KR102247867B1 - 마찰 용접을 이용한 리테이너 링, 그 제조 장치 및 방법 - Google Patents

마찰 용접을 이용한 리테이너 링, 그 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰 용접을 이용한 리테이너 링은 한 번 이상 사용된 리테이너 링이 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링 및 재사용 링과 마찰 용접되어 접합되는 신규 링을 포함한다.

Description

마찰 용접을 이용한 리테이너 링, 그 제조 장치 및 방법{RETAINER-RING USING FRICTION WELDING, APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정에서 사용되는 소비재 품목의 원가를 절감할 수 있는 마찰 용접을 이용한 리테이너 링과 그 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정에서는 반도체 웨이퍼(wafer)의 표면을 평탄화하기 위한 연마 공정이 필수적으로 포함된다.
이러한 연마 공정에 주로 사용되는 것이 화학기계적 연마(CMP) 공정이다. CMP 공정은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰을 이용하여 연마함과 동시에 화학적 연마제를 사용해 연마시키는 방식이다.
CMP 공정에서는 캐리어에 고정된 웨이퍼를 연마 패드에 가압시킨 상태에서 회전시킴으로써, 연마 패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 한다.
또한, 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(화학적 연마제)에 의해 웨이퍼의 표면이 화학적으로 연마된다. 이 과정에서 웨이퍼를 지지하는 리테이너 링은 웨이퍼와 함께 마모되기 때문에, 수명이 다하면 교체해야 한다.
지금까지의 리테이너 링은, 마찰면 일부만 수명이 다하더라도 전체적으로 폐기되고 있다. 기본적으로 가격이 높은 리테이너 링이기 때문에, 이러한 실정으로 인해 제조 원가는 상승할 수밖에 없는 문제를 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 화학기계적 연마(CMP) 공정에서 원가 절감을 하기 위하여 마찰 용접을 이용한 리테이너 링과 그 제조 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰 용접을 이용한 리테이너 링은, 한 번 이상 사용된 리테이너 링이 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링과, 상기 재사용 링과 마찰 용접되어 접합되는 신규 링을 포함한다.
상기 재사용 링은, 상기 리테이너 링의 연마 부위인 마찰부가 절삭된 형태로 이루어진다.
여기서 상기 신규 링은 상기 재사용 링과 내, 외경이 동일하게 정렬된 후에 마찰 용접된다.
상기 신규 링은 하부에 사선으로 형성된 홈 형태를 갖는 복수의 슬러리(slurry) 배출로를 갖는다.
상기 재사용 링은 원형의 고리 형태를 이루는 금속 재질의 인서트 링과, 상기 인서트 링과 상기 신규 링 사이에 배치되는 연마 링을 포함한다.
상기 연마 링은 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진다.
상기 신규 링은 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진다.
상기 신규 링과 연마 링은, 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS) 중 어느 하나의 재질로 이루어지되, 상호 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 인서트 링은 아연(Zn) 재질로 이루어진다.
상기 연마 링은 상기 인서트 링을 감싸는 형태로 이루어진다.
상기 연마 링의 상부와 상기 신규 링의 하부에는 상호 마찰 용접되어 형성된 마찰 접합면이 구비된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치는, 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링을 고정하는 고정부; 상기 고정부와 대향하게 배치되며, 신규 링을 회전시켜 상기 재사용 링과 마찰 용접시키는 회전부; 및 상기 재사용 링과 신규 링을 상온에서 냉각시키는 냉각부; 를 포함한다.
상기 회전부는 400 내지 600 RPM으로 회전되는 것이 바람직하다.
상기 회전부는 상기 신규 링과 접촉하는 회전축을 포함하고, 상기 고정부는 상기 재사용 링과 접촉하는 고정축을 포함하며, 상기 회전축과 고정축은 상호 동일한 지름을 갖는 것이 바람직하다.
상기 회전부는 상기 재사용 링과 신규 링의 마찰 부위인 마찰 접합면이 미리 설정된 온도가 되도록 회전 속도를 조절한다.
상기 마찰 접합면의 온도는 300℃ 내지 320℃ 인 것이 바람직하다.
상기 회전부는 상기 마찰 접합면이 균일한 두께를 갖도록 압착하는 것이 바람직하다.
상기 냉각부는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 고유의 물성을 복원하기 위하여, 상기 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 방법은, 한 번 이상 사용된 리테이너 링을 미리 설정된 규격으로 절삭 가공하여 재사용 링으로 만드는 절삭 가공 단계; 상기 재사용 링의 표면을 평탄하게 하고, 상기 재사용 링과 마찰 용접될 신규 링을 가공하는 소재 가공 단계; 상기 재사용 링과 신규 링을 정렬시킨 후, 상기 재사용 링과 신규 링을 마찰 용접하여 접합하는 마찰 접합 단계; 및 상기 마찰 접합된 재사용 링과 신규 링을 정삭 가공하여 새로운 리테이너 링으로 만드는 정삭 가공 단계; 를 포함한다.
이때, 상기 마찰 접합 단계와 상기 정삭 가공 단계 사이에는 상기 재사용 링과 신규 링을 상온에서 냉각시키고, 상기 재사용 링과 신규 링의 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입하는 물성 복원 단계가 더 포함된다.
본 발명은 화학기계적 연마(CMP) 공정에서 이미 사용된 제품을 사용 목적에 맞게 절삭 가공하고, 새 제품과 마찰 용접하여 재사용이 가능한 리테이너 링과 그 제조 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 이미 사용된 리테이너 링을 재활용할 수 있어, 원가 절감과 동시에 새 제품과 같은 품질의 리테이너 링을 재생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링을 개략적으로 나타낸 정면 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법에 있어서, 리테이너 링의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법에 있어서, 도 3과 형태가 다른 리테이너 링의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링에 있어서, 연마 링과 신규 링을 1회 마찰 용접하여 접합한 모습을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링에 있어서, 연마 링과 신규 링을 2회 마찰 용접하여 접합한 모습을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 8 내지 도 10은 도 7의 (a)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 11 내지 도 13은 도 7의 (b)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 14 내지 도 16은 도 7의 (c)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 17은 도 7의 (a)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 18은 도 7의 (b)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 19는 도 7의 (c)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 장치에 있어서, 회전축과 고정축의 단면 차이에 따른 마찰 용접 결과를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
반도체 소자를 제조함에 있어서, 집적도의 증가로 인한 소자 크기의 감소와 그에 따른 복잡한 기능의 집적회로 구현을 위해 필요한 다층 접속 공정에서 반드시 해결해야 할 문제 중의 하나가 평탄화(Planarization) 공정이다.
평탄화는 증착시키는 유전체뿐만 아니라, 각종 도체들에 있어서도 필요하다. 평탄화 공정이 이루어지지 않으면 노광 공정에서 정밀한 패턴을 얻을 수 없고, 도체 및 유전체 증착막의 스텝 커버리지가 좋지 않아 동작 결함을 유발시킬 수 있게 된다.
CMP 기술은 대부분의 경우에 패드가 넓은 표면적을 커버할 수 있는 장점이 있기 때문에 웨이퍼 전체를 한꺼번에 평탄화할 필요가 있는 경우에 자주 사용된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링을 개략적으로 나타낸 정면 사시도이다.
도 1을 참조하면, 마찰 용접을 이용한 리테이너 링(100)은 CMP 공정에서 사용되는 소비재 품목 중 하나이다. 이러한 리테이너 링(100)은 종래의 제작 방법에서 탈피해 원가 절감을 극대화할 수 있도록 마찰 용접으로 제작된다.
기존의 리테이너 링은 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS) 재질의 일체형으로 제작되어, 폴리싱 패드(Polishing Pad)와의 특정 마찰 구간만 마모가 발생했다.
마모된 리테이너 링은 적절한 재사용 방법이 없어 폐기해왔다.
이에 따라, 제품 단가 대비 소재의 손실 비율이 높을 수밖에 없었고, 산업 폐기물이 많이 발생하여 환경에 악영향을 끼칠 수 있었다.
이를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링(100)은, 한 번 이상 사용된 리테이너 링의 마모 부위만을 제거하고, 새로운 소재와 마찰 용접한 형태로 이루어진다. 이에 따라, 상기 리테이너 링(100)은 전체적으로 소재가 폐기되는 것을 방지하고, 일부 소재를 재활용할 수 있다.
다시 말해, 상기 리테이너 링(100)은 이미 사용되어 폐기가 될 예정인 폐기 리테이너 링(미도시)의 사용면(working surface) 만을 제거한 후 마찰 용접을 통해 소재 접합, 가공 등의 작업을 거쳐 새 제품으로 구현된다.
따라서, 상기 리테이너 링(100)은 재활용을 통해 원가를 절감할 수 있고, 폐기물 발생을 최소화하여 환경 보호에 이바지할 수 있다.
상기 리테이너 링(100)은 마찰력을 이용해 동일한 소재의 분자 결합이 이루어지고, 소재의 물리적 특성(경도 및 인장강도 등)이 동일하므로 일체형으로 이루어진 리테이너 링 새 제품과 기계적 특성 및 내구성이 동등하다.
특히, 상기 리테이너 링(100)은 본딩(Bonding) 제조 공법에서 발생될 수 있는 접합부(마찰 접합면; 130)의 오염물 용출 및 박리 현상이 발생하지 않는다.
상기 리테이너 링(100)이 제조될 시, 새 제품과의 동등한 수준을 유지하기 위하여 다음과 같은 고려 사항을 유의해야 한다.
첫째, 공정 유의차가 없어야 한다. 둘째, 라이프 타임에 변동이 없어야 한다. 셋째, 동등한 소재 간의 물리적 접합을 통해 오염인자 발생을 없애야 한다. 넷째, 전용 설비를 통해 변수(변형 요소 등)를 제거해야 한다.
이때, 소재 간 마찰 접합의 포인트는 조도 집중 관리에 있다. 이때, 측면 표면 조도(Ra)는 0.5㎛보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
이러한 리테이너 링(100)은 재사용 링(110)과, 신규 링(120)을 포함한다.
재사용 링(110)은 한 번 이상 사용된 리테이너 링이 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 형태이다. 이때, 상기 미리 설정된 규격은 현장에서 쓰이는 제품의 사양 기준을 의미하며, 각 설비에 맞게 달라질 수 있다.
즉, 기존의 리테이너 링에서 재사용이 가능한 부분을 사용하기 위하여 상기 재사용 링(110)은, 상기 기존의 리테이너 링에서 마모된 부위가 절삭된 형태로 이루어진다.
이러한 재사용 링(110)에는 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 형성된 결합홈(113)이 구비된다. 여기서, 상기 소정의 간격이란 재사용 링(110)이 웨이퍼(wafer)를 연마하기 위해 마련된 연마 장치(미도시)와 결합되는 위치를 나타낸 간격이다.
따라서, 상기 소정의 간격은 상기 재사용 링(110)과 상기 연마 장치 간의 결합 부위에 따라 상기 결합홈(113)의 위치가 달라질 수 있다.
상기 결합홈(113)은 연마 장치에 결합되기 위해 내주면에 나사산이 형성된다. 보다 강한 결합력을 위하여 상기 결합홈(113)의 내주면에는 나사산이 형성된 중공 형상의 암나사(미도시)가 구비될 수도 있다.
신규 링(120)은 상기 재사용 링(110)을 활용하기 위해서, 상기 재사용 링(110)에 절삭된 부분만큼의 모양과 크기를 갖는다.
이러한 신규 링(120)은 상기 재사용 링(110)과 마찰 용접되어 접합된다. 상기 신규 링(120)은 슬러리 배출로(121)를 갖는다.
여기서, 슬러리 배출로(121)는 상기 신규 링(120)의 하부에 사선으로 형성된 홈 형태로 이루어진다. 이러한 슬러리 배출로(121)는 연마 패드(미도시)와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제인 슬러리(slurry)를 외부로 안내한다.
상기 재사용 링(110)과 신규 링(120)의 접합 부위에는 마찰 접합면(130)이 형성된다. 이때, 상기 마찰 접합이 이루어져도 상기 재사용 링(110)과 신규 링(120)의 치수 안정성은 확보가 가능하다.
마찰 접합 작업 시, 상기 재사용 링(110)은 내, 외경이 고정되고 결합홈(113)과 같은 체결 부위에 고정되기 때문에, 압력과 회전력에 의해 변형이 발생하지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법에 있어서, 리테이너 링의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 병행 참조하면, 리테이너 링 제조 방법은 크게, 절삭 가공 단계(S100), 소재 가공 단계(S200), 마찰 접합 단계(S300), 물성 복원 단계(S400) 및 정삭 가공 단계(S500)를 포함한다.
절삭 가공 단계(S100)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 한 번 이상 사용된 리테이너 링(10)을 미리 설정된 규격으로 절삭 가공하여 재사용 링(110)으로 만드는 단계이다.
이때, 상기 재사용 링(110)은 상기 리테이너 링(10)의 연마 부위인 마찰부(20)가 절삭된 형태로 이루어진다.
소재 가공 단계(S200)는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 재사용 링(110)의 표면을 평탄하게 하고, 상기 재사용 링(110)과 마찰 용접될 신규 링(120)을 가공하는 단계이다.
상기 재사용 링(110)은 인서트 링(111)과, 연마 링(112)을 포함한다.
인서트 링(111)은 원형의 고리 형태를 이루는 금속 재질로 이루어진다. 이러한 인서트 링(111)은 아연(Zn) 재질로 이루어진다.
연마 링(112)은 상기 인서트 링(111)과 상기 신규 링(120) 사이에 배치된다.
이러한 연마 링(112)은 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진다.
상기 연마 링(112)과 마찰 접합될 신규 링(120)은, 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진다.
이때, 상기 신규 링(120)과 연마 링(120)은 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS) 중 어느 하나의 재질로 이루어지되, 상호 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
마찰 접합 단계(S300)는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 재사용 링(110)과 신규 링(120)을 정렬시킨 후, 상기 재사용 링(110)과 신규 링(120)을 마찰 용접하여 접합하는 단계이다.
이때, 상기 신규 링(120)은 상기 재사용 링(110)과 내, 외경이 동일하게 정렬된 후 마찰 용접되는 것이 바람직하다.
상기 재사용 링(110)의 연마 링(112) 상부와 상기 신규 링(120)의 하부에는 상호 마찰 용접되어 형성된 마찰 접합면(130)이 구비된다.
물성 복원 단계(S400)는, 상기 재사용 링(110)과 신규 링(120)을 상온에서 냉각시킨다. 그 과정에서 물성 복원 단계(S400)는, 상기 재사용 링(110)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)에 이질소(N₂)를 주입한다.
이는 상기 마찰 접합면(130)이 원래의 폴리페닐렌설파이드(PPS)와 동일한 경도 및 인장강도 특성을 유지시키도록 하기 위함이다.
정삭 가공 단계(S500)는 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 상호 마찰 접합된 재사용 링(110)과 신규 링(120)을 정삭 가공하여, 새로운 리테이너 링(100)으로 만드는 단계이다.
상기 정삭 가공 단계(S500)는 접합 외관을 검사한 이후에, 재사용 링(110)과 신규 링(120)의 내, 외경에 치수 변화가 생기지 않도록 가공을 진행한다. 또한, 그루브(Groove)도 정삭 가공을 진행한다.
상기 정삭 가공 단계(S500)를 거친 리테이너 링(100)은 기존의 R-Ring 검사 기준과 동등한 수준의 품질관리(Q.C.) 절차 후 납품될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 방법에 있어서, 도 3과 형태가 다른 리테이너 링의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 리테이너 링(100)은 도 3에서의 리테이너 링(100)과 달리, 연마 링(112)이 인서트 링(111)을 감싸는 형태로 이루어진다.
이때, 도 4의 리테이너 링(100)은 신규 링(120)이 상기 인서트 링(111)을 덮으며 상기 연마 링(112)과 마찰 접합되는 형태이다.
이 외에 도 3과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링에 있어서, 연마 링과 신규 링을 1회 마찰 용접하여 접합한 모습을 나타낸 도면이고, 도 6은 연마 링과 신규 링을 2회 마찰 용접하여 접합한 모습을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 병행 참조하면, 동일한 폴리페닐렌설파이드(PPS) 재질로 이루어진 연마 링(112)과 신규 링(120)은 마찰 용접되어 접합된다.
이때, 상기 연마 링(112)과 신규 링(120)의 규격은 '4.5T x Φ300'으로서, 상호 간에 마찰 접합이 1회 진행될 경우, 상기 연마 링(112)과 신규 링(120) 사이에 마찰 접합면(130)은 한 개가 형성된다.
상기와 동일한 규격으로 마찰 접합이 2회 진행될 경우, 상기 연마 링(112)과 신규 링(120) 사이에 마찰 접합면(130)은 두 개가 형성된다.
즉, 상기 마찰 접합면(130)은 마찰 접합이 수행되는 횟수와 동일하게 형성된다. 이때, 상기 마찰 접합면(130)은 균일한 두께로 유지되는 것이 중요하다.
상기 연마 링(112)과 신규 링(120)은 동일한 소재(폴리페닐렌설파이드; PPS)로 이루어진다. 이에 따라, 상기 마찰 접합면(130)은 동일한 소재 간의 마찰 접합으로 형성된 띠(Line)다.
상기 마찰 접합면(130)은 1, 2회의 마찰 접합에도 불순물 또는 다른 물질이 혼입되지 않는다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 리테이너 링 제조 장치(200)는 고정부(210), 회전부(220) 및 냉각부(미도시)를 포함한다.
고정부(210)는, 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링을 고정한다. 이러한 고정부(210)는 상기 재사용 링이 흔들림 없이 효율적으로 마찰 용접이 가능하도록 상기 재사용 링을 결합시켜 고정한다.
회전부(220)는, 상기 고정부(210)와 대향하게 배치된다. 이러한 회전부(220)는 신규 링을 회전시켜 상기 재사용 링과 마찰 용접시킨다.
이때, 상기 회전부(220)는 400 내지 600 RPM으로 회전되는 것이 바람직하다. 상기 회전부(220)의 RPM이 600을 초과하면, 상기 신규 링과 재사용 링 간의 접합부인 마찰 접합면이 제대로 붙지 않고 변형될 수 있다.
만약, 상기 회전부(220)의 RPM이 400 미만이면, 마찰 시 요구되는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 소재의 용융점(278℃)까지 도달되지 않을 수 있다.
따라서, 상기 회전부(220)는 400 내지 600 RPM으로 회전되는 것이 바람직하다.
상기 회전부(220)는 회전축(221)을 포함한다.
회전축(221)은 축 방향으로 회전이 가능하고, 길이 방향으로 이동되는 형태로 이루어진다. 따라서 상기 회전축(221)은 소재간 마찰 용접 시, 상기 고정부(210)를 향해 회전 이동하며 소재를 가압한다.
상기 회전부(220)는 재사용 링과 신규 링의 마찰 부위인 마찰 접합면이 미리 설정된 온도가 되도록 회전 속도를 조절한다.
이때, 상기 마찰 접합면의 온도는 300℃ 내지 320℃ 인 것이 바람직하다.
만약, 상기 마찰 접합면의 온도가 300℃미만이면, 회전에 의한 마찰력이 발생되는 온도가 폴리페닐렌설파이드(PPS) 용융점에 도달하지 못할 수 있다.
반대로, 상기 마찰 접합면의 온도가 320℃를 초과하면, 마찰 온도가 높아서 사기 마찰 접합면이 제대로 붙지 않거나 변형될 가능성이 크다.
따라서, 상기 마찰 접합면의 온도는 300℃ 내지 320℃ 인 것이 바람직하다.
상기 회전부(220)는 상기 마찰 접합면이 균일한 두께를 갖도록 압착한다. 보다 상세하게는 상기 회전부(220)의 회전축(221)이 축 방향을 기준으로 회전하며 길이 방향을 따라 이동한다. 이때, 피드 스피드(Feed Speed)는 0.02mm/s의 공정 조건을 갖는다.
따라서 상기 회전축(221)이 상기 마찰 접합면을 0.1MPa(UP SET Pressure 조건)로 압착하여, 상기 마찰 접합면이 균일한 두께를 갖도록 한다.
냉각부는 상기 재사용 링과 신규 링을 상온에서 냉각시키는 기능을 갖는다. 이러한 냉각부는 폴리페닐렌설파이드(PPS)의 물성 복원을 위하여, 상기 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입한다.
이에 따라 상기 마찰 접합면은 원래의 폴리페닐렌설파이드(PPS)와 동일한 경도 및 인장강도 특성을 유지할 수 있다.
한편, 도 7의 (a), (b), (c)에 도시된 회전축(221)의 길이(L1, L2, L3)와, 그 외 가공 조건에 따라서 마찰 용접의 결과가 달라짐을 확인할 수 있다.
상기 결과는 후술되는 도면을 통해 살펴보기로 한다.
도 8 내지 도 10은 도 7의 (a)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10을 병행 참조하면, #1 내지 #3의 가공 조건은 다음과 같은 공통 조건을 갖는다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (a)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L1)는 1mm이다.
도 8 내지 도 10의 각 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, 각 (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. 각 (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
도 8 내지 도 10의 각 (b), (c)에 도시된 점선 부분은, 마찰 접합면(130)이 균일하지 못하고, 제대로 접착이 되지 않은 부분이다.
이처럼, 각 가공 조건에 따라 마찰 접합면(130)의 형태가 달라짐을 알 수 있다.
도 11 내지 도 13은 도 7의 (b)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 13을 병행 참조하면, #4 내지 #5의 가공 조건은 다음과 같은 공통 조건을 갖는다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (b)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L2)는 1.2mm이다.
한편, #6의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 500 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.01 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (b)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L2)는 1.2mm이다.
도 11 내지 도 13의 각 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, 각 (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. 각 (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
도 11 내지 도 13의 각 (b), (c)에 도시된 점선 부분은, 마찰 접합면(130)이 균일하지 못하고, 제대로 접착이 되지 않은 부분이며, 각 가공 조건에 따라 상이하다.
도 14 내지 도 16은 도 7의 (c)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 각 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, #7의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.01 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (c)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L3)는 1.5mm이다.
도 14의 (a)에 도시된 가공 패스에 따라 (b)와 (c)의 형태가 결정된다.
이때, 도 14의 (b)는 고정부(210)의 접합 부위를 나타낸다. 도 14의 (c)는 회전축(221)의 접합 부위를 나타낸다. 이러한 고정부(210)와 회전축(211)의 접합 부위는 각 가공 조건에 따라 상이할 수 있다.
도 15를 참조하면, #8의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 800 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (c)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L3)는 1.5mm이다.
도 15의 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
도 16을 참조하면, #9의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (c)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L3)는 1.5mm이다.
도 16의 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
도 17은 도 7의 (a)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, #10의 가공 조건은 마찰 용접 소재의 내, 외경 사이즈를 동일하게 가공한 후 테스트를 진행한 결과이다.
이러한 #10의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (a)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L1)는 1mm이다.
도 17의 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
상기 #10의 가공 조건을 상기 (a)의 가공 패스를 마찰 용접을 진행하면, (b)와 (c)처럼 균일한 두께를 갖는 마찰 접합면(130)을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 18은 도 7의 (b)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 18을 참조하면, #11의 가공 조건은 마찰 용접 소재의 내, 외경 사이즈를 동일하게 가공한 후 테스트를 진행한 결과이다.
이러한 #11의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (b)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L2)는 1.2mm이다.
도 18의 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
상기 #11의 가공 조건을 상기 (a)의 가공 패스를 마찰 용접을 진행하면, (b)와 (c)처럼 균일한 두께를 갖는 마찰 접합면(130)을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 19는 도 7의 (c)에 도시된 리테이너 링 제조 장치에 의해 바람직한 가공 조건으로 제조된 리테이너 링을 나타낸 도면이다.
도 19를 참조하면, #12의 가공 조건은 마찰 용접 소재의 내, 외경 사이즈를 동일하게 가공한 후 테스트를 진행한 결과이다.
이러한 #12의 가공 조건은 다음과 같다.
회전 속도(Spindle Speed)는 600 RPM, 피드(Feed) 조건은 0.02 rev/mm, 소재의 형태는 도 7의 (c)에 도시된 회전축(221)과 동일하며, 고정부(210)와 마주하는 회전축(221)의 길이(L3)는 1.5mm이다.
도 19의 (a)는 가공 패스(pass)를 나타낸 가공 조건이고, (b)는 리테이너 링의 외경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다. (c)는 리테이너 링의 내경으로서, 연마 링(112)과 신규 링(120)의 마찰 접합면(130)을 나타낸다.
상기 #12의 가공 조건을 상기 (a)의 가공 패스를 마찰 용접을 진행하면, (b)와 (c)처럼 균일한 두께를 갖는 마찰 접합면(130)을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리테이너 링 제조 장치에 있어서, 회전축과 고정축의 단면 차이에 따른 마찰 용접 결과를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 리테이너 링 제조 장치는 고정부(210)의 고정축(211)과 회전부(220)의 회전축(221)의 단면 차이에 따라 마찰 용접 결과가 달라진다.
전술된 #1 내지 #9의 가공 조건에 따른 마찰 용접 결과는, 마찰 용접 부위 중 고정부(210) 부분에서 기포가 발생되어, 액화된 소재가 균일하게 도포되지 않아 불량이 발생했다.
이때, 도 20의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이 칩(30)의 배출 방향은 상호 마주하는 회전축(221)과 고정축(211)의 단면 차이에 따라 달라짐을 알 수 있다.
즉, (a)처럼 회전축(221)의 지름(d1)이 고정축(211)의 지름(d2)보다 작은 경우, 칩(30)은 단면 크기가 작은 회전축(221) 방향으로 배출된다.
(b)처럼 회전축(221)의 지름(d1)이 고정축(211)의 지름(d2)과 같을 경우에는, 칩(30)이 양쪽 방향으로 동일하게 배출된다.
이 경우, 고정축(211)의 내, 외경을 가공한 후 테스트를 진행한 결과, 도 17 내지 19에 전술된 내용과 같이 바람직한 마찰 용접의 결과를 얻었다.
(c)처럼 회전축(221)의 지름(d1)이 고정축(211)의 지름(d2)보다 큰 경우에는, 칩(30)은 단면 크기가 작은 고정축(211) 방향으로 배출된다.
고정축(211)의 내, 외경 크기가 회전축(221)의 내, 외경 크기보다 클 경우에는, 마찰 용접 시 액화된 소재가 회전축(221) 방향으로 쏠리는 현상이 발생한다.
이 경우의 원인을 분석한 결과, 마찰 응력 및 온도 분포가 회전축(221) 방향에 집중되기 때문임을 알 수 있다.
결과적으로, 마찰 응력 및 온도 분포를 동일하게 하기 위해서는 회전축(221)과 고정축(211)의 접촉 부분인 내, 외경 크기가 동일해야 한다.
이 경우에는, 회전축(221)과 고정축(211)의 크기가 동일하여 접합되는 칩(30)이 균일하게 발생한다. 그 결과, 마찰 접합면의 접합 상태는 육안 및 현미경으로 확인해도 접합이 균일하게 잘 됨을 알 수 있다.
이때, 마찰 용접은 회전수, 이송 속도, 최초 마찰 프릭션 타임(Friction Time; Dwell Time), 업셋(UP SET; Time, Length) 등과 같은 조건 선정이 중요하다.
회전 마찰 용접 시, 가장 중요한 요소 중의 하나는 접합 압력과 업셋(UP SET)량이다.
회전 마찰 용접은 마찰력에 의한 용접 방법으로서, 접합 압력을 높여야 접합성을 향상시킬 수 있다. 이때, 접합 시 피드(Feed)를 올려줘야 한다. 마찰 용접 후에는, 스핀들 정지 시 업셋(UP SET)량과 속도 조절이 필요하다.
전술한 바와 같이 본 발명은 화학기계적 연마(CMP) 공정에서 이미 사용된 제품을 사용 목적에 맞게 절삭 가공하고 새 제품과 마찰 용접하여 재사용이 가능한 리테이너 링과 그 제조 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 이미 사용된 리테이너 링을 재활용할 수 있어, 원가 절감과 동시에 새 제품과 같은 품질의 리테이너 링을 재생산할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시 예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10: 이미 사용된 리테이너 링 20: 마찰부
30: 칩
100: 리테이너 링 110: 재사용 링
111: 인서트 링 112: 연마 링
113: 결합홈 120: 신규 링
121: 슬러리 배출로 130: 마찰 접합면
200: 리테이너 링 제조 장치 210: 고정부
211: 고정축 220: 회전부
221: 회전축 230: 냉각부

Claims (20)

  1. 한 번 이상 사용된 리테이너 링이 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링과,
    상기 재사용 링에 절삭된 부분만큼의 모양과 크기를 갖는 신규 링을 포함하고,
    상기 재사용 링과 상기 신규 링은 기 설정된 가공 조건으로 상호 마찰 용접되어, 그 용접 부위에 균일한 두께로 형성되는 마찰 접합면을 가지며,
    상기 마찰 접합면은 상온에서 냉각되되, 상온 냉각이 진행되는 과정에서 이질소(N₂)가 주입되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재사용 링은
    상기 리테이너 링의 연마 부위인 마찰부가 절삭된 형태로 이루어지는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신규 링은
    상기 재사용 링과 내, 외경이 동일하게 정렬된 후에 마찰 용접되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신규 링은
    하부에 사선으로 형성된 홈 형태를 갖는 복수의 슬러리(slurry) 배출로를 갖는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재사용 링은
    원형의 고리 형태를 이루는 금속 재질의 인서트 링과,
    상기 인서트 링과 상기 신규 링 사이에 배치되는 연마 링을 포함하는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연마 링은
    폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 신규 링은
    폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 신규 링과 연마 링은,
    폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS) 중 어느 하나의 재질로 이루어지되, 상호 동일한 재질로 이루어지는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 인서트 링은
    아연(Zn) 재질로 이루어지는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 연마 링은
    상기 인서트 링을 감싸는 형태로 이루어지는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  11. 한 번 이상 사용된 리테이너 링이 미리 설정된 규격으로 절삭 가공된 재사용 링과,
    상기 재사용 링에 절삭된 부분만큼의 모양과 크기를 갖는 신규 링을 포함하고,
    상기 재사용 링과 상기 신규 링은 기 설정된 가공 조건으로 상호 마찰 용접되어, 그 용접 부위에 균일한 두께로 형성되는 마찰 접함면을 가지며,
    상기 마찰 접합면은 마찰 접합이 수행되는 횟수와 동일하게 형성되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링.
  12. 한 번 이상 사용된 리테이너 링을 미리 설정된 규격으로 절삭 가공한 재사용 링을 고정하는 고정부;
    상기 고정부와 대향하게 배치되며, 상기 재사용 링에 절삭된 부분만큼의 모양과 크기를 갖는 신규 링을 회전시켜 새로운 리테이너 링이 되도록 상기 신규 링을 상기 재사용 링과 마찰 용접시키는 회전부; 및
    상기 재사용 링과 신규 링의 마찰 접합면을 상온에서 냉각시키되, 상온 냉각이 진행되는 과정에서 상기 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입하는 냉각부를 포함하고,
    상기 마찰 접합면은
    상기 재사용 링과 신규링 사이에서 기 설정된 가공 조건으로 마찰 용접되어 균일한 두께로 형성되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회전부는
    400 내지 600 RPM으로 회전되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 회전부는
    상기 신규 링과 접촉하는 회전축을 포함하고, 상기 고정부는 상기 재사용 링과 접촉하는 고정축을 포함하며,
    상기 회전축과 고정축은 상호 동일한 지름을 갖는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 회전부는
    상기 마찰 접합면이 미리 설정된 온도가 되도록 회전 속도를 조절하는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 마찰 접합면의 온도는
    300℃ 내지 320℃ 인 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 회전부는
    상기 마찰 접합면이 둘레 방향으로 균일한 두께를 갖도록 상기 마찰 접합면을 압착하는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 마찰 접합면을 냉각하는 과정에서 상기 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입하는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 장치.
  19. 한 번 이상 사용된 리테이너 링을 미리 설정된 규격으로 절삭 가공하여 재사용 링으로 만드는 절삭 가공 단계;
    상기 재사용 링의 표면을 평탄하게 하고, 상기 재사용 링과 마찰 용접될 신규 링을 상기 재사용 링에 절삭된 부분만큼의 모양과 크기를 갖도록 가공하는 소재 가공 단계;
    상호 내, 외경이 동일하도록 상기 재사용 링과 신규 링을 정렬시킨 후, 상기 재사용 링과 신규 링을 기 설정된 가공 조건으로 마찰 용접하여 접합하는 마찰 접합 단계; 및
    상기 마찰 접합된 재사용 링과 신규 링을 정삭 가공하여 새로운 리테이너 링으로 만드는 정삭 가공 단계를 포함하고,
    상기 마찰 접합 단계에서, 상기 재사용 링과 신규 링 사이에는 마찰 접합이 수행되는 마찰 접합면이 균일한 두께로 형성되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 마찰 접합 단계와 상기 정삭 가공 단계 사이에는
    상기 재사용 링과 신규 링을 상온에서 냉각시키되, 상온 냉각이 진행되는 과정에서 상기 재사용 링과 신규 링의 마찰 접합면에 이질소(N₂)를 주입하는 물성 복원 단계가 더 포함되는 것인 마찰 용접을 이용한 리테이너 링 제조 방법.
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