사이알론(SiAlON)

사이알론이란 규소(Si), 알루미늄(Al), 산소(O), 질소(N)으로 구성되고 결정격자 내Li, Mg, Ca, Y, Ln 등의 금속 양이온이 치환된 화합물로써 주요 원소명을 연결해서 SiAlON으로 부른다. 사이알론은 질화규소와 유사한 특성을 가지고 있으며, 엔지니어링 세라믹으로 다양하게 이용된다. 고온강도가 우수하며, 열팽창성이 작고, 내열충격성이, 내산화성이나 내식성이 우수한 재료이다. 또한, 경도가 크가 상대적으로 경량이다.

사이알론은 질화규소(Si₃N₄)와 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al₂O₃)를 반응시켜 얻는 β-SiAlON과 질화규소에 리틈(Li), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y) 등을 고용사킨 α-SiAlON의 두 종류가 있다.

 

α-SiAlON

α-SiAlON은 trigonal 격자구조를 가지고 있으며, Al, O가 α-Si₃N₄의 Si, N위치의 일부를 치환해 고용하면서 동시에 Si12N4의 Si, N위치의 일부를 치환해 고용하면서 동시에 Si12N16 단위격자 중에 2개가 존재하는 직경 약 3Å의 격자간 공극에 Li 등의 금속이 침입해 고용된 화합물로서 그 일반식은 다음과 같다.

 

Mx(Si, Al)12(O, N)16 (x = 0~2), M : Li Mg, Ca, Y, Ln (La, Ce을 제외한 희토류 금속)

α-SiAlON의 물성은 다음과 같다.

겉보기 공극률 : 0.5 % 이상, 체적비중 : 3.22, 굽힘강도 : 90~120 kg/mm2,

압축강도 : 350~400 kg/mm2, 열팽창계수 : 3.2~3.4 10-6/℃

 

α-SiAlON은 Si₃N₄-AlN-Y2O3혼합분말 등을 HP나 상압소결 등을 통해 얻을 수 있다.

 

β-SiAlON

β-SiAlON은 β-Si₃N₄의 Si, N의 일부가 각각 Al, O로 치환된 고용체이며, 금속/비금속의 비율은 보통 3/4로 되어 공극이 결정 내에 잘 형성되지 않는다. β-SiAlON의 결정구조는 hexagonal로서, (Si, Al)(ON)4 사면체가 기본단위이다 다음과 같은 결정식으로 표시된다.

 

β-SiAlON의 소결체는 보통 Si₃N₄-AlN-Al₂O₃, Si₃N₄-AlN-SiO2, Si₃N₄-AlN-Al₂O₃-SiO2 등의 원료혼합물을 열간가압이나 그 성형체를 상압소결하여 제조한다. 소결은 질소가스 중에서 1700 ~ 1800 ℃의 온도에서 처리하는데, 원료분말을 잘 혼합해야 균질한 사이알론을 얻을 수 있다.

 

알콕사이드법

이 방법은 Si3N4, AlN 분말에 알루미늄 알콕사이드 용액을 가하고 볼밀로 분쇄 혼합한 후 얻은 분말을 100~400 ℃로 하소하고 1700 ~ 1900 ℃로 열간가압 소결하여 β-SiAlON 소결체를 얻는 방법이다.

 

습식혼합법

α-Si₃N₄분말 약 90 wt. %와 알루미늄 핵산용액을 Al₂O₃로 환산해서 약 10 wt. %정도 가하고 볼밀중에서 습식혼합하여 분무 건조한 후, 공기 중에서 약 900 ℃ 하소하고, 1800 ℃에서 5~10 시간 질소분위기에서 소결한 후, 1~2 시간정도 HIP 처리하여 얻는다.

 

SiAlON의 활용

SiAlON은 비철 용해 금속 취급, 특히 알루미늄 및 그 합금에서 알루미늄 다이 캐스팅용 금속 공급 튜브, 버너 및 침수 히터 튜브용 금속 공급 튜브, 비철 금속용 인젝터 및 가스 제거, 열전대 보호 튜브, 도가니 등으로 다양하게 사용된다.

 

금속 성형에서 SiAlON은 냉간성 주철 가공용 절삭 툴, 특히 저항 용접용 브레이징 및 용접 고정장치와 핀으로 사용된다.

 

그 외에 화학 및 공정 산업과 석유 및 가스 산업이 포함된다. 이것은 SiAlON의 우수한 화학적 안정성 및 부식 저항성 및 마모 저항성 특성 때문이다.

 

몇몇 희토류 활성화 SiAlON은 광 발광하며 인광 역할을 할 수 있다. Europium(II)-di-SiAlon은 자외선 및 가시 광 스펙트럼을 흡수하고 강력한 광대역 가시 방출을 방출한다. 온도 안정 결정 구조 때문에 그것의 휘도와 색깔은 온도에 따라 크게 변하지 않는다. 흰색 LED용 녹색 하향 변환 인광기로도 큰 잠재력을 가지고 있으며 노란색 변종도 존재한다. 백색 LED의 경우 노란색 인광 또는 녹색과 노란색 SiAlon 인광과 빨간색 CaAlSiN₃ 기반 인광과 함께 파란색 LED를 사용한다.