KR100246488B1 - 전자빔 집중방법 및 집중장치 - Google Patents

Abstract

진공피복실내의 전자빔의 축에 직교상태로 배열되는 자계에 의해 전자빔을 안내하고 집중시키는 동안 자계 또는 회전축의 구성 및 제어에 대한 결정요인인 신호가 비디오시스템에 의해, 즉 비디오카메라 및 평가된 화상에 의해 증발원의 표면상의 전자빔의 연소점의 검출에 의해 공급된다.

Description

전자빔 집중방법 및 집중장치

제1도는 본 발명에 따라 구성되는 진공피복장치의 종단면도.

제2도는 전자빔의 집중에 필요한 자석코일의 배열을 보인 도면.

제3도 내지 제5도는 증발원상의 연소점의 위치에 자계가 인가되는 상태를 개략적으로 보인 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공실 2 : 케이싱

3 : 전자빔 4 : 원재료소오스

5 : 기판 6 : 증발연결부

7 : 음극 8 : 반응가스도관

9,10 : 자석코일 11,12 : 자석코일

26 : 이송장치 29 : 글로 음극실

30 : 개구부 31 : 에너지 공급장치

42 : 비디오카메라 43 : 화상평가기

44,45 : 공급장치 51 : 컴퓨터

본 발명은 전자빔의 축에 수직으로 연장되는 자계에 의해 진공피복실내에서 전자빔을 안내하고 집중시키는 방법으로, 전자빔은 진공실내에서 음극으로부터 원재료소오스로 안내되고, 거기에서 연소점이 생성되며, 전자빔에 의해 원재료소오스는 가열되고 용융되며 원재료소오스는 재료의 용융점에 이를 때까지 그를 따라 공급되는 집중방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 그러한 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

피복재료를 증발시키고 그러한 재료에 의해 진공실내에서 기판의 표면을 피복하는 방법이 다수 공지되어있다. 질소 또는 산소 따위의 별도의 반응가스를 진공실내에 도입하고 그에의해 대응하는 성분의 표면을 피복하는 방법 또한 공지되어 있다. 독일 특허 제28 23 870호에는 그러한 방법 및 장치가 개시되어있다. 그에의해, 피복될 물건을 지지하는 기판지지부가 진공실내에서 주축둘레에 동심적으로 배열된다. 이들 물건은 밀링커터나 드릴 또는 특정의 기계적, 화학적 또는 광학적 특성을 갖는 표면피복부가 장착되는 장비 따위의 공구일 수도 있다. 음극장치로부터 나오고 원재료소오스상에 부딪히는 전자빔은 장치의 중심에서 진공실의 길이방향축을 따라 안내된다. 전자빔의 고에너지에 의해 원재료소오스의 표면은 용융되고 기술되는 방법에 따라 기판상에서 증착된다. 전자빔은 자계에 의해 집속되고 진공실의 중심위로 정렬한다. 기판과 기판의 지지부에 위치하는 물건의 지지는 이 자계를 왜곡시키며 이 외란의 결과로 전자빔은 편향되고 따라서 원재료소오스는 소정의 방식으로는 더 이상 아무런 영향을 받지 않는다. 피복공정중에 피복될 기판 또는 물건을 지지하는 지지부가 회전하거나 그렇지않으면 이동할 경우 또다른 어려움이 야기된다. 그러한 경우, 자계에 미치는 영향은 연속적으로 변하고, 전자빔은 불규칙적으로 편향되어 외란된다. 이러한 움직임의 결과, 원재료소오스는 불규칙하게 영향을 받으며 불규칙적으로 용융된다. 극단적인 경우, 전자빔에 의해 생성된 초점 또는 연소점은 불충분하게 냉각이 된 경우 플랜트의 구조에 손상을 입히게될 수도 있는 지지구조상으로 원재료소오스의 측부에 부딪힌다. 공지된 장치에서는 피복재료의 제한된 양만을 함유할 수 있는 도가니내에 위치하는 원재료소오스가 사용된다.

높은 증발비율을 갖는 장치 또는 플랜트내에 도가니의 바닥판을 통해 연속적으로 공급될 수 있는 원재료소오스로서 바 또는 봉을 두는 방법 또한 공지되어있다. 이 원재료봉은 양극을 형성하며, 자계가 영향을 미치지 않는 경우, 전자빔에 의해 형성되는 연소점은 원재료봉의 중심에 부딪혀서 표면의 균일한 용융을 일으킨다. 전자빔이 중심에서 멀리 편향되면, 봉의 일측부는 용융되지만 타측부에는 반죽같거나 부드러운 칼라가 형성된다. 이 일측부의 칼라는 냉각되는 지지부에서 일정거리 떨어져있기 때문에 적은 정도로만 또한 냉각된다. 칼라의 반죽같은 부분은 실내에 존재하는 반응가스와 반응하고, 그에의해 생성된 성분은 대부분 원재료보다 더 높은 용융점을 갖는다. 이는 증발율이 변하고 용융동작이 방해를 받는 상태로 인해 피복공정을 방해하게 된다. 그결과 피복공정은 중단되고 따라서 피복될 물건은 그 품질이 떨어지거나 폐기물로서 제거되어야만한다.

상기 언급한 상황으로부터 도출되는 목적, 즉 원재료소오스의 표면에서 균일한 용융처리를 수행하기 위해 피복공정중에 전자빔을 집중시키는 방법은 유럽특허공고 제0 381 912호에 기초하여 형성되는 바, 이 유럽특허는 전자빔의 축에 대해 폭방향으로 회전하는 자계에 의해 전자빔을 집중하는 방법에 관한 것이다. 이 회전자계는 원재료소오스의 전체표면을 균일하게 침식하기 위해 전자빔을 추가로 유도하고 집중시키기 위한 정상자계에 의해 추가로 중첩된다. 유럽특허 제 0381 912호에 개시된 바와 같이 진공실내의 반응가스의 소모율을 측정함으로써 전자빔을 각각 집중시키고 안내하기 위한 자계의 제어 및 유도는 그 자체로는 입증되지 않고 있으며, 신뢰적이지가 못하고 원재료를 비균일하게 침식시킴을 드러내었다.

따라서, 본 발명의 목적은 자계를 발생시키는 코일용의 공급장치의 제어를 더욱 신뢰성있게 향상시킴으로써 적절한 공정으로 전자빔을 안내하거나 집중시키는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 원재료의 중심으로부터 전자빔에 의해 생성된 연소점의 편향을 비디오시스템으로 검출하고 그에 따라 검출된 신호를 사용하여 전자빔을 안내하고 집중시키기 위한 자계를 형상화하는 단계로 이루어지는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전자빔의 영역에서 평면으로 위치하며 적어도 전자빔의 축에 수직하고 적어도 상호 수직하게 연장되는 축을 갖는 자석코일 및 비디오시스템으로 구성되며, 상기 비디오시스템은 진공실의 외측에 위치하는 비디오카메라, 진공실의 벽내에서 비디오카메라에서 증발원으로 관찰을 할 수가 있고 폐쇄가 될 수 있으며 그에의해 비디오카메라의 축은 사실상 증발원의 중심점상으로 향하게되는 윈도우 및 컴퓨터에 연결되어 자석코일의 공급을 제어하는 화상평가기를 포함하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 방법에 의해, 기판지지부 또는 기판자체로 인한 이상적인 축으로부터의 전자빔의 편향을 교정하고 주자계상의 영향을 교정하는 것이 가능하다. 이는 전자빔의 축을 가로지르는 정상자계가 발생되고, 그 자계는 전자빔을 원재료소오스의 중심에 위치시킨다는 점에서 달성된다. 두 자석코일의 축은 그에의해 상호 수직으로 그리고 전자빔의 축에 사실상 수직으로 연장되는 평면에서 연장된다. 이러한 식으로 발생된 자계는 강자성체 기판에 의해 생성된 주자계상의 영향을 보상한다. 정상자계의 자석코일이 배열되는 동일축상에서 중첩된 회전자계가 발생하여 전자빔을 추가로 유도하고 위치시키는 기능을 수행할 수도 있고 아니면 그에의해 전자빔은 일정한 반경으로 회전축둘레에서 회전한다. 회전자계는 위상구적, 즉 90도 위상이동된 교류에 의해 공급되는 90도 만큼 오프셋되는 두 코일에 의해 발생된다. 그러나 회전자계는 90도 위상이동된 교류로 추가공급된다는 점에서 초기에 언급된 두 자석코일에 의해 또한 발생될 수도 있다. 이 추가적인 회전자계로 인해 최적의 경우 회전축이 원재료소오스의 축과 정렬하게될 때까지 자석코일의 두 축에 의해 형성된 좌표시스템에서 전자빔이 회전하는 회전축을 변위시킬 수 있다.

장치 또는 플랜트가 동작할 때, 예를들어 강장성체 기판이 코일에 의해 발생된 주자계를 왜곡시키기 때문에 전자빔이 원재료소오스의 중심에 부딪히지 않을 경우, 전자빔이 회전하는 회전축은 또한 회전축의 외측에 위치하게된다. 따라서, 전자빔은 원재료소오스의 전체표면위에 스위핑되지 않으며, 비균일한 방식으로 용융되거나 침식되게된다. 부연하면, 용융될 증발원에 수용된 것을 가열하는 가스방출은 증발원의 중심에서 연소되지 않는다. 결국, 가장 뜨거운 영역은 원재료소오스의 봉의 중심에 동심적으로 배열되지 못한다.

본 발명의 방법에 따라, 비디오시스템의 비디오카메라는 원재료소오스의 봉의 중심과 정렬한다. 화상평가기는 비디오카메라에 연결된다. 이 화상평가기는 조정가능한 임계값을 초과하는 밝기신호를 검출하고 이 임계값을 초과하는 밝기를 갖는 영역에서 비디오카메라의 좌표시스템에 대해 이 영역의 가장 밝은 밝기의 중심의 좌표에 대응하는 신호를 출력한다. 이러한 식으로, 증발원상의 최고고온영역은 국부화될 수 있고 이 영역은 봉의 중심에 동심적으로 배치되지는 않는다. 화상평가기에서 발생된 신호에 의해 회전자계 또는 전자빔을 집중시키기 위해 90도 만큼 오프셋된 직교코일의 공급장치는 가장 밝은 밝기를 갖는 영역이 증발원의 중심에 위치하도록 제어된다. 이 전자빔 집중동작은 피복공정에 앞서 수행될 수 있으며, 특히 예를들어 전체공정의 1/4 단계에서 용융될 물품이 그와함께 단지 가열만되고 증발은 되지 않도록 출력될 수 있다. 비디오카메라에 의해 검출된 편향에 대응하여, 회전 전자빔은 회전축이 원재료소오스의 축과 일치하게될 때까지 원재료소오스의 축의 방향으로 회전축을 따라 변위된다.

도가니의 수직운동이 공정을 위해 필요할 경우, 즉 증발원의 수직운동이 요구될 경우, 피복에 앞서 도가니의 하부 및 상부위치의 중심설정이 수행된다. 그곳에서 비디오카메라는 증발원이 다시 화상의 중심에 위치하게될 때까지 선회한다. 피복공정중에 코일은 중심설정공정중에 결정된 전류에 의해 동작한다. 가스방전은 이제 용융될 품목의 중심상에서 완전한 파워로 연소된다. 더욱 균질한 봉의 용융을 달성하기 위해 교류가 상기 언급한 바와 같이 두 코일의 집중신호에 첨가된다. 두 교류신호는 서로 90도 만큼 위상이동된다. 정상자계에 걸쳐 중첩된 회전자계에 의해 연소점은 봉의 중심위치둘레를 움직임으로써 봉의 균일한 용융이 보장된다. 연소점은 이러한 방식으로 원재료소오스의 봉의 중심둘레를 순환한다.

이 방법에 의해 그러한 표면피복장치는 자동으로 제어될 수 있으며, 전자빔은 기판 또는 그에 설치된 기판지지부에 의해 최적의 위치에서 편향된다. 본 발명의 방법 및 장치가 자동으로 동작하기 때문에, 또다른 기판 및 또다른 배열이 기판지지부의 영역에 사용될 때 그에대한 조정은 불필요하다. 축둘레를 회전하는 전자빔에 의해 전자빔의 비교적 작은 직경에서 원재료소오스의 전체표면을 스위핑하고 균일한 용융 및 증발율을 달성할 수 있다. 이러한 배열은 용융 또는 증발율에 따라 연속적으로 공급될 수 있는 원재료소오스를 사용할 수 있게한다. 따라서 그러한 표면피복장치의 동작 및 가동을 각각 설정하기 전에 비디오카메라를 사용하는 상기한 본 발명의 방법에 의해 원재료소오스의 봉의 중심과 전자빔을 정렬시키는 것이 가능하다.

이하 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제1도 및 제2도에 따른 진공피복장치는 진공실(1)을 둘러싸는 케이싱(2)으로 이루어진다. 표면이 피복될 강자성체 기판(5)은 이 진공실(1)내에 위치한다. 기판(5)은 이 표면에서의 최적의 피복을 보장하기 위해 특별히 예시되지는 않은 방식으로 변위되거나 이동한다. 음극(7)을 갖춘 글로음극실(29)과 그에 대응하는 에너지공급장치(31)는 케이싱(2)의 상부에 위치한다. 글로음극실(29)은 개구부(30)를 통해 진공실(1)과 소통한다. 원재료소오스(4)는 진공실(1)의 바닥에 위치한다. 이 원재료소오스는 봉상형태를 취하며, 재료의 용융 및 증발량에 따라 공급된다. 이러한 동작을 수행하기 위한 이송장치(26)는 원재료소오스(4)의 아래에 설치된다. 증발연결부(6)는 케이싱(2)에 배열되며, 그를 통해 소정의 진공이 진공실(1)내에서 생성된다. 반응가스도관(8)용 연결부는 음극실(29)의 영역에 위치하며, 그를 통해 아세틸렌, 질소 또는 산소 따위의 반응가스가 공급되며, 이들 가스는 공지된 방법에 따라 증발재료와 결합한다. 예를들어 티타늄으로 된 원재료소오스(4)가 사용되고 질소가 반응가스도관(8)을 통해 그에 공급될 경우, 티타늄-니트리드 성분 또는 아세틸렌을 첨가하여 공구의 피복에 특히 적절한 티타늄-카보니트라이드-코팅을 생성할 수 있다. 플랜트의 가동시 전자빔(3)은 음극(7)과 원재료소오스(4)의 표면간에 생성되며, 그 빔은 원재료소오스(4)의 표면을 응용하고 그 재료를 진공실(1)내로 증발시킨다.

전자빔(3)을 안내하기 위해 전자빔(3)의 축(17)에 평행하게 연장되는 자계를 발생시키는 자석코일(9,10)이 케이싱(2)에 설치된다. 전자빔(3)은 이 자계에 의해 집속되고 안내된다. 피복될 기판 또는 물건의 특성, 형상 및 크기에 따라 코일(9,10)에 의해 발생되는 자석의 자속이 변하며, 따라서 전자빔(3)은 이론상의 축(17)에서 편향된다. 그 결과 원재료소오스(4)의 표면상에서 전자빔(3)에 의해 생성된 연소점은 더 이상 원재료소오스(4)의 중심을 가격하지 않으며, 따라서 원재료소오스(4)의 비균일한 용융을 야기시킨다. 또다른 결과로서, 불충분하게 가열된 반죽같거나 부드러운 가장자리영역은 반응가스와 반응하고 따라서 고용융점에서만 용융되는 성분을 형성한다. 이는 동작모드 및 피복장치의 효율에 고려할 정도로 부정적인 영향을 미치게된다. 특정시간이 지난 후에 이송장치(26)에 의해 원재료소오스(4)의 이송은, 매우 높여진 칼라가 전자빔(3)에 의해 더 이상 적절히 가열되지 않는 원재료소오스(4)의 표면(32)의 영역에 설치되기 때문에 중단되어야만 한다.

이들 외란을 방지하거나 전자빔의 경로를 교정하기 위해 별도의 자석(11 : X 코일) 및 (12 : Y 코일)이 본 발명의 장치에 배치된다. 예시된 예에 따라서, 이들 자석코일은 케이싱(2)의 외부, 특히 전자빔(3)의 축(17)에 사실상 수직하게 연장되는 평면에 설치된다. 이들 코일(11,12)의 축(15,16)은 동일한 공통평면내에서 연장되고 상호 90도의 각도를 두고 연장된다.

비디오카메라(42)는 또한 본 발명의 장치에 장착되며, 윈도우형상개구부(53) 및 밸브(52)를 통해 증발원(4)의 봉의 중심과 정렬한다. 비디오카메라(42)는 회전축(54) 둘레로 선회가능하게 지지된다. 화상평가기(43)는 비디오카메라(42)에 연결된다. 이 화상평가기(43)는 설정된 임계값보다 높은 밝기신호를 검출하고, 상기의 밝기 또는 더 높은 밝기의 영역에 있어서 비디오카메라의 좌표시스템에 대해 이 영역의 최고강도의 점의 좌표에 대응하는 이 임계값신호를 출력한다. 이러한 방식으로, 전자빔에 의해 증발원(4)의 가스방전 또는 가열에 의해 생성되는 증발원(4)의 표면상의 최고고온영역은 비디오카메라(42)에 의해 검출된다. 화상평가기(43)에 연결되는 컴퓨터(51)와 공급장치(44,45)를 통해 상호 수직하게 배열되는 집중코일(11,12)은 최고밝기의 영역이 증발원(4)의 중심에 위치할 수 있도록 제어되거나, 전자빔을 교정하는 별도의 자계가 최고밝기의 영역이 증발원(4)의 중심에 위치할 수 있도록 발생된다. 비디오카메라에 의한 이 집중공정은 피복공정이전에 수행되는 것이 바람직하며, 그에 의해 전체 부하출력의 1/4 이하에서 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 용융될 품목(4)은 단지 가열만 되고 증발은 되지 않는다. 비디오카메라(42)가 축(54)을 중심으로 선회가능하게 지지된다는 사실로 인해 증발원(4)이 각각의 대응하는 표면위치로 수직이동함에 따라 카메라(42)를 조정할 수 있기 때문에 비디오카메라는 어떠한 경우에도 증발원(4)의 중심을 향할 수 있게된다. 피복공정시, 코일은 집중공정에 의해 결정된 전류에 의해 동작한다. 이제 가스방전은 최대의 출력으로 용융될 품목(4)의 중심상에서 연소된다. 용융될 품목(4)을 균일하게 용융하기 위해서 교호적인 신호가 두 코일(11,12)의 집중신호에 걸쳐 중첩된다. 고정자계상에 중첩된 회전자계로 인해 연소점은 증발원(4)의 중심위치둘레를 이동함으로써 봉의 균일한 용융이 보장된다. 이러한 중첩은 자석코일(11,12)에 평행하게 배열된 별도의 자석코일에 의해 생성되거나 자석코일(11,12)의 각각의 일부를 구성하는 또다른 자석코일에 의해 생성된다. 이러한 방식으로, 연소점은 중심둘레를 분당 약 4번 순환한다.

전자빔 또는 용융될 품목(4)의 표면상에 생성된 연소점상으로 자계가 미치는 상태를 제3도, 제4도 및 제5도에 예시하였다.

제3도는 전자빔의 경로가 교정되지 않은, 용융될 품목(4)의 표면상의 연소점의 위치를 나타낸 것이다.

제4도에서는 전자빔이 코일(11,12)(X 및 Y 코일)의 정상자계에 의해 각각 교정되고 집중되어 있다.

제5도의 경우, 연소점은 정상자계에 의해 교정된 일측부에 있고, 또한 연소점이 화살표의 방향으로 회전운동을 증발원의 표면에 전달할 수 있도록 교호적인 자계에 의해 중첩된다.

제1도 내지 제5도에 도시한 본 발명의 장치와 방법의 실시예는 본 발명을 제한하지 않으며, 여러 가지로 변형이 가능하다. 예를들어 증발원상의 연소점의 위치는 비디오카메라에 의해 검출되고 그후에 연소점이 증발원의 중심에 위치할 수 있도록 상호 직교상태로 연장되는 별도의 자석코일에 의해 교정될 수 있다.

따라서, 본 발명이 첨부된 도면에 예시된 실시예에 기초하여 설명되었지만, 본 발명이 이에의해 제한되지 않고 이후에 기재하는 특허청구의 범위를 벗어나지 않는한 여러 가지로 변형실시가 가능하다.

Claims (8)

1. 전자빔의 축에 수직으로 연장되는 자계에 의해 진공피복실내에서 전자빔을 안내하고 집중시키는 방법으로, 전자빔은 진공실내에서 음극으로부터 원재료소오스로 안내되고, 거기에서 연소점이 생성되며, 전자빔에 의해 원재료소오스는 가열되고 용융되며 원재료소오스는 재료의 용융점에 이를 때까지 그를 따라 공급되는 집중방법에 있어서, 원재료의 중심으로부터 전자빔에 의해 생성된 연소점의 편향을 비디오시스템으로 검출하고 그에 따라 검출된 신호를 사용하여 자계를 조절함으로써 전자빔을 안내하고 집중시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자빔을 집중시키는데 두개의 교차하는 자석코일이 사용됨을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 비디오시스템은 봉 형상의 원재료의 중심 또는 원재료소오스의 중심에 정렬되는 비디오카메라를 구비하고, 상기 비디오카메라는 원재료소오스의 표면상의 밝기의 신호를 검출하는 화상평가기에 연결되며, 상기 화상평가기에 의해 조정가능한 임계값을 초과하는 밝기신호를 검출,결정함으로써 직교상태로 배열되는 자석코일로된 공급장치가 컴퓨터를 통해 상기 신호에 의해 원재료소오스의 표면상의 가장 밝은 밝기의 위치가 원재료에서 증발원의 중심에 위치되도록 하는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 전자빔은 증발원의 용융 대상물이 단지 가열만되고 증발은 되지 않도록 감소된 출력으로 집중시에 동작함을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 비디오카메라는 원재료소오스의 변위에 따라 조정 및 집중을 행할 수 있도록 선회가능하게 지지됨을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 자계는 원재료소오스의 축을 중심으로 전자빔을 회전시키기 위해 교호적인 신호에 의해 발생되는 회전자계와 중첩되며, 그러므로써 원재료소오스가 균일하게 용융됨을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
7. 제6항에 있어서, 회전운동축은 원재료소오스의 축과 일치함을 특징으로 하는 전자빔 집중방법.
8. 전자빔의 축에 수직으로 연장되는 자계에 의해 진공피복실내에서 전자빔을 안내하고 집중시키며, 음극으로부터 원재료소오스로 진공실내에서 안내되는 전자빔을 방출함으로써 원재료상에 연소점을 생성하는 음극을 포함하고, 원재료의 표면은 가열되고 용융되며, 원재료는 그 원재료의 용융에 대응하여 공급되는 장치에 있어서, 상기 장치는 전자빔의 영역에서 평면으로 위치하며 적어도 전자빔의 축에 수직이고 적어도 상호 수직하게 연장되는 축을 갖는 자석코일 및 비디오시스템으로 구성되며, 상기 비디오시스템은 진공실의 외측에 위치하는 비디오카메라와 진공실의 벽내에서 비디오카메라에서 증발원으로 관찰을 할 수가 있고 폐쇄가 될 수 있으며 그에의해 비디오카메라의 축이 증발원의 중심점으로 향하게되는 윈도우와, 그리고 컴퓨터에 연결되어 자석코일의 공급을 제어하는 화상평가기를 포함함을 특징으로 하는 전자빔 집중장치.