KR101614325B1 - 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고저항 탄화규소 단결정 - Google Patents

바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고저항 탄화규소 단결정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균일한 Si-0-V 네트워크를 가지는 탄화규소 전구체를 제조하고, 상기 탄화규소 전구체를 열탄소환원 반응을 거쳐 바나듐이 격자 내에 균일하게 도핑된 탄화규소 분말을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 고저항 탄화규소 결정성장용 분말에 관한 것이다.

Description

바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고저항 탄화규소 단결정{Method of manufacturing silicon carbide powder contaning vanadium and silicon carbide single cryctal thereof}
본 발명은 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열탄소환원 반응에 의하여 바나듐이 균일하게 도핑된 실리카와 카본을 균일하게 반응시켜 높은 수율을 갖는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법 및 이에 의해서 제조된 고저항 탄화규소 단결정에 관한 것이다.
탄화규소 분말을 제조하는 대표적인 방법에는 애치슨(Acheson)법, 열탄소환원법(carbothermal reduction method), 기상반응을 이용한 합성법, 액상고분자 반응법 등이 있다. 그 중에서도 애치슨(Acheson)법은 알파상의 탄화규소(α-SiC)를 제조하는데 적합한 대표적 산업적 양산 방법으로, 석영과 코크스를 출발물질로 하여 전기 저항로에서 2,000-2,400 ℃의 온도 조건으로 탄화규소를 생성한다.
반면, 열탄소환원법이나 기상반응법, 액상고분자 반응법 등은 낮은 온도 영역에서 안정한 베타상의 탄화규소(β-SiC)를 제조하는데 적합하나, 열탄소환원법을 제외하고는 대량생산이 어렵다는 단점이 있다. 열탄소환원법이란 실리카와 탄소를 일정 비율로 혼합하여 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하여 탄화규소를 제조하는 방법이다. 열탄소환원법은 입경이 균질한 고순도 분말을 얻을 수 있으며, 소결체 특성이 우수한 탄화규소를 제조할 수 있다.
열탄소환원법(carbothermal reduction method)이란 탄소와 혼합한 실리카를 아르곤 분위기에서 열처리하여 탄화규소를 제조하는 방법인데, 열처리 과정 중에 실리카가 탄소와 반응하여 실리카 중의 산소는 일산화탄소(CO) 가스로 형성되어 소실되고 남은 규소는 탄소와 반응하여 탄화규소를 형성한다. 그 반응식은 다음과 같다.
SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑ [식 1]
보다 상세하게는 다음과 같다. (s : 고체, g : 기체)
SiO2(s) + C(s) → SiO(g) + CO(g) [식 2-1]
SiO(g) + 2C(s) → SiC(s) + CO(g) [식 2-2]
중간체로 생성되는 SiO는 기체 상태로, 이 SiO 기체의 승화 속도가 반응 속도보다 빨라 실리콘의 손실로 인하여 제조되는 탄화규소의 수율이 낮게 나타나 생산성이 매우 취약한 문제점을 갖고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 한국공개특허 제10-2013-0106653호에는 열탄소환원법에 의한 수율이 향상된 탄화규소 분말의 제조방법을 개시하고 있다.
한편, 탄화규소(SiC) 단결정은 열적, 화학적으로 매우 안정적이며, 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라 실리콘에 비해 높은 절연 파괴 전압, 높은 열전도율 등의 우수한 물성을 가지고 있어, 차세대 반도체 재료로서 각광받고 있다. 탄화규소 단결정이 사용되는 전자소자 분야는 크게 질소가 도핑되어 도전성 기판 형태로 사용하는 LED 및 전력소자 분야와 바나듐 도핑된 고저항의 절연체와 같은 특성을 갖는 탄화규소 단결정을 사용하는 RF 통신소자 부분이 있다.
탄화규소 단결정을 제조하는 방법에는 대표적으로 승화법(Physical Vapor Transport Method: PVT 법), 용액성장법(Top Seed Solution Growth Method; TSSG 법), 고온화학기상증착법(High Temperature Chemical Vapor Deposition Method: HTCVD법)등이 있으며, 그 중에서도 승화법이 가장 상용화에 근접해 있다.
승화법을 이용한 단결정 성장 방법은 도가니 상단에 시드(Seed)를 부착시키고 탄화규소분말을 원료로 사용하여 2200 ℃ 이상의 온도에서 승화시킨 후 상대적으로 온도가 낮은 시드 표면에 재결정시켜 단결정을 성장하는 방법으로 순도가 높고 입도가 큰 탄화규소 분말을 원료로 사용한다.
전술한 바와 같이 RF 통신소자 부분에서는 고저항의 절연체와 같은 특성을 갖는 탄화규소 단결정이 이용되고 있으며, 이를 위해 바나듐이 도핑된 탄화규소 단결정이 널리 이용되고 있다. 바나듐이 도핑된 고저항 탄화규소 단결정을 얻기 위해서 일반적으로 탄화규소 분말과 바나듐 금속분말을 균일하게 혼합하여 원료로 사용하는데, 이 경우 고온에서 바나듐의 승화 속도가 빨라, 성장된 단결정에 바나듐의 농도가 위치에 따라 현저히 다르게 나타난다는 단점이 있다.
따라서, 바나듐이 전체 영역에서 균일하게 분포되어 있는 탄화규소 단결정의 제조가 필요한 상황이며, 이를 위해서는 단결정 성장의 원료로 사용되는, 바나듐이 격자내에 균일하게 도포된 탄화규소 분말의 제조방법에 대한 개발이 절실한 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고저항 탄화규소 단결정의 원료로서, 균일한 Si-0-V 네트워크를 가지는 탄화규소 전구체를 제조 후 종래 공지된 열탄소환원법을 통해 바나듐이 격자 내에 균일하게 도핑된 탄화규소 분말의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 제조방법에 따라 제조된 바나듐 함유 탄화규소 분말을 제공하는 것이다.
또한, 상기 바나듐 함유 탄화규소 분말을 이용하여 제조된 단결정에 바나듐이 균일하게 분포되어 있는 바나듐 함유 고저항 탄화규소 단결정을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
(a) 하기 [화학식 1]로 표시되는 반응혼합물을 졸-겔 반응시켜 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 바나듐 함유 실리카 분말과 탄소를 혼합하여 탄화규소 전구체를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택된 기체 분위기 하에서 1400-2200 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112015006158943-pat00001
상기 [화학식 1]에서,
상기 R은 탄소수 5 내지 20인 알킬기 또는 페닐기이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 [화학식 1]의 반응혼합물은 실리카 출발물질과 바나듐 출발물질을 혼합하여 합성된 것을 특징으로 하고, 상기 실리카 출발물질은 실리콘 알콕사이드, 실록산계 고분자, 실세스퀴옥산계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 바나듐 출발물질은 바나듐 알콕사이드, 바나듐 아세틸아세토네이트, 및 바나듐옥시클로라이드 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 바나듐 함유 실리카 분말의 바나듐 함량은 1-5 wt%일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 카본블랙, 그라파이트, 피치, 폐놀계 레진 및 폴리스칠렌계 레진 중에서 선택되는 하나 이상을 더 혼합하여 상기 탄화규소 전구체를 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (c)의 열처리 단계는 상기 탄화규소 전구체를 1400-1600 ℃에서 탄화환원 반응시키는 제1 열처리 단계; 및 상기 제1 열처리 후, 1800-1900 ℃에서 결정화를 유도하는 제2 열처리 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 열처리 단계는 1400-1600 ℃에서 탄화환원 반응을 시작하여 5-7 시간 동안 유지할 수 있다.
또한, 상기 제2 열처리 단계는 1800-1900 ℃에서 2-3 시간 동안 결정화를 유도하여 고결정성 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계 이전에 상기 (b) 단계에서 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택되는 기체 분위기 하에서 600-1000 ℃로 하소시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계 이후에 대기 분위기 하에서 600-1000 ℃로 탈탄 공정을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
상기 제조방법에 따라 제조된 바나듐 함유 탄화규소 분말로서, 상기 탄화규소는 베타상 결정의 순도 99.0-99.9%이고, 상기 바나듐 함유 탄화규소 분말의 평균 입자 크기는 1-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말 및 이를 이용하여 제조된 탄화규소 단결정을 제공한다.
본 발명에 따르면 바나듐이 탄화규소 격자 내에 균일하게 분포된 탄화규소 분말의 제조가 가능하며, 상기 분말을 이용하여 단결정 성장시 바나듐이 균일하게 분포되어 있는 103 ohm-cm 이상의 고저항 탄화규소 단결정의 수득이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 X선 회절 분석 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 전자주사현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 X선 회절 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 전자주사현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 X선 회절 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 전자주사현미경 이미지이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 균일한 Si-0-V 네트워크를 가지는 탄화규소 전구체를 제조하고, 상기 탄화규소 전구체를 열탄소환원 반응을 거쳐 바나듐이 격자 내에 균일하게 도핑된 바나듐 함유 탄화규소 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로, 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(a) 하기 [화학식 1]로 표시되는 반응혼합물을 졸-겔 반응시켜 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하는 단계,
(b) 상기 제조된 바나듐 함유 실리카 분말과 탄소를 혼합하여 탄화규소 전구체를 제조하는 단계, 및
(c) 상기 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택된 기체 분위기 하에서 1400-2200 ℃로 열처리하는 단계,
[화학식 1]
Figure 112015006158943-pat00002
상기 [화학식 1]에서,
상기 R은 탄소수 5 내지 20인 알킬기 또는 페닐기이다.
먼저, 상기 (a) 단계에서는 상기 [화학식 1]로 표시되는 반응혼합물을 졸-겔 반응시켜 균일한 Si-O-V 네트워크를 갖는 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하는데, 상기 반응혼합물은 실리카 출발물질과 바나듐 출발물질을 혼합하여 합성한다. 이때, 상기 실리카 출발물질로는 TEOS(tetraethyl orthosilicate), TMOS(tetramethyl orthosilicate)와 같은 실리콘 알콕사이드, PDMS(polydimethyl siloxane)와 같은 실록산계 고분자, POSS(polyhedral oligomeric silsesquioxane)와 같은 실세스퀴옥산계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 바나듐 출발물질로는 바나듐 알콕사이드, 바나듐 아세틸아세토네이트, 및 바나듐옥시클로라이드 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 반응을 통해 제조된 바나듐 함유 실리카 분말의 바나듐 함량은 1-5 wt%인 것이 바람직하다. 상기 하한치 미만이면, 바나듐 함유량이 적어 본 발명이 목적하는 바나듐 함유 탄화규소 단결정의 원료로서 사용하기에 미흡하며, 상기 상한치를 초과하면 탄화규소 격자 내에 함유될 수 있는 양을 초과하게 되어 격자 내에 치환되지 못하여 탄화규소 분말 제조시 결정품질이 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 상기 (b) 단계에서는 상기 (a) 단계에서 제조한 바나듐 함유 실리카 분말을 탄소와 혼합하여 탄화규소 전구체를 제조한다. 또한, 바나듐 함유 실리카 분말을 탄소와 혼합시에 카본블랙, 그라파이트, 피치, 폐놀계 레진 및 폴리스칠렌계 레진 중에서 선택되는 하나 이상을 더 혼합하여 상기 탄화규소 전구체를 제조할 수 있다.
다음으로, 상기 (c) 단계에서는 상기 (b) 단계에서 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택된 기체 분위기 하에서 1400-2200 ℃로 열처리하여 바나듐 함유 탄화규소 분말을 수득한다. 이때, 상기 열처리 단계는 구체적으로 탄화규소 전구체를 1400-1600 ℃에서 탄화환원 반응시키는 제1 열처리 단계와, 상기 제1 열처리 후, 1800-1900 ℃에서 결정화를 유도하는 제2 열처리 단계로 구성된다.
일반적으로 탄화규소 전구체를 열탄소환원법에 의하여 베타상의 탄화규소 분말을 제조하기 위해서는 일반적으로 1600-1800 ℃ 범위에서 열처리를 하여 반응시킨다. 그러나, 열탄소환원 반응에 의하면, 상기 [식 2-1]의 반응이 1400-1600 ℃ 범위에서 폭발적으로 일어난다. 이때, 상기 [식 2-1]의 반응이 [식 2-2]의 반응보다 빠르기 때문에 상기 1600-1800 ℃ 범위에서 열처리를 진행하는 경우 SiO 기체의 손실이 매우 크다.
따라서, SiO 기체의 손실을 최소화하기 위해서는 1400-1600 ℃ 범위에서, 보다 바람직하게는 1400-1550 ℃ 범위에서 반응 시간을 유지시키는 것이 필요하다.
그러나 상기 온도는 반응이 충분히 진행되지 못하여 미반응 실리카가 잔존할 수 있다. 따라서 미반응 실리카가 최소화되고 고결정성의 분말을 얻기 위해서는 1800 ℃ 이상의 반응 온도를 요구하므로 1800-1900 ℃ 범위에서의 2차 열처리 단계가 필요하고, 이에 의해서 약 20% 가량의 수율이 향상된 고순도의 베타상의 탄화규소를 수득하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 열처리 단계에서 제1 열처리 단계 온도는 1,400-1,600 ℃의 범위에서 진행하는 것이 바람직하다. 제1 열처리 단계만으로도 탄화규소를 제조할 수 있으나, 제1 열처리 단계에서 수득되는 탄화규소는 결정성이 낮은 1 ㎛ 이하의 작은 입자가 형성되므로 고결정성, 고순도 분말을 제조하기 위해서는 1,800-1,900 ℃의 범위에서 반응을 완료하는 단계가 요구된다.
본 발명에서 탄화규소 전구체를 이용하여 고수율의 고순도 탄화규소를 제조하는 데에는 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계를 기본 공정으로 하고 있으나, 상기 (b) 단계에서 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택되는 기체 분위기 하에서 600-1000 ℃로 하소시키는 단계가 선행될 수 있다.
또한, 상기 제2 열처리 단계 후 제조된 바나듐 함유 탄화규소 분말에 대해서 잔존하는 탄소를 제거하여 고순도의 탄화규소 분말을 수득하기 위해, 상기 (c) 단계 이후에 대기 분위기 하에서 600-1000 ℃로 탈탄 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상술한 제조방법을 이용하면, 베타상 결정의 순도가 99.0-99.9%이고, 상기 바나듐 함유 탄화규소 분말의 평균 입자 크기는 1-100 ㎛인 고순도 및 고결정성을 가진 바나듐 함유 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.
또한, 상기 바나듐 함유 탄화규소 분말을 이용하여 고온 고압 하에서 일반적으로 알려진 방법에 따라 탄화규소 단결정을 성장시키면, 단결정에 바나듐이 균일하게 분포되어 있는 바나듐 함유 고저항 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.
이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
제조예 1. 1 wt%의 바나듐 함유 실리카 분말의 제조
실리카 분말의 합성 출발물질로는 TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate)와 하기 [화학식 2]로 표시되는 바나듐 옥시트리프로폭사이드(Vanadium oxytripropoxide)를 사용하였으며, TEOS 60 ㎖과 바나듐 옥시트리프로폭사이드 0.52 ㎖을 혼합하여 상기 [화학식 1]로 표시되는 반응혼합물을 제조하였다. 200 ㎖의 에탄올을 용매로 하고 상기 반응혼합물을 각각 첨가하고 교반 하였으며, 교반 상태를 유지하면서 서서히 온도를 올려 50 ℃가 되도록 하고, 온도가 안정적으로 유지가 되면 5%의 암모니아 용액을 첨가하여 pH를 10이 되도록 하였다. 암모니아를 첨가하면 침전물이 형성되는데 이때, 교반을 유지하면서 12 시간 이상 반응하였다. 반응이 완료된 슬러리는 수세 및 원심분리한 후 건조하였다.
[화학식 2]
Figure 112015006158943-pat00003

제조예 2. 5 wt%의 바나듐 함유 실리카 분말의 제조
상기 제조예 1과 동일한 방법에 의하여 제조하되, 바나듐 옥시트리프로폭사이드를 2.60 ㎖ 사용하여 5 wt%의 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하였다.
제조예 3. 10 wt%의 바나듐 함유 실리카 분말의 제조
상기 제조예 1과 동일한 방법에 의하여 제조하되, 바나듐 옥시트리프로폭사이드를 5.20 ㎖ 사용하여 10 wt%의 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하였다.
실시예 1.
상기 제조예 1에서 합성한 바나듐 함유 실리카 전구체 10 g을 카본 분말 4 g과 볼밀 과정을 통해 균일하게 혼합하여 아르곤 분위기 하에서 분당 20 ℃의 승온속도로 1400 ℃까지 올려 5시간 유지하여 탄화규소 분말을 제조한 다음 분당 10 ℃의 승온 속도로 1800 ℃로 2 시간 동안 열처리하여 결정질의 탄화규소 분말을 제조하였다. 제조한 결정질의 탄화규소 분말을 600 ℃로 6 시간 동안 대기 분위기에서 열처리하여 미반응 탄소를 제거하여 고순도의 바나듐 함유 탄화규소 분말을 얻었다.
탄화규소의 형성 여부는 X선 회절분석기를 이용하여 측정한 결과 모든 피크가 탄화규소 피크와 일치함을 확인할 수 있었다(도 1). 탄화규소의 경우 35.7, 41.4, 60 °의 위치에서 X-선 회절 피크가 뚜렷하게 나타나는 것으로 보아 β 상으로 형성된 입자임을 확인할 수 있었다(JCPDS No. 74-2307). 입자의 형상은 주사전자현미경으로 확인하여 본 결과 육각형의 결정이 우수한 단일상으로 나타났다(도 2). 제조된 탄화규소는 한국산업표준(KS L1612)에 따라 순도 분석을 실시하였으며, 탄화규소 분말의 화학성분 분석결과 바나듐의 함량은 0.95 wt%로 나타났다.
실시예 2.
상기 제조예 2에서 합성한 바나듐 함유 실리카 전구체 10 g을 카본 분말 4 g과 볼밀 과정을 통해 균일하게 혼합하여 아르곤 분위기 하에서 분당 20 ℃의 승온속도로 1400 ℃까지 올려 5시간 유지하여 탄화규소 분말을 제조한 다음 분당 10 ℃의 승온 속도로 1800 ℃로 2 시간 동안 열처리하여 결정질의 탄화규소 분말을 제조하였다. 제조한 결정질의 탄화규소 분말을 600 ℃로 6 시간 동안 대기 분위기에서 열처리하여 미반응 탄소를 제거하여 고순도의 바나듐 함유 탄화규소 분말을 얻었다.
탄화규소의 형성 여부는 X선 회절분석기를 이용하여 측정한 결과 모든 피크가 탄화규소 피크와 일치함을 확인할 수 있었다(도 3). 탄화규소의 경우 35.7, 41.4, 60 °의 위치에서 X-선 회절 피크가 뚜렷하게 나타나는 것으로 보아 β 상으로 형성된 입자임을 확인할 수 있었다(JCPDS No. 74-2307). 입자의 형상은 주사전자현미경으로 확인하여 본 결과 육각형의 결정이 우수한 단일상으로 나타났다(도 4). 제조된 탄화규소는 한국산업표준(KS L1612)에 따라 순도 분석을 실시하였으며, 탄화규소 분말의 화학성분 분석결과 바나듐의 함량은 4.90 wt%로 나타났다. 이를 통해 탈탄 공정을 거쳐도 탄화규소의 결정상에는 변화가 없음을 확인하였다.
비교예 1.
상기 제조예 3에서 합성한 바나듐 함유 실리카 전구체 10 g을 카본 분말 4 g과 볼밀 과정을 통해 균일하게 혼합하여 아르곤 분위기 하에서 분당 20 ℃의 승온속도로 1400 ℃까지 올려 5시간 유지하여 탄화규소 분말을 제조한 다음 분당 10 ℃의 승온 속도로 1800 ℃로 2 시간 동안 열처리하여 결정질의 탄화규소 분말을 제조하였다. 제조한 결정질의 탄화규소 분말을 600 ℃로 6 시간 동안 대기 분위기에서 열처리하여 미반응 탄소를 제거하여 탄화규소 분말을 얻었다.
탄화규소의 형성 여부는 X선 회절분석기를 이용하여 측정한 결과 탄화규소의 경우 35.7, 41.4, 60 °의 위치에서 X-선 회절 피크가 뚜렷하게 나타나는 것으로 보아 β 상으로 형성된 입자임을 확인할 수 있었다(JCPDS No. 74-2307).
그러나, 성장 입자의 X-선 회절 분석 결과에서 37.2 °와 43.7 °위치에 바나듐카아바이드(JCPDS NO. 73-0476)에 해당하는 새로운 피크가 나타나는 것을 확인하였다(도 5). 입자의 형상 역시 주사전자현미경으로 확인하여 본 결과 육각형의 결정과 작은 분말로 이루어진 혼합상으로 나타났다(도 6). 또한, 제조된 탄화규소는 한국산업표준(KS L1612)에 따라 순도 분석을 실시하였으며, 탄화규소 분말의 화학성분 분석 결과 바나듐의 함량은 9.95wt%로 나타났다. 이러한 결과는 탄화규소 격자 내에 치환되지 못한 바나듐이 고온에서 카본과 반응하여 바나듐카아바이드를 형성한 것으로서, 이를 통해 본 발명의 바나듐 함유 탄화규소 분말의 바나듐 고용한계는 5%로, 상기 수치를 초과할 경우 탄화규소 격자 내에 함유될 수 있는 양을 초과하게 되어 바나듐이 격자 내에 치환되지 못하며, 탄화규소 분말 제조시 결정품질이 저하되는 문제가 생길 수 있음을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 하기 [화학식 1]로 표시되는 반응혼합물을 졸-겔 반응시켜 바나듐 함유 실리카 분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 제조된 바나듐 함유 실리카 분말과 탄소를 혼합하여 탄화규소 전구체를 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택된 기체 분위기 하에서 1400-2200 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112015006158943-pat00004

    상기 [화학식 1]에서,
    상기 R은 탄소수 5 내지 20인 알킬기 또는 페닐기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 [화학식 1]의 반응혼합물은 실리카 출발물질과 바나듐 출발물질을 혼합하여 합성된 것을 특징으로 하고,
    상기 실리카 출발물질은 실리콘 알콕사이드, 실록산계 고분자, 실세스퀴옥산계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며,
    상기 바나듐 출발물질은 바나듐 알콕사이드, 바나듐 아세틸아세토네이트, 및 바나듐옥시클로라이드 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바나듐 함유 실리카 분말의 바나듐 함량은 1-5 wt%인 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 카본블랙, 그라파이트, 피치, 폐놀계 레진 및 폴리스칠렌계 레진 중에서 선택되는 하나 이상을 더 혼합하여 상기 탄화규소 전구체를 제조하는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c)의 열처리 단계는 상기 탄화규소 전구체를 1400-1600 ℃에서 탄화환원 반응시키는 제1 열처리 단계; 및 상기 제1 열처리 후, 1800-1900 ℃에서 결정화를 유도하는 제2 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 열처리 단계는 1400-1600 ℃에서 탄화환원 반응을 시작하여 5-7 시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 열처리 단계는 1800-1900 ℃에서 2-3 시간 동안 결정화를 유도하여 고결정성 탄화규소 분말을 얻는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이전에 상기 (b) 단계에서 제조된 탄화규소 전구체를 진공 또는 헬륨, 네온 및 아르곤 중에서 선택되는 기체 분위기 하에서 600-1000 ℃로 하소시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에 대기 분위기 하에서 600-1000 ℃로 탈탄 공정을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 제조된 바나듐 함유 탄화규소 분말로서, 상기 탄화규소는 베타상 결정의 순도 99.0-99.9%이고, 상기 바나듐 함유 탄화규소 분말의 평균 입자 크기는 1-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 바나듐 함유 탄화규소 분말.
  11. 삭제
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