KR100560961B1 - Method of making reaction diffusion-bonded compound materials - Google Patents

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Abstract

화합물 재료 반응확산접합(reaction diffusion bonding) 구조물 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 두 개 이상의 화합물 재료 조각을 준비하여, 일부 또는 전체 표면을 연마한다. 하나 이상의 연마면 위에 열처리시 화합물 재료 내로 편입 또는 고용될 수 있는 금속, 금속유기물 또는 금속화합물을 얇게 삽입, 도포, 증착, 도금 또는 코팅하여 조성물 박막을 형성한다. 조성물 박막이 형성된 면을 사이에 두고 화합물 재료 조각들을 맞대놓은 상태로 열처리함으로써 접합 계면에 제2상의 존재 없이 직접 접합된(directly bonded) 계면을 형성한다. Disclosed is a method for preparing a compound diffusion reaction bonding structure. According to the present invention, two or more pieces of compound material are prepared to polish some or the entire surface. A thin film of metal, metalorganic or metal compound that can be incorporated or dissolved into the compound material upon thermal treatment on one or more abrasive surfaces to form a thin film of the composition. The heat treatment is performed with the pieces of the compound material facing each other with the surface where the composition thin film is formed to form a directly bonded interface without the presence of the second phase at the bonding interface.

Description

화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법{Method of making reaction diffusion-bonded compound materials}Method of making reaction diffusion-bonded compound materials

도 1은 본 발명에 따른 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법의 순서도이다. 1 is a flow chart of a method of manufacturing a compound material reaction diffusion junction structure according to the present invention.

도 2a는 본 발명에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 사파이어 반응확산접합 구조물의 사진이다. Figure 2a is a photograph of the sapphire reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the present invention.

도 2b는 도 2a의 사파이어 반응확산접합 구조물에서 접합 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 확대해 찍은 사진이다.FIG. 2B is an enlarged photograph of a bonding interface in a sapphire reaction diffusion junction structure of FIG. 2A with a scanning electron microscope (SEM).

도 2c는 도 2a의 사파이어 반응확산접합 구조물에서 접합 계면의 광투과도를 측정한 그래프이다. Figure 2c is a graph measuring the light transmittance of the bonding interface in the sapphire reaction diffusion bonding structure of Figure 2a.

도 3은 본 발명에 따라 Al 포일(foil)을 사용해 접합시킨 사파이어 반응확산접합 구조물의 사진이다. 3 is a photograph of a sapphire reaction diffusion bonding structure bonded using Al foil according to the present invention.

도 4a는 본 발명에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 알루미나 다결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. 4A is a photograph of an alumina polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the present invention.

도 4b는 도 4a의 알루미나 다결정 반응확산접합 구조물의 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. FIG. 4B is an enlarged SEM photograph of the bonding interface of the alumina polycrystalline reaction diffusion bonding structure of FIG. 4A. FIG.

도 5a는 본 발명에 따라 Mg 증착막을 사용해 접합시킨 MgO 단결정 반응확산 접합 구조물의 사진이다. 5A is a photograph of a MgO single crystal reaction diffusion junction structure bonded using an Mg deposited film according to the present invention.

도 5b는 도 5a의 MgO 반응확산접합 구조물의 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. FIG. 5B is an enlarged SEM photograph of the bonding interface of the MgO reaction diffusion bonding structure of FIG. 5A. FIG.

도 6은 본 발명에 따라 Zn 증착막을 사용해 접합시킨 ZnS 다결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. Figure 6 is a photograph of a ZnS polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using a Zn deposited film according to the present invention.

도 7a는 본 발명에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 소다-라임 글래스(soda-lime glass) 반응확산접합 구조물의 사진이다. 7A is a photograph of a soda-lime glass reactive diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the present invention.

도 7b는 도 7a의 소다-라임 글래스 반응확산접합 구조물 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. 7B is an enlarged SEM photograph of the bonding interface of the soda-lime glass reaction diffusion structure of FIG. 7A.

도 8은 본 발명에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 AlN 다결정 반응확산접합 구조물의 단면 SEM 사진이다.Figure 8 is a cross-sectional SEM photograph of the AlN polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 Si3N4 다결정 반응확산접합 구조물의 접합계면 확대 SEM 사진이다. 9 is an enlarged SEM image of a bonding interface of a Si 3 N 4 polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using a Si deposition film according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 SiC 다결정 반응확산접합 구조물의 단면 SEM 사진이다. FIG. 10 is a cross-sectional SEM photograph of a SiC polycrystalline diffusion bonding structure bonded together using a Si deposited film according to the present invention. FIG.

도 11은 본 발명에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 쿼츠 글래스(quartz glass) 반응확산접합 구조물의 단면 SEM 사진이다. FIG. 11 is a cross-sectional SEM photograph of a quartz glass reaction diffusion bonding structure bonded using a Si deposited film according to the present invention.

본 발명은 재료 접합(joining) 방법에 관한 것으로, 특히 세라믹스와 같이 화합물로 이루어진 재료의 접합 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of joining materials, and more particularly to a method of joining materials made of a compound, such as ceramics.

각종 화학, 전자, 광학, 또는 기계 분야 등에 있어 공업적으로 사용되고 있는 요소부품의 제조과정을 살펴보면, 일반적으로 크기가 크고 복잡한 형상을 가진 구조물의 제조는 상당히 어려워 다양한 기술들이 사용되고 있다. 예를 들면, 재료를 용융하고 이를 형틀에 부어넣어 냉각시켜 굳히는 주조법(casting), 재료를 분말의 형태로 만들고 이를 원하는 크기와 형상을 가진 금형에 넣고 가압하거나 또는 석고 등의 형틀에 슬러리(slurry)의 형태로 부어 분말 성형체로 만들고 다시 적절한 열처리를 통해 단단한 요소부품으로 만드는 분말 성형법(powder forming), 소성변형 등을 이용하여 단순한 모양의 재료를 변형시켜 원하는 크기와 형상의 요소부품으로 만드는 성형작업법(forming operation), 재료를 기계 가공하여 원하는 크기와 형상을 갖도록 하는 기계가공법(machining), 그리고 단순한 형상의 재료를 서로 연결하여 크고 복잡한 형상의 요소부품으로 만드는 결합법(joining) 등이 있다.Looking at the manufacturing process of the urea components that are industrially used in various chemical, electronic, optical, or mechanical fields, manufacturing of a structure having a large size and a complicated shape is generally difficult, and various technologies are used. For example, casting, which melts the material, pours it into a mold and cools it to harden, casts the material into a powder form, presses it into a mold having a desired size and shape, and pressurizes or slurry into a mold such as gypsum. Forming process to transform the material of simple shape by using powder forming method, plastic deformation, etc., which is made into powder compact and then made into hard element parts through proper heat treatment. (forming operation), machining (machining) to machine the material to have the desired size and shape, and joining (joining) to connect the materials of simple shapes to each other to form large and complex element parts.

그런데, 대부분의 세라믹스 재료와 같이 화합물로 이루어진 재료들은 용융온도가 매우 높거나 또는 대기 중에서 용융시키기가 매우 어려울 뿐만 아니라 취성(brittleness)을 가지고 있어 소성변형을 일으키기가 매우 어렵다. 따라서 위에서 언급한 제조 방법 중 주조법과 성형작업법으로는 원하는 크기와 복잡한 형상을 가진 요소부품의 제조가 어려우며 경제성의 측면에서도 이용하기 어려운 실정이다. 따라서, 이러한 원하는 크기와 복잡한 형상을 가진 화합물 재료 요소부품을 제 조하는 데 있어 일반적으로 채택되는 방법은 분말성형법이다. 그러나 이 방법은 크기가 비교적 작은 복잡 형상의 요소부품이나 장단축비(aspect ratio)가 작은 비교적 대형의 단순구조 요소부품 등에는 적용할 수 있지만, 장단축비가 크거나, 대형의 복잡 형상이거나, 또는 분말 성형체 소성(sintering) 방법이 재료의 성질 측면에서 바람직하지 않을 때(예를 들면 단결정 또는 비정질 재료의 제조 등)에는 사용할 수 없는 단점을 지니고 있다. 또한, 기계가공법은 분말 성형체가 지니고 있는 매우 약한 기계적 강도로 인해 제한된 분야에서만 사용되고 있으며, 소결체 세라믹스와 같이 경도가 높은 재료의 기계가공에 의한 생산은 기계 가공비가 제품의 생산원가에서 큰 비중을 차지하고 있는 문제점을 가지고 있다.However, materials made of compounds, such as most ceramic materials, have very high melting temperatures or are very difficult to melt in the atmosphere, and have brittleness, making it difficult to cause plastic deformation. Therefore, it is difficult to manufacture the component parts having the desired size and complicated shape by the casting method and the molding method among the above-mentioned manufacturing methods, and it is difficult to use them in terms of economic efficiency. Thus, the powder casting method is generally adopted in the production of compound material element parts having such desired size and complex shape. However, this method can be applied to complex component parts having a relatively small size or relatively large structural element parts having a small aspect ratio, but having a large long / short ratio, a large complex shape, or The powder molding sintering method has the disadvantage that it cannot be used when it is undesirable in terms of the properties of the material (for example, the production of single crystal or amorphous material). In addition, the machining method is used only in limited fields due to the very weak mechanical strength of the powder compact, and the production cost by machining the hard material such as sintered ceramics has a large share of the production cost of the product. I have a problem.

따라서 가능하기만 하면, 단순한 형상의 재료를 서로 충분한 접합강도로 결합·연결하여 크기가 크고 복잡한 형상의 요소부품을 제조하는 것이 바람직하다. 이를 위해 금속재료에서는 소위 용접(welding)기술이 적용되고 있으나, 세라믹스 등의 화합물 재료에서는 매우 높은 고온이 필요하거나 용접 도중에 발생하는 열분해 등에 의한 재료의 조성과 결정 구조의 변화, 또는 열충격에 의한 재료의 파손 등으로 인해 레이저(laser) 또는 전자선(electron beam)을 이용해 국부 가열하는 방법 등 아주 제한적으로만 사용되고 있다. 뿐만 아니라 생산성의 측면과 고가의 장비를 필요로 하는 등 경제적인 측면에서도 문제점을 지니고 있다. Therefore, as far as possible, it is desirable to fabricate element parts of large size and complex shape by joining and connecting materials of simple shapes with sufficient bonding strength to each other. For this purpose, a so-called welding technique is applied to metal materials, but in a compound material such as ceramics, a very high temperature is required, or a change in the composition and crystal structure of the material due to thermal decomposition occurring during welding or the like due to thermal shock Due to breakage and the like, a method of locally heating by using a laser or an electron beam is only very limited. In addition, there are problems in economic aspects, such as the need for productivity and expensive equipment.

지금까지 개발된 접합 기술들에 의해 개개 화합물 재료 조각의 우수한 광학적, 결정학적, 열적, 화학적, 기계적, 또는 전자기적 특성을 잃지 않으면서 이들을 하나의 크고 단일한 구조물로 만드는 것은 거의 불가능하였다. 현재까지 개발된 접 합 기술들로는 기계적 결합(mechanical attachment), 접착제 결합(adhesive bonding), 유약칠(glazing), 브레이징(brazing), 확산접합(diffusion bonding), 그리고 용접(fusion welding) 등이 있는데, 이들은 개개의 재료 조각들을 하나로 연결(joining)하는 데 적합하지 않은 것으로 판명되었다. 예를 들면, 기계적 결합에 의한 재료 조각의 접합은 그 접합강도가 너무 약해 열 충격이 가해지는 상황에서는 물론 상온에서조차 상당한 하중이 가해지는 상황에서는 사용하기가 실질적으로 불가능하다. 또한 기계적 결합을 제외한 상기의 방법들은 대부분 재료 조각들을 접합하기 위해 재료 조각들 사이에 금속이나 산화실리콘 등과 같은 다양한 결합재 물질(bonding materials)을 삽입하는 방법을 사용하는데, 이러한 방법의 단점은 접합시킨 모재 조각들 사이에 잔존하는 중간 결합층이 결정학적·광학적·열적·화학적·전자기적 그리고 기계적 특성에 있어 접합시키고자 하는 모재와 커다란 차이가 있음으로 인해 접합 계면에서 광투과도를 크게 감소시키는 등 전자기적 특성을 비롯 각종 특성을 크게 변화시키거나 (특히 금속 결합층의 경우) 또는 충분히 만족스러운 결합강도를 지닌 결합을 이루지 못한다는 것이다. 특히 광투과도를 높이기 위해 비교적 낮은 온도에서 용융되는 유리질(glass)을 결합재로 사용하면 접합강도가 약할 뿐만 아니라 열팽창 계수의 차이 등으로 인해 열충격에도 약한 취약점을 갖고 있다. 이를 보완하기 위해 유리질-세라믹(glass-ceramic) 또는 세라믹 물질을 사용하여 접합한 경우에는 그 기계적 특성은 향상되나 광학적 특성이 크게 저하되는 문제점이 있다.The bonding techniques developed to date have made it nearly impossible to make them into one large, single structure without losing the excellent optical, crystallographic, thermal, chemical, mechanical or electromagnetic properties of the individual compound material pieces. Bonding techniques developed to date include mechanical attachment, adhesive bonding, glazing, brazing, diffusion bonding, and fusion welding. They have proved inadequate for joining individual pieces of material together. For example, the joining of a piece of material by mechanical bonding is practically impossible to use in situations where the bond strength is so weak that a significant load is applied even at room temperature and even at room temperature. In addition, except for mechanical bonding, most of the above methods use a method of inserting various bonding materials, such as metal or silicon oxide, between the pieces of material to bond the pieces of material. The remaining intermediate bonding layer between the pieces differs greatly from the base material to be bonded in crystallographic, optical, thermal, chemical, electromagnetic and mechanical properties, which greatly reduces the light transmittance at the bonding interface. This can lead to significant changes in properties, including various properties (especially in the case of metal bonding layers), or failure to achieve a bond with a sufficiently satisfactory bond strength. In particular, when glass is melted at a relatively low temperature to increase light transmittance, the bonding strength is weak, and the thermal shock is weak due to a difference in thermal expansion coefficient. In order to compensate for this, when bonding using glass-ceramic or ceramic materials, the mechanical properties are improved, but there is a problem in that the optical properties are greatly reduced.

한편, 확산접합의 경우에는 고온에서 압력을 가함으로써 접합 면에서의 소성 변형(plastic deformation 또는 creep)을 일으켜 접합코자하는 면이 서로 완전하게 맞닿게 함으로써 결합력을 얻게 되는데, 금속의 경우에는 내부에 전위(dislocations)가 다량 존재할 뿐만 아니라 이들의 이동이 매우 쉬워 접합 면에서 소성변형을 통한 확산접합이 잘 이루어지나, 세라믹스의 경우에는 물질의 고유한 특성상 전위가 매우 적고 더욱이 이동도 용이하지 않아 고온에서조차 소성변형이 매우 어려운 형편이다. 그 결과 세라믹스의 직접확산접합은 아주 부분적인 분야에서만 성공을 거두고 있을 뿐이며 이 경우에서조차 그 접합강도는 원 재료의 강도에는 크게 못 미치는 것으로 잘 알려져 있다. 그리고, 모재의 용융온도 근방의 높은 온도와 높은 압력에서의 열처리 조건을 필요로 하며 접합 계면에 흡착된 불순물을 제거하기 위해 초고진공 하에서 불순물 제거와 접합을 수행해야하는 문제점을 지니고 있다. 더욱이 이 방법은 표면 평활도(surface roughness)에 매우 민감하여 대부분의 화합물 재료에서 충분한 접합강도를 지닌 접합 구조물을 제조하기가 매우 어려운 실정이다. 또한 레이저 또는 전자선 등을 이용한 화합물 재료의 국부 가열에 의한 용융접합도 용융시 발생하는 온도구배(temperature gradient) 그리고 냉각 중 발생하는 열응력 등으로 인해 균열이 발생하는 등 충분한 접합강도를 얻기 어려우며 대면적의 접합에는 더욱더 적용하기 어렵다. 또한 고가의 특수 장비를 사용해야하고 양산에는 부적합한 등 많은 문제점을 지니고 있다.On the other hand, in the case of diffusion bonding, by applying a pressure at high temperature, plastic deformation or creep is generated at the joint surface, and the jointing surfaces are brought into perfect contact with each other to obtain a bonding force. In addition to the large amount of dislocations and their movement, they are very easy to perform diffusion bonding through plastic deformation at the bonding surface.However, in the case of ceramics, due to the inherent properties of the material, the dislocations are very small and furthermore, they are not easy to move, so they are fired even at high temperatures. Deformation is very difficult. As a result, direct diffusion bonding of ceramics is only successful in very small areas, and even in this case, the bond strength is well known to be far below the strength of the raw material. In addition, it requires a heat treatment condition at a high temperature and a high pressure near the melting temperature of the base material, and has a problem in that impurity removal and bonding must be performed under ultra-high vacuum in order to remove impurities adsorbed at the bonding interface. Moreover, this method is very sensitive to surface roughness, making it difficult to fabricate a bonded structure with sufficient bond strength in most compound materials. In addition, it is difficult to obtain sufficient bonding strength, such as cracking due to temperature gradient generated during melting and thermal stress generated during cooling. It is more difficult to apply to the junction of. In addition, there are many problems, such as the use of expensive special equipment and unsuitable for mass production.

하나의 구조체로 일체화된(monolithic) 그리고 크기가 큰 화합물 재료 요소부품의 예로는 사파이어 구조물이 있다. 사파이어는 알루미늄의 산화물인 알루미나(Al2O3)의 단결정상을 지칭하는 말로, 내마모성, 내열성, 내약품성, 열전도성, 절연성이 뛰어나며, 적외선부터 근자외선까지의 폭넓은 파장을 투과하기 위한 전자부품이나 광학부품 등 여러 곳에 응용되고 있다. 특히 사파이어는 구조적인 무결성(structural integrity)을 지니고 있을 뿐만 아니라 다양한 군사적 용도(military applications)에 활용하기에 충분한 열적 안정성 그리고 가시광선, 적외선 및 자외선 영역의 빛에 대한 높은 투과도를 지니고 있다. 그러나 이러한 용도에의 응용은 큰 크기의 요소부품을 제조하기 어려운 문제로 인해 커다란 제약을 받고 있다. An example of a monolithic and large compound material element component in one structure is a sapphire structure. Sapphire refers to a single crystal phase of alumina (Al 2 O 3 ), an oxide of aluminum, and is excellent in wear resistance, heat resistance, chemical resistance, thermal conductivity, and insulation, and is an electronic component for transmitting a wide wavelength from infrared to near ultraviolet It is applied to various places such as optical components and optical parts. In particular, sapphire not only has structural integrity, but also has sufficient thermal stability and high transmission of light in the visible, infrared and ultraviolet regions for use in various military applications. However, their application to these applications is severely limited by the difficulty of manufacturing large component parts.

최근 이러한 문제점을 해결하고자 사파이어 조각들의 표면을 MgO 증기로 코팅하고 이들을 서로 마주보도록 접촉시킨 후 약 1500 내지 2000℃에서 수소를 함유한 기체 분위기에서 여러 시간 동안 열처리함으로써 비교적 양호한 광학특성과 결합강도를 지닌 사파이어 구조물을 만들 수 있음이 보고된 바 있다(미합중국특허 제5942343호). 그러나 이 방법은 열처리하는 동안 코팅된 MgO가 사파이어와 반응하여 접합 계면에 MgAl2O4 스피넬상을 형성하여 여전히 사파이어간의 직접접촉 결합이 형성되지 않는다는 문제점을 가지고 있다. Recently, to solve this problem, the surfaces of the sapphire pieces were coated with MgO vapor and contacted to face each other, and then heat-treated in a gas atmosphere containing hydrogen at about 1500 to 2000 ° C. for several hours, thereby having relatively good optical properties and bonding strength. It has been reported that sapphire structures can be made (US Patent No. 5942343). However, this method has a problem in that the coated MgO reacts with sapphire to form MgAl 2 O 4 spinel phase at the junction interface and still no direct contact bond is formed between the sapphires.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개개의 화합물 재료 (단결정뿐만 아니라 다결정 또는 비정질 재료) 조각들을 화학적으로 반응 결합시켜 접합 계면에 중간층의 존재 없이 직접 결합된 하나의 커다란 단일 구조물을 만들 수 있는 방법 을 제공하는 것이다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of chemically reacting pieces of individual compound materials (as well as single crystals or polycrystalline or amorphous materials) to form one large unitary structure bonded directly without the presence of an intermediate layer at the bonding interface. It is.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법에서는, 두 개 이상의 화합물 재료 (여기에는 화합물 단결정 또는 다결정, 고용체 단결정 또는 다결정, 그리고 비정질 재료가 모두 포함된다) 조각을 준비하여 그 일부 또는 전체 표면을 연마(grinding, lapping 또는 polishing)하고, 여기에 열처리시 주위 기체 분위기 및/또는 화합물 재료와의 화학반응에 의해 화합물 상으로 변환되면서 화합물 재료로 편입(incorporation) 또는 고용(solid solution)될 수 있는 각종 금속, 또는 이를 분자식 내에 함유하고 있는 금속유기물(metal organics) 또는 금속화합물(metallic compounds) 혹은 이들의 혼합물 또는 고용체를 얇게 삽입, 도포, 증착, 도금 또는 코팅하여 조성물 박막을 형성한다. 그런 다음, 조성물 박막이 형성된 면과 형성되지 않은 면, 또는 조성물 박막이 형성된 면끼리 마주보게 맞대놓은 상태에서 대기 중 혹은 진공, 또는 불활성 기체, 수소 혹은 상기 화합물 재료의 구성성분 기체를 함유한 기체 분위기에서 가압하거나 또는 가압하지 않은 상태에서 고온 열처리함으로써 접합 계면에서 조성물의 화학반응을 유도하여 계면이 제2상의 존재 없이 화학적으로 강하게 결합된 재료 반응 결합을 형성한다. 또한 만약 필요하다면 재료의 특성 향상을 위하여 앞서 언급한 기체 분위기 중에서의 열처리를 추가로 실시할 수도 있다.In order to achieve the above technical problem, in the method of manufacturing a compound material reaction diffusion structure according to the present invention, two or more pieces of compound material (including compound single crystal or polycrystal, solid solution monocrystalline or polycrystalline, and amorphous material) Preparing or polishing a part or entire surface thereof, and incorporating or dissolving it into the compound material upon conversion to a compound phase by chemical reaction with the surrounding gas atmosphere and / or the compound material upon heat treatment. A thin film of the composition by thinly inserting, applying, depositing, plating, or coating metals that can be solid solution, or metal organics or metal compounds or mixtures or solid solutions thereof containing the same in a molecular formula. To form. Then, in the atmosphere or vacuum, or a gas atmosphere containing an inert gas, hydrogen, or a constituent gas of the compound material in a state where the surface where the composition thin film is formed and the surface where the composition thin film is formed to face each other face to face. The high temperature heat treatment with or without pressing induces a chemical reaction of the composition at the bonding interface, thereby forming a material reactive bond in which the interface is chemically strongly bonded without the presence of the second phase. Also, if necessary, heat treatment in the above-described gas atmosphere may be further performed to improve the properties of the material.

바람직한 실시예에 따르면, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm의 금속, 금속유기물 또는 금속화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 성분으로 된 조성물 박막을 삽입하거나 슬러리 형태로 도포하거나 또는 박막공정을 이용하여 접합코자 하는 화합물 재료 위에 매우 얇게 형성시키고, 이를 마주보게 접촉시킨 상태에서 적절히 열처리한다. 이 때, 조성물 박막을 충분히 얇게 삽입 또는 증착, 도금 혹은 코팅하고 열처리하는 과정을 통해 이들이 계면에 일시적으로만 존재하면서 물질 이동을 촉진시켜 강한 결합을 만들게 한 후 주위 기체 분위기 및/또는 화합물 재료와의 화학반응을 통해 화합물 재료와 동일한 또는 다른 화합물 상을 형성하도록 변환시킨 후 변환된 상이 화합물 재료 내로 편입 또는 고용되도록 한다. 이로써, 결국에는 접합 계면에 제2상이 존재하는 일이 없이 화합물 재료간에 완전하게 직접 결합된 반응 접합 구조물을 제조할 수 있다. According to a preferred embodiment, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Insert, slurry, or apply a thin film of a composition composed of one or more components selected from the group consisting of metals, metal organics, or metal compounds of Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, and Cm. By forming a very thin layer on the compound material to be bonded and heat-treated appropriately in contact with each other. At this time, by inserting or depositing, depositing, plating or coating the thin film of the composition sufficiently and heat-treating them, they are only present temporarily at the interface to promote mass transfer to form a strong bond, and then with the surrounding gas atmosphere and / or the compound material. The chemical reaction converts to form the same or different compound phase as the compound material and then allows the converted phase to be incorporated or solid solution into the compound material. As a result, it is possible to produce a reaction junction structure that is completely directly bonded between compound materials without the presence of a second phase at the bonding interface.

따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해, 개개의 화합물 재료 조각들을 화학적 반응에 의해 직접 결합시켜 하나의 커다란 단일 구조물을 만들 수 있다. 이로써 그 구조물이 개개의 화합물 재료(모재) 조각들과 거의 동일한 기계적, 광학적, 전자기적, 열적, 화학적 그리고 결정학적 성질을 지니고 있을 뿐만 아니라, 구조적 무결성도 유지되어 해당 재료의 응용분야에 사용하기에 충분한 특성을 지니게 된다. Thus, by the method according to the invention, individual pieces of compound material can be directly bonded by chemical reaction to form one large unitary structure. This not only has the structure almost the same mechanical, optical, electromagnetic, thermal, chemical and crystallographic properties as the individual pieces of compound material, but also maintains its structural integrity for use in the application of the material. It has enough characteristics.

앞서 설명한 바와 같이 종래의 방법 중 금속결합재를 사용하여 재료를 접합하는 방법은, 접합 후 재료 사이의 금속결합층의 존재로 말미암아 예를 들면 광투 과도의 상실 그리고 금속결합층과 모재간의 열팽창계수 및 기계적 성질의 차이로 인해 높은 접합강도를 얻는 것이 불가능하였다. 그러나 본 발명에서와 같이 접합하려고 하는 화합물 재료(모재)를 구성하는 성분원소인 금속(예를 들면 MgO 단결정의 경우에는 Mg) 또는 모재와 고용체를 형성하는 금속원소(예를 들면 MgO 단결정의 경우에는 Al 등)를 접합코자 하는 부위에 매우 얇게, 예컨대 0.001∼500㎛, 바람직하게는 1∼10㎛ 정도 형성한 후, 이들의 용융 온도(부분 용융도 포함) 이상에서 열처리하면 접합의 초기단계에서는 액상을 형성하여 접합 계면 사이의 물질 이동을 촉진시키는 중간층으로 존재하면서 동시에 일부는 증발하고 일부는 모재 내로의 원자확산이 일어나게 되는데, 이 때 열처리를 수행하는 분위기에 존재하는 상기 화합물 재료의 구성성분 기체 또는 화합물 재료와의 화학반응을 통해 화합물로 변환되면서 화합물 재료 내로 편입 혹은 고용되는 원자의 화합물화가 같이 일어나 결과적으로는 접합 말기단계에서는 금속결합층이 사라지게 되고 그 결과 화합물 재료간의 반응결합(reaction bonding)이 형성되게 된다. 따라서 이 같은 방법을 이용하면 결정학적, 열적, 기계적, 화학적, 그리고 전자기적 특성이 화합물 재료와 거의 동등한 접합 구조물을 형성할 수 있게 되는 것이다.As described above, in the conventional method of joining materials using a metal bonding material, for example, the loss of light transmittance due to the presence of a metal bonding layer between the materials after bonding and the coefficient of thermal expansion between the metal bonding layer and the base material and mechanical Due to the difference in properties, it was impossible to obtain high bond strength. However, as in the present invention, a metal (for example, Mg in the case of MgO single crystal) or a metal element (for example, MgO single crystal in the case of MgO single crystal) forming a compound material (base metal) to be bonded is formed. Al, etc.) are formed very thinly on the site to be bonded, for example, about 0.001 to 500 µm, preferably about 1 to 10 µm, and then heat-treated at their melting temperature (including partial melting degree) or more. Is present as an intermediate layer which promotes mass transfer between the bonding interfaces, at the same time part of the evaporation and part of the atomic diffusion into the base material, wherein the constituent gas of the compound material or The compounding of atoms that are incorporated into or dissolved into the compound material through chemical reaction with the compound material As a result, in the late stage of bonding, the metal bonding layer disappears, and as a result, reaction bonding between the compound materials is formed. Thus, using this method, it is possible to form a junction structure in which the crystallographic, thermal, mechanical, chemical and electromagnetic properties are almost equivalent to the compound material.

이러한 방법을 통해 본 발명은 기존 기술들의 단점과 어려움을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명에 따라 제조된 접합 구조물이 보다 우수한 열적, 기계적, 화학적 그리고 전자기적 특성을 지닐 수 있도록 하는 등 많은 장점을 갖고 있다. In this way, the present invention not only overcomes the shortcomings and difficulties of the existing technologies, but also provides many advantages, such as allowing the bonded structures made according to the present invention to have better thermal, mechanical, chemical and electromagnetic properties. Have

기타 실시예의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 화합물 재료 반응확산 접합 구조물 제조 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 특히 본 발명의 설명 중에 결정이라 함은 순수한 결정 또는 그 고용체 또는 복합체를 모두 가리키는 것으로 사용되었으며, 아울러 단결정체 뿐만 아니라 다결정체 모두를 의미하고 있다. 명세서는 결정 조각과 결정 조각을 접합하는 경우를 위주로 설명하고 있지만, 기술 분야의 숙련된 자라면 본 발명이 결정과 그 고용체(또는 복합체) 결정 혹은 고용체(또는 복합체) 결정끼리 접합하는 데에도 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명은 비정질 재료와 결정질 재료 혹은 비정질 재료끼리 접합하는 데에도 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a method of manufacturing a compound material reaction diffusion junction structure according to the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided for the purpose of full disclosure, and the invention is only defined by the scope of the claims. In particular, in the description of the present invention, the term crystal is used to refer to both pure crystals or solid solutions or complexes thereof, and also refers to both single crystals and polycrystals. Although the specification describes a case where the crystal pieces and the crystal pieces are bonded, the present invention can be used by those skilled in the art to bond crystals and their solid solution (or complex) crystals or solid solution (or complex) crystals. It will be appreciated. It will also be appreciated that the present invention can also be used to join amorphous and crystalline or amorphous materials.

실시예Example

도 1은 본 발명에 따른 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법의 순서도이다.1 is a flow chart of a method of manufacturing a compound material reaction diffusion junction structure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 단계 10에서 두 개 이상의 화합물 재료(여기에는 화합물 단결정 또는 다결정, 고용체 단결정 또는 다결정, 그리고 비정질 재료가 모두 포함된다) 조각의 일부 또는 전체 표면을 연마(grinding, lapping 또는 polishing)한다. 화합물 재료 조각 중 결정은 제조된 결정 또는 그 고용체 혹은 복합체 결정을 원하는 결정학적 방향과 크기 및 형상으로 절단한 것을 사용할 수 있다. Referring to FIG. 1, in step 10, a part or entire surface of a piece of two or more compound materials, including compound single crystals or polycrystals, solid solution single crystals or polycrystals, and amorphous materials, are all polished, lapping or polishing. do. The crystals in the fragment of the compound material may be obtained by cutting the prepared crystal or its solid solution or composite crystal into the desired crystallographic direction, size and shape.

다음으로, 단계 20에서 연마된 재료 조각의 하나 이상의 면 위에 열처리시 주위 기체 분위기 및/또는 모재와의 화학반응에 의해 화합물 상으로 변환되면서 모재로 편입(incorporation) 또는 고용(solid solution)될 수 있는 각종 금속, 또는 이를 분자식 내에 함유하고 있는 금속유기물(metal organics) 또는 금속화합물(metallic compounds) 혹은 이들의 혼합물 또는 고용체를 얇게 삽입, 도포, 증착, 도금 또는 코팅하여 조성물 박막을 형성한다. 이 때, 조성물 박막은 얇은 박막(포일)의 형태로 만들어 삽입하거나, nm 크기의 미세한 분말을 분산시킨 슬러리 형태로 만들어 도포하거나, 혹은 스핀 코팅, 졸-겔(Sol-Gel)법, 스퍼터링(sputtering)법, 화학기상증착(CVD)법, 유기금속CVD(MOCVD)법, 레이저 어블레이션(Laser ablation), 펄스트 레이저 증착(Pulsed laser deposition), 반응성 진공 증착(Reactive evaporation), 저항성 진공 증착(Resistive evaporation), 전해 또는 무전해 도금으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 방법을 이용하여 증착, 도금 또는 코팅을 할 수 있다. Next, upon heat treatment on at least one side of the piece of material polished in step 20, it can be incorporated into or solid solution into the base material by being converted into the compound phase by chemical reaction with the ambient gas atmosphere and / or the base material. Various metals or metal organics or metal compounds or mixtures or solid solutions thereof containing the same in a molecular formula are thinly inserted, coated, deposited, plated or coated to form a thin film of the composition. At this time, the composition thin film is made into a thin thin film (foil), inserted into, or formed into a slurry in which fine powder of nm size is dispersed, or applied by spin coating, a sol-gel method, and sputtering. ), Chemical vapor deposition (CVD), organometallic CVD (MOCVD), laser ablation, pulsed laser deposition, reactive evaporation, resistive vacuum deposition Deposition, plating or coating may be performed using one or more methods selected from the group consisting of evaporation, electrolytic or electroless plating.

모든 화합물 재료에 공통적으로 열처리시 화학반응에 의해 화합물로 변환 및 모재 내로 편입 또는 고용될 수 있는 각종 금속으로는 Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm 등이 있다. 이러한 금속은 금속 자체, 이들 금속의 유기물, 또는 화합물 형태로 이용할 수 있다. 그리 고, 화합물은 금속원소의 붕화물(boride), 탄화물(carbide), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 불화물(fluoride), 실리사이드(silicide), 인화물(phosphide), 황화물(sulfide), 염화물(chloride), 절머나이드(germanide), 알세나이드(arsenide), 셀레나이드(selenide), 브로마이드(bromide), 텔루라이드(telluride), 요오다이드(iodide) 또는 금속간 화합물(intermetallic compound) 그리고 이들간의 고용상 화합물을 포함한다. Common to all compound materials, various metals that can be converted into a compound by chemical reaction and incorporated into or solid-solution into a base material by heat treatment include Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm and the like. Such metals may be used in the form of metals themselves, organics of these metals, or compounds. In addition, the compounds are borides, carbides, nitrides, nitrides, oxides, fluorides, silicides, phosphides, sulfides, chlorides of metal elements. chloride, germanide, arsenide, selenide, bromide, telluride, iodide or intermetallic compounds and these Solid solution compounds of the liver.

계속하여 도 1을 참조하면 단계 30에 따라, 조성물 박막이 형성된 면과 형성되지 않은 면, 또는 조성물 박막이 형성된 면끼리 마주보게 하여 모재 조각들을 원하는 구조물 형태로 조립한 후 대기 중 혹은 진공, 또는 불활성 기체, 수소 혹은 상기 화합물 재료의 구성성분 기체를 함유한 기체 분위기에서 고온 열처리한다. 이 때, 가압하거나 또는 가압하지 않은 상태에서 열처리할 수 있다. 열처리는 박막 조성물의 용융온도(부분 용융도 포함) 내지 증발온도 사이의 온도에서 약 1분 내지 10시간 동안 실시한다. 가압을 하는 경우라면 0~100MPa 사이의 압력, 바람직하게는 0~30MPa 사이의 압력을 이용하도록 한다. 여기서의 열처리는 복사 가열(radiant heating), 유도 가열(inductive heating), 마이크로파 가열(microwave heating), 초음파 가열(ultrasonic heating) 등 모든 종류의 열처리를 포함할 수 있다. 모재 연마면에 형성되어 있는 조성물 박막은 이 열처리 단계에서 계면에서의 물질 이동을 촉진시키는 매개체로 일시 존재하다가 주위 기체 분위기 또는 모재와의 화학반응에 의해 화합물 상으로 변환되면서 모재 내부로 일부 또는 전체가 편입 또는 고용되는 방법으로 침투해 들어간다. 따라서, 최종적으로 계면에서 화합물 재료간의 반응 접합 및 결합이 이루어져 동일 두께의 모재 화합물과 거의 동일한 기계적, 열적, 화학적 그리고 전자기적 성질 및 열팽창 계수를 갖도록 함으로써 우수한 특성의 접합 구조물을 만들 수 있다. 접합 계면이 화학적으로 강하게 결합되어 기계/구조적으로 무결성을 가지며 구조적, 열적, 화학적, 그리고 전자기적으로 일체화된 하나의 커다란 구조물로 만들 수 있다. 여기서, 접합 계면은 제2상이 없이 직접 접합 계면을 이루도록 함이 바람직하다. 제2상이 없다는 것은 측정 한계 이하의 양이 존재한다는 것을 포함하는 의미이다. 그러나, 매우 얇은 조성물 박막을 형성하므로 제2상이 존재하더라도 그 형태는 균일한 제2상의 막이 아닌, 석출(precipitation) 혹은 편석(segregation)의 형태일 것이다. With continued reference to FIG. 1, in accordance with step 30, the base material pieces are assembled into a desired structure by facing the surface on which the composition thin film is formed and the surface on which the composition thin film is not formed, or the surface where the composition thin film is formed, and then in the air or in vacuum or inert. High temperature heat treatment in a gas atmosphere containing gas, hydrogen or a constituent gas of the compound material. At this time, heat treatment may be performed in a pressurized or non-pressurized state. The heat treatment is performed for about 1 minute to 10 hours at a temperature between the melting temperature (including partial meltness) and the evaporation temperature of the thin film composition. In the case of pressurization, a pressure between 0 and 100 MPa, preferably between 0 and 30 MPa, is used. The heat treatment herein may include all kinds of heat treatments such as radiant heating, inductive heating, microwave heating, ultrasonic heating, and the like. The composition thin film formed on the substrate polishing surface temporarily exists as a medium for promoting mass transfer at the interface during this heat treatment step, and then partially or entirely inside the substrate is converted into a compound phase by chemical reaction with the surrounding gas atmosphere or the substrate. Infiltrate in the way of incorporation or employment. Therefore, finally, the bonding and bonding between the compound materials at the interface can be made to have almost the same mechanical, thermal, chemical and electromagnetic properties, and the coefficient of thermal expansion as the base compound of the same thickness can be made of excellent bonding structure. The bonding interface is chemically tightly bonded to form one large structure that is mechanically / structurally integrity and integrated structurally, thermally, chemically, and electromagnetically. Here, it is preferable that the joining interface forms a direct joining interface without the second phase. The absence of a second phase is meant to include the presence of an amount below the measurement limit. However, since a very thin composition thin film is formed, even if the second phase is present, the shape will be in the form of precipitation or segregation, but not a uniform film of the second phase.

예를 들면 Mg 또는 Mg 합금을 MgO 단결정 연마면에 증착한 후, 이 조성물의 용융 온도보다 높은 고온에서 산소 분위기 열처리한다. 그러면 조성물은 초기에는 MgO 단결정 조각간의 계면 위에서 용융되어 매우 얇은 Mg 액상막을 형성하여 MgO 단결정 계면간의 물질 이동을 용이하게 하는 매개체로 작용한다. 그러나 시간이 지나면서 이 용융 Mg은 일부는 증발하고 나머지는 MgO 단결정 내로 확산 침투하면서 열처리 분위기 중에 존재하는 성분기체(여기서는 산소 기체)로부터 용해되어 들어온 용존 산소와의 빠른 반응으로 산화물을 형성하면서 MgO 단결정으로 편입 또는 고용된다. 그 결과 MgO 단결정간의 계면에 다른 결정 구조를 가진 제2상이 존재하지 않게 되고 MgO만으로 이루어진 광투명도를 가진 에피택셜 결합(epitaxial bonding) 계면을 얻을 수 있게 되는 것이다. For example, Mg or Mg alloy is deposited on the MgO single crystal polishing surface, and then subjected to an oxygen atmosphere heat treatment at a temperature higher than the melting temperature of the composition. The composition then initially melts over the interface between the MgO single crystal pieces to form a very thin Mg liquid film and acts as a medium to facilitate mass transfer between the MgO single crystal interfaces. Over time, however, the molten Mg is partially evaporated and the remainder diffuses and penetrates into the MgO single crystal, forming an oxide as a rapid reaction with dissolved oxygen dissolved in the component gas (here oxygen gas) present in the heat treatment atmosphere, forming an oxide. To be incorporated or employed. As a result, a second phase having a different crystal structure does not exist at the interface between the MgO single crystals and an epitaxial bonding interface having a light transparency composed of MgO alone can be obtained.

마찬가지로, Al 또는 Al 합금을 사파이어 연마면에 증착한 후, 이 조성물의 용융 온도보다 높은 고온에서 산소 분위기 열처리한다. 그러면 초기에는 사파이어 조각간의 계면 위에서 용융되어 매우 얇은 Al 액상막을 형성하여 사파이어 계면간의 물질 이동을 용이하게 하는 매개체로 작용한다. 그러나 시간이 지나면서 이 용융 Al은 일부는 증발하고 나머지는 사파이어 결정 내로 확산 침투하면서 열처리 분위기 중에 존재하는 산소 기체로부터 용해되어 들어온 용존 산소와의 빠른 반응으로 산화물을 형성하면서 사파이어 결정으로 편입 또는 고용된다. 그 결과 사파이어 결정간의 계면에 다른 결정 구조를 가진 제2상이 존재하지 않게 되고 사파이어만으로 이루어진 광투명도를 가진 에피택셜 결합 계면을 얻을 수 있게 되는 것이다. Similarly, Al or an Al alloy is deposited on the sapphire polishing surface, followed by an oxygen atmosphere heat treatment at a higher temperature than the melting temperature of the composition. Then, it is initially melted on the interface between the sapphire pieces to form a very thin Al liquid film, which acts as a medium for facilitating mass transfer between the sapphire interfaces. Over time, however, the molten Al is partially evaporated and the remainder diffuses and penetrates into the sapphire crystals, forming or oxides into the sapphire crystals, forming oxides by rapid reaction with dissolved oxygen dissolved in oxygen gas present in the heat treatment atmosphere. . As a result, the second phase having a different crystal structure does not exist at the interface between the sapphire crystals, and the epitaxial bonding interface having the light transparency composed of only sapphire can be obtained.

이 과정에서 특히 중요한 것은 접합 공정 중에 조성물 박막이 완전히 상전이를 일으키도록 하는 것으로 이를 위해서는 적절한 기체 분위기의 제어도 중요하지만 조성물 박막의 두께 제어가 가장 중요하다. 왜냐하면, 모재 사이에 있는 조성물 박막의 상전이는 기체의 확산과 화학반응을 수반하는 과정이므로 조성물 박막의 두께가 두꺼우면 두꺼울수록 완전한 상전이에는 더욱 더 많은 시간이 필요하게 되어 비경제적이 되거나 미반응 중간층 조성물이 잔류할 수 있기 때문이다. 그리고, 두께가 너무 얇으면 원하는 접합 강도를 얻기 어렵다. 따라서 조성물 박막의 두께는 적절히 결정해야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 조성물 박막의 두께를 0.001~500㎛ 정도로 한다. 보다 바람직하게는 1∼10㎛ 정도로 한다. Particularly important in this process is that the composition thin film completely undergoes phase transition during the bonding process. For this purpose, control of the appropriate gas atmosphere is important, but thickness control of the composition thin film is most important. Because the phase transition of the composition thin film between the base metals is a process involving gas diffusion and chemical reactions, the thicker the thickness of the composition thin film, the more time is required for the complete phase transition to become uneconomical or unreacted interlayer composition. This is because it may remain. And if the thickness is too thin, it is difficult to obtain the desired bonding strength. Therefore, the thickness of the composition thin film should be appropriately determined. According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the composition thin film is about 0.001 ~ 500㎛. More preferably, it is about 1-10 micrometers.

한편, 접합을 위한 열처리는 전기장을 인가하면서 수행할 수도 있다. 화합물 재료들은 공유 또는 이온결합에 의해 화합물을 형성하고 있으며, 그 대부분은 이온결합 성질을 띠고 있다. 따라서 외부에서 전기장을 인가하면 이온결합성 화합물을 구성하고 있는 양이온과 음이온은 인가된 전기장에 의해 각각 반대 방향으로 정전기적인 힘을 받게 되고, 그 결과 고체 내에서 이온이 전기장에 의해 이동하는 현상(electro-migration)이 일어나게 된다. 이를 이용하면 재료의 접합을 촉진시킬 수 있는데, 예를 들면 접합시키고자 하는 두 재료를 접촉시킨 후 열처리할 때, 각각의 표면에 전압을 인가하면 양전압이 인가된 쪽으로부터 접합 계면 쪽으로 양이온이 이동하게 되고 음전압이 인가된 쪽으로부터는 접합 계면 쪽으로 음이온이 이동하게 된다. 이 같은 정전기력의 작용결과 접합 계면으로 양이온과 음이온의 공급이 모재로부터 이루어지게 되며 이로 인해 접합 계면 부위에서 이들이 재결합 석출하면서 보다 완전한 계면의 접촉 및 결합을 이루는 효과를 유발하게 되는 것이다. Meanwhile, the heat treatment for bonding may be performed while applying an electric field. Compound materials form compounds by covalent or ionic bonding, and most of them have ionic bonding properties. Therefore, when an electric field is applied from the outside, the cations and anions constituting the ion-bonding compound are subjected to electrostatic forces in opposite directions by the applied electric field, and as a result, ions are moved by the electric field in the solid. -migration) will occur. This facilitates the bonding of materials. For example, when two materials to be bonded are contacted and heat treated, when a voltage is applied to each surface, positive ions move from the positive voltage side toward the bonding interface. The negative ions move toward the junction interface from the side where the negative voltage is applied. As a result of the action of the electrostatic force, the supply of cations and anions to the bonding interface is made from the base material, which causes the effect of achieving more complete interface contact and bonding as they recombine and precipitate at the bonding interface.

전기장을 인가하는 경우에는 열처리하는 도중에 접합시키고자 하는 재료의 전기전도도와 두께 등을 고려하여 0∼5KV의 전압을 인가할 수 있다. 바람직하게는 0∼0.5KV의 전압을 인가한다. 예를 들어, Al2O3, MgO, 쿼츠 글래스를 접합할 때에는 0.3KV의 전압을 인가하며, AlN, Si3N4, SiC, 소다-라임 글래스를 접합할 때에는 0.1KV의 전압을 인가한다. In the case of applying the electric field, a voltage of 0 to 5 KV may be applied in consideration of the electrical conductivity and thickness of the material to be bonded during the heat treatment. Preferably, a voltage of 0 to 0.5 KV is applied. For example, when bonding Al 2 O 3 , MgO, and quartz glass, a voltage of 0.3 KV is applied, and when bonding AlN, Si 3 N 4 , SiC, and soda-lime glass, a voltage of 0.1 KV is applied.

그리고, 접합하려고 하는 화합물 재료의 연마면 위에 형성시킨 조성물 박막이 모재보다 용융온도가 높거나 또는 고온 열처리시 열분해 또는 상전이 등을 수반하여 바로 본 발명에 의한 접합공정을 적용하기 어려운 경우, 이들을 모재보다 낮은 온도에서 용융될 수 있는 상(phase)으로 미리 변경시키거나 또는 이들의 열분해 혹은 상전이를 미리 일으키기 위하여 대기 혹은 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹 은 화합물 구성성분 기체를 포함하는 분위기 중의 저온(조성물 박막의 용융 또는 열분해 온도 이하의 저온)에서 열처리하는 단계를 더 포함함이 바람직하다. When the composition thin film formed on the polishing surface of the compound material to be bonded has a higher melting temperature than the base material, or it is difficult to apply the joining process according to the present invention due to thermal decomposition or phase transition during high temperature heat treatment, these are replaced with the base material. Low temperatures (compositions) in the atmosphere or in vacuum, or in an atmosphere containing inert gas, hydrogen, or compound constituent gases in order to pre-change into phases that can be melted at low temperatures or to cause their pyrolysis or phase transition; Heat treatment at low temperature below the melting or pyrolysis temperature of the thin film).

다음에 선택적인 단계로서, 단계 40에서 접합 계면의 특성 향상을 위하여 화합물 구성성분 기체 분위기 중에서의 열처리를 추가로 실시할 수도 있다. 예를 들어, MgO나 사파이어 접합의 경우에는 산소 분위기 중에서 실시할 수 있다. 추가로 실시하는 열처리는, 접합 계면에 잔존할 수 있는 조성물(금속 또는 산화물)의 산화 및 확산 등을 유도해 더욱 우수한 계면 특성과 강한 결합력을 지닌 예를 들면 MgO 단결정만의 결합 계면으로 변화시킬 수 있다. 산소 분위기 중의 열처리는 예컨대 500~2000℃에서 5분~10시간 동안 수행한다. Next, as an optional step, a heat treatment in a compound component gas atmosphere may be further performed in step 40 to improve the properties of the bonding interface. For example, in the case of MgO and sapphire junction, it can implement in oxygen atmosphere. Further heat treatment may induce oxidation and diffusion of a composition (metal or oxide) that may remain at the bonding interface, and may be changed into a bonding interface of, for example, MgO single crystal only, having more excellent interfacial properties and stronger bonding strength. have. The heat treatment in the oxygen atmosphere is performed at 500 to 2000 ° C. for 5 minutes to 10 hours, for example.

본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다. 또한, 다음 실험예들이 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 아래는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 등의 반응 확산접합 구조물 제조 방법의 실험예이며, 이외에도 다양한 변형 실시예가 가능하다. 예컨대 다른 조성 그리고 다른 결정구조의 단결정 또는 다결정 그리고 비정질 재료들 간에도 접합시킬 수 있다. More detailed information about the present invention will be described through the following specific experimental examples, and details not described herein will be omitted because it can be inferred technically by those skilled in the art. In addition, the following experimental examples are not intended to limit the present invention. Below is an experimental example of a method for producing a reaction diffusion junction structure such as sapphire single crystal according to the present invention, in addition to various modifications are possible. For example, it can be bonded between monocrystalline or polycrystalline and amorphous materials of different compositions and different crystal structures.

실험예 1 (사파이어 접합-1)Experimental Example 1 (Sapphire Bonding-1)

사파이어(White Sapphire)를 원하는 결정학적 방위, 크기 및 형상으로 절단한 다음, 그 단면을 6㎛ 다이아몬드 연마재로부터 1㎛ 다이아몬드 연마재까지 사용하여 순차적으로 연마하였다. 본 실험에서는 사파이어를 5㎜ 두께의 디스크형으로 절단하였다. 표면 연마된 사파이어에 진공 증착기를 사용하여 순수 Al(99.99%, 고순도 화학연구소, Japan)을 2~4㎛의 두께로 증착하였다.Sapphire was cut to the desired crystallographic orientation, size and shape, and then the cross section was polished sequentially using 6 μm diamond abrasive from 1 μm diamond abrasive. In this experiment, sapphire was cut into a 5 mm thick disk. Pure Al (99.99%, Institute of High Purity Chemistry, Japan) was deposited to a thickness of 2 to 4 μm using a vacuum evaporator on surface polished sapphire.

Al이 증착된 면끼리 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로(Hot Press)에서 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 1000~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 이 때 Ar 열처리 분위기 대신에 진공, 수소, 혹은 산소가 함유된 기체 등으로 할 수도 있다. 또한 필요한 경우 광투과도를 높이기 위해 산소를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 1000~2000℃에서 30분~10시간 동안 실시하였다. The Al-deposited surfaces were faced and then heat-treated in a vacuum sintering furnace or a hot press sintering furnace (Hot Press). The heat treatment was performed under pressure of 0-30 MPa for 30 minutes to 2 hours at 1000 to 1850 ° C. in an Ar atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. At this time, a gas containing vacuum, hydrogen, or oxygen may be used instead of the Ar heat treatment atmosphere. In addition, if necessary, in order to increase the light transmittance, the secondary heat treatment was performed at 1000 to 2000 ° C. for 30 minutes to 10 hours in an oxygen-containing atmosphere.

도 2a는 상기 실험예에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 사파이어 반응확산접합 구조물의 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Al을 증착한 경우에는 높은 광투과도 및 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 사파이어 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 표면이 흐릿하게 보이는 이유는 접합시킨 시편의 양 표면을 연마하지 않아 표면에서 빛의 난반사가 일어나기 때문이다. 2A is a photograph of a sapphire reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the experimental example. As can be seen here, when Al is deposited, it can be observed that a high quality uniform sapphire bonded structure with high light transmittance and high bonding strength is formed. The surface is blurry because light reflections occur on the surface because the surfaces of the bonded specimens are not polished.

도 2b는 도 2a의 사파이어 반응확산접합 구조물 접합 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 확대해 관찰한 사진이다. 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 접합 계면에 어떤 종류의 금속 또는 산화물 상(즉, 제2상)도 관찰되지 않고 있는데, 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Al이 열처리 도중에 모두 용융-증발/확산-산화-편입/고용 등을 거치면서 사파이어 결정으로 변화되었음을 의미한다. 그 결과, 접합 시편의 광투과도를 측정한 결과인 도 2c에서 볼 수 있는 바와 같이, 접 합 시편(실선으로 표시)은 동일한 두께의 사파이어 단결정(점선으로 표시)의 광투과도에 견줄 수 있는 높은 광투과 특성을 보여주고 있다. FIG. 2B is an enlarged photograph of the sapphire reaction diffusion junction structure junction interface of FIG. 2A observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. As can be seen in FIG. 2B, no metal or oxide phase (ie, second phase) of any kind was observed at the junction interface, as described above, all of the deposited Al was melt-evaporated / diffused- during the heat treatment. It means that the sapphire crystal was changed through oxidation-incorporation / employment. As a result, as shown in FIG. 2C, which is a result of measuring the light transmittance of the bonded specimen, the bonded specimen (indicated by the solid line) has a high light comparable to the light transmittance of the sapphire single crystal (indicated by the dotted line) of the same thickness. The transmission characteristics are shown.

이러한 결과는 조성물 박막으로서 Al뿐만 아니라, Al 합금, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na, Nb, Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li 및 이들의 합금을 사용한 경우에도 얻을 수 있었다. This result is not only Al as a composition thin film, but also Al alloy, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na , Nb, Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li and alloys thereof were also obtained.

실험예 2 (사파이어 접합-2)Experimental Example 2 (Sapphire Bonding-2)

실험예 1과 동일한 조건으로 실험하였다. 단, 연마면에 Al을 증착하여 접합하는 대신에 두께가 약 18㎛인 Al 포일을 두 연마면 사이에 삽입하였다. 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 600~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다.Experiment was carried out under the same conditions as in Experiment 1. However, instead of depositing and joining Al on the polished surface, an Al foil having a thickness of about 18 µm was inserted between the two polished surfaces. Heat treatment was carried out in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurization sintering furnace. Heat treatment was performed under pressure of 0-30 MPa for 30 minutes to 2 hours at 600 to 1850 ° C. in an Ar atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC.

도 3은 상기 실험예에 따라 Al 포일을 사용해 접합시킨 사파이어 반응확산접합 구조물의 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 사파이어 반응확산접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 3 is a photograph of the sapphire reaction diffusion bonding structure bonded using Al foil according to the experimental example. As can be seen here, it can be observed that a high quality uniform sapphire reaction diffusion junction structure is formed.

실험예 3 (다결정 AlExperimental Example 3 (Polycrystalline Al 22 OO 33 접합) join)

다결정 알루미나 시편을 접합하기 위하여 Al2O3 분말(AKP-50, Sumitomo, Japan)을 1400℃에서 고온 가압 소결하여 다결정체로 이루어진 소결 시편을 준비하고 그 표면을 연마한 후 그 위에 Al을 증착하였다. Al이 증착된 연마면을 마주보도 록 하고 상기 실험예 1에서와 동일한 조건으로 열처리를 실시하였다. In order to bond the polycrystalline alumina specimen, Al 2 O 3 powder (AKP-50, Sumitomo, Japan) was hot-pressed at 1400 ° C. to prepare a sintered specimen made of a polycrystalline body, and then polished the surface thereof and deposited Al thereon. . The Al was deposited to face the polished surface and heat treatment was performed under the same conditions as in Experimental Example 1.

구체적으로, 알루미나의 한 면에만 Al을 증착하여 Al을 증착하지 않은 다른 알루미나와 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 1000~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 열처리 분위기는 Ar 이외에도 대기 혹은 진공, 수소, 혹은 산소가 함유된 기체 등으로 하였다. Specifically, Al was deposited only on one side of the alumina to face the other alumina which did not deposit Al, and then heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurization sintering furnace. The heat treatment was performed under pressure of 0-30 MPa for 30 minutes to 2 hours at 1000 to 1850 ° C. in an Ar atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. The heat treatment atmosphere was an atmosphere or a gas containing vacuum, hydrogen, or oxygen in addition to Ar.

도 4a는 상기 실험예에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 알루미나 다결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. 도 4b는 도 4a의 알루미나 다결정 반응확산접합 구조물 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Al을 증착한 경우에는 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 알루미나 반응확산접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Al이 열처리 도중에 모두 용융-증발/확산-산화-편입/고용 등을 거치면서 Al2O3 결정으로 변화되었음을 의미한다. 4A is a photograph of an alumina polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the experimental example. FIG. 4B is an enlarged SEM photograph of the bonding interface of the alumina polycrystalline reaction diffusion structure of FIG. 4A. FIG. As can be seen here, when Al is deposited, it can be observed that there is no second phase of any kind at the interface and a high quality homogeneous alumina reaction diffusion junction structure is formed. This means that the Al deposited as described above was transformed into Al 2 O 3 crystals through melt-evaporation / diffusion-oxidation-incorporation / employment during heat treatment.

알루미나의 접합에는 사파이어 접합에서와 마찬가지로 Al, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na, Nb, Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. The junction of alumina is Al, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na, Nb as in the sapphire junction. , Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li and alloys thereof can be used.

실험예 4 (단결정 MgO 접합)Experimental Example 4 (Single Crystal MgO Junction)

MgO 단결정을 5㎜ 두께의 직사각형으로 자르고 그 단면을 6㎛ 다이아몬드 연마재로부터 1㎛ 다이아몬드 연마재까지 사용하여 순차적으로 연마한 후 표면 연마된 MgO 단결정에 진공 증착기를 사용하여 순수 Mg(99.99%)을 2∼5㎛의 두께로 증착하였다. MgO single crystals were cut into 5 mm thick rectangles, and their cross-sections were sequentially polished from 6 µm diamond abrasive to 1 µm diamond abrasive, and then pure Mg (99.99%) was added to the surface polished MgO single crystal using a vacuum evaporator. Deposited to a thickness of 5 μm.

한 면에 Mg가 증착된 MgO 단결정과 MB를 증착하지 않은 MgO 단결정 시편을 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 500~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 2차 열처리를 500~2000℃에서 5분~10시간 동안 실시하면 광투과도 등을 높일 수 있음을 확인하였다. 높은 광투과성 MgO 단결정 반응 접합 면의 형성에 있어 열처리 조건이 매우 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 증착된 Mg 박막층의 상변화와 확산 그리고 산화와 편입 또는 고용이 열처리 조건에 매우 민감하게 변화하기 때문이다. The MgO single crystal with Mg deposited on one side and the MgO single crystal with no MB deposited on each side were heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high-temperature pressurization sintering furnace. The heat treatment was performed at 500 to 1850 ° C. under an Ar atmosphere while giving a pressure of 0 to 30 MPa for 30 minutes to 2 hours. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. When the second heat treatment was performed for 5 minutes to 10 hours at 500 ~ 2000 ℃ it was confirmed that the light transmittance can be increased. The heat treatment conditions play a very important role in the formation of the highly transparent MgO single crystal reaction surface because the phase change and diffusion and the oxidation, incorporation or solid solution of the deposited Mg thin film layer are very sensitive to the heat treatment conditions. .

도 5a는 상기 실험예에 따라 Mg 증착막을 사용해 접합시킨 MgO 단결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. 그리고, 도 5b는 도 5a의 MgO 반응확산접합 구조물 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Mg를 증착한 경우에는 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 광투과도 및 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 MgO 단결정 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Mg가 열처리 도중에 모두 용융-증발/확산-산화-편입/고용 등을 거치면서 MgO 단결정으로 변화되었음을 의미한다. Figure 5a is a photograph of the MgO single crystal reaction diffusion junction structure bonded using an Mg deposition film according to the experimental example. 5B is an enlarged photograph of the MgO reaction diffusion junction structure bonding interface of FIG. 5A. As can be seen here, when Mg is deposited, it can be observed that there is no second phase of any kind at the interface, and a high quality uniform MgO single crystal junction structure having high light transmittance and high bonding strength is formed. This means that the Mg deposited as described above has been changed into MgO single crystal while undergoing melt-evaporation / diffusion-oxidation-incorporation / employment during the heat treatment.

특히 이러한 결과는 Mg를 사용했을 때뿐만 아니라, Mg 합금, Li, Be, Na, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Yb, Sc, V, Er, Zr, Nb 및 이들의 합금을 사용했을 때에도 얻을 수 있었다. In particular, these results are not only when using Mg, but also Mg alloys, Li, Be, Na, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag , In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Yb, Sc, V, Er, Zr, Nb and alloys thereof Even when I could get.

실험예 5 (다결정 ZnS 접합)Experimental Example 5 (polycrystalline ZnS junction)

디스크형의 ZnS 다결정의 단면을 1㎛의 연마재를 사용하여 연마한 후 표면 연마된 ZnS 다결정에 진공 증착기를 사용하여 순수 Zn(99.99%)을 2∼5㎛의 두께로 증착하였다. The cross section of the disk-shaped ZnS polycrystal was polished using an abrasive of 1 mu m, and then pure Zn (99.99%) was deposited to a thickness of 2 to 5 mu m using a vacuum evaporator on the surface polished ZnS poly crystal.

Zn이 증착된 면끼리 마주보도록 두 개의 ZnS 다결정 시편을 맞대놓은 상태에서 진공소결로 또는 고온 가압소결로를 이용, 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 500~1000℃에서 30분~2시간 동안 0~10㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 분당 10℃로 하였다. 특성의 향상을 위해 성분기체를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 500~1000℃에서 5분~10시간 동안 실시할 수 있다. The two ZnS polycrystalline specimens faced each other to face Zn-deposited surfaces, and were heat treated using a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurizing sintering furnace. The heat treatment was performed under pressure of 0 to 10 MPa for 30 minutes to 2 hours at 500 to 1000 ° C. in an Ar atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute. In order to improve properties, the secondary heat treatment may be performed at 500 to 1000 ° C. for 5 minutes to 10 hours in an atmosphere containing component gas.

도 6은 상기 실험예에 따라 Zn 증착막을 사용해 접합시킨 ZnS 다결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Zn를 증착한 경우에 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 ZnS 다결정 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Zn가 열처리 도중에 모두 용융-증발/확산-황화-편입/고용 등을 거치면서 ZnS 다결정으로 변화되었음을 의미한다. FIG. 6 is a photograph of a ZnS polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using a Zn deposited film according to the experimental example. As can be seen here, when Zn is deposited, it can be observed that there is no kind of second phase at the interface and a high quality uniform ZnS polycrystalline junction structure with high bonding force is formed. This means that the Zn deposited as described above has been changed to ZnS polycrystal during all the heat treatment through melt-evaporation / diffusion-sulphide-incorporation / employment.

ZnS의 접합에는 Zn 이외에도 Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr 및 이들의 합금을 사용할 수 있음을 확인하였다. In addition to Zn, ZnS can be bonded to Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, It was confirmed that La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr and their alloys could be used.

실험예 6 (비정질 소다-라임 글래스 접합)Experimental Example 6 (amorphous soda-lime glass junction)

직사각형의 소다-라임 글래스 단면에 진공 증착기를 사용하여 순수 Al(99.99%, 고순도 화학연구소, Japan)을 2∼5㎛의 두께로 증착하였다. 한 면이 Al 증착막이 형성된 소다-라임 글래스 시편과 증착막이 없는 소다-라임 글래스 시편을 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 Ar 분위기의 400~700℃에서 30분~2시간 동안 0~10㎫의 압력을 주면서 수행하였다. 승온 속도는 분당 10℃로 하였다. 이때 필요하면 열처리 분위기는 대기 혹은 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹은 소다-라임 글래스 재료 구성성분 기체가 함유된 기체 등으로 할 수 있다. 또한 필요하면 특성의 향상을 위해 소다-라임 글래스 성분기체를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 400~700℃에서 5분~10시간 동안 실시할 수 있다. Pure Al (99.99%, Institute of High Purity Chemistry, Japan) was deposited to a thickness of 2 to 5 μm using a vacuum evaporator on a rectangular soda-lime glass cross section. One side was faced with a soda-lime glass specimen having an Al deposition film and a soda-lime glass specimen without a deposition film, and then heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurization furnace. The heat treatment was performed at 400 to 700 ° C. under an Ar atmosphere while giving a pressure of 0 to 10 MPa for 30 minutes to 2 hours. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute. At this time, if necessary, the heat treatment atmosphere may be air or vacuum, or a gas containing an inert gas, hydrogen, or a soda-lime glass material component gas, or the like. Also, if necessary, secondary heat treatment may be performed at 400 to 700 ° C. for 5 minutes to 10 hours in an atmosphere containing soda-lime glass component gas to improve properties.

도 7a는 상기 실험예에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 소다-라임 글래스 반응확산접합 구조물의 사진이다. 도 7b는 도 7a의 소다-라임 글래스 반응확산접합 구조물 접합 계면을 SEM으로 확대해 관찰한 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Al을 증착한 경우에는 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 소다-라임 글래스 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Al이 열처리 도중에 모두 증발/확산-산화-편입/고용 등을 거치면서 소다-라임 글래스 내로 편입해 들어갔음을 의미한다. 7A is a photograph of a soda-lime glass reaction diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to the experimental example. 7B is an enlarged SEM photograph of the bonding interface of the soda-lime glass reaction diffusion structure of FIG. 7A. As can be seen here, when Al is deposited, it can be observed that there is no kind of second phase at the interface and a high quality uniform soda-lime glass joint structure is formed with high bonding force. This means that the deposited Al was incorporated into the soda-lime glass through evaporation / diffusion-oxidation-incorporation / employment as described above.

한편, 소다-라임 글래스를 접합할 때에는 Al 이외에도 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb 및 이들의 합금을 사용할 수 있음을 확인하였다. On the other hand, when bonding soda-lime glass, in addition to Al, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, It was confirmed that Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb and their alloys can be used.

실험예 7 (다결정 AlN 접합)Experimental Example 7 (polycrystalline AlN junction)

다결정 알루미늄나이트라이드(AlN) 시편을 접합하기 위하여 고온 가압소결에 의해 제조된 AlN 소결 시편을 준비하였다. 그런 다음, 다결정 AlN 조각의 표면을 6㎛ 다이아몬드 연마재로부터 1㎛ 다이아몬드 연마재까지 사용하여 순차적으로 연마한 후 표면 연마된 다결정 AlN에 진공 증착기를 사용하여 순수 Al(99.99%, 고순도 화학연구소, Japan)을 2~4㎛의 두께로 증착하였다. In order to bond the polycrystalline aluminum nitride (AlN) specimen, an AlN sintered specimen prepared by high temperature pressurization was prepared. Then, the surfaces of the polycrystalline AlN pieces were polished sequentially using 6 μm diamond abrasive to 1 μm diamond abrasive, and pure Al (99.99%, High Purity Chemical Research Institute, Japan) was applied to the surface polished polycrystalline AlN using a vacuum evaporator. It was deposited to a thickness of 2 ~ 4㎛.

Al이 증착된 면과 증착되지 않은 면끼리 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 질소 분위기의 1000~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력과 0∼0.5KV의 전압을 인가하면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 이때 필요하면 열처리 분위기는 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹은 산소가 함유된 기체 등으로 할 수 있다. 또한 필요하면 질소를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 1000~2000℃에서 30분~10시간 동안 실시할 수 있다. The Al-deposited and non-deposited surfaces faced each other and then heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high-temperature pressurization sintering furnace. The heat treatment was performed while applying a pressure of 0 to 30 MPa and a voltage of 0 to 0.5 KV for 30 minutes to 2 hours at 1000 to 1850 ° C. in a nitrogen atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. At this time, if necessary, the heat treatment atmosphere may be a vacuum or an inert gas, hydrogen, or a gas containing oxygen. In addition, if necessary, the secondary heat treatment may be performed at 1000 to 2000 ° C. for 30 minutes to 10 hours in an atmosphere containing nitrogen.

도 8은 이러한 실험예에 따라 Al 증착막을 사용해 접합시킨 AlN 다결정 반응확산접합 구조물의 단면 SEM 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 AlN 반응확산접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Al이 열처리 도중에 모두 용융-증발/확산-질화-편입/고용 등을 거치면서 AlN 결정으로 변화되었음을 의미한다. FIG. 8 is a cross-sectional SEM photograph of an AlN polycrystalline diffusion bonding structure bonded using an Al deposition film according to this experimental example. As can be seen here, it can be observed that there is no second phase of any kind at the interface and a high quality uniform AlN reaction diffusion junction structure is formed. This means that the Al deposited as described above was transformed into AlN crystals during the heat treatment through melt-evaporation / diffusion-nitridation-incorporation / employment.

AlN의 접합시에는 Al 이외에도 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. When AlN is bonded, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te , La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo and alloys thereof can be used.

실험예 8 (다결정 SiExperimental Example 8 (Polycrystalline Si 33 NN 44 접합) join)

다결정 실리콘나이트라이드(Si3N4) 시편을 접합하기 위하여 고온 가압소결에 의해 제조된 Si3N4 소결 시편을 준비하였다. 그런 다음, 다결정 Si3N 4 조각의 표면을 6㎛ 다이아몬드 연마재로부터 1㎛ 다이아몬드 연마재까지 사용하여 순차적으로 연마한 후 표면 연마된 다결정 Si3N4에 진공 증착기를 사용하여 순수 Si을 2~4㎛의 두께로 증착하였다. In order to bond polycrystalline silicon nitride (Si 3 N 4 ) specimens, Si 3 N 4 sintered specimens prepared by high-temperature pressurization were prepared. Then, the surfaces of the polycrystalline Si 3 N 4 pieces were polished sequentially using 6 μm diamond abrasive to 1 μm diamond abrasive, and then pure Si was 2 to 4 μm using the vacuum evaporator on the surface polished polycrystalline Si 3 N 4 . Was deposited to a thickness of.

Si 증착막이 형성된 면과 형성되지 않은 면을 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 질소 분위기의 1400~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력과 0∼0.5KV의 전압을 인가하면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 이때 필요하면 열처리 분위기는 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹은 산소가 함유된 기체 등으로 할 수 있다. 또한 필요하면 질소를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 1000~2000℃에서 30분~10시간 동안 실시할 수 있다. The surface on which the Si deposition film was formed and the surface on which the Si deposition film was not faced were heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurization sintering furnace. The heat treatment was performed while applying a pressure of 0 to 30 MPa and a voltage of 0 to 0.5 KV for 30 minutes to 2 hours at 1400 to 1850 ° C. in a nitrogen atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. At this time, if necessary, the heat treatment atmosphere may be a vacuum or an inert gas, hydrogen, or a gas containing oxygen. In addition, if necessary, the secondary heat treatment may be performed at 1000 to 2000 ° C. for 30 minutes to 10 hours in an atmosphere containing nitrogen.

도 9는 상기 실험예에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 Si3N4 다결정 반응확산접합 구조물의 사진이다. 여기서 접합 계면에 어떤 종류의 금속 또는 제2상도 관찰되지 않으며 양질의 균일한 Si3N4 반응 접합 구조물이 형성된 것을 볼 수 있는데, 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Si이 열처리 도중에 모두 용융-확산-질화-편입/고용 등을 거치면서 Si3N4 결정으로 변화되었음을 의미한다. 9 is a photograph of a Si 3 N 4 polycrystalline reaction diffusion bonding structure bonded using a Si deposited film according to the experimental example. Here, no metal or second phase of any kind is observed at the junction interface and a good, uniform Si 3 N 4 reactive junction structure is formed, which, as described above, is all melt-diffused- during the heat treatment of the deposited Si. Through the nitriding-incorporation / employment, it means that the Si 3 N 4 crystal has been changed.

다결정 Si3N4를 접합할 때에는 Si뿐만 아니라, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. When bonding polycrystalline Si 3 N 4 , not only Si, but also Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag , In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta , W, Re, Os, Ir, Tl, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U , Np, Pu and their alloys can be used.

실험예 9 (다결정 SiC 접합)Experimental Example 9 (Polycrystalline SiC Junction)

다결정 실리콘카바이드(SiC) 시편을 접합하기 위하여 고온 가압소결에 의해 제조된 SiC 소결 시편을 준비하고 그 표면을 연마한 후 그 위에 Si을 증착하였다. Si이 증착된 연마면을 마주보도록 하고 0~30㎫의 압력을 가하면서 1600℃, 메탄(CH4) 분위기 하에서 2시간 열처리하여 시편을 제조하였다. In order to bond polycrystalline silicon carbide (SiC) specimens, SiC sintered specimens prepared by high-temperature autoclaving were prepared, and the surfaces thereof were polished, and then Si was deposited thereon. The specimen was prepared by facing Si on the polished surface and heat-treating for 2 hours under a methane (CH 4 ) atmosphere at 1600 ° C. while applying a pressure of 0˜30 MPa.

구체적으로, 다결정 SiC 조각의 표면을 6㎛ 다이아몬드 연마재로부터 1㎛ 다이아몬드 연마재까지 사용하여 순차적으로 연마한 후 표면 연마된 다결정 SiC에 진공 증착기를 사용하여 순수 Si을 2~4㎛의 두께로 증착하였다.Specifically, the surface of the polycrystalline SiC piece was polished sequentially using 6 μm diamond abrasive to 1 μm diamond abrasive, and then pure Si was deposited on the surface polished polycrystalline SiC using a vacuum evaporator to a thickness of 2 to 4 μm.

Si가 증착된 면과 증착되지 않은 면을 마주보게 한 후 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리하였다. 열처리는 메탄 분위기의 1400~1850℃에서 30분~2시간 동안 0~30㎫의 압력과 0∼0.5KV의 전압을 인가하면서 수행하였다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 10℃로 하고 1500℃ 이상에서는 분당 5℃로 하였다. 이때 필요하면 열처리 분위기는 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹은 탄소가 함유된 기체 등으로 할 수 있다. 또한 필요하면 탄소를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 1000~2000℃에서 30분~10시간 동안 실시할 수 있다. The Si-deposited and non-deposited surfaces were faced and then heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurized sintering furnace. The heat treatment was performed while applying a pressure of 0 to 30 MPa and a voltage of 0 to 0.5 KV for 30 minutes to 2 hours at 1400 to 1850 ° C. in a methane atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute up to 1500 degreeC, and it was 5 degreeC per minute above 1500 degreeC. At this time, if necessary, the heat treatment atmosphere may be a vacuum or an inert gas, hydrogen, or a gas containing carbon. If necessary, the secondary heat treatment may be performed at 1000 to 2000 ° C. for 30 minutes to 10 hours in an atmosphere containing carbon.

도 10은 상기 실험예에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 SiC 다결정 반응확산접합 구조물의 SEM 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 SiC 반응 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Si이 열처리 도중에 모두 용융-확산-탄화-편입/고용 등을 거치면서 SiC 결정으로 변화되었음을 의미한다. FIG. 10 is a SEM photograph of a SiC polycrystalline diffusion bonding structure bonded using a Si deposition film according to the experimental example. As can be seen, it can be observed that there is no second phase of any kind at the interface and a high quality homogeneous SiC reactive junction structure is formed. This means that as described above, all of the deposited Si was converted into SiC crystals through melt-diffusion-carbonization-incorporation / employment during the heat treatment.

SiC를 접합할 때에는 Si3N4와 마찬가지로 Si 이외에 Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. When SiC is bonded, similar to Si 3 N 4 , in addition to Si, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag , In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta , W, Re, Os, Ir, Tl, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U , Np, Pu and their alloys can be used.

실험예 10 (비정질 쿼츠 글래스 접합)Experimental Example 10 (Amorphous Quartz Glass Bonding)

직사각형의 쿼츠 글래스 조각들 위에 진공 증착기를 사용하여 순수 Si을 2∼5㎛의 두께로 증착하였다. Si이 증착된 면을 마주보도록 하고 진공소결로 또는 고온 가압소결로에서 열처리 열처리하여 시편을 제조하였다. 열처리는 산소 분위기의 800~1500℃에서 30분~2시간 동안 0~10㎫의 압력과 0∼0.5KV의 전압을 인가하면서 수행하였다. 승온 속도는 분당 10℃로 하였다. 이때 필요하면 열처리 분위기는 대기 혹은 진공, 또는 불활성 기체, 수소, 혹은 쿼츠 글래스 재료 구성성분 기체가 함유된 기체 등으로 할 수 있다. 또한 필요하면 특성의 향상을 위해 쿼츠 글래스 성분기체를 함유한 분위기에서 2차 열처리를 500~1500℃에서 5분~10시간 동안 실시할 수 있다. Pure Si was deposited to a thickness of 2 to 5 μm using a vacuum evaporator on rectangular quartz glass pieces. The specimens were prepared by facing the surface on which Si was deposited and heat-treated in a vacuum sintering furnace or a high temperature pressurization sintering furnace. The heat treatment was performed while applying a pressure of 0 to 10 MPa and a voltage of 0 to 0.5 KV for 30 minutes to 2 hours at 800 to 1500 ° C. in an oxygen atmosphere. The temperature increase rate was 10 degreeC per minute. At this time, if necessary, the heat treatment atmosphere may be air or vacuum, or a gas containing an inert gas, hydrogen, or a quartz glass material component gas. Also, if necessary, the secondary heat treatment may be performed at 500 to 1500 ° C. for 5 minutes to 10 hours in an atmosphere containing quartz glass component gas to improve properties.

도 11은 상기 실험예에 따라 Si 증착막을 사용해 접합시킨 쿼츠 글래스 반응확산접합 구조물의 SEM 사진이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 Si을 증착한 경우에는 계면에 어떤 종류의 제2상도 없고 높은 결합력을 지닌 양질의 균일한 쿼츠 글래스 접합 구조물이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 증착된 Si이 열처리 도중에 모두 확산-산화-편입/고용 등을 거치면서 쿼츠 글래스 내로 편입해 들어갔음을 의미한다. FIG. 11 is an SEM photograph of a quartz glass reaction diffusion bonding structure bonded using a Si deposition film according to the experimental example. As can be seen here, when Si is deposited, it can be observed that there is no second phase of any kind at the interface and a high quality uniform quartz glass bonded structure with high bonding strength is formed. This means that the Si deposited as described above was incorporated into the quartz glass through diffusion-oxidation-incorporation / employment during the heat treatment.

쿼츠 글래스를 접합할 때에는 Si 이외에도 소다-라임 글래스와 마찬가지로, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. When joining quartz glass, in addition to Si, similar to soda-lime glass, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr , Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb and their alloys may be used.

이처럼 본 발명에 의하면, 기존의 화합물 재료 접합에서 지니고 있던 문제점 인 낮은 접합강도 그리고 주로 금속상의 형태로 계면에 존재하는 제2상으로 인한 광투과도의 감소와 같은 전자기적 특성의 저하 그리고 모재와 계면 제2상간의 열팽창계수의 차이로 인한 접합강도의 저하 및 열화(degradation) 현상, 그리고 화학적 및 열적 특성의 저하 등을 해결할 수 있다. 따라서 이상과 같은 방법으로 화합물 재료의 반응확산접합 구조물을 제조한다면 대량으로 손쉽게 그리고 저렴하게 제조할 수 있다.As described above, according to the present invention, the lowering of the bonding strength, which is a problem with the conventional compound material bonding, and the decrease of the electromagnetic properties such as the decrease of the light transmittance due to the second phase existing at the interface mainly in the form of metal, and the base material and the surfactant Degradation of bond strength and degradation due to the difference in thermal expansion coefficient between two phases, and deterioration of chemical and thermal properties can be solved. Therefore, if the reaction diffusion junction structure of the compound material is manufactured by the above method, it can be easily and inexpensively manufactured in large quantities.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. As mentioned above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It is obvious.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법은, 기존의 재료접합 구조물 제조 방법의 가장 큰 취약점인 낮은 접합강도와 접합 계면 내 주로 금속상 형태의 제2상의 존재로 인한 각종 열적, 화학적, 전자기적 특성의 저하 그리고 모재와의 열팽창계수 차이로 인한 접합강도의 저하 및 열화 현상 없이 화합물 재료들을 강하게 접합할 수 있으며, 고가의 특별한 장치가 없이 일반적인 박막 및 열처리 공정을 통하여 접합 계면에 제2상이 없는 직접 접합(directly bonded) 계면을 형성함으로써 우수한 열적, 화학적, 전자기적 특성과 높은 기계적 접합강도를 지닌 결정 또는 그 복합체 혹은 고용체 결정, 또는 비정질 재료의 접합 구조물을 낮은 비용으로 그리고 대량으로 생산할 수 있다.As described above, the method of manufacturing a compound material reaction diffusion joint structure according to the present invention is due to the low bonding strength, which is the biggest weakness of the conventional method of manufacturing the material bonding structure, and the presence of the second phase in the metal phase in the bonding interface. Compound materials can be strongly bonded without deterioration and degradation of bonding strength due to various thermal, chemical and electromagnetic properties and the difference in coefficient of thermal expansion with the base material, and bonding through general thin film and heat treatment process without expensive special device The formation of a directly bonded interface without a second phase at the interface allows for low cost and low cost of crystal structures or composites or solid solution crystals or amorphous materials with good thermal, chemical and electromagnetic properties and high mechanical bonding strength. Can be produced in large quantities.

뿐만 아니라, 본 발명에 의한 화합물 재료의 반응확산접합 구조물 제조 방법 은 다른 종류의 재료 접합에도 응용될 수 있다. 특히 반도체 기판으로 사용되는 경우 기판의 접합을 가능케 함으로써 결정 기판의 응용 가능성을 더욱 높일 수 있으며, 작은 자연산 결정 조각을 접합하여 크기가 매우 큰 보석류 결정으로 만들 수도 있다.In addition, the method for producing a reaction diffusion bonded structure of the compound material according to the present invention can be applied to other types of material bonding. In particular, when used as a semiconductor substrate can be bonded to the substrate to further increase the possibility of application of the crystal substrate, small natural crystal pieces can be bonded to make a very large jewelry crystals.

Claims (13)

(a) 두 개 이상의 화합물 재료 조각을 준비하여, 상기 화합물 재료 조각의 표면을 연마하는 단계; (a) preparing two or more pieces of the compound material to polish the surface of the pieces of the compound material; (b) 열처리시 상기 화합물 재료 내로 편입될 수 있는 금속, 금속유기물 및 금속화합물 중 적어도 어느 하나를 하나 이상의 연마면 위에 삽입, 도포, 증착, 도금, 및 코팅 중 어느 하나의 방법으로 적용하여 조성물 박막을 형성하는 단계; 및(b) at least one of a metal, a metal organic material, and a metal compound which can be incorporated into the compound material during the heat treatment is applied on at least one polishing surface by applying, applying, depositing, plating, and coating any one of the following methods: Forming a; And (c) 상기 조성물 박막이 형성된 면을 사이에 두고 상기 화합물 재료 조각들을 맞대놓은 상태로 열처리함으로써 접합 계면에 제2상의 존재 없이 직접 접합(directly bonded) 계면을 형성하는 단계를 포함하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. (c) forming a directly bonded interface without a second phase at a bonded interface by heat-treating the pieces of the compound material facing each other with the composition thin film formed therebetween. Method of manufacturing the bonded structure. 제1항에 있어서, 상기 열처리 단계에서 상기 조성물 박막이 주위 분위기 기체 및 상기 화합물 재료 중 적어도 어느 하나와의 화학반응에 의해 화합물 상으로 변환되면서 상기 화합물 재료 내로 편입되게 하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. The compound material reaction of claim 1, wherein in the heat treatment step, the composition thin film is incorporated into the compound material while being converted into a compound phase by a chemical reaction with at least one of an ambient atmosphere gas and the compound material. Diffusion Bonded Structure Manufacturing Method. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계 다음에The method of claim 1, wherein after step (c) 대기, 진공 및 기체 분위기 중 어느 하나에서 추가 열처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 기체 분위기는 불활성 기체, 수소 및 상기 화합물 재료의 구성성분 기체 중 어느 하나를 포함하는 분위기인 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.Further heat-treating in any one of an atmosphere, a vacuum and a gas atmosphere, wherein the gas atmosphere is an atmosphere comprising any one of an inert gas, hydrogen, and a constituent gas of the compound material. Diffusion Bonded Structure Manufacturing Method. 제3항에 있어서, 상기 추가열처리는 상온과 상기 화합물 재료 용융온도 사이에서 1분~10시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.The method of claim 3, wherein the additional heat treatment is performed for 1 minute to 10 hours between room temperature and the melting temperature of the compound material. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 금속 및 금속유기물 중 적어도 어느 하나를 삽입, 도포, 증착, 도금, 및 코팅 중 어느 하나의 방법으로 적용한 경우, The method of claim 1, wherein in the step (b), at least one of the metal and the metal organic material is applied by any one method of inserting, applying, depositing, plating, and coating. 접합이 보다 균일하게 이루어지도록 하기 위하여 대기, 진공 및 기체 분위기 중 어느 하나에서 상기 조성물 박막의 용융온도 이하에서 열처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 기체 분위기는 불활성 기체, 수소 및 상기 화합물 재료의 구성성분 기체 중 어느 하나를 포함하는 분위기인 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.Heat treating below the melting temperature of the composition thin film in any one of atmospheric, vacuum and gaseous atmospheres to achieve a more uniform bonding, wherein the gaseous atmosphere is an inert gas, hydrogen and components of the compound material. Method for producing a compound material reaction diffusion junction structure, characterized in that the atmosphere containing any one of the gases. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 전기장을 인가하면서 열처리하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment while applying an electric field in step (c). 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 압력을 가하면서 열처리를 하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed while applying pressure in the step (c). 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 0~100MPa 압력을 가하면서 열처리를 하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. The method of claim 1, wherein in step (c), the heat treatment is performed while applying a pressure of 0 to 100 MPa. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 열처리는 대기, 진공 및 기체 분위기 중 어느 하나에서 실시하며, 상기 기체 분위기는 불활성 기체, 수소 및 상기 화합물 재료의 구성성분 기체 중 어느 하나를 포함하는 분위기인 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment of step (c) is carried out in any one of an atmosphere, a vacuum, and a gas atmosphere, wherein the gas atmosphere includes any one of an inert gas, hydrogen, and a constituent gas of the compound material. Method for producing a compound material reaction diffusion junction structure, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 열처리는 상기 조성물 박막의 용융온도와 증발온도 사이의 온도에서 약 1분 내지 10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. The method of claim 1, wherein the heat treatment of step (c) is performed for about 1 minute to 10 hours at a temperature between the melting temperature and the evaporation temperature of the thin film of the composition. 제1항에 있어서, 상기 조성물 박막의 두께는 약 0.001~500㎛ 정도로 형성하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. The method of claim 1, wherein the thickness of the composition thin film is about 0.001 to 500 μm. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 열처리는 The method of claim 1, wherein the heat treatment of step (c) (c-1) 상기 조성물 박막의 용융온도보다 높은 고온으로 가열하여 상기 화합물 재료 조각간의 계면 위에 얇은 액상막을 형성하여 상기 화합물 재료 조각 계면간의 물질 이동을 용이하게 하는 단계; 및(c-1) heating at a temperature higher than the melting temperature of the thin film of the composition to form a thin liquid film on the interface between the pieces of the compound material to facilitate mass transfer between the compound material pieces; And (c-2) 열처리 분위기 중에 존재하는 상기 화합물 재료의 구성성분 기체로부터 용해되어 들어온 용존 성분기체 및 상기 화합물 재료 중 적어도 어느 하나와 상기 액상막 중의 금속 원소를 화학적으로 반응시켜 화합물을 형성하면서 상기 화합물 재료 조각 안으로 편입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법. (c-2) the compound while chemically reacting at least one of the dissolved component gas and the compound material dissolved in the component gas of the compound material present in the heat treatment atmosphere with the metal element in the liquid film to form a compound And incorporating it into the piece of material. (a) 두 개 이상의 단결정 및 그 고용체 단결정 조각 중 어느 하나를 준비하여, 단결정 조각의 표면을 연마하는 단계;(a) preparing any one of at least two single crystals and solid solution single crystal pieces thereof, and polishing the surface of the single crystal pieces; (b) 단결정의 성분금속, 상기 성분금속을 분자식 내에 함유하고 있는 유기물, 및 상기 성분금속의 산화물 중 적어도 어느 하나를 하나 이상의 연마면 위에 0.001~500㎛ 정도로 얇게 삽입, 도포, 증착, 도금 및 코팅 중 어느 하나의 방법으로 적용하여 조성물 박막을 형성하는 단계; 및 (b) inserting, applying, depositing, plating and coating at least one of a component metal of a single crystal, an organic material containing the component metal in a molecular formula, and an oxide of the component metal on a surface of at least one of about 0.001 to 500 µm Applying to any one of the methods to form a composition thin film; And (c) 상기 조성물 박막이 형성된 면을 사이에 두고 상기 단결정 조각들을 맞대놓은 상태로 대기, 진공 및 기체 분위기 중 어느 하나에서 상기 조성물 박막의 용융온도와 증발온도 사이의 온도에서 약 1분 내지 10시간 동안 열처리함으로써 접합 계면에 제2상의 존재 없이 직접 접합 계면을 형성하는 단계를 포함하며, (c) about 1 minute to 10 hours at a temperature between the melting temperature and the evaporation temperature of the composition thin film in any one of air, vacuum and gas atmospheres with the single crystal pieces facing each other with the surface on which the composition thin film is formed. Forming a direct bonding interface without thermal treatment by presence of a second phase at the bonding interface, 상기 기체 분위기는 불활성 기체, 수소 및 상기 단결정 구성성분 기체 중 어느 하나를 포함하는 분위기인 것을 특징으로 하는 화합물 재료 반응확산접합 구조물 제조 방법.Wherein said gas atmosphere is an atmosphere comprising one of an inert gas, hydrogen, and said single crystal component gas.
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