KR101012421B1

KR101012421B1 - 에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법

Info

Publication number: KR101012421B1
Application number: KR1020080111206A
Authority: KR
Inventors: 최희성; 김광수; 최후미; 김태성; 김미양; 신현호
Original assignee: 성균관대학교산학협력단; 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2011-02-08
Also published as: KR20090125681A; CN101596508A; CN101596508B

Abstract

에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법이 개시된다. 기판의 표면에 필름을 형성하기 위한 에어로졸 분사장치로서, 액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하고, 수송가스의 압력을 높이는 수송가스주입부; 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 에어로졸 형성부; 및 기판의 표면에 필름이 형성되도록, 에어로졸을 상압에서 분사하는 필름형성부를 포함하는 에어로졸 분사장치는, 분말의 종류 및 크기의 제한이 없는 코팅공정을 수행할 수 있으며, 상온, 상압에서 필름을 형성하기 때문에 공정을 간소화할 수 있고, 짧은 시간에 다양한 범위의 필름 두께를 조절할 수 있다. 또한, 유전층/전기저항층/전기전도층을 동일한 방법으로 제조할 수 있어, 공정비용 저감 효과가 높다.

상압, 에어로졸, 분사, 필름, 액화가스

Description

에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법{Normal pressure aerosol spray apparatus and method of forming film using the same}

본 발명은 에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법에 관한 것이다.

기존의 분말 분사공정은 고온, 고압의 분위기에서 분말을 용융시키거나 기판과 충돌 시 발생하는 큰 충격량을 이용하여 분말을 소성 변형, 밀착 시키는 방법을 이용하였다. 이러한 방법은 주로 선박, 자동차 등의 구조물과 파이프 내 외면 등의 코팅에 내열, 내 마모성 향상을 위해 응용되어 왔다.

최근 이러한 분말 분사 공정을 전자 부품에 적용하여 소형화의 핵심 기술이 되는 기판의 필름 형성 및 칩의 제조에 응용하려는 개발이 수행되고 있다.

기존의 물리증착방법(Physical Vapor Deposition, PVD)이나 화학증착방법(, CVD) 등 널리 알려진 박막 공정에 의한 코팅층은 두께가 수 마이크로미터 이상 되면 균열되거나 박리되는 경향이 있었다.

반면, 용사공정은 고속으로 수백 마이크로미터 이상의 두께를 코팅할 수 있 으나 코팅층 내에 기공이 존재하는 경우가 많다. 또한, 입자들이 고온에 노출되어 증발이나 화학적 조성의 변화 등이 발생할 수 있으며, 급속 냉각에 의해 비정질상이 형성될 수 있고, 균열이 발생하기 쉬우며 기판과의 결합력이 떨어진다. 또한 빠른 속도로 두꺼운 코팅층을 형성할 수 있으나, 코팅층의 두께 제어가 어렵고 표면이 거친 문제점이 있다.

정전입자 코팅공정(Electrostatic Powder Impact Deposition, EPID)은 카본이나 금속입자 등과 같은 입자 대전이 용이한 경우의 입자들만 코팅되며 세라믹 입자들은 코팅이 곤란한 문제점이 있다. 두께의 경우 수 마이크로미터까지 코팅이 가능하지만 수십 마이크로 미터는 곤란하며, 코팅층은 비정질상이나 원료 분말과 다른 결정상이 존재하기도 한다.

가스 디포지션(Gas Deposition, GD)공정에서 코팅층의 미세조직을 살펴보면, 원료분말로 사용된 나노 입자들이 적층, 융착된 것을 알 수 있어서, 초미립자를 사용하는 것이 주요한 기술인자임을 알 수 있다. 그러나, 금속 초미립자들은 산화하기 쉽고 표면 산화막이 생기지 않도록 원료 준비과정과 코팅공정 중 진공도 유지 및 사용 가스의 순도 확인 등에 주의하여야 하는 문제점이 있다.

또한 대안으로 제시되고 있는 저온 분사(Cold spray) 및 에어로졸 디포지션(Aerosol deposition)의 경우 용사공정에서 발생되는 문제점을 해결하였으나 기판과 충돌하는 순간의 큰 충격량으로 인해 얇은 두께의 기판이나 칩을 형성하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 저온 분위기의 닫힌 시스템(Closed system)으로 인해 공정 적용의 용 이성 및 경제성이 저하된다. 뿐만 아니라 각각의 분말 분사 방법에 따라서 사용 가능한 분말의 종류 및 입경의 크기가 제한되어 공정의 적용에 한계가 있다.

본 발명은 분말의 종류 및 크기의 제한이 없는 코팅공정을 수행할 수 있으며, 상온, 상압에서 필름을 형성하기 때문에 공정을 간소화할 수 있고, 짧은 시간에 다양한 범위의 필름 두께를 조절할 수 있는 에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판의 표면에 필름을 형성하기 위한 에어로졸 분사장치로서, 액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하고, 상기 수송가스의 압력을 높이는 수송가스주입부; 상기 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 에어로졸 형성부; 및 상기 기판의 표면에 필름이 형성되도록, 상기 에어로졸을 상압에서 분사하는 필름형성부를 포함하는 에어로졸 분사장치를 제공할 수 있다.

에어로졸 형성부와 필름형성부 사이에 개재되며, 에어로졸 형성부로부터 공급되는 에어로졸의 온도를 증가시키는 가열부를 더 구비할 수도 있다.

상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 수송가스주입부는 상기 수송가스의 압력 범위가 1 내지 7 atm가 되도록 할 수 있다.

상기 에어로졸 형성부는, 구리 또는 니켈과 같은 금속 또는 세라믹 계열과 같은 비금속 분말을 공급하는 분말공급장치; 상기 분말공급장치에 공급되는 상기 수송가스의 유입을 제어하는 가스제어밸브; 및 상기 분말공급장치에서 분사되는 상기 분말을 제어하는 분말제어밸브를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 에어로졸 형성부는, 상기 에어로졸 형성부의 잔여 분말 및 불순물을 배출시키는 바이패스밸브를 더 구비할 수도 있다.

상기 필름형성부는, 챔버; 상기 챔버 내부에 장착되며 상기 에어로졸을 분사하는 분사부; 및 상기 분사부에서 분사된 상기 에어로졸이 증착되는 기판의 위치를 조절하는 위치조절부를 포함하여 이루어질 수 있다.

한편, 상기 위치조절부에 결합되며, 상기 기판이 장착되는 핫플레이트를 구비할 수 있으며, 상기 분사부는 1.0 내지 4.5mm 의 직경으로 형성되는 노즐오리피스일 수 있다. 이 때, 상기 분사부의 분사속도는 상기 노즐오리피스의 크기와 상기 수송가스주입부의 압력으로 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판의 표면에 필름을 형성하는 방법으로서, 액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계; 상기 수송가스의 압력을 높이는 단계; 상기 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 표면에 필름이 형성되도록, 상기 에어로졸을 상압에서 분사하는 단계를 포함하는 필름형성방법을 제공할 수 있다.

상기 에어로졸 형성단계와 상기 필름형성단계 사이에, 상기 에어로졸의 온도를 증가시키는 단계를 더 수행할 수 있다.

한편, 상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 수송가스의 압력을 높이는 단계는 상기 수송가스의 압력이 1 내지 7 atm 이 되도록 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 도전층을 준비하는 단계; 상기 제1 도전층 상에 유전층과 저항층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계; 및 상기 유전층 또는 저항층 상에 제2 도전층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 유전층 또는 저항층을 형성하는 단계는, 액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계; 상기 수송가스의 압력을 높이는 단계; 상기 수송가스와, 유전체 분말 또는 저항체 분말을 혼합하여 제1 에어로졸을 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전층의 표면에 상기 제1 에어로졸을 상압에서 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동소자 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 제1 에어로졸을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 에어로졸의 온도를 증가시키는 단계를 더 수행할 수 있으며, 상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 제1 도전층을 준비하는 단계는, 액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계; 상기 수송가스의 압력을 높이는 단계; 상기 수송가스와, 도전체 분말을 혼합하여 제2 에어로졸을 형성하는 단계; 및 절연기판의 표면에 상기 제2 에 어로졸을 상압에서 분사하는 단계로 수행될 수도 있다.

본 발명에 따른 에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법은 분말의 종류 및 크기의 제한이 없는 코팅공정을 수행할 수 있으며, 상온, 상압에서 필름을 형성하기 때문에 공정을 간소화할 수 있고, 노즐 출구에서의 속도 범위가 넓어 속도 조절이 용이하며, 짧은 시간에 다양한 범위의 필름 두께를 조절할 수 있다. 또한, 유전층/전기저항층/전기전도층을 동일한 방법으로 제조할 수 있어, 공정비용 저감 효과가 높다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나 의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 에어로졸 분사장치 및 그것을 이용한 필름형성방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 에어로졸 분사장치를 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부의 노즐에 대한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부의 노즐에 대한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 필름형성방법을 나타낸 순서도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 수송가스주입부(10), 액화가스(11), 레귤레이터(12,14), 기화기(13), 유량계(15), 에어로졸 형성부(20), 제1 분말공급장치(21), 제2 분말공급장치(22), 가스제어밸브(23,24), 분말제어밸브(26,27), 바이패스밸 브(25), 가열부(31), 분사부(40), 노즐(42), 바디(43), 필터(44), 헤드(45), 팁(46), 필름형성부(50), 핫플레이트(51), 위치조절부(52), 기판(53), 챔버(54), 배기구(55)가 도시되어 있다.

본 실시예에서는 액화가스를 기화시키고, 기화된 수송가스의 압력을 높이는 수송가스주입부, 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 에어로졸 형성부 및 에어로졸을 상압에서 분사하여 필름을 형성하는 필름형성부를 포함하는 에어로졸 분사장치를 제공함으로써, 분말의 종류 및 크기의 제한이 없는 코팅공정을 수행할 수 있으며, 상온, 상압에서 필름을 형성하기 때문에 공정을 간소화할 수 있고, 노즐 출구에서의 속도 범위가 넓어 속도 조절이 용이하며, 짧은 시간에 다양한 범위의 필름 두께를 조절할 수 있다.

또한, 상온, 상압 공정 조건 하에서 수송가스의 주입부와 분사부 사이의 압력차이를 이용하고, 노즐 오리피스의 형상으로 인한 출구 속도를 이용하여 고체 상태의 분말을 분사함으로써 치밀한 조직과 전기적 성질을 갖는 코팅면을 형성할 수 있다.

본 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 수송가스주입부(10), 에어로졸 형성부(20), 가열부(31) 및 필름형성부(50)로 구성된다.

먼저, 수송가스주입부(10)에서 액화가스(11)를 기화시키고(S10), 기화된 수송가스의 압력을 높인다(S20). 보다 구체적으로, 액화가스(11)는 레귤레이터(Regulator)(12)를 이용하여 일정한 용기 내 압력조건에서 기화기(13)로 주입된다. 이때, 액화가스(11)는 질소 또는 불활성 기체로 이루어질 수 있다. 본 실시예 에서 액화가스(11)는 액화질소를 예로 하여 설명한다.

기화기(13)를 통과한 액화질소(11)는 낮은 온도를 가지는 기체 상태 질소가 되며 이는 수송 가스로 사용된다. 이때 액화질소(11)를 사용함으로써 사용 분말 및 코팅면의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 용기 내에서 고 압축 상태에 보존된 것을 원하는 양만큼 팽창시켜 사용함으로써, 동일 체적 용기를 가지는 기체 질소 사용에 비해 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

기화된 액화질소를 레귤레이터(14)를 이용하여 요구되는 출구 속도를 형성하는 압력에 맞추어 분사한다. 현재 공정에 사용되는 압력 범위는 1 내지 7 atm이며 그로 인한 분사부(40)의 노즐(42) 출구 속도는 100 내지 1000 m/s 이다.

유량계(15)를 이용하여 관 내부를 통과하는 수송 가스의 시간당 체적을 측정한다. 이때 전체 시스템의 관은 산화 방지를 위하여 스테인레스(SUS) 재질을 사용할 수 있다.

기존의 저온분사(Cold spray)공정은 15 내지 35 atm의 수송 가스(메인 가스) 압력이 요구되나 본 실시예의 공정은 1 내지 7 atm의 수송 가스 압력 범위에서 작동 한다.

에어로졸 형성부(20)는 제1 분말공급장치(21), 제2 분말공급장치(22), 가스제어밸브(23,24), 분말제어밸브(26,27) 및 바이패스밸브(25)를 포함하고, 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성한다(S30).

제1 분발공급장치(21)와 제2 분말공급장치(22)에 필름 즉 코팅면을 형성하고자 하는 분말을 일정량 공급한다. 분말은 금속, 비금속 종류 모두 사용할 수 있으 며 그 크기는 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터를 사용할 수 있다.

금속 분말은 구리 또는 니켈로 이루어질 수 있으며, 비금속 분말은 세라믹계열인 BT로 이루어질 수 있다.

분말은 유입되는 수송가스와 분사부(40)의 노즐(42) 외부의 압력 차이로 인해 에어로졸 상태가 된다. 여기서 에어로졸이란 수송 기체 내에 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터 크기의 분말이 부유하고 있는 상태를 말한다.

이때, 가스제어밸브(23,24)를 이용하여 수송가스를 유입하거나 차단시킬 수 있고, 수송가스의 유량을 조절할 수 있다. 또한, 분말제어밸브(26,27)를 이용하여 원하는 종류의 분말 한 가지만 분사할 수 있으며 분말제어밸브(26,27)를 모두 열어 한꺼번에 여러 종류의 분말을 분사할 수도 있다.

한 번에 여러 종류의 분말을 분사할 때는 분말의 물성치에 따라 에어로졸 형성부(20)로 유입되는 수송가스의 유량을 가스제어밸브(23,24)를 이용하여 각각 조절할 수 있다.

바이패스밸브(25)는 관과 볼 밸브로 구성되어 있으며, 에어로졸 형성부(20)로 유입, 유출되는 볼 밸브를 모두 잠그고 바이패스밸브(25)만 연 채로 수송가스를 공급하여 관 내부의 잔여 분말 및 불순물을 제거하는데 사용한다.

또한, 본 실시예의 분말공급장치(21,22), 가스제어밸브(23,24) 및 분말제어밸브(26,27)는 요구되는 분말의 종류에 따라 그 개수를 증가 시킬 수 있다.

또한, 본 실시예는 두 개 이상의 분말공급장치(21,22)와 하나의 바이패스밸브(25)를 수송가스 공급관에 배분하고 연결한 후, 밸브의 조절을 통해 수송가스의 차단, 공급 여부를 제어할 수 있다. 따라서 각각 다른 종류의 분말을 별도의 장치 교체, 분리 과정이 없이 분사 할 수 있다.

따라서, 본 실시예의 에어로졸 분사장치는 사용되는 분말의 입경 크기에 따라 수십 나노미터의 미세한 두께를 가지는 필름에서 수십 마이크로 미터의 두께를 가지는 필름까지 형성이 가능하며 그 시간은 수 분에서 수십 분의 짧은 시간이 소요된다.

다음으로, 생성된 에어로졸을 분말제어밸브(26, 27)를 통하여 다음 단계인 가열부(31)로 공급한다. 가열부(31)에서 주입된 에어로졸의 온도를 증가시킨다(S40).

가열부(31)는 하나의 개폐식 전기로이다. 가열부(31)는 전체 시스템에 사용되는 관과 동일한 직경의 관을 사용하며, 상기의 직경에서 요구되는 온도 도달에 필요한 정체 시간을 견딜 수 있는 관을 사용한다. 또한, 정체시간 내에서 교체가 가능한 관을 전기로 내부에 사용하였으며, 온도 및 시간 조절을 할 수 있다.

전기로 내부 온도는 0 내지 1000℃ 범위에서 조절이 가능하다. 외부 공기가 차단된 상태로 에어로졸이 가열되므로 산화가 방지되며 기체 온도 증가로 인해 낮은 작동 압력에서 높은 기체 속도를 생성할 수 있다.

또한 금속 분말을 사용한 에어로졸의 경우 용융점 이하의 온도 이므로 소성변형이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 따라서 분사 되었을 때 기판(53)에 쉽게 증착되며 미세한 조직을 가지는 코팅면을 형성할 수 있다.

가열부(31)에서 가열된 에어로졸을 필름형성부(50)에서 상온, 상압의 조건하 에 분사하여 필름을 형성한다(S50). 상압 에어로졸 분사 방법은 상온, 상압 공정으로 기존의 분말 분사 공정에 비해 간소한 구성과 공정 조건에서 코팅면을 형성할 수 있다.

즉, 종래의 저온분사(Cold spray) 공정은 15 내지 35 atm의 수송 가스(메인 가스) 압력이 요구되나 본 실시예의 공정은 1 내지 7 atm의 수송 가스 압력 범위에서 작동할 수 있다.

또한, 종래의 에어로졸 디포지션(Aerosol deposition) 공정은 닫힌 시스템(closed system)으로 두 개의 메인 챔버인 분말 공급 챔버와 증착 챔버로 구성되며 각각의 챔버는 약 800 torr와 1 torr의 압력 차를 가진다.

이 압력 차로 인해 분말이 가속되며 코팅은 1 torr의 저 진공 분위기에서 형성된다. 반면 본 실시예의 공정은 열린 시스템으로 상압에서 이루어진다. 따라서 진공 분위기 형성을 위한 부가적 공정이 요구되지 않기 때문에 진공상태를 위한 별도의 장치를 필요로 하지 않는다.

필름형성부(50)는 챔버(54), 분사부(40), 핫플레이트(hot plate, 51), 위치조절부(52) 및 배기구(55)를 포함한다.

챔버(54)는 직육면체이며 분사 과정에서 기판(53)에 증착되지 않고 튕겨져 나간 분말을 재활용하며, 공기와의 접촉을 차단하여 산화를 방지한다. 또한 챔버(54)의 형상은 내부의 기체 흐름에 영향을 미치므로 그 설계가 중요하다.

분사부(40)는 챔버(54) 내부에 장착되며 에어로졸을 분사한다. 보다 구체적으로, 분사부(40)는 교체형 노즐 타입으로 구성된다. 따라서 1 내지 4.5 mm 범위의 직경을 가지는 노즐 오리피스를 제작하여 요구되는 속도에 따라 교체 장착 함으로써 공정 시스템의 부수적 수정 없이 속도를 조절할 수 있다. 이때, 발생하는 속도 범위는 100 내지 1000 m/s 이다.

상기와 같이 에어로졸이 분사되는 속도 조절이 용이하기 때문에 다음과 같은 효과가 발생된다. 즉, 종래의 분말 분사 공정이 금속 또는 세라믹의 한 가지 종류 분말의 사용에 높은 코팅 특성을 보이는 것에 비해 상압 에어로졸 분사 방법은 속도 조절의 용이성으로 인해 금속, 비금속 분말 사용에 제한이 없다. 또한 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터까지 다양한 직경을 가지는 분말을 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부의 노즐에 대한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부의 노즐에 대한 분해 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 노즐(42), 바디(43), 필터(44), 헤드(45), 팁(46,47)이 도시되어 있다.

바디(43)는 관에 연결하기 위한 체결부이자 노즐 팁(46,47)을 지지해주는 역할을 한다. 헤드(45)는 바디(43)에 노즐 팁(46,47)을 고정시키는 역할을 한다. 노즐 팁(46,47)은 노즐(42)에서 핵심적인 부분으로서, 원하는 직경을 가지는 팁(46,47)으로 교체함으로써 번거로운 관 교체작업 없이 노즐 출구에서의 속도 조절이 가능하도록 한다.

노즐 팁(46,47)은 플랫 타입(flat type)이며 이는 형성되는 코팅면의 형상이 사각형임을 고려하여 낭비되는 분말의 양을 감소시키고 정교한 코팅면의 윤곽을 형성할 수 있다.

노즐(42) 오리피스의 크기는 1.0 내지 4.5 mm의 직경 범위를 가지도록 5 mm단위로 제작하였으며 노즐(42) 오리피스의 크기와 수송가스의 입구 압력에 의해 노즐 출구 속도가 결정된다. 노즐(42)의 내부 형상은 직경이 서서히 감소하는 수렴 노즐이다.

분사부(40)의 노즐(42)을 통해 에어로졸이 분사되어 기판(53)에 증착된 코팅면인 필름을 형성할 수 있다.

코팅면을 형성하고자 하는 기판(53)은 종류에 상관없이 핫플레이트(51) 위에 장착된다. 핫플레이트(51)는 0 내지 300℃ 사이에서 온도 조절이 가능하며 기판(53)의 물성치에 영향을 미치지 않는 범위에서 조절하도록 한다.

기판(53)이 장착된 핫플레이트(51)는 x-y-z 스테이지(stage)인 위치조절부(52)에 고정된다. 위치조절부(52)는 기판(53)이 장착된 핫플레이트(51)의 x, y 방향을 일정한 속도로 이동함으로써 균일한 조도의 코팅면을 형성할 수 있게 한다.

또한 노즐 출구 속도, 분사 시간과 더불어 또 하나의 중요한 공정 조건인 기판(53)과 노즐(42) 출구 사이의 거리를 z 방향으로 정밀하게 조절하여 다양한 크기의 입자 관성 운동에 따른 코팅면을 형성할 수 있다.

상술한 상압 에어로졸 분사 시스템의 공정 흐름 및 공정 조건의 제어를 요약하면 다음과 같다. 산화 방지를 위해 수송 가스로 질소(11)를 사용하며, 유입된 수송 가스는 요구되는 분말의 종류에 따라 둘 이상의 분말공급장치(21,22)와 바이패스밸브(25)로 공급된다. 이 때 공급, 차단 여부는 가스제어밸브(23,24) 및 분말제어밸브(26,27)를 이용하며 동시 공급 혹은 개별 공급 여부 또한 이것을 통해 제 어한다.

분말공급장치(21,22) 내부의 분말은 압력 차이에 의해 에어로졸을 형성한다. 분말의 종류는 금속 또는 비금속 모두 가능하며 그 직경은 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터 범위에서 가능하다.

이 때 압력 범위는 1 내지 7 atm 이다. 이렇게 형성된 에어로졸은 가열부(31)를 통과하여 0 내지 1000℃로 가열된다. 가열된 에어로졸은 교체형 노즐(42)을 통해 분사되며 노즐(42) 오리피스의 범위는 1 내지 4.5 mm 이다.

노즐(42) 출구에서의 속도는 노즐(42) 오리피스의 크기와 입구에서 수송 가스의 압력으로 결정되며 그 범위는 100 내지 1000 m/s이다. 노즐(42)에서 분사된 에어로졸은 기판(53)에 충돌하며 이 과정에서 에어로졸 내의 분말은 필름을 형성하게 된다. 필름의 면적과 분사 거리를 위치조절부(52)인 x-y-z stage를 통해 제어한다.

즉, 본 실시예의 전체 상압 에어로졸 분사 공정의 목적은, 수송 가스의 속도, 분사 거리, 분사 시간, 분말의 종류 등의 공정 조건의 제어를 통해 원하는 전기적 특성, 두께 및 면적을 가지는 코팅면을 형성하는 것이다.

상기 목적을 달성하는데 핵심이 되는 과정은 노즐 출구의 속도 조절로 이는 수송가스주입부(10)와 분사부(40)를 통해 제어하며 필름형성부(50)에서 코팅면의 면적과 조도를 제어할 수 있다. 또한 가열부(31)를 통해 코팅면 형성 효율을 증가시키고 코팅면의 물리적, 조직적 특성을 증대시킬 수 있다.

이상에서 설명한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 비전도성 기판 위에 도 5에 도시된 바와 같은 임베디드 커패시터 기판(embedded capacitor board, 100), 임베디드 레지스터 기판(embedded resistor board, 200), 임베디드 커패시터/레지스터 기판(embedded capacitor resistor board, 300)과 같은 수동소자를 제조할 수 있다.

먼저, 도 6을 참조하여 임베디드 커패시터 기판(100)을 제조하는 방법에 대해 간략히 설명하도록 한다.

우선 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 절연기판(110)을 준비한다. 절연기판(110)으로는 알루미나 산화물 계열과 같은 세라믹 계통의 절연기판에서부터, 유리섬유가 충전된 에폭시 계열의 플라스틱 보드까지 다양한 기판을 사용할 수 있다.

그 다음, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 준비된 절연기판(110)에 전술한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 도전층(120)을 형성한다. 이 때, 도전층(120)을 형성하기 위하여 약 5um 직경의 구리 입자를 이용할 수 있으며, 이 밖에 다양한 재질의 금속 입자를 사용할 수도 있음은 물론이다. 절연기판(110)에 형성되는 도전층(120)은 사용되는 금속 입자의 크기에 따라 1um에서 500um까지 다양하게 형성될 수 있다.

그리고 나서, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 형성된 도전층(120) 위에 역시 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 유전층(130)을 형성한다. 이러한 유전층(130)을 형성하기 위하여 바륨티타네이트와 같은 유전체 입자를 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 약 0.45im의 평균 직경을 갖는 BaTiO₃ 입자를 사용하였다. 이 밖에도 필요에 따라 소량의 첨가제가 혼입된 다양한 유전체 입자를 사용할 수 있음은 물론이다. 유전층(130)은 사용되는 유전체 입자의 크기와 공정 조건에 따라 1um에서 50um까지 다양하게 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 유전층(130)에, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 다시 도전층(140)을 형성하여 임베디드 커패시터 기판(100)을 제조할 수 있게 된다. 이 때, 도전층(140)을 형성하기 위하여 전술한 상압 에어로졸 시스템을 이용할 수도 있고, 도금 또는 증착과 같은 방법을 이용할 수도 있다.

한편, 도 6에서는 전술한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 도전층과 유전층을 모두 형성하는 방법을 제시하였으나, 동박적층판의 일면 등과 같이 이미 형성된 도전층 상에 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 유전층을 형성하는 방법을 통하여 임베디드 커패시터 기판을 제조할 수도 있다.

다음으로, 도 7을 참조하여 임베디드 레지스터 기판(200)을 제조하는 방법에 대해 간략히 설명하도록 한다.

우선, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 절연기판(210)을 준비한다. 절연기판(210)으로는 알루미나 산화물계열과 같은 세라믹 계통의 절연기판에서부터 유리섬유가 충진 된 에폭시계열의 플라스틱 보드까지 다양한 기판을 사용할 수 있다.

그 다음, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 준비된 절연기판(210)에 상압 에 어로졸 분사 시스템을 사용하여 도전층(220)을 형성한다. 이 때, 도전층(220)을 형성하기 위하여 약 5um 직경의 구리 입자를 이용할 수 있으며, 이 밖에 다양한 재질의 금속 입자를 사용할 수도 있음은 물론이다. 절연기판(210)에 형성되는 도전층(220)은 사용되는 금속 입자의 크기에 따라 1um에서 500um까지 다양하게 형성될 수 있다.

그리고 나서, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 형성된 도전층(220) 위에 역시 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 저항층(230)을 형성한다. 이러한 저항층(230)을 형성하기 위하여 평균직경 0.45㎛의 Ni/Cr 입자를 사용할 수 있다. 이 밖에도 필요에 따라 다양한 전기저항 입자를 사용할 수 있음은 물론이다. 저항층(230)은 사용되는 저항체 입자의 크기와 공정 조건에 따라 1um에서 50um까지 다양하게 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 저항층(230)에, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 다시 도전층(240)을 형성하여 임베디드 레지스터 기판을 제조할 수 있게 된다. 이 때, 도전층(240)을 형성하기 위하여 전술한 상압 에어로졸 시스템을 이용할 수도 있고, 도금 또는 증착과 같은 방법을 이용할 수도 있다.

한편, 도 7에서는 전술한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 도전층(220)과 저항층 (230)을 모두 형성하는 방법을 제시하였으나, 동박적층판의 일면 등과 같이 이미 형성된 도전층 상에 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 저항층을 형성하는 방법을 통하여 임베디드 커패시터 기판을 제조할 수도 있다.

다음으로, 도 8을 참조하여 임베디드 커패시터/레지스터 기판(300)을 제조하는 방법에 대해 간략히 설명하도록 한다.

우선, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 절연기판(310)을 준비한다. 절연기판(310)으로는 알루미나 산화물 계열과 같은 세라믹 계통의 절연기판에서부터, 유리섬유가 충전된 에폭시 계열의 플라스틱 보드까지 다양한 기판을 사용할 수 있다.

그 다음, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 준비된 절연기판(310)에 전술한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 도전층(320)을 형성한다. 이 때, 도전층(320)을 형성하기 위하여 약 5um 직경의 구리 입자를 이용할 수 있으며, 이 밖에 다양한 재질의 금속 입자를 사용할 수도 있음은 물론이다. 절연기판에 형성되는 도전층(320)은 사용되는 금속 입자의 크기에 따라 1um에서 500um까지 다양하게 형성될 수 있다.

그리고 나서, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이, 형성된 도전층(320) 위에 역시 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 유전층(330)을 형성한다. 이러한 유전층(330)을 형성하기 위하여 바륨티타네이트와 같은 유전체 입자를 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 약 0.45im의 평균 직경을 갖는 BaTiO₃ 입자를 사용하였다. 이 밖에도 필요에 따라 소량의 첨가제가 혼입된 다양한 유전체 입자를 사용할 수 있음은 물론이다. 유전체층은 사용되는 유전체 입자의 크기와 공정 조건에 따라 1um에서 50um까지 다양하게 형성될 수 있다.

그리고 나서, 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 형성된 유전층(330) 위에 역시 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 저항층(340)을 형성한다. 이러한 저항층(340)을 형성하기 위하여 평균직경 0.45㎛의 Ni/Cr 입자를 사용할 수 있다. 이 밖에도 필요에 따라 다양한 전기저항 입자를 사용할 수 있음은 물론이다. 저항층은 사용되는 저항체 입자의 크기와 공정 조건에 따라 1um에서 50um까지 다양하게 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 저항층(340)에, 도 8의 (e)에 도시된 바와 같이, 다시 도전층(350)을 형성하여 임베디드 커패시터/레지스터 기판을 제조할 수 있게 된다. 이 때, 도전층(350)을 형성하기 위하여 전술한 상압 에어로졸 시스템을 이용할 수도 있고, 도금 또는 증착과 같은 방법을 이용할 수도 있다.

한편, 도 8에서는 전술한 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 도전층(320)과 유전층(330) 및 저항층(340)을 모두 형성하는 방법을 제시하였으나, 동박적층판의 일면 등과 같이 이미 형성된 도전층 상에 상압 에어로졸 분사시스템을 이용하여 유전층 및 저항층을 형성하는 방법을 통하여 임베디드 커패시터/레지스터 기판을 제조할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 에어로졸 분사장치의 일 실시예를 나타낸 개념도.

도 2는 분사부의 노즐에 대한 사시도.

도 3은 분사부의 노즐에 대한 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 필름형성방법의 일 실시예를 나타낸 순서도.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 수동소자 제조방법을 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 수송가스주입부 11 : 액화가스

12, 14 : 레귤레이터 13 : 기화기

15 : 유량계 20 : 에어로졸 형성부

21 : 제1 분말공급장치 22 : 제2 분말공급장치

23, 24 : 가스제어밸브 26, 27 : 분말제어밸브

25 : 바이패스밸브 31 : 가열부

40 : 분사부 42 : 노즐

43 : 바디 44 : 필터

45 : 헤드 46 : 팁

50 : 필름형성부 51 : 핫플레이트

52 : 위치조절부 53 : 기판

54 : 챔버 55 : 배기구

Claims

기판의 표면에 필름을 형성하기 위한 에어로졸 분사장치로서,

액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하고, 상기 수송가스의 압력을 높이는 수송가스주입부;

상기 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 에어로졸 형성부; 및

상기 기판의 표면에 필름이 형성되도록, 상기 에어로졸을 상압에서 분사하는 필름형성부를 포함하며,

상기 에어로졸 형성부는,

제1 분말을 공급하는 제1 분말공급장치;

상기 제1 분말공급장치에 공급되는 상기 수송가스의 유입을 제어하는 제1 가스제어밸브;

상기 제1 분말공급장치에서 분사되는 상기 제1 분말을 제어하는 제1 분말제어밸브; 및

상기 제1 분말공급장치와 병렬로 형성되어, 상기 에어로졸 형성부의 잔여 분말 및 불순물을 배출시키는 바이패스밸브를 포함하는, 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 에어로졸 형성부와 상기 필름형성부 사이에 개재되며,

상기 에어로졸 형성부로부터 공급되는 상기 에어로졸의 온도를 증가시키는 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 수송가스주입부는,

상기 수송가스의 압력 범위가 1 내지 7 atm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 에어로졸 형성부는,

상기 제1 분말공급장치와 병렬로 형성되어, 제2 분말을 공급하는 제2 분말공급장치;

상기 제2 분말공급장치에 공급되는 상기 수송가스의 유입을 제어하는 제2 가스제어밸브; 및

상기 제2 분말공급장치에서 분사되는 상기 제2 분말을 제어하는 제2 분말제어밸브를 더 포함하는, 에어로졸 분사장치.
제5항에 있어서,

상기 제1 분말과 상기 제2 분말은 상이한 것을 특징으로 하는, 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 분말은 금속 또는 비금속 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제7항에 있어서,

상기 금속은 구리 또는 니켈 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제7항에 있어서,

상기 비금속은 세라믹 계열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 필름형성부는,

챔버;

상기 챔버 내부에 장착되며 상기 에어로졸을 분사하는 분사부; 및

상기 분사부에서 분사된 상기 에어로졸이 증착되는 기판의 위치를 조절하는 위치조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제10항에 있어서,

상기 위치조절부에 결합되며, 상기 기판이 장착되는 핫플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제10항에 있어서,

상기 분사부는 1.0 내지 4.5mm 의 직경으로 형성되는 노즐오리피스인 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
제12항에 있어서,

상기 분사부의 분사속도는 상기 노즐오리피스의 크기와 상기 수송가스주입부의 압력으로 결정되는 것을 특징으로 하는 에어로졸 분사장치.
기판의 표면에 필름을 형성하는 방법으로서,

액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계;

상기 수송가스의 압력을 높이는 단계;

상기 수송가스와 분말을 혼합하여 에어로졸을 형성하는 단계; 및

상기 기판의 표면에 필름이 형성되도록, 상기 에어로졸을 상압에서 분사하는 단계를 포함하되,

상기 에어로졸을 형성하는 단계는,

제1 분말을 상기 수송가스와 혼합하는 단계;

제2 분말을 상기 수송가스와 혼합하는 단계; 및

상기 수송가스와 각각 혼합된 제1 분말과 제2 분말을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제14항에 있어서,

상기 에어로졸 형성단계와 상기 필름형성단계 사이에,

상기 에어로졸의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제14항에 있어서,

상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제14항에 있어서,

상기 수송가스의 압력을 높이는 단계는,

상기 수송가스의 압력이 1 내지 7 atm 이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제14항에 있어서,

상기 제1 분말은 금속 또는 비금속 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제18항에 있어서,

상기 금속은 구리 또는 니켈 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제18항에 있어서,

상기 비금속은 세라믹 계열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필름형성방법.
제1 도전층을 준비하는 단계;

상기 제1 도전층 상에 유전층과 저항층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계; 및

상기 유전층 또는 저항층 상에 제2 도전층을 형성하는 단계를 포함하되,

상기 유전층 또는 저항층을 형성하는 단계는,

액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계;

상기 수송가스의 압력을 높이는 단계;

상기 수송가스와, 유전체 분말 또는 저항체 분말을 혼합하여 제1 에어로졸을 형성하는 단계; 및

상기 제1 도전층의 표면에 상기 제1 에어로졸을 상압에서 분사하는 단계를 포함하며,

상기 제1 에어로졸을 형성하는 단계는,

제1 분말을 상기 수송가스와 혼합하는 단계;

제2 분말을 상기 수송가스와 혼합하는 단계; 및

상기 수송가스와 각각 혼합된 제1 분말과 제2 분말을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동소자 제조방법.
제21항에 있어서,

상기 제1 에어로졸을 형성하는 단계 이후에,

상기 제1 에어로졸의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동소자 제조방법.
제21항에 있어서,

상기 액화가스는 질소 또는 불활성 기체 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동소자 제조방법.
제21항에 있어서,

상기 제1 도전층을 준비하는 단계는,

액화가스를 기화시켜 수송가스를 형성하는 단계;

상기 수송가스의 압력을 높이는 단계;

상기 수송가스와, 도전체 분말을 혼합하여 제2 에어로졸을 형성하는 단계; 및

절연기판의 표면에 상기 제2 에어로졸을 상압에서 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동소자 제조방법.