KR101143067B1 - 전도성 재료의 공중부양 방법 및 장치 - Google Patents

전도성 재료의 공중부양 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 재료 공중부양 장치에 관한 것으로서, 코일내의 가변 전류를 이용하여 재료를 공중부양 상태로 유지하기 위한 코일을 포함하며, 사용시에 교류 전자기장을 생성하는 제 1 및 제 2 코일로 된 2개의 코일을 포함하며, 상기 제 1 코일과 제 2 코일의 교류 전자기장은 서로 상쇄되며, 상기 제 1 및 제 2 코일 사이에 부양상태로 유지된 전도성 재료를 증발시키도록 상기 제 1 및 제 2 코일이 위치되며, 본 발명은 또한 공중부양된 전도성 재료를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

전도성 재료의 공중부양 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR LEVITATION OF AN AMOUNT OF CONDUCTIVE MATERIAL}
본 발명은 코일내의 가변 전류를 이용하여 재료를 공중부양 상태로 유지하기 위한 코일을 포함하는 전도성 재료 공중부양 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 공중부양된 전도성 재료를 생성시키는 방법에 관한 것이다.
전도성 재료의 공중부양(levitation)은 진공챔버내에서 기상(vapour phase)으로부터 기판상에 응축되는 재료 층으로 기판을 코팅하기 위한 물리기상증착으로 알려져 있다. 통상적으로, 이러한 재료는 도가니내에 유지되며, 도가니내에서 가열되어 용융 및 증발된다. 그러나, 도가니가 냉각되어야 하기 때문에 많은 에너지가 손실된다. 종종, 도가니는 증발되는 재료에 의해 침식을 받는다. 이러한 이유로, 국제공개 제03/071000 A1호에 개시된 바와 같은 전자기 부양(electromagnetic levitation)이 개발되고 있다.
전자기 부양에 있어서, 전도성 재료는 가변 전류가 공급되는 코일 위에 부상하면서 유지된다. 가변 전류 때문에, 교류 전자기장이 코일내에 생성된다. 전자기장은 전도성 재료에 위로 향하는 힘을 부여한다. 이 전자기 힘은 전도성 재료에 작용하는 중력과 균형을 이루어 전도성 재료를 부양상태로 유지한다. 자기력이 코일과의 거리에 따라 변하기 때문에, 전도성 재료는 코일내의 전류와 전도성 재료의 질량에 따라 소정 거리에서 코일 위에 부양(또는 부상) 상태로 유지될 것이다.
또한, 전류는 전도성 재료를 용융시키고 결국 증발시키도록 전도성 재료를 가열하기 위한 전기에너지를 제공한다. 증발된 재료는 스트립 재료와 같은 기판(substrate)을 코팅하는데 이용된다.
전술한 장치는 가변 전류가 전도성 재료에 대한 부양력(levitation force)과 가열전력(heating power)을 모두 제공해야 하는 결점을 가진다. 고온으로 재료를 가열할 필요가 있을 때, 예를 들면 재료가 고융점 및 높은 증발온도를 가지거나 또는 높은 증발속도가 요구될 때, 전류는 증가되어여만 한다. 그러나, 전자기장의 부양력이 동시에 증가되어, 재료가 코일에 대해 큰 간격으로 코일 위에 부상하는 결과가 얻어진다. 이 간격에서, 전자기장이 작으며, 재료에 대한 가열전력이 의도된 것 보다 작아지는 결과가 초래된다.
본 발명의 목적은 전도성 재료를 공중부양 시키고 가열하기 위한 개선된 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전도성 재료의 공중부양 및 전도성 재료의 가열전력이 제어가능한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부양된 전도성 재료를 생성하는 방법 및 전도성 재료의 증발이 제어가능한 방법을 제공하는 것이다.
이들 하나 이상의 목적은 코일내의 가변 전류를 이용하여 재료를 공중부양 상태로 유지하기 위한 코일을 포함하는 전도성 재료 공중부양 장치로 달성되며, 상기 장치는 사용시에 교류 전자기장을 생성하는 제 1 및 제 2 코일로 된 2개의 코일을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 코일의 교류 전자기장은 서로 상쇄(반작용)되며, 제 1 및 제 2 코일 사이에서 공중부양 상태로 유지된 전도성 재료가 증발되도록 제 1 및 제 2 코일이 위치된다.
2개의 코일을 사용하는 것은 2개의 전자기장을 생성하는 것이 가능하여, 2개의 코일 사이의 안정된 위치에 전도성 재료가 공중부양 상태로 유지된다. 2개의 코일내에서의 교류 전자기장의 상쇄력(counteracting force)에 의해, 전도성 재료는 코일로부터 이탈될 수 없다. 전도성 재료가 적소에 유지되어 있기 때문에, 고전류를 생성하는 것이 가능하며 따라서 전도성 재료가 고온으로 된다. 이는 경제적으로 가치있는 속도로 기판을 코팅하기에 충분한 전도성 재료의 증발속도가 얻어진다.
전도성 재료는 종종 증발하기 전에 가열에 의해 용융되지만, 어떤 재료는 용융되기 전에 승화(sublimate)된다.
바람직하게는, 코일은 실질적으로 동일 중심선을 가진다. 코일이 동일 중심선을 가질 때, 전도성 재료는 가장 좋은 방식으로 2개의 자기장 사이에 포획된다. 코일의 중심선이 상대적으로 변위되거나 또는 각도를 가지는 경우, 전도성 재료가 용융될 때 코일 사이의 공간 밖으로 전도성 재료가 누설되기 쉬우며, 증발되지 않고 손실될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 코일은 실질적으로 모두 폐루프인 권선(winding)을 가진다. 따라서, 코일에 의해 생성된 자기장은 실질적으로 각 코일의 중심선에 대해 대칭이다. 따라서, 전도성 재료는 코일 사이의 공간의 중심에서 유지되며, 전도성 재료가 용융될 때 자기장의 대칭에 대응하여 대칭 형상을 갖는다.
바람직한 제 1 실시예에 따르면, 각 코일은 개별 전류 공급원을 가진다. 각 코일이 자체 전류 공급원을 가질 때, 전류 크기는 각 코일에 대해 독립적으로 변화될 수 있으며, 따라서 코일 사이의 거리가 변화됨에 따라 부양력과 가열전력이 변화될 수 있다. 결점은 코일의 교류 자기장(alternating field)이 잘 제어되어야만 한다는 것이다.
바람직한 제 2 실시예에 따르면, 코일들은 연결되어 있으며, 동일 전류공급원을 가진다. 이 방식에 있어서, 동일 전류가 이용되기 때문에 자기장의 위상에 관한 문제점은 없지만, 코일이 서로 연결되어 있기 때문에 코일을 형성하는 것이 더 어려우며, 코일이 권선된 후 거리를 변화시킬 수 없으며, 가열전력과 부양력이 서로 독립적으로 변화될 수 없다.
바람직한 마지막 실시예에 있어서, 바람직하게는 코일은 반대 방향으로 권선된다. 전류가 권선을 통해 동일 방향으로 흐르기 때문에, 이 방식에 있어서 상쇄 자기장이 코일내에 생성된다.
바람직한 실시예에 따르면, 제 1 코일은 실질적으로 제 2 코일 위에 위치된다. 부양된 전도성 재료에 작용하는 중력은 코일의 자기장과 실질적으로 동일 라인을 따라 향하게 될 것이다. 따라서, 힘들이 잘 균형을 이룰 것이다.
바람직하게는, 제 1 코일은 제 2 코일과 동일 권선 또는 적은 권선을 가진다. 이 방식에 있어서, 제 2 (하부) 코일의 자기장은 제 1 (상부) 코일의 자기장 보다 더 강하며, 따라서 중력을 상쇄시키고 전도성 재료를 제 1 코일과 제 2 코일 사이의 대략 중간에서 유지한다.
바람직한 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 코일은 거울상 대칭이다. 이와 같은 코일 구성에서, 코일은 이하에서 설명하는 바와 같이 조종될 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따르면, 전술한 바와 같은 장치를 이용하여 공중부양된 전도성 재료를 생성시키는 방법을 제공하며, 전도성 재료는 코일내의 전류와 주파수에 의한 가열에 의해 증발되도록 2개의 코일에 의해 생성된 전자기장 사이에 포획된다.
2개 코일 사이에서의 전도성 재료의 포획은 전류가 증가될 때 전도성 재료내에 충분한 가열전력을 생성시키는 것이 가능하여, 전도성 재료가 경제적으로 유익한 방식으로 기판을 코팅하는 것이 가능하도록 충분히 높은 속도로 증발되도록 한다. 단지 하나의 코일이 사용된 공지된 장치에 있어서, 대부분의 전도성 재료에 대해, 기판 코팅을 위한 경제적으로 유익한 증발속도를 생성시키는데 충분한 온도로 가열시킬 수 없다.
바람직하게는, 증발된 전도성 재료는 기판의 코팅을 위해 실질적으로 코일의 중심선 방향을 따라 유도된다. 코일과 전도성 재료 사이에 덕트 또는 튜브와 같은 절연 수단이 사용되고, 이러한 방식으로 증발된 재료를 장치 부품상에 응축시키지 않고 코팅되는 기판으로 유도시킬 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 코일은 증발된 전도성 재료가 1 이상의 자유도(degrees of freedom)를 갖고 유도되도록 함께 조종된다. 이는 전도성 재료가 코일 사이에서 포획되며, 코일의 조합된 자기장을 이탈하지 않기 때문에 가능하다. 코일을 조종, 예를 들면 회전시키는 것에 의해, 증발된 전도성 재료는 진공챔버내에 존재하는 하나 이상의 기판을 훨씬 용이하게 코팅할 수 있는 또 다른 방향으로 유도될 수 있다.
바람직하게는, 코일은 6 자유도로 조종된다. 따라서, 코일은 3개 방향으로 이동가능하며, 2개의 수평축과 1개의 수직축을 중심으로 회전할 수 있다.
바람직한 방법에 따르면, 2개 코일내의 전자기장의 강도는 전자기장내에 포획된 전도성 재료가 코일의 중심선 쪽으로 향하도록 강제되는 크기이다. 이는 증발된 재료를 정확하게 코일 위에 위치하지 않는 기판으로 유도하는데 특히 유용하다. 코일은 조종될 수 있으며, 증발된 재료는 진공챔버내의 기판을 코팅하기 위해 모든 방향으로 유도된다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 상세히 기술될 것이다.
도 1은 포획된 전도성 재료를 갖는 본 발명에 따른 2개 코일을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도면에 있어서, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)이 도시되어 있으며, 각 코일은 3개의 권선(1a, 1b, 1c 및 2a, 2b, 2c)으로 구성된다. 코일 "1"과 코일 "2"는 각각 전자기장을 생산하며, 코일 "1"의 전자기장은 코일 "2"의 전자기장을 상쇄시켜, 그 결과로 얻어진 전자기장이 코일 사이에 제공된 전도성 재료(3)를 포획한다. 전자기장은 전자기장 라인(4)으로 도시되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 상쇄 자기장에 의해, 가장 강력한 전자기장이 2개 코일 사이에 존재한다. 이는 용적(molten droplet)으로서 도시된 전도성 재료를 대칭 코일의 중심선(5) 쪽으로 힘을 받게하는 효과를 가진다. 더욱이, 용적이 코일 외부로 이동될 수 없도록 하며, 따라서 코일의 권선내에 고전류가 생성될 수 있으며, 코일의 높은 가열전력이 얻어진다. 따라서, 용적은 고온으로 가열되어 빠르게 증발될 것이다. (초)가열된 전도성 재료의 증발속도가 높으며, 경제적으로 매력적인 기판 코팅속도가 얻어진다.
2개 이상의 코일이 사용될 수 있으며, 권선은 원형 또는 다른 형상, 바람직하게는 축방향 대칭 형상이 가능하다. 권선은 예를 들면 사각형일 수 있다. 각 코일에 대한 3개의 권선 대신에, 더 적은 또는 더 많은 권선이 사용가능하며, 권선의 개수는 각 코일에 대해 다를 수 있다. 2개의 코일이 연결되어 있지 않은 경우, 각 코일내에 서로 다른 크기의 전류가 사용될 수 있다.
증발된 재료는 코일과 용적(도시되지 않음) 사이에 위치된 비전도성 재료로 된 덕트 또는 튜브 때문에 중심선(5) 방향으로 주로 흐른다. 이 덕트는 권선 사이의 아크 발생과 진공챔버의 오염을 방지한다. 본 발명에 따른 장치는 중심선의 방향을 변경시킬 수 있도록 코일을 함께 조종가능하게 제조될 수 있다. 이 방식으로, 기판을 위 아래에서 코팅하는 것 뿐만 아니라 측면에서 코팅하는 것도 가능하다. 또한, 코일을 3개 방향으로 함께 변위시키는 것도 가능하다. 전도성 재료가 2개 코일 사이에 포획되는 사실에 기인하여, 재료는 코일 사이에 잔류하고, 조종 전, 조종 중 및 조종 후에 증발할 것이다.
본 발명에 따른 물리기상증착에 대해, 코일과 전도성 재료는 적어도 10-3 mbar의 진공으로 유지되는 것을 이해할 것이다. 사용된 가변 전류와 주파수는 전도성 재료를 가열하고 증발시키기에 충분해야 하며, 전도성 재료와 요구된 코팅 속도에 따라 변화된다.

Claims (14)

  1. 코일내의 가변 전류를 이용하여 재료를 공중부양 상태로 유지하기 위한 전도성 재료 공중부양 장치에 있어서,
    제 1 및 제 2 코일로 된 2개의 코일을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 사용시에 적어도 10-3 mbar 진공의 진공챔버내에 위치되며,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 사용시에 교류 전자기장을 생성하고,
    상기 제 1 코일과 제 2 코일의 교류 전자기장은 서로 상쇄되며,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 그 중심선을 변경시키기 위해 함께 회전 및 변위 중 적어도 어느 하나가 가능하고,
    상기 제 1 및 제 2 코일 내측에 비전도성 재료로 된 튜브가 설치되어, 상기 튜브는 사용시에 상기 제 1 및 제 2 코일과 전도성 재료 사이에 존재하며,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 상기 제 1 및 제 2 코일 사이에 부양상태로 유지된 전도성 재료를 증발시키도록 위치되고,
    증발된 상기 전도성 재료는 상기 제 1 및 제 2 코일의 중심선 방향을 따라 비전도성 재료로 된 튜브 내측을 통해 코팅되는 기판으로 유동되는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일들은 모두 폐루프인 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각 코일은 개별 전류공급원을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일들은 연결되어 있으며, 동일 전류공급원을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 코일들은 반대 방향으로 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 코일은 상기 제 2 코일 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 코일은 상기 제 2 코일과 동일 개수의 권선 또는 상기 제 2 코일 보다 적은 개수의 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 거울상 대칭인 것을 특징으로 하는 전도성 재료 공중부양 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 전도성 재료 공중부양 장치를 이용하며,
    상기 2개의 코일에 의해 생성된 전자기장 사이에 포획된 전도성 재료가 상기 코일내의 전류와 주파수에 의한 가열에 의해 증발되며,
    증발된 상기 전도성 재료는 기판의 코팅을 위해 상기 코일의 중심선 방향을 따라 유도되는 것을 특징으로 하는 공중부양된 전도성 재료 생성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 증발된 전도성 재료를 1 이상의 자유도로 유도하도록 함께 조종되는 것을 특징으로 하는 공중부양된 전도성 재료 생성방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 코일은 6 자유도로 조종되는 특징으로 하는 공중부양된 전도성 재료 생성방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 2개의 코일내의 전자기장 강도는 상기 전자기장 사이에 포획된 전도성 재료가 상기 코일의 중심선 쪽으로 향하게 되는 크기인 것을 특징으로 하는 공중부양된 전도성 재료 생성방법.
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  14. 삭제
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