흑연 고온 진공로 (Graphite High-Temperature Vacuum Furnace)

• 미국 MRF사의 실험실용 소형 흑연 고온 진공로(Graphite High-Temperature Vacuum Furnace)는 고효율 그래파이트(흑연) 단열 팩 덕분에 적당한 전력 사용량으로 불활성 가스에서 3,000°C에서 작동할 수 있습니다.
• He 가스에서 3,000도씨 작업 가능 →이온화 전위가 높아 방전이 어렵고 가장 안정적이며, 초고온 운전에 가장 적합합니다. / Ar 가스의 경우 2,700도씨까지 사용 가능 → 초고온에서 이온화되어 플라즈마(아크)가 형성될 수 있어 전원 및 계측이 불안정해질 수 있습니다. / N2 질소의 경우 2,000도씨 아래에서 사용 합니다→ 질소는 이온화가 되기 훨씬 전에 분자 자체가 쪼개지는 ‘열해리’ 현상이 발생하고, 1,800°C ~ 2,000°C (실질적 한계)로 질소 분자의 강력한 삼중결합이 엄청난 열에너지에 의해 서서히 끊어지기 시작합니다. 이때 쪼개진 ‘반응성 질소 원자(N)’는 주변 물질과 빠른 속도로 반응합니다.
• MRF의 흑연 저항가열로는 약 2 PSIG(=절대압 1.15 bar)의 Argon 분위기에서 최대 3,000°C까지 운전할 수 있도록 설계되어 있습니다.

• 직경 4인치 x 높이 8인치(101mm x 204mm)의 핫 존은 초고온에서 소규모 배치 처리 또는 재료 연구에 적합합니다. 가열 소자와 쉴드의 수명을 극대화하기 위해 진공상태에서는 2,200°C로 제한 됩니다.
• 모든 용광로는 최적의 온도 균일성을 위해 BAND HEATER 또는 MESH HEATER를 장착하고 있습니다.
• 다양한 키트를 추가하여 용광로의 기능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 급속 냉각 키트, 급속 냉각용 열교환기, 물리적 테스트 키트, 가스 정화기, 압력 ​​제어 장치 등이 있습니다. 구체적인 용광로 사양에 대해서는 저희에게 문의해 주십시오.

• 옵션 :

직관적인 HMI 인터페이스를 통해 누구나 쉽게 장비를 제어할 수 있습니다. 저온 구간에서는 자동 후퇴식 열전대 온도 센서가(RTC, Retractable Thermocouple) 온도를 정밀하게 측정하며, 설정 온도에 도달하면 센서가 자동으로 후퇴 합니다. 이후 고온 구간에서는 비접촉식 고온계(Pyrometer)로 전환되어 안정적인 온도 제어가 이루어집니다.

• 적용 분야 :

Sintering(소결), Thermal Processing(열처리), Carbonizing(탄화), Ceramic Firing(세라믹 소성 : Debinding 바인더제거-Carbnizing 탄화-Sintering 소결), Degassing(탈기: 재료나 장비 내부에 포함된 가스(기체)를 제거하는 과정) , Heat Treating(열처리) 등 다양합니다.

“탄소 기반 소재의 탄화 및 기타 특수 열처리 공정(carbonization)”는 탄소를 포함한 원료를 고온에서 열분해하여 휘발성 성분을 제거하고 탄소질 구조로 전환하는 공정을 의미합니다.

예를 들면 다음과 같은 제품/소재가 해당될 수 있습니다.

• 탄소섬유(Carbon Fiber) : PAN계 섬유 등을 열처리하여 탄소섬유로 전환
• 탄소/흑연 부품 : 탄소 블록, 흑연 부품, 탄소 성형체 등의 열처리
• 탄소 복합재(C/C Composite) : 탄소-탄소 복합재의 탄화 및 후속 열처리
• 수지 함침 탄소재 : 페놀수지, 퓨란수지 등을 함침한 소재를 가열하여 수지를 탄화
• 탄소 전극 및 전극 소재 : 배터리·전지용 탄소 소재의 탄화
• 바이오매스 기반 탄소 소재 : 목재, 셀룰로오스, 코코넛 껍질 등의 탄화 → 활성탄 등의 전처리 소재
• 카본 블랙 및 기타 탄소계 분말 : 특정 제조·열처리 공정에서의 고온 탄화

특히 진공로/불활성가스 분위기의 고온로에서는 산소와의 반응을 억제하면서 탄화하기 때문에, 일반적인 산화 분위기의 열처리와 구분됩니다.

그래파이트(흑연)가 “더럽다”고 느껴지는 이유는 연필심처럼 쉽게 묻어나고 가루가 날리는 이미지 때문이지만, 반도체 및 고온 산업에 쓰이는 흑연은 일상의 흑연과 완전히 다른 초고순도(99.999% 이상) 공학 소재 입니다.

내산화성, 장시간 가열 특성, 반도체 산업에서의 가치에 대해 정리해 드립니다.

1. 내산화성 (산화 및 부식에 잘 견디는 성질)

• 산소 차단 시 무적에 가까운 화학적 안정성: 흑연은 산소가 없는 진공(Vacuum)이나 불활성 가스(아르곤, 질소) 분위기에서는 2,000°C~3,000°C 이상의 초고온에서도 산화되거나 탄지 않고 원래 형태를 그대로 유지합니다. 진공로나 반도체 열처리 장비는 내부의 산소를 빼내고 작업하므로 타버릴 염려가 없습니다.
• 강력한 내화학성: 강산(Acid)이나 강알칼리, 가스 등 화학 물질과 반응하지 않는 화학적 불활성(Chemical Inertness)이 매우 뛰어납니다.

2. 장시간 가열작업에 뛰어난 이유

• 온도가 올라갈수록 강도가 높아지는 특성: 일반 금속(철, 구리, 텅스텐 등)은 고온에서 무르거나 변형되지만, 흑연은 온도가 2,500°C 근처까지 올라갈수록 오히려 기계적 강도가 더 강해집니다.
• 열열충격(Thermal Shock) 저항성: 열전도율이 매우 높고 열팽창률이 매우 낮아, 갑작스럽게 온도를 올리거나 내려도 열 변형이나 균열(Crack)이 거의 생기지 않습니다.
• 변형 없는 열 균일성: 장시간 가열 시 열을 아주 균일하게 전달하므로 internal 핫존(Hot Zone)이나 히터 재료로 오랜 시간 안정적으로 가동할 수 있습니다.

3. “더러울 것 같은데” 반도체 산업에 왜 좋을까?

결론부터 말씀드리면, 반도체용 흑연은 세상에서 가장 깨끗한 소재 중 하나입니다.

• 초고순도 정제 (Ultra-High Purity): 일반 흑연 가루는 불순물이 많지만, 반도체용 고순도 흑연은 고온 정제 공정을 통해 불순물 함량을 5 ppm 이하(99.999% 이상)로 극단적으로 제어합니다. 불순물이 없기 때문에 열을 가해도 웨이퍼에 오염 물질을 배출하지 않습니다.
• SiC(탄화규소) 코팅 기술: 흑연 표면에서 탄소 가루나 입자가 날리는 것을 완전히 막기 위해, 표면에 SiC(Silicon Carbide)를 얇고 단단하게 코팅하여 사용합니다. 이렇게 하면 유리나 도자기처럼 매끄럽고 단단한 상태가 되어 미세 입자(Particle) 오염이 일절 발생하지 않습니다.
• 실리콘 웨이퍼와의 친화성: 반도체의 핵심인 실리콘(Si) 단결정(Ingot)을 성장시키거나 웨이퍼를 열처리할 때 2,000°C 가량의 초고온이 필요한데, 이 온도를 견디면서 실리콘 결정 구조를 망가뜨리지 않는 소재는 고순도 흑연이나 SiC 코팅 흑연이 거의 유일합니다.

정리하자면, 산소를 제거한 환경(진공/불활성 가스) 속 흑연은 고온 변형이 없고 화학적으로 완벽히 안정한 최고급 내열 소재이며, 표면 코팅과 초고순도 정제 기술 덕분에 반도체 공정에서도 오염 염려 없이 안심하고 사용됩니다.

미국 뉴햄프셔 소재 → MRF사 사이트 링크

다양한 적용분야와 고품질 사양과 간편한 사양 등 다양한 진공로를 제조공급을 합니다.

사용고객처

• US National laboratories : Argonne/AMES/INL/LANL/ORNL/NASA…
• University : New Hampshire/Johns Hopkins/MIT/RPI/Princeton/UCLA/Rice Univ/Tsinghua Univ/Peking Univ, Shanghai Dianji U
• Many large US Corporations.

다양한 종류의 고온 진공로 제품 소개 사이트 → 한미산업 사이트 링크

미국 뉴햄프셔 소재, MRF사의 3,000°C 상부 로딩 타입,

흑연 고온 진공로의 소개 – 동영상

1,000°F(약 538℃)까지 가열된, 진공 밸브의 운전 – 동영상

1. 왜 밸브 가열(Heated Valve)이 중요 한가?

흑연 고온 진공로 (Graphite High-Temperature Vacuum Furnace)에는 밸브가 매우 중요 합니다.

• 아웃가싱(Outgassing) 방지: 진공 밸브 내부에 수분 가스가 응축되면 진공도가 급격히 나빠집니다. 밸브를 고온(예: 1,000°F)으로 가열하면, 내부 잔류 기체가 빠져나와 초고진공 달성에 유리합니다.

• 응축물 방지: 고온 공정에서 발생하는 증기(금속 증발, 휘발성 부산물)가 차가운 밸브 표면에 달라붙으면 오염이 생기고 진공 유지가 어렵습니다. 가열 밸브는 이를 막아줍니다.

• 진공 안정성 향상: 장시간 고온 실험(2,000~3,000℃ 이상)에서는 조금의 누출이나 불안정도 결과에 치명적입니다. 밸브 가열은 이런 리스크를 줄여줍니다.

2. 초고온 진공로 제조 기술과 밸브와의 연관성

• 재료 증발 실험 (예: Ti, Zr, SiC, 흑연 등): 2,000~3,500℃ 영역에서 원자/분자가 증발 → 밸브 내부에 침착 가능 → 가열된 밸브는 이를 방지.

• 단결정 성장 (Czochralski, Bridgman, Arc Zone Melting 등): 순수한 진공 가스 분위기 유지가 결정 품질에 직결 → 밸브 안정성이 필수.

수소·반응성 가스 실험: 수소, 산소 등 활성 가스 주입 시 밸브 응축을 막아야 안전.

즉, MRF가 이 기술을 보여주는 건 *단순한 퍼니스가 아니라, 진공 시스템 전체를 안정적으로 설계한다*는 메시지 입니다.

사용 응용 범위 ;

미국 뉴햄프셔 소재, MRF사의 흑연 고온 진공로 – 상세 사양

1. 챔버 및 핫 존

진공로 챔버는 둥글고 적재 및 하역을 용이하게 하기 위해 힌지형 상단 뚜껑이 제공됩니다. 챔버는 이중 벽으로 되어 있으며 304L 등급 스테인리스 스틸로 제조되었으며 헬리 아크 방식으로 용접되었습니다. 챔버는 전기 연마되어 깨끗하고 윤이 나며 내구성 있는 마감 처리가 됩니다.

흑연 유형 핫 존에서는 섬유질 흑연 단열재를 사용합니다. 저항 가열 흑연 요소가 작업 영역을 둘러싸고 있습니다. 이 저항가열 흑연 요소에 대한 전원은 나사산 연결이 필요 없는 일련의 흑연 핀을 통해 공급됩니다. 이를 통해 요소 교체를 위한 다운타임이 줄어듭니다.(2,000 ℃ 이상, 300시간 이상 연속 가열 시, Bolt 타입이 아니라서 스테인레스 스틸 볼트와 구리소재의 Power Feed Through간 용접현상 방지를 할 수 있습니다.) 요소 영역은 4″ x 8″이고 사용 가능한 영역은 직경 3.5″ x 높이 6″(89mm x 152mm)입니다. 사용 가능한 영역의 온도 균일성은 +/-10°C입니다. 직경 5/8″ 회전식 가스 포트 석영 투시창이 챔버 측면에 있습니다. 다른 핫 존 크기도 사용할 수 있습니다. 상단 로딩 퍼니스를 참조하세요.

챔버에는 옵션인 고진공 시스템을 수용하기 위해 뒷면에 4인치 펌핑 포트가 있습니다. 챔버 바닥에는 조절 가능한 전원 공급을 위한 포트가 있습니다. 퍼니스 챔버는 배기 시스템과 관련 전기 구성 요소를 수용하는 구조적 연강 앵글 프레임에 장착됩니다. 물과 가스 매니폴드도 이 프레임에 장착됩니다. 제어 콘솔은 퍼니스의 왼쪽에 있습니다.

2. 진공 배기 시스템

퍼니스를 5 × 10⁻² Torr 진공 레벨로 진공할 수 있는 Roughing Pump가 기본 포함 됩니다. 가스에서 작동하도록 챔버를 분리하기 위해 전기 공압 진공 밸브가 제공됩니다. 시스템 누출을 확인하기 위한 수동 밸브가 제공됩니다. 진공 레벨은 진공 게이지 컨트롤러 또는 옵션인 HMI 인터페이스를 시각적으로 관찰하여 모니터링할 수 있습니다. 챔버의 4인치 포트는 옵션인 5 × 10⁻⁵ Torr 나 더 높운 수준의 고진공 시스템을 수용합니다.

3. 전원 공급 장치

핫존 전원은 3상 SCR 제어 변압기에서 공급됩니다. 이 전원 공급 장치는 100°C/분의 램프 속도와 3000°C의 작동 온도를 수용하도록 설계되었습니다. 모든 회로 차단기, 접촉기 및 전원 제어 장치는 계측기와 함께 하나의 캐비닛에 보관됩니다.

4. 공정 가스 시스템

이 퍼니스 시스템은 작업 샘플에 양압 불활성 가스 환경을 제공하도록 설계되었습니다. 이 퍼니스에서 사용되는 표준 양압은 2 P.S.I.G입니다. 릴리프 밸브와 복합 게이지(30 P.S.I.G. x 30 in. Hg.)는 퍼니스 본체 상단에 있습니다. 유입 가스 흐름은 유량계에 장착된 밸브와 솔레노이드 가스 유입 밸브를 통해 조절됩니다. 분압 제어 시스템, 수소 작동, 가스 정화 또는 산소 모니터링은 모두 사용 가능한 가스 시스템 옵션입니다.

5. 제어 시스템

퍼니스 제어는 푸시 버튼, 선택 스위치 및 개별 컨트롤러가 있는 그래픽 패널 또는 HMI 컴퓨터 인터페이스를 통해 설정됩니다. 온도는 2색 광학 피로미터와 “C”형 열전대를 사용하여 읽습니다. 자동 TC 제거기는 피로미터가 제어되면 TC를 가열된 영역에서 빼내 녹지 않도록 보호합니다. 이 접을 수 있는 TC는 금속 진공 밀폐 벨로우즈로 밀봉되어 슬라이딩 씰이 필요 없습니다. TC는 실내에서 1500°C까지의 구역 온도를 제어합니다. 그런 다음 피로미터는 1500°C에서 3000°C까지의 온도를 읽습니다. 공압 진공 밸브와 제어판 계측기가 있는 진공 게이지와 컨트롤러를 통해 진공 시스템을 모니터링하고 작동할 수 있습니다.

용광로 작동은 간단하며 최소한의 작업자 상호 작용만 필요하지만 감독자 또는 기술 인력이 용광로 작동을 재구성하고 추가로 사용자 지정할 수 있습니다.

6. 옵션 DAQ/HMI 제어 시스템

모든 용광로 시스템과 마찬가지로 사용자 친화적인 작업자 인터페이스가 있는 HMI 제어 시스템을 옵션으로 사용할 수 있습니다. 이 패키지는 트렌드에 표시되는 퍼니스 저장 데이터, 표시/기록되는 알람, 온도 레시피 수 제한 없음, 운영자가 무단 매개변수를 입력하지 못하도록 하는 추가 보안, 퍼니스 PC를 네트워크로 연결할 수 있다는 추가 이점이 있습니다. 완전 자동화된 실행도 프로그래밍할 수 있습니다. 이 HMI 시스템은 푸시 버튼과 스위치가 포함된 기존 온도 및 진공 컨트롤러를 대체합니다.

7. 퍼니스 수냉 매니폴드

이 시스템과 함께 제공되는 수냉 매니폴드는 퍼니스와 전원 케이블을 적절히 냉각하도록 설계되었습니다. 물 흐름 스위치는 시각적 표시를 위한 조명과 핫 존 전원을 연동하여 설치됩니다. 수냉 매니폴드에는 퍼니스의 다양한 부분에 물을 공급하는 여러 회로가 있습니다. 이들 각각은 각 회로에 적절한 양의 유량을 허용하여 물을 절약하고 약 100F의 배수 온도를 허용하도록 수동으로 조정할 수 있습니다.

8. 유틸리티

전력: 35kVA, 480V/3Ph/50-60Hz(다른 전압 사용 가능)

물: 7G.P.M.(27LPM) @ 70F(20°C) 및 50P.S.I.G.(3.4bar)

공정 가스: 아르곤 또는 질소 30L.P.M. @ 50P.S.I.G.(3.4bar)

압축기

소형 3,000°C 흑연 실험실 용광로에 사용 가능한 옵션:

1. 레토르트 (Retort) → Hot Zone 내부에 설치되는 가열용 챔버로, 초고온 히터와 가공 샘플을 분리하여 직접 가열이 아닌 복사열 방식으로 열을 전달 합니다. 이를 통해 샘플의 온도 균일성을 향상시키며, 시료에서 발생하는 부식성 부산물, 결합제(binder) 및 휘발성 물질이 Hot Zone으로 유입되는 것을 방지합니다.
2. 칠러 – 폐쇄 루프 냉각용
3. 더 큰 고온 영역 (Hot Zone) – 3,000°C 가열 가공이 가능한 상단 로딩 타입 Hot Zone에 대하여 다양한 크기의 핫존을 공급 합니다.
4. 고진공 확산 펌핑 시스템 (High vacuum diffusion pumping system)- 대용량 공정용, 1차 펌프는 로터리 베인 펌프 사용(오일식)
5. 고진공 터보 펌핑 시스템 (High vacuum turbo pumping system ) – 초순수 환경용, 정밀공정용, 1차 펌프는 스크롤 펌프 사용(오일 프리 드라이식)
6. HMI 시스템 – 완전 자동화된 실행 및 데이터 수집을 위한 PC 사용자 친화적 인터페이스가 있는 맞춤형 제어 시스템
7. 파이로미터 및 수납식 TC – 광학적 온도 측정에 사용
8. 분압 제어 (Partial Pressure Control) – 챔버 내부 압력을 프로그래밍 가능한 설정점으로 제어 : 스로틀 밸브로 펌핑 속도를, MFC(질량유량제어기)로 가스 유량을 제어하여 챔버 내 분압을 설정 범위로 정밀하게 유지 합니다. (사용 예 : 아르곤은 높은 비활성 안정성을, 질소는 우수한 열전달 특성과 경제성을 제공하며, 각 가스의 분압을 정밀 제어해 혼합 비율을 유지함으로써 가열 냉각 속도와 공정 품질을 동시에 최적화 합니다.)
9. 가연성 가스 시스템 – 수소와 같은 환원 환경에서 부품을 가열하는 기능 추가(최대 온도 제한)
10. 가스 습윤 시스템 – 공정에 환원 환경이 필요한 경우
11. 칠러 – 폐쇄 루프 냉각용
12. O2 모니터 – 공급 가스 또는 챔버 환경의 산소 함량 측정용
13. 가스 정화기 – 가스 공급에서 불순물 제거용
14. CE 인증 – CE가 필요한 국제 국가로 수출용
15. UPS – 정전 중에도 필수 구성 요소를 작동 상태로 유지

미국 뉴햄프셔 소재 → MRF사 사이트 링크

사용고객처

• US National laboratories : Argonne/AMES/INL/LANL/ORNL/NASA…
• University : New Hampshire/Johns Hopkins/MIT/RPI/Princeton/UCLA/Rice Univ/Tsinghua Univ/Peking Univ, Shanghai Dianji U
• Many large US Corporations.

다양한 종류의 고온 진공로 제품 소개 사이트 → 한미산업 사이트 링크