KR102441932B1 - 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법 - Google Patents

광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법 Download PDF

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Abstract

광원, 밀폐된 내부 공간에, 상기 광원에 의해 광 소결되는 대상체가 마련되는 스테이지를 제공하는 챔버 바디, 및 상기 챔버 바디의 일 측에 마련되며, 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기 형성을 위해, 가스 제공부와 연결되는 가스 유입구를 포함하는 광 소결 장치가 제공된다.

Description

광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법{Light sintering apparatus and light sintering method using thereof}
본 발명은 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 챔버 바디의 밀폐된 내부 공간에 광 소결 대상체가 마련되는 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법에 관련된 것이다.
종래의 전기 소결 장치를 이용한 환원 소결 공정 또는 산화 소결 공정은, 소결로 내부에 환원 가스 또는 산화 가스를 공급하고, 전기 히터를 고온(약 900 ℃)으로 가열시켜, 소결 대상체를 소결하는 방법을 포함할 수 있다.
하지만, 상술된 종래의 전기 소결 공정은, 상기 소결로 내부에 공급된 환원 가스 또는 산화 가스의 누출을 최소화하기 위한 복잡한 밀폐 구조가 요구될 뿐만 아니라, 전기를 이용해 히터를 고온으로 가열시키므로 장 시간이 소요되는 단점이 있으며, 고온에서 가스 사용에 따른 폭발 위험성의 문제가 있다.
한편, 종래의 광 소결 장치를 이용한 광 소결 공정은, 상온 및 상압 분위기에서 광원의 광 조사에 의해 소결 대상체를 소결하므로, 상술된 전기 소결 공정에 비해 간편한 장점이 있다.
하지만, 상술된 종래의 광 소결 공정은, 밀폐된 내부 공간이 아닌 외부 환경에 노출된 상태에서 상온 및 상압 분위기를 통해 수행되는 것에 의해, 광원으로부터 조사된 에너지가 소결 대상체에 도달되는 과정에서 쉽게 외부로 방출되므로, 광 소결 효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 상술된 전기 소결 장치의 문제점과 광 소결 장치의 문제점을 해결하면서도, 소결 공정 효율을 높일 수 있는 소결 방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 광원으로부터 조사된 에너지가 소결 대상체에 도달되는 과정에서 에너지 손실이 최소화된 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 단 시간 내에 소결 대상체를 소결하는 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고온의 가스 분위기에서 위험이 최소화된 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 간단한 구조의 광 소결 장치 및 그를 이용한 광 소결 방법를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광 소결 전 보다 많은 O1-를 포함하는, 광 소결체를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 광 소결 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 소결 장치는, 광원, 밀폐된 내부 공간에, 상기 광원에 의해 광 소결되는 대상체가 마련되는 스테이지를 제공하는 챔버 바디, 및 상기 챔버 바디의 일 측에 마련되며, 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기 형성을 위해, 가스 제공부와 연결되는 가스 유입구를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 바디는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간을 진공 분위기로 조성하기 위해 진공 펌프와 연결되는 펌프 흡입구를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 바디는, 상기 가스 분위기에서 가스 배출을 위한 가스 배출구를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광원은, 상기 챔버 바디 내부 또는 챔버 바디 외부에 마련되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법은, 광 소결되는 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계, 상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기로 형성하는 단계, 및 광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 대상체를 광 소결시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스테이지에 위치시키는 단계에서 상기 대상체는, 일종 이상의 금속으로 이루어지고, 상기 가스 분위기로 형성하는 단계에서 상기 가스 분위기는, 산소 분위기이며, 상기 광 소결시키는 단계에서 상기 대상체는, 금속 산화물로 소결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 상기 대상체 보다 많은 O1-를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 대상체는, 일종 이상의 희토류를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 산소 분위기의 산소 분압은, 1x10-2 torr 이상 및 1x102 torr 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 소결시키는 단계에서 광 소결 에너지는, 1 J/Cm2 이상 및 500 J/Cm2 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 분위기로 형성하는 단계에 앞서, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 진공 분위기로 조성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스테이지에 위치시키는 단계에서 상기 대상체는, 이종 이상의 금속으로 이루어지고, 상기 가스 분위기로 형성하는 단계에서 상기 가스 분위기는, 불활성 가스 분위기이며, 상기 광 소결시키는 단계에서 상기 대상체는, 합금으로 소결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스테이지에 위치시키는 단계에서 상기 대상체는, 이종 이상의 세라믹 베이스로 이루어지고, 상기 가스 분위기로 형성하는 단계에서 상기 가스 분위기는, 산소 분위기이며, 상기 광 소결시키는 단계에서 상기 대상체는, 세라믹으로 소결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 광원, 밀폐된 내부 공간에, 상기 광원에 의해 광 소결되는 대상체가 마련되는 스테이지를 제공하는 챔버 바디, 및 상기 챔버 바디의 일 측에 마련되며, 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기 형성을 위해, 가스 제공부와 연결되는 가스 유입구를 포함하는 광 소결 장치가 제공될 수 있다.
이에 따라, 광원으로부터 광을 조사하여 소결하므로, 장 시간이 소요되는 종래의 전기 소결 공정과는 달리, 단 시간 내(약 1초 이내)에 소결 대상체를 소결할 수 있어, 경제적이다.
나아가, 밀폐된 내부 공간에서 광 소결되므로, 광원으로부터 조사된 에너지가 소결 대상체에 도달되는 과정에서 에너지 손실을 최소화할 수 있어 효율적이다.
또한, 종래의 전기 소결 공정에서 요구되는 고온 공정이 불필요하므로, 비교적 간단한 구조의 소결 장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 광 소결 장치를 이용해 제조된 광 소결체는, 이온 전도도 및 산소 흡수도가 저하되지 않고 향상되는 범위에서, 격자 내에 O1-가 형성될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사진이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이다,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광 소결 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이다,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 합금 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 세라믹 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 금속 산화물 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 비교 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
종래의 전기 소결 장치를 이용한 환원 소결 공정 또는 산화 소결 공정은, 소결로 내부에 환원 가스 또는 산화 가스를 공급하고, 전기 히터를 고온(약 900 ℃)으로 가열시켜, 소결 대상체를 소결하는 방법을 포함할 수 있다.
하지만, 상술된 종래의 전기 소결 공정은, 상기 소결로 내부에 공급된 환원 가스 또는 산화 가스의 누출을 최소화하기 위한 복잡한 밀폐 구조가 요구될 뿐만 아니라, 전기를 이용해 히터를 고온으로 가열시키므로 장 시간이 소요되는 단점이 있으며, 고온에서 가스 사용에 따른 폭발 위험성의 문제가 있다.
한편, 종래의 광 소결 장치를 이용한 광 소결 공정은, 상온 및 상압 분위기에서 광원의 광 조사에 의해 소결 대상체를 소결하므로, 상술된 전기 소결 공정에 비해 간편한 장점이 있다.
하지만, 상술된 종래의 광 소결 공정은, 밀폐된 내부 공간이 아닌 외부 환경에 노출된 상태에서 상온 및 상압 분위기를 통해 수행되는 것에 의해, 광원으로부터 조사된 에너지가 소결 대상체에 도달되는 과정에서 쉽게 외부로 방출되므로, 광 소결 효율이 저하되는 문제가 있다.
이와는 달리, 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래의 전기 소결 장치의 문제점과 광 소결 장치의 문제점을 해결하면서도, 소결 공정 효율을 높일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 광 소결 공정은, 밀폐된 내부 공간을 제공하는 챔버 바디에서, 광원으로부터 광을 조사하여 대상체를 광 소결하는 방법을 포함할 수 있다.
이에 따라, 광원으로부터 광을 조사하여 소결하므로, 장 시간이 소요되는 종래의 전기 소결 공정과는 달리, 단 시간 내(약 1초 이내)에 소결 대상체를 소결할 수 있을 뿐만 아니라, 밀폐된 내부 공간에서 광 소결되므로, 광원으로부터 조사된 에너지가 소결 대상체에 도달되는 과정에서 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 종래의 전기 소결 공정에서 요구되는 고온 공정이 불필요하므로, 비교적 간단한 구조의 소결 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 효율적이고 경제적인 광 소결 장치를 제공할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치(1000a)는, 광원(100), 챔버 바디(200), 펌프 흡입구(300), 가스 유입구(410), 및 가스 배출구(420)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 제1 실시 예에 따르면, 상기 광원(100)은, 상기 챔버 바디(200) 외부에 마련될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광원(100)은, 제논 램프(xenon lamp)일 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 광원(100)은 극단파 백색광을 소결 대상체(OB)로 조사하여, 상술된 바와 같이, 단 시간 내(약 1초 이내)에 소결 대상체(OB)를 소결할 수 있는 것이다.
상기 제논 램프는 예를 들어, 1 ms 이상 및 5000 ms 이하의 펄스 폭으로 조사될 수 있다. 또는 다른 예를 들어, 상기 제논 램프는 1 회 이상 및 300 회 이하의 펄스 수로 조사될 수도 있다. 또는 다른 예를 들어, 상기 제논 램프는 0.01 J/Cm2 이상 및 500 J/Cm2 이하의 강도로 조사될 수도 있다.
이때, 상기 소결 대상체(OB)는, 진공 또는 비진공 공법에 의해 준비된 금속, 세라믹 물질, 금속 산화물, 및 희토류-금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기에서 진공 공법이라 함은, sputter, ALD, PLD 등을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 한편, 여기에서 비진공 공법이라 함은, Screen printing, spray, spin coating, dip coating 등을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 상술된 진공 또는 비진공 공법에 의해 준비된 시편은, 박막의 형태 또는 backbone structure에 증착된 형태를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 소결 대상체(OB)는, 진공 또는 비진공 분위기에서, 분말 공정 또는 화학용액 증착법으로 준비된 금속, 세라믹 물질, 금속 산화물, 및 희토류-금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 소결 대상체(OB)는, 진공 또는 비진공 분위기에서 알파-테르피네올(α-Terpineol)과 같은 알콜계 유기용매를 이용한 페이스트 스크린 프린팅(paste screen printing) 공법에 의해 준비될 수 있다.
상기 진공 또는 비진공 공법에 의해 준비된 금속, 세라믹 물질, 금속 산화물, 및 희토류-금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나 즉, 상기 소결 대상체(OB)는, 후술되는 본 명세서의 발명에 따라, 진공 분위기 및 가스 분위기 중에서 적어도 어느 하나의 분위기에서 광 소결되어 소결체로 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 상기 소결 대상체(OB)로부터 광 소결된 소결체는, 고체산화물 연료전지의 전극 및 전해질, 반도체 및 디스플레이에 적용된 금속 회로, 초소형 정밀기계 기술(MEMs: microelectromechanical systems), 에너지 저장장치(energy storage), 센서, 에너지 변환장치 등 전기화학적 장치의 촉매로 사용되는 모든 분야의 기술에 적용될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 바디(200)는, 밀폐된 내부 공간(200CS)을 제공할 수 있다.
여기에서, 상기 챔버 바디(200)의 밀폐된 내부 공간(200CS)이라 함은, 상기 챔버 바디(200)를 이루는 다면이 막힌 구조로 형성됨에 따라 제공되는 내부 공간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 챔버 바디(200)가 사면체인 경우 사면이 막힌 구조로 형성될 수 있다. 또는 다른 예를 들어, 상기 챔버 바디(200)가 원통형인 경우 원통이 막힌 구조로 형성될 수도 있다.
나아가, 상기 챔버 바디(200)는 상기 밀폐된 내부 공간(200CS)에, 상기 광원(100)에 의해 광 소결되는 소결 대상체(OB)를 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 챔버 바디(200)는, 상기 밀폐된 내부 공간(200CS)에 상기 소결 대상체(OB)가 마련되는 스테이지(210)를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스테이지(210)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 일 측에 스테이지 이동부(210M)가 마련될 수 있다. 상기 스테이지 이동부(210M)는, 상기 스테이지(210)를 상기 광원(100)과 인접하도록 이동시키거나, 상기 광원(100)과 멀어지도록 이동시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 스테이지 이동부(210M)에 의해, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)와 상기 광원(100) 간의 거리가 조절될 수 있다.
즉, 상기 스테이지(210)는, 일 측에 마련된 상기 스테이지 이동부(210M)에 의해, 상기 광원(100)과의 거리가 조절됨으로써, 상기 광원(100)으로부터 조사된 광 에너지 파워가 동일한 경우에도, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)에 도달하는 광 에너지 파워를 조절할 수 있는 것이다.
비록 도 2에 상기 스테이지 이동부(210M)가 상기 스테이지(210)의 하부 면에 위치되며 원형인 것으로 도시되었으나, 상기 스테이지 이동부(210M)의 위치 및 형상은, 상기 챔버 바디(200)의 내부 구조 및 형상에 따라 용이하게 변경 가능함은 물론이다.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 광원(100)에는, 일 측에 광원 이동부(미도시)가 마련될 수도 있다. 상기 광원 이동부는, 상기 광원(100)을 상기 스테이지(210)와 인접하도록 이동시키거나, 상기 스테이지(210)와 멀어지도록 이동시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 광원 이동부에 의해, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)와 상기 광원(100) 간의 거리가 조절될 수 있다.
즉, 상기 광원(100)은, 일 측에 마련된 상기 광원 이동부에 의해, 상기 스테이지(210)와의 거리가 조절됨으로써, 상기 광원(100)으로부터 조사된 광 에너지 파워가 동일한 경우에도, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)에 도달하는 광 에너지 파워를 조절할 수 있는 것이다.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 상술된 스테이지 이동부(210M) 및 광원 이동부가 모두 마련될 수도 있다.
이에 따라, 상기 스테이지(210)는 상기 스테이지 이동부(210M)에 의해 이동되고, 상기 광원(100)은 상기 광원 이동부에 의해 이동되어, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)와 상기 광원(100) 간의 거리가 조절될 수 있다.
따라서, 상기 광원(100)으로부터 조사된 광 에너지 파워가 동일한 경우에도, 상기 스테이지(210) 상에 마련된 소결 대상체(OB)에 도달하는 광 에너지 파워를 조절할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 챔버 바디(200)는, 상기 광원(100)이 상기 챔버 바디(200) 외부에 마련되는 것에 의해, 일 측에 상기 광원(100) 즉, 제논 램프에서 방출되는 극단파 백색광을 투과시키는 석영(quartz, 110)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버 바디(200)는 상기 광원(100)과 인접한 상기 챔버 바디(200)의 일 측에 석영(110)을 포함할 수 있는 것이다.
즉, 상기 챔버 바디(200)는, 상기 일 측에 석영(110)을 포함하는 영역을 제외하고는, 동일한 재료 예를 들어, 단일 금속 또는 혼합 금속(Cu, SUS 등) 재료로 이루어 질 수 있는 것이다.
이에 따라, 상기 챔버 바디(200) 외부의 광원(100), 상기 챔버 바디(200) 일 측의 석영(110), 및 상기 챔버 바디(200) 내부의 스테이지(210)가 상기 광원(100)으로부터 조사되는 광 조사 방향을 따라 차례로 위치할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 펌프 흡입구(300)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버 바디(200)의 일 측에 마련되어, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 조성할 수 있다. 이를 위해, 상기 펌프 흡입구(300)는 진공 펌프와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 펌프 흡입구(300)는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 조성할 뿐만 아니라, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)의 진공 분위기를 해제시킬 수 도 있다.
즉, 상기 펌프 흡입구(300)는, 상기 진공 펌프와 연결되어 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 조성하거나, 상기 조성된 진공 분위기를 해제할 수도 있는 것이다.
또는 다른 실시 예에 따르면, 상기 챔버 바디(200)는, 상기 진공 분위기를 조성하는 상기 펌프 흡입구(300)와는 별개로, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)의 진공 분위기에서 진공 해제를 위한 공기 흡입구(미도시)를 포함할 수도 있다.
이에 따라, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)은, 상기 펌프 흡입구(300)에 의해 진공 분위기가 조성되고, 상기 공기 흡입구에 의해 상기 조성된 진공 분위기가 해제될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 유입구(410) 및 상기 가스 배출구(420)는, 상기 챔버 바디(400)의 일 측에 마련될 수 있다.
상기 가스 유입구(410) 및 상기 가스 배출구(420)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버 바디(400)의 양 측에 각각 마련될 수도 있고, 상기 챔버 바디(400)의 일 측에 모두 마련될 수도 있다. 상기 가스 유입구(410) 및 상기 가스 배출구(420)의 위치는 상술된 바에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 용이하게 변경 가능함은 물론이다.
상기 가스 유입구(410)는, 상술된 바와 같은 진공 분위기가 조성된 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스를 제공하여, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 불활성 가스 분위기 또는 활성 가스 분위기로 형성할 수 있다. 이를 위해, 상기 가스 유입구(410)는 가스 제공부와 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 가스 유입구(410)는, 환원 소결 공정을 위해 환원 가스 제공부와 연결되어, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 아르곤(Ar), 수소(H2), 또는 질소(N)와 같은 불활성 가스를 제공함으로써, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 불활성 가스 분위기로 형성할 수 있다.
또는 다른 예를 들어, 상기 가스 유입구(410)는, 환원 소결 공정을 위해 환원 가스 제공부와 연결되어, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 앞서 설명된 불활성 가스 즉, 아르곤(Ar), 수소(H2), 및 질소(N) 중에서 선택되는 2종, 또는 3종의 혼합 불활성 가스를 제공함으로써, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 상기 혼합 불활성 가스 분위기로 형성할 수 있다.
이때, 상기 소결 대상체(OB)는, 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는 다른 예를 들어, 상기 가스 유입구(410)는, 산화 소결 공정을 위해 산화 가스 제공부와 연결되어, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 산소(O2), 일산화탄소(CO), 또는 일산화탄소(CO2)와 같은 활성 가스를 제공함으로써, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 활성 가스 분위기로 형성할 수도 있다.
이때, 상기 소결 대상체(OB)는, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 및 란타넘(La) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 이와는 달리, 상기 가스 유입구(410)는, 상술된 바와 같은 진공 분위기가 미 조성된 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 산소를 제공하여, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 산소 분위기로 형성할 수도 있다.
이때, 상기 소결 대상체(OB)는, 스트론튬(Sr), 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는, 상기 소결 대상체(OB)는, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 및 란타넘(La) 중에서 적어도 어느 하나와, 스트론튬(Sr), 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수도 있다.
상기 가스 배출구(420)는, 상기 가스 유입구(410)에 의해 형성된 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)의 가스 분위기에서 가스를 배출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 가스 배출구(420)는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)의 불활성 가스 분위기에서 불활성 가스를 배출시킬 수 있다.
또는 다른 예를 들어, 상기 가스 배출구(420)는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)의 활성 가스 분위기에서 활성 가스를 배출시킬 수 있다.
비록, 본 명세서에서, 상기 가스 유입구(410)를 통해, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에 제공되는 가스가, 상기 불활성 가스 및 상기 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스인 것으로 상술되었으나, 상술된 불활성 가스 또는 활성 가스 외에도, 필요에 따라서는, 광 소결되는 소결 대상체(OB)의 물성에 따라 광 소결에 필요한 가스를 제공할 수 있음은 물론이다..
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)은, 상기 펌프 흡입구(300)에 의해 진공 분위기로 조성될 수 있고, 상기 진공 분위기가 조성된 후에, 상기 가스 유입구(410)에 의해 불활성 가스 분위기 또는 활성 가스 분위기가 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)은, 상기 진공 분위기가 먼저 형성되어 공기가 제거된 밀폐 환경을 제공할 수 있고, 이후 상기 불활성 가스 또는 상기 활성 가스가 제공되는 것에 의해, 순수한 가스 분위기에서 상기 소결 대상체(OB)의 환원 반응 또는 산화 반응이 보다 빠르고 활발하게 수행될 수 있는 것이다.
나아가, 상술된 진공 분위기 또는 가스 분위기를 제어함에 따라, 상기 소결 대상체(OB)가 광 소결되어 형성되는 소결체의 순도 조절이 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 제공하는 것에 의해, 불순물로부터 소결 대상체(OB)의 오염을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 소결 대상체(OB)가 소결체로 제조되는 과정에서의 변질을 최소화할 수 있다.
또는 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이 진공 분위기가 미 조성된 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)에, 상기 가스 유입구(410)를 통해 산소가 제공되어, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)이, 산소 분위기로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 형성할 필요가 없어, 공정 단계가 간소화되므로, 신속하고 간편한 공정이 가능한 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치(1000a)의 실제 모습을 살펴볼 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 소결 장치(1000a)는, 상기 챔버 바디(200)의 밀폐된 내부 공간(200CS) 스테이지(210) 상에 상기 소결 대상체(OB)가 마련된 것을 알 수 있다. 또한, 상기 광원(100)이 챔버 바디(200)의 외부에 마련된 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광 소결 장치의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 광 소결 장치의 사시도이다,
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광 소결 장치(1000b)는, 상술된 제1 실시 예와 동일하게, 광원(100), 석영(110), 챔버 바디(200), 스테이지(210), 펌프 흡입구(300), 가스 유입구(410), 및 가스 배출구(420)를 포함할 수 있다.
따라서, 상술된 제1 실시 예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상술된 제1 실시 예와는 달리, 상기 광원(100)은, 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련될 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따라, 상기 광원(100)이 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련되는 것에 의해, 상기 석영(110) 또한, 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련될 수 있다.
보다 구체적으로 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 밀폐된 챔버 바디(200)의 내부 공간(200CS)에, 상기 광원(100)으로부터 조사되는 광 조사 방향을 따라 차례로 상기 광원(100), 상기 석영(110), 및 상기 스테이지(210)가 위치할 수 있는 것이다.
이에 따라, 상술된 본 발명의 제1 실시 예와는 달리 제2 실시 예에서 상기 챔버 바디(200)는, 상기 챔버 바디(200)의 일 측에 석영(110)을 포함하지 않는 것에 의해, 동일한 재료 예를 들어, 단일 금속 또는 혼합 금속(Cu, SUS 등) 재료로 전체를 구성하여 이루어 질 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 광 소결 장치에서 상기 석영(110)은, 예를 들어, 상기 광원(100)을 감싸는 튜브(tube) 형상으로 제공될 수도 있다.
본 발명의 제2 실시 예 및 그 변형 예에서도, 상술된 제1 실시 예와 동일하게, 상기 스테이지 이동부(210M)에 의해 상기 스테이지(210)가 이동되고, 상기 광원 이동부에 의해 상기 광원(100)이 이동될 수 있음은 물론이다.
상기 스테이지 이동부(210M) 및 상기 광원 이동부를 포함한 각 구성 즉, 펌프 흡입구(300), 가스 유입구(410), 및 가스 배출구(420) 등은, 본 발명의 제1 실시 예에서 상술된 바, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법이 설명된다.
이하, 설명되는 본 발명의 광 소결 방법에 이용되는 광 소결 장치의 각 구성에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 6을 참조하여 상술된 바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다만, 이하 설명되는 본 발명의 광 소결 방법에 이용되는 광 소결 장치는, 상술된 본 발명의 제1 실시 예에 따라 광원이 챔버 바디 외부 공간에 제공되는 경우와, 본 발명의 제2 실시 예에 따라 광원이 챔버 바디 내부 공간에 제공되는 경우 모두가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법은, 광 소결되는 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계(S10), 상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기로 형성하는 단계(S30), 및 광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 대상체를 광 소결시키는 단계(S40) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 도면에는 미 도시되었으나, 상기 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법은, 광 소결 대상체(OB)에 따라, 상술된 단계 S30에 앞서, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 진공 분위기로 조성하는 단계(S20)를 더 포함할 수 있다.
이하, 광 소결 대상체(OB)별로 본 발명의 구체화된 실시 예를 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 합금 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 광 소결 장치를 이용한 합금 제조방법은, 이종 이상의 금속으로 이루어진 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계(S110), 상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 진공 분위기로 조성하는 단계(S120), 상기 진공 분위기가 조성된 챔버 바디의 내부 공간에 불활성 가스를 제공하여, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 불활성 가스 분위기로 형성하는 단계(S130), 및 광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 이종 이상의 금속을 합금으로 소결시키는 단계(S140) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계가 상세히 설명된다.
단계 S110
단계 S110에서, 이종 이상의 금속으로 이루어진 대상체(OB)를 챔버 바디(200) 내부의 스테이지(210)에 위치시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 단계 S110에서 상기 대상체(OB)는, 진공 또는 비진공 분위기에서 분말 공정 또는 화학용액 증착법으로 준비된 금속일 수 있다.
이때, 상기 이종 이상의 금속은, 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
단계 S120
단계 S120에서, 상기 대상체(OB)가 마련된 챔버 바디(200)를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디(200)의 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 조성할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 진공 분위기는, 진공 펌프와 연결된 상기 펌프 흡입구(300)에 의해 형성될 수 있다.
단계 S130
단계 S130에서, 상기 진공 분위기가 조성된 챔버 바디(200)의 내부 공간에 불활성 가스를 제공하여, 상기 챔버 바디(200)의 내부 공간을 불활성 가스 분위기로 형성할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)은, 상기 진공 분위기가 먼저 형성되어 공기가 제거된 밀폐 환경을 제공할 수 있고, 이후 상기 불활성 가스가 제공되는 것에 의해, 순수한 불활성 가스 분위기에서 상기 대상체(OB)의 환원 반응이 보다 빠르고 활발하게 수행될 수 있다.
이때, 상기 불활성 가스는, 아르곤(Ar), 수소(H2), 및 질소(N) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
단계 S140
단계 S140에서, 광원(100)으로부터 상기 대상체(OB)를 향하여 광을 조사하여, 상기 이종 이상의 금속을 합금으로 소결시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 광원(100)은 제논 램프이고, 상기 제논 램프에서 방출된 극단파 백색광이, 석영(110)을 통해 상기 스테이지(210) 상에 위치된 이종 이상의 금속에 전달되어, 상기 합금으로 소결될 수 있다
여기에서, 상기 광원(100)은, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 외부, 또는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 단계 S120에서 진공 분위기가 조성되고, 단계 S130에서 가스 분위기가 형성됨에 따라, 단계 S140에서 상기 대상체(OB)가 광 소결되어 형성되는 합금의 순도 조절이 용이할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 제공하는 것에 의해, 불순물로부터 대상체(OB)의 오염을 방지할 수 있음은 물론이며, 이에 따라, 상기 대상체(OB)가 합금으로 제조되는 과정에서의 변질을 최소화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 세라믹 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 광 소결 장치를 이용한 세라믹 제조방법은, 이종 이상의 세라믹 베이스로 이루어진 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계(S210), 상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 진공 분위기로 조성하는 단계(S220), 상기 진공 분위기가 조성된 챔버 바디의 내부 공간에 산소를 제공하여, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 산소 분위기로 형성하는 단계(S230), 및 광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 이종 이상의 세라믹 베이스를 세라믹으로 소결시키는 단계(S240) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계가 상세히 설명된다.
단계 S210
단계 S210에서, 이종 이상의 세라믹 베이스로 이루어진 대상체(OB)를 챔버 바디(200) 내부의 스테이지(210)에 위치시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 단계 S210에서 상기 대상체(OB)는, 진공 또는 비진공 분위기에서 분말 공정 또는 화학용액 증착법으로 준비된 세라믹 베이스일 수 있다.
이때, 상기 세라믹 베이스는, 일종 이상의 희토류를 포함할 수 있고, 상기 일종 이상의 희토류는, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 및 란타넘(La) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
단계 S220
단계 S220에서, 상기 대상체(OB)가 마련된 챔버 바디(200)를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디(200)의 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 조성할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 진공 분위기는, 진공 펌프와 연결된 상기 펌프 흡입구(300)에 의해 형성될 수 있다.
단계 S230
단계 S230에서, 상기 진공 분위기가 조성된 챔버 바디(200)의 내부 공간에 산소를 제공하여, 상기 챔버 바디(200)의 내부 공간을 산소 분위기로 형성할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)은, 상기 진공 분위기가 먼저 형성되어 공기가 제거된 밀폐 환경을 제공할 수 있고, 이후 상기 산소가 제공되는 것에 의해, 순수한 산소 분위기에서 상기 대상체(OB)의 산화 반응이 보다 빠르고 활발하게 수행될 수 있다.
종래의 세라믹 소결 공정에 의하면, 세라믹 베이스는 고온 소결을 통해 산화되어 아래 <화학식 1>과 같은 구조를 가질 수 있다. 여기에서는, 란타나이드 니켈레이트(lanthanide nickelates)를 예로 들기로 한다.
<화학식 1>
Ln2NiO4 -δ
상기 <화학식 1>에서 Ln은 란타넘(La), 네오디뮴(Nd), 및 프라세오디뮴(Pr) 중 적어도 어느 하나일 수 있고, δ 값은 산소 결핍(oxygen deficient)을 의미할 수 있다.
일반적으로, 세라믹은 δ 값에 의해 이온 및 전기 전도도 특성이 달라질 수 있다. 따라서, 종래에는, 고온 열처리 장치에서 산소 분압을 조절하여 세라믹의 δ 값을 제어하는 방법을 이용하였다.
하지만 상술된 바와 같이, 고온 소결 장치는 복잡한 밀폐 구조 및 고온에서 가스 사용에 따른 폭발 위험성이 수반된다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따르면, 광원(100)에 의한 광 소결 공정을 제공하므로, 고온 소결에 의한 위험성이 최소화될 뿐만 아니라, 단계 S230을 통해, 상기 진공 분위기가 조성된 챔버 바디(200)의 내부 공간에 산소를 제공하여, 상기 챔버 바디(200) 내부 공간의 산소 분위기를 조절하므로, 효율적으로 δ 값을 제어할 수 있다.
단계 S240
단계 S240에서, 광원(100)으로부터 상기 대상체(OB)를 향하여 광을 조사하여, 상기 이종 이상의 세라믹 베이스를 세라믹으로 소결시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 광원(100)은 제논 램프이고, 상기 제논 램프에서 방출된 극단파 백색광이, 석영(110)을 통해 상기 스테이지(210) 상에 위치된 이종 이상의 세라믹 베이스에 전달되어, 상기 세라믹으로 소결될 수 있다.
여기에서, 상기 광원(100)은, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 외부, 또는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 단계 S220에서 진공 분위기가 조성되고, 단계 S230에서 산소 분위기가 형성됨에 따라, 단계 S240에서 상기 대상체(OB)가 광 소결되어 형성되는 세라믹의 순도 조절이 용이할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 제공하는 것에 의해, 불순물로부터 대상체(OB)의 오염을 방지할 수 있음은 물론이며, 이에 따라, 상기 대상체(OB)가 세라믹으로 제조되는 과정에서의 변질을 최소화할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 광 소결 장치를 이용한 금속 산화물 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 13 및 도 14는 비교 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 광 소결 장치를 이용한 금속 산화물 제조방법은, 일종 이상의 금속으로 이루어진 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계(S310), 상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간에 산소를 제공하여, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 산소 분위기로 형성하는 단계(S330), 및 광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 일종 이상의 금속을 금속 산화물로 소결시키는 단계(S340) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계가 상세히 설명된다.
단계 S310
단계 S310에서, 일종 이상의 금속으로 이루어진 대상체(OB)를 챔버 바디(200) 내부의 스테이지(210)에 위치시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 단계 S310에서 상기 대상체(OB)는, 금속, 금속 산화물, 및 희토류-금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다.
이때, 상기 금속 및 상기 금속 산화물은, 스트론튬(Sr), 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는, 상기 희토류-금속 산화물은, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 및 란타넘(La) 중에서 적어도 어느 하나와, 스트론튬(Sr), 플래티넘(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 금(Au), 스칸듐(Sc), 탄소(C), 및 마그네슘(Mg) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매로 활용 가능한 금속군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수도 있다.
단계 S330
앞서 설명된 합금 제조방법의 단계 S120 및 세라믹 제조방법의 단계 S220과는 달리, 상기 금속 산화물 제조방법에서는, 진공 분위기를 형성하는 단계를 미 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 금속 산화물 제조방법에서는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간(200CS)을 진공 분위기로 형성할 필요가 없어, 공정 단계가 간소화되므로, 신속하고 간편한 공정이 가능한 장점이 있다.
한편, 본 단계 S330에서, 상기 진공 분위기가 미 조성된 챔버 바디(200)의 내부 공간에 산소를 제공하여, 상기 챔버 바디(200)의 내부 공간을 산소 분위기로 형성할 수 있다.
이때, 상기 챔버 바디(200)의 산소 분위기는, 예를 들어, 1x10-2 torr 이상 및 1x102 torr 이하의 산소 분압으로 형성될 수 있다.
단계 S340
단계 S340에서, 광원(100)으로부터 상기 대상체(OB)를 향하여 광을 조사하여, 상기 일종 이상의 금속을 금속 산화물로 소결시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(100)으로부터 조사되는 광의 광 소결 에너지는, 1 J/Cm2 이상 및 500 J/Cm2 이하일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 광원(100)으로부터 상기 광이 조사되는 시간은 약 1초 이내일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 광원(100)은 제논 램프이고, 상기 제논 램프에서 방출된 극단파 백색광이, 석영(110)을 통해 상기 스테이지(210) 상에 위치된 일종 이상의 금속 또는 금속 산화물에 전달되어, 금속 산화물로 소결될 수 있다.
또는, 상기 대상체(OB)가, 희토류-금속 산화물인 경우, 상기 희토류-금속 산화물은, 상기 제논 램프의 백색광에 의해, 희토류-금속 산화물로 소결될 수 있다.
여기에서, 상기 광원(100)은, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 외부, 또는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 상기 챔버 바디(200)의 내부에 마련될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 본 단계 S340에서, 상기 광원(100)으로부터 광이 조사되어 소결된 상기 금속 산화물 또는 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물은, 상기 대상체(OB) 보다 많은 O1-(O1-)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 도 11을 참조하면, 본 단계 S340에서, 상기 광원(100)으로부터 광이 조사되어 광 소결된 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물(Flash light sintered) 예를 들어, LSCF(lanthanum strontium cobalt ferrite)는, 도 13에 도시된 상기 대상체(OB) 즉, 상기 광 소결 전(Before sintering)보다 많은 O1-(O1-)를 포함할 수 있다.
여기에서 O1-(O1-)라 함은, 도 12에 도시된 바와 같이, 산소 베이컨시(oxygen vacancy)를 의미할 수 있다. 다시 말해, 상기 O1-(O1-)가 많을수록, 상기 소결된 희토류(R)-금속(M) 산화물 격자(lattice) 또는 상기 금속 산화물 격자 내 산소 베이컨시가 많은 것으로 이해될 수 있다.
한편, 도 12에서 O2-(O2-)는, 상술된 바와 같은 산소 베이컨시가 없는 산소 격자(oxide lattices without oxygen vacancy)를 의미할 수 있다. 다시 말해, 상기 O2-(O2-)가 많을수록, 상기 소결된 희토류(R)-금속(M) 산화물 격자 또는 상기 금속 산화물 격자 내 산소 베이컨시 없이, 금속(M)-산소 또는 희토류(R)-산소 간 결합 구조를 이루는 것으로 이해될 수 있다. 이 경우, 이온 전도도(ionic conductivity) 및 산소 흡수도(oxygen absorption)가 저하될 수 있다.
이와는 달리, 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물 또는 상기 금속 산화물 격자 내 상기 O1-(O1-) 즉, 산소 베이컨시가 형성되는 경우, 이온 전도도 및 산소 흡수도가 향상될 수 있다. 이는, 앞서 설명된 바와 같은, 고체산화물 연료전지의 전극 및 전해질, 반도체 및 디스플레이에 적용된 금속 회로, 초소형 정밀기계 기술(MEMs: microelectromechanical systems), 에너지 저장장치(energy storage), 센서, 에너지 변환장치 등 전기화학적 장치의 촉매로 사용되는 모든 분야의 기술에서 중요한 이슈이다.
하지만, 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물 또는 상기 금속 산화물 격자 내 상기 O1-(O1-)가 지나치게 형성되는 경우, 오히려, 이온 전도도 및 산소 흡수도가 저하될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 본 단계 S340에서, 상술된 바와 같은 이온 전도도 및 산소 흡수도가 저하되지 않고 향상되는 범위에서, 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물 또는 상기 금속 산화물 격자 내에 O1-(O1-)가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예와는 달리, 도 14를 참조하면, 종래의 열 소결 공정을 이용하는 경우, 상기 열 소결된 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물(Thermal sintered) 예를 들어, LSCF는, 도 13에 도시된 상기 대상체(OB) 즉, 상기 광 소결 전보다 적은 O1-(O1-)를 포함할 수 있다. 이는, 종래의 열 소결 공정은 고온 예를 들어, 1000 ℃ 이상에서 장시간 동안 열처리하기 때문일 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 앞서 설명된 바와 같이, 상기 광원(100)으로부터 상기 광이 조사되는 시간은 예를 들어, 약 1초 이내일 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 상술된 바와 같은 이온 전도도 및 산소 흡수도가 저하되지 않고 향상되는 범위에서, 상기 희토류(R)-금속(M) 산화물 또는 상기 금속 산화물 격자 내에 O1-(O1-)가 형성될 수 있는 것이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
1000: 광 소결 장치
100: 광원
110: 석영
200: 챔버 바디
200CS: 밀폐된 내부 공간
210: 스테이지
210M: 스테이지 이동부
300: 펌프 흡입구
410: 가스 유입구
420: 가스 배출구

Claims (13)

  1. 광원;
    밀폐된 내부 공간에, 상기 광원에 의해 광 소결되는 대상체가 마련되는 스테이지를 제공하는 챔버 바디; 및
    상기 챔버 바디의 일 측에 마련되며, 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기 형성을 위해, 가스 제공부와 연결되는 가스 유입구;를 포함하되,
    상기 스테이지 상에 마련된 대상체와 상기 광원 간의 거리 조절이 가능하도록, 상기 광원과 스테이지 중 적어도 하나는 다른 하나를 향하거나 다른 하나로부터 멀어지는 방향으로 이동 가능하도록 구비되어, 상기 스테이지 상에 마련된 대상체에 도달하는 광 에너지 파워를 조절할 수 있으며,
    상기 대상체는 일종 이상의 금속으로 이루어지고,
    상기 어느 하나의 가스 분위기는 산소 분위기이며,
    상기 대상체는 금속 산화물로 광 소결되되,
    상기 대상체에 대한 광 소결을 통하여 만들어진 금속 산화물은, 상기 금속 산화물로 광 소결되기 전 상태의 상기 대상체 보다 많은 O1-를 포함하는, 광 소결 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버 바디는, 상기 밀폐된 챔버 바디 내부 공간을 진공 분위기로 조성하기 위해 진공 펌프와 연결되는 펌프 흡입구를 더 포함하는, 광 소결 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버 바디는,
    상기 가스 분위기에서 가스 배출을 위한 가스 배출구를 더 포함하는, 광 소결 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은, 상기 챔버 바디 내부 또는 챔버 바디 외부에 마련되는 것을 포함하는, 광 소결 장치.
  5. 광 소결되는 대상체를 챔버 바디 내부의 스테이지에 위치시키는 단계;
    상기 대상체가 마련된 챔버 바디를 밀폐시키고, 상기 챔버 바디의 내부 공간을 불활성 가스 및 활성 가스 중 선택되는 어느 하나의 가스 분위기로 형성하는 단계; 및
    광원으로부터 상기 대상체를 향하여 광을 조사하여, 상기 대상체를 광 소결시키는 단계;를 포함하되,
    상기 스테이지 상에 위치된 대상체와 상기 광원 간의 거리 조절이 가능하도록, 상기 광원과 스테이지 중 적어도 하나는 다른 하나를 향하거나 다른 하나로부터 멀어지는 방향으로 이동 가능하도록 구비되어, 상기 스테이지 상에 위치된 대상체에 도달하는 광 에너지 파워를 조절할 수 있으며,
    상기 대상체는 일종 이상의 금속으로 이루어지고,
    상기 어느 하나의 가스 분위기는 산소 분위기이며,
    상기 대상체는 금속 산화물로 광 소결되되,
    상기 대상체에 대한 광 소결을 통하여 만들어진 금속 산화물은, 상기 금속 산화물로 광 소결되기 전 상태의 상기 대상체 보다 많은 O1-를 포함하는, 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 대상체는, 일종 이상의 희토류를 더 포함하는, 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 산소 분위기의 산소 분압은, 1x10-2 torr 이상 및 1x102 torr 이하인, 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 광 소결시키는 단계에서 광 소결 에너지는, 1 J/Cm2 이상 및 500 J/Cm2 이하인, 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 가스 분위기로 형성하는 단계에 앞서,
    상기 챔버 바디의 내부 공간을 진공 분위기로 조성하는 단계를 더 포함하는, 광 소결 장치를 이용한 광 소결 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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