KR20040055645A - 부분영역에서 글라스화시킨 실리콘디옥사이드 형성체 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

SiO₂형성체에 외래원자(foreign atoms)가 혼입(오염)되는 것을 피하면서 무접촉 (contactless)조사(radiation)가열에 의해 비정질의 다공성 SiO₂소지를 소결 또는 글라스화시켜 일부영역 또는 전영역에서 글라스화시키는 SiO₂형성체의 제조방법에 있어서 그 조사는 부압(subatmospheric pressure) 1000mbar 이하에서의 레이저빔(beam of laser)을 사용함을 특징으로 한다.

Description

부분영역에서 글라스화시킨 실리콘 디옥사이드 형성체 및 그 제조방법{Silicon dioxide shaped body which has been vitrified in partial areas and process for producing it}

본 발명은 부분영역에서 글라스화시킨 SiO₂형성체, 그 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.

비정질의 다공성 SiO₂형성체는 다수의 기술분야에서 사용되었다.

그 사용예로는 필터재, 단열재 또는 열실드(heat shields)가 있다.

또, 모든 종류의 석영제품은 소결 및/또는 용융에 의해 비정질의 다공성SiO₂형성체로 부터 제조할 수 있다.

여기서, 예로서 고순도의 다공성 SiO₂형성체는 글라스파이버 또는 광파이버의 프레폼(preforms)으로 사용할 수 있다.

더 나아가서, 이와같이하여 단결정, 특히 실리콘 단결정을 인발하는 도가니를 제조할 수도 있다.

종래의 기술, 예로서 노소결(furnace sintering), 존소결(zone sintering), 아크소결(arc sintering), 접촉소결, 열가스를 사용하거나 플라즈마에 의한 소결 등 종래기술에서 공지되어있는 석영제품의 소결 및/또는 용융하는 방법에 있어서, 소결 및/또는 용융하도록 하는 그 석영제품은 열에너지의 전달 또는 열조사에 의해 가열시켰다.

이와같이하여 제조하도록 하는 그 석영제품이 어느 타입의 외래원자(foreign atoms)에 대하여도 가장 높은 순도를 갖도록 할 경우, 열가스 또는 열접촉표면을 사용함으로써, 소결 및/또는 용융하도록 하는 석영제품에 외래원자로 바람직하지 않게 혼입(contamination)되었다.

따라서, 원칙적으로 외래원자의 혼입작용은 조사에 의한 비열적 무접촉 가열(non-thermal, contactless heating)에 의해서만 감소 또는 회피할 수 있다.

또, 표준압력하에서 조사에 의한 무접촉가열 방법이 가능하다. 이 방법은 실질적으로 볼때 CO₂레이저빔에 의한 개방세공형성 SiO₂소지(open-pored SiO₂green body)의 소결 또는 용융에 관한 것이다.

그러나, 이 방법의 하나의 중요한 결점은 글라스화영역의 특성에 있다.

개방세공을 형성한 다공성 소지가 레이저빔을 사용하여 소결 또는 용융될 경우, 가스버블(gas bubbles)로 공지되어있는 다수 가스의 포접물 또는 혼재물 (inclusions)이 형성되었다.

이들 가스의 포접물 또는 혼재물은 용융된 비정질 글라스상(glass phase)의 점도가 높기 때문에 탈출(eacape)될 수 없으며, 또 힘들고 어렵게 탈출시킬 수 있을 뿐이다. 그 결과, 글라스화층에는 다수 가스의 포접물 또는 혼재물이 포함되어있다.

예로서, 단결정, 특히 실리콘 단결정의 인발에 사용되는 인발용 도가니 등 고순도의 석영글라스 제품이 이와같은 방법으로 하여 제조할 경우, 그 인발용 도가니의 내측면상에 있는 가스혼재물(또는 가스 포접물)은 그 실리콘 단결정 인발공정을 밟을때 그 실리콘 단결정의 수율 및 특성에 대하여 상당한 문제점을 발생시킨다.

또, 후속인발공정을 밟을때 표준압력(가스버블이 이압력에서 형성되기 때문임)하에 있는 가스버블이 감압하에서 상당한 정도까지 성장한다.

크기가 큰 그 가스버블이 인발공정을 밟을때 외부에 노출될 경우 공지되어있는 혼입작용(contamination)에 의해 CVD 크리스토발라이트(cristobalite)(석영과 성분이 같으나 결정형이 다름)의 형성과 같이 이 성장에 의해 상당한 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 비정질의 개방 세공형성 SiO₂소지를 CO₂레이저 빔에 의한 무접촉가열에 의해 소결 또는 글라스화시켜 부분영역에서 글라스화한 SiO₂형성체의 제조방법을 제공하는 데 있다.

이 제조방법에서 소결 또는 글라스화 영역내의 가스포접물(또는 혼재물 (inclusions)을 감압하에 있도록 하거나 모두 제거한다.

이 목적은 비정질의 개방세공형성 SiO₂소지를 CO₂레이저 빔에 의한 무접촉가열에 의해 감압하에 또는 진공상태하에 소결 또는 글라스화시켜 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 진공 레이저 소결장치의 단면도를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 의한 진공 체임버내의 레이저 빔 프로파일 단면도를 나타낸다.

도 3a 및 도 3b는 대비되는 도가니샘플과 본 발명에 의해 얻어진 도가니샘플의 횡단면을 나타낸 사진으로, 도 3a는 대비되는 도가니샘플(표면압력에서 글라스화시킨 도가니)이고 도 3b는 본 발명의 도가니샘플(부압 2 x 10^-2mbar에서 글라스화시킨 도가니)을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시예 2의 도가니본체 횡단면도를 나타낸다.

(도면에 나타낸 주요 부분의 부호 설명)

1: 진공레이저 소결장치 2: 로버트(robot)

3: 진공체임버 3a: 상부 반부분(upper half)

3b: 하부 반부분(lower half)

4: 회전식 진공 리드스루(rotary vacuum leadthrough)

4a: 볼(ball) 4b: 구멍(hole)

5: CO₂레이저 5a: 빔통로(beam path)

6: 플라스틱시일

7: 진공접속부재(vacuum connection)

8: SiO₂소지 샘플(또는 도가니)

9: 초점

10: 레이저 도입창(laser introduction window)

본 발명은 SiO₂형성체에 외래원자로 혼입되는 것을 회피하면서 조사에 의한 무접촉가열에 의해 비정질의 다공성 SiO₂소지를 소결 또는 글라스화시켜 부분영역 또는 전체영역에서 글라스화시킨 SiO₂형성체의 제조방법에 있어서 그 조사는 부압 1000mbar 이하에서 레이저 빔을 사용함을 특징으로 하는 제조방법에 관한 것이다.

그 소결 또는 글라스화에 필요로 하는 에너지는 CO₂레이저에 의해 그 형상체 내부로 도입되는 것이 바람직하다.

이 CO₂레이저는 실리카글라스 흡수에지(absorption edge)보다 더 큰 4.3㎛의 빔파장을 가진 레이저가 바람직하다. 빔 파장 10.6㎛을 가진 CO₂레이저가 특히 바람직하다. 따라서, 특히 적합한 레이저에는 모두 시판용 CO₂레이저가 있다.

본 발명에서 SiO₂소지는 기술적 의미로서 형성스텝(shaping steps)에 의해 비정질 SiO₂입자(실리카글라스)로 부터 제조한 다공성이며 비정질인 개방세공을 형성한 형상체로 이해할 수 있다.

적합한 SiO₂소지에는 원칙적으로 종래기술에서 공지되어있는 모든 SiO₂소지가 있다. 이들 소지의 제조에 대해서는 예로서 특허문헌 EP705797, EP318100, EP653381, DE-A2218766, GB-B,329,893, JP5294610, US-A4,929,579에 기재되어있다.

특허문헌 DE-A19943103 명세서에서 제조에 대하여 기재되어있는 SiO₂소지가 특히 바람직하다. 그 SiO₂소지는 도가니의 형성에 바람직하다.

그 SiO₂소지의 내측면과 외측면을 초점 직경이 바람직하게는 최소 2 cm인 레이저 빔에 의해 조사시켜 그 결과 소결 또는 글라스화시키는 것이 바람직하다.

그 조사(irradiation)는 조사출력밀도(radication power density) 50W/㎠ ~ 500W/㎠, 바람직하게는 100~200W/㎠, 특히 바람직하게는 130~180W/㎠로 실시하는 것이 바람직하다.

그 W/㎠는 소결을 실시하는데 충족시킬 수 있는 최소한의 필요량이다. 그 조사는 SiO₂소지의 내측면/외측면상에서 균일하게 연속적으로 실시하는 것이 바람직하다.

소결 또는 글라스화를 위하여 그 SiO₂소지의 내측면과 외측면의 연속적인 균일조사는 원칙적으로 가동할 수 있는 레이저광 및/또는 레이저빔내에서 도가니의 대응하는 운동에 의해 실시할 수 있다.

그 레이저빔의 운동은 이 분야의 통상의 기술자에 의해 공지된 모든 방법, 예로서 레이저 초점이 전방향으로 운동하도록 하는 빔-가이던스 시스템(beam-guidance system)에 의해 실시할 수 있다. 그 레이저빔에서 그 소지의 운동은 동일하게 이 분야의 통상의 기술자에 의해 공지된 모든 방법, 예로서 로버트(robot)에 의해 실시할 수 있다. 또, 위에서 설명한 두가지 운동을 조합할 수 있다.

크기가 비교적 큰 형성체, 즉 SiO₂소지 도가니의 경우, 그 레이저초점 바로 아래에서는 샘플의 표면의 연속적인커버링이동(surface-covering displacement)이 바람직하다.

그 글라스화시킨 내측면 또는 외측면의 두께는 원칙적으로 도입되는 레이저 출력량에 의해 어떤 위치에서도 조정된다.

그 대응하는 측면의 글라스화 두께는 가급적 균일하게 하는 것이 바람직하다. 그 SiO₂소지의 형상특성 때문에, 그 소지가 조사중에 있을때 일정한 각도에서 그 소지의 표면상에 그 레이저빔이 항상 부딪치지 않는 경우가 있을 수 있다.

그 레이저 조사의 흡수가 각도에 따라 좌우되기 때문에 그 결과 두께가 불균일한 글라스화가 얻어진다.

따라서, 본 발명의 추가 목적은 두께가 균일한 글라스화가 얻어지도록 하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의해, 이 방법의 목적은 그 대응하는 초점온도측정에 의해 그 레이저의 초점에서의 온도를 어느때라도 측정할 수 있기 때문에 달성할 수 있다.

이 온도측정에서 일정량의 반사열 조사는 소정의 미러(mirrors)시스템을 통하여 온도측정에 사용되는 고온계로 이동시킬 수 있다.

또, 레이저의 전체 시스템에 이 온도측정을 포함시켜 소지를 이동시킴으로써, 레이저출력, 이동통로, 이동속도 및 레이저초점 등 하나 이상의 프로세스변수는, 두께가 균일한 글라스화를 달성할 수 있게 그 소지의 레이저조사를 할때 조정할 수 있다.

소결 또는 글라스화 하도록 하는 SiO₂형성체는 전체 프로세스를 통하여 감압하에 또는 진공상태하에 실시한다.

감압을 사용할 경우, 그 압력은 표준압력 1013.25mbar 이하, 특히 바람직하게는 0.01~100mbar, 가장 바람직하게는 0.01~1mbar이다.

또, 감압하에 소결할때 필요한 레이저출력은 약 30% 정도 더 낮다. 그 이유는 진공체임버내에서 샘플을 캡슐에 넣어 주위환경과 교환하는 에너지양이 감소되기 때문이다.

소정의 실시예에서는 또 버블(bubbles)을 완전제거한 글라스층을 형성하기 위하여 진공상태에서 실시할 수도 있다.

실리콘단결정을 인발하는 방법에 사용되는 도가니를 인발하는 경우, 이 방법은 그 실리콘단결정을 후속인발방법에서 인발하는 압력이하의 압력에서 실시하는 것이 바람직하다. 그 결과, 소량의 가스버블이 형성되어도 이들 버블의 후속성장을 피할 수 있다.

소정의 예에서, 소결 또는 글라스화하도록 한 SiO₂형성체는 전 처리공정에 걸처 가스분위기하에서 실시할 수 있다. 그 가스 또는 여러가지의 가스가 그 용융글라스내에서 용이하게 확산할 수 있을 경우 이 확산에 의해 가스버블의 수를 현저하게 감소시킨다. 여기서, 용융글라스내에서는 헬륨가스를 특히 용이하게 확산시킬 수 있기 때문에 헬륨가스가 특히 적합한 가스로 확인되었다. 물론, 가스압과 감압을 조합할 수 도 있다. 여기서, 헬륨의 감압이 특히 바람직하다.

그 SiO₂소지표면의 글라스화 또는 소결은 온도 1000~2500℃, 바람직하게는 1300~1800℃, 특히 1300~1600℃로 실시하는 것이 바람직하다.

그 소지의 열표면에서 그 형성체내로 온도 1000℃ 이상에서 열이 전도됨으로, 그 SiO₂형성체가 글라스화한 내층 또는 외층을 통하여 부분소결에서 완전소결로 된다.

본 발명의 다른 목적은 SiO₂소지의 글라스화 또는 소결을 국부적으로 제한없이 구성하도록 하는 방법을 제공하는 데 있다. 이 목적은 다공성의 비정질 SiO₂소지의 내측면 또는 외측면만을 표면-커버링방식으로 하여 레이저로 조사시켜 소결또는 글라스화 시킴으로써 달성된다.

이 방법에서의 파라미터와 처리공정은 그 형성체의 일측면만을 조사시키는 것을 제외하고는 위에서 설명한 방법에서 사용한 것과 대응되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 이와같이하여 그 형성체는 한쪽면상에 글라스화 할 수 있다.

본 발명을 사용함으로써, 감압 또는 진공상태에서 SiO₂소지도가니는 약 20vol.%로 압축(compact)시킬 수 있고, 그 소지의 개방기공율이 모든 생성가스의 완전방출을 의미하기 때문에 버블의 생성없이 글라스를 형성하는 리플로잉 (reflowing)이 가능하다.

그 실리카글라스의 열전도율(thermal conductivity)이 대단히 낮기 때문에, 본 발명에 의한 방법에서는 SiO₂형성체의 글라스화영역과 비글라스화 (unvitrified)영역사이에 대단히 현저하게 구성된 계면을 형성할 수 있다. 이 계면형성에 의해 SiO₂형성체는 소결구배(sintering gradient)를 형성한다.

따라서, 본 발명은 또 그 내측면상에 완전 글라스화시키고 그 외측면상에 개방세공(open pores)을 구비한 SiO₂형성체와, 외측면상에 완전글라스화시키고 내측면에 개방세공을 구비한 SiO₂형상체에 관한 것이다.

본 발명에 의한 SiO₂형상체는 완전글라스화시킨 전영역에 걸친 평균치로서, 단위 ㎤당 기포(air bubbles)수 40개이상, 바람직하게는 30개이상, 특히 바람직하게는 20개이상, 특히 더 바람직하게는 10개이상, 이 보다 더 특히 바람직하게는 5개이상 갖지않는 것이 바람직하며, 특히 가장 바람직하게는 기포가 없는 것이 바람직하다.

여기서, 기포의 크기는 직경 50㎛이상, 바람직하게는 30㎛이상, 특히 바람직하게는 15㎛이상, 이 보다 더 바람직하게는 10㎛ 이상, 특히 가장 바람직하게는 5㎛이상 갖지않는 것이 바람직하다.

그 내측면상에서 완전글라스화시키고 그 외측면상에서 개방세공을 구비한 SiO₂형상체는 초크랄스키방법(CZ방법)을 사용하여 실리콘 단결정을 인발하는데 사용되는 실리콘 글라스 도가니가 바람직하다.

더 나아가서, 그 SiO₂소지에서의 최대온도프로파일(profile)에 의해 그 방법을 실시중에 있을 때 실리카글라스의 결정화(crystallization)를 방지한다.

그 내측면상에서 글라스화시킨 도가니형상의 소지의 경우 그 도가니 외측면의 수축이 발생하지 않을 경우 원래형상(net shape)에 근접한 도가니의 제조가 용이하다. 내측면상에서 글라스화시킨 실리카 글라스도가니는 CZ방법을 사용하여 단결정을 인발하는데 사용하는 것이 바람직하다.

내측면상에서 글라스화 시키고 외측면상에 개방세공(open pores)을 가진 비정질 실리카 글라스 도가니는 그 외측영역에서 바륨히드록사이드, 바륨카르보네이트, 바륨옥사이드 또는 알루미늄옥사이드 등, 후속하는 CZ방법을 실시중에 그 외측영역의 결정화를 유도 또는 촉진하는 물질과 함께 함침시키는 것이 바람직하다.

이 목적과 함침방법에 적합한 물질은 종래기술에서 공지되어 있고, 예로서 특허문헌 DE 10156137 명세서에 기재되어있다.

본 발명은 진공레이저소결장치(Vacuum laser sintering installation)(도 1참조)에 관한 것으로, 그 진공레이저 소결장치에는 레이저와, 3축내에서 작동할 수 있고 소결하도록 하는 제품의 지지장치(holding device)를 구비하여, 그 레이저와 지지장치는 시일링장치(sealing device)내에 배치되있으며, 그 시일링장치는 부압(subatmospheric pressure)이 그 시일링장치내에서 형성할 수 있게 그 외측면에 대하여 시일링(밀봉)되어있다.

본 발명에 의한 진공레이저 소결장치는 그 시일링장치가 벨로즈(bellows) 또는 특히, 진공체임버와 회전식 진공장치로 구성시켜 외측면과 고정시켜 밀봉하여 부압을 형성할 수 있도록 한 시일링장치인 점에서 구성상의 특징이 있다.

본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 아래에 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 바람직한 진공레이저소결장치(1)에는 로버트(robot)(2), 진공체임버(3), 회전식 진공리드스루(rotary vacuum leadthrough)(4) 및 CO₂레이저(5)에 의해 구성된 이동장치(displacement unit)가 구비되어있다.

진공체임버(3)와 CO₂레이저(5)의 빔통로(5a)를 접속하는 회전식진공리드스루 (4)가 특히 바람직하다.

그 회전식 진공리드스루(4)는 실제로 볼때 구멍(hole)(4b)을 가진 볼(ball) (4a)로 구성되어있고, 그 볼(4a)은 CO₂레이저(5)의 고정되어있는 빔통로(5a)상에서,테플론시일(Teflonseal)등 플라스틱시일(plastic seal)(6)에 의해 기밀하게 그 볼에 대하여 3축으로 그 진공체임버(3)가 자유자재로 작동할 수 있게 플랜지장착 (flanged)되어있다.

또, 이 타입의 회전식 진공리드스루(4)에 의해 레이저조사가 그 진공체임버(3)내로 도입되도록 하며, 후자(진공체임버)는 그 진공리드스루 공간내 고정위치에 설치한 레이저도입창(laser introduction window)(10)또는 진공접속부재(7)를 통해 진공배기되도록 한다.

또, 테플론(Teflon)시일에 의해 그 볼(4a)에 대하여 시일링(sealing)시킨, 단 하나의 개구를 가진 진공체임버(3)의 간단한 구조체가 바람직하다.

그 SiO₂소지샘플(8)을 표면-커버링(surface-covering)방식으로 주사 (scanning)에 필요로 하는 작동을 실시하기 위하여 소결할 그SiO₂소지샘플(8)을 위치설정하는 진공체임버(3)가 6개축 로버트에 의해 3개의 종속축의 볼(ball)(4a) 중심주위에서 회전한다.

이와같은 구성체의 형상때문에, 그 표면-커버링주사(surface-covering scanning)를 진행할때 그 레이저조사는 일정한 각도에서 그 샘플표면상에 입사되지 않는다(도 2 참조).

하나의 프로세스변수로서 입사각의 변동량(variation)은 본 발명에 의한 프로세스 변수, 레이저출력, 이동통로, 이동속도 및 레이저처리할때 레이저초점에 의해 SiO₂소지샘플의 조사가 균일하게 얻어지도록 보상을 받는다.

이 경우, CO₂레이저(5)의 빔통로(5a)에 구성시킨 고온계에 의해 그 온도를 레이저의 초점에서 측정하도록 한다. 그 고온계에 의해 측정한 온도는 그 도가니의 내부 글라스화를 실시할때 그 CO₂레이저의 출력에 대한 제어용 제어변수로 사용한다. 도면에 나타낸 구성체는 진공체임버와, 레이저광, 레이저 도입창 및 진공접속부재 등 복합구성 부품을 완전분리할 수있는 잇점을 가진다.

또, 그 진공체임버(3)는 진공배기하지 않은 상태에서 용이하게 레이저광과 분리시킬 수 있다. 따라서, 회전식 진공리드스루(rotary vacuum leadthrough)(4)를 가진 진공체임버(3)는 그 로버트(robot)(2)에 의해 SiO₂소지샘플(8)의 변동에 필요한 작동을 순서에 따라 용이하게 실시할 수 있게 구성한다. 또, 그 진공체임버(3)는 분리된 상태로 있는 것이 바람직하다. 그 진공체임버(3)가 최소 2개의 구성부분으로 구성할 경우, 그 진공체임버(3)를 반자동식 또는 완전자동식 로딩(loading)또는 언로딩(unloading)을 간단하게 선택적으로 할 수 있다. 가장 간단한 경우에는 그 진공체임버(3)가 상부 반구성부분(upper half)(3a)과 하부 반구성부분(lower half)(3b)으로 구성한다.

그 진공체임버(3)의 하부 반구성부분(3b)내에 새로운 SiO₂소지샘플을 삽입시킨 다음 후자(하부분 구성부분)를 그 진공체임버(3)의 상부 반구성부분(3a)에 추가로 스크루접속 또는 플랜지 접속없이 플러그 피팅(plug-fitting)을 하며, 그 다음 그 볼(ball)(4a)로 2개의 상하부 반구성부분을 이동시켜 진공배기시킨다.

이와같이하여, 형성된 구조체는 그 CO₂레이저(5)의 빔통로(5a) 또는 로버트 (2)에 전달하는 힘없이도 그 자체 진공배기에 의해 안정화 시킨다.

도 3a와 도 3b는 표준압력하에서 소결시킨 샘플의 횡단면 도 3a과 진공소결시킨 샘플의 횡단면 도 3b을 대비한 사진이다.

표준압력에서 소결한 샘플 도 3a에서는 버블형성이 현저하게 나타냄을 알 수 있다. 또, 이 샘플 도 3a은 진공소결샘플 도 3b과 달리 투명성을 나타내지 않는다.

도 3a 및 도 3b는 표준압력에서 소결시킨 샘플(도 3a)의 횡단면과 진공상태하에서 소결시킨 샘플 도 3b의 횡단면을 각각 나타낸다. 동일한 처리공정을 밟아 얻어진 두샘플에 대한 글라스층 두께는 거의 동일하나, 필요로 하는 레이저출력은 진공소결의 경우에 약 30% 더 낮다.

이와같은 이유는 진공체임버내에서 그 샘플을 밀폐시켜 주위환경과 교환되는 에너지가 적어지기 때문이다.

본 발명을 다음의 실시예에 따라 더 구체적으로 설명한다.

실시예 1

개방세공으로 형성되고 다공성이며 비정질인 SiO₂소지도가니 형상의 형상체 제조

특허문헌 DE-Al 19943103 명세서에 기재되어 있는 방법을 기준으로 하여 제조하였다.

고순도의 퓸(fumed) 및 용융실리카를 플라스틱-코팅믹서에 의해 진공상태에서 2회증류한 증류수중에 버블(bubbles)과 금속오염(금속혼입)없이 균질분산시켰다. 이와같이하여 얻어진 분산액은 고형분함량 83.96wt%(용융실리카 95%와 퓸실리카 5%)를 가진다. 이 분산액은 세라믹 공업분야에서 광범위하게 사용되고 있는 롤러프로세스(roller process) 방법에 의해 플라스틱-코팅을 한 외측몰드(plastic-coated outer mold)내에서 14“도가니로 되게 성형하였다. 온도 80℃에서 초기건조시간 1시간후에, 그 도가니를 탈형시킨 다음 약 90℃에서 2시간에 걸처 마이크로파(micro wave)로 완전건조시켰다. 그 건조시킨 개방세공을 형성한 도가니는 밀도 약 1.62g/㎤와 벽두께 9mm을 얻었다.

실시예 2(대비실시예)

실시예 1에서의 14″SiO₂소지 도가니의 내부 글라스화 처리

조사출력 3KW의 CO₂레이저(TLF3000 Turbo 타입)의 초점에 있는 ABB로버트 (robot)(IRB 2400타입)에 의해 실시예 1의 그 14″SiO₂소지도가니를 조사하였다.

그 CO₂레이저에는 경질의 빔가이던스시스템이 장착되어 있어 그 로버트에 의해 모든 이동자유도가 주어진다.

수평방향에서 수직방향으로, 레이저 레소네이터(laser resonator)로 부터 발생하는 그 조사(radiation)을 전환하는 전환미러(diverting mirror)이외에, 그 빔가이던스시스템은 제1빔(primary beam)을 확대하는 광학장치(optics)를 장착하였다. 그 제1빔은 직경이 16mm이었다.

그 평행한 제1빔이 그 확대광학장치를 통과한 후에 전환빔통로가 얻어졌다. 그 14″도가니상에서 초점은 광학장치와 도가니 사이거리 약 450mm에 나타낸 직경이 50mm이었다(도 1참조). 그 도가니형상에 적합한 프로그램에 따라 그 로버트가 조정을 한다.

대칭 형상의 도가니를 회전시킬 수 있기 때문에 그 이동자유도를 한평면과 2개의 회전축으로 한정시킬 수 있다(도 4참조).

도 4에서 그 도가니(8)를 회전시키면서 (각속도 0.15°/s), 우선 그 도가니(8)의 상부에지(upper edge)를 그 초점에 의해 375°의 각도 범위내에 걸처 커버하였다. 그 다음, 그 도가니(8)의 내측면의 나머지부분을 그 CO₂레이저에 의해 나선방향으로 이동시켰다.

그 도가니 에지에서 그 도가니 중심부(center)까지의 축(axis)상에서 도가니의 회전속도와 진행속도는 단위시간당 커버영역이 일정하도록 그 프로세스에서 가속시켰다. 150W/㎠에서 조사를 실시하였다. 동일한 프로세스 스텝(process step)에서 그 소지표면의 글라스화 처리이외에 그 SiO₂형상체는 가열 내면에서 그 형상체의 내부(interior)로 열전도됨으로써, 부분소결되었다.

그 SiO₂도가니는 그 레이저 조사후에 표면-커버링 방식으로 하여 크랙없이 그 내측면상에서 두께 3mm로 글라스화되었으며, 그 도가니는 본래의 외측형상을 유지하였다. 그러나, 그 글라스층은 다수의 크고 작은 기포가 있어 투명성이 없었다(도 3a참조).

실시예 3

본 발명에 의한 14″소지 도가니의 내측면 글라스화 처리

실시예 1의 14″ 소지도가니를 소정의 진공레이저 장치내에서 그 내측면상에 글라스화 처리를 하였다.

그 진공레이저장치(vacuum laser installation)는 실제로 ABB로버트(타입 IRB2400), 진공체임버, 소정의 회전식 진공리드스루(rotary vacuum leadthrough) 및 조사출력 3KW의 CO₂레이저(TLF 3000 Turbo 타입)로 이루어진 이동장치 (displacement unit)로 구성되어있다(도 1참조).

이 경우 회전식 진공리드스루는 3축에 자유롭게 이동시킬 수 있는 진공체임버를 그 레이저광학장치에 접속한다.

그 CO₂레이저에 의한 내측면 글라스화 처리전에, 그 진공체임버를 압력 2 × 10^-2mbar로 진공배기시켰다. 그 다음, 그 14″소지도가니를 로버트에 의해 실시예 2와 동일하게 이동시켜 CO₂레이저에 의해 그 내측면상에서 표면-커버링 방식으로 하여 소결하였다. 그 구조체의 형상때문에, 그 표면-커버링의 주사(surface-covering scanning)중에 있을때 그 레이저조사는 일정한 각도에서 샘플표면상에 입사되지않는다(도 4참조). 그러나, 균일한 글라스화를 얻기위하여, 그 레이저의 빔통로에 설정시킨 고압계를 사용하여 그 처리프로세스를 밟을때 초점온도를 측정하였다. 이 측정은 그 레이저 출력의 프로세스 집적제어를 위한 제어변수로 사용하였다. 그 소지의 내측면의 글라스화 이외에, 그 SiO₂형상체는 그 가열내측면에서 그 내부로 열이전도되어 부분소결되었다. 그 SiO₂도가니는 레이저조사후에 그 내측면을 커버하는 방식으로 하여 균열(cracks)없이 두께 3mm까지 글라스화 상태로 존재하였으며, 그 도가니는 원래의 외측형상을 유지하였다.

그 글라스층은 비교적 작은 기포 수개만을 가진다(도 3a와 대비한 도 3b참조). 따라서, 실시예 2에서 제조한 도가니와 달리 본 발명의 글라스화층은 투명성이 있었다.

본 발명에 의해 비정질의 개방세공을 형성한 SiO₂소지를 조사에 의한 무접촉 가열에 의해 소결(sintering) 또는 글라스화시켜 부분영역 또는 전체영역에서 글라스화한 SiO₂형상체를 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 의한 그 SiO₂형상체의 제조방법에서는 조사를 부압 1000mbar 이하에서 레이저빔을 사용하여 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 소지의 글라스화층은 투명성이 있고, 비교적 작은 기포(air bubbles)수개만을 형성하는 효과가 있다.

Claims (20)

1. 부분영역 또는 전체영역에서 글라스화시키며, SiO₂형상체에 외래원자로 혼입되는 것을 회피하면서 조사에 의한 무접촉가열에 의해 비정질의 다공성 SiO₂소지를 소결 또는 글라스화하는 SiO₂형상체의 제조방법에 있어서,

   그 조사는 부압 1000mbar 이하에서 레이저의 빔을 사용함을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   그 부압은 SiO₂형상체에 형성할 수 있는 어떤 버블(bubbles)도 단결정의 인발에 사용되는 인발압력보다 더 낮은 압력을 갖도록 함을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   부압을 가하기전에, 그 SiO₂소지는 산소를 치환시키기 위하여 헬륨분위기하에 유지시킴을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   실리카글라스의 흡수에지보다 더 큰 4.2㎛에서의 빔파장을 가진 레이저가 사용됨을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   10.6㎛의 빔파장을 가진 CO₂레이저가 사용됨을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   비정질의 다공성 SiO₂소지는 도가니의 형상으로 함을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   SiO₂소지의 내측면과 외측면은 초점 직경 최소 2cm의 레이저빔에 의해 조사시켜 소결 또는 글라스화시킴을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   그 조사는 SiO₂소지의 내외측면상에 균일하게 연속적으로 실시함을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   SiO₂소지의 표면의 글라스화 또는 소결은 온도 1000~2500℃에서 실시함을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제1항에 있어서,

    레이저조사는 출력에너지 50~500W/㎠을 사용하여 실시함을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제1항에 있어서,

    레이저의 초점온도는 어느 시간에서도 측정할 수 있음을 특징으로 하는 제조방법.
12. 내측면과 외측면을 가진 비정질의 다공성 SiO₂소지를 국부적으로 제한하지 않고 구성할 수 있게 글라스화 또는 소결하는 방법에 있어서, 그 SiO₂소지의 내측면 또는 외측면만을 표면-커버링방식으로 하여 레이저로 조사시켜 소결하거나 또는 글라스화함을 특징으로 하는 방법.
13. 내측면상에서는 완전글라스화시키고 외측면상에서는 개방세공(open pores)을 가진 SiO₂형상체.
14. 제13항에 있어서,

    그 SiO₂형상체는 초크랄스키(CZ)방법을 사용하여 실리콘 단결정을 인발하는 실리카글라스도가니임을 특징으로 하는 SiO₂형상체.
15. 제14항에 있어서,

    내측면 상에서는 완전 글라스화시키고 외측면상에서는 개방세공을 가진 실리카글라스도가니를 후속 CZ방법(subsequent CZ process)을 실시할때 외측영역의 결정화를 유도 또는 촉진하는 물질로 그 외측영역에 함침시키고 완전글라스화시킨 전체 영역에 대한 평균치로서 단위 ㎤당 기포(air bubbles) 40개이상 구비하지 않으며, 그 기포의 직경은 50㎛이상 구비하지 않음을 특징으로 하는 SiO₂형상체.
16. 외측면상에는 완전글라스화시키고 내측면상에는 개방세공을 가진 SiO₂형상체.
17. 제16항에 있어서,

    완전글라스화시킨 전체 영역에 대한 평균치로서 단위 ㎤당 기포(air bubbles) 40개이상 구비하지 않으며, 그 기포의 직경은 50㎛이상 구비하지 않음을 특징으로 하는 SiO₂형상체.
18. 레이저(laser)와, 소결하도록 하는 제품에 대하여 3축으로 작동할 수 있는 지지장치(holding device)를 구비한 진공레이저 소결장치에 있어서,

    그 레이저와 지지장치는 부압이 형성할 수 있도록 그 외측면에 대하여 시일링시키는 시일링장치(sealing device)내에 배치시킴을 특징으로 하는 진공레이저소결장치.
19. 제18항에 있어서,

    그 시일링장치는 벨로즈(bellows)임을 특징으로 하는 진공레이저 소결장치.
20. 제19항에 있어서,

    그 시일링장치는 진공체임버와 회전식 진공장치로 구성시켜 외측면에 대하여 고정할 수 있게 시일링하여 부압이 형성하도록 함을 특징으로 하는 진공레이저 소결장치.