KR102271060B1 - 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 - Google Patents
층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102271060B1 KR102271060B1 KR1020180057454A KR20180057454A KR102271060B1 KR 102271060 B1 KR102271060 B1 KR 102271060B1 KR 1020180057454 A KR1020180057454 A KR 1020180057454A KR 20180057454 A KR20180057454 A KR 20180057454A KR 102271060 B1 KR102271060 B1 KR 102271060B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- aln
- layered
- nanosheet
- present
- crystal structure
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 title abstract description 25
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 31
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 22
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 10
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 10
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 8
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 18
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 68
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 42
- 239000000463 material Substances 0.000 description 20
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 6
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- -1 transition metal chalcogen compounds Chemical class 0.000 description 3
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N Norphytane Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
- C30B29/68—Crystals with laminate structure, e.g. "superlattices"
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
- H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
- H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
- H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
-
- H01L41/081—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
- H10N30/706—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings characterised by the underlying bases, e.g. substrates
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
본 발명은 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 종래의 벌크형 AlN와 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 특성을 갖는 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 종래의 벌크형 AlN와 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖는 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트에 관한 것이다.
그래핀을 비롯한 다양한 초박막 이차원(2D) 재료들은 새로운 물리적, 화학적, 기계적 및 광학적 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 활발히 연구가 되고 있다. 이러한 저차원의 소재는 기존의 벌크 소재가 가지지 못하는 획기적인 신기능이 기대되고 기존소재를 대체할 차세대 미래 소재로서 가능성이 매우 크다.
기존 2D 소재에 대한 연구는 층간(interlayer)의 결합력이 약한 반데르발스 결합을 물리적 및 화학적 방법으로 분리하는 Top-down법, 기상증착법에 기반한 대면적 박막을 성장시키는 Bottom-up법을 기반으로 진행되고 있다. 특히 Top-down법은 박리(exfoliation) 대상 물질의 모상(pristine)이 반드시 2차원적 층상결정구조를 가져야 하므로 밴드갭이 없는 그래핀, 전하 이동도가 낮은 층상 금속산화물/질화물, 전자이동도/전기전도도가 낮은 전이금속 칼코겐화합물 등 연구 대상이 매우 제한적인 문제점이 있다.
종래 연구 방법의 한계로 인해 2D 소재는 그래핀이나 전이금속 칼코겐화합물 등의 물질을 대상으로 매우 제한적으로 연구가 진행되었으며, 이는 본질적으로 저차원 소재의 개발 가능 여부가 사용하고자 하는 원소의 종류에 따라 제한된다는 점에서 한계를 가지며 층상구조가 아닌 무수히 많은 3D 벌크 소재의 저차원 미래 소재 개발에는 적합하지 않은 방법이다.
한편, 질화 알루미늄(AlN)은 알루미나의 열전도도 대비 10배 이상의 열전도도(319W/m K)를 갖고, 열팽창계수가 알루미나 보다 상대적으로 낮고, 전기절연성 및 기계적 강도가 우수한 특성이 있다. 이러한 AlN을 2차원 소재로 제조할 경우 상술한 특성들이 향상될 수 있어 고열전도세라믹스의 반도체 기판이나 부품에 응용될 수 있다.
본 발명은 종래의 벌크형 AlN과 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖는 층상형 AlN 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체를 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득하는 단계 및 (2) 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 상기 층상형 화합물을 처리하는 단계를 포함하는 층상형 AlN의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 염은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
MaXb(1≤a≤2, 1≤b≤3)
상기 화학식 1에서 M은 Al, Mg, 및 Mn 중에서 선택된 어느 하나, X는 Cl, F 및 I 중에서 선택된 어느 하나다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1)단계의 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1)단계의 냉각은 0.5~3℃/시간 또는 10~15℃/시간의 감온 속도로 수행될 수 있다.
또한 본 발명은 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 층상형 AlN을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공간군이 C2/2인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 13.54±0.2, 16.68±0.2, 20.79±0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 및 32.33±0.2의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공간군이 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 및 30.11±0.2 의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.
또한 본 발명은 본 발명에 따른 층상형 AlN로부터 박리되고, 비정질 결정구조를 갖는 AlN 나노시트를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 AlN 나노시트의 두께는 300 nm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 층상형 AlN은 종래의 벌크형 AlN과 달리 2차원 결정 구조를 갖고, 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판, 다이리스터의 기판이나 압전 소자에 널리 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 층상형 AlN 제조 방법에 대한 모식도이다.
도 2는 비교예1의 3D 벌크형 AlN, 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 3a는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3b는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3c는 실시예1의 층상형 AlN의 SEM 이미지이다.
도 4는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 사진이다.
도 2는 비교예1의 3D 벌크형 AlN, 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 3a는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3b는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 SEM 이미지이다.
도 3c는 실시예1의 층상형 AlN의 SEM 이미지이다.
도 4는 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4의 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 층상형 AlN의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 층상형 AlN의 제조 방법은 기존 3D 구조의 벌크형 AlN를 이차원 구조로 제조할 수 있으며, 기존 벌크형 AlN과는 달리 박리가 용이하고, 우수한 열전도 특성을 갖는 층상형 AlN를 제조할 수 있다.
먼저 (1)단계로서, Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체를 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖고 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득 한다.
상기 Ca 전구체 또는 Ca 분말, Al 전구체 또는 Al 분말, 및 N 전구체는 각각 독립적으로 혼합될 수 있고, 상기 N 전구체는 상기 Ca 전구체 또는 Al 전구체와 동일한 물질로 상기 혼합물에 포함될 수 있다.
구체적으로 상기 N 전구체는 N 이온을 포함하는 화합물일 수 있고, 상기 Ca 전구체는 Ca 이온을 포함하는 화합물일 수 있으며, 상기 N 전구체와 Ca 전구체는 Ca 및 N 원소를 포함하는 화합물로서 동일한 물질일 수 있으며, 일예로 Ca3N2일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 Al 전구체는 Al 이온을 포함하는 화합물일 수 있으며, 일예로 AlN일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 혼합물은 반응용기에 봉입한 후 열처리될 수 있으며, 상기 반응용기 내부는 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기로 유지될 수 있다.
또한, 상기 반응용기의 소재는 일예로 알루미나, 몰리브덴, 텅스텐 또는 석영일 수 있으나, 시료와 반응하지 않고, 고온에서 파손되지 않는 물질이라면 소재에 제한 없이 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 (1) 단계를 통해 준비되는 Ca3Al2N4는 3D 결정 구조의 AlN와 상이한 2D 결정 구조를 가지며, 후술되는 (2)단계에서 상기 Ca3Al2N4의 Ca 이온을 선택적으로 제거하여 상기 Ca3Al2N4의 결정 구조 변화 없이 층상형 AlN를 제조할 수 있다.
상기 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행될 수 있다.
만일, 상기 열처리가 1000℃ 미만으로 수행될 경우, 상기 혼합물의 소결 반응이 완료되지 않아 미반응된 원재료가 잔류할 수 있고, 이에 따라 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 열처리가 1200℃를 초과하여 수행될 경우, Ca 이온의 기화로 소결 반응시 사용되는 반응 용기가 파손되거나, 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다.
만일, 상기 열처리가 80시간 미만으로 수행될 경우, 상기 혼합물의 소결 반응이 완료되지 않아 미반응된 원재료가 잔류할 수 있고, 이에 따라 제조되는 층상형 화합물의 수율이 저하되는 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 열처리가 200시간을 초과하여 수행될 경우, 제조 공정 시간이 불필요하게 증가할 우려가 있다.
상기 (1)단계에서 열처리한 후 냉각하는 과정은 층상형 화합물의 결정화를 위해 필요하며, 냉각 속도에 따라 결정의 단결정 크기가 변할 수 있다.
상기 냉각은 10~15℃/시간 또는 0.5~3℃/시간의 감온 속도로 수행될 수 있으며, 상기 감온 속도가 10~15℃/시간일 경우 층상형 Ca3Al2N4를 다결정화할 수 있다. 상기 감온 속도가 0.5~3℃/시간일 경우 층상형 Ca3Al2N4를 단결정화할 수 있으며, 상기 층상형 Ca3Al2N4에 포함되는 Ca 이온 제거 후에도 층상형 AlN의 단결정 크기는 유지될 수 있다. 상기 층상형 AlN의 단결정 크기가 커질수록 입자의 그레인 바운더리(grain boundary)가 감소할 수 있고, 층상형 InAs 박리시 박리되는 InAs 나노시트의 종횡비(aspect ratio)가 증가할 수 있다.
만일 상기 감온 속도가 0.5℃/시간 미만일 경우, Ca 이온의 기화로 인해 제조되는 물질의 조성 변화가 발생할 수 있고, 상기 감온 속도가 3℃/시간을 초과할 경우, 제조되는 층상형 화합물이 다결정화될 수 있다.
다음으로, (2)단계로서 상기 (1)단계에서 제조된 층상형 화합물을 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 처리하여 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 층상형 AlN를 제조한다.
상기 염은 상기 층상형 화합물에 포함된 알칼리 금속 이온과 용이하게 반응하기 위하여 전기음성도가 큰 음이온 및 상기 알칼리 금속 이온과 Al 이온 사이의 전기음성도 값을 갖는 양이온을 포함할 수 있다.
상기 염은 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 상기 염은 상기 알칼리 금속 이온과 Al 이온 사이의 전기음성도 값을 갖는 양이온으로서 M 및 전기음성도가 큰 Cl 이온으로 구성된다.
<화학식 1>
MaXb(1≤a≤2, 1≤b≤3)
상기 화학식 1에서 M은 Al, Mg, 및 Mn 중에서 선택된 어느 하나, X는 Cl, F 및 I 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 염은 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온 제거 효율을 증가시키고 Al이온의 제거를 방지하기 위하여 상기 용매에 용해될 수 있는 한 높은 농도로 상기 혼합용액에 포함될 수 있다.
상기 염은 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온을 제거하기에 충분한 양으로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 혼합용액 내 층상형 Ca3Al2N4 및 염은 1:1 내지 1:3의 몰비율로 포함될 수 있다. 만일 상기 층상형 Ca3Al2N4 및 염의 몰비율이 1:1 미만일 경우, 상기 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온이 목적하는 수준으로 제거되지 않을 수 있고, 만일 상기 몰비율이 1:3을 초과할 경우 상기 염이 상기 혼합용액에 용해되지 않아 침전물이 발생하는 등의 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 (2)단계는 상기 Ca 이온의 제거 반응이 원활하게 일어날 수 있는 온도에서 수행될 수 있으며, 상기 혼합용액의 조성에 따라 온도가 달라질 수 있으나, 바람직하게는 20 ℃ 이상의 온도, 더욱 바람직하게는 20~60℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만일 20℃ 미만에서 수행될 경우, Ca 이온이 목적하는 수준으로 제거되지 않을 수 있고, 60℃를 초과하는 온도에서 수행될 경우 제조되는 층상형 Ca3Al2N4의 층상형 구조가 붕괴될 수 있다. 또한, 20~60℃의 온도에서 수행될 경우 제조되는 층상형 Ca3Al2N4의 층상형 구조를 유지하면서 알칼리 금속 이온 제거율이 우수할 수 있다.
또한, 상기 (2)단계는 상기 혼합용액의 조성, Ca 이온의 제거율에 따라 복수회 실시할 수 있으나, 제조되는 층상형 AlN의 층상형 구조를 유지하기 위해 1회 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (2)단계를 수행한 후 층상형 AlN외에 Ca 이온과 상기 염이 반응하여 생성된 반응물, 일예로 염화칼슘이 존재할 수 있으며, 이를 제거하기 위해 상기 (2)단계를 통해 수득된 분말을 용매로 세척할 수 있다.
상기 반응물을 제거하기 위한 용매는 염화칼슘에 대한 용해도가 있는 용매라면 제한없이 사용될수 있으며 일예로 물, 탈이온수 및 에탄올 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 층상형 AlN에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 층상형 AlN는 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계 (monoclinic) 결정구조를 가지며, 이는 기존 3D 벌크형 AlN와 상이한 결정 구조로서 박리성이 우수하여 나노시트의 형태로 박리하기 용이하며, 우수한 열전도 특성을 가질 수 있다.
Cu-Kα선을 사용하는 분말 X선 회절법에 의해 얻어지는 X선 회절도에 있어서, 상기 공간군이 C2/2인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 13.54±0.2, 16.68±0.2, 20.79±0.2, 21.25±0.2, 26.85±0.2, 27.43±0.2, 31.46±0.2 및 32.33±0.2의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다. 또한, 상기 공간군이 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 층상형 AlN는 9.94±0.2, 18.24±0.2, 18.73±0.2, 18.95±0.2, 19.96±0.2, 24.24±0.2, 25.21±0.2 및 30.11±0.2 의 2θ값에서 피크를 갖고, 33.04±0.2, 35.77±0.2, 37.7±0.2, 49.48±0.2, 59.02±0.2, 65.54±0.2 및 70.95±0.2의 2θ값에서 피크를 갖지 않을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 AlN 나노시트에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 AlN 나노시트는 본 발명에 따른 층상형 AlN로부터 박리되어 수득할 수 있으며, 비정질 결정구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 AlN 나노시트는 300nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 만일 상기 두께가 300nm를 초과할 경우 AlN 나노시트의 표면적이 저하되어 열전도 및 압전 특성이 저하되거나 상기 AlN 나노시트의 적층이 어려워 질 수 있다.
상기 층상형 AlN의 박리 방법은 당업계에서 공지된 층상형 물질의 박리 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 초음파에 의한 에너지로 박리하는 방법, 용매의 침입에 의한 박리 방법, 테이프를 이용한 박리 방법 및 접착성 표면을 가진 물질을 이용한 박리 방법 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트는 우수한 열전도 및 압전 특성을 갖기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판, 다이리스터의 기판이나 압전 소자에 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트가 압전 소자에 활용될 경우, 압전 소자에 포함되는 압전체로서 본 발명에 따른 층상형 AlN 또는 AlN 나노시트가 포함되어 압전 특성이 우수할 수 있다. 상기 압전 소자에 포함되는 압전체 이외의 구성은 당업계에서 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명에 따른 층상형 AlN 및 AlN 나노시트는 열전도 특성이 우수하기 때문에 고열전도세라믹스의 반도체 기판 또는 다이리스터의 기판에 활용될 경우, 열전도 특성이 우수할 수 있다. 상기 기판 이외의 구성은 당업계에서 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
(준비예1) 층상형 Ca
3
Al
2
N
4
제조
층상형 Ca3Al2N4의 합성을 위해 Ca3N2 분말과 Al분말을 혼합한 후 진공 분위기의 쿼츠 튜브에 봉입하였다. 시료가 담긴 쿼츠 튜브를 1050℃에서 100시간 동안 열처리하였다. 이후 재 결정화를 위해 2℃/시간의 감온 속도로 냉각하여 고 순도의 층상형 Ca3Al2N4 단결정을 수득하였다.
(실시예1) 층상형 AlN 제조
준비예1에서 제조된 층상형 Ca3Al2N4를 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 AlCl3와 혼합하여 상기 Ca3Al2N4에서 Ca 이온을 제거하였으며, 이를 통해 층상형 AlN를 제조하였다.
(실시예3) AlN 나노시트 제조
실시예1에서 제조된 층상형 AlN를 테이프로 박리하여 AlN 나노시트를 제조하였다.
(비교예1) 3D 벌크형 AlN
상용 제품인 3D 벌크형 AlN(시그마알드리치)를 준비하였다.
(실험예1) XRD 분석
비교예1의 3D AlN, 준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN에 대하여 XRD 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 2에 도시하였다.
도 2를 참조하면 층상형 Ca3Al2N4(준비예1)는 공간군이 C2/2 및 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한, 층상형 Ca3Al2N4에서 Ca 이온을 제거한 층상형 AlN(실시예1)은 공간군이 C2/2 및 P2/c인 단사정계 결정구조를 갖는 것을 확인할 수 있고 이는 3D 구조의 벌크형 AlN과는 상이한 결정 구조이다.
(실험예2) SEM 분석
준비예1의 층상형 Ca3Al2N4 및 실시예1의 층상형 AlN에 대하여 SEM 이미지를 촬영하였으며, 그 결과를 도 3a 및 3c에 도시하였다.
도 3a 및 도 3c를 참조하면, 층상형 Ca3Al2N4의 Ca 이온 제거 후 제조된 AlN가 층상형 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- (1) Ca3N2, 및 Al 분말을 포함하는 혼합물을 열처리한 후 냉각하여 공간군(space group)이 C2/2 또는 P2/c인 단사정계(monoclinic) 결정구조를 갖는 화학식 Ca3Al2N4로 표시되는 층상형 화합물을 수득하는 단계; 및
(2) 상기 층상형 화합물의 결정구조 변화 없이 상기 층상형 화합물에 포함된 Ca 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 AlCl3 염 및 상기 염을 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 혼합용액으로 상기 층상형 화합물을 처리하는 단계;
를 포함하는 층상형 AlN의 제조 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 용매는 탈이온수, 테트라하이드로퓨란 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 층상형 AlN의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 열처리는 1000~1200℃에서 80~200시간 동안 수행되는 층상형 AlN의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 냉각은 0.5~3℃/시간 또는 10~15℃/시간의 감온 속도로 수행되는 층상형 AlN의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180057454A KR102271060B1 (ko) | 2018-05-18 | 2018-05-18 | 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 |
| PCT/KR2019/006947 WO2019221583A1 (ko) | 2018-05-18 | 2019-06-10 | 층상형 aln, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 aln 나노시트 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180057454A KR102271060B1 (ko) | 2018-05-18 | 2018-05-18 | 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190132152A KR20190132152A (ko) | 2019-11-27 |
| KR102271060B1 true KR102271060B1 (ko) | 2021-06-29 |
Family
ID=68540422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180057454A KR102271060B1 (ko) | 2018-05-18 | 2018-05-18 | 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102271060B1 (ko) |
| WO (1) | WO2019221583A1 (ko) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102425893B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 칼륨, 인듐과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| US11597651B2 (en) | 2020-09-09 | 2023-03-07 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Layered group III-V compound and nanosheet containing phosphorus, and electrical device using the same |
| KR102425892B1 (ko) | 2020-09-09 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 인듐과 인을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| US11634340B2 (en) | 2020-09-09 | 2023-04-25 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Layered group III-V compound and nanosheet containing arsenic, and electrical device using the same |
| KR102425894B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 인듐과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| US11643753B2 (en) | 2020-09-14 | 2023-05-09 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Layered group III-V compound and nanosheet containing antimony, and electrical device using the same |
| KR102425890B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| KR102425891B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 갈륨과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| KR102425889B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-26 | 연세대학교 산학협력단 | 인듐과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
| KR102514681B1 (ko) * | 2020-11-10 | 2023-03-27 | 연세대학교 산학협력단 | 층상구조를 가지고 강유전 유사 특성을 가지는 3-5족 화합물 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100419285B1 (ko) | 1997-06-11 | 2004-02-19 | 히다치 덴센 가부시키 가이샤 | 질화물 결정의 제조방법 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07277897A (ja) * | 1994-04-04 | 1995-10-24 | Katsutoshi Yoneya | 窒化アルミニウム単結晶の合成方法 |
| WO2006103930A1 (ja) * | 2005-03-29 | 2006-10-05 | Tama-Tlo Ltd. | 窒化アルミニウム含有物の製造方法 |
| JP5229735B2 (ja) * | 2006-09-07 | 2013-07-03 | タマティーエルオー株式会社 | ＡｌＮ結晶の製造方法 |
| JP4861953B2 (ja) * | 2007-10-12 | 2012-01-25 | 日本碍子株式会社 | 窒化物単結晶の製造方法 |
| KR100954722B1 (ko) | 2008-07-04 | 2010-04-23 | (주) 아모엘이디 | ＡｌＮ기판의 전극 재료와 ＡｌＮ기판에 전극을 형성하는방법 및 ＡｌＮ기판 |
-
2018
- 2018-05-18 KR KR1020180057454A patent/KR102271060B1/ko active IP Right Grant
-
2019
- 2019-06-10 WO PCT/KR2019/006947 patent/WO2019221583A1/ko active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100419285B1 (ko) | 1997-06-11 | 2004-02-19 | 히다치 덴센 가부시키 가이샤 | 질화물 결정의 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Bonding Properties of Aluminum Nitride at High Pressure(Inorg. Chem. 2017, 56, 7494-7500)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190132152A (ko) | 2019-11-27 |
| WO2019221583A1 (ko) | 2019-11-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102271060B1 (ko) | 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 | |
| KR102057700B1 (ko) | 층상형 GaAs, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 GaAs 나노시트 | |
| KR102285270B1 (ko) | 층상형 InAs, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 InAs 나노시트 | |
| Choi et al. | Initial preferred growth in zinc oxide thin films on Si and amorphous substrates by a pulsed laser deposition | |
| KR100973697B1 (ko) | 다이아몬드의 고온 처리를 통한 ａａ 적층그라핀-다이아몬드 하이브리드 물질 및 그 제조 방법 | |
| JP6657429B2 (ja) | 窒化ホウ素ナノ材料の製造方法 | |
| Gao et al. | ZnO nanorods/plates on Si substrate grown by low-temperature hydrothermal reaction | |
| JP2003041362A (ja) | 酸化亜鉛基ホモロガス化合物薄膜の製造法 | |
| KR102065681B1 (ko) | 층상형 NaZnSb, 층상형 ZnSb, NaZnSb 나노시트, ZnSb 나노시트 및 이들의 제조방법 | |
| CN109763099B (zh) | 一种二硫化钼薄膜的制备方法 | |
| Lin et al. | Two-dimensional solid-phase crystallization toward centimeter-scale monocrystalline layered MoTe 2 via two-step annealing | |
| KR102224725B1 (ko) | 층상형 FeP, 그 제조방법, 그로부터 박리된 층상형 FeP 나노시트 및 이를 포함하는 촉매 | |
| CN110498448B (zh) | 层状FeAs、其制备方法及由此剥离的FeAs纳米片 | |
| KR20190056264A (ko) | 층상형 KZnSb, 층상형 ZnSb, KZnSb 나노시트, ZnSb 나노시트 및 이들의 제조방법 | |
| KR102124975B1 (ko) | 층상형 ZnBi, ZnBi 나노시트 및 이들의 제조방법 | |
| Chen et al. | The interface microstructure and band alignment of hexagonal boron nitride/diamond heterojunctions | |
| Chowdhury et al. | Evidence of phase heterogeneity in sol–gel Na0. 5K0. 5NbO3 system | |
| KR102250674B1 (ko) | 층상형 화합물, 나노시트 및 이들의 제조방법 | |
| KR102186132B1 (ko) | 층상형 비화코발트의 제조방법, 그로부터 제조된 층상형 비화코발트, 그로부터 박리된 비화코발트 나노시트 | |
| CN107641789B (zh) | 氮化硼纳米片连续薄膜、其制备方法与应用 | |
| KR102057965B1 (ko) | 층상형 강자성 금속 및 반도체 소재와 이의 제조방법 | |
| KR102080829B1 (ko) | 층상형 Ge, 이의 제조 방법, 이로부터 박리된 Ge 나노시트 및 이를 포함하는 리튬이온전지용 전극 | |
| Boiakinov et al. | Structural properties of two-dimensional MoS2 synthesized by CVD technique on Al2O3 (0001) | |
| KR20190056265A (ko) | 층상형 MnBi, MnBi 나노시트 및 이들의 제조방법 | |
| JP4572382B2 (ja) | 単結晶窒化ケイ素ナノシートとその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |