KR102091001B1 - 메탈 3d 프린팅을 이용한 합금 타겟의 제조 및 리페어링 방법 - Google Patents

메탈 3d 프린팅을 이용한 합금 타겟의 제조 및 리페어링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 메탈 3D 프린팅을 이용하여 다성분계 타겟을 제조하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 일부만 침식된 채로 버려지는 타겟을 메탈 3D 프린팅으로 재생하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은,
다성분의 순금속 분말 또는 합금화 분말을 준비하고,
메탈 3D 프린터의 하나 이상의 노즐에 상기 분말을 공급하고,
3D 프린터의 레이저 빔의 파워를 조절하여 메탈 3D 프린팅을 실시하여 다성분계 타겟을 형성하고, 형성된 다성분계 타겟을 열처리하는 것을 특징으로 하는 다성분계 타겟의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, PVD 공정에 사용되고 버려지는 타겟을 기재로 하여, 메탈 3D 프린팅으로 해당 타겟의 침식 부에 해당 타겟과 동일한 성분의 금속 원소를 재충진하여 타겟을 재생하는 방법을 제공한다.

Description

메탈 3D 프린팅을 이용한 합금 타겟의 제조 및 리페어링 방법{Manufacturing and Repairing Method of Alloy Target by Metal 3D Printing}
본 발명은 합금 타겟의 제조에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 메탈 3D 프린팅을 이용하여 PVD용 합금 타겟을 제조 및 리페어링하는 기술에 관한 것이다.
물성 향상을 위하여 다성분계 코팅을 실시하는 경우, 제조공정의 간소화와 코팅 품질 향상을 위해 다성분계 합금 타겟에 대한 요구가 높아지고 있다. 예를 들면, 공구용 코팅을 위한 Ti-Al, Ti-Mo, Ti-Al-Si, Ti-Al-Cr, Al-Cr 등의 다성분계 합금 타겟, 저마찰-내마모 코팅을 위한 Zr-Al-Cu-Si, Zr-Al-Cu등의 다성분계 합금 타겟, 고기능성 플렉서블/전극용 코팅을 위한 Al계, Cr계, Cu계, Mo계 다성분 타겟, 디자인 색상 장식용 코팅을 위한 Al계, Cu계, Co계, Si계 다성분 타겟 등이 그 예이다.
종래, 다성분계 타겟의 제조는 합금화 주조, 순금속 분말의 혼합 소결, 합금화 및 가스분무와 같은 방법으로 이루어지고 있다. 주조의 경우, 타겟의 오염도가 낮고 순도가 높지만 제조가 어렵고 특정 조성비로만 제작될 수 있어 필요에 부응하지 못하는 단점이 있다. 또한, 열적 안정성, 증착막의 조성 균일도, 타겟 효율이 낮다. 출원번호 10-2010-0115896호는 주조에 의한 다성분계 타겟에 대해 기재한다.
합금화 및 가스분무법은 고청정분위기하에서 이루어지며, 열적 안정성, 증착막의 조성 균일도, 타겟 효율이 모두 높지만 고가의 설비와 난이도 높은 공정을 요한다. 순금속 분말의 혼합 소결은 제조공정이 쉽고 원하는 조성대로 타겟을 만들 수 있지만, 상대적으로 순도를 비롯한 다른 특성들이 다른 공법들에 비해 우수하지 않다. 이들에 대한 특성 비교는 도 1에 정리하였다.
한편, 이와 같이 제조된 타겟들의 사용 효율은 60 내지 70% 정도이다. 마그네트론 스퍼터링의 경우, 타겟 후면에 설치한 자석에 의한 자장에 의해 하전 입자가 집중되는 영역이 정해져 있어 해당 구역만 집중적으로 침식되고 나머지 부분은 침식율이 낮다. 그에 따라 도 2에 보인 바와 같이 집중 침식된 부분이 오목부로 형성된 상태로 타겟은 버려지게 된다. 버려지는 타겟에 대한 재활용에 대해 일본특허등록 04528996호는 용융 후 금속 분말을 회수하는 방법을 제안하나 매우 큰 에너지를 요하는 데 비해 얻을 수 있는 결과물은 적어 경제적이지 못하다.
또한, 메탈 3D 프린팅은 노즐에 금속분말 또는 필라멘트를 넣고 레이저로 금속을 용융하여 원하는 형상의 금속 물품을 제작할 수 있게 하여 준다. 미국공개특허 2016/0318128A1은 이러한 메탈 3D 프린터에 대해 기재하고 있다. 따라서 메탈 3D 프린팅을 다성분계 타겟 제조와 리페어링에 적용해 볼 여지가 있다.
본 발명의 목적은 메탈 3D 프린팅을 이용하여 다성분계 타겟을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일부만 침식된 채로 버려지는 타겟을 메탈 3D 프린팅으로 재생하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은,
다성분의 순금속 분말 또는 합금화 분말을 준비하고,
메탈 3D 프린터의 하나 이상의 노즐에 상기 분말을 공급하고,
3D 프린터의 레이저 빔의 파워를 조절하여 메탈 3D 프린팅을 실시하여 다성분계 타겟을 형성하고,
형성된 다성분계 타겟을 열처리하는 것을 특징으로 하는 다성분계 타겟의 제조방법을 제공한다.
상기에서, 열처리 공정은 다성분계 합금 타켓의 융점으로부터 150℃ 이하 내지 50℃ 초과된 온도 범위에서 실시한다.
상기에서, 열처리 시간은 30분 내지 2시간일 수 있다.
상기에서, 타켓 적층시 분위기는 산소(<50 ppm)와 질소(<50ppm)가 극도로 제어된 분위기 하에서 실행되어 진다.
상기에서, 타겟 성형 속도(build speed)와 레이저의 파워는 연동되어 제어될 수 있고, 이는 금속 원자들의 종류에 따라 설정될 수 있다.
본 발명의 메탈 3D 프린터 및 열처리로 제조된 타켓의 미세조직 결정립 크기는 0.1 μm ~ 20 μm 크기의 범위를 갖으며, 증착하는 동안의 열적안정성과 조성균일도가 확보된다.
또한, 본 발명은, PVD 공정에 사용되고 버려지는 타겟을 기재로 하여, 메탈 3D 프린팅으로 해당 타겟의 침식 부에 해당 타겟과 동일한 성분의 금속 원소를 재충진하여 타겟을 재생하는 방법을 제공한다.
상기에서, 3D 프린팅에 의해 재생된 타겟에 대해 열처리를 실시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 메탈 3D 프린팅을 이용하여 다성분계 타겟을 제조하기 때문에 제조공정이 매우 간단하고 용이하다.
또한, 메탈 3D 프린팅으로 제조된 타겟을 열처리하기 때문에 타겟 조성은 균질화되고 미세조직이 안정화되어 고품질의 타겟을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 타겟은 높은 순도와 고밀도를 나타낸다.
한편, 본 발명은 사용 후 버려지는 타겟을 회수하여 침식된 부분에 메탈 3D 프린팅으로 타겟 성분과 동일한 금속 원소를 충진시켜 타겟을 재생시키므로 타겟 재생 효율 및 경제성 그리고 친환경면에서 매우 우수하다.
재생 타겟 또한 열처리를 실시하기 때문에 고순도, 고품질을 유지할 수 있고 여러번 재생이 가능하여 매우 효율적이다.
도 1은 종래 타겟 제조 기술과 본 발명에 의한 타겟 제조 기술을 대비한 표이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공정 조건과 결과물의 특성을 설명하는 표이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 타겟의 밀도를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 메탈 3D 프린팅으로 제조된 타겟을 열처리한 결과를 보여주는 타겟 조직 사진이다.
도 6은 사용된 타겟의 침식 부를 보여주는 그림이다.
도 7은 본 발명에 따라 재상된 타겟을 보여주는 사진이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1에는 종래 다성분계 타겟을 제조하는 방법과 대비하여 본 발명의 메탈 3D 프린팅에 의한 다성분계 타겟을 제조하는 방법이 나와있다. 메탈 3D 프린터의 노즐에 원하는 금속 분말을 넣고 3D 프린팅으로 타겟을 제조하는 것이다. 이때, 타겟 조성에 맞추어 각각의 순금속 원소 분말을 여러 개의 노즐에 각각 공급할 수도 있고, 다성분 합금 분말을 모든 노즐에 공급할 수도 있다. 메탈 3D 프린터는 레이저 빔으로 금속 분말을 고청정 가스분무법으로 용융시키고 적층하여 타겟을 형성한다.
레이저 빔의 파워와 타겟 형성 속도, 즉 적층 속도(build speed)를 연계 조절하여 공정을 최적화하며, 이때 제작하고자 하는 타겟의 조성 내지 구성 금속 원자의 특성을 고려하여 공정 변수를 최적화할 수 있다.
도 2에는 타겟의 제작과 재생 타겟의 제작에 대한 구체적인 실시예와 그에 따른 공정 변수들의 예가 나와있다. 메탈 3D 프린팅에 의해 제조되는 타겟의 표면조도는 전체적으로 4 내지 20um로 상당히 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 3과 도 4는 Zr을 포함한 4원계 합금 타겟을 메탈 3D 프린팅으로 제조하고 밀도를 측정한 것을 보이며, 타겟 밀도가 99.8%로 주조재에 비해 더 고밀도임을 나타낸다.
또한, 본 발명은, 메탈 3D 프린팅을 실시하여 다성분계 타겟을 제조한 다음, 다성분계 타겟을 열처리하여 상기 타겟의 미세조직을 안정화한다.
상기에서, 열처리 공정은 다성분계 합금 타겟의 융점으로부터 150℃ 이하 내지 50℃ 초과된 온도 범위에서 실시하며, 열처리 시간은 30분 내지 2시간 정도 이루어질 수 있다.
상기에서, 타켓 적층시 산화물과 질화물 생성을 억제하기 위해, 열처리 시, 분위기는 산소(<50 ppm)와 질소(<50ppm)가 극도로 제어된 분위기하에서 실행되어 진다.
열처리 후 타겟의 조직은 결정립의 크기가 증가(0.1um 이상)하며, 이러한 현상은 도 5에 사진으로 보였다.
본 발명에 따른 다성분계 합금 타겟은 공구용 코팅을 위한 Ti-Al, Ti-Mo, Ti-Al-Si, Ti-Al-Cr, Al-Cr 등의 다성분계 합금 타겟, 저마찰-내마모 코팅을 위한 Zr-Al-Cu-Si, Zr-Al-Cu등의 다성분계 합금 타겟, 고기능성 플렉서블/전극용 코팅을 위한 Al계, Cr계, Cu계, Mo계 다성분 타겟, 디자인 색상 장식용 코팅을 위한 Al계, Cu계, Co계, Si계 다성분 타겟 등 다양하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 다성분계 타겟의 제조는 원하는 성분의 금속 분말을 준비하고 메탈 3D 프린터를 구동시켜 제작되고 열처리하는 것으로 완성되기 때문에 종래 어던 방법보다 더 간편하면서도 살핀 바와 같이 우수한 물성을 나타내어 맞춤형이자 양산성이 있다.
또한, 본 발명은, PVD 공정에 사용되고 버려지는 타겟을 기재로 하여, 메탈 3D 프린팅으로 해당 타겟의 침식 부에 해당 타겟과 동일한 성분의 금속 원소를 재충진하여 타겟을 재생하는 방법을 제공한다.
도 6을 보면 타겟을 침식시키기 위한 입자들로 하여금 타겟으로 유인하기 위해 자장을 형성하는 기술이 나와있고, 자장과 반응한 하전 입자들이 특별한 궤적을 띠게 되어 궁극적으로 타겟의 특정부분만 집중 침식되는 현상이 나타난다. 이와 같이 타겟은 전체가 모두 증착 공정에 활용되지 못한 상태에서 폐기되고 있다. 60 내지 70% 활용된 타겟은 그대로 폐기되거나 분쇄 후 귀금속 추출에 이용된다.
본 발명은 이와 같이 특정 부분만 침식되고 남겨진 타겟에 대해 메탈 3D 프린팅으로 침식 부를 다시 충전하여 재생 타겟을 형성하고 열처리하여 매우 간단하게 본래와 동일한 성능의 타겟으로 재생시킨다.
타겟의 본래 성분은 표기되어 있으므로, 해당 조성에 맞추어 금속 분말을 순금속 또는 합금 분말을 준비하고 타겟의 침식부 형상을 분석하여 메탈 3D 프린터에 입력하여 해당 부분에 용융물을 적층하여 타겟 형상을 재생한다.
이후, 성분에 맞추어 열처리할 수 있다.
상기 타겟의 재생 방법은 다성분계 타겟은 물론 단일성분의 타겟에도 적용될 수 있다. 그러한 경우, 금속 분말은 단일 성분으로 이루어지는 것은 당연하며, 열처리는 선택적일 수 있다.
열처리 조건은 상술한 바와 같다. 즉, 열처리 공정은 융점으로부터 150℃ 이하 내지 50℃ 초과된 온도 범위에서 실시하며, 열처리 시간은 30분 내지 2시간 정도 이루어질 수 있다.
상기에서, 타켓 적층시 산화물과 질화물 생성을 억제하기 위해, 열처리 시 분위기는 산소(<50 ppm)와 질소(<50ppm)가 극도로 제어된 분위기 하에서 실행되어 진다.
도 7은 본 발명에 따라 재생된 타겟을 보이며, 재생 타겟은 재사용 후 반복 재생될 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 제작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 사용되어 침식부를 갖는 타겟을 기재로 준비하고,
    상기 타겟과 동일한 성분의 금속 분말을 준비하고,
    메탈 3D 프린터의 하나 이상의 노즐에 상기 분말을 공급하고,
    메탈 3D 프린터의 레이저 빔의 파워를 조절하여 메탈 3D 프린팅을 실시하여 타겟의 침식부에 물질을 충진하여 타겟을 재생하고,
    침식부에 물질이 충진된 타겟을 열처리하되,
    열처리 공정은 다성분계 합금 타겟의 융점으로부터 150℃ 이하 내지 50℃ 초과된 온도 범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 타겟의 재생 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 열처리 시 분위기는 산소와 질소가 각각 50ppm 이하로 제어된 분위기 하에서 실행되는 것을 특징으로 하는 타겟의 재생방법.
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