KR102510985B1 - 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 성형다이 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 탄화붕소 소결체의 제조방법 등은, 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형다이 내에 위치시키는 준비단계; 상기 성형다이를 소결로 내에 장입하고 상부 가압부와 하부 가압부를 세팅하는 배치단계; 및 상기 성형다이를 1800 내지 2500 ℃의 소결온도와 10 내지 110 MPa의 소결압력을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 성형단계;를 포함하여, 우수한 품질의 탄화붕소 소결체를 제조한다.

Description

탄화붕소 소결체의 제조방법 및 성형다이 {MANUFACTURING METHOD OF BORONCARBIDE SINTERED BODY AND SHAPING DIE}
본 발명은 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 성형다이 등에 관한 것이다.
세라믹스(Ceramics)는 고강도, 고경도 및 내마모성 등의 기계적 특성과 함께 우수한 내산화성, 내부식성, 낮은 열전도성 및 열팽창계수에 의한 높은 내열충격성, 고온강도 등의 열적 특성을 보유하고 있어 그 활용도가 유망한 재료이다.
탄화붕소(B4C)는 다이아몬드와 큐빅 질화보론(BN) 다음으로 높은 경도를 가지고 있는 내마모성 세라믹이다. 탄화붕소는 높은 융점(2447℃고강도(28-35 GPa, Knoop hardness), 낮은 밀도(2.21g/cm3), 높은 Young's modulus(450-470GPa)를 갖는 고 경도 고비탄성 물질로 알려져 있다. 또한 열기전력이 높고 화학적 안정성이 좋아 용융금속 내에서 장시간 사용되는 열전대에 이용될 뿐 아니라 높은 중성자 흡수 능력을 가지고 있어 오래전부터 핵발전의 중성자 흡수 및 차폐재로 사용되고 있다.
탄화붕소는 재료의 특성상 강한 공유결합(covalent bonding)을 이루고 있어 소결성이 낮기 때문에, 금속재료와 같은 이론밀도에 달하는 치밀화를 얻기 위해서는 2,000℃이상의 높은 온도와 특정한 소성기술로서 소결하는 것이 필수적이다.
탄화붕소의 소결방법으로는 상압소결(Pressureless Sintering), 열간가압소결(Hot Pressing), 열간등가압소결(Hot Isostatic Pressing), 액상 반응소결(Reaction Sintering) 등의 방법이 개발되어 있다.
이들 소결방법은 서로 장단점을 갖고 있는데, 상압소결, 열간가압소결법이나 열간등가압소결법을 이용한 세라믹 재료의 치밀화 경우에는 기계적, 열적 특성이 우수한 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있는 반면 고가의 소성장비를 사용해야 한다. 또한, 소성온도가 1,800℃이상으로 매우 높아 에너지 비용의 상승으로 인한 제품단가가 높아질 뿐만 아니라, 소결 후 수축으로 인해 복잡한 형상이나 정밀 치수를 요하는 제품을 소결하기에 어려운 단점이 있어 상용화 및 양산화에 한계가 있다.
국내특허공개 제10-2002-0067257호 (2002.08.22 공개) 국내특허공개 제10-2016-0129458호 (2016.11.09 공개)
본 발명의 목적은 별도의 성형가공과정을 거치지 않고도 고밀도 링형부품을 제조할 수 있는 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 성형다이를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 태양은 원료물질을 성형다이 내에 위치하는 링형중공에 장입시키는 준비단계; 상기 성형다이를 소결로 내에 장입하고 가압부를 세팅하는 배치단계; 및 상기 성형다이를 1800 내지 2500 ℃의 소결온도와 10 내지 110 MPa의 소결압력을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 성형단계;를 포함하는, 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 원료물질은 탄소와 붕소를 포함하는 탄화붕소 분말, 또는 상기 탄화붕소 분말과 첨가제를 포함한다.
상기 원료물질은 탄소와 붕소로 이루어진 탄화붕소 분말, 또는 상기 탄화붕소 분말과 첨가제로 이루어진다.
상기 첨가제는 소결특성개선제이고, 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 30 중량% 이하로 포함될 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값(HC25)과 800 ℃에서 측정한 열전도도 값(HC800)의 비율(HC800/HC25)이 1: 0.2 내지 3인 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 탄화붕소 소결체로, 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.26 내지 0.6의 비율인 것을 제조할 수 있다.
상기 성형다이는 2 이상의 분할된 조각이 서로 결합하여 형성될 수 있다.
상기 준비단계는 다이저면부와 상기 다이저면부 상의 공간을 둘러싸는 다이외면부를 포함하는 다이하우징에, 상기 원료물질을 도입하는 원료물질도입과정; 그리고 상기 원료물질이 도입된 다이하우징의 내면에 상부측으로부터 다이상면부를 결합하는 다이결합과정;을 포함할 수 있다.
상기 링형중공은 서로 이웃하게 위치하며 서로 구분되는 단차를 갖는 본체중공과 안착부중공을 포함할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 탄소와 붕소로 이루어진 것으로, 내식성 링형 부품일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 내지 800 ℃에서 선택된 온도에서 열전도도가 4W/(m*K) 내지 27W/(m*K)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 태양은 다이저면부와 상기 다이저면부 상의 공간을 둘러싸는 다이외면부를 포함하는 다이하우징와 상기 다이하우징과 결합하며 상기 다이하우징의 내면과의 사이에 형성되는 공간인 링형중공을 형성하는 다이상면부를 포함하여 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 링형 탄화붕소 소결체를 직접 성형하는, 성형다이를 제공한다.
상기 링형중공은 서로 이웃하게 위치하며 서로 구분되는 단차를 갖는 본체중공과 안착부중공을 포함할 수 있다.
상기 성형다이는 상기 다이외면부의 외면 상에 배치되는 보강부를 더 포함할 수 있다.
상기 다이상면부는 상기 링형중공 상에 위치하며 그 높이가 서로 다른 본체중공과 안착부중공 각각의 상면을 형성하는 본체안착상면부; 그리고 상기 본체안착상면부의 내주면과 맞닿게 위치하며 상기 본체안착상면부보다 큰 두께를 갖는 내경상면부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 태양은 위에서 설명한 성형다이를 포함하는 탄화붕소 소결체 제조용 소결장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 태양은 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 1차성형단계; 그리고 상기 그린바디를 1800 내지 2500 ℃의 소결온도에서 탄화 및 소결시켜 탄화붕소 소결체를 제조하는 소결체형성단계;를 포함하는 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 원료물질은 탄화붕소 분말, 또는 탄화붕소 분말과 첨가제를 포함한다.
상기 첨가제는 소결특성개선제이고, 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 30 중량% 이하로 포함될 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값(HC25)과 800 ℃에서 측정한 열전도도 값(HC800)의 비율(HC800/HC25)이 1: 0.2 내지 3인 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 탄화붕소 소결체로, 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.26 내지 0.6의 비율인 것을 제조한다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 상기 1차성형단계 이전에 과립화단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과립화단계는, 상기 원료물질을 용매와 혼합하여 슬러리화된 원료물질을 제조하는 슬러리화 과정, 그리고 상기 슬러리화된 원료물질을 건조시켜 구형의 과립 원료물질로 제조하는 과립화과정을 포함할 수 있다.
상기 1차성형단계의 성형은 냉간 등압방 가압법으로 진행될 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 내식성 링형 부품으로 25 내지 800 ℃에서 선택된 온도에서 열전도도가 4W/(m*K) 내지 27W/(m*K)인 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 CVD-SiC의 식각률을 100%라고 했을 때, 70% 이하의 식각률을 갖는 것일 수 있다. 상기 식각률은 플라즈마 장비에서 RF power를 2,000W로 노출 시간을 280 hr으로 적용하는 동일한 조건에서 식각되는 비율을 평가한 결과이다.
본 발명의 또 다른 일태양은 원료물질을 성형다이 내에 위치하는 링형중공에 장입시키는 준비단계; 상기 성형다이를 소결로 내에 장입하고 가압부, 상기 가압부에 연결된 전극, 및 상기 전극에 연결된 전원장치를 세팅하는 배치단계; 및 상기 전원장치가 상기 전극에 의해 상기 성형다이로 펄스 상의 전기에너지를 인가하면서, 상기 성형다이를 1800 내지 2500 ℃의 소결온도, 15 내지 60 MPa의 소결압력, 및 0.5 내지 10시간의 소결시간을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 성형단계;를 포함하는 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 원료물질은 탄화붕소 분말을 포함한다.
상기 탄화붕소 분말은 D50이 0.4 내지 0.8㎛일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 탄화붕소, 공극, 상기 탄화붕소 사이의 탄소 영역을 포함한다.
상기 탄화붕소 소결체는 비저항이 10 내지 103 Ωㆍcm인 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 내지 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 6.3 내지 23.7 W/(m*k)인 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 내식성 링형 부품인 것일 수 있다.
상기 내식성 링형 부품은 CVD-SiC 대비 70 % 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 내식성 링형 부품은 단결정 실리콘(Si) 대비 20 내지 45% 이하의 식각률을 가질 수 있다.
본 발명의 또다른 일태양은 원료물질을 용매와 혼합하여 슬러리화된 원료물질을 제조하는 슬러리화 과정, 그리고 상기 슬러리화된 원료물질을 건조시켜 구형의 과립 원료물질로 제조하는 과립화과정을 포함하는 과립화단계; 상기 과립 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 1차성형단계; 및 상기 그린바디를 탄화 및 소결시켜 탄화붕소 소결체를 제조하는 소결체형성단계;를 포함하는 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 탄화는 600 내지 900 ℃의 온도에서 진행될 수 있다.
상기 소결은 1800 내지 2500 ℃의 온도에서 10 내지 20시간의 소결시간동안 진행될 수 있다.
상기 원료물질은 탄화붕소 분말 및 소결특성개선제를 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론옥사이드와 카본을 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 1 내지 25 중량 %로 포함될 수 있다.
상기 보론옥사이드와 상기 카본은 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 탄화붕소, 공극, 상기 탄화붕소 사이의 탄소 영역을 포함할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 내지 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 15.684 내지 30.269 W/(m*k)인 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 CVD-SiC 대비 70% 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 단결정 실리콘(Si) 대비 20 내지 45% 이하의 식각률을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 성형다이는 고품질의 탄화붕소 소결체를 효율적으로 제조할 수 있는 방법과 이에 적용되는 성형다이를 제공한다. 본 발명의 방법, 성형다이, 소결장치 등을 적용하면, 공유결합력이 높아 후가공에 까다로운 탄화붕소 소결체를 미리 정해진 형태로 제조된 성형다이로 소결체를 제조하여, 전체적으로 원하는 형태와 표면특성, 그리고 충분한 강도를 갖는 우수한 품질의 고품질 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은 그린가공 후 소결하는 방법으로 제조하여, 고품질의 탄화붕소 소결체를 비교적 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 적용되는 소결장치의 구조를 간략히 설명하는 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에서 적용되는 소결장치의 구조를 간략히 설명하는 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형다이의 구조를 간략히 설명하는 개념도.
도 4의 a), b), 및 c)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 성형다이의 구조를 간략히 설명하는 개념도.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조되는 탄화붕소 소결체의 구조를 설명하는 개념도.
도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 탄화붕소 소결체의 단면을 육안과전자현미경으로 관찰한 결과.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "제1", "제2" 또는 "A", "B"와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에서 탄화붕소는 붕소와 탄소를 기반(base)으로 하는 모든 화합물을 지칭한다. 본 명세서에서 탄화붕소는 단일상 또는 복합상일 수 있고, 이들이 혼합된 것일 수 있다. 탄화붕소 단일상은 붕소 및 탄소의 화학양론적 상(phase)과 화학양론적 조성에서 벗어난 비화학양론적 상을 모두 포함하며, 복합상이란 붕소 및 탄소를 기반(base)로 하는 화합물 중의 적어도 2개가 소정의 비율로 혼합된 것을 말한다. 또한, 본 명세서에서의 탄화붕소는 상기 탄화붕소의 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가되어 고용체를 이루거나 또는 탄화붕소를 제조하는 공정에서 불가피하게 추가되는 불순물이 혼입된 경우도 모두 포함한다. 상기 불순물의 예로서는 철, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄 등의 금속 등을 들 수 있다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에서 적용되는 소결장치의 구조를 간략히 설명하는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에서 적용되는 소결장치의 구조를 간략히 설명하는 개념도이다. 도 3과 도 4의 a), b), 및 c)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 성형다이의 구조를 간략히 설명하는 개념도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조되는 탄화붕소 소결체의 구조를 설명하는 개념도이다. 이하, 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 준비단계, 배치단계 및 성형단계를 포함한다. 상기 탄화붕소 소결체는 이하 설명하는 내식성 링형부품(10)의 일 수 있다. 상기 탄화붕소 소결체와 상기 내식성 링형부품(10)에 대해서는 이하에서 별도로 설명한다.
상기 준비단계와 상기 배치단계 사이에는 보강단계를 더 포함할 수 있다.
상기 준비단계는, 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형다이(700) 내에 위치하는 링형중공(19)에 장입시키는 단계이다.
상기 링형중공(19)은 서로 이웃하게 위치하며 서로 구분되는 단차를 갖는 본체중공(190)과 안착부중공(290)을 포함할 수 있다. 상기 본체중공(190)의 높이는 상기 안착부중공(290)의 높이보다 높은 것일 수 있다. 상기 링형중공(19)은 이후 성형다이(700)에 대한 설명에서 보다 구체적으로 설명한다.
상기 탄화붕소(보론카바이드, boron carbide)는 B4C로 대표되며, 상기 원료물질의 탄화붕소는 분말 형태의 탄화붕소가 적용될 수 있다.
상기 원료물질은, 탄화붕소 분말을 함유할 수 있고, 탄화붕소 분말 및 첨가제를 함유할 수 있고, 탄화붕소 분말로 이루어질 수 있다. 상기 탄화붕소 분말은 고순도(탄화붕소 함량이 99.9 중량% 이상)이 적용될 수 있고, 저순도(탄화붕소 함량이 95 중량% 이상 99.9 중량% 미만)이 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 1.5㎛ 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 약 0.3㎛ 내지 약 1.5㎛의 평균 입경을 가질 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 또한, 상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 이러한 탄화붕소 분말을 적용하는 경우 보다 공극 형성이 적은 치밀한 구조의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 첨가제는 상기 탄화붕소 소결체에서 그 일부 또는 전부에서 탄화붕소 고용체를 형성하여 탄화붕소 소결체에 기능성을 부여하는 기능성 첨가제일 수 있다.
상기 첨가제는 상기 탄화붕소 소결체의 소결특성을 향상시킬 목적으로 적용되는 소결특성개선제일 수 있다. 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 소결특성개선제는 보론 옥사이드, 카본 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 수지 형태로 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 카본으로 적용될 수도 있다. 상기 수지의 탄화 공정은 통상 고분자 수지를 탄화시키는 공정이 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 30 중량% 이하로 포함될 수 있고, 약 0.001 중량% 내지 약 30 중량%로 함유될 수 있고, 0.1 내지 25 중량%로 함유될 수 있으며, 5 내지 25 중량%로 함유될 수 있다.
상기 소결특성개선제가 상기 원료물질 전체를 기준으로 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 제조된 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 성형다이(700, 330, 620)는 2 이상의 분할된 조각이 서로 결합하여 형성될 수 있다. 상기 성형다이(700, 330, 620)의 구체적인 형태와 역할은 이하에서 별도로 설명한다.
상기 링형중공(19)에는 상기 원료물질 또는 상기 제조방법이 수행된 이후에는 상기 탄화붕소 소결체가 위치할 수 있다.
상기 준비단계는 다이저면부(710)와 상기 다이저면부(710) 상의 공간을 둘러싸는 다이외면부(715)를 포함하는 다이하우징(720)에, 상기 원료물질(380, 680)을 도입하는 원료물질도입과정; 그리고 상기 원료물질이 도입된 다이하우징(720)의 내면에 상부측으로부터 다이상면부(730)를 결합하는 다이결합과정;을 포함할 수 있다.
상기 다이상면부(730)는 그 일부 또는 전부가 상기 다이하우징(720)을 기준으로 상하로 이동될 수 있다. 이렇게 상기 다이상면부(730)가 상하 이동이 가능하여, 소결장치(300, 600)에서 가압부(322, 324, 622, 624)에 의하여 가압시 상기 원료물질에 압력이 잘 전달되어 보다 치밀한 조직을 갖는 소결체를 제조할 수 있다.
상기 준비단계는, 다이저면부(710)와 상기 다이저면부 상의 공간을 둘러싸는 다이외면부(715)를 포함하는 다이하우징(720)에 내경상면부(738)를 배치하는 1차배치과정; 상기 내경상면부(738)가 배치된 다이하우징(720)의 상기 링형중공(19) 내에 상기 원료물질을 위치시키는 원료물질도입과정; 그리고 상기 원료물질 상에 i) 본체안착상면부(736) 또는 ii) 안착상면부(736)와 본체상면부(732)를 위치시키는 2차배치과정;을 포함할 수 있다.
이때, i) 본체안착상면부(736) 또는 ii) 안착상면부(736)와 본체상면부(732)는 상기 다이하우징(720)을 기준으로 상하로 이동되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 소결장치(300, 600)에서 가압부(322, 324, 622, 624)에 의하여 가압 시 상기 원료물질에 압력이 잘 전달되어 보다 치밀한 조직을 갖는 소결체를 제조할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 강한 소결압력이 적용될 수 있도록 상기 성형다이로 고온비교적 강도가 강한 그라파이트와 같은 재료로 제조할 수 있고, 필요에 따라 성형다이를 보강하는 보강부를 적용할 수 있다.
상기 보강부(미도시)는 가압부(322, 324, 622, 624)에 의해 전달되는 힘이 다이외면부(715)로 전달되어 성형다이(700)가 손상되는 현상을 막아주는 역할을 하며, 상기 다이외면부(715) 또는 상기 다이하우징(720)을 감싸는 추가적인 보강하우징(미도시)일 수 있다.
상기 보강부는 소결과정에서 가해지는 압력 등에 의해 상기 성형다이 자체가 손상될 경우, 상기 소결체는 의도하는 형상을 갖지 못하거나 의도하는 물성(강도, 상대밀도 등)을 갖지 못할 가능성이 매우 높아지는데, 이를 막는 역할을 한다.
상기 배치단계는 상기 성형다이(700, 330, 620)를 소결로(310) 또는 챔버(630) 내에 장입하고 가압부(322, 324, 622, 624)를 세팅하는 단계이다.
상기 배치단계에서 적용되는 소결로 또는 챔버는 고온가압분위기에서 상기 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있는 장치라면 제한없이 적용 가능하다. 본 발명에서는 도 1과 도 2에서 제시한 소결장치에서 소결로(310) 또는 챔버(630)를 예시한다.
상기 성형단계는 상기 성형다이(700, 330, 620)에 소결온도와 소결압력을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 단계이다.
상기 성형다이(700, 330, 620)는 이후 설명하는 것처럼 본 발명의 탄화붕소 소결체가 제조하고자 하는 형상으로 미리 중공을 형성해 완제품의 형태를 갖도록 제조할 수 있다.
상기 소결온도는 약 1800 내지 약 2500 ℃일 수 있고, 약 1800 내지 약 2200 ℃일 수 있다. 상기 소결압력은 약 10 내지 약 110 MPa일 수 있고, 약 15 내지 약 60 MPa일 수 있으며, 약 17 내지 약 30 MPa일 수 있다. 이러한 소결온도와 소결압력 하에서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 보다 효율적으로 고품질의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결시간은 0.5 내지 10 시간이 적용될 수 있고, 0.5 내지 7 시간이 적용될 수 있으며, 0.5 내지 5 시간이 적용될 수 있다.
상기 소결시간은 상압에서 진행하는 소결 공정과 비교하여 상당히 짧은 시간이며, 이렇게 짧은 시간을 적용하더라도 동등 또는 더 우수한 품질을 갖는 소결체를 제조할 수 있다.
상기 성형단계는 환원분위기에서 진행될 수 있다. 상기 성형단계가 환원분위기에서 진행되는 경우, 탄화붕소 분말이 공기 중의 산소와 반응하여 형성될 수 있는 보론 옥사이드와 같은 물질들을 환원시켜 탄화붕소 함량이 보다 높아진 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 성형단계는 상기 소결로(600) 내의 입자들 사이의 간극에 스파크를 발생시키며 진행될 수 있다. 이러한 경우, 성형다이(620)는 가압부(622, 624)와 연결된 전극(612, 614)에 의해 상기 성형다이(620)로 펄스 상의 전기에너지를 인가하는 방식으로 진행될 수 있다. 이렇게 펄스 상의 전기에너지를 인가하면서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 상기 전기에너지에 의해 보다 단시간에 상기 치밀상의 소결체를 얻을 수 있다.
구체적으로, 상기 성형단계가 도 1에 제시된 소결장치(300, 열가압소결장치)에서 진행되는 경우, 소결로(310) 내에 상부가압부(332)와 하부가압부(334) 사이에 위치하는 성형다이(330)가 원료물질(380)이 위치하는 상태로 장입되면, 가열부(320)에 의하여 승온이 진행되고, 이와 함께 또는 별도로 가압이 진행되어 소결이 진행될 수 있다. 이 때, 상기 소결로(310) 내는 감압분위기로 조절될 수 있고, 환원분위기에서 진행될 수도 있다. 상기 성형다이(330)는 예를 들어 카본 다이가 적용될 수 있으며, 상기 상부가압부(332)와 하부가압부(334)로는 카본 툴(펀치)이 활용될 수 있다. 상기 소결장치(300)를 적용하여 상기 탄화붕소 소결체를 제조하는 경우, 와이어 방전가공, 면 방전가공 등의 별도의 성형과정이 일부는 생략될 수 있다.
상기 성형단계에서 소결온도의 최고 온도 구간은 약 1900℃내지 약 2200℃일 수 있고, 약 2시간 내지 약 5시간 동안 유지될 수 있다. 이때, 상기 성형다이(330)에 가해지는 압력은 약 15 MPa 내지 약 60 MPa일 수 있다. 더 자세하게, 상기 성형다이(330)에 가해지는 압력은 약 17 MPa 내지 약 30MPa일 수 있다.
구체적으로, 상기 성형단계가 도 2에 제시된 소결장치(600, 스파크플라즈마소결장치)에서 진행되는 경우, 챔버(630) 내에 제1가압부(622)와 제2가압부(624) 사이에 위치하는 성형다이(620)가 원료물질(680)이 위치하는 상태로 장입되면, 가열부(미도시)에 의하여 챔버 내의 승온이 진행되고, 이와 함께 또는 별도로 가압이 진행되어 소결이 진행될 수 있다. 이 때, 상기 챔버(630) 내에는 제1전극(612)와 제2전극(614)로 전원부(610)에서 인가되는 전기에너지가 상기 원료물질의 소결을 촉진하며, 예를 들어 상기 전원부(610)는 직류펄스전류를 인가할 수 있다.
상기 성형다이(620)는 예를 들어 카본 다이가 적용될 수 있으며, 상기 제1가압부(622)와 제2가압부(624)는 금속 펀치 등 전기전도성 펀치가 적용될 될 수 있다. 상기 소결장치(600)를 적용하여 상기 탄화붕소 소결체를 제조하는 경우, 와이어 방전가공, 면 방전가공 등의 별도의 성형과정이 일부가 생략될 수 있다.
이렇게 제조되는 탄화붕소 소결체는 구체적으로 도 5에 제시된 것과 같은 내식성 링형부품(10)일 수 있다.
상기 내식성 링형부품(10)은 링형태의 본체(100)와 상기 본체(100)와 직접 맞닿아 이웃하게 위치하는 안착부(200)를 포함한다. 상기 본체(100)와 안착부(200)는 일체로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 내식성 링형부품(10)은 일정한 간격을 두고 위치하는 본체상면(106)과 본체저면, 상기 본체상면(106)의 외측 외곽선과 상기 본체저면의 외측 외곽선을 서로 연결하는 면인 본체외경(102) 및 상기 본체상면(106)의 내측 외곽선과 연결되며 본체(100)의 일부 또는 전부를 감싸는 본체내경(104)으로 둘러싸인 본체(100); 그리고 상기 본체내경(104)과 그 외경이 직접 연결되며 상기 본체상면(106)보다 낮은 위치에 형성되는 안착부상면(206), 상기 안착부상면(206)과 일정한 간격을 두고 위치하며 상기 본체저면과 연결되는 안착부저면 및 상기 안착부상면(206)의 내측 외곽선과 상기 안착부저면의 내측 외곽선을 서로 연결하는 면인 안착부내경(204)으로 둘러싸인 안착부(200);를 포함하여, 상기 안착부상면(206) 상에 기판(1)이 안착되도록 단차를 허용하는 것일 수 있다.
상기 내식성 링형부품(10)은 대강의 링형부품 형태를 갖는 탄화붕소 소결체를 제조하고, 이 소결체에 완성품가공을 진행하여 위에서 설명하는 내식성 링형부품(10)의 외형을 갖추도록 제조할 수 있다. 그러나, 상기 탄화붕소 소재는 강한 공유결합을 가진 재료로 그 가공이 어려워 와이어방전가공, 면방전가공과 같은 특수한 방법으로 가공하여 완제품형태를 제조할 수 있다. 그러나, 위에서 설명하는 방법을 적용하면, 분말 상태의 원재료를 성형다이에 바로 도입하고 소결시키는 방식으로, 가공된 완제품 형태와 실질적으로 동일한 형태의 탄화붕소 함유 내식성 링형부품(10)을 제조할 수 있어서, 제조 공정이 보다 단순화되고 효율적으로 탄화붕소 함유 내식성 링형부품(10)을 제조할 수 있다.
또한, 이렇게 공정이 단순화되는 장점 이외에도 제조되는 탄화붕소 소결체의 물성이 더욱 우수하다는 장점도 갖는다.
상기 탄화붕소 소결체는, 저식각률 특징을 가지며, 특히 플라즈마 식각률이 낮은 내식 특성을 갖는다. 구체적으로, 실리콘(Si, 단결정 실리콘, 그로잉법으로 제조한 것)의 식각률이 100%일 때, 상기 탄화붕소 소결체는 55% 이하의 식각률을 가질 수 있고, 10 내지 50%의 식각률을 가질 수 있으며, 20 내지 45%의 식각률을 가질 수 있다. 이러한 식각률 특성은 두께감소율(%)로 위의 식각률은 플라즈마 장비에서 RF power를 2,000W로 노출 시간을 280 hr으로 적용하는 동일한 조건에서 식각되는 비율을 평가한 결과이다. 상기 탄화붕소 소결체의 저식각률 특징은, CVD-SiC와 비교하면 월등하기 우수한 결과, 상당히 우수한 내식각률을 보여준다.
더 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 CVD-SiC의 식각률을 100%라고 했을 때, 70% 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 고저항, 중저항, 또는 저저항 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 고저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 10Ωㆍcm 내지 약 103 Ωㆍcm의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 고저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화 붕소로 형성되고, 소결특성개선제로 실리콘 카바이드 또는 실리콘 나이트라이드를 포함할 수 있다.
구체적으로, 중저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 1Ωㆍcm 내지 10Ωㆍcm 미만의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 중저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화붕소로 형성되고, 소결특성개선제로 보론 나이트라이드를 포함할 수 있다.
구체적으로, 저저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 10-1Ωㆍcm 내지 약 10-2 Ωㆍcm의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 저저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화 규소로 형성되고, 소결특성개선제로 카본을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 5.0 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있고, 1.0 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있으며, 8*10-1 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있다.
상기 소결체의 Ra 조도는 약 1.0㎛ 내지 약 1.2㎛일 수 있다. 상기 폴리싱된 소결체의 Ra 조도는 약 0.2㎛ 내지 약 0.4㎛일 수 있다. 상기 측정에는 3차원 측정기가 적용될 수 있다. 이러한 표면 조도를 갖는 상기 탄화붕소 소결체는 보다 매끄러운 표면을 가져서 식각장비의 일부 또는 식각장비에 적용되는 부품의 일부 또는 전부에 적용되어도 우수한 물성을 보일 수 있다.
상기 소결체는 금속성 부산물(불순물)이 100 ppm 이하로 함유될 수 있고, 10 ppm 이하 일 수 있으며, 1 ppm 이하 일 수 있다.
상기 소결체는 입경(D50)이 1.5 um 이하인 탄화붕소 함유 입자가 소결 및 네킹된 것일 수 있다.
탄화붕소 소결체는 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.2 내지 3의 비율인 특징을 갖는다. 구체적으로 상기 비율이 0.26 내지 1일 수 있고, 0.26 내지 0.6일 수 있다. 이러한 열전도도 값을 갖는 경우, 상기 소결체가 적용되는 분위기의 온도의 변화가 커도 열 전도도 값이 일정한 범위 내의 값을 가져서, 온도 변화가 큰 분위기에 적용하여도 비교적 일정한 열적 특성을 가질 수 있고 안정적인 공정 진행이 가능하다. 상기 탄화붕소 소결체의 열 전도도를 조절하기 위해서, 실리콘 카바이드 또는 실리콘 등의 첨가제가 사용될 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 25 ℃에서 약 22 내지 약 80 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 400 ℃에서 약 7 내지 약 70 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 800 ℃에서 약 5 내지 약 50 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열전도도는 25 내지 800 ℃에서 선택된 온도에서 약 60 W/(m*k) 이하일 수 있고, 약 4 W/(m*K) 내지 약 40W/(m*K)일 수 있다. 또한, 더 자세하게, 약 4W/(m*K) 내지 약 27W/(m*K)일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 공극률이 약 10% 이하일 수 있고, 약 3% 이하일 수 있으며, 약 2% 이하일 수 있고, 0.01 내지 2%일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 1% 이하일 수 있고, 약 0.5% 이하일 수 있으며, 약 0.1% 이하일 수 있다. 이렇게 공극률이 낮은 소결체는 입자 사이의 탄소 영역 등이 보다 적게 형성되는 소결체를 의미하며, 보다 강한 내식성을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체에서 상기 단면을 기준으로 기공의 평균 직경은 5㎛ 이하일 수 있다. 이때, 상기 기공의 평균 직경은 상기 기공의 단면적과 동일한 면적의 원의 직경으로 도출한다. 상기 기공의 평균 직경은 3㎛ 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 기공의 평균 직경은 1㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 기공의 전체 면적을 기준으로, 상기 기공의 직경이 10㎛ 이상인 부분의 면적은 5% 이하일 수 있다. 상기 탄화붕소 소결체는 치밀한 구조를 가지기 때문에, 향상된 내식성을 가질 수 있다.
상기 내식성 링형부품(10)은 링 형태를 갖는 것으로 플라즈마 식각 등 반도체 장치 제조 과정에서 적용되는 소모성 부품일 수 있다. 예를 들어, 포커스링(focus ring), 엣지링(edge ring), 한정링(confinement ring) 등일 수 있다. 구체적으로 상기 내식성 링형부품(10)은 플라즈마 식각 등의 과정에서 기판 등을 안착시키는 포커스 링일 수 있다.
도 1에 따른 소결장치(300)를 적용하고, 소결온도를 2000 ℃, 소결압력은 60 MPa, 그리고 소결시간은 3 시간으로 적용하고 상기 원료물질로는 저순도 탄화붕소 분말을 적용하여 제조한 탄화붕소 소결체의 단면을 관찰한 전자현미경사진을 도 6에 나타냈다. 도 6을 참고하면, 공극이 거의 관찰되지 않을 정도로 치밀하고 고른 탄화붕소 소결체가 제조되었고, 그 상대밀도는 99.9%, 그리고 저항은 1.706 * 100 Ω㎝로 나타났다. 또한 해당 샘플의 약 25 ℃내지 약 800 ℃에서의 열 전도율은 약 6.3 내지 23.7 W/(m*K)으로 나타났으며, 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값(HC25)을 1로 보았을 때 800 ℃에서 측정한 열전도도 값(HC800)이 약 0.27로 나타났다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 성형다이(700)는 다이저면부(710)와 상기 다이저면부(710) 상의 공간을 둘러싸는 다이외면부(715)를 포함하는 다이하우징(720)와 상기 다이하우징(720)과 결합하며 상기 다이하우징(720)의 내면과의 사이에 형성되는 공간인 링형중공(19)을 형성하는 다이상면부(730)를 포함하여, 링형 탄화붕소 소결체의 성형에 적용된다.
이 때, 상기 다이하우징(720)은 상기 다이저면부(710)와 상기 다이외면부(715)가 일체로 형성되는 일체형 다이하우징일 수 있다. 또한, 상기 다이하우징(720)은 상기 다이저면부(710)와 상기 다이외면부(715)가 분리되거나 결합될 수 있도록 형성되는 구분형 다이하우징일 수 있다.
상기 성형다이(700)는 위에서 설명한 탄화붕소 소결체의 제조방법에서 제조하고자 하는 완성품의 형상과 외형을 갖는 링형중공을 갖는 성형다이(700)로써 적용되어, 고밀도의 내식각성의 탄화붕소 소결체를 효율적으로 제조하는 것을 돕는다. 즉, 상기 성형다이는 탄화붕소 소결체용으로 적용될 수 있으며, 구체적으로 탄화붕소 링형소결체의 제조용으로, 더 구체적으로 탄화붕소 포커스링의 제조용으로 그 활용도가 우수하다.
상기 성형다이(700)를 구성하는 각 부분들은 고온고압을 견딜 수 있는 재료로 제조되며, 예를 들어 그라파이트로 제조될 수 있고, 그라파이트 합유 복합재료로 제조될 수 있다.
상기 성형다이(700)는 상기 다이외면부(715)의 외면 상에 배치되는 보강부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 그 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
상기 성형다이(700) 내에 위치하는 링형중공(19)은 서로 이웃하게 위치하며 서로 구분되는 단차를 갖는 본체중공(190)과 안착부중공(290)을 포함할 수 있다. 상기 본체중공(190)과 상기 안착부중공(290)은 위에서 설명한 내식성 링형부품(10)의 본체(100)와 안착부(200)에 대응한다. 상기 단차는 기판(1) 등이 상기 링형부품(10) 상에 배치될 때, 안정적으로 안착할 수 있는 턱을 의미하며, 일정한 단차를 가져서 상기 본체중공(190)의 높이가 상기 안착부중공(290)의 높이보다 더 높게 형성되는 것이 좋다.
상기 다이상면부(730)는 상기 본체중공(190) 상에 위치하는 본체상면부(732); 그리고 상기 본체상면부(732)의 내주면과 맞닿게 위치하며 상기 안착부중공(290) 상에 위치하는 제1면과 상기 제1면과 단턱을 두며 상기 제1면보다 돌출되게 형성되는 제2면을 포함하는 본체외상면부(734);를 포함할 수 있다.
상기 다이상면부(730)는 상기 본체중공(190) 상에 위치하는 본체상면부(732); 상기 본체상면부(732)의 내주면과 맞닿게 위치하며 상기 안착부중공(290) 상에 위치하며 상기 본체상면부(732)보다 큰 두께를 갖는 안착상면부(736); 그리고 상기 안착상면부(736)의 내주면과 맞닿게 위치하며 상기 안착상면부(736)보다 큰 두께를 갖는 내경상면부(738);를 포함할 수 있다.
상기 다이상면부(730)는 상기 링형중공(19) 상에 위치하며 그 높이가 서로 다른 본체중공(190)과 안착부중공(290) 각각의 상면을 형성하는 본체안착상면부(736); 상기 본체안착상면부(736)의 내주면과 맞닿게 위치하며 상기 본체안착상면부(736)보다 큰 두께를 갖는 내경상면부(738);를 포함할 수 있다.
상기 다이상면부(730)가 위에서 설명한 것처럼, 1개의 조각, 2개의 조각, 3개의 조각 등으로 형성되어 분말 형태의 상기 원료물질을 장입하기 편리하고, 해당 조각에 가해지는 압력이 상기 원료물질 전체에 실질적으로 고르게 전해지도록 할 수 있다.
본 발명이 또 다른 일 실시예에 따른 소결장치(300, 600)는 위에서 설명한 성형다이(700)를 포함하여 링형태의 탄화붕소 소결체를 제조한다. 상기 소결장치(300, 600), 상기 성형다이(330, 620, 700)에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
본 발명이 또 다른 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은 1차성형단계 및 소결체형성단계를 포함하여, 위에서 설명한 탄화붕소 소결체를 제조한다. 상기 1차성형단계는 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 단계이다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 상기 1차성형단계 이전에 과립화단계를 더 포함할 수 있다. 상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 상기 소결체형성단계 이후에 가공단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과립화단계는, 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 용매와 혼합하여 슬러리화된 원료물질을 제조하는 슬러리화 과정, 그리고 상기 슬러리화된 원료물질을 건조시켜 구형의 과립 원료물질로 제조하는 과립화과정을 포함한다.
상기 원료물질은 탄화붕소와 소결특성개선제를 포함하는 원료물질일 수 있다.
상기 탄화붕소(보론카바이드, boron carbide)는 B4C로 대표되며, 상기 원료물질의 탄화붕소는 분말 형태의 탄화붕소가 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 1.5㎛ 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 약 0.3㎛ 내지 약 1.5㎛의 평균 입경을 가질 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 또한, 상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 평균 입경이 너무 큰 탄화붕소 분말을 적용하는 경우에는 제조된 소결체의 밀도가 낮아지고 내식성이 떨어질 수 있고, 입경이 너무 작은 경우에는 작업성이 떨어지거나 생산성이 낮아질 수 있다.
상기 소결특성개선제는, 상기 원료물질에 포함되어 탄화붕소 소결체의 물성을 향상시킨다. 구체적으로, 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%로 함유될 수 있고, 1 내지 25 중량%로 함유될 수 있으며, 5 내지 25 중량%로 함유될 수 있다. 상기 소결특성개선제가 상기 원료물질 전체를 기준으로 0.1 중량% 미만으로 포함되는 경우 소결특성 개선 효과가 미미할 수 있고, 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 원료물질은 상기 소결특성개선제 이외의 잔량으로 탄화붕소 분말 등의 탄화붕소 원료를 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론 옥사이드, 카본 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 수지 형태로 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 카본으로 적용될 수도 있다. 상기 수지의 탄화 공정은 통상 고분자 수지를 탄화시키는 공정이 적용될 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 1 내지 30 중량%로 적용될 수 있고, 5 내지 30 중량%로 적용될 수 있으며, 8 내지 28중량%로 적용될 수 있고, 13 내지 23 중량%로 적용될 수 있다. 이러한 함량으로 상기 소결특성개선제로 카본을 적용하는 경우, 입자 사이의 네킹 현상이 증가하고 입자 크기가 비교적 크며, 상대밀도가 비교적 높은 탄화붕소 소결체를 얻을 수 있다. 다만, 상기 카본을 30 중량% 초과로 포함하는 경우, 잔류 탄소에 의한 카본영역의 발생으로 정도가 감소할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론옥사이드를 적용할 수 있다. 상기 보론 옥사이드는 B2O3로 대표되는 것으로, 상기 보론옥사이드를 적용하며 소결체의 기공 내에 존재하는 탄소와의 화학반응 등을 통해 탄화붕소를 생성하고, 잔류 탄소의 배출을 도와 보다 치밀화된 소결체를 제공할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 상기 보론 옥사이드와 상기 카본이 함께 적용되는 경우, 상기 소결체의 상대밀도를 보다 높일 수 있으며, 이는 기공 내에 존재하는 카본 영역이 감소하며 보다 치밀도가 향상된 소결체를 제조할 수 있다.
상기 보론 옥사이드와 상기 카본은 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용될 수 있고, 1: 1.2 내지 3의 중량비로 적용될 수 있으며, 1: 1.5 내지 2.5의 중량비로 적용될 수 있다. 이러한 경우 보다 상대밀도가 향상된 소결체를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로 상기 원료물질은 상기 보론 옥사이드를 1 내지 9 중량%로, 그리고 상기 카본을 5 내지 15 중량%로 함유할 수 있으며, 이러한 경우 치밀도가 상당히 우수하며 결함이 적은 소결체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 소결특성개선제는 그 융점이 약 100℃내지 약 1000℃일 수 있다. 더 자세하게, 상기 첨가제의 융점은 약 150℃내지 약 800℃일 수 있다. 상기 첨가제의 융점은 약 200℃내지 약 400℃일 수 있다. 이에 따라서, 상기 첨가제는 상기 원료 물질이 소결되는 과정에서 상기 탄화붕소 사이로 용이하게 확산될 수 있다.
상기 과립화단계에서 슬러리화를 위해 적용되는 용매는 에탄올 등과 같은 알코올 또는 물이 적용될 수 있다. 상기 용매는 상기 슬러리 전체를 기준으로 약 60 부피% 내지 약 80 부피%의 함량으로 적용될 수 있다.
상기 슬러리화 과정은 볼밀 방식이 적용될 수 있다. 상기 볼밀 방식은 구체적으로 폴리머 볼이 적용될 수 있으며, 상기 슬러리 배합 공정은 약 5시간 내지 약 20시간 동안 진행될 수 있다.
또한, 상기 과립화 공정은 상기 슬러리가 분사되면서, 상기 슬러리에 포함된 용매가 증발 등에 의해서 제거되면서 원료물질이 과립화되는 방식으로 진행될 수 있다. 이렇게 제조되는 과립화된 원료물질 입자는 입자 자체가 전체적으로 둥근 형태를 띄며 비교적 입도가 일정한 특징을 갖는다.
상기 원료물질 입자의 직경은 D50을 기준으로 약 0.3 내지 약 1.5 um일 수 있고, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛일 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛일 수 있다.
이렇게 과립화된 원료물질 입자를 적용하면, 이후 설명하는 1차성형단계에서 그린바디 제조 시에 몰드에 충진이 용이하고 작업성이 보다 향상될 수 있다.
상기 1차성형단계는 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 단계이다. 구체적으로 상기 성형은 상기 원료물질을 몰드(고무 등)에 넣고 가압하는 방식이 적용될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 성형은 냉간 등압방 가압법(Cold Isostatic Pressing, CIP)이 적용될 수 있다.
상기 1차성형단계를 냉간 등압방 가압법을 적용하여 진행하는 경우, 압력은 약 100MPa 내지 약 200MPa으로 적용하는 것이 보다 효율적이다.
상기 그린바디는 제조되는 소결체의 용도에 적합한 크기와 형태를 고려해 제조될 수 있다.
상기 그린바디는, 제조하고자 하는 최종 소결체의 크기보다 다소 큰 크기 형성하는 것이 좋으며, 소결체의 강도가 그린바디의 강도보다 더 강하므로, 소결체의 가공시간을 줄일 목적으로 상기 1차성형단계 이후에 그린바디에서 불필요한 부분을 제거하는 형태가공과정이 더 진행될 수 있다.
상기 소결체형성단계는 상기 그린바디를 탄화 및 소결시켜 탄화붕소 소결체를 제조하는 단계이다.
상기 탄화는 약 600℃내지 약 900℃의 온도에서 진행될 수 있고, 이러한 과정에서 그린바디 내의 바인더나 불필요한 이물질 등을 제거될 수 있다.
상기 소결은 약 1800℃내지 약 2500℃의 소결 온도에서 약 10시간 내지 약 20시간의 소결시간 동안 유지하는 방식으로 진행될 수 있다. 이러한 소결 과정에서 원료물질 입자간의 성장과 네킹이 진행되고 치밀화된 소결체를 얻을 수 있다.
상기 소결을 구체적으로 승온, 유지, 냉각의 온도 프로파일로 진행될 수 있고, 구체적으로 1차승온-1차온도유지-2차승온-2차온도유지-3차승온-3차온도유지-냉각의 온도 프로파일로 진행될 수 있다.
상기 소결에서 승온 속도는 약 1℃/분 내지 약 10℃/분 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 소결에서의 승온 속도는 약 2℃/분 내지 약 5℃/분 일 수 있다.
상기 소결에서, 약 100℃내지 약 250℃의 온도가 약 20분 내지 약 40분간 유지될 수 있다. 또한, 상기 소결에서 약 250℃내지 약 350℃의 온도 구간이 약 4시간 내지 약 8시간 유지될 수 있다. 또한, 상기 소결에서 약 360℃내지 약 500℃의 온도 구간이 약 4시간 내지 약 8시간 유지될 수 있다. 상기와 같은 온도 구간에서 일정 시간 동안 유지되는 경우, 상기 첨가제가 보다 용이하게 확산될 수 있고, 보다 균일한 상의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결은 약 1800℃내지 약 2500℃의 온도 구간이 약 10시간 내지 약 20시간 유지될 수 있다. 이러한 경우, 보다 견고한 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결에서의 냉각 속도는 약 1℃/분 내지 약 10℃/분 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 소결에서의 냉각 속도는 약 2℃/분 내지 약 5℃/분 일 수 있다.
상기 소결체형성단계에서 제조된 탄화붕소 소결체는 추가적으로 면가공 및/또는 형상가공을 포함하는 가공단계를 거칠 수 있다.
상기 면가공은 상기 소결체의 면을 평탄화하는 작업이며, 통상 세라믹을 평탄화하는데 적용되는 방법이 적용될 수 있다.
상기 형상가공은 상기 소결체의 일부를 제거하거나 깍아내서 의도하는 형상을 갖도록 가공하는 과정이다. 상기 형상가공은 상기 탄화붕소 소결체가 치밀도가 우수하고 강도가 강한 점을 고려해, 방전가공의 방식으로 진행될 수 있고, 구체적으로 방전 와이어 가공 방식으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 상기 소결체는 수조에 담고, 상기 소결체 및 와이어에 각각 직류 전원이 연결한 후, 상기 와이어가 왕복 운동하면서, 상기 소결체에서 제거하고자 하는 부분을 컷팅할 수 있다. 이때, 상기 직류 전원의 전압은 약 100볼트 내지 약 120볼트일 수 있고, 가공 속도는 약 2mm/분 내지 약 7mm/분일 수 있으고, 와이어 스피드는 약 10rpm 내지 약 15rpm일 수 있고, 와이어의 장력은 약 8g 내지 약 13g일 수 있고, 상기 와이어의 직경은 약 0.1mm 내지 약 0.5mm일 수 있다.
이렇게 제조되는 상기 소결체는 위에서 설명하는 특징을 갖는다.
예시적으로, 탄화붕소 소결체의 제조방법에 따라서 1차성형단계에서 첨가제로 카본으로 페놀수지 10 중량%, 보론 옥사이드 5 중량%, 그리고 잔량의 탄화붕소 입자(입자 크기 1.5 um)를 적용하여 과립화한 원료물질로 냉간 등압방 가압방식을 적용해 그린바디를 제조하고, 이 그린바디를 1차성형한 후 2,380 ℃에서 15시간 동안 상압소결하는 방법으로 샘플을 제조하였고, 저항은 1.85 * 10-1 Ω㎝로 나타났다. 또한 해당 샘플의 약 25 ℃내지 약 800 ℃에서의 측정한 열 전도률은 약 15.684 내지 30.269 W/(m*K)의 범위로 나타났으며, 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값(HC25)을 1로 보았을 때 800 ℃에서 측정한 열전도도 값(HC800)의 비율이 약 0.518로 나타났다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 기판 10: 링형부품
19: 링형중공 100: 본체
200: 안착부 102: 본체외경
104: 본체내경 106: 본체상면
190: 본체중공 204: 안착부내경
206: 안착부상면 290: 안착부중공
300: 소결장치 310: 소결로
320: 가열부 330: 성형다이
332: 상부가압부 334: 하부가압부
380: 원료물질 또는 소결체
600: 소결장치 610: 전원부
612: 제1전극 614: 제2전극
620: 성형다이 622: 제1가압부
624: 제2가압부 630: 챔버
680: 원료물질 또는 소결체
700: 성형다이 710: 다이저면부
715: 다이외면부 720: 다이하우징
730: 다이상면부 732: 본체상면부
734: 본체외상면부 736: 안착상면부
738: 내경상면부 731: 본체안착상면부

Claims (5)

  1. 원료물질을 성형다이 내에 위치하는 링형중공에 장입시키는 준비단계;
    상기 성형다이를 소결로 내에 장입하고 가압부, 상기 가압부에 연결된 전극, 및 상기 전극에 연결된 전원장치를 세팅하는 배치단계; 및
    상기 전원장치가 상기 전극에 의해 상기 성형다이로 펄스 상의 전기에너지를 인가하면서, 상기 성형다이를 1800 내지 2500 ℃의 소결온도, 15 내지 60 MPa의 소결압력, 및 0.5 내지 10시간의 소결시간을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 성형단계;를 포함하되,
    상기 원료물질은 탄화붕소 분말을 포함하고,
    상기 탄화붕소 분말은 D50이 0.4 내지 0.8㎛이고,
    상기 탄화붕소 소결체는 탄화붕소, 공극, 상기 탄화붕소 사이의 탄소 영역을 포함하고,
    상기 탄화붕소 소결체는
    비저항이 10 내지 103 Ωㆍcm이고,
    25 내지 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 6.3 내지 23.7 W/(m*k)이며,
    상기 탄화붕소 소결체는 내식성 링형 부품이고,
    상기 내식성 링형 부품은 CVD-SiC 대비 70 % 이하의 식각률을 갖고,
    상기 내식성 링형 부품은 단결정 실리콘(Si) 대비 20 내지 45% 이하의 식각률을 갖는 탄화붕소 소결체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 원료물질을 용매와 혼합하여 슬러리화된 원료물질을 제조하는 슬러리화 과정, 그리고 상기 슬러리화된 원료물질을 건조시켜 구형의 과립 원료물질로 제조하는 과립화과정을 포함하는 과립화단계;
    상기 과립 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 1차성형단계; 및
    상기 그린바디를 탄화 및 소결시켜 탄화붕소 소결체를 제조하는 소결체형성단계;를 포함하되,
    상기 탄화는 600 내지 900 ℃의 온도에서 진행되고,
    상기 소결은 1800 내지 2500 ℃의 온도에서 10 내지 20시간의 소결시간동안 진행되고,
    상기 원료물질은 탄화붕소 분말 및 소결특성개선제를 포함하고,
    상기 소결특성개선제는 보론옥사이드와 카본을 포함하고,
    상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 1 내지 25 중량 %로 포함되며,
    상기 보론옥사이드와 상기 카본은 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용되고,
    상기 탄화붕소 소결체는
    탄화붕소, 공극, 상기 탄화붕소 사이의 탄소 영역을 포함하고,
    25 내지 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 15.684 내지 30.269 W/(m*k)이고,
    CVD-SiC 대비 70% 이하의 식각률을 갖고,
    단결정 실리콘(Si) 대비 20 내지 45% 이하의 식각률을 갖는
    탄화붕소 소결체의 제조방법.

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