KR100502815B1 - 이중 기공구조를 갖는 세라믹 다공질체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀기계 부품 등에 사용되는 세라믹 다공질체(porous ceramic)에 관한 것으로, 그 목적은 소결수축율의 제어를 통하여 표면과 내부와의 기공구조가 다른 세라믹 다공질체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 세라믹 다공질체는, 평균입자크기가 서로 다르고 재질이 동일한 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율이 거의 동일하도록 평균입자크기가 큰 세라믹 분말에 플럭스를 첨가하고, 먼저 평균입자크기가 작은 세라믹 분말을 성형한 후, 그 위에 평균입자크기가 큰 세라믹 분말을 장입하여 성형, 소결함으로써 제조된다.

이러한 세라믹 다공질체는 입자간 결합력이 높으면서도 표면층과 내부의 기공구조가 다른 이중 기공구조를 형성하면서 떨림현상이 발생하지 않아 에어베어링과 같은 정밀기계부품에 매우 유용하다.

Description

이중 기공구조를 갖는 세라믹 다공질체 및 그 제조방법{Porous Ceramic Material with Double Pore Structures and Manufacturing Process therefor}

본 발명은 정밀기계 부품 등에 사용되는 세라믹 다공질체(porous ceramic)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소결수축율의 제어를 통하여 표면과 내부와의 기공구조가 다른 세라믹 다공질체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

세라믹 다공질체는 여러 산업부문에서 다양한 용도로 사용되고 있는 데, 특히 정밀도가 요구되는 반도체 산업에서 그 사용이 증가하고 있다. 그 대표적인 예로서, 반도체의 제조공정에 사용되는 에어베어링(air bearing)과 같은 소재를 들 수 있다. 에어베어링은 반도체 칩의 위치를 제어하는 정밀기계 부품 중 하나로서, 반도체 칩의 회로선폭이 미소해짐에 따라 이들을 제어하는 에어베어링도 나노크기의 정밀도를 가져야 한다. 그러나, 다공질 탄소재료로 이루어진 기존의 에어베어링은 그 기공구조가 단순하여 공기가 탄소재료로 역류되어 떨림현상(pneumatic hammering)이 생겼다. 또한, 탄소 입자간의 낮은 결합강도에 기인하여 기계 가공후 미세한 입자가 발생할 가능성이 높아 고청정도가 필수인 반도체 제조공정에 오염요인으로 작용할 가능성이 있었다.

한편, 세라믹 다공질체를 제조하는 방법은 여러 가지 기술이 있다. 대표적인 예로서, 대한민국 특허 311,694호, 제153,852호 및 제92,672호에는 원료의 조성과 소결 조건을 변화시켜 세라믹 다공질체 재료 내에 기공을 도입하는 기술이 개시되어 있다. 이외에도 미국 특허 6,413,408호에는 다공질 세라믹 지지체의 표면층에 작은 기공 크기를 갖는 다공질막을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 제6,245,698호에는 유기전구체(organic precursor) 등을 사용하여 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 어떠한 방법도 상기 에어베어링과 같은 정밀 기계부품의 제조에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 입자간 결합력이 높으면서도 표면층과 내부의 기공구조가 다른 이중 기공구조를 형성함으로써, 떨림현상이 발생하지 않아 상기 에어베어링과 같은 정밀기계부품에 적합한 세라믹 다공질체를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 입자크기가 다른 두 종류 분말의 소결수축율 등을 제어함으로써, 표면과 내부간의 기공구조가 다른 그러한 세라믹 다공질체를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명의 세라믹 다공질체는, 표층과 내부가 동일한 세라믹 재질이고, 표층과 내부의 기공구조가 다른 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 다공질체의 제조방법은, 평균입자크기가 서로 다르고 재질이 동일한 두 종류의 세라믹 분말을 준비하는 단계;

상기 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율이 거의 동일하도록 평균입자크기가 큰 세라믹 분말에 플럭스를 첨가하는 단계;

상기 세라믹 분말 중에서 평균입자크기가 작은 세라믹 분말을 성형한 후, 그 위에 평균입자크기가 큰 세라믹 분말을 장입하여 성형하여 성형체를 얻는 단계 및

상기 성형체를 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 세라믹 다공질체에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 세라믹 다공질체는 표층과 내부가 동일한 세라믹 재질로 구성되지만, 그 표층과 내부의 기공구조가 서로 다르다. 바람직하게는 상기 기공구조는 내부보다 표층의 기공이 작은 것이다. 이러한 이중 기공구조를 갖게 되면, 적절한 통기도를 가지면서도 다공질체 내부로 역류되는 공기의 양을 최소화할 수 있다. 본 발명에 따른 세라믹 다공질체는 15~ 40%의 기공율을 갖는 것이 좋다.

상기 세라믹 다공질체는 통상적인 세라믹 재료라면 어느 것이나 가능하다. 바람직하게는, 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아 등과 같은 산화물계 세라믹 재료 및 탄화규소와 같은 탄화물, 질화규소와 같은 질화물 등을 들 수 있다.

이러한 이중 기공구조를 갖는 세라믹 다공질체는 다음과 같은 제조공정을 통하여 얻어진다.

먼저, 평균입자크기가 서로 다른 두 종류의 세라믹 분말을 준비한다. 상기 입자크기가 다른 분말의 소결시 각 분체의 소결수축율이 서로 상이하다. 일반적으로 입자크기가 작은 분말은 소결수축이 크고, 입자크기가 큰 분말은 소결수축이 작기 때문에, 본 발명에서는 입자크기가 큰 분체에 일정량의 소결조제를 첨가하여 입자크기가 작은 분체의 소결수축율과 동일하게 하는 것이 중요하다. 그러나, 입자크기가 다른 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율을 동일하게 하는 것은 실험적으로 많은 시행착오를 거치게 마련이다.

이러한 단점을 해결하고자 본 발명에서는 최소한의 실험을 통해 소결수축율을 제어하여 임의의 성형밀도에 대하여 소결밀도 및 소결수축율을 예측할 수 있는 수단을 마련했다. 구체적으로, 본 발명에서는 최소한의 실험으로 동일한 수축율을 갖는 한 쌍 이상의 원료분말의 조합을 결정하기 위해 수학식 1과 같은 실험식을 도출하였다.

여기서, a: 임의 상수, D_P: 성형밀도, D_F: 소결밀도, D_T: 이론밀도, (D _F -D_P): 밀도증가량, (D_P/D_T): 상대성형밀도를 나타낸다.

이 식은 세라믹 분말의 초기 성형밀도가 소결후 소결밀도에 미치는 영향에 대한 관계식으로서, 소결후의 밀도증가량을 상대성형밀도에 대하여 나타낸 것이다. 이 두 변수간의 관계는 일반적인 포물선(parabolic) 형태를 유지하고 있다. 수학식 1과 같은 성형밀도와 소결밀도의 변화로부터 소결수축거동(소결수축율: ΔV/V)을 수학식 2와 같이 예측할 수 있다.

상기 수학식 1, 2에서 알 수 있는 바와 같이, 임의의 온도에서 한 쌍의 성형밀도/소결밀도를 가지고 있다면, 전체 성형 밀도 구산에 걸쳐 포물선 관계식을 그릴 수 있으며, 따라서 임의의 성형밀도에 대해 소결밀도 및 소결수축율을 예측할 수 있다. 결국, 출발원료가 다른 여러 조성계의 경우 몇 회의 제한된 실험으로 밀도 증가율 및 소결수축율이 동일한 원료분말 조성계를 선택할 수 있는 장점이 있다.

상기 평균입자크기가 다른 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율을 수학식 1,2에 의해 예측함으로써, 두 종류의 세라믹 분말을 선택하고, 이들 분말의 소결수축율이 거의 동일하도록, 평균입자크기가 큰 세라믹 분말에 액상 형성 소결조제인 플럭스를 적정량 첨가한다. 이때, 소결조제인 플럭스로는 일반 알카리 함유 플럭스를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 나서, 상기 세라믹 분말 중에서 평균입자크기가 작은 세라믹 분말을 먼저 적정한 성형밀도로 성형한 후, 그 위에 평균입자크기가 큰 세라믹 분말을 장입하여 적정한 성형밀도로 성형하여 성형체를 얻는다. 본 발명에서 적정한 성형밀도란 일정한 소결싸이클로 원하는 소결밀도를 얻기 위해 필요한 성형밀도를 말한다.

그 다음, 상기 성형체를 소결하면 표면과 내부의 기공구조가 다른 소결체를 얻을 수 있다. 이때, 소결은 1400~ 1800℃의 범위에서 행하는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 아래의 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

[실시예 1]

평균입자크기가 각각 1, 2.5, 4㎛인 알루미나 분말과 평균입자크기가 50㎛인 알루미나 분말을 준비하고, 평균입자크기가 50㎛에 알카리 함유 플럭스를 0~ 5.0중량%를 첨가한 후, 각각의 분말들을 0.7톤/㎠으로 성형한 다음, 약 1600℃에서 3시간 동안 소결하였다.

각 분말에 대한 성형밀도와 소결 후의 소결밀도를 측정한 후, 수학식 1을 이용하여 표 1과 같은 포물선 방정식을 구하였다. 그 중에서 평균입자크기가 50㎛인 분말에 플럭스 첨가량을 변화시켰을 때, 분말에 대한 상대성형밀도(D_P/D_T)와 소결밀도 증가량(D_F-D_T)과의 관계를 도 1에 도시하였다. 또한, 각 분말에 대한 성형밀도에 따른 소결수축율을 도2에 나타내었다.

구분	알루미나 분말 크기(㎛)	플럭스 투입량(중량%)	포물선 방정식
분말1	1	-	Y=1.07625X(1-X)
분말2	2.5	-	Y=0.47719X(1-X)
분말3	4	-	Y=0.47820X(1-X)
분말4	50	-	Y=0.25884X(1-X)
분말5	50	0.5	Y=0.46794X(1-X)
분말6	50	1.0	Y=0.68959X(1-X)
분말7	50	3.0	Y=0.94366X(1-X)
분말8	50	5.0	Y=1.06235X(1-X)
여기서, Y는 밀도증가량(DF-DP)이고, X는 상대성형밀도(DP/DT)이다.

표1, 도2에 나타난 바와 같이, 평균입자크기가 1㎛인 분말 1과 5중량%의 플럭스가 첨가된 평균입자크기 50㎛인 분말 8의 포물선 방정식이 유사한 값을 가지고, 또한 평균입자크기가 2.5㎛인 분말 2와 4㎛인 분말4의 경우 그 포물선 방정식이 0.5중량%의 플럭스가 첨가된 평균입자크기 50㎛인 분말 5의 포물선 방정식과 유사하다.

또한, 도1에 도시된 바와 같이, 상대성형밀도(D_P/D_T)와 소결밀도 증가량(D_F -D_P) 사이에는 일반적인 포물선 관계를 유지하고 있음이 확인되었다.

[실시예 2]

지름 35mm를 갖는 원통형의 몰드 속에 먼저 평균입자크기가 1㎛인 알루미나 분말(분말 1)을 소결한 다음, 두께 2mm가 되도록 칭량하여 장입한 후 소결수축을 고려하여 2.4mm 두께로 성형하였다. 또한, 평균입자크기가 50㎛인 알루미나 분말에 알카리 함유 플럭스를 5.0중량% 첨가(분말 8)한 후, 이 분말을 상기 성형체 위에 충전하여, 소결후 두께 8mm가 되도록 소결수축을 고려하여 9.5mm 두께로 성형한 다음, 약 1600℃에서 3시간 동안 소결하였다. 이렇게 제조된 세라믹 다공질체(도2의 "A" 영역)에 대하여 실제 소결밀도를 측정한 결과, 2.59g/㎤를 갖는 다공질체를 제조할 수 있었다.

또한, 상기 세라믹 다공질체의 조직을 배율을 달리하여 관찰하고, 그 결과를 도3에 도시하였다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 세라믹 다공질체는 표면과 내부의 기공구조가 다름을 알 수 있었다.

[실시예 3]

분말 2(평균입자크기 2.5㎛)와 분말 5(평균입자크기 50㎛/0.5중량%의 플럭스 첨가)를 이용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 소결수축을 고려하여, 분말 2는 2.1mm 두께로 성형하고, 분말 5는 9.1mm로 성형후, 소결하여 세라믹 다공질체(도2의 "B" 영역)를 제조하고 나서, 실제 소결밀도를 측정한 결과, 실시예 2와 같은 2.59g/㎤를 갖는 다공질체를 제조할 수 있었다.

[실시예 4]

분말 4(평균입자크기 4㎛)와 분말 5(평균입자크기 50㎛/0.5중량%의 플럭스 첨가)를 이용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 소결수축을 고려하여 분말 2는 2.1mm 두께로 성형하고, 분말 5는 9.1mm 두께로 성형 후 소결하여 세라믹 다공질체(도2의 "B" 영역)를 제조한 다음, 실제 소결밀도를 측정한 결과, 실시예 2, 3과 같은 2.59g/㎤를 갖는 다공질체를 제조할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 입자크기가 다른 두 종류 분말의 소결수축율 등을 제어함으로써, 표면과 내부간의 기공구조가 다른 세라믹 다공질체를 제공할 수 있으며, 이러한 세라믹 다공질체는 입자간 결합력이 높으면서도 표면층과 내부의 기공구조가 다른 이중 기공구조를 형성하면서 떨림현상이 발생하지 않아 에어베어링과 같은 정밀기계부품에 매우 유용하다.

도1은 플럭스 함유량이 다른 알루미나 분말에 대한 상대성형밀도와 소결밀도 증가량과의 관계를 도시한 그래프이다.

도2는 각종 알루미나 분말에 대한 성형밀도와 소결수축율과의 관계를 도시한 그래프이다.

도3은 본 발명에 따라 제조된 알루미나 다공질체에 대한 미세조직사진이다.

Claims (7)

1. 세라믹 다공질체에 있어서,

   표층과 내부가 동일한 세라믹 재질이고, 표층에 존재하는 기공의 직경이 내부에 존재하는 기공의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 재료는 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 탄화규소 및 질화규소 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체.
4. 세라믹 다공질체의 제조방법에 있어서,

   재질이 동일한 세라믹 분말을 준비하되, 평균입자크기(average particle size)가 상대적으로 큰 세라믹 분말과 평균입자크기가 상대적으로 작은 세라믹 분말로 함으로써, 두 종류의 세라믹 분말을 준비하는 단계;

   상기 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율이 동일하도록, 상기 두 종류의 세라믹 분말 중의 상기 평균입자크기가 상대적으로 큰 세라믹 분말에 플럭스(flux)를 첨가하는 단계;

   상기 두 종류의 세라믹 분말 중의 상기 평균입자크기가 상대적으로 작은 세라믹 분말을 성형한 후, 그 위에 상기 두 종류의 세라믹 분말 중의 상기 평균입자크기가 상대적으로 큰 세라믹 분말을 장입하고 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및

   상기 성형체를 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 두 종류의 세라믹 분말의 소결수축율은, 다음의 [식 1] 및 [식 2]에 의하여 예측하는 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체의 제조방법.

   [식 1]

   D_F-D_P=aㆍ[D_P/D_T(1-D_P/D_T)]

   [식 2]

   ΔV/V₀=1-D_P/D_F=[m(1-r)]/[1+m(1-r)]

   (여기서, a: 임의의 상수, D_P: 성형밀도, D_F: 소결밀도, D_T: 이론밀도, (D_F-D_P): 밀도 증가량, (D_P/D_T): 상대성형밀도, m=a/D_T, r=D_P/D_T, ΔV/V₀: 소결수축율)
6. 제4항에 있어서,

   상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 탄화규소 및 질화규소 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체의 제조방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 소결은 1400~ 1800℃의 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 세라믹 다공질체의 제조방법.