KR101113934B1 - 난가공재에 홀을 형성하는 방법과 이 방법으로 홀이 형성된 난가공재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난가공재(difficult-to-work material)에 홀을 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 난가공재에 홀을 형성하는 방법에 있어서, 제1난가공재 구조체의 일면에 채널을 형성하는 단계; 및 제2난가공재 구조체를 상기 제1난가공재의 채널이 형성된 면에 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법이 제공된다.

홀의 종횡비(aspect ratio)가 매우 큰 경우에도 용이하게 홀을 형성할 수 있다.

세라믹, 접합, 홀

Description

난가공재에 홀을 형성하는 방법과 이 방법으로 홀이 형성된 난가공재{Method of forming hole in difficult-to-work material and difficult-to-work material having hole formed by the method}

본 발명을 고경도 난가공재(difficult-to-work material)에 홀을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 홀의 종횡비(aspect ratio)가 매우 크거나, 홀의 직경이 매우 작은 경우에도 용이하게 홀을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.

난가공재는 경도가 매우 높아서 가공이 어려운 소재를 말하는 것으로서 세라믹, 고경도의 금속합금, 써멧, 반도체 소재, 유리 등이 포함된다. 이러한 세라믹, 고경도 금속, 써맷, 반도체 소재 등의 난가공재는 자체의 고유한 특성으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다. 난가공재는 그 용도에 따라서 미세한 홀이 가공되어야 할 필요가 있다. 예를 들어 프로브 지지체, 저온 동시소성 기판, 분사 노즐 등으로 사용되는 난가공재에는 미세한 다수의 홀을 가공할 필요가 있다.

난가공재에 홀을 형성하는 방법은 다양하나 세라믹의 경우를 예를 들면 일반적인 방법은 다음과 같다. 우선, 몰드(mold) 또는 기타 방법을 이용하여 성형체를 형성한다. 이어서, 성형체를 적정 소결 온도에서 소결하고, 소결체를 필요에 따라 목적에 맞는 형상으로 가공한다. 일반적으로 소결체의 표면은 연삭 가공, 래핑 가공 또는 폴리싱 가공이 수행된다. 이어서, 소결체에 초음파를 이용한 홀 가공, 전통적인 드릴을 이용한 가공법 또는 레이저를 이용하여 복수 개의 홀을 형성한다.

홀을 가공하는 다른 방법으로는 원료 파우더와 바인더 및 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 이용하여 그린 시트를 성형한 후, 그린 시트에 다수의 홀을 가공한 후, 홀이 서로 연결되도록 적층하여 그린 바를 제조하고, 이를 적절한 온도 및 분위기 조건에서 소결하여 제조하는 방법이 있다. 필요한 경우에는, 소결이 완료된 난가공재에 형성된 홀을 다시 한번 드릴을 이용하여 가공할 수 있다.

상술한 종래의 난가공재에 홀을 가공방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 드릴 가공을 통해 난가공재에 홀을 가공하는 것은 다음과 같은 이유로 매우 어렵다. 난가공재는 통상적으로 고경도이다. 따라서 다이아몬드 코팅 등의 방법으로 만들어진 드릴을 사용하더라도 홀가공에 많은 시간이 소요된다. 또한, 홀의 직경 및 깊이와 같은 홀 형상에 많은 제약이 따른다. 특히, 홀의 종횡비(aspect ratio)가 매우 큰 경우에는 드릴 가공을 통한 홀 가공은 매우 어렵다. 또한, 세라믹이나 유리의 경우에는 소재가 취성을 갖는바 소결체가 가공 중 파손되는 일이 발생할 수 있다. 또한, 구멍의 크기가 작아지는 경우 이를 가공하기 위한 드릴을 제작하는데 많은 어려움이 따른다. 아울러, 다수의 홀을 가공해야하는 경우 가공의 난이도는 매우 증가한다.

둘째, 레이저를 이용하여 난가공재에 홀을 형성할 경우, 홀의 형상이 균일하지 않고, 홀의 크기 역시 균일하지 않다. 또한, 난가공재의 상면에서의 홀의 사이즈 및 난가공재의 하면에서의 홀의 사이즈가 서로 다른 문제점도 함께 갖는다.

셋째, 그린시트에 홀을 가공한 후 적층을 하여 형성할 경우, 소결과정에서 수축률의 차이로 인한 변형이 발생하여, 홀의 형상에 변형 및 홀간 간격에 변화가 발생하여 치수 정밀도를 보장할 수 없다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명은 난가공재에 홀을 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 난가공재(difficult-to-work material)에 홀을 형성하는 방법에 있어서, 제1난가공재 구조체의 일면에 채널을 형성하는 단계; 및 제2난가공재 구조체를 상기 제1난가공재 구조체의 채널이 형성된 면에 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법이 제공된다.

또한, 상기 제2난가공재 구조체를 상기 제1난가공재 구조체에 접합하는 단계는, 상기 제1난가공재 구조체의 채널이 형성된 면에 접착층을 형성하는 단계, 상기 제2난가공재 구조체의 일면과 접착층이 형성된 상기 제1난가공재 구조체의 면이 접하도록 하여, 제1난가공재 구조체, 제2난가공재 구조체 및 접착층으로 이루어진 집합체를 제공하는 단계, 상기 집합체를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법이 제공된다.

또한, 다른 실시예에 따르면 상기 제2난가공재 구조체를 상기 제1난가공재 구조체에 접합하는 단계는, 상기 제2난가공재 구조체의 일면과 상기 제1난가공재 구조체의 채널이 형성된 면이 접하도록 하여, 제1난가공재 구조체와 제2난가공재 구조체로 이루어진 집합체를 제공하는 단계, 상기 집합체에 압력을 가하면서 상기 제1난가공재 구조체의 소성온도 및 상기 제2난가공재 구조체의 소성온도보다 50℃이상 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명에 의한 난가공재에 홀을 형성하는 방법은 홀의 종횡비(aspect ratio)가 매우 큰 경우 또는 홀의 직경이 매우 작은 경우에도 용이하게 홀을 형성할 수 있다. 따라서 홀을 형성하는 시간 및 비용이 매우 단축된다. 또한, 일반적으로 홀을 가공하기 어려운 형태의 난가공재에도 용이하게 홀을 형성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

<제1실시예>

도 1a 내지 1d는 본 발명의 제1실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.

우선, 도 1a와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법은 제1난가공재 기판(10)의 상면에 복수 개의 채널(12)을 형성하는 단계로 시작된다. 복수 개의 채널(12)은 그 용도에 따라서 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수 개의 채널(12)은 다이싱소(dicing saw)를 이용하여 가공하거나, 밀링머신 또는 레이저를 이용하여 표면부에 가공할 수 있다. 다이싱소를 이용하는 경우 다이싱소의 블레이드 두께가 얇을수록 폭이 좁은 채널(12)을 가공할 수 있으며, 결국 직경 이 작은 홀을 형성할 수 있다. 수십㎛이하의 얇은 블레이드는 다이아몬드가 전착된 블레이드이며, 다이아몬드 입자는 대부분 Ni 전기도금공정으로 만들어진다. 이 경우 사용하는 다이아몬드 입자는 Ni이 코팅된 것으로 피삭체에 따라 다양한 입자 크기와 형상이 적용될 수 있다. 다이싱소를 이용하여 가공할 경우 분당 수십m의 속도로 가공이 가능하여, 종래의 기술과는 비교할 수 없을 정도로 생산성이 우수하다.

이어, 도 1b와 같이 복수 개의 채널(12)이 형성된 제1난가공재 기판(10)의 상면에 접착층(14)을 형성한다. 접착층(14)의 형성공정은 MOCVD를 포함하는 CVD 또는 스퍼터링이나 E-beam을 포함하는 PVD 같은 증착 공정에 의해 실시될 수 있다. 접착층(14)은 Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cr, Cu, Zn, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Pt, Au, Ce, Nd 등과 같은 활성 금속을 함유하는 조성 또는 접합시키려는 난가공재와 열팽창계수가 유사하고 반응성이 높은 접합용 글라스(Glass) 조성을 사용하여 형성한다. 막의 두께는 수백 내지 수천 Å으로 형성한다. 막의 두께가 너무 얇으면 접합이 잘되지 않으며, 너무 두꺼우면 홀의 형상에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 또한, 금속 박판을 이용하여 접착층을 형성하는 것도 가능하며, 글라스 페이스트나 활성 금속 페이스트를 도포하는 방식도 가능하다.

다음으로, 도 1c와 같이 제1난가공재 기판(10)의 하면을 다른 제1난가공재 기판(10)의 상면과 밀착시키고, 최상층의 제1난가공재 기판(10)의 상면에 채널(12)이 형성되지 않은 난가공재 기판인 제2난가공재 기판(20)의 하면을 밀착시켜 제1난가공재 기판(10), 제2난가공재 기판(20) 및 접착층(14)으로 이루어진 집합체를 제공한다. 본 실시예에서는 3장의 제1난가공재 기판(10)을 사용하였으나, 제1난가공 재 기판(10)의 층 수는 필요에 따라서 얼마든지 변경될 수 있다.

마지막으로, 제1난가공재 기판(10)과 제2난가공재 기판(20)의 집합체를 가압하면서 열처리하여 제1난가공재 기판(10)과 제2난가공재 기판(20)을 접합하여, 도 1d에 도시된 바와 같은 홀이 형성된 난가공재(100)를 얻는다. 열처리온도는 제1난가공재 기판(10)과 제2난가공재 기판(20)의 소성온도에 비해서 낮은 것이 바람직하다. 더 높은 온도에서 열처리를 하면 난가공재 기판에 변형이 생겨 난가공재 기판에 형성되어 있는 채널(12)이 변형될 수 있기 때문이다.

또한, 제1난가공재 기판(10)과 제2난가공재 기판(20)은 같은 재질인 것이 바람직하다. 열처리시 열팽창계수의 차이에 의해서 접합불량 및 변형이 생길 수 있기 때문이다.

열처리분위기는 접합하려는 소재, 사용된 접착층(14)의 종류에 따라서 적절한 분위기를 선택한다. 즉 난가공재가 산화물계 세라믹스의 경우 대기 분위기 접합이 가능하나, 난가공재가 비산화물계 세라믹스 또는 고경도 합금이거나, 활성금속을 접착층(14)으로 사용하는 경우에는 환원성분위기 또는 진공분위기에서 열처리를 하는 것이 바람직하다. 난가공재나 활성금속 층이 고온에서 산화되는 것을 방지하기 위함이다. 활성금속이 산화되면 반응성이 떨어져 열처리온도에서 접착층(14)으로서의 역할을 할 수 없기 때문이다. 산화물계 세라믹의 경우 종류에 따라서는 환원분위기에서 열처리시 세라믹에서 산소가 빠져나와 강도가 약해지는 등 특성이 나빠질 수 있으므로 이 경우에는 글라스를 접착층(14)으로 사용하고 대기 중에서 열처리하는 것이 바람직하다.

도 2는 도 1a 내지 1d에 도시된 방법에 의해서 제조된 난가공재의 사시도이다. 도 2에 알 수 있듯이 제1난가공재 기판(10)에 형성된 채널(12)이 제2난가공재 기판(20)에 의해서 밀폐되어 홀(112)을 형성하게 된다. 본 발명에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이 홀의 종횡비(aspect ratio)가 20이 넘는 고종횡비의 홀을 용이하게 형성할 수 있다. 도시하지 않았으나, 필요한 경우에는 도 2에 도시된 난가공재 (100)를 홀이 형성된 방향과 수직방향으로 절단하여 다수의 홀이 형성되어 있는 플레이트를 얻을 수 있다.

도 3은 알루미나계 세라믹 난가공재의 접합부의 단면을 보여주는 전자현미경 사진이다. 도 3에 도시된 제1난가공재 기판과 제2난가공재 기판은 모두 알루미나(Al₂O₃)계 세라믹이며, 접착층은 Ti, Cu, Ag, Ni를 포함하는 합금이다. 도 3에서 알 수 있듯이 접합부는 완전히 치밀하다.

<제2실시예>

도 4a 내지 4d는 본 발명의 제2실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정도들이다. 본 실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법은 연료 분사노즐과 같은 미세한 홀이 형성되어 있는 노즐을 생산하기 위해서 사용되는 방법으로서 원뿔 모양의 제1난가공재 구조체(30)의 표면에 채널(32)을 형성한 후, 채널(32)이 형성되어 있는 표면에 진공 증착을 통해서 접착층(34)을 형성하고, 이 제1난가공재 구조체(30)를 제1난가공재 구조체(30)를 수용할 수 있는 제2난가공재 구조체(40)와 결합한 후 열처리하여 접합하는 방법이다. 제1난가공재 구조 체(30)와 제2난가공재 구조체(40)의 형상에 차이가 있을 뿐, 상술한 방법과 동일한 단계를 거친다. 종래의 방법으로는 이와 같은 형상의 난가공재에 홀을 형성하는 것이 매우 어려웠으나 본 발명에 의하면, 간단한 방법으로 홀을 가공할 수 있다.

<제3실시예>

상술한 제1실시예와 제2실시예에서는 제1난가공재 기판 또는 구조체(10, 30)에 접착층(14, 34)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 난가공재 기판 또는 구조체 의 조성에 따라서는 별도의 접착층을 형성하지 않고, 소결온도보다 낮은 온도에서 압력을 가하면서 열처리하여 확산 접합하는 것도 가능하다. 예를 들어, 이트리아 안정화 지르코니아(3Y-PSZ)의 경우 소결온도보다 낮은 온도인 1100 ~ 1400℃에서 단위면적당 수 Kg 이상의 압력을 가하는 경우 완전한 접합이 가능하다.

이상, 본 발명의 일실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.

예를 들면, 제1난가공재 기판 또는 구조체(10, 30)에만 채널(12, 32)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 제2난가공재 기판 또는 구조체(20, 40)에도 채널을 형성하여, 채널이 형성된 부위가 서로 마주보도록 하여 접합할 수도 있다.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 제1실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.

도 2는 도 1a 내지 1d에 도시된 방법에 의해서 제조된 난가공재의 사시도이다.

도 3은 알루미나계 세라믹 난가공재의 접합부의 단면을 보여주는 전자현미경 사진이다.

도 4a 내지 4d는 본 발명의 제2실시예에 따른 난가공재에 홀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정도들이다.

<도면 부호의 간단한 설명>

10 : 제1난가공재 기판 12, 32 : 채널

14, 34 : 접착층 20 : 제2난가공재 기판

30 : 제1난가공재 구조체 40 : 제2난가공재 구조체

Claims (14)

1. 난가공재(difficult-to-work material)에 홀을 형성하는 방법에 있어서,

   제1난가공재 구조체의 일면에 채널을 형성하는 단계와,

   상기 제1난가공재 구조체의 채널이 형성된 면에 활성 금속 접착층을 형성하는 단계와,

   제2난가공재 구조체의 일면과 상기 접착층이 형성된 상기 제1난가공재 구조체의 면이 접하도록 하여, 상기 제1난가공재 구조체, 상기 제2난가공재 구조체 및 상기 접착층으로 이루어진 집합체를 제공하는 단계와,

   상기 집합체를 열처리하여 상기 제2난가공재 구조체를 상기 제1난가공재 구조체의 채널이 형성된 면에 접합하는 단계;를 포함하며,

   상기 접착층은 Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cr, Cu, Zn, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Pt, Au, Ce, Nd로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 접착층은 진공증착에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 열처리하는 단계의 온도는 상기 제1난가공재 구조체의 소성온도 및 상기 제2난가공재 구조체의 소성온도보다 50℃이상 낮은 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 열처리하는 단계의 분위기는 환원성 분위기 또는 진공 분위기인 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 열처리하는 단계에서 상기 집합체에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제1난가공재 구조체와 제2난가공재 구조체의 조성은 동일한 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 채널을 형성하는 단계는,

    다이싱소(Dicing Saw)를 이용하여 상기 채널은 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 채널을 형성하는 단계는,

    레이저를 이용하여 상기 채널은 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
12. 삭제
13. 제1항에 있어서,

    상기 홀의 종횡비(aspect ratio)는 5 내지 10000인 것을 특징으로 하는 난가공재에 홀을 형성하는 방법.
14. 제1항의 방법에 의하여 홀이 형성된 난가공재.

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