KR20120064164A - 3차원 구조의 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스 소결 장치와 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 구조의 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스 소결 장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법에 관한 것으로, 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 SiC 벌크를 제작하여 SiC를 3D 핫 프레스(Hot Press) 공법으로 제조함으로써, 가공시간 및 비용을 줄일 수 있고 재료 사용량을 절감할 수 있다.
본 발명에 의한 성형 및 소결체의 제조 방법은, (a) 몰드(Mold) 부재 내부의 상부 및 하부 성형 판 사이에 성형 및 소결체의 분말을 투입하는 단계와; (b) 상기 몰드 부재를 핫 프레스 소결장치의 챔버 내부에 장입하는 단계와; (c) 상기 챔버를 진공 상태로 만든 후 일정 온도 이상으로 가열하는 단계; 및 (d) 상기 챔버의 내부 온도가 일정 온도 이상 유지되면 상기 상부 및 하부 성형 판을 상하로 가압하여 성형 및 소결체를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 상부 및 하부 성형 판은 상기 성형 및 소결체와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성되어 있다.

Description

3차원 구조의 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스 소결 장치와 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법{Hot Press Sintering Device for Manufacturing Sintered Body and Mold of 3D Structure and Method of Manufacture Sintered Body and Mold The Same}

본 발명은 3차원(Three Dimensions; 3D) 구조의 성형 및 소결체(Sintered Body and Mold)를 제조하는 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 핫 프레스(Hot Press)를 해서 가공시간 및 비용을 줄일 수 있는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 세라믹(Metal Ceramics) 재료는 뛰어난 내화학성, 화학적 안정성, 내열특성 및 전기 절연성이 우수하여, 금속재료가 갖는 물리적 화학적 취약성을 보완할 수 있는 점에서 항공, 전자, 건축 구조물 등에 널리 사용되고 있다.

현재, 이러한 금속 세라믹 재료는 상압소결, 가압소결(hot pressing), 열간 등가압 소결(hot-isotatic pressing) 등의 방법에 의하여 소결체로서 제조되고 있다. 특히, 최근에는 높은 방열 특성을 갖춘 고집적 반도체 회로기판, 항공기, 나아가 군사무기 등에 사용되고 있다.

상기 금속 세라믹 재료 중에서 고품질이 요구되는 제품에 사용되는 실리콘카바이트(SiC), 질화알루미늄(AlN) 등 비 산화물계 세라믹 재료는 일반적인 상압 소결방법으로는 소결이 잘 이루어지지 않기 때문에 이론 밀도에 가깝고, 치밀하고 특성이 우수한 소결체를 제조할 수 있는 가압 소결방법, 즉 핫 프레스 소결법, 바람직하게는 진공 핫 프레스 소결법이 사용된다.

상기 핫 프레스 소결방법은 산소가 없는 진공 또는 가스 분위기 하에서 고온, 고압을 동시에 부가하여 수행된다. 이러한 핫 프레스 소결법을 적용하기 위해서는 고온 및 고압에 견딜 수 있는 몰드(mold)가 있어야 하며, 이를 만족시키는 재료로서 주로 탄소(carbon)가 사용되고 있으며, 그 중에서도 그라파이트(graphite) 소결체 또는 탄소섬유강화 탄소복합체(C/C 복합체)로 이루어진 몰드(Mold)가 사용되고 있다. 이러한 몰드는 등방압으로 가압 소결된 그라파이트(Graphite) 또는 C/C 복합체 블록을 원통형으로 가공하여 제조된다.

한편, 반도체, LED 공정 등에 사용되는 탄화규소 부품은 서셉터(Susceptor)라고 불리우는 웨이퍼 캐리어, 증착(Deposition) 공정용 보트(Boat), 튜브(Tube)류, 식각(Etching) 공정 등에 사용되는 링(Ring), 샤워 플레이트(Shower Plate) 등이 사용되어 지고 있다.

복잡한 3차원 형상의 보트(Boat), 튜브(Tube)류 탄화규소 부품은 통상적으로 반응결합 탄화규소(RBSC) 제조법을 따르고, 반응결합 탄화규소(RBSC) 다공성(Porous) SiC body Si을 침윤시킨 Si-SiC를 구성하고, 그 표면에 수~수십㎛의 SiC CVD(Chemical Vapor Deposition) 코팅층을 형성한다. 하지만 최근에는 소결조제를 사용하지 않는 핫 프레스(Hot Press) 공법이 검토되고 있다. 이에 소결밀도를 달성하기 위하여 원재료 입도를 제어하고, 공정의 안정화를 위하여 몰드(Mold)의 파괴를 방지하는 기술들이 소개되고 있다.

상기 핫 프레스(Hot Press)의 장점은 다른 소결방법과 비교하여 높은 밀도, 높은 경도, 높은 강도를 가지기에 많은 업체에서 검토하고 있다. 하지만, 이러한 공법은 아이러니하게 높은 강도 및 경도를 가지기 때문에 소성 후 가공시 어려움이 많다. 그리고, 가공시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 가공시 파손의 위험도 그만큼 높아지는 문제를 가진다.

그러면, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치와 그 문제점에 대해 더 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술의 실시 형태에 따른 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 성형 판의 사시도이고, 도 3은 도 1의 핫 프레스 소결장치에 의해 제조된 성형 및 소결체의 사시도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 종래의 핫 프레스(Hot Press) 소결장치(100)는, 진공이 유지되는 챔버(10), 상기 챔버(10) 내에 위치하는 몰드 부재(20), 가압 부재(30), 가열 부재(40) 및 단열 부재(50)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 챔버(10)는 진공을 유지하기 위하여 밀폐되어 있으며, 이에 의하여 상기 챔버(10) 내에 위치한 상기 가열 부재(40) 등의 산화를 방지하고, 소결 공정 중 원료에 불순물이 혼입되는 것을 방지할 수 있다.

진공을 유지하기 위하여 상기 챔버(10)의 외부에 진공을 위한 진공 점프(102)가 위치하고, 이 진공 펌프(102)와 상기 챔버(10)가 개폐 밸브(104) 및 배기구(106)를 통하여 연결되어 있다. 이에 의하여 공기를 선택적으로 배출하여 챔버(10)의 내부를 일정 수준의 진공 상태로 유지할 수 있다. 그리고, 상기 챔버(10) 내로 불활성 가스를 주입하기 위한 별도의 가스 공급원(도시하지 않음), 개폐 밸브(도시하지 않음) 및 주입구(도시하지 않음)가 위치할 수 있다.

상기 챔버(10) 내에 위치하는 상기 몰드 부재(20) 내에는 성형 및 소결체[또는, "서셉터(Susceptor)"라고도 함]를 제조하기 위한 성형 판(60)이 설치되어 있다. 이때, 상기 성형 판(60)은 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62)으로 구성되며, 상기 하부 성형 판(61)은 상기 몰드 부재(20) 내부에 위치한 하부 가압부재(31)에 설치되고, 상기 상부 성형 판(62)은 상기 몰드 부재(20) 내부에 위치한 상부 가압부재(32)에 설치되어 있다.

상기 하부 가압부재(31)와 상기 상부 가압부재(32)로 구성된 가압 부재(30)는 상기 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62) 사이에 투입된 원료를 상기 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62)으로 가압 성형하는 역할을 한다. 이러한 가압 부재(30)는 고온에서 견딜 수 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 일례로 흑연을 포함할 수 있다.

상기 몰드 부재(20)의 외부에는 상기 챔버(10)의 내부, 즉 상기 몰드 부재(20) 내에 위치한 원료를 가열하는 가열 부재(40)가 위치한다. 상기 가열 부재(40)로는 몰드 부재(20)를 가열할 수 있는 다양한 방식이 적용될 수 있다. 그 일례로, 상기 가열 부재(40)가 흑연을 포함하여, 외부에서 공급되는 전원에 의하여 발열 되어 상기 몰드 부재(20)를 가열할 수 있다.

상기 가열 부재(40)와 챔버(10) 사이에 위치하는 상기 단열 부재(50)는 상기 몰드 부재(20)가 반응에 적정한 온도로 유지될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이러한 단열 부재(50)는 고온에 견딜 수 있는 흑연과 같은 재질로 구성되어 있다.

상기 가열 부재(40)에 의하여 고온이 유지된 상태에서 상기 상부 성형 판(62)을 위로 위치시킨 후에 상부 및 하부 가압 부재(31, 32)를 이용하여 상기 성형 판(60) 내부에 위치한 성형 및 소결체의 원료(예를 들어 탄소 물질 등)를 가압한다. 그러면, 고온 고압에 의해 상기 원료가 원하는 형상으로 소결된다(도 3 및 도 4 참조).

도 1과 함께 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 성형 판(60)의 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62)은 각각 원료를 가압하는 면이 평평한 면을 가지는 판 상, 즉 원판 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 상기 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62)의 가압 성형에 의해 제조되는 성형 및 소결체(110)는 도 3과 같이 상기 하부 성형 판(61)과 상부 성형 판(62)의 가압 면에 대응하는 형상을 가지는 원판 형상으로 성형 및 소결된다.

상기 구성을 가지는 종래의 핫 프레스 소결장치의 성형 판(60)은 통상적으로 평평한 평면을 가지는 그라파이트 플레이트(Graphite plate)를 사용하고 있으며, 이로 인하여 상기 성형 및 소결체(110)는 원반 또는 직육면체의 형상을 가지게 된다.

하지만, 도 4(a)와 같이 중심부가 볼록한 형태의 성형 및 소결체를 만들고자 할 때는 성형 및 소결체에서 가장 높은 두께를 가지는 제품으로 소성한 이후에 나머지 필요없는 부분(도 4(b)의 130)을 가공하여 제거하는 형태의 작업이 진행된다. 이때, 소성한 제품은 높은 강도 및 경도를 가지고 있기 때문에 가공에 어려움이 많고, 가공에 장시간의 작업이 필요할 뿐만 아니라 가공시 제품이 파손되는 경우가 발생한다. 또한, 가공시 제거하는 부분에 해당하는 재료비가 필요 이상으로 소요되기 때문에 제품 비용의 상승 원인이 된다.

특히, 고온 고압의 핫 프레스(Hot Press) 공법으로 SiC 벌크(Bulk)를 만들게 되면 SiC의 우수한 기계적 특성(경도/강도)으로 인해 원하는 형상을 만드는데 가공 시간과 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

상기 SiC는 낮은 밀도와 높은 융점, 고온 고강도성, 내열성 및 내산화성을 가진 재료로서 각종 내열구조재, 공업용 로재, 차세대 열교환기, 가스 터빈 및 피스톤 엔진재료로의 응용 면에서 주목받고 있으나, 공유결합 물질이라서 소결하기 어려우므로 원하는 정도의 치밀화 정도로 소결하기 위한 연구가 다방면으로 진행 중에 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 원하는 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 핫 프레스(Hot Press)를 해서 가공시간 및 비용을 줄일 수 있는 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 만들어진 3차원(3D) 구조의 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 성형 및 소결체를 실 형상에 가까운 형태로 소성하여 가공 시간 및 재료 사용량을 줄일 수 있는 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 3차원(3D) 구조의 실리콘카바이드(Silicon Carbide; SiC) 성형 및 소결체를 제조하는 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법을 제시하는 데 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, 「성형 및 소결체의 제조 방법에 있어서, (a) 몰드(Mold) 부재 내부의 상부 및 하부 성형 판 사이에 성형 및 소결체의 분말을 투입하는 단계와; (b) 상기 몰드 부재를 핫 프레스 소결장치의 챔버 내부에 장입하는 단계와; (c) 상기 챔버를 진공 상태로 만든 후 일정 온도 이상으로 가열하는 단계; 및 (d) 상기 챔버의 내부 온도가 일정 온도 이상 유지되면 상기 상부 및 하부 성형 판을 상하로 가압하여 성형 및 소결체를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 상부 및 하부 성형 판은 상기 성형 및 소결체와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성되어 있는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 2에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 성형 및 소결체의 분말은: 불순물 함유 10ppm 이하인 고순도 SiC 분말과 페놀 수지(Penolic Resin)를 솔벤트(Solvent)와 혼합한 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 3에 기재된 발명은, 「제 2 항에 있어서, 상기 페놀 수지는 1~10wt%의 비율로 혼합하고, 상기 SiC 분말의 입도는 0.5㎛ 내지 3㎛를 가지는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 4에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 (c) 및 (d)단계에서 온도는: 적어도 2000 ℃ 이상으로 유지하는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 5에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계에서 상기 상부 및 하부 성형 판은: 10~50MPa 범위의 압력으로 상하 가압하는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 6에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 성형 판은: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 7에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 상부 성형 판과 상기 하부 성형 판 중 어느 하나는: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

청구항 8에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 상부 성형 판 및 상기 하부 성형 판은: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 각각 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.」을 제공한다.

또한, 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 청구항 9에 기재된 발명은, 「핫 프레스(Hot Press) 소결장치에 있어서, 챔버(10) 내에 위치하는 몰드 부재(20)와; 상기 챔버(10) 내부를 진공 상태로 만드는 진공 펌프(102)와; 상기 챔버(10) 내부를 가열하여 온도를 높이는 가열 부재(40)와; 상기 챔버(10) 내부 온도를 유지시키는 단열 부재(50)와; 상기 몰드 부재(20) 내부에 상승 및 하강 가능하게 서로 대응되도록 설치된 상부 및 하부 가압부재(31,32); 및 상기 상부 및 하부 가압부재(31,32)의 대응 면에 각각 설치되며, 성형 및 소결체와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성된 상부 및 하부 성형 판;을 포함하는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.」를 제공한다.

청구항 10에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 성형 판은: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.」를 제공한다.

청구항 11에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 상부 성형 판과 상기 하부 성형 판 중 어느 하나는: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.」를 제공한다.

청구항 12에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 상부 성형 판 및 상기 하부 성형 판은: 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 각각 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.」를 제공한다.

본 발명에 따르면, 원하는 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 성형 판(SiC 벌크)를 제작하여 SiC를 3D 핫 프레스(Hot Press) 공법으로 제조함으로써, 가공시간 및 비용을 줄일 수 있고 재료 사용량을 절감할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술의 실시 형태에 따른 핫 프레스 소결장치의 단면도
도 2는 도 1에 도시된 성형 판의 사시도
도 3은 도 1의 핫 프레스 소결장치에 의해 제조된 성형 및 소결체의 사시도
도 4는 종래 기술의 실시 형태에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 핫 프레스 소결장치의 단면도
도 6은 도 5에 도시된 성형 판의 단면도
도 7은 본 발명의 핫 프레스 소결장치에 사용된 다른 성형 판의 단면도
도 8은 본 발명의 핫 프레스 소결장치에 사용된 또 다른 성형 판의 단면도
도 9는 본 발명의 핫 프레스 소결장치에 사용된 또 다른 성형 판의 단면도

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.

이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

핫 프레스( Hot Press ) 소결장치의 실시 예

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 핫 프레스 소결장치의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 성형 판의 단면도이다.

본 발명의 핫 프레스(Hot Press) 소결장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 몰드 부재(20), 가열 부재(40), 단열 부재(50)가 챔버(10) 내부에 설치되고, 상기 몰드 부재(20)의 내부에 상부 및 하부 가압부재(31,32)와 상부 및 하부 성형 판(210,220)으로 구성된 성형 판(200)이 설치되어 있다. 여기서, 상기 상부 및 하부 가압부재(31,32)는 상기 몰드 부재(20) 내부에 상승 및 하강 가능하게 서로 대응되도록 설치되어 있으며, 상기 상부 및 하부 가압부재(31,32)의 대응 면에 상부 및 하부 성형 판(210,220)이 설치되어 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220)은 성형 및 소결체(또는, "서셉터(Susceptor)"라고도 함)와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성되어 있어 1회 공정으로 원하는 성형 및 소결체를 성형 및 소결할 수 있다.

만약, 성형 및 소결하고자 하는 소결체(120)가 도 6과 같이

의 형성을 가진다면, 상기 성형 판(200)의 상부 성형 판(220)은 원료가 가압 되는 면이 평평한 판 상으로 형성되고, 상기 하부 성형 판(210)은 상기 소결체(120)의 돌출된 부분을 형성하기 위해 상기 소결체(120)의 돌출된 부분과 대응되는 상부 면에

와 같이 홈이 형성되어 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 성형 판(210, 220)은 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성할 수 있고, 상기 상부 성형 판(210)과 상기 하부 성형 판(220) 중 어느 하나는 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder; 프레스 압축물)로 구성할 수 있다.

한편, 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220)의 형상은 도 6과 같이, 반드시 직각으로 형성할 필요는 없으며, 최종 제품의 형상에 따라 곡선의 형상으로 형성할 수도 있다.

이와 같이, 상기 성형 판(200)의 형상을 최종 제품의 형상에 근접하게 형성한 후 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220) 사이에 원료(예를 들어, SiC 파우더(Power))를 넣고 핫 프레스(Hot Press)를 하게 되면 기존 대비 가공 로드(Load)를 최소화할 수 있다.

성형 판의 다른 실시 예

도 7 내지 도 9는 본 발명의 핫 프레스 소결장치에 사용된 성형 판의 다른 실시 예를 나타낸 것이다.

먼저, 도 7을 참조하여 설명하면, 성형 및 소결하고자 하는 소결체(121)가

의 형성을 가진다면, 상기 성형 판의 하부 성형 판(310)은 원료가 가압 되는 면이 평평한 판 상으로 형성되고, 상부 성형 판(320)은 상기 소결체(121)의 돌출된 부분을 형성하기 위해 상기 소결체(121)의 돌출된 부분과 대응되는 하부 면에

와 같이 홈이 형성되어 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 성형 판(310, 320)은 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성할 수 있고, 상기 상부 성형 판(310)은 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 구성할 수 있다.

다음, 성형 및 소결하고자 하는 소결체(120)가 도 8과 같이

의 형성을 가진다면, 상기 성형 판의 상부 성형 판(420)은 원료가 가압 되는 면이 평평한 판 상으로 형성되고, 상기 하부 성형 판(410)은 상기 소결체(120)의 돌출된 부분을 형성하기 위해 상기 소결체(120)의 돌출된 부분과 대응되는 상부 면에

와 같이 홈이 형성되어 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 성형 판(210, 220)은 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성할 수 있고, 상기 상부 성형 판(410)은 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)(410)와 카본 파우더(Carbon Powder)(411)로 구성할 수 있다.

그 다음, 성형 및 소결하고자 하는 소결체(121)가 도 9와 같이

의 형성을 가진다면, 상기 성형 판의 하부 성형 판(510)은 원료가 가압 되는 면이 평평한 판 상으로 형성되고, 상부 성형 판(520)은 상기 소결체(121)의 돌출된 부분을 형성하기 위해 상기 소결체(121)의 돌출된 부분과 대응되는 하부 면에

와 같이 홈이 형성되어 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 성형 판(310, 320)은 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성할 수 있고, 상기 상부 성형 판(510)은 1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)(520)와 카본 파우더(Carbon Powder)(521)로 구성할 수 있다.

한편, 상기 상부 및 하부 성형 판의 형상은 도 6 내지 도 9의 실시 예와 같이, 반드시 직각으로 형성할 필요는 없으며, 최종 제품의 형상에 따라 곡선의 형상으로 형성할 수도 있다.

성형 및 소결체의 제조 방법의 예

본 발명에 의한 핫 프레스(Hot Press) 소결장치를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법은 다음과 같다.

도 5를 참조하여 설명하면, 먼저 상기 몰드(Mold) 부재(20) 내부의 상부 및 하부 성형 판(210,220) 사이에 성형 및 소결체의 분말을 투입한다. 이때, 상기 성형 및 소결체의 분말은 불순물 함유 10ppm 이하인 고순도 SiC 분말과 일정량의 페놀 수지(Penolic Resin)를 솔벤트(Solvent)와 혼합하여 형성하되, 상기 페놀 수지는 1~10wt%의 비율로 혼합한다(본 발명의 실시 예에서는 5wt%를 투입하였다). 이때, 상기 SiC 분말의 입도는 0.5㎛ 내지 3㎛를 가질 수 있으나, 1.8㎛를 가지는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 혼합용액을 스프레이 드라이어(Spray dryer)를 이용해 과립화 한 후에 과립화 된 분말을 상기 몰드 부재(20)의 상부 및 하부 성형 판(210,220) 사이에 투입하고 레벨링(Leveling)을 실시한다.

그 다음, 세팅(Setting) 된 상기 몰드 부재(20)를 상기 핫 프레스 소결장치의 챔버(10) 내부에 장입한 다음, 진공 펌프(102)를 이용하여 상기 챔버(20) 내부를 진공 상태로 만든다. 계속해서, 상기 가열 부재(40)를 이용하여 상기 챔버(20)의 내부 온도를 2000 ℃ 이상, 바람직하게는 2100 ℃ 이상으로 유지시킨다.

그 후, 상기 챔버(20)의 내부 온도가 적어도 2000 ℃ 이상 유지되면 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220)을 10~50MPa 범위(바람직하게는, 40MPa)의 압력으로 상하로 가압하여 소결한다. 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220)에 의해 고온 및 고압으로 가압 된 혼합분말이 상기 상부 및 하부 성형 판(210,220)의 가압 면에 형성된 형상으로 성형 및 소결체가 형성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법은 제품의 형상에 근접한 3D 형상으로 만들어진 3차원(3D) 구조의 성형 및 소결체를 제조하여 가공 시간 및 재료 사용량을 줄임으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.

상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 핫 프레스(Hot Press) 소결장치 및 이를 이용한 성형 및 소결체의 제조 방법은 LED 및 액정표시장치를 제조하는 공정뿐만 아니라 고집적 반도체 회로기판, 항공기, 군사무기 등에 사용되는 성형 및 소결체, 서셉터(Susceptor) 등의 부품 제조 공정에 동일하게 적용할 수 있다.

100 : 핫 프레스(Hot Press) 소결(Sintering)장치
10 : 챔버 20 : 몰드 부재
30 : 가압 부재 31 : 하부 가압부재
32 : 상부 가압부재 40 : 가열 부재
50 : 단열 부재 60 : 성형 판
61 : 하부 성형 판 62 : 상부 성형 판
102 : 진공 펌프 104 : 개폐 밸브
106 : 배기구 120 : 성형 및 소결체
121 : 성형 및 소결체 210 : 하부 성형 판
220 : 상부 성형 판 410 : 하부 성형 판
411 : 카본 파우더(Carbon Powder) 420 : 상부 성형 판
510 : 하부 성형 판 520 : 상부 성형 판
521 : 카본 파우더(Carbon Powder)

Claims (12)

1. 성형 및 소결체의 제조 방법에 있어서,
   (a) 몰드(Mold) 부재 내부의 상부 및 하부 성형 판 사이에 성형 및 소결체의 분말을 투입하는 단계와;
   (b) 상기 몰드 부재를 핫 프레스 소결장치의 챔버 내부에 장입하는 단계와;
   (c) 상기 챔버를 진공 상태로 만든 후 일정 온도 이상으로 가열하는 단계; 및
   (d) 상기 챔버의 내부 온도가 일정 온도 이상 유지되면 상기 상부 및 하부 성형 판을 상하로 가압하여 성형 및 소결체를 형성하는 단계;를 포함하며,
   상기 상부 및 하부 성형 판은 상기 성형 및 소결체와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성되어 있는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 성형 및 소결체의 분말은:
   불순물 함유 10ppm 이하인 고순도 SiC 분말과 페놀 수지(Penolic Resin)를 솔벤트(Solvent)와 혼합한 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 페놀 수지는 1~10wt%의 비율로 혼합하고, 상기 SiC 분말의 입도는 0.5㎛ 내지 3㎛를 가지는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 (c) 및 (d)단계에서 온도는:
   적어도 2000 ℃ 이상으로 유지하는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계에서 상기 상부 및 하부 성형 판은:
   10~50MPa 범위의 압력으로 상하 가압하는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 성형 판은:
   1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 성형 판과 상기 하부 성형 판 중 어느 하나는:
   1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
8. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 성형 판 및 상기 하부 성형 판은:
   1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 각각 구성되는 성형 및 소결체의 제조 방법.
   
9. 핫 프레스(Hot Press) 소결장치에 있어서,
   챔버(10) 내에 위치하는 몰드 부재(20)와;
   상기 챔버(10) 내부를 진공 상태로 만드는 진공 펌프(102)와;
   상기 챔버(10) 내부를 가열하여 온도를 높이는 가열 부재(40)와;
   상기 챔버(10) 내부 온도를 유지시키는 단열 부재(50)와;
   상기 몰드 부재(20) 내부에 상승 및 하강 가능하게 서로 대응되도록 설치된 상부 및 하부 가압부재(31,32); 및
   상기 상부 및 하부 가압부재(31,32)의 대응 면에 각각 설치되며, 성형 및 소결체와 대응되는 형상이 가압 면에 일체로 형성된 상부 및 하부 성형 판;
   을 포함하는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.
   
10. 제 9 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 성형 판은:
    1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)로 각각 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.
    
11. 제 9 항에 있어서, 상기 상부 성형 판과 상기 하부 성형 판 중 어느 하나는:
    1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.
    
12. 제 9 항에 있어서, 상기 상부 성형 판 및 상기 하부 성형 판은:
    1개의 그라파이트 쉬트(Graphite Sheet)와 카본 파우더(Carbon Powder)로 각각 구성되는 핫 프레스(Hot Press) 소결장치.

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