KR101044337B1

KR101044337B1 - 흑연 함침법에 의한 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 흑색 지르코니아 세라믹스

Info

Publication number: KR101044337B1
Application number: KR1020090055651A
Authority: KR
Inventors: 이병하; 이광호
Original assignee: 이광호; 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-06-29
Also published as: KR20100137299A

Abstract

본 발명은 지르코니아 분말을 과립화한 후 지르코니아 성형체를 제조하는 단계; 상기 지르코니아 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결과정을 수행한 지르코니아 성형체를 흑연이 채워진 흑연 도가니에 넣어 흑연으로 덮어준 후 함침하는 단계를 포함하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 흑색 지르코니아 세락믹스를 제공한다. 본 발명은 1400℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 흑색을 나타내며 고인성, 고내마모성, 고강도 등의 우수한 특성을 그대로 유지할 수 있는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 흑색 지르코니아 세락믹스를 제공한다.

지르코니아, 흑색, 흑연, 고강도, 함침법

Description

흑연 함침법에 의한 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 흑색 지르코니아 세라믹스{PROCESS FOR PRODUCING BLACK COLORED ZIRCONIA CERAMICS WITH GRAPHITE IMPREGNATION METHOD AND ZIRCONIA CERAMICS THEREOF}

본 발명은 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은, 고온에서 소성하여도 지르코니아의 고강도 등의 특성을 유지하면서 흑색 발색 효과를 나타내는 지르코니아 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 흑색 지르코니아 세라믹스에 대한 것이다.

고인성, 고내마모성, 고강도의 우수한 특성을 가진 지르코니아 세라믹스는 기계 부품용 구조 재료로서 주로 활용되어 왔다. 최근 지르코니아 세라믹스의 이용 범위는 계속 확대되고 있다.

지르코니아가 노즐, 커터, 밸브시트, 반도체 칩 등의 기계 부품에 이용되면서 다양한 색깔을 가진 지르코니아에 대한 수요가 나타나기 시작했다. 다양한 색상의 지르코니아 세라믹스를 제조하기 위해서는, 지르코니아가 가지는 우수한 물리· 화학적 특성에는 영향을 미치지 않고, 고온 소성시에도 색상을 그대로 유지할 수 있어야 한다.

그러나 현재 생산되고 있는 안료의 대부분은 1300℃ 이하의 소성 온도에서 안정된 발색을 나타내는 저온용 안료로서, 고온용 세라믹스 제품에 응용하기 어려우며, 색을 내기 위해 안료를 사용하는 경우 강도가 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 1400℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 흑색 발색 효과를 나타내는 지르코니아를 개발하고자 다양한 연구를 수행하였다. 그 결과 1400℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 흑색을 나타내는, 흑색 지르코니아 세라믹스 제조방법을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명은 1400℃ 이상의 소성 온도에서도 안정적으로 흑색 발색 효과를 나타내며 지르코니아 세라믹스의 특성은 그대로 유지하는, 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 흑색 지르코니아 세라믹스를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 지르코니아 분말을 과립화한 후 지르코니아 성형체를 제조하는 단 계; 상기 지르코니아 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결과정을 수행한 지르코니아 성형체를 흑연이 채워진 흑연 도가니에 넣어 흑연으로 덮어준 후 함침하는 단계를 포함하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지르코니아 성형체의 소결 단계는 1400 내지 1600℃에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는 1500 내지 1750℃, 2×10^-2∼7×10^-2 torr 진공도로 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 흑색 지르코니아 세라믹스를 제공한다.

본 발명에 따른 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법은, 1400℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 흑색을 나타내면서 지르코니아의 고강도 등의 특성은 그대로 유지하는 효과가 있다. 따라서 본 발명에 따른 흑색 지르코니아는 노즐, 커터, 밸브 시트, 반도체칩 등에 다양하게 이용될 수 있다.

본 발명은 지르코니아 분말을 과립화한 후 목적하는 형태로 지르코니아 성형 체를 제조하는 단계; 상기 지르코니아 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결과정을 수행한 지르코니아 성형체를 흑연이 채워진 흑연 도가니에 넣어 흑연으로 덮어준 후 함침하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하에서 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.

먼저, 지르코니아 분말을 과립화한 후 목적하는 형태로 지르코니아 성형체를 제조한다. 지르코니아 분말을 과립화한 후 목적하는 형태, 즉, 노즐, 커터, 가위, 반도체칩 등의 지르코니아 제품을 제조하기 위한 형태로 지르코니아 성형체를 제조한다.

이와 같은 지르코니아 분말을 과립화한 후 이를 이용하여 지르코니아 제품을 제조하는 방법은 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 수행될 수 있다. 예를 들어, 지르코니아 분말의 과립화 과정을 수행 후에, 상기 혼합물을 이루는 평균 입자 크기가 40 내지 120 ㎛인 구형의 입자를 성형 분말로서 얻을 수 있다. 상기 성형 분말을 준비한 이후에는, 이 성형 분말로 지르코니아 성형체를 제조한다. 상기 성형분말의 평균 입자 크기가 40 ㎛ 미만이거나 120 ㎛를 초과하는 경우에는, 성형체 제조시 어려움이 있을 수 있다. 또한, 과립의 크기가 40 ㎛ 미만이면, 성형할 때 과립이 비산하게 되어 밀도 조절이 어려운 문제점이 발생할 수 있다. 과립의 크기가 120 ㎛를 초과하는 정도로 커지면, 과립 내에 만들어진 동공 현상으로 성형 후 기포가 많이 존재하게 되어 물성이 나빠질 수 있다.

다음으로, 상술한 바와 같이 제조된 지르코니아 성형체를 소결하는 단계를 수행한다.

상기 소결과정에서 소결 온도는 1400 내지 1600℃일 수 있다. 소결 온도는 지르코니아 성형체의 크기에 따라 조절 가능한데, 보통 1 내지 10 시간일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 소결과정을 수행한 이후, 상기 지르코니아 성형체를 흑연이 채워진 흑연 도가니에 넣어 흑연으로 덮어준 후 함침하는 단계를 수행한다.

상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는, 흑연이 채워진 흑연 도가니에 지르코니아 성형체를 넣어 흑연으로 덮어준 후 상기 흑연 도가니를 고온 진공로에 배치시켜 진공분위기 하에서 함침과정을 통해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는 흑연 도가니 내에 흑연을 채운 후 지르코니아 성형체를 넣어 흑연으로 완전히 덮은 후 고온 진공로에서 소성할 수 있다.

상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는 1500 내지 1750℃, 2×10^-2∼7×10^-2 torr 진공도로 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

이 경우 진공도가 2×10^-2 torr 미만이면 흑색의 제품이 만들어지지 않으며,진공도가 7×10^-2 torr를 초과하면 생산원가가 올라가는 문제점이 발생한다. 또한, 유지 시간이 1 시간 미만이면 흑색이 나오지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 3 시간을 초과하는 경우에는 입성장이 일어나 강도가 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다.

상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 과정에서 소성 온도가 1500℃ 미만인 경우에는 함침이 잘 되지 않아 원하는 색상을 얻을 수 없고, 소성 온도가 1750℃ 초과인 경우에는 지르코니아 결정의 이상 성장이 일어나서 강도가 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명에서는 지르코니아 성형체를 흑색 발색시키기 위해 탄소 함침법을 사용한다. 일반적으로 1400℃ 이상의 고온에서 지르코니아 세라믹스를 소성하는 경우, 발색에 사용되는 안료가 타버리기 때문에 원하는 발색 효과를 나타낼 수 없다. 그러나 본 발명은 탄소 함침법을 사용함으로써 1400℃ 이상의 고온에서도 흑색이 잘 나타나는 효과가 있다.

본 발명의 제조방법에 따라 만들어진 흑색 지르코니아(도 1 참고)는, 1400℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 흑색을 나타내고, 지르코니아가 가지는 고강도 등의 우수한 물성을 그대로 유지한다. 따라서 본 발명에 따른 흑색 지르코니아는, 소비자가 원하는 흑색에 대한 수요를 충족시키면서 노즐, 커터, 밸브 시트, 반도체칩 등에 다양하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 시험예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예 및 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1

먼저 지르코니아(KZ-3YF, 교리츠, 일본)를 이용하여 SMD 노즐을 성형한 후, 1410℃로 1차 소결을 행하여 흰색의 지르코니아 노즐을 제조하였다. 이후 지르코니아의 흑색화를 위해 흑연이 채워진 흑연 도가니(graphite crucible)에 지르코니아를 골고루 분산시켜 넣어준 후 함침을 실시하였다. 소결체 장입시 충분히 혼합이 되도록 준비한 후 혼합하고, 외부로 지르코니아 노즐이 보이지 않도록 흑연을 충분히 채워 덮어 주었다. 지르코니아 노즐이 채워진 도가니는 고온진공로(KHP-200)에 배치하고 온도는 1600℃로 2hr의 유지시간, 진공분위기(5.0×10^-2torr)의 조건으로 함침시켜 흑색 지르코니아 노즐을 제조하였고 이를 촬영하여 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이 흰색의 지르코니아 노즐이 흑색화되어진 것을 관찰할 수 있었다.

비교예 1

먼저 지르코니아(KZ-3YF, 교리츠, 일본)를 이용하여 SMD 노즐을 성형한 후, 1410℃로 1차 소결을 행하여 흰색의 지르코니아 노즐을 제조하였다.

시험예

시험예 1: 지르코니아 노즐의 색도 분석

실시예 1에서 얻은 지르코니아 노즐의 색도 분석은 자외선-가시광선 분광광도계(UV-2401PC, 시마쯔, 일본)로서 국제조명위원회(CIE:Commissiom Internationalede I'Eclairage) 표색계의 값(L^*, a^*, b^*)으로 분석하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

실시예	L^*	a^*	b^*
1	50	0.5	0.8

표 1에 나타난 바와 같이, 명도는 50 정도의 값이 나타났고 채도는 a^*: 0.5, b^*:0.8로 흑색이 발현되었음을 알 수 있다.

시험예 2: 물성 분석

실시예 1의 흑색 지르코니아 노즐과, 비교예 1로서 탄소함침법을 수행하지 않은 흰색의 지르코니아 노즐의 경도, 굽힘 강도, 흡수율, 밀도 및 파괴인성을 다음과 같은 방법으로 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

- 경도 측정: 만능시험기(EZ Test, 시마쯔, 일본)

- 꺾임 강도: 0.5 mm/min의 하강속도로 KS L 1591의 3점 꺾임 강도

- 흡수율 : KS L 3114

- 밀도 : KS M ISO 706

- 파괴인성 : KS L 1601

[표 2]

	경도(GPa)	꺽임강도(MPa)	밀도(g/cm²)	파괴인성(k_1c)	흡수율(%)
실시예 1	10.3	1219	6	10	0
비교예 1	10	1290	6	10	0.01

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 흑색 지르코니아는 흑색 발색을 위한 탄소 함침법을 수행하지 않은 흰색의 지르코니아 노즐(비교예 1)과 물성을 비교한 결과 지르코니아의 우수한 물성을 그대로 유지하는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑색 지르코니아 노즐을 나타내는 사진이다.

Claims

지르코니아 분말을 과립화한 후 지르코니아 성형체를 제조하는 단계;

상기 지르코니아 성형체를 소결하는 단계; 및

상기 소결 과정을 수행한 지르코니아 성형체를 흑연이 채워진 흑연 도가니에 넣어 흑연으로 덮어준 후 함침하는 단계;

를 포함하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 지르코니아 성형체의 소결온도는 1400 내지 1600℃인 것을 특징으로 하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 지르코니아 성형체를 소결하는 단계는 1 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는 흑연이 채워진 흑연 도가니에 지르코니아 성형체를 넣어 흑연으로 덮어준 후 상기 흑연 도가니를 고온 진공로에 배치시켜 진공분위기 하에서 함침 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 지르코니아 성형체를 흑연으로 함침시키는 단계는 1500 내지 1750℃, 2×10^-2∼7×10^-2 torr 진공도로 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 흑색 지르코니아 세라믹스의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 흑색 지르코니아 세라믹스.