KR102211933B1 - 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기 및 코팅방법 - Google Patents

질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기 및 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅함으로써, 가스분사기의 표면에서의 용융금속에 대한 젖음성(wettability)을 낮추고 접촉각도를 높여서 가스분사기에 고화된 금속이 거의 잔존하지 않도록 하며, 따라서 고화된 금속을 제거하기 위하여 투입되는 인적, 물적 요소들을 절감할 수 있도록 하는 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기를 제공한다.

Description

질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기 및 코팅방법{Air spraying device coated by nitride or oxynitride and coating method of the same}
본 발명은 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기 및 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅함으로써, 가스분사기의 표면에서의 용융금속에 대한 젖음성(wettability)을 낮추고 접촉각도를 높여서 가스분사기에 고화된 금속이 거의 잔존하지 않도록 하며, 따라서 고화된 금속을 제거하기 위하여 투입되는 인적, 물적 요소들을 절감할 수 있도록 하는 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기 및 코팅방법을 제공한다.
국내외 제철회사들은 강판의 내식성 향상을 위하여 강판 표면에 제 2의 다른 금속층(아연, 알루미늄)을 형성하는 도금 공정을 적용하고 있다. 표면 품질이 중요한 가전제품 또는 자동차용 소재로 사용범위가 넓어짐에 따라 강판의 도금품질이 점차 중요해지고 있다. 강판의 도금방법 중 대표적으로 연속용융도금라인(Continuous Galvanizing Line)이 일반적이며, 이는 용융 도금조를 이용한 도금법으로 용융 아연, 용융 알루미늄을 채운 도금욕에 강판이 통과하는 방법이다. 연속용융도금라인에서 주요 핵심 부품인 가스분사기는 고압의 공기를 분사하여 목표로 하는 도금 두께로 조절해주는 역할을 한다. 이와 같은 가스분사기 재질은 금속으로 서스, 인코넬, 티타늄 등으로 제작이 되며, 고압의 공기를 분사하는 과정에서 용융 아연, 용융 알루미늄이 가스분사기에 튀게 되면 공기가 분사되는 통로가 막히거나 좁아져 공기가 불균일하게 분사되어 도금 두께를 제어하는데 문제가 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가스분사기 클리너를 이용하여 가스분사기에 붙은 아연, 알루미늄을 제거를 하지만, 금속 재질의 가스분사기에 붙은 용융 아연, 용융 알루미늄의 젖음성이 높기 때문에 제거가 용이하지 않고, 제거 후 일부 용융 아연, 용융 알루미늄이 존재하게 되어, 추후 이를 제거하는데 시간과 인력이 많이 소요되거나, 경우에 따라서는 가스분사기 자체를 교체하여야 하여 손실이 발생되는 문제점이 존재한다.
이와 관련하여, 대한민국등록특허 제10-1694443호에서는 가스분사기의 외측면에 배치되어, 가스분사기의 립(lip)으로 시간에 따라 변동하는 마그네틱 플럭스를 인가하여 립을 유도 가열시키는 유도 가열 유닛; 및 유도 가열 유닛에 교류 전류를 인가하는 소스 유닛을 포함하여, 가스분사기 토출구에 용융 금속의 축적을 방지하도록 하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 동 기술은 별도의 유도 가열 유닛, 소스 유닛 등을 구비하고 있어야 하므로 추가적인 설비에 대한 부담이 존재한다.
대한민국등록특허 제10-1694443호
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 도금 공정 중에 가스분사기에 전달되는 용융 금속이 질화물 또는 산질화물로 대표되는 가스분사기 표면코팅층으로 인하여 젖지 않도록 함으로써 가스분사기에 용융 금속이 고화되어 축적되면서 발생되는 다양한 문제점들을 예방하고, 고화된 금속을 제거하기 위하여 추가적으로 설비를 구축할 필요가 없어 공정상 간이한 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가스분사기상에 이러한 코팅층을 생성하는 것이 쉽지 않음에도 불구하고, 치밀한 코팅층을 생성할 수 있도록 하는 방법을 제시하는 것을 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가스분사기에 질화물 또는 산질화물 코팅층을 형성하여 가스분사기 표면에 낮은 젖음성을 부여하되, 상기 코팅층은 상온 또는 저온의 저속분사코팅에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기를 제공한다.
상기 산화물은 질화규소 또는 질화알루미늄이며, 상기 산질화물은 사이알론인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 가스분사기에 질화물 또는 산질화물 코팅층을 형성하여 가스분사기 표면에 낮은 젖음성을 부여하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 산화물 또는 산질화물인 원료를 공급하기 위한 원료공급부(10); 상기 원료의 이송을 위한 이송가스를 공급하기 위한 이송가스 공급부(20); 상기 원료와 상기 이송가스를 가속시키기 위한 가속가스를 공급하기 위한 가속가스 공급부(30); 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 유입되어 이송되는 이송관(111) 및 상기 가속가스 공급부(30)으로부터 공급된 가속가스가 유입되어 이송되는 가속가스 공급관(130)을 포함하는 공급노즐부(60); 상기 공급노즐부(60)로부터 원료, 이송가스 및 가속가스를 공급받아 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 원료를 분사하기 위한 분사노즐부(70); 상기 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료가 기판에 충돌하여 코팅층이 형성되는 공간을 제공하는 챔버(80); 및 상기 분사노즐부(70)로부터 공급된 원료가 챔버(80) 내로 가속되어 이송될 수 있게 하고 상기 챔버(80) 내의 이송가스와 가속가스를 펌핑하여 외부로 배출되게 하기 위한 펌프(90)를 포함하며, 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 이송관(111)에서 합류되어 혼합되고, 상기 이송관(111)을 통해 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되며, 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되다가 상기 가속가스 공급관(130)을 통해 이송된 가속가스가 합류되면서 가속되어 상기 분사노즐부(70)로 유입되며, 상기 가속가스 공급관(130) 말단이 상기 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70) 쪽으로 더 삽입되게 설치되어 있고, 상기 챔버는 상기 이송가스와 가속가스의 주입 전후에 진공펌프에 의하여 진공으로 유지되는 저온의 저속분사코팅장치에 의하여 수행되며, 산화물 또는 산질화물인 원료를 이송가스와 함께 공급하는 단계; 상기 이송가스에 가속가스를 추가적으로 더 공급하여 이송가스와 가속가스가 합류되어 혼합되도록 하는 단계; 및 상기 혼합된 이송가스와 가속가스를 가스분사기에 분사하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법을 제공한다.
상기 원료와 이송가스의 이송관(111)은 수평면에 대하여 수직 방향으로 아래로 향하게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 상기 합류관(135)의 중심부를 향해 수직하게 입사되는 것이 바람직하다.
상기 원료와 이송가스의 이송관(111)이 수평면에 대하여 하방향으로 경사지게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 상기 합류관(135)의 중심부를 향하게 비스듬하게 입사되는 것이 바람직하다.
상기 가속가스 공급관(130)을 통해 유입되는 가속가스의 유량이 상기 이송가스의 유량보다 큰 것이 바람직하다.
상기 이송가스는 0.1~5slm의 유량으로 공급되며, 상기 가속가스는 10~400slm의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다.
가속가스 공급관(130) 말단에는 다수의 홀이 구비되고, 상기 다수의 홀을 통해 가속가스가 분출되며, 상기 다수의 홀 중에서 적어도 일부의 홀이 경사지게 구비되는 것이 바람직하다.
경사지게 구비된 홀의 경사 각도는 5~20°이고, 경사지게 구비된 홀이 중심부를 기준으로 방사형을 이루는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐부(70)는 원료가 유입되는 입구부터 내경이 감소하다가 일정 부위부터는 배출구까지 내경이 증가하는 형태의 노즐로 구비된 것이 바람직하다.
상기 기판은 세라믹 기판, 금속 기판, 금속합금 기판 또는 폴리머 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 도금 공정 중에 가스분사기에 전달되는 용융 금속이 질화물 또는 산질화물로 대표되는 가스분사기 표면코팅층으로 인하여 젖지 않도록 함으로써 가스분사기에 용융 금속이 고화되어 축적되면서 발생되는 다양한 문제점들을 예방하고, 고화된 금속을 제거하기 위하여 추가적으로 설비를 구축할 필요가 없어 공정상 간이한 효과가 기대된다.
또한, 본 발명에 따르면, 가스분사기상에 이러한 코팅층을 생성하는 것이 쉽지 않음에도 불구하고, 치밀한 코팅층을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치의 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 2는 다양한 예에 따른 공급노즐부를 도시한 도면들이다.
본 발명에서 코팅 대상은 가스 분사기로서, 상기 가스 분사기는 상하 두개의 판재와 측면판재로 구성되며 상하 두개의 판재가 분사구를 구성하기 위하여 완전히 봉합되지 않아 판재 사이에 슬릿이 마련되어 있다.
본 발명에서는 가스 분사기에 균일하고 치밀한 코팅층을 형성하기 위하여 저온의 저속분사코팅 장치를 사용하였는데, 동 장치를 사용하면, 산화물 또는 산질화물 등 원료의 역류 없이 분사할 수 있어 원료가 역류되는 현상을 억제할 수 있고, 원료의 흐름성과 코팅 효율을 높일 수가 있으며, 저온으로 원료가 분사되어 코팅층이 형성되므로 원료가 상호 반응하지 않고 코팅층의 조직이 변동되지 않으며, 코팅재(원료) 상호 간 또는 기판과 코팅재 사이에 고온 확산 또는 융착 등의 현상이 일어나지 않도록 할 수 있다.
또한, 열 에너지를 사용하지 않고 진공상태에서 입자의 가속에 의한 입자의 운동에너지에 의해 코팅이 되도록 함으로써, 고온 고압에서 사용이 가능한 재질의 노즐과 배관 및 냉각 시스템이 필요하지 않고, 다양한 유형의 노즐, 배관을 적용할 수 있다.
또한, 가스를 가온하지 않고 분사속도가 느리므로 가스의 반류가 거의 없으며, 따라서 비중이 낮거나 미세한 입자들도 초기의 입자 흐름 속도를 최대한 유지하므로 코팅이 원활하다. 가스를 사용하여 400m/s 이상으로 분사속도가 높은 선행기술의 경우에 비하여 400m/s 이하로 분사속도가 느림에도 불구하고 코팅이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 피코팅재의 표면을 블라스팅 등에 의하여 별도로 처리하지 아니하여도 코팅이 원활하고 치밀하게 이루어질 수 있으며, 높은 접합강도를 유지할 수 있다.
또한, 코팅층이 별도의 방향성을 가지지 아니하여 방향성에 따른 물성차이나 물성변화가 없으며, 기공율이 낮은 치밀한 코팅층을 얻을 수 있다.
또한, 고온의 용융물을 분사하거나 고온의 가스를 사용하여 분사하지 않으므로 기판 재질의 내열성을 고려하지 않아도 되며 따라서 기판 재질의 선택성을 높일 수 있다.
또한, 코팅물질의 크기가 수십nm 이상으로서, 대체로 1마이크로미터 이상인 선행기술들에 비하여 코팅물질 크기의 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 즉, 가스를 사용하는 경우에 발생하는 고속가스의 반류에 의한 미세입자의 코팅성 저하 현상이 발생되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 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.
이하에서, "저온"이라 함은 용융분사 코팅법(용사코팅법, thermal spray coating)에 의해 코팅층을 형성할 때의 온도보다 낮은 온도를 의미하는 것으로 사용한다.
또한, "저속"이라 함은 통상적인 콜드스프레이코팅에 비해서 분사속도가 낮음을 의미한다. 콜드스프레이코팅에 의하면 입자속도가 적어도 400m/sec의 수준을 이룬다.
본 발명은 가스분사기에 질화물 또는 산질화물 코팅층을 형성하여 가스분사기 표면에 낮은 젖음성을 부여하되, 상기 코팅층은 상온 또는 저온의 저속분사코팅에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 질화물 또는 산질화물이 코팅된 가스분사기를 제공한다. 상기 산화물은 질화규소 또는 질화알루미늄이며, 상기 산질화물은 사이알론인 것이 바람직하다.
하기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 질화물, 산질화물의 용융금속에 대한 낮은 젖음성을 나타내고 있다. 따라서, 본 발명에서는 질화물과 산질화물을 코팅층으로 적용하기로 하였다.
Figure 112018093720116-pat00001
Figure 112018093720116-pat00002
(출처: Wettability of silicon nitride based ceramic by liquid metals, Trans. JWRI, Vol. 30(2001) (상)
Behaviour of the wettability of a SiAlON-base ceramic by molten steel, Journal of the European Ceramic Society 25 (2005) 1041-1048(하))
질화물, 산질화물을 코팅하는 방법은 CVD, PVD 방법이 알려져 있다. CVD 공정의 경우 공정온도가 대략 1000℃로 높아 금속 재질의 가스분사기가 변형이 발생할 수 있으며, PVD 공정은 치밀한 결정 구조 제어가 어렵고, 이에 따라 접합성이 낮고 침투 특성이 있어 바람직하지 않다.
이에 반해 저온 분사 코팅 방법은 상온에서 원재료의 특성을 그대로 보존하면서 치밀하게 코팅이 가능한 방법으로, 가스분사기의 변형이 발생하지 않고 접합성이 우수한 특성이 있는데, 이는 본 발명에 의하여 고안된 장치에 의하여 구현되며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명에서 사용하는 질화물 또는 산질화물의 경우에는 분말 또는 응집체를 사용하되, 체거름을 통하여 일정크기 이하의 분말(예를 들어 분말의 경우 250㎛, 응집체의 경우 150㎛)을 사용한다.
이에 따르면, 가스분사기 표면의 낮은 젖음성을 확보할 수 있으며, 아래의 코팅장치를 사용하면 높은 접합강도의 구현이 가능하다.
본 발명의 질화물 또는 산질화물 코팅층을 형성하기 위해서는 하기의 저온 분사 코팅 장치를 사용하는데, 이에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치는, 원료를 공급하기 위한 원료공급부(10)와, 상기 원료의 이송을 위한 이송가스를 공급하기 위한 이송가스 공급부(20)와, 상기 원료와 상기 이송가스를 가속시키기 위한 가속가스를 공급하기 위한 가속가스 공급부(30)와, 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 유입되어 이송되는 이송관(111) 및 상기 가속가스 공급부(30)으로부터 공급된 가속가스가 유입되어 이송되는 가속가스 공급관(130)을 포함하는 공급노즐부(60)와, 상기 공급노즐부(60)로부터 원료, 이송가스 및 가속가스를 공급받아 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 원료를 분사하기 위한 분사노즐부(70)와, 상기 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료가 기판에 충돌하여 코팅층이 형성되는 공간을 제공하는 챔버(80)와, 상기 분사노즐부(70)로부터 공급된 원료가 챔버(80) 내로 가속되어 이송될 수 있게 하고 상기 챔버(80) 내의 이송가스와 가속가스를 펌핑하여 외부로 배출되게 하기 위한 펌프(90)를 포함한다.
상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 이송관(111)에서 합류되어 혼합되고, 상기 이송관(111)을 통해 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되며, 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되다가 상기 가속가스 공급관(130)을 통해 이송된 가속가스가 합류되면서 가속되어 상기 분사노즐부(70)로 유입되며, 상기 가속가스 공급관(130) 말단이 상기 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70) 쪽으로 더 삽입되게 설치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 진공에 의한 흡입력을 에너지로 이용하는 것이기 때문에 일단 원료, 이송가스 및 가속가스를 챔버(80)로 공급하기 이전에 챔버(80)에 진공을 부여한다. 또한 이송가스 및 가속가스가 공급되고 잔류 가스가 배출된 이후에는 다시 진공상태를 유지하기 위하여 에어벤트를 수행한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원료와 이송가스의 이송관(111)은 수평면에 대하여 수직 방향으로 아래로 향하게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 상기 합류관(135)의 중심부를 향해 수직하게 입사될 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 상기 원료와 이송가스의 이송관(111)이 수평면에 대하여 하방향으로 경사지게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 상기 합류관(135)의 중심부를 향하게 비스듬하게 입사될 수 있다.
상기 가속가스 공급관(130)을 통해 유입되는 가속가스의 유량이 상기 이송가스의 유량보다 큰 것이 바람직하다.
상기 이송가스는 0.1~5slm의 유량으로 공급되며, 상기 가속가스는 10~400slm의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다.
가속가스 공급관(130) 말단에는 다수의 홀이 구비되고, 상기 다수의 홀을 통해 가속가스가 분출되며, 상기 다수의 홀 중에서 적어도 일부의 홀이 경사지게 구비되는 것이 바람직하다.
경사지게 구비된 홀의 경사 각도는 5～20°이고, 경사지게 구비된 홀이 중심부를 기준으로 방사형을 이루는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐부(70)는 원료가 유입되는 입구부터 내경이 감소하다가 일정 부위부터는 배출구까지 내경이 증가하는 형태의 노즐로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 기판은 세라믹 기판, 금속 기판, 금속합금 기판 또는 폴리머 기판을 포함할 수 있다.
상기 원료는 금속 분말, 산화물 분말, 불화물 분말, 질화물 분말, 탄화물 분말 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 2는 다양한 실시예에 따른 공급노즐부를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치는 원료를 공급하기 위한 원료공급부(10)와, 원료의 이송을 위한 이송가스를 공급하기 위한 이송가스 공급부(20)와, 원료와 이송가스를 가속시키기 위한 가속가스를 공급하기 위한 가속가스 공급부(30)와, 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 유입되어 이송되는 이송관(111) 및 상기 가속가스 공급부(30)으로부터 공급된 가속가스가 유입되어 이송되는 가속가스 공급관(130)을 포함하는 공급노즐부(60)와, 상기 공급노즐부(60)로부터 원료, 이송가스 및 가속가스를 공급받아 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 원료를 분사하기 위한 분사노즐부(70)와, 상기 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료가 기판에 충돌하여 코팅층이 형성되는 공간을 제공하는 챔버(80)와, 상기 분사노즐부(70)로부터 공급된 원료가 챔버(80) 내로 가속되어 이송될 수 있게 하고 상기 챔버(80) 내의 이송가스와 가속가스를 펌핑하여 외부로 배출되게 하기 위한 펌프(90)를 포함한다.
상기 저온분사 코팅 장치를 통해 기판의 표면에 원료인 분말을 저온분사 코팅(cold spray coating)하여 코팅층을 얻을 수 있다.
상기 원료공급부(10)는 원료인 분말을 공급하는 역할을 한다. 상기 원료는 금속 분말, 산화물 분말, 불화물 분말, 질화물 분말, 탄화물 분말 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn) 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 산화물 분말은 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 가돌리늄(Gd) 등의 원소와 산소(O) 성분을 포함하는 분말로서, MgO, Y2O3, Al2O3, CaO, Gd2O3 등의 산화물을 그 예로 들 수 있다. 상기 불화물 분말은 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 칼슘(Ca) 등의 원소와 불소(F) 성분을 포함하는 분말로서, MgF2, AlF3, YF3, CaF2 등의 불화물을 그 예로 들 수 있다. 상기 질화물 분말은 AlN, Si3N4 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 탄화물 분말은 SiC 등을 그 예로 들 수 있다. 원료인 분말이 분사노즐부(70)를 통해 분사되어야 하는 점 등을 고려하여 수 ㎛ 이내의 크기(예컨대, 10nm ~ 9.9㎛)를 가지는 입자로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 이송가스 공급부(20)는 원료의 이송을 위한 이송가스를 공급하는 역할을 한다. 상기 이송가스는 공기(Air), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 이송가스는 원료를 이송시키기 위하여 밀어주는 역할을 한다. 상기 이송가스는 0.1 ~ 5 slm의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 상기 유량범위의 하한을 벗어나는 경우에는 분말공급장치에서 분말 이송이 되지 않게 되고, 상기 유량범위의 상한을 벗어나는 경우에는 분말공급장치 내부에서 와류가 발생해 분말의 흐름이 원활하지 않고, 분말공급량도 불규칙해지게 되며, 코팅 균일도와 코팅 속도의 저하를 발생시키므로 이송가스의 유량은 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다.
상기 가속가스 공급부(30)는 원료와 이송가스를 가속시키기 위한 가스를 공급하는 역할을 한다. 상기 가속가스는 공기(Air), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 가속가스는 원료의 이동을 가속시켜 챔버(80) 내부에 있는 기판과의 충돌시 분말의 운동에너지를 높여주는 역할을 한다. 상기 가속가스를 사용하지 않고 이송가스만을 이용하여도 코팅은 가능하지만, 코팅 효율이 떨어지는 문제가 있다. 상기 가속가스는 10 ~ 400 slm의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 상기 가속가스가 위 하한을 벗어나는 경우에는 분말의 분사속도가 낮아져 분말이 기판에 응집하는 현상이 발생되고, 위 상한을 벗어나는 경우에는 기판에 형성된 코팅층이 탈락하거나 기판이 손상되는 현상이 발생되므로, 상기 가속가스는 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다. 여기서, 상기 가속가스의 유량은 이송가스의 유량보다는 큰 것이어야 가속가스의 본연의 목적을 달성할 수 있게 된다.
상기 공급노즐부(60)는 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 유입되어 이송되는 이송관(111) 및 상기 가속가스 공급부(30)으로부터 공급된 가속가스가 유입되어 이송되는 가속가스 공급관(130)을 포함한다. 가속가스 공급관(130) 말단에는 다수의 홀이 구비되는 것이 바람직하고, 상기 다수의 홀을 통해 가속가스가 분출되게 하는 것이 바람직하며, 다수의 홀 중에서 적어도 일부의 홀이 경사지게 구비되는 것이 바람직하다. 만일 가속가스 분출구를 특정 한 부분으로 하는 경우에는 분말 쏠림현상으로 인하여 균일하게 코팅되지 않고, 부분적으로 과적되어 코팅되거나 특정부분에 응집이 된다. 따라서 다양한 방향으로 가속가스가 분사되도록 하는 것이 균일한 코팅을 위하여 매우 중요하다.
또한, 경사지게 구비된 홀(62)의 경사 각도는 5 ~ 20°정도, 더욱 바람직하게는 7 ~ 15°정도인 것이 바람직한데, 이는 분말을 균일하게 분사하기 위함이며, 경사각도가 위 하한을 벗어나는 경우에는 분말의 균일한 분사가 이루어지기 어렵고, 위 상한을 벗어나는 경우에는 노즐 내부에서 와류가 발생하게 되어 가속가스로서의 역할을 하지 못하고, 또한 부속품 측면에 분말이 충돌하여 내부에서 응집되므로 공정 진행 도중에 노즐이 막히거나 덩어리로 떨어져 문제가 발생될 수 있으므로, 경사각도는 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다.
즉, 경사지게 구비된 홀(62)이 중심부를 기준으로 방사형을 이루게 하는 것이 바람직하다.
상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 이송관(111)에서 합류되어 이송되다가 상기 가속가스 공급관(130)로 통해 유입된 가속가스가 합류되어 상기 분사노즐부(70) 내로 유입된다. 원료와 이송가스는 이송관(111)에서 합류하여 일정 비율로 혼합되고, 이송관(111)을 통해 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되며, 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되다가 가속가스 공급관(130)을 통해 이송된 가속가스가 합류되면서 가속되어 분사노즐부(70)로 유입되게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 원료와 이송가스의 이송관(111)은 수평면에 대하여 수직 방향으로 아래로 향하게 하여 원료, 이송가스 및 가속가스의 합류관(135)의 중심부를 향해 수직하게 입사되게 할 수도 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 원료와 이송가스의 이송관(111)이 수평면에 대하여 하방향으로 경사지게 형성됨으로써 원료와 이송가스가 합류관(135)의 중심부를 향하게 비스듬하게 입사되게 할 수도 있다.
이송관이 가속관 앞쪽에 있을 경우에는 가속가스에 의해 분말 공급이 원활하지 않게 되고, 경우에 따라서는 분말이 역류하는 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 가속관 뒤쪽에 위치하는게 유리하다. 또한 이송관이 수평면에서 하방향으로 경사지게 함으로써 부속품 내부에 분말이 응집되는 현상을 방지해주며, 수평으로 하였을 경우 상기에서 언급한 바와 같이 내부에 분말이 응집되게 되므로 문제가 발생된다.
원료, 이송가스 및 가속가스가 분사노즐부(70)로 함께 유입될 수 있게 원료와 이송가스의 이송관(111)과 가속가스 공급관(130)은 합류관(135)에서 하나로 합쳐지게 구성되며, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가속가스 공급관(130) 말단이 원료와 이송가스의 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70) 쪽으로 더 삽입되게 설치되어 있고, 이에 따라 가속가스 공급관(130)과, 원료와 이송가스의 이송관(111)이 합쳐져서 하나의 합류관(135)에서 만남으로써 원료의 역류 없이 분사노즐부(70)로 분사할 수 있는 장점이 있고, 원료의 흐름성과 코팅 효율을 높일 수가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분사노즐부(70)를 기준으로 가속가스 공급관(130) 말단이 원료와 이송가스의 이송관(111) 말단과 동일한 위치에서 합류관(135)에서 합류되거나, 분사노즐부(70)를 기준으로 가속가스 공급관(130) 말단이 원료와 이송가스의 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70)를 기준으로 거리가 더 떨어져서 가속가스 공급관(130)과 원료와 이송가스의 이송관(111)이 합류관(135)에서 합류되는 경우에는 원류의 흐름을 방해할 수 있고 심지어 원료가 역류되는 현상이 발생할 수도 있다. 이러한 점을 고려하여 가속가스 공급관(130) 말단이 원료와 이송가스의 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70) 쪽으로 더 삽입되게 하여 가속가스 공급관(130) 말단이 분사노즐부(70)를 기준으로 원료와 이송가스의 이송관(111) 말단보다 거리가 가까워지도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 이송가스의 유량이 가속가스의 유량보다 클 경우에는 원료가 분사노즐부(70)쪽으로 제대로 분사되지 않고 역류하는 현상이 발생할 수 있으므로, 가속가스의 유량이 이송가스의 유량보다 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐부(70)는 상기 공급노즐부(60)로부터 원료, 이송가스 및 가속가스를 공급받아 상기 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 원료를 분사하는 역할을 한다. 상기 분사노즐부(70)는 원료가 유입되는 입구부터 내경이 감소하다가 일정 부위부터는 배출구까지 내경이 증가하는 형태의 노즐 즉, 드 라발(de Laval) 노즐과 같은 초음속 노즐을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐부(70)를 좌우, 상하로 왕복하면서 이동시켜서 원료가 기판 위의 넓은 면적에서 코팅막이 형성되도록 할 수도 있다.
상기 챔버(80)는 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료가 기판에 충돌하여 코팅층이 형성되는 공간을 제공한다. 상기 챔버(80) 내로 가속되게 유입된 원료는 상기 가속가스와 상기 펌프(90)에 의한 펌핑에 의해 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 가속되면서 충돌하게 된다. 상기 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료는 기판의 표면에 가속되면서 분사되어 충돌에너지에 의해 코팅층을 형성하게 된다.
상기 펌프(90)는 상기 분사노즐부(70)로부터 공급된 원료가 챔버(80) 내로 가속되어 이송될 수 있게 하고 상기 챔버(80) 내의 이송가스와 가속가스를 펌핑하여 외부로 배출되게 하는 역할을 한다. 상기 펌프(90)에 의한 펌핑에 의해 챔버(80) 내부는 대기압보다 낮은 진공 상태가 되게 되며, 이에 따라 대기압 상태에 비하여 원료가 상기 분사노즐부(70)로부터 기판으로 더욱 가속될 수가 있다. 상기 챔버(80)와 상기 펌프(90) 사이에 펌핑이 이루어지는 것을 차단하기 위한 펌핑 밸브(미도시)가 구비될 수도 있다. 펌핑은 상기 펌핑 밸브의 개방(open)과 닫음(close)을 통해 제어될 수가 있다.
상기 기판은 알루미나(Al2O3), 알루미늄나이트라이드(AlN), 쿼츠(SiO2) 등과 같은 세라믹 기판, 금속 기판, 금속합금 기판, 폴리머 기판 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 저온 분사 코팅 장치를 이용할 경우에 기판 위에 코팅되는 막은 원하는 두께(예컨대 1~300㎛)로 형성할 수가 있는 장점이 있다.
상기 저온 분사 코팅 장치를 이용하는 경우에, 저온으로 분사되어 코팅층이 형성되므로 원료가 상호 반응하지 않고 코팅층의 조직이 변동되지 않으며, 코팅재(원료) 상호 간 또는 기판과 코팅재 사이에 고온 확산 또는 융착 등의 현상이 일어나지 않는다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 원료공급부
20: 이송가스 공급부
30: 가속가스 공급부
70: 분사노즐부
80: 챔버
90: 펌프
100: 공급노즐부
110: 공급노즐
111: 이송관
130: 가속가스 공급관
135: 합류관

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 가스분사기에 질화물 또는 산질화물 코팅층을 형성하여 가스분사기 표면에 낮은 젖음성을 부여하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    산화물 또는 산질화물인 원료를 공급하기 위한 원료공급부(10); 상기 원료의 이송을 위한 이송가스를 공급하기 위한 이송가스 공급부(20); 상기 원료와 상기 이송가스를 가속시키기 위한 가속가스를 공급하기 위한 가속가스 공급부(30); 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 유입되어 이송되는 이송관(111) 및 상기 가속가스 공급부(30)으로부터 공급된 가속가스가 유입되어 이송되는 가속가스 공급관(130)을 포함하는 공급노즐부(60); 상기 공급노즐부(60)로부터 원료, 이송가스 및 가속가스를 공급받아 챔버(80) 내에 설치된 기판으로 원료를 분사하기 위한 분사노즐부(70); 상기 분사노즐부(70)로부터 분사된 원료가 기판에 충돌하여 코팅층이 형성되는 공간을 제공하는 챔버(80); 및 상기 분사노즐부(70)로부터 공급된 원료가 챔버(80) 내로 가속되어 이송될 수 있게 하고 상기 챔버(80) 내의 이송가스와 가속가스를 펌핑하여 외부로 배출되게 하기 위한 펌프(90)를 포함하며, 상기 원료공급부(10)로부터 공급된 원료와 상기 이송가스 공급부(20)로부터 공급된 이송가스가 이송관(111)에서 합류되어 혼합되고, 상기 이송관(111)을 통해 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되며, 원료와 이송가스가 혼합된 상태로 이송되다가 상기 가속가스 공급관(130)을 통해 이송된 가속가스가 합류되면서 가속되어 상기 분사노즐부(70)로 유입되며, 상기 가속가스 공급관(130) 말단이 상기 이송관(111) 말단보다 분사노즐부(70) 쪽으로 더 삽입되게 설치되어 있고, 상기 챔버는 상기 이송가스와 가속가스의 주입 전후에 진공펌프에 의하여 진공으로 유지되는 저온의 저속분사코팅장치에 의하여 수행되며,
    산화물 또는 산질화물인 원료를 이송가스와 함께 공급하는 단계;
    상기 이송가스에 가속가스를 추가적으로 더 공급하여 이송가스와 가속가스가 합류되어 혼합되도록 하는 단계; 및
    상기 혼합된 이송가스와 가속가스를 가스분사기에 분사하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 가속가스 공급관(130) 말단에는 다수의 홀이 구비되고, 상기 다수의 홀을 통해 가속가스가 분출되며, 상기 다수의 홀 중에서 일부의 홀이 경사지게 구비되는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원료와 이송가스의 이송관(111)은 수평면에 대하여 수직 방향으로 아래로 향하게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 원료, 이송가스 및 가속가스의 합류관(135)의 중심부를 향해 수직하게 입사되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 원료와 이송가스의 이송관(111)이 수평면에 대하여 하방향으로 경사지게 구비되어 상기 원료와 상기 이송가스가 원료, 이송가스 및 가속가스의 합류관(135)의 중심부를 향하게 비스듬하게 입사되는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 가속가스 공급관(130)을 통해 유입되는 가속가스의 유량이 상기 이송가스의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이송가스는 0.1~5slm의 유량으로 공급되며, 상기 가속가스는 10~400slm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  8. 삭제
  9. 제3항에 있어서,
    경사지게 구비된 홀의 경사 각도는 5 ~ 20°이고, 경사지게 구비된 홀이 중심부를 기준으로 방사형을 이루는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 분사노즐부(70)는 원료가 유입되는 입구부터 내경이 감소하다가 일정 부위부터는 배출구까지 내경이 증가하는 형태의 노즐로 구비된 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 기판은 세라믹 기판, 금속 기판, 금속합금 기판 또는 폴리머 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분사기에 질화물 또는 산질화물을 코팅하는 방법.
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