(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2016년07월22일 (11) 등록번호 10-1641839 (24) 등록일자 2016년07월15일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C01B 31/36 (2006.01) B01J 19/08 (2015.01) B01J 6/00 (2006.01) C01B 33/02 (2006.01) (52) CPC 특허분류 C01B 31/36 (2013.01) B01J 19/08 (2013.01) (21) 출원번호 10-2015-0171502 (22) 출원일자 2015 년 12 월 03 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 KR1020110112223 A KR1020120121109 A 2015 년 12 월 03 일 (73) 특허권자 전북대학교산학협력단 전라북도전주시덕진구백제대로 567 ( 덕진동 1 가 ) (72) 발명자 유연태 전라북도전주시완산구새터로 63 202 동 203 호 ( 서신동, 동아 2 차아파트 ) 이창현 전라북도완주군봉동읍둔산 3 로 119-7, 벽산솔렌스힐 109 동 603 호 (74) 대리인 이승현 전체청구항수 : 총 2 항심사관 : 이진홍 (54) 발명의명칭고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법 (57) 요약 본발명은고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법에관한것으로서, 특히, 소결조제의나노화효과와액상반응소결효과를동시에달성할수있고, 분산성및비표면적이높고균일하며저렴한비용으로 Si/SiC 나노복합분말을제조할수있는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법에관한것으로서, a) 실리콘분말과탄소분말을균질혼합후아르곤을투입한상태에서고상반응을통하여 SiC 미립분말을합성하는단계와 ; b) 상기 SiC 미립분말을열플라즈마로처리하여 Si/SiC 나노복합분말을제조하는단계 ; 를포함하는것을특징으로한다. 대표도 - 도 1-1 -
(52) CPC 특허분류 B01J 6/00 (2013.01) C01B 33/02 (2013.01) C01P 2004/64 (2013.01) 공지예외적용 : 있음 - 2 -
명세서청구범위청구항 1 a) 실리콘분말과탄소분말을균질혼합후아르곤을투입한상태에서고상반응을통하여 SiC 미립분말을합성하는단계와 ; b) 상기 SiC 미립분말을열플라즈마로처리하여 Si/SiC 나노복합분말을제조하는단계 ; 를포함하고, 상기 a) 단계의고상반응은아르곤과수소의혼합가스가투입된상태에서 1300 에서 2시간동안이루어지고, 상기 b) 단계의열플라즈마처리는전류 300A 및전압 45V로이루어지는것을특징으로하는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법. 청구항 2 제1항에있어서, 상기 b) 단계는아르곤가수와수소가스가투입된상태에서열플라즈마로처리하는것을특징을하는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법. 청구항 3 삭제청구항 4 삭제청구항 5 삭제청구항 6 삭제 발명의설명 [0001] 기술분야본발명은고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법에관한것으로서, 특히, 소결조제의나노화효과와액상반응소결효과를동시에달성할수있고, 분산성및비표면적이높고균일하며저렴한비용으로 Si/SiC 나노복합분말을제조할수있는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법에관한것이다. [0002] 배경기술 SiC( 탄화규소 ) 는일반적으로물리 / 화학적으로안정하고내열성과열전도성이좋아고온안정성과고온강도가매우우수하며내마모성이높은특성을가지고있어고온재료로서, 가스터빈용구조재, 핵융합로대면재료, 반도체용치구, 내마모성재료, 자동차부품, 화학공장의내식성또는내약품성부품및전자부품등을제조하는데주로사용될수있다. - 3 -
[0003] SiC 를기반으로하는제품들은 SiC 의높은용융점 (2400 이상 ) 때문에소결법에의해서제조되고, 소결온도를 낮추기위하여소결조제를사용하는데, 소결조제가첨가되면소결온도는 2000 부근까지낮아질수있다. SiC 분말의소결조제로는 B( 보론 ), Al 2 O 3 ( 알루미나 ), C( 카본 ) 등이사용되고있다. 한편 SiC 소결제품을반도체웨이 퍼제조공정및핵융합로의대면재료등에사용하기위해서는고순도화가필수적이다. 그러나 SiC 분말의소결 시사용되는소결조제가불순물로작용할수있다. [0004] [0005] [0006] [0007] 이러한문제점을개선하기위하여나노사이즈의 SiC를소결조제로사용할수있다. 나노사이즈 SiC 분말이마이크로사이즈 SiC 분말의소결에미치는효과는입경이작아지면서표면에너지가높아지고이에너지때문에나노사이즈 SiC 분말의용융점이낮아지고이로인하여소결현상이발생하게되는것으로입경이작을수록그효과가크다. 즉나노분말을이용하는소결방법은액상소결또는부분적인액상소결법이라고할수있다. 이경우소결조제로서동질의물질이사용되기때문에이종산화물을소결조제로사용할때발생하는 SiC 소결체의순도저하에대한우려를최소화할수있는장점이있다. 그러나나노사이즈의 SiC 분말을소결조제로사용하더라도 2000 이상의높은소결온도가필요하다. 따라서 SiC 소결체의소결온도및불순물농도를동시에낮추기위해서는새로운소결조제의개발이요구된다. 한편, 비교적낮은소결온도에서 SiC 소결체를제조하는방법으로액상반응소결법이있는데, 이방법에서는 SiC 분말, C( 탄소 ) 분말과유기바인더 (10-20 wt%) 를혼합하여성형하고유기바인더를탄화시킨후 1500-1700 의고온진공중에서 Si를 SiC 성형체내부로증발또는침윤시켜 SiC 성형체내부의탄소와반응시켜소결체를얻을수있다. 그러나이방법에서는실리콘금속이 SiC 성형체내부로용융후침윤하거나증발후침투과정이필요하므로 SiC 소결체내부에는미반응 Si가잔존한다는문제가있다. 따라서고순도의 SiC 소결체의제조에있어서이종소결조제에의한불순물의혼입을줄이고동시에소결온도를낮추기위해서는소결조제의나노화효과와액상반응소결효과를동시에발현시킬수있는소결조제의개발이필요하다. Si/SiC 나노복합분말은이러한요구에적합한소결조제용소재라고할수있다. 종래의연구에따르면, SiC 나노분말은기상반응법또는열분해법에의해서합성되었다. 일본의신규기술연구소의신재료연구그룹에서는 RF 열플라즈마를이용하여 30~50 nm 크기의 SiC 나노분말을합성하였는데, 탄소원으로는에칠렌 (C 2 H 4 ) 가스가사용되었으며 Si의원료로는 SiH 4 가스가사용되었다. 분산성이우수한수십 nm 크기의 SiC 나노분말이생성되었으나, 원료및 RF 플라즈마의가동비용이비싸다는문제점을가지고있다. 또한, 미국의 UC Santa Barbara의 Prof. Eric McFarland는저압플라즈마반응기를이용하여 0.001~0.02 Torr의고진공에서 tetramethylsilane(tms) 의열플라즈마분해에의해 10nm 크기의 SiC 나노분말을제조하였다. 실란열분해법은초미립 β-sic를제조할때사용하는방법으로흑연반응로에서 Silane을열분해하여제조하며이때의합성반응은 [CH 3 SiH 3 = SiC + 3H 2 ] 가된다. 이와같이 SiC 나노분말을제조하기위해서는고가의원료가사용되기때문에 SiC 나노분말의가격도고가가되는문제가있다. Si/SiC 나노복합분말도 SiC 나노분말과마찬가지로유사한공정을사용하기때문에더욱고가의제조비용이필요한실정이다. [0008] 한편, 본발명자는열플라즈마를이용한나노탄화규소의제조방법을특허문헌 0001로제안한바있다. 특허문헌 0001은실리콘미분과탄소원을혼합후소성하여마이크로탄화규소분말을합성하는단계와상기마이크로탄화규소를열플라즈마를처리하여나노탄화규소로제조하는단계를포함하여이루어지고, 플라즈마처리에의해 SiC의분말의미세화가이루어짐을확인할수있었으나, 200nm 이상의대형입자와 20~30nm 정도의소형나노입자가혼합되어있는등균일성이좋지못하였다. 선행기술문헌 [0009] 특허문헌 ( 특허문헌 0001) (0001) 공개특허제 10-2012-0121109 호 (2012. 11. 05) ( 특허문헌 0002) (0002) 일본특개 2006-001779(2006.01.05) - 4 -
발명의내용 [0010] 해결하려는과제본발명은소결조제의나노화효과와액상반응소결효과를동시에달성할수있고, 분산성및비표면적이높고입경이균일하며저렴한비용으로 Si/SiC 나노복합분말을제조할수있는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법을제공하는것을목적으로한다. [0011] [0012] [0013] 과제의해결수단상기와같은목적을달성하기위한본발명은, a) 실리콘분말과탄소분말을균질혼합후아르곤이투입된상태에서고상반응을통하여 SiC 미립분말을합성하는단계와 ; b) 상기 SiC 미립분말을열플라즈마로처리하여 Si/SiC 나노복합분말을제조하는단계 ; 를포함하는것을특징으로하는고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법을제공한다. [0014] [0015] 특히, 상기 a) 단계의고상반응은아르곤이투입된상태에서 1300 에서이루어지는것이좋고, 나아가상기 a) 단계의고상반응은아르곤과수소의혼합가스가투입된상태에서 1300 에서이루어지는것이바람직하다. 그리고상기 b) 단계는상기 SiC 미립분말을아르곤가수와수소가스가투입된상태에서열플라즈마로처리하는것이바람직하고, 상기열플라즈마처리는전류 50 내지 300A, 전압 5 내지 50V로이루어지는것이좋다. 특히, 열플라즈마처리는전류 300A, 전압 45V로이루어지는것이바람직하다. [0016] 이하, 본발명의고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법에대해상세히 설명한다. [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] 도 1은본발명의 Si/SiC 나노복합분말의제조방법을나타내는공정흐름도이다. 본발명의 Si/SiC 나노복합분말의제조방법은크게 SiC 미립분말합성단계및 Si/SiC 나노복합분말제조단계를포함한다. 먼저, 상기 SiC 미립분말합성단계는실리콘분말과탄소분말을균질혼합후아르곤이투입된상태에서고상반응을통하여 SiC 미립분말을합성한다. 상기실리콘분말과상기탄소분말의종류및입경은특별히제한되는것은아니지만, 고상반응의활성화를위하여 100 μm이하의분말로분쇄하여사용하는것이좋다. 한편본발명의실시예에서는실리콘분말은입경이 10~50 μm인분말로분쇄하여사용하였고, 탄소분말은 5~50 μm인것을사용하였다. 상기실리콘분말과탄소분말은균일하게분쇄하면서혼합할수있는볼밀을이용하여균질하게혼합되는것이좋다. 그리고상기고상반응은아르곤을투입한상태에서 1300 에서고온소성하는것이바람직하다. 아르곤을투입한상태에서소성할경우실리콘의산화를방지할수있음과동시에탄소성분이실리콘결정내부로확산및침투하여 SiC의새로운결정을형성하고, 이과정에서 SiC의결정이균일하고작은입자로미세화가일어나 SiC 미립분말을합성된다. 특히, 상기고상분응은아르곤과수소의혼합가스를투입한상태에서 1300 에서고온소성하는것이더욱좋다. 이는아르곤과함께투입되는수소는 SiC의결정이생성되는과정에서 SiC 결정의취성을증가시켜 SiC 결정의미립화를더욱진행시킬수있는등입경이 0.2~2.5μm의균일한 SiC 미립분말을합성할수있다. SiC 결정이미립화될수록열플라즈마처리에의한 SiC 분말의나노화가용이할뿐만아니라 SiC의열분해반 - 5 -
응도용이하게일어나기때문에 Si/SiC 나노복합분말의생성율이향상될수있는이점이있다. [0025] [0026] [0027] [0028] 다음으로, 상기 Si/SiC 나노복합분말제조단계는상기 SiC 미립분말을열플라즈마로처리하여 Si/SiC 나노복합분말을제조하는단계이다. 이때열플라즈마는비이송식플라즈마를적용하여 SiC 미립분말을 Si/SiC 나노복합분말로전환시킨다. 상기 SiC 미립분말을정량공급기를통하여비이송식아크플라즈마의불꽃속에투입하게되면 SiC 미립분말은플라즈마공간내에서일시적으로용융상태에이르게되고, 이때고속으로분출하는아르곤및수소가스에의해용융 SiC 분말은나노사이즈로흩어짐과동시에부분적으로열분해반응이일어나고, SiC 나노분말은 Si 및 C로분리되어다른 SiC 나노분말상에부착되어 Si/SiC 나노복합분말을형성하게된다. 그리고 Si/SiC 나노복합분말을효과적으로형성시키기위하여상기열플라즈마처리는전류 300A, 전압 45V에서이루어지는것이좋다. 삭제 [0029] 발명의효과본발명의 Si/SiC 나노복합분말의제조방법은고체상태의실리콘분말및탄소분말을원료로사용하기때문에 Si/SiC 나노복합분말의저렴한비용으로제조할수있는경제적이고, 분산성및비표면적이높고입경이균일하고미세화된 Si/SiC 나노복합분말을제조할수있으며, 특히, Si/SiC 나노복합분말을 SiC의소결조제로사용할경우에 SiC의나노화효과및 Si에의한액상반응소결효과를동시에기대할수있어고밀도의 SiC 소결체를 2000 이하에서제조할수있는효과가있다. [0030] 도면의간단한설명 도 1 은본발명의 Si/SiC 나노복합분말의제조방법을개략적으로나타내는공정흐름도이다. 도 2는본발명의실시예 1에서사용된메탈실리콘분말의성상을관찰한주사전자현미경사진이고, 도 3은본발명의실시예 1에서사용된활성탄의성상을관찰한주사전자현미경사진이다. 도 4는실시예 1의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의 XRD 결과이고, 도 5는실시예 1의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의성상을관찰한주사전자현미경사진이며, 도 6은실시예 1의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의성상을관찰한투과전자현미경사진이다. 도 7은실시예 2의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의 XRD 결과이고, 도 8은실시예 2의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의성상을관찰한주사전자현미경사진이며, 도 9는실시예 2의고상반응에의해합성된 SiC 미립분말의성상을관찰한투과전자현미경사진이다. 도 10은실시예 3의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의 XRD 결과이다. 도 11은실시예 3의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의성상을관찰한주사전자현미경사진이고, 도 12는실시예 3의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의성상을관찰한투과전자현미경사진이다. 도 13은실시예 3의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의성상을관찰한고분해능투과전자현미경사진이다. 도 14는실시예 4의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의 XRD 결과이다. 도 15는실시예 4의열플라즈마처리에의해제조된 Si/SiC 나노복합분말의성상을관찰한투과전자현미경사진 - 6 -
이다. [0031] 발명을실시하기위한구체적인내용 이하본발명의고상반응및열플라즈마열분해공정을이용한 Si/SiC 나노복합분말의제조방법을실시예를더욱 상세히설명하면다음과같고, 본발명의권리범위는하기의실시예에한정되는것은아니다. [0032] [0033] [0034] [ 실시예 1] SiC 미립분말의제조 ; 아르곤가스중에서소성실리콘분말과탄소분말을이용하여혼합시료를제조하였다. 실리콘분말로서메탈실리콘분말을사용하였고, 그성상을관찰한주사전자현미경사진은도 2와같다. 그리고탄소분말로서활성탄을사용하였고, 그성상을관찰한주사전자현미경사진은도 3과같다. 실리콘분말과탄소분말의혼합시료의 Si:C의혼합비는실리콘분말의 Si 1몰기준으로하여탄소첨가량은 1.5몰로하였다. 계량된실리콘분말및탄소분말은 1/3 부피가되도록지르코니아볼을채운 200 ml의플라스틱용기에담아 12 시간동안혼합을실시하였다. 혼합시료는수직튜브형전기로를이용하여 1300 에서 2 시간동안소성처리하였다. 소성과정중 Si의산화를방지하기위하여아르곤가스를 1 L/min의유량으로소성로내부에흘려주면서소성을수행하였다. 소성후합성된 SiC 분말은미반응탄소의제거를위하여 1회초음파세척을실시하였고, 건조를위하여 80 오븐에서 12 시간동안보관되었다. [0035] [0036] 이렇게얻은 SiC 미립분말에대한 SiC 합성정도및결정구조를조사하기위하여 XRD 분석을수행하였고, 그결과를도 4에나타내었다. XRD 분석결과에서 SiC 이외의미반응 Si는검출되지않았고순수한 SiC가형성되어있음을확인할수있었다. 합성된 SiC의결정구조는대부분 β상 SiC를나타내었고, 매우소량의 α상 SiC가존재하였다. 도 5 및도 6은합성된 SiC 미립분말의형상및입경을확인하기위하여촬영한주사전자현미경및투과전자현미경사진이다. 도 5의주사전자현미경사진으로부터합성된 SiC 미립분말의형상은무정형상태이고입경은 0.5 ~ 4 μm범위로서, 원료시료의입경과비교하여약 10배정도감소하였다. 도 6의투과전자현미경사진을보면하나의큰 SiC 분말은작은알갱이 (1차입자 ) 가서로응집되어형성하였을알수있으며, 1차 SiC 입자의입경은 30 ~ 50 nm 이었다. 합성된 SiC 미립분말의비표면적을알기위해 BET 분석을수행하였고, 비표면적은 23.6 m 2 /g 이었다. [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [ 실시예 2] SiC 미립분말의제조 ; 아르곤 / 수소혼합가스중에서소성실시예 1과동일한실리콘분말과탄소분말이혼합된혼합시료를수직튜브형전기로를 1300 에서 2 시간동안소성처리하였고, 실리콘의산화방지, 미립화및균일성을향상시키기위하여수직튜브형전기로에아르곤 / 수소혼합가스를공급한상태에서혼합시료를소성처리하여실시예 2의 SiC 미립분말을합성하였다. 이때아르곤 / 수소혼합가스는 5 vol% H 2 혼합아르곤가스를 1 L/min의유량으로소성로내에공급하였다. 소성후합성된 SiC 분말은미반응탄소의제거를위하여 1회초음파세척을실시하였고, 건조를위하여 80 오븐에서 12 시간동안보관되었다. 그리고위합성된실시예 2의 SiC 미립분말에대한 XRD 분석결과를도 7로나타냈고, 실시예 1에서얻은 SiC 미립분말과동일한 SiC의결정이합성되었음을확인할수있다. 도 8 및도 9는실시예 2의합성된 SiC 미립분말의형상및입경을확인한주사전자현미경및투과전자현미경사진이다. 도 8의주사전자현미경사진으로부터합성된 SiC 미립분말의형상은무정형상태이고입경은 0.2 ~ 2.5 μm범위로실시예 1에서얻은 SiC 미립분말의입경보다도작다는사실을알수있다. 또한도 9의투과전자현미경사진에서는 1차 SiC 입자의입경이 20 ~ 30 nm로실시예 1의 1차 SiC 입자의입경보다작고분산성이우수함을알수있다. 합성 SiC 미립분말의분산성을재확인하기위하여 BET 분석에의한비표면적을조사하였고, 그결과비표면적은 40.6 m 2 /g 이었다. 이것은실시예 1 에서얻은 SiC 미립분말의비표면적보다 1.7 배높은값이다. - 7 -
[0043] 즉, 실시예 1 및실시예 2의실험결과에의해수소가스의첨가가 SiC 분말의미세화를유도하였음을알수있다. SiC 결정이생성되는과정에서수소가첨가되어 SiC 결정의취성을증가시켜 SiC의미립화가더욱진행된것으로판단되고, Si 및탄소분말의고상반응에서순수한아르곤가스를투입하는것보다는아르곤및수소의혼합가스를투입하는것이 SiC 분말의미립화에바람직하다는사실을알수있다. [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] [ 실시예 3] Si/SiC 나노복합분말의제조실시예 2에서합성한 SiC 미립분말을비이송식 DC 열플라즈마반응기에공급하여 Si/SiC 나노복합분말의제조하였다. 이때시료공급량은 0.45 g/min 으로하였고, 분말운송가스의유량은 1 L/min으로설정하였다. 또한아크열플라즈마발생장치전원의출력조건은전류가 200 A 이고전압은 40 V 이었으며, 플라즈마불꽃형성을위한가스로는아르곤가스와수소가스가사용되었다. SiC 미립분말의열플라즈마처리후의상변화및결정구조변화를관찰하기위하여 XRD 분석을수행하였고, 그결과를도 10에나타냈다. XRD 분석결과로부터 β상과소량의 α상 SiC과관찰되었고추가적으로 Si 상이존재하기때문에 Si/SiC 나노복합분말이형성되어있음을알수있었다. 도 11 및도 12는실시예 2의합성 SiC 미립분말에대한플라즈마처리후의주사전자현미경및투과전자현미경의사진을나타내고있다. 도 11의주사전자현미경의사진으로부터 100 nm 이하의매우균일한상태의 Si/SiC 나노복합분말이형성되었음을알수있다. 도 12의투과전자현미경의사진에서도역시 20 ~ 80 nm 범위내의 Si/SiC 나노복합분말이형성되었음을확인할수있다. 도 13에는 Si/SiC 나노복합분말의존재및형상을관찰하기위하여촬영한고분해능투과전자현미경사진을나타냈다. 도 13에서는 SiC 결정의 (111) 면과 Si 결정의 (111) 면이관찰되었고, 각각의면간격은 0.214 nm와 0.306 nm를나타내었다. 이결과로부터금속 Si는 SiC 표면상에약 10 nm의크기로부착되어있음을알수있다. [0049] [0050] [0051] [0052] [ 실시예 4] Si/SiC 나노복합분말의제조실시예 3과동일한조건하에서아크열플라즈마발생장치전원의출력조건을전류가 300 A 이고전압은 45 V 로상승시켜 Si/SiC 나노복합분말의제조하였다. SiC 미립분말의열플라즈마처리후의상변화및결정구조변화를관찰하기위하여 XRD 분석을수행하였고, 그결과를도 14에나타내었다. 실시예 3의 XRD 분석결과와비교하여 Si 상의 X선회절강도가크게증가한것을알수있다. 이것은열플라즈마의출력증가에따라 SiC 분말의열분해반응의활성화로 Si 상의생성이많아졌기때문이다. 도 15는투과전자현미경의사진으로 Si/SiC 나노분말의입경은 10 ~ 50 nm 범위내인것을확인할수있고, 실시예 3과비교하여입경이작아졌다. - 8 -
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