KR100818188B1 - 에어로졸 데포지션을 위한 고효율 분말 분산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로졸 챔버의 운동을 통해 에어로졸 데포지션을 수행하는 분말 분산장치에 관한 발명으로서, 에어로졸 챔버의 단순한 운동에 의한 분말의 분산보다 에어로졸 챔버를 상하로 흔들면서 동시에 원운동을 시킴으로써 분말의 분산이 보다 효율적으로 이루어지게 한다. 본 발명은 에어로졸 챔버 내의 분말 가운데 1차 입자들이나 소형의 응집체 입자들을 공중에 부유시킴으로써 입자들을 분산시키고 이들 가벼운 입자들이 가스를 통하여 이동할 때 불필요한 저항을 최소화하여 기판에 분사된 후 코팅층을 형성하는데 기여하는 분말 입자들의 수를 최대화함으로써 사용 분말의 양을 최소화하고 코팅 효율을 높여서 코팅 속도를 향상시키는 방법을 제공한다.

에어로졸 데포지션, 분말 분산

Description

에어로졸 데포지션을 위한 고효율 분말 분산장치 {Highly Efficient Powder Dispersion Apparatus for Aerosol Deposition}

도 1은 에어로졸 데포지션 장치의 개념을 보여주는 개략도이다.

도 2는 기존의 분말 분산장치가 에어로졸 챔버를 단순히 상하로 움직여서 챔버 내의 분말들을 분산시키는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명인 에어로졸 챔버를 운동시키는 분산장치를 나타낸 전개도이고, 도 4는 분산장치의 실제 사진, 도 5는 에어로졸 챔버 케이지에 놓인 에어로졸 챔버가 튜브와 연결된 것을 보여주는 사진이다.

도 6은 회전판, 지지축, 회전축 및 에어로졸 챔버 케이지의 위치 관계를 도시한 것이고, 도 7은 에어로졸 챔버 케이지의 운동을 개략적으로 도시한 것이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1: 에어로졸 챔버

2: 데포지션 챔버(또는 증착실)

3: 분사노즐

4: 분사기판

5: 진공펌프

6: 이송장치

7: 진공용 튜브

　

11: 기초 지지대

12: 지지 구조물

13: 회전축

14: 회전판

15: 지지축

16: 에어로졸 챔버 케이지

21: 모터

22: 모터 구동축

23: 동력전달벨트

본 발명은 에어로졸 챔버의 운동을 통해 에어로졸 데포지션을 수행하는 분말 분산장치에 관한 발명이다.

에어로졸 데포지션(Aerosol deposition)은 상온에서 수 마이크로미터 이내의 직경을 갖는 미세한 분말들을 기판에 분사하여 코팅하는 상온 분말 분사 코팅 기술의 하나이다　[J.Akedo, Material Integration 18 (2006) 1-16]. 최근에 개발된 이 기술은 상온에서 코팅이 이루어지고 각종 세라믹 분말들을 이용하여 빠른 속도로 코팅하며 코팅층의 조성이나 화학양론적 비의 변화 등을 염려할 필요가 없는 신기술이다.

도 1은 에어로졸 데포지션 장치의 개념을 보여주는 개략도이다. 가스용기에서 나온 운반가스(carrier gas)는 유량제어장치(mass flow control)를 거쳐 일정 유량이 흐르도록 제어된 후, 에어로졸 챔버(Aerosol chamber)(1)라고 불리우는 분말 분산장치에 투입된다. 에어로졸 챔버에는 수 마이크로미터 이내의 직경을 갖는 미세한 분말들이 담겨 있고 이들이 에어로졸 챔버의 기계적 운동에 의하여 그 에어로졸 챔버 내의 공간에서 분산 상태가 된다. 분산된 분말의 일부는 투입된 운반가스에 실려 진공용 튜브(7)와 같은 배관을 통하여 에어로졸 챔버 밖으로 이동한 후 진공상태의 증착실(데포지션 챔버)(2) 내에서 분사노즐(3)을 통해 분사기판(4)에 분사된다. 진공펌프(5)는 증착실(2)의 진공의 정도를 조절하고 이송장치(6)는 분사기판(4)의 위치를 제어한다. 증착실 내에서 분사된 입자들 중 일부는 분사기판에 증착되어 코팅에 기여하며, 일부는 증착되지 못하고 배기관(미도시)을 통하여 빠져 나가거나 증착실(2) 내에 존재한다. 한편, 증착 메커니즘은 입자들이 기판 또는 이미 형성된 코팅층에 충돌하여 분쇄되고 변형되며 가지고 있던 운동 에너지의 상당 부분이 변화하여 물질이동을 촉진하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 크기가 수십 마이크로미터 이하의 미세한 분말들은 정전기적 인 력으로 인하여 서로 붙어서 더 큰 크기의 응집체 덩어리를 형성한다. 이러한 응집체 덩어리는 그 내부에 다수의 1차 입자들이 약하게 결합된 상태로서 이루어지는데, 이들 응집체의 크기가 커지면 가스의 흐름을 따라 움직이는 것이 곤란하고, 가스를 따라 움직여서 기판에 분사되어도 코팅을 형성하는데 기여하지 못하며 오히려 코팅에 기여하는 1차 입자들이나 소형의 응집체들의 운동을 방해하여 코팅 효율을 떨어뜨린다. 또, 노즐을 통하여 분사된 후에도 코팅층 형성에 기여하지 못하고 증착실 내에 벽이나 바닥에 존재한다. 따라서, 에어로졸 데포지션 코팅에 있어서 분말 분산은 매우 중요하며 분산 상태에 따라 분말의 소모량뿐만 아니라 코팅속도도 달라진다.

도 2는 기존의 분말 분산장치에 있어서 에어로졸 챔버를 크랭크기구를 사용하여 단순히 일방향 왕복동 직선운동을 하게 함으로써 챔버 내의 분말들을 분산시키는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 그러나, 이러한 에어로졸 챔버의 단순한 일방향 왕복동 직선운동에 의한 분말의 분산보다 에어로졸 챔버를 이러한 일방향 왕복동 직선운동과 아울러 회전(선회)운동을 동시에 하게 함으로써 분말의 분산이 보다 효율적으로 이루어진다.

본 발명은 에어로졸 데포지션 코팅에서 에어로졸 챔버의 운동 메커니즘 개선을 통해 코팅된 분말의 양 및 분사되는 분말의 양의 비율과 코팅속도를 높이고 분말 분산 상태를 향상시키기 위한 분말분산장치를 제공하고자 한다.

기존의 분말 분산장치는 에어로졸 챔버를 단순히 일방향으로(예컨데, 상하방향으로) 직선 왕복동하게 함으로써 챔버 내의 분말들을 분산시켰다. 그러나, 이러한 에어로졸 챔버의 단순한 일방향운동에 의한 분말의 분산보다 에어로졸 챔버를 상하로 흔들면서 원운동의 일부를 동시에 시키면 분말의 분산이 보다 효율적으로 이루어진다. 이것은 손으로 키를 사용하여 곡식을 고르는 과정에 상하운동에 원운동을 더한 것과 유사한 것으로 이와 같은 운동으로 곡식의 알갱이는 무거워서 키로 떨어져 남게 되고 껍질은 가벼워서 공중에 날리게 되는 것과 같은 이치이다. 본 발명은 키를 사용하여 곡식을 고를때 사용하는 키의 운동과 같은 운동을 이용하여 에어로졸 챔버 내의 분말 가운데 코팅에 소용되는 1차 입자들이나 소형의 응집체 입자들을 가능한 한 많이 공중에 부유시킴으로써 입자들을 분산시킬 수 있다. 분산된가벼운 입자들은 가스를 통하여 이동할 때 불필요한 저항이 최소화되며 기판에 분사된 후 코팅층을 형성하는데 기여하는 분말 입자들의 수가 최대화됨으로써 코팅 효율을 높여서 코팅 속도를 향상시킨다. 이 방법은 코팅에 필요한 사용분말의 양을 최소화 할 수 있다.

본 발명인 분말 분산장치는 액체는 없이 건조한 가스 분위기 내지는 약한 진공상태에서 분말 입자들이 떨어져서 미세한 크기의 것들이 운송가스에 의해 운반되는 것을 용이하게 하며, 초음파를 사용하지 않고 기계적 운동만을 사용하여 분산을 수행한다.

도 3은 본 발명인 에어로졸 챔버(1)를 운동시키는 분산장치를 나타낸 평면 도, 정면도 및 측면도이고, 도 4는 분산장치의 실제 사진, 도 5는 에어로졸 챔버 케이지(16)에 놓인 에어로졸 챔버(1)가 진공용 튜브와 연결된 것을 보여주는 사진이다.

본 발명은 기초 지지대(11), 기초 지지대 위에 장착되는 지지 구조물(12), 기초 지지대 길이 방향으로 일정한 길이를 갖고 기초 지지대와 평행하게 지지 구조물(12)과 결합되는 회전축(13), 중심이 회전축(13)에 삽입되어 고정 결합되는 회전판(14), 회전판(14)의 중심으로부터 이격되어 회전판(14)에 편심 고정결합되는 지지축(15), 지지축(15)에 베어링 결합되고 에어로졸 챔버(1)가 장착될 수 있는 에어로졸 챔버 케이지(16), 및 회전축(13)을 회전 운동시키는 동력 장치를 포함하여 구성된다.

동력 장치는 기초 지지대 상부에 장착된 모터(21), 모터(21)와 연결된 모터 구동축(22) 및 모터 구동축(22)과 회전축(13)을 연결하는 동력전달벨트(23)로 구성될 수 있다.

에어로졸 챔버(1:도 6 참조)는 에어로졸 챔버 케이지(16) 위에 놓이고, 에어로졸 챔버(1)는 필요에 따라 에어로졸 챔버 케이지(16)로부터 탈착이 가능하도록 되어 있다. 진공용 튜브(7)는 에어로졸 챔버(1)에서 데포지션 챔버(2) 사이에 존재하여 분산된 분말을 투입된 운반가스에 실어 배관을 통하여 진공상태의 데포지션 챔버(2) 내의 분사기판에 분사하는 역할을 하는 것으로서 그 구성은 도 1에 도시한 각 대응 구성요소와 동일하다.

따라서, 도 3에서는 도면의 번잡을 피하기 위해 진공용 튜브(7), 에어로졸 챔버(1), 데포지션 챔버(2)의 도시 및 그 도면부호의 표시를 생략하였다.

도 6은 회전판(14), 회전축(13), 지지축(15), 에어로졸 챔버 케이지(16) 및 에어로졸 챔버(1)의 위치 관계를 도시한 도면이고, 도 7은 에어로졸 챔버 케이지(16)의 운동을 개략적으로 도시한 도면이다.

지지축(15)은 회전판(14)의 중심으로부터 편심되어 원주상에 위치하고 에어로졸 챔버 케이지(16)와 지지축(15)은 베어링(미도시)으로 연결되어 있다. 본 발명에 따른 장치에 있어서 회전판(14)의 회전속도는 에어로졸 챔버 케이지(16) 및 그 위에 놓여진 에어로졸 챔버(1)에 작용하는 원심력의 크기보다 중력의 크기가 더 크게 설정되며, 이에 따라 에어로졸 챔버 케이지(16)는 타원궤도(정확한 타원은 아니지만, 타원과 유사한 궤도)를 갖게 되고, 그 위에 놓인 에어로졸 챔버 또한 타원궤도를 그리게 된다.

도 3에 도시되었듯이 모터(21)를 회전시키면, 동력전달벨트(23)에 의하여 회전축(13)이 회전을 하게 되어 회전판(14)이 원운동을 하게 된다. 한편, 에어로졸 챔버 케이지(16)는 회전판(14)의 중심으로부터 이격되어 있어 상하운동을 하는 동시에, 베어링(미도시)으로 결합되어 있어 좌우 운동이 일어난다. 지지축(15)은 편심되어 원주상에 위치함에 따라 회전속도에 따라 다르지만, 최대높이와 최소높이에서는 에어로졸 챔버 케이지(16)가 중력방향으로 있게 되고, 중간높이에서는 원심력과 중력의 벡터합의 위치에 있게 된다. 에어로졸 챔버 케이지(16)의 좌우운동 범위는 최대 높이와 최소높이에서는 작고, 중간위치에서는 크게 되므로, 결과적으로 타원의 운동에 가까운 운동이 일어나게 된다.

회전판(14)과 지지축(15)의 베어링이 없다면 에어로졸 챔버 케이지(16)에 올려진 에어로졸 챔버(1)에 가해지는 힘은 항상 아래방향(중력방향)을 향하게 된다. 그러나, 베어링이 장착되는 경우 회전판이 회전하면 원심력이 발생하게 되어 에어로졸 챔버 케이지(16)가 중력과 원심력의 벡터합 방향으로 움직인다.

위와 같이 타원 궤도를 그리게 되면, 에어로졸 챔버 내에 있는 분말의 움직임이 단순한 상하운동을 하는 경우와는 상이해진다. 단순한 상하운동을 하면, 대부분의 분말(압전분말의 경우 밀도가 철과 비슷하다)의 움직임이 에어로졸 챔버의 움직임을 그대로 따라 가는 경우가 대부분이다. 따라서 충격(shock)을 주지 않으면 에어로졸 챔버 내의 분말의 움직임이 매우 작아서, 데포지션 챔버로 이동하는 분말의 양이 매우 작아진다. 그렇지만, 타원궤도로 움직이게 되면, 마치 쌀과 겨를 분리할 때 사용하는 키의 움직임과 비슷해져서 분말의 운동이 매우 커지게 된다.

아래의 실시예는 본 발명을 사용하여 실제 에어로졸 데포지션을 수행한 결과를 기존의 장치와 비교한 것이다.

상업적으로 구입이 가능한 지르콘산 티탄산 납 (PZT, Pb(Zr,Ti)O3) 분말 100g을 도 3과 같이 발명된 분말 분산장치 중에서 한 개의 에어로졸 챔버에 넣고 모터로 본 장치를 작동하여 에어로졸 챔버가 상하운동과 원운동의 일부를 동시에 하도록 한다. 이때 상하의 운동 폭은 약 7cm이었으며 원운동의 각도는 60도 정도이었다. 이렇게 하여 반도체용 실리콘 단결정 기판 위에 폭 5mm, 길이 10 mm로 증착시킨 경우의 분말 소모량과 코팅층의 두께를 표 1에 나타내었다.

본원 발명의 장치와 비교하기 위하여 동일한 분말을 도 2와 같은 분말분산장치에 넣고 모터로 장치를 작동하여 에어로졸 챔버가 상하로 운동하도록 하면서 실험을 수행하였다. 이때 상하 운동폭은 11cm이었다. 이렇게 하여 위 실시예와 같은 반도체용 실리콘 단결정 기판 위에 폭 5mm, 길이 10 mm로 증착시킨 경우의 분말 소모량과 코팅층의 두께를 표 2에 나타내었다.

표 1은 본 발명에 따른 분말분산장치를 이용하여 단결정 실리콘 기판 위에 지르콘산 티탄산 납 (PZT)을 상온분말 분사코팅한 결과를 나타낸 것이고, 표 2는 단순 상하운동을 하는 분말분산장치를 이용하여 단결정 실리콘 기판 위에 지르콘산 티탄산 납 (PZT)을 상온분말 분사코팅한 결과를 나타낸 것이다.

코팅시간 (min)	분말소모량 (g)	코팅두께 (um)
2	4.8	17
2	4.7	17
2	4.8	17

코팅시간 (min)	분말소모량 (g)	코팅두께 (um)
2	22	12
2	19.2	12
2	21.4	12

본 발명인 분산장치를 사용하여 분말 분산을 수행할 경우 에어로졸 챔버의 단순한 일방향 왕복 직선운동에 의한 분말의 분산보다 에어로졸 챔버를 상하로 흔 들면서 원운동도 일어나게 하여 분말 분산의 효율이 대단히 좋아진 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 에어로졸 챔버 내의 분말 가운데 1차 입자들이나 소형의 응집체 입자들을 공중에 부유시킴으로써 입자들을 분산시키고 따라서 이들 가벼운 입자들이 가스를 통하여 이동할 때 불필요한 저항을 최소화하여 기판에 분사된 후 코팅층을 형성하는데 기여하는 분말 입자들의 수를 최대화함으로써 사용 분말의 양을 최소화하고 코팅 효율을 높일 수 있다.

Claims (2)

1. 에어로졸 챔버의 운동을 통해 에어로졸 데포지션을 수행하는 분말 분산장치에 있어서,

   기초 지지대;

   기초 지지대 상부에 장착되는 지지 구조물;

   기초 지지대 길이 방향으로 일정한 길이를 갖고 기초 지지대와 평행하여 지지 구조물과 결합되는 회전축;

   회전축과 동심으로 삽입되어 고정 결합되는 회전판;

   회전판의 중심으로부터 이격되어 회전판에 편심 고정결합되는 지지축;

   지지축에 베어링 결합되고 에어로졸 챔버가 장착될 수 있는 에어로졸 챔버 케이지; 및

   회전축을 회전 운동시키는 동력 장치를 포함하여 구성되는 에어로졸 데포지션 분말 분산장치.
2. 제1항에 있어서,

   동력 장치는 기초 지지대 상부에 장착된 모터, 기초 지지대와는 일정한 간격을 두고 모터와 연결된 모터 구동축, 및 모터 구동축과 회전축을 연결하는 동력전달벨트로 구성되는 것을 특징으로 하는 에어로졸 데포지션 분말 분산장치.

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