KR20170130360A - 세라믹 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

세라믹 복합 재료의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 측면에 따른 복합 재료의 제조 방법은,
소결 후에는 빛을 통과시키는 한편, 가해지는 압력에 의존하는 고밀도화 온도(densification temperature)를 가지며, 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid)을 기반(based)으로 하는 매트릭스(matrix); 및 상기 매트릭스에 분산되며, 특정 파괴 온도에서 분해되는 무기 안료(mineral pigment)를 이용하여 복합 재료를 제조하는 방법으로서, 매트릭스의 고밀도화 온도는 80MPa 미만의 압력 범위, 특히 대기압에서 무기 안료의 파괴 온도(breakdown temperature)보다 크며, a) 분말 형태의 무기 안료를 분말 형태의 매트릭스와 혼합하는 단계; 및 b) 그 압력이 가해지는 동안에는 상기 매트릭스의 고밀도화 온도가 상기 무기 안료의 파괴 온도 이하로 유지되도록 하기에 충분한 압력 하에서 소정의 소결 온도로 상기 분말 혼합물을 소결하는 단계를 포함하고, 상기 소결 온도는 매트릭스의 고밀도화 온도 이상이며, 무기 안료의 파괴 온도보다 낮다.

Description

세라믹 복합 재료의 제조 방법
본 발명은 세라믹, 특히 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid) 기반(based)의 세라믹 제조 방법, 및 그 용도를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다.
산업적으로 제조된 컬러 세라믹은 일반적으로 산화 알루미늄 (알루미나) 또는 산화 지르코늄이 채워져 있으며, 안료와 혼합되어 있다. 안료는 색을 띤 매체에 불용성인 착색 물질이다. 특히 안료는 재료를 대량으로 색칠하는 데 사용된다.
일부의 경우, 산화물은 결정 구조에서 헤테로 원자(heteroatoms)와 같은 결함을 생성함으로 직접 착색 될 수 있다.
컬러 세라믹 부품의 제조는 검정색, 흰색, 파란색 및 녹색과 같은 일부 색상은 잘 관리되지만, 모든 색상이 그렇지는 않다.
예를 들어, 모든 노력을 기울였음에도 불구하고 여전히 밝은 적색 세라믹을 생산할 수 없으며, 적색/오렌지색 또는 적색/갈색 세라믹을 생산할 수 있을 뿐이다.
사실, 채색된 세라믹의 제조 방법은 무기 안료와 분말 세라믹을 섞은 다음, 중합체로 묶인 "생소지(green body)"를 얻기 위해 모든 것을 주형에 주입하는 것으로 구성된다. 이 생소지는 예를 들어 600℃로 가열하면 중합체 결합(polymer binding)이 승화(sublimate)되기 때문에 언바운드(unbound)된다. 생소지는 최종적으로 세라믹의 융점에 가까운 온도에서 소결되고, 고밀도화되어 고형물이 된다.
사용되는 안료의 비율은 원하는 색상에 따라 다르지만, 일반적으로 3 내지 5 부피비(percent by volume)의 안료를 사용하는 것으로도 세라믹을 착색하기에 충분하다. 사실, 소결 단계에서 안료는 일반적으로 흰색인 세라믹으로 확산될 것이고, 그런 식으로 세라믹이 안료의 색을 띠게 된다.
그러나 안료가 세라믹으로 확산되지 않으면 세라믹이 흰색으로 표시되어 첨가된 안료의 색상이 잘 표시되지 않는다. 따라서, 세라믹의 색상은 결과적으로 창백하고 미적 관심사가 부족하게 된다.
특히, 소결 단계 후에 색을 유지할 수 있는 적색 안료는 없다. 따라서, 적색 안료로 착색한 세라믹은 오렌지, 붉은 밤색(bordeaux) 또는 심지어 갈색의 색상을 갖게 된다.
본 발명은 특히 착색된 세라믹 제조에서 가능한 색상의 범위를 현저하게 확대시키는 새로운 복합 재료를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 또한 발광 안료를 포함하는 새로운 복합 재료를 제안하는 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 복합 재료를 제조하는 방법의 한 예로,
소결 후에는 빛을 통과시키는 한편, 가해지는 압력에 의존하는 고밀도화 온도(densification temperature)를 가지며, 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid)을 기반(based)으로 하는 매트릭스(matrix); 및
상기 매트릭스에 분산되며, 특정 파괴 온도에서 분해되는 무기 안료(mineral pigment)
를 이용하여 복합 재료를 제조하는 방법으로서,
매트릭스의 고밀도화 온도는 80MPa 미만의 압력 범위, 특히 대기압에서 무기 안료의 파괴 온도(breakdown temperature)보다 크며,
a) 분말 형태의 무기 안료를 분말 형태의 매트릭스와 혼합하는 단계; 및
b) 그 압력이 가해지는 동안에는 상기 매트릭스의 고밀도화 온도가 상기 무기 안료의 파괴 온도 이하로 유지되도록 하기에 충분한 80MPa 이상의 압력 하에서 소정의 소결 온도로 상기 분말 혼합물을 소결하는 단계
를 포함하고,
상기 소결 온도는 매트릭스의 고밀도화 온도 이상이며, 무기 안료의 파괴 온도보다 낮은 복합 재료 제조 방법을 개시한다.
또한, 본 발명은 복합 재료를 제조하는 방법의 다른 예로,
- 소결 후에는 빛을 통과시키는 한편, 가해지는 압력에 의존하는 고밀도화 온도(densification temperature)를 가지며, 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid)을 기반(based)으로 하는 매트릭스(matrix); 및
상기 매트릭스에 분산되며, 특정 파괴 온도에서 분해되는 무기 안료
를 이용하여 복합 재료를 제조하는 방법으로서,
매트릭스의 고밀도화 온도가 100MPa 미만의 압력 범위, 특히 대기압에서 무기 안료의 파괴 온도보다 큰 경우,
a) 분말 형태의 무기 안료를 분말 형태의 매트릭스와 혼합하는 단계; 및
b) 그 압력 하에서는 상기 매트릭스의 고밀도화 온도가 상기 무기 안료의 파괴 온도 이하로 유지되도록 하기에 충분한 100MPa 이상의 압력 하에서 소정의 소결 온도로 상기 분말 혼합물을 소결하는 단계
를 포함하고,
상기 소결 온도는 매트릭스의 고밀도화 온도 이상이며, 무기 안료의 파괴 온도보다 낮은 복합 재료 제조 방법을 개시한다.
이러한 제조 방법에 따르면, 매우 큰 컬러 팔레트(color palette), 특히 밝은 적색 세라믹을 포함하는 세라믹 복합 재료를 얻을 수 있다. 사실, 매트릭스는 빛을 통과시키는데 적합하기 때문에(즉, 투명하거나 반투명하기 때문에), 안료 입자가 매트릭스 내부 깊숙이 자리 잡고 있더라도 안료의 색이 물질의 외부로 확산되도록 해준다. 이는 물질의 착색 표면을 증가시키고 따라서 그의 색의 선명함을 증가시키는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 제조 방법의 바람직한 실시예에서, 아래의 조건들 중 하나 이상의 조건을 사용할 수 있다.
- 무기 안료의 평균 직경은 0.2㎛ 에서 10㎛이다.
- 소결 동안 가해진 상기 압력 하에서 매트릭스의 고밀도화 온도는 1300℃ 미만이다.
- 소결 온도(소결 중 적용되는 온도)는 1300℃ 이하, 심지어 1200℃ 이하이다.
- 무기 안료는 상기 복합 재료의 부피비로 2% 내지 50%가 포함된다.
- 무기 안료는 코발트알루미네이트(CoAl2O4)를 기본으로 한다.
- 무기 안료는 코어(core)와 코어를 둘러싸는 착색 코팅(colored coating)을 각각 포함하는 이산(discrete) 입자 형태이다.
- 착색 코팅은 철(iron), 크롬(chrome), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium), 규소(silicon), 아연(zinc), 니켈(nickel), 코발트(cobalt), 카드뮴(cadmium), 구리(copper), 바나듐(vanadium), 비스무스(bismuth) 및/또는 망간(maganese)을 포함하는 산화물이다.
- 무기 안료의 코어(core)는 빛을 통과시키는 데 적합하다.
- 무기 안료의 코어(core)는 운모(mica), 알루미나(alumina), 지르코늄(zirconium) 및 이산화 티타늄(titanium dioxide) 중에서 선택된 재료로 제조된다.
- 착색 코팅의 화학식은 KAl2(AlSi3O10)(OH)2이다.
- 세라믹 매트릭스는 마그네슘 알루미네이트 스피넬(MgAl2O4)을 기본으로 한다.
- 세라믹 매트릭스는 이트륨(yttrium)으로 안정화된 지르코늄을 기본으로 한다.
- 소결 동안 가해지는 압력은 적어도 200MPa과 동일하다.
- 무기 안료(특히, 앞서 언급한 착색된 코팅)의 색상은 밝은 빨강(bright red)이다.
- 무기 안료는 발광성을 갖는다;
- 무기 안료는 희토류 알루미네이트(rare earth aluminates) 및/또는 희토류 실리케이트(earth silicates)를 포함한다.
- 무기 안료는 유로퓸(europium)이 도핑(doping)된 스트론튬 알루미네이트(strontium aluminate)를 기본으로 한다.
- 소결 중에 가해지는 압력은 적어도 600MPa과 동일하다.
본 발명은 복합 재료를 제조하는 방법의 또 다른 예로,
- 무기 안료; 및
- 빛이 통과하는 데 적합하고, 압력 하에서 무기 안료의 파괴 온도 이하의 고밀도화 온도를 가지며, 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid)을 기반(based)으로 하는 매트릭스(matrix)
를 결합시킨 복합 재료를 제조하는 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 복합 재료의 다양한 실시예에서, 아래의 조건들 중 하나 이상의 조건을 사용할 수 있다.
- 무기 안료는 상기 복합 재료의 부피비로 2% 내지 50%가 포함된다.
- 무기 안료는 코발트 알루미네이트(CoAl2O4)를 기본으로 한다.
- 무기 안료는 코어(core)와 코어를 둘러싸는 착색 코팅(colored coating)을 각각 포함하는 이산(discrete) 입자 형태이다.
- 착색 코팅은 철, 크롬, 알루미늄, 티타늄, 규소, 아연, 니켈, 코발트, 카드뮴, 구리, 바나듐, 비스무스 및/또는 망간을 포함하는 산화물이다.
- 무기 안료의 코어는 빛을 통과시키는 데 적합하다.
- 무기 안료의 코어는 운모, 알루미나, 지르코늄 및 이산화 티타늄 중에서 선택된 재료로 제조된다.
- 무기 안료는 발광성을 갖는다.
- 무기 안료는 희토류 알루미네이트 및/또는 희토류 실리케이트를 포함한다.
- 무기 안료는 유로퓸으로 도핑된 스트론튬 알루미네이트를 기본으로 한다.
- 무기 안료의 평균 직경은 0.2㎛ 내지 10㎛이다.
- 압력 하에서 매트릭스의 고밀도화 온도는 1300℃ 이하이다.
- 매트릭스는 금속 산화물로 구성된다는 의미에서 세라믹이다.
- 매트릭스는 마그네슘 알루미네이트 스피넬(MgAl2O4)을 기본으로 한다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 목적은 시계 또는 보석 제조에서 전술한 방법으로 제조한 복합 재료의 사용이다.
이러한 제조 방법에 따르면, 매우 큰 컬러 팔레트(color palette), 특히 밝은 적색 세라믹을 포함하는 세라믹 복합 재료를 얻을 수 있다. 사실, 매트릭스는 빛을 통과시키는데 적합하기 때문에(즉, 투명하거나 반투명하기 때문에), 안료 입자가 매트릭스 내부 깊숙이 자리 잡고 있더라도 안료의 색이 물질의 외부로 확산되도록 해준다. 이는 물질의 착색 표면을 증가시키고 따라서 그의 색의 선명함을 증가시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료의 샘플 제조 방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료를 보여주는 결정학적 단면도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 특히 시계 제조용 보석 제조에 사용하도록 의도된 복합 재료에 관한 것으로,
- 무기 안료; 및
- 빛이 통과하는 데 적합하고, 압력 하에서 무기 안료의 파괴 온도 이하의 고밀도화 온도를 가지며, 금속 산화물 또는 준 금속을 기반으로 하는 매트릭스
가 결합되어 제조된다.
무기 안료는 상기 복합 재료의 부피비로 2% 내지 50%가 포함된다.
무기 안료는 복합 재료의 원하는 색상에 따라 선택된다.
청색 및 녹색의 경우, 알루미늄 및 코발트를 기본으로 하는 무기 안료, 특히 스피넬 결정 구조를 갖는 코발트 알루미네이트(CoAl2O4)가 선택된다. 이 경우, 재료는 벌크(bulk)로 채색된다. 안료의 청색 또는 녹색 및 안료의 색의 선명도는 그의 산화 수준에 의존한다.
코발트 알루미네이트를 제외하고, 하기 화학식을 갖는 화합물을 사용할 수도 있다. 파란색 또는 녹색 색상과 색상의 선명도는 산화 수준에 따라 달라진다.
- (Co,Zn)Al2O4;
- (Zn,Co)(Cr,Al)2O4;
- Co(Al,Cr)2O4;
- CoAl2O4 /Co2SnO4.
복합 재료의 원하는 색상에 기초하여, 화합물의 색상을 변경하기 위해 성분(element) 또는 성분들의 조합이 첨가될 수 있다. 특히 크롬, 리튬, 마그네슘, 실리콘, 스트론튬, 주석, 티타늄 및 아연이 이들 원소 중 하나이다. 다시, 안료로부터의 색상의 선명한 청색 또는 녹색 색상은 그의 산화 수준에 의존한다.
적색 및 황색의 경우, 코어 및 코어를 둘러싸는 착색 코팅을 각각 포함하는 이산 입자(discrete particles) 형태의 무기 안료가 대신 선택된다. 사실, 이러한 색상의 선명도가 너무 약해서 재료를 대량으로 채색하지 못한다.
바람직하게는, 무기 안료의 코어는 광을 통과시키는 데 적합하며, 투명하거나 반투명하다.
따라서, 입자가 복합 재료의 표면 상에 있고, 연마될 경우, 코팅의 색상은 코어를 통해 보일 수 있다.
예를 들어, 무기 안료의 코어는 다음 중에서 선택된 물질로 제조될 수 있다.
- 운모 (예 : 백운모 또는 흑운모);
- 알루미나, Al2O3;
- 지르코늄 산화물, ZrO2;
- 이산화 티탄, TiO2.
착색 코팅은 철, 크롬, 알루미늄, 티타늄, 규소, 아연, 니켈, 코발트, 카드뮴, 구리, 바나듐, 비스무트 및/또는 망간을 포함하는 산화물 일 수 있다.
예를 들어, 특히 다음을 포함 할 수 있다.
- KAl2 (AlSi3O10)(OH)2;
- TiO2;
- SiO2;
- ZnO.
안료의 색 및 선명도가 산화 수준에 의존한다는 것을 고려하면, 상기 화합물로 모든 색상을 얻을 수 있다.
알려진 색상은 빨간색, 노란색, 녹색, 보라색, 검정색 및 파란색이다. 따라서, 청색 및 녹색을 위한 코어/코팅형 무기 안료를 얻을 수도 있다.
착색된 피막의 두께 및 무기(mineral) 색소를 구성하는 다양한 성분의 비율이 그의 색 및 선명도를 결정하는 데 기여한다.
US 4,344,987A, US 5,522,923A 및 US 4,086,100A는 산화 티탄(titanium oxide) 및 운모(mica) 기반의 적색 안료의 예를 제공한다.
무기 안료는 희토류 알루미네이트를 포함하는 발광 소스(인광 및/또는 형광), 예를 들어 유로퓸으로 도핑된 스트론튬 알루미네이트 일 수 있다. 이것은 Super-LumiNova®라는 상품명으로 알려져 있으며, 다양한 색조와 색상의 제품 라인이 존재한다. 희토류 실리케이트 또는 희토류 알루미네이트와 실리케이트의 혼합물은 또한 발광 소스 일 수 있다.
세이코(Seiko)사가 개발한 "루미브라이트(LumiBrite)", 또는 방사성 원소를 포함하고 사용이 엄격히 제한된 방사성 발광 또는 자동 발광 광원과 같이 덜 흥미로운 소스와 같은 다른 제품도 있다. 여기에서 우리는 삼중 수소(tritium), 라듐(radium) 또는 프로메튬(promethium)에 대해 이야기하고 있다.
일부 가스는 또한 발광 능력(luminescent capacity)을 가질 수 있으며, 이 경우 발광 능력을 갖는 가스는 유리 캡슐에 담겨진다.
US 3,294,699A, US 2,544,236A, US 5,607,621A, WO 02/083814A1 및 US 2,544,236A에 발광 안료의 일부 예가 제시되어 있다.
또한, "간섭 특성(interference properties)"을 갖는 무기 안료를 사용할 수도 있는데, "간섭 특성"은 관찰되는 각도에 따라 다른 색조를 나타내는 것을 의미한다.
예를 들어, 이러한 간섭 특성은 운모 코어, 티타늄과 철 및 니켈을 포함하며 코어를 둘러싸는 복합 산화물 착색 코팅, 및 착색 코팅을 둘러싸는 이산화 티타늄층을 포함하는 무기 안료를 사용하여 얻을 수 있다.
다른 무기 안료는 진주 효과와 같은 그 밖의 색 효과를 그 모양의 특성에 따라 더 보여줄 수 있다.
무기 안료의 평균 직경은 0.2㎛ 내지 10㎛이다.
유리하게는, 무기 안료의 파괴 온도는 1300℃ 이상이다. 파괴 온도는 무기 안료의 색이 변하는 분해 온도(decomposition temperature)에 상응한다.
매트릭스는 충분한 압력 하에서 그의 고밀도화 온도가 무기 안료의 파괴 온도 이하, 따라서 유리하게는 1300℃ 미만이 되도록 선택된다.
일반적으로 발광 안료는 불활성 분위기에서 800℃ 이상의 온도에 견디지 못한다. 이 경우 800℃에서 고밀도화되고 또한 투명성을 유지하기 위해서는 매트릭스의 고밀도화 압력을 높일 필요가 있다.
이 매트릭스는 빛을 통과시키는 데 적합하다. 즉, 투명하거나 반투명하다. 이를 위해, 매트릭스는 예를 들어 투명한 세라믹으로 공지된 방법에 따라 제조된다. 이러한 적응(adaption)은 특히 산화물의 선택 및 성형 조건, 즉 고밀도화 온도 및 압력을 의미한다.
앞서 본 바와 같이, 매트릭스는 금속 산화물 또는 준 금속 산화물 기반이다.
준 금속은 금속 또는 비금속 중 어느 하나에 분류 될 수 없는 화학 원소를 의미하며, 그 물리적, 화학적 성질은 비금속의 금속 말단 사이의 물리적 및 화학적 성질을 의미한다.
준 금속은 다음 특성을 특징으로 한다.
■ 산화물은 일반적으로 양쪽 성이다 (금속의 것은 다소 염기성이고 비금속의 것은 다소 산성이다).
■ 반도체처럼 행동한다 (특히 붕소, 실리콘 및 게르마늄).
따라서 준 금속은 금속과 비금속 사이의 주기율표에서 비스듬한 밴드를 형성한다.
■ 붕소(Boron) 5B
■ 실리콘(Silicon) 14Si
■ 게르마늄(Germanium) 32Ge
■ 비소(Arsenic) 33As
■ 안티몬(Antimony) 51Sb
■ 텔루륨(Tellurium) 52Te
■ 아스타틴(Astatine) 85At
특히, 매트릭스는 세라믹일 수 있다.
본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 세라믹 매트릭스 중에는 마그네슘 알루미네이트 스피넬(MgAl2O4), 지르코늄(zirconium) 또는 순수 알루미나(pure alumina)가 있다.
본 발명에 따른 복합 재료는 특히 도 1에 도시된 공정에 의해 제조될 수 있으며 다음의 단계를 포함한다.
a) 분말 형태의 무기 안료(10)와 분말 형태의 매트릭스(12)을 몰드(14) 내에서 혼합하여 분말 혼합물을 제조하는 단계;
b) 그 압력이 가해지는 동안에는 상기 매트릭스의 고밀도화 온도가 상기 무기 안료의 파괴 온도 이하로 유지되도록 하기에 충분한 압력 하에서 무기 안료(10)의 파괴 온도보다 낮고 적어도 매트릭스의 고밀도화 온도와 동일한 소결 온도로 분말 혼합물을 소결하는 단계;
c) 복합 재료(16)를 몰드(14)로부터 인출하는 단계.
소결 동안 가해지는 압력은 일반적으로 80MPa 이상, 심지어 100MPa 이상이며, 본 발명은 80MPa 미만 또는 100MPa 미만의 적어도 하나의 압력 범위에서 매트릭스가 무기 안료의 파괴 온도 이상의 고밀도화 온도를 갖는 경우에 특히 적합하다.
따라서, 상기 압력과 상기 온도 하에서 무기 안료는 안정하지만, 매트릭스는 무기 안료 입자를 모두 코팅한다.
고밀도화 온도를 800℃ 이하로 낮추어야 하는 발광 안료의 경우, 소결 중 적용되는 압력은 일반적으로 600MPa을 초과한다.
복합 재료의 표면에서 확산된 광은 만족스러운 색상 선명함을 보장하기에 충분하다.
소결은 온도를 몇 분 안에 증가시킬 수 있는 SPS(Spark Plasma Suntering) 프레스(press)를 사용하여 일축(uniaxial) 압력 하에서 수행할 수 있다.
또한 정압(isostatic pressure) 하에서 소결하는 것에 의해 소결을 종료할 수도 있다. 첫 번째 단계에서는 분말 혼합물을 압축하여 펠렛을 형성하거나 세라믹에 대한 통상적인 사출 기술에 의해 성분을 주입하고, 이후로는 상기 방법을 반드시 마무리하지 않고 다공성(porosities)을 폐쇄시키는 효과를 갖는 첫 번째 소결을 수행한다. 소결은 일반적으로 가스에 의해 200MPa 이하의 압력으로 가압 될 수 있는 오븐에서 마무리된다.
<예 1>
10ppm 이하의 Fe, Ca 및 Na 불순물 및 20ppm Si 불순물을 갖는 0.2㎛의 입자 크기의 마그네슘 알루미네이트 스피넬(MgAl2O4) 분말이 사용되며, 예를 들어 Baikowski에 의해 제품 번호 S30 CR로 제조된 분말이 사용된다.
무기 안료의 투여량은 5 내지 30 부피% 내에서 다양할 수 있다.
스피넬(MgAl2O4)의 소결은 일반적으로 1800℃ 이상의 온도에서 수행된다. 본 발명에 따르면, 무기 안료를 보존하고 선명함을 유지하기 위해, 소결은 1200℃, 매우 높은, 등압 또는 일축 압력 하에서 수행된다.
스피넬(MgAl2O4)의 고밀도화는 압력이 80MPa를 초과하거나 심지어 100MPa를 초과하는 조건에서, 상기 온도 영역에서 가능하다.
또한, 큰 범위로 안료가 파괴되지 않으면 상기 온도 영역에서 사용할 수 있다.
이러한 방식으로, 조밀한 세라믹 복합 재료는 표면 안료 입자로부터의 색상 효과만 갖는 것이 아니라, 수십 밀리미터의 깊이에 걸쳐 무기 안료로부터의 착색을 사용할 수 있는 투명성을 갖는다.
특히, 안료가 10 부피%로 포함된 혼합물을 얻기 위해, 32.76g의 MgAl2O4 스피넬(Baikowski의 S30 CR)이 4.6g의 적색 안료 (KAl2(AlSi3O10)(OH)2가 코팅 된 TiO2 코어)와 혼합된다. 직경 30mm의 흑연 주형에 4g의 혼합물을 채운다. 혼합물은 100MPa의 압력에 상응하는 70kN의 힘으로 1200℃에서 SPS 프레스에서 5분 동안 가압 소결된다. 밝은 빨간색의 고밀도 세라믹 디스크가 제조된다.
도 2에 도시된 결정학적 단면은 실시예 1의 방법에 따라 제조된 복합 재료 샘플을 0.25㎛ 이하의 다이아몬드 입자로 연마한 후, 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 1500배 확대한 것이다. 밝은 영역이 안료 입자에 해당한다.
<예 2>
200MPa 이상의 압력(isostatic 또는 uniaxial) 하에서 1200℃로 소결한 후 투명 또는 반투명 지르코늄을 얻을 수 있는 이트륨 안정화 지르코늄이 사용된다.
따라서, 30 부피%의 적색 안료와 이트륨 안정화 지르코늄(약 8%의 이트륨 첨가)을 혼합함으로써, 유리 또는 MgAl2O4 스피넬과 유사한 효과가 얻어지는데, 이는 적색 안료가 내부에 포획된 투명 매트릭스를 의미한다.
따라서, 본 발명은 매우 넓은 범위의 색상을 갖는 새로운 세라믹 복합 재료 및 발광 안료를 포함하는 새로운 복합 재료를 제안한다.
특히, 본 발명에 따르면, 이전에는 불가능했던 밝은 적색을 갖는 착색된 세라믹을 얻을 수 있다.
실제로, 적색 세라믹의 제조에 관한 대부분의 연구는 소결 단계 후에 그 색을 유지할 수 있는 적색 안료를 얻는데 초점을 맞추었지만, 본 발명에서는 매트릭스 자체와는 대조적으로, 특히 소결 온도가 무기 안료의 색이 변하는 온도 이하로 유지되는 매트릭스를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 착색된 복합 재료는 예를 들어, 베젤(bezel), 중간 막대(middles), 시계 밴드 버클 (watchband buckles) 등과 같은 시계 제조 부품을 피복(dressing)하기 위한 구성 요소의 제조에 응용할 수 있다. 이 적용에서 이러한 재료의 장점은 마모에 대한 내성이 있으며, 손목에 착용한 시계에 부과된 여러 조건에 따라 부품의 색상이 손상되지 않는다는 것이다. 착색이 코어에서 이루어지기 때문에 시계의 표면이 긁히는 극단적인 경우에도 문제가 되는 흠집은 코팅이 아니라 벌크 착색인 것으로 간주되어 표면과 다른 색상을 갖지 않는다.
고려되는 다른 응용 중 하나는 예를 들어 인광 안료를 사용하여 문자판을 제조하는 것이다. 이 물질로 제조한 다이얼은 인광 안료가 도포된 다이얼보다 훨씬 더 큰 경도와 인광 강도를 갖는다. 상기 물질의 매트릭스가 투명하기 때문에, 깊이가 1~2mm 이상인 조명(illumination)을 볼 수 있다. 이렇게 하면 수 미크론 이상의 페인트층과 달리 안료의 표면이 훨씬 더 크게 보인다.
이 마지막 적용은 심해 다이빙을 위한 스포츠 시계 분야에서 특히 매력적이다.
10: 무기 안료 12: 매트릭스
14: 몰드 16: 복합 재료

Claims (20)

  1. 소결 후에는 빛을 통과시키는 한편, 가해지는 압력에 의존하는 고밀도화 온도(densification temperature)를 가지며, 금속 산화물(metal oxide) 또는 준 금속(metalloid)을 기반(based)으로 하는 매트릭스(matrix); 및
    상기 매트릭스에 분산되며, 특정 파괴 온도에서 분해되는 무기 안료(mineral pigment)
    를 이용하여 복합 재료를 제조하는 방법으로서,
    매트릭스의 고밀도화 온도는 80MPa 미만의 압력 범위, 특히 대기압에서 무기 안료의 파괴 온도(breakdown temperature)보다 크며,
    a) 분말 형태의 무기 안료를 분말 형태의 매트릭스와 혼합하는 단계; 및
    b) 그 압력이 가해지는 동안에는 상기 매트릭스의 고밀도화 온도가 상기 무기 안료의 파괴 온도 이하로 유지되도록 하기에 충분한 80MPa 이상의 압력 하에서 소정의 소결 온도로 상기 분말 혼합물을 소결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 소결 온도는 매트릭스의 고밀도화 온도 이상이며, 무기 안료의 파괴 온도보다 낮은 복합 재료 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 무기 안료는 0.2㎛ 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는 복합 재료 제조 방법.
  3. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    소결 동안 가해진 상기 압력하에서 상기 매트릭스의 고밀도화 온도는 1300℃ 미만인 복합 재료 제조 방법.
  4. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 무기 안료는 상기 복합 재료의 부피비로 2% 내지 50%가 포함되는 복합 재료 제조 방법.
  5. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 무기 안료는 코발트 알루미네이트(CoAl2O4)를 기본으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  6. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 무기 안료는 코어(core)와 코어를 둘러싸는 착색 코팅(colored coating)을 각각 포함하는 이산(discrete) 입자 형태로 이루어지는 복합 재료 제조 방법.
  7. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 착색 코팅은 철(iron), 크롬(chrome), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium), 규소(silicon), 아연(zinc), 니켈(nickel), 코발트(cobalt), 카드뮴(cadmium), 구리(copper), 바나듐(vanadium), 비스무스(bismuth) 및/또는 망간(maganese)을 포함하는 산화물로 이루어지는 복합 재료 제조 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에서,
    상기 무기 안료의 코어는 빛을 통과시키는 복합 재료 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 무기 안료의 코어(core)는 운모(mica), 알루미나(alumina), 지르코늄(zirconium) 및 이산화 티타늄(titanium dioxide) 중에서 선택된 재료로 제조되는 복합 재료 제조 방법.
  10. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 착색 코팅의 화학식은 KAl2(AlSi3O10)(OH)2인 복합 재료 제조 방법.
  11. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 세라믹 매트릭스는 마그네슘 알루미네이트 스피넬(MgAl2O4)을 기본으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 세라믹 매트릭스는 이트륨(yttrium)으로 안정화된 지르코늄을 기본으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    소결 동안 가해지는 압력은 적어도 200MPa과 동일한 복합 재료 제조 방법.
  14. 선행 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 무기 안료의 색상은 밝은 빨강(bright red)인 복합 재료 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 무기 안료는 발광성을 갖는 복합 재료 제조 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 무기 안료는 희토류 알루미네이트(rare earth aluminates) 및/또는 희토류 실리케이트(earth silicates)를 포함하는 복합 재료 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 무기 안료는 유로퓸(europium)이 도핑(doping)된 스트론튬 알루미네이트(strontium aluminate)를 기본으로 하는 복합 재료 제조 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에서,
    소결 중에 가해지는 압력은 적어도 600MPa과 동일한 복합 재료 제조 방법.
  19. 선행 청구항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로부터 제조한 복합 재료.
  20. 제19항에 따른 복합 재료를 시계 제조 또는 보석 제조에 사용하는 것.
KR1020177022149A 2015-01-15 2016-01-15 세라믹 복합 재료의 제조 방법 Active KR102520389B1 (ko)

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