KR20030079333A - A process for producing colored cubic zirconia by a skull melting method of high frequency induction heating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고주파 유도가열법에 의한 유색 큐빅 지르코니아의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연 보석을 대체할 수 있는 고부가가치의 유색 큐빅 지르코니아를 저렴한 비용으로 대량 생산 가능한 고주파 유도가열법에 의한 유색 큐빅 지르코니아의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing colored cubic zirconia by high frequency induction heating, and more particularly, to a colored high frequency induction cubic zirconia, which can replace natural gemstones, at a low cost. It relates to a method for producing cubic zirconia.
큐빅 지르코니아(Cubic Zirconia)란 용융점이 높은 고순도 ZrO2를 주원료로 사용하여 3,000℃의 고온에서 균일하게 용융한 후, 정밀한 온도 조절에 의하여 초기 결정 씨드(Seed)를 형성한 다음 동일한 결정방위로 성장시켜서 만들어지는 단결정이다.Cubic zirconia (Cubic Zirconia) is a high-purity ZrO 2 with a high melting point as a main raw material and uniformly melted at a high temperature of 3,000 ℃, and then formed an initial crystal seed by precise temperature control and then grown in the same crystal orientation It is a single crystal made.
큐빅 지르코니아는 광학적, 물리적으로 매우 안정되고 양호하여 이를 정교하게 가공하면 빛의 굴절이나 분산 특성에 의해 매우 아름답게 보이기 때문에 종래의 다른 어떠한 천연 다이아몬드 모조품 보다 우수한 보석용 인조 다이아몬드로 각광 받고 있다.Since cubic zirconia is very stable and good optically and physically, when it is precisely processed, it looks very beautiful due to the refraction or dispersion characteristics of light.
실제로 다이아몬드와 큐빅 지르코니아, 사파이어의 특성을 비교하여 다음 표 1에 기재하였다.In fact, the characteristics of diamonds, cubic zirconia, and sapphire are compared and listed in Table 1 below.
상기한 바와 같이 큐빅 지르코니아는 다이아몬드와 비교하여 전반적인 특성이 유사하며, 특히 산란도 면에서는 다이아몬드나 사파이어에 비해 훨씬 우수하므로 다이아몬드 이상의 아름다운 광채를 발하는 특성을 지니고 있다.As described above, cubic zirconia has similar characteristics in general compared to diamond, and in particular, in terms of scattering degree, it is much superior to diamond or sapphire, and thus has a beautiful radiance than diamond.
또한, 주성분인 ZrO2에 희토류계 원소를 첨가하면 여러가지 다양한 색상의 큐빅 지르코니아를 제조할 수 있는데, 이렇게 제조된 유색 큐빅 지르코니아는 기존의 천연 보석류를 대체하는 보석 대용품으로 이용되고 있다.In addition, by adding a rare earth-based element to the main component ZrO 2 to produce a variety of colors cubic zirconia, the colored cubic zirconia thus prepared is used as a jewelry substitute to replace the existing natural jewelry.
따라서, 이러한 큐빅 지르코니아의 시장이 급진적으로 확대되어감에 따라 소비자의 기호에 맞는 천연 보석의 색상을 재현할 수 있는 유색 큐빅 지르코니아를 저렴한 생산비용으로 대량 생산할 수 있는 방법이 요구되고 있다.Therefore, as the market of cubic zirconia expands rapidly, there is a demand for a method of mass-producing colored cubic zirconia that can reproduce the color of natural gemstones that meet the consumer's taste at a low production cost.
본 발명자들은 천연 보석 대용으로 사용되는 큐빅 지르코니아를 부가가치를 높이는 동시에 대량 생산할 수 있는 방법을 찾기 위해 예의 연구한 결과, 본 발명에 이르게 되었다.The present inventors have made intensive studies to find a method for increasing the added value and mass production of cubic zirconia used as a substitute for natural gemstones.
본 발명의 목적은 천연 보석과 같은 아름다운 색상과 광택을 내며 내구성이 우수한 다양한 색상의 유색 큐빅 지르코니아를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide colored cubic zirconia of various colors, such as natural gemstones, giving a beautiful color and luster and excellent durability.
또한, 본 발명의 목적은 천연 보석을 대체할 수 있는 큐빅 지르코니아를 저렴한 생산비용으로 대량 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a method for mass production of cubic zirconia, which can replace natural gemstones, at a low production cost.
도 1은 본 발명의 고주파 유도가열법에 의한 유색 큐빅 지르코니아의 제조방법을 개략적으로 나타낸 제조공정도이다.1 is a manufacturing process diagram schematically showing a method of manufacturing colored cubic zirconia by the high frequency induction heating method of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 유색 큐빅 지르코니아를 제조하는데 있어서, 전체 혼합물의 총 중량에 대하여 ZrO275 내지 85중량%, Y2O315 내지 20중량% 및 미량의 희토류계 원소를 혼합하여 내부에 발열체가 장치되어 있는 스컬 내에 충전하고, 원료를 충전한 스컬을 고주파 유도가열 장치에 설치한 다음, 상기 발열체를 25 내지 150kHz의 고주파로 발열시켜 원료를 용융하고, 얻어진 용융물을 3,000℃ 정도의 온도로 유지하면서 초기 결정의 씨드를 생성하고, 고주파 유도가열 장치의 외부에서 유도 코일을 3.0 내지 6.0mm/시간의 속도로 스컬의 하부에서 상부로 서서히 이동시켜 큐빅 지르코니아의 단결정을 성장시키고, 성장이 완료되면 스컬 내부에서 24시간 이상 냉각한 후 스컬로부터 충전물을 분리하여 대기 중에서 24시간 이상 냉각하고 분리된 충전물로부터 단결정 부위를 단리하는 것으로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 고주파 유도가열법에 의한 유색 큐빅 지르코니아의 제조방법인 것이다.In the present invention, in the production of colored cubic zirconia, 75 to 85% by weight of ZrO 2 , 15 to 20% by weight of Y 2 O 3 and a small amount of rare earth-based elements mixed with the total weight of the total mixture is provided with a heating element therein After filling the skull with the raw material, and installing the skull filled with the raw material in the high frequency induction heating apparatus, the heating element is heated at a high frequency of 25 to 150 kHz to melt the raw material, and the initial melt is maintained while maintaining the obtained melt at a temperature of about 3,000 ° C. The seed of the high frequency induction heater, and slowly move the induction coil from the lower part of the skull to the upper part of the skull at a speed of 3.0 to 6.0 mm / hour to grow a single crystal of cubic zirconia, and when the growth is complete, After cooling for at least 24 hours, the packing material is separated from the scull and cooled in the air for at least 24 hours. High frequency induction to the production process of colored cubic zirconia by heating method as that made to the features.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 본 발명에 따른 고주파 유도가열법에 의한 유색 큐빅 지르코니아의 제조공정을 개략적으로 도시하였다.1 schematically shows a manufacturing process of colored cubic zirconia by the high frequency induction heating method according to the present invention.
본 발명에 따르면, 먼저 주성분인 ZrO2와 Y2O3에 발색을 위한 희토류계 원소를 혼합물의 총 중량에 대하여 0.01 내지 2중량%를 첨가하여 혼합한다. 주성분인 ZrO2와 Y2O3는 혼합물의 총 중량에 대하여 각각 75 내지 85중량%와 15 내지 20중량%를 사용할 수 있다.According to the present invention, rare earth elements for color development are first mixed with ZrO 2 and Y 2 O 3 as main components by adding 0.01 to 2% by weight based on the total weight of the mixture. The main components ZrO 2 and Y 2 O 3 may be used in the range of 75 to 85 wt% and 15 to 20 wt%, respectively, based on the total weight of the mixture.
희토류계 원소는 발색을 위하여 사용되는 원료로서 미량 내지 소량이 사용된다. 본 발명에서 사용가능한 희토류계 원소로는, 예를들면 Er2O3, Co3O4, Nd2O3, V2O5, CeO2, Pr6O11, NiO 등으로 이루어진 군에서 큐빅 지르코니아의 목적하는 발색 색깔에 따라 임의로 선택하여 사용할 수 있다.Rare earth elements are used in trace amounts to small amounts as raw materials used for color development. Examples of the rare earth-based elements usable in the present invention include cubic zirconia in the group consisting of Er 2 O 3 , Co 3 O 4 , Nd 2 O 3 , V 2 O 5 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , NiO, and the like. According to the desired color development can be used arbitrarily selected.
상기한 바와 같이 혼합된 원료는 고주파 유도가열 장치가 부착되어 있는 스컬(skull)에 충전된다. 원료의 효율적인 용융을 위하여 스컬 내부의 중앙에는 고주파에 의한 발열체를 장치하는데, 발열체로는 그라파이트 링을 사용하는 것이 바람직하다.The mixed raw materials as described above are filled in a skull to which a high frequency induction heating apparatus is attached. In order to efficiently melt the raw material, a high-frequency heating element is installed in the center of the skull, and a graphite ring is preferably used as the heating element.
고주파에 의해서 원료가 모두 용융되면 초기 결정의 씨드(Seed)를 얻기 위하여 용융물의 온도를 약 3000℃의 고온으로 유지한다. 이렇게 하여 결정 씨드가 형성되면 다음으로 스컬 외부의 유도 코일을 시간당 3 내지 6 mm의 속도로 스컬 하부에서 상부쪽으로 이동시켜 용융물이 동일한 결정 방위로 단결정이 성장되도록 유도한다. 이 때 생성되는 단결정은 시간당 4.0 내지 4.8 mm의 크기로 성장된다.When all the raw materials are melted by high frequency, the temperature of the melt is maintained at a high temperature of about 3000 ° C. in order to obtain seeds of initial crystals. When a crystal seed is formed in this way, the induction coil outside the skull is then moved from the bottom of the skull to the top at a speed of 3 to 6 mm per hour to induce the melt to grow in the same crystal orientation. The single crystal produced at this time is grown to a size of 4.0 to 4.8 mm per hour.
상기한 바와 같이 얻어진 큐빅 지르코니아 결정은 색상의 편차 및 원하는 색상이 효과적으로 발현될 수 있다.The cubic zirconia crystals obtained as described above can effectively express color variations and desired colors.
단결정 성장이 완료되면 스컬을 고주파 유도가열 장치에서 탈거하고 스컬 내부에서 24시간 이상 냉각한 다음, 스컬 내부로부터 충전물을 분리하여 대기 분위기 하에서 24시간 이상 냉각한 후 단결정 부위를 단리해낸다.When the single crystal growth is completed, the skull is removed from the high frequency induction heating apparatus, cooled within the skull for at least 24 hours, the packing material is separated from the inside of the skull, cooled at least for 24 hours in an atmospheric atmosphere, and the single crystal site is isolated.
색을 정량적으로 기호 또는 수치로 표시하는 CIE 색상좌표에 따르면 단리한 큐빅 지르코니아는 목적하는 각 색상으로의 발색과 광택이 우수한 것을 알 수 있다. 상기한 본 발명의 방법에 의해 제조된 유색 큐빅 지르코니아에 대한 CIE 색상좌표를 하기 실시예에 기재하였다.According to the CIE color coordinates that display the color quantitatively as a symbol or a numerical value, it can be seen that the isolated cubic zirconia has excellent color development and gloss in each desired color. The CIE color coordinates for colored cubic zirconia prepared by the method of the present invention described above are described in the Examples below.
본 발명의 방법에 따라 제조되는 희토류계 원소를 함유하는 유색 큐빅 지르코니아는 흰색, 노란색, 분홍색 등의 다양한 색상을 나타낼 수 있으므로 다이아몬드, 자수정, 페리도트 등과 같은 천연 보석을 대체할 수 있다.Colored cubic zirconia containing rare earth-based elements prepared according to the method of the present invention may exhibit various colors such as white, yellow, pink, and so on, and may substitute natural gemstones such as diamond, amethyst, peridot and the like.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples.
실시예 1핑크색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 1 Preparation of Pink Cubic Zirconia
ZrO2450㎏, Y2O390㎏, Er2O335㎏ 및 미량의 Co3O4를 드럼 믹서를 이용하여혼합하였다. 혼합된 원료를 고주파 유도가열 장치의 그라파이트 발열체가 내장되어 있는 스컬에 충전한 다음, 25kHz의 고주파로 원료를 용융하였다. 용융물의 온도를 3,000℃로 유지하여 초기 결정 씨드를 생성하고 유도 코일을 시간당 3 내지 6mm의 속도로 스컬의 상부쪽으로 이동시켜 시간당 4.0 내지 4.8mm의 속도로 단결정을 성장시켰다. 성장이 완료된 충전물이 들어 있는 스컬을 유도가열 장치로부터 탈거하여 스컬 자체로써 24시간 이상 냉각하고 다시 스컬로부터 충전물을 분리하여 대기 중에서 24시간 이상 냉각한 후, 얻어진 큐빅 지르코니아를 분리하였다.450 kg of ZrO 2 , 90 kg of Y 2 O 3 , 35 kg of Er 2 O 3, and traces of Co 3 O 4 were mixed using a drum mixer. The mixed raw materials were filled in a skull in which the graphite heating element of the high frequency induction heating apparatus was embedded, and the raw materials were melted at a high frequency of 25 kHz. The temperature of the melt was maintained at 3,000 ° C. to produce an initial crystal seed and the induction coil was moved to the top of the skull at a speed of 3-6 mm per hour to grow single crystals at a speed of 4.0-4.8 mm per hour. The scull containing the growth-filled material was removed from the induction heating apparatus, cooled by the skull itself for at least 24 hours, and the filler was separated from the skull again, and then cooled in the air for at least 24 hours, and then the resulting cubic zirconia was separated.
얻어진 큐빅 지르코니아는 핑크색을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 2에 나타내었다.The resulting cubic zirconia was pink, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 2 below.
상기 표 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 핑크색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 2, the pink cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 2자수정빛 큐빅 지르코니아의 제조 Example 2 Preparation of Amethyst Cubic Zirconia
ZrO2480㎏, Y2O3100㎏, 및 Co3O41.5㎏을 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 480 kg of ZrO 2 , 100 kg of Y 2 O 3 , and 1.5 kg of Co 3 O 4 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 자수정과 같은 색상을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 3에 나타내었다.The resulting cubic zirconia had the same color as amethyst, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 3 below.
상기 표 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 자수정빛 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 3, the amethyst cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 3라벤더색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 3 Preparation of Lavender Cubic Zirconia
ZrO2240㎏, Y2O350㎏ 및 Nd2O36㎏을 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 240 kg of ZrO 2 , 50 kg of Y 2 O 3, and 6 kg of Nd 2 O 3 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 라벤더와 같은 색상을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 4에 나타내었다.The resulting cubic zirconia had the same color as lavender, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 4 below.
상기 표 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 라벤더색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 4, the lavender cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 4페리도트색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 4 Preparation of Peridot Cubic Zirconia
ZrO2470㎏, Y2O3100㎏, Nd2O35㎏ 및 V2O50.5㎏을 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 470 kg of ZrO 2 , 100 kg of Y 2 O 3 , 5 kg of Nd 2 O 3, and 0.5 kg of V 2 O 5 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 페리도트와 같은 색상을 띠었으며, 이에 대한 CIE색상 좌표를 다음 표 5에 나타내었다.The resulting cubic zirconia had the same color as the peridot, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 5 below.
상기 표 5에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 페리도트색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 5, the peridot cubic zirconia produced according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 5오렌지색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 5 Preparation of Orange Cubic Zirconia
ZrO2245㎏, Y2O350㎏ 및 CeO23㎏을 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 245 kg of ZrO 2 , 50 kg of Y 2 O 3, and 3 kg of CeO 2 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 오렌지 색상을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 6에 나타내었다.The cubic zirconia obtained had an orange color, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 6 below.
상기 표 6에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 오렌지색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 6, the orange cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 6노란색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 6 Preparation of Yellow Cubic Zirconia
ZrO2245㎏, Y2O350㎏ 및 Pr6O115㎏을 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 245 kg of ZrO 2 , 50 kg of Y 2 O 3, and 5 kg of Pr 6 O 11 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 노란색을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 7에 나타내었다.The obtained cubic zirconia was yellow, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 7 below.
상기 표 7에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 노란색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 7, the yellow cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
실시예 7샴페인색 큐빅 지르코니아의 제조 Example 7 Preparation of Champaign Cubic Zirconia
ZrO2250㎏, Y2O350㎏, NiO 1.0㎏ 및 미량의 Co3O4를 원료로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유색 큐빅 지르코니아를 제조하였다.Colored cubic zirconia was prepared in the same manner as in Example 1, except that 250 kg of ZrO 2 , 50 kg of Y 2 O 3 , 1.0 kg of NiO, and a small amount of Co 3 O 4 were used as raw materials.
얻어진 큐빅 지르코니아는 샴페인과 같은 색상을 띠었으며, 이에 대한 CIE 색상 좌표를 다음 표 8에 나타내었다.The resulting cubic zirconia had the same color as champagne, and the CIE color coordinates thereof are shown in Table 8 below.
상기 표 8에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 샴페인색 큐빅 지르코니아는 색상이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성도 우수하였다.As shown in Table 8, the champagne-colored cubic zirconia prepared according to the present invention was not only excellent in color but also excellent in productivity.
본 발명의 방법에 따르면, 큐빅 지르코니아를 저렴한 생산비용으로 대량 생산할 수 있다.According to the method of the present invention, cubic zirconia can be mass-produced at a low production cost.
또한, 본 발명의 방법에 따르면, 천연 보석과 같은 아름다운 색상과 광택을 가지며 내구성이 우수한 다양한 색상의 유색 큐빅 지르코니아를 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있다.In addition, according to the method of the present invention, it is possible to mass-produce colored cubic zirconia of various colors having a beautiful color and luster like natural gemstone and excellent durability at low cost.
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