. Also, the reaction between alumina and carbon powder is a reaction between a solid and a solid, so that a direct contact between these powders is maintained. There is a disadvantage that can be continued.

즉, 반응분말의 크기가 너무 크거나 반응분말간의 공극이 너무 클 경우에는 반응이 완결되지 못하여 미반응 알루미나가 재료내에 잔존하게 된다.That is, when the size of the reaction powder is too large or the voids between the reaction powder are too large, the reaction is not completed and unreacted alumina remains in the material.

실제로 상업적으로 판매되고 있는 질화알루미늄의 내부에는 0.5-2.0wt%의 산소가 존재하는데, 이것은 상기와 같은 미반응 알루미나의 잔존에 기인하는 현상이다.In fact, 0.5-2.0 wt% oxygen is present in the commercially available aluminum nitride, which is due to the remaining of unreacted alumina.

그러므로 질화알루미늄내의 산소는 재질의 열전도도를 저하시키는 작용이 있기 때문에, 본 재질의 성능을 충분하게 이용하기 위해서는 이러한 산소의 농도를 줄이는 것은 필수적이다.Therefore, since oxygen in aluminum nitride has a function of lowering the thermal conductivity of the material, it is essential to reduce the oxygen concentration in order to fully utilize the performance of the material.

직접질화법은 알루미늄분말을 질소분위기에서 유지하여 질화반응이 발생되도록 하는 것인데, 반응온도를 알루미늄의 융점이하로 유지하여야 하기 때문에 반응속도가 느린 단점이 있다.The direct nitriding method is to maintain the aluminum powder in a nitrogen atmosphere so that the nitriding reaction occurs. The reaction rate is slow because the reaction temperature must be kept below the melting point of aluminum.

유동반응로법은 질소가스를 이용하여 알루미늄분말을 1200℃ 정도의 고온로내로 부유시켜 반응시키는 방법으로 반응속도가 매우 빠른 장점이 있으나, 작업조건의 유지가 곤란한 단점을 지닌다.The fluidized reactor method is a method in which aluminum powder is suspended in a high temperature furnace at about 1200 ° C. using nitrogen gas, and the reaction rate is very fast. However, it is difficult to maintain working conditions.

그리고 플라즈마회전전극법은 알루미늄 소모전극에 고열의 플라즈마를 질소분위기에서 가하게 되면 알루미늄이 기화하게 되고, 기화된 알루미늄이 질소와 반응하여 미세한 질화알루미늄분말을 형성하게되는 방법이다.In the plasma rotating electrode method, when a high-temperature plasma is applied to an aluminum consumption electrode in a nitrogen atmosphere, aluminum is vaporized, and vaporized aluminum reacts with nitrogen to form fine aluminum nitride powder.

상기의 플라즈마회전전극법은 미세하고 균일한 크기의 질화알루미늄분을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 생산성이 낮고 수율이 낮은 단점을 가지고 있다.The plasma rotating electrode method has the advantage of producing an aluminum nitride powder having a fine and uniform size, but has the disadvantage of low productivity and low yield.

또한 기상합성법은 사용 가스가 고가이고 생성속도가 느리기 때문에, 분말의 제조에 사용되기 보다는 박막의 제조에 적합한 방법이다.In addition, the gas phase synthesis method is a method suitable for the production of thin films, rather than being used for the production of powder, because the gas used is expensive and the production rate is slow.

상기의 기상합성법에 의한 질화알루미늄분말의 생성반응식은 아래의 식(2)와 같다.The reaction reaction formula of the aluminum nitride powder by the gas phase synthesis method is shown in Equation (2) below.

AlCl3+NH3=AlN+3HCl 식(2)AlCl 3 + NH 3 = AlN + 3HCl Formula (2)

한편, 고온자전합성법도 질화알루미늄분말이나 소결체의 제조에 사용되어 왔다.On the other hand, high temperature autosynthesis has also been used for the production of aluminum nitride powders and sintered bodies.

고온자전합성법의 선행기술로 미국특허번호 제3,726,643과 미국특허번호 제4,877,759에 공지된 바 있다.Prior art of high temperature autosynthesis has been known in US Pat. No. 3,726,643 and US Pat. No. 4,877,759.

전자의 선행기술은 고융점 무기화합물을 금속과 그 기체상과 반응시킴으로서 고온자전합성법으로 제조할 수 있음을 보여주는 포괄적인 방법이며, 후자의 기술은 알루미늄분말을 질소와 반응시키면 95% 정도의 상대밀도를 갖는 질화알루미늄 소결체가 얻어짐을 보여주나, 사용되는 질소의 압력이 1,000기압 정도이므로 상업적인 생산에 광범위하게 적용하기에는 적합하지 못하였다.The former prior art is a comprehensive method that can be prepared by high temperature autosynthesis by reacting a high melting point inorganic compound with a metal and its gaseous phase. The latter technique is about 95% relative density when aluminum powder is reacted with nitrogen. Aluminum nitride sintered body was obtained, but the pressure of nitrogen used was about 1,000 atm, which was not suitable for a wide range of applications in commercial production.

그리고 또 다른 선행기술로서 일본의 연구발표에 의하면, 고온자전이 안정되게 진행되기 위해서는 질소압력을 5기압 이상으로 유지해야 한다고 하며, 이 경우 많은 비반응의 알루미늄분말이 재료내에 잔존하는 것이 알려졌고, 알루미늄분말이 완전하게 질화알루미늄분말로 변화되기 위해서는 100기압 이상의 고압을 유지하여야 한다.In addition, according to a Japanese research publication as a related art, it is known that nitrogen pressure must be maintained at 5 atmospheres or more in order for high-temperature rotation to proceed stably, in which case, many unreacted aluminum powders remain in the material. In order for the powder to be completely converted to aluminum nitride powder, a high pressure of 100 atm or more must be maintained.

상기의 고온자전합성법을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.The high temperature autosynthesis method will be described in more detail as follows.

고온자전합성법이란 화합물을 구성하고 있는 원소들간의 반응열이 생성반응을 자발적으로 지속되도록 가열하는 것으로, 합성반응열이 높은 세라믹재료나 금속간화합물 등의 합성반응에서 많이 관찰되는 현상이다.The high temperature autosynthesis method is a method in which the heat of reaction between the elements constituting the compound is heated so that the formation reaction is spontaneously maintained. This is a phenomenon that is frequently observed in a synthesis reaction of a ceramic material or an intermetallic compound having a high heat of synthesis reaction.

이러한 고온자전합성법은 화합물을 구성하고 있는 2개 이상의 원소를 균일하게 섞은 후, 이것을 상온에서 적당한 형태로 압력을 가하여 압축한다.This high temperature autosynthesis method uniformly mixes two or more elements constituting the compound, and then compresses the same by applying a pressure in a suitable form at room temperature.

이렇게 제조된 펠릿의 일부분에 텅스텐필라멘트, 탄소스트립 등의 가열 방법을 사용하여 국부적으로 가열하여 반응을 점화시킨다.A portion of the pellets thus prepared is locally heated using a heating method such as tungsten filament, carbon strip, etc. to ignite the reaction.

그리고 반응이 일단 점화되면 외부의 열원을 제거시켜도 반응은 자체 반응열의 가열효과에 의하여 반응이 계속되어 펠릿의 전부분을 반응대가 순차적으로 진행하게 된다.And once the reaction is ignited, even if the external heat source is removed, the reaction is continued by the heating effect of the self-heating reaction, and the reaction zone proceeds sequentially through the entire portion of the pellet.

질화알루미늄분말을 고온자전합성법을 이용하여 제조할 경우의 반응에 참여하는 원재료는 고체상의 알루미늄분말과 질소기체이며, 화학당량비가 일정한 질화알루미늄을 제조하기 위해서는 반응 펠릿의 단위체적내에 질소기체와 알루미늄분말이 동일한 몰비로 존재하여야 한다.The raw materials involved in the reaction when aluminum nitride powder is prepared by high temperature autosynthesis method are solid aluminum powder and nitrogen gas, and nitrogen gas and aluminum powder in the unit volume of the reaction pellet to produce aluminum nitride with a constant chemical equivalence ratio They must be present in the same molar ratio.

따라서 본 반응이 진행되기 위해서는 100-2,000기압 정도의 매우 높은 질소압력이 요구된다.Therefore, very high nitrogen pressure of 100-2,000 atmospheres is required for this reaction to proceed.

그리고 고온자전합성법에 있어서의 중요한 제조 변수중의 하나는 단열반응온도이다.And one of the important manufacturing parameters in the high temperature autosynthesis method is the adiabatic reaction temperature.

단열반응온도란 화합물이 합성될때 발생하는 반응열이 손실없이 합성된 화합물의 온도를 올리는데 사용되었다고 가정하였을때에 도달할 수 있는 최고온도를 말하는 것으로, 질화알루미늄의 경우에는 상기의 단열반응온도가 약 3,200-4,000℃에 이르는 것으로 보고되고 있다.The adiabatic reaction temperature is the highest temperature that can be reached when the reaction heat generated when the compound is synthesized is used to raise the temperature of the synthesized compound without loss. In the case of aluminum nitride, the adiabatic reaction temperature is about 3,200. It is reported to reach -4,000 ° C.

그런데 질화알루미늄은 승화온도가 2500℃ 부근이므로, 생성 반응이 안정되게 진행되지 못하며, 따라서 질화 알루미늄의 합성 온도를 낮추어 질화알루미늄의 승화 및 분해를 막는 것이 필수적이다.However, since the aluminum nitride has a sublimation temperature of about 2500 ° C., the reaction does not proceed stably. Therefore, it is essential to lower the synthesis temperature of aluminum nitride to prevent sublimation and decomposition of aluminum nitride.

질화알루미늄의 합성온도를 낮추기 위해서는 알루미늄의 질화반응에 참여하지 않는 안정한 화합물을 희석재로 하여 알루미늄분말에 섞는 방법이 많이 사용되어 왔다.In order to lower the synthesis temperature of aluminum nitride, a method of mixing a stable compound which does not participate in the nitriding reaction of aluminum as a diluent as a diluent has been widely used.

즉, 이미 합성된 질화규소, 질화보론, 질화타이타늄, 질화하프늄, 질화지르코늄, 질화알루미늄분말들을 알루미늄분말에 20-50% 정도까지 섞어서 질화반응을 진행시키게 된다.That is, silicon nitride, boron nitride, titanium nitride, hafnium nitride, zirconium nitride, and aluminum nitride powder are mixed with aluminum powder by about 20-50% to proceed the nitriding reaction.

이때 이들 희석재는 질화반응에는 참여하지 않고, 합성반응시에 발생되는 반응열을 흡수하는 작용을 하여 반응온도를 감소시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.At this time, these diluents do not participate in the nitriding reaction, and are known to play a role of reducing the reaction temperature by absorbing the heat of reaction generated during the synthesis reaction.

또한 질화알루미늄의 분해를 막기 위해서는 아래의 화학반응식으로부터 구하여진 질소분압보다도 높은 분압을 가해주어야 한다.In addition, in order to prevent decomposition of aluminum nitride, a partial pressure higher than the nitrogen partial pressure obtained from the following chemical reaction formula should be applied.

2Al+N2=2AIN △G=-76, 100-4.82T (3)2Al + N 2 = 2AIN ΔG = -76, 100-4.82T (3)

위의 식(3)에 의하여 계산된 질소의 평형분압은 온도가 상승함에 따라 증가하여 반응온도가 2800℃ 부근에 이르면 약 1기압이 되며, 좀 더 상승하여 3,600℃ 정도에 이르면 약 100기압 정도까지 증가한다.The equilibrium partial pressure of nitrogen calculated by Equation (3) increases as the temperature rises and becomes about 1 atm when the reaction temperature reaches around 2800 ° C, and further increases to about 100 atm when reaching about 3,600 ° C. Increases.

따라서 반응온도가 높아질 경우에는 평형분압 이상의 압력을 가한다. 질화알루미늄을 종래의 고온자전합성법으로 제조할 경우에 가장 큰 문제점은 질소의 합성분압이 너무 높다는 것이다.Therefore, when the reaction temperature increases, a pressure higher than the equilibrium partial pressure is applied. The biggest problem when producing aluminum nitride by the conventional high temperature autosynthesis method is that the synthetic partial pressure of nitrogen is too high.

현재에 주로 사용되고 있는 질소분압은 100-200기압으로, 상업적인 질화알루미늄분말을 생산하기에는 너무 높은 압력이다.The nitrogen partial pressure currently used mainly is 100-200 atmospheres, which is too high to produce commercial aluminum nitride powders.

이와 같이 압력이 높으면 반응되지 않고 소모되는 질소가스의 양이 증가하게 되어 제조원가의 상승을 가져오는 것은 물론, 높은 반응압력으로 인한 파열에 견딜수 있는 튼튼한 구조가 요구되므로 많은 설비투자비를 필요로 하게 된다.In this way, if the pressure is high, the amount of nitrogen gas consumed without being reacted is increased, leading to an increase in manufacturing cost, and a strong structure that can withstand the rupture due to the high reaction pressure is required.

그리고 또 다른 문제점으로 질소가스내에 존재하고 있는 산소의 양을 들 수 있다.Another problem is the amount of oxygen present in the nitrogen gas.

공업적 습도를 가진 질소가스내 에는 0.2wt% 정도의 산소가 존재하며, 종래의 고온자전합성법과 같은 고압의 질소가 사용되면 산소의 절대량이 증가하게 되어 알루미늄의 산화반응을 추진하여 질화알루미늄내에 산소의 함량이 증가하게 되며, 그에 따라 고온자전합성법에 의하여 생성된 질화알루미늄의 순도는 별로 좋지 않을 것으로 본다.Oxygen of about 0.2wt% exists in nitrogen gas with industrial humidity, and when high pressure nitrogen like conventional high temperature autosynthesis method is used, the absolute amount of oxygen increases and promotes oxidation reaction of aluminum to The content of is increased, and accordingly, the purity of the aluminum nitride produced by the high temperature autosynthesis method is not very good.

일반적으로 질화알루미늄은 전기절연성이 좋고, 열전도도가 대부분의 금속보다도 높기 때문에, 고집적 반도체칩의 페키징재료나 열교환기 등의 고온구조재로서 연구 및 실용화가 활발히 진행되어 왔으나, 현재 시판되는 질화알루미늄은 제조방법에서 기인하는 높은 가격으로 사용에 많은 제약이 따른다.In general, since aluminum nitride has good electrical insulation and higher thermal conductivity than most metals, research and practical use have been actively conducted as high temperature structural materials such as packaging materials and heat exchangers of highly integrated semiconductor chips. Due to the high price resulting from the manufacturing method, there are many restrictions on its use.

따라서 본 발명은 종래의 100-2,000기압의 고압고온자전합성법을 개선하여, 3-10기압 정도의 저압고온 자전합성법으로 높은 순도와 저렴한 가격의 질화알루미늄을 제조하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to improve the conventional high-pressure high-temperature autosynthesis method of 100-2,000 atmospheres, and to manufacture aluminum nitride of high purity and low price by low-pressure high-temperature autosynthesis method of about 3-10 atmospheres.

이하, 본 발명의 제조방법 및 그에 따른 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the manufacturing method and the effects of the present invention will be described in detail.

저압고온자전합성법인 본 발명은 질소가스를 10기압까지 유지할 수 있는 반응기를 사용하여 제조하는데, 이 반응기는 크게 알루미늄분말과 질소가스간의 자전합성반응을 점화시킬 수 있는 텅스텐 전극과 탄소전극간의 아크점화장치, 분말의 합성온도를 측정할 수 있는 온도측정장치, 분말을 담을 수 있는 저장장치 등으로 구성되어 있다.The present invention, which is a low-pressure high-temperature autosynthesis method, is prepared using a reactor capable of maintaining nitrogen gas up to 10 atm, which is largely arc ignited between a tungsten electrode and a carbon electrode, which can ignite the autosynthesis reaction between aluminum powder and nitrogen gas. It consists of a device, a temperature measuring device that can measure the synthesis temperature of the powder, and a storage device that can hold the powder.

본 발명에서 질소알루미늄분말을 합성하는데 있어, 종래의 고압고온자전합성법에 비하여 저압의 질소압력을 사용할 수 있었던 것은, 새로운 알루미늄분말의 준비과정을 개발하였기 때문이다.In synthesizing the nitrogen aluminum powder in the present invention, it was possible to use a low pressure nitrogen pressure as compared with the conventional high-pressure high-temperature autosynthesis method, because a new aluminum powder preparation process was developed.

안정된 고온자전질화반응이 유지되기 위한 알루미늄분말시료의 준비법으로서 금속알루미늄분말에 부피비로 10-30% 정도의 탄소분말을 정량하여 희석제로 혼합한다. 이때 희석재는 질소 기체가 알루미늄분말성형체 내부로 전달될 수 있는 통로를 확보하여 주는 역할을 하는데, 이의 함량이 많을 수록 질소 가스는 쉽게 시료내부로 침투하여 질화알루미늄의 생성정도를 증가시킬 수 있는 것이다. 그러나 탄소 분말은 질소 가스중에서 반응에 참여하지 않으므로 그의 함량이 30% 이상되면 알루미늄분말의 질화반응에서 발생하는 반응열을 흡수하여 자전고온합성반응이 이루어지지 않는다.As a method for preparing an aluminum powder sample for maintaining a stable high temperature autonitrification reaction, a carbon powder having a volume ratio of about 10-30% is quantified in the metal aluminum powder and mixed with a diluent. At this time, the diluent plays a role of securing a passage through which nitrogen gas can be delivered into the aluminum powder molded body. As the content of the diluent increases, the nitrogen gas easily penetrates into the sample to increase the generation of aluminum nitride. However, since the carbon powder does not participate in the reaction in nitrogen gas, when the content thereof is 30% or more, the autothermal synthesis reaction is not performed by absorbing the reaction heat generated in the nitriding reaction of the aluminum powder.

그리고 혼합된 시료를 깊이 3-15mm의 직육면체 형상의 통에 부어 넣는다. 이때 시료의 깊이가 너무 크면 반응가스가 반응대 속으로 침투하기 어려워 완전한 질화반응이 일어나기 어렵고, 깊이가 너무 작으면 융기로의 열손실이 커지게 되어 시료의 깊이를 3-15mm내로 하는 것이 바람직하다. 이후, 고름자(doctor blade)등을 이용하여 시료의 두께를 균일하게 한 후, 가볍게 두드려서 시료의 밀도를 균일하게 한다. 이것은 충진시 발생할 수 있는 시료 밀도의 불균일성을 제거하기 위함이다.Then, the mixed sample is poured into a cuboid having a depth of 3-15 mm. At this time, if the depth of the sample is too large, the reaction gas is difficult to penetrate into the reaction zone, and thus, it is difficult for complete nitriding reaction to occur. If the depth is too small, the heat loss to the ridge is increased, and the depth of the sample is preferably within 3-15 mm. . Thereafter, the thickness of the sample is uniformed by using a doctor blade, etc., and then lightly patted to uniform the density of the sample. This is to eliminate non-uniformity of sample density that may occur during filling.

이때 시료가 지나치게 얇으면 외부로의 연손실이 크게 되고, 반대로 두꺼우면(2cm이상) 질소의 침입이 용이하지 못하여 불안정한 질화반응이 일어난다.At this time, if the sample is too thin, the annual loss to the outside becomes large. On the contrary, when the sample is thick (2 cm or more), infiltration of nitrogen is not easy and an unstable nitriding reaction occurs.

고온자전질화 반응기내에 존재하는 대기가스를 제거시켜 질소압력을 3-10기압 정도로 유지한다. 이와 같이 질소 압력이 기존의 제조방법에 비하여 낮을 수 있었던 것은 분발을 고압력으로 압축하여 사용하는 기존의 방법에 비하여 본 발명에서는 분말을 자유 충진한 상태로 사용하기 때문이다. 그러나 질소 기압의 압력이 3기압 이하로 너무 낮으면, 시료내로 질소의 침투가 너무 느리게 되어 알루미늄이 완전하게 질화알루미늄으로 변환되지 않는 문제점이 있다. 이에 비하여 질소 압력이 10기압 이상으로 높을 경우에는 발열량의 급벽한 증가로 분말의 입도가 커지는 문제점이 있다.The atmospheric pressure in the high temperature autonitrification reactor is removed to maintain the nitrogen pressure of about 3-10 atm. As such, the nitrogen pressure was lower than that of the conventional manufacturing method, because the powder is used in the present invention in a free-filled state as compared with the conventional method of compressing the powder at a high pressure. However, if the pressure of the nitrogen atmosphere is too low below 3 atmospheres, there is a problem that the penetration of nitrogen into the sample is too slow and aluminum is not completely converted to aluminum nitride. On the other hand, when the nitrogen pressure is higher than 10 atm, there is a problem in that the particle size of the powder is increased due to the rapid increase in calorific value.

본 압력은 기존의 500-2,000기압에 비하여 대단히 낮은 것으로, 질화 알루미늄분말의 제조시 질소 소비량을 크게 줄일 수 있다.This pressure is very low compared to the existing 500-2,000 atmospheres, it can significantly reduce the nitrogen consumption in the production of aluminum nitride powder.

텅스텐전극을 음극으로 하고 탄소전극을 양극으로 하는 전기아크를 이용하여 시료의 선단부분에 고온자전질화반응의 점화를 실시한다.The high temperature autonitrification reaction is ignited at the tip of the sample by using an electric arc whose tungsten electrode is the cathode and the carbon electrode is the anode.

그리고 일단 반응이 점화되면 전기아크를 소멸시킨다.Once the reaction is ignited, the arc is destroyed.

왜냐하면 반응이 일단 점화되면 외부의 열원을 제거시켜도 반응은 자반응열의 가열효과에 의하여 반응이 계속되어 펠릿의 전부분을 반응대가 순차적으로 진행하게 되기 때문이다.This is because once the reaction is ignited, even if the external heat source is removed, the reaction is continued by the heating effect of the self-reacting heat, and the reaction zone proceeds sequentially through the entire portion of the pellet.

상기의 전기아크를 열원밀도가 매우 커서 반응물을 매우 국부적으로 단시간에 가열하기 때문에 반응의 점화가 용이하다.Since the electric arc has a very high heat source density and heats the reactants very locally in a short time, the ignition of the reaction is easy.

생성된 질화알루미늄분말과 탄소분말의 혼합체를 볼밀(Ball Mill)등을 이용하여 분쇄한다.The mixture of the produced aluminum nitride powder and carbon powder is pulverized using a ball mill or the like.

30분 정도의 짧은 분쇄과정을 거치면 수 μm의 질화알루미늄분말을 얻을 수 있다. 여기서, 분말의 분쇄 시간을 한정할 필요는 없으나, 분쇄시간이 길어지면 생산성이 멀어지고 불순물의 혼입이 증가하여 적정한 분말입도가 얻어지는 30분 정도로 한정한 것이다.After 30 minutes of short grinding, several μm of aluminum nitride powder can be obtained. Here, it is not necessary to limit the grinding time of the powder, but if the grinding time is longer, the productivity is reduced and the mixing of impurities is increased, so that the powder is limited to about 30 minutes to obtain an appropriate powder particle size.

이러한 분쇄작업은 탄소의 제거를 용이하게 하고 질화알루미늄분말의 입도를 미세하게 하는 효과가 있다.This grinding operation facilitates the removal of carbon and has an effect of making the particle size of the aluminum nitride powder fine.

분쇄된 질화알루미늄과 탄소분말의 혼합체를 대기중이나 산소분위기에서 650-750℃의 온도로 유지시켜 탄소분말을 제거시킨다. 여기서, 온도가 650℃보다 낮을 경우에는 탄소의 산화속도가 너무 느리어 생산성이 낮게 되고, 온도가 750℃이상이 될 경우에는 질화알루미늄의 산화가 발생하여 재료내에 산소 불순물의 함량을 증가시키게 된다.The mixture of the pulverized aluminum nitride and the carbon powder is maintained at a temperature of 650-750 ° C. in the air or in an oxygen atmosphere to remove the carbon powder. In this case, when the temperature is lower than 650 ° C., the oxidation rate of carbon is too slow, and productivity is low. When the temperature is higher than 750 ° C., oxidation of aluminum nitride occurs to increase the content of oxygen impurities in the material.

본 발명에서 사용한 질소압은 3-10기압으로 미국이나 일본에서 질화 알루미늄분말의 제조에 사용한 질소압(100-1000기압)보다 훨씬 낮으므로 질화알루이늄을 저렴한 가격으로 제조하는 것이 가능하여진다.The nitrogen pressure used in the present invention is 3-10 atm, which is much lower than the nitrogen pressure (100-1000 atm) used for the production of aluminum nitride powder in the United States or Japan, so that it is possible to produce aluminum nitride at a low price.

본 발명에서 질소압을 10기압 이하로 낮추기 위해서 발명된 알루미늄 분말의 준비과정은 알루미늄분말 시료의 형상 및 시료에 첨가되는 희석제의 종류와 양이다.In the present invention, the preparation process of the aluminum powder invented to lower the nitrogen pressure to 10 atm or less is the shape of the aluminum powder sample and the type and amount of the diluent added to the sample.

따라서 알루미늄분말 시료의 형상은 질화 알루미늄의 생성이 고체 분말과 기체 질소간의 반응이기 때문에 중요한 영향을 미친다.Therefore, the shape of the aluminum powder sample has an important effect because the production of aluminum nitride is a reaction between the solid powder and the gaseous nitrogen.

즉, 알루미늄의 질화반응이 진행되기 위해서는 질소가스가 시료밖어서 침투해 들어가야 한다.That is, in order for the nitriding reaction of aluminum to proceed, nitrogen gas must penetrate out of the sample.

만약 반응하는 시료의 두께가 두꺼워지면 질화반응을 위한 질소의 침입거리가 멀어져 알루미늄분말 내부에 미반응 알루미늄이 잔존하게 된다.If the thickness of the reacting sample becomes thick, the intrusion distance of nitrogen for the nitriding reaction becomes far and unreacted aluminum remains in the aluminum powder.

그리고 더욱 알루미늄분말층의 두께가 두꺼워지면 내부에는 질화반응이 발생하지 않게 되고, 결국은 고온 자전질화반응이 멈추게된다.In addition, when the thickness of the aluminum powder layer becomes thicker, the nitriding reaction does not occur inside, and eventually, the high temperature autonitriding reaction stops.

이러한 현상은 알루미늄분말의 컴팩팅밀도(Compacting Density)가 증가하면 관찰된다.This phenomenon is observed when the compacting density of aluminum powder is increased.

즉, 컴팩팅밀도가 증가하게 되면 질소가 침투할 수 있는 기공의 부피분율이 떨어지게 되어 고온자전질화반응이 멈추게 된다.That is, when the compacting density increases, the volume fraction of the pores through which nitrogen can penetrate falls, thereby stopping the high temperature autonitrification reaction.

따라서 본 발명에서는 알루미늄분말의 두께를 약 5mm 정도로 탭핑하여 질소가스의 침입을 용이하게 하였다.Therefore, in the present invention, tapping the thickness of the aluminum powder to about 5mm to facilitate the intrusion of nitrogen gas.

희석제를 섞지않는 알루미늄분말은 충분히 높은 질소안에서도 자전반응을 일으키지 못한다.Aluminum powder without diluent does not cause a rotating reaction even in sufficiently high nitrogen.

이것은 알루미늄분말의 용융점이 낮아 반응열에 의하여 알루미늄분말이 용융되어 질소가스의 침입경로가 차단되며, 특히 알루미늄분말의 열전도도가 큰 관계로 두꺼운 반응대를 형성하기 때문이다.This is because the melting point of the aluminum powder is low, the aluminum powder is melted by the reaction heat, and the intrusion path of nitrogen gas is blocked, and in particular, a thick reaction zone is formed due to the large thermal conductivity of the aluminum powder.

따라서 질소가스의 침입경로를 확보하기 위해서는 반응열을 흡수하고 알루미늄분말 시료의 열전도를 감소시킬 수 있는 희석제의 첨가가 반드시 필요하다.Therefore, in order to secure the infiltration path of nitrogen gas, it is necessary to add a diluent capable of absorbing the reaction heat and reducing the thermal conductivity of the aluminum powder sample.

본 발명에서 사용되는 희석제는 종래에 사용되어 왔던 질화규소, 질화티타늄, 질화알루미늄 등 대신에 탄소분말을 사용한다.The diluent used in the present invention uses carbon powder instead of silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, or the like, which has been conventionally used.

왜냐하면 탄소분말은 형상이 불규칙하며 용융알루미늄에 젖지 않기 때문에, 반응대내에서 질소의 침입경로를 즉보하는데 적합할 뿐만 아니라 고온에서 환원성분위기를 유지하므로, 질소가스중에 있는 산소와 먼저 반응하게 되어 알루미늄분말의 산화를 방지시키는 역활을 한다.Because the carbon powder is irregular in shape and does not get wet with molten aluminum, it is not only suitable for instantaneous passage of nitrogen in the reaction zone but also maintains a reducing component at high temperature, so it reacts with oxygen in nitrogen gas first. It acts to prevent oxidation.

따라서 고순도의 질화알루미늄을 생산하기 위하여, 고순도의 질소가스를 사용할 필요없이 공업용 질소가스를 사용할 수 있다.Therefore, in order to produce high purity aluminum nitride, industrial nitrogen gas can be used without the need for using high purity nitrogen gas.

또한 탄소분말은 알루미늄의 표면에 항상 존재하는 알루미나와 반응하여 산소를 제거시킬 수 있기 때문에, 생성된 질화알루미늄분말의 산소농도를 낮출 수 있는 장점이 있다.In addition, since the carbon powder can remove oxygen by reacting with alumina that is always present on the surface of aluminum, there is an advantage of lowering the oxygen concentration of the produced aluminum nitride powder.

본 발명에 의하여 생성된 질화알루미늄분말을 전자현미경을 사용하여 분말의 형상을 관찰한 결과, 질화반응과정이 일반적인 고상(또는 액상)의 알루미늄과 질소와의 반응에 의한 것이 아니라, 기상의 알루미늄과 기상의 질소가스의 반응에 의한 것으로 밝혀졌다.As a result of observing the shape of the powder of the aluminum nitride powder produced by the present invention using an electron microscope, the nitriding reaction is not caused by the reaction of aluminum and nitrogen in a general solid state (or liquid phase). Was found to be due to the reaction of nitrogen gas.

즉, 본 발명에 의하여 얻어진 질화알루미늄분말은 일반적으로 보고된 구상의 형상이 아니라, 방향성을 지닌 매우 비대칭성의 분말이다. 이러한 분말의 형상은 알루미늄의 질화과정이 종래의 탄소환원법처럼 고상과 기상의 반응이 아니라, 기화된 알루미늄이 질소와 반응하는 기상반응기구임을 나타나는 것이다.That is, the aluminum nitride powder obtained by the present invention is not a spherical shape generally reported, but is a very asymmetric powder having an orientation. The shape of the powder indicates that the nitriding process of aluminum is not a reaction of a solid phase and a gas phase as in the conventional carbon reduction method, but a vapor phase reaction mechanism in which vaporized aluminum reacts with nitrogen.

질화알루미늄은 단열반응온도가 3000℃이상으로 희석제에 의한 열량감소를 고려해도 시료의 온도는 순간적으로 2000℃이상으로 올라간다.In the case of aluminum nitride, the thermal insulation reaction temperature is 3000 ℃ or higher, and the temperature of the sample is raised to 2000 ℃ or higher even if the calorie reduction by the diluent is taken into consideration.

따라서 이 정도의 온도에서 알루미늄은 기화를 일으키고 기화된 알루미늄은 질소와 반응을 하여 기상의 질화알루미늄을 이루게 된다.Therefore, at this temperature, aluminum causes vaporization and vaporized aluminum reacts with nitrogen to form gaseous aluminum nitride.

그리고 생성된 질화알루미늄은 시료의 냉각에 따라 과포화되어 응축되면서 방향성 성장을 하게 된다.The produced aluminum nitride is supersaturated and condensed according to the cooling of the sample, which causes directional growth.

이와 같은 기상반응기구는 고상반응기구보다 불순물 의 잔류 가능성이 작아지는 경향을 지니며, 따라서 생성될 질화알루미늄은 낮은 산소농도를 가지게 된다.Such gas phase reaction mechanisms tend to have less residual impurities than solid phase reaction mechanisms, and thus the aluminum nitride to be produced has a lower oxygen concentration.

그러므로 본 질화알루미늄분말을 이용하여 제조된 소결체의 열전도도는 산소농도에 비례하여 떨어지기 때문에, 고온자전합성법에 의하여 생성된 질화알루미늄분말은 다른 방법에 의해 생성된 질화알루미늄분말보다 더 높은 열전도도를 나타낸다.Therefore, since the thermal conductivity of the sintered compact manufactured using the present aluminum nitride powder falls in proportion to the oxygen concentration, the aluminum nitride powder produced by the high temperature autosynthesis method has a higher thermal conductivity than the aluminum nitride powder produced by other methods. Indicates.

한편, 본 발명에 의하여 생성된 질화알루미늄분말을 X-선 검사를 실시한 결과, 잔류 알루미늄분말이 없이 순수한 질화알루미늄분말인 것으로 확인되었다.On the other hand, as a result of performing an X-ray examination of the aluminum nitride powder produced by the present invention, it was confirmed that the aluminum nitride powder was pure aluminum nitride powder without any residual aluminum powder.

종래의 질화알루미늄분말의 제조법 가운데 현재 상업적으로 생산되고 있는 탄소환원법은 알루미나분말을 1700℃정도 고온의 질소분위기에서 장시간 유지해야 하므로 분말의 제조가격이 높으며, 또한 고상과 고상간의 반응이기 때문에 미반응 알루미나가 잔류하여 잔류산소농도를 높게하는 단점이 있다.The carbon reduction method currently commercially produced in the conventional method of manufacturing aluminum nitride powder has to maintain the alumina powder in a nitrogen atmosphere at a high temperature of about 1700 ° C. for a long time, and thus the production cost of the powder is high, and the reaction between the solid phase and the solid phase is unreacted alumina. There is a disadvantage that the residual oxygen to increase the residual oxygen concentration.

이러한 미반응 알루미나의 산소는 질화알루미늄 소결체의 열전도도를 떨어뜨려, 본 재질의 우수한 성능을 충분하게 이용하지 못하게하는 단점이 있다.Oxygen of the unreacted alumina has a disadvantage in that the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body is lowered, thereby making it impossible to sufficiently utilize the excellent performance of the present material.

또한 탄소환원법을 제외한 다른 질화법들, 즉 직접질화법, 플라즈마 회전전극법, 기상합성법, 유동반응로법 등은 각각의 장점은 인정되나, 모두 대량생산이 어렵다는 단점을 갖는다.In addition, other nitriding methods other than the carbon reduction method, that is, direct nitriding method, plasma rotary electrode method, gas phase synthesis method, flow reactor method, etc. are recognized for their advantages, but all have disadvantages of mass production.

그렇지만 고온자전합성법은 시료를 가열한 필요없이 상온에서 빠른 반응속도로 제조할 수 있으며, 또한 간단한 제조장치와 알루미늄과 질소가스와 같은 비교적 값싼 원료를 사용한다는 점에서 상업적으로 매우 큰 가치를 가진다.Nevertheless, high temperature autosynthesis is of great commercial value in that it can be manufactured at high reaction rates at room temperature without the need for heating the sample, and also uses a simple manufacturing apparatus and relatively inexpensive raw materials such as aluminum and nitrogen gas.

그러나 지금까지의 고온자전합성법으로 질화알루미늄분말을 제조하기 위해서는 약 100-1,000기압의 질소압을 필요로 하는데, 이것은 제품의 제조원가를 상승시키는 요인이 되며, 또한 반응생성물의 순도를 저하시키는 원인이 되었다.However, in order to manufacture aluminum nitride powder by the high temperature autosynthesis method until now, about 100-1,000 atmospheres of nitrogen pressure is required, which increases the manufacturing cost of the product and also causes the purity of the reaction product to decrease. .

본 발명은 이러한 문제점을 해결한 것으로, 상업적으로 쉽게 얻을 수 있는 3-10기압 정도의 비교적 낮은 질소압에서 질화알루미늄분말을 제조할 수 있는 우수한 제조방법이며, 본 발명으로 인해 고온자전질화반응에 사용되는 질소가스의 양을 대폭 줄일 수 있고, 또한 가스충전시간을 단축시키는 등 제조원가를 혁신적으로 낮추는 것이 가능하게 되었다.The present invention solves this problem, and is an excellent method for producing aluminum nitride powder at a relatively low nitrogen pressure of about 3-10 atm, which can be easily obtained commercially. It is possible to drastically reduce the amount of nitrogen gas to be produced and to reduce the manufacturing cost by reducing the gas filling time.

또한 희석제로 사용된 탄소분말은 고온자전질화를 안정적으로 진행시킬 뿐만 아니라, 반응시에 환원성분 위기를 유지하여 질화알루미늄분말내의 잔류산소량을 감소시키어 고순도의 질화알루미늄분말을 얻게하는데 커다란 역할을 하였다.In addition, the carbon powder used as a diluent not only stably promotes high temperature autonitrification, but also played a large role in maintaining a reducing component crisis during the reaction to reduce the amount of residual oxygen in the aluminum nitride powder to obtain a high purity aluminum nitride powder.

Claims (4)

고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법에 있어서, 저압고온자전질화반응을 유지하기 위하여 금속알루미늄분말에 탄소분말을 희석제로 혼합한 시료를 준비하며, 상기의 시료를 가볍게 두드려서 일정 두께의 판상알루미늄분말 성형체로 만들어 반응기에 장입시키고, 반응기내에 존재하는 대기가스를 제거하여 질소압력을 3-10기압으로 유지하며, 시료를 전기아크를 이용하여 고온자전질화반응의 점화를 실시한 후, 생성된 질화알루미늄분말과 탄소분말의 혼합체인 시료를 볼밀 등을 사용하여 분쇄하고, 분쇄된 시료를 대기중이나 산소분위기에서 650-750℃의 온도로 유지시켜 탄소분말을 제거시키는 것을 특징으로 하는 고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법.In the method of manufacturing aluminum nitride powder using high temperature autosynthesis method, in order to maintain low pressure high temperature autonitrification reaction, a sample is prepared in which a metal powder is mixed with a carbon powder with a diluent, and the sample is lightly pounded to form a plate-shaped aluminum powder. It is made into a molded body, charged into the reactor, the nitrogen gas is maintained at 3-10 atmospheres by removing the atmospheric gas present in the reactor, and the aluminum nitride powder produced after igniting the high temperature autonitrification reaction using an electric arc. Aluminum nitride using a high temperature autosynthesis method, characterized in that the sample, which is a mixture of carbon powder and carbon powder, is pulverized using a ball mill or the like, and the pulverized sample is maintained at a temperature of 650-750 ° C. in an air or oxygen atmosphere to remove carbon powder. Powder production method. 제1항에 있어서, 저압고온자전질화반응이 유지되기 위한 알루미늄 분말 시료의 준비법으로 금속알루미늄분말에 부피비로 10-30%의 탄소 분말을 희석제로 혼합하는 것을 특징으로 하는 고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법.The method of preparing an aluminum powder sample for maintaining a low pressure high temperature autonitrification reaction, the aluminum nitride using a high temperature autosynthesis method characterized in that the carbon powder of 10-30% by volume ratio is mixed with the metal aluminum powder. Powder production method. 제1항에 있어서, 혼합된 시료를 3-15mm의 두께로 성형하는 것을 특징으로 하는 고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법.The method of claim 1, wherein the mixed sample is molded to a thickness of 3-15 mm. 제1항에 있어서, 용이한 탄소제거와 입도가 미세한 분말을 얻기 위하여 시료를 볼밀 등을 사용하여 30분 정도 분쇄작업하는 것을 특징으로 하는 고온자전합성법을 이용한 질화알루미늄분말 제조방법.The method of claim 1, wherein the sample is ground for 30 minutes using a ball mill or the like to obtain easy carbon removal and fine powder.
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