질화알루미늄 초미립자의 제조를 위한  DC 플라즈마 공정의 개발

오성민, 박동화

인하대학교 화학공학과

Development of DC Plasma Processing for Preparing Ultra-fine AlN Powder

Seung-min Oh, Dong-wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University

서론

질화알루미늄(AlN)은 열전도성과 절연성, 내마모성이 우수하고 화학적으로 안정하여 고기능성 재료로서 주목받고 있다. 특히 열전도성이 우수하여 반도체 분야에서 방열기판 재료로의 응용이 활발히 연구되고 있다[1]. 그러나 소결체의 열전도성은 산소함량에 민감하고 또한, 고열전도성을 유지하기 위하여 질화알루미늄 을 치밀질로 만들어야 하지만 이를 위해서는 1900℃이상의 고온이 필요하여 상용화에 어려움이 따른다[2].

따라서 원료분말로서 질화알루미늄 입경이 작고 균일하며 고순도의 분말인 것이 요구되고 있다. 현재, 알루미늄과 질소의 직접반응을 이용한 부상질화법[3], NH3와 AlCl3의 기상반응법[4]이 연구되고 있으며, 새로운 시도로서 플라즈마의 탁월한 특성을 이용한 공정도 기대되고 있으며[1,5,6], 본 연구에서는 플라즈마를 이용하여 고순도의 질화알루미늄 초미립자를 제조하기 위한 공정을 개발하고자 하였다.

실험

Fig. 1. Schematic diagram of experimental

apparatus.

장치의 구성은 Fig. 1에 나타낸 것처럼 DC플라즈마 시스템은 토치, 원료분말 공급기, 반응기 및 배기부로 제작하였다. 반응기는 수냉 스테인레스관으로 만들어졌으며(ID-25mm, L-400mm), 반응온도를 고온으로 유지시키기 위하여 내부에 흑연관을 삽입하여 실험하였다. 반응기의 윗부분으로부터 50mm, 150mm, 250mm, 350mm 되는 위치에 각각 Thermocouple을 설치하여 반응온도를 추정하였다.

플라즈마 반응가스로는 아르곤+질소혼합가스를 사용하였으며, 암모니아 가스를 반응관의 윗부분과 밑부분에 각각 설치한 주입구를 통하여 주입시켜 반응시켰다. Quenching 가스는 반응기의 밑부분에 설치된 주입구를 통하여 주입시켰으며, 배출되는 가스는 filter와 scrubber를 통과하여 배출시켰다. 실험조건은 Table 1과 같다. 합성된 분말은 XRD, SEM, FTIR, Particle size analyzer등으로부터 분석하였다.

Table 1 Experimental conditions

Current	300A
Plasma gas	Ar:15□/min, N2:1□/min
Reacting gas	NH3:0-1.2□/min, N2:0-5.0□/min
Quenching gas	NH3:0-1.0□/min, N2:0-5.0□l/min
Powder feeding rate	Al:0.5-2.0 g/min, AlCl3:0.5-2.0 g/min
Powder carrier gas	N2:4□/min

결과 및 토의

실험을 수행하기에 앞서 적절한 반응계를 선정하기 위하여 각 반응계에 대한 화학평형조성을 계산하였다. 평형조성의 계산은 Chemsage program[7]을 사용하여 Fig. 2과 나타내었다. Fig. 2(a)는 Al/N2 system의 평형조성을 계산한 결과이며, 이 system에서 알루미늄은 2600K 이상의 온도에서 완전히 증발하여 질소와 반응하게 되고, 온도가 하강함에 따라 안정한 화합물인 질화알루미늄으로 전환된다. (b)와같이 Al/NH3 system에서도 같은 결과를 보여준다. 그러나 AlCl3/NH3 system 에서는 AlCl3로 재결합하는 반응이 우세하여 질화알루미늄의 전환율이 낮아진다(c).

Fig. 2. Chemical equilibrium composition in

various system(1 atm).

(a) Al/N2 (b) Al/NH3 (c) AlCl3/NH3 system

Fig. 3은 각각의 반응계에서 합성된 분말의 XRD결과를 보여준다. Fig. 3(a),(b)는 Al/N2 system에서 합성된 분말로서 각각 graphite관벽과 포집부에서 얻은 분말을 분석하였다. (a)와 같이 graphite벽에서 얻어진 분말은 완전히 질화알루미늄으로 전환된 것으로 관찰되었지만, (b)에서는 대부분 미반응 알루미늄으로 나타났다. 전환율을 높이기 위하여 반응가스로서 암모니아 가스를 주입시킨 결과 미반응 알루미늄이 질화알루미늄으로 전환되는 것이 뚜렷이 관찰되었다(Fig. 3(c)). 또한 graphite벽에서 포집된 분말은 (a)에서와 같이 완전히 질화알루미늄으로 전환된 것으로 관찰되었다. 즉, 고온 영역에서 얻어진 분말의 경우, 앞의 평형조성계산에서 나타난 결과와 같이 Al/N2system, Al/NH3 system 각각에 대해 별다른 차이점이 없이 완전히 질화알루미늄으로 전환되었다. 그러나 저온영역에서 포집된 분말은 평형조성계산 결과와 일치하지 않음을 볼 수 있다. 반응가스로서 질소를 주입한 경우에 대부분 미반응 알루미늄이 관찰되고 FTIR측정 결과 비정질 질화알루미늄으로 나타나지만, 암모니아를 주입한 경우에는 질화알루미늄으로 전환된 것을 관찰할 있다.

Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the powder

synthesized in various conditions.

(a) Al/N2 system(collected on the graphite wall)

(b) Al/N2 system  (c) Al/NH3 system

(d) AlCl3/NH3 system

Fig. 4. FTIR absorption spectra of the

powder synthesized in various conditions.     (a) Al/NH3 system (b) AlCl3/NH3 system

(c) after heat treatment of (b)

Fig. 3(d)는 AlCl3/NH3 system에서 합성된 분말로서 평형조성계산 결과처럼 전환율이 매우 낮고 불순물이 많이 생성됨을 알 수 있다.

위와 같이 합성된 분말에 대한 FTIR측정 결과는 Fig. 4에 나타내었다. (a)는 Fig. 3(a)에서 합성된 분말을 측정한 결과로서 670cm-1에서 주피크가 나타나고, 이것은 Al-N bond에 의한 흡수띠로서 완전히 질화알루미늄으로 전환되었음을 확인할 수 있다. AlCl3/NH3 system에서 합성된 분말은 (b)와 같이 비정질 질화알루미늄에 의한 것으로 보여지는 약한 피크가 나타나며, 부산물이 많이 형성됨을 볼 수 있다. (b)에서 측정된 분말을 1073K에서 30분간 열처리 하여 측정한 결과 (c)에서와 같이 670cm-1에서 피크가 강하게 나타나며, 이것은 비정질 질화알루미늄이 결정질화 된 것임을 알 수 있고, 또한 AlCl3등의 부산물이 제거되었다.

합성된 분말의 형태는 SEM 측정 결과 Fig. 5와 같이 입경이 균일하며, 백색의 미립자로 관찰되었다. 분말의 입경은 Particle size analyzer로부터 Fig. 6과 같이 측정되었다.

Fig. 6. Distribution of particle

diameter.

Fig. 5. SEM photographs of the powder.

(a) collected on the graphite wall

(b) collected on the collection vessel

참고문헌

1. H. Ageorge, S. Megy, K. Chang, J. M. Baronnet, J. K. Williams and C. Chapman, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 13, 613(1993).

2. K. Itatani, K. Sano, P. S. Howell, A. Kishiona and M. Kinoshita, J. Mater. Sci., 28,  1661(1993).

3. A. Chang, S. Lee, S. Baik, J. Mater. Sci., 30, 1180(1995).

4. T. Watari, T. Akizuki, H. Ikeda, T. Torikai and O. Matsuda, J. Ceram. Soc. Jpn. Int. Ed., 97, 851(1989).

5. Kasra Etemadi, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 11, 41(1991).

6. M. Uda, S. Ohno and H. Okuyama, Yogyo-Kyokai-Shi, 95, 86(1978).

7. G. Eriksson and K. Hack, Metal. Trans., 21, 1013(1990).