KR101415633B1 - 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치 - Google Patents

이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이트리아 함량을 최소화한 지르코니아 내화물 제조장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 지지대; 상기 지지대 상부에 일방향으로 회동가능하게 구비되어 이트리아를 포함하는 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 용융로; 상기 용융로의 하부에 위치하여 상·하 방향 및 상기 용융로가 회동하는 전·후 방향으로 이동가능하게 설치되고, 상기 용융로로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드를 생성하는 고압 공기분사유닛; 및 상기 고압 공기분사유닛의 하우에 위치되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드를 적층시켜 내화물을 성형하는 내화물 성형유닛; 을 포함하여 구성됨으로써, 사파이어 단결정 성장로 내부에서 초고온의 열을 보온시킴과 아울러 단열을 수행할 수 있게 된다.

Description

이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치{REFRACTORIES MANUFACTURING EQUIPMENT USING THE CRYSTALLIZATION FURNACE OF SAPPHIRE MADE THE STABILIZED ZIRCONIA BEAD MINIMIZED THE CONTENT OF YTTRIA}
본 발명은 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이트리아 함량을 최소화(20wt% → 5wt%)한 용융 안정화 지르코니아 비드로 내화물을 제조할 수 있도록 함으로써, 사파이어 단결정 성장로 내부에서 초고온의 열을 보온시킴과 아울러 단열을 수행하도록 하고, 이트리아 함량을 최소로 하여도 상변태에 의한 부피 팽창이 거의 없으며, 접착제 사용없이 내화물을 제조할 수 있게 하여 기존의 큐빅 지르코니아로 된 내화물에서 접착제로 사용되는 바륨 알루미네이트의 용융온도가 낮아 수명이 짧고 가스(Gas) 방출로 인한 품질 저하를 해소할 수 있고, 제조원가를 대폭 절감할 수 있도록 한 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 내화물(Refractories)은 고온에 견디는 물질로서 적어도 2,000℃이상 고온에서 연화(Softening)하지 않고 그 강도를 충분히 유지하며, 화학적 장용 등에도 견딜수 있는 재료로서, 사파이어 단결정 성장로(Sapphire Single Crystal Growing Apparatus) 등의 내부에서 초고온의 열을 보온하거나 단열을 수행하기 위해 사용되고 있다.
사파이어 단결정 성장로는 LED 제조에 있어 필수 소재인 사파이어 기판에 증착시킬 수 있는 GaN, GaAIN등 화합물 반도체 단결정 Epi층을 제공하기 위한 것이다.
사파이어 단결정 성장에 있어 현재 상용화되고 있는 사파이어 단결정 성장방법으로는 Kyropoulos법, Czochralski법, 열교환법(HEM, Heat Exchange Method), VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing)법, EFG법(Edge-Defined Film-Fed Growth)법 등이 사용된다. 이러한 방법을 통해 제조된 사파이어 단결정은 고순도(99.99%, 4N급이상) 알루미나(Al2O3) 분말 등을 2,300℃ 이상 고온에 용융시킨 뒤 서서히 결정(Crystal)을 성장시키면서 냉각하여 굳히는 형태로 완성된다.
상기와 같은, 사파이어 단결정 성장로의 내화물 재료로는 처음에는 금속 몰리브덴이 사용되었다. 이 몰리브덴으로 된 내화물(10)은 두께가 0.5㎜의 몰리브덴 판을 10겹으로 겹쳐서 만들었어도 사용 중 고온으로 인하여 변형이 일어나고, 그 수명이 6개월 내지 1년으로 짧아 경제적이지 못하여 최근에는 큐빅 지르코니아를 분쇄하여 수용성 자재로 접착시켜 브릭(Brick) 상태로 제작하여 사용되고 있다(도 1 참조).
상기와 같이, 큐빅 지르코니아를 이용한 내화물(10) 제조 시 고가(High Price)인 이트리아(Yttria, Y2O3)가 20wt%가 들어가며, 결정(Crystal)으로 성장시키기까지에는 대략 80시간(용융 4시간, 결정성장(Growing) 76시간)이 소요되어 그 생산원가가 높아지게 된다.
특히, 기존의 방식은 큐빅 지르코니아를 분쇄하고, 바륨 알루미네이트(BaAl2O4)가 7wt% 함유된 접착제를 이용하여 제조하나, 이 바륨 알루미네이트의 용융온도가 1,815℃로 낮을 뿐만 아니라 고온에서 녹아 발생되는 가스에 의해 사파이어 결정(Sapphire Crystal)의 품질이 저하되며, 수명이 2년 이하로 기대보다 짧다.
이러한 큐빅 지르코니아로 제조된 내화물은, 도 2에 도시된 바와 같이, 대형 용량일 경우 중량이 160㎏정도로 무거울 뿐만 아니라 제작이 어려워 42개의 조각으로 조립되고 있다.
또한, 이 방식은 몰리브덴으로 이루어진 내화물에 비하여 보온 효과가 높아 전기 사용량이 20%정도 절감됨에도 불구하고 사용하는 데 불편을 느끼고 있다.
한편, 최근에는 사파이어 단결정 성장로에 급격한 온도의 변화에 견딜수 있는 내화성 물질인 지르코니아(Zirconia, ZrO2)가 사용되고 있다. 이 지르코니아는 온도변화에 따라 다양한 상변화를 보여주는 데, 실온에서는 단사정계(Monoclinic)로 있다가 1,170℃에서 정방정계(Tetragonal)구조로 바뀌며 2,300℃에서 육방정계(Cubic)로 바뀌게 된다. 이러한 상변화시 단사정계에서 정방정계로 변할 때 약 5%의 부피변화가 수반되어 입자(Grain)가 깨지는 현상이 발생되는 바, 이는 내화물을 만들 때 치명적인 결함으로 작용된다.
이와 같은 치명적인 결함은 이트리아(Yttria, Y2O3), Cubic 산화물, Calcia 및 Magnesia 등을 넣어 해결하고 있는 데, 이 중 가장 많이 사용되는 첨가물은 일정량(약20몰%) 첨가시 온도 변화에도 육방정계만을 유지하여 부피변화가 일어나지 않아 고온이 요구되는 내화물을 제조할 수 있는 이트리아를 사용하고 있다.
그러나, 이트리아는 높은 가격으로 인해 생산원가의 대부분을 차지하게 되는 문제점(최근에 들어, US$ 100/Kg 를 호가하고 있으므로 지르코니아가 US$ 8/Kg 수준임을 감안하면 생산원가의 대부분을 이트리아가 차지하게 됨)이 있는 바, 이러한 이트리아의 함유량을 최소화하면서도 급열, 급냉시에도 변형이 일어나지 않는 지르코니아 내화물이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 다음과 같은 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
1) 고가의 이트리아 사용량을 5wt%로 줄이고, 내화물 제조에 소요되는 시간을 결정 성장 시간 필요없이 단지 용융에 필요한 4시간으로 줄일 수 있어 큐빅 지르코니아를 이용한 시간에 비하여 원가를 절감할 수 있도록 하기 위한 것이다.
2) 용융된 지르코니아를 용융로를 기울여 내화물 성형유닛 측으로 낙하시키는 과정에서 고압의 공기 분사를 통해 생성된 용융 안정화 지르코니아 비드가 내화물 성형유닛 측에서 적층되고, 적층과정에서 별도의 접착제 없이도 냉각되지 않은 용융 안정화 지르코니아 비드가 자연스럽게 서로 붙게 되어 브릭(Brick)이 되면서 냉각이 이루어지게 되므로, 원가를 크게 절감시킬 수 있고, 사용 중 용해되지 않으며 가스 분출이 없는 우수한 품질의 내화물을 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.
3) 이트리아 5wt%가 첨가된 용융 지르코니아를 고압 공기로 급속히 냉각시키면 많은 양의 육방정계 물질을 얻을 수 있는 바, 실제 이의 열팽창계수를 측정하여 보면 온도 변화에 따른 상변태가 거의 나타나지 않음을 확인하여 본 발명에 적용할 수 있도록 하기 위한 것이다(도 3 또는 도 4 참조).
4) 내화물 내부에 많은 공극이 있어 중량을 크게 줄일 수 있고, 4개의 대형 조각으로 제조할 수 있도록 함으로서, 재료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공극(Air Gap)에 의한 보온 효과를 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것이다(도 13 참조).
5) 공극(Air)을 통해 사파이어 단결정 성장로 내부에서 초고온의 열을 보온시킴과 아울러 단열을 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다.
6) 이트리아를 5wt% 내외로 포함하는 용융 안정화 지르코니아 비드 - 상기 '용융 안정화 지르코니아 비드'는, 대부분이 육방정계 지르코니아로 이루어지되 약간의 육방정계 구조 이외의 구조를 가진다 하여도 급냉을 통해 비드(구슬) 형태로 축적되고, 일정한 공극을 가지게 되어 온도 변화시 내화물의 기본 구조를 유지하는 데 지장이 없는 상태를 의미함 - 로 이루어진 내화물을 온도가 2,300℃를 오르내리는 사파이어 단결정 성장로에 적용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
7) 내화물의 공극율을 20% 이상 유지하게 되므로 자재전체(이트리아 + 지르코니아)를 20% 이상 절감할 수 있도록 하기 위한 것이다.
8) 지르코니아가 비드형으로 축적되어 일정부분만 서로 접착되는 방식으로 큰 공극을 갖게 함으로써 온도 변화시에도 내화물의 기본 구조를 유지하여 이상적인 내화물을 제작할 수 있도록 하기 위한 것이다.
9) 도 4에서 보는 바와 같이, 온도 900℃근처에서 약간의 상변태가 나타나기는 하나 이 상변태를 공극이 흡수하여 내화물 파손을 방지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치는, 지지대; 상기 지지대 상부에 일방향으로 회동가능하게 구비되어 이트리아를 포함하는 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 용융로; 상기 용융로의 하부에 단층 또는 다층 중 어느 하나를 이루어 위치되고, 상·하 방향 및 상기 용융로가 회동하는 전·후 방향으로 이동가능하게 설치되며, 상기 용융로로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드를 생성하는 고압 공기분사유닛; 및 상기 고압 공기분사유닛 하부의 상기 용융로가 기울어지는 방향에 배치되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드를 적층시켜 내화물을 성형하되, 평판형의 받침대와, 상기 받침대 중앙부에 일정 높이로 구비되는 원통형의 내부성형틀과 상기 내부성형틀과 일정간격 이격되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드가 적층되는 적층공간을 형성하는 외부성형틀로 이루어진 성형틀과, 상기 적층공간에 적층된 상기 용융 안정화 지르코니아 비드가 회전되도록 상기 성형틀에 회전동력을 전달하는 회전구동유닛이 구비된 내화물 성형유닛; 을 포함하여 구성된다.
상기 고압 공기분사유닛은 단층으로 구비되고, 일측에 구비되어 공기를 공급하는 공기공급부; 및 상기 공기공급부와 연통되어 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하는 공기분사노즐; 을 포함하되, 상기 공기분사노즐의 단부가 고압의 공기가 분사되는 방향을 향해 좁아지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 공기분사유닛은 다층으로 구비되고, 일측에 구비되어 공기를 공급하는 적어도 1개 이상의 공기공급부; 및 상기 공기공급부와 연통되게 구비되어 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하되, 상향으로 공기를 분사하는 제1공기분사노즐과, 수평으로 공기를 분사하는 제2공기분사노즐과, 하향으로 공기를 분사하는 제3공기분사노즐로 이루어진 공기분사노즐; 을 포함하되, 상기 공기분사노즐의 단부가 고압의 공기가 분사되는 방향으로 향해 좁아지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 공기분사유닛에 의해 분사되는 고압의 공기 압력은 5 ~ 10.1㎏/㎠이고, 상기 용융로에서 상기 고압 공기분사유닛까지의 거리가 30 ~ 99㎜인 것을 특징으로 한다.
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이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치에 의하면 다음과 같은 효과를 창출할 수 있다.
1) 고가의 이트리아 사용량을 5wt%로 줄이고, 내화물 제조에 소요되는 시간을 결정 성장 시간 필요없이 단지 용융에 필요한 4시간으로 줄일 수 있어 큐빅 지르코니아를 이용한 시간에 비하여 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
2) 용융된 지르코니아를 용융로를 기울여 내화물 성형유닛 측으로 낙하시키는 과정에서 고압의 공기 분사를 통해 생성된 용융 안정화 지르코니아 비드가 내화물 성형유닛 측에서 적층되고, 적층과정에서 별도의 접착제 없이도 냉각되지 않은 용융 안정화 지르코니아 비드가 자연스럽게 서로 붙게 되어 브릭(Brick)이 되면서 냉각이 이루어지게 되므로, 원가를 크게 절감시킬 수 있고, 사용 중 용해되지 않으며 가스 분출이 없는 우수한 품질의 내화물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
3) 이트리아 5wt%가 첨가된 용융 지르코니아를 고압 공기로 급속히 냉각시키면 많은 양의 육방정계 물질을 얻을 수 있는 바, 실제 이의 열팽창계수를 측정하여 보면 온도 변화에 따른 상변태가 거의 나타나지 않음을 확인하여 본 발명에 적용할 수 있는 효과가 있다(도 3 또는 도 4 참조).
4) 내화물 내부에 많은 공극이 있어 중량을 크게 줄일 수 있고, 4개의 대형 조각으로 제조할 수 있도록 함으로서, 재료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공극(Air Gap)에 의한 보온 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.(도 13 참조).
5) 공극(Air)을 통해 사파이어 단결정 성장로 내부에서 초고온의 열을 보온시킴과 아울러 단열을 수행할 수 있는 효과가 있다.
6) 이트리아를 5wt% 내외로 포함하는 용융 안정화 지르코니아 비드 - 상기 '용융 안정화 지르코니아 비드'는, 대부분이 육방정계 지르코니아로 이루어지되 약간의 육방정계 구조 이외의 구조를 가진다 하여도 급냉을 통해 비드(구슬) 형태로 축적되고, 일정한 공극을 가지게 되어 온도 변화시 내화물의 기본 구조를 유지하는 데 지장이 없는 상태를 의미함 - 로 이루어진 내화물을 온도가 2,300℃를 오르내리는 사파이어 단결정 성장로에 적용할 수 있는 효과가 있다.
7) 내화물의 공극율을 20% 이상 유지하게 되므로 자재전체(이트리아 + 지르코니아)를 20% 이상 절감할 수 있는 효과가 있다.
8) 지르코니아가 비드형으로 축적되어 일정부분만 서로 접착되는 방식으로 큰 공극을 갖게 함으로써 온도 변화시에도 내화물의 기본 구조를 유지하여 이상적인 내화물을 제작할 수 있는 효과가 있다.
9) 도 4에서 보는 바와 같이, 온도 900℃근처에서 약간의 상변태가 나타나기는 하나 이 상변태를 공극이 흡수하여 내화물 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 큐빅 지르코니아를 이용한 브릭(Brick)형 내화물을 도시한 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 큐빅 지르코니아로 제조된 대형 용량의 내화물을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이트리아를 포함한 지르코니아의 상태를 도시한 상태도이다.
도 4는 본 발명에 따른 온도 변화시 지르코니아의 열팽창상태를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 지르코니아 내화물 제조장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 지르코니아 내화물 제조장치를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단층형 고압 공기분사유닛을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단층형 고압 공기분사유닛의 부분단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다층형 고압 공기분사유닛을 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다층형 고압 공기분사유닛의 부분단면도이다.
도 11은 본 발명의 일례에 따른 용융로 토출구를 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 예에 따른 용융로의 토출구를 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 지르코니아 내화물 제조장치를 통해 제조된 내화물을 도시한 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 용융 안정화 지르코니아 내화물의 공극을 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명은 다양한 구조로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여함을 밝혀둔다.
본 발명은 고가의 이트리아의 사용량을 낮추면서도 내화물을 형성하는 지르코니아가 육방정계(cubic)를 유지할 수 있는 방법을 찾아내는 것에서 출발한다. 이를 위해, ZrO2-Y2O3 상태도에서 이트리아 함량이 5 ~ 8wt%로 용융된 지르코니아를 정방정계(tetragonal) 구조로는 변화되지 않고 냉각되어 육방정계로 유지할 수 있다면 상변태가 거의 없는 “용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)”를 제조할 수 있을 것으로 판단하였다.
실제로 온도를 서서히 내릴 경우, ‘이트리아 함량이 5 ~ 8wt%인 지르코니아’는 통상 정방정계(tetragonal) 구조로 바뀌었다가 실온에서는 단사정계(monoclinic)로 바뀌고, 각 결정의 구조에 따라 부피의 차이가 있게 되어 지르코니아가 온도의 변화에 따라 부서지는 원인이 된다. 이 때, 가장 중요한 것은 흘러넘치는 용광로의 용액이 분사되는 고압공기를 만나는 데 까지 걸리는 시간과 고압공기가 분사되어 비드화를 시킨 후 내화물 성형유닛에 쌓여 뭉쳐지는 시간 그리고 비드의 직경으로서 이들의 조화를 잘 이루는 일이 무엇보다도 중요하다.
본 발명에 따른 이트리아 함량을 최소화한 지르코니아 내화물 제조장치(100)에 의하면, 지지대(110)와, 지지대(110) 상부에 일방향으로 회동가능하게 구비되어 이트리아가 첨가된 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식으로 용융하는 용융로(120)와, 용융로(120)의 하부에 위치되어 용융로(120)로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드를 생성하는 고압 공기분사유닛(130)과, 고압 공기분사유닛(130)의 하부에 위치하되 용융로가 기울어지는 방향에 배치되어 용융 안정화 지르코니아 비드를 적층시켜 내화물을 생성하는 내화물 성형유닛(140)을 포함하여 구성된다.
지지대(110)는 바닥면에 지지가능하게 설치되어 용융로(120)를 회동가능하게 지지한다. 이 지지대(110)는 사각 프레임 등으로 이루어져 수직하는 방향에서 일정 높이에 위치되는 용융로(120)를 지지하게 된다.
용융로(120)는 지지대(110) 상부에 일방향으로 회동가능하게 구비되어 이트리아가 첨가된 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 역할을 수행한다.
이러한 용융로(120)를 통해 용융되는 지르코니아(산화지르코늄)는 흰색의 결정체로서, 분자량이 123.22이고, 녹는점이 약 2,700℃이며, 단사정계로 보기 드문 광물이다. 지르코니아는 굴절률이 크고 녹는점이 높아서 내식성이 크고 물에 녹지 않으며, 급격한 온도의 변화에 견디므로 급열·급냉의 기구류(예를 들면, 용융로) 및 요업용(窯業用)으로도 중요한 원료로 사용된다. 지르코니아는 실온에서 단사정계로 있다가 1,170℃에서 정방정계 구조로 바뀌며, 2,300℃에서 육방정계로 바뀌는 상변화를 일으키는 바, 지르코니아는 단사정계에서 정방정계로 변할 때 약 5%의 부피변화가 수반되어 입자가 깨지게 되고, 제품화 과정에서 치명적인 결함으로 작용하게 된다.
이트리아는 상기와 같이 지르코니아의 상변화 과정에서 입자가 깨지는 것을 방지하기 위해 용융로(120)를 통해 용융되는 지르코니아에 첨가되는 안정화 물질로 사용된다. 이러한 이트리아는 지르코니아 총wt% 대비 약 5 ~ 8wt%를 최소량으로 하여 첨가함이 바람직하다. 이와 같이, 이트리아를 지르코니아 총 wt% 대비 약 5 ~ 8wt%로 첨가하게 되면, 온도 변화에도 육방정계만을 유지하게 되므로 부피변화가 일어나지 않아 훼손되지 않는 내화물(150)을 제조할 수 있게 된다.
이와 같이, 지르코니아에 첨가되는 이트리아의 함량을 약 5 ~ 8wt% 정도로 하여 최소화하는 것 외에, 상태도(Phase Diagram) 상 동일조건을 충족한다면 Cubic 산화물, Calcia 및 Magnesia 등 다양한 재료를 지르코니아에 첨가할 수도 있다. 이에 의해, 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있다.
상기의 용융로(120)는 지르코니아 총중량% 대비 약 5 ~ 8wt%로 첨가된 이트리아를 용융시킨 후, 일방향으로 회동되어 용융된 지르코니아를 공기 중으로 낙하시키는 작업을 수행한다(도 5의 화살표ⓐ 방향 참조). 이러한 용융로(120)에는 융융된 지르코니아를 토출하기 위한 토출구(122)가 형성되는 바, 토출구(122)는 도 11 또는 도 12에 도시된 바와 같이, 역삼각형 또는 평판형 등의 형태를 이루어 용융된 지르코니아를 낙하시키기 용이하도록 하향으로 함몰되게 형성함이 바람직하다.
상기와 같이, 이트리아가 첨가된 지르코니아를 용융하기 위한 용융로(120)의 크기는 직경이 760㎜, 높이 800㎜로 마련하는 것이 적절하고, 용융방식은 고주파 방식을 이용한다. 아울러, 주파수는 45㎑, 출력전력은 180㎾이 바람직하다.
고압 공기분사유닛(130)은 용융로(120)의 하부에 위치되어 용융로(120)로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기(Air)를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)를 생성하는 역할을 수행한다.
이를 위해, 고압 공기분사유닛(130)은 공기공급부(132)를 통해 공급된 공기를 공기분사노즐(134)를 이용하여 낙하되는 용융 지르코니아 측으로 분사할 수 있도록 한다.
이러한 고압 공기분사유닛(130)은 설치환경 또는 용융된 지르코니아의 급냉조건에 따라 실린더(131) 방식에 의해 상·하 방향으로 이동가능하게 설치될 수 있고, 용융로(120)가 회동하는 전·후 방향으로 이동가능하게 구비될 수 있다(도 7 및 도 9의 화살표 ⓑ, ⓒ방향 참조). 고압 공기분사유닛(130)의 상·하·전·후 방향 이동은 실린더(131) 방식외에 기어를 통한 이동방식 등 다양하게 구현할 수도 있다.
고압 공기분사유닛(130)은, 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 단층을 이루어 용융로(120) 하부에 설치될 수 있다. 단층으로 이루어진 고압 공기분사유닛(130)은 공기공급부(132)를 통해 공급된 공기를 공기분사노즐(134)을 이용하여 낙하되는 용융 지르코니아 측으로 분사하게 된다. 이러한 단층의 고압 공기분사유닛(130)에 구비되는 공기분사노즐(134)의 단부는 고압의 공기가 분사되는 방향을 향해 점차 좁아지는 구조로 형성함이 바람직하다. 이에 의해, 원하는 분사압력으로 고압의 공기를 분사할 수 있다.
또한, 고압 공기분사유닛(130)은, 도 9 또는 도 10에 도시된 바와 같이, 다층을 이루어 용융로(120) 하부에 설치될 수도 있다. 이와 같이, 다층으로 이루어진 고압 공기분사유닛(130)에도 단층의 고압 공기분사유닛(130)의 공기분사노즐(134)과 동일한 기능을 수행하는 다층의 공기분사노즐(134a)이 구비된다. 다층의 공기분사노즐(134a)은 용융된 지르코니아를 향해 상향으로 공기를 분사하는 제1공기분사노즐(134a-1)과, 수평방향으로 공기를 분사하는 제2공기분사노즐(134a-2)과, 하향으로 공기를 분사하는 제3공기분사노즐(134a-3)을 포함하여 구성할 수 있다. 이와 같은, 다층의 공기분사노즐(134a)은 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z) 생성조건에 따라 제1공기분사노즐(134a-1)만을 구동할 수 있고, 제1,2공기분사노즐(134a-2)만을 구동할 수도 있고, 제1,2,3공기분사노즐(134a-1, 134a-2, 134a-3) 전체를 구동할 수 있다. 이를 위해, 도시되지는 않았으나, 다층의 공기분사노즐(134a)을 제어하는 제어부를 전기적으로 연결하여 사용자가 원하는 방식대로 각각의 제1,2,3공기분사노즐(134a-1, 134a-2, 134a-3)을 제어할 수 있다.
고압 공기분사유닛(130)을 이용하여 용융된 지르코니아를 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)로 형성하는 과정에서, 지르코니아의 결정구조를 결정함과 아울러 내화물(150)을 성형하는 내화물 성형유닛(140)에 적층되는 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 별도의 접착제 없이 서로 접착되는 성질을 가지도록 하는 시간이 매우 중요하다.
이와 같은 조건을 충족시킬 수 있도록 이트리아가 포함되어 용융된 지르코니아를 급냉하는 것이 필요한 데, 이를 위해, 용융로(120)와 단층 또는 다층으로 이루어진 고압 공기분사유닛(130)과의 거리는 30 ~ 200㎜로 이루어지도록 하고, 고압 공기분사유닛(130)으로부터 분사되는 고압의 공기 압력은 5 ~ 30㎏/㎠을 유지할 수 있도록 함이 바람직하다.
또한, 고압 공기분사유닛(130)으로부터 분사되는 고압의 공기에 의해 생성되는 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 직경은 0.2 ~ 7Φ이고, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 4.5Φ이며, 가장 바람직하기로는 1.5 ~ 3.0Φ이다. 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 직경을 7Φ이상으로 형성하면 온전히 육방정계가 유지되지 않아 제품이 제대로 만들어지지 않고, 직경이 0.2Φ보다 적은 것은 실질적으로 문제가 되지는 않았지만 바람에 지나치게 날려 작업을 원활히 할 수 없다. 용융 안정화 지르코니아 비드의 직경은 공기의 압력과 공기구멍의 크기에 따라 차이가 있으나 대체로 공기의 압력에 좌우되는 경향이 있다. 본 발명의 장치로는 7Kg/cm2 압력 하에서는 비드의 직경이 평균 3Φ 수준이며, 150 Kg/cm2 경우에는 0.2Φ 내외의 직경을 가진 비드를 얻게 된다.
이와 같이, 낙하되는 용융 지르코니아를 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)로 형성하는 방식은 생산원가를 획기적으로 절감할 수 있고, 낙하되는 용융 지르코니아 전체에 적용할 수 있어 거의 대부분의 지르코니아를 육방정계로 유지할 수 있게 된다.
내화물 성형유닛(140)은 고압 공기분사유닛(130) 하부에 배치되어 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)를 적층시켜 내화물(150)을 성형하는 역할을 수행한다.
이러한 내화물 성형유닛(140)은, 받침대(142)와, 받침대(142) 상부에 구비되는 성형틀(144)과, 성형틀(144)에 회전동력을 전달하는 회전구동유닛(146)을 포함하여 구성된다.
받침대(142)는 평판형을 이루어 성형틀(144)을 구성하는 내부성형틀(144a)과 외부성형틀(144b)을 지지함과 아울러 내부성형틀(144a)과 외부성형틀(144b)에 의해 형성된 적층공간(144c)에 적층되는 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)를 지지하게 된다.
성형틀(144)은 받침대(142) 중앙부에 일정 높이로 구비되는 원통형의 내부성형틀(144a)과, 내부성형틀(144a) 외부에 위치하되 내부성형틀(144a)로부터 일정간격 이격되어 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 적층되는 적층공간(144c)을 형성하는 외부성형틀(144b)로 이루어진다. 이 중, 외부성형틀(144b)은 나사식 체결되는 체결편(144d)에 의해 분리가능하게 설치되도록 함이 바람직하다.
회전구동유닛(146)은 적층공간(144c)에 적층된 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 회전되도록 성형틀(144)에 회전동력을 전달하여 목적하는 내화물(150)을 제조할 수 있게 된다(도 5의 화살표ⓓ 방향 참조).
한편, 본 발명에서 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 직경만큼이나 중요한 것이 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 공기 중에 얼마나 노출되어 급냉되는지에 대한 것이다. 본 발명은 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)를 냉각하는 수단으로 공기(Air)를 사용한다. 따라서, 고압의 공기 분사에 의해 형성된 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 공기 중에 노출되는 시간이 곧 급냉되는 시간이 된다. 상태도를 보면 지르코니아가 용융상태에서 약간 온도가 떨어져 큐빅 상태가 되고, 그 상태에서 급냉하여 큐빅상태를 유지하도록 하는 것이 본 발명의 핵심적 기술 중 하나이다.
이와 같이, 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 급냉을 위한 조건으로 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 내화물 성형유닛(140)으로 낙하되는 거리는 0.5 ~ 3m로 형성함이 바람직하다. 이러한 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 낙하 거리는 급냉이 일어나는 거리로 주위 조건에 따라 당업자가 실시를 통해 다양하게 정할 수 있다.
이와 같이, 낙하되는 용융 지르코니아를 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)로 형성하는 방식은 생산원가를 획기적으로 절감할 수 있고, 낙하되는 용융 지르코니아 전체에 적용할 수 있어 거의 대부분이 지르코니아를 육방정계로 유지할 수 있게 된다는 점에서 효과적이라 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 도 3의 상태도에 나타난 바와 같이, 이트리아의 함량이 5 ~ 15%일 경우 일반적으로 냉각을 하면 정방정계의 구조가 같이 형성되고, 이를 내화물(150)로 만들 때 온도의 변화에 따라 부피의 변화가 일어날 수 밖에 없어 내화물이 부서지는 원인을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 각각의 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 일정 부분만 접착되므로 공극(Air Gap)이 커서 단열성을 향상시킬 수 있고, 급냉과정에서 소량의 정방정계나 단사정계가 생길 수 있으나 최종적으로 만들어진 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)는 공극(Air Gap)이 큰 내화물(150)로서 공극(Air Gap)이 없을 때 보다 온도변화에 따른 부피차이를 큰 영향없이 견딜 수 있게 되므로 이상적인 내화물로서의 역할을 수행할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 이트리아 함량을 최소화한 지르코니아 내화물 제조장치에 의해 제조된 내화물은, 아래의 표에서 보는 바와 같이 각 실시예를 통해 얻어진 것임을 첨언한다.
본 발명의 각 실시예에서, 용융로(120)의 크기는 직경이 760㎜, 높이 800㎜인 것을 사용하였다. 이 때, 지르코니아를 녹이는 방식은 고주파 방식을 채택하였고, 주파수는 45㎑, 출력전력은 180㎾이었다. 용융로로부터 분사되는 용융 지르코니아는 150㎏/hr에 맞추어 실시되었다.
또한, 고압 공기분사유닛(130)로부터 내화물 성형유닛(140)의 바닥면까지의 거리는 원칙적으로 1.5m가 유지되도록 하였다. 이 과정에서, 고압 공기분사유닛(130)로부터 내화물 성형유닛(140) 바닥까지의 거리는 이후 다양하게 실시하였는 데, 1m가 넘어 거리가 달라짐에도 큰 영향없이 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 적층될 때 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)간 접착력을 일정하게 유지할 수 있음을 알 수 있었다.
실시예 공극율(%) 중심비드의 크기(㎜) 노즐의 공기 압력(㎏/㎠) 용융로 분사구에서 노즐까지의 수직거리(㎝) 노즐입구에서 용융 지르코니아까지의
수평거리(㎝)
1 16 2.5 10 5 5
2 20 2.8 10 10 5
3 28 4.5 8 10 10
4 10 1.2 20 10 5
5 12 2.0 20 10 10
(실시예 1 ~ 5)
상기 표1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 이트리아 함량을 최소화한 지르코니아 내화물 제조장치에 의하면, 용융로에서 낙하되는 이트리아가 첨가된 지르코니아의 양, 고압의 공기분사압력과 형태, 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)의 평균 직경, 용융 안정화 지르코니아 비드(B/Z)가 내화물 성형유닛(140)내에 낙하되는 거리 및 소요 시간 등 제조 조건을 정확히 구현함이 대단히 중요하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본원 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본원 발명이 속하는 당업자에게 자명한 범위는 본원 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.
100 : 지르코니아 내화물 제조장치, 110 : 지지대,
120 : 용융로, 122 : 토출구,
130 : 고압 공기분사유닛, 131 : 실린더,
132 : 공기공급부, 134 : 단층공기분사노즐,
134a : 다층공기분사노즐, 134a-1:제1공기분사노즐,
134a-2:제2공기분사노즐, 134a-3:제3공기분사노즐,
140 : 내화물 성형유닛, 142 : 받침대,
144 : 성형틀, 144a : 내부성형틀,
144b : 외부성형틀, 144b-1 : 포집편,
144c : 적층공간, 144d : 체결편,
146 : 회전구동유닛, 150 : 내화물,
B/Z : 용융 안정화 지르코니아 비드.

Claims (5)

  1. 지지대;
    상기 지지대 상부에 일방향으로 회동가능하게 구비되어 이트리아를 포함하는 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 용융로;
    상기 용융로의 하부에 단층 또는 다층 중 어느 하나를 이루어 위치되고, 상·하 방향 및 상기 용융로가 회동하는 전·후 방향으로 이동가능하게 설치되며, 상기 용융로로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드를 생성하는 고압 공기분사유닛; 및
    상기 고압 공기분사유닛 하부의 상기 용융로가 기울어지는 방향에 배치되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드를 적층시켜 내화물을 성형하되, 평판형의 받침대와, 상기 받침대 중앙부에 일정 높이로 구비되는 원통형의 내부성형틀과 상기 내부성형틀과 일정간격 이격되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드가 적층되는 적층공간을 형성하는 외부성형틀로 이루어진 성형틀과, 상기 적층공간에 적층된 상기 용융 안정화 지르코니아 비드가 회전되도록 상기 성형틀에 회전동력을 전달하는 회전구동유닛이 구비된 내화물 성형유닛;
    을 포함하는 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고압 공기분사유닛은 단층으로 구비되고,
    일측에 구비되어 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    상기 공기공급부와 연통되어 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하는 공기분사노즐; 을 포함하되,
    상기 공기분사노즐의 단부가 고압의 공기가 분사되는 방향을 향해 좁아지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고압 공기분사유닛은 다층으로 구비되고,
    일측에 구비되어 공기를 공급하는 적어도 1개 이상의 공기공급부; 및
    상기 공기공급부와 연통되게 구비되어 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하되, 상향으로 공기를 분사하는 제1공기분사노즐과, 수평으로 공기를 분사하는 제2공기분사노즐과, 하향으로 공기를 분사하는 제3공기분사노즐로 이루어진 공기분사노즐; 을 포함하되,
    상기 공기분사노즐의 단부가 고압의 공기가 분사되는 방향으로 향해 좁아지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치.
  5. 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 공기분사유닛에 의해 분사되는 고압의 공기 압력은 5 ~ 10.1㎏/㎠이고, 상기 용융로에서 상기 고압 공기분사유닛까지의 거리가 30 ~ 99㎜인 것을 특징으로 하는 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조장치.



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