SiAlON 세라믹의 조성변화가 마이크로파 유전특성에 미치는 영향

Abstract

SiAlON은 $Si_3N_4$ 에서 Si와 N이 Al과 O로 각각 치환된 고용체(solid solution) 형태의 세라믹 재료로서 $Si_3N_4$ 와 동일한 결정구조를 가지고 있으며 치환된 Al-O의 결합에 의한 결정 격자의 변형량(lattice strain)이 적어 치환 고용체 형성이 용이하다. 상온에서의 SiAlON의 기계적 특성은 $Si_3N_4$ 와 유사하지만, $Si_3N_4$ 보다 우수한 소결성, 내 부식성, 내 산화성 등의 높은 화학적 안정성을 나타낸다. SiAlON에는 α, β 의 두 종류의 상이 존재하며, β상은 β -$Si_3N_4$ 의 결정 구조에서 Si와 N이 Al과 O로 치환된 형태인 것에 비해, α 상은 Si와 N이 Al과 O로 치환됨과 동시에 α - $Si_3N_4$ 결정 구조 내부의 격자간 위치(interstitial site)에 금속 이온이 침투해 있는 구조를 나타낸다. α 상은 상대적으로 경도가 높으며, β 상은 강도 및 파괴인성이 높은 특성을 보인다. SiAlON의 경우 α 상과 β 상 모두 넓은 고용범위를 가지고 있어 조성변화를 통하거나 $Al_2O_3$, $Y_2O_3$ 등의 소결조제들을 첨가하여 기계적 특성과 화학적 특성을 조절할 수 있다. 소결조제를 첨가한 경우 소결체의 조직 내부에 elongated grain을 형성하여 파괴 인성이나 강도를 향상 시킬 수 있으며, 고용되는 Al, O 및 금속 이온의 양이 조절되면 밀도, 강도, 경도, 영률, 열팽창계수, 열전도도, 내 산화성, 내 부식성 등의 다양한 특성 조절이 가능하여, 고온에서도 강도 및 경도 유지가 가능하고 내 산화성이 뛰어난 특성을 보인다. SiAlON의 이러한 고온에서의 우수한 특성으로 인해 고온용 금속 성형틀, 금속 절단 공구 등의 구조용 재료로 널리 연구되어 왔으며, 상온에서 고온에 이르기까지 다양한 기계적 특성 및 화학적 특성에 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한, 고온용 마이크로파 투과창인 질화물계 고온용 레이돔으로의 적용 가능성도 검토되고 있으나, 아직까지 SiAlON의 유전 특성, 특히 고온 유전특성에 관한 연구는 거의 이루어져 있지 않다. 본 연구에서는 조성이 다른 다양한 SiAlON을 제조하고, SiAlON의 조성변화가 마이크로파 유전 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 소결조제와 기공의 효과를 최소화 하기 위해 고온가압소결 방법을 통해 이론밀도에 가까운 β -SiAlON을 조성별로 제조하여 상온 및 고온에서의 유전 특성을 분석하였으며, 이트륨이 포함된 α -SiAlON 에서 소결조제가 유전특성에 미치는 영향에 대해 평가하였다.