KR101657984B1 - 플라스마 소결장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
대기중 실온에서 플라스마 소결을 구현함으로써, 소결 장비를 간편하게 하고 장소의 제한 문제를 해결하도록 한 플라스마 소결장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 피 가공분말을 충진하는 실리콘 카바이드 금형; 상기 피 가공분말을 가압하기 위한 상부 및 하부 펀치; 상기 상부 및 하부 펀치를 동작시키는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 온도 측정부에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 상부 전극 및 하부 전극에 공급하는 직류 전원을 가변하는 직류전원 공급부를 포함하여 플라스마 소결장치를 구현함으로써, 대기중 실온에서 플라스마 소결이 가능하고, 진공챔버를 사용하지 않음으로써 소결 장치의 구성을 단순화함은 물론 장소 제약을 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 플라스마 소결(Plasma Sintering)에 관한 것으로, 특히 대기중 실온에서 플라스마 소결을 구현함으로써, 소결 장비를 간편하게 하고 장소의 제한 문제를 해결하도록 한 플라스마 소결장치 및 그 방법에 관한 것이다.
플라스마 공정이 일반적으로 표면 처리에 적용되지만, 최근의 기술은 플라스마를 사용하여 분말을 벌크 소결을 촉진하도록 개발되고 있다.
이러한 기술은 스파크 플라스마 소결(SPS: spark plasma sintering)로 알려져 있는데, 필드 어시스트 소결 기술(FAST: field assisted sintering technique) 또는 펄스 전류 소결(PECS: pulsed electric current sintering)로도 부른다. SPS의 주 특징은 펄스형 DC 전류를 흑연(또는 텅스텐 카바이드) 다이에 직접 관통시켜서 분말상(powder bed) 내로 투입하여 분말이 다이에 의해 압축된다는 것이다. 전류 펄스는 고저항 접촉점에서 우선적으로 가열됨으로써 분말 샘플 내에 열을 발생시킨다. 가장 주목할 만한 것은 상기 방법으로 높은 가열 속도 및 냉각 속도(최대 600 K/min)가 달성될 수 있다는 것이다. 결과적으로, 분말 샘플은 내부 가열 및 외부 분말 압축 및 외부 가열의 조합에 의해 소결될 수 있다. 이는 통상적인 열간 소결 공정과는 대조적인 것으로, 수 분 내지 수 시간이 소요된다.
이러한 통상의 방전 플라스마 소결장치는 진공챔버 내에서 소결을 한다. 방전 플라스마 소결장치를 진공챔버 내에서 구현하는 이유는 방열시 열손실을 차단하고, 흑연 금형을 사용함에 따른 산화를 방지하기 위함이다.
진공챔버 내에서 SPS를 구현한 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 특2003-0055169호(2003.07.02. 공개) 및 <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2008-0102786호(2008.11.26. 공개)에 개시된다.
<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 입자의 평균 입경이 0.3㎛ 미만인 원료 분말을 사용하여 소결하고, 소결체의 이론밀도 비가 99.0% 이상이고, 카본(C)의 총함유량이 6.20중량%를 초과하고 6.45중량%이하의 범위이며, 바인더 및 1탄화 2텅스텐을 실질적으로 함유하지 않으며 펄스 통전 가압 소결법에 의해 소결된다.
이러한 방식으로 소결을 함으로써, 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 가진 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물만으로 이루어진 소위 바인더리스의 탄화텅스턴계 초경질 재료의 소결에 사용할 수 있다.
<특허문헌 2>에 개시된 종래기술은 산화 아연계 분말을 혼합하여 분쇄하고, 건조한 후 카본시트가 장착된 소결용 몰드에 상기 분말을 충진하여 몰드 세트를 준비 후 방전 플라스마 소결장치의 챔버내에 세팅하는 단계; 챔버를 분위기 제어기구에 의해 감압한 후 압력을 가하고, 전류를 투입하여 승온시키는 방전 플라스마 소결단계, 상기 승온된 챔버를 최종소결온도 부근에서 가압 및 수 십분, 바람직하게는 5~10분 유지 후 노내에서 냉각(furnace cooling)하는 단계, 냉각된 소결체에 고착(固着)된 카본시트를 제거하는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로 소결을 함으로써, 제조방법이 간단하고, 소결시 가해지는 압력에 의해 산화아연의 휘발이 억제되며 이론밀도에 가까운 고밀도를 가질 뿐만 아니라 우수한 물성을 갖는 산화아연계 스퍼터링 타깃 제조방법을 제공한다.
그러나 상기와 같은 일반적인 방전 플라스마 소결(SPS) 장치 및 종래기술들은 열손실을 차단하고 흑연 금형의 산화를 방지하기 위해서 진공챔버를 이용하는 방식이므로, 소결 장치의 구현이 복잡하고, 진공챔버의 사용으로 인해 소결 장치의 사용 장소가 제한받는 단점이 있다. 즉, 진공챔버 내에서만 SPS장치를 구현해야하며, 대기중 상온에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 방전 플라스마 소결 장치 및 종래기술들에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 대기중 실온에서 플라스마 소결을 구현함으로써, 소결 장비를 간편하게 하고 장소의 제한 문제를 해결하도록 한 플라스마 소결장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 불연재인 실리콘 카바이드(SiC; silicon carbide) 재질의 금형(몰드)과 상부/하부 펀치만으로 방전 플라스마 소결을 구현할 수 있도록 한 플라스마 소결장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전류 단속 제어를 통해 저전압 및 저 전류에서 소결에 필요한 주울 열을 발생하도록 하여, 소결 시간을 단축하면서도 전력 절감을 구현할 수 있도록 한 플라스마 소결장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라스마 소결장치는 피 가공분말을 충진하는 실리콘 카바이드 금형; 상기 피 가공분말을 가압하기 위한 상부 및 하부 펀치; 상기 상부 및 하부 펀치를 동작시키는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 온도 측정부에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 상부 전극 및 하부 전극에 공급하는 직류 전원을 가변하는 직류전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어부는 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 미리 설정된 임계온도 미만이면 고전압을 공급하도록 전원 제어를 하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 상기 임계온도 이상이면 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어부는 상기 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 하는 경우, 전류 단속 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 것을 특징으로 한다.
상기에서 직류전원 공급부는 삼상 교류 전원을 입력받기 위한 교류 전원 입력부; 상기 삼상 교류 전원을 직류 전원으로 정류하기 위한 발진주파수를 공급해주는 발진기; 상기 제어부의 전원 공급 제어에 따라 상기 발진주파수를 이용하여 상기 입력되는 삼상 교류 전압을 직류 고전압 또는 직류 저전압으로 변환토록 제어하는 전원 제어부; 상기 전원 제어부의 제어에 따라 상기 발진 주파수를 기초로 상기 삼상 교류 전원을 전파 정류하여 소정의 직류 전압으로 만들어 상기 상부 전극 및 하부 전극에 인가하는 전파 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 전원 제어부는 상기 제어부의 전원 공급 제어와 발진 주파수를 이용하여 상기 전파 정류부의 정류 소자 구동을 제어하여 전압 레벨을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라스마 소결방법은 (a) 소결 초기에 고전압을 공급하여 실리콘 카바이드(SiC) 금형을 가열하는 단계; (b) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 측정하는 단계; (c) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 전압을 제어하기 위해 미리 설정된 임계전압 이상인지를 확인하는 단계; (d) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 미만이면 상기 고전압 공급을 유지토록 제어하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 이상이면 저전압을 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d)단계는 저전압 공급시 저전류를 공급하며, 전류 단속 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 대기중 실온에서 플라스마 소결을 구현함으로써, 소결 장비를 간편하게 하고 장소의 제한 문제도 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 불연재인 SiC(silicon carbide) 재질의 금형(몰드)과 상부/하부 펀치만으로 방전 플라스마 소결을 구현함으로써, 금형 수명을 연장하면서도 고강도의 소결체를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전류 단속 제어를 통해 저전압 및 저 전류에서 소결에 필요한 주울 열을 발생함으로써, 소결 시간을 단축하면서도 전력 절감을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스마 소결장치의 개략 구성도,
도 2는 도 1의 직류전원 공급부의 실시 예 회로도,
도 3은 실리콘 카바이드의 공급 전압과 주울 열과의 관계 그래프,
도 4는 실리콘 카바이드의 온도와 공급 전력의 관계 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라스마 소결방법을 보인 흐름도.
도 2는 도 1의 직류전원 공급부의 실시 예 회로도,
도 3은 실리콘 카바이드의 공급 전압과 주울 열과의 관계 그래프,
도 4는 실리콘 카바이드의 온도와 공급 전력의 관계 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라스마 소결방법을 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라스마 소결장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라스마 소결장치의 개략 구성도이다.
본 발명에 따른 플라스마 소결장치는 실리콘 카바이드(SiC) 금형(2), 상부 펀치(5), 하부 펀치(6), 상부 전극(3), 하부 전극(4), 가압기구(9), 온도 측정부(11), 제어부(10) 및 직류전원 공급부(8)를 포함한다.
여기서 상부 펀치(5), 하부 펀치(6), 상부 전극(3) 및 하부 전극(4), 가압 기구(9)의 구성 및 작용은 일반적인 플라스마 소결장치 및 종래기술에서 언급한 종래기술에 개시된 플라스마 소결장치의 구성 및 작용과 동일하므로, 이하 해당 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 실리콘 카바이드 금형(2)은 피 가공분말(예를 들어, Al2O3)을 충진하는 역할을 한다. 여기서 기존 금형은 흑연 금형을 사용하는 데, 흑연은 대기 중에서 사용하면 산화 작용으로 인해 그 수명이 짧기 때문에 진공 챔버를 이용하였다. 때문에 장비 구현이 복잡하고, 소결장치의 사용에 장소의 제한을 받는다. 즉, 진공챔버를 이용해야 하기 때문에 진공 챔버가 구비된 장소에서만 사용 가능하다.
이러한 기존 플라스마 소결장치의 단점을 해결하기 위해서, 본 발명에서는 실리콘 카바이드 금형(2)을 사용하여, 산화 작용에 강하면서 대기중의 실온에서 소결장치를 사용할 수 있도록 하였다. 따라서 진공챔버를 사용하지 않아도 되므로, 장소 제한 문제를 해결하게 되며, 산화 작용의 최소화로 소결장치의 수명은 연장할 수 있게 된다.
실리콘 카바이드(SiC)는 임계온도 미만에서는 저항체이고, 임계온도 이상에서는 도체로 작용하는 물성을 갖는다. 실리콘 카바이드는 강도가 좋고, 내화도가 좋아 주로 내화재(불연재)로 사용된다.
상기 온도 측정부(11)는 상기 실리콘 카바이드(SiC)의 온도를 측정하여 상기 제어부(10)에 전달하는 역할을 한다. 이러한 온도 측정부(11)는 통상의 온도 센서를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(10)는 상기 온도 측정부(11)에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 역할을 한다. 바람직하게 상기 제어부(10)는 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 미리 설정된 임계온도 미만이면 고전압을 공급하도록 전원 제어를 하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 상기 임계온도 이상이면 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 한다. 더욱 바람직하게 상기 제어부(10)는 상기 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 하는 경우, 전류 단속 제어를 수행한다. 여기서 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 직류전원 공급부(8)는 상기 제어부(10)의 제어에 따라 상기 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)에 공급하는 직류 전원을 가변하는 역할을 한다.
이러한 직류전원 공급부(8)는 도 2에 도시한 바와 같이, 삼상 교류 전원을 입력받기 위한 교류 전원 입력부(21); 상기 삼상 교류 전원을 직류 전원으로 정류하기 위한 발진 주파수를 공급해주는 발진기(OSC)(23); 상기 제어부(10)의 전원 공급 제어에 따라 상기 발진주파수를 이용하여 상기 입력되는 삼상 교류 전압을 직류 고전압 또는 직류 저전압으로 변환토록 제어하는 전원 제어부(22); 상기 전원 제어부(22)의 제어에 따라 상기 발진 주파수를 기초로 상기 삼상 교류 전원을 전파 정류하여 소정의 직류 전압으로 만들어 상기 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)에 인가하는 전파 정류부(24)를 포함한다.
여기서 전원 제어부(22)는 상기 제어부(10)의 전원 공급 제어와 발진 주파수를 이용하여 상기 전파 정류부(24)의 정류 소자(예를 들어, thyristor) 구동을 제어하여 전압 레벨을 결정한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라스마 소결장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 피 가공분말(Al2O3)(1)을 충진한 실리콘 카바이드 금형(2)을 소결 스테이지의 정해진 위치에 세팅하고, 상부 펀치(5) 및 하부 펀치(6), 그리고 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)이 세팅된 상태에서, 소결 시작 명령을 입력하면, 제어부(10)는 기 설정된 압력 제어 값을 기반으로 가압기구(9)를 제어함과 동시에 온도 측정부(11)를 통해 측정된 실리콘 카바이드 금형(2)의 온도에 따라 공급 전압을 제어한다. 여기서 가압기구(9)를 제어하여 압력을 인가하는 방식은 기존 플라스마 소결장치의 가압 방식과 동일하게 이루어지므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 온도에 따른 전원 공급 제어 방식은 다음과 같다.
먼저, 실리콘 카바이드 금형(2)의 측정 온도를 전원 공급 방식 제어를 위해 미리 설정된 임계온도와 비교하여, 상기 측정 온도가 상기 임계온도보다 낮으면 고전압 제어를 수행한다. 즉, 소결 초기에는 고전압을 인가하여, 실리콘 카바이드 금형(2)을 단시간에 가열하도록 한다. 특히, 고전압에 의해 실리콘 카바이드 금형을 가열하면 별도의 예열 장치를 구비할 필요가 없는 장점이 있다. 다음으로, 고전압을 인가하면서 측정 온도를 임계온도와 지속적으로 비교하여, 측정온도가 임계온도와 같거나 높을 경우, 저전압 제어를 수행한다.
일반적으로 실리콘 카바이드는 작은 전기전도도를 갖으며, 충분한 주울 열을 줄 수 있다면 소형 금형으로 사용할 수 있는 특성이 있다. 실리콘 카바이드는 임계온도 이상에서는 약 10V, 40A에서 100℃/분의 온도가 상승하는 주울 열을 발생한다. 여기서 주울 열은 전기가 흐름으로써 도체에 발생하는 열을 의미한다. 따라서 충분한 주울 열을 갖는 전압이 얼마인지만 알면, 소성 금형으로 사용할 수 있다.
도 3은 공급 전압과 주울 열과의 관계 그래프로서, 충분한 주울 열을 갖는 전압이 40V임을 알 수 있다.
실리콘 카바이드는 온도가 상승하면 저전압으로 하강하고, 전류는 정상적으로 흐르는 특성이 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 특정 온도(임계온도) 이상에서는 소정의 전압(예를 들어, 10V)만으로도 소결을 위한 충분한 온도를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 이러한 실리콘 카바이드의 특성을 기반으로 제어부(10)에서는 실리콘 카바이드 금형(2)의 측정 온도에 따라 전압 제어를 수행한다.
실리콘 카바이드 금형(2)의 측정 온도가 임계온도 미만에서는 고전압 제어를 하게 되며, 이러한 고전압 제어 신호에 따라 직류전원 공급부(8)의 전원 제어부(22)는 전파 정류부(24)의 정류 소자 구동을 제어하여 직류 고전압을 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)에 인가하도록 한다. 여기서 전파 정류부(24)는 삼상 교류 전압을 직류 전압으로 만들기 위해 복수의 사이리스터(thyristor)가 구비된다. 사이리스터는 pnpn 접합의 4층 구조 반도체 소자로서, 통상 SCR이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 의미하며, 실리콘 제어 정류 소자라고도 부른다. 애노드(A)가 캐소드(K)에 대하여 플러스인 경우, 게이트(G)에 적당한 전류를 흘리면 도통하고, 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않으면 오프되지 않는다.
따라서 고전압으로 제어할 경우, 전원 제어부(22)에서 각 사이리스터의 게이트의 전압을 제어할 때, 위상을 제어하여 고전압을 공급하도록 한다.
한편, 고전압으로 실리콘 카바이드 금형(2)을 가열하는 상태에서, 측정 온도가 상기 임계온도에 이르면, 제어부(10)는 전압 제어 방식을 저전압/저전류 방식으로 변환한다.
이는 실리콘 카바이드의 특성에 따라 일정온도 이상이 되면 저전압으로도 충분할 주울 열을 발생하기 때문이다. 여기서 저전압 및 저전류로 실리콘 카바이드 금형(2)에 공급되는 전원을 제어하는 경우, 전류 단속 제어를 수행한다. 본 발명에서 실리콘 카바이드 금형(2)에서 충분한 주울 열을 발생하는 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 방식을 이용한다.
전류 단속 제어를 위해서는 정류 소자인 사이리스터의 위상 제어를 필요로 한다.
이를 위해 제어부(8)에서는 위상 제어 신호를 직류전원 공급부(8)에 제공하고, 직류전원 공급부(8)의 전원 제어부(22)는 상기 위상 제어 신호에 대응하여 발진기(23)로부터 발생한 발진 주파수의 위상을 변경하여, 전류 단속을 위한 정류 소자의 위상 제어 신호를 생성한다. 발진 주파수를 이용하여 위상 제어 신호를 생성할 때 주파수 초핑(chopping) 방식을 이용할 수 있다.
이렇게 생성되는 전류 단속 제어를 위한 위상 제어 신호는 전파 정류부(24)의 각 사이리스터 게이트에 전달되어, 게이트를 제어하게 되며, 이러한 제어 방식으로 저전압/저전류 전류 단속 제어를 하게 된다. 상기 도 3과 같은 실험에서 임계온도 이상에서는 저전압(10V이하)과 저전류(40A 이하)에서 100℃/분의 주울 열을 발생하기 때문에, 저전압 및 저전류를 이용하여도 피 가공분말을 소결할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 저전압/저전류를 이용하게 되면, 기존 플라스마 소결장치에서 소결 완료시까지 항상 고전압을 사용하는 방식에 비하여, 소결 시간을 단축하면서도 전력 절감을 구현하게 되는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라스마 소결방법을 보인 흐름도로서, 은 (a) 소결 초기에 고전압을 공급하여 실리콘 카바이드(SiC) 금형을 가열하는 단계(S10); (b) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 측정하는 단계(S20); (c) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 전압을 제어하기 위해 미리 설정된 임계전압 이상인지를 확인하는 단계(S30); (d) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 미만이면 상기 고전압 공급을 유지토록 제어하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계 전압 이상이면 저전압을 공급하도록 제어하는 단계(S40); (e) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 측정하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 전압을 제어하기 위해 미리 설정된 임계전압 미만이면 상기 단계 S10으로 이동하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 이상이면 저전압을 공급하도록 제어하여 소결을 실행하는 단계(S50 ~ S80)를 포함한다.
상기에서 (d)단계는 저전압 공급시 저전류를 공급하며, 저전압 공급시 전류 단속 제어를 수행하며, 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 방식을 이용한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라스마 소결방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 피 가공분말(Al2O3)(1)을 충진한 실리콘 카바이드 금형(2)을 소결 스테이지의 정해진 위치에 세팅하고, 상부 펀치(5) 및 하부 펀치(6), 그리고 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)이 세팅된 상태에서, 소결 시작 명령을 입력하면, 제어부(10)는 기 설정된 압력 제어 값을 기반으로 가압기구(9)를 제어함과 동시에 온도 측정부(11)를 통해 측정된 실리콘 카바이드 금형(2)의 온도에 따라 공급 전압을 제어한다.
즉, 단계 S10에서 소결 초기에는 고전압을 인가하여, 실리콘 카바이드 금형(2)을 단시간에 가열하도록 한다. 특히, 고전압에 의해 실리콘 카바이드 금형을 가열하면 별도의 예열 장치를 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
다음으로, 단계 S20에서는 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하고, 단계 S30에서 고전압을 인가하면서 측정 온도를 임계온도와 비교한다. 이 비교결과 측정온도가 상기 임계온도보다 낮으면 고전압 인가를 지속적으로 수행하도록 전압 제어를 한다.
이와는 달리 상기 측정온도가 임계온도와 같거나 높을 경우, 단계 S40으로 이동하여 전압 제어 모드를 저전압 제어 모드로 변경한다.
예컨대, 실리콘 카바이드 금형(2)의 측정 온도가 임계온도 미만에서는 고전압 제어를 하게 되며, 이러한 고전압 제어 신호에 따라 직류전원 공급부(8)의 전원 제어부(22)는 전파 정류부(24)의 정류 소자 구동을 제어하여 직류 고전압을 상부 전극(3) 및 하부 전극(4)에 인가하도록 한다. 여기서 전파 정류부(24)는 삼상 교류 전압을 직류 전압으로 만들기 위해 복수의 사이리스터(thyristor)가 구비된다. 사이리스터는 pnpn 접합의 4층 구조 반도체 소자로서, 통상 SCR이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 의미하며, 실리콘 제어 정류 소자라고도 부른다. 애노드(A)가 캐소드(K)에 대하여 플러스인 경우, 게이트(G)에 적당한 전류를 흘리면 도통하고, 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않으면 오프되지 않는다.
따라서 고전압으로 제어할 경우, 전원 제어부(22)에서 각 사이리스터의 게이트의 전압을 제어할 때, 위상을 제어하여 고전압을 공급하도록 한다.
한편, 고전압으로 실리콘 카바이드 금형(2)을 가열하는 상태에서, 측정 온도가 상기 임계온도에 이르면, 제어부(10)는 전압 제어 방식을 저전압/저전류 방식으로 변환한다.
이는 실리콘 카바이드의 특성에 따라 일정온도 이상이 되면 저전압으로도 충분할 주울 열을 발생하기 때문이다. 여기서 저전압 및 저전류로 실리콘 카바이드 금형(2)에 공급되는 전원을 제어하는 경우, 전류 단속 제어를 수행한다. 본 발명에서 실리콘 카바이드 금형(2)에서 충분한 주울 열을 발생하는 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 방식을 이용한다.
전류 단속 제어를 위해서는 정류 소자인 사이리스터의 위상 제어를 필요로 한다.
이를 위해 제어부(8)에서는 위상 제어 신호를 직류전원 공급부(8)에 제공하고, 직류전원 공급부(8)의 전원 제어부(22)는 상기 위상 제어 신호에 대응하여 발진기(23)로부터 발생한 발진 주파수의 위상을 변경하여, 전류 단속을 위한 정류 소자의 위상 제어 신호를 생성한다. 발진 주파수를 이용하여 위상 제어 신호를 생성할 때 주파수 초핑(chopping) 방식을 이용할 수 있다.
이렇게 생성되는 전류 단속 제어를 위한 위상 제어 신호는 전파 정류부(24)의 각 사이리스터 게이트에 전달되어, 게이트를 제어하게 되며, 이러한 제어 방식으로 저전압/저전류 전류 단속 제어를 하게 된다. 상기 도 3과 같은 실험에서 임계온도 이상에서는 저전압(10V이하)과 저전류(40A 이하)에서 100℃/분의 주울 열을 발생하기 때문에, 저전압 및 저전류를 이용하여도 피 가공분말을 소결할 수 있게 되는 것이다.
실리콘 카바이드 금형을 저전압/저전류로 제어한 상태에서, 단계 S50에서와 같이 실리콘 카바이드 금형의 온도를 지속적으로 측정하고, 그 측정한 측정 온도와 상기 임계온도를 비교하여(S60), 실리콘 카바이드 금형 온도가 임계온도보다 낮아지면 고전압을, 임계온도 이상이면 저전압/저전류를 공급하도록 제어한다. 이렇게 전압 제어를 수행하면서 소결을 진행하는 도중에 소결 종료가 되면(S70), 소결을 위한 전원 공급을 차단하고(S80), 소결을 종료한다.
여기서 실제 실리콘 카바이드 금형은 어느 정도 온도(임계온도)로 상승하면, 저전압을 인가하여도 해당 온도를 유지할 수 있다. 따라서 단계 S50 내지 S60 과정은 필요가 없을 수 있으나, 소프트웨어적인 측면에서 정밀한 제어를 위해서 부가한 것이다.
상기와 같이 저전압/저전류를 이용하게 되면, 기존 플라스마 소결장치에서 소결 완료시까지 항상 고전압을 사용하는 방식에 비하여, 소결 시간을 단축하면서도 전력 절감을 구현하게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 방전 플라스마 소결장치에서 대기중 실온에서 피 가공분말을 소결하는 기술에 적용된다.
1: 피 가공분말
2: 실리콘 카바이드(SiC) 금형
3: 상부 전극
4: 하부 전극
5: 상부 펀치
6: 하부 펀치
8: 직류전원 공급부
9: 가압기구
10: 제어부
11: 온도 측정부
2: 실리콘 카바이드(SiC) 금형
3: 상부 전극
4: 하부 전극
5: 상부 펀치
6: 하부 펀치
8: 직류전원 공급부
9: 가압기구
10: 제어부
11: 온도 측정부
Claims (9)
- 진공챔버를 구비하지 않고, 대기중에서 소결하는 소결장치에 있어서,
피 가공분말을 충진하는 실리콘 카바이드(SiC) 금형;
상기 피 가공분말을 가압하기 위한 상부 및 하부 펀치;
상기 상부 및 하부 펀치를 동작시키는 상부 전극 및 하부 전극;
상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하는 온도 측정부;
상기 온도 측정부에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 제어부; 및
상기 제어부의 제어에 따라 상기 상부 전극 및 하부 전극에 공급하는 직류전원을 가변하는 직류전원 공급부;를 포함하고,
상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 소재는 실리콘 카바이드(SiC)만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 미리 설정된 임계온도 미만이면 고전압을 공급하도록 전원 제어를 하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도가 상기 임계온도 이상이면 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 상기 저전압 및 저전류를 공급하도록 전원 제어를 하는 경우, 전류 단속 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 직류전원 공급부는 삼상 교류 전원을 입력받기 위한 교류 전원 입력부; 상기 삼상 교류 전원을 직류 전원으로 정류하기 위한 발진주파수를 공급해주는 발진기; 상기 제어부의 전원 공급 제어에 따라 상기 발진주파수를 이용하여 상기 입력되는 삼상 교류 전압을 직류 고전압 또는 직류 저전압으로 변환토록 제어하는 전원 제어부; 상기 전원 제어부의 제어에 따라 상기 발진 주파수를 기초로 상기 삼상 교류 전원을 전파 정류하여 소정의 직류 전압으로 만들어 상기 상부 전극 및 하부 전극에 인가하는 전파 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 전원 제어부는 상기 제어부의 전원 공급 제어와 발진 주파수를 이용하여 상기 전파 정류부의 정류 소자 구동을 제어하여 전압 레벨을 결정하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치.
- 진공챔버를 구비하지 않고, 대기중에서 소결하며, 금형의 소재는 실리콘 카바이드(SiC)만으로 이루어지는 소결장치의 제어방법에 있어서,
(a) 소결 초기에 고전압을 공급하여 실리콘 카바이드(SiC) 금형을 가열하는 단계;
(b) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 측정하는 단계;
(c) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 전압을 제어하기 위해 미리 설정된 임계전압 이상인지를 확인하는 단계; 및
(d) 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 미만이면 상기 고전압 공급을 유지토록 제어하고, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도가 상기 임계전압 이상이면 저전압을 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 (d)단계는 저전압 공급시 저전류를 공급하며, 전류 단속 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결방법.
- 청구항 8에 있어서, 상기 전류 단속 제어는 1/12초 동안 통전하고, 1/36 ~ 1/48초 동안 단전시키는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결방법.
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