최근 몇 년 동안 일본 Toyo Tanso Co., Ltd.의 연구원들은 질화알루미늄의 연소 합성을 연구해 왔습니다. 그들은 느슨하고 응집되지 않은 AlN 분말을 성공적으로 준비했습니다. 이 공정에서는 원료 알루미늄 분말과 연소합성을 통해 미리 제조된 AlN 분말을 적정량 혼합하여 반응온도를 낮추는 공정이다. 혼합물을 흑연 트레이에 넣고, 카본 히터에 수십 암페어의 단시간 전류를 흘려 질화 반응을 시작한다. 전체 반응은 1 MPa 미만의 압력에서 질소로 채워진 고압 반응 챔버에서 수행됩니다. 생성된 AlN은 응용 요구 사항에 따라 기존 방법으로 분쇄 및 분류됩니다.
로딩부터 냉각 후 제품 꺼내기까지 전체 과정이 2시간도 채 걸리지 않습니다. 분석에 따르면 기존 AlN 준비 공정과 비교하여 이 연소 합성 방법은 비용을 약 30~50% 절감합니다. 이 새로운 연소 합성 방법의 장점과 이점을 고려하여 Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.와의 합작 투자 프로젝트를 통해 AlN 생산이 시작되었습니다.
질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도율, 우수한 전기 절연성, 낮은 유전율, 실리콘(Si)에 버금가는 열팽창계수, 환경 친화성으로 인해 전자 패키징의 세라믹 기판에 선호되는 소재가 되었습니다. 고전력 기기의 방열, 열응력 불일치 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있어 5세대 이동통신(5G), 신에너지 자동차, 항공우주 등 핵심 분야에서 널리 활용된다.
AlN 분말의 주요 합성 방법에는 직접 질화 및 탄소열 환원이 포함됩니다.
직접 질화는 알루미늄 분말을 질소에 넣고 고온으로 가열하는 방법입니다. 원료가 풍부하고 공정이 간단하며 부반응이 없다는 장점이 있어 산업생산에 비교적 적합하다.
탄소열환원은 알루미나 분말과 탄소분말을 원료로 사용합니다. 균일하게 혼합한 후 1600~1800도의 고온에서 흐르는 질소 분위기에서 환원 및 질화하여 AlN을 형성합니다. 현재 대부분의 상업용 AlN 분말은 탄소열 환원법으로 제조됩니다. 이 방법으로 제조된 AlN 분말은 순도가 높고, 구형도가 좋으며, 소결이 용이하고, 안정성이 강한 등의 장점이 있습니다.
알루미늄 분말의 전통적인 직접 질화 및 탄소열 환원 외에도 연소 합성(CS)은 알루미늄 분말과 질소 사이의 자가 전파 발열 반응을 사용하여 AlN 분말을 효율적으로 합성합니다. 이는 복잡성 및 높은 에너지 소비와 같은 현재 주류 AlN 분말 준비 공정의 단점을 극복하고 간단한 공정 흐름, 낮은 에너지 소비 및 짧은 생산 주기를 포함한 상당한 이점을 가지고 있습니다. 이는 AlN 분말의 대규모 제조에 대한 큰 잠재력을 보여주며 업계의 세심한 관심과 기대를 받을 만합니다.
연소합성에 의한 AlN 분말 제조 연구 진행
이 기술은 소련의 메르자노프(Merzhanov) 연구팀이 제안한 이래로 다양한 재료의 제조에 활용되어 왔으며, 특히 세라믹 분말, 금속간화합물, 세라믹 코팅 등 분야에서 고유한 특성과 장점을 지닌 산업생산을 이루었다.
AlN의 연소 합성은 Al 분말의 직접 질화의 확장된 방법으로 간주될 수 있습니다. 이 방법에서는 Al 분말이 고압의 질소 중에서 반응합니다. 반응이 빠르고, Al과 질소의 반응으로 발생하는 열로 인해 반응이 완료될 때까지 자동으로 지속됩니다. 격렬한 반응으로 인해 Al 분말 표면에 형성된 AlN 층이 파열될 수 있으며, 노출된 신선한 표면이 계속 반응할 수 있습니다. 이 방법은 빠르고 효율적이어서 큰 주목을 받았습니다. 그 본질은 Al 분말의 직접 질화와 동일하지만 이 방법은 Al 질화에 필요한 고온 환경을 유지하기 위해 외부 에너지를 필요로 하지 않습니다. 반응 초기 단계에서만 점화하면 되므로 에너지 소비가 크게 줄어듭니다.
연소합성의 가장 큰 문제점은 Al-N2 기체-고체 연소과정에서 반응대의 기공 내 N2에만 의존하여 반응이 완료될 경우 필요한 N2 압력이 수천 기압에 달한다는 점이다. 따라서 AlN 분말의 초기 연소 합성은 N2 압력이 최대 310 MPa인 초고압 합성을 주로 사용했습니다. 그러나 고압 반응 조건의 본질적인 가혹함은 장비 기술 사양에 매우 높은 요구 사항을 부과하고 높은 위험을 수반하여 대규모 적용 및 개발을 심각하게 제한합니다.
이에 따라 후속 연구는 주로 연소 과정을 최적화하는 데 중점을 두었습니다. 본질적으로 이는 Al-N2 인터페이스에서 에너지 및 물질 전달의 방향 조절입니다. 연소 파동 구조 매개변수(연소 온도, 전파 속도 등)의 시너지 최적화를 통해 이러한 매개변수와 제품 특성(미세 구조, 입자 크기 분포, 순도 등) 간의 상관 메커니즘이 확립됩니다.
Al-N2의 침투 연소 특성 유지
반응 구역의 가스 소비로 인해 국부적인 압력 강하가 발생하고, 결과적인 압력 구배로 인해 N2가 자발적으로 반응 구역에 방향성으로 침투하게 됩니다. 그러나 연소 파면의 예열 효과로 인해 Al 입자가 녹아 융합되어 확산 장벽이 형성됩니다. Al-N2의 침투 연소 특성을 유지하려면 Al-N2의 반응 열역학과 계면 동역학의 균형을 맞추고 과도한 Al 용융의 형성을 억제하며 기공 채널 막힘과 반응 경계면 붕괴를 피하는 것이 필요합니다. 불활성 희석제는 연소 반응 시스템의 열용량을 크게 증가시킬 수 있습니다. 흡열 효과를 통해 에너지 소산을 강화하고 반응 운동 활성을 약화시켜 연소 반응의 최고 온도를 크게 낮추고 연소 파동 전파 속도를 현저히 늦춥니다.
현재, 고상 희석제 전략은 저압/주변 압력 하에서 Al 분말의 효율적이고 완전한 질화를 달성하여 Al-N2 반응 인터페이스 제어의 돌파구를 위한 핵심 경로가 되었습니다. 그러나 고체상 희석제는 필연적으로 제품 수율을 감소시킵니다. 따라서 제품 수율을 보장하기 위해 연구자들은 Ar 및 H2와 같은 가스를 도입합니다. 반응 영역의 질소 분압을 희석하고 반응물 분자의 충돌 가능성을 줄임으로써 이러한 가스는 연소 반응 온도와 전파 속도를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 그러나 H2의 도입으로 인해 반응 전환이 억제되어 잔류 알루미늄 함량이 증가합니다. 위의 결과는 Al-N2의 침투 연소 특성을 유지하는 것이 저압/주변 압력에서 AlN 분말의 대규모 제조를 달성하는 데 중요하다는 것을 나타내며 관련 공정 최적화를 위한 기술적 방향을 제시합니다.
연소 반응 온도
Under the infiltration combustion framework, regulating the aluminum powder content and nitrogen pressure is the most direct and controllable process means. Studies show that when the aluminum powder content decreases from 60% (mole fraction) to 40% (diluent content increases from 40% to 60%), the adiabatic temperature of the system significantly decreases from 4120 K to 2890 K, and the maximum combustion reaction temperature decreases from >2573 K ~ 2057 K. 연소 온도의 감소는 고온 영역에서 제품 AlN 입자의 원자 확산 속도 및 성장 속도를 크게 억제하여 AlN 입자 크기를 효과적으로 미세화하고 형태학적 균일성을 향상시킵니다.
질소 압력이 증가함에 따라 시스템의 단열 온도는 일정하게 유지되지만 연소 반응 온도는 상승합니다. 연소 반응 온도의 증가는 원자 확산 능력을 향상시키고 입자가 고온 영역에서 머무는 시간을 연장시켜 입자 간 소결에 의한 응집을 동반하는 AlN 입자의 성장을 크게 촉진합니다. 이러한 차이는 단위 부피당 N2 분자 흐름의 증가로 인해 발생하며, 이는 반응 계면에서 기상 반응물의 확산 및 물질 전달 효율을 향상시킵니다. 연소 반응 온도는 Al-N2 침투 연소 모드를 유지하기 위한 핵심 매개변수일 뿐만 아니라 최종 AlN 분말 제품의 입자 크기 분포 및 입자 응집 상태를 직접적으로 조절한다는 것을 알 수 있습니다.
연소 첨가제
고체 골격의 용융 붕괴, 고체-액체 계면에 의한 N2 침투 플럭스 차단, 기상 반응으로 인한 연소 파동 불안정성을 포함하여 연소 파동의 일시적인 열 충격 하에서 유도된 Al 분말의 3상 분포의 진화는 AlN 입자의 핵 생성/성장 거동을 총체적으로 결정합니다. 이러한 엄격한 제약으로 인해 미량 첨가제를 현장에서 추가하는 것이 Al의 3상 분포를 조절하는 주요 경로 중 하나가 됩니다.
Al-N2 연소 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 첨가제인 할로겐화암모늄은 일반적으로 흡열 분해를 통해 연소 온도와 전파 속도를 감소시키는 것으로 여겨지며, 분해로 생성된 가스는 일시적인 마이크로 채널을 구축하고 N2 침투를 촉진할 수 있습니다. AlN의 연소 합성 분야에서는 아직 보편적인 형태 제어 메커니즘이 확립되지 않았지만, 첨가제는 조작의 용이성과 공학적 적응성을 결합한 연소 반응 경로를 조절하는 방법으로 여전히 널리 인식되고 있습니다.