KR20210091860A - 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법 - Google Patents

열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계; 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계; 상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시키는 단계; 및 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR CERAMIC THIN FILM USING THERMAL SINTERING AND LIGHT SINTERING}
본 발명은 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 관한 것이다.
화학 용액 증착법이나 스크린 프린트 등을 이용한 비진공 공법으로 제작된 세라믹 전해질 막은 소결 공정을 반드시 거쳐야 산화물 전해질 박막을 얻을 수 있다.
종래의 산화물 박막 소결 공정은 전기로를 이용하여 열 에너지만을 사용한 열 소결 공정으로 진행되었으며, 이는 산화물을 이루기 위한 높은 온도 범위까지 온도를 상승시킨 후 다시 상온까지 내리는 과정에서 소모되는 시간이 큰 편이며, 그에 따른 에너지 소모량 역시 상당하다.
그뿐 아니라 1000℃가 넘는 고온에서의 1~200℃의 차이는 기판과 세라믹 물질의 화학적인 반응을 발생시킬 뿐만 아니라 기판의 변형, 그에 따른 제작된 박막의 공정 결함 등을 야기하기도 한다.
고체산화물 연료전지의 전해질 막 물질로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 연료전지의 성능 향상을 위해 전자를 효과적으로 차단해야 하며, 이를 위해 전해질 층은 치밀한 막으로 이루어져야 한다.
치밀한 막을 이루기 위해서는 1350℃ 이상의 온도에서 열 소결 공정을 거쳐야 하나, 1350℃ 이상의 높은 온도는 기판과 막 사이의 화학적 변형을 일으킬 수 있다.
또한, YSZ는 세라믹 물질 특성 상 높은 온도에서 취성 재료로 변화하여 크랙이나 박리 현상 등 공정 결함을 유발하여 물질적 비용이 크게 발생할 수 있다.
더하여, 1350℃ 이상의 높은 온도에서 열 소결하기 위해서는 해당 온도까지 온도를 상승시킬 수 있는 전기로가 별도로 필요하며, 높은 온도까지 전기로의 온도를 상승시키는데 시간과 에너지의 소모량이 증가하게 된다.
이는 물질 비용뿐만 아니라 장비의 비용, 시간 및 에너지 비용이 크다는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1951799호, "다결정 투명 산화이트륨 세라믹의 제조 방법 및 제조 장치" 한국 등록특허공보 제10-1637122호, "고온 면상 발열체 제조방법"
본 발명은 세라믹 페이스트를 열 소결시킨 후 광 소결시켜 기공 없이 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있는 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 열 소결 공정 이후 광 소결 공정을 수행하여, 종래의 열 소결 온도보다 낮은 온도에서도 열 소결 공정을 수행하고, 종래의 열 소결 시간보다 짧은 시간 동안 열 소결 공정을 수행할 수 있는 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 광 소결 공정 시 극단파 백색광을 사용하여 세라믹 페이스트를 소결하는데 필요한 열 에너지를 감소시킬 수 있으며, 소결 공정 시 소모되는 시간과 에너지를 절약할 수 있는 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 세라믹 페이스트 제조 시 소결조제를 포함하여, 기존의 광 소결되지 않는 세라믹 물질을 본 발명의 열 소결 및 광 소결 공정을 통해 소결시킬 수 있는 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 소결조제를 포함하는 세라믹 페이스트를 열 소결 후 광 소결시켜 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있는 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은, 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계; 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계; 상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시키는 단계; 및 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은, 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계; 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계; 상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시키는 단계; 및 상기 광 소결된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 열 소결 공정은 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 열 소결 공정은 1분 내지 20시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 극단파 백색광의 강도는 0.01J/cm2 내지 200J/cm2일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 극단파 백색광의 펄스 폭(pulse width)은 10ms 내지 1500ms일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 극단파 백색광의 펄스 수는 1번 내지 100번일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 세라믹 파우더는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 사마리움이 도핑된 세리아(samarium doped ceria, SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(gadolinium doped ceria, GDC) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 소결조제는 철(Fe), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 및 비스무스(Bi) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 소결조제는 상기 혼합 파우더의 전체 몰(mol) 대비 0.1mol% 내지 10mol%로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 용매는 a-테르피네올(a-terpineol)을 포함하는 알코올계 유기 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 혼합 파우더는 상기 세라믹 페이스트의 전체 부피 대비 10부피% 내지 30부피%로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법에 따르면, 상기 기판은 규소(Si), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 니켈산화물 이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 페이스트를 열 소결시킨 후 광 소결시켜 기공 없이 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열 소결 공정 이후 광 소결 공정을 수행하여, 종래의 열 소결 온도보다 낮은 온도에서도 열 소결 공정을 수행하고, 종래의 열 소결 시간보다 짧은 시간 동안 열 소결 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 소결 공정 시 극단파 백색광을 사용하여 세라믹 페이스트를 소결하는데 필요한 열 에너지를 감소시킬 수 있으며, 소결 공정 시 소모되는 시간과 에너지를 절약할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 페이스트 제조 시 소결조제를 포함하여, 기존의 광 소결되지 않는 세라믹 물질을 본 발명의 열 소결 및 광 소결 공정을 통해 소결시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소결조제를 포함하는 세라믹 페이스트를 열 소결 후 광 소결시켜 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 3a는 실시예 1의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이고, 도 3b는 실시예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 3c는 실시예 1의 열 소결 후 광 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 4a는 실시예 2의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM 이미지이고, 도 4b는 실시예 2의 세라믹 페이스트를 광 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 4c는 실시예 2의 광 소결 후 열 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 5a는 비교예 1의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM 이미지이고, 도 5b는 비교예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 5c는 비교예 1의 열 소결 후 광 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 6은 비교예 2의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 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.
본 발명의 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 열 소결 후 광 소결 또는 광 소결 후 열 소결 공정을 통해 세라믹 박막을 제조하여 종래보다 낮은 열 소결 온도에서 짧은 시간 내에 소결이 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 구체적인 실시예를 통해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계(S110), 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계(S120), 상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시키는 단계(S130) 및 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계(S140)를 포함한다.
단계 S110은 세라믹 파우더와 소결조제를 혼합하여 혼합 파우더를 제조한 후 상기 혼합 파우더를 용매와 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조할 수 있다.
상기 세라믹 파우더는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 사마리움이 도핑된 세리아(samarium doped ceria, SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(gadolinium doped ceria, GDC) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 분말 형상으로, 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.
상기 소결조제는 후술할 세라믹 파우더의 열 소결 또는 광 소결을 도울 수 있다.
예를 들어, 상기 세라믹 파우더 중 하나인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 녹는점이 높기 때문에 광 소결이 잘 되지 않는다.
그러나, 상기 YSZ를 상기 소결조제와 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조한 후 이를 광 소결할 시 상기 YSZ의 소결이 이루어질 수 있다.
또한, 종래의 세라믹 박막은 세라믹 파우더를 열 소결 및 광 소결 중 어느 하나를 수행하여 소결시켰는데, 소결 과정에서 세라믹 파우더의 입자 크기가 커지고 연결(necking) 현상이 발생하고 소결된 세라믹 박막에 기공이 형성되었다.
그러나, 소결조제는 세라믹 파우더의 소결 정도를 향상시켜 기공을 거의 형성하지 않으면서 치밀한 세라믹 박막이 제조되도록 한다.
실시예에 따라서, 상기 소결조제는 철(Fe), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 비스무스(Bi), 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 스트론튬(Sr) 및 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 물질에 제한되지 않는다.
상기 소결조제는 상기 혼합 파우더의 전체 몰(mol) 대비 0.1mol% 내지 10mol%로 포함될 수 있다.
상기 소결조제가 0.1mol% 미만으로 포함되면 상기 세라믹 파우더가 충분히 소결되지 않을 수 있으며, 상기 소결조제가 10mol% 초과하여 포함되면 상기 세라믹 파우더의 물성에 영향을 미치게 되어 열 소결 및 광 소결을 통해 제조된 세라믹 박막의 이온전도도가 낮아질 수 있다.
상기 혼합 파우더는 상기 세라믹 파우더와 소결조제를 혼합한 후 별도의 분쇄 공정을 더 수행하여 제조될 수 있다.
상기 분쇄 공정은 지르코니아(ZrO2) 볼을 이용한 볼 밀링 공정일 수 있으며, 볼 밀링 공정을 수행한 후 체반을 이용하여 지르코니아 볼을 제거하는 과정을 수행할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 분쇄 공정은 조 크러셔(jaw crusher), 선동파쇄기(gyratory crusher), 롤파쇄기(crushing roll), 보울 밀(bowl mill), 롤러 밀(roller mill), 마모 밀(attrition mil), 로드 밀(rod mill), 페블 밀(pebble mill), 튜브 밀(tube mill), 간막이 튜브 밀(compartment mill), 내부 선별기 부착 해머 밀(hammer mill with internal classification), 유체에너지 밀(fluid-energy mill), 교반식 밀(agitated mill), 입방체 절단기(dicer), 슬릿 절단기(slitter) 중 어느 하나일 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 혼합 파우더는 상기 세라믹 파우더, 상기 소결조제 및 에탄올을 혼합한 후 분쇄된 다음 핫 플레이트로 80℃에서 가열하여 에탄올을 제거함으로써 제조될 수 있다.
상기 용매는 상기 혼합 파우더와 혼합되는 것으로, 알코올계 유기 용매일 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 용매는 a-테르피네올(a-terpineol)을 포함할 수 있으며, 알코올계 유기 용매라면 상기 종류에 제한되지 않는다.
실시예에 따라서, 상기 용매는 상기 알코올계 유기 용매와 함께 분산제, 바인더 및 가소제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 ICI 케미컬 사에서 제조된 KD-1 또는 KD-6일 수 있으며, 상기 물질에 제한되지 않는다.
상기 바인더는 예를 들어 PVB(polyvinyl butyral) 수지 중 하나인 BH-3일 수 있으며, 실시예에 따라서 아크릴계, 에폭시계 및 우레탄계 바인더인 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
특히, 상기 바인더로는 아크릴계 바인더를 사용할 수 있다.
상기 아크릴계 바인더는 상기 세라믹 파우더와의 혼합성이 좋고, 분산제와 병용할 시 세라믹 페이스트를 안정적으로 제조할 수 있다.
또한, 아크릴계 바인더는 수용성 폴리머이므로, 점도 안정성이 양호한 세라믹 페이스트를 제조할 수 있고, 무기질을 포함하지 않아 열 소결 또는 광 소결 시 소결 잔사가 없으며, 성막성이 양호하여 후술할 세라믹 박막을 필요한 두께로 성형이 가능하도록 한다.
상기 가소제는 DBP(dibutyl phthalate)일 수 있으며, 상기 물질에 제한되지 않는다.
상기 분산제, 바인더 및 가소제는 상기 혼합 파우더의 전체 중량 대비 각각 0.5중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
상기 세라믹 페이스트는 상기 혼합 파우더와 상기 용매가 혼합되어 제조될 수 있다.
이때, 상기 혼합 파우더는 상기 세라믹 페이스트의 전체 부피 대비 10부피% 내지 30부피%로 포함될 수 있다.
상기 혼합 파우더가 10부피% 미만으로 포함되면 상기 세라믹 페이스트에 포함되는 세라믹 원료가 부족하여 후술할 열 소결 및 광 소결 공정을 통해 상기 세라믹 페이스트가 충분히 소결되지 않을 수 있으며, 점도가 낮아 상기 세라믹 페이스트가 기판 상에 도포되는 두께에 영향을 줄 수 있다.
상기 혼합 파우더가 30부피%를 초과하여 포함되면, 상기 세라믹 페이스트의 점도가 급격히 증가하여 상기 세라믹 페이스트가 페이스트 또는 잉크 형상이 아닌 고체 형상이 될 수 있으며, 이로 인해 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하기 어려울 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 단계 S110은 상기 혼합 파우더 및 상기 용매를 혼합한 후 3 롤 밀링 공정을 통한 분쇄 공정을 수행할 수 있다.
상기 분쇄 공정은 조 크러셔(jaw crusher), 선동파쇄기(gyratory crusher), 롤파쇄기(crushing roll), 보울 밀(bowl mill), 롤러 밀(roller mill), 마모 밀(attrition mil), 로드 밀(rod mill), 볼 밀(ball mill), 페블 밀(pebble mill), 튜브 밀(tube mill), 간막이 튜브 밀(compartment mill), 내부 선별기 부착 해머 밀(hammer mill with internal classification), 유체에너지 밀(fluid-energy mill), 교반식 밀(agitated mill), 입방체 절단기(dicer), 슬릿 절단기(slitter), 유성밀(planetary mil) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 방법에 제한되지 않는다.
실시예에 따라서, 상기 단계 S110은 상기 혼합 파우더 및 상기 용매를 혼합한 후 24시간 동안 숙성시켜 상기 세라믹 페이스트 내 기공 또는 기포를 제거할 수 있다.
상기 단계 S110을 통해 제조된 세라믹 페이스트는 페이스트 형상일 수 있으나, 실시예에 따라서 잉크 형상을 가질 수도 있다.
단계 S120은 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포한 후 60℃ 내지 100℃에서 15분 내지 60분 동안 건조시킬 수 있다.
상기 세라믹 페이스트는 비진공 공법을 사용하여 상기 기판 상에 도포될 수 있으며, 바람직하게는 분말 공정법 또는 스크린 프린팅 법을 이용하여 상기 기판 상에 도포될 수 있다.
종래에는 세라믹 박막을 형성하기 위해 물리 기상 증착법(PVD), 원자막 증착법 (ALD) 또는 화학 기상 증착법(CVD)과 같은 진공 증착 방법을 이용하였으나, 진공 증착 방법의 경우 매우 낮은 증착률 때문에 공정 시간이 많이 소요되는 단점이 있고, 진공을 적용하기 위한 공정 비용이 많이 소모되는 단점이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 열 소결 및 광 소결을 모두 수행하기 때문에, 졸겔법 또는 스프레이 코팅법과 같은 비진공 공법을 사용하더라도 상온 및 상압 조건 하에서도 양질의 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
상기 세라믹 페이스트가 도포되는 기판은 세라믹 페이스트를 지지할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 종래보다 낮은 열 소결 온도로 소결이 가능하기에 열적 안정성이 상대적으로 약한 물질을 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 기판은 질화 붕소(BN), 질화 알루미늄(AlN)과 같은 질소 화합물계 세라믹 물질, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 지르코늄(ZrO2), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 및 산화 티타늄(TiO2)과 같은 산소 화합물 세라믹 또는 기타 세라믹 물질과 같은 절연층을 포함할 수 있으며, 실시예에 따라서 유기물로 이루어진 기판일 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 규소(Si), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 니켈산화물 이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 세라믹 페이스트는 상기 기판 상에 0.5μm 내지 100μm의 두께로 도포될 수 있다.
상기 세라믹 페이스트의 두께가 0.5μm 미만이면, 두께가 너무 얇아 기공 없이 치밀한 세라믹 박막을 제조하기 어려울 수 있다.
상기 세라믹 페이스트의 두께가 100μm를 초과하면, 상기 세라믹 박막의 두께 방향에 대한 이온 전도도의 저항이 커져 상기 세라믹 박막의 성능이 저하될 수 있다.
단계 S130은 상기 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시킬 수 있다.
상기 열 소결 공정은 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자의 크기를 성장시켜 상기 세라믹 페이스트를 치밀한 막으로 소결시킬 수 있다.
상기 열 소결 공정은 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 수행될 수 있으며, 후술할 단계 S140의 광 소결 공정을 통해 광 소결도 진행되기 때문에 종래의 열 소결 온도인 1500℃보다 낮은 열 소결 온도로도 소결이 가능하다.
이때, 상기 열 소결 공정 온도는 상기 세라믹 페이스트를 승온시킨 후 유지되는 온도를 의미한다.
상기 열 소결 공정 온도가 1000℃ 미만이면 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자의 성장이 부족할 수 있으며, 상기 열 소결 공정 온도가 1400℃를 초과하면 상기 세라믹 페이스트가 과 소결되어 열 소결된 세라믹 페이스트가 휘거나 결정성이 변형될 수 있다.
또한, 상기 열 소결 공정은 1분 내지 20시간 동안 수행될 수 있으며, 후술할 단계 S140의 광 소결 공정을 통해 광 소결도 진행되기 때문에 종래의 열 소결 시간보다 짧은 시간으로도 소결이 가능하다.
이때, 상기 열 소결 공정 시간은 상기 열 소결 공정 온도가 유지되는 시간을 의미하는 것으로, 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자의 성장이 충분히 일어날 정도의 시간이다.
따라서, 상기 열 소결 공정 시간이 1분 미만이면 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자가 충분히 성장하지 못할 수 있으며, 상기 열 소결 공정 시간이 20시간을 초과하면 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자가 과도하게 커질 수 있다.
단계 S140은 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 광 소결 공정을 통해 광 소결 시켜 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
상기 광 소결 공정은 제논 플래쉬 램프로 조사되는 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용하여 밀리세컨드(ms) 단위의 매우 짧은 시간에 국부적으로 에너지를 집중시켜 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 광 소결시킬 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 극단파 백색광은 전자기파(microwave light)일 수 있으며, 제논 플래쉬 램프(xenon flash lamp)에 높은 전류를 인가하여 생성되는 아크 플라즈마(arc Plasma)일 수 있다.
상기 광 소결 공정의 극단파 백색광은 0.01J/cm2 내지 200J/cm2의 강도를 가질 수 있다.
또한, 상기 광 소결 공정의 극단파 백색광은 10ms 내지 1500ms의 펄스 폭을 가질 수 있으며, 상기 광 소결 공정의 극단파 백색광은 다양한 펄스 폭을 가져 펄스 폭에 따라 상기 열 소결된 세라믹 페이스트에 인가되는 에너지의 세기가 상이할 수 있다.
또한, 상기 광 소결 공정의 극단파 백색광은 1번 내지 100번의 펄스 수를 가질 수 있으며, 상기 광 소결 공정의 극단파 백색광의 펄스 수가 증가할수록 상기 열 소결된 세라믹 페이스트의 온도가 증가할 수 있다.
상기 광 소결 공정은 상기 열 소결된 세라믹 페이스트 내 세라믹 파우더 입자의 크기를 더욱 증가시켜 상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 광 소결시킬 수 있다.
종래 기술은 세라믹 페이스트에 대해 열 소결 공정과 광 소결 공정을 동시에 수행하여 세라믹 박막을 제조하였다.
그러나, 종래 기술로 제조된 세라믹 박막은 기공(pore)이 많이 형성되어 치밀하지 못하다는 단점이 있었다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 상기 세라믹 페이스트를 열 소결시킨 후 광 소결시켜 상기 세라믹 박막을 제조하여, 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자의 크기가 증가하게 되고 이로 인해 기공(pore)이 거의 없는 치밀한(dense) 막을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 페이스트를 열 소결시킨 후 광 소결시켜 기공 없이 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 열 소결 공정 이후 광 소결 공정을 수행하여, 종래의 열 소결 온도보다 낮은 온도에서도 열 소결 공정을 수행하고, 종래의 열 소결 시간보다 짧은 시간 동안 열 소결 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 광 소결 공정 시 극단파 백색광을 사용하여 세라믹 페이스트를 소결하는데 필요한 열 에너지를 감소시킬 수 있으며, 소결 공정 시 소모되는 시간과 에너지를 절약할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 제논 램프를 이용하여 밀리세컨드(ms) 단위의 짧은 시간에 빛을 조사하는 광 소결 공정을 열 소결 공정 이후에 수행하여, 기존의 열 소결 온도를 1℃ 내지 200℃ 가량 감소시킬 수 있으며, 고온에서 온도 상승 및 하강에 필요한 시간과 소모되는 에너지 또한 감소시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 소결조제를 이용하여, 기존의 광 소결되지 않는 세라믹 물질을 본 발명의 열 소결 및 광 소결 공정을 통해 소결시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 소결조제는 상기 세라믹 페이스트의 열 소결 온도를 감소시키고 상기 세라믹 페이스트에 포함된 세라믹 파우더 입자가 서로 접합(necking)되어, 열 소결 공정 이후 광 소결 공정 시 보다 낮은 온도에서 상기 세라믹 페이스트의 소결이 가능하다.
또한, 상기 소결조제는 종류에 따라 액상 소결 공정(liquid phase sintering process)이 가능하여 상기 세라믹 페이스트에 대한 소결 효과가 증대될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 소결조제를 포함하는 세라믹 페이스트를 열 소결 후 광 소결시켜 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 본 발명의 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법과 동일한 구성요소를 포함하므로 중복 설명은 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계(S210), 상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계(S220), 상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시키는 단계(S230) 및 상기 광 소결된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계(S240)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 상기 세라믹 페이스트를 광 소결 공정을 통해 광 소결시킨 후 열 소결 공정을 통해 열 소결시킬 수 있다.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 상술한 도 1에서 설명한 세라믹 박막의 제조방법과 동일한 물질, 공정 방법 및 공정 조건으로 수행될 수 있으므로 중복 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 소결 및 광 소결을 이용한 세라믹 박막의 제조방법은 상술한 도 1에서 설명한 세라믹 박막의 제조방법과 동일한 효과를 가질 수 있으므로 중복 설명은 생략하도록 한다.
이하, 세라믹 박막의 제조방법에 따라 제조된 실시예 및 비교예의 세라믹 박막을 관찰하여 본 발명의 효과를 입증하였다.
[실시예 1]
용매인 에탄올의 전체 부피 대비 세라믹 파우더인 YSZ 파우더 20부피%를 에탄올에 첨가하고, YSZ 파우더의 전체 부피 대비 소결조제인 Fe 3부피%를 첨가하였다.
이후 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼 밀링한 다음 체반을 이용하여 지르코니아 볼을 제거하였다.
다음으로, 핫 플레이트 위에서 80℃로 가열하여 에탄올을 제거함으로써 혼합 파우더를 제조하였다.
다음으로, 용매인 α-테르피네올의 전체 부피 대비 혼합 파우더 20부피%를 첨가하고, 혼합 파우더의 전체 중량 대비 분산제인 KD-6 2중량%, 바인더인 BH-3 3중량%, 가소제인 DBP 1중량%와 혼합한 후 3 롤 밀링으로 1시간 동안 밀링한 다음 24시간 동안 숙성시켜 세라믹 페이스트를 제조하였다.
이후 세라믹 페이스트를 실리카 기판 상에 스크린 프린팅으로 도포한 후 1250℃에서 4시간 동안 열 소결시킨 후, 90~120J/cm2 강도로 on-time 10ms/off-time 10~500ms, 펄스 수는 1~6 펄스로 극단파 백색광을 조사하여 광 소결시킴으로써 세라믹 박막을 제조하였다.
[실시예 2]
세라믹 페이스트를 광 소결시킨 후 열 소결시킨 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 세라믹 박막을 제조하였다.
[비교예 1]
소결조제를 첨가하지 않고 세라믹 페이스트를 제조한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 세라믹 박막을 제조하였다.
[비교예 2]
세라믹 페이스트를 800℃에서 열 소결시켜 세라믹 박막을 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예의 열 소결 및 광 소결 여부와 공정 조건을 요약하면 아래의 표와 같다.
[표]
Figure pat00001
도 3a는 실시예 1의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이고, 도 3b는 실시예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 3c는 실시예 1의 열 소결 후 광 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 상기 실시예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결 후 광 소결시킬 시 세라믹 페이스트 내 입자가 커지고 기공이 사라지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 페이스트를 열 소결 후 광 소결시켜 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
도 4a는 실시예 2의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM 이미지이고, 도 4b는 실시예 2의 세라믹 페이스트를 광 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 4c는 실시예 2의 광 소결 후 열 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 실시예 2의 세라믹 페이스트를 광 소결 후 열 소결시킬 시 세라믹 페이스트 내 입자가 커지고 기공이 사라져 치밀한 박막이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 박막의 제조방법은 세라믹 페이스트를 광 소결 후 열 소결시켜 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 박막의 제조방법은 열 소결과 광 소결의 순서에 상관없이 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
도 5a는 비교예 1의 세라믹 페이스트가 도포된 직후를 도시한 SEM 이미지이고, 도 5b는 비교예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이며, 도 5c는 비교예 1의 열 소결 후 광 소결된 세라믹 박막을 도시한 SEM 이미지이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 비교예 1의 세라믹 페이스트를 열 소결시킬 시 세라믹 파우더 입자의 연결(necking) 현상이 발생하여 기공(pore)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 열 소결된 세라믹 페이스트를 광 소결하여도 표면 구조의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 박막의 제조방법은 소결조제를 이용하여, 비교적 낮은 열 소결 온도에서도 치밀한 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
도 6은 비교예 2의 세라믹 페이스트를 열 소결한 직후를 도시한 SEM 이미지이다.
도 6을 참조하면, 상기 비교예 2의 열 소결 직후를 살펴보면 표면 구조가 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 박막의 제조방법은 1000℃ 내지 1400℃의 열 소결 온도에서 세라믹 박막을 제조할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계;
    상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계;
    상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시키는 단계; 및
    상기 열 소결된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  2. 세라믹 파우더 및 소결조제를 포함하는 혼합 파우더와 용매를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하는 단계;
    상기 세라믹 페이스트를 기판 상에 도포하는 단계;
    상기 기판 상에 도포된 세라믹 페이스트를 극단파 백색광(intense pulsed light, IPL)을 이용한 광 소결 공정을 통해 광 소결 시키는 단계; 및
    상기 광 소결된 세라믹 페이스트를 열 소결 공정을 통해 열 소결 시켜 세라믹 박막을 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열 소결 공정은 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열 소결 공정은 1분 내지 20시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극단파 백색광의 강도는 0.01J/cm2 내지 200J/cm2인 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극단파 백색광의 펄스 폭(pulse width)은 10ms 내지 1500ms인 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극단파 백색광의 펄스 수는 1번 내지 100번인 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 파우더는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 사마리움이 도핑된 세리아(samarium doped ceria, SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(gadolinium doped ceria, GDC) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소결조제는 철(Fe), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 및 비스무스(Bi) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소결조제는 상기 혼합 파우더의 전체 몰(mol) 대비 0.1mol% 내지 10mol%로 포함되는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 a-테르피네올(a-terpineol)을 포함하는 알코올계 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 파우더는 상기 세라믹 페이스트의 전체 부피 대비 10부피% 내지 30부피%로 포함되는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 규소(Si), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 니켈산화물 이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박막의 제조방법.
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