질화규소 분말(Silicon Nitride Powders)

1. 서론

질화규소(Si3N4)는 상온과 고온에서 강도, 파괴인성, 열충격 저항성, 내산화성이 우수하기 때 문에 구조 세라믹스 분야에서 많이 쓰이는 중요한 재료중 하나이다 [1]. 그러나 이같은 질화규소 의 유용성은 최근에 들어서야 알려진 사실이고, 그 전에는 탄화규소 같은 다른 재료에 비해 연구 가 적은 편이었다.

질화규소는 상온에서 비정질, α 상, 그리고 β 상 형태로 안정하게 존재할 수 있으며, α 상 은 Si12N16, β상은 Si6N8을 단위 셀(unit cell)로 갖는다. 따라서 α상의 c 축 길이는 β상의 약 2 배가 된다. β 상은 α 상에 비해 고온에서 안정하기 때문에 소결시 α-β 상전이가 일어나며, 상 압 (atmospheric pressure)의 ∼1800℃ 부근에서 분해된다.

2. 질화규소 분말

질화규소 분말은 다음과 같은 네가지 방법으로 합성한다.

• 직접 질화법 [2]
  3Si + 2N2 → Si3N4 (1)
• 환원 질화법 [3]
  3SiO2 + 6C + 2N2 → Si3N4 + 6CO (2)
• 기상 반응법 [4]
  3SiCl4 + 4NH3 → Si3N4 + 12 HCl (3)
  또는
  3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2 (4)
• 이미드 열분해법 [5]
  3SiCl4 + 4NH3 → Si(NH)2 + 4NH4Cl (5)
  3Si(NH)2 → Si3N4 + 2NH3 (6)

Table 1. Range of Typical Characteristics of Alpha-Si3N4 Powders from Different Production Processes [6]

질화규소 분말은 현재 세계적으로 년간 약 400 톤 정도가 생산되며, 곧 년간 약 1000 톤이 생산될 전망이다. 대표적인 제조회사는 Table 2에서 보는 바와 같다.

Table 2. Major Si3N4 Manufactures [7]

Fig. 1. Scanning electron micrograph of Si3N4 powder manufactured by direct nitridation.

Fig. 1은 직접질화법으로 만든 저급 질화규소 분말을 주사전자 현미경으로 관찰한 사진이다. 국내에선 질화규소 분말을 생산하는 업체가 없고, 전량 수입에 의존하고 있다. 한편 질화규소 분말의 가격은 가공비와 함께 전체 부품값을 좌우하는 중요한 요인이 되면서 상용화의 방해요인이 되고 있다. 예를 들어 질화규소 터보챠저 로터의 경우 전체 가격에서 질화규소 분말과 소결 첨가제가 차지하는 비중은 38.5%나 된다. 따라서 최근에 값싼 질화규소 분말을 제조하기 위한 연구가 진행중인데, 현재 고온 구조용 부품을 만들 때 널리 쓰이는 H. C. Stark 사의 LC12N 이나 Ube 사의 E10은 각각 $45-50/kg, ￥11,000-12,000/kg 정도 이다.

Table 3은 직접질화법을 사용하여 질화규소 분말을 제조할 때 소요되는 비용을 계산한 것이 다.

Table 3. Summary of Costs for Direct-Nitrided Silicon Nitride Powder [8]

3. 질화규소 제품 현황

대표적인 질화규소 소결체 제품의 강도 특성은 Table 4에서 보는 바와 같다. 국내에서는 대한중석과 쌍용양회에서 절삭공구를 비롯한 질화규소 제품들이 생산되고 있다.

Table 4. Comparison of Tensile and Flexural Strength Values Measured for NT-154 (Norton) and PY6 (GTE) [9]

4. 제조회사 및 구입처

• Ube Industries, Ltd. 12-32, Nishihonmachi I-chome, Ube, Yamaguchi Pref. 755, Japan
  Tel: 81-836-226150
  Fax: 814-466-6847
  
• Hermann C. Stark GmbH & Co., Box 2540, Goslar D-3380, Germany
  Tel: 5321-7510
  Fax: 5321-751192
  국내 대리점: 국제초경상사 Tel. 02-631-4671
• Denki Kagaku Kogyo Kabushi Kaisha, San shin Bldg., 1-4-1 Yuraku-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 100, Japan
  Tel: 81-03-3507-5212
  Fax: 81-03-3507-5078

참고문헌

1. G. W. Meetham, J. Mat. Sci., 26 [4] 853-860 (1991).
2. K. Komeya and H. Inoue, J. Mat. Sci., 10, 1243-1246 (1975).
3. H. Hofmann et al., Mat. Res. Soc. Proc., 287, 105-120 (1993).
4. K. S. Mazdiyasni and C. M. Cooke, J. Am. Ceram. Soc., 56 [12] 628-633 (1973).
5. G. M. Crosbie, Ceram. Eng. Sci. Proc., 7 [9,10] 1144-1149 (1986).
6. G. Schwier et al., Mater. Sci. Forum, 47, 1-20 (1989).
7. Annual Mineral Review, Am. Ceram. Soc. Bull., 74 [6] 153-155 (1995).
8. J. M. Schoenung, Am. Ceram. Soc. Bull., 70 [1] 114 (1991).
9. D. E. McCullum et al., Ceram. Eng. Sci. Proc., 12 [9-10] 1886-1913 (1991).

1997년 9월 30일 최헌진

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