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KR-20260061758-A - SYNTHESIS METHOD OF ALUMINUM NITRIDE WHISKERS

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Abstract

본 발명은 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법을 개시한다. 상기 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법은 탄소코팅층이 형성된 알루미나 휘스커를 질화하여 질화 알루미늄 휘스커를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

Inventors

  • 주진
  • 민경욱

Assignees

  • 경북대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (11)

  1. 탄소코팅층이 형성된 알루미나 휘스커를 질화하여 질화 알루미늄 휘스커를 제조하는 단계를 포함하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화는 질소분위기에서 열처리함을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제조된 질화 알루미늄을 열처리하여 잔류 탄소를 제거하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 잔류 탄소 제거를 위한 열처리 온도는 600 내지 900 ℃임을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소코팅층은, 알루미나 휘스커 및 탄소 전구체를 포함하는 전구체용액을 열처리하여 알루미나 휘스커에 고분자층을 형성하는 제1 단계; 및 상기 고분자층을 탄화하여 알루미나 휘스커에 탄소코팅층을 형성하는 제2 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 형성됨을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전구체용액은 암모늄 아세트산(Ammonium acetate)을 더 포함함을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 탄소 전구체는 자당(Sucrose)일 수 있는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 자당의 질량비는 알루미나 휘스커 질량비 대비 5 내지 30 인, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 자당의 질량비는 알루미나 휘스커 질량비 대비 5 내지 20 인, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 질화 시간은 2 내지 10 시간임을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 질화 온도는 1400 내지 1600 ℃임을 특징으로 하는, 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법.

Description

질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법{SYNTHESIS METHOD OF ALUMINUM NITRIDE WHISKERS} 본 발명은 질화 알루미늄 휘스커의 합성 방법에 관한 기술로, 더욱 상세하게는 탄소 코팅된 알루미늄 휘스커를 질화하여 질화 알루미늄 휘스커를 제조하는 방법에 관한 것이다. 전자기기가 고성능화되면서 더 많은 열을 발생시키고, 이에 따라 더 높은 성능의 방열 소재에 대한 수요가 증가하고 있다. 최근 급격하게 발전하고 있는 전자기기나 전기차 등의 모터 및 배터리 열관리 시스템에 사용되는 방열 소재 중 하나인 질화 알루미늄(AlN)은 알루미나와 탄화규소 등과 비교하여 높은 열전도도를 가지며, 우수한 전기 절연성을 지니고 있어 앞으로 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 기존의 탄소 환원법을 이용한 AlN 휘스커의 합성 방법은 대부분 반응을 통해 형성된 Al 증기가 질소와 반응하여 AlN 휘스커를 형성하는데, 이러한 방법은 크기와 형태를 제어하면서 대량 양산이 매우 힘든 문제점이 있다. 본 발명은 알루미나 휘스커를 전구체로 사용하고, 전구체에 탄소층을 형성시켜 형태의 파괴 없이 일정한 휘스커 형태를 그대로 유지하면서 질화 알루미늄 휘스커를 제조할 수 있다. 또한 기존의 직접 질화법을 이용한 질화 알루미늄 합성 방법은 진공 장비를 이용한 주문 제작된 고온의 가열로에서 합성되며, 형성된 알루미늄 증기는 상황에 따라 폭발 위험을 가지고 있으며 모두 반응하지 않기 때문에 낮은 수율을 보이며, 형태 제어도 어려운 문제점이 있다. 본 발명은 일반적인 튜브로에서도 가능하며, 높은 수율을 가지며 한 번에 많은 양을 처리할 수 있다. 도 1 (a) Ammonium acetate 들어간 상태로 균일한 코팅이 이루어진 샘플, (b) Ammonium acetate가 첨가되지 않아 탄소구가 형성된 샘플을 SEM 분석을 통해 얻어진 이미지이다. 도 2 (a) Ammonium acetate의 첨가 없이 탄소구 형성 상태에서 질화된 샘플, (b) 탄소 코팅 없이 탄소를 첨가하여 질화된 샘플을 SEM 분석을 통해 얻어진 이미지이다. 도 3 (a), (b) Sucrose를 이용한 코팅과정에서 첨가제로 사용된 Ammonium acetate의 영향으로 균일하게 코팅된 탄소층을 TEM 분석을 통해 얻어진 이미지이다. 도 4는 Sucrose의 양과 질화 온도에 따른 질화 알루미늄 형태의 차이를 나타낸 SEM 분석 이미지이다. 도 5는 Sucrose의 양과 질화 온도를 조절하여 얻은 질화 알루미늄을 XRD 분석을 통해 얻은 결정 구조 패턴이다. 도 6은 1400 ℃, 질소 분위기에서 Sucrose의 양을 달리하여 코팅된 알루미나 휘스커의 질화 후 XRD 결정 패턴이다. 도 7은 1g 의 알루미나에 8.5g 의 Sucrose를 사용하여 탄소코팅을 하고 1400 ℃, 질소 분위기 조건에서 반응 시간을 조절하여 얻은 질화 알루미늄을 XRD 분석을 통해 얻은 결정 구조 패턴이다. 도 8은 잔여 탄소 제거 온도에 따른 질화 알루미늄의 결정 구조 변화를 XRD 분석을 통해 얻어진 회절 패턴이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 발명의 일 측면에 관한 설명은 타 측면에서 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성 또는 용어에 대해 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하 본 발명의 실시예에 대해 서술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 실시예 직접 합성한 알루미나 휘스커(Alumina whisker), 자당(Sucrose), 암모늄 아세트산(Ammonium acetate), 증류수(Deionized water), 에탄올(Ethanol)을 준비한다. 알루미나 휘스커는 70mL의 증류수가 담긴 비커에 초음파 수조를 이용하여 증류수에 균일하게 분산시키고, 1 g의 알루미나에 대해 2.31 g의 Ammonium acetate와 3.4, 8.5, 17, 25.5, 34 g의 Sucrose를 알루미나가 분산된 증류수에 모두 용해시켜 알루미나 1g 당 sucrose 양을 달리한 반응 용액을 각각 제조한다. 제조된 반응 용액은 오토클레이브의 테프론 소재로 된 내부 반응 용기에 용기 부피의 70%까지 채운 후, 190℃의 조건에서 12시간 동안 반응시켜 알루미나에 균일한 고분자층을 형성시킨다. 고분자층이 형성된 알루미나는 남아 있는 불순물을 제거하기 위해 증류수와 아세톤을 사용하여 세척액이 투명해질 때까지 반복 세척하고, 세척이 완료된 고분자층이 형성된 알루미나는 건조 오븐에서 80℃의 조건에서 12시간 동안 건조한다. 건조된 고분자층이 형성된 알루미나는 비활성 기체 분위기 튜브 전기로를 이용하여 850℃에서 4시간 동안 열처리한다. 이 과정에서 고분자층은 탄화 과정을 통해 탄소층으로 전환된다. 탄소층이 형성된 알루미나는 질소 분위기에서 1400, 1500, 1600℃의 조건으로, 그리고 1, 4, 8시간 동안 열처리하는 질화 과정을 통해 질화 온도와 질화 시간을 달리한 각각의 질화 알루미늄을 합성한다. 합성된 질화 알루미늄은 표면에 남아 있는 잔류 탄소를 제거하기 위해 건조 공기 분위기의 700℃ 조건에서 2시간 동안 열처리하여 잔류 탄소를 제거한다. 제조예 1 상술된 실시예는 균일한 코팅을 위하여 탄소 코팅 시 Ammonium acetate를 첨가한 것으로, 제조예 1에서는 Ammonium acetate를 제외하고 알루미나 휘스커에 탄소코팅층을 형성하고, 질화하여 질화 알루미늄 휘스커를 제조하였다. 도 1에서 Ammonium acetate 첨가 유무를 달리하여 탄소코팅층을 형성한 SEM 분석 이미지를 보여준다. 도 1(a)는 상술된 실시예를 통해 Ammonium acetate를 첨가하여 균일한 코팅이 이루어진 샘플의 SEM 분석 이미지이다. 탄소코팅 시 첨가제로 Ammonium acetate를 사용한 경우 알루미나 휘스커에 균일하게 코팅되어 탄소구의 형성이 억제됨을 확인할 수 있다. 반면, 도 1(b)을 참고하면 Ammonium acetate가 첨가되지 않은 경우 탄소구가 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 2(a)는 상기 도 1(b)과 같이 Ammonium acetate의 첨가 없이 탄소구 형성 상태에서 질화된 샘플의 SEM 분석 이미지이다. 탄소구가 많이 존재하여 균일하지 않은 코팅이 이루어질 경우 반응과정에서 휘스커 형태를 잃어버리고, 반응 중 형성된 알루미늄 증기가 탄소구로 달라붙어 원하지 않는 형태로 합성이 이루어진다(도 2(a)). 제조예 2 상술된 실시예는 알루미나 휘스커를 전구체로 하여 질화 알루미늄 휘스커 제조하는 과정에서 고온의 질화 과정에서 휘스커 형태 파괴를 방지하기 위해 알루미나 휘스커에 탄소코팅층을 형성한 후 질화한 것으로, 제조예 2에서는 알루미나 휘스커에 탄소 코팅 없이 탄소를 첨가하여 질화하였다. 도 2(b)는 탄소 코팅 없이 탄소를 첨가하여 질화된 샘플의 SEM 분석 이미지이다. 코팅을 하지 않은 채 탄소를 사용하여 질화 알루미늄을 합성하면 휘스커의 형태를 대부분 잃어버리면서 구형에 가까운 형태로 물질이 합성된다(도 2(b)). 결과 확인 본 발명의 실시예에 따라 Ammonium acetate를 첨가제로 사용하여 균일하게 코팅된 탄소층은 TEM을 이용하여 확인할 수 있다(도 3). 더 나아가, 순도 높은 질화 알루미늄을 합성하기 위해 sucrose 양, 질화 온도, 질화 시간 등과 같은 조건을 달리하여 실험 진행하였다. 도 4에서 Sucrose의 양과 질화 온도에 따른 질화알루미늄 형태의 차이를 SEM 분석 이미지를 통해 분석하였다. 상술된 방법에 의해 균일하게 탄소층이 코팅된 알루미나 휘스커는 1400, 1500, 1600 ℃의 질소 분위기에서 열처리하여 분석을 진행하였다. 탄소층이 코팅된 알루미나는 알루미나 1g을 기준으로 Sucrose의 양(8.5, 17, 34 g)을 달리하여 코팅층의 두께를 조절하여 실험을 진행하였다. 도 4에서는 온도가 올라감에 따라 상대적으로 약간의 구조 파괴는 존재하지만, 도 2의 (a), (b)와 같이 원하지 않는 형태로 합성되거나, 휘스커의 형태를 잃어버리는 것이 최대한 억제됨을 확인할 수 있다. 또한 사용된 Sucrose의 양이 많아 균일하면서 두껍게 탄소층이 형성된 경우 형태를 유지하고 있지만, 적은 양의 Sucrose를 사용한 경우와 다름이 확인된다. 도 5에서 Sucrose의 양과 질화 온도에 따른 질화알루미늄 형태의 차이를 알기 위해 XRD 분석을 진행하였다. 이 결과에서 많은 양의 Sucrose를 사용한 경우, 너무 두꺼운 탄소층의 두께로 인하여 알루미나 휘스커에 도달하는 질소 기체의 부족으로 제대로 질화 반응이 이루어지지 않아 감마 알루미나가 고온에서 알파 알루미나로 상 전환하여 그대로 존재하는 것이 확인된다. 또한 동일한 Sucrose를 사용한 조건에서 질화 온도가 올라감에 따라 질화 알루미늄으로의 전환율이 높아짐을 알 수 있다. 도 4