KR101543358B1

KR101543358B1 - 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법

Info

Publication number: KR101543358B1
Application number: KR1020130140784A
Authority: KR
Inventors: 황정태; 서기식
Original assignee: (주)제너코트
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-08-11
Also published as: KR20150057420A

Abstract

본 발명은 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법에 관한 것으로, 지그를 냉각로에 연결하여 상기 지그에 연결된 흑연기판을 냉각시키는 단계, 분말 상태의 Si을 반응로에 주입하는 단계, 상기 반응로를 진공으로 형성하고 상기 반응로의 온도를 설정된 온도로 유지하여, 상기 분말 상태의 Si가 기체 상태의 Si로 변하는 단계, 그리고 상기 기체 상태의 Si가 상기 냉각된 흑연기판의 표면에 닿아 액체 상태의 Si로 변하고, 상기 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열 반응을 통해 SiC 코팅막을 형성하는 단계를 포함한다. 이로 인해, 흑연 기판에 흡착된 기체 상태의 Si가 냉각대에 연결된 흑연 기판에 의해 액체 상태로 빠르게 변하고, 액체 상태의 Si와 고체 상태의 C의 발열 반응에 의해 흑연 기판 상부에 SiC 코팅막이 두껍게 형성되므로, 흑연기판의 표면 특성의 개질 효율이 좋다.

Description

흑연 기판의 표면 특성 개질 방법{METHOD FOR IMPROVING PROPERTY OF GRAPHITE SURFACE}

본 발명은 흑연 기판의 특성 개질 방법에 관한 것이다.

종래에는 흑연의 내산화성, 내마모성의 향상과 분진의 발생을 억제하는 특성을 흑연에 구현하기 위하여 화학기상증착(CVD; chemical vapor deposition) 방법을 사용하였는데, 이러한 방법은 반응 로에 복합화된 SiC(탄화규소)의 원천 가스를 주입하여 흑연 표면을 개질하지만 원가가 상승하는 문제점을 갖고 있다.

또한 종래의 화학기상증착(CVD) 방법에서는 반응 로에 실리콘(Si) 가스와 탄소(C) 가스를 주입하여 반응 로 내에서 화학 반응을 발생시켜 흑연 표면에 증착되게 하므로 성형품의 외형의 치수가 변화되는 문제점을 갖고 있다.

한편 이와는 달리 종래의 화학적 기상 반응(CVR; chemical vapor reaction) 방법도 반응을 위한 충분한 농도의 Si 가스를 반응 로 안에 유입시키는데 많은 어려움이 있어, 이를 극복하기 위하여 상당한 공정비용이 소요되는 문제점을 갖고 있다.

따라서 흑연의 내산화성, 내마모성의 향상과 분진의 발생을 억제할 수 있고, 원가절감이 가능하며, 성형품의 외형의 치수가 변화되지 않는 또 다른 방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 흑연 기판 상부에 형성되는 SiC 코팅막의 두께를 두껍게 형성하여 흑연 기판의 표면 특성을 효과적으로 개질하기 위한 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법은 지그를 냉각로에 연결하여, 반응로 내부에 위치하고 상기 지그와 연결되는 흑연기판을 냉각시키는 단계, 분말 상태의 Si을 반응로에 주입하는 단계, 상기 반응로를 진공으로 형성하고 상기 반응로의 온도를 설정된 온도로 유지하여, 상기 분말 상태의 Si가 기체 상태의 Si로 변하는 단계, 그리고 상기 기체 상태의 Si가 상기 냉각된 흑연기판의 표면에 닿아 액체 상태의 Si로 변하고, 상기 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열 반응을 통해 SiC 코팅막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 지그를 냉각로에 연결하는 단계는, 비산화물계 세라믹 물질로 이루어진 흑연기판을 이용하여 수행되는 것이 좋다.

상기 분말 상태의 Si을 반응로에 주입하는 단계는, 상기 분말 상태의 Si를 다공성 구조를 갖는 허니컴 담체에 담아서 상기 반응로에 주입하도록 이루어지는 것이 좋다.

이러한 특징에 따르면, 흑연 지그를 냉각로에 연결하고, Si 분말을 반응로에 주입하며, 반응로를 진공으로 형성하고 온도를 설정온도로 유지시킨다. 이로 인해, 흑연 기판에 흡착된 기체 상태의 Si가 냉각대에 연결된 흑연 기판에 의해 액체 상태로 빠르게 변하고, 액체 상태의 Si와 고체 상태의 C의 발열 반응에 의해 흑연 기판 상부에 SiC 코팅막이 두껍게 형성되므로, 흑연기판의 표면 특성의 개질 효율이 좋다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법을 설명하기 위한 기판의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법을 수행하기 위한 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법을 나타낸 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법을 설명한다.

먼저, 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법의 설명을 위한 기판을 설명한다. 도 1에 도시한 것과 같이, 기판은 흑연 기판(10), 그리고 흑연 기판(10) 상부에 위치하는 SiC 코팅막(11)을 구비한다.

이때, 도 2를 참고로 하여 SiC 코팅막(11)을 형성하기 위한 구조의 진공로(100)를 설명하면, 진공로(100)는 냉각로(60) 내부에 위치하는 적어도 하나의 바디(30), 바디(30) 상부에 위치하는 지그(20), 지그(20) 상부에 위치하는 흑연기판(10), 그리고 흑연기판(10) 상부에 위치하는 적어도 하나의 허니컴 담체(50)를 구비한다.

진공로(100)는 10^-1torr의 진공으로 형성되고, 진공로(100) 내부에 형성된 반응로(40)는 1500℃ 내지 2000℃ 온도로 설정된다.

이때, 반응로(40)를 에워싸도록 형성된 냉각로(60)가 위치하고, 냉각로(60) 내부에 냉각수(61)가 이동하며 흐른다.

그리고, 진공로(100) 내부에 위치하는 바디(30)는 지그(20)를 지지하기 위해 지그(20) 하부에 연결되어 위치하고, 도 2에 도시한 것과 같이 복수개의 바디(30)를 구비할 수 있다.

이러한 바디(30)는 복수개의 구멍을 갖는 다공성(porous) 구조를 갖도록 형성될 수 있다.

그리고, 지그(20)는 적어도 하나의 바디(30) 상부에 연결되어 위치하는 지그(20)는 우수한 열전도성을 확보하기 위해 밀도가 높은 흑연 소재를 포함하여 이루어진다.

지그(20)가 열전도성이 좋은 물질로 이루어짐으로 인해, 냉각로(60) 내부를 따라 이동하는 냉각수(61)로부터 전달받은 냉기가 지그(20)를 통해 흑연기판(10)으로 효율적으로 전달된다.

이러한 지그(20)는 비산화계 세라믹 물질을 포함하고, 비산화계 세라믹 물질로는 AlN, BN, B₄C, SiC 및 Si₃N₄ 중 적어도 하나일 수 있다.

이때, 지그(20)가 비산화계 세라믹 물질로 형성됨으로 인해, 흑연기판(10)에 지그(20)로 인한 자국이 생기는 것을 방지할 수 있고, 흑연기판(10)에서 Si와 C의 반응을 극대화할 수 있다.

그리고, 흑연기판(10) 상부에 위치하는 허니컴 담체(50)는 실리콘 분말을 담기 위한 구조를 갖고, 실리콘 분말을 구비하며, 허니컴 담체(50)의 표면은 복수개의 구멍을 갖는 다공성 구조를 갖는다.

허니컴 담체(50)의 표면이 다공성 구조를 가짐으로써, 허니컴 담체(50) 내부에 위치하던 분말 상태의 Si가 반응로(40) 내부 온도변화로 인해 기체 상태가 되었을 때, 기체 상태의 Si가 구멍을 통해 원활히 이동하게 되고, 이에 따라 흑연기판(10)의 표면에 용이하게 도달할 수 있게 된다.

이때, 허니컴 담체(50)는 기체 상태의 Si와의 반응성이 적은 비산화물계 세라믹스로 이루어지는 것이 좋다.

그리고 이때, 허니컴 담체(50) 내부에 저장되는 실리콘 분말의 크기는 0.1~50mm이고, 바람직하게는 1~5mm인 것이 좋다.

도 2를 참고로 하여 설명한 이때 진공로(100)에서, 흑연기판(10) 상부에 SiC 코팅막(11)이 형성되는 과정을 도 3을 참고로 하여 설명한다.

먼저, 지그(20)를 냉각로(60)에 연결한다(S10). 이로 인해, 냉각로(60) 내부를 흐르는 냉각수(61)의 냉기를 지그(20)가 전달받고, 열전도성이 좋은 지그(20)는 전달받은 냉기를 흑연기판(10)에 전달하여 흑연기판(10)을 냉각시킨다.

다음으로, Si 분말을 반응로에 주입한다(S20). 이때, 분말 상태의 Si(실리콘)은 이미 설명한 것과 같이 1~5mm의 크기이고, 다공성 담체인 허니콤 담체(50)에 담겨 반응로(40) 내부에 주입된다.

그리고, 반응로(40)를 진공으로 형성하고, 반응로(40)의 온도를 설정온도로 유지한다(S30). 한 예에서, 반응로(40) 내부는 10^-1torr 이하의 진공으로 형성되고, 온도는 1500℃ 내지 2000℃로 유지한다.

반응로(40) 내부가 이와 같은 온도로 설정됨으로 인해, 허니콤 담체(50) 내부에 담겨 있던 분말 상태의 Si가 기체 상태로 변하고, 흑연기판(10) 방향으로 화살표를 따라 이동하며, 기체 상태의 Si가 지그(20)로 인해 냉각된 흑연기판(10)에 닿을 때, 액체 상태의 Si로 변하게 된다.

마지막으로, 흑연기판(10) 상부에서, 액체 상태의 Si와 흑연기판(10)의 표면에 흡착된 고체 상태의 C가 발열 반응을 일으켜 흑연기판(10) 내층 상부에 SiC 코팅막(11)이 형성된다.

이때, 액체 상태의 Si과 고체 상태의 C가 만나 열을 발생하는 활성(positive)반응을 일으키고, 이 발열 반응으로부터 SiC 코팅막(11)이 형성된다.

이로 인해, SiC 코팅막(11)에 의해 흑연기판(10)의 강도 및 내마모성이 향상되고 분진을 억제하여 흑연기판의 표면 특성이 개질되는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 흑연기판 11 : SiC 코팅막
20 : 지그
30 : 바디 40 : 반응로
50 : 허니콤 담체 60 : 냉각로

Claims

냉각로에 연결된 지그를 반응로 내부에 위치시키고, 흑연기판을 상기 지그에 연결시킴으로써 상기 흑연기판을 냉각시키는 단계,
분말 상태의 실리콘(Si)을 상기 반응로에 주입하는 단계,
상기 반응로를 진공으로 형성하고 상기 반응로의 온도를 설정된 온도로 유지하여, 상기 분말 상태의 실리콘이 기체 상태의 실리콘으로 변하는 단계, 그리고
상기 기체 상태의 실리콘이 냉각된 상기 흑연기판의 표면에 닿아 액체 상태의 실리콘으로 변하고, 상기 액체 상태의 실리콘이 상기 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 탄소(C)와 발열 활성 반응을 통해 탄화규소(SiC) 코팅막을 형성하는 단계
를 포함하고, 상기 냉각로 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 냉각로 및 이에 연결된 상기 지그가 냉각되고, 상기 지그가 냉각됨에 의해 상기 흑연기판이 냉각되는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법.
제1항에서,
상기 지그를 냉각로에 연결하는 단계는, 비산화물계 세라믹 물질로 이루어진 흑연기판을 이용하여 수행되는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법.
제1항에서,
상기 분말 상태의 실리콘을 반응로에 주입하는 단계는, 상기 분말 상태의 실리콘을 다공성 구조를 갖는 허니컴 담체에 담아서 상기 반응로에 주입하도록 이루어지는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법.