KR20210033139A - 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법 및 이로부터 제조된 세라믹스 접합체 - Google Patents

산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법 및 이로부터 제조된 세라믹스 접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법은 고상성분이 알루미늄과 1종 이상의 산화물로 이루어지는 접합재를 준비하는 단계;
상기 접합재를 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체 사이에 공급하는 도포 단계; 및
상기 세라믹 성형체 및 접합재를 열처리하는 단계;를 포함하며, 상기 열처리 단계는 상기 접합재의 알루미늄을 산화시키고 상기 접합재와 성형체를 소결하는 것으로, 강도 등의 물성이 우수한 접합층을 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법 및 이로부터 제조된 세라믹스 접합체{Joining method of alumina and alumina-containing ceramics and joined ceramic body using it}
본 발명은 접합 대상 세라믹스 모재와 동등한 강도를 가지는 산화알루미늄계 세라믹스 접합체의 접합 방법에 관한 것이다.
세라믹스는 강도가 높고 내화학성, 내열성 등이 우수하여 높은 온도나 고농도의 화학물질 처리 등에 이용하기 적합한 소재이다. 그러나, 이러한 성질로 인하여 세라믹스를 이용한 물건의 경우 생산 및 가공이 어려운 한계가 있다.
구체적으로, 세라믹스는 세라믹스를 구성하는 분말의 성형 및 소결을 통해 단순한 형상의 소결체를 제조한 후, 후가공을 거쳐 복잡한 형상의 제품을 제조하는 공정을 거치고 있으며, 이러한 경우 후가공 등에 의해 가공비용이 현저히 상승하는 문제점이 발생하고 있다. 이에, 세라믹스를 접합하는 방법으로 세라믹스 제품을 제조하기위한 연구가 계속적으로 진행되고 있다.
기존에는 상대적으로 접합이 쉬운 금속, 유리질 등이 접합재로 접합에 사용되었으나, 모재에 비해 낮은 기계적 물성, 내화학성, 내열성 때문에 사용처가 제한되어 세라믹스의 장점을 살려 이용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 세라믹스와 동일한 조성을 가지는 세라믹 분말을 이용한 접합체제조에 관한 연구가 수행되고 있으나, 모재와 접합층간 치밀한 접합계면을 얻기 위해 소결성이 높은 고가의 나노분말을 사용하거나, 열처리 과정에서 높은 압력을 가하기 위한 고가의 장비를 필요로 하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1400908호
본 발명의 목적은 간단한 방법으로 복잡한 형상의 세라믹 제품을 제조할 수 있는 산화알루미늄계 세라믹스 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 모재와 동등한 수준의 강도를 갖는 접합체를 제조하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 고상성분이 알루미늄과 1종 이상의 산화물로 이루어지는 접합재를 준비하는 단계;
상기 접합재를 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체 사이에 공급하는 도포 단계; 및
상기 세라믹 성형체 및 접합재를 열처리하는 단계;를 포함하며,
상기 열처리 단계는 상기 접합재의 알루미늄을 산화시키고 상기 접합재와 성형체를 소결하는 것인 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 1종 이상의 산화물은 산화 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 접합재에 포함된 산화물 : 알루미늄의 부피비는 95 : 5 내지 60 : 40일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서, 상기 알루미늄은 입자크기가 1 ㎛이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 알루미늄은 열처리 단계에서 산화하면서 100 ㎚이하의 산화알루미늄 입자가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 접합재를 준비하는 단계는 알루미늄, 1종이상의 산화물 및 유기용매를 혼합하여 볼밀하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 유기용매는 탄소수 1 내지 4의 알코올, 아세톤, 헥산, 아세트산에틸, 디클로로메탄 및 클로로포름에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 도포단계 후 열처리하는 단계 전 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 1건조단계, 상기 세라믹 성형체를 가압하는 가압단계 및 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 2 건조 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 가압단계는 냉간 등방압 가압을 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 열처리 하는 단계는 1500 내지 1750 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 산화알루미늄계 세라믹스 접합체를 제공하며, 본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합체는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법으로 접합된 것일 수 있다.
본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합방법은 알루미늄 산화물을 포함하는 1종 이상의 산화물과 알루미늄을 혼합, 분쇄, 건조하고 유기용매와 혼합하여 접합재를 제조한 뒤, 모재 성형체 사이에 도포하고 건조 후 소결함으로써, 간단한 방법으로 복잡한 형상의 세라믹 제품을 제조할 수 있으며, 모재와 동등한 수준의 강도를 갖는 세라믹 접합체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제조예에서 접합재의 제조과정 중 밀링 시간에 따른 평균입경을 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에서 제조된 접합체의 단면을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에서 제조된 접합체의 접합단면을 현미경을 통해 관찰하고 이를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법은 고상성분이 알루미늄과 1종 이상의 산화물로 이루어지는 접합재를 준비하는 단계;
상기 접합재를 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체 사이에 공급하는 도포 단계; 및
상기 세라믹 성형체 및 접합재를 열처리하는 단계;를 포함하며,
상기 열처리 단계는 상기 접합재의 알루미늄을 산화시키고 상기 접합재와 성형체를 소결하는 것을 특징으로 한다.
종래 산화 알루미늄계를 포함하는 세라믹스의 접합은 유리질 등을 이용하여 수행되는 경우가 많았으나, 세라믹스 대비 낮은 내열성 및 내화학성으로 세라믹스 제품의 이용한계를 가져오는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위하여 세라믹과 유사한 재질의 금속 산화물 등을 이용하여 세라믹스를 접합하는 방법이 개발되었으나, 이러한 경우에도 여전히 세라믹스 모재 대비 낮은 강도를 갖는 문제점이 있었다.
이에, 상술한 낮은 내열성, 내화학성의 문제를 해결하고 모재와 동등한 수준의 강도를 갖는 세라믹스 접합체를 제조하기 위한 연구를 계속하여 수행하였으며, 그 결과 산화알루미늄계 세라믹스의 접합에 있어서, 알루미늄과 1종 이상의 산화물을 포함하는 접합재를 도포하고 열처리함으로써, 우수한 물성을 갖는 세라믹스 접합체를 제조할 수 있음을 확인하였다.
이때, 상기 열처리 단계를 거침으로써, 상기 접합재에 포함된 알루미늄의 산화가 일어나게 되며, 결과적으로 상기 접합재의 조성은 실질적으로 산화물 만을 포함하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 1종 이상의 산화물은 좋게는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄을 포함하는 복합 산화물 일 수 있으며, 더욱 좋게는 알루미늄 산화물(Al2O3), ZTA(Al2O3+ZrO2), Mullite(3AlSO3·2SiO2) 및 Al2TiO5등을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 접합재에 포함된 산화물 : 알루미늄의 부피 비는 95 : 5 내지 60 : 40일 수 있으며, 최적의 부피비는 상기 성형체의 종류 또는 조성에 따라 달라질 수 있고, 알루미늄이 상술한 범위보다 소량 첨가되는 경우 모재(산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체)와 접합층 간의 접합계면이 치밀하지 못한 문제가 발생할 수 있으며, 알루미늄이 상술한 범위보다 다량 첨가되는 경우 접합층의 미세조직이 치밀하지 못한 문제가 발생할 수 있다.
이때, 본 발명에서 의미하는 부피비는 무게를 측정한 뒤, 이를 부피로 환산한 것을 기준으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서, 상기 세라믹 성형체가 알루미나인 경우, 상기 산화물은 알루미나로 이루어진 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 알루미나 : 알루미늄의 부피 비는 80:20 내지 60:40일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 성형체가 ZTA(Zirconia Toughened Alumina)인 경우, 상기 접합재는 7 내지 28 부피%의 알루미늄, 40 내지 63 부피%의 산화 알루미늄 및 30 내지 33 부피%의 지르코니아를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 성형체가 Mullite인 경우, 상기 접합재는 10 내지 20 부피%의 알루미늄, 30 내지 40 부피%의 산화알루미늄, 31 내지 33 부피%의 실리카 및 17 내지 19 부피%의 Mullite 분말을 포함할 수 있다.
상술한 범위를 만족함으로써 모재와 동등한 강도를 갖는 접합체의 제조가 가능하다.
더욱 구체적으로, 상기 접합재에 포함된 산화물 : 알루미늄의 부피 비가 상술한 범위를 만족하는 경우, 열처리 후 접합층의 결정립 크기가 0.5 내지 1 ㎛ 사이에서 분포할 수 있으며, 이러한 입경범위에 의해 모재와 치밀하게 결착한 접합체의 제조가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 알루미늄은 입자크기가 1 ㎛ 이하, 구체적으로는 0.1 내지 1 ㎛일 수 있다. 이러한 입자크기 범위를 만족하며, 후술하는 볼밀 조건 및 열처리 조건을 만족하는 알루미늄 입자를 이용함으로써 상기 열처리 단계의 열처리 과정 중 100 ㎚ 이하의 나노크기의 산화알루미늄 입자가 생성되는 반응소결이 일어나며, 상기 나노 산화알루미늄 입자와 접합재에 첨가된 1종 이상의 산화물이 서로 다른 입경 분포를 형성하는 Bi modal 입도분포를 형성함으로써, 모재와 치밀하게 결착하면서도, 모재와 동등한 수준의 강도를 갖는 접합체 제조가 가능한 장점이 있다. 상세하게는, 상술한 범위를 만족하는 알루미늄을 이용하여 본 발명에 의한 방법으로 산화알루미늄계 세라믹스를 제조하는 경우, 접합층이 모재 대비 90% 이상, 좋게는 95% 이상의 강도를 가지는 특징이 있다.
구체적으로, 상술한 바와 같이 상기 알루미늄은 열처리하는 단계에서 산화하면서 100 ㎚ 이하, 구체적으로는 10 내지 70 ㎚, 더욱 구체적으로는 20 내지 60 ㎚의 나노 산화알루미늄 입자가 생성된다. 이러한 나노 스케일의 산화 알루미늄 입자는 상대적으로 크기가 큰 1종 이상의 산화물의 입자 사이에 분포하며, 우수한 결착력을 나타내는 특징이 있다.
이때, 상기 1종 이상의 산화물은 평균 입경이 0.1 내지 3 ㎛, 좋게는 0.2 내지 1 ㎛일 수 있으며, 이러한 범위에서 상술한 산화된 나노 산화알루미늄 입자와의 관계에서 Bi modal 입도분포에 의한 결착력 향상효과를 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에서 상기 접합재를 준비하는 단계는 알루미늄, 1종 이상의 산화물 및 유기용매를 혼합하고, 지르코니아 볼을 이용하여 볼밀하는 단계를 포함할 수 있다. 볼밀을 통하여 알루미늄 및 1종 이상의 산화물을 혼합함으로써, 상술한 반응소결을 더욱 촉진할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 유기용매는 탄소수 1 내지 4의 알코올, 아세톤, 헥산, 아세트산에틸, 디클로로메탄 및 클로로포름 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 이용할 수 있으며, 상기 알루미늄과 극렬한 산화반응을 일으키지 않는 유기용매인 경우 제한 없이 이용이 가능하다.
구체적으로 상술한 볼밀은 알루미늄 및 1종 이상의 산화물을 혼합한 고상성분의 함량이 5 내지 25 부피% 및 잔량의 유기용매를 포함하는 조성으로 수행될 수 있으며, 상기 볼밀은 200 내지 500 rpm의 회전속도로 6 내지 20시간 동안 수행될 수 있으나, 이는 고상성분의 농도, 지르코니아 볼의 개수 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 볼밀 이후, 밀링이 끝난 슬러리는 30 내지 70 ℃에서 20 내지 60 시간동안 건조하여 유기용매를 제거하는 단계를 더 거칠 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법에 이용되는 접합재는 상기 볼밀을 거친 후 상기 유기용매를 투입하여 최종적으로 접합재를 제조할 수 있으며, 좋게는 상기 접합재는 고상성분 함량이 0.5 내지 5 부피%, 더욱 좋게는 0.7 내지 3 부피%일 수 있다. 이러한 고상성분 함량의 접합재를 도포 단계에서 도포함으로써 모재에 고상성분이 균일하게 분포하도록 도포가 가능한 장점이 있다.
본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법은 상기 접합재를 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체 사이에 공급하는 도포 단계;를 포함한다. 이때 도포는 좋게는 스프레이 분사 방법으로 수행될 수 있으며, 좋게는 10 내지 50회 반복하여 분사함으로써, 일정 수준 이상의 두께를 가지는 접합층의 제조가 가능하다. 이때 도포 횟수는 접합재의 고상성분 함량, 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체의 종류 및 접합으로 제조되는 세라믹스 접합체의 용도 등에 따라 달라질 수 있음이 자명하다.
더욱 구체적으로, 상기 접합재의 도포량은 접합재에 포함된 고상성분의 함량에 따라 달라질 수 있으며, 구체적으로 모재를 기준으로 한 단위면적당 상기 고상성분이 0.8 내지 5 ㎍/㎠, 구체적으로는 1.0 내지 4 ㎍/㎠일 수 있다. 상술한 범위보다 고상성분이 소량 도포되는 경우, 접합층에서 기공이 발생하여 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 고상 성분이 다량 도포되는 경우 모재와 접합층의 소결 수축률 차이에 의해 응력이 발생하여 접합물에 파괴 또는 균열이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법은 상기 도포단계 후 열처리하는 단계 전 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 1건조단계, 상기 세라믹 성형체를 가압하는 가압단계 및 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 2 건조 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 세라믹 성형체 사이에 접합재를 도포하여, 접합된 상태에서 상기 접합재를 건조함으로써 유기용매를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 건조단계는 각각 80 내지 150 ℃에서 30분 내지 10시간 동안 건조를 수행할 수 있으며, 상기 제 2 건조단계는 80 내지 150 ℃에서 20 내지 60시간 동안 수행될 수 있다.
건조 온도가 상술한 범위보다 낮은 경우, 건조 부족에 의한 균열이 발생할 수 있으며, 건조 온도가 높은 경우 산화에 의한 Al 비율 감소에 의해 열처리하는 단계에서 치밀화가 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 가압단계는 냉간 등방압 가압을 통해 수행될 수 있으며, 냉간 등방압 가압을 통해 상기 세라믹 성형체를 가압함으로써 더욱 치밀하고 세라믹 성형체와 결착력이 우수한 접합층의 제조가 가능하다. 이때 냉간 등방압 가압은 100 내지 300 MPa의 압력으로 30초 내지 10분간 수행될 수 있으며, 접합면의 면적, 접합재의 도포 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법은 상기 세라믹 성형체 및 접합재를 열처리하는 단계;를 포함하며, 상기 열처리 단계는 상기 접합재의 알루미늄을 산화시키고 상기 접합재와 성형체를 소결하는 것을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이 접합재에 포함된 알루미늄은 열처리를 거치면서 반응소결에 의하여 나노 스케일의 산화알루미늄으로 산화되며, 기존에 첨가된 1종 이상의 산화물과의 혼합으로 Bi modal 입도분포를 형성하여 치밀하고 강도가 우수한 접합층을 제조할 수 있는 장점이 있다.
이때 상기 열처리하는 단계는 1500 내지 1750 ℃ 온도에서 30분 내지 5시간, 좋게는 1 내지 4시간 동안 수행될 수 있으나, 세라믹 성형체의 크기, 접합층의 면적 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 더욱 구체적으로, 상기 열처리하는 단계는 1100 ℃까지 분당 0.5 내지 2℃의 상승률로 온도 상승을 진행할 수 있으며, 좋게는 180 내지 220 ℃에서 30 분 내지 120분, 350 내지 420 ℃에서 30분 내지 120분 및 570 내지 650 ℃에서 60 내지 180분간 유지시간을 포함하여 가열을 수행할 수 있으며, 이러한 과정을 거쳐 입자 재배치를 유도하고 미세한 크기의 알루미늄 산화물 입자 제조가 가능한 장점이 있다.
본 발명에서 상기 산화알루미늄계 세라믹스 제조방법에서 상기 산화알루미늄계 세라믹스는 순수 산화알루미늄만으로 이루어진 세라믹 뿐만 아니라, 산화알루미늄을 일부 구성요소로 포함하는 세라믹을 포함한다. 구체적으로 지르코니아 강화 알루미나(ZTA, Zirconia Toughened Alumina), Mullite 등도 본 발명에서 의미하는 산화알루미늄계 세라믹에 포함될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법으로 접합된 산화알루미늄계 세라믹스 접합체를 제공한다. 본 발명에 의한 산화알루미늄계 세라믹스 접합체에 포함된 접합층은 모재 대비 90% 이상 강도의 우수한 물성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
알루미늄(ALE11PB, KOJUNDO CHMICAL LABORATORY, Japan) : Al2O3(AES-11C, SUMITOMO CHEMICAL, Japan)을 20:80의 부피비로 혼합하고 아세톤을 첨가하여 고상 함량이 15 부피%가 되도록 분산액을 제조하였다. 제조된 분산액을 3Y-ZrO2 3㎜ 지르코니아 볼(YTZ, NIKKATO, Japan)과 혼합한 후 300 rpm에서 12시간 동안 유성구 밀링을 수행하였다. 밀링이 끝난 슬러리는 60 ℃ 오븐에서 2일 건조 후 유발 및 100 mesh 체가름을 하여 복합분말을 제조하였다. 밀링 후 알루미늄 및 알루미나를 포함하는 혼합분말의 평균입경이 0.551 ㎛인 것을 확인하였다.
제조된 복합분말에 아세톤을 첨가하여 고상함량이 1 부피%가 되도록 하여 접합재를 제조하였으며, 접합하고자 하는 산화알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체(이하, 모재라 한다)를 준비하였다. 상기 접합재를 모재의 접합하고자 하는 면에 스프레이를 통해 20회 분사 후 다른 모재를 덮어 접합을 수행하였다. 20회 분사 후 단위면적당 고상 함량은 1.06 ㎍/㎠으로 확인되었다.
접합된 모재는 110 ℃ 오븐에서 3시간 동안 1차 건조 후, 냉간 등방압 가압으로 200 MPa압력으로 3분간 가압하고, 110℃에서 2일간 2차 건조하였다. 건조된 접합체를 1100℃ 까지 분당 1℃의 속도로 승온하고, 도중에 200 ℃에서 1시간, 400 ℃에서 1시간, 600 ℃에서 2시간 유지시간을 포함하여 승온을 수행하였다. 1100 ℃부터 1650 ℃ 까지는 분당 5℃의 속도로 승온하였으며, 1650 ℃에서 2시간 유지하여 열처리를 완료하였다.
[제조예 2]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되 알루미늄 : Al2O3의 부피비를 30 : 70으로 혼합하여 접합재를 제조하고, 모재를 접합하였다.
[제조예 3]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되 알루미늄 : Al2O3의 부피비를 40 : 60으로 혼합하여 접합재를 제조하고, 모재를 접합하였다.
제조예 3에서 밀링 과정 중 알루미늄과 산화알루미늄의 평균입경변화를 시간별로 측정하고 그 결과를 도 1로 나타내었다.
[제조예 4]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되 알루미늄 : Al2O3의 부피비를 10 : 90으로 혼합하여 접합재를 제조하고, 모재를 접합하였다.
[제조예 5]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되 알루미늄 : Al2O3의 부피비를 50 : 50으로 혼합하여 접합재를 제조하고, 모재를 접합하였다.
[제조예 6]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 접합재를 10회 분사하여 단위면적당 고상 함량을 0.5 ㎍/㎠으로 하여 접합을 수행하였다.
[제조예 7]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 접합재를 120회 분사하여 단위면적당 고상 함량을 6 ㎍/㎠으로 하여 접합을 수행하였다.
[제조예 8]
상기 2차 건조를 70℃에서 수행한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 제조하였다.
[제조예 9]
상기 2차 건조를 180 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 제조하였다.
[제조예 10]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 20 부피%, 산화알루미늄 48 부피% 및 지르코니아 32 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하였으며, 세라믹 성형체는 지르코니아를 30 부피% 포함하는 ZTA를 이용하여 접합을 수행하였다.
[제조예 11]
제조예 10과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 5 부피%, 산화알루미늄 65 부피% 및 지르코니아 30 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하고 접합을 수행하였다.
[제조예 12]
제조예 10과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 30 부피%, 산화알루미늄 38 부피% 및 지르코니아 32 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하고 접합을 수행하였다.
[제조예 13]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 15 부피%, 산화알루미늄 35 부피%, 실리카 32.5 부피% 및 Mullite 17.5 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하였으며, 세라믹 성형체는 Mullite를 이용하여 접합을 수행하였다.
[제조예 14]
제조예 13과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 25 부피%, 산화알루미늄 25 부피%, 실리카 32.5 부피% 및 Mullite 17.5 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하고 접합을 수행하였다.
[제조예 15]
제조예 13과 같은 방법으로 제조하되, 상기 접합재는 알루미늄 5 부피%, 산화알루미늄 45 부피%, 실리카 32.5 부피% 및 Mullite 17.5 부피%를 혼합하여 접합재를 제조하고 접합을 수행하였다.
[비교 제조예 1]
제조예 1과 같은 방법으로 접합체를 제조하되, 상기 접합재는 아세톤에 Al2O3가 분산된 분산액을 이용하였다. 이때 Al2O3는 1 부피% 첨가되도록 제조하였다.
접합체의 접합단면 확인
도 2는 제조예 1 내지 3에서 제조된 접합체의 단면을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 2를 참고하면, 접합층(Joining layer)이 모재와 뚜렷한 경계가 나타나 있지 않으며, 치밀하게 결착된 것을 확인할 수 있다.
접합체의 미세구조 접합단면 확인
제조예 1 내지 3에서 제조된 접합체의 접합단면을 현미경을 통해 관찰하고 그 결과를 도 3으로 나타내었다.
도 3을 참고하면, 접합층과 모재가 치밀하게 결착되어 있으며, 접합층의 평균 결정립 크기는 0.8 내지 0.9 ㎛ 사이에서 분포하며, 알루미늄의 함량이 증가할수록 평균 결정립 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다.
접합체의 물성 측정
제조예 및 비교 제조예에서 제조된 접합체의 접합층 및 모재의 2축 강도를 ISO 6873(Test method 7.3.2 Biaxial flexure test)에 따라 각각 7회 분석하고 그 결과를 표 1로 나타내었으며, 단위는 MPa이다.
  평균 최대 최소
모재 488 545 432
제조예 1 495 553 456
제조예 2 486 538 465
제조예 3 483 522 478
제조예 4 361 421 330
제조예 5 345 390 327
제조예 6 301 386 234
제조예 7 345 423 331
제조예 8 314 397 276
제조예 9 337 392 279
제조예 10 1265 1420 1155
제조예 11 941 1215 786
제조예 12 986 1267 802
제조예 13 414 447 337
제조예 14 343 378 297
제조예 15 320 360 269
비교 제조예 1 146 183 102
표 1을 참고하면, 제조예 1 내지 3에서 제조된 접합체에 포함된 접합층은 모재 대비 90% 이상, 좋게는 95% 이상의 강도를 가지며, 제조예 1의 경우 평균 강도가 모재보다 우수한 것을 확인할 수 있다. 반면 제조예 4 및 5의 경우 다소 낮은 강도를 가지며, 알루미늄 산화물 만을 첨가한 비교 제조예 1의 경우 현저히 낮은 강도를 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 접합층의 고상함량이 지나치게 낮거나 높은 제조예 6 및 7의 경우 강도 저하가 발생함을 확인할 수 있으며, 건조 온도가 낮거나 높은 제조예 8 및 9의 경우에도 제조예 1 내지 3 대비 낮은 강도를 나타냄을 확인할 수 있다.

Claims (12)

  1. 고상성분이 알루미늄과 1종 이상의 산화물로 이루어지는 접합재를 준비하는 단계;
    상기 접합재를 산화알루미늄을 포함하는 세라믹 성형체 사이에 공급하는 단계; 및
    상기 세라믹 성형체 및 접합재를 열처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 열처리 단계는 상기 접합재의 알루미늄을 산화시키고 상기 접합재와 성형체를 소결하는 것인 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1종 이상의 산화물은 산화알루미늄을 포함하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 접합재에 포함된 산화물 : 알루미늄의 부피비는 95 : 5 내지 60 : 40인 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계에서 생성되는 산화알루미늄의 입자크기는 상기 접합재를 준비하는 단계의 상기 알루미늄 입자 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 알루미늄은 입자크기가 1 ㎛이하인 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 알루미늄은 상기 열처리하는 단계에서 산화하면서 100 ㎚이하의 산화알루미늄 입자가 생성되는 것을 특징으로 하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 접합재를 준비하는 단계는 알루미늄, 1종이상의 산화물 및 유기용매를 혼합하여 볼밀하는 단계를 포함하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 유기용매는 탄소수 1 내지 4의 알코올, 아세톤, 헥산, 아세트산에틸, 디클로로메탄 및 클로로포름에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    접합재를 공급하는 단계 후 열처리하는 단계 전 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 1건조단계, 상기 세라믹 성형체를 가압하는 가압단계 및 상기 세라믹 성형체를 건조하는 제 2 건조 단계를 더 포함하는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가압단계는 냉간 등방압 가압을 통해 수행되는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 1500 내지 1750 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 수행되는 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항에서 선택되는 어느 한 항의 산화알루미늄계 세라믹스 접합 방법으로 접합된 산화알루미늄계 세라믹스 접합체.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06115009A (ja) * 1992-10-01 1994-04-26 Mitsubishi Materials Corp セラミックス焼結体の接合方法
KR101400908B1 (ko) 2013-02-13 2014-05-28 한국에너지기술연구원 알루미나와 산화칼슘(CaO)를 이용한 베타 알루미나와 알파 알루미나의 접합 방법 및 이를 이용한 단위 열 전환 발전기.
KR101477921B1 (ko) * 2013-09-17 2015-01-02 영남대학교 산학협력단 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06115009A (ja) * 1992-10-01 1994-04-26 Mitsubishi Materials Corp セラミックス焼結体の接合方法
KR101400908B1 (ko) 2013-02-13 2014-05-28 한국에너지기술연구원 알루미나와 산화칼슘(CaO)를 이용한 베타 알루미나와 알파 알루미나의 접합 방법 및 이를 이용한 단위 열 전환 발전기.
KR101477921B1 (ko) * 2013-09-17 2015-01-02 영남대학교 산학협력단 알루미나 세라믹 접합제 제조방법 및 그 접합제를 이용한 알루미나 세라믹 접합방법

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