KR102361066B1 - 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말 - Google Patents

대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기를 갖는 분말의 공급이 가능하고, 분말의 응집 현상을 방지할 수 있는 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 노즐로 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 스프레이 건; 상기 플라즈마 스프레이 건의 일측에 부착된 정량 분말 공급부; 및 상기 정량 분말 공급부와 상기 플라즈마 스프레이 건의 노즐을 연결하는 정량 분말 공급관을 포함하는, 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말을 개시한다.

Description

대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말{Atmospheric Plasma Spraying Equipment and Powder for Plasma Spraying}
본 발명의 실시예는 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말에 관한 것이다.
플라즈마 스프레이 코팅 기술은 표면에 요구되는 특정 성질을 갖는 분말을 대기나 진공 분위기에서 플라즈마 열원을 사용하여 용융, 반용융시킨 후 기재 상에 고속으로 분사하여 오버레이 코팅층(overlay coating layer)을 형성시키는 선진적인 표면 개질 방법 중의 하나이다. 소재의 제한성이 없다는 측면에서 스프레이 코팅 기술을 이용한 코팅의 형성은 금속 재료, 세라믹 및 고분자 물질에 이르기까지 다양한 소재를 단독 또는 복합적으로 사용할 수 있으므로 소재에 대한 연구를 통해 보다 개선된 형태의 코팅을 가능하게 한다. 또한 다양한 공정 변수가 존재한다는 측면에서는 공정 변수에 변화를 통해서 미세 조직을 변화시키고 미세 조직에 따른 코팅 특성을 연구하여 최적의 미세 조직을 가지는 공정 변수 제어 기술을 개발하여 소재의 기능성을 극대화할 수 있기 때문에 이에 대한 기초 연구가 선행되어야 하고, 이를 바탕으로 지속적인 응용 연구를 통해서 직접적인 특성 향상이 가능해진다.
한편, 이러한 플라즈마 스프레이 코팅에 사용되는 분말의 크기는 대략 30 ㎛ 이상이며, 코팅층의 기공율은 대략 4% 정도로 형성되어, 막질이 우수하다고 보기는 어렵다. 즉, 분말의 크기가 대략 20 ㎛ 정도일 경우 코팅층의 기공율이 1%~3% 정도 되고 막질이 우수해지는 것으로 알려져 있으나, 현재의 플라즈마 스프레이 장치는 30 ㎛ 보다 작은 크기의 분말을 공급하기 어렵다. 즉, 분말 공급부에서 플라즈마 스프레이 장치(예를 들면, 플라즈마 스프레이 건)까지의 거리가 비교적 멀어서 분말의 이송중 분말이 이송관에 퇴적되거나 이송중 응집되기 때문이다. 특히, 분말의 크기가 대략 10 ㎛보다 작을 경우 이송중 응집 현상이 매우 심하여, 분말 공급이 거의 불가능하다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 평균입도 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기를 갖는 분말의 공급이 가능하고, 분말의 응집 현상을 방지할 수 있으며, 치밀한 코팅층의 형성이 가능한 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치는 노즐로 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 스프레이 건; 상기 플라즈마 스프레이 건의 일측에 부착된 정량 분말 공급부; 및 상기 정량 분말 공급부와 상기 플라즈마 스프레이 건의 노즐을 연결하는 정량 분말 공급관을 포함할 수 있다.
상기 정량 분말 공급관의 길이는 1 cm 내지 200 cm일 수 있다.
상기 플라즈마 스프레이 건으로부터 이격된 위치에 상기 정량 분말 공급부에 비정량 분말 공급관으로 연결된 비정량 분말 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 정량 분말 공급부 및 상기 비정량 분말 공급부에 이송 가스 공급관을 통해 연결된 이송 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 정량 분말 공급부에 의한 정량 분말이 부족할 경우 상기 플라즈마 스프레이 건에 의한 코팅 공정이 정지되고 상기 비정량 분말 공급부에 의한 비정량 분말이 상기 정량 분말 공급부에 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 스프레이용 분말은 평균입도 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기를 갖는 세라믹 분말; 및 20 ㎛ 내지 300 ㎛의 크기를 갖는 응집 분쇄용 분말을 포함할 수 있다.
상기 응집 분쇄용 분말은 플라즈마 화염의 온도에서 휘발되어 제거될 수 있다.
상기 응집 분쇄용 분말의 체적분율(volume fraction)은 20% 내지 50%일 수 있다.
상기 응집 분쇄용 분말은 PLA(ploylactic acid), PCL(polycaprolactone), PBAT(polybutylen adipate-co-terephthalate), PBS(polybutylene succinate), PHB(polyhydroxy butyrate), PHA(polyhydroxy alkanoate), 셀룰로스(cellulose), 전분(starch), 리그닌(lignin) 또는 키틴(chitin)을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 분말은 상기 응집 분쇄용 분말 내에 임베디드될 수 있다.
본 발명의 실시예는 대략 평균입도 1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 크기를 갖는 분말의 공급이 가능하고, 분말의 응집 현상을 방지할 수 있으며, 치밀한 코팅층의 형성이 가능한 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말의 개략도이다.
도 5 본 발명의 실시예에 따른 분말을 이용한 대기압 플라즈마 스프레이 장치를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100)를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100)는 플라즈마 스프레이 건(110), 정량 분말 공급부(120), 정량 분말 공급관(130), 비정량 분말 공급부(140), 비정량 분말 공급관(150), 이송 가스 공급부(160) 및 이송 가스 공급관(171,172)을 포함할 수 있다.
플라즈마 스프레이 건(110)은 중앙에 수평 방향으로 설치된 제1전극(111)과, 제1전극(111)의 둘레에 이격되어 대략 수평 방향으로 형성된 제2전극(112)과, 제1,2전극(111,112)의 둘레에 이격되어 대략 수평 방향으로 형성된 플라즈마 가스 공급관(113)과, 플라즈마 가스 공급관(113) 및 제2전극(112)의 둘레에 이격되어 형성된 냉각수 공급관(114)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1전극(111)과 제2전극(112)의 사이에는 고전압을 공급하는 전원 공급부(115)가 연결될 수 있다. 또한, 플라즈마 가스 공급관(113) 및 냉각수 공급관(114)에는 절연부재(116)가 더 개재될 수 있다. 더불어, 제2전극(112)의 단부에 플라즈마 가스가 외측으로 분사되는 노즐(117)이 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 전원 공급부(115)에 의한 고전압이 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 인가되고, 플라즈마 가스가 제1,2전극(111,112) 사이의 틈을 통해 흐르면, 대략 5,000℃ 이상의 플라즈마 가스 화염이 노즐(117)을 통해 분사될 수 있다.
정량 분말 공급부(120)는 플라즈마 스프레이 건(110)의 일측에 부착될 수 있다. 일례로, 정량 분말 공급부(120)는 냉각수 공급관(114)의 상측에 접착제를 통해 직접 접착될 수 있다. 일부 예들에서, 정량 분말 공급부(120)는 세라믹 분말을 정량 보관할 수 있다.
일부 예들에서, 분말은 이트리아(Y2O3), YF, YOF, YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 알루미나(Al2O3), 바이오 글래스, 규소(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite), 이산화티탄(TiO2) 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.
일부 예들에서, 분말은 수산화인회석, 인산칼슘, 바이오 글래스, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 이산화티탄, 지르코니아(ZrO2), 이트리아-지르코니아(YSZ, Yttria stabilized Zirconia), 디스프로시아(Dy2O3), 가돌리니아(Gd2O3), 세리아(CeO2), 가돌리니아-세리아(GDC, Gadolinia doped Ceria), 마그네시아(MgO), 티탄산 바륨(BaTiO3), 니켈 망가네이트(NiMn2O4), 포타슘 소듐 니오베이트(KNaNbO3), 비스무스 포타슘 티타네이트(BiKTiO3), 비스무스 소듐 티타네이트(BiNaTiO3), CoFe2O4, NiFe2O4, BaFe2O4, NiZnFe2O4, ZnFe2O4,MnxCo3-xO4(여기서, x는 3 이하의 양의 실수), 비스무스 페라이트(BiFeO3), 비스무스 징크 니오베이트(Bi1.5Zn1Nb1.5O7), 인산리튬알루미늄티타늄 글래스 세라믹, Li-La-Zr-O계 Garnet 산화물, Li-La-Ti-O계 Perovskite 산화물, La-Ni-O계 산화물, 인산리튬철, 리튬-코발트 산화물, Li-Mn-O계 Spinel 산화물(리튬망간산화물), 인산리튬알루미늄갈륨 산화물, 산화텅스텐, 산화주석, 니켈산란타늄, 란타늄-스트론튬-망간 산화물, 란타늄-스트론튬-철-코발트 산화물, 실리케이트계 형광체, SiAlON계 형광체, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄,AlON, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체, 세라믹과 금속의 혼합체 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.
한편, 이러한 분말의 크기는 대략 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다. 분말의 크기가 대략 20 ㎛보다 클 경우에는 기공율이 대략 4%보다 크고 막질이 불량해질 수 있다. 분말의 크기가 대략 1 ㎛ 작은 것은 가격이 비싸고 실질적으로 구하기 어렵다. 분말의 크기가 대략 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 경우, 기공율이 대략 1~3%인 막질이 우수한 기재(180) 상의 코팅층(181)을 형성할 수 있다.
정량 분말 공급관(130)은 정량 분말 공급부(120)와 플라즈마 스프레이 건(110)의 노즐(117) 사이를 상호간 연결할 수 있다. 일부 예들에서, 정량 분말 공급관(130)은 대략 "ㄱ"자 형태로 절곡될 수 있고, 단부가 노즐(117)의 선단에 이격되어 위치될 수 있다. 여기서, 정량 분말 공급관(130)의 길이는 대략 1 cm 내지 대략 200 cm일 수 있다. 따라서, 정량 분말 공급부(120)에 의한 세라믹 분말(191)이 정량 분말 공급관(130)을 따라 흐르면서 응집할 시간이나 영역을 제공하지 않게 될 수 있다. 즉, 정량 분말 공급관(130)의 길이가 상대적으로 짧음으로써, 세라믹 분말(191)이 상호간 응집되거나 또는 정량 분말 공급관(130)의 내벽에 침착하지 않게 될 수 있다. 여기서, 정량 분말 공급관(130)의 길이가 대략 1 cm보다 작은 것은 구현하기 어렵고, 정량 분말 공급관(130)의 길이가 대략 200 cm보다 클 경우 공급관(130)의 내부에서 분말이 응집되거나 내벽에 분말이 침착될 수 있다. 일부 예들에서, 정량 분말 공급관(130)은 브라켓을 통해 플라즈마 스프레이 건(110)에 고정될 수 있다.
비정량 분말 공급부(140)는 플라즈마 스프레이 건(110)으로부터 이격된 위치에 설치되어 정량 분말 공급부(120)에 분말을 비연속적으로 또는 연속적으로 공급할 수 있다. 일부 예들에서, 비정량 분말 공급부(140)의 용량은 정량 분말 공급부(120)의 용량에 비해 상대적으로 클 수 있다.
비정량 분말 공급관(150)은 비정량 분말 공급부(140)와 정량 분말 공급부(120)를 상호간 연결할 수 있다. 비정량 분말 공급관(150)의 길이는 플라즈마 스프레이 건(110)이 장착된 로봇의 길이나 동작 반경에 따라 다르지만 대략 5 m 내지 대략 10 m일 수 있다. 비정량 분말 공급관(150)에는 분말의 이송 유량을 제어할 수 있는 분말 유량계(151)가 설치될 수 있다.
이송 가스 공급부(160)는 정량 분말 공급부(120) 및/또는 비정량 분말 공급부(140)에 연결되어 이송 가스를 공급할 수 있다. 일부 예들에서, 이송 가스는 공기, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소를 포함할 수 있다.
이송 가스 공급관(171,172)은 이송 가스 공급부(160)를 정량 분말 공급부(120) 및/또는 비정량 분말 공급부(140)에 연결할 수 있다. 일부 예들에서, 이송 가스 공급부(160)와 정량 분말 공급부(120)의 사이에 정량 분말 이송 가스 공급관(171) 및 유량계(173)가 설치될 수 있다. 일부 예들에서, 이송 가스 공급부(160)와 비정량 분말 공급부(140)의 사이에 비정량 분말 이송 가스 공급관(172) 및 유량계(174)가 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100)의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100)의 동작 순서는 비정량 분말 공급부(140)의 동작 단계(S1), 정량 분말 공급부(120)의 동작 단계(S2), 플라즈마 코팅 단계(S3), 정량 분말 공급부(120)의 정량 분말 부족 판단 단계(S4), 플라즈마 코팅 정지 단계(S5), 비정량 분말 공급부(140)의 동작 단계(S6)를 포함할 수 있다.
비정량 분말 공급부(140)의 동작 단계(S1)에서, 비정량 분말 공급부(140) 및 비정량 분말 공급관(150)을 통해 분말이 정량 분말 공급부(120)로 공급될 수 있다. 이를 위해, 비정량 분말 공급관(150)의 유량계(151)가 개방되고, 또한 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(172)에 설치된 유량계(174)가 개방될 수 있다. 더불어, 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(171)에 설치된 유량계(173)는 폐쇄될 수 있다.
일부 예들에서, 비정량 분말 공급부(140)의 용량이 정량 분말 공급부(120)의 용량에 비해 작으므로, 정량 분말 공급부(120)에는 상대적으로 작은 용량의 분말이 공급될 수 있다.
정량 분말 공급부(120)의 동작 단계(S2)에서, 이송 가스 공급부(160) 및 정량 분말 이송 가스 공급관(171)을 통해 이송 가스가 정량 분말 공급부(120)에 공급됨으로써, 정량 분말 공급부(120)에 연결된 정량 분말 공급관(130)을 통해 분말이 플라스마 스프레이 건(110)의 노즐(117)로 공급될 수 있다. 여기서, 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(171)에 설치된 유량계(173)는 개방될 수 있다. 또한, 비정량 분말 공급관(150)의 유량계(151)가 폐쇄되고, 또한 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(172)에 설치된 유량계(174)가 폐쇄될 수 있다.
플라즈마 코팅 단계(S3)에서, 플라즈마 스프레이 건(110)의 제1,2전극(111,112) 사이에 고전압이 인가되고, 제1,2전극(111,112)의 사이로 플라즈마 가스가 공급됨으로써, 노즐(117)을 통해 대략 5,000℃ 내지 30,000℃, 바람직하게는 대략 10,000℃내지 대략 15,000℃의 플라즈마 화염이 제공되고, 또한 이러한 플라즈마 화염에 상술한 정량 분말 공급관(130)을 통해 분말이 공급됨으로써, 스프레이 스트림이 생성되고, 이러한 스프레이 스트림에 의해 기재(180) 상에 소정 두께로 코팅층(181)이 형성될 수 있다.
정량 분말 공급부(120)의 정량 분말 부족 판단 단계(S4)에서, 정량 분말 공급부(120) 내의 분말이 기준치보다 작은지 판단한다. 일부 예들에서, 이러한 판단을 위해 정량 분말 공급부(120)의 내측에 설치된 분말 센서(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 분말 센서는 정량 분말 공급부(120) 내의 분말 밀도를 센싱하는 레이저 센서 또는 정량 분말 공급부(120)의 질량을 센싱하는 질량 센서를 포함할 수 있다. 이러한 판단 단계에서, 정량 분말 공급부(120) 내의 분말이 미리 결정된 기준치보다 작다고 판단될 경우, 다음 단계(S5)가 수행될 수 있다.
플라즈마 코팅 정지 단계(S5)에서, 플라즈마 스프레이 건(110)에 의한 코팅층(181)의 형성이 정지될 수 있다.
비정량 분말 공급부(140)의 동작 단계(S6)에서, 비정량 분말 공급부(140) 및 비정량 분말 공급관(150)을 통해 분말이 정량 분말 공급부(120)에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 이송 가스 공급부(160) 및 비정량 이송 가스 공급관(172)을 통해 이송 가스가 비정량 분말 공급부(140)에 공급됨으로써, 비정량 분말 공급부(140)의 분말이 정량 분말 공급부(120)로 공급될 수 있다.
이를 위해, 비정량 분말 공급관(150)의 유량계(151)가 개방되고, 또한 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(172)에 설치된 유량계(174)가 개방될 수 있다. 더불어, 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(171)에 설치된 유량계(173)는 폐쇄될 수 있다.
일부 예들에서, 비정량 분말 공급부(140)는 플라즈마 코팅 중에도 수행될 수 있다. 즉, 플라즈마 스프레이 건(110)에 의한 코팅층(181)의 형성 중에 이송 가스 공급부(160) 및 이송 가스 공급관(172)을 통해 이송 가스가 비정량 분말 공급부(140)에 공급됨으로써, 비정량 분말 공급부(140)의 분말이 정량 분말 공급부(120)에 공급될 수 있다. 이를 위해, 이송 가스 공급부(160)의 이송 가스 공급관(171)에 설치된 유량계(173)가 개방된 상태에서, 비정량 분말 공급관(150)의 유량계(151)가 개방되고, 또한 이송 가스 공급부(160)에 연결된 이송 가스 공급관(172)에 설치된 유량계(174)가 개방될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 대략 1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 크기를 갖는 분말의 공급이 가능하고, 분말의 응집 현상을 방지할 수 있으며 치밀한 코팅층의 형성이 가능한 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100)를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말의 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말은 세라믹 분말(191) 및 응집 분쇄용 분말(192)을 포함할 수 있다. 여기서, 세라믹 분말(191) 및 응집 분쇄용 분말(192)은 별도로 각각 형성된 후 혼합됨으로써, 혼합 분말 형태를 할 수 있다. 다르게 설명하면, 세라믹 분말(191)이 응집 분쇄용 분말(192)에 임베디드된 상태는 아니다.
세라믹 분말(191)은 대략 1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 이러한 분말 크기에 의해, 기공율이 대략 1% 내지 3%로 형성되고 막질이 우수한 코팅층(181)을 얻을 수 있다. 세라믹 분말의 종류는 상술한 바와 유사하거나 동일하므로 그 설명을 생략한다.
응집 분쇄용 분말(192)은 대략 20 ㎛ 내지 대략 300 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 이러한 분말 크기에 의해 대략 1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 크기의 세라믹 분말(191)의 이송 중 상호간 응집이나 분말 공급관 내의 퇴적이나 증착을 방지할 수 있다.
일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)은 플라즈마 화염의 온도, 예를 들면, 10,000℃보다 높은 온도에서 휘발되어 제거될 수 있다. 이에 따라, 기재(180) 상에 형성된 세라믹 코팅층(181)의 내부나 표면에 상술한 응집 분쇄용 분말(192)은 잔존하지 않게 될 수 있다. 즉, 세라믹 분말(191) 및 응집 분쇄용 분말(192)의 혼합 분말이 플라즈마 화염에 용융되어 기재(180)에 공급되지만, 응집 분쇄용 분말(192)은 휘발되어 제거됨으로써, 세라믹 코팅층(181)은 세라믹 분말(191)만을 포함하게 될 수 있다.
일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)의 체적분율(volume fraction)은 대략 20% 내지 대략 50%(즉, 세라믹 분말(191)의 체적분율은 대략 80% 내지 50%)일 수 있다. 응집 분쇄용 분말(192)의 체적분율(volume fraction)이 대략 20%보다 작을 경우, 세라믹 분말(191)의 응집 분쇄 효율이 저하되어 세라믹 코팅층(181)의 기공율이 커지고 막질이 나빠질 수 있다. 또한, 응집 분쇄용 분말(192)의 체적분율(volume fraction)이 대략 50%보다 클 경우, 세라믹 분말(191)의 체적분율이 상대적으로 작음으로써, 코팅층(181)의 형성 시간이 상대적으로 길어질 수 있다.
일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)은 플라즈마 화염의 온도, 예를 들면, 10,000℃보다 높은 온도에서 휘발되어 제거되는 수지를 포함할 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)은 중합형 고분자계, 미생물 합성계 또는 천연 고분자계를 포함하는 바이오 수지를 포함할 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)은 PLA(ploylactic acid), PCL(polycaprolactone), PBAT(polybutylen adipate-co-terephthalate), PBS(polybutylene succinate), PHB(polyhydroxy butyrate), PHA(polyhydroxy alkanoate), 셀룰로스(cellulose), 전분(starch), 리그닌(lignin) 또는 키틴(chitin)을 포함할 수 있다. 이와 같은 수지에 의해, 본 발명은 수지의 휘발시 환경 오염을 유발시키지 않고, 원하는 두께의 세라믹 코팅층(181)을 기재(180) 상에 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말의 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이를 위한 분말은 세라믹 분말(191)이 응집 분쇄용 분말(192) 내에 임베디드된 형태일 수 있다. 일부 예들에서, 응집 분쇄용 분말(192)은 대략 20 ㎛ 내지 대략 300 ㎛의 크기를 갖고, 이러한 응집 분쇄용 분말(192)에 임베디드된 세라믹 분말(191)은 대략 1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 즉, 하나의 응집 분쇄용 분말(192) 내에 다수의 세라믹 분말(191)이 임베디드됨으로써, 전체적으로 과립 분말과 유사한 형태를 하게 될 수 있다. 일부 예들에서, 이러한 과립 분말과 유사한 혼합 분말은 응집 분쇄용 분말(192)의 체적분율이 대략 20% 내지 대략 50%이고, 세라믹 분말(191)의 체적분율이 대략 80% 내지 50%일 수 있다. 또한, 응집 분쇄용 분말(192) 및/또는 세라믹 분말(191)의 재질은 상술한 바와 동일할 수 있다.
일부 예들에서, 도 3 및 4에 도시된 세라믹 분말(191)과 응집 분쇄용 분말(192)로 이루어진 혼합 분말이 도 1 및 도 2에 도시된 플라즈마 스프레이 장치(100) 및 방법에 이용될 수 있다.
도 5 본 발명의 실시예에 따른 분말을 이용한 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100A)를 도시한 개략도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 혼합 분말(세라믹 분말(191) 및 응집 분쇄용 분말(192))은 도 5에 도시된 일반적인 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100A)에서 이용될 수 있다. 즉, 플라즈마 스프레이 건(110)으로부터 대략 5 m 내지 10 m 이격되어 설치된 분말 공급부(140)로부터 분말 공급관(150)을 통하여 상술한 혼합 분말이 플라즈마 스프레이 건(110)에 공급될 수 있다. 여기서, 분말 공급부(140)에는 이송 가스 공급부(160)가 이송 가스 공급관(172)을 통해 연결될 수 있다. 더불어, 분말 공급관(150)에는 분말 유량계(151)가 설치되고, 가스 공급관(172)에는 가스 유량계(174)가 각각 설치되어 분말 및 가스의 유량이 제어될 수 있다. 물론, 분말 유량계는 도 1에 도시된 정량 분말 공급관(130)에 설치될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기를 갖는 분말의 공급이 가능하고, 분말의 응집 현상을 방지할 수 있으며 치밀한 코팅층의 형성이 가능한 대기압 플라즈마 스프레이 장치(100,100A) 및 플라즈마 스프레이용 분말을 제공할 수 있다. 특히, 분말 공급부를 스프레이 건(110)에 근접하여(대략 1 cm 내지 200 cm 이내) 설치하거나, 또는 세라믹 분말(191)에 휘발성 응집 분쇄용 분말(192)을 혼합하여 사용함으로써, 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기의 세라믹 분말(191)을 응집 현상없이 스프레이 건(110)까지 이송할 수 있고, 이에 따라 기공율이 상대적으로 작고 막질이 우수한 세라믹 코팅층(181)을 기재(180) 상에 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치 및 플라즈마 스프레이용 분말을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 스프레이 장치
110; 플라즈마 스프레이 건 111; 제1전극
112; 제2전극 113; 플라즈마 가스 공급관
114; 냉각수 공급관 115; 전원 공급부
116; 절연부재 117; 노즐
120; 정량 분말 공급부 130; 정량 분말 공급관
140; 비정량 분말 공급부 150; 비정량 분말 공급관
151; 비정량 분말 유량계 160; 이송 가스 공급부
171,172; 이송 가스 공급관 173,174; 이송 가스 유량계
180; 기재 181; 코팅층
191; 세라믹 분말 192; 응집 분쇄용 분말

Claims (10)

  1. 노즐로 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 스프레이 건;
    상기 플라즈마 스프레이 건의 일측에 부착된 정량 분말 공급부; 및
    상기 정량 분말 공급부와 상기 플라즈마 스프레이 건의 노즐을 연결하는 정량 분말 공급관을 포함하고,
    상기 정량 분말 공급부는 평균입도 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 크기를 갖는 세라믹 분말을 제공하며,
    상기 플라즈마 스프레이 건은 중앙에 수평 방향으로 설치된 제1전극과, 상기 제1전극의 둘레에 이격되어 수평 방향으로 형성된 제2전극과, 상기 제1,2전극의 둘레에 이격되어 수평 방향으로 형성된 플라즈마 가스 공급관과, 상기 플라즈마 가스 공급관 및 상기 제2전극의 둘레에 이격되어 형성된 냉각수 공급관을 포함하되, 상기 노즐은 상기 제2전극의 단부에 결합되어 플라즈마 가스를 외측으로 분사하며,
    상기 정량 분말 공급부는 상기 플라즈마 스프레이 건 중 상기 냉각수 공급관 상에 직접 부착되고,
    상기 정량 분말 공급관의 길이는 1 cm 내지 200 cm이며,
    상기 플라즈마 스프레이 건으로부터 이격된 위치에 상기 정량 분말 공급부에 비정량 분말 공급관으로 연결된 비정량 분말 공급부를 더 포함하고,
    상기 정량 분말 공급부 및 상기 비정량 분말 공급부에 이송 가스 공급관을 통해 연결된 이송 가스 공급부를 더 포함하며,
    상기 정량 분말 공급부에 의한 정량 분말이 부족할 경우 상기 플라즈마 스프레이 건에 의한 코팅 공정이 정지되고 상기 비정량 분말 공급부에 의한 비정량 분말이 상기 정량 분말 공급부에 공급되는, 대기압 플라즈마 스프레이 장치.
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