KR100797826B1

KR100797826B1 - 히터 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR100797826B1
Application number: KR1020050129288A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 김주호; 박동룡
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; (주)태광테크
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2008-01-24
Also published as: KR20070067858A

Abstract

본 발명은 전자제품 제작공정중 결정성 박막 형성에 필수 부품인 히터에 관한 것으로, 이 히터의 제조 방법은, (a)내부에 열선을 내장하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 기판을 제조하는 단계, (b)상기 기판 상에 형성된 홈에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 코팅 분말을 분사시켜 상기 홈을 매립하는 코팅층을 형성하는 단계, 그리고 (c)상기 기판을 100-500(℃)로 열처리하는 단계를 포함한다.

코팅 분말, 히터, 저온분사, 코팅

Description

히터 및 이의 제조 방법{HEATER AND FABRICATING METHODS THEREOF}

도 1은 종래 기술에 따른 히터의 모습을 보여주는 사진이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터의 단면을 도시한 단면도이다.

도 3은 저온 분사 공정을 수행하는 저온 분사 시스템의 구성을 설명하는 블록도이다.

도 4는 발명예에서 400^oC에서 6시간 열처리한 코팅층의 단면 조직을 확대해서 보여주는 사진이다.

도 5는 발명예에서 홈에 코팅층을 형성한 모습을 보여주는 사진이다.

도 6은 도 5의 단면 조직을 확대해서 보여주는 사진이다.

도 7은 실험예에서 모재와 코팅한 부분의 단면 조직을 확대해서 보여주는 사진이다.

본 발명은 전자제품 제작공정중 결정성 박막 형성에 필수 부품인 히터에 관한 것이다.

이 히터는 반도체 장비는 물론 산업용 코팅 장비, LCD 장비 등의 핵심부품으로 사용된다. 특히, 본 발명에서는 모재가 Mo이나 Ta 같은 600^oC 이상의 고온용 히터보다는 모재로서 Al 50계나 60계를 주로 사용하는 600^oC 이하의 중온용 히터와 관련된다.

이러한 히터부품은 그림 1에 보이는 바와 같이 Al계 합금 내부에 백금이 내장된 스테인레스 튜브나 백금이 코팅된 몰리브덴을 열선으로 하여 제작후 마감처리를 거치면서 기판(100)에 홈(101)이 형성된다.

일반적으로, 홈(101)은 Al 티그 (Tig) 용접이나, 전자빔 용접을 통해서 메워진다.

그런데, Al 용접은 예열과 후열처리 공정이 필수공정일 뿐만 아니라, 정밀부품이므로 용접에 따른 변형이 큰 문제가 있다. 이러한 변형 문제를 완화시키기 위하여 고가의 진공 전자빔 용접을 통하여 제작하기도 한다.

그러나, 진공에서의 전자빔 용접은 대형 히터, 특히 최근의 LCD가 대형화하는 추세로 인하여 수 미터(m) 정도의 대형 부품을 제작하기에는 진공 챔버 제작이 불가능하거나 기하급수적인 비용 상승을 초래하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서 창안된 것으로, 온도를 변화시키지 않으면서도 간단한 공정으로 히터의 홈을 메우는 본 발명의 제조 방법을 제공하는데 있다.

이 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 히터의 제조 방법은, (a)내부에 열선을 내장하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 기판을 제조하는 단계, (b)상기 기판 상에 형성된 홈에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 코팅 분말을 분사시켜 상기 홈을 매립하는 코팅층을 형성하는 단계, 그리고 (c)상기 기판을 100-500(℃)로 열처리하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 코팅 분말은 5-100(㎛) 크기의 구형 분말로 이루어지고, 혹은5-100(㎛) 크기의 SiC, Al₂O₃와 같은 세라믹을 질량비로 5-50(%) 포함한다.

또한, 상기 코팅 분말은 상기 기판과 5-50 (mm) 떨어진 곳에서 분사된다.

또한, 상기 (b)단계는, 상기 코팅 분말을 예열해서 주가스와 혼합한 후에 상기 홈에 분사한다.

이때, 상기 주가스는 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합 가스로 이루어지고, 상기 주가스는 600(℃) 이하로 가열되고, 상기 코팅 분말은 500(℃) 이하로 예열된다.

또한, 상기 Al계 분말은 시간당 1-10(kg/hr)의 속도로 송급되고, 상기 주가스는 10-40(kg/㎠)의 압력으로 송급된다.

본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 히터는 내부에 열선을 내장하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 기판, 상기 기판 상에 형성된 홈, 및 상기 홈을 매립하는 코팅층을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따를 제조 방법으로 제조된 히터의 단면을 보여주는 도면이다.

도시된 바처럼, 히터(100)는 기판(150)과 그 속에 내장된 열선(110)을 포함해서 구성된다. 또한, 기판(150)은 제1 기판(150a) 및 제2 기판(150b)을 포함하는데, 히터를 구성하는 방식에 따라 기판은 다양한 개수를 이룬다.

그리고, 기판(150)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되고, 제1 기판(150a) 및 제2 기판(150b)에, 또는 그 사이에 열선(110)을 설치하고 이 기판들(150a, 150b)을 접합시킨다. 이때, 접합면으로 틈이 만들어지기 때문에 이를 마감하기 위해서, 표면으로 보이는 틈을 'V', 'U' 모양으로 단면 가공해서 홈(151)이 도 2와 같이 형성된다.

그리고, 열선(110)은 백금이 내장된 스테인레스 튜브나 백금이 코팅된 몰리브덴으로 제조된다.

한편, 홈(151)에는 코팅층(130)이 형성되어서 홈을 메워 기판(150)의 표면을 마감한다.

여기서, 코팅층(130)은 아래에서 설명되는 저온 분사 시스템을 이용해서 저온 분사 공정으로 코팅하게 되고, 코팅 분말은 기판(110)과 동일한 재질로 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 바람직하게 사용된다.

이하, 이처럼 제조되는 히터의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 3은 코팅층(130)을 형성하는 저온 분사 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

이를 참조로, 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

종래 기술과 동일한 방법으로, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)을 가공해서 내부에 열선을 설치한 후 틈을 메우는 마감 가공을 한다.

다음으로, 도 3에 도시한 저온 분사 시스템을 이용해서 코팅 분말을 기판(150)의 홈(151)에 분사해서, 코팅층(130)을 형성한다.

이때, 코팅 분말에 SiC, 알루미나 등과 같은 세라믹을 5~50% 첨가하면, 처음 적층시 모재(기판)의 브레스팅 효과를 주어서 결합력 향상 및 적층효율 향상을 도모하거나, 저온 분사 공정시 노즐의 막힘 현상을 완화시킬 수 있다.

그런 다음에 100~500(^oC)에서 기판(150)을 열처리한다. 이에 따라서, 코팅층(130)과 모재(기판)와의 결합력 향상뿐만 아니라, 코팅층(130) 내의 기공도 하락 및 결합력 향상을 도모할 수 있다. 여기서 열처리 온도가 100^oC 이하에서는 열처리 효과가 미미하며, 500^oC 이상에서는 Al의 융점에 근접하므로 모재 및 코팅의 변형을 초래하게 된다.

한편, 도 3에서 예시한 바와 같이 저온 분사 시스템은, 가스 컨트롤부(10), 가스 히터(20), 분말 송급장치(30), 분말 예열장치(40), 혼합챔버(50), 컨트롤부(60)를 구비한다. 참조번호 70은 분사노즐을 말한다.

상기 가스 컨트롤부(10)는 가스의 공급량을 제어한다. 즉, 이동되는 주가스(11)는 가스 히터(20)로 이동시키며, 그 일부의 가스(13)는 분말 송급장치(30)로 이동시킨다.

상기 가스 히터(20)는 가스 컨트롤부(10)를 통하여 공급되는 주가스(11)를 히팅하여 혼합 챔버(30)로 공급한다.

상기 분말 송급장치(30)는 코팅 분말(알루미늄, 또는 알루미늄 합금)을 공급하는 장치를 말한다. 상기 가스 컨트롤부(10)로부터 공급된 가스를 이용하여 코팅 분말을 분말 예열 장치(40)로 전송한다.

상기 분말 예열 장치(40)는 스크류 형상으로 형성되는 이송관(미도시)과 이를 가열하는 저항선을 구비한다. 이에 따라, 저항선의 발열을 통하여 이송관(45)을 통과하는 코팅 분말은 간접적으로 가열된다. 이송관(45)을 통과하면서 예열된 코팅 분말은 혼합 챔버(30)로 전송된다. 이러한 분말 예열장치(40)와 가스히터(20)는 컨트롤부(60)를 통하여 온도 조절이 이루어진다.

상기 혼합챔버(50)는 예열된 코팅 분말과 주가스를 혼합한다. 이러한 혼합챔버(50)를 통하여 혼합된 코팅 분말과 주가스는 분사노즐(70)을 통하여 기판(10)의 홈(101)에 분사되어 코팅층(101)을 형성하게 된다.

상기의 구성을 갖는 저온 분사 시스템의 작용에 대해서 설명하면, 기판(150)의 홈(151)이 노즐(70)을 향하도록 설치된다. 히터(100)는 지그와 같은 것에 의해 고정된다.

그리고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 코팅 분말을 홈(151)에 분사시키는데, 먼저 주가스(11)는 가스 히터(20)를 통과하면서 가열되어 혼합 챔버 로 공급된다.

그리고, 분말 송급 장치(30)에 장입된 코팅 분말은 가스(13)에 의해서 분말 예열 장치(40)의 이송관(45)을 통과해서 혼합 챔버(50)로 전달된다. 이 과정에서, 코팅 분말은 이송관(45)을 통과하면서 예열된다.

이처럼 예열된 코팅 분말은 혼합 챔버(50)에서 주가스와 혼합되어 분사노즐(70)을 통해서 히터(100)의 홈에 분사되어 코팅이 실시된다.

실험예

본 발명자는 상술한 코팅 방법을 이용해서 도 4와 같은 단면 조직을 갖는 코팅층을 구비한 히터를 제작하였다.

기판 소재를 알루미늄 합금(6061)으로 하고, 제작시 사용된 실제 저온 분사 공정 조건을 아래와 표 1과 같은 조건에서 실시하였다.

	공정 조건
사용 가스	질소
주가스 온도	500(℃)
분말 예열 온도	200(℃)
분말 송급 속도	2(kg/hr)
주가스 압력	28(kg/㎠)
노즐과 연삭면 사이의 거리	20(mm)
기판의 회전 속도	40(mm/sec)

기판의 홈에 코팅층을 형성한 모습이 도 5 및 도 6에서 확대된 모습으로 보여지고 있다. 사용한 코팅 분말은 5~45 (um)의 Al 분말에 부피비 30%의 Al₂O₃를 사용하였다.

또한, 도 7은 400(℃)에서 6시간 열처리 후의 단면 조직 사진을 보여준다. 열처리를 통하여 기존의 Al 모재(기판)와 Al 코팅(코팅층)간의 확산을 통하여 경계가 불확실할 정도로 틈이 나타나지 않음을 볼 수 있다. 도 7에서 점선 바로 위가 모재(기판)와 코팅간의 경계이다.

또한, 본 실시예의 제조 방법에 따르면, 그림 4의 확대 단면사진에서 보이듯이 기공이 거의 존재하지 않는 우수한 코팅층을 얻을수 있다. 이 같이 코팅층을 제작한 후 표면을 연마한 다음 공기압 리크 (leak) 시험이나 아노다이징 표면처리를 통하여 제품을 완성하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 코팅을 위한 블레스팅 과정이 필요없어서 생산성을 증대시킬 수 있고, 기판을 종전 용접시처럼 예열할 필요가 없다. 또한, 본 발명은 종전 용접과 비교해서 높은 열을 사용하지 않기 때문에 미미한 모재 변형을 보이고, 산화물이 존재하지 않기 때문에 질 좋는 Al 조직을 형성할 수 있다. 또한, 높은 적율효율에 의한 생산성 및 경제성이 증대되고, 마스킹이 필요하지 않다. 또한, 본 발명은 용융의 고온이 존재하지 않으므로 작업자 안전성이 증대한다. 더욱이, 본 발명은 로봇을 이용한 복잡 형상 제작이 가능하고, 대형 부품 등 부품 크기에 제약을 받지 않는 이점이 있다.

Claims

(a) 내부에 열선을 내장하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 기판을 제조하는 단계;

(b) 상기 기판 상에 형성된 홈에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 코팅 분말을 분사시켜 상기 홈을 매립하는 코팅층을 형성하는 단계; 그리고,

(c) 상기 기판을 100-500(℃)로 열처리하는 단계를 포함하며,

상기 (b) 단계는, 상기 코팅 분말을 예열해서 주가스와 혼합한 후에 상기 홈에 분사하는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 코팅 분말은 5-100(㎛) 크기의 구형 분말로 이루어지는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 코팅 분말은 5-100(㎛) 크기의 SiC, Al₂O₃와 같은 세라믹을 부피비로 5-50(%) 포함하는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 코팅 분말은 상기 기판과 5-50(mm) 떨어진 곳에서 분사되는 가열용 히터의 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 주가스는 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합 가스로 이루어지는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 주가스는 600(℃) 이하로 가열되고, 상기 코팅 분말은 500(℃) 이하로 예열되는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 코팅 분말은 시간당 1-10(kg/hr)의 속도로 송급되는 가열용 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 주가스는 10-40(kg/㎠)의 압력으로 송급되는 가열용 히터의 제조 방법.
삭제