KR20040067857A - 세라믹 광학 부품의 제조방법 - Google Patents

세라믹 광학 부품의 제조방법 Download PDF

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KR20040067857A
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 적외선용 또는 자외선용 세라믹 광학 부품의 제조방법에 있어서, 마무리 가공시의 가공 수고비를 절감함으로써 세라믹 광학 부품을 염가에 제조하는 방법을 제공한다.
ZnS나 ZnSe 또는 Ge를 주성분으로 하는 적외선 광학 부품용 세라믹 또는 CaF2나 MgF2등의 자외선 광학 부품용 세라믹의 원료 분말을 성형하여 성형체로 하며, 당해 성형체를 소결하여 소결체로 하며, 당해 소결체를 가열, 가압 처리에 의해 변형시킴으로써 최종 형상의 세라믹 소결체를 수득할 수 있다. 또는, 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시킨 다음, 마무리 가공을 실시한다. 최종 형상이나 최종 형상에 가까운 형상으로 함으로써, 마무리 가공을 생략할 수 있거나 마무리 가공시의 가공 수고비를 절감할 수 있다.

Description

세라믹 광학 부품의 제조방법{Method for producing ceramic optical parts}
적외선 또는 자외선이 가지는 우수한 기능을 이용하는 신규한 고기능 장치의 개발이 진행되고 있다. 예를 들면, 적외선의 센서 기능을 활용하는, 실제 사용 도중에 물체의 표면 온도를 접촉하지 않고도 측정하는 표면 온도계, 지구상의 자원 분포를 상공에서 검지하는 자원 탐사 시스템, 암(暗)시야 중에서 물체를 검지하는 장치, 인체 검지용 센서로서 이를 이용하는 보안 시스템, 가스 분석 장치 등을 들 수 있다. 이와 같이, 고기능 적외선 또는 자외선 이용 장치의 실용화에 따라, 이들 장치에 편입된 광학적인 기능을 하는 부품, 예를 들면, 창문재, 렌즈재 등의 각종 광학 부품에 대하여 높은 실용 기능과 저비용화가 이전부터 증가적으로 요구되고 있다.
종래부터, 창문재나 렌즈재 등의 광학 부품의 제조방법은, 원료 분말을 혼합하여 소정의 형상으로 성형한 다음, 소결하여 소결체로 하며, 다시 목적한 형상으로 마무리 가공한다는 것이다.
이러한 마무리 가공은 연삭이나 연마라는 기계 가공에 의해 실시되지만, 통상적으로는 세라믹 소결체로부터 절삭하여 실시되므로, 마무리 가공의 비용이 대단히 높아지고 있다. 특히, 비구면 렌즈와 같은 형상을 수득하는 경우에는 초정밀 선반 등에 의한 초정밀 가공이 필요하므로 가공비가 높은 동시에, 통상적인 원주체로부터 절삭하므로 소결체 소재의 버리는 비율이 대단히 커지며, 버리는 소결체 소재의 비용도 높아지며, 그 결과, 최종 형상의 광학 부품은 대단히 비싼 것으로 되고 있다.
또한, 일본 특허공보 제(소)41-412호에는 성형이나 소결시에 사용되는 금형을 최종 형상으로 한 것을 사용하여 ZnS 분말을 진공 중이나 불활성 가스 중에서 성형하여 밀도가 99% 이상인 광학 소자를 형성하는 방법이 기재되어 있지만, 몰드를 교환하는 것이 필요하며, 생산성이 나쁘다는 것 외에, 결합제를 사용하지 않은 성형체는 강도가 낮으므로, 몰드 교환이나 반송시에 깨어지거나 으스러지기 쉬우며, 수율이 나쁘다는 문제가 있다. 또한, 가열과 가압을 동시에 실시하면 원료 중의 불순물이 빠지기 어려운 경우가 있으므로, 불순물이 많은 원료를 사용하면 투과율이 나쁜 것 밖에 수득할 수 없다는 문제도 있다. 또한, 불순물을 제거하고자 하면 가열시간을 길게 하지 않으면 안되므로, 생산성이 저하된다는 문제도 있다.
본 발명의 목적은 적외선 또는 자외선용 광학 부품에 관해 상기와 같은 문제점을 해소하여, 적외선 또는 자외선의 투과율이 양호한 창문재나 렌즈 등의 적외선 또는 자외선 광학 부품을 염가로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 마무리 가공을 하지 않거나 수고비를 적게 할 수 있으며, 적외선 또는 자외선의 투과율이 양호한 치밀한 세라믹 광학 부품을 염가에 수득할 수 있다.
종래부터, 적외선 광학 부품이나 자외선 광학 부품용 재료는 소결 후에 변형시키는 것이 곤란하다고 생각되고 있다. 본 발명자 등은 재료를 미리 어느 정도 기공이 잔류할 때까지 소결하고, 가압·가열 프레스를 사용하며, 소결체에 포함된 기공을 이용하여 변형 추종성을 발현시키며, 또한 이의 변형량에 따른 최적의 기공 직경 및 기공률을 선택하여 가열 온도, 가압 속도 및 가압 압력을 최적화함으로써, 적외선 광학 부품이나 자외선 광학 부품 재료를 최종 형상으로까지 변형시킬 수 있으며, 치밀한 소결체로 되므로 적외선 또는 자외선의 투과율이 양호하며, 기계 강도가 우수한 소결체를 수득할 수 있음을 발견했다.
발명의 개시
본 발명은 세라믹 원료 분말을 성형하여 성형체로 하는 성형 공정, 당해 성형체를 소결하여 소결체로 하는 소결 공정 및 당해 소결체를 최종 형상으로 변형시키는 변형 공정을 구비한다. 최종 형상으로까지 변형시키므로, 종래부터 실시되고 있는 마무리 가공이 불필요해지므로, 재료비와 가공비를 대폭적으로 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 세라믹 원료 분말을 성형하여 성형체로 하는 성형 공정, 당해 성형체를 소결하여 소결체로 하는 소결 공정, 당해 소결체를 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시키는 변형 공정 및 최종 형상으로 마무리 가공하는 마무리 가공공정을 구비한다. 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시키므로, 최종 형상으로 하기 위한 마무리 가공의 수고비가 대폭적으로 감소되므로, 재료비 및 가공비를 대폭적으로 절감할 수 있다. 상기 변형에는 가압·가열 프레스를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 위에서 기재한 바와 같이, 분말을 성형한 다음, 소결체로 하며, 이후에 당해 소결체를 변형시키므로, 소결 공정에서 불순물 농도를 저하시킬 수 있으며, 불순물이 많은 염가의 원료를 사용할 수 있다. 또한, 미리 소결시키므로 취급이 용이하며, 또한 변형에 필요한 시간이 짧아지므로 수율이나 생산성을 향상시킬 수 있다.
소결 공정에서의 소결체의 상대 밀도는 50 내지 99%가 바람직하며, 55 내지 80%가 보다 바람직하다. 최종 형상으로 변형시키는 공정에서는 가열과 가압을 실시하지만, 먼저 가열하고 재료 융점이 30% 이상인 온도로 되고 나서 가압하는 것이 바람직하다.
변형 공정에서의 압력은 1 내지 300MPa인 것이 바람직하다. 또한, 변형 공정에서의 최종 도달 온도는 세라믹 광학 부품 재료의 융점의 30% 이상, 융점 또는 승화점 이하가 바람직하며, 융점의 35% 이상, 융점 또는 승화점의 95% 이하가 보다 바람직하다. 융점의 30% 미만의 온도에서는, 변형 중에 균열이 발생하는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 융점의 35% 미만의 온도에서는, 변형 속도가 극단적으로 느려지므로 경제적이지 않다. 또한, 융점이나 승화점을 초과하면 소재의 용융이나 승화가 시작되므로 바람직하지 않다. 또한, 융점 또는 승화점의 95%의 온도를 초과하면 입자 성장이 일어나므로 기계적 강도가 약화된다.
변형 공정에서의 변형 속도는 O.1 내지 10mm/분인 것이 바람직하다. 또한, 압력의 증가 속도에서는 15kPa/초 내지 1MPa/초인 것이 바람직하다.
본 발명은 적외선 또는 자외선을 투과시키는 광학 부품에 관한 것이며, 적외선 또는 자외선 광학 부품의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 최종 형상의 일례를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 최종 형상의 다른 일례를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 도 2의 형상을 수득한 경우의 성형체의 형상의 일례를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 최종 형상의 다른 일례를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 최종 형상의 다른 일례를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 최종 형상의 다른 일례를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 도 5의 형상을 수득한 경우의 성형체의 형상의 일례를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 도 5의 형상을 수득한 경우의 성형체의 형상의 다른 일례를 나타낸 것이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에서의 세라믹은 적외선의 직선 투과율이 높은 세라믹, 예를 들면,황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 플루오르화바륨(BaF2) 및 갈륨비소(GaAs)를 주성분으로 하는 세라믹과, 규소(Si) 및 게르마늄(Ge)의 다결정체를 사용할 수 있다. 이들 중에서, 염가이며 투과 특성이 우수한 ZnS를 주성분으로 한 것이나 ZnSe 또는 Ge가 바람직하다. 또한, 염가이며 투과 특성이 우수하고, 실용적인 내환경성이나 강도에 있어 ZnS가 바람직하다.
또한, 세라믹은 필요에 따라 파장 3㎛ 이하의 빛을 차폐하도록 하는 첨가제를 함유할 수 있다. 첨가제로는, 철, 코발트, 은, 산화철, 카본 블랙, 흑연, 다이아몬드, 티타늄 블랙, 구리, 니켈, 크롬, 금, 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 실리콘 및 게르마늄으로부터 선택된 1종류 이상의 원소 또는 이들의 화합물이 바람직하다.
또한, 자외선의 직선 투과율이 높은 세라믹, 예를 들면, 플루오르화칼슘(CaF2), 플루오르화마그네슘(MgF2), 플루오르화리튬(LiF), 산화지르코늄(ZrO2), 스피넬(MgAl2O4), 석영(SiO2)의 다결정체를 사용할 수 있다.
본 발명의 광학 부품의 제조방법은, 우선 주성분 원료 분말에, 필요에 따라, 위와 같은 첨가제 분말을 혼합하여 소정의 형상으로 성형한 다음, 소결하여 소결체로 하며, 다시 최종 형상으로 변형시키는 공정을 구비한다. 또한, 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시킨 다음, 마무리 가공을 실시할 수 있다.
세라믹 분말을 성형한 다음, 각각의 세라믹 주성분에 적합한 적정 조건에서 소결한다. 단, 치밀한 소결체로 하면 이후의 변형 공정에서 변형 추종성이 악화되므로, 소결체의 상대 밀도는 50 내지 99%로 하는 것이 바람직하다. 소결체의 상대밀도를 이러한 범위로 함으로써 소결체 속의 기공을 이용하여 변형 추종성을 발현시킬 수 있다. 상대 밀도는 55 내지 80%가 보다 바람직하다. 50% 미만인 경우, 변형체가 치밀해지기 어려우며, 55% 미만에서는 변형체의 강도가 낮아진다. 또한, 99%를 초과하면 변형 추종성이 극단적으로 나빠지며, 80%를 초과하면 변형 속도가 느려진다.
또한, 그 과정에서는 불순물의 혼입을 될 수 있는 한, 피하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 혼합된 분말의 충전성을 높이기 위해 실시하는 제립이나 성형체의 제조는, 건식으로 유기질의 결합제가 필요하지 않은 방법으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들면, 성형은 정수(靜水)압 성형이나 1축 방향의 금형 프레스 성형으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 소결시의 컨테이너나 가열 분위기에도 세라믹을 변질시키지 않도록 배려하는 것이 바람직하다.
소결은 상압하에서의 소결일 수 있으며, 또한 몰드 내에서 고온 가압이나 열간 정수압 성형(HIP)과 같은 가압 소결법일 수 있다. 또한, 상압 소결에서는 치밀질 소결체를 수득하는 것은 곤란하지만, 본 발명의 방법에 따르면 최종적으로 치밀질 소결체를 수득할 수 있으므로 소결비용의 삭감에도 연결된다.
위와 같이 하여 수득되는 소결체를 목적한 광학 부품의 최종 형상으로 변형시킨다. 또는, 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시켜 마무리 가공을 한다. 예를 들면, 적외선 센서에 사용되는 도 1과 같은 프레넬 렌즈 형상의 경우에는 소결시 몰드를 소정 직경의 원형으로 하여 원판형의 소결체를 수득한 다음, 프레넬 렌즈 형상을 전사한 형상의 몰드에 소결체를 설치하여 온도를 상승시킨 다음, 가압하여소결체를 몰드에 첨가하도록 변형시킴으로써 프레넬 렌즈 형상을 수득할 수 있다. 또한, 외주부를 기계 가공에 의해 마무리 가공할 수 있다.
또한, 도 2와 같은 볼록 렌즈의 경우에는 볼록 렌즈 형상에 가까운 도 3과 같은 형상의 소결체를 수득한 다음, 볼록 렌즈 형상이 전사된 형상의 몰드를 사용하여 변형시킴으로써 볼록 렌즈 형상을 수득할 수 있다. 또한, 필요하면, 구면 연마 가공기나 초정밀 선반 등을 사용하여 마무리 가공한다. 또한, 원판 형상의 소결체를 수득한 다음, 도 2와 같은 형상으로 변형시킬 수 있다.
소결체를 변형시키기 위해서는, 가열과 가압이 필요하다. 가압, 가열 분위기는 진공 중이나 불활성 가스 중이 바람직하다. 변형시키기 위한 가열 온도는 재료 융점의 30% 이상, 융점 또는 승화점 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 융점의 35% 이상, 융점 또는 승화점의 95% 이하이다. 예를 들면, ZnS를 주성분으로 하는 세라믹의 경우에는 550 내지 1200℃ 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 650 내지 1100℃이다. 550℃ 미만에서는, 변형 중에 균열이 발생하는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 650℃ 미만에서는, 변형 속도가 극단적으로 느려지며 경제적이지 않다. 또한, 1200℃를 초과하면, 소결체의 승화가 발생되므로 바람직하지 않다. 110O℃를 초과하면, ZnS의 입자 성장에 의해 기계적 강도가 약화된다.
또한, 가압 압력은 1 내지 300MPa 범위가 바람직하다. 1MPa보다 낮은 압력의 경우에는 치밀질 소결체를 수득하는 것이 곤란해진다. 또한, 300MPa를 초과하면, 사용되는 몰드의 재질에 따라서는 몰드가 파손되는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 바람직하게는, 20 내지 200MPa이다. 20MPa 미만에서는, 변형 속도가 극단적으로 느려지므로 경제적이지 않다. 200MPa를 초과하면, 소결체가 파손될 가능성이 있다. 변형 온도에 도달한 후에 가압을 개시할 수 있지만, 승온 도중에 가압을 개시할 수 있다. 승온 도중에 가압을 개시하는 경우, ZnS이면 550℃ 이상의 온도에 도달한 후가 소결체에 균열이 들어가지 않으므로 바람직하다.
또한, 가압 속도가 중요하다. 즉, 가압 속도는, 예를 들면, 상부 공이를 하강시켜 가압하는 경우, 상부 공이의 하강속도로 O.1 내지 10mm/분의 범위가 바람직하다. O.1mm/분보다 느린 속도에서는 변형에 필요한 시간이 걸리므로 경제적이지 않다. 또한, 10mm/분을 초과하면 변형 중에 소결체가 파손되는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 0.2 내지 5mm/분의 속도이다. 0.2mm/분 미만의 속도에서는 변형 중에 입자가 성장하여 기계적 강도가 약화된다. 또한, 5mm/분을 초과하면 기공이 잔류되기 쉬워서 치밀화되기 어렵다.
또한, 가압 속도는 압력의 증가 속도로 규정할 수 있다. 이 경우, 15kPa/초 내지 1MPa/초 이하의 속도가 바람직하다. 이러한 가압 속도의 범위로 가압하여 최종 도달 압력까지 가압한다. 보다 바람직하게는, 30 내지 700kPa/초이다. 15kPa 미만의 속도에서는 변형에 필요한 시간이 걸리므로 경제적이지 않다. 또한, 1MPa/초를 초과하면 변형 중에 소결체가 파손되는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 30kPa/초 미만의 속도에서는 변형 중에 입자가 성장하여 기계적 강도가 약화된다. 또한, 700kPa/초를 초과하면 기공이 잔류되기 쉬워서 값싸게 치밀화되기 어렵다.
변형에 사용되는 몰드의 재질은 유리상 카본, 흑연, 초경 합금 또는 SiC나B4C, Si3N4, cBN, 다이아몬드 등의 고온 강도에 우수한 세라믹 등을 사용할 수 있다. 또한, 이형성을 향상시킬 목적으로 다이아몬드상 카본(DLC)이나 질화 크롬(CrN) 또는 Pt, IrTiN 등을 코팅할 수 있다.
실시예 1
세라믹 소재로서, ZnS를 주성분으로 하는 세라믹으로 이루어진 소재를 조제한다. 주성분의 원료로 되는 분말로서 ZnS로 이루어지고 이의 평균 입자직경이 1㎛이고 순도가 99.7%인 것을 준비한다. 또한, 첨가제로서, 평균 입자직경이 2㎛이고 순도가 98.2% 이상인 철 분말, 평균 입자직경이 1㎛이고 순도가 99.9% 이상인 코발트 분말 및 평균 입자직경이 O.5㎛이고 순도가 99.7% 이상인 Fe3O4분말을 준비한다. 당해 ZnS 분말에 철 분말 0.2중량%, 코발트 분말 0.2중량% 및 Fe3O4분말 0.01중량%를 배합하여 건식으로 20시간 동안 볼밀 혼합한다.
이어서, 혼합된 분말을 고무 몰드에서 진동을 가하면서 충전시킨 다음, 고무 뚜껑을 덮고 진공 탈기하면서 밀봉한다. 이어서, 정수압 성형 장치 내에 투입시켜, 압력 98MPa에서 도 7의 형상으로 정수압 성형한다. 성형체의 상대 밀도는 50 내지 55%이다.
이어서, 당해 성형체를 통상적인 진공로를 사용하여, 600℃의 온도에서 5시간 동안 소결한다. 소결체의 상대 밀도는 60 내지 70%이며, 치밀화는 되어 있지 않다. 또한, 가압과 가열이 가능한 프레스에, 도 5의 형상이 전사된 형상의 유리상 카본제 몰드를 설치하여, 수득된 소결체를 몰드 내에 설치한다. 그리고, 우선, 몰드 전체를 진공 흡인한 다음, 표 1에 기재된 변형 온도에서 가열한다. 각 온도에 도달한 다음, 0.4mm/분의 속도로 가압함으로써 소결체를 서서히 변형시켜, 최종적으로 34MPa(350kg/cm2)의 압력을 걸어 카본제 몰드의 형상에 첨가하는 동시에 치밀화시켜서 5분 동안 유지한다. 변형 온도로 유지한 시간은 총 13분이다. 서압(徐壓), 강온 후에 인출한 바, 각 소결체는 도 5의 형상으로 되어 있다. 또한, 깨어지거나 균열은 존재하지 않는다. 소결체의 표면 조도(粗度)를 접촉식 표면 조도계로, 수중법에 의한 상대 밀도, 적외선 분광광도계로 파장 10㎛에 설치한 투과율, 소결체 중량과 변형 후 중량과의 차이로부터의 중량 감소율, JIS R1601에 준거하여 4점 굴곡 강도를 측정한다. 이들 결과를 합쳐서 표 1에 기재한다.
번호 변형 온도(℃) 표면 조도(Ra) 상대 밀도(%) 투과율(%) 중량 감소율(%) 강도(MPa)
1 500 0.3 70.0 40 0.05 70
2 800 0.027 98.6 60 0.1 90
3 900 0.01 99.2 70 0.2 95
4 950 0.008 99.5 75 0.5 93
5 975 0.005 99.8 75 1.0 90
6 1000 0.006 99.5 70 1.0 87
7 1150 0.01 99.0 50 3.0 70
8 1250 0.5 60.0 30 30 65
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상압 소결 후, 550 내지 1200℃의 온도 범위로 가열하여 가압함으로써 몰드 형상에 첨가하도록 변형시키는 동시에 치밀화를 도모할 수 있다. 그 결과, 상압 소결 그대로는 파장 10㎛에서의 투과율이 50% 미만인 것이, 본 발명에 따르면, 60% 이상으로 향상될 수 있다. 또한, 변형 후의소결체의 표면 조도는, 상대 밀도가 99% 이상으로 치밀화되면, 사용된 몰드의 표면 조도와 거의 동일해진다. 따라서, 사용되는 몰드의 표면 조도를 조정하면, 연마 등의 마무리 가공을 생략할 수 있다. 또한, 1200℃를 초과하는 온도에서는, 중량 감소율이 30%이고 ZnS의 승화가 일어남을 알 수 있다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 분말을 사용하여, 실시예 1과 동일하게 성형하며, 소결시킨다. 실시예 1에서 사용된 몰드를 사용하여 변형시킨다. 이때, 표 2에 기재된 온도로 될 때에 5mm/분의 속도로 상부 공이를 하강시켜 57MPa의 압력까지 가압시킨다. 57MPa로 가압시킨 상태에서 계속 가열하며 최종적으로 900℃까지 가열한다. 몰드 형상에 첨가하는 동시에 치밀화시켜서, 스트로크가 진행되지 않게 되고나서 5분 동안 유지한다. 그 결과, 500℃에서 가압한 것은 깨어진다. 500℃ 이상의 온도로 가압한 것은 깨어지지 않는다. 깨어지지 않은 것에 대해서 가압한 후의 변형 속도를 표 2에 기재한다. 또한, 실시예 1과 동일하게, 상대 밀도, 투과율, 중량 감소율, 4점 굴곡 강도를 측정한 결과를 합쳐서 표 2에 기재한다.
번호 온도(℃) 변형 속도(mm/분) 상대 밀도(%) 투과율(%) 중량 감소율(%) 강도(MPa)
9 500 - - - - -
10 600 0.15 99.5 72 0.1 95
11 700 0.7 99.8 75 0.1 95
12 800 0.7 99.8 75 0.1 95
실시예 3
실시예 2와 동일하게 하여, 성형, 소결 및 변형시킨다. 단, 표 3에 기재된 온도로 될 때에 5mm/분의 속도로 34MPa의 압력까지 가압시킨다. 34MPa로 가압시킨 상태에서 계속 가열하며, 최종적으로 1000℃까지 가열한 다음, 실시예 2와 동일하게 5분 동안 유지한다. 그 결과, 500℃에서 가압한 것은 깨어진다. 500℃ 이상의 온도에서 가압한 것은 깨어지지 않는다. 깨어지지 않은 것에 대해서 가압한 후의 변형 속도를 표 3에 기재한다. 또한, 실시예 1과 동일하게, 상대 밀도, 투과율, 중량 감소율, 4점 굴곡 강도를 측정한 결과를 합쳐서 표 3에 기재한다.
번호 온도(℃) 변형 속도(mm/분) 상대 밀도(%) 투과율(%) 중량 감소율(%) 강도(MPa)
13 500 - - - - -
14 600 0.1 99.4 70 0.1 95
15 700 0.4 99.7 75 0.1 95
16 800 0.4 99.7 75 0.1 95
표 2와 표 3의 결과로부터, 550℃ 이상의 온도로부터 가압을 실시하면, 깨어지는 등이 없으며 양호하게 변형시킬 수 있지만, 600℃에서는 변형 속도가 극단적으로 느려지며 생산성이 양호하지 않음을 알 수 있다. 또한, 가압 압력이 높은 경우에 변형 속도가 빨라지므로, 생산성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예 1의 6번과 실시예 3의 16번을 비교하면, 16번의 1000℃에서의 유지 시간은 5분이며, 변형의 최종 온도가 동일한 1000℃에서도 승온 도중에 가압함으로써 최종 온도에서 유지시간이 짧아지며, 생산성이 보다 향상되는 동시에 변형 후의 상대 밀도나 투과율이 높으며, 기계적 강도도 우수한 세라믹 광학 부품을 수득할 수 있음을 알았다.
실시예 4
원료 분말로서, 순도가 97%이며 평균 입자직경이 2㎛인 ZnS 분말을 준비하여, 1축식 금형 프레스 성형에 의해 도 3의 형상으로 성형한다. 당해 성형체를 표 4에 기재된 온도, 시간 조건으로 통상적인 진공로를 사용하여 소결한다. 소결 후의 상대 밀도를 표 4에 합쳐서 기재한다.
수득된 소결체를 도 2의 형상이 전사된 형상의 초경제 몰드에 설치하여, 표 4에 기재된 변형 온도 조건으로 가열 및 가압한다. 또한, 가열은 실시예 1과 동일하게 하며, 가압은 0.3mm/분의 속도로 상부 공이를 하강시킴으로써 실시하여, 소결체를 변형시키고, 최고 압력(34MPa)에 도달한 후, 30분 동안 유지한다. 그 결과, 어느 조건에서도 도 2의 형상의 소결체를 수득할 수 있다. 변형 후의 소결체의 불순물 농도, 실시예 1과 동일하게 하여 측정한 중량 감소율 및 파장 10㎛에서의 투과율과 상대 밀도를 표 5에 기재한다.
번호 소결 소결체 상대 밀도(%) 변형 온도(℃)
온도(℃) 시간(시)
17 300 3 50% 미만 900
18 400 8 50 내지 60 900
19 500 5 50 내지 60 900
20 600 5 60 내지 70 900
21 800 3 60 내지 70 900
22 900 10 70 내지 80 950
23 950 9 70 내지 80 1000
24 1000 15 80 내지 90 1100
25 1100 10 80 내지 90 1150
26 1250 10 50% 미만 1250
번호 불순물 농도(중량%) 중량 감소율(%) 투과율(%) 상대 밀도(%)
17 ＞3 0.0 40 99.5
18 1.0 0.1 60 99.5
19 0.1 0.5 70 99.7
20 0.05 1.0 75 99.9
21 0.03 2.0 75 99.9
22 0.02 3.0 75 99.7
23 0.02 4.0 72 99.5
24 0.01 5.0 65 99.2
25 0.01 8.0 60 99.0
26 0.01 30.0 30 60.0
표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 300℃에서 소결하면 불순물이 많이 잔존된다. 이것은 ZnS의 주된 불순물인 SOx의 해리가 진행되지 않기 때문이라고 생각된다. 1250℃에서 소결하면, 승화에 의한 중량 감소율이 30%로서 커진다. 500℃에서 1000℃로 소결하며, 900℃에서 1100℃로 변형시킨 것은 투과율이 60% 이상이며, 실용적인 투과 특성을 기재한 것을 알 수 있다.
실시예 5
원료 분말로서, 순도가 99.9%이며 평균 입자직경이 1.2㎛인 ZnS 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 하여 원판 형상으로 성형한다. 당해 성형체를 800℃에서 3시간 동안 진공로를 사용하여 소결한다. 수득된 소결체의 상대 밀도는 60 내지 70%이다. 이러한 소결체를 도 5의 형상이 전사된 형상의 SiC제 몰드에 설치하여, 최종 900℃까지 승온시키는 도중에 700℃에서 표 6에 기재된 압력으로 가압한다. 변형 후의 상대 밀도와 변형시의 변형 속도를 합쳐서 표 6에 기재한다.
번호 압력(MPa) 상대 밀도(%) 변형 속도(mm/분) 비고
27 500 - - 몰드 파손
28 300 - - 소결체 균열
29 200 99.9 0.7
30 120 99.9 0.7
31 80 99.8 0.7
32 35 99.7 0.4
33 20 99.5 0.4
34 1 95.0 0.1
35 0.5 80.0 0.08
표 6에서, 압력이 200MPa를 초과하면, 소결체에 균열이 생기거나 SiC제 몰드가 파손되는 불량이 발생한다. 200MPa 이하의 압력에서는 모두 양호한 변형을 하지만, 20MPa 미만에서는 변형 속도가 극단적으로 느려지며 생산성이 나빠진다. 또한, 1MPa 미만에서는 치밀한 소결체를 수득할 수 없다.
실시예 6
원료 분말로서, 순도가 99.9%이며 평균 입자직경이 1.2㎛인 ZnS 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 하여 도 8의 형상으로 성형한다. 당해 성형체를 800℃에서 3시간 동안 진공로를 사용하여 소결한다. 수득된 소결체의 상대 밀도는 60 내지 70%이다. 이러한 소결체를 도 5의 형상이 전사된 형상의 SiC제 몰드에 설치한다. 1000℃까지 승온시키는 도중에 750℃에서 표 7에 기재된 변형 속도로 가압한 결과, 모두 60MPa까지 가압한 시점에서 변형이 정지되므로, 그 시점에서 1분 동안 유지한 다음, 서압, 강온하여 변형체를 인출한다. 실시예 1과 동일하게 상대 밀도와 기계적 강도를 측정한 결과를 표 7에 기재한다.
번호 변형 속도(mm/분) 상대 밀도(%) 강도(MPa)
36 20 - -
37 10 90.0 90
38 5 99.0 93
39 2.5 99.5 95
40 1.5 99.7 95
41 0.5 99.8 95
42 0.2 99.9 93
43 0.1 99.9 87
44 0.05 99.9 70
변형 속도가 20mm/분에서는, 변형 중에 소결체에 균열이 생긴다. 20mm/분보다 느린 속도에서는, 균열은 생기지 않는다. 10mm/분에서는, 변형 후에 기공이 잔존하고 있으며, 치밀한 소결체를 수득할 수 없다. O.1mm/분 이하의 느린 속도에서는, 입자 성장이 일어나며, 기계적 강도가 저하된다.
실시예 7
원료 분말로서, 순도가 99.9%이며 평균 입자직경이 1.2㎛인 ZnS 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 하여 원판 형상으로 성형한다. 당해 성형체를 900℃에서 9시간 동안 진공로를 사용하여 소결한다. 수득된 소결체의 상대 밀도는 70%이다. 이러한 소결체를 도 1의 형상이 전사된 형상의 Si3N4제 몰드에 설치한다. 950℃까지 승온시키는 도중에 700℃에서 표 8에 기재된 변형 속도로 가압한 결과, 모두 60MPa까지 가압한 시점에서 변형이 정지되므로, 그 시점에서 10분 동안 유지한 다음, 서압, 강온하여 변형체를 인출한다. 실시예 1과 동일하게 상대 밀도와 기계적 강도를 측정한 결과를 표 8에 기재한다.
번호 변형 속도(kPa/초) 상대 밀도(%) 강도(MPa)
45 3000 - -
46 1000 90.0 90
47 700 99.0 93
48 490 99.9 95
49 260 99.9 95
50 144 99.7 95
51 50 99.4 95
52 30 99.5 93
53 15 99.5 87
54 6 99.5 70
변형 속도가 3000kPa/초에서는, 변형 중에 소결체에 균열이 생긴다. 3000kPa/초보다 느린 속도에서는, 균열은 생기지 않는다. 10OOkPa/초에서는, 변형 후에 기공이 잔존하고 있으며, 충분하게 치밀한 소결체를 수득할 수 없다. 15kPa/초 이하의 느린 속도에서는, 입자 성장이 일어나며 기계적 강도가 저하된다.
실시예 8
원료 분말로서, 순도가 99.8%이며 평균 입자직경이 1.2㎛인 ZnS 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 하여 원판 형상으로 성형한다. 당해 성형체를 흑연제이며 상하 펀치 부착 1축 가압 방식의 몰드 속에 설치하며, 0.15Pa의 진공 분위기 속에서 승온시켜 950℃에서 40MPa의 압력을 가하면서 30분 동안 소결한다. 수득된 소결체의 상대 밀도는 99%이다.
수득된 소결체를 도 4의 형상이 전사된 형상의 흑연제 몰드에 설치하며, 실시예 1과 동일하게 가열 및 가압한다. 또한, 변형 온도는 1000℃로 한다. 그 결과, 도 4의 형상의 소결체를 수득할 수 있다.
실시예 9
원료 분말로서, 순도가 99.99% 이상이며 평균 입자직경이 1㎛인 ZnSe 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 성형한다. 이어서, 당해 성형체를 흑연제이며 상하 펀치 부착 1축 가압 방식의 몰드 속에 배치하고, 0.15Pa의 진공 분위기 속에서 승온시킨다. 이어서, 동일한 분위기 속에서 950℃로 유지한 다음, 상부 펀치에 의해 40MPa의 압력을 가하면서 30분 동안 고온 가압 소결한다. 수득된 소결체의 상대 밀도는 99%이다.
수득된 소결체를 도 5의 형상이 전사된 형상의 흑연제 몰드를 사용하여, 실시예 1과 동일한 가열(온도 1000℃), 가압 조건에서 변형시킨 바, 도 5의 형상의 ZnSe를 주성분으로 하는 소결체를 수득할 수 있다.
실시예 10
원료 분말로서, 순도가 99.99% 이상이며 평균 입자직경이 2㎛인 Ge 분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 하여 원판 형상으로 성형한다. 이어서, 이러한 성형체를 흑연제이며 상하 펀치 부착 1축 가압 방식의 몰드 속에 배치하고, 0.15Pa의 진공 분위기 속에서 승온시킨다. 이어서, 동일한 분위기 속에서 550℃로 유지한 다음, 상부 펀치에 의해 40MPa의 압력을 가하면서 30분 동안 고온 가압 소결한다.
수득된 소결체를 도 6의 형상이 전사된 형상의 흑연제 몰드를 사용하여, 가열 온도를 850℃로 하는 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 가열 및 가압하여 변형시킨 바, 도 6의 형상의 Ge 소결체를 수득할 수 있다.
실시예 11
원료 분말로서, 순도가 99.5%이며 평균 입자직경이 40㎛인 CaF2분말을 준비하여, 실시예 1과 동일하게 원판 형상으로 성형한다. 이어서, 이러한 성형체를 진공로를 사용하여 500℃에서 5시간 동안 소결한다. 수득된 소결체를 도 1의 형상이 전사된 형상의 SiC제 몰드에 설치하고, 0.15Pa의 진공 속에서 1250℃까지 승온하여 5분 동안 유지한 다음, 20kPa/초의 속도로 가압함으로써 소결체를 변형시켜, 최종적으로 35MPa까지 가압하여 60분 동안 유지한다. 그 결과, 도 1의 형상의 소결체를 수득할 수 있다. 변형 후의 상대 밀도는 99.9%이다. 파장 10㎛에서의 투과율은 85%이며, 자외선 영역인 파장 400nm에서의 투과율은 50%이다.
본 발명의 세라믹 광학 부품의 제조방법에 따르면, 세라믹 소결체를 최종 형상으로 변형시키는 동시에 치밀화시킬 수 있으므로, 투과율이 우수한 창문재나 렌즈 등의 적외선 광학 부품이나 자외선 광학 부품을 염가에 제조할 수 있다. 또한, 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시킨 다음, 마무리 가공을 실시하므로, 재료비나 가공비를 종래 방법보다 대폭적으로 절감할 수 있다. 따라서, 적외선이나 자외선을 이용하는 고기능 장치에 사용되는 창문재나 렌즈재 등의 광학 부품을 염가에 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 세라믹 원료 분말을 성형하여 성형체로 하는 성형 공정,
    당해 성형체를 소결하여 소결체로 하는 소결 공정 및
    당해 소결체를 최종 형상으로 변형시키는 변형 공정을 구비한, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  2. 세라믹 원료 분말을 성형하여 성형체로 하는 성형 공정,
    당해 성형체를 소결하여 소결체로 하는 소결 공정,
    당해 소결체를 최종 형상에 가까운 형상으로 변형시키는 변형 공정 및
    최종 형상으로 마무리 가공하는 마무리 가공 공정을 구비한, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형 공정이 가압·가열 프레스를 사용함을 특징으로 하는, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형 공정에서의 압력이 1 내지 300MPa임을 특징으로 하는, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형 공정에서의 온도가 세라믹 광학 부품 재료의 융점의 30% 이상, 당해 재료의 융점 또는 승화점 이하임을 특징으로 하는, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형 공정에서의 변형 속도가 0.1 내지 10mm/분임을 특징으로 하는, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형 공정에서의 변형 속도가 15kPa/초 내지 1MPa/초임을 특징으로 하는, 세라믹 광학 부품의 제조방법.
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