KR102361006B1 - 대면적 균일 증착 성능을 구비한 저온 분사 장치 - Google Patents

Abstract

기판에 입자를 코팅하기 위한 저온 분사 장치는 공통 노즐 출구에서 복수의 내부 통로가 정료되는 노즐 조립체를 포함한다. 노즐 조립체는 내부 통로와 연동되는 입자 공급 부재를 포함한다. 입자 공급 부재는 내부 통로를 통해 입자가 흐르고 가속되어, 공통 노즐 출구를 통해 노즐 조립체로부터 코팅하고자 하는 기판 방향으로 입자가 공급되도록 한다. 또한, 각 내부 통로는 내부 통로를 통해 전달되는 레이저 빔을 방출하는 레이저를 포함한다. 레이저는 입자와 기판 중 적어도 하나를 가열함으로써 입자를 통해 기판이 코팅되는 것을 촉진한다.

Description

대면적 균일 증착 성능을 구비한 저온 분사 장치

본 출원은 2009년 12월 4일에 가출원된 미국출원 제61/266,639호를 기초로 2010년 12월 3일에 출원된 미국출원 제12/959,523호의 일부 계속 출원으로서, 2016년 10월 17일에 출원된 미국출원 제15/295,050호를 우선권으로 주장한다. 위 출원들의 전체 개시 내용은 참고 내용으로서 여기에 원용된다.

본 발명은 미국 해군에서 발급된 승인 번호 N00244-07-P-0553 에 따라 정부 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대하여 일정한 권리를 가진다.

본 개시는 기판을 코팅하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대면적을 균일하게 코팅하는데 사용되는, 레이저를 이용한 저온 분사 장치 및 방법에 관한 것이다.

여기에서는 본 개시와 관련된 배경 기술을 기술하지만, 반드시 선행기술이라고 할 수는 없다. 또한, 여기에서는 본 개시의 일반적인 요약을 기술하되, 전체 내용이나 모든 특징을 포괄적으로 개시하는 것은 아니다.

저온 분사는 고체 입자의 흐름이 운반 기체(carrier gas)에 의해 가속되어, 노즐을 통해 고속으로 기판에 분사되는 부가 공정의 한 유형이다. 입자는 충분한 운동 에너지를 가지기 때문에, 기판과의 충돌에 의해 소성 변형을 일으키고, 금속가공/기계적으로 기판에 결합되어 코팅을 형성한다. 금속가공 결합(metallurgical bonding)이 바람직하기는 하지만, 모든 입자가 반드시 금속가공 형태로 결합될 필요는 없을 것이다.

입자는 코팅이 이루어질 수 있는 임계 속도로 가속된다. 이러한 임계 속도는 입자의 성질과, 정도는 덜하지만 기판의 재질 (즉, 변형 가능성, 모양, 크기, 온도 등)에 좌우될 수 있다.

운동 에너지가 충분한 레벨의 열과 탄성 (기계적) 에너지로 변환되고, 해당 기술 분야에서 "단열 전단 불안정성 (adiabatic shear instability)"으로 알려진 현상을 야기할 때 입자가 기판에 부착된다는 가설이 있다. 특정 재료의 증착 효율은 입자의 온도가 증가함에 따라 일정한 수준까지는 증가하게 되는데, 이는 통상적으로 운반 기체의 온도를 증가시킴으로써 가능하다. 또한, 운반 기체의 온도는 저온 분사 공정에 일반적으로 사용되는 수축-확산 노즐 (convergent-divergent nozzle)에 의한 기체 역학에 영향을 미친다. 즉, 모든 것이 일정한 상태에서, 운반 기체의 온도가 높을수록 노즐의 확산 영역에서의 기체 속도가 빨라지고, 그로 인해 입자의 속도가 증가하게 되는 것이다.

관련된 미국출원 제 12/959,523 호에서는 노즐의 축 방향으로 레이저 빔을 형성함으로써 노즐의 확산 영역에서 (운반 기체의 온도와 무관하게) 입자의 온도를 증가시키는 방법을 개시하고 있는데, 입자의 온도를 증가시키기 위해 노즐의 확산 영역에서 입자의 분포와 레이저 빔과의 상호작용을 향상시킬 수 있도록 확산 영역에 입자를 공급하는 방법론에 따라 디자인된 사각형 노즐을 개시하였다. 다시 말해서, 관련 기술로서 특정 노즐에 대해 입자의 온도와 기체 역학 (속도)을 독립적으로 제어하는 구조를 제시하였다. 또한, 레이저 빔의 일부는 증착 품질을 향상시키기 위해서 기판에 조사된다.

코팅을 증착시키기 위해, 일반적으로 저온 분사 노즐은 적절한 목표 거리를 유지하면서 기판의 상부를 횡단하게 된다. 이로 인해 기판의 상부에 작은 트랙 (일반적으로 노즐 출구의 폭과 유사함)을 따라 코팅이 이루어진다. 노즐 출구의 폭보다 대면적의 기판을 코팅하기 위해서는, 일반적으로 로봇과 같은 모션 시스템을 이용하여 래스터 패턴(raster pattern) 으로 노즐을 기판의 상부에서 여러 번 스캔하게 된다. 원하는 입자의 속도와 분포를 얻기 위한 노즐 출구의 폭은 수축-확산 노즐에 대한 기체 역학 조건에 의해 제한된다. 다시 말해서, 입구에서의 기체의 온도와 압력이 주어지면, 수축 영역, 확산 영역 및 두 영역을 연결하는 목 (throat) 에 대한 기하학적 구조에 의해 기체의 흐름이 결정되며, 이로 인해 입자의 속도 및 입자 분포에 영향을 미치게 된다. 대면적 기판을 코팅하기 위해서 단순히 노즐의 단면적을 증가시키기에는 어려움이 있다. 실질적인 적용을 위해서는 노즐의 기하학적 구조를 최적화할 필요가 있는데, 표준 산업 장비 (기체 공급 장치, 히터, 분말 공급 장치 등)를 경제적으로 사용함으로써 원하는 유체 역학 (flow dynamics)을 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

저온 분사 공정과 관련된 한 가지 특별한 어려움은 하부 기판 표면에 존재하는 결함에 의해 발생한다. 2 개의 코팅 경로 (트랙) 사이에 나타나는 간격이나 불규칙성 (undulation)과 같은 하자가 기판의 표면에 형성되는 경우, 코팅이 진행됨에 따라 다음 층에서도 불일치/하자가 계속해서 발생할 수 있다. 따라서, 하나의 경로로 두꺼운 층을 형성하는 경우에는 마지막 코팅에서 불규칙성을 야기하는 원인이 될 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 다양한 표면적을 가지는 원형/원추형 물체를 코팅하는 경우에는, 코팅 질량이 크게 변할 수 있으므로, 중심으로부터 주변 방향 또는 꼭지점으로부터 바닥 방향으로 증착 두께를 관리할 수 있는 광범위한 공정 최적화가 요구된다.

전술한 바와 같이, 하나의 저온 분사 노즐을 통해 다양한 표면적을 가지는 대면적 기판에 균일한 코팅을 하는 것은 쉽지 않다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 효과적인 코팅 제작을 위해서 새로운 방법 및 장치가 요구된다.

다음의 요약은 본 개시에 고유한 몇 가지 창의적인 특징의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 완전한 설명에 해당하는 것은 아니다. 본 개시의 다양한 측면에 대한 완전한 이해는 전체 명세서, 청구범위, 도면, 및 요약을 전체적으로 참작함으로써 이루어질 수 있을 것이다.

저온 분사 장치는 복잡한 공구 경로의 최적화 과정을 행하지 않고도 복잡한 대면적 기판을 높은 정밀도 및 효율성으로 코팅할 수 있으며, 결함 및 후속 마무리 가공 작업을 제거/최소화할 수 있는 것이 바람직하다.

복수의 노즐을 구비하되, 각 노즐의 내부 통로가 전체 조립체의 공통 노즐 출구에서 종료되도록 구성된, 기판에 입자를 코팅하기 위한 저온 분사 장치를 개시한다. 또한, 노즐 조립체는 내부 통로와 연결되는 입자 공급 부재를 포함한다. 입자 공급 부재는 내부 통로를 통해 입자를 공급하고 가속시키며, 공통 노즐 출구를 거쳐 노즐로부터 기판 방향으로 배출되어 코팅이 이루어지도록 한다. 또한, 각 노즐의 레이저 빔은 내부 통로를 통해 전달되고 공통 노즐 출구를 거쳐 기판 방향으로 배출된다. 레이저는 내부 통로 및 기판 내부의 입자 중 적어도 하나를 가열해서 입자가 기판에 코팅되도록 촉진한다.

적어도 하나의 측면에서, 노즐의 내부 통로 안에서 입자와 레이저 빔의 상호 작용을 강화해서 에너지 흡수를 향상시키는 방법을 제공함으로써, 종래 기술의 하나 이상의 문제를 선택적으로 해결하는 방법을 개시한다. 이를 위해서, 노즐의 확산 영역에 입자를 주입함으로써 레이저 빔의 역방향 분산(backward scattering)을 최소화하고, 입자를 균일하게 분포시키며, 입자와 레이저 빔의 상호 작용을 증가시키는 방법을 포함한다.

일부 측면에서, 증착 효율과 균일성을 향상시키기 위해 각 노즐의 입자 흐름을 실질적으로 균일한 입자 분포 밀도를 가지는 공통 입자 흐름으로 결합하고, 실질적으로 균일한 입자 특성을 가지는 결합된 흐름을 기판 방향으로 유도하는 방법을 개시한다. 이를 위해, 장치 조립체의 공통 노즐 출구로부터 최적의 거리에서 각 노즐의 내부 통로가 끝나도록 하는 방법이 선택적으로 포함된다.

또 다른 측면에서, 복잡한 기판을 코팅하는 방법을 개시한다. 이를 위해서, 코팅하거나 형성하고자 하는 기판의 기하학적 형상을 모방함으로써 미리 정해진 공통 노즐 출구의 기하학적 구조를 가지도록 복수의 노즐을 구성하는 방법을 선택적으로 포함한다. 또한, 이를 위해서 기판 상부에 서로 다른 코팅 질량을 형성함으로써 원하는 기하학적 형상 또는 균일성을 개선할 수 있도록, 원하는 양의 입자를 각 노즐에 공급하는 방법을 선택적으로 포함한다.

이로써, 상술한 문제를 해결할 수 있으며, 높은 정밀도와 효율성을 가지고 복잡한 기판을 코팅할 수 있게 된다.

적용가능한 그 밖의 분야는 여기에서 개시되는 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 본 요약에서의 설명 및 특정 실시예는 단순히 예시의 목적으로 이루어진 것이며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.

여기에 기술된 도면은 단지 선택된 실시예를 예시하기 위한 것이며, 모든 가능한 구현 방법을 나타내거나 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
도면은 반드시 축척대로 도시되는 것은 아니며; 일부 수치는 특정 구성요소의 세부 사항을 표시하기 위해 과장되거나 축소될 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 특정한 구조적 및 기능적 세부 사항은 제한적으로 해석되어서는 안되며, 당업자가 본 발명을 다양하게 실시할 수 있도록 지시하는 기본적인 사항으로서만 해석되어야 한다. 예시적인 측면은 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 보다 완전히 이해 될 것이다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 동축 레이저 빔을 포함하는 직사각형 수축-확산 노즐의 사시도이다;
도 2는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 동축 레이저 빔을 포함하는 직사각형 수축-확산 노즐의 투시 단면도이다;
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 원형 디스크의 축 방향(radial direction)으로 코팅 질량의 변화를 보여주는 도식적 표현이다;
도 4는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 동축 레이저 빔을 가지는 직사각형의 수축-확산 멀티-노즐 조립체의 사시도이다;
도 5a는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 수축-확산 멀티-노즐 조립체의 평면도이다;
도 5b는 도 5a의 수축-확산 멀티-노즐 조립체에서 B-B 라인에 따른 단면도이다;
도 5c는 도 5a의 수축-확산 멀티-노즐 조립체에서 C-C 라인에 따른 단면도이다;
도 5d는 도 5a의 수축-확산 멀티-노즐 조립체에서 D-D 라인에 따른 단면도이다;
도 5e는 도 5a의 수축-확산 멀티-노즐 조립체에서 E-E 라인에 따른 단면도이다;
도 6은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 수축-확산 멀티-노즐 조립체의 투시 단면도이다;
도 7은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 멀티-노즐 조립체의 수축 영역에 대한 투시 단면도이다;
도 8은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 직사각형의 장축(major axis)에 따른 수축-확산 멀티-노즐 조립체의 단면도이다;
도 9는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 10 mm 목표 거리에서 입자 분포 밀도 및 속도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다;
도 10은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 10 mm 목표 거리에서 최대, 평균 및 최소 입자 속도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다;
도 11은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 10 mm 목표 거리에서 직사각형의 노즐 조립체의 장축을 따라 입자 속도 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다;
도 12는 본 개시의 일부 실시예를 통해 형성된 구조적 레이저 빔 형상을 보여주는 수축-확산 멀티-노즐 조립체의 투시 단면도이다;
도 13은 브레이크 로터 (brake rotor)의 양쪽 측면에 여기에서 개시된 노즐 조립체를 적용한 경우의 장치에 대한 사시도이다;
도 14는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 1개의 채널과 3개의 채널이 동작하는 경우에 대한 입자 속도 분포와 입자 분포 지도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다;
도 15는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 분리된 압력 튜브에 의해 운반 기체가 각각의 내부 통로에 공급되는 경우를 나타내는 멀티-노즐 조립체의 수축 영역에 대한 투시 단면도이다;
도 16은 종래 기술에서 입자가 축 방향으로 모든 채널에 주입되는 경우의 입자 속도 분포 및 입자 분포 지도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다;
도 17은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 포물선 형상을 가지는 멀티-노즐 조립체의 단면도이다;
도 18은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 포물선 형상의 표면을 균일하게 코팅하기 위한 장치 구조의 사시도이다;
도 19는 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 경사진 출구 형상을 가지는 멀티-노즐 조립체의 단면도이다;
도 20은 본 개시의 일부 실시예에 있어서, 원뿔 형상의 표면을 균일하게 코팅하기 위한 장치 구조의 사시도이다.
동일한 참조 부호는 여러 도면에 있어서 동일한 부분을 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 실시예를 보다 자세하게 설명하기로 한다.

이하, 세부적인 측면에서 발명을 개시하지만, 개시된 측면은 본질적으로 단순한 예시에 불과하며, 다양하고 택일적인 형태로 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 관련 수치는 반드시 축척대로 기재된 것은 아니다. 따라서, 여기에서 개시된 특정한 세부 사항은 제한적으로 해석되어서는 안되며, 단순히 본 발명의 임의의 측면에 대한 기본적인 사항, 및/또는 본 발명을 다양하게 적용할 수 있도록 당업자에게 개시하기 위한 기본적인 사항에 불과하다.

여기에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시를 설명하기 위한 것으로서, 이를 제한하려는 것은 아니다. 여기에서 사용되는 단수 형태 "하나", 및 "상기"는 문맥상 달리 지시하는 것이 명백하지 않는 한, "적어도 하나"를 포함하는 복수 형태를 포함한다. "또는" 은 "및/또는" 을 의미한다. 여기에서 사용되는 "및/또는" 은 하나 이상의 관련된 리스트 항목 중 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다. 또한, "구성한다" 또는 "포함한다" 는 용어가 상세한 설명에 사용되는 경우, 해당하는 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 부품의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 부품 및/또는 그룹의 존재나 부가를 배제하지 않는다는 점을 이해하여야 할 것이다. "또는 이들의 조합" 이라는 용어는 전술한 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 의미한다.

달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 용어 (기술 및 과학 용어를 포함)는 본 개시에 해당하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 여기에서 명백하게 달리 정의되지 않는 한, 공통적으로 사용되는 사전에서 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시에서 나타내는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 이상적으로 또는 지나치게 형식적으로 해석되어서는 안된다.

본 명세서 전체에 걸쳐서 공보가 인용된 경우, 이들 공보의 개시 내용은 본 발명이 속하는 기술 수준을 보다 완전하게 기술할 수 있도록 본 출원에서의 인용에 의해 전체로서 결합될 것이다.

우선 도 1을 참조하면, 저온 분사 노즐 조립체 (10)는 관련된 미국 출원 제 12/959,523 호의 다양한 실시예에서 도시되어 있다. 저온 분사 노즐 조립체 (10)는 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 기판에 입자 (17)를 코팅하는데 사용될 수 있다.

조립체 (10)는 실질적으로 직선에 해당하는 종축 (longitudinal axis) (X)을 가지는 노즐 (5)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시 된 바와 같이, 노즐 (5)은 축 (X)에 평행하게 연장되는 내부 통로 (22)를 형성할 수 있다. 또한, 내부 통로 (22)는 노즐 입구 (22a) 와 여기에 대향하는 단부의 노즐 출구 (22c) 를 포함할 수 있다 (도 2). 도 2에 도시 된 바와 같이, 내부 통로 (22)는 노즐 입구 (22a)에 인접한 수축 영역 (21) 및 노즐 출구 (22c)에 인접한 확산 영역 (23)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 수렴 영역 (21) 및 확산 영역 (23)은 점진적인 테이퍼 형상으로 이루어질 수 있다. 수축 영역 (21)은 입구 (22a)에서 멀어지면서 좁아지고, 확산 영역 (23)은 출구 (22c) 방향으로 가면서 넓어진다. 수축 영역 (21)은 확산 영역 (23)에 연결되어 목 (throat) (22b)을 형성한다 (도 2). 후술하는 바와 같이, 입자 (17)는 내부 통로 (22)를 통해서 흐르게 되는데, 수축 영역 (21) 및 확산 영역 (23)은 통로 (22)의 내부에 입자가 흐르는 적절한 범위를 보장함으로써, 입자 (17)는 기판 (도시되지 않음)을 코팅하기에 충분한 속도로 이동하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 노즐 (5)은 실질적으로 직사각형의 모양일 수 있다. 보다 구체적으로, 내부 통로 (22) (도 2)는 실질적으로 축 (X)에 수직인 직사각형의 단면을 가질 수 있다. 전체 내부 통로 (22)는 통로 (22)의 전체 축 (X)을 따라 직사각형의 단면과 실질적으로 유사할 수 있지만; 수축 영역 (21) 및 확산 영역 (23) 이 점진적인 테이퍼 형상으로 이루어짐으로써, 이러한 단면의 면적은 축 (X)을 따라 가변될 수 있음은 자명할 것이다. 또한, 내부 통로 (22) 및 출구 (22c)는 정사각형 모양을 포함하여, 임의의 적절한 비-원형 모양을 선택적으로 가질 수 있을 것이다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐 (5)은 하나 이상의 입자 공급 주입구 (13a, 13b)를 포함할 수 있다. 노즐 (5)은 임의의 개수의 주입구 (13a, 13b)를 포함할 수 있으며, 주입구 (13a, 13b)는 임의의 적절한 위치에 선택적으로 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바람직한 실시예에서는 축 (X)에 대향하는 양쪽 측면에 두 개의 주입구 (13a, 13b)가 대칭되게 배치되어 있다. 입자 공급 주입구 (28a, 28b) (도 2)는 각각 축 (X)을 가로질러서 연장될 수 있다. 예를 들어, 입자 공급 주입구 (28a, 28b)는 각각 축 (X)에 대해 양의 예각을 가지며, 일반적으로는 출구 (22c) 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 조립체 (10)는 입자 공급 부재 (도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 입자 공급 부재는 주입구 (28a, 28b)를 통해 노즐 (5)의 내부 통로 (22)와 (유체) 연동이 될 수 있다. 예를 들어, 입자 공급 부재는 각각 주입구 (28a, 28b)에 수용되어 작동될 수 있도록 결합되는 하나 이상의 튜브를 포함할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 입자 (17)는 공급 부재로부터 공급되어 주입구 (28a, 28b)와 내부 통로 (22)를 통해서, 노즐 출구 (22c)로부터 기판 방향으로 배출되어 코팅이 이루어질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 조립체 (10)는 기체 공급 부재 (14)를 포함할 수 있다. 기체 공급 부재 (14)는 기체 공급원 (도면에 도시되지 않음)과 유체 연동이 될 수 있다. 기체 공급원은 노즐 (5)의 내부 통로 (22)를 가압할 수 있도록 임의의 적절한 기체를 공급할 수 있다. 또한, 조립체 (10)는 레이저 공급원 (16)을 포함할 수 있다. 레이저 공급원 (16)은 공지된 다이오드 레이저와 같이, 임의의 적절한 유형으로 이루어질 수 있다. 레이저 공급원 (16)은 광섬유 케이블 (15) 및 적어도 하나 이상의 (예를 들어, 도시된 것과 같이 3개) 광학 요소 (25a, 25b, 25c) (도 2)를 선택적으로 포함할 수 있다. 레이저 공급원 (16)은 축 (X)과 실질적으로 동일한 축 방향을 가지도록, 압력 튜브 (11)의 제 1 분기 (18)에 결합되어 동작될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 레이저 공급원 (16)은 레이저 빔 (29) (도 2)이 노즐 (5)의 내부 통로 (22)의 입구 (22a)를 통해 전달되고, 출구 (22c)를 통해 노즐 (5) 밖으로 배출되어 기판을 향하도록 방출할 수 있다. 레이저 빔 (29)이 X 축의 내부 또는 외부 방향으로 어느 정도의 확산되는 것이 선택적으로 요구될 수도 있지만, 레이저 빔 (29)은 기판을 향하여 축 (X) 에 실질적으로 평행한 축 방향으로 향하게 될 것이다. 레이저 빔 (29)은 입자의 녹는점 이하로 입자를 가열하게 될 것이다. 일부 실시예에서, 레이저 빔 (29)은 확산 영역 (23) 내부의 다운스트림에서만 입자의 녹는점 이하로 입자를 가열하게 될 것이다.

추가적으로, 조립체 (10)는 프로세스 컨트롤러 (도면에 도시되지 않음)뿐만 아니라 조작 장치 (handling device)를 더 포함할 수 있다. 조작 장치는 로봇 조작 장치와 같이, 임의의 적합한 유형이 될 수 있다. 컨트롤러는 프로그램 가능한 컴퓨터와 같이, 임의의 적합한 유형이 될 수 있다. 컨트롤러는 레이저 공급원, 조작 장치, 기체 공급원, 및 입자 공급원의 동작을 위해서 이들과 각각 연결될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 압력 튜브 (11) 내부의 압력과 온도에 관한 피드백을 수신하기 위해서, 압력 튜브 (11)와 선택적으로 연동될 수 있다.

이제, 여기에 개시된 저온 분사 노즐의 선택적인 동작 모드에 주목해 보기로 하자. 컨트롤러는 조작 장치를 사용함으로써, 조립체 (10)를 기판에 대해서 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 컨트롤러는 레이저 공급원 (16)이 동작하기 이전 및 동작하는 동안에, 기체가 내부 통로 (22)를 통해서 기판에 공급되도록 기체 공급 부재를 제어할 수 있다. 레이저 공급원 (16)이 동작하기 시작한 후에, 컨트롤러는 입자가 공급되도록 입자 공급 부재를 제어할 수 있다. 입자 (17)는 기체에 의해 내부 통로 (22) 내에서 임계 속도 이상으로 가속되고, 기판을 향해서 나아가게 된다. 일부 실시예에서, 입자 공급 부재는 입자 (17)가 기체 공급 부재로부터 공급된 기체 내에 유입되고, 확산 영역 (23) 내에서 가속되며, 노즐 출구를 거쳐 노즐 조립체로부터 기판 방향으로 배출되어 기판을 코팅할 수 있도록, 확산 영역 (23)에 직접 입자 (17)를 공급할 수 있다. 레이저 빔 (29)의 에너지는 입자 (17) 기판 방향으로 향하는 동안 가열할 수 있다. 입자 (17)는 가열되기 때문에, 입자 (17)가 기판에 충돌할 때 보다 쉽게 소성 변형을 일으킬 수 있다. 또한, 레이저 빔 (29)의 에너지는 입자 (17)가 기판을 향해 방출됨에 따라 기판을 계속해서 가열할 수 있다. 따라서, 기판은 보다 쉽게 소성 변형을 일으킬 수 있다. 조작 장치는 조립체 (10)를 연속적으로 이동시킴으로써, 미리 정해진 영역에 대해 기판을 입자 (17)로 균일하게 코팅할 수 있다. 상술한 동작 모드는 단순한 예시일 뿐이며, 제한적으로 해석되어서는 안될 것이다.

관련된 미국출원 제 12/959,523 호의 개시 내용은 실질적으로 직사각형인 노즐의 기하학적 구조, 측면의 입자 주입 모드, 및 동축 레이저 커플링을 포함함으로써, 종래 기술과 비교하여 예상치 못한 효과 및 장점을 가진다는 점에 주목할 만하다. 내부 통로 (22) (도 2)의 단면이 실질적으로 직사각형이고, 내부 통로 (22)의 확산 영역에서 입자가 단축 평면 (28a, 28b)을 따라 적절한 위치에서 주입되기 때문에, 입자 (17)는 내부 통로 (22)를 따라 보다 균일하게 분포될 수 있고, 그로 인해 입자의 속도가 보다 균일하게 되기 때문에, 종래의 시스템과 비교해서 기판에 상당한 두께를 형성할 수 있다 (특히, 도 9 참조). 균일한 입자 속도의 중요성은 임계 속도와 관련해서 인식되어야 한다. 저온 분사의 응용분야에 있어서, 효과적인 증착을 위해서는 입자가 임계 속도에 도달하여야 한다는 것은 잘 알려져 있다. 임계 속도 미만의 속도를 가지는 입자는 금속가공학적으로 목표에 결합되지 않는 반면에, 임계 속도보다 훨씬 높은 입자 속도는 추가적인 효과를 없으면서 보다 많은 에너지를 소모하게 된다. 관련된 미국출원 제 12/959,523 호에서는 노즐 출구를 통한 균일한 입자 분포와 낮은 표준 편차를 가지는 균일한 입자 속도에 대한 최상의 조합을 개시하고 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, "내부 통로를 통해 전달되는 레이저 빔을 방출하는 레이저"를 이용함으로써, 발열원으로서의 기체 공급과 무관하게 노즐 내의 입자에 추가적인 열 에너지를 제공한다. 또한, 개시된 레이저 커플링 방법은 점진적인 내부 반사로 인한 노즐의 내부 통로를 모방하는 레이저 빔 형상을 개발하도록 한다. 효과적인 에너지 전달은 노즐의 확산 영역에서의 균일한 입자 분포 및 빔 형상을 조절함으로써 발생하며, 레이저 빔과 입자 사이에 상호 작용이 일어날 수 있는 최대한의 기회를 제공하게 된다. 따라서, 마감 부분 (finished part)은 심미적인 즐거움을 증가시킬 수 있고, 다른 부분과 보다 잘 어울릴 수 있으며, 동일 위치에서의 어닐링(in-situ annealing)에 의해 보다 우수한 특성을 가질 수 있다. 또한, 특정한 조합은 선행 기술에 의해 달성될 수 없는 개선된 성능을 제공한다.

위에서 언급된 관련 미국출원 제 12/959,523 호에서는 노즐 출구의 단면을 모방함으로써, (i) 입자 흐름이 목표를 향해 방출될 때 균일한 입자 분포 형상을 개선하고, (ii) 점진적 내부 반사로 인해 직사각형 노즐의 내부 통로를 모방하는 레이저 빔 형상을 개선하며, (iii) 균일한 흡수를 위해서 레이저 빔에 입자를 균일하게 노출하고, (iv) 레이저 빔이 공급원에 후방 반사됨으로써 레이저 광학 소자를 손상되지 않도록 하며, (v) 노즐을 통해 방출되는 잔여 레이저 빔을 통해 코팅되는 재료를 균일하게 처리하는 내용을 개시하고 있지만, 저온 분사 공정에 보다 효과적일 수 있는 몇 가지 해결되지 않은 문제가 남아 있다. 일부 계속 출원에 따른 내용에서는 아래에서 논의하는 바와 같이 미해결된 적어도 일부의 문제를 개시할 것이다.

도 3을 참조하면, 브레이크 로터 (30)는 상술한 저온 분사 노즐 조립체 (10)에 의해 코팅될 수 있다. 코팅은 브레이크 표면 (31)에만 적용될 필요가 있음을 알 수 있다. 로봇과 같은 조작 장치 (도면에 도시되지 않음)를 이용해서 복잡하고 오랜 시간 동안의 래스터 패턴을 따라, 저온 분사 노즐 조립체 (10)를 브레이크 표면 (31)을 따라 이동시킴으로써, 전체 브레이크 표면 (31)을 선택적으로 코팅할 수도 있는데, 이를 통해 원하지 않는 영역 (38)을 코팅하지 않고도 균일한 코팅 두께를 확보할 수 있을 것이다. 이에 반해서, 로터의 회전 운동과 노즐 조립체의 단계적인 축 방향 운동(radial motion)을 조합함으로써 보다 간단하면서 시간 소모를 줄일 수도 있을 것이다. 코팅 두께가 일정한 경우, 코팅 영역 (32, 34 및 36)의 질량은 크게 변동될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 노즐은 한 번에 작은 트랙만을 코팅할 수 있기 때문에, 코팅 두께를 일정하게 유지하면서 축 방향을 따라 단계적으로 이동함에 따라 일정한 트랙에서 노즐의 유효 체류 시간은 크게 변동될 것이다. 또한, 연속적인 트랙 사이에 불규칙성이 존재할 수 있으므로, 한 번의 경로를 통해서 원하는 코팅 두께가 달성되지는 않을 수도 있다. 저온 분사에서는 코팅이 계속됨에 따라 잠재적인 불규칙성/결함이 계속 증가한다. 요약하면, 대상 (30)의 균일한 코팅을 위해서는 광범위한 공정 최적화가 필요하지만, 코팅에 의한 결함 및 상당한 양의 마감 공정(finish machining)을 피할 수는 없다. 특히 이러한 대면적을 코팅하는 경우에는 결함이 증가함으로써 문제가 된다.

도 4를 참조하면, 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 전체 기판 (46)에 대하여 입자 (45)를 균일하게 코팅할 수 있는 멀티 노즐 저온 분사 장치 (40)가 개시된다. 그러나, 선택적으로 입자 (45) 흐름의 폭은 기판 (46)의 폭을 동일하게 할 수 있지만, 균일한 코팅을 보장하기에 충분하지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 그 밖에 중요한 입자 흐름의 특성이 균일한 코팅을 보장하기 위해 필요한데, 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다. 또한, 조작 장치 (예를 들어, 로봇)를 이용하여 장치 (40)를 기판 (46)을 길이 방향으로 횡단함으로써, 입자 (45)의 흐름이 향하는 전체 기판을 코팅할 수 있다. 또는 선택적으로, 장치 (40)를 정지시킨 상태로 코팅하기 위해서 기판 (46)을 횡단시킬 수도 있다.

도 4에 도시된 저온 분사 장치 (40)의 일실시예는 실질적으로 직선 에 해당하는 종축 (X)과 다수의 내부 통로를 더 구비하는 노즐 조립체 (44)를 포함한다. 내부 통로의 개수는 2 개 이상이 될 수 있으며, 필요한 코팅의 폭과 내부 통로의 기하학적 특성에 따라 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 또는 그 보다 많을 수 있다. 또한, 이러한 내부 통로의 기하학적 특성은 넓은 범위에서 바람직한 실시예 (22) (도 2)와 유사하다. 또한, 장치 (40)는 압력 챔버 (42)와 동작 가능하게 연결된 기체 공급 부재 (48), 노즐 조립체 (44)의 내부 통로와 동작 가능하게 연결된 복수의 입자 공급 부재 (43a 내지 43f)를 포함할 수 있다. 축 (X) 을 가로지르는 위치에 따라, 장치 (40)의 단면 (도 5a)은 도 5b 내지 도 5에서 달라진다. 압력 챔버 (42)에 인접한 단면 (57)에서는 5 개의 테이퍼 형상의 주입구 (58a, 58b, 58c, 58d 및 58e 가 보여진다. 또한, 단면 (55)은 5개의 통로 (56a, 56b, 56c, 56d, 및 56e)를 포함하는데, 단면 (57)에 나타난 주입구보다 상당히 작게 보여진다. 또한, 내부 통로 (54a, 54b, 54c, 54d 및 56e)의 단면적은 단면 (53)에서 보는 바와 같이 출구 (49)의 방향에서 점진적으로 증가하게 된다. 또한, 노즐 출구 (49)에 인접한 부분에서는, 위에서 예시된 모든 통로가 합쳐져서 실질적으로 하나의 큰 통로 (52)만 존재한다.

노즐 조립체 (44)의 보다 세부 사항이 도 6에 도시되어 있는데, 멀티 노즐 장치 (40)의 대칭 평면을 따라 절취된 단면도 (60)를 나타내고 있다. 내부 통로 (64a, 64b, 64c, 64d 및 64e)는 축 (X)에 실질적으로 평행하게 연장된다. 이들 통로는 선택적으로 유사할 수 있지만(꼭 동일하지는 않지만), 여기에 도시된 바람직한 실시예에서는 선택적으로 동일하게 유지된다. 이러한 관점에서, 아래에서는 오직 하나의 통로 (64a)에 대해서만 보다 상세하게 논의될 것이며, 그 밖의 모든 통로 (64b, 64c, 64d 및 64e)는 유사한 특성을 갖는 것으로 이해된다. 내부 통로 (64a)는 노즐 입구 (62a) 및 이와 대향하는 종단에 노즐 출구 (66a)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 통로 (64a)는 노즐 입구 (62a)에 인접한 수축 영역 (72a) 및 노즐 출구 (66a)에 인접한 확산 영역 (75a)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 수축 영역 (72a) 및 확산 영역 (75a)은 모두 점진적인 테이퍼 형태로 이루어질 수 있다. 수축 영역 (72a)은 입구 (62a)로부터 멀어지는 방향으로 좁아지고, 확산 영역 (75a)은 출구 (66a)를 향하여 넓어진다. 수축 영역 (62a)은 확산 영역 (75a)에 연결되어 목(throat) (73a)를 형성한다 (도 7). 입자는 내부 통로 (64a)를 통해 흐르는데, 수축 영역 (72a) 및 확산 영역 (75a)은 입자가 공통 노즐 출구 (67)에 진입하기 전에 충분한 속도로 움직일 수 있도록 통로 (64a) 내부에 입자가 흐르는 적절한 범위를 보장한다. 각 내부 통로는 공통 압력 챔버 (61)로부터 가속 운반 기체를 수용할 수 있으며, 선택적으로 압력 챔버가 분리될 수 있다.

또한, 각 내부 통로는 복수의 입자 공급 주입구를 포함할 수 있다. 내부 통로는 임의의 수의 주입구를 포함할 수 있으며, 주입구는 임의의 적절한 위치에 선택적으로 배치될 수 있다. 도 7에 도시된 바람직한 실시예에서, 내부 통로 (64a)를 위한 2 개의 주입구 (74a, 74b)가 통로의 대향면에 대칭적으로 배치되어 있다. 입자 공급 주입구 (74a, 74b) (도 7)는 각각 축 (X)을 가로지르는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 입자 공급 주입구 (74a, 74b)는 각각 축 (X)에 대해 양의 예각을 가지며, 일반적으로는 출구 (66a) 방향으로 배치될 수 있다 (도 6). 또한, 조립체 (40)는 입자 공급원 (도면에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 입자 공급원은 입자 공급 부재 (43a 내지 43f)를 통해 노즐의 내부 통로와 (유체) 연동이 될 수 있다. 예를 들어, 입자 공급 부재는 주입구에 수용되어 동작 가능하게 결합되는 하나 이상의 튜브를 포함할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 입자 (45)는 공급원으로부터 주입구 (74a, 74b)와 내부 통로 (64a)를 통해서, 노즐 출구 (66a)로부터 기판 방향으로 배출되어 코팅이 이루어질 수 있다.

또한, 장치 조립체 (40)는 레이저 공급원 (41)을 포함할 수 있다. 레이저 공급원 (41)은 공지된 다이오드 레이저와 같은, 임의의 적절한 형태일 수 있다. 노즐 조립체 (44)의 각 내부 통로는 선택적으로 레이저 빔을 포함할 수 있다. 레이저 공급원 (41)은 선택적으로 광섬유 케이블 (47)을 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바람직한 실시예에서, 섬유 (65)는 공급원 (도면에 도시되지 않음)으로부터 하나의 레이저 빔을 수용하되, 반투명 거울 조립체 (68a)를 통해 선택적으로 복수의 레이저 빔으로 분할할 수 있다. 반투명 거울 조립체는 각 거울을 통해서 레이저 빔의 원하는 부분을 전달하며, 나머지 부분을 축 (X)의 실질적으로 평행한 방향으로 반사시킬 수 있는 임의의 공지된 유형일 수 있다. 결국, 레이저 빔의 반사된 각 부분은 하나 이상의 (예를 들어, 여기에서는 2개가 도시됨) 광학 요소 (예를 들어, 렌즈) 조립체 (68b, 68c) (도 6)를 통해 전파될 수 있다. 레이저 공급원 (41)은 모든 레이저 빔이 축 (X)과 실질적으로 같은 방향을 유지하도록 압력 챔버 (42)의 제 1 분 분기 (69) (도 6)에 동작 가능하도록 결합될 수 있다. 레이저 빔이 전파되는 세부 사항에 대해서는 아래에서 후술할 것이다.

도 8을 참조하면, 장치 조립체 (80)의 각 내부 통로는 출구 (83)로부터 떨어진 지점 (85)에서 선택적으로 종료된다. 편의상, 내부 통로 (81, 확산 영역)의 목(throat)과 종료 지점 (85) 사이의 거리를 ML 로 정의하고, 내부 통로 (81)의 목(throat)과 출구 (83) 사이의 거리를 DL 로 정의한다. 각 내부 통로의 확산 각도는 축 (X) 방향에 대해 내부 통로가 점진적인 테이퍼 형상을 유지할 수 있도록 일정하게 유지하지만, 각 내부 통로에서 돌출된 출구 폭 (82)은 DL에 따라 달라지게 될 것이다. 또한, 장치 조립체 (80)의 전체 최대 개구 폭 (87)은 모든 채널의 돌출된 출구 폭 (82)의 합계가 될 것이다. 또한, 노즐 중첩은 [(DL-ML)/DL]*100으로 정의된다. ML이 DL과 같은 경우는, 예를 들어 각 내부 통로가 출구 (83)에서 종료되어 결과적으로 중첩률이 0%가 될 것이다. 각 내부 통로 사이의 벽은 제한된 치수(dimension)를 가지므로, 따라서 노즐 조립체가 0%의 중첩률을 가지도록 구성하는 것은 실질적으로 어렵다고 할 것이다. 예를 들어, 복수의 각 노즐 조립체 (10) (도 1)가 물리적으로 함께 결합되면, ML이 DL보다 크게 되어 네거티브 중첩을 발생할 것이다. 도 8에 도시된 바람직한 실시예에서, 중첩률은 선택적으로 0.5% 내지 50% 일 수 있다. 입자 특성에 대한 중첩과 그로 인한 코팅의 영향은 아래에서 보다 상세하게 논의될 것이다.

본 발명에서 개시된 사항의 특정한 효과를 설명하기 위해서, 상이한 중첩 확률에 대한 유체 시뮬레이션을 아래에 제시한다. 시뮬레이션은 유체 시뮬레이션 소프트웨어 Fluent 16.0을 사용하여 수행하였다. 각 시뮬레이션의 경우에서, 기체 압력-500psi, 기체 온도-600 ℃, 분말 공급 속도-내부 통로마다 분당 30g, 입자 크기-15㎛, 재료-강재, DL-10.9 inch, 및 확산 각도 (82)-1.905도의 조건 (각 공정에서 일반적으로 사용됨)으로 진행하였다. 또한, 유체 시뮬레이션을 위해서, 압력 속도와 밀도 및 운동량에 대한 고속 이산화 처리를 사용하는 Reynolds Stress Model 을 채택하였다. 또한, 확률 추적 (Random walk model)을 이용한 DPM의 입자 주입 기법이 채택되었다. 또한, 관련 미국출원 제 12/959,523 호의 개시 내용에서는 종래 기술과 비교해서 예상치 못한 효과 및 장점을 가져오는 실질적인 직사각형의 내부 통로, 거울 축 평면에 따른 측면 입자 주입, 및 동축 레이저 커플링을 시뮬레이션에 포함하였다.

도 9를 참조하면, 서로 다른 중첩 확률에 대해서 노즐 조립체 출구 (83) (도 8)로부터 10mm 떨어진 목표 기판에 대한 입자 충돌 지도 (90)가 개시된다. 또한, 해당하는 입자 속도의 크기는 그레이 스케일 (97)에 따라 지도에 중첩되며; 그늘이 밝을 수록 속도가 빠르고 그늘이 어두울 수록 속도가 느리다는 것을 나타낸다. 단순히 복수 (여기에서는 5 개)의 노즐 (10)을 인접시켜서 20% 가 중첩되는 경우를 살펴보면, 입자 분포 지도에서 상당한 간격 (92)이 관찰된다. 이러한 간격은 목표의 해당 영역에 코팅이 형성되지 않음을 나타낸다. 해당 영역에 상당히 균일한 입자 분포를 나타내는 입자 충돌 영역 (91)에 좀 더 주의를 기울여 보자. 또한, 각 패치 (91)의 가장자리를 제외하고, 지도에서 그늘이 밝을 수록 상당한 수의 입자가 균일한 고속에 도달했다는 것을 나타낸다 (91). 저온 분사 개발자 모임은 최대 증착 효율을 위한 최대의 입자 개수와 관련하여, (입자가 목표에서 부착되는데 필요한 임계 속도 이상)의 균일한 고속에 도달하기 위한 전형적인 노력을 시도해 왔다. 게다가, 축 방향의 주입이 입자의 최대 속도를 가져온다고 믿어져 왔다. 그러나, 당업자는 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 확산 영역에서의 측면 주입을 통해 많은 수의 입자가 고속 및 균일한 분포 형상을 가질 것이라는 기대를 하지는 않았을 것이다. 관련 미국출원 제 12/959,523 호의 개시에는 측면 입자 주입 모드와 함께 실질적으로 직사각형인 내부 통로의 기하학적 구조가 종래의 지식에 반하는 결과를 초래한다는 내용이 포함되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 축 방향 주입은 전체 노즐의 개구를 따라 균일한 입자 속도뿐만 아니라 균일한 분포를 제공하지 못할 수도 있다. 20% 중첩률의 경우에, 코팅되지 않은 영역 (92)에서는 인접한 입자 (어두운 그늘)의 속도가 매우 낮기 때문에 입자가 충돌되지 않는 경우가 더 많아서 목표에 결합되지 않은 것으로 예상된다.

또한, 중첩률이 0%인 경우, 입자 지도가 균일한 커버리지를 나타내지만, 속도가 상당히 낮은 영역 (93)이 존재하고, 이러한 영역에는 코팅이 형성되지 않을 것으로 예상된다. 이는 서로 다른 중첩률에서 최대, 평균, 및 최소 입자 속도를 보여주는 도 10로부터도 지지된다. 여기에서 보는 바와 같이, 최소 입자 속도 (106)에서는 중첩률이 0%이 된다. 또한, 10%가 중첩되는 경우에는 입자의 속도가 상당히 감소하게 되는데(어두운 그늘) 반해, 20%가 중첩되는 경우에는 거의 모든 입자가 균일한 고속을 가지게 된다(밝은 그늘). 또한, 30%가 중첩되는 경우에는, 입자 속도에 의한 특별한 그늘이 관찰되지는 않지만, 입자가 충돌하는 영역의 길이는 실질적으로 감소하게 된다. 입자가 충돌하는 영역의 길이의 중요성은, 충돌 입자가 필요한 임계 속도와 균일한 분포를 가지는 경우에, 그 길이가 길수록 장치 (40)를 한 번 횡단함으로써 코팅되는 목표 영역이 커진다는 점에 있다 (도 4). 따라서, 한 곳 이상에서 중첩이 발생하는 경우에는 어떠한 장점도 제공하지 못하는 반면에, 원하지 않는 두께 및 좁은 폭으로 코팅이 될 수 있다. 최적의 중첩률에 대한 또 다른 관점은 도 11에 도시된 입자 속도 분포 지도로부터 얻을 수 있다. 예상하는 바와 같이, 최상의 코팅 결과를 위해서 모든 입자는 증착되는 물질의 임계 속도보다 높은 속도를 얻는 것이 바람직하다. 그러나, 모든 입자를 임계 속도 이상의 속도로 가속시키는 것은 사실상 어렵다. 다시 말해서, 일정한 저온 분사 노즐에서 임계 속도를 도달하지 못하는 입자는 항상 존재하게 되지만, 임계 속도 이상의 속도로 입자를 최대한 공급하는 것이 언제나 설계의 목표가 된다. 또한, 이러한 입자들이 균일한 코팅이 이루어질 수 있도록 입자 흐름을 통해 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이를 배경으로 도 11을 참조하면, 20%의 중첩률에서, 상당한 수의 입자가 임계 속도 (112)보다 큰 속도에 도달하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 두 개의 입자 흐름 사이의 영역에는 (114) 입자가 존재하지 않아서 해당 영역에 코팅이 형성되지 않는다는 것도 분명하다. 또한, 0%의 중첩률에서, 임계 속도 (112) 이상의 속도에 도달하는 입자가 상당수 존재하지만, 두 개의 입자 흐름 사이의 영역 (115) 은 입자가 보이지만, 원하는 임계 속도 (112) 이하의 속도를 가진다. 결국, 이러한 영역 (115) 에는 코팅이 형성되지 않게 된다. 이에 반해, 10%의 중첩률에서, 두 개의 입자 흐름 사이의 영역 (116)에 있는 많은 입자들이 임계 속도 (112) 이상의 속도에 도달해서 해당 영역에 코팅을 형성하게 될 것이다. 중첩률이 20%까지 증가하는 경우, 임계 속도 (112) 이상의 속도에 도달하는 입자의 수는 해당 영역 (117)에서 상당히 증가하였으며, 입자 흐름에 의해 전반적으로 양호한 코팅이 이루어질 것이다. 또한, 30% 중첩률의 경우, 입자 흐름의 폭이 수축하였지만, 해당 영역 (118)에서 임계 속도 이상의 속도에 도달하는 입자의 수는 더 이상 증가하지 않는 것으로 보인다. 따라서, 30%의 중첩률에서 더 이상 추가적인 장점은 기대할 수 없는 반면에, 코팅 폭을 줄어드는 측면에서 불리할 수 있다. 따라서, 바람직한 중첩률은 10% 내지 30% 사이에서 선택될 수 있지만, 재료의 임계 속도에 따라 더 낮아질 수 있다. 예를 들어, 임계 속도가 112 보다 실질적으로 낮은 재료의 경우에, 10%의 중첩률로도 영역 (115)에 충분한 수의 양호한 입자를 형성할 수 있을 것이다.

도 12를 참조하면, 레이저 공급원 (41)은 노즐 (44) 내부 통로 (64a) 의 입구 (62a) (도 6) 와 출구 (66a)를 통해서 내부 통로 (64a)로부터 기판 방향으로 레이저 빔 (124a) 이 전달되도록 공급할 수 있다. X 축의 내측 또는 외측 방향으로 어느 정도 빔 (124a)이 확산되는 것이 선택적으로 바람직할 수는 있겠지만, 레이저 빔 (124a)은 기판을 향해 축 (X) 에 실질적으로 평행하고 동일하게 진행할 수 있다. 레이저 흡수는 일련의 시각화 과정에 해당한다. 중앙의 레이저 빔 (124a)이 내부 통로를 통과하기 위해서는 내부 통로의 목 (throat) (63a) (도 6) 또는 그 주위에서 최소 수치(dimension)에 도달하여야 하는데, 이는 목 (throat) 근처에서 최대 전력 밀도 (총 전력/빔의 단면적)에 도달하는 것을 의미한다. 업계에서 통상적으로 행해지는 바와 같이 입자가 목 (throat) (63a)를 통해 축 방향으로 주입되는 경우, 입자 흐름도 레이저 빔과 동시에 목 (throat)을 통과하여야 한다. 이는 결과적으로 입자가 목 (throat)에서 레이저 빔의 주요 부분을 차단함으로써, 후방 반사, 빔 왜곡 및 불균일한 흡수를 초래하게 된다. 후방 반사는 광학 소자 (121a, 122a, 123a)를 손상시킬 수 있다. 본 발명에서 목 (throat) (예를 들어, 확산 영역에서) 을 넘어 74a, 74b (도 7)를 통해 측면으로 주입하는 구조는 레이저 빔이 초점을 지나 내부 통로의 확산 영역에서 입자와 상호 작용을 하도록 한다. 내부 통로의 확산 영역 내에서 레이저 빔의 산란되는 부분은 목 (throat) (63a)을 통해 광학 소자로 역주행 하지는 않을 것이다. 또한, 실질적으로 직사각형의 단면뿐만 아니라 목 (throat) 너머에서 내부 통로의 점진적인 확산으로 인해, 전방 산란 및 다중 내부 반사가 촉진되어 내부 통로를 모방하는 레이저 빔 형상 (125a)을 유도하게 된다. 그 결과: (a) 입자가 레이저 빔에 균일하게 노출됨으로써 균일한 흡수가 이루어지고, (b) 레이저 광학 소자에 손상을 일으킬 수 있는 공급원에 대한 레이저 빔의 후방 반사가 없게 된다. 가우시안 세기 분포(Gaussian intensity distribution)를 가지는 원형의 빔 단면을 모자 모양의 분포(top hat distribution)를 가지는 직사각형 형상으로 변환하는 것은, 입자 주입 구조, 노즐 모양, 및 노즐에 대한 레이저 커플링에 대한 특정 조합으로 얻어진다. 도 12에 도시된 바람직한 실시예 (120)에서 그 밖의 모든 내부 통로를 통해 전달되는 그 밖의 모든 레이저 빔에 대해서도 동일한 효과가 발생될 수 있다. 공통 노즐 출구 (67) (도 6)는 각 내부 통로와 마찬가지로 실질적인 직사각형 모양으로 생각될 수 있을 것이다. 출구 (66a)를 통해 각 내부 통로로부터 방출되는 변조된 모든 레이저 빔은 추가적인 산란과 변조를 통해 공통 노즐 출구 (67)의 단면 형상과 유사한 단일 빔 (126)으로 형성될 수 있으며, 이로써 노즐 출구 (49) (도 4)로부터 방출되는 잔여 레이저 빔에 의해 재료에 대한 균일한 코팅 처리가 가능하게 된다.

도 13을 참조하면, 실시예 (130)는 브레이크 로터의 양쪽 브레이크 표면을 동시에 코팅하는데 이용될 수 있다. 여기에서는 2개의 멀티 노즐 저온 분사 장치 (134a, 134b)를 포함한다. 모터 (138)를 이용해서 브레이크 로터를 회전하는 동시에 전체 표면 (152)을 코팅 (136)하도록 장치 (134b)는 특정 위치에 고정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 코팅 질량은 축 방향을 따라 상당히 변하게 될 것이다. 따라서, 주입된 입자의 질량은 내부 채널에서 장치 (134b)의 가장 외곽 채널 방향으로 점진적으로 변경될 수 있다. 또한, 각 채널을 통과하는 빔의 파워는 코팅의 단위 질량에 대해 동일한 열 에너지가 제공되도록 점진적으로 변경될 수 있다. 이는 레이저 공급원 (41) (도 12)에 적절한 광학 요소를 사용함으로써 달성 될 수 있다. 따라서, 래스터 마크 및 이와 관련된 결함이 없이 균일한 코팅을 신속하게 진행할 수 있다.

멀티 노즐 저온 분사 장치 (40)가 래스터 패턴 및 관련된 결함이 없이 대면적을 코팅할 수는 있지만, 단일 노즐 (10)을 통해 얻을 수 있는 것과 유사한 코팅을 진행하는 경우에도 사용될 수 있다. 도 14는 장치 (40)가 서로 다른 모드로 동작하는 경우에, 입자 분포 지도의 시뮬레이션 결과와 그에 따른 입자 속도 분포 지도를 보여주고 있다. 이러한 시뮬레이션에서는 10%의 중첩률이 고려되었다. 입자 분포 지도 (145)는 입자 및 운반 기체가 하나의 내부 통로에만 주입되는 경우에 대해 얻어진 결과로서, 하나의 단일 노즐 (10)을 동작시키는 경우와 동일하다. 내부 통로가 공통 압력 챔버 (71)로부터 운반 기체를 수용하기 때문에, 단일 채널 모드에서 장치를 동작시키기 위해서 사용되지 않는 채널을 통해 운반 기체가 계속해서 전달되는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 선택적으로, 압력 챔버 (71)는 각 내부 통로에 개별적으로 공급될 수 있도록 분리될 수 있다. 도 15를 참조하면, 내부 통로 (64a)는 벽 (152a)에 의해서 인접한 압력 튜브로부터 격리되며, 압력 튜브 (151a)로부터 운반 기체를 선택적으로 수용할 수 있다. 도 15에서는 노즐 조립체 (40)에서 대칭되는 절반 부분 (150)의 단면도 중 하나만 도시되었음을 이해할 것이다. 또한, 압력 튜브 (151a)는 제어 밸브 (153a)를 통해 기체 공급원과 유체 연동이 된다. 따라서, 각 내부 통로 (도 6의 64a, 64b, 64c, 64d 및 64e)는 벽에 의해서 인접하는 압력 튜브와 격리되며, 대응하는 압력 튜브로부터 운반 기체를 선택적으로 수용할 수 있다. 또한, 각 압력 튜브는 대응하는 제어 밸브를 통해 기체 공급원과 유체 연동이 된다. 입자 분포 지도 (144) (도 14)는 입자와 운반 기체가 3 개의 인접한 내부 통로를 통해서만 주입되는 경우에 대한 것이다. 대응하는 입자 속도 분포는 지도 (143 및 142)에 개시된다. 보는 바와 같이, 입자 분포 지도에서 공통 노즐 출구 (67) (도 6)의 영향 (예를 들어, 코팅의 폭)은 중요하지 않다. 5개의 모든 내부 통로에 운반 기체를 공급하되, 인접한 3개의 내부 통로에만 입자를 공급하는 경우에 대한 추가적인 시뮬레이션을 진행하였다. 지도 (141)에서 보는 바와 같이, 임계 속도 (146) 이상의 속도에 도달한 입자의 수는 상당히 증가하였다. 그러나, 입자 분포 지도는 144와 크게 다르지는 않았다. 따라서, 재료 증착 효율은 이러한 모드에서 상당히 증가될 수 있다.

상술한 바와 같이, 축 방향의 주입은 본 개시에서 제시된 측면 주입과 비교해서 고속의 입자 속도를 얻을 수 있을 것으로 여겨진다. 멀티 노즐 저온 분사 장치 (40)에 대한 축 방향 입자 주입이 입자 속도와 분포에 미치는 영향을 설명하기 위해서, 상술한 절차에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 도 16을 참조하면, 목표 입자 분포 지도 (160')는 다수의 입자가 상당히 불균일한 분포를 나타내는 영역 (161) 과 소수의 입자가 존재하는 영역 (162)을 보여준다. 또한, 입자 속도 분포 지도 (162")는 일부의 입자가 임계 속도 (166)보다 상당히 큰 속도 (164)에 도달했지만, 그 비율이 낮음을 보여준다. 또한, 입자의 상당 부분 (163) 이 임계 속도 (166)보다 낮은 속도에 도달했음을 보여준다. 또한, 그래프 (160''')에 의하면, 축 방향의 주입에 의한 최대 입자 속도 (167)가 측면 주입의 경우보다 높았지만, 평균 입자 속도 (168)는 축 방향 주입의 경우가 약간 낮음을 볼 수 있다. 또한, 최대 입자 속도와 최소 입자 속도 사이의 간격(spread)은 축 방향 주입의 경우에 가장 크게 나타났다. 여기에 개시된 바와 같이 멀티 노즐 저온 분사 장치 (40)는 입자 속도에 있어서의 최소 간격 (표준 편차)뿐만 아니라 가장 균일한 입자 분포를 제공함으로써, 코팅 결과에 효과적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 17을 참조하면, 멀티 노즐 저온 분사 장치 (170)는 포물선 형상 (172)을 가지는 공통 노즐 출구 (174)를 포함한다. 모든 내부 통로가 동일하게 유지되는 경우, 중첩 부분은 포물선을 따라 변하게 될 것이다. 속도 특성뿐만 아니라 최적의 입자 분포를 얻기 위해서, 이러한 중첩 부분이 조정될 수 있다. 포물선 표면 (184)을 코팅하기 위해 사용되는 노즐이 도 18에 도시되었다. 따라서, 이러한 장치는 또한 포물선 물체를 형성하는데 사용될 수 있다. 또 다른 멀티 노즐 저온 분사 장치 (190)가 도 19에 도시되어 있는데, 테이퍼 형상의 출구 (192)를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 장치는 중첩 부분이 가변되는데, 양호한 증착을 보장하기 위해서는 최적의 중첩 구조가 선택될 필요가 있다. 도 20은 코팅 질량이 축 방향으로 변하는 원추형 표면 (206)을 코팅하는데 이러한 장치가 사용되는 경우를 도시한 것으로서, 이는 입자 공급을 가변시킴으로써 조정될 수 있다. 또한, 테이퍼 형상의 노즐 출구를 통해 목표 거리를 고정시킬 수 있다. 또한, 장치 (200)는 원추 형상 (204)을 가지는 물체를 형성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 증착 형상을 위해서 여러가지 다양한 형상의 공통 노즐 출구가 사용될 수 있다. 또한, 기판 상부에 다양한 코팅 질량을 형성하기 위해서 원하는 양의 입자를 각 노즐에 공급하는 것을 선택적을 포함할 수 있으며, 이는 원하는 기하학적 형상이나 정형성을 개선하도록 한다.

여러 측면에서 본 발명이 예시되고 기술되었지만, 이러한 측면이 본 발명의 가능한 모든 형태들을 예시하고 기술하는 것은 아니다. 오히려, 본 명세서에서 사용된 용어는 제한이 아닌 설명을 위한 용어이며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

여기에 도시되고 기술된 것뿐만 아니라, 본 발명을 다양하게 변형하는 것은 상술된 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 이러한 변형은 첨부된 청구항의 범위 내에 속한다고 할 것이다.

달리 명시하지 않는 한 당해 분야에 공지된 공급원을 통해 모든 재료(reagents)를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기 실시예에 대한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된 것이다. 이는 본 발명을 빠짐없이 하거나 제한하려는 것이 아니다. 특정 실시예에서의 개별 구성 요소 또는 특징은 일반적으로 그러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 명시적으로 개시되거나 기술되지 않았더라도 적용 가능한 경우에는 상호 교환되거나 임의의 선택된 실시예에 사용될 수 있다. 또한, 동일한 사항이 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 이러한 변형은 본 개시에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며, 그러한 모든 변형은 본 개시의 범위 내에 포함되어야 할 것이다.

Claims (19)

1. 기판에 입자를 코팅하는데 사용되는 저온 분사 장치에 있어서,
   복수의 내부 통로를 가지되, 각 내부 통로는 노즐 입구, 노즐 출구, 수축 영역, 확산 영역, 및 상기 수축 영역과 상기 확산 영역 사이에 목(throat)을 포함하며, 복수의 내부 통로 각각은 노즐 입구에 인접한 수축 영역으로부터 목(throat)을 통해 노즐 출구에 인접한 확산 영역으로 유체 방향을 따라 연장되는 노즐 조립체; - 여기에서, 상기 복수의 내부 통로는 상기 노즐 조립체의 공통 노즐 출구를 공유하고, 상기 노즐 조립체는 상기 복수의 내부 통로 사이에 각각 형성되며 상기 공통 노즐 출구의 길이 방향으로 연장되는 복수의 벽을 포함하며, 상기 각각의 벽은 상기 각 내부 통로의 목(throat)으로부터 상기 각 내부 통로의 종료 지점으로 연장됨, -
   상기 노즐 조립체의 복수의 내부 통로 중 적어도 하나를 통해 흐르며, 상기 복수의 내부 통로 중 적어도 하나의 수축 영역, 목(throat), 및 확산 영역을 통해서 상기 복수의 내부 통로 중 적어도 하나를 통해 가속되도록 상기 노즐 조립체의 복수의 내부 통로 중 적어도 하나에 기체를 공급하는 기체 공급 부재;
   상기 복수의 내부 통로와 직접 연동되며, 상기 기체 공급 부재로부터 공급된 기체의 내부와 상기 공통 노즐 출구를 통해서 상기 노즐 조립체로부터 상기 기판 방향으로 향하도록, 상기 확산 영역으로 상기 입자를 직접 공급함으로써 상기 기판을 코팅하되, 상기 복수의 내부 통로 각각은 상기 내부 통로의 목(throat) 과 상기 내부 통로의 종료 지점 사이의 거리를 ML 로 정의하고, 상기 노즐 조립체는 상기 내부 통로의 목(throat) 과 상기 공통 노즐 출구 사이의 거리를 DL 로 정의하며, 상기 복수의 내부 통로 각각의 종료 지점이 상기 공통 노즐 출구로부터 떨어진 거리를 중첩 부분으로 정의하되, 상기 중첩 부분의 중첩률은 0.5% 이상인 입자 공급 부재; 및,
   공급된 기체를 함유하는 복수의 내부 통로 각각을 통해 전달되도록 레이저 빔을 방출하되, 레이저가 입자의 녹는점 이하로 입자를 가열하고 기판을 가열함으로써 입자를 이용해서 기판의 저온 분사 코팅을 촉진하는 레이저를 포함하는 저온 분사 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 각 수축 영역, 목(throat), 및 확산 영역은 상기 내부 통로의 종축에 대해서 세로방향 및 가로방향으로 교차하는 단면 평면이 직사각형인 저온 분사 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 각 수축 영역은 상기 내부 통로의 종축에 대해서 세로방향 및 가로방향으로 교차하는 단면 평면이 직사각형인 저온 분사 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 각 목(throat)은 상기 내부 통로의 종축에 대해서 세로방향 및 가로방향으로 교차하는 단면 평면이 직사각형인 저온 분사 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 각 발산 영역은 상기 내부 통로의 종축에 대해서 세로방향 및 가로방향으로 교차하는 단면 평면이 직사각형인 저온 분사 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 각 수축 영역과 발산 영역은 상기 내부 통로의 종축에 대해서 세로방향 및 가로방향으로 교차하는 단면 평면이 직사각형이며, 상기 수축 영역은 제 1 방향에서 직사각형이고, 상기 확산 영역은 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향에서 직사각형인 저온 분사 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 내부 통로의 발산 영역은 상기 공통 노즐 출구의 업스트림 위치에서 종료되는 저온 분사 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 공통 노즐 출구의 전체 최대 개구 폭은 상기 복수의 내부 통로에서 모든 노즐 출구의 폭을 합산한 것과 동일한 저온 분사 장치.
   
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 중첩률은 10% 이상인 저온 분사 장치.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 중첩률은 20% 이상인 저온 분사 장치.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 공급 부재는 상기 기체 공급 부재로부터 공급된 기체 내부에 흐르도록 상기 입자를 상기 확산 영역에 직접 공급함으로써, 상기 입자가 상기 확산 영역 내부에서 가속되어 상기 공통 노즐 출구를 통해서 상기 노즐 조립체로부터 상기 기판 방향으로 배출되어 상기 기판이 코팅되도록 하는 저온 분사 장치.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 녹는점 이하로 입자를 가열하는 상기 레이저는 상기 확산 영역의 다운스트림에서만 상기 입자의 녹는점 이하로 입자를 가열하는 레이저로 이루어지는 저온 분사 장치.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 통로는 실질적으로 직선의 종축 방향을 가지며, 상기 레이저 빔은 상기 종축에 평행하며 축 방향으로 전달되어, 상기 공통 노즐 출구로부터 상기 기판 방향을 향하는 저온 분사 장치.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 내부 통로는 노즐 입구를 포함하며, 상기 종축은 상기 노즐 입구와 상기 노즐 출구를 통해 연장되고, 상기 레이저는 상기 노즐 조립체에 동작가능하도록 결합되어 상기 레이저 빔이 상기 노즐 입구를 통해 상기 노즐 조립체로 전달되는 저온 분사 장치.
    
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저와 상기 노즐 조립체 사이에 배치되며, 상기 복수의 내부 통로 중 적어도 하나에 유체 연동이 되는 압력 튜브를 더 포함하되, 상기 기체 공급 부재는 상기 기체를 상기 압력 튜브에 공급함으로써, 상기 노즐 조립체의 복수의 내부 통로 중에서 적어도 하나를 통해 상기 공통 노즐 출구의 외부로 흐르도록 하는 저온 분사 장치.
    
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 공급 부재는 상기 입자를 예각으로 상기 복수의 내부 통로에 인가하는 저온 분사 장치.
    
18. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저로부터 상기 노즐 조립체의 복수의 내부 통로로 단일 레이저 빔을 전달하는 하나 이상의 광학 조립체를 더 포함하는 저온 분사 장치.
    
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 조립체의 복수의 내부 경로 중 적어도 하나에 기체를 공급하는 기체 공급 부재는 상기 복수의 내부 통로 중 적어도 하나에 기체를 선택적으로 공급하는 기체 공급 부재로 이루어지는 저온 분사 장치.
    

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