KR100817381B1 - 스위치 부재를 밀폐 캡슐화하기 위한 스위치 용기 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

스위치(1)는 세라믹 원통형 튜브(3), 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 축방향으로 개방 단부를 덮는 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7), 상기 제 1 단부캡(5)상에서 용이하게 미끄러지는 이동전극(9) 및 상기 제 2 단부캡(7)에 부착된 고정전극(11)으로 구성된다. 상기 세라믹 원통형 튜브(3)는 45-65중량%의 알루미나 및 35-55중량%의 결정화 유리를 함유하는 세라믹 소성체이다. 상기 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)은 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 축방향으로 양 단부에 부착된다. 저온 금속화층은 그 단부에 형성되고, 도금층은 상기 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)이 땜질된 금속화층의 상부에 형성된다.

스위치 용기

Description

스위치 부재를 밀폐 캡슐화하기 위한 스위치 용기 및 그 제조방법{Switch container for hermetically encapsulating switch members and method for producing the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 속이 빈 세라믹체(3)로 구성되는 스위치 부재를 내부에 밀폐하기 위한 진공 스위치(1) 용기를 설명하는 단면도.

도 2는 도 1의 속이 빈 세라믹체(3)의 사시도로서 세라믹 원통형 튜브를 도시함.

도 3은 상기 속이 빈 세라믹체(3)의 땜질된 끝단을 도시하는 확대 단면도.

도 4는 밀폐 테스트 방법을 도시함.

도 5는 항복전압 테스트 방법을 도시함.

도 6은 세라믹 원통형 튜브(81)의 끝단에 형성된 금속화층의 결합 강도 테스트를 도시하는 사시도.

도 7은 도 6에 도시된 테스트 시편에 수행되는 결합 테스트를 도시함.

도 8은 본 발명에 따른 속이 빈 세라믹체(샘플 번호 5)의 X-선 회절 패턴임.

도 9는 비교되는 속이 빈 세라믹체(샘플 번호 1)의 X-선 회절 패턴임.

* 도면 부호에 관한 설명

1: 스위치

3, 51, 81: 속이 빈 세라믹체(세라믹 원통형 튜브)

5, 55: 제 1 금속 단부캡

7: 제 2 금속 단부캡

9: 이동 전극

11: 고정 전극

13: 접점

23: 이동축

25, 31: 전극(스위치 부재)

27: 금속 주름

29: 고정전극의 축

41: 저온 금속화층

43: 니켈-도금층

45: 땜질층

57: 밀폐 테스트용 스위치 용기

61: 헬륨 검출기

71: 세라믹 원통형 튜브로부터 절단된 시편

73, 75: 항복전압 테스트기의 구리 전극

83: 금속화된 세라믹체에 땜질된 금속핀

85: 당김 테스트에서의 보유도구

87: 보유부재

본 발명은 스위치 부재를 밀폐 캡슐화하기 위한 스위치 용기, 특히 스위치 부재를 밀폐 캡슐화하기 위한 속이 빈 세라믹체로 구성된 스위치 용기 및 상기 스위치 용기를 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래 전력을 차단 또는 개폐하는데 사용된 진공 스위치 및 회로 접촉기와 같은 스위치는 일반적으로, 스위치 용기에 대하여 요구되는 강도, 절연성 및 기밀성을 고려하여 적어도 85중량%의 알루미나로 구성되는 원통형 세라믹 튜브를 채용하였다.

상기 원통형 세라믹 튜브를 형성하기 위한 종래의 방법에서, 알루미나 슬러리는 스프레이 건조되어 분말로 되고, 상기 파우더는 고무 몰드에 넣어져 압축되어 녹색의(소성되지 않은) 원통형 세라믹체가 된다. 높은 알루미나 함량으로 인하여 1500℃를 넘는 소성(firing) 온도가 상기 녹색의 원통형 세라믹체를 소성하거나 또는 소결시키는데 보통 요구된다.

스위치 용기 내에 다양한 스위치 부재를 캡슐화하거나, 좀 더 구체적으로는 밀폐하기 위하여, 상기 세라믹 원통형 튜브의 양쪽 개방된 단부는 원형으로 금속화 된다. 또한, 일본 특허출원 공개 제2003-2768호에 개시된 바와 같이, 두개의 금속 단부캡이 상기 금속화된 단부상에 각각 땜질되어(brazed) 그 안에 상기 스위치 부재를 밀폐(hermetically sealing)하도록 할 수 있다.

세라믹 원통체를 생성하기 위하여 적어도 85중량%의 높은 알루미나 함량이 채용되면, 상기 높은 알루미나 함량으로 인하여 압출성형을 수행하기가 어렵다. 이는 알루미나 슬러리의 스프레이 건조 및 추가의 복잡한 작업을 요하는 파우더-압축 공정이 원통형 세라믹체를 생성하기 위해 종래 채용되었던 주요 이유들 중 하나이다.

진공 스위치 등에 사용하기 위한 높은 알루미나 함량을 갖는 기밀성의 세라믹 용기를 얻기 위해 1500℃ 보다 높은 매우 높은 온도가 요구되어 왔기 때문에, 높은 알루미나 함량의 세라믹체를 생성하기 위한 화로 비용 및 에너지 비용을 포함한 공정 비용이 상당한 문제였다.

특히, 기밀성은 진공 스위치 및 회로 접촉기에 대하여 가장 중요한 요건 중의 하나이다. 고전력 배터리 또는 커패시터를 사용하는 하이브리드(hybrid) 또는 전기 엔진용 회로 접촉기는 상기 접촉기 내에 수소와 같은 비산화(non-oxidative) 가스가 기밀 캡슐화될 것을 요한다.

따라서 본 발명의 제 1 목적은 내부에 스위치 부재를 밀폐 캡슐화하거나 밀봉할 수 있는 속이 빈 세라믹체로 구성되는 믿을만하고 저비용의 스위치 용기, 특 히 내부에 스위치 전극을 접속 또는 차단하기 위하여 고도의 기밀성 또는 밀봉 캡슐화를 요하는 진공 스위치, 회로 차단기, 회로 접촉기 등에 이용가능한 스위치 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 내부에 스위치 부재를 기밀로 밀봉할 수 있는 스위치 용기로서 사용되고, 진공 스위치, 회로 차단기, 회로 접촉기 등을 위한 스위치 용기로서 이용가능한, 믿을만하고 저비용의 속이 빈 세라믹체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 제 1 목적은 45-65 중량%의 알루미나 및 35-55 중량%의 결정화 유리를 함유하는 속이 빈 세라믹체로 구성되는 스위치 부재를 내부에 밀폐하기 위한 스위치 용기를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 제 1 측면에서, 상기 속이 빈 세라믹체가 뮬라이트(mullite)를 함유하면 적어도 아래의 잇점들이 실현된다.

상기 스위치 용기의 잇점은 상기 속이 빈 세라믹체 자체가 85 중량% 이상의 알루미나를 함유하는 종래의 속이 빈 세라믹체 보다 더 높거나 또는 적어도 필적할 만하게 높은 항복전압(kV/mm 단위)을 갖는다는 것이다. 본 발명의 속이 빈 세라믹체의 또 다른 잇점은 그것이 종래의 것에 비하여 적어도 필적할 만하게 우수한 기밀성 및 강도를 갖는다는 것이다. 따라서 본 발명의 속이 빈 세라믹체는 양호한 절연성 및 높은 기밀성을 요하는, 진공 스위치, 회로 차단기, 회로 접촉기 등에 대한 밀폐 용기로서 이용가능하다.

이러한 잇점들은 본 발명의 제 2 측면에 의하여 더 확실히 보장되는데, 여기서 상기 속이 빈 세라믹체는 뮬라이트 보다 더 높은 알루미나의 X-선 회절 피크 강도, 및 알루미나 외에 다른 어떤 물질 보다 더 높은 뮬라이트의 X-선 회절 피크 강도를 갖는 X-선 회절 패턴을 나타낸다.

즉, 바람직한 세라믹 스위치 용기는 상기 결정화 유리가 뮬라이트를 함유할 때 얻어진다. 특히, 뮬라이트는 Al₂O₃ 및 SiO₂ 로부터 형성된 공유 사방결정이며 화학 조성은 Al_4+2XSi_2-2XO_10-X(X=0.25-0.4)로 표현된다.

구체적으로, 35.152도의 입사각(2θ)에서 관찰되는 알루미나의 X-선 회절 피크 강도가 26.267도의 입사각(2θ)에서 관찰되는 뮬라이트의 그것보다 더 클 경우, 그리고 석영과 같은 기타 다른 물질의 X-선 회절 피크 강도가 실질적으로 검출되지 않거나, 좀 더 구체적으로 뮬라이트의 그것 보다 크지 않은 경우, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 세라믹 스위치 용기가 얻어진다. 이러한 X-선 회절 분석에서, X-선 스캐닝은 Cu 표적 및 Ni 필터를 이용하여 20-60도의 회절-주사 각도에서 수행된다.

좀 더 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 알루미나 결정의 총 6개의 X-선 회절 강도 피크는 25.578, 35.152, 37.776, 43.355, 52.549 및 57.496도의 입사각(2θ)에서 각각 관찰되며, 이러한 피크들은 모두, X-선 회절 분석이 본 발명에 따른 스위치 용기를 구성하는 속이 빈 세라믹체에 대하여 수행될 경우, 각각 26.267 및 40.847도의 입사각(2θ)에서 관찰되는 뮬라이트의 두개의 X-선 회절 강도 피크 보다 더 높다.

본 발명에 따른 속이 빈 세라믹체의 또 다른 중요한 잇점은 상기 세라믹체의 표면이 저온에서 믿을만하게 금속화되어 단부캡 및 아크쉴드커버(arc shield cover)와 같은 다양한 유형의 금속 부재들이 상기 세라믹체상에 강하고 기밀하게 땜질 및 결합될 수 있다는 것이다. 특히, 여기 사용된 "금속화"라는 용어는 상기 세라믹체의 표면에 금속화층이 형성되는 것을 의미한다. 예를 들어, 하기 조성물이 상기 저온 금속화를 위해 권장된다: 텅스텐 및 몰리브덴 중 적어도 하나 70-94중량%, 니켈 0.5-10중량% 및 실리카 2-23중량%로 구성되는 조성물. 이러한 저온 금속화 조성물의 특징은 0.5-10중량%의 니켈이 함유되어 금속화가 수소 가스 분위기하에서 1080-1250℃의 저온에서 수행된다는 것이다. 3중량% 이하의 티타늄 및/또는 망간이 상기 금속화층의 조성물에 첨가될 수 있다.

땜질에 의해 세라믹체에 형성된 금속화층에 단부캡 및 아크쉴드커버와 같은 금속 부재들을 밀폐 결합시키기 위하여, 상기 금속화층은 Ni, Cu, Au 및 Ag층과 같은 금속층, 바람직하게는 니켈 도금층으로 더 구워지거나 도금되어, Ag, Au, Al, Ti, In, Sn 및 이들의 혼합물과 같은 땜질 물질, 특히 Ag-Cu 공융합금(eutectic alloy)을 통하여 상기 금속화층과 상기 금속 부재의 결합이 용이해지도록 한다. 진공 스위치 및 회로 접촉기와 같은 밀폐 제품에 사용하기 위한 속이 빈 세라믹체는 보통 원통형이거나 관형이다. 원통형 세라믹체의 두개의 개방 단부는 상기 금속화 조성물로 구성되는 금속화층을 형성함으로써 금속화되고, 상기 금속화층은 니켈-도 금되어 금속 부재가 상기 땜질 물질에 의하여 밀폐 결합될 수 있도록 한다.

속이 빈 세라믹체로 구성되는 스위치 용기가 원통형이나 관형을 취할 경우, 일본 공업 표준 JIS 1601(1981)에 따라 측정된 150MPa 이상의 횡절강도를 갖는 세라믹체는 진공 스위치 용기 및 회로 접촉기와 같은 스위치 용기에 대한 필요 강도를 제공한다.

더 높은 항복전압이 상기 속이 빈 세라믹체에 대하여 요구되는 경우, 0.05-0.20mm의 두께를 갖고 실리카를 함유하는 광택층이 상기 속이 빈 세라믹체의 외부 표면에 적용될 수 있다.

본 발명의 상기 제 2 목적은 스위치 부재를 내부에 캡슐화 및/또는 밀폐하기 위해 스위치 부재를 제조하는 방법을 제공함으로써 달성되며, 상기 방법은 알루미나 파우더 및 점토 파우더로 구성되는 원료 물질 제조시 알루미나의 양을 조절하고; 상기 원료 물질을 소성되지 않은(녹색) 속이 빈 세라믹체로 압출하고; 상기 소성되지 않은 속이 빈 세라믹체를 1200-1350℃ 온도에서 소성하여, 45-65중량%의 알루미나 및 55-35중량%의 결정화 유리를 함유하는 속이 빈 세라믹체를 얻는 것으로 구성되고, 상기 속이 빈 세라믹체는 X-선 회절 분석으로 측정하였을 때 알루미나를 제외한 다른 물질 보다 더 높은 X-선 회절 피크 강도의 뮬라이트를 갖는다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 방법은 상기 소성된 원통형 세라믹체의 표면에 소성되지 않은 금속화층을 형성하고, 상기 녹색의 금속화층을 수소 가스 분위기에서 1080-1250℃ 온도에서 소성하여 상기 소성된 원통형 세라믹체에 밀폐 결합된 소성된 금속화층을 얻는 것으로 구성되며, 상기 소성된 금속화층은 약 70-94중량%의 텅스텐 및 몰리브덴 중 적어도 하나, 약 0.5-10중량%의 니켈, 및 약 2-23중량%의 실리카를 함유한다.

본 발명에 따른 상기 방법의 잇점은 진공 스위치 및 회로 접촉기와 같은 밀폐된 제품을 위한 저비용의 믿을만한 세라믹 용기가 알루미나 및 점토로 구성되는 원료 물질을 압출성형함으로써 얻어질 수 있다는 것이다. 이는 주로 압출성형 공정이 스프레이-건조 및 파우더-압축을 포함하는 종래의 공정에 비하여 저렴하기 때문이며, 알루미나 및 뮬라이트를 함유하는 다결정질 세라믹이 비교적 저온의 소성 공정을 거쳐 얻어질 수 있기 때문이다.

특히, 점토는 주로 알루미노실리케이트로 구성되는 미시적 미세 입자로 구성된, 고령토 및 할로이나이트(halloysite)와 같은 천연 자원 물질이다. 대부분의 점토는 약 40-80중량%의 SiO₂, 약 10-40중량%의 알루미나 및 약 25중량% 이하의 Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, K₂O 및 Na₂O 와 같은 기타 물질로 구성된다. 점토는 매우 미세한 입자로 구성되고 높은 가소성을 갖기 때문에, 압출 성형을 통해 원료 물질을 가공하기가 쉬우며 점토가 원료 물질에 포함되면 비교적 낮은 소성 온도를 가능하게 한다.

Al₂O₃ 파우더를 점토 파우더로 구성되는 원료 물질에 첨가하면 본 발명에 따라, 35-55 중량%의 뮬라이트로 구성되는 결정화 유리 및 45-65중량%의 알루미나를 함유하는 소성된 속이 빈 세라믹체가 얻어진다. 알루미나 파우더 및 점토 파우더로 구성되는 원료 물질에 대한 점토의 비율은 본 발명의 방법에 따른 바람직한 일 측 면에 의하면 20-50중량%의 범위 내에 있어야 한다. 압출성형을 위해 적당량의 물이 상기 원료 물질에 첨가된다. 상기 원료 물질의 알루미나 함량을 조절하기 위해 알루미나 파우더를 첨가하는 외에, 적당량의 장석(소결 조절제로서) 및/또는 실리카석(가소성 조절제로서)이 첨가될 수 있다.

상기 방법의 또 다른 잇점은 믿을만하고 기밀한 금속화층이 저온 금속화 공정을 이용하여 세라믹 용기상에 형성될 수 있다는 것이다. 상기 저온 금속화에 의해 상기 세라믹체의 표면상에 형성된 금속화층은 세라믹체의 금속화된 표면과 그 위에 형성된 금속화층 사이의 경계에서 양호한 기밀성(즉, 고도의 밀폐) 및 높은 결합 강도를 나타낸다.

상기 방법은 상기 금속화층의 표면상에 Ni, Cu, Au 및 Ag층과 같은 금속층을 굽거나 도금하는 것, 바람직하게는 니켈층을 도금하는 것으로 더 구성될 수 있다. 그 결과, Ag, Au, Al, Ti, In, Sn 및 이들의 혼합물과 같은 땜질 물질, 바람직하게는 Ag-Cu 공융합금으로 상기 니켈-도금된 금속화층 위로 금속캡을 땜질하는 것이 가능해져서, 내부에 스위치 부재를 밀폐하기 위한 믿을만한 스위치 용기가 얻어진다.

45-65중량%의 알루미나로 구성되는 상기 속이 빈 세라믹체는, 적어도 1500℃라는 종래의 소성 온도 보다 훨씬 낮은 1200-1350℃의 소성 온도에서 알루미나 파우더 및 점토 파우더로 구성되는 녹색의 속이 빈 세라믹체를 소성함으로써 제조되기 때문에, 그리고 상기 세라믹체의 표면의 저온 금속화는 본 발명의 방법에 따라 믿을만하게 얻어지기 때문에, 저가의 믿을만한 속이 빈 세라믹체를 얻기 위한 노 (furnace)의 에너지 소비가 현저히 감소된다.

또한, 본 발명은 종래의 파우더-압축 공정에 대하여 요구되던 슬러리의 스프레이 건조를 회피할 수 있도록 압출 성형을 가능하게 한다. 따라서 속이 빈 세라믹체의 제조 비용이 더 감소된다.

특히, 본 발명에 따라 상기 속이 빈 세라믹체를 금속화하기 위해 권유되는 금속화 온도는 상기 속이 빈 세라믹체의 소성 온도 보다 낮다. 그렇지 않으면 상기 속이 빈 세라믹체의 변형 및/또는 금속화 접착 실패가 발생할 것이다. 알루미나 함량이 65중량% 이상이면, 압출 성형 공정을 이용하여 녹색의 속이 빈 세라믹체 전구체를 제조하기가 곤란하다. 알루미나 함량이 45중량% 이하이면, X-선 회절 분석에 의하여 관찰(도 9 참조)되는 바와 같이, 더 적은 다결정질 알루미나 및 너무 많은 뮬라이트가 상기 속이 빈 세라믹체에 형성된다. 그 결과, 양호한 강도를 갖고 믿을만한 기밀 금속화를 형성할 수 있는 원하는 스위치 용기는 얻어지지 않는다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 예시적으로 이하에서 기술할 것이다.

높은 기밀성, 특히 밀폐는 내부에 스위치 부재를 포함하는 회로 접촉기 및 진공 스위치에 대하여 필요하다. 또한 진공 스위치에는 높은 항복전압 및 높은 강도가 필요하다. 상기 접촉기는, 반드시 진공일 필요는 없지만 수소 가스와 같은 절연 가스에서, 비교할만하게 낮은 전압 및 낮은 전력을 제어하는 스위치이다. 상기 진공 스위치는 높은 전압 및 높은 전류를 개폐하기 위한 중부하 스위치(heavy load switch)이며, 진공 스위치를 구성하는 진공 용기에 전극과 같은 스위치 부재를 포 함한다.

진공 스위치의 일 예를 도면을 참고로 하여 상세히 기술할 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1을 참고하면, 진공 스위치(1)는 전기 절연을 위해 도 2에 도시된 바와 같이 세라믹 원통형 튜브(3)로 성형된 속이 빈 세라믹체로 구성된다. 제 1 및 제 2 금속 단부캡(5, 7)은 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 끝단을 개방하기 위해 기밀하게 결합된다. 상기 원통형 튜브(3) 내부에는, 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 축방향으로 상기 제 1 단부캡(5) 상에서 미끄러지는 이동 전극(9)과 상기 제 2 단부캡(7)으로 고정된 고정 전극(11) 사이에 전기 접점(13)이 형성된다.

상기 세라믹 원통형 튜브(3)는 45-65중량%의 알루미나 및 35-55중량%의 뮬라이트를 함유하는 소성된 속이 빈 세라믹체이며, 약 80mm의 내부 직경, 약 5mm의 벽 두께, 및 100mm의 세로 길이를 갖는다. 약 0.15mm의 두께를 갖는 광택층(도시되지 않음)이 세라믹 원통형 튜브(3)의 외주면에 제공될 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)은 각각 중앙 구멍(19, 21)을 갖는 KOVAR (Fe-Ni-Co 합금)의 원반형 판으로부터 형성된다. 상기 이동 전극(9)은 상기 구멍(19)을 통해 삽입된 이동축(23) 및 상기 이동축(23)의 단부에 부착된 전극(25)으로 구성된다. 이러한 이동 전극(9)은 주름잡힌 금속 주름(27)에 의해 진공 조건에서 온/오프 개폐 작동을 할 수 있도록 한다.

고정 전극(11)은 상기 구멍(21)에 고정된 축(29)의 단부에 부착된 원반형 전극(31)으로 구성된다. 아크쉴드커버(arc shield cover; 33)는 상기 접점(13)을 원 통형으로 감싸도록 제공된다. 아크쉴드커버(33)는 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 하부 플랜지 영역(35)에서 상기 제 2 단부캡(7)에 땜질된다. 이러한 구성은 전류를 온/오프할 때 상기 접점(13)으로부터 발생되는 금속 증기가 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 내주벽으로 흩어지는 것을 방지한다.

도 3은 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 전형적인 단부 영역의 확대 단면도를 도시한다. 금속화층(41)은 저온 금속화에 의하여 상기 원통형 튜브(3)의 원형 끝단상에 형성된다. 니켈-도금층(43)은 상기 금속화층(41)상에 형성된다. 상기 제 1 단부캡(5)은 땜질 재료층(45)에 의해 상기 니켈-도금된 금속화층에 결합되어, 상기 제 1 단부캡(5)이 상기 세라믹 원통형 튜브(3)에 기밀하게, 좀 더 구체적으로는 밀봉 결합되도록 한다. 비슷한 방법으로, 상기 제 2 단부캡(7)은 상기 세라믹 원통형 튜브(3)에 기밀하게 결합된다.

상기 금속화층(41)은 바람직하게 70-88중량%의 Mo, 0.7-5.5중량%의 Ni, 및 3-18 중량%의 SiO₂ 로 구성된다. 상기 금속화층은 1080-1250℃의 온도에서 소성함으로써 형성된다. 특히, 텅스텐 또는 Mo과 W의 혼합물이 상기 금속화층(41)의 조성을 위하여 Mo 대신 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 세라믹 원통형 튜브(3)를 제조하는 방법을 기재할 것이다.

알루미나 파우더, 고령토로 구성된 점토 파우더, 장석, 실리카석 및 물을 제분기에 넣고 미세하게 분쇄 및 혼합하여 압출 성형용 원료 물질을 제조한다. 이러한 원료 물질 제조 공정에서, 알루미나의 양은 상기 원료 물질에 대하여 미리 분석 된 알루미나 함량에 기초하여 조절되어, EPMA(electron probe microbeam analysis; 전자현미분석)에 의해 분석되는 알루미나 45-65중량%를 함유하는 소성된 속이 빈 세라믹체를 형성하도록 한다. 약 50-80중량%의 알루미나가 물을 제외한 상기 원료 물질을 구성하는 경우, 45-65중량%의 알루미나 및 35-55중량%의 뮬라이트로 구성된 결정화 유리를 함유하는 상기 원하는 속이 빈 세라믹체가 얻어진다.

다음으로, 상기 공정에 의해 제조된 원료 물질은 압출성형기에 넣어져서, 그것의 압출-입구 링을 통해 108mm의 외경 및 96mm의 내경을 갖는 원료 튜브체를 압출하도록 한다. 이러한 원료 튜브체는 예를 들어 약 120mm의 길이를 갖는 녹색의 원통형 튜브로 절단한 다음 건조한다.

특히, 비록 본 발명에 따른 상기 속이 빈 세라믹체가 진공 스위치에 대하여 보통 요구되는 충분히 높은 항복전압을 가진다 하더라도, 더 높은 항복전압이 요구되는 경우, 광택-슬러리가 상기 녹색의 원통형 튜브의 외부 표면에 적용되어 건조 및 소성될 수 있다. 다음과 같은 광택 조성이 이러한 목적을 위해 권장된다: 약 75중량%의 SiO₂, 약 15중량%의 Al₂O₃, 약 5중량%의 K₂O, 약 4중량%의 MgO 및 1중량%의 Na₂O로 구성되는 광택 조성물.

상기 녹색의 원통형 튜브를 노(furnace)에 넣고 주변 분위기하에서 1300℃에서 소성한다. 소성된 원통형 튜브의 양 단부를 분쇄하여, 금속화를 위해 세라믹 원통형 튜브(3)의 평평한 단부를 얻도록 한다.

다음으로, 저온 금속화 물질의 페이스트를 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 양 단부에 적용하고 건조하여 약 0.03mm 두께를 갖는 녹색의 금속화층을 형성한다. 이 페이스트는 약 87중량%의 상기 금속화 조성물 및 약 13중량%의 에틸 셀룰로오스 등의 유기 결합제를 포함하는 유기 결합제로 구성되는 조성물이다. 상기 저온 금속화는 녹색의 금속화층을 수소 분위기하 1100-1200℃에서 소성함으로써 실행되어, 상기 금속화층(41)이 소결되어 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 단부에 결합되도록 한다.

그 다음, 상기 세라믹 원통형 튜브의 끝단상으로 소결된 상기 금속화층(41)은 니켈로 도금되어 약 0.015mm의 두께를 갖는 도금층(43)을 형성한다. 그 다음, 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)은 땜질되어 은-구리 공융합금으로 구성되는 땜질층(45)에 의해 상기 도금층(43)에 결합된다. 이러한 땜질 공정은 약 830℃의 온도에서 실행된다.

고정 전극(9) 및 이동 전극(11)과 같은 스위치 부재는 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 내부에 조립되어야 하며, 또한 아크쉴드커버(33)는 상기 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)을 상기 니켈-도금된 금속화층(43)상에 땜질하기 전에 상기 제 2 단부캡(7)에 땜질되어야 한다.

상술한 바와 같이, 상기 세라믹 원통형 튜브(3)가 점토로 구성되는 낮은 함량의 알루미나 세라믹 조성물을 이용하여 압출 성형에 의해 제조되기 때문에, 또한 상기 저온 금속화층(41)이 상기 제 1 및 제 2 단부캡(5 및 7)을 기밀하게 결합시키기 위해 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 개방 단부에 형성되기 때문에, 제조 공정이 간소화되고 제조 비용이 현저하게 감소된다. 또한, 저온 금속화의 소성 온도가 상 기 세라믹 원통형 튜브(3)의 소성 온도 보다 낮기 때문에, 상기 세라믹 원통형 튜브(3)의 변형과 같은 부작용은 일어날 것 같지 않다. 그 결과, 결합된 상기 단부캡(5 및 7)은 믿을만한 밀폐를 보장한다.

또한 상기 세라믹 원통형 튜브(3)는 본질적으로 강도 및 절연 특성과 같은 필요한 스위치 특성을 확보하는데, 이는 본 발명의 잇점들을 확인해주는 하기의 실시예와 관련하여 설명하도록 하겠다.

[실시예]

표 1에 개시된 바와 같이, 각각 서로 다른 알루미나 함량과 동일한 기타 재료들을 갖고, 샘플 번호 9를 제외하고 각각 동일한 금속화 조성물을 이용한 총 9가지의 실험 세라믹 스위치 용기(즉, 세라믹 원통형 튜브)가 상술한 과정과 동일한 과정에 의해 준비되었다.

샘플 번호 9의 금속화는 92-95중량%의 Mo 및 5-8중량%의 Mn으로 구성되는 금속화 조성물을 이용하고, 상기 조성물을 수소 가스 분위기에서 약 1380℃의 온도에서 소결함으로써 수행하였다. 샘플 번호 1-7은 압출성형에 의하여 약 1300℃에서 소성함으로써 준비되었다. 샘플 번호 8-9는 종래의 스프레이-건조 및 파우더-압축 공정에 의하여 약 1300℃ 및 약 1550℃에서 각각 소성함으로써 준비되었다. 소성한 후의 세라믹 원통형 튜브의 알루미나 함량은 각각 형광 X-선 원소 분석에 의하여 결정되었다. 샘플 번호 3-7은 본 발명에 따른 예이며, 샘플 번호 1, 2, 8 및 9는 비교예이다.

(1) 밀폐 테스트(Hermetic Seal Testing)

도 4에 도식적으로 도시된 바와 같이, KOVAR판으로 만들어진 단부캡(53 및 55)을 상술한 실시예에 따라 세라믹 원통형 튜브(51)의 상단부 및 하단부에 땜질 및 결합시켜, 실제의 진공 스위치 용기와 유사한 스위치 용기(57)의 개방 단부가 기밀하게 폐쇄되도록 하였다.

파이프(59)는 상기 단부캡(55)의 중앙부를 연장하고 밀폐 테스트 장치의 제 2 챔버의 개구에 기밀하게 결합시킴으로써 형성되었다. 이렇게 하여, 스위치 용기(57) 내부의 가스는 파이프(59)를 통해 상기 제 2 챔버와 소통될 수 있으나, 상기 스위치 용기는 상기 밀폐 테스트 장치의 제 1 챔버에 놓여진다. He을 검출하기 위한 헬륨 검출기(61)(Veeco Corp.으로부터 공급되는 헬륨 누출 검출기)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 2 챔버에 상기 파이프(59)의 개구와 근접하게 놓았다.

그 다음, 헬륨(He) 가스를 상기 스위치 용기(57)가 위치하는 상기 제 1 챔버에 공급하였다. 반면, 약 10^-7 Torr의 진공 상태가 상기 제 2 챔버에 형성되어, 상기 스위치 용기(57)의 내부가 상기 제 2 챔버와 동일한 진공 상태에 있도록 하였다.

이러한 조건하에서, 상기 헬륨 검출기(61)가 상기 스위치 용기(57)의 외주로부터 상기 스위치 용기 내부로의 He 누출을 검출할 수 있는지 여부를 확인하기 위해 누출 시험을 수행하였다. 상기 헬륨 검출기(61)가 헬륨을 검출한다면, 그것은 상기 스위치 용기(57)가 불완전한(compromised) 밀폐 또는 불완전한 기밀성을 가짐을 의미한다. 이러한 방식으로, 누출 테스트 또는 특히, 기밀성 평가를 모든 샘플 에 대하여 수행하였다.

밀폐성 평가 결과는 표 1에 도시되어 있으며, "0" 표시는 He-누출이 없음을 가리킨다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, 모든 샘플이 He-누출을 보이지 않았고 양호한 밀폐 성능을 나타내었다. 이는 본 발명에 따른 속이 빈 세라믹체가 금속화될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 상술한 금속화 조성물을 이용한 저온 금속화는 상기 세라믹 원통형 튜브의 단부들 및 금속 단부캡들 사이에 탁월한 기밀성을 제공한다.

(2) 횡절강도 측정

길이 50mm, 폭 4mm, 두께 3mm를 갖는 2개의 세라믹 시편을 각 샘플로부터 잘라내어 횡절강도를 측정하였다.

횡절강도 측정은 3-점 굽힘 테스트를 특정하는 일본 공업 표준 JIS R1601 (1981)에 따라 각 샘플에 대하여 수행하였다.

횡절강도 측정은 1200℃ 까지의 제 1 온도 상승 및 실온으로의 냉각, 그리고 800℃ 까지의 제 2 온도 상승 및 실온으로 냉각시키는 열처리를 전후하여 수행하였다.

횡절강도 측정의 결과는 표 1에 개시되어 있다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, 세라믹체의 강도는 알루미나의 함량이 감소함에 따라 감소한다. 그러나, 본 발명에 따른 샘플 번호 3-7은 적당한 강도를 나타내고, 진공 스위치 용기 및 접촉기 용기에 대하여 최소한으로 요구되는 150MPa 보다 더 높은 횡절강도값을 갖는다.

(3) 항복전압 측정

도 5에 도시된 바와 같이, 시편(71)을 축방향을 따라 상기 세라믹 원통형 튜브로부터 절단하였다. 그 다음, 상기 시편(71)을 일본 공업 표준 JIS C2320(1993)에 특정된 바와 같이 미네랄 오일 및 알킬벤젠과 같은 저점도의 절연 오일안에 넣어 구리 전극(73 및 75)과 접촉되도록 하였다. 그 다음, 교류 전압(60Hz)을 구리 전극(73 및 75)을 가로질러 적용하고 전압을 서서히 증가하였다.

절연파괴를 유발하는 항복전압은 메이지덴키 컴퍼니(Meiji Denki Co.)에 의하여 공급되는 항복전압 시험기를 이용하여 측정하였다. 시험 결과는 표 1에 개시되어 있다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, 항복전압은 알루미나의 함량이 감소함에 따라 증가한다. 본 발명에 따른 샘플 번호 3-7은 종래 방법에 의하여 만들어진 샘플 번호 9 보다 더 높거나 적어도 필적할만하게 높은 적당한 항복전압을 나타내었다.

(4) 금속화에 대한 결합강도시험

도 6에 도시된 바와 같이, 직경 3mm 및 길이 100mm의 KOVAR로 만들어진 다섯개의 금속핀(83)을 각 세라믹 원통형 튜브(81)의 단부 표면에 형성된 니켈-도금된 금속화층상에 땜질하였다.

그 다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 금속핀(83)을 보유부재(87)로 가볍게 쳐서 보유도구(85)에 의해 보유된 세라믹 원통형 튜브(81)로부터 0.5mm/분의 속도로 당겨 떨어뜨렸다. 금속핀(83)이 분리될 때까지 당김 강도를 쉬마드주 코포레이션(Shimadzu Corporation)으로부터 공급되는 인쇄문서에 기록하였다. 상기 금속핀(83)과 세라믹 원통형 튜브(81) 사이의 금속화의 결합강도는 상기 인쇄문서에 기록 된 최대 당김강도값인 것으로 결정되었다.

각 세라믹 원통형 튜브로부터 당겨 떨어지는 다섯개 금속핀의 최대 당김강도의 평균값은 금속화의 결합강도로서 표 1에 주어진다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, 금속화의 결합 강도는 알루미나 함량이 감소함에 따라 감소한다. 그러나, 본 발명에 따른 샘플 번호 3-7은 진공 스위치 용기 및 접촉기 용기에 대하여 최소한으로 요구되는 150MPa 보다 더 높은, 충분한 결합 강도를 보여준다.

샘플 번호		비교 샘플		본 발명					비교 샘플
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
알루미나 함량(중량%)		30	41	45	48	54	61	65	70	92
제조방법		압출성형							파우더 압축
금속화 온도(℃)		1130	1130	1130	1130	1130	1130	1130	1130	1380
소성 온도(℃)		1300	1300	1300	1300	1300	1300	1300	1300	1580
제조비용		저	저	저	저	저	저	저	고	고
횡절강도 (MPa)	열처리 전	154	170	198	213	200	232	235	240	380
	열처리 후	136	151	172	177	180	200	216	218	380
항복전압(kV/mm)		11.9	11.5	11.2	11.1	9.5	8.8	8.7	8.5	8.5
금속화의 결합강도(MPa)		120	142	168	170	175	190	190	198	350
밀폐성 평가		O	O	O	O	O	O	O	O	O
종합 평가		X	X	O	O	O	O	O	△	△

(5) X-선 회절 분석

상기 세라믹체에 형성된 미정질 물질의 유형을 식별하기 위해 X-선 회절 분석을 샘플들에 대하여 수행하였다. 도 8은 본 발명에 따른 샘플 번호 5에 대하여 실행된 입사각 함수로서의 X-선 강도를 도시한다. 도 9는 비교 샘플 번호 1에 대하여 실행된 입사각 함수로서의 X-선 강도를 도시한다. 이러한 분석에 사용된 X-선 회절계의 파라미터는 다음과 같았다: 표적 Cu, 필터 Ni, X-선 튜브 전압 35kV, X-선 튜브 전류 15mA, 계수 실제규모(count full scale) 800S/c, 시간 상수: 1초, 주사 속도: 2°/mm, 발산 슬릿: 1°, 수신 슬릿: 0.15mm, 산란 슬릿: 1° 및 입사각 범위(2θ): 20-60°.

비교 샘플 1 및 2에서 관찰되는 X-선 회절 분석 패턴은 도 9와 유사하였다. 이러한 비교 샘플에서, 알루미나의 주목할만한 X-선 강도 피크는 도 9의 X-선 회절 분석에서 검출되지 않았으며, 오히려 존재하는 알루미나의 X-선 강도 피크는 뮬라이트의 그것 보다 더 낮았다. 비교 샘플 1 및 2에서, 동일 도표에서 "M"으로 표시되는 뮬라이트의 많은 X-선 강도 피크는, 예를 들어 25.971°, 26.267°, 30.960°, 33.228°, 35.278°, 40.874°및 57.561°의 2θ입사각에서 관찰되었으며, 또한 동일 도표에서 "Q"로 식별되는 석영(다결정 SiO₂)의 많은 X-선 강도 피크는, 예를 들어 20.859°, 26.639°, 36.534°, 39.464°및 50.138°의 2θ입사각에서 관찰되었다.

상기 X-선 회절 분석으로부터, 알루미나 함량이 속이 빈 세라믹체에서 약 40중량%를 초과하지 않으면, X-선을 회절시키는 다결정 알루미나가 형성되지 않거나 더 적게 형성되고, 그 대신 뮬라이트 및/또는 석영이 형성됨을 이해할 수 있다. 달리 말하면, 원료 물질에 함유된 알루미나 및 점토는 분해되어 낮은 알루미나 함량의 원료 물질로부터 만들어지는 녹색의 속이 빈 세라믹체를 소성하는 동안 공유 뮬라이트를 형성한다. SiO₂ 가 점토내에 풍부하고 상기 원료 물질에 더 적은 Al₂O₃ 가 첨가되면, 뮬라이트는 더 적게, 석영은 더 많이 형성되는 경향이 있다.

샘플 번호 3-8에 대하여 수행된 X-선 회절 분석 패턴은 도 8과 비슷하였다. 이러한 샘플에서, 도 8에 "A"로 표시되는 알루미나의 6개 X-선 회절 강도 피크는 25.578°, 35.152°, 37.776°, 43.355°, 52.549°및 57.496°의 2θ입사각에서 관찰되었으며, 또한 동일 도표에서 "M"으로 표시되는 뮬라이트의 2개 X-선 회절 강도 피크는 26.267°및 40.847°의 2θ입사각에서 식별되었다.

상기 X-선 회절 분석 패턴은 본 발명의 샘플 3-8이 다결정 알루미나 및 뮬라이트를 함유하는 결정화 유리로 구성됨을 나타낸다. 이는 다결정 알루미나 및 뮬라이트 이외의 결정질 물질의 X-선 회절 강도 피크가 주목할만하게 검출되지 않았기 때문이다. 여기에 사용된 결정화 유리는 뮬라이트 함유 유리 및 일부의 비결정형 유리를 의미한다. 상기 결정화 유리에 형성된 비결정형 유리의 양은 총 결정화 유리의 25중량% 이하이다. 이는 점토로 구성된 원료 물질이 Al₂O₃ 및 SiO₂ 의 뮬라이트-형성 물질이 아닌 Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, K₂O 및 Na₂O 와 같은 다양한 유리-형성 물질을 약 5-25중량% 함유하기 때문이며, 이러한 유리-형성 물질로부터 형성되는 결정의 어떠한 검출될만한 X-선 회절 강도 피크도 검출되지 않았기 때문이다. 특히, 뮬라이트는 약 1200℃ 이상의 온도에서 Al₂O₃ 및 SiO₂ 로부터 형성된다.

샘플 번호 9에서, 도 8의 것과 유사한 알루미나의 6개 X-선 회절 강도 피크가 관찰되었으나, 뮬라이트에 대한 어떠한 검출할만한 X-선 회절 피크도 X-선 회절 강도 패턴에서 검출되지 않았다. 따라서, 샘플 번호 9의 속이 빈 세라믹체가 높은 알루미나 세라믹 함량을 가졌기 때문에 뮬라이트의 형성이 매우 억제된 것이다.

(6) 샘플들의 전체 평가

횡절강도, 항복전압, 금속화의 결합강도 및 기밀성(밀폐) 모두는 스위치 용기 및 접촉기에 대하여 반드시 요구되는 특성들이다. 비교 샘플 1 및 2는 표 1에 개시된 바와 같이 본 발명의 샘플 3-7 보다 횡절강도 및 금속화의 결합 강도 면에서 모두 낮은 값을 보였다. 이는 아마도 알루미나 입자가 모이지 않고, 대신 석영이 샘플 1 및 2의 속이 빈 세라믹체에 형성되기 때문일 것이다. 샘플 1 및 2의 전체적 평가는 표 1에서 "X"로 표시되는 바와 같이 빈약한 것으로 평가된다.

비교 샘플 8 및 9는 제조비용의 문제를 갖는다. 이는 약 70중량% 이상의 알루미나를 함유하는 원료 물질을 압출하기 위하여 압출 성형 공정을 이용하는 것이 곤란하기 때문이다. 따라서, 스프레이-건조 및/또는 다른 복잡한 작업을 요하는 비용이 드는 분말-압축 방법이 필요하다. 샘플 8 및 9의 전체적 평가는 표 1에서 "△"로 표시되는 바와 같이 양호하지는 않았는데, 이는 주로 제조 비용 때문이다.

대조적으로, 본 발명에 따라 45-65중량%의 알루미나 및 35-55중량%의 뮬라이트를 함유하는 결정화 유리로 구성되는 샘플 3-7의 전체적 평가는 표 1에서 "O"로 표시되는 바와 같이 우수하였다. 이는 횡절강도, 전압, 기밀성 및 저온 금속화 능력이 스위치 용기에 대하여 모두 만족스러웠기 때문이며, 가장 중요하게는 저비용의 압출 성형이 속이 빈 세라믹체를 제조하는데 사용될 수 있기 때문이다.

본 발명은 상기 실시예에 의하여 제한되지 않으며, 본 발명의 범위 및 정신에서 벗어나지 않고 다양한 형태의 실시예들이 실행될 수 있다.

예를 들어, 상술한 실시예에서는 단일층의 저온 금속화가 기술되었지만, 다층 저온 금속화가 이용될 수 있다. 예를 들어, 바닥 금속화층 및 상부 합금층을 형성하는 것으로 구성되는 이중층 금속화가 이용될 수 있다. 상기 바닥층은 70-88중량%의 Mo 및 0.7-5.5중량%의 Ni로 구성되는 저온 금속화층으로 구성될 수 있으며, 상기 상부층은 35-75중량%의 Ni 및 25-65중량%의 Cu 및/또는 2-30중량%의 Mn으로 구성되는 합금으로 구성될 수 있다. 상기 다층 금속화는 상기 층들을 수소 가스 분위기에서 1100-1200℃에서 소성함으로써 이루어진다.

속이 빈 세라믹체(예를 들어 세라믹 원통형 튜브)로 구성되는 상술한 스위치 용기를 형성하는데 있어서 기술된 바와 같은 압출성형 방법은 사출성형 방법을 포함한다.

본 발명에 따른 최고의 결과물은 상술한 조성 및 온도 중 대충 중간값이 이용되었을 때 얻어진다.

본 출원은 전체적으로 여기에 참고된 2004년 4월 14일자 일본 특허 출원 제2004-119208호에 기초한다.

Claims (15)

1. 45-65중량%의 알루미나 및 35-55중량%의 결정화 유리를 함유하는 속이 빈 세라믹체로 구성되는, 스위치 부재를 내부에 캡슐화 및 밀폐하기 위한 스위치 용기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 결정화 유리는 뮬라이트로 구성되고, 상기 속이 빈 세라믹체는 20-60°사이의 회절-주사 각도 2θ에 대하여, 뮬라이트 보다 더 높은 알루미나의 X-선 회절 피크 강도 및 알루미나를 제외한 다른 기타의 물질 보다 더 높은 뮬라이트의 X-선 회절 피크 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 스위치 용기.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 속이 빈 세라믹체의 표면에 형성된 금속화층으로 더 구성되는 스위치 용기.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 금속화층은 70-94중량%의 텅스텐 및 몰리브덴 중 하나 이상, 0.5-10중량%의 니켈, 및 2-23중량%의 실리카를 함유하는 것을 특징으로 하는 스위치 용기.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 금속화층에 형성된 금속층으로 더 구성되는 스위치 용기.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 금속층은 니켈 도금층인 스위치 용기.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 속이 빈 세라믹체의 개구가 밀폐될 수 있도록 합금에 의해 상기 금속층상에 땜질되는 금속캡으로 더 구성되는 스위치 용기.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 합금은 은-구리 공융합금인 스위치 용기.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 속이 빈 세라믹체는 원통형 및 관형을 갖는 것을 특징으로 하는 스위치 용기.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 속이 빈 세라믹체의 외부 표면에 형성된 광택층으로 구성되는 스위치 용기.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치 용기는 진공 스위치 용기 및 접촉기 용기 중 하나인 것을 특징으로 하는 스위치 용기.
12. 스위치 부재를 내부에 밀폐하기 위한 스위치 용기의 제조방법으로서, 알루미나 파우더 및 점토 파우더로 구성되는 원료 물질 제조시 알루미나의 양을 조절하고; 상기 원료 물질을 소성되지 않은 속이 빈 세라믹체로 압출하고; 상기 소성되지 않은 속이 빈 세라믹체를 1200-1350℃ 온도에서 소성하여, 45-65중량%의 알루미나 및 55-35중량%의 결정화 유리를 함유하고, 알루미나를 제외한 다른 물질들 보다 더 높은 X-선 회절 피크 강도의 뮬라이트를 갖는 속이 빈 세라믹체를 얻는 것으로 구성되는 스위치 용기의 제조방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 소성된 원통형 세라믹체의 표면에 소성되지 않은 금속화층을 형성하고, 상기 녹색의 금속화층을 1080-1250℃ 온도에서 소성하여, 소성된 금속화층이 상기 소성된 원통형 세라믹체에 밀폐 결합되도록 하는 것으로 더 구성되며, 상기 소성된 금속화층은 70-94중량%의 텅스텐 및 몰리브덴 중 하나 이 상, 0.5-10중량%의 니켈, 및 2-23중량%의 실리카를 함유하는 것을 특징으로 하는 스위치 용기의 제조방법.
14. 청구항 12 또는 13에 있어서, 상기 소성된 금속화층의 표면에 금속층을 도금하고, 합금을 이용하여 상기 금속-도금된 금속화층상에 금속캡을 땜질하는 것으로 더 구성되는 스위치 용기의 제조방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 금속층은 니켈-도금층이고, 상기 합금은 은-구리 공융합금인 것을 특징으로 하는 스위치 용기의 제조방법.

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