[논문]솔-젤 공정으로 제조된 SiO2-C 복합 전구체를 사용하여 열탄소환원법에 의한 β-SiC 분말 합성에 금속 Si 첨가가 미치는 영향

조영철; 염미래; 윤성일; 조경선; 박상환

doi:10.4191/kcers.2013.50.6.402

솔-젤 공정으로 제조된 SiO2-C 복합 전구체를 사용하여 열탄소환원법에 의한 β-SiC 분말 합성에 금속 Si 첨가가 미치는 영향
Effects of Metallic Silicon on the Synthsis of β-SiC Powders by a Carbothermal Reduction Using SiO2-C Hybrid Precursor Fabricated by a Sol-gel Process 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.50 no.6, 2013년, pp.402 - 409

조영철 (한국과학기술연구원 계면제어연구센터) , 염미래 (한국과학기술연구원 계면제어연구센터) , 윤성일 (한국과학기술연구원 계면제어연구센터) , 조경선 (한국과학기술연구원 계면제어연구센터) , 박상환 (한국과학기술연구원 계면제어연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study was to develop a synthesis process for ${\beta}$-SiC powders to reduce the synthesis temperature and to control the particle size and to prevent particle agglomeration of the synthesized ${\beta}$-SiC powders. A phenol resin and TEOS were used as the starting materials for the carbon and Si sources, respectively. $SiO_2$-C hybrid precursors with various C/Si mole ratios were fabricated using a conventional sol-gel process. ${\beta}$-SiC powders were synthesized by a carbothermal reduction process using $SiO_2$-C hybrid precursors with various C/Si mole ratios (1.6 ~ 2.5) fabricated using a sol-gel process. In this study, the effects of excess carbon and the addition of Si powders to the $SiO_2$-C hybrid precursor on the synthesis temperature and particle size of ${\beta}$-SiC were examined. It was found that the addition of metallic Si powders to the $SiO_2$/C hybrid precursor with excess carbon reduced the synthesis temperature of the ${\beta}$-SiC powders to as low as $1300^{\circ}C$. The synthesis temperature for ${\beta}$-SiC appeared to be reduced with an increase of the C/Si mole ratio in the $SiO_2$-C hybrid precursor by a direct carburization reaction between Si and excess carbon.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

6 일 때 잔류 carbon이 없는 SiC 분말이 합성되었다.¹⁹⁾ C/Si 몰비가 2.0 및 2.5인 SiO₂-C hybrid precursor에는 SiC 분말 합성에 필요한 carbon 양 보다 많은 각각 0.4 몰 및 0.9 몰의 과잉 carbon이 존재하게 된다. 따라서, C/Si 몰비가 2.

제안 방법

8,9) 고순도 SiC 분말을 경제적으로 합성할 수 있는 합성 방법은 액상의 TEOS와 액상의 페놀레진을 출발원료로 사용하여 sol-gel 공정을 이용하여 균질한 혼합을 한 후 SiO2-C hybrid precursor를 제조하여 1700 ~ 1800℃에서 고순도 β-SiC 분말을 합성하는 기술 개발이 이루어졌다.
Sol-gel 공정에서는 40℃ 온도에서 400 RPM 속도로 교반을 시키면서 TEOS 1 몰 대비 증류수를 4.1 몰, 질산 0.07 몰 질산 수용액을 적하시켜 TEOS의 가수분해가 이루어지도록 하였다.
TEOS 및 페놀레진을 출발원료로 사용하여 sol-gel 공정으로 제조된 SiO2-C hybrid precursor를 사용하여 진공 분위기하에서 열탄소환원법으로 β-SiC 분말을 합성하였다.
TEOS 및 페놀레진을 출발원료로 사용하여 sol-gel공정으로 다양한 C/Si 몰비를 갖는 SiO2-C hybrid precursor를 제조한 후 금속 Si 분말을 혼합하여 열탄소환원 시켜 β-SiC 분말을 합성하였으며, 금속 Si과 C 사이의 직접 반응이 SiO2-C hybrid precursor의 열탄소환원 및 합성된 SiC 분말 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
2에서 보여주는 것과 같다. 고상의 페놀레진을 TEOS 1 몰에 대하여 4 몰의 에탄올에 혼합하여 C/Si 몰 비가 1.6, 2.0 및 2.5가 되도록 첨가 하였다. Sol-gel 공정에서는 40℃ 온도에서 400 RPM 속도로 교반을 시키면서 TEOS 1 몰 대비 증류수를 4.
본 연구에서는 열탄소환원 방법에 의한 β-SiC 분말 합성공정에서 합성되는 β-SiC 분말 합성온도의 감소 및 합성된 β-SiC 분말의 크기 및 입자간 응집을 제어하기 위하여 금속 Si과 C 사이의 직접반응을 추가적으로 적용하였다.
합성된 SiC 분말은 CuKα X-선(λ = 1.542 Å)을 사용하여 회절분석을 하였으며, 주사전자현미경(SEM)을 사용한 미세구조 관찰을 하였다.

대상 데이터

5)를 사용하여 진공분위기하에서 합성된 분말의 SEM 미세구조를 보여준다. C/Si 몰비가 2.5인 SiO₂-C hybrid precursor를 사용하여 1500℃에서 열탄소환 원시켜 합성된 SiC 입자 크기는 약 100 nm이었으며 반응하지 않은 SiO₂-C hybrid precursor와 혼재되어 관찰되었다. 합성온도가 증가함에 따라 미반응 SiO₂-C hybrid precursor는 감소하여 1700℃에서 합성된 분말에서는 미 반응 SiO₂-C hybrid precursor가 관찰되지 않았다.
본 연구에서 sol-gel 공정 및 열탄소환원 공정을 이용하여 SiC 분말 합성에 사용된 출발원료는 Table 1에서 보여 주는 것과 같다. Carbon 공급원으로 페놀레진(KNG100, Kolon Industries, Korea)이 사용되었으며 silicon 공급원으로 tetraethyl orthosilicate(TEOS, Sukgyung AT, Korea)가 사용되었다. Sol-gel 공정시 TEOS의 가수분해를 위한 촉매로 HNO₃(Junsei, Japan)를 사용하였다.
Carbon 공급원으로 페놀레진(KNG100, Kolon Industries, Korea)이 사용되었으며 silicon 공급원으로 tetraethyl orthosilicate(TEOS, Sukgyung AT, Korea)가 사용되었다. Sol-gel 공정시 TEOS의 가수분해를 위한 촉매로 HNO₃(Junsei, Japan)를 사용하였다. 또한 열탄소환원 공정에서 SiC 합성반응을 촉진시키기 위한 첨가제로서 금속 Si 분말(45 μm, Alfa Aesar, U.
또한 열탄소환원 공정에서 SiC 합성반응을 촉진시키기 위한 첨가제로서 금속 Si 분말(45 μm, Alfa Aesar, U.K.)을 사용하였다.

성능/효과

1700℃에서 Si 분말을 첨가하여 합성된 β-SiC 분말의 크기는 1~5 μm 정도였으며 C/Si 몰비가 1.6인 SiO2-C hybrid precursor를 사용하여 1700℃에서 합성된 β-SiC 분말과 유사한 크기를 가지고 있으나 합성된 입자의 형상은 다르게 나타났으며, 합성된 β-SiC 분말 사이의 응집은 조금 높은 것으로 나타났다.
Fig. 1에서 보여주는 TG/DSC 분석 결과로 부터 본 연구에서 사용된 페놀레진은 210℃ 및 670℃ 온도에서 상변화에 따른 감량이 관찰되었으며 800℃ 이상의 온도에서 완전히 열분해 되었다.
Fig. 3에서 보여주는 C/Si 몰비가 1.6인 SiO2-C hybrid precursor를 사용하여 1400℃에서 합성된 분말의 패턴과 Si 분말을 첨가하지 않은 C/Si 몰비가 2.0 및 2.5인 SiO2-C hybrid precursor를 사용하여 1400℃에서 합성한 분말은 유사한 XRD 패턴 (Fig. 5)을 보여주며 합성된 β-SiC는 매우 낮은 결정성을 가지고 있는 것으로 나타났으며, SiO2-C hybrid precursor 내 C/Si 몰비 증가는 β-SiC 합성에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
합성된 β-SiC 분말의 크기는 수십 nm 크기로 Si 분말의 첨가 없이 반응되어 합성된 β-SiC 분말의 크기와 큰 차이가 없었으나, Si 분말이 첨가된 SiO₂-C hybrid precursor에서는 열탄소환원이 활성화되어 미반응 SiO₂-C hybrid precursor는 감소되는 것으로 나타났다. SiO₂-C hybrid precursor내 carbon 함량 및 그에 따른 Si 분말의 첨가량 증가에 따라 미반응 SiO₂-C hybrid precursor는 감소되는 것으로 나타났다. 따라서, Fig.
07 몰 질산 수용액을 적하시켜 TEOS의 가수분해가 이루어지도록 하였다. 가수분해가 이루어진 TEOS-phenol resin sol의 gel 화는 C/Si 몰비에 따라 24 ~ 48 시간이 요구되었으며, C/Si 몰비가 증가함에 따라 gelation에 소요되는 시간이 감소하였다. 제조된 gel은 60℃에서 24시간 건조하여 건조된 gel 을 분쇄한 후 질소분위기 900℃(5℃/min)에서 30분 동안 유지 하여 SiO₂-C hybrid precursor를 제조하였다.
결정도가 높은 β-SiC 분말은 1500℃ 이상 온도에서 합성되며, 합성온도가 증가됨에 따라 합성되는 β-SiC 분말의 결정도가 증가되는 것이 관찰되었다.
동일한 합성온도에서 Si 분말이 첨가된 SiO2-C hybrid precursor를 사용하여 합성시 Si 분말의 첨가 없이 SiO2-C hybrid precursor를 사용한 열탄소환원 반응에 비하여 β-SiC 분말의 합성이 활성화 되는 것으로 나타났으며, Si 분말의 첨가에 의한 Si 과 carbon 사이의 직접 탄화반응은 β-SiC 분말 합성온도를 감소시킬 뿐만 아니라 낮은 온도에서도 높은 결정성을 갖는 β-SiC 분말이 합성되는 것으로 나타났다.
따라서, Fig. 6의 결과로 부터 Si 분말이 첨가된 C/Si 몰비가 2.0, 2.5인 SiO2-C hybrid precursor에서는 과잉 carbon과 Si 분말 사이에서 직접반응이 SiO2-C hybrid precursor의 열탄소환원 방응시 SiC 합성 반응이 촉진되어 저온에서도 βSiC 분말 합성을 활성화 시킬수 있는 것으로 생각된다.
또한, SEM 미세구조에서 보여주는 것과 같이 합성된 β-SiC 분말의 크기는 submicron 크기를 갖는 입자와 3~5 μm 크기를 갖는 입자로 이루진 bi-modal 크기 분포를 갖는 것으로 관찰되었다.
합성된 β-SiC 분말의 크기는 수십 nm 크기로 Si 분말의 첨가 없이 반응되어 합성된 β-SiC 분말의 크기와 큰 차이가 없었으나, Si 분말이 첨가된 SiO2-C hybrid precursor에서는 열탄소환원이 활성화되어 미반응 SiO2-C hybrid precursor는 감소되는 것으로 나타났다.
합성온도가 증가됨에 따라 합성된 β-SiC 분말의 입자 크기는 증가하였으며, 합성된 입자의 성장이 이루어짐에 따라 합성된 β-SiC 분말의 응집은 감소되는 것으로 관찰되었다.
합성온도가 증가됨에 따라 합성된 β-SiC 분말의 크기는 증가하였으며, 분말 사이의 응집은 감소하였다.

후속연구

본 연구에서 SiC 합성에 요구되는 C/Si 몰비와 열역학적인 β-SiC 합성 화학반응식 (1)에서 요구되는 C/Si 몰비의 차이는 합성공정 중 SiO gas phase로 Si source 손실 및 화학반응 (1 ~ 3)이외의 다른 반응이 SiC 합성에 관여하는 것으로 생각되며 추가적인 연구가 요구된다.
합성된 β-SiC 분말의 형상 및 응집의 차이는 β-SiC 분말 입자 합성 및 성장기구의 차이에 의한 것으로 생각되며 정확한 설명을 위해서는 합성반응 기구에 따른 SiC 입자의 생성 및 성장 기구에 대하여 추가적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직접반응법의 고순도 SiC 분말을 경제적으로 제조하기 어려운 단점을 해결한 방법은 무엇인가?	분말을 직접 반응시켜 SiC 분말을 제조할 수 있으나 잔류 Si 및 C이 없는 SiC 분말을 제조하기 위해서는 추가적으로 산화 및 에칭 공정이 요구되며 출발원료로 사용되는 탄소 분말의 순도 제어가 어렵기 때문에 다양한 크기의 고순도 SiC 분말을 경제적으로 제조하기에 어려운 단점이 있다.8,9) 고순도 SiC 분말을 경제적으로 합성할 수 있는 합성 방법은 액상의 TEOS와 액상의 페놀레진을 출발원료로 사용하여 sol-gel 공정을 이용하여 균질한 혼합을 한 후 SiO2-C hybrid precursor를 제조하여 1700 ~ 1800oC에서 고순도 β-SiC 분말을 합성하는 기술 개발이 이루어졌다.13-19) 특히, sol-gel 공정을 이용한 SiC 분말 합성에서는 액상 출발원료의 고순도화는 비교적 경제성도 높고 액상의 출발원료의 균일 혼합을 쉽게 이룰 수 있기 때문에 고순도 SiC 분말 합성에 유리한 점이 많다고 알려져 있지만 합성온도가 높고 SiC 분말의 입자 크기 제어가 어려우며, 입자간 응집현상이 많은 단점이 있다.
	SiC의 특징은 무엇인가?	SiC는 대표적인 비 산화물계 세라믹재료로 열, 기계적 특성이 우수하기 때문에 고온 관련 산업체에 널리 사용되고 있다. 최근에는 LED 제조공정 및 반도체 제조공정중 고온 공정 또는 부식성이 높은 공정에 일반적으로 사용되는 Quartz(쿼츠) 소재를 대신하여 고온강도 및 내화학 특성이 우수한 탄화규소 소재 적용이 증가되고 있다.
	Acheson proCess 공정의 단점은 무엇인가?	따라서 LED 및 반도체 제조 공정용 부품 제조업체에서는 최종 탄화규소 제품에 고순도 CVD 코팅을 하여 순도 한계를 극복하고 있다.1-4) 일반적인 탄화규소 분말 제조는 실리카분말과 카본을 출발원료로 전기방전법을 이용한 Acheson proCess 공정이 널리 사용 되고 있지만 제조된 SiC는 중심 코어 부근을 제외하고는 불순물의 함량이 높은 알파상의 SiC 가 합성되며, 일부 중심 코어에서는 순도가 높은 SiC가 합성되어도 분쇄/분급의 과정에서 많은 양의 불순물이 함유되는 단점을 갖는다.5) 최근에는 고순도 SiC 분말을 합성하기 위하여 나노상 SiO2 및 Carbon 분말을 출발원료로 사용한 열탄소환원법, 금속 규소 및 탄소사이의 직접 반응법 및 화학기상합성법 등 다양한 합성공정이 연구 개발되었다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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