KR101657208B1 - 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법에 관한 것으로, 반응로를 관통하여 위치하는 흑연 지그를 냉각로에 연결하고, 상기 흑연 지그가 상기 냉각로로부터 전달받은 냉기를 상기 흑연 지그 상부에 위치하는 흑연기판으로 전달하여 상기 흑연기판이 냉각되는 단계, 분말 상태의 Si을 상기 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 냉각된 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열활성 반응을 통해 SiC 코팅층을 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 발열활성 반응에 의해 흑연 기판 상부에 SiC 코팅층이 두껍게 형성되므로, 흑연기판의 표면 특성의 개질 효율이 좋다.

Description

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

본 발명은 흑연 기판의 표면 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 SiC의 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 코팅층의 두께를 두껍게 형성하여 흑연 기판의 표면 특성을 효과적으로 개질하기 위한 것이다.

또한, 구성요소의 재질을 비산화물계 세라믹 물질로 형성하여 실리콘의 반응 효율을 극대화하기 위한 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법은 반응로를 관통하여 위치하는 흑연 지그를 냉각로에 연결하고, 상기 흑연 지그가 상기 냉각로로부터 전달받은 냉기를 상기 흑연 지그 상부에 위치하는 흑연기판으로 전달하여 상기 흑연기판이 냉각되는 단계, 분말 상태의 Si을 상기 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 냉각된 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열활성 반응을 통해 SiC 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 반응로 및 흑연 지그는 비산화물계 세라믹 물질로 이루어진 것이 좋다.

상기 분말 상태의 Si는 다공성 구조를 갖는 허니컴 담체에 담아서 상기 반응로에 주입되는 것이 좋다.

이러한 특징에 따르면, 흑연 지그가 냉각로를 관통하도록 냉각로에 연결되어 위치하고, 흑연 지그와 반응로는 비산화물계 세라믹 물질로 형성되며, 진공으로 형성되어 있고 설정온도를 유지하는 반응로에 주입된 Si 분말이 흑연 기판에 흡착되어 액체 상태로 빠르게 변하영 액체 상태의 Si와 고체 상태의 C의 발열활성 반응에 의해 흑연 기판 상부에 SiC 코팅층이 두껍게 형성된다. 이로 인해, 흑연기판의 표면 특성의 개질 효율이 좋고, 흑연 지그 및 반응로가 비산화물계 세라믹 물질로 형성되어 반응로에 주입된 실리콘의 반응 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 수행하기 위한 구조 중에서 반응로와 흑연 지그의 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 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(탄화규소) 코팅층(11)을 구비한다.

이때, 도 2를 참고로 하여 SiC 코팅층(11)을 형성하기 위한 구조의 진공로(100)를 설명하면, 진공로(100)는 냉각로(60) 내부에 위치하는 반응로(40), 반응로(40) 내부에 위치하는 흑연 지그(20), 흑연 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, 반응로(40)는 1500℃ 내지 2000℃ 온도로 설정된다.

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

도 3을 참고로 하여 반응로(40)와 흑연 지그(20)의 구조를 좀더 자세하게 설명하면, 반응로(40)는 육면체 형상으로 형성되어 있고, 흑연 지그(20)는 반응로(40)를 관통하여 위치한다.

반응로(40)가 밀폐된 육면체 형상으로 형성됨으로 인해, 반응로(40) 내부에서 SiC 코팅층(11)의 형성 효율이 증가한다.

예로써, 밀폐된 구조를 갖는 반응로(40) 내부에 존재하는 기체 상태의 실리콘은 제한된 공간에서 이동하게 되므로, 밀폐되지 않은 공간에서 실리콘이 이동할 때에 대비했을 때, 흑연기판(10)의 상부에 코팅되는 시간이 단축된다는 효과가 있다.

또한, 반응로(40)가 밀폐 구조로 형성됨으로 인해 진공 정도가 높아지게 된다.

흑연 지그(20)는 흑연기판(10)을 상부에 위치시키기 위한 지그(jig)로서, 우수한 열전도성을 확보하기 위해 밀도가 높은 흑연 소재를 포함하여 형성된다.

흑연 지그(20)가 열전도성이 좋은 물질로 이루어짐으로 인해, 흑연 지그(20)는 냉각로(60) 내부를 따라 이동하는 냉각수(61)로부터 냉기를 전달받고, 이때, 흑연 지그(20) 상부에 위치하는 흑연기판(10)은 흑연 지그(20)로부터 냉기를 전달받는다.

그리고 이때, 흑연 지그(20)와 반응로(40)는 비산화계 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 예로써, 비산화계 세라믹 물질로는 AlN, BN, B₄C, SiC 또는 Si₃N₄중 적어도 하나일 수 있다.

흑연 지그(20)가 비산화계 세라믹 물질로 형성됨으로 인해, 흑연기판(10)에 흑연 지그(20)에 의한 자국이 생기는 것을 방지할 수 있고, 흑연기판(10) 표면에서 Si와 C의 반응을 극대화할 수 있다.

그리고, 흑연기판(10) 상부에 위치하는 허니컴 담체(50)는 각각 실리콘 분말을 구비하고 있고, 실리콘 분말을 담기 위한 구조를 가지며, 허니컴 담체(50)의 표면은 복수개의 구멍을 갖는 다공성(porous) 구조를 갖는다.

허니컴 담체(50)의 표면이 다공성 구조를 가짐으로써, 반응로(40)의 내부 온도변화에 따라 허니컴 담체(50) 내부에 위치하던 분말 상태의 Si가 기체 상태가 되었을 때, 기체 상태의 Si가 허니컴 담체(50) 표면에 형성된 구멍을 통해 허니컴 담체(50) 외부로 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 담기는 실리콘 분말의 크기는 0.1~50mm이고, 바람직하게는 1~5mm인 것이 좋다.

도 2를 참고로 하여 설명한 진공로(100)에서 흑연기판(10) 상부에 SiC 코팅층(11)이 형성되는 과정을 도 4를 참고로 하여 설명한다.

먼저, 흑연 지그(20)를 냉각로(60)에 연결한다(S10). 이로 인해, 냉각로(60) 내부를 흐르는 냉각수(61)의 냉기를 흑연 지그(20)가 전달받고, 열전도성이 좋은 흑연 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 흑연 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 발열활성 반응을 일으켜 흑연기판(10) 내층 상부에 SiC 코팅층(11)이 형성된다.

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

이러한 과정으로 흑연기판(10) 상부에 형성된 SiC 코팅층(11)은 내산화성이 요구되는 제품인 유리용 프레스 지그, 웨이퍼 포트, 고온에서 작동하는 웨이퍼 척 또는 연료전지용 격막에 사용될 수 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 코팅층
20 : 흑연 지그 40 : 반응로
50 : 허니콤 담체 60 : 냉각로

Claims (3)

1. 냉각로로부터 전달받은 냉기를 흑연기판으로 전달하기 위하여 밀폐된 육면체 형상의 반응로를 관통하여 흑연 지그를 상기 냉각로에 연결하는 단계;
   상기 반응로 내부의 다공성 구조를 갖는 허니컴 담체에 분말 상태의 Si을 담는 단계;
   상기 반응로를 진공으로 형성하고 상기 반응로의 온도를 설정된 온도로 유지하여, 상기 분말 상태의 Si가 기체 상태의 Si로 변하는 단계; 및
   상기 기체 상태의 Si가 냉각된 흑연기판의 표면에 닿아 액체 상태의 Si로 변하여 냉각된 흑연기판에 흡착된 고체 상태의 C와 발열활성 반응을 통해 SiC 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법.
2. 제1항에서,
   상기 반응로 및 흑연 지그는 비산화물계 세라믹 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑연 기판의 표면 특성 개질 방법.
3. 삭제

Images