KR102156574B1

KR102156574B1 - 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102156574B1
Application number: KR1020200009501A
Authority: KR
Inventors: 양기덕; 김영철; 임지원
Original assignee: 주식회사 화인테크
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2020-09-17
Also published as: TW202130603A; TWI759081B

Abstract

본 발명은 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법으로, 상세하게는, 머시너블 세라믹 복합체는 사이알론(SiAlON), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 포함하는 것으로, 상기 사이알론은 2wt% 내지 20wt%로 포함되며, 상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되고, 상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되며, 상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법{Machinable ceramic composite material and manufacturing method thereof}

본 발명은 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 열팽창계수가 실리콘과 유사하며 기계적 특성 및 미세 가공성이 향상된 사이알론을 포함하는 세라믹 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 세라믹은 양호한 기계적 특성 및 절연성뿐만 아니라 양호한 고온 특성을 나타낸다. 이런 특성 때문에 반도체 제조장비용 장치의 부품으로서 사용하기 위한 재료로서 주목을 받고 있으나 대부분의 세라믹은 기계 가공이 어렵다.

취성 무기 소재의 가공성은 세라믹 또는 글래스 매트릭스에 마이카(mica) 또는 질화 붕소와 같은 쪼갤 수 있는(cleavable) 세라믹 성분을 분산시켜 개선될 수 있다. 이러한 유형의 세라믹은 일반적으로 머시너블 세라믹(machinable ceramic)으로 언급된다.

머시너블 세라믹은 적정한 절연 특성, 양호한 기계적 특성 및 초정밀 가공이 가능해야 반도체 검사 장치의 부품으로 사용 가능하다.

반도체 소자의 전기적 특성은 프로브 카드를 사용하여 검사된다. 머시너블 세라믹은 프로브 카드 핵심 부품인 미세 프로브를 고정시키는 가이드로 사용 가능하다. 온도에 따른 열 수축 및 팽창이 최적화 되어야 하며 특히 고온 조건에서는 반도체 소자의 기판인 실리콘과의 열팽창계수의 차이가 나지 않아야 반도체 소자의 전극 패드와 검사용 프로브가 정확하게 정열하게 되어 문제없이 검사 공정이 진행될 수 있다.

한편, 기존 마이카 계열은 열팽창 계수가 크고 강도가 낮아 사용에 한계가 있고 질화붕소 복합 세라믹은 소결이 어려워 균일한 소결체를 제조하기 어려운 단점이 있다.

또한 기존의 질화붕소와 질화규소의 복합 세라믹스는 기계적 특성 및 미세가공성이 우수하다고 알려져 있지만 직경 35μm 이하의 초미세홀 가공성은 확보되지 않은 실정이다.

이와 같이 실리콘과 열팽창계수가 유사하며 고정밀 미세 가공에 요구되는 고강도 및 뛰어난 가공성을 갖는 재료는 거의 없으며 종래의 머시너블 세라믹스로는 직경 35μm 이하의 초미세홀 가공은 불가능한 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고강도의 인성이 향상된 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 열팽창계수가 실리콘과 유사하며 기계적 특성 및 미세 가공성이 향상된 사이알론을 포함하는 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 사이알론(SiAlON), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 포함하는 머시너블 세라믹 복합체에 있어서, 상기 머시너블 세라믹 복합체를 기준으로, 상기 사이알론은 2wt% 내지 20wt%로 포함되며, 상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되고, 상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되며, 상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것인 머시너블 세라믹 복합체를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이알론은 하기 화학식 1로 표시되는 것으로, 상기 사이알론은 질화규소(Si₃N₄), 알루미나(Al₂O₃) 및 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 것일 수 있다.

[화학식 1]

Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0＜z≤1.0)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이알론의 평균 입경은 1㎛인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 머시너블 세라믹 복합체는, -40℃ 내지 400℃의 온도범위에서 열팽창 계수는 2.0×10^-6/℃ 내지 5.6×10^-6/℃이며, 꺽임강도는 241MPa 내지 358MPa 인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 머시너블 세라믹 복합체의 제조방법으로,

사이알론 분말을 제조하는 단계, 상기 사이알론 분말, 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 혼합하여 제1혼합분말을 형성하는 단계, 상기 제1혼합분말을 포함하는 슬러리 제조단계, 상기 제조된 슬러리를 과립분말로 제조하는 과립화 단계, 상기 과립분말을 탈지하는 탈지단계, 상기 탈지한 제1혼합분말을 열간 가압하여 제1소결하는 단계를 포함하는 것인, 머시너블 세라믹 복합체 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이알론 분말을 제조하는 단계는, 질화규소, 알루미나 및 질화알루미늄을 혼합하여 제2혼합분말을 형성하는 단계, 상기 제2혼합분말을 성형하는 성형체 형성단계, 상기 성형체를 제2소결하는 단계 및 상기 소결된 성형체를 분쇄하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2혼합분말에 있어서, 상기 질화규소는 83.07wt% 내지 96.61wt%로 포함되고, 상기 알루미나는 2.42wt% 내지 12.08wt%로 포함되며, 상기 질화알루미늄은 0.97wt% 내지 4.85wt%로 포함되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1혼합분말에 있어서, 상기 사이알론 분말은 2wt% 내지 20wt%로 포함되며, 상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되고, 상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되며, 상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고강도의 인성이 향상된 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 열팽창계수가 실리콘과 유사하며 기계적 특성 및 미세 가공성이 향상된 사이알론을 포함하는 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 초경공구로 직경이 33㎛, 깊이 300㎛이며, 위치 공차가 ±5㎛인 초미세홀 가공이 가능한 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이알론 분말의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 가공성 평가를 위한 가공위치 및 관통 구멍에 대하여 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 주사전자현미경(SEM)을 관찰한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 열팽창계수를 측정한 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 머시너블 세라믹 복합체를 홀 가공 후 관찰한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 머시너블 세라믹 복합체의 X축 및 Y축의 위치정밀도 및 홀의 직경을 측정한 결과이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”란, 특정 기능을 수항하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.

즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

이하에서는. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 머시너블 세라믹 복합체는 사이알론(SiAlON), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 포함하는 것으로, 상기 사이알론은 2wt% 내지 20wt%로 포함되며, 상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되고, 상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되며, 상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 사이알론은 하기 화학식 1로 표시되는 것으로, 질화규소, 알루미나 및 질화알루미늄을 포함하며, 상기 질화규소는 83.07wt% 내지 96.61wt%로 포함되고, 상기 알루미나는 2.42wt% 내지 12.08wt%로 포함되며, 상기 질화알루미늄은 0.97wt% 내지 4.85wt%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

[화학식 1]

Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0＜z≤1.0)

상세하게는, 상기 화학식 1의 Z값은 0.2 내지 1.0 인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 머시너블 세라믹 복합체는 -40℃ 내지 400℃의 온도범위에서 열팽창 계수는 2.0×10^-6/℃ 내지 5.6×10^-6/℃이며, 꺽임강도는 241MPa 내지 358MPa 인 것을 특징으로 한다.

하기에는, 머시너블 세라믹 복합체의 제조방법과 함께 상기 머시너블 세라믹 복합체에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 제조방법(S100)을 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참고하면, 머시너블 세라믹복합체의 제조방법(S100)은 사이알론 분말 제조단계(S110), 제1혼합분말 형성단계(S120), 슬러리 제조단계(S130), 과립화 단계(S140), 탈지단계(S150) 및 제1소결단계(S160)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 사이알론 분말 제조단계(S110)는 머시너블 세라믹 복합체의 주재료로 분말형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 것으로, 질화규소, 알루미나 및 질화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세한 제조방법은 도 2를 참고하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이알론 분말의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2를 참고하면 상기 사이알론 분말 제조단계(S110)는 제2혼합분말 형성단계(S112), 성형체 형성단계(S113), 제2소결단계(S114) 및 분쇄단계(S115)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 상기 제2혼합분말 형성단계(S112)는 상기 질화규소, 상기 알루미나 및 상기 질화알루미늄을 혼합하는 단계로, 상기 질화규소는 83.07wt% 내지 96.61wt%로 포함되고, 상기 알루미나는 2.42wt% 내지 12.08wt%로 포함되며, 상기 질화알루미늄은 0.97wt% 내지 4.85wt%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 질화규소, 상기 알루미나 및 상기 질화알루미늄은 분말형태로 포함되는 것으로, 상기 질화규소 분말의 평균입경은 0.8㎛인 것이 바람직하며, 상기 알루미나 분말의 평균입경은 0.5㎛ 인 것이 바람직하고, 상기 질화알루미늄의 평균입경은 1㎛ 인 것이 바람직하다.

이후, 상기 질화규소, 상기 알루미나 및 상기 질화알루미늄을 상기 조성과 같이 칭량하고 고속믹서를 이용하여 2시간 이상 건식 혼합 후 체를 이용하여 체거름하는 것이 바람직하다.

상기 성형체 형성단계(S113)는 상기 제2혼합분말을 성형하는 것으로, 상세하게는 상기 제2혼합분말을 금형을 이용하여 200kgf/cm²의 프레스 압력으로 가압하여 성형하는 것이 바람직하다.

일 예로, 상기 성형체를 형성하기 위하여 그라파이트 몰드(graphite mold)에 분말을 충진하고 가압하여 성형할 수 있다. 이때, 상기 그라파이트 몰드는 초경합금 몰드로 구비될 수 있으며, 상기 제2혼합분말 형성단계에서 제조된 제2혼합분말은 초경합금 몰드에 충진되어 일축 가압 성형 방식으로 가압하여 성형할 수 있다. 하지만 상기 가압 성형방식에는 제한이 없다.

상기 제2소결단계(S114)는 상기 성형체를 소결하는 단계로, 상세하게는 소결온도는 1700℃ 내지 1900℃이며, 소결시간은 30분 내지 2시간이고, 질소 또는 아르곤 분위기에서 소결하는 것이 바람직하다.

상기 분쇄단계(S115)는 상기 소결된 성형체를 분쇄하는 단계로, 즉, 제조가 완료된 사이알론 성형체를 분쇄하여 사이알론 분말을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 소결된 성형체는 평균입경이 1㎛이내가 되도록 분쇄하는 것이 바람직하며, 상기 분쇄방법에는 제한이 없다. 또한, 상기 제조방법에 의하여 제조된 사이알론 분말은 하기 화학식 1로 표시되는 것이 바람직하다.

[화학식 1]

Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0＜z≤1.0)

상기 제1혼합분말 형성단계(S120)는 상기 사이알론 분말 제조단계(S110)를 통하여 제조된 상기 사이알론 분말을 포함하는 상기 제1혼합분말을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상세하게는, 상기 제1혼합분말은 상기 사이알론 분말, 상기 질화붕소, 상기 지르코니아 및 상기 이트리아를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 사이알론 분말은 2wt% 내지 20wt%로 포함되는 것으로, 상기 사이알론 분말의 평균입경은 1.0㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 사이알론 분말은 상기 머시너블 세라믹 복합체에 포함되어 강도 및 인성을 증가키시는 것으로, 상기 사이알론 분말의 함량이 2wt% 미만일 경우 강도가 낮아 미세홀 가공시 홀벽이 깨지는 문제가 발생 할 수 있으며, 상기 사이알론 분말의 함량이 20wt%를 초과할 경우 미세홀 가공이 불가능해 질 수 있다.

또한, 상기 사이알론 분말은 질화규소와 비교하여 파괴인성이 높은 것으로, 기존의 질화규소를 포함하는 머시너블 세라믹복합체와 대비하여 미세 홀 가공성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 사이알론 분말의 조성을 조정함에 따라, 상기 머시너블 세라믹 복합체의 열팽창계수 및 영률을 조정할 수 있고, 이에 따라 머시너블 세라믹 복합체의 성능을 미조정하는 것과 최대화가 가능해진다.

상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되는 것으로, 상기 질화붕소의 평균입경은 1.0㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 질화붕소는 상기 머시너블 세라믹 복합체에 포함되어 열팽창계수를 조율하는 것으로, 상기 질화붕소의 함량이 25wt% 미만일 경우 복합체의 열팽창계수가 목표보다 높아질 수 있으며, 상기 질화붕소의 함량이 48wt%를 초과할 경우 복합체의 열팽창 계수가 목표보다 낮아 질 수 있다.

상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되는 것으로, 상기 지르코니아의 평균입경은 0.3㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 지르코니아는 상기 머시너블 세라믹 복합체에 포함되어 정밀 가공성 및 열팽창계수를 조율 하는 것으로, 상기 지르코니아의 함량이 45wt% 미만일 경우 복합체의 열팽창계수가 목표보다 낮아질 수 수 있으며, 상기 지르코니아의 함량이 55wt%를 초과할 경우 정밀 가공이 불가능해 질 수 있다.

상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것으로, 상기 이트리아의 평균입경은 1.0㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 이트리아는 상기 머시너블 세라믹 복합체에 포함되어 소결조제로서 복합체가 치밀화되게 하는 것으로, 상기 이트리아의 함량이 2wt% 미만일 경우 복합체의 치밀화가 부족 할 수 있으며, 상기 이트리아의 함량이 10wt%를 초과할 경우 잔류 액상 과다로 정밀 가공이 불가능해 질 수 있다.

상기 슬러리 제조단계(S130)는 상기 제1혼합분말을 포함하는 슬러리를 제조하는 단계로, 상세하게는 상기 제2혼합분말에 용매 및 바인더를 추가하고 혼합하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 제2혼합분말, 용매 및 바인더를 알루미나 볼과 함께 볼밀(Ball mill)에 넣어 24시간동안 습식혼합하여 슬러리를 제조하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 증류수 및 아세톤 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 바인더는 폴리비닐부티랄(PVB)계 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 과립화 단계(S140)는 상기 슬러리를 과립분말로 제조하는 것으로, 상세하게는 상기 슬러리를 분무 건조하여 구형의 과립분말을 제조하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 분무건조를 하여 제조된 과립분말은 체거름하는 것이 바람직하며, 상기 체거름은 100mesh에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탈지단계(S150)는 상기 과립분말을 탈지하는 것으로, 상세하게는 상기 과립분말 제조시 포함된 바인더를 탈지하여 제거하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 탈지온도는 600℃ 내지 700℃로 진행되는 것이 바람직하며, 탈지시간은 2시간 내지 3시간이 바람직하다. 또한, 상기 탈지단계는 질소 또는 아르곤 분위기의 탈지로에서 진행될 수 있으며, 또는 진공 분위기 탈지로에서 진행될 수 있다.

상기 제1소결단계(S160)는 상기 탈지한 과립분말을 열간가압하여 소결하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 탈지된 과립분말을 그라파이트 몰드에 충진하고, 25MPa의 압력으로 가압하여 소결하는 것이 바람직하며, 상기 소결 시 소결온도는 1700℃ 내지 1900℃인 것이 바람직하며, 소결시간은 30분 내지 2시간인 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

<제조예 1> 사이알론 분말의 제조

사이알론 분말을 제조하기 위하여 시판의 질화규소 분말(산소 함유량 1.0질량%, 불순물 금속 원소 함유량 0.2질량% 이하, 평균입경 0.8㎛), 알루미나(순도 99%, 평균입경 0.5㎛) 및 질화알루미늄(순도 99%, 평균입경 1.0㎛)를 고속믹서로 2시간 동안 건식 혼합한 후 체에 통과시켜 원료 분말을 제작 하였다.

이후, 상기 혼합한 사이알론 원료 분말을 금형을 이용하여 프레스 압력 200 ㎏f/㎠ 으로 성형한 후, 질소 분위기에서 1800℃로 2시간 동안 합성하였다. 합성한 원료는 유성밀을 이용하여 1μm 되도록 분쇄 하였다.

<제조예 2 내지 제조예 4>

상기 질화규소 분말, 알루미나 분말 및 질화알루미늄 분말의 조성을 다르게 하는 것을 제외하고 제조예 1과 동일하게 사이알론 분말을 제조하였다.

상세한 조성은 하기 표 1에 나타내었다.

	Z값	질화규소(wt%)	질화알루미늄(wt%)	알루미나(wt%)
제조예 1	0.2	96.61	0.97	2.42
제조예 2	1.0	83.07	4.85	12.08

<실시예 1> 머시너블 세라믹 복합체의 제조

상기 제조예1을 통하여 제조한 사이알론 분말 20wt%. 시판의 질화 붕소분말(h-BN, 순도 99%, 평균 입경 1.0㎛) 25wt%, 지르코니아 분말(평균 입경 0.3㎛) 50wt% 및 이트리아 분말 (99.9%, 평균입경1.0㎛) 5wt%를 혼합하였다. 이후 상기 혼합분말을 슬러리화하기 위하여 폴리비닐부틸랄(PVB)계 바인더 1wt% 및 에탄올을 추가하고 습식 볼 밀링 공정을 이용하여 혼합하였다.

이때, 상기 볼 밀링 공정은 폴리에틸렌 포트를 사용하여 조성 불균일 문제를 최소화 하였으며, 볼 밀링 공정 시 볼은 알루미나 볼을 사용하였고, 24시간동안 진행하였다. 이후, 상기 혼합이 완료된 원료들을 건조하여 과립화 분말로 하는 구상화 작업을 실행하였다. 상기 과립화 단계는 스프레이 드라이어를 통해 실행하였으며 과립화 완료된 구상화 분말을 100메쉬(mesh)체를 이용하여 체거름을 실시하였다.

이후, 상기 제조된 분말에 포함된 유기 바인더를 탈지하여 제거하기 위하여, 질소분위기 하에 700℃에서 3시간 탈지 하였다.

상기 탈지 후 소성에 있어서는 핫프래스 소결법에 의해 수행되었으며 탈지된 과립 분말을 그라파이트 재질의 몰드에 충전하여 질소 분위기 중에서, 면압 25MPa의 압력으로 일 방향 프레스 가압하여 1800℃에서 2시간 유지하여 160mm×160mm×10mm 의 세라믹 소결체를 얻었다.

<실시예 2 내지 실시예 12>

상기 사이알론 분말, 질화 붕소분말, 지르코니아 분말 및 이트리아 분말의 조성을 다르게 하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 머시너블 세라믹 복합체를 제조하였다.

하기 표 2는 상기 실시예 1 내지 실시예12의 상세한 조성 및 상기 사이알론 분말의 Z값을 개시하였다.

<비교예 1>

실시예 1과 동일한 시판의 질화붕소 분말 25wt%, 지르코니아 분말 50wt%, 이트리아 5wt% 및 시판 질화규소 분말 20wt%를 혼합하여 머시너블 세라믹 복합체를 제조하는 것으로, 사이알론 분말을 포함하지 않고 조성물의 조성비를 다르게 한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 공정을 통해 제조하고 평가 하였다.

<비교예 2>

실시예 1과 동일한 시판의 질화붕소 분말 30wt%, 지르코니아 분말 55wt%, 이트리아 5wt% 및 시판 질화규소 분말 10wt%를 혼합하여 머시너블 세라믹 복합체를 제조하는 것으로, 사이알론 분말을 포함하지 않고 조성물의 조성비를 다르게 한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 공정을 통해 제조하고 평가 하였다.

<비교예 3>

실시예 1과 동일한 시판의 질화붕소 분말 36wt%, 지르코니아 분말 54wt%, 이트리아 5wt% 및 시판 질화규소 분말 5wt%를 혼합하여 머시너블 세라믹 복합체를 제조하는 것으로, 사이알론 분말을 포함하지 않고 조성물의 조성비를 다르게 한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 공정을 통해 제조하고 평가 하였다.

<비교예 4>

상기 제조예1을 통하여 제조한 사이알론 분말(평균입경1μm, Z값 0.2) 20wt%와 실시예 1과 동일한 시판의 질화붕소 분말 20wt%, 지르코니아 55wt%, 이트리아 5wt%를 주원료로 하여 상기 실시예 1과 같은 조건, 공정을 통해 제조하고 평가 하였다. 상세한 조성은 하기 표 2에 개시하였다.

<비교예 5>

상기 제조예1을 통하여 제조한 사이알론 분말(평균입경1μm, Z값 0.2) 5wt%와 실시예 1과 동일한 시판의 질화붕소 분말 20wt%, 지르코니아 70wt%, 이트리아 5wt%를 주원료로 하여 상기 실시예 1과 같은 조건, 공정을 통해 제조하고 평가 하였다. 상세한 조성은 하기 표 2에 개시하였다.

	z값	주성분(wt%)
	z값	사이알론	질화붕소	지르코니아	이트리아	질화규소
실시예1	0.2	20	25	50	5	-
실시예2	0.2	10	30	55	5	-
실시예3	0.2	5	36	54	5	-
실시예4	0.2	5	42	48	5	-
실시예5	0.2	2	48	45	5	-
실시예6	0.2	5	35	50	10	-
실시예7	0.2	5	35	58	2	-
실시예8	1.0	20	25	50	5	-
실시예9	1.0	10	30	55	5	-
실시예10	1.0	5	36	54	5	-
실시예11	1.0	5	42	48	5	-
실시예12	1.0	2	48	45	5	-
비교예1	0	-	25	50	5	20
비교예2	0	-	30	55	5	10
비교예3	0	-	36	54	5	5
비교예4	0.2	20	20	55	5	-
비교예5	0.2	5	20	70	5	-

<실험예 1> 열팽창 계수 측정

상기 실시예 1 내지 실시예 24, 상기 비교예1 내지 비교예 5의 세라믹 소결체에 대하여 TMA(Thermo Mechanical Analyzer)를 이용하여 영하40℃부터 400℃도 온도 범위에서 열팽창계수 및 상온에서 고유체적저항을 측정하였으며, 이에 대한 결과를 표 3에 개시하였다.

<실험예 2> 꺽임강도 측정

상기 실시예 1 내지 실시예 24, 상기 비교예1 내지 비교예 5의 세라믹소결체로부터 시험편을 절단하여 3접 굽힘 시험방법을 이용하여 꺽임강도를 측정하였으며, 이에 대한 결과를 표 3에 개시하였다.

<실험예 3> 기계가공성 평가

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 가공성 평가를 위한 가공위치 및 관통 구멍에 대하여 나타낸 개략도이다.

상세하게는, 기계 가공성을 평가하기 위해서, 160mm×160mm×10mm의 소결체(머시너블 세라믹 복합체, 100, 100‘)를 160mm×160mm×1mm, 두께 편차가 ±5μm 이내가 되도록 연삭하였다. 상기 연삭된 소결체(100,100‘)를 도 3(a)에 개시된 바와 같이 대각선 방향으로 상단(110), 중단(120), 하단(130) 3곳에 직경 28μm 초경 드릴을 사용하여 두께 300μm로 홀(140)을 형성하였다 . 이때, 상기 소결체(100, 100’)에는 300개의 홀을 형성한 것으로, 각각 드릴 가공 한 후 드릴 가공 반대면 포켓 가공하여 관통되게 하였다.

각 구멍은 직경 33μm, 깊이 300μm를 갖는다. 비접촉식 3차원 측정기를 사용하여 얻어진 관통 구멍의 직경과 구멍 위치 정밀도 측정 하였고, 표3의 “위치도”의 란에서 위치 정밀도가 ±5μm 이하일 경우 O, ±10μm 이하일 경우 △, 초과할 경우를 ×로 표기 하였다.

또한 표 3의 “홀 크기”란에 목표 직경33μm 가공공차가 ±1.5μm 이하일 경우 O, ±1.5μm를 초과할 경우 ×로 표기 하였으며 광학현미경으로 관찰하여 가공 상태를 확인하였다.

	열팽창계수 (10^-6/℃)	강도 (MPa)	고유체적 (Ω·㎝)	위치도		홀크기	가공 상태
	열팽창계수 (10^-6/℃)	강도 (MPa)	고유체적 (Ω·㎝)	X축	Y축	33㎛	가공 상태
실시예1	5.6	358	2.5×10^-14	○	○	○	양호
실시예2	5.5	354	4.6×10^-14	○	○	○	양호
실시예3	5.3	339	3.6×10^-14	○	○	○	양호
실시예4	4.8	317	4.9×10^-14	○	○	○	양호
실시예5	4.5	302	6.9×10^-14	○	○	○	양호
실시예6	5.3	298	4.4×10^-14	○	○	○	양호
실시예7	5.4	286	2.0×10^-14	○	○	○	양호
실시예8	5.6	335	4.4×10^-14	○	○	○	양호
실시예9	5.4	350	4.1×10^-14	○	○	○	양호
실시예10	5.0	310	5.6×10^-14	○	○	○	양호
실시예11	5.1	295	2.5×10^-14	○	○	○	양호
실시예12	4.2	241	2.9×10^-14	○	○	○	양호
비교예1	5.8	376	5.0×10^-14	×	×	×	벽깨짐
비교예2	5.4	381	1.0×10^-14	×	×	×	홀밀림
비교예3	5.6	364	1.5×10^-14	△	△	○	홀밀림
비교예4	6.1	404	10.5×10^-14	×	×	×	툴깨짐
비교예5	6.9	380	12.0×10^-14	×	×	×	툴깨짐

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 주사전자현미경(SEM)을 관찰한 이미지이다.

도 4를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 머시너블 세라믹 복합체를 관찰한 것으로, 혼합한 분말들이 소결되어 세라믹 복합체가 형성되었음을 확인 할 수 있다.가 제조된 것을 확인 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 머시너블 세라믹 복합체의 열팽창계수를 측정한 결과 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 머시너블 세라믹 복합체를 홀 가공 후 관찰한 이미지이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 머시너블 세라믹 복합체의 X축 및 Y축의 위치정밀도 및 홀의 직경을 측정한 결과이다.

먼저 도 6을 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 머시너블 세라믹 복합체에 직경 33㎛, 깊이 300㎛로 300개의 홀 가공을 한 것으로, 벽이 깨지지 않고 균일하게 홀가공이 된 것을 확인 할 수 있다.

또한, 도 5 및 도 7, 표 3을 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 12의 머시너블 세라믹 복합체의 꺽임강도는 200MPa 이상이며, 열팽창 계수가 -40℃ 내지 400℃에서 2.0×10^-6/℃ 내지 5.6×10^-6/℃의 범위를 갖는 것으로 실리콘과 유사한 수준의 열팽창 계수를 갖는 것을 확인 할 수 있다.

또한, 위치정밀도가 X축 및 Y축 모두 ±5μm 이내를 만족하며 홀크기 공차가 ±1.5μm 이내로 우수한 기계 가공성을 가지는 것을 확인 할 수 있다.

이와 대비하여, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우 기계 가공성 측정 시 위치 정밀도가 X축, Y축 모두 ±5μm를 초과하는 것을 확인 할 수 있었다. 특히, 질화규소의 함량이 10wt% 이상일 경우 위치 정밀도가 X축, Y축 모두 ±10μm를 초과하는 것을 확인 할 수 있었으며, 홀 크기의 공차 또한 ±1.5μm 이상인 것으로 확인할 수 있었다.

또한, 비교예4 및 비교예5를 통하여 질화붕소가 저함량으로 첨가되고 사이알론의 함량이 고함량으로 첨가되는 경우 강도는 향상되지만 열팽창 계수가 높으며, 위치 정밀도가 X축, Y축 모두 ±5μm를 초과하는 것을 확인 할 수 있다.

또한, 비교예1 내지 비교예5는 기계 가공 후 벽깨짐 또는 홀밀림 현상이 나타나는 것으로 기존의 질화규소계 머시너블 세라믹 복합체의 경우 직경 33㎛ 이하의 초미세홀 가공성을 확보하는 것이 어려움을 확인 할 수 있었으며, 기계 가공성이 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다.

이를 통하여, 고인성의 사이알론을 추가함으로써 머시너블 세라믹 복합체의 인성을 향상시켜 미세홀 가공 시 밀림이나 깨지는 현상을 최소화 하는 것으로, 우수한 기계 가공성을 가지는 머시너블 세라믹 복합체를 제조할 수 있음을 확인 할 수 있으며, 이와 더불어 초미세홀 가공성 확보를 위해서는 일정 질량 이상의 질화붕소가 혼합되어야 하는 것을 확인 할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고강도의 인성이 향상된 머시너블 세라믹 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 효과가 있으며, 초경공구로 직경이 33㎛, 깊이 300㎛이며, 위치 공차가 ±5㎛인 초미세홀 가공이 가능한 머시너블 세라믹 복합체를 제공하는 효과가 있다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

100, 100‘: 머시너블 세라믹 복합체
110: 머시너블 세라믹 복합체 상단부
120: 머시너블 세라믹 복합체 중단부
130: 머시너블 세라믹 복합체 하단부
140: 홀

Claims

합성하여 제조한 사이알론 분말(SiAlON), 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 포함하는 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체에 있어서,
상기 머시너블 세라믹 복합체를 기준으로,
상기 사이알론은 2wt% 내지 20wt%로 포함되고,
상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되며,
상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되고,
상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되며,
상기 사이알론 분말은 하기 화학식 1로 표시되는 것으로,
상기 사이알론 분말은 질화규소(Si₃N₄), 알루미나(Al₂O₃) 및 질화알루미늄(AlN)을 포함하고,
상기 사이알론 분말의 평균 입경은 1㎛ 인 것인,
머시너블 세라믹 복합체.
[화학식 1]
Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0＜z≤1.0)
제1항에 있어서,
상기 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체는,
평균 결정립경이 5㎛이하인 것인,
머시너블 세라믹 복합체
제1항에 있어서,
상기 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체는,
직경33μm, 깊이 300μm로 초정밀 기계가공하여 위치 정밀도를 ±5μm 이하로 제어할 수 있는 것인,
머시너블 세라믹 복합체.
제1항에 있어서,
상기 머시너블 세라믹 복합체는,
-40℃ 내지 400℃의 온도범위에서 열팽창 계수는 2.0×10^-6/℃ 내지 5.6×10^-6/℃이며,
꺽임강도는 241MPa 내지 358MPa 인 것인,
머시너블 세라믹 복합체.
초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체의 제조방법으로,
사이알론 분말을 합성하여 제조하는 단계;
상기 사이알론 분말, 질화붕소(BN), 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)를 혼합하여 제1혼합분말을 형성하는 단계;
상기 제1혼합분말을 포함하는 슬러리 제조단계;
상기 제조된 슬러리를 과립분말로 제조하는 과립화 단계;
상기 과립분말을 탈지하는 탈지단계;
상기 탈지한 과립분말을 고온 가압 소결하는 제1소결하는 단계;를 포함하고,
상기 사이알론 분말을 합성하여 제조하는 단계는,
질화규소, 알루미나 및 질화알루미늄을 혼합하여 제2혼합분말을 형성하는 단계;
상기 제2혼합분말을 성형하는 성형체 형성단계;
상기 성형체를 제2소결하는 단계; 및
상기 소결된 성형체를 분쇄하는 단계;를 더 포함하는 것으로,
상기 합성된 사이알론 분말의 평균 입경은 1㎛인 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 제2혼합분말은 하기 화학식 1로 표시되는 것으로,
상기 질화규소는 83.07wt% 내지 96.61wt%로 포함되고,
상기 알루미나는 2.42wt% 내지 12.08wt%로 포함되며,
상기 질화알루미늄은 0.97wt% 내지 4.85wt%로 포함되는 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.
[화학식 1]
Si_6-zAl_zOzN_8-z(0＜z≤1.0)
제5항에 있어서,
상기 제1혼합분말에 있어서,
상기 사이알론 분말은 2wt% 내지 20wt%로 포함되며,
상기 질화붕소는 25wt% 내지 48wt%로 포함되고,
상기 지르코니아는 45wt% 내지 55wt%로 포함되며,
상기 이트리아는 2wt% 내지 10wt%로 포함되는 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 제1소결하는 단계는
1700℃ 내지 1900 ℃ 온도 분위기에서 30분 내지 2시간동안 25MPa의 압력으로 고온 가압 소결하고,
상기 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체의 평균 결정립경을 5㎛이하로 제어하는 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체는,
직경33μm, 깊이 300μm로 초정밀 기계가공하여 위치 정밀도를 ±5μm 이하로 제어할 수 있는 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 초정밀 기계 가공성 머시너블 세라믹 복합체는,
-40℃ 내지 400℃의 온도범위에서 열팽창 계수는 2.0×10^-6/℃ 내지 5.6×10^-6/℃이며,
꺽임강도는 241MPa 내지 358MPa 인 것인,
머시너블 세라믹 복합체 제조방법.