KR20080042106A

KR20080042106A - 질화알루미늄 소결체

Info

Publication number: KR20080042106A
Application number: KR1020087005039A
Authority: KR
Inventors: 유키히로 가네치카; 마사노부 아즈마
Original assignee: 가부시끼가이샤 도꾸야마
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2008-05-14
Also published as: EP1923372A2; KR100970155B1; EP1923372A4; CN101243024A; US20090041961A1; US8597743B2; WO2007018140A2; WO2007018140A3

Abstract

본 발명은 소성 후, 미연마 상태에서 평활한 표면을 가져, 광선 투과 특성이 높은 질화알루미늄 소결체를 제공함을 목적으로 하고 있다. 본 발명에 의한 질화알루미늄 소결체는 산소 농도가 450ppm 이하, 산소, 질소, 알루미늄 이외의 불순물 원소 농도가 350ppm 이하이며, 평균 결정 입경이 2㎛∼20㎛이며, 또한 소성 후, 미연마 상태에서, 표면의 산술 평균 높이(Ra)가 1㎛ 이하이며, 최대 높이(Rz)가 10㎛ 이하임을 특징으로 하고 있다.

질화알루미늄 소결체, 광선 투과 특성

Description

질화알루미늄 소결체{ALUMINUM NITRIDE SINTERED BODY}

본 발명은 신규한 질화알루미늄 소결체에 관한 것이다. 상세하게는, 고순도이며, 또한 소성 후, 미연마 상태에서 평활한 표면을 가짐으로써, 광선 투과 특성이 높은 소결체에 관한 것이다.

종래부터, 고압 방전 램프의 발광관 재료로서, 내열 온도가 1100℃ 이상으로 높고, 비교적 저렴하게 제조할 수 있기 때문에, 석영 대신에 투광성 알루미나가 사용되고 있다

그러나, 알루미나로 이루어지는 발광관을 사용한 고압 방전 램프는 수명이 약 9000시간으로 짧다. 이것은 주로 알루미나의 낮은 내열충격성에 기인한다. 또한, 메탈할라이드 램프에서는 알루미나의 메탈할라이드 가스에 대한 내식성이 낮기 때문에, 램프의 수명이 더욱 짧아진다.

그래서, 높은 투광성을 갖는 질화알루미늄을 사용한 발광관이 제안되어 있다(특허문헌 1, 2 등). 질화알루미늄은 알루미나보다도 내열충격성 및 내식성이 뛰어나, 램프의 장수명화가 도모된다.

상기와 같은 세라믹스제 발광관은 알루미나나 질화알루미늄 분말을 바인더 수지와 혼합하여, 소정 형상으로 성형한 후, 이것을 소성함으로써 얻어진다. 발광 관 재료로서 사용하는 경우에는, 내열충격성, 내식성에 더하여, 특히 광선 투과 특성이 뛰어날 것이 요구된다.

질화알루미늄 소결체의 광선 투과 특성을 향상시키기 위하여, 예를 들어 특허문헌 1에서는 원료 분말의 입경, 금속 불순물 함량, 산소 함량을 특정 원료를 사용하여 1700∼2100℃의 불활성 분위기에서 소성했을 경우에 0.2㎛∼30㎛의 파장 범위에서 75%의 투과율을 나타내는 AlN 소결체가 얻어짐이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는 0.3D∼1.8D(D : 평균 입경)의 직경을 갖는 입자가 70% 이상인 입도 분포를 갖는 원료 질화알루미늄 분말을 사용하여 제조되는 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 투광성 커버(중공관)를 구비한 발광관이 개시되어 있다. 그리고, 그 공보 실시예에는 전 광선 투과율 84%의 질화알루미늄 소결체가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는 산소 농도가 400ppm 이하, 금속 불순물 농도가 150ppm 이하, 또한 탄소 농도가 200ppm 이하로 억제되어 있는 동시에, 2㎛∼20㎛의 평균 결정 입경을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체가 개시되어 있다. 이 소결체는 260∼300nm 파장 영역에서의 분광 스펙트럼 곡선의 기울기가 1.0(%/nm) 이상, 400∼800nm 파장 영역에서의 광투과율이 86% 이상이며, 분광 스펙트럼에서의 광투과율이 60%에 도달할 때의 파장이 400nm 이하이다.

<특허문헌 1> 일본 특개평2-26871호 공보

<특허문헌 2> 일본 특개소60-193254호 공보

<특허문헌 3> 일본 특개 2005-119953호 공보

[발명의 개시]

[발명이 해결하고자 하는 과제]

상기한 바와 같이, 질화알루미늄 소결체의 광학적 특성의 개선에 대해서는 다양한 제안이 되어 있다.

그런데, 질화알루미늄 등의 세라믹 재료는 연마에 의해 그 광학적 특성이 개선됨이 알려져 있다. 일반적으로, 표면 거칠기가 작아질수록, 소결체의 광학적 특성(광투과율)은 향상된다고 할 수 있어, 소결체 표면을 경면 연마함으로써 광투과성의 향상이 기대된다.

그러나, 발광관과 같은 복잡한 표면 형상(입체면)을 갖는 물품에서는, 그 표면 연마, 특히 경면 연마는 용이하지 않다. 또한 상기와 같이, 순도를 높임으로써 투광성을 개량한 질화알루미늄 소결체는 알려져 있지만, 그 표면은 충분히 평활하다고는 할 수 없어, 아직 개선의 여지가 남아 있었다.

이 때문에, 소성 후, 미연마 상태에서 평활한 표면을 가져, 광선 투과 특성이 높은 질화알루미늄 소결체가 요구된다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명이 제공하는 상기 과제를 해결하기 위한 수단은 이하와 같다.

(1) 산소 농도가 450ppm 이하, 산소, 질소, 알루미늄 이외의 불순물 원소 농도가 350ppm 이하이며, 평균 결정 입경이 2㎛∼20㎛이며, 또한 표면의 산술 평균 높이(Ra)가 1㎛ 이하이며, 최대 높이(Rz)가 10㎛ 이하인 질화알루미늄 소결체.

(2) 소성 후, 미연마 상태에 있는, (1)에 기재된 질화알루미늄 소결체.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 발광관.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 소성 후, 미연마 상태에서 평활한 표면을 가져, 광선 투과 특성이 높아, 특히 발광 효율이 높은 광원의 발광관 재료로서 적합하게 사용할 수 있는 질화알루미늄 소결체가 제공된다. 이와 같은 질화알루미늄 소결체에서는, 별도의 연마 공정을 행하지 않더라도 발광관 재료로서 사용할 수 있다. 이 때문에, 복잡한 형상으로 연마가 곤란한 발광관의 제조에 있어서는, 본 발명의 질화알루미늄 소결체가 특히 바람직하게 사용된다.

도 1은 광선 투과율의 측정 장치의 개략을 나타낸다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하, 본 발명에 대하여 최량의 형태를 포함하여, 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 질화알루미늄 소결체는 미연마 상태에서, 그 표면의 산술 평균 높이(Ra)가 1㎛ 이하, 바람직하게는 0.8㎛ 이하, 더 바람직하게는 0.7㎛ 이하, 특히 바람직하게는 0.5㎛ 이하이며, 최대 높이(Rz)가 10㎛ 이하, 바람직하게는 8㎛ 이하, 더 바람직하게는 6㎛ 이하, 특히 바람직하게는 5㎛ 이하이다.

여기서, 산술 평균 높이(Ra) 및 최대 높이(Rz)는 모두 JIS B 0601- 2001(ISO4287-1997 준거)에 의거하여 측정되는 값이며, 측정 조건의 상세한 것은 후술한다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 상기한 바와 같이, 미연마 상태에서 그 표면이 매끄러우며, 또한 후술하는 바와 같이, 불순물 농도(알루미늄 및 질소 이외의 성분 농도)가 현저히 낮은 범위로 억제됨으로써, 뛰어난 광투과성을 나타내고, 예를 들면 튜브 형상에서의 전(全) 투과율은 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상에 도달한다.

또한, 전 투과율의 구체적 평가 방법은 실시예에서 상세히 설명한다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 불순물 농도(알루미늄 및 질소 이외의 성분 농도)가 현저히 낮은 범위로 억제되어 있다. 구체적으로는, 산소 농도가 바람직하게는 450ppm 이하, 특히 바람직하게는 300ppm 이하, 또한 그 밖의 불순물 농도가 바람직하게는 350ppm 이하, 특히 바람직하게는 200ppm 이하로 억제되어 있다.

또한, 그 밖의 불순물 농도란, 산소, 질소, 알루미늄 이외의 원소 농도를 의미하며, 소결 조제에 유래하는 금속과 그 밖의 금속(예를 들면, 원료 분말 중의 불가피적 불순물에 유래하는 금속), 탄소 등의 합계 농도를 의미한다.

질화알루미늄 소결체는 탄소 농도가 200ppm 이하로 억제되어 있는 것이 더 바람직하다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 후술하는 바와 같이, 특정의 소결 조제를 특정량 사용하여, 특정의 가열 조건하에서 소성함으로써 얻어지고, 이에 의하여 불순물 농도가 종래 공지의 질화알루미늄 소결체에 비하여 현저히 저감되어 있으며, 게다가 소결 후 미연마 상태에서의 평활성이 뛰어난 것이며, 이 결과, 후술하는 실시예에도 나타낸 바와 같이 뛰어난 광학 특성을 나타낸다. 예를 들면, 불순물 농도가 상기 범위 내로 억제되어 있어, 표면의 평활성이 제어된 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 가시광 영역에서의 광 전 투과율이 80% 이상으로 높은 광투과율을 나타낸다.

종래, 공지의 질화알루미늄 소결체에서는, 불순물 함량의 증대에 따른 투광성의 저하를 회피하기 위하여, 소결 조제를 사용하지 않고 소성함으로써 제조되고 있는데, 이 경우, 불순물인 산소를 충분히 제거할 수 없고, 또한 가령 소결 조제를 사용하더라도, 소성 조건에 따라 소결 조제의 일부가 잔류하는 경우가 많아, 이것을 충분히 제거하려고 했을 경우, 소결체의 표면이 거칠어져, 미연마 상태에서 평활한 표면을 얻을 수 없었다. 이와 같이, 종래 기술에서는 불순물 농도를 상기 범위 내로 억제하거나, 표면 평활성을 제어하거나 할 수 없었기 때문에, 상기와 같은 광학 특성을 얻기는 곤란했다.

또한, 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 평균 결정 입경이 2∼20㎛, 특히 5∼15㎛의 범위에 있는 것도 중요하다. 즉, 평균 결정 입경이 2㎛ 미만의 경우, 질화알루미늄 소결체의 투광성이 저하해 버리고, 평균 결정 입경이 20㎛를 초과한 경우에는, 질화알루미늄 소결체의 강도 저하가 현저하여, 예를 들면 투광성 커버의 용도에서 실용상의 강도가 부족하다. 본 발명의 소결체는 질화알루미늄의 평균 결정 입경이 상기 범위 내에 있기 때문에, 상술한 뛰어난 광학 특성을 가짐과 동시에, 고강도이며, 예를 들면 300MPa 이상의 항절(抗折) 강도를 나타낸다.

이와 같은 질화알루미늄 소결체는 상술한 바와 같이, 뛰어난 광투과성을 가져, 발광관 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 질화알루미늄 소결체는 그 열전도율이 바람직하게는 170W/mK 이상, 더 바람직하게는 190W/mK 이상, 특히 바람직하게는 200W/mK 이상이며, 질화알루미늄 소결체가 원래 갖는 고열전도성도 겸비한다.

상기 특성을 갖는 질화알루미늄 소결체는 질화알루미늄이 원래 갖는 높은 열전도성이나 높은 화학적 내식성에 더하여, 상기와 같은 높은 표면 평활성으로 뒷받침된, 뛰어난 광학 특성을 갖고 있기 때문에, 발광관 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 자외선 투과 창과 같은 투광성 커버의 용도에 적용했을 경우에는, 상기 광학적 특성에 의해, 높은 자외선 투과율을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 질화알루미늄 소결체에서의 상기 여러 특성, 특히 산술 평균 높이(Ra), 최대 높이(Rz) 및 광투과성은 소성 후, 연마 전 상태, 즉 소성 직후(as fired)에 있어서의 물성을 나타낸다.

일반적으로, 세라믹 재료의 연마에 의해, 표면의 산술 평균 높이(Ra)는 낮아진다. 특히, 경면 연마에 의해 Ra의 값을 현저히 낮출 수 있다. 그리고, 세라믹 재료의 광학적 특성은 산술 평균 높이(Ra)와 관련되어 있는 경우가 많고, 산술 평균 높이(Ra)가 작아질수록 세라믹 재료의 광학적 특성은 향상된다. 따라서, 광학용 세라믹에서는 대부분의 경우 연마되어 있다.

한편, 숫돌에 의한 통상의 연마에서는, 피연마체인 소결체로부터의 탈립(脫粒)이 일어나, 표면의 최대 높이(Rz)는 연마 전보다 오히려 악화(증가)된다. 탈립이란, 세라믹 재료를 구성하는 결정립이 연마 시의 충격에 의해 탈락하는 현상이며, 탈락한 입자의 크기에 상당하는 공극이 표면에 형성된다. 이 때문에, 표면의 최대 높이(Rz)는 연마 전보다도 커진다.

이에 대하여, 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 소성 후, 미연마 상태에서 Ra, Rz가 함께 낮아지는, 뛰어난 표면 평활성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 연마, 특히 경면 연마가 곤란한 만곡면, 굴곡면 등의 입체면을 갖는 소결체에 뛰어난 투광성을 부여하기 때문에 매우 효과적이다.

물론, 본 발명의 소결체는 그 형상이나, 용도, 요구 물성에 따라 연마를 행하는 것은 당연히 허용된다.

다음에, 본 발명에 따른 질화알루미늄 소결체의 제조 방법에 대하여 구체적인 예를 들어 설명하지만, 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 상기 물성을 갖는 한, 그 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 질화알루미늄 분말과 특정량의 칼슘 알루미네이트계 소결 조제의 혼합물을 소정 형상(예를 들면, 발광관 형상; 구체적으로는 후술하는 튜브 형상, 구상, 이들의 조합 등의 형상)으로 성형하고, 성형체를 환원 분위기하에서 특정의 온도 조건에서 소성함으로써 얻어진다.

원료로서 사용하는 질화알루미늄 분말로서는, 소결에 의해 2∼20㎛의 결정 입경을 달성할 수 있는 입경을 갖는 것이 바람직하게 사용된다. 일반적으로는, 소성 시의 입자 성장을 고려하여, 상기 결정 입경보다 약간 작은 평균 입경을 갖는 것이 적합하게 사용되며, 예를 들면 평균 입경이 0.5∼15㎛, 0.5∼10㎛의 것이 적합하다.

또한, 소결체 중의 불순물 농도를 저농도 범위로 억제하기 위하여, 질화알루미늄 분말은 순도 97중량% 이상, 바람직하게는 99중량% 이상의 고순도의 것이 바람직하고, 가장 적합하게는, 금속 불순물 농도(Al 이외의 금속의 농도)가 50ppm 이하이며, 또한 산소 농도가 1중량% 이하, 특히 0.8중량% 이하로 저감되어 있는 고순도의 질화알루미늄이 사용된다.

또한, 소결체 중의 산소 농도를 저감시키기 위하여, 불순물 성분으로서 탄소를 함유하는 질화알루미늄 분말을 사용할 수도 있다. 즉, 탄소의 존재하에서 소성을 행함으로써, 불순물로서 함유되어 있는 산소가 탄소와 반응하여, 탄산 가스로서 제거되기 때문이다. 단, 이와 같은 탄소가 원료 분말 중에 많이 함유되면, 소결체 중에 불순물로서 잔존해 버려 투광성을 손상시킬 우려가 있기 때문에, 질화알루미늄 분말 중의 탄소 농도는 1500ppm 이하로 하는 것이 좋다.

소결 조제로서는 상술한 바와 같이, Ca₃Al₂O₆(3CaO·Al₂O₃), CaAl₂O₄(CaO·Al₂O₃) 등의 칼슘 알루미네이트가 사용된다. 특히, Ca₃Al₂O₆을 사용함으로써, 원료 질화알루미늄 분말에 함유되는 불순물 산소를 효율 좋게 제거할 수 있다. 더욱이, 소결 조제로서 Ca₃Al₂O₆을 사용하고, 후술하는 특정의 온도 조건하에서 소성을 행함으로써, 소결 종료 후에 조제가 휘산되어, 각 불순물 농도를 더욱 저감시키는 데 적합하며, 이에 의하여 소결체의 광학 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 소결 조제의 사용량은, 일반적으로 질화알루미늄 분말 100중량부당 1∼15중량부, 특히 1∼10중량부의 범위에 있는 것이, 각 불순물 농도를 상술한 범위로 억제하여, 투광성 등의 광학적 특성이 뛰어난 질화알루미늄 소결체를 얻기 때문에 바람직하다.

질화알루미늄 분말과 소결 조제 분말의 혼합은 공지의 방법에 의해 행할 수 있다. 예를 들면, 볼밀 등의 혼합기에 의해, 건식 또는 습식에 의해 혼합하는 방법을 적합하게 채용할 수 있다. 또한, 습식 혼합에서는 알코올류, 탄화수소류 등의 분산매를 사용하지만, 분산성의 점에서 알코올류, 탄화수소류를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 이 혼합에 있어서는, 소결 조제의 수분 흡착 또는 응집을 일으키지 않도록, 건조 공기 중에서 보존하고, 필요에 따라 진공 건조한 소결 조제의 분말을 즉시 질화알루미늄 분말과 혼합하는 것이 좋다.

소성에 앞서, 상기 혼합 분말을 용도에 따라 소정 형상으로 성형하는데, 이와 같은 성형은 그 자체를 공지의 수단으로 행할 수 있지만, 강도가 높은 성형체를 성형하고, 수율을 높이기 위해서는, 유기 바인더를 사용하여 성형해도 된다.

예를 들면, 상기 혼합 분말을 유기 바인더와, 필요에 따라 분산제, 가소제, 용매 등과 혼합하여 성형용 슬러리 내지 페이스트를 제조하고, 이 성형용 슬러리 내지 페이스트를 닥터 블레이드법, 압출 성형법, 사출 성형법, 주입 성형법 등의 성형 수단에 의해 성형체를 제작할 수 있다. 유기 바인더로서는, 폴리비닐부티랄 등의 부티랄 수지, 폴리메타크릴부틸 등의 아크릴 수지 등을 예시할 수 있고, 이와 같은 유기 바인더는 질화알루미늄 분말 100중량부당 0.1∼30중량부, 특히 1∼15중량부의 양으로 사용할 수 있다. 또한, 분산제로서는, 글리세린 화합물류 등을 예시할 수 있으며, 가소제로서는, 프탈산 에스테르류 등을 들 수 있고, 용매로는, 이소프로필알코올이나 탄화수소류 등이 사용된다.

또한, 유기 바인더를 사용하지 않고, 압축 성형법에 의해 성형을 행할 수도 있다. 예를 들면, 질화알루미늄 분말과 소결 조제 분말의 혼합 분말을 1축 성형기로 가(假)성형체를 제조하고, 이것을 CIP(냉간 아이소스태틱 프레스) 성형기로 1∼4t/cm²로 가압 성형함으로써, 성형체를 제작할 수 있다.

얻어진 성형체는 탈지(탈바인더)한 후, 소성한다.

탈지는 공기 중, 질소 중, 수소 중 등의 임의의 분위기에서 가열함으로써 행할 수 있지만, 잔류 탄소량의 조정이 용이하여, 질소 중에서 탈지를 행하는 것이 바람직하다. 또한, 탈지 온도는 유기 바인더의 종류에 따라서도 다르지만, 일반적으로는 300∼900℃, 특히 300∼700℃가 적합하다. 또한, 압축 성형법과 같이, 유기 바인더를 사용하지 않고 성형을 행했을 경우에는, 상기의 탈지 공정은 불필요하다.

소결 조제의 제거를 유효하게 행하고, 소결체 중의 금속 불순물 농도나 산소 농도를 저감시키기 위하여, 소성은 환원 분위기하에서 행해진다.

상기 환원성 분위기에서의 소성을 실현하는 방법으로서는, 소성용 용기로서, 비(非)카본제, 예를 들면 질화알루미늄 소결체, 질화붕소 성형체 등의 용기를 사용 하고, 그 용기의 외부에 카본 발생원을 존재시킴으로써, 카본 또는 탄소 화합물을 가스 상태로 소성용 용기 내에 공급하는 방법이 가장 적합하다. 즉, 성형체와 카본 발생원을 소성용 용기 내에 공존시켰을 경우, 환원 농도가 지나치게 높아져, 강한 환원력 때문에, 소결 조제의 휘산 속도가 빨라지는 경우가 있다. 이 때문에, 소결 후의 질화알루미늄 소결체의 표면 거칠기가 커져 버릴 우려가 있다.

또한, 상기 용기 내의 카본 농도의 조정은 용기와 뚜껑의 사이에 형성되는 간극을 이용해도 되고, 용기에 세공을 뚫어도 된다.

또한, 상기 카본 발생원은 특별히 제한되지 않고, 무정형 탄소나 흑연 등의 공지 형태의 카본을 사용할 수 있으며, 고체상의 카본이 적합하다. 상기 카본의 형상으로서는 특별히 제한되지 않고, 분말상, 섬유상, 펠트상, 시트상, 판상의 어느 것이어도 되고, 또한 그들을 조합해도 된다. 그 중에서도, 보다 높은 열전도율을 얻는 것을 감안하면, 판상의 무정형 탄소나 흑연이 적합하다.

상기 환원 분위기하에서의 소성은 온도 1500∼2000℃, 바람직하게는 1600∼1950℃, 더 바람직하게는 1700∼1900℃이며, 적어도 3시간, 특히 10시간 이상 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소성은 장시간 행함으로써, 질화알루미늄 소결체의 결정 입자의 성장을 수반하고, 더욱이는 소결체 중의 탄소 농도가 증대해 버리기 때문에, 환원 분위기하에서의 소성 시간을 100시간 이내, 특히 50시간 이내, 가장 적합하게는, 30시간 이내로 하는 것이 바람직하다. 환원 분위기하에서의 소성을 장시간 행하면, 금속 불순물 농도는 상술한 범위 내로 억제되더라도, 탄소 농도가 증대해 버려, 결국 소결체의 광학 특성이 손상되어 버릴 우려가 있다.

상기의 소성 공정을 거침으로써, 본 발명에 따른 질화알루미늄 소결체가 얻어진다.

또한, 얻어진 소결체를 고온 분해성 알루미늄 화합물의 공존하에서 가열 처리(어닐링 처리)함으로써 질화알루미늄 소결체의 광투과성을 더욱 향상시킬 수 있다. 공존시키는 고온 분해성 알루미늄 화합물은 질화알루미늄의 소성 중기, 더욱이는 소성 후기에 안정하게 존재하고, 또한 알루미늄계 가스를 기상으로 방출하는 재료가 바람직하다. 즉, 1000℃ 이상의 온도에서 안정하게 존재하고, 또한 알루미늄계 가스를 방출하는 재료가 바람직하다. 예를 들면, Al₂O₃, Al₂S₃, AlF₃, AlN 등을 들 수 있다. 또한, 고온 분해성 알루미늄 화합물로서 사용되는 질화알루미늄은 상기 소성 공정을 거쳐 얻어지는 본 발명의 소결체와는 달리, 1500℃ 정도의 온도에서 알루미늄계 가스를 서서히 방출한다. 고온 분해성 질화알루미늄의 가스 서방성은 입계상(相)의 조성이나 구조에 기인하는 것으로 생각된다. 이들 고온 분해성 알루미늄 화합물은 분말, 성형체, 소결체 등의 어느 형태여도 관계없이, 가스화한 알루미늄계 화합물을 상기 소결체에 노출함으로써도 동일한 효과가 얻어진다. 어닐링 공정에서는, N₂ 가스를 0.1∼30L/min의 조건으로 플로우시킨다. 어닐링 온도는 1600∼2000℃이며, 1∼200시간, 치밀질의 카본, 질화붕소, 질화알루미늄 등의 재질로 이루어지는 소성 용기를 사용하여, 고온 분해성 알루미늄 화합물을 소성 용기 내에 공존시킴으로써 행해진다.

하등 이론적으로 구속되는 것은 아니지만, 상기와 같은 어닐링 처리에 의해, 소결체 중의 공공형(vacancy-type) 결함에 알루미늄이 보완되어, 완전 결정 또는 그에 가까운 질화알루미늄 결정립이 형성되어, 광투과성 등의 광학 특성이 향상되는 것으로 생각된다.

이와 같이 하여 얻어지는 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 투광성 커버 등의 용도에 있어서의 구조에 따라, 각종 형상, 예를 들면 튜브상, 판상, 곡면상, 구상, 타원 구상, 컵 모양, 사발 모양(bowl) 등의 형상으로 사용에 제공된다.

본 발명에 따른 발광관은 상기의 질화알루미늄 분말, 소결 조제 및 유기 바인더 등으로 이루어지는 슬러리 내지 페이스트를 사용하여, 압출 성형법, 사출 성형법, 주입 성형법 등의 성형 수단에 의해 발광관 형상의 성형체(그린체)를 제작하고, 이것을 상기 조건에서 탈지, 소성, 어닐링함으로써 얻어진다.

발광관의 형상은 사용 분야에 있어서 다양하며, 예를 들면 단순한 원통 형상이어도 되고, 또한 원통 일부에 구상의 중공부가 마련련 구조이어도 되고, 또한 그 밖의 형상이어도 된다.

본 발명에 의하면, 소성 후, 미연마 상태에서 평활한 표면을 가져, 광선 투과 특성이 높아, 특히 발광 효율이 높은 광원의 발광관 재료로서 적합하게 사용할 수 있는 질화알루미늄 소결체가 제공된다. 이와 같은 질화알루미늄 소결체에서는, 별도의 연마 공정을 행하지 않더라도, 발광관 재료로서 사용할 수 있다. 이 때문에, 복잡한 형상으로 연마가 곤란한 발광관의 제조에 있어서는, 본 발명의 질화알루미늄 소결체가 특히 바람직하게 사용된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

또한, 실시예 및 비교예에서의 각종 물성의 측정은 다음 방법에 의해 행했다.

1) 산술 평균 표면 높이(Ra)

표면 거칠기는 (주) 도쿄 세이미츠제 서프콤(Surfcom) 470A를 사용하여, 트레이싱 스피드 0.3mm/초, 컷오프 0.8, 측정 길이 2.5mm의 조건으로 측정했다.

2) 최대 표면 높이(Rz)

표면 거칠기는 (주) 도쿄 세이미츠제 서프콤 470A를 사용하여, 트레이싱 스피드 0.3mm/초, 컷오프 0.8, 측정 길이 0.5mm의 조건으로 측정했다.

3) 불순물 농도

금속 불순물 농도(금속 원소 농도)는 질화알루미늄 소결체를 분쇄하여 분말상으로 한 후, 알칼리 용융 후, 산으로 중화하고, 시마즈 세이사쿠쇼제 「ICP-1000」을 사용하여 용액의 ICP 발광 분석에 의해 정량했다.

탄소 농도는 질화알루미늄 소결체를 분말상으로 한 후, 호리바 세이사쿠쇼제 「EMIA-110」을 사용하여, 분말을 산소 기류 중에서 연소시키고, 발생한 CO, CO₂ 가스량으로 정량했다.

산소 농도는 질화알루미늄 소결체를 분쇄하여 분말상으로 한 후, 호리바 세 이사쿠쇼제 「EMGA-2800」을 사용하여, 그래파이트 도가니 중에서의 고온 열분해법에 의해 발생한 CO 가스량으로 구했다.

또한, 질화알루미늄 분말의 각 불순물 농도는 상기 질화알루미늄 소결체의 분말과 마찬가지 방법으로 측정했다.

4) 열전도율

리가쿠 덴키(주)제의 열상수 측정 장치 PS-7을 사용하여, 레이저 플래시법에 의해 측정했다. 두께 보정은 검량선에 의해 행했다.

5) 광투과율

튜브 형상의 질화알루미늄 소결체의 광투과율은 도 1에 나타낸 바와 같이, 적분구 중에 광 파이버로 할로겐 광을 도입하고, 광 파이버의 선단에 샘플을 덮었을 때 누출된 광량을 측정했다. 샘플을 덮지 않았을 때, 즉 공기를 레퍼런스로 하여, 그 비를 투과율로 했다. 샘플의 두께는 0.8mm로 했다.

(실시예 1)

내용적이 2.4L의 나일론제 포트에, 철심을 나일론으로 피복한 직경 15mm의 나일론 볼(표면 경도 100kgf/mm² 이하, 밀도 3.5g/cm³)을 넣고, 그 다음에 평균 입경 1.3㎛, 비표면적 3.39m²/g, 산소 농도 0.8wt%, 금속 원소 농도 35ppm의 질화알루미늄 분말 100중량부에 대하여, 소결 조제 분말로서 평균 입경 1.8㎛, 비표면적 3.75m²/g의 칼슘 알루미네이트 화합물(Ca₃Al₂O₆)을 5부, 그 다음에 에탄올을 용매로 서 40중량부 가하여 습식 혼합했다. 이때, 상기 나일론 볼은 포트 내용적의 40%(겉보기 체적)를 충전했다. 혼합은 포트의 회전수 70rpm으로 3시간 행했다. 얻어진 슬러리를 건조하여 질화알루미늄 분말을 얻었다.

다음에, 얻어진 질화알루미늄 분말 10g을 1축 성형기로 직경 40mm, 두께 6mm의 성형체로 가(假)성형한 후, CIP 성형기로 3t/cm²의 하중을 걸어 본(本)성형을 행했다.

상기의 조작으로 얻어진 성형체를 질화알루미늄제 세터(setter)를 사용하여, 질소에 환원성 물질이 함유된 가스 분위기 중에서, 소성 온도 1880℃, 30시간으로 소성하여, 직경 30mm, 두께 5mm의 소결체를 얻었다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 2)

최고 온도 유지 시간을 50시간으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 3)

최고 온도 유지 시간을 100시간으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 4)

실시예 1에 의해 얻어진 소결체를, 고온 분해성 알루미늄 화합물로서 알루미나 분말을 3g 넣은 질화알루미늄제 세터에 넣고, 온도 1880℃, 30시간으로 어닐링을 행하여, 질화알루미늄 소결체를 얻었다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 5)

어닐링 처리에 있어서의 고온 분해성 알루미늄 화합물의 종류를 AlN으로 한 것 이외는, 실시예 4와 마찬가지 조작을 행하여, 질화알루미늄 소결체를 얻었다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다. 또한, 어닐링 처리에서 사용한 고온 분해성 질화알루미늄은 SH30(도꾸야마제 질화알루미늄 소결체)이다.

(실시예 6)

소결 조제의 첨가량을 2부로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 7)

소결 조제의 첨가량을 10부로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(실시예 8)

소성용 세터의 재질을 질화붕소로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작 을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(비교예 1)

소결 조제를 첨가하지 않은 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다

(비교예 2)

소결 조제의 첨가량을 0.5부로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(비교예 3)

소결 조제의 첨가량을 20부로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(비교예 4)

소결 조제의 종류를 산화이트륨으로 하고, 그 첨가량을 5부로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

(비교예 5)

소성용 세터의 재질을 카본으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지 조작을 행했다. 질화알루미늄 소결체의 제조 조건 및 얻어진 질화알루미늄 소결체의 특성을 표 1에 나타냈다.

<표 1>

Claims

산소 농도가 450ppm 이하, 산소, 질소, 알루미늄 이외의 불순물 원소 농도가 350ppm 이하이며, 평균 결정 입경이 2㎛∼20㎛이며, 또한 표면의 산술 평균 높이(Ra)가 1㎛ 이하이며, 최대 높이(Rz)가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
제1항에 있어서,

소성 후, 미연마 상태에 있는 질화알루미늄 소결체.
제1항 또는 제2항에 기재된 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 발광관.