KR20010089058A - 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비 - Google Patents

초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속사출성형용 원료 제조를 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41)를 구비하는 원료챔버(11); 초미립 금속분말 저장 및 칭량을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(32)를 구비하는 저장챔버(12); 초미립 금속분말 성형 및 소결을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(33)를 구비하는 성형챔버(13); 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13) 사이를 일렬로 연통하도록 설치되고, 양단에 각각 개폐가능한 도어를 지니는 통로(21)(22)(23)(24); 및 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)를 배기하는 진공펌프(50), 불활성 또는 보호성 가스를 주입하는 가스탱크(60), 진공 및 가스압을 검출하는 압력게이지(42), 유로를 단속하는 밸브(43)(44) 등을 구비하는 분위기 조절수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 초고진공 설비에 비해 저가이면서 유지비가 적게 들어 산업화가 가능하고 또한 초미립 금속분말 제조방법에 제약을 받지 않고 초미립 금속분말의 산화오염 없이 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비{In-lined clean facilities for producing ultra fine metal powder}
본 발명은 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초고진공 설비에 비해 저가이면서 유지비가 적게 들어 산업화가가능하고 또한 초미립 금속분말 제조방법에 제약을 받지 않고 초미립 금속분말의 산화오염 없이 제품을 제조할 수 있는 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비에 관한 것이다.
나노금속분말은 일반적으로 분말입자 크기가 0.1 ㎛ 이하인 물질로서 종래의 금속분말에서 나타나지 않는 새롭고, 우수한 성질을 지니고 있다. 이러한 우수한 특성 때문에 국내는 물론 선진국에서 나노금속분말에 관한 연구를 수년전부터 해오고 있다.
현재 나노금속분말에 관한 국내 수준은 나노테크 사 등 몇몇 기업체에서 파일럿 플랜트(pilot plant) 단계이고 선진국에서는 분말형태로 생산하고 응용하고 있으나 구조를 갖는 벌크(bulk) 재료로는 산업화시키지 못하고 실험실수준에 머물고 있다. 그 이유 중 하나는 보다 뛰어난 특성을 얻기 위해서 입자크기가 30 nm 이하인 금속분말을 제조하였음에도 불구하고 입자미세화에 기인한 산화 및 발화문제를 해결하지 못했기 때문이다.
기존의 나노금속분말을 이용한 벌크재료를 제조하는 방법(실험실 연구수준)은 단지 대기 중 노출시간을 줄이기 위해 나노금속분말을 제조하고 불활성 가스로 충전된 용기에 담아 일반적인 글로브 박스(glove box)로 가지고 들어가 성형을 하고 다시 외부로 꺼내어 열처리를 하는 것이다.
이러한 방법으로 나노금속분말의 발화문제는 해결하였다. 그러나 문제점은 용기에 담는 과정에서 짧은 시간이나마 대기의 노출을 피하기 어려워 산화반응이 일어나고 또한 불활성 가스를 계속 흘려주어야 한다. 또한 성형한 후 외부로 꺼내면 대기에 노출되면서 산화가 된다는 것이다. 산화 오염된 원료는 산화물을 제거해야 하는 별도의 공정을 요구하게 되고, 제품의 성능이 저하되기 때문에 부가가치가 낮아진다. 나노금속분말을 사용하는 벌크재료의 제조가 산업화되지 못하고 있는 것은 산화문제의 해결방안을 찾지 못하는데 기인한다.
따라서, 나노금속분말을 이용하여 벌크재료를 제조하기 위해서는 나노금속분말제조에서부터 금속사출성형용 원료(Feedstock)와 예비소결된 제품을 산화가 배제된 상태에서 제조할 수 있는 설비가 절실히 요구된다. 원료(Feedstock)와 예비소결체는 대기중에서도 안정하기 때문이다.
불활성가스 응축법이나, 화학기상 응축법으로 제조한 초미립 금속분말의 산화 또는 발화를 막기 위해 분말을 포집하고 성형, 소결하는 공정을 초고진공 설비가 사용되기도 하는데, 초고진공 장비는 일반적으로 매우 고가이기 때문에 설비투자비가 많이 소요되고 초고진공을 유지하는데 많은 비용과 함께 고도의 기술력이 필요하다.
이와 같이 막대한 설비투자비와 유지비로 인해 제품의 생산단가가 오르는 것이 불가피하고 가격경쟁력이 저하된다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초고진공 설비에 비해 저가이면서 유지비가 적게 들어 산업화가 가능하고 또한 초미립 금속분말 제조방법에 제약을 받지 않고 초미립 금속분말의 산화오염 없이 제품을 제조할 수 있는 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 설비를 정면에서 개략적으로 나타내는 구성도,
도 2는 도 1의 설비를 평면에서 개략적으로 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 설비를 이용하는 실시예 및 그에 대한 비교예에서 X레이 회절법에 의한 산화도 분석결과를 비교하여 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
11, 12, 13 : 챔버 21, 22, 23, 24 : 통로
32, 33 : 투입구 41 : 글로브박스
42 : 압력게이지 43, 44 : 밸브
45 : 감시창 50 : 진공펌프
60 : 가스탱크
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 금속사출성형용 원료 제조를 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41)를 구비하는 원료챔버(11); 초미립 금속분말 저장 및 칭량을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(32)를 구비하는 저장챔버(12); 초미립 금속분말 성형 및 소결을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(33)를 구비하는 성형챔버(13); 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13) 사이를 일렬로 연통하도록 설치되고, 양단에 각각 개폐가능한 도어를 지니는 통로(21)(22)(23)(24); 및 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)를 배기하는 진공펌프(50), 불활성 또는 보호성 가스를 주입하는 가스탱크(60), 진공 및 가스압을 검출하는 압력게이지(42), 유로를 단속하는 밸브(43)(44) 등을 구비하는 분위기 조절수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 분위기 조절수단은 상기 통로(21)(22)(23)(24)를 통하여 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)에 배기 또는 가스주입이 이루어지도록 한다.
본 발명인 일체형 청정설비의 핵심은 나노금속분말을 안정적으로 다루고 벌크재료를 산화되지 않은 상태로 제조할 수 있는 설비라는 것이다. 청정설비의 설계개념은 나노금속분말을 제조한 후 불활성 또는 보호성 가스 분위기에서 연속적으로 금속사출성형용 원료 제조, 성형 및 예비소결을 하여 산화오염이 배제된 제품을 제조할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명은 주로 소형이며 기능성을 가진 재료의제조에 적용할 수 있다. 이러한 재료는 부피가 작으면서도 고부가가치를 창출할 수 있기 때문에 벤처기업규모의 설비로도 제조가 가능하다. 금속사출성형용 원료는 분말표면을 유기결합제로 코팅하기 때문에 안정적이다. 그러나 금속사출성형용 원료는 150℃ 이상으로 가열하여 제조하기 때문에 나노금속분말을 사용할 경우에는 본 청정설비가 필수적으로 요구된다. 본 발명은 이상의 개념이 들어간 나노금속분말 재료 제조용 일체형 청정설비에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 설비를 정면에서 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1의 설비를 평면에서 개략적으로 나타내는 구성도이다.
원료챔버(11)는 금속사출성형용 원료 제조를 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41)를 구비한다. 원료챔버(11)는 초미립 금속분말을 금속사출성형용 유기결합제와 혼합하는 공정실이다. 저장챔버(12)는 초미립 금속분말 저장 및 칭량을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(32)를 구비한다. 저장챔버(12)는 초미립 금속분말 제조장치로부터 분말을 가져와서 용기에 보관하거나 분말량 측정하는 공정실이다. 성형챔버(13)는 초미립 금속분말 성형 및 소결을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(33)를 구비한다. 글로브박스(41)는 외부에서 작업자의 손을 넣고 내부공간에서 작업할 수 있는 장갑형 기구를 의미한다.
상기 각 챔버(11)(12)(13)의 전면에는 감시창(45)을 설치하여 작업자가 내부를 들여다보면서 글로브박스(41)를 이용하여 작업할 수 있도록 한다. 저장챔버(12) 및 성형챔버(13)에 설치되는 투입구(32)(33)에는 도어가 설치되어 개폐가능한 구조이다.
또한 본 발명에 따르면 양단에 각각 개폐가능한 도어를 지니는 통로(21)(22)(23)(24)가 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13) 사이를 일렬로 연통하도록 설치된다. 즉 원료챔버(11)와 저장챔버(12)가 연통되고 저장챔버(12)와 성형챔버(13)가 연통된다. 통로(21)(22)(23)(24)는 간단한 파이프형 연결장치로서 분말제조방법에 따라 적절한 수로 증감하는 것이 가능하다.
이때 통로(21)(22)(23)(24)는 각 공정실을 격리시킴으로서 각각의 공정에서 배출될 수 있는 불순물에 의한 오염을 막기 위해 설치되는 것으로서 통로(21)(22)(23)(24)의 양단에 설치되는 도어는 기밀을 요하며 내측 및 외측에서 모두 개폐할 수 있도록 한다. 이와 같이 하여 기화된 유기물 같은 오염원이 배출되는 공정실과 청정이 요구되는 공정실이 분리된다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)를 배기하는 진공펌프(50), 불활성 또는 보호성 가스를 주입하는 가스탱크(60), 진공 및 가스압을 검출하는 압력게이지(42), 유로를 단속하는 밸브(43)(44) 등을 구비하는 분위기 조절수단을 포함한다. 압력게이지(42)는 포토헬릭 계기를 사용하고 밸브(43)(44)는 솔레노이드 밸브를 사용한다. 진공펌프(50)와 아르곤 가스를 공급하는 가스탱크(60)를 사용하여 챔버(11)(12)(13) 내부의 가스를 자동으로 치환해 주고 아르곤 가스압력이 낮아지면 계속 보충해 줌으로서 청정을 유지할 수 있다.
이때 상기 분위기 조절수단은 상기 통로(21)(22)(23)(24)를 통하여 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)에 배기 또는 가스주입이 이루어지도록 한다. 진공펌프(50)와 가스탱크(60)는 직접 챔버(11)(12)(13)에 연결하지 않고 통로(21)(22)(23)(24)에 연결하여 필요에 따라 투입한다.
도시에는 없으나 본 발명의 설비에는 열처리 가스 및 냉각수 연결부가 설치되어 열처리에 필요한 가스 및 냉각수를 공급하고 외부로 방출한다. 열처리를 하지 않을 때에는 밸브(43)(44)를 닫아 아르곤 가스 압력이 낮아지는 것을 막는다.
도 2에 나타내는 것처럼 저장챔버(12)의 후방으로는 나노금속분말 제조장치(71)가 연결되고 성형챔버(13)의 후방으로는 소결장치(72)가 연결된다. 나노금속 분말 제조장치(71)에는 수소가스가 공급되고 소결장치(72)에는 소결가스가 공급되도록 배관 연결된다.
본 발명에 따른 포토헬릭 계기 시스템에 진공펌프(50)와 아르곤 충전된 가스탱크(60)를 연결하고 챔버(11)(12)(13)를 아르곤(순도:99.9% 이상) 가스로 완전히 치환한다. 가스 치환 후 포토헬릭 계기의 붉은침 2개를 양압에 적당히 맞추고 진공펌프(50) 연결관의 밸브(44)를 닫아 항상 대기압보다 높은 압력으로 유지한다. 초미립 금속분말이 제조되면 통로(22)의 도어를 열고 저장챔버(12)의 내부로 가져온 후 도어를 닫는다. 계속하여 여기에서 초미립 금속분말을 보관용기에 담는다.
금속사출성형용 원료제조시에는 제조된 분말을 원료챔버(11)에서 유기결합제와 혼합하여 과립의 금속사출 성형용 원료를 제조한다. 이때 기화된 유기결합제가 옆의 저장챔버(12)를 오염시킬 수 있으므로 통로(22)의 도어를 닫는다. 제조된 원료는 교환상자를 통해서 외부로 꺼낸다.
성형 및 소결시 제조된 분말을 성형챔버(13)에서 성형, 예비소결을 하여 공기와 접촉하여도 산화되지 않는 상태로 만들어 준다. 예비소결된 제품은 교환상자를 통해서 외부로 꺼낸다.
다음의 두 가지 경우에 대하여 작동과정을 보다 상세하게 설명한다.
(1)금속사출성형용 나노금속분말 원료(Feedstock)를 제조하는 경우
청정설비에서 수작업이 필요한 경우 글로브박스(41)의 장갑에 손을 집어넣어 작업한다. 청정설비내 아르곤 가스 압력은 항상 1기압 보다 약간 높게 유지한 상태에서 원료챔버(11)에서 제조된 분말은 투입구(32)를 열고 저장챔버(12)에 투입한다. 이때 나노금속분말 제조장치(71)는 외부 공기가 들어오지 않는 상태로 유지하여 분말의 산화를 막는다. 투입구(32)를 열 때 아르곤 가스가 빠져나가 1기압에 가까워지면 포토헬릭 게이지 장치가 자동으로 가스탱크(60)의 아르곤 유입 밸브(43)를 열어 아르곤 가스를 계속 충전한다.
분말이 저장챔버(12)에 들어오면 투입구(32)는 닫는다. 통로(22)에서 밸브(43)(44)를 교대로 열고 닫아 저장챔버(12)의 아르곤 가스로 치환한다. 이후 통로(22)의 우측 도어를 열고 통로(22) 상으로 분말을 옮긴 다음 통로(22)의 우측 도어를 닫고 좌측 도어를 열어 원료챔버(11)로 분말을 가져오고 여기에서 원료(Feedstock)를 제조한다.
통로(21) 상에 상기와 같은 방법으로 원료챔버(11)의 아르곤 가스로 치환한다. 이후 통로(21)의 우측 도어를 열고 원료를 통로(21) 상에 넣은 다음 좌측 도어를 열고 원료를 외부로 꺼낸다.
(2) 나노금속분말 벌크 재료를 제조하는 경우
원료(Feedstock)를 제조하는 과정은 전술한 바와 동일하다. 통로(23)를 저장챔버(12)의 아르곤 가스로 치환하는 방법도 동일하다. 통로(23)의 좌측 도어를 열고 통로(23) 상으로 분말을 옮긴다. 통로(23)의 좌측 도어를 닫고 우측 도어를 열어 성형챔버(13)로 분말을 가져온다. 성형챔버(13)에서 분말을 성형하고 소결장치를 불활성분위기로 유지시킨다. 투입구(33)를 열고 소결장치(72)로 성형체를 넣는다. 소결장치(72)에서 성형체를 예비 소결한 후 투입구(33)를 열어 소결체를 성형챔버(13)로 가져온다.
같은 방법으로 통로(24) 상에 성형챔버(13)의 아르곤 가스를 치환한다. 통로(24)의 좌측 도어를 열어 소결체를 통로(24)에 넣은 다음 좌측 도어를 닫고 우측 도어를 열어 소결체를 밖으로 꺼낸다.
본 발명의 장치를 이용하면 기계화학(Mechanochemical) 공정으로 제조한 초미립 금속분말(20∼50 nm)은 산화되지 않은 상태로 유지할 수 있었다.
도 3은 본 발명의 설비를 이용하는 실시예 및 그에 대한 비교예에서 X레이 회절법에 의한 산화도 분석결과를 비교하여 나타내는 그래프가 도시된다.
도 3의 b처럼 대기에서 제조한 금속사출성형용 초미립 W-Cu 복합분말 원료는 주요성분인 W이 산화된 반면 도 3의 a처럼 청정설비에서 제조한 것은 W이 산화되지 않았다. Cu 산화물은 유기결합제에서 분해되는 산소에 의해 형성된 것이다.
따라서 초고진공 장비에 비해 경제적인 본 발명의 설비로 산화 오염이 배제된 초미립 금속분말제품 제조가 가능해진다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 초고진공 설비에 비해 저가이면서 유지비가 적게 들어 산업화가 가능하고 또한 초미립 금속분말 제조방법에 제약을 받지 않고 초미립 금속분말의 산화오염 없이 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 금속사출성형용 원료 제조를 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41)를 구비하는 원료챔버(11);
    초미립 금속분말 저장 및 칭량을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(32)를 구비하는 저장챔버(12);
    초미립 금속분말 성형 및 소결을 위한 용도이며 수작업을 위한 글로브박스(41) 및 대상물 출입을 위한 투입구(33)를 구비하는 성형챔버(13);
    상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13) 사이를 일렬로 연통하도록 설치되고, 양단에 각각 개폐가능한 도어를 지니는 통로(21)(22)(23)(24); 및
    상기 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)를 배기하는 진공펌프(50), 불활성 또는 보호성 가스를 주입하는 가스탱크(60), 진공 및 가스압을 검출하는 압력게이지(42), 유로를 단속하는 밸브(43)(44) 등을 구비하는 분위기 조절수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분위기 조절수단은 상기 통로(21)(22)(23)(24)를 통하여 원료챔버(11), 저장챔버(12), 성형챔버(13)에 배기 또는 가스주입이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 초미립 금속분말제품 제조용 일체형 청정설비.
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