RF 열 플라즈마를 이용한 알루미늄 분말로부터 고순도 질화알루미늄 나노 분말의 합성

Abstract

AlN은 320 W/mK의 고열전도도와 우수한 전기절연성 그리고 실리콘과 비슷한 열팽창계수로 인해 반도체 기판이나 공정장비용 부품으로 주목받고 있다. 그러나 AlN은 2473K의 높은 용융점을 갖는 대표적인 난소결성 물질로, 입자크기를 작게 하여 비표면적을 증가시킴으로써 소결온도를 낮출 수 있다. 또한 AlN 분말에 불순물이 포함되어 있으면 소결시 결함으로 작용하여 AlN의 특성을 저하시키기 때문에 이론값에 유사한 물성을 얻기 위해 고순도의 AlN 분말 합성이 필요하다. 본 연구에서는 고주파 유도결합 열 플라즈마를 이용하여 고순도 AlN 나노분말을 합성하였다. AlN 나노분말을 합성하기위한 출발원료는 3~8 μm 크기의 구상 알루미늄 분말을 출발원료로 사용하였고, 반응가스는 암모니아 가스(NH3)와 질소 가스(N2)를 각각 사용하였다. 암모니아 가스를 이용한 AlN 나노분말 합성은 암모니아 가스의 유량을 60, 80, 100 slpm으로 순차적으로 증가시켜 플라즈마 영역의 질소농도와 플라즈마 온도를 조절하여 고순도 AlN 나노분말 합성에 가장 적합한 공정조건을 확립하였다. 질소 가스를 이용한 AlN 나노분말 합성은 질소 가스의 유량과 플라즈마 출력 그리고 반응부의 압력을 순차적으로 증가 또는 감소시켜서 플라즈마 영역의 질소농도와 플라즈마 온도를 조절하여 고순도 AlN 나노분말 합성에 가장 적합한 공정조건을 확립하였다. 합성된 AlN 분말은 XRD와 EDS 분석을 통해 결정구조 및 성분분석을 하였고, FE-SEM과 HR-TEM을 사용하여 형상 및 미세구조를 관찰하였다. 분자구조는 FTIR 분석을 수행하였고, BET법을 통해 비표면적을 측정하였다. 그리고 순도분석은 ICP-MS 분석을 수행하였다.