KR102382726B1

KR102382726B1 - 투명 알루미나 소결체의 제법

Info

Publication number: KR102382726B1
Application number: KR1020177006596A
Authority: KR
Inventors: 기요시 마츠시마; 모리미치 와타나베; 게이 사토; 즈토무 나나타키
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2022-04-06
Also published as: TW201634428A; CN107074659B; JPWO2016084721A1; US10315957B2; CN107074659A; US20170166484A1; JP6621422B2; TWI670251B; KR20170091084A; WO2016084721A1

Abstract

본 발명의 투명 알루미나의 제법은, (a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과, (b) 상기 성형체를 F가 휘발되는 온도로 가압 소성함으로써 투명 알루미나 소결체를 얻는 공정을 포함하는 것이다.

Description

투명 알루미나 소결체의 제법{METHOD FOR PRODUCING TRANSPARENT ALUMINA SINTERED BODY}

본 발명은 투명 알루미나 소결체의 제법에 관한 것이다.

고밀도, 고순도의 다결정 알루미나는 투광성을 갖는 것이 알려져 있어, 고압 나트륨 램프용 발광관이나 고내열 창재, 반도체 장치용 부재, 광학 부품용 기판 등에 이용할 수 있다. 한편, 알루미나는 결정 구조상, 광학적 이방성을 갖고 있고, 소결체 중의 알루미나 입자의 결정 방위가 랜덤이면 결정 입자 사이의 굴절률이 상이하기 때문에 광이 산란하여, 투과율이 감소되어 버린다. 그 때문에, 높은 직선 투과율을 갖는 투명 알루미나 중의 결정 입자는 일축 배향되어 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 비특허문헌 1에는, 투명 알루미나의 제법이 개시되어 있다. 구체적으로는, 고자장을 이용함으로써 고순도, 고배향, 고밀도의 투명 알루미나를 제조하고 있다.

또한, 알루미나 소결체를 제조함에 있어서, 소결성을 높이기 위해, 알루미나 원료 분말에 플루오르화물을 첨가하여 소성하는 방법도 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 1, 2에서는, 알루미나 분말과 플루오르화물 분말을 혼합하여 성형한 후, 1300℃ 이하의 저온으로 소성함으로써 치밀한 알루미나 소결체를 얻었다. 특허문헌 3에서는, 알루미나 원료 분말에 불소 화합물을 첨가하고, 평균 입자경을 2 ㎛ 이하로 분쇄 혼합하여 성형하고, 대기 중에서 1600∼1800℃로 소성함으로써, 내식성, 내충격 저항성 및 내구성이 우수한 알루미나 소결체를 얻었다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제5396176호 특허문헌 2 : 일본 특허 제5501040호 특허문헌 3 : 일본 특허 제4357584호

비특허문헌 1 : Ceramics International 38 (2012) 5557-5561

그러나, 비특허문헌 1에 기재된 제법에서는, 투명 알루미나를 얻을 수 있지만, 고자장을 이용하기 때문에, 제조 비용이 높아질 뿐만 아니라 대형화가 어렵고 대량 생산에 부적합했다.

특허문헌 1, 2에 기재된 제법에서는, 알루미나 입자는 배향이 고려되지 않았기 때문에 랜덤으로 나열된다. 그 때문에, 얻어지는 알루미나 소결체의 투명성은 낮다고 생각된다.

특허문헌 3에 기재된 제법에 의하면, 결정의 배향이 거의 없고 알루미나 입자가 랜덤으로 분포되어 있는 알루미나 소결체를 얻을 수 있다. 그 때문에, 이 알루미나 소결체의 투명성은 낮다고 생각된다. 이와 같이, 투명 알루미나 소결체를 저렴하고 용이하게 제조하는 방법은, 지금까지는 알려져 있지 않다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 투명 알루미나 소결체를 저렴하고 용이하게 제조하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명의 제1 투명 알루미나 소결체의 제법은,

(a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과,

(b) 상기 성형체를 1700℃ 이상에서 가압 소성함으로써 투명 알루미나 소결체를 얻는 공정

을 포함하는 것이다.

단, 질량비 R1은, 하기 식(1)에서 산출되는 값이며, 단위는 질량ppm이다. 식(1) 중, X는, 판형 알루미나 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비(질량ppm)이다. 판형 알루미나 분말의 F 함유량은, 열가수분해-이온 크로마토그래프법으로 구한다. 판형 알루미나 분말의 Al 함유량은, 판형 알루미나 분말의 알루미나 순도를 100-(Al, O 이외의 불순물 원소의 질량%의 합)로서 구하고, 그것에 0.529를 곱한 값을 이용하여 산출한다. 불순물 원소의 질량%는 이하와 같이 정량한다. 즉, S는 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법, N은 불활성 가스 융해-열전도도법, H는 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법, F는 열가수분해-이온 크로마토그래프법, 그 밖의 원소는 ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석으로 정량한다.

R1=X×(판형 알루미나의 질량/알루미나 원료 분말의 질량)…(1)

본 발명의 제2 투명 알루미나 소결체의 제법은,

(a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R2가 15 ppm 이상이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과,

을 포함하는 투명 알루미나 소결체의 제법.

단, 질량비 R2는, 하기 식(2)에서 산출되는 값이며, 단위는 질량ppm이다. 알루미나 원료 분말은, 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합 비율이 질량비로 T:(100-T)이다. 알루미나 원료 분말에 첨가물을 외배(外配)로 첨가하는 경우, 알루미나 원료 분말에 대한 첨가물의 비율을 Z(질량%)로 한다. x1은, 판형 알루미나 분말 중의 F 함유율(질량ppm), x2는, 미세 알루미나 분말 중의 F 함유율(질량ppm), x3은 첨가물 중의 F 함유율(질량ppm)이다. F 함유량은, 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법으로 구한다. y1은, 판형 알루미나 분말 중의 Al 함유율(질량%), y2는, 미세 알루미나 분말 중의 Al 함유율(질량%)이다. Al 함유율은, 각 알루미나 분말의 알루미나 순도를 100-(Al, O 이외의 불순물 원소의 질량%의 합)로서 구하고, 그것에 0.529를 곱한 값(질량%)으로 한다. 불순물 원소의 질량%는 이하와 같이 정량한다. 즉, S는 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법, N은 불활성 가스 융해-열전도도법, H는 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법, F는 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법, 그 밖의 원소는 ICP 발광 분석으로 정량한다. y3은, 첨가물 중의 Al 함유율(질량%)이며, ICP 발광 분석으로 정량한다.

R2=100×[x1×T+x2×(100-T)+x3×Z]/[y1×T+y2×(100-T)+y3 ×Z}…(2)

본 발명의 제1 및 제2 투명 알루미나 소결체의 제법에 의하면, 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 가압 소성하기 때문에, 얻어지는 알루미나 소결체는 배향도가 높은 것이 된다. 또한, 알루미나 원료 분말에는 적량의 F가 포함되기 때문에, 알루미나 원료 분말의 소결성이 향상되고, 알루미나 소결체가 충분히 치밀화한다. 또한, 분말 및/또는 성형체의 표면에서 F가 휘발되는 온도로 소성하기 때문에, 얻어지는 알루미나 소결체의 F 함유량을 제로로 하거나 낮게 억제하거나 할 수 있다. 따라서, 얻어지는 알루미나 소결체는, 배향도가 높고 치밀하고 고순도인 것이 되어, 높은 투명성을 갖는다. 또한, 이 제법에서는, 종래와 같이 고자장을 이용할 필요가 없기 때문에, 투명 알루미나 소결체의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다. 또한, 투명 알루미나 소결체를 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 대량 생산에 적합하다.

도 1은 판형 알루미나 입자의 모식도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도.
도 2는 TGG법으로 알루미나 소결체를 제작하는 공정의 모식도.
도 3은 알루미나 소결체의 샘플의 외관 사진.
도 4는 알루미나 소결체의 연마된 단면의 고배율 사진.
도 5는 고배율 사진을 연속적인 사진이 되도록 나열한 모습을 나타내는 설명도.

본 발명의 투명 알루미나 소결체의 제법은,

(a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상(혹은 질량비 R2가 15 ppm 이상)이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과,

을 포함하는 것이다.

공정(a)에서는, 판형 알루미나 분말을 사용한다. 이 판형 알루미나 분말은, 애스펙트비가 3 이상인 것이다. 애스펙트비는 평균 입경/평균 두께이다. 여기서, 평균 입경은, 입자판면의 장축 길이의 평균치, 평균 두께는, 입자의 단축 길이의 평균치이다. 이들 값은, 주사형 전자 현미경(SEM)으로 판형 알루미나 분말 중의 임의의 입자 100개를 관찰하여 결정한다. 도 1은, 판형 알루미나 입자의 모식도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다. 판형 알루미나 입자는, 평면에서 봤을 때의 형상이 대략 육각형이며, 그 입경은 도 1의 (a)에 도시한 대로이며, 두께는 도 1의 (b)에 도시한 대로이다. 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을 사용함으로써, 최종적으로 얻어지는 알루미나 소결체의 배향도가 높아진다. 판형 알루미나 분말의 평균 입경은, 고배향화의 관점에서는 큰 쪽이 바람직하고, 1.5 ㎛ 이상이 바람직하고, 5 ㎛ 이상이 보다 바람직하고, 10 ㎛ 이상이 더욱 바람직하고, 15 ㎛ 이상이 특히 바람직하다. 단, 치밀화의 관점에서는 작은 쪽이 바람직하고, 30 ㎛ 이하가 바람직하다. 이러한 점에서, 고배향과 치밀화를 양립시키기 위해서는 평균 입경이 1.5 ㎛∼20 ㎛인 것이 바람직하다.

판형 알루미나 분말은 고순도인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 판형 알루미나 분말의 순도는 99 질량% 이상이 바람직하고, 99.9 질량% 이상이 보다 바람직하고, 99.99 질량% 이상이 더욱 바람직하다. 단, 소성 중에 휘발 소실되거나, 또는 휘발 감량되는 불순물은 포함하고 있어도 좋고, 예컨대 F나 S 등의 원소는 포함되어 있어도 좋다. 고순도의 판형 알루미나 분말은, 예컨대 이하의 순서로 제조할 수 있다. 즉, 우선, 깁사이트, 베마이트 및 γ-알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 천이 알루미나 분말과 AlF₃ 분말을, AlF₃의 함유율이 0.25 질량% 이상이 되도록 혼합하여, F, H, C, S 이외의 불순물 원소의 질량 비율의 합계가 1000 ppm 이하인 혼합 분말을 얻는다. 이 혼합 분말 중에 종결정으로서 α-알루미나 입자를 첨가하는 것이 바람직하다. 다음으로, 용기로서, 혼합 분말에 포함되는 AlF₃의 질량을 용기의 체적으로 나눈 값(=AlF₃ 질량/용기 체적)이 1×10^-4 g/㎤ 이상이 되는 것을 준비한다. 용기는, Al, O, Mg, N, Re(Re : 희토류 원소) 이외의 원소의 합계가 1 질량% 이하인 것이 바람직하다. 용기의 재질은, 순도 99.5 질량% 이상의 Al₂O₃이 바람직하다. 그리고, 혼합 분말을 용기에 넣고 뚜껑을 덮거나, 혼합 분말을 용기에 넣어 밀폐하거나, 또는 혼합 분말을 다공질 재료로 이루어진 용기에 밀폐하여, 750∼1650℃에서 열처리함으로써 판형의 α-알루미나 입자로 구성된 판형 알루미나 분말을 얻는다. 이렇게 해서 얻어지는 판형 알루미나 분말을 공정(a)의 판형 알루미나 분말로서 이용할 수 있다. 또한, 이 판형 알루미나 분말을 대기, 불활성 또는 진공의 분위기하에 600∼1350℃, 바람직하게는 900∼1350℃에서 어닐링 처리한 것을 공정(a)의 판형 알루미나 분말로서 이용할 수 있다. 이렇게 해서 얻어지는 판형 알루미나 분말은 어닐링 처리 등의 조건에 따라서는 AlF₃ 유래의 소량의 F를 포함하는 것이 된다. 또, 판형 알루미나 분말은, 사용하기 전에 분쇄해도 좋다.

공정(a)에서는, 알루미나 원료 분말을 사용한다. 이 알루미나 원료 분말은, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상 혹은 질량비 R2가 15 ppm 이상이 되도록 조제한 것이다. F는, 알루미나 분말의 소결을 촉진하는 소결 조제로서 작용한다. 질량비 R1이 5 ppm 미만 혹은 질량비 R2가 15 ppm 미만이면, 소성시에 충분히 치밀화가 진행되지 않고 알루미나 소결체에 기공이 남아 직선 투과율이 낮아지기 때문에, 바람직하지 않다. 질량비 R1, R2의 상한은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 지나치게 많으면 입성장이 과다해져 배향도가 저하되거나, 기공이 들어간 이상 입자가 생성되거나 하여 투광성이 낮아지는 경우가 있다. 이러한 관점에서, 질량비 R1은 6300 ppm 이하가 바람직하고, 3000 ppm 이하가 보다 바람직하고, 1500 ppm 이하가 보다 바람직하고, 1000 ppm 이하가 보다 바람직하고, 100 ppm 이하가 보다 바람직하고, 50 ppm 이하가 보다 바람직하고, 25 ppm 이하가 더욱 바람직하다. 질량비 R2는 10000 ppm 이하가 바람직하고, 5000 ppm 이하가 보다 바람직하고, 2500 ppm 이하가 더욱 바람직하고, 1000 ppm 이하가 특히 바람직하다. 질량비 R1, R2는 전술한 식(1), (2)에 의해 구할 수 있다.

알루미나 원료 분말은, 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말 그 자체이어도 좋지만, 이 판형 알루미나 분말과 평균 입경이 판형 알루미나 분말보다 작은 미세 알루미나 분말을 혼합한 혼합 알루미나 분말로 하는 것이 바람직하다. 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말 그 자체를 알루미나 원료 분말로서 이용하는 경우에는, 평균 입경이 작은 것, 예컨대 평균 입경이 1 ㎛ 이하인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말을 혼합한 혼합 알루미나 분말을 알루미나 원료 분말로서 이용하는 경우에는, 성형시에 판형 알루미나 입자가 배향되기 쉬워진다. 또한, 소성시에, 판형 알루미나 분말이 종결정(템플릿)이 되고, 미세 알루미나 분말이 매트릭스가 되어, 템플릿이 매트릭스를 받아들이면서 호모에피택셜 성장한다. 이러한 제법은, TGG(Templated Grain Growth)법이라고 불린다. 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합 비율은, 질량비로 T:(100-T)(T는 0.001∼50)으로 하는 것이 바람직하다. T가 0.001 미만이면 얻어지는 알루미나 소결체의 배향도가 높아지기 어렵고, 50을 넘으면 알루미나가 소결되기 어려워질 우려가 있기 때문이다. 배향도의 관점에서는 T는 0.1 이상이 바람직하고, 0.5 이상이 보다 바람직하고, 1.5 이상이 더욱 바람직하다. 한편, 소결성의 관점에서는 T는 15 이하가 바람직하고, 10 이하가 보다 바람직하고, 5 이하가 더욱 바람직하고, 2.5 이하가 특히 바람직하다. 배향도와 소결성을 양립시키는 관점에서는, T는 0.001∼15가 바람직하고, 0.1∼15가 보다 바람직하고, 0.5∼10이 보다 바람직하고, 0.5∼5가보다 바람직하고, 1.5∼5가 더욱 바람직하고, 1.5∼2.5가 특히 바람직하다. TGG법으로 알루미나 소결체를 제작하는 공정의 모식도를 도 2에 나타낸다. TGG법에서는, 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 입경이나 혼합비에 의해, 얻어지는 알루미나 소결체의 미세 구조를 제어할 수 있어, 판형 알루미나 분말 단체를 소성하는 경우에 비교해서 치밀화하기 쉽고, 배향도가 향상되기 쉽다.

공정(a)에서는, 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 조제한다. 성형용 원료는, 알루미나 원료 분말 그 자체이어도 좋지만, 알루미나 원료 분말에 소결 조제나 그래파이트, 바인더, 가소제, 분산제, 분산매 등을 적절하게 첨가한 것으로 해도 좋다. 소결 조제로는, MgO가 바람직하다. MgO는, 과잉된 입성장을 억제하면서 치밀화를 촉진하기 때문이다. 특히 알루미나 원료 분말에 포함되는 F가 많을 때에는 입성장이 과잉이 되기 쉽기 때문에, MgO를 첨가하는 의의가 높다. 알루미나 원료 분말에 MgO 분말을 첨가하는 경우, 알루미나 원료 분말 100 질량부에 대하여, MgO 분말을 100∼5000 질량ppm 첨가하는 것이 바람직하다. 또, MgO 첨가 형태는, 소성 등의 과정에서 MgO로 변화하는 탄산염, 황산염, 질산염, 수산화물 등의 마그네슘 화합물로서 가해도 좋다. 이러한 마그네슘 화합물의 경우, 첨가량이 MgO 환산으로 100∼5000 질량ppm이 되는 한, 분말이어도 좋고 액체이어도 좋다.

공정(a)에서는, 성형용 원료를 성형하여 성형체로 한다. 성형 방법은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예컨대 테이프 성형, 압출 성형, 주조 성형, 사출 성형, 일축 프레스 성형 등에 의해 성형체로 한다.

공정(b)에서는, 성형체를 F가 휘발되는 온도로 가압 소성함으로써 투명 알루미나 소결체를 얻는다. F는 소결 조제로서 기능하지만, 1700℃ 이상에서 소성하면 소결체의 표면에는 F가 남지 않는다. 가압 소성으로는, 예컨대 핫프레스 소성이나 HIP 소성, 플라즈마 방전 소성(SPS) 등을 들 수 있다. 핫프레스 소성에서의 소성 분위기는 특별히 한정은 없지만, 질소, Ar 등의 불활성 가스, 또는 진공 분위기가 바람직하다. 진공 분위기에서의 압력은 낮은 쪽이 좋고, 1 Pa 이하가 바람직하고, 0.1 Pa 이하가 더욱 바람직하고, 0.01 Pa 이하가 특히 바람직하고, 하한은 없다. 또, 가압 소성전에 상압 예비 소성을 행해도 좋다. 상압 예비 소성시의 분위기는 특별히 한정은 없지만, 진공 분위기, 질소, Ar 등의 불활성 가스, 수소 가스, 또는 대기가 바람직하고, 진공 분위기, 또는 수소 가스가 더욱 바람직하고, 진공 분위기가 가장 바람직하다. 진공 분위기에서의 압력은 낮은 쪽이 좋고, 1 Pa 이하가 바람직하고, 0.1 Pa 이하가 더욱 바람직하고, 0.01 Pa 이하가 특히 바람직하고, 하한은 없다. HIP 소성을 행할 때에는 캡슐법을 이용할 수도 있다. 소성 온도(최고 도달 온도)는 1700∼2050℃가 바람직하고, 1750∼2000℃가 보다 바람직하다. 핫프레스 소성의 경우의 압력은, 50 kgf/㎠ 이상이 바람직하고, 200 kgf/㎠ 이상이 보다 바람직하다. HIP 소성의 경우의 압력은, 1000 kgf/㎠ 이상이 바람직하고, 2000 kgf/㎠ 이상이 보다 바람직하다.

공정(b)에서는, 최고 도달 온도로부터의 강온시에 있어서, 소정 온도(1000∼1400℃(바람직하게는 1100∼1300℃)의 범위에서 설정된 온도)까지 50 kgf/㎠ 이상의 프레스압을 인가하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 얻어지는 소결체의 투명성을 높일 수 있다. 최고 도달 온도에서의 킵 종료후, 즉시 제압하더라도 어느 정도의 투명성을 얻을 수 있지만, 프레스압을 계속 인가한 채로 소정 온도까지 강온하는 쪽이 투명성을 높게 할 수 있다. 그 이유는 분명하지 않지만, 최고 도달 온도에서 제압하면, 소결체 중에 기공이 발생하여 투명성을 저해하는 것은 아닌가라고 생각된다. 또한, 공정(b)에서는, 소정 온도 미만의 온도 영역에서는 50 kgf/㎠ 미만의 압력까지 제압하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 소결체 중에 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 특히, 소결체의 사이즈가 큰 경우에는 소결체 중에 크랙이 생기기 쉽기 때문에, 이와 같은 제압을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 핫프레스 소성이나 SPS 소성을 채용하는 경우에 이와 같은 제압을 행하는 것이 바람직하다. 이상과 같이, 프레스압의 제압의 타이밍은 투명성의 관점과 크랙 억제의 관점에서 매우 중요하다. 이들을 양립시키는 제압의 타이밍으로는, 강온 중의 1200℃가 특히 바람직하다.

본 발명의 제법에 의해 얻어지는 알루미나 소결체는, 배향도가 높고 치밀하며 고순도인 것이 되어, 높은 투명성을 갖는다. 배향도에 관해서는, X선을 조사했을 때의 2θ=20°∼70°의 범위에서의 X선 회절 프로파일을 이용하여 로트게링법에 의해 구한 c면 배향도가 5% 이상(바람직하게는 80% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상)인 것을 얻는 것이 가능해진다. 치밀함에 관해서는, 임의의 단면을 이온 밀링에 의해 연마한 후, 주사형 전자 현미경으로 배율 5000배로 조사했을 때의 기공의 수가 제로인 것 내지 5개 이하인 것을 얻는 것이 가능해진다. 순도에 관해서는, Mg, C 이외의 불순물 원소의 합계 질량 비율이 100 ppm 이하(바람직하게는 50 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppm 이하)인 것을 얻는 것이 가능해진다. 알루미나 소결체에 포함되는 Mg, C, F 이외의 각 불순물 원소는 10 질량ppm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 알루미나 함유량은, 편의상 불순물 원소의 합계 질량(%)을 100으로부터 감산한 값으로 하면, 99.8 질량% 이상, 바람직하게는 99.9 질량% 이상인 것을 얻는 것이 가능해진다. 투광성에 관해서는, 알루미나 소결체로부터 취출한 두께 0.2 mm의 시료의 파장 350∼1000 nm에서의 직선 투과율이 60% 이상(바람직하게는 70% 이상)인 것을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 두께 0.5 mm의 시료의 파장 300∼1000 nm에서의 직선 투과율이 50% 이상인 것을 얻는 것이 가능해진다.

실시예

[실험예 1]

1. 알루미나 소결체의 제작

(1) 판형 알루미나 분말의 제작

고순도 γ-알루미나(TM-300D, 타이메이화학 제조) 96 질량부와, 고순도 AlF₃(간토화학 제조, Cica 특급) 4 질량부와, 종결정으로서 고순도 α-알루미나(TM-DAR, 타이메이화학 제조, D50=1 ㎛) 0.17 질량부를, 용매를 IPA(이소프로필알콜)로서 φ2 mm의 알루미나볼을 이용하여 5시간 포트밀로 혼합했다. 얻어진 혼합 분말 중의 F, H, C, S 이외의 불순물 원소의 질량 비율의 합계는 1000 ppm 이하였다. 얻어진 혼합 원료 분말 300 g을 순도 99.5 질량%의 고순도 알루미나제의 시스(용적 750 ㎤)에 넣고, 순도 99.5 질량%의 고순도 알루미나제의 뚜껑을 덮어 전기로 내에서 에어플로우 중 900℃, 3시간 열처리했다. 에어의 유량은 25000 cc/min으로 했다. 열처리후의 분말을 대기 중 1150℃에서 40시간 어닐링 처리한 후, φ2 mm의 알루미나볼을 이용하여 4시간 분쇄하여 평균 입경 2 ㎛, 평균 두께 0.2 ㎛, 애스펙트비 10의 판형 알루미나 분말을 얻었다. 입자의 평균 입경, 평균 두께는, 주사형 전자 현미경(SEM)으로 판형 알루미나 분말 중의 임의의 입자 100개를 관찰하여 결정했다. 평균 입경은, 입자의 장축 길이의 평균치, 평균 두께는, 입자의 단축 길이의 평균치, 애스펙트비는 평균 입경/평균 두께이다. 얻어진 판형 알루미나 분말은 α-알루미나였다.

상기와 같이 하여 얻어진 판형 알루미나 분말 중의 불순물 원소에 관해, 하기 방법에 의해 정량 분석했다. 그리고, 판형 알루미나 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 X(질량ppm) 및 판형 알루미나 분말 중의 F 함유율 x1(질량ppm)을 구했다. 질량비 X는 열가수분해-이온 크로마토그래프법으로 구한 F의 질량을 이용하여 산출한 값이며, F 함유율 x1은 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법으로 구한 F의 질량을 이용하여 산출한 값이다. 열가수분해-이온 크로마토그래프법에서는 주로 시료 표면의 F를 측정하고, 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법에서는 시료를 용융하여 F를 측정하기 때문에 시료 전체의 F를 측정하게 된다. 실험예 1의 판형 알루미나 분말의 질량비 X, F 함유율 x1은 각각 490 ppm, 5600 ppm이었다. 또한, Al 이외의 불순물 원소로 검출된 것은 F뿐이며, 다른 분석 원소는 모두 검출 한계 이하였다. 판형 알루미나 분말의 순도를 (100-F 질량(%))로서 구한 바, 99.97%였다.

C, S : 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법

N : 불활성 가스 융해-열전도도법

H : 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법

F : 열가수분해-이온 크로마토그래프법, 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법

상기 이외의 불순물 원소(주로 Si, Fe, Ti, Na, Ca, Mg, K, P, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Pb, Bi, Li, Be, B, Cl, Sc, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, Hg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) : ICP 발광 분석

(2) 테이프 성형

상기 (1)에서 제작한 판형 알루미나 분말 5 질량부와, 미세한 알루미나 분말(TM-DAR, 평균 입경 0.1 ㎛, 타이메이화학 제조) 95 질량부를 혼합하여, 혼합 알루미나 분말로 했다. 이 혼합 알루미나 분말 100 질량부에 대하여, 산화마그네슘(500A, 우베마테리알즈 제조) 0.025 질량부(250 질량ppm)와, 그래파이트 분말(UF-G5, 쇼와덴꼬 제조) 0.01 질량부와, 바인더로서 폴리비닐부티랄(품번 BM-2, 세키스이화학공업 제조) 7.8 질량부와, 가소제로서 디(2-에틸헥실)프탈레이트(구로가네화성 제조) 3.9 질량부와, 분산제로서 트리올레인산소르비탄(레오돌 SP-O30, 카오 제조) 2 질량부와, 분산매로서 2-에틸헥산올을 가하여 혼합했다. 분산매의 양은, 슬러리 점도가 20000 cP가 되도록 조정했다. 이와 같이 하여 조제된 슬러리를, 닥터블레이드법에 의해 PET 필름의 위에 건조후의 두께가 20 ㎛가 되도록 시트형으로 성형했다. 얻어진 테이프를 구경 50.8 mm(2인치)의 원형으로 절단한 후 150장 적층하여, 두께 10 mm의 Al판의 위에 얹은 후, 패키지에 넣고 내부를 진공으로 함으로써 진공 패킹했다. 이 진공 패킹을 85℃의 온수 중에서 100 kgf/㎠의 압력으로 정수압 프레스를 행하여, 원판형의 성형체를 얻었다.

혼합 알루미나 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1, R2(ppm)는 각각 상기 식(1), (2)로부터 구했다. 실험예 1에서는 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 24 ppm, 529 ppm이었다.

(3) 소성

얻어진 성형체를 탈지로 중에 배치하고, 600℃에서 10시간의 조건으로 탈지를 행했다. 얻어진 탈지체를 흑연제의 형을 이용하고, 핫프레스로 질소 중 1800℃에서 4시간, 면압 200 kgf/㎠의 조건으로 소성하여, 알루미나 소결체를 얻었다. 얻어진 알루미나 소결체의 샘플의 외관 사진을 도 3에 나타냈다. 도 3에 그려진 NGK의 로고가 있는 마크는 니뽄가이시(주)의 등록상표이다.

또, 상기 1. (1), (2)가 본 발명의 공정(a)에 해당하고, 상기 1. (3)이 본 발명의 공정(b)에 해당한다.

2. 알루미나 소결체의 특성

(1) c면 배향도

얻어진 알루미나 소결체의 배향도를 확인하기 위해, 원판형의 알루미나 소결체의 상면에 대하여 평행해도록 연마 가공한 후, 그 연마면에 대하여 X선을 조사하여 c면 배향도를 측정했다. XRD 장치(리가쿠 제조, RINT-TTR III)를 이용하여, 2θ=20∼70°의 범위에서 XRD 프로파일을 측정했다. 구체적으로는, CuKα선을 이용하여 전압 50 kV, 전류 300 mA라는 조건으로 측정했다. c면 배향도는, 로트게링법에 의해 산출했다. 구체적으로는, 이하의 식에 의해 산출했다. c면이란 알루미나의 (006)면이다. 식 중, P는 제작한 알루미나 소결체의 XRD로부터 얻어진 값이며, P₀은 표준 α-알루미나(JCPDS 카드 No.46-1212)로부터 산출된 값이다. 실험예 1의 알루미나 소결체의 c면 배향도는 99.7%였다.

[수1]

(2) 기공수(밀도)

얻어진 알루미나 소결체의 임의의 단면을 크로스섹션 폴리셔(CP)(니혼덴시 제조, IB-09010CP)로 연마했다. CP는 이온 밀링의 범주에 속한다. CP를 이용한 것은, 연마면에 탈립이 생기지 않기 때문이다. 얻어진 단면을 주사형 전자 현미경(니혼덴시 제조, JSM-6390)으로 촬영했다. 구체적으로는, 도 4와 같은 세로 19.0 ㎛×가로 25.4 ㎛의 시야를 배율 5000배로 촬영한 사진을, 도 5와 같이 세로 6장분, 가로 5장분의 연속적인 사진(세로 114 ㎛×가로 127 ㎛)이 되도록 나열하여, 육안으로 기공수를 카운트했다. 기공과 기공이 아닌 부분은, 명암이 확실하기 때문에 육안으로 용이하게 구별할 수 있다. 실험예 1의 알루미나 소결체에서 확인된 기공수는 0개였다. 또한, 세로 223.4 ㎛×가로 321.4 ㎛의 시야를 배율 500배로 촬영한 사진을, 세로 6장분, 가로 5장분의 연속적인 사진(세로 1340.4 ㎛×가로 1607.0 ㎛)이 되도록 나열하여, 육안으로 직경 1 ㎛ 이상의 기공수를 카운트했다. 이 경우, 실험예 1의 알루미나 소결체에서 확인된 기공수는 2개였다.

(3) 불순물량

알루미나 소결체를 순도 99.9%의 알루미나 유발로 분쇄한 후, 불순물 원소를 하기 방법에 의해 정량 분석했다. 그리고, 알루미나 소결체 중의 Mg, C 이외의 불순물 원소의 합계 질량 비율(ppm), 알루미나 소결체에 포함되는 Mg, C의 질량 비율(ppm)을 구했다. 실험예 1의 알루미나 소결체의 Mg, C 이외의 불순물 원소는 모두 검출 한계 이하이며, Mg가 114 ppm, C가 40 ppm 검출되었다.

C, S : 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법

N : 불활성 가스 융해-열전도도법

H : 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법

F : 열가수분해-이온 크로마토그래프법

(4) Al₂O₃ 함유량

알루미나 소결체의 Al₂O₃ 함유량(질량%)은, 전술한 정량 분석으로 얻어진 알루미나 소결체 중의 Al, O 이외의 원소의 질량%의 합 S를 산출하여, 100-S에 의해 편의적으로 구했다. 실험예 1의 알루미나 소결체의 Al₂O₃ 함유량은 99.98 질량%였다.

(5) 직선 투과율

얻어진 알루미나 소결체를 10 mm×10 mm의 크기로 절취하여, φ68 mm의 금속제 정반의 최외주부에 90° 간격으로 4개 고정하고, SiC 연마지 상에서, 금속제 정반과 연마 지그의 하중만(합쳐서 1314 g)을 가한 상태로 #800으로 10분, #1200으로 5분 랩연마(예비 연마)했다. 그 후, 세라믹 정반 상에서 다이아몬드 지립을 이용한 랩연마를 행했다. 랩연마는, 지립 사이즈 1 ㎛로 30분, 그 후 지립 사이즈 0.5 ㎛로 2시간 행했다. 연마후의 10 mm×10 mm×0.2 mm 두께의 시료를 아세톤, 에탄올, 이온 교환수의 순으로 각각 3분간 세정한 후, 분광 광도계(Perkin Elmer 제조, Lambda900)를 이용하여 파장 350∼1000 nm에서의 직선 투과율을 측정했다. 실험예 1의 알루미나 소결체의 파장 350∼1000 nm에서의 직선 투과율은 80.3% 이상이었다. 또한, 0.5 mm 두께의 시료의 파장 300∼1000 nm에서의 직선 투과율은 66.0% 이상이었다.

실험예 1의 알루미나 소결체의 제조 조건 및 특성을 표 1에 정리했다.

[실험예 2]

판형 알루미나 분말을 제작할 때의 어닐링 온도를 1180℃로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 열처리 온도가 높고 F의 휘발량이 증가했기 때문에, 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 11, 491이었다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 3]

테이프 성형시의 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합비를 질량비로 1.5:98.5로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. F를 함유하는 판형 알루미나 분말의 혼합 비율을 낮게 했기 때문에, 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 7, 159였다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 4]

테이프 성형시의 산화마그네슘의 첨가량을 2500 질량ppm으로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 5]

소성시에 산화마그네슘을 첨가하지 않은 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 6]

판형 알루미나 분말을 제작할 때에 어닐링 온도를 1200℃로 한 것, 테이프 성형시에 AlF₃을 0.025 질량부 첨가(외배)한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 혼합 알루미나 분말의 질량비 R2는 652였다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 7]

소성시에 상압 대기 소성을 행한 후 HIP 소성을 행한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 알루미나 원료 분말의 질량비 R1, R2는 각각 24, 529였다. 상압 대기 소성의 조건은, 1350℃에서 4시간 유지로 했다. 또한, HIP 소성의 조건은, Ar를 압력 매체로 하고, 압력 185 MPa로 1800℃, 2시간 유지했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 8]

판형 알루미나 분말을 제작할 때에 판형 알루미나 분말의 어닐링 처리를 행하지 않은 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 판형 알루미나 분말에 많은 F가 남았기 때문에, 알루미나 원료 분말의 질량비 R1, R2는 각각 1439, 2271이었다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 9]

판형 알루미나 분말을 제작할 때의 어닐링 온도를 1200℃로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 열처리 온도가 높고 F의 휘발량이 증가했기 때문에, 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 5, 331이었다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 10]

판형 알루미나 분말을 제작할 때의 어닐링 온도를 900℃로 한 것, 및 핫프레스 소성 온도를 1650℃로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 343, 747이었다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 11]

테이프 성형시에 알루미나 원료 분말을 미세 알루미나 분말인 TM-DAR만으로 하고, 혼합시에 불화알루미늄 분말을 0.004 질량부 첨가(외배)한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 알루미나 원료 분말의 질량비 R2는 51이었다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[실험예 12]

소성 방법을 상압 대기 1700℃로 한 것 외에는 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 혼합 알루미나 분말의 질량비 R1, R2는 각각 24, 529였다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

[평가]

실험예 1∼7, 9에서는, 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상, 질량비 R2가 15 ppm 이상이 되도록 조제하고, 이 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 테이프 성형한 후, 1700℃ 이상에서 가압 소성(핫프레스 소성 또는 HIP 소성)했다. 그 때문에, 실험예 1∼7, 9의 알루미나 소결체는, c면 배향도가 90% 이상, 기공수는 시야 114×127 ㎛의 범위에서는 0개, 시야 1340.4×1607.0 ㎛의 범위에서는 0∼2개, Mg, C 이외의 불순물 원소의 합계는 100 ppm 이하, 알루미나 함유량이 99.8 질량% 이상이며, 고배향, 고치밀성, 고순도의 알루미나 소결체였다. 또한, 0.2 mm 두께에서 350∼1000 nm의 직선 투과율이 60% 이상, 0.5 mm 두께에서 300∼1000 nm의 직선 투과율이 50% 이상으로, 높은 투광성을 나타냈다. 실험예 8에서는, 혼합 알루미나 분말 중의 R1, R2가 높았기 때문에, 얻어진 알루미나 소결체는, 입성장이 약간 과잉이 되어 c면 배향도나 직선 투과율은 약간 낮아졌지만, 고배향, 고치밀성, 고순도라고 할 수 있는 것이었다.

한편, 실험예 10에서는, 소성 온도가 지나치게 낮았기 때문에, 얻어진 알루미나 소결체는, c면 배향도가 낮고 기공도 많이 남아, 직선 투과율이 매우 낮아졌다. 실험예 11에서는, 판형 알루미나 분말을 사용하지 않았기 때문에, 얻어진 알루미나 소결체는, c면 배향도가 매우 낮아져, 충분한 직선 투과율을 얻을 수 없었다. 실험예 12에서는, 가압 소성이 아니라 상압 대기 소성을 채용했기 때문에, 얻어진 알루미나 소결체는, c면 배향도가 낮고 기공도 많이 남아, 직선 투과율이 매우 낮아졌다.

[실험예 13∼22]

테이프 성형시의 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합비, MgO량, 소성시의 소성 온도를 표 2와 같이 하고, 소성 온도로부터 강온할 때에 1200℃까지 프레스압을 유지하고, 1200℃ 미만의 온도 영역에서는 프레스압을 제로로 개방한 것 외에는, 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

[실험예 23∼25]

테이프 성형시의 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합비, MgO량, 소성시의 소성 온도를 표 2와 같이 하고, 소성 온도로부터 강온할 때에 1200℃까지 프레스압을 유지하고, 1200℃ 미만의 온도 영역에서는 프레스압을 제로로 개방한 것 외에는, 실험예 8과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

[실험예 26, 27]

판형 알루미나 분말을 제작할 때의 어닐링 조건을 900℃ 3시간 에어 플로우(에어의 유량은 25000 cc/min)로 하고, 테이프 성형시의 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합비, 소성시의 소성 온도를 표 2와 같이 하고, 소성 온도로부터 강온할 때에 1200℃까지 프레스압을 유지하고, 1200℃ 미만의 온도 영역에서는 프레스압을 제로로 개방한 것 외에는, 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

[실험예 28]

테이프 성형시의 알루미나 원료 분말을 미세 알루미나 분말만으로 함과 함께 F 함유량을 제로로 하고, 소성시의 소성 온도를 표 2와 같이 하고, 소성 온도로부터 강온할 때에 1200℃까지 프레스압을 유지하고, 1200℃ 미만의 온도 영역에서는 프레스압을 제로로 개방한 것 외에는, 실험예 1과 동일하게 하여 알루미나 소결체를 제작했다. 얻어진 알루미나 소결체에 관해, 상기 2. (1)∼(5)의 특성을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

[평가]

실험예 13∼27에서는, 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상, 질량비 R2가 15 ppm 이상이 되도록 조제하고, 이 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 테이프 성형한 후, 1700℃ 이상에서 가압 소성(핫프레스 소성)했다. 그 때문에, 실험예 13∼27의 알루미나 소결체는, c면 배향도가 5% 이상, 기공의 수는 시야 114×127 ㎛의 범위에서는 0∼4개, 시야 1340.4×1607.0 ㎛의 범위에서는 0∼17개, Mg, C 이외의 불순물 원소의 합계는 100 ppm 이하, 알루미나 함유량이 99.8 질량% 이상이며, 고배향, 고치밀성, 고순도의 알루미나 소결체였다. 또한, 0.2 mm 두께에서 350∼1000 nm의 직선 투과율이 70% 이상, 0.5 mm 두께에서 300∼1000 nm의 직선 투과율이 60% 이상으로, 높은 투광성을 나타냈다.

한편, 실험예 28에서는, 판형 알루미나 분말을 사용하지 않았기 때문에, 얻어진 알루미나 소결체는, c면 배향도가 매우 낮아져, 충분한 직선 투과율을 얻을 수 없었다.

또, 실험예 1∼28 중, 본 발명의 실시예에 해당하는 것은 실험예 1∼9, 13∼27이다. 본 발명은, 이들 실시예에 전혀 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러가지 양태로 실시할 수 있다.

본 출원은, 2014년 11월 28일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-241685호 및 2015년 5월 13일에 출원된 일본 특허 출원 제2015-98524호를 우선권 주장의 기초로 하고 있고, 인용에 의해 이들의 내용이 모두 본 명세서에 포함된다.

본 발명은, 예컨대 고압 나트륨 램프용 발광관이나 고내열 창재, 반도체 장치용 부재, 광학 부품용 기판 등에 이용 가능하다.

Claims

(a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R1이 5 ppm 이상이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과,
(b) 상기 성형체를 1700℃ 이상에서 가압 소성함으로써 투명 알루미나 소결체를 얻는 공정
을 포함하고,
상기 공정(a)에서는, 상기 판형 알루미나 분말과 상기 판형 알루미나 분말보다 평균 입경이 작은 미세 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 상기 판형 알루미나 분말과 상기 미세 알루미나 분말의 혼합 비율이 질량비로 0.1:99.9∼15:85가 되도록 조제하는 것인 투명 알루미나 소결체의 제법.
단, 질량비 R1은, 하기 식(1)에서 산출되는 값이며, 단위는 질량ppm이다. 식(1) 중, X는, 판형 알루미나 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비(질량ppm)이다. 판형 알루미나 분말의 F 함유량은, 열가수분해-이온 크로마토그래프법으로 구한다. 판형 알루미나 분말의 Al 함유량은, 판형 알루미나 분말의 알루미나 순도를 100-(Al, O 이외의 불순물 원소의 질량%의 합)로서 구하고, 그것에 0.529를 곱한 값을 이용하여 산출한다. 불순물 원소의 질량%는 이하와 같이 정량한다. 즉, S는 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법, N은 불활성 가스 융해-열전도도법, H는 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법, F는 열가수분해-이온 크로마토그래프법, 그 밖의 원소는 ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석으로 정량한다.
R1=X×(판형 알루미나의 질량/알루미나 원료 분말의 질량)…(1)
(a) 애스펙트비가 3 이상인 판형 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 그 알루미나 원료 분말 중의 F의 Al에 대한 질량비 R2가 15 ppm 이상이 되도록 조제하고, 상기 알루미나 원료 분말을 포함하는 성형용 원료를 성형하여 성형체로 하는 공정과,
(b) 상기 성형체를 1700℃ 이상에서 가압 소성함으로써 투명 알루미나 소결체를 얻는 공정
을 포함하고,
상기 공정(a)에서는, 상기 판형 알루미나 분말과 상기 판형 알루미나 분말보다 평균 입경이 작은 미세 알루미나 분말을 포함하는 알루미나 원료 분말을, 상기 판형 알루미나 분말과 상기 미세 알루미나 분말의 혼합 비율이 질량비로 0.1:99.9∼15:85가 되도록 조제하는 것인 투명 알루미나 소결체의 제법.
단, 질량비 R2는, 하기 식(2)에서 산출되는 값이며, 단위는 질량ppm이다. 알루미나 원료 분말은, 판형 알루미나 분말과 미세 알루미나 분말의 혼합 비율이 질량비로 T:(100-T)이다. 알루미나 원료 분말에 첨가물을 외배(外配)로 첨가하는 경우, 알루미나 원료 분말에 대한 첨가물의 비율을 Z(질량%)로 한다. x1은, 판형 알루미나 분말 중의 F 함유율(질량ppm), x2는, 미세 알루미나 분말 중의 F 함유율(질량ppm), x3은 첨가물 중의 F 함유율(질량ppm)이다. F 함유량은, 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법으로 구한다. y1은, 판형 알루미나 분말 중의 Al 함유율(질량%), y2는, 미세 알루미나 분말 중의 Al 함유율(질량%)이다. Al 함유율은, 각 알루미나 분말의 알루미나 순도를 100-(Al, O 이외의 불순물 원소의 질량%의 합)로서 구하고, 그것에 0.529를 곱한 값(질량%)으로 한다. 불순물 원소의 질량%는 이하와 같이 정량한다. 즉, S는 연소(고주파 가열)-적외선 흡수법, N은 불활성 가스 융해-열전도도법, H는 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법, F는 알칼리 융해-이온 크로마토그래프법, 그 밖의 원소는 ICP 발광 분석으로 정량한다. y3은, 첨가물 중의 Al 함유율(질량%)이며, ICP 발광 분석으로 정량한다.
R2=100×[x1×T+x2×(100-T)+x3×Z]/[y1×T+y2×(100-T)+y3×Z}…(2)
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공정(a)에서는, 상기 알루미나 원료 분말 100 질량부에 대하여, MgO를 100∼5000 질량ppm 첨가하여 혼합함으로써 혼합 원료 분말로 하는 것인 투명 알루미나 소결체의 제법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공정(b)에서는, 상기 투명 알루미나 소결체에 포함되는 Mg, C 이외의 각 불순물 원소가 10 질량ppm 이하가 되도록 소성하는 것인 투명 알루미나 소결체의 제법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공정(b)에서는, 강온시에 있어서 1000∼1400℃의 범위에 설정된 미리 정해진 온도까지 50 kgf/㎠ 이상의 압력을 계속 인가하고, 상기 미리 정해진 온도 이하의 온도 영역에서는 50 kgf/㎠ 미만까지 제압(除壓)하는 것인 투명 알루미나 소결체의 제법.
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