KR101261802B1 - Apparatus for deposition - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 증착챔버와, 상기 증착챔버 내에 배치되는 관형 지지체와, 상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하기 위한 제1 타겟과, 상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하기 위한 제2 타겟과, 상기 제1 타겟에 전압을 공급하기 위한 제1 전원공급부와, 상기 제2 타겟에 전압을 공급하기 위한 제2 전원공급부 및 상기 증착챔버 내에 플라즈마 형성을 위한 가스를 공급하기 위한 가스공급수단을 포함하며, 상기 관형 지지체가 장착되는 홀더의 회전에 연동되어 상기 관형 지지체는 자전되게 구비되는 증착장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 전도성 산화물과 금속의 복합화를 위해 세라믹과 금속을 동시에 증착할 수 있고, 제1 타겟과 제2 타겟에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절할 수 있으므로 관형 기지체 표면에 증착되는 막질을 제어하는 것이 가능하며, 관형 지지체가 자전과 공전을 하기 때문에 제1 타겟과 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자들이 편중되지 않고 고르게 증착될 수 다.The present invention is directed to a deposition chamber, a tubular support disposed in the deposition chamber, a first target for supplying a first material disposed in the deposition chamber and to be deposited onto the surface of the tubular support, and disposed in the deposition chamber. A second target for supplying a second material to be deposited onto the tubular support surface, a first power supply for supplying a voltage to the first target, and a second power supply for supplying a voltage to the second target And a gas supply means for supplying a gas for plasma formation in the deposition chamber, wherein the tubular support is rotated in conjunction with the rotation of the holder on which the tubular support is mounted. According to the present invention, ceramic and metal can be simultaneously deposited for complexing a conductive oxide and a metal, and ion bombardment of two targets is controlled by independently controlling power supplied to the first target and the second target. Since the strength can be adjusted, it is possible to control the film quality deposited on the surface of the tubular matrix, and since the tubular support rotates and revolves, particles sputtered from the first target and the second target can be deposited evenly without being biased.
Description
본 발명은 증착장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 산화물과 금속의 복합화를 위해 세라믹과 금속을 동시에 증착할 수 있고, 제1 타겟과 제2 타겟에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절할 수 있으므로 관형 기지체 표면에 증착되는 막질을 제어하는 것이 가능하며, 관형 지지체가 자전과 공전을 하기 때문에 제1 타겟과 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자들이 편중되지 않고 고르게 증착될 수 있는 증착장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a deposition apparatus, and more particularly, to simultaneously deposit a ceramic and a metal for complexing a conductive oxide and a metal, and independently controlling the power supplied to the first target and the second target to target two targets. It is possible to control the intensity of ion bombardment on the surface, thereby controlling the film quality deposited on the surface of the tubular matrix, and the particles sputtered from the first target and the second target are biased because the tubular support rotates and revolves. The present invention relates to a deposition apparatus that can be deposited evenly.
수소 에너지는 석유, 석탄과 같은 화석 연료의 고갈과 공해 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지 원으로 각광 받고 있다. 수소 분자를 제조하는 기술로는 물을 전기 분해하는 방법, 미생물에 의한 생화학 반응 방법, 자연 상태의 수소 분자를 여과하는 방법 그리고 고온의 열을 이용한 생산 방법 등 다양한 방법이 있다.Hydrogen energy is in the spotlight as an alternative energy source that can solve the problem of depletion and pollution of fossil fuels such as oil and coal. Techniques for producing hydrogen molecules include various methods such as electrolysis of water, biochemical reaction by microorganisms, filtration of natural hydrogen molecules, and production using high temperature heat.
그러나, 대부분의 방법들이 비용 등의 문제로 에너지원으로서의 수소를 확보하는데 어려움이 있으며, 따라서 순도가 낮거나 폐수소 함유 가스로부터 여과에 의해 고순도 수소 분자를 분리하는 방법에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.However, most of the methods are difficult to secure hydrogen as an energy source due to cost and the like, and thus, active researches have been conducted to separate high-purity hydrogen molecules by filtration from low-purity or waste hydrogen-containing gases. .
질소, 산소, 이산화탄소, 일산화탄소 등과 함께 혼합되어 있는 수소를 분리하기 위한 방법으로 나노미터(㎚) 크기의 기공을 가진 분리막을 이용하여 분리하려는 시도가 있어 왔다. 그러나 현재까지 균일한 기공 구조를 가지는 수소분리막의 제조에 어려움이 있어 고순도의 수소를 얻는 단계까지는 이르지 못하고 있다. As a method for separating hydrogen mixed with nitrogen, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, etc., there have been attempts to separate using a membrane having a nanometer (pores) sized pores. However, to date, there is a difficulty in producing a hydrogen separation membrane having a uniform pore structure and has not reached the stage of obtaining high purity hydrogen.
고순도의 수소를 얻기 위한 방법으로 고온에서 순수한 수소만을 분리정제하는 기술이 연구되고 있다. 대표적인 수소분리막 소재로는 ABO3의 조성을 갖는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 재료가 있다. 그 중 가장 많이 연구된 조성은 SrCeO3, BaCeO3 인데 내구성은 우수한 반면에 분리 특성이 낮은 단점이 있다. 최근 연구(대한민국 특허등록 제10-0691645호)에 따르면 수소 분리 특성을 개선하기 위하여 BaCexYM1-xO3 및 LaSrxM1-xO3(M = La, Y, Yb, Ga, Gd, In, Ge) 등의 소재가 연구되고 있다. 여기에 Ni, Pt, Rh, Pd 등의 금속 나노 입자를 첨가하여 세라믹-금속 나노복합체를 제조하여 수소분리 특성을 더욱 개선하고 있다. As a method for obtaining high purity hydrogen, a technique for separating and purifying pure hydrogen only at a high temperature has been studied. Representative hydrogen separation membrane material is a perovskite structure having a composition of ABO 3 . The most studied compositions are SrCeO 3 and BaCeO 3 , which have excellent durability but low separation characteristics. According to a recent study (Korean Patent Registration No. 10-0691645), BaCe x YM 1-x O 3 and LaSr x M 1-x O 3 (M = La, Y, Yb, Ga, Gd) to improve hydrogen separation characteristics , In, Ge), and the like are being studied. Metal nanoparticles such as Ni, Pt, Rh, and Pd are added thereto to prepare ceramic-metal nanocomposites to further improve hydrogen separation characteristics.
그러나, 소재의 수소 분리 특성이 향상되었다고 하여 고순도 수소 제조를 위한 방법이 완전히 해결된 것은 아니다. 대한민국 특허등록 제10-0691645호에서 연구된 바와 같이 통상 원료가 되는 산화물을 요구되는 비율로 혼합한 뒤 1400℃ 이상의 고온에서 판상의 형태로 소결하고 이를 평판으로 연마하여 분리막체를 제조하고 있다. However, the improvement of the hydrogen separation characteristics of the material does not completely solve the method for producing high purity hydrogen. As studied in Korean Patent Registration No. 10-0691645, an oxide that is a raw material is usually mixed in a required ratio, and then sintered into a plate shape at a high temperature of 1400 ° C. or above, and the separator is polished into a flat plate.
수소 분리 특성은 두께가 얇아짐에 따라 급격히 증가하는 경향을 보인다. 그러나, 수소분리막체의 두께는 연마 과정 중에 파손되지 않는 두께로 까지 한정된다. 일반적으로 연마할 수 있는 한계는 0.1㎜ 정도의 수준이고 이보다 더 낮은 두께를 얻고자 하는 경우에는 파손에 의한 문제가 빈번히 일어나게 된다. 따라서 종래의 기술로는 분리막 소재의 이온전도도가 향상된다고 할지라도 분리막 자체를 평판형으로 연마하여 사용하는 것은 수소분리라는 목적을 달성하기 위하여 많은 한계를 가질 수밖에 없다. Hydrogen separation characteristics tend to increase rapidly as the thickness becomes thinner. However, the thickness of the hydrogen separation membrane body is limited to a thickness that does not break during the polishing process. In general, the limit of grinding is about 0.1 mm level, and if you want to obtain a lower thickness than this problem is frequently caused by breakage. Therefore, although the ion conductivity of the separator material is improved by the conventional technology, the use of the separator itself by grinding the separator in a flat plate has many limitations in order to achieve the purpose of hydrogen separation.
한편, 평판형의 수소분리막을 이용한 수소분리방법은 외부와 차단된 챔버 내부에 수소 분리모듈을 설치하여 평판형의 수소분리막을 기준으로 일방향으로 수소를 포함하는 가스(예컨대, 이산화탄소와 수소 가스를 포함하는 가스)를 주입하고 수소분리막을 통과한 수소를 평판형의 수소분리막을 기준으로 타방향에서 수소 분리를 포집하는 방법으로 수행된다.On the other hand, the hydrogen separation method using a plate-type hydrogen separation membrane is a gas containing hydrogen in one direction based on the plate-type hydrogen separation membrane by installing a hydrogen separation module inside the chamber blocked from the outside (for example, carbon dioxide and hydrogen gas Gas) and the hydrogen passing through the hydrogen separation membrane is collected by collecting hydrogen separation in the other direction based on the plate-type hydrogen separation membrane.
그러나, 상술한 평판형 수소분리막의 수소 분리 효율이 높지 않고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입될 경우 챔버 내의 압력이 높아져 폭발의 위험이 있을 수 있으며, 챔버 내의 압력을 일정 압력으로 유지하는데에도 어려움이 있고, 수소 분리 후 남은 이산화탄소와 같은 가스를 배출하는데에도 어려움이 있으며, 평판형의 수소분리막을 통과한 수소를 포집하는데에도 많은 어려움이 있으며, 따라서 평판형의 수소분리막을 이용한 수소 분리장치의 내구성에 심각한 문제점이 있어 왔다.However, the above-described hydrogen separation efficiency of the plate-type hydrogen separation membrane is not high, and if the mixed gas containing hydrogen is continuously injected, the pressure in the chamber may be increased, and there may be a risk of explosion. In addition, there are difficulties in discharging gas such as carbon dioxide remaining after hydrogen separation, and there are many difficulties in capturing hydrogen passing through a plate-type hydrogen separation membrane, and thus a hydrogen separation device using a plate-type hydrogen separation membrane. There has been a serious problem in durability.
이를 고려하여 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제10-2008-0030567호에 관형의 수소분리막체를 제시하였다. 수소분리막체는 관형 지지체와, 관형 지지체에 증착 또는 코팅되어 형성되는 수소분리막을 포함하는 의미로서, 일반적인 방법으로는 관형 지지체에 균일한 두께의 수소분리막을 증착하기가 어려우며, 따라서 새로운 증착 장치가 요구되고 있다.
In consideration of this, the patent application No. 10-2008-0030567 filed by the applicant has proposed a tubular hydrogen separation membrane body. The hydrogen separation membrane body includes a tubular support and a hydrogen separation membrane formed by being deposited or coated on the tubular support. In general, it is difficult to deposit a hydrogen separation membrane having a uniform thickness on the tubular support, thus requiring a new deposition apparatus. It is becoming.
본 발명이 해결하려는 과제는 전도성 산화물과 금속의 복합화를 위해 세라믹과 금속을 동시에 증착할 수 있고, 제1 타겟과 제2 타겟에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절할 수 있으므로 관형 기지체 표면에 증착되는 막질을 제어하는 것이 가능하며, 관형 지지체가 자전과 공전을 하기 때문에 제1 타겟과 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자들이 편중되지 않고 고르게 증착될 수 있는 증착장치를 제공함에 있다.
The problem to be solved by the present invention is to deposit a ceramic and a metal at the same time for the complex of the conductive oxide and metal, and to control the power supplied to the first target and the second target independently to ion bombardment (ion) The intensity of the bombardment can be controlled to control the film quality deposited on the surface of the tubular matrix, and the sputtered particles from the first and second targets can be deposited evenly without being biased because the tubular support rotates and revolves. The present invention provides a deposition apparatus.
본 발명은, 증착챔버와, 상기 증착챔버 내에 배치되는 관형 지지체와, 상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하기 위한 제1 타겟과, 상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하기 위한 제2 타겟과, 상기 제1 타겟에 전압을 공급하기 위한 제1 전원공급부와, 상기 제2 타겟에 전압을 공급하기 위한 제2 전원공급부 및 상기 증착챔버 내에 플라즈마 형성을 위한 가스를 공급하기 위한 가스공급수단을 포함하며, 상기 관형 지지체가 장착되는 홀더의 회전에 연동되어 상기 관형 지지체는 자전되게 구비되는 증착장치를 제공한다. The present invention is directed to a deposition chamber, a tubular support disposed in the deposition chamber, a first target for supplying a first material disposed in the deposition chamber and to be deposited onto the surface of the tubular support, and disposed in the deposition chamber. A second target for supplying a second material to be deposited onto the tubular support surface, a first power supply for supplying a voltage to the first target, and a second power supply for supplying a voltage to the second target And a gas supply means for supplying a gas for plasma formation in the deposition chamber, wherein the tubular support is rotated in conjunction with the rotation of the holder on which the tubular support is mounted.
상기 홀더를 지지하는 홀더 지지대의 회전에 연동되어 상기 관형 지지체는 일정 주기로 공전되게 구비될 수 있다. The tubular support may be provided to revolve at regular intervals in association with rotation of a holder support for supporting the holder.
상기 홀더 지지대는 회전구동수단에 연결되어 회전되며, 상기 관형 지지체는 상기 홀더 지지대의 회전에 연동되어 1∼100sec/cycle의 속도로 공전할 수 있다.The holder support is rotated by being connected to the rotary drive means, the tubular support can be revolved at a speed of 1 ~ 100 sec / cycle in conjunction with the rotation of the holder support.
증착하려는 물질의 플럭스가 상기 관형 지지체로 고르게 도달하도록 하기 위해 상기 제1 타겟과 상기 제2 타겟은 상기 관형 지지체를 기준으로 90°<θ<180° 범위의 각도(θ)로 배치되어 있고, 상기 관형 지지체는 상기 제1 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역과 상기 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역이 중첩되는 영역 내에 위치되는 것이 바람직하다. The first target and the second target are arranged at an angle θ in the range of 90 ° <θ <180 ° relative to the tubular support so that the flux of the material to be deposited reaches the tubular support evenly. The tubular support is preferably located in a region where the region where the flux of particles sputtered from the first target is distributed and the region where the flux of particles sputtered from the second target are distributed.
상기 증착장치는 상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제3 물질을 공급하기 위한 제3 타겟을 더 포함할 수 있다.The deposition apparatus may further include a third target disposed in the deposition chamber and for supplying a third material to be deposited onto the tubular support surface.
상기 증착장치는 상기 제3 타겟을 차폐하기 위한 셔터를 더 포함할 수 있으며, 상기 셔터는 구동수단에 의해 개폐될 수 있게 구비된다.The deposition apparatus may further include a shutter for shielding the third target, and the shutter is provided to be opened and closed by a driving means.
상기 증착장치는 상기 증착챔버 내의 압력을 제어하기 위한 진공펌프를 더 포함할 수 있다. The deposition apparatus may further include a vacuum pump for controlling the pressure in the deposition chamber.
상기 증착장치는 상기 제1 타겟을 차폐하기 위한 제1 셔터와, 상기 제2 타겟을 차폐하기 위한 제2 셔터를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 셔터와 상기 제2 셔터는 각각 구동수단에 의해 개폐되고, 상기 제1 셔터와 상기 제2 셔터는 서로 독립적으로 개폐될 수 있게 구비된다.The deposition apparatus may further include a first shutter for shielding the first target and a second shutter for shielding the second target, wherein the first shutter and the second shutter are respectively driven by a driving means. Opening and closing, the first shutter and the second shutter is provided to be opened and closed independently of each other.
상기 증착장치는 상기 관형 지지체의 온도를 조절하기 위한 가열수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 관형 지지체 표면에 물질의 증착이 이루어지는 경우에 상기 가열수단을 이용하여 상기 관형 지지체의 온도를 300∼600℃ 범위로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. The deposition apparatus may further include heating means for adjusting the temperature of the tubular support, and when the material is deposited on the surface of the tubular support, the temperature of the tubular support is 300 to 600 ° C. using the heating means. It is desirable to keep the range constant.
상기 제1 타겟에는 금속 또는 금속 합금 물질이 장착되고, 상기 제2 타겟에는 세라믹 재질의 물질이 장착되며, 상기 제1 타겟에는 상기 제1 전원공급부를 통해 DC 전압이 인가되고, 상기 제2 타겟에는 상기 제2 전원공급부를 통해 펄스 전압이 인가될 수 있다. The first target is mounted with a metal or metal alloy material, the second target is mounted with a material of ceramic material, the first target is applied with a DC voltage through the first power supply, the second target A pulse voltage may be applied through the second power supply.
상기 홀더는 회전구동수단에 연결되어 회전되며, 상기 관형 지지체는 상기 홀더의 회전에 연동되어 1∼100sec/cycle의 속도로 자전할 수 있다.
The holder is connected to the rotation drive means is rotated, the tubular support can be rotated at a speed of 1 ~ 100 sec / cycle in conjunction with the rotation of the holder.
수소분리막을 구성하는 전도성 산화물은 이온전도도(ionic conductivity)에 비하여 전자전도가(electronic conductivity)가 매우 낮아 금속과의 복합화가 필요한데, 본 발명의 증착장치에 의하면 세라믹과 금속을 동시에 증착할 수 있다. The conductive oxide constituting the hydrogen separation membrane has a very low electronic conductivity compared to the ionic conductivity and requires complexation with a metal. According to the deposition apparatus of the present invention, a ceramic and a metal can be deposited simultaneously.
또한, 본 발명에 의하면, 제1 타겟과 제2 타겟에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절할 수 있으므로, 관형 기지체 표면에 증착되는 막질을 제어하는 것이 가능하다. In addition, according to the present invention, since the intensity of ion bombardment for the two targets can be adjusted by independently controlling the power supplied to the first target and the second target, the film quality deposited on the surface of the tubular matrix is controlled. It is possible to do
또한, 본 발명에 의하면, 관형 지지체는 자전과 공전을 하기 때문에 제1 타겟과 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자들이 편중되지 않고 고르게 증착될 수 있다.
In addition, according to the present invention, since the tubular support rotates and revolves, particles sputtered from the first target and the second target can be deposited evenly without being biased.
도 1은 일 예에 따른 관형의 수소분리막체를 도시한 사시도이다.
도 2는 다른 예에 따른 관형의 수소분리막체를 도시한 사시도이다.
도 3은 또 다른 예에 따른 관형의 수소분리막체를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 증착장치의 타겟에서 방출되는 입자의 플럭스를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 증착장치의 외관 모습을 보여주는 도면들이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 수소분리막의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 수소분리막과 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막의 X선-회절(X-ray Diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막의 XRD 패턴과 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막을 800℃(1073K)에서 1시간 동안 열처리한 샘플의 XRD 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 12는 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막의 단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13a은 단면을 보여주고 도 13b 내지 도 13d는 도 12에 대한 원소 맵핑을 보여주는 사진이다. 1 is a perspective view illustrating a tubular hydrogen separation membrane body according to one embodiment.
2 is a perspective view illustrating a tubular hydrogen separation membrane body according to another example.
3 is a perspective view showing a tubular hydrogen separation membrane body according to another example.
4 is a conceptual diagram schematically showing a deposition apparatus for forming a tubular hydrogen separation membrane body according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a view schematically showing the flux of particles emitted from the target of the deposition apparatus.
6 and 7 are views showing the appearance of the deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a Scanning Electron Microscope (SEM) photograph of the hydrogen separation membrane prepared according to Example 1. FIG.
9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the hydrogen separation membrane prepared according to Example 2. FIG.
FIG. 10 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of a hydrogen separation membrane prepared according to Example 1 and a hydrogen separation membrane prepared according to Example 2.
FIG. 11 is a graph showing an XRD pattern of a hydrogen separation membrane prepared according to Example 3 and an XRD pattern of a sample obtained by heat treating the hydrogen separation membrane prepared according to Example 2 at 800 ° C. (1073 K) for 1 hour.
12 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the hydrogen separation membrane prepared according to Example 3.
FIG. 13A shows a cross section and FIGS. 13B to 13D are photographs showing element mapping for FIG. 12.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
관형의 수소분리막체는 수소 이온 전도도를 가지는 수소분리막 소재가 가능한 얇은 두께로 다공성의 관형 지지체 상에 코팅됨으로써 전체 수소 분리 특성이 개선된 것이다. 관형의 수소분리막체는 수소 분리를 담당하는 수소 이온 전도도를 가지는 부분과 이를 지지하는 관형의 지지체로 구성되어 있다. 수소분리막 소재와 관형의 지지체는 수소분리 특성 향상과 분리막체를 포함하는 시스템의 다양한 구성을 위하여 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 이하에서, 나노 크기라 함은 나노미터(㎚) 크기를 의미하고, 1∼1000㎚ 범위의 크기를 의미하는 것으로 사용한다. 또한, 이하에서 내측이라 함은 관형 지지체의 관 중심으로 향하는 방향을 의미하고, 외측이라 함은 관형 지지체의 관 중심으로부터 외부로 향하는 방향을 의미한다. Tubular hydrogen separation membrane body is to improve the overall hydrogen separation characteristics by coating the porous tubular support in a thin thickness as possible hydrogen separation membrane material having a hydrogen ion conductivity. The tubular hydrogen separation membrane body is composed of a portion having a hydrogen ion conductivity responsible for hydrogen separation and a tubular support supporting the same. The hydrogen separation membrane material and the tubular support may have various forms for improving hydrogen separation characteristics and various configurations of the system including the membrane body. Hereinafter, nano size means a nanometer (nm) size, it is used to mean a size in the range of 1 to 1000 nm. In addition, hereinafter, the inner side means the direction toward the tube center of the tubular support, the outer side means the direction toward the outside from the tube center of the tubular support.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 관형의 수소분리막체를 도시한 사시도이다. 1 is a perspective view showing a tubular hydrogen separation membrane body according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 수소분리막체는 수소 가스가 배출되는 통로를 제공하는 관(112)이 내부에 형성되어 있고 다공성을 갖는 관형 지지체(110)와, 관형 지지체(110) 상에 형성된 미세한 나노 크기의 기공을 갖는 다공성 코팅막(120)과, 다공성 코팅막(120)의 외측에 형성되어 있고 수소 이온 전도성을 가져 수소를 포함하는 혼합 가스에서 수소를 분리시켜 관형 지지체(110)로 배출하는 수소분리막(130)을 포함한다. 관형 지지체(110) 내부의 관(112)은 외부의 혼합 가스에서 수소분리막(130)에 의해 분리된 수소가 배출되는 통로 역할을 하며, 관(112)의 직경은 분리되어 배출되는 수소 가스의 양을 고려하여 결정하며 바람직하게는 0.5∼10㎝ 정도이다. 관형 지지체(110)의 크기는 요구에 따라 다양하게 변화할 수 있으나, 관형 지지체(110) 내부로 수소 가스의 유동이 용이하도록 기공이 잘 발달되어 있어야 한다. 관형 지지체(110)에는 0.1∼100㎛ 크기의 기공들이 다수 형성되어 있다. 상기 관형 지지체(110)는 수소분리막체가 사용되는 온도인 300∼900℃에서 변형이 일어나지 않는 세라믹 재질인 SiC, Al2O3, ZrO2, AlTiO3 등의 재질로 이루어질 수 있고, 상기 수소분리막은 BaCexYM1 -xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), SrCexYM1-xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), LaSrxM1-xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), BaCexM1 -xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), BaZrxM1-xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), BaCexZryM1-x-yO3(여기서, x, y는 실수이고, 0<x<1이고, 0<y<1이며, 0<x+y<1 이고, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), SrCexM1-xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), SrZrxM1 -xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소) 등으로 이루어진 페로브스카이트형 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 수소분리막(130)은 수소 이온 전도성에 전자 전도성을 부여하기 위한 10∼200㎚ 크기의 전도성 금속 나노입자 또는 전도성 세라믹 나노입자를 더 포함하되, 상기 전도성 금속 나노입자는 수소분막체가 사용되는 온도인 300∼900℃보다 융점이 높은 Pt, Ni, Pd, Ag, Mo, Fe, Co 등의 금속으로 이루어질 수 있고 상기 세라믹 나노입자는 CeO2, SnO2, WO3, SiC 등과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 코팅막(120)은 수소분리막체가 사용되는 온도인 300∼900℃에서 변형이 일어나지 않는 세라믹 재질인 SiC, Al2O3, ZrO2, AlTiO3 등의 재질로 이루어진 것일 수 있다. Referring to FIG. 1, the hydrogen separation membrane body has a
본 발명의 다른 예로서 도 2에 관형의 수소분리막체를 나타내었다. 도 2를 참조하면, 수소분리막체는 수소를 포함하는 혼합 가스가 유입되는 통로를 제공하는 관이 내부에 형성되어 있고 다공성을 갖는 관형 지지체(210)와, 관형 지지체(220)의 내측에 형성되어 있고 수소 이온 전도성을 가져 수소를 포함하는 혼합 가스에서 수소를 분리시켜 관형 지지체로 배출하는 수소분리막(230)을 포함한다. As another example of the present invention, a tubular hydrogen separation membrane body is shown in FIG. 2. Referring to FIG. 2, the hydrogen separation membrane body has a
본 발명의 또 다른 예로 도 3에 관형의 수소분리막체를 나타내었다. 관형 지지체(310) 위에 형성된 다공성 코팅막(320)이 형성된 것은 전술한 도 1에 도시된 것과 동일하나, 수소 이온 전도성을 갖는 수소분리막(330)이 코팅되기 전에 수소 분리 및 가스 반응을 촉진하는 촉매층(340a)이 추가로 도입될 수 있다. 촉매층(340a)은 Pt, Ni, Pd, Ag, Mo, Co 등의 원소로 구성될 수 있다. Another example of the present invention shows a tubular hydrogen separation membrane body in FIG. 3. The
상술한 수소분리막체에 대하여는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제10-2008-0030567호에 상세하게 개시되어 있다. The above-described hydrogen separation membrane body is disclosed in detail in Patent Application No. 10-2008-0030567 filed by the present applicant.
위에서는 관형의 수소분리막체가 관형 지지체와 수소분리막을 포함하는 것으로 설명되었으나, 수소분리막(130, 230, 330) 자체가 관형으로 형성된 것일 수도 있다. Although the tubular hydrogen separation membrane body has been described as including a tubular support and a hydrogen separation membrane, the
그러나, 수소분리막을 구성하는 전도성 산화물은 이온전도도(ionic conductivity)에 비하여 전자전도가(electronic conductivity)가 매우 낮아 금속과의 복합화가 필요하며, 따라서 세라믹과 금속을 동시에 증착할 수 있는 새로운 방식의 증착장치의 개발이 요구된다. However, the conductive oxide constituting the hydrogen separation membrane has a very low electronic conductivity compared to the ionic conductivity, and thus requires complexation with a metal. Therefore, a new type of deposition capable of simultaneously depositing ceramic and metal is required. Development of the device is required.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 5는 증착장치의 타겟에서 방출되는 입자의 플럭스를 개략적으로 보여주는 도면이며, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 증착장치의 외관 모습을 보여주는 도면들이다. 4 is a conceptual diagram schematically showing a deposition apparatus for forming a tubular hydrogen separation membrane body according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is a schematic view showing the flux of particles emitted from the target of the deposition apparatus, 6 and 7 are views showing the appearance of the deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치는 증착챔버 내에 배치된 관형 지지체에 증착시키고자 하는 물질로 이루어진 타겟(target) 주변에 플라즈마를 형성시키고, 이온 충격에 의해 타겟으로부터 방출되는 물질이 관형 지지체 위에 증착되도록 하는 장치이다. 음의 전압이 상기 타겟에 공급되어 플라즈마로부터 이온이 타겟 표면으로 가속되고, 가속된 이온이 타겟 표면에 충돌하면 타겟으로부터 증착시키고자 하는 물질이 이온 입사 방향과 반대 방향으로 방출되며, 방출된 증착시키고자 하는 물질이 관형 지지체로 이동하여 관형 지지체 표면에 코팅된다. 4 to 7, a deposition apparatus for forming a tubular hydrogen separation membrane body forms a plasma around a target made of a material to be deposited on a tubular support disposed in a deposition chamber, and by ion bombardment. A device that allows material to be released from a target to be deposited on a tubular support. When a negative voltage is supplied to the target to accelerate ions from the plasma to the target surface and the accelerated ions collide with the target surface, the material to be deposited from the target is released in the opposite direction to the direction of ion incidence, The material to be transferred is transferred to the tubular support and coated on the surface of the tubular support.
관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치는 증착챔버(100) 내에 도 1 내지 도 3에 도시된 관형 지지체(10)가 배치되어 있다. 증착챔버(100)의 내벽은 절연체로 코팅되어 전기적으로 절연성을 띠게 밀봉되어 있다. 내부를 관찰할 수 있게 구비된 창(80a, 80b)이 마련되어 있을 수 있고, 가스의 배출을 위한 배출구(75)가 마련되어 있을 수 있다. In the vapor deposition apparatus for forming the tubular hydrogen separation membrane body, the
관형 지지체(10)는 자전을 할 수 있게 구비되고, 또한 공전을 할 수 있게 구비될 수도 있다. 균일한 증착을 위해 관형 지지체(10)는 회전 가능한 홀더(12)에 장착되어 일정 속도(예컨대, 1∼100sec/cycle)로 회전된다. 홀더(12)는 모터와 같은 제1 회전구동수단(16)에 연결되어 있고 제1 회전구동수단(16)에 의한 구동에 의하여 회전 가능하며, 홀더(12)의 회전에 따라 관형 지지체(10)도 연동되어 자전되게 된다. 또한, 홀더(12)는 회전 가능한 홀더 지지대(14)에 연결되어 있고, 홀더 지지대(14)는 모터와 같은 제2 회전구동수단(18)에 연결되어 있으며, 제2 회전구동수단(18)에 의한 구동에 의하여 홀더 지지대(14)는 회전 가능하며, 홀더 지지대(14)의 회전에 따라 홀더(12)가 일정 주기를 갖고 일정 속도(예컨대, 1∼100sec/cycle) 공전하게 되며 이에 따라 관형 지지체(10)도 연동되어 공전되게 된다. The
홀더(12)는 가열수단(미도시)에 의해 가열되어 일정 온도(예컨대, 300∼600℃)로 제어될 수 있게 구비된다. 가열수단을 이용하여 홀더(100)의 온도를 소정 온도(예컨대, 300∼600℃)로 가열하여 관형 지지체(10)가 일정 온도로 가열된 상태에서 증착이 이루어지게 함으로써, 증착되어 형성되는 수소분리막의 물성이 향상되고 고온에서 이루어지는 후속의 열처리 공정이 필요로 하지 않기 때문에 경제적이이며 공정이 단순화될 수 있다. The
진공펌프(70)는 증착챔버(100)에 연결되어 증착챔버(100) 내측을 저압으로 유지하여 진공 상태로 만들고 증착챔버(100) 내에 존재하는 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 이에 의해 증착챔버(100) 내의 압력은 10-7∼10-1 Torr 정도로 유지될 수 있다. The
두 개의 타겟(20)(30)이 관형 지지체(10)를 기준으로 소정의 각도(θ)로 배치되어 있고, 두 개의 타겟(20, 30)이 이루는 각도(θ)는 관형 지지체(10)로 증착하려는 물질의 플럭스(flux)(32)가 고르게 도달하도록 하기 위해 90°<θ<180° 범위에 있다. 관형 지지체(10)는 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역이 중첩되는 영역(A) 내에 위치되고, 관형 지지체(10)는 영역(A) 내에서 자전과 공전이 이루어진다. Two
제1 타겟(20)에는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 란탄(La), 이트륨(Y), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 인듐(In), 갈륨(Ga)과 같은 금속 또는 금속 합금이 장착될 수 있고, 제2 타겟(30)에는 BaCexYM1 -xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), SrCexYM1 -xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), LaSrxM1 -xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x<1임), BaCexM1 -xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), BaZrxM1 -xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), BaCexZryM1-x-yO3(여기서, x, y는 실수이고, 0<x<1이고, 0<y<1이며, 0<x+y<1 이고, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), SrCexM1-xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), SrZrxM1-xO3(여기서, x는 실수이고, 0<x<1이며, M은 Y, La, Er, Eu 및 Gd 중에서 선택된 1종 이상의 희토류 원소), SiC, ZrO2, Al2O2, CeO2, BaCO3, Y2O3, La2O3, Eu2O3, Gd2O3, ZnO, NiO, CoO, CuO와 같은 세라믹 재질의 물질이 장착될 수 있다. The
제1 타겟(20)는 제1 전원공급부(40)에 연결되어 DC 전압이 공급되고, 제2 타겟(30)는 제2 전원공급부(50)가 연결되어 극성이 교번되는 전압인 펄스 전압이 공급된다. 제1 전원공급부(40)와 제2 전원공급부(50)는 서로 독립적으로 제어될 수 있게 구비된다. 제1 전원공급부(40)에서 공급된 DC 전압이 제1 타겟(20)에 독립적으로 공급되고, 제2 전원공급부(40)에서 공급된 펄스 전압이 제2 타겟(30)에 독립적으로 공급될 수 있다. 따라서, 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟(20, 30)에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절할 수 있으므로, 관형 기지체(10) 표면에 증착되는 막질을 제어하는 것이 가능하다. The
제1 타겟(20)은 제1 셔터(25a)에 의해 차폐되고, 제1 셔터(25a)는 연결부(90a)를 통해 모터와 같은 구동수단(92a)에 연결되어 있고 제1 타겟(95)에 장착된 물질을 증착하는 경우에 제1 셔터(25a)의 개폐를 구동하는 구동수단(92a)에 의해 오픈되게 된다. 제2 타겟(30)은 제2 셔터(25b)에 의해 차폐되고, 제2 셔터(25b)는 연결부(90b)를 통해 모터와 같은 구동수단(92b)에 연결되어 있고 제2 타겟(30)에 장착된 물질을 증착하는 경우에 제2 셔터(25b)의 개폐를 구동하는 구동수단(92b)에 의해 오픈되게 된다. 제1 셔터(25a)와 제2 셔터(25b)는 각각 구동수단에 의해 개폐되고, 제1 셔터(25a)와 제2 셔터(25b)는 서로 독립적으로 개폐될 수 있게 구비된다.The
또한, 제3 타겟(95)이 더 구비될 수 있으며, 제3 타겟(95)은 관형 지지체(10)에 3종 이상의 물질로 이루어진 복합막을 형성할 경우에 사용된다. 제3 타겟(95)도 셔터(미도시)에 의해 차폐되고, 제3 타겟(95)을 차폐하는 셔터는 연결부(90c)를 통해 모터와 같은 구동수단(미도시)에 연결되어 있고 제3 타겟(95)에 장착된 물질을 증착하는 경우에 상기 셔터의 개폐를 구동하는 상기 구동수단에 의해 오픈되게 된다. 제3 타겟(95)에도 전원공급부(미도시)가 연결되어 필요로 하는 전압이 공급될 수 있다. In addition, a
타겟(20, 30) 주위에 자기장이 형성될 수 있도록 타겟(20, 30)의 후면에는 영구자석 또는 전자석(미도시)이 배치되며, 영구자석 또는 전자석은 하나의 자석으로 이루어지거나 작은 자석들이 여러 개 배열된 것일 수도 있다. 영구자석 또는 전자석은 타겟(20, 30) 표면과 평행한 성분을 갖는 자장을 타겟 표면 근처에 형성한다. 타겟(20, 30) 표면과 평행한 성분을 갖는 자장은 플라즈마 중의 전자를 타겟(20, 30) 표면 부근에 가두는 역할을 하여 타겟(20, 30) 표면 부근에서 많은 충돌을 발생시키는 역할을 한다. Permanent magnets or electromagnets (not shown) are disposed on the back of the
가스공급수단(60)은 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합 가스를 연결관(65)에 연결된 질량유량기(Mass Flow Controller; MFC)(미도시)를 통해 증착챔버(100) 내로 공급한다. 가스공급수단(60)에 의해 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합 가스가 증착챔버(100) 내로 유입될 때, 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 인가되는 전원은 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합 가스를 플라즈마 상태로 만들며, 플라즈마 상태의 양전하 이온들은 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 상당한 에너지로 충돌하여 제1 타겟(20)에 장착된 금속 또는 금속합금 입자와 제2 타겟(30)에 장착된 세라믹 물질 입자가 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 된다. Gas supply means 60 is a mass flow controller (MFC) connected to the argon (Ar) gas, nitrogen (N 2 ) gas or a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) to the
스퍼터된 물질(25)(35)은 관형 지지체(10)로 입사하여 증착되게 된다. 관형 지지체(10)는 자전과 공전을 하기 때문에 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자들이 편중되지 않고 고르게 증착될 수 있다. 증착은 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하여 금속 또는 금속합금 입자가 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터되게 한 후 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 세라믹 물질 입자가 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 하여 관형 지지체(10)에 금속 또는 금속합금 입자가 먼저 증착되고 세라믹 물질 입자가 나중에 증착되게 하는 방식으로 순착적으로 증착이 이루어지게 할 수도 있으며, 반대로 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 세라믹 물질 입자가 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 한 후 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하여 금속 또는 금속합금 입자가 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터되게 하여 관형 지지체(10)에 세라믹 물질 입자가 먼저 증착되고 금속 또는 금속합금 입자가 나중에 증착되게 하는 방식으로 순착적으로 증착이 이루어지게 할 수도 있으며, 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하고 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 관형 지지체(10)에 세라믹 물질 입자와 금속 또는 금속합금 입자가 동시에 증착이 이루어지게 할 수도 있다.
The sputtered material 25, 35 is incident on the
이하에서, 상술한 관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치를 이용하여 수소분리막체를 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a method of manufacturing a hydrogen separation membrane body using the vapor deposition apparatus for forming the tubular hydrogen separation membrane body will be described in more detail, and the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1>≪ Example 1 >
관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치의 증착챔버(100) 내에 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 관형 지지체(10)를 배치하고, 관형 지지체(10)는 25sec/cycle로 자전만 이루어지게 하고 공전은 이루어지지 않게 하였다. The
증착챔버(100)에 연결된 진공펌프(70)를 이용하여 증착챔버(100) 내측을 10-1 Torr 정도의 저압으로 유지하여 진공 상태로 만들었다. The
제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)이 이루는 각도(θ)는 관형 지지체(10)로 증착하려는 물질의 플럭스(flux)(32)가 고르게 도달하도록 하기 위해 150° 정도가 되게 하였으며, 관형 지지체(10)는 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역이 중첩되는 영역(A) 내에 위치되고, 관형 지지체(10)는 영역(A) 내에서 자전만 이루어지게 하였다. The angle θ formed between the
제1 타겟(20)에는 니켈(Ni)을 장착하고, 제2 타겟(30)에는 BaZr0.85Y0.15O3를 장착하였으며, 제1 전원공급부(40)를 통해 제1 타겟(20)에 0.4V의 DC 전압이 공급되게 하였고, 제2 전원공급부(50)를 통해 제2 타겟(30)에 600W의 전원을 인가하여 펄스 전압이 공급되게 하였다. 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟(20, 30)에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절하여 관형 기지체(10) 표면에 증착되는 막질을 조절하였다. 타겟(20, 30) 주위에 자기장이 형성될 수 있도록 타겟(20, 30)의 후면에는 영구자석이 배치되었다. Nickel (Ni) is mounted on the
가스공급수단(60)을 통해 아르곤(Ar) 가스를 증착챔버(100) 내로 공급하여, 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 인가되는 전원에 의해 아르곤(Ar) 가스가 플라즈마 상태로 만들어지고 플라즈마 상태의 양전하 이온들이 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 상당한 에너지로 충돌하여 제1 타겟(20)에 장착된 니켈(Ni) 금속 입자와 제2 타겟(30)에 장착된 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 하였다. Argon (Ar) gas is supplied into the
스퍼터된 물질(25)(35)은 관형 지지체(10)로 입사하여 증착이 이루어지게 하였다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하고 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 관형 지지체(10)에 니켈(Ni) 금속 입자와 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 동시에 증착이 이루어지게 하였으며, 관형 지지체(10)는 공전은 하지 않게 하고 자전만 하게 하여 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자들이 증착되게 하였다. 가열수단을 이용하여 홀더를 가열하지 않은 채 상온에서 증착이 이루어지게 하였다. The sputtered material 25, 35 was incident on the
이렇게 관형 지지체(10)에 증착된 물질의 두께를 측정한 결과 2.7㎛ 정도 였다.
The thickness of the material deposited on the
<실시예 2><Example 2>
관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치의 증착챔버(100) 내에 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 관형 지지체(10)를 배치하고, 관형 지지체(10)는 25sec/cycle로 자전이 이루어지고 35sec/cycle로 공전이 이루어지게 하였다. A
증착챔버(100)에 연결된 진공펌프(70)를 이용하여 증착챔버(100) 내측을 10-1 Torr 정도의 저압으로 유지하여 진공 상태로 만들었다. The
제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)이 이루는 각도(θ)는 관형 지지체(10)로 증착하려는 물질의 플럭스(flux)(32)가 고르게 도달하도록 하기 위해 150° 정도가 되게 하였으며, 관형 지지체(10)는 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역이 중첩되는 영역(A) 내에 위치되고, 관형 지지체(10)는 영역(A) 내에서 자전과 공전이 이루어지게 하였다. The angle θ formed between the
제1 타겟(20)에는 니켈(Ni)을 장착하고, 제2 타겟(30)에는 BaZr0.85Y0.15O3를 장착하였으며, 제1 전원공급부(40)를 통해 제1 타겟(20)에 0.4V의 DC 전압이 공급되게 하였고, 제2 전원공급부(50)를 통해 제2 타겟(30)에 600W의 전원을 인가하여 펄스 전압이 공급되게 하였다. 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟(20, 30)에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절하여 관형 기지체(10) 표면에 증착되는 막질을 조절하였다. 타겟(20, 30) 주위에 자기장이 형성될 수 있도록 타겟(20, 30)의 후면에는 영구자석이 배치되었다. Nickel (Ni) is mounted on the
가스공급수단(60)을 통해 아르곤(Ar) 가스를 증착챔버(100) 내로 공급하여, 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 인가되는 전원에 의해 아르곤(Ar) 가스가 플라즈마 상태로 만들어지고 플라즈마 상태의 양전하 이온들이 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 상당한 에너지로 충돌하여 제1 타겟(20)에 장착된 니켈(Ni) 금속 입자와 제2 타겟(30)에 장착된 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 하였다. Argon (Ar) gas is supplied into the
스퍼터된 물질(25)(35)은 관형 지지체(10)로 입사하여 증착이 이루어지게 하였다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하고 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 관형 지지체(10)에 니켈(Ni) 금속 입자와 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 동시에 증착이 이루어지게 하였으며, 관형 지지체(10)는 자전과 공전을 하게 하여 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자들이 증착되게 하였다. 가열수단을 이용하여 홀더를 가열하지 않은 채 상온에서 증착이 이루어지게 하였다. The sputtered material 25, 35 was incident on the
이렇게 관형 지지체(10)에 증착된 물질의 두께를 측정한 결과 2㎛ 정도 였다.
The thickness of the material deposited on the
<실시예 3><Example 3>
관형의 수소분리막체 형성을 위한 증착장치의 증착챔버(100) 내에 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 관형 지지체(10)를 배치하고, 관형 지지체(10)는 25sec/cycle로 자전이 이루어지고 35sec/cycle로 공전이 이루어지게 하였다. A
증착챔버(100)에 연결된 진공펌프(70)를 이용하여 증착챔버(100) 내측을 10-1 Torr 정도의 저압으로 유지하여 진공 상태로 만들었다. The
제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)이 이루는 각도(θ)는 관형 지지체(10)로 증착하려는 물질의 플럭스(flux)(32)가 고르게 도달하도록 하기 위해 150° 정도가 되게 하였으며, 관형 지지체(10)는 제1 타겟(20)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스(32)가 분포하는 영역이 중첩되는 영역(A) 내에 위치되고, 관형 지지체(10)는 영역(A) 내에서 자전과 공전이 이루어지게 하였다. The angle θ formed between the
제1 타겟(20)에는 니켈(Ni)을 장착하고, 제2 타겟(30)에는 BaZr0.9Y0.1O3를 장착하였으며, 제1 전원공급부(40)를 통해 제1 타겟(20)에 0.4V의 DC 전압이 공급되게 하였고, 제2 전원공급부(50)를 통해 제2 타겟(30)에 600W의 전원을 인가하여 펄스 전압이 공급되게 하였다. 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 공급되는 전원을 독립적으로 제어하여 2개의 타겟(20, 30)에 대한 이온 충격(ion bombardment) 강도를 조절하여 관형 기지체(10) 표면에 증착되는 막질을 조절하였다. 타겟(20, 30) 주위에 자기장이 형성될 수 있도록 타겟(20, 30)의 후면에는 영구자석이 배치되었다. Nickel (Ni) is mounted on the
가스공급수단(60)을 통해 아르곤(Ar) 가스를 증착챔버(100) 내로 공급하여, 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 인가되는 전원에 의해 아르곤(Ar) 가스가 플라즈마 상태로 만들어지고 플라즈마 상태의 양전하 이온들이 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)에 상당한 에너지로 충돌하여 제1 타겟(20)에 장착된 니켈(Ni) 금속 입자와 제2 타겟(30)에 장착된 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터되게 하였다. Argon (Ar) gas is supplied into the
스퍼터된 물질(25)(35)은 관형 지지체(10)로 입사하여 증착이 이루어지게 하였다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 타겟(20)에 DC 전원을 인가하고 제2 타겟(30)에 펄스 전압을 인가하여 관형 지지체(10)에 니켈(Ni) 금속 입자와 BaZr0.85Y0.15O3 입자가 동시에 증착이 이루어지게 하였으며, 관형 지지체(10)는 자전과 공전을 하게 하여 제1 타겟(20)과 제2 타겟(30)으로부터 스퍼터된 입자들이 증착되게 하였다. 가열수단을 이용하여 홀더(100)의 온도를 400℃(673K)로 가열하여 관형 지지체(10)의 온도가 400℃ 정도로 유지되게 하면서 증착이 이루어지게 하였다. The sputtered material 25, 35 was incident on the
이렇게 관형 지지체(10)에 증착된 물질의 두께를 측정한 결과 2㎛ 정도 였다.
The thickness of the material deposited on the
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 수소분리막의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이고, 도 9는 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. FIG. 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the hydrogen separation membrane prepared in Example 1, and FIG. 9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the hydrogen separation membrane prepared in Example 2. FIG.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예 1에 따라 관형 지지체의 자전만 이루어지게 하면서 증착된 수소분리막에 비하여 실시예 2에 따라 관형 지지체의 자전과 공전이 이루어지면서 증착된 수소분리막이 비교적 균일한 두께로 치밀하게 형성된 것을 볼 수 있다.
8 and 9, the hydrogen separation membrane deposited while rotating and revolving of the tubular support according to Example 2 is relatively uniform compared to the hydrogen separation membrane deposited while only rotating the tubular support according to Example 1. It can be seen that it is formed densely in thickness.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 수소분리막과 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막의 X선-회절(X-ray Diffraction; 이하 'XRD'라 함) 패턴을 보여주는 그래프로서, 도 10에서 (a)는 실시예 1에 따라 제조된 수소분리막의 XRD을 보여주고 (b)는 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막의 XRD를 보여준다. FIG. 10 is a graph showing an X-ray diffraction (hereinafter referred to as 'XRD') pattern of a hydrogen separation membrane prepared according to Example 1 and a hydrogen separation membrane prepared according to Example 2. FIG. a) shows the XRD of the hydrogen separation membrane prepared in Example 1 and (b) shows the XRD of the hydrogen separation membrane prepared in Example 2.
도 10을 참조하면, 관형 지지체(기판(substrate)), BaZrO3, 니켈(Ni)에 의한 피크(peak)가 나타남을 볼 수 있다.
Referring to FIG. 10, it can be seen that a peak due to the tubular support (substrate), BaZrO 3 , and nickel (Ni) is shown.
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막의 XRD 패턴과 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막을 800℃(1073K)에서 1시간 동안 열처리한 샘플의 XRD 패턴을 보여주는 그래프로서, 도 11에서 (a)는 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막의 XRD를 보여주고 (b)는 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막을 800℃(1073K)에서 1시간 동안 열처리한 샘플의 XRD를 보여준다. FIG. 11 is a graph showing an XRD pattern of a hydrogen separation membrane prepared according to Example 3 and a sample obtained by heat treating the hydrogen separation membrane prepared according to Example 2 at 800 ° C. (1073 K) for 1 hour. a) shows the XRD of the hydrogen separation membrane prepared in Example 3 and (b) shows the XRD of the sample obtained by heat-treating the hydrogen separation membrane prepared in Example 2 for 1 hour at 800 ℃ (1073K).
도 11을 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 수소분리막을 800℃(1073K)에서 1시간 동안 열처리한 샘플에서는 ZrO2, 니켈옥사이드(NiO)에 의한 피크(peak)가 나타남을 볼 수 있고, 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막에서는 ZrO2, 니켈(NiO)에 의한 피크(peak)가 나타남을 볼 수 있다.
Referring to FIG. 11, in the sample heat-treated for 1 hour at 800 ° C. (1073 K), the hydrogen separation membrane prepared according to Example 2 showed peaks due to ZrO 2 and nickel oxide (NiO). In the hydrogen separation membrane prepared according to Example 3, it can be seen that a peak due to ZrO 2 and nickel (NiO) appears.
도 12는 실시예 3에 따라 제조된 수소분리막의 단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 13a는 단면을 보여주고 도 13b 내지 도 13d는 도 12에 대한 원소 맵핑을 보여주는 사진이다. 12 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the hydrogen separation membrane prepared according to Example 3, FIG. 13A shows a cross section, and FIGS. 13B to 13D are photographs showing element mapping for FIG. 12.
도 12 및 도 13을 참조하면, 균열(crack)과 같은 결함(defect)이 없이 균일하고 치밀하게 수소분리막이 형성된 것을 볼 수 있다.
12 and 13, it can be seen that a hydrogen separation membrane is formed uniformly and densely without defects such as cracks.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.
10: 관형 지지체 12: 홀더
14: 홀더 지지대 16: 제1 회전구동수단
18: 제2 회전구동수단 20: 제1 타겟
25a, 25b: 셔터
30: 제2 타겟 32: 플럭스
40: 제1 전원공급부 50: 제2 전원공급부
60: 가스공급수단 65: 연결관
70: 진공펌프 92a, 92b: 구동수단
95: 제3 타겟10: tubular support 12: holder
14: holder support 16: first rotation drive means
18: second rotary drive means 20: first target
25a, 25b: shutter
30: second target 32: flux
40: first power supply unit 50: second power supply unit
60: gas supply means 65: connector
70:
95: third target
Claims (11)
상기 증착챔버 내에 배치되는 관형 지지체;
상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하기 위한 제1 타겟;
상기 제1 타겟을 차폐하기 위한 제1 셔터;
상기 제1 셔터를 구동하기 위한 제1 구동수단;
상기 증착챔버 내에 배치되며 상기 관형 지지체 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하기 위한 제2 타겟;
상기 제2 타겟을 차폐하기 위한 제2 셔터;
상기 제2 셔터를 구동하기 위한 제2 구동수단;
상기 제1 타겟에 전압을 공급하기 위한 제1 전원공급부;
상기 제2 타겟에 전압을 공급하기 위한 제2 전원공급부; 및
상기 증착챔버 내에 플라즈마 형성을 위한 가스를 공급하기 위한 가스공급수단을 포함하며,
상기 관형 지지체가 장착되는 홀더의 회전에 연동되어 상기 관형 지지체는 자전되게 구비되고,
상기 홀더를 지지하는 홀더 지지대의 회전에 연동되어 상기 관형 지지체는 일정 주기로 공전되게 구비되며,
증착하려는 물질의 플럭스가 상기 관형 지지체로 고르게 도달하도록 하기 위해 상기 제1 타겟과 상기 제2 타겟은 상기 관형 지지체를 기준으로 90°<θ<180° 범위의 각도(θ)로 배치되어 있고,
상기 관형 지지체는 상기 제1 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역과 상기 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역이 중첩되는 영역 내에 위치되며,
상기 제1 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역과 상기 제2 타겟으로부터 스퍼터된 입자의 플럭스가 분포하는 영역이 중첩되는 영역 내에서 상기 관형 지지체의 자전과 공전이 이루어지고,
상기 제1 셔터와 상기 제2 셔터는 서로 독립적으로 개폐될 수 있게 구비되며,
상기 제1 타겟에는 상기 제1 전원공급부를 통해 DC 전압이 인가되고,
상기 제2 타겟에는 상기 제2 전원공급부를 통해 극성이 교번되는 전압인 펄스 전압이 인가되며,
상기 제1 전원공급부와 상기 제2 전원공급부는 서로 독립적으로 제어될 수 있게 구비되고,
상기 제1 타겟에는 금속 또는 금속 합금 물질이 장착되고,
상기 제2 타겟에는 세라믹 재질의 물질이 장착되는 것을 특징으로 하는 증착장치.
Deposition chamber;
A tubular support disposed in the deposition chamber;
A first target disposed in the deposition chamber and for supplying a first material to be deposited onto the tubular support surface;
A first shutter for shielding the first target;
First driving means for driving the first shutter;
A second target disposed in the deposition chamber and for supplying a second material to be deposited onto the tubular support surface;
A second shutter for shielding the second target;
Second driving means for driving the second shutter;
A first power supply for supplying a voltage to the first target;
A second power supply unit for supplying a voltage to the second target; And
Gas supply means for supplying a gas for plasma formation in the deposition chamber,
The tubular support is rotated in conjunction with the rotation of the holder in which the tubular support is mounted,
The tubular support is revolved at regular intervals in association with the rotation of the holder support for supporting the holder.
The first target and the second target are arranged at an angle θ in the range of 90 ° <θ <180 ° with respect to the tubular support so that the flux of the material to be deposited reaches the tubular support evenly.
The tubular support is located in an area where an area where flux of particles sputtered from the first target is distributed and an area where flux of particles sputtered from the second target are distributed overlap each other.
Rotation and revolution of the tubular support are performed in a region where a flux of particles sputtered from the first target is distributed and a region where a flux of particles sputtered from the second target is distributed, overlapping.
The first shutter and the second shutter is provided to be opened and closed independently of each other,
DC voltage is applied to the first target through the first power supply unit,
The second target is applied with a pulse voltage which is a voltage whose polarity is alternated through the second power supply,
The first power supply and the second power supply is provided to be controlled independently of each other,
The first target is mounted with a metal or metal alloy material,
And the ceramic material is mounted on the second target.
The deposition apparatus of claim 1, wherein the holder support is rotated by being connected to a rotation driving means, and the tubular support is revolved at a speed of 1 to 100 sec / cycle in association with rotation of the holder support.
The deposition apparatus of claim 1, further comprising a third target disposed in the deposition chamber and for supplying a third material to be deposited onto the tubular support surface.
The deposition apparatus according to claim 5, further comprising a shutter for shielding the third target, wherein the shutter is opened and closed by a driving means.
The deposition apparatus of claim 1, further comprising a vacuum pump for controlling the pressure in the deposition chamber.
The apparatus of claim 1, further comprising heating means for controlling the temperature of the tubular support, wherein the temperature of the tubular support is 300-600 ° C. using the heating means when material is deposited on the surface of the tubular support. Deposition apparatus, characterized in that to maintain a constant in the range.
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