KR101246766B1 - 분말 증착 장치 - Google Patents

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KR101246766B1
KR101246766B1 KR1020120106189A KR20120106189A KR101246766B1 KR 101246766 B1 KR101246766 B1 KR 101246766B1 KR 1020120106189 A KR1020120106189 A KR 1020120106189A KR 20120106189 A KR20120106189 A KR 20120106189A KR 101246766 B1 KR101246766 B1 KR 101246766B1
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이문기
유승남
김선배
장병진
이명노
김대근
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아이원스 주식회사
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Abstract

본 발명은 코팅 원자재의 형상에 제약을 받지 않으며, 입체적으로 코팅할 수 있는 분말 증착 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 진공 챔버 내에서 비산하는 분말이 필터와 리저브 탱크의 스크린을 순차적으로 거친 후 진공 펌프로 투입되는 분말 증착 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내로 삽입된 기체 공급관;
상기 기체 공급관에 세라믹 분말을 공급하는 분말 공급부, 상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 상기 기체 공급관의 끝단과 결합한 다관절 로봇 및 상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 회전 가능한 턴 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치를 개시한다.

Description

분말 증착 장치{Deposition apparatus of powder}
본 발명은 분말 증착 장치에 관한 것이다.
에어로졸 증착 공정은 일반적으로 상온의 분위기에서 분말의 이상적인 에어로졸 형성을 통해 분말을 진공 챔버와 분말 탱크의 진공 압력 차를 이용하여 분말을 공급한다. 이때 분말이 가지는 운동에너지는 분말이 코팅 원자재에 도달하는 순간 충돌에너지로 전환되며, 이 전환된 충돌에너지를 이용하여 원자재에 코팅이 행하여지는 매우 우수한 코팅 공법이다.
상기의 에어로졸 증착 공정은 수 마이크로 이내의 분말을 이용하여 에어로졸을 형상한다. 이때 사용되는 상용의 원재료는 매우 넓은 분포의 입자 분포도를 가지며, 높은 응집성으로 인해 코팅 공정이 연속적으로 이루어질 경우 분말의 정량 공급이 원활하지 못하며, 분말의 이동속도의 최적화를 위해 분말 탱크, 분말 공급 라인, 노즐의 설계를 일직선화 하고 있다. 이러한 문제점으로 인해 에어로졸 증착 코팅은 평면 코팅에만 적용되었다. 따라서, 기존 에어로졸 증착의 코팅 공법으로는 평면의 원자재에만 적용이 가능하였으며, 분말 이송의 문제점으로 표면에 얼룩이 생기는 문제점이 발생한다.
본 발명은 코팅 원자재의 형상에 제약을 받지 않으며, 입체적으로 코팅할 수 있는 분말 증착 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 진공 챔버 내에서 비산하는 분말이 필터와 리저브 탱크의 스크린을 순차적으로 거친 후 진공 펌프로 투입되는 분말 증착 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 분말 증착 장치는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내로 삽입된 기체 공급관, 상기 기체 공급관에 세라믹 분말을 공급하는 분말 공급부, 상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 상기 기체 공급관의 끝단과 결합한 다관절 로봇 및 상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 회전 가능한 턴 테이블을 포함한다.
상기 기체 공급관은 일정 비율로 직경이 감소하는 제 1구간, 일정한 직경(r1)을 가지는 제 2구간, 상기 직경(r1) 보다 크며 일정한 직경(r2)을 가지는 제 3구간을 포함하고, 상기 분말 공급부의 끝단은 상기 제 3구간에 결합될 수 있다. 상기 기체 공급관은 유연할 수 있다. 상기 다관절 로봇은 상기 진공 챔버에 고정되며, 회전 가능한 회전 구동부, 상기 회전 구동부에 결합되며, 자신의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있는 제 1암, 상기 제 1암에 결합되며, 상기 제 1암의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있는 제 2암 및 상기 제 2암에 결합되며, 회전 가능한 제 3암을 포함하여, 6 자유도를 가질 수 있다. 상기 턴 테이블은 회전 유닛, 상기 회전 유닛에 안착 되어 회전하는 베이스, 상기 베이스의 중심을 가로지르며 설치된 적어도 하나의 레일 및 상기 적어도 하나의 레일을 통해 이동하는 한 쌍의 지그를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 지그는 각각 상기 베이스의 외측에서 중심으로 이동할 수 있다. 상기 진공 챔버의 일측에 연결된 필터 상기 필터의 일측에 연결된 리저브 탱크 및 상기 리저브 탱크의 일측에 연결된 진공 펌프를 더 포함하고, 상기 진공 챔버, 필터, 리저브 탱크 및 진공 펌프는 서로 진공관을 통해 연결될 수 있다. 상기 리저브 탱크는 내부에 스크린을 구비할 수 있다. 상기 스크린은 상기 리저브 탱크 내부에서, 상기 필터가 연결된 측에 형성될 수 있다. 상기 필터와 리저브 탱크 사이 및 상기 리저브 탱크와 상기 진공 펌프 사이에는 압력 조절용 밸브가 형성될 수 있다.
본 발명은 코팅 원자재의 형상에 제약을 받지 않으며, 입체적으로 코팅이 가능하다.
또한, 본 발명은 진공 챔버 내에서 비산하는 분말이 필터와 리저브 탱크의 스크린을 순차적으로 거친 후 진공 펌프로 투입되므로, 진공 펌프로 투입되는 분말을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분말 증착 장치를 도시한 측면 모식도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 진공 챔버 내부를 도시한 측면 모식도이고, 도 2b는 도 2a의 2b를 확대한 확대도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 턴 테이블을 도시한 측면 모식도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 턴 테이블의 상면을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 리저브 탱크의 내부를 도시한 측면 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 분말 증착 장치를 도시한 측면 모식도이다.
본 발명에 따른 분말 증착 장치(1000)는 도 1을 참조하면, 진공 챔버(10), 필터(20), 리저브 탱크(30), 진공 펌프(40), 제어부(50), 기체 공급관(100) 및 분말 공급부(200)를 포함한다.
상기 진공 챔버(10)는 진공 상태를 유지하며, 진공의 압력을 충분히 견딜 수 있고, 내구성이 우수한 스테인리스 스틸 등의 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 진공 챔버(10)의 일단 혹은 양단에는 문(11)이 설치되어 있으며, 상기 문(11)의 일부는 내부의 상황을 용이하게 파악하기 위해서, 투명한 재료가 결합되는 것이 바람직하다.
상기 필터(20)는 상기 진공 챔버(10)의 일측에 연결된 진공관(1)을 통해, 챔버(10)와 연결되어 있다. 상기 필터(20)는 진공 챔버(10) 내에 비산하는 분말이 상기 진공펌프(40)로 투입되는 것을 방지하기 위해 이를 걸러낸다. 여기서, 비산하는 분말이 상기 필터(20)를 먼저 거친 후, 상기 리저브 탱크(30)에 투입되므로, 상기 리저브 탱크(30) 내부의 마모를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 리저브 탱크(30)는 상기 필터(20)의 일측에 연결된 진공관(1)을 통해, 필터(20)와 연결되어 있다.
상기 리저브 탱크(30)는 상기 진공 챔버(10)와 대략 동일한 용량의 용적을 가지고 있으며, 진공 상태를 유지하며, 진공의 압력을 충분히 견딜 수 있고, 내구성이 우수한 스테인리스 스틸 등의 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
분말 증착 장치(1000)는 진공 챔버(10) 내부의 진공 압력 차를 이용하여, 분말을 이송, 증착을 수행함으로, 상기 진공 챔버(10)의 진공도 안정화가 매우 중요하다. 하지만, 기체 유입을 통한 진공 챔버(10) 내부의 진공도 변화로, 상기 진공 펌프(40)에 매우 큰 하중이 발생하고, 이로 인한 진동도 불균형에 따라 균일한 증착 공정을 수행하기 어려워진다. 여기서, 상기 리저브 탱크(30)는 상기 진공 챔버(10)와 대략 동일한 용량의 용적을 가지고 있으므로, 기체 유입에 따른 진공도 손실을 분배할 수 있고, 상기 진공 펌프(40)에 발생하는 하중을 분산 시킬 수 있다. 따라서, 분말 증착 장치(1000)는 균일한 증착 공정을 수행할 수 있다.
상기 리저브 탱크(30)는 내부에 후술할 스크린을 구비하여, 기체와 세라믹 분말의 비중 차를 이용한 공기 선별(air classification) 방식으로, 기체에서 세라믹 분말을 용이하게 제거할 수 있다.
상기 진공 펌프(40)는 상기 리저브 탱크(30)의 일측에 연결된 진공관(1)을 통해, 리저브 탱크(30)와 연결되어 있다.
상기 진공 펌프(40)는 상기 진공 챔버(10)를 진공상태로 유지한다. 상기 진공 챔버(10)를 진공상태로 유지하므로, 진공 챔버(10) 내로 불순물의 혼합을 피할 수 있으며, 원자재 혹은 분말의 산화를 방지하는 것이 가능하다. 여기서, 상기 진공관(1)에는 압력 조절용 밸브(2)가 설치되어, 진공 챔버(10) 내의 진공 압력을 효율적으로 조절할 수 있다.
상기 제어부(50)는 상기 진공 펌프(40)를 제어하는 장치로, 상기 진공 펌프(40)의 진공 압력을 제어 및 관리하여, 상기 진공 챔버(10) 내에서 요구되는 압력을 일정하게 유지하는 것이 가능하다.
상기 기체 공급관(100) 및 분말 공급부(200)는 아래서, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.
도 2a는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 진공 챔버 내부를 도시한 측면 모식도이고, 도 2b는 도 2a의 2b를 확대한 확대도이다.
본 발명에 따른 분말 증착 장치(1000)는 도 2a 및 2b를 참조하면, 기체 공급관(100), 분말 공급부(200), 다관절 로봇(300) 및 턴 테이블(400)을 포함한다.
상기 기체 공급관(100)은 진공 챔버(10)의 외부에서 기체 공급부(미 도시)에 연결되어, 일부가 진공 챔버(10) 내부로 삽입된다.
상기 기체 공급관(100)은 유연한 재질로 형성된다. 이로써 자유롭게 휘어지며, 원자재(P)의 모든 표면에 분말을 증착하는 것이 가능하다.
상기 분말 공급부(200)의 끝단(210)은 상기 기체 공급관(100)에 연결되어 있다. 본 발명에 따른 기체 공급관(100)은 도 2b를 참조하면, 상기 기체 공급관(100)은 일정 비율로 직경이 감소하는 제 1구간, 이후 일정한 직경(r1)을 가지는 제 2구간 및 이후 일정한 직경(r2)를 가지는 제 3구간을 포함하며, 상기 분말 공급부(200)의 끝단(210)은 상기 제 3구간에 연결된다. 여기서 상기 제 2구간의 직경(r1)은 상기 제 3구간의 직경(r2)보다 작으므로, 제 2구간과 제 3구간 사이에서는 급격한 직경 차이가 발생한다. 따라서, 기체가 제 2구간에서 제 3구간으로 이송되면서 직경이 급격히 변화하므로, 기체의 유속이 급격히 빨라지는 것이 가능하다. 즉, 이는 기체가 아음속에서 초음속으로 팽창하는 것이 가능하다.
분말 공급부(200)는 금속 혹은 세라믹 분말을 기체 공급관(100)에 공급하며, 상기 분말은 기체 공급관에서 기체와 혼합되어, 원자재(P)의 표면에 증착된다.
여기서, 상기 세라믹 분말은 이트륨 옥사이드(Y2O3), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 티타늄 옥사이드(TiO2), 지르코늄 나이트라이드(ZrN), 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 등이 될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이러한 세라믹 분말의 종류를 한정하는 것은 아니다.
이러한 상기 세라믹 분말은 탑다운 방식에 의하여 부피가 큰 상태의 세라믹 덩어리를 러프 하게 분쇄하는 공정, 분말을 미세하게 분쇄하는 공정 및 전기로 등을 이용하여 세라믹 분말을 도가니에 넣고 열처리하는 공정을 거쳐 생성된다. 따라서, 분쇄 공정 및 열처리 공정을 통해 균일하고 입형이 우수한 세라믹 분말을 생성함으로써, 과립화 공정 시 겉보기 밀도 및 유동도의 특성이 우수한 분말을 얻을 수 있다.
상기 원자재(P)는 표면을 화학적, 전기화학적 혹은 물리적으로 처리하여 부식 저항성을 높이는 전처리 공정을 행한다.
상기 전처리 공정은 고체 잔존물을 제거해 주는 기계적 전처리와 유기물 혹은 산화물 형태의 잔존물을 제거해주는 화학적 전처리가 있다. 기계적 전처리 방법에는 바렐 연마 또는 쇼트 블라스트 등이 있으며, 화학적 전처리에는 기름류를 제거해주는 탈지, 산화피막을 제거해 주는 산세, 표면활성화를 위한 표면조정 등을 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명에서 상기 전처리 공정을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 원자재의 전처리 공정을 통해 분말의 불안정한 결함을 안정화시키고 코팅 표면과 충돌 시 발생하는 분말의 나노 분쇄 효능을 높여 줍니다.
상기 다관절 로봇(300)은 회전 구동부(310), 제 1암(320), 제 2암(330) 및 제 3암(340)을 포함한다.
상기 회전 구동부(310)는 상기 진공 챔버(10)의 내부에서 하단부에 고정되어 있으며, 회전 가능하다.
상기 제 1암(320)은 상기 회전 구동부(310)의 일측에 결합하여 있으며, 자신의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있다.
상기 제 2암(330)는 상기 제 1암(320)에 결합되며, 상기 제 1암(320)의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있다.
상기 제 3암(340)은 상기 제 2암(330)의 끝단에 결합되며, 회전 가능하다. 또한, 상기 제 3암(340)은 상기 기체 공급부(100)의 끝단이 용이하게 결합하도록 프렌지 형상을 가진다.
상기 다관절 로봇(300)은 상기 회전 구동부(310), 제 1암(320), 제 2암(330) 및 제 3암(340)을 통해 6 자유도를 가질 수 있다. 여기서 6 자유도(6 Degrees Of Freedom)는 로보틱스나　가상 현실　시스템에서 사용되는 모든 동작 요소를 의미한다. 즉, X(수평), Y(수직), Z(깊이), 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll)을 말한다.
상기 턴 테이블(400)은 아래서, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 자세히 설명한다.
도 3a는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 턴 테이블을 도시한 측면 모식도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 턴 테이블의 상면을 도시한 모식도이다.
본 발명에 따른 턴 테이블(400)은 도 3a 및 3b를 참조하면, 회전 유닛(410), 베이스(420), 레일(430) 및 지그(440)를 포함한다.
상기 회전 유닛(410)은 모터 및 감속기로 이루어져 있으며, 회전 속도를 제어하는 것이 가능하다.
상기 베이스(420)는 대략 원형의 판으로, 상부에 원자재(P)가 안착 된다. 여기서, 상기 베이스(420)는 상기 회전 유닛(410)의 회전 축에 결합하여, 상기 회전 유닛(410)의 회전력에 의해 회전한다.
상기 레일(430)은 상기 베이스(420)의 중심을 가로지르며 설치된다.
상기 지그(440)는 상기 레일(430)을 따라서 이동가능하며, 상기 베이스(420)의 외주 면에서 중심으로 각각 이동하는 한 쌍의 지그(440)로 구성된다.
한 쌍의 지그(440)는 상기 원자재(P)의 양 측면에서 압력을 가하여, 상기 베이스(420)의 상면에 고정한다. 따라서, 상기 원자재(P)가 상기 베이스(420)의 상면에서 이탈되는 것을 방지한다.
여기서, 상기 베이스(420)의 상면에는 적어도 하나 이상의 레일(430) 및 한 쌍의 지그(440)가 설치되어, 다양한 측면에서 상기 원자재(P)를 고정하는 것이 바람직하다.
다음은 상술한 상기 리저브 탱크(30)에 대해서 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 분말 증착 장치의 리저브 탱크의 내부를 도시한 측면 모식도이다.
본 발명에 따른 리저브 탱크(30)는 내부에 스크린(31)을 구비한다.
상기 스크린(31)은 일면이 평평한 판상으로 형성되거나, 혹은 일면이 유선형으로 휘어진 판상으로 형성된다.
여기서, 상기 스크린(31)은 세라믹 분말 입자와의 충돌에 대해 신뢰성을 얻기 위해서, 내구성이 우수한 스테인리스 스틸 등의 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 스크린(31)은 상기 필터(20)가 연결된 측에 형성된다. 이는 상기 필터(20)를 거친 후에도 존재(비산)하는 세라믹 분말 입자가 상기 리저브 탱크(30)로 투입되면서 스크린(31)에 부딪혀 떨어지고 상기 진공 펌프(40)로 투입되지 않도록 하기 위함이다.
여기서, 상기 스크린(31)은 상기 리저브 탱크(30) 내부로 공기가 원활히 투입되도록, 공기 투입 측 입구에서 소정 거리 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10: 진공 챔버 20: 필터
30: 리저브 탱크 40: 진공 펌프
50: 제어부 100: 기체 공급관
200: 분말 공급부 300: 다관절 로봇
400: 턴 테이블

Claims (10)

  1. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내로 삽입된 기체 공급관;
    상기 기체 공급관에 세라믹 분말을 공급하는 분말 공급부;
    상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 상기 기체 공급관의 끝단과 결합한 다관절 로봇; 및
    상기 진공 챔버 내부에 고정되며, 회전 가능한 턴 테이블; 을 포함하고,
    상기 기체 공급관은
    일정 비율로 직경이 감소하는 제 1구간,
    일정한 직경(r1)을 가지는 제 2구간,
    상기 직경(r1) 보다 크며 일정한 직경(r2)를 가지는 제 3구간을 포함하고,
    상기 분말 공급부의 끝단은 상기 제 3구간에 결합된 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기체 공급관은 유연한 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다관절 로봇은
    상기 진공 챔버에 고정되며, 회전 가능한 회전 구동부,
    상기 회전 구동부에 결합되며, 자신의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있는 제 1암,
    상기 제 1암에 결합되며, 상기 제 1암의 길이방향 축과 직교하는 축에 대하여 소정의 각도범위 내에서 선회할 수 있는 제 2암 및
    상기 제 2암에 결합되며, 회전 가능한 제 3암을 포함하여,
    6 자유도를 가지는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 턴 테이블은
    회전 유닛,
    상기 회전 유닛에 안착 되어 회전하는 베이스,
    상기 베이스의 중심을 가로지르며 설치된 적어도 하나의 레일 및
    상기 적어도 하나의 레일을 통해 이동하는 한 쌍의 지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 지그는 각각 상기 베이스의 외측에서 중심으로 이동하는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 진공 챔버의 일측에 연결된 필터
    상기 필터의 일측에 연결된 리저브 탱크 및
    상기 리저브 탱크의 일측에 연결된 진공 펌프를 더 포함하고,
    상기 진공 챔버, 필터, 리저브 탱크 및 진공 펌프는 서로 진공관을 통해 연결된 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 리저브 탱크는 내부에 스크린을 구비하는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 스크린은 상기 리저브 탱크 내부에서, 상기 필터가 연결된 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 필터와 리저브 탱크 사이 및
    상기 리저브 탱크와 상기 진공 펌프 사이에는 압력 조절용 밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 분말 증착 장치.
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