KR20040062417A - 세륨계 연마재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

희토류 원소를 함유하는 광석으로부터 중간 내지 중량의 희토류 원소, Nd 및 희토류 원소 이외의 불순물을 화학적으로 제거함으로써 수득된 혼합 경희토류 화합물을 500 내지 1100℃에서 소성시켜, 혼합 희토류 옥사이드를 생성한다. 세륨계 희토류 플루오라이드를 혼합 희토류 옥사이드에 첨가시켜 혼합물을 수득한다. 이 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급시켜 세륨계 연마재를 생성한다.

Description

세륨계 연마재 및 그 제조 방법 {CERIUM-BASED ABRASIVE, PRODUCTION PROCESS THEREOF}
관련 출원의 대응 참조
본 출원은, 35 U.S.C. §111(b)에 준하여 2001년 2월 21일 출원된 가출원 60/269,843호 출원일의 35 U.S.C. § 119(b)에 준한 이득을 주장하며 35 U.S.C. §111(a)하에 제출된 출원이다.
기술분야
본 발명은 유리 등의 재료를 연마하는데 이용되는 세륨계 연마재와, 그 연마재의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 세륨 옥사이드를 주성분으로 함유하고, 유리제 하드디스크 기판이나 액정 디스플레이 패널용 유리 기판 등의 고정밀 유리 기판을 마무리 연마하는데 이용되는 세륨계 연마재의 제조 방법에 관한 것이다.
배경기술
최근, 유리 재료는 각종 용도에 이용되어왔고, 몇몇 경우 재료의 표면 연마에 대한 필요성이 제기되었다. 예를 들어, 광학 렌즈 및 광학 렌즈용 유리 기판의 제조시, 유리 재료의 표면은 경면을 제공할 수 있도록 표면 미세도가 매우 고도한 정도까지 연마되어야 한다. 특히, 광디스크 및 자기 디스크용 유리 기판, 액정 디스플레이용 유리 기판, 예컨대 박막 트랜지스터(TFT)형 LCD 및 트위스터드 네마틱(TN)형 LCD, 액정 텔레비젼 디스플레이의 컬러 필터용 유리 기판 및 LSI 포토마스크용 유리 기판에 대하여 최소의 표면 조도를 갖는 평탄한 무결함 표면이 요구된다. 이것이 고정밀도의 표면 연마 기술에 대한 요구를 발생시킨다.
액정 디스플레이용 유리 기판은, 이러한 기판이 높은 온도로 후-열처리되므로, 내열성이 높아야 한다. 추가로, 기판은 경량화를 위해 점점 얇아지고 있다. 또한, 자기 디스크용 유리 기판에서도, 예를 들어 고속 회전 동안 디스크의 변형에 저항하기 위해, 경량화에 수반하여 높은 기계적 강도, 특히 강성을 유지하면서 기판의 두께를 감소시킬 것이 요구된다. 이러한 요구 수준이 매해 증가하였다.
두께의 감소 및 기계적 강도에 대한 상기 요구를 충족시키기 위해, 액정 디스플레이 또는 자기 디스크용 기판으로서 알루미노실리케이트를 주성분으로 하는 유리 기판을 제공함으로써, 유리의 화학 조성 및 유리의 제조 방법에 대한 개선이 이루어졌다. 자기 디스크용 유리 기판으로서, 주성분으로서 리튬 실리케이트 또는 석영 결정을 주로 함유하는 유리-세라믹 기판이 통상적으로 개발되어왔다. 이들 기판의 유리는 가공성이 현저히 낮으므로, 종래의 연마재 이용시, 가공 속도가 느려지고, 그로 인해 생산성이 나빠진다. 따라서, 높은 연마 속도와 고정밀 표면 연마 성능이 요구된다.
유리 기판의 표면 연마에 이용되는 통상의 연마재로서, 희토류 옥사이드, 그 중에서도 특히 세륨 옥사이드를 주성분으로 하는 연마재가 사용되어왔고, 그 이유는 세륨 옥사이드가 철 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 또는 실리콘 디옥사이드에 비해 연마 속도가 수배 우수하기 때문이다. 이러한 연마재의 이용시, 연마재 입자를 물 등의 액체에 분산시켜 사용하는 것이 일반적이다. 종래의 세륨 옥사이드계 연마재를 이용하여 경질의 상기 언급한 유리 기판을 연마하는 경우, 연마 속도가 저하되는 문제가 발생한다.
세륨 옥사이드계 연마재의 연마 메카니즘이 충분히 밝혀지진 않았으나, 유리 에 대한 세륨 옥사이드의 화학 작용과 세륨 옥사이드 입자 자체의 경도에 기인한 기계적 작용의 상승 효과를 기초로 연마가 진행되는 것이 현상학적으로 확인되었다. 그러나, 알루미노실리케이트를 주성분으로 하는 유리 기판과 리튬 실리케이트를 주성분으로 하는 유리-세라믹 기판은 내약품성이 우수하므로, 연마재의 화학적 효과가 충분히 발휘되지 않는다. 추가로, 이들 유리 기판(피가공물)이 경질이기 때문에 연마재 입자의 파쇄가 용이하게 발생하여 유리에 대해 기계적 효과가 충분히 유지될 수 없으므로 가공 속도의 저하가 초래된다.
기계적 효과를 장시간 유지하기 위해, 가공되는 기판보다 높은 경도를 갖는, 예컨대 알루미나 또는 지르코니아 등의 분말 입자를 연마재 조성물 중에 첨가시키는 접근 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 접근에서는 세륨 옥사이드의 농도가 상대적으로 감소하여 불충분한 화학 효과를 초래한다. 추가로, 경도가 높은 분말 입자는 반대로, (가공되는 기판의) 유리 표면에 피트(pits) 및 스크래치 등의 결함을 유발한다.
본 발명은 종래의 기술에 수반되는 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안되었다. 따라서, 본 발명의 목적은, 높은 연마 속도를 얻기 어려운 경질의 유리 재료에 대하여 장시간 동안 초기 연마 속도를 유지하고, 유리 등의 가공 재료에 피트 및 스크래치 등의 표면 결함을 유발하지 않으며, 그로써 양질의 연마 표면을 제공하는 세륨계 연마재의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 이 방법에 의해 제조된 세륨계 연마재를 제공하는 것이다.
발명의 개시
본 발명의 세륨계 연마재는 입방정 복합 희토류 옥사이드와 복합산 희토류 플루오라이드를 포함하고, 연마재 중의 희토류 원소 함유량은 옥사이드로 환산하여 90 질량% 이상이고, 희토류 원소 중의 세륨 함유량은 옥사이드로 환산하여 55 질량% 이상인 연마재이다.
연마재는, X선 회절 측정시, 입방정 복합 희토류 옥사이드에 기인한 메인 피크가 2θ에서 28.2°이상인 연마재를 포함한다.
연마재는, X선 회절 측정시, 입방정 복합 희토류 옥사이드의 메인 피크에 대한 산희토류 플루오라이드로에 기인한 메인 피크의 강도비가 0.2 내지 1.0 범위인 연마재를 포함한다.
연마재는, 입경이 10 내지 50nm이고 비표면적이 2 내지 10m2/g인 1차 입자를 갖는 연마재를 포함한다.
연마재는, 5 내지 10 질량%의 플루오르를 함유하는 연마재를 포함한다.
본 발명에 따른 세륨계 연마재의 제조 방법은 희토류 원소를 함유하는 광석으로부터 중간(medium) 내지 중량(heavy)의 희토류 원소, Nd 및 희토류 원소 이외의 불순물을 화학적으로 제거함에 의해 얻어진 혼합 경희토류 화합물을 500 내지 1100℃에서 소성시킴으로써 혼합 희토류 옥사이드를 생성시키는 것을 포함한다.
제조 방법은, 혼합 희토류 옥사이드에 세륨계 희토류 플루오라이드를 첨가하고 생성된 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급함으로써 세륨계 연마재를 생성하는 것을 포함한다.
제조 방법은, 세륨계 희토류 플루오라이드와 혼합 경희토류 화합물을 탄화시킴으로써 얻어진 혼합 희토류 카르보네이트를 혼합 희토류 옥사이드에 첨가하고 생성된 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급하여 세륨계 연마재를 생성하는 것을 포함한다.
제조 방법에서, 희토류 플루오라이드는, 혼합 경희토류 화합물에 플루오라이드를 첨가하고 생성된 혼합물을 400℃ 이하의 온도에서 열처리함으로써 얻어지는 세륨계 혼합 경희토류 화합물의 플루오라이드이다.
제조 방법에서, 전기노 또는 추진식 노와 같은 소성노를 이용하여 대기압에서 2 내지 36시간 동안 소성시킨다.
상기 기술한 구성을 갖는 세륨계 연마재는 경질의 유리 재료에 대하여 초기 연마 속도를 장시간 동안 유지하고, 표면 조도가 적은 고품질의 연마 표면을 제공할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 실시예 1에서 얻어진 연마재의 X-선 회절 도식이다.
도 2는 비교예 1에서 얻어진 연마재의 X-선 회절 도식이다.
본 발명을 수행하는 최상의 방법
본 발명에 따른 세륨계 연마재는 플루오르와, 특히 입방정 복합 희토류 옥사이드 및 복합산 희토류 플루오라이드를 포함하고, 연마재 중의 희토류 원소 함유량은 옥사이드로 환산하여 90 질량% 이상이고 희토류 원소 중의 세륨 함유량은 옥사이드로 환산하여 55 질량% 이상이다.
세륨계 연마재에서 플루오르의 함유량은 5 내지 10 질량%인 것이 바람직하다. 이것이 5 질량% 미만이면, 연마 속도가 낮아진다. 반면, 이것이 10 질량%를 초과하면, 희토류 플루오라이드가 잔존하여 연마 속도를 낮추고 스크래치를 형성할 것이다.
희토류 원소를 RE로 표시하면, 입방정 복합 희토류 옥사이드는, 예를 들어 RE2O3로 표시되는 화합물이고, 복합산 희토류 플루오라이드는, 예를 들어 REOFREO로 표시되는 화합물이다. 본 발명에 따른 세륨계 연마재는 실질적으로 이 두 화합물로 구성되어야 한다. 여기서 "실질적으로"라는 표현을 사용하는 이유는 세륨계 연마재가 추가로 첨가제 등을 함유할 수 있기 때문이다. 연마재의 보통의 X선 회절 측정 결과, 두 화합물 이외의 물질에 기인한 결정 피크는 거의 검출되지 않을 것이다. 본원에서 이러한 물질에 기인한 결정 피크는 두 화합물로부터의 결정 피크에 포함되지 않는 것으로 본다.
연마재 중의 모든 희토류 원소의 함유량이 옥사이드로 환산하여 90 질량% 이상이고, 바람직하게는 95 질량% 이상이며, 모든 희토류 원소 중의 세륨의 함유량이옥사이드로 환산하여 55 질량% 이상이고, 바람직하게는 60 질량% 이상이다. 연마재 중의 총 희토류 원소의 함유량은, ICP 분석 또는 형광성 X선 분석 등의 기구 분석에 의해 측정된다. 연마재 중의 희토류 원소의 함유량을 기구 분석에 의해 측정하고, 측정된 함유량을 옥사이드로 환산하여 산출한다.
본 발명에 따른 세륨계 연마재 중의 모든 희토류 원소의 함유량이 90 질량% 미만이거나, 모든 희토류 원소 중의 세륨 함유량이 55 질량% 미만일 때, 연마에 기여하지 않는 입자의 수가 증가하여 연마 속도가 감소하고, 연마 도중, 피연마물 상에 스크래치를 생성시키는 원인이 된다.
본 발명의 세륨계 연마재는, X선 회절 측정시 입방정 복합 희토류 옥사이드에 기인한 메인 주된 피크(2θ)가 28.2°이상인 것이 바람직하다. X선 회절 측정 결과, 보통의 세륨 옥사이드로부터 초래되는 메인 피크는 27.8°에서 나타난다. 본 발명에서 메인 피크는 각도가 높은 쪽으로 0.4° 이상 이동한 위치에서 나타난다. 그 이유는 세륨 옥사이드 이외의 희토류 성분인 란탄 옥사이드, 프라세오디뮴 옥사이드 등이 세륨 옥사이드 중에 포획되어 결정간 거리를 변화시키기 때문이다. 상기 언급한 회절 피크를 갖는 세륨계 연마재를 이용함으로써 높은 연마 속도를 달성하며 연마 도중 생성되는 스크래치를 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 세륨계 연마재의 X선 회절 측정은 가부시키가이샤 리가쿠에서 제조한 X선 회절 측정 장치를 이용하여, X선 발생 전압 40kV, 전류 30mA, 스캔 속도 4.0°/분, 측정 단계 0.02°/분, DS 방사 슬릿 1, RS 수광 슬릿 0.3 및 SS 산란 슬릿 1의 조건하에 수행되었다.
본 발명의 X선 회절에서의 피크 위치를 엄밀히 규정하기 위하여, X선 관구로서 Cu 양극과 필터로서 Ni 포일을 이용하여 CuKα선 측정을 수행하였다.
본 발명의 세륨계 연마재를 X선 회절 측정시 얻어지는, 입방정 복합 희토류 옥사이드의 메인 피크에 대한 산희토류 플루오라이드의 메인 피크의 강도비는 바람직하게 0.2 내지 1.0의 범위이고, 보다 바람직하게는 0.3 내지 0.6이다. 세륨계 연마재의 X선 회절에서, 입방정 복합 희토류 옥사이드의 메인 피크(2θ)와 산희토류 플루오라이드의 메인 피크는 각각 약 28.2 및 26.7°에서 나타난다. 피크 강도는 회절 강도의 최대 수치를 의미한다. 입방정 복합 희토류 옥사이드의 메인 피크에 대한 산희토류 플루오라이드에 기인한 메인 피크의 강도비가 0.2 미만일 때, 세륨계 연마재 중에 함유된 란탄 옥사이드의 부작용을 충분히 억제할 수 없고, 그로써 연마 속도가 저하되고 연마재의 유효 수명이 짧아진다. 강도비가 1.0을 초과하는 경우, 연마 성능이 부족한 산플루오라이드의 수가 증가하므로 연마 속도가 저하된다.
본 발명의 세륨계 연마재는 바람직한 입경이 10 내지 50nm 범위이고 비표면적이 바람직하게 2 내지 10m2/g 범위인 1차 입자를 포함한다. 1차 입경은 X선 회절 피크의 2분의 1 높이에서 피크 너비로부터 해석된 미세결정의 직경을 계산함으로써 측정되고, 비표면적은 BET 방법에 의해 측정된다.
1차 입경이 10nm 미만일 때, 세륨 옥사이드 또는 산플루오라이드가 충분히 결정화되지 않으므로 기계적인 연마력인 낮아진다. 이것이 50nm를 초과하면, 스크래치를 형성하는 경질의 큰 결정들이 발생한다. 비표면적이 2m2/g 미만일 때, 1차 입경이 50nm를 초과하는 경우와 유사하게 스크래치가 형성된다. 이것이 10m2/g을 초과하면 연마 속도가 저하된다.
바람직하게도, 본 발명에 따른 세륨계 연마재의 제조 방법은 천연에 존재하는 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 등을 다량으로 함유하는 광석(희토 정광)으로부터 알칼리 금속, 알칼리성 토류금속 및 방사성 물질을 포함하는 희토류 원소 이외의 성분과, 중간 내지 중량의 희토류 원소 및 Nd를 포함하는 희토류 성분들을 화학적으로 제거함으로써, 이들의 함유량이 감소된 세륨계 혼합 경희토류 화합물, 예컨대 혼합 희토류 카르보네이트 또는 혼합 희토류 하이드록사이드를 주원료로서 생성하는 단계와, 이 주원료를 500 내지 1100℃의 온도에서 소성시켜 혼합 희토류 옥사이드를 생성하는 단계를 포함한다. 여기서 사용된 "중간 내지 중량의 희토류 원소"란 Pm(프로메튬) 보다 큰 원자수를 갖는 희토류 원소를 가리킨다.
알칼리 금속, 알칼리성 토류금속 및 방사성 물질을 포함하는 희토류 원소 이외의 성분들을 화학적으로 제거하는 방법으로서, 황산을 이용하여 희토 정광을 하소(roasting)시키는 방법이 일반적으로 이용된다. 중간 내지 중량의 희토류 원소 및 Nd를 포함하는 희토류 성분들을 화학적으로 제거하는 방법으로서, 용매 추출 방법이 일반적이다.
본 발명의 주원료인 혼합 경희토류 화합물은, 예를 들어, 천연에 존재하는세륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 등을 다량으로 함유하는 희토 정광을 분쇄한 다음, 분쇄된 희토 정광을 황산을 이용하여 하소시키고 물 중에 용해시킨 다음 불용성 물질로서 알칼리 금속, 알칼리성 토류금속 및 방사성 물질 등의 희토류 원소 이외의 성분들을 제거하고, 용매 추출 방법을 이용하여 중간 내지 중량의 희토류 원소 및 Nd를 포함하는 희토류 성분들을 화학적으로 제거하고, 암모늄 비카르보네이트 또는 옥살산을 이용하여 생성물을 카르보네이트 염으로 전환시킴으로써 수득될 수 있다. 이렇게 수득되는 혼합 경희토류 화합물은 옥사이드로 환산하여 45 내지 55 질량%의 희토류 원소를 포함하는 것이 바람직하고, 희토류 원소는 55 내지 63 질량%의 세륨 옥사이드를 포함하는 것이 바람직하며, 비희토류 원소와 잔여의 카르본산이 0.5 질량% 이하이다.
본 발명에 따른 세륨계 연마재의 제조 방법은 세륨계 희토류 플루오라이드를 소성에 의해 얻어진 혼합 희토류 옥사이드에 첨가하고, 생성된 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급하는 단계를 포함한다.
세륨계 희토류 플루오라이드는 천연에 존재하는 세륨, 란탄, 프라세오디뮴, 네오디뮴 등을 다량으로 함유하는 희토 정광으로부터 희토류 원소 이외의 성분들, 예컨대 알칼리 금속, 알칼리성 토류금속 및 방사성 물질과, 필요하다면 이에 추가하여, 중간 내지 중량의 희토류 원소 및 Nd를 화학적으로 제거함으로써 이들 성분 및 금속의 양이 감소된 혼합 경희토류 화합물을 제공하고; 하이드로플루오르산, 암모늄 플루오라이드 또는 산성 암모늄 플루오라이드 등의 플루오르 공급원을 이용하여 화합물을 플루오르화하며; 플루오르화 화합물을 400℃ 이하의 온도에서 열처리하고; 열처리된 화합물을 분쇄시킴으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 이렇게 수득된 세륨계 희토류 플루오라이드는 옥사이드로 환산하여 총량이 60 내지 75 질량%인 희토류 원소와 20 내지 30 질량%의 플루오르를 함유한다. 여기서 이용된 "세륨계"라는 용어는 희토류 원소 중의 세륨 함유량이, 옥사이드로 환산하여, 40 질량% 이상이고, 바람직하게는 60 질량% 이상인 것을 의미한다.
플루오르화 화합물이 상기 언급한 공정에서 열처리될 때의 온도가 400℃ 보다 높으면, 희토류 옥사이드 등의 희토류 화합물과 플루오르의 반응성이 감소하여소성시 경질의 응집물이 생성된다. 응집물은 스크래치를 생성하는 연마재 입자가 될 수 있다. 만약 이러한 입자가 포함되면, 연마 속도는 증가될 수 없다. 따라서, 열처리 온도가 400℃를 넘지 않도록 조절되어야 한다.
본 발명에서, 주원료인 혼합 경희토류 화합물을 500 내지 1100℃의 온도에서 소성시킴으로써 혼합 희토류 옥사이드를 형성한다. 이렇게 생성된 혼합 희토류 옥사이드와 부원료인 세륨계 희토류 플루오라이드를 예정된 비율로 혼합하고, 생성된 혼합물을 습식-미분쇄한다. 최종 제품(세륨계 연마재)에서 요구되는 플루오르 함유량에 따라서 혼합비를 적절하게 결정한다. 따라서, 본 발명에서, 최종 제품 중의 플루오르의 함유량은 세륨계 희토류 플루오라이드의 혼합비를 변경함으로써 용이하게 조절될 수 있다. 습식 볼밀과 같은 보통의 분쇄기를 이용하여 분쇄를 수행한다. 본 발명에서, 분쇄된 생성물의 평균 입경은 바람직하게 0.5 내지 3.0㎛이다.
이어서, 이렇게 분쇄된 혼합 희토류 옥사이드와 세륨계 희토류 플루오라이드의 혼합물을 함유하는 슬러리를 건조 및 소성시킨다. 소성 온도는 600 내지 1100℃, 바람직하게는 800 내지 1000℃이다. 소성된 생성물을 냉각, 파쇄 및 분급하여 세륨계 연마재를 생성한다. 연마재는 바람직하게 0.5 내지 3.0㎛의 평균 입경을 갖고, 플루오르의 함유량이 1.0 내지 10 질량%, 바람직하게는 5 내지 10 질량%인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 혼합 경희토류 화합물을 500 내지 1100℃에서 소성시킴에 의해 얻어진 혼합 희토류 옥사이드와 혼합 경희토류 화합물을 탄화시킴에 의해 얻어진 소성되지 않은 혼합 희토류 카르보네이트 및 세륨계 희토류 플루오라이드를 사용 전에 혼합시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 희토류 플루오라이드에 함유된 플루오르가 혼합 희토류 옥사이드 및 혼합 희토류 카르보네이트에 함유된 란탄과 반응하여 란탄 플루오라이드를 생성한다. 혼합 희토류 카르보네이트와 혼합 희토류 옥사이드를 혼합시키면 란탄 플루오라이드를 생성시키는 플루오르와 란탄간의 반응이 촉진된다.
연마재에 함유된 란탄 옥사이드는 연마 동안 연마 패드의 플러깅(plugging)을 야기하는 강염기이다. 이것은 연마되는 표면을 새롭게 하는 연마재 수성 슬러리의 순환에 악영향을 미친다. 특히, 저세륨계 연마재는 비교적 높은 란탄 함유량을 갖기 때문에 상기의 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에서는, 혼합 희토류 옥사이드를 혼합 희토류 카르보네이트 및 세륨계 희토류 플루오라이드에 첨가한 다음, 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급시키기 때문에 란탄 옥사이드가 란탄 플루오라이드로 전환되고, 따라서 연마 동안 상기 언급한 부작용을 억제할 수 있다.
본 발명의 세륨계 연마재는 보통 분말 형태로 이용된다. 그러나, 연마재로서 이용시, 이것은 그 수성 분산액 형태로 바뀌는 것이 일반적이고, 광학 렌즈, 광학 또는 자기 디스크 및 액정 디스플레이용 유리 기판과 같은, 다양한 유리 재료 및 유리 제품의 마무리 연마에 사용된다.
구체적으로, 연마재는 물 등의 분산 매질에 분산되고, 이에 따라 사용을 위해 약 5 내지 30 질량%의 슬러리로 제조된다. 본 발명에서 바람직하게 이용된 분산 매질의 구체예로는 물과 수성 유기 용매가 있다. 유기 용매의 특정 구체예로는 알코올, 다가 알코올, 아세톤 및 테트라하이드로푸란이 있다. 물을 이용하는 것이 일반적이다.
유리 기판과 같은 대상물을 본 발명의 세륨계 연마재를 이용하여 연마시, 피트 및 스크래치와 같은 표면 결함이 없는 우수한 품질의 연마 표면을 제공할 수 있다.
본 발명을 이하 실시예에 의해 상세히 기술할 것이며, 거기에 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1:
옥사이드로 환산하여 계산된 47 질량%의 희토류 원소, 희토류 원소 이외의 불순물 53 질량%, 옥사이드로 환산하여 계산된 중간 내지 중량의 희토류 원소 2 질량% 및 옥사이드로 환산하여 계산된 Nd 8 질량%를 함유하는 희토 정광(광석)을 처리하여 희토류 원소 이외의 불순물 함유량이 1 질량% 이하로 감소되고 중간 내지 중량의 희토류 원소 및 Nd의 함유량이 각각 1 질량% 이하로 감소된 혼합 경희토류화합물을 수득하였다. 혼합 희토류 카르보네이트를 얻기 위해 암모늄 비카르보네이트를 이용하여 화합물을 탄화시켰다.
이렇게 생성된 혼합 희토류 카르보네이트는, 모두 옥사이드로 환산하여 계산시, 60 질량%의 세륨을 함유하는 49 질량%의 희토류 원소를 포함하였다. 혼합 희토류 카르보네이트 2리터를 800℃의 전기노에서 2시간 동안 소성시켜 혼합 희토류 옥사이드를 수득하였다. 혼합 희토류 옥사이드 1kg에, 혼합 경희토류 화합물에 플루오르산을 첨가하고 생성된 혼합물을 400℃에서 2시간 동안 열처리함으로써 생성된 300g의 세륨계 희토류 플루오라이드(27 질량%의 플루오르 및 옥사이드로 환산하여 계산된 45 질량%의 세륨을 함유하는, 옥사이드로 환산하여 계산된 45 질량%의 희토류 원소 함유)를 첨가하였다. 습식 볼밀을 이용하여 생성 혼합물을 분쇄시킴으로써 평균 입경(D50)이 1.5㎛인 입자를 함유하는 슬러리를 수득하였다. 슬러리를 건조시키고 900℃의 전기노에서 2시간 동안 소성시켰으며, 냉각, 파쇄 및 분급하여 세륨계 연마재를 제조하였다. 여기서 이용된 평균 입경(D50)은 30㎛-구관이 달린 코울터 멀티사이저(Coulter Multisizer)(코울터 가부시키 가이샤 제조)를 이용하여 측정된, 입경 분포 곡선의 누적 부피 50%에 상응하는 입자 크기를 의미한다.
이렇게 수득된 세륨계 연마재를 물 중에 분산시켜 10 질량%의 농도를 갖는 슬러리를 얻었다. 슬러리 연마액을 이용하여, 박막 트랜지스터(TFT) 패널용 무알칼리성 유리판을 다음 조건하에 연마하고, 연마 표면의 상태를 평가하였다.
연마 조건:
연마기계: 4-방향(4-way) 양면 연마 기계
가공물: 면적이 25cm2인 5cm 변의 무알칼리성 유리판
가공판의 수: 3판/회분 x 2회분
연마 패드: 발포 폴리우레탄 패드 (LP-77, 로드(Rhodes)사 제품)
회전대의 회전수: 90rpm
슬러리의 공급률: 60ml/분
가공 압력: 156g/cm2
연마 시간: 30분
TFT 패널용 무알칼리성 유리판 6개를 연마하였다. 연마 전과 후에, 각 판의 두께를 마이크로미터를 이용하여 4군데에서 측정하였다. 측정한 수치(4군데 x 6판)를 평균하여, 연마 속도(㎛/분)를 구하는데 이용하였다. 추가로, 연마 표면 당 스크래치의 수를 계수하기 위해 광원으로서 200000 1x의 할로겐 램프를 이용하여 각 유리판의 표면을 시각적으로 관찰하였다. 탤리(Taly)-스텝(Rank-Taylor Hobson 제품)에 의해 각 유리판의 중심선 표면 조도를 측정하였다.
각 연마재의 평균 입경(D50), 연마 속도 및 중심선 표면 조도(Ra)를 포함하는 결과를 하기 표 1에 도시한다. 추가로, X선 회절 측정 결과를 도 1에 도시하고, 연마재의 물성을 하기 표 2에 도시한다.
실시예 2:
주원료로서 이용한 혼합 희토류 옥사이드 40 질량부를, 소성 전의 혼합 경희토류 화합물을 암모늄 비카르보네이트를 이용하여 탄화시킴으로써 수득된 혼합 희토류 카르보네이트 80 중량부로 대체시켜, 혼합 희토류 옥사이드와 혼합 희토류 카르보네이트의 혼합물을 형성한 것 외에는, 실시예 1의 방법을 반복하여 세륨계 연마재를 생성하였다.
이렇게 생성된 세륨계 연마재를 사용하여 실시예 1에 적용된 것과 유사한 방법으로 연마를 수행하고, 연마 표면의 상태를 평가하였다. 연마재의 연마 특성 및 물성을 각각 하기 표 1와 2에 도시한다.
비교예 1:
혼합 희토류 카르보네이트를 1200℃에서 소성시킨 것 외에는, 실시예 1의 방법을 반복함으로써, 세륨계 연마재를 생성하였다.
이렇게 생성된 세륨계 연마재를 사용하여 실시예 1에 적용된 것과 동일한 방법으로 연마를 수행하고, 연마 표면의 상태를 평가하였다. 연마재의 연마 특성 및 물성을 각각 하기 표 1과 2에 도시하고, X선 회절 측정 결과를 도 2에 도시한다.
비교예 2:
세륨계 희토류 플루오라이드를 800℃에서 열처리한 것 외에는 실시예 1의 방법을 반복함으로써, 세륨계 연마재를 생성하였다.
이렇게 생성된 세륨계 연마재를 사용하여 실시예 1에 적용된 것과 유사한 방법으로 연마를 수행하고, 연마 표면의 상태를 평가하였다. 연마재의 연마 특성 및 물성을 각각 하기 표 1과 2에 도시한다.
평균 입경D50(㎛) 연마 속도(㎛/분) 스크래치(수/표면) 표면 조도 Ra(Å)
실시예 1 1.54 2.55 0.17 9
실시예 2 1.46 2.68 0.08 8
비교예 1 1.55 2.23 0.50 13
비교예 2 1.63 2.12 0.83 15
메인 피크 위치(deg) 메인 피크 강도 비 1차 입경(nm) 비표면적(m2/g)
실시예 1 28.5 0.52 30 4
실시예 2 28.5 0.45 40 3
비교예 1 28.5 0.18 80 2
비교예 2 28.1 0.30 70 1.6
상기 표 1과 2로부터 명백하듯이, 실시예 1과 2로부터, 연마 속도가 높고, 무알칼리성 유리의 연마 표면상에 실제로 스크래치를 생성하지 않으며 표면 조도가 적은 고품질의 연마 표면을 제공하는 세륨계 연마재가 얻어졌다.
대조적으로, 비교예 1에서는, 혼합 경희토류 화합물의 소성 온도가 높기 때문에, 첨가된 희토류 플루오라이드와의 반응이 충분히 일어나지 않아, 반응하지 않은 희토류 플루오라이드 화합물이 잔존하게 된다. 추가로, 연마 속도가 낮았고, 스크래치가 생성되어 표면 조도를 증가시켰다.
비교예 2에서, 첨가된 혼합 희토류 플루오라이드의 높은 열처리 온도에 기인한 큰 평균 입경 때문에, 연마 속도의 향상 효과가 불충분하였다. 추가로, 스크래치가 생성되어 표면 조도가 증가하고 연마 표면의 품질이 손상되었다.
산업상이용가능성
본 발명에 따른 세륨계 연마재를 이용하여 심지어 경질의 유리에 대해서도 장시간 동안 우수한 연마 속도를 유지할 수 있고, 스크래치가 거의 없고 표면 조도가 적은 우수한 품질의 표면을 갖는 연마 가공물을 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 입방정 복합 희토류 옥사이드와 복합산 희토류 플루오라이드를 포함하는 세륨계 연마재로서, 연마재가 옥사이드로 환산하여 90 질량% 이상의 희토류 원소를 함유하고, 희토류 원소가 옥사이드로 환산하여 55 질량% 이상의 세륨을 함유하는 세륨계 연마재.
  2. 제 1항에 있어서, 연마재가, X선 회절 측정시 28.2°이상의 2θ에서 입방정 복합 옥사이드에 기인한 메인 피크를 가짐을 특징으로 하는 연마재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 연마재가, X선 회절 측정시 산희토류 플루오라이드에 기인한 메인 피크를 가지며, 입방정 복합 희토류 옥사이드에 기인한 메인 피크에 대한 산희토류 플루오라이드에 기인한 메인 피크의 강도비가 0.2 내지 1.0의 범위내에 존재함을 특징으로 하는 연마재.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 연마재가, 입경이 10 내지 50nm이고 비표면적이 2 내지 10m2/g인 1차 입자를 가짐을 특징으로 하는 연마재.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서, 연마재가 5 내지 10 질량%의플루오르를 함유함을 특징으로 하는 연마재.
  6. 희토류 원소를 함유하는 광석으로부터 중간 내지 중량의 희토류 원소, Nd 및 희토류 원소 이외의 불순물을 화학적으로 제거함으로써 수득된 혼합 경희토류 화합물을 500 내지 1100℃에서 소성시켜, 혼합 희토류 옥사이드를 생성하는 것을 포함하는 세륨계 연마재의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 혼합 희토류 옥사이드에 세륨계 희토류 플루오라이드를 첨가시켜 혼합물을 얻고, 이 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급시킴으로써 세륨계 연마재를 생성하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 혼합 경희토류 화합물을 탄화시켜 수득된 혼합 희토류 카르보네이트 및 세륨계 희토류 플루오라이드를 혼합 희토류 옥사이드에 첨가시켜 혼합물을 얻고, 이 혼합물을 습식-분쇄, 건조, 소성, 파쇄 및 분급시킴으로써 세륨계 연마재를 생성하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 희토류 플루오라이드가, 혼합 경희토류 화합물에 플루오라이드를 첨가시켜 생성된 혼합물을 400℃ 이하의 온도에서 열처리함으로써 수득된 세륨계 혼합 경희토류 화합물의 플루오라이드임을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중의 어느 한 항에 있어서, 소성이 대기압하에서 2 내지 36시간 동안 소성노를 이용하여 수행됨을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 소성노가 전기노 또는 추진식 노임을 특징으로 하는 제조 방법.
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