(57)【要約】【課題】(１）工業的に実用可能な手法により、焼結性に優れた酸化スカンジウム粉末の製造法と、（２）該酸化スカンジウム粉末を用いて可視部から赤外領域に渡って良好な透光性を示す酸化スカンジウム焼結体の製造方法を提供すること。  【解決手段】硫酸スカンジウムを1000℃から1300℃の温度範囲で仮焼した一次粒子径が10nm〜300nmの酸化スカンジウム易焼結性粉末の製造法。この方法で調製した易焼結性酸化スカンジウム粉末を用いて成形体を作製し、窒素ガスやアルゴン等の酸化スカンジウム内を実質的に拡散できない元素を含むガスの分圧の合計が0.03MPa以下の雰囲気で焼成することを特徴とする透明酸化スカンジウム焼結体の製造法。【選択図】  図１
2005219938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫酸スカンジウムを1000℃から1300℃の温度範囲で仮焼した一次粒子径が10nm〜300nmの
酸化スカンジウム易焼結性粉末の製造法。
【請求項２】
請求項1の方法で調製した易焼結性酸化スカンジウム粉末を用いて成形体を作製し、窒素
ガスやアルゴン等の酸化スカンジウム内を実質的に拡散できない元素を含むガスの分圧の
合計が0.03MPa以下の雰囲気で焼成することを特徴とする透明酸化スカンジウム焼結体の
製造法。
【請求項３】
焼結体が、波長が400nmから5μmにおける直線透過率が焼結体1mmの厚さで50%以上である
ことを特徴とする請求項2記載の透明酸化スカンジウム焼結体の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硫酸スカンジウムを熱分解して一次粒子が個々に分離していて粒度分布が
そろった微細酸化スカンジウム粉末の製造と該粉末を用いた透明焼結体の製造に関するも
のである。
【０００２】
さらに詳しくは、この発明は、透明焼結体製造用の原料粉体に適した微細粉末の製造方
法と該粉末を用いて各種発光管やレーザー材料、高温用の窓などに使用可能な透明焼結体
の製造方法に関するものである。  
【背景技術】
【０００３】
酸化スカンジウムは、その結晶構造がC-希土構造（立方晶）であるので複屈折がない。
このため、粒界での光の散乱がないので、光を散乱させる気孔や介在物等を完全に除去す
ると焼結体でも透明化できる。しかも、バンド・ギャップが5.7eVと非常に大きく、屈折
率、nH、もλ= 300nmで2.0と大きい酸化物である。さらに、融点も約2430℃と非常に高く
熱伝導度も17W/mKと大きい。これらの特性を利用して、LEDあるいは高エネルギーパルスU
Vレーザー用の光損傷防止高反射材や高エネルギーレーザー用ホスト材料、赤外線用高温
窓、放電ランプ用発光管等への利用が期待されている。
【０００４】
酸化スカンジウムの優れた光学的特性から、光学材料を目指した単結晶育成に関する研
究は比較的多い。例えば、Fornasieroら（非特許文献１）はチョコラルスキー法を、Bart
aやHajekら（非特許文献２）はベルヌーイ法を、Chenら（非特許文献３）はフラックス法
等を検討している。しかしながら、結晶の大きさに制限があったり不純物の混入があり、
大きくて良質な単結晶を製造するには非常に難しかったりするなどの欠点があった。
【０００５】
一方、酸化スカンジウム粉末の製造や粉末の特性付けに関して、Sidgwick (非特許文献
４)やFierroら(非特許文献５)等の報告はあるが、その数は非常に少なく、不明なことが
多く残されている。また、透明焼結体の製造においても、長い間、Gazzarら（非特許文献
６）のホットプレス法に関する研究のみであった。
【０００６】
近年、八木や柳谷は易焼結性の酸化イットリム粉末の製造法を応用して、酸化スカンジ
ウム透明焼結体の製造法（特許文献１）を開発した。ホットプレス法はある程度焼結性の
良好な粉末であれば、比較的容易に透明焼結体を製造できる利点がある。しかしながら、
焼成中に加圧するために、高温・高圧に耐え、さらに酸化スカンジウムと反応しない型が
必要であると同時に、作業性も非常に悪いために製造できる量も限られており、材料が高
価になるという欠点があった。
【０００７】
一方、特許文献１（特開2003-128465）では、緻密化を促進するために5wtppm以上100wt
ppm以下のAlを添加する必要があった。エントロピーから分かるように、一般に、固体の
固溶量は温度が高くなると急激に増加する。しかしながら、同発明の実施の様態の中で、
焼成温度が1800oCと非常に高くても、粒界にAlの偏析相が認められると述べている。これ
は、1400℃以上1800℃以下の焼結温度では、添加したAlの多くは粒界に偏析していたこと
を意味する。
【０００８】
Johnsonら（非特許文献７）の報告から分かるように、添加量が微量でも偏析層中のAl
量は濃縮されているはずである。このために、例え添加したAl量が微量でも、焼結体の実
際の性質はAlが濃縮した偏析層の性質に支配されるという欠点がある。本発明者らは塩基
性硫酸アンモニウムを前駆体とした易焼結性酸化スカンジウム粉末の合成法と該粉末を用
いた透明酸化スカンジウム焼結体の製造法を開発（特願2003-379479）した。この発明（
特願2003-379479）の方法は透明焼結体の製造には適している。しかしながら、塩基性硫
酸スカンジウムは過飽和状態になりやすく、スカンジウムイオンを完全に沈殿させること
が難しい。このため、収率が低下するという欠点があった。
【非特許文献１】Ceram. Inter. 26, 589 (2000)
【非特許文献２】Naturwissenschaften45 36 (1957)
【非特許文献３】J.Crystal Growth 109 323 (1991）
【非特許文献４】The chemical elements and their compounds, Oxford:Clarendon Press,(1962)
【非特許文献５】J. Colloid Interface Sci., 93 487 (1983)
【非特許文献６】J.Mater. Sci. 6,1137 (1971)
【非特許文献７】J.Am. Ceram.Soc.,57, 342 (1974)
【特許文献１】特開2003-128465号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、（１）工業的に実用可能な手法により、焼結性に優れた酸化スカンジウム粉
末の製造法と、（２）該酸化スカンジウム粉末を用いて可視部から赤外領域に渡って良好
な透光性を示す酸化スカンジウム焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本非発明の易焼結性酸化スカンジウム粉末の製造法は、（１）硫酸スカンジウムを1000
℃〜1300℃の温度範囲で仮焼して、一次粒子径が10nm〜300nmの酸化スカンジウムの易焼
結性粉末を製造することを特徴としている。
【００１１】
さらに、上記（１）の方法で調製した易焼結性酸化スカンジウム粉末を用いて成形体を
作製し、窒素ガス等の酸化スカンジウム内を実質的に拡散できないガスの分圧が0.03PHa
以下の雰囲気で焼成することを特徴としている。
【００１２】
また、この方法によって、波長が400nmから5μmの領域に亘っての直線透過率が焼結体1
mmの厚さで50%以上の、無添加酸化スカンジウム透光性焼結体を製造することを特徴とし
ている。
【発明の効果】
【００１３】
この発明においては、上記の方法により、溶液反応を応用した易焼結性酸化スカンジウ
ム粉末の製造ばかりでなく、該粉末を用いて普通焼結法で透明酸化スカンジウム焼結体を
経済的に製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明においては、上記の方法により、溶液反応を応用した易焼結性酸化スカンジウ
ム粉末の製造ばかりでなく、該粉末を用いて普通焼結法で透明酸化スカンジウム焼結体を
経済的に製造することが可能になる。
【００１５】
＜Ａ＞本発明に適する硫酸スカンジウム  
本発明における硫酸スカンジウムは、結晶構造が六方晶で、Sc2 (SO4) 3・nH2O(n= 6〜
10)の化学式で記述できる化合物である。硫酸イオンを含んだ化合物であるという点では
、透明な酸化スカンジウム焼結体の製造（特願2003-379479）に好ましい前駆体の一つで
ある塩基性硫酸スカンジウム(Sc(OH)SO4・2H2O)に一致している。塩基性硫酸スカンジウ
ムの結晶構造に関する報告は無いので、結晶学的な類似性は判断できない。しかしながら
、塩基性硫酸スカンジウムはスカンジウム塩と硫酸アンモニウムの水溶液反応で沈殿とし
て取り出す化合物である。これに対して、硫酸スカンジウムは硫酸スカンジウム水溶液を
単に加熱して水分を蒸発・除去して製造する化学物質であり合成法は本質的に異なる。
【００１６】
本発明において、硫酸スカンジウムの形態は仮焼により完全に破壊され、仮焼後に出現
する酸化スカンジウム粒子の集合状態は、原料母塩である硫酸スカンジウムの結晶方位と
は無関係である。このため、硫酸スカンジウムの製造法に限定されることなく硫酸スカン
ジウムから本発明の特徴を発揮する易焼結性酸化スカンジウム粉末を製造できる。
【００１７】
本発明において、硫酸スカンジウムに含まれる不純物の許容量は酸化スカンジウムへの
固溶の難易度で異なる。酸化スカンジウムへの固溶が非常に少ない不純物は、光の散乱源
となる介在物を焼結体に析出するので、それらの不純物の総量は0.1モル%以下に制限する
必要がある。一方、無色で固溶する不純物は固溶限度内であれば透光性に殆ど影響しない
ので、必ずしも除去する必要はない。
【００１８】
＜B＞仮焼  
本発明において、硫酸スカンジウムは1000℃から1300℃の温度範囲で仮焼する必要があ
る。仮焼温度が低く仮焼時間が短いと、仮焼した酸化スカンジウムに硫黄分が無視できな
いほど残留し、焼結性を低下させるという欠点がある。このため、1000℃以上1150℃以下
の温度範囲で仮焼する場合、長時間仮焼する必要がある。1000℃では12時間以上、1100℃
では2時間以上仮焼する必要がある。仮焼温度が1200℃では仮焼時間に関わらずに透明焼
結体を製造できる。
【００１９】
＜C＞  焼結温度
本発明においては、透明焼結体を製造するには、1600℃以上で焼成する必要がある。16
00℃以下であると、気孔を完全に取り除くことができない。良好な透明体や耐食性に優れ
た焼結体を得るという視点では、一般に粒径が大きいほど好ましいので、焼結温度は高い
ほど好ましい。しかしながら、焼成温度が2000℃以上になると特別な焼成炉が必要になり
、加熱のためのエネルギーも急激に大きくなり、コスト高になるのという欠点がある。透
明度と同時に機械的強度が必要な場合、焼成温度を高くすると粒成長が進行して機械的強
度などの機械的性質が悪くなるので好ましくない。粒成長速度は焼結体の製造過程で混入
する微量の不純物で異なるので、製造プロセスによって異なる。特異な例を除けば、1850
℃以下で焼成することが好まし。
【００２０】
＜D＞  焼成雰囲気
窒素やアルゴン等の酸化スカンジウム中の拡散が困難な元素を含むガスは、気孔が孤立
すると、該気孔から焼結で取り除くことはできない。このため、焼成雰囲気として、それ
らの分圧の合計を0.03MPa以下にする必要がある。焼成雰囲気が真空であると、緻密化が
進行し気孔が孤立しても該気孔中に気孔の消滅を抑制するガスが存在しないので好ましい
。酸素イオンや水素イオンは酸化スカンジウム中を容易に拡散するので、雰囲気中に大量
の酸素ガスや水素ガスが存在しても良好な透明体を製造できる。  
【実施例１】
【００２１】
純度が99.99%の市販の酸化スカンジウムを80℃以上に保った過剰の硝酸塩水溶液で溶解
する。ホットプレート上で過剰の硝酸を除去する。合成した硝酸スカンジウムを水に溶解
しアンモニア水を加えて水酸化物の沈殿を生成させる。この水酸化物を十分に洗浄した後
に、過不足なく硫酸スカンジウムが合成できる量の硫酸溶液に分散する。水分を十分に蒸
発させて硫酸スカンジウムの結晶を合成する。合成した硫酸スカンジウムを、管状電気炉
を用いて酸素気流中、2時間仮焼して酸化スカンジウム粉末とする。
【００２２】
図１に、実施例１で調製した硫酸スカンジウム前駆体のＳＥＭ写真を示す。図１のSEM
写真から分かるように、スカンジウム前駆体粒子は表面が平らな0.5μm〜20.5μmの粒子
が多数集まった硬い凝集粒子を形成している。該前駆体を1200℃で仮焼すると、図２に示
すように、前駆体の形状はほぼ完全に崩壊して空隙が大きい大きさが揃った約0.08μmの
酸化スカンジウム微粒子の集合体に変化した。
【００２３】
1200℃で仮焼した酸化スカンジウムを200MPaの静水圧で成形した後に真空雰囲気、1700
℃で1時間焼結すると焼結密度は理論密度の99.9%であり、透光性に優れた焼結体が得られ
た。
【実施例２】
【００２４】
塩酸で硝酸スカンジウの代わりに塩化スカンジウムを合成する以外は実施例1の方法で
酸化スカンジウムの合成と焼結を行った。真空雰囲気、1700℃で1時間焼結すると焼結密
度は理論密度の99.9%であり実施例1と同じく透明度の良い焼結体が得られた。
（比較例１）
焼結を1550℃で行う以外は実施例1の方法で行った。得られた焼結体は半透明であった
。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１で調製した硫酸スカンジウム前駆体の図面代用ＳＥＭ写真である。
【図２】図１に示す前駆体を1200℃で仮焼して得た酸化スカンジウム粉末の図面代用ＳＥＭ写真である。
【図１】
2005219938.tif 000003
【図２】
2005219938.tif 000004