KR20190136648A

KR20190136648A - 세라믹 소성체의 제조방법.

Info

Publication number: KR20190136648A
Application number: KR1020180062633A
Authority: KR
Inventors: 김원기; 박언수; 백승배; 신중혁; 학 수 김; 대 현 김; 현 식 강; 순 욱 권
Original assignee: 비에스티 (주); 선문대학교 산학협력단
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2019-12-10

Abstract

본 발명은 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법에 관한 것으로서, 소성 가능한 세라믹 입자를 분급하는 단계, 상기 분급된 세라믹 입자를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 몰드에 충진하는 단계, 상기 몰드를 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing, CIP) 또는 주입 성형(Slip Casting)으로 성형하여 성형체를 제조하는 단계, 상기 성형체를 탈형하고 소성하여 소성체를 제조하는 단계, 상기 소성체를 자기 연마 가공법으로 표면 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

세라믹 소성체의 제조방법.{MANUFACTURING METHOD OF CERAMIC SINTERED BODY}

본 발명은 세라믹 소성체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

산업용 고출력 레이저인 CO₂ 레이저에 적용되는 레이저 튜브는 목적하는 레이저 파장을 만들기 위한 핵심 부품이다. 레이저 튜브는 공진기로도 불리는데, 레이저의 출력이 높아짐에 따라 적용되는 소재의 중요성이 증대되고 있다.

상기 레이저 튜브는 글래스 재질의 일반 레이저 튜브, RECI 레이저 튜브와 함께 세라믹 레이저 튜브가 개발되고 있는데, 이들을 비교하면 표 1과 같다.

	일반 레이저튜브	RECI 레이저튜브	세라믹 레이저튜브
수명	3,000~4,000시간	8,000시간	가스 충전시 반영구적
소재	글래스(SiO₂)	글래스(SiO₂)	세라믹(Al₂O₃)
매질	CO₂	CO₂	CO₂
가격	가장 저가	저가	고가
충전가능여부	불가능	불가능	가능

표 1에서와 같이 세라믹 레이저 튜브는 글래스 재질의 레이저 튜브에 비해 수명이나 충전 가능한 특성상 장점이 많으나 가격이 지나치게 비싸 사용에 제약이 따르고 있다. 따라서 세라믹 레이저 튜브를 구성하는 세라믹 소성체를 보다 효율적으로 제조하여 세라믹 레이저 튜브의 경제성을 높이기 위한 기술이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2014-0046422호 일본 공개특허공보 특개평07-048189호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고출력 레이저의 레이저 튜브에 적합한 세라믹 소성체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 소성 및 표면 가공을 통하여 표면 거칠기의 균일도를 향상시키며 공정의 효율성을 향상시키는 세라믹 소성체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법은 소성 가능한 세라믹 입자를 분급하는 단계, 상기 분급된 세라믹 입자를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 몰드에 충진하는 단계, 상기 몰드를 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing, CIP) 또는 또는 주입 성형(Slip Casting)으로 성형하여 성형체를 제조하는 단계, 상기 성형체를 탈형하고 소성하여 소성체를 제조하는 단계, 상기 소성체를 자기 연마 가공법으로 표면 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 소성 가능한 세라믹 입자는 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 실리카(SiO₂), 마그네시아(MgO), 산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 또는 그 이상일 수 있다.

또한, 상기 분급된 세라믹 입자는 평균 입도가 0.3 내지 0.7㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 따라 표면 가공된 상기 소성체는 표면조도(Rz)가 4.5Rz 이하이며, 수분흡수율이 0.1% 이하이며 탄성계수가 350 내지 450GPa으로서 고출력 레이저의 레이저 튜브에 적합한 특성을 나타낸다.

본 발명에 따른 세라믹 소성체의 제조방법은 고출력 레이저의 레이저 튜브에 적합한 물성을 가지는 소성체를 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.

또한, 소성 및 표면 가공을 통하여 표면 거칠기의 균일도를 향상시키며 공정의 효율성을 향상시키는 세라믹 소성체의 제조방법을 제공할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 소성체의 제조방법을 도시한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명에서 자기 연마 가공을 수행하는 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 세라믹 소성체의 팽창계수를 측정한 결과이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법은 세라믹 입자를 성형 및 소성하여 고출력 레이저 튜브를 제조하는 방법으로서, 도 1에서와 같은 순서로 제조된다. 즉, 소성 가능한 세라믹 입자를 분급하는 단계, 상기 분급된 세라믹 입자를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 몰드에 충진하는 단계, 상기 몰드를 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing, CIP) 또는 또는 주입 성형(Slip Casting)으로 성형하여 성형체를 제조하는 단계, 상기 성형체를 탈형하고 소성하여 소성체를 제조하는 단계, 상기 소성체를 자기 연마 가공법으로 표면 가공하는 단계, 제조된 소성체를 검사, 세정, 건조, 포장하는 단계를 포함하여 제조된다.

상기와 같은 제조방법은 일반적으로 세라믹 분말을 이용하여 성형체를 제조할 때 적용되는 공정과 전체적으로는 동일하나, 본 발명은 고출력 레이저, 특히, CO₂ 레이저에 사용되는 레이저 튜브를 제조하는 것을 그 목적으로 하기 때문에 세라믹 분말의 처리, 성형, 소결, 후가공 등의 공정 조건을 이에 맞게 최적화하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 세라믹 입자는 레이저 튜브에 적용될 수 있는 소재라면 어떠한 것이라도 가능하며, 기존의 글래스 재질의 레이저 튜브를 대체할 수 있는 것이어야 한다. 이러한 세라믹 입자는 소성 가능한 세라믹 입자로서 구체적으로는 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 실리카(SiO₂), 마그네시아(MgO), 산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 또는 그 이상일 수 있다.

이러한 세라믹 입자 또는 세라믹 입자의 조성물 중에서 알루미나를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 최종적으로 제조되는 레이저 튜브의 조도값, 산 저항성, 수분 흡수율 등의 요구되는 물성 수준을 충족시키기에 적합한 소재이기 때문이다. 물론 레이저 튜브의 요구되는 물성에 따라 상기 알루미나 외의 상기에서 서술한 세라믹 입자를 적용할 수도 있다.

본 발명의 제조방법은 제조되는 레이저 튜브가 성형 및 소성 시 발생하는 수축 또는 팽창을 고려하여 공정 조건을 최적화해야 한다. 따라서 소성 가능한 세라믹 입자를 분급하는 단계에서 건식 고속 믹서, 텀블러 믹서 등을 이용하여 소량의 원료 혼합 조건을 설정한 후 실제 공정에서 볼밀을 이용하여 대용량으로 입자의 분쇄 및 혼합을 제어할 필요가 있다. 또한, 분급된 세라믹 입자를 입도분석장치(Particle Size Analyzer, PSA)를 이용하여 분석하고 이에 따라 공정 조건을 피드백하여 수정할 필요가 있다.

상기 분급된 세라믹 입자는 평균 입도가 0.3 내지 0.7㎛인 것이 바람직한데, 평균 입도가 지나치게 적으면 미분을 다량 함유하여 성형 공정에서 불량이 발생하기 쉬우며, 평균 입도가 지나치게 크면 입도가 큰 입자를 함유하여 소성 과정에서 수축 또는 팽창이 발생할 수 있고 이에 따른 물성의 저하를 유발하게 된다.

또한, 상기 분급된 세라믹 입자를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조할 때, 니더의 속도, 내부 온도, 용매의 양, 온도 및 습도 조절을 통해 적정 점도의 슬러리를 제조해야 하는데, 이 경우 계절 변화에 따른 내부 온습도의 변화에 대응해야 하며, 어느 정도의 범위에서 일정한 품질의 슬러리를 제조할 수 있어야 하기 때문에 일반적인 니더가 아닌 분무 건조기(spray dryer)를 사용하여 슬러리를 제조한다.

상기 슬러리를 제조하기 위한 용매로는 물 또는 물과 알코올의 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 물과 알코올을 혼합한 혼합 용매를 적용할 경우 공정비용, 안전성 등을 고려하여 알코올로서 에탄올 또는 이소프로판올을 사용하는 것이 바람직하며, 물과 알코올을 1:1 내지 4:1의 부피비로 배합하여 사용하는 것이 바람직하다. 물을 용매로 사용하여도 슬러리 제조에 문제가 없으나, 세라믹 입자의 종류, 평균 입도에 따라 알코올을 배합한 혼합 용매를 적용하는 것이 슬러리의 제조에 더 유리할 수 있다.

상기 제조된 슬러리를 몰드에 충진하고 이를 성형하여 성형체를 제조하게 되는데, 상기 몰드는 고무몰드를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명에서의 성형 방법이 일반적인 가압 성형이 아닌 냉간 등압 성형 또는 주입 성형을 채용하고 있기 때문이다.

상기 냉간 등압 성형은 상온에서 높은 유압을 모든 방향에서 같은 압력으로 가하여 분말을 성형하는 방법으로서 습식과 건식 두 종류가 있다. 본 발명에서는 건식으로 성형하는데 습식과 달리 자동화가 용이하여 대량 생산이 가능하다.

냉간 등압 성형은 무한 다축적으로 가압하기 때문에 입자 간의 브리지 현상이 작고 배향성이 없어 압분체 내부의 밀도가 균일하게 되므로 균질성 및 치밀성이 우수하다. 또한, 다른 성형법에서는 불가능한 대형제품, 복잡형상의 제품, 길이가 긴 제품 등의 성형이 가능하므로 레이저 튜브의 성형에 적합하다.

또한, 상기 주입 성형은 세라믹 슬러리를 몰드 내에 주입하고 성형하는 성형 방법으로서 높은 물성이 요구되는 세라믹 제품의 성형에 적합하다.

또한, 소성체를 제조하기 위하여 성형을 통해 얻어진 상기 성형체를 탈형하고 이를 소성하게 된다. 소성 조건은 성형체의 열중량 분석을 통하여 온도에 따른 중량 변화와 물성 변화 구간을 도출하고 이를 바탕으로 소성 프로그램을 설계한다. 또한, 승온 및 냉각 조건에 따라 소성체의 치밀성이 달라지기 때문에 이러한 소성 조건에 대한 엄밀한 조정이 요구된다.

상기 소성체를 제조하기 위한 소성은 성형체의 밀도 향상, 결함 및 균열방지를 위하여 2단계 소성을 하는 것이 바람직하다. 상기 소성은 1 내지 5℃/min의 속도로 승온 및 강온하는 것이 바람직하며, 상기 소성속도가 지나치게 빨라지면 입자의 성장에 의해 입자간 계면에서 공극이 발생하기 때문에 상기 속도로 승온 및 강온하는 것이 바람직하다. 또한, 1단계 소성 온도는 300 내지 500℃로 하고 2단계 소성 온도는 600 내지 800℃로 하는 것이 바람직하며, 각 단계에서 소성 시간은 1 내지 7일로 하는 것이 바람직하다.

또한, 소성을 통해 제조된 소성체는 표면 거칠기가 크기 때문에 표면 가공을 수행한다. 상기 표면 가공을 위하여 자기 연마 가공법을 적용하는데, 가공액에 분산시킨 자성지립 또는 자성분말과 지립의 혼합분말을 자력에 의해 피가공물 표면에 압착시킨 후 피가공물 또는 자장을 회전시켜 줌으로써 연마하는 방법이다. 본 발명에서는 도 2에서와 같이 초음파 발생기를 부가하여 초음파 진동을 부가함으로써 입자들의 상대운동을 활성화시켜 표면 가공의 효과를 향상시킨다.

본 발명에 따른 소성체는 최종적으로 표면조도(Rz)가 4.5Rz 이하이며, 수분흡수율이 0.1% 이하이며, 탄성계수가 350 내지 450GPa인 특성을 나타내며, 이러한 물성을 가짐으로써 고출력 레이저의 레이저 튜브에 적용할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 세라믹 소성체의 물성을 평가하기 위하여 압축강도, 탄성계수, 포아송비, 열전도성, 수분흡수율, 부피비중, 휨강도를 측정하였다. 세라믹 소성체는 AES-11H를 알루미나 원료로 사용하여 냉간 등압 성형을 통해 제조한 시료 1과 AES-11C를 알루미나 원료로 사용하여 주입 성형으로 제조한 시료 2를 제조하여 사용하였다. 각 측정값은 25±1℃ 및 21±1%R.H.의 온습도 조건에서 10회 실시한 측정값의 평균이며, 그 결과는 표 2와 같다. 또한, 팽창계수는 1,300℃까지 10℃/min의 승온 속도로 DIL 402C(Netzsch사)를 사용하여 측정하였고, 그 결과는 도 3과 같다.

항목	단위	시료1	시료2	시험방법
압축강도	MPa	1,379	1.382	KS L 3115-2 : 2012
탄성계수	GPa	378	372	ASTM E 494
포아송비	-	0.219	0.225	ASTM E 494
열전도성	W/mK(at 25℃)	33.16	33.24	KS L 1604 : 2012
열전도성	W/mK(at 100℃)	23.85	23.58	KS L 1604 : 2012
수분흡수율	%	0.1	0.1	KS L ISO 5017 : 2013
부피비중	-	3.91	3.90	KS L 3519 : 2017
휨강도	MPa	350	352	KS L 1591 : 2013
표면조도	Rz	4.3	4.2	KS B 0161

시료 1과 2는 모두 같은 수준의 물성을 나타내어 냉간 등압 성형 및 주입 성형 모두에서 목적하는 세라믹 소성체를 제조할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 시판되는 알루미나 재질의 CO₂ 레이저용 레이저 튜브(교세라사)는 표면조도가 4.7Rz, 수분흡수율이 0.5%, 탄성계수가 400GPa이며, 이러한 시판되는 레이저 튜브와 비교할 때 본 발명의 제조방법에 따라 얻어진 세라믹 소성체의 물성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 결과는 본 발명에서 본 발명의 제조방법이 세라믹 입자의 슬러리화, 성형, 소성, 표면처리 등의 공정조건을 최적화함으로써 고출력 레이저의 레이저 튜브에 최적화된 향상된 물성을 가지는 세라믹 소성체를 제공할 수 있음을 시사하는 결과이다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

소성 가능한 세라믹 입자를 분급하는 단계;
상기 분급된 세라믹 입자를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 몰드에 충진하는 단계;
상기 몰드를 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing, CIP) 또는 주입 성형(Slip Casting)으로 성형하여 성형체를 제조하는 단계;
상기 성형체를 탈형하고 소성하여 소성체를 제조하는 단계;
상기 소성체를 자기 연마 가공법으로 표면 가공하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 소성 가능한 세라믹 입자는 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 실리카(SiO₂), 마그네시아(MgO), 산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 분급된 세라믹 입자는 평균 입도가 0.3 내지 0.7㎛인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 표면 가공된 소성체는 표면조도(Rz)가 4.5Rz 이하이며, 수분흡수율이 0.1% 이하이며, 탄성계수가 350 내지 450GPa인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저의 레이저 튜브용 세라믹 소성체의 제조방법.