KR101926402B1

KR101926402B1 - 삽입되는 도가니의 강도를 보강하는 구조를 가지며 열변형에 대응 가능한 도가니 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101926402B1
Application number: KR1020170071926A
Authority: KR
Inventors: 박종호
Original assignee: (주)중앙진공
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2019-03-07

Abstract

본 발명은 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그를 도가니는, 진공 챔버 내에 히터 구조체를 포함하고, 상기 히터 구조체 내에 도가니를 포함하며, 상기 챔버는 둥근 원통형 형태로 진공 상태를 유지할 수 있는 밀폐형으로 형성되며, 히터 단열부재는 반복적인 가열과 냉각에 열적 변형을 일으키지 않는 재질의 재료로서 구성되며, 상기 히터구조체 내부에는, 히터를 포함하되, 상기 히터로는, 전압 인가에 의하여 열을 발생시킬 수 있는 소재인 흑연을 사용할 수 있으며, 상기 도가니의 상단 개구부의 형태는, 원주의 가장 자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리되며, 상단 개구부의 하부는 평평한 곡면의 원통으로 Z축 방향으로 요철이 없는 매끈한 원주면을 갖는 형상이며, 상기 상단 개구부의 상부를 이루는, 나팔 형태의 상단 개구부의 하측에는 열을 흡수할 수 있는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 중의 어느 하나로 구성되어 열전도성과 연성이 좋은 재질의 금속이 상기 상단 개구부에 밀착되어 있으며, 상기 나팔부의 하면을 구성하는 원통형 부재의 라운딩면에는 상기 나팔부에 밀착되어 있는 상기 금속의 일측이 찢어진 형태로 형성되어 변형이 용이하면서도, 상기 도가니의 열적 변형을 유도할 수 있는 열을 흡수하여 열응력을 상쇄시킬 수 있는 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니를 제공할 수 있다.

Description

삽입되는 도가니의 강도를 보강하는 구조를 가지며 열변형에 대응 가능한 도가니 및 그 제조방법{CRUCIBLE HAVING STRENTHENING INSERTED CRUCIBLE STRUCTURE AND HAVING A TRANSFORMABLE SHAPE AND MENUFACTURING METHOD OF THE SAME }

본 발명은, 삽입된 내측 도가니의 열변형에 대응가능하게 도가니의 라운딩면 보다 작은 곡률반경을 가지며, 일 측면이 개방된 금속지그로 열에 의한 팽창 및 수축시 상호 간섭을 줄이는 구조와 세라믹 도가니의 지지점을 변경시켜 도가니 파손이 잘 일어 나는 라운딩면이 받는 무게를 분산시켜서 파손을 줄이는 것이 가능한 도가니 및 그 제조방법에 관한 것이다.

즉 세라믹 재질 도가니의 상부에 고온 내역성과 강도가 우수한 금속재료를 끼워 넣어 증발셀에 도가니 장착시 파손을 방지 하며 고온 가열시 열변형에 대응 가능 하게 한 금속 지그를 끼운 도가니에 관한 것이다.

본 발명은 삽입되는 도가니의 강도를 보강하는 구조를 가지며 가열 냉각 시 열변형에 대응 가능한 도가니 및 그 제조 방법으로 일측면이 개방된 금속 지그를 포함하는 도가니에 관한 것이다.

도가니는 원하는 물질을 담은 도가니 내에서 고온의 복사열로 용해하는 기능을 가지는 용기이다.

도 1은 외부와의 오염원이 차단된 진공이 유지되는 챔버(600) 내에 단열부재(501)를 위치시키고, 이 단열부재(501) 내에 히터(502)을 위치시켜 그 중앙부에 종래의 원통형 도가니(300)가 위치되어 있는 구조를 나타내는 대략적인 단면도이고, 도 2는 종래 원형 도가니(300)의 세로축 방향 단면도이고, 도 3은 종래 원통형 도가니(300)의 측면 부풀림현상으로 히터 구조물에 접촉된 형상을 나타내는 단면도이고, 도 4는 종래의 원통형 도가니 내면에 용융물질의 응축과 열응력 현상을 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 1 내지 도 4를 이용하여 종래 도가니에 대해 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 외부와의 오염원이 차단되고, 진공으로 유지되는 챔버(600) 내에 히터구조물(500)의 단열부재(501)가 위치하고, 단열부재(501) 내에 히터(502)를 위치시키고, 그 중앙부에 종래의 원통형 도가니(300)가 위치된다. 히터(502)에 의해 발생된 복사열로 도가니(300)를 가열시켜 도가니(300) 내의 물질을 용해시키며, 복사열의 온도는 물질의 녹는점(melting point)에 따라 각각 다르게 설정될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 도가니(300)는 평평한 곡면이 원통형으로 이루어진 도가니(300)로서, 열 응력에 의한 변형을 해결하기 위해 다소 두꺼운 원통(301a)의 구조로 외부 면(301b)과 내부면(301c) 그리고 바닥면(301d)은 요철이 없는 매끈한 면으로 되어 있다. 상기와 같은 형상의 도가니는 도 3에 도시된 바와 같이 용해과정에서 용융물질의 자중무게와 잔존물의 젖음성으로 인한 부분 열변형 등으로 손상된 도가니의 측면 부위가 외부로 부풀어 오르는 외형이 변형된 형태(305)로 변화되게 된다.

도 3에서처럼 히터 구조물(500)에서 발생한 고온의 복사열(304)이 도가니(500) 내의 용융물질(303)을 용해시키는 과정에서 물질의 녹는점(melting point)이 도가니의 녹는점(melting point)에 근접하고 용해시간이 길어지면 도가니의 외벽은 용해된 용융물질의 자중 무게에 의해 세로축(z축) 직각의 방사 방향으로 측면이 부풀어 외형이 변형되며, 변형된 도가니는 인접한 히터구조물(306)에 접촉하여 물리적 충격으로 도가니가 손상된다. 그리고 물질이 용해되면서 도가니의 매끈한 내부 면(301c)으로 흘러내린 용융물질은 표면장력에 의해 흘러내리지 못하고 내부 면에 잔존하여 서로 뭉쳐 있는 젖음성현상이 발생하고 도가니 내부면에 응축 고착된다.

도 4에서는 도 4의 (a)에서처럼 도가니 내부에 담겨지는 물질(303)이 용해되면서 도가니 원통(301a)의 요철이 없는 매끈한 내부면(301c)을 타고 흘러내리며, 이때 흘러내리지 못한 용융물질(402)은 젖음성 현상으로 내부 면에 응축 고착된다. 도 4의 (b)에서처럼 응축 고착된 잔존물(401)은 도가니의 내부면(301c)에 열팽창 계수 차이에 의한 팽창(403a)과 수축(403b) 현상으로 열 응력이 발생한다. 이로 인해 도가니의 원통 측면이 변형되며, 도가니의 변형을 해결하기 위해 도가니의 원통(301a)을 두껍게 하여 열응력을 키웠다. 두꺼워진 도가니는 무거워 취급이 어렵고, 도가니에 사용되는 재료의 높은 가격으로 도가니 제작시 원가의 부담이 되고 있다.

이러한 것에 대한 대응수단으로 도가니의 재질을 열응력이 강한 재료를 사용하는 방안이 고려되었다. 하지만, 이러한 도가니는 세라믹 재질로 구성되고 열응력을 감소시키기 위한 방안으로 금속 재질의 물질을 상기 도가니의 외측면에 채용하는 경우, 금속과 세라믹의 열응력 차이로 말미암아 균열이 발생하고, 금속층에 변형이 발생하거나 세라믹의 표면이 파손되는 현상이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 열응력이 뛰어난 세라믹 재질의 도가니에 대하여 열 흡수와 열전도 능력이 우수한 지그를 상기 도가니에 채용하여 고강도 형상 및 고효율성을 가진 지그를 두른 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니는 상기 도가니를 둘러싸는 지그의 폭을 작게 하여 금속의 연성에 따른 변형을 용이하게 하고, 상기 금속링을 상기 도가니의 상부의 테두리부에 맞닿도록 제조하여 열응력이 뛰어난 도가니를 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니는, 진공 챔버 내에 히터 구조체를 포함하고, 상기 히터 구조체 내에 도가니를 포함하며, 상기 챔버는 둥근 원통형 형태로 진공 상태를 유지할 수 있는 밀폐형으로 형성되며, 히터 단열부재는 반복적인 가열과 냉각에 열적 변형을 일으키지 않는 재질의 재료로서 구성되며, 상기 히터구조체 내부에는, 히터를 포함하되, 상기 히터로는, 전압 인가에 의하여 열을 발생시킬 수 있는 소재인 Ta, W, Mo를 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 도가니(100)을 수시로 진공 챔버중의 셀(도면번호 미부여)에 수시로 탈,장착을 반복 사용하는데 진공챔버(600) 내부에 장착하다보니 작업 특성상 부자연스러워 떨어뜨리다 시피 셀에 장착하다 보니 가장 취약한 도가니(100) 라운딩면에 하중이 집중되어 파손 된다.

이를 방지하기 위해 도가니(120) 라운딩면에 걸리는 굴곡하중을 라운딩면을 지지하여 세라믹이 잘 견디는 인장하중으로 분산 변경 시키는 것이 발명의 주목적이다.

본 발명품의 하나인 도 7에 도시된 도가니에 장착된 지그는 도 6에 도시된 도가니의 라운딩면 보다 작은 라운딩면을 갖게 하여 도 7의 라운딩면을 지지하게 하여 도 5의 라운딩면이 받는 굴곡 하중을 도 7의 지그의 라운딩면이 지지함에 의해 굴곡하중을 인장 하중으로 분산시켜 셀에 장착시 발생하는 충격 하중에 의한 도가니(100)의 라운딩면의 파손을 방지 할 수 있다.

도가니 재질은 P.B.N(Pyrolitic Boron Nitride)으로 세라믹계로 충격 및 굴곡 하중 에는 취약하지만 인장 하중에는 강한 특성을 갖고 있어서 파손을 방지 할수 있다.

또한 도 7의 금속지그의 원통형 부재(130)에 대응하는 홈(210)처럼 금속 지그 측면을 절개하여 가열 및 냉각시 발생되는 도가니(도 6에 도시)와 도가니(도 7) 간의 열팽창 차에 의한 간섭 발생시 신축 작용을 갖게 하여 도가니의 파손을 방지한다.

도 8은 도6의 라운딩면(125)보다 작은 곡률반경을 갖는 라운딩면을 갖는 금속 지그로 상기 금속 지그의 높이를 라운딩면이 이 끝나는 지점까지만 제작하여 도가니의 라운딩면(125)을 지지하게 하여 도가니(100)의 라운딩면(125)에 걸리는 굴곡하중을 인장하중으로 분산 걸리게 하여 도가니(100)의 파손을 방지하고 가열 냉각시 열팽창 및 수축시 도가니 (100) 라운딩면의 중간 에서 지지 하기 때문에 도가니(100)이 수축 팽창한다 하더라도 라운딩면에서 미끄러짐이 발생하여 끼임 현상이 없어 파손을 방지 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 지그(200, 250)의 재질은 고온에서 견디고 진공 중에 안정성을 갖는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 스테인레스스틸(STS) 등으로 도가니에 담긴 증발물질 보다 높은 용융점을 갖고 있어야 하다.

상기 도가니의 상단 개구부의 형태는 나팔 형태로 라운딩 처리되며, 상단 개구부의 하부는 평평한 곡면의 원통으로 Z축 방향으로 요철이 없는 매끈한 원주면을 갖는 형상이며, 상기 상단 개구부의 상부를 이루는, 나팔 형태의 상단 개구부의 하측에는 열을 흡수할 수 있는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 중의 어느 하나로 구성되어 열전도성과 연성이 좋은 재질의 금속이 상기 도가니의 상단 개구부에 밀착되어 닿아서 열을 직접적으로 전달받을 수 있으며, 상기 나팔부의 하면을 구성하는 원통형 부재의 라운딩면에는 상기 나팔부에 밀착되어 있는 상기 금속의 일측이 찢어진 형태로 형성되어 변형이 용이하면서도, 상기 도가니의 열적 변형을 유도할 수 있는 열을 흡수하여 열응력을 상쇄시킬 수 있는 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 라운딩된 상단 개구부와 상기 나팔부에서 이어지는 원통형 부재를 잇는 라운딩된 부분에 포함되는 도가니의 측면부의 곡률반경이 상기 라운딩된 상단 개구부와 상기 상단개구부의 나팔부에서 이어지는 원통형 부재에서 발생하는 열을 흡수하고 열전도성과 연성이 좋은 재질의 금속의 곡률반경보다 큰 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 제조방법은, 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비활성기체를 공급할 수 있는 분위기 가스 공급 파이프를 통해서 진공 상태를 유지할 수 있는 밀폐형으로 형성되는 챔버 내부로 상기 비활성 기체를 공급하는 단계(s10);와, 상기 비활성 기체가 공급될 수 있는 챔버 내부에 열을 발생시킬 수 있는 히터부재를 내부에 병설한 단열부재를 설치하는 단계(s20);와, 상기 히터부재가 내부에 병설된 단열부재의 상측면에 원주의 가장자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리된 도가니에 원주의 가장자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리된 지그를 도가니에 끼우는 단계(s30); 및 상기 지그가 끼워진 도가니를 상기 챔버 내부에 배치하는 단계(s40)를 포함하되, 상기 도가니는 상기 지그보다 열팽창계수가 적은 PBN 재질로 형성되고, 상기 도가니의 상단 개구부에 끼워지는 지그는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 또는 스테인레스 스틜로 형성되며, 상기 지그가 도가니의 나팔 형태로 라운딩 처리된 도가니에 끼워진 부분의 반지름보다 큰 곡률반경을 갖도록 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 지그는 상기 나팔형태로 라운딩 처리된 부분과 하방으로 연장된 부분의 라운딩면에서부터 상기 하방으로 연장된 부분까지 일자형의 홈이 형성되어서 상기 도가니에서 과량의 열 발생시에 상기 일자형의 홈이 형성된 부분이 변형되어 열을 흡수하고 도자기의 변형을 방지할 수 있는 것일 수 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 열 변형 흡수 능력과 도가니의 수축 팽창시 파손 방지능력이 우수하고, 금속지그 일측이 개방된 지그를 장차가하는 것에 의하여, 진공 고온 가열 조건에서 도가니의 파손을 방지하여 장시간 사용할 수 있고, 잦은 도가니의 교체시 발생할수 있는 라운딩면의 파손을 방지하여 도가니의 사용 수명을 극대화 생산성 향상 및 원가 절감에 기여 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 도가니는 열팽창계수가 작은 세라믹 재질로 형성되고, 상기 도가니의 상단 개구부를 둘러싸는 금속 지그는 연성과 열전도도가 좋은 금속 재질로 형성되어 있어서, 상기 도가니가 진공 용융장치와 같은 고온의 조건에 배치되어도 도가니에 전달되는 열전달 손실이 없고 , 상기 지그는 일측이 개방된 홈을 포함하고 있어서, 도가니의 상단 개구부가 외부에 노출되고 도자기에 끼우는 작업이나 탈착시키는 작업을 용이하게 할 수 있다.

또한 열팽창에 의한 상호간의 간섭을 피할수 있게 하여 도가니가 파손되지 않게 할 수 있다..

도 1은 진공 챔버 내에서 고온의 열을 발생시키는 히터구조물과 그 중앙부에 위치한 종래의 원통형 도가니의 구조를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 종래 원통형 도가니의 세로방향 단면도이다.
도 3은 종래 원통형 도가니의 측면 부풀림 현상으로 히터구조물에 접촉된 현상을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 원통형 도가니 내면으로 흘러내린 잔존물의 응축 고착과 열응력 현상을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니를 포함하는 용융장치의 형상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그가 장착될 수 있는 도가니의 형상을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니 중 도가니를 둘러싸는 지그가 도가니의 상단개구부에 결합된 상태를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도가니 중 도가니를 둘러싸는 지그가 도가니의 상단개구부에 결합된 상태를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고, "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 구성에 대하여 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그(200)를 두른 도가니(100)는, 진공 챔버(600) 내에 히터 구조체(105)를 포함하고, 상기 히터 구조체(105) 내에 도가니(100)를 포함하며, 상기 챔버(600)는 둥근 원통형 형태로 진공 상태를 유지할 수 있는 밀폐형으로 형성되며, 히터 단열부재(106)는 반복적인 가열과 냉각에 열적 변형을 일으키지 않는 재질의 재료로서 구성되며, 상기 히터구조체(105) 내부에는, 히터(107)를 포함하되, 상기 히터(107)로는, 전압 인가에 의하여 열을 발생시킬 수 있는 소재인 금속인 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐을 사용할 수 있다. 상기 도가니(100)의 상단 개구부(110)의 형태는, 원주의 가장 자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리되며, 상단 개구부(110)의 하부는 평평한 곡면의 원통으로 Z축 방향으로 요철이 없는 매끈한 원주면을 갖는 형상이며, 상기 상단 개구부(110)의 상부를 이루는, 나팔 형태의 상단 개구부(110)의 하측에는 열을 흡수할 수 있는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 중의 어느 하나로 구성되어 상단 개구부(110)에 밀착되어 상기 상단 개구부(110)의 라운딩면(125)에 접촉하여서 도가니(100)로 전달되는 열을 분산할 수 있으며, 상단 개구부(110)의 상면을 구성하는 나팔부(120)의 하면을 구성하는 원통형 부재(130)의 라운딩면(125)에는 상기 나팔부(120)에 밀착되어 있는 금속의 일측이 찢어진 형태로 형성되어 변형이 용이하면서도, 상기 도가니(100)의 열적 변형을 유도할 수 있는 열을 흡수하여 열응력을 상쇄시킬 수 있는 것일 수 있다.

이하에서는 첨부된 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 일측이 개방된 지그를 두른 도가니에 대하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일측이 개방된 지그를 두른 도가니를 갖는 용융장치를 보여주는 단면도이다.

상기 용융장치는 진공증착 공정에 사용되는 용융장치일 수 있다. 이와 같이 진공증착 공정에 사용되는 용융장치는, 일례로, 진공 챔버(600)와 상기 챔버(600) 내에 위치한 단열부재(106)와, 상기 단열부재(106) 내에 위치한 도가니(100) 및 상기 도가니(100)를 가열할 수 있는 상기 단열부재(106) 내에 삽입되어 병설된 히터(107)를 포함할 수 있다. 상기 챔버(600)는 진공 용융 용기에 사용될 수 있는 챔버로서, 둥근 원통형 형태로 외부와의 공기 유입을 차단할 수 있도록 밀폐형으로 형성될 수 있다.

단지 진공 용융 장치라고 하더라도 상기 진공 용융 장치 내에 환원 분위기의 유지를 위해 소량의 공기를 공급하고 뺄 수 있는 가스 공급 파이프(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 환원 분위기의 유지를 위해 공급할 수 있는 기체로는, 비활성 기체인 아르곤(Ar)이나 헬륨(He)을 사용할 수 있다.

이와 같이, 아르곤이나 헬륨과 같은 공기가 비록 소량이라고 하더라도 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단열 부재(106) 내에 삽입되어 병설된 히터(107)의 가열을 통한 열전달 매체로 사용될 수 있다. 특히 공기 등의 열전달 매체는 빠른 확산 과정을 통해 상기 챔버(600) 내의 온도를 일정하게 유지시키는 데 사용되는 역할을 수행할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 도가니(100)의 상단 개구부(110)에는 지그(200)가 장착될 수 있다. 상기 지그(200, 250)는 상기 상단 개구부(110)를 덮으면서 상기 도가니(100)에서 발생하는 열을 라운딩면(125)에서의 면접촉을 통해서 빠르게 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성되어 있다. 따라서 상기 도가니(100)의 나팔부(120)를 덮을 수 있고, 상기 나팔부(120)에서 아래쪽으로 연속하는 원통형 부재(130)를 일정 부분 덮을 수 있도록 형성될 수 있다.

상기 지그(200, 250)는 예를 들면, 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)의 재질로 형성될 수 있다. 이러한 지그(200, 250)는 상기 지그(200, 250)가 덮고 있는 세라믹 성분인 세라믹 재질인 PBN과 달리 열전도도가 우수하고, 연성을 갖는 재질일 수 있다. 상기 지그(200, 250)는 연성을 갖기 때문에 적은 힘으로도 구부리고 펼 수 있는 성질을 갖는다. 따라서, 상기 도가니(100)에 지그(200, 250)를 끼우는 작업을 수행할 때, 도가니(100)의 하면을 뒤집어 상기 지그(200, 250)의 나팔부(120)에 형성된 중심부를 상기 도가니(100)의 중심부에 끼워넣고, 죽 밀게 되면, 상기 지그(200)의 원통형부재(130)에 형성된 홈(210)이 벌어지면서, 상기 도가니(100)의 상단 개구부(110)에 밀착될 수 있다.

또한 밀착력이 좋기 때문에 상기 지그(200, 250)를 상기 나팔부(120)를 갖는 도가니(100)를 덮을 때에는, 상기 매끄러운 측면을 갖는 원통형부재(130)의 측면을 미끄러지면서 손쉽게 상기 도가니(100)의 상단 개구부(110)에 장착될 수 있다.

상기 일측면이 개방된 지그(200)를 두른 도가니(100)의 사용 중에 혹여 지그(200)가 변형되는 일이 발생하더라도 지그(200)를 손쉽게 탈착시키고 동일한 형상을 갖는 지그(200)를 제조하여 교체할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지그를 두른 도가니(100)는 상기 지그(250)의 도가니(100)의 원통형 부재(130)에 장착되는 부분의 폭이 좁은 형태의 것일 수 있다. 이와 같이 원통형부재(130)에 장착되는 부분의 길이가 상기 라운딩면(125)이 갖는 길이까지만 되도록 짧게 형성되면 상기 지그(250)가 늘어나고 수축되는 작업이 용이해져 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 부재(!30)의 일측면이 개방된 지그(200)보다 장착하고 탈착하는 작업이 용이하게 진행될 수 있다.

원통형부재(130)에 장착되는 부분의 길이가 짧은 지그(250)의 경우에는, 지그(250)의 나팔부를 포함하는 전체적인 두께가 얇기 때문에 일측면이 개방된 지그(200)와 같은 일자형의 홈(210)을 포함하게 되면, 이 부분을 기점으로 크랙(Crack)이 진전하여 전체적으로 파손되는 현상이 발생할 수 있다.

또한 상기 도가니(100) 내에는, 증발물질(예를 들면, Ag, Al 등)이 놓여질 수 있다. 이와 같은 증발물질(!21)은 상기 도가니를 구성하는 물질인 PBN보다는 융점(melting point)가 낮은 물질일 수 있다.

상기 히터(107)는 상기 단열부재(106) 내에 배치되어 있어서 열을 외부로 방출하는 일 없이 가열 효율을 높일 수 있다. 상기 단열부재(106)의 상면에는 도가니(100)의 나팔부(120)가 닿도록 형성되고, 상기 나팔부(120)가 덮고 있는 부분의 아래쪽으로 단열부재(106)가 배치되도록 구성되어 진공 챔버(600) 내에서 열전달은 상기 도가니(100)의 나팔부(!20)를 통해서 이루어질 수 있다. 다만 진공 조건이라는 특수 조건이기 때문에 이를 통한 열전달은 그다지 많이 발생하지 않는 조건일 수 있다. 이와 같이 도가니(100)가 단열 부재(106) 상에 배치된 상태에서 단열부재(106)와 도가니(100)의 나팔부(120) 사이에는 금속 지그(200, 250)가 배치될 수 있다. 금속 지그(200. 250)가 상기 도가니(100)의 나팔부(120)와 단열부재(600) 사이에 배치되면 상기 도가니(100)의 열을 효율적으로 외부로 방출하면서도 단열부재(106)의 성능이 저하되는 것을 막도록 구성될 수 있다. 다만, 상기 금속 지그(200, 250)는 상기 도가니(!00)보다 두께까 얇은 상태로 형성된 것이어서(예를 들면, 도가니(100)의 나팔부(120)의 두께가 0.7-1.0t라고 하면, 상기 단열부재(106)와 도가니(100)의 나팔부(120) 사이에 배치되는 금속 지그(200)의 두께는 0.1-0.3t정도로 얇게 배치될 수 있다. 상기 두께가 0.1보다 작으면 금속 재질인 지그(200, 250)가 휘거나 변형될 수 있고, 0.3보다 두꺼우면 상기 도가니(100)의 나팔부(120)에 밀착시키는 과정에서 파손되거나 하는 등의 문제가 발생할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그가 장착될 수 있는 도가니의 형상을 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 상기 도가니(100)는 상측이 개방된 형태로, 원통 단면이 원형으로 형성되는 종래의 도가니와는 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(100)의 상단 개구부(110)는 원주의 가장자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔형태로 라운딩 처리된 것일 수 있다. 이와 같은 상단 개구부(110)는 나팔형태로 형성된 나팔부(120)와 상기 나팔부(120)와 라운딩면(125)을 통해서 접촉하는 원통형부재(130)를 포함할 수 있다. 상기 원통형부재(130)와 나팔부(120)를 연결하는 라운딩면(125)은 라운딩 처리된 상태로 도 5에 도시된 바와 같이, 곡률반경이 R을 갖는 것일 수 있다.

또한 여기에 끼워지는 금속 지그(200, 250)에 포함된 라운딩면의 곡률반경(R'로 표시)은 상기 도가니(100)의 라운딩면(125)보다 곡률반경이 작아서 상기 도가니(100)의 라운딩면(125)에 상기 금속 지그(200, 250)의 라운딩 면이 접촉하는 형태일 수 있다. 이와 같이 도가니(100)와 상기 금속 지그(200, 250)가 접촉하는 형태를 취하게 되면, 도가니(100)의 라운딩면(125)에서 발생하는 열을 쉽게 금속 지그(200, 250)로 전달하여 도가니(!00)의 열응력에 의한 파손을 방지할 수 있고 세라믹인 PBN 의 취약한 강도에 대한 보강수단으로 활용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 일 실시예를 보여주는 도면이고 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지그를 두른 도가니의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 이와 같은 지그(200, 250)는 두 가지 형상을 가질 수 있다. 하나는 넓은 나팔부(120)와 원통형부재(130)를 덮는 긴 길이를 갖는 형상을 갖는 것일 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 상기 도가니(100)의 원통형 부재(130)를 덮는 부분이 길 때에는 도가니(100)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키지 못할 경우, 연성을 갖는 금속의 재질로 이루어진 지그(200, 250)가 변형될 수 있다.

이와 같은 형상을 최소하하기 위한 구성으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(100)의 상단 개구부(110) 중 원통형부재(130)를 덮는 부분은 상술한 라운딩면(125)에서부터 시작하는 홈(210)을 포함할 수 있다. 이와 같은 홈(210)을 포함하는 경우 도가니(100)가 열의 발생에 따라 변형된다고 하더라도, 금속 지그(200)의 변형율이 도가니(100)의 변형율보다 크기 때문에 도가니(100)의 파손을 방지할 수 있게 된다.

또한 도 7에서부터 알 수 있는 것과 같이, 상기 라운딩된 상단 개구부(110)와 상기 나팔부(120)에서 이어지는 원통형 부재(130)를 잇는 라운딩된 부분에 포함되는 도가니(100)의 측면부(라운딩면)의 곡률반경(R)이 상기 라운딩된 상단 개구부(110)와 상기 상단개구부(110)의 나팔부(120)에서 이어지는 원통형 부재(130)에서 발생하는 열을 흡수하고 열전도성과 연성이 좋은 재질의 지그(200)의 곡률반경(R')보다 큰 것일 수 있다. 이와 같은 구성을 통해서 금속 지그(200)와 도가니(100)의 라운딩면(125)을 접촉하게 열전도를 통한 도가니(100)의 열응력에 의한 라운딩면(125)의 파손 방지기능은 전술한 바와 같다.

반면에 본 발명의 다른 실시예에 따른 지그(250)를 두른 도가니(100)의 경우에는 도가니(100)의 원통형부재(130)를 덮는 부분이 상기 라운딩면(125)의 길이까지만 되도록 형성되어 짧게 형성될 수 있다. 이와 같이 원통형 부재(130)를 덮는 부분이 짧은 경우에는 지그(250)의 신축성이 보존되고, 원주의 길이를 조절하는 것이 용이해지기 때문에 상기 일측이 개방된 홈(210)을 가지지 않아도 탈착과 부착이 용이해질 수 있다.

특히 상기 다른 실시예에 따른 지그(250)의 경우에는 상기 도가니(100)의 두께보다 1/2 이하의 얇은 두께를 갖기 때문에, 예를 들면 상기 도가니(100)의 두께(thickness)가 8mm의 두께를 갖는 다면, 상기 지그(250)의 경우에는 3mm의 얇은 두께를 가질 수 있어서, 제조하는 공정이 쉬워지고, 금속의 성질을 효과적으로 활용하여 변형에 대한 적응 능력을 향상시킬 수 있다.

종래의 도가니에서 외형 부풀림현상을 방지하기 위해 두껍게 제작되었던 도가니(100)는 본 발명에 따른 진공 증착 장비에 사용되는 도가니(100)는 원통형 부재(130)의 단면 형상이 원형 형상을 가지며, 상기 원통형부재(130)의 상부에 형성되는 상단 개구부(110)에는 지그(200, 250)를 포함하고 있어서, 도가니(100)의 원통형 부재(130)의 두께를 10mm 미만으로 얇게 제작할 수 있게 되었다.

상기에서처럼, 본 발명에 따른 도가니(100)는, 10mm 미만으로 얇게 제작할 수 있고, 지그(200, 250)를 상단개구부(110)에 끼운 형태로 형성되어 있어서, 표면적을 넓히지 않고서도, 히터 구조체(105)에서 발생하는 열을 도자기 내부로의 열전달 효율이 높아, 최소의 소비 전력으로 제품이 생산되어 생산비용이 절감될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(100)는 10mm미만으로 얇고 표면에 지그(200, 250)를 끼운 구조는, 용융물질인 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)이 도가니(100)에 응축되는 접촉면의 젖음성(wettability)를 줄여 도가니(100)의 변형을 최소화할 수 있다. 도가니(100)의 수명도 길어져 사용횟수가 증가할 수 있으며 간단한 끼움 작용으로 지그(200, 250)의 탈착과 부착이 용이해져 도가니(100)의 교체비용도 절감시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그(200)를 두른 도가니(100)의 제작방법에 대해서 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일측면이 개방된 지그(200, 250)를 두른 도가니(100)의 제작 방법은, 진공 챔버(600) 내에 반응성이 적은 비활성 기체를 공급하여 열전달매체를 공급하도록 준비하는 단계(s10)와 상시 비활성기체가 공급되는 진공 챔버(600) 내에 히팅부재인 히터(107)가 내부에 병설된 단열부재(106)를 배치하는 단계(s20) 및 상기 단열부재(106) 내에 용융될 매질이 놓일 수 있는 상부의 원주의 가장자리가 나팔 형태로 라운딩된 도가니(100)를 배치하는 단계(s30)를 포함할 수 있다.

도상기 도가니(100)는 상기 도가니(100)의 나팔부(120)를 통해서 단열부재(106)에 걸려 있는 형태로 제작할 수 있어서 도가니(100)의 장착 과정에서의 안정성을 향상시킬 수 있다.

특히 상기 도가니(100)의 제작 공정에서 상기 지그(200, 250)는 재질이 도가니(100)인 PBN(열분해 보론나이트라이드)과 차이가 있어서, 착탈과 부착이 용이할 수 있다. 그리고 상기 지그(200, 250)는 연성을 갖는 금속 재질로 형성되어 있어서, 상기 도가니(100)에 끼우는 작업을 수행할 때, 상기 지그(200, 250)와 도가니(100) 사이에 단열층인 공기층이 형성되는 것을 최소화할 수 있다. 만일 상기 지그(200, 250)와 도가니(100)의 결합 부분에서 공기층이 형성되면, 상기 도가니(100)에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 작업이 용이하게 진행되지 않기 때문에 도가니(100)의 팽창부풀림과 같은 변형이 쉽게 일어날 수 있지만 지그(200, 250)는 밀착성이 좋아서 이와 같은 공기층의 형성을 방지할 수 있다.

이때 지그(200)가 원통형부재(130)와 접촉하는 부분이 증가하는 경우에는, 지그인 탄탄륨, 텅스텐, 또는 몰리브덴의 열적 변형율이 크기 때문에 지그(200)의 연직 하방 부분과 도가니(100)의 원통형 부재(130) 사이에 간극이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 지그(200)의 경우에는 이러한 현상을 최소화하기 위해 상기 지그(200)의 측면부의 일측에 도가니(100)가 외부로 노출되는 일자형의 홈(210)을 포함할 수 있다. 이와 같은 일자형의 홈(210)은 지그(200)의 하단부분으로부터 절단 작업이라고 하는 용이한 공정으로 제작될 수 있고 상단의 끝부분은 라운딩 처리하여 도가니(100)에 끼움 작업과 탈착 작업을 할 때 변형 현상이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

300: 종래의 도가니 301a: 종래의 도가니 원통
301b: 종래의 도가니 원통 외부 면
301c: 종래의 도가니 원통 내부 면
301d: 종래의 도가니 바닥면
303: 도가니 내부의 용해된 용융물질
304: 복사열의 진행방향
305: 종래 도가니의 측면 팽창 변형 방향
306: 종래 도가니의 측면 팽창에 의한 히터 구조물과의 접촉현상
401: 종래 도가니의 내면에 표면장력 현상으로 응축된 잔존 용융물질
402: 종래 도가니의 원통 내면에 응축 고착된 젖음성 현상
403a: 팽창 방향성에 기인한 열응력 현상
403b: 수축 방향성에 기인한 열응력 현상
500: 종래 도가니에 복사열 발생시키는 히터 구조물
501: 종래 도가니에 복사열 발생시키는 히터 단열부재
502: 종래의 도가니에 복사열 발생시키는 히터
600: 진공 챔버
100: 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니
110: 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 상단 개구부
120: 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 나팔부
125: 라운딩면
130: 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 원통형 부재

Claims

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일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 제조방법에 있어서,
아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비활성기체를 공급할 수 있는 분위기 가스 공급 파이프를 통해서 진공 상태를 유지할 수 있는 밀폐형으로 형성되는 챔버 내부로 상기 비활성 기체를 공급하는 단계(s10);
상기 비활성 기체가 공급될 수 있는 챔버 내부에 열을 발생시킬 수 있는 히터부재를 병설한 단열부재를 설치하는 단계(s20);
도가니를 둘러싸는 지그의 폭을 작게 하여 금속의 연성에 따른 변형을 용이하게 하고, 금속링을 상기 도가니의 상부에 맞닿도록 제조하고,
상기 히터부재가 병설된 단열부재의 내부에 원주의 가장자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리된 도가니에 원주의 가장자리가 바깥쪽으로 벌어진 나팔 형태로 라운딩 처리되고,
도가니의 접촉면 라운딩면의 곡률반경보다 같거나 작은 라운딩면을 갖는 금속지그로 도가니의 라운딩면에 금속지그의 라운딩면으로 지지하게 하여 도가니에 걸리는 굴곡하중을 줄여서 도가니의 파손을 방지하여 가열 냉각시 일어나는 열팽창차에 의한 상호간섭을 없게 하기 위해 일측면에 일자형의 홈이 형성된 지그를 도가니에 끼우는 단계(s30); 및
상기 지그가 끼워진 도가니를 상기 챔버 내부에 배치하는 단계(s40)를 포함하되,
상기 도가니는 상기 지그보다 열팽창계수가 적은 PBN 재질로 형성되고,
상기 도가니의 상단 개구부에 끼워지는 지그는 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)으로 형성되며,
상기 지그가 도가니의 나팔 형태로 라운딩 처리된 도가니에 끼워진 부분의 반지름보다 작은 곡률반경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 지그는 상기 도가니의 라운딩면에서부터 하방으로 연장된 원통형 부재에 대응하는 부분까지 일자형의 홈이 형성되어서 상기 도가니에서 과량의 열 팽창 발생시에 상기 일자형의 홈이 형성된 부분이 변형되어 열 변형을 흡수하고 도자기의 변형을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 일측면이 개방된 지그를 두른 도가니의 제조방법.