KR100188982B1 - 질량분석기를 구비한 플라즈마 침탄공정의 콘트롤 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실시간으로 플라즈마내의 탄화 수소 가스의 농도를 측정하여 기초 데이터로 확보된 탄화 수소의 양과 피처리물의 표면 탄소 농도 사이의 상관 관계를 구하여 이를 공정 콘트롤 시스템에 내장하여 측정치와 목표치 사이의 차이를 즉각 보정할 수 있으며, 플라즈마 침탄 공정의 안정화 및 공정 변수를 일정하게 유지함으로써 침탄 열처리 품질을 개선하고 생산 효율을 대폭 향상시킨 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에 대한 것이다.

본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템은, 내부에 침탄 처리될 피처리물을 수용하는 침탄실을 구비한 침탄 용기와, 침탄 용기의 측부에 설치되며 침탄 공정에서 발생되는 플라즈마내의 가스를 측정하기 위한 질량 분석 수단과, 침탄실내에서 피처리물을 침탄 처리하기 위한 플라즈마를 발생하도록 전원을 공급하는 플라즈마 파워 공급 수단과, 침탄실 내에서 안정된 플라즈마를 유지하기 위하여 플라즈마의 이상 상태를 측정하기 위한 측정 수단과, 침탄실내로 탄소 공급원 가스를 공급하고 침탄을 위한 탄소 공급원 가스의 양을 조정하는 자동 가스 공급 수단, 및 작업자가 설정한 침탄 공정 변수에 따라 피처리물 표면에 설정된 탄소량을 침탄시키도록 침탄 공정을 제어하기 위한 제어 수단으로 구성된다.

Description

질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템

본 발명은 실시간으로 플라즈마내의 탄화 수소 가스의 농도를 측정하여 기초 데이터로 확보된 탄화 수소의 양과 피처리물의 표면 탄소 농도 사이의 상관 관계를 구하여 이를 공정 콘트롤 시스템에 내장하여 측정치와 목표치 사이의 차이를 즉각 보정할 수 있는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에 대한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 침탄 공정의 안정화 및 공정 변수를 일정하게 유지함으로써 침탄 열처리 품질을 개선하고 생산 효율을 대폭 향상시킨 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에 대한 것이다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 표면 경화 열처리중 특히 침탄 공정의 자동 조절 및 침탄 원소인 탄소의 농도를 침탄 공정중에 실시간에 정량적으로 측정하여 각종 변수중 침탄 공정에 큰 영향을 미치는 탄화 수소 가스의 분압을 정량 조절함으로써 플라즈마 침탄 열처리시 피처리물의 표면 탄소 농도를 조절하여 피처리물의 열처리 제조 품질을 균일하게 하고, 이를 통해 실제 기계 부품에 적용시 우수한 품질의 균일성을 확보하고 사용 가스의 낭비 요소를 제거하여 원가 절감을 도모 할 수 있도록 하고 있다.

종래의 플라즈마 침탄 기술을 적용하기 위한 공정 콘트롤 시스템은 장치 자체의 측정 설비의 미비, 측정 장치의 정밀도 문제, 기초 데이터의 부족, 사용자의 마인드 등 여러 복합 요인으로 인하여 제조 품질 관리에 상당히 여려운 요소를 가지고 있다.

특히, 기존의 개발하여 보급중인 플라즈마 침탄로의 경우 측정 장치로 단지 플라즈마 전압 및 플라즈마 전류치 만을 공정 변수화하여 실제 처리 부품이 달라진 경우 혹은 온도, 압력의 변화 등 여러 부가적인 문제가 발생하였을 경우 유연하게 대처하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서, NDK 의 장비를 운용하기 위해서는 상당한 수준의 작업자가 초기 공정 설정을 위하여 여러번의 시행 착오를 거친 후, 본 공정에 적용하게 된다. 이는 많은 공수의 낭비와 가스, 시험편 등 원가 측면에서 불리점을 가지며, 특히 상당히 숙련된 작업자가 필요하므로 인건비가 상승하는 현시점에서 이러한 장비의 적용은 사용자의 원가 부담을 가중시키며, 또한 처리 비용의 상승으로 수급받는 조립 업체의 원가에도 영향을 미치게 된다.

제1a도,제1b도에는 종래의 침탄 공정 콘트롤 시스템이 도시되고 있는 데, 침탄실(1)에 설치된 전극(5)에 직렬로 플라즈마 전류계(4)를 연결하고 플라즈마 전압계(3)를 병렬로 연결하여 플라즈마 전원(2)과 전기적인 회로를 구성하여 단지 플라즈마를 안정적으로 유지하기 위하여 플라즈마 전류치를 측정하여 이상 전류 발생시 플라즈마 전원에의 피드백을 통해 플라즈마 전원(2)을 차단하여 안정적으로 플라즈마를 유지하는 것에 중점을 두도록 구성한다.

따라서, 실제 공정에 사용되는 가스의 양보다 그냥 배출되는 가스의 양이 많아 공정 효율이 떨어지며 또한 표면의 탄소 농도 조절이 용이하지 아니하므로 공정상에서 상당한 노하우를 요구하게 된다.

이는 피처리물의 품질 유지에 문제를 발생하며, 특히 전체 구성품의 품질을 유지하기에도 문제가 존재하게 된다.

따라서, 플라즈마 침탄 열처리를 보다 광범위하게 적용하기 위해서는 실시간 공정 조절 시스템을 채용할 필요성이 크게 제기되어왔다.

본 발명은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 실시간으로 플라즈마내의 탄화 수소 가스의 농도를 측정하여 기초 데이터로 확보된 탄화 수소의 양과 피처리물의 표면 탄소 농도 사이의 상관 관계를 구하여 이를 공정 콘트롤 시스템에 내장하여 측정치와 목표치 사이의 차이를 즉각 보정할 수 있는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 플라즈마 침탄 공정의 안정화 및 공정 변수를 일정하게 유지함으로써 침탄 열처리 품질을 개선하고 생산 효율을 대폭 향상시킨 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 내부에 침탄 처리될 피처리물을 수용하는 침탄실을 구비한 침탄 용기와, 침탄 용기의 측부에 설치되며 침탄 공정에서 발생되는 플라즈마내의 가스를 측정하기 위한 질량 분석 수단과, 침탄실내에서 피처리물을 침탄 처리하기 위한 플라즈마를 발생하도록 전원을 공급하는 플라즈마 파워 공급 수단과, 침탄실 내에서 안정된 플라즈마를 유지하기 위하여 플라즈마의 이상 상태를 측정하기 위한 측정 수단과, 침탄실내로 탄소 공급원 가스를 공급하고 침탄을 위한 탄소 공급원 가스의 양을 조정하는 자동 가스 공급 수단, 및 작업자가 설정한 침탄 공정 변수에 따라 피처리물 표면에 설정된 탄소량을 침탄시키도록 침탄 공정을 제어하기 위한 제어 수단으로 구성되는 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 침탄 용기의 측부에 플라즈마내의 탄소 농도를 측정하도록 침탄실에 직접 연결되는 연결부를 형성하고, 이 연결부에 질량 분석 수단이 설치되며, 가스 공급 수단은 침탄실내로 탄소 공급원 가스를 공급하기 위한 가스 공급 기구와, 공급되는 가스양을 조정하기 위한 유량계를 포함한다.

더욱이, 제어 수단에는 스펙트럼 분석 수단을 이용하여 측정된 스펙트럼의 세기와 피처리물의 표면 탄소 농도 사이의 상관 관계를 내장한 연산 장치가 구비되며, 측정 수단은 플라즈마의 특성을 측정하기 위한 전압계 및 전류계를 포함한다.

본 발명에서 공정 변수의 데이터 베이스는 외부 컴퓨터로부터 제공받을 수 있으며, 침탄실을 각각 구비한 2 혹은 그 이상의 침탄 용기가 병렬로 구비되어 동시에 제어되도록 구성할 수 있다.

제1도는 종래의 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 도시한 도면.

제2도는 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

제3도는 본 발명의 시스템에 의한 공정 콘트롤 과정을 도시한 블록도.

제4도는 본 발명의 실시에 있어서 프로판 가스 분압과 질량 분석 세기 사이의 관계를 나타내는 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 11 : 침탄실 2, 16 : 플라즈마 전원

3, 17 : 전압계 4, 18 : 전류계

5, 22a, 22b : 전극 12 : 연결부

13 : 질량 분석기(MS) 14 : MS 콘트롤러

15 : 질량분석식 유량계 19 : 콘트롤 컴퓨터

21 : 가스공급장치

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 상세하게 설명한다.

제2도는 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템의 구성을 개략적으로 도시하고 있으며, 제3도는 본 발명의 시스템에 의한 공정 콘트롤 과정을 블록도로 도시하며, 제4도는 본 발명의 실시에 있어서 프로판 가스 분압과 질량 분석 세기 사이의 관계를 그래프도로 나타내고 있다.

제2도 및 제3도 도시와 같이, 본 발명의 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에서는, 침탄실(11)을 구비한 침탄 용기(20) 내부에 설치된 전극(Anode)(22a) 및 전극(Cathode)(22b)에 전류계(18)를 직렬로 연결하고 전압계(17)를 병렬로 연결하여 플라즈마 전원(16)으로부터 전원을 공급받도록 구성하며, 침탄 용기(20)의 측면에 연결부(12)를 구비하여 침탄실(11) 내부의 가스를 분석하기 위해 사용되는 질량 분석기(Mass Spectroscope)(13)를 직접적으로 연결되도록 설치하며, 질량 분석기 콘트롤러(14)를 이 질량 분석기(13)에 전기적으로 연결되도록 설치한다. 이 질량 분석기(13)는 연결부(12)를 통해 플라즈마 내에 존재하는 가스를 단속적으로 채취 측정하여 실제 침탄 공정에 사용되는 가스의 양을 정량적으로 연속 측정하여 침탄 반응시 중요 변수인 반응 가스의 양을 조절하도록 구성된다.

침탄 용기(20)의 하측 측면에는 또한 질량 분석식 유량계(Mass Flow Controller;MFC)(15)를 설치하여 플라즈마 침탄 공정의 탄소 공급원 가스의 양을 조정하며, 이 질량 분석식 유량계(15)에는 자동 가스 공급 기구(21)가 연결되도록 구성한다.

상기 설명한 플라즈마 전류 및 전압을 측정하기 위한 전압계(17)및 전류계(18)는 실제 플라즈마 전원(16)에서 발생한 플라즈마의 이상 상태를 측정하고 이상 전류 발생시 플라즈마 전원(16)의 전원 공급량을 줄여줌으로써 안정적인 플라즈마 상태를 유지하도록 구성된다.

또한, 플라즈마 전원(16), 전류계(18), 전압계(17), MFC(15), 질량 분석기 콘트롤러(14)는 제어부(19)에 전기적으로 연결되어 제어되는 데, 제어부(19)는 본 발병 장치를 구성하는 구성 부품을 제어하는 컴퓨터나 연산 장치를 내장한 콘트롤 유니트로 구성된다.

침탄 용기(20)는 부수적으로 플라즈마 침탄을 위한 진공 장치와 냉각 장치를 구비하고 침탄 처리될 피처리물을 내부에 적치하도록 구성된다.

상기 구성의 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에 의해 침탄 처리할 피처리물 표면에 설정치의 탄소량을 침탄하는 공정을 제어하는 작동을 설명하면 다음과 같다.

본 발명 시스템을 이용하여 실시간에 측정된 플라즈마 전류, 전압, 플라즈마내의 탄화 수소 가스의 농도 들을 이용하여 플라즈마 침탄 공정에서 가장 중요한 플라즈마 침탄을 위한 탄소 공급원 가스의 양을 질량분석식 유량계(15)를 이용하여 조정할 수 있다.

제3도에는 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템을 이용하여 플라즈마 침탄을 위한 탄소 공급원 가스의 양을 조절하는 과정이 순차적으로 블록도로 도시되고 있는 데, 이러한 과정은 전체적으로 측정 단계, 연산 단계, 그리고 피드백을 통해 설정된 탄소량으로 조절하는 조절 단계로 구성되며 각 단계가 유기적으로 결합되어 중앙 연산 장치인 제어부에서 측정, 연산, 조정의 단계를 통제하도록 구성되고 있다.

특히, 조정 과정은 작업자가 피처리물의 표면 탄소 농도를 설정하면 이에 따른 탄소 원자의 질량 분석 스펙트럼의 세기(Intensity)값이 정해지며, 이에 따른 데이터를 이용하여 측정, 연산 단계를 통해 플라즈마 침탄 공정을 자동적으로 콘트롤 할 수 있다.

제4도에는 상기 과정을 수행하기 위한 침탄실(11)의 전체 작업 압력에 따른 질량 분석 스펙트럼의 세기와 침탄을 위한 탄소 공급원 가스인 프로판(C₃H₈)가스의 분압 사이의 상관 관계가 그래프로 도시되고 있는 데, 도시와 같이, 전체 압력이 증가하면 스펙트럼의 세기값도 증가하는 경향을 보이며, 또한 프로판 가스의 분압이 증가하는 경우에도 스펙트럼의 세기가 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 데이터는 작업 온도, 압력, 가스의 종류, 피처리물의 처리양, 및 피처리물의 종류에 따라 약간씩 다른 양상을 가지고 있으므로 이에 대해서는 데이터 베이스화를 통한 정량적인 수식화가 연산 장치에 적용하기 위해 기본 값으로 제공되어 있다. 이러한 공정 변수의 데이터 베이스는 외부 컴퓨터로부터 제공받을 수 있다.

본 발명은 침탄실을 구비한 하나의 침탄 용기와 관련하여 설명되었으나, 침탄실을 각각 구비한 2 혹은 그 이상의 침탄 용기가 병렬로 구비되어 동시에 제어되도록 구성할 수 있음은 명백하다.

따라서, 상기 설명한 본 발명의 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템에 의하면, 플라즈마 침탄 공정에 있어서 공정 변수로 가장 중요한 플라즈마 내의 탄소 원자의 양을 실시간으로 측정하여 이를 피처리물의 표면 탄소농도 설정치와 비교, 조정함으로써 플라즈마 침탄 제품의 품질을 균일화하고, 적용제품의 범위를 확대할 수 있는 전기를 마련하였으며, 특히 열처리 공정에서 중요한 작업 단위별 품질 변동폭을 극소화하여 전체 제품의 품질 향상에 크게 기여할 수 있다. 특히, 자동차나 중장비, 산업용 기계의 요소 부품으로 적용되는 침탄 처리품의 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있는 플라즈마 침탄 공정 적용의 가장 큰 문제점인 공정 제어를 자동적으로 제어하는 자동화 문제를 근원적으로 해결할 수 있는 방안으로 다른 유관 공정에도 실시할 수 있는 등 유용한 발명인 것이다.

Claims (7)

1. 내부에 침탄 처리될 피처리물을 수용하는 침탄실을 구비한 침탄 용기와, 침탄 용기의 측부에 설치되며 침탄 공정에서 발생되는 플라즈마내의 가스를 측정하기 위한 질량 분석 수단과, 침탄실내에서 피처리물을 침탄 처리하기 위한 플라즈마를 발생하도록 전원을 공급하는 플라즈마 파워 공급 수단과, 침탄실 내에서 안정된 플라즈마를 유지하기 위하여 플라즈마의 이상 상태를 측정하기 위한 측정 수단과, 침탄실내로 탄소 공급원 가스를 공급하고 침탄을 위한 탄소 공급원 가스의 양을 조정하는 자동 가스 공급 수단, 및 작업자가 설정한 침탄 공정 변수에 따라 피처리물 표면에 설정된 탄소량을 침탄시키도록 침탄 공정을 제어하기 위한 제어 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질량 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
2. 제1항에 있어서, 침탄 용기의 측부에는 플라즈마내의 탄소 농도를 측정하도록 침탄실에 직접 연결되는 연결부를 형성하고, 이 연결부에 질량 분석 수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 수단은 침탄실내로 탄소 공급원 가스를 공급하기 위한 가스 공급 기구와, 공급되는 가스양을 조정하기 위한 유량계를 포함하는것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단에는 스펙트럼 분석 수단을 이용하여 측정된 스펙드럼의 세기와 피처리물의 표면 탄소 농도 사이의 상관 관계를 내장한 연산 장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 측정 수단은 플라즈마의 특성을 측정하기 위한 전압계 및 전류계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
6. 제1항에 있어서, 공정 변수의 데이터 베이스를 외부 컴퓨터로부터 제공받는 것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 침탄실을 각각 구비한 2 혹은 그 이상의 침탄 용기가 병렬로 구비되어 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템.