KR102370835B1 - 3D 프린팅을 이용한 고효율 Zr계 실린더형 합금타겟 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 Zr-다성분계 합금타켓의 사용효율 향상을 위해 국부적인 소모가 발생하지 않는 실린더형 타켓 제작공법을 제공하고자 하는 것이다. 이로 인해 기존 기술의 타겟에 비해 20% 이상의 코팅 부품 단가 절감이 가능하며, 엔진부품 등 다양한 부품 제작에 확대적용이 가능하다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 금속 3D 프린터를 이용하여 백 튜브에 Zr-다성분계 합금 분말을 레이저 용융 방식으로 직접 적층하여 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓을 제조하는 방법을 제공한다.

Description

3D 프린팅을 이용한 고효율 Zr계 실린더형 합금타겟 제조방법{Manufacturing Method for High Efficiency Zr-base Alloy Rotary Target Using 3D Printing}

본 발명은 고효율 Zr계 실린더형 합금타겟 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 3D 프린팅을 이용한 타겟 제조방법에 관한 것이다.

실린더 타겟은 평판형 타겟에 비해 사용효율이 매우 높다. 평판 타겟이 일정 부분만 집중 침식되어 30~40% 정도의 사용효율을 지니는 반면, 실린더 타겟은 회전되며 침식되기 때문에 80% 수준의 사용효율을 나타낸다. 이와 같은 실린더 타겟은 스퍼터링 공정에 사용되고 있으며, 특히, 고경도, 고온 내성이 필요한 곳에 적용되는 Zr 합금계 코팅의 경우, 코팅재 및 타겟이 고가이기 때문에 더더욱 고효율의 실린더 타겟을 선호하고 있다. 타겟 사용업체는 가격 경쟁력을 가짐과 동시에 타겟 교체주기가 길어져 생산성 향상에 크게 기여한다. 현재는, 평판형 Zr-다성분계 합금타켓을 사용하고 있고, 그에 따른 타겟의 국부적인 소모에 의한 코팅부품의 단가상승이 문제되고 있다.

Zr 합금계 실린더 타겟은 일반적으로 다음과 같이 제조되고 있다.

먼저, 캔 안에 Zr 합금 소재 분말을 넣고 탈가스 한 다음 고온/고압하에서 소결하고 캔을 제거한다. 내식성이 우수한 스테인레스스틸 백 튜브 표면에 소결품과 스테일레스스틸 본딩을 위한 인듐(In)을 코팅하고 특정 온도로 가열하여 본딩을 하게된다. 이와 같이 제조된 Zr계 실린더 타겟은 몇가지 문제를 지닌다.

즉, 백 튜브와 Zr 합금 타겟 사이에 본딩 역할을 하는 인듐이 타겟을 이용하는 표면처리 공정 중 용융되어 타겟이 부분적으로 박리가 일어나 소실된다.

또한, 백 튜브인 스테인레스스틸과 Zr 합금 타겟간의 열팽창 계수의 차이로 인해 스트레스가 발생되어 크랙이 생기거나 박리된다.

요컨대, 고전력(High power) 인가시 냉각이 이루어지지 않으면 인듐 용융으로 타겟이 백 튜브로부터 분리되고, 스퍼터링 중 열팽창과 수축이 일어나 타겟이 파손된다. 스퍼터링 로터리 타겟을 본딩함에 있어서, 타겟과 백킹 튜브 사이에 형성된 간극의 온도를 정밀하게 제어하여, 타겟과 백킹튜브를 접합하기 위해 인듐을 충진할 경우, 과열에 의해 인듐이 산화되어 접합효율을 저하시키는 것을 방지하고 액상 인듐의 흐름성을 좋게하여 충진을 원활하게 함으로써 타겟과 백킹튜브 간의 접합특성을 향상시킬 수 있는 wetting process를 이용할 수 있다. 스퍼터링 타겟 본딩재로서 인듐을 사용하되, 인듐충진 시 흐름성을 좋게 하기 위해 인듐을 160℃ 이상에서 용융시킨 후, 원통형 타겟과 원통형 백킹 튜브 사이에 충진한다.

공개특허 10-2017-0128580호는 실린더 타겟의 제작에 대해 기술하며, 여기서도 인듐 본딩을 실시하고 있어 같은 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 목적은 Zr-다성분계 합금타켓의 사용효율 향상을 위해 국부적인 소모가 발생하지 않는 실린더형 타켓 제작공법을 제공하고자 하는 것이다. 이로 인해 기존 기술의 타겟에 비해 20% 이상의 코팅 부품 단가 절감이 가능하며, 엔진부품 등 다양한 부품 제작에 확대적용이 가능하다.

상기 목적에 따라, 본 발명은 금속 3D 프린터를 이용하여 백 튜브에 Zr-다성분계 합금 분말을 레이저 용융 방식으로 직접 적층하여 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓을 제조하는 방법을 제공한다.

상기에서, 백 튜브의 양단부를 막고 일측 단부에 냉각수 입구를, 타측 단부에 냉각수 출구를 설치하여 3D 프린팅 공정 중 냉각수를 흘려 적층된 금속이 신속하게 냉각되어 결정립크기를 미세하게 유지하게 한다.

상기에서, 3D 프린팅 노즐의 위치를 고정하고, 실린더형 백 튜브를 회전시키면서 실린더 높이 방향으로 병진시켜 적층물이 백 튜브 상에 권선으로 감기듯이 적층되게 한다.

상기에서, 적층물의 권선 적층을 반복실시하여 실린더 타겟을 완성한다.

상기에서, 노즐은 중심부에 레이저 빔이 방출되는 레이저 빔 조사부를 구비하고, 이를 중심으로 방사대칭상으로 배치된, 합금 분말이 쉴딩 가스와 함께 분사되는 공급 노즐을 구비한다.

본 발명은,

실린더형 백 튜브와 백 튜브 겉면에 적층할 금속 분말을 준비하고,

금속 3D 프린터에 금속 분말을 공급하고,

금속 3D 프린터의 노즐을 통해 금속 분말을 공급하면서 레이저를 금속 분말에 조사하여 레이저 용융 방식으로 금속을 백 튜브에 적층 성형하여 실린더 타겟을 제조하되,

상기 백 튜브는 중심축을 중심으로 회전시키고,

금속 3D 프린터의 노즐과 상기 백 튜브는 서로 상대적으로 병진운동시켜, 백 튜브 겉면에 금속으로 권선을 감듯이 적층하여 실린더 타겟을 백튜브 일체형으로 제조하는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 백 튜브의 양단부를 막고 일측 단부에 냉매 입구를, 타측 단부에 냉매 출구를 설치하여 3D 프린팅 공정 중 냉매를 흘려주는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 금속 3D 프린터의 노즐은 금속 분말과 함께 쉴딩 가스를 공급하는 분말 공급 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 금속 3D 프린터의 노즐은 금속 분말에 레이저를 조사하는 레이저 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 분말 공급 노즐은 다수가 방사상으로 배치되고, 그 중심부에 레이저가 조사되는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 3D 프린팅에 의한 금속의 적층은 권선을 감은 후 그 위에 중첩하여 감듯이 반복되는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법을 제공한다.

상기의 실린더 타겟 제조방법에 의해 제조되어, 결정립 크기 0.5 ~ 100μm를 갖는 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓을 제공한다.

상기에 있어서, 실린더형 합금타켓의 조성 균일도는 5% 이하인 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓을 제공한다.

상기에 있어서, 실린더형 합금타켓의 밀도는 90 ~ 99.9%인 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓을 제공한다.

상기의 실린더형 합금타겟으로 제작된 나노복합 코팅층을 제공한다.

본 발명에 따르면 금속 3D 프린팅을 이용하여 실린더 타겟을 제조하기 때문에 백튜브에 인듐과 같은 별도의 본딩 없이 백 튜브 일체형 타겟을 효율적으로 제조할 수 있다. 본딩 없이 백튜브에 일체화된 실린더 타겟은 고전력 공정에 사용되어도 백 튜브로부터의 분리 이탈 문제가 없다.

또한, 3D 프린팅으로 적층제조하기 때문에 대기압에서 실시할 수 있고, 금속 3D 프린터에 대한 초기 세팅으로 편리하게 생산할 수 있다.

또한, 본 발명은 금속 3D 프린팅을 금속 분말 공급과 레이저 조사에 의해 실시하며, 적층 경로를 실린더형 백튜브의 겉면에 권선을 감듯 설정하여 적층성형 속도를 향상시키고 실린더 타겟의 두께를 쉽게 조절할 수 있으며, 고밀도화를 이룰 수 있다.

도 1은 종래 기술과 본 발명에 따른 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓 구성의 차이를 보여주는 단면도이다.
도 2는 몇몇 금속의 열팽창계수를 보여준다.
도 3은 종래 기술에 따른 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓 제조공정 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓 제조공정 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따라 금속 3D 프린팅으로 실린더형 Zr-다성분계 합금 타켓을 제조하는 방법을 보여주는 개요도이다.
도 6은 소결공정에 의한 Zr-다성분계 합금 타켓의 미세조직과 본 발명에 따라 3D 프린팅으로 제작한 Zr-다성분계 합금 타켓의 미세조직을 보여주는 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 종래 인듐 본딩으로 백 튜브에 부착된 실린더 타겟과 본 발명에 따라 백 튜브에 일체형으로 적층제조된 실린더 타겟을 보여준다. 백튜브를 STS304로 하여 인듐 본딩으로 부착된 것은 상술한 바와 같이 고전력 증착 공정에서 박리 위험이 있지만, 본 발명과 같이 일체형으로 제작된 것은 그러한 문제가 없다. 본 발명의 것은 백 튜브와 실린더 타겟 사이의 열팽창계수의 차이를 가급 적은 것으로 선택한다. 열팽창계수에 대한 데이터는 도 2에 나와있으며, 실린더 타겟이 Zr 계 합금 Zr-Cu-Si인 경우, 이와 열창계수가 가까운 Ti, 또는 Ti계 합금으로 된 백튜브를 선택한다.

Zr계 합금으로는 ZrCuSi, ZrSi, ZrCoSi, ZrMoSi 등이 있다. 그외에도 다양한 금속이 Zr과 합금될 수 있으며, Zr의 함량은 바람직하게는 70wt% 이상이다.

Zr의 열팽창 계수는 5.7이고 Ti의 열팽창 계수는 8.6으로 스테인레스스틸(STS304)(열팽창 계수 17.3)에 비해 열팽창 계수의 차이가 크지 않다. 따라서 본 고안은 Zr 합금계 실린더 타겟의 백 튜브를 Ti 소재 또는 Ti 합금 소재로 선택하였다. Ti 합금 소재는 Ti-grade1, Ti-grade2, Ti-grade5 등이 있다. 그외에도 다양한 금속이 Ti와 합금될 수 있으며, Ti의 함량은 바람직하게는 70wt% 이상이다. Ti와 합금을 이루는 소재의 종류와 함량은 Zr계 합금 소재와의 열팽창 계수를 고려하여 서로 비슷한 값을 갖도록 조절될 수 있다.

기존의 실리더 타겟 제조공정은 캔을 배치하고 합금 분말을 캔에 넣은 후 탈가스 하고 HIP 소결을 실시한다. 제조된 실린더 타겟을 가공하여 인듐 본딩으로 백튜브에 부착시키는 과정을 포함한다(도 3 참조). 다수의 공정을 거치며, 상술한 바와 같이 고정 중 인듐 본딩이 용융될 경우 분리된다. 이에 반해, 본 발명은 도 4와 같이 합금 분말을 준비하여 금속 3D 프린터에 공급하고, 백 튜브 겉면에 직접 적층제조한다. 제조된 실린더 타겟에 약간의 가공을 거치면 완성되므로 종래 기술에 비해 공정은 훨씬 더 간소화된다.

본 발명의 구제척인 실시예는 도 5에 나와있다.

백 튜브를 준비하고, 백 튜브 겉면에 금속 3D 프린터로 실린더 타겟을 증착하는 것이다. 실린더 타겟의 소재는 상술한 바와 같이, Zr 합금이며, 이를 위해, Zr-Cu-Si 합금 분말을 금속 3D 프린터에 공급한다. 금속 3D 프린터에 금속 분말을 공급하고, 금속 3D 프린터 노즐은 금속 분말을 공급함과 동시에 레이저를 금속 분말에 조사하여 용융시켜 백 튜브 겉면에 금속을 직접 증착시킨다. 실린더 타겟의 제조를 위해 백 튜브를 중심축에 대해 회전시키며, 동시에 금속 3D 프린터 노즐을 상대적으로 병진운동시켜, 마치 권선을 감듯 금속이 증착되게 한다. 노즐은 고정시키고 백 튜브가 회전 및 병진운동할 수도 있고, 백 튜브는 회전하고 노즐은 백 튜브의 중심축 방향을 따라 병진할 수도 있다. 권선을 감는 것과 같은 적층경로로 적층되는 과정은 백튜브 겉면을 모두 채운 후에도 그 위에 반복실시될 수 있다. 적층경로는 백 튜브 겉면을 권선을 감듯 전진하여 백 튜브 겉면을 모두 덮은 다음, 다시 그 위에 권선을 중첩하여 감듯 후진하여 왕복운동하는 방식으로 설정될 수 있다. 이러한 반복 적층으로 원하는 두께의 실린더 타겟을 비교적 신속히 만든다.

백 튜브 위에 공급된 합금 분말이 레이저의 열에 의해 적층 성형될 때, 순간적으로 용융되되 흘러내리지 않고 겉면에 고정되도록 겉면을 냉각시킨다. 또한, 결정립 크기를 미세화하기 위해, 백 튜브 양단부를 마감재로 막고 그 일면에 냉매 입구를, 반대편 단부에 냉매 출구를 설치하여 냉매를 흘려준다. 본 실시예에서는 냉각수를 흘려주며, 그외 기체를 흘려 줄 수도 있다.

본 발명의 3D 프린팅은 진공챔버를 요하지 않고 대기중에서 실시할 수 있다. 이는 금속 분말 공급 노즐이 금속 분말과 함께 쉴딩 가스를 포함하여 공급하기 때문에 진공 환경을 구축하지 않아도 고순도 합금 타겟을 제작할 수 있다.

금속 3D 프린터의 노즐은 금속 분말 공급용 노즐이 하나 이상 구비되고, 금속분말에 대해 레이저를 조사하는 레이저 조사부를 구비한다. 생산성 향상을 위해, 분말공급용 노즐을 다수 방사상으로 배치하고, 그 중심부에 레이저가 조사되도록 레이저 조사부를 배치한다.

이와 같이 하여 3D 프린팅으로 제작된 실린더 타겟의 미세조직을 소결법으로 만든 타겟의 것과 대비하여 본 결과 도 6에서와 같이 거의 차이가 없었다. 따라서 3D 프린팅에 의해 매우 편리하게 실린더 타겟을 제조할 수 있다.

상기 실린더 타겟 제조방법에 의해 제조된 타겟의 결정립 크기는 0.5 ~ 100μm를 갖는다.

또한, 실린더형 합금타켓의 조성 균일도는 5% 이하(편차)로 매우 균일하였고, 밀도는 90 ~ 99.9%로 고밀도 였다.

상기의 실린더형 합금타겟으로 우수한 품질의 나노복합 코팅층을 형성할 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 (10)

1. 실린더형 백 튜브와 백 튜브 겉면에 적층할 금속 분말을 준비하고,
   금속 3D 프린터에 금속 분말을 공급하고,
   금속 3D 프린터의 노즐을 통해 금속 분말을 공급하면서 레이저를 금속 분말에 조사하여 레이저 용융 방식으로 금속을 백 튜브에 증착하여 실린더 타겟을 제조하되,
   상기 백 튜브는 중심축을 중심으로 회전시키고,
   금속 3D 프린터의 노즐과 상기 백 튜브는 서로 상대적으로 병진운동시켜, 백 튜브 겉면에 금속으로 권선을 감듯이 적층하여 실린더 타겟을 백튜브 일체형으로 제조하며,
   상기 백 튜브의 양단부를 막고 일측 단부에 냉매 입구를, 타측 단부에 냉매 출구를 설치하여 3D 프린팅 공정 중 냉매를 흘려주는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 금속 3D 프린터의 노즐은 금속 분말과 함께 쉴딩 가스를 공급하는 분말 공급 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 금속 3D 프린터의 노즐은 금속 분말에 레이저를 조사하는 레이저 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 분말 공급 노즐은 다수가 방사상으로 배치되고, 그 중심부에 레이저가 조사되는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 3D 프린팅에 의한 금속의 적층은 권선을 감은 후 그 위에 중첩하여 감듯이 반복되는 것을 특징으로 하는 실린더 타겟 제조방법.
7. 제1항, 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 실린더 타겟 제조방법에 의해 제조되어, 결정립 크기 0.5 ~ 100μm를 갖는 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓.
8. 제7항에 있어서, 실린더형 합금타켓의 조성 균일도는 5% 이하인 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓.
9. 제7항에 있어서, 실린더형 합금타켓의 밀도는 90 ~ 99.9%인 것을 특징으로 하는 실린더형 합금타켓.
10. 제7항의 실린더형 합금타겟으로 제작된 나노복합 코팅층.
    
    
    

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