KR100824670B1 - 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치에 관한 것으로, 간격을 두고 설치된 한쌍의 릴과, 상기 릴들 사이에 설치되고 하나의 회전축에 다수의 롤러가 고정된 롤조립체와, 한쪽 릴로부터 풀어져 나와 상기 롤러를 멀티 턴 형태로 경유하여 다른쪽 릴로 감기는 테이프형 기판을 포함하는 멀티 턴 방식의 초전도 장선재용 박막테이프 제조장치에 있어서; 상기 롤러는 그 길이 중앙부를 기점으로 양단을 향해 외주면이 하향경사지게 형성된 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치를 제공함과 아울러 이 장치를 이용하여 박막테이프를 제조할 수 있도록 한 것이다.
이에 따라, 본 발명은 멀티 턴 방식을 통해 박막테이프를 제조하더라도 기판이 항상 롤러의 중심에 센터링되기 때문에 어느 한쪽으로 치우쳐 유발되는 테이프의 손상이나 늘어짐, 휘어짐, 파단 등의 문제가 없고, 균일하고 고른 코팅층을 형성할 수 있어 보다 고품위의 박막테이프를 제조할 수 있게 된다.
박막테이프, 기판, 멀티 턴, 초전도, 롤러, 자동 정렬, 릴
Description
도 1은 종래 기술에 따른 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조용 설비의 모식도,
도 2는 도 1에 사용된 종래 롤러의 예시적인 단면도,
도 3은 본 발명 제1실시예에 따른 롤러의 예시적인 모식도,
도 4는 본 발명 제2실시예에 따른 롤러의 예시적인 모식도.
♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧
100,100'....롤러 101~110,101'~110'....경사면
120....회전축 130....베어링
본 발명은 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 턴 방식을 이용하여 초전도 선재용으로 사용되는 장선의 금속테이프 위에 완충층 및 초전도층을 균일하게 증착시킬 수 있도록 한 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치에 관한 것이다.
1986년 고온 초전도체의 발견 이후 초전도 선재에 대한 연구가 활발히 이루 어져 왔으며, 이를 응용한 길이 1km 이상의 긴 장선재용 금속테이프를 이용하면 고온초전도 전력케이블 등을 개발할 수 있어 고효율, 고밀도, 대용량 송전이 가능하고, 저손실에 의한 고전류 송전이 가능하여 변전소의 생략, 케이블의 절연비 감소, 대도시 주변에서 발생되는 전자기파로 인한 민원이나 전파장애 등을 해결할 수 있게 된다.
여기에서, 초전도란 극저온 상태(임계전이온도 이하)에서 도체의 전기저항이 소멸되어 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 말한다.
이러한 초전도 장선재용 박막테이프는 보통 금속테이프, 완충층, 초전도층 그리고 보호층으로 구성되며, 기판인 금속테이프 위에 완충층, 초전도층 및 보호층이 차례로 증착되어 제조되게 된다.
이때, 이들 완충층, 초전도층 등을 형성하기 위한 증착방법으로는 PLD(Pulsed Laser Deposition), E-beam Evaporation, R.F. Sputtering, D.C. Sputtering, Thermal Evaporation, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MOD(Metal Organic Deposition) 등 여러가지가 개시되고 있다.
그리고, 이와 같은 증착법을 이용하여 박막테이프를 제조하는 방식으로는 크게 배치 방식(Batch Type)과 릴-투-릴 방식(Rell-to-reel Type)이 있다.
전자는 기판인 금속테이프를 원통 주위에 감고 이 원통을 회전시키면서 상술한 증착방법중의 하나로 필요물질을 증착하여 완충층, 초전도층 등을 형성하는 방식으로, 원통의 크기를 조절함으로써 원하는 길이의 초전도 선재용 박막테이프를 제조할 수 있는 장점이 있으나 증착이 이루어지는 동안 온도영역이 고온(700℃ 이 상)이어서 이에 따른 금속테이프의 팽창으로 인해 많은 문제가 발생되는 단점이 있다.
후자는 한쪽 릴에서 풀어져 나온 금속테이프가 증착구간에서 증착된 후 다른쪽 릴로 감기는 방식으로, 금속테이프의 이동속도를 조절하여 증착될 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있고 균일한 증착이 가능하다는 장점이 있어 최근에는 이 방식이 박막테이프 제조에 주로 사용되고 있다.
그러나, 상기 릴-투-릴 방식은 금속테이프를 이동시킬 수 있는 속도가 제한되기 때문에 생산성이 떨어지는 단점을 가진다.
이를 해결하기 위해, 멀티 턴 방식(Multi-Turn Type)이 제안되었으며, 이는 도 1의 예시와 같이, 금속테이프(T)가 한쪽 릴(1)에서 다른쪽 릴(2)로 반복적으로 감기는 동안 회전축(3a,3b)을 중심으로 회전하는 두 개의 롤러(4a,4b)를 사선방향으로 경유하여 다수회 턴되면서 이동되고, 이때 두 롤러(4a,4b) 사이에서 박막층이 증착되도록 함으로써 상술한 단점을 해결하였다.
이때, 상기 롤러(4a,4b)는 동일 형상과 크기를 갖는 다수개가 구비되고, 그 각 중심에 마련된 베어링(5)이 회전축(3a,3b)에 끼워 고정됨으로써 원활하게 회전될 수 있도록 구비된다,
그런데, 도 2의 예시와 같이, 상기 롤러(4a,4b)의 양 가장자리에는 피권취부재의 이탈을 막고 센터링(혹은 위치정렬)을 위한 에지턱(6)이 돌출되어 있기 때문에 멀티 턴 되는 금속테이프(T)의 에지부가 상기 에지턱(6)과 접촉되면서 마찰에 의해 휘어지거나 심할 경우 접혀지기도 하여 원활한 멀티 턴이 수행되지 못하는 또 다른 문제가 파생되었고, 나아가 멀티 턴 수가 증가되게 되면 금속테이프(T)에 걸리는 텐션이 급증하면서 작업부하 증가에 따른 작업효율 저하, 심할 경우 금속테이프(T)가 파단되는 등의 문제를 양산하였다.
이에, 또다른 해결책으로서 금속테이프(T)의 폭을 늘려 멀티 턴을 하지 않고 한쪽 릴(1)에서 다른쪽 릴(2)로 곧바로 진행시켜 박막층을 증착하고, 이후 필요 폭으로 슬리팅하는 방법이 그것이다.
예컨대, 실 사용되는 초전도 선재용 박막테이프의 폭이 4mm 라면 폭 4cm로 멀티 턴 없이 증착한 다음 나중에 4mm로 슬리팅하는 방식이 그것이다.
하지만, 이러한 방식은 고육책에 불과한 것인 바, 그 이유는 폭이 넓어 증착후 폭 전체에 대해 균일한 증착품위를 얻을 수 없어 품위가 저하되는 단점이 있기 때문이다.
따라서, 멀티 턴 방식을 사용하면서도 상술한 단점들이 일거에 해소된 전혀 새로운 형태의 박막테이프 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 초전도 장선재용 박막테이프를 제조할 때에 멀티 턴 방식을 사용하면서도 테이프의 길이방향 및 폭방향으로 균일한 박막층을 증착할 수 있고, 롤러의 가장자리와 간섭되지도 않아 마찰에 의한 휨 변형, 접힘 변형, 파단 등의 문제도 일거에 일소시켜 증착속도 및 길이에 제한받지 않고 고품위의 박막테이프를 제조할 수 있도록 한 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치를 제 공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 간격을 두고 설치된 한쌍의 릴과, 상기 릴들 사이에 설치되고 하나의 회전축에 다수의 롤러가 고정된 롤조립체와, 한쪽 릴로부터 풀어져 나와 상기 롤러를 멀티 턴 형태로 경유하여 다른쪽 릴로 감기는 테이프형 기판을 포함하는 멀티 턴 방식의 초전도 장선재용 박막테이프 제조장치에 있어서; 상기 롤러는 그 길이 중앙부를 기점으로 양단을 향해 외주면이 하향경사지게 형성된 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치를 제공함에 그 특징이 있다.
이때, 상기 롤러의 경사각은 0°를 초과한 90°미만인 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 테이프형 기판은 금속 또는 비금속으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 롤러의 내부에는 회전축과 롤러를 구름접촉되게 연결하는 베어링이 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 간격을 두고 설치된 한쌍의 릴과, 상기 릴들 사이에 설치되고 하나의 회전축에 다수이 롤러가 고정된 롤조립체와, 한쪽 릴로부터 풀어져 나와 상기 롤러를 멀티 턴 형태로 경유하여 다른쪽 릴로 감기는 테이프형 기판을 포함하는 멀티 턴 방식의 초전도 장선재용 박막테이프 제조장치에 있어서; 상기 롤러는 그 길이 중앙부를 기점으로 양단을 향해 외주면이 곡률지게 형성된 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치를 제공함에도 그 특징이 있다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명 제1실시예에 따른 롤러의 예시적인 모식도이고, 도 4는 본 발명 제2실시예에 따른 롤러의 예시적인 모식도이다.
본 발명에 따른 초전도 장선재용 박막테이프는 기존과 같은 릴-투-릴(Reel-to-reel) 방법을 사용하되, 도 1에서 예시하였던 멀티 턴(Multi-Turn) 방식을 통해 모재인 기판 위에 완충층, 초전도층, 보호층이 차례로 증착되어 제조된다.
특히, 본 발명에서는 상기 기판이 기존과 같이 금속재로 한정되지 않고, 금속재는 물론 비금속재까지 모두 포함함이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서 상기 기판을 금속재, 비금속재까지 모두 포함할 수 있는 이유는 기판의 표면위에 완충층, 초전도층, 보호층 등의 박막층을 증착속도에 구애받지 않으면서 박막테이프의 전면적에 걸쳐 보다 균일하게 증착시킬 수 있기 때문에 박막테이프의 성능, 특성을 용도에 맞춰 정확하게 구현할 수 있기 때문이다.
이때, 상기 완충층은 기판과 초전도층사이에서 완충작용을 하는 것으로서 기판으로부터의 금속원소가 초전도층으로 확산하여 들어오는 것을 막아주며, 또한 기판과 초전도층의 격자불일치(lattice mismatch)를 줄여 주어 기판의 정렬성이 초전 도층의 정렬성으로 잘 이어지게 해준다. 주요 증착물질로는 CeO2, Y2O3, LaMnO3, SrTiO3, MgO, YSZ, 등이 있으며, 필요에 따라 하나의 물질만 증착할 수 도 있고, 2층, 3층 박막으로 다층박막을 사용할 수도 있다.
그리고, 상기 초전도층은 주로 Y1Ba2Cu3O7-x(YBCO)를 포함하여 Y 대신에 희토류(Rare earth) 물질로 대체하여 사용하기도 한다. 이러한 초전도층을 대기중에서 안정적으로 보호하기 위해 보호층으로 Ag를 주로 증착한다.
이러한 박막층을 균일하게 갖는 박막테이프를 제조하기 위한 롤러는 다음과 같은 형상을 가짐이 바람직하다.
[제1실시예]
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명 박막테이프 제조를 위한 제1실시예에 따른 롤러(100)는 기존과 같이 회전축(120)상에 동일크기와 형태를 갖는 다수개가 축고정되어 이루어진다.
즉, 상기 회전축(120)에는 분할된 다수의 롤러(100)가 밀착되게 연결설치되어 마치 하나의 롤러처럼 보이게 된다.
그리고, 상기 회전축(120)과 롤러(100) 사이에는 상기 롤러(100)의 회전구동을 원활하게 하기 위해 상기 롤러(100)의 개수만큼 베어링(130)이 설치된다.
이때, 상기 롤러(100)는 기존과 달리 에지턱(도 2의 '6')이 제거된 상태로 마련된다.
특히, 상기 롤러(100)는 에지턱이 제거됨과 동시에 그 길이 중앙을 기점으로 좌우 양측으로 하향 경사진 형태, 즉 테이퍼지게 형성된 경사면(101~110)이 마련된다.
예컨대, 도 3에 도시된 다수의 롤러(100)가 단일체를 이루는 롤에는 도시상 좌측으로부터 제1경사면(101), 제2경사면(102), 제3경사면(103), 제4경사면(104), 제5경사면(105), 제6경사면(106), 제7경사면(107), 제8경사면(108), 제9경사면(109), 제10경사면(110)으로 부여된 경사면들이 형성된다고 생각하면 이해하기 쉬울 것이다.
그리하여, 동일 형태의 롤러 조립체(A)를 한쌍 준비한 뒤 서로 간격을 둔 상태로 배치하고, 각 외측에는 도 1에 도시된 형태의 릴(도 1의 '1')을 구비한 다음 상기 릴의 어느 한쪽에 감겨있는 테이프 형태의 기판을 풀어 건너편 롤러의 제2경사면(102)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시킨 다음 근접 롤러의 제3경사면(103)에 밀착시킨 형태로 감아 경유시키고, 다시 건너편 롤러의 제4경사면(104)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시킨 다음 근접 롤러의 제5경사면(105)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시키며, 다시 건너편 롤러의 제6경사면(106)에 밀착시킨 형태로 감아 경유시킨 다음 근접 롤러의 제7경사면(107)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시키고, 다시 건너편 롤러의 제8경사면(108)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시킨 다음 근접 롤러의 제9경사면(109)에 밀착시키는 형태로 감아 경유시킨 후 건너편 릴에 권취되게 배열함으로써 멀티 턴이 가능하게 구성할 수 있다.
이 과정에서, 진행되는 테이프 형태의 기판은 서로 마주보는 방향으로 경사진, 즉 하향경사진 경사면을 항상 경유하여 회전되기 때문에 그 장력과 진행방향으 로 가해지는 힘에 의한 분력은 항상 롤러(100)의 경사진 방향으로 작용하게 되어 테이프 형태의 기판이 롤러(100)를 타고 넘어가 벗어나는 일은 없게 된다.
다시 말해, 회전진행되는 기판은 항상 상기 롤러(100)의 경사면 상에 위치하게 되므로 기판의 이탈이 방지되고, 또 에지턱도 없으므로 기판의 늘어남이나 파손, 파단 등의 문제도 제거되게 된다.
또한, 이와 같은 과정이 반복적으로 진행되는 동안, 바람직하기로는 멀티 턴이 이루어지는 순간인 일측 롤러의 경사면으로부터 타측 롤러의 경사면으로 이동하는 중간에 필요로 하는 박막층을 증착할 수 있게 된다.
상기 박막층은 앞서 설명한 완충층, 초전도층, 보호층 등이 될 수 있으며, 증착되는 방법은 기존과 동일한 방법을 사용할 수 있다.
예컨대, LD(Pulsed Laser Deposition), E-beam Evaporation, R.F Sputtering, D.C Sputtering, Thermal Evaporation, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MOD(Metal Organic Deposition) 등이 그것이다.
이때, 상기 경사면(101~110)의 경사각은 0°를 초과한 90°미만이 바람직하고, 특히 바람직하기로는 10~45°인 바, 이는 이 각도일 때 진행하는 테이프형 기판의 센터링, 즉 자동정렬성이 가장 우수하기 때문이다.
[제2실시예]
도 4에서와 같이, 본 발명에 따른 제2실시예는 상술한 제1실시예에서와 다른 구성들은 모두 동일하다.
다만, 본 발명 제2실시예에서의 롤러(100')가 갖는 경사면(101'~110')은 단 순히 직선형태로 테이퍼진 경사면이 아니라 일정한 곡률반경을 갖고 이루어진 곡률면인 점에 특징이 있다.
상기 곡률면은 상기 롤(100')의 길이 중앙부를 기점으로 도 4의 (a)에서와 같이 그 곡률면에 외접하는 원의 반경(R)과 내접하는 원의 반경(r)이 최소한 서로 같게 설계되거나 혹은 외접하는 원의 반경(R)이 더 크게 형성되게 설계된다.
이는 상술한 제1실시예에서와 같이 곡률면이 최대한 만곡지게 하향경사되도록 함으로써 테이프형 기판이 한쪽 릴에서 다른쪽 릴로 이동될 때에 상기 롤러(100')의 경사면(101'~110'), 즉 곡률면에서 기판의 폭 중심이 항상 롤러(100')의 중심으로 이동되려고 하는 힘을 극대화시켜 멀티 턴을 원활하게 유지할 수 있도록 하기 위함이다.
이러한 롤러(100')를 이용한 멀티 턴 과정은 상술한 제1실시예에서와 같다.
아울러, 상기 제1실시예에서는 상기 기판상에 완충층, 초전도층, 보호층 등을 증착하여 형성할 수 있다고 설명하였으나, 필요한 경우 이들 층 이외에 강유전층, 자성층 등을 더 증착하여 형성할 수도 있다.
이로써, 초전도 장선재용 박막테이프를 길이방향이나 폭방향으로의 손상없이 자유롭게 길이 제한없이 용이하게 제조할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 제1,2실시예에 나타난 롤러(100,100')의 구성을 이용하여 박막테이프를 제조하게 되며, 이를 테면 멀티 턴이 수행되는 도중에 열처리가 행해지도록 하여 다수의 박막층을 증착형성하게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 멀티 턴 방식을 통해 박막테이프를 제조하더라도 기판이 항상 롤러의 중심에 센터링되기 때문에 어느 한쪽으로 치우쳐 유발되는 테이프의 손상이나 늘어짐, 휘어짐, 파단 등의 문제가 없고, 균일하고 고른 코팅층을 형성할 수 있어 보다 고품위의 박막테이프를 제조할 수 있게 된다.
Claims (8)
- 간격을 두고 설치된 한쌍의 릴과, 상기 릴들 사이에 설치되고 하나의 회전축에 동일 형상과 크기로 다수의 롤러가 고정된 롤조립체와, 한쪽 릴로부터 풀어져 나와 상기 롤러를 멀티 턴 형태로 경유하여 다른쪽 릴로 감기는 테이프형 기판을 포함하는 멀티 턴 방식의 초전도 장선재용 박막테이프 제조장치에 있어서;상기 각 롤러는 그 길이 중앙부를 기점으로 양단을 향해 외주면이 0°를 초과한 90°미만의 경사각을 갖고 하향경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치.
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- 간격을 두고 설치된 한쌍의 릴과, 상기 릴들 사이에 설치되고 하나의 회전축에 다수이 롤러가 고정된 롤조립체와, 한쪽 릴로부터 풀어져 나와 상기 롤러를 멀티 턴 형태로 경유하여 다른쪽 릴로 감기는 테이프형 기판을 포함하는 멀티 턴 방식의 초전도 장선재용 박막테이프 제조장치에 있어서;상기 롤러는 그 길이 중앙부를 기점으로 양단을 향해 외주면이 곡률지게 형성되되, 그 곡률면에 외접하는 원의 반경과 내접하는 원의 반경이 서로 연결되는 형태의 곡률을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치.
- 청구항 5에 있어서;상기 곡률면은 그에 외접하는 곡률반경이 중앙부 기점에 내접하는 곡률반경보다 크거나 같게 형성된 것을 특징으로 하는 자동 정렬 멀티 턴 방식의 박막테이프 제조장치.
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