KR20150097357A - Method for tincting sapphire - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 사파이어의 착색방법에 관한 것으로, 특히 경도가 높고 단결정을 갖는 인조의 무색 투명한 사파이어에 대해 원하는 색상으로 균일하게 착색하도록 하는 기술에 관련한다.The present invention relates to a coloring method of sapphire, and more particularly to a technique for uniformly coloring a colorless transparent sapphire of artificial color having high hardness and a single crystal to a desired color.
일반적으로, 세라믹 단결정 중 사파이어나 수정은 Al2O3나 SiO2의 세라믹 단결정으로써 소량의 불순물이 혼입되어 색채를 띠게 되는데, 천연상태에서 얻는 사파이어 원석의 일부 또는 인조적으로 제조된 통상의 사파이어 단결정들은 무색이거나 색상이 흐리고 색상이 불균일하여 보석으로 가치가 적고 산업용으로 용도가 제한될 수 있다. 물론 무색 투명의 인조 사파이어 시편은 오래전부터 LED 발광 기판으로 사용되고 고급 시계의 투명 보호창으로 많이 사용되기도 한다.In general, sapphire or quartz in a ceramic single crystal is a ceramic single crystal of Al 2 O 3 or SiO 2 , and a small amount of impurities are mixed to form a color. Part of sapphire or quartz obtained in a natural state or a conventional sapphire single crystal Are colorless, uncolored and uneven in color, which can be of low value as jewels and may be of limited industrial application. Of course, colorless transparent artificial sapphire specimens have long been used as LED light-emitting substrates and often used as transparent protection windows for high-end watches.
양질의 색채를 갖는 투명한 세라믹 단결정은 가능한 특정한 색상이 균일하고 경제성 있게 제공되어야 보석 또는 산업용으로도 활용되기 용이하다.Transparent ceramic monocrystals with good color are easy to be used for jewelry or industrial purposes as long as the specific colors are uniformly and economically available.
따라서, 당해 기술분야에서는 무색의 또는 색상이 흐린 세라믹 단결정에 양질의 색채를 균일하고 경제성 있게 부여하는 방법을 찾기 위해 다양한 노력을 시도하였으며, 이러한 결과로써 세라믹 단결정에 인위적으로 착색을 할 수 있는 여러 가지 방법이 제안되고 있다.Therefore, in the related art, various attempts have been made to find a method of uniformly and economically imparting high quality color to a colorless or discolored ceramic single crystal. As a result, various attempts have been made to artificially color a ceramic single crystal A method has been proposed.
종래의 사파이어의 착색방법으로는 분말용융법, 화염용융법, 이온주입법 및 열확산법 등이 있다.Conventional methods of coloring sapphire include a powder melting method, a flame melting method, an ion implantation method, and a thermal diffusion method.
예들 들면, 색상을 갖는 세라믹 단결정의 사파이어를 제조하기 위한 분말용융법은 세라믹 단결정의 Al2O3 시드(seed)와 Al2O3 파우더 등에 소량의 착색 불순물을 혼입시켜 2000℃ 이상의 고온에서 약 10일 이상 용융하여 단결정 사파이어를 성장(Growing)시켜 일정 크기의 사파이어 잉곳(Ingot)을 제조하는 방식인데, 이 방법은 불순물의 혼입 때문에 잉곳을 균일하게 성장시키기 어렵고, 제조 공정 시 단결정을 성장시키는 고가의 용융 및 성장 장비가 불순물에 오염되기 쉽고 고가의 장비가 일단 오염되면 다른 색상 또는 전기적 특성을 갖는 다른 조건의 세라믹 단결정을 만들기 어렵다는 단점이 있다.For example, a powder melting method for producing a ceramic single crystal sapphire having a hue is a method in which a small amount of colored impurities is mixed into an Al 2 O 3 seed and an Al 2 O 3 powder of a ceramic single crystal, And the single crystal sapphire is grown to grow a sapphire ingot of a certain size. This method is incapable of uniformly growing the ingot due to the inclusion of impurities, Melting and growth equipment is liable to be contaminated with impurities, and once expensive equipment is contaminated, there is a disadvantage that it is difficult to make ceramic single crystals having different color or electrical characteristics under different conditions.
종래의 다른 사파이어의 착색방법도 여러 이유에서 균일한 색상을 경제성 있게 대량으로 제공하기는 어렵다는 단점이 있다.Another conventional sapphire coloring method has a disadvantage in that it is difficult to economically provide a uniform color in a large amount for various reasons.
예를 들어, 착색을 하려는 무색 투명한 세라믹 단결정이 인조으로 제조되거나 자연적으로 성장되는 방법, 조건 및 환경에 따라 이들 세라믹 단결정에 착색방법이나 조건이 달라질 수 있기 때문이다.For example, the coloring methods and conditions of these ceramic single crystals may vary depending on the method, conditions, and environment in which the colorless transparent ceramic single crystal to be colored is manufactured or grown naturally.
더욱이, 착색을 하는 작업 조건 및 착색 재료의 종류 및 양에 따라 다양한 착색방법이 있을 수 있기 때문에 이를 극복하기 위하여 여러 분야에서 다양한 연구와 시험이 실시되고 있다.Furthermore, since there are various coloring methods depending on the working conditions of the coloring and the kinds and amounts of the coloring materials, various studies and tests have been conducted in various fields in order to overcome them.
이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법 중, 국내 등록특허 제0497968호에서는, 천연 또는 인조 단결정의 발색방법에 있어서, 천연 또는 인조 단결정을 소정형상을 갖는 시편으로 연마하는 연마단계와; 상기 연마단계에서 연마된 시편을 보우트에 배치한 후 코발트화합물을 보우트에 부어 단결정 시편 전면을 덮도록 셋팅하는 보우트 셋팅단계와; 셋팅된 보우트를 전기로에 넣고, 진공 또는 소정량의 질소가스를 공급되는 상태로 소정시간동안 소정온도까지 온도를 상승시킨 후 상승된 최고온도를 소정시간동안 유지시킨 후 소정시간동안 실온으로 하강시키는 열처리단계와; 상기 열처리단계에서 열처리가 완료된 시편을 혼합용액에 침지시켜 시편상의 코발트화합물 잔류물을 제거하는 침지단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 천연 또는 인조 단결정의 발색방법을 개시하고 있다.Among the methods for solving such a problem, Korean Patent Registration No. 0497968 discloses a method for coloring natural or artificial single crystal, comprising the steps of: polishing a natural or artificial single crystal with a specimen having a predetermined shape; Placing a polished specimen on the boat in the polishing step, pouring the cobalt compound into the boat to set the entire surface of the single crystal specimen to cover the boat; A set boat is placed in an electric furnace and a vacuum or a predetermined amount of nitrogen gas is supplied to the furnace to raise the temperature to a predetermined temperature for a predetermined time and then to maintain the elevated maximum temperature for a predetermined period of time, ; And an immersion step of immersing the specimen after the heat treatment in the heat treatment step in a mixed solution to remove the cobalt compound residue on the specimen.
그러나, 이 방법에 의하면, 도 3에 나타낸 것처럼, 단결정 시편을 보우트 바닥에 배치하고 코발트화합물을 보우트에 붓기 때문에 단결정 시편과 보우트가 접촉하는 단결정의 하면은 코발트화합물과 접촉하지 못하여 최종적으로 발색 처리된 단결정 시편의 균일성(uniformity)이 저하한다는 문제점이 있다. 특히 단결정이 LED 기판용 웨이퍼와 같이 시트 상으로 된 경우 단결정의 하면이 넓어 상기의 제조방법은 단결정의 전체에 균일한 색상을 제공하기 어렵다는 단점이 있다.However, according to this method, as shown in FIG. 3, since the single crystal specimen is placed on the bottom of the boat and the cobalt compound is poured into the boat, the lower surface of the single crystal in contact with the single crystal specimen can not contact with the cobalt compound, There is a problem that the uniformity of the single crystal specimen is lowered. In particular, when a single crystal is formed into a sheet like a wafer for an LED substrate, the lower surface of the single crystal is widened, which makes it difficult to provide uniform color throughout the single crystal.
특히, 하나의 단결정 시편을 착색하는 방법만을 개시하고 있어, 대량 생산을 위한 다수의 단결정 시편에 대해 한꺼번에 공정을 수행하는 경우, 발색의 균일성을 위해 어떤 구조로 단결정 시편을 배치하는지 또는 코발트화합물을 단결정 시편의 전체에 어떻게 균일하게 접촉하도록 할 지에 대해 전혀 개시되어 있지 않다.In particular, it discloses only a method of coloring one single crystal specimen. When a plurality of single crystal specimens for mass production are simultaneously processed, it is necessary to dispose a monocrystalline specimen in a certain structure for color uniformity, It has not been disclosed at all how to uniformly contact the entirety of the single crystal specimen.
또한, 열처리 과정에서 전기로의 내부를 진공으로 하거나, 산소 차단가스 등을 공급하는 등 해당 제조 공정이 복잡하고 여기에 적합한 고가의 설비를 구비해야 하는 문제점이 있다.In addition, there is a problem that the manufacturing process is complicated, such as vacuuming the inside of the electric furnace or supply of the oxygen-barrier gas during the heat treatment process, and expensive facilities suitable for this.
또한, 발색에 효과적인 코발트화합물에 대한 구체적인 설명이 부족하고 어떻게 경제적으로 그리고 효과적으로 착색하느냐에 대한 방안은 제시되지 않았다.In addition, there is a lack of detailed description of cobalt compounds effective for color development, and there is no suggestion how to economically and effectively colorize them.
따라서, 본 발명의 목적은 최종적으로 착색 처리된 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편이 색상 균일성(uniformity)을 갖도록 하는 사파이어의 착색방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of coloring sapphire, in which a colorless transparent single crystal sapphire specimen of artificial coloring finally has color uniformity.
본 발명의 다른 목적은 다수의 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편에 대해 한꺼번에 공정을 수행하는 경우에도 균일한 착색을 신뢰성 있게 보장할 수 있는 경제성 있는 사파이어의 착색방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an economical method of coloring sapphire that can reliably ensure uniform coloring even when processing a plurality of artificial colorless transparent single crystal sapphire specimens at one time.
본 발명의 다른 목적은 착색을 위한 제조 시간 또는 제조 공정이 간단하고 관련 설비가 단순하고 저가여서 설비비 및 제조원가를 줄일 수 있는 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편의 착색방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a colorless transparent single crystal sapphire specimen coloring method which is simple in manufacturing time or manufacturing process for coloring, simple and low cost, and can reduce equipment cost and manufacturing cost.
본 발명의 다른 목적은 열 처리시 열처리 로를 적게 오염시키는 사파이어의 착색방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of coloring sapphire that lessens the heat treatment furnace during heat treatment.
본 발명의 다른 목적은 일정한 크기와 특성을 갖는 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편에 착색을 경제성 있게 대량 양산할 수 있는 사파이어의 착색방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of coloring sapphire which can mass-produce a colorant economically in large quantities in artificial colorless transparent single crystal sapphire specimens having a constant size and characteristics.
본 발명의 일 측면에 의하면, 인조의 단결정 투명 사파이어 시편의 착색방법으로서, 내열 도가니의 바닥에 금속산화물 파우더를 넣는 단계; 상기 금속산화물 파우더 위에 상기 사파이어 시편을 다수 개 기설정된 간격으로 배치하는 단계; 상기 배치된 다수 개의 사파이어 시편을 기설정된 두께로 완전히 덮히도록 상기 금속산화물 파우더를 추가로 넣는 단계; 상기 다수 개의 사파이어 시편이 상기 금속산화물 파우더에 균일한 접촉을 이루도록 하는 단계; 및 상기 도가니를 내열 덮개로 덮고 열처리 로에 넣어 열처리하여 상기 금속산화물 파우더에 의해 상기 사파이어 시편이 착색되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of coloring a single crystal transparent sapphire specimen of artificial leather, comprising the steps of: placing a metal oxide powder on the bottom of a heat resistant crucible; Disposing a plurality of the sapphire specimens on the metal oxide powder at predetermined intervals; Further comprising the step of inserting the metal oxide powder so that the plurality of arranged sapphire specimens are completely covered with a predetermined thickness; Making the plurality of sapphire specimens uniformly contact the metal oxide powder; And a step of covering the crucible with a heat-resistant lid, placing the crucible in a heat treatment furnace, and performing heat treatment so that the metal oxide powder colors the sapphire specimen.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 무색 투명의 인조의 단결정 사파이어 잉곳을 기 설정된 크기로 절단하고 연마하여 사파이어의 시편을 준비하는 단계; 상기 시편을 금속산화물 파우더가 담긴 내열 도가니에 상기 시편이 상기 금속산화물 파우더에 완전히 덮히도록 넣어 상기 금속산화물 파우더가 상기 시편과 전체적으로 균일하게 접촉하도록 하는 단계; 상기 내열 도가니에 내열 덮개를 덮고, 열처리 로에 넣어 열처리하는 단계; 및 상기 열처리에 의해 상기 금속산화물 파우더가 증발한 증기이온이 상기 시편 내부로 확산하여 상기 증기이온에 의한 고유의 색상으로 착색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a sapphire substrate, comprising: preparing a specimen of sapphire by cutting and polishing a colorless transparent synthetic single crystal sapphire ingot to a predetermined size; Placing the specimen in a heat-resistant crucible containing a metal oxide powder so that the specimen is completely covered with the metal oxide powder so that the metal oxide powder is uniformly in contact with the specimen as a whole; Placing the heat-resistant crucible on a heat-resistant lid, placing the heat-resistant lid in a heat treatment furnace and performing heat treatment; And vaporizing the vaporized vapor of the metal oxide powder by the heat treatment to diffuse into the specimen and coloring the vaporized color of the vaporized ion by the steam ion.
바람직하게, 상기 열처리는 산화 분위기에서 이루어질 수 있다.Preferably, the heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere.
바람직하게, 상기 열처리는 온도 상승, 온도 유지 및 온도 하강의 사이클로 구성되고, 상기 온도 유지는 800℃ 내지 1700℃에서 1시간 내지 20시간동안 이루어진다.Preferably, the heat treatment is performed in cycles of temperature rise, temperature holding and temperature lowering, and the temperature holding is performed at 800 to 1700 占 폚 for 1 to 20 hours.
바람직하게, 상기 금속산화물 파우더의 직경은 D50 기준으로 0.06㎜ 이하이고, 상기 금속산화물 파우더는 순도가 90% 이상일 수 있다.Preferably, the diameter of the metal oxide powder is 0.06 mm or less on the basis of D50, and the purity of the metal oxide powder may be 90% or more.
바람직하게, 상기 사파이어의 시편을 배치하기 전에 상기 시편을 연마하여 표면이 광택을 갖도록 할 수 있다.Preferably, the specimen may be polished prior to placing the specimen of sapphire so that the surface is polished.
바람직하게, 상기 배치는 횡으로 이루어지고, 상기 금속산화물 파우더에 의해 전체 외면이 덮인다.Preferably, the arrangement is transversal, and the entire outer surface is covered by the metal oxide powder.
바람직하게, 상기 배치하는 단계와 상기 금속산화물 파우더를 추가로 넣는 단계는 기설정된 횟수로 반복된다.Preferably, the step of disposing and further adding the metal oxide powder are repeated a predetermined number of times.
바람직하게, 상기 균일한 접촉은 진동에 의해 이루어질 수 있다.Preferably, the uniform contact can be made by vibration.
바람직하게, 상기 열처리 시 상기 금속산화물 파우더가 열에 의해 증발한 증기가 상기 덮개와 상기 도가니에 의해 형성된 밀폐 공간의 일부에 채워져 압력이 증가하고, 상기 압력에 의해 상기 금속산화물 파우더는 추가로 물리적인 압력을 받으며, 상기 덮개는 상기 열처리 중 상기 증기가 일부 빠져나가도록 상기 도가니를 덮을 수 있다.Preferably, the steam evaporated by the metal oxide powder during the heat treatment is filled in a part of the closed space defined by the lid and the crucible to increase the pressure, and the pressure causes the metal oxide powder to further have a physical pressure And the lid may cover the crucible so that the steam escapes partially during the heat treatment.
바람직하게, 상기 열처리에 의해 상기 금속산화물 파우더가 증발한 증기이온이 상기 시편 내부로 확산하여 상기 증기이온에 의한 고유의 색상으로 착색되며, 상기 확산은 고체 확산이다.Preferably, vapor ions evaporated from the metal oxide powder by the heat treatment diffuse into the specimen and are colored with intrinsic color by the vapor ions, and the diffusion is solid diffusion.
바람직하게, 상기 확산은 상기 금속산화물의 금속이온과 상기 사파이어 시편의 금속이온의 교환에 의해 이루어질 수 있다.Preferably, the diffusion may be achieved by exchanging metal ions of the metal oxide and metal ions of the sapphire specimen.
바람직하게, 상기 시편은 무색 투명이고, 상기 열처리는 산화 분위기에서 이루어지고, 상기 금속산화물은 순도가 90% 이상인 산화 크롬(CrO3), 산화 코발트(Co3O4) 또는 산화 니켈(NiO)이며, 상기 시편은 각각 녹색, 청색과 하늘색으로 착색된다.Preferably, the above specimen was transparent and colorless, the heat treatment is made in an oxidizing atmosphere, the metal oxide is chromium oxide or higher purity is 90% (CrO 3), cobalt oxide (Co 3 O 4) or the nickel oxide (NiO) , And the specimen is colored green, blue and sky blue, respectively.
바람직하게, 상기 혼합 금속산화물 파우더의 입자 크기는 D50 기준으로 0.08mm 이하일 수 있다.Preferably, the particle size of the mixed metal oxide powder may be 0.08 mm or less on the basis of D50.
바람직하게, 상기 금속산화물 파우더는 하나의 금속산화물 파우더와 다른 금속산화물 파우더를 균일하게 혼합하여 건조하고 분쇄한 후 하소공정을 통하여 2종 이상의 금속간 결합을 형성한 혼합 금속산화물 파우더일 수 있다.Preferably, the metal oxide powder may be a mixed metal oxide powder in which one metal oxide powder and another metal oxide powder are uniformly mixed, dried and crushed, and then calcined to form at least two intermetallic bonds.
바람직하게, 상기 착색된 시편은 상기 광택 연마 이전에 순도가 40% 내지 60%인 질산, 황산 또는 염산 중 어느 하나의 용액에서 의해 표면 처리될 수 있다.Preferably, the colored specimen may be surface treated with a solution of either nitric acid, sulfuric acid or hydrochloric acid having a purity of 40% to 60% prior to the polishing.
바람직하게, 상기 착색된 사파이어 시편의 표면이 광택을 갖도록 연마하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.Preferably, the step of polishing the surface of the colored sapphire specimen so as to have gloss may be further included.
상기한 구성에 의하면, 산화 분위기에서 도가니와 덮개를 사용하여 열 처리 하므로 경제성 있는 제조가 용이하기 때문에 대량 생산에 용이하고 제조 원가가 절감된다.According to the above-described configuration, since the crucible and the cover are heat treated in an oxidizing atmosphere, economical production is easy, so that mass production is easy and manufacturing cost is reduced.
또한, 열처리 중 덮개와 도가니의 결합은 도가니 내부에서 발생한 이온 증기의 일부를 배출할 정도이므로 이에 따라 착색 효과가 향상되고 열 처리로를 적게 오염시킨다는 이점이 있다.In addition, the bonding between the lid and the crucible during the heat treatment is sufficient to discharge a part of the ion vapor generated inside the crucible, and accordingly, the coloring effect is improved and the heat treatment furnace is less contaminated.
또한, 사파이어 시편에 대해 착색을 위한 금속산화물 파우더가 신뢰성 있게 균일하게 위치하여 착색을 위한 열처리 후 사파이어 시편의 모든 면에 균일하고 효율적인 착색이 이루어지기 용이하다는 장점이 있다.In addition, since the metal oxide powder for coloring is reliably and uniformly positioned on the sapphire specimen, uniform and efficient coloring can be easily performed on all the surfaces of the sapphire specimen after the heat treatment for coloring.
또한, 순도가 높은 미세 금속산화물 파우더의 입자만을 사용하기 때문에 사파이어 시편의 모든 면에 균일하고 효율적인 착색을 제공하기 용이하다는 장점이 있다.In addition, since only particles of fine metal oxide powder having high purity are used, it is advantageous to provide uniform and efficient coloring on all sides of the sapphire specimen.
또한, 전체적으로 균일한 색상으로 착색되기 때문에 착색되기 때문에 착색된 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편은 보석이나 산업용으로도 충분한 가치를 갖는다.In addition, the colorless transparent monocrystalline sapphire specimen of artificial color is of sufficient value for jewelry and industrial use because it is colored because it is colored in its entirety as a uniform color.
도 1은 본 발명에 따른 착색방법을 설명하는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 시편의 일 예를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 시편의 배치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 시편의 배치를 나타낸다.1 is a flow chart for explaining a coloring method according to the present invention.
Fig. 2 shows an example of a specimen used in the present invention.
Figure 3 shows the arrangement of a specimen according to an example of the present invention.
Figure 4 shows the arrangement of specimens according to another example of the invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 '사파이어 시편'은 인조의 무색 투명한 단결정의 사파이어 시편을 말하며, 균일한 치수와 특성을 갖는 사파이어 시편일 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The 'sapphire specimen' in the following description refers to a sapphire specimen of artificial colorless transparent single crystal, and may be a sapphire specimen having uniform dimensions and characteristics.
도 1은 본 발명에 따른 착색방법을 설명하는 플로차트이고, 도 2는 본 발명에 사용되는 시편의 일 예를 보여주고, 도 3은 본 발명의 일 예에 따른 시편의 배치를 나타내며, 도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 시편의 배치를 나타낸다.Fig. 1 is a flow chart for explaining a coloring method according to the present invention. Fig. 2 shows an example of a specimen used in the present invention, Fig. 3 shows the arrangement of a specimen according to an example of the present invention, Fig. 5 shows the arrangement of a specimen according to another example of the present invention.
설명된 것처럼, 본 발명에 따른 착색방법은, 미세한 크기의 금속산화물 파우더 공급단계(100), 시편 배치 단계(200), 금속산화물 파우더 추가 공급단계(300), 열처리 단계(400), 및 표면처리 단계(500)로 이루어진다.As described, the coloring method according to the present invention includes the steps of supplying a metal oxide powder of
먼저, 착색에 앞서 사파이어 시편을 만드는 과정을 설명한다.First, we explain the process of making sapphire specimens before coloring.
인조로 제조된 무색 투명인 단결정의 Al2O3의 사파이어 잉곳(Ingot)을 기설정된 크기, 가령 도 2와 같이 직경이 50㎜이고 두께가 0.8㎜인 원형의 얇은 판상으로 절단하여 기판 형상의 사파이어 시편(30)을 준비한다.A sapphire ingot of a colorless transparent single crystal Al 2 O 3 manufactured by artificial manufacture was cut into a circular plate having a predetermined size, for example, a diameter of 50 mm and a thickness of 0.8 mm as shown in Fig. 2, The
여기서, 사파이어는 경도가 높아 대량 생산을 위한 가공에 시간이 많이 들기 때문에 잉곳을 형성하는 과정에서 최종적으로 제작하는 사파이어 제품의 형상을 고려하여 사파이어 시편을 제작할 수도 있다. Since the sapphire has a high hardness, it takes a lot of time for mass production. Therefore, the sapphire specimen can be manufactured in consideration of the shape of the final sapphire product in the process of forming the ingot.
가령, 최종적으로 착색된 사파이어 재질의 자동차용 엠블럼을 제작하고자 할 경우, 잉곳을 만드는 도가니 내부에 해당 도가니와 같은 재료로 구성되고 자동차용 엠블럼과 유사한 형상를 갖는 내부 도자기를 넣어 잉곳을 만들면 가공하기 용이할 수 있다.For example, if a final emblem of a colored sapphire material is to be manufactured, an inner pottery made of the same material as the crucible and having a shape similar to an automobile emblem is inserted into the crucible for making the ingot, .
사파이어 잉곳은 통상 2,000℃ 이상에서 성장될 수 있으며, 사파이어 잉곳을 절단한 사파이어 시편(30)은 표면을 광택 연마하여 투명하게 하거나 광택 연마하지 않고 불투명하게 할 수 있으나 착색 깊이를 깊게 하기 위하여 광택 연마처리를 하는 것이 바람직하다.
The sapphire ingot may be grown at a temperature of 2,000 DEG C or higher. The
<금속산화물 파우더 공급단계(100)>≪ Metal oxide powder supplying step (100) >
도가니(10) 내부의 밑 바닥의 전체가 균일하게 덮히도록 미세한 금속산화물 파우더(40)를 넣는다. 이와 같은 금속산화물 파우더의 균일한 두께는 시편(30)에 균일한 색상의 착색을 제공할 수 있게 한다.A fine metal oxide powder (40) is put in such a manner that the entire bottom floor inside the crucible (10) is uniformly covered. The uniform thickness of the metal oxide powder makes it possible to provide uniform coloring to the
도가니(10)는, 가령 알루미나 같은 내열의 다결정 세라믹 재질로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 800℃ 내지 1700℃ 정도의 열처리 온도를 견딜 수 있고 시편의 착색에 방해를 주지 않는 재질로 제작될 수 있다. 이 실시 예에서는 도가니(10)와 덮개(20)를 모두 소결된 다결정의 알루미나 도가니를 사용한다.The
도가니(10)로 다결정의 세라믹 재질, 예를 들면 다결정의 알루미나 도가니(10)를 사용하는 경우, 사파이어 시편(30)의 착색 과정에서 금속산화물 파우더(40)를 도가니(10) 내부에 넣고 열처리를 하면 도가니(10) 내부도 시편(30)과 유사하게 고체 확산을 통해 착색될 수 있다. When polycrystalline ceramic material such as
도가니(10)는 덮개(20)에 의해 적당히 밀폐되는데, 도가니(10) 내부의 압력을 기설정 값으로 유지하는 한도 내에서 도가니(10)와 덮개(20) 사이에 미세한 틈새가 형성됨으로써 착색을 위해 공급되는 금속산화물 파우더(40)가 열에 의해 증발하여 생성된 증기의 일부가 빠져 나가도록 하여 도가니(10)의 내부압이 지나치게 증가하여 도가니(10)가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.The
반면, 도가니(10)와 덮개(20) 사이의 밀폐를 지나치게 느슨히 하면 열처리 중 금속산화물 파우더(40)가 열에 의해 증발하여 생성된 증기가 쉽게 방출되므로 착색의 효율이 떨어지고, 방출되는 증기가 많아져 열처리 로를 오염시킬 수 있다.On the other hand, if the sealing between the
사파이어 시편(30)의 착색을 위한 금속산화물 파우더(40)로는 여러 종류의 금속산화물 파우더 또는 다양한 무기물 등이 사용될 수 있으며, 가령 이 실시 예에서는 입자 크기가 D50 기준으로 10㎛ 내지 60㎛이고 순도가 90% 이상인 산화크롬(CrO3) 파우더가 사용된다.
As the
<시편 배치 단계(200)>≪
도 3을 참조하면, 도가니(10) 내부에는 다수의 사파이어 시편(30)이 배치되는데, 바람직하게, 금속산화물 파우더(40)를 도가니(10)의 바닥에 부어 일정한 두께로 조절하고 상면을 수평으로 편평하게 한 다음 다수의 사파이어 시편(30)을 배치한다.3, a plurality of
여기서, 시편(30)의 균일한 착색은 금속산화물 파우더(40)의 균일한 두께에 의해 제공되기 용이하므로 가능한 범위에서 시편(30)과 접촉하는 파우더(40)의 두께는 균일하게 하는 것이 바람직하나 생산성을 향상시키기 위해 본 발명은 이에 한정하지는 않는다.
Here, since the uniform coloring of the
<금속산화물 파우더 추가 공급단계(100)>≪ Metal oxide powder
배치된 다수의 사파이어 시편(30)을 완전히 덮도록 정해진 양의 금속산화물 파우더(40)를 부어, 상기한 것과 같이, 일정한 두께로 조절하고 상면을 수평으로 하는데, 여기서 정해진 양은 최초 사용된 금속산화물 파우더의 양에, 그 위에 배치된 다수의 사파이어 시편(30) 사이의 틈에 채워질 금속산화물 파우더의 양을 더하여 결정된다. 정해진 양의 금속산화물 파우더(40)는 이후 반복되는 사파이어 시편(30)의 배치에 동일하게 사용된다.A predetermined amount of the
상기와 같은 과정을 반복하여 여러 층으로 사파이어 시편(30)을 배치한 다음, 덮개(20)를 덮어 도가니(10) 내부를 밀폐시킨다.The
상기한 것처럼, 시편(30)의 균일한 착색은 금속산화물 파우더(40)의 균일한 두께에 의해 제공되기 용이하므로 가능한 범위에서 시편(30)과 접촉하는 파우더(40)의 두께는 균일하게 하는 것이 바람직하다.As described above, the uniform coloring of the
또한, 사파이어 시편(30)과 금속산화물 파우더(40)의 접촉은 가능한 많을수록 좋으며 균일하게 촘촘이 이루어져야 착색의 균일성이 보장되며 착색의 작업성 및 효율성이 향상된다.In addition, the contact between the
이를 위해 통상 금속산화물 파우더(40) 입자의 크기는 가능한 균일할수록 그리고 작을수록 좋으나 작업 방법과 금속산화물 파우더(40)의 종류에 따라 다소 차이가 있을 수 있으므로 본 발명은 이에 한정하지 않는다.For this purpose, the size of the
도 3과 같은 배치에 있어서, 다수의 사파이어 시편(30)을 두께 제어된 금속산화물 파우더(40)의 상면에 배치하는데 있어서, 사파이어 시편(30)의 상면이나 하면과 금속산화물 파우더(40) 사이의 일부에서 금속산화물 파우더(40)가 사파이어 시편(30)에 접촉하지 않아 미세한 공간(42)이 발생할 수 있다. 이러한 공간(42)이 존재하는 상태에서 열처리를 하는 경우 금속산화물 파우더(40)의 확산의 양이 차이가 생기기 때문에 착색의 균일성이 저하된다.3, when a plurality of
이를 방지하기 위해, 선택적으로 도가니(10)를 진동시켜 혹시나 생길 수 있는 사파이어 시편(30) 하면의 공간을 제거할 수 있다. 즉, 도가니(10)를 진동유닛 위에 올려 놓고 미세한 진동을 가하여 도가니(10)를 진동시키면, 진동에 의해 공간이 무너지면서 금속산화물 파우더(40)로 채워지게 된다.In order to prevent this, the
이와 같이, 진동유닛에 의해 혹시나 생길지 모르는 사파이어 시편(30) 하면의 미세 공간(42)을 제거할 수 있지만 신뢰성을 완전히 확보할 수는 없다. 이러한 문제는 사파이어 시편(30)을 수평으로 배치하는 한 언제든지 존재할 수 있다.In this manner, the
이와 같은 문제점은 미세한 진동을 가하여 덮개(20)가 덮인 도가니(10)를 진동시키면 효율적으로 금속산화물 파우더(40)와 사파이어 시편(30)을 신뢰성 있게 접촉시킬 수 있다.Such a problem can be reliably brought into contact with the
그러나, 원천적으로 이러한 문제점을 제거하기 위해 사파이어 시편(30)을 수직으로 배치하는 방법을 고려할 수 있다.However, it is possible to consider a method of arranging the
도 4를 참조하면, 사파이어 시편(30)은 도가니(10) 내부에 수직으로 직립한 상태로 배치된다. 즉, 금속산화물 파우더(40)를 일정한 두께로 붓고 한 세트의 사파이어 시편(30)을 한꺼번에 직립된 상태로 배치한다. 이때, 사파이어 시편(30)의 일부만이 금속산화물 파우더(40)에 파묻혀 고정되며, 직립된 상태는 반드시 수직일 필요는 없다.Referring to FIG. 4, the
이어, 정해진 양의 금속산화물 파우더(40)를 부어 사파이어 시편(30)을 덮고, 그 위에 다른 한 세트의 사파이어 시편(30)을 상기와 같은 방법으로 직립된 상태로 배치한다.Next, a predetermined amount of the
이 경우에도, 미세한 진동을 가하여 도가니(10)를 진동시키면 효율적으로 금속산화물 파우더(40)와 사파이어 시편(30)을 신뢰성 있게 균일하고 많이 접촉시킬 수 있다.Even in this case, if the
상기와 같은 과정을 반복하여 여러 층으로 사파이어 시편(30)을 직립하여 배치한 다음, 덮개(20)를 덮어 도가니(10) 내부를 밀폐시킨다.The
이후, 미세한 진동을 가하여 덮개(20)가 덮인 도가니(10)를 진동시키면 효율적으로 금속산화물 파우더(40)와 사파이어 시편(30)을 신뢰성 있게 균일하고 많이 접촉시킬 수 있다.The
이러한 방식에 의하면, 직립된 사파이어 시편(30)의 측면으로 금속산화물 파우더(40)가 흐르기 때문에 사파이어 시편(30)의 측면과 금속산화물 파우더(40) 사이에 미세한 공간이 생길 가능성이 작아진다.According to this method, since the
상기의 같은 제조 방식에 의하면, 사파이어 시편(30)의 모든 면에 착색을 위한 금속산화물 파우더(40)가 신뢰성 있게 균일하게 위치하여 착색을 위한 열처리 후 사파이어 시편(30)의 모든 면에 균일하고 효율적인 착색이 이루어지기 용이하다는 장점이 있다.According to the above-described manufacturing method, the
또한, 순도가 높은 미세 금속산화물 파우더의 입자만을 사용하기 때문에 사파이어 시편(30)의 모든 면에 균일하고 효율적인 착색을 제공하기 용이하다는 장점이 있다.
Further, since only particles of the fine metal oxide powder having high purity are used, it is advantageous to provide a uniform and efficient coloring on all the surfaces of the
<열처리 단계(400)>≪ Heat treatment step (400) >
다수의 사파이어 시편(30)이 배치된 도가니(10)는 덮개(20)로 덮은 후 열처리 로(미도시)에 넣어 열처리한다.The
열처리는 온도 상승, 온도 유지 및 온도 하강의 사이클로 구성되는데, 가령 온도 유지는 800℃ 내지 1700℃에서 1시간 내지 20시간동안 이루어질 수 있다.The heat treatment consists of a cycle of temperature rise, temperature holding and temperature lowering, for example, the temperature holding may be performed at 800 to 1700 占 폚 for 1 to 20 hours.
여기서, 열처리 온도는 해당되는 금속산화물 파우더의 용융점보다 100℃ 이상 높은 것이 바람직하나, 시간과 열 처리 분위기에 따라 달라질 수 있으므로 이에 한정하지는 않는다.Here, the heat treatment temperature is preferably 100 ° C or more higher than the melting point of the metal oxide powder, but may vary depending on the time and the heat treatment atmosphere.
열처리는 제조 설비가 저렴하고 제조 방법이 간단한 산화 로를 사용하여 산화 분위기에서 하는 것이 바람직하지만, 사파이어 시편(30)과 금속산화물 파우더(40)의 종류 및 열처리 조건과 같은 작업 조건에 따라 환원 분위기나 진공 분위기에서 실시할 수도 있다.The heat treatment is preferably carried out in an oxidizing atmosphere using an oxidation furnace which is inexpensive in manufacturing equipment and simple in manufacturing method. However, depending on working conditions such as the kind of the
또한, 열처리 시 도가니(10)와 덮개(20)에 의해 형성되는 밀폐공간에 금속산화물 파우더(40)가 증발하여 채워지는 증기(가스)에 의해 사파이어 시편(30)은 물리적인 압력을 받는다. 그 결과, 금속산화물 파우더(40)와 사파이어 시편(30)의 접촉이 압력에 의해 더욱 신뢰성 있게 밀착되어 균일한 착색을 제공할 수 있게 된다.The
다시 말해, 열처리 중 도가니(10)가 덮개(20)로 씌워졌기 때문에 열처리에 의해 금속산화물 파우더(40)가 증발한 증기는 도가니(10) 내부에서 사파이어 시편(30)의 착색을 위한 고체 확산의 재료로 사용되는데, 덮개(20)에 의해 증기가 도가니(10) 밖으로 쉽게 방출되지 않아 결과적으로 덮개(20)를 덮지 않은 것과 비교하여 금속산화물 파우더(40)의 양을 줄일 수 있고 작업 시간이나 온도를 낮출 수 있다는 등의 이점이 있다.In other words, since the
여기서, 도가니(10)와 덮개(20)의 밀폐 정도는 덮개(10)의 자중에 의해 제공되는 정도가 바람직하나 이에 한정하지는 않는다.Here, the degree of sealing between the
한편, 열처리시 금속산화물 파우더(40)가 증발한 증기에 의해 도가니(10)의 내부압이 너무 크게 증가하는 것을 방지하기 위해 덮개(20)와 도가니(10)는 미세한 틈새가 형성되도록 할 필요가 있다.On the other hand, in order to prevent the inner pressure of the
상기와 같은 열처리에 의해 금속산화물 파우더(40)가 증발한 증기이온이 사파이어 시편(30) 내부로 확산하여 증기이온에 의한 고유의 색상으로 착색된다. 가령, 금속산화물 파우더(40)로 산화크롬(CrO3), 산화코발트(Co3O4) 또는 산화니켈(NiO)를 사용하여 열처리를 하는 경우 사파이어 시편(30)을 각각 녹색, 청색 그리고 하늘색으로 착색할 수 있다.The steam ions evaporated by the
열처리에 의한 착색 메커니즘은 고체확산을 통한 이온교환으로, 사파이어 시편(30)은 단결정 알루미나(Al2O3)로 구성되어 금속산화물 파우더(40)와 함께 열처리 과정에서 Al 이온이 빠져 나오고 그 자리에 금속산화물 파우더(40)가 증발되어 생성된 Co, Ni , Cr, 또는 Zn 등의 이온이 들어간다. 이때 통상적으로 이온의 직경이 작을수록 이온 교환이 잘되어 착색이 잘 이루어진다.The coloring mechanism by the heat treatment is ion exchange by solid diffusion and the
다시 말해, 금속산화물 파우더(40)의 금속이온과 사파이어 시편(30)의 금속이온의 교환에 의해 이온 교환이 이루어진다.In other words, ion exchange is performed by exchanging the metal ions of the
여기서, 금속산화물 파우더(40)에 의한 착색으로 사파이어 시편(30)의 무게가 무거워질 수도 있다.Here, the color of the
사파이어 시편(30)의 착색되는 깊이는 열처리에 의한 고체확산이 많이 이루어질수록 깊어지기 때문에 착색되는 깊이를 깊게 하기 위해 열처리 시간 및 온도가 적정시간 및 적정온도 이상이어야 하고 충분한 금속산화물 파우더(40)를 제공해주어야 한다.The depth of the
또한, 사파이어 시편(30)의 착색의 색상 농도는 어느 수준이상의 색상 농도를 가져야 하는데, 동일 작업조건에서 열처리에 의한 고체확산이 많이 이루어질수록 색상의 농도를 진하기 때문에 이를 위해 시간과 온도가 일정 기준이상이어야 하고 충분한 금속산화물 파우더(40)를 제공해 주어야 한다.In addition, the color tone of the
착색되는 깊이는 이후 제공되는 광택을 내는 연마공정 등을 고려하여 대략 사파이어 시편(30)의 표면에서 10㎛ 이상일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 착색 색상의 농도는 착색의 목적에 따라 일정 수준이상의 농도를 가질 수 있다.The depth to be colored may be about 10 탆 or more on the surface of the
상기와 같이, 열처리 중 산화 로를 사용하여 산화 분위기에서 착색을 하게 되므로 제조 과정이 쉽고 제조 비용이 적게 든다는 이점이 있다.As described above, since the coloring is performed in the oxidizing atmosphere using the oxidation furnace during the heat treatment, the manufacturing process is easy and the manufacturing cost is low.
또한, 덮개를 적용함으로써 열처리 로의 오염을 최소화 할 수 있고, 금속산화물 파우더가 증발한 증기의 압력이 증가함으로써 착색 효율을 향상시킬 수 있으며, 균일한 작업조건을 제공함으로써 착색시 균일한 색상과 농도를 신뢰성 있고 경제적으로 제공할 수 있는 이점이 있다.
In addition, it is possible to minimize the contamination of the heat treatment furnace by applying the lid and to increase the coloring efficiency by increasing the pressure of the vapor of the metal oxide powder, and by providing uniform working conditions, uniform color and concentration There is an advantage that it can be provided reliably and economically.
<표면처리 및 연마단계(500)>≪ Surface treatment and polishing step (500) >
열처리에 의해 착색된 사파이어 시편(30)은 도가니(10)로부터 인출되어 표면이 광택을 갖도록 광택 연마하여 착색이 된 투명한 사파이어 시편을 얻을 수 있다.The
열처리에 의해 착색된 사파이어 시편(30)의 표면은 통상적으로 광택이 약하거나 뿌였게 보일 수 있는데 이를 광택연마를 통하여 광택을 갖게 할 수 있다.The surface of the
광택연마 시 효율을 좋게 하기 위해서 열처리에 의해 착색된 사파이어 시편(30)을 약 40% 내지 60%의 농도를 갖는 질산, 황산 또는 염산 등에 담근 후 꺼내어 사파이어 시편(30) 표면에 형성된 잔류물을 제거한 후 상기의 광택연마를 할 수도 있다.In order to improve the efficiency in polishing, the
광택연마는 다이아몬드 가루가 섞인 페이스트를 이용하거나 브러쉬를 사용할 수 있으며, 예를 들어, CMP(chemical mechanical polishing) 등의 화학적 기계적 연마, 브러쉬 연마 또는 바렐 연마할 수 있다.The polished polishing may be performed using a paste mixed with a diamond powder or a brush. For example, chemical mechanical polishing such as CMP (chemical mechanical polishing), brush polishing or barrel polishing may be used.
일 예로, 광택연마에 의해 사파이어 시편(30)은 표면조도 거칠기 Ra가 0.5㎚일 수 있다.As an example, the surface roughness Ra of the
본 발명에서는 금속산화물 파우더(40)로 순도가 90% 이상인 산화크롬(CrO3) 파우더를 사용하여 양질의 녹색(Green) 사파이어 시편을 제조하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 순도가 높은 다양한 금속산화물과 사파이어 시편을 한정된 공간에서 신뢰성 있게 접촉시킨 후 산화 분위기에서 열처리하여 시편에 다양한 색상으로 착색되도록 할 수 있다.In the present invention, a high-quality green sapphire specimen was prepared using chromium oxide (CrO 3 ) powder having a purity of 90% or more as the
가령, 금속산화물 파우더로 순도가 90% 이상인 산화코발트(Co3O4) 파우더를 사용하여 양질의 청색(Blue) 투명 단결정 사파이어를 제조할 수 있다.For example, high-quality blue transparent single crystal sapphire can be produced using cobalt oxide (Co 3 O 4 ) powder having a purity of 90% or more as a metal oxide powder.
고체확산을 위한 금속산화물 파우더로 순도가 높은 하나의 금속산화물이 사용되는 경우 해당 금속산화물의 고유 색상으로 착색할 수 있는데 반해, 우리가 원하는 색상으로 착색하기 위해서 하나의 금속산화물 파우더에 다른 성분을 갖는 금속산화물 파우더를 균일하게 혼합하고 건조하고 분쇄하여 하소공정을 통하여 2종 이상의 금속간 결합을 형성한 혼합 금속산화물 파우더를 사용할 수도 있다. If one metal oxide with high purity is used as the metal oxide powder for solid diffusion, it can be colored with the inherent color of the corresponding metal oxide. In contrast, in order to color with a desired color, another metal oxide powder A mixed metal oxide powder in which two or more kinds of intermetallic bonds are formed through the calcination process by uniformly mixing, drying and pulverizing the metal oxide powder may be used.
여기서, 혼합 금속산화물 파우더의 입자 크기는 D50 기준으로 0.08㎜ 이하일 수 있고, 하소 공정은 비교적 온도가 낮은 1000℃ 이하의 산화 분위기에서 실시할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.Here, the particle size of the mixed metal oxide powder may be 0.08 mm or less on the basis of D50, and the calcination process may be performed in an oxidizing atmosphere of 1000 deg. C or less, which is relatively low temperature, but is not limited thereto.
이 경우 금속산화물 파우더(40)를 제공하는 기술이 어렵고 제조 공정이 복잡하나 다양한 색상을 제공할 수 있다는 이점이 있다.In this case, there is an advantage that the technique of providing the
착색된 무색 투명의 사파이어 시편은 다양한 용도에 사용될 수 있다. 가령, 자동차용 엠블럼, 입체 로고(logo), 반지, 목걸이, 자동차용 펜던트, 컵, 그릇, 안경테, 시계나 이동통신기기의 표시창에 사용되거나, 얇은 두께를 갖도록 하여 지문인식버튼의 터치 글라스로 사용될 수 있다.Colorless transparent and colorless sapphire specimens can be used for a variety of applications. For example, it can be used in automobile emblems, stereograms, rings, necklaces, automobile pendants, cups, bowls, eyeglasses frames, watches or display screens of mobile communication devices, or to be used as a touch glass for fingerprint recognition buttons .
또한, 착색된 사파이어 시편의 표면에 n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층을 이격하여 형성하고 이들 사이에 발광층을 구비하여 사파이어 시편을 통하여 빛의 방출되는 LED를 제조할 수 있다.Also, an LED in which light is emitted through the sapphire specimen can be manufactured by forming the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer on the surface of the colored sapphire specimen and forming a light emitting layer therebetween.
이상에서 설명한 것처럼, 본 발명의 착색방법은 매우 경제성이 있고 신뢰성이 있기 때문에 대량 생산에 용이하고 제조 원가가 절감된다. 또한, 전체적으로 균일한 색상으로 착색되기 때문에 착색된 세라믹 단결정은 보석이나 산업용으로도 충분히 사용할 가치가 있다. As described above, since the coloring method of the present invention is very economical and reliable, it is easy to mass-produce and the manufacturing cost is reduced. In addition, the colored ceramic monocrystals are well worthy of being used for jewelry and industrial purposes because they are colored with a uniform color as a whole.
상기의 실시 예에서는 인조으로 대량 제조되는 무색 투명의 사파이어 시편을 중심으로 설명하고 실험하였으나, 본 발명은 천연 또는 인조으로 제공되는 무색 또는 색상이 흐린 투명 세라믹 단결정의 색상을 균일하고 경제성 있게 대량으로 착색하는데 적용될 수 있음은 당연한 것이다.
However, the present invention can be applied to a colorless transparent ceramic single crystal which is provided as a natural or artificial color uniformly and economically with a large amount of coloring And the like.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Accordingly, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described above, but should be construed in accordance with the following claims.
10: 도가니
20: 덮개
30: 시편
40: 금속산화물 파우더10: Crucible
20: Cover
30: The Psalms
40: metal oxide powder
Claims (25)
내열 도가니의 바닥에 금속산화물 파우더를 넣는 단계;
상기 금속산화물 파우더 위에 상기 사파이어 시편을 다수 개 기설정된 간격으로 배치하는 단계;
상기 배치된 다수 개의 사파이어 시편을 기설정된 두께로 완전히 덮히도록 상기 금속산화물 파우더를 추가로 넣는 단계;
상기 다수 개의 사파이어 시편이 상기 금속산화물 파우더에 균일한 접촉을 이루도록 하는 단계; 및
상기 도가니를 내열 덮개로 덮고 열처리 로에 넣어 열처리하여 상기 금속산화물 파우더에 의해 상기 사파이어 시편이 착색되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.A method of coloring a single crystal transparent sapphire specimen of artificial color,
Placing a metal oxide powder on the bottom of the heat-resistant crucible;
Disposing a plurality of the sapphire specimens on the metal oxide powder at predetermined intervals;
Further comprising the step of inserting the metal oxide powder so that the plurality of arranged sapphire specimens are completely covered with a predetermined thickness;
Making the plurality of sapphire specimens uniformly contact the metal oxide powder; And
A step of covering the crucible with a heat-resistant lid, placing the crucible in a heat treatment furnace, and heat-treating the resultant to allow the metal oxide powder to color the sapphire specimen.
상기 열처리는 산화 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere.
상기 열처리는 온도 상승, 온도 유지 및 온도 하강의 사이클로 구성되고, 상기 온도 유지는 800℃ 내지 1700℃에서 1시간 내지 20시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed in a cycle of temperature rise, temperature holding and temperature lowering, and the temperature is maintained at 800 ° C to 1700 ° C for 1 hour to 20 hours.
상기 금속산화물 파우더의 직경은 D50 기준으로 0.06㎜ 이하이고, 상기 금속산화물 파우더는 순도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the metal oxide powder is 0.06 mm or less on the basis of D50, and the purity of the metal oxide powder is 90% or more.
상기 사파이어의 시편을 배치하기 전에 상기 시편을 연마하여 표면이 광택을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the specimen is polished before the specimen of the sapphire is placed so that the surface is polished.
상기 배치는 횡으로 이루어지고, 상기 금속산화물 파우더에 의해 전체 외면이 덮이는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the arrangement is transversal, and the entire outer surface is covered with the metal oxide powder.
상기 배치하는 단계와 상기 금속산화물 파우더를 추가로 넣는 단계는 기설정된 횟수로 반복되는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of disposing the metal oxide powder and the step of adding the metal oxide powder are repeated a predetermined number of times.
상기 균일한 접촉은 진동에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the uniform contact is caused by vibration.
상기 열처리 시 상기 금속산화물 파우더가 열에 의해 증발한 증기가 상기 덮개와 상기 도가니에 의해 형성된 밀폐 공간의 일부에 채워져 압력이 증가하고, 상기 압력에 의해 상기 금속산화물 파우더는 추가로 물리적인 압력을 받는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
The steam evaporated by the heat of the metal oxide powder during the heat treatment is filled in a part of the closed space formed by the lid and the crucible to increase the pressure so that the metal oxide powder is further subjected to a physical pressure Characterized in that the sapphire coloring method.
상기 덮개는 상기 열처리 중 상기 증기가 일부 빠져나가도록 상기 도가니를 덮는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 9,
Wherein the lid covers the crucible so that the steam partially escapes during the heat treatment.
상기 열처리에 의해 상기 금속산화물 파우더가 증발한 증기이온이 상기 시편 내부로 확산하여 상기 증기이온에 의한 고유의 색상으로 착색되는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein steam ions evaporated from the metal oxide powder by the heat treatment are diffused into the specimen and colored with intrinsic color by the steam ion.
상기 확산은 고체 확산인 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the diffusion is a solid diffusion.
상기 확산은 상기 금속산화물의 금속이온과 상기 사파이어 시편의 금속이온의 교환에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the diffusion is performed by exchanging metal ions of the metal oxide and metal ions of the sapphire specimen.
상기 시편은 무색 투명이고, 상기 열처리는 산화 분위기에서 이루어지고, 상기 금속산화물은 순도가 90% 이상인 산화 크롬(CrO3), 산화 코발트(Co3O4) 또는 산화 니켈(NiO)이며, 상기 시편은 각각 녹색, 청색과 하늘색으로 착색되는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the specimen is colorless and transparent and the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere and the metal oxide is chromium oxide (CrO 3 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), or nickel oxide (NiO) having a purity of 90% Are colored in green, blue and sky blue, respectively.
상기 혼합 금속산화물 파우더의 입자 크기는 D50 기준으로 0.08mm 이하인 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.15. The method of claim 14,
Wherein the mixed metal oxide powder has a particle size of 0.08 mm or less on a D50 basis.
상기 금속산화물 파우더는 하나의 금속산화물 파우더와 다른 금속산화물 파우더를 균일하게 혼합하여 건조하고 분쇄한 후 하소공정을 통하여 2종 이상의 금속간 결합을 형성한 혼합 금속산화물 파우더인 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide powder is a mixed metal oxide powder in which one metal oxide powder and another metal oxide powder are uniformly mixed, dried and pulverized, and then calcined to form two or more kinds of intermetallic bonds. Way.
상기 착색된 시편은 상기 광택 연마 이전에 순도가 40% 내지 60%인 질산, 황산 또는 염산 중 어느 하나의 용액에서 의해 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
Wherein the colored specimen is surface-treated with a solution of any one of nitric acid, sulfuric acid or hydrochloric acid having a purity of 40% to 60% before polishing.
상기 착색된 사파이어 시편의 표면이 광택을 갖도록 연마하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method according to claim 1,
And polishing the surface of the colored sapphire specimen so that the surface of the colored sapphire specimen is glossy.
상기 시편을 금속산화물 파우더가 담긴 내열 도가니에 상기 시편이 상기 금속산화물 파우더에 완전히 덮히도록 넣어 상기 금속산화물 파우더가 상기 시편과 전체적으로 균일하게 접촉하도록 하는 단계;
상기 내열 도가니에 내열 덮개를 덮고, 열처리 로에 넣어 열처리하는 단계; 및
상기 열처리에 의해 상기 금속산화물 파우더가 증발한 증기이온이 상기 시편 내부로 확산하여 상기 증기이온에 의한 고유의 색상으로 착색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.Preparing a specimen of sapphire by cutting and polishing a colorless transparent synthetic single crystal sapphire ingot to a predetermined size;
Placing the specimen in a heat-resistant crucible containing a metal oxide powder so that the specimen is completely covered with the metal oxide powder so that the metal oxide powder is uniformly in contact with the specimen as a whole;
Placing the heat-resistant crucible on a heat-resistant lid, placing the heat-resistant lid in a heat treatment furnace and performing heat treatment; And
And vaporizing the vaporized ions of the metal oxide powder by the heat treatment to diffuse into the specimen and coloring the vaporized ion by the steam ion.
상기 열처리는 산화 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 19,
Wherein the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere.
상기 덮개는 상기 열처리 중 상기 증기가 일부 빠져나가도록 상기 도가니를 덮는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 19,
Wherein the lid covers the crucible so that the steam partially escapes during the heat treatment.
상기 확산은 고체 확산으로 상기 시편의 금속이온과 상기 금속산화물의 금속이온이 교환되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 19,
Wherein the diffusion is performed by exchanging metal ions of the specimen with metal ions of the metal oxide by solid diffusion.
상기 금속산화물 파우더는 하나의 금속산화물 파우더와 다른 금속산화물 파우더를 균일하게 혼합하여 건조하고 분쇄한 후 하소공정을 통하여 2종 이상의 금속간 결합을 형성한 혼합 금속산화물 파우더인 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 19,
Wherein the metal oxide powder is a mixed metal oxide powder in which one metal oxide powder and another metal oxide powder are uniformly mixed, dried and pulverized, and then calcined to form two or more kinds of intermetallic bonds. Way.
상기 착색된 시편의 표면이 광택을 갖도록 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어의 착색방법.The method of claim 19,
Further comprising the step of polishing the surface of the colored specimen so as to have a gloss.
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