KR20190073863A - 접합 세라믹 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접합 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 제1 세라믹 기재; 및 제2 세라믹 기재;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는 접착층-프리로 접합된 것이며, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재의 접합면을 따라 형성된 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 크기의 기공을 포함하는 것인, 접합 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

접합 세라믹 및 이의 제조방법 {BONDING CERAMICS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 접합 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 접착층-프리로 접합된 접합 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전자 부품, 생체재료, 내열내마모성구조 부품 등에 있어서, 각 종 세라믹 재료는 다방면으로 이용되고 있다. 세라믹 재료 이용 시, 세라믹 재료가 단독으로 이용되는 것은 예외적이며, 세라믹 재료간의 접합 및 세라믹 재료와 금속재료와의 접합 등을 통해 활용된다. 세라믹 재료간의 접합 및 세라믹 재료와 금속재료와의 접합은, 일반적으로 에폭시 수지 등으로 이루어지는 접착제에 의해 수행된다.
한편, 에폭시 수지의 접착 강도는 25 ℃의 온도조건일 때와 비교하여, 80 ℃의 온도조건에서 절반 이하로 떨어진다. 이 때문에, 기존 세라믹 접합은 고온환경에서 사용이 어렵고, 접합강도가 낮아 고온환경에서 고강도를 요구하는 응용분야에서 사용이 어렵다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 별도의 접착층 없이, 고온환경에서 고강도를 가지는 접합 세라믹 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹은, 제1 세라믹 기재; 및 제2 세라믹 기재;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는 접착층-프리로 접합된 것이며, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재의 접합면을 따라 형성된 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 크기의 기공을 포함하는 것이다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인을 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 탄화 규소(SiC), 질화규소(SiN4), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 규소(SiO2), ZTA(Zirconia Toughened Alumina), 산화 마그네슘(MgO), 근청석, 멀라이트 및 코디에라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는, 동일 물질이며, 이종물질-프리인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 복수의 세라믹 기재;를 더 포함하고, 상기 복수의 세라믹 기재는, 상기 제1 세라믹 기재 또는 제2 세라믹 기재 상에 접착층-프리로 적층되어 접합된 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 1 mm 내지 100 mm 두께를 가지는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 접합 세라믹 전체 두께는 2 mm 내지 200 mm 인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 벌크(bulk)한 단일 세라믹 기재 대비 70 % 이상의 강도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹의 제조방법은, 제1 세라믹 기재의 일면 및 제2 세라믹 기재의 일면을 연마(polishing)하는 단계; 및 상기 연마한 제1 세라믹 기재의 일면 및 상기 연마한 제2 세라믹 기재의 일면을 접하도록 접합하는 단계;를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 접합하는 단계에서, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 형성되는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 접합하는 단계;는, 상기 제1 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위와 상기 제2 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위의 중복 온도 범위 내에서 수행되고, 0.1 kg/cm2 내지 100 kg/cm2의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹을 포함하는 어플리케이션은, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 접합 세라믹 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 접합 세라믹의 제조방법에 따라 제조된 접합 세라믹을 항공우주산업의 반사경, 투시창 및 반도체산업의 웨이퍼 고정용 진공척으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나에 적용하는 것이다.
본 발명에 따른 접합 세라믹은, 접합재를 사용하지 않고 소재 자체의 그레인 성장에 의해 접합되므로, 강도가 우수하고 고온 환경에서 사용이 가능하며, 항공우주방위산업의 반사경, 투시창, 반도체 산업의 웨이퍼 고정용 진공척으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나에 적용되어 사용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 접합 세라믹 접합면을 촬영한 SEM 이미지이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 접합 세라믹 및 이의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹은, 제1 세라믹 기재; 및 제2 세라믹 기재;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는 접착층-프리로 접합된 것이며, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재의 접합면을 따라 형성된 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 크기의 기공을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹은, 접합면에 접합경계선(경계층)이 관찰되지 않으며, 접합면을 따라 형성된 기공만을 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 접합 세라믹은, 접합재를 사용하지 않는 접착층-프리 접합 세라믹이며, 세라믹 소재 자체의 그레인 성장에 의해 두 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성된다. 이에 따라 본 발명에 따른 접합 세라믹은, 강도가 우수하고 고온 환경에서 사용이 가능하다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재는, 접합되기 전에 각각의 접합면에 그레인을 형성하고 있다. 상기 각각의 접합면의 그레인 크기가 너무 작거나 너무 클 경우, 상기 두 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성되지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 최종적으로 생성되는 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 탄화 규소(SiC), 질화규소(SiN4), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 규소(SiO2), ZTA(Zirconia Toughened Alumina), 산화 마그네슘(MgO), 근청석, 멀라이트 및 코디에라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는, 동일 물질이며, 이종물질-프리인 것일 수 있다. 즉, 이종물질을 사용하지 않는, 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹 소재를 기기분석할 경우, 이종물질이 검출되지 않는다.
일 측면에 따르면, 복수의 세라믹 기재;를 더 포함하고, 상기 복수의 세라믹 기재는, 상기 제1 세라믹 기재 또는 제2 세라믹 기재 상에 접착층-프리로 적층되어 접합된 것일 수 있다.
이러한 적층은, 상술한 것과 마찬가지로, 그레인의 성장에 의해 수행되며, 복수의 세라믹 기재들의 그레인이 각각의 경계면에 걸쳐서 위치하는 그레인에 의해 접합된다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 1 mm 내지 100 mm 두께를 가지는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 접합 세라믹 전체 두께는 2 mm 내지 200 mm 인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 벌크(bulk)한 단일 세라믹 기재 대비 70 % 이상의 강도를 가질 수 있다.
세라믹 기재는, 종류에 따라 최적의 두께가 있으며, 두께가 얇거나, 두꺼우면 세라믹 기재의 강도가 크게 떨어져 쉽게 깨지는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 접합 세라믹은, 복수의 세라믹 기재를 접합층 없이 접합함으로써, 접합 세라믹 전체 두께를 자유롭게 조절할 수 있으며, 벌크(bulk)한 단일 세라믹 기재 대비 70 % 이상의 강도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹의 제조방법은, 제1 세라믹 기재의 일면 및 제2 세라믹 기재의 일면을 연마(polishing)하는 단계; 및 상기 연마한 제1 세라믹 기재의 일면 및 상기 연마한 제2 세라믹 기재의 일면을 접하도록 접합하는 단계;를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 접합하는 단계에서, 상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 형성되는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 접합 세라믹의 제조방법은, 접합재를 사용하지 않는 접착층-프리 접합 세라믹의 제조방법이다. 더욱 자세하게, 세라믹 소재 각각의 일면에 존재하는 그레인을 가능한 굴곡 없게 연마한 후, 상기 연마된 일면을 접합하는 방식을 통해, 두 세라믹 기재의 연마된 그레인 성장에 의해 두 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성된다. 이에 따라 강도가 우수하고 고온 환경에서 사용이 가능한 접합 세라믹을 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 접합하는 단계;는, 상기 제1 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위와 상기 제2 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위의 중복 온도 범위 내에서 수행되고, 0.1 kg/cm2 내지 100 kg/cm2의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
온도의 선택은 각 소재의 용융온도에 비례하며, 용융온도의 60 % 내지 90 %가 접합하다. 용융온도의 90 %를 초과하는 온도 조건에서 상기 접합하는 단계를 수행할 경우 소재의 극심한 변형 또는 용융이 발생하는 문제점이 발생할 수 있고, 60 % 미만의 온도조건에서 수행할 경우 충분한 확산이 이루어지지 않아 접합이 되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
일 예로, 제1 세라믹 기재의 용융온도가 100 ℃이고, 제2 세라믹 기재의 용융온도가 120 ℃일 경우, 72 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위 내에서 접합하는 단계를 수행하는 것일 수 있다.
또 다른 일 예로, 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재가 탄화규소일 경우, 700 ℃ 내지 2500 ℃의 온도 범위 내에서, 더욱 바람직하게는 1700 ℃ 내지 2300 ℃의 온도 범위 내에서 접합하는 단계를 수행하는 것일 수 있다.
한편, 100 kg/cm2 를 초과하는 하중 조건에서 상기 접합하는 단계가 수행될 경우 소재의 극심한 변형이 발생할 수 있고, 0.1 kg/cm2 미만의 하중 조건에서는 충분한 확산이 이루어지지 않아 접합이 되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹 또는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 세라믹의 제조방법에 따라 제조된 접합 세라믹은, 항공우주산업의 반사경, 투시창 및 반도체산업의 웨이퍼 고정용 진공척으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나에 적용되는 것일 수 있다.
특히, 항공우주산업의 반사경으로서, 본 발명의 접합 세라믹을 사용할 수 있다. 항공우주산업에서 사용되는 어플리케이션에 적용되는 세라믹 기재는, 가혹한 환경조건 속에서 강도가 유지되어야 한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 접합 세라믹은, 접합재를 사용하지 않고 소재 자체의 그레인 성장에 의해 접합된 접합 세라믹 이므로, 강도가 우수하고 고온 환경에서 사용이 가능하다. 즉, 항공우주산업의 반사경으로서, 본 발명의 접합 세라믹을 사용할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
그레인의 크기가 약 10 ㎛이며 두께가 2 mm인 탄화규소 2장의 접합면을 연마(Polishing)하고 연마면이 서로 바라보도록 적층하고 2000 ℃ 온도와 10 kg/cm2 하중에서 10시간 유지하였다.
비교예
그레인의 크기가 3 mm이며 두께가 2 mm인 탄화규소 2장의 접합면을 연마(Polishing)하고 연마면이 서로 바라보도록 적층하고 2000 ℃ 온도와 10 kg/cm2 하중에서 10시간 유지하였다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 접합 세라믹 접합면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 1을 참조하면, 실시예를 따라 제조된 접합 세라믹은, 제1 탄화규소 기재(100) 및 제2 탄화규소 기재(200)에 걸쳐서 위치하는 그레인(300)을 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 접합경계선(경계층)이 관찰되지 않고, 세라믹의 접합면에 기공(400)만이 관찰되는 것을 알 수 있다. 이는 접착재를 사용하지 않고, 제1 탄화규소(100) 기재와 제2 탄화규소(200) 기재가 접합되었음을 의미한다.
반면, 비교예를 따라 제조된 접합 세라믹은 접합이 전혀 이루어지지 않았음을 확인하였다. 이는 그레인의 크기가 너무 커 확산이 이루어지지 않았음을 의미한다.
표 1은, 본 발명의 실시예에 따른 접합 세라믹 및 접합을 수행하지 않은 벌크(bulk)한 단일 탄화규소 기재의 강도를 나타낸 표이다.
No. 벌크 소재(MPa) 접합소재(MPa)
1 366 330
2 369 339
3 375 331
4 365 328
5 373 335
평균 367 332
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 탄화규소 기재를 접합한 접합소재는, 벌크(bulk)한 단일 세라믹 기재와 비교하여, 70 % 이상의 강도를 가지는 것을 알 수 있다.
또한, EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 접합 세라믹을 분석할 경우, 선택영역인 접합면에서 규소(Si)와 탄소(C) 외에 이종의 물질이 없음을 확인하였으며, 이는 접착제 없이 두 개의 탄화규소 기재가 접합되었음을 의미한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 제1 세라믹 기재; 및
    제2 세라믹 기재;를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는 접착층-프리로 접합된 것이며,
    상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재의 접합면을 따라 형성된 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 크기의 기공을 포함하는 것인,
    접합 세라믹.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인을 포함하는 것인,
    접합 세라믹.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인,
    접합 세라믹.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 탄화 규소(SiC), 질화규소(SiN4), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 규소(SiO2), ZTA(Zirconia Toughened Alumina), 산화 마그네슘(MgO), 근청석, 멀라이트 및 코디에라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
    접합 세라믹.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재는, 동일 물질이며,
    이종물질-프리인 것인,
    접합 세라믹.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 세라믹 기재;를 더 포함하고,
    상기 복수의 세라믹 기재는, 상기 제1 세라믹 기재 또는 제2 세라믹 기재 상에 접착층-프리로 적층되어 접합된 것인,
    접합 세라믹.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재 및 제2 세라믹 기재는, 각각, 1 mm 내지 100 mm 두께를 가지는 것인,
    접합 세라믹.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접합 세라믹 전체 두께는 2 mm 내지 200 mm 인 것인,
    접합 세라믹.
  9. 제1항에 있어서,
    벌크(bulk)한 단일 세라믹 기재 대비 70 % 이상의 강도를 가지는,
    접합 세라믹.
  10. 제1 세라믹 기재의 일면 및 제2 세라믹 기재의 일면을 연마(polishing)하는 단계; 및
    상기 연마한 제1 세라믹 기재의 일면 및 상기 연마한 제2 세라믹 기재의 일면을 접하도록 접합하는 단계;를 포함하는,
    접합 세라믹의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접합하는 단계에서,
    상기 제1 세라믹 기재 및 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 위치하는 그레인이 형성되는 것인,
    접합 세라믹의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재와 상기 제2 세라믹 기재에 걸쳐서 형성되는 그레인의 크기는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인,
    접합 세라믹의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 접합하는 단계;는,
    상기 제1 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위와 상기 제2 세라믹 기재의 용융온도의 60 % 내지 90 %의 온도 범위의 중복 온도 범위 내에서 수행되고,
    0.1 kg/cm2 내지 100 kg/cm2의 압력 조건에서 수행되는 것인,
    접합 세라믹의 제조방법.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 접합 세라믹 또는 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항의 접합 세라믹의 제조방법에 따라 제조된 접합 세라믹은,
    항공우주산업의 반사경, 투시창 및 반도체산업의 웨이퍼 고정용 진공척으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나에 적용되는 것인,
    접합 세라믹을 포함하는 어플리케이션.
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