KR101854781B1 - 진공 열처리 장치 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 진공 열처리 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 위치하는 반응 용기; 및 상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고, 상기 반응 용기는 내부에 공간부를 구비하며 일면이 개구되는 용기부 및 상기 용기부를 덮는 덮개부를 포함하고, 상기 덮개부의 하면은 상기 공간부에 삽입되는 삽입 영역을 포함하며, 상기 삽입 영역의 두께는 상기 용기부의 깊이의 1/3 내지 3/5를 충족한다.

Description

진공 열처리 장치{VACUUM HEAT TREATMENT APPARATUS}

본 기재는 진공 열처리 장치에 관한 것이다.

진공 열처리 장치는 원료를 도가니 내에서 열처리하여 원하는 물질을 제조하는 장치로서, 진공 상태에서 열처리를 수행하여 주위로부터의 오염이 발생하지 않는 등의 장점이 있다. 이러한 진공 열처리 장치에서는, 진공으로 유지되는 챔버 내에 단열 부재를 위치시키고 이 단열 부재 내에 히터를 위치시켜 원료를 가열한다.

그런데, 반응 중에 도가니에 형성되어 있는 배기 구멍으로 반응 가스가 배출되지 않아 도가니 내에서 합성된 탄화규소 분말이 비산되어 수율이 저하된다.

실시예는 수율을 향상시킬 수 있는 진공 열처리 장치를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 진공 열처리 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 위치하는 반응 용기; 및 상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고, 상기 반응 용기는 내부에 공간부를 구비하며 일면이 개구되는 용기부 및 상기 용기부를 덮는 덮개부를 포함하고, 상기 덮개부의 하면은 상기 공간부에 삽입되는 삽입 영역을 포함하며, 상기 삽입 영역의 두께는 상기 용기부의 깊이의 1/3 내지 3/5를 충족한다.

상기 반응 용기의 평면 형상은 곡면으로 이루어질 수 있다.

상기 삽입 영역의 두께는 상기 용기부의 깊이의 1/2를 충족할 수 있다.

상기 삽입 영역은 상기 용기부의 측면으로부터 소정 거리만큼 이격될 수 있다.

상기 소정 거리는 상기 용기부의 직경에 대하여 1:10 내지 1:13의 비율을 가질 수 있다.

상기 소정 거리는 상기 용기부의 직경에 대하여 2:25의 비율을 가질 수 있다.

상기 삽입 영역은 하면에 홈을 가질 수 있다.

상기 홈은 상기 삽입 영역의 하면의 형상을 따라 나선을 이룰 수 있다.

상기 덮개부와 상기 용기부의 사이로 가스가 흐르도록 상기 용기부 측면의 상부에 요철이 형성될 수 있다.

상기 덮개부의 삽입 영역은 곡면을 가질 수 있다.

실시예에 따른 진공 열처리 장치에서는, 반응 용기의 형상을 최적화하여 반응 용기의 합성 분말의 비산 현상을 방지하여 합성 분말의 수율을 향상시킨다.

또한, 덮개부 하부의 홈에 의해 반응 가스가 와류를 가지며 도가니 상부에 형성되는 배기 구멍을 통해 외부로 배출되어 분말의 회수량을 높일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 반응 용기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 4는 도 2의 덮개부의 하면을 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 반응 용기를 하부에서 바라본 사시도이다.

실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 진공 열처리 장치(100)는, 챔버(10)와, 챔버(10) 내에 위치한 단열 부재(20)와, 단열 부재(20) 내에 위치한 반응 용기(30) 및 가열 부재(40)를 포함한다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

분위기 가스 공급 파이프(도시하지 않음)를 통하여 챔버(10)의 내부로 분위기 가스가 주입된다. 분위기 가스로는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.

챔버(10) 내에 위치하는 단열 부재(20)는 반응 용기(30)가 반응에 적정한 온도로 유지될 수 있도록 단열시키는 역할을 한다. 이러한 단열 부재(20)는 고온에 견딜 수 있도록 흑연을 포함할 수 있다.

단열 부재(20) 내에는 혼합 원료가 충전되고 이들의 반응에 의하여 원하는 물질이 생성되는 반응 용기(30)가 위치한다. 이러한 반응 용기(30)는 고온에 견딜 수 있도록 흑연을 포함할 수 있다. 반응 중에 생성되는 가스 등은 반응 용기(30)에 연결된 배기구(12)을 통하여 배출할 수 있다.

단열 부재(20)와 반응 용기(30) 사이에는 반응 용기(30)를 가열하는 가열 부재(40)가 위치한다. 이러한 가열 부재(40)는 다양한 방법에 의하여 반응 용기(30)에 열을 제공할 수 있다. 일례로, 가열 부재(40)는 흑연에 전압을 가하여 열을 발생시킬 수 있다.

이러한 진공 열처리 장치(100)는 일례로, 탄소원과 규소원을 포함하는 혼합 원료를 가열하여 탄화 규소를 제조하는 탄화 규소의 제조 장치로 이용될 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 진공 열처리 장치(100)의 반응 용기(30)를 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 진공 열처리 장치(100)의 반응 용기(30)의 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 반응 용기(30)는 내부 공간을 가지며, 바닥면이 곡선형, 바람직하게는 원형 또는 타원형을 가질 수 있다.

바닥면이 원형을 가지는 경우, 힘을 균일하게 분산시켜 반응 용기(30)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이에 대하여 진공 열처리 장치(100)가 탄화 규소를 제조하는 탄화 규소 제조 장치로 사용될 경우를 일례로 설명한다.

반응 용기(30) 내에 탄소원, 규소원 등이 충전되고 고온에 의한 반응에 의하여 탄화 규소가 생성된다. 이때, 반응 용기(30)가 고온을 견디기 위해 흑연으로 이루어질 수 있는데, 반응 용기(30)의 흑연과 규소원이 반응하여 반응 용기(30) 내에 탄화 규소층이 형성될 수 있다. 그러면, 흑연으로 이루어진 반응 용기(30)에 이종 물질인 탄화 규소층이 형성될 수 있다. 종래에는 탄화 규소의 열팽창 계수가 반응 용기(30)를 이루는 흑연의 열팽창 계수보다 크므로 반응 용기(30)의 중간 부분이 부풀어 오를 수 있었다. 그러나 본 실시예에서는 반응 용기(30)의 평면 형상이 곡면 형상부를 포함하도록 하여 반응 용기(30)에 가해지는 열 응력들간의 방향성을 이용하여 반응 용기(30)에 가해지는 힘을 최소화할 수 있다. 이에 의하여 반응 용기의 변형 및 파손을 방지할 수 있다.

본 실시예에서 반응 용기(30)는 내부의 공간부를 구비하며 일면이 개구되는 용기부(32)와, 이 용기부(32)를 덮는 덮개부(34)를 포함할 수 있다.

용기부(32)는 반응 원료가 충전되는 내부의 공간부를 구비한다. 그리고 용기부(32)에는 홈(322)이 형성되어 덮개부(34)와 용기부(32)의 사이로 기체가 흐르도록 할 수 있다. 이러한 홈(322)에 의하여 열처리 시 발생할 수 있는 가스들이 배출될 수 있다.

상기 홈(322)은 용기부의 측면 상부에 형성되어 있으며, 요철 형상을 가지며 형성될 수 있다.

덮개부(34)는 평편한 상면(343)으로부터 용기부(32)에 접촉하도록 외곽 영역에 형성되는 제1 부분(341)과, 용기부(32)의 공간부에 대응하도록 덮개부(34)의 하면 중앙 영역에 형성되는 제2 부분(342)를 포함할 수 있다. 이 때, 제2 부분(342)은 용기부(32)의 측면과 접하지 않고, 소정 거리(T4)를 갖도록 이격되어 있다.

이때, 상기 제2 부분(342)과 상기 용기부(32)의 직경(T3)은 1:10 내지 1:13, 바람직하게는 2:25의 비율을 가지며 형성될 수 있다.

또한, 상기 덮개부(34)의 제2 부분(342)의 두께(T2)는 상기 덮개부(34)가 용기부(32) 내에 삽입되었을 때, 상기 용기부(32)의 바닥면까지의 깊이(T1)의 1/3 내지 3/5, 바람직하게는 1/2을 충족한다.

제1 부분(341)에 인접한 제2 부분(342)은 덮개부(34)의 덮개면에 대하여 경사지게 형성된다. 이와 같이 측면(343)을 경사지게 형성함으로써, 용기부(32)와 덮개부(34)의 부딪힘에 의한 파손을 효과적으로 방지할 수 있다. 제2 부분(342)의 측면은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 일례로, 라운드진 부분을 포함할 수 있다.

이와 같이, 덮개부(34)의 제2 부분(342)의 두께(T2)를 종래보다 깊게 형성하여 반응 분말의 비산이 발생하는 공간을 줄이고, 제2 부분(342)과 용기부(32) 측면 사이의 이격거리(T4)를 줄임으로써 가스가 외부로 방출되는 길을 좁힌다.

이때, 다음과 같이 제2 부분(342)을 형성하여 가스의 방출을 유도한다.

이하에서는 도 4 및 도 5를 참고하여 제2 부분의 가스 방출 구조에 대하여 설명한다.

도 4는 도 2의 덮개부의 하면을 도시한 것이고, 도 5는 도 2의 반응 용기를 하부에서 바라본 사시도이다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 덮개부(32)의 제2 부분(342)의 하면에 홈(345)이 형성되어 있다.

상기 홈(345)은 하면의 전면에 형성되며, 하면의 형상을 따라 돌아가는 나선형을 갖는다.

상기와 같은 나선형의 홈(345)이 형성되어 있는 경우, 반응에서 발생하는 가스는 상기 나선형의 홈(345)을 따라 와류 현상을 일으키며 중앙부분에서 외곽부분으로 흐른다. 따라서 외곽부분에 형성되어 있는 이격거리(T4)를 통하여 용기부(32) 측면에 형성된 홈(322)으로 배출된다.

이하에서는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 실험이다.

< 비교예 1>

기존 직경이 500Φ이며 높이가 직경의 절반인 원통형의 흑연 도가니에 혼합된 SiO2와 카본 블랙을 칭량한다. 이를 노에 투입한 후 불활성 가스(Ar) 분위기에서 1400℃~1900℃ 합성온도로 3시간 열처리 후 총 투입량 2.5kg 에 대한 회수량은 400 g이다.

< 실험예 1>

비교예 1의 도가니에 직경 480Φ, 도가니 하단 두께 비율 1:2인 고안된 도가니 덮개에 혼합된 SiO2와 카본 블랙을 칭량한다. 이를 노에 투입 한 후 불활성 가스(Ar) 분위기에서 1400℃~1900℃ 합성온도로 3시간 열처리 후 합성된 회수율은 총 투입량 2.5kg 대비 450g이 회수되었다.

< 실험예 2>

실험예 1에 추가로 도가니 덮개와 도가니 옆면의 비 2:25인 도가니에 혼합된 SiO2와 카본 블랙을 칭량한다. 이를 노에 투입 한 후 불활성 가스(Ar) 분위기에서 1400℃~1900℃ 합성온도로 3시간 열처리 후 총 투입량 2.5kg 대비 475g이 회수되었다.

< 실험예 3>

실험예 2에 추가로 도가니 덮개 하부에 나선 모양의 홈(345)을 3T로 만들어 혼합된 SiO2와 카본 블랙을 칭량한다. 이를 노에 투입 한 후 불활성 가스(Ar) 분위기에서 1400℃~1900℃ 합성온도로 3시간 열처리 후 총 투입량 2.5kg 대비 600 g이 회수되었다.

상기 실험의 결과는 다음 표와 같다.

실험	수율	이론회수율 30% 대비 실제수율
비교예	16%	53.3%
실험예1	18%	60%
실험예2	19%	63.3%
실험예3	24%	80%

상기 표를 참고하면, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 용기부(32)와 덮개부(34) 사이의 이격거리(T4) 및 덮개부(34)의 제2 부분(342)과 용기부(32)의 깊이비를 제어하고, 제2 부분(342)에 나선형의 홈(345)을 형성할 때, 수율이 이론회수율의 80%를 충족함을 알 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 챔버;
   상기 챔버 내에 위치하는 반응 용기; 및
   상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고,
   상기 반응 용기는 내부에 공간부를 구비하며 일면이 개구되는 용기부 및 상기 용기부를 덮는 덮개부를 포함하고,
   상기 덮개부의 하면은 상기 공간부에 삽입되는 삽입 영역을 포함하며,
   상기 삽입 영역은 하면에 홈을 가지는 진공 열처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 반응 용기의 평면 형상은 곡면으로 이루어지며,
   상기 삽입 영역의 두께는 상기 용기부의 깊이의 1/3 내지 3/5를 충족하는 진공 열처리 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 덮개부의 삽입 영역은 곡면을 가지는 진공 열처리 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 홈은 상기 삽입 영역의 하면의 형상을 따라 나선을 이루고,
   상기 삽입 영역은 상기 용기부의 측면으로부터 소정 거리만큼 이격되어 있는 진공 열처리 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 소정 거리는 상기 용기부의 직경에 대하여 1:10 내지 1:13의 비율을 가지고,
   상기 덮개부와 상기 용기부의 사이로 가스가 흐르도록 상기 용기부 측면의 상부에 요철이 형성되는 진공 열처리 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 덮개부는 상기 용기부에 접촉하도록 외곽에 형성되는 제1부분과 상기 용기부의 공간부에 대응되도록 상기 덮개부의 하면 중앙에 형성되는 제2부분을 포함하고,
   상기 제1부분에 인접한 상기 제2부분은 경사진 진공 열처리 장치.
   
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