KR20020073257A

KR20020073257A - 세라믹 소결체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20020073257A
Application number: KR1020020012177A
Authority: KR
Inventors: 고바야시히로미치; 오하시츠니아키; 오다도시오; 후루쿠보히로시
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2002-09-23
Also published as: US20030027706A1; TW546275B; JP2002338334A; US6706428B2; KR100543735B1; JP3830382B2

Abstract

본 발명은 다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 충분히 높은 접합 강도로써 일체화하는 것을 과제로 한다.

세라믹 소결체(1)는 치밀질 부분(2)과 다공질 부분(3)을 구비하고 있다. 치밀질 부분(2)이 세라믹 미립자의 소결에 의해 형성되어 있다. 다공질 부분(3)이 세라믹 조립자의 소결에 의해 형성되어 있다. 세라믹 미립자와 세라믹 조립자가 일체로 가압 소결되어 있다.

Description

세라믹 소결체 및 그 제조 방법{CERAMIC SINTERED BODIES AND A METHOD OF PRODUCING THE SAME}

본 발명은 세라믹 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 일체화하는 방법으로서는, 납땜, 무기질 접착제에 의한 접착, 일체 소결 등을 생각할 수 있다(「금속편람」개정6판 마루젠 가부시키가이샤 1036∼1037페이지).

본 발명자는 예컨대 탄화규소의 치밀질 소결체와 다공질 소결체를 접합하는 것을 검토하였다. 그러나, 다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 납땜하는 방법에서는 우선 세라믹스 표면에 대해 강고한 접착력을 나타내는 땜납이 적다고 하는 문제가 있다. 또한, 다공질 세라믹스의 기공율이 높아지고 개기공(開氣孔)이 커지면, 기공의 내부에 땜납이 진입하여 세라믹스가 변성될 가능성이 있으며, 다공질 세라믹스의 표면에 대한 땜납의 접착력도 더욱 저하하는 경향이 있다. 또한, 양자를 납땜할 때에는 땜납 용융 온도까지 가열할 필요가 있기 때문에, 그 후의 냉각 과정에 있어서, 땜납의 주변에 잔류 응력이 남아 접합 강도가 저하하거나 균일하지 않게 되는 경향이 있다. 다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 예컨대 유리 접착제에 의해 접착하는 경우에도 상기와 동일한 문제가 생긴다.

본 발명의 과제는 다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 충분히 높은 접합 강도로써 일체화할 수 있도록 하는 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결체(1)를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 도 1b는 소결체(1)를 저면(1b)측에서 본 사시도.

도 2는 세라믹 조립자로 이루어지는 1차 성형체(7) 및 세라믹 미립자(8)를 일축 가압 성형하고 있는 상태를 개략적으로 보여주는 단면도.

도 3은 2차 성형체(10)를 열간 프레스 소결용의 형 내에 셋트한 상태를 개략적으로 보여주는 단면도.

도 4a는 소결체(1A)를 보여주는 횡단면도이며, 도 4b는 소결체(1A)의 사시도.

도 5a 및 5b는 각각 소결체(1B, 1C)의 횡단면도.

도 6a는 소결체(1)에서 잘라낸 4점 굽힘 강도 측정용 시료(15)를 보여주고, 도 6b는 소결체(1)에서 잘라낸 표면 저항 측정용 시료(16)를 보여주는 도면.

도 7은 실시예 2의 소결체에 있어서, 다공질 부분과 치밀질 부분의 접합 계면의 세밀 구조를 나타내는 사진.

도 8은 실시예 4의 소결체에 있어서, 다공질 부분과 치밀질 부분의 접합 계면의 세밀 구조를 나타내는 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 1A, 1B, 1C : 소결체

2, 2A : 치밀질 부분

2a : 적층 부분(평판상 부분)

2b : 측벽 부분

3, 3A, 3B, 3C : 다공질 부분

4, 13 : 상부 펀치

5, 14 : 하부 펀치

6 : 지지체

7 : 세라믹 조립자의 1차 성형체

7A : 세라믹 조립자의 성형체

8 : 세라믹 미립자

10 : 2차 성형체

11 : 세라믹 미립자의 성형체

20 : 압력 인가 방향에 대해 대략 수직인 계면

21 : 압력 인가 방향에 대해 대략 평행한 계면

A : 압력 인가 방향

본 발명은 치밀질 부분과 다공질 부분을 구비한 세라믹 소결체로서, 치밀질 부분이 세라믹 미립자의 소결에 의해 형성되어 있고, 다공질 부분이 세라믹 조립자의 소결에 의해 형성되어 있으며, 세라믹 미립자와 세라믹 조립자가 일체로 가압 소결되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 치밀질 부분과 다공질 부분을 구비한 세라믹 소결체를 제조하는 방법으로서, 세라믹 미립자와 세라믹 조립자를 일체로 가압 소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 이른바 가압 소결법을 이용하며, 세라믹 미립자를 소결시켜 치밀체를 생성시키는 동시에 세라믹 미립자가 고도로 소결되는 온도 및 압력 조건하에서 다공체를 생성하는 조립자를 미립자와 함께 일체 소결시키는 것에 생각이 미쳤다.

세라믹스의 가압 소결법으로서는, 대표적으로는 열간 프레스법, 열간 등압 프레스법이 알려져 있다. 예컨대, 열간 프레스법에 의한 세라믹스의 가압 소결은 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄 등의 각종 세라믹스의 소결을 위해 사용되어 오고 있다.

본 발명에 있어서는 가압 소결에 의해 치밀체를 생성시킬 수 있는 세라믹 미립자를 사용하고, 이 세라믹 미립자와 세라믹 조립자를 일체로 가압 소결시킨다. 이 때, 세라믹 조립자는 이 세라믹 미립자가 충분히 치밀화되는 온도 및 압력 조건하에서 다공체를 생성하도록 선택한다. 이 결과, 가압 소결에 의해 얻어진 일체의 소결체에는 세라믹 미립자가 소결된 치밀질 부분과, 세라믹 조립자가 소결된 다공질 부분의 쌍방이 포함된다.

이러한 소결체에 있어서는 치밀질 부분과 다공질 부분은 강고하게 접합 일체화되어 있으며, 또한 양자의 계면은 미시적으로 봐도 연속적이 된다. 그리고, 다공질 부분에 있어서도, 치밀질 부분에 있어서도, 각 세라믹 입자는 각각 같은 용융 소결 프로세스를 경험하고 있기 때문에 다공질 부분과 치밀질 부분의 계면에서의 잔류 응력은 적다. 따라서, 다공질 부분과 치밀질 부분의 접합 강도는 높거나, 혹은 안정되어 있어, 접합 불량은 발생하기 어렵다.

본 발명은 세라믹스 전반에 적용할 수 있다. 이러한 세라믹스로서는 알루미나, 지르코니아, 이산화티탄, 실리카, 마그네시아, 페라이트, 코데라이트, 산화이트륨 등의 희토류 원소의 산화물 등의 산화물계 세라믹스; 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산지르콘산납, 희토류 원소의 망가나이트, 희토류 원소의 크로마이트 등의 복합 산화물; 질화알루미늄, 질화규소, 시알론 등의 질화물계 세라믹스; 탄화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐 등의 탄화물계 세라믹스를 예로 들 수 있다.

세라믹 미립자의 평균 입자 지름은 가압 소결시의 목표로 하는 온도 및 압력 조건에서, 목적의 기공율을 얻을 수 있는 정도로 소결할 수 있는 크기이면 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 일반적으로는 세라믹 미립자의 평균 입자 지름은 5 ㎛ 이하가 바람직하고, 1 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다.

세라믹 조립자의 평균 입자 지름은 가압 소결시의 목표로 하는 온도 및 압력 조건에서 목적의 기공율을 얻을 수 있는 정도로 소결할 수 있는 크기이면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 세라믹 조립자의 평균 입자 지름은 목적으로 하는 기공율에 따라 변동된다. 그러나, 일반적으로는 40 ㎛ 이상이 바람직하고, 50 ㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 다공질 부분의 강도 저하를 방지한다고 하는 관점에서는400 ㎛ 이하가 바람직하고, 100 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 치밀질 부분의 기공율을 다공질 부분의 기공율로 나누어 얻어진 값(비)은 0. 3 이하가 바람직하고, 0. 01 이하가 더욱 바람직하다.

적합한 실시예에 있어서는, 세라믹 조립자는 연마 가공, 연삭 가공용의 숫돌, 숫돌 입자이다. 이러한 재료를 미립자와 함께 일체로 가압 소결하는 것은 유례가 없다. 이 밖에, 세라믹 소결체를 성기게 분쇄하여 체로 입도를 조정한 것을 조립자로서 사용하는 것도 바람직하다.

세라믹 미립자 및 세라믹 조립자는 각각 바인더를 포함하는 입자화 분말이어도 좋고, 바인더를 실질적으로 함유하고 있지 않은 세라믹 분말이어도 좋다. 또한, 세라믹 조립자에 대해 조공제(造孔劑)를 첨가하는 것은 가능하지만, 가압 소결은 통상 밀봉 상태로 행해지기 때문에 조공제를 실질적으로 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 입자 지름이 비교적 큰 세라믹 조립자를 고온하에서 가압함으로써 세라믹 조립자끼리를 강고하게 결합하는 동시에, 세라믹 조립자 사이에 틈을 어느 정도 남긴다.

치밀질 부분의 기공율은 본 발명의 소결체의 강도를 전체적으로 더욱 높인다고 하는 관점에서는 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 5% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이 하한은 특별히 없으며, 0%이어도 좋다.

다공질 부분의 기공율은 본 발명의 소결체의 용도를 넓히기 위해서는 10% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 15% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하며, 20% 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다. 특히, 다공질 부분의 기공율을 15% 이상으로 함으로써 다공질 부분 중에 연속된 기공을 형성하기 쉬워지며, 이에 따라 통기성을 확보할 수 있다.

다공질 부분의 기공율은 다공질 부분이 강도를 높인다고 하는 관점에서는 40% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 소결체 중에는 금속 부품 내지 금속 부재를 매설할 수도 있다. 이러한 금속 부품의 형태나 종류는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 평면상의 금속 벌크재이든지 인쇄법에 의해 성형된 금속막이다. 금속 부품은 세라믹스의 소성 온도에서 안정적인 고융점 금속, 예컨대 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 레늄, 하프늄, 이들의 합금에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

금속 부품을 구성하는 금속 벌크재로서는, 예컨대 다음의 것을 예시할 수 있다.

(1) 평판상의 금속 벌크재.

(2) 평판상의 금속 벌크재 중에 다수의 작은 공간이 형성되어 있는 것.

여기에는 다수의 작은 구멍을 가지는 판상체로 이루어지는 금속 벌크재나 망상의 금속 벌크재를 포함한다. 다수의 작은 구멍을 가지는 판상체로서는 에칭 메탈, 펀칭 메탈을 예시할 수 있다.

세라믹스의 열간 프레스 장치는 기본적으로는 가압 기구와 가열 기구로 이루어지며, 가압 기구에는 통상은 다이와 펀치가 포함되어 있다. 가압 기구의 재질은 세라믹스의 분말이나 성형체의 가열 조건에서, 예컨대 1000∼2400℃의 온도하에서 소정의 압력을 견딜만큼의 충분한 기계적 강도를 구비하며, 세라믹스의 분말과 화학 반응을 일으키지 않는 것이 요구된다. 이러한 재료로서 예컨대 흑연이 사용되고 있다.

적합한 실시예에 있어서는 세라믹 미립자와 세라믹 조립자가 동종의 세라믹스로 이루어진다. 본 발명은 이렇게 동종의 세라믹스로 이루어지는 다공체와 치밀체의 강고한 일체 구조를 제공할 수 있다. 여기서, 동종의 세라믹스란, 기본 성분이 동일한 것을 의미하고 있으며, 첨가 성분이나 미량 성분에는 차이가 있어도 좋고, 또한 불가피적인 불순물도 문제가 되지 않는다. 특히 바람직하게는 치밀질 부분을 구성하는 세라믹스와 다공질 부분을 구성하는 세라믹스가 서로 50 중량% 이상이 같은 성분으로 이루어지며, 특히 바람직하게는 80% 이상이 같은 성분으로 이루어진다.

적합한 실시예에 있어서는 다공질 부분과 치밀질 부분이 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층되어 있다. 이에 따라, 다공질 부분과 치밀질 부분의 계면이 압력 인가 방향을 향해 교차하는 방향, 혹은 대략 직교하는 방향을 향해 연장되기 때문에 다공질 부분과 치밀질 부분의 접합 강도가 가장 높아진다. 다공질 부분과 치밀질 부분의 계면의 방향은 압력 인가 방향에 대해 45° 이상의 각도를 이루는 것이 바람직하며, 60° 이상의 각도를 이루는 것이 더욱 바람직하고, 대략 수직인 것이 가장 바람직하다.

또한, 다공질 부분과 치밀질 부분의 계면의 적어도 일부가 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행인 것이 바람직하다. 가압 소결시에 다공질 부분과 치밀질 부분이 불균등하게 수축하면 양자의 계면에 불규칙한 요철이 나타나는 경향이 있다. 그러나, 압력 인가 방향에 대해 대략 평행한 계면은 다공질 부분과 치밀질 부분의 수축차에 의한 요철이나 불균일이 발생하기 어렵다.

단, 열간 등압 프레스법의 경우에는 온갖 방향에서 압력이 인가된다. 따라서, 이 실시예는 열간 프레스법과 같이 주로 특정 방향을 향해 압력을 인가하는 경우에 적용된다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결체(1)를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 도 1b는 소결체(1)의 저면(1b)측에서 본 사시도이다.1a는 소결체(1)의 주면이다. 소결체(1)는 다공질 부분(3)과 치밀질 부분(2)으로 이루어진다. 다공질 부분(3)은 원판 형상을 하고 있다. 치밀질 부분(2)은 다공질 부분(3)과 적층된 원반형의 적층 부분(2a)과, 다공질 부분(3) 및 적층 부분(2a)의 외주를 포위하도록 설치된 환상 부분(2b)으로 이루어진다. 적층 부분(2a)과 환상의 측벽 부분(2b)은 연속해 있다. 적층 부분(2a)과 다공질 부분(3)의 계면(20)은 가압 방향(A)에 대해 대략 수직을 이루고 있다. 또한, 다공질 부분(3)의 둘레 측면과 치밀질 부분(2)의 계면(21)은 가압 방향(A)에 대해 대략 평행이다.

도 2 내지 도 3을 참조하면서 소결체(1)의 제조 프로세스에 관해 설명한다. 적합한 실시예에 있어서는, 우선 세라믹 조립자를 가압 성형하여 1차 성형체(7)를 얻는다. 본 예에서는 1차 성형체(7)는 원판 형상을 이루고 있지만 그 형태는 한정되지 않는다. 1차 성형체(7)를 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 가압 성형틀 내에 수용한다. 이 틀은 상부 펀치(4), 하부 펀치(5) 및 슬리브(9)에 의해 구성되어 있다. 본 예에서는 지지체(6)의 주면(6b) 위에 1차 성형체(7)를 얹음으로써 적층체(21)를 만든다.

그리고, 하부 펀치(5)의 성형면(5A) 위에 지지체(6)의 주면(6a)를 얹는다. 지지체(6)의 직경은 슬리브(9)의 내경에 대체로 적합하도록 한다. 한편, 1차 성형체(7)의 직경은 슬리브(9)의 내경 및 성형면(5A)의 직경보다 약간 작게 한다. 그리고, 1차 성형체(7)의 측면(7a)과 슬리브(9)의 사이 및 1차 성형체(7)의 주면(7b) 위에 세라믹 미립자(8)를 충전한다. 지지체(6) 상측의 지지면(6b) 위에는 세라믹 미립자 및 세라믹 조립자는 비반응성인 재료로 이루어지는 시트형 물체를 얹어, 개재시킬 수도 있다.

이어서, 세라믹 미립자(8) 위에서부터 상부 펀치(4)를 하강시켜 상부 펀치(4)의 성형면(4A)과 하 펀치(5)의 성형면(5A)의 사이에서 화살표(A) 방향으로 압력을 가하여 도 3에 도시되어 있는 2차 성형체(10)를 얻는다. 이 2차 성형체(10)는 조립자로 이루어지는 성형체(7A)와 미립자로 이루어지는 성형체(11)로 이루어진다. 성형체(11)는 성형체(7A)의 주면과 측면을 피복하고 있다.

전술한 바와 같이, 세라믹 조립자를 성형하여 1차 성형체를 얻고, 1차 성형체를 세라믹 미립자와 함께 가압 성형함으로써 2차 성형체를 얻고, 이 2차 성형체를 가압 소결하는 것이 바람직하다. 세라믹 조립자와 세라믹 미립자를, 조립자를 미리 성형하는 일 없이 가압 성형하면, 양자의 계면이 균일하지 않게 될 우려가 있다.

이어서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 예컨대 열간 프레스용 상부 펀치(13)의 성형면(13a), 하부 펀치(14)의 성형면(14a) 및 슬리브(12)에 의해 형성되는 공간내에 2차 성형체(10)를 끼워 열간 프레스한다. 이 단계에서는 지지체(6)는 성형체에서 떼어낼 수 있다. 지지체(6)를 2차 성형체(10)에 적층한 채로 열간 프레스하는 것도 가능하다. 이 상태에서는 세라믹 미립자와 세라믹 조립자의 계면(22)은 압력 인가 방향에 대해 대략 수직이며, 계면(23)은 압력 인가 방향에 대해 대략 평행하다.

도 4a는 다른 실시예에 따른 소결체(1A)의 횡단면도이며, 도 4b는 소결체(1A)의 사시도이다. 소결체(1A)는 원판 형상의 다공질 부분(3A)과, 다공질 부분(3A)의 측면 둘레를 포위하는 환상의 치밀질 부분(2A)을 구비하고 있다. 본 예에서는 원반형의 다공질 부분(3A)의 주면(3a, 3b)이 노출되어 있어, 이 결과 소결체(1A)의 주면(1a)과 저면(1b)의 사이에서 다공질 부분이 연속된다.21은 다공질 부분(3A)과 치밀질 부분(2A)의 계면이다. 계면(2A)은 가압 방향(A)에 대해 대략 평행하다.

또한, 본 발명에 있어서는 다공질체를 평균 입자 지름이 서로 다른 복수 종류의 조립자에 의해 형성할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 다공질 부분 중, 치밀질 부분에 가까운 영역을 구성하는 조립자의 평균 입자 지름을, 치밀질 부분에서 먼 영역을 구성하는 조립자의 평균 입자 지름보다 작게 한다. 이에 따라, 치밀질 부분에 가까운 영역의 기공율이, 치밀질 부분에서 먼 영역의 기공율보다 작아지도록 한다.

예컨대, 도 5a의 소결체(1B)에서는 다공질체(3B)가 원반형 영역(26)과 원반형 영역(26)의 측면 둘레를 포위하는 환상 영역(25)으로 이루어져 있다. 바람직하게는, 환상 영역(25)을 구성하는 조립자의 평균 입자 지름을 원반형 영역(26)을 구성하는 조립자의 평균 입자 지름보다 작게 하여, 환상 영역(25)의 기공율을 원반형 영역(26)의 기공율보다 작게 한다.

또한, 도 5b에 도시되어 있는 소결체(1C)와 같이 다공질 부분(3C)을 3종류 이상, 예컨대 4종류의 영역(27, 28, 29, 30)에 의해 구성한다. 이 경우, 바람직하게는 각 영역을 구성하는 조립자의 평균 입자 지름이 영역 30에서 27을 향해 차례로 작아지도록 한다. 이에 따라, 각 영역의 기공율이 영역 30에서 27을 향해 차례로 작아지도록 한다. 또한, 다공질 부분 내의 기공율을 경사적으로 변화시킬 수 있다.

소성시의 최고 온도는 세라믹스의 종류 및 목적으로 하는 기공율에 따라 적절히 조정할 수 있다. 일반적으로는 1000∼2400℃의 온도에서 소성한다. 또한, 소성시의 압력도 적절히 설정할 수 있지만, 50∼400 kg/cm²가 일반적이다.

지지체의 재질은 특별히 한정되지 않는다. 가압 소결할 때에도 지지체를 사용하는 경우에는, 지지체는 목적으로 하는 소성 온도 이상의 융점을 가지며, 또한 세라믹스와 실질적으로 반응하지 않는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 재질로서는 질화붕소, 카본 등 외, 몰리부덴, 텅스텐, 탄탈, 니오브, 하프늄 등의 소성 온도에서 용융되지 않는 고융점 금속이 바람직한데, 카본이 가장 바람직하다.

본 발명의 소결체의 표면을 다른 재료, 바람직하게는 세라믹스에 의해 코팅할 수 있다. 특히, 다공질 부분을 숫돌 입자나 숫돌 등으로 형성한 경우에는 다공질 부분의 순도는 세라믹스용의 미세 분말을 이용할 수 있는 치밀질 부분의 순도에 비해 낮아지는 경우가 있다. 이러한 경우에는 소결체의 표면, 특히 적어도 다공질 부분의 표면에 세라믹스막을 코팅함으로써 소결체의 표면의 순도를 향상시킬 수 있다. 특히, 반도체 제조 용도와 같이 적어도 소결체의 표면이 고순도일 것이 요구되는 경우에는 이렇게 고순도의 세라믹스막에 의해 소결체의 표면, 특히 적어도 다공질 부분의 표면을 피복하는 것이 바람직하다.

이러한 코팅막의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 소결체를 구성하는 세라믹스와 동종의 재질인 것이 특히 바람직하다. 또한, 막의 형성 방법은 한정되지 않으며, 예컨대 화학적 기상 성장법, 물리적 기상 성장법, 스퍼터링법 등이어도 좋다.

(실험 A)

도 2 및 도 3을 참조하면서 설명한 방법을 따라, 도 1에 도시되어 있는 소결체(1)를 제조하였다. 구체적으로는 표 1에 나타내는 각 성상을 가지는 탄화규소 조립자(GC숫돌 입자)를 준비하였다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
조립탄화규소의 종류	NG36	NG60	NG100	NG220	#240
최대 입자 지름(㎛)	850~600	425~300	212~150	106~75	123
평균 입자 지름(㎛)	400	250	120	75	57
최소 입자 지름(㎛)	355	180	75	45	40
SiC(중량%)	99. 2	99. 2	99. 4	99. 2	96. 0
유리탄소(중량%)	0. 10	0. 10	0. 04	0. 08	0. 50
총 철함량(중량%)	0. 07	0. 06	0. 05	0. 08	0. 30
용도	연삭숫돌	연삭숫돌	연삭숫돌	연삭숫돌	숫돌입자

이 숫돌 입자를 폴리 비닐 알코올 5% 용액과 혼합하여, 형(원형상)에 충전하고, 이형하고, 온도 110℃에서 2시간 동안 건조시켜 1차 성형체(7)를 얻었다. 1차 성형체(7)를 금형 내에 셋트하였다. 소결 조제로서 B₄C 및 카본분을 첨가한 탄화규소 미립자(8)를 금형내에 투입하여 1차 성형체(7)의 측면 및 표면을 피복하였다. 면압 200 kg/cm²에서 프레스 성형하여 2차 성형체(10)를 얻었다. 이 2차 성형체(10)를 열간 프레스 소결시켰다. 소성시의 최고 온도는 2200℃로 하고, 최고 온도에서의 유지 시간은 2시간으로 하고, 승온 속도, 강온 속도는 100 ℃/시간으로 하였다. 소성시의 분위기는 100% 아르곤 분위기로 하였다.

얻어진 소결체(1)에서 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 형태의 막대 모양의 시료(15)를 잘라냈다.15a는 다공질 부분이며,15b는 치밀질 부분이다. 이 시료(15)를 이용하여 JIS R1601에 정해지는 4점 굽힘법에 의해 강도를 측정하여 측정 결과는 표 2에 나타낸다. 또한, 각 소결체의 다공질 부분과 치밀질 부분의 각 기공율을 아르키메데스법에 의해 측정하여 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예2, 4의 각 소결체의 다공질 부분과 치밀질 부분의 각 접합 계면의 세밀 구조의 사진을 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 이 사진은 주사형 전자 현미경에 의해 촬영한 것이며, 배율은 50배이다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
조립탄화규소의 종류	NG36	NG60	NG100	NG220	#240
조립탄화규소의 평균 입자 지름(㎛)	400	250	120	75	57
미립탄화규소의 평균 입자 지름(㎛)	1. 6	1. 6	1. 6	1. 6	1. 6
소성 시의 최고 온도(℃)	2200	2200	2200	2200	2200
소성 시의 압력(kg/㎠)	200	200	200	200	200
소성 시의 분위기	아르곤	아르곤	아르곤	아르곤	아르곤
다공질 부분의 기공율(%)	24	24	26	27	27
치밀질 부분의 기공율(%)	0. 18	0. 10	0. 06	0. 07	0. 06
4점 굽힘 강도 (MPa)	110	130	200	240	300

이 결과에서 알 수 있듯이, 다공질 부분과 치밀질 부분은 동질 재료이며, 또한 매우 다른 기공율을 가지고 있다. 치밀질 부분의 기공율은 0. 2% 이하로 매우 작은 값이 될 때까지 치밀화되어 있다. 이와 동시에, 다공질 부분의 기공율은 20∼30%의 범위 내로 되어 있으며, 충분히 높은 기공율로 되어 있다. 또한, 양자의 접합 강도는 비교적 크다.

다음에 각 소결체에서 도 6b에 도시되어 있는 바와 같은 형태 및 치수의 각 시료(16)를 잘라냈다. 단, 시료(16)의 평면 형상은 90°로 펼쳐진 부채 모양이다. 원호의 중심(O)측에는 부채 모양의 다공질 부분(3)이 존재하고 있으며, 다공질 부분(3)의 외주를 따라 원호상의 치밀질 부분(2)이 마련되어 있다. 다공질 부분(3)의 반경은 35 mm, 시료(16)의 반경은 50 mm, 치밀질 부분(2)의 폭은 15 mm, 시료(16) 의 두께는 8 mm, 다공질 부분(3)의 두께는 4 mm이다.

이 시료(16)에 관해 테스터를 이용하여 A-B 사이에 관해 표면 저항을 측정한 바, 5 내지 30 MΩ이며, C-D 사이에서는 0.10 내지 0.11 MΩ이었다. 이렇게 다공질 부분과 치밀질 부분의 사이에서는 2자릿수 정도 표면 저항이 다르다. 또한, A-D 사이의 표면 저항을 측정한 바, 2-16 MΩ이며, 다공질 부분 단독의 경우보다 약간 표면 저항이 저하하였다. 이것은 치밀질 부분의 상대적으로 낮은 표면 저항을 반영하고 있는 것이다.

(실험 B)

실험 A와 같은 식으로 도 4에 도시되어 있는 소결체(1A)를 제조하였다. 구체적으로는 표 3에 나타내는 각 성상을 가지는 알루미나 조립자 또는 질화알루미늄 조립자를 준비하였다.

	실시예6	실시예7	실시예8
원료	Al₂O₃	Al₂O₃	AlN
조립원료의 종류	WA60	WA100	No. 1
최대 입자 지름(㎛)	300	150	600
평균 입자 지름(㎛)	250	115	400
최소 입자 지름(㎛)	210	105	350
Al₂O₃(중량%)	99. 9	99. 9	_
AlN(중량%)	_	_	99. 9
유리탄소(중량%)	_	_	_
SiO₂(중량%)	0. 01	0. 01	0. 003
총 철함유량(중량%)	0. 01	0. 01	0. 001
용도	숫돌입자	숫돌입자	_

각 조립자를 폴리 비닐 알코올 5% 용액과 혼합하여, 형(원형상)에 충전하고,이형하며, 온도 110℃에서 2시간 동안 건조시켜, 원판 형상의 1차 성형체(7)를 얻었다. 1차 성형체(7)를 금형내에 셋트하였다. 그리고, 표 4에 나타내는 평균 입자 지름을 가지는 순도 99. 9%의 알루미나 미립자 또는 질화알루미늄 미립자를 금형내에 투입하여 1차 성형체(7)의 측면을 피복하였다. 이어서, 면압 200 kg/cm²으로 프레스 성형하여 2차 성형체를 얻고, 이 2차 성형체를 열간 프레스 소결시켰다. 소성시의 최고 온도는 표 4에 나타내는 바와 같이 달리하여, 최고 온도에서의 유지 시간은 2시간으로 하고 승온 속도, 강온 속도는 100 ℃/시간으로 하였다. 소성시의 분위기는 100% 질소 분위기로 하였다.

이 결과, 도 4a 및 4b에 도시되어 있는 바와 같은 소결체(1A)를 얻었다. 얻어진 각 소결체(1A)에 관해 실험 A와 같은 식으로 기공율, 4점 굽힘 강도를 측정하여 결과를 표4에 나타냈다.

	실시예6	실시예7	실시예8
원료	Al₂O₃	Al₂O₃	AlN
조립원료의 종류	WA60	WA100	No. 1
조립원료의 평균 입자 지름(㎛)	250	115	400
미립원료의 평균 입자 지름(㎛)	0. 5	0. 5	1
소성 시의 최고 온도(℃)	1600	1600	1850
소성 시의 압력(kg/㎠)	200	200	200
소성 시의 분위기	N₂	N₂	N₂
다공질 부분의 기공율 (%)	27	21	28
치밀질 부분의 기공율 (%)	0	0	0
4점 굽힘 강도 (MPa)	250	270	230

이렇게 본 발명의 소결체는 다공질 부분과 치밀질 부분이 높은 접합 강도로써 일체화되어 있는 것이다.

또한, 실시예 6, 7, 8의 각 소결체의 다공질 부분과 치밀질 부분의 각 접합 계면의 세밀 구조 사진을 주사형 전자 현미경에 의해 촬영한 바, 전술한 실시예 2, 4의 경우와 동일한 결과를 얻었다.

다음에, 실시예 6, 7, 8의 각 소결체(1A)에 관해 치밀질 부분(2A)의 단면을 O링에 의해 시일하였다. 그리고, 주면(1a)측의 헬륨 압력을 2 atm으로 하고, 저면(1b)측의 헬륨 압력을 1 atm으로 하여 소결체(1A)의 가스 투과성을 확인하였다. 이 결과, 치밀질 부분(2A)에서 가스가 새는 일 없이 원반형의 다공질 부분(3A)내를 주면 3a에서 3b를 향해 가스가 투과하는 것을 확인하였다.

이상 전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다공질 세라믹스와 치밀질 세라믹스를 충분히 높은 접합 강도로 일체화할 수 있다. 또한, 다공질 세라믹스 혹은 치밀질 세라믹스의 부분을 고순도의 재질로 구성한 경우에는 납땜부나 접착제가 없는 이점과 아울러, 반도체 제조 장치용의 부품(예컨대 샤워 플레이트) 혹은 필터에 대해 적합하게 응용할 수 있다.

Claims

치밀질 부분과 다공질 부분을 구비한 세라믹 소결체로서,

상기 치밀질 부분이 세라믹 미립자의 소결에 의해 형성되어 있으며, 상기 다공질 부분이 세라믹 조립자의 소결에 의해 형성되어 있고, 상기 세라믹 미립자와 상기 세라믹 조립자가 일체로 가압 소결되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 미립자와 상기 세라믹 조립자가 동종의 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결체.
제2항에 있어서, 상기 세라믹 조립자와 상기 세라믹 미립자가 탄화규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 조립자와 상기 세라믹 미립자가 알루미늄 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 치밀질 부분의 기공율이 10% 이하이며, 상기 다공질 부분의 기공율이 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 소결체.
제4항에 있어서, 상기 치밀질 부분의 기공율이 10% 이하이며, 상기 다공질 부분의 기공율이 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 소결체.
제4항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 소결체.
제5항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 소결체.
제6항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분의 계면의 일부분 이상이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행인 것을 특징으로 하는 소결체.
제4항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분의 계면의 일부분 이상이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행인 것을 특징으로 하는 소결체.
제5항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분의 계면의 일부분 이상이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행인 것을 특징으로 하는 소결체.
제6항에 있어서, 상기 다공질 부분과 상기 치밀질 부분의 계면의 일부분 이상이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행인 것을 특징으로 하는 소결체.
치밀질 부분과 다공질 부분을 구비한 세라믹 소결체를 제조하는 방법으로서,

세라믹 미립자와 세라믹 조립자를 일체로 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 세라믹 미립자와 상기 세라믹 조립자가 동종의 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 세라믹 조립자와 상기 세라믹 미립자가 탄화규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 세라믹 조립자와 상기 세라믹 미립자가 알루미늄 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 치밀질 부분의 기공율을 10% 이하로 하고, 상기 다공질 부분의 기공율을 10 내지 40%로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 세라믹 미립자와 상기 세라믹 조립자를 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향을 향해 적층하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항에 있어서, 상기 세라믹 미립자와 상기 세라믹 조립자의 계면의 일부분 이상이 상기 가압 소결시의 압력 인가 방향에 대해 대략 평행이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 조립자를 성형하여 1차 성형체를 얻고, 이 1차 성형체를 상기 세라믹 미립자와 함께 가압 성형함으로써 2차 성형체를 얻고, 이 2차 성형체를 상기 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제18항에 있어서, 상기 세라믹 조립자를 성형하여 1차 성형체를 얻고, 이 1차 성형체를 상기 세라믹 미립자와 함께 가압 성형함으로써 2차 성형체를 얻고, 이 2차 성형체를 상기 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 조립자를 성형하여 1차 성형체를 얻고, 이 1차 성형체를 상기 세라믹 미립자와 함께 가압 성형함으로써 2차 성형체를 얻고, 이 2차 성형체를 상기 가압 소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.
제22항에 있어서, 상기 세라믹 조립자를 지지체 위에서 형성함으로써 상기 1차 성형체와 상기 지지체의 적층체를 얻는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체의 제조 방법.