KR101604422B1 - 하프늄 카바이드를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하프늄 카바이드(HfC)를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소 함유 소재; 및 상기 탄소 함유 소재의 표면에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하되, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 상기 탄소 함유 소재의 표면에 코팅되어 형성된 내열 소재 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층이 중간층의 삽입 없이도 우수한 접합 강도로 코팅, 형성되며, 높은 치밀도(기공도 1% 이하)를 가져 우수한 열적 강도 및 기계적 강도 등을 갖는다. 또한, 수 (마이크로미터) 이상의 두꺼운 두께 등을 가지는 하프늄 카바이드(HfC)층이 코팅, 형성되며, 대면적화가 구현된다.

Description

하프늄 카바이드를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법{HEAT-RESISTANT MATERIAL USING HAFNIUM CARBIDE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME }
본 발명은 하프늄 카바이드(Hafnium Carbide)를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소(C)를 기반으로 하는 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드층(Hafnium Carbide layer)이 우수한 접합 강도로 코팅, 접합된 내열 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소(C)를 기반으로 하는 탄소 함유 소재, 예를 들어 탄소-탄소(C-C) 소재나 탄화규소-탄화규소(SiC-SiC) 복합재 등의 탄소 함유 소재는 화학적 및 물리적 특성 등이 우수하다. 이러한 탄소 함유 소재는, 특히 내열 특성이 우수한 고온 재료로서, 다양한 산업 분야에서 내열 소재 등으로 사용되고 있다. 그러나 대부분의 탄소 함유 소재는 1,600℃ 이상의 고온 환경에서 산화저항성(내산화성)이 낮은 단점이 있다.
이에, 최근에는 용융점이 매우 높은 초고온 세라믹(UHTC : Ultra High Temperature Ceramics)이 내열 소재로서 주목받고 있다. 초고온 세라믹(UHTC)은 2,000 이상의 고온에서 열적 및 기계적 안정성 등을 가지는 초고온 재료로서, 이는 1,600 이상에서 낮은 산화저항성을 가지는 탄소 함유 소재를 극복할 수 있는 소재이다. 이러한 초고온 세라믹으로는 하프늄 카바이드(HfC ; Hafnium Carbide)가 대표적이며, 이는 3,000℃ 이상의 높은 용융점을 가지고 있어 열적 안정성이 매우 뛰어나다. 또한, 하프늄 카바이드(HfC)는 열적 안정성 및 화학적 안정성이 매우 우수하면서 높은 전기전도성, 열전도성 및 경도 등을 보여주어 초고온 세라믹이 활용되는 영역에서 각광을 받고 있다. 이러한 하프늄 카바이드(HfC)는, 예를 들어 초음속 비행체, 우주 발사체, 대륙간 탄도미사일, 로켓 터빈 및 발전소 터빈 등에서 그 활용도가 높다.
일반적으로, 하프늄 카바이드(HfC) 등의 초고온 세라믹이 초음속 비행체나 우주 발사체 등의 내열 소재로 적용되기 위해서는 소정 형태의 구조재로 성형 제조되어야 한다. 이때, 초고온 세라믹은 주로 소결법을 통해, 예를 들어 블록(block) 형태 등의 구조재로 제조되고 있다. 초고온 세라믹은, 구체적으로 스파크 방전 소결(SPS : spark plasma sintering)이나 상압 소결과 같은 소결법으로 고온/고압의 환경에서 초고온 세라믹 분말을 압축하여 블록 형태 등으로 제조되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0711140호, 대한민국 등록특허 제10-1186456호 및 대한민국 등록특허 제10-1511376호 등에는 위와 같은 소결법과 관련한 기술이 제시되어 있다.
그러나 소결법은 두꺼운 두께를 가지는 블록 형태의 초고온 세라믹 구조재(소결체)를 제조함에 있어서는 유리하나, 이는 초고온 세라믹의 높은 용융점, 강한 공유결합 및 낮은 열확산계수 때문에 치밀화가 어려워 고밀도의 구조재(소결체)를 구성하는 데에 많은 비용과 자원이 소모된다. 특히, 대표적인 초고온 세라믹으로서 하프늄 카바이드(HfC) 등과 같은 고용융점을 가지는 초고온 세라믹을 소결 재료로 사용하는 경우, 하프늄 카바이드(HfC)의 강한 공유결합, 낮은 열확산계수, 소결 과정에서의 산화불순물 함유 및 고온에서의 빠른 입자 성장 등의 이유로 치밀화가 어렵다.
한편, 위와 같은 소결법으로 제조된 초고온 세라믹 구조재는 실제 여러 응용 분야에 활용되기 위해 전술한 바와 같은 탄소 함유 소재로 구성된 구조재와 접합되고 있다. 그러나 이러한 이종 물질 간의 접합의 경우, 즉 상기 탄소 함유 구조재와 초고온 세라믹 구조재 간을 접합함에 있어서는 고비용의 접합기술과 다양한 중간층이 요구되는 문제점이 있다. 구체적으로, 블록 형태의 탄소 함유 구조재와 블록 형태의 초고온 세라믹 구조재 간의 상이한 물성으로 인해 HIP(hot isostatic pressing)법 등과 같은 고비용 및 장시간을 필요로 하는 접합기술이 요구되며, 두 재료간의 열팽창계수 등의 차이로 접합성이 떨어져 이를 위해 원하지 않는 중간층을 삽입해야 한다. 또한, 이러한 방법을 통해 접합된 후에도 실제 사용될 고온의 환경에서 두 이종 물질의 열팽창계수가 차이로 인해 접합부의 불량 문제가 발생된다.
이를 개선하기 위해, 최근에는 화학기상증착(CVD ; Chemical Vapor Deposition), 물리기상증착(PVD ; Physical Vapor Deposition) 및 원자층증착(ALD ; Atomic Layer Deposition) 등의 증착법으로 탄소 함유 소재(구조재)의 표면에 초고온 세라믹을 직접 증착하는 방법이 시도되고 있다. 이러한 증착법은, 예를 들어 하프늄 카바이드(HfC)를 증착하는 경우, 기본적으로 HfCl4와 CH4 등의 기체를 증착 챔버(Deposition Chamber) 내에 주입하여 증착한다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2009-0085654호, 대한민국 공개특허 제10-2010-0019122호, 미국특허 US 5,973,400호 및 미국특허 US 6,482,262호 등에는 위와 같은 증착법과 관련한 기술이 제시되어 있다.
그러나 화학기상증착(CVD) 등의 증착법은 주입되는 기체로 인해 원하지 않는 불순물이 증착되기 쉬워 순도가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 증착법은 순수한 화학반응에 의하는 것이기 때문에 활발한 화학반응을 위해서는 세밀한 장치와 반응 조건의 설계가 요구되는 문제점이 있다. 무엇보다, 증착법은 두꺼운 증착이 어렵고, 대부분의 경우 수백 nm(나노미터)에서 수 ㎛(마이크로미터) 정도로서 초고온 세라믹 증착층이 얇게 형성되는 문제점이 있다. 아울러, 증착법을 통해 두꺼운 초고온 세라믹 증착층을 형성하기 위해서는 장시간이 요구되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0711140호 대한민국 등록특허 제10-1186456호 대한민국 등록특허 제10-1511376호 대한민국 공개특허 제10-2009-0085654호 대한민국 공개특허 제10-2010-0019122호 미국특허 US 5,973,400호 미국특허 US 6,482,262호
이에, 본 발명은 탄소 함유 소재의 표면에 초고온 세라믹(UHTC)으로서의 하프늄 카바이드(HfC)를 중간층의 삽입 없이도 우수한 접합 강도로 접합된 내열 소재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)가 우수한 접합 강도와 함께 높은 치밀도(고밀도), 두꺼운 두께 및/또는 넓은 면적으로 접합된 내열 소재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
탄소 함유 소재; 및
상기 탄소 함유 소재의 표면에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하고,
상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 상기 탄소 함유 소재의 표면에 코팅되어 형성된 내열 소재를 제공한다.
또한, 본 발명은 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융점보다 높은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시켜 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층을 코팅, 형성하는 코팅 공정을 포함하는 내열 소재의 제조방법을 제공한다.
바람직한 형태에 따라서, 본 발명은,
챔버 내에 탄소 함유 소재를 장입한 다음, 상기 탄소 함유 소재를 예열하는 예열 공정;
상기 챔버 내에 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 투입한 후, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융점보다 높은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시켜 상기 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층을 코팅, 형성한 코팅체를 얻는 코팅 공정; 및
상기 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 후열하는 후열 공정을 포함하는 내열 소재의 제조방법을 제공한다.
예시적인 실시 형태에 따라서, 상기 코팅 공정은 5,000℃ 이상의 온도를 가지는 플라즈마를 발생시켜 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융, 코팅할 수 있다.
또한, 본 발명은,
탄소 함유 소재; 및
상기 탄소 함유 소재의 표면에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하고,
상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 상기 탄소 함유 소재의 표면에 코팅되어 형성된 내열 소재를 제공한다.
예시적인 실시 형태에 따라서, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 1% 이하의 기공도를 가질 수 있다. 또한, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층은, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 50 mm의 두께를 가지거나, 그 이하 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)가 중간층의 삽입 없이도 우수한 접합 강도로 접합되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)가 높은 치밀도(고밀도)를 가지면서 수 (마이크로미터) 이상의 두꺼운 두께층을 갖도록 단 시간에 접합, 형성되고, 대면적화가 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 사용될 수 있는 탄소 함유 소재(모재)의 일례를 보인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 코팅 장치의 예시적인 구현예를 보인 단면 구성도이다.
도 3은 도 2의 요부 구성도로서, 플라즈마 발생기의 예시적인 구현예를 보인 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라서 플라즈마 건이 이동되는 이동 경로의 일례를 보인 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 내열 소재 제조방법의 공정 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 코팅된 시편의 절단면 SEM 사진이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 코팅된 시편의 EDS를 이용한 절단면 성분 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 코팅된 시편의 XRD 분석 결과이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.
본 발명에서, "제1", "제2", "제3", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "상에 형성", "상에 설치", "상부에 형성" 및 "상부에 설치" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미를 포함한다. 예를 들어, "상에 형성(설치)된다"라는 것은, 제1구성요소 위에 제2구성요소가 직접 접하여 형성(설치)되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성(설치)될 수 있는 의미를 포함한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "연결", "설치" 및 "결합" 등은, 두 개의 부재가 착탈(결합과 분리)이 가능하게 결합된 것은 물론, 일체 구조의 의미를 포함한다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "연결", "설치" 및 "결합" 등은, 예를 들어 강제 끼움 방식(억지 끼움 방식); 홈과 돌기를 이용한 끼움 방식; 및 나사, 볼트, 피스, 리벳 등의 체결 부재를 이용한 체결 방식 등을 통하여, 두 개의 부재가 결합과 분리가 가능하도록 결합되는 것은 물론, 용접이나 접착제에 의한 접합 또는 일체적 성형 등을 통하여 두 개의 부재가 결합된 후, 분리가 불가능하게 구성된 의미를 포함한다.
본 발명은 종래의 소결법과 증착법 등의 단점을 보완한 개선된 방법으로서, 종래와 대비하여 고온 플라즈마(Plasma)를 이용한 융융, 코팅을 통해 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC ; Hafnium Carbide)층을 접합시켜 제조하는 내열 소재의 제조방법, 및 이에 따른 내열 소재를 제공한다.
본 발명은 제1형태에 따라서, 탄소 함유 소재에 하프늄 카바이드(HfC)를 코팅, 접합시켜 제조하는 내열 소재의 제조방법으로서, 하프늄 카바이드(HfC)를 분말상으로 사용하되, 상기 분말상의 하프늄 카바이드(HfC)를 고온 플라즈마를 통해 용융시키고, 상기 용융된 상태의 하프늄 카바이드(HfC) 분말(= 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물)을 탄소 함유 소재의 표면에 코팅시켜 하프늄 카바이드(HfC)층을 형성하여 제조하는 내열 소재의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은 분말상의 하프늄 카바이드(HfC)를 준비하고, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융점보다 높은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시켜 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층을 코팅, 형성하는 코팅 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은 위와 같은 코팅 공정을 적어도 1회 이상 포함한다. 바람직한 실시 형태에 따라서, 본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은, (1) 챔버 내에 탄소 함유 소재를 장입(설치)한 다음, 상기 탄소 함유 소재를 예열하는 예열 공정; (2) 상기 챔버 내에 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 투입한 후, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융점보다 높은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시켜 상기 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층을 코팅, 형성한 코팅체를 얻는 코팅 공정; 및 (3) 상기 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 후열하는 후열 공정을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 (1) 예열 공정과 (3) 후열 공정을 더 포함하는 경우, 탄소 함유 소재에 하프늄 카바이드(HfC)층이 우수한 접합 강도로 접합되면서 고온 등의 환경에서도 탄소 함유 소재와 하프늄 카바이드(HfC)층 간의 층간 박리 현상이 효과적으로 방지된다.
본 발명은 제2형태에 따라서, 탄소 함유 소재; 및 상기 탄소 함유 소재의 표면에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하는 내열 소재를 제공한다. 이때, 본 발명에서, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 상기 탄소 함유 소재의 표면에 코팅되어 형성된다. 본 발명에 따른 내열 소재는, 바람직한 실시 형태에 따라서 본 발명에 따른 제조방법을 통해 제조된다.
또한, 본 발명은 제3형태에 따라서, 탄소 함유 소재 상에 하프늄 카바이드(HfC)를 코팅하는 코팅 장치로서, 챔버와; 상기 챔버 내에 설치되고, 상기 탄소 함유 소재를 지지하는 홀더와; 상기 챔버 내에 설치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 포함하는 코팅 장치를 제공한다. 이때, 상기 플라즈마 발생기는 플라즈마를 발생시켜 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시키고, 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 상기 탄소 함유 소재 상에 입사, 코팅되게 하는 플라즈마 건; 및 상기 플라즈마 건에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함한다. 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 플라즈마 발생기는 플라즈마 건을 이동시키는 이동 유닛을 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 또한, 이하에서는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 내열 소재의 제조방법을 설명하면서 본 발명에 따른 코팅 장치 및 내열 소재의 실시 형태를 함께 설명한다.
[1] 탄소 함유 소재(모재)
본 발명에서, 모재로서의 탄소 함유 소재는 탄소(C)를 함유하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소 함유 소재는 적용되는 분야에 따라 다양한 형상 및/또는 크기 등을 가질 수 있다. 상기 탄소 함유 소재는, 예를 들어 선형, 평판형 및/또는 입체형 등의 다양한 가질 수 있으며, 균일하거나 불균일한 표면을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 탄소 함유 소재는 블록 형태 등의 입체적 형상을 가지는 구조재로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 탄소 함유 소재는 탄소(C)를 기반으로 하는 것이면 여기에 포함하며, 이는 예를 들어 순수 탄소 소재나 탄소 복합재 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 탄소 복합재는 탄소 이외에 다른 원소를 포함하는 것으로서, 이는 예를 들어 MxCy로 나타내어질 수 있다. 여기서, C는 탄소이고, M는 탄소 이외의 다른 원소이다. M은 금속 및 비금속 원소로부터 선택된 하나 이상으로서, 이는 특별히 제한되지 않는다. 그리고 상기 MxCy에서, x와 y는 각각 소수 및/또는 정수로서, 이들은 화학양론에 따르거나 비-화학양론적일 수 있다. 예를 들어, x와 y는 각각 1 내지 4 범위 내의 소수 또는 정수일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 탄소 복합재는 탄소에 1종 이상의 금속이 복합된 탄소-금속 복합재(CMC ; Carbon-Metal Composite)일 수 있다. 이때, 본 발명에서, 상기 금속은 규소(Si)를 포함하며, 주기율표의 1족 내지 16족에 속하는 금속 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 탄소 복합재는, 구체적인 예를 들어 규소(Si), 지르코늄(Zr), 텡스텐(W) 및 티타늄(Ti) 등으로부터 선택된 하나 이상이 탄소에 복합된 탄소-금속 복합재(CMC)로부터 선택될 수 있다.
상기 탄소 복합재는, 바람직하게는 규소(Si)가 복합된 탄소-규소 복합재로서, 적어도 표면이 SiC화된 것이 좋다. 구체적으로, 상기 탄소 복합재는 표면만 SiC화된 탄소-규소 복합재(이하, "C/C-SiC"라 한다.)이거나, 전반적으로 SiC화된 탄소-규소 복합재(이하, "C/SiC"라 한다.)인 것이 바람직하다. 이러한 C/C-SiC 및 C/SiC로부터 선택된 탄소-규소 복합재는, 예를 들어 내열성 및/또는 기계적 물성(강도 등) 등에 유리하고, 특히 본 발명에 따라서 고온 플라즈마를 이용한 하프늄 카바이드(HfC)의 용융, 코팅 시 코팅성 및/또는 접합 강도 등이 우수하여 본 발명에 바람직하다.
상기 C/C-SiC 복합재는, 이의 표면이 예를 들어 0.2 ~ 0.5mm의 두께로 SiC화된 것일 수 있다. 상기 C/C-SiC 복합재는, 구체적으로 탄소 베이스와 표층으로 구분되되, 상기 탄소 베이스는 탄소 결정질(C-C)로 구성되고, 상기 표층은 예를 들어 약 0.2 ~ 0.5mm의 두께로 SiC화된 것일 수 있다.
상기 C/C-SiC 복합재는, 일례를 들어 CVR(Chemical Vapor Reaction)법 등을 통해 제조될 수 있으며, 보다 구체적으로 Si 전구체(SiO2 등)로부터 열분해된 Si 기체가 탄소 베이스의 탄소와 반응하여 표면에 SiC화가 진행되어 제조된 것일 수 있다. 이때, 탄소 베이스의 기공도(밀도) 등에 따라 SiC화되는 깊이(두께)가 조절될 수 있다. 상기 C/C-SiC 복합재는, 다른 예를 들어 폴리카르보실란(Polycarbosilane) 및/또는 폴리실록산(Polysiloxane) 등의 Si 전구체를 탄소 프리폼(preform)이나 탄소 복합재 상에 PIP(Polymer Infiltration & Pyrolysis) 방법으로 함침 및 열처리하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명에서, 상기 탄소 프리폼은 탄소 복합재의 탄소 베이스를 위한 것으로서, 이는 예를 들어 탄소 섬유 및/또는 탄소 직물 등으로부터 선택될 수 있다. 탄소 프리폼은, 예를 들어 니들-펀칭(Needle-Punching), 브레이딩(Braiding), 소잉(Sewing), 니팅(Knitting), 필라멘트 와인딩(Fillament Winding), 스택 몰딩(Stack Molding), RTM, VARTM 및/또는 핸드 레이-업(Hand Lay-Up) 등의 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
상기 C/SiC 복합재는 전반적으로 SiC화되어, 탄소 베이스와 SiC가 매트릭스(Matrix) 형태를 이루어 거의 전체 영역에 SiC가 공존하는 것으로서, 이는 예를 들어 80중량% 이상이 SiC화된 것일 수 있다. 상기 C/SiC 복합재는, 일례를 들어 가압, 상압 또는 진공 조건에서, 탄소 프리폼이나 탄소 복합재에 용융 실리콘이 1회 이상 함침 및 열처리되어 제조된 것일 수 있다. 상기 C/SiC 복합재는, 다른 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 및 CVI(Chemical Vapor Infiltration)법 등의 방법으로 메틸트리클로로실란(MTS ; Methyltrichlorosilane) 등의 Si 전구체가 열분해되어 탄소 프리폼이나 탄소 복합재 상에 증착 및 열처리되어 제조되거나, Si 전구체가 탄소 프리폼이나 탄소 복합재 상에 PIP(Polymer Infiltration & Pyrolysis) 방법으로 함침 및 열처리되어 제조된 것일 수 있다. 상기 C/SiC 복합재는, 또 다른 예를 들어 MSI(Molten Silicon Infiltration)법(또는 LSI법)을 통해, 탄소 프리폼이나 탄소 복합재에 실리콘 입상물(Si Metal Granules)을 고온에서 직접 용융시켜 침투, 반응시키는 방법으로 제조된 것일 수 있다.
도 1에는 탄소 복합재의 일례가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1는 C/SiC 복합재의 모식도를 보인 것이다. 도 1에서, 도면 부호 4a는 SiC이고, 도면 부호 4b는 탄소 프리폼을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 C/SiC 복합재는, 예를 들어 탄소 섬유 및/또는 탄소 직물로 구성된 매트릭스 형태의 탄소 프리폼(4b)과, 상기 탄소 프리폼(4b)의 공간 사이에 위치된 SiC(4a)를 포함하여, 탄소 프리폼(4b)과 SiC(4a)가 매트릭스 형태로 공존하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 탄소 프리폼(4b)에는 피치(pitch) 및/또는 레진(resin) 등이 1회 이상 함침 및 탄화되어 섬유와 섬유 사이에 고형 탄소가 형성되고, 상기 고형 탄소와 Si 전구체의 반응에 의해 SiC(4a)가 형성될 수 있다. 즉, 도 1에서, SiC(4a)는 고형 탄소와 액상 Si 전구체의 반응물로 구성될 수 있다. 또한, CVI 등의 방법을 통해, 가스 상의 탄소 화합물이 열분해되어 상기 탄소 프리폼(4b)의 섬유 상에 탄소가 증착 및 열처리될 수 있다.
위와 같이, 탄소 프리폼(4a)의 매트릭스 내에 고형 탄소를 형성, 및/또는 탄소 프리폼(4b)의 섬유 상에 탄소를 증착한 후에 SiC화시킨 경우, 고밀도화가 구현되어 탄소 복합재의 기계적 강도 등이 개선될 수 있다.
본 발명에서, 상기 탄소 함유 소재는 앞서 언급한 바와 같이 탄소(C)를 기반으로 하는 소재이면 특별히 제한되지 않으며, 그의 제조방법 또한 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소 함유 소재는, 바람직하는 탄소-규소 복합재로부터 선택되며, 더욱 바람직하게는 상기한 바와 같이 적어도 표면이 SiC화된 C/C-SiC 및 C/SiC 복합재로부터 선택된다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라서, 상기 탄소 함유 소재는 하프늄 카바이드(HfC)의 코팅 공정에 앞서 예열되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소 함유 소재는 예열 공정이나 하프늄 카바이드(HfC)의 코팅 공정에 앞서 전처리될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은, 적어도 코팅 공정에 앞서 진행되는 전처리 공정을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 하나의 구현 예에 따라서, 본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은 전처리 공정, 예열 공정, 코팅 공정 및 후열 공정을 순차적으로 포함할 수 있다.
상기 전처리 공정은, 예를 들어 세척 공정, 및/또는 표면 가공 공정 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 세척 공정은, 예를 들어 표면의 이물질 등을 제거하기 위한 것으로서, 이는 예를 들어 물, 유기 용제(알코올 등), 산(acid) 용액 및/또는 알칼리 용액 등을 이용한 세척을 예로 들 수 있다. 상기 표면 가공 공정은 탄소 함유 소재의 표면성 개선을 위한 것으로서, 이는 예를 들어 샌딩(Sanding), 랩핑(Lapping) 및/또는 폴리싱(Polishing) 공정 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은, 경우에 따라서 중간층 형성 공정을 포함할 수 있다. 상기 중간층 형성 공정은 탄소 함유 소재와 하프늄 카바이드(HfC)층 간의 접합 강도 등을 증가시키기 위한 것으로서, 이는 탄소 함유 소재의 구성 물질에 따라 선택적으로 진행할 수 있다. 상기 중간층의 구성 물질 및 이의 형성 방법은, 예를 들어 통상적인 방법에 준할 수 있다.
상기 중간층 형성 공정은 예열 공정에 앞서 진행되거나, 예열 공정과 코팅 공정의 사이에 진행될 수 있다. 이와 같은 중간층 형성 공정이 진행되는 경우, 본 발명에 따른 내열 소재는 탄소 함유 소재, 상기 탄소 함유 소재 상에 형성된 중간층, 및 상기 중간층 상에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다.
[2] 예열 공정(Pre-heating Process)
앞서 언급한 바와 같이, 상기 탄소 함유 소재는 하프늄 카바이드(HfC)의 코팅에 앞서 예열(Pre-heating)되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 하프늄 카바이드(HfC)을 용융, 코팅하기 전에 탄소 함유 소재를 소정 온도로 예열하는 것이 바람직하다. 이러한 예열 공정은, 예를 들어 500℃ 내지 1,000℃, 또는 800℃ 내지 1,500℃의 온도로 탄소 함유 소재를 가온하는 방법으로 진행할 수 있다. 상기 예열 온도는 탄소 함유 소재의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 상기 예시된 범위로 한정되는 것은 아니다.
하프늄 카바이드(HfC)의 코팅에 앞서 위와 같은 예열 공정을 진행하는 경우, 탄소 함유 소재와 하프늄 카바이드(HfC)층 간의 접합 강도가 개선된다. 구체적으로, 상기 예열 공정은 탄소 함유 소재와 하프늄 카바이드(HfC) 간의 열팽창계수가 큰 경우에 두 이종물질간의 접합성을 향상시킨다.
본 발명에서, 상기 예열 공정은 탄소 함유 소재에 열을 가하여 승온시킬 수 있는 수단을 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 예열 공정은 플라즈마를 이용하여 진행할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 방법은 후술한다.
[3] 하프늄 카바이드(HfC)
초고온 세라믹(UHTC)으로서의 상기 하프늄 카바이드(HfC)는 고온 플라즈마를 이용한 용융, 코팅을 위해 분말상으로 사용된다. 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 크기는 제한되지 않는다. 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말은 고온 플라즈마를 통한 용융성, 코팅성, 코팅 후의 두께, 치밀성(밀도) 및/또는 코팅 시간 등으로 고려하여, 예를 들어 나노미터(nm)의 크기 내지 마이크로미터(㎛)의 크기를 가질 수 있다.
상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말은, 예를 들어 1nm 내지 300㎛ 의 평균 크기, 또는 3nm 내지 150㎛의 평균 크기를 가질 수 있으며, 보다 구체적인 예를 들어 5nm 내지 80㎛ 의 평균 크기를 가질 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 코팅 시에 사용되는 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 크기가 나노미터(nm) 크기인 경우, 스프레이 드라이어(spray dryer)를 이용한 뭉침을 통해, 예를 들어 3㎛ 이상의 수 마이크로미터 크기로 증가시켜 사용될 수 있다. 이와 같이 크기를 증가시켜 사용하는 경우, 후술하는 코팅 장치에서 주입 및 분사가 용이할 수 있다.
[4] 코팅 공정(Coating Process)
상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 고온 플라즈마를 통해 용융시켜 탄소 함유 소재의 표면에 코팅하여 하프늄 카바이드(HfC)층을 형성한다. 즉, 본 코팅 공정에서는 상기 탄소 함유 소재와, 상기 탄소 함유 소재 상에 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 코팅을 통해 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하는 코팅체를 얻는다. 이러한 코팅 공정은, 진공 조건에서 진행되거나, 상압 또는 가압 조건에서 진행될 수 있다. 상기 코팅 공정은, 바람직하게는 진공 조건에서 진행될 수 있다. 상기 코팅 공정은, 예를 들어 1 Torr 내지 760 Torr 범위 내의 진공 조건에서 진행될 수 있으며, 더욱 구체적인 예를 들어 10 Torr 내지 500 Torr 범위 내의 진공 조건에서 진행될 수 있다.
상기 코팅 공정의 횟수는 제한되지 않는다. 코팅 공정은 1회, 또는 2회 이상의 복수 회 진행할 수 있다. 이에 따라, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층은 탄소 함유 소재 상에 1층, 또는 2층 이상 복수의 층이 형성될 수 있다.
상기 코팅 공정은 플라즈마 발생기를 포함하는 코팅 장치를 사용하여 구현될 수 있다. 첨부된 도 2에는 본 발명에 따른 코팅 장치의 예시적인 구현 예가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 요부 구성도로서, 플라즈마 발생기의 예시적인 구현 예가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 코팅 장치는 챔버(10)(Chamber)와, 상기 챔버(10) 내에 설치된 적어도 하나 이상의 홀더(20)(Holder)와, 상기 챔버(10) 내에 설치된 적어도 하나 이상의 플라즈마 발생기(100)를 포함한다. 도 2 및 도 3에서, 도면 부호 4는 탄소 함유 소재이고, 도면 부호 5는 하프늄 카바이드(HfC)층이며, 도면 부호 5a는 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 나타낸다. 그리고 도 2 및 도 3에서, 도면 부호 P는 고온 플라즈마(열플라즈마)를 나타내거나, 고온 플라즈마의 발생 영역을 나타낸다.
상기 챔버(10)는 코팅 공정을 진행할 수 있는 공간을 제공할 수 있으면 좋다. 상기 챔버(10)는, 예를 들어 밀폐가 가능하고, 펌핑(pumping)을 통해 진공을 유지할 수 있으면 좋다. 상기 챔버(10)의 일측에는 진공을 위한 배기구(12)가 형성될 수 있다. 상기 배기구(12)에는 흡입 펌프(도시하지 않음)가 연결되어, 챔버(10)의 내부는 필요에 따라 진공이 유지될 수 있다. 또한, 상기 배기구(12)는 밀폐 가능하다.
상기 홀더(20)는 탄소 함유 소재(4)를 지지한다. 이러한 홀더(20)에는 상기 탄소 함유 소재(4)를 고정하기 위한 고정 수단, 상기 탄소 함유 소재(4)를 가열하기 위한 가열 수단, 및/또는 상기 탄소 함유 소재(4)를 냉각시키기 위한 냉각 수단 등이 설치될 수 있다.
상기 플라즈마 발생기(100)는 고온 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서, "고온 플라즈마"는 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 용융시킬 수 있을 정도의 고온을 가지는 열플라즈마를 의미하며, 이는 구체적으로 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 용융점보다 높은 온도를 가지는 열플라즈마를 의미한다. 상기 고온 플라즈마(P), 즉 상기 플라즈마 발생기(100)로부터 발생된 열플라즈마(P)의 온도는 하프늄 카바이드(HfC)의 용융점 이상으로서, 이는 예를 들어 3,000℃ 이상, 또는 4,000℃ 이상의 온도를 가질 수 있다.
상기 열플라즈마(고온 플라즈마)는, 바람직하게는 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)이 탄소 함유 소재(4)를 향하여 고속으로 입사되는 과정에서 단 시간 내에 완전히 용융될 수 있도록, 5,000℃ 이상의 온도를 가지는 것이 좋다. 상기 열플라즈마(P)의 온도는 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 빠른 용융을 위해 높을수록 좋으므로 이의 상한치는 제한되지 않으나, 예를 들어 코팅 장치의 내열성 및/또는 안정성 등을 고려하여 8,000℃ 이하, 7,000℃ 이하, 또는 6,000℃ 이하가 될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 열플라즈마(P)는 4,000℃ 내지 8,000℃, 5,000℃ 내지 7,000℃ 또는 5,000℃ 내지 6,000℃의 온도를 가질 수 있다.
상기 플라즈마 발생기(100)는, 구체적인 실시 형태에 따라서 위와 같은 고온 플라즈마(P)를 발생시켜 토출(방사)하는 적어도 하나 이상의 플라즈마 건(110)(Plasma Gun)과, 상기 플라즈마 건(110)에 전원을 공급하는 전원 공급부(120)를 포함한다. 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 플라즈마 발생기(100)는 플라즈마 건(120)을 이동시키는 이동 유닛(130)(Handling Unit)을 더 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 플라즈마 발생기(100)는 플라즈마 건(110), 전원 공급부(120), 및 이동 유닛(130)을 포함하는 것이 좋다.
상기 플라즈마 건(110)은 고온 플라즈마(P)를 발생시키고, 발생된 고온 플라즈마(P)를 상기 홀더(20)에 지지된 탄소 함유 소재(4)를 향하여 토출(방사)시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 플라즈마 건(110)은 전원 공급부(120)로부터 직류(DC) 또는 교류(AC) 전원을 인가받아 고온 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 플라즈마 건(110)은 전원 공급부(120)로부터 직류(DC) 전원을 인가받아 전극의 아크(arc) 발생으로부터 고온 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 건(110)은 구체적인 구현예에 따라서, 플라즈마 토출구(112a)를 가지는 본체(112)와, 상기 본체(112) 내에 설치된 캐소드(114)(cathode)와, 상기 본체(112)의 토출구(112a) 쪽에 설치된 애노드(116)(anode)와, 상기 본체(112)에 형성되고 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)이 주입되는 분말 주입구(118)를 포함할 수 있다.
상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 주입하기 위한 분말 주입구(118)는 위와 같이 플라즈마 건(110)에 일체로 설치될 수 있으나, 다른 구현예에 따라서는 별도로 설치될 수 있다. 상기 분말 주입구(118)는, 구체적으로 플라즈마 건(110)과는 별도의 구성 요소로서, 예를 들어 챔버(10)를 관통하는 구조로 연결될 수 있다. 이때, 상기 분말 주입구(118)의 끝단은 플라즈마 건(110)의 말단에 위치하여, 고온 플라즈마 발생 영역(P)에 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 주입, 공급할 수 있으면 좋다.
상기 분말 주입구(118)에는 적어도 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)이 주입되며, 여기에는 필요에 따라 캐리어 가스(carrier gas)가 함께 주입될 수 있다. 상기 캐리어 가스는 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입/운반을 위한 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 Ar, He, N2 및/또는 H2 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 분말 주입구(118)는, 예를 들어 본체(112)의 토출구(112a) 쪽에 형성될 수 있다. 이때, 상기 분말 주입구(118)는 토출구(112a)와 연통될 수 있다. 즉, 상기 분말 주입구(118)는 토출구(112a)와 연통되고, 이러한 분말 주입구(118)에 주입된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)은 토출구(112a)에서 토출(방사)되는 고온 플라즈마(P)에 의해 용융되면서 탄소 함유 소재(4)에 입사, 코팅될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 건(110)은 적어도 하나 이상의 가스 주입구(119a)(119b)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 가스 주입구(119a)(119b)는 제1 가스 주입구(119a)와, 제2 가스 주입구(119b)를 포함하되, 상기 제1 가스 주입구(119a)는 캐소드(114)에 형성되고, 상기 제2 가스 주입구(119b)는 본체(112)에 형성될 수 있다. 이러한 가스 주입구(119a)(119b)에는 적어도 방전 가스가 주입되며, 필요에 따라 캐리어 가스가 더 주입될 수 있다. 상기 방전 가스는, 예를 들어 아크 방전을 통해 고온 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 Ar, He, N2 및/또는 H2 등으로부터 선택될 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
아울러, 상기 플라즈마 건(110)에는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로(115a)(115b)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체(112)의 일측에는 냉각 유체가 유입되는 유입구(115a)가 형성되고, 상기 본체(112)의 타측에는 냉각 유체가 배출되는 배출구(115b)가 형성될 수 있다. 이러한 냉각 유로(115a)(115b)는 코팅 공정 후에 플라즈마 건(110)을 냉각시키기 위한 것으로, 이는 구체적으로 본체(112), 캐소드(114) 및/또는 애노드(116)를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 유체는 예를 들어 냉각수나 액체 질소(N2) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 전원 공급부(120)는 플라즈마 건(110)에 직류(DC) 또는 교류(AC) 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(120)의 일측은 캐소드(114)에 연결되며, 타측은 애노드(116)에 연결된다. 상기 고온 플라즈마(P)의 온도는, 예를 들어 위와 같은 전원 공급부(120)로부터 인가된 전류(Current) 및/또는 파워(Power)의 세기 등에 의해 조절될 수 있다.
상기 이동 유닛(130)은 챔버(10) 내의 x-y-z축 입체 공간에서 상기 플라즈마 건(110)을 어느 한 방향, 또는 2방향 이상으로 이동시킬 수 있는 것이면 좋다. 상기 이동 유닛(130)은, 바람직하게는 플라즈마 건(110)을 적어도 2방향으로 이동, 더욱 바람직하게는 3방향으로 이동시킬 수 있으면 좋다. 구체적으로, 상기 이동 유닛(130)은 플라즈마 건(110)을 x-y축, x-z축 또는 y-z축의 평면 2방향으로 자유롭게 이동시킬 수 있거나, x-y-z축의 3방향으로서 입체 공간 내의 모든 방향으로 자유롭게 이동시킬 수 있으면 좋다.
하나의 예시에서, 상기 홀더(20)에 지지된 탄소 함유 소재(4)의 면적 방향을 x-y축 방향(x축 : 가로 방향, y축 : 세로 방향)이라 하고, 탄소 함유 소재(4)의 두께 방향을 z축 방향이라 한 경우, 상기 이동 유닛(130)은 플라즈마 건(110)을 적어도 x축 및 y축의 면적 방향으로, 바람직하게는 x축, y축 및 z축의 3방향으로서 면적과 두께 방향으로 이동시킬 수 있으면 좋다.
상기 이동 유닛(130)은, 그의 일측이 플라즈마 건(110)과 연결되어, 상기 플라즈마 건(110)이 적어도 한 방향 이상으로 이동되게 하는 것이면 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 로봇(robot) 구조를 가질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 이동 유닛(130)은 챔버(10) 내의 바닥에 고정되는 지지 부재(131)와, 상기 지지 부재(131) 상에 설치된 복수의 로봇 부재(132)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수의 로봇 부재(132)는 축(133)에 의해 상호 결합되어 절첩 및/또는 회전이 가능할 수 있다.
보다 구체적인 예를 들어, 상기 이동 유닛(130)은 상기 지지 부재(131) 상에 설치된 n개의 로봇 부재(132-1)(132-2)(132-3)(132-n)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 n은 자연수로서, 로봇 부재(132-1)(132-2)(132-3)(132-n)의 개수는 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 2 내지 5개(n = 2 ~ 5)가 될 수 있다.
또한, 상기 이동 유닛(130)은 n개의 로봇 부재(132-1)(132-2)(132-3)(132-n) 간을 서로 연결하는 1개 또는 2개 이상 복수의 축(133)을 포함하여, 상기 축(133)을 통해 각 로봇 부재(132-1)(132-2)(132-3)(132-n)는 절첩 및/또는 회전이 가능하게 구성될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 이동 유닛(130)은 3개 이상의 축(133)을 포함할 수 있다. 따라서 이러한 이동 유닛(130)에 의해, 상기 플라즈마 건(110)은 적어도 한 방향 이상, 바람직하게는 평면 상의 2방향으로, 보다 바람직하게는 입체 공간 상의 3방향 모든 방향으로 자유롭게 이동될 수 있다.
도 4는 플라즈마 건(110)의 이동 경로를 보인 일례로서, 이는 구체적으로 평판 상의 탄소 함유 소재(4) 상에서 플라즈마 건(110)이 이동 유닛(130)에 의해 이동되는 이동 경로의 일례를 보여준다. 도 4에서, 화살표는 플라즈마 건(110)의 이동 경로를 나타낸다.
상기 이동 유닛(130)은 탄소 함유 소재(4)의 형상과 크기; 플라즈마 건(110)의 구조와 크기; 및/또는 플라즈마 건(110)과 탄소 함유 소재(4) 간의 거리 등에 따라 다양한 경로로 상기 플라즈마 건(110)을 이동시킬 수 있다. 아울러, 상기 이동 유닛(130)은 챔버((10) 내에서 이동이 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 부재(131)의 하부에 레일(rail)이나 바퀴 등이 설치되어, 상기 이동 유닛(130)는 자체적으로 이동될 수 있다. 즉, 챔버((10) 내의 바닥면을 x-y축 평면이라 할 때, 상기 이동 유닛(130)는 지지 부재(131)의 하부에 설치된 레일(rail)이나 바퀴 등을 통해, x축 및/또는 y축 방향으로 이동될 수 있다.
또한, 상기 이동 유닛(130)의 작동은 제어부(도시하지 않음)에 의해 조절될 수 있다. 상기 제어부는 이동 유닛(130)의 작동, 구체적인 예를 들어 각 로봇 부재(132-1)(132-2)(132-3)(132-n)의 이동 거리, 각도 및/또는 좌표 등의 작동을 제어할 수 있는 것이면 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 PLC(Programmable Logic Controller)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 위와 같은 코팅 장치를 통해 하프늄 카바이드(HfC)층(5)을 탄소 함유 소재(4) 상에 개선된 공정으로 코팅, 형성시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 주입구(119a)(119b)를 통해 적어도 방전 가스를 주입하고, 상기 전원 공급부(120)를 통해 플라즈마 건(110)에 전원을 인가하면 본체(112)의 토출구(112a) 쪽으로 고온 플라즈마(P)가 발생되어 토출(방사)된다. 그리고 상기 분말 주입구(118)를 통해, 하프늄 카바이드(HfC)층(5)과 동일한 종류(성분)의 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 주입하게 되면, 상기 분말 주입구(118)를 통해 주입된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)은 토출구(112a)를 통해 토출되면서 고온 플라즈마(P)에 의해 용융된다.
상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)은 홀더(20)에 지지된 탄소 함유 소재(4)를 향하여, 예를 들어 수십 m/s 이상, 또는 수 백 m/s 이상의 고속으로 입사되어 코팅된다. 구체적인 예를 들어, 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)은 50 m/s 이상, 또는 150 m/s 이상의 속도로 입사되어 코팅될 수 있다. 더욱 구체적인 예를 들어, 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)은 150 m/s 내지 800 m/s의 고속으로 입사되어 코팅될 수 있다.
위와 같은 본 발명의 코팅 공정에 따르면, 상기 고속으로 입사되는 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)이 탄소 함유 소재(4)에 이르러 퍼지면서 코팅되기 때문에 중간층 없이도 우수한 접합 강도를 가지면서 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 치밀화(고밀도화)가 이루어진다. 또한, 단 시간 내에 코팅되어 생산성이 향상된다. 예를 들어, 분당 5㎛ 이상의 높은 코팅 성능을 가져 대량화가 가능하다.
아울러, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)은 수 마이크로미터(㎛)에서 수 밀리미터(mm) 이상의 높은 두께를 가질 수 있다. 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)은, 예를 들어 0.5㎛의 두께, 또는 3㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)은 0.5㎛ 내지 50mm의 두께, 또는 3㎛ 내지 50mm의 두께를 가지거나, 그 이하 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다. 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 두께는, 예를 들어 탄소 함유 소재(4)의 종류(성분), 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입 속도(유량), 코팅 횟수 및/또는 코팅 시간 등의 조절을 통해 제어될 수 있다.
또한, 상기 코팅 공정에 따르면, 높은 치밀화가 이루어져 우수한 기공도(밀도) 등을 갖게 할 수 있다. 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)은, 예를 들어 1% 이하의 기공도(기공율)을 가질 수 있다. 상기 기공도는 기계적 강도 등을 위해 낮을수록 좋으므로 이의 하한치는 제한되지 않는다. 상기 기공도는 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 입자 크기, 및/또는 코팅 공정의 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)은, 구체적인 예를 들어 0.001 내지 1%, 또는 0.01 내지 0.95%의 기공도를 가질 수 있다.
본 발명에서, 상기 기공도(%)는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 전체 체적 중에서 기공이 차지하는 체적 비율(%)을 의미하며, 이는 구체적으로 아래의 수학식 1에 따를 수 있다. 이러한 기공도(%)는 다양한 측정 방법을 통해 측정될 수 있으며, 일례를 들어 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 단면 사진을 통해 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 단면 전체의 면적을 측정하고, 단면 내에 존재하는 기공의 면적을 측정하여, 이들의 비율(%)로 평가될 수 있다.
Figure 112015092186433-pat00001
위 식에서, V는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 전체 체적이고, Vp는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)에 형성된 기공의 전체 체적이다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 이동 유닛(130)을 통한 플라즈마 건(110)의 자유로운 이동에 의해 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 다양한 패턴(pattern)이 가능함은 물론, 대면적(넓은 면적)의 코팅이 가능하고, 탄소 함유 소재(4)의 형상에 구애 없이 균일한 두께의 코팅이 가능하다. 예를 들어, 로봇 구조의 이동 유닛(130)을 통해 플라즈마 건(110)을 2축의 평면이나 x-y-z축(3축)의 입체 공간으로 자유롭게 이동시키면서 코팅하는 경우, 다양한 패턴이 가능함은 물론 대면적의 코팅이 가능하다. 그리고 다양한 형상의 탄소 함유 소재(4), 예를 들어 블록 등의 입체적 형상을 가지는 탄소 함유 소재(4)에 코팅 시에도 3축 이동이 가능하여 탄소 함유 소재(4)의 형상에 구애받지 않고 균일한 두께의 코팅이 가능하다.
한편, 위와 같은 코팅 공정을 진행함에 있어서, 탄소 함유 소재(4)의 종류와 크기, 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 입자 크기, 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 코팅 두께 및/또는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 기공도(밀도) 등에 따라 코팅 장치의 크기(챔버나 플라즈마 건 등), 방전 가스와 캐리어 가스의 종류 및 유량, 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입 유량/속도, 챔버(10) 내의 압력, 전류(Current), 파워(Power), 코팅 횟수 및/또는 코팅 시간 등의 공정 조건을 조절할 수 있다.
예시적인 실시 형태에 따라서, 상기한 바와 같은 온도 범위의 고온 플라즈마(P)를 발생시키기 위해, 상기 플라즈마 건(110)에는 예를 들어 600A 내지 1,000A의 전류와, 예를 들어 35kW 내지 60kW의 파워가 전원 공급부(120)로부터 공급될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 700A 내지 900A의 전류와 40kW 내지 55kW의 파워가 공급될 수 있다. 아울러, 상기 방전 가스는 예를 들어 2 내지 50 NLPM(Normal Litter Per Minutes)의 유량으로 주입되고, 상기 캐리어 가스는 예를 들어 0.2 내지 10 NLPM의 유량으로 주입될 수 있다.
또한, 1회 코팅의 경우, 수 마이크로미터(㎛) 이상의 코팅 두께를 갖도록, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입 유량(Feed rate)은 0.5 g/min 이상, 코팅 시간은 30초(sec) 이상의 조건에서 진행될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 플라즈마 발생 영역(P)에 0.5 내지 10 g/min의 유량으로 주입하고, 30초 내지 5분 동안 코팅을 진행할 수 있으나, 상기 범위에 의해 한정되는 것은 아니다.
아울러, 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 코팅성과 퍼짐 정도, 및/또는 탄소 함유 소재(4)의 크기(면적) 등을 고려하여, 플라즈마 스프레이 거리(Spray distance)는 예를 들어 200mm 내지 500mm가 될 수 있다. 여기서, 상기 플라즈마 스프레이 거리(Spray distance)는 고온 플라즈마(P)의 방사 거리로서, 이는 구체적으로 상기 플라즈마 건(110)의 토출구(112a)와 탄소 함유 소재(4) 간의 이격 거리(간격)를 의미한다.
또한, 상기 플라즈마 건(110)의 이동 속도는, 예를 들어 5 mm/s 내지 10 mm/s일 수 있다. 그러나 상기 플라즈마 건(110)의 이동 속도는 상기 범위에 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 탄소 함유 소재(4)의 종류와 크기, 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 입자 크기, 및/또는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 코팅율, 두께 및 크기 등에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
한편, 상기 예열 공정은 앞서 언급한 바와 같이 도 2 및 도 3에 보인 코팅 장치를 통해 진행될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 예열 공정은 탄소 함유 소재(4)를 지지하는 홀더(20)에 가열 수단이 설치되어, 이러한 가열 수단을 통해 탄소 함유 소재(4)를 가열하는 방법으로 진행될 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 예열 공정은 도 2 및 도 3에 보인 코팅 장치를 통해 진행하되, 이로부터 발생된 플라즈마를 이용하여 진행할 수 있다. 구체적으로, 탄소 함유 소재(4)를 홀더(20)에 지지 고정한 후, 상기 플라즈마 건(110)으로부터 플라즈마를 발생시켜 탄소 함유 소재(4)를 예열할 수 있다.
상기 예열 공정을 진행함에 있어서, 상기 플라즈마 건(110)에는 예를 들어 500A 내지 900A의 전류와, 예를 들어 30kW 내지 55kW의 파워가 전원 공급부(120)로부터 공급될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 600A 내지 850A의 전류와 35kW 내지 50kW의 파워가 공급될 수 있다. 아울러, 방전 가스는 2 내지 50 NLPM의 유량으로, 캐리어 가스는 0.2 내지 10 NLPM의 유량으로 주입될 수 있다. 또한, 플라즈마 스프레이 거리(Spray distance)는, 예를 들어 100mm 내지 300mm가 될 수 있고, 플라즈마 건의 이동 속도는, 예를 들어 30 mm/s 내지 80 mm/s일 수 있다.
위와 같은 플라즈마 발생 조건을 통해, 상기 탄소 함유 소재(4)는 예를 들어 500℃ 내지 4,000℃, 800℃ 내지 3,000℃, 또는 800℃ 내지 2,000℃의 온도로 예열될 수 있다. 아울러, 상기 예열 공정 시, 챔버(10)는 예를 들어 10 Torr 내지 500 Torr 범위 내의 진공 조건이 유지될 수 있으며, 예열 시간은 예를 들어 30초 내지 10분이 될 수 있다.
[5] 후열 공정(Post-heating Process)
앞서 언급한 바와 같이, 상기 코팅 공정을 통해 얻어진 코팅체는 후열(Post-heating)되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 탄소 함유 소재(4) 상에 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 용융, 코팅하여 하프늄 카바이드(HfC)층(5)을 형성한 후에는 적어도 상기 하프늄 카바이드(HfC)층(5)을 소정 온도로 후열하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 후열 공정은 하프늄 카바이드(HfC)층(5)을 형성한 후에, 인위적으로 소정의 열을 가하는 열처리 공정으로서, 이는 상기 코팅 공정의 온도보다 낮은 온도에서 진행한다. 보다 구체적으로, 상기 후열 공정은 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체에 열을 가하는 방법으로 진행된다.
본 발명에서, 상기 후열 공정은 선택적인 공정으로서, 이는 필요에 따라 진행될 수 있다. 예를 들어, 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5) 간의 열팽창계수가 큰 경우에, 두 이종물질간의 접합성 향상을 위해 상기 후열 공정은 진행되는 것이 바람직하다.
상기 코팅 공정을 진행한 후에, 챔버(10)의 개방을 통해 공정을 완료한 경우(즉, 후열 공정을 진행하지 않은 경우), 경우에 따라서 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5) 간의 접합 강도가 떨어질 수 있다. 예를 들어, 두 물질 간의 열팽창계수가 크고, 고온 환경에서 사용되는 경우, 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5) 간의 층간 박리 현상이 발생될 수 있다. 그러나 후열 공정을 진행하게 되면, 두 물질 간의 열팽창계수가 큰 경우에도 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5)이 우수한 접합 강도를 유지하면서, 특히 고온 등의 환경에서도 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)믹층(5)의 층간 박리 현상이 효과적으로 방지된다.
상기 후열 공정은 코팅 공정을 진행한 후, 도 2 및 도 3에 예시한 바와 같은 코팅 장치를 통해 연속적으로 진행되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 도 2 및 도 3에 보인 코팅 장치에서 코팅 공정을 진행한 후, 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입을 차단하고, 상기 플라즈마 건(110)으로부터 플라즈마를 발생시켜 코팅체를 후열할 수 있다. 이때, 공정 조건의 변경을 통해, 후열 공정의 플라즈마 온도는 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮게 유지되도록 조절한다.
상기 후열 공정을 진행함에 있어서, 상기 플라즈마 건(110)에는 예를 들어 450A 내지 950A의 전류와, 예를 들어 25kW 내지 50kW의 파워가 전원 공급부(120)로부터 공급될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 550A 내지 800A의 전류와 30kW 내지 45kW의 파워가 공급될 수 있다. 아울러, 방전 가스는 2 내지 50 NLPM의 유량으로, 캐리어 가스는 0.2 내지 10 NLPM의 유량으로 주입될 수 있다. 또한, 플라즈마 스프레이 거리(Spray distance)는, 예를 들어 100mm 내지 300mm가 될 수 있고, 플라즈마 건의 이동 속도는, 예를 들어 30 내지 80 mm/s일 수 있다.
위와 같은 플라즈마 발생 조건을 통해, 상기 코팅체는 예를 들어 500℃ 내지 3,000℃, 800℃ 내지 2,000℃, 또는 800℃ 내지 1,500℃의 온도에서 후열될 수 있다. 아울러, 상기 후열 공정 시, 챔버(10)는 예를 들어 10 Torr 내지 500 Torr 범위 내의 진공 조건이 유지될 수 있으며, 후열 시간은 예를 들어 30초 내지 10분이 될 수 있다.
또한, 상기 후열 공정은, 예시적인 실시 형태에 따라서 2단 이상의 다단 공정을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 후열 공정은, 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 후열하되, 플라즈마의 온도를 다단으로 점점 낮추어 가며 후열할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 후열 공정은, 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 제1차 후열하는 제1단계 후열 공정과, 상기 제1단계 후열 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 제2차 후열하는 제2단계 후열 공정을 포함할 수 있다.
이에 더하여, 상기 후열 공정은, 상기 제2단계 후열 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 제3차 후열하는 제3단계 후열 공정을 더 포함하거나, 이후 계속적으로 진행될 수 있는 제4단계 후열 공정 및 제5단계 후열 공정 등을 더 포함할 수 있다.
상기 후열 공정은, 위와 같은 각 단계별 온도 강하 방법으로 제n단계를 포함할 수 있다. 여기서, n는 2 이상의 자연수로서, 이는 예를 들어 2 내지 5가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 각 단계별 온도 차이는, 예를 들어 10℃내지 200℃, 또는 20℃ 내지 100℃가 될 수 있다. 이러한 각 단계별 후열 공정을 진행함에 있어서는, 상기 플라즈마 건(110)에 인가되는 전류 및/또는 파워를 각 단계별로 낮추어 가며 진행될 수 있으며, 예를 들어 각 단계별로 전류는 2A 내지 150A 범위 내, 파워는 0.5kW 내지 20kW 범위 내에서 차이를 갖도록 낮추어 가며 진행하여, 각 단계별로 온도 차이를 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅방법은, 예를 들어 적어도 아래의 수학식 2를 만족하며, 경우에 따라 아래의 수학식 3을 따른다.
Figure 112015092186433-pat00002
Figure 112015092186433-pat00003
위 수학식 2 및 3에서, TM은 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 용융점이고, TP는 코팅 공정에서의 플라즈마 온도이며, TA는 후열 공정에서의 플라즈마 온도이다. 그리고 상기 TA는 T1, T2, T3 .... Tn-1, Tn을 포함할 수 있으며, TA(Tn Tn-1)은 예를 들어 10 내지 200, 또는 20 내지 100가 될 수 있다. 여기서, Tn은 상기한 각 단계별 후열 공정의 플라즈마 온도이고, n은 2 이상의 자연수이다.
한편, 도 5에는 본 발명의 실시 형태에 따른 제조방법의 공정 블록도가 예시되어 있다.
본 발명에 따른 내열 소재의 제조방법은, 예시적인 실시 형태에 따라서 탄소 함유 소재(모재)를 준비한 다음 샌딩하는 전처리 공정; 상기 탄소 함유 소재(모재) 챔버(10)에 삽입(장입) 및 펌핑(pumping)하여 압력을 형성(진공)한 다음, 플라즈마를 발생시켜 탄소 함유 소재(모재)를 예열하는 예열 공정; 하프늄 카바이드(HfC) 분말(파우더)을 주입하고, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(파우더)의 용융점보다 높은 온도의 고온 플라즈마(열플라즈마)를 발생시켜 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(파우더)을 용융, 코팅하는 코팅 공정; 및 하프늄 카바이드(HfC) 분말(파우더)의 주입을 중지한 다음, 코팅 공정보다 낮은 온도의 플라즈마를 발생시켜 후열하는 후열 공정을 포함한다. 이후, 플라즈마 발생을 중지하고, 챔버(10)를 개방하여 코팅 제품을 퇴출한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 적어도 다음과 같은 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 따르면, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)이 고온 플라즈마(P)에 의해 용융된 상태(용융물)로 탄소 함유 소재(4) 상에 코팅, 접합되어 중간층의 삽입 없이도 우수한 접합 강도로 접합된다. 또한, 상기 코팅 공정에서는 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말(HfC의 용융물)은 고온 플라즈마(P)의 방사 속도에 의해 고속(수 백 m/s)으로 입사되고, 탄소 함유 소재(4)에 이르러 퍼지면서 코팅되기 때문에 우수한 접합 강도를 가지면서 치밀화(기공도 1% 이하)가 이루어진다. 그리고 이러한 치밀화에 의해 높은 밀도를 가져 우수한 기계적 강도 및 열적 강도 등을 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면, 단 시간 내에 코팅되어 생산성이 향상되고, 균일한 두께의 하프늄 카바이드(HfC)층(5)을 형성시킬 수 있다. 아울러, 수 마이크로미터(㎛)에서 수 밀리미터(mm) 이상의 높은 두께를 갖게 할 수 있다.
부가적으로, 본 발명에 따르면, 목적하는 하프늄 카바이드(HfC)층(5)과 동일한 종류(성분)의 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)을 사용하여 용용, 코팅하는 것이기 때문에 원료 분말과 동일한 종류(성분)의 코팅이 가능하여 우수한 순도를 갖는다. 또한, 진공 조건에서 플라즈마를 통해 코팅이 이루어지기 때문에 불순물이 함유되지 않으며, 이에 따라 고순도를 유지할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 상기 이동 유닛(130)을 통한 플라즈마 건(110)의 자유로운 이동에 의해, 다양한 패턴(pattern)이 가능하고, 예를 들어 1m 이상의 대면적(넓은 면적) 코팅이 가능하다. 또한, 상기 플라즈마 건(110)의 3축 이동이 가능하여, 입체적 형상이나 불균일한 표면 등을 가지는 탄소 함유 소재(4)에도 코팅이 가능하다. 즉, 탄소 함유 소재(4)의 형상 및 크기에 구애 없이 균일한 두께의 코팅이 가능하다.
아울러, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라서, 예열 공정 및/또는 후열 공정을 더 진행하는 경우, 예를 들어 두 물질 간의 열팽창계수가 큰 경우라도 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5)이 우수한 접합 강도로 접합되면서 고온 등의 환경에서도 탄소 함유 소재(4)와 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 층간 박리가 방지된다.
또한, 탄소 함유 소재(4)의 종류(성분), 하프늄 카바이드(HfC) 분말(5a)의 주입 유량/속도, 전류(Current), 파워(Power), 코팅 횟수 및/또는 코팅 시간 등의 공정 인자를 조절하여, 예를 들어 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 두께 및/또는 기공도(밀도) 등을 다양하게 조절할 수 있어 그 적용 범위를 넓힐 수 있다.
일례를 들어, 동일한 공정 조건에서 코팅을 진행하되, 탄소 함유 소재(4)로서 표면만 SiC화된 탄소-규소 복합재(C/C-SiC)를 사용하는 경우, 전반적으로 SiC화된 탄소-규소 복합재(C/SiC)를 사용한 경우보다 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 두께가 높게 나타날 수 있으므로, 하프늄 카바이드(HfC)층(5)의 두께 결정 시 탄소 함유 소재(4)의 종류(성분)를 고려하면 좋다. 이는 하기 실시예에 의해서 확인될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 그 적용 분야에 있어 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 내열 소재는, 예를 들어 항공 분야, 군사 분야, 자동차 분야, 반도체 분야, 광학 분야 및 전지 분야 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 본 발명에 따른 내열 소재는 초음속 비행체, 우주 발사체, 대륙간 탄도미사일, 로켓 터빈, 발전소 터빈, 반도체의 LCD 기판, 웨이퍼 지그(wafer jig)용 구조물, 레이저용 소자 및 전극용 기판 등에 적용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
< 탄소 함유 소재(모재) >
탄소 함유 소재(모재)로서, CVR(Chemical Vapor Reaction)법을 통해 표면이 약 0.4mm 정도로만 SiC화(표면만 SiC화)된 블록 형상의 탄소 복합체(이하, "C/C-CVR"라 함)를 준비하였다. 이후, 상기 C/C-CVR를 샌드페이퍼(sand paper)를 이용하여 표면을 샌딩 처리하였다.
< 예열 공정 >
챔버 내에 플라즈마 발생기가 설치된 코팅 장치(도 2 및 도 3과 같은 구조를 가짐)에서, 상기 C/C-CVR를 챔버 내의 홀더에 고정하고, 펌핑을 통해 진공 상태의 압력을 형성하였다. 이후, 방전 가스와 캐리어 가스를 주입하고, 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 상기 C/C-CVR를 예열하였다. 본 예열 공정의 구체적인 공정 조건(플라즈마 발생 조건)을 하기 [표 1]에 나타내었다.
< 코팅 공정 >
위와 같이 예열을 완료한 후, 상기 예열 공정보다 낮은 압력의 진공 조건에서, 챔버 내에 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 주입하면서 약 5,000℃ 온도의 플라즈마를 발생시켜 상기 C/C-CVR의 표면에 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융, 코팅하였다. 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말은 평균 입도 분포 약 5㎛를 가지는 것을 사용하되, 캐리어 가스(Ar)를 통해 주입, 방사되게 하였다. 본 코팅 공정의 구체적인 공정 조건(플라즈마 발생 조건)을 하기 [표 1]에 나타내었다.
< 후열 공정 >
위와 같이 코팅을 완료한 후, 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 주입을 중지하고, 상기 코팅 공정보다 높은 압력의 진공 조건에서 플라즈마를 발생시켜 코팅체를 후열하였다. 이후, 플라즈마 발생을 중지하고, 챔버의 개방을 통해 압력 상승 및 서서히 냉각시켰다. 본 후열 공정의 구체적인 공정 조건(플라즈마 발생 조건)을 하기 [표 1]에 나타내었다.
< 각 공정 조건 >
항 목 예열 공정 코팅 공정 후열 공정
Current (A) 780 800 700
Power (kW) 43.0 47.9 33.7
Chamber pressure (Torr) 121.6 38 121.6
Ar gas (NLPM) 30 30 30
H2 gas (NLPM) 4 10 2
He gas (NLPM) 24 - 20
Carrier gas 1 (NLPM) 3 1.6 2
Carrier gas 2 (NLPM) 3 1.6 2
Feeder disk / stirrer (%) - 1 / 70 -
Feed rate (g/min) - 1 ~ 5 -
Spray distance (mm) 190 350 200
Velocity (mm/s) 50 8 50
* Carrier gas 1 : Ar
* Carrier gas 2 : He
* Velocity (mm/s) : 플라즈마 건의 이동 속도
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 탄소 함유 소재(모재)의 종류를 달리하여 예열/코팅/후열 공정을 실시하였다. 구체적으로, 본 실시예에서는 탄소 함유 소재(모재)로서 탄소 프리폼(탄소 섬유)에 피치(pitch)의 함침/열처리를 통해 고형 탄소가 존재하고, 매트릭스(matrix) 내에 SiC가 공존하여 전반적으로 SiC화된 블록 형상의 탄소 복합체(이하, "C/SiC"라 함)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
첨부된 도 6는 상기 실시예 1 및 2에 따른 코팅 시편의 절단면 SEM 사진 결과이다. 또한, HfC층의 형성 여부를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2에 따른 코팅 시편에 대하여 EDS 분석을 실시하고, 그 결과를 도 7 및 도 8에 각각 이미지(Image)로 나타내었다. 도 7은 실시예 1에 따른 코팅 시편의 EDS를 이용한 절단면 성분 분석 결과이고, 도 8은 실시예 2에 따른 코팅 시편의 EDS를 이용한 절단면 성분 분석 결과이다. 또한, HfC의 코팅 확인을 위하여, 상기 실시예 1에 따른 코팅 시편에 대하여 XRD 분석을 실시하고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 6 내지 도 9에 보인 바와 같이, 용융점이 높은 초고온의 하프늄 카바이드(HfC)가 플라즈마를 통한 용융에 의해, 탄소 복합재(C/C-CVR, C/SiC) 상에 소정 두께로 코팅됨을 알 수 있다.
또한, 탄소 복합재(C/C-CVR, C/SiC)의 종류에 따라 두께 차이가 나타남을 알 수 있다. 구체적으로, 탄소 복합재로서 표면만 SiC화된 C/C-CVR(실시예 1)를 사용한 경우가 전반적으로 SiC화된 C/SiC(실시예 2)를 사용한 경우보다 두꺼운 두께로 코팅됨을 알 수 있다. 특히, 실시예 1에 따른 코팅 시편의 경우, 하프늄 카바이드(HfC)층의 두께가 약 60㎛ 이상으로서 높은 두께를 가짐을 알 수 있다.
[비교예 1]
하프늄 카바이드(HfC) 분말을 기존의 소결법을 통해 제조한 소결체를 본 비교예에 따른 시편으로 사용하였다.
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대하여 기공도(%)를 측정하고, 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다. 이때, 기공도(%)는 하프늄 카바이드(HfC)층의 단면 사진을 통해, 하프늄 카바이드(HfC)층의 단면 전체 면적과 단면 내에 존재하는 기공의 면적을 측정하고, 이들의 비율(%)로 산출하여 나타내었다.
< 기공도 측정 결과 >
비 고 실시예 1
(용융 코팅)		 실시예 2
(용융 코팅)		 비교예 1
(소결)
탄소 복합재 C/C-CVR C/SiC -
초고온 세라믹 HfC HfC HfC
기공도(%) 0.42 0.52 3.27
상기 [표 2]에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라서 플라즈마를 통해 용융, 코팅한 실시예들의 경우, 기존의 소결에 의한 비교예보다 초고온 하프늄 카바이드(HfC)층의 치밀화가 이루어져 우수한 기공도(1% 이하)를 가짐을 알 수 있다. 이는 고밀도로 인해 우수한 기계적 강도 및 열적 강도 등을 가짐을 의미한다.
4 : 탄소 함유 소재 5 : 하프늄 카바이드(HfC)층
10 : 챔버 12 : 배기구
20 : 홀더 100 : 플라즈마 발생기
110 : 플라즈마 건 112 : 본체
114 : 캐소드 116 : 애노드
118 : 분말 주입구 120 : 전원 공급부
130 : 이동 유닛 131 : 지지 부재
132 : 로봇 부재 133 : 축
P : 플라즈마

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 탄소 함유 소재; 및
    상기 탄소 함유 소재의 표면에 형성된 하프늄 카바이드(HfC)층을 포함하되,
    상기 하프늄 카바이드(HfC)층은, 상기 탄소 함유 소재와 하프늄 카바이드(HfC)층의 사이에 중간층의 형성 없이 상기 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융물이 코팅되어 형성된 내열 소재의 제조방법이고,
    챔버 내에 상기 탄소 함유 소재를 장입한 다음, 상기 탄소 함유 소재를 예열하는 예열 공정;
    상기 챔버 내에 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 투입한 후, 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말의 용융점보다 높은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융시켜 상기 탄소 함유 소재의 표면에 하프늄 카바이드(HfC)층을 코팅, 형성한 코팅체를 얻는 코팅 공정; 및
    상기 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 후열하는 후열 공정을 포함하며,
    상기 탄소 함유 소재는, 표면이 0.2mm ~ 0.5mm의 두께로 SiC화된 것이고,
    상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말은 3nm 내지 150㎛의 평균 크기를 가지며,
    상기 코팅 공정은 5,000℃ 내지 6,000℃의 온도를 가지는 플라즈마를 발생시켜 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융, 코팅하되, 상기 용융된 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 탄소 함유 소재의 표면에 150m/s 내지 800m/s의 속도로 입사시켜, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층이 1% 이하의 기공도와 0.5㎛ 내지 50mm의 두께를 갖도록 코팅하고,
    상기 예열 공정은 플라즈마 발생기에서 500A 내지 900A의 전류와 30kW 내지 55kW의 파워를 인가하여 발생된 플라즈마를 이용하여 상기 탄소 함유 소재를 예열하며,
    상기 코팅 공정은 플라즈마 발생기에서 600A 내지 1,000A의 전류와 35kW 내지 60kW의 파워를 인가하여 발생된 플라즈마를 이용하여 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 용융, 코팅하고,
    상기 후열 공정은 플라즈마 발생기에서 450A 내지 950A의 전류와 25kW 내지 50kW의 파워를 인가하여 발생된 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 후열하는 것을 특징으로 하는 내열 소재의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅 공정은, 상기 하프늄 카바이드(HfC)층이 0.01 내지 0.95%의 기공도를 갖도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 내열 소재의 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 코팅 공정은,
    챔버와,
    상기 챔버 내에 설치되고, 상기 탄소 함유 소재를 지지하는 홀더와,
    상기 챔버 내에 설치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생기는,
    플라즈마 건;
    상기 플라즈마 건에 전원을 공급하는 전원 공급부; 및
    상기 플라즈마 건을 이동시키는 이동 유닛을 포함하며,
    상기 플라즈마 건은,
    플라즈마 토출구를 가지는 본체;
    상기 본체에 설치된 캐소드(cathode);
    상기 본체에 설치된 애노드(anode); 및
    상기 본체에 형성되고, 하프늄 카바이드(HfC) 분말이 주입되는 분말 주입구를 포함하는 코팅 장치를 이용하되,
    상기 플라즈마 건의 토출구와 탄소 함유 소재 간의 거리를 200mm 내지 500mm로 유지하고, 상기 플라즈마 발생기에 의해 발생된 플라즈마 발생 영역에 상기 하프늄 카바이드(HfC) 분말을 0.5g/min 내지 10g/min의 유량으로 주입하여 코팅하며,
    상기 후열 공정은,
    상기 코팅 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 제1차 후열하는 제1단계 후열 공정과,
    상기 제1단계 후열 공정의 플라즈마 온도보다 낮은 온도의 플라즈마를 이용하여 상기 코팅체를 제2차 후열하는 제2단계 후열 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 소재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동 유닛은,
    상기 챔버 내에 고정되는 지지 부재와,
    상기 지지 부재 상에 설치되고, 축에 의해 결합된 복수의 로봇 부재를 포함하고,
    상기 이동 유닛은 플라즈마 건을 챔버 내에서 적어도 한 방향 이상으로 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 내열 소재의 제조방법.
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