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본 연구에서는 탄소환원질화법(Carbothermal Reduction-Nitridation)을 이용하여 고순도 질화알루미늄(Aluminum Nitride) 분말을 제조하는 연구를 진행하였다.

우선 질화알루미늄으로의 합성 반응을 촉진시키고, 산소 및 탄소 불순물을 최소화하기 위해 질소 가스와 CO 가스의 분압을 최적화하는 실험을 진행하였으며, 이후 혼합몰비에 따른 원료혼합, 합성, 탈탄 등 공정별 제조 조건에 따라 질화알루미늄 분말을 제조하고 그 특성이 어떻게 변하는지 관찰하였다.

HSC ...

본 연구에서는 탄소환원질화법(Carbothermal Reduction-Nitridation)을 이용하여 고순도 질화알루미늄(Aluminum Nitride) 분말을 제조하는 연구를 진행하였다.

우선 질화알루미늄으로의 합성 반응을 촉진시키고, 산소 및 탄소 불순물을 최소화하기 위해 질소 가스와 CO 가스의 분압을 최적화하는 실험을 진행하였으며, 이후 혼합몰비에 따른 원료혼합, 합성, 탈탄 등 공정별 제조 조건에 따라 질화알루미늄 분말을 제조하고 그 특성이 어떻게 변하는지 관찰하였다.

HSC 시뮬레이션 예측을 통해 질소-CO 가스 분압에 따른 질화알루미늄의 반응 거동을 확인한 결과, 질소 분압(PN2+PCO=1)이 0.8로 높아질수록 합성온도는 1730℃로 가장 낮게 나타났으며, 반대로 질소 분압이 0.2까지 떨어지면 질화 반응이 늦어지게 되어 질화알루미늄으로의 전이 또한 늦어짐을 알 수 있었다. 실제 본 연구에서 챔버 내 가스의 배출 압력 및 유지시간을 제어하여 질소-CO 가스 분압 제어 실험을 진행하였으며, 1700~1750℃(3h 이상)에서 질소 가스의 분압이 0.8 수준으로 유지되어야지 질화알루미늄으로의 완전한 전이가 이루어지고, HSC 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인할 수 있었다. 이처럼 열역학적 모델링을 근거로 하여 질소-CO 가스 분압 및 합성 조건에 따른 질화알루미늄의 합성 거동을 도식화할 수 있었다.

이와 같이 최적의 질소-CO 가스 분압의 분위기에서 합성온도 및 유지시간, 원료의 혼합몰비를 달리하여 질화알루미늄 분말의 산소 및 탄소함량을 각각 0.7wt%, 400ppm 이하로 낮출 수 있었으며, 과립/성형/소결 공정을 거쳐 질화알루미늄 소결체를 제조하여 선진회사 제품과 열전도 특성을 비교하였으며, 223.6W/mK의 높은 열전도도 값이 나타남을 확인하였다.

본 연구 결과, 선진회사와 유사한 물성을 지니는 고순도 질화알루미늄 분말 및 소결체를 제조할 수 있었으며, 최초 국산화를 통해 전량 수입에 의존하고 있는 질화알루미늄의 수입 대체 및 향후 세계 시장 경쟁력 또한 향상될 것으로 기대된다.

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