화학 - 금속 산화물 및 질화물의 합성 및 특성 조사

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2014.07.31 / 2019.12.24
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본문내용: 1.1.목적
알루미늄 착물을 이용하여 질화알루미늄(AlN)분말을 합성하고, AlN이 생성되는 반응과정, 즉 반응메카니즘을 추정해 본다.

1.2.이론
최근 반도체 소자의 소형화와 고집적화에 따라 회로 단위면적당 방출하는 열의 증가로 칩의 온도가 상승하여 회로의 신뢰도 및 수명이 떨어지는 문제점이 생기게 되었다. 따라서 회로에서 방출되는 열을 효율적으로 방출시켜 회로를 보호하기 위해 높은 열전도도를 갖는 기판 및 패키지를 사용해야 할 필요가 대두되었다. 질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도성, 높은 전기절연성, 낮은 유전상수 및 유전손실, 실리콘과 비슷한 열팽창계수 등과 같은 특성을 가지고 있어 반도체의 기판재료나 반도체 레이저용 방열재 등과 같은 전자재료로서의 수요증대가 크게 기대되고 있다.
종래의 기판용 재료는 알루미나가 주류이었지만, 알루미나와 비교할 경우 질화알루미늄은 위에 기술한 특성 이외에도 곡강도가 높고, 경도가 낮아 가공성에 있어서도 뛰어나기 때문에 반도체용 재료로서 알루미나와 경쟁을 할 가능성이 높아, 차세대의 기판재료로서의 기대가 높다.
반도체 기판이나 패키지 재료로서 사용될 질화알루미나분말 특성의 조건은 엄격하다. 높은 열전도도를 가진 질화알루미늄 기판을 제조하기 위해서는 열전도도를 떨어뜨리는 주원인인 산소와 금속불순물의 함량이 매우 낮아야 된다. 또한 완전한 밀도의 소결체를 얻기 위해서는 입자의 크기가 미세해야 하며, 좁은 입도분포를 가져야 한다.
표 1에 지금까지 알려진 질화알루미늄의 분말합성법과 박막합성법(화학증착법)을 실었다. 분말의 합성법 중에서 공업적으로 많이 사용되고 있는 합성법은 다음의 두 가지이다: 금속알루미늄을 고온에서 질소 혹은 암모니아 기체와 직접적으로 질화반응시키는 직접질화법(direct nitridation)과 알루미나와 탄소와 혼합물을 질소분위기에서 고온 반응시키는 열탄소환원질화법(carbothemal reduction and nitridation)이다. 직접질화법은 열탄소환원질화법보다 질화반응 온도가 낮지만, 합성된 질화알루미늄의 입자가 크기 때문에 소결시키기 위해서는 얻은 분말의 분쇄과정을 필요로 한다. 이에 반하여 열탄소환원질화법에서는 열역학적으로 매우 안정한 α-알루미나를 사용하기 때문에 1700℃이상의 높은 질화반응 온도가 요구되며, 또한 α-알루미나와 탄소분말과의 균질혼합, 잔류탄소의 하소 등과 같은 추가적인 공정과정이 요구된다. 열탄소환원질화법이 직접질화법에 비해 합성된 질화알루미늄의 순도, 습기에 대한 안정성, 소결성 등에서 뛰어난 것으로 알려져 있다.

참고문헌: 1) http://icm.re.kr/data/paper/00/0151/21784.pdf
2) http://www.chosun.ac.kr/%7Ejklee/cyber/down/eng/10-11.hwp
3) http://myhome.naver.com/inca_wave/
4) 공업 조사회 편집부. ‘파인 세라믹스 기술’.305~307 page , 1990
5) Buchner,Schliebs,Winter,Buchel. Industrial Inorganic Chemistry(역:무기공업 화학). 1998, VCH (역판:자유아카데미) 370page
6)‘세라믹스 화학’.1996,반도출판사(역판),163~164page(역자:정헌생,김종모)
7) 유원열(공학석사 학위 논문).“직접 질화법에 의한 질화물 강화 Al 합금의 제 조공정에 대한 연구”.1995년 8월,서울대학교 대학원
8) James R. Bowser.'inorganic chemistry'.자유아카데미.1997 1st ed.
9) www.google.co.kr : 질화 알루미늄 합성
e-book : 21세기를 뒷받침할 신소재, 신재료(겸지사) - 5.7. 질화 알루미늄

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