실리콘 질화물 Si3n4

질화규소 제품은 공정에 따라 반응소결제품, 열간압착제품, 대기압압착소결제품, 등압압착소결제품, 반응중소결제품으로 나눌 수 있다. 그 중 반응소결법은 질화규소 내화물 제조에 일반적으로 사용되는 방법이다.

반응소결법에 의한 질화규소 제품의 생산은 미세하게 분쇄된 규소 분말(입자 크기는 일반적으로 80μm 미만)을 생성하고, 기계적 또는 등압성형에 의해 성형한 후, 성형체를 건조시킨 후, 질소 중에서 1350~1400도까지 가열하고, 소성 과정에서 동시에 질화됩니다. 이 생산 방식에서는 원료 조건, 소성 공정, 분위기 조건이 제품 성능에 큰 영향을 미칩니다.

실리카 분말에는 Fe, Ca, Al, Ti 등과 같은 많은 불순물이 포함되어 있습니다. Fe는 반응 과정에서 촉매로 간주됩니다. 이는 실리콘의 확산을 촉진할 수 있지만 동시에 다공성과 같은 결함을 유발하기도 합니다. 첨가제로서 Fe의 주요 역할: 반응 과정에서 촉매로 사용되어 제품 표면에 SiO2 산화막 형성을 촉진할 수 있습니다. 철-실리콘 용융 시스템이 형성되고 액체 FeSi2에 질소가 용해되어 -Si3N4의 형성이 촉진됩니다. 그러나 철 입자가 너무 크거나 함량이 너무 높으면 제품에 기공 등의 결함이 나타나 성능이 저하됩니다. 일반적으로 첨가되는 철의 양은 0~5%입니다. Al, Ca, Ti 및 기타 불순물과 같은 불순물은 실리콘과 공융을 형성하기 쉽습니다. 적정량 첨가는 소결을 촉진하고 제품의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

입자 크기가 미세하고 비표면적이 클수록 소성 온도는 낮아집니다. 입자 크기가 클수록 제품 내 -Si3N4의 양이 증가합니다. 실리카흄의 입자 크기를 줄이면 제품의 미세한 기공 크기를 줄일 수 있습니다. 적절한 입자 크기 비율은 제품의 밀도를 향상시킬 수 있습니다.

온도는 질화 속도에 큰 영향을 미칩니다. 질화반응은 970~1000도에서 시작되며, 반응속도는 1250도 정도에서 가속된다. 고온 단계에서는 발열 반응으로 인해 온도가 실리콘의 융점(1420도)을 빠르게 초과하면 실리콘이 흐르기 쉬워 실리콘 분말체가 녹아 붕괴됩니다.

2023년 4월, 라이프니츠 대학교 포토닉스 연구소 소장인 Michael M. Kus 팀은 "하이브리드 기술"의 도움으로 인듐 인화물로 만든 레이저와 필터, 질화 규소로 만든 캐비티를 결합하여 통합했습니다. 그것들을 하나의 칩에 담습니다. 

2023년 한국재료연구소 세라믹공학연구실 연구팀이 전기차 구동모듈용 질화규소 베어링 볼을 제작했다. 질화규소 볼 기술을 적용한 하이브리드 베어링의 글로벌 시장 규모는 1.3배 이상으로 성장할 것으로 예상된다. 2026년까지 1조원.