KR100906346B1 - 세라믹 성형체의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 세라믹성형체 - Google Patents

세라믹 성형체의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 세라믹성형체 Download PDF

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Abstract

세라믹 성형체의 제조를 위해서는 우선, 세라믹 분말을 포함하고 겔 상태를 갖는 성형 재료가 준비된다. 상기 성형재료는, 상부가 개방되고, 하부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 제 1 몰드에 주입된다. 상기 주입된 성형 재료를 고화시켜 제 1 성형체를 형성한다. 상기 제 1 성형체 상에는 성형체 내부에 매설된 매설물이 배치된다. 상기 제 1 매설물이 배치된 제 1 성형체는 상기 제 1 몰드와 동일한 형상의 돌출부를 갖고 상기 제 1 몰드보다 폭이 넓은 제 2 몰드에 체결되어 안착된다. 상기 제 2 몰드에 체결된 제 1 성형체 상에 상기 매설물이 덮이도록 상기 성형재료가 상기 제 2 몰드에 주입되어 제 2 성형체가 형성된다. 상기 제 2 성형체는 상기 제 1 성형체와 일체화 될 수 있도록 건조된다. 상기 세라믹 성형체의 제조방법은 매설물의 삽입이 용이하고 공정 효율이 우수하다. 또한 상기 세라믹 성형체의 제조방법에 의하여 제조된 세라믹 성형체는 세라믹의 밀도가 균일하고 체적 고유 저항값이 최적화될 수 있어 기계적 물성 및 전기적 특성이 우수하다.

Description

세라믹 성형체의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 세라믹 성형체{METHOD OF MANUFACTURING CERAMIC BODY AND CERAMIC BODY MANUFACTURED USING THE SAME}
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 성형체의 제조방법에 의하여 정전척용 세라믹 성형체를 제조하는 것을 도시한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 발생용 세라믹 성형체의 제조방법을 도시한 도면들이다.
도 3은 세라믹 혼합물의 농도에 따른 점도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 분산제 함량에 따른 세라믹 혼합물의 점도를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100, 150 : 제 1 몰드 200, 250 : 제 2 몰드
310, 330 : 제 1 성형체 320, 340 : 제 2 성형체
350 : 제 3 성형체 110, 155 : 돌출부
312, 333 : 전원 인가용 관통공 334 : 수납 홈
410 : 금속부재 1000 : 정전척용 세라믹 성형체
2000 : 열 발생용 세라믹 성형체
본 발명은 세라믹 성형체의 제조방법 및 세라믹 성형체에 관한 것이다. 본 발명은 전극 또는 발열체의 삽입이 용이하고 공정 효율이 우수한 세라믹 성형체의 제조 방법 및 세라믹의 밀도가 균일하고 체적 고유 저항값이 최적화될 수 있어 기계적 물성 및 전기적 특성이 우수한 세라믹 성형체에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹 재료는 뛰어난 내 플라즈마, 내 산화성, 화학적 안정성 및 전기 절연성이 우수하여 금속재료가 갖는 물리적, 화학적 취약성을 보완하여 전자산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 반도체 제조 부품 관련 분야에서 활발하게 사용되고 있다. 그러나, 우수한 응용성에도 불구하고 복잡한 형상의 가공시 발생되는 신뢰성의 저하 및 높은 가공비 등으로 인하여 실제 적용에는 많은 제약을 받고 있다.
현재 세라믹 성형체의 성형 방법으로는, 열 가압성형(hot press), 테이프 캐스팅(tape casting), 슬립 캐스팅(slip casting) 등의 방법들이 사용되고 있다. 그러나 열 가압성형 방법은 압력의 불 균일한 구배로 인한 소결체의 결함이나 밀도의 저하를 발생시키며 단일형상의 소결체를 기계적으로 가공하기 때문에 경제적인 측면에서 산업상 적용의 어려움이 있다. 또한 테이프 캐스팅 방법은 장비의 고가, 그린시트(green sheet)의 두께 제한으로 인하여 10T(mm) 이상의 퍽 타입의 성형체 제조를 위해서는 200~300 ㎛의 두께를 갖는 그린시트를 30~40장 이상 적층해야 하고 이로 인하여, 성형체 내부의 기포 제거에 어려움이 있다.
또한 슬립 캐스팅 방법은 고화 기구인 몰드로부터 모세관 현상에 의한 용매 제거에 의존한다. 따라서, 몰드로부터 용매인 물을 제거할 때 입자의 이동과 함께 형성된 성형체는 밀도 구배가 생길 수 있으며 성형 공정에 많은 시간이 소요된다. 또한 기공이 많은 몰드가 사용되므로 재 사용하기 전에 완전하게 건조되어야 하므로, 전형적으로 슬립 캐스팅 방법은 많은 노동력과 시간이 소요된다.
특히 상기한 종래의 성형체 제조방법들은 성형체 내부에 전극 또는 발열체 등의 매설물을 삽입하기 위해서 성형체 완성 후 별도의 기계적 가공 단계가 필수적이어서 매설물 삽입이 요구되는 성형체 제조 공정의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 전극 또는 발열체 등의 삽입이 용이하고 공정 효율이 우수한 세라믹 성형체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조되고 세라믹의 밀도가 균일하며 체적 고유 저항값이 최적화된 정전척용 세라믹 성형체를 제공한다.
본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조되고 세라믹의 밀도가 균일하며 기계적 물성이 우수한 열 발생용 세라믹 성형체를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 세라믹 성형체의 제조를 위해서는 우선, 세라믹 분말을 포함하며 겔 상태를 갖는 성형 재료가 준비된다. 상기 성형재료는, 상부가 개방되고, 하부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 제 1 몰드에 주입된다. 상기 주입된 성형 재료를 고화시켜 제 1 성형체를 형성한다. 상기 제 1 성형체 상부에 제 1 매설될 매설물이 배치된다. 상기 제 1 매설물이 배치된 제 1 성형체는 상기 제 1 몰드와 동일한 형상의 돌출부를 갖고 상기 제 1 몰드보다 폭이 넓은 제 2 몰드에 체결되어 안착된다. 상기 제 2 몰드에 체결된 제 1 성형체 상에 상기 제 1 매설물이 덮이도록 상기 성형재료가 상기 제 2 몰드에 주입되어 제 2 성형체가 형성된다. 상기 제 2 성형체는 상기 제 1 성형체와 일체화될 수 있도록 건조된다.
상기 성형 재료를 준비하는 과정은, (i) 세라믹 분말 54 내지 58 중량%; 단량체 및 이량체를 포함하는 중합물질 2 내지 3 중량%; 분산제 0.38 내지 0.42 중량%; 및 탈 이온수 39 내지 43 중량%을 포함하는 세라믹 혼합물을 16 내지 22시간 동안 혼련하는 단계; (ii) 상기 혼련된 혼합물에, 상기 세라믹 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 1.1 중량부의 중합 개시제 및 0.8 내지 0.9 중량부의 촉매를 첨가하여 상기 혼합물을 겔화시키는 단계; (iii) 상기 겔화된 혼합물을 탈포시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 정전척용 세라믹 성형체는 제 1 성형체, 전극용 금속부재 및 제 2 성형체를 포함한다. 상기 제 1 성형체는 내부 바닥면에 봉 형태의 전원 인가용 관통공을 갖는다. 상기 금속부재는 제 1 성형체 상부에 형성된다. 상기 제 2 성형체는 금속부재 및 상기 제 1 성형체의 바닥면을 제외한 상기 제 1 성형체를 감싸도록 형성된다. 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체는 세라믹 물질을 포함한다. 상기 세라믹 물질은 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 규소(SiO2) 및 산화 티타늄(TiO2)을 각각 92 : 1~2 : 3~4 : 3~4의 중량비로 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 열 발생용 세라믹 성형체는 제 1 성형체, 발열부재, 제 2 성형체, 금속부재 및 제 3 성형체를 포함한다. 상기 제 1 성형체는 봉 형태의 전원 인가용 관통공을 갖고 상부에 수납 홈이 형성되어 있다. 상기 발열부재들은 상기 수납 홈 내부에 배치된다. 상기 제 2 성형체는 상기 제 1 성형체 상부에 상기 금속부재 및 상기 바닥면을 제외한 제 1 성형체를 감싸도록 형성된다. 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체는 세라믹 물질을 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 세라믹 성형체의 제조방법을 실시예들을 통하여 상세하게 설명하고자 한다.
제 1 실시예
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 성형체의 제조방법에 의하여 정전척용 세라믹 성형체를 제조하는 것을 도시한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 준비된 성형재료(50)는 제 1 몰드(100)에 주입된다. 상기 제 1 몰드(100)는 내부 바닥면으로부터 돌출된 돌출부(110)를 갖는다. 따라서 성형재료(50)는 가운데 부분에 봉 형태의 관통공을 갖도록 고화된다. 상기 돌출부(110)는 세라믹 성형체의 사용 태양에 따라 복수개가 형성될 수 있고 상기 성형체의 형상은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
먼저, 상기 성형재료에 대하여 자세하게 설명하도록 한다.
세라믹 성형재료
상기 성형재료를 준비하기 위해서는 우선 세라믹 혼합물을 준비하여야 한다. 상기 세라믹 혼합물은 세라믹 분말 54 내지 58 중량%, 단량체 및 이량체를 포함하는 중합물질 2 내지 3 중량%, 분산제 0.38 내지 0.42 중량% 및 탈 이온수 39 내지 43 중량%를 포함한다. 상기 세라믹 혼합물은 16 내지 22 시간 동안 혼련 된다.
상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄(Al2O3) 분말, 산화 마그네슘(MgO) 분말, 산화 규소(SiO2) 분말 및 산화 티타늄(TiO2) 분말을 포함한다. 상기 각각의 분말은 각각 하기 표 1에 표시된 입자크기를 갖도록 조절되어 사용된다.
성분 Al2O3 MgO SiO2 TiO2
입자크기(㎛) 1.5~2 3~4 2~3 1~2
상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄 분말, 산화 마그네슘 분말, 산화 규소 분말 및 산화 티타늄 분말을 각각 92 : 1~2 : 3~4 : 3~4의 중량비로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 중합물질은 단량체 및 이량체를 동시에 포함한다.
상기 단량체는 아크릴아미드를 포함한다. 상기 이량체는 N,N'-메틸렌 비스아크릴아미드를 포함한다. 상기 중합물질은 상기 세라믹 혼합물의 겔화 과정에서 중합 개시제에 의하여 중합되어진다. 상기 중합물질은 상기 단량체 및 이량체를 2 : 0.35~0.45의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 혼합물은 세라믹 분말을 고농도로 포함하는 것이 최종 산물인 세라믹 성형체의 물성 향상에 바람직하다. 그러나, 상기 세라믹 혼합물을 과도하게 포함할 경우에는 세라믹 혼합물의 유동성이 급격히 저하되어 세라믹 성형체를 유효하게 성형할 수 없는 문제점이 발생한다.
도 3은 세라믹 혼합물의 농도에 따른 점도를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 세라믹 혼합물의 점도는 세라믹 혼합물 내의 세라믹 분말의 농도가 58%가 될 때까지는 점도의 상승폭이 매우 작았으나, 상기 세라믹 분말의 농도가 58%를 초과하면 상기 세라믹 혼합물의 점도가 급격하게 상승하였다.
따라서, 상기 세라믹 분말의 농도는 58%를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 나아가 세라믹 성형체의 물성 향상을 위하여 전체 세라믹 혼합물 내에서 54 내지 58 중량%의 함량을 갖는 것이 바람직하다.
상기 분산제의 함량에 따라 상기 세라믹 혼합물의 점도는 변화될 수 있다.
도 4는 분산제 함량에 따른 세라믹 혼합물의 점도를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 분산제의 함량이 약 0.4 중량% 근처에서 세라믹 혼합물의 점도가 최저치를 보였다. 따라서 점도의 상승을 억제하기 위한 분산제의 함량은 약 0.4 중량%인 것이 바람직하며, 구체적으로는 0.38 내지 0.42중량%인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 혼합물은 16 내지 22 시간동안 혼련 된다.
이상에서 준비된 세라믹 혼합물은 중합개시제 및 촉매가 첨가되어 겔화 과정을 거치게 된다. 상기 중합개시제로서는 암모늄 퍼설페이트 등을 사용할 수 있다. 또한 중합반응의 촉매로서는 N,N,N',N'-테트라메틸 에틸렌 디아민 등을 사용할 수 있다.
하기 표 2에서는 상기 세라믹 혼합물을 포함한 전체 조성물 내에서의 중합개시제 및 촉매의 함량에 따른 겔화시간 및 최종 성형체의 상태를 나타내었다.
중합개시제(wt%) 촉매(wt%) 겔화시간(min) 성형체의 상태
1.6 1.4 6~8 크랙
1.4 1.2 9~11 크랙
1.2 1 12~15 미소크랙
1.0 0.8 16~19 양호
표 2에서 보는 바와 같이 상기 중합 개시제 및 촉매가 각각 약 1.0 중량% 및 촉매가 약 0.8 중량%의 함량을 가질 때, 크랙이 발생되지 않았다.
따라서, 겔화시간 및 성형체의 크랙 방지를 고려하여 상기 세라믹 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 중합개시제 및 상기 촉매는 각각 1~1.1 중량부 및 0.8~0.9 중량부인 것이 바람직하다.
겔화 반응은 26 내지 28℃의 온도에서 진행된다.
아래 표 3은 세라믹 성형체 제조를 위한 각종 최적 조건을 나타낸 표이다.
항 목 조 건
세라믹 분말(w%) 58
분산제(wt%) 0.4
단량체 : 이량체 (wt%) 2 : 0.4
세라믹 혼합물의 pH 9.2~10.2
겔화반응 온도 (℃) 26~28
중합 개시제 : 촉매 (wt%) 1 : 0.8
겔화 시간 (min) 16~19
상기 성형재료는 기포 제거를 위한 탈포 단계를 거친다. 기포제거 과정에서 유의해야 할 점은 기포제거 유지시간이 길 경우에는 성형재료 내의 용매 증발이 증가하여 성형재료의 몰드 주입성을 저하시킨다. 반면에 기포제거 유지 시간이 너무 짧으면 성형재료 내에 과도한 기체가 잔류하는 문제점이 있다. 따라서, 탈포 단계의 유지시간은 매우 중요하다.
본 발명에서의 탈포 단계는, 성형재료 2000 ml를 기준으로 약 10 torr의 진공 데시케이터 내에서 자력 교반기로 교반하면서 7 내지 9분 동안 진행된다.
이로써, 세라믹 성형체 제조를 위한 세라믹 성형 재료가 준비된다.
도 1a를 다시 참조하면, 준비된 성형재료(50)는 제 1 몰드(100)에 주입된다. 상기 성형재료(50)는 돌출부(110)의 상부와 동일한 높이까지 주입되어 상기 성형재료(50)에 의하여 형성되는 몸체 상부에 관통공이 형성될 수 있도록 한다. 상기 돌출부(50)에 의하여 형성된 관통공은 세라믹 성형체가 완성된 후, 성형체 내부에 매설된 매설물 및 외부의 전원과의 전기적 연결 통로로서 기능한다.
도 1b를 참조하면, 상기 성형재료(50)는 제 1 몰드(100)에서 탈형된 후 상대 습도 95%의 조건에서 건조를 개시시키고 점차 습도를 낮춘 후, 상온에서 75%의 상대 습도 조건 하에서 24 시간 동안 1차 건조된다. 이 후, 약 120℃의 온도 조건 하에서 약 2 시간 동안 건조됨으로써 제 1 성형체(310)가 형성된다. 한편, 상기 제 1 성형체(310)를 0.5 내지 1.5 시간 동안 약 1000 내지 1200℃의 온도 하에서 하소하여 제 1 성형체의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
제 1 성형체(310)는 개구부를 갖는 바닥면(311)을 포함한다. 상기 제 1 성형체(310)는 제 1 성형체(310) 주형시, 제 1 몰드(310)의 돌출부(310)에 의하여 중앙부를 관통하는 전원 인가용 관통공(312)을 갖는다. 상기 전원 인가용 관통공(312)은 단면상에서 직사각형의 봉 형태를 갖는다.
도 1c를 참조하면, 상기 제 1 성형체(310)의 중앙부에는 관통공 형태의 전원 인가용 관통공(312)이 형성된다. 상기 전원 인가용 관통공(312)은 상기 제 1 성형체(310) 상부에 형성된 전극용 금속부재(410)와 외부 전원과의 전기적 연결 통로로서 기능한다.
다시 도 1b를 참조하면, 상기 제 1 성형체(310)의 상부는 기계적 가공을 통하여 표면이 평탄화 된다. 평탄화된 제 1 성형체(310) 상부에는 최종 세라믹 성형체의 내부에 매설될 매설물인 금속부재(410)가 형성된다. 상기 금속부재(410)는 기 가공된 판상체 일 수 있다. 이와 다르게, 상기 금속부재(410)는 페이스트 형태로 상기 제 1 성형체(310) 상부에 도포되어 형성되어 질 수 있다.
상기 금속부재(410)는 정전 흡착용 도전성 물질을 포함한다. 상기 도전성 물질의 예로서는, 알루미늄, 철, 동, 은, 금, 티탄, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄화 텅스텐, 탄화 티탄, 질화 티탄 등을 들 수 있다. 상기 도전성 물질들은 단독으로 또는 둘 이상의 합금 형태로 사용되어 질 수 있다.
상기 도전성 물질들은 세라믹 유전체층을 구성하는 알루미나 소결체나 산화물 세라믹스의 열팽창이 매우 작아서 세라믹 유전체층과 세라믹 기판 사이에 내장된 상태로 일체화하여 소결되더라도 성형체의 휘어짐이나 박리를 발생시키지 않는다. 특히, 상기 도전성 물질로서 텅스텐 및 몰리브덴이 바람직하다.
이밖에도, 상기 금속부재(410)를 형성하는 방법으로는, 스크린 인쇄법, 플라즈마 이용법, 포토리소그래피, 도금법 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 또한 상기 금속부재로서의 전극(410)은 단극형이나 쌍극형 등 어느 형태로든 기능할 수 있다.
상기 금속부재(410)에 정전력 발생을 위한 전원을 인가시키기 위하여 상기 금속부재를 피복하는 제 1 성형체(310)에는 전원 인가용 관통공(312)이 형성되어 있다. 상기 전원 인가용 관통공(312)을 통하여 외부 전원으로부터 금속부재에 리드선 등이 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 금속부재(410)가 형성된 제 1 성형체(310)는 제 2 몰드(320)에 체결된다. 상기 제 2 몰드(200)는 제 1 몰드(100)와 동일한 형상과 크기를 갖는 돌출부(210)를 포함한다. 따라서 상기 제 1 성형체(310)의 전원 인가용 관통공(312)은 상기 제 2 몰드(200)의 돌출부(210)와 견고하게 결합될 수 있다. 이 결과 상기 제 1 성형체(310)는 상기 제 2 몰드(200) 상에 견고하게 안착될 수 있다.
상기 제 2 몰드(200)는 제 1 몰드(100)에 비하여 넓은 폭을 갖는다. 이는 추가적으로 상기 제 2 몰드(200)에 주입될 성형재료가 상기 제 1 성형체(310)를 감싸기 위한 공간을 제공하기 위해서이다.
상기 제 1 몰드(100) 및 제 2 몰드(200)는 유기 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
상기 금속부재(410)가 형성된 제 1 성형체(310)가 제 2 몰드(200)에 안착되면 제 2 성형 재료가 상기 제 2 몰드(200)에 주입된다. 상기 성형재료는 상기 금속부재(410)를 덮고 바닥면(311)을 제외한 상기 제 1 성형체(310)의 주변을 감싸도록 상기 제 2 몰드(200)에 주입된다. 주입된 성형재료는 제 1 성형체(310)의 형성과정과 동일 한 과정에 의하여 제 2 성형체(320)를 형성시킨다.
상기 제 1 성형체(310) 및 상기 제 2 성형체(320)의 경계부(A)에서는 상기 제 1 성형체(310) 및 상기 제 2 성형체(320)가 소하되면서 견고하게 일체화된다.
제 1 성형체(310) 및 제 2 성형체(320) 내부에는 본 발명의 세라믹 성형체 제조방법에 의하여 세라믹 분말이 균일하게 분산되어 있어 성형체(310, 320)의 전 영역에 걸쳐 균일한 밀도의 세라믹물질을 포함할 수 있다. 따라서 밀도 구배의 발생으로 인한 세라믹 성형체(310, 320)의 기계적 물성 저하를 방지할 수 있다.
도 1e에는 본 발명에 따른 세라믹 성형체의 제조방법에 의하여 완성된 정전척용 세라믹 성형체의 단면도가 도시되어 있다.
도 1e를 참조하면, 정전척용 세라믹 성형체(1000)는 내부에 정전 흡착용 도전성 금속부재(410)가 매설되어 있다. 상기 금속부재(410)는 전극으로서 사용된다. 상기 세라믹 성형체(1000)는 제 1 성형체(310) 및 제 2 성형체(320)를 포함한다. 상기 제 1 성형체(310) 및 제 2 성형체(320)는 동일한 성형재료의 의하여 형성된 것이며 견고하게 일체화되어 있다.
상기 완성된 정전척용 세라믹 성형체의 체적 고유 저항은 1.0×109 Ω·cm 내지 1.0×1015 Ω·cm의 값을 갖는다.
또한 상기 완성된 정전척용 세라믹 성형체의 기공율은 0.3% 이하의 값을 갖는다.
상기 세라믹 성형체(1000)의 바닥면에는 외부 전원과의 전기적 연결수단의 통로로 사용될 수 있는 전원 인가용 관통공(312)이 형성되어 있다. 상기 전원 인가용 관통공(312)은 상기 세라믹 성형체(1000)의 사용 태양에 따라 복수개가 형성될 수도 있고 그 형태는 다양할 수 있다. 상기 전원 인가용 관통공(312)의 개수 및 형태는 제 1 성형체(310)의 제조시 제 1 몰드(100)의 하부 형상에 의하여 용이하게 변형될 수 있다.
상기 정전척용 세라믹 성형체(1000)는 산화 알루미늄(알루미나)을 주성분으로 하고 있으며 상기 산화 알루미늄을 포함한 세라믹 입자들이 고농도로 균일하게 분포되어 있어 기계적 물성이 매우 양호하다. 또한 별도의 추가공정 없이 성형체 제조 과정에서 금속부재을 매설할 수 있어 제조공정의 효율이 우수하다.
제 2 실시예
본 발명의 다른 실시예에 따른 열 발생용 세라믹 성형체의 제조방법은 제 1 몰드를 제외하고는 제 1 실시예에 따른 정전척용 세라믹 성형체의 제조방법과 동일하므로, 중복된 설명은 배제하고 상기 제 1 실시예와 다른 부분만을 주로 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 발생용 세라믹 성형체의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 준비된 세라믹 성형재료(50)는 제 1 몰드(150)에 주입된다. 상기 제 1 몰드(150)에는 내부 바닥면으로부터 돌출된 돌출부(155)가 형성되어 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 제 1 몰드(150)에서 탈형되어 형성된 제 1 성형체(330)는 바닥면(331)으로부터 중앙부를 관통하는 전원 인가용 관통공(333)이 형성되어 있다. 제 1 몰드(150)로부터 탈형되어 형성된 제 1 성형체(330)의 표면에는 기계적 가공 등에 의하여 평탄하게 연마된 후, 수납 홈(314)이 형성된다.
도 2c를 참조하면 상기 수납 홈(314)은 나선형을 갖는다. 이와 다르게 상기 수납 홈(314) 발열 효율을 고려하여 반경이 다른 복수의 원형, 길이가 다른 복수의 사각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한 상기 수납 홈(314)은 평면상에서 보았을 때, 평면 내부에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 평면상에서 보았을 때, 상기 제 1 성형체(330)의 외각까지 연장되지 않는 것이 바람직하다.
도 2d를 참조하면, 상기 제 1 성형체(330)에 형성된 수납 홈(334) 내에는 열 발생을 위한 발열부재(415)가 장입된다. 상기 발열부재(415)의 예로서는 코일 등을 들 수 있다. 상기 발열부재(415)는 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함한다. 상기 발열부재(415)는 열효율을 고려하여 수납 홈(334) 내에 한 개가 장입될 수도 있고 복수개가 장입될 수도 있다.
상기 발열부재(415)가 장입된 후, 고화 과정을 완료한 제 1 성형체(330)는 다시 제 1 몰드(150)에 안착되고 상기 제 1 성형체(330) 상부에는 상기 수납 홈(334)을 덮도록 2 성형체(340)가 형성된다. 상기 제 2 성형체(340)는 상기 수납 홈(334)에 장입된 발열부재(415)들을 보호하고 보온하는 기능을 갖는다.
제 2 성형체(340)는 전술한 제 1 성형체(330)의 형성방법과 동일한 과정을 거쳐 형성된다.
도 2e를 참조하면, 상기 제 2 성형체(340) 상부에는 금속부재(410)가 형성된다. 상기 금속부재(410)의 형성방법은 전술하였으므로 생략한다.
상기 금속부재(410)는 상기 제 1 성형체(330) 내에 형성된 전원 인가용 관통공(333)을 추가적 가공을 통하여 전원 인가를 위한 통로가 형성할 수 있다. 또한 상기 전원 인가용 관통공(333)을 기본 통로로 하고 추가적인 가공을 통하여 발열부재(415) 등에 전원을 인가하는 연결통로를 형성시킬 수도 있다. 즉, 상기 전원 인가용 관통공(333)은 금속부재(410) 또는 발열부재(415)등에 전압 또는 전원을 인가하기 위한 초기 통로로 이용되어질 수 있다. 이와 별도로, 추가적인 기계적 가공을 통하여 내부 매설물(410, 415)에 전압 또는 전원을 공급할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 발열부재(415)를 포함하는 제 1 성형체(330) 및 금속부재(410)가 형성된 제 2 성형체(340)는 제 2 몰드(250)에 안착된다. 상기 제 2 몰드(250)는 상기 제 1 몰드(150)와 동일한 형상 및 크기를 갖는 돌출부(255)를 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 성형체(330)가 상기 제 2 몰드(250)에 안착되면, 성형재료가 상기 제 2 몰드(250)에 주입된다. 상기 성형재료는 제 1 성형체(330) 및 제 2 성형체(340)의 바닥면(331)을 제외한 상기 제 2 성형체(340)의 주변부 및 상기 금속부재(410)를 덮도록 상기 제 2 성형체(340)에 주입되어 제 3 성형체(350)를 형성한다. 이후의 과정은 제 1 실시예와 동일하므로 이하 생략하도록 한다.
도 2g는 제 2 몰드(250)로부터 탈형되어 형성된 열 발생용 세라믹 성형체(2000)의 단면도를 도시한 것이다.
도 2g를 참조하면, 상기 세라믹 성형체(2000)는 수납 홈(334), 발열부재(415) 및 금속부재(410)를 포함한다. 상기 발열부재(415)는 상기 수납 홈(334) 내부에 고립되어 있다. 상기 금속부재(410)는 상기 세라믹 성형체(2000) 내부에 매설되어 있다.
상기 세라믹 성형체(2000)의 바닥면(331)에는 외부 전원을 인가하기 위한 초기 통로로서의 전원 인가용 관통공(333)이 형성되어 있다.
상기 세라믹 성형체(2000)는 제 1 성형체(330), 제 2 성형체(340) 및 3 성형체(340)를 포함한다. 상기 제 1 성형체(330), 제 2 성형체(340) 및 제 3 성형체(350)는 제조 과정에서 시간적 간격을 두고 형성되지만 최종 결과물이 세라믹 성형체(2000) 내에서 견고하게 일체화 되어 있다.
상기 제 2 성형체(340)는 제 1 성형체(330)의 수납 홈(334)에 장입된 발열부재를 보호한다. 상기 제 3 성형체(350)는 상기 제 2 성형체(340)에 형성된 금속부재(410)를 견고하게 매립될 수 있도록 한다.
상기 세라믹 성형체(2000)가 완성된 후, 전기적 배선 관계를 위하여 추가적으로 기계적 가공을 할 수도 있다.
상기 발열부재(415) 및 금속부재(410)는 상기 세라믹 성형체(2000) 내부에 견고하게 매설되어 있어 우수한 안정성을 갖는다.
본 발명에 따른 세라믹 성형체의 제조방법에 따르면, 금속부재 또는 발열부 재 등의 매설물을 성형체 내부에 삽입하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않기 때문에 매설물이 삽입된 성형체의 제조공정을 단순화할 수 있고 이 결과, 제조공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 삽입되는 매설물은 견고하게 성형체 내부에 배치되므로 매설물의 안정성을 확보할 수 있다.
또한 상기 세라믹 성형체의 제조방법에 의하여 제조된 성형체는 세라믹 재료의 분포 밀도가 균일하여 기계적 강도 등의 물성이 우수하고, 체적 고유 저항이 최적화 될 수 있어 정전척 등의 제조에 유용하게 사용되어질 수 있다.

Claims (6)

  1. 세라믹 분말을 포함하고 겔 상태를 갖는 성형 재료를 준비하는 단계;
    상부가 개방되고, 하부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 제 1 몰드에 상기 성형재료를 주입하는 단계;
    상기 주입된 성형 재료를 고화시켜 제 1 성형체를 형성하는 단계;
    상기 제 1 성형체 상부에 제 1 매설물을 배치시키는 단계;
    상기 제 1 몰드와 동일한 형상의 돌출부를 갖고 상기 제 1 몰드보다 폭이 넓은 제 2 몰드에 상기 제 1 매설물이 배치된 제 1 성형체를 상기 돌출부에 체결하여 수용하는 단계;
    상기 제 1 성형체 상의 상기 제1 매설물이 덮이도록 상기 성형재료를 상기 제 2 몰드에 주입하여 제 2 성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 성형체를 상기 제 1 성형체와 일체화 될 수 있도록 건조시키는 단계를 포함하는 세라믹 성형체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 성형 재료를 준비하는 단계는,
    (i) 세라믹 분말 54 내지 58 중량%;
    단량체 및 이량체를 2 : 0.35~0.45의 중량비로 포함하는 중합물질 2 내지 3 중량%;
    분산제 0.38 내지 0.42 중량%; 및
    탈 이온수 39 내지 43 중량% 세라믹 혼합물을 16 내지 22시간 동안 혼련하는 단계;
    (ii) 상기 혼련된 혼합물에, 상기 세라믹 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 1.1 중량부의 중합 개시제 및 0.8 내지 0.9 중량부의 촉매를 첨가하여 상기 혼합물을 겔화시키는 단계; 및
    (iii) 상기 겔화된 혼합물을 탈포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 성형체의 제조방법은 상기 제 1 성형체 상부에 발열부재를 포함하는 제 2 매설물을 수납하기 위한 수납 홈을 형성하고 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체 사이에 제 3 성형체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형체의 제조방법.
  4. 봉 형태의 전원 인가용 관통공을 갖는 제 1 성형체;
    상기 제 1 성형체 상부에 형성된 금속부재; 및
    상기 제 1 성형체 상부의 금속부재 및 상기 제 1 성형체의 바닥면을 제외한 제 1 성형체를 감싸도록 형성된 제 2 성형체를 포함하고, 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체는 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전척용 세라믹 성형체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 정전척용 세라믹 성형체의 소결시 체적 고유 저항이 1.0×109 Ω·cm 내지 1.0×1015 Ω·cm인 것을 특징으로 하는 정전척용 세라믹 성형체.
  6. 봉 형태의 전원 인가용 관통공을 갖고 상부에 수납 홈이 형성된 제 1 성형체;
    상기 수납 홈 내부에 배치된 발열부재;
    상기 제 1 성형체 상부에 형성되어 상기 발열부재를 절연하도록 형성된 제 2 성형체;
    상기 제 2 성형체 상부에 형성된 금속부재;
    상기 제 2 성형체 상부의 상기 금속부재 및 상기 제 1 성형체 및 제 2 성형체의 바닥면을 제외한 제 2 성형체를 감싸도록 형성된 제 3 성형체를 포함하고, 상기 제 1 성형체, 제 2 성형체 및 제 3 성형체는 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생용 세라믹 성형체.
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