KR950005950B1 - 질화알루미늄 분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

질화알루미늄 분말의 제조방법

제1도 : 종래의 질화알루미늄 분말 제조방법을 구현하기 위한 장치의 일례를 나타내는 개략도.

제2도 : 본 발명의 질화알루미늄 분말 제조방법을 구현하기 위한 장치의 일례를 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 분말공급부 2 : 반응관

4 : 반응부 4 : 가열로

5 : 교반기 6 : 수송기체공급관

7 : 반응기체공급관 8 : 포집부

본 발명은 열적, 전기적, 화학적 특성이 우수하여 집적회로기판 및 패키지 등의 재료로 사용되는 고순도 질화알루미늄 세라믹 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

질화알루미늄의 제조방법으로서는 알루미늄 분말로부터 직접 질화하여 제조하는 직접 질화법이나 알루미나 분말로부터의 탄소 환원법 등이 있지만, 공업적으로 직접 질화법이 일반적으로 이용되고 있다. 직접 질화법은 알루미늄 분말과 질소 기체를 고온에서 직접 접촉반응시키는 것으로서, 알루미늄 분말의 입자간 융착에 의한 반응초기 단계에서의 질화알루미늄 피막으로 인하여 내부로의 질화반응이 억제된다. 이때문에 질화알루미늄 분말의 제조시에서는 반응과 분쇄를 반복해야 할 필요가 생기고 분쇄 공정에서의 오염에 의한 순도 저하가 문제된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 알루미늄 분말과 질화알루미늄 분말을 일정 비율 혼합하여 그 혼합물을 질화반응시킴으로서 고순도 분말을 얻는 방법등이 개발되어 실융화되고 있으냐 이 방법은 수율이 좋지 않아 본질적으로 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 상기와 같은 문제를 해결하고자 최근 알루미늄 분말을 질소 기체의 흐름에 실려 부유상태로 상승하게 한 후 가열반응관내에서 반응하게 함으로서 고순도의 미세한 분말을 높은 수율로 얻을 수 있는 방법이 제안되었고, 또 이때, 제1도에 나타난 바와같이, 질소 기체와 함께 암모니아 기체를 혼입시킴으로서 보다 낮은 온도에서 고순도의 질화알루미늄 분말을 만들 수 있음이 보고되었다.(I.Kimura 등, 1989년) (제1도에서, 1 : 분말공급부, 2 : 반응관, 3 : 반응부, 4 : 가열로, 5 : 교반기, 6 : 수송기체공급관, 7 : 반응기체공급관, 8 : 포집부를 나타냄)

그러나, 상기한 부상식 질화반응법에 의해 질화알루미늄 분말을 제조할 경우에는 제1도에 나타난 바와같이, 수송기체와 함께 반응기체인 암모니아를 혼입하여 반응기내에 주입시키면 기체만으로 반응시킬때 보다 저온에서 반응을 일으킬 수 있지만, 반응시킬 수 있는 알루미늄의 양과 반응온도의 저하가 매우 제한되는 문제점이 있다.(일본특허공보 평2-26811, 1990년)

이에, 본 발명자는 상기한 종래 방법들의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 알루미늄 분말을 질소개스의 흐름에 따라 이동하도록 하고 이 방향과 반대방향으로 암모니아개스를 분출시킴으로서, 분출되는 암모니아개스와 알루미늄 분말과의 고온 접촉면적을 최대로 하여 더 많은 양의 알루미늄을 질화시키고 또한 질화반응온도를 저하시킬수 있는 향상된 질화알루미늄 분말의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 알루미늄 분말을 질소개스로 수송시켜 암모니아개스와 고온 질화반응시켜 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법에 있어서, 수송기체인 질소개스이 흐름에 역방향으로 반응기체인 암모니아개스를 주입하여 알루미늄 분말과 암모니아개스가 반응되도록 하여 알루미늄 분말로부터 고순도 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 상기한 본 발명의 질화알루미늄 분말의 제조방법에 있어서, 알루미늄 분말입도는 8-16㎛, 반응온도는 1275℃ 이상, Al/NH₃의 몰비는 0.6 이하, 및 질소개스에 대한 암모니아개스의 혼합비는 50Vo1.%이하로 제한하는 것이 바람직하며, 반응온도가 1400℃ 이상인 경우에는 Al/NH₃의 몰비의 상한값은 0.75까지도 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 질화알루미늄 분말을 제조할 수 있는 장치의 일례를 나타내는 제2도를 통해 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

반응관(2)의하부에 형성되어 있는 수송기체공급관(6)을 통해 수송기체인 질소개스를 취입하여 반응관(2) 저부의 분말공급부(2)에서 교반기(5)에 의해 교반되고 있는 알루미늄 분말을, 가열로(4)에 의해 가열되어 일정온도로 유지되는 반응관(2)의 반응부(3)로 수송시키면서, 반응관(2)의 상부에서 반응부(3)까지 확장되어 설치되어 있는 반응기체공급관(7)을 통해 암모니아개스를 주입하므로써, 질소개스에 의해 수송된 알루미늄 분말이 반응부(3)를 통과하면서 암모니아개스와 반응부(3)에서 마주쳐 고온 반응하여 질화알루미늄 분말이 제조되고, 이렇게 제조된 질화알루미늄은 포집부(8)에 포집되고 개스는 외부로 배출된다.

상기 분말공급부(1)에 공급되는 알루미늄 분말은 순도가 높을수록 좋으며, 바람직하게는 99.9% 이상이며, 그 평균입도는 8-16㎛로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 평균입경이 8㎛ 이하인 경우에는 입자의 표면적이 커져 표면에너지가 증가하여 서로 응집하므로 유동특성이 떨어지게 되어 수송기체인 질소개스에 의해 반응부(3)로 부상 수송시키기 곤란하고, 16㎛ 이상인 경우에는 각 분말입자의 크기가 크므로 반응부(3)로 부상 수송시키기 곤란하기 때문이다.

또한, 암모니아개스(NH₃)와 알루미늄 분말이 반응하는 온도 즉, 반응부(3)의 온도는 1275℃ 이상으로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 반응온도가 1275℃ 이하인 경우에는 알루미늄 분말과 암모니아개스와의 반응에 필요한 열에너지가 부족하여 100%가 AlN 전화율을 얻을 수 없기 때문이다.

또한, 반응부(3)로 공급되는 알루미늄 분말과 암모니아개스의 몰비 즉, Al/NH₃의 몰비는 0.6 이하가 바람직한데, 그 이유는 몰비가 0.6 이상이 되는 경우에는 알루미늄 분말에 비하여 암모니아개스의 양이 적어지므로, 반응하지 않은 알루미늄의 양이 증가되기 때문이다.

그러나, 반응온도가 1400℃ 이상인 경우에는 Al/NH₃의 몰비에 대한 상한값은 0.75까지 확대될 수 있다.

또한, 수송기체인 질소개스에 대한 암모니아개스의 혼합비는 50Vo1.% 이학 바람직한데, 그 이유는 50Vo1.% 이상이 되더라도 반응율의 증가효과가 크게 향상되지 않기 때문이다.

상기 암모니아개스 및 질소개스는 그 순도가 높을수록 좋으며, 바람직한 순도는 99.9% 이상이다.

이하 알루미늄 분말과 암모니아개스와의 열화학반응에 대하여 설명한다.

알루미늄 분말과 암모니아개스는 하기 식(1)과 같이 반응하여 질화알루미늄으로 전환하게 된다.

Al+NH₃→AlN+3/2 H₂…………………………………………………(1)

이때, 암모니아는 고온에서 단계별로 열분해가 되면서 최종적으로 질소와 수소로 분해된다. 즉,

NH₃→NH₂+1/2 H₂…………………………………………………(2)

NH₂→NH+1/2 H₂…………………………………………………(3)

NH→1/2 N₂+1/2 H₂…………………………………………………(4)

여기서 NH₃또는 (2), (3)의 분해반응에 의해 생성된 반응기들은 알루미늄과의 반응성이 높은 반면, (4)와 같이 완전히 분해가 되어 질소와 수소로 되어버리면 반응성이 크게 낮아지므로 반응시의 암모니아의 분해억제 및 알루미늄과의 고온부 접촉면적을 크게 할수록 반응율이 증가하게 된다.

그러나, 제1도에 제시된 장치를 사용하는 종래 방법의 경우에는 반응기체공급관을 통해 암모니아 기체가 이동하는 도중 분해가 상당히 일어나며, 수송기체와 반응기체의 흐르방향이 같으므로 암모니아기체와 알루미늄 분말의 고온 접촉면적이 크지 않아 반응율이 떨어지게 된다. 반면에, 본 발명의 경우에는 반응기체의 주입방향을 수송기체의 흐름과 반대방향으로 함으로서 알루미늄 분말과 반응하는 암모니아개스의 열분해를 최대로 억제하고 알루미늄 분말의 접촉면적을 크게 함으로서 반응률을 높일 수 있어, 단위시간당 더 많은 질화알루미늄을 제조할 수 있고 또한 반응온도를 낮출 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

알루미늄 분말로는 평균입경이 12㎛, 순도 99.9%인 것을 사용하고, 수송기체인 질소개스로는 순도 99.9%의 질소개스를 사용하고, 그리고 암모니아개스로는 99.9%의 암모니아개스를 사용하고, 제1도[종래예(A-L)] 및 제2도의 [발명예(1-7) 및 비교예(a-e)]를 이용하여 표 1의 반응조건으로 반응시켜 질화알루미늄 분말을 제조하였다. 이때, 질소개스에 대한 암모니아개스의 혼합비는 50Vo1.%이였다.

상기와 같이 제조된 질화알루미늄 분말에 대한 전화율(%)을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

하기 표 1에서의 전화율은 x-선 회절법에 의해 측정된 값이다.

[표 1a]

[표 1b]

상기 표 1에 나타난 바와같이, 수송기체인 질소개스와 반응기체인 암모니아개스가 같은 방향으로 분출되는 종래예(A-L)의 경우 100%의 전화율을 달성하기 위해서는 암모니아개스에 대한 알루미늄 몰비 (Al/NH₃의 몰비)가 0.25 이하로 제한되고, 반응온도도 1350℃ 이상이 되어야 하는 반면에, 수송기체와 역방향으로 반응기체를 분출시키는 발명에(1-7)의 경우 100%의 전화율을 달성하기 위해서는 1300℃ 및 1350℃반응온도에서의 Al/NH₃몰비는 0.5이하이고, 그리고 1400℃ 반응온도에서의 Al/NH₃몰비는 0.75까지도 가능함을 알 수 있으며, 수송기체와 역방향으로 반응기체를 분출시키더라도 Al/NH₃몰비가 본 발명 범위를 벗어나는 비교예(a-e)의 경우에는 100%의 전화율을 얻을 수 없을 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 종래 방법에 비하여 전화율 및 수율이 월등히 향상됨을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 알루미늄 분말을 질소개스로 수송시켜 암모니아개스와 고온 질화반응시켜 질화알루미늄 분말을 제조하는 방법에 있어서, 수송기체인 질소개스의 흐름에 역방향으로 반응기체인 암모니아개스를 주입하여 알루미늄 분말과 암모니아개스와 반응되도록 하여 알루미늄 분말로부터 질화 알루미늄 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 알루미늄 분말입도가 8-16㎛이고, 반응온도가 1275℃ 이상이고, Al/NH₃의 몰비가 0.6 이하이고, 그리고 질소개스에 대한 암모니아개스의 혼합비는 50Vo1.% 이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 알루미늄 분말입도가 8-16㎛이고, 반응온도가 1400℃ 이상이고, Al/NH₃몰비가 0.75 이하이고, 그리고 질소개스에 대한 암모니아개스의 혼합비가 50Vo1.% 이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 분말의 제조방법.