KR20050021691A

KR20050021691A - 초음파 진동을 이용한 미세 용침방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20050021691A
Application number: KR1020030058692A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 박상후; 정창균; 임태우
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-07
Also published as: KR100538468B1

Abstract

본 발명은 액상의 금속을 용침몰드에 침투시키는 용침방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 배기구가 형성된 진공실을 제공하는 단계; 상기 진공실 내부에 금속시료가 담긴 용기를 배치하고 그 위쪽에 용침성을 시험하기 위한 홈이 형성된 용침몰드를 배치하는 단계; 상기 배기구를 통해 공기를 흡출하여 진공실 내부와 용침몰드의 홈에 존재하는 이물질을 제거하는 단계; 용기에 담긴 금속시료를 용융시키는 단계; 및 상기 용침몰드의 단부가 용융된 금속시료에 잠기도록 한 후 용침이 원활하게 이루어지도록 용침몰드를 초음파 가진하는 단계를 포함한다. 이와 같이 이루어진 본 발명은 마이크로 스케일에서도 쉽게 용침작업을 수행하는 효과가 있다.

Description

초음파 진동을 이용한 미세 용침방법 및 그 장치{ULTRA-MICRO INFILTRATION PROCESS USING ULTRASONIC VIBRATION AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 용침장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 스케일에서도 쉽게 용침이 가능하도록 진공과 가진을 동시에 수행하는 초음파 진공을 이용한 미세 용침방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 용침(infiltration)은 좁고 긴 통로에 액상의 금속을 채우는 일련의 공정을 말한다. 이러한 용침방법은 매크로공정에서 많이 적용되어 왔으며 적절한 공정변수의 조절을 통해 수행되었다. 그러나 이러한 용침기술을 마이크로 단위의 미세스케일에 적용할 경우, 자중과 표면장력이 전체에 작용하는 힘에서 지배적인 힘이 되고, 모세관 현상을 일으키는 힘은 이러한 힘들에 의해 상대적으로 약화된다. 따라서 기존의 용침방법은 마이크로 단위의 미세 구조에서 이용하기 어려웠다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 미세 구조에서도 용침이 원활하게 이루어지는 진동을 이용한 미세 용침방법과 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 한 양태에 따르면 액상의 금속을 용침몰드에 침투시키는 용침방법으로서, 배기구가 형성된 진공실을 제공하는 단계; 상기 진공실 내부에 금속시료가 담긴 용기를 배치하고 그 위쪽에 용침성을 시험하기 위한 홈이 형성된 용침몰드를 배치하는 단계; 상기 배기구를 통해 공기를 흡출하여 진공실 내부와 용침몰드의 홈에 존재하는 이물질을 제거하는 단계; 용기에 담긴 금속시료를 용융시키는 단계; 및 상기 용침몰드의 단부가 용융된 금속시료에 잠기도록 한 후 용침이 원활하게 이루어지도록 용침몰드를 초음파 가진하는 단계를 포함하는 용침방법이 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면 액상의 금속을 용침몰드에 침투시키는 용침방법으로서, 상/하부에 배기구와 개구부가 각각 형성된 진공실을 마련하는 단계; 상기 진공실의 개구부를 관통하여 진공실 외측으로 돌출되도록 용침몰드를 설치하는 단계; 별도로 마련된 용기에 금속시료를 공급하고 이를 용융시키는 단계; 상기 진공실의 개구부를 통하여 돌출된 용침몰드의 단부를 용융금속에 적시는 단계; 및 상기 진공실의 배기구를 통해 진공실 내부공기를 흡입하고 압력차와 초음파 진동에 의해 용기에 담겨진 용융금속을 용침몰드의 홈에 용침시키는 단계를 포함하는 용침방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 액상금속을 용침몰드에 침투시키는 장치로서, 외부와 소통되는 배기구가 형성된 진공실; 상기 진공실내에 배치되고 금속시료가 담겨지는 용기; 상기 용기에 담긴 금속시료를 용융시키기 위한 가열장치; 금속시료가 담긴 용기로 하향 이동이 가능하도록 상기 진공실에 설치되는 초음파 가진기; 및 상기 초음파 가진기의 단부에 연결되며 용침성을 시험하기 위한 홈이 형성된 용침몰드를 포함하는 용침장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 액상금속을 용침몰드에 침투시키는 장치로서, 금속시료가 담겨지는 용기; 상기 용기에 담긴 금속시료를 용융시키는 가열장치; 상기 용기의 수직 상부에 상하 이동이 가능하도록 설치되고 상/하부에 배기구와 개구부가 각각 형성된 진공실; 상기 개구부에 하향 돌출되게 설치되며 용침성을 시험하기 위한 홈을 구비하는 용침몰드; 및 상기 용침몰드의 미세홈에 용융금속의 용침이 잘 이루어지도록 용융금속을 가진시키는 초음파 가진기를 포함하는 용침장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 용침장치를 도시한 것이다.

진공실(10)은 외부와 밀폐된 공간으로 상부에 배기구(11)가 형성되어 있다. 아울러, 진공실(10)의 천장에는 초음파 가진기(50)가 설치되어 있다. 배기구(11)는 별도로 마련된 진공펌프(도시되지 않음)와 연결되어 있다. 따라서, 진공펌프가 작동되면 진공실(10)의 내부공기는 배기구(11)를 통해 외부로 배출되고 진공실(10) 내부는 진공상태가 된다.

진공실(10) 내부에는 가열장치(20)가 마련되어 있으며, 가열장치(20)의 내측에는 용기(30)가 안치되어 있다. 가열장치(20)는 진공실(10)의 바닥면 및 측면에 걸쳐 설치되어 있어 가열장치(20)가 작동되면 진공실(10) 내부의 온도가 상승한다. 용기(30)의 내부에는 금속시료(100)가 담겨진다. 용기(30)는 내부에 담긴 금속시료(100)가 가열장치(30)에서 발산된 열에 의해 잘 용융될 수 있도록 열전달이 잘 되는 재질로 이루어지는 것이 좋으나, 금속시료(100)보다 용융점이 높은 재질이어야 한다.

용기(30) 위쪽에는 용침몰드(40)가 마련되어 있다. 용침몰드(40)에는 미세한 홈(41)이 형성되어 있다. 이 용침몰드(40)는 초음파 가진기(50)와 연결되어 있으며 용기(30)와 일정한 거리를 유지한 채 공중에 매달려 있다.

이와 같이 구성된 제1실시예의 작동원리는 다음과 같다.

먼저, 금속시료(100)를 가열장치(20) 위에 마련된 용기(30)에 담는다. 용침몰드(40)를 진공실(10) 내부에 설치된 초음파 가진기(50)와 연결한다. 배기구(11)를 제외한 진공실(10)의 모든 출구를 밀폐시킨다. 배기구(11)와 연결된 진공펌프를 가동시켜 진공실(10) 내부를 진공상태로 만든다. 이때, 진공실(10) 내부를 진공상태로 만드는 이유는, 첫째 마이크로 스케일을 가지는 용침몰드(40)의 미세한 홈(41)에 존재하는 기공과 불순물을 미리 제거하여 용침의 원활한 유동을 꾀하고, 둘째 가열된 액상 금속이 산화되는 것을 막아 금속 고유의 성질을 유지할 수 있게 함이다. 다음으로 가열장치(20)를 작동시켜 용기(30)에 올려진 금속시료를 천천히 액화시킨다. 금속시료가 충분히 액화되면, 초음파 가진기(50)를 하향 이동시켜 용침몰드(40)의 일정부분이 액화된 금속시료에 의해 잠기게 한다. 이제 초음파 가진기(50)를 작동시켜 용침몰드(40)를 초음파로 진동시킨다. 초음파 가진기(50)로 용침몰드(40)를 가진하면, 모세관 현상에 의해 용침되는 금속시료에 추가적인 에너지가 공급되어 액화된 금속시료의 유동성과 용침의 속도가 증대되는 효과가 있다. 위와 같은 일련의 동작에 따라, 액화된 금속은 용침몰드(40)의 미세한 홈(41)을 따라 이동한다.

한편, 모세관현상은 중력과 반비례 관계에 있다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이 배기구(11)에 설치된 진공펌프를 이용하여 진공실(10) 내부공기를 외부로 배출한 상태이므로, 진공실(10) 내부는 중력이 거의 작용하지 않는 진공상태이다. 따라서, 모세관현상에 의한 용침력이 중력상태일 때 보다 증대되어 용침몰드(40)의 미세한 홈(41)으로의 용침이 잘 일어나게 된다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 용침장치를 도시한 것이다.

본 실시예는 제1실시예와 달리 가열장치(20)와 용기(30)가 진공실(10) 외측에 마련되어 있으며, 진공실(10)의 바닥면에는 용침몰드(40)가 상하로 자유롭게 소통될 수 있도록 개구부(12)가 형성되어 있다. 이 개구부(12)에는 용침몰드(40)가 끼워진다. 이때, 용침몰드(40)의 일부는 진공실(10)의 아래로 돌출된다. 개구부(12)에는 밀폐부재(60)가 끼워진다. 이 밀폐부재(60)는 용침몰드(40)와 개구부(12) 사이의 틈새를 막아 주는 역할을 한다. 가열장치(20)는 윗면이 개방된 사각의 상자형태로 진공실(10)의 아래쪽에 위치한다. 금속시료를 담는 용기(30)는 가열장치(20)의 안쪽에 마련되어 진공실(10)의 아래쪽에 위치된다. 용기(30)와 용침몰드(40)는 일정간격으로 떨어져 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 가열장치(20)를 작동시켜 용기(30)에 담긴 분말형태의 금속시료를 액화시킨다. 금속시료가 완전히 액화되면 진공실(10)을 하향 이동시킨다. 진공실(10)과 함께 하향 이동된 용침몰드(40)가 액화된 금속시료에 충분히 잠기면, 진공펌프를 작동시켜 진공실(10) 내부의 공기를 외부로 배출시킨다. 이와 동시에 초음파 가진기(50)를 작동시켜 용침몰드(40)를 꾸준히 진동시키고, 가열장치(20)는 금속시료가 액체상태로 유지될 수 있도록 계속 가동시킨다. 시간이 경과함에 따라, 액상의 금속시료는 용침몰드(40)의 홈(41)을 통해 압력이 낮은 진공실(10) 내부로 빨려 올라간다. 한편, 용침몰드(40)가 초음파 가진기(50)에 의해 계속적으로 진동되므로 금속시료의 용침이 보다 빠르게 진행된다.

본 실시예는 진공실과 가열장치가 분리되어 제어 및 고온유지가 용이하다. 따라서, 시료를 액화시키는데 있어서 고온유지가 필요한 경우에 본 실시예를 사용하는 것이 좋다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 용침장치를 도시한 것이다.

본 실시예는 제2실시예를 조금 변형한 것으로서, 초음파 가진기(50)와 용기(30)가 연결되어 있다. 이를 위해 가열장치(20)의 바닥에는 상하 소통되는 출구(21)가 형성되어 있으며 이 출구(21)를 사이에 두고 초음파 가진기(50)와 용기(30)가 결합된다.

진공실(10)의 천장과 바닥에는 앞의 실시예와 동일하게 배기구(11)와 개구부(12)가 각각 형성되어 있다. 배기구(11)는 진공실(10) 천장의 중앙에 위치하며 진공펌프와 연결된다. 개구부(12)에는 용침몰드(40)가 결합된다. 개구부(12)의 주변으로는 밀폐부재(60)가 끼워져 용침몰드(40)와 개구부(12)사이의 틈새를 막는다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 동작은 제2실시예와 동일하다. 다만 제2실시예에서는 초음파 가진기(50)가 용침몰드(40)를 가진시켰으나 본 실시예에서는 액상의 금속시료가 담긴 용기(30)를 가진시키고 있다. 본 실시예와 같이 용기(30)를 가진하면 용기(30)에 담긴 금속시료(분말형태를 많이 이용한다)가 잘 혼합되어 빠르게 액화되며 액화된 금속시료의 유동성이 좋아지는 효과가 있다. 따라서, 본 실시예는 액체상태에서 점성이 매우 높은 시료를 용침시킬 때 사용하는 것이 좋다.

위에 설명한 바와 같이 본 발명은 금속시료의 특성에 맞는 다양한 실시예를 제공하며, 초음파 가진기와 진공펌프를 이용하여 마이크로 스케일에서도 용침이 원활하게 수행되는 효과가 있다.

이상에서 진동을 이용한 미세 용침방법 및 그 장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 용침장치를 도시한 것이고,

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 용침장치를 도시한 것이며,

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 진공실 11 : 배기구

20 : 가열장치 30 : 용기

40 : 용침몰드 41 : 미세홈

50 : 초음파 가진기

Claims

액상의 금속을 용침몰드에 침투시키는 용침방법으로서,

배기구가 형성된 진공실을 제공하는 단계;

상기 진공실 내부에 금속시료가 담긴 용기를 배치하고 그 위쪽에 용침성을 시험하기 위한 홈이 형성된 용침몰드를 배치하는 단계;

상기 배기구를 통해 공기를 흡출하여 진공실 내부와 용침몰드의 홈에 존재하는 이물질을 제거하는 단계;

용기에 담긴 금속시료를 용융시키는 단계; 및

상기 용침몰드의 단부가 용융된 금속시료에 잠기도록 한 후 용침이 원활하게 이루어지도록 용침몰드를 초음파 가진하는 단계를 포함하는 초음파 진동을 이용한 미세 용침방법.
액상의 금속을 용침몰드에 침투시키는 용침방법으로서,

상/하부에 배기구와 개구부가 각각 형성된 진공실을 마련하는 단계;

상기 진공실의 개구부를 관통하여 진공실 외측으로 돌출되도록 용침몰드를 설치하는 단계;

별도로 마련된 용기에 금속시료를 공급하고 이를 용융시키는 단계;

상기 진공실의 개구부를 통하여 돌출된 용침몰드의 단부를 용융된 금속에 적시는 단계; 및

상기 진공실의 배기구를 통해 진공실 내부공기를 흡입하고 압력차와 초음파 진동에 의해 용기에 담겨진 용융금속을 용침몰드의 홈에 용침시키는 단계를 포함하는 초음파 진동을 이용한 미세 용침방법.
청구항 2 에 있어서, 초음파 진동은 용침몰드를 가진하는 것에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 미세 용침방법.
청구항 2 에 있어서, 초음파 진동은 용융금속이 담긴 용기를 가진하는 것에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 미세 용침방법.
액상금속을 용침몰드에 침투시키는 장치로서,

외부와 소통되는 배기구가 형성된 진공실;

상기 진공실내에 배치되고 금속시료가 담겨지는 용기;

상기 용기에 담긴 금속시료를 용융시키기 위한 가열장치;

금속시료가 담긴 용기로 하향 이동이 가능하도록 상기 진공실에 설치되는 초음파 가진기; 및

상기 초음파 가진기의 단부에 연결되며 용침성을 시험하기 위한 홈이 형성된 용침몰드를 포함하는 초음파 가진기를 이용한 미세 용침장치.
액상금속을 용침몰드에 침투시키는 장치로서,

금속시료가 담겨지는 용기;

상기 용기에 담긴 금속시료를 용융시키는 가열장치;

상기 용기의 수직 상부에 상하 이동이 가능하도록 설치되고 상/하부에 배기구와 개구부가 각각 형성된 진공실;

상기 개구부에 하향 돌출되게 설치되며 용침성을 시험하기 위한 홈을 구비하는 용침몰드; 및

상기 용침몰드의 미세홈에 용융금속의 용침이 잘 이루어지도록 용융금속을 가진시키는 초음파 가진기를 포함하는 초음파 가진을 이용한 미세 용침장치.
청구항 6 에 있어서, 상기 초음파 가진기는 용침몰드에 용침되는 용융금속을 가진할 수 있도록 용침몰드에 설치 결합되는 것을 특징으로 하는 초음파 가진을 이용한 미세 용침장치.
청구항 6 에 있어서, 상기 초음파 가진기는 용기에 담긴 용융금속이 잘 혼합될 수 있도록 용기에 설치 결합되는 것을 특징으로 하는 초음파 가진을 이용한 미세 용침장치.