KR101273778B1 - 사파이어 단결정 성장용 도가니의 제조 장치 및 그 도가니의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
간단한 방법과 낮은 비용 및 다양한 형태의 도가니를 용이하게 만들 수 있는 사파이어 단결정 성장용 도가니 제조 장치 및 그 도가니 제조 방법을 제시한다. 그 장치 및 방법은 도가니를 성형하기 위한 몰드를 제공하는 몰드공급부 및 몰드에 압력 또는 열과 압력으로 내화금속 분말을 분사하여 몰드에 상기 내화금속 분말을 쌓아서 상기 도가니 형태로 피복시키는 분사부에 의해 제조한다.
Description
본 발명은 사파이어(sapphire) 단결정을 제조하기 위한 도가니 제조 장치 및 그 도가니 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 융점을 가지는 사파이어 단결정을 제조하기 위하여 분사법을 이용한 도가니 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
사파이어(sapphire) 단결정은 에피택셜 성장 기판으로 많이 이용되고 있으며, 특히 최근에는 발광 다이오드(LED)를 제조하기 위한 기판으로 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 사파이어는 화학성분은 Al2O3이며, 굳기 9로서 다이아몬드 다음으로 굳고 융점이 약 2,000℃가 넘어서 열적 및 기계적 안정성이 높은 재료이다. 사파이어 단결정은 특히 열전도도가 좋아서 LED와 같이 열을 발생하는 부품의 기판으로 적합한 재료이다. 이러한 사파이어 단결정은 쵸크랄스키법, 열교환법, 키로풀로스법, EFG법 등으로 그 제조하는 방법이 다양하게 제시되고 있다.
한편, 사파이어 단결정을 성장하기 위해서는 사파이어를 용융시킬 수 있는 도가니가 필요하다. 상기 도가니는 사파이어보다 높은 융점을 가지고 열적으로 안정한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 이들이 조합된 내화금속 및 그 합금, 특히 텅스텐(W) 및 그 합금을 많이 사용하고 있다. 그런데, 텅스텐(W)과 같은 내화금속은 융점이 매우 높아서 주조에 의해 상기 도가니를 제조할 수 없기 때문에, 종래에는 분말야금(powder metallurgy)에 의해 만들고 있다.
구체적으로, 먼저 진공상태에서 내화금속 분말을 도가니 형태로 성형한 후에 압력을 가하여 치밀한 성형 구조를 이루게 한다. 그후, 약 1800℃ 이상의 온도를 상기 성형 구조에 가하여 소결(sintering)을 통하여 도가니를 완성한 다음, 표면을 연마하여 매끄럽게 한다. 분말야금에 의해 완성된 도가니는 기공이 존재하므로, 이러한 기공을 통하여 용융된 사파이어 물질이 침투하는 것을 방지하기 위하여, 상기 도가니의 내벽에 내화금속을 일정한 두께로 증착하여 도가니를 완성한다.
그런데, 종래와 같이 분말야금을 통하여 도가니를 제조하기 위해서는 압력을 가하고 소결을 하여야 하므로, 이를 구현하는 장치가 복잡하다. 또한, 상기 압력과 소결은 높은 진공과 많은 에너지를 요구하므로, 상기 도가니를 제조하는 비용이 많이 소요된다. 나아가, 종래의 분말야금으로 도가니를 제조하는 방법은 도가니의 두께 및 크기에 따라 이에 관련된 장치의 크기가 달라져야 하므로, 도가니를 다양한 형태로 쉽게 만들 수 없다.
본 발명이 해결하려는 과제는 간단한 방법과 낮은 비용 및 다양한 형태의 도가니를 용이하게 만들 수 있는 사파이어(sapphire) 단결정을 성장시키기 위한 도가니 제조 장치를 제공하는 데 있다. 또한 본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상기 장치를 이용하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니의 제조 장치는 도가니를 성형하기 위한 몰드를 제공하는 몰드공급부 및 상기 몰드에 압력 또는 열과 압력으로 내화금속 분말을 분사하여 상기 몰드에 상기 내화금속 분말을 쌓아서 상기 도가니 형태로 피복시키는 분사부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 도가니는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 그 합금 또는 이들이 조합 중에 선택된 적어도 어느 하나인 내화금속으로 이루어질 수 있고, 특히 텅스텐이 바람직하다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 분사부는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용할 수 있고, 그 중에서 열적 분사법이 바람직하다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니의 제조 방법은 먼저 몰드 공급부에 의해 도가니를 제조하기 위한 몰드를 제공한다. 그후, 상기 몰드의 표면에 분사부에 의해 내화금속 분말을 압력 또는 열과 압력으로 퇴적시켜 도가니 예비체를 형성한다. 상기 도가니 예비체를 절삭 가공하여 표면을 매끄럽게 하고 상기 도가니를 제조한다. 상기 도가니의 내부면에 내화금속층을 도포한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 분사부는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용할 수 있고, 특히 열적 분사법이 바람직하다.
본 발명의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니의 제조 장치 및 그 도가니의 제조 방법에 의하면, 분사법에 의해 분사된 내화금속 분말이 쌓여서 이루어진 도가니를 제조함으로써, 간단한 방법과 낮은 비용 및 다양한 형태로 도가니를 쉽게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니를 제조하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명에 의한 도가니를 제조하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
도 2는 본 발명에 의한 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명에 의한 도가니를 제조하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 분사법에 의해 분사된 내화금속 분말이 쌓여서 이루어진 도가니를 제조함으로써, 간단한 방법과 낮은 비용 및 다양한 형태의 도가니를 만들 수 있는 사파이어(sapphire) 단결정을 성장시키기 위한 도가니를 제조하는 장치 및 그 도가니 제조 방법을 제시한다. 이를 위해, 사파이어 단결정을 제조하기 위하여, 내화금속 분말로 이루어진 도가니를 제조하는 장치에 대하여 자세하게 알아보고, 이어서 상기 장치에 의해 도가니를 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니를 제조하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 도면은 설명의 편의를 위하여 상기 장치는 개념적으로 간략하게 표현한 것이므로, 실질적으로 상기 장치를 구성하는 각각의 구성요소는 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태로 변경될 수 있는 것은 자명하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제조 장치는 도가니(30)를 성형하기 위한 몰드(22)를 제공하는 몰드공급부(20) 및 몰드(22)에 내화금속 분말을 분사하여 몰드(22)에 상기 내화금속 분말을 쌓아서 도가니(30) 형태로 피복시키는 분사부(10)를 포함하여 이루어진다. 이때, 도시된 도가니(30)는 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니(30)로 완성되었다고 가정하여 표현한 것이다. 여기서, "쌓는다 (build-up)"는 의미는 이하에서 자세하게 설명하겠지만 내화금속 분말이 분사부(10)에서 가해진 에너지에 의해 서로 결합을 이루면서 층을 이룬다는 것을 말한다.
사파이어는 단결정은 에피택셜(epitaxial) 성장 기판으로 많이 이용되고 있으며, 특히 최근에는 발광 다이오드(LED)를 제조하기 위한 기판으로 많이 사용되고 있다. 사파이어는 화학성분은 Al2O3이며, 굳기 9로서 다이아몬드 다음으로 굳고 융점이 약 2,000℃가 넘어서 열적 및 기계적 안정성이 높은 재료이다. 사파이어 단결정은 특히 열전도도가 좋아서 LED와 같이 열을 발생하는 부품의 기판으로 적합하다. 한편, 사파이어를 단결정으로 성장시키기 위해서는 사파이어를 용융시킬 수 있는 도가니(30)가 필요하다. 도가니(30)는 사파이어보다 높은 융점을 가지고 열적으로 안정한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 그 합금 또는 이들이 조합 중에 선택된 적어도 어느 하나인 내화금속, 특히 텅스텐(W) 및 그 합금을 많이 사용하고 있다.
분사부(10)는 내화금속 분말에 압력 또는 열과 압력을 가하여 분사하는 장치이다. 분사부(10)는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법이 적용될 수 있으며, 특히 내화금속 분말에 열과 압력을 동시에 가하여 분사하는 열적 분사법이 바람직하다. 앞에서는 제시하지 않았지만, 본 발명의 범주에 해당하는 다른 방식의 분사법도 본 발명의 실시예에 의한 도가니(30)를 제조하는 방법으로 적용할 수 있다.
몰드(22)는 분사부(10)에서 분사된 내화금속 분말이 피복되어 도가니(30)를 성형하기 위한 것이며, 도가니(30)와 열적 팽창 또는 열적 사이클링에 따른 열팽창계수의 차이가 크지 않은 것이 바람직하다. 여기서, 열적 팽창이란 도가니(30)를 성형하기 위하여 수행하는 열처리에 의해 발생될 수 있는 것이므로, 도가니(30)를 제조하는 과정에서 상기 열처리에 의해 열팽창이 문제가 되지 않으면, 굳이 열팽창 계수를 정밀하게 조절할 필요는 없다.
또한, 몰드(22)는 제조하고자 하는 도가니(30)의 크기나 형태에 맞추어 제작된다. 이에 따라, 몰드(22)의 형상을 바꾸면 되므로, 다양한 크기와 형태를 가진 도가니(30)를 쉽게 제조할 수 있다. 나아가, 몰드(22)는 내화금속 분말이 피복된 후에 제거되어야 하므로, 절삭과 같은 물리적인 방법이나 화학적인 방법에 의해 쉽게 제거되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도가니(30)를 텅스텐으로 하였을 때, 몰드(22)는 알루미늄(Al)이 바람직하다. 알루미늄(Al)은 가공이 용이하고, 절삭 등에 의해 쉽게 제거되며, 가격이 낮으므로 몰드(22)로 사용하기에 적합한 재료 중의 하나이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 도가니를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3a 내지 도 3d는 도 2의 흐름도의 단계에 대응하여 본 발명의 실시예에 의한 도가니를 제조하는 과정을 설명하는 공정단면도들이다.
도 2 및 도 3a에 의하면, 몰드 공급부(20)에 의해 도가니(30)를 제조하기 위한 몰드(22)를 제공한다(S10). 몰드(22)는 적어도 도가니(30)의 기능을 가지게 하는 것이면 특별히 그 형상과 크기에 제한되는 것이 아니며, 예를 들어 몰드(22)의 모서리부(22a)와 같이 라운딩(rounding) 처리를 할 수도 있고, 도시되지는 않았지만 라운딩이 없이 거의 직각을 이룰 수도 있다. 또한, 몰드(22)가 몰드 공급부(20)로 갈수록 직경이 점점 확대될 수도 있고, 몰드(22)의 직경이 전체적으로 일정할 수 있다. 즉, 만들고자 하는 도가니(30)에 따라 몰드(22)의 형태가 결정된다.
도 2 및 도 3b에 따르면, 분사부(10)에 의해 내화금속 분말, 바람직하게 텅스텐 분말 및 그 합금을 몰드(22)에 분사하여 몰드(22)의 표면에 내화금속 분말을 퇴적시켜 도가니 예비체(32)를 성형한다(S20). 분사부(10)는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용할 수 있으며, 특히 열적 분사법이 바람직하다.
열적 분사법은 내화금속 분말에 열과 압력을 가해서 분사부(10)를 통하여 분사하는 것으로 내화금속 분말이 서로 치밀한 결합을 하면서 층을 이루는 데 유리하다. 열적 분사법은 피복하고자하는 에너지를 열원으로 코팅하는 방법이므로, 피복할 때의 온도는 텅스텐의 녹는점보다 높은 온도 조건에서 코팅한다. 즉, 플라즈마 분사 방법의 경우는 10000℃ 이상이 되고, HVOF나 D-gun, 아크 분사 방법의 경우, 적어도 수천 ℃의 온도이므로, 내화금속 분말이 용융, 또는 반용융 상태로 코팅이 된다.
저온 분사법의 경우에는, 피복하고자 하는 에너지가 분말의 가속 속도와 충격 에너지로 피복하는 방법이므로, 내화금속 분말의 온도는 녹는점보다 낮은 온도에서 피복이 되지만, 분말을 가속하기 때문에 압력이 매우 높은 조건에서 피복을 실시한다. 즉, 내화분말의 속도가 적어도 1000 m/s의 속도 이상이어야 하고, 압력의 조건은 적어도 20 kg/cm2 이상이 되어야 한다. 상기 압축가스는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사속도, 피복 효율 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
열적 분사법을 포함한 분사법은 내화금속 분말과 몰드(22)의 충돌에 따른 변형에너지(strain energy)에 의해 내화금속 분말의 심도 깊은 충돌을 유도하므로 치밀한 구조를 가진 도가니 예비체(32)를 만들 수 있다. 이는 종래의 압력과 소결에 대응하는 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면 단지 내화금속 분말의 분사에 의해 종래의 압력과 소결에 의한 효과를 대체할 수 있다. 도가니 예비체(32)는 본 발명의 실시예에 의한 상기 내화금속 중에 선택된 하나의 물질로 이루질 수 있으며, 경우에 따라 상기 내화금속 중에서 선택된 각기 다른 물질로 여러 층으로 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 몰드(22)를 절삭(grinding) 등에 의해 제거하여 도가니 예비체(도 3b의 32)를 분리한다. 도가니 예비체(32)는 실제로 사용되는 사파이어 단결정을 제조하기 위한 도가니(30)로서 완성되기 전의 형태이므로, 표면이 매끄럽지 못하고 실제로 사용하기 위한 도가니(30)와는 다른 형태를 가지고 있다. 이에 따라, 절삭공구(40)를 이용하여, 도가니 예비체(32)를 가공하여 표면을 매끄럽고 또한 원하는 도가니(30)의 형태로 제조한다(S30).
도 2 및 도 3d에 의하면, 증착부(50)에 의해 도가니(30)의 내부면에 내화금속층(60)을 증착한다(S40). 왜냐하면, 도가니(30)는 내화금속 분말이 서로 결합되어 형성된 것이므로, 표면을 거쳐 내부에 이르는 기공이 존재한다. 이러한 기공은 사파이어 단결정을 융해할 때, 사파이어 단결정의 용융물이 파고 들어가는 통로를 제공한다. 상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 도가니(30)의 내부면에 증착을 이용하여 내화금속층(60)으로 피복한다. 이때, 증착은 잘 알려진 CVD 또는 PVD 방식이 모두 가능하나, 제조의 편의상 CVD 방식이 유용하다.
내화금속층(60)은 도가니(30)를 이루는 물질과 동일한 것이 바람직하다. 구체적으로, 도가니(30)가 텅스텐으로 이루어졌으면, 내화금속층(60) 역시 텅스텐으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 도가니(30)와 내화금속층(60)의 물질이 서로 같으면, 내화금속층(60)은 도가니(30)와 서로 치밀하게 결합될 수 있기 때문이다. 내화금속층(60)의 두께는 도가니(30)의 형태나 크기에 따라 달라지나, 0.1mm 내지 4mm가 바람직하다.
본 발명의 실시예에 의한 분사법에 의한 사파이어 단결정을 제조하기 위한 사파이어 용융 도가니(30)를 제조하는 방법은 분사부(10)에 의해 분사된 내화금속 분말을 쌓아서 제조하면 되므로, 종래의 압력과 소결에 의한 제조하는 것에 비해 간단하게 제조할 수 있다. 또한, 종래에 비해 상대적으로 낮은 진공과 작은 에너지를 요구하므로, 상기 도가니를 제조하는 비용을 절감할 수 있다. 나아가, 몰드(22)의 형상을 바꾸어서 다양한 크기와 형태를 가진 도가니(30)를 만들 수 있으므로, 종래의 분말야금에 비해 쉽게 도가니(30)를 제조할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 분사부 20; 몰드 공급부
22; 몰드 30; 도가니
32; 도가니 예비체 40; 절삭부
50; 증착부 60; 피복층
22; 몰드 30; 도가니
32; 도가니 예비체 40; 절삭부
50; 증착부 60; 피복층
Claims (8)
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- 몰드 공급부에 의해 도가니를 제조하기 위한 몰드를 제공하는 단계;
상기 몰드의 표면에 분사부에 의해 내화금속 분말을 압력 또는 열과 압력으로 퇴적시켜 도가니 예비체를 형성하는 단계;
상기 도가니 예비체를 절삭 가공하여 표면을 매끄럽게 하고 상기 도가니를 제조하는 단계; 및
상기 도가니의 내부면에 내화금속층을 도포하는 단계를 포함하는 사파이어 단결정 성장용 도가니의 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 분사부는 저온 분사(cold spray), 열적 분사(thermal spray), 플라즈마 분사(plasma spray), HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), D-gun(Detonation-gun) 또는 아크 분사(arc spray) 중에 선택된 어느 하나의 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니의 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 분사부는 열적 분사법을 적용하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니의 제조 방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH03285075A (ja) * | 1990-03-30 | 1991-12-16 | Nisshin Steel Co Ltd | タングステンルツボの製造方法 |
| JP2009133611A (ja) * | 2007-11-30 | 2009-06-18 | General Electric Co <Ge> | 熱応力を管理することができ、反応性の高い合金を融解するのに適した耐熱性るつぼ |
| JP2010132544A (ja) | 2008-12-04 | 2010-06-17 | Schott Ag | 高融点材料加工用坩堝、及び該坩堝中における高融点材料の加工方法 |
-
2011
- 2011-04-27 KR KR1020110039266A patent/KR101273778B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Noncontaminating Plasma Arc Sprayed Crucible Coatings for Containing Molten Ceramic Oxides ; JOURNAL OF THERMAL SPRAY TECHNOLOGY ; Volume 2(4) December 1993 p385-392 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20120121444A (ko) | 2012-11-06 |
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