KR20150134060A - Method and apparatus for heat-treating low grade natural sapphire for improving quality - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a heat treatment apparatus and a method for improving quality of low rade natural sapphire. The heat treatment method for improving the quality of low grade natural sapphire comprises: a step of performing a vacuum heat treatment while being maintained 1 minute to 10 hours after heating gemstone of the low grade natural sapphire at a 1800 to 2000°C temperature; a step of performing a first cooling process which cools the vacuum heat treated natural sapphire gemstone to the room temperature by slowly or rapidly cooling; a step of performing oxygen heat treatment while being maintained 30 minute to 5 hours after heating the natural sapphire gemstone that the first cooling process is performed at a 1700 to 1800°C temperature; and a step of performing a second cooling which cools the oxygen heat treated natural sapphire gemstone to the room temperature.

Description

저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법 및 장치{Method and apparatus for heat-treating low grade natural sapphire for improving quality}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and apparatus for improving the quality of low-grade natural sapphire,

본 발명은 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저급의 천연 사파이어 원석을 진공 열처리 및 산소 분위기 열처리의 2스텝 열처리 공정으로 수행하여 저급의 천연 사파이어 원석의 색 또는 투명도를 향상시키고, 흑화 현상을 제거할 수 있는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heat treatment for improving the quality of low grade natural sapphire, and more particularly, to a method for improving the quality of low grade natural sapphire by performing a two step heat treatment process of vacuum heat treatment and oxygen atmosphere heat treatment, To a method and an apparatus for heat treatment for improving the quality of low-grade natural sapphire capable of improving transparency and eliminating the blackening phenomenon.

일반적으로 사파이어는 루비와 같은 강옥, 즉 커런덤(Corundum)에 속하는 광석의 일종으로, 산화알루미늄(Al2O3)로 구성되어 있다. 사파이어의 푸른색은 Ti와 Fe 성분을 포함하고 있기 때문이다.In general, sapphire is a type of ore belonging to corundum (Corundum), such as ruby, which is composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The blue color of sapphire contains Ti and Fe components.

즉, 사파이어는 기본적으로 약간 왜곡된 팔면체 구조를 가진 Al2O3 결정으로 보석용인 천연의 고가 블루 사파이어는 주로 Fe와 Ti 불순물의 혼입으로 블루색이 발현된다. In other words, sapphire is basically Al 2 O 3 crystal with a slightly distorted octahedral structure, and the natural high-priced blue sapphire for gemstone is blue-colored due to the incorporation of Fe and Ti impurities.

이 불순물로 존재하는 Fe, Ti 이온은 모두 격자구조 내의 알루미늄 양이온과 치환될 수 있다. 철은 각각 Fe2O3, FeO의 Fe3+, Fe2+로 존재할 수 있으며, 티타늄은 대게 TiO2로 알루미나 결정 내에 Ti4+로 존재한다. 만약 Fe2+ 이온과 Ti4+ 이온이 커런덤의 Al3+를 치환하여 적절한 자리에 위치하면 두 양이온은 서로 잉여와 부족한 전자를 주고받는 교환 상호작용을 한다. All the Fe and Ti ions present as this impurity can be replaced with aluminum cations in the lattice structure. Iron may be present as Fe 2 O 3 , FeO, Fe 3 +, Fe 2 +, respectively, and Ti is usually TiO 2 and exists as Ti 4 + in alumina crystals. If the Fe2 + and Ti4 + ions are located in the proper place by substituting the corundum of Al3 +, the two cations interact with each other to exchange surplus and deficient electrons.

한국 공개특허공보 제2014-0055433호에는 챔버 내부로 사파이어 단결정을 장입하는 단계; 챔버 내를 가열하여 목표 온도까지 승온하는 단계; 챔버 내의 온도를 일정 온도로 유지하는 단계; 및 챔버 내를 상온까지 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 승온하는 단계는 4℃/min~5℃/min의 승온률로 제1설정 온도 이하까지 승온을 실시하는 제1승온단계와, 상기 제1승온단계가 완료되면 1℃/min 이하의 승온률로 제2설정온도까지 승온을 실시하는 제2승온단계를 포함하는 사파이어 단결정 열처리 방법이 개시되어 있어, 사파이어 단결정 내의 잔류 응력을 제거하고 미세 크랙의 발생을 억제하여 품질을 향상시킬 수 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2014-0055433 discloses a method for manufacturing a sapphire single crystal, comprising: charging a sapphire single crystal into a chamber; Heating the inside of the chamber to raise the temperature to a target temperature; Maintaining the temperature in the chamber at a constant temperature; And cooling the inside of the chamber to room temperature, wherein the step of raising the temperature includes a first raising temperature step of raising the temperature to a first set temperature or lower at a rate of temperature increase of 4 ° C / min to 5 ° C / min, And a second heating step of heating the sapphire single crystal to a second set temperature at a heating rate of 1 DEG C / min or less when the temperature rising step is completed, thereby removing residual stress in the sapphire single crystal, The occurrence can be suppressed and the quality can be improved.

그러나, 한국 공개특허공보 제2014-0055433호는 사파이어 단결정이 열에 의한 영향을 최소화할 수 있는 열처리 공정이고, 천연 사파이어 원석에 이 열처리 공정을 적용하게 되면, 열처리된 천연 사파이어 원석은 흑화 현상이 발생되어 보석으로써의 품질이 저하되는 문제점이 있다.However, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2014-0055433, a sapphire single crystal is a heat treatment process capable of minimizing the influence of heat, and when this heat treatment process is applied to a natural sapphire stone, a blackening phenomenon occurs in the heat treated natural sapphire stone There is a problem that the quality as a jewel is lowered.

따라서, 본 발명자들은 천연 사파이어 원석의 품질을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 저급의 천연 사파이어 원석을 진공 열처리 공정 및 산소 분위기 열처리 공정을 수행하여 색 또는 투명도를 향상시키고, 흑화 현상을 제거할 수 있는 특징을 도출하여 발명함으로써, 보다 경제적이고, 활용 가능하고 경쟁력있는 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have continued to study techniques for improving the quality of natural sapphire ores to improve the color or transparency by performing a vacuum heat treatment process and an oxygen atmosphere heat treatment process on low-grade natural sapphire ores, The present invention has been completed in a more economical, usable and competitive manner.

한국 공개특허공보 제2014-0055433호Korean Patent Publication No. 2014-0055433

본 발명의 목적은 고온 열처리 후, 서랭 또는 급랭의 냉각 공정을 수행하여 색 또는 투명도를 향상시킬 수 있는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for heat treatment for improving the quality of low-grade natural sapphire, which can improve the color or transparency by performing a cooling process of quenching or quenching after a high-temperature heat treatment.

본 발명의 다른 목적은 진공 열처리와 산소 분위기 열처리를 순차적으로 진행하는 2스텝 열처리 공정으로 사파이어 원석의 흑화 현상을 제거할 수 있는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a heat treatment method and apparatus for improving the quality of low-grade natural sapphire capable of removing the blackening phenomenon of sapphire ores by a two step heat treatment process in which a vacuum heat treatment and an oxygen atmosphere heat treatment are sequentially performed .

상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는, 챔버; In order to achieve the above-mentioned object, an embodiment of the present invention is characterized by comprising: a chamber;

상기 챔버의 내측벽에 장착되어 상기 챔버의 내부를 단열시키고, 통로가 구비된 내화물; A refractory mounted on an inner wall of the chamber to insulate the interior of the chamber and provided with a passage;

저급의 천연 사파이어 원석이 장입되는 도가니; Crucible with low-grade natural sapphire stone;

상기 도가니를 상기 통로를 통하여 상기 내화물 외측에서 상기 내화물 내측으로 이송시키는 이송부; 및 A transfer unit for transferring the crucible from the refractory to the inside of the refractory through the passage; And

상기 내화물 내측에 설치되어 상기 저급의 천연 사파이어 원석을 열처리하기 위한 열을 방출하는 발열체;를 포함하는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 장치를 제공한다.And a heating element disposed inside the refractory to emit heat for heat treatment of the low-grade natural sapphire ore. The present invention also provides a heat treatment apparatus for improving the quality of low-grade natural sapphire.

본 발명에서 상기 이송부는 상기 도가니를 안착시키고, 이송 가능한 플레이트를 포함하고, 상기 내화물에 상기 도가니가 상기 이송부에 의해 상기 내화물 내부 중심부로 이송된 시점에 상기 플레이트를 측면 모서리에 밀착시켜 상기 내화물 내측과 외측을 차단시키고, 상기 도가니가 상기 이송부에 의해 상기 내화물 외측으로 이송된 시점에 상기 통로를 차폐시키는 차단 내화물이 더 설치되어 있다.In the present invention, the conveying portion includes a plate to which the crucible is mounted, and a conveyable plate. When the crucible is transferred to the refractory center portion by the conveyance portion, the plate is brought into close contact with a side edge of the refractory, And an intercepting refractory for shielding the passage at the time when the crucible is transferred to the outside of the refractory by the conveying unit.

본 발명에서 상기 플레이트 내부에 냉각수 유로가 더 형성되어 있고, 상기 냉각수 유로와 연통된 냉각수 유로가 구비되어 있고, 상기 플레이트에 연결된 냉각수 흐름관을 더 포함한다.In the present invention, a cooling water flow path is further formed in the plate, a cooling water flow path communicated with the cooling water flow path is provided, and a cooling water flow pipe connected to the plate is further included.

또한, 본 발명의 일 실시예는, 저급의 천연 사파이어 원석을 1800 ~ 2000℃온도까지 승온한 후, 1분 ~ 10시간 동안 유지하여 진공 열처리를 수행하는 단계;According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a sapphire substrate, the method comprising: heating a low-grade natural sapphire ore to a temperature of 1800 to 2000 ° C, holding the sapphire raw material for 1 minute to 10 hours,

진공 열처리된 상기 사파이어 원석을 서랭 또는 급랭하여 상온까지 냉각하는 제1 냉각 공정을 수행하는 단계;Performing a first cooling step of cooling or quenching the vacuum heat-treated sapphire ore to room temperature;

상기 제1 냉각 공정이 수행된 상기 천연 사파이어 원석을 1700 ~ 1800℃ 온도까지 승온시킨 후 30분 ~ 5시간 동안 유지하여 산소 분위기 열처리를 수행하는 단계; 및Heating the natural sapphire ore having been subjected to the first cooling step to a temperature of 1700 to 1800 ° C and holding the natural sapphire ore for 30 minutes to 5 hours to perform an oxygen atmosphere heat treatment; And

산소 분위기 열처리된 상기 천연 사파이어 원석을 상온까지 냉각하는 제2 냉각 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 제공한다.And performing a second cooling step of cooling the natural sapphire ores that have been heat treated in an oxygen atmosphere to room temperature.

본 발명에서 상기 서냉은 노중 냉각이다.In the present invention, the slow cooling is a cold cooling.

본 발명에서 상기 급랭의 냉각 속도는 200 ~ 1000℃/min이다.In the present invention, the quenching cooling rate is 200 to 1000 ° C / min.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 저급의 천연 사파이어 원석을 승온 공정, 승온된 상태 유지 공정, 서랭 또는 급랭의 냉각 공정을 포함하는 진공 열처리 공정을 수행하여 천연 사파이어 원석의 색 또는 투명도를 향상시켜 저급의 천연 사파이어 원석의 품질을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.As described above, in the present invention, a vacuum heat treatment process including a temperature raising step, a temperature raising state holding step, and a cooling step of cooling or quenching low-grade natural sapphire ores is performed to improve the color or transparency of natural sapphire ores, There is an advantage that quality of natural sapphire stone can be improved.

본 발명에서는 저급의 천연 사파이어 원석을 진공 열처리 공정을 수행한 후, 산소 분위기 열처리 공정을 수행하여 저급의 천연 사파이어 원석의 흑화 현상을 제거할 수 있는 장점이 있다.In the present invention, it is possible to remove the blackening phenomenon of low-grade natural sapphire ores by performing a heat treatment process of a low-grade natural sapphire ore in an oxygen atmosphere and then performing a heat treatment process in an oxygen atmosphere.

본 발명에서는 진공 열처리 공정을 완료된 천연 사파이어 원석이 장입된 도가니를 내화물 외측으로 신속히 이송시켜, 저급의 천연 사파이어 원석을 급속히 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the crucible charged with the natural sapphire ore having been subjected to the vacuum heat treatment process is quickly transferred to the outside of the refractory, and the low-grade natural sapphire ore can be rapidly cooled.

본 발명에서는 진공 열처리 공정을 완료된 천연 사파이어 원석이 장입된 도가니가 내화물 외측으로 이송과 동시에, 내화물 내측과 외측을 차폐하여 천연 사파이어 원석의 급랭 속도를 증가시켜 천연 사파이어 원석의 투명도를 향상시킬 수 있다.In the present invention, the crucible loaded with the natural sapphire ore having been subjected to the vacuum heat treatment process is transferred to the outside of the refractory, and the inside and outside of the refractory are shielded to increase the quenching rate of the natural sapphire ore to improve the transparency of the natural sapphire ore.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법의 흐름도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법의 흐름도이고,
도 3은 본 발명에 따라 열처리된 천연 사파이어 원석에서 발생된 흑화 현상을 설명하기 위한 사진이고,
도 4a 및 도 4b는 도 3의 열처리 후 천연 사파이어 원석에 대한 A, B부분의 XPS 결과 그래프이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하기 위한 일례의 장치 구성을 설명하기 위한 모식적인 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하기 위한 일례의 장치 구성을 설명하기 위한 모식적인 도면이고,
도 7은 본 발명에 따른 열처리 장치에서 내화물로 차폐되지 않은 지점 및 내화물로 차폐된 지점에서 저급의 천연 사파이어가 냉각되는 정도를 설명하기 위한 모식적인 장치 구성도이고,
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어에서 색향상이 이루어진 상태를 촬영한 사진이고,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어에서 투명도 향상이 이루어진 상태를 촬영한 사진이고,
도 10은 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어의 열처리 전과 후의 투과도를 측정한 그래프이고,
도 11은 본 발명에 따른 열처리 방법이 2스텝으로 이루어지는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어의 산소 분위기 열처리 전과 후의 상태를 촬영한 사진이다.
FIG. 1 is a flowchart of a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the first embodiment of the present invention,
2 is a flowchart of a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the second embodiment of the present invention,
3 is a photograph for explaining the blackening phenomenon generated in the natural sapphire ores processed by heat according to the present invention,
FIGS. 4A and 4B are graphs of XPS results of the portions A and B with respect to the natural sapphire ore after the heat treatment in FIG. 3,
FIG. 5 is a schematic view for explaining an exemplary structure of an apparatus for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a schematic view for explaining an exemplary structure of an apparatus for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the second embodiment of the present invention,
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a degree of cooling of low-grade natural sapphire at a point not shielded by a refractory and a point shielded by a refractory in the heat treatment apparatus according to the present invention,
8A and 8B are photographs of a state in which color enhancement is performed in a low grade native sapphire according to the present invention,
9A and 9B are photographs showing a state in which transparency is improved in low-grade natural sapphire according to the present invention,
FIG. 10 is a graph showing the transmittance of low-grade natural sapphire before and after heat treatment according to the present invention,
11 is a view for explaining that the heat treatment method according to the present invention is formed in two steps,
Figs. 12A and 12B are photographs of a state of low-grade natural sapphire according to the present invention before and after heat treatment in an oxygen atmosphere. Fig.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명에서는 저급의 천연 사파이어 원석을 승온 공정, 승온된 상태 유지 공정, 서랭 또는 급랭의 냉각 공정 등을 포함하는 진공 열처리 공정 및 산소 분위기 열처리 공정을 수행하여 색 또는 투명도를 향상시키고, 흑화 현상을 제거하여 저급의 천연 사파이어 원석의 품질을 우수하게 할 수 있는 장점이 있다.In the present invention, a vacuum heat treatment process including a temperature raising process, a temperature raising process, a cooling process of a quench or quench, and a heat treatment process of an oxygen atmosphere are performed to improve the color or transparency of the low grade natural sapphire ore, So that the quality of low-grade natural sapphire ore can be improved.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법의 흐름도이다.FIG. 1 is a flow chart of a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the second embodiment of the present invention Fig.

도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법은 저급의 천연 사파이어 원석을 열처리 챔버 내부의 도가니에 장입하고(S100), 진공 분위기에서 1차 목표 온도까지 승온한다(S110). Referring to FIG. 1, in a heat treatment method for improving the quality of low grade natural sapphire according to the first embodiment of the present invention, a low grade natural sapphire ore is charged into a crucible inside a heat treatment chamber (S100) And the temperature is raised to the target temperature (S110).

그후, 승온된 1차 목표 온도에서 소정 시간동안 1차 유지하고(S120), 1차 유지 공정을 수행한 후, 상온까지 1차 냉각한다(S130).Thereafter, the primary target temperature is maintained for a predetermined time at a first target temperature (S120), the primary holding process is performed, and then the primary cooling is performed to room temperature (S130).

이어서, 대기 분위기에서 2차 목표 온도까지 승온하고(S140), 승온된 2차 목표 온도에서 소정 시간동안 2차 유지하고(S150), 2차 유지 공정을 수행한 후, 상온까지 2차 냉각한다(S160).Subsequently, the temperature is raised to the second target temperature in the atmosphere (S140), and is held for a predetermined time at the second target temperature (S150). After the second holding process, the wafer is secondarily cooled to room temperature S160).

여기서, 1차 및 2차 목표 온도까지 승온 공정(S110,S140)의 승온속도는 5℃/min 이상인 것이 바람직하고, 1차 목표 온도는 1800 ~ 2000℃이고, 2차 목표 온도는 1700 ~ 1800℃인 것이 바람직하다.It is preferable that the temperature raising rate of the temperature raising step (S110, S140) to the first and second target temperatures is 5 占 폚 / min or more, the first target temperature is 1800 to 2000 占 폚, the second target temperature is 1700 to 1800 占 폚 .

그리고, 1차 유지 공정(S120)은 1분 ~ 10시간 동안, 더 바람직하게는 10분 ~ 10시간 동안 1차 목표 온도를 유지하여 진공 열처리하고, 2차 유지 공정(S150)은 30분 ~ 5시간 동안 2차 목표 온도를 유지하여 대기 열처리한다.In the first holding step (S120), the first target temperature is maintained for 1 minute to 10 hours, more preferably 10 minutes to 10 hours, and the second holding step (S150) is performed for 30 minutes to 5 And the secondary target temperature is maintained for a period of time.

또한, 1차 냉각 공정(S130) 및 2차 냉각 공정(S160)은 서랭시켜 열처리된 저급의 천연 사파이어 원석의 온도를 상온까지 낮추는 공정으로, 장치의 전원을 오프하여 로중 냉각(로랭)시키는 것이다. The primary cooling step (S130) and the secondary cooling step (S160) are the steps of lowering the temperature of the low-grade natural sapphire ores that have been subjected to the heat treatment to be cooled to room temperature, .

도 2를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법은 도가니에 저급의 천연 사파이어 원석 장입 공정(S200), 진공 열처리하여 1차 목표 온도까지 승온 공정(S210), 소정 시간동안 1차 유지 공정(S220), 대기 분위기에서 2차 목표 온도까지 승온 공정(S240), 소정 시간동안 2차 유지 공정(S250) 및 2차 냉각 공정(S260)은 제1실시예와 동일하다.Referring to FIG. 2, a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the second embodiment of the present invention includes a step of charging a crucible with low-grade natural sapphire materials (S200) (S210), a first holding step (S220) for a predetermined time, a temperature raising step (S240) to a second target temperature in the atmosphere, a second holding step (S250) and a second cooling step (S260) Which is the same as the embodiment.

제1실시예의 열처리 방법에서는 1차 유지 공정이 완료된 저급의 천연 사파이어 원석을 서랭하여 1차 냉각 공정(S130)을 수행하나, 제2실시예의 열처리 방법에서는 1차 유지 공정이 완료된 저급의 천연 사파이어 원석을 급랭하여 1차 냉각 공정(S230)을 수행한다.In the heat treatment method of the first embodiment, the primary cooling step (S130) is performed by squeezing the low-grade natural sapphire raw stones completed in the primary holding step. In the heat treatment method of the second embodiment, the low-grade natural sapphire stone And the primary cooling step (S230) is performed.

이때, 1차 냉각 공정의 냉각 속도는 200 ~ 1000℃/min인 것이 바람직하다.At this time, the cooling rate of the primary cooling step is preferably 200 to 1000 占 폚 / min.

이와 같은 제2실시예의 열처리 방법에서의 급랭 공정은 1차 유지 공정(S220)이 완료된 저급의 천연 사파이어 원석이 장입된 도가니를 흑연 내화물 밖으로 이동시켜 급랭시키거나, 또는 도가니 이송부에 형성된 유로에 냉각수를 공급하여 도가니 이송부에 안착되어 있는 도가니를 급랭시키는 공정이다. In the quenching step of the second embodiment, the crucible charged with the low-grade natural sapphire ore having been subjected to the primary holding step (S220) is moved out of the graphite refractory material to quench the quartz, or cooling water is supplied to the flow path formed in the crucible transferring part And the crucible placed on the crucible transfer section is quenched.

전술된 제1 및 제2실시예의 열처리 방법에서, 대기 분위기에서 열처리하는 2차 유지 공정(S150,S250)은 대기에 산소가 21% 포함되어 있으므로 산소 분위기에서 열처리하는 공정에 포함된다. 즉, 본 발명에서 흑화 현상을 제거하기 위하여 저급의 천연 사파이어 원석에 산소를 공급하기 위한 산소 분위기 열처리는 대기 분위 열처리를 포함하는 것이다.In the heat treatment methods of the first and second embodiments described above, the secondary holding step (S150, S250) for performing heat treatment in an atmospheric atmosphere includes 21% oxygen in the atmosphere, and thus included in the step of heat treatment in an oxygen atmosphere. That is, in the present invention, the oxygen atmosphere heat treatment for supplying oxygen to the low-grade natural sapphire ore in order to remove the blackening phenomenon includes the heat treatment for the upper atmosphere.

그러므로, 본 발명의 제1실시예의 열처리 방법은 고온에서 진공 열처리 후 서랭한 다음 대기 열처리를 실시하여, 저급의 천연 사파이어 원석의 색을 향상시킬 수 있고, 본 발명의 제2실시예의 열처리 방법은 고온에서 진공 열처리 후 급랭한 후 산소 분위기 열처리를 실시하여, 저급의 천연 사파이어 원석의 투명도를 향상시킬 수 있다.Therefore, the heat treatment method of the first embodiment of the present invention can improve the color of the low-grade natural sapphire ore by performing the vacuum heat treatment at high temperature and then the quenching followed by the atmospheric heat treatment. In the heat treatment method of the second embodiment of the present invention, After the vacuum heat treatment, it is quenched and then subjected to an oxygen atmosphere heat treatment, whereby the transparency of low-grade natural sapphire ores can be improved.

또한, 본 발명의 제1 및 제2실시예의 열처리 방법은 흑화 현상을 제거하여 저급의 천연 사파이어 원석의 품질을 향상시킬 수 있다.In addition, the heat treatment method of the first and second embodiments of the present invention can improve the quality of low-grade natural sapphire ores by eliminating the blackening phenomenon.

즉, 천연 사파이어 원석을 1600℃ 이상의 고온 및 환원 분위기(진공, Ar 등)에서 열처리를 하게 되면 흑화되는 문제점이 발생되고, 흑화 현상이 발생하면 천연 사파이어는 보석으로서의 가치가 없어지므로, 진공 열처리 공정 후에 산소 분위기 열처리 공정을 수행하여 흑화를 제거한다.That is, when natural sapphire ores are heat treated at a high temperature of 1600 DEG C or higher and in a reducing atmosphere (vacuum, Ar or the like), blackening occurs. When blackening occurs, natural sapphire is not worth as a jewel. Oxygen atmosphere heat treatment process is performed to remove blackening.

이와 같이 본 발명에서는 블루색 발현이 안된 저급의 천연 사파이어 원석을 고온에서 승온, 유지, 및 서랭 또는 급랭하여 저급의 천연 사파이어 원석의 색 또는 투명도를 향상시킬 수 있는 것이다.As described above, according to the present invention, it is possible to raise the color or transparency of low-grade natural sapphire ores by heating, holding, and quenching or quenching low-grade natural sapphire ores that are not blue-colored.

이때, 저급의 천연 사파이어 원석은 고용도가 거의 없는 TiO2를 고온에서 고용시켜 Al2TiO5 + Al2O3 상으로 분해시킨 후 TiO2를 상변화 없이 투명한 Al2TiO5가 되도록 냉각 속도를 증가시켜 비정질로 응고시킴으로써, 저급의 천연 사파이어 원석의 투명도를 향상시킨다.At this time, the lower the natural sapphire stone is the cooling rate so that the solubility is employed at a high temperature a few TiO 2 to Al 2 TiO 5 + Al 2 O was decomposed into the three-phase without phase of TiO 2 changes transparent Al 2 TiO 5 And solidifies it into an amorphous state, thereby improving the transparency of low-grade natural sapphire ores.

그리고, 저급의 천연 사파이어의 색 및 투명도 향상을 실시하기 위해서는 열처리를 위한 가열로의 장입, 승온, 유지, 냉각 등의 장치 및 열처리 조건인 분위기, 압력, 온도, 냉각 조건, 유지 시간 등을 최적화해야 한다.In order to improve the color and transparency of the low-grade natural sapphire, it is necessary to optimize the heating furnace heating furnace charging, heating, holding and cooling devices and heat treatment conditions such as atmosphere, pressure, temperature, do.

특히, 목표 온도 승온 및 유지, 냉각 과정은 천연사파이어의 색 및 투명도에 영향을 받는 중요한 공정이다.In particular, the target temperature elevation and maintenance and cooling processes are important processes that are influenced by the color and transparency of natural sapphire.

승온과정은 내부온도를 목표온도까지 승온시키는 공정으로, 열처리 온도 1800℃ 이하에서는 품질에 변화가 없었고, 1800℃ 이상으로 승온하였을 경우에는 색 및 투명도 향상에 변화가 있었다. The temperature increase step is a step of raising the internal temperature to the target temperature. There was no change in the quality at the heat treatment temperature of 1800 ° C or lower. When the temperature was raised to 1800 ° C or higher, there was a change in color and transparency improvement.

유지과정은 목표온도까지 승온 후 동일 온도에서 일정시간 동안 유지하는 단계로서 유지시간에 따라 색 및 투명도가 달라질 수 있다. 열처리 유지시간은 1분 ~ 10시간 이하에서 샘플의 색 향상효과의 요인으로 작용한다. 열처리 유지시간을 10시간 이상 열처리하였을 경우 샘플의 증발이 대량으로 발생해 열처리전 사파이어보다 작아지게 되어 제품으로서 가치가 없어진다. 따라서 너무 긴 시간은 열처리 효과가 떨어지게 되어 유지시간은 1분 ~ 10시간 이내의 범위가 바람직하다.The holding process is a step of maintaining the temperature at the same temperature for a predetermined time after the temperature is raised to the target temperature, and the color and transparency may be changed depending on the holding time. The heat treatment holding time is a factor of the color improvement effect of the sample in 1 minute to 10 hours or less. When the heat treatment is performed for more than 10 hours, the evaporation of the sample occurs in a large amount and becomes smaller than the sapphire before the heat treatment, and the product is no longer worth as much. Therefore, the heat treatment effect is deteriorated for a too long time, and the holding time is preferably within a range of 1 minute to 10 hours.

냉각과정은 상온까지 온도를 내려주는 단계이다. 여기서 빠른 냉각시스템은 저급의 천연사파이어의 투명도를 향상시키는 요인으로 작용한다. 냉각속도는 -200℃/min 정도의 냉각이 되어야만 루틸내포물을 비정질로 응고시켜 투명도를 향상시킬 수 있다. The cooling process is a step of lowering the temperature to room temperature. The rapid cooling system here serves as a factor for improving the transparency of low-grade natural sapphire. The cooling rate should be as low as -200 ° C / min to solidify the rutile inclusions into amorphous to improve transparency.

도 3은 본 발명에 따라 열처리된 천연 사파이어 원석에서 발생된 흑화 현상을 설명하기 위한 사진이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 열처리 후 천연 사파이어 원석에 대한 A, B부분의 XPS 결과 그래프이다. FIG. 3 is a photograph for explaining the blackening phenomenon generated in the natural sapphire ore processed according to the present invention, and FIGS. 4A and 4B are graphs showing the XPS results of A and B portions of natural sapphire ores after the heat treatment in FIG.

도 3은 80mTorr 이하의 진공 분위기 내에서 천연 사파이어 원석을 5℃/min의 승온 속도로 1700℃에서 1시간 열처리 후 천연 사파이어 원석의 단면을 1mm 두께로 연마한 사진으로써, B부분의 표면에서 흑화가 진행되었고 A부분의 중앙부까지는 흑화가 진행되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은, A부분(도 4a)와 B부분(도 4b)에 대해 각각 XPS분석을 진행하여 그 변화를 확인하였다.FIG. 3 is a photograph of a natural sapphire ore cut in a vacuum atmosphere of 80 mTorr or less at a heating rate of 5 DEG C / min for 1 hour at 1700 DEG C and polished to a thickness of 1 mm. And it was confirmed that the blackening did not progress to the central portion of the A portion. The XPS analysis was performed on the A portion (FIG. 4A) and the B portion (FIG. 4B), respectively, and the change was confirmed.

도 4a 및 도 4b의 그래프 각각에서는 Al, C, O, F, Na 의 바인딩 에너지(binding energy)가 나타나 있는데 이중 C와 O를 제외한 나머지는 오차 범위 내에서 매우 근소한 차이만을 보이고 있어 변화가 없었다.The binding energies of Al, C, O, F and Na are shown in the graphs of FIGS. 4A and 4B, respectively, except for C and O, which show only a slight difference within the error range.

C의 경우 A부분에서는 10252.3counts/s, B부분에서는 9726.96counts/s로 세기값이 5.12% 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 이는 열처리 시 내부의 탄소발열체의 C가 사파이어 표면부에 확산되어 흑화될 가능성이 있으나, XPS 분석결과 C의 확산에 의한 표면부 흑화 현상이 아닌 것을 알 수 있었다. 따라서 진공 열처리에서 탄소발열체에 의한 카본의 표면확산은 큰 문제가 되지 않음을 확인하였다.In the case of C, 10252.3 counts / s in the part A and 9726.96 counts / s in the part B, the intensity value decreased by 5.12%. This indicates that the C of the internal heating element during the heat treatment may diffuse to the surface portion of the sapphire and blacken. However, it is found from the XPS analysis that the surface blackening phenomenon due to diffusion of C is not. Therefore, it was confirmed that surface diffusion of carbon by the carbon heating element in the vacuum heat treatment is not a big problem.

O의 경우 A부분은 12439.8count/s, B부분은 11717.4count/s로 세기값이 5.8% 줄어든 것을 알 수 있었다.O was 12439.8count / s for part A and 11717.4count / s for part B, and the intensity value decreased by 5.8%.

그러므로, 진공 열처리는 산소가 공급되지 않은 상태에서 수행됨으로, 진공 열처리된 후의 천연 사파이어 원석에서 산소(O)가 감소되어 천연 사파이어 원석에 포함된 FeO, TiO 등과 같은 산화 불순물의 화학양론(stoichiometry)이 깨져 흑화되는 것으로 확인되었다.Therefore, since the vacuum heat treatment is performed in a state in which oxygen is not supplied, oxygen (O) is reduced in the natural sapphire ore after the vacuum heat treatment, and the stoichiometry of the oxidizing impurities such as FeO, TiO, It was confirmed to be blackened.

결과적으로, 본 발명에서는 흑화문제를 해결하기 위해 고온에서 진공 열처리 후 서랭 또는 급랭한 다음 산소 분위기 열처리를 실시하는 2스텝의 열처리 공정을 수행하는 것이다. As a result, in order to solve the blackening problem, in the present invention, a two-step heat treatment process is performed in which a vacuum heat treatment at a high temperature is followed by a quenching or quenching followed by an oxygen atmosphere heat treatment.

즉, 본 발명에서는 색향상에 충분한 1800 ~ 2000℃의 고온 및 진공 분위기에서 열처리를 한 후 다시 산소 분위기 분위기 1700℃~ 1800℃, 유지 시간은 30분~ 5시간의 조건에서 열처리를 진행하는 것이다. 이 경우 진공 열처리에서는 흑화가 발생되지만 산소 분위기 열처리를 통해 다시 산소를 공급해 줌으로써 표면의 흑화가 사라지고 다시 투명한 사파이어를 얻을 수 있다.That is, in the present invention, heat treatment is performed in a high-temperature and vacuum atmosphere at 1800 to 2000 ° C sufficient for color improvement, and then heat treatment is performed under an oxygen atmosphere at 1700 ° C to 1800 ° C and a holding time for 30 minutes to 5 hours. In this case, blackening occurs in the vacuum heat treatment, but by supplying oxygen again through the heat treatment in the oxygen atmosphere, the blackening of the surface disappears and transparent sapphire can be obtained again.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하기 위한 일례의 장치 구성을 설명하기 위한 모식적인 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하기 위한 일례의 장치 구성을 설명하기 위한 모식적인 도면이다.FIG. 5 is a schematic view for explaining an exemplary structure of an apparatus for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross- FIG. 2 is a schematic view illustrating an example of a device configuration for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the present invention.

전술된 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하기 위하기 위해서는 다양하게 구성된 장치를 사용할 수 있다.In order to implement the heat treatment method for improving the quality of the low-grade natural sapphire according to the first and second embodiments of the present invention, various devices can be used.

본 발명에서는 제1실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현하는 장치는 도 5와 같이, 챔버(100); 상기 챔버(100)의 내측벽에 장착되어 상기 챔버(100)의 내부를 단열시키는 내화물(110); 상기 내화물(110) 내측에 설치되고, 저급의 천연 사파이어 원석(101)이 장입되는 도가니(120); 및 상기 내화물(110) 내측에 설치되어 상기 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 열처리하기 위한 열을 방출하는 발열체(130);를 포함하여 구성된다.In the present invention, an apparatus for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the first embodiment includes a chamber 100; A refractory (110) mounted on an inner wall of the chamber (100) to insulate the interior of the chamber (100); A crucible 120 installed inside the refractory 110 and charged with low-grade natural sapphire ore 101; And a heating element 130 installed inside the refractory 110 to emit heat for heat treatment of the natural sapphire ore 101 of low grade.

이 장치에서, 저급의 천연 사파이어 원석(101)의 열처리로의 가열방식은 저항가열 방식이고, 내화물(110)은 흑연계 펠트(Felt)를 사용한다. 이 장치에서 챔버(100)는 가장 외측에 위치하며, 내측 방향으로 내화물(110), 발열체(130), 도가니(120), 저급의 천연 사파이어 원석(101)이 위치한다.In this apparatus, the heating method of the low-grade natural sapphire stone 101 is a resistance heating method, and the refractory 110 uses a black ceramic felting. In this apparatus, the chamber 100 is located at the outermost position, and the refractory 110, the heating body 130, the crucible 120, and the low-grade natural sapphire stone 101 are positioned inward.

열처리할 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 챔버(100) 내부의 도가니(120)에 장입하고, 챔버(100)를 닫고 진공 펌프(미도시)를 이용하여 내부 진공을 유지한다. 이 장치의 내부공간은 진공도 40mtorr 이하로 설정하고, 1800℃ ~ 2000℃의 고온 온도까지 승온이 가능하고, 승온된 온도가 유지되는 시간은 1분 ~ 10시간이 가능하도록 설계하는 것이 바람직하다.The low-grade natural sapphire stone 101 to be heat-treated is charged into the crucible 120 inside the chamber 100 and the chamber 100 is closed and the internal vacuum is maintained by using a vacuum pump (not shown). It is preferable to design the internal space of the apparatus so that the degree of vacuum can be set to 40 mtorr or less, the temperature can be raised to a high temperature of 1800 ° C to 2000 ° C, and the temperature can be maintained for 1 minute to 10 hours.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법을 구현한 장치로, 챔버(100); 상기 챔버(100)의 내측벽에 장착되어 상기 챔버(100)의 내부를 단열시키고, 통로(102)가 구비된 내화물(110); 저급의 천연 사파이어 원석(101)이 장입되는 도가니(120); 상기 도가니(120)를 상기 통로(102)를 통하여 상기 내화물(110) 외측에서 상기 내화물(110) 내측으로 이송시키는 이송부; 및 상기 내화물(110) 내측에 설치되어 상기 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 열처리하는 열을 방출하는 발열체(130);를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 6, an apparatus for implementing a heat treatment method for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the second embodiment includes a chamber 100; A refractory (110) mounted on an inner wall of the chamber (100) to insulate the interior of the chamber (100) and having a passage (102); A crucible 120 in which low-grade natural sapphire ore 101 is loaded; A transfer unit for transferring the crucible 120 from the outside of the refractory 110 to the inside of the refractory 110 through the passage 102; And a heating element 130 disposed inside the refractory 110 to emit heat to heat the low-grade natural sapphire stone 101.

제2실시예를 구현하는 장치에서, 이송부는 도가니(120)를 안착시키고 이송 가능한 플레이트(151)를 포함할 수 있고, 내화물(110)에는 도가니(120)가 이송부에 의해 내화물(110) 내부 중심부로 이송된 시점에 플레이트(151)를 측면 모서리에 밀착시켜 상기 내화물(110) 내측과 외측을 차단시키고, 도가니(120)가 이송부에 의해 내화물(110) 외측으로 이송된 시점에 상기 통로(102)를 차폐시키는 차단 내화물(131)이 더 설치될 수 있다.In the apparatus embodying the second embodiment the transfer part may include a plate 151 on which the crucible 120 is seated and which can be transported and the crucible 120 is connected to the refractory 110 by a transfer part, The inside of the refractory 110 and the outside of the refractory 110 are closed by bringing the plate 151 into close contact with the side edges at a time point when the crucible 120 is transferred to the outside of the refractory 110 by the conveyance unit, An intercepting refractory 131 may be further installed.

즉, 이송부의 플레이트(151)에 안착된 도가니(120)에 내화물(110) 외측에서 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 장입하고, 이송부는 플레이트(151)를 통로(102)를 통하여 내화물(110) 내측으로 이송시키며, 차단 내화물(131)은 플레이트(151)를 측면 모서리에 밀착되어 상기 내화물(110) 내측과 외측을 차단한다.That is, a low-grade natural sapphire stone 101 is charged from the outside of the refractory 110 to the crucible 120 placed on the plate 151 of the transfer part, and the transfer part is provided with the plate 151 through the passage 102, And the intercepting refractory 131 is in close contact with the side edge of the plate 151 to block the inside and the outside of the refractory 110.

그리고, 진공 열처리 공정이 완료된 후, 이송부는 플레이트(151)를 내화물(110) 외측으로 이송시키며, 차단 내화물(131)은 통로(102)에 밀착되어 차폐하게 된다.After the vacuum heat treatment process is completed, the transfer unit transfers the plate 151 to the outside of the refractory 110, and the intercepting refractory 131 is closely attached to the passage 102 to be shielded.

그러므로, 제2실시예를 구현하는 장치에서는, 진공 열처리 공정을 완료한 후, 열처리된 저급의 천연 사파이어 원석(101)이 장입된 도가니(120)를 내화물(110) 외측으로 신속히 이송시켜, 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 급속히 냉각시킬 수 있는 것이다.Therefore, in the apparatus embodying the second embodiment, after the vacuum heat treatment process is completed, the crucible 120 in which the heat treated low grade natural sapphire stone 101 is loaded is quickly transferred to the outside of the refractory 110, The natural sapphire stone 101 can be rapidly cooled.

그리고, 플레이트(151) 내부에 냉각수 유로(미도시)가 더 형성될 수 있고, 이 냉각수 유로와 연통된 냉각수 유로가 구비된 냉각수 흐름관(152)이 플레이트(151)와 더 연결되도록 구성될 수 있다. A cooling water flow path (not shown) may be further formed inside the plate 151 and a cooling water flow pipe 152 provided with a cooling water flow path communicated with the cooling water flow path may be further connected to the plate 151 have.

여기서, 냉각수 흐름관(152)는 냉각수 공급부(160)에 연결되어, 냉각수 공급부(160)에서 공급된 냉각수는 냉각수 흐름관(152)을 통하여 플레이트(151)의 냉각수 유로에 공급시킴으로써, 플레이트(151)에 안착된 도가니(120)의 냉각 속도를 더 빠르게 조절할 수 있다.The cooling water flow pipe 152 is connected to the cooling water supply unit 160 so that the cooling water supplied from the cooling water supply unit 160 is supplied to the cooling water flow path of the plate 151 through the cooling water flow pipe 152, The cooling rate of the crucible 120 placed on the crucible 120 can be adjusted more quickly.

결국, 이 장치는 급속 냉각을 위한 것으로, 도가니 이송부는 발열체(130)에서 방출된 열이 전달되지 않는 영역에서 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 장입한 후, 도가니(120)를 발열체(130)에서 방출된 열이 집중적으로 전달되는 발열체(130) 중심 영역(내화물 내측)으로 이송시켜 진공 열처리를 진행한 후, 도가니(120)를 발열체(130)에서 방출된 열이 전달되지 않는 영역(내화물 외측)으로 이송하여 도가니(120)에 장입된 저급의 천연 사파이어 원석(101)을 급속 냉각시키는 것이다.The crucible transfer section is formed by charging the crucible 120 with the heating element 130 after charging the low-grade natural sapphire ore 101 in a region where heat emitted from the heating element 130 is not transferred, (The inside of the refractory) where the heat released from the heating body 130 is intensively transferred to the crucible 120, and then the crucible 120 is transferred to the region where the heat emitted from the heating body 130 is not transferred To rapidly cool the low-grade natural sapphire stone 101 charged in the crucible 120. [

즉, 본 발명에서는 진공 열처리 공정 종료시, 급속 냉각할 수 있도록 도가니(120)를 내화물(110) 밖까지 이동하고 더 이상의 열 전도가 없게 내화물(110)이 자동으로 차폐되는 구성을 갖는 장치를 구현한 것이다. That is, according to the present invention, when the crucible 120 is moved to the outside of the refractory 110 so that the crucible 120 can be rapidly cooled at the end of the vacuum heat treatment process, the refractory 110 is automatically shielded without further heat conduction will be.

또한, 본 발명에서는 저급의 천연 사파이어 원석(101)의 원소 함류량이 다르기 때문에 추가 급랭이 필요한 경우에는, 냉각 능력을 향상시키기 위해 플레이트(151)에 냉각수를 흘려 냉각을 더 빠르게 실시할 수 있다. In addition, in the present invention, when the additional quenching is required, the cooling rate can be further increased by supplying cooling water to the plate 151 in order to improve the cooling ability because the amount of elemental materials of the natural sapphire ore 101 of low grade is different.

여기서, 급속 냉각의 실제 온도를 측정하기 위해, 장치에는 방사온도계 및 열전대가 설치될 수 있다. Here, in order to measure the actual temperature of the rapid cooling, a radiating thermometer and a thermocouple may be installed in the apparatus.

한편, 본 발명에 따른 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 장치는 천연 사파이어의 색 및 투명도를 향상을 극대화하기 위해서는 1800 ~ 2000℃의 열처리가 가능하도록 고온으로 승온 및 유지가 가능해야 한다. Meanwhile, in order to maximize the improvement of the color and transparency of natural sapphire, the heat treatment apparatus for improving the quality of low-grade natural sapphire according to the present invention should be able to raise and maintain the temperature to a high temperature so as to enable heat treatment at 1800 to 2000 ° C.

챔버는 고온에서 내화물로부터 방출되는 열에 의한 변형 등이 발생하지 않아야 하고 진공 및 가스 분위기에서 사용이 가능하여야 한다. 내화물에서 방출되는 열에 의한 변형을 방지 하기 위해 냉매(물, 가스등)로 냉각하는 이중 챔버가 가능하다. 가스는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용가능하다.The chamber should not be deformed by heat released from the refractory at high temperatures and should be usable in a vacuum and gas atmosphere. A dual chamber cooling with refrigerant (water, gas, etc.) is possible to prevent heat-induced deformation of the refractory. The gas may be hydrogen, nitrogen, argon, helium, or the like.

발열체는 1800℃이상 가열하는 역할을 하며, 발열체 소재로는 텅스텐, 몰리브데늄, 흑연, 탄화규소 등의 금속계 및 비금속계 등이 사용 가능하다.The heating element serves to heat at 1800 ° C or higher. As the heating element material, a metal system such as tungsten, molybdenum, graphite, silicon carbide, or a nonmetal system can be used.

현재 기술로는 1800℃ 이상 고온 조건을 충족시키려면 산소 분위기에서는 불가능하며 불가피하게 진공조건에서 카본발열체를 사용해야지만 원하는 온도까지 가열할 수 있다. 본 발명에서는 흑연발열체를 사용하여 1800℃ 이상 고온 진공 조건에서 사파이어 원석을 열처리할 수 있다.In the present technology, it is impossible to satisfy the high temperature condition over 1800 ℃, but it is impossible in the oxygen atmosphere. Inevitably, it is necessary to use the carbon heating element in the vacuum condition, but it can be heated to the desired temperature. In the present invention, the graphite heating body can be used to heat-treat the sapphire ores in a high-temperature vacuum condition of 1800 ° C or higher.

도 7은 본 발명에 따른 열처리 장치에서 내화물로 차폐되지 않은 지점 및 내화물로 차폐된 지점에서 저급의 천연 사파이어가 냉각되는 정도를 설명하기 위한 모식적인 장치 구성도이다.FIG. 7 is a schematic view illustrating the degree to which low-grade natural sapphire is cooled at a point that is not shielded by the refractory and a point shielded by the refractory in the heat treatment apparatus according to the present invention.

도 7을 참고하면, 열처리 장치의 내화물 내측에서 발열체로 가열한 후, 내화물로 차폐된 지점(b)은 내화물로 차폐되지 않은 지점(a)보다 급속 냉각이 더 빠르게 진행된다.Referring to FIG. 7, after heating from the inside of the refractory of the heat treatment apparatus to the heating body, the point (b) shielded by the refractory proceeds faster than the point (a) which is not shielded by the refractory.

즉, 본 발명에서 저급의 천연 사파이어의 투명도를 향상시키기 위해서, 진공 열처리된 저급의 천연 사파이어가 장입된 도가니를 내화물로 차폐된 지점(b)으로 이동시켜 진공 열처리된 저급의 천연 사파이어를 200 ~ 1000℃/min의 냉각 속도로 빠르게 급랭시킬 수 있다.That is, in order to improve the transparency of the low-grade natural sapphire in the present invention, the crucible charged with the vacuum annealed low-grade natural sapphire is moved to the point (b) shielded by the refractory material, Lt; RTI ID = 0.0 > C / min. ≪ / RTI >

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어에서 색향상이 이루어진 상태를 촬영한 사진이고, 도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어에서 투명도 향상이 이루어진 상태를 촬영한 사진이다.FIGS. 8A and 8B are photographs of a state in which color enhancement is performed in low-grade natural sapphire according to the present invention. FIGS. 9A and 9B are photographs showing a state in which transparency is improved in low- to be.

도 8a와 같은 저급의 천연 사파이어 원석을 열처리 장치에서 상온에서 10℃/min의 승온속도로 1850℃까지 승온하고, 1850℃에서 5시간 유지하여 진공 열처리하고 서랭한 결과, 도 8b에 도시된 바와 같이, 반사조명을 이용하여 확인한 바, 저급의 천연 사파이어 원석은 전제적으로 열처리 전보다 청색이 더 진해졌다.8A was heated to 1850 DEG C at a temperature raising rate of 10 DEG C / min at room temperature in a heat treatment apparatus, held at 1850 DEG C for 5 hours, subjected to vacuum heat treatment, and then cooled. As a result, , And the reflection light was used to confirm that the low-grade natural sapphire ore was totally more blue than before the heat treatment.

도 9a의 실크가 많은 저급의 천연 사파이어 원석을 상온에서 10℃/min의 승온 속도로 1850℃까지 승온하고, 1850℃에서 5시간 유지하여 진공 열처리하고 서랭한 결과, 도 9b의 사진과 같이, 투과조명을 이용하여 확인한 바, 저급의 천연 사파이어 원석은 전체적으로 열처리 전보다 육안상으로 투명도가 향상되었다. 9A, the temperature was raised to 1850 DEG C at a temperature raising rate of 10 DEG C / min at room temperature and maintained at 1850 DEG C for 5 hours, followed by vacuum heat treatment and cooling. As a result, As a result, it was confirmed that low-grade natural sapphire ores were improved in transparency visually as compared with the case before heat treatment as a whole.

도 10은 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어의 열처리 전과 후의 투과도를 측정한 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 열처리 방법이 2스텝으로 이루어지는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따라 저급의 천연 사파이어의 열처리 전과 후의 상태를 촬영한 사진이다.FIG. 10 is a graph showing the transmittance of low-grade natural sapphire before and after the heat treatment according to the present invention. FIG. 11 is a view for explaining the two-step heat treatment method according to the present invention, FIG. 6 is a photograph showing a state of low-grade natural sapphire before and after the heat treatment according to the invention. FIG.

도 10을 참고하면, 본 발명에 따라 도 8 및 도 9의 공정 조건으로 저급의 천연 사파이어의 열처리 전과 후의 투과도를 정량적으로 확인하기 위해 UV-VIS-NIR을 사용하여 측정하였다. Referring to FIG. 10, UV-VIS-NIR was used to quantitatively determine the transmittance of low-grade natural sapphire before and after the heat treatment under the processing conditions of FIGS. 8 and 9 according to the present invention.

여기서, 가시광선 전 영역대의 투과도 평균값을 구하지 않고, 블루색 파장인 480nm 부분에 대한 투과도를 비교한 결과, 열처리 전보다 열처리 후가 약 10%이상 투과도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. As a result of comparing the transmittance to the blue wavelength region of 480 nm without obtaining the average transmittance value of the entire region of visible light, it was confirmed that the transmittance was increased by about 10% or more after the heat treatment before the heat treatment.

따라서 480nm 파장의 영역에서 투과도는 열처리 전 1%에서 열처리 후 13%로 12%가 향상된 것을 알 수 있다.Therefore, in the region of 480nm wavelength, the transmittance is improved from 1% before heat treatment to 13% after heat treatment by 12%.

전술된 바와 같이, 도 8 및 도 9에서, 1850℃에서 열처리 후 서랭 또는 급랭하면 저급의 천연 사파이어 원석의 색 또는 투명도를 향상시킬 수 있고, 투과도 역시 향상시킬 수 있지만, 열처리 후 저급의 천연 사파이어 원석의 흑화 현상은 발생되어, 본 발명에서는 도 11과 같이, 2스텝의 열처리 공정을 수행한다.As described above, in Figs. 8 and 9, the quenching or rapid quenching after heat treatment at 1850 占 폚 can improve the color or transparency of the low-grade natural sapphire ore and improve the transparency. However, after the heat treatment, The blackening phenomenon occurs. In the present invention, as shown in Fig. 11, a two-step heat treatment process is performed.

본 발명에서는 2스텝의 열처리 공정으로, 먼저 흑화가 되더라도 색향상에 충분한 1800 ~ 2000℃의 진공 분위기에서 소정 시간 열처리하는 제1단계를 거친 후, 다시 산소 분위기에서 1700 ~ 1800℃에서 소정 시간 열처리하는 제2단계를 수행함으로써, 저급의 천연 사파이어 원석에서 발생되는 흑화 현상을 제거할 수 있는 것이다.In the present invention, in the two-step heat treatment step, after the first step of heat treatment for a predetermined time in a vacuum atmosphere of 1800 to 2000 ° C. sufficient for color improvement even if the blackening is first carried out, heat treatment is performed at 1700 to 1800 ° C. for a predetermined time in an oxygen atmosphere By performing the second step, the blackening phenomenon occurring in the low-grade natural sapphire ores can be eliminated.

즉, 도 8 및 도 9의 공정 수행한 후, 도 12a와 같이, 저급의 천연 사파이어 원석을 반사 조명을 이용하여 확인한 결과 흑화가 되었지만, 10℃/min의 승온속도로 1750℃까지 승온하고, 1750℃에서 5시간 유지하여 산소 분위기 열처리하고 서랭한 결과, 도 12b에 도시된 바와 같이, 저급의 천연 사파이어 원석에 흑화가 제거되었다.That is, after performing the processes of FIGS. 8 and 9, as shown in FIG. 12A, the low-grade natural sapphire ore was blackened by reflection illumination, but the temperature was raised to 1750 ° C. at a rate of 10 ° C./min, Deg.] C for 5 hours, and subjected to an annealing treatment in an oxygen atmosphere. As a result, as shown in Fig. 12 (b), blackening was removed from low-grade natural sapphire ores.

결과적으로, 본 발명에서는 산소 분위기 열처리를 통해 진공 열처리된 저급의 천연 사파이어 원석에 산소를 공급해 줌으로써, 저급의 천연 사파이어 원석 표면의 흑화가 사라지고 색 또는 투명도가 향상된 품질이 우수하여 보석으로써 가치를 가질 수 있는 천연 사파이어 원석을 제조할 수 있었다.As a result, in the present invention, by supplying oxygen to the low-grade natural sapphire raw material subjected to the vacuum heat treatment through the oxygen atmosphere heat treatment, the blackening of the surface of the low-grade natural sapphire raw material disappears and the quality of color or transparency is improved, Natural sapphire gemstones.

참고로, 도 8, 도 9, 도 12의 사진은 각기 다른 천연 사파이어 원석에 전술된 공정을 수행하여 촬영한 사진이다.For reference, the photographs of FIGS. 8, 9, and 12 are photographed by performing the above-described process on different natural sapphire ores.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

100:챔버 101:저급의 천연 사파이어 원석
102:통로 110:내화물
120:도가니 130:발열체
131:차단 내화물 151:플레이트
152:냉각수 흐름관 160:냉각수 공급관
100: Chamber 101: Low-grade natural sapphire stone
102: passage 110: refractory
120: crucible 130: heating element
131: intercepting refractory 151: plate
152: Cooling water flow pipe 160: Cooling water supply pipe

Claims (6)

챔버;
상기 챔버의 내측벽에 장착되어 상기 챔버의 내부를 단열시키고, 통로가 구비된 내화물;
저급의 천연 사파이어 원석이 장입되는 도가니;
상기 도가니를 상기 통로를 통하여 상기 내화물 외측에서 상기 내화물 내측으로 이송시키는 이송부; 및
상기 내화물 내측에 설치되어 상기 저급의 천연 사파이어 원석을 열처리하기 위한 열을 방출하는 발열체;를 포함하는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 장치.
chamber;
A refractory mounted on an inner wall of the chamber to insulate the interior of the chamber and provided with a passage;
Crucible with low-grade natural sapphire stone;
A transfer unit for transferring the crucible from the refractory to the inside of the refractory through the passage; And
And a heating element disposed inside the refractory to emit heat to heat the low-grade natural sapphire ore.
제1항에 있어서, 상기 이송부는 상기 도가니를 안착시키고, 이송 가능한 플레이트를 포함하고,
상기 내화물에 상기 도가니가 상기 이송부에 의해 상기 내화물 내부 중심부로 이송된 시점에 상기 플레이트를 측면 모서리에 밀착시켜 상기 내화물 내측과 외측을 차단시키고, 상기 도가니가 상기 이송부에 의해 상기 내화물 외측으로 이송된 시점에 상기 통로를 차폐시키는 차단 내화물이 더 설치되어 있는, 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the transfer unit includes a crucible and a transferable plate,
The crucible is brought into close contact with a side edge of the refractory at a time point when the crucible is transferred to the inner center of the refractory by the transfer unit to block the inside and the outside of the refractory and the time when the crucible is transferred to the outside of the refractory Further comprising an intercepting refractory for shielding the passageway.
제2항에 있어서, 상기 플레이트 내부에 냉각수 유로가 더 형성되어 있고,
상기 냉각수 유로와 연통된 냉각수 유로가 구비되어 있고, 상기 플레이트에 연결된 냉각수 흐름관을 더 포함하는, 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 장치.
The cooling apparatus according to claim 2, wherein a cooling water flow path is further formed inside the plate,
Further comprising a cooling water flow pipe connected to the cooling water flow path and connected to the plate, and a cooling water flow pipe connected to the plate.
저급의 천연 사파이어 원석을 1800 ~ 2000℃온도까지 승온한 후, 1분 ~ 10시간 동안 유지하여 진공 열처리를 수행하는 단계;
진공 열처리된 상기 사파이어 원석을 서랭 또는 급랭하여 상온까지 냉각하는 제1 냉각 공정을 수행하는 단계;
상기 제1 냉각 공정이 수행된 상기 천연 사파이어 원석을 1700 ~ 1800℃ 온도까지 승온시킨 후 30분 ~ 5시간 동안 유지하여 산소 분위기 열처리를 수행하는 단계; 및
산소 분위기 열처리된 상기 천연 사파이어 원석을 상온까지 냉각하는 제2 냉각 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법.
Heating the low-grade natural sapphire ore to a temperature of 1800 to 2000 ° C, holding the sapphire raw material for 1 minute to 10 hours, and performing a vacuum heat treatment;
Performing a first cooling step of cooling or quenching the vacuum heat-treated sapphire ore to room temperature;
Heating the natural sapphire ore having been subjected to the first cooling step to a temperature of 1700 to 1800 ° C and holding the natural sapphire ore for 30 minutes to 5 hours to perform an oxygen atmosphere heat treatment; And
And performing a second cooling step of cooling the natural sapphire ores that have been heat-treated in an oxygen atmosphere to room temperature.
제4항에 있어서, 상기 서냉은 노중 냉각인, 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법.5. The method of claim 4, wherein the slow cooling is cooling in the furnace. 제4항에 있어서, 상기 급랭의 냉각 속도는 200 ~ 1000℃/min인, 저급의 천연 사파이어의 품질 향상을 위한 열처리 방법.


















The method of claim 4, wherein the quenching cooling rate is 200 to 1000 占 폚 / min.


















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