SiAlON is a solid solution of $Si_3N_4$ by substitution of Si and N elements by Al and O, respectively. SiAlON shows superior mechanical properties and high temperature stability to $Si_3N_4$, which enables SiAlON to be promising materials for high temperature structural application such as metal extrusion dies, metal cutting tools and heat engines. For microwave window applications SiAlON is also considered as candidate materials which require low dielectric constant and dielectric loss. The mechanical and chemical properties of SiAlON have been studied widely from room temperature to high temperature, but there have been only limited work on microwave dielectric properties of SiAlON ceramics.
In this study, the effect of composition on dielectric constant and loss was investigated in α - and β -SiAlON. Both α -SiAlON and β -SiAlON were prepared by hot-pressing process. The typical composition of α -SiAlON was $Y_{0.33}Si_{10}Al_2ON_{15}, and the amount of substitution of Al and O(z-value) was controlled at the range of 0.5 - 4.0 in β -SiAlON. Dielectric properties(dielectric constant and tangent loss) were characterized by the post-resonator method and by the transmission/reflection line measurement at room temperature and high temperature, respectively. Effect of z-value was investigated with β -SiAlON, and the role of $Y_2O_3$ sintering additives was examined with α -SiAlON.
Dielectric constant of β -SiAlON(Si6-zAlzOzN8-z) decreased slightly as z-value increased from 0.5 to 4.0, and dielectric loss was independent of z-value. At high temperature, however, dielectric properties of low z(=0.5) β -SiAlON was less dependent on temperature than those of high z(=4.0) β -SiAlON, which results almost same level of dielectric constant in low and high z b-SiAlON at 800℃. Dielectric constant of α -SiAlON(Y-Si-Al-O-N) was measured at the value of 8.64 ~ 8.86, and dielectric loss was 0.76 ~ $1.46×10^{-3}$ with $Y_2O_3$ sintering additive of 0 to 5 wt. %. Thus dielectric constant and loss of α -SiAlON showed little dependency by the amount of sintering additive. Since both α - and β -SiAlON had sufficiently low dielectric constant(<10) and dielectric loss(<0.01), SiAlON ceramics proved to be a good candidate material for high temperature microwave window applications.
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.
