KR101282766B1 - 용융 도가니의 재활용 방법 및 그에 의해 제조된 도가니 - Google Patents
용융 도가니의 재활용 방법 및 그에 의해 제조된 도가니 Download PDFInfo
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Abstract
도가니를 폐기하지 않고 다시 사용하여 비용을 절감하는 도가니의 재활용 방법 및 그에 의한 도가니를 제시한다. 그 방법 및 도가니는 초기두께(d1) 가진 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼을 제거하여 예비 도가니를 만든 후, 예비 도가니의 내벽에 분사법 또는 증착법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성하여 제조한다.
Description
본 발명은 융용 도가니의 재활용 방법 및 그에 의해 제조된 도가니에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속, 세라믹 등을 용융하여 주조품 또는 단결정을 성장시키는 등의 다양한 목적을 달성하기 위하여 사용된 도가니를 폐기하지 않고 다시 활용하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 도가니에 관한 것이다.
도가니는 금속 및 세라믹과 같은 물질을 용융하여, 용융된 물질을 소정의 목적에 사용하도록 변환시키기 위한 것이다. 도가니는 이를 구성하는 물질에 따라 주조, 분말야금 및 분사법 등의 다양한 방법으로 만들 수 있다. 또한, 도가니에 용융되는 물질은 그 용도에 따라 금속, 세라믹 등으로 매우 광범위하며, 이에 따라, 도가니는 산업의 전반에 걸쳐 활용되는 중요한 것이다. 다시 말해, 도가니는 주조품을 만들거나 단결정을 성장시키는 등 그 사용하는 목적이 매우 다양하며, 그 목적에 따라 도가니로 구성하는 물질도 다양하다.
예를 들어, 사파이어 단결정을 성장하기 위한 도가니는 사파이어보다 높은 융점을 가지고 열적으로 안정한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 이들이 조합된 도가니 물질 및 그 합금, 특히 텅스텐(W) 및 그 합금을 많이 사용하고 있다. 그런데, 텅스텐(W)과 같은 도가니 물질은 융점이 매우 높아서 주조에 의해 상기 도가니를 제조할 수 없기 때문에, 분말야금(powder metallurgy) 및 본 출원인에 의해 국내에 출원된 출원번호 2011-0039266에서 제시된 분사법에 의해 만들기도 한다.
한편, 종래의 도가니는 시간이 지남에 따라, 열충격 등에 의해 도가니의 내벽에 결함이 발생하여, 이러한 결함을 통하여 도가니 본체를 이루는 물질이 확산에 의해 용융되는 곳으로 유입된다. 상기 물질이 유입되면, 그 물질은 용융되는 물질에 대하여 불순물로 작용하여 용융물질의 물성을 크게 저하시킨다. 이러한 문제는 특히 단결정을 성장시키기 위한 도가니에 있어서 치명적이다. 도가니 본체를 이루는 물질이 유입되면, 용융물질의 물성이 저해되는 것을 방지하기 위하여 새로운 도가니로 교체하여야 한다. 그런데, 도가니를 교체하게 되면, 새로운 비용이 발생하게 되고, 특히 단결정을 성장시키기 위한 도가니와 같이 가격이 상대적으로 높은 경우에는 교체하는 비용이 더욱 부담이 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 도가니를 폐기하지 않고 다시 사용하여 비용을 절감하는 도가니의 재활용 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상기 방법에 의해 제조된 도가니를 제조하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용융 도가니의 재활용 방법의 하나의 예는 먼저 초기두께(d1) 가진 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼을 제거하여 예비 도가니를 만든다. 그후, 상기 예비 도가니의 내벽에 분사법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성한다.
본 발명의 바람직한 방법에 있어서, 상기 분사법은 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용할 수 있다. 이때, 상기 분사법은 열적 분사법이 바람직하다. 나아가, 상기 도가니는 사파이어 단결정을 성장용이 바람직하다.
본 발명의 재활용 방법에 있어서, 상기 보강층을 형성한 이후에 상기 보강층의 내벽면에 피복층을 형성할 수 있고, 상기 피복층은 증착에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용융 도가니의 재활용 방법의 다른 예는 초기두께(d1) 가진 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼을 제거하여 예비 도가니를 만드는 단계 및 상기 예비 도가니의 내벽에 증착법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 화학적 증착법이나 물리적 증착법인 일반적인 증착법을 사용할 수도 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용융 도가니는 예비 도가니의 내벽에 분사법 또는 경우에 따라 증착법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성한 것이다.
본 발명의 용융 도가니의 재활용 방법 및 그에 의해 제조된 도가니에 의하면, 도가니 물질이 유입되는 도가니의 내벽을 절삭하고 그 내벽에 분사법 또는 증착법을 이용하여 보강층을 형성함으로써, 도가니를 폐기하지 않고 다시 사용하여 비용을 절감하는 도가니의 재활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 용융 도가니의 재활용하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명에 의한 도가니의 재활용하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명에 의한 도가니의 재활용하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 분사법 또는 경우에 따라 증착법을 이용하여 도가니를 폐기하지 않고 다시 사용하여 비용을 절감하는 도가니의 재활용 방법 및 그에 의한 도가니를 제시한다. 본 발명에 적용되는 도가니는 산업 전반에 걸쳐 사용되므로, 설명의 편의를 위하여 다음과 같이 용어를 정의한다. 도가니는 필요에 따라, 그 내벽에 소정의 물질로 적어도 하나의 층을 피복하기도 하므로, 피복되지 않은 상태의 도가니를 도가니 본체라고 하고, 피복되는 층을 피복층이라고 한다. 또한, 도가니에 의해 용융되는 물질을 용융물질이라고 하며, 도가니 본체를 이루는 물질을 도가니 물질이라고 한다. 경우에 따라, 도가니 물질은 피복층을 이루는 물질을 더 포함하여 통칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 용융 도가니의 재활용하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명의 실시예에 의한 도가니의 재활용하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 초기두께(d1) 가진 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼 절삭가공 등을 통하여 제거한다(S10). 이에 따라, 초기두께(d1)에서 절삭두께(d2) 만큼 제거된 예비 도가니(10)가 완성된다. 이때, 본 발명의 도가니는 산업 전반에 걸쳐 사용되는 것을 통칭하는 것이며, 추후에 설명될 분사법에 의해 재활용을 할 수 있는 모든 도가니를 포함하는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 도가니는 흑연 도가니, 석영 도가니, 내화금속 도가니 등으로 피용융체를 용융하는 동안에 도가니 본체에서 도가니 물질이 유출되어 용융물질을 오염시킬 수 있고, 이를 분사법에 의해 재활용 할 수 있는 것을 말한다.
예비 도가니(10)는 적어도 도가니의 기능을 가지게 하는 것이면 특별히 그 형상과 크기에 제한되는 것이 아니며, 예를 들어 예비 도가니(10)의 모서리부와 같이 라운딩(rounding) 처리를 할 수도 있고, 라운딩이 없이 거의 직각을 이룰 수도 있다. 또한, 예비 도가니(10)가 직경이 점점 확대될 수도 있고, 직경이 전체적으로 일정할 수 있다.
절삭두께(d2)로 절삭되는 과정은 도시된 바와 같이 절삭공구(20)에 의한 물리적인 방법이나 도시되지는 않았지만 화학적인 방법에 의해 수행할 수 있다. 즉, 절삭하는 방법은 도가니 본체의 재질 등에 따라 적절한 방식을 선택할 수 있다. 절삭두께(d2)는 본 발명의 분사법으로 형성되는 새로운 보강층(도 2b의 11 참조)에 의해 도가니 물질이 용융물질 내에 유입되지 않을 정도의 두께보다 큰 것이 바람직하다. 다시 말해, 절삭두께(d2)는 도가니 물질, 도가니 형태, 도가니가 사용되는 환경(온도 등), 도가니 본체 자체의 두께 감소 등을 고려하여 도가니 물질이 용융물질에 유입되는 것을 방지할 수 있는 두께를 가진다. 이에 따라, 도가니에 따라 절삭두께(d2)는 사전에 정해진다.
도 1 및 도 2b를 참조하면, 예비 도가니(10)의 내벽에 도가니 물질의 분말을 본 발명의 분사부(30)를 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층(11)을 형성한다(S20). 이에 따라, 보강층(11)과 예비 도가니(10)를 포함한 두께(d3)의 재활용 도가니(12)가 만들어 진다. 도가니 물질의 분말은 도가니 본체를 이루는 도가니 물질이 분말 형태를 이루는 것으로서, 도가니의 종류에 따라 분말의 종류 및 크기가 달라진다. 필요에 따라, 상기 분말은 도가니 물질과 다른 물질일 수도 있다. 예를 들어, 도가니 물질은 티타늄(Ti)이지만 보강층(11)은 텅스텐(W)일 수도 있다.
분사부(30)는 도가니 물질의 분말에 압력 또는 열과 압력을 가하여 분사하는 장치이다. 분사부(30)는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법이 적용될 수 있으며, 특히 도가니 물질의 분말에 열과 압력을 동시에 가하여 분사하는 열적 분사법이 바람직하다. 여기서는 제시하지 않았지만, 본 발명의 범주에 해당하는 다른 방식의 분사법도 본 발명의 실시예에 의한 도가니를 제조하는 방법으로 적용할 수 있다.
열적 분사법은 도가니 물질의 분말에 열과 압력을 가해서 분사부(30)를 통하여 분사하는 것으로 도가니 물질의 분말이 서로 치밀한 결합을 하면서 층을 이루는 데 유리하다. 열적 분사법은 피복하고자하는 에너지를 열원으로 코팅하는 방법이므로, 코팅할 때의 온도는 도가니 물질의 녹는점보다 높은 온도 조건에서 코팅할 수 있다. 즉, 플라즈마 분사 방법의 경우는 10000℃ 이상이 되고, HVOF나 D-gun, 아크 분사 방법의 경우, 적어도 수천 ℃의 온도이므로, 도가니 물질의 분말이 용융, 또는 반용융 상태로 코팅이 된다.
저온 분사법의 경우에는, 피복하고자 하는 에너지가 분말의 가속 속도와 충격 에너지로 피복하는 방법이므로, 도가니 물질의 분말의 온도는 녹는점보다 낮은 온도에서 피복이 되지만, 분말을 가속하기 때문에 압력이 매우 높은 조건에서 피복을 실시한다. 즉, 도가니 물질의 속도가 적어도 1000 m/s의 속도 이상이어야 하고, 압력의 조건은 적어도 20 kg/cm2 이상이 되어야 한다. 상기 압축가스는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사속도, 피복 효율 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
열적 분사법을 포함한 분사법은 도가니 물질의 분말과 예비 도가니(10)의 충돌에 따른 변형에너지(strain energy)에 의해 도가니 물질의 분말의 심도 깊은 충돌을 유도하므로 치밀한 구조를 가진 보강층(11)을 만들 수 있다. 도가니 물질이 여러 가지 물질로 이루어진 경우, 보강층(11)은 본 발명의 실시예에 의한 상기 도가니 물질 중에 선택된 하나의 물질로 이루질 수 있으며, 경우에 따라 상기 도가니 물질 중에서 선택된 각기 다른 물질로 여러 층으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명은 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니에 특히 유용하게 적용할 수 있다. 사파이어는 단결정은 에피택셜(epitaxial) 성장 기판으로 많이 이용되고 있으며, 특히 최근에는 발광 다이오드(LED)를 제조하기 위한 기판으로 많이 사용되고 있다. 사파이어는 화학성분은 Al2O3이며, 굳기 9로서 다이아몬드 다음으로 굳고 융점이 약 2,000℃가 넘어서 열적 및 기계적 안정성이 높은 재료이다. 사파이어 단결정은 특히 열전도도가 좋아서 LED와 같이 열을 발생하는 부품의 기판으로 적합하다. 한편, 사파이어를 단결정으로 성장시키기 위해서는 사파이어를 용융시킬 수 있는 도가니는 사파이어보다 높은 융점을 가지고 열적으로 안정한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 그 합금 또는 이들이 조합 중에 선택된 적어도 어느 하나인 내화금속, 특히 텅스텐(W) 및 그 합금을 많이 사용하고 있다.
그런데, 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니는 시간이 지남에 따라, 열충격 등에 의해 도가니의 내벽에 결함이 발생하여, 이러한 결함을 통하여 도가니 본체를 이루는 물질인 내화금속이 확산에 의해 용융되는 곳으로 유입된다. 상기 내화금속이 유입되면, 그 물질은 용융되는 사파이어에 대하여 불순물로 작용하여 사파이어 단결정의 물성을 크게 저하시킨다. 이와 같이 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니를 본 발명과 같은 방법으로 재활용하면, 도가니를 교체하는 비용을 크게 줄일 수 있다.
경우에 따라, 본 발명의 실시예는 앞에서 제시한 분사법 이외에 다른 방법으로서 증착법을 제시한다. 증착법은 통상적으로 잘 알려진 화학기상증착법(CVD) 또는 물리기상증착법(PVD) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 도가니의 크기가 작아서 절삭두께(d2)가 얇거나 또는 재활용의 요구에 따라 자주 절삭해야 하는 경우, 상기 분사법을 굳이 적용하지 않더라도 증착법에 의해 본 발명의 소기의 목적을 달성할 수 있다. 다시 말해, 증착법을 이용한 재활용이란 아래의 도 2c의 피복층(13)과는 달리 정해진 기간 동안 도가니 물질의 확산을 방지할 수 있을 정도로 증착하는 것을 말한다.
도 1 및 도 2c에 의하면, 경우에 따라, 증착부(40)에 의해 보강층(11)의 내부면에 피복층(13)을 형성하여 피복처리된 도가니(14)를 제조한다(S30). 왜냐하면, 보강층(11)은 도가니 물질의 분말이 분사법에 의해 서로 결합되어 형성된 것이므로, 표면을 거쳐 내부에 이르는 기공이 존재한다. 이러한 기공은 용융물질이 보강층(11)으로 파고 들어가는 통로를 제공한다. 상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 보강층(11)의 내부면에 증착을 이용하여 피복층(13)을 형성한다. 이때, 증착은 잘 알려진 CVD 또는 PVD 방식이 모두 가능하나, 제조의 편의상 CVD 방식이 유용하다.
피복층(13)은 보강층(11)을 이루는 물질과 동일한 것이 바람직하다. 구체적으로, 보강층(11)이 텅스텐으로 이루어졌으면, 피복층(13) 역시 텅스텐으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 보강층(11)과 피복층(13)의 물질이 서로 같으면, 피복층(13)은 보강층(11)과 서로 치밀하게 결합될 수 있기 때문이다. 피복층(13)의 두께는 재활용 도가니(12)의 형태나 크기에 따라 달라지나, 0.1mm 내지 4mm가 바람직하다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 예비 도가니 11; 보강층
12; 재활용 도가니 13; 피복층
14; 피복처리된 도가니 d2; 절삭두께
d4; 보강층 두께
12; 재활용 도가니 13; 피복층
14; 피복처리된 도가니 d2; 절삭두께
d4; 보강층 두께
Claims (9)
- 초기두께(d1) 가지며, 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼을 제거하여 예비 도가니를 만드는 단계; 및
상기 예비 도가니의 내벽에 분사법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성하는 단계를 포함하는 용융 도가니의 재활용 방법. - 제1항에 있어서, 상기 분사법은 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 용융 도가니의 재활용 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 분사법은 열적 분사법을 적용하는 것을 특징으로 하는 용융 도가니의 재활용 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 보강층을 형성한 이후에 상기 보강층의 내벽면에 피복층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 도가니의 재활용 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 피복층은 증착에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 용융 도가니의 재활용 방법.
- 초기두께(d1) 가진 도가니 본체를 재활용하기 위하여 도가니 본체의 내벽을 절삭두께(d2) 만큼을 제거하여 예비 도가니를 만드는 단계; 및
상기 예비 도가니의 내벽에 증착법을 이용하여 두께(d4) 만큼의 보강층을 형성하는 단계를 포함하는 용융 도가니의 재활용 방법. - 제7항에 있어서, 상기 증착법은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법 중에 선택된 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 용융 도가니의 재활용 방법.
- 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제8항 중에서 선택된 어느 한 항에 의해 제조된 용융 도가니.
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