KR101477921B1 - 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, ⅰ)메틸알코올과 킬레이트(chelate)제가 혼합된 용매와 알루미늄 이온 소스인 염화알루미늄을 메틸알코올에 용해시킨 용액을 각각 준비하는 단계와, ⅱ)상기 ⅰ)단계에 의해 조성된 용액들을 혼합하면서 교반하여 알루미늄 이온 착화합물인 알루미나 졸(sol)-용액을 조성하는 단계와, ⅲ)알루미나 볼이 담겨있는 폴리에틸렌 재질의 용기에 ⅱ)단계에 의해 조성된 졸-용액을 투입하고 여기에 다시 상기 졸-용액 전체 100 중량부에 대해 40~90 중량부의 산화알루미늄 분말을 투입한 후 이 혼합액을 볼밀(Ball mill) 하여, 알루미나 세라믹 접합제를 완성하는 단계를 포함하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법이 제공된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 알루미나 세라믹을 접합하는 접합제로 알루미나 졸-현탁액을 혼합한 슬러리를 제조하고, 부분적으로 소결된 세라믹 모재 사이에 이 혼합 슬러리를 도포한 후 이 도포면들을 결합한 후, 추가적인 외부 가압 없이 동시 소결하여 접합하도록 함으로써, 모재의 기계가공을 최소화하고, 제품의 내구성을 향상시키며, 크고 복잡한 세라믹 제품을 용이하게 제조할 수 있다는 장점을 가진다.

Description

알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법{Manufacturing methods of alumina ceramic adhesives and bonding method using the same}

본 발명은 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미나 세라믹으로 이루어진 모재와 같은 물성의 접합제를 제조하고, 상기 접합제로 모재들을 추가적인 외부의 가압 없이 접합면을 접합하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 복잡한 형상의 세라믹 제품을 만들기 위해서는 기계가공법을 가장 많이 이용하는데, 이는 세라믹재료 제조공정상 복잡한 형상으로 성형하는 것이 용이하지 않기 때문이다. 이로 인하여 복잡한 형상의 세라믹 제품을 제조할 시 많은 비용 및 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 단순한 형상으로 형성된 다수개의 세라믹 재료를 접합하여 복잡한 형상의 세라믹 제품을 만드는 방법이 제안되었다.

그리고 종래의 세라믹 접합방법으로는 유리질 또는 금속재질의 납재(fillers)를 이용한 브레이징 접합(brazing), 확산접합방법(diffusion bonding), 그리고 시멘트 또는 접착제(adhesives)를 이용한 접합 등이 있다.

상기 유리 및 브레이징 접합방법은 납재가 용융상태로 되었다가 응고되면서 접합이 이루어진다.

하지만 납재로 사용된 유리 또는 금속과, 모재 간의 열팽창계수의 불일치로 인한 응력이 발생하고, 고온에서는 접합강도가 낮아 접합체의 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한 상기 확산접합은 극히 고온이 아니면 접합이 잘 이루어지지 않고, 고온에서 가압하면서 접합하여야 하므로 고가의 고온 가압장비를 필요로 하며, 이로 인해 낮은 생산성, 모재의 변형 및 제품의 변색, 그리고 단순형상 이외의 접합에는 적용이 매우 어려운 문제점이 있다.

또한 시멘트 또는 접착제 접합은 접합체의 낮은 접합강도는 말할 것도 없고, 내열성/내식성이 약해 고온 또는 부식 환경에 노출되는 제품에는 적용할 수 없는 한계를 지니고 있다.

따라서 이에 대한 대안으로 접합하고자 하는 복수의 모재를 성형체 단계에서 결합하고, 이를 고온에서 동시 소결함으로써 접합 단일체를 만드는 방법이 매우 유망한 것으로 알려지고 있다.

종래의 기술을 살펴보면 특허등록 제10-0180484호(1998.12.01)에서는 통상적인 질화규소 세라믹 원료 성분인

,

및

를 냉간 정수압 성형을 하고 소결 처리하는 단계; 상기 세라믹 소결체인 모재에서 서로 접합할 면을 제외한 다른 면에 BN 분말을 이용해서 0.2 내지 2㎜의 두께로 코팅시키는 단계; 상기 BN 층을 입힌 모재에 아르곤 가스를 500 내지 1600 바(bar) 범위의 압력 하에서 주입시키면서, 열간 등방 가압 처리를 하여 상기 모재 표면에 미세한 기공을 갖는 기공층을 형성시키는 단계; 통상적인 Ni를 기본으로 하는 접합제 및 상기 모재와 열팽창 계수가 유사한 Mo 또는 Nb 금속을 층간 물질로 사용하여 상기 기공층을 갖는 모재를 서로 접합시키는 단계로 이루어지는 질화규소 세라믹 소결체의 접합 방법이 제공되었고,

공개특허 제10-2008-0109779호(2008.12.17)에서는 한쪽의 질화알루미늄 소결체의 접합면과 다른 쪽의 질화알루미늄 소결체의 접합면 사이에, 소결 조제(助劑)를 함유하는 개재물을 배치하고, 전자파 조사에 의해 그 개재물을 가열하여 그 질화알루미늄 소결체끼리 접합시키는 질화알루미늄 소결체의 접합 방법이 제공되었다.

하지만 종래의 기술은 실질적으로 높은 공정 비용과 제한적인 형상만 가능하므로, 다양한 응용이 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 알루미나 졸-현탁액이 혼합된 슬러리 상의 접합제와 그 접합제로 특별한 장비의 사용 없이 크고, 복잡한 세라믹 제품을 효율적이며 용이하게 생산하는 것을 목적으로 하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법은 ⅰ)메틸알코올과 킬레이트(chelate)제가 혼합된 용매와 알루미늄 이온 소스인 염화알루미늄을 메틸알코올에 용해시킨 용액을 각각 준비하는 단계; ⅱ)상기 ⅰ)단계에 의해 준비된 용액들을 혼합하면서 교반하여 알루미늄 이온 착화합물(complex)을 형성시킨 알루미나 졸(sol)-용액을 조성하는 단계; ⅲ)알루미나 볼이 담겨있는 폴리에틸렌 재질의 용기에 ⅱ)단계에 의해 조성된 졸-용액을 투입하고 여기에 다시 상기 졸-용액 전체 100 중량부에 대해 40~90중량부의 산화알루미늄 분말을 투입한 후 이 혼합액을 볼밀(Ball mill)하여, 세라믹 접합제를 완성하는 단계를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 ⅰ)단계에서는, 상기 메틸알코올에 킬레이트제가 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 조성된 용액과 상기 메틸알코올에 염화알루미늄이 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 조성된 용액을 각각 준비한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 킬레이트제는 아세틸아세톤이다.

상기 ⅱ)단계에서는 조성된 두 용액을 드롭와이즈(drop-wise) 방식으로 혼합하면서 동시에 교반하여 알루미늄 이온 착화합물을 형성시킨 알루미나 졸(sol)-용액을 조성한다.

또한 본 발명에 따른 상기 ⅱ)단계에서는, 상기 교반 과정 중 용액의 건조를 방지하도록, 상기 용액의 전체 100 중량부에 대해 10~80중량부의 에틸렌글리콜을 혼합할 수 있다.

더불어 상기 접합제를 이용한 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합방법은 a)청구항 1의 세라믹 접합제를 준비하는 단계와, b)서로 접합할 다수의 알루미나 세라믹 가소성체(부분적으로 소결된 소성체) 모재를 준비하는 단계와, c)상기 세라믹 모재들의 접합할 접합부를 녹은 왁스에 침지하는 단계와, d)상기 c)단계에 의해 왁스가 침투 도포된 접합부 표면을 평탄 가공하는 단계와, e)상기 a)단계에 의해 준비된 접합제를 상기 d)단계에서 가공된 모재들의 표면에 도포한 후 서로 면접촉하도록 모재들을 결합하는 단계와, f)상기 e)단계에 의해 접합제에 의해 결합된 모재들의 접합부를 상온에서 0~24시간 건조하는 단계와, g)상기 f)단계에 의해 접합부가 건조된 모재와 접합부들을 동시 소결하여 접합을 완료하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 알루미나 세라믹을 접합하는 접합제로, 알루미나 졸-현탁액을 혼합한 슬러리를 제조하고, 부분적으로 소결된 세라믹 모재 사이에 이 혼합한 슬러리를 도포한 후 이 도포면들을 결합하여, 추가적인 외부의 가압 없이 동시 소결에 의해 접합되도록 함으로써, 모재의 기계가공을 최소화하고, 제품의 내구성을 향상시킴은 물론, 크고 복잡한 세라믹 제품을 용이하게 제조할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법을 간략하게 보인 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합방법을 간략하게 보인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시에 따른 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 외부 표면과 내부 절단면을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시에 따른 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 접합부의 미세 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시에 따른 알루미나 졸-현탁액을 혼합한 슬러리 상의 접합제로 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 미세 단면과, 현탁액만을 혼합한 접합제로 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 미세 단면을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시에 따른 세라믹이 접합되는 메카니즘을 간략하게 나타낸 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법을 간략하게 보인 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합방법을 간략하게 보인 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시에 따른 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 외부 표면과 내부 절단면을 보여주는 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시에 따른 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 접합부의 미세 단면을 촬영한 사진이며, 도 5는 본 발명의 실시에 따른 알루미나 졸-현탁액을 혼합한 슬러리 상의 접합제로 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 미세 단면과, 현탁액만을 혼합한 접합제로 접합된 알루미나 세라믹 접합체(결과물)의 미세 단면을 촬영한 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시에 따른 세라믹이 접합되는 메카니즘을 간략하게 나타낸 예시도이다.

본 발명은 알루미나 세라믹으로 이루어진 모재와 물리적, 화학적 성질이 동일한 접합제를 제조하고, 상기 접합제로 모재들을 추가적인 외부 가압 없이 접합하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제 이용한 알루미나 세라믹 접합방법에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

먼저 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

ⅰ)단계(S100)로,

메틸알코올과 킬레이트제가 혼합된 용매와, 알루미늄 이온 소스인 염화알루미늄을 메틸알코올에 용해시킨 용액을 각각 조성한다.

이때 상기 염화알루미늄은 염화알루미늄6수화물(

·

)이고, 상기 킬레이트제는 아세틸아세톤이며, 상기 메틸알코올에 염화알루미늄이 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 용해시킨 알루미늄 이온용액을 조성하고, 메틸알코올에 킬레이트제를 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 혼합하여 킬레이트용액을 조성한다.

이때 바람직한 실시 예로, 상기 메틸알코올에 염화알루미늄이 1.26㏖/ℓ가 되도록 용해시킨 알루미늄 이온용액을 조성하고, 메틸알코올에 킬레이트제를 2.46㏖/ℓ가 되도록 혼합하여 킬레이트용액을 조성할 수 있다.

다음은 ⅱ)단계(S110)로,

상기 ⅰ)단계(S100)에 의해 조성된 알루미늄 이온 용액을 드롭와이즈 방식으로 킬레이트용액에 투입하면서 교반함으로써 알루미늄 이온과 킬레이트제가 반응하여 알루미늄 이온 착화합물을 형성시킨 알루미나 졸(sol)-용액을 조성한다.

상기의 교반 과정이 실시되는 동안 상기 수용액은 무색의 투명한 색에서 교반함에 따라 점차 노란색으로 변화되고, 교반 시간이 증가 될수록 색상의 변화는 커진다.

상기한 과정에 의해 염화알루미늄과 아세틸아세톤의 농도는 각각 0.62㏖/ℓ와 1.24㏖/ℓ로 조절된다.

그리고 상기 교반 과정 중 혼합용액의 건조를 방지하도록, 상기 혼합용액의 전체 100 중량부에 대해 10~80 중량부의 에틸렌글리콜을 혼합한다.

다음은 ⅲ)단계(S120)로,

상기 ⅱ)단계(S110)에 의해 조성된 졸-용액 전체 100 중량부에 대해 40~90중량부의 산화알루미늄 분말을 투입한 후, 폴리에틸렌 재질의 용기 내에서 고순도 알루미나 볼을 이용 볼밀링(Ball milling)하여, 알루미나 졸-현탁액 혼합 슬러리로 이루어진 세라믹 접합제를 완성한다.

상기한 과정에 의해 모재인 알루미나와 동일한 물성을 가지고, 접합부의 물리적, 화학적 성질 또한 사용된 소재와 동일한 알루미나 세라믹 접합제가 제조된다.

이때 상기한 단계에 의해 제조된 알루미나 세라믹 접합제는 알루미늄 졸-현탁액이 혼합된 슬러리 상태를 이룬다.

상기한 단계에 의해 제조된 알루미나 세라믹 접합제로, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 a)단계(S200)로,

상기 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제 제조방법에 의해 제조된 세라믹 접합제를 준비하는 것으로, 메틸알코올과 킬레이트제가 혼합된 용액과 알루미늄 이온 소스인 염화알루미늄을 메틸알코올에 용해시켜 조성한 용액을 혼합 교반하여, 알루미늄 이온 착화합물인 졸-용액을 조성하며, 상기 졸-용액 전체 100 중량부에 대해 40~90 중량부(바람직한 예: 72.2 중량부)의 산화알루미늄 분말을 투입한 후 폴리에틸렌 재질인 용기 내에서 볼밀링(Ball milling)하여 알루미나 졸-현탁액 혼합 슬러리를 형성시켜 알루미나 세라믹 접합제를 준비한다.

다음은 b)단계(S210)로,

서로 접합할 다수의 알루미나 세라믹 모재들을 준비한다.

일예로 준비되는 상기 알루미나 세라믹은 일축 가압 프레스 성형으로 성형체를 만든 후 이를 다시 0~300MPa의 압력으로 냉간등방가압법(Cold-isostatic pressing)을 실시하여 알루미나 세라믹의 성형체를 생성하고, 상기 알루미나 세라믹의 일부를 1000~1400℃에서 0~60분간 열처리하여 부분적으로 치밀화(partially sintered)한다.

이때 바람직한 실시 예로, 일축 가압 프레스 성형으로 성형체를 만든 후 이를 다시 135 MPa의 압력으로 냉간등방가압법(Cold-isostatic pressing)을 실시하여 알루미나 세라믹의 성형체를 생성하고, 상기 알루미나 세라믹의 일부를 1150℃에서 30분간 열처리하여 부분적으로 치밀화(partially sintered)해 준비할 수 있다.

다음은 c)단계(S220)로,

상기 b)단계(S210)에 의해 준비된 상기 알루미나 세라믹 모재들의 접합할 접합부 표면을 녹은 왁스에 침지한다.

이때 상기 세라믹소재의 접합부가 왁스에 침지되면, 상기 왁스가 세라믹 모재들의 모세관을 채우거나(filling) 또는 메꾸는(plugging) 것으로서, 왁스를 대신하여, 디옥틸 프탈레이트(Dioctyl phthalate, DOP), 디부틸 프탈레이트(Dibutyl phthalate, DBP), 폴리에틸렌 글리콜(Polyehtylene Glycol), 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)과 같은 비휘발성 용매 또는 상전이 물질(phase change materials)이 사용될 수 있다.

그리고 상기 세라믹 모재의 접합면에 왁스가 침투 및 도포되면, 상기 세라믹 모재의 다공성 표면에 의하여 발생되는 모세관압력이 제거되어, 후에 이 면들에 도포될 접합제가 세라믹 소재에 빠르게 흡수되어(유동성을 상실), 고체화(consolidation)되는 것을 방지한다.

다음은 d)단계(S230)로,

상기 c)단계(S220)에 의해 왁스가 침투 도포된 모재의 접합면을 평탄화 가공한다.

이때 상기 모재의 접합부 가공은 연마가공이 실시되는데, 연마재가 산화규소인 샌드페이퍼(P# 500)로 연마하여 상기 c)단계(S220)에 의해 왁스가 묻은 상기 모재의 접합면이 평탄해지도록 접합면의 표면을 연마한다.

다음은 e)단계(S240)로,

상기 a)단계(S200)에 의해 준비된 접합제를 상기 모재의 접합면에 도포한 후 서로 면접촉하도록 상기 모재들을 결합한다.

다음은 f)단계(S250)로,

상기 e)단계(S240)에 의해 결합된 모재들을 상온에서 0~24시간 건조한다.

이때 바람직한 실시예로 상온에서 24시간 건조할 수 있다.

다음은 g)단계(S260)로,

상기 f)단계(S250)에 의해 접합부가 건조된 모재와 접합부들을 동시 소결하여하여 접합을 완료한다.

이때 상기 모재와 접합부들을 동시 소결할 시 공기 중에서 1400~1700℃ 온도에서 0~4시간 동안 소결하는데, 이때 승온속도 0.1~5.0℃/m이다.

바람직한 실시예로, 1650℃의 온도에서 2시간 동안 소결하는데, 이때 승온속도 1℃/m로 실시할 수 있다.

또한 승온 도중 160℃에서 1시간, 350℃에서 1.5 시간, 600℃에서 1시간 동안 유지한 후 소결 온도까지 승온할 수도 있다.

상기와 같이 추가적인 열처리 스케줄을 갖는 것은 유기 첨가제를 소멸시키기 위함이다.

상기한 본 발명에 따른 알루미나 세라믹 접합제로 알루미나 세라믹 접합방법을 실시하여 접합된 알루미나 세라믹접합체의 결과물을 사진을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저 0~4시간 동안 1400~1700℃에서 소결된 알루미나 세라믹접합체를 다이아몬드휠 절단기를 사용하여 접합부를 수직으로 절단하였다.

도 3을 참조하여 살펴보면 (a)는 소결되어 완료된 알루미나 세라믹접합체의 외부 표면을 보인 사진이고, (b)알루미나 세라믹접합체의 내부 절단면을 보여준다.

도 3의 (b)에 나타낸 화살표가 가리키는 바와 같이, 접합부위의 접합제는 접합제 도포 후 모재를 결합할 단계에서 일부가 외부로 빠져나와 돌출되어 형성된 것으로 이를 이용해 육안으로 용이하게 접합부위를 찾을 수 있다. 이때 접합이 양호하게 이루어진 경우에는 내부 절단면에서 접합 경계를 육안으로 찾는 것이 불가능하다.

따라서 상기 접합부의 미세구조를 관찰하기 전, 육안으로 접합면을 따라 발견될 수 있는 선의 유,무에 의해 접합의 성공을 판단할 수도 있다.

또한 도 4를 참조하여 상기한 결과물의 접합부위의 미세구조를 살펴보면, 표면을 연마하여 준비된 알루미나 세라믹접합체를 30분간 1400~1600℃에서 열 부식(에칭)시킨 후 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였는데, 화살표로 표시된 접합부의 경계면은 다공의 배열과 접합제 반죽(슬러리)이 돌출된 것으로 확인할 수 있다.

이때 확인되는 다공의 배열은 접합부에서 접합면을 따라 빈번하게 관찰되는 것으로, 다공의 배열은 접합부의 표면경계(perimeter)에서 거리가 멀어질수록 (즉 안쪽으로 들어갈수록) 감소되는 것을 알 수 있다.

그리고 도 5를 참조하면 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 접합제로 접합한 경우의 미세구조를 보인 사진이고, (c) 및 (d)는 종래의 접합제로 접합한 경우의 미세구조를 보인 사진이다.

도 5의 (a) 및 (b)에서 보여주는 바와 같이 알루미나 졸과 현탁액이 혼합된 슬러리 상의 본 발명에 따른 접합제로 접합한 경우, 알루미나 세라믹 모재들의 접합이 원활하게 이루어짐을 확인할 수 있다.

보다 상세하게 살펴보면, 도 5의 (a), (b)에서 한 쌍의 점선으로 표시된 모재 사이의 접합부위는 모재의 미세구조와 유사하다는 것을 확인할 수 있고, 상기 모재와 접합제 사이에 명확한 경계선이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.

따라서 결과물의 미세구조는 모재와 접합제가 상당히 동질 상으로 확인되며, 어떠한 기공 및 균열도 거의 포함하지 않는 것을 확인할 수 있다.

그러므로 모재와 세라믹 접합제의 화학적 성질과 미세구조의 유사성은 두 영역에서 소결 메카니즘이 동일하다는 것을 알 수 있다.

그러나 접합부위의 입자는 모재와는 아주 미세한 크기의 차이를 보인다.

이는 도 5의 (b)를 살펴보면, 접합제 영역에서 입자는 모재에서의 입자보다 조금 작은데, 이것은 도 5의 (d)에서 보는 바와 같이 졸 용액이 포함되지 않은 슬러리를 사용한 결과물과 확연한 차이를 보이는 것을 알 수 있다.

더불어 상기한 세라믹접합체 결과물의 접합강도를 측정하기 위해, 접합된 모재를 4x3x40㎣ 크기의 바(Bar)형태로 절단하여, 샘플을 준비하였는데, 이때 접합부위는 샘플의 정중앙에 배치되도록 하였고, 상기 샘플의 표면은 감쇄 크기가 6㎛ 크기의 다이아몬드를 이용하여 연마하였다.

그리고 접합부의 굽힘 강도는 유니버셜테스트기에서 20mm 폭의 받침 위에 시편을 올려놓고 0.5 mm/min의 변위 속도로 3점곡강도(3 point bending strength)를 측정하였다.

알루미나 졸과 현탁액의 혼합된 슬러리상의 접합제를 사용하여 접합된 세라믹 샘플의 접합강도는 약 248.3± 4.0 MPa이였으며, 이는 단일체의 접합강도 365±.0 MPa에 대해 68% 정도의 값을 갖는 강도인 반면, 졸을 포함하지 않은 접합제는 접합강도가 105.7± 9.8 MPa이였다.

본 발명에서 얻어진 세라믹 샘플의 접합부 접합강도는 단일체의 강도에 비해 조금 낮아 충분히 좋은 접합강도를 갖는 것을 알 수 있으며, 이처럼 단일체에 비해 낮은 강도를 보이는 이유는 접합부에서 종종 관찰되는 기공에서 응력집중이 발생하기 때문이다.

따라서 부분적으로 소결된 세라믹을 접합하는 경우 졸-현탁액의 혼합 슬러리가 현탁액만으로 이루어진 슬러리보다 좋은 결과를 나타내는 이유를 살펴보기 위해서는 세라믹 제조과정에 있어서, 슬러리 도포, 도포된 슬러리 건조 그리고 열처리 과정 등에서 일어나는 입자의 재배열과정을 고려하는 것이 매우 중요하다.

세라믹의 생소지 상태(green-state) 접합은 기본적으로 생소지(green-body) 자체와 중간층재 그리고 생소지와 중간층재(접합제) 결합면의 접합부에서 동시에 일어나는 동시소성(co-sintering)과정을 포함한다. 그러므로 접합의 전제조건은 소결 과정동안 접합면상에 존재하는 입자들 사이에 물질전달의 통로가 유지되어야 하는데, 만일 이때 두 입자가 접하지 아니하고 서로 이격되어 있는 경우라면, 상호 입자간 물질이동 그리고 그에 따른 소성수축이 일어나지 않는다.

일예로 세라믹 제조 과정에 있어서, 세라믹 입자들 간에 가해지는 순힘(net force)은 입자 상호간의 다양한 상호작용(interactions)의 결과로 나타나며, 입자들의 재배열의 구동력이 된다. 구동력은 재배열과정에서 소모되고 결과적으로 입자간의 힘이 균형을 이룰 때 재배열이 완료되고 구동력은 제로가 된다.

반면, 이들 입자들 간에 작용하는 힘의 균형이 깨어지는 조건이 발생하는 경우 다시 새로운 재배열이 시작되는데, 일예로 용매의 건조, 결합재(binder)의 열분해, 또는 치밀화 등이 일어날 경우 발생한다. 입자 재배열의 전형적인 예는 세라믹 제조과정에서 종종 관찰되며, 용매의 건조, 결합재의 열분해, 소성 중에 나타나는 소지체의 비틀림, 균열, 왜곡 등이 있다.

도 6은 두 개의 세라믹 생소지(모재)에 세라믹 슬러리가 도포될 때 나타나는 입자 재배열 현상(메카니즘)을 간략하게 나타낸 것이다.

도 6의 (a)에 도시한 바와 같이 상호 경계면에 존재하는 입자 ??A'에 있어, 입자에 가해진 순힘은 입자에 적용되는 모든 힘의 벡터합에 의해 결정된다.

이때 고려되는 입자와 입자 주위의 상호작용에서 정전기력 또는 입체적(steric)인 힘 및 반 데르 발스(van der Waals) 힘이 고려될 수 있다.

그러나 이런 힘들은 일단 슬러리 내에 분말 입자들이 안정적으로 분산되어 있는 경우 보통은 크기가 작으며 이 힘들의 벡터 합은 상호 상쇄되기 때문에 무시될 수 있다.

그러므로, 입자들의 재배열에 있어 고려되어야 할 힘은 입자 사이에 존재하는 연결목(neck)의 음의 곡률에 기인하는 인력과 연속된 유체가 발생시키는 표면장력이다.

상기한 표면장력의 존재는 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 슬러리를 모재에 도포할 때 슬러리 내의 액체가 생소지 부분에 흡수되면서 표면장력에 의해 액체내의 입자 'A'를 중심 쪽으로 이동하게 만든다.

이것은 접합부의 경계면에서 미세 크기의 틈이 생성되는 것을 의미하므로, 결론적으로 이 부위의 결합은 실패하게 된다.

그리하여 접합면의 접촉손실로 인한 미세 크기의 틈이 생성되는 것을 방지하기 위해서, 본 발명에서는 생소지 부분에 의한 슬러리 내의 액체 흡수를 억제하기 위하여 생소지 부분을 액체에 미리 적시거나 슬러리 도포 전에 비침투성 물질로 표면의 모세관을 먼저 메꾸는 방법을 사용하였다.

또한, 도포된 슬러리 내 용매의 급속 건조는 (연속적으로 연결되어 있는) 액체의 공간적 분포를 불균일하게 만들게 되고, 이로 인해 나타나는 표면장력에 기인한 추가적인 힘은 입자의 재배열을 유도하고, 생소지(모재)와 슬러리(접합제) 사이에서 다시 미세 크기의 틈을 생성할 수 있다. 이는 슬러리의 액체가 생소지의 다공성 표면에 흡수될 때 일어난 현상과 유사하다.

이러한 문제를 극복하기 위해서는 슬러리 층의 입자가 점성유동(viscous flow)에 의해 모재와의 사이에 갈라진 틈을 채우기에 충분한 건조시간을 제공하여야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 슬러리 내의 용매 건조 속도를 낮추기 위해 에틸렌글리콜을 하였고, 상기 에틸렌글리콜은 상온에서 무시할만한 휘발성을 갖기 때문에 용매로 적합하다.

액체의 흡수와 건조에 따른 미세 크기 틈의 발생은 접합과정의 초기 단계에서 생소지의 다공을 줄이고 비휘발성 용매를 사용하여 줄일 수 있으나, 미세 크기의 틈은 소성과정 중 또는 결합재를 제거하기 위한 열처리 과정 중에서 또 다시 생성될 수 있다.

도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 입자 'B'는 열처리 시 자신의 주변부의 입자들과의 사이에 형성된 연결목(neck)들의 음의 곡률변화에 의해 발생하는 입자 재배열 구동력을 받게 된다.

한편, 입자들 간의 점착력(adhesion)은 배위 입자 수와 입자 간 거리 등 주변 환경에 따라 크게 영향을 받게 된다.

열처리 중에 발생하는 유기물질의 열분해 제거와 치밀화에 따른 neck growth 등은 유지되고 있는 미소한 힘의 균형의 붕괴를 유발하여 입자 간 거리의 감소를 수반하는 새로운 입자의 재배열을 시작한다.

입자의 재배열이 집합적이고 다른 입자와 공동으로 일어나기 때문에, 미세 틈새(micro-scale gap 즉, 입자간 접촉손실)은 입자 간 점착력이 입자의 재배열을 구동하는 힘보다 작은 영역에서 발생할 수 있다.

두 개의 서로 다른 모재는 열처리 중 일반적으로 발생하는 차등수축(differential shrinkage)으로 인해 경계면 상에 존재하는 입자들의 경우 모재 내부의 입자들과 달리 더 큰 입자 간 거리와 적은 수의 배위입자를 갖으며, 이로 인해 입자간 점착력이 입자에 작용하는 재배열 구동력보다 작아지는 결과를 야기한다.

예를 들어, 접합체에서 'B'로 표시되어 입자는 열처리 동안 자신의 입자간 연결목(neck)의 곡률 변화에 의해 생성된 순힘의 결과로 경계에서 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.

결과적으로, 도 6의 (d)에 도시한 바와 같이 경계 접촉부의 손실이 있고, 입자간 결합을 유지하기 어려워지게 되는 것이다.

한편, 모재의 접합면 상에 도포된 알루미나 졸-현탁액 슬러리 내의 알루미늄 이온 착화합물은 접합부와 모재의 접합면에 존재하는 입자들 사이로 스며들게 되고, 결국 건조 후에는 입자 간 연결목(neck)에 흡착된 상태로 존재하게 된다. 이들 착화합물은 600℃ 이상에서 γ-

를 형성하고 1200℃ 이상에서는 α-

로 상전이 하는 것으로 알려져 있는데, 접합을 위한 동시 소결을 위해 승온하는 도중 이들이 입자들 간의 연결목 위에서 알루미나 상(phase)의 solid-bridge를 형성하면서 입자간에 강한 결합을 형성하여 입자간 점착력을 크게 증가시키는 것으로 보인다.

따라서 결합재의 열분해 제거 또는 치밀화를 위한 열처리 도중 발생하는 입자 재배열 구동력에 의한 모재와 접합부 사이의 미세 틈새 발생을 억제할 수 있게 되는 것이다.

바로 이점이 본 발명에서 가장 핵심적인 기술적 사항으로 이러한 역할을 알루미나 졸-현탁액 슬러리 접합제가 제공할 수 있다는 점이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. ⅰ)메틸알코올과 킬레이트(chelate)제가 혼합된 용매와 알루미늄 이온 소스인 염화알루미늄을 메틸알코올에 용해시킨 용액을 각각 준비하는 단계;
   ⅱ)상기 ⅰ)단계에 의해 조성된 용액들을 혼합하면서 교반하여 알루미늄 이온 착화합물을 형성시킨 알루미나 졸(sol)-용액을 조성하는 단계;
   ⅲ)상기 ⅱ)단계에 의해 조성된 졸-용액 전체 100 중량부에 대해 40~90 중량부의 산화알루미늄 분말을 투입한 후 이 혼합액을 볼밀(Ball mill) 하여, 알루미나 세라믹 접합제를 완성하는 단계를 포함하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 ⅰ)단계에서
   상기 메틸알코올에 염화알루미늄이 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 용해시킨 용액을 조성하고, 상기 용액을 메틸알코올에 킬레이트제가 0.1~20.0㏖/ℓ가 되도록 조성된 용매에 드롭와이즈 방식으로 혼합하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 킬레이트제는 아세틸아세톤인 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 ⅱ)단계에서
   상기 교반 과정 중 용액의 건조를 방지하도록, 상기 용액의 전체 100 중량부에 대해 10~80 중량부의 에틸렌글리콜을 혼합하는 알루미나 세라믹 접합제 제조방법.
   
5. a)청구항 1의 세라믹 접합제를 준비하는 단계;
   b)서로 접합할 다수의 알루미나 생소지 모재를 준비하는 단계;
   c)상기 세라믹 모재들의 접합할 접합부를 녹은 왁스에 침지하는 단계;
   d)상기 c)단계에 의해 왁스가 침투된 모재의 접합부를 평탄화 가공하는 단계;
   e)상기 a)단계에 의해 준비된 접합제를 상기 d)단계에서 가공된 모재들의 표면에 도포한 후 서로 면접촉하도록 모재들을 결합하는 단계;
   f)상기 e)단계에 의해 접합제에 의해 결합된 모재들의 접합부를 상온에서 0~24시간 건조하는 단계;
   g)상기 f)단계에 의해 접합부가 건조된 모재와 접합부들을 동시 소결하여 접합을 완료하는 단계를 포함하는 알루미나 세라믹 접합방법.

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