KR20100000448A

KR20100000448A - 비산화물 용사코팅재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100000448A
Application number: KR1020080059959A
Authority: KR
Inventors: 김정일; 김성균; 김배석
Original assignee: 주식회사 티씨케이
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-06

Abstract

본 발명은 비산화물 용사코팅재에 관한 것으로, 본 발명 비산화물 용사코팅재는, 비산화물 분말과, 상기 비산화물 입자의 표면에 코팅된 산화물층을 포함하는 분말들이, 상기 산화물층 사이의 결합에 의해 10 내지 100μm 입경을 가지도록 집합된 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명 비산화물 용사코팅재 제조방법은, a) 비산화물 분말을 준비하는 단계와, b) 산소 분위기에서 상기 비산화물 분말을 열처리하여 상기 비산화물 분말의 표면에 연성 산화물층을 형성하는 단계와, c) 상기 연성 산화물층이 표면에 형성된 상기 비산화물 분말을 경화시켜 비산화물 클러스터를 형성하는 단계와, d) 상기 비산화물 클러스터를 용사코팅에 적당한 크기로 분쇄하는 단계를 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 실리콘 질화물의 표면에 얇은 산화층을 형성하고, 그 산화층의 작용에 의해 실리콘 질화물을 도가니에 직접 용사코팅할 수 있게 됨으로써, 기계적 강도가 높으며, 도가니에 대한 결합강도가 높은 비산화물 코팅층을 용이하게 획득할 수 있는 효과가 있다.

비산화물, 용사코팅, 도가니

Description

비산화물 용사코팅재 및 그 제조방법{Non-oxide thermal coating material and method thereof}

본 발명은 비산화물 용사코팅재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 용사코팅이 불가능한 비산화물을 용사코팅이 가능한 형태로 변화시킨 비산화물 용사코팅재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지용 반도체소자를 제조하기 위해서는 다결정실리콘을 성장시켜야 하며, 이를 위해 도가니에 실리콘 용융액을 넣어 다결정 실리콘 잉곳(ingot)을 주조한다.

상기 도가니는 석영을 사용할 수 있지만 그 가격이 비싸기 때문에, 최근에는 저가의 산화 실리콘 도가니를 사용하고 있다. 이러한 산화 실리콘 도가니를 사용할 때 실리콘 용융액의 오염을 방지함과 아울러 그 도가니와 주조된 다결정실리콘 잉곳의 분리가 용이하도록 하기 위하여 그 산화 실리콘 도가니의 내면에는 실리콘 질화물로 코팅됨이 바람직하다.

상기 실리콘 질화물은 도가니와 다결정 실리콘과의 이형재 역할을 하여 실리콘 용융액으로부터 다결정 실리콘 형성시 다결정 실리콘과 도가니 사이의 응력에 의해 도가니를 파손시켜 다결정실리콘을 분리할 때 도가니 파편에 의한 다결정실리콘 잉곳의 손상을 방지하는 역할을 한다.

종래에는 상기와 같은 실리콘 질화물을 도가니에 코팅하기 위하여 스프레이 코팅 후 열처리를 하였다. 이는 미국등록특허 6,491,971호에 기재된 바와 같이 Si₃N₄, SiC, Zirconium Oxide, Barium Zirconate 또는 Magnesium Zirconate 파우더를 이용하여 슬러리를 제조한 후, 그 슬러리를 스프레이 코팅한 후, 1095℃ 이상에서 열처리하는 방법이 제안되었다.

그러나 이와 같은 스프레이 코팅 후 열처리하는 방법은 스프레이 코팅의 균일도가 저하되며, 소결성이 저하되는 질화물 및 산화물을 열처리하기 때문에 박리가 발생하여 다결정실리콘 잉곳이 오염되는 문제점이 발생할 수 있으며, 공정이 어렵고 공정 시간이 오래 걸려 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 감안하여 그 도가니에 코팅을 하는 방법으로 용사코팅이 제안되었으며, 이는 미국등록특허 6,479,108호에 기재되어 있다. 이는 Zirconium Oxide, Barium Zirconate 또는 Magnesium Zirconate인 산화물을 플라즈마건을 이용하여 도가니의 표면에 분사하여 그 산화물을 연화시켜 그 도가니에 직접 증착되도록 한 것이다.

또한 대한민국공개특허공보 10-2005-0090988호에는 금속실리콘, 질화실리콘 및 산화실리콘으로 이루어진 실리콘 복합물을 도가니의 내벽에 용사 코팅한다.

이와 같은 종래 용사 코팅방법들은 실리콘 질화물을 직접 용사하여 코팅할 수 없기 때문에 다른 산화물과 실리콘 질화물을 혼합한 코팅재를 용사코팅하고 있으며, 따라서 분말의 혼합공정이라는 추가공정이 필요하며 혼합시의 균일도에 따라 품질이 저하될 수 있는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비산화물에 별도의 첨가물을 첨가하지 않고도 용사코팅이 가능한 용사코팅재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 비산화물 용사코팅재는, 비산화물 분말과, 상기 비산화물 입자의 표면에 코팅된 산화물층을 포함하는 분말들이, 상기 산화물층 사이의 결합에 의해 10 내지 100μm 입경을 가지도록 집합된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명 비산화물 용사코팅재 제조방법은, a) 비산화물 분말을 준비하는 단계와, b) 산소 분위기에서 상기 비산화물 분말을 열처리하여 상기 비산화물 분말의 표면에 연성 산화물층을 형성하는 단계와, c) 상기 연성 산화물층이 표면에 형성된 상기 비산화물 분말을 경화시켜 비산화물 클러스터를 형성하는 단계와, d) 상기 비산화물 클러스터를 용사코팅에 적당한 크기로 분쇄하는 단계를 포함한다.

본 발명은 실리콘 질화물의 표면에 얇은 산화층을 형성하고, 그 산화층의 작용에 의해 실리콘 질화물을 도가니에 직접 용사코팅할 수 있게 됨으로써, 기계적 강도가 높으며, 도가니에 대한 결합강도가 높은 비산화물 코팅층을 용이하게 획득 할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명 비산화물 용사코팅재 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 비산화물 용사코팅재의 제조공정 순서도이다.

도 1을 참조하면 본 발명 비산화물 용사코팅재 제조방법은, 비산화물 분말을 준비하는 단계(S11)와, 상기 비산화물 분말을 산소분위기에서 1000 내지 1500℃의 온도로 가열하여 비산화물 분말의 표면에 연성 산화물층을 형성하는 단계(S12)와, 상기 비산화물 분말의 표면에 형성된 연성 산화물층을 경화시켜 비산화물 분말 클러스터를 형성하는 단계(S13)와, 상기 비산화물 분말 클러스터를 용사코팅에 적당한 크기로 분쇄하는 단계(S14)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 비산화물 용사코팅재 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

먼저 S11단계와 같이 비산화물 분말을 준비한다. 이때의 비산화물 분말의 입경은 수 나노미터에서 수 마이크로미터의 입경을 가지는 것으로 한다.

상기 비산화물의 다결정실리콘 잉곳을 제조하기 위한 도가니 내부를 코팅 하기 위한 바람직한 예로는 Si₃N₄를 사용할 수 있다.

그 다음, S12단계에서는 상기 비산화물을 산소가 공급되는 조건에서 열처리하여 그 비산화물 분말의 표면에 연성 산화물층을 형성한다.

이때의 열처리방법은 열스프레이법(thermal spray)을 사용할 수 있으며, 산소가 공급되는 조건에서 비산화물 분말을 가열로에 넣어 가열하는 방법을 사용할 수 있다.

이때의 산소 공급 유량에는 제한이 없으며, 산소의 공급유량이 많으면 많을수록 쉽게 연성 산화물층을 형성할 수 있다.

도 2는 상기 연성 산화물층이 표면에 형성된 비산화물 분말의 단면 구성도이다.

도 2를 참조하면, 상기 연성 산화물층(2)은 전체 비산화물 분말(1) 입경의 1 내지 30%의 두께로 형성된다.

아래의 화학식 1은 상기 비산화물 분말(1)인 실리콘 질화물의 표면에서 일어나는 화학반응식이다.

Si₃N₄ + 3O₂ -> 3SiO₂ + 2N₂

이와 같은 화학반응으로 인하여 상기 비산화물 분말(1)의 표면에서는 가열로 인한 연성의 산화물층(2)이 고르게 형성된다.

상기 화학식 1은 비산화물이 실리콘을 기초로 하는 것의 대표적인 예이며, 그 외의 비산화물 세라믹인 비산화물 분말(1)의 표면에는 그 비산화물 세라믹 내의 양이온 금속의 산화물인 산화물층(2)이 형성된다.

본 발명은 별도의 산화물을 첨가하지 않고, 비산화물 분말(1)의 전면을 산화물로 코팅한 효과를 낼 수 있으며, 비산화물 분말(1)의 표면 전체를 균일한 정도의 두께로 산화물을 코팅함으로써, 용사코팅시 도가니와의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 실리콘 질화물이 가지는 강성을 나타낼 수 있다.

그 다음, S13단계와 같이 상기 연성의 산화물층(2)을 상온으로 식혀 경화시킨다.

이와 같은 경화로 인해 상기 각 비산화물 분말(1)은 표면의 연성 산화물층(2)은 특정할 수 없는 크기와 형태의 클러스터가 된다.

이와 같은 비산화물 클러스터는 그 크기의 불균일성에 의해 직접 용사코팅에 사용하는 코팅재료로 사용할 수 없다. 이는 보통 용사코팅에 사용되는 분말의 입경이 10 내지 100μm이기 때문이다.

그 다음, S14단계에서는 상기 비산화물 클러스터를 분쇄하여 입경이 10 내지 100μm인 비산화물 용사코팅재를 형성한다. 경우에 따라서는 100μm 이상의 입경으로 분쇄하여도 용사코팅에 적용할 수 있는 용사코팅건이 있을 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 비산화물 용사코팅재의 단면 구성도이다.

도 3에 도시한 바와 같이 비산화물 분말(3)의 표면에는 산화물층(4)이 코팅되어 있으며, 그 산화물간에 결합에 의해 다수의 비산화물 분말이 단일 비산화물 용사코팅재에 포함된다.

이와 같은 구조의 비산화물 용사코팅재를 용사코팅건 등을 사용하여 다결정실리콘 잉곳 제조용 도가니에 분사하면, 상기 산화물층(4)이 연화되어 상기 도가니에 비산화물 분말(3)을 접착 코팅시키게 되며, 이때 산화물층(4)은 고르게 분포하기 때문에 종래 산화물 분말을 첨가하는 방식에 비하여 보다 고른 코팅층의 형상을 얻을 수 있으며, 부분적인 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명 비산화물 용사코팅재 제조공정 순서도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1,3:비산화물 분말 2:연성 산화물층

4:산화물층

Claims

a) 비산화물 분말을 준비하는 단계;

b) 산소 분위기에서 상기 비산화물 분말을 열처리하여 상기 비산화물 분말의 표면에 연성 산화물층을 형성하는 단계;

c) 상기 연성 산화물층이 표면에 형성된 상기 비산화물 분말을 경화시켜 비산화물 클러스터를 형성하는 단계; 및

d) 상기 비산화물 클러스터를 용사코팅에 적당한 크기로 분쇄하는 단계를 포함하는 비산화물 용사코팅재 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 비산화물 분말은 Si₃N₄이며, 상기 연성 산화물층은 SiO₂인 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 비산화물 분말이 Si를 기초로 하는 것일 경우 연성 산화물층은 SiO₂이며,

상기 비산화물이 비산화물 세라믹인 경우 상기 연성 산화물층은 그 비산화물 세라믹에 포함된 양이온금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 b) 단계는 1000 내지 1500℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 d) 단계는, 10 내지 100μm 입경으로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재 제조방법.
비산화물 분말과, 상기 비산화물 입자의 표면에 코팅된 산화물층을 포함하는 분말들이,

상기 산화물층 사이의 결합에 의해 10 내지 100μm 입경으로 집합된 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재.
제6항에 있어서,

상기 산화물층이 표면에 코팅된 비산화물 분말의 입경은 수 나노미터에서 수 마이크로미터이며, 상기 산화물층의 두께는 전체 분말 입경의 1 내지 30% 두께인 것을 특징으로 하는 비산화물 용사코팅재.