KR20180022172A - Method for preparing easy sintering alumina which can be sintered at low temperature - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저온 소결이 가능한 이소결성 알루미나의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 소결되어 이론값의 99% 이상의 소결밀도를 갖는 소결체를 제공할 수 있는 이소결성 알루미나의 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method for producing a sintered body which is sintered at a low temperature to provide a sintered body having a sintered density of 99% or more of the theoretical value .
알루미나(Al2O3), 특히 알파-알루미나는 높은 내열성과 내화학성, 내식성, 고강도 등과 같은 우수한 물성을 가져 집적회로(IC) 기판, LCD 또는 PDP용 부품 등의 전자세라믹스용, 분쇄장치, 성형·가공기계 등의 기계 및 구조세라믹스용, 충진재, 촉매 및 촉매 담체 등의 에너지 및 환경세라믹스용, 인공치골, 인공관절 등의 생체세라믹스용 등의 용도로 광범위하게 사용되고 있다. Alumina (Al 2 O 3 ), especially alpha-alumina, has excellent properties such as high heat resistance, chemical resistance, corrosion resistance, and high strength and is used for electronic ceramics such as IC substrate, LCD or PDP parts, · It is widely used for machines and structural ceramics such as processing machines, for energy such as fillers, catalysts and catalyst carriers, for environmental ceramics, for artificial pubis, and for bioceramics such as artificial joints.
초미립(즉, 서브 마이크론 크기)의 알루미나 분말은 졸-겔(Sol-Gel)법 또는 기상 열분해법과 같은 제조 공정에 의해 제조되거나, 보오크사이트 광물을 원료로 하여 바이어법(Bayer Process)을 통하여 제조되고 있다. 구체적으로, 바이어법을 통해 알루미나를 제조하는 방법에 따르면, 보오크사이트를 수산화나트륨 용액에 용해시켜 모액을 만들고, 이 모액에 수산화알루미늄 시드(seed)를 첨가하여 50 내지 100㎛의 수산화알루미늄을 제조한 후, 이를 1,200℃ 이상의 고온에서 알파-알루미나로 상전이시키고 이를 분쇄하여 1.0㎛ 이하의 초미립 알루미나를 제조한다(대한민국 공개번호 제10-2007-0013213호, 대한민국 공개번호 제10-2009-0094128호 및 일본 특허 평8-292914호).The alumina powder of ultrafine (that is, submicron size) may be produced by a manufacturing process such as sol-gel method or gas phase pyrolysis method, or by using a bauxite mineral as a raw material through a Bayer process . Specifically, according to the method for producing alumina through the via method, a mother liquor is prepared by dissolving boric acid in a sodium hydroxide solution, and an aluminum hydroxide seed is added to the mother liquor to produce aluminum hydroxide of 50 to 100 μm Then, it is phase-transformed into α-alumina at a high temperature of 1,200 ° C. or higher and pulverized to prepare ultrafine alumina of 1.0 μm or less (Korean National Publication No. 10-2007-0013213, Korean Publication No. 10-2009-0094128 And Japanese Patent Publication No. 8-292914).
하지만, 바이어법에 의해 제조된, 1.0㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 사용하여 이론값의 99% 이상의 소결밀도를 갖는 소결체를 제조하기 위해서는 1,620 내지 1,650℃의 고온에서 소결을 수행하여야 하므로, 고온용 로(furnace)가 필요할 뿐만 아니라 온도 상승에 따른 많은 에너지가 필요하고, 냉각 시간이 오래 걸려 제조 원가가 높아진다는 단점이 있다. 나아가, 고온 소결시 세라믹 소결체의 깨짐 및 변형이 발생할 수도 있다. However, in order to produce a sintered body manufactured by the Vier method having a sintered density of 99% or more of the theoretical value using alumina having an average particle size of 1.0 μm or less, sintering must be performed at a high temperature of 1,620 to 1,650 ° C., Not only requires a furnace but also requires a large amount of energy due to a rise in the temperature, resulting in a long cooling time, which increases the manufacturing cost. Furthermore, cracking and deformation of the ceramic sintered body may occur during high-temperature sintering.
또한, 수산화알루미늄으로부터 제조되는 기존의 알루미나는 불순물로 존재하는 소다(Na2O)가 열처리 과정에서 흡착되어 0.3 내지 0.4㎛의 큰 α-결정 입자를 갖게 된다. 따라서, 이후 철저한 분쇄 공정을 거치더라도 알루미나가 0.6㎛ 이하의 크기로 제조되기 어렵다. 그리고 0.6㎛ 이하의 크기로 제조하기 위해 분쇄 시간을 늘리게 되면 분쇄 매체에 의한 오염도가 증가하여 순도가 낮아지고, 비표면적 값이 증가하여 제품의 이용시 슬러리의 점도가 증가하며, 가압 성형시 성형밀도가 올라가는 현상이 발생한다.
Further, in the conventional alumina produced from aluminum hydroxide, soda (Na 2 O) present as an impurity is adsorbed in the heat treatment process and has large α-crystal particles of 0.3 to 0.4 μm. Therefore, even after thorough grinding, the alumina can not be produced to a size of 0.6 탆 or less. If the grinding time is increased to a size of 0.6 μm or less, the degree of contamination due to the grinding medium increases, the purity decreases, the specific surface area increases, the viscosity of the slurry increases during use of the product, A phenomenon of rising occurs.
따라서, 본 발명은 기존의 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결하여도 이론값의 99% 이상의 소결밀도를 갖는 소결체를 제공할 수 있는 이소결성 알루미나의 제조방법을 제공하고자 한다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing a sintered alumina capable of providing a sintered body having a sintered density of 99% or more of the theoretical value even when sintering at a temperature lower than a conventional sintering temperature.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은In order to achieve the above object,
(1) 수산화알루미늄(Al(OH)3)에 염소 화합물을 첨가한 후 열처리하고 분쇄하여 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계; (1) adding a chlorine compound to aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), followed by heat treatment and pulverization to produce alumina having an average particle size of 0.6 탆 or less;
(2) 암모늄 명반(NH4Al(SO4)2)을 열분해한 후 분쇄하여 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계; 및(2) pyrolyzing and pulverizing ammonium alum (NH 4 Al (SO 4 ) 2 ) to produce alumina having an average particle size of 200 nm or less; And
(3) 상기 단계 (1) 및 (2)에서 제조된 알루미나를 혼합하되, 상기 단계 (2)의 알루미나를 알루미나 총 중량을 기준으로 20 내지 30중량%의 양으로 혼합하는 단계를 포함하는 이소결성 알루미나의 제조방법을 제공한다.(3) mixing the alumina prepared in the above steps (1) and (2) in an amount of 20 to 30% by weight based on the total weight of the alumina of the step (2) A process for producing alumina is provided.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된, 400 내지 450 nm의 평균 입도를 갖는 이소결성 알루미나를 제공한다.In addition, the present invention provides an isomerized alumina having an average particle size of 400 to 450 nm, produced by the above production method.
또한, 본 발명은 상기 이소결성 알루미나를 1,500 내지 1,550℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 소결체의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a ceramic sintered body, which comprises the step of sintering the isomerized alumina at a temperature of 1,500 to 1,550 ° C.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된, 3.93 내지 3.96 g/cm3의 소결밀도를 갖는 세라믹 소결체를 제공한다.
The present invention also provides a ceramic sintered body produced by the above-described method and having a sintered density of 3.93 to 3.96 g / cm < 3 >.
상기 이소결성 알루미나의 제조방법에 의하면, 수산화알루미늄의 열처리 및 분쇄를 통해 제조된 평균 입도 0.6㎛ 이하의 알루미나와, 암모늄 명반의 열분해 및 분쇄를 통해 제조된 평균 입도 200nm 이하의 알루미나를 특정 비율로 혼합함으로써 1,550℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 이소결성 알루미나를 제조할 수 있다. 나아가, 상기 알루미나를 저온 소결함으로써 소결조직이 미세하고 3.93 내지 3.96 g/cm3의 소결밀도를 가지며, 표면이 편평하고 매끄럽고, 고강도 및 우수한 내마모성을 갖는 세라믹 소결체를 얻을 수 있다. According to the method for producing the isosylated alumina, alumina having an average particle size of not more than 0.6 탆 produced by heat treatment and pulverization of aluminum hydroxide and alumina having an average particle size of not more than 200 nm prepared by thermal decomposition and pulverization of ammonium alum are mixed , It is possible to produce an isomerized alumina capable of sintering at a low temperature of 1,550 DEG C or less. Further, by sintering the alumina at a low temperature, a ceramic sintered body having a fine sintered structure and a sintered density of 3.93 to 3.96 g / cm 3 and having a flat and smooth surface, high strength and excellent abrasion resistance can be obtained.
따라서, 본 발명의 초미립 이소결성 알루미나는 반도체 및 디스플레이용 대면적 알루미나 소결체 및 집적회로(IC) 기판, LCD 또는 PDP용 부품 등의 전자세라믹스용, 분쇄장치, 성형·가공기계 등의 기계 및 구조세라믹스용, 충진재, 촉매 및 촉매담체 등의 에너지 및 환경세라믹스용, 인공치골, 인공관절 등 생체세라믹스용 등의 용도로 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the micro-fine-sectioned alumina of the present invention can be used as a large-area alumina sintered body for semiconductors and displays, machines and structures such as electronic ceramics such as integrated circuit (IC) substrates, LCD or PDP parts, Ceramics, fillers, catalysts and catalyst carriers, bioceramics such as artificial pubis and artificial joints, and the like.
도 1은 실시예 1의 단계 1에서 수산화알루미늄에 염화암모늄 2 중량%를 첨가한 후 1,200℃에서 열처리 하고 분쇄하여 제조된, 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope(SEM), 10,000 배율) 사진이다.
도 2는 실시예 1의 단계 2에서 암모늄 명반을 1,150℃에서 열분해한 후 분쇄하여 제조된, 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나의 주사전자현미경(SEM, 50,000 배율) 사진이다.
도 3은 실시예 1의 단계 1과 단계 2의 알루미나 입자를 혼합하되, 단계 2의 알루미나 입자를 알루미나 총 중량을 기준으로 20중량%의 양으로 혼합하여 제조된 이소결성 알루미나의 입도 분포도를 나타낸 그래프이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) image of alumina having an average particle size of 0.6 mu m or less, prepared by adding 2 wt% of ammonium chloride to aluminum hydroxide in
2 is a scanning electron microscope (SEM, 50,000 magnification) photograph of alumina having an average particle size of 200 nm or less prepared by pyrolyzing and calcining ammonium alum at 1,150 DEG C in
3 is a graph showing the particle size distribution of the alumina particles obtained by mixing the alumina particles of the
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 (1) 수산화알루미늄(Al(OH)3)에 염소 화합물을 첨가한 후 열처리하고 분쇄하여 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계; (2) 암모늄 명반(NH4Al(SO4)2)을 열분해한 후 분쇄하여 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 단계 (1) 및 (2)에서 제조된 알루미나를 혼합하되, 상기 단계 (2)의 알루미나를 알루미나 총 중량을 기준으로 20 내지 30중량%의 양으로 혼합하는 단계를 포함하는 이소결성 알루미나의 제조방법을 제공한다.
(1) adding a chlorine compound to aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), followed by heat treatment and pulverization to produce alumina having an average particle size of 0.6 탆 or less; (2) pyrolyzing and pulverizing ammonium alum (NH 4 Al (SO 4 ) 2 ) to produce alumina having an average particle size of 200 nm or less; And (3) mixing the alumina prepared in the above steps (1) and (2) in an amount of 20 to 30% by weight based on the total weight of the alumina of the step (2) To provide a method for producing a formed alumina.
이하에서는 본 발명에 따른 제조방법을 단계별로 자세히 설명한다.
Hereinafter, the manufacturing method according to the present invention will be described step by step.
단계 (1)Step (1)
본 발명의 제조방법에서 단계 (1)은 수산화알루미늄(Al(OH)3)에 염소 화합물을 첨가한 후 열처리하고 분쇄하여 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계이다.Step (1) in the production method of the present invention is a step of adding alumina hydroxide (Al (OH) 3 ) to a chlorine compound, followed by heat treatment and pulverization to produce alumina having an average particle size of 0.6 m or less.
구체적으로, 단계 (1)에서는, 수산화알루미늄에 염소 화합물을 첨가하여 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 열처리하고, 분쇄하여 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 초미립 알루미나를 제조한다. 구체적으로, 상기 초미립 알루미나는 0.1 내지 0.6㎛, 0.2 내지 0.6㎛, 0.3 내지 0.6㎛, 0.4 내지 0.6㎛, 0.4 내지 0.55㎛, 또는 0.45 내지 0.55㎛의 평균 입도를 가질 수 있다. 이때, 상기 열처리 과정에 염화암모늄, 염화알루미늄, 염산, 염소가스 또는 이의 혼합물과 같은 염소 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 수산화알루미늄에 함유되어 있는 불순물인 소다(Na2O)의 양을 줄일 수 있다. 예컨대, 염소 화합물은 수산화알루미늄 총 중량을 기준으로 2 내지 4 중량%의 양으로 첨가할 수 있다. 상기 염소 화합물은 결정성장제로서의 역할을 하며, 상기 범위 내의 함량으로 사용될 경우 결정 입자가 너무 커지거나 잔류 염소 가스로 인해 환경이 오염되고 설비가 부식되는 등의 문제를 방지할 수 있다. Specifically, in step (1), a chlorine compound is added to aluminum hydroxide and heat-treated at a temperature of 1,100 to 1,200 ° C and pulverized to produce ultrafine alumina having an average particle size of 0.6 μm or less. Specifically, the ultrafine alumina may have an average particle size of 0.1 to 0.6 탆, 0.2 to 0.6 탆, 0.3 to 0.6 탆, 0.4 to 0.6 탆, 0.4 to 0.55 탆, or 0.45 to 0.55 탆. At this time, by adding a chlorine compound such as ammonium chloride, aluminum chloride, hydrochloric acid, chlorine gas or a mixture thereof to the heat treatment process, the amount of soda (Na 2 O) which is an impurity contained in aluminum hydroxide can be reduced. For example, the chlorine compound may be added in an amount of 2 to 4% by weight based on the total weight of the aluminum hydroxide. The chlorine compound serves as a crystal growth agent, and when used in a content within the above range, problems such as excessively large crystal grains, contamination of the environment due to residual chlorine gas, and corrosion of equipment can be prevented.
이렇게 제조된 알루미나를 철저히 건식 분쇄하여 평균 입도 0.6㎛ 이하의 초미립 알루미나를 제조할 수 있다. 즉, 1,100 내지 1,200℃의 열처리를 통해 전이 상태의 결정면을 α-결정 상태의 결정면으로 표면 개질시킨다. 이때, 상기 열처리 과정에서는 미립의 입자들이 서로 응집에 의해 뭉치는 현상이 발생하므로, 이를 단일 개별 입자로 만들기 위하여 건식 분쇄함으로써 입자의 응집 현상을 최소화하여 슬러리 제조 시 점도, 유동성 및 흐름성을 개선할 수 있다. The alumina thus produced is thoroughly dry-pulverized to prepare ultrafine alumina having an average particle size of 0.6 탆 or less. That is, the crystal plane of the transition state is surface-modified to the crystal plane of the? -Crystalline state through heat treatment at 1,100 to 1,200 ° C. At this time, in the heat treatment process, the fine particles aggregate due to agglomeration, so that it is possible to minimize the agglomeration phenomenon of the particles by dry milling to make them into single individual particles, thereby improving the viscosity, fluidity and flowability .
상술한 바와 같이 단계 (1)에서는, 입자의 크기가 미세하고 균일하며 입도 분포가 좁고 슬러리 제조시 점도가 낮은, 평균 입도 약 0.6㎛ 이하의 초미립 알루미나를 제조할 수 있다.
As described above, in step (1), ultrafine alumina having an average particle size of about 0.6 占 퐉 or less can be produced with a fine particle size, a uniform particle size distribution, a low viscosity at the time of slurry production, and the like.
단계 (2)Step (2)
본 발명의 제조방법에서 단계 (2)는 암모늄 명반(NH4Al(SO4)2)을 열분해한 후 분쇄하여 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계이다.Step (2) in the production method of the present invention is a step of producing alumina having an average particle size of 200 nm or less by pyrolyzing and then pulverizing ammonium alum (NH 4 Al (SO 4 ) 2 ).
상기 암모늄 명반으로서 99.0% 이상의 순도를 갖는 고순도 암모늄 명반을 사용할 수 있고, 구체적으로 99.9% 이상의 고순도 암모늄 명반을 사용할 수 있다. 단계 (2)에서는 상기 암모늄 명반을 1,150 내지 1,200℃의 온도에서 열분해하여 α-결정을 80 내지 110nm 크기로 제조하고 이를 분쇄함으로써 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조할 수 있다.
As the ammonium alum, a high purity ammonium alum having a purity of 99.0% or more can be used. Specifically, 99.9% or more of high purity ammonium alum can be used. In step (2), the ammonium alum is pyrolyzed at a temperature of 1,150 to 1,200 ° C to produce alpha -crystals having a size of 80 to 110 nm and pulverized to produce alumina having an average particle size of 200 nm or less.
암모늄 명반을 가열하면 80℃ 부분에서 용액 상태가 되며, 이후 계속 가열을 하면 220℃까지 결정수가 증발되고, 900℃ 부분에서는 황산암모니아 등이 완전히 제거되며, 1,150℃ 이상에서는 소성하여 알루미나가 제조된다. When the ammonium alum is heated, it becomes a solution state at a portion of 80 ° C. Then, when the heating is continued, crystal water is evaporated to 220 ° C., ammonia etc. is completely removed at 900 ° C., and alumina is produced by baking at 1,150 ° C. or higher.
이와 같이, 암모늄 명반은 열처리 과정에서 결정수 및 결정 가스의 분해가 일어나면서 응집력이 작고 충진밀도가 낮아 분쇄되기 쉬운 상태의 알루미나가 된다. 이를 간단한 분쇄 공정을 통해 분쇄하면 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 얻을 수 있다.
As described above, the ammonium alum has a low cohesive force and low packing density, resulting in the alumina being easily crushed as the crystal water and the crystal gas are decomposed in the heat treatment process. Crushing this through a simple grinding process can provide alumina having an average particle size of 200 nm or less.
단계 (3)Step (3)
본 발명의 제조방법에서 단계 (3)은 상기 단계 (1) 및 (2)에서 제조된 알루미나를 혼합하되, 상기 단계 (2)의 알루미나를 알루미나 총 중량을 기준으로 20 내지 30중량%의 양으로 혼합하는 단계이다.In the production process of the present invention, step (3) comprises mixing the alumina prepared in steps (1) and (2), wherein the alumina of step (2) is added in an amount of 20 to 30 wt% Mixing step.
본 발명에서는 상술한 바와 같이, 단계 (1)의 평균 입도 0.6㎛ 이하의 알루미나와, 단계 (2)의 평균 입도 200nm 이하의 알루미나를 혼합함으로써, 400 내지 450 nm의 평균 입도를 갖는 이소결성 알루미나를 제조할 수 있다.In the present invention, as described above, alumina having an average particle size of 0.6 탆 or less in step (1) and alumina having an average particle size of 200 nm or less in step (2) are mixed to obtain an isomerized alumina having an average particle size of 400 to 450 nm Can be manufactured.
이때, 상기 단계 (2)의 알루미나는 알루미나 총 중량을 기준으로 20 내지 30중량%의 양으로 혼합할 수 있고, 구체적으로 25 내지 30 중량%의 양으로 혼합할 수 있다.
At this time, the alumina in the step (2) may be mixed in an amount of 20 to 30% by weight based on the total weight of the alumina, specifically 25 to 30% by weight.
본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 이소결성 알루미나를 1,500 내지 1,550℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 소결체의 제조방법을 제공한다. 상기 세라믹 소결체는 상기 이소결성 알루미나의 제조 이후 연속하여 수행할 수 있으므로 하기에 단계 (4)로서 설명한다.
The present invention provides a method for producing a ceramic sintered body comprising sintering the formed alumina formed by the above method at a temperature of 1,500 to 1,550 ° C. Since the ceramic sintered body can be continuously performed after the production of the isosylated alumina, it will be described as step (4) below.
단계 (4)Step (4)
본 발명의 세라믹 소결체의 제조방법에 따르면, 상기 단계 (3)에서 제조된 이소결성 알루미나를 1,500 내지 1,550℃의 온도에서 소결하여 3.93 내지 3.96g/cm3의 소결밀도를 갖는 세라믹 소결체를 제조할 수 있다.According to the method for producing a ceramic sintered body of the present invention, the isomerized alumina produced in the step (3) can be sintered at a temperature of 1,500 to 1,550 ° C to produce a ceramic sintered body having a sintered density of 3.93 to 3.96 g / cm 3 have.
구체적으로, 상기 이소결성 알루미나에 극미량의 소결조제, 구체적으로 알루미나 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 이하, 보다 구체적으로 0.001 내지 0.05 중량%로 첨가하여 1,550℃ 이하의 저온, 보다 구체적으로 1,500 내지 1,550℃의 온도에서 소결함으로써, 소결조직이 미세하고 소결밀도가 높으며, 표면이 편평하고 매끄럽고, 고강도 및 우수한 내마모성을 갖는 세라믹 소결체를 얻을 수 있다. 이때, 상기 세라믹 소결체는 3.93 내지 3.96 g/cm3의 소결밀도를 가질 수 있으며, 이는 소결밀도 이론값의 99% 이상에 해당한다.
Specifically, the sintered alumina is added to the isomerized alumina in an amount of 0.05 wt% or less, more specifically 0.001 to 0.05 wt%, based on the total weight of the alumina, at a low temperature of 1,550 ° C or lower, more specifically 1,500 to 1,550 ° C , A ceramic sintered body having a fine sintered structure, a high sintered density, a smooth surface, smooth surface, high strength and excellent wear resistance can be obtained. At this time, the ceramic sintered body may have a sintered density of 3.93 to 3.96 g / cm < 3 >, which corresponds to 99% or more of the theoretical sintered density.
따라서, 상술한 바와 같은 상기 이소결성 알루미나의 제조방법에 의하면, 수산화알루미늄의 열처리 및 분쇄를 통해 제조된 평균 입도 0.6㎛ 이하의 알루미나와, 암모늄 명반의 열분해 및 분쇄를 통해 제조된 평균 입도 200nm 이하의 알루미나를 특정 비율로 혼합함으로써 1,550℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 이소결성 알루미나를 제조할 수 있다. 나아가, 상기 알루미나를 저온 소결함으로써 소결조직이 미세하고 3.93 내지 3.96 g/cm3의 소결밀도를 가지며, 표면이 편평하고 매끄럽고, 고강도 및 우수한 내마모성을 갖는 세라믹 소결체를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 초미립 이소결성 알루미나는 반도체 및 디스플레이용 대면적 알루미나 소결체 및 집적회로(IC) 기판, LCD 또는 PDP용 부품 등의 전자세라믹스용, 분쇄장치, 성형·가공기계 등의 기계 및 구조세라믹스용, 충진재, 촉매 및 촉매담체 등의 에너지 및 환경세라믹스용, 인공치골, 인공관절 등 생체세라믹스용 등의 용도로 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, according to the above-described method for producing the isosylated alumina, alumina having an average particle size of not more than 0.6 탆 produced by heat treatment and pulverization of aluminum hydroxide, and alumina having an average particle size of not more than 200 nm produced by pyrolysis and pulverization of ammonium alum By mixing alumina at a specific ratio, it is possible to produce an isomerized alumina capable of sintering at a low temperature of 1,550 DEG C or less. Further, by sintering the alumina at a low temperature, a ceramic sintered body having a fine sintered structure and a sintered density of 3.93 to 3.96 g / cm 3 and having a flat and smooth surface, high strength and excellent abrasion resistance can be obtained. Therefore, the micro-fine-sectioned alumina of the present invention can be used as a large-area alumina sintered body for semiconductors and displays, machines and structures such as electronic ceramics such as integrated circuit (IC) substrates, LCD or PDP parts, Ceramics, fillers, catalysts and catalyst carriers, bioceramics such as artificial pubis and artificial joints, and the like.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples. However, the following examples are intended to be illustrative of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
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실시예Example
]]
실시예Example
: :
이소결성Isomerization
알루미나의 제조 Production of alumina
단계 1
수산화알루미늄(Al(OH)3)을 열처리하여 알루미나를 제조하고 이를 분쇄하여 평균 입도 0.6㎛ 이하의 알루미나를 제조하고자 다음과 같은 방법으로 실험하였다. Alumina (Al (OH) 3 ) was heat treated to produce alumina, and the alumina was pulverized to prepare alumina having an average particle size of less than 0.6 탆 in the following manner.
일반 수산화알루미늄(성분 함량: Al2O3 99.7%, Na2O 0.25%, CaO 0.01%, SiO2 0.01% 및 Fe2O3 0.01%; 강열감량(LOI, loss on ignition): 34.5%; 수분: 9.0%; 평균 입자크기: 50㎛)에 염화암모늄을 수산화알루미늄 총량을 기준으로 2 및 4 중량%씩 각각 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물을 분당 5℃씩 가열하여 1,100℃ 및 1,200℃ 각각의 소성 온도로 2시간 동안 열처리하여 4종의 알루미나를 제조하였다. 이어, 상기 알루미나를 110리터 규모의 건식 볼밀을 이용하여 건식 분쇄하였다. 이때, 알루미나 볼(알루미나 함량: 92%, 지름: ￠20)을 전체 볼밀 부피의 60%로 장입하고, 여기에 알루미나 12kg을 투입하여 건식 분쇄하였다.Aluminum hydroxide (Ingredients: Al 2 O 3 99.7%, Na 2 O 0.25%, CaO 0.01% , SiO 2 0.01% and Fe 2 O 3 0.01%, LOI (loss on ignition): 34.5% : 9.0%; average particle size: 50 탆), ammonium chloride was added in amounts of 2 and 4 wt% based on the total amount of aluminum hydroxide, respectively. The mixture was heated at 5 ° C / min and heat treated at 1,100 ° C and 1,200 ° C for 2 hours to produce four kinds of alumina. Then, the alumina was dry-pulverized using a 110-liter dry ball mill. At this time, alumina balls (alumina content: 92%, diameter: 20) were charged in an amount of 60% of the total ball mill volume, and 12 kg of alumina was charged therein to perform dry pulverization.
염화암모늄의 함량 및 소성 온도를 달리하여 제조된 4종의 알루미나에 포함된 불순물, 즉, Fe2O3, SiO2 및 Na2O의 함량을 X-선 형광분석기(X-Ray Fluorescence Analyzer(XRF); Shimadzu, 모델명: XRF-1800)를 이용하여 분석하고, 알루미나의 평균 입도를 레이저 회절 측정기기인 입도분석기(Micortrac사, 모델명: S3000)를 이용하여 측정하였다. 상기 분석 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The contents of Fe 2 O 3 , SiO 2 and Na 2 O contained in the four types of alumina prepared by varying the content of ammonium chloride and the calcination temperature were measured using an X-ray fluorescence analyzer (XRF ), Shimadzu (model name: XRF-1800), and the average particle size of alumina was measured using a particle size analyzer (Micortrac, model: S3000) as a laser diffraction measuring instrument. The results of the analysis are shown in Table 1 below.
(중량%)Fe 2 O 3
(weight%)
(중량%)SiO 2
(weight%)
(중량%)Na 2 O
(weight%)
입도
(㎛)Average
Granularity
(탆)
(중량%)Fe 2 O 3
(weight%)
(중량%)SiO 2
(weight%)
(중량%)Na 2 O
(weight%)
입도
(㎛)Average
Granularity
(탆)
(중량%)Ammonium chloride
(weight%)
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 염화암모늄의 농도가 높을수록 Na2O의 함량은 낮아졌으며, 소성온도가 높을수록 평균 입도는 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 소성온도가 낮을수록 α-결정의 형성이 제대로 이루어지지 않아 이후 분쇄 공정시 α-결정의 분쇄가 덜 이루어져 평균 입도가 다소 큰 것으로 예상된다. 그러나, 1,100℃ 및 1,200℃ 온도에서 소성된 후 분쇄된 알루미나 모두 0.6㎛ 이하의 평균 입도를 나타내었다. 또한, 동일한 온도에서는 염화암모늄의 농도가 높을수록 α-결정이 다소 커지는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1, the higher the concentration of ammonium chloride, the lower the Na 2 O content, and the higher the firing temperature, the lower the average particle size. This is because the lower the calcination temperature is, the more the α-crystal is not formed properly, and the average particle size is expected to be slightly larger due to the less crushing of the α-crystal in the subsequent grinding process. However, all of the pulverized alumina after being fired at 1,100 ° C and 1,200 ° C showed an average particle size of 0.6 μm or less. In addition, it can be confirmed that the higher the concentration of ammonium chloride is, the larger the? -Crystal becomes at the same temperature.
단계 2
암모늄 명반을 열분해하여 알루미나를 제조하고, 이를 분쇄하여 평균 입도 200nm 이하의 알루미나를 제조하고자 다음과 같은 방법으로 실험하였다. Alumina was prepared by pyrolyzing ammonium alum and crushed to produce alumina having an average particle size of 200 nm or less.
암모늄 명반(extra pure급 순도 99 내지 100%, 덕산약품공업주식회사)을 1,150℃ 및 1,200℃ 각각의 소성온도로 2시간 동안 열분해시켜 2종의 알루미나를 제조하였다. 이어, 상기 알루미나를 분급기가 일체화된 에어 제트밀(Air Jet Mill)을 이용하여 건식 분쇄하였다. Two kinds of alumina were prepared by pyrolysis of ammonium alum (extra pure grade purity: 99-100%, Duksan Chemical Industry Co., Ltd.) at a firing temperature of 1,150 ° C and 1,200 ° C for 2 hours, respectively. Then, the alumina was dry-pulverized using an air jet mill in which a classifier was integrated.
암모늄 명반의 열분해 조건에 따른 α-결정의 크기와 분쇄 후 알루미나의 평균 입도를 하기 표 2에 나타내었다.The size of the? -Crystal and the average particle size of the alumina after pulverization according to the pyrolysis conditions of ammonium alum are shown in Table 2 below.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 암모늄 명반의 경우에 소성온도가 높아질수록 α-결정의 크기가 커지는 현상을 확인하였지만 80 내지 102nm로 아주 작은 크기의 α-결정이 형성된 것을 확인하였다. 또한, 분쇄된 알루미나의 평균 입도도 200nm 이하이어서, 나노단위 크기의 알루미나가 제조됨을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 2, in the case of ammonium alum, although the phenomenon that the size of the? -Crystal increases as the firing temperature is increased, it was confirmed that a very small size? -Crystal was formed at 80 to 102 nm. In addition, it was confirmed that the average particle size of the pulverized alumina was 200 nm or less, thereby producing alumina having a nano unit size.
단계 3Step 3
상기 단계 1과 단계 2에서 제조된 알루미나를 혼합하되, 단계 2에서 제조된 알루미나를 알루미나 총 중량에 대하여 하기 표 3에 기재된 바와 같이 비율별로 혼합하였다. 이후, 상기 알루미나 혼합물을 1,500℃, 1,520℃, 1,540℃ 및 1,550℃ 각각의 온도에서 소결하여 세라믹 소결체를 제조하고, KSL 3114:2010에 의거하여 소결체의 소결밀도를 측정하였다. The alumina prepared in the
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 소결밀도는 단계 2의 알루미나의 혼합비율 및 소결온도가 높아질수록 증가하는 경향을 나타냈고, 단계 2의 알루미나를 전혀 혼합하지 않은 경우에는 3.85g/cm3 이하의 낮은 소결밀도를 나타냈다. 또한, 기존 제품이 1,620 내지 1,650℃에서 3.93g/cm3의 소결밀도를 나타내는 것에 반해, 단계 2의 알루미나의 혼합비율이 20중량% 이상인 경우 1,500℃에서도 3.93g/cm3 이상의 소결밀도를 나타냈다. 다만, 단계 2의 알루미나를 30중량%를 초과하여 혼합할 경우에는 소결밀도의 증가 효과는 미비한 반면, 제조 비용이 증가하여 단가가 높아지는 단점이 있었다. As shown in Table 3, the sintering density tended to increase as the mixing ratio and sintering temperature of alumina in
Claims (9)
(2) 암모늄 명반(NH4Al(SO4)2)을 열분해한 후 분쇄하여 200nm 이하의 평균 입도를 갖는 알루미나를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 단계 (1) 및 (2)에서 제조된 알루미나를 혼합하되, 상기 단계 (2)의 알루미나를 알루미나 총 중량을 기준으로 20 내지 30중량%의 양으로 혼합하는 단계를 포함하는, 이소결성 알루미나의 제조방법.
(1) adding a chlorine compound to aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), followed by heat treatment and pulverization to produce alumina having an average particle size of 0.6 탆 or less;
(2) pyrolyzing and pulverizing ammonium alum (NH 4 Al (SO 4 ) 2 ) to produce alumina having an average particle size of 200 nm or less; And
(3) mixing the alumina prepared in the above steps (1) and (2) in an amount of 20 to 30% by weight based on the total weight of the alumina of the step (2) Gt;
상기 단계 (1)의 열처리를 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 수행하는, 이소결성 알루미나의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment of step (1) is carried out at a temperature of from 1,100 to 1,200 占 폚.
상기 단계 (1)에서, 염소 화합물을 수산화알루미늄 총 중량을 기준으로 2 내지 4 중량%의 양으로 첨가하는, 이소결성 알루미나의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein in step (1), the chlorine compound is added in an amount of 2 to 4% by weight based on the total weight of the aluminum hydroxide.
상기 단계 (1)의 염소 화합물이 염화암모늄, 염화알루미늄, 염산, 염소가스 또는 이의 혼합물인, 이소결성 알루미나의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the chlorine compound of step (1) is ammonium chloride, aluminum chloride, hydrochloric acid, chlorine gas or a mixture thereof.
상기 단계 (2)에서, 암모늄 명반을 1,150 내지 1,200℃의 온도에서 열분해하여 α-결정을 80 내지 110nm 크기로 제조하고 이를 분쇄하는, 이소결성 알루미나의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (2), ammonium alum is pyrolyzed at a temperature of 1,150 to 1,200 ° C to prepare an α-crystal having a size of 80 to 110 nm, and the calcined alumina is pulverized.
An isomerized alumina having an average particle size of from 400 to 450 nm, produced by the process of claim 1.
A method for producing a ceramic sintered body, comprising the steps of: sintering the thermally deformed alumina of claim 6 at a temperature of 1,500 to 1,550 占 폚.
상기 이소결성 알루미나에 소결조제를 알루미나 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 이하로 첨가하여 소결하는, 세라믹 소결체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the sintering aid is added to the isosurfactant alumina in an amount of not more than 0.05% by weight based on the total weight of the alumina and sintered.
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