KR101575561B1 - Manufacturing Method of Polycrystalline Aluminum Oxynitride with Improved Transparency - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명도가 향상된 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산질화알루미늄 제조 시 Al2O3와 AlN의 혼합 분체를 상압 반응소결하며, 이때 AlN의 함량을 17 내지 26 몰%로 정하고, 원료 분체를 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1575℃ 내지 1675℃로 1차 소결시킨 후, 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1900℃ 이상에서 2차 소결한다. 본 발명에 따르면, 내부의 미세 기공이 모두 제거되어 가시광선 투과율이 70% 이상인 입방정상의 다결정 산질화알루미늄 세라믹을 비교적 낮은 최종 소결 온도에서 단시간에 얻을 수 있다.The present invention provides transparency that, more specifically to sintered oxynitride aluminum mixed powder of Al 2 O 3 and AlN in the manufacture normal pressure reaction relates to a process for the preparation of improved polycrystalline oxynitride of aluminum, wherein the content of AlN 17 to 26 mol %, And the raw powder is subjected to first sintering at 1575 ° C to 1675 ° C so as to have a relative density of 95% or more and second sintering at 1900 ° C or more to achieve a higher relative density. According to the present invention, polycrystalline aluminum oxynitride ceramics having a visible light transmittance of 70% or more can be obtained at a relatively low final sintering temperature in a short period of time by removing all of the internal micropores.

Description

투명도가 향상된 다결정 산질화알루미늄의 제조방법{Manufacturing Method of Polycrystalline Aluminum Oxynitride with Improved Transparency}[0001] The present invention relates to a polycrystalline aluminum oxynitride with improved transparency,

본 발명은 산질화알루미늄의 제조방법에 관한 것으로, 특히 투명도가 향상된 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing aluminum oxynitride, and more particularly, to a method for producing polycrystalline aluminum oxynitride with improved transparency.

다결정 세라믹은 일반적으로 불투명하다. 빛이 기공, 입계 또는 불순물의 영향으로 산란되기 때문이다. 그러나 이러한 빛의 산란 요인을 제거하면 단결정에서와 같이 투명해질 수 있다. 가장 잘 알려진 투광성 알루미나의 경우 고순도의 분말로 분위기 소결을 하여서 기공을 거의 없애고 결정립 크기는 되도록 크게 해서 입계를 줄이면 투광성을 띄게 된다. 그러나 결정상이 이방성을 보이는 육방정상이기 때문에 빛의 투과가 결정립들의 방향에 영향을 받아서 유리처럼 투명해지지는 않고 투광성을 지닌다.Polycrystalline ceramics are generally opaque. Light is scattered by pores, grain boundaries or impurities. However, by eliminating this light scattering factor, it can be made transparent as in a single crystal. The best-known translucent alumina is sintered with high-purity powder to almost eliminate pores and enlarge the grain size so that the grain size is reduced to make it transparent. However, since the crystal phase is anisotropic hexagonal crystal, the transmission of light is influenced by the directions of the crystal grains, so that it is not transparent like glass, but is transparent.

산질화알루미늄(aluminum oxynitride, Al23O27N5)은 "AlON"이라고 흔히 불리며, 특히 γ-AlON은 등방성인 입방정상이면서 소결성이 좋아 기공제거가 상대적으로 수월하여 투명해질 수 있는 독특한 재료로 알려져 있다. 그러나 투명한 강화유리나 사파이어를 대체하는 대부분의 고강도 내마모 투명창 응용에서는 사파이어의 광투과율인 약 85%에 근접하는 매우 높은 광투과율을 가질수록 제품의 가치가 높아진다. 이를 위해서는 투과율을 저하시키는 가장 큰 요인이 되는 산질화알루미늄 세라믹 내의 기공을 최대한 제거시켜야 하며, 이는 또한 두께의 증가에 따르는 투과율의 감소를 완화시킬 수 있다. 미국 특허 제4,241,000호는 최초로 이러한 재료와 관련해서 Al2O3와 AlN 분말을 혼합하여 질소 가스 분위기 하에서 1200℃에서 24 시간 열처리한 후 1800℃ 이상으로 상압에서 소결하여 투광성을 띄는 다결정 산질화알루미늄을 제조하는 방법을 개시하고 있다.Aluminum oxynitride (Al 23 O 27 N 5 ) is commonly called "AlON". In particular, γ-AlON is known to be a unique material that isotropic, cubic and highly sinterable and relatively easy to remove pores. have. However, in most high-strength wear-resistant transparent window applications that replace transparent tempered glass or sapphire, the higher the light transmittance of sapphire, which is close to 85%, the higher the value of the product. For this purpose, the pores in the aluminum oxynitride ceramic, which is the greatest factor for decreasing the transmittance, should be removed as much as possible, which can also alleviate the reduction of the transmittance with increasing thickness. U.S. Patent No. 4,241,000 discloses for the first time that Al 2 O 3 and AlN powder are mixed with these materials and heat-treated at 1200 ° C for 24 hours under a nitrogen gas atmosphere and sintered at 1800 ° C or higher at normal pressure to form a translucent polycrystalline aluminum oxynitride And a method for producing the same.

또한, 미국 특허 제4,520,116호에서는 AlN과 Al2O3 분말들을 하소하여 산질화알루미늄 분말로 합성한 후, 여기에 붕소(B) 화합물, 이트륨(Y) 화합물 또는 란타늄(La) 화합물을 소결조제로 소량 첨가하여 상대밀도 99% 이상, 두께 1.78 mm 시편의 가시광 투과도가 43%에 달하는 다결정을 제조하였다.In addition, U.S. Patent No. 4,520,116 discloses that AlN and Al 2 O 3 powders are calcined and synthesized as aluminum oxynitride powder, and then a boron (B) compound, a yttrium (Y) compound or a lanthanum (La) A polycrystalline with a relative density of 99% or more and a visible light transmittance of 1.78 mm in thickness with a visible light transmittance of 43% was prepared by adding a small amount.

또한, 미국 특허 제4,481,300호과 제4,686,070호는 이트륨(Y) 화합물 또는 란타늄(La) 화합물을 소결촉진제로 첨가하되, 제조공정에 있어서, Al2O3 분말과 카본 블랙 분말을 적절한 비율로 섞어서 이를 1600℃ 내외의 온도에서 하소하여 Al2O3와 AlN으로 만든 후, 이를 다시 질화붕소(Boron nitride; BN) 용기에서 1800℃ 내외의 온도에서 열처리하여 산질화알루미늄으로 합성하고 이를 장시간 볼밀링하여 미세한 산질화알루미늄 분말로 만들며, 이 분말을 성형하여 1900 내지 2140℃에서 24 내지 48시간 동안 질소 가스 분위기 하에서 상압소결하여 두께 1.45 mm에서 80%의 적외선 투과율을 가지는 산질화알루미늄을 제조하는 방법을 개시하고 있다. In addition, U.S. Patent Nos. 4,481,300 and 4,686,070 disclose that a yttrium (Y) compound or a lanthanum (La) compound is added as a sintering accelerator, in which Al 2 O 3 powder and carbon black powder are mixed at an appropriate ratio, after ℃ made of AlN and Al 2 O 3 by calcination at a temperature of around, it back boron nitride; and heat-treated at a temperature of 1800 ℃ and out from (boron nitride BN) vessels synthesized as acid aluminum nitride to ball milling for a long time this fine mountain Discloses a method for producing an aluminum oxynitride having an infrared transmittance of 80% at a thickness of 1.45 mm by molding the powder and sintering the aluminum nitride at atmospheric pressure under a nitrogen gas atmosphere at 1900 to 2140 캜 for 24 to 48 hours .

또한, 미국 특허 제4,720,362호는 산질화알루미늄 분말에 붕소(B) 화합물 또는 이트륨(Y) 화합물을 0.5 중량% 이내로 첨가하고 성형하여 1900℃ 이상에서 20 내지 100 시간 소결하는 제조공정을 개시하고 있으며, 소결첨가제로 첨가된 붕소 화합물 B2O3와 이트륨 화합물 Y2O3는 소결 중 액상을 형성하여 소결의 초기 및 중기 단계에 치밀화를 촉진시키며, 말기 단계에서는 고용체 드래그(solute drag)나 석출된 이차상이 입계를 피닝(pinning)함으로써 비정상결정립성장을 방지하고 따라서 기공이 입내로 들어가서 더 이상 제거되지 않는 것을 막는다고 개시하고 있다.U.S. Patent No. 4,720,362 discloses a manufacturing process in which boron (B) compound or yttrium (Y) compound is added in an amount of 0.5 wt% or less to aluminum oxynitride powder and sintered at 1900 ° C or higher for 20 to 100 hours, The boron compound B 2 O 3 and yttrium compound Y 2 O 3 added as a sintering additive form a liquid phase during sintering to promote densification in the early and middle stages of sintering. In the last stage, solute drag or precipitated secondary Discloses that pinning the grain boundaries prevents abnormal grain growth and thus prevents pores from entering the mouth and not being removed any more.

또한, 미국 특허 제5,231,062호는 2.0 내지 16 중량%의 MgO를 첨가하여 투명한 산질화알루미늄마그네슘(aluminum magnesium oxynitride, AlMgON)을 제조하는 방법을 개시하고 있다.In addition, U.S. Patent No. 5,231,062 discloses a method of producing transparent magnesium aluminum oxynitride (AlMgON) by adding 2.0 to 16% by weight of MgO.

또한, 미국 특허 제5,688,730호는 높은 비표면적을 가지는 Al2O3와 AlN 분말을 반응시켜서 산질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 개시하고 있다. In addition, U.S. Patent No. 5,688,730 discloses a method for producing aluminum oxynitride powder by reacting Al 2 O 3 having a high specific surface area with AlN powder.

또한, 미국특허 제6,955,798호는 알루미늄과 산화알루미늄 분말의 혼합물을 질소 가스 분위기에서 열처리하여 질화된 알루미늄과 산화알루미늄의 혼합체로 만들어 이를 밀링한 다음 충분히 높은 온도에서 재열처리를 통해 산질화알루미늄 분말을 제조하는 방법을 개시하고 있다.In addition, U.S. Patent No. 6,955,798 discloses a method for producing an aluminum oxynitride powder by heat-treating a mixture of aluminum and aluminum oxide powder in a nitrogen gas atmosphere to form a mixture of aluminum nitride and aluminum oxide, milling the mixture, A method is disclosed.

또한, 미국 특허 제7,045,091호는 투명한 산질화알루미늄을 제조하기 위해 종래에 주로 행해오던 산질화알루미늄 분말을 먼저 합성하여 이를 소결하는 대신, Al2O3와 AlN의 혼합 분체를 고상과 액상이 공존하는 1950℃ 내지 2025℃의 온도에서 액상의 도움으로 소결한 후 고상만이 존재하는 이보다 적어도 50℃ 낮은 온도에서 재소결하여 액상을 고상으로 바꾸는 것을 특징으로 하는 투명한 산질화알루미늄의 제조방법을 개시하고 있으나, 이렇게 제조된 1 mm 두께의 산질화알루미늄의 가시광선 투과도는 10%를 상회하는 수준에 불과하였다.In addition, U.S. Patent No. 7,045,091 discloses that instead of sintering aluminum oxynitride powder which has conventionally been conventionally used for producing transparent oxynitride, a mixed powder of Al 2 O 3 and AlN is mixed with a solid phase and a liquid phase Sintering with the help of a liquid phase at a temperature of 1950 ° C to 2025 ° C and then resintering at a temperature of at least 50 ° C lower than that in which only a solid phase exists to convert the liquid phase to solid phase , And the visible light transmittance of the 1 mm thick aluminum oxynitride thus produced was only above 10%.

또한, 미국 특허 제7,163,656호는 투명도와는 관계없이 고밀도 AlON을 제조하기 위해 일축 고온가압소결(hot pressing)을 사용하는 단계를 포함하는 제조방법을 개시하고 있다. 일축 고온가압소결은 거의 이론적 고밀도를 얻거나, 소결성이 낮아 치밀화가 어려운 재료를 소결하기 위해 사용되는 방법이나, 일축 가압이어서 소결 후의 형상이 크게 제한되며, 생산성이 낮고 비용이 높아진다. 또한 가압을 위해 흑연 몰드를 사용하게 되므로 AlON의 경우는 색깔이 흔히 검게 나와 투명한 제품을 제조하는 데는 한계가 있다.In addition, U.S. Patent No. 7,163,656 discloses a method of manufacturing comprising the use of uniaxial hot pressing to produce high density AlON, regardless of transparency. Uniaxial high temperature sintering is a method which is used for obtaining a theoretical high density or sintering a material which is difficult to be densified due to a low sintering property. However, since uniaxial pressing causes unstable sintering, the shape after sintering is largely limited, productivity is low and cost is high. In addition, since the graphite mold is used for pressurization, the color of AlON is often darkened to produce a transparent product.

AlON은 1950℃ 이상의 온도에서 증발이 시작된다. 고온 소결 중의 증발은 가능한 감소시키는 것이 좋으며, AlON의 경우 0.1 MPa 내지 0.3 MPa의 낮은 질소 가스압력으로도 증발을 손쉽게 억제할 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 이는 흐르는 질소가스 분위기에서 행하는 일반적인 상압소결에서, 질소가스로 단지 1 기압 내지 3 기압의 과압(overpressure)을 전기로 안에 걸어 주어, 비용 증가가 거의 없는 공정이다. 이외에 가스 압력을 약 10 MPa까지 크게 높일 수 있는 공정으로서, 특수 압력 전기로를 사용할 수 있으며, 이를 가스압소결(gas pressure sintering, GPS)이라 하여 가스압소결로를 사용하게 되나, 비용이 증가되고 생산성이 낮아진다. 증발이 극심한 질화규소의 고온 소결에서 증발을 억제하고 가스압으로 소결구동력을 높여서 소결밀도를 더욱 증가시키기 위해 개발되었으며, AlON의 제조에도 사용될 수 있겠으나, 제품의 크기에 제한이 있게 되고 비용이 크게 증가한다. 더 나아가서, 200 MPa 내외의 가스압을 줄 수 있는 HIP(hot isostatic pressing)이 있으나, 고압 챔버 크기가 더욱 작아지고, 비용이 더욱 크게 증가한다.AlON starts to evaporate at temperatures above 1950 ° C. It is well known that evaporation during high-temperature sintering is preferably reduced as much as possible and evaporation can be easily suppressed even with a low nitrogen gas pressure of 0.1 MPa to 0.3 MPa in the case of AlON. This is a process in which overpressure of only 1 atm to 3 atm is applied in an electric furnace with nitrogen gas in a normal pressure sintering performed in a flowing nitrogen gas atmosphere, and the cost increases little. In addition, a special pressure electric furnace can be used as a process capable of greatly increasing the gas pressure to about 10 MPa, and gas pressure sintering (GPS) is used, but the gas pressure sintering furnace is used, but the cost is increased and the productivity is lowered . It has been developed to increase the sintering density by increasing the sintering power by suppressing the evaporation in the high temperature sintering of the silicon nitride which is evaporated, and it can be used for the production of AlON, but the size of the product is limited and the cost is greatly increased . Furthermore, there is HIP (hot isostatic pressing) which can give a gas pressure of about 200 MPa, but the size of the high-pressure chamber is further reduced and the cost is further increased.

이렇게 종래 기술로 제조된 대부분의 산질화알루미늄 세라믹은, Al2O3에 적정 비율의 탄소 분말을 넣고 반응시키거나, AlN과 Al2O3 분말을 고온에서 열처리하여 산질화알루미늄 분말을 별도로 합성하여서 제조하는 공정을 사용하므로 비용이 높아지며, 또한 투명도를 높이기 위해 2000℃ 또는 그 이상의 높은 온도에서 소결하거나, 아니면 그 이하의 온도에서 장기간 소결하여 제조해야 하기 때문에, 비용이 더욱 높아지는 문제점이 있었다. 반면에, Al2O3와 AlN 분말의 상압 반응소결로 제조되는 산질화알루미늄 세라믹은 높은 투명도를 얻기가 어려웠다. Thus aluminum, most of oxynitride made from a prior art ceramic is, Al 2 O 3 to react into the carbon powder in the appropriate ratio to or hayeoseo AlN and Al 2 O by heating a 3 powder at a high temperature synthesis the acid aluminum nitride powder separately There is a problem in that the cost is increased since the manufacturing process is used and the cost is increased and the sintering is performed at a high temperature of 2000 ° C or higher or a sintering for a long time at a temperature lower than 2000 ° C to increase transparency. On the other hand, it was difficult to obtain high transparency of the oxynitride aluminum ceramics produced by the reaction-sintering reaction of Al 2 O 3 and AlN powder at atmospheric pressure.

한편, 본 발명자들에 의해 특허출원된 국제공개특허 제08/047955호에서는 Al2O3와 AlN 분말의 반응소결로 산질화알루미늄을 제조하는 방법에 관한 것으로, AlN의 함량이 35 몰%로 고정된 조건에서, 기존에 알려진 소결조제 외에 0.1% 내지 0.2 중량%의 MgO를 소결조제로 첨가하는 방법과 반응소결 중 1650℃의 온도에서 예비소결을 거치고 최종 소결을 하여 1.9 mm 두께 시편에서의 가시광선 투과율이 80%에 육박하는 투명한 산질화알루미늄을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 특허출원에서는 최종 소결이 비교적 높은 온도인 2000℃에서 5시간 수행된 문제가 있으며, 그럼에도 불구하고 1.9 mm 두께 시편의 가시광선 투과율이 80%를 넘지 못하는 정도이기 때문에, 1950℃ 내지 1970℃의 낮은 최종 소결 온도에서도 투과율이 크게 향상된 산질화알루미늄을 제조할 수 있는 새로운 제조방법이 필요하다. Meanwhile, WO 08/047955, filed by the present inventors, relates to a method of producing aluminum oxynitride by reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN powder, wherein the content of AlN is fixed to 35 mol% In addition to the previously known sintering aids, addition of 0.1% to 0.2% by weight of MgO as a sintering aid and pre-sintering at a temperature of 1650 ° C during sintering and final sintering were carried out to obtain a visible ray Discloses a method for producing transparent oxynitride with a transmittance close to 80%. However, in the above patent application, there is a problem that the final sintering is performed at a relatively high temperature of 2000 占 폚 for 5 hours. Nevertheless, since the visible light transmittance of a 1.9 mm thick specimen does not exceed 80% There is a need for a new manufacturing method capable of producing aluminum oxynitride with a significantly improved transmittance even at a low final sintering temperature.

산질화알루미늄의 화학식은 일반적으로 Al23O27N5로 표기하나, N의 숫자가 5보다 크거나 작아도 산질화알루미늄 단일상이 되는, 비교적 넓은 범위의 N을 가질 수 있는 비화학양론적(nonstoichiometric) 결정으로서, Al(64+x)/ 3O(32-x)Nx의 화학식으로 표현되기도 한다.The chemical formula of aluminum oxynitride is generally denoted Al 23 O 27 N 5 but may be a nonstoichiometric (nonstoichiometric) material having a relatively broad range of N, which may be an aluminum oxynitride single phase, (64 + x) / 3 O (32-x) N x .

그러나 상기의 종래 기술들에서는, 투명한 산질화알루미늄을 제조하는 데 있어서, 별도의 공정인 산질화알루미늄 분말 합성을 거쳐서 산질화알루미늄 분체를 소결하거나 또는 Al2O3와 AlN 분말들이 혼합된 혼합 분체를 반응소결하는 경우를 막론하고, Al2O3와 AlN 분말의 비율에 따르는 가시광 투과율에 대한 연구는 즉 Al(64+x)/3O(32-x)Nx 식에서 "x"값이 가시광 투과율에 미치는 연구는 행해진 바 없었다. However, in the above-mentioned prior arts, in the production of transparent oxynitride, the aluminum oxynitride powder is sintered through a separate process of synthesizing aluminum oxynitride powder, or a mixed powder in which Al 2 O 3 and AlN powders are mixed The study of the visible light transmittance according to the ratio of Al 2 O 3 and AlN powder regardless of reaction sintering is as follows: "x" value in the formula of Al (64 + x) / 3 O (32-x) N x is the visible light transmittance Has not been studied.

종래 기술들은 27 몰% 내지 40 몰%, 즉 3.4 내지 6.0의 x값이 적절할 것이라고 가정하고, 모든 학술적인 연구에서도, 주로 AlON의 일반적으로 표기되는 화학식인 Al23O27N5에서의 AlN 양인 35.7 몰%, 즉 5.0의 x값, 또는 임의의 30 몰% AlN, 즉 3.9의 x값으로 고정하여 산질화알루미늄을 제조 또는 연구하여 왔다. The prior art assumes that the x value of 27 to 40 mol%, i.e. 3.4 to 6.0, will be appropriate, and in all the academic researches, it has been found that the AlN content in Al 23 O 27 N 5 , Mol%, i.e. x value of 5.0, or any 30 mol% AlN, i.e. x value of 3.9, to produce or study aluminum oxynitride.

또한, Jounal of the European Ceramic Society 29 (2009)에 발표된 논문 "AlON: A brief history of its emergence and evolution"에 의하면 투명 산질화알루미늄을 세계에서 유일하게 성공적으로 상용화하고 있는 미국 Surmet사의 투명 산질화알루미늄 세라믹의 x값은 4.0, 즉 31 몰%의 AlN에 해당된다고 보고하고 있다. 이러한 산질화알루미늄은, 상기 논문에 따르면, AlON 분말을 합성하여 이를 소결한다고 알려져 있으며, 높은 투명도를 얻기 위해 200 내지 250 μm의 평균 결정립 크기를 가지도록 제조되었고, 이러한 매우 큰 결정립 크기를 얻기 위해서는 상대적으로 높은 소결 온도와 오랜 시간의 소결을 필요로 한다. 일반적으로 세라믹에서는, 큰 결정립 크기는 강도의 저하를 가져온다.According to the paper "Alon: A brief history of its emergence and evolution" published in Jounal of the European Ceramic Society 29 (2009), Transmetal nitride of Surmet Corporation of America, which is the only successful commercialization of transparent oxynitride aluminum in the world The x value of aluminum ceramics is reported to be 4.0, or 31 mol%, AlN. Such aluminum oxynitride is known to synthesize AlON powder and sinter it, according to the above paper, and has been made to have an average grain size of 200 to 250 mu m in order to obtain high transparency. In order to obtain such a very large grain size, High sintering temperature and long time sintering. Generally, in ceramics, a large grain size results in a decrease in strength.

이에, 본 발명자는 반응소결로 제조되는 산질화알루미늄의 제조에 있어서 원료 분말인 Al2O3와 AlN의 몰분율을 적절하게 조절하여 소결성을 증진시켜 산질화알루미늄의 광투과율을 더욱 향상시키고자 본 발명을 완성하였다. 특히, 일반적으로 세라믹은 소결성을 증진시키면, 같은 밀도를 얻는데 있어서 더 낮은 최종 소결 온도에서 짧은 시간에 제조할 수 있다.Thus, the inventors of the present invention have found that, in the production of aluminum oxynitride produced by reaction sintering, the molar fraction of Al 2 O 3 and AlN, which are raw material powders, is appropriately controlled to improve the light transmittance of aluminum oxynitride . In particular, ceramics in general can be produced in a short time at a lower final sintering temperature to obtain the same density, if the sinterability is enhanced.

본 발명은 상술한 종래 기술을 향상시키고 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로, 산질화알루미늄 세라믹의 기공을 더욱 제거하여 보다 투명한 산질화알루미늄 세라믹을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a more transparent aluminum oxynitride ceramic by further removing pores of an aluminum oxynitride ceramic.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Al2O3와 AlN의 혼합분체를 상압 반응소결하는 투명한 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 있어서, 순수한 AlN의 함량이 17 내지 26 몰%이고, 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1575℃ 내지 1675℃에서 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결보다 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1900℃ 내지 2050 ℃에서 2차 소결하는 단계를 포함하며, 상기 제조된 1.5 mm 두께 시편의 가시광선 직선투과도가 70% 이상인 것을 특징으로 하는 투명한 산질화알루미늄의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 순수한 AlN의 함량은 화학식 Al(64+x)/ 3O(32-x)Nx 식에서 x가 1.9 내지 3.3에 해당하며, 특히, 상기 순수한 AlN의 함량은 21 내지 23 몰%인 것이 보다 바람직하다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a transparent polycrystalline aluminum oxynitride in which a mixed powder of Al 2 O 3 and AlN is sintered at atmospheric pressure, wherein the content of pure AlN is 17 to 26 mol% Sintering at a temperature of 1575 ° C to 1675 ° C so as to be 95% or more; And second sintering at 1900 ° C to 2050 ° C to achieve a higher relative density than the primary sintering, wherein the 1.5 mm thick specimen produced has a visible light linear transmittance of 70% or more A process for producing aluminum nitride is provided. In this case, the content of the pure AlN corresponds to 1.9 to 3.3 in the formula Al (64 + x) / 3 O (32-x) N x , and in particular, the content of the pure AlN is 21 to 23 mol% More preferable.

이때, 상기 AlN의 함량이 상기 범위를 벗어나 17 몰%보다 작으면, 이차상이 많이 형성되어 투과도가 크게 감소할 수 있으며, 26 몰%보다 크면, 소결성이 감소하기 시작하여 소결온도와 시간의 함수이지만 투과도가 현저히 감소하는 문제가 야기될 수 있다. If the content of AlN is out of the above range and less than 17 mol%, a large amount of secondary phase is formed and the permeability can be largely decreased. If it is more than 26 mol%, sinterability starts to decrease and is a function of sintering temperature and time There may be a problem that the transmittance is significantly reduced.

상기 제조방법은 소결첨가제로서 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 Y2O3 또는 La2O3, 또는 이의 중량에 상당하는 이트륨(Y) 화합물 또는 란타늄(La) 화합물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 이트륨 화합물로는 이트륨 산화물을 사용할 수 있으며, 상기 란타늄 화합물로는 란타늄 산화물을 사용할 수 있다. 이때, 상기 소결첨가제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 상기 소결첨가제가 형성하는 액상이 과도하게 많이 생겨서 소결 후 다 증발하지 못하여 시편 내에 남아 있으면서 투과도가 감소하는 문제가 야기될 수 있다. The process comprises the steps of adding 0.02 wt.% To 0.5 wt.% Of Y 2 O 3 or La 2 O 3 as sintering additives, Yttrium (Y) compound or lanthanum (La) compound. As the yttrium compound, yttrium oxide may be used, and as the lanthanum compound, lanthanum oxide may be used. If the content of the sintering additive is out of the above range, the liquid phase formed by the sintering additive may be excessively formed, and the sintering additive may not evaporate after sintering, thereby remaining in the specimen and decreasing the permeability.

상기 제조방법은 소결첨가제로서 0.06 중량% 내지 0.29 중량%의 MgO 또는 이의 중량에 상당하는 마그네슘(Mg) 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 마그네슘 화합물로는 마그네슘 산화물을 사용할 수 있다. 이때, 상기 소결첨가제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 최종 소결된 시편의 가시광선에서의 투과도가 감소하는 문제가 야기될 수 있다.The manufacturing method may further include 0.06 wt% to 0.29 wt% of MgO as a sintering additive, or a magnesium (Mg) compound corresponding to the weight of MgO. As the magnesium compound, magnesium oxide may be used. If the content of the sintering additive is out of the range, the transmittance of the final sintered specimen may be decreased.

상기 제조방법은 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1575℃ 내지 1675℃에서 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결보다 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1925℃ 이상, 바람직하게는 1900℃ 내지 2050 ℃에서 2차 소결하는 단계를 포함할 수 있다. Sintering at 1575 ° C to 1675 ° C so as to have a relative density of 95% or more; And secondary sintering at 1925 ° C or higher, preferably 1900 ° C to 2050 ° C to achieve a higher relative density than the primary sintering.

보다 상세하게는, 상기 제조방법은 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1650℃에서 10시간 동안 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결보다 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1970℃에서 5시간 동안 2차 소결하는 단계를 포함할 수 있다.More particularly, the method comprises: a first sintering step at 1650 ° C for 10 hours to have a relative density of 95% or more; And secondary sintering at 1970 DEG C for 5 hours to achieve a higher relative density than the primary sintering.

본 발명에 개시된 상대밀도란, 이론밀도에 대한 상대밀도의 상대적인 값의 비율을 의미하며, 100에서 상대밀도를 빼면 기공율이 된다. 상대밀도는 아르키메데스 원리를 이용한 수침법(immersion method)으로도 측정할 수 있다.The relative density disclosed in the present invention means a ratio of the relative density of the relative density to the theoretical density, and the porosity is obtained by subtracting the relative density from 100. [ Relative density can also be measured by immersion method using Archimedes principle.

상기 제조방법은 질소 가스압으로 0.1 내지 10 MPa로 과압 소결, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.3 MPa로 과압 소결할 수 있다. 이러한 과압 소결을 통해 고온 소결 중의 산질화알루미늄의 증발을 억제할 수 있다. The above production method can be overpressure-sintered at 0.1 to 10 MPa under a nitrogen gas pressure, more preferably at 0.1 to 0.3 MPa. Such overpressure sintering can suppress evaporation of aluminum oxynitride during high-temperature sintering.

본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 산질화알루미늄은 순수한 AlN의 함량이 17 내지 26 몰%이며, 가시광선 직선투과도가 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상인 것으로 확인되며, 또한 순수한 AlN의 함량이 17 내지 21 몰%로 하면, 75% 이상의 가시광선 직선투과도를 가지면서, γ-AlON상 안에 소량의 φ'-AlON상이 존재하고, 비커스 경도가 16.5 GPa 이상인 것으로 확인되었다.The aluminum oxynitride produced by the process according to the present invention has a pure AlN content of 17 to 26 mol% and a visible light linear transmittance of 70% or more, preferably 80% or more, and the content of pure AlN 17 to 21 mol%, it was confirmed that there was a small amount of? '-AlON phase in the? -AlON phase and a Vickers hardness of 16.5 GPa or more while having a visible ray linear transmittance of 75% or more.

또한, 본 발명은 산질화알루미늄 분말을 합성한 후, 상기 산질화알루미늄 분말을 소결하는 투명한 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 있어서, 산질화알루미늄 분말 조성을 나타낸 화학식 1에서 x가 1.9 내지 3.3이고, 소결첨가제로서 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 Y2O3 또는 La2O3, 또는 이의 중량에 상당하는 이트륨(Y) 화합물 또는 란타늄(La) 화합물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상, 및 0.06 중량% 내지 0.29 중량%의 MgO 또는 이의 중량에 상당하는 마그네슘(Mg) 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화알루미늄의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of producing a transparent polycrystalline aluminum oxynitride by synthesizing an aluminum oxynitride powder and sintering the aluminum oxynitride powder, wherein x is 1.9 to 3.3 in the formula (1) 0.02 to 0.5% by weight of Y 2 O 3 or La 2 O 3 as an additive, (Mg) compound corresponding to one or more of yttrium (Y) compound or lanthanum (La) compound and 0.06 to 0.29% by weight of MgO or a weight thereof, characterized in that it comprises aluminum oxynitride Of the present invention.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Al(64+x)/ 3O(32-x)Nx Al (64 + x) / 3 O (32-x) N x

또한, 높은 투명도와 경도를 모두 원할 경우에는, x가 1.9 내지 2.4이고, γ-AlON상 안에 소량의 φ'-AlON상을 가지고 있으며, 비커스 경도가 16.5 GPa 이상일 수 있다.Further, when both high transparency and hardness are desired, x is 1.9 to 2.4, a small amount of? '- AlON phase exists in the? -AlON phase, and the Vickers hardness may be 16.5 GPa or more.

이하, 본 발명을 구체적 실시 형태를 통하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments.

본 발명의 일실시예에 따르면, 투명한 다결정 산질화알루미늄 세라믹을 제조하기 위하여, 반응소결이 되는 산질화알루미늄의 질소와 산소 양 즉 혼합되는 Al2O3 분말과 AlN 분말의 몰비를 최적화하며, 여기에 소결첨가제를 혼합하여 예비소결을 거쳐 최종 소결된다.According to one embodiment of the present invention, in order to produce a transparent polycrystalline aluminum oxynitride ceramic, the amount of nitrogen and oxygen in the aluminum oxynitride to be reaction-sintered, that is, Al 2 O 3 The molar ratio of the powder to the AlN powder is optimized, and the sintering additive is mixed with the sintering additive, and finally sintered through preliminary sintering.

이때, AlN는 17 내지 26 몰%, 따라서 Al2O3은 74 내지 83 몰%로 두 주 원료 분말의 몰비를 정하며, 보다 바람직하게는 투명도의 극대화를 위하여 AlN의 몰비를 21 내지 23 몰%로 정한다.In this case, the molar ratio of the two main raw material powders is determined in the range of 17 to 26 mol% of AlN and therefore 74 to 83 mol% of Al 2 O 3 , and more preferably, in order to maximize the transparency, the molar ratio of AlN is set to 21 to 23 mol% I decide.

이렇게 반응소결되는 산질화알루미늄은 약 1650℃ 내외에서 1차 소결을 거친 후 1900℃ 이상의 온도에서 2차 소결되며, 1차 소결에서 최대한 기공을 제거하지 않으면 투명도가 저하된다. 1차 소결 없이 1900℃ 이상의 최종 소결 온도로 소결로의 온도를 올리면, 1675℃ 내외의 온도에서부터 Al2O3과 AlN이 반응하여 산질화알루미늄으로 상변태가 일어나는데, 산질화알루미늄의 소결성 자체가 상대적으로 낮으며, 또한 1차 소결없이 형성된 산질화알루미늄의 입자가 이미 비교적 크고 또한 기공 크기도 커서 이후의 최종 소결에서 기공을 제거하여 고밀도를 얻기 힘든 문제가 있다. 일반적으로 분말 소결에서 소결되는 입자가 클수록 또한 기공 크기가 클수록 기공을 제거하기가 즉 치밀화가 어렵다.Aluminum oxynitride sintered in this manner is first sintered at about 1650 ° C and then secondarily sintered at a temperature of 1900 ° C or higher. In the first sintering, transparency is lowered unless the pores are removed as much as possible. When the temperature of the sintering furnace is increased to a final sintering temperature of 1900 ° C or more without first sintering, Al 2 O 3 and AlN react with each other at a temperature of about 1675 ° C. and phase transformation occurs to aluminum oxynitride. The aluminum oxynitride particles formed without the first sintering are already relatively large and the pore size is too large to remove the pores in the subsequent final sintering, making it difficult to obtain a high density. Generally, it is difficult to remove pores or densify the pores as the size of the particles sintered in the powder sintering is larger and the pore size is larger.

따라서, 산질화알루미늄으로 상변태가 일어나기 전, 즉 Al2O3과 AlN의 혼합체를 최대한 치밀화시켜야 한다. 일반적으로 Al2O3는 약 1500℃ 내외에서 치밀화가 일어나기 시작하며, 질화알루미늄은 수 중량%의 소결첨가제가 존재할 때 약 1700℃ 이상에서 치밀화가 일어난다. 따라서 두 개의 혼합 분체는 소결온도가 낮은 Al2O3 의 함량이 높을수록 치밀화가 수월하다. 이러한 이유로 인해 기공 없이 투명한 고밀도 산질화알루미늄을 반응소결로 제조하기 위해서는 비교적 낮은 온도에서의 1차 소결을 거쳐야 하는데, 최대한 1차 소결에서의 소결성이 높은 Al2O3의 비율이 높아야, 즉 AlN의 비율이 낮을수록 좋다. 다만, AlN의 비율이 너무 낮아서 이후 2차 소결 중 이차상이 석출되면 투명도가 감소한다.Therefore, before the phase transformation with aluminum oxynitride occurs, that is, the mixture of Al 2 O 3 and AlN should be densified as much as possible. In general, Al 2 O 3 begins to be densified at about 1500 ° C., and aluminum nitride is densified at about 1700 ° C. or higher when a sintering additive of several wt% is present. Therefore, the higher the content of Al 2 O 3, the lower the sintering temperature, the easier the densification of the two mixed powders. For this reason, in order to produce transparent high-density aluminum oxynitride without pores, first sintering at a relatively low temperature must be performed, and the proportion of Al 2 O 3 having a high sinterability in the first sintering should be high, The lower the ratio, the better. However, since the ratio of AlN is too low, the transparency decreases when the secondary phase is precipitated during the secondary sintering.

또한, 산질화알루미늄은 역스피넬 구조를 가지며 Al(64+x)/3 (8-x)/3 O(32-x) Nx의 화학식으로 표현될 수 있다. 즉 네모(□)는 Al 이온의 빈자리(vacancy)를 의미하며, 이는 질소의 양인 "x" 값에 따라 변한다. 이러한 화학식에 의하면, 질소의 양 즉 x값이 작을수록 빈자리의 농도가 높아진다. 일반적으로 결정 내의 빈자리가 많으면, 원자 또는 이온의 확산 속도가 증가하여 소결성이 증가할 수 있다. 따라서 γ-AlON상이면서 Al2O3에 대한 AlN의 비 즉 x값이 작을수록, Al 빈자리 농도가 높아져 소결성이 더욱 증가하고 기공의 제거가 쉬워질 수 있다.In addition, aluminum oxynitride has an inverse spinel structure and can be represented by the formula Al (64 + x) / 3? (8-x) / 3 O (32-x) N x . The square (□) means the vacancy of the Al ion, which varies with the value of the "x", the amount of nitrogen. According to this formula, the lower the amount of nitrogen, that is, the x value, the higher the concentration of vacancies. In general, when the number of vacancies in a crystal is large, the diffusion rate of atoms or ions increases and sintering ability may increase. Therefore, as the ratio of AlN to Al 2 O 3 , ie, γ-AlON phase, is lower, the Al concentration increases and the sinterability increases and the removal of pores becomes easier.

본 발명에서는, x값이 작아짐에 따라 AlON상의 소결성이 더욱 증가되어 2차 소결에서의 산질화알루미늄의 치밀화를 도우며, 이와 더불어 작은 x값은 소결성이 높은 Al2O3의 함량이 높아져서 1차 소결 중 치밀화를 증진시키고 기공을 신속하게 줄여서 상대밀도를 높이며, 이는 2차 소결에서 거의 모든 기공들이 제거가 되는 결과를 가져온다는 것을 발견하였고, 결과적으로 x값을 가능한 줄임으로써 매우 높은 광투과율을 얻었다. In the present invention, as the x value becomes smaller, the sinterability of the AlON phase is further increased to help densify the aluminum oxynitride in the secondary sintering. In addition, the small x value increases the content of Al 2 O 3 having a high sinterability, We have found that increasing the densification and reducing the pore quickly increases the relative density, which results in almost all of the pores being removed in the secondary sintering, resulting in very high light transmittance by reducing the x value as much as possible.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 내부의 기공을 거의 모두 제거하여 가시광선 직선투과도가 80% 이상에 달하는 입방정상의 다결정 산질화알루미늄 세라믹을 제공할 수 있다. 특히, 이러한 투명한 다결정 산질화알루미늄 세라믹은 높은 강도와 경도 및 내마모성을 지니므로, 높은 강도, 경도 및 내마모성을 함께 요구하는 투명 방탄판, 적외선 센서의 창, 레이다돔, 투명 시계창, 투명디스플레이창 등과 같은 제품에 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따르면, 산질화알루미늄 분말을 합성하여 소결할 필요 없이 Al2O3와 AlN 분말을 그대로 혼합하여 소결하는 경우에도 비교적 낮은 소결온도 그리고 짧은 소결시간에서도 매우 투명한 산질화알루미늄 세라믹을 제조할 수 있게 되어 제조공정이 단순해지고 공정비용이 절감된다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide cubic polycrystalline aluminum oxynitride ceramics in which almost all of the pores therein are removed to obtain a visible ray linear transmittance of 80% or more. Particularly, since such a transparent polycrystalline aluminum oxynitride ceramic has high strength, hardness and abrasion resistance, products such as a transparent board, a window of an infrared ray sensor, a radar dome, a transparent watch window, and a transparent display window which require high strength, hardness and abrasion resistance are required . Further, according to the manufacturing method of the present invention, even when Al 2 O 3 and AlN powder are directly mixed and sintered without the need to synthesize and sinter the aluminum oxynitride powder, a very transparent sintered aluminum nitride The manufacturing process can be simplified and the process cost can be reduced.

도 1은 1차 소결 없이 2차 소결만 된 산질화알루미늄 세라믹 시편들과 1차 소결을 거친 후 2차 소결된 시편들의 투명도를 비교할 수 있도록 배열하여 촬영한 사진이고,
도 2는 1차 소결 없이 2차 소결만 된 산질화알루미늄 세라믹 시편들과 1차 소결을 거친 후 2차 소결된 시편들의 x값에 따른 가시광선 투과율을 비교한 것이고,
도 3은 1차 소결만 된, x값을 달리 하는 시편의 파단면을 주사전자현미경(배율: 10,000배)으로 관찰한 사진이고,
도 4는 1660℃에서 10시간 1차 소결만 된 산질화알루미늄 시편의 x값에 따른 상대밀도를 나타낸 것이고,
도 5는 1차 소결을 거쳐 2차 소결이 된 산질화알루미늄 시편들의 x값에 따른 200~2500 nm의 영역에 걸친 직선광투과율의 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 6은 1차 소결을 거쳐 2차 소결이 된 산질화알루미늄 시편들의 파단면을 주사전자현미경(배율: 1,500배)으로 관찰한 사진이고,
도 7은 x값이 2.5로 고정되고, 1625℃에서 1725℃까지 온도를 달리해서 10시간 1차 소결만 된 시편들의 파단면을 주사전자현미경(배율: 10,000배)으로 관찰한 사진이고,
도 8은 x값이 2.5로 고정되고, 1600℃에서 1725℃까지 온도를 달리해서 10시간 1차 소결만 된 시편들의 X선 회절패턴에서 정량분석한 결과로서, AlON, Al2O3 그리고 AlN상의 부피 분율을 나타낸 것이고,
도 9는 x값이 2.5일 때, 1차 소결 유지 시간을 1 시간에서 10 시간까지 변화시킴에 따라 변하는 1차 소결 후의 파단면 미세구조를 나타낸 것이고,
도 10은 x값에 따라 그리고 소결첨가제로 MgO의 첨가 유무에 따라, 1차 소결에서의 유지 시간에 따라 변하는 가시광선 투과율을 나타낸 것이고,
도 11은 소결첨가제 MgO의 양에 따라 변하는 200에서 2500 nm 파장 범위에서의 직선광투과율을 나타낸 것이고,
도 12는 소결첨가제 MgO의 양에 따르는 632 nm 파장광의 직선투과율 변화를 나타낸 것이고,
도 13은 1차 소결을 거쳐 2차 소결이 되었으나, 2차 소결 시간이 2시간과 5시간으로 서로 다른 산질화알루미늄 시편들의 가시광선 투과율을 비교한 것이고,
도 14는 x값에 따른 산질화알루미늄 시편들의 결정립 크기와 비커스 경도를 나타낸 것이고,
도 15는 시편의 두께에 따라 변하는 632 nm 파장광의 직선투과율을 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a photograph taken in order to compare transparency of aluminum nitride ceramic specimens subjected to the second sintering without first sintering and second sintered specimens after the first sintering.
FIG. 2 is a graph comparing the visible light transmittance according to the x value of the aluminum nitride ceramic specimens having only the second sintering without the first sintering and the second sintered specimens after the first sintering,
3 is a photograph of a fracture section of a specimen having a different x value, which was subjected to a first sintering, under a scanning electron microscope (magnification: 10,000 times)
4 shows the relative density according to the x value of the aluminum oxynitride specimen subjected to the first sintering at 1660 ° C for 10 hours,
5 shows a spectrum of a linear light transmittance over a range of 200 to 2500 nm according to the x value of the aluminum oxynitride specimens subjected to the first sintering and the second sintering,
6 is a photograph of a fractured section of aluminum oxynitride specimens subjected to the first sintering and subjected to the second sintering with a scanning electron microscope (magnification: 1,500 times)
FIG. 7 is a photograph of a specimen having an x value fixed to 2.5 and having a temperature of 1625 ° C to 1725 ° C for 10 hours and having a first sintering, and observing a broken section thereof with a scanning electron microscope (magnification: 10,000 times)
8 is a result of the x value is fixed to 2.5, quantitative analysis in the X-ray diffraction pattern of by varying the temperature at 1600 ℃ to 1725 ℃ that only 10 hours a primary sintered sample, AlON, Al 2 O 3 and AlN on the Volume fraction,
9 shows the fracture microstructure after the first sintering, which varies with the change of the primary sintering holding time from 1 hour to 10 hours when the x value is 2.5,
FIG. 10 shows the visible light transmittance depending on the x value and the presence or absence of MgO added as the sintering additive,
11 shows the linear light transmittance in the wavelength range of 200 to 2500 nm, which varies depending on the amount of sintering additive MgO,
Fig. 12 shows the linear transmittance change of 632 nm wavelength light according to the amount of sintering additive MgO,
13 shows the results of comparing the visible light transmittances of the different oxynitride aluminum specimens with the second sintering time of 2 hours and 5 hours although the second sintering was performed through the first sintering,
14 shows the grain size and Vickers hardness of the oxynitride aluminum specimens according to the x value,
Fig. 15 shows the linear transmittance of 632 nm wavelength light which varies with the thickness of the specimen.

이하, 본 발명에 따라 공정 조건을 다양하게 변화시켜 산질화알루미늄 세라믹을 제조한 실시예들을 근거로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on embodiments in which an aluminum oxynitride ceramic is produced by variously changing process conditions according to the present invention. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

소결첨가제로 사용된 Y2O3은 0.08 중량%, MgO는 0.15 중량%로 고정시키되, AlN의 몰비를 18.2%(x=2.0)에서 35.7%(x=5.0)까지 변화시키면서 산질화알루미늄을 제조하였다. 2개의 주원료인 Al2O3과 AlN 간의 실제 첨가량은 AlN 분말에 표면의 산화로 인해 함유된 산소량(약 1 중량%)과 볼밀공정 중 Al2O3 볼의 마모량을 고려하여 x값에서 계산되었다. 이러한 원료 분말들과 소결첨가제를 폴리우레탄 용기에서 에틸알코올을 용매로 고순도 Al2O3 볼을 사용하여 48시간 동안 밀링한 다음 회전증발건조기를 사용하여 건조시켰다. 건조된 분말은 건식일축프레스를 사용하여 직경 20 mm, 두께 3 mm의 디스크로 성형시킨 후, 이를 275 MPa로 냉간등압성형(cold isostatic pressing) 하였다. 디스크 시편은 고온전기로에서 1 기압의 질소 분위기에서 소결되었으며, 1차 소결은 1660℃에서 10시간, 그리고 2차 소결은 1970℃에서 2시간 유지시켰다. 승온 속도는 1500℃까지는 분당 20℃, 이를 초과하는 온도에서는 분당 10℃이었으며, 냉각속도는 분당 20℃이었다. 2차 소결된 시편들은 양면을 평평하게 연삭한 후 실험용 표면연마기를 사용하여 양면에 대해 3 μm 크기의 다이아몬드 페이스트로 표면 연마되었으며, 최종 시편의 두께는 약 1.5 mm이었다. 연마된 시편들의 직선광투과율은 Varian Spectrophotometer(Carry 500)을 이용하여 200 nm에서 2500 nm의 파장범위에서 각 시편별로 측정하였다.Al 2 O 3 was produced by changing the molar ratio of AlN from 18.2% (x = 2.0) to 35.7% (x = 5.0) while the Y 2 O 3 used as the sintering additive was fixed to 0.08 wt% and MgO was set to 0.15 wt% Respectively. The actual addition amount between the two main ingredients Al 2 O 3 and AlN was calculated from the x value considering the amount of oxygen (about 1 wt%) contained in the AlN powder due to oxidation of the surface and the amount of wear of the Al 2 O 3 ball in the ball mill process . These raw powders and sintering additive were milled in a polyurethane container using ethyl alcohol as a solvent for 48 hours using a high purity Al 2 O 3 ball and dried using a rotary evaporator. The dried powder was formed into a disk having a diameter of 20 mm and a thickness of 3 mm using a dry uniaxial press, and then cold isostatic pressing was performed at 275 MPa. The disk specimens were sintered in a high temperature electric furnace under a nitrogen atmosphere of 1 atm. The first sintering was maintained at 1660 ℃ for 10 hours and the second sintering was maintained at 1970 ℃ for 2 hours. The rate of temperature rise was 20 ° C per minute for temperatures up to 1500 ° C, 10 ° C per minute for temperatures above that, and the cooling rate was 20 ° C per minute. The second sintered specimens were polished on both sides with a 3 μm diamond paste on both sides using an experimental surface grinder after flattening both sides and the thickness of the final specimen was about 1.5 mm. The linear light transmittance of the polished specimens was measured using a Varian Spectrophotometer (Carry 500) for each specimen in the wavelength range from 200 nm to 2500 nm.

도 1은 이와 같이 제조된 1차 소결 없이 2차 소결만 된 산질화알루미늄 세라믹 시편들과 1차 소결을 거친 후 2차 소결된 시편들의 투명도를 비교할 수 있도록 x값에 따라 배열하여 촬영한 사진으로서, 1차 소결을 거치지 않으면 특히 x값이 높을수록 투명도가 명확히 낮았다. FIG. 1 is a photograph of the aluminum oxide ceramic specimens having the second sintering without the first sintering prepared in this manner and arranged in accordance with the x value so that the transparency of the second sintered specimen after the first sintering can be compared , The transparency was clearly lower as the x value was higher, unless the first sintering was carried out.

도 2는 x값에 따른 632nm 파장광의 직선투과율을 1차 소결의 유무로 비교하여 나타낸 것으로서, 1차 소결 없이 2차 소결만 된 시편들의 투과율은 특히 x값이 높을수록 1차 소결을 거쳐 2차 소결된 시편들에 비해 현저히 낮았다. x값이 5.0(35.7 몰%의 AlN)일 때는 두 종류의 시편 모두 투과도가 0.5% 미만이었고, x값이 감소함에 따라 두 종류의 시편들 모두 투과율이 크게 증가하다가 x값이 2.25(20.0 몰%의 AlN)에서 최고점에 달하고 2.0에서는 다시 다소 감소하였다. 특히 1차 소결을 거쳤을 때 x값이 2.25에서 가장 높은 80% 이상의 투과율을 얻었고 2.5에서는 약간 낮았으나 여전히 80%에 근접할 정도로 높았다. 이와 비교하여, 종래 기술에서 일반적으로 사용해온 35.7 몰%(5.0의 x값) 또는 30 몰%(3.9의 x값)의 AlN 조성을 사용한다면 각각 0.5% 미만 또는 약 45%의 투과율을 얻는데 불과하다.FIG. 2 shows the comparison of the linear transmittance of 632 nm wavelength light according to x value with the presence or absence of the first sintering. The transmittance of the second sintered specimen without the first sintering is higher than that of the second Which was significantly lower than that of sintered specimens. When the x value was 5.0 (35.7 mol% AIN), the transmittance of both specimens was less than 0.5%. As the value of x decreased, the transmittance of both specimens increased significantly and the value of x was 2.25 (20.0 mol% Of AlN), and decreased again at 2.0. Especially, when the first sintering was carried out, the transmittance of 80% or more, which is the highest value of x value, was obtained at 2.25 and was slightly lower at 2.5, but still close to 80%. In comparison, if an AlN composition of 35.7 mol% (x value of 5.0) or 30 mol% (x value of 3.9), which is generally used in the prior art, is used, the transmittance is only 0.5% or about 45%, respectively.

도 3은 1차 소결만 된 시편의 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진으로서, x값이 낮을수록 즉 AlN의 함량이 적을수록 1차 소결 후 기공이 적고 또 그 크기도 작게 나타났다. 이는 Al2O3와 AlN의 복합 분체는 AlN의 함량이 많아지면 복합 분체의 소결성이 감소하기 때문이다. 또한 1차 소결의 온도가 1650℃일 때부터 산질화알루미늄의 생성이 시작되어 1650℃에서 10시간 뒤에는 부피비 6 내지 10% 정도가 되며, 이는 Al2O3와 AlN의 감소를 가져온다. 이렇게 1차 소결 중에 생성되는 산질화알루미늄상은 AlN이 많으면 조금 더 많이 생기며, AlN과 마찬가지로 1차 소결 중에 치밀화를 방해하기 때문에, 결과적으로 x값이 크면 즉 AlN이 많으면 Al2O3과 AlN 복합 분체의 1차 소결에서의 소결성이 떨어지는 것에는 변함이 없다. 또한 1차 소결의 온도가 1675℃보다 높아지면 소결 중 산질화알루미늄 상이 급격히 많이 생성되어, 치밀화가 어려웠으며, 따라서 2차 소결 후에도 투명도가 저하되었다. FIG. 3 is a photograph of the fracture surface of the first sintered specimen observed with a scanning electron microscope. As the x value is lower, that is, as the content of AlN is smaller, the pore size after the first sintering is smaller and the size is smaller. This is because the composite powder of Al 2 O 3 and AlN has a reduced sinterability of the composite powder when the content of AlN is increased. The production of aluminum oxynitride starts at the temperature of the first sintering at 1650 ° C., and after 10 hours at 1650 ° C., the volume ratio is about 6 to 10%, which leads to a reduction of Al 2 O 3 and AlN. As a result, when the x value is large, that is, when the amount of AlN is large, the Al 2 O 3 and the AlN composite powder The sintering property in the first sintering of the sintered body is not deteriorated. In addition, if the temperature of the first sintering is higher than 1675 ° C, a large amount of aluminum oxynitride is generated during the sintering, which makes it difficult to make the sintered compact densely.

도 4는 도 2의 시편들과 같이 1차 소결만 된 시편들의 x값에 따라 변하는 상대밀도를 나타낸 것으로서, x값이 2.5보다 커지면 상대밀도가 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 이러한 1차 소결 밀도는 이후 2차 소결 후의 소결밀도 또는 기공도에 영향을 미치게 된다. 도 2와 같이, x값이 2.25 내지 2.5에서 투과율이 가장 높은 것은, 상기한 바와 같이 1차 소결에서 높은 밀도 즉 적은 기공률과 작은 기공을 가지게 되고 이러한 작은 기공들은 2차 소결에서 거의 제거될 수 있었기 때문이다. 반면, x값이 3.0 특히 3.5 이상에서는 1차 소결 후의 높은 기공율의 큰 기공들이 2차 소결 중에 모두 제거되지 않았다. FIG. 4 shows relative densities depending on the x values of the first sintered specimens as in the specimens of FIG. 2. When the x value is larger than 2.5, the relative density is remarkably decreased, and the first sintered density Will influence the sintering density or porosity after the second sintering. As shown in FIG. 2, the highest transmittance at an x value of 2.25 to 2.5 is that the first density sintering has a high density, that is, a small porosity and small pore size as described above, and these small pores can be almost removed from the second sintering Because. On the other hand, when x value was 3.0 or more, especially 3.5 or more, large pores with high porosity after the first sintering were not removed during the second sintering.

도 5는 1차 소결과 2차 소결을 거친, x값을 달리 하는 산질화알루미늄 시편들의 200 nm 내지 2500 nm 파장 범위에서의 직선광투과율을 나타낸 것으로서, x값이 2.25나 2.5일 때 가시광선 파장의 거의 전 영역에서 80% 내외의 높은 투과율을 나타내었다. 특히 x값이 2.5 보다 크면 가시광선 투과율이 저하하며 3.5부터는 크게 감소하였다.Fig. 5 shows the linear light transmittance of the oxynitride aluminum specimens having different x values after the first sintering and the second sintering in the wavelength range of 200 nm to 2500 nm. When the x value is 2.25 or 2.5, the visible light wavelength And the transmittance was about 80% in almost the entire region of FIG. Especially, when x value is larger than 2.5, the visible light transmittance decreases and it decreases greatly from 3.5.

도 6은 1차 소결과 2차 소결을 거친 산질화알루미늄 시편들의 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진들로서, x값이 2.0에서는 사진 좌측 결정립의 입내 파단면이 울퉁불퉁한 것이 보이며, 이는 x값이 2.25 또는 그 이하에서 이차상인 φ'-AlON상이 생성되었기 때문이다. 이러한 이차상은 x선-회절패턴으로도 확인이 되었으며, 도 3에서의 x값이 2.0일 때 투과율이 다소 감소하는 원인이 되었다. x값 2.25에서도 이차상이 약간이나마 발견되었으나, 2.5보다 소결성이 높아서 결과적으로는 광투과율이 2.25에서 가장 높았다. x값이 2.5 또는 그 이하일 때는 시편에서 기공을 발견하기 어려웠고, x값이 3.0 이상으로 높으면 특히 결정립 안에 미세 기공들이 관찰되었다. 기공들은 x값이 증가함에 따라 더욱 많아졌고, 투과율을 크게 감소시켰으며, 이와 같은 결정립 내 미세기공들은 1차 소결 후에 소결성이 낮은 AlN의 함량이 높아서 생긴 많은 큰 기공들이 2차 소결 중에 모두 제거가 되지 않고 결정립 내로 들어가서 잔존하게 된 것들이다.FIG. 6 is a photograph of a fractured section of aluminum oxynitride specimens subjected to the first sintering and the second sintering with a scanning electron microscope. At an x value of 2.0, the grain boundary of the left grain was uneven, And the second phase of the? '-AlON phase is generated at 2.25 or less. This second phase was also confirmed by the x-ray diffraction pattern, and when the x value in FIG. 3 was 2.0, the transmittance was somewhat reduced. At the x value of 2.25, a slight secondary phase was found, but the sinterability was higher than 2.5, resulting in the highest light transmittance at 2.25. When the x value was 2.5 or less, it was difficult to find the pores in the specimen. When the x value was higher than 3.0, micropores were observed particularly in the crystal grains. As the x value increases, the porosity is greatly increased and the permeability is greatly reduced. The micropores in the crystal grains have a large amount of AlN which is low in sinterability after the first sintering, so that many large pores are removed during the second sintering But they have not yet entered the crystal grains and have remained.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

1600℃에서 1725℃까지 온도를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 1차 소결만을 한 시편들을 제조하였다.The specimens were subjected to the first sintering only in the same manner as in Example 1, except that the temperature was changed from 1600 ° C to 1725 ° C.

도 7은 1625℃에서 1725℃까지 온도를 달리 한 시편들의 파단면 사진들을 나타낸 것으로, 1차 소결을 10 시간 한 후, 1650℃의 밀도가 가장 높은 것으로 나타나며, 1675℃ 이상에서는 기공율이 오히려 크게 증가하였다. 이는 Al2O3와 AlN가 반응하여 산질화알루미늄으로 상변태가 일어나고 산질화알루미늄은 그 온도에서는 소결이 느리기 때문이다. FIG. 7 shows fractured cross-sectional images of the specimens having different temperatures from 1625 ° C to 1725 ° C. After 10 hours of the first sintering, the highest density was observed at 1650 ° C, and at 1675 ° C or higher, Respectively. This is because Al 2 O 3 reacts with AlN to cause phase transformation to aluminum oxynitride, and aluminum oxynitride sintering is slow at that temperature.

도 8은 1차 소결 온도를 1600℃에서 1725℃까지 온도를 달리 한 시편들에 대해 X선 회절패턴에 나타나는 상들을 정량 분석한 결과로서, AlON, Al2O3, 그리고 AlN 상의 부피 비율이 나타나 있다. 1650℃에서 10시간 후에는 산질화알루미늄 상으로의 상변태가 많이 진행되어 AlON 상이 주 상이 되었으며, 이 온도에서는 치밀화와 상변태가 같이 일어나나 Al2O3가 상대적으로 많이 남아 있을 때 치밀화가 완료되는 것으로 사료된다. 1675℃에서는 상변태가 완료되어 AlON 상만이 남아 있으며, 이 경우는 상변태가 치밀화가 되기 전에 너무 빨리 일어나서 도 7에 나타난 바와 같이 치밀화가 잘 되지 않고 기공이 많이 남았다. 따라서, 상변태가 너무 많이 일어나기 전에, 즉 Al2O3가 많이 남아 있을 때, 1차 소결을 하여 가능한 상대밀도를 높이는 즉 기공을 제거하는 것이 중요하다. 온도가 1600℃ 내지 1625℃에서는 10 시간 후에도 Al2O3 상이 거의 남아 있으나, 낮은 온도로 인해 소결이 상대적으로 느릴 것이며, 따라서 이 온도에서는 상대적으로 더 오랜 시간 1차 소결을 하여 기공을 제거하여야 한다.FIG. 8 is a result of quantitative analysis of X-ray diffraction patterns of specimens having different primary sintering temperatures ranging from 1600 ° C. to 1725 ° C. The volume ratios of AlON, Al 2 O 3 and AlN phases are shown in FIG. have. After 10 hours at 1650 ° C, phase transformation to aluminum oxynitride phase was much progressed and AlON phase became main phase. At this temperature, densification and phase transformation coincided, but the densification was completed when Al 2 O 3 remained relatively large . At 1675 ° C, the phase transformation was completed and only the AlON phase remained. In this case, the phase transformation occurred too early before the densification became densified and the densification did not work well and many pores remained, as shown in Fig. Therefore, it is important to perform primary sintering to increase possible relative density, that is, to remove pores, before phase transformation occurs too much, that is, when a large amount of Al 2 O 3 remains. At a temperature of 1600 캜 to 1625 캜, even after 10 hours, Al 2 O 3 Phase will remain, but the sintering will be relatively slow due to the low temperature, so at this temperature, the pores should be removed by a first sintering for a relatively longer time.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

1차 소결 온도는 1640℃이었고, 유지 시간은 1 내지 10 시간으로 변화시켰으며, 소결첨가제로서 MgO와 Y2O3를 모두 포함시키거나 Y2O3만 포함시킨 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 산질화알루미늄 세라믹 시편들을 제조하였다.Was the primary sintering temperature is 1640 ℃, holding time 1 was varied to 10 hours, as a sintering additive to include all of the MgO and Y 2 O 3 or Y 2 O 3 only on and is carried out, except that the inclusion Example 1 Aluminum oxide ceramic specimens were prepared.

도 9는 x값이 2.5였고, MgO와 Y2O3를 모두 포함시킨 시편들의 1차 소결 유지 시간을 1 시간에서 10 시간까지 변화시킴에 따라 변하는 1차 소결 후의 파단면 미세구조를 나타낸 것으로, 유지 시간이 짧았을 때는 기공율이 높았으며 10 시간까지 지속적으로 상대밀도가 높아졌다. 따라서 이러한 1차 소결 온도에서 높은 상대밀도를 얻기 위해서는 10 시간의 충분한 유지가 필요하다. FIG. 9 shows the fracture microstructure after the first sintering, which varies with the first sintering holding time of the samples including both MgO and Y 2 O 3 ranging from 1 hour to 10 hours, When the holding time was short, the porosity was high and the relative density was continuously increased until 10 hours. Therefore, sufficient maintenance of 10 hours is required to obtain a high relative density at this first sintering temperature.

도 10은 x값에 따라 그리고 소결첨가제로 MgO가 포함되었는지에 따라, 1차 소결에서의 유지 시간에 따라 변하는 632 nm 파장광의 직선투과율을 나타낸 것으로, MgO가 같이 포함된 시편들은 Y2O3만 포함된 시편들보다 투과율이 항상 높았으며, Y2O3만 포함된 시편들도 두 가지가 모두 포함된 시편들처럼 x값이 4.5에서 2.5로 감소할수록 투과율이 크게 증가하였다. 또한 1차 소결의 유지 시간이 2시간일 때는 x값 2.5에서 투과율이 80.8%였고, 유지 시간이 증가하면서 점차 증가하여 유지 시간이 10시간일 때는 1970℃에서 2시간만의 2차 소결 후에 83.3%의 매우 높은 투과율이 얻어졌다. 이는 같은 x값을 가져도 1차 소결 후의 상대밀도가 높으면 투과율이 더 높다는 것을 알려 준다. 따라서 x값이 똑같이 2.5이더라도, 2차 소결 중에는 산질화알루미늄 내의 빈자리가 많아서 소결성이 높아지지만, 1차 소결 후의 밀도가 충분히 높지 않으면, 즉 기공율이 높으면, 2차 소결 중에 이러한 기공들의 완전한 제거가 어려워진다. 따라서, x값이 2.5(21.7 몰%의 AlN)로 낮으면서, 1차 소결 중 Al2O3의 함량이 많아서 높은 소결성으로 1차 소결 후 상대밀도가 높을수록 높은 광투과율을 얻는다.10 shows the linear transmittance of the 632 nm wavelength light depending on the x value and MgO in the first sintering depending on whether or not MgO was included in the sintering additive. In the case of MgO-containing specimens, Y 2 O 3 The transmittance was always higher than that of the included specimens. The transmittance of specimens containing only Y 2 O 3 increased significantly as the x value decreased from 4.5 to 2.5, as in the specimens containing both specimens. When the retention time of the first sintering was 2 hours, the transmittance was 80.8% at x value 2.5, and gradually increased with increasing retention time. When the retention time was 10 hours, 83.3% A very high transmittance was obtained. This indicates that the higher the relative density after the first sintering, the higher the transmittance, even with the same x value. Therefore, even if the x value is equal to 2.5, the sinterability is increased due to the presence of vacancies in the aluminum oxynitride during the second sintering. However, if the density after the first sintering is not sufficiently high, that is, if the porosity is high, Loses. Therefore, the higher the relative density after the first sintering due to the high sinterability due to the high content of Al 2 O 3 in the first sintering while the x value is as low as 2.5 (21.7 mol% AIN), the higher the light transmittance is obtained.

<실시예 4><Example 4>

소결첨가제로서 Y2O3은 0.08 중량%를 포함하면서 MgO의 양을 0 내지 0.5 중량%까지 변화시키고, 1차 소결이 1650℃에서 10시간 행해지고, x값을 2.5로 고정시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 1차 소결을 거치고 2차 소결이 된 산질화알루미늄 세라믹 시편들을 제조하였다.Except that Y 2 O 3 as a sintering additive was contained in an amount of 0.08% by weight while the amount of MgO was changed from 0 to 0.5% by weight, primary sintering was carried out at 1650 ° C. for 10 hours, and the x value was fixed at 2.5 Aluminum oxynitride ceramic specimens were sintered in the same manner as in Example 1 and subjected to secondary sintering.

도 11은 첨가된 MgO의 양에 따라 변하는 200에서 2500 nm 파장 범위에서의 직선광투과율을 나타내며, 또한 도12 MgO의 첨가량에 따르는 투과율의 경향을 나타낸 것이다. MgO가 포함되지 않은 시편은 78.9%이었고, MgO를 0.05 중량%로 첨가하면 79.3%로 매우 미약한 증가를 보였으며, 0.15 중량%로 첨가하였을 때 투과율이 83.0%로 가장 높았다. 한편, 0.3 중량%에서는 투과율이 현저히 감소하였으며, 0.5 중량%에서는 MgO가 전혀 첨가되지 않은 시편보다도 투과율이 오히려 크게 낮았다. X선 회절분석이나 미세구조 관찰에 의하면, 적어도 0.3 중량%까지의 소량의 MgO 첨가는 Mg-스피넬과 같은 이차상을 석출하지 않았다. Mg의 산질화알루미늄에 대한 고용 한계는 1870℃에서 4000 ppm 이상으로 알려져 있으며(Solubility Limits of La and Y in Aluminum Oxynitride at 1870℃, J. Am. Ceram. Soc., 91 [5] (2008)), 따라서 0.5 중량%부터는 고용 한계를 벗어날 수도 있다. 이러한 MgO의 효과는 산화질알루미늄의 Mg 고용 한계 내에서만 나타나며, 이는 일반적으로 고용 한계를 벗어나서 이차상이 석출되면 소결성 또는 투과도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 이러한 고용 한계 내의 MgO의 AlON 소결에서의 역할은, Al2O3 소결의 마지막 단계에서 비정상결정립 성장을 막아서 기공을 계속 제거할 수 있게 해주는 MgO 효과와 유사할 수 있다. 따라서, MgO의 첨가는 2차 소결 즉 상대밀도가 이미 95%를 훨씬 넘은 AlON 상에서 결정립 성장이 빨리 일어나는 단계에서 기공을 계속 제거하는 데에 효과가 있을 것으로 사료된다. 그럼에도 불구하고, 0.15 중량%에서 최고 투과율을 보였다가 3.0 중량% 이상으로 증가하면, 여전히 고용 한계 내인데도 투과율이 감소하는 것은 특이한 현상이다. 또한 상기한 바와 같이, 국제공개특허 제08/047955호에서는 AlN 함량이 35 몰%에 고정되었을 때의 MgO 효과를 개시하였는데, 본 발명에서와 같이 이보다 훨씬 낮은 AlN 몰비까지 넓은 범위로 동일한 경향의 투과율 증진 효과를 보이는 것 역시 흥미로운 새로운 현상이다.Fig. 11 shows the linear light transmittance in the wavelength range of 200 to 2500 nm which varies depending on the amount of MgO added, and Fig. 12 shows the tendency of the transmittance according to the addition amount of MgO. The content of MgO was 78.9%. When MgO was added at 0.05 wt%, it was 79.3%. The addition of 0.15 wt% showed the highest transmittance of 83.0%. On the other hand, the transmittance was remarkably decreased at 0.3 wt%, and at 0.5 wt%, the transmittance was lower than that of the sample not containing MgO at all. According to X-ray diffraction analysis and microstructure observation, a small amount of MgO added of at least 0.3 wt% did not precipitate a secondary phase such as Mg-spinel. The solubility limit of Mg for aluminum oxynitride is known to be 4000 ppm or more at 1870 ℃ (Solubility Limits of La and Y in Aluminum Oxynitride at 1870 ℃, J. Am. Ceram. Soc., 91 [5] , So from 0.5 wt.% It may exceed the solubility limit. This effect of MgO occurs only within the Mg solubility limit of aluminum oxalate because it can reduce sinterability or permeability if the secondary phase precipitates out of the solubility limit. The role of MgO in AlON sintering at these solubility limits may be similar to the MgO effect, which allows the continuous removal of pores by preventing abnormal grain growth at the final stage of Al 2 O 3 sintering. Therefore, the addition of MgO seems to be effective for the secondary sintering, that is, to continuously remove the pores at the stage where the grain growth rapidly occurs on the AlON already having a relative density exceeding 95%. Nonetheless, it is a peculiar phenomenon that when the transmittance is increased from 0.15% by weight to 3.0% by weight or more, the transmittance decreases even though it is still within the employment limit. As described above, WO 08/047955 also discloses the MgO effect when the AlN content is fixed at 35 mol%. In the present invention, as in the present invention, the same tendency of transmittance It is also an exciting new phenomenon that promoting effect.

<실시예 5>&Lt; Example 5 >

2차 소결을 시간을 늘려서 1970℃에서 5시간 행해진 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 1차 소결을 거친 산질화알루미늄 세라믹 시편들을 제조하였다.The first sintered aluminum oxalate ceramic specimens were prepared in the same manner as in Example 1, except that the second sintering was performed at 70 ° C for 5 hours.

도 13은 이와 같이 제조된 산질화알루미늄 세라믹 시편들의 x값에 따른 632nm 파장광의 직선투과도를, 도 2의 역시 1차 소결을 거치고 2차 소결이 되었으나 2차 소결 시간이 2시간으로 짧았던 시편들의 직선투과도와 비교하여 나타낸 것이다. 2차 소결 시간이 길어지면 기공들이 더욱 작아지거나 제거될 뿐만이 아니라 결정립 성장이 더 일어나서 결정립계에서의 광 산란이 적어지면서 투과율이 증가하게 된다. 따라서 5시간 시편들은 2시간 시편들보다 전체적으로 투과도가 높았다. 또한, x값에 따르는 투과도는 서로 같은 경향을 보여서, 2.25와 2.5일 때 가장 높은 투과도를 보였으며, 다만 최종 소결이 5시간일 때는 2.5 시편이 2.25 시편보다 투과도가 더 높았다. 이는 2.25 시편에 더 많이 생성된 φ'-AlON 이차상이 원인일 것이다. 13 shows the linear transmittance of the 632 nm wavelength light according to the x value of the aluminum oxalate ceramic specimens prepared in this way and the straightness of the specimens after the first sintering and the second sintering in FIG. In comparison with the transmittance. When the second sintering time is prolonged, the pores are not only reduced or removed, but also the grain growth is further increased, so that the light scattering in the grain boundaries is reduced and the transmittance is increased. Therefore, the 5-hour specimens showed higher overall permeability than the 2-hour specimens. Also, the transmittances according to x values showed the same tendency, and the highest transmittance was observed at 2.25 and 2.5, respectively. However, at 5 hours of final sintering, 2.5 samples showed higher permeability than 2.25 samples. This may be due to the more generated φ'-AlON secondary phase in the 2.25 specimen.

이와 같이 비교적 낮은 최종 소결 온도인 1970℃에서 5 시간만의 소결로 x값이 2.5일 때 632 nm 파장광의 직선투과율이 84.9%로 매우 높았으며, 이는 굴절률에 따르는 산질화알루미늄의 표면 반사를 고려하면 이론 직선투과도의 99% 이상에 달하는 것이며, 단결정인 사파이어의 투과율에 육박한다.The linear transmittance of 632 nm wavelength light was very high at 84.9% when the sintering furnace x value of 2.5 hours at 1970 ℃, which is a relatively low final sintering temperature, was 2.5, considering the surface reflection of aluminum oxynitride with refractive index Reaching 99% or more of the theoretical linear transmittance and approaching the transmittance of sapphire which is a single crystal.

도 14는 이와 같은 시편들에 대해 2.94 N의 하중으로 측정한 비커스 경도와 평균결정립 크기를 나타낸 것으로, 결정립 크기는 x값이 클수록, 소결 중 상대적으로 많은 기공의 영향으로 작아졌다. x값이 2.5일 때는 16.1 GPa로서 알려진 AlON의 비커스 경도와 비슷하나, x값이 감소하면 2.25에서 17.7 GPa, 그리고 2.0에서 17.9 GPa로 크게 증가하였다. 이는 x값이 2.25부터 생성되는 φ'-AlON 이차상이 원인일 것으로 사료된다. x값이 2.5보다 커도 경도가 다소 증가하나, 이는 결정립 크기가 작아져서 증가하는 것으로 추정되며, 최종 소결 온도 및 시간에 따라 투명도가 크게 감소할 수도 있다. φ'-AlON 이차상도 투명도를 다소 감소시키나, 경도를 크게 높이므로, 2.25의 매우 낮은 x값을 가지는 AlON은 투명도도 81% 이상으로 높으면서도 높은 경도 또는 내마모성을 지니는 유용한 투명 세라믹이 될 수 있다. 이는 산질화알루미늄의 제조방법에 상관없이, 즉 Al2O3와 AlN의 혼합분체를 반응소결하거나, 합성된 AlON 분말을 사용하여 소결을 거쳐 제조하거나, x값이 2.25의 내외로 낮으면 φ'-AlON 이차상이 생성되어 경도가 증진된다. FIG. 14 shows the Vickers hardness and the average grain size measured at a load of 2.94 N for these specimens. The larger the x value, the smaller the grain size under the influence of the relatively large pores during sintering. When x value is 2.5, it is similar to Vickers hardness of AlON which is known as 16.1 GPa, but when x value decreases, it increases greatly from 2.25 to 17.7 GPa and from 2.0 to 17.9 GPa. This is probably due to the φ'-AlON secondary phase with an x value of 2.25. If the x value is larger than 2.5, the hardness is increased somewhat, but it is presumed that the grain size decreases and the transparency may be greatly reduced depending on the final sintering temperature and time. AlON having a very low x value of 2.25 can be a useful transparent ceramic having a high degree of transparency of 81% or more and a high hardness or abrasion resistance because the? '-AlON secondary phase slightly reduces the transparency but greatly increases the hardness. That is to say, regardless of the production method of aluminum oxynitride, that is, when a mixed powder of Al 2 O 3 and AlN is reacted or sintered using the synthesized AlON powder, or when the x value is low to 2.25 or less, -AlON secondary phase is generated and the hardness is increased.

<실시예 6>&Lt; Example 6 >

1차 소결은 1650℃에서 10시간, 2차 소결은 1950℃에서 7시간 또는 20시간 행해졌으며, x값을 2.5로 고정시키고 시편의 두께를 0.75 mm에서 5 mm까지 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 1차 소결을 거치고 2차 소결이 된 산질화알루미늄 세라믹 시편들을 제조하였다.The first sintering was carried out at 1650 캜 for 10 hours, the second sintering at 1950 캜 for 7 hours or 20 hours, the x value was fixed at 2.5, and the thickness of the specimen varied from 0.75 mm to 5 mm. 1, the sintered aluminum oxynitride ceramic specimens were prepared by sintering and sintering.

도 15는 0.75 mm에서 5 mm까지의 시편 두께에 따라 변하는 632 nm 파장광의 직선투과율을 나타낸 것으로, 두께가 얇을수록 투과율이 증가하는 것을 나타낸다. 비교적 낮은 온도인 1950℃에서 7 시간 소결되었음에도 불구하고 약 2 mm까지는 투과율이 80%를 상회하는 것으로 나타났다. 그러나 두께가 증가하면 80% 이하로 크게 감소했으며, 따라서 매우 높은 투과율을 위해서나, 두께가 큰 응용에서는 최종 소결 온도을 높이거나 소결 시간을 늘리면 된다. 두께가 두꺼워지면 광이 산란되는 기공 숫자가 증가하고, 또한 광이 만나서 산란되는 다결정 입계 숫자의 증가가 투과율 감소의 주원인이 된다. 최종 소결 온도를 높이거나 소결 시간을 늘리면 투과율이 증가하며, 이는 기공도 감소하지만, 결정립 성장도 더 일어나서 입계가 적어지기 때문이다.Fig. 15 shows the linear transmittance of 632 nm wavelength light varying from 0.75 mm to 5 mm depending on the thickness of the specimen. The thinner the thickness, the higher the transmittance is. Despite the sintering at 1950 ° C for 7 hours, the transmittance was more than 80% up to about 2 mm. However, as the thickness increases, it is greatly reduced to less than 80%, so for high transmissivity, or for thick applications, increase the final sintering temperature or increase the sintering time. When the thickness is increased, the number of pores in which light is scattered increases, and the increase in the number of polycrystalline grain boundaries scattered by the light becomes a main cause of decrease in transmittance. As the final sintering temperature is increased or the sintering time is increased, the transmittance is increased. This is because the porosity is decreased, but the grain growth is further increased and the grain size is decreased.

그러나, 도 6의 파단면 미세구조에 나타난 바와 같이, x값이 3.5 (28 몰%의 AlN) 또는 그 이상이면 미세 기공이 결정립 내에 존재하며, 세라믹 소결 중 이러한 입계에서 멀리 있는 입내 기공은 계속되는 소결로도 제거가 힘들다는 것이 잘 알려져 있다. 즉, x값이 크면, 최종 소결 온도를 높이거나 시간을 늘려서 투과도를 향상시키는 데 한계가 있다. 따라서 높은 투과율을 얻는 데 충분히 낮은 x값은 결정적으로 중요하며, 물론 앞서 설명한 바와 같이, Al2O3와 AlN 혼합 분체의 반응소결로 투명한 산질화알루미늄을 제조하기 위해서는 1650℃ 내외에서의 충분한 1차 소결이 수반되어야 한다. 이와 더불어 고용 한계 내 비교적 좁은 범위의 0.15 중량% MgO의 첨가 역시 높은 투과율을 얻는 데 매우 중요하다.However, as shown in Fig. 6, when the x value is 3.5 (28 mol% of AlN) or more, micropores exist in the crystal grains, and during the ceramic sintering, It is well known that removal is difficult. That is, when the value of x is large, there is a limit in increasing the final sintering temperature or increasing the permeability by increasing the time. Therefore, the x value sufficiently low to obtain a high transmittance is crucially important. Of course, as described above, in order to produce transparent oxynitride by reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powder, sufficient primary Sintering must be accompanied. In addition, the addition of a relatively narrow range of 0.15 wt.% MgO in the employment limit is also very important for obtaining high transmittance.

상기 1차 소결은 Al2O3와 AlN 혼합 분체의 반응소결로 투명한 산질화알루미늄을 제조하기 위하여 적용되나, 2.5 내외의 작은 x값의 중요성은 Al2O3와 AlN 혼합 분체의 반응소결 뿐만 아니라 AlON 분말을 합성한 후 이를 소결할 때도 크게 도움이 될 수 있다. 1차 소결이 없이 소결하게 되면, 시간당 600℃로 빠른 속도로 승온되기 때문에 치밀화가 잘 되지 않은, 많은 기공을 함유한 상태로 AlON 상이 형성되며 1900℃ 이상의 소결 온도로 올라간다. 이는 1차 소결의 효과는 물론 없이, AlON 시편을 소결하게 되는 것과 유사하다. 도 2에 1차 소결 없이 이렇게 소결된 시편들의 광투과율이 x값에 따라 나타나 있다. 즉, AlON 상의 소결로 얻어진 투과율은, 1차 소결을 거쳐서 상대밀도 95% 내외의 Al2O3와 AlN 혼합 분체를 2차 소결했을 때와 동일한 경향을 나타내었다. x값이 2.5로 감소했을 때, 투과율이 크게 증가하였으며, 5.0으로 갈수록 크게 감소하였다. 이러한 결과로부터, 낮은 x값은 AlON 분말을 합성한 후 소결해도, Al2O3와 AlN 혼합 분체의 반응소결에서와 동일하게 소결성 또는 치밀화를 증진시키는 효과를 가져올 것이며, 따라서 기공을 더 쉽게 제거하여 결과적으로 크게 향상된 투과율을 가져올 것이다. The primary sintering is applied to produce transparent oxynitride by reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powders, but the significance of the small x value of 2.5 or less is not only the reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powder AlON powders can be synthesized and then sintered. When sintering without first sintering, since the temperature is rapidly increased to 600 ° C. per hour, the AlON phase is formed in a state containing many pores which are not densified, and the sintering temperature rises to 1900 ° C. or higher. This is similar to the sintering of AlON specimens without the effect of the primary sintering. FIG. 2 shows the light transmittance of the sintered specimens according to x value without the first sintering. That is, the transmittance obtained by the sintering of the AlON phase showed the same tendency as that of the second sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powders having a relative density of around 95% through the first sintering. When the x value decreased to 2.5, the transmittance increased greatly, and decreased to 5.0. From these results, it can be seen that the low x value will have the effect of improving the sinterability or densification as in the reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powders even after sintering after synthesizing AlON powder, As a result, it will result in greatly improved transmissivity.

앞서 설명한 바와 같이, Al2O3와 AlN 혼합 분체의 반응소결을 통한 산질화알루미늄을 제조할 때는 x값은 1차 소결에서 Al2O3와 AlN 복합체의 치밀화 증진과, 앞서 자세히 설명한 바와 같이, 2차 소결에서의 AlON 내의 Al 양이온의 빈자리 증가로 소결성이 증진되는 2가지 서로 다른 효과가 있는 반면에, AlON 분말을 합성해서 분체를 만들어 산질화알루미늄을 제조할 때는, 빈자리 증가로 인한 소결성 증진의 1가지 효과만 있다. 그러나 이러한 두번째 효과 하나만으로도, 상기 설명한 바와 같이 도 2의 1차 소결 없이 소결되어 얻어진 투과율 경향으로 보면, 그 영향이 매우 커서, 낮은 x값은 합성된 AlON 분말을 사용하여 소결을 통해 제조되는 산질화알루미늄의 투과도도 크게 향상시킬 것으로 쉽게 예상할 수 있다.As described above, when aluminum oxynitride is produced by reaction sintering of Al 2 O 3 and AlN mixed powder, the x value is improved by increasing the densification of Al 2 O 3 and AlN composite in the first sintering, In the second sintering, there are two different effects of increasing sinterability by increasing the vacancies of Al cations in AlON. On the other hand, when AlON powder is synthesized to produce powder, aluminum oxynitride is produced, There is only one effect. However, with the second effect alone, as described above, the tendency of the transmittance obtained by sintering without the first sintering in FIG. 2 has a great influence, so that the low x value means that oxynitride It can be easily expected that the transmittance of aluminum is greatly improved.

마찬가지로, 소량의 소결첨가제로서 MgO의 효과 역시 상기와 같이, 합성된 AlON 분말을 사용하여 소결을 통해 산질화알루미늄을 제조할 때에도 큰 투과도 증진을 가져올 것으로 예상된다. 국제공개특허 제08/047955호에서는, 원료의 AlN 조성이 35 몰%로 고정된 Al2O3와 AlN 혼합 분체를 반응소결로 산질화알루미늄을 제조할 때, 1차 소결 없이 2000℃에서 5시간 최종 소결된 시편의 가시광선에서의 투과율도 첨가된 MgO의 양에 따라 극적으로 변하는 결과를 보여 주었다. 즉 MgO의 양이 0 중량%, 0.05 중량%, 0.1 중량%, 0.2 중량%, 0.3 중량%로 변함에 따라 투과율이 0.2%, 3.2%, 63.1%, 28.7%, 2.5%로 매우 크게 변화하였다. 0.05 중량%에서 0.1 중량%로 MgO 첨가량이 증가하면, 투과율이 불투명한 3.2%에서 비교적 투명한 63.1%로 수직 상승하며, 0.3 중량%로 증가하면 2.5%로 추락하였다. 앞서 도 10에서 MgO 효과는 x값에 상관없이 즉 x값이 2.5 내지 4.5의 모든 범위에서 효과가 있다는 것을 보여 주었다. 따라서 이러한 2차 소결 만에서의 MgO의 극적인 투과율 증진 효과는 합성된 AlON 분말을 사용하여 소결을 통해 산질화알루미늄을 제조할 때에도 동일하게 발휘되리라고 쉽게 예상할 수 있다.Likewise, the effect of MgO as a small amount of sintering additive is also expected to lead to a large increase in transmittance even when aluminum oxynitride is produced through sintering using the synthesized AlON powder as described above. WO 08/047955 discloses that Al 2 O 3 and AlN mixed powders in which the AlN composition of the raw material is fixed at 35 mol% are reacted at 2000 ° C. for 5 hours The transmittance of the final sintered specimen in visible light also changed dramatically depending on the amount of MgO added. That is, as the amount of MgO changed from 0 wt%, 0.05 wt%, 0.1 wt%, 0.2 wt% and 0.3 wt%, the transmittance changed greatly to 0.2%, 3.2%, 63.1%, 28.7% and 2.5%. As the amount of MgO increased from 0.05 wt% to 0.1 wt%, the transmittance rose vertically from 3.2% opaque to 63.1% relatively transparent and to 2.5% with 0.3 wt% increase. 10 shows that the MgO effect is effective regardless of the x value, that is, the x value ranges from 2.5 to 4.5. Therefore, it can be easily predicted that the effect of increasing the transmittance of MgO in the second sintering will be exerted in the same manner when aluminum oxynitride is produced through sintering using the synthesized AlON powder.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

Claims (4)

Al2O3와 AlN의 혼합분체를 상압 반응소결하는 투명한 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 있어서, 순수한 AlN의 함량이 17 내지 26 몰%이고, 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1575℃ 내지 1675℃에서 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결보다 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1950℃ 내지 1990 ℃에서 2차 소결하는 단계를 포함하며, 상기 제조된 1.5 mm 두께 시편의 632 nm 파장광 가시광선 직선투과도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 투명한 산질화알루미늄의 제조방법.A method for producing a transparent polycrystalline aluminum oxynitride in which a mixed powder of Al 2 O 3 and AlN is sintered at atmospheric pressure, characterized in that the content of pure AlN is 17 to 26 mol% and the relative density is 1575 to 1675 ° C. Sintering in a first stage; And second sintering at 1950 ° C to 1990 ° C so as to achieve a higher relative density than the first sintering, characterized in that the prepared 1.5 mm thick specimen has a 632 nm wavelength visible light linear transmittance of 80% or more By weight based on the total weight of the aluminum oxide. 청구항 1에 있어서, 상기 제조방법은 소결첨가제로서 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 Y2O3 또는 La2O3, 0.016 중량% 내지 0.39 중량%의 이트륨(Y)을 포함하는 이트륨화합물, 또는 0.018 중량% 내지 0.42 중량%의 란타늄(La)을 포함하는 란타늄화합물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화알루미늄의 제조방법.The method of claim 1, wherein the method comprises adding 0.02 wt% to 0.5 wt% Y 2 O 3 or La 2 O 3 as a sintering additive, 0.016 wt% to 0.39 wt% yttrium (Y) And a lanthanum compound containing lanthanum (La) in an amount of from 0.1% by weight to 0.42% by weight. 청구항 2에 있어서, 상기 제조방법은 소결첨가제로서 0.06 중량% 내지 0.29 중량%의 MgO, 또는 0.037 중량% 내지 0.17 중량%의 마그네슘(Mg)을 포함하는 마그네슘화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화알루미늄의 제조방법.[3] The method according to claim 2, wherein the manufacturing method further comprises a magnesium compound containing 0.06 wt% to 0.29 wt% MgO as a sintering additive, or 0.037 wt% to 0.17 wt% magnesium (Mg) Method of manufacturing aluminum. Al2O3와 AlN의 혼합분체를 반응소결하는 투명한 다결정 산질화알루미늄의 제조방법에 있어서, 순수한 AlN의 함량이 17 내지 26 몰%이고, 상대밀도가 95% 이상이 되도록 1575℃ 내지 1675℃에서 상압으로 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결보다 더 높은 상대밀도를 달성하도록 1950℃ 내지 1990℃에서 질소 가스압으로 상압 초과 10 MPa 이하로 가압하여 2차 소결하는 단계를 포함하며, 상기 제조된 1.5 mm 두께 시편의 632 nm 파장광 가시광선 직선투과도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 투명한 산질화알루미늄의 제조방법.A method for producing a transparent polycrystalline aluminum oxynitride in which a mixed powder of Al 2 O 3 and AlN is reactively sintered, characterized in that the content of pure AlN is 17 to 26 mol% and the relative density is at least 95% Primary sintering at normal pressure; And secondary sintering by pressurizing to a pressure higher than the atmospheric pressure to 10 MPa or lower at a nitrogen gas pressure of 1950 ° C to 1990 ° C to achieve a higher relative density than the primary sintering, Wherein the transparent visible light linear transmittance is 80% or more.
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