KR20200074771A - 탄화탄탈 코팅 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화탄탈 코팅 재료에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 탄소 기재; 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅;를 포함하고, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 이상인 것인, 탄화탄탈 코팅 재료에 관한 것이다.

Description

탄화탄탈 코팅 재료 {CARBONATED TANTALUM COATING MATERIAL}
본 발명은 탄화탄탈 코팅 재료에 관한 것이다.
고온환경에서 질소 가스, 암모니아가스 등의 환원성 가스 분위기에 노출되는 탄소 재료는 상기 환원성 가스와의 반응에 의해 변질되거나 손상되어 자주 교환하지 않을 경우 탄소 재료에 요구되고 있는 본래의 기능을 수행하지 못하는 문제점이 발생한다.
예를 들면, 화로내에 탄소 재료로 이루어지는 제품을 배치하고, 화로내에 암모니아가스를 도입해서 암모니아 분위기를 형성하면서 화로내부를 1200 ℃ 정도로 가열할 경우, 탄소 재료로 이루어지는 제품은 단시간에 소모가 진행되는 문제점이 있다.
이러한 수명 문제를 해결하기 위해 탄소 재료 표면에 탄화 탄탈을 코팅한 탄화탄탈 복합체를 사용하는데, 탄소 기재와 탄화탄탈의 응력 감소 및 코팅층 박리를 방지하기 위해서 탄화탄탈과 유사한 열팽창계수를 가지는 탄소 모재를 적용하여 사용해왔다.
하지만, 탄화탄탈과 유사한 열팽창계수를 가지는 탄소 기재의 종류는 제한적이어서 탄화탄탈 코팅 재료에 적용하는데 문제점이 있다. 또한, 탄화탄탈과 유사한 열팽창계수를 가지는 탄소 기재를 적용하더라도, 응력 발생, 휨 등의 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 탄화탄탈 코팅층과 탄소 기재의 응력 감소, 휨, 박리 등의 문제가 해결된 탄화탄탈 코팅 재료를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화탄탈 코팅 재료는, 탄소 기재; 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅;를 포함하고, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 이상인 것이다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.5×10-6/℃ 이상인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 2.0×10-6/℃ 이상인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수는 4.0×10-6/℃ 내지 6.0×10-6/℃인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수는 7.0×10-6/℃ 내지 7.8×10-6/℃인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재는, 그래핀, 흑연 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅은 0.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 폭의 크랙을 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅 재료의 휨은 20 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 탄화탄탈 코팅 재료는, 탄소 기재와 탄화탄탈 코팅 간의 열팽창계수 차이로 인해 탄화탄탈 코팅층에 미세결함(micro crack)이 발생되어 응력이 감소하고, 이로 인해 박리 및 탄화탄탈 코팅 재료에 발생하는 휨을 최소화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 크랙 발생여부를 확인하기 위한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 흑연 소재별 휨의 경향을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 탄화탄탈 코팅 재료에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화탄탈 코팅 재료는, 탄소 기재; 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅;를 포함하고, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 이상인 것이다.
본 발명에 따른 탄화탄탈 코팅 재료는, 탄소 기재와 탄화탄탈 코팅 간의 열팽창계수 차이로 인해 탄화탄탈 코팅층에 미세결함(micro crack)이 발생되어 응력이 감소하고, 이로 인해 박리 및 탄화탄탈 코팅 재료에 발생하는 휨을 최소화할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅은 0.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 폭의 크랙을 포함하는 것일 수 있다.
일반적으로 탄소 기재를 보호하기 위해 탄소 기재에 탄화탄탈을 코팅하여 사용하는데 탄화탄탈 보다 열팽창계수가 낮은 탄소 기재를 적용할 경우, 탄화탄탈 코팅층에 마이크로 크기의 폭을 가지는 크랙이 발생한다.
상기 크랙으로 인한 탄화탄탈 코팅층 간의 갭은 고온에서 다시 팽창하기 때문에 공정 가스가 탄소 기재의 수명에 영향을 주지 못하며, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 이상일 경우, 오히려 응력이 해소되는 효과를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.5×10-6/℃ 이상인 것일 수 있다.
상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.5×10-6/℃ 이상일 경우, 휨이 15 ㎛ 이하인 탄화탄탈 코팅 재료를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 2.0×10-6/℃ 이상인 것일 수 있다.
상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 2.0×10-6/℃ 이상일 경우, 휨이 20 ㎛ 이하인 탄화탄탈 코팅 재료를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재의 열팽창계수는 4.0×10-6/℃ 내지 6.0×10-6/℃인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수는 7.0×10-6/℃ 내지 7.8×10-6/℃인 것일 수 있다.
즉, 일반적인 탄소 기재 및 일반적인 탄화탄탈 코팅을 적용하여 고온의 가스공정에서 수명특성이 우수함과 동시에 박리특성이 우수하고, 휨이 최소화된 탄화탄탈 코팅 재료를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 기재는, 그래핀, 흑연 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화탄탈 코팅 재료의 휨은 20 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
열팽창계수의 차이에 의해 마이크로 크랙을 가지는 본 발명의 탄화탄탈 코팅 재료는, 고온 조건에서 다시 팽창하여, 공정 가스가 탄소 기재의 변형 및 손상을 주지 못하며, 이와 동시에 응력이 해소된 탄화탄탈 코팅 재료를 구현할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
열팽창계수가 각각 4.15×10-6/℃, 5.09×10-6/℃ 및 6.0×10-6/℃인 흑연 기재에 열팽창계수가 7.0×10-6/℃ 내지 7.8×10-6/℃인 탄화탄탈 코팅을 형성하여, 탄화탄탈 코팅 재료를 제조하였다. (이하에서는 이를 각각 ‘실시예 1’, ‘실시예 2’ 및 ‘실시예 3’로 표기한다.)
비교예
열팽창계수가 7.8×10-6/℃인 흑연 기재에 열팽창계수가 7.0×10-6/℃ 내지 7.8×10-6/℃인 탄화탄탈 코팅을 형성하여, 탄화탄탈 코팅 재료를 제조하였다. (이하에서는 이를 '비교예 1' 로 표기한다.)
아래의 표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 열팽창계수를 나타낸 표이다. 해당 열팽창 계수는 열팽창계수 측정기(DIL 402C)로 상온 ~ 1000 °C까지 측정한 data이다.
흑연(기재) 탄화탄탈 코팅
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
열팽창계수
(10-6/℃)		 4.15 5.09 6.0 7.8 7~7.8
열팽창계수가 다른 흑연 기재를 Ø150 X 5t크기로 가공하고 탄화탄탈 코팅을 하여 현상 및 휨 정도를 비교하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 크랙 발생여부를 확인하기 위한 이미지이다.
도 1을 참조하면, 탄화탄탈 보다 열팽창계수가 낮은 흑연 기재를 적용한 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 경우, 탄화탄탈 코팅층에 마이크로 크기의 폭을 가지는 크랙이 발생하는 것을 알 수 있다. 반면, 탄화탄탈과 유사한 열팽창계수를 가지는 흑연 기재를 적용한 비교예 1의 경우, 크랙이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
아래의 표 2는 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 마이크로 크랙의 폭을 나타낸 표이다.
마이크로 크랙의 폭 (㎛)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
0.91 0.59 0.53 -
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화탄탈 코팅 재료의 흑연 소재별 휨의 경향을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 탄화탄탈이 코팅된 재료를 CMM 측정기(3차원 형상의 치수, 기하편차 및 형상 정밀도를 측정할 수 있는 측정기)로 재료의 휨을 측정한 값이다.
도 2를 참조하면, 낮은 열팽창계수를 가지는 흑연 기재를 적용한 실시예1 및 실시예2의 탄화탄탈 코팅 재료의 휨도, 유사한 열팽창계수를 가지는 흑연기재에 적용한 비교예 1의 탄화탄탈 코팅 재료의 휨보다 낮은 수준임을 알 수 있다. 즉, 높은 열팽창계수를 가지는 흑연 기재를 적용하지 않고도 낮은 휨을 가지는 탄화탄탈 코팅 재료를 구현할 수 있다.
한편, 그래핀의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 수준의 실시예 3의 탄화탄탈 코팅 재료의 경우, 휨이 매우 적게 발생하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (8)

  1. 탄소 기재; 및
    상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅;를 포함하고,
    상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.0×10-6/℃ 이상인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 1.5×10-6/℃ 이상인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 기재의 열팽창계수 및 상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수의 차이가 2.0×10-6/℃ 이상인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 기재의 열팽창계수는 4.0×10-6/℃ 내지 6.0×10-6/℃인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화탄탈 코팅의 열팽창계수는 7.0×10-6/℃ 내지 7.8×10-6/℃인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 기재는,
    그래핀, 흑연 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄화탄탈 코팅은 0.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 폭의 크랙을 포함하는 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄화탄탈 코팅 재료의 휨은 20 ㎛ 이하인 것인,
    탄화탄탈 코팅 재료.

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