KR101565527B1 - 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치 - Google Patents

자성 세라믹 에어로졸 증착 장치 Download PDF

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강승범
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Abstract

자성 세라믹 에어로졸 증착 장치는 기재(substrate); 외부로부터 공급된 자성 세라믹 에어로졸을 상기 기판을 향해 분사하는 분사 노즐; 및 상기 분사 노즐 내부에 특정 방향의 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자성체(magnetic substance)를 포함한다. 따라서, 특정 방향의 자기력을 갖는 막을 형성하고, 자성 세라믹을 원료로 효율적으로 성막할 수 있다.

Description

자성 세라믹 에어로졸 증착 장치{A MAGNETIC AEROSOL DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 에어로졸 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성 세라믹을 포함하는 에어로졸을 기판에 효율적으로 증착할 수 있도록 하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치에 관한 것이다.
에어로졸 증착(aerosol deposition)은 미립자, 초미립자 원료를 가스와 혼합하여 에어로졸화한 후 노즐을 통하여 기판에 분사시켜 피막을 성형시키는 기술에 해당한다. 여기에서, 에어로졸(또는 연무제)은 대기 중을 떠도는 미세한 고체 입자 또는 액체 방울에 해당한다.
에어로졸 증착 과정에서, 운송가스(carrier gas)에 의해 가속된 원료입자의 운동에너지는 기판에 충돌하여 국소적으로 열에너지로 변환되어 기판입자 간 또는 입자끼리의 결합을 만들어준다.
최근에는 세라믹 원료 분말의 입자 크기와 기계적 특성을 조정하여 에어로졸 증착에 필요한 피막의 성형조건을 적절하게 선정함으로써 밀도가 높고 투명한 세라믹 피막을 상온에서 고속 성형하는 상온충격고화현상(Room Temperature Impact Consolidation) 기술이 개발되었다. 에어로졸 증착법을 이용하여 상온충격고화로 성형시킨 세라믹 피막의 미세구조를 보면, 실온에서 10~20㎚ 이하의 무배향 미세결정으로 구성된 치밀한 피막층을 나타내며 결정립자 사이에 비정질층 등은 거의 보이지 않는다. 10㎚ 이하의 미세결정 내에서도 격자상이 명확하게 확인되며 피막계 면에서 피막표면까지의 내부조직도 균일한 구조를 갖는다.
일본공개특허 제2005-290462호(2005.10.20.공개)는 "에어로졸 디포지션 장치"에 관한 것으로, 가스공급수단과 가스공급수단에 접속되어 미립자를 분산하여 에어로졸을 형성하는 용기와, 용기에 접속되어 에어로졸을 기판을 향해 분사하는 노즐을 가지는 챔버와, 에어로졸을 이온화하는 수단과, 기판에 에어로졸의 이온과 반대 부호의 바이어스 전압을 인가하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하며, 안정적으로 에어로졸의 농도를 유지하며서 성막을 할 수 있는 효과를 개시하고 있다.
그러나, 선행기술 및 종래의 에어로졸 증착 기술은 고압 분사 및 에어로졸의 이온성을 이용하여 성막하는 구성을 개시하고 있을 뿐, 다양한 원료들, 특히, 자성을 지닌 세라믹을 원료로 하는 에어로졸 증착 기술에 대해서는 개시하지 못하고 있다.
일본공개특허 제2005-290462호(2005.10.20.공개)
본 발명은 특정 방향의 자기력을 갖는 막을 형성할 수 있는 자성 세라믹 에어로졸 생성 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 자성 세라믹을 원료로 효율적으로 성막할 수 있는 자성 세라믹 에어로졸 생성 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치는 기재(substrate); 외부로부터 공급된 자성 세라믹 에어로졸을 상기 기판을 향해 분사하는 분사 노즐; 및 상기 분사 노즐 내부에 특정 방향의 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자성체(magnetic substance)를 포함한다.
여기에서, 상기 적어도 하나의 자성체는 상기 분사 노즐을 감싸는 솔레노이드 전자석으로 구현될 수 있다.
자성 세라믹 에어로졸 증착 장치는 상기 솔레노이드 전자석에 전기를 공급하고, 기 설정된 조건에 따라 상기 전기를 조절하여 상기 자기장의 세기 또는 방향을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치는 상기 기재가 위치한 증착 영역에 보조 자기장을 형성하는 보조 자성체를 더 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치는 가스 실린더; 가스 실린더에서 공급된 수송기체를 에어로졸 챔버 내부의 자성 세라믹 분말에 분사하여 자성 세라믹 에어로졸을 생성하는 에어로졸 생성부; 상기 에어로졸 생성부에서 생성된 자성 세라믹 에어로졸을 증착 챔버 내 기재에 고속 분사시켜 증착막을 형성시키는 증착부를 포함하고, 상기 증착부는 상기 자성 세라믹 에어로졸을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐; 및 상기 분사 노즐 내부에 특정 방향의 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자성체(magnetic substance)를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자성 세라믹 에어로졸 생성 장치는 분사 노즐에 자성체를 배치하여 에어로졸의 자성 방향을 제어하고, 특정 방향의 자기력을 갖는 막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자성 세라믹 에어로졸 생성 장치는 기재에 자성체를 통해 에어로졸의 분사 속도를 증가시키고, 에어로졸 증착 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 있는 증착부를 설명하는 예시도이다.
도 3은 도 1에 있는 증착부를 설명하는 다른 예시도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치를 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)은 가스 실린더(110), 에어로졸 생성부(120), 증착부(130) 및 펌프부(140)를 포함한다. 가스 실린더(110), 에어로졸 생성부(120), 증착부(130) 및 펌프부(140)는 수송관에 의해 연결된다. 여기에서, 수송관은 수송기체(carrier gas)가 이동하는 가스라인(gas line)과 에어로졸이 이동하는 에어로졸 라인(aerosol line, 121)을 포함한다.
가스 실린더(gas cylinder, 110)는 수송기체를 저장하고 가스라인을 통해 수송기체를 에어로졸 생성부(120)에 제공한다.
에어로졸 생성부(120)는 가스 실린더(110)에서 공급된 고압의 수송기체를 에어로졸 챔버(aerosol chamber) 내부로 분사하여 세라믹 분말(ceramic powder)를 에어로졸화 시키고, 생성된 에어로졸을 에어로졸 라인(121)을 통해 외부에 공급한다. 여기에서, 세라믹 분말은 자성을 가진 페라이트(ferrite)에 해당하고, 예를 들어, 마그네타이트(magnetite, Fe3O4), MO Fe2O3(M = Zn, Ni, Mn, Cu 등 2가 이상의 금속) 등에 해당할 수 있다.
또한, 에어로졸 생성부(120)는 에어로졸 챔버의 내부 압력을 측정하고, 내부 압력을 일정 수준 유지하도록 유입되는 수송기체의 유량을 제어할 수 있다.
증착부(130)는 저진공 상태의 증착 챔버(deposition chamber, 131), 에어로졸 라인(121)과 연결된 분사 노즐(132) 및 에어로졸을 증착하고자 하는 기재(substrate, 또는 기판, 133)를 포함한다.
증착부(130)는 에어로졸화된 세락믹 분말(즉, 세라믹 분말 에어로졸)을 에어로졸 챔버(210)와 저진공상태의 증착 챔버(131)간의 압력차를 이용하여, 증착 챔버(131)로 고속으로 가속시켜 분사하고, 기재(133) 상에 에어로졸을 부딛혀(또는 증착시켜) 세라믹 증착막을 형성할 수 있다.
증착부(130)는 증착 챔버(131) 내부로 관입된 에어로졸 라인(121)의 단면적과 여러 형상의 분사 노즐(132)을 결합시켜 에어로졸의 분사속도를 조절할 수 있다. 여기에서, 에어로졸이 기재(133)에 증착되기 위한 분사속도(또는, 임계속도)는 150m/sce 이상에 해당하는 것이 바람직하며, 이를 위해 에어로졸 챔버(210)는 일정 이상의 압력을 유지하여야 한다.
일 실시예에서, 증착부(130)는 자기장을 이용하여 자성 세라믹 분말의 분사 속도를 제어할 수 있고, 도 3을 참조하여 후술한다.
기재(133)는 분사 노즐(132)의 반대방향에 배치되며, 홀더에 의해 고정된다. 홀더는 기재(133)와 분산 노즐(132)과의 거리를 조절하는 높이조절부에 결합된다.
펌프부(140)는 도시되지 않았으나, 필터, 부스터 펌프(booster pump) 및 로터리 펌프(rotary pump)를 포함하고, 증착 챔버(131)와 배기관을 통해 연결된다. 펌프부(140)는 증착 챔버(121)를 저진공 상태로 유지시키며, 또한, 증착 챔버(131) 내에 에어로졸을 기재(133)에 증착시키고 남은 가스를 배기관을 통해 배출시킨다. 펌프부(140)는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)에서 이용되는 통상의 구성으로 구현될 수 있고, 어떠한 구조의 펌프부가 사용되어도 본 발명이 의도하는 목적을 실현할 수 있으므로, 펌프부(140)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 도 1에 있는 증착부를 설명하는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 증착부(130)는 앞서 설명한 바와 같이, 증착 챔버(131), 분사 노즐(132) 및 기재(133)를 포함한다.
기재는 증착 챔버(131) 내 일측면에 위치하고, 도 2에서는 상부에 배치되는 것으로 도시되어 있다.
분사 노즐(132)은 관 형상으로 구현되고, 내부 통로를 따라 에어로졸(특히, 자성 세라믹 에어로졸, 240)이 이동하여 증착 챔버(131) 내부로 분사된다. 분사 노즐(132)은 기재와 마주보는 방향인 증착 챔버(131) 내 하부에 위치하며, 이는 제품 적용예에 따라 달리 적용될 수 있다.
자성체(210)는 분사 노즐(132) 내에 특정 방향의 자기장(magnetic field, 자계)을 형성한다. 여기에서, 자성체(210)는 영구 자석 및 전자석에 해당할 수 있다.
도 2를 참조하면, 자성체(210)는 분사 노즐(132)을 감싸는 솔레노이드 (solenoid) 전자석으로 구현되고, 분사 노즐(132) 내에 에어로졸 분사 방향의 자기장(예를 들어, 자력선, line of magnetic force)을 형성한다. 한편, 분사 노즐(132)을 통과하는 자기 세라믹 에어로졸은 분사 방향으로 형성된 자기장에 따라 분사 방향의 자기력을 갖도록 배열될 수 있다. 자기 세라믹 에어로졸은 배열된 상태로 기재(133)에 증착됨에 따라, 자기 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 분사 방향의 자기력을 갖는 막을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 솔레노이드 전자석에 전기를 공급하고, 기 설정된 조건에 따라 공급되는 전기를 조절하여 분사 노즐(132) 내 자기장의 세기 또는 방향을 제어하는 제어부(220)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 기 설정된 조건은 에어로졸 증착 조건 또는 형성하고자 하는 막의 특성 조건으로, 예를 들어, 에어로졸 챔버의 내부 압력, 증착 챔버(131)의 내부 압력, 에어로졸 분사 속도, 온도 또는 형성될 막의 자기력 방향 등에 해당할 수 있다.
예를 들어, 제어부(220)는 솔레노이드 전자석에 공급되는 전기의 방향을 도 2에 도시된 것과는 반대 방향으로 하여, 자기장(또는 자력선)의 방향을 에어로졸 분사 방향의 반대 방향으로 변경할 수 있다. 또한, 제어부(220)는 솔레노이드 전자석에 공급되는 전기의 크기를 증가시키거나, 또는 감소시켜 자기장의 세기를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 에어로졸의 분사 속도 등을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 기재(133)가 위치한 증착 영역에 보조 자기장을 형성하는 보조 자성체(230)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 증착 영역은 기재(133)를 포함하는 임의의 영역에 해당한다.
예를 들어, 보조 자성체(230)는 영구 자석으로 구현되고, 기재(133)의 후면(도2에서 윗방향)에 S극이 인접하여 배치되어, 분사 방향과 평행한 방향을 갖는 보조 자기장을 형성할 수 있다. 한편, 분사 노즐(132)를 통과하면서 자성체(210)에 의해 배열된 자성 세라믹 에어로졸은, 보조 자성체(133)에 의해 기재와 접촉할 때가지 배열된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 자성 세라믹 에어로졸은 보조 자성체(133)에 의해 형성된 보조 자기장의 세기에 따라 이동 속도가 빨라질 수 있다.
따라서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 자성체(210)를 통해 특정 방향의 자기력을 갖는 막을 형성할 수 있고, 보조 자성체(230)를 통해 보다 효율적으로 성막할 수 있다. 또한, 에어로졸 챔버와 증착 챔버(131)간 압력 차가 감소하더라도 자성체(210) 및 보조 자성체(230)에 의해 향상된 에어로졸의 이동 속도를 통해, 증착 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 증착부를 설명하는 다른 예시도이다.
도 3을 참조하면, 도 2와 비교하여, 자성체(310)는 영구자석으로 구현된다.
자성체(210)는 분사 노즐(132)의 좌우측 등에 인접하여 배치되어 분사 노즐(132) 내 특정 방향의 자기장을 형성한다. 예를 들어, 자성체(310)는 2개의 영구 자석들로 구현되는 경우, 영구 자석들 각각은 N극과 S극이 각각 에어로졸 라인(121)과 기재(133)가 위치한 방향을 향하도록 배치되고, 분사 노즐 내부에 분사 방향의 자력선을 형성한다. 영구 자석의 자기력 세기 또는 영구 자석이 배치되는 위치는 자성 세라믹 에어로졸의 분사 속도 등을 고려하여 결정될 수 있다.
도 4는 도 1에 있는 에어로졸 라인을 설명하는 예시도이다.
도 4를 참조하면, 에어로졸 라인(121)은, 앞서 설명한 바와 같이, 에어로졸 생성부(120)와 증착부(130) 사이에 배치되고, 에어로졸 생성부(120)에서 생성된 에어로졸(자성 세라믹 에어로졸)을 증착부(130)에 공급한다.
자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 에어로졸 라인(121)에 자기장을 형성하는 에어로졸 라인 자성체(410)를 더 포함할 수 있다. 에어로졸 라인 자성체(410)는 앞서 설명한 자성체(210)와 유사하게, 영구 자석 또는 전자석으로 구현될 수 있고, 도 4에서는 솔레노이드 전자석으로 구현된 것으로 예시하였다.
에어로졸 라인 자성체(410)는 에어로졸 라인(121)의 적어도 일부를 감싸고 형성될 수 있으며, 에어로졸 라인(121) 내에서 에어로졸 이동 방향의 자기장을 생성할 수 있다.
따라서, 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치(100)는 에어로졸 라인(121)에 형성된 에어로졸 라인 자성체(410)를 통해, 에어로졸 라인(121)을 통과하는 자기 세라믹 에어로졸을 이동 방향의 자기력을 갖도록 배열시킬 수 있고, 에어로졸의 이동 속도 및 분사 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 자성 세라믹 에어로졸이 에어로졸 라인(121) 내부 벽에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.
100 : 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치
110 : 가스 실린더
120 : 에어로졸 생성부
121 : 에어로졸 라인
130 : 증착부
131 : 증착 챔버
132 : 분사 노즐
133 : 기재
140 : 펌프부
210 : 자성체
220 : 제어부
230 : 보조 자성체
310 : 자성체
410 : 에어로졸 라인 자성체

Claims (5)

  1. 기재(substrate);
    외부로부터 공급된 자성 세라믹 에어로졸을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐; 및
    상기 분사 노즐 내부에 특정 방향의 자기장을 형성하도록 상기 분사 노즐의 외부에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 자성체(magnetic substance)를 포함하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자성체는
    상기 분사 노즐을 감싸는 솔레노이드 전자석으로 구현되는 것을 특징으로 하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 솔레노이드 전자석에 전기를 공급하고, 기 설정된 조건에 따라 상기 전기를 조절하여 상기 자기장의 세기 또는 방향을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재가 위치한 증착 영역에 보조 자기장을 형성하도록 상기 기재의 외부에 인접하여 배치되는 보조 자성체를 더 포함하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치.
  5. 가스 실린더;
    가스 실린더에서 공급된 수송기체를 에어로졸 챔버 내부의 자성 세라믹 분말에 분사하여 자성 세라믹 에어로졸을 생성하는 에어로졸 생성부;
    상기 에어로졸 생성부에서 생성된 자성 세라믹 에어로졸을 증착 챔버 내 기재에 고속 분사시켜 증착막을 형성시키는 증착부를 포함하고,
    상기 증착부는
    상기 자성 세라믹 에어로졸을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐; 및
    상기 분사 노즐 내부에 특정 방향의 자기장을 형성하도록 상기 분사 노즐의 외부에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 자성체(magnetic substance)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 세라믹 에어로졸 증착 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018212761A1 (de) * 2018-07-31 2020-02-06 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Fertigung eines Permanentmagneten, elektrische Maschine und Fahrzeug, insbesondere hybrid-elektrisches Luftfahrzeug

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DE102018212761A1 (de) * 2018-07-31 2020-02-06 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Fertigung eines Permanentmagneten, elektrische Maschine und Fahrzeug, insbesondere hybrid-elektrisches Luftfahrzeug

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