KR101338699B1 - 금속구 제조 방법 - Google Patents

Abstract

미세 금속구 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 금속구 제조 방법은 금속에 고용되지 않는 소금을 플럭스로 이용하는 것을 특징으로 하며, 용기 내부에 소금 및 금속편을 장입하는 제1 단계, 상기 소금 및 금속편을 용융시키는 제2 단계, 상기 용융된 소금 및 금속편을 냉각하여 금속구를 제조하는 제3 단계, 및 상기 소금을 제거하여 상기 금속구를 채취하는 제4 단계를 포함한다.

금속구, 소금, 플럭스, 금속분말

Description

금속구 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING METAL BALL}

도 1은 본 발명에 의한 금속구 제작 방법을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명에 의한 금속구 제작 방법에 따라 생성된 금속구를 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 도가니 12: 소금

13: 금속편(은선재) 14: 금속구(은구)

본 발명은 장신구와 반도체 등의 마이크로 소자의 산업용 재료로 사용할 수있는 1mm 이하의 미세 금속구의 제조 방법에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 금속과 고용성이 없는 소금을 이용함으로써 금속구의 제조 수율 향상, 금속구의 품질 개선 및 금속구의 제조 비용 절감이 가능한 금속구 제조 방법에 관한 것이다.

미세 금속구는 이미 신라 시대부터 누금(鏤金) 장신구로서 사용되어 왔고 최근에는 반도체 마이크로 소자의 비지에이(ball grid array) 패키징 재료로서 그 활용도가 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 산업 발달에 따른 사용 용도의 다양 화와 수요 증가에 따라 경제성 있는 미세 금속구의 대량 생산 방법에 대한 시장의 요구는 지속적으로 증대될 것으로 예상된다.

종래에는 금 합금 재료를 판이나 선재로 만들고 이를 동일한 크기로 절단하여 흑연 가루 내에 분산시킨 후, 다시 흑연으로 덮고 나서 숯불과 같은 환원성 분위기에서 열처리하여 금구를 제조하여 왔다. 이때 흑연은 부분적으로 연소 되면서 CO, CO2 가스를 발생하여 산소의 유입을 차단시킴으로써 금구의 산화를 방지하며, 용융된 금은 표면장력에 의해서 흑연 가루 내에서 미세한 구형의 금구로 변화된다. 끝으로 흑연 가루를 제거하고 금구만을 모아서 장식재로 쓸 수 있었다. 그러나 이러한 종래의 방법으로는 최종적으로 완성된 미세 금구 내외부에 흑연이 다량으로 함유되기 때문에 금구의 순도 및 미려함이 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 최근에 비지에이용 패키징 요소로 주목받고 있는 금구는 아토마이징(atomizing)법에 의해 제조하고 있다. 아토마이징법이란 용융된 금 멜트와 불활성 가스와 동시에 분무시켜 낙하하는 동안 금 멜트를 구형으로 응고시켜 미세 금구를 제조하는 방법이다. 아토마이징법에 의하면 여러 가지 입도의 금구가 동시에 제작되는데 원하는 입도의 금구는 메시(mesh) 작업을 통해 얻을 수 있다. 그러나 아토마이징법은 장비 자체가 고가이기 때문에 금구의 제조 단가가 높아지며, 생산 라인의 오염 문제로 상황에 따라 목적하는 금구의 조성에 맞게 라인 조성을 바꾸기가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 아토마이징법은 입도 조절이 어렵기 때문에 원하는 입도의 금구가 만들어지지 않은 경우에는 공정을 다시 실시하여야 하기 때문에 수율이 낮고 비용이 추가로 발생한다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속에 고용되지 않는 안정된 화합물인 소금을 플럭스로 사용하여 흑연 혼입에 따른 품질 저하의 문제점을 개선함과 동시에 높은 양산 수율을 기대할 수 있는 금속구 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 금속구 제조 방법은 용기 내부에 소금 및 금속편을 장입하는 제1 단계, 상기 소금 및 금속편을 용융시키는 제2 단계, 상기 용융된 소금 및 금속편을 냉각하여 금속구를 제조하는 제3 단계, 및 상기 소금을 제거하여 상기 금속구를 채취하는 제4 단계를 포함한다.

상기 금속편의 재료는 은, 금, 백금 및 이들을 포함하는 합금일 수 있다.

상기 제1 단계에서 상기 금속편은 금속 선재이며, 상기 금속 선재의 직경과 길이를 조절하여 상기 금속구의 직경을 실질적으로 조절할 수 있다.

상기 제1 단계에서 상기 용기에 상기 소금을 소정량 채우고 상기 소금 상에 상기 복수개의 금속편을 이격하여 배치하며 상기 복수개의 금속편 상에 상기 소금을 더 채울 수 있다.

상기 제1 단계에서 상기 용기의 전체 부피 중 약 2/3을 상기 소금으로 채울 수 있다.

상기 제2 단계에서 용융방식은 진공 분위기 가열 방식으로서 용융온도는 약 900℃, 용융시간 약 10분일 수 있다.

상기 제2 단계에서 상기 금속편의 재료가 저융점 금속인 경우에는 상기 소금에 불순물을 포함시켜 상기 금속편을 용융시킬 수 있다.

상기 제3 단계에서 냉각 방식은 노냉 방식일 수 있다.

상기 제4 단계에서 상기 소금은 물에 용해되어 제거될 수 있다.

상기 제4 단계에서 상기 용융된 소금에 포함되어 있던 나노급 크기의 금속 분말을 얻을 수 있다.

본 발명은 금속구 제조시 소금(NaCl)을 플럭스로 채택하는 것을 기술적 특징으로 한다. 소금을 플럭스로 사용하는 경우에는 다음과 같은 장점이 있다. 소금은 약 800℃에서 용융되며 은, 금, 백금 및 은합금 등의 금속과 고용도가 없는 안정한 화합물이다. 소금은 가격이 100원/kg 정도로 저렴하고 우리 일상 주변에서 용이하게 구할 수 있다. 소금은 용융 상태에서 유해한 가스와 부산물을 발생시키지 않으며 고체 상태의 소금은 물에 쉽게 용해되기 때문에 흑연과는 달리 금속과 소금이 물리적으로 섞여있는 경우 선택적으로 소금만 쉽게 분리할 수 있다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속구 제작시 도가니에 소금 및 금속구를 장입하는 을 과정을 나타내는 도면이다.

먼저 금속과 소금을 용융시킬 수 있는 용기, 예를 들어 도가니(11)를 준비하고, 도가니(11)에 소금(12)을 도가니 부피의 1/3 정도까지 채워 넣는다[도 1(a) 참조]. 이때 채워 넣는 소금(12)의 양을 도가니 부피의 1/3 정도로 특별히 한정하는 것은 아니다.

다음으로 금속구의 원재료에 해당하는 금속을 작은 크기로 잘라서 복수개(예를 들어, 복수개의 금속편)를 소금(12) 위에 놓는다[도 1(b) 참조]. 본 발명에서는 직경 약 1mm 정도의 금속 선재(13)를 약 1mm 정도의 길이로 잘라서 소금(12) 위에 복수개 올려놓았다. 이때 금속 재료로는 은, 금, 백금 및 이들 금속을 포함하는 합금을 사용하며, 본 발명에서는 은선재를 사용하여 은구를 제조하였다.

은선재(13)의 직경 및 길이는 상술한 수치로 한정되는 것을 아니나 은선재의 직경은 얻고자 하는 금속구(즉, 은구)의 직경과 일치시키는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 1mm 직경의 은선재를 사용하여 약 1mm 직경의 은구를 얻을 수 있었다. 복수개의 은선재(13)는 용융시 서로가 달라붙지 않을 정도로 이격시키되, 은선재 직경의 5배 이상의 거리를 두고 이격시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명에서와 같이 1mm 직경의 은선재(13)를 사용하는 경우 은선재(13) 간에는 최소한 5mm 정도의 거리를 두는 것이 좋다.

다음으로 복수개의 은선재(13)를 소금(12)으로 덮는다[도 1(c) 참조]. 이때, 도가니(11) 부피의 2/3 정도까지를 소금(12)으로 채운다. 본 발명에서 채워 넣는 소금(12)의 전체 양을 도가니 부피의 2/3 정도로 특별히 한정하는 것은 아니다. 다만 도가니(11)에 소금(12)을 너무 많이 채우면 용융시 용융된 소금이 도가니 바깥으로 넘쳐서 비산하는 문제점이 있다. 따라서, 용융된 소금의 비산 현상이 일어나지 않는 범위 내에서 도가니에 채우는 소금의 전체 양을 조절할 필요가 있다.

한편 도가니(11)에 소금(12) 및 은선재(13)를 채우는 순서도 상술한 바에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 먼저 도가니(11) 바닥에 복수개의 은선재(13)를 넣고 그 위에 소금(12)을 한꺼번에 채우는 방식에 의해서도 은구를 제조할 수 있다.

다음으로 도가니(11)를 가열로에 넣고 가열하여 소금(12)과 은선재(13)를 용융시킨다. 이때 도가니는 진공 분위기에서 15℃/min의 속도로 900℃까지 상승시킨 후 10분 정도 유지하였으나, 반드시 상술한 조건에 한정되는 것은 아니다. 최고 온도를 900℃로 설정한 것은 소금의 용융 온도가 800℃인 것을 감안한 것이다. 최고 온도를 900℃ 이상으로 하면 용융된 소금이 도가니 밖으로 비산하는 문제점을 고려하여야 한다. 또한, 본 발명에서는 소금이 플럭스 역할을 하므로 진공 분위기가 아닌 대기 중에서도 은구 제조가 가능하다.

한편 저융점 금속의 금속구를 제조하는 경우에는 소금에 MgCl₂와 같은 불순물을 포함시켜 소금의 용융 온도를 낮춘 상태에서 금속구를 제조하는 것이 바람직하다.

다음으로 도가니(11)를 냉각하여 용융된 소금과 은선재를 고체 상태로 만든다. 도가니는 노냉(爐冷) 방식으로 냉각시키는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이 과정에서 용융된 은선재는 표면장력에 의해서 소금 내에서 구형의 은구로 변화된다. 도 2 (a) 및 (b)에 은선재(13)가 은구(14)로 변화된 상태를 나타내었다. 냉각이 완료된 도가니 내에는 복수개의 은구를 포함하는 소금 덩어리가 존재하게 된다.

다음으로 상기 은구를 포함하는 소금 덩어리를 도가니에서 꺼낸 후 이를 60℃의 온수에 넣어 용해시킴으로써 은구(14)만을 선별적으로 채취한다.

한편 상기 은구 채취 단계에서는 다음과 같은 과정을 통하여 나노급 크기의 은 분말도 동시에 채취할 수 있다. 소금과 금속을 같이 용융시키는 과정에서 대부분의 금속은 액상 소금에 1,000ppm 정도 과포화되어 있다가 소금이 응고될 때 소금 결정 내부에 나노 크기로 핵생성되어 석출하게 된다. 이와 같이 액상 소금에 과포화되었다가 석출되는 금속을 필터링하여 채취하면 나노급 크기의 금속 분말을 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

본 발명에 따른 금속구 제조 방법은 소금을 플럭스로 사용함으로써 금속구의 품질 향상, 금속구의 수율 향상 및 금속구의 제조 비용 개선의 효과가 있다.

Claims (12)

1. 금속구의 제조 방법에 있어서,

   용기 내부에 소금 및 금속편을 장입하는 제1 단계;

   상기 소금 및 금속편을 용융시키는 제2 단계;

   상기 용융된 소금 및 금속편을 냉각하여 금속구를 제조하는 제3 단계; 및

   상기 소금을 제거하여 상기 용융된 소금에 포함되어 있던 나노급 크기의 금속 분말을 얻는 제4 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속편의 재료는 은, 금, 백금 및 이들을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단계에서 상기 용기에 상기 소금을 소정량 채우고 상기 소금 상에 상기 금속편을 복수개 이격하여 배치하며 상기 금속편 상에 상기 소금을 더 채우는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 단계에서 상기 용기의 전체 부피 중 2/3를 상기 소금으로 채우는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 용융방식은 진공 분위기 가열 방식으로서 용융온도는 900℃, 용융시간은 10분인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 상기 소금에 불순물을 포함시켜 상기 금속편을 용융시키는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제3 단계에서 냉각 방식은 노냉 방식인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제4 단계에서 상기 소금은 물에 용해되어 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항의 방법으로 제조된 나노급 크기의 금속 분말.

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