KR101388964B1 - 마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

제작비용을 현저히 절감할 수 있으면서 변형이 적고 결함이 잘 발생되지 않는 사각 프레임 수냉판을 제조하는 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 사각 프레임 수냉판의 제조방법은 마찰교반접합이 가능한 재질로 된 프레임을 준비하는 단계와, 프레임들을 "ㄷ"자 형태 또는 "ㅁ"자 형태로 배치시킨 후, 프레임들이 맞닿는 경계부의 상부면을 마찰교반접합하는 1차 용접단계와, 프레임들이 맞닿는 경계부의 하부면을 마찰교반접합하는 2차 용접단계와, 프레임의 상면 중앙부를 따라 홈가공을 하여 유로를 형성하는 단계와, 유로의 상부면상 양쪽에 안착부를 형성하여 이 안착부에 덮개판을 마찰교반접합으로 용접하는 단계와, 유로와 연통되어 냉각수가 순환되도록 입출 포트를 형성하는 단계를 포함하여 제조된다.

Description

마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법{Method for manufacturing of water cooling plate}

본 발명은 사각 프레임 수냉판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마스크 수냉판과 같이 사각 프레임으로 사용되기 위한 필요부분만을 토막 형태로 준비하여 이들을 "ㅁ"자 형상으로 접합한 후 프레임 내부에 냉각수 순환로를 형성함으로써, 마스크 수냉판과 같은 고가의 재료가 낭비되는 것을 방지할 수 있는 고품질의 사각 프레임 수냉판을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

진공증착법의 일종으로, 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속해 타켓에 충돌시켜 목적의 원자를 분출, 그 근방에 있는 기판상에 막을 만드는 방법을 스퍼터링(Sputtering)이라 말한다. 이러한 스퍼터링 공정은 반도체 소자, 태양전지, 유기 전계 발광 소자의 제조 과정 등에 사용된다.

일반적으로 사용되고 있는 스퍼터링 장치는 도 1에서 보는 것과 같이 크게 반송 챔버(10)와, 스퍼터링 챔버(20)와 이 챔버들을 통하여 주는 도어(30)로 구분된다. 외부에서 전처리된 기판(1)은 반송 챔버(10) 내로 이동하게 되며, 반송 챔버(10) 내의 기판(1)은 도어(30)를 통하여 스퍼터링 챔버(20) 내로 이동한다. 이때, 스퍼터링 챔버(20)는 반송 챔버(10)로부터 이동된 기판(1)이 놓여지는 히터(22)와, 백 플레이트(back plate, 25)를 포함하여 구성된다.

히터(22)는 하부의 수평 테이블(21)에 의하여 지지되며, 히터(22)의 상부면에는 이송된 기판(1)을 고정하는 서포터(23)가 설치되어 있다. 그리고 백 플레이트(25)는 테이블(21)과 떨어진 위치에 설치되며, 그 전면 즉, 테이블(21)을 향하는 면에는 타겟(target) 재료(26)가 장착된다.

도어(30)를 통하여 반송 챔버(10)로부터 이송된 기판(1)이 테이블(21) 상의 서포터(23)위에 놓여져 고정되면, 히터(22)가 가동하여 기판(1)을 소정의 온도까지 가열시킨 상태에서 스퍼터링 공정이 진행된다. 한편, 스퍼터링 챔버(20) 내에는 마스크가 설치되어 있으며, 이 마스크는 기판(1)의 전면에 위치하게 된다.

도 2를 참고하면, 마스크(40)는 기판(1)의 전면에 위치하게 되어 스퍼터링 공정시 기판(1)의 설정된 영역에만 막이 형성되도록 제한하며, 특히 서포터(23)의 외곽부 표면에 막이 형성되는 것을 방지한다. 만약, 서포터(23) 표면에 막이 형성되는 경우 이를 제거해야만 하며, 이는 서포터(23)의 수명을 크게 단축시키는 요인으로 작용한다.

마스크(40)는 막이 형성되는 것을 방지하도록 사각 프레임 형상으로 제작된다. 이때, 스퍼터링 공정 중에 챔버 내부는 방전에 따라 그 내부 온도가 상승하게 되는데, 고온의 조건 하에서는 마스크(40)의 변형이 발생하게 된다. 따라서 도 3에서 보는 것과 같이 마스크(40)와 동일한 형상의 수냉판(50)을 구비하여 마스크에 대한 냉각 기능을 수행한다. 이러한 수냉판(50) 내에는 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(55)가 형성된다.

수냉판(50)의 제조방법을 간략하게 살펴보면, 도 4에서 보는 것과 같이 사각형의 원판(51)에 절단선(52)을 형성하고, 이 절단선(52)을 따라 절단하여 원판(51)으로부터 원하는 형상의 수냉판(50)을 분리하게 된다. 이러한 수냉판(50)에 유로(55)를 가공하여 형성하고, 이 유로(55)를 덮개판(56)으로 밀폐시켜 마스크 수냉판(50)을 완성하게 된다. 물론, 마스크 수냉판(50)에는 내부의 유로(55)로 냉각수가 입출되는 입출포트(도시되지 않음)가 형성될 것이다.

그러나 상기와 같이 제작되는 마스크 수냉판(50)은 그 재료 자체가 고가의 재료임에도 불구하고, 마스크 수냉판(50)을 형성하고 남은 원판(51)은 그 용도가 없어 폐기처분되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 마스크 수냉판을 구성하는 사방의 길이대로 프레임을 준비하고, 이 프레임들을 "ㅁ"자 형상으로 접합한후 그 내부에 냉각수 유로를 형성하여 사용되는 마스크 수냉판의 제조방법을 제공하려는 것이다.

특히, 본 발명은 위 접합방법을 접합 변형이 적고 결함이 잘 발생되지 않는 마찰교반접합 기술을 이용하여 마스크 수냉판을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다. 즉, 위에서는 마스크 수냉판의 제조방법으로 한정하였으나, 마스크 수냉판 뿐만 아니라 마찰교반접합이 가능한 고가의 재료들을 "ㅁ"자 형상으로 접합하여 그 내부에 냉각을 위한 수로를 형성하도록 제작되는 사각 프레임들 모두에 적용될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

마찰교반접합이 가능한 재질로된 4개의 프레임을 준비하는 단계;

위 프레임들을 "ㅁ"자 형태로 배치시킨 후, 프레임들이 맞닿는 경계부의 상부면을 마찰교반접합하는 1차 용접단계;

프레임들이 맞닿는 경계부의 하부면을 마찰교반접합하는 2차 용접단계;

프레임의 상면 중앙부를 따라 반만 순환하도록 홈가공을 하여 "ㄷ"자 형 유로를 형성하는 단계;

유로의 상부면상 양쪽에 안착부를 형성하여 이 안착부에 덮개판을 마찰교반접합으로 용접하는 단계; 및

유로와 연통되어 냉각수가 순환되도록 입출 포트를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법을 제공한다.

또는, 사각 프레임 수냉판이 대면적일 경우에는 3개의 프레임을 "ㄷ"자 형태로 배치하여 접합한 후, 이 프레임에 유로를 형성하여 제작될 수도 있다.

좀더 구체적으로, 1차용접 및 2차용접은 프레임의 내부에서 서로 중첩되게 함이 좋을 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 사각 프레임 수냉판의 제조방법은 원하는 길이의 프레임을 준비하여 그 프레임을 "ㅁ"자 형상으로 접합함으로써, 기존처럼 원판에서 사각 프레임을 떼어내는 방법에 비해 재료의 낭비가 없어 제조비용이 현저히 줄어드는 잇점이 있게 된다.

또한, 본 발명은 대면적의 수냉판인 경우에 "ㄷ"자 형상으로 제작하여 2개의 "ㄷ"자 수냉판을 사각 형상으로 맞대어 사용할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명은 접합기술을 적용함에 있어 마찰교반접합 기술을 사용하여 접합부의 변형이 적을 뿐만 아니라 접합부의 결함이 최소화될 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 스퍼터링 공정을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 기판 부분을 확대하여 보인 도면이고,
도 3은 마스크 수냉판의 형태를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3에 도시된 마스크 수냉판의 기존 제작방법을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 마스크 수냉판의 프레임 구조를 보인 도면이고,
도 6은 도 5에 도시된 프레임의 경계부를 마찰교반접합으로 용접하는 모습을 보인 도면이고,
도 7은 도 6의 접합부를 마찰교반접합하기 위해 그 주변에 설치되는 보조판 및 고정지그들의 모습을 보인 도면이고,
도 8은 도 7의 보조판에 의해 마찰교반접합이 이루어지는 용접 경로를 나타낸 도면이고,
도 9는 마찰교반접합의 상부면 및 하부면의 용접이 중첩되는 모습을 보인 도면이고,
도 10은 완성된 프레임에 유로를 형성하는 모습을 나타낸 사시도이고,
도 11은 도 10의 A-A선을 따라 도시한 단면도이며, 그리고
도 12는 본 발명에 따른 수냉판의 완성된 모습을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 마스크 수냉판의 제작방법은 마스크 수냉판(50)의 사방중에서 마주보는 어느 양쪽이 2등분 되도록 3개의 프레임(53)을 준비하여 이들을 "ㄷ"자 형상으로 배치시킨후, 그 경계부(54)를 마찰교반접합으로 용접시켜 기본 형상을 제작한다. 이처럼 "ㄷ"자 형상으로 하여 제작되는 경우는 마스크 수냉판이 대면적일 경우 주로 사용되며, 대면적이 아닐경우에는 4개의 프레임(53)을 "ㅁ"자 형상으로 배치한 후, 그 경계부(54)를 마찰교반접합으로 용접시켜 기본 형상을 제작할 수도 있다.

본 발명의 마스크 수냉판 접합에 사용되는 마찰교반접합 기술에 대해 간략하게 살펴보기로 한다.

1991년에 TWI(The Welding Institute, 영국에 있는 공립 용접/접합연구소)에 의해 개발된 FSW(Friction Stir Welding)는 기존 접합법에 비해 기계적 특성, 접합 변형 특성이 뛰어난 접합방법이다. 철도차량에 적용되기 시작했으며, 자동차나 항공기, 우주비행체로 적용 범위가 급격히 확대되고 있다.

FSW는 회전 툴을 피접합재료의 접합 경계면에 삽입한 후, 피접합재료와 회전 툴의 마찰열로 재료를 가열하고 이에 따라 연화(軟化)된 재료를 회전 툴로 교반하여 소성 유동시킴으로써 접합하는 기술이다. 융점 이하에서 접합할 수 있는 고상(固相)접합이기 때문에 접합 변형이 적고 결함이 잘 발생되지 않는 접합법이다.

이러한 마찰교반접합은 기존의 용융접합과 비교하면 조인트 강도가 높고, 접합 변형이 적어 2000계열, 7000계열 알루미늄합금의 접합이 가능하며, 결함이 잘 발생하지 않고, 접합 전후 처리가 간단하다는 이점이 있다. 또 리벳 결합과 비교하면 조인트 강도가 높고(정강도), 중량절감 효과가 있으며, 원가가 낮다는 등 장점이 있다. 한편, 단점으로는 높은 접합면의 치수 정확도가 요구되며, 복잡한 형상의 부품은 접합하기 곤란하다는 점을 들 수 있다.

따라서 도 6에서 보는 것과 같이 프레임(53)의 접합 경계부(54)에 툴(60)을 삽입한 후, 고속회전시키면서 경계부(54)를 따라 이동하면서 접합하게 된다. 이러한 마찰교반접합은 경계면을 파고들면서 양 부재를 접합시키게 되는데, 둥그런 툴(60)이 경계면의 시작부분과 끝부분을 깔끔하게 마무리하지 못하는 문제가 발생된다. 즉, 툴(60)을 삽입하기 위해서는 경계면의 선단에서 옆으로는 진입할 수 없기 때문에 중간에서 파고들어야 할 수 밖에 없고 마무리 부분에서도 경계면을 통과하면 끝부분의 경계면이 접합되지 않는 문제가 발생되는 것이다.

이러한 문제를 위해 본 발명에서는 도 7에서 보는 것과 같이 경계부(54)의 시작부분 전방과 경계부(54)의 끝나는 부분 후방에 각각 프레임과 동일 재질의 보조판(70a, 70b)을 덧대어 도 8에서 보는 것과 같이 시작부분의 보조판(70a)에서 마찰교반접합을 시작하여 끝부분의 보조판(70b)에서 마찰교반접합이 끝나도록 하였다.

또한, 툴(60)을 경계면의 사이로 삽입시킬때에 양 프레임(53)이 툴(60)의 삽입에 의해 밀려나지 않도록 할 필요가 있게 된다. 이는 프레임(53)에만 그런 것이 아니라 보조판(70)에도 마찬가지로 작용될 것이다. 따라서 도 7에서 보는 것과 같이 보조판(70)의 외측을 감싸면서 양 프레임(53)의 밀려나는 방향으로 고정지그(80)를 설치하여 마찰교반접합을 실시한다.

마찰교반접합은 도 6에서 보는 것과 같이 툴(60)의 하단이 프레임(53)의 하부면으로 관통하면서 작동되는 것이 아니므로 하부면상의 경계면은 접합되지 않게 된다. 따라서 프레임(53)들의 경계부(54) 상부면을 1차로 접합한 후, 프레임(53)을 뒤집어 경계부(54) 하부면을 2차로 접합하는 방법으로 실시된다. 이때, 1차와 2차는 도 9에서 보는 것과 같이 프레임(53)의 상,하 두께 중간부분에서 서로 중첩되도록 하여 미 접합면이 생기지 않도록 하는 것이 좋을 것이다.

이와 같이 제작된 프레임(53)에 수냉판으로서의 목적을 달성하기 위해 내부에 유로(55)를 형성한다. 이러한 유로(55)는 도 10 및 도 11에서 보는 것과 같이 "ㄷ"자 프레임(53)의 중앙부를 따라 "ㄷ"자 형태로 홈가공을 하여 유로(55)를 형성하고, 이 유로(55)의 상부면상 양측으로 더 넓은 홈가공을 하여 유로(55)를 외부로부터 밀폐시키기 위한 덮개판(56)이 부착되는 안착부(57)를 형성한다. 따라서 덮개판(56)을 안착부(55)에 삽입한 후, 덮개판(56)의 외곽을 프레임(55)과 일체가 되도록 마찰교반접합으로 용접하여 도 12의 (a)와 같이 완성한다.

만약, 마스크 프레임(50)이 대면적이 아닐 경우 프레임(50)을 "ㅁ"자 형상으로 접합하여 유로를 형성하게 되는데, 이때에도, 유로는 "ㄷ"자 형상으로 가공된다. 즉, 대면적이 아니라 하더라도 유로가 마스크 수냉판을 한바퀴 돌면 냉각효율이 떨어지므로 반바퀴만 순환하고 되돌아 오도록 유로를 "ㄷ"자 형태로 제작됨이 좋은 것이다.

상기와 같이 덮개판(56)의 용접이 완료되면 프레임(55) 및 덮개판(56)의 표면을 다듬질 한 후, 유로(55)와 연통되어 냉각수가 순환되도록 입출 포트를 형성하여 수냉판(50)의 제작을 완료한다.

본 발명에 따른 마스크 수냉판(50)은 전술한 바와 같이 대면적인 경우 "ㄷ"자 형태로 제작되는데, 마스크(40)용 수냉판으로 사용하기 위해서는 마스크(40)와 동일한 형태인 "ㅁ"자 형태를 갖추어야 한다. 따라서 위와 같이 제작된 "ㄷ"자형 수냉판(50) 2개를 도 12와 같이 사각형으로 맞대어 사용된다.

본 발명에 따른 마스크 수냉판의 제조방법은 그 용도가 마스크에만 한정하는 것은 아니다. 즉, 금속 재질의 사각 프레임 형태로 된 제품이라면 어떠한 것이든 가능한 것이다. 보다 바람직하게는 마찰교반접합이 가능한 금속 재질로된 사각 프레임 내에 냉각수가 순환되도록 하는 수냉판의 구조 제품은 모두 본 발명의 방법으로 제작할 수 있음을 말한다.

상기와 같은 마스크 제조방법은 위에서 설명된 실시 예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 예들은 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

50 : 마스크 수냉판
53 : 프레임 54 : 경계부
55 : 유로 56 : 덮개판
57 : 안착부 60 : 툴
70 : 보조판 80 : 고정지그

Claims (3)

1. 마찰교반접합이 가능한 재질로 된 4개의 프레임을 준비하는 단계;
   상기 프레임들을 "ㅁ"자 형태로 배치시킨 후, 상기 프레임들이 맞닿는 경계부의 상부면을 마찰교반접합하는 1차 용접단계;
   상기 프레임들이 맞닿는 경계부의 하부면을 마찰교반접합하는 2차 용접단계;
   상기 프레임의 상면 중앙부를 따라 반만 순환하도록 홈가공을 하여 "ㄷ"자 형 유로를 형성하는 단계;
   상기 유로의 상부면상 양쪽에 안착부를 형성하여 이 안착부에 덮개판을 마찰교반접합으로 용접하는 단계; 및
   상기 유로와 연통되어 냉각수가 순환되도록 입출 포트를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법.
   
2. 마찰교반접합이 가능한 재질로 된 3개의 프레임을 준비하는 단계;
   상기 프레임들을 "ㄷ"자 형태로 배치시킨 후, 상기 프레임들이 맞닿는 경계부의 상부면을 마찰교반접합하는 1차 용접단계;
   상기 프레임들이 맞닿는 경계부의 하부면을 마찰교반접합하는 2차 용접단계;
   "ㄷ"자 프레임의 상면 중앙부를 따라 홈가공을 하여 유로를 형성하는 단계;
   상기 유로의 상부면상 양쪽에 안착부를 형성하여 이 안착부에 덮개판을 마찰교반접합으로 용접하는 단계; 및
   상기 유로와 연통되어 냉각수가 순환되도록 입출 포트를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 1차용접 및 2차용접은 상기 프레임의 내부에서 서로 중첩되게 함을 특징으로 하는 마찰교반접합을 이용한 사각 프레임 수냉판의 제조방법.
   

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