KR20130107437A - 진공 열처리 장치 - Google Patents

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김병숙
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    • C30B29/36—Carbides

Abstract

실시예에 따른 진공 열처리 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 위치하는 머플(muffle); 상기 머플 내에 위치하는 반응 용기; 및 상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고, 상기 머플은 내부로 돌출되고, 패턴 형상을 포함하는 지지부를 포함한다.

Description

진공 열처리 장치{VACUUM HEAT TREATMENT APPARATUS}
실시예는 진공 열처리 장치에 관한 것이다.
진공 열처리 장치는 원료를 도가니 내에서 열처리하여 원하는 물질을 제조하는 장치로서, 진공 상태에서 열처리를 수행하여 주위로부터 오염이 발생하지 않는 등의 장점이 있다. 이러한 진공 열처리 장치에서는, 진공으로 유지되는 챔버 내에 단열 부재를 위치시키고 이 단열 부재 내에 히터를 위치시켜 원료를 가열한다.
이러한 원료가 수용되는 도가니는 흑연 박스(graphite box) 또는 머플(muffle)이라고 불리는 일정한 공간을 포함하는 박스 내부에 수용될 수 있다. 이러한 머플은 내부의 반응 가스가 단열재로 넘어가지 않도록 하는 역할을 한다.
그런데, 반응이 진행됨에 따라 머플과 미반응 가스들이 서로 반응하여 상기 머플 상에 이종물질을 생성할 수 있다. 이에 따라 머플과 이종 물질의 서로 다른 열팽창 계수에 의하여 머플에 열 응력이 가해질 수 있다. 이에 따라 심각할 경우에는 열 응력에 의하여 머플 구조에 변형을 일으키거나 반응 도중에 머플이 파손될 수 있다. 이에 의하여 머플 교체 비용이 과다하게 발생하여 공정 비용이 상승하고, 공정 효율이 절감할 수 있다.
따라서, 상기 반응 공정 도중 이종 물질들과의 열팽창 계수 차이에 의한 머플의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 머플 구조의 개선 필요성이 대두된다.
실시예는 파손을 방지할 수 있는 진공 열처리 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 진공 열처리 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 위치하는 머플(muffle); 상기 머플 내에 위치하는 반응 용기; 및 상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고, 상기 머플은 내부로 돌출되고, 패턴 형상을 포함하는 지지부를 포함한다.
실시예에 따른 진공 열처리 장치에서는, 머플 내부에 지지부를 형성하여 고온에서 열 응력에 의하여 머플이 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 지지부는 일정한 형상을 가지는 패턴이 반복적으로 일정한 간격 및 높이를 가지도록 형성되어 머플의 변형 또는 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 개략적인 도면이다.
도 2 및 도 3은 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 머플의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 머플 지지부의 일부를 나타낸 단면도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 실시예에 따른 진공 열처리 장치의 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 진공 열처리 장치(100)는, 챔버(10)와 상기 챔버(10) 내에 위치한 단열 부재(20)와, 상기 단열 부재(20) 내에 위치한 머플(30), 상기 단열 부재(20) 내에 위치한 가열 부재(40), 상기 머플(30)과 연결된 배기관(50) 및 상기 머플(30) 내에 위치한 반응 용기(60)를 포함한다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
분위기 가스 공급 파이프(도시하지 않음)를 통하여 상기 챔버(10)의 내부로 분위기 가스가 주입된다. 분위기 가스로는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.
챔버(10) 내에 위치하는 단열 부재(20)는 반응 용기(60)가 반응에 적정한 온도로 유지될 수 있도록 단열시키는 역할을 한다. 이러한 단열 부재(20)는 고온에 견딜 수 있도록 흑연을 포함할 수 있다.
상기 단열 부재(20)와 상기 머플(30) 및 상기 반응 용기(60) 사이에는 상기 반응 용기(60)를 가열하는 가열 부재(40)가 위치한다. 이러한 가열 부재(40)는 다양한 방법에 의하여 반응 용기(60)에 열을 제공할 수 있다. 일례로, 가열 부재(40)는 흑연에 전압을 가하여 열을 발생시킬 수 있다.
상기 배기관(50)은 상기 머플(30)과 연결될 수 있다. 이러한 배기관(50)은 반응에 참여하지 않은 미반응 가스들을 챔버(10) 외부로 배출할 수 있다. 이러한 배기관(50)은 고온에 견딜 수 있도록 흑연을 포함할 수 있다.
이러한 진공 열처리 장치(100)는 일례로, 탄소원과 규소원을 포함하는 혼합 원료를 가열하여 탄화규소를 제조하는 탄화규소와 제조 장치로 이용될 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 머플(30)은 상기 반응 용기(60)를 수용할 수 있다. 상기 머플(30)은 반응 용기 내에서 반응하는 반응 가스가 단열재로 넘어가지 않도록 한다. 이러한 머플(30)은 고온에 결딜 수 있도록 흑연을 포함할 수 있다.
이러한 진공 열처리 장치(100)의 머플(30)을 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 실시예에 따른 진공 열차리 장치의 머플을 도시한 사시도이고, 도 4 및 도 5는 제 1 및 제 2 변형예에 따른 진공 열처리 장치의 머플의 지지부의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 상기 머플(30)의 내벽에 내부를 향해 돌출되는 지지부가 형성된다. 이러한 지지부는 고온에서 열 응력에 의하여 상기 머플(30)이 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다.
진공 열처리 장치(100)가 탄화규소를 제조하는 탄화규소 제조 장치로 사용되는 경우를 일례로 설명한다. 도가니 즉, 반응 용기(60) 내에 탄소원 및 규소원 등을 포함하는 원료가 충전되고, 상기 반응 용기(60)는 상기 머플(30) 내에 수용된다. 이후에 상기 가열 부재(40)에 의해 2000℃ 이상의 고온으로 가열되고, 상기 반응 용기 내에서 상기 원료가 반응하여 탄화규소 분말을 생성한다.
이때, 상기 반응 후에는 미반응 가스 등이 생길 수 있다. 즉, 상기 반응은 하기의 반응식 1 및 반응식 2의 단계에 의하여 반응식 3의 전체 반응식에 의하여 탄화규소 분말이 형성된다.
[반응식 1]
SiO2(s) + C(s) -> SiO(g) + CO(g)
[반응식 2]
SiO(g) + 2C(s) -> SiC(s) + CO(g)
[반응식 3]
SiO2(s) + 3C(s) -> SiC(s) + 2CO(g)
이러한 반응 중에는 SiO, CO, CO2 등의 미반응 가스들이 발생할 수 있다. 상기 미반응 가스들은 상기 흑연을 포함하는 머플(30)과 반응되어 이종 물질을 형성할 수 있다. 즉, 상기 머플(30)은 2000℃ 이상인 반응 온도 이상의 고온을 견디기 위해 흑연으로 이루어지므로, 상기 미반응 가스 등이 흑연을 포함하는 상기 머플과 반응하여 상기 머플(30) 내에 이종 물질인 탄화규소층(SiC layer)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 흑연을 포함하는 상기 머플(30)에 이종 물질인 탄화규소층이 형성되므로, 상기 머플(30)의 중간 부분이 주변 부분보다 외부를 향해 휠 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 진공 열처리 장치(100)의 머플(30)은 상기 머플(30)의 측벽이 이종 물질에 의한 열팽창 계수 차이에 의해 휘어지는 힘을 잡아주는 지지부(32)를 형성하여 상기 머플(30)의 변형을 방지할 수 있다.
도면에서는 지지부(32)가 머플(30)의 내벽에 형성된 것으로 도시하였으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 지지부(32)가 상기 머플의 외벽에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 지지부(32)는 상기 머플(30)의 내벽에 하나 또는 복수 개가 형성될 수 있다. 즉, 상기 지지부(32)는 도 2에 도시되어 있듯이, 상기 머플(30)의 내벽에 하나만 형성되거나, 또는 도 3에 도시되어 있듯이, 상기 머플(30)의 내벽에 일정한 간격으로 서로 이격하여 복수 개가 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만 상기 머플(30)을 밀폐하는 머플 덮개에도 상기 머플(30)의 내벽과 동일하게 내부로 돌출되고, 패턴 형상을 포함하는 하나 또는 복수 개의 지지부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부(32)는 상기 머플의 측벽에 대해 세로 방향 또는 가로 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 지지부(32)는 상기 머플(30)의 깊이 방향으로 길게 연장되는 방향으로 형성되는 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향으로 연장되는 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부(32)는 상기 머플(30)의 내벽에서 일정한 간격 및 두께를 가지는 패턴 형상으로 내부를 향해 돌출될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면 다양한 형상을 가지는 지지부의 패턴 형상이 도시되어 있다. 상기 지지부의 패턴은 열팽창 계수 차이에 의한 응력을 흡수하기 위해 곡선을 가지는 형상을 포함할 수 있다. 즉, 상기 패턴의 단면은 단면이 라운드진 형상을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 지지부는 도 4에 도시한 바와 같이 지지부가 볼록한 형상을 가지거나, 도 5에 도시한 바와 같이 지지부의 단면에서 모서리 부분이 라운드지게 형성될 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 한정되지 않고, 상기 지지부의 패턴 형상은 머플의 변형 또는 파손을 일으키는 응력을 완화시켜 줄 수 있는 다양한 형상을 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 이러한 지지부(32)는 상기 머플(30)과 일체로 형성되어 상기 머플(30)과의 결합 특성이 우수하여 상기 머플(30)이 휘는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 지지부가 머플(30)과 별개로 형성되어 상기 머플(30)에 부착될 수도 있음은 물론이다.
상기 지지부(32)의 패턴은 일정한 두께를 가지고, 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 지지부(32)의 패턴의 두께는 상기 머플의 측벽 두께에 대해 1:10 내지 1:100 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 지지부(32)의 패턴의 두께는 상기 머플의 측벽 두께에 대해 1:40 내지 1:60 일 수 있다. 상기 지지부(32)의 패턴의 두께가 상기 머플의 측벽 두께에 대해 1:10 미만이면, 응력에 의한 휨 현상을 충분히 방지할 수 없고, 1:100 을 초과하면, 상기 응력이 상기 지지부(32)에 집중되게 되어 지지부(32)가 변형 또는 파손될 수 있다.
또한, 상기 지지부(32)의 패턴들의 간격은 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 패턴들은 곡선을 포함하고, 상기 곡선의 피크들의 간격은 상기 머플과 미반응 가스들이 반응할 수 있는 표면적을 고려하여 일정 범위로 설정될 수 있다. 일례로, 상기 곡선 피크의 간격은 상기 머플 측벽의 가로 또는 세로 길이에 대해 1:10 내지 1:70 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 곡선 피크의 간격은 상기 머플 측벽의 가로 또는 세로 길이에 대해 1:10 내지 1:25 일 수 있다.
실시예에 따른 진공 열처리 장치에서는, 머플 내부에 지지부를 형성하여 고온에서 열 응력에 의하여 머플이 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 일정한 형상을 가지는 패턴을 포함하는 지지부(32)는 이종물질에 의한 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 응력을 흡수하여, 상기 머플이 반응 후 미반응 가스와의 반응에 의한 변형 또는 파손을 방지할 수 있다. 이때, 상기 지지부(32)는 일정한 형상을 가지는 패턴이 반복적으로 일정한 간격 및 높이를 가지도록 형성되어 머플의 변형 또는 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 상기 반응 공정 중 머플의 변형 및 파손을 방지하여 머플의 수명을 연장함으로써, 머플의 교체 주기를 향상시킬 수 있어 공정 효율을 증가시킬 수 있고, 공정 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 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.

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내에 위치하는 머플(muffle);
    상기 머플 내에 위치하는 반응 용기; 및
    상기 챔버 내에서 상기 반응 용기를 가열하는 가열 부재를 포함하고,
    상기 머플은 내부로 돌출되고, 패턴 형상을 포함하는 지지부를 포함하는 진공 열처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴의 두께는 상기 머플 두께에 대해 1:10 내지 1:100 인 진공 열처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴의 두께는 상기 머플 두께에 대해 1:40 내지 1:60 인 진공 열처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴은 곡선을 가지는 단면이 라운드진 형상을 포함하는 진공 열처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴의 곡선 피크(peak) 간격은 상기 머플의 측벽 길이에 대해 1:10 내지 1:70 인 진공 열처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴의 곡선 피크(peak) 간격은 상기 머플의 측벽 길이에 대해 1:10 내지 1:25 인 진공 열처리 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지지대는 상기 반응 용기와 일체로 형성되는 진공 열처리 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 머플의 측벽에 하나씩 형성되는 진공 열처리 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 머플의 측벽에 복수로 형성되는 진공 열처리 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 머플의 깊이 방향으로 연장되어 형성되는 진공 열처리 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102530008B1 (ko) * 2022-09-22 2023-05-08 대보하이테크 주식회사 흑연 고순화 처리장치 및 그의 동작방법

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