KR20130090075A - 소결로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소결로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성형체를 소결하기 위한 소결로에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버; 상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및 상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 가열하는 히터(heater);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로를 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버; 상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및 상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 가열하는 히터(heater);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로를 제공한다.
Description
본 발명은 소결로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성형체를 소결하기 위한 소결로에 관한 것이다.
일반적으로 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescence Display) 등의 평판 디스플레이나 태양전지의 전극 재료로써 사용되는 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO) 막에는 산화인듐주석(Indium-tin Oxide, ITO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등이 사용되고 있다.
특히, 산화인듐주석 박막은 투명성, 전도성 등이 좋고 에칭 가공이 가능하며 기판과의 밀착성이 우수하여 평면 디스플레이 장치용 투명 전극, 태양 전지의 전극 및 정전기 방지 전도성막에 광범위하게 사용되고 있다.
산화인듐주석 박막을 형성하는 방법은 스프레이 열 분해법, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 화학적인 방법과 전자 빔 증착법, 스퍼터링 증착법 등의 물리적인 방법이 있는데, 이들 중에서 스퍼터링 증착법은 대면적화가 용이하고, 고성능의 막을 효율적으로 성막할 수 있어 여러 분야에서 널리 사용되고 있다.
스퍼터링 증착법은 진공 챔버 내에 아르곤(Ar) 가스와 같은 공정 가스를 투입하고 산화인듐주석 타겟재를 포함하는 캐소우드(Cathode)에 직류(DC) 전력 또는 고주파(RF) 전력을 공급하여 글로우(glow) 방전을 발생시켜서 기판에 증착막을 성막(成膜)한다.
스퍼터링 증착법으로 고품질의 산화인듐주석 박막을 형성하기 위해서는 고밀도의 산화인듐주석 타겟을 필요로 한다.
이러한 고밀도의 산화인듐주석 타겟은 일정한 크기 및 조성을 갖는 산화인듐주석 분말을 건식가압성형(cold press), 슬립 캐스팅(slip casting), 필터 프레스(filter press), 정수압 성형(cold isostatic press), 겔 캐스팅(gel casting), 강제침강(centrifugal sedimentation), 자연침강(gravimetric sedimentation) 등의 방법을 이용하여 산화인듐주석 성형체로 제조한 후, 이 성형체를 소결로에 장입하여 1500℃이상의 고온으로 소결시킴으로써 제조한다.
이때, 산화인듐주석 성형체의 소결 공정에서는 고온 구간에서 증기압이 높은 In2O3 및 SnO2의 휘발이 발생하게 되는데, 이와 같이, In2O3 및 SnO2이 휘발되면, 고밀도의 산화인듐주석 타겟을 얻는 것이 불가능해진다.
또한, 소결 공정에서는 소결되는 산화인듐주석 성형체의 수축을 원활히 하고, 소결로 내부에서 산화인듐주석 성형체가 안착되는 플레이트(plate)와 산화인듐주석 성형체의 반응을 최대한 억제하기 위해 통상적으로 산화인듐주석 성형체와 플레이트 사이에 릴리즈 파우더(release powder)를 도포한다. 이러한 릴리즈 파우더로는 Al2O3 등의 고온재료 분말 외에도 ITO 분말, In2O3 및 SnO2 분말 등이 사용될 수 있다. 하지만, 이들 분말은 모두 고온에서 휘발되어 소결로 상부의 배기구 내벽에 증착되고 계속적으로 성장되어, 소결로 내부로 낙하함으로써 산화인듐주석 소결체에 크랙(crack)을 유발시킨다.
그리고 이러한 현상은 소결로 내부에 배치되어 있는 내화물로의 연속적인 오염을 유발하여 소결 분위기 중 해당 종의 농도를 균질하지 못하게 하여 품질 산포를 발생시키게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소결로의 배기구에 성형체로부터의 증발물질이 응축되는 것을 억제할 수 있는 소결로를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버; 상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및 상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 가열하는 히터(heater);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로를 제공한다.
또한, 본 발명은 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버; 상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및 상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 둘러싸는 보온부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로를 제공한다.
그리고, 상기 소결로는, 상기 배기구에 장착되어 상기 배기구를 개·폐시키는 개폐구; 및 상기 챔버의 내부 온도에 따라 상기 개폐구의 이동을 제어하여 상기 배기구의 개방 또는 폐쇄 정도를 조절하는 컨트롤러;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 챔버의 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 개폐구와 접촉되는 상기 배기구의 상측 테두리부에는 상기 개폐구의 접촉 시 충격을 흡수하는 충격 흡수재가 형성될 수 있다.
또한, 상기 개폐구는 상·하 또는 좌·우로 슬라이딩되어 상기 배기구를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다.
이때, 상기 개폐구는 상기 배기구의 상측 개구부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 컨트롤러는, 상기 챔버의 내부 온도가 상온~1000℃로 승온되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 완전 개방시키고, 상기 챔버의 내부 온도가 1000~1600℃로 승온 및 유지되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 부분 개방시켜 상기 챔버 내부를 양압으로 유지시키며, 상기 챔버의 내부 온도가 1600℃~상온으로 냉각되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 완전 개방시킬 수 있다.
더둘어, 상기 소결로는, 상기 배기구와 연결되고 소결 과정에서 상기 성형체로부터 휘발되는 휘발물질을 흡입하는 흡입장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기구는 알루미나로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 성형체는 산화인듐주석으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 성형체로부터 증발된 이물이 온도 편차에 의해 배기구에 응축되어 결정 성장하는 것을 억제함으로써, 소결체에 크랙이 발생하는 것을 방지하고, 고품질의 소결체를 제조할 수 있다.
또한, 소결로 배기구의 개·폐량을 조절하여 성형체의 소결 시 챔버 내부의 압력을 제어하여 고품질 고밀도의 소결체를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결로의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소결로의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소결로의 개략적인 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 소결로에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결로의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 소결로는 챔버(110), 배기구(120), 및 히터(130) 또는 챔버(110), 배기구(120), 및 보온부재(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
챔버(110)는 내부에 성형체가 장입되어 소결되며, 소결로의 외형을 이룬다.
여기서, 성형체는 산화인듐주석으로 이루어질 수 있다.
이러한 챔버(110)의 측벽에는 성형체의 장입을 위한 투입구 및 성형체가 소결된 소결체의 배출을 위한 배출구가 형성될 수 있는데, 통상, 이 투입구와 배출구는 열 손실을 막기 위해 하나의 구성으로 이루어진다. 그리고 챔버(110)의 내부에는 성형체가 장입되고 열처리되어 소결되는 소결 공간이 형성되어 있다. 또한, 챔버(110)의 내부에는 성형체를 열처리하기 위해, 고온 안정성이 우수한 MoSi2 발열체가 복수개 설치될 수 있다. 그리고 챔버(110)의 내부는 내화물로 채워지는데, 내화물로는 내화벽돌, 내화 모르타르, 플라스틱 및 캐스터블 내화물 등이 사용될 수 있다.
한편, 소결을 위해 챔버(110)의 내부로 장입되는 성형체는 알루미나 또는 카본 재질의 도가니 또는 플레이트에 적재된 상태로 장입된다. 이때, 소결 후 도가니 또는 플레이트와 소결체의 원활한 분리 및 상호 간의 반응 억제, 소결 시 성형체의 원활한 수축을 위해, 도가니 또는 플레이트와 성형체 사이에 릴리즈 파우더(release powder)가 도포될 수 있다. 이때, 릴리즈 파우더는 도가니 또는 플레이트와 동일한 성분일 수 있다. 이러한 릴리즈 파우더는 고온에서 휘발되어 챔버(110)의 상측 및 배기구(120)에 증착 및 성장될 수 있으나, 본 발명에서는 배기구(120)를 통해 이와 같이 휘발된 기체를 원활히 배기시키고, 결정 성장을 최대한 억제하여 이들의 낙하로 인한 소결체에 크랙이 발생되는 현상을 방지하게 되는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 소결체로 소결되는 성형체는 원료 분말, 특히 산화인듐주석 성형체인 경우 In2O3 분말과 SnO2 분말, 을 건식가압성형(cold press), 슬립 캐스팅(slip casting), 필터 프레스(filter press), 정수압 성형(cold isostatic press), 겔 캐스팅(gel casting), 강제침강(centrifugal sedimentation), 자연침강(gravimetric sedimentation), 습식가압성형 등의 방법으로 성형하여 만들들 수 있다. 이때, 원료 분말에 대한 성형 시 성형성 향상을 위해, PVB(poly vinyl butyl)나 PVA(polyvinyl alcohol) 등의 유기물이 첨가될 수 있는데, 이러한 유기물은 성형체에 대한 소결 시 소결 온도보다 낮은 온도에서 열처리하는 탈지공정에서 제거된다.
배기구(120)는 챔버(110)의 상측에 설치되며, 챔버(110)의 내부와 외부를 연통시키고, 성형체의 소결을 위한 열처리 과정에서 증발되는 이물, 산화인듐주석 성형체의 경우 In2O3 또는 SnO2, 을 외부로 배기시키는 통로이다. 이러한 배기구(120)는 알루미나로 이루어질 수 있으며, 내화물에 의해 둘러싸여 있다.
히터(130) 또는 보온부재(140)는 챔버(110)의 내부와 외부를 연통시키는 배기구(120)에서 챔부(110) 외부로 돌출된 부분에 설치된다. 즉, 히터(130)는 배기구(120) 중 챔버(110) 외부로 돌출된 부분을 가열하고, 보온부재(140)는 배기구(120) 중 챔버(110) 외부로 돌출된 부분을 둘러싸 보온한다.
이와 같이, 챔버(110) 외부로 돌출된 배기구(120)의 부분을 가열 내지 소결로 자체열을 이용하여 보온함으로써, 성형체로부터 증발된 이물이 온도 편차에 의해 배기구(120)에 응축되어 결정 성장하는 것을 억제할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 챔버(110)의 내부는 성형체를 소결하기 위한 열처리에 의해 고온을 갖는 반면, 챔버(110)의 외부는 상온을 갖는다. 이때, 챔버(110) 내부에서의 성형체 소결 과정에서 증발된 이물이 배기구(120)를 통해 외부로 배출되는 과정에서, 챔버(110) 내부와 외부의 온도차에 의해 상온에 노출된 배기구(120) 부분에 증발된 이물이 응축되어 결정이 형성되게 된다. 이와 같이 결정 성장된 이물은 낙하에 의해 소결체에 크랙을 발생시키게 되고, 소결 분위기 중 해당종의 농도를 균질하지 못하게 하여 소결체 품질의 산포를 발생시킨다. 그러나, 본 발명에 따라 배기구(120) 중 챔버 외부로 돌출된 부분을 히터로 가열하거나, 보온 부재로 둘러쌈으로써, 챔버(110) 내부와 배기구(120) 중 챔버(110) 외부로 돌출된 부분의 온도 편차를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 상온에 노출된 배기구(120) 부분에서 이물이 응축되는 것을 억제하여, 고품질의 소결체를 생산할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소결로의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 소결로는 배기구(120)에 장착되어 배기구(120)를 개·폐시키는 개폐구(150) 및 챔버(110)의 내부 온도에 따라 개폐구(150)의 이동을 제어하여 배기구(120)의 개방 또는 폐쇄 정도를 제어하는 컨트롤러(미도시)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
개폐구(150)는 배기구(120)의 상측에 장착되고, 컨트롤러(미도시)와 전기적으로 연결되어, 컨트롤러(미도시)에 의해 인가되는 신호에 따라 슬라이딩 즉, 이동되어 배기구(120)을 개폐시킨다. 이때, 개폐구(150)는 배기구(120)의 상측 개구부와 대응되는 형상, 예컨대, 원형이나 다각형 등으로 형성될 수 있다. 그리고 개폐구(150)는 컨트롤러(미도시)에 의해 상·하 또는 좌·우로 슬라이딩되며, 개폐구(150)가 배기구(120)의 상측 개구부와 대응되는 형태로 형성됨에 따라, 개폐구(150)가 이동하게 되면, 개폐구와 배기구의 테두리 부분에 갭(gap)이 형성된다. 이에 따라, 성형체로부터 증발되는 휘발성 물질은 이러한 갭을 통해 외부로 배기된다.
아울러, 개폐구(150)가 배기구(120)를 폐쇄시키기 위해 배기구(120)을 향해 이동 및 접촉하게 되면, 충격이 발생될 수 있고, 이로 인해, 배기구 내벽 등에 결정 성장된 이물들이 낙하하여, 만들어지는 소결체에 크랙 형성을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 개폐구와 접촉되는 배기구의 상측 테두리에는 개폐구의 접촉 시 충격을 흡수하는 충격 흡수재(미도시)가 형성될 수 있다. 이때, 충격 흡수재(미도시)는 내열성 및 내구성을 갖는 물질로 형성되어야 함은 물론이다.
컨트롤러(미도시)는 챔버(110)의 내부 온도 변화에 따라 개폐구(150)를 제어하여 챔버의 내부 압력을 조절한다. 이를 위해, 컨트롤러(미도시)는 개폐구와 전기적으로 연결되어 개폐구를 상·하 또는 좌·우로 이동시켜 배기구의 개방 또는 폐쇄 정도를 조절하는데, 이와 같은 컨트롤러(미도시)의 작용에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결로는 챔버(110) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(미도시)를 구비할 수 있고, 온도 센서(미도시)에 의해 측정된 챔버(110) 내부 온도 데이터에 의해 컨트롤러(미도시)는 개폐구(150)를 제어할 것이다.
한편, 도시하진 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결로는 흡입장치(미도시)를 구비할 수 있다. 흡입장치(미도시)는 배기구(120)와 연결되어 성형체의 소결 과정에서 휘발되는 기체를 흡입한다. 이를 위해, 흡입장치(미도시)는 배기구(120)의 상측에 인접 배치될 수 있다. 이러한 흡입장치(미도시)는 휘발되어 배기되는 휘발물질을 직접 흡입함과 아울러 배기구의 상측 내벽에 응축되어 있는 휘발성 물질과 같은 결정 성장된 이물 또한 흡입하여 이들이 소결체에 낙하하여 크랙을 유발하는 현상을 미연에 방지하는 역할을 하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결로의 작용에 대해 설명하기로 한다.
산화인듐주석 성형체가 릴리즈 파우더가 도포된 도가니 또는 플레이트에 적재된 상태로 챔버(110)로 장입되면, 챔버(110) 내부에 설치되어 있는 MoSi2 발열체(미도시)에 전원을 인가하여 챔버(110)의 내부 온도를 승온시킨다. 이때, 컨트롤러(미도시)는 챔버(110)의 내부 온도가 상온~1000℃로 승온되는 동안에는 개폐구(150)에 신호를 전달하여 이를 슬라이딩시켜 배기구(120)를 완전 개방시킨다. 즉, 배기구(120)와 개폐구(150) 사이에 형성되는 갭의 크기가 최대인 상태가 된다. 이 온도 구간은 탈지구간으로 이와 같은 열처리를 통해, 산화인듐주석 성형체에 성형성 향상을 위해 첨가되었던 PVB(poly vinyl butyl)나 PVA(polyvinyl alcohol)를 연소시킨다. 이와 같이, 연소된 유기물들은 완전 개방된 배기구(120)를 통해 외부로 배기된다.
그 다음, MoSi2 발열체(미도시)의 출력을 높여 챔버(110) 내부의 온도를 산화인듐주석의 소결 온도까지 승온시킨다. 이때, 컨트롤러(미도시)는 챔버(110) 내부의 온도가 1000℃에서 1600℃까지 승온되어 유지되는 동안에는 배기구(120)을 완전 개방시킨 개폐구(150)에 신호를 전달하여, 이를 슬라이딩시켜 배기구(120)를 부분 개방시킨다. 이 경우, 배기구(120)와 개폐구(150) 사이의 갭은 대략 80%(최대 개방 기준)로 조절된다. 이와 같이, 배기구(120)을 부분 개방시키면 챔버(110) 내부는 양압을 갖고, 이에 의해 InOx, SnOx 종의 증발이 억제되어 고밀도의 산화인듐주석 소결체를 얻을 수 있게 된다.
마지막으로, MoSi2 발열체(미도시)에 공급되는 전원을 차단하고 소결체를 상온으로 냉각한다. 이때, 컨트롤러(미도시)는 개폐구(150)에 신호를 전달하여 배기구(120)를 완전 개방시킨다.
이와 같은 산화인듐주석 성형체의 소결 공정 중 본 발명에 따른 소결로는 챔버(110) 외부로 돌출된 배기구(120)의 부분을 히터(130) 또는 보온부재(140)에 의해 가열 내지 소결로 자체열을 이용하여 보온함으로써, 산화인듐주석의 성형체로부터 증발된 이물이 온도 편차에 의해 배기구(120)에 응축되어 결정 성장하는 것을 억제한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 챔버 120 : 배기구
130 : 히터 140 : 보온부재
150 : 개폐구
130 : 히터 140 : 보온부재
150 : 개폐구
Claims (11)
- 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버;
상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및
상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 가열하는 히터(heater);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 내부에 성형체가 장입되어 소결되는 챔버;
상기 챔버의 상측에 설치되며, 상기 챔버의 내부와 외부를 연통시키는 배기구; 및
상기 배기구의 상기 챔버 외부로 돌출된 부분을 둘러싸는 보온부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 소결로는,
상기 배기구에 장착되어 상기 배기구를 개·폐시키는 개폐구; 및
상기 챔버의 내부 온도에 따라 상기 개폐구의 이동을 제어하여 상기 배기구의 개방 또는 폐쇄 정도를 조절하는 컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제3항에 있어서,
상기 소결로는,
상기 챔버의 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제3항에 있어서,
상기 개폐구와 접촉되는 상기 배기구의 상측 테두리부에는 상기 개폐구의 접촉 시 충격을 흡수하는 충격 흡수재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제3항에 있어서,
상기 개폐구는 상·하 또는 좌·우로 슬라이딩되어 상기 배기구를 개방 또는 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제6항에 있어서,
상기 개폐구는 상기 배기구의 상측 개구부와 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제3항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 챔버의 내부 온도가 상온~1000℃로 승온되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 완전 개방시키고,
상기 챔버의 내부 온도가 1000~1600℃로 승온 및 유지되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 부분 개방시켜 상기 챔버 내부를 양압으로 유지시키며,
상기 챔버의 내부 온도가 1600℃~상온으로 냉각되는 동안에는 상기 개폐구에 신호를 전달하여 상기 배기구를 완전 개방시키는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 소결로는,
상기 배기구와 연결되고 소결 과정에서 상기 성형체로부터 휘발되는 휘발물질을 흡입하는 흡입장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배기구는 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 성형체는 산화인듐주석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결로.
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