KR20200136192A - 대형 세라믹 성형체 소결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수축에 의한 접촉 마찰로 인한 파손, 휨 또는 크랙의 발생 없이 대형 세라믹 성형체를 소결할 수 있는 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 관한 것이다.

Description

대형 세라믹 성형체 소결 방법{Method for sintering of big size ceramic molded body}

본 발명은 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수축에 의한 접촉 마찰로 인한 파손, 휨 또는 크랙의 발생 없이 대형 세라믹 성형체를 소결할 수 있는 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 관한 것이다.

반도체 에쳐 장비용 대형 알루미나 플레이트 헤드 커버는 그 크기가 직경 514mm에 이르고 두께가 40mm 이상을 요구하는 대형 알루미나 소재이다.

이러한 대형 세라믹 성형체는 국내 및 국외 반도체 산업 집중 투자로 인해 반도체 관련 전방위 산업이 성장함에 따라 그 수요가 증가하고 있다.

일반적으로 세라믹 성형체의 소결은 소결로 내의 플레이트 상에 세라믹 성형체를 직접 접촉시켜 놓고 가열함으로써 수행되는데 대형 세라믹 성형체의 경우 소형 세라믹 성형체와 비교하여 수축률은 동일하나 수축거리가 커 세라믹 성형체와 플레이트 간의 마찰로 인해 휨 현상 및 크랙이 발생하고, 나아가 파손이 되어버리는 문제가 있다.

도 1은 파손된 대형 세라믹 성형체의 상면을 보여주는 도면이고, 도 2는 크랙이 발생한 대형 세라믹 성형체의 측면을 보여주는 도면이다.

또한, 도 1 및 도 2의 실험결과들은 대형 세라믹 성형체를 바닥판인 플레이트(P)에 전체적으로 접촉(접촉면적 100%)시킨채 소결하였을 때의 결과이다.

도면들에서도 알 수 있듯이 대형 세라믹 성형체를 플레이트에 전체적으로 접촉시켜 놓고 소결할 경우 수축 시 플레이트와의 마찰에 의해 파손 및 크랙(C)이 발생하는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 대형 세라믹 성형체를 소결할 때, 플레이트와 성형체 간의 마찰을 줄여 휨 현상, 크랙 발생 및 파손을 방지할 수 있는 대형 세라믹 성형체의 소결방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 대형 세라믹 성형체를 소결로 내부의 플레이트에 놓고 가열하여 소결하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법으로, 상기 플레이트 상에 소정의 높이를 갖는 복수 개의 공간제들을 서로 이격하여 놓는 단계; 상기 공간제들 상에 상기 대형 세라믹 성형체를 놓는 단계; 및 상기 대형 세라믹 성형체를 가열하여 소결하는 단계;를 포함하고, 상기 대형 세라믹 성형체와 상기 공간제들의 접촉면적은 상기 대형 세라믹 성형체의 하면 전체 면적의 20% 내지 70%인 것을 특징으로 하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 대형 세라믹 성형체는 단면계수가 적어도 400이고, 단위면적당 중량이 적어도 25,000[Pa]인 판상의 성형체이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공간제들은 상기 대형 세라믹 성형체와 반응하지 않는 산화물, 질화물 또는 단화물의 세라믹이고, 정사영이 사각형이나 원형이며, 상면과 하면 간의 평행도가 0.2 이내이고, 두께는 적어도 10mm이며, 기공률이 1% 이내이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공간제들의 상면에는 상기 공간제들과 상기 대형 세라믹 성형체 간의 마찰을 줄일 수 있는 격분제가 도포된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 의하면, 공간제를 이용하여 소결로 내에서 대형 세라믹 성형체의 접촉 면적을 줄임으로써 수축할 때 마찰로 인한 휨 현상, 크랙 및 파손 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 파손된 대형 세라믹 성형체의 상면을 보여주는 도면,
도 2는 크랙이 발생한 대형 세라믹 성형체의 측면을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 따라 소결한 대형 세라믹 성형체를 보여주는 도면,
도 5 및 도 6는 접촉면적을 90%로 하여 대형 세라믹 성형체를 소결한 결과를 보여주는 도면이다.
도 7 내지 도 9은 소형 세라믹 성형체를 소결한 결과를 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결 방법은 대형 세라믹 성형체(100)와 플레이트(200) 간의 접촉 면적을 줄여 수축시 발생하는 마찰을 줄임으로써 휨 현상, 크랙 및 파손 발생을 방지할 수 있는 방법이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결방법은 먼저, 플레이트(200) 상에 소정의 높이를 갖는 복수 개의 공간제(300)들을 서로 이격하여 배치한다.

상기 공간제(300)들은 대형 세라믹 성형체(100)가 상기 플레이트(200) 상에 직접 접촉하지 않도록 지지하며, 상기 플레이트(200)와 상기 대형 세라믹 성형체(100) 사이에 공간을 형성하는 기능을 한다.

한편, 상기 대형 세라믹 성형체(100)는 아래의 수학식 1로 표현되는 단면계수가 400 이상이고 아래의 수학식 2로 표현되는 압력이 25,000[Pa] 이상인 판상의 성형체를 의미한다.

여기서, S는 단면계수, b는 성형체의 지름, h는 성형체의 높이이다.

여기서, Pa는 성형체가 하방으로 발생시키는 압력, kgf는 성형체의 무게에 의해 하방으로 발생하는 힘, cm²은 성형체의 하면 면적이다.

이는 상기 대형 세라믹 성형체(100)의 형상계수 및 단위 면적에 따른 중량을 나타내며 형상이 넓고 얇은 형태로 단위 면적당 과중한 무게가 실리는 경우의 조건을 수학식으로 표현하여 정의한 것이다.

또한, 상기 공간제들(300)은 상기 대형 세라믹 성형체(100)와 반응하지 않는 제료로 제작되며, 산화물, 질화물 또는 단화물인 세라믹일 수 있다.

또한, 상기 공간제들(300)은 정사영이 사각형이나 원형일 수 있고, 상면과 하면 간의 평행도가 0.2 이내가 되어야 하며, 두께는 10mm 이상인 것이 바람직하다.

두께가 너무 얇을 경우 하부의 플레이트(200)와 동조되어 고온에서 변형가능성이 있고, 상기 대형 세라믹 성형체(100)와 상기 플레이트(200) 간의 거리가 너무 가까울 경우 공기의 흐름이 방해되어 하부의 바인더 제거가 불리하기 때문이다.

즉, 상기 공간제들(300)은 상기 대형 세라믹 성형체(100)의 접촉 면적을 줄이는 동시에 상기 대형 세라믹 성형체(100)의 하부에 공기 흐름 공간이 형성되게 함으로써 탈지 시에 하부의 바인더 제거를 용이하게 하는 역할을 한다.

다음, 상기 공간제들(300) 상에 상기 대형 세라믹 성형체(100)를 올려놓는다.

또한, 상기 공간제들(300)이 상기 대형 세라믹 성형체(100)에 접촉하는 면적은 상기 대형 세라믹 성형체(100)의 하부 면적의 20 내지 70% 정도가 적절하다.

만약, 접촉하는 면적이 너무 작을 경우에는 상기 대형 세라믹 성형체(100)에 휨 현상이 발생하고 70%를 초과할 경우 수축 시 마찰에 의한 크랙이나 파손이 발생하기 때문이다.

또한, 상기 공간제들(300)은 1% 이하의 치밀한 기공률을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공간제들(300)들과 상기 대형 세라믹 성형체(100) 사이에는 상기 공간제들(300)과 상기 대형 세라믹 성형체(100) 간의 마찰을 줄이기 위한 격분제('이형제'라고도 함)가 도포될 수 있으며 상기 격분제는 알루미나 가루일 수 있다.

다음, 상기 대형 세라믹 성형체(100)를 가열하여 소결한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 세라믹 성형체 소결 방법에 따라 소결한 대형 세라믹 성형체를 보여주는 도면이다.

도 4에서도 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따라 소결을 수행할 경우 휨 현상이나 크랙 또는 파손이 일어나지 않고 소결할 수 있음을 알 수 있다.

도 5 및 도 6는 접촉면적을 90%로 하여 대형 세라믹 성형체를 소결한 결과를 보여주는 도면이다.

도 5의 실험에서는 별도의 공간제(300)를 사용하지 않고 플레이트(210)에 그루브를 형성하여 대형 세라믹 기판(50)과 플레이트(210)간의 접촉면적을 10% 감소시킨 후 소결을 실시하였다.

그 결과 도 6에서 도시한 바와 같이 대형 세라믹 기판(50)에 파손이 발생하였으며, 접촉면적이 20 내지 70%가 크랙이나 파손이 발생하지 않는 적절한 범위인 것을 확인하였다.

도 7 내지 도 9은 소형 세라믹 성형체를 소결한 결과를 보여주는 도면이다.

아래의 표 1은 상기 소형 세라믹 성형체의 사양을 보여주는 것으로 소결 제품 번호 1, 2, 3번의 경우 소형 세라믹 성형체이고, 4번의 경우 본 발명에서 정의하는 범위 내에 있는 대형 세라믹 성형체의 사양이다.

소결 제품 번호		1	2	3	4
소결 제품 직경 Cm		268	360	485	514
소결 제품 장입 무게 kg		3.6	12.06	18.75	61
S:단면계수	S=bh2/6	16	39	83	439
	b:성형체 지름 Cm	33	44	59	62
	S:표면적 Cm2	564	1017	1847	2074
	h:성형체 높이 Cm	1.7	2.3	2.9	6.5
Pa:압력	Pa = kgf/cm2	6,385	11,854	10,154	29,413
	Cm2 : 면적	564	1017	1847	2074

또한, 도 7은 소결 제품 번호 1(20)의 소결 결과이고, 도 8은 소결 제품 번호 2(30)의 소결 결과이며, 도 9는 소결 제품 번호 3(40)의 소결결과를 보여준다.

또한, 소결 제품이 플레이트에 100% 접촉면적으로 접촉하게 하여 소결을 실시하였다.

그 결과 도 7 내지 도 9에서도 알 수 있듯이 소형 세라믹 성형체의 경우 공간제를 이용하지 않고도 크랙이나 파손없이 소결이 가능하였으나 소결 제품 번호 4의 대형 세라믹 성형체의 경우 도 1 및 도 2에서 보인 바와 같이 크랙 및 파손이 발생하였으므로 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 방법은 단면계수가 400 이상이고 압력이 25,000[Pa] 이상인 대형 세라믹 성형체를 소결할 때 매우 유효한 것을 확인하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:대형 세라믹 성형체 200:플레이트
300:공간제

Claims (4)

1. 대형 세라믹 성형체를 소결로 내부의 플레이트에 놓고 가열하여 소결하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법으로,
   상기 플레이트 상에 소정의 높이를 갖는 복수 개의 공간제들을 서로 이격하여 놓는 단계;
   상기 공간제들 상에 상기 대형 세라믹 성형체를 놓는 단계; 및
   상기 대형 세라믹 성형체를 가열하여 소결하는 단계;를 포함하고,
   상기 대형 세라믹 성형체와 상기 공간제들의 접촉면적은 상기 대형 세라믹 성형체의 하면 전체 면적의 20% 내지 70%인 것을 특징으로 하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 대형 세라믹 성형체는 단면계수가 적어도 400이고, 단위면적당 중량이 적어도 25,000[Pa]인 판상의 성형체인 것을 특징으로 하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 공간제들은 상기 대형 세라믹 성형체와 반응하지 않는 산화물, 질화물 또는 단화물의 세라믹이고, 정사영이 사각형이나 원형이며, 상면과 하면 간의 평행도가 0.2 이내이고, 두께는 적어도 10mm이며, 기공률이 1% 이내인 것을 특징으로 하는 세라믹 성형체 소결 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 공간제들의 상면에는 상기 공간제들과 상기 대형 세라믹 성형체 간의 마찰을 줄일 수 있는 격분제가 도포되는 것을 특징으로 하는 대형 세라믹 성형체 소결 방법.

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