KR102048310B1 - 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법 및 장치 - Google Patents

겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 a) 칭량된 용매에 모노머, 결합제 및 분산제를 용해시켜 혼합 용액을 제조하는 단계; b) 상기 혼합용액에 판재로 성형이 가능한 세라믹 분말을 첨가하고, 슬러리를 제조하는 단계; c) 상기 슬러리를 토출하여 개시제 및 촉매제를 혼합하고 몰드가 구비된 감압 성형 장치에 주입하는 단계; 및 d) 상기 몰드를 밀봉하고, 몰드내로부터 공기를 유출하여 감압함으로써 슬러리로부터 용매를 필터링하고 숙성하여 슬러리의 겔화하고 세라믹 판재 성형체를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법을 제공한다.

Description

겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법 및 장치{Method and Device For Preparing Ceramic Plate Using Gel-Casting Process}
본 발명은 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미나 등 판재로서의 용도에 적합하고 성형이 가능한 세라믹 분말로부터 슬러리를 제조하고 이를 감압 성형장치를 이용하는 겔캐스팅법을 이용하여 세라믹 판재를 제조하는 것이다. 여기에서 세라믹 분말은 알루미나 성분에 국한되지 않으며, 일반적인 구조 세라믹 원료인 ZrO2, Y2O3, SiO2 등 무기재료 또한 사용이 가능하다.
국내 반도체/디스플레이용 구조 세라믹 분야는 관련 산업의 성장에 따른 수요 증가 효과와 제조기술발전에 따른 새로운 소재의 요구 등에 의해 지속 성장할 것으로 전망된다. 최근에는 오염입자의 저감을 위한 세라믹 코팅, 플레시메모리 소재의 다층화에 따른 증착, 식각장비의 증대, OLED의 고정밀화에 따른 관련 세라믹 부품 사용 증가 등이 예상된다. 종합적으로 2025년까지 년 평균 9.1%의 높은 성장률로 지속적으로 발전할 것으로 예상된다.
반도체/디스플레이 산업용 구조 세라믹스의 주요소재로는 Al2O3, Y2O3, Si, SiO2 등으로 이루어진 소결체, 코팅 등의 제품으로 응용되고 있으며 국내 시장의 경우 2013년 기준 약 9,300억원 정도의 규모로 추산되고 있다.
전통적으로 반도체/디스플레이 산업에 사용되는 구조 세라믹 재료는 주로 세라믹의 고온 강도를 이용하는 내열 부품 소재로 이용되었으나, 최근 들어 반도체 공정의 식각 공정이 건식 플라즈마 공정으로 진화하면서 구조 세라믹의 용도가 내플라즈마 부품 분야로 확장되고 있다. 특히 반도체 산업에서 금속 배선의 선 폭이 줄어들면서 에칭 공정의 플라즈마 강도가 점점 강해지고 있어서 에칭 공정에서 사용되는 세라믹소재의 내 플라즈마 저항성도 더 강해져야만 하는 산업 수요가 생기게 되었다.
이러한 반도체/디스플레이 산업에 사용되는 소결체는 만들고자 하는 형태에 따라 다양한 방법으로 제조된다. 특히 본 발명에서 제조하고자 하는 소결체는 넓은 판재 형태를 가지는 것으로 특히 넓고 얇은 형태의 세라믹 소결체를 제조하기 위한 방법이다.
종래의 대형 세라믹 판재 성형 기술은 석고 몰드를 이용하는 슬립캐스팅법과 분말을 구상화하여 고압의 정수압을 이용하는 CIP 성형법, 슬러리를 가압 성형하는 필터프레스 성형법, 복잡한 형상을 제작 가능한 겔캐스팅법을 주로 이용하고 있다.
석고 몰드를 이용하는 슬립캐스팅법은 대형 판재 제조 시 몰드 무게가 너무 무거워서 작업이 어려우며, 석고 몰드의 수명이 짧아서 사용 후 폐몰드의 처리가 어려운 단점이 있다.
고압의 정수압을 이용하는 CIP성형법은 분말을 과립화하는 과정에서 제조 단가가 상승하고 반도체 제조 공정에서 중요시하는 불순물 관리가 어려우며, 특히 설비 구조상 얇고 넓은 대형 판재를 제조하기에 어려움이 있다. 또한 성형 설비가 매우 고가여서 대형 판재 제조를 위한 설비 투자 비용이 매우 높은 현실이다.
현재 대부분의 세라믹 판재를 제조하는 방법으로서, 슬러리를 가압 성형하는 필터프레스 성형법은 비교적 넓은 판재를 제조하기가 양호하나 가압장치 설비가 고가이며 슬러리를 가압 이송 시 내부에 기공 및 불순물을 함유할 가능성이 매우 큰 단점이 있다.
또한, 복잡한 형상을 제조하기 위한 겔캐스팅법은 위에 언급한 다른 제조 방법에 비해 슬러리 조성 개발이 까다로우며, 특히 다량의 수분을 함유함으로써 건조 조건이 매우 까다롭고, 건조를 위해서 많은 시간이 필요하며 이 과정에서 크랙으로 인한 다량의 불량이 생길 수 있다는 단점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1904873호 대한민국등록특허 제10-1904874호
본 발명에서는 전술한 여러 형태의 대형 세라믹 판재를 성형 및 제조함에 있어, 보다 제조가 간단하고, 제품 품질관리가 쉬우며, 제품 수율이 높아 보다 저렴한 가격으로 제조할 수 있는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱 상세하게는 겔캐스팅법을 이용하되, 성형 시 감압 장치를 구성함으로써 필터링을 통한 함수율을 최대한 낮춰서 겔캐스팅법에서 단점이었던 건조 공정에서의 크랙의 발생율을 낮추고 따라서 제품 수율을 높이고자 하였다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, a) 칭량된 용매에 모노머, 결합제 및 분산제를 용해시켜 혼합 용액을 제조하는 단계; b) 상기 혼합용액에 판재로 성형이 가능한 세라믹 분말을 첨가하고, 슬러리를 제조하는 단계; c) 상기 슬러리를 토출하여 개시제 및 촉매제를 혼합하고 몰드가 구비된 감압 성형 장치에 주입하는 단계; 및 d) 상기 몰드를 밀봉하고, 몰드내로부터 공기를 유출하여 감압함으로써 슬러리로부터 용매를 필터링하고 숙성하여 슬러리의 겔화하고 세라믹 판재 성형체를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법을 제공한다.
상기 모노머는 하드로시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate) 또은 디메틸아크릴아마이드(N,N'-dimethylacrylamide) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 결합제는 메틸렌아크릴아마이드(N,N'-Methylenebisacrylamide)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 분말는 알루미나(Al2O3) 또는 질화알루미늄(AlN) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 알루미나(Al2O3)는 수계 용매에서, 그리고 질화알루미늄(AlN)은 비수계 용매에서 투입되는 것이 바람직하다.
상기 수계 용매에서는 증류수와 상기 증류수 중량대비 0.1~1.0중량부의 수계 분산제, 5~10중량부의 하드로시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate)가 포함되며, 상기 비수계 용매에서는 에탄올과 상기 에탄올 중량대비 0.1~1.0중량부의 비수계용 분산제, 5~15중량부의 디메틸아크릴아마이드(N,N'-dimethylacrylamide) 및 메틸렌아크릴아마이드(N,N'-Methylenebisacrylamide)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 수계 용매에서는 개시제로서 암모늄퍼설페이트(Ammonium pesulfate)와 촉매제로서 테트라메틸렌디아민(Tetramethyethylenediamine)을 포함하도록 하며, 비수계 용매에서는 개시제로서 벤조일페록사이드(Benzoyl peroxide)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 d) 단계 이후에, e) 상기 성형체의 탈형 및 건조단계; 및 f) 상기 성형체의 소결단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 d) 단계에서, 몰드내로부터 공기를 유출하여 감압함으로써 슬러리로부터 용매를 필터링하는 시간은 슬러리가 겔화될 때까지의 소요시간의 1/2을 초과하지 않는 시간 동안 진행하며, 슬러리의 종류에 따라서 5 ~ 30분 중에서 선택되는 시간동안 실시되는 것이 바람직하다.
상기 개시제 및 촉매제의 사용량을 조절하여 슬러리의 겔화시간 및 감압시간을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 제1테두리부; 상기 제1테두리부와 하면에서 결합되는 제1바닥부; 및 상기 제1바닥부의 하면에서 결합되며, 제2테두리부와 제2바닥부로 구성되는 용기형태의 지지부;를 포함하여 구성되며, 상기 제1테두리부와 제1바닥부는 일체형 또는 분리형이고, 상기 제1바닥부에는 다수의 천공이 마련되고, 상기 제1바닥부상에는 액상이 유통되는 필터부가 분리가능하게 마련되며, 상기 제2테두리부가 상기 제1바닥부의 하면에 밀착되고, 상기 용기형태의 지지부와 상기 제1바닥부와의 사이에 공간부가 마련되어 슬러리로부터 분리되는 액상이 수용되며, 상기 제2바닥부의 하면 일측에는 용기형태의 지지부와 진공펌프가 연결되는 연결공이 마련되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 겔캐스팅법과 감압 장치를 이용한 대형 세라믹 판재 제조는, 성형 시 감압 장치를 구성함으로써 필터링을 통한 함수율을 최대한 낮춰 겔캐스팅법에서 단점이었던 건조 공정에서의 제품 수율을 높일 수 있어, 보다 저렴한 가격으로 반도체 및 디스플레이용 세라믹 판재를 대형으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 감압성형장치 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 감압성형장치를 이용하여 세라믹 판재 성형체를 제조하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 2 중 성형체가 제외된 상태에서의 분해사시도로서, 좌우도면은 상하 대칭의 상태를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 성형 공정 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 성형체의 소결 후 단면 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 소결체의 강도 측정 자료이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법의 공정 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 감압성형장치 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 감압성형장치를 이용하여 세라믹 판재 성형체를 제조하는 과정을 나타내는 모식도이며, 도 4는 도 2 중 성형체가 제외된 상태에서의 분해사시도로서, 좌우도면은 상하 대칭의 상태를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 성형 공정 사진이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 성형체의 소결 후 단면 사진이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 소결체의 강도 측정 자료이다.
본 발명은 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조방법을 제공하고, 상기 제조 방법은
(1) 칭량된 용매에 모노머인 하드로시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate) 혹은 디메틸아크릴아마이드(N,N'-dimethylacrylamide), 결합제인 메틸렌아크릴아마이드(N,N'-Methylenebisacrylamide) 및 분산제 등 각종 유기물을 용해시켜 혼합 용액을 제조하는 단계,
(2) 상기 혼합용액에 알루미나(Al2O3)분말 혹은 질화알루미늄(AlN)분말을 첨가하고 24시간 동안 볼 밀링하여 슬러리를 제조하는 단계,(이때 알루미나 분말은 수계에서, 질화알루미늄은 비수계에서 제조한다.)
(3) 볼 밀링 완료된 슬러리를 토출하여 개시제 및 촉매제를 혼합하고 몰드가 구비된 감압 성형 장치에 주입하는 단계,
(4) 감압 성형 장치에서 진공으로 슬러리에서 용매를 필터링하여 성형체를 제조하고 숙성하며, 이후에 탈형하는 단계,
(5) 상기 탈형된 성형체를 건조하고, 이를 소결하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (1)의 혼합 용액의 제조는 알루미나볼이 들어있는 볼밀에서 수계에서는 증류수와, 상기 증류수 중량 대비 0.1~1.0중량부의 수계 분산제, 5~10중량부의 하드로시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 비수계에서는 에탄올과, 상기 에탄올 중량 대비 0.1~1.0중량부의 비수계용 분산제, 5~15중량부의 디메틸아크릴아마이드(N,N'-dimethylacrylamide) 및 메틸렌아크릴아마이드(N,N'-Methylenebisacrylamide)를 첨가할 수 있다.
또한, 상기 (2)의 세라믹 분말을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계는, 상기 혼합 용액에 염기를 첨가하여 pH 10 ~ 11로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (3)의 세라믹 슬러리를 토출하고 개시제 및 촉매제를 첨가하는 단계에서, 수계에서는 개시제로서 암모늄퍼설페이트(Ammonium pesulfate)와 촉매제로 테트라메틸렌디아민(Tetramethyethylenediamine)을, 비수계에서는 개시제로서 벤조일페록사이드(Benzoyl peroxide)를 포함할 수 있다. 비수계에서는 촉매제를 사용하지 아니하였다.
또한, 상기 (4)의 감압 장치에서 성형체를 제조하는 단계는, 타공판에 진공펌프가 연결된 상태에서 필터페이퍼를 이용하여 상기 혼합 슬러리에서 증류수 혹은 에탄올을 분리하는 것으로, 슬러리가 겔화되기 전에 빠른 속도로 용매 분리 작업을 진행해야 하며, 더욱 상세하게는 5~30분 정도 진행하는 것이 바람직하다. 진공을 위한 압력은 적어도 0.7bar가 되도록 조절하였고, 슬러리의 조건에 따라서 겔화가 빠르게 일어나는 경우에는 5분, 겔화가 천천히 일어나는 경우에는 30분으로 진행하였다. 특히, 진공펌프의 가동시간은 각 슬러리가 겔화될 때까지의 시간의 1/2을 초과하지 않도록 하여야 한다. 그 시간이 넘으면 판재 성형체에 크랙 등 결함이 생길 수 있으므로 이는 매우 중요하다.
여기서, 겔화가 시작되기 전까지 진공펌프에 의한 용매 필터링 과정이 수행된다는 점이 중요하며, 이는 성형체의 결함을 최소화하기 위한 방안으로서 본 발명의 특징을 이룬다.
또한, 상기 (5)의 건조 및 소결하는 단계에서, 성형이 완료된 성형체는 감압장치의 성형틀에서 분리하고, 건조실로 이동하여 건조하는 단계를 거친다. 더욱 상세하게는 1차 항온항습장치에서 온도 40도, 습도 60%에서 24~48시간 건조하는 단계와 2차 건조 오븐에서 온도 80도, 24시간 건조한다. 소결 단계는 건조 완료된 성형체를 알루미나의 경우 1600~1650℃의 온도에서 수 시간 동안 진행하며, 질화알루미늄은 산소반응이 없는 진공로 혹은 분위기로에서 1700~1850℃의 온도에서 소결을 진행한다. 승온 중에 300℃와 600℃에서 탈지공정 단계를 거칠 수 있으며, 0.1℃/min 승온속도로 수 시간씩 유지하여 소결체 내의 모든 유기물을 burn-out 시킨다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제조방법에 따라 첨부도면 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같은, 알루미나 소결밀도 3.90g/cm3, 굽힘강도 400MPa이상(도 7의 a), 질화알루미늄 소결밀도 3.30g/cm3, 굽힘강도 350MPa이상(도 7의 b)을 가지는 세라믹 판재를 제조할 수 있다.
[실시예 1]
D.I water 270g에 모노머인 하이드록시에틸메타아크릴레이트 40g을 완전히 녹여서 혼합 용액을 만들었다.
10mm 알루미나 볼 3000g이 들어있는 4L PE 포트에 상기 준비된 혼합 용액과 D50 0.4~0.6um 크기를 가지는 알루미나 분말 1000g 및 분산제 10g을 넣어서 24시간 볼밀을 진행하였다.
볼밀이 완료된 후 200mesh 체(sieve)를 이용하여 볼밀에서 슬러리를 분리하였다. 분리된 슬러리는 진공펌프를 이용하여 탈포기를 이용하여 상온에서 탈포를 진행하였다.
탈포가 완료된 슬러리에 개시제인 암모늄퍼설페이트 1.0g과 촉매제인 테트라메틸에틸렌디아민 0.2g을 첨가한 후 충분히 혼합하였다.
혼합 완료된 슬러리는 진공펌프가 연결된 감압성형장치 위에 필터페이퍼와 타공판으로 이루어진 성형틀을 준비한 후 기공이 생기지 않도록 천천히 부었다.
성형틀에 부어진 슬러리는 30분 동안 진공펌프를 작동시켜 감압을 형성함으로써 알루미나 슬러리를 D.I. water와 분리하였다. 이 때 감압을 너무 오랫동안 진행하면 겔화된 성형체에 압력이 발생하여 크랙이 발생할 수 있으므로 감압장치를 이용하기 전 겔화 진행 시간을 체크하여 진공 성형 시간을 결정하는 것이 바람직하다.
성형이 끝난 성형체는 성형틀에서 분리하여 1차 40℃ 온도, 60% 습도에서 48시간 건조를 진행하고, 2차 건조 오븐에서 80℃ 온도에서 24시간 건조를 진행하였다. 분리된 성형체는 감압 성형을 하였더라도 많은 수분을 포함하고 있기 때문에, 급격한 건조를 하게 되면 제품에 크랙이 발생할 가능성이 매우 높으므로 항온 항습 분위기와 일반 건조 분위기에서 건조를 진행하였다.
건조가 완료된 성형체는 고온 소결로에서 1650℃에서 4시간 소결을 진행하였다. 이때 승온속도는 0.5℃/min이며 승온 중에 300℃와 600℃에서 탈지공정으로 수 시간씩 유지하여 소결체 내의 모든 유기물을 burn-out 시켰다. 바람직하게는 정확한 탈지공정의 수행을 위해 열중량분석(TGA: ThermoGravimetric Analysis)을 통해 사용한 유기물들의 열분해 온도를 측정하여 설정할 수 있다. 소결온도에서 소결공정이 끝나면 로냉하여 세라믹 판재를 제조하였다. 대형 세라믹 판재의 경우 소결 중 크랙이 발생할 수 있으므로 가급적 천천히 소결을 진행하도록 한다.
본 발명에 따른 실험예 1~5에서는, Al2O3 분말에 대해서 모노머의 양변경과 그에 따른 개시제 및 촉매제의 변경에 따른 겔화시간, 감압시간, 탈형시간 및 소결밀도, 강도 등의 결과를 표 1에 나타내었다. 개시제 및 촉매제가 많이 사용될수록 겔화시간은 짧아지며, 따라서 감압시간도 짧아진다.
실험예 Al2O3 HEMA APS TEMED 겔화시간 감압시간 탈형시간 소결밀도 강도
(g) (g) (g) (g) (min) (min) (min) (g/cm3) (MPa)
1 1000 10 0.5 0.1 300 60 24 3.95 430
2 1000 30 0.5 0.1 180 45 24 3.94 425
3 1000 50 1 0.2 45 20 24 3.93 410
4 1000 40 1 0.2 60 30 24 3.92 415
5 1000 40 0.5 0.1 90 45 24 3.93 420
또한, 위 실험예에 대응되는 비교예를 표 2와 같이 제시하였다.
비교예 Al2O3 HEMA APS TEMED 겔화시간 탈형시간 성형상태 소결밀도 강도
(g) (g) (g) (g) (min) (min) 크랙유무 (g/cm3) (MPa)
6 1000 10 0.5 0.1 300 24 유 - -
7 1000 30 0.5 0.1 180 24 무 3.87 330
8 1000 50 1 0.2 45 24 유 - -
9 1000 40 1 0.2 60 24 무 3.90 390
10 1000 40 0.5 0.1 90 24 무 3.88 380
표 1의 실험예와 표 2의 비교예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 겔 캐스팅 공정은 기존의 겔 캐스팅 공정에 의하는 경우에 비하여 제작된 알루미나 판재의 소결밀도와 강도가 더 높음을 알 수 있다.
[실시예 2]
99.5% Ethyl alcohol 330g에 모노머인 디메틸아크릴아마이드 50g과 가교제인 메틸렌비스아크릴아마이드 5g을 완전히 녹여서 혼합 용액을 만들었다.
10mm 알루미나 볼 3000g이 들어있는 4L PE 포트에 상기 준비된 혼합 용액과 D50 0.4~0.5um 크기를 가지는 질화알루미늄 분말 1000g 및 비수계분산제인 폴리에틸렌이민 5g을 넣어서 24시간 볼밀을 진행하였다.
볼밀이 완료된 후 200mesh 체를 이용하여 볼밀에서 슬러리를 분리하였다. 분리된 슬러리는 진공펌프와 연결된 탈포기를 이용하여 상온에서 탈포를 진행하였다.
탈포가 완료된 슬러리에 개시제인 벤조일페록사이드 10g을 첨가한 후 충분히 혼합하였다.
혼합 완료된 슬러리는 진공펌프가 연결된 감압성형장치 위에 필터페이퍼와 타공판으로 이루어진 성형틀을 준비한 후 기공이 생기지 않도록 천천히 부었다.
성형틀에 부어진 슬러리는 30분 동안 진공펌프를 작동시켜 감압을 형성함으로써 질화알루미늄 슬러리를 에탄올과 분리를 진행하였다. 이 때 감압을 너무 오랫동안 진행하면 겔화된 성형체에 압력이 발생하여 크랙이 발생할 수 있으므로 감압장치를 이용하기 전 겔화 진행 시간을 체크하여 진공 성형 시간을 결정하는 것이 바람직하다.
감압이 끝난 성형체는 80℃ 온도에서 2시간 유지하여 겔레이션(gelation)을 진행하였다.
겔레이션이 끝난 성형체는 성형틀에서 분리하여 1차 48시간 자연 건조를 진행하고, 2차 건조 오븐에서 80℃ 온도에서 24시간 건조를 진행하였다. 이 때 질화알루미늄은 수화 반응 특성이 있으므로, 항온 항습 건조를 진행하지 않고 1차 자연건조를 진행하였다. 분리된 성형체는 감압 성형을 하였더라도 많은 용매을 포함하고 있기 때문에 급격한 건조는 제품에 크랙이 발생할 가능성이 매우 높으므로 자연 건조 분위기와 일반 건조 분위기에서 건조를 진행하였다.
건조가 완료된 성형체는 진공 고온 소결로에서 1750℃에서 4시간 소결을 진행하였다. 더욱 상세하게는 0.5℃/min 승온 속도로 500℃에서 4시간 Air 분위기에서 유기물을 burn-out 시켰다. 이후 1750℃까지 2℃/min 승온 속도로 소결 진행을 하였다. 소결이 끝나면 로냉하여 세라믹 판재를 제조하였다. 대형 세라믹 판재의 경우 소결 중 크랙이 발생할 수 있으므로 가급적 천천히 소결을 진행하도록 한다.
본 발명의 실험예 6~10에서는, AlN 분말에 대해서 모노머의 양변경과 그에 따른 개시제 및 촉매제의 변경에 따른 겔화시간, 감압시간, 탈형시간 및 소결밀도, 강도 등의 결과를 표 3에 나타내었다.
실험예 AlN DMAA MBAM BPO 겔화시간 감압시간 탈형시간 소결밀도 강도
(g) (g) (g) (g) (min) (min) (min) (g/cm3) (MPa)
6 1000 30 3 5 300 90 24 3.38 405
7 1000 50 3 5 240 60 24 3.36 380
8 1000 70 7 10 100 20 24 3.29 355
9 1000 50 5 10 120 30 24 3.31 345
10 1000 60 6 15 60 20 24 3.32 352
또한, 위 실험예에 대응되는 비교예를 표 4와 같이 제시하였다.
비교예 AlN DMAA MBAM BPO 겔화시간 탈형시간 성형상태 소결밀도 강도
(g) (g) (g) (g) (min) (min) 크랙유무 (g/cm3) (MPa)
16 1000 30 3 5 300 24 유 - -
17 1000 50 3 5 240 24 무 3.27 352
18 1000 70 7 10 100 24 무 3.21 313
19 1000 50 5 10 120 24 무 3.25 335
20 1000 60 6 15 60 24 유 - -
표 3의 실험예와 표 4의 비교예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 겔 캐스팅 공정은 기존의 겔 캐스팅 공정에 의하는 경우에 비하여 제작된 질화알루미늄 판재의 소결밀도와 강도가 더 높음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조장치(100)는 다음과 같이 구성된다.
먼저 제일 상부에는 성형대상 슬러리(110)가 수용되는 제1테두리부(120)와 상기 제1테두리부(120)와 하면에서 결합되는 제1바닥부(140)를 포함한다. 제1테두리부(120)와 제1바닥부(140)는 슬러리(110)가 틈새로 유출되지 않도록 서로 공고히 결합되도록 하거나 일체로 형성된다.
상기 제1바닥부(140)의 상면에는 슬러리(110)가 수용되기 전에 액상이 유통되는 필터부(130)가 분리가능하게 마련되며, 여기에 슬러리(110)가 수용된다.
제1바닥부(140)는 다수의 천공(141)이 마련되어 상기 천공(141)을 통하여 슬러리(110)로부터 분리된 액상이 필터부(130)를 거쳐서 하부로 유출된다.
유출된 액상은 용기형태의 지지부(150)로 수용되는데, 상기 용기형태의 지지부(150)는 제2테두리부(151)와 제2바닥부(152)로 이루어지며, 상기 제2테두리부(151)는 제1바닥부(140)의 하면에 밀착고정된다. 상기 제2테두리부(151)와 제2바닥부(152)에 의하여 상기 용기형태의 지지부(150)는 제1바닥부(140)의 하면과의 사이에서 공간(170)부가 마련되는데, 이 공간(170)부에 상기 유출된 액상이 수용된다. 상기 제2테두리부(151)는 제1바닥부(140)의 하면에 공고히 결합되어 진공펌프(300)의 작용시 슬러리(110)로부터 액상이 용이하고 신속하게 분리되도록 한다.
상기 제2바닥부(152)의 하면 일측에는 진공펌프(300)와 연결되는 연결공(160)이 마련되어 진공펌프(300)의 작용에 따라서 액상이 용기형태의 지지부(150)에 마련된 공간(170)로부터 외부로 신속하게 빠져나오도록 한다.
진공펌프(300)는 진공챔버(200)를 경유하여 본 발명의 장치와 연결되는데, 진공챔버(200)와 진공펌프(300)는 공지의 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 세라믹 판재 제조장치 110 : 슬러리
110' : 겔화된 슬러리(성형체) 120 : 제1테두리부
130 : 필터부 140 : 제1바닥부
141 : 천공 150 : 용기형태의 지지부
151 : 제2테두리부 152 : 제2바닥부
160 : 연결공 170 : 공간
200 : 진공챔버 300 : 진공펌프
L : 액상

Claims (11)

  1. 제1테두리부;
    상기 제1테두리부와 하면에서 결합되는 제1바닥부; 및
    상기 제1바닥부의 하면에서 결합되며, 제2테두리부와 제2바닥부로 구성되는 용기형태의 지지부;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 제1테두리부와 제1바닥부는 일체형 또는 분리형이고,
    상기 제1바닥부에는 다수의 천공이 마련되고, 상기 제1바닥부상에는 액상이 유통되는 필터부가 분리가능하게 마련되며,
    상기 제2테두리부가 상기 제1바닥부의 하면에 밀착되고,
    상기 용기형태의 지지부와 상기 제1바닥부와의 사이에 공간부가 마련되어 슬러리로부터 분리되는 액상이 수용되며,
    상기 제2바닥부의 하면 일측에는 용기형태의 지지부와 진공펌프가 연결되는 연결공이 마련되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조장치.
  2. 제1항의 장치에 의하여 제조되며,
    a) 칭량된 용매에 모노머, 결합제 및 분산제를 용해시켜 혼합 용액을 제조하는 단계;
    b) 상기 혼합용액에 판재로 성형이 가능한 세라믹 분말을 첨가하고, 슬러리를 제조하는 단계;
    c) 상기 슬러리를 토출하여 개시제 및 촉매제를 혼합하고 상기 제1바닥부에 주입하는 단계; 및
    d) 상기 제2바닥부에 연결된 진공펌프를 가동하여 감압함으로써 슬러리로부터 용매가 필터링되도록 하여 슬러리를 겔화하여 세라믹 판재 성형체를 제조하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모노머는 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate) 또는 디메틸아크릴아마이드(N,N'-dimethylacrylamide) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합제는 메틸렌비스아크릴아마이드(N,N'-Methylenebisacrylamide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나(Al2O3) 또는 질화알루미늄(AlN) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알루미나(Al2O3)는 수계 용매에서, 그리고 질화알루미늄(AlN)은 비수계 용매에서 투입되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 d) 단계에서, 슬러리로부터 용매를 필터링하는 시간은 슬러리가 겔화될 때까지의 소요시간의 1/2을 초과하지 않는 시간 동안 진행하며, 슬러리의 종류에 따라서 5 ~ 30분 중에서 선택되는 시간동안 실시되는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 개시제 및 촉매제의 사용량을 조절하여 슬러리의 겔화시간 및 감압시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 겔캐스팅법을 이용한 세라믹 판재 제조 방법.
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  10. 삭제
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