KR20180037382A

KR20180037382A - 산화물 결정성장용 고품질 저비용 세라믹 내화재 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180037382A
Application number: KR1020160127456A
Authority: KR
Inventors: 김광종
Original assignee: 주식회사 우진더블유티피
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-12
Also published as: KR101921133B1

Abstract

사파이어 잉곳(Sapphire Ingot) 생산용 결정성장로(Kyropoulos Furnace)에 사용되는 내화재를 고품질이며 저비용으로 제조 가능한 세라믹 내화재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, (a) 용융로에서 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)가 혼합된 혼합 분말을 고주파로 용융하는 용융 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 혼합 분말이 용융된 용융물을 배출함과 동시에 고압의 공기를 분사하여 비드(Bead)를 제작하는 비드 제작 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 제작된 비드를 내화물 성형 유닛으로 안내하는 비드 안내 단계, (d) 소정 형상의 내화물을 제조하도록 상기 단계 (c)에서 안내된 비드를 성형 유닛에 주입하는 단계, (e) 상기 단계 (d)에서 제조된 내화물을 인출하여 후 가공하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 제조 원가를 절감할 수 있다.

Description

산화물 결정성장용 고품질 저비용 세라믹 내화재 및 그의 제조 방법{Ceramic reflector of high quality and low cost for crystal growth of oxides and manufacturing method thereof}

본 발명은 내화재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 사파이어 잉곳(Sapphire Ingot) 생산용 결정성장로(Kyropoulos Furnace)에 사용되는 내화재를 고품질이며 저비용으로 제조 가능한 세라믹 내화재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 블루(Blue) 또는 백색(white) LED를 제조하기 위해서는 GaN 반도체가 이용되며, CVD법에 의하여 GaN 반도체를 성장시키기 위한 기판으로는 GaN 단결정 웨이퍼를 사용한다. 즉 블루 또는 백색 LED를 제조하기 위해서는 사파이어(Al₂O₃) 단결정 웨이퍼를 사용하며, 그 수요가 증대되고 있다.

또 최근에는 사파이어의 우수한 경도와 광투과율을 이용하여 스마트폰의 커버글래스 소재로 사용하며, 스마트폰에 적용된다면 사파이어의 수요는 급증하고 있다.

이와 같은 사파이어 단결정의 성장방법으로는 키로풀로스(Kyropoulos)법, 챠크랄스키(Czochralski)법, 열교환법(HEM, Heat Exchange Method), VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing)법, EFG법(Edge-Defined Film-Fed Growth)법 등이 사용된다. 그 중에서 LED용 기판으로 사용할 정도의 품질과 크기로 성장시키기 적합한 방법은 열교환법과 키로풀로스법을 들 수 있다. 이러한 종래의 사파이어 성장법에서 수요증대에 대응하기 위하여 대량생산을 겨냥한 생산성 향상 방법에는 결정의 대형화가 필수적이지만 대형의 결정을 성장시키기 위해서는 결정의 성장시간과 냉각시간의 연장이 불가피하게 되므로 생산시간이 길어지게 되고 이로 인하여 기대한 만큼의 생산성이 향상되지 못하며, 결정의 품질을 확보하기 위하여 고난도의 기술개발이 필요하다는 어려움에 직면하게 된다.

이러한 방법을 통해 제조된 사파이어 단결정은 고순도(99.99%, 4N급이상) 알루미나(Al₂O₃) 분말 등을 2,300℃ 이상 고온에 용융시킨 뒤 서서히 결정(Crystal)을 성장시키면서 냉각하여 굳히는 형태로 완성된다.

상기 사파이어 단결정을 성장시키기 위해서는 고온에 견디는 물질로서 적어도 2,000℃ 이상 고온에서 연화(Softening)하지 않고 그 강도를 충분히 유지하며, 화학적 작용 등에도 견딜 수 있는 재료로서, 사파이어 단결정 성장로(Sapphire Single Crystal Growing Apparatus) 등의 내부에서 초고온의 열을 보온하거나 단열을 수행하기 위해 내화물(Refractories)이 사용되고 있다.

이와 같은 사파이어 단결정 성장로의 내화물 재료로는 금속 몰리브덴이 사용되었으며, 두께가 0.5㎜의 몰리브덴 판을 10겹으로 겹쳐서 만들어 사용 중 고온으로 인하여 변형이 일어나고, 그 수명이 6개월 내지 1년으로 짧아 경제적이지 못하여 최근에는 큐빅 지르코니아를 분쇄하여 수용성 자재로 접착시켜 브릭(Brick) 상태로 제작하여 사용되고 있다. 즉, 초기 사파이어 결정성장로에 사용되었던 내화재는 두께 0.5mm 몰리브덴 금속 시트를 5~7회 정도 둘둘 말아 내부에 발생되는 열을 보온시켰다. 그러나 몰리브덴이 고온에 견디는 금속이라도 2,400℃의 초고온에서는 열변형을 일으켜 그 수명이 약 6개월에 지나지 않는다. 또 몰리브덴 내화재는 사용 중 제품에 많은 결함을 나타나고, 사용시간(Life Time)이 지르코니아 내화재에 비하여 반 정도로 짧으며, 소모 전력이 지르코니아 내화재에 비하여 2배로 높다는 문제가 있었다.

이 문제에 대한 대책으로 최근에는 열전도도가 매우 낮고(3W/m·k) 상변태가 없는 단결정 지르코니아(Cubic Zirconia)를 소결하여 내화재로 사용하게 되었다.

이러한 기술의 일 예로서, 본 출원인이 출원한 하기 문헌 1 및 2 등에 내화물 제조에 관해 개시되어 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 (a)이트리아를 포함하는 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 단계, (b)상기 용융로로부터 용융된 상기 지르코니아를 공기 중으로 낙하시키는 단계, (c)낙하되는 상기 용융 지르코니아를 향해 고압 공기분사유닛으로 고압의 공기를 분사하여 상기 용융 지르코니아를 용융 안정화 지르코니아 비드로 형성하는 단계, (d)상기 용융 안정화 지르코니아 비드를 내화물 성형유닛에 적층하여 내화물로 제작하는 단계 및 (e)냉각 후, 상기 내화물 성형유닛으로부터 상기 내화물을 취출하여 후가공을 수행하는 단계를 포함하는 이트리아 함량을 최소화한 용융 안정화 지르코니아 비드로 만든 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조방법에 대해 개시되어 있다.

또 하기 특허문헌 2에는 지지대, 상기 지지대 상부에 일 방향으로 회동 가능하게 구비되어 이트리아를 포함하는 지르코니아를 고주파를 이용한 스컬 용융 방식(Skull Melting Method)으로 용융하는 용융로, 상기 용융로의 하부에 위치되어 상기 용융로로부터 낙하되는 용융된 지르코니아를 향해 고압의 공기를 분사하여 용융 안정화 지르코니아 비드를 생성하는 고압 공기분사유닛 및 상기 고압 공기분사유닛 하부에 위치하되, 상기 용융로가 기울어지는 방향에 배치되어 상기 용융 안정화 지르코니아 비드를 적층시켜 내화물을 성형하는 내화물 성형유닛을 포함하는 사파이어 단결정 성장로에 사용되는 내화물 제조방법에 대해 개시되어 있다.

또 하기 특허문헌 3에는 원료를 저장하는 호퍼와 원료를 투입하는 피더를 구비한 원료공급부, 고주파를 발생시키는 고주파 발진기와 수냉식 냉각 방식이 사용되는 도가니와 고주파 에너지를 도가니 내용물에 커플링시키는 유도가열코일과 용융된 내용물을 배출시키는 경사대를 구비하는 용융부(200), 압축 에어를 분사하여 구형의 비드를 제조할 수 있도록 하는 에어건(air gun)과 제조된 비드를 포집하는 포집기를 구성하는 블로잉부(blowing), 제조된 비드를 각각의 크기나 구형도의 특성에 따라 분리하는 선별기, 연마와 세척을 위한 연마세척기, 건조를 위한 건조기로 이루어지는 지르콘 비드의 제조 장치에서, 상기 도가니의 외측으로부터 내측으로 깊게 파여 용융물의 배출이 용이하도록 배출구를 형성한 지르콘 비드의 제조장치에 대해 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1415631호(2014.06.30 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1415632호(2014.06.30 등록) 대한민국 공개특허공보 제2006-0024021호(2006.03.15 공개)

그러나 상술한 바와 같은 종래의 기술에서는 지르코니아 용융물 기울이기 및 공기 분사를 적용하였지만, 에어 량 과다하여 비드의 크기가 원하는 입도를 제작하기 곤란하며, 파일럿 내화재를 만들 수 있는 비드를 생산하는 것이 곤란하였다.

또 상기와 같은 종래의 기술에서는 단결정 지르코니아를 조분쇄한 분말에 바인더(BaAl₂O₄)를 넣고 소결하여 일정한 형상의 브릭(Brick)으로 제작하고, 지르코니아 내화재는 접착제로 바인더가 소요되며 이로 인한 흄(Hume) 발생 등 여러 품질 문제가 발생하는 문제가 있었다.

또한, 종래 기술에서 사용하는 지르코니아는 상변화시 단사정계에서 정방정계로 변할 때 약 5%의 부피변화가 수반되어 입자(Grain)가 깨지는 현상이 발생하며, 이는 내화물을 만들 때 치명적인 결함으로 작용한다. 이와 같은 치명적인 결함은 이트리아(Yttria, Y₂O₃), 큐빅 산화물, 산화칼슘 및 마그네시아 등을 넣어 해결하며, 이 중 가장 많이 사용되는 첨가물은 이트리아로 약 20몰% 첨가시 온도 변화에도 육방정계만을 유지하여 부피변화가 일어나지 않아 고온이 요구되는 내화물을 제조할 수 있지만, 이 이트리아는 고가이므로 제조 비용이 상승한다는 문제도 있었다.

즉, 종래의 기술에 따르면, 고가의 희토류 원소인 이트리아(Y₂O₃)를 20wt% 넣고 다시 결정(Crystal)으로 성장시키기까지에는 대략 80시간이 소요된다. 즉 종래 기술에 따르면 용융 4시간, 용융 안정 6시간, 결정 성장 70시간 등 80시간의 1차 결정 생산 공정을 실행하고, 이렇게 만들어진 결정(Crystal)으로 내화재로 제조하기 위해 조분쇄, 바인더 혼합, 압착, 소결 등의 2차 제조공정을 실행하므로 제조 비용이 증가하고, 제품의 생산 시간이 길어 제조 원가가 상승하게 된다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 에어 량 미세 조절로 원하는 입도 크기를 조절하고 연속적이고 안정적인 생산 시스템 구축할 수 있는 내화재 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원가 절감을 실행하며, 바인더를 사용하지 않아 제품(Sapphire)의 품질 향상을 도모할 수 있는 내화재 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 혼합 분말의 용융 단계에서 고주파를 사용하여 고속으로 혼합 분말을 용융하여 비드 제작 후 주형에 주입하여 제조 비용을 절감할 수 있는 내화재 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 내화재의 제조방법은 산화물 결정 성장용 내화재(Reflector)를 제조하는 방법으로서, (a) 용융로에서 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)가 혼합된 혼합 분말을 고주파로 용융하는 용융 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 혼합 분말이 용융된 용융물을 배출함과 동시에 고압의 공기를 분사하여 비드(Bead)를 제작하는 비드 제작 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 제작된 비드를 내화물 성형 유닛으로 안내하는 비드 안내 단계, (d) 소정 형상의 내화물을 제조하도록 상기 단계 (c)에서 안내된 비드를 성형 유닛에 주입하는 단계, (e) 상기 단계 (d)에서 제조된 내화물을 인출하여 후 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 내화재의 제조방법에서, 상기 단계 (a)에서 혼합 분말 100 중량부에 대해 상기 지르코니아(ZrO₂)는 94~96 중량부를 포함하고, 상기 이트리아(Y₂O₃)는 4~6 중량부를 포함하고, 상기 용융로에서 도가니(Skull)의 직경은 고주파의 침투 깊이의 5~7배로 설정되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 내화재의 제조방법에서, 상기 고주파는 상기 용융로에서 상하로 이동 가능하게 인가되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 내화재의 제조방법에서, 상기 단계 (c)에서 상기 비드는 슈트(Shute) 안에서 산란되어 비드 덩어리로 안내되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 내화재의 제조방법에서, 상기 단계 (a)에서 상기 용융로 내에는 카본 링이 투입되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 내화재의 제조방법에서, 상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 용융된 용융물의 상부 클러스트 층을 제거한 후 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 내화재는 상술한 내화재의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 내화재 및 그의 제조 방법에 의하면, 용융로에서 혼합 분말의 용융시 카본 링을 사용하므로, 혼합 분말의 용융 시간을 단축할 수 있고, 대용량의 혼합 분말을 균일하게 용융할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 내화재 및 그의 제조 방법에 의하면, 비드를 내화물 성형 유닛으로 안내하는 슈트를 적용하는 것에 의해 비드가 슈트 내에서 산란되고, 좁은 슈트 내를 비드가 강제로 통과하면서 서로 붙어 비드 덩어리가 형성되어 내화물 성형 유닛으로 안내되므로, 내화재의 제조시 발생하는 품질 문제를 해결할 수 있다는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 내화재 및 그의 제조 방법에 의하면, 고가의 이트리아 사용량을 5wt%로 줄이고, 내화물 제조에 소요되는 시간을 결정 성장 시간 필요없이 단지 용융에 필요한 4시간으로 줄일 수 있어 단결정 지르코니아를 이용한 시간에 비하여 제조 원가를 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따른 내화재를 제조하기 위한 장치의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 내화재 제조 장치의 사진,
도 3은 도 1에 도시된 용융로의 구조를 설명하기 위한 구성도,
도 4는 본 발명에 적용되는 고주파 침투 깊이와 도가니(Skull) 반경의 효율관계를 설명하는 그래프,
도 5는 본 발명에 적용되는 성형 유닛의 일 예를 나타내는 사진,
도 6은 본 발명에 따른 내화재를 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도,
도 7은 본 발명에 적용되는 혼합 분말에서 응집체가 4~5㎛의 크기를 갖는 상태의 SEM 사진,
도 8은 본 발명에 적용되는 단사정계 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합 분말을 XRD로 분석한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 혼합 분말의 용융 과정에 적용되는 카본 링의 일 예를 나타내는 사진.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명은 사파이어 결정 성장로에 사용되는 지르코니아 내화재 제조 방법으로서, 기존 제조공법인 소결법과는 달리 용융로에서 고주파를 이용하여 지르코니아를 완전 용융(3,000℃ 이상)하고 도가니(Skull)를 기울려 용융물을 배출시키면서 고압공기를 분사하여 분무와 같은 작은 구(球, Bead) 상태로 분산시켜 슈트로 안내하여 고온 몰타르 주형에 주입하는 주조공법으로 내화재를 제조하는 기술을 개발한 것이다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 내화재의 제조 장치에 대해 도 1 내지 도 5에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 내화재를 제조하기 위한 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 내화재 제조 장치의 사진이며, 도 3은 도 1에 도시된 용융로의 구조를 설명하기 위한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 고주파 침투 깊이와 도가니(Skull) 반경의 효율관계를 설명하는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 성형 유닛의 일 예를 나타내는 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내화재 제조 장치는 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)가 혼합된 혼합 분말을 고주파로 용융하여 배출하는 용융로(10), 상기 용융로(10)에서 배출되는 용융물에 공압의 공기를 분사하여 비드 형상을 제작하는 에어 건(20), 상기 에어 건(20)에 의해 용융물에서 비드가 산란되어 좁은 통로 내를 강제로 통과하면서 서로 붙어 덩어리를 형성하도록 안내하는 슈트(30), 슈트(30)에 의해 안내된 비드가 충전되어 소정 형상의 내화물을 제작하는 성형 유닛(40)을 포함한다.

또 본 발명에 따른 내화재 제조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 구성 부품의 하부에 바퀴를 부착하여 이동 가능하게 마련되며, 승강 가능하게 마련될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 구성을 실현한 본 발명에 따른 내화재 제조 장치의 사진이다.

상기 용융로(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 혼합 분말을 수용하고 용융물을 배출하기 위한 경사로가 마련된 도가니(11), 상기 도가니(11) 주의로 수냉식 냉각 라인을 형성하는 냉각 파이프(12), 상기 도가니(11)로 고주파를 인가하여 상기 혼합 분말을 용융시키는 고주파 발생기(13)를 포함한다.

상기 고주파 발생기(13)는 고주파 발진기, 유도 가열코일(131), 상기 유도 가열 코일을 상하로 이동시키는 이동체(132)를 구비한다.

상기 도가니(11)의 직경은 고주파의 침투 깊이의 5~7배로 설정한다. 본 발명에서는 도가니(11)로서 지르코니아 용융을 위해 1톤급 대형 SMS(Skull Melting System)을 적용하였다. 즉 대형 도가니에 적용하는 경우, 고주파 가열효율이 우수한 침투깊이와 도가니 반경 범위를 통해 하기 식 1과 같이 도가니의 용량선정을 실행하였다.

(식 1) 침투 깊이/스컬 반경 = 0.2 ~ 1.2 (최적 가열효율)

즉 도 4에 도시된 그래프에 따라 고주파 도가니 직경과 침투깊이, 주파수를 고려하여 도가니(11)의 투입량을 계산한 결과, 침투깊이와 도가니 직경을 6.5배로 설정하였다.

적정 도가니 직경 = 침투깊이 × 6.5

소형(800kHz) = 2.8 × 6.5 = 18.2cm

대형(40kHz) = 11× 6.5 = 71.5cm

이에 따라 최적 도가니 형상으로서 내경 약 700mm, 높이 900mm, 총 용량 1,000kg 투입을 적용하였다.

표 1은 본 발명에 적용되는 도가니 규모별 고주파 주파수와 설비출력의 상태를 나타낸다.

항목		25㎏ 용융로	1,000㎏ 용융로
도가니	내경(mm)	180	720
도가니	높이(mm)	300	900
발진 주파수		800kHz	40kHz
고주파 설비 출력		50kW	250kW

또한, 도가니에서 산화물을 용융시킬 때 우선적으로 고려해야 할 사항은 용융시키고자 하는 재료에 대한 융점에서의 비저항 값이다. 지르코니아 비저항(Specific resistance electrical resistivity) 값에 따라 각각의 주파수에 해당하는 침투깊이(Skin depth)가 달라지며 이는 도가니의 크기 설정에 중요한 요인으로 작용하게 된다. 우선적으로 용융시키고자 하는 재료의 비저항 값을 파악한 후 고주파 발진 주파수를 선정하고 그에 따른 주파수 침투깊이를 계산하여 최종적으로 도가니의 크기를 결정하였다.

또 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 고주파 발생기(13)의 제작시, 도가니(11)의 높이가 90㎝이고 고주파 유도 코일(131) 폭이 22㎝로 용융범위가 ㅋ코일 폭보다 크므로 전체 원료를 용융하기 위하여 유도 코일(131)을 상하 이동 가능하게 하기 위해 이동체(132)를 마련하였다. 이와 같은 이동체(132)는 예를 들어 웜 기어를 적용하여 웜 기어의 좌우 회전에 의해 유도 코일(131)이 상하로 이동 가능하게 마련된다.

또 용융로(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 혼합 분말을 도가니(11)에서 고주파로 완전 용융하고 도가니(11)를 기울려 용융물을 배출시키면서 고압공기를 분사하여 분무와 같은 작은 구(Bead) 상태로 분사시키기 위해 틸팅 구조로 마련된다.

본 발명에 적용되는 고주파 발진기는 통상의 용접봉 재료 생산에 사용되는 반도체 고주파 장비를 적용할 수 있으며, 예를 들어 고주파 출력 : 300kW, 발진주파수 : 35 ~ 45㎑, 발진방식 : IGBT를 사용한 인버터 형을 적용할 수 있다.

상기 에어 건(20)은 상술한 특허 문헌 1 또는 2에 기술된 에어 건을 적용할 수 있으며, 도가니(11)에서 흘러내리는 용융물은 에어 건(20)의 노즐에서 고압 분사시키면 비드가 형성된다.

상기 슈트(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 대략 원통형으로 형성되고, 에어 건(20)에 의해 형성된 비드의 배출 상태에 따라 좌우로 이동 가능하게 마련된다. 원통형의 슈트(30)의 길이 및 직경은 배출되는 비드의 양에 따라 가변 가능하며 특정 범위에 한정되는 것은 아니고, 지르코니아 비드가 슈트(30) 안에 산란가능한 조건을 충족하면 된다.

상기 성형 유닛(40)은 도 5에 도시된 바와 같이 비드가 충전되어 소정 형상, 예를 들어 원형의 벽돌 형상을 이루도록 마련되며, 그 크기는 사파이어 잉곳 생산용 결정성장로에 적용될 내화재의 크기에 대응하면 충분하다.

슈트(30) 안에서 강제로 만들어진 지르코니아 비드 덩어리가 성형 유닛(40) 속으로 떨어지면 냉각되면서 본 발명에 따른 내화재(Reflecter)가 완성된다.

다음에 본 발명에 따른 내화제의 제조 공정에 대해 도 6에 따라 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 내화재를 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도이다.

먼저, 본 발명에 따른 내화재를 제조하기 위한 혼합 분말을 마련한다(S10).

혼합 분말로서 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)를 사용한다. 즉, 혼합 분말 100 중량부에 대해 지르코니아(ZrO₂)는 94~96 중량부를 포함하고, 상기 이트리아(Y₂O₃)는 4~6 중량부를 포함하도록 마련된다.

본 발명에 적용되는 사파이어 결정 성장로용 내화재는 초고온에서 사용되므로 이런 높은 온도에서도 열변형이 없고 열전도가 낮은 소재를 선정하여야 한다. 여기에 적합한 소재로는 용융온도가 2,700℃ 이상인 지르코니아(ZrO₂)가 최적이다. 종래 기술에서는 이트리아(Y₂O₃) 20wt%를 투입하지만, 본 발명에서는 이트리아를 5~6wt%를 넣고 상변태를 해결하였다.

즉, 지르코니아는 용융점이 2,750℃로 매우 높아 내화재 재료로는 최선이나 '상변태'라는 나쁜 특성이 있다. 상변태란 정방정계(Tetragonal) 상에서 단사정계(monoclinic) 상으로 변환될 때 약 8%의 부피팽창이 일어나는 것을 말하는데 이로 인하여 제조된 지르코니아가 파괴된다. 이를 해결하기 위해 안정화제로 이트리아(Y₂O₃) 5~6wt%를 혼합하여 용융시키면 상변태를 해결할 수 있다. 일 예로서 본 발명에서는 혼합 분말의 조성을 ZrO₂ 95wt%와 Y₂O₃ 5wt%로 적용하였다.

지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)를 각각 구매하여 혼합하면 되나, 본 발명에 적용하는 1톤의 대형 도가니(11)에 투입할 원료의 혼합에는 대형 혼합기를 준비하여야 하는 등 문제가 발생하므로, 본 발명에서는 혼합된 분말을 구입하여 적용하였다.

용융에는 입도의 크기가 작을수록 유리하지만, 수 미크론 정도라면 취급하기에 어려워 그 대책으로 스프레이 드라이어(Spray dryer)를 사용하여 과립상태로 만들어 적용하였다. 이와 같은 혼합 분말의 상태를 XRD와 SEM으로 분석하였다.

도 7은 본 발명에 적용되는 혼합 분말에서 응집체가 4~5㎛의 크기를 갖는 상태의 SEM 사진이고, 도 8은 본 발명에 적용되는 단사정계 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합 분말을 XRD로 분석한 그래프이다.

다음에 상기 단계 S10에서 마련된 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)의 혼합 분말을 용융로(10)에서 고주파로 용융한다(S20).

상기 도가니(11)에서의 용융은 원료인 지르코니아(ZrO₂)가 산화물이므로 초기에 고주파 가열이 일어나지 않는다. 그러므로 원료 사이에 금속지르코늄(Zr)이나 카본을 넣어 이들이 초기 가열되기 시작한다. 점차 가열온도가 올라가 혼합 분말인 원료의 용융 온도에 도달하면 원료가 용융되기 시작하여 시간이 경과 하면 원료 전체가 용융된다.

이렇게 초기 용융을 위해 본 발명에서는 상기 혼합 분말에 카본을 삽입한다.

이와 같은 카본으로서 도 9에 도시된 바와 같은 카본 링을 적용한다. 도 9는 본 발명에 따른 혼합 분말의 용융 과정에 적용되는 카본 링의 일 예를 나타내는 사진이다.

카본 링은 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있기 때문이다. 또 링 형상으로 제작하는 것에 의해 고주파 폐회로가 형성되며, 두께는 고주파 표피 효과를 감안하여 8mm로 설계하였다.

본 발명에서는 안정화제인 이트리아(Y₂O₃) 5wt%를 지르코니아(ZrO₂) 95wt%와 함께 혼합하여 도가니(11)에 투입하고, 고주파 발생기(13)에서 고주파를 인가하면 4시간 만에 용융이 완료된다. 이렇게 용융된 용융물을 도가니(11)와 함께 기울려 배출시키면서 에어 건(20)에서 고압 공기를 분사하여 비드를 제작한다(S30).

상기 단계 S30에서 혼합 분말이 용융된 용융물을 배출함과 동시에 에어 건(20)에 의해 고압의 공기를 분사하여 비드를 제작한다(S40). 상기 용융물의 배출은 용융된 용융물의 상부 클러스트 층을 제거한 후 실행하는 것에 의해 오버플로우를 원활하게 조정할 수 있다.

다음에, 상기 단계 S30에서 제작된 비드는 슈트(30)를 통해 내화물 성형 유닛(40)으로 안내된다. 즉, 상기 비드는 슈트(30) 안에서 산란되어 비드 덩어리로 안내된다. 슈트(30)를 통해 안내된 비드 덩어리는 소정 형상의 내화물을 제조하도록 성형 유닛(40)에 주입된다(S50).

이후, 상기 단계 S50에서 제조된 내화물을 성형 유닛(40)에서 인출하여 후 가공(S60)하는 것에 의해 본 발명에 따른 내화물이 제조된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 종래의 기술과 달리 1차로 고가인 이트리아를 적게(20→5wt%) 사용하여 재료비 원가절감이 되며 이 재료비를 종합하여 금액으로 환산하면 1/2 수준이며, 2차로 제조생산비는 용융. 비드 제작, 주형 주입을 동시에 실행하여 실제로 하나의 공정으로 단순화로 큰 원가절감을 이룰 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 따른 내화재 및 그의 제조 방법을 사용하는 것에 의해 혼합 분말의 용융 시간을 단축할 수 있고, 대용량의 혼합 분말을 균일하게 용융할 수 있다.

10 : 용융로
20 : 에어 건
30 : 슈트
40 : 성형 유닛

Claims

산화물 결정 성장용 내화재(Reflector)를 제조하는 방법으로서,
(a) 용융로에서 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)가 혼합된 혼합 분말을 고주파로 용융하는 용융 단계,
(b) 상기 단계 (a)에서 혼합 분말이 용융된 용융물을 배출함과 동시에 고압의 공기를 분사하여 비드(Bead)를 제작하는 비드 제작 단계,
(c) 상기 단계 (b)에서 제작된 비드를 내화물 성형 유닛으로 안내하는 비드 안내 단계,
(d) 소정 형상의 내화물을 제조하도록 상기 단계 (c)에서 안내된 비드를 성형 유닛에 주입하는 단계,
(e) 상기 단계 (d)에서 제조된 내화물을 인출하여 후 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
제1항에서,
상기 단계 (a)에서 혼합 분말 100 중량부에 대해 상기 지르코니아(ZrO₂)는 94~96 중량부를 포함하고, 상기 이트리아(Y₂O₃)는 4~6 중량부를 포함하고,
상기 용융로에서 도가니(Skull)의 직경은 고주파의 침투 깊이의 5~7배로 설정되는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
제1항에서,
상기 고주파는 상기 용융로에서 상하로 이동 가능하게 인가되는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
제1항에서,
상기 단계 (c)에서 상기 비드는 슈트(Shute) 안에서 산란되어 비드 덩어리로 안내되는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
제1항에서,
상기 단계 (a)에서 상기 용융로 내에는 카본 링이 투입되는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
제1항에서,
상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 용융된 용융물의 상부 클러스트 층을 제거한 후 실행되는 것을 특징으로 하는 내화재의 제조방법.
청구항 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 내화재의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 내화재.