KR20020053019A - 원심력을 이용한 소결 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

세라믹 입상 재료 또는 입상 금속의 압분이나 세라믹 전구체 필름의 소결방법으로서, 원심력을 상기 압분이나 세라믹 전구체 필름에 가하면서 상기 압분이나 세라믹 전구체 필름을 가열 및 소성(burning)하는 단계에 의해 수행된다.

Description

원심력을 이용한 소결 방법 및 장치 {SINTERING METHOD AND APPARATUS USING CENTRIFUGAL FORCE}

본 발명은 치밀한 구조(즉, 조밀 구조)의 소결 세라믹 압분 또는 세라믹 필름을 제조하기 위한 소결 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래에, 세라믹 입상 금속 압분 또는 세라믹 전구체 필름용 입상 재료 압분은 추가의 압력이 가해지지 않는 다양한 분위기 가스(임의의 분위기 가스) 중에 어느 하나의 분위기 하에서 고온으로 가열됨으로써 소결된다. 또한, 상기 입상 재료를 조밀하게 형성하고 기계, 전기, 자기 및 광학적 특성을 강화하기 위해서, 기계적인 힘 또는 가스 매체를 통한 힘을 입상재료에 가하여 미세한 결정입자로 이루어진 소결체를 제조하는 소결기술이 발전되어 왔다. 예를들어, 가압 방법 및 소결 단조 방법이 공지되어 있다. 이러한 방법들은 각각 축방향으로의 기계적인 힘을 가하면서 재료를 소결한다. 이들 방법에 있어서, 재료들이 소결되는 동안 축방향으로의 압력이 푸쉬 로드에 의해 재료에 가해진다.

그러나, 이들 방법에 있어서 푸쉬 로드 또는 다이와 접촉한 재료의 표면이 오염되게 된다. 따라서, 이들 방법은 소결 후에 재료의 오염부분을 폴리싱 또는 절단해내야 하며, 이러한 공정을 수행하기 위한 고비용을 필로로 한다.

가스 매체에 의해 힘을 재료에 가하는 방법은 고온 등압 압축성형(HIP) 공정이 공지되어 있다. 또한, 이러한 방법은 다른 두 개의 공정이 더 알려져 있다. 즉, ①압분 재료를 진공 캡슐내에 밀봉한 후에 상기 HIP공정 하에서 고압가스로 가열하는 캡슐 HIP 공정과, ②이론 밀도의 90% 이상의 밀도를 갖는 재료가 고압 가스하에서 가열되는 무 캡슐 HIP 공정이 있다.

캡슐 HIP 공정은 고압 가스의 효과로 인해, 저온에서 조밀 소결체를 제조할 때와 미세한 입자를 갖는 소결체를 제조하는데 장점이 있다. 그러나, 상기 공정은 재료를 캡슐내에 넣고 후에 캡슐로부터 그 재료를 제거해야 하는 추가의 비용과 시간을 필요로 한다. 또한, 캡슐 HIP 공정은 대량의 재료를 한 번에 조밀하게 하는 장점이 있지만, 재료의 밀도를 이론 밀도의 90% 이상으로 하기 위해서는 2단계의 소결 공정을 필요로 하는 추가의 공정이 필요하다고 하는 단점이 있다.

박막 필름를 제조하기 위한 방법과 관련하여, 통상적으로 작업 개시재료에 따라 대략 2가지 방법, 즉 액상 방법 및 기상 방법으로 분류된다. 대표적인 액상 방법은 솔-겔 방법이다. 이러한 방법에 있어서, 알콕사이드 액체 등이 소정 조성물에 혼합되며 그 결과적인 혼합 용액이 Si, SrTiO₃, 등과 같은 단결정 기판에 도포되어 기판 표면에 코팅되며, 코팅된 단결정 기판은 전기로에서 가열되어 세라믹 필름을 형성한다. 이와 같은 솔-겔 방법 등과 같은 액상 방법은 가열 전단계에서 전구체 필름 재료의 화학 조성을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 상기 액상 방법은 세라믹 필름을 조밀하게 형성하기 위한 고온의 가열 공정을 필요로하므로, 전구체 필름 내부의 화학물질 증발로 인한 세라믹 필름의 화학조성의 임의의 변경으로 인한 문제점을 가진다. 따라서, 저온에서 전구체 필름 등과 같은 필름을 조밀하게 형성할 수 있는 소결 방법의 발전이 요구되어 왔다.

또한, 상기 문제점 이외에도 생성된 필름의 재료의 조성 및 기판의 종류에 따라(재료의 종류 및 기판 표면의 거칠기에 따라) 가열시 필름 내부에 크랙 등과 같은 결함이 발생하는 것으로 보고되어 왔다. 가열 중 필름 내에 발생되는 이러한 결함들은 가열 중 재료의 체적 수축으로 인한 기판 표면(X-Y 면)에 발생되는 커다란 응력에 의한 것으로 여겨진다. 그러므로, 본원 발명자들은 가열 비율 등을 제어함으로써 조밀한(압착) 필름를 생성하기 위한 연구를 해왔다. 이러한 경우에 조밀한 필름을 형성하도록 전술한 고온 가압 공정과 HIP 공정이 적용될 수 있지만, 재료의 표면 상의 전처리와 제거와 같은 약간의 문제점을 포함하므로 상기 공정들은 항상, 필름을 조밀하게 형성하기 위한 적합한 공정만은 아니다.

따라서, 전술한 문제점들을 발생시키지 않고 각각 조밀한 구조의 소결 세라믹 압분 및 세라믹 필름을 용이하게 제조할 수 있는 소결 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 원심력을 이용하는 소결 장치의 개략도.

본원 발명자들은 상기 문제점들을 감안하고 세라믹 또는 금속 입상재료의 압분 또는 세라막 전구체 필름을 소결할때 접촉없이 예정된 방향으로 재료에 응력을 가할 수 있는 소결방법을 발전시키고 했다. 이와는 별도의 검토와 연구 후에, 밀집 소결된 세라믹 압분, 밀집 소결된 금속 압분, 또는 세라믹 필름은 고속 회전에 의해 원심력을 가하면서 피대상물을 가열 및 베이킹함으로써 제조할 수 있다는 것을 알아내 본 발명에 도달하게 되었다.

상기 문제점들을 해결하기 위해 본 발명은 원심력을 가하면서 피대상물을 가열 및 베이킹함으로써 세라믹 또는 금속 입상재료로 이루어진 압분 또는 세라믹 전구체 필름을 소결하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 노와, 소결될 재료를 유지하기 위한 노내에 회전가능하게 장착되는 피대상물 유지부, 및 원심력을 상기 유지부에 의해 고정된 재료에 가하도록 회전시키기 위해 상기 피대상물 유지부에 연결된 회전수단을 포함하는 장치를 포함한다.

따라서, 피대상물이 가열장치내에서 고속으로 회전할 때 원심력이 발생한다. 이러한 원심력은 재료를 가열 및 베이킹하는 동안에 피대상물 유지부에 부착된 재료에 가해진다. 따라서, 상기 피대상물 유지부에 의해 유지된 재료에 응력이 가해짐으로써, 소결의 진행중에 입자들은 가장 적합한 압축도를 갖게 된다. 또한, 이러한 본 발명의 장치는 상기 피대상물 유지부를 회전가능하게 수용하는 진공 및 자기 차폐 베어링을 포함한다. 진공 및 자기 차폐 베어링의 사용으로 진공, 또는 임의 가압 주위 가스와 같은 다양한 주위 가스 중에 하나의 가스 중에서 재료가 소결될 수 있게 한다.

이후, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

본 발명은 세라믹 또는 금속 입상재료 압분, 또는 세라믹 전구체를 조밀하게 하는 공정과 관련이 있다. 본 발명은 산화물, 질화물, 및 탄화물 뿐만아니라 어떤 다른 세라믹 재료의 압분 또는 필름을 소결하는데 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 철 또는 비금속에 무관하게 어떤 금속 재료에도 적용될 수 있다.

본 발명의 세라믹 또는 금속 입상 재료의 압분으로는 다이내에서 성형된 후에 CIP 성형공정에 의해 제조된 재료, 테이프-캐스팅 또는 스크린-프린팅에 의한 시이트 재료, 및 그러한 시이트 재료를 박판화한 재료가 있다. 고속 회전하는 디스크에 고정된 상기 재료 중에 어느 하나의 재료를 노에서 회전 및 가열함으로써 조밀한 소결 압분체가 제조된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 재료에 원심력을 부여하기 위한 응력을 가하고 가열함으로써 조밀한 소결 압분체를 제조하는 기술이다. 따라서, 본 발명은 재료의 종류, 크기 및 두께뿐만 아니라 기판의 종류 등에 제한되지 않는다.

게다가, 본 발명의 방법은 세라믹 전구체의 제조방법에 한정되지 않는다. 솔-겔 방법에 의해 필름이 제조될 때, 이러한 방법은 특정 기판이 생성된 솔-겔 용액내에 침지되는 침지 코팅공정, 또는 솔-겔 용액이 회전 디스크 상에 놓여진 기판에 가해지는 스핀 코팅공정 등과 같은 어느 하나의 공정일 수 있다.

비록 세라믹 전구체의 두께가 솔 용액의 코팅 점도 또는 횟수를 조절함으로써 제어되더라도, 바람직하게는 수 마이크론에서 수십 마이크론 범위내에 있어야 한다. 코팅된 후에, 기판은 실온 또는 저온(200℃ 이하)에서 건조된 후에 노 내부에서 고속으로 회전하는 디스크에 부착된다. 가열하는 동안에 10 내지 700,000G(디스크를 고속으로 회전시킴으로써 생성된 원심력)의 힘을 가함으로써 조밀한 세라믹 필름이 제조된다.

본 발명의 기본 원리는 피가공재 유지부 상에 놓여진 소결 재료를 가열하는 동시에 피가공재 유지부를 고속으로 회전시킴으로써 재료 표면에 원심력을 가해서 조밀한 소결 필름을 제조하거나 압축하는 것이다. 원심력은 바람직하게 10 내지 700,000G, 더 바람직하게는 1,000 내지 10,000G이다. 디스크의 직경이 8㎝이고 재료가 디스크의 원주변에 놓여 있고, 만일 디스크가 500rpm으로 회전하면 재료에 가해지는 힘은 22G이며, 만일 1000rpm으로 회전하면 89G이며, 만일 1500rpm으로 회전하면 201G이며, 만일 2000rpm으로 회전하면 357G이며, 만일 3000rpm으로 회전하면 804G이며, 만일 5000rpm으로 회전하면 2236G이며, 만일 10000rpm으로 회전하면 8944G이며, 만일 20000rpm으로 회전하면 35776G이며, 만일 50000rpm으로 회전하면 223600G이다.

이들 힘은 고온 가압방법에 의한 소결에 정상적으로 사용된 힘보다 크다. 또한, 본 발명자들은 이들 힘이 세라믹 또는 금속 입상 재료의 압분으로 이루어진 압분체를 조밀하게 형성하는데 효과적이라는 것을 이론적으로 알아냈다. 원심력은 미립자들을 압축을 개선하며, 소결시 확산을 개선함으로써 재료의 탄성변형을 촉진하며, 재료의 점착 유동을 개선하며, 액상의 존재시 용해/추출 등과 같은 재료를 조밀하게 형성하기 위한 메카니즘을 개선한다. 따라서, 원심력은 세라믹 또는 금속 입상 재료의 밀도를 증가시켜 저온에서 재료가 소결될 수 있게 한다.

가열 온도를 본 발명에서 특정하지 않지만, 바람직하게는 300 내지 1800℃, 더 바람직하게는 500 내지 1500℃이다. 그 이유는 500℃ 이하이면 재료가 확산되기 어려우며, 1500℃ 이상이면 확산율이 급격히 증가하므로 의도했던 원심력의 효과가 상실되기 때문이다.

이후, 본 발명의 소결장치에 대해 설명한다.

도 1은 원심력을 이용하는 본 발명에 따른 소결장치의 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 1에서, 도면부호 10은 노 내부에서 공기 또는 가스와 재료를 가열하기 위한 가열부 및 개방시 노의 안쪽으로 접근할 수 있게 하고 기밀하게 폐쇄시키는 커버(6)를 갖춘 기밀 노를 나타낸다. 도면부호 2는 가열부(10)의 온도를 제어하기 위한 제 1 제어기를 나타낸다. 도면 부호 7은 노(10)의 내측에 장착된 회전 디스크(8)의 피가공재 유지부를 나타낸다. 도면부호 5는 노(10)의 외측에 배치된, 회전 디스크(8)를 회전가능하게 수용하고 회전 디스크를 회전수단(3)에 연결하는 진공 및 자기 차폐 베어링이다. 상기 회전수단(3)은 회전 디스크(3)를 회전시키기 위한 모터(도시않음)를 포함한다. 도면부호 4는 회전수단(모터)의 회전수를 제어하기 위한 제 2 제어기이다.

피가공재-유지부(7)는 압축 및 소결될 재료가 고정되는 부착기이다. 상기 부착기는 재료가 디스크(8)의 고속 회전으로 인한 반경방향의 원심력을 받도록 구성되어 있다.

베어링(5)이 진공 및 자기 차폐기능을 가지므로, 재료는 진공 또는 어떠한 주위가스 분위기에서 소결될 수 있다. 높은 주위 온도에 저항하기 위해서,디스크(8)는 세라믹으로 제조되고 세라믹 회전 축을 포함하며, 베어링(5)은 방수 진공 및 자기 차폐 베어링일 수 있다. 그러나, 이들은 상기 재료 또는 시스템에 한정되지 않는다.

상기 가열부(1)는 전기 저항재료로 제조된 가열 유닛일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

가열부(1)의 온도를 제어하기 위한 제 1 제어부(2)는 예를들어, 가열을 정확하게 제어할 수 있는 동력 제어 다이리스터, 프로그램가능한 온도 제어기, 및 시편의 온도를 곧바로 측정할 수 있는 비접촉식 적외선 온도계를 포함할 수 있다.

회전수를 제어하기 위한 제 2 제어부(4)는 예를들어, 모터가 인덕션 모터일 때 주파수를 변경시키는 인버터 구동기, 또는 서보모터일 때 서보 구동기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

실시예

이후, 본 발명의 실시예를 설명하나 이에 한정되지는 않는다.

실시예 1

알루미나 미립자(평균 직경 : 0.1 ㎛)가 원심력으로 소결될 재료로서 공급되도록 펠릿으로 형성된다. 펠릿 압분체가 디스크의 피가공재 유지부(7)에 고정된 후에, 압분체가 10℃/분의 온도 증가율로 900℃까지 가열되는 동안에 디스크는 10,000rpm으로 회전된다. 900℃의 온도는 5분 동안 유지되며 그 후 노의 온도는 낮아진다. 동일한 압분체가 동일한 가열 조건과 디스크(8)가 회전되지 않는 조건하에서 비교 실험이 수행되었다. 원심 소결된 소결 압분체의 상대밀도(겉보기 밀도/이론 밀도[3990 ㎏/㎥])가 95%였으나, 원심 소결되지 않은 소결 압분체의 상대밀도는 75%였다. 이들 결과치로부터 가열되는 동안 원심력을 재료에 가함으로써 소결 재료의 밀도를 증가시킨다는 것을 알 수 있다.

실시예 2

이후, 초 미세 입자에 의해 코팅된 기판이 원심력에 의해 소결되는 제 2 실시예에 대해 설명한다. TiO₂초미세 입자(비표면적 약 50 ㎡/g)가 솔벤트(주로 폴리에틸렌 글리콜)에 넣어지며 점도가 페이스트를 형성하도록 조절된다. 결과적인 페이스트가 스크린에 넣어지고 스크린 프린팅이 규소 유리의 가판 상에 수행된다. 스크린 플린팅 이후에 기판은 건조 오븐 내에서 150℃의 온도로 가열된다. 코팅의 두께를 증가시키기 위해, 150℃의 온도에서 스크린 프린팅 및 베이킹 공정이 각각 10시간마다 반복되었다. 그 결과적인 기판이 원심 소결로의 피가공재 유지부에 부착되어 10 ℃/분의 온도 증가율로 800℃로 가열되는 동안에 10,000rpm으로 회전되었다. 800℃의 온도가 5분동안 유지된 후에 노는 냉각되었다. 동일한 가열조건과 원심력이 기판에 가해지지 않는 조건하에서 동일한 원심 소결로에서 동일한 기판을 베이킹시킨 비교 실험이 수행되었다. 원심 소결되지 않은 결과적인 소결 TiO₂필름에서 다수의 크랙이 시각적으로 관찰되었지만, 원심 소결된 TiO₂필름에서는 크랙이 발견되지 않았다. 이들 결과치로부터 베이킹 중에 코팅에 원심력을 가함으로써 크랙의 형성을 방지하는데 효과적이며, 아마 원심력을 가하지 않고 베이킹했다면 크랙이 발생하였을 것이라는 것을 발견했다.

실시예 3

본 실시예는 솔-겔 방법을 이용하여 제조한 필름(BaTiO₃필름)을 원심 소결하는 실시예이다. BaTiO₃필름을 제조하기 위해, 제 1 코팅 용액이 제조되었다. 상기 용액을 제조하는데 사용된 재료에 혼합된 양은 금속 바륨 0.03, 티타늄 이소프로포사이드 0.03, 아세틸아세톤 7.0 ×10³, 물 0.09, 아세트산 1.21, 및 이소프로필 알콜 100(모두 몰 단위)이다. 진공 후에 글로브 박스내에서 혼합이 수행되었으며, 그 동안에 건조된 질소가 내측으로 흘렸다. 이소프로필 알콜은 플라스크 내에 넣어진 후에 금속 바륨 시편이 플라스크 내에 넣어졌다. 그 후 플라스크는 바륨 이소프로프옥사이드의 이소플로필 알콜을 생성하도록 가열된다. 먼저, 티타늄 이소프로프옥사이드 용액이 첨가되고 2차로 아세틸아세톤이 이소프로필 알콜 용액에 첨가되며, 이들은 80℃의 온도에서 3시간 동안 글로브내에서 혼합된다. 혼합후에, 아세트산과 물의 이소프로필 알콜 용액이 글로브 내부에 첨가된다. 이와 같이 해서 코팅 용액이 제조된다. 실리콘 기판은 상기 코팅 용액내에 침지된 후에 0.1 ㎜/s의 비율로 상승되었다. 기판은 100℃의 온도에서 건조되었다. 기판은 5번의 코팅 공정과 4번의 건조 공정(즉, 가열 공정)이 수행되었다. 그 결과적인 기판이 원심 소결될 재료로서 제공되었다. 필름 코팅된 기판은 원심 소결로의 피가공재 유지부에 부착된 후에, 10℃/분의 온도 증가율로 600℃로 가열되는 동안에 10,000rpm의 비율로 회전된다. 600℃이 온도는 5분동안 유지되었다. 동일한 가열조건과 기판에 원심력을 가하지 않는 조건하의 노에서 필름 코팅된 동일한 기판에대해 비교실험이 수행되었다. 두 개의 소결 기판상에 형성된 각각의 결과적인 필름의 결정질 상이 x-선 분석을 이용하여 조사되었다. BaTiO 결정질 상의 명확한 피크를 원심 소결된 필름내에서 볼수 있으나 원심력을 가하지 않고 소결된 필름에서는 비정질 상이 발견되었다. 이들 결과치로부터 소결중에 솔-겔 방법을 이용하여 생성된 세라믹 전구체 필름에 원심력을 가함으로써 크랙 및 박리의 발생을 방지하고 세라믹 전구체 필름을 결정화하는데 효과적이라는 것을 발견할 수 있었다.

전술한 실시예들은 단지 예시적인 실시예이며 다수의 변형이 전술한 실시예에 실시될 수 있다고 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 그러한 변형예들을 포함하며 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

전술한 본 발명의 소결 방법 및 장치에 따라서, 재료에 원심력을 가함으로써 재료의 밀도가 증가되고 크랙 및 박리의 발생을 방지하고 재료의 조직을 결정질화하는데 효과적인 세라믹 압분체 및 필름이 제공된다.

Claims (8)

1. 세라믹 입상 재료 또는 입상 금속의 압분이나 세라믹 전구체 필름의 소결방법으로서, 원심력을 상기 압분이나 세라믹 전구체 필름에 가하면서 상기 압분이나 세라믹 전구체 필름을 가열 및 소성(burning)하는 단계에 의해 수행되는 소결방법.
2. 제 1 항에 있어서, 가해지는 상기 원심력은 10 내지 700,000G인 소결방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소결 및 소성은 300 내지 1800℃의 주위온도에서 수행되는 소결방법.
4. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 및 소성은 진공 또는 임의의 주위 가스에서 수행되는 소결방법.
5. 노(10)와, 소결될 재료를 유지하기 위해 상기 노(10)내에 회전가능하게 장착되는 피가공재 유지부(7), 및 상기 피가공재 유지부에 의해 유지된 재료에 원심력을 가하도록 상기 피가공재를 회전시키기 위해 상기 피가공재에 연결된 회전수단(3)을 포함하는 소결장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 노(10)의 온도를 제어하는 제 1 제어기(2) 및 상기회전수단(3)의 회전수를 제어하는 제 2 제어기(4)를 더 포함하는 소결장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 회전수단(3)은 상기 노(10)의 외측에 배치되며, 상기 피가공재 유지부(7)는 진공 및 자기 차폐 베어링(5)을 통해 상기 회전수단에 회전가능하게 연결되는 소결장치.
8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 노(10)는 기밀방식으로 설치되며 상기 노의 내측으로의 접근을 가능하게 하고 상기 노를 기밀하게 폐쇄하는 커버(6)를 포함하는 소결장치.