KR100710587B1 - 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체 - Google Patents

광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학렌즈를 구성하는 요소 중 투명재질의 상판과 하판 사이에 위치하고 비극성 액체 및 극성액체를 내포하도록 일정 형상을 갖는 세라믹 몸체에 있어서 세라믹 몸체의 재료인 알루미나와 지르코니아의 열팽창계수 차이에서 발생하는 표면압축 응력강화로 세라믹 몸체의 미세구조를 개선하여 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)보다 표면조도가 우수하고 초정밀가공이 용이한 고인성의 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체에 관한 것이다.
광학렌즈, 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 압축성형, 사출성형

Description

광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체{Alumina toughened Zirconia(ATZ) Ceramic Body for Optical Lens}
본 발명은 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학렌즈를 구성하는 요소 중 투명재질의 상판과 하판 사이에 위치하고 비극성 액체 및 극성액체를 내포하도록 일정 형상을 갖는 세라믹 몸체에 있어서 세라믹 몸체의 재료인 알루미나와 지르코니아의 열팽창계수 차이에서 발생하는 표면압축 응력강화로 세라믹 몸체의 미세구조를 개선하여 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)보다 표면조도가 우수하고 초정밀가공이 용이한 고인성의 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체에 관한 것이다.
최근 광학렌즈에서 전기습윤(electrowetting) 현상을 이용한 연구가 각광을 받고 있다. 전기습윤 현상이란 절연체로 코팅된 전극 위에 전해질 액적을 위치시킨 후 외부에서 전극과 전해질에 전압을 가해주면 액적의 접촉각이 변화하는 현상을 말한다.
전기습윤 현상에서 접촉각과 외부에서 가해준 전압의 관계는 Lippmann-Young식을 통하여 이해될 수 있다. 이러한 전기습윤 현상을 이용한 미소 유체 및 미소 입자의 제어방법은 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 전기장을 이용한 방법이므로 일체의 배선 및 전극이 바이오칩이나 마이크로플로우딕 장치 등과 일체형으로 제작된다. 둘째, 미소 유체를 1cm/s 속도로 이송할 수 있다. 셋째, 비교적 낮은 전압(1V 내지 100V)에서 유체의 거동 제어가 가능하며, 전력소모가 작다. 넷째, 가역적으로 액적의 제어가 가능하며, 히스테리시스(hysteresis)가 적다.
상기 장점들때문에 미소 유체의 이송, 혼합 및 코팅 스피드의 증가, 광스위치 등과 같은 많은 분야에 응용이 가능하며, 근래 들어 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 및 마이크로 플로우딕스(Microfluidics) 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다.
전기습윤 현상을 이용한 선행기술은 미국특허 6,369,954호와 한국공개특허 제2005-33308호에 나타나 있다.
미국특허 6,369,954호는 상기 전기습윤 현상을 이용한 광학 렌즈에 대하여 기재하고 있다. 이러한 광학 렌즈는 휴대폰 카메라 및 소형 줌 카메라 등에서 외부 경통의 내면에 고정 렌즈와 정밀 조합하여 줌 기능 및 멀티포커스 기능을 수행할 수 있도록 한다.
한국공개특허 제2005-33308호에서는 적은 공간을 사용하여 카메라 줌 기능을 구현할 수 있도록 광학렌즈를 이용한 휴대용 단말기의 줌 카메라 및 그 제어시스템과 제어방법으로 다수의 광학렌즈와 고정렌즈를 배열하여 카메라에 적용하는 기술에 관하여 기재하고 있다.
이러한 전기습윤 기술을 효과적으로 이용하기 위해서는 광학렌즈의 세라믹 몸체가 정밀한 기계적 특성과 표면 조도를 가지는 것은 물론 정밀한 가공성이 요구되는 높은 인성(toughness) 증진성을 가지고 있어야 한다. 이를 위하여 소결체의 높은 탄성율과 우수한 경도 값을 가지며, 조직이 치밀하며 흡수율이 제로(zero)에 가까운 부분 안정화 지르코니아(ZrO2, tetragonal), 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)와 알루미나계 세라믹의 광학렌즈용 몸체를 개발해 왔다.
일반적으로 엔지니어링 세라믹스는 강도와 경도가 높고 내마모성이 우수하며 융점 및 분해온도가 높아 내열성이 크다. 또한 낮은 열팽창계수와 우수한 열전도율로 열충격 저항성이 크다. 특히 휴대폰, 소형 줌 카메라 및 지문인식 센서 등에 사용되는 광학렌즈의 구성 요소 중 절연체로 제조되는 세라믹 몸체는 투명재질의 상판과 하판 사이에서 비극성 및 극성 액체를 내포하며, 광학렌즈 속에서 기포가 발생하지 않고 렌즈기능을 할 수 있도록 표면의 조도가 우수한 절연성의 세라믹이어야 한다.
더불어 광학렌즈용 세라믹 몸체는 비극성 액체 및 극성 액체를 내포하며 전기장의 세기에 따라 사람 눈의 수정체처럼 볼록하고 오목한 형태를 장시간 유지해야한다. 또한, 위와 같은 수정체의 광학적 특성을 유지하기 위해서는 세라믹 몸체의 정밀 가공이 가능해야하고 이를 위해서는 더욱 높은 인성(toughness)을 갖는 소재가 요구되며, 세라믹 몸체에 담긴 물이나 기름 등의 비극성 액체가 광학렌즈 몸체에 가해진 20mW 이하의 전력량으로 사람 눈의 수정체처럼 모양이 변하면서 5㎝ 거리의 초 근접 촬영과 100만 회 이상의 촬영이 가능하고, 100분의 2초 안에 자동 초점 조절이 가능한 광학렌즈로 사용되기 위해서는 가공된 세라믹 몸체 표면의 초정밀 조도(roughness)가 요구된다. 일반적으로 세라믹 몸체의 조도는 출발 원료의 크기와 소성온도에 의한 입자 성장, 기공의 크기와 분포도 등에 좌우된다. 그러므로 흡수율이 제로로 치밀하고, 표면 조도가 우수하며 고인성의 소재로서 정밀 가공할 수 있는 광학렌즈용 세라믹 몸체 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체를 통하여 광학렌즈 몸체 내부의 극성 및 비극성 액체가 세라믹 몸체 내부로 흡수되거나, 기포가 액체 내부에서 기포가 발생하지 않도록 구조가 치밀하고 몸체의 내 외부를 초정밀 가공한 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)보다 기계적 특성과 표면의 조도가 개선된 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하 본 발명의 기술적 구성을 중심으로 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 세라믹과 같은 엔지니어링 세라믹은 고강도, 내식성, 고인성 등의 성질을 갖는다. 특히, 고강도 및 내인성을 요구하는 분야에서는 알루 미나계(Al2O3) 세라믹 재료를 사용하고, 고인성을 요구하는 분야에서는 지르코니아계(ZrO2) 세라믹 재료를 사용한다.
엔지니어링 세라믹스 중 실온에서 기계적 강도 및 인성이 우수한 지르코니아(ZrO2)를 함유하고 있는 세라믹스의 파괴 인성증진 특성은 아래와 같은 메커니즘(mechanism)으로 이루어져 있다.
① 응력유기 상전이에 의한 인성증진(Stress-Induced Phase Transformation Toughening)
② 균열의 편향에 의한 인성증진(Crack Deflection Toughening)
③ 이미 존재하는 미세균열에 의한 인성증진(Spontaneous Microcrack Toughening)
④ 응력유기 미세균열에 의한 인성증진(Stress Induced Microcrack Toughening)
위 4가지 메커니즘 중에서 ①과 ②의 경우는 인성 및 강도를 모두 증가시키지만 ③과 ④의 경우는 인성은 증진시키는 반면에 강도는 다소 감소시킨다.
①의 경우는 파괴가 진행되는 균열선단(advancing crack tip) 근처에 있는 정방정 지르코니아(ZrO2)의 마텐자이트(martensite) 상전이에 의한 에너지흡수로 파괴인성이 증진되는 경우(SIPT, Stress-Induced Phase Transformation)이다. ②의 경우에는 기지보다도 더 작은 열팽창 계수를 갖는 이차상의 입자(ZrO2)가 기지내에 분산되어 있을 경우에는 이차상의 입자가 인장변형(Tangential Tensile Strain)을 유발해, 균열이 다른 입자를 향하여 편향된다. 본 발명에서 적용되는 메커니즘이다.
③과 ④의 경우는 표면가공 처리나 소결 후 냉각시에 정방정 지르코니아(ZrO2)가 단사정 지르코니아(ZrO2)로 전이하여 기지내에 균열을 생성함으로써 미세균열의 생성 및 확장(Nucleation and Extension)에 의하여 균열이 전파될 동안 에너지를 흡수함으로써 파괴인성이 증진되는 경우(IIMF, Inclusion-Induced MicroFracture)이다. 즉, 지르코니아는 냉각 과정 중 약 1,100℃에서 단사정상에서 정방정상으로 상전이시 야기되는 부피팽창으로 인하여 전이된 단사정상 주위에 미세균열에 의한 인성 증진(microcrack toughening)를 이루는 지크코니아가 분포된 알루미나계 세라믹스가 사용되어 왔다. 이때 지르코니아상 주변에 미세균열들은 큰 균열의 진행을 브랜칭(branching)시킴으로써 균열전파를 억제해왔다.
상기 메커니즘 중에서 상전이(Phase Transformation)때 생기는 부피팽창으로 생긴 미세균열에 의한 인성 증진을 다룬 메커니즘과 달리, 본 발명에서는 열팽창계수 차이에 의해 야기되는 표면 압축 응력강화 메커니즘(② 메커니즘)을 이용한다.
본 발명에 의한 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)는 열팽창계수가 적은 지르코니아가 알루미나 기지내에 강화된 기지보다도 더 큰 열팽창계수나 탄성율을 갖는 이차상, 즉 알루미나 입자가 지르코니아 기지내에 분산되어, 이차상 입자와 기지 사이의 인터페이스(interface) 주위에서 압축변형(Tangential Compressive Strain)이 일어나 이차상이 입자주위에는 균열에 편향되어 인성을 높인다. 즉, 알루미나의 열팽창계수(약 α= 8.0 *10-1/K)와 지르코니아 메트릭스의 열팽창계수(α= 6.0 *10-1/K)의 상이한 열팽창계수(Thermal Expansion Mismatch) 차이에 의해 야기되는 표면압축 응력강화(Compressive Surface Stresses Strengthening)로 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)계보다 우수한 기계적 특성과 밀도 증가를 얻을 수 있다.
지르코니아의 열팽창계수는 α=4.0*10-1/K 내지 7.5*10-1/K인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 α=5.0*10-1/K 내지 6.5*10-1/K 이다. 알루미나의 열팽창계수는 α=7.6*10-1/K 내지 9.1*10-1/K인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 α=7.8*10-1/K 내지 8.1*10-1/K 이다.
또한, 지르코니아의 탄성율은 200GPa 내지 240GPa인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 150Pa 내지 340GPa 이다. 알루미나의 탄성율은 350GPa 내지 400GPa인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 345GPa 내지 500GPa 이다.
알루미나와 지르코니아의 혼합은 지르코니아 100중량부에 대하여, 알루미나의 함량은 10중량부 내지 45중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15중량부 내지 35중량부이다. 알루미나의 함량이 10중량부보다 작으면, 알루미나 첨가에 따른 고강도 및 내식성 효과를 얻기 힘들고 또한 알루미나의 열팽창에 의한 표면압축 응력강화 효과를 원하는 수준으로 얻기 힘들고, 알루미나의 함량이 45중량부보다 크면 상대적인 지르코니아 함량이 낮아져 고인성(toughness)이 약해지는 단점이 있다.
본 발명에서 알루미나와 지르코니아 외에 산화마그네슘(MgO)을 추가하는 것도 가능하다. 산화마그네슘의 첨가는 소결과정 중 알루미나 입장 성장을 균일하게 제어함으로써 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체의 탄성율과 파괴인성 그리고 강도를 보다 높일 수 있다. 추가되는 마그네슘의 함량은 지르코니아 100중량부에 대하여, 1.0중량부 내지 4.5중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5중량부 내지 3.5중량부이다.
열팽창계수 차이에 의한 응력강화 현상을 이용한 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체는 상전이에 의한 부피팽창 현상을 이용한 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 세라믹 몸체보다 우수한 기계적 특성과 밀도 증가에 의한 치밀화를 얻을 수 있으며, 소결과정 중 일어나는 알루미나 입자 성장의 기지인 지르코니아(ZrO2) 또는 산화마그네슘(MgO)을 제어함으로써 표면 조도의 균일화를 꾀할 수 있다.
이하에서는 전술한 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체를 제조하는 방법에 대하여 살펴본다.
본 발명에서는 알루미나, 지르코니아, 마그네슘 분말 등을 압축성형(press molding) 또는 사출형성(CIM, ceramic injection molding)에 의한 방법으로 극성 및 비극성 액체를 내포할 수 있도록 완전히 치밀한 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)계 세라믹 몸체를 제조한다.
본 발명은 20㎛ 내지 200㎛의 구형 과립의 알루미나 분말과 지르코니아 분말을 이용하여 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제조한다. 또한, 보다 높은 탄성율 및 강도 등을 얻기 위하여 산화마그네슘을 첨가할 수 있다.
알루미나 분말은 지르코니아 100중량부에 대하여, 10중량부 내지 45중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15중량부 내지 35중량부이다. 산화마그네슘의 함량은 지르코니아 100중량부에 대하여, 1.0중량부 내지 4.5중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5중량부 내지 3.5중량부이다.
또한, 본 발명은 세라믹 몸체의 상대 밀도가 95% 내지 99.9%인 것을 특징으로 한다. 상기 상대 밀도는 소결 완료된 소결체의 밀도가 이론밀도의 95% 내지 99.9%가 되도록 하는 것이며, 더욱 바람직하게는 상대밀도가 98% 내지 99.9%가 되도록 한다. 즉, 몸체에 내포되는 액체가 몸체에 흡수 또는 이동하는 것을 방지하기 위하여 흡수율이 0.01%인 고밀도의 몸체를 제조한다.
본 발명에서 사출성형법에 따른 세라믹 몸체의 제조공정은 1) 슬러리 조성공정과 슬러리를 투입하여 광학렌즈 성형체를 성형하는 광학렌즈 세라믹 몸체의 2) 성형공정과 상기 광학렌즈 세라믹 몸체의 성형공정에서 성형된 광학렌즈의 세라믹 몸체 성형체에 포함된 바인더를 제거하는 3) 디바인딩공정과, 디바인딩공정에서 바인더가 제거된 광학렌즈 세라믹 몸체 성형체의 조직을 치밀화하고 결함을 제거하여 광학렌즈 세라믹 소결체를 제조하는 4) 소결공정으로 구성된다.
1) 슬러리 조성공정은 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 복합 분말에 바인더를 혼합하는 공정이다. 바인더로는 윤활제, 이형제 및 열가소제를 첨가하여 분말이 용이하게 혼합되고 원활한 유동성을 갖도록 함으로써 광학렌즈 세라믹 몸체의 성형공정에서 원활한 공급과 성형 후 충분한 강도를 갖도록 하기 위한 것이고 고온보다는 저온에서 혼합할 수 있는 것이 바람직하다.
2) 성형공정은 원료가 원료주입부에 투입되고 스크류에 의해 게이트로 안내되고 성형홀 내부로 유입되고, 슬러리는 사출금형에 채워짐으로서 광학렌즈 세라믹 몸체 형상을 형성한다.
3) 디바인딩공정은 광학렌즈 세라믹 몸체 성형공정에 의해 완성된 광학렌즈 세라믹 몸체 성형체에 포함된 바인더를 제거하는 공정은 3단계로 수행된다.
제1디바인딩 단계로서 세라믹 성형체를 탈지로 투입하여 45시간 내지 65시간동안 150℃ 내지 250℃로 가열한 후 20시간 내지 40시간 동안 그 온도를 유지한다. 바람직하게는 55시간 동안 가열하여 200℃에 도달하여 32시간 동안 유지하도록 한다.
그리고, 제2디바인딩단계는 상기 제1디바인딩단계를 거친 광학렌즈 세라믹 몸체 성형체를 700℃ 내지 900℃까지 40시간 내지 60시간 동안 가열하고 40시간 내지 60시간 동안 유지하도록 한다. 바람직하게는 800℃까지 48시간 동안 천천히 상승시키고 54시간 동안 유지시킨다.
또한, 제3디바인딩단계는 상기 제2디바인딩단계를 거친 광학렌즈 세라믹 몸체 성형체를 200℃ 내지 400℃ 까지 10시간 내지 30시간 동안 냉각시킨 후 로냉을 실시하게 되는데, 바람직하게 300℃까지 20시간 동안 냉각시킨 후 로냉시킨다.
상기 소결공정은 디바인딩공정에서 바인더가 제거된 캐필러리 성형체를 가열하여 조직을 소결시키는 공정으로서 제1소결 단계와 제2소결 단계로 구성되고, 먼저 제1소결단계는 900℃ 내지 1,300℃에서 1시간 내지 6시간 이상 동안 유지된 후 로냉시키는 것이 바람직하다.
제1소결 단계는 완전 치밀화가 이루어지지 않은 소결체인 광학렌즈 세라믹 소결체를 가공하기 위한 중간 소결단계이다. 제1소결 단계 후 중간 가공과정을 거친 세라믹 광학렌즈는 제2소결 단계에서 1℃/min 내지 8℃/min의 승온속도로 제2소결 온도는 1,400℃ 내지 1,600℃에서 1시간 내지 6시간 동안 유지시킨 후 로냉시키는 것이 바람직하다.
광학렌즈 세라믹 몸체의 정확한 형상을 제작하기 위하여 제2소결단계까지 완료된 광학렌즈 세라믹 몸체의 가공은 제품의 강도, 경도가 높아 가공이 어려워 제1 소결 단계가 완료된 후 가공하였고, 가공 후 제2소결단계를 거쳐 세라믹 광학렌즈 몸체를 치밀화시켰다. 이렇게 제2소결 단계가 종료됨으로써 높은 강도, 경도, 인성을 가지는 광학렌즈 세라믹 몸체를 제조한다.
제1소결단계가 완료된 광학렌즈의 세라믹 몸체에서 중간의 실린더 형상의 홀은 일정한 각도는 60°내지 120°를 유지하는 테이퍼 형식으로 가공하며, 초공구강을 이용하여 일정한 각을 유지하도록 테이퍼 가공한다.
가공된 세라믹 몸체는 제2소결 단계를 거쳐 수축되면서 치밀화되어 광학렌즈의 세라믹 몸체가 제조되고 마무리 가공을 통해서 완성된다.
마무리 가공에서는 다이아몬드 분말, 알루미나(Al2O3)분말, 실리카(SiO2)분말과 세리아(CeO2) 분말 슬러리를 이용하여 세라믹 몸체와 상부 유리판의 접촉면과 하부유리판의 접촉면, 테이퍼 가공면을 경면 가공한다. 특히 세라믹 몸체와 상부 및 하부 유리판과의 접촉면은 액체가 접촉하는 부분이므로 오차범위 ±1㎛ 이하의 평탄도를 이루도록 가공해야 한다.
또한, 광학렌즈의 세라믹 몸체의 테이퍼 가공면은 기공이나 흠집이 없이 경면가공을 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 이와 비교되는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1
본 발명에 의한 광학렌즈의 세라믹 몸체의 세라믹 원료로 지르코니아와 알루미나를 사용하였으며, 함량은 지르코니아 100중량부에 대하여, 알루미나 25중량부를 사용하였고, 바인더로 에틸렌수지류 25중량부와 왁스 15중량부를 혼합하여 유동성을 확보하였다.
제조된 세라믹 몸체 성형체에 포함된 바인더를 제거하기 위하여 탈지로에 성형체를 투입하고, 55시간 동안 가열하여 200℃까지 상승시키고 32시간 동안 유지시키는 제1디바인딩을 실시한 후, 800℃까지 48시간 도안 가온하여 54시간 동안 유지시키는 제2디바인딩을 실시하고, 300℃까지 20시간 동안 냉각시킨 후 로냉시키는 제3디바인딩을 실시하여 다바인딩 공정을 수행하였다. 탈지체를 광학렌즈의 세라믹 몸체로 제조하기 위하여 1,600℃에서 2시간 내지 4시간 동안 소결시킨 후 로냉시켜서 조직이 치밀하고 결함을 제거한 광학렌즈 세라믹 몸체를 만들었다.
실시예 2
본 발명에 의한 광학렌즈의 세라믹 몸체의 세라믹 원료로 지르코니아, 알루미나 그리고 산화마그네슘을 사용하였다. 성분의 함량비는 지르코니아 100중량부에 대하여, 알루미나 25중량부와 산화마그네슘 2.5중량부를 사용하였다. 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제조하였다.
비교예 1
본 발명과 비교되는 광학렌즈의 세라믹 몸체의 세라믹 원료로 이트리아와 지르코니아를 사용하였다. 성분의 함량비는 이트리아 6중량%와 지르코니아 94중량%를 사용하였다. 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제조하였다.
비교예 2
본 발명과 비교되는 광학렌즈의 세라믹 몸체의 세라믹 원료로 알루미나 100중량%를 사용하였다. 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제조하였다.
비교예 3
본 발명과 비교되는 광학렌즈의 세라믹 몸체의 세라믹 원료로 지르코니아와 알루미나를 사용하였다. 성분의 함량비는 지르코니아 20중량%와 알루미나 80중량%를 사용하였다. 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 광학렌즈의 세라믹 몸체를 제조하였다.
[표 1]은 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3의 성분과 함량을 이용하여 제조된 광학렌즈의 세라믹 몸체의 물성을 실험데이터이다.
구분 실시예 1 실시예2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
주원료 지르코니아 알루미나 지르코니아 알루미나 산화마그네슘 이트리아 지르코니아* 알루미나 지르코니아 알루미나
조성 ZrO2:100중량부 Al2O3:25중량부 ZrO2:100중량부 Al2O3:25중량부 MgO:2.5중량부 Y2O3:6wt% ZrO2:94wt% Al2O3: 100wt% ZrO2:20wt% Al2O3:80wt%
상대밀도(%) 99 이상 99 이상 99% 이상 99 이상 99 이상
경도(GPa) 15.4 15.8 16 17.5 17.4
탄성율(GPa) 231 270 150 ~ 240 390 250~ 300
파괴인성 (MPaㆍm1/2) 9.49 9.50 3 3.1 6.43
강도(MPa) 755 800 100~200 300~500 340~1,000
색깔 백색 백색 아이보리색 백색 백색
결정구조 알루미나 강화 지르코니아 (ATZ) 알루미나 강화 지르코니아 (ATZ) 부분안정화 지르코니아(Tetragonal) 알파-알루미나 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)
[표 1]에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 실시예를 비교예와 비교할 때, 비교예 1과 비교예 2보다 경도, 탄성율, 파괴인성, 강도가 월등히 높았으며, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)에 해당하는 비교예 3과 비교할 때도 파괴인성에서 보다 높은 실험데이터를 얻을 수 있었다.
더불어, 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)에 산화마그네슘을 첨가한 실시예 2에서는 파괴인성과 탄성율 그리고 강도면에서 보다 높은 실험데이터를 얻을 수 있었다.
이상, 본 발명을 구성을 중심으로 실시예와 비교예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니라 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 가능한 다양한 변형 가능한 범위까지 본 발명의 청구범위 내에 있는 것으로 본다.
또한, 본 발명에서의 바람직한 범위 그리고 더욱 바람직한 범위 한정은 그 효과를 더욱 극대화시키기 위한 것으로서, 한정 범위가 좁혀짐으로써 더욱 만족스러운 기술적 효과를 얻을 수 있다.
전술한 기술적 구성을 바탕으로 본 발명에 의한 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체를 통하여 광학렌즈용 액체가 세라믹 몸체에 흡수되지않고 표면에 기포가 발생하지 않는 치밀한 광학렌즈용 세라믹 몸체를 얻을 수 있다. 더불어, 본 발명은 알루미나와 지르코니아의 열팽창계수 차이에서 기인한 표면압축 응력강화 현상을 통하여 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)보다 기계적 특성과 표면의 조도가 개선된 알루미나 강화 지르코니아(ATZ) 세라믹 몸체를 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 광학렌즈용 세라믹 몸체에 있어서,
    상기 세라믹 몸체는 직경 20㎛ 내지 200㎛의 알루미나 분말과 지르코니아 분말, 산화마그네슘을 혼합하여 소결되고, 함량비는 상기 지르코니아 분말 100중량부에 대하여, 상기 알루미나 분말은 10중량부 내지 45중량부이며, 상기 산화 마그네슘은 1.0중량부 내지 4.5중량부인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 몸체는 상대 밀도가 95% 내지 99.99%인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지르코니아는 열팽창계수가 α=4.0*10-1/K 내지 7.5*10-1/K 인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미나는 열팽창계수가 α=7.6*10-1/K 내지 9.1*10-1/K 인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지르코니아는 탄성율이 200GPa 내지 240GPa인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 알루미나는 탄성율이 350GPa 내지 400GPa인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 알루미나 강화 지르코니아 세라믹 몸체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019525881A (ja) * 2016-07-28 2019-09-12 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング 透明セラミックの強化方法およびセラミック

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR920007020A (ko) * 1990-09-14 1992-04-28 김정배 브라운관용 음극
JPH10260336A (ja) * 1997-03-17 1998-09-29 Molex Inc 光コネクタのフェルール及びその製造法
KR20040072124A (ko) * 2003-02-10 2004-08-18 주식회사세라트랙 고밀도 알루미나 세라믹스의 제조방법
KR20050047698A (ko) * 2003-11-18 2005-05-23 한국표준과학연구원 유리를 이용한 산화물 세라믹스의 표면개질 방법 및표면개질된 산화물 세라믹스

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR920007020A (ko) * 1990-09-14 1992-04-28 김정배 브라운관용 음극
JPH10260336A (ja) * 1997-03-17 1998-09-29 Molex Inc 光コネクタのフェルール及びその製造法
KR20040072124A (ko) * 2003-02-10 2004-08-18 주식회사세라트랙 고밀도 알루미나 세라믹스의 제조방법
KR20050047698A (ko) * 2003-11-18 2005-05-23 한국표준과학연구원 유리를 이용한 산화물 세라믹스의 표면개질 방법 및표면개질된 산화물 세라믹스

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019525881A (ja) * 2016-07-28 2019-09-12 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング 透明セラミックの強化方法およびセラミック

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