KR101771611B1 - 단결정 금속 극세선 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 금속 극세선 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육성한 단결정 금속을 원형 또는 사각 단면으로 형태 가공한 후 신선기로 인발시켜 장선의 단결정 극세선을 연속적으로 제조함에 따라, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 전기저항을 저하시켜 품질도 향상시킬 수 있는 단결정 금속 극세선 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 초크랄스키 또는 브리지만 방법으로 단결정 금속 잉곳을 육성하는 제1단계; 상기 단결정 금속 잉곳을 일정 형태의 단결정 금속으로 형태 가공하는 제2단계; 및 상기 단결정 금속을 인발 가공하여 단결정 금속 극세선의 제조를 완료하는 제3단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 금속 극세선 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

단결정 금속 극세선 제조방법{Manufacturing method for single crystal metallic fine wire}
본 발명은 단결정 금속 극세선 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육성한 단결정 금속을 원형 또는 사각 단면으로 형태 가공한 후 신선기로 인발시켜 장선의 단결정 극세선을 연속적으로 제조함에 따라, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 전기저항을 저하시켜 품질도 향상시킬 수 있는 단결정 금속 극세선 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 고체 안에 존재하는 원자들의 불규칙적 배열 또는 부분적인 규칙적 배열에 의해 형성되는 도메인의 경계를 구분으로 결점이라는 것이 존재하게 된다. 이러한 결점을 최소화기 위하여 선재를 제조하기 위한 인발 과정에 온도를 가하거나 압력을 가하는 등의 다양한 방법을 사용하고 있다.
최근에는 금속 선재에서 발생할 수 있는 상기한 결함을 최소화기 위하여 아래에 제시된 특허문헌 1과 같이 단결정 금속을 이용하여 단결정 금속 와이어를 제조하는 기술이 본 출원인에 의해 출원되어 특허 등록되었다.
즉, 특허문헌 1은 도 1에 도시된 바와 같이 결정구조를 가진 종자결정을 이용하여 성장도가니에서 육성한 단결정 금속을 와이어 커팅기로 원판 형상으로 가공한 다음 다시 와이어 커팅기로 선재 형태로 가공하여 단결정 금속 와이어를 제조하는 방법이다.
그러나 특허문헌 1은 도 1에 도시된 바와 같이 원판의 단결정 금속을 와이어 커팅기를 통해 나선형의 선재 형태로 가공한 후에는 상기 선재를 곧게 펴고 표면 연마하는 공정이 추가로 실시되어야 단결정 금속 와이어의 제조를 완료할 수 있다.
따라서 단결정 금속 와이어를 제조함에 있어 특허문헌 1의 제조방법을 사용할 경우, 제조 공정이 다소 복잡하고 시간 소비도 많아 단위시간당 생산량에 한계가 있으므로 제조 효율이 떨어지고 제품 단가가 높아지는 문제점이 있다.
국내 특허등록공보 제10-0749833호, 2007.08.09.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 제조 효율을 높여 단결정 금속 극세선의 제품 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 품질을 향상시켜 단결정 금속 극세선의 활용성을 높일 수 있도록 일정 형태로 형태 가공한 단결정 금속을 신선기를 이용하여 연속적으로 인발하여 기설정된 직경을 가지는 단결정 금속 극세선을 제조하는 단결정 금속 극세선 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단결정 금속 극세선 제조방법은, 초크랄스키 또는 브리지만 방법으로 단결정 금속 잉곳을 육성하는 제1단계; 상기 단결정 금속 잉곳을 일정 형태의 단결정 금속으로 형태 가공하는 제2단계; 및 상기 단결정 금속을 인발 가공하여 단결정 금속 극세선의 제조를 완료하는 제3단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서는, 상기 단결정 금속을 사각 기둥 형태, 원기둥 형태, 선재 형태 중 하나의 형태로 형태 가공하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서는, 밀링 가공, 프레스 가공, 와이어컷 가공, 워터젯 방전 가공, 3차원 방전 가공 중 하나의 방법으로 형태 가공하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계와 상기 제3단계의 사이에는, 상기 형태 가공한 단결정 금속의 표면을 광택 연마하는 제2'단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계는, 상기 단결정 금속을 15~25%의 단면 감소율을 유지하면서 적어도 한 번 이상 연속적으로 반복하여 인발 가공하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속은, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 중의 하나인 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은, 단결정 금속 극세선을 간단한 제조방법으로 제조 가능함에 따라 제조 효율을 향상시키고 제조 단가를 낮출 뿐만 아니라 상기 제조방법에 의해 제조되는 단결정 금속 극세선은 단결정 금속 잉곳에 비하여 상대적으로 전기저항값도 감소함에 따라 품질도 향상시킴으로써 단결정 금속 극세선에 대한 수요를 더욱 확대시킬 수 있는 효과가 기대된다.
도 1은 종래의 단결정 금속 와이어 제조방법을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법에 따라 제조한 단결정 구리 극세선과 인발 가공 이전의 단결정 구리의 전기저항값을 비교 도시한 표.
도 4는 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법에 따라 제조한 단결정 구리 극세선과 인발 가공 이전의 단결정 구리의 전기저항값을 비교 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법에 따라 제조한 단결정 구리 극세선과 인발 가공 이전의 단결정 구리에 대한 나노스케일 상에서의 결정성을 비교 도시한 TEM 사진.
이하 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법을 도시한 블록도이다.
본 발명의 단결정 금속 극세선 제조방법은, 일반적인 금속 와이어에서 발생하는 구조적 결합을 해소하기 위하여 단결정으로 육성한 금속을 가공하여 단결정 금속 극세선을 제조하는 방법으로, 이는 제조 공정을 상대적으로 간소화시킴으로써 제조 비용을 낮추고 제조 효율을 높일 뿐만 아니라 품질을 향상시킨 것이 특징이다.
이러한 특징은, 도 2에 도시된 바와 같이, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 등 중의 하나를 육성한 단결정 금속 잉곳을 일정 형태로 가공한 후 인발하여 일정 직경을 가지는 단결정 금속 극세선을 제조하는 제조방법에 의해 달성된다.
즉, 종자결정을 이용하여 금속 덩어리를 용융시켜 단결정 금속 잉곳을 육성하는 제1단계, 상기 단결정 금속 잉곳을 가공수단을 이용하여 일정 형태를 가지는 단결정 금속으로 형태 가공하는 제2단계, 및 상기 단결정 금속을 신선기를 이용하여 인발 가공하여 기설정된 직경을 가지는 단결정 금속 극세선의 제조를 완료하는 제3단계를 통해 가능하게 된다.
상기 제1단계에서는 초크랄스키 방법 또는 브리지만 방법을 이용하여 단결정 금속 잉곳을 육성하는 것이 바람직하다.
이때 금속 덩어리를 용융시킬 때 사용되는 성장도가니로는 흑연도가니로 구성되는 단일 구조의 성장도가니를 사용할 수도 있고, 내부도가니가 BN도가니, 알루미나도가니, 석영도가니 중의 하나로 구성되고 외부도가니는 흑연도가니로 구성되는 이중 구조의 성장도가니를 사용할 수도 있다.
그리고 유도코일이나 탄소히터를 이용하여 성장도가니를 가열하여 육성시키되, 금속 덩어리의 녹는점보다 상대적으로 높은 온도로 성장도가니를 가열하여 육성시킨다.
상기 제2단계에서는 단결정 금속 잉곳을 사각 기둥 형태 또는 원기둥 형태 또는 선재 형태 등으로 가공할 수 있다.
즉, 밀링 가공, 프레스 가공, 와이어컷 가공, 워터젯 방전 가공, 3차원 방전 가공 중 하나의 가공 방법을 사용하여 사각 기둥 형태, 원기둥 형태, 선재 형태 등으로 가공한다.
단, 사각 기둥 형태나 원기둥 형태로 가공한 경우에는 선재 형태로 가공한 경우보다 인발 가공시 상대적으로 더 긴 길이를 가지는 단결정 금속 극세선의 제조가 가능하다.
이와 달리 선재 형태로 가공한 경우에는 사각 기둥 형태나 원기둥 형태로 가공한 경우보다 인발 가공시 제조되는 단결정 금속 극세선의 길이가 상대적으로 짧으므로 두 단결정 금속 극세선의 단부를 동시에 가압하여 서로 접합시키는 단계가 더 포함된다.
상기 제3단계는 단결정 금속 극세선의 직경이 원하는 직경과 대응될 때까지 15~25%의 단면 감소율을 유지하면서 적어도 한 번 이상 연속적으로 인발 가공을 반복할 수 있다.
즉, 단결정 금속 극세선의 단면 감소율을 상기와 같이 유지하면서 복수 개의 신선기를 다단으로 연결 설치한 연속 신선기를 사용하여 연속적으로 인발 가공하거나 일반 신선기를 사용하여 복수 번 반복적으로 인발 가공하면 된다.
이때 상기 단면 감소율보다 크면 압력에 의한 스트레스로 인하여 전기저항값이 증가하면서 원하는 전기적 특성 효과를 얻을 수 없고, 상기 단면 감소율보다 작으면서 인발 가공의 횟수가 증가하면서 작업 속도가 너무 느려 제조효율이 떨어지므로, 상기 단면 감소율을 유지하면서 인발 가공하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2단계와 제3단계의 사이에는, 도 2에 도시된 바와 같이 단결정 금속의 표면을 광택 연마하는 제2'단계를 더 추가할 수 있는데, 이는 단결정 금속이 공기와 접촉되면서 그 표면에서 발생하는 산화 현상을 최소화하기 위한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 금속 극세선 제조방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 구리 덩어리를 이중 구조의 성장도가니의 내부에 투입하여 유도가열 방식으로 가열하여 용융시키면서 초크랄스키 방법을 이용하여 성장도가니의 내부에서 서서히 인상되는 종자결정의 하부에 접촉시켜 단결정 구리 잉곳을 육성시켰다.
이때 구리는 탄소와 급격하게 화학 결합하지 않으므로 발열체로서 작용하는 흑연도가니를 내부도가니로 구성한 이중 구조의 성장도가니를 사용하였다. 그리고 종자결정은 단일방향(111)의 막대 모양으로 제조한 것을 사용하였다.
한편, 성장도가니의 가열온도는 구리의 녹는점보다 30℃ 정도 높은 온도인 1000~1100℃로 설정하여 용융 상태의 구리 온도를 0.1~1℃/min에서 조절하면서 구리 덩어리를 완전히 용융시켜 육성시켰다.
다음으로, 육성된 단결정 구리 잉곳을 신선기를 통한 인발 가공이 용이한 형태를 가지는 단결정 구리로 형태 가공하였다.
즉, 다양한 종류의 가공 수단 중의 하나인 밀링머신을 사용하여 길이가 100㎜이상의 원기둥 형태를 가지는 단결정 구리로 형태 가공하였다.
다음으로, 원기둥 형태로 가공된 단결정 구리의 표면 산화를 최소화하기 위하여 단결정 구리의 표면을 광택 연마하였다.
마지막으로, 표면이 광택 연마된 단결정 구리를 연속 신선기에 투입하여 6m/sec의 속도로 인발 가공함으로써 180㎛ 직경의 단결정 구리 극세선의 제조를 완료하였다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 극세선 제조방법에 따라 제조한 단결정 구리 극세선의 특성을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 단결정 구리 극세선과 인발 가공 이전의 단결정 구리의 전기저항값을 비교 도시한 표이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 단결정 구리 극세선과 인발 가공 이전의 단결정 구리의 전기저항값을 비교 도시한 그래프이다.
도 3과 도 4에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 구리 극세선은 인발로 인한 스트레스에 불구하고 인발 가공 이전의 단결정 구리보다 전기저항값이 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 단결정 구리 극세선(b)과 인발 가공 이전의 단결정 구리(a)를 나노스케일 상에서의 결정성을 비교 도시한 TEM 사진이다.
도 5에 따르면, 본 발명에 의해 제조된 단결정 구리 극세선은 인발로 인한 스트레스에 불구하고 인발 가공 이전의 단결정 구리와 같은 결정성을 보유하는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에 따른 단결정 금속 극세선 제조방법은, 제조 공정을 간화소시켜 전기전도성이 우수한 무결점의 단결정 금속 극세선을 대량 생산할 수 있도록 함으로써 단결정 금속 극세선의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 단결정 금속 극세선의 수요를 확대시킬 수 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

Claims (6)

  1. 초크랄스키 또는 브리지만 방법으로 단결정 금속 잉곳을 육성하는 제1단계;
    상기 단결정 금속 잉곳을 일정 형태의 단결정 금속으로 형태 가공하는 제2단계; 및
    상기 단결정 금속을 인발 가공하여 단결정 금속 극세선의 제조를 완료하는 제3단계;를 포함하여 구성되되,
    상기 제3단계는 복수 개의 신선기를 다단으로 연결 설치한 연속 신선기를 사용하거나 일반 신선기를 단독 사용하여 전기저항값의 증가가 최소화되도록 상기 단결정 금속을 15~25%의 단면 감소율을 유지하면서 적어도 한 번 이상 연속적으로 반복하여 인발 가공하며,
    상기 제2단계와 상기 제3단계의 사이에는 상기 형태 가공한 단결정 금속의 표면을 광택 연마하여 공기와의 접촉으로 인한 상기 표면의 산화 현상을 최소화하는 제2'단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 금속 극세선 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서는,
    상기 단결정 금속을 사각 기둥 형태, 원기둥 형태, 선재 형태 중 하나의 형태로 형태 가공하는 것을 특징으로 하는 단결정 금속 극세선 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서는,
    밀링 가공, 프레스 가공, 와이어컷 가공, 워터젯 방전 가공, 3차원 방전 가공 중 하나의 방법으로 형태 가공하는 것을 특징으로 하는 단결정 금속 극세선 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속은,
    구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 중의 하나인 것을 특징으로 하는 단결정 금속 극세선 제조방법.
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