KR100704746B1

KR100704746B1 - 금속볼 제조장치

Info

Publication number: KR100704746B1
Application number: KR1020060002513A
Authority: KR
Inventors: 백대화; 송재빈; 김광수
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-04-09

Abstract

본 발명은 금속볼 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄합금 등 용융점이 700℃정도의 중온의 융점을 갖는 금속을 적은 공정수와 간단한 구조의 장치로 균일한 내경과 진원을 형성할 수 있는 금속볼 제조장치에 관한 것이다.

본 발명의 금속볼 형성장치는, 금속용해장치로부터 공급받은 용융금속이 액상을 유지하도록 내부의 온도를 700℃ 내지 800℃를 유지하기 위한 흑연도가니(10)와, 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속을 분무하기 위한 분무부와, 상기 분무부를 통해 분무된 금속볼을 성형 및 냉각하기 위해 불활성가스가 충진된 챔버(40)를 포함하여 구성되며, 상기 분무부는 상기 흑연도가니(10)의 일측과 연결되는 분무로(12)와, 상기 분무로(12)와 연결되도록 분무구(14)가 형성된 상기 챔버(40)의 뚜껑(42)과, 상기 분무구(14)와 인접되게 연통되는 동심원 상에 일정 간격으로 상기 분문구(14)에서 상기 챔버(40)로 관통되도록 복수개의 볼생성구멍(36, 37)이 형성된 원판상의 흑연판(32)과, 상기 흑연판(32)을 회전시키기 위한 모터(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

금속볼, 흑연도가니, 회전판, 용융금속, 분무, 흑연판, 챔버, 솔더볼

Description

금속볼 제조장치{MANUFACTURING APPARATUS OF METALLIC BALL}

도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치의 개략적인 단면구성도,

도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치에서 분무부의 개략적인 확대단면도,

도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치에서 흑연판의 평면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 흑연도가니 12: 분무로

14: 분무구 20: 가열장치

22: 열선 30: 모터

32: 흑연판 36, 37: 볼생성구멍

40: 챔버 42: 뚜껑

44: 불활성가스 46: 불활성가스 배출구

48: 불활성가스 유입구 50: 진공펌프

60: 구형의 용융금속 62: 냉각된 금속볼

64: 배출밸브 66: 용융금속

70: 냉각장치

솔더볼(Solder Ball)은 칩과 회로모듈 또는 회로모듈과 기판을 연결하는 부품으로 가장 널리 사용되는 부품이다.

상기 종래의 솔더볼 제작방법으로는 한국특허 제0173041호에 솔더 와이어를 절단하여 솔더의 용액보다 높은 실리콘오일에 넣어 자체 표면장력에 의해 구형의 솔더볼을 만드는 방법이 개시되어 있다. 이때 상기 솔더의 용융점은 약 220℃의 저융점을 갖기 때문에 실리콘 오일에서 구형으로 제작이 가능하지만, 알루미늄합금은 이에 비해 용융점이 고온이기 때문에 실리콘오일 등 용액을 사용하는 방법으로는 제작할 수 없다. 또한 강구와 같은 용융점이 1500℃에 가까운 금속은 금속봉을 절단하여 개별 금속을 프레스로 가압하여 대략적인 구형을 제작(압조)한 후에 압조한 성형볼을 생연, 연마 및 렙핑하여 제작하기도 한다. 그러나 후자의 방법은 알루미늄합금에서도 응용이 가능하나 생산성이 낮고, 공정수가 많아 제조원가가 상승되는 단점이 있다.

또한 가스아토마이징기술은 용융된 금속을 불활성 가스로 액체금속을 분사시키는 기술로 이는 다양한 합금 볼을 제작할 수 있는 방법이지만, 제작할 수 있는 볼의 크기가 50~100㎛로 입도가 작고, 아토마이징을 위해서는 별도의 가스분사장치가 필요하고 가스의 소모가 많다는 단점이 있다. 따라서 이러한 방법으로는 0.1~1mm의 금속볼을 제조하는 방법으로는 적합지 않다.

한편, DBM(Droplet-Based Manufacturing)기술은 Sn-Pb, Sn 등 저융점 합금계에 적용하는 기술이기 때문에 알루미늄합금과 같은 솔더에 비해 고융점 금속에 적용가능성이 어려울 뿐만 아니라, 아토마이징방법에 비해 생산성이 떨어진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지에 사용되는 알루미늄합금 등의 금속볼을 연속적으로 제조할 수 있는 제조장치를 제공하는 것이다. 다시 말해, 알루미늄합금은 솔더에 비해 고온의 용융점을 가지므로 제조하는 방법에 있어서 기존 솔더볼 제조방법의 한계를 극복한 고온에서 견딜 수 있는 흑연도가니와 흑연회전판을 사용하고, 볼의 크기는 상기 흑연회전판의 회전속도에 의해 용이하게 제어할 수 있는 금속볼 제조장치를 제공하는 목적이 있다. 또한 용융알루미늄합금의 체공시간과 냉각속도를 늘리기 위해 불활성가스를 순환시켜 0.1~1mm 크기의 금속볼을 제조할 수 있는 금속볼 제조장치를 제공하는 목적이 있다.

본 발명은 일정 크기의 외경을 갖는 금속볼을 제작하기 위해 합금 등의 금속을 용융시키는 금속용해장치와, 상기 용융된 금속을 일정 직경을 갖는 볼로 형성하기 위한 금속볼 형성장치와, 상기 금속볼 형성장치의 온도를 제어하기 위한 냉각장 치를 포함하는 금속볼 제조장치에 있어서, 상기 금속볼 형성장치는, 상기 금속용해장치로부터 공급받은 용융금속이 액상을 유지하도록 내부의 온도를 700℃ 내지 800℃를 유지하기 위한 흑연도가니(10)와, 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속을 분무하기 위한 분무부와, 상기 분무부를 통해 분무된 금속볼을 성형 및 냉각하기 위해 불활성가스가 충진된 챔버(40)를 포함하여 구성되며, 상기 분무부는 상기 흑연도가니(10)의 일측과 연결되는 분무로(12)와, 상기 분무로(12)와 연결되도록 분무구(14)가 형성된 상기 챔버(40)의 뚜껑(42)과, 상기 분무구(14)와 인접되게 연통되는 동심원 상에 일정 간격으로 상기 분문구(14)에서 상기 챔버(40)로 관통되도록 복수개의 볼생성구멍(36, 37)이 형성된 원판상의 흑연판(32)과, 상기 흑연판(32)을 회전시키기 위한 모터(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 챔버(40)의 일측면에는 상기 챔버(40) 내의 불활성가스를 냉각시키기 위한 냉각장치(70)가 더 구성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 흑연도가니(10)는 일정 온도를 유지하기 위해 가열장치(20)로 감싸져 구성되고, 상기 분무로(12)는 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속(66) 표면에 있는 슬래그나 용해되지 않고 침지하는 중금속 등 불순물이 상기 챔버(40)에 유입되지 않도록 상기 흑연도가니(10)의 저면에서 상부로 이격되고, 1회 이상 굴곡되게 형성되며, 상기 챔버(40)는 상기 불활성가스(44)를 주입하기 전에 챔버(40) 내를 진공상태로 형성하기 위한 진공펌프(50)와, 제조되어 냉각된 금속볼(62)을 배출하기 위한 배출밸브(64)가 더 장착되어 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 금속볼 제조장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치의 개략적인 단면구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치에서 분무부의 개략적인 확대단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 금속볼 제조장치에서 흑연판의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 금속볼 제조장치는 볼을 제작하기 위해 합금 등의 금속을 용융시키는 금속용해장치와, 상기 용융된 금속을 일정 직경을 갖는 볼로 형성하기 위한 금속볼 형성장치와, 상기 금속볼 형성장치의 온도를 제어하기 위한 냉각장치를 포함하여 구성된다.

상기 금속용해장치는 일반적인 용융장치를 사용하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 특징은 상기 금속용해장치로부터 용융된 액상의 용융금속을 공급받아 금속볼을 형성하는 장치로, 상기 금속볼 형성장치는 상기 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 내부의 온도를 700℃ 내지 800℃를 유지하기 위한 흑연도가니(10)와, 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속을 분무하기 위한 분무부와, 상기 분무부를 통해 분무된 금속볼을 성형 및 냉각하기 위한 챔버(40)와, 상기 챔버(40)를 냉각시키기 위한 상기 냉각장치(70)를 포함하여 구성된다.

상기 흑연도가니(10)는 용해온도를 700℃ 이상을 유지하기 위해 외측면에 열선(22)이 형성된 가열장치(20)로 감싸져 구성되고, 상기 흑연도가니(10)로부터 용 융된 용융금속이 상기 챔버(40)로 분무하기 위한 분무로(12)는 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속(66) 표면에 있는 슬래그나 용해되지 않고 침지하는 중금속 등 불순물이 상기 챔버(40)에 유입되지 않도록 상기 흑연도가니(10)의 저면에서 상부로 이격되고, 1회 이상 굴곡되게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 분무부는 상기 분무로(12)와, 상기 챔버(40)의 뚜껑(42) 및 금속볼이 일정 직경을 갖도록 제어하는 원판상의 흑연판(32)을 포함하여 구성된다. 즉, 상기 뚜껑(42)은 상기 흑연도가니(10)와 동일하게 흑연으로 형성되어 상기 챔버(40)의 상부를 폐쇄하게 된다. 또한 상기 뚜껑(42)의 일측에는 상기 분무로(12)와 연결되는 분무구(14)가 관통되어 형성되고, 상기 뚜껑(42)의 타측 상부에는 상기 흑연판(32)을 일정 속도로 회전시키기 위한 모터(30)가 장착되며, 상기 모터(30)의 회전축(34)과 연결되는 챔버(40)의 내측에는 상기 뚜껑(42)과 인접되게 상기 흑연판(32)이 장착된다.

상기 흑연판(32)은 상기 분무구(14)와 일치되는 동심원 상에 일정한 간격으로 볼생성구멍(36, 37)이 다수개 형성된다. 즉, 상기 볼생성구멍(36, 37)은 상기 분무구(14)를 통해 분무된 용융금속이 유입되는 양을 특정할 수 있도록 일정 크기의 내경과 일정 길이의 깊이를 갖게 된다. 다시 말해, 일정 크기의 금속볼을 생성하기 위해서는 상기 분무구(14)를 통해 분무된 용융금속의 양을 상기 흑연판(32)의 회전속도와 상기 볼생성구멍(36, 37)의 용적에 따라서 제어할 수 있는 것이다.

한편, 상기 챔버(40)는 불활성가스(44)로 충진되어 상기 분무부를 통해 분무되는 용융금속을 냉각시키게 되며, 이러한 불활성가스(44)는 상기 챔버(40)의 일측 에 구성된 냉각장치(70)에 의해 냉각된다. 즉, 상기 챔버(40)의 뚜껑(42)이나 일측면 상부를 통해 유출되도록 형성된 불활성가스 배출구(46)와, 상기 챔버(40)의 일측면 하부에 상기 불활성가스 배출구(46)와 연통되도록 형성된 불활성가스 유입구(48) 사이에 상기 냉각장치(70)가 구성되어 불활성가스(44)를 냉각시켜 챔버(40)의 온도를 제어하게 된다. 상기 챔버(40)는 상기 분무로(12)를 통해 분무되는 용융합금이 충분히 냉각될 수 있는 깊이로 형성된다. 즉, 상기 용융합금이 적어도 0.5초 이상이며, 바람직하게는 2초 이상의 낙하시간을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 냉각장치(70)는 수냉식 또는 공냉식 등 공지된 기술을 사용한다.

한편, 상기 불활성가스(44)는 아르곤, 질소 등을 사용할 수 있으며, 상기 챔버(40)에 상기 불활성가스(44)를 주입하기 전에 챔버(40) 내를 진공상태로 형성하기 위해 상기 챔버(40)의 타측에는 진공펌프(50)가 장착되며, 상기 챔버(40)의 하부에는 제조되어 냉각된 금속볼(62)을 배출하기 위한 배출밸브(64)가 장착되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 금속볼 제조장치의 작용 효과를 설명하면, 먼저 챔버(40)의 공기를 진공펌프(50)를 사용하여 모두 제거하고 불활성가스를 충진한다. 본 발명에서는 아르곤가스를 충진하였다.

그리고 금속용해장치(도시되지 않음)로부터 용융된 용융금속을 흑연도가니(10)로 공급받는다. 이때 상기 용융금속은 알루미늄합금을 그 예로써 설명한다. 상기 알루미늄합금은 용융점이 약 660℃ 인 것을 사용한다. 또한 상기 흑연도가니 (10)는 가열장치(20)에 의해 항상 700℃ 내지 800℃를 유지하도록 한다.

그 후 흑연도가니(10) 내의 용융금속(66)은 분무로(12)를 따라 흘러나와 분무구(14)를 통해 투출된다. 다시 말해 챔버(40)의 상부에 장착된 모터(30)의 구동력에 의해 회전되는 흑연판(32)의 볼생성구멍(36, 37)과 상기 분무구(14)가 일치되는 경우에만 상기 용융금속(10)이 분무되게 된다.

본 발명의 발명자는 상기 볼생성구멍(36, 37)의 깊이를 10mm 로 하고, 내경을 1mm 로 하여 분당 100개 내지 150개의 금속볼이 생성되도록 흑연판(32)의 속도를 제어하였다.

상기와 같이 분무된 구형의 용융금속(60)의 챔버(40)의 불활성가스(44)에 의해 냉각되고, 챔버(40)의 바닥에 도달할 때까지 액상의 용융금속 표면장력에 의해 구형을 유지하면서 냉각된 금속볼(62)을 생성하게 된다. 또한 상기 구형의 용융금속(60)의 응고시간을 단축하고 체공시간을 연장하기 위해 불활성가스를 충진하는데, 본 발명에서는 아르곤가스를 사용하였다.

상기 구형의 용융금속(60)에 의해 상승된 챔버(40)의 불활성가스(44)는 불활성가스 배출구(46)를 통해 배출되어 냉각장치(70)로부터 냉각되어 불활성가스 유입구(48)를 통해 챔버(40)로 다시 유입되게 된다. 이때 상기 불활성가스 배출구(46) 또는 불활성가스 유입구(48)에는 챔버(40) 내의 불활성가스(44)를 유입 또는 배출하기 위한 팬(Fan; 도시되지 않음)이 장착되는 것이 바람직하다.

그 후 일정량의 냉각된 금속볼(62)이 제조되면 챔버(40)의 하부에 있는 배출밸브(64)를 작동시켜 금속볼의 제조를 완성한다.

또한 상기 회전하는 흑연판(32)의 볼생성구멍(36, 37)에는 용융금속(10)이 융착되지 않기 위해 보론 등의 이형제를 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 용융금속이 알루미늄합금인 경우에, 생산되는 알루미늄합금입자의 크기에 영향을 미치는 인자는 용융된 알루미늄합금 온도, 구멍의 크기, 회전판의 회전속도 등으로 이러한 변수를 제어하게 되면 0.1mm 내지 3.0mm 의 균일한 외경과 진원을 갖는 금속볼을 용이하게 제조할 수 있게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 알루미늄합금과 같은 고온의 금속볼을 생산하기 위해 흑연회전판을 사용하여 회전판의 구멍크기와 회전속도로 알루미늄합금 볼의 크기를 용이하게 조절하여 제조할 수 있게 된다. 따라서, 종래의 강구와 같은 방법으로 제작하였던 기술에 비해 알루미늄합금의 소모, 공정수 등을 크게 감소시켰으며, 이렇게 제조된 알루미늄 합금볼은 지금까지 연료전지 양극으로 사용된 판재에 비해 표면적을 3배 이상 늘려 줌으로써 연료전지효율 향상 및 소형화에 기여하는 산업상 유용한 발명이다.

Claims

일정 크기의 외경을 갖는 금속볼을 제작하기 위해 합금 등의 금속을 용융시키는 금속용해장치와, 상기 용융된 금속을 일정 직경을 갖는 볼로 형성하기 위한 금속볼 형성장치와, 상기 금속볼 형성장치의 온도를 제어하기 위한 냉각장치를 포함하는 금속볼 제조장치에 있어서,

상기 금속볼 형성장치는, 상기 금속용해장치로부터 공급받은 용융금속이 액상을 유지하도록 내부의 온도를 700℃ 내지 800℃를 유지하기 위한 흑연도가니(10)와, 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속을 분무하기 위한 분무부와, 상기 분무부를 통해 분무된 금속볼을 성형 및 냉각하기 위해 불활성가스가 충진된 챔버(40)를 포함하여 구성되며,

상기 분무부는 상기 흑연도가니(10)의 일측과 연결되는 분무로(12)와, 상기 분무로(12)와 연결되도록 분무구(14)가 형성된 상기 챔버(40)의 뚜껑(42)과, 상기 분무구(14)와 인접되게 연통되는 동심원 상에 일정 간격으로 상기 분문구(14)에서 상기 챔버(40)로 관통되도록 복수개의 볼생성구멍(36, 37)이 형성된 원판상의 흑연판(32)과, 상기 흑연판(32)을 회전시키기 위한 모터(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속볼 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 챔버(40)의 일측면에는 상기 챔버(40) 내의 불활성가스를 냉각시키기 위한 냉각장치(70)가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 금속볼 제조장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 흑연도가니(10)는 일정 온도를 유지하기 위해 가열장치(20)로 감싸져 구성되고,

상기 분무로(12)는 상기 흑연도가니(10) 내의 용융된 용융금속(66) 표면에 있는 슬래그나 용해되지 않고 침지하는 중금속 등 불순물이 상기 챔버(40)에 유입되지 않도록 상기 흑연도가니(10)의 저면에서 상부로 이격되고, 1회 이상 굴곡되게 형성되며,

상기 챔버(40)는 상기 불활성가스(44)를 주입하기 전에 챔버(40) 내를 진공상태로 형성하기 위한 진공펌프(50)와, 제조되어 냉각된 금속볼(62)을 배출하기 위한 배출밸브(64)가 더 장착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 금속볼 제조장치.