KR100324899B1 - 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자재료를 기판에 증착하기 위한 진공증착장비의 핵심적인 구성품인 크누드센 셀(Knudsen, K-cell)에 관한 것으로, 특히 온도제어가 가능하고 시료를 충분히 증발시킬 수 있도록 시료가열방식이 개량된 크누드센 셀(Knudsen cell:이하 케이-셀이라 함)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 케이-셀은 시료를 적재할 수 있는 H빔 형상의 원통형 시료용기와, 상기 시료용기의 측면 및 상기 시료가 적층되는 상기 시료용기의 H빔 수평부를 가열하기 위한 발열원들과, 상기 발열원들이 서로 다른 내면 일부에 장착되며, 상단면 일부에 방출구경이 형성되어 상기 원통형 시료용기를 밀폐시키는 차폐용 외관으로 구성된다. 따라서 본 발명은 시료용기를 복수가열방식 즉, 시료가 적층되는 부분과 그 측면을 동시에 가열함으로써, 시료의 잔류현상을 제거할 수 있음은 물론, 고분자 재료의 증착효율을 증가시킬 수 있게 되는 것이다

Description

고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀{AN IMPROVED KNUDSEN CELL FOR DEPOSITION OF POLYMER THIN FILMS}

본 발명은 고분자 재료를 기판에 증착하기 위한 진공증착장비의 핵심 구성품인 크누드센 셀(Knudsen cell:이하 케이-셀이라 함)에 관한 것으로, 특히 시료가열방식이 개량된 케이-셀에 관한 것이다.

박막 성형 및 합성기술의 발달로 컴퓨터 영상기기, 사무 자동화기기 등의 전자, 정보산업기기가 소형화 및 고성능화 되어 가고 있으며, 고집적 및 고정밀성을 필요로 하는 초전소자, 광학소자, 통신소자 등이 첨단분야의 핵심부품으로 인식되고 있다.

이처럼 박막의 용도는 매우 광범위하고 거의 모든 재료를 사용하여 만들 수 있으며, 박막제작기술이 고도로 발달되어 원하는 어떠한 형상이나 구조로도 손쉽게 만들 수 있어서 다양한 기능을 가진 여러 가지의 소자 제작이 가능하게 되었다. 특히 고분자 재료의 성형 및 합성기술이 발전하면서 과거에는 단순히 섬유의 재료나 구조물의 재료로만 인식되어온 고분자 재료가 근래에는 다양한 기능을 가진 새로운 기능성 재료로 인식되고 있다.

일반적으로 고분자 재료는 무기재료에 비해 매우 우수한 가공성을 가지며 경량화 및 소형화가 가능하기 때문에, 다양한 전자소자분야에 응용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 고분자 재료는 보통 분자량이 약 10,000 이상의 물질을 말하는데, 이러한 고분자 물질들은 분자 사이의 인력이 강하기 때문에 실온 부근에서는 고체상태를 나타내지만, 그 분자배열에 따라 다양한 분자운동 형태를 지니고 있기 때문에 고분자 물질의 특유한 성질을 나타낸다.

이처럼 다양한 고분자 재료중에서 폴리비닐리덴 후루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF,)는 1969년 Kawai가 고전계로 분극 처리하여 우수한 압전특성(piezoelectric characteristics)을 보고한 이후, 여러 연구자들에 의해 우수한 전기적 특성들을 지니고 있음이 밝혀지면서 관심이 집중되고 있는 물질이다.

PVDF는를 반복 단위로 하는 선상 고분자 물질로서 기계적, 화학적 특성이 뛰어나며, 분자쇄내에 존재하는 C-F 쌍극자기에 의하여 고분자 물질중에서는 가장 큰 유전율을 나타내는 물질이다. PVDF는 분자쇄의 구조 차이에 따라 α,β,γ형의 세가지 형으로 나누는데, 이중에서 β-PVDF가 가장 큰 압전성(piezoelectric activity)과 초전성(pyroelectric activity)을 나타낸다.

PVDF와 같은 고분자 박막을 제작하기 위하여 일반적으로 사용되는 방법으로는 졸-겔(sol-gel)법, 열증발(thermal evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법 등이 있는데, 이러한 방법들 중에서 고분자의 분자쇄구조를 그대로 유지하면서 박막을 형성할 수 있고 기존의 반도체 공정과 호환이 가능한 방법은 열증발법을 들 수 있다.

그러나 일반적인 열증발법에서 사용하는 종래의 열증발기(thermal evaporator)는 일반적으로 텅스텐 증발원이 시료용기의 하단부에 설치되기 때문에시료용기의 측면에 시료들이 잔존하게 되는 문제점이 있으며, 또한 텅스텐 증발원을 사용하므로 증발원 온도의 조절이 어렵기 때문에 고분자 시료의 증착 효율이 저하되는 문제점이 있다.

한편 열증발법에서 사용하는 증발장치의 또 다른 하나로서 케이-셀(K-Cell)장치가 있는데, 이러한 케이-셀 장치는 진공증착장비의 일부를 구성하는 핵심적인 구성품의 하나로서 고분자 시료를 가열하여 기판에 증착되도록 한다. 이러한 종래의 케이-셀 장치는 발열원인 포일(foil) 히터를 시료용기 측면에 설치함으로써, 시료용기를 측면에서 가열해 주는 방식을 채택하고 있다. 이와 같이 종래의 케이-셀을 이용하여 기능성 고분자 박막을 진공 증착하는 경우에는 시료용기의 측면만 가열되기 때문에, 시료용기의 바닥 부분은 상대적으로 온도가 낮아 원료의 증발성이 저하될 수 밖에 없으며, 작업종료 후에는 고분자 물질이 용기의 바닥 부분에 잔류하게 되는 결과를 초래하게 된다.

따라서 종래의 케이-셀 장치에서는 고분자 재료의 증착효율이 저하될 수 밖에 없으며, 그로 인해 생산성 역시 저하될 수 밖에 없다.

상술한 바와 같이, 기능성 고분자 박막을 진공 증착하는 경우 일반적인 열증발기와 같이 시료용기의 아래를 가열한다거나, 종래의 케이-셀 장치와 같이 측면만을 가열한다면, 발열원이 없는 부분은 열전도 차이에 의하여 상대적으로 온도가 낮아 시료가 증발되지 않기 때문에 증발효율이 저하될 수 밖에 없다.

따라서 본 발명의 목적은 기능성 고분자 박막을 증착하기 위한 진공증착장비에 있어서, 상술한 종래의 케이-셀이 갖고 있는 문제점들을 해소함은 물론, 온도제어가 가능하면서도 시료를 충분히 증발시킬 수 있도록 시료가열방식이 개량된 케이-셀을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 시료의 가열방식이 단일가열이 아닌 복수가열방식 즉, 시료가 적재되는 부분과 그 측면부를 동시에 가열하는 방식을 채택함을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 케이-셀에서는 시료가 적재되는 부분과 그 측면에 각각 발열원을 설치할 수 있도록 시료용기를 제작하고, 가열온도가 시료용기의 모든 부위에 고르게 전달되도록 하여 시료용기 전체의 온도편차를 최소화함을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀(K-Cell)의 일 부분을 구성하는 시료용기(10)의 입체적인 형상을 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시한 시료용기(10)를 종축으로 절단한 경우의 종단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀의 일 구성요소인 포일(foil) 히터(12)의 위치를 설명하기 위한 시료용기(10)의 외관도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀의 일 구성요소인 할로겐 램프(14)의 위치를 설명하기 위한 시료용기(10)의 종단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀 전체를 종축으로 절단한 경우에 각 구성요소의 배치를 보이기 위한 도면,

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

10: 시료용기 10a: H빔 수평부

10b: H빔 수직부 12: 포일 히터

14: 할로겐 램프 16: 차폐용 외관

18: 온도 감지기

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀을 구성하는 시료용기(10), 발열원(12,14), 차폐용 외관(16)의 특성 및 상호결합관계를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀(K-Cell)의 일 구성요소인 시료용기(10)의 입체적인 형상을 도시한 도면이며, 도 2는 도 1에 도시한 시료용기(10)를 종축으로 절단한 경우의 종단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 케이-셀의 시료용기(10)는 시료 가열시 온도의 효과적인 전달을 위해 열전도 특성이 우수한 구리(Cu)를 사용하여 제작한다. 시료용기의두께는 1∼2mm로 하고 도 1에 도시한 것처럼 중간이 막힌 원통형 H빔의 형상을 가지도록 제작한다. 이러한 경우 그 종단면은 도 2에 도시한 것처럼 그 전체 형상이 H빔의 형상을 가지게 되며, 이때 상기 H빔 형상의 시료용기(10)는 H빔 수평부(10a)와 H빔 수직부(10b)로 구분할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 H빔 형상의 시료용기(10)는 H빔 수평부(10a) 하단에 발열원을 설치할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 H빔 형상의 시료용기(10)를 종래의 케이-셀 장치의 시료용기(일반적으로 유(U)자 형상)와 대비하여 볼때, 형상의 차이는 물론 발열원 설치 위치에 따른 열전도 특성의 현저한 차이를 가져온다고 볼 수 있다. 한편 상기 H빔 수평부(10a) 상단면에는 시료를 적재하며, 상기 H빔 수평부(10a)내에는 도 2의 (b)에 도시한 것처럼 온도감지센서를 설치하여 시료용기(10)의 온도를 조절토록 함으로써, 시료 증착에 필요한 온도를 유지할 수 있도록 한다. 이와 같은 시료용기(10)의 온도 검출 및 조절은 이미 공지된 바와 같이 발열원(12,14)을 제어하기 위한 제어부에 의해 구현될 수 있다.

이하 발열원인 포일 히터(12)와 할로겐 램프(14)에 대하여 설명하면, 우선 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀의 일 구성요소인 포일 히터(12)의 위치를 설명하기 위한 시료용기(10)의 외관도를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀의 일 구성요소인 할로겐 램프(14)의 위치를 설명하기 위한 시료용기(10)의 종단면도를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 케이-셀의 일 구성요소인 포일 히터(12)는 시료를 증발시키기 위한 하나의 발열원으로써, 상기 포일 히터(12)는 시료용기(10) 측면을 가열할 수 있도록 후술하는 차폐용 외관(16)에 용접되어 장착된다. 그리고 또 하나의 발열원인 할로겐 램프(14)는 도 4에 도시한 바와 같이 H빔 수평부(10a)의 하단에 위치하여 H빔 수평부(10a) 상부면에 존재하는 시료를 가열하는데 사용한다. 상기 할로겐 램프(14) 역시 상기 차폐용 외관(16)에 용접되어 장착된다. 즉, 상기 포일 히터(12)와 할로겐 램프(14)는 상기 시료용기(10)에 직접 장착되는 것이 아니라 후술하는 차폐용 외관(16)에 용접, 장착되어 있는 상태로써 시료용기(10)와 분리, 탈착될 수 있는 구조를 가진다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀 전체를 종축으로 절단한 경우에 각 구성요소의 배치를 보이기 위한 도면으로써, 상기 케이-셀을 구성하는 H빔 형상의 시료용기(10)와 발열원인 포일 히터(12) 및 할로겐 램프(14), 그리고 차폐용 외관(16)이 모두 결합 또는 장착된 상태의 배치도를 보여 주고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 상기 차폐용 외관(16)은 스테인레스 재질로 되어 있으며, 그 상부면 중앙에는 가열된 시료가 방출될 수 있는 방출구경(20)이 형성되어 있다. 그리고 상기 차폐용 외관(16) 내측에는 포일 히터(12)가 용접되어 있으며, 차폐용 외관(16) 하부면 내측에는 할로겐 램프(14)가 용접되어 있다. 이와 같은 차폐용 외관(16)은 시료용기(10)에 꼭 맞게 결합할 수 있는 구조로 형상화되어 있어서 시료용기(10)를 완전히 밀폐시킨다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 개량된 케이-셀은 시료가 적재되는 H빔 수평부(10a)와 그 측면을 각각 할로겐 램프(14)와 포일 히터(12)를 이용하여 가열함으로써, 시료용기(10) 전체가 일정한 온도로 가열됨에 따라 시료의 증발성이증대되는 결과를 얻게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 시료용기의 가열방식이 단일가열방식이 아닌 복수가열방식 즉, 시료가 적층되는 부분과 그 측면을 동시에 가열함으로써, 시료의 잔류현상을 제거할 수 있음은 물론, 고분자 재료의 증착효율을 증가시킬 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 개량된 케이-셀은 고분자 박막을 제작하는 생산성을 증대시키고 시료의 낭비를 막아 생산원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀에 있어서,

   시료를 적재할 수 있는 H빔 형상의 원통형 시료용기와,

   상기 시료용기의 측면 및 상기 시료가 적층되는 상기 시료용기의 H빔 수평부를 가열하기 위한 발열원들과,

   상기 발열원들이 내면에 장착되며, 상단면 일부에 방출구경이 형성되어 상기 원통형 시료용기를 밀폐시키는 차폐용 외관으로 구성함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.
2. 제1항에 있어서, 상기 원통형 시료용기는 열전도성을 가지는 금속으로 제작함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.
3. 제1항에 있어서, 상기 원통형 시료용기는 구리(Cu)로서 두께 1∼2mm로 제작함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.
4. 제1항에 있어서, 상기 발열원들은;

   상기 원통형 시료용기의 측면을 가열하기 위해 상기 차폐용 외관의 내면에 장착되는 환형 포일 히터와,

   상기 시료용기의 H빔 수평부를 가열하기 위해 상기 H빔 수평부와 대향되는 상기 차폐용 외관의 내면에 장착되는 할로겐 램프로 구성함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.
5. 제1항에 있어서, 상기 차폐용 외관은 스텐레스로 제작함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.
6. 제1항에 있어서, 상기 발열원들의 발열을 제어하기 위해 상기 시료용기의 H빔 수평부내에 온도감지센서를 탑재함을 특징으로 하는 고분자 박막 증착을 위한 개량된 크누드센 셀.