KR20240031595A - 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법 - Google Patents

투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세한 입자의 알루미나 원료를 이용하여 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 경우, 성형체의 낮은 밀도, 고온 소결 시 과대 입자성장에 의한 잔유기공 존재 등 밀도 저하로 인하여 투광성이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 제조방법은 슬립 캐스팅 성형법을 적용하여 성형체의 밀도를 향상시키고 진공소결을 수행하되 진공도 및 소결조건을 최적화하고 진공로의 특성상 고온에서 발열체로부터의 탄소침탄을 방지하기 위해 보론 도가니를 사용하여 이론 밀도와 거의 동일한 소결밀도를 가져 투광도가 우수한 알루미나 소결체를 제공하는 장점이 있다.

Description

투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법{Method For Producing Light Transmitting High Density Alumina Sintered Body}
본 발명은 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법을 제공한다.
알루미나는 가장 대표적이고 범용적인 파인세라믹 소재로 우수한 기계적 특성, 열화학적 안정성으로 전기, 전자, 기계, 화학 등 넓은 범위에서 사용되고 있다. 특히 고밀도의 투광성 알루미나는 적외선 및 가시광선 파장의 빛을 투과한다는 특징과 더불어 알루미나의 우수한 특성을 바탕으로 나트륨 램프와 같은 광학분야에도 적용이 가능하다. 최근에는 반도체 공정 부품에 활용되고 있으며, 특히 반도체 소자의 나노화에 따른 공정 중 파티클 개입을 방지하기 위해 높은 내플라즈마성 소재가 요구되고, 이에 적합한 투광성 고밀도 알루미나 소재가 각광을 받고 있다. 투광성 고밀도 알루미나와 같이 세라믹 다결정으로 되어있는 미세구조 내부에 존재하는 기공 및 불순물과 같은 2차상은 빛의 산란 및 플라즈마 부식을 야기한다. 따라서 치밀한 투광성 다결정 알루미나를 제조하기 위해서는 상기 불순물 및 기공이 없이 충분히 치밀화되어 이론밀도에 근접하는 고밀도를 구현하여야 한다.
슬립캐스팅(Slip casting)은 용매에 분말이 분산된 슬러리(Slurry)를 석고몰드의 모세관힘(삼투압)을 이용하여 성형하는 방법으로 건조시 성형체의 그린밀도를 60% 이상 얻을 수 있고, 복잡한 형태의 성형체 제조가 가능하다는 특징을 가지고 있다. 종래의 슬립캐스팅을 사용한 성형법은 주로 전통세라믹스의 제조를 위해 사용되어 왔으나 그린밀도가 높은 성형체의 제조가 가능하다는 점에서 투광성 고밀도 알루미나 제조에 적합하다. 투광성 고밀도 알루미나 제조를 위한 슬립캐스팅 성형에 사용되는 알루미나 분말은 높은 그린밀도 및 성형밀도를 위해 용매에 대한 분산성이 우수하고, 입자크기가 미세함과 동시에 입도분포가 좁아야 한다. 또한 소결 후 불순물에 의한 산란방지를 위해 높은 순도를 가져야 한다.
투광성 고밀도 알루미나 소결체용 알루미나 원료의 입도가 미세하게 되면 큰 비표면적을 가지게 되므로 고온 열처리시 소결체의 입자가 급격히 성장하게 된다. 상기 소결체 입자의 급격한 성장은 과대 입자성장을 유도하게 되고 이로 인해 소결체 내 기공이 입자의 내부에 갖히게 되어 소결체의 밀도의 저하는 물론 투광도가 낮은 저품위 투광성 고밀도 알루미나 소결체가 제조되는 문제점이 있었다.
국내산 알루미나 소결체용 알루미나 원료 (이소결 알루미나)는 일본산 이소결 알루미나 원료와 유사한 입자크기를 가지나 불순물이 소량 함유되어 있을 뿐 아니라 입자의 균질도가 낮아 상대적으로 큰 비표면적 값을 갖는다. 국내산 이소결 알루미나는 일본산 이소결 알루미나에 대비하여 상대적으로 큰 비표면적을 가지므로 고온에서 과대 입자 성장이 급격하게 일어나게 된다. 과대 입자 성장이 일어나게 되면 기체가 빠져나가지 못하여 기공으로 남게 되는데 이는 소결밀도의 저하로 이어져 알루미나 소결체의 투광성이 저하되는 것이다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 소결성을 조절하는 MgO와 같은 소결조제를 사용한 바 있다. 그러나 상기 소결조제는 고진공의 높은 고온에서는 증발되므로 소결성 조절효과가 반감될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
Chutinan Promdej, et. al, "Preparation of translucent alumina ceramic specimen using slip casting method", Journal of the Ceramic Society of Japan, 116(3), 2008, pp.409~413. Hyeon Mo Bae et. al, "Transparent Polycrystalline γ-AlON Ceramics" Ceramist Vol. 23, No. 3, pp. 244~260, 2020. I. B. Oparina et. al, "Methods for Obtaining Transparent Polycrystalline Ceramics from Aluminum Oxide (Review Article)" Refractories and Industrial Ceramics volume 62, pages196-201 (2021).
본 발명의 목적은 순도가 낮고 비표면적이 큰 국내산 이소결 알루미나를 사용함에도 최적의 성형방법 및 소결방법을 적용하여 이론 밀도에 근접한 투광성 고밀도 소결체를 제조하므로, 순도가 높고 입자가 균질하여 비표면적이 작은 일본산 이소결 알루미나를 사용하여 제조한 종래의 투광성 고밀도 알루미나 소결체와 유사한 품질의 제품을 제공 할 수 있는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 포트 밀(Pot mill)에 알루미나 볼, 증류수, 산화마그네슘 및 분산제를 넣고 수분동안 밀링하여 혼합물을 제조한 후 상기 혼합물에 알루미나 원료를 첨가하고 더 밀링하여 알루미나 슬러리를 제조하는 제 1 단계: 상기 알루미나 슬러리의 pH를 11 내지 12로 조절한 후 상온에서 숙성시켜 알루미나 안정화 슬러리를 제조하는 제 2 단계; 상기 알루미나 안정화 슬러리를 슬립캐스팅용 석고몰드에 부어 성형 및 건조하여 알루미나 성형체를 제조하는 제 3 단계; 상기 알루미나 성형체를 900 내지 1100℃에서 100 내지 140분간 소성시켜 알루미나 소성체를 제조하는 제 4 단계; 상기 알루미나 소성체를 보론 도가니에 넣고 뚜껑을 닫은 후 진공로에 장입하는 제 5 단계; 상기 진공로를 0.8×10-3 내지 1.2×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1700 내지 1800℃에서 3 내지 5시간동안 진공소결하여 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 6 단계; 및 상기 고밀도 알루미나 소결체의 표면을 가공하여 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 7 단계;를 포함하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 알루미나 원료는 순도가 99% 이상이며; 평균입자크기가 0.4 내지 0.5㎛이며; BET(Brunauer, Emmett, Teller) 표면적은 4.3 내지 6.89m2/g;인 것을 특징으로 하며 상기 슬립캐스팅용 석고몰드는 바닥에 미세한 구멍이 형성되어 있으며 상기 바닥위에 필터를 설치한 후 상기 알루미나 안정화 슬러리를 부어주되 하부에서 진공상태를 형성하여 수분을 배출시키므로 알루미나 성형체의 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알루미나 성형체는 밀도가 2.4 내지 2.5g/㎝3인 것을 특징으로 하며 상기 투광성 고밀도 알루미나 소결체는 3.95g/㎝3 내지 3.98g/㎝3의 소결밀도를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 입자크기가 유사하나 입자의 균질성이 떨어져 큰 비표면적을 가지는 이소결 알루미나 원료를 이용하여 이론밀도에 근접한 고품질의 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 슬립 캐스팅 성형법을 적용하여 성형체의 밀도를 향상시키고 진공소결을 수행하되 진공도 및 소결조건을 최적화하므로 이론 밀도와 거의 동일한 소결밀도를 가져 투광도가 우수한 고밀도 알루미나 소결체를 제공하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법을 보여준다.
도 2는 본 발명의 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 파단면을 분석한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 투광도를 분석한 사진을 보여준다.
도 4는 본 발명의 진공로에 장입된 시편을 포함하는 보론 도가니를 보여준다.
본 발명은 포트 밀(Pot mill)에 알루미나 볼, 증류수, 산화마그네슘 및 분산제를 넣고 수분동안 밀링하여 혼합물을 제조한 후 상기 혼합물에 알루미나 원료를 첨가하고 더 밀링하여 알루미나 슬러리를 제조하는 제 1 단계: 상기 알루미나 슬러리의 pH를 11 내지 12로 조절한 후 상온에서 숙성시켜 알루미나 안정화 슬러리를 제조하는 제 2 단계; 상기 알루미나 안정화 슬러리를 슬립캐스팅용 석고몰드에 부어 성형 및 건조하여 알루미나 성형체를 제조하는 제 3 단계; 상기 알루미나 성형체를 900 내지 1100℃에서 100 내지 140분간 소성시켜 알루미나 소성체를 제조하는 제 4 단계; 상기 알루미나 소성체를 보론 도가니에 넣고 뚜껑을 닫은 후 진공로에 장입하는 제 5 단계; 상기 진공로를 0.8×10-3 내지 1.2×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1700 내지 1800℃에서 3 내지 5시간동안 진공소결하여 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 6 단계; 및 상기 고밀도 알루미나 소결체의 표면을 가공하여 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 7 단계;를 포함하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 알루미나 원료는 순도가 99% 이상이며; 평균입자크기가 0.4 내지 0.5㎛이며; BET(Brunauer, Emmett, Teller) 표면적은 4.3 내지 6.89m2/g;인 것을 특징으로 한다.
상기 산화마그네슘(MgO)는 입자성장을 조절하여 급격한 입자성장으로 인한 과대 입자성장 및 잔유기공을 억제하기 위하여 사용한다.
상기 pH는 알루미나 슬러리의 응집을 조절하기 위한 것이다. 상기 pH가 11미만이면 응집이 발생하여 성형체 및 소결체의 밀도가 감소하는 원인이 된다.
상기 pH가 조절된 알루미나 슬러리는 상온에서 숙성시켜 미세기포를 제거한다.
상기 슬립캐스팅용 석고몰드는 바닥에 미세한 구멍이 형성되어 있으며 상기 바닥위에 필터를 설치한 후 상기 알루미나 안정화 슬러리를 부어주되 하부에서 진공상태를 형성하여 수분을 배출시키므로 알루미나 성형체의 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 슬립캐스팅용 석고몰드를 통해 제조한 알루미나 성형체는 밀도가 2.4 내지 2.5g/㎝3인 것을 특징으로 한다.
상기 소성과정을 통해 원료에 포함된 불순물을 제거하며 소성과정을 통해 제조한 상기 알루미나 소성체는 보론 도가니에 넣어 뚜껑을 닫은 후 진공로에서 소결한다. 상기 소성체는 도가니를 사용하지 아니하고 바로 진공로에서 소결하게 되면 소결시 고온 진공로 발열체로부터 발생한 탄소가 소결체에 침탄되어 투광도를 저하시키는 원인이 된다.
본 발명의 소결은 진공로에서 수행하며 0.8×10-3 내지 1.2×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1700 내지 1800℃에서 3 내지 5시간동안 수행한다. 바람직하게는 1×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1740℃에서 4시간동안 수행한다.
상기 투광성 고밀도 알루미나 소결체는 3.95g/㎝3 내지 3.98g/㎝3를 가지는 것을 특징으로 하며 상기 조건에서 벗어나게 되면 상기 소결체의 밀도가 저하되어 투광도가 저하되는 원인이 된다.
하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 슬립캐스팅 및 진공소결을 이용한 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조
투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조를 위해서 성형체의 높은 밀도 (high green density)가 필요하다. 본 발명에서는 하기 실시예의 알루미나 원료(이소결 알루미나)에 대하여 일축가압 성형법, 냉간정수압 성형법, 및 슬립캐스팅 방법을 적용하여 성형체를 제조하고 성형체의 밀도를 분석하였다. 그 결과 일축가압 성형법, 냉간정수압 성형법, 및 슬립캐스팅 방법을 적용하여 성형체는 각각 2.222g/㎝3, 2.381g/㎝3, 및 2.421g/㎝3의 성형체 밀도를 보이는 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명에서는 성형법으로 슬립캐스팅 방법을 선정하였으며 이를 이용하여 성형체를 제조하고 이를 소결하여 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하였다(도 1 참조).
본 발명의 알루미나 성형제 제조에 사용된 알루미나 원료(이소결 알루미나 파우더)는 일본 S사(스미토모 AKP-20 및 스미토모 AES-20)에서 제조한 이소결 알루미나 2종과 한국 D사(대한세라믹스)에서 제조한 이소결 알루미나 1종을 준비하였다(표 1 참조).
실시예 1 실시예 2 실시예3
제조사/제품명 스미토모 /AKP-20 대한세라믹스 /ALG-ISH 스미토모 /AES-20
순도 99.99%이상 99.8%이상 99.99%이상
평균입자크기(입도분포 D50) 0.46μm 0.41μm 0.45μm
BET(Brunauer, Emmett, Teller) 표면적 4.3m2/g 6.89m2/g 6.3m2/g
실시예 1 및 실시예 3의 이소결 알루미나는 순도가 99.99%이상으로 동일하고 평균입자크기 또한 각각 0.46μm 및 0.45μm으로 매우 유사하다. 그러나 실시예 1의 경우 입자의 균질도가 높아 BET 비표면적 4.3m2/g으로 작은 값을 가지나 실시예 3의 경우 입자의 균질도가 낮아 다양한 모양의 입자가 존재하게 되므로 BET 비표면적 6.3m2/g의 값을 가진다. 실시예 2 또한 상기 설명한 이유와 동일하게 실시예 1에 대비하여 상대적으로 큰 BET 비표면적을 가진다.
투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하기 위해서는 성형 및 소결시 기포가 효과적으로 제거되어 고밀도가 유지되어야 한다. 따라서 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조에는 작은 평균입자크기를 가지는 이소결 알루미나가 사용된다. 하지만 이소결 알루미나의 입자크기가 너무 작으면 과도한 BET 비표면적을 가지게 되고 이는 소결시 높은 반응성으로 이어져 급격한 입자성장을 야기하게 된다. 급격한 입자성장이 일어나게 되면 소결시 확산에 의해 배출되어야 할 기포가 입자사이에 갇혀 잔류기공으로 남게 되는데 이는 밀도 저하의 원인이 되어 알루미나 소결체의 투광성이 저하되는 것이다.
본 발명에서는 고순도이며 작은 평균입자크기를 가질 뿐 아니라 균질도가 높아 4.3m2/g의 BET 표면적을 가지므로 이론밀도에 근접한 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조에 사용되는 종래의 일본산 이소결 알루미나에 대비하여 순도와 평균입자크기는 유사하나 균질도가 낮아 6.89m2/g의 큰 BET 표면적을 가지므로 이론밀도에 근접한 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조에 사용되는데 한계가 있는 국내산 이소결 알루미나를 사용하되 성형 및 소결방법을 최적화하여 종래의 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제품 대비 유사한 상대밀도와 투광도를 가지는 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
먼저 깨끗하게 세척된 알루미나 볼(5Φ 및 10Φ)와 포트 밀(Pot-mil) 용기를 준비하였다. 상기 포트 밀(Pot-mil) 용기안에 세척된 알루미나볼 5Φ 10㎏ 및 알루미나볼 10Φ 5㎏을 투입한 후 증류수 1.5㎏, 산화마그네슘(MgO) 1.5g, 및 분산제(Darvin C) 30㎖을 넣고 수분간 밀링(milling) 하였다. 그 후 상기 알루미나 원료(이소결 알루미나) 3㎏을 천천히 넣고 완전히 밀봉하여 3시간동안 밀링 하였다. 알루미나 고형분의 분산을 극대화하기 위하여 상기 밀링된 슬러리에 암모니아수를 첨가하여 pH를 11 내지 12로 조절하였다. 알루미나의 등전점은 pH 8이다. 따라서 상기 알루미나 슬러리가 밀링 후 pH 8에 가까운 상태로 유지되면 분산성이 저하되어 밀링의 효과가 저하되는데 상기 문제점을 해결하기 위하여 pH를 11 내지 12로 조절한 것이다. 상기 pH가 조절된 알루미나 슬러리를 공기 중에서 2일간 숙성하였다. 상기 숙성 과정은 알루미나 슬러리 내에 잔류하는 미세공기를 제거하므로 슬러리를 안정화시키는 과정이다. 상기 숙성된 알루미나 슬러리를 슬립캐스팅용 석고몰드에 부어 성형체를 제조하였다. 본 발명의 슬립캐스팅용 석고몰드는 바닥에 5㎜간격으로 직경 1㎜의 구멍이 형성되어 있으며 바닥에 한지를 깐 후 상기 숙성된 알루미나 슬러리를 부어주되 하부에서 진공상태를 형성하는 방법으로 상기 숙성된 알루미나 슬러리 성형체의 밀도가 극대화되도록 설계하였다. 상기 슬립 캐스팅용 석고몰드(직경 130㎜)에 상기 숙성된 알루미나 슬러리를 10㎜의 높이로 부은 후 시간이 경과됨에 따라 감소된 알루미나 슬러리의 부피만큼 알루미나 슬러리를 추가하였다(2 내지 3회).
상기 슬립캐스팅용 석고몰드에 상기 숙성된 알루미나 슬러리가 적당한 두께로 채워지면 진공상태를 해제하고 50℃에서 24시간동안 1차 건조하였다. 1차 건조 후 석고몰드를 해체하여 1차 알루미나 성형체를 제조하고 70℃에서 24시간동안 더 건조하여 2차 알루미나 성형체를 제조하였다. 상기 2차 알루미나 성형체는 상압조건의 1000℃에서 2시간동안 1차 소성하여 불순물을 하소하였다. 불순물이 제거된 2차 알루미나 성형체를 보론 도가니(Boron Nitride Crucible)에 넣고 뚜껑을 덮은 후 진공로에 장입하였다. 상기 진공로는 1×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1740℃에서 4시간동안 진공소결 하였다. 승온속도는 1200℃까지는 분당 10℃로, 1740℃까지는 분당 3℃ 진행하여 저온에서의 표면적 감소를 위한 소결성 감소를 방지하였다.
상기 보론 도가니를 이용한 진공소결 방법과 비교하기 위하여 보론 도가니 없이 직접 성형체를 진공로에 투입한 후 1×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성하고 1740℃에서 4시간동안 진공소결하였다. 상기 방법으로 제조한 소결체에 대하여 상대밀도와 투광도를 특정하였다. 하기 표 2는 본 발명의 실시예의 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조방법 및 특성분석 결과를 보여준다.
실시예1 실시예1-1 실시예 2 실시예 2-1 실시예 3 실시예 3-1
성형
방법		 슬립캐스팅 슬립캐스팅 슬립캐스팅 슬립캐스팅 슬립캐스팅 슬립캐스팅
하소
조건		 상압상태 상압상태 상압상태 상압상태 상압상태 상압상태
1000℃/2시간 1000℃/2시간 1000℃/2시간 1000℃/2시간 1000℃/2시간 1000℃/2시간
소결
조건		 진공도: 1×10-3 torr 진공도: 1×10-3 torr 진공도:
1×10-3 torr		 진공도: 1×10-2 torr 진공도: 1×10-3 torr 진공도: 1×10-2 torr
보론 도가니 사용 보론 도가니 미사용 보론 도가니 사용 보론 도가니 사용 보론 도가니 사용 보론 도가니 사용
1740℃/4시간 1740℃/4시간 1740℃/4시간 1740℃/4시간 1740℃/4시간 1740℃/4시간
상대
밀도		 99.42% 98.96% 99.40% 98.61% 99.20% 98.42%
투광도 우수 보통 우수 보통 우수 보통
2. 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 특성 분석
본 발명의 슬립캐스팅 및 소결방법을 통해 제조한 소결체에 대한 특성을 분석하였다. 실험결과 소결온도가 1740℃ 보다 높거나 유지시간이 4시간을 초과하게 되면 소결조제인 MgO의 휘발이 발생하여 알루미나의 과대 입자 성장이 발생하는 것이 확인되었으므로 소결조건은 1740℃, 4시간으로 고정하였다.
본 발명의 소결체에 대한 밀도를 분석한 결과 소결체 모두 이론밀도(3.987g/㎝3)에 근접하는 밀도를 보였으나 진공도와 보론 도가니의 사용 여부에 따라 상대 밀도와 투광도가 상이한 것으로 확인되었다.
종래의 일본산 이소결 알루미나를 사용한 실시예 1의 경우 보론 도가니를 사용하고 진공도 1×10-3 torr의 조건에서 1740℃, 4시간으로 소결시킨 결과 상대밀도가 99.42%이며 투광도가 우수한 것으로 확인되었다. 이에 반하여 종래의 일본산 이소결 알루미나를 사용하되 보론 도가니를 사용하지 않은 실시예 1-1의 경우 실시예 1과 달리 상대밀도가 98.96%로 저하되고 투광도가 보통 수준으로 저하된 것이 확인되었다. 상기 결과는 진공로의 발열체로부터 탄소 미립자가 소결 시 알루미나 표면에 침탄되어 나타난 결과로 판단된다. 따라서 이후 실시예에서는 보론 도가니를 사용하여 소결하였다.
종래의 일본산 이소결 알루미나에 대비하여 순도와 평균입자크기는 유사하나 균질도가 낮아 6.89m2/g의 큰 BET 표면적을 가지므로 이론밀도에 근접한 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조에 사용되는데 한계가 있었던 국내산 이소결 알루미나를 사용한 실시예 2의 경우 보론 도가니를 사용하고 진공도 1×10-3 torr의 조건에서 1740℃, 4시간으로 소결시킨 결과 상대밀도가 99.4%이며 투광도가 우수한 것으로 확인되었다. 이는 실시예 1의 결과와 동일한 것으로 슬립캐스팅 방법으로 고밀도의 성형체를 제조하고 보론 도가니에 넣은 상태로 1×10-3 torr 수준의 진공상태, 1740℃ 및 4시간의 조건으로 소결하게 되면 비표면적이 큰 국내산 이소결 알루미나를 사용하더라도 고품질의 투광성 고밀도 알루미나 소결채를 제조할 수 있다는 것을 보여준다. 진공도를 1×10-2 torr으로 낮춘 실시예 2-1의 경우 상대밀도가 98.61%로 저하되고 투광도가 보통 수준으로 저하된 것이 확인되었다. 상기 결과는 상대적으로 낮은 진공도에서 소결하므로 소결시 기공이 모두 제거되지 않고 잔류하기 때문으로 판단된다.
실시예 1 및 1-1에 사용한 종래의 일본산 이소결 알루미나와 유사한 순도 및 평균입자크기를 가지나 BET 표면적이 실시예 2 및 2-1의 국내산 이소결 알루미나와 유사한 일본산 이소결 알루미나로 소결체를 제조한 결과 실시예 2 및 2-1과 동일하게 진공도를 저하시킨 경우에서 상대 밀도 및 투광도가 저하되는 것이 확인되었다.
상대 밀도가 99% 이상인 실시예의 소결체에 대한 미세구조를 분석하였다. 주사전자현미경을 이용하여 상기 소결체의 파단면을 분석한 결과 내부 기공이 모두 제거되어 매우 치밀한 것으로 확인되었다(도 2 참조).
본 발명의 실시예에 대한 투광성을 분석하였다. 이를 위하여 소결체의 표면을 가공한 후 투명도를 평가하였다(도 3 참조).
분석결과 성형체에 대하여 보론 도가니 내에서 진공도 1×10-3 torr, 1740℃, 및 4시간 동안 소결된 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 경우 투명할 뿐 아니라 하부에 위치한 글씨가 명확히 확인되는 것으로 보아 우수한 투광도를 가지는 것으로 확인되었다. 이에 반하여 진공도 1×10-3 torr 미만의 조건(1×10-2 torr)에서 소결된 실시예 2-1, 및 3-1의 경우 뿌연 상태로 확인되고 하부에 위치한 글씨가 확인은 되나 흐리게 보이는 것으로 보아 보통의 투광도를 가지는 것으로 확인되었다. 상기 결과는 실시예 2, 3의 소결조건보다 진공도가 낮아 기포가 완벽히 제거되지 않았기 때문으로 판단된다.
또한 진공도 1×10-3 torr의 상태에서 1740℃/4시간동안 소결되되 보론 도가니 없이 진공로에 직접 성형체를 투입하여 소결한 실시예1-1의 경우 상기 실시예 2-1, 3-1과 유사하게 뿌연 상태로 확인되고 하부에 위치한 글씨가 확인은 되나 흐리게 보이는 것으로 보아 보통의 투광도를 가지는 것으로 확인되었다. 상기 결과는 진공로의 흑연 발열체로부터 나오는 탄소가 소결 중에 시편에 침탄되어 나타나는 현상으로 판단된다.
정리하면 본 발명의 투광성 고밀도 알루미나 소결체 제조공정에서 소결온도가 상대적으로 낮을 경우, 기공이 완전히 제거되지 못하므로 투광성이 발현되지 않고, 너무 높을 경우는 산화마그네슘(MgO)의 휘발로 인해 알루미나의 과대 입성장을 막지 못하므로 과대해진 입자사이에 잔류기공이 존재하게 되어 투광성이 발현되지 않는 것으로 판단되며 진공도가 낮을 경우 역시 잔류기공이 존재하게 되어 투광성이 발현되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 소결체 입자 내부의 기포를 완전히 제거하기 위해서는 최적의 소결온도와 함께 진공상태에서 소결을 수행하여 기포의 제거를 원활히 하는 것이 바람직하다. 추가적으로 소결시 진공로의 발열체에서 발생하는 탄소물질이 소결체에 침탄되어 투광도를 저하시킬 수 있으므로 이를 방지할 수 있는 별도의 도가니를 사용하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (5)

  1. 포트 밀(Pot mill)에 알루미나 볼, 증류수, 산화마그네슘 및 분산제를 넣고 수분동안 밀링하여 혼합물을 제조한 후 상기 혼합물에 알루미나 원료를 첨가하고 더 밀링하여 알루미나 슬러리를 제조하는 제 1 단계:
    상기 알루미나 슬러리의 pH를 11 내지 12로 조절한 후 상온에서 숙성시켜 알루미나 안정화 슬러리를 제조하는 제 2 단계;
    상기 알루미나 안정화 슬러리를 슬립캐스팅용 석고몰드에 부어 성형 및 건조하여 알루미나 성형체를 제조하는 제 3 단계;
    상기 알루미나 성형체를 900 내지 1100℃에서 100 내지 140분간 소성시켜 알루미나 소성체를 제조하는 제 4 단계;
    상기 알루미나 소성체를 보론 도가니에 넣고 뚜껑을 닫은 후 진공로에 장입하는 제 5 단계;
    상기 진공로를 0.8×10-3 내지 1.2×10-3 torr의 진공도로 진공상태를 형성한 후 1700 내지 1800℃에서 3 내지 5시간동안 진공소결하여 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 6 단계; 및
    상기 고밀도 알루미나 소결체의 표면을 가공하여 투광성 고밀도 알루미나 소결체를 제조하는 제 7 단계;
    를 포함하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미나 원료는 순도가 99% 이상이며; 평균입자크기가 0.4 내지 0.5㎛이며; BET(Brunauer, Emmett, Teller) 표면적은 4.3 내지 6.89m2/g;인 것을 특징으로 하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬립캐스팅용 석고몰드는 바닥에 미세한 구멍이 형성되어 있으며 상기 바닥위에 필터를 설치한 후 상기 알루미나 안정화 슬러리를 부어주되 하부에서 진공상태를 형성하여 수분을 배출시키므로 알루미나 성형체의 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미나 성형체는 밀도가 2.4 내지 2.5g/㎝3인 것을 특징으로 하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 투광성 고밀도 알루미나 소결체는 3.95g/㎝3 내지 3.98g/㎝3를 가지는 것을 특징으로 하는 투광성 고밀도 알루미나 소결체의 제조방법.
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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