KR20110098287A

KR20110098287A - 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20110098287A
Application number: KR1020100017837A
Authority: KR
Inventors: 손현택; 김대근; 박슬기; 김영모; 박순섭; 오익현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Also published as: KR101142265B1

Abstract

본 발명은 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 설명을 하면, 알루미나 등을 포함하는 소결첨가제와 실리콘 카바이드 분말을 혼합한 후, 이를 특정 조건에서 소결시켜 제조한 실리콘 카바이드(이하 "SiC"로 칭한다.)에 관한 것이다. 본 발명의 상기 SiC는 미세기공이 거의 없는 치밀한 소결재로서, 소결밀도가 매우 높고, 경도 및 압력강도가 매우 우수하기 때문에, 높은 광투과율과 극소의 열변형률이 요구되는 유리렌즈 코어소재로 사용하기에 적합하다.

Description

유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 및 이의 제조방법{High dense silicon carbide for core materials of glass lens and Preparing method thereof}

본 발명은 소결첨가제와 실리콘 카바이드 분말을 소결시켜 제조한 실리콘 카바이드(이하 "SiC"로 칭한다.) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

오늘날 광학렌즈 등의 유리렌즈산업은 전자제품 및 초정밀광학기기의 발전과 휴대단말기용 카메라모듈의 사용량의 급증에 따른 급속한 신장세를 보이고 있다. 국내의 경우, 유리렌즈 생산기술을 선진국 수준의 약 70 ~ 80%정도 보유하고 있으나, 생산기술의 하부구조가 취약하여 산업의 활성화가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

빛을 제어하는 광부품의 핵심소자는 빛의 전파과정에 따른 손실을 최소화하고, 빛의 파장보다도 작은 값의 치수정밀도를 가지고 있어야 하기 때문에, 광학부품의 소재로서 높은 광투과율과 극소의 열변형률을 가지는 광학유리가 일반적으로 많이 사용된다. 그러나, 대부분의 광학유리는 취성이 강하기 때문에 금형을 이용한 고온압축성형 방식의 제품 생산을 위해서는 고온에서 변형이 없고, 높은 경도를 가지는 텅스텐 카바이드계 등의 금속소재를 몰드베이스와 금형코어의 소재로 사용해 왔으며, 최근 선진국에서는 경량 소재인 실리콘 카바이드(SiC)계 소재로 전환하고 있는 실정이다.

상기 텅스텐 카비아드계(이하 "WC"로 칭한다.) 금속소재는 밀도가 14.7로 매우 무거운 금속소재로서, 대량 생산에 유리하지만, 소재의 중량화 및 프레스 유압 사이즈의 대형화를 초래하는 문제점을 가지고 있다. 또한, WC계 금속소재는 열전도율이 낮아서 광학용 부품 생산 시 가공시간이 너무 길고, 멀티 케비티 생산에 불리한 문제가 있으며, 유리렌즈 코어의 코팅막이 박리가 발생하는 경우, 재생가공이 필요하고, 유리렌즈 코어의 길이가 짧아지는 문제가 있다.

유리렌즈 코어 성형에 사용되는 상기 SiC계 소재의 경우, WC 금속소재에서는 사용할 수 없는 코팅재인 DLC(Diamond-like carbon)코팅을 증착시킬 수 있는 큰 장점을 가지고 있으며, 이러한 장점은 유리렌즈 코어 소재의 윤활 효과 및 분리 효과를 가져 올수 있어서, 유리렌즈 코어 소재의 수명 향상 및 재사용에 큰 장점을 가지고 있어서, 선진국에서는 실리콘 카바이드(SiC)계 소재를 많이 사용하려고 하는 추세이다.

그러나, 기존의 상기 SiC계 소재는 SiC를 2,000℃ 이상의 초고온에서 소결하고 장시간 제조해야 하기 때문에, 생산비 증가 및 생산속도 감소에 따른 소결재의 단가가 상승하는 문제가 있다.

현재 국내 렌즈산업계에서는 전량수입하고 있는 유리렌즈 코어소재용 SiC를 대체할 수 있으면서도, 물성이 우수한 새로운 유리렌즈 코어소재용 SiC에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 신규한 유리렌즈 코어소재용 실리콘 카바이드를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 상기 신규한 유리렌즈 코어소재용 실리콘 카바이드를 급속으로 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

위와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은 알루미나(Al₂O₃) 분말과 산화이트륨(Y₂O₃) 분말을 함유한 소결첨가제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 소결첨가제와 실리콘 카바이드를 혼합한 혼합물을 방전플라즈마(Spark Plasma Sintering, 이하 "SPS"로 칭한다.)로 소결(Spark Plasma Sintering, 이하, SPS로 칭한다.)시켜서 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고치밀성 실리콘 카바이드를 포함하는 유리렌즈 코어소재를 제공한다.

본 발명은 방전플라즈마 소결법을 이용하여 고밀도 실리콘 카바이드를 제조함으로써, 기존의 실리콘 카바이드의 제조방법 보다 제조시간을 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실리콘 카바이드는 미세기공이 거의 없는 치밀한 소결재로서, 소결밀도가 매우 높고, 경도 및 강도가 매우 우수하기 때문에, 높은 광투과율과 극소의 열변형률이 요구되는 유리렌즈 코어소재로 사용하기에 적합하다.

도 1의 A와 B 각각은 실시예 1 ~ 2에서 제조한 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 표면을 찍은 SEM 사진이다.
도 2는 실시예 3에서 제조한 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 표면을 찍은 SEM 사진이다.
도 3의 A와 B 각각은 실시예 4 ~ 5에서 제조한 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 표면을 찍은 SEM 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 제조한 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 표면을 찍은 SEM 사진이다.
도 5의 A와 B 각각은 비교예 2와 실시예 6에서 제조한 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드 표면을 찍은 SEM 사진이다.

이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.

본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드는 소결첨가제 포함하고 있으며, 상기 소결첨가제는 알루미나(Al₂O₃) 분말과 산화이트륨(Y₂O₃) 분말을 5 ~ 7 : 5 ~ 3 중량비로, 더욱 바람직하게는 5.5 ~ 6.5 : 5.5 ~ 3.5 중량비로 함유하고 있는데 특징이 있다. 이때, 상기 소결첨가제의 중량비가 상기 범위를 벗어나게 되면, 소결온도가 너무 높아지게 되는 문제가 있으므로, 상기 중량비를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드는 상기 소결첨가제 1 ~ 15 중량% 및 SiC 분말 85 ~ 99 중량%를, 더욱 바람직하게는 상기 소결첨가제 5 ~ 10 중량% 및 SiC 분말 90 ~ 95 중량% 포함하고 있는 것에 그 특징이 있다. 이때, 상기 소결첨가제의 사용량이 1 중량% 미만이면 소결첨가제의 첨가효과가 거의 없어서, 제조된 실리콘 카바이드의 내부구조가 치밀하지 못하는 문제가 있으며, 소결첨가제의 사용량이 15 중량%를 초과하여 사용하더라도 제조된 실리콘 카바이드의 치밀성이 더 이상 증가하지 않으므로 비경제적인 바, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 SiC 분말은 α-SiC 분말 또는 β-SiC 분말 또는 이들의 혼합분말을 포함하고 있으며, 더욱 바람직하게는 α-SiC 분말을 포함하고 있다. 그리고, 상기 SiC 분말은 평균입경 1 ~ 10㎛를, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5㎛를 갖는 것이 좋으며, 이때, SiC 분말의 평균입경이 1㎛ 미만이면 제조단가가 크게 올라가는 문제가 있고, 10㎛를 초과하면 제조된 실리콘 카바이드의 내부구조의 치밀성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있으므로, 상기 범위 내의 평균입경을 갖는 SiC 분말을 사용하는 것이 좋다.

이하에서는 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하는 방법에 대하여 설명을 하겠다.

본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드는 알루미나와 산화이트륨을 5 ~ 7 : 5 ~ 3 중량비로 함유하는 소결첨가제와 SiC 분말을 혼합한 혼합물을 방전플라즈마(SPS)로 소결시켜서 제조하는데 특징이 있다.

SPS로 소결시키는 방법은 외부에서 열을 가하여 2,000℃ 이상의 초고온에서 SiC 분말을 소결시키는 기존 소결방법과는 달리, 펄스효과(pulse effect)와 줄 히팅(joule heating)으로 내부에서 열을 발생시켜서 SiC 분말과 내부에서 열을 발생시켜서 SiC 분말을 소결시키기 때문에, 기존 소결방법 보다 낮은 2,000℃ 미만의 온도에서 소결이 가능할 뿐만 아니라, 소결시간도 크게 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 그리고, 상기 소결첨가제는 SPS로 SiC를 소결 시, 액상으로 전환되어 SiC의 기공을 매꾸어서 소결된 SiC의 내부구조를 치밀하게 한다.

상기 혼합물을 SPS로 소결시키는 조건에 대하여 설명하면, 소결온도는 1,760 ~ 1,950℃에서, 더욱 바람직하게는 1,800 ~ 1,900℃의 소결온도에서 수행하는 것이 좋다. 이때, 소결온도가 1,760℃ 미만이면, 상기 소결첨가제가 고체에서 액상으로 전환하지 않을 수 있으며, 1,950℃를 초과하더라도 소결된 SiC의 치밀도 증가가 미미하므로, 상기 소결온도 범위 내에서 소결을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 소결압력은 30 ~ 70MPa에서, 더욱 바람직하게는 40 ~ 60MPa의 조건에서 수행하는 좋은데, 소결압력이 30MPa 미만이면, 소결된 SiC의 치밀도가 불충분할 수 있으며, 70MPa를 초과하더라도, 치밀도가 증가가 미미하므로, 상기 소결압력 범위 내에서 소결을 수행하는 것이 바람직하다.

앞서 설명한 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드는 하기 수학식 1로 치밀도로 계산할 경우, 90% 이상의 치밀도를, 바람직하게는 90 ~ 99.9%의, 더욱 바람직하게는 95 ~ 99.9%의 매우 높은 치밀도를 갖으며, 상기 소결첨가제를 사용하지 않고서, 소결시킨 SiC 보다 1.5배 이상의 경도와 압축강도를 갖을 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명을 한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

SiC 분말을 이용한 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드의 제조

실시예 1

펑균입경 약 100㎛의 β-SiC 분말을 건식 HE(high energy) 볼밀링(밀링속도 200 rpm, 밀링시간 1hr)하여, 평균입경 3 ㎛의 크기를 갖는 β-SiC 분말을 준비하였다. 상기 평균입경 3 ㎛의 크기를 갖는 β-SiC 분말 90 중량%와 알루미나(평균입경 2㎛) 분말과 산화이트륨 분말(평균입경 100 nm)을 6:4 중량비로 함유한 소결첨가제 10 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 다음으로, 상기 혼합물을 방전플라즈마 소결장비의 흑연몰드에 투입한 후, 소결 장비 내부를 진공 및 아르곤 가스 분위기로 조성한 후, 1800℃ 및 60 MPa의 조건에서 소결을 수행하여, 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하였다. 그리고, 제조된 실리콘 카바이드의 SEM(scanning electron microscope)사진을 도 1의 A에 나타내었다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 1900℃ 및 60 MPa의 조건에서 소결을 수행하여, 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하였으며, SEM 사진을 도 1의 B에 나타내었다.

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 에탄올에서 습식 HE 볼밀링(밀링속도 200 rpm, 밀링시간 8 hr)하여, 평균입경 2 ㎛의 크기를 갖는 β-SiC 분말을 사용하여 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하였으며, SEM 사진을 도 2에 나타내었다.

실시예 4 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, β-SiC 분말 대신 α-SiC 분말을 사용하여, 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드를 제조하였다. 그리고, 제조조건은 하기 표 1의 나타낸 바와 같으며, 제조한 고치밀성 실리콘 카바이드의 SEM 사진을 도 3 ~ 도 5에 나타내었다.

구분	SiC 분말		SiC 소결첨가제		SPS 소결조건
구분	종류 (분말)	사용량 (중량%)	Al2O3 분말:Y2O3 분말 중량비	사용량 (중량%)	소결온도 (℃)	소결압력 (MPa)
실시예1	β-SiC	90	6:4	10	1,800	60
실시예2	β-SiC	90	6:4	10	1,900	60
실시예3	β-SiC	90	6:4	10	1,800	60
실시예4	α-SiC	90	6:4	10	1,800	60
실시예5	α-SiC	90	6:4	10	1,850	60
실시예6	α-SiC	95	6:4	5	1,800	60
비교예1	α-SiC	100	0	0	1,700	60
비교예2	α-SiC	100	0	0	1,800	60
1) α-SiC 분말 : 평균입도 1~3 ㎛, 제조사 Alfa Aesar , 상품명 Silicon carbide α-phase

도 1 ~ 도 3 및 도 5 B의 SEM 사진을 보면, 실시예 1 ~ 6에서 제조한 본 발명의 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드는 매우 치밀한 구조를 갖고 있음을 확인할 수 있다. 도 4의 SEM 사진을 보면, 소결첨가제를 사용하지 않고서, 1760℃ 미만에서 소결시켜 제조한 비교예 1의 실리콘 카바이드의 경우, 매우 거칠고 큰 기공을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 도 5의 A와 B의 SEM 사진을 보면, 비교예 2(10 중량%의 SiC 소결첨가제)와 실시예 6(5 중량%의 SiC 소결첨가제 사용)과 에서 제조한 실리콘 카바이드를 비교해보면, 비교예 2(도 5의 A)의 경우, 부분적으로 큰 기공이 형성되어 있으나, 실시예 6(도 5의 B)의 경우, 전반적으로 기공 크기가 고른 것을 확인할 수 있으며, 이로부터, 소결첨가제의 알루미나 분말과 산화이트륨 분말의 중량비가 본 발명에 크게 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.

실험예 1 : 물성측정실험

상기 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2에서 제조한 실리콘 카바이드의 밀도(density), 경도(hardness), 압축강도(compressive strength) 및 치밀도(relative density)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

1) 밀도 : KS M 0602

2) 경도 : KS B 0811

3) 압력강도 : 높이/직경의 1.5비율로 원형 시편에 대한 압축시험

4) 치밀도 : 하기 수학식 1의 방법으로 치밀도를 계산하였다.

[수학식 1]

(실제밀도/이론밀도) × 100 = 치밀도(%)

구분	밀도(g/㎤)	경도(Hv)	압력강도	치밀도(%)
실시예 1	3.12	2,352	1,105	93.0
실시예 2	3.05	2,130	990	91.0
실시예 3	3.15	2,450	1,153	93.9
실시예 4	3.23	2,755	1,114	96.3
실시예 5	3.34	2,950	1,092	99.6
실시예 6	3.11	2,486	1,105	98.7
비교예 1	2.63	1,247	593	84.8
비교예 2	2.96	2,250	868	90.5

상기 표 2의 물성측정결과를 살펴보면, 실시예의 경우, 비교예와 비교할 때, 밀도, 경도 및 압력강도가 매우 우수한 것을 확인할 수 있으며, 실시예의 경우, 치밀도가 97% 이상으로 물성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.

이와 같이, 높은 물성과 치밀도를 갖는 본 발명의 실리콘 카바이드는 높은 광투과율과 극소의 열변형률이 요구되는 유리렌즈 코어소재로 사용하기에 적합하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허청구 범위 내에 속하는 것은 당연하다.

Claims

알루미나(Al₂O₃) 분말과 산화이트륨(Y₂O₃) 분말을 각각 5:5 ~ 7:3 중량비로 함유한 소결첨가제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드.
제 1 항에 있어서,
상기 SiC 소결첨가제 1 ~ 15 중량% 및 SiC 분말 85 ~ 99 중량%를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드.
제 1 항에 있어서,
상기 SiC 분말은 α-SiC 분말 및 β-SiC 분말 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드.
제 3 항에 있어서,
상기 SiC 분말은 평균입경 1 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드.
제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
치밀도가 90 ~ 99.9%인 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드.
알루미나(Al₂O₃) 분말과 산화이트륨(Y₂O₃) 분말을 5 ~ 7 : 5 ~ 3 중량비로 함유하는 SiC(silicon carbide) 소결첨가제와 실리콘 카바이드(SiC) 분말을 혼합한 혼합물을 방전플라즈마로 소결(Spark Plasma Sintering)시킨 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 소결은 소결온도 1,760 ~ 1,950℃ 및 30 ~ 70 MPa의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재용 고치밀성 실리콘 카바이드의 제조방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항의 고치밀성 실리콘 카바이드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재.
제 5 항의 고치밀성 실리콘 카바이드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유리렌즈 코어소재.