KR102586150B1 - 소결 시스템 및 소결된 물품 - Google Patents

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리차드 도미닉 봄바
잭퀠린 레슬리 브라운
잭??린 레슬리 브라운
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    • H01L2224/32237—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bonding area disposed in a recess of the surface of the item
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    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/85411—Tin (Sn) as principal constituent
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    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/85416—Lead (Pb) as principal constituent
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    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85439—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85444—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85447—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85455—Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L24/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/27—Manufacturing methods
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    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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Abstract

예컨대, 롤-대-롤 공정에서, 얇고, 넓은, 및/또는 긴 테이프 물질을 소결시키는 시스템은 제공된다. 이 시스템은, 소결을 제어하고, 소결 동안 테이프의 변형을 제한하도록 배열되어 소결된 물질을 제조한다.

Description

소결 시스템 및 소결된 물품
본 출원은 2016년 12월 21일자로 출원된 미국 특허출원 제62/437,157호; 2016년 12월 28일자로 출원된 미국 특허출원 제62/439,613호; 2017년 3월 13일자로 출원된 제62/470,550호; 2016년 12월 28일자로 출원된 미국 특허출원 제62/439,609호; 2017년 6월 29일자로 출원된 미국 특허출원 제62/526,806호; 2016년 12월 28일자로 출원된 제62/439,598호; 2017년 4월 10일자로 출원된 제62/483,726호; 2017년 4월 11일자로 출원된 미국 특허출원 제62/484,106호; 및 2017년 9월 11일자로 출원된 제62/556,712호의 우선권을 주장하며, 이들 각각은 그 전체가 여기에 참조로서 병합된다.
본 개시는 일반적으로 바인더 내에서 결합된, 다결정 세라믹 결정립 (polycrystalline ceramic grains) 또는 기타 무기 입자를 포함하는 그린 테이프 (green tape)를 소결하는 것과 같은, 소결 공정뿐만 아니라, 이러한 공정으로 제조된 세라믹 시트, 테이프 또는 세라믹 조각 (ceramic pieces)과 같은, 연속 및 개별 소결된 물품에 관한 것이다. 본 개시는, 세라믹이 빛에 전도성 (transmissive)인 경우, 도파관 (waveguides)으로 역할하는 것과 같은, 배터리 및 기타 구성요소 (components)에서 코팅 또는 적층, 및 통합될 수 있거나, 또는 전자 패키지 (electronics package) (예를 들어, LED 패키지)에서 유전체 (dielectric)로 작동하는 것과 같은 기판으로 사용될 수 있거나 또는 기판과 연결될 수 있는 기판으로 역할하는 것과 같은, 또는 기타 적용들과 같은, 많은 잠재적인 용도를 갖는, 세라믹의 얇은 시트, 테이프, 리본 또는 조각, 또는 기타 무기 물질과 같은, 물품에 관한 것이다. 높은 저항성, 낮은 반응성, 낮은 열팽창계수, 등과 같은, 물질 특성, 특히 세라믹 물질의 다양한 물질 특성은, 이러한 물품을 광범위한 적용들에 특히 유용하게 만든다.
본 개시의 몇몇 관점은, 소결 준비를 위한 테이프 분리 시스템 (tape separation system)에 관한 것이다. 테이프 분리 시스템은, 그린 테이프 및 상기 그린 테이프를 지지하는 캐리어 웨브 (carrier web)를 포함하는 테이프 물질의 공급원 (source of tape material)을 포함한다. 그린 테이프는 바인더 내에 무기 물질의 결정립을 포함한다. 테이프 분리 시스템은, 캐리어 웨브를 되감기 방향 (rewind direction)으로 향하게 하고, 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향 (downstream processing direction)으로 그린 테이프를 향하게 하는 필러 (peeler), 및 상기 공급원으로부터 테이프 물질을 수신하고, 상기 테이프 물질을 필러로 전달하도록 배치되고 구성된 진공 드럼 (vacuum drum)을 더욱 포함한다. 진공 드럼은 캐리어 웨브에 장력 조정을 용이하게 하기 위해 캐리어 웨브에 흡인력 (suction)을 적용하기 위한 홀을 포함하고, 캐리어 웨브에서, 횡단면에 대한 힘으로, 장력은, 테이프 물질이 진공 드럼으로부터 필러로 전달됨에 따라, 그린 테이프에서의 장력보다 커서, 캐리어 웨브으로부터 그린 테이프의 분리 동안 그린 테이프의 변형을 완화시킨다.
본 개시의 다른 관점은 소결 준비를 위한 테이프를 가공하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 테이프의 그린 부분 (green portion)을 포함하고, 상기 그린 부분은 유기 바인더 내에 무기 물질의 결정립들을 갖는, 테이프; 및 액티브 히터 (active heater)를 포함하는 바인더 번아웃 스테이션 (binder burnout station)을 포함한다. 상기 테이프는 바인더 번아웃 스테이션을 통해 전진하여, 바인더 번아웃 스테이션이 테이프의 그린 부분을 수신하고, 테이프의 그린 부분이 히터로부터의 열과 접촉함에 따라 유기 바인더를 태우거나 연소시키며, 이에 의해 테이프의 무기 물질을 소결시키기 위해 준비된 테이프의 제2 부분을 형성한다. 몇몇 구체 예에서, 동시에, 상기 테이프는 바인더 번아웃 스테이션으로부터, 스테이션을 통하여, 및 스테이션까지 동시에 연장되어, 상기 바인더 번아웃 스테이션이 무기 물질의 결정립을 실질적으로 소결시키지 않으면서, 테이프의 그린 부분으로부터, 중량 기준으로, 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 연소시키는 경우와 같이, 동시에, 상기 테이프는 상기 제2 부분에 연속적으로 연결된 상기 그린 부분을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 소결 준비를 위한 테이프를 가공하는 시스템은, 상기 테이프의 제2 부분에서의 장력이 단면의 ㎟당 500 그램-힘 (grams-force) 미만이도록, 상당한 장력을 가하지 않으면서 테이프를 방향 전환시키는 경-량의, 저-관성 롤러 (low-inertia rollers)를 포함하는 초-저 장력 댄서 (ultra-low tension dancer)를 더욱 포함하며, 이에 의해 테이프의 제2 부분의 파단 (fracture)의 가능성을 감소시키고, 소결용 테이프의 긴 연속적 길이를 가능하게 한다. 몇몇 구체 예에서, 소결 준비를 위한 테이프를 가공하는 시스템은, 테이프가 바인더 번아웃 스테이션을 통해 전진함에 따라, 상기 테이프 상에 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내며, 상기 바인더 번아웃 스테이션은, 상기 테이프 상에 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내지 않고 유기 바인더가 발화되는 온도 이상으로 상기 테이프를 가열하고, 이에 따라 상기 유기 바인더는 타거나 연소되지만, 테이프는 착화되지 않는다.
본 개시의 부가적인 관점은, 바인더 번아웃 스테이션이 제1 스테이션이고, 제조 라인 (manufacturing line)이 상기 제1 스테이션으로부터 이격된 제2 스테이션을 더욱 포함하는, 테이프를 가공하기 위한 상기 시스템을 포함하는 제조 라인에 관한 것이다. 상기 제2 스테이션은, 테이프의 제2 부분의 무기 물질을 적어도 부분적으로 소결시켜 테이프의 제3 부분을 형성하고, 여기서, 동시에, 상기 테이프는 상기 제2 부분을 통해 상기 제3 부분에 연속적으로 연결된 상기 그린 부분을 포함한다. 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프의 제3 부분은, 제3 부분의 파단 없는 최소 굽힘 반경이 제2 부분의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하고, 상기 그린 부분은, 상기 그린 부분의 파단 없는 최소 굽힘 반경이 제2 부분의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하다. 상기 제조 라인은 전술한 테이프 분리 시스템을 더욱 포함할 수 있다.
본 개시의 몇몇 관점은, 무기 물질의 결정립을 포함하는 테이프 물질 및 소결 스테이션 (sintering station)을 포함하는 소결 시스템에 관한 것이다. 상기 소결 스테이션은, 입구, 출구, 및 상기 입구와 출구 사이를 연장하는 채널을 포함한다. 동시에, 상기 테이프 물질은, 상기 소결 스테이션의 입구 내로, 상기 채널을 통해, 및 상기 출구 밖으로 연장된다. 상기 채널 내에 열은, 무기 물질이 입구에서 제1 다공도 (porosity) 및 출구에서 상기 제1 다공도 미만인 제2 다공도를 갖도록, 상기 무기 물질을 소결시킨다. 더욱이, 상기 테이프 물질이 소결 스테이션의 채널을 통해 통과함에 따라, 테이프 물질은 확실하게 장력을 받아, 뒤틀림 (warpage)을 완화시킨다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프 물질은, 분당 적어도 1 inch의 속도로 소결 스테이션을 통해 이동한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 소결 스테이션의 채널은, 적어도 2개의 독립적으로 제어되는 가열 소자 (heating elements)에 의해 가열되고, 여기서, 상기 가열 소자는, 채널이 소결 스테이션의 입구로부터 출구를 향하는 방향으로 채널의 길이를 따라 온도가 증가하는 온도 프로파일 (temperature profile)을 발생하며, 상기 채널에서 소결 온도는 800℃를 초과한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 소결 시스템은, 소결 스테이션의 채널을 따라 위치된 곡면 (curved surface)을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 소결 스테이션을 통해 테이프 물질이 이동함에 따라, 상기 테이프 물질은, 곡면 주위에서 테이프 물질의 폭 방향 축에 대해 굽혀지고, 이에 의해 테이프 물질의 형상에 영향을 미친다. 몇몇 구체 예에서, 상기 소결 스테이션의 출구 및 입구는, 수평 평면에 대하여 소결 스테이션의 출구와 입구 사이에 한정된 각도가 10도 미만이도록, 실질적으로 수평면에 놓여 있으며, 이에 의해 채널에 대한 가스의 유동을 적어도 부분적으로 제어한다; 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 소결 스테이션은, 채널의 하부 표면을 한정하는 상향 채널 표면 (upward facing channel surface), 및 채널의 상부 표면을 한정하는 하향 채널 표면을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 하향 채널 표면은, 테이프 물질의 상부 표면과 하향 채널 표면 사이에 갭이 0.5 inchs 미만이도록, 테이프 물질의 상부 표면과 가깝게 배치되고, 이에 의해 채널 내에 가스의 흐름을 적어도 부분적으로 제어한다. 상기 테이프 물질은, 특별히 넓고, 길며, 얇아서, 폭이 5 millimeters를 초과하고, 길이가 30 centimeters를 초과하며, 및 두께가 3 micrometers 내지 1 micrometers이고, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 (synthetic mineral) 중 적어도 하나이다.
본 개시의 다른 관점은, 세라믹 테이프를 제조하는 공정에 관한 것으로, 상기 공정은, 다결정 세라믹의 입자들 사이에서 소결을 유도하기 위해, 상기 입자들을 열원에 노출시켜, 20부피% 미만의 다결정 세라믹의 다공도로 다결정 세라믹을 포함하는 테이프를 소결시키는 단계를 포함한다. 상기 테이프는 특별히 얇아, 테이프의 두께가 500㎛ 미만이어서, 열 침투 (heat penetration)를 통한 신속한 소결을 촉진한다. 더욱이, 상기 테이프는 적어도 5㎜의 폭 및 적어도 300㎝의 길이를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 공정은 상기 소결 단계 동안 테이프를 확실하게 종방향으로 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 공정은 상기 테이프를 소결 단계 동안 열원을 향하고 그 다음 열원으로부터 멀어지게 이동시키는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 소결 단계의 시간은, 특별히 짧아, 모두 합쳐 2 시간 미만이고, 이에 의해 세라믹 테이프에서 작은 결정립 크기를 유지하는 것을 돕는다; 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 소결 단계의 모두 합친 시간은 1시간 미만이고, 상기 소결 단계 후에 다결정 세라믹의 밀도는, 95부피%를 초과하는 밀도이며, 및/또는 상기 테이프는 소결 단계 후에 폐쇄 기공 (closed pores)을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 소결 단계 동안 증발하는 휘발성 성분 (volatile constituent)을 포함하고, 상기 휘발성 성분은 무기물이며, 상기 테이프는, 소결 단계 후보다 소결 단계 전에 적어도 1부피% 이상의 휘발성 성분을 포함한다.
본 개시의 또 다른 관점은, 서로 소결된 무기 물질의 결정립을 포함하는 몸체를 포함하는 테이프에 관한 것이다. 상기 몸체는 제1 주 표면과 제2 주 표면들 사이에서 연장되고, 여기서, 상기 몸체는 제1 주 표면과 제2 주 표면들 사이에 거리로 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 제1 주 표면의 제1 치수로 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 주 표면의 제2 치수로 정의되는 길이를 갖는다. 상기 테이프는, 길이가 약 300㎝ 이상으로 길다. 상기 테이프는, 두께가 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위로 얇다. 상기 테이프는, 폭이 약 5㎜ 이상으로, 특별히 넓다. 대표적인 구체 예에 따르면, 상기 테이프의 기하학적 일관성 (geometric consistency)은, 1m만큼 종방향으로 떨어진 위치에서 측정된 경우, 테이프의 폭의 차이가 100㎛ 미만; 및 테이프의 폭 방향의 중심을 따라 1m만큼 종방향으로 떨어진 위치에서 측정된 경우, 테이프의 두께의 차이가 10㎛ 미만인 것이다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는 편평하거나 평평하여, 평행한 편평한 표면들 사이에 가압된 테이프의 10㎝의 길이가 파단 없이 상기 평행한 편평한 표면과 접촉 및/또는 표면의 0.05㎜ 내에서 평평하다; 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 평행한 편평한 표면과 접촉의 0.05㎜ 내에서 평평해진 경우, 상기 테이프는 이의 영률 (Young's modulus)의 1% 이하의 최대 면내 응력 (또한, 최대 평면-내 응력이라도고 함) (maximum in plane stress)을 나타낸다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프의 제1 주 표면 및 제2 주 표면은, 과립 프로파일 (granular profile)을 가지며, 여기서, 결정립은 세라믹이고, 상기 세라믹의 적어도 일부 개별 결정립은, 2개의 인접한 결정립들 사이에 비결정질 물질 (amorphous material )의 두께가 5㎚ 미만이도록 중간 비결정질 물질을 거의 또는 전혀 갖지 않고 서로 인접한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 몸체는, 10부피% 미만의 다공도를 가지며, 및/또는 상기 몸체는 폐쇄 기공을 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 결정립들은 리튬을 포함하고, 상기 몸체는 5Х10-5 S/㎝를 초과하는 이온 전도도 (ionic conductivity)를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 몸체는, 5㎛ 이하인, 특별히 미세한 결정립 크기를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 몸체의 제1 주 표면에 연결된 전기-전도성 금속을 더욱 포함하며, 여기서, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 몸체는 반복 패턴의 비아 (vias)를 포함하고, 상기 전기-전도성 금속은 반복 패턴 내에 배열된다. 몇몇 구체 예에서, 상기 제1 및 제2 주 표면은 과립 프로파일을 가지며, 상기 테이프는 제1 주 표면의 과립 프로파일을 덮어씌우는 코팅을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 코팅의 외향 표면은, 제1 표면의 과립 프로파일보다 덜 거칠며, 상기 제1 주 표면에 연결된 전기-전도성 금속은, 상기 코팅의 외향 표면에 결합 (bonding)의 형태로 연결된다. 몇몇 구체 예에서, 상기 무기 물질은, 900℃를 초과하는 온도에서 12.5 poise의 점도를 갖는다.
본 개시의 부가적인 관점은, 전술된 구체 예 중 어느 하나의 테이프의 롤 (roll)에 관한 것으로, 여기서, 상기 테이프는, 30㎝ 미만의 반경으로 구부려져, 그 자체 주위를 감싸고 오버랩된다.
본 개시의 또 다른 관점은, 전술한 구체 예 중 어느 하나의 테이프로부터 절단된 다수의 시트에 관한 것이다.
본 개시의 몇몇 관점은, 서로 소결된 세라믹 결정립들을 포함하는 몸체를 포함하는, 테이프에 관한 것으로, 상기 몸체는 제1과 제2 주 표면들 사이에서 연장되고, 여기서, 상기 몸체는 제1과 제2 주 표면들 사이에 거리로 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 제1 주 표면의 제1 치수로 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 주 표면의 제2 치수로 정의되는 길이를 가지며; 여기서, 상기 테이프는, 두께가 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위로 얇고; 및 여기서, 상기 테이프의 제1 및 제2 주 표면은, 과립 프로파일을 가지며, 및 상기 세라믹의 적어도 일부 개별 결정립은, 2개의 인접한 결정립들 사이에 비결정질 물질의 두께가 5㎚ 미만이도록 중간 비결정질 물질을 거의 또는 전혀 갖지 않고 서로 인접한다.
본 개시의 몇몇 관점은, 서로 소결된 세라믹 결정립들을 포함하는 몸체를 포함하는, 테이프에 관한 것으로, 상기 몸체는 제1과 제2 주 표면들 사이에서 연장되고, 여기서, 상기 몸체는 제1과 제2 주 표면들 사이에 거리로 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 제1 주 표면의 제1 치수로 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 주 표면의 제2 치수로 정의되는 길이를 가지며; 여기서, 상기 테이프는, 두께가 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위로 얇고; 및 상기 테이프의 제1 및 제2 주 표면은, 과립 프로파일을 가지며; 및 여기서, 상기 결정립은 리튬을 포함하고, 상기 몸체는 5Х10-5 S/㎝를 초과하는 이온 전도도를 갖는다.
부가적인 특색 및 장점은 하기 상세한 설명에서 서술될 것이고, 부분적으로 하기 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 명백하거나, 또는 하기 상세한 설명, 청구 범위뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 구체 예를 실행시켜 용이하게 인지될 것이다.
전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 단지 대표적인 것이고, 청구 범위의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다.
수반되는 도면은 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 병합되며, 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 구체 예(들)를 예시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 구체 예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.
도 1은, 여기에 논의된 대로의 제어된 그린 리본 장력 조정 (tensioning) 및 다른 기술과 같은, 여기에 개시된 기술 없이 형성된 뒤틀리고, 소결된 세라믹 테이프 물질의 예를 나타낸다.
도 2는, 불균일한 소결을 유발하는 온도 프로파일 및 테이프 속도를 활용하여 제조된 뒤틀리고, 소결된 세라믹 테이프 물질의 예를 나타낸다.
도 3은, 대표적인 구체 예에 따라 소결된 물품을 제조하기 위한 롤-대-롤 시스템 (roll-to-roll system)이다.
도 4는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 3에 나타낸 분리 시스템의 구체 예의 확대도이다.
도 5는, 대표적인 구체 예에 따른, 연속 테이프 물질의 측면도이다.
도 6은, 대표적인 구체 예에 따른, 진공 드럼의 사시도이다.
도 7은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 6에 나타낸 진공 드럼의 확대도이다.
도 8은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 4에 나타낸 필러의 확대도이다.
도 9는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결용 그린 테이프를 제조하기 위한 제조 라인의 스테이션의 개념적인 측면도이다.
도 10은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 9의 스테이션의 정면 사시도이다.
도 11은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결용 그린 테이프를 적어도 부분적으로 준비하기 위한 그린 테이프를 가공하기 위한 방법의 블록도이다.
도 12는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 3의 시스템의 바인더 제거 스테이션 및 소결 스테이션의 상세도이다.
도 13은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 12의 소결 가열로 (sintering furnace)의 채널 내에 테이프 물질의 상세도이다.
도 14는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 가열로에서 나오는 소결된 테이프 물질을 나타낸다.
도 15는, 대표적인 구체 예에 따른, 가열 시스템을 나타내는 도 12의 소결 스테이션의 개략도이다.
도 16은, 대표적인 구체 예에 따른, 다른 테이프 이송 속도에 대한 예견 열 프로파일 (prophetic thermal profile) 및 모델링된 소결 수축 대 거리의 그래프이다.
도 17은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 가열로의 채널을 따라 예상된 예견 소결 온도 프로파일을 나타낸다.
도 18은, 대표적인 구체 예에 따른, 인라인 멀티-가열로 (inline multi-furnace) 소결 스테이션을 나타낸다.
도 19는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 18의 2개의 소결 가열로에 대한 예견 온도 프로파일을 나타낸다.
도 20은, 대표적인 구체 예에 따른, 2개의 병렬 제조 시스템을 갖는 소결 시스템을 나타낸다.
도 21은, 다양한 온도 및 각 온도에 대한 데이터에 적합한 곡선을 포함하는 시간에서 지르코니아 테이프 (zirconia tape)의 소결 수축의 그래프이다.
도 22는, 다양한 온도 및 다양한 온도에서 시간에서 지르코니아 테이프의 소결 수축의 수학적 함수 (mathematical function)의 곡선 맞춤 (curve fit)의 그래프이다.
도 23은, 테이프 폭의 함수에 따른 테이프 이송 속도, 통과, 가열 존 (heating zones)의 수의 함수에 따른 소결 단계 동안 지르코니아 테이프의 중심선에서 최대 응력 (peak stresses)을 모델링한 그래프이다.
도 24는, 테이프 폭의 함수에 따른 테이프 이송 속도, 통과, 가열 존의 수의 함수에 따른 소결 단계 동안 지르코니아 테이프의 에지에서 최대 응력을 모델링한 그래프이다.
도 25는, 2개의 테이프 이송 속도에 대해 단일 고온 존 가열로를 통해 2회 통과를 사용하는 소결 단계 동안 지르코니아 테이프에서 수축을 모델링한 그래프이다.
도 26은, 2개의 테이프 이송 속도에 대해 단일 고온 존 가열로를 통해 2회 통과를 사용하는 소결 단계 동안 지르코니아 테이프에서 응력을 모델링한 그래프이다.
도 27은, 2개의 테이프 이송 속도에 대해 10개의 고온 존 가열로를 2회 통과를 사용하는 소결 단계 동안 지르코니아 테이프에서 수축을 모델링한 그래프이다.
도 28은, 2개의 테이프 이송 속도 및 다양한 테이프 폭에 대한 10개의 고온 존 가열로를 통해 2회 통과를 사용하는 소결 단계 동안 지르코니아 테이프에서 응력 (MPa)을 모델링한 그래프이다.
도 29는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 일부를 예시한 사시도이다.
도 30a는, 소결된 물품의 연마되지 않은 표면의 디지털 이미지이다.
도 30b는, 도 30a의 소결된 물품의 개념적인 측면 프로파일이다.
도 31a는, 소결된 물품의 연마된 표면의 디지털 이미지이다.
도 31b는, 도 31a의 소결된 물품의 개념적인 측면 프로파일이다.
도 32는, 하나 이상의 구체 예에 따른, 소결된 물품의 폭을 따른 측면도이다.
도 33은, 얇은 굽힘 방정식 (bending equation)을 예시하는 도면이다.
도 34a는, 대표적인 구체 예에 따른, 롤링된 소결 물품의 사시 측면도이다.
도 34b는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 34a의 롤링된 소결 물품의 단면도이다.
도 35는, 평평한 평면 (flattening plane) 위에서 측정된 높이를 나타내는, 평탄화 전에, 실시 예 5의 소결된 물품의 높이 프로파일이다.
도 36은, 평평한 평면 위에서 측정된 높이를 나타내는, 평탄화 전에, 실시 예 6의 소결된 물품의 높이 프로파일이다.
도 37은, 평평한 평면 위에서 측정된 높이를 나타내는, 평탄화 전에, 비교 예 7의 소결된 물품의 높이 프로파일이다.
도 38은, 평평한 평면 위에서 측정된 높이를 나타내는, 평탄화 전에, 비교 예 8의 소결된 물품의 높이 프로파일이다.
도 39는, 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품 각각의 평평한 평면 위에 최대 높이의 플롯이다.
도 40은, 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품을 평평하게 하는데 필요한 힘의 플롯이다.
도 41은, 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품을 평탄하게 하는데 필요한 압력의 플롯이다.
도 42는, 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품에서 평탄화 후에 최대 면내 응력의 플롯이다.
도 43a는, 평탄화 후에, 실시 예 5의 소결된 물품의 바닥 면 (bottom surface)에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯 (deformation plot)이다.
도 43b는, 평탄화 (flattening) 후에, 실시 예 5의 소결된 물품의 상부 면 (top surface)에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 44a는, 평탄화 후에, 실시 예 6의 소결된 물품의 바닥 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 44b는, 평탄화 후에, 실시 예 6의 소결된 물품의 상부 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 45a는, 평탄화 후에, 비교 예 7의 소결된 물품의 바닥 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 45b는, 평탄화 후에, 비교 예 7의 소결된 물품의 상부 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 46a는, 평탄화 후에, 비교 예 8의 소결된 물품의 바닥 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 46b는, 평탄화 후에, 비교 예 8의 소결된 물품의 상부 면에서 측정된 응력을 나타내는 변형 플롯이다.
도 47은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지의 세그먼트의 단면도이다.
도 48은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지의 세그먼트의 길이-방향의 단면도이다.
도 49는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지의 세그먼트의 또 다른 단면도이다.
도 50은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지를 제조하는 대표 방법이다.
도 51은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지를 제조하는 또 다른 대표 방법이다.
도 52는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품 및 "플립-칩 (flip-chip)" 형태를 포함하는 패키지의 세그먼트의 대표 단면도이다.
도 53은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품 및 "플립-칩" 형태를 포함하는 패키지의 세그먼트의 또 다른 대표 단면도이다.
도 54는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품 및 "플립-칩" 형태를 포함하는 패키지의 세그먼트의 또 다른 대표 단면도이다.
도 55는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품을 포함하는 패키지의 세그먼트의 또 다른 단면도이다.
도 56은, 대표적인 구체 예에 따른, 소정의 길이의 스레딩 물질 (threading material)를 포함하는 소결된 물품을 제조하기 위한 롤-대-롤 시스템 및 관련 공정을 나타낸다.
도 57은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 56의 시스템에서 소정의 길이의 스레딩 물질과 테이프 물질 사이에 결합을 나타내는 상세도이다.
도 58은, 대표적인 구체 예에 따른, 테이프 물질의 연속적 길이의 길이 방향을 따라 곡선을 형성하도록 구성된 소결 스테이션을 포함하는 롤-대-롤 시스템을 나타낸다.
도 59는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 채널의 하부 곡면을 한정하는 인서트 (insert)를 포함하는 소결 스테이션의 상세도이다.
도 60은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 채널을 한정하는 대향하는 상부 곡면 및 하부 곡면을 갖는 소결 스테이션의 채널의 측면도이다.
도 61은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 채널을 따라 곡률 반경이 변화하는 소결 스테이션의 측면 개략도이다.
도 62는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 채널의 곡면을 한정하는 상부 곡면을 갖는 가스 베어링 (gas bearing)을 나타낸다.
도 63은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 동안 연속 길이의 테이프에서 종방향 곡선을 형성하기 위한 롤러 배열 (roller arrangement)을 나타낸다.
도 64는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 동안 연속 길이의 테이프에서 다수의 종방향 곡선을 형성하기 위한 다수의 롤러를 포함하는 배열을 나타낸다.
도 65는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 동안 연속 길이의 테이프에서 종방향 곡선을 형성하기 위한 자유-루프 (free-loop) 배열을 나타낸다.
도 66은, 소결 동안 테이프가 굽혀진 경우 생성된 평탄화를 보여주는 소결된 테이프의 디지털 이미지이다.
도 67a 및 도 67b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 세라믹 테이프 롤의 디지털 이미지이다.
도 68은, 또 다른 구체 예에 따른, 소결된 세라믹 테이프 롤의 디지털 이미지이다.
도 69는, 또 다른 구체 예에 따른, 소결된 세라믹 테이프 롤의 디지털 이미지이다.
도 70은, 대표적인 구체 예에 따른, 본 개시된 기술 대 전통적인 배치 소성 (batch firing)에 대한 소결 시간의 그래픽적 표현 (graphical representation)이다.
도 71a 및 도 71b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 표면의 평면도이다.
도 72a 및 도 72b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 표면의 측면 사시도이다.
도 73a, 도 73b 및 도 73c는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 결정립 경계 (grain boundaries)의 현미경 사진이다.
도 74 및 도 75는, 다른 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 결정립 경계의 현미경 사진이다.
도 76 및 도 77은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 표면의 평면도이다.
도 78은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 테이프의 디지털 이미지이다.
도 79a 및 도 79b는, 대표적인 구체 예에 따른 소결된 물품의 측면도이다.
도 80은, 대표적인 구체 예에 따른 소결된 물품의 측면도이다.
도 81은, 소결된 물질이 비결정질을 나타내는, 또 다른 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 측면도이다.
도 82는, 조성물의 그래프적 표현이다.
도 83 및 도 84는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 표면의 측면 사시도이다.
도 85a 및 도 85b는, 대표적인 구체 예에 따른, 비-소결된 그린 물질의 표면의 측면 사시도이다.
도 86a 및 도 86b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 표면의 측면 사시도이다.
도 87은, 다양한 물질에 대한 점도 대 온도의 그래픽적 표현이다.
도 88a는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 가열로를 통한 온도 프로파일의 그래픽적 표현이다.
도 88b는, 도 88a의 소결 가열로의 개략도이다.
도 89는, 또 다른 대표적인 구체 예에 따른 소결 가열로의 개략도이다.
도 90a는, 또 다른 대표적인 구체 예에 따른 소결 가열로를 통한 온도 프로파일의 그래픽적 표현이다.
도 90b는, 도 90a의 소결 가열로의 개략도이다.
도 91a 및 도 91b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 표면의 측면 사시도이다.
도 92는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 측면도이다.
도 93은, 대표적인 구체 예에 따른, 배터리 형태의 전자장치의 개략도이다.
도 94 및 도 95는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결 스케쥴의 그래픽적 표현이다.
도 96은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품에 대한 소결 온도 대 이온 전도도의 그래픽적 표현이다.
도 97은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품에 대한 큐빅 가넷 (cubic garnet)의 퍼센트 대 소결 온도의 그래픽적 표현이다.
도 98 및 도 99는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 표면의 측면 사시도이다.
도 100a 및 도 100b는, 소결된 물질의 일 측면의 표면의 평면도이고, 도 101a 및 도 101b는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 다른 측면의 표면의 평면도이다.
도 102는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물질의 측면도이다.
도 103은, 대표적인 구체 예에 따른, 매끄러운 표면을 제공하는 층을 갖는 소결된 물질의 디지털 이미지이다.
도 104는, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 물품의 스택 형태의 전자장치의 개략도이다.
도면들을 일반적으로 참조하면, 길고, 얇으며 및/또는 넓은 소결된 물품을 제조하기 위한 시스템 및 공정의 다양한 구체예는 나타내고 기재되는데, 여기서, 본 발명자들은, 용어 소결에 의해, 입자 (particles) 또는 결정립의 결정 구조가 합체된 몸체 (coalesced body)에서 남아 있도록 입자 또는 결정립을 완전히 액화시키지 않고 입자 또는 결정립을 가열하여 고체 또는 다공성 몸체로 (예를 들어, 분말 또는 과립 물질의) 입자 또는 결정립을 합체하는 공정을 지칭하지만, 그러나, 본 발명 기술의 관점은, 무기 물질 가공의 기술분야의 당업자에게 직관적일 수 있는 바와 같이, 종래의 제작 기술을 사용하여 가공하기가 어렵거나 불가능한 것과 같은, 비결정질 물질을 제조하는데 사용될 수 있다. 부가적으로, 본 발명자들은, 여기서 논의된 시스템/공정을 사용하여 종래 기술을 활용하여 이전에 달성할 수 없었던 다양한 특성을 갖는 새로운 소결된 물품을 형성할 수 있음을 발견하였다. 구체적으로, 본 발명자들은, 소결된 물품의 형성 동안 물질이 겪는 다양한 조건/힘의 매우 정밀한 수준의 제어를 가능하게 하는 물질 취급 시스템 및 공정을 개발하였고, 이러한 정밀한 제어/물질 취급은, 종래의 시스템으로 달성 불가능한 것으로 믿어지는, 길고, 얇으며 및/또는 넓은 소결된 테이프 물질의 제조를 가능하게 한다. 더욱이, 여기서 논의된 기술을 사용하여 제작된 물품은, 작은 수의 결함에 기인할 수 있는, 강도; 제어된 기류 (airflow) 및 소결 지속기간, 및 유전 상수 및 불침투성과 같은, 순도와 관련된 특성에 기인할 수 있는, 순도; 평탄도 (flatness), 두께, 거칠기, 결정립 크기, 등의 관점과 같이, 예컨대, 길이 및/또는 폭 방향에 따른, 일관성; 및 기타 고유한 속성과 같은: 기타 고유한 품질을 가질 수 있다.
일반적으로, 여기에 기재된 시스템은, 스풀 (spool) 또는 릴 (reel) 상에 권취된 웨브 지지 그린 테이프의 투입 롤 (input roll)을 활용한다. 이하 좀 더 상세히 설명되는 바와 같이, 웨브 지지 그린 테이프는, 유기 바인더 물질과 결합된 (예를 들어, 세라믹 물질의 결정립, 다결정 세라믹 물질의 결정립, 금속 결정립 또는 합성 물질의 결정립과 같은) 무기 물질의 결정립을 포함하는 그린 테이프를 포함하고, 상기 그린 테이프 물질은, 캐리어 웨브 (예를 들어, 중합체 물질의 시트) 상에 지지된다. 웨브 지지 그린 테이프의 투입 롤은 풀리고, 및 캐리어 웨브/백킹 층 (backing layer)은 그린 테이프 물질과 조심스럽게 분리된다. 발명자들은, 그린 테이프의 뒤틀림 (distortion)이 거의 없이 그린 테이프로부터 캐리어 웨브의 분리를 정밀하게 제어하여, 소결된 물품이 이의 길이를 따라 매우 일관된/제어된 다양한 특성 (예를 들어, 두께, 평탄도, 밀도, 형상, 등)을 갖는 것을 확인하였다. 그런 의미에서, 다른 고려된 구체 예에서, 그린 테이프는, 웨브 지지되지 않을 수 있고, 및/또는 테이프가, 예컨대, 소결 전에 제조 라인을 따라, 인-라인으로 형성되는 경우와 같이, 롤 상에 존재하지 않을 수 있다.
캐리어 웨브의 제거 후에, (유기 바인더 물질에 의해 지지되는 무기 물질의 결정립을 포함하는) 자립형 (self-supporting) 그린 테이프는, 바인더 제거 스테이션을 통해 이동된다. 일반적으로, 바인더 제거 스테이션은, 바인더 제거 스테이션을 나오는 테이프 물질이 비결합된 테이프 물질이도록, 유기 바인더를 제거하거나 또는 화학적으로 변화시키는 방식으로 자립형 그린 테이프에 열을 가한다. 비결합으로써, 본 발명자들은 제거된 바인더 물질을 지칭하지만, 비결합된 테이프는, 예컨대, 연소된 바인더의 숯 (char)을 통해 또는 무기 입자들 사이에 뒤섞임 또는 결합에 의해, 또는 다른 수단 (예를 들어, 정전기력, 공기 압력)에 의해, 여전히 서로 붙어 있을 수 있다. 유기 바인더의 제거 후에, 비결합된 테이프 물질은, 소결 스테이션을 나가는 소결된 물품을 형성하는 무기 입자를 소결시키는 (예를 들어, 완전히 소결시키거나 부분적으로 소결시키는) 비결합 테이프 물질에 열을 가하는 소결 스테이션 내로 이동된다.
발명자들은, 놀랍게도, 무기 물질의 결정립이 유기 바인더가 제거된 후에도 비결합된 테이프 물질로서 그 자체를 지지할 것이고, 및/또는 상기 테이프가, 전술된 같이, 별도로 지지될 수 있음을 확인하였다. 그러나, 유기 바인더의 제거 후에, 비결합된 테이프 물질은, 소결 전에 매우 부서지기 쉽거나 또는 소결 전에 매우 부서지기 쉬울 수 있다. 따라서, 본 발명자들은, 매우 고품질의 소결된 물품의 제조를 가능하게 하는 방식으로 부서지기 쉽운 지지되지 않는 테이프 물질의 취급을 감안한 새로운 바인더 제거 및 소결 스테이션 배열을 추가로 확인하였다. (전술한 문장에서 "지지되지 않는"으로써, 본 발명자들은 바인더가 제거되거나 또는 연소된 후에 유기 바인더에 의해 지지되지 않는 것을 의미한다.) 특히, 롤-대-롤 취급을 위해 적절한 넓고, 긴, 고품질의 소결된 물품은, 상당한 뒤틀림을 도입하지 않고 제조되거나 또는 바인더 제거 또는 소결 동안 물품을 파 괴 (breaking) 없이 제조된다.
특히, 본 발명자들은 바인더 제거 스테이션 및/또는 소결 스테이션 내에 기류 (예를 들어, 열 구배에 의해 발생된 난기류 (turbulent airflow))가 테이프 물질에 작용하여 테이프 물질의 뒤틀림 또는 파손 (breakage)을 야기할 수 있음을 확인하였다. 더욱이, 본 발명자들은, 바인더 제거 스테이션 및/또는 소결 스테이션 내에 고도의 수평적 공정 경로가 난기류를 감소시키거나 또는 제거하여, 궁극적으로, 상당한 뒤틀림 없이 소결된 물품을 제조하거나 또는 제조할 수 있음을 발견하였다. 더욱이, 본 발명자들은, 테이프 물질의 폭이 증가함에 따라 기류에 기반한 뒤틀림에 대한 민감성 (susceptibility)이 증가하는 것으로 믿기 때문에, 폭이 넓은 소결된 물품 (예를 들어, 폭이 5㎜ 초과인 물품)을 형성하는 경우 기류에 기반한 뒤틀림을 제거하는 것이 특히 중요하다는 것을 밝혀냈다. 더욱이, 본 발명자들은, 작은 수준의 뒤틀림도 소결된 물품을 파괴시키거나 또는 업테이크 릴 (uptake reel) (또한 테이프-업 릴 (tape-up reel)이라 함) 상에 적절히 감기지 않는다는 것을 확인함에 따라, 롤-대-롤 공정을 가능하게 하는 것이 특히 중요한 것임을 밝혀냈다.
바인더 제거 및/또는 소결 동안 테이프의 수평 위치 결정 (horizontal positioning)의 확인은, 무기 그린 물질 및 종래의 소결 기술을 고려해 볼 때 놀라운 발견이었다. 예를 들어, 몇몇 테이프 물질 소결은, 공정의 가열 단계를 통하여 테이프 물질을 잡아당기는데 테이프 물질을 가로지르는 고르게 분포된 힘의 적용을 위해 가능한 대로 의도된, 시스템의 가열 단계를 통해 부서지기 쉬운 테이프 물질을 잡아당기기 위해 중력 (gravity)을 활용하는 수단으로서, 테이프 물질의 하향 경사 위치 결정 (예를 들어, 12 내지 20도 하향 경사)을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명자들은, 소결 시스템의 가열 부분들이 경사지게 위치된 경우, 테이프 물질을 보유하는 가열 시스템의 채널을 통해 고온의 공기가 상승함에 따라 난기류가 형성될 수 있음을 발견하였다. 따라서, 이 기류는 테이프 물질에 작용하여, 아마도 뒤틀림을 형성하거나 또는 잠재적으로 테이프를 파괴한다. 더욱이, 본 발명자들은, 테이프 물질의 폭이 증가함에 따라, 비-수평적 가열 배열을 사용하여 형성된 소결 테이프에서 생성된 기류에 기반한 뒤틀림의 빈도가 증가할 수 있음을 발견했다. 그런 의미에서, 여기에 개시된 기술의 관점은, 바인더 제거 스테이션과 같은, 비-수평적 가열 채널 또는 시스템을 포함하는 시스템에 사용될 수 있다. 더욱이, 고유한 물질 및 형태 인자 (form factors) (예를 들어, 가넷 또는 기타 물질의 얇은 리본 또는 기하학적 구조)와 같은, 여기에 기재된 기술의 관점은, 비-수평적 가열 채널 또는 시스템을 사용하여 제작될 수 있다.
발명자들은, 경사 배열을 사용하여 더 넓은 테이프 (예를 들어, 5㎜를 초과하는 폭을 갖는 테이프, 구체적으로, 두께 25 microns, 폭 32㎜, 지르코니아-3mole% Y2O3 무기 입자를 갖는, 그린 테이프)를 소결하려고 시도했다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 1250℃에서 부분적으로 소결된 경우, 형성된 부분적으로 소결된 물품은, 테이프의 길이를 따라 상당하고 주기적인 뒤틀림 또는 기포를 갖는다. 뒤틀림의 높이는, 대략 1mm를 초과하고, 3-6 inch의 직경을 갖는 코어 상에 테이프의 스풀링 (spooling)을 방해하는데 충분히 크다. 발명자들은, 테이프 가공의 가열 단계 동안 (예를 들어, 소결 및 바인더 제거 동안) 테이프의 아래에 기울어진 지지 표면 위로 고온의 공기가 흐름에 따라, 테이프 상에서 위로 밀려난 난기류에 의해 기포가 형성되는 것으로 믿는다.
기류 제어에 부가하여, 본 발명자들은, 바인더 제거 스테이션 및/또는 소결 스테이션 내에 열 프로파일의 제어가 고품질의 소결된 물품을 형성하는데 중요하거나 또는 중요할 수 있음을 확인하였다. 특히, 본 발명자들은, 여기서 논의된 것과 같은, 롤-대-롤 공정에서 폭이 넓은 테이프 물질을 가열하는 경우, 테이프 물질이, 특히 소결 동안, 노출된 열 응력이, 적어도 다소 얇고, 폭이 넓은 무기 물질의 테이프와 같이, 여기에 개시된 형태 및/또는 적어도 몇몇 물질을 소결하는 동안 테이프 물질이 수축/치밀화됨에 따라 별도로 일어날 수 있는 뒤틀림 또는 파손을 제한하도록 정밀하게 제어되어야 한다는 것을 발견했다. 도 2에 나타낸 예와 같이, 미소결 물질로부터 소결된 물질로의 전환에서 테이프의 부분을 포함하는 세라믹 테이프 (구체적으로 알루미나 테이프)의 섹션은, 고온 소결 존 내에서 급격한 온도 증가를 갖는 공정을 사용하여 형성되는 것으로 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이러한 급격한 온도 증가는, 소결 존에서 온도의 빠른 상승 후에 테이프가 소결되면서 테이프 물질 내부에 응력으로 인해 뒤틀림 또는 횡단-웨브 형상 (cross-web shape)을 야기하거나 또는 야기할 수 있다. 그러한 의미에서, 다른 물질 (예를 들어, 리튬 가넷)의 경우와 같은, 다른 구체 예에서, 급격한 온도 증가는, 산화 또는 불순물에 대한 노출을 감소시키는 것과 같이, 이점이 있을 수 있고, 뒤틀림은, 예를 들어, 기류 제어 및 더 좁은 폭의 테이프와 같은, 다른 인자를 통해 제어될 수 있다.
따라서, 하기에 나타내고 기재된 바와 같이, 본 발명자들은, 독립적으로 제어되는 가열 존를 갖는 소결 가열로 및/또는 다수의 독립적으로 제어되는 소결 가열로를 활용하여, 폭이 넓고, 긴 세그먼트의 테이프 물질이 높은 공정 처리율로 상당한 뒤틀림 및/또는 파손 없이 소결될 수 있음을 밝혀냈다. 유사하게, 바인더 제거 가열로 및 소결 가열로는, 여기서 논의된 시스템 내에 다른 가열 존들 사이에서 테이프가 전환됨에 따라, 테이프가 노출되는 열 충격 (예를 들어, 가파른 온도 구배에 노출)을 제한하기 위해 서로에 대해 설계되고 위치된다.
소결 후에, 넓은, 소결된 테이프는, 소결된 테이프 물질의 롤을 형성하는 업테이크 릴 상으로 권취되거나 또는 권취될 수 있다. 고려된 구체 예에서, 롤은, 원형이 아닌, 예컨데, 직사각형, 둥근 정점을 갖는 삼각형, 등인, 기하학 구조 주위로 롤링된 경우와 같이, 원통형이거나 또는 다른 형상이다. 여기서 논의된 시스템(들)에 의해 형성된 테이프의 고품질 (예를 들어, 저 뒤틀림 (low distortion)) 때문에, 적어도 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 소결된 테이프 롤이 후속 제조 공정에서, 예를 들어, 다운스트림의, 롤-대-롤 제조 공정에서 기판으로 편리하고, 효율적으로 사용되는 것을 가능하게 하는 방식으로 롤로 권취될 수 있다. 발명자들은, 여기서 논의된 시스템(들)에 의해 제조된 테이프 또는 기타 물품의 높은 수준의 폭, 길이, 두께, 형상 및/또는 평탄도 일관성 및/또는 기타 속성 (순도, 강도, 불침투성, 유전체 성능)이 테이크업 릴 (take-up reel) 상에 테이프의 스풀링을 가능하게 한다는 것을 확인하였다. 대조적으로, 높은 수준의 뒤틀림 또는 불규칙성 (irregularities)을 갖는 테이프는, 찌그러진, 일관성이 없는 테이프 롤을 파손 또는 형성하거나 또는 파손 또는 형성하는 경향이 있을 수 있고, 소결된 테이프의 롤을 형성하기 위해 릴 상으로 업테이크하는데 부적절할 수 있다. 그러한 의미에서, 몇몇 고려된 비-수평적 소결 시스템, 특히, 여기에 개시된 기술을 사용하는 시스템은, 예컨대, 여기에 개시된 바와 같이, 예를 들어, 만약 기류가 제어되고, 테이프가 필요한 만큼 얇으며 충분하게 장력을 받으며, 소결 속도 및 온도가 제어된다면, 뒤틀림이 없는 테이프를 가능하게 할 수 있다.
마지막으로, 몇몇 전통적인 소결된 물품은, 그린 테이프의 적당히 미소결된 조각 또는 조각들이 세터 보드 (setter board)로 불리는, 표면 상에 배치되고, 및 유기 바인더를 연소시키고, 무기 결정립을 소결시키는 가열로 내부에 배치되는, 시스템에서 형성된다. 발명자들은, 소결된 물품의 롤-대-롤 형성이 적당히, 전통적으로 소결된 물품에 의해 확인되지 않는 다수의 장점을 제공할 것이라는 것을 확인하였다. 예를 들어, 넓은, 권취된 롤의 소결된 물품은, 높은 공정 속도 (예를 들어, 분당 6 inch 이상의 속도)로 형성될 수 있다. 부가적으로, 여기서 논의된 시스템(들)/공정(들)은, 작고 저가의 장치 (예를 들어, 반도체 장치, 배터리, 등)를 형성하는데 기판으로서 소결된 물품의 사용을 가능하게 하는, 넓고, 얇은 소결된 물품 (예를 들어, 얇은 세라믹 및/또는 소결된 물품)을 형성한다. 유사하게, 소결된 물질의 롤을 제공하는 것은, 소결된 물질이 고 처리량의 다운스트림 제조 공정에 투입 기판 롤로서 사용되는 것을 가능하게 하여, 다운스트림 물품이 여기서 논의된 소결된 물품을 활용하여 고속 및/또는 저가로 형성되는 것을 더욱 가능하게 한다.
시스템 개요
도 3을 참조하면, 소결된 테이프 물품을 제조하기 위한 시스템 (10)은, 대표적인 구체 예에 따라 도시된다. 일반적으로, 그린 테이프 물질은, 투입 측, 분리 시스템 (12)에서 시스템 (10)에 제공되고, 및 상기 그린 테이프 물질은, 공정 방향 (14)에서 일반적으로 시스템 (10)을 통해 이동한다. 분리 시스템 (12) 내에서, 연속 테이프 물질 (18)의 공급원 (16) ('연속'은, 스풀 또는 벨트의 형태로 제공될 수 있는, 300㎝ 이상과 같은, 여기에 개시된 바와 같은, 긴 길이를 의미함)은 제공되며, 시스템 (10)의 다운스트림 부분으로 공급된다.
일반적으로, 연속 테이프 물질 (18)은, 유기 바인더 (예를 들어, 폴리비닐 부티랄, 디부틸 프탈레이트, 폴리알킬 카보네이트, 아크릴 중합체, 폴리에스테르, 실리콘 (silicones), 등)과 함께 결합된 무기의, 소결 가능한 물질의 결정립을 포함하는 그린 테이프 물질 (20)의 층을 포함한다. 연속 테이프 물질 (18)의 그린 테이프 물질 (20)은, 캐리어 웨브 또는 백킹 층 (22) 상에 지지되거나 또는 지지될 수 있다. 이하 좀 더 상세히 논의되는 바와 같이, 특별한 구체 예에서, 시스템 (10)은, 길고, 넓으며 및/또는 얇은 소결된 물품을 형성하도록 구성되며, 이러한 구체 예에서, 시스템 (10)으로 유입되는 그린 테이프 물질 (20)은 또한 상대적으로 길고, 넓으며 및/또는 얇다. 예를 들어, 특별한 구체 예에서, 그린 테이프 물질 (20)은, 5㎜ 초과, 10㎜ 초과, 40㎜ 초과 또는 125㎜를 초과하는 폭을 갖는다. 특별한 구체 예에서, 그린 테이프 물질 (20)은, 10 meters (m) 초과, 구체적으로 30 m 초과 및 좀 더 구체적으로 60 m를 초과하는 길이를 갖는다. 특별한 구체 예에서, 그린 테이프 물질 (20)은, 3 microns 내지 1 millimeter의 두께를 갖는다. 부가적으로, 유입되는 그린 테이프 물질 (20)은, 시스템 (10)에 의해 제조된 소결된 물품의 다공도를 초과하는 다공도를 갖는다. 다른 고려된 구체 예에서, 그린 테이프 물질 (20)은, 5㎜ 미만, 예컨대, 적어도 0.5㎜, 적어도 1㎜, 적어도 2.5㎜, 또는 몇몇 이러한 구체 예에서, 0.5㎜ 미만의 폭을 가질 수 있다. 유사하게, 테이프는, 또 다른 두께 및/또는 길이 및/또는 다공도를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 테이프 물질 (20)은, 원형, 직사각형, 평행사변형, 사방형, 등등과 같이, 이의 길이에 직교하는 비-직사각형 단면을 가질 수 있으며, 여기서, 직관적일 수 있는 바와 같이, 이러한 구체 예의 폭은, 길이에 직교하는 최대 단면 치수를 지칭하고, 두께는 길이에 직교하는 최소 단면 치수이다.
분리 시스템 (12)은, 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)을 포함한다. 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)에서, 캐리어 웨브 (22)는, 그린 테이프 물질 (20)로부터 분리되고, 제거된 캐리어 웨브 (22)는, 업테이크 릴 (26) 상으로 권취되거나 또는 권취될 수 있다. 일반적으로, 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)은, 진공 드럼을 포함할 수 있는, 인장 아이솔레이터 (tension isolator) (28), 및 그린 테이프 물질 (20)을 비틀거나 또는 압착하지 않는 방식으로 캐리어 웨브 (22)를 제거하고, 그린 테이프 (20)로부터 업테이크 릴 (26)에 의해 발생된 캐리어 웨브 (22) 내에 장력을 분리시키는 필러 (30)를 포함한다. 캐리어 웨브 (22)으로부터 분리 후에, 그린 테이프 (20)는, 유기 바인더 물질에 의해 지지되는 무기 물질의 결정립을 포함하는 자립형 그린 테이프이거나 또는 자립형 그린 테이프일 수 있지만, 시스템 (10)을 통한 다운스트림 공정 동안 테이프 물질을 함께 보유하기 위한 캐리어 웨브 또는 다른 지지 구조물을 포함하지 않는다.
자립형 그린 테이프 (20)는, 초저 장력 제어 시스템 (32)으로 이동하거나 또는 이동할 수 있다. 일반적으로, 자립형 그린 테이프 (20)는, 다양한 스풀, 릴, 롤러, 등의 작동을 통해 시스템 (10)을 통하여 당겨지는 상대적으로 부서지기 쉬운 구조물이다. 풀링 작동 (pulling action)은 자립형 그린 테이프 (20)에 장력을 부여한다. 발명자들은, 균일한, 저 수준 (예를 들어, 테이프 크기 및 바인더 강도에 의존하여, 그램 수준; 0.1 그램 내지 1 kg 미만; 적어도 1 그램, 적어도 5 그램, 및/또는 100 그램 이상)의 자립형 그린 테이프 (20)에 적용된 장력이, 다양한 특성, 예컨대, 최종 소결된 물품의 단-폭 (cross-width) 형상 및 평탄도를 개선시키는 장점이 있거나 또는 있을 수 있음을 확인하였다. 그러나, (이하 좀 더 상세히 기재되는 바와 같이 바인더 제거 후에 훨씬 더 부서지기 쉽게 되는) 자립형 그린 테이프 (20)의 부서지기 쉬운 성질로 인해, 저 수준의 장력은, 테이프 (20)의 바인더 제거/소결 동안 뒤틀림을 제한하면서 또한 테이프 (20)가 파괴되지 않도록 최대 장력을 제한하기 위해, 테이프 (20)에 필요한 만큼의 장력이 제공되도록 정확히 제어된다. 그러한 의미에서, 다른 고려된 구체 예에서, 테이프 자체의 중량으로 인한 장력 이외에, 예컨대, 더 강한 테이프에 대해, 더 큰 장력, 또는 0의 장력은, 적용된다.
하나 이상의 구체 예에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 장력 제어 시스템 (32)은, 경량의, 저 관성 탄소 섬유 롤러를 활용하는 초저 장력 댄서 (33)를 포함한다. 초저 장력 댄서 (33)는, 장력 댄서 (33)의 탄소 섬유 롤러의 저마찰 회전을 용이하게 하기 위해 공기-베어링 (air-bearings)을 포함할 수 있다. 다른 구체 예에서, 진공 박스 또는 물질의 자유 루프는, 테이프 (20)에 일정한, 그램 수준의 장력을 제공하는데 활용될 수 있다.
장력 제어 시스템 (32) 후에, 자립형 그린 테이프 (20)는, 바인더 제거 스테이션 (34)로 이동한다. 일반적으로, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 스테이션 (34)과 함께 형성된 채널에 열을 전달하는 하나 이상의 가열 소자를 포함한다. 바인더 제거 스테이션 (34) 내에서의 열은, 자립형 그린 테이프 (20)의 유기 바인더 물질의 적어도 일부를 화학적으로 변화 및/또는 제거하여, 비결합된 테이프 (36)는 바인더 제거 스테이션 (34)을 떠난다. 일반적으로, 비결합된 테이프 (36)는 남아있는 유기 바인더가 거의 없는 무기 물질의 결정립을 포함한다. 발명자들은, 장력-제어, 기류 제어, 소결 스테이션 (38)에 대한 바인더 제거 스테이션 (34)의 근접성 및 이들 사이에 온도 제어, 도 3에서 나타낸 바와 같은, 스테이션 (34, 38) 및 테이프의 배향 및 정열을 활용하는 것과 같은, 소결 스테이션 (38)으로 비결합된 테이프 (36)가 이동되는 것을 가능하게 하는 방식으로 유기 바인더가 존재하지 않을 때도 비결합된 테이프 (36)가 협력하여 스스로 유지되는 것을 확인하였다.
일반적으로, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 테이프 (20)가 바인더 제거 스테이션 (34)을 횡단함에 따라, 테이프 (20)에 저 뒤틀림을 제공하는 방식으로 배열 및 제어된다. 더욱이, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 너무 많은 열을 너무 빨리 가하지 않으면서, 유기 바인더 화합물을 별도로 발화시킬 수 있는, 휘발성 유기 화합물의 제거를 가능하게 하는 가열 소자를 포함할 수 있다. 발화는 또한 기류에 의해 제어될 수 있다.
부가적으로, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 비결합된 테이프 (36)가 바인더 제거 스테이션 (34)으로부터 소결 스테이션 (38)으로 이동하는 동안 노출되는 열 충격 또는 온도 구배가 낮도록 (예를 들어, 이격되어 있지만, 경로가 선형으로 정렬되고, 각각의 개구 (openings)가 1 m 이내, 예컨대, 10㎝ 이내, 예컨대, 2㎝ 이내로, 서로 가깝게 및/또는 더 가깝게 정렬되도록) 소결 스테이션 (38)에 비례하는 방식으로 위치된다. 발명자들은, 비결합된 테이프 (36)의 부서지기 쉬운 성질로 인해, 스테이션들 (34 및 38) 사이에서 테이프 (36)가 겪는 열 충격을 제한하는 것이, 스테이션들 (34 및 38) 사이에서 겪는 온도 구배에 기인하여 일어나는 뒤틀림을 제한/제거하여 편평하고, 일정한 및/또는 휨없는 소결된 테이프의 생산을 더욱 제공한다는 것을 확인하였다.
다양한 구체 예에서, 스테이션 (34) 내에 온도는, 스테이션 (34)을 떠나는 테이프 (36)의 원하는 특성을 달성하도록 정밀하게 제어된다. 다양한 구체 예들에서, 스테이션 (34) 내에 온도는, 200℃ (또는 약 200℃)와 500℃ (또는 약 500℃) 사이이며, 스테이션 (34)은, 이의 길이를 따라 온도 프로파일을 제공하도록 가열되어, 바인더 제거 스테이션 (34)을 빠져나오는 테이프 물질 내에 남은 바인더 물질이 거의 제거된다. 더욱이, 몇몇 구체 예에서, 무기 물질의 결정립의 약간의 소결 (예를 들어, 수축, 밀도의 중가, 다공도 감소, 등)은, 바인더 제거 스테이션 (34)의 횡단 동안 일어날 수 있다.
바인더가 스테이션 (34)에서 제거된 후에, 비결합된 테이프 (36)는, 소결 스테이션 (38)으로 이동한다. 일반적으로, 소결 스테이션 (38)은, 소결 스테이션 (38)을 비결합된 테이프 (36)의 무기 물질의 결정립의 소결을 야기하는 500℃ 이상 (예를 들어, 500℃ (또는 약 500℃) 내지 3200℃ (또는 3200℃±10%와 같은, 3200℃))의 온도로 가열하는, 하나 이상의 가열 소자 (예를 들어, 하기에 가열 소자 및 이의 타입의 추가 논의를 참조)를 포함한다. 일반적으로, 무기 물질의 다공도는, 소결 동안 감소한다. 다공도에서 이러한 감소는 또한, 물질이 예를 들어, 소결 스테이션 (38)에서 소결됨에 따라, 테이프 물질의 수축 (예를 들어, 폭, 두께, 길이, 등에서 감소)을 결과할 수 있다. 소결 동안, 몇몇 물질에서, 다공도에서 상당한 감소 또는 상당한 수축없이, 탄성 모듈러스 (elastic modulus)는 증가할 수 있고, 강도는 증가할 수 있으며, 다공도의 형상은 변화할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결 스테이션 (38)은, 테이프 (36)를 부분적으로, 그러나 완전하게 않게 소결된 비스크 물질 (bisque material)로 변형시킨다.
본 발명자들은, 비결합된 테이프 (36)가 소결 스테이션 (38)을 횡단함에 따라, 소결 동안 비결합된 테이프 (36)가 겪는 다양한 힘에 의해 야기될 수 있는 변형 또는 파손에 비결합된 테이프 (36)가 민감하다는 것을 확인했다. 특히, 전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 소결 스테이션 (38)을 통한 난기류에 의해 야기되는 힘이 상당한 변형의 하나의 원인임을 발견하였으며, 본 발명자들은 또한 소결 동안 테이프 (36) 내부에 응력이 변형의 또 다른 중요한 잠재적 원인임을 확인하였다. 이러한 발견에 기초하여, 본 발명자들은, 허용가능한 저 수준의 뒤틀림을 갖는 소결된 물품을 제조하기 위해 이들 힘을 제한하기 위하여 다양한 방식으로 소결 스테이션 (38)을 배열 또는 구성하였다.
특히, 도 3에 나타낸 바와 같이, 소결 스테이션 (38)은, 비결합된 테이프 (36)가 실질적으로 수평 방향으로 스테이션 (38)을 횡단하도록 실질적으로 수평적 배열로 배열된다. 발명자들은, 소결 스테이션 (38)의 실질적인 수평 배열을 유지하여, 난기류가 감소되거나 최소화될 수 있음을 확인하였으며, 이는 결과적으로 소결 스테이션 (38)의 출력에서, 저 수준의 변형, 저 수준의 단-테이프 (cross-tape) 형상을 갖고, 및/또는 평평한, 소결된 테이프 물질의 형성을 결과한다. 다양한 구체 예에서, 본 발명자들은, 다양한 폭이 넓은 테이프 물질들의 경우, 저 난류 및 결과적으로 저 뒤틀림이 수평면에 대하여 테이프 물질의 공정 경로 사이를 10도 미만, 구체적으로는 3도 미만, 더욱 구체적으로는 1도 미만의 각도를 유지하여 달성될 수 있는 것으로 믿는다. 몇몇 구체 예에서, 테이프는, 이하 논의되는 바와 같은, 일반적으로 수평인 아크형 경로 (arced path) 위로 이동할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 소결 스테이션 (38)을 통과하는 경로는, 위에서 논의된 바와 같이, 수평 위로 10도보다 더 경사질 수 있다.
도 3에 구체 예에서 나타낸 바와 같이, 바인더 제거 스테이션 (34)은 또한 난기류가 바인더 제거 스테이션 (34)으로 가열하는 동안, 뒤틀림, 파손, 등을 일으키지 않도록 실질적으로 수평적 위치로 위치된다. 유사하게, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 테이프 (36)가 바인더 제거 스테이션 (34)에서 소결 스테이션 (38)으로 횡단함에 따라, 비결합된 테이프 (36)가 수평 위치에서 유지되도록 소결 스테이션 (38)에 맞추어 수직 방향에서 (즉, 각각의 개구가 정렬되고 서로 마주 보도록) 정렬된다.
부가적으로, 본 발명자들은, 비결합된 테이프 (36)가 소결 스테이션 (38)의 길이를 따라 온도가 급격히 상승/하강하는 온도 프로파일에 노출되면, 높은 수준의 응력이 테이프 (36) 내에 발생되거나 또는 발생될 수 있어서, 결과적으로 소결 동안 테이프 (36)의 변형 또는 파손을 유발하거나 또는 유발할 수 있음을 발견하였다. 더욱이, 본 발명자들은, 테이프 (36)의 폭이 증가함에 따라, 소결 응력이 변형의 위험을 증가시킨다는 것을 발견하였다. 따라서, 이러한 발견에 기초하여, 본 발명자들은, 다수의 독립적으로 제어가능한 가열 소자 (및 잠재적 다중 소결 가열로)를 갖는 소결 스테이션 (38)을 활용하여, 소결 스테이션 (38)의 길이에 따른 온도 프로파일이, 테이프 (36)와의 응력을, 본 발명자가 특정 테이프 형태에 기초하여 변형 또는 파손을 야기하는 경향이 있음을 발견한, 임계값 아래로, 유지하도록 발생될 수 있음을 알아냈다.
소결 스테이션 (38)의 횡단 후에, 부분적으로 또는 완전히 소결된 테이프 물질 (40)은, 소결 스테이션 (38)을 빠져나와, 출력 측의, 업테이크 시스템 (42)으로 진입한다. 소결된 테이프 물질 (40)은 업테이크 릴 (44) 상에 권취된다. 중간층 지지 물질 (46)은 릴 (48)에서 공급된다. 지지 물질 (46)은 지지 물질 (46)의 층이 업테이크 릴 (44) 상에 소결된 테이프 물질 (40)의 적어도 일부 층 또는 각 층 사이에 위치되거나 또는 위치될 수 있도록 업테이크 릴 (44) 상으로 권취된다. 이러한 배열은 지지된 소결된 테이프 물질 (50)의 롤 또는 스풀을 형성한다. 일반적으로, 지지 물질 (46)은, 상대적으로 낮은 권취 장력에서 소결된 테이프 물질 (40)이 업테이크 릴 (44) 상으로 유지되는 것을 가능하게 하는 호환성 (compliant)의, 상대적으로 높은 마찰 물질이다. 지지 물질 (46)의 컴플라이언스 (compliance)는, 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))에 존재할 수 있는 횡단-웨브 형상을 보상할 수 있다. 지지 물질 (46)은 또한 릴 (44)의 슬라이딩 (sliding)/텔레스코핑 (telescoping)으로부터 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))를 제한하는 릴 (44) 상에 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))의 인접 층들 사이에 마찰을 증가시킨다. 발명자들은, 지지 물질 (46) 없이, 소결된 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))의 모듈러스 (modulus)가 상대적으로 높아, 권취 장력 하에 신장되는 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))의 능력을 제한하여, 결과적으로, 열악한 롤 무결성 (roll integrity)을 결과할 수 있거나 또는 경향이 있기 때문에, 소결된 테이프 물질 (40)이 적어도 일부에서 스풀 (50)의 슬라이딩 (예를 들어, 텔레스코핑)하는 경향이 있다고 믿는다.
여기서 논의된 바와 같이, 시스템 (10)은, 소결된 물품의 폭 및/또는 길이에도 불구하고, 낮은 수준의 뒤틀림, 낮은 수준의 파손의 위험, 이의 길이를 따르는 일관된 특성, 등을 갖는 소결된 테이프 물질 (40)을 형성하도록 구성된다. 발명자가 발견한 바와 같이, 시스템 (10)의 여러 단계에서 테이프의 뒤틀림 및 파손의 위험은, 특히 테이프의 폭이 증가함에 따라, 증가될 수 있다. 예를 들어, 특별한 구체 예에서, 소결된 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))는, 5㎜ 초과, 10㎜ 초과, 40㎜ 초과 또는 125㎜를 초과하는 폭을 가지며, 여기서 논의된 시스템 (10)의 다양한 배열은, 테이프 물질의 폭에도 불구하고 변형 또는 파손 위험을 제한한다. 다른 구체 예에서, 소결된 테이프는, 5㎜ 미만 및/또는 적어도 0.5㎜, 예컨대, 적어도 1㎜, 예컨대, 적어도 2㎜인 폭을 갖는다.
부가적으로, 시스템 (10)의 다양한 물질 취급 및 가열 메카니즘(들)은, 소결된 테이프 (40) (소결된 테이프 물질 (40))가 높은 처리율로 형성되는 것을 가능하게 한다. 특별한 구체 예에서, 시스템 (10)의 롤-대-롤 공정은, 종래의 터널 킬른 공정 (tunnel kiln processing)과 같은, 적어도 몇몇 사례에서, 터널 킬른 공정와 같은, 다른 소결 공정보다 실질적으로 더 빠르다고 믿어지는 속도로 소결된 테이프의 제조를 가능하게 한다. 특별한 구체 예에서, 시스템 (10)은, 분당 적어도 6 inch, 분당 적어도 8 inch, 분당 적어도 19 inch, 분당 적어도 29 inch, 및 분당 적어도 59 inch의 속도로 소결된 테이프 (40)을 제조하도록 구성된다. 부가적인 특별한 구체 예에서, 시스템 (10)은, 50㎜를 초과하는 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 3 inch, 35㎜ 내지 50㎜의 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 5 inch, 15㎜ 내지 35㎜의 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 9 inch, 및 5㎜ 내지 15㎜의 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 10 inch의 속도로 소결된 테이프 (40)를 제조하도록 구성된다. 부가적인 특별한 구체 예에서, 시스템 (10)은, 50㎜를 초과하는 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 1 inch, 35㎜ 내지 50㎜ 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 1.5 inch (ipm), 15㎜ 내지 35㎜의 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 2 inch, 및 5㎜ 내지 15㎜의 폭을 갖는 그린 테이프 (20)에 대해 분당 적어도 3 inch의 속도로 소결된 테이프 (40)를 제조하도록 구성된다.
지지 웨브 제거 스테이션
여기에 기재된 소결된 물품의 구체 예의 형성은, 소결 전후의 그린 테이프 물질에 균일한 웨브 장력을 적용하는 단계를 포함한다. 본 개시의 하나 이상의 구체 예에 따른 분리 시스템은, 그린 테이프 물질이 지지 캐리어 웨브로부터 분리됨에 따라, 균일한 속도와 함께, 이러한 균일한 웨브 장력이 그린 테이프 물질에 적용되도록 설계된다. 따라서, 여기에 개시된 바와 같은, 웨브 제거의 지지는, 그린 테이프 물질의 형상의 일관성을 가능하게 하여, 그린 테이프의 네킹 (necking) 또는 수축의 경우를 감소시키거나 또는 제거할 뿐만 아니라, 결과적으로 소결된 테이프에 존재할 수 있는, 그린 테이프 상에 장비의 표면의 피쳐 (features)를 전사시키는 (imprinting) 경우를 감소시키거나 또는 제거시킨다. 그러한 의미에서, 여기에 개시된 기술은, 여기에 개시된 바와 같은 새로운 소결된 테이프를 제조하기 위해 지지 웨브 제거 스테이션 없이 사용될 수 있으며, 여기서, 테이프는, 두께에서 변화, 전사된 표면 피쳐의 반복, 등등과 같은, 지지 웨브 제거 스테이션의 결핍에 기인한 특징을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템 (10)은, 시스템 (10)의 투입 측에서 일반적으로 지지 웨브 제거 스테이션을 포함한다. 지지 웨브 제거 스테이션의 하나의 관점은, 분리 시스템 (12)을 포함한다. 도 4를 참조하면, 분리 시스템 (12)은, 그린 테이프 물질 (20)이 다운스트림에서 가공될 수 있도록 캐리어 웨브 (22)로부터 그린 테이프 물질 (20)을 분리하도록 구성된다. 하나 이상의 구체 예에서, 분리될 연속 테이프 물질 (18)의 공급원 (16)은 제공된다. 도 5에 좀 더 명확하게 나타낸 바와 같이, 연속 테이프 물질 (18)은, 캐리어 웨브 (22) 상에 지지된 그린 테이프 물질 (20)을 포함한다. 도 4에서, 공급원 (16)은, 연속 테이프 물질 (18)을 (인장 아이솔레이터 (28) 및 필러 (30)를 포함하는) 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)으로 풀어내는 스풀의 형태로 제공된다. 하나 이상의 구체 예에서, 공급원 (16)은, 벨트 또는 연속 테이프 물질을 공급하기 위한 다른 형태를 포함할 수 있다. 다른 고려된 구체 예에서, 그린 테이프 물질의 공급원은, 그린 물질을 연속적으로 제조하거나 또는 연속적으로 제조할 수 있고, 여기에 개시된 시스템(들)에서 후속 취급을 위한 그린 테이프를 형성하고 조절하는, 제조 라인 상에 또 다른 스테이션일 수 있다. 또 다른 고려된 구체 예는, 예컨대, 여기에 개시된 바인더 제거 스테이션에 의해, 연소되거나 또는 그렇지 않으면 제거되는 유기 물질로 분리된 그린 테이프 물질을 사용할 수 있다.
대표적인 구체 예에 따르면, 그린 테이프 물질 (20)은, 유기 바인더와 함께 결합하고, 소결 가능한 (여기에 기재된 바와 같은) 무기 물질의 결정립을 포함한다. 캐리어 웨브 (22)는, 중합체, 종이 또는 중합체 및 종이 물질의 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 그린 테이프 물질은, 캐리어 웨브 (22)의 중합체 함량 미만인 중합체의 양을 포함하며, 여기서 중합체 함량은, 각각의 물질의 부피 퍼센트로 표시된다. 대표적인 구체 예에 따르면, 직사각형 또는 장방형 (예를 들어, 여기서 에지는 직선 면을 형성하기 위해 소결 후 제거될 수 있음)인 연속적 단-면 기하학 구조를 갖는 그린 테이프의 경우와 같이, 그린 테이프 물질 (20) 및 캐리어 웨브 (22)는, 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로 정의되는 각각의 두께 (t), 두께에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로 정의되는 각각의 폭 (W), 및 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로 정의되는 각각의 길이 (L)를 각각 갖는다. 다른 고려된 구체 예에서, 무기의, 소결 가능한 물질의 테이프는, 시스템 (10)에서 가공한 후에 소결된 테이프의 일부가 되는 무기 바인더와 같은, 무기 바인더에 의해 결합될 수 있다. 또 다른 고려된 구체 예에서, 무기 물질의 테이프는, 예를 들어, 여기에 개시된 바와 같은, 그린 테이프와는 대조적으로 부분적으로 소결된 비스크 테이프와 같이, 무기 물질의 자체의 결합에 의해 결합될 수 있다.
여기서 기재되는 바와 같이, 대표적인 구체 예에 따르면, 캐리어 웨브 (22)는, 연속 테이프 물질을 분리 시스템 (12)을 통해 전달하기 위한, 특히 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)을 통해 연속 테이프 물질을 전달하기 위한 주 접촉면을 제공하거나 또는 제공할 수 있다. 다시 말해서, 적어도 몇몇 이러한 구체 예에서, 캐리어 웨브 (22)는, 그린 테이프 물질 (20)이 실질적으로 미접촉 상태로, 주로 접촉되며, 따라서, 마감된 소결 제품에서 검출 가능할 수 있는 테이프의 그린 물질 상에 휠 또는 롤러의 표면의 전사에 기인한 반복 표면 피쳐와 같이, 접촉에 의해 발생하거나 또는 발생할 수 있는 결함 또는 흠이 실질적으로 없다. 다른 구체 예들은, 예를 들어, 여기에 개시된 기술의 관점이 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24) 없이 사용되는 경우와 같이, 이러한 결함 또는 흠을 포함할 수 있다.
공급원 (16)이 스풀인 경우, 연속 테이프 물질은, (여기서 더욱 설명되는 바와 같이) 상대적으로 낮은, 제1 장력을 갖고, 연속 물질이 일정하고 낮은 장력에서 유지되는 경우에서도 상대적으로 높은 속도로 풀리는 성향을 갖는다. 분리 시스템 (12)은, 공급원 (16)으로부터 연속 테이프 물질의 풀림의 속도를 감소시키거나 또는 그렇지 않으면 제어 또는 제한하기 위해 제동장치 (brake)로서 기능하거나 또는 기능할 수 있다.
적어도 몇몇 이러한 대표적인 구체 예에 따르면, 캐리어 웨브 제거 스테이션 (24)은, 공급원 (16)에 인접하게 및 공급원 (16)으로부터 다운스트림에 위치된 인장 아이솔레이터 (28) 및 인장 아이솔레이터 (28)로부터 다운스트림에 위치된 필러 (30)를 포함한다. 인장 아이솔레이터 (28) 및 필러 (30)는, 그린 테이프 물질을 손상시키지 않고 그린 테이프 물질 (20)로부터 캐리어 웨브 (22)를 분리시킨다. 특히, 인장 아이솔레이터 (28)는, 분리 시스템을 통해 연속 테이프 물질의 속도를 유지하고 및 캐리어 웨브를 단단히 잡도록 설계되고 사용된다. 하나 이상의 구체 예에서, 캐리어 웨브 (22)가 그린 테이프 물질로부터 분리된 후에, 그린 테이프 물질 (20)로부터 분리된 후에 캐리어 웨브 (22)가 수집되는 속도는, 캐리어 웨브 (22)에서, 따라서, 연속적 그린 테이프 물질 (20)에서 일정한 장력을 유지하도록 제어된다. 하나 이상의 구체 예에서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 그린 테이프 물질 (20)로부터 캐리어 웨브 (22)의 분리를, 공급원 (16)에서 유입되는 그린 테이프 물질 (20)의 품질에서 분리시킨다. 인장 아이솔레이터 (28) 없이, 연속 테이프 물질의 권취 품질의 임의의 또는 약간의 불일치 (즉, 필러 (30)에 풀림 또는 공급 동안 신칭 (cinching)을 결과할 수 있는, 너무 느슨한 권취)는, 필러 (30)에서 장력 및 속도 변화를 유발할 수 있다.
대표적인 구체 예에 따르면, 연속 테이프 물질 (18)은, 제1 장력에서 인장 아이솔레이터 (28)로 공급되고, 및 하나 이상의 구체 예의 인장 아이솔레이터는, 연속 테이프 물질 (18)을 필러 (30)로 운반하는 경우, 연속 테이프 물질 (18)의 제1 장력을 초과하는, 제2 장력을 캐리어 웨브 (22)에 적용하도록 구조를 갖거나 또는 구성된다. 몇몇 구체 예에서, 제2 장력 (즉, 인장력)은, 제1 장력을 적어도 20% 초과 및/또는 적어도 25 millinewtons (mN) 초과, 예컨대, 적어도 100 mN 초과, 예컨대, 적어도 200 mN 초과이다. 몇몇 구체 예에 따르면, 제2 장력은, 캐리어 웨브 (22)에 적용되지만, 그린 테이프 물질에는 적용되지 않거나 또는 적어도 실질적으로 적용되지 않는다. 하나 이상의 구체 예에서, 그린 테이프 물질 (20)은, 연속 테이프 물질이 인장 아이솔레이터 (28)을 따라 이동하면서 제1 장력을 유지한다. 하나 이상의 구체 예에서, 연속 테이프 물질이 인장 아이솔레이터 (28)를 따라 이동하면서, 그린 테이프 물질은, 이의 자체 중량을 지지하기 위한 장력을 초과하는 장력을 포함하거나 또는 장력을 갖지 않거나 또는 장력을 초과하는 장력이 없거나, 또는 이의 자체 중량을 지지하기 위한 장력을 초과하는 1 newton (N) 미만과 같이, 이의 자체 중량을 지지하기 위한 장력을 초과하는 장력이 실질적으로 없다. 따라서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 인장 아이솔레이터 (28)와 공급원 (16) 사이에 제1 장력 존 (17) 및 인장 아이솔레이터 (28)와 필러 (30) 사이에 제2 장력 존 (19)을 생성한다. 제1 장력 존 (17)에서 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력은, 제2 장력 존 (19)에서 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력 미만이다. 하나 이상의 구체 예에서, 제2 장력 존 (19)에서 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력 (즉, 인장 응력)은, (선형) 인치 당 약 2.5 파운드 (인치 당 파운드: PLI) 이하이다. 예를 들어, 하나 이상의 구체 예에서, 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력은, 약 2.4 PLI 이하, 약 2.3 PLI 이하, 약 2.2 PLI 이하, 약 2.1 PLI 이하, 약 2 PLI 이하, 약 1.8 이하, 약 1.6 PLI 이하, 약 1.5 PLI 이하, 약 1.4 PLI 이하, 약 1.2 PLI 이하, 또는 약 1 PLI 이하이다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 장력은, 제2 장력의 약 50% 이하 (예를 들어, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 또는 약 25% 이하)이다. 몇몇 구체 예에서, 제2 장력 존 (19)에서 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력 (즉, 인장력)은, 제1 장력 존 (17)에서 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력보다 적어도 20% 초과 및/또는 적어도 25 mN (millinewton) 초과, 예컨대, 적어도 100mN 초과, 예컨대, 적어도 200mN 초과이다. 하나 이상의 구체 예에서, (명목상) 부가적인 장력은, 캐리어 웨브 (28) 상에 장력의 적용을 통해 그린 테이프 물질 상에 적용되는 장력 이외의, 그린 테이프 물질에 적용된다. 이러한 구체 예에서, 캐리어 웨브는, 캐리어 웨브 상에 이러한 장력의 적용에 기인하여 신장될 수 있고, 이는 결국 그린 테이프 물질 상에 약간의 장력을 생성하는데, 예컨대, 여기서, 엄청난 양 (overwhelming bulk)의 장력은 캐리어 웨브가 부담한다.
하나 이상의 구체 예에서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 그린 테이프 물질 (20)에 적용된 장력을 초과하는 장력을 캐리어 웨브 (22)에 적용한다. 몇몇 구체 예에서, 인장 아이솔레이터는, 연속 테이프 물질이 공급원 (16)으로부터 필러 (30)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 적용된 장력의 약 2배 이상인 장력을 캐리어 웨브에 적용한다. 몇몇 구체 예에서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 그린 테이프 물질 (20)에 적용된 장력보다 적어도 20% 큰, 및/또는 적어도 25 mN (millinewtons) 큰, 예컨대, 적어도 100 mN 큰, 예컨대, 적어도 200 mN 큰 장력을 캐리어 웨브 (22)에 적용한다. 직관적일 수 있는 바와 같이, 여기서 사용된 바와 같은 장력은, 일반적으로 물질의 종방향 또는 축 방향으로 당기는 힘을 지칭하며, 여기서 힘의 단위가 제공된 경우, 장력은 인장력을 지칭하고, 응력의 단위가 제공된 경우, 장력은 인장 응력을 지칭하며, 및/또는 여기서 장력은, 다른 단위가 제공될 수 있고, 또 다른 연관된 파라미터, 예를 들어, 선형 인치 당 파운드 또는 미터법 등가 단위를 지칭한다.
도 4에 나타낸 구체 예에서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 진공 드럼 (25)을 포함할 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 구체 예에서, 진공 드럼 (25)은, 베어링 하우징 (29)에 의해 진공 드럼에 연결된, 구동 모터 인풋 (drive motor input: 27)에 의해 연속 테이프 물질을 이동시키도록 회전된다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 진공 드럼은, 균일한 분포로 배치된 다수의 진공 홀 (7)을 포함하는 외부 표면을 포함할 수 있다. 진공 홀 (7)은, 진공 홀 (7)에서 서로 교차하는, 다수의 축 방향 홈 (8) 및/또는 방사상 홈을 따라 형성될 수 있다. 진공은, 진공 홀 (7)을 통해, 캐리어 웨브 (22)를 단단히 잡아주는, 진공 공급원 (예를 들어, 진공 송풍기)를 통해 진공 드럼 (25)에 공급되고, 이에 의해 여기에 설명된 바와 같이, 캐리어 웨브에 장력 조절 (tensioning)을 용이하게 한다. 하나 이상의 구체 예에서, 진공 홀 (7)의 분포 및 (활용된 직경 및 진공력을 포함하는) 진공 드럼의 구성은, 캐리어 웨브의 폭을 따라 캐리어 웨브에 균일한 장력을 적용하거나 또는 적용하는 것을 돕는다. 이러한 작동 및 구성을 통해, 진공 드럼은, 이것이 분리 시스템 (12)을 통해 이동함에 따라, 캐리어 웨브 (및 따라서 연속 테이프 물질)의 속도를 유지한다. 하나 이상의 구체 예에서, 인장 아이솔레이터는, 제1 장력 존 (17)을 따라 공급원으로부터 연속 테이프 물질을 당긴다. 공급원(16)에서 필러 (30)로 그린 테이프 물질의 전달에서 (공급원에서 필러로 운반 동안 신칭 (cinching)을 결과할 수 있는) 느슨한 권취과 같은, 임의의 또는 약간의 불일치는, 분리 공정에 영향을 미치지 않거나 또는 미치지 않을 수 있다. 진공 드럼 (25)은, 장력에 비례하는 수직력 및 마찰에 부가하여 테이프 물질 (예를 들어, 캐리어 웨브)과 진공 드럼 (25) 사이에 결합력 또는 인력 (attracting force)을 제공하고, 따라서, 테이프 물질에서 장력을 반드시 증가시키지 않으면서 결합력 또는 인력을 증가시킨다. 적어도 이러한 장점 때문에, 본 발명자들은, 그린 테이프를 캐리어 웨브로부터 분리시키는 단계 동안 테이프 물질과 롤러 (즉, 진공 드럼) 사이에 결합력 또는 인력을 제어하기 위한 진공 드럼의 사용이, 특히 부서지기 쉬울 수 있는, 그린 테이프의 형상을 보호하고 제어하기 위한 유일무이하고 효과적인 공정인 것으로 믿는다. 그러한 의미에서, 본 기술의 관점은, 반복하는 롤러 유래의 결함, 테이프 두께에서 변화, 더 짧아진 테이프의 길이, 등등과 같은, 여기에 개시된 바와 같은 진공 드럼의 사용없이 분리의 표시를 갖는 테이프와 같은, 새로운 소결된 제품을 생성하는데 사용될 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 인장 아이솔레이터 (28)는, 연속 테이프 물질이 필러 (30)로 운반됨에 따라, 제2 장력 존 (19)을 따라 연속 테이프 물질 (특히 캐리어 웨브 또는 대부분 캐리어 웨브)에서 장력을 증가시킨다. 도 4에 나타낸 구체 예에서, 분리 시스템 (12)은, 캐리어 웨브에 장력을 유지하기 위한 로드 콘트롤러 (load controller: 21)를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 로드 콘트롤러 (21)는, 인장 아이솔레이터 (28)에 대해 업테이크 릴 (26)의 속도를 조정하는데 또한 사용된다.
하나 이상의 구체 예에서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 필러 (30)는, 인장 아이솔레이터 (28)의 다운스트림에 배치되고, 캐리어 웨브 (22)를 되감기 방향 (A)으로 향하게 하고, 그린 테이프 물질 (20)을 되감기 방향 (A)과 다른 다운스트림 공정 방향 (B)으로 향하게 한다. 하나 이상의 구체 예에서, 되감기 방향 (A) 및 다운스트림 공정 방향은, 약 90도를 초과하는 각도 (C) (예를 들어, 95도 이상, 100도 이상, 110도 이상 또는 약 120도 이상)를 형성한다.
하나 이상의 구체 예에서, 필러 (30)는, 예컨대, 팁 (tip: 31)으로 나타낸, 각도 (C)의 꼭지점에서 또는 꼭지점에 인접한, 그린 테이프 물질에서 분리선을 생성하기 위한 날카로운 나이프 또는 에지를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 날카로운 나이프 또는 에지는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 팁 (31) 바로 전에 또는 팁 (31)에 인접하여, 캐리어 웨브가 아닌, 그린 테이프 물질에서 분리선을 생성한다. 하나 이상의 구체 예에서, 팁은 약 0.05 inch 이하 (예를 들어, 약 0.04 inch 이하, 약 0.035 inch 이하, 약 0.03125 inch 이하, 약 0.03 inch 이하, 또는 약 0.025 inch 이하)의 반경를 갖는다.
연속 테이프 물질이 팁 (31)을 넘어 통과함에 따라, 팁 (31)은 그린 테이프 물질 (20)로부터 캐리어 웨브 (22)를 분리시킨다. 하나 이상의 구체 예에서, 팁 (31)은, 되감기 방향 (A)으로 캐리어 웨브를 향하게 하고, 다운스트림 공정 방향 (B)으로 그린 테이프 물질을 향하게 하기 전에, 그린 테이프 물질 (20)으로부터 캐리어 웨브 (22)를 분리시킨다. 하나 이상의 구체 예에서, 팁 (31)은, 되감기 방향 (A)으로 캐리어 웨브 (22)를 향하게 하고, 다운스트림 공정 방향 (B)으로 그린 테이프 물질 (20)을 향하게 함과 동시에 그린 테이프 물질 (20)로부터 캐리어 웨브 (22)를 분리시킨다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 분리 시스템 (12)은, 분리된 캐리어 웨브 (22)를 수집하기 위한 업테이크 릴 (26)을 포함한다. 나타낸 구체 예에서, 선택적인 아이들 롤러 (idle roller: 23)는, 캐리어 웨브 (22)에서 장력을 더욱 제어하고 유지하는데 사용될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 연속 테이프 물질이 더 많이 분리 시스템을 통해 운반되므로써, 공급원 (16) 직경이 감소하고, 업테이크 릴 (26) 직경이 증가함에 따라, 센서 (15)는, 캐리어 웨브에서 장력을 제어하고 유지하는데 또한 사용될 수 있다.
지지 웨브 제거 스테이션의 다른 관점은, 2개의 물질 (예를 들어, 그린 테이프 물질 및 캐리어 웨브)를 분리시키는 방법에 관한 것이다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 인장 아이솔레이터 (28)에 연속 테이프 물질 (18)를 공급하는 단계, 상기 인장 아이솔레이터로 그린 테이프 물질 (20)에 적용된 장력을 초과하는 장력을 캐리어 웨브 (22)에 적용하는 단계, 및 여기에서 기재된 바와 같이, 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 이동하도록 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 그린 테이프 물질을 다운스트림 공정 방향으로 향하게 하기 전에, 그린 테이프 물질로부터 캐리어 웨브를 분리시키는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 그린 테이프 물질을 다운스트림 공정 방향으로 향하게 하는 것과 동시에 그린 테이프 물질로부터 캐리어 웨브를 분리시키는 단계를 포함한다. 상기에서 교시된 바와 같이, 상기 방법의 구체 예는, 진공 드럼과 접촉하는 캐리어 웨브를 갖는다. 다른 구체 예에서, 테이프 물질은, 테이프의 양 측면 상에 캐리어 웨브를 가질 수 있고, 분리 스테이션의 요소는, 캐리어 웨브 모두를 제거하는데 사용 및 반복될 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 그린 테이프 물질에 (상기에서 개시된 바와 같이) 장력을 적용하지 않거나 또는 실질적으로 적용하지 않거나 또는 아주 조금 장력을 적용하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 물질이 제1 장력 존 (17)을 따라 공급원 (16)으로부터 인장 아이솔레이터 (28)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 장력을 적용하지 않거나 또는 실질적으로 적용하지 않거나 또는 아주 조금 장력을 적용하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 물질이 제2 장력 존 (19)을 따라 인장 아이솔레이터 (28)로부터 필러 (30)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 장력을 적용하지 않거나 또는 실질적으로 적용하지 않거나 또는 아주 조금 장력을 적용하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 (18)가 (제1 장력 존에 따라) 공급원 (16)으로부터 인장 아이솔레이터 (28)로 및 (제2 장력 존을 따라) 필러 (30)로 이동함에 따라 그린 테이프 물질에 장력을 적용하지 않거나 또는 실질적으로 적용하지 않거나 또는 아주 조금 장력을 적용하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, (분리 시스템 (12)에 따른 임의의 지점에서) 그린 테이프 물질 (20)에 적용된 장력보다 적어도 2배 큰 장력을 캐리어 웨브 (22)에 적용하는 단계를 포함한다. 저탄성을 갖는 캐리어 웨브를 선택하는 것은, 캐리어 웨브가 테이프 물질에 적용된 벌크의 장력을 견디는 것을 용이하게 할 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브 (28) 상에 장력의 적용을 통한 그린 테이프 물질에 적용된 장력 이외에, 그린 테이프 물질에 부가적인 장력이 적용되지 않는 단계를 포함한다. 이러한 구체 예에서, 상기 캐리어 웨브는, 캐리어 웨브 상에 이러한 장력의 적용에 기인하여 신장될 수 있고, 이는 결국 그린 테이프 물질 상에 약간의 장력을 생성한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 물질이 제1 장력 존 (17)을 따라 공급원 (16)으로부터 인장 아이솔레이터 (28)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 부가적인 장력을 적용하지 않는 단계를 포함한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 물질이 제2 장력 존 (19)을 따라 인장 아이솔레이터 (28)로부터 필러 (30)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 부가적인 장력을 적용하지 않는 단계를 포함한다. 하나 이상의 대표적인 구체 예에서, 상기 방법은, 연속 테이프 (18)가 (제1 장력 존에 따라) 공급원 (16)으로부터 인장 아이솔레이터 (28)로 및 (제2 장력 존을 따라) 필러 (30)로 이동함에 따라, 그린 테이프 물질에 부가적인 장력을 적용하지 않는 단계를 포함한다.
하나 이상의 구체 예에서, 2개의 물질 (즉, 그린 테이프 물질 및 캐리어 웨브)를 분리시키는 방법은, 연속 테이프 물질을 인장 아이솔레이터에 공급하는 단계 및 캐리어 웨브에 제1 장력을 적용하는 단계, 상기 제1 장력을 초과하는 제2 장력을 캐리어 웨브에 적용하는 단계, 및 되감기 방향으로 이동하도록 캐리어 웨브를 향하게 하는 단계 및 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 장력을 적용하는 단계는, 여기에 개시된 바와 같이 장력을 적용하지 않거나 또는 거의 장력을 적용하지 않는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 장력을 적용하는 단계는, 연속 테이프 물질이 제1 장력 존을 따라 공급원 (16)으로부터 인장 아이솔레이터 (28)로 이동됨에 따라, 캐리어 웨브에 장력을 적용하지 않거나 또는 거의 장력을 적용하지 않는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 제2 장력은 약 2.5 PLI 이하이다. 예를 들어, 캐리어 웨브 (22)에 적용된 장력은, 약 2.4 PLI 이하, 약 2.3 PLI 이하, 약 2.2 PLI 이하, 약 2.1 PLI 이하, 약 2 PLI 이하, 약 1.8 PLI 이하, 약 1.6 PLI 이하, 약 1.5 PLI 이하, 약 1.4 PLI 이하, 약 1.2 PLI 이하, 또는 약 1 PLI 이하이다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 장력은, 제2 장력의 약 50% 이하 (예를 들어, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 또는 약 25% 이하)이다.
하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 그린 테이프 물질이 캐리어 웨브 (22)로부터 분리된 후에, (소결 스테이션에 대하여 여기서 좀 더 상세히 논의될 바와 같이) 그린 테이프 물질을 적어도 부분적으로 소결시키는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브 (22)가 그린 테이프 물질 (20)로부터 분리된 후에, 캐리어 웨브 (22)를 업테이크 릴 (26) 상으로 스풀링하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브가 업테이크 릴 상으로 스풀링될 때 까지, 제2 장력을 따라 캐리어 웨브 (22) 상에 장력을 계속적으로 유지시키는 단계를 포함한다.
바인더 제거 스테이션
도 3에 관하여 전술한 바와 같이, 시스템 (10)은, 적어도 몇몇 구체 예에서, 소결 스테이션과는 별도로 능동적 및 독립적으로 가열되는, 그린 테이프 (20)로부터 바인더 물질을 제거하도록 구성된 가열 스테이션을 포함한다. 여기에 개시된 비스크 테이프의 소성과 같은, 다른 구체 예에서, 가열 스테이션은 없을 수 있다. 발명자들은, 소결 가열로 내에 히터와는 별도로, 그 자체의 제어가능한 열원으로 바인더 제거를 위해 전용된 스테이션을 능동적으로 가열하는 것이, 바인더 제거 공정의 더 용이한 제어를 가능하게 하여, 폭이 넓은 그린 테이프 (예를 들어, 적어도 5㎜, 적어도 10㎜, 적어도 30㎜, 적어도 50㎜)에 대해 특히 이로운, 그린 테이프의 바인더에서 휘발성 물질의 연소의 가능성을 감소시키는 것으로 믿어진다. 다른 구체 예는, 여기에 개시된 수동적-가열된 바인더 제거 스테이션을 포함하고, 여기서 상기 스테이션은, 인접한 소결 가열로로부터 방출된 열을 사용한다.
대표적인 구체 예에 따르면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 분리 스테이션 (12)으로부터 그린 테이프 (20)를 수신하고, 그린 테이프 (20)는 그 다음 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 전진한다. 도 9를 참조하면, 시스템 (10)의 바인더 제거 스테이션 (34)의 상세도는 나타내고, 좀 더 상세하게 기재된다.
전술한 바와 같이, 그린 테이프 (20)는, 여기에 개시된 바와 같은 바인더, 예컨대, 유기 바인더에 의해 결합된 무기 물질의 결정립을 포함한다. 바인더 제거 스테이션 (34)은, 이하 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 그린 테이프 (20)를 수신하고, 바인더를 화학적으로 변화시키고 및/또는 그린 테이프 (20)으로부터 바인더를 제거하여, 무기 물질의 결정립을 남기는, 소결을 위한 그린 테이프 (20)를 준비하여, 공정 방향 (14)에서 소결 스테이션 (38)으로 이동될 수 있는, 자립형, 비결합된 테이프 (36)을 형성한다. 대표적인 구체 예에 따르면, 순간 (즉, 시간의 한 시점)에서, 그린 테이프 (20)는, 스테이션 (34)을 향하여, 내로, 통하여, 내에서, 인접하게, 및/또는 멀리 동시에 연장된다. 따라서, 이해되는 바와 같이, 테이프 물질이 바인더 제거 스테이션 (34)을 횡단함에 따라, 시스템 (10)에서 가공될 테이프 물질은, 비결합된 테이프 (36)와 연속적으로 연결된 그린 테이프 (20)를 동시에 포함한다.
대표적인 구체 예에 따르면, 그린 테이프 (20)의 바인더는, 중합체 바인더일 수 있고, 상기 바인더는, 바인더를 연소시키거나 또는 태우기 위해 바인더를 가열하여 그린 테이프 (20)로부터 화학적으로 변화 및/또는 제거된다. 대표적인 구체 예에 따르면, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 스테이션 (34)에서 바인더 제거 전에 그린 테이프뿐만 아니라 그린 테이프 형성 전에 무기 물질을 측량한 다음, 바인더 제거 스테이션 (34)의 작동 후에 비결합된 테이프 (36)를 측량하고, 차이를 비교하여 측정될 수 있는, 무기 물질의 결정립의 소결 없이 그린 테이프 (20)의 제1 부분으로부터 중량의 측면에서, 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 또는 연소시킨다. 탄소와 같은, 바인더의 잔존물이 남아있는 경우, 본 발명자들은, 더 높은 온도에서, 후속 소결이 일반적으로 이들 잔존물을 제거할 수 있는 것으로 믿는다. 다른 고려된 구체 예에서, 바인더는, 소결 전에 바인더 제거 스테이션에서 그린 테이프에 전달된 또 다른 물질 (예를 들어, 촉매, 가스)과 화학적으로 반응하도록 선택된 물질로부터 형성되는 것과 같이, 화학적으로 제거될 수 있다. 또 다른 고려된 구체 예에서, 바인더는, 소결 전에 스테이션에서 그린 테이프 (20)로부터 증발 또는 그렇지 않으면 기화 및 탈가스될 수 있다.
여전히 도 9를 참조하면서, 대표적인 구체 예에 따르면, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 그린 테이프 (20)가 바인더 제거 스테이션 (34)과 결합작동하여 비결합된 테이프 (36)를 형성함에 따라 (예를 들어, 50% 초과, 예컨대, 70% 초과, 예컨대, 90% 초과 만큼 소결되는, 무기 물질이 아닌 그린 테이프 (20)의 일부의 중량을 감소시켜; 30% 초과, 예컨대, 50% 초과 만큼 전체 그린 테이프 (20)의 중량을 감소시켜) 그린 테이프 (20)로부터 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 또는 연소시키기 위한 액티브 히터 (5120)를 포함한다. 액티브 히터 (5120)는 바인더를 연소시키기 위해 그린 테이프 (20)에 열 에너지를 제공한다. 몇몇 구체 예에서, 히터 (5120)는, 유도성 또는 저항성 가열 소자와 같은, 전기 가열 소자이거나 또는 전기 가열 소자를 포함한다. 다른 구체 예에서, 히터 (5120)는, 가스 가열 소자와 같은, 연소 가열 소자이거나 또는 연소 가열 소자를 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 히터 (5120)는, 마이크로파 및/또는 레이저 또는 다른 가열 소자이거나 또는 이를 포함한다. 이러한 가열 소자는 또한 소결 스테이션 (38)에서 사용될 수 있지만, 여기에 개시된 바와 같이 다른 온도로 가열될 수 있다.
대표적인 구체 예에 따르면, 바인더 제거 스테이션 (34)의 액티브 히터 (5120)는, 그린 테이프 (20)에 의해 수신된 열 에너지의 비율이 그린 테이프 (20)가 바인더 제거 스테이션 (34)를 통해 전진함에 따라 증가하도록, 존들 (5120A, 5120B, 5120C, 5120D)과 같은, 가열 존을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 그린 테이프 (20)에 의해 수신된 열 에너지의 비율은, 바인더가 가연성 가스 부산물로 분해 및 방출함에 따라, 처음에는 서서히 증가하고, 그 다음 그린 테이프 (20) 착화에 대한 잠재력이 감소함에 따라 더 빨라지는 것과 같이, 비선형 방식으로 증가한다. 이 가열 존 접근법 및 좀 더 구체적으로는 비-선형 접근법은, 일정한 속도로, 시스템 (10)과 같은, 제조 라인을 이동할 수 있는, 여기에 개시된 바와 같은, 테이프의 소결에 특히 유용할 수 있다. 대표적인 구체 예에 따르면, 바인더 제거 스테이션 (34)에서 그린 테이프 (20)가 겪게 되는 온도는, 적어도 200℃, 예컨대, 적어도 250℃일 수 있고, 및/또는 그린 테이프 (20)에 의해 운반된 무기 결정립에 대한 소결 온도 아래, 예컨데, 1200℃ 미만, 예를 들어, 900℃ 미만일 수 있다. 고려된 구체 예에서, 여기에 개시된 적어도 몇몇 물질의 경우, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 테이프의 인장 강도를 증가시킬 수 있는, 개개의 결정립을 서로 가능한 결합시키는 것과 같이, 테이프의 무기 물질을, 적어도 어느 정도로, 소결시킬 수 있다.
대표적인 구체 예에 따르면, 바인더 제거 스테이션 (34)는, 그린 테이프 (20)가 바인더 제거 스테이션 (34)를 통해 전진함에 따라, 그린 테이프 (20) 위 및/또는 아래에 (예를 들어, 위 및 아래에) 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아낸다. 몇몇 구체 예에서, 히터 (5120)는, 다공성 벽 물질을 통해, 또는 플리넘 (plenum)으로부터 벽을 통해 다수의 노즐을 통해 전달될 수 있는 바와 같이, 열 에너지의 일부 또는 전부를 그린 테이프 (20)에 전달하기 위해 고온의 공기의 흐름을 제공할 수 있다. 다른 구체 예에서, 가스의 흐름은, 도 9에 나타낸 팬 (5122)과 같은, 바인더 제거 스테이션 (34)에 인접한 팬 또는 펌프에 의해 가능하게 된다. 가압 가스의 탱크는 또한 테이프 위로 불어지는 가스를 공급하기 위한 공급원으로 사용될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 가스는 공기이다. 다른 구체 예에서, 가스는, 아르곤과 같은, 불활성 가스이다.
몇몇 구체 예에서, 가스는 그린 테이프 (20)의 상측 및 하측 모두에 걸쳐 불어 넣고 및/또는 뽑아내지만, 다른 구체 예에서, 가스는 상측 또는 하측에 걸쳐 오직 향하게 된다. 몇몇 구체 예에서, 그린 테이프 (20)는, 가스 베어링 및/또는 기저 표면 (underlying surface)에 의해 직접 지지되고, 그 표면에 대하여 이동한다. 예를 들어, 그린 테이프 (20)는, 스테인리스 스틸 (stainless steel)로 만들어진 표면과 같은, 기저 표면을 따라 슬라이딩될 수 있고, 접촉할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 가스는, 적어도 100℃와 같이, 테이프 위로 불어 넣고 또는 뽑아내기 전에 실온 이상의 온도로 가열되며, 이것이 더 적은 부위의 표면 불규칙 및 응력 집중에 기인하여 증가된 강도 또는 평탄도를 제공하는 것과 같이, 그 결과로 생긴 소결된 물질의 특성에 영향을 미칠 수 있는, 그린 테이프 (20)의 열 충격을 방지하는데 도움이 될 수 있음을, 본 발명자들은 확인하였다.
그린 테이프 (20) 위로, 특히 산소를 함유하는 공기 또는 가스를, 능동적으로 불어 넣고 또는 뽑아내는 가스는, 기술분야의 당업자에게는 반직관적일 수 있는데, 이는, 산소가 테이프 착화를 촉진시킬 수 있고, 연료로 공급될 수 있어, 테이프 (20)가 스테이션 (34)을 횡단함에 따라, 그린 테이프 (20)의 형상을 변형시킬 수 있거나 및/또는 그린 테이프 (20)의 품질을 저해할 수 있는 것으로 당업자가 기대할 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명자들은, 그린 테이프 (20)가 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 전달됨에 따라, 그린 테이프 (20) 위로, 몇몇 구체 예에서 공기를 포함하는, 불어 넣는 및/또는 뽑아내는 가스가, 테이프가 착화되지 않도록 사실상 돕는다는 것을 확인하였다. 예를 들어, 본 발명자들은, 바인더가 착화없이 바인더 제거 스테이션 (34)에 의해 제거되고 및/또는 태워지는 동안, 공기를 그린 테이프 (20) 위로 불어 넣지 않는다면, 테이프가 스테이션 (34)를 통해 동일한 속도로 이동하는 경우 착화된다는 것을 확인하였다. 발명자들은, 소성시 그린 테이프 (20)의 착화 위험이, 그린 테이프 (20)를 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 더 느리게 이동시키고, 가열 존들 (5120A, 5120B, 5120C, 5120D)을 더욱 이격시키며, 바인더에 난연제를 사용하고, 바인더 제거 스테이션 (34)의 통풍 (ventilation)을 증가시키며, 및/또는 이러한 기술의 조합하여, 또한 감소되거나 및/또는 제거될 수 있는 것으로 생각하였다.
가스를 그린 테이프 (20) 및/또는 비결합된 테이프 (36) 위에 능동적으로 불어 넣고 및/또는 뽑아낼 수 있지만, 본 발명자들은, 비결합된 테이프 (36)가 어떻게 가스가 흐르는지에 따라 진동 및/또는 면외 방향 휨 (out-of-plane bending)으로부터의 손상에 특히 민감할 수 있음을 확인했다. 따라서, 몇몇 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통한 가스 흐름은, 층류 (laminar flow)이거나 및/또는 이를 포함한다. 공기의 흐름은 비결합된 테이프 (36)으로 확산될 수 있거나 및/또는 비결합된 테이프 (36)로 향하지 않을 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 가스 공급원 또는 발동기 (motivator) (예를 들어, 팬, 펌프, 가압 공급기)는, 분당 적어도 1 리터의 가스를, 예컨대, 통로 (5128)를 통하여, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 전달한다 (도 10 참조).
몇몇 구체 예에 따르면, 그린 테이프 (20)는, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 수직이 아닌, 수평으로 전진한다. 테이프를 수평으로 배향시키는 것은, 고온의 가스가, 바인더 제거 스테이션 (34)를 통해 상승하고 및 너무 많은 공기를 끌어당기어, 비결합된 테이프 (36)를 진동시키는, 예컨대, "굴뚝 효과"를 감소시켜, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통하여 기류를 제어하는 것을 도울 수 있다. 공기 펌프, 팬, 및 주위 환경 공기 조건 (예를 들어, 고온)은, 다른 고려된 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통해 그린 테이프 (20)을 수평으로 배향하지 않고, 굴뚝 효과를 상쇄 및/또는 제어한다.
대표적인 구체 예에 따르면, 비결합된 테이프 (36)는, 그린 테이프 (20)가 스테이션 (34)를 통해 전진함에 따라, 양의 종방향의 장력하에 있다. 그린 테이프 (20)의 장력은, 그린 테이프 (20)가 소결 스테이션 (28)과 같은, 추가 공정을 위한 제조 시스템의 또 다른 스테이션으로 순차적으로 통과하는 경우와 같이, 평평한 방향으로 그린 테이프 (20)를 유지하는 것을 도울 수 있다. 바인더 없이 (예를 들어, 스테이션 (34)에서 바인더 제거 후에), 비결합된 테이프 (36)는, 덜한 최종 인장 강도, 예컨대, 절반 이하, 예를 들어 4분의 1 이하를 갖는 것과 같이, 그린 테이프 물질 (20)보다 더 약할 수 있다. 대표적인 구체 예에 따르면, 비결합된 테이프 (36)에 종방향의 장력 (즉, 인장 응력)은, 단면의 ㎟ 당 500 그램-힘 미만이다. 발명자들은, 그린 테이프 (20)가, ASTM 표준에 통해 측정된 경우, E290 참조, 그린 테이프 (20)의 파단 없이 최소 굽힘 반경이 비결합된 테이프 (36)의 절반 미만 (예를 들어, 4분의 1 미만, 8분의 1 미만)이 되도록, 비결합된 테이프 (36)보다 실질적으로 더 굽힘 가능한 것으로 믿으며, 여기서 굽힘 반경은 그린 테이프 (20)의 각각의 부분이 파단 없이 실린더에 대해 굽혀질 수 있는, 최소 내부 반경이다.
적어도 몇몇 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)을 통한 가공 후에, 비결합된 테이프 물질 (36)은, 소결된 테이프 (40)을 형성하기 위해 비결합된 테이프 (36)의 무기 물질을 적어도 부분적으로 소결시키는, (이하 더욱 상세히 논의되는) 소결 스테이션 (38)으로 이동한다. 따라서, 연속적인 공정을 위해, 동시에, 그린 테이프 (20)는 비결합된 테이프 (36)를 통해 소결된 테이프 (40)에 연속적으로 연결된다.
몇몇 이러한 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)은 소결 스테이션 (38)에 가까운데, 이들 사이에 거리는, 10m 미만 (예를 들어, 바인더 제거 스테이션 (34)의 출구 개구와 소결 스테이션 (38)의 유입구 개구 (106) (도 12 참조) 사이에서, 10㎜ 미만, 2.5㎝ 미만, 5㎝ 미만, 10㎝ 미만, 25㎝ 미만, 100㎝ 미만, 5 m 미만, 등)이며, 이에 의해, 비결합된 테이프 (36)가 스테이션 (34)과 스테이션 (38) 사이에 갭에서 경험할 수 있는 열 충격을 완화시키고, 이는, 더 적은 부위의 표면 불규칙 및 응력 집중에 기인하여 증가된 강도 또는 평탄도를 제공하는 것과 같이, 그 결과로 생긴 소결된 물질의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 고려된 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 소결 스테이션 (38)과 직접 접촉 및 인접하거나, 및/또는 그와 함께 공통 하우징하에 있지만, 적어도 몇몇 구체 예에서, 중간 배출구는 바인더 제거의 연기 (fumes) 또는 다른 부산물을 배출한다.
도 10을 참조하면, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 통로 (5128)의 대향 단부 상에 입구 및 출구 개구들 (5130, 5132)을 갖는 통로 (5128)를 한정하는 벽 (5126)을 포함한다. 통로는 입구와 출구 개구들 (5130, 5132) 사이에 길이 (L)를 갖고, 이는, 몇몇 구체 예에서, 적어도 5㎝, 예컨대, 적어도 10㎝, 및/또는 10 m 이하이다. 대표적인 구체 예에 따르면, 출구 개구 (5132) 및/또는 입구 개구 (5130)는, 높이 (H) 및 상기 높이 (H)에 직교하는 폭 (W)를 갖는 것과 같이, 좁고 길며, 여기서 높이 (H)는 폭 (W)의 절반 미만, 예컨대, 폭 (W)의 5분의 1 미만, 예컨대, 폭 (W)의 10분의 1 미만이다. 몇몇 구체 예에서, 높이 (H)는 5cm 미만, 예컨대, 2cm 미만, 예컨대, 1cm 미만, 및/또는 이에 의해 가공될 그린 테이프 (20)의 두께를 적어도 초과하는, 예컨대, 적어도 20㎛를 초과하는 것과 같이, 여기에 개시된 그린 테이프의 두께를 적어도 초과한다. 발명자들은, 좁은 개구를 갖는 것이, 입구 및 출구 개구들 (5130, 5132)에서 가스의 순환 (예를 들어, 주변 기류)을 제한하여 바인더 제거 스테이션 (34)의 성능을 개선시키는 것을 확인하였다. 몇몇 구체 예에서, 통로 (5128)는 직선이지만, 다른 구체 예에서, 통로는 1 m를 초과하는 곡률 반경을 갖는 것과 같이, 완만한 아크형이며, 여기서 테이프의 아크형 및 상응하는 곡률은, 테이프의 형상화 또는 평탄화를 도울 수 있다.
도 11을 참조하면, 테이프를 가공하는 방법 (5210)은, 제조 시스템 (예를 들어, 바인더 제거 스테이션 (34) 또는 여기에 개시된 다른 제조 시스템)을 통해 테이프를 전진시키는 단계 (5212)를 포함하며, 예컨대, 여기서, 테이프는 바인더에 의해 결합된 무기 물질의 결정립을 갖는 제1 부분을 포함한다 (예를 들어, 그린 테이프 (20)). 상기 방법은, 테이프의 제1 부분으로부터 바인더를 제거하여 및/또는 바인더를 화학적으로 변화시켜, 무기 물질의 결정립을 남기고, 이에 의해 테이프의 제2 부분을 형성하는, 제조 시스템의 스테이션에서 테이프의 제2 부분 (예를 들어, 비결합된 테이프 (36))을 형성시켜, 소결용 테이프를 준비하는 단계를 포함한다.
몇몇 이러한 구체 예에서, 소결용 테이프를 준비하는 단계 (5214)는, 무기 물질의 결정립을 동시에 소결하거나 또는 소결하지 않은 (예를 들어, 전술된 바와 같은) 테이프의 제1 부분으로부터 바인더의 적어도 대부분을 태우는 단계 또는 연소시키는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 제조 시스템의 스테이션은 제1 스테이션이고, 가공 방법 (5210)은 제2 스테이션에서 테이프의 제2 부분을 수신하는 단계 (5218), 및 제2 스테이션에서 테이프의 제2 부분을 무기 물질을 적어도 부분적으로 및/또는 더욱 소결시켜 테이프의 제3 부분을 형성하는, 소결 단계 (5220)를 더욱 포함한다.
몇몇 구체 예에서, 가공 방법 (5210)은, 테이프가 전진함에 따라 (5212), 테이프의 제2 부분을 명확하게 장력 조정하는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 명확한 장력 조정은, 테이프의 제2 부분에서 종방향 장력 (즉, 인장 응력)이 단면 ㎟ 당 500 그램-힘 미만인 정도다. 몇몇 구체 예에서, 가공 방법 (5210)은, 소결용 테이프를 준비하는 단계 (5214) 동안에 테이프 위로 가스를 불어 넣거나 및/또는 뽑아내는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 테이프를 전진시키는 단계 (5212)는, 스테이션을 통해 테이프를 수평적으로 전진시키는 단계, 및/또는 가스 베어링 및/또는 기저 표면에 의해 테이프를 직접 지지하는 단계 및 상기 테이프를 그 표면에 대해 및/또는 개구 (5128)에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 더욱 포함한다.
바인더 제거의 실시 예
발명자들은, 바인더 제거 스테이션 (34)과 유사한 바인더 번-아웃 가열로를 사용하여 소결 전에 그린 테이프로부터 바인더를 제거한다. 하나의 실시 예에서, 그린 테이프는, 중합체 바인더로 로딩되어 약 42㎜ 폭 및 약 25㎛ 두께의 리본을 형성하는 테이프 캐스트 지르코니아 세라믹 결정립 (tape cast zirconia ceramic grains)이다. 그린 테이프는, 수평적 6-고온-존 바인더 번아웃 가열로를 통해 분당 20 inch로 공급된다. 바인더 번아웃 가열로는, 325℃의 입구에서 475℃의 출구로 다른 4개의 고온 존에 대해 0에서 25℃로 증가하는 정도의 증분으로 설정된다. 0 내지 250℃의 온도에서 분당 약 7.5 리터의 기류는 또한 제공된다. 기류는 바인더 번-아웃 가열로의 양 측면들 사이에서 나누어진다. 가열로는 길이가 36 inch이고, 18-inch 고온 존을 갖는다.
소결 스테이션
도 12 내지 도 20을 참조하면, 소결 스테이션 (38)은, 보다 상세하게 나타내고 기재된다. 일반적으로, 바인더 제거 스테이션 (34) 내에 그린 테이프 (20)로부터 바인더 물질을 제거한 후에, 비결합된 테이프 (36)는, 소결 스테이션 (38)으로 이동한다.
적어도 하나의 특별한 구체 예에서, 소결 스테이션 (38)은, 소결 가열로 (100)을 포함한다. 소결 가열로 (100)는 단열된 하우징 (102)을 포함한다. 일반적으로, 단열된 하우징 (102)은, 입구 개구 (106)로 나타낸, 입구와, 출구 개구 (108)로 나타낸, 출구 사이에 소결 가열로 (100)을 통해 연장된 채널 (104)로 한정하는 다수의 내부 벽을 포함한다. 바인더 제거 스테이션 (34)은, 그린 테이프 물질 (20)이 바인더 제거 스테이션 (34)를 통해 통과하여, 전술된 바와 같은 비결합된 테이프 물질 (36)을 제조하도록 입구 개구 (106)에 인접하게 위치된다. 비결합된 테이프 물질 (36)은, 입구 개구 (106) 내로, 채널 (104)을 통하여 통과한다. 채널 (104) 내에서, (다른 타입의 가열 소자와 관련하여 위에서, 및 아래에서 좀 더 상세히 설명된) 히터에 의해 발생된 열은, 비결합된 테이프 (36)의 소결을 일으켜 소결된 테이프 (40)를 형성하고, 소결된 테이프 (40)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 추가의 가공 또는 업테이크를 위해 출구 개구 (108)를 통해 통과된다. 비결합된 테이프 (36)가 소결 동안 노출되는 온도 프로파일에 의존하여, 소결 가열로 (100)를 빠져나갈 때, 테이프 (40)는 완전히 소결되거나 또는 부분적으로 소결될 수 있다. 테이프 (40)가 부분적으로 소결되거나 또는 완전히 소결되더라도, 테이프 (40)의 다공도는, 가열로 (100)에서 발생하는 소결에 기인하여 그린 테이프 (20)의 다공도 미만이다. 유사하게, 몇몇 구체 예에서, 테이프 (40)의 폭은 그린 테이프 (20)의 폭 미만이다. 몇몇 이러한 및 또 다른 구체 예에서, 비결합된 테이프 (36)의 수축은, 테이프 (40)의 두께, 폭 및/또는 길이가 그린 테이프 (20)의 두께 미만이도록, 소결 동안 제어될 수 있다.
도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상적인 불연속적인 조각에 기초한 소결 시스템과 대조적으로, 비결합된 테이프 (36)는 가열로 (100)을 통해 완전히 연장되는 연속 길이의 물질이다. 이러한 배열에서, 단일의 연속 길이의 비결합된 테이프 (36)는, 입구 (106)로, 채널 (104)를 통해 및 출구 (108) 밖으로 연장된다. 이해되는 바와 같이, 비결합된 테이프 (36)가 가열로 (100)을 통해 연속적이기 때문에, 이의 좌측 에지, 이의 우측 에지 및 이의 중심선 (예를 들어, 좌측 에지 및 우측 에지와 평행하고 이들로부터 등거리에 위치된 세로방향의 선)은, 입구 (106)와 출구 (108) 사이에 가열로 (100)을 통해 전체 거리를 또한 연장시키거나 또는 또한 연장시킬 수 있다. 참조로, 도 14는, 소결 가열로 (100)를 빠져나온 후, 에지 (130 및 132)와 같은, 전술된 에지를 나타낸다. 연속 테이프 (36)와 가열로 (100) 사이에 이러한 관계는, 여기서 논의된 롤-대-롤 소결 공정에 고유한 것으로 믿어지며, 소결될 조각과 함께 가열로를 통해 이동하는 세터 보드에 의해 지지된 가열로를 통해 물질의 불연속적 조각이 이동하는 소결용 터널 킬른 공정 (tunnel kiln processing)의 물리적 배열과는 다르다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 테이프는, 가열로 (100)의 채널 (104)를 통해 표면(들) (예를 들어, 하부 표면 (126))에 대해 및/또는 이에 따라 슬라이딩되고, 세터 또는 컨베이어 상에서 운반되지 않는데, 이는 세터 및 정적 대 동적 마찰 및 접착력과 관련된 테이프의 응착 마모 (adhesive wear) 및 결합을 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 채널 (104) 및/또는 채널 (104) 내에 비결합된 테이프 (36)의 높은 수준의 수평 상태 (horizontality)가 소결 동안 테이프 (36)에 대한 난기류의 영향을 감소시키는 것을 확인했다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 채널 (104), 입구 (106), 및 출구 (108)는 실질적으로 수평면에 놓여 있다. 특별한 구체 예에서, 채널 (104), 입구 (106), 및 출구 (108)의 중심 축을 통해 한정된 경로는, 실질적으로 수평면 및/또는 (예를 들어, 적어도 1m의 곡률 반경을 갖는) 완만한 아크 또는 곡선을 한정한다. 유사하게, 이러한 구체 예에서, 비결합된 테이프 (36)는 또한, 채널 (104) 내에 실질적으로 수평면 및/또는 완만한 아크 또는 곡선 내에 놓일 수 있다 (예를 들어, 도 13에 나타낸, 테이프 (36)의 상부 표면 (124) 및/또는 하부 표면 (126)이 실질적으로 수평면에 놓인다). 여기서 사용된 바와 같은, 채널 (104), 입구 (106), 및 출구 (108)에 의해 한정된, 테이프 (36)의 실질적인 수평면은, 수평 기준면에 대해 10도 이하의 각을 형성하는 것이다. 다른 특별한 구체 예에서, 채널 (104) 내에 채널 (104), 입구 (106), 및 출구 (108) 및/또는 테이프 (36)는, 수평 기준면에 대해 3도 이하의 각도, 및 좀 더 구체적으로는 수평 기준면에 대하여 1도 이하의 각도를 형성하는 평면과 같이, 훨씬 더 수평면에 놓인다. 다른 구체 예에서, 채널 (104)은, 그렇게 배향되지 않으며, 상응하는 소결된 테이프는 채널 (104)을 통한 기류가 난기류인 경우와 같이, "굴뚝 효과" 또는 불규칙 가열과 관련된 표시 (예를 들어, 롤링 표면 더미 (surface mounds) 또는 범프 (bumps))를 가질 수 있다.
시스템 (10)의 횡단 동안 시스템 (10)의 테이프 물질이 노출되는 난기류를 더욱 제어하거나 또는 제한하기 위해, 테이프 (20 및 36)가 바인더 제거 스테이션 (34) 및 소결 스테이션 (38)을 횡단함에 따라, 실질적으로 수평 위치에서 테이프 물질 (예를 들어, 바인더 제거 스테이션 내에 그린 테이프 물질 (20) 및 소결 스테이션 내에 비결합된 테이프 물질 (36))을 유지하는 방식으로 소결 스테이션 (38)에 대하여, 바인더 제거 스테이션 (34)는 위치될 수 있다. 이러한 구체 예에서, 소결 채널 (104)의 수평적 위치 결정과 유사하게, 바인더 제거 스테이션 (34)은, 개구 (116, 118)가 수평의 10도 내에서 이들 사이에 라인을 형성하도록 정렬되는 경우와 같이, 실질적으로 수평 위치로 배향되거나 또는 배향될 수 있다.
이러한 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34)은 바인더 번아웃 가열로 (110)을 포함한다. 바인더 번아웃 가열로 (110)는 단열된 하우징 (112)을 포함한다. 일반적으로, 단열된 하우징 (112)은, 입구 개구 (116)와 출구 개구 (118) 사이에 바인더 번아웃 가열로 (110)를 통하여 연장되는 채널 (114)을 한정하는 다수의 내부 벽을 포함한다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 바인더 번아웃 가열로 (110), 채널 (114), 입구 개구 (116), 및 출구 개구 (118)는 실질적으로 수평면에 놓인다. 특별한 구체 예에서, 채널 (114), 입구 (116), 및 출구 (118)의 중심 축을 통해 한정된 경로는, 실질적으로 수평면을 한정한다. 유사하게, 이러한 구체 예에서, 그린 테이프 (20)는 또한 채널 (114) 내에 실질적으로 수평면 내에 놓일 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, 그린 테이프 (20) 및 채널 (114), 입구 개구 (116), 및 출구 개구 (118)의 실질적으로 수평면은, 수평 기준면에 대해 10도 이하의 각도를 형성하는 것이다. 다른 특별한 구체 예에서, 채널 (114), 입구 개구 (116), 및 출구 개구 (118) 및/또는 채널 (114) 내에 그린 테이프 (20)는, 수평 기준면에 대해 3도 이하의 각도 및 좀 더 구체적으로는 수평 기준면에 대하여 1도 이하의 각도를 형성하는 평면과 같이, 훨씬 더 수평면에 놓인다. 또 다른 구체 예에서, 이들 피쳐는 그렇게 수평적으로 정렬되지 않을 수 있다.
바인더 번아웃 가열로 (110) 및 소결 가열로 (100) 각각 내에서 그린 테이프 (20) 및 비결합된 테이프 (36)의 수평 상태를 유지하는 것에 부가하여, 바인더 번아웃 가열로 (110) (또한 바인더 제거 스테이션이라 함) 및 소결 가열로 (100)는, 비결합된 테이프 (36)가 바인더 번아웃 가열로 (110)로부터 소결 가열로 (100)로 전환됨에 따라, 비결합된 테이프 (36)가 수평 위치를 유지하도록 서로에 대해 정렬된다. 발명자들은, 이러한 전환 지점에서, 대부분의 유기 바인더가 제거되기 때문에, 비결합된 테이프 (36)가 (난기류에 의해 야기되는 힘과 같은) 다양한 힘에 기인하는 변형 또는 파손에 특히 민감하고, 비결합된 테이프 (36)의 미소결된 무기 결정립이 상대적으로 약한 힘 (예를 들어, 반 데르 발스 힘, 정전기 상호작용, 소량의 남은 유기 바인더, 인접 입자들 사이에 마찰 상호작용/연결, 바인더에 운반된 낮은 수준의 무기물, 가소제, 액체 비히클, 아마도 어떤 입자-대-입자 결합, 등)에 의해 결합되며, 및 따라서, 비결합된 테이프 (36)과 상호작용하는 난기류에 의해 유발된 것과 같은, 상대적으로 작은 힘 조차도 변형 또는 파손을 유발할 수 있음을 확인했다.
따라서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 난기류를 제한하기 위해, 바인더 번아웃 가열로 (110)의 채널 (114)은, 소결 가열로 (100)의 채널 (104)과 수직 방향 (vertical direction)으로 정렬된다. 소결 가열로 (100) 및 바인더 번아웃 가열로 (110)를 통한 테이프 경로에 뒤이어, 그린 테이프 (20)는, (도 3에 나타낸) 투입 롤로부터 바인더 번아웃 입구 (116) 내로, 바인더 번아웃 채널 (114)을 통하여 및 바인더 번아웃 출구 (118) 밖으로, 수평 방향으로 이동한다. 채널 (114) 내에서, 가열로 (110)의 히터에 의해 발생된 열은, 그린 테이프 (20)의 유기 바인더 물질의 적어도 일부를 화학적으로 변화시키고 및/또는 제거하며, 이는 "번아웃"이라 불린다. 부가적으로, 바인더 번아웃 가열로 (110) 및 소결 가열로 (100)의 상대적 위치 결정은, 비결합된 테이프 (36)가, 전술된 바와 같이 수평적 위치 또는 일반적으로 수평적 위치를 유지하면서, 바인더 번아웃 가열로 (110) 모두로부터 소결 가열로 (100) 내로 이동되도록 한다. 따라서, 채널들 (104 및 114) 사이에 수직 정렬은, 테이프 물질이, 적어도 몇몇 구체 예에서, 두 가열로 (100 및 110)를 횡단함에 따라, 비결합된 테이프 (36)가 실질적으로 동일한 수평면에 (즉, 가열로들 (110 및 100) 사이에서 위 또는 아래로 이동 없이) 유지되는 것을 가능하게 한다.
발명자들은, 폭이 넓은 테이프 물질이 기류 난류-계 변형에 보다 민감하기 때문에, 수평적 바인더 제거 및/또는 수평적 소결의 이점이 테이프 물질의 폭이 증가함에 따라 더 중요하게 된다는 것을 밝혀냈다. 따라서, 본 발명자들은, 소결 가열로 (100) 및/또는 바인더 번아웃 가열로 (110)의 수평적 배열이, 종래 시스템을 사용하여 달성할 수 없는 것으로 믿어진 상당한 변형 또는 파손 없이 더 넓고 및/또는 더 긴 소결된 테이프 물질의 제조를 가능하게 하는 것으로 믿는다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 바인더 번아웃 가열로 (110), 소결 가열로 (100) 및 가열로 내에 테이프 물질 (예를 들어, 그린 테이프 (20) 및 비결합된 테이프 (36))의 수평적 위치 결정에 부가하여, 본 발명자들은 또한 난기류가 상대적으로 낮은 높이 치수 (결과적으로 비결합된 테이프 (36)에 대해 상대적으로 낮은 클리어런스 (clearance)와 관련됨)를 갖는 소결 채널 (104)을 제공하여 제한될 수 있음을 발견하였다. 발명자들은, 열 구배가 발생할 수 있고, 및 이러한 열 구배가 공기를 이동시킬 수 있는, 영역의 부피를 감소시켜, 채널 (104) 내에 매우 고온의 공기로 인해 발생할 수 있는 난기류가 제한될 수 있음을 발견하였다.
도 13 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 채널 (104)은, 채널 (104)의 하부 표면의 적어도 일부를 한정하는 수평적이고, 일반적으로 상향 표면 (120)에 의해, 부분적으로 한정된다. 유사하게, 채널 (104)은 또한 채널 (104)의 상부 표면의 적어도 일부를 한정하는 수평적이고, 일반적으로 하향 표면 (122)에 의해 부분적으로 한정된다. G1로 나타낸, 제1 갭은, 상향 표면 (120)과 하향 표면 (122) 사이에 수직 거리이고, G2는, 비결합된 테이프 (36)의 상부 표면 (124)과 하향 표면 (122) 사이에 수직 거리 또는 클리어런스이다.
전술한 바와 같이, 다양한 구체 예에서, G1 및 G2는, 난기류가 제한되도록 비교적 작지만, G1 및 G2는 일반적으로 다양한 공정 단계 (예를 들어, 채널 (104)의 스레딩 (threading))가 가능할 정도로 충분히 커야 한다. 다양한 구체 예에서, G2는 0.5 inch 미만 (12.7㎜ 미만), 특히 0.375 inch 미만 (9.5㎜ 미만), 좀 더 구체적으로는 0.25 inch (약 6.35mm)이다. 이해될 수 있는 바와 같이, G1은 일반적으로 G2와 비결합된 테이프 (36)의 두께 T1을 더한 것과 동일하다. 따라서, 다양한 구체 예에서, T1이 비교적 작은, 예를 들어, 3 microns 내지 1 millimeter이기 때문에, G1은 1 inch 미만 (25.4㎜ 미만), 특히 0.75 inch 미만 (19㎜미만)이며, 및 얇은 테이프 물질의 경우, 0.5 inch (12.7㎜ 미만)일 수 있고, 및 매우 얇은 테이프 물질의 경우, 0.375 inch (9.5㎜ 미만)일 수 있다.
도 14는, 대표적인 구체 예에 따른 테이프 (40)에 대한, 작은 클리어런스, G2를 나타내는 소결 가열로 (100)의 출구 (108)를 나타낸다. 다양한 구체 예에서, G1 및 G2는, 관련 표면들 사이에 최대 갭 거리를 나타낼 수 있고, 다른 구체 예에서, G1 및 G2는, 채널 (104)의 길이에 따른 관련 표면 측정들 사이에 평균 갭 거리를 나타낼 수 있다.
특별한 구체 예에서, 표면 (120) 및/또는 표면 (122)은 또한 가열로 (100)의 입구 (106)와 출구 (108) 사이에서 연장되는 (전술된 바와 같은) 실질적으로 수평적 표면이다. 이러한 구체 예에서, 따라서, 표면 (120 및 122)은, 실질적으로 수평적 채널 (104)을 한정한다. 몇몇 특별한 구체 예에서, 표면들 (120 및/또는 122)은, 가열로 (100)의 입구 (106)와 출구 (108) 사이에 전체 거리를 연장하는 평평한, 평면의 수평면일 수 있다. 다른 특별한 구체 에에서, 표면들 (120 및/도는 122)은, 바인더 제거 스테이션의 경우일 수도 있는 바와 같이, 전술한 바와 같은, 완만한 아크형 또는 곡선형일 수 있다. 특별한 구체 예에서, 표면들 (120 및/또는 122)은, 표면이 수평 기준면에 대해 10도 미만, 구체적으로는 3도 미만, 좀 더 구체적으로는 1도 미만의 각도를 형성하도록 실질적으로 수평이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 비결합된 테이프 (36)의 하부 표면 (126)은, 비결합된 테이프 (36)가 가열로 (100)을 통해 전진하는 경우, 비결합된 테이프 (36)의 하부 표면이 상향 표면 (120)을 따라 또는 상향 표면 (120)에 대해 슬라이딩되도록, 상향 표면 (120)과 접촉하고 있다. 특별한 구체 예에서, 소결 동안 하부 표면 (126)과 상향 표면 (120) 사이에 슬라이딩 접촉은, 하부 표면 (126)에 형성되지만, 상부 표면 (124)에는 형성되지 않는, 다양한 종방향 피쳐 (예를 들어, 세로방향으로 연장되는 마크, 홈, 릿지 (ridges), 등)을 생성하거나 또는 생성할 수 있다. 따라서, 특별한 구체 예에서, 하부 표면 (126)의 표면 피쳐는, 소결 동안 대향 표면과 접촉하지 않는 상부 표면 (124)의 표면 피쳐과는 다르다. 특히, 이러한 슬라이딩 접촉은, 터널 킬른 공정과 같은, 몇몇 소성 공정에서 배열과 실질적으로 다르며, 여기서, 세라믹 물질은 세터 보드 상에 놓이고, 모두는 소결 가열로를 통해 함께 이동한다. 특별한 구체 예에서, 표면들 (120 및 122)은, 채널 (104)을 한정하는 알루미나 튜브의 내부 표면과 같은, 알루미나이거나 또는 알루미나를 포함한다.
위에서 논의된 위치 배열 및 기류 제어 배열에 부가하여, 본 발명자들은 또한, 비결합된 테이프 (36)가 노출되는 가열로 (100)을 통한 온도 프로파일의 제어가, 온도 상승이 너무 빠르면 (예를 들어, 소결 속도가 너무 빠르거나 또는 테이프에서 거리가 너무 짧은 경우) 발생할 수 있는, 본 발명자가 발견한, 테이프 변형 또는 파손을 제한하는데 중요하다는 것을 확인하였다. 일반적으로, 도 15를 참조하면, 가열로 (100)는, 테이프 (36)가 가열로 (100)를 횡단함에 따라, 비결합된 테이프 (36)의 소결을 일으키기 위해 채널 (104)에 열을 전달하도록 위치된 다수의 독립적으로 제어되는 가열 소자 (140)를 포함할 수 있다. 최대 및 최소 소결 온도가 테이프 (36)에 의해 운반된 무기 물질 결정립의 타입에 기초하여 적어도 부분적으로 변할 것이긴 하지만, 일반적으로, 가열 소자 (140)는, 채널 (104)의 적어도 일부를 따라 적어도 500℃의 온도를 발생시키도록 구성된다. 몇몇 구체 예에서, 예를 들어, ThO2 (산화토륨) 및/또는 TiO2 (티타니아)의 경우, 채널 (104)은 3100℃ 이상의 최대 온도로 가열될 수 있다. 3200℃ 이상의 융점을 갖는, 몇몇 물질, 예를 들어, 탄화물, 텅스텐이 있으며, 몇몇 구체 예에서, 히터 (140)에 의해 발생된 온도 범위는, 500℃ 내지 더 높은 온도인, 예컨대, 3500℃, 또는 3600℃이다. 특별한 구체 예에서, 가열 소자 (140)는, U-자형 몰리브덴 디실리사이드 가열 소자 및/또는 여기에 개시된 다른 가열 소자일 수 있다.
일반적으로, 각 가열 소자 (140)는, 소결된 테이프 (40)에서 원하는 수준의 소결을 제공하면서, 소결 동안 변형을 제한하기 위하여, 채널 (104)의 길이를 따라 온도 프로파일을 발생시키기 위해 가열로 (100)의 개별 가열 소자 (140)를 독립적으로 제어하도록 구성된 (예를 들어, 물리적으로 배열된, 프로그래밍된, 등) 제어 시스템 (142)의 제어하에 있을 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 제어 시스템 (142)은, 채널 (104) 내에 온도를 검출하는, 하나 이상의 온도 센서 (144)와 통신할 수 있다. 이러한 구체 예에서, 제어 시스템 (142)은, 원하는 온도 프로파일이 연속적 비결합된 테이프 (36)의 연속 소결 동안 유지되도록 센서 (144)로부터 수신된 투입 신호에 기초하여 가열 소자 (140)를 제어할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 제어 시스템 (142)은 또한, 테이프 이동 속도, 위치, 수축, 및 장력을 나타내는 투입 신호, 및 이들 신호에 기초한 제어 온도 및/또는 이동 속도, 또는 이들 또는 다른 테이프 특성과 관련될 수 있는, 기타 신호를 수신할 수 있다.
이하 서술된 소결 가열로 실시 예와 관련하여 입증된 바와 같이, 본 발명자들은, 채널 (104)의 길이를 따라 소결 온도 프로파일의 적용이 소결 동안 테이프 물질에서 낮은 또는 제어된 수준의 변형을 유지하는데 중요하거나 또는 중요할 수 있음을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은, 비결합된 테이프 (36)가 소결 동안 노출되는 온도의 상승이 너무 크면 (예를 들어, 온도 프로파일의 기울기가 너무 가파르면), 물질이 소결 및 수축됨에 따라, 수용할 수 없는 높은 수준의 응력이 테이프 (36) 내에 형성되거나 또는 형성될 수 있어, 궁극적으로, 도 2에 나타낸 것과 같이, 테이프 (36)에서 면외 변형 (out of plane deformation)을 결과하는 것을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은, 소결 동안 테이프의 중심선을 따라 및/또는 에지들 (103 및 132)에서 응력을 제어하여, 소결 동안 테이프 (36)의 변형이 제어될 수 있음을 발견하였다. 테이프 (36)에 대한 유사한 잠재적인 해로운 영향은, 만약 시스템 (10)의 가열된 부분으로부터 시스템 (10)의 실온 부분으로의 전환이 (예를 들어, 가열로 (100)으로부터 빠져 나올시) 급속하게 발생하는 경우, 겪을 수 있다. 그러한 의미에서, 본 출원의 기술은, 이러한 온도 제어 또는 프로파일 (여기서, 그 결과로 생긴 새로운 테이프 또는 기타 소결된 물품은 이러한 특징적인 변형 또는 기타 결함을 가질 수 있음) 없이 테이프를 소결하는데 사용될 수 있다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 소결 채널 (104)의 길이를 따라 가열 소자 (140)에 의해 발생된 온도 프로파일 (160 및 170)은, 대표적인 구체 예에 따라 도시된다. 도 16을 참조하면, 온도 프로파일 (160)은, 채널 (104) 내에 온도가 공정 방향 (14)에서 채널 (104)의 길이를 따라 일반적으로 증가하는 것을 나타낸다. 프로파일 (160)은 적어도 3개의 섹션: 입구 개구 (106)에 인접한 채널 (104)의 영역 내에 온도를 나타내는 제1 섹션 (162); 채널 (104)의 길이의 대부분 (예를 들어, 적어도 50%, 적어도 75%, 등)에 따른 온도를 나타내는 제2 섹션 (164); 및 출구 개구 (108)에 인접한 채널 (104)의 영역 내에 온도를 나타내는 제3 섹션 (166)을 포함한다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 제1 섹션 (162)의 평균 기울기는 제2 섹션 (164)의 평균 기울기를 초과하며, 입구 개구 (106)에 인접한 채널 (104) 내에 온도가 상대적으로 빠른 증가를 나타낸다. 제2 섹션 (164)의 평균 기울기는, 상대적으로 낮다 (제1 섹션 (162)의 것보다 낮다). 제2 섹션 (164)의 낮은 평균 기울기는, 테이프 (36)가 채널 (104)의 길이의 대부분을 따라 이동함에 따라 경험하는 온도의 완만한 상승을 나타낸다. 이하에 논의되는 바와 같이, 이 완만한 상승은, 원하는 수준 아래에서 변형을 유지하는 결정된 임계값 아래로 테이프 (36) 내에 응력을 유지하도록 선택된다. 제3 섹션 (166)의 평균 기울기는, 테이프 (36)가 가열로 (100)로부터 빠져 나올시 겪게 되는 열 충격을 제한하는, 출구 개구 (108)에 인접한 채널 (104) 내에 냉각 섹션을 나타내는 음의 기울기이다.
다양한 구체 예에서, 낮은 기울기의 섹션 (164)에 의해 표현되는 완만한 온도 상승은, 채널 (104)의 길이에 따라 온도 증가율을 제어하여 달성될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 도 16의 플롯에서 x-축에 의해 나타낸 바와 같이, 채널 (104)의 길이는, 적어도 1 미터, 적어도 50 inch, 적어도 60 inch 이상과 같이, 비교적 클 수 있다. 도 16에 모델링되고 나타낸 특별한 소결 가열로에서, 가열된 채널 (104)은 64 inch이다.
다양한 구체 예에서, 프로파일 (160)은, 바람직하지 않은 변형이 회피되도록 소결 동안 테이프 (36) 내에 수용가능한 낮은 수준의 압축 응력을 유지하도록 형상화된다. 발명자들은, 테이프 변형이, 여기서 논의된 바와 같이 제어되지 않는 경우, 넓은 테이프 물질 및 고 처리량의 소결 시스템에서 특히 문제가 있다는 것을 발견했다. 특히, 폭이 넓은 테이프는, 이러한 타입의 변형에 더 민감하며, 부가적으로, 폭 방향 변형은, 업테이크 릴상에 권취를 어렵거나 또는 불가능하게 만들거나 또는 만들 수 있다. 그러한 의미에서, 본 개시된 기술의 관점들 (예를 들어, 캐리어 분리, 장력 제어, 바인더 제거, 등)은, 온도 프로파일 (예컨대, 여기서, 그 결과로 생긴 제품은, 폭이 더 좁거나 및/또는 이러한 공정의 결함 또는 변형 특징을 가짐) 없이 새로운 물질 및 제품을 생성하는데 실행될 수 있고, 사용될 수 있다.
따라서, 다양한 구체 예에서, 프로파일 (160)은, 소결 동안 비결합된 테이프 (36)의 좌측 에지 (130) 및/또는 우측 에지 (132)에서 압축 응력이 에지 응력 임계값 (threshold) 아래로 유지되도록, 및 소결 동안 비결합된 테이프 (36)의 중심선에서 압축 응력이 중심선 응력 임계값 아래로 유지되도록, 형상화된다. 일반적으로, 에지 응력 임계값 및 중심선 응력 임계값은, 압축 응력 위에서 소결 동안 비결합된 테이프 (36)가 1㎜ 초과의 면외 (길이-폭 평면) 변형을 겪는 압축 응력으로 정의된다. 발명자들은, 적어도 몇몇 물질 및 테이프 폭의 경우, 면외 변형이 에지 압축 응력 및 중심선 압축 응력을 100 MPa의 임계값 아래, 구체적으로 75 MPa 및 좀 더 구체적으로 60 MPa로 유지시켜 소결 동안 1㎜ 아래로 제한될 수 있음을 발견하였다. 특별한 구체 예에서, 본 발명자들은, 적어도 몇몇 물질 및 테이프 폭의 경우, 면외 변형이 중심선 압축 응력을 100 MPa의 임계값 아래, 구체적으로 75 MPa 및 좀 더 구체적으로 60 MPa 아래로 유지시켜, 및 에지 응력을 300 MPa의 임계값 아래, 구체적으로 250 MPa, 및 좀 더 구체적으로 200 MPa로 유지시켜, 소결 동안 1㎜ 아래로 제한될 수 있음을 발견하였다.
특별한 구체 예에서, 섹션 (162 및 166)의 기울기는, 가열로 (100)로 출입시 특히 낮은 테이프 응력을 제공하도록 제어될 수 있다. 이러한 하나의 구체 예에서, 제어 시스템 (142)은, 가열로 (100)을 통해 테이프의 속도의 제어와 조합하여 섹션 (162 및 166) 내에 온도 프로파일을 제어하도록 구성된다. 이러한 구체 예에서, 속도 제어와 연결된, 섹션 (162 및 166) 내에 온도를 제어하는 이러한 조합은, 소결 동안 균일한 소결 수축 (변형) 및 따라서 테이프 (36) 내에 저 응력 및 저 변형을 제공한다.
도 17을 참조하면, 또 다른 대표적인 온도 프로파일 (170)은, 채널 (104)의 시야에 따라 투영되어 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 프로파일 (170)은, 채널 (104)의 총 길이의 대략 적어도 75%를 넘는 존 (172)에서 최대 온도로의 증가를 나타낸다. 특별한 구체 예에서, 소결 가열로 (100)는, 교차 웨브 (cross web) (테이프/시트) 폭 방향에서 온도 구배를 낮추기 위해 (스틸 또는 고 전도도 세라믹과 같은) 높은 열전도도 물질로 만들어질 수 있다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 폭 방향으로 온도 편차가 없거나 또는 매우 낮다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 특정 소결 시스템에 대한 온도 프로파일은, 물질 타입, 무기 입자 크기, 입자 밀도, 입자 크기 분포, 다공도, 기공 크기, 기공 크기 분포, 소결 분위기, 위에서 논의된 바와 같은 부품에 대한 응력 임계값/허용 가능한 변형, 채널 (104)의 길이, 처리량 속도, 등 뿐만 아니라 원하는 결과를 포함하는 다수의 요인에 기초할 것이다.
도 18을 참조하면, 소결 스테이션 (38)의 또 다른 구체 예는, 대표적인 구체 예에 따라 도시된다. 이 구체 예에서, 소결 스테이션 (38)은, 서로 직렬로 위치된 2개의 가열로 (180 및 182)를 포함한다. 일반적으로, 가열로 (180 및 182)는, 적어도 몇몇 구체 예에서, 가열로 (180)의 온도 프로파일이 가열로 (182) 내에 온도 프로파일과 다르다는 것을 제외하고는, 상기에서 논의된 가열로 (100)와 실질적으로 동일하다. 이 배열에서, 비결합된 테이프 (36)는, 가열로 (180)의 입구 (106)로 진입한다. 가열로 (180) 내에서, 비결합된 테이프 (36)는 부분적으로 소결되어, 출구 (108)를 통해 가열로 (180)를 떠나는 부분적으로 소결된 테이프 (184)를 형성한다. 그 다음, 부분적으로 소결된 테이프 (184)는, 입구 (106)를 통해 제2 가열로 (182)로 진입하고, 부가적인 소결은 가열로 (182)의 채널 (104)의 길이를 따라 발생하며, 소결된 테이프 (40)는 위에서 논의된 바와 같은 릴 테이크를 위해 출구 (108)를 통해 가열로 (182)를 빠져 나간다.
다양한 구체 예에서, 각 가열로 (180 및 182)는, 다른 및 독립적인 온도 프로파일이 각 가열로 (180 및 182)에서 형성될 수 있도록 다수의 독립적으로 제어가능한 가열 소자를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 가열로 (180 및 182)와 같이, 2개의 열적으로 겪리된 가열로의 활용은, 가열로 (180 및 182)의 조합된 채널 길이와 동일한 채널 길이를 갖는 단일의 긴 가열로에 비해, 소결 동안 테이프 물질이 노출되는 온도 프로파일의 더 정밀한 제어를 제공할 수 있다. 다른 고려된 구체 예에서, 테이프는, 동일한 가열로를 통하지만, 다른 경로를 따라 뒤로 이동될 수 있고, 및/또는 부가적인 소결을 위한 다른 온도 프로파일에 노출될 수 있다.
부가적으로, 몇몇 구체 예에서, 가열로 (180 및 182) 사이에 차등 장력의 적용은, 바람직할 수 있다. 이러한 구체 예에서, 장력 제어 시스템 (186)은, 가열로 (180 및 182)의 채널 (104)에 의해 한정된 소결 경로에 따라 설치된다. 특별한 구체 예에서, 장력 제어 시스템 (186)은, 가열로 (180 및 182) 사이에 설치되며, 제2 가열로 (182) 내에 테이프 (184)와의 장력이 가열로 (180) 내에 비결합된 테이프 (36)와의 장력을 초과하도록, 부분적으로 소결된 테이프 (184)에 장력을 적용한다. 다양한 구체 예에서, 제2 소결 가열로의 장력을 증가시키는 것은, 가열로 (182)의 최종 또는 후속 소결 동안 개선된 평탄도 또는 변형 감소를 제공하는데 바람직할 수 있다. 부가적으로, 가열로 (180) 내에 비결합된 테이프 (36)의 비교적 낮은 인장 강도와 비교하여, 부분 소결이 테이프 (184)의 인장 강도를 증가시키기 때문에, 이러한 증가된 장력은, 부분적으로 소결된 테이프 (184)에 적용하는데 적합할 수 있다.
도 19를 참조하면, 가열로 (180 및 182) 내에 예견 온도 프로파일은, 대표적인 구체 예에 따라 도시된다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 가열로 (180)의 가열 소자는, 온도 프로파일 (190)을 발생하도록 제어되고, 및 가열로 (182)의 가열 소자는, 온도 프로파일 (192)을 발생하도록 제어된다. 주목되는 바와 같이, 두 프로파일 (190 및 192)은, 동일한, 저 응력을 가져서, 상기에서 논의된 온도 프로파일 (160)과 유사한 완만한 온도 증가를 발생시킨다. 그러나, 프로파일 (192)은, 부분적으로 소결된 테이프 (184)가 가열로 (182)를 횡단함에 따라 발생하는 부가적인, 더 높은 수준의 소결 (예를 들어, 부가적인 수축, 다공도에서 부가적인 감소)을 유발하는 프로파일 (190) 위에 위치된다 (예를 들어, 프로파일 (190)보다 더 높은 평균 온도를 갖는다).
도 20을 참조하면, 고 처리량 소결 시스템 (200)은 대표적인 구체 예에 따라 도시된다. 일반적으로, 시스템 (200)은, 테이프 물질을 각각 소결하는, 2개의 병렬 시스템 (10)을 포함한다. 시스템 (200)은, 도 18의 배열과 유사하게, 단일 타입의 소결된 테이프 물질의 산출량을 증가시키기 위해 작동될 수 있다. 선택적으로, 시스템 (200)의 각 시스템 (10)은, 다른 소결된 테이프 물질을 산출할 수 있다. 다양한 구체 예에서, 시스템 (200)은, 3, 4, 5, 등등의 시스템 (10)을 병렬로 포함하여 소결된 테이프 물질의 산출량을 더욱 증가시킬 수 있다.
소결 스테이션 실시 예 및 모델
도 21 내지 도 28을 참조하면, 다양한 소결 시험 및 소결 모델은 기재되어, 온도 프로파일과 수축율 사이에 관계, 테이프 물질과의 응력과 온도 프로파일 사이에 관계, 응력과 테이프 변형 사이에 관계, 및 테이프 폭과 소결 변형의 위험 사이에 관계와 같은, 여기서 논의된 소결 관계를 입증한다.
물리적 소결 시험 실시 예 1
하나의 실시 예에서, 능동적으로 제어된 다중 존 바인더 번아웃 가열로를 갖는 수평 가열로는 시험된다. 이 시험에서, 42㎜ 폭 및 약 25 microns 두께의, 테이프 캐스트 "그린" 지르코니아 세라믹 리본 (중합체 바인더로 로딩된 세라믹)은, 분당 20 inches로 (가열로 (38) 및 바인더 제거 스테이션 (34)과 유사한) 다중-존 바인더 번아웃 가열로를 갖는 수평 장치를 통해 공급된다. 바인더 번아웃 가열로는, 4개의 중심 고온 존에 대해 0-25℃로 증가하는 증분으로 325℃의 입구에서 475℃의 출구로 설정된다. 약 0℃ 내지 약 250℃의 온도 범위에서 분당 7.5 리터의 기류는 또한 제공되고, 기류는 번아웃 가열로의 양 측면 사이에서 분할된다. 소결 가열로는 36 inch 길이이고, 18 inch 길이의 고온 존을 갖는다. 테이프는, 20g의 장력 및 1225℃로 설정된 가열로로, 알루미나 "D" 튜브에 걸쳐 이를 슬라이딩시켜 소결 가열로 내에서 이송된다. 그 결과로 10-20 피트의 소결 지르코니아 테이프는 만들어지고, 직경 3 inch의 테이크-업 릴 상에 스풀링된다. 폭을 가로지르는 소결 수축은 약 12%이다.
소결 모델 1
도 21 및 도 22를 참조하면, 시간 및 온도의 함수에 따라 지르코니아의 소결 수축을 나타낸다. 도 21은, 다양한 온도 및 온도의 시간에서 지르코니아 테이프의 소결 수축을 나타내는 그래프이다. 도 22는, 다양한 온도 및 온도의 시간에서 지르코니아 테이프의 소결 수축의 수학적 함수에 의해 발생된 곡선의 그래프를 나타낸다.
도 21에 나타낸 데이터 점을 발생시키기 위해, 폭 약 15mm, 두께 25 microns의, 테이프 캐스트 "그린" 지르코니아 세라믹 리본 (중합체 바인더로 로딩된 세라믹)은, 상기 물리적 소결 시험 실시 예 1에 기재된 장치에서 분당 8 inch에서 1200℃로 "비스크" 소성된다. 이러한 방식으로 제조된 비스크 소성된 테이프는, 1250℃, 1300℃, 1350℃, 1400℃, 1450℃, 및 1500℃에서 30초, 1분, 2분, 3분 및 5분 동안 좁은 고온 존 가열로에서 플런지 소성된다 (plunge fired). 소결 수축은 측정되고, 이들 데이터 점은 도 21에 나타낸다.
소결 데이터로부터, 온도 및 시간의 함수에 따라 소결 수축을 기재하는 수학적 곡선은, 실제로 시험된 것보다 더 낮은 및 중간 온도에 적합하고, 외삽된다 (extrapolated). 이 곡선 맞춤 및 외삽은, 도 22에 나타낸다. 도 21 및 도 22에 나타낸 시험 및 곡선 맞춤에 기초하여, 지르코니아에 대한 소결 수축, 소결 시간 및 온도 사이에 관계는 결정된다. 발명자들은, 이러한 정보가 원하는 수축율을 달성하고, 위에서 논의된 바와 같은 변형 임계값 아래로 응력을 감소시키기 위한, 지르코니아에 대한 소결 온도 프로파일을 개발하는데 사용될 수 있는 것으로 믿는다.
하나의 특별한 구체 예에서, 이 데이터는, 도 16에 나타낸 64 inch 소결 가열로 및 온도 프로파일을 모델링하는데 사용된다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 열 구배/프로파일 (160)은, 1250℃에서 시작하고, 1450℃에서 종료된다. 가열로 내로 0으로부터 8 inch까지 1250℃로부터 1300℃로 증가된 모델화된 온도는, 8로부터 16 inch까지 1300℃로부터 1312.5℃로 증가되고, 16으로부터 24 inch까지 1312.5℃로부터 1325℃로 증가되며, 24로부터 32 inch까지 1325℃로 유지되고, 32로부터 40 inch까지 1325℃로부터 1375℃로 증가되며, 40으로부터 48 inch까지 1375℃로부터 1400℃로 증가되고, 48로부터 56 inch까지 1400℃로부터 1450℃로 증가고, 56으로부터 64 inch까지 1450℃에서 유지되며, 그 다음 64 inch 이후에 1000℃ 아래로 냉각된다.
수축은 테이프 이송 속도의 함수에 따라 모델링된다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 모델은, 20 inch/minute (ipm)의 더 빠른 이송 속도가, 고온 존의 길이에 걸쳐 더 균일한 소결 수축을 제공함을 나타낸다. 따라서, 이 모델링은, 소결 변형/수축이 일어나는 더 짧은 거리가, 테이프에서 더 큰 응력, 버클링 (buckling)의 더 큰 경향, 및 면외 소성 변형 (plastic deformation)을 일으키기 때문에, 더 긴 길이에 걸친 균일한 수축이 바람직하다는 것을 보여준다.
소결 모델 2
도 23 및 도 16을 참조하면, 소결 응력은, 유한 요소 분석 (finite element analysis: FEA) 및 닫힌 형식 (CF)의 해 (closed form (CF) solution)에 의해 모델링된다. 도 23 및 도 24에서 보여진 바와 같이, 소결될 테이프가 더 넓어짐에 따라, -1000 MPa 초과의 극단의 소결 응력은, 100㎜ 폭 고정 테이프 (stationary tapes) (단일 고온 존)에 대해, 오직 2개의 고온 존이 있는 경우에서 100㎜ 폭 테이프에 대해, 및 분당 8 및 16 inch로 이송된 테이프에 대해, 계산된다. 대조적으로, 9개의 고온 존이 2번의 소결 통과 (단일 통과에서 18개의 고온 존에 해당)로 사용된 경우, 약 -200 MPa 미만의 에지 응력은, 150㎜ 폭 시트에 대해 모델링된다. 단일 및 4개의 고온 존 시험에서, 450㎜ (18 inch)의 길이를 갖는 각 고온 존은, 900㎜ (36 inch)인 가열로로 모델링되고, 따라서, 이들 두 모델링 예에서, 부가적인 고온 존은, 더 긴 고온 존에 해당한다. 예를 들어, 1 존, 2번 통과 고온 존은, 일반적으로 총 900㎜ 길이 (36 inch) 고온 존에 해당한다. 그러나, 9 존의 경우, 2번 통과 고온 존은, 총 3660㎜ (144 inch) (길이) 고온 존에 해당한다. 따라서, 도 23 및 도 24는, 점점 넓어지는 테이프 (예를 들어, 50㎜ 초과, 100㎜, 150㎜, 200㎜, 250㎜ 초과, 등)는, 고온 존의 수 (예를 들어, 소결 고온 존의 총 길이)를 조절하여 수용될 수 있고, 테이프가 노출되는 온도 프로파일, 및 고온 존을 통과하는 테이프의 이동 속도, 소결 응력은, 변형, 버클링, 또는 파손의 발생을 피하기에 충분히 낮은 수준에서 유지될 수 있다.
소결 모델 3
도 25 및 도 26은, 가파른 온도 구배를 갖는 단일 고온 존을 통해 2번 통과하는 비스크 지르코니아 테이프 (즉, 부분적으로 소결된 테이프)의 모델을 나타낸다. 고온 존은, 1차 통과의 경우 1250℃로 설정되고, 그 다음 2차 통과의 경우 1400℃로 설정된다. 분당 8 및 16 inch의 테이프 이송 속도는 투입량이다. 테이프는, 20 microns의 두께, 및 15㎜ 및 40mm의 폭으로 모델링된다. 도 25는, 고온 존을 통한 수축을 나타내고, 도 26은, 빠른 소결 변형에 기인하여 (8 ipm에서 40㎜ 폭 테이프의 경우) 90 MPa를 초과하는, 및 (16 ipm에서 40㎜ 폭의 테이프의 경우) 120 MPa를 초과하는, 실질적 압축 응력이 테이프에서 발생되는 것을 나타낸다. 이는 이들 폭 및 두께를 갖는 테이프에 대해 버클링 및 면외 변형으로 이어지는 것으로 믿어진다.
소결 모델 4
도 27 및 도 28은, 모델이 10개의 고온 존을 갖는 다중-존 가열로 및 1차 통과보다 더 높은 온도로 설정된 2차 통과로 2번의 통과를 사용하는 경우의 결과를 나타낸다. 모델링된 응력은, 도 26에 나타낸 응력과 비교하여 테이프 이송 속도 및 테이프 폭 모두에 대해 10배 (an order of magnitude) 만큼 떨어진다. 이러한 더 낮은 응력은, 훨씬 더 평평한 테이프, 예를 들어, 덜한 변형으로 이어지는 것으로 믿어진다. 더욱이, 이 모델은, 응력 및 결과적인 변형에 대한 소결 동안 온도의 완만한 상승 또는 제어된 소결 온도 프로파일의 효과를 보여준한다.
물리적 소결 시험 실시 예 2
또 다른 시험 실시 예에서, 약 25 microns의 두께 및 15cm 폭의 테이프 캐스트 "그린" 지르코니아 세라믹 리본 (중합체 바인더로 로딩된 세라믹)은, 1100℃의 소결 온도에서 수직-배향된 소결 장치로 제조된다. 약 50 피트는 만들어지고, 직경이 3 inch의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 비스 크 소결 수축 폭은 약 10%이다.
이 1100℃ "비스크" 테이프는, 그 다음 1550℃로 설정된 가열로로 분당 약 3, 10, 20, 30, 60 및 75 inch의 속도로 도 12에서 나타낸 것과 실질적으로 동일한 수평 소결 가열로를 통하여 통과된다. 그 결과로 40 피트의 길이의 소결된 테이프는 만들어지고, 직경 3 inch의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 소결 동안 테이프에 대한 장력은, 약 15초 미만 동안 고온 존에서 테이프로 분당 75 inch에서 조차도, 10g의 범위이고, 20% 미만의 다공도는 달성된다. 더 느린 속도는, 더 고밀도의 물질을 얻는다. 따라서, 이 시험은, 더 긴 소결 가열로가 소결된 테이프에서 더 높은 밀도/더 낮은 다공도로 이어지고, 또한 더 높은 온도는, 소결된 테이프에서 더 높은 밀도/더 낮은 다공도로 이어지는 것을 보여준다.
물리적 소결 시험 실시 예 3
또 다른 시험 실시 예에서, 약 50 microns 두께의 테이프 캐스트 "그린" 알루미나 세라믹 리본 (중합체 바인더로 로딩된 세라믹)은, 분당 4-6 inch로, 도 3에서 나타낸 것과 실질적으로 동일한 시스템을 통해 공급된다. 바인더 번아웃 가열로는, 4개의 중심 고온 존에 대하여 0-25℃의 증분으로 325℃의 입구에서 475℃의 출구로 설정된다. 5-7.5 리터/분의 기류는 0-250℃로 사용된다. 소결 가열로는, 1300℃로 설정된 18 inch 고온 존을 갖는 36 inch 길이이다. 그린 테이프는, 1300℃에서 18 inch 소결 고온 존을 통해 통과하여, 부분적으로 소결된, "비스크" 테이프를 제조한다. 부분적으로 소결된 테이프의 폭은, 그린 테이프의 폭보다 7% 작다.
1300℃ "비스크" 테이프는, 그 다음 1550℃로 설정된 소결 가열로로 분당 2 inch로 2회 소결 가열로를 통해 통과되어 약 20 피트의 완전 소결된 알루미나 테이프를 제조한다. 테이프는, 직경 6 inch의 테이크-업 릴 상에 스풀링된다. 테이프의 장력은, 소결 동안 약 100 그램이었고, 2차 통과 동안 소결 수축 폭은, 약 15%였다. 소결 후에, 테이프는 반투명인, 거의 투명하였다. 서면 문서 상에 놓은 경우, 이를 통해 문서를 읽을 수 있다. 결정립 크기는 약 2 microns 아래이고, 물질은 약 1% 미만의 다공도를 갖는다.
시험 실시 예 4
또 다른 시험 실시 예에서, 약 50 microns 두께의 테이프 캐스트 "그린" 지르코니아 세라믹 리본 (중합체 바인더로 로딩된 세라믹)은, 분당 6 inch에서, 도 3에 나타낸 것과 실질적으로 동일한 시스템을 통해 공급된다. 바인더 번아웃 가열로는, 300-475℃로 설정되고, 200-250℃의 기류는 분당 -7.5 리터로 공급된다. 소결 가열로는, 18 inch 고온 존을 갖는 36 inch 길이이다. 온도 구배는, 9 inch 미만에서 25℃ 내지 1225℃이고, 3-4 inch 이상에서 1000℃ 내지 1225℃이다. 약 3/8 inch 간격으로 이격된 2개의 D 튜브는, 공기 순환을 제한하고, 온도 구배를 줄이기 위해 사용된다. 테이프의 장력은, 20-60 그램이고, 소결 가열로는 1225℃로 설정된다. 그 결과로 50 피트의 길이의 소결된 지르코니아는 만들어지고, 직경 3 inch의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 소결 수축 폭은 약 12%이다.
얕은 온도 구배를 갖는 가열로를 물리적으로 모델링하기 위해, 1225℃ 소결된 "비스크 테이프"는, 각 통과에 대해 소결 수축을 감소시키는, 점진적인 더 높은 온도로 3회 단일 존 가열로를 통해 통과되어, 면외 변형을 감소시킨다. 구체적으로, 1225℃ "비스크" 테이프는 그 다음 1325℃로 설정된 가열로로 분당 6 inch로 2회 가열로를 통해 통과된다. 이 공정을 통해, 45 피트의 소결 지르코니아 테이프는 만들어지고, 직경 3 inch의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 소결 동안 테이프 상에 장력은 100-250 그램이고, 이 통과 동안 소결 수축 폭은 5-6%이다.
1325℃ 테이프는, 그 다음 1425℃로 설정된 가열로로 분당 6 inch로 3회 가열로를 통해 통과된다. 약 40 피트의 소결된 지르코니아 테이프는 만들어지고, 직경 3 inch의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 소결 동안 테이프 상에 장력은 100-250 그램이고, 이 통과 동안 소결 수축 폭은 5-6%이다. 1425℃ 통과 후에, 테이프는 반투명인, 거의 투명하다. 서면 문서 상에 놓은 경우, 이를 통해 문서를 읽을 수 있다.
1425℃ 테이프는, 1550℃로 설정된 가열로로 분당 3-6 inch로 4회 가열로를 통해 통과된다. 수 피트의 1550℃ 소결된 테이프는 만들어지고, 3 inch 직경의 테이크업 릴 상에 스풀링된다. 소결 동안 테이프 상에 장력은, 100-300 그램이고, 이 통과 동안 소결 수축 (폭)은 0-2%이다.
소결된 물품
여기에 기재된 시스템 및 공정을 사용하여 형성된 소결된 물품의 구체 예는 이하 기재될 것이다. 소결된 물품은, 소결된 테이프 (즉, 연속 소결된 물품) 또는 개별 소결된 물품(들)의 형태로 제공될 수 있다. 별도로 명시하지 않는 한, 용어 "소결된 물품"은, 연속 소결된 물품 및 개별 소결된 물품 모두를 지칭하는 것으로 의도된다. 부가적으로, "소결된"은, 부분적으로 소결된 물품 및 완전히 소결된 물품 모두를 지칭한다. 하나의 관점에서, 소결된 물품의 구체 예는, 이전에 달성할 수 없었던 치수를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은 또한 이들 치수를 따라 어떤 특성의 균일성을 나타낸다. 또 다른 관점에 따르면, 소결된 물품의 구체 예는, 소결된 물품에 상당한 응력을 부여하지 않고, 소결된 물품이 평탄해질 수 있거나 또는 평탄화에 대상이 될 수 있으며, 따라서, 다운스트림 공정에 성공적으로 사용될 수 있음을 나타내는 평탄능 (flattenability)을 나타낸다. 또 다른 관점은, 롤링된 소결된 물품의 구체 예에 관한 것이며, 또 다른 관점은, 다수의 개별 소결된 물품의 구체 예에 관한 것이다. 여전히 또 다른 관점은, 물질의 새로운 조성물, 또는 예를 들어, 고유한 결정립계의 관점에서와 같이, 새로운 미세구조를 갖는 조성물을 포함한다.
도 29를 참조하면, 하나 이상의 구체 예에 따른 소결된 물품 (1000)은, 제1 주 표면 (1010), 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면 (1020), 및 제1과 제2 표면 사이에서 연장되는 몸체 (1030)를 포함한다. 몸체 (1030)는, 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭 (W), 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로 정의되는 길이 (L)을 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은 폭 (W)을 한정하는 대향하는 부 표면 (1040)을 포함한다. 특별한 구체 예에서, 여기에 기재된 바와 같이, 소결 물품 (1000)은, 시스템 (10)을 사용하여 제조된 소결된 테이프 (40)의 예이지만, 본 기술의 몇몇 테이프는, 도 29에 나타낸 테이프보다 더 길 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 약 5㎜ 이상의 폭, 약 3㎛ 내지 약 1mm의 두께, 및 약 300㎝ 이상의 범위에서 길이를 갖는 연속 소결된 물품이다. 다른 구체 예에서, 폭은, 전술한 바와 같이, 5㎜ 미만이다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 약 5㎜ 내지 약 200㎜, 약 6㎜ 내지 약 200㎜, 약 8㎜ 내지 약 200㎜, 약 10㎜ 내지 약 200㎜, 약 12㎜ 내지 약 200㎜, 약 14㎜ 내지 약 200㎜, 약 15㎜ 내지 약 200㎜, 약 17㎜ 내지 약 200㎜, 약 18㎜ 내지 약 200㎜, 약 20㎜ 내지 약 200㎜, 약 22㎜ 내지 약 200㎜, 약 24㎜ 내지 약 200㎜, 약 25㎜ 내지 약 200㎜, 약 30㎜ 내지 약 200㎜, 약 40㎜ 내지 약 200㎜, 약 50㎜ 내지 약 200㎜, 약 60㎜ 내지 약 200㎜, 약 70㎜ 내지 약 200㎜, 약 80㎜ 내지 약 200㎜, 약 90㎜ 내지 약 200㎜, 약 100㎜ 내지 약 200㎜, 약 5㎜ 내지 약 150㎜, 약 5㎜ 내지 약 125㎜, 약 5㎜ 내지 약 100㎜, 약 5㎜ 내지 약 75㎜, 약 5㎜ 내지 약 50㎜, 약 5㎜ 내지 약 40㎜, 약 5㎜ 내지 약 30㎜, 약 5㎜ 내지 약 20㎜, 또는 약 5㎜ 내지 약 10㎜의 범위에서 폭을 갖는다.
몇몇 구체 예에서, 소결된 물품은, 적어도 0.5㎜, 예컨대, 적어도 1㎜, 예컨대, 적어도 2㎜, 예컨대, 적어도 5㎜, 예컨대, 적어도 8㎜, 예컨대, 적어도 10㎜, 예컨대, 적어도 15㎜, 예컨대, 적어도 20㎜, 예컨대, 적어도 30㎜, 예컨대, 적어도 50㎜, 예컨대, 적어도 75㎜, 예컨대, 적어도 10㎝, 예컨대, 적어도 15㎝, 예컨대, 적어도 20㎝, 및/또는 2m 이하, 예컨대, 1 m 이하, 예컨대, 50㎝ 이하, 예컨대, 30㎝ 이하의 폭 (W)을 갖는다. 다른 구체 예에서, 소결된 물품은, 다른 폭 (W)을 갖는다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 약 3㎛ 내지 약 1㎜, 약 4㎛ 내지 약 1㎜, 약 5㎛ 내지 약 1㎜, 약 6㎛ 내지 약 1㎜, 약 7㎛ 내지 약 1㎜, 약 8㎛ 내지 약 1㎜, 약 9㎛ 내지 약 1㎜, 약 10㎛ 내지 약 1㎜, 약 11㎛ 내지 약 1㎜, 약 12㎛ 내지 약 1㎜, 약 13㎛ 내지 약 1㎜, 약 14㎛ 내지 약 1㎜, 약 15㎛ 내지 약 1㎜, 약 20㎛ 내지 약 1㎜, 약 25㎛ 내지 약 1㎜, 약 30㎛ 내지 약 1㎜, 약 35㎛ 내지 약 1㎜, 약 40㎛ 내지 약 1㎜, 약 45㎛ 내지 약 1㎜, 약 50㎛ 내지 약 1㎜, 약 100㎛ 내지 약 1㎜, 약 200㎛ 내지 약 1㎜, 약 300㎛ 내지 약 1㎜, 약 400㎛ 내지 약 1㎜, 약 500㎛ 내지 약 1㎜, 약 3㎛ 내지 약 900㎛, 약 3㎛ 내지 약 800㎛, 약 3㎛ 내지 약 700㎛, 약 3㎛ 내지 약 600㎛, 약 3㎛ 내지 약 500㎛, 약 3㎛ 내지 약 400㎛, 약 3㎛ 내지 약 300㎛, 약 3㎛ 내지 약 200㎛, 약 3㎛ 내지 약 100㎛, 약 3㎛ 내지 약 90㎛, 약 3㎛ 내지 약 80㎛, 약 3㎛ 내지 약 70㎛, 약 3㎛ 내지 약 60㎛, 약 3㎛ 내지 약 50㎛, 약 3㎛ 내지 약 45㎛, 약 3㎛ 내지 약 40㎛, 약 3㎛ 내지 약 35㎛, 약 3㎛ 내지 약 30㎛, 또는 약 3㎛ 내지 약 30㎛의 범위에서 두께 (t)를 갖는다.
몇몇 구체 예에서, 소결된 물품은, 적어도 3㎛, 예컨대, 적어도 5㎛, 예컨대, 적어도 10㎛, 예컨대, 적어도 15㎛, 예컨대, 적어도 20㎛, 예컨대, 적어도 25㎛, 예컨대, 적어도 0.5㎜, 예컨대, 적어도 1㎜, 및/또는 5㎜ 이하, 예컨대, 3㎜ 이하, 예컨대, 1㎜ 이하, 예컨대, 500㎛ 이하, 예컨대, 300㎛ 이하, 예컨대, 100㎛ 이하의 두께 (t)를 갖는다. 다른 구체 예에서, 소결된 물품은, 다른 두께 (t)를 갖는다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 연속적이고, 약 300㎝ 내지 약 500 m, 약 300㎝ 내지 약 400 m, 약 300㎝ 내지 약 200 m, 약 300㎝ 내지 약 100 m, 약 300㎝ 내지 약 50 m, 약 300㎝ 내지 약 25 m, 약 300㎝ 내지 약 20 m, 약 350㎝ 내지 약 500 m, 약 400㎝ 내지 약 500 m, 약 450㎝ 내지 약 500 m, 약 500㎝ 내지 약 500 m, 약 550㎝ 내지 약 500 m, 약 600㎝ 내지 약 500 m, 약 700㎝ 내지 약 500 m, 약 800㎝ 내지 약 500 m, 약 900㎝ 내지 약 500 m, 약 1 m 내지 약 500 m, 약 5 m 내지 약 500 m, 약 10 m 내지 약 500 m, 약 20 m 내지 약 500 m, 약 30 m 내지 약 500 m, 약 40 m 내지 약 500 m, 약 50 m 내지 약 500 m, 약 75 m 내지 약 500 m, 약 100 m 내지 약 500 m, 약 200 m 내지 약 500 m, 또는 약 250 m 내지 약 500 m의 범위에서 길이 (L)를 갖는다.
몇몇 구체 예에서, 소결된 물품은, 적어도 5㎜, 예컨대, 적어도 25㎜, 예컨대, 적어도 1㎝, 예컨대, 적어도 15㎝, 예컨대, 적어도 50㎝, 예컨대, 적어도 1 m, 예컨대, 적어도 5 m, 예컨대, 적어도 10 m, 및/또는 5 km 이하, 예컨대, 3 km 이하, 예컨대, 1 km 이하, 예컨대, 500 m 이하, 예컨대, 300 m 이하, 에컨대, 100 m 이하의 연속적이고, 끊김이 없는 길이 (L)를 갖는다. 다른 구체 예에서, 소결된 물품은, 다른 길이 (L)를 갖는다. 여기에 개시된 이러한 연속적인 긴 길이의, 특히 물질 및 품질은, 제어된 분리, 장력 제어, 소결 존, 바인더 제거 기술, 등과 같이, 여기에 개시된 기술 없이 기술분야의 당업자에게 놀라울 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품의 몸체는, 소결된 무기 물질을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 무기 물질은, 약 1㎜ 미만의 주 계면 치수 (major interface dimension)를 갖는 계면을 포함한다. 여기서 사용된 바와 같은, 용어 "계면"은, 무기 물질에 대해 사용된 경우, 화학적 불균일성, 또는 결정 구조 불균일성, 또는 화학적 불균일성 및 결정 구조 불균일성 모두를 포함하는 것으로 정의된다.
대표적인 무기 물질은, 세라믹 물질, 유리 세라믹 물질 및 이와 유사한 것을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 무기 물질은, 압전 물질, 열전 물질, 초전 물질, 가변 저항 물질, 또는 광전 물질 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 무기 물질의 구체적인 예로는, 지르코니아 (예를 들면, 이트리아-안정화된 지르코니아), 알루미나, 스피넬, 가넷, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (LLZO), 코디어라이트, 멀라이트, 페로브스카이트, 피로클로어 (pyrochlore), 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 나트륨 비스무스 티타네이트, 바륨 티타네이트, 티타늄 디보라이드, 실리콘 알루미나 질화물, 알루미늄 옥시니트라이드, 또는 반응성 세라믹화 유리-세라믹 (유리 프릿과 반응 분말 사이에 인시튜 반응을 포함하는, 화학 반응 및 실투의 조합에 의해 형성된 유리 세라믹)을 포함한다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 특정 면적에 걸쳐 조성적 균일성을 나타낸다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 소결된 물품은, 조성물 (즉, 중량 퍼센트 (%)로 화학물질의 상대적인 양)을 갖는, 길이를 따라 적어도 10 제곱 ㎝의 면적을 포함하며, 여기서, 상기 조성물의 적어도 하나의 성분은, 상기 면적에 걸쳐, 약 3 중량% 미만 (예를 들어, 약 2.5 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1.5 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 또는 약 0.5 중량% 이하)으로 변한다. 예를 들어, 무기 물질이 알루미나를 포함하는 경우, 알루미늄의 양은, 적어도 10 제곱 ㎝의 면적에 걸쳐, 약 3 중량% 미만 (예를 들어, 약 2.5 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1.5 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 또는 약 0.5 중량% 이하)으로 변할 수 있다. 이러한 조성적 균일성은, 개별적으로 제어된 소자를 갖는 가열로 가열 존, 그린 테이프의 주의 깊고, 조심스러운 취급, 연속적인 테이프 공정의 정상 상태, 등과 같은, 여기에 개시된 바와 같은, 새롭고 독창적인 공정에, 적어도 부분적으로 기인할 수 있다. 다른 구체 예들에서, 여기에 개시된 적어도 몇몇 기술의 새롭고 진보한 테이프 또는 기타 제품은, 이러한 조성적 균일성을 갖지 않을 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 특정 면적에 걸쳐 결정질 구조 균일성 (crystalline structure uniformity)을 나타낸다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 소결된 물품은, 면적에 걸쳐, 약 5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량%를 갖는 적어도 하나의 상을 포함하는 결정질 구조를 갖는, 길이를 따라 적어도 10 제곱 ㎝의 면적을 포함한다. 오직 예시를 위해, 소결된 물품은, 소결된 물품의 20 중량%를 구성하는 적어도 하나의 상을 포함할 수 있으며, 이 상의 양은, 적어도 10 제곱 ㎝의 면적에 걸쳐 약 15 중량% 내지 약 25 중량%의 범위 내이다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 면적에 걸쳐, 약 4.5 퍼센트 포인트 미만, 약 4 퍼센트 포인트 미만, 약 3.5 퍼센트 포인트 미만, 약 3 퍼센트 포인트 미만, 약 2.5 퍼센트 포인트 미만, 약 2 퍼센트 포인트 미만, 약 1.5 퍼센트 포인트 미만, 약 1 퍼센트 포인트 미만 또는 약 0.5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량%를 갖는 적어도 하나의 상을 포함하는 결정질 구조를 갖는, 길이를 따라 적어도 10 제곱 ㎝의 면적을 포함한다. 이러한 결정질 구조 균일성은, 개별적으로 제어된 소자를 갖는 가열로 가열 존, 그린 테이프의 주의 깊고, 조심스러운 취급, 연속적인 테이프 공정의 정상 상태, 등과 같은, 여기에 개시된 바와 같은, 새롭고 독창적인 공정에, 적어도 부분적으로 기인할 수 있다. 다른 구체 예들에서, 여기에 개시된 적어도 몇몇 기술의 새롭고 진보한 테이프 또는 기타 제품은, 이러한 결정질 구조 균일성을 갖지 않을 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 특정 면적에 걸쳐 다공도 균일성을 나타낸다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 소결된 물품은, 약 20% 미만으로 변하는 다공도를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 ㎝의 면적을 포함한다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "다공도"는, 부피 퍼센트 (예를 들어, 적어도 10부피% 또는 적어도 30부피%)로 기재되며, 여기서 "다공도"는, 무기 물질에 의해 점유되지 않은 소결된 물품의 부피의 부분을 지칭한다. 따라서, 하나의 예에서, 소결된 물품은, 10부피%의 다공도를 가지며, 이 다공도는, 적어도 10 제곱 ㎝의 면적에 걸쳐 약 8부피% 초과 내지 약 12부피% 미만의 범위 내이다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 소결된 물품은, 면적에 걸쳐, 18% 이하, 16% 이하, 15% 이하, 14% 이하, 12% 이하, 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하, 5% 이하, 4% 이하 또는 약 2% 이하로 변하는 다공도를 갖는 길이에 따라 적어도 10 제곱 ㎝의 면적을 포함한다. 이러한 다공도 균일성은, 개별적으로 제어된 소자를 갖는 가열로 가열 존, 그린 테이프의 주의 깊고, 조심스러운 취급, 연속적인 테이프 공정의 정상 상태, 등과 같은, 여기에 개시된 바와 같은, 새롭고 독창적인 공정에, 적어도 부분적으로 기인할 수 있다. 다른 구체 예들에서, 여기에 개시된 적어도 몇몇 기술의 새롭고 진보한 테이프 또는 기타 제품은, 이러한 다공도 균일성을 갖지 않을 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 결정립 (1034) 사이에 경계 (1032)에서 표면의 오목부에 대하여, 적어도 25 nanometers (㎚)의 높이 (H) (예를 들어, 평균 높이) 및/또는 150 micrometers (㎛) 이상을 갖는 몸체 (1030)로부터 일반적으로 외향으로 돌출하는 결정립 (1034)을 포함하는, 과립 프로파일 구조의 예에 대해, 도 30a의 디지털 이미지에 나타낸 바와 같은, 및 도 30b의 측면도로 개념적으로 나타낸 바와 같은, 예컨대, 현미경으로 보는 경우, 과립 프로파일을 나타낸다. 하나 이상의 구체 예에서, 높이 (H)는, 약 25㎚ 내지 약 125㎛, 약 25㎚ 내지 약 100㎛, 약 25㎚ 내지 약 75㎛, 약 25㎚ 내지 약 50㎛, 약 50㎚ 내지 약 150㎛, 약 75㎚ 내지 약 150㎛, 약 100㎚ 내지 약 150㎛, 또는 약 125㎚ 내지 약 150㎛의 범위에 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 높이 (H)는 약 25㎚ 내지 약 125㎚, 약 25㎚ 내지 약 100㎚, 약 25㎚ 내지 약 75㎚, 약 25㎚ 내지 약 50㎚, 약 50㎚ 내지 약 150㎚, 약 75㎚ 내지 약 150㎚, 약 100㎚ 내지 약 150㎚, 또는 약 125㎚ 내지 약 150㎚의 범위이다. 다른 구체 예에서, 높이 (H)는 다른 크기일 수 있다. 여전히 다른 구체 예에서, 공정 조건 (예를 들어, 시간, 온도)은, 소결된 물질이 필수적으로 0의 높이 (H)를 갖는 정도일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 여기에 개시된 물질 및 제조에 대해, 제품 (예를 들어, 테이프)는, 적어도 25㎚, 예컨대, 적어도 50㎚, 예컨대, 적어도 75㎚, 예컨대, 적어도 100㎚, 예컨대, 적어도 125㎚, 예컨대, 적어도 150㎚, 및/또는 200㎛ 이하, 예컨대, 150㎛ 이하, 예컨대, 100㎛ 이하, 예컨대, 75㎛ 이하, 예컨대, 50㎛ 이하의 결정립의 높이 (H)를 포함한다. 이러한 미세구조의 크기 및 형상은, 가열로를 통한 이송 속도, 가열로의 온도(들) 및 온도 프로파일, 그린 테이프에서 무기 물질의 조성물, 입자/결정립 크기 및 밀도, 및 여기에 개시된 바와 같은 기타 요인과 같은, 여기에 개시된 기술을 사용하여 제어될 수 있다.
과립 프로파일은, 소결된 물품 (1000)을 형성하는데 사용되는 제조 공정의 지표 (indicator)이거나 또는 지표일 수 있다. 특히, 과립 프로파일은, 물품 (1000)이 불 (boule)로부터 절단되는 것과는 대조적으로, 얇은 연속 물품으로서 (즉, 시트 또는 테이프로서) 소결되고, 및 각각의 표면 (1010, 1020)이 실질적으로 연마되지 않았다는 지표이거나 또는 지표일 수 있다. 부가적으로, 연마된 표면과 비교하여, 과립 프로파일은, 디스플레이의 백라이트 유닛 (backlight unit)을 위한 광의 산란, 코팅의 더 큰 접착력 또는 배양균 성장 (culture growth)을 위한 표면적의 증가와 같은, 몇몇 적용에서, 소결된 물품 (1000)에 이점을 제공할 수 있다. 고려된 구체 예에서, 표면 (1010, 1020)은, 약 15㎚ 내지 약 800㎚와 같이, 소결된 물품의 길이를 따라 1 차원에서 10㎜의 거리에 걸쳐 약 10㎚ 내지 약 1000㎚의 거칠기를 갖는다. 고려된 구체 예에서, 표면 (1010, 1020) 중 하나 또는 둘 모두는, 단일 축을 따라 1cm의 거리에 걸쳐 약 1nm 내지 약 10㎛의 거칠기를 갖는다.
하나 이상의 구체 예에서, 표면 (1010, 1020) 중 하나 또는 모두는 연마될 수 있고, 여기서 결정립계 홈 (grain boundary grooves) 및 결정립 돌기 (asperities) (또는 힐록 (hillocks))는 일반적으로 연마로 인해 제거될 수 있다. 고려된 구체 예에서, 여기에 개시된 공정에 따라 제조된 소결된 물품 (1000)은, 예를 들어, 물품의 특정 의도된 용도에 의존하여; 예를 들어, 도 31a-31b에 나타낸 것과 유사한 표면으로, 연마될 수 있다. 예를 들어, 기판으로써 소결된 물품 (1000)의 사용은, 매우 매끄러운 표면을 필요로 하지 않을 수 있으며, 도 30a-30b의 연마되지 않은 표면이 충분할 수 있는 반면; 미러 또는 렌즈로서 물품의 사용은, 도 31a-31b에서 나타낸 바와 같은 연마를 요구할 수 있다. 그러나, 여기에 개시된 바와 같이, 연마는, 특히 얇은 물품 또는 큰 표면적을 갖는 얇은 물품에 대해 어려울 수 있다. 나타낸 바와 같이, 여기에 개시된 기판은 또한 평활성 (smoothness)과 같은, 표면 품질을 변화시킬 수 있는 코팅을 수용할 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 불 (boules)로부터 절단된 소결된 세라믹 또는 기타 물질의 시트는, 도 30a-30b의 물품과는 대조적으로, 그 위에 표면 상에 존재하는 쉽게 식별가능한 결정립계를 갖지 않을 수 있는 것으로 믿어진다. 이론에 구애됨이 없이, 불-절단 (boule-cut) 물품은, 마모 (abrasion)로부터 홈과 같이, 절단으로부터의 거친 표면을 보정하기 위해 통상적으로 연마될 수 있지만; 표면 연마는, 소결된 세라믹 또는 기타 물질의 매우 얇은 물품에 대해 특히 어려울 수 있거나 또는 번거로울 수 있으며, 이러한 물품이 더 얇고, 이러한 물품의 표면적이 더 클수록 어려움의 정도는 커진다. 그러나, 본 기술에 따라 제조된 물품이 긴 길이의 테이프로 연속적으로 제조될 수 있기 때문에, 본 개시된 기술에 따라 제조된 소결된 물품은, 이러한 한계에 의한 제약이 덜할 수 있다. 더욱이, 여기에 개시된 바와 같은, 가열로 시스템의 치수는, 여기에 기재된 바와 같이 보다 넓은 물품을 수용하고, 소결하기 위해 크기가 조정될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 예컨대, 소결된 물품 (1000)이 시트 또는 테이프의 형태인 경우, 표면 일관성은, 제1 및 제2 표면 (1010, 1020) 중 하나 또는 모두가 약간의 표면 결함을 갖는 정도이다. 이러한 맥락에서, 표면 결함은, 각각의 표면을 따라 적어도 15㎛, 10㎛, 및/또는 5㎛의 치수를 갖는 마모 및/또는 접착력이다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 주 표면 (1010) 및 제2 주 표면 (1020) 중 하나 또는 모두는, 제곱 센티미터당 15㎛, 10㎛ 및/또는 5㎛를 초과하는 치수를 갖는 15, 10, 및/또는 5 표면 결함보다 적게 갖는다. 일 실시 예에서, 제1 주 표면 (1010) 및 제2 주 표면 (1020) 중 하나 또는 모두는, 제곱 센티미터 당 평균적으로 3개 미만 또는 1개 미만의 표면 결함을 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두는, 5㎛를 초과하는 치수로 접착력 또는 마모로부터 100개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 갖는다. 선택적으로 또는 부가적으로, 제1 및 제2 주 표면 중 하나는, 5㎛를 초과하는 치수로 접착력 또는 마모로부터 100개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 갖는 반면, 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 다른 하나는, 5㎛를 초과하는 치수로 접착력 또는 마모로부터의 표면 결함을 포함한다. 따라서, 여기에 개시된 발명 기술에 따라 제조된 소결된 물품은, 비교적 고급의, 일관된 표면 품질을 가질 수 있다. 발명자들은, 소결된 물품 (1000)의 고급의, 일관된 표면 품질이 응력 집중 및/또는 균열 개시에 대한 부위를 감소시켜 물품 (1000)의 강도 증가를 가능하게 하는 것으로 믿는다.
소결된 물품은, 단일 축을 따라 1㎝의 거리에 걸쳐 (예를 들어, 소결된 물품의 길이 또는 폭을 따라) 약 0.1㎛ (100㎚) 내지 약 50㎛의 범위에서 평탄도를 갖는 것으로 기재될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 평탄도는, 약 0.2㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.4㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.5㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.6㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.8㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 2㎛ 내지 약 50㎛, 약 5㎛ 내지 약 50㎛, 약 10㎛ 내지 약 50㎛, 약 20㎛ 내지 약 50㎛, 약 25㎛ 내지 약 50㎛, 약 30㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 45㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 40㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 35㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 30㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 25㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 20㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 15㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 10㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 5㎛, 또는 약 0.1㎛ 내지 약 1㎛의 범위일 수 있다. 여기에 개시된 물질의 표면 품질, 표면 일관성, 넓은 면적, 얇은 두께, 및/또는 물질 특성과 조합하여, 이러한 평탄도는, 디스플레이용 터치 커버 시트, 고-온 기판, 플렉서블 세퍼레이터 (flexible separators), 및 기타 적용과 같은, 다양한 적용들에 특히 유용한, 시트, 기판, 소결된 테이프, 물품, 등을 가능하게 할 수 있다. 그러한 의미에서, 구체 예는, 이러한 평탄도를 갖지 않을 수 있다. 평탄도는 각각의 국가 표준 (예를 들어, ASTM A1030)으로 측정된다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 도 32에 나타낸 바와 같이, 폭 치수를 따라 줄무늬 프로파일 (striated profile)을 나타낸다. 하나 이상의 구체 예에서, 몸체 (1030)는, 폭을 따라 실질적으로 일정한 두께를 갖는 줄무늬 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 전체 폭에 따라 두께는, 약 0.9t 내지 약 1.1t (예를 들어, 약 0.95t 내지 약 1.1t, 약 0.1t 내지 약 1.1t, 약 0.105t 내지 약 1.1t, 약 0.9t 내지 약 1.05t, 약 0.9t 내지 약 t, 또는 약 0.9t 내지 약 0.95t)의 범위이고, 여기서 t는 여기에 개시된 두께 값이다. 도 32에 나타낸 바와 같이, 줄무늬 프로파일은, 폭을 따라 둘 이상의 파동 (undulations)을 포함한다. 여기서 사용된 바와 같이, 파동은 전체 주기 (full period)를 의미한다. 몇몇 구체 예에서, 줄무늬 프로파일은, 전체 폭을 따라 3 이상의 파동, 4 이상의 파동, 5 이상의 파동 또는 10 이상의 파동을 포함하고, 파동의 상한은 전체 폭을 따라 약 20개 미만의 파동이다. 하나 이상의 구체 예에서, 줄무늬는 광학 왜곡 (optical distortion)의 면에서 측정될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 보드를 가로질러 대각선 방향으로 배치된 직선의 검정 줄무늬를 갖는 화이트 보드로 이루어진 제브라 보드 (zebra board)에 근접하여 놓일 수 있다. 소결된 물품을 통해 제브라 보드를 볼 때, 검정 줄무늬의 뒤틀림은, 기술분야에 공지된 방법 및 도구를 사용하여 시각적으로 검출되고, 측정될 수 있다. 일 실시 예에서, 뒤틀림은 ASTM C 1048에 따라 측정될 수 있다. 다른 구체 예에서, 여기에 개시된 연마되 또는 달리 형성된 물품과 같이, 뒤틀림이 적거나 또는 없을 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 뒤틀림은 양 및/또는 정도가 더 클 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은 평면일 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, (여기에 개시된 바와 같은) 소결된 물품의 일부 또는 개별 소결된 물품은, 3-차원 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품의 일부 또는 개별 소결된 물품은, (폭을 따라 볼록한 형상 및 길이를 따라 오목한 형상, 또는 폭을 따라 오목한 형상 및 길이를 따라 볼록한 형상을 갖는) 새들 형상 (saddle shape)을 가질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품의 일부 또는 개별 소결된 물품은, (길이를 따라 단일 오목한 형상을 갖는) c-형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, (소결된 물품의 일부 또는 개별 소결된 물품이 배치된 평면으로부터 측정된, 이의 최대 높이를 의미하는) 형상 크기 (shape magnitude)는, 약 0.75㎜ 미만 (예를 들어, 약 0.7㎜ 이하, 0.65㎜ 이하, 0.6㎜ 이하, 0.55㎜ 이하, 0.5㎜ 이하, 0.45㎜ 이하, 0.4㎜ 이하, 0.35㎜ 이하, 0.3㎜ 이하, 0.25㎜ 이하, 0.2㎜ 이하, 0.15㎜ 이하, 또는 0.1㎜ 이하)이다.
또 다른 관점에 따르면, 소결된 물품의 구체 예는, 평탄화를 위해 물품을 연화시키는 용융 또는 소결 온도 근처에서 소결된 물품의 가열 없이, 표준, 상온 (23℃) 조건에서, 평탄능 또는 평평해질 수 있는 측면에서 기재될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품의 일부는 평평해질 수 있다. 평평해질 수 있는 소결된 물품의 일부는, 약 10㎝ 이하의 길이를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품은, 10㎝ 이하의 길이를 갖는 평평해질 수 있는 소결된 물품의 일부와 함께, 여기서 별도로 기재된 치수 (예를 들어, 폭은 약 5㎜ 이상이고, 두께는 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위이며, 및 길이는 약 300㎝ 이상임)를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 예를 들어, 소결된 물품이 개별 소결된 물품인 경우, 전체 소결된 물품은, 평평해질 수 있다.
여기서 사용된 바와 같이, 평탄능은, 평면의 평평한 평면을 따라 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)을 평탄화시키기 위해, 2개의 단단한 평행 표면 사이에서 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)을 핀칭 (pinching)하여, 또는 단단한 표면에 대하여 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)의 제1 주 표면 (1010) 상에 표면 압력을 가하여, 소결된 물품을 평탄화시켜 결정된다. 평탄능의 측정은, 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)이 2개의 단단한 평행 표면 사이를 핀칭한 경우, 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.01㎜ 또는 0.001㎜의 거리 내에서 평평하게 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)을 핀칭하도록 요구된 힘으로 표현될 수 있다. 평탄능의 측정은, 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)이 단단한 표면에 대하여 밀쳐지는 경우, 평평한 평면으로부터 0.001㎜의 거리 내에서 평평하게 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)을 밀도록 제1 주 표면 (1010)에 적용된 표면 압력으로 선택적으로 표현될 수 있다. 평탄능의 측정은, 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)이 어느 하나의 평탄화 방법 (즉, 2개의 단단한 평행 표면 사이를 핀칭 또는 단단한 표면에 대하여 핀칭)을 사용하여 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.01㎜ 또는 0.001㎜의 거리 내에서 평탄화되는 경우, 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)에 대한 절대 최대 면내 표면 응력 (압축 또는 인장)으로 표현될 수 있다. 이러한 응력은, 박판 밴드 굽힘 방정식 (thin plate bend bending equation), σx = Et/2R(1-ν2)을 사용하여 결정될 수 있다.
박판 밴드 응력 방정식 (thin plate bend stress equation)은, 방정식 σx=[E/(1-ν2)]ㆍ(εx+νεy)로부터 유래되고, 여기서 E는 탄성 모듈러스, ν는 푸아송 비, 및 εx 및 εy는 각각의 방향에서 변형률 (strain)이다. 편향이 빔 두께보다 훨씬 작은 경우, 두꺼운 빔에서, εx는 두께 제곱에 비례한다. 그러나, 빔 두께가 굽힘 반경보다 현저히 작은 경우 (예를 들어, 소결된 물품이 약 20㎛의 두께 (t)를 가질 수 있고, millimeter 크기의 굽힘 반경으로 구부러짐), εy = 0이 적용될 수 있다. 도 33에 예시된 바와 같이, 박판 (또는 소결된 물품)은, 원의 단면으로 구부러진 것으로 가정하고, 여기서, 중립 축의 길이, L0는 θ×R이고, 여기서 θ는 라디안 (radians)이며, R은 굽힘 반경이고, 외부 섬유의 길이, L1은 θ x (R + t/2)이며, 여기서 θ는 라디안이고, R은 굽힘 반경이며, t는 두께이고, 외부 섬유에 대한 εx는 (L1 - L0)/L0이며, 및 따라서,εx = [θ x (R + t/2) - (θ x R)] x 1/(θ x R) = t/2R이다. 방정식 σx = [E/(1-ν2)]·t/2R은 상기 박판 굽힘 방정식 (σx = Et/2R (1-ν2))이 된다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 적어도 전술한 정도로 평평해진 경우, 소결된 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 (박판 밴드 굽힙 방정식에 의해 결정된 것으로, 압축 응력 또는 인장 응력인지의 여부와 무관하게, 응력의 최대 절대값으로 정의된) 최대 면내 응력을 나타낸다. 예를 들어, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부의 최대 면내 응력은, 소결된 물품의 굽힘 강도의, 24% 이하, 22% 이하, 20% 이하, 18% 이하, 16% 이하, 15% 이하, 14% 이하, 12% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 4% 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가, 여기에 기재된 바와 같이 평탄해질 경우, 소결된 물품의 영률의 1% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품의 최대 면내 응력은, 소결된 물품의 영률의 0.9%, 0.8%, 0.7%, 0.6%, 0.5%, 0.4%, 0.3%, 0.2%, 0.1% 또는 0.05% 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가 약 40㎛ 내지 약 80㎛ 범위의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 갖고, 0.03m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 이의 일부가, 물품의 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가 약 20㎛ 내지 약 40㎛ 범위의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 갖고, 0.015m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품이 약 3㎛ 내지 약 20㎛ 범위의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 가지며 0.0075m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타낸다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가 약 80㎛의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 갖고, 0.03m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 이의 일부가 물품의 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가 약 40㎛의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 갖고, 0.015m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품이 약 20㎛의 두께 (또는 여기에 개시된 다른 두께)를 가지며, 및 0.0075m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽는 경우, 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부는 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타낸다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 이의 일부는, 소결된 물품 또는 이의 일부가, 어느 하나의 평탄화 방법 (즉, 2개의 단단한 평행 표면들 사이를 핀칭 또는 단단한 표면에 대하여 핀칭)을 사용하여 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.010㎜ 또는 0.001㎜의 거리 내에서 평탄화되는 경우, 250 MPa 미만의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평탄해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 최대 면내 응력은, 약 225 MPa 이하, 200 MPa 이하, 175 MPa 이하, 150 MPa 이하, 125 MPa 이하, 100 MPa 이하, 75 MPa 이하, 50 MPa 이하, 25MPa 이하, 15MPa, 14MPa 이하, 13MPa 이하, 12MPa 이하, 11MPa 이하, 10MPa 이하, 9MPa 이하, 8MPa 이하, 7MPa 또는 이하, 6MPa 이하, 5MPa 이하, 또는 4MPa 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 이의 일부는, 2개의 단단한 평행 표면 사이에서 핀칭에 의한 평탄화로부터 0.05㎜, 0.010㎜ 또는 0.001㎜의 거리 내에서 소결된 물품 또는 이의 일부를 평탄화하는데 8 N 미만 (또는 7 N 이하, 6 N 이하, 5 N 이하, 4 N 이하, 3 N 이하, 2 N 이하, 1 N 이하, 0.5 N 이하, 0.25 N 이하, 0.1 N 이하, 또는 0.05 N 이하)의 힘이 요구되는 정도로 평탄해질 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 또는 이의 일부는, 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)이 단단한 표면에 대하여 밀쳐지는 경우, 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.010㎜ 또는 0.001㎜의 거리 내에서 소결된 물품 (또는 소결된 물품의 일부)을 평평하게 밀치는데 0.1 MPa 이하의 압력이 요구되는 정도로 평탄해질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 압력은, 약 0.08 MPa 이하, 약 0.06 MPa 이하, 약 0.05 MPa 이하, 약 0.04 MPa 이하, 약 0.02 MPa 이하, 약 0.01 MPa 이하, 약 0.008 MPa 이하, 약 0.006 MPa 이하, 약 0.005 MPa 이하, 약 0.004 MPa 이하, 약 0.002 MPa 이하, 약 0.001 MPa 이하, 또는 약 0.0005 MPa 이하일 수 있다.
또 다른 관점에 따르면, 소결된 물품은, 도 34a에 나타낸 바와 같이 롤링된 소결된 물품으로 롤링되는 소결된 테이프 물질일 수 있다. 이러한 구체 예에서, 롤링된 소결된 물품은, 코어 (1100) 및 코어를 돌아서 권취된 (여기에 기재된 하나 이상의 구체 예에 따른) 소결된 물품 (1200)을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 코어는, 원통형이며, 60㎝ (또는 약 20 inch) 미만의 직경 (1240)을 갖는다. 예를 들어, 코어는, 약 55㎝ 이하, 50㎝ 이하, 약 48㎝ 이하, 약 46㎝ 이하, 약 45㎝ 이하, 약 44㎝ 이하, 약 42㎝ 이하, 약 40㎝ 이하, 약 38㎝ 이하, 약 36㎝ 이하, 약 35㎝ 이하, 약 34㎝ 이하, 약 32㎝ 이하, 약 30㎝ 이하, 약 28㎝ 이하, 약 26㎝ 이하, 약 25㎝ 이하, 약 24㎝ 이하, 약 22㎝ 이하, 약 20㎝ 이하, 약 18㎝ 이하, 약 16㎝ 이하, 약 15㎝ 이하, 약 14㎝ 이하, 약 12㎝ 이하, 약 10㎝ 이하, 약 8㎝ 이하, 약 6㎝ 이하, 약 5㎝ 이하, 약 4㎝ 이하, 또는 약 2㎝ 이하의 직경을 가질 수 있다. 다른 구체 예에서, 코어는, 별로의 형상을 가지며, 상기 롤은 상기 직경 치수에 상응하는 아크로 코어를 돌아서 굽혀진다.
하나 이상의 구체 예에서, 코어를 돌아서 권취된 소결된 물품은, 연속적이며, 여기서 별도로 기재된 치수 (예를 들어, 약 5㎜ 이상인 폭, 약 3㎛ 내지 약 1㎜ 범위의 두께, 및 30㎝ 이상인 길이)를 갖는다.
코어 상으로 연속 소결된 물품 (특히, 세라믹과 같은, 연속 소결된 무기 물질)의 스풀링은, 소결된 물품이 교차 웨브 형상 (cross web shape)을 갖고, 소결된 물품이 특히 바인더 번아웃 및 비스크 상태에서 견딜 수 있는 웨브 장력이 매우 낮기 (예를 들어, 그램 수준 크기의 장력) 때문에, 몇가지 문제점이 존재한다. 더군다나, 소결된 물질의 모듈러스는, 매우 높을 수 있으며 (예를 들어, 약 210GPa까지), 따라서 소결된 물품은, 장력 하에 신장되지 않고, 코어를 돌아서 권취된 경우, 그 결과로 생긴 권취된 롤 무결성은 열악할 수 있다. 계속적인 회선 (convolution)을 취급하는 동안, 연속 소결된 물품은, 쉽게 겹쌓이게 될 수 있다 (즉, 계속적인 랩은 정렬에서 벗어날 수 있다).
본 발명자들은, 하나 이상의 구체 예의 롤링된 소결된 물품이, 연속 소결된 물품을 코어 상으로 스풀링하는 경우, 호환성 중간층 지지 물질을 사용하여 우수한 무결성을 갖는다는 것을 확인했다. 하나 이상의 구체 예에서, 연속 소결된 물품은, 중간층 지지 물질 상에 배치되고, 연속 소결된 물품 및 중간층 지지 물질은, 연속 소결된 물품의 각각의 연속적인 랩 (successive wrap)이 중간층 지지 물질에 의해 서로 분리되도록 코어를 돌아서 권취된다. 도 3을 참조하여 전술된 바와 같이, 소결된 물품 (또는 소결된 테이프 물질) (40)은 업테이크 릴 (44) 상에 권취된다. 중간층 지지 물질 (46)의 층이 업테이크 릴 (44) 상에 연속 소결된 물품 (1000) (예를 들어, 소결된 물품 (1200) 또는 소결 테이프 물질 (40))의 각 층, 대부분 또는 적어도 일부 층들 사이에 위치되도록, 중간층 지지 물질 (46)은, 릴 (48)로부터 공급되거나 또는 공급될 수 있고, 및 중간층 지지 물질 (46)은, 업테이크 릴 (44) 상에 권취되거나 또는 권취될 수 있다. 이러한 배열은 롤링된 소결 물질 (50)을 형성한다.
도 34b를 참조하면, 도 34a의 롤링된 소결 물품 (1200)의 상세한 단면도는, 대표적인 구체 예에 따라 나타내며, 여기서, 소결된 물품 (1200)은, 코어 (1100)를 돌아서 두 번 롤링되고, 중간층 지지 물질 (46)은, 소결된 물품 (1200)과 코어 (1100) 사이에 위치된 다음, 소결된 물품 (1200)의 연속적인 권취 사이에 위치된다. 도 34b로부터 직관적 일 수 있는 바와 같이, 단부에서 보았을 때, 소결된 물품 (1200) (이 경우에는 테이프) 및 중간층 지지 물질 (46)은, 코어 (1100)에 대하여 서로 얽힌 나선형 (intertwined spirals)을 형성한다. 다른 고려된 구체 예에서, 소결된 물품은, 개별 시트로 절단될 수 있고, 여전히 코어 상에 권취될 수 있으며, 및 연속 중간층 지지 물질 (46)에 의한 인접한 권취에서 분리될 수 있고, 예컨대, 여기서, 시트의 순 길이 (net length)는, 함께 부가된 경우, 여기에 기재된 바와 같은 길이 (L)이다. 도 34b에 나타낸 바와 같이, 다양한 구체 예에서, 롤링된 소결된 물품은, 대표적인 구체 예에 따라 나타낸 롤링된 소결된 물품 (예를 들어, 소결된 물품 (1000), 소결된 물품 (1200) 또는 소결된 테이프 물질 (40))의 각 층 사이에 중간층 지지 물질 (46)을 포함한다. 다양한 구체 예에서, 중간층 지지 물질은, 제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 중간층 두께 (t), 상기 중간층 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로 정의되는 중간층 폭, 및 상기 중간층 지지 물질의 중간층 두께 및 중간층 폭 모두에 직교하는 제1 또는 제2 주 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 중간층 길이를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 중간층 두께는, 소결된 물품의 두께보다 크다. 하나 이상의 구체 예에서, 중간층 폭은 롤링된 소결된 물품의 폭보다 클 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 중간층 지지 물질 (46)은, 로드 셀 (load cell)에 의해 측정된 바와 같이, 연속 소결된 물품의 장력을 초과하는 장력을 포함한다 (또는 장력하에 있다). 하나 이상의 구체 예에서, 중간층 지지 물질은, (소결된 물품과 비교하여) 상대적으로 낮은 모듈러스를 가지며, 따라서 낮은 장력하에서 신장된다. 이는, 권취된 롤의 무결성을 개선시키는 더 높은 중간층 롤 압력을 생성하는 것으로 믿어진다. 더군다나, 몇몇 구체 예에서, 권취된 롤의 장력은, 중간층 지지 물질에 가해지는 장력을 제어하여 제어되고, 장력은 권취된 롤 직경의 함수에 따라 테이퍼될 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 중간층 지지 물질 (46)은, 장력하에 있는 반면, 소결된 물품 (예를 들어, 테이프)은 압축하에 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 중간층 지지 물질은 두께 호환성이다 (즉, 두께는 주 표면에 압력을 가하여 감소될 수 있고, 따라서, 소결 공정에 의해 발생된 소결된 물품에서 교차 웨브 형상 또는 두께에서 변화를 보상할 수 있다). 몇몇 이러한 구체 예에서, 측면에서 보았을 때, 소결된 물품은, 중간층 지지 물질에 의해 롤 내에서 은폐될 수 있으며, 여기서, 중간층 지지 물질은, 중간층 지지 물질의 인접한 권취과 접촉하고, 적어도 어느 정도는, 중간층 지지 물질이 도 34b에 나타낸 바와 같이 소결된 물품보다 더 넓은 경우와 같이, 소결된 물품을 감추고, 분리시키며, 및 소결된 물품 (예를 들어, 테이프)의 양쪽 폭-방향 에지 넘머로 확장된다.
도 34a를 참조하면, 하나 이상의 구체 예에서, 롤링된 물품은, 원통형 코어 상에 있고, 실질적으로 일정한 직경 (1220) 및 측벽 폭 (1230)을 갖는다. 중간층 지지 물질은, 롤링된 물품의 측벽 폭을 증가시킬 수 있는, 텔레스코핑의 유발 없이, 코어를 돌아서 연속 또는 비-연속 소결된 물품의 스풀링을 가능하게 한다. 몇몇 구체 예에서, 코어는, 원주 및 상기 원주를 따라 코어 중심선을 포함하고, 연속 소결된 물품은, 길이 방향을 따라 물품 중심선을 포함하며, 상기 코어 중심선과 물품 중심선 사이에 거리는, 연속 또는 비-연속 소결된 물품의 전체 길이 또는 적어도 90%를 따라, 2.5㎜ 이하이다.
하나 이상의 구체 예에서, 롤링된 물품은, 매우 낮은 장력이 중간층 지지 물질에 적용되는 경우에도, 권취된 롤에서 연속적인 회선의 측면 텔레스코핑에 저항하기에 충분한 중간층 지지 물질과 연속 또는 비-연속 소결된 물품 사이에 마찰력을 포함한다. 일정한 장력이 중간층 지지 물질에 가해질 수 있지만; 그러나, 코어를 향하는 롤링된 물품의 내부 부분에 적용된 장력은, 더 많은 중간층 지지 물질 및 연속 소결된 물품이 코어를 돌아서 권취됨에 따라, 코어로부터 외부 부분으로 증가하는 롤링된 물품의 직경으로 인해 코어로부터 멀어지는 롤링된 물품의 외부 부분에 가해지는 장력을 초과할 수 있다. 이는, 중간층 지지 물질과 연속 소결된 물품 사이에 마찰과 결합된 경우, 결함을 방지하는데 적어도 도움이 되는 소결된 물품 표면들 사이에 텔레스코핑 및 상대적 이동을 방지 또는 제한하는, 롤링된 물품을 압착하거나 또는 압착할 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 중간층 지지 물질은, 중합체 및 종이 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 지지 물질은 중합체 및 종이의 조합이다. 하나 이상의 구체 예에서, 중간층 지지 물질은, 발포된 중합체를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 발포된 중합체는 폐쇄 셀 (closed cell)이다.
또 다른 관점에 따르면, 여기에 기재된 소결된 물품은, 도 35 및 도 36에 예시된 바와 같이, 위에서 개시된 바와 같은, 다수의 개별 소결된 물품으로서 제공될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 개별 소결된 물품은, 여기에 기재된 바와 같이, 롤링된 소결된 물품 또는 연속 소결된 물품으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 개별 소결된 물품은, 레이저로 절단될 수 있거나 또는 (시트 또는 테이프 형태일 수 있는) 더 큰 소결된 물품에서 분리될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 개별 소결된 물품의 각각은, 여기에 기재된 개선된 공정 및 물질 특성에 기인할 수 있는 것으로, 다수의 개별 소결된 물품의 일부 또는 전부에 대하여 균일성 또는 일관성을 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 각각은, 제1 주 표면, 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 및 제1 표면과 제2 표면 사이에서 연장되는 몸체를 포함한다. 몸체는, 소결된 무기 물질 및 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 폭 및 두께 모두에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 포함한다. 직관적일 수 있는 바와 같이, 더 긴 테이프로부터 절단되거나 형성된 개별 시트 또는 기타 소결된 물품은, 여기에 개시된 바와 같은 균일하고 일관된 조성물, 균일하고 일관된 결정 구조, 균일하고 일정한 두께, 결함 수준, 및 여기에 개시된 독창적인 장비 및 공정으로 제조된 테이프 또는 기타 길어진 물품에 존재하거나 또는 존재할 수 있는 여기에 기재된 기타 특성을 갖는다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 여기에 기재된 바와 같이, 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 평평해진 경우, 소결된 물품의 (2-점 굽힘 방법에 의해 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 (박판 밴드 굽힙 방정식에 의해 결정된 것으로, 압축 응력인지 인장 응력인지에 무관하게, 응력의 최대 절대 값으로 정의된) 최대 면내 응력을 나타낸다. 예를 들어, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분 또는 각각의 최대 면내 응력은, 소결된 물품의 굽힘 강도의, 24% 이하, 22% 이하, 20% 이하, 18% 이하, 16% 이하, 15% 이하, 14% 이하, 12% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 또는 4% 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분 또는 각각이, 여기에 기재된 바와 같이 평평해진 경우, 소결된 물품의 영률의 1% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각의 최대 면내 응력은, 각각의 소결된 물품의 영률의 0.9%, 0.8%, 0.7%, 0.6%, 0.5%, 0.4%, 0.3%, 0.2%, 0.1% 또는 0.05% 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 40㎛ 내지 약 80㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께) 범위의 두께를 갖고, 0.03 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 20㎛ 내지 약 40㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께) 범위의 두께를 갖고, 0.015 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 (2-점 굽힘 강도에 의해 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 3㎛ 내지 약 20㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께) 범위의 두께를 갖고, 0.0075 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 (2-점 굽힘 강도에 의해 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 80㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께)의 두께를 갖고, 0.03 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 40㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께)의 두께를 갖고, 0.015 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 (2-점 굽힘 강도에 의해 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 약 20㎛ (또는 여기에 개시된 다른 두께)의 두께를 갖고, 0.0075 m를 초과하는 굽힘 반경으로 굽혀지는 경우, 소결된 물품이, 물품의 (2-점 굽힘 강도에 의해 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 어느 하나의 평탄화 방법 (2개의 단단한 평형면 사이 또는 단단한 면에 대하여 핀칭)을 사용하여 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.01㎜, 또는 0.001㎜의 거리 내에 평평해진 경우, 250MPa 미만의 최대 면내 응력을 나타내는 정도로 평평해질 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 최대 면내 응력은, 약 225 MPa 이하, 200 MPa 이하, 175 MPa 이하, 150 MPa 이하, 125 MPa 이하, 100 MPa 이하, 75 MPa 이하, 50 MPa 이하, 25MPa 이하, 15MPa, 14MPa 이하, 13MPa 이하, 12MPa 이하, 11MPa 이하, 10MPa 이하, 9MPa 이하, 8MPa 이하, 7MPa 이하, 6MPa 이하, 5MPa 이하, 또는 4MPa 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품이 2개의 단단한 평형 표면들 사이에서 핀칭에 의한 평탄화로부터 0.05㎜, 0.01㎜, 또는 0.001㎜의 거리 이내로 평평해진 경우, 8 N 미만 (또는 7 N 이하, 6 N 이하, 5 N 이하, 4 N 이하, 3 N 이하, 2 N 이하, 1 N 이하, 0.5 N 이하, 0.25 N 이하, 0.1 N 이하, 또는 0.05 N 이하)의 힘이 소결된 물품 또는 이의 부분 각각을 평탄화하는데 요구되는 정도로 평평해질 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 단단한 표면에 대하여 밀쳐지는 경우, 0.1 MPa 이하의 압력이 평평한 평면으로부터 0.05㎜, 0.01㎜, 또는 0.001㎜의 거리 이내로 소결된 물품을 평평하게 밀치는데 요구되는 정도로 평평해질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 압력은, 약 0.08 MPa 이하, 약 0.06 MPa 이하, 약 0.05 MPa 이하, 약 0.04 MPa 이하, 약 0.02 MPa 이하, 약 0.01 MPa 이하, 약 0.008 MPa 이하, 약 0.006 MPa 이하, 약 0.005 MPa 이하, 약 0.004 MPa 이하, 약 0.002 MPa 이하, 약 0.001 MPa 이하, 또는 0.0005 MPa 이하일 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각의 두께는, 약 0.7t 내지 약 1.3t (예를 들어, 약 0.8t 내지 약 1.3t, 약 0.9t 내지 1.3t, 약 t 내지 약 1.3t, 약 1.1t 내지 약 1.3t, 약 0.7t 내지 약 1.2t, 약 0.7t 내지 약 1.1t, 약 0.7t 내지 약 1t, 또는 약 0.9t 내지 약 1.1t)의 범위이고, 여기서, t는 여기에 개시된 두께 값이다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 조성적 균일성을 나타낸다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 적어도 50% (예를 들어, 약 55% 이상, 약 60% 이상 또는 약 75% 이상)는, 면적 및 조성물을 포함하며, 여기서, (여기에 기재된 바와 같은) 조성물의 적어도 하나의 성분은, 상기 면적을 가로질러 약 3 중량% 미만으로 변한다. 몇몇 구체 예에서, 조성물의 적어도 하나의 성분은, 그 면적을 가로질러, 약 2.5 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1.5 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 또는 약 0.5 중량% 이하로 변한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 면적은, 소결된 물품의 약 1 제곱 센티미터이거나, 또는 상기 면적은 소결된 물품의 전체 표면적이다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 결정질 구조 균일성을 나타낸다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 적어도 50% (예를 들어, 약 55% 이상, 약 60% 이상 또는 약 75% 이상)는, 면적 및 상기 면적을 가로질러 (여기에 기재된 바와 같이) 약 5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상을 갖는 결정질 구조를 포함한다. 오직 예시를 위해, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 소결된 물품의 20 중량%를 구성하는 적어도 하나의 상을 포함할 수 있고, 다수의 소결된 물품의 적어도 50 중량% (예를 들어, 약 55 중량% 이상, 약 60 중량% 이상, 또는 약 75% 이상)에서, 상기 상은 면적을 가로질러 약 15 중량% 내지 약 25 중량% 범위의 양으로 존재한다. 하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분 또는 각각의 적어도 50% (예를 들어, 약 55% 이상, 약 60% 이상 또는 약 75% 이상)는, 면적 및 상기 면적을 가로질러, 약 4.5 퍼센트 포인트 미만, 약 4 퍼센트 포인트 미만, 약 3.5 퍼센트 포인트 미만, 약 3 퍼센트 포인트 미만, 약 2.5 퍼센트 포인트 미만, 약 2 퍼센트 포인트 미만, 약 1.5 퍼센트 포인트 미만, 약 1 퍼센트 포인트 미만, 또는 약 0.5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상을 갖는 결정질 구조를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 면적은, 소결된 물품의 약 1 제곱 센티미터이거나, 또는 상기 면적은 소결된 물품의 전체 표면적이다.
하나 이상의 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 적어도 50% (예를 들어, 약 55% 이상, 약 60% 이상 또는 약 75% 이상)는, 면적 및 약 20% 미만으로 변하는 (여기에 기재된 바와 같은) 다공도를 포함한다. 따라서, 하나의 실시 예에서, 다수의 소결된 물품의 일부, 대부분, 또는 각각은, 10부피%의 다공도를 가지며, 이 다공도는, 다수의 소결된 물품의 적어도 50%의 면적을 가로질러 약 8부피% 초과 내지 약 12부피% 미만의 범위이다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 적어도 50%는, 면적을 포함하고, 상기 면적을 가로질러 18% 이하, 16% 이하, 15% 이하, 14% 이하, 12% 이하, 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하, 5% 이하, 4% 이하 또는 약 2% 이하로 변하는 다공도를 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 면적은, 소결된 물품의 약 1 제곱 센티미터이거나, 또는 상기 면적은 소결된 물품의 전체 표면적이다.
실시 예 5-6 및 비교 예 7-8
실시 예 5-6 및 비교 예 7-8은, 정방정 또는 테트라 지르코니아 다결정 물질의 연속 소결된 물품로부터 형성된 개별 소결된 물품이다. 실시 예 5-6은, 여기에 기재된 공정 및 시스템에 따라 형성되고, 비교 예 7-8은, 본 개시된 기술의 적어도 일부 (예를 들어, 장력 제어, 구역화된 소결 가열로, 기류 제어)를 포함하지 않는 다른 공정 및 시스템을 사용하여 형성된다. 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 각각은, 55.88mm의 길이, 25.4mm의 폭, 0.04mm의 두께, 및 2mm의 코너 반경을 갖는다. 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 각각은, 210Gpa의 영률, 0.32의 푸아송 비 (ν), 6g/㎤의 밀도 (ρ)를 갖는다.
실시 예 5는, 0.350㎜ 형상 크기를 갖는, 도 35에 나타낸 바와 같은 c-형상을 갖는다. 실시 예 6은, 0.350㎜ 형상 크기를 갖는, 도 36에 나타낸 바와 같은 새들 형상을 갖는다. 비교 예 7은, 도 37에 나타낸 바와 같은 0.350mm의 형상 크기를 갖는 갈매기형 날개 (gullwing) 형상을 갖는다. 비교 예 8은, 도 38에 나타낸 바와 같은 0.750mm의 형상 크기를 갖는 갈매기형 날개 (gullwing) 형상을 갖는다. 평탄화 이전의 평면에 대하여 각각의 소결된 물품의 형상 크기는, 도 39에서 비교된다.
실시 예들의 평탄능은, 여기서 별도로 기재된 2개의 로딩 방법 (즉, 평평한 평면을 따라 소결된 물품을 평탄화하기 위해, 2개의 단단한 평행 표면 사이에서 소결된 물품을 핀칭 또는 단단한 표면에 대해 소결된 물품을 밀기 위해 소결된 물품의 하나의 주 표면상에 표면 압력을 적용)을 사용하여 평가된다.
도 40은, 2개의 단단한 평행 표면 사이를 핀칭하여, 각각의 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품을 평평한 평면으로부터 0.001㎜의 거리 내로 평탄하게 핀칭하는데 요구되는 힘 (N)을 나타낸다. 도 40에서 나타낸 바와 같이, 실시 예 5-6은, 소결된 물품을 평평하게 하는데 상당히 적은 힘을 필요로 하여, 더 큰 평탄능을 나타낸다. 게다가, 이러한 낮은 힘으로 소결된 물품을 평탄화하는 능력은, 이러한 물품이, 파단, 파괴 또는 그렇지 않으면 결함 형성 없이, 다운스트림 공정에서 조작될 수 있거나 또는 적용될 수 있음을 나타낸다. 다운스트림 공정은, 예를 들어, 전도성 또는 비전도성 코팅을 포함할 수 있는 코팅의 적용을 포함할 수 있다. 이러한 동일한 평탄능은, 단단한 표면에 대하여 소결된 물품을 밀어, 각각의 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 소결된 물품을 평평한 평면으로부터 0.001㎜의 거리 내로 평평하게 미는데 요구된 압력이 측정되는 경우, 또한 입증된다. 그 결과는, 실시 예 5-6이 비교 예 7-8과 비교된 경우, 평탄화하는데 상당히 적은 압력을 필요로 한다는 것을 보여주는, 도 41에 나타낸다. 도 42는, 실시 예 5-6 및 비교 예 7-8의 평탄화된 소결된 물품의 최대 면내 표면 응력을 나타낸다. 실시 예 5-6은, 11 MPa 미만의 응력을 나타내는 반면, 비교 예 7-8은, 20배를 초과하는 응력을 나타내어, 비교 예 7-8의 소결된 물품이 다운스트림 공정 동안에 파단, 파괴할 가능성이 있거나, 또는 결함을 나타낼 가능성이 있음을 나타낸다. 실시 예 5에서 응력의 위치는, 도 43a (평탄해진 경우 바닥면 응력) 및 도 43b (평탄해진 경우 상부면 응력)에서 나타낸다. 실시 예 6에서 응력의 위치는, 도 44a (평탄해진 경우 바닥면 응력) 및 도 44b (평탄해진 경우 상부면 응력)에서 나타낸다. 비교 예 7에서 응력의 위치는, 도 45a (평탄해진 경우 바닥면 응력) 및 도 45b (평탄해진 경우 상부면 응력)에서 나타낸다. 비교 예 7에서, 바닥면 상에, 중앙 부분은, -254.6MPa의 압축 응력에 의해 양 측 옆에 위치된, 208.6MPa의 인장 응력을 나타낸다. 상대적으로, 정면 상에, 중앙 부분은, 약 -20.8.6MPa의 압축 응력하에 있고, 254.6MPa의 인장 응력에 의해 양 측 옆에 위치된다. 비교 예 8에서 응력의 위치는, 도 46a (평탄해진 경우 바닥면 응력) 및 도 46b (평탄해진 경우 상부면 응력)에서 나타낸다. 비교 예 8에서, 바닥면 상에, 중앙 부분은, -473.63 MPa의 압축 응력에 의해 양 측 옆에 위치된, 399.01 MPa의 인장 응력을 나타낸다. 상대적으로, 정면 상에, 중심 부분은, 약 -399.08 MPa의 압축 응력하에 있고, 473.60 MPa의 인장 응력에 의해 양 측 옆에 위치된다. 비교 예 7-8의 지점 X에서의 높은 응력은, 이들 소결된 물품이 높은 응력 위치를 따라 파단하기 쉽다는 것을 나타낸다.
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몇몇 반도체 패키지 및 유사한 발광 다이오드 (LED) 함유 패키지에서, 패키지에 또는 패키지를 통해 제공된 대부분의 전기 에너지는, 열 에너지로서 소실되거나 소실될 수 있다. 이들 및 유사한 반도체 패키지의 방열 용량 (heat dissipation capacity)은, 패키지를 통해 부가적인 전기 에너지 (또는 전류)를 제공하려는 경우, 제한 요인 (limiting factor)일 수 있다. 또한, 적어도 몇몇 LED 함유 패키지에서, LED의 휘도는, LED 함유 패키지의 방열 용량에 의해 제한될 수 있다. 약 75℃ 내지 약 85℃와 같이, 반도체 패키지 내에 구성요소의 온도를 감소시키고 유지하는 것은, 바람직할 수 있다.
하나 이상의 구체 예들 및 도 47을 참조하면, 여기에 기재된 바와 같은 소결 물품 (예를 들어, 소결된 물품 (1000), 소결된 물품 (1200), 또는 소결된 테이프 물질 (40))은, 기판 (1500)에 직접 또는 간접적으로 접합, 결합, 연결, 또는 그렇지 않으면 부착되어, 패키지 (2000)을 형성할 수 있다. 소결된 물품 (1000)은, 패키지 (2000)에서 유전체로서 작용할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 패키지 (2000)는, 반도체 패키지, 전기 패키지, 전력 전송 패키지 (power transmission package), 발광 다이오드 (LED) 패키지, 또는 이와 유사한 것이다. 본 개시의 패키지 (2000)는, 종래의 패키지와 비교한 경우, 개선된 성능 (예를 들어, 열 방출 용량, 낮은 열 저항, 등)을 제공한다. 다른 이러한 구체 예에서, 여기에 기재된 바와 같은 소결된 물품 (예를 들어, 소결된 물품 (1000), 소결된 물품 (1200) 또는 소결된 테이프 물질 (40))은, 기판 (1500)이다.
몇몇 구체 예에서, 패키지 (2000)는, 기판 (1500)과 소결된 물품 (1000) 사이의 중간층 (1300)을 포함한다. 중간층 (1300)은, 기판 (1500) 및 소결된 물품 (1000)의 부착을 용이하게 하거나 또는 접합, 결합, 연결, 또는 부착시키는 물질을 포함할 수 있다. 중간층 (1300)은, 중간층 (1300)을 형성하기 위해 접합되거나 또는 함께 접합된 다수의 개별 층을 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 전기적 구성요소 (예를 들어, 반도체 장치 또는 칩) 또는 금속-계 층에 의해 발생된 열이 중간층 (1300)을 통해 기판 (1500)에 전달되도록 높은 열전도도 특성을 갖는 물질이다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 소결된 물품 (1000)의 열전도도를 초과하는 열전도도를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 기판 (1500)보다 낮은 열전도도를 포함한다. 중간층 (1300)은, 약 8W/m·K 초과 내지 약 20W/m·K, 약 8W/m·K 초과 내지 약 16 W/m·K, 또는 약 8W/m·K 초과 내지 약 13 W/m·K, 또는 약 9W/m·K 초과 내지 약 12W/m·K, 예컨대, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20W/m·K, 및 이들 사이의 모든 범위 및 서브 범위를 포함하는 열전도도를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 접착제와 같은 물질이다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 패키지 (2000)의 가열 및 냉각의 결과로서 일어나는 기판 (1500)과 소결된 물품 (1000) 사이에 열팽창계수 (CTE) 차이로부터의 전단력 (shearing forces)을 변형 및/또는 견딜도록 구성된 호환성 물질이다.
몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 폴리이미드, 에폭시, 또는 이의 조합의 매트릭스 (matrix)를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (130)의 매트릭스는, 비전도성 입자 (예를 들어, 질화붕소), 전도성 입자 (예를 들어, 은, 구리, 등), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전도성 및/및 비-전도성 입자는, 중간층 (130)의 매트릭스를 통해 균일하게 또는 비-균일하게 분포될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은 금속-계 층 (1350) 및 구성요소 (1401) (도 50(e)) 유래의 열을 전도하고, 기판 (1500)으로 전도된 열을 전달한다. 몇몇 구체 예에서, 중간층 (1300)은, 기판 (1500) 및/또는 소결된 물품 (1000) 중 하나 또는 둘 모두와 실질적으로 유사한 길이 (L) 및 폭 (W)을 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 중간층은, 약 0.1㎛ 내지 약 100㎛, 또는 약 10㎛ 내지 약 75㎛, 또는 약 15㎛ 내지 약 35㎛, 또는 심지어 약 20㎛ 내지 약 40㎛, 예를 들어 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 또는 40㎛, 이들 사이의 모든 범위 및 서브범위를 포함하는 두께 (t2)를 가질 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 기판 (1500)은, 제1 주 표면 (1510), 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면 (1520), 및 제1 및 제2 표면 (1510, 1520) 사이에서 연장되는 몸체 (1530)를 포함한다. 소결된 물품 (1000)은, 기판 (1500)의 제1 주표면 (1510) 또는 제2 주표면 (1520)에 직접 또는 간접적으로 접합, 결합, 연결, 또는 그렇지 않으면 부착될 수 있다. 몸체 (1530)는, 제1 주 표면 (1510)과 제2 주 표면 (1520) 사이에 거리로 정의되는 두께 (t1), 상기 두께에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로 정의되는 폭 (W1), 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로 정의되는 길이를 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 기판 (1500)은, 폭 (W1)을 한정하는 대향하는 부표면 (1540)을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품 (1000) 및 기판 (1500)의 길이 및 폭, 각각은, 실질적으로 동등 (예를 들어, 측면 치수가 서로의 5% 이내)이다. 몇몇 구체 예에서, 기판 (1500)의 두께 (t1)는, 소결된 물품 (1000)에 대해 여기에 개시된 두께 (t)와 같은, 소결된 물품 (1000)의 두께 (t)를 초과한다. 몇몇 구체 예에서, 기판 (1500)의 두께 (t1)는, 소결된 물품 (1000)의 두께 (t)를 약 25% 초과, 약 50% 초과, 약 75% 초과, 약 100% 초과, 약 200% 초과, 약 500%를 초과한다. 몇몇 구체 예에서, 기판 (1500)의 두께 (t1)는, 약 0.5㎜ 내지 약 5.0㎜, 또는 약 1.0㎜ 내지 약 2.0㎜, 또는 약 1.0㎜ 내지 약 1.6㎜, 또는 심지어 약 1.2㎜ 내지 약 1.5㎜이다. 몇몇 구체 예에서, 기판 (1500)은, 패키지 (2000)에 대한 히트 싱크 (heat sink)로 역할을 한다. 몇몇 구체 예에서, 기판 (1500)은, 알루미늄, 구리, 또는 이의 조합과 같은, 전기 전도성 금속을 포함한다.
도 47 및 48은, 대표적인 패키지 (2000)의 세그먼트의 단면도를 제공하고, 여기서, 중간층 (1300)은 기판 (1500)을 소결된 물품 (1000)에 접합시킨다. 금속-계 층 (1350)은, 중간층 (1300)에 결합된 주 표면에 대향하는 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 제공될 수 있다. 즉, 소결된 물품 (1000)은, 하나의 주 표면 상에 중간층 (1300) 및 대향하는 주 표면 상에 금속-계 층 (1350)을 포함할 수 있다. 중간층 (1300)은, 기판 (1500) 및 소결된 물품 (1000) 중 하나 또는 모두에 적용될 수 있다. 뒤이어, 기판 (1500) 및 소결된 물품 (1000)은, 각각의 주 표면 사이에 중간층 (1300)과 함께 조립 또는 접합될 수 있다. 기판 (1500)을 중간층 (1300)을 통해 소결된 물품 (1000)에 접합, 결합, 연결, 또는 그렇지 않으면 부착시키기 위해, 중간층 (1300)은, 열에너지, 화학선 파장 (actinic wavelengths), 압력, 또는 기타 유사한 방법으로 활성화될 수 있다.
도 47에 예시된 바와 같이, 기판 (1500)의 주 표면 (1510, 1520) 중 하나 또는 모두는, 홈 (1325)을 포함하는 것으로 패턴화될 수 있다. 홈 (1325)은, 기판 (1500)에 중간층 (1300)이 접합되는 것을 보조할 수 있다. 홈 (1325)은 또한, 기판 (1500)과 소결된 물품 (1000) 사이에 CTE 차이의 결과로서, 중간층 (1300)에 의해 경험되는 전단 응력을 최소화할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 홈 (1325)은, 기판 (1500)의 주 표면의 적어도 일부를 커버한다. 홈 (1325)은, 기판 (1500)의 주 표면에서 약 0.1㎛ 내지 약 1㎜, 또는 약 10㎛ 내지 약 50㎛의 깊이를 가질 수 있다. 중간층 (1300)은, 기판 (1500)의 홈 (1325) 내에서 적어도 부분적으로 연장될 수 있다. 홈 (1325)은, 단면이 직사각형, 정사각형, 원형, 삼각형, 또는 기타 유사한 형상 또는 여러 형상의 조합일 수 있고, 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 연속적일 수 있거나, 점선일 수 있으며, 또는 그렇지 않으면 연장될 수 있다.
금속-계 층 (1350)은, 전기 도금, 인쇄, 물리적 기상 증착, 화학 기상 증착, 스퍼터링, 또는 기타 유사한 기술에 의해 소결된 물품 (1000)에 직접 또는 간접적으로 접합될 수 있다. 금속-계 층 (1350)은, 패키지 (2000)를 통하고 가로질러 전기 에너지 (또는 전류)를 전도 또는 제공할 수 있는 전기 전도성 물질이다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층은, 이의 길이를 가로질러 전기적 저항 및 열 발생이 최소화되도록 구성된다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)은, 구리, 니켈, 금, 은, 금, 황동, 납, 주석, 및 이의 조합을 포함한다. 금속-계 층 (1350)은, 시드 층 (1375)를 통해 소결된 물품 (1000)에 직접적으로 접합될 수 있다. 즉, 시드 층 (1375)은, 금속-계 층 (1350)을 소결된 물품 (1000)에 접합시키는 기초를 제공할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품 (1000)에 금속-계 층 (1350)을 접합시키는 시드 층 (1375)은, 패키지 (2000)에서 기타 전기적 구성요소에 금속-계 층 (1350)을 전기적으로 연결하기 위해 리플로우 오븐 (reflow oven)에서 "리플로우"된다. 몇몇 구체 예에서, 시드 층 (1375)은, 주석, 티타늄, 텅스텐, 납, 또는 이들의 조합을 포함한다. 시드 층 (1375)은, 전기 도금, 인쇄, 물리적 기상 증착, 화학 기상 증착, 스퍼터링, 또는 기타 유사한 기술에 의해 소결된 물품 (1000)의 주 표면에 적용될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)은, 소결된 물품 (1000)이 기판 (1500)에 접합되기 전에, 동안에, 또는 후에 소결된 물품 (1000)에 직접 또는 간접적으로 접합될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)은, 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 연속, 반-연속, 또는 불연속 어레이 (array) 또는 "회로"이다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품 (1000) 상에 금속-계 층 (1350) 및/또는 시드 층 (1375)을 적용하기 전에, 소결된 물품 (1000)의 주 표면 중 하나 또는 모두의 일부는, 소결된 물품 (1000)의 마스크된 부분 상에 금속-계 층 (1350) 및/또는 시드 층 (1375)의 적용을 방지하기 위해 마스킹되거나 또는 피복될 수 있다. 즉, 소결된 물품 (1000)의 주 표면 중 하나 또는 모두의 마스킹 부분은, 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 금속-계 층 (1350) 및/또는 시드 층 (1375)의 반-연속 또는 불연속 어레이 또는 "회로"를 형성하는데 사용될 수 있다. 금속-계 층 (1350)이 소결된 물품 (1000)의 주 표면의 마스킹되지 않은 부분에 적용된 후, 마스킹은, 마스킹이 존재하는 주 표면의 그 부분 (그 위에 금속 계 층 및/또는 시드 층 없는 부분)을 노출시키기 위해 제거될 수 있다. 도 47 및 도 49는, 소결된 물품의 주 표면 상에 어레이로서 금속-계 층 (1350)의 예를 제공한다. 금속-계 층 (1350)은, 약 0.1㎛ 내지 약 1mm, 또는 약 2㎛ 내지 약 100㎛, 약 5㎛ 내지 약 70㎛, 또는 심지어 약 5㎛ 내지 약 50㎛의 두께 (t3)를 포함한다.
하나 이상의 구체 예에서, 패키지 (2000)는 반도체 장치 또는 칩 (1400)을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 반도체 장치 (1400)는, 기판 (1000)의 제1 주 표면 (1010) 또는 제2 주 표면 (1020)에 직접적으로 또는 간접적으로 접합, 결합, 연결, 또는 그렇지 않으면 부착된다. 반도체 장치 (1400)는, 도 49에 나타낸 바와 같이, 시드 층 (1375)을 통해 소결된 물품 (1000)에 간접적으로 접합될 수 있다. 반도체 장치 (1400)는, 하나 이상의 발광 다이오드 (LED)를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 반도체 장치 (1400)는, 하나 이상의 리드 (leads: 1450)에 의해 금속-계 층 (1350)에 연결된다. 리드 (1450)는, 반도체 장치 (1400) 및 금속-계 층 (1350)을 전기적으로 연결하는 (예를 들어, 금속-계 층 (1350)과 유사한) 단단하거나 또는 유연한 와이어 또는 전기 커넥터일 수 있다. 도 47 및 도 49는, 반도체 장치 (1400) 및 금속-계 층 (1350) 사이에 거리를 브리징 (bridging)하는 리드 (1450)를 예시한다. 물론, 리드 (1450)는, 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품 (1300)의 표면을 따라 이어지거나 또는 접촉할 수 있다. 리드 (1450)는, 금속-계 층 (1350)과 반도체 장치 (1400) 사이에 전기 에너지를 제공할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)을 통해 흐르는 전기 에너지는, 리드 (1450)를 통해 반도체 장치 (1400)로 전도된다. 몇몇 구체 예에서, 반도체 장치 (1400)에 제공되는 전기 에너지는, 하나 이상의 광 파장 (λ)을 발산하는 그 위의 LED를 작동시킨다. 반도체 장치 (1400)는, 하나 이상의 렌즈 (1405)를 포함하여 그 위의 LEDs로부터 빛을 비추거나 또는 강화할 수 있다. 반도체 장치 (1400)는 또한 LEDs로부터 발산하는 광 파장 (λ)으로부터 특정 파장 (λ)을 필터링 및 투과시키기 위해 인광 물질 (1475)을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 패키지 (2000)를 제조하는 방법은 소결된 물품 (1000)을 제공하는 단계를 포함한다. 소결된 물품 (1000)은, 60㎝ 미만의 직경을 갖는 원형 또는 원통형 코어를 포함하는 롤 상에 있을 수 있으며, 연속 소결된 물품은 코어를 돌아서 권취된다. 소결된 물품 (1000)은 또한 개별의 평탄화된 길이로 제공될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 패키지 (2000)를 제조하는 방법은, 롤 상에 있을 수 있거나 또는 대형의, 편평한 시트일 수 있는, 캐리어 또는 임시 기판 (temporary substrate: 1499) (도 50)을 제공하는 단계를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 소정의 길이의 소결된 물품 (1000)은, 전구물질 패키지 (1999)를 형성하기 위해 소정의 길이의 캐리어 또는 임시 기판 (1499)에 접합, 결합, 연결 또는 그렇지 않으면 부착된다. 캐리어 또는 임시 기판 (1499)은, 나중의 코어 상으로 롤링을 위해 소결된 물품 (1000)을 지지할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 캐리어 또는 임시 기판 (1499)은, 기판 (1599)을 손상, 저하, 또는 파괴시킬 수 있는 후속 공정 동안 소결된 물품 (1000)을 지지한다. 몇몇 구체 예에서, 캐리어 또는 임시 기판 (1499)은, 유리, 중합체, 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 캐리어 또는 임시 기판 (1499)은, 폴리아미드 테이프와 같은, 중합체이다.
몇몇 구체 예에서, 전구물질 패키지 (1999)는, 소결된 물품 (1000)과 임시 기판 (1499) 사이에 전구물질 중간층 (1299) (도 50)을 포함한다. 전구물질 중간층 (1299)은, 임시 기판 (1499) 및 소결된 물품 (1000)을 접합, 결합, 연결, 또는 그렇지 않으면 부착시키는 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 전구물질 중간층 (1299)은, 내고온성 접착제이다. 전구물질 중간층 (1299)은, 임시 기판 (1499)을 소결된 물품 (1000)에 접합, 결합, 연결 또는 그렇지 않으면 부착시키기 위해 열에너지, 화학선 파장, 압력, 또는 기타 유사한 방법으로 활성화될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 전구물질 중간층 (1299)은, 소결된 물품 (1000)이 임시 기판 (1499)으로부터 탈착되거나 또는 분리될 수 있도록, 활성화를 위한 수단과 유사하거나 또는 다른 수단에 의해 비활성화될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 전구물질 중간층 (1299) 및 임시 기판 (1499)은, 금속-계 층 (1350), 시드 층 (1375), 반도체 장치 (1400), 리드 (1450) 및/또는 기타 유사한 구성요소의 적용을 포함하는, 전구물질 패키지 (1999)의 후속 공정 동안 견디도록 (저하되지 않게) 구성된다.
도 50은, 전구물질 패키지 (1999)로부터 패키지 (2000)를 형성하는 방법을 예시한다. 도 50에서 단계 (a)는, 전구물질 중간층 (1299)으로 접합된 표면에 대향하는 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 금속-계 층 (1350)을 적용한 후의 전구물질 패키지 (1999)를 예시한다. 도 50에서 단계 (a)는 또한, (예를 들어, 금속-계 층들 (1350) 사이에) 소결된 물품 (1000)으로부터 마스킹을 제거한 후에 전구물질 패키지 (1999)를 예시한다. 단계 (a) 전 또는 후에, 시드 층 (1375)은 소결된 물품 (1000)에 적용될 수 있다. 도 50에서 단계 (b)는, 반도체 장치 (1400) 및 금속-계 층 (1350)을 전기적으로 연결하기 위해 소결된 물품 (1000)에 구성요소 (1401)의 일부 (즉, 반도체 장치 (1400) 및 리드 (1450))를 적용하는 단계를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 캐리어 또는 임시 기판 (1499) 및 전구물질 중간층 (1299)은, 소결된 물품 (1000)을 지지하고, 고온 (예를 들어, 320℃ 이상)에서 완성될 수 있는, 도 50에 예시된 단계 (a) 및 단계 (b) 동안 저하 또는 변형되지 않도록 구성된다. 도 50에서 단계 (c)는, 임시 기판 (1499)으로부터 (금속-계 층 (1350), 반도체 장치 (1400), 및 리드 (1450)를 포함하는) 소결된 물품 (1000)을 분리하는 단계를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 단계 (c)는, 열 에너지, 화학선 파장 , 풀링 (pulling), 또는 기타 유사한 방법으로 전구물질 중간층 (1299)을 비활성화시켜 완성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, (금속-계 층 (1350), 반도체 장치 (1400), 및 리드 (1450)를 포함하는) 소결된 물품 (1000)은, 기계 또는 손에 의해 임시 기판 (1499)으로부터 당겨진다. 몇몇 구체 예에서, 단계 (c)는 리플로우 가열로에서 일어나는 동안, 시드 층 (1375) 또는 솔더 (solder)는 구성요소 (1401)의 일부를 전기적으로 연결한다. 전구물질 중간층 (1299)은, 소결된 물품 (1000), 임시 기판 (1499), 또는 모두 (각각에 대한 일부)와 함께 이동될 수 있다. 도 50의 단계 (c)는, 전구물질 중간층 (1299)이 임시 기판 (1499)과 함께 이동되는 구체 예를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 전구물질 중간층 (1299)은, 기판 (1500)을 결합 또는 접촉시켜, 또는 후속 공정 (예를 들어, 가열)에서 중간층 (1300)이 될 수 있다. 도 50에서 단계 (d)는, 소결된 물품 (1000) 및 기판 (1500)을 이들 사이에서 중간층 (1300)으로 접합시키는 단계를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 전구물질 중간층 (1299)은, 중간층 (1300)과 동일할 수 있다. 도 50의 단계 (e)는, 구성요소 (1401)의 부가적인 부분 (예를 들어, 렌즈 (1405) 및 인광체 (1475))을 소결된 물품 (1000)에 적용하는 단계를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 구성요소 (1401)의 일부는, 중간층 (1300) 및 기판 (1400)이 구성요소 (1401)의 조립을 완료하는 동안 저하되거나 변형되지 않도록, 더 낮은 온도 (예를 들어, <150℃)로 적용될 수 있다. 도 50의 단계 (e)에 나타낸 바와 같은 패키지 (2000)는, 하나 이상의 구성요소 (1401)를 포함할 수 있다.
도 51은, 전구물질 패키지 (1999)를 통해 패키지 (2000)를 형성하는 또 다른 예시적인 방법을 제공한다. 도 51의 단계 (a)는, 롤링된 코어로부터, 평탄화된 시트로 또는 다른 것으로, 평탄화된 소결된 물품 (1000)을 제공하는 단계를 예시한다. 도 51의 단계(b)는, 전구물질 패키지 (1999)를 형성하기 위해 평탄화된 소결된 물품 (1000)과 캐리어 또는 임시 기판 (1499)을 접합시키는 단계를 예시한다. 전구물질 중간층 (1299) 또는 유사한 이러한 층은, 소결된 물품 (1000)과 캐리어 또는 임시 기판 (1499) 사이에 위치될 수 있다. 전구물질 패키지 (1999)는, 후속 공정을 위해 코어 상에 롤링, 보관, 선적, 또는 판매될 수 있다. 도 51의 단계 (c)는, 소결된 물품 (1000)에 금속-계 층 (1350) 및 발-광 구성요소 (1401)의 일부 (예를 들어, 반도체 장치 (1400), 리드 (1450), 렌즈 (1405), 인광체 (1475), 등)를 적용하는 단계를 예시한다. 단계 (c)는, 소결된 물품 (1000) 상에 반도체 장치 (1400) 및 그 위에 임의의 LEDs와 금속-계 층 (1350)을 전기적으로 연결하는 여러 단계를 포함할 수 있다. 단계 (c)는 또한 구성요소 (1401)의 모든 부분을 전기적으로 연결하기 위해 솔더 가열로에서 솔더 리플로우 작동을 포함할 수 있다. 도 51의 단계 (d)는, (구성요소 (1401)를 포함하는) 소결된 물품 (1000)과 임시 기판 (1499)을 탈착 또는 분리시키는 단계를 예시한다. 단계 (d)는, 기계 또는 손으로 임시 기판 (1499)으로부터 (구성요소 (1401)를 포함하는) 소결된 물품 (1000)을 당겨서 달성될 수 있다. 단계 (d)는, 열, 화학선 파장에의 노출, 냉각, 용매에 노출, 또는 기타 유사한 방법에 의해 촉진될 수 있다. 물론, 전구물질 중간층 (1299) (존재한다면)은, 소결된 물품 (1000), 임시 기판 (1499), 또는 모두 (각각에 대한 일부)와 함께 이동될 수 있다. 도 51의 단계 (e)는, 패키지 (2000)을 형성하기 위해 (구성요소 (1401)를 포함하는) 소결된 물품 (1000)과 기판 (1500)을 접합시키는 단계를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, (구성요소 (1401)를 포함하는) 소결된 물품 (1000) 및 기판 (1500)은, 이들 사이에 중간층 (1300) 또는 유사한 층에 의해 접합되어 패키지 (2000)를 형성할 수 있다. 도 51의 단계 (f)는, 패키지 (2000)를 이의 길이 (L4)를 따라 다른 지점에서 복수의 세그먼트 (2001)로 절단하는 단계를 예시한다. 패키지 (2000)는, 국부적인 절단 압력, 레이저 에너지 (예를 들어, UV 삭마 레이저), 또는 유사한 기술로, 이의 길이 (L4)를 따라 세그먼트 (2001)로 절단될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 각 세그먼트 (2001)는 적어도 하나 이상의 구성요소 (1401)를 포함한다. 패키지 (2000)의 세그먼트 (2001)는, 전자 장치, 휴대용 장치, 헤드-업 디스플레이 (heads-up display), 자동차용 계기판, 전구용 필라멘트, 또는 이와 유사한 것을 포함하는 다양한 적용에서 사용될 수 있다.
도 52-54는, 소결된 물품 (1000) 및 "플립-칩 (flip-chip)" 형태의 반도체 장치 (1400)를 포함하는 패키지 (2000)의 단면도를 예시한다. 이들 구체 예에서, 패키지 (2000)의 세그먼트는, 기판 (1500)에 개구 (1501)를 포함할 수 있다. 개구 (1501)는, 기판 (1500)의 일부를 드릴링, 절단, 또는 제거하여 형성될 수 있다. 개구 (1501)는 또한 소결된 물품 (1000)의 하나의 주 표면 상에 기판 (1500)의 두 부분을 이격시켜 형성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)은, 기판 (1500)과 동일한 소결된 물품 (1000)의 주 표면에 접합, 결합, 연결 또는 그렇지 않으면 부착될 수 있다.
도 52는, 기판 (1500)과 접합된 소결된 물품 (1000)을 포함하는 패키지 (2000)의 세그먼트의 대표 단면도를 예시한다. 몇몇 구체 예에서, 금속-계 층 (1350)은 개구 (1501) 내에 제공된다. 즉, 금속-계 층 (1350)은, 기판 (1500)과 동일한 소결된 물품 (1000)의 주 표면 상에 접합된다. 몇몇 구체 예에서, 시드 층 (1375)은, 금속-계 층 (1350)에 적용되고, 결합된다. 시드 층 (1375)은, 금속-계 층 (1350)과 "플립-칩" 형태의 반도체 장치 (1400)를 결합하는 것을 도울 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 시드 층 (1375)은, 주석, 티타늄, 텅스텐, 납, 또는 이들의 합금을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 시드 층 (1375)은, 전기 전도성이며, 금속-계 층과 반도체 장치 (1400)를 전기적으로 연결하기 위한 리드의 필요성을 제거할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 체적 (1485)은, 소결된 물품 (1000)과 반도체 장치 (1400) 사이에 형성될 수 있다. 금속-계 층 (1350) 및/또는 시드 층 (1375)과 함께, 체적 (1485)은, 소결된 물품 (1000)과 반도체 장치 (1400) 사이에서 밀봉될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 반도체 장치 (1400) 상에 LED는, 체적 (1485)에 대향하고, 개구 (1501) 내에 있다. 몇몇 구체 예에서, 반도체 장치 (1400) 상에 LED는 체적 (1485) 내에 있다. 인광 물질 (1475)은, 체적 (1485) 내에 제공될 수 있다. 도 52 및 도 53에서, 소결된 물품 (100)은, 반도체 장치 (1400) 상에 LED로부터 발산하는 광 파장 (λ)이 소결된 물품 (1000)을 통해 투과하도록, 반투명하거나 또는 실질적으로 투명할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품 (1000)은, LED로부터 발산하거나 또는 인광 물질 (1475)을 통해 투과되는 가시광 파장 (λ)을 일부, 대부분, 또는 모두의 약 35% 내지 약 95%, 또는 약 45% 내지 약 85%, 또는 약 55% 내지 약 75%, 예컨대, 35%, 40%, 50%, 60%, 65%. 75%, 85%, 90%, 95%, 또는 99%까지, 이들 사이의 모든 범위 및 서브 범위를 포함하여, 투과할 수 있다.
소결된 물품 (1000)를 통해 투과된 총 광 (T)은, 하기 수학 식 1에 의해 정의될 수 있다:
[수학식 1]
T = Φe t/Φe i
여기서,
Φe t는 그 표면에 의해 투과되는 방사속 (radiant flux)이고; 및
Φe i는 그 표면에 의해 수신되는 방사속이다.
이 양의 측정은, ASTM 표준 시험 방법 D1003-13에 기재되어 있다.
비록 도 52와 유사할지라도, 도 53은, 소결된 물품 (1000)과 기판 (1500) 사이에 중간층 (1300)을 예시한다. 도 53은, (도 52에 나타낸) 개구 (1501)의 적어도 일부가 기판 (1500)의 인접한 부분으로부터 단리되거나 또는 기판 (1500)의 인접한 부분과 연결될 수 있는 기판 (1500)으로 플러깅된 구체 예를 예시한다. 다른 구체 예에서, 개구 (1501)의 적어도 일부는, 패키지 (2000) 내에 칩 (1400) 및 금속-계 층 (1350)을 밀봉하기 위해 필러 물질 (예를 들어, 에폭시, 플라스틱, 중합체 물질, 등)로 플러깅된다. 도 53에서, 기판 (1500)은, 전기 에너지가 패키지 (2000)에 제공된 경우, 발생된 반도체 장치 (1400)로부터 열을 전도하기 위해 반도체 장치 (1400)에 접촉한다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 물품 (1000)은 이의 두께를 관통하는 홀 (1490)을 포함한다. 도 53 및 도 55에서 예시된 바와 같이, 소결 물품 (1000) 내에 홀 (1490)은 체적 (1485)과 교차한다. 홀 (1490)은, 체적 (1485) 내에 인광 물질 (1475)이 주위 대류에 의해 냉각되는 것을 가능하게 할 수 있다. 홀 (1490)은 또한 체적 (1485) 내에 LED 유래의 광 파장 (λ)이 패키지 (2000)로부터 발산되는 것을 가능하게 할 수 있다. 도 54에서 나타낸 바와 같이, 반사장치 (1480)는 반도체 장치 (1400) 상에 LED로부터 발산하는 광 파장 (λ)을 강화시키거나 또는 반사시키기 위해 체적 (1485) 및/또는 홀 (1490) 내에 포함될 수 있다. 반사장치 (1480)는 원추, 반구, 테이퍼링 또는 곡선 형상을 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 반사장치 (1480)는 반도체 장치 (1400) 상에 LED로부터 발산하는 광 파장 (λ)을 강화시키는 코팅으로 코팅될 수 있다. 도 55는 또 다른 가능한 형태를 나타낸다.
하나 이상의 구체 에에서, 여기서 기재된 소결된 물품은, 극소 전자공학 적용 또는 물품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 극소 전자공학 물품은, 제1 주 표면, 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면을 포함하는 (여기서 기재된 하나 이상의 구체 예에 따른) 소결된 물품을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 극소 전자공학 물품은, 연속 소결된 물품 (예를 들어, 여기서 기재된 바와 같은, 긴 테이프) 또는 개별 소결된 물품 (예를 들어, 테이프로부터 절단되거나 개별화된 시트)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 극소 전자공학 물품은, 약 1㎜ 이상, 약 1cm 이상, 약 5cm 이상, 또는 약 10㎝ 이상의 폭을 갖는 연속 또는 개별 소결된 물품을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 극소 전자공학 물품은, 약 1m 이상, 5m 이상, 또는 약 10m 이상의 길이를 갖는 소결된 물품을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 극소 전자공학 물품은, 1㎜ 미만, 약 0.5㎜ 이하, 약 300 micrometers 이하, 약 150 micrometers 이하, 또는 약 100 micrometers 이하의 두께를 갖는 연속 또는 개별 소결된 물품을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 극소 전자공학 물품은, 약 10부피% 이상, 약 25부피% 이상, 50부피% 이상, 약 75부피% 이상, 또는 약 90부피% 이상의 결정질 세라믹 함량을 갖는 소결된 물품을 포함한다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 소결된 물품의 제1 주 표면의 정해진 구역을 따라 배치된 하나 이상의 비아 (예를 들어, 홀, 개구, 웰, 파이프, 통로, 연결부; 도 53의 홀 (1490), 참조)를 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 비아는 소결된 물품의 두께를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 연장된다. 하나 이상의 구체 예에서, 비아는, 비아가 연속적인 롤-대-롤 공정에서 테이프를 따라 형성되는 경우와 같이, 반복되거나 주기적일 수 있는 패턴으로 배치될 수 있으며, 여기서, 상기 테이프는 나중에 개별화되어, 반도체 또는 기타 전자장치와 같은, 개별 구성요소를 형성할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 비아는 비아들 사이 (즉, 적어도 일부, 대부분, 또는 각 비아와 그 다음으로 가장 가까운 비아 사이)의 거리가 약 0.5m 이하, 10㎝ 이하, 또는 5㎝ 이하이도록 서로 이격될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 이러한 비어 간격은, 1㎜ 미만, 약 0.5㎜ 이하, 약 300 micrometers 이하, 약 150 micrometers 이하, 또는 약 100 micrometers 이하의 두께를 갖는 소결된 물품에 존재할 수 있다. 하나 이상의 특별한 구체 예에서, 이러한 비아 간격은, 약 50 micrometers 이하의 두께를 갖는 소결된 물품에 존재할 수 있다. 비아는, 예컨대, 소결 전, 동안 (예를 들어, 부분적으로 소결된 경우), 또는 후에, 레이저, 마스크 및 에칭액, 펀치, 또는 기타 방법에 의해 절단될 수 있다. 소결 후에 비아의 형성은, 비아 배치 및 크기 조정의 정밀도를 높일 수 있지만; 여기서 기재된 공정 및 물질의 일관성에 기인하여, 비아는, 예를 들어, 그린 테이프 또는 부분적으로 소결된 테이프에 형성될 수 있으며, 및 배치, 크기 조정, 벽 기하학적 구조, 등의 정확도는, 몇몇 적용들에 대해 원하는 허용 오차 내에 있을 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 제1 주 표면, 제2 주 표면, 또는 제1 주 표면 및 제2 주 표면 모두 상에 배치된 전도층 (예를 들어, 구리, 알루미늄, 또는 다른 전도층; 일반적으로 도 47의 층 (1350), 참조)을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 전도층은, 이것이 배치된 주 표면을, 예컨대, 각각의 표면의 적어도 20%, 적어도 40%, 적어도 60%, 적어도 80%를 오버레이하여 (overlaying), 부분적으로 또는 전체적으로 피복한다. 다시 말하면, 상기 전도층은 이것이 배치되는 표면의 전체 면적 상에 연속 층을 형성할 수 있거나 또는 이것이 배치되는 표면 상에 불연속 층을 형성할 수 있다. 상기 전도층은, 예컨대, 테이프 상에 형성된 아직-비-개별화된 반도체 구성요소의 경우, 반복 또는 주기적일 수 있는 패턴을 형성할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 소결된 물품은, 전도층의 상부에 또는 전도층과 소결된 물품 사이에, 및/또는 전도층 및 테이프 (또는 여기서 개시된 바와 같은 기타 소결된 물품)의 중간에 배치된 하나 이상의 부가적인 층을 포함할 수 있다. 이러한 하나 이상의 부가적인 층은, 예컨대, 전도층에 대해 전술한 퍼센트에 따라, 이것이 배치된 표면 (즉, 소결된 물품의 주 표면 또는 전도층)을 부분적으로 또는 전체적으로 피복할 수 있다. 다시 말하면, 하나 이상의 부가적인 층은 이것이 배치되는 표면의 전체 면적 상에 연속 층을 형성할 수 있거나 또는 이것이 배치된 표면 상에 불연속 층을 형성할 수 있다. 하나 이상의 부가적인 층은, 반복 또는 주기적일 수 있는 패턴을 형성할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 하나 이상의 부가적인 층은 또한 전도층, 유전층, 밀봉 층, 접착층, 표면-평활층, 또는 기타 기능층일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 전도층 및, 선택적으로, 하나 이상의 부가적인 층은, 1㎜ 미만, 약 0.5㎜ 이하, 약 300 micrometers 이하, 약 150 micrometers 이하, 약 100 micrometers 이하, 또는 약 50 micrometers 이하의 두께를 갖는 소결된 물품에 존재할 수 있다. 따라서, 층 및 소결된 물품은 플렉시블할 수 있고, 및/또는 여기서 개시된 바와 같이 롤 또는 스풀 상으로 롤링될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 소결된 물품은, 둘 이상의 복수의 비아들, 전도층 및 하나 이상의 부가적인 층들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 소결된 테이프 물품을 제조하기 위한 시스템 (10)은, 극소 전자공학 물품에 사용을 위해 여기서 기재된 그린 테이프, 부분적으로 소결된 물품, 및/또는 소결된 물품을 더욱 가공하기 위한 제작 시스템을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체 예들에서, 상기 제작 시스템은, 바인더 번아웃 가열로 (110)의 다운스트림이지만 바인더가 없는 테이프를 가공하기 위한 소결 스테이션 (38)의 업스트림에 배치될 수 있거나, 또는 부분적으로 소결된 물품을 가공하기 위한 소결 스테이션 (38) 후에 또는 나중에 여기서 기재된 바와 별도로 소결되는, 그린 테이프를 가공하기 위한 가열로 (110) 전에 배치될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 제작 시스템은, 소결 스테이션 (38)의 다운스트림이지만, 업테이크 시스템 (42)의 업스트림에 배치되어 소결된 물품을 가공할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 제작 시스템은, 업테이크 릴 (44)의 다운스트림이지만, 릴 (48)의 업스트림에 배치되어 소결된 물품을 가공할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 제작 시스템은, 릴 (48)의 다운스트림에 배치되어 소결된 물품을 가공할 수 있다. 이러한 구체 예에서, 제작 시스템은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품이 연속적인 경우 (및 개별이 아닌 경우) 이를 가공할 것이다. 기타 구성은, 개별 물품으로서 소결된 물품을 가공하는 것이 가능하다.
하나 이상의 구체 예에서, 상기 제작 시스템은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 적어도 일부를, 레이저 에너지, 또는 드릴과 같은, 비아를 형성하기 위한 메커니즘에 노출시킬 수 있다. 비아를 생성하기 위해 레이저 에너지를 사용하는 하나 이상의 구체 예의 제작 시스템은, 곡률을 갖는 표면을 갖는 허그 드럼 (hug drum) (일반적으로, 도 6의 진공 드럼 (25) 참조)을 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 허그 드럼은, 소결된 물품의 주 표면 상에 비아의 형성을 용이하게 하기 위해 이의 곡률에 일치하게 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품을 잡아당긴다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 허그 드럼은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 주 표면 상에 레이저 빔의 초점을 용이하게 할 것이다.
하나 이상의 구체 예에서, 비아는 기계적 수단에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제작 시스템은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부가 일시적으로 고정되는 평판 (flat plate)을 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, 상기 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 하나의 주 표면은 평판과 접촉한다. 상기 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품을 제작 시스템으로 전달은, 단계 및 반복 모션 (step and repeat motion), 가속 또는 감속 속도, 또는 연속적인 속도를 사용하여 소결된 물품의 일부가 평판에 일시적으로 고정되는 것을 가능하게 할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 진공은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부를 평판에 일시적으로 고정하는데 사용될 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 제작 시스템은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부를 기계적으로 분리하여 비아를 형성할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 제작 시스템은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 일부를 제거하기 위해 용매 또는 산을 사용하는, 포토리소그래피 (photolithography)의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 구체 예에서, 제작 시스템이 그린 테이프 물질 또는 부분적으로 소결된 물품에 적용되는 경우, 상기 제작 시스템은, 이것이 완전히 소결되는 경우, 그린 테이프 물질 또는 부분적으로 소결된 물품의 수축에 기인하여, 비아의 스케일 및 패턴 스케일을 제어하기 위한 제어 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 메카니즘은, 소결 스테이션 (38)의 출구에, 비아들 사이에 거리 및 비아들의 간격을 측정하고, 이 정보를 조정을 위해 제작 시스템에 피드백시키는, 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제작 시스템이 비아들 사이에 약 75 micrometers의 직경, 및 500 micrometers의 거리 또는 피치를 갖는 비아를 형성하고, 및 그린 테이프 물질로부터 소결된 물품으로의 전체 소결 수축이 25% 미만인 것으로 가정한다면, 그 다음, 상기 제작 시스템은 667 microns의 피치 및 약 100 micrometers의 직경을 갖도록 그린 테이프 물질 내에 비아를 형성하기 위해 조정하거나 또는 조정할 수 있다. 공정 후에, 완전 소결 수축율은 23%인 것으로 측정되고, 그 다음, 상기 제작 시스템은, 23%의 전체 소결 수축율을 수용하기 위해, 649 microns이 되려는 그린 테이프 물질 내에 비아에 대한 정확한 간격으로 더욱 조정할 수 있다. 비아는, 몇몇 구체 예에서, 적어도 250㎚, 예컨대, 적어도 1㎛, 예컨대, 적어도 10㎛, 예컨대, 적어도 30㎛, 예컨대, 적어도 50㎛, 및/또는 1㎜ 이하, 예컨대 500㎛ 이하, 예컨대 100㎛ 이하인 가장 넓은 단면 치수 (시트 또는 테이프의 표면과 동일평면)를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 비아는, 구리, 금, 알루미늄, 은, 이들의 합금, 또는 기타 물질과 같은, 전기-전도성 물질로 채워진다. 비아는, 레이저 컷일 수 있고, 레이저 및 애칭액 형성될 수 있으며, 기계적 드릴링될 수 있거나 또는 다르게 형성될 수 있다. 비아는, 시트 또는 테이프를 따라 반복 패턴으로 배열될 수 있으며, 나중에 개별 전자장치 구성요소로 개별화될 수 있다.
도 104는, 금속층 (815)으로 연장되는 비아 (814)를 갖는 세라믹 시트 (812)의 적층 배열체 (810)의 단면의 예를 나타낸다. 기점 (818)은 시트 (812)의 정렬을 도울 수 있다.
여기서 기재된 시스템 (10)은, 소결 공정 동안 간격을 통해 제어하는 다른 방법을 제공한다. 예를 들어, 소결 동안 공정 방향 (14)에서 장력은, 소결 물품을 신장시킬 수 있고, 소결 수축을 한쪽으로 치우치게 할 수 있다. 이러한 장력은 공정 방향 (14)에서 비아의 간격을 증가시킬 수 있어, 공정 방향 (14)에서 소결 수축을 효과적으로 감소시킨다. 공정 방향 (14)에 수직인 방향과는 대조적으로 공정 방향 (14)에서 차등 소결 (Differential sintering)은 관찰되었고, 장력이 적용된 경우, 약 2% 내지 약 3%의 범위일 수 있다. 따라서, 몇몇 원형 비아들은 타원형 또는 길쭉할 수 있다.
비아의 크기 및 형상은, 공정 방향 (14)에 평행한 방향을 따른 소결 수축, 공정 방향 (14)에 수직인 방향을 가로지르는 소결 수축, 두 방향에서 장력 및 소결 스테이션 (38)의 형상의 조합으로, 및/또는 소결 또는 고온 동안 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품을 이송하기 위한 에어 베어링의 사용을 통하여 제어 또는 조정될 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 세라믹 물질은, 소결 수축을 감소시키기 위해 시스템 (10) 내에 임의의 단계에서 첨가될 수 있다. 세라믹 물질은, 이러한 세라믹 물질을 다공성의 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품에 균일하게 적용할 수 있는, 잉크젯 프린트 헤드 (ink jet print heads)에 의해 첨가될 수 있고, 이러한 물품은 개방 다공도를 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 소량의 세라믹 물질은, 인쇄에 의해 다공성의 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품에 첨가될 수 있다. 레이저, 포토리소그래피, 잉크젯, 원자층 증착, 및 몇몇 인쇄 및 기타 공정 수단은, 가공 장비에 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 노출을 위한 개방 구역을 갖는 절단형 (sectioned) 허그 드럼으로 또는 만곡형 에어 베어링의 내부 반경으로부터 달성될 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 바와 같은 테이프 또는 기타 물품은, 둘 이상의 동시-소성된 무기 물질 (예를 들어, 세라믹 또는 상 (phases))의 부분일 수 있거나 또는 부분을 포함할 수 있고, 예컨대 여기서, 상기 물질 중 하나는 다른 물질의 기공을 침투하고 채운다. 고려된 구체 예에서, 충진/침투 물질은, 다공성 물질과 화학적으로 동일할 수 있지만, 결정 함량 (예를 들어, 결정립 크기, 상)의 측면에서 구별될 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 비아는, 일면 또는 양면 상에 전도층의 패턴을 갖는 소결된 물품 상에 형성될 수 있다. 전도층(들)은 비아 형성 및 최종 소결 후에 인쇄 또는 패턴화 (스크린 인쇄, 무전해 증착, 등)될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 전도층(들)은 또한 소결된 물품의 최종 소결 전에 인쇄되거나 또는 증착될 수 있다. 단지 개별 조각의 (및 연속 리본이 아닌) 작은 시트 (예를 들어, 길이 및 폭 치수가 약 20㎝×20㎝)를 소결하는 몇몇 소결 공정에서, 전도층(들)은 비아 형성 후에 및/또는 오직 그린 테이프 물질 상에만 인쇄된다. 다-층 기판의 경우, 개별 그린 테이프 층은, 무려 30-40개나 되는 그린 테이프 층을 사용하는 몇몇 다-층 기판으로, 정렬 및 적층되거나 또는 정렬 및 적층될 수 있다. 텅스텐, 몰리브덴 또는 백금과 함께 알루미나 전도체는, 동시-소결될 수 있으며, 구리에 기초한 전도체를 사용하여 코디어라이트 (유리 세라믹스)에 기초한 저 소성 세라믹 패키지를 형성할 수 있다. 여기서 기재된 몇몇 구체 예에서, 전도층(들)은, 최종 소결 단계 전에 (즉, 인쇄 또는 증착에 의해) 형성될 수 있으며, 여기에 개시된 기술은, 소결 단계 동안 비아 및 전도 패턴의 치수를 제어하는 것을 도울 수 있다.
게다가, 연속 소결 공정 및 시스템 (10)은, 소결 공정 동안 간격의 측면에서 비아 간격 및 패턴 및 전도층(들) 패턴들을 제어하기 위한 수단을 제공한다. 소결 동안 공정 방향에서 장력은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품을 신장시키고 및/또는 위에서 개시된 바와 같이 소결 수축을 한쪽으로 치우치게 할 수 있다. 이러한 장력은, 공정 방향에서 비아 간격 및 패턴 및 전도층 패턴들을 증가시킬 수 있어, 공정 방향의 소결 수축을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 공정 방향에 수직인 방향에 대한 공정 방향에서 차등 소결은 약 2% 내지 약 3%의 범위일 수 있고, 예컨대 여기서, 테이프는 공정 또는 세로 방향으로 신장된다.
제어된 곡률 소결 스테이션 (38) 또는 만곡된 에어 베어링은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품을 공정 방향 (14)으로 이송하는데 사용될 수 있으며, 및 상기 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품이 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품의 폭을 가로지르는 과도한 곡률을 갖는 것을 방지할 수 있다. 완만한 횡단-리본- 또는 시트-곡률인 경우, 공정 방향과 평행한 방향의 장력은, 공정 방향에 수직인 약간의 장력을 제공하여, 뒤틀림을 제어하거나 또는 제한할 수 있다.
공정 방향 (14)에 수직인 방향으로 장력을 제공하는 것은, 특히 소결된 물품이 플라스틱 같이 변형가능하거나 및/또는 소결 온도 및 플라스틱 같이 변형가능한 온도에서 어려울 수 있다. 이러한 영역의 시스템 (10) (또는 특히 소결 스테이션 (38))에서 공정 방향 (14)에 평행한 방향으로부터 벗어난 각도로 기울어진 롤러 (예를 들어, 도 88b 참조)는, 공정 방향 (14) (예를 들어, 테이프의 폭 방향)에 수직인 약간의 장력을 적용할 수 있다. 이러한 장력은, 공정 방향 (14)에 수직인 비아의 간격을 증가시켜, 공정 방향 (14)에 수직인 소결 수축을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
정렬을 위한 기준 마크 (Fiducial marks)는, 레이저, 기계적 수단, 화학적 수단, 예컨대, 가시적 결과를 갖는 약간의 조성 변화에 의해 만들어질 수 있다. 이들 마크는, 전도 인쇄, 패터닝 및/또는 적층과 같은 추가 공정 단계를 조정하는데 도움이 된다.
본 개시의 또 다른 관점은, 약 1㎜ 이상, 1cm 이상, 5cm 이상, 10㎝ 이상, 또는 20㎝ 이상의 폭, 1m 이상, 3m 이상, 5m 이상, 10m 이상, 또는 30m 이상의 길이를 갖는, 다-층 소결된 물품에 관한 것으로, 여기서, 상기 소결된 물품은, 1㎜ 미만, 약 0.5㎜ 미만, 약 300 microns 미만, 약 150 microns 미만, 약 100 microns 미만의 두께를 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 소결된 물품은, 10부피% 초과, 25부피% 초과, 50부피% 초과, 75부피% 초과, 또는 90부피%를 초과하는 결정질 세라믹 함량을 갖는다. 상기 물품은, 소결된 물품의 적어도 2개 층들을 가지며, 이러한 층들을 40개를 초과하여 가질 수 있다. 상기 소결된 물품 층은, 150 microns 이하, 100 microns 이하, 75 microns 이하, 50 microns 이하, 25 microns 이하, 20 microns 이하, 15 microns 이하, 10 microns 이하, 5 microns 이하, 및/또는 예컨대, 적어도 3 microns (즉, 적어도 3 micrometers)의 두께를 갖는다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 소결된 물품 층은, 동일한 조성일 필요는 없으며, 몇몇 이러한 층은 유리를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 이러한 유리 층은, 100% 유리, 예컨대, 적어도 100% 비결정질 실리케이트 유리를 포함할 수 있다.
하나의 구체 예에서, 다-층 소결된 물품은, 극소 전자공학 물품과 관련하여 여기서 기재된 바와 같이, 복수의 비아, 전도층(들) 및/또는 선택적 부가적인 층을 포함한다.
하나 이상의 구체 예에서, 시스템 (10)은, 이러한 다-층 소결된 물품을 제조하기 위한 공정 및 장치를 포함할 수 있다. 상기 다-층은, 서로에 대해 그린 테이프 물질 (즉, 중합체 바인더를 갖는 세라믹 입자)의 다중 층을 캐스팅 또는 웹 코팅 (web coating)에 의해 만들어질 수 있다. 상기 다-층 그린 테이프 물질 구조물은 그 다음 여기에 기재된 바와 같이 시스템 (10)을 통해 가공될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, 상기 다-층 그린 테이프 물질 구조물은 또한 연속적인 방식으로 거의 실온에서 세라믹 입자를 갖는 다수의 그린 테이프를 적층한 다음, 적층된 테이프를 시스템 (10)에 공급하여 형성될 수 있다. 부분적으로 소결된 물품은 또한 소결 스테이션 (38)에서 작은 압력 (minor pressure)과 함께 적층될 수 있다. 상기 압력은, 부분적으로 소결된 물품이 가로질러 인발되는, 소결 스테이션 (38)에서 완만한 곡률에 의해 유발될 수 있다. 각각의 부분적으로 소결된 물품은, 자체의 장력 조정 및 페이아웃 속도 (payout speed) 제어 수단을 가질 수 있다. 각각의 부분적으로 소결된 물품은, 물품의 정렬을 보조하기 위한 기준 마크을 가질 수 있다. 장력 및 페이아웃 속도는, 물품으로부터 물품으로 비아 및 전도체를 조정하기 위해 물품으로부터 물품으로의 소결 수축을 일치시키는데 사용될 수 있다. 다-층 물품이 가열로를 빠져 나감에 따라 기준 마크가 조정되지 않는다면, 상기 층 페이아웃 속도 및/또는 장력은 조정되어 층을 다시 정렬할 수 있다. 다-층 물품의 길이 및 폭에 수직인 부가적인 압력은, 전술한 바와 같이 고온의 롤러에 의해 제공될 수 있다.
다-층 전자 기판에서 전기 전도체 및 세라믹 물질은, 동일한 열팽창계수를 갖지 않을 수 있기 때문에, 몇몇 디자인은, 다-층 소결된 물품의 "상부" 측 내지 "하부" 측에 대한 전체적인 응력 감소 (균형)를 제공할 수 있다. 본질적으로, 이러한 디자인은, 각각의 스택에서 중심 평면에 대해 층들을 반영하는 (mirroring) 것과 같이, 다-층의 상부 및 하부에 대해 유사한 양의 금속 또는 세라믹을 갖는다. 얇은 세라믹 층의 경우, 응력/CTE 균형이 없는 구조물은, 세라믹의 변형 및/또는 전체 적층 구조물의 컬링 (curling)을 경험할 수 있다.
하나 이상의 구체 예에서, 전자장치용 회로판은, 여기에 기재된 바와 같이, 패턴화된 전자 전도체를 갖는, 소결된 물품을 포함한다. 회로판용 전도체는, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품 상으로 직접 인쇄될 수 있거나, 및/또는 접착 증진층, 표면 평활층, 및/또는 기타 기능성 층과 같은, 그린 테이프 물질, 부분적으로 소결된 물품, 또는 소결된 물품에 결합된 코팅(들) 또는 층(들) 상으로 인쇄될 수 있다. 인쇄는, 그라비아 패터닝 롤러, 및/또는 기타 공정에 의해 소결된 물품 상에 패턴화의 적용과 패턴 형성 사이에 실리콘 캐리어 중간체 (silicone carrier intermediate)를 사용하여, 직접 스크린 인쇄, 무전해 증착 및 패터닝, 리소그래피로부터 이루어질 수 있다.
회로판용 전도체는, 중간 소성 단계 후, 그러나 최종 소결 전에, 부분적으로 소결된 물품 상에 직접 인쇄될 수 있거나 및/또는 그 위에 코팅 상으로 인쇄될 수 있다. 부분적으로 소결된 물품 또는 소결된 물품의 다공도는, 전도체 인쇄 또는 패턴의 접착력을 개선할 수 있다. 인쇄는 그라비아 패터닝 롤러, 또는 기타 공정에 의해 세라믹 상에 패턴의 적용과 패턴 형성 사이에 실리콘 캐리어 중간체를 사용하여, 리소그래피, 직접 스크린 인쇄으로부터 이루어질 수 있다.
상기 공정 및 장치의 하나의 관점은, 긴 연속적인 다공도 세라믹 리본 또는 시트를 동시에 패터닝하면서 허그 드럼을 사용하는 것일 수 있다. 허그 드럼은, 드럼의 표면 상에 곡률과 일치하도록 세라믹 리본 또는 시트를 잡아당겨서, 전도체 패턴의 인쇄를 덜 어렵게 만든다. 포토리소그래피는 또한, 최종 소결 전에 그린 리본 또는 시트 상에 전도체 패턴의 일부를 에칭 또는 세척하기 위해 용매 또는 산과 함께 사용될 수 있고, 포토리소그래피는 허그 드럼에서 달성될 수 있다. 전도체가 최종 소결 전에 패터닝되는 경우, 소결 수축에 의한 패턴, 크기, 스케일 또는 피치를 제어하는 수단은 바람직하다. 불행하게도, 세라믹 리본 또는 시트의 소결 수축은, 하나의 연속 그린 리본 (또는 시트)으로부터 또 다른 연속 그린 리본 (또는 시트)으로, 때로는 단일 그린 리본 또는 시트 내에서도 퍼센트 이상으로 변할 수 있다. 전도체 패턴의 정확한 간격을 보장하는 하나의 방법은, 최종 소결 단계의 출구에 센서를 배치하고, 전도체 패턴 간격의 거리를 측정하는 것이다. 이러한 정보는, 현재 소결 수축에 일치하게 사전-최종 소결된 리본 또는 시트 내에 전도체 패턴을 조정하기 위해, 인쇄 패턴 수단 (예를 들어, 레이저, 드릴, 펀치, 에칭 시스템), 포토리소그래피 노출 수단 (예를 들어, 방사선 또는 광원, 마스크)에 공급될 수 있다. (측정 수단과 "패터닝" 수단 사이에 리본 또는 시트의 길이는, 완벽히 정밀하지 않을 수 있지만, 부정확성에 기인하여 많은 양의 최종 제품이 손실될 수 있는 경우와 같이, 터널 킬른 (tunnel kiln)의 사용 또는 불연속 킬른 (periodic kiln)을 이용한 배치 소결 (batch sintering)보다 더 정확할 수 있다.)
연속 소결 (예를 들어, 롤-대-롤 소결, 연속 소성 세라믹)은, 소결 공정 동안 비아 간격을 제어하기 위한 또 다른 수단을 제공한다. 소결 동안 제공된 웨브 수송 방향 (즉, 테이프에 대한 종방향)에서 장력은, 소결 물품 (예를 들어, 리본 또는 시트)을 신장시킬 수 있고 및/또는 소결 수축을 한쪽으로 치우치게 할 수 있다. 이러한 장력은, 리본 또는 시트 수송 방향으로 전도체 패턴의 간격을 증가시켜, 리본 수송 방향에서 소결 수축을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 리본 수송 방향에 수직인 방향 대 리본 수송 방향의 차등 소결은, 장력이 가해질 때 2 내지 3%까지, 관찰된다.
포토리소그래피, 잉크 제트, 원자층 증착, 몇몇 인쇄 및 기타 공정 수단은, 전도체 패터닝 공정 장비에 세라믹 리본 또는 테이프의 노출을 위한 개방 구역을 갖는 절단형 허그 드럼으로 또는 만곡형 에어 베어링의 내부 반경으로부터 달성될 수 있다.
텅스텐, 몰리브덴 또는 백금과 함께 알루미나 전도체는, 여기에 개시된 다른 무기 물질과 동시-소결될 수 있고, 구리에 기초한 전도체를 사용하여 코디어라이트 (유리 세라믹)에 기초한 저소성 세라믹 패키지를 형성할 수 있다.
전도체 패턴을 갖는 세라믹 리본 또는 웨브가 당겨지거나 또는 한쪽으로 당겨지는, 제어된 곡률 킬른 부속물 (furniture) 또는 만곡형 에어 베어링은, 몇몇 이러한 구체 예에서, 전도체 패턴을 갖는 세라믹 리본 또는 시트가, 리본 수송 방향에 수직인 리본의 짧은 길이에 가로지르는 과도한 곡률을 갖는 것으로부터 보호할 수 있다.
리본 수송 방향에 수직 방향 (교차 웨브 방향)에 장력을 제공하는 것은, 특히 전도체 패턴을 갖는 세라믹 리본이 플라스틱 같이 변형가능하거나 또는 소결 온도 및 플라스틱 같이 변형가능한 온도에서, 어려울 수 있다. 가열로의 고온 존에서 리본 수송 방향에 평행으로부터 벗어난 각도로 기울어진 롤러는, 리본 수송 방향에 수직인 약간의 장력을 적용할 수 있다. 이러한 장력은, 리본 수송 방향에 수직인 비아의 간격을 증가시켜, 리본 수송 방향에 수직인 소결 수축을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 전도체 패턴의 크기 및 피치는, 리본 수송 방향에 평행한 방향 (세라믹 리본의 긴 길이)에 따른 소결 수축, 리본 수송 방향에 수직인 방향을 가로지르는 소결 수축, 세라믹 리본 또는 시트가 소결 또는 고온 동안 에어 베어링 및/또는 킬른 가열로의 형상 및 두 방향에서 장력의 조합으로 제어 및 조정될 수 있다.
정렬을 위한 기준 마크는, 레이저, 기계적 수단, 화학적 수단, 예컨대, 가시적 결과를 갖는 약간의 조성 변화에 의해 만들어질 수 있다. 이들 마크는, 전도 인쇄/패터닝 및 적층과 같은 추가 공정 단계를 조정하는데 도움이 된다.
세라믹 및 전도체를 갖는 다-층 구조물은, 최종 소결된 전도체에 더하여 더 적은 층을 갖는 세라믹 시트 또는 리본, 심지어 단일 세라믹에 더하여 전도층만을 갖는 시트로부터 고온에서 결합될 수 있다.
세라믹 절연층을 갖는 얇은 회로판은, 상부로부터 하부로의 응력 균형을 갖는 이점이 있다. 이는, 전도체와 세라믹 사이에 열팽창계수 CTE 또는 열팽창 관련 응력 (및 때때로 전도체와 세라믹 사이에 소결 차등 응력)을 완화시킬 수 있는 원하는 전도체 패턴에 대향하는 측면 상에 인쇄된 물질의 패치 (patch) 또는 패턴을 갖춤으로써 달성될 수 있다. 이것은, 판의 하부에 유사한 두께 및 질량의 물질을 갖는 제2 전도층의 형태를 취할 수 있는데, 이는 CTE 응력 (및 소결 차등 응력)을 상부로부터 하부로 균형을 이루어, 컬링되기 보다 오히려 거의 평평한 회로판을 남긴다.
다-층 구조 및/또는 회로판이 두꺼워짐에 따라, 이것은 완전 소결 후에 더 딱딱해진다. 특히, 1mm, 0.5㎜ 및 250micron 두께의 세라믹 및 전도체 구조물을 이용하여, 직경이 30 내지 7.5cm인 작은 롤상으로 물품을 롤링하는 것은, 문제가 될 수 있다. 레이저, 다이아몬드 쏘 (diamond saw), 연마 제트, 워터 제트 및 기타 기술에 의해 연속 소결된 물품을 절단하는 수단은, 구조물의 개별 또는 그룹이 시트로 절단될 수 있는 것과 같은, 연속 소결 장치에 채택될 수 있다. 절단 장치는, 최종 소결 가열로의 출구에 부가될 수 있고, 절단 수단은, 예컨대, 물품이 가열로를 빠져나가는 동안, 긴 물품과 함께 이동하거나 또는 결합 작동하게 될 것이다.
도 56 및 도 57을 참조하면, 소결된 테이프 물품을 제조하기 위한 시스템 (1500a)의 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통해 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 그린 테이프 (20a)의 소결 및 스레딩의 개시하기 위한 공정은, 대표적인 구체 예에 따라 나타낸다. 일반적으로, 시스템 (1500a)은, 분리 시스템 (12a), 장력 제어 시스템 (32a) 및 업테이크 시스템 (42a)에서 약간의 다른, 선택적 릴 배열/위치 결정을 제외하고는, 전술된 시스템 (10)과 실질적으로 동일하고, 동일하게 기능한다.
공급원 릴 (16a)로부터 업테이크 릴 (44a)로의 테이프 물질의 릴 대 릴 수송을 개시하기 위해, 그린 테이프 (20a)는, 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통해 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 그린 테이프를 잡아당기는 장력을 적용하는 업테이크 릴 (44a)에 그린 테이프 (20a)를 연결하기 위해, 바인더 제거 스테이션 (34a)의 채널을 통해 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 스레딩되는 것이 필요하다. 유사하게, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 작동 동안 (바인더 제거 후에 발생할 수 있는) 테이프 물질이 파괴되면, 테이프 물질은, 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통한 다음, 소결 스테이션 (38a)을 통해 스레딩되는 것이 필요하면서, 이들 스테이션은 최고의 작동 온도에 있다. 본 발명자들은, 특히 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)이 온도에 있는 경우, 스레딩이 바인더 제거 후에 소결 스테이션 (38a)를 통해 (도 3에 나타낸) 비결합된 테이프 (36) (즉, 유기 바인더의 제거 후에 자립형 테이프 물질) 를 스레딩하는 어려움으로 인해 특히 어려울 수 있음을 밝혀냈다. 따라서, 여기서 논의된 스레딩 공정 및 시스템에 대한 논의는, 주로 그린 테이프 (20a)의 스레딩에 관한 것이지만, 상기 스레딩 공정은, 시스템 (10) 또는 시스템 (1500a)과 같은 소결 시스템을 통해, (도 3에 나타낸) 비결합된 테이프 (36) 및/또는 부분적으로 소결된 테이프 물질을 포함하는, 다양한 테이프 물질을 스레딩하는데 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 본 발명자들은, 전술된 릴 대 릴 공정을 개시하기 위해, 그린 테이프 (20a)를 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 당기는데 스레딩 물질 또는 리더 (leader)를 활용하는 공정을 개발하였다. 이러한 구체 예에서, 스레딩 물질은, 소결 스테이션 (38a) 및 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통해 통과되고, 리더는 바인더 제거 스테이션 (34a)의 업스트림 또는 입구 측 상에 그린 테이프 (20a)에 연결된다.
장력은 그 다음 그린 테이프 (20a)를 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통해 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 이동시키는 공정을 시작하기 위해, 업테이크 릴 (44a)로부터 리더를 통해 그린 테이프 (20a)에 적용된다. 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통해 및 소결 스테이션 (38a)을 통해 그린 테이프를 스레딩하는 다양한 접근법이 그린 테이프의 소결이 달성되는 것을 가능하게 하는 동안 (예를 들어, 수동 스레딩), 본 발명자들은, 여기서 논의된 리더 기반 스레딩 공정이 소결된 물질의 리딩 에지에서 조차도 소결된 테이프 물질에서 고품질/낮은 휨 (low warp)을 제공한다는 것을 알아냈다. 이러한 개선된 제품 품질은, 제품 폐기물을 줄이고, 그린 테이프의 휨 부분의 취급/제거에 대한 필요성을 제거하여 공정 효율을 개선하며, 및 소결된 테이프 물질의 길이를 따라 형상 일관성에 기인하여 업테이크 릴 (44a) 상에 소결된 물질의 권취의 무결성을 개선시킨다. 부가적으로, 고온 스레딩 (예를 들어, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)이 온도에 있을 때의 스레딩)의 상황에서, 본 발명자들은 여기서 논의된 리더 기반 공정의 사용이, 바인더 제거 스테이션 (34a)로부터 나간 후에 소결 스테이션 (38a)의 횡단 동안 소결이 일어날때 까지, 테이프 물질의 부서지기 쉬운, 비결합된 부분 (예를 들어, 도 3에 나타내고, 전술된 비결합 테이프 (36))의 리딩 에지를 지지하고, 당기는 효율적인 방법을 제공한다는 것을 확인하였다.
도 56 및 도 57에 나타낸 구체 예에서, 리더 (1502a)로 나타낸, 스레딩 물질은, 리더의, 단부 섹션 (1504a)으로 나타낸, 제1 섹션이 바인더 제거 스테이션 (34a)의 입구 개구 (116a)의 외부에 위치되도록, 소결 스테이션 (38a) 및 바인더 제거 스테이션 (34a) 모두의 채널을 통해 역 방향으로, 업테이크 릴 (44a)로부터 스레딩된다. 이러한 배열에서, 도 56에 나타낸 바와 같이, 리더 (1502a)는, 리더 (1502a)가 소결 스테이션 (38a) 및 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통한 길의 모두 및 업테이크 릴 (44a)로부터 전체 거리를 연장하도록 위치된 단일 연속 물질의 조각이다.
그린 테이프 (20a)는, 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)이 리더 (1502a)의 단부 섹션 (1504a)에 인접하고 오버랩핑되게 위치되도록, 바인더 제거 스테이션 (34a)의 입구 개구 (116a)를 향하여 공급원 릴 (16a)로부터 (예를 들어, 전술된 바와 같이 릴로부터 그린 테이프 (20a)의 풀림을 통해) 이동된다. 도 57에 나타낸 바와 같이, 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)과 리더 (1502a)의 단부 섹션 (1504a)를 서로 인접하게 위치 결정한 후, 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a) 및 단부 섹션 (1504a)은, 바인더 제거 스테이션의 업스트림 (예를 들어, 공정 방향 (14a)에서 공급원 릴 (16a)과 바인더 제거 스테이션의 입구 개구 (116a) 사이)에서 함께 연결 또는 결합된다. 이는 오버랩핑된 섹션에서 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 접합 또는 결합을 형성한다.
리더 (1502a)가 그린 테이프 (20a)에 연결되면, 힘은, 리더 (1502a) 및 그린 테이프 (20a)가 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 가열로 (38a)를 통해 공정 방향 (14a)으로 잡아당겨지도록 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 외부 (예를 들어, 다운스트림)에 위치된 리더 (1502a)의 일부에 적용된다. 도 56에 나타낸 특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)의 제2 또는 다운스트림 단부 (1508a)는, 업테이크 릴 (44a)에 연결되고, 업테이크 릴 (44a)의 회전에 의해 발생된 힘은, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 가열로 (38a)를 통해 리더 (1502a) 및 그린 테이프 (20a)를 이동/당김을 위한 힘을 제공한다. 몇몇 구체 예에서, 본 발명자들은 스레드 업 공정 동안 약 3inch/분의 공정 속도 (예를 들어, 테이프 물질이 시스템 (1500a)을 통해 이동되는 속도)가 사용되고, 및 특별한 구체 예에서, 이러한 속도는, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 접합이 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 가열로 (38a)를 횡단하면, 소결 공정 동안 약 6inch/분까지 증가될 수 있다.
따라서, 리더 (1502a)의 사용을 통해, 시스템 (1500a)의 다운스트림 또는 되감기 측은, 초기에 시스템 (1500a)의 업스트림 또는 풀림 측에 연결되어, 그린 테이프 (20a)의 물질을 릴 대 릴 소결의 개시를 가능하게 한다. 부가적으로, 소결 공정 동안 그린 테이프 (20a)를 전진시키는 동일한 풀림과 업테이크 시스템 사이에 연결을 통해 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 초기 스레딩을 제공하여, 여기서 논의된 리더-기반 스레딩 공정은, 오버랩핑된 위치에서 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)을 포함하는, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)를 횡단하는 그린 테이프 (20a)의 전체 길이에 대한 적절한 장력 및 속도를 확립할 수 있다. 더욱이, 리더 (1502a)를 통한 수평 견인력 (pulling force)을 제공하여, 여기서 논의된 리더 기반 공정은, (특히 바인더 제거 후 테이프 물질의 부서지기 쉬운 성질을 고려하여) 그렇지 않으면 어려울 수 있는, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 수평적으로 배향된 채널을 통한 스레딩을 가능하게 한다.
시스템 (10)에 관해 상세하게 위에서 논의된 바와 같이, 바인더 제거 스테이션 (34a)은, 가열되어 그린 테이프 (20a)로부터 바인더를 제거 또는 연소시키고, 소결 스테이션 (38a)은 가열되어 그린 테이프 (20a)의 무기 물질의 소결을 유발한다. 여기서 논의된 스레딩 공정의 하나의 잠재적 사용에서, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및/또는 소결 스테이션 (38a)은, 리더 (1502a)가 스레딩되는 경우, 이미 이들의 각각의 작동 온도에 있다. 이는 리더 (1502a)가 릴 대 릴 소결 동안 물질이 파괴된 후에 그린 테이프 (20a)를 스레딩하는데 사용되는 경우이다. 여기서 논의된 스레딩 공정의 또 다른 잠재적 사용에서, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및/또는 소결 스테이션 (38a)은, 리더 (1502a)가 관통하여 스레딩되는 경우 저온 (예를 들어, 이들의 각각의 작동 온도 이하, 실온, 등)에 있다. 이는 시스템 (1500a)의 초기 시동 동안 그린 테이프 (20a)를 스레딩하는데 리더 (1502a)가 사용되는 경우이다.
상기에서 더욱 상세히 논의된 바와 같이, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 가열로 (38a)를 통해 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)과 리더 (1502a) 사이에 접합 또는 오버랩핑의 초기 움직임 후, 그린 테이프 (20a)는 공급원 (16a)으로부터 연속적으로 풀리고, 스테이션 (34A, 38a)을 통해 이동하여, 위에서 논의된 바와 같이 소정의 길이의 소결된 물질을 형성한다. 소결 후에, 소결된 물질은 업테이크 링 (44a) 상으로 권취된다. 하나의 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)이 소결 스테이션 (38a)에서 나가자마자, 및 업테이크 릴 (44a) 상으로 소결된 테이프 물질의 권취 전에 소결된 테이프 물질로부터 분리된다. 또 다른 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 소결된 테이프 물질과 함께 업테이크 릴 (44a) 상으로 권취되어 소결된 물질을 포함하는 릴의 최내층을 형성한다.
다양한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 고온에 견딜 수 있는 가늘고 긴 유연한 물질의 조각이다. 도 57에 나타낸 연결 공정에서, 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)은, 리더 (1502a)의 단부 섹션 (1504a)을 오버랩핑하여 오버랩핑 섹션 (1512a)을 형성한다. 이러한 배열에서, 그린 테이프 (20a)의 하부 표면은, 리더 (1502a)의 상부 표면과 대면하고 접촉한다. 이러한 배열에서, 리더 (1502a)의 상부 상에 그린 테이프 (20a)를 위치 결정하여, 리더 (1502a)는, 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 가열로 (38a)를 통해 그린 테이프 (20a)의 리딩 섹션 (1506a)을 지지하도록 작동한다.
몇몇 구체 예에서, 접착 물질 (1510a)은 그린 테이프 (20a)에 리더 (1502a)를 접합시키는 결합을 형성하는데 사용된다. 도 57에 나타낸 바와 같이, 몇몇 이러한 구체 예에서, 접착 물질 (1510a)은, 리더 (1502a)의 상부 표면 상에 위치되고, 그린 테이프 (20a)의 하부 표면에 결합을 형성한다. 하기에 더욱 상세히 논의된 바와 같이, 다양한 구체 예에서, 본 발명자들은 다양한 특성들 (예를 들어, 접착제 (1510a), 리더 (1502a) 및 그린 테이프 (20a)를 형성하는 물질들의 열팽창계수 (CTE))의 일치가, 특히 소결 스테이션 (38a)의 고온의 횡단 동안, 리더 (1502a)와 테이프 물질 사이에 결합의 유지를 가능하게 하는 것을 확인하였다. 더욱이, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 강한 결합은, 원하는 수준의 장력이 리더 (1502a)에 적용되고, 접착제 (1510a)에 의해 제공된 결합을 통해 그린 테이프 (20a)에 전달되는 것을 가능하게 한다. 여기서 논의된 바와 같이, 본 발명자들은 소결 동안 테이프 물질에 적용된 낮지만 (예를 들어, 그램 수준), 일정한 장력이 소결 동안 테이프의 폭을 가로질러 형성될 수 있는 휨을 감소시킨다는 것을 확인했다.
다양한 구체 예에서, 본 발명자들은 사용된 접착 물질 (1510a)의 부피뿐만 아니라 리더 (1502a) 상에 적용된 접착 물질 (1510a)의 형상이 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 형성된 결합의 특성에 영향을 미친다는 것을 알아냈다. 특별한 구체 예에서, 접착 물질 (1510a)은, 작은 부피 (예를 들어, 약 0.1 mL의 알루미나-계 접착 물질)이다. 하나의 구체 예에서, 접착제 (1510a)는, 리더 (1502a)를 비소결된 그린 테이프 물질 (20a)에 결합시키는데 사용되며, 이러한 구체 예에서, 본 발명자들은 둥근 점 (round dot)의 접착제 (1510a)가 잘 작동한다는 것을 확인했다. 본 발명자들은 둥근 기하학적 구조가 리더 (1502a), 접착제 (1510a) 및 그린 테이프 (20a)의 물질들 사이에 시멘트 및 테이프 수축 및 CTE 불일치 (존재하는 경우)에 의해 유도된 열적 및 기계적 응력을 분배하는 것을 돕는 것으로 가설을 세웠다. 또 다른 구체 예에서, 접착제 (1510a)는, 리더 (1502a)를 부분적으로 소결된 물질의 테이프에 결합시키는데 사용되며, 이러한 구체 예에서, 본 발명자들은, 리더 (1502a)의 폭을 가로질러 연장되는 접착제 라인 (1510a)이 잘 작동하는 것으로 믿는다. 본 발명자들은, 선 기하학적 구조 (line geometry)가 소결 스테이션을 통해 이동함에 따라 웨브를 가로질러 균일한 제약 (even constraint)을 가하는 작동을 하는 것으로 가설을 세웠다.
특별한 구체 예에서, 바인더 제거 스테이션 (34a)은, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 오버랩핑된 섹션 (1512a)이 바인더 제거 스테이션 (34a)을 횡단함에 따라 접착제 (1510a) (뿐만 아니라 그린 테이프 (20a))로부터 액체 및/또는 유기 성분을 제거하도록 작동된다. 본 발명자들은, 접착제 물질 (1510a) 및 그린 테이프 (20a)의 다양한 특성이, 접착 물질 (1501a)에 의해 형성된 결합이 바인더 제거 스테이션 (34a) 및 소결 스테이션 (38a)의 횡단 동안 파괴될 가능성과 관련되는 것으로 믿는다. 본 발명자들은, 바인더 제거 스테이션 (34a)을 통한 온도 프로파일이 그린 테이프 (20a)에 유기 물질을 테이프로부터 방출하기 전에 연화되고, 심지어 용융되게 할 수 있고, 이는 개별 성분이 수축 및 열팽창에 기인한 형상/크기를 변화시키기 시작함에 따라 시멘트 접합 주변의 응력 강도를 제한하는 것을 도울 수 있는 것으로 가설을 세웠다. 본 발명자들은, 그린 테이프가 이의 탄성/가소 특성을 상실하기 전에, 접착제 (1510a)의 위치 주변에서 '변형' 또는 재-형성하는 것을 가능하게 하는 것이, 결함의 줄이는 것을 돕고, 접착제 (1510a)에 의해 형성된 결합의 품질을 개선하는 것으로 가설을 세웠다. 유사하게, 이러한 탄성/가소 특성은 또한 접착제 (1510a)로부터 액체 및 유기 물질의 뿜어냄을 가능하게 할 수 있으며, 이는, 그렇지 않으면 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 압력의 증가를 유발할 수 있다. 이러한 압력의 증가는, 결합이 파손을 유발할 수 있거나 또는 가스 형성은 그린 테이프 (20a)를 관통하여 파열시킬 수 있다.
특별한 구체 예에서, 오버랩핑된 섹션을 잡아당기거나 또는 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이를 접합하는 공정 동안 적용된 장력은, 오버랩핑 섹션 (1512a)이 바인더 제거 스테이션 (34a) 및/또는 소결 스테이션 (38a)을 횡단함에 따라, 증가되거나 또는 변화될 수 있다. 특별한 구체 예에서, 예를 들어, 25 그램 이하의 낮은 수준의 장력은, 바인더 제거 스테이션 (34a)을 가로지르는 오버랩핑 섹션 (1512a)의 횡단 동안, 초기에 제공되고, 그 다음 장력은 오버랩핑 섹션 (1512a)이 소결 스테이션 (38a)을 횡단함에 따라 증가된다. 특별한 구체 예에서, 오버랩핑 섹션 (1512a) 및 접착 물질 (1510a)이 소결 스테이션 (38a)의 중심에 도달하면, 약 25 그램 이상의 장력은 적용된다. 본 발명자들은, 이 지점에서 일어난 그린 테이프 (20a)의 물질의 소결 때문에, 이 지점에서 장력이, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 결합을 분리시키지 않고 증가될 수 있는 것으로 믿는다. 본 발명자들은, 강도가 발달할 기회를 갖기 전에, 너무 일찍 높은 수준의 장력을 적용하는 것이 접착제 (1510a)에 의해 형성된 결합의 파손으로 일반적으로 이어질 것으로 믿는다.
다양한 구체 예에서, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 연결 및/또는 지지는, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 다양한 수준의 오버랩핑에 의해 향상된다. 도 57에서 볼 수 있는 바와 같이, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 오버랩핑이 클수록, 리더 (1502a)에 의해 그린 테이프 (20a)에 제공되는 지지의 양은 커진다. 유사하게, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 오버랩핑의 수준은, 접착제 (1510a)에 의해 제공되는 결합을 보완할 수 있는, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 마찰-기반 연결 (friction-based coupling)의 양과 관련된다. 접착제 (1510a)를 활용하는 구체 예에서, 본 발명자들은 1 내지 5 inch의 공정 방향 (14a)에서 길이 치수 (length measure)을 갖는 오버랩핑 섹션 (1512a)이 잘 수행된다는 것을 확인했다. 몇몇 구체 예에서, 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 연결은, 오직 마찰 (예를 들어, 접착제 (1510a) 없이)에 의해 제공될 수 있고, 이러한 경우, 공정 방향 (14a)에서 오버랩핑 섹션 (1512a)의 길이는, 5 inches 초과, 예컨대, 10 inch 초과, 예컨대, 10 inch 내지 30 inch, 약 24 inch, 등일 수 있다.
다양한 구체 예에서, 본 발명자들은 여기서 논의된 스레딩 특성/기능성을 제공하는 리더 (1502a), 그린 테이프 (20a), 및 접착제 (1510a)에 대한 다수의 물질 조합을 확인하였다. 일반적으로, 리더 (1502a)는, 적어도 하나의 관점에서 그린 테이프 (20a)와 다른 물질로 형성된다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)의 무기 결정립과 동일한 물질 타입으로 형성되지만, 그린 테이프 (20a)의 무기 물질과 다른 (예를 들어, 더 높은) 소결도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 소결된 세라믹 물질의 가늘고 긴 테이프이고, 그린 테이프 (20a)는 동일한 타입의 세라믹 물질의 비소결되거나 또는 덜 소결된 결정립을 지지한다.
몇몇 다른 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)의 무기 결정립의 물질 타입과 다른 무기 물질로 형성된다. 특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)의 무기 결정립의 세라믹 물질 타입과 다른 세라믹 물질 타입으로 형성된다. 몇몇 다른 구체 예에서, 리더 (1502a)는 금속 물질로 형성되는 반면, 그린 테이프 (20a)의 무기 결정립은 세라믹 무기 물질이다.
본 발명자들은, 도 57에 나타내고, 여기서 기재된 연결 배열이, 분리의 큰 위험 없이 리더 (1502a)로부터 그린 테이프 (20a)로 힘/장력의 양호한 전달을 가능하게 하는 리더 (1502a)와 그린 테이프 (20a) 사이에 연결의 수준을 제공한다는 것을 확인했다. 더욱이, 본 발명자들은, 소결 동안 유발된 휨 및 분리의 위험이 서로 상대적으로 유사한 열팽창계수 (CTE)를 갖는 리더 (1502a)용 물질, 접착제 (1510a) 및 그린 테이프 (20a)의 무기 결정립 물질을 선택하여 감소될 수 있는 것을 확인하였다. 다양한 구체 예에서, 리더 (1502a)의 물질의 CTE는, 그린 테이프 (20a)의 무기 물질의 CTE의 ±50%, 구체적으로는 그린 테이프 (20a)의 무기 물질의 CTE의 ±40%, 및 좀 더 구체적으로는 그린 테이프 (20a)의 무기 물질의 CTE의 ±35% 이내이다. 유사하게, 다양한 구체 예에서, 리더 (1502a)의 물질의 CTE는, 접착 물질 (1510a)의 CTE의 ±50% 이내, 특히 접착 물질 (1510a)의 CTE의 ±40% 이내, 및 좀 더 구체적으로는 접착 물질 (1510a)의 CTE의 ±35% 이내이다.
리더 (1502a)는 다양한 적절한 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 소결된 세라믹 물질로부터 형성되고, 다른 구체 예에서, 리더 (1502a)는 금속 물질로부터 형성된다. 몇몇 구체 예에서, 본 발명자들은, 리더 (1502a)에 대해 다공성 세라믹 물질을 사용하는 것이 리더 (1502a)에 결합하는 접착 물질 (1510a)의 능력을 증가시킨다는 것을 확인했다. 발명자들은, 리더가 덜 다공성이거나 또는 연마된 표면을 갖는 경우보다, 리더 (1502a)의 다공도가, 접착 물질 (1510a)이 더 용이하게 결합되는 것을 가능하게 하는 것으로 믿는다. 특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 백금 리본 또는 완전 소결된 세라믹 물질, 예컨대, 알루미나 또는 이트리아 안정화된 지르코니아 (YSZ)일 수 있다.
특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)에 대한 취급 및 연결을 가능하게 하는 크기로 만들어진다. 특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 그린 테이프 (20a)의 폭과 실질적으로 일치하는 폭 (예를 들어, ±10% 이내)을 갖는다. 특별한 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 5㎛ 내지 500㎛의 두께 및 좀 더 구체적으로는 20 내지 40㎛ 범위의 두께를 갖는다. 더욱이, 리더 (1502a)는, 소결 스테이션 (38a) 및 바인더 제거 스테이션 (34a) 모두를 통해 업테이크 릴 (44a)로부터 연장하기에 충분한 길이를 가지며, 따라서 리더 (1502a)의 길이는 시스템 (1500a)의 크기에 따라 변한다.
도 56 및 도 57이 일반적으로 소결된 세라믹 물질의 길고, 얇은, 평평한 섹션으로서 리더 (1502a)를 나타내지만, 리더 (1502a)는 다른 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 하나의 구체 예에서, 리더 (1502a)는 그린 테이프에 접합된 긴 길이의 백금 와이어를 갖는 세라믹판일 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 리더 (1502a)는, 소정의 길이의 세라믹 섬유 로프 또는 세라믹 섬유 꼰실 (twine)일 수 있다.
접착 물질 (1510a)은 다양한 적절한 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 접착 물질 (1510a)은 세라믹 접착 물질이다. 특별한 구체 예에서, 접착 물질 (1510a)은, Zircar Ceramics로부터 구입 가능한 알루미나-계 접착제 #C4002와 같은, 알루미나-계 접착 물질이다.
도 58-65를 참조하면, 소결 동안 세로방향 또는 종방향으로 미결합된 테이프 (36b)를 굽히기 위한 다양한 시스템 및 공정은 도시되고 기재된다. 일반적으로, 본 발명자들은, 넓고, 얇고, 연속적인 길이의 비결합 테이프 (36b)를 소결시킬 때 예기치 않은 어려움 중 하나가 최종 소결된 테이프 (40b)가 반드시 높은 수준의 횡단-폭의 평탄도 (cross-width flatness)를 가져야 한다는 것을 밝혀냈다. 다수의 적용, 예컨대, 박-막 회로, 후막 회로, 고체 리튬 이온 전지 및 이와 유사한 것에 여기서 논의된 소결된 테이프 물질을 사용하는 경우, 높은 수준의 횡단-폭 평탄도는 바람직하다.
몇몇 연속적인 테이프 소결 공정은, 소결 동안 테이프 물질 내에 면내 응력의 생성에 기인하여 형성되는 것으로 믿어지는, 어떤 평탄 뒤틀림 (flatness distortions) (예를 들어, 횡단-폭 휘어짐, 에지 주름, 버블 형성, 등)에 민감할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은, 여러 가지 요인들에 기인하여, 예컨대, 비결합된 테이프 (36b)에서 세라믹 입자 밀도의 변화, (예를 들어, 여기서 논의된 시스템 및 공정의 연속적인 특성에 기인하여 1000℃를 초과할 수 있는) 시스템의 길이를 따른 테이프 물질 내에 큰 온도 차이, 공정 속도 등이, 소결 동안 면내 응력의 생성에 기여하며, 이는 궁극적으로 이들 면내 응력의 방출을 가능하게 하는 방식에서 힘의 상쇄 적용의 부재하에서 버클링 (buckling)을 유도할 수 있다는 것을 확인하였다.
예를 들어, 여기서 논의된 시스템을 통해 연속 소결되는 알루미나 테이프는 동시에 실온에서 및 최대 소결 온도에서 영역을 가질 수 있다. 또한, 수축이 최소인 소결 공정을 시작하는 테이프의 영역이 있을 수 있고, 및 소결이 거의 완료된 테이프의 구역이 있을 수 있으며, 여기서, 수축율은 선형 기준으로 8% 또는 심지어 10%를 초과한다. 수축 및 온도의 구배는, 평탄한 수준을 갖는 소결 스테이션에 진입하는 테이프에서도, 컬링 및 주름과 같은, 뒤틀림을 유도할 수 있는, 복잡한, 이축 응력의 공급원일 수 있다. 이러한 뒤틀림은 그 다음, 냉각 후에 소결된 테이프로 굳어질 수 있으며, 이에 의해 이의 잠재적인 사용을 떨어뜨린다.
하기에 상세히 논의되는 바와 같이, 본 발명자들은, 평탄 뒤틀림을 야기할 수 있는 응력이 소결 동안 테이프에서 종방향 또는 세로방향의 곡선을 유도하여 적어도 부분적으로 대응될 수 있음을 알아냈다. 소결 동안, 테이프 물질은, 유도된 길이방향의 굽힘의 형상으로 가소적으로 이완 및 변형되고, 이는 그렇지 않으면 발생될 수 있는, 면내 응력을 감소시키는 경향이 있는 테이프 물질 내에서 힘을 발생시키며, 그 결과, 높은 수준의 횡단-폭 평탄도를 갖는 소결된 테이프를 생산할 수 있다. 본 발명자들은, 소결 동안 종방향의 굽힘을 활용하여, 높은 생산 속도 및 그린 테이프 입자 밀도에서 변화에도 불구하고 더 평탄한 소결된 테이프가 제조될 수 있는 것으로 믿는다.
더욱이, 적어도 몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 평탄화 공정은, 예컨대, 소결 동안 커버 플레이트들 사이에 물질을 가압하는 경우 경험될 수 있는, 접촉/압력-기반 평탄화 장치와 공통적인, 표면 접촉 및 그 결과로 생긴 표면 결함 및 스크래치를 회피/제한하면서, 평평하고, 얇은 소결된 물품을 제조한다. 하기에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 소결 동안 손상되지 않은 테이프의 적어도 하나의 주 표면을 남기는 종방향의 굽힘을 유도하기 위한, 다수의 시스템 및 공정, 및 소결 동안 손상되지 않은 테이프의 상부 및 하부 (주) 표면 모두를 남기는 몇몇 공정을 개발했다. 본 발명자들은, 다른 세라믹 소결 공정이, 여기서 논의된 시스템 및 공정에 의해 제공되는 제한된 표면 접촉의 정도로, 또는 연속 소결 공정에서, 높은 수준의 횡단-폭 평탄도를 달성할 수 없는 것으로 믿는다.
도 58을 참조하면, 높은 평탄도의, 소결된 연속 테이프를 제조하기 위한 공정 및 시스템은 나타낸다. 구체적으로, 도 58은, 대표적인 구체 예에 따른, 소결된 테이프 물품을 제조하기 위한 시스템 (1600b)을 나타낸다. 일반적으로, 시스템 (1600b)이 소결 스테이션 (38b) 내에 위치된 굽힘 시스템 (1602b)을 포함하는 소결 스테이션 (38b)을 포함한다는 것을 제외하고는, 시스템 (1600b)은 일반적으로 전술한 시스템 (10)과 동일하고, 동일하게 기능한다. 일반적으로, 굽힘 시스템 (1602b)은, 테이프 (36b)가 소결 스테이션 (38b) 내에서 고온 (예를 들어, 500℃ 이상)에서 소결되는 동안, 비결합된 테이프 (36b)의 종방향 또는 세로방향 축을 따라 곡률 반경을 유도하도록 구성되거나 또는 배열된다. 본 발명자들은 소결 동안 굽힘을 통한 테이프 물질의 종방향 곡선의 유도가 여기서 논의된 메커니즘을 통해 최종 소결된 테이프 (40b)의 횡단-폭 형상을 개선할 수 있음을 알아냈다.
도 58에 나타낸 특별한 구체 예에서, 굽힘 시스템 (1602b)은, 소결 스테이션 (38b)을 통해 하부 채널 표면의 적어도 일부를 한정하는 상향 볼록 곡면 (1604b)을 포함한다. 상향 볼록 곡면 (1604b)은, R1b로 나타낸, 적어도 하나의 곡률 반경을 한정하고, 특별한 구체 예에서, R1b는 0.01m 내지 13,000m의 범위 내의 곡률 반경이거나 또는 곡률 반경을 포함한다. 일반적으로, 비결합된 테이프 (36b)가 소결 스테이션 (38b)을 통해 이동됨에 따라, 위에서 논의된 바와 같이, 중력 및/또는 테이프의 당김 장력은, 테이프를 곡면 (1604b)과 적어도 부분적으로 부합하도록 굽혀지게 하여, 상승된 온도에서 소결 동안 테이프 내로 종방향 굽힘을 유도한다. 특별한 구체 예에서, 비결합된 테이프 (36b)에 적용된 장력은, 비결합된 테이프 (36b)의 폭의 선형 inch 당 적어도 0.1 그램-힘이고, 비결합된 테이프 (36b)는 분당 테이프 길이의 1inch 내지 100inch의 속도로 소결 스테이션 (38b)을 통해 이동된다.
도 58에 나타낸 바와 같이, 곡면 (1604b)은, 비결합된 테이프 (36b)의 폭 축에 평행한 (및 도 58의 평면에 수직인) 축을 중심으로 만곡된다. 따라서, 이러한 구체 예에서, 비결합된 테이프 (36b)는, 채널 (104b)에 의해 일반적으로 한정된 소결 스테이션 (38b)을 통한 경로를 따르고, 볼록 곡면 (1604b)은, 소결 스테이션 (38b)을 통한 경로의 만곡부를 한정한다. 비결합된 테이프 (36b)가 곡면 (1604b)과 부합하도록 형상화된 것에 의해 볼록 곡면 (1604b)에 의해 한정된 경로의 만곡부를 횡단함에 따라, 굽힘은 소결 동안 비결합된 테이프 (36b)에서 유도된다.
도 58에 나타낸 특별한 구체 예에서, 곡면 (1604b)은, 소결 스테이션 (38b)의 입구와 출구 사이에, 채널 (104b)의 전체 길이를 연장하는, 단일 곡률 반경을 갖는 연속적인 곡면을 형성한다. 이러한 구체 예에서, 충분한 수준의 굽힘을 달성하고, 소결 스테이션 (38b)의 길이를 완전히 연장시키는데 필요한 표면 (1604b)의 곡률 반경은, 소결 스테이션의 길이에 기초하여 변할 수 있다. 이와 같이, 곡면 (1604b)의 주어진 최대 수직 높이, (도 60에 나타낸) H1b의 경우, 짧은 소결 스테이션 (38b)은, 더 긴 소결 스테이션 (38b)보다 작은 R1b를 가질 수 있다. 특별한 실시 예로서, (적어도) 1m 길이인 소결 스테이션 (38b)은, 1m 내지 130m의 R1b를 갖는 곡면 (1604b)을 가질 수 있다. 특별한 실시 예로서, (적어도) 길이가 3m인 소결 스테이션 (38b)은, 10m 내지 1130m의 R1b를 갖는 곡면 (1604b)을 가질 수 있다. 특별한 실시 예로서, (적어도) 길이가 6m인 소결 스테이션 (38b)은, 40m 내지 4500m의 R1을 갖는 곡면 (1604b)을 가질 수 있다. 특별한 실시 예로서, (적어도) 길이가 10m인 소결 스테이션 (38b)은, 120m 내지 13,000m의 R1b를 갖는 곡면 (1604b)을 가질 수 있다. 이러한 구체 예에서, 길이에 관계 없이, H1b는 1mm 내지 10㎝일 수 있어, 위에 나타낸 R1b 범위를 결과한다.
시스템 (10)에 관해 전술한 바와 같이, 소결 스테이션 (38b)은, 소결 스테이션의 입구 및 출구와 교차하는 평면이 10도 미만인 수평면에 대한 각도를 형성하도록 배열된다. 전술한 바와 같이, 이러한 일반적으로 수평적 소결 배열은, 비결합된 테이프 (36b)가 일반적으로 수평 위치에서 소결 스테이션 (38b)을 통해 이동하는 것을 가능하게 한다. 이러한 구체 예에서, 곡면 (1604b)은, 테이프 (36b)가 소결 스테이션 (38b)의 입구와 출구 사이를 횡단하는 경로의 하부 표면을 한정한다. 본 발명자들은, 소결 동안 테이프에서 종방향의 만곡된 형상의 형성과 함께 (위에서 기류-기반 열적 구배의 감소시키는 것으로 논의된) 수평적 소결 배열을 조합하여, 여기서 논의된 높은 수준의 평탄도를 갖는 소결된 테이프가 생상될 수 있고, 및/또는 다른 소결 시스템보다 훨씬 더 빠른, 속도로 생산될 수 있는 것으로 믿는다. 본 발명자들은, 수평 소결 스테이션 (38b)과 조합한 소결 동안 굽힘이 높은 수준의 평탄도를 제공하는 것으로 믿지만, 다른 구체 예에서, 소결 스테이션 (38b)은 수평으로부터 수직으로 임의의 각도로 배열될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 비-수평적 구체 예에서, 곡면 (1604b)의 치수 및 위치 결정은, 원하는 수준의 평탄도를 달성하는데 충분할 수 있다.
도 58에 나타낸 바와 같이, 시스템 (1600b)의 공정 배열에서, 비결합된 테이프 (36b)와 같은, 연속 길이의 테이프 물질은, 소결 스테이션 (38b)과 같은, 가열 스테이션으로 이동된다. 이러한 배열에서, 비결합 테이프 (36b)로 나타낸, 연속 테이프의 일부는, 소결 스테이션 (38b)으로 입구 (106b)로부터 업스트림에 위치된다. 소결 후에, 소결된 테이프 (40b)와 같은, 연속 테이프의 소결된 부분은, 소결 스테이션 (38b)의 출구 (108b)로부터 다운스트림에 위치된다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 어떤 하나의 주어진 시점에서, 연속 테이프는, 소결 스테이션 (38b) 내에서 현재 소결되고 있는 테이프의 제3 부분을 포함한다. 연속 테이프의 제3 부분은, 소결 스테이션 (38b)의 업스트림에 있는 비결합, 비소결된 테이프 (36b)와 소결 스테이션 (38b)의 다운스트림에 있는 연속 테이프의 소결된 부분 (40b) 사이에 위치된다. 테이프 부분 (1606b)으로 나타낸, 현재 소결되는 연속 테이프의 부분은, 원하는 소결 온도 (예를 들어, 500℃를 초과하는 온도)로 가열됨에 따라, 소결 스테이션 (38b) 내에 위치된다.
일반적으로, 테이프 부분 (1606b)은, 공정 방향에서 (예를 들어, 도 58의 배향에서 우측에서 좌측으로) 증가하는 소결도 또는 감소하는 다공도를 갖는다. 도 58에 나타낸 바와 같이, 테이프 부분 (1606b)은, 테이프 부분 (1606b)이 R1b와 일치하는 곡률 반경을 갖는 만곡된 형상을 일반적으로 채택하도록 상향의, 볼록 곡면 (1604b)과 부합하도록 굽혀진다. 전술한 바와 같이, 테이프 부분 (1606b)이 상향의, 볼록 곡면 (1604b)과 부합하게 굽혀지도록, 종방향으로 향한 장력은 연속 테이프에 적용될 수 있다.
상기에서 논의된 시스템 (10)의 풀림 및 테이크-업 부분의 설명으로부터 일반적으로 이해되는 바와 같이, 시스템 (1600b)은, 긴 연속 길이의 테이프의 연속적인, 릴-대-릴 공정을 제공한다. 이러한 방식으로, 가공되는 전체 연속 길이의 테이프가 소결 스테이션 (38b)의 횡단 동안 상향의, 볼록 곡면 (1604b)의 곡률 반경, R1b로 굽힘을 경험하도록, 가공되는 전체 연속 길이의 테이프는, 소결 스테이션 (38b)을 통해 연속적으로 및 순차적으로 이동된다.
도 59를 참조하면, 굽힘 시스템 (1602b)을 포함하는 소결 스테이션 (38b)의 상세는, 대표적인 구체 예에 따라 나타낸다. 도 59에 나타낸 구체 예에서, 소결 스테이션 채널 (104b)은, (전술한 바와 같은 알루미나 튜브와 같은) 튜브 (1608b)에 의해, 부분적으로, 한정된다. 이러한 구체 예에서, 상향의, 볼록 곡면 (1604b)은, 튜브 (1608b) 내에 배치된 부속물 또는 삽입체 (1610b)의 상향 표면에 의해 한정된다. 도 59에 나타낸 바와 같이, 부속물 (1610b)의 길이는, 채널 (104b)의 길이의 적어도 80%, 구체적으로는 적어도 90%, 및 좀 더 구체적으로는 적어도 95%이다. 몇몇 구체 예에서, 부속물 (1610b)의 길이는, 테이프의 유입 및 배출 섹션이 소결 스테이션 (38b)을 진입 및 나감에 따라, 상향의, 볼록 곡면 (1604b) 상에 지지되도록 채널 (104b)의 길이를 초과한다.
일반적으로 이해되는 바와 같이, 다양한 구체 예에서, 연속 볼록 곡면 (1604b)을 한정하는 곡률 반경은, 표면 (1604)의, 최대 수직 높이, H1b, 및 종방향 길이, L2b (예를 들어, 도 60의 수평 배향에서 거리)의 함수이다. 볼록 곡면 (1604b)이 소결 스테이션 (38b)의 전체 길이를 연장하는, 특별한 구체 예에서, 표면 (1604b)의 종방향 길이는, 소결 스테이션 (38b)의 종방향 길이와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이러한 구체 예에서, 볼록 곡면 (1604b)의 곡률 반경, R1b은, R1b = H1b + (L2b＾2)/H1b로 정의되고, 다양한 구체 예에서, 0.1㎜ < H1b < 100㎜, 및 0.1m < L2b < 100m이다. 다른 고려된 구체 예에서, 부속물 (1610b)의 오질 일부가 원형 아크를 형성하고, 표면은 부속물 (1610b)의 R1b에 대해 여기서 개시된 범위에서 최대 곡률 반경 또는 (더 복잡한 기하학적 구조 중에서) 곡률 반경을 갖는 다른 기하학적 구조를 가질 수 있다.
특별한 구체 예에서, 삽입체 (1610b)는, 채널 (104b)로부터 제거 가능하고, 튜브 (1608b)에 의해 제거 가능하게 연결되거나 또는 지지된다. 이러한 구체 예에서, 이는, 다른 곡면 (1604b)을 갖는 다른 삽입체 (1610b)가 소결 스테이션 (38b)으로 배치되는 것을 가능하게 하여, 특정 공정 또는 테이프 물질 타입, 두께, 소결의 속도, 등에 대해 원하는 수준의 평탄화를 제공하는데 필요한 구체적 굽힘 반경 (bend radius)을 제공한다.
도 60을 참조하면, 다양한 구체 예에서, 소결 스테이션 (38b)을 통한 채널 (104b)의 하부 표면은, 상향의, 볼록 곡면 (1604b)에 의해 한정되고, 채널 (104b)의 상부 표면은 하향의, 오목 곡면 (1612b)에 의해 한정된다. 특별한 구체 예에서, 하향의, 오목 곡면 (1612b)의 곡률 반경은, 그것과 수직으로 배열된 상응하는 곡률 반경과 같은, 상향의, 볼록 곡면 (1604b)의 곡률 반경과 (예를 들어, 1% 내에서, 10% 내서) 일반적으로 일치한다. 이러한 곡률 일치는, 채널 (104b)의 높이가 이의 길이를 따라 실질적으로 일정하게 소결 스테이션을 통해 유지되는 것을 보장한다. 적어도 몇몇 디자인에서, 소결되는 테이프에 대해 일정한 높이 및 상대적으로 저 클리어런스 (low clearance)을 가짐으로써, 열적 구배로 인한 채널 (104b) 내에 공기의 수직 움직임은 감소될 수 있고, 이는 최종 소결된 테이프의 형상 및 평탄도를 개선시키는 것으로 믿어진다.
몇몇 구체 예에서, 하향의, 오목 곡면 (1612b)은 삽입체 (1614b)의 표면이다. 이러한 구체 예에서, 삽입체 (1614b)는, 튜브 (1608b)에 제거 가능하게 연결되거나 또는 지지되어, 삽입체 (1614b)가 특정 공정 또는 물질 타입에 대해 사용될 수 있는 경우, 하부 부속물 (1610b)의 곡률과 일치하도록 선택되는 것을 가능하게 한다.
도 61에 참조하면, 다양한 구체 예에서, 소결 스테이션 (38b)을 통한 채널 (104b)의 하부 표면은, 만곡된 섹션 (1620, 1622 및 1624)로 나타낸, 하나 이상의 만곡된 섹션을 갖는 상향의, 볼록 곡면 (1604b)에 의해 한정된다. 또 다른 방식으로, 표면 (1604b)의 곡률은, 변곡점 (inflection points), 불연속, 비-원형-아크, 등을 포함할 수 있다. 도 61에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 만곡된 섹션 (1620b)은, 제1 곡률 반경, R1b'을 갖고, 만곡된 섹션 (1622b)은 제2 곡률 반경, R2b를 가지며, 만곡된 섹션 (1624b)은 제3 곡률 반경, R3b를 갖는다. 이러한 구체 예에서, 소결 스테이션 (38b)을 통한 테이프의 경로는, R1b', R2b 및 R3b에 의해 한정되고, 소결 동안 테이프는, 소결 스테이션 (38b) 내에서 가열되는 동안 순차적으로 각각의 반경 R1b', R2b 및 R3b으로 굽혀진다. 다양한 구체 예에서, R1b', R2b 및 R3b는, 0.01m 내지 10m의 곡률 반경이거나 또는 이를 포함한다. 특별한 구체 예에서, R1b', R2b 및/또는 R3b는 서로 다르다.
더욱이, 도 61에 나타낸 바와 같이, 몇몇 구체 예에서, 소결 스테이션 (38b)은, 만곡된 섹션 (1620B, 1622B 및 1624b)을 횡단하는 테이프 (36b)를 다른 온도로 가열한다. 하나의 특별한 구체 예에서, 테이프 (36)가 가열되는 온도는, 테이프 (36b)가 굽혀지는 곡률 반경에 반비례한다.
도 62를 참조하면, 적어도 하나의 구체 예에서, 상향의 볼록 곡면 (1604b)은 가스 베어링 (1630b)의 상부 표면이다. 가스 베어링 (1630b)은, 가압된 가스 (예를 들어, 공기, 질소, 헬륨, 아르곤, 등)를 채널 (104b)에 전달하는 가스 공급 채널 (1632b)을 포함한다 (도 60 참조). 이러한 방식에서, 가압된 가스는 소결 스테이션 (38b)의 횡단 동안에 테이프 (36b)를 지지하여, 테이프가 표면 (1604b)과 덜 접촉하거나 또는 접촉을 필요로 하지 않고 표면 (1604b)의 곡률 반경으로 굽혀지는 것을 가능하게 한다.
도 63 및 도 64를 참조하면, 다양한 구체 예에서, 굽힘 시스템 (1602b)은, 하나 이상의 맨드렐 또는 롤러를 포함하며, 이의 외부 표면은, 소결 스테이션 (38b) 내에서 소결 동안 굽혀지는 테이프 (36b) 주변의 볼록 곡면을 한정한다.
롤러 (1642b)와 같은, 만곡된 구조물 주위를 테이프 (36b)를 굽혀서 제공되는 평탄화는, 도 63과 관련하여 좀 더 상세히 설명된다. 도 63에 나타낸 바와 같이, 롤러 (1642b)로부터 업스트림에 위치된 테이프 (36b)의 부분 (1640b)은, 만곡된 점선 (1644b)에 의해 표시되는, 횡단-폭 보우 (cross-width bow) 모양으로 나타낸 버클 또는 평탄 뒤틀림을 가질 수 있다. 이러한 결함은, 전술한 바와 같이, 소결 동안 테이프 (36b) 내에 생성된 복잡한 이-축 응력에 의해 야기될 수 있다. 테이프 (36b)가 소결 스테이션 (38b)을 통해 전달됨에 따라, 이것은 곡률 반경, ρm을 갖는 롤러 (1642b)에 접근한다. 테이프 (36b)는, 롤러 (1642b) 둘레에서 굽혀지고, 형상이 평평하게 된다. 테이프 (36b)는, 이것이 횡단-폭 보우 (1644b)을 갖는 경우보다 평평한 형태에서 더 적은 강성 (stiffness)을 가질 수 있다. 이 효과는 역-버클링의 형태이거나 또는 버클링의 변화를 감소시킨다. 굽힘 상태에서, 횡단-폭 보우 (1644b)을 갖는 테이프 (36b)는, 횡단-폭 보우 (1644B)의 곡률, κd에 직접 비례하는 운반체의 것에 수직 방향으로 이의 표면 상에서 응력, σd를 하기 수학식으로 경험하고:
여기서, t는 테이프의 두께이고, E는 이의 탄성 모듈러스이다. 이러한 기술은, 국부적인 응력이 국부적인 곡률에 비례할 수 있는 결과와 함께, 에지 컬 또는 버블 형성과 같은, 다른 평탄 뒤틀림을 감소시키는 것을 돕는다. 따라서, 예컨대, 상기에서 논의된 롤러 (1642b) 둘레 또는 표면 (1604b)을 따른, 굽힘은, 많은 결함 타입에 걸쳐서 평탄화를 돕는다. 도 65와 관련하여 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 굽힘을 통한 평탄화는, 테이프가 당겨지는 표면을 필요로 하지 않으며, 및 예컨대, 평탄화는 또한 자유-루프 형태를 통한 굽힘을 통해 달성될 수 있다.
그러나, 상기에서 논의된, 롤러 (1642b) 또는 표면 (1604b)의 외부 표면과 같은 곡면의 활용은, 무거워진 댄서 (1680b) (도 58)와 같은, 장치에 의해, 테이프에 인장력이 외부적으로 적용되는 것을 가능하게 하는 점에서 유리하다. 이러한 구체 예에서, 힘, F (도 63)는, 롤러 (1642b)의 외부 표면 또는 표면 (1604b)에 대하여 테이프를 당기고, 테이프의 평탄화를 돕는 제2 응력을 발생시킨다. 곡면 주변의 굽힘 동안 적용된 인장력 유래의 응력, σF는, 하기 수학식에 의해 정의되고:
여기서, w는 테이프의 폭이며, θw는, 랩 각도 (wrap angle)로 종종 지칭되는, (롤러 (1642b)의 외부 표면 또는 표면 (1604b)이든) 곡면과 테이프 (36b) 사이에 접촉의 각도이다.
다양한 구체 예에서, 롤러 (1642b)는 고정될 수 있고, 회전할 수 없다. 다른 구체 예에서, 롤러 (1642b)는 자유롭게 회전할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 롤러 (1642b)의 회전 속도는, 테이프의 수송 속도와 일치하거나 또는 심지어 수송을 구동 또는 지연시키도록 제어될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 롤러 (1642b)는 또한 랩 각도를 변화시키기 위해 테이프에 상하 수직으로 이동하도록 구성될 수 있다.
도 64에 나타낸 바와 같이, 몇몇 구체 예에서, 굽힘 시스템 (1602b)은, 평탄화를 제공하기 위해 소결 동안 테이프 (36b)가 당겨지는 다수의 롤러를 포함할 수 있다. 도 64에 나타낸 특별한 구체 예에서, 굽힘 시스템 (1602b)은, 한 쌍의 상부 롤러 (1650b) 및 단일 하부 롤러 (1652b)를 포함한다. 테이프 (36b)가 이러한 롤러 배열을 통해 당겨짐에 따라, 테이프 (36b)는 롤러 (1650B 및 1652b)의 외부 표면과의 접촉을 통해 종방향으로 굽혀진다. 가스 베어링의 유사 배열은 사용될 수 있고, 여기서, 도 64에 나타낸 하나 이상의 롤러-대-테이프 계면은, 도 62에 나타낸 바와 같이, 각각의 가스 베어링의 외부 송풍 표면 (blowing surfaces)에 상응한다.
도 65를 참조하면, 다양한 구체 예에서, 테이프 (36b)가 소결 스테이션 (38b)을 횡단하는 곡선 또는 굽힘-형성 경로는, 자유 루프 세그먼트 (1660b)를 통해 형성된다. 이러한 구체 예에서, 테이프 (36b)의 섹션은, 여기서 논의된 바와 같이 종방향 굽힘을 발생하는 중력의 영향하에서 매달린다. 이러한 구체 예에서, 굽힘 시스템 (1602b)은, 서로 이격된 하나 이상의 지지체 (1662b)를 포함한다. 지지체 (1662b)의 간격은, 위에서 논의된 바와 같이, 곡률 반경, R1b"를 갖는 자유 루프 세그먼트 (1660b)를 형성하도록 지지체들 사이에 중력에 기인하여 하향으로 매달리는 것을 테이프 (36b)가 가능한 갭 (gap)으로 정의한다. 이러한 특정 구체 예에서, 비-접촉, 자유-루프 세그먼트 (1660b)를 통해 형성된 곡률 반경, R1b"는, 여기서 논의된 다양한 접촉-기반 굽힘 시스템과 비교하여 최종 소결된 테이프 (40b)의 표면 품질을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 자유 루프 세그먼트 (1660b)의 활용은, 접촉-기반 시스템에서 형성될 수 있는 스크래치를 제거되거나 또는 감소시킨다. 또 다른 실시 예로서, 자유 루프 세그먼트 (1660b)의 활용은, 접촉-기반 시스템에서 소결된 테이프가 접촉을 일으킬 수 있는 표면으로부터 화학 성분의 확산을 제거하거나 감소시킨다.
본 발명자들은, 다양한 연속적인 테이프 물질의 소결 동안 종방향의 굽힘이 평탄 뒤틀림을 감소시킨다는 것을 입증하는 시험을 수행했다. 이들 시험으로부터의 몇몇 결과는, 도 66에 예시된다. 예를 들어, 도 66에 나타낸 바와 같이, 3mol% 이트리아-도핑된 지르코니아 (좌측) 및 산화티타늄 (우측)의 40㎛ 두께 테이프는 소결 동안 굽혀진다. 상기 테이프는, 평평한 표면상으로 캐스팅되고, 알루미나 막대에 걸쳐 만곡된 형상으로 재형성된다. 좀 더 구체적으로, 상기 테이프는 9.5㎜ 직경의 알루미나 막대를 가로질러 걸쳐지고, 그 다음 100℃/hr에서 1150℃로 가열된다. 휴지 시간은 5분이다. 알루미나 막대를 가로질러 구부러진 테이프의 영역은, 한 에지에서 다른 에지로 (폭 방향으로) 국부적으로 편평하다. 대조적으로, 막대의 곡면에 의해 지지되지 않는 테이프의 영역은, 수축 불일치에 자유롭게 반응하고, 평탄 뒤틀림을 형성한다. 구체적으로, 지르코니아 테이프에서 주름은 가시적이고, 검은 점선으로 강조된다. 이미지는 또한 테이프의 가소성의 증거가 되며, 여기서 막대 위에 응력은 평평탄화를 유도한다.
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도 67a 및 도 67b를 참조하면, 전술된 제품의 실시 예는 나타낸다. 좀 더 구체적으로는, 다결정 세라믹 테이프의 롤은, 성분 ZrO2 및 3 mol% Y2O3 를 갖는 1부피%의 이트리아-안정화된 지르코니아를 갖는 알루미나를 포함한다. 다결정 세라믹 테이프는, 70 micrometers의 두께, 36 millimeters의 폭, 및 8.5m 이상의 길이이다. 이러한 테이프는, 제조 라인을 따라 약 10cm/분의 속도 및 1650℃의 소결 온도로 전술한 장비를 사용하여 전-술된 공정으로 소결된다. 롤은 3 내지 6 inch의 직경 코어를 갖는다. 상기 테이프는 위에서 논의된 바와 같이 평평하거나 평탄할 수 있다.
도 68은, 300ppm의 산화 마그네슘을 갖는 알루미나인 다결정 세라믹 테이프의 롤의 실시 예를 나타낸다. 도 68에서 테이프는, 77 microns의 두께, 36㎜의 폭, 및 8m 이상의 길이이다. 이러한 테이프는, 전술한 장비를 사용하여 제조 라인을 따라 약 10cm/분의 속도 및 1650℃의 소결 온도로 전-술된 공정으로 소결된다. 롤은 3 내지 6 inch의 직경 코어를 갖는다. 상기 테이프는 위에서 논의된 바와 같이 평평하거나 또는 평탄할 수 있다.
도 69는, 이트리아-안정화된 지르코니아 (3mol% Y2O3를 갖는 ZrO2)인 다결정 세라믹 테이프의 롤의 실시 예를 나타낸다. 도 69에서 테이프는, 33mm의 폭 및 약 1m 길이이다. 이러한 테이프는 전술한 장비를 사용하여 제조라인을 따라 분당 약 15 내지 23㎝의 속도 및 1575℃의 소결 온도로 전-술된 공정으로 소결된다. 롤은 3 내지 6 inch의 직경 코어를 갖는다. 상기 테이프는 위에서 논의된 바와 같이 평평하거나 평평할 수 있다.
따라서, 위에서 논의된 바와 같이, 본 개시의 관점은, 여기서 개시되거나 또는 기재된 물질의 평평한 또는 평탄할 수 있는 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프, 예컨대, 다결정 세라믹 또는 합성 광물의 결정립이 서로 융합되도록 적어도 부분적으로 소결된, 도 67a 및 67b에서 같은 알루미나 테이프의 롤에 관한 것으로, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는 500 micrometers 이하의 두께, 두께보다 적어도 10 배 이상 큰 폭, 및 폭이 상기 길이의 1/10 미만이 되는 길이를 포함하며, 여기서 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 길이는 적어도 1 meter이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물의 폭은, 적어도 5 millimeters이고, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 폭은, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 길이의 1/20 미만이며, 예컨대, 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 두께는, 적어도 10 micrometers이고 및/또는 여기서 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 두께는 250 micrometers 이하이며, 예컨대 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 두께는 100 micrometers 이하이고, 및/또는 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 두께는 50 micrometers 이하이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 전체 표면에 대한 평균으로 표면의 평방 millimeters 당, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프를 관통하여 통과하는 적어도 평방 micrometers의 단면적에 10개 미만의 핀홀을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 전체 표면에 대해 평균으로 평방 millimeters 당, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프를 관통하여 통과하는 적어도 평방 micrometers의 단면적에 1개 미만의 핀홀을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 길이는, 적어도 10meters이고, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 폭은 적어도 10millimeters이며, 예컨대 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 폭은 20 centimeters 이하이고, 및/또는 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 제1 및 제2 표면 모두가 5 micrometer를 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터 10개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 제곱 센티미터의 면적을 갖도록, 고 표면 품질을 가지며, 상기 고 표면 품질은 소결된 물품의 강도를 증진시킨다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 파손 없이 1 kilogram 초과의 중량을 지지하고, 및/또는 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는 파손 없이 약 20 megapascals의 장력을 지지하며, 예컨대 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 폭은, 적어도 50 millimeters이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 약 300㎚ 내지 약 800㎚ 파장에서 적어도 30%의 총 투과율을 갖고, 및/또는 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 약 300㎚ 내지 약 800㎚ 파장에서 적어도 약 10% 내지 약 60%의 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프를 통해 확산 투과율을 가지며, 및/또는 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프와 접촉하는 텍스트 (text)가 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프를 통해 판독될 수 있도록 반투명하다. 몇몇 구체 예에서, 롤은 맨드렐 또는 스풀을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 1 meter 이하의 직경에서 맨드렐 또는 스풀 둘레로 굽혀지고, 예컨대 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는 스풀 상에 권취되며, 예컨대 여기서, 상기 스풀은 적어도 0.5 centimeter 및 1 meter 이하의 직경을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 완전히 소결되고, 1% 미만의 다공도를 갖는, 고밀도이며, 예컨대 여기서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는 0.5% 미만의 다공도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프는, 다결정 세라믹 또는 합성 광물 테이프의 표면이 과립 프로파일을 갖도록 실질적으로 연마되지 않고, 예컨대 여기서, 상기 과립 프로파일은, 각각의 결정립들 사이의 경계에 표면의 오목한 부분에 대해 25 nanometers 내지 150 micrometers 범위의 높이를 갖는 결정립을 포함하며, 및/또는 상기 과립 프로파일은 각각의 결정립들 사이의 경계에 표면의 오목한 부분에 대해 25 nanometers 내지 100 micrometers 범위의 높이를 갖는 결정립을 포함하고, 및/또는 상기 과립 프로파일은 각각의 결정립들 사이의 경계에 표면의 오목한 부분에 대해 적어도 50 nanometers의 높이를 갖는 결정립을 포함하며, 및/또는 상기 과립 프로파일은 각각의 결정립들 사이의 경계에 표면의 오목한 부분에 대해 80 micrometers 이하의 높이를 갖는 결정립을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 몇몇 이러한 구체 예의 실질적으로 연마되지 않은, 적어도 하나의 표면인 경우, 테이프는 표면을 따라 길이방향으로 1 centimeter의 거리에 걸쳐 1 nanometer 내지 10 micrometers 범위의 거칠기를 갖는다.
대표적인 구체 예에 따르면, 물품 (예를 들어, 여기서 개시된 바와 같은, 소결 세라믹의 테이프)은, 여기서 개시된 바와 같이 50 micrometers 미만의 두께 또는 다른 두께, 및 전체 표면에 대한 평균으로 표면의 제곱 millimeter 당, 10개 미만의 핀 홀 (즉, 적어도 제곱 micrometers 및/또는 제곱 millimeter 이하의 단면적을 갖는 제1 내지 제2 주 표면으로부터 몸체를 관통하는 통로 또는 개구) (또는 표면적이 제곱 millimeter 미만인 경우, 전체 표면에 대해; 또는 선택적으로 1 meter 이상, 5 meters 이상과 같이, 물품의 긴 길이에 대해 평균으로 10개 미만의 핀 홀), 예컨대, 전체 표면 또는 긴 길이에 대해 평균으로 표면의 제곱 millimeter 당 5개 미만의 핀 홀, 2개 미만의 핀 홀 및 1개 미만의 핀 홀을 갖는다. 핀 홀은, 통상적으로 전도성 물질로 채워지는 반복 기하학적 구조 (예를 들어, 원형, 직선)의 패턴으로, 의도적으로 절단된 비아, 또는 예를 들어, 롤-대-롤 공정에서 정렬하는데 기준 마크로서 도움이 될 수 있는, 반복 기하학적 구조의 패턴으로 형성된 천공과 구별된다.
도 70은, 적층형 그린 세라믹 플레이트, 및 세터 (setters)를 사용하는 킬른에서 전통적인 배치 소성에 비교된, 여기에 개시된 공정을 사용하여 세라믹 (예를 들어, 알루미나)의 소결을 위한 소결 스케줄 (sintering schedules)을 비교한다. 위에서 개시된 가열로 시스템을 통한 다중 통과 (예를 들어, 2, 3, 4 통과)를 포함하는, 소결 온도에서 공정을 위한 총 시간은, 1시간 미만일 수 있다. 종래의 소결은 20시간 소요될 수 있다. 본 발명자들은, 예컨대, 본 기술에 따라 제작된 세라믹의 미세구조와 관련하여, 전통적인 소결 대 본 개시의 "빠른" 소성 사이에 측정 가능하고, 식별 가능한 차이를 발견하였다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명자들은, 위에서 개시된 바와 같이, 얇고, 적층되지 않은, 테이프의 빠른 소성이, 개별 입자 또는 결정립의 서로의 융합 또는 조합을 덜 일으킨다는 것을 확인했다. 본 기술의 그 결과로 생긴 소결된 결정립 크기는, 본래의 그린 상태 결정립 크기 또는 입자 크기에 더 가깝고, 실질적으로 더 작다. 전통적인 소결이 원래의 입자 크기의 10배인 소결된 결정립을 결과할 수 있는 반면, 여기서 개시된 빠른 소결 스캐쥴로 제작된 다결정 세라믹의 결정립은, 원래의 그린 상태 결정립 또는 입자 크기의 5배 미만, 예컨대, 평균으로 3배 미만인 소결된 결정립 크기를 가질 수 있다. 더군다나, 및 놀랍게도, 본 기술에 따라 제작된 물품은 또한, 상응하는 고밀도, 예컨대, 적어도 90%의 상대 밀도, 적어도 95%의 상대 밀도, 적어도 98%의 상대 밀도를 가질 수 있고, 및 이러한 높은 상대 밀도는, 바로 기재된 바와 같이, 출발 입자 크기 및 조성물, 예컨대, 알루미나, 입방 지르코니아, 페라이트, 티탄산 바륨, 티탄산 마그네슘, 및 여기 개시된 바와 같은 기술을 사용하여 테이프, 시트, 등으로 가공될 수 있는 기타 무기 물질에 의존하여, 10 micrometer 미만의 평균 입자 크기, 예컨대 5 micrometers 미만, 예컨대 3 micrometers 미만일 수 있는, 상대적으로 작은 결정립 크기에 의해 달성된다.
몇몇 구체 예는, 동일한 물품 (예를 들어, 테이프)을 소결시키기 위해 가열로를 통한 다중 통과, 예컨대, 유기 바인더가 제거된 후에 테이프의 강도를 증가시키기 위한 제1 통과 ("비스크 통과 (bqueque pass)"), 테이프를 부분적으로 소결하기 위한 제2 통과, 테이프를 추가로 소결하기 위한 제3 통과, 및 최종 밀도로 소결하기 위한 제4 통과를 사용할 수 있다. 다중 통과 또는 일련의 가열로 또는 고온 존의 사용은, 소결 동안 테이프 물질의 수축에 기인한 테이프에서 응력을 제어하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 몇몇 소결용 가열로는, 길이가 12 내지 14 inch일 수 있는 반면, 다른 것은 길이가 40 내지 45 inch일 수 있으며, 또 다른 것은 60 inch 이상일 수 있고, 및 또 다른 가열로는 다른 길이일 수도 있다. 더 짧은 가열로의 경우, 다중 통과 또는 직렬로 다중 가열로의 배열은, 더 큰 수축도로 무기 물질을 소결하는데 특히 유용할 수 있다. 또한, 더 긴 가열로 또는 직렬로 가열로의 배열은 또한, 이러한 빠른 속도에서 흡수 시간 (soak times) (즉, 소결 조건에 대한 노출)을 증가시켜, 그린 테이프 이동의 속도를 더 빠르게 할 수 있다.
여기서 개시된 바와 같이, 특히 얇은 (예를 들어, 20 내지 77 micrometers의 두께), 소결 온도 (예를 들어, 1650℃)로, 고속 (예를 들어, 분당 4 inches의 속도)로 소결된 샘플을 분석한 후에, 본 개시된 기술로 제조된 여기서 개시된 알루미나 또는 기타 물질은, (여기서 개시된 바와 같은 소결 공정에 의해 극복될 수 있는, '기공/경계 분리'로 알려진 현상을 제한하는) 더 긴 소성 공정 및 종래의 배치 소결에 대한 특징적 제한일지 모르지만, 다음의 속성: 적어도 90부피%, 예컨대, 적어도 95%, 예컨대, 적어도 99%의 물질 순도 (material purity), 여기서, 고순도는, 여기서 기재된 다른 요인 중에서, 소결 시간, 바인더 제거의 효율, 및 출발 성분 뿐만 아니라 기류의 제어 및 좁은 통로로부터 결과할 수 있음; 30㎜ 스캔에서 측정된 경우, 광택 면에 대해 100 미만, 예컨대, 60 미만, 예컨대, 약 40, 및/또는 무광택 면에 대해 150 미만, 예컨대, 100 미만, 예컨대 약 60의 nanometers의 단위로 AFM에 의해 측정된 표면 거칠기, 여기서, 상기 무광택 면은, 소결 가열로의 바닥과 결합 작동에 기인하여 광택 면보다 더 거칠음; 단면에서 약 1㎜의 결정립 크기, 또는 여기서 개시된 바와 같은 다른 결정립 크기; 위에서 개시된 바와 같은 작은 결정립/입자 크기를 유지하는, 빠른 소성 공정에 부분적으로 기인할 수 있는, 소결된 물품에 대해 10부피% 미만, 예컨대 5부피% 미만, 예컨대 3부피% 미만, 예컨대 1부피% 미만, 예컨대 0.5부피% 미만의 다공도을 가질 수 있으며, 이에 의해, 가스는 결정립 내에 포획될 가능성이 적을 수 있다. 여기서 개시된 기술에 따라 제작된 알루미나 테이프는, ASTM E1269 표준 시험 프로토콜/방법을 통해 측정된 것으로, 20℃에서 적어도 약 0.8 J/gK 또는 그 이하 및 100℃에서 적어도 1.0 J/gK 또는 그 이하의 비열 용량; 예컨대, 적어도 약 40㎛ 두께 및/또는 그 이하의 알루미나 테이프, 및/또는 여기에 개시된 다른 테이프 또는 시트 크기에 대해, 실온 (23℃)에서 적어도 약 23.5 GPa 및/또는 그 이하의 나노-압입을 통해 측정된 경도; 예컨대, 보이드 및 더 작은 결정립 크기의 제어에 적어도 부분적으로 기인하는, 적어도 약 630 MPa 및/또는 그 이하 2-점 굽힘 강도; 3-점 굽힘에 대한 동적 기계적 분석 (DMA)을 통해 측정된 것으로 적어도 약 394 GPa 및/또는 그 이하의 탄성 모듈러스; 25-300℃ 범위에 걸친 평균으로 적어도 약 6.7 ppm/℃ 및/또는 그 이하, 25-600℃ 범위에 걸친 평균으로 적어도 약 7.6 ppm/℃ 및/또는 그 이하, 25-300℃ 범위에 걸친 평균으로 적어도 약 8.0 ppm/℃ 및/또는 그 이하의 열팽창계수; 예컨대, 적어도 약 40㎛ 및/또는 그 이하 두께의 알루미나 테이프에 대해, ASTM D149 표준 시험 프로토콜/방법에 따라 25℃에서 적어도 약 124.4 kV/㎜의 유전 강도 (dielectric strength); ASTM D2520 표준 시험 프로토콜/방법에 따라 5 GHz에서 적어도 약 9.4 및/또는 그 이하 및 10 GHz에서 적어도 약 9.3 및/또는 그 이하의 유전 상수 (Dk); ASTM 표준 시험 프로토콜/방법 (D2520)에 따라 5GHz에서 적어도 약 8Х10-5 및/또는 그 이하 및 10GHz에서 적어도 약 1Х10-4 및/또는 그 이하의 유전 손실/손실 탄젠트; D257에 따라 25에서 적어도 약 3Х1015 ohm-centimeter 및/또는 그 이하, D1829에 따라 적어도 약 4Х1014 ohm-centimeter 및/또는 그 이하, 및/또는 D1829에 따라 적어도 약 1Х1013 ohm-centimeter 및/또는 그 이하의 부피 저항; 예컨대, 적어도 약 40㎛ 및/또는 그 이하 두께의 알루미나 테이프, 및/또는 여기서 개시된 다른 테이프 또는 시트 크기에 대해, 약 400-700 nanometers의 하나, 대부분, 및/또는 모든 파장에 대한, 적어도 약 50%, 예컨대, 약 60%, 예컨대, 적어도 약 70%의 투과율; 예컨대, 적어도 약 40㎛ 및/또는 그 이하 두께의 알루미나 테이프, 및/또는 여기서 개시된 다른 테이프 또는 시트 크기에 대해, 약 2-7 micrometers 및/또는 약 2-7 millimeters의 하나, 대부분, 및/또는 모든 파장에 대해 적어도 약 50%, 예컨대, 적어도 약 65%, 예컨대, 적어도 약 80%의 투과율; 및 200℃에서 GC-MS를 통해 측정된 것으로 100ppm 미만, 예컨대 50 ppm 미만, 예컨대 10 ppm 미만의 탈가스를 갖는다.
이하, 도 71a 및 도 71b를 참조하면, 두 샘플의 알루미나는, 소결 시간 및 온도의 영향을 입증하기 위해 나란히 나타낸다. 도 71a의 알루미나는, 1650℃ 소결 온도에 노출되거나 또는 4분 고온 "흡수 (soak)"를 갖는, 분당 4 inches의 속도로 위에서 개시된 제작 시스템을 통해 가공되고, 반면 도 71b의 알루미나는, 1600℃에서 2분 흡수를 갖는, 분당 8 inches로 제작된다. 알 수 있듯이, 결정립 크기는, 소결 시간이 증가함에 따라 크게 증가하지만, 그러나, 다공도는, 예컨대, 5부피% 아래로, 두 도면에서 낮다. 도 72a 및 도 72b는, 상응하는 공정을 통해: 도 72a는 1650℃에서 분당 8 inches로, 및 도 72b는 1650℃에서 분당 4 inch로, 제조된 세라믹 테이프의 단면 디지털 이미지를 나타낸다.
도 73a, 도 73b, 및 도 73c는, 본 기술에 따라 제작한 알루미나의 결정립 경계의 확대 배율을 나타낸다. 본 기술에 따라 제작된 물품의 결정립 경계가 특히 깨끗하다는 점이 흥미롭다. 도 73c에 나타낸 바와 같이, 인접한 결정 결정립 (결정 격자)의 분자 어레이는, 5㎚ 미만의 중간 비결정질 물질, 예컨대, 3㎚ 미만의 중간 비결정질 물질, 예컨대, 1㎚ 미만 중간 비결정질 물질이도록, 본질적으로 서로 직접 접촉한다. 본 발명자들은, 결정 결정립 계면이, 여기에 개시된 빠른 소결, 가스 흐름 제어, 및 바인더 번-오프 기술에, 적어도 부분적으로, 기인할 수 있는 것으로 믿는다. 도 74 및 도 75는, 본 기술에 따른 합성 광물 또는 다결정 세라믹의 물품의 다른 결정립 경계를 나타낸다. 본 발명자들은, 이러한 물품의 기밀성 및/또는 강도가, 결정립들 사이에 약간 이상의 비결정질 물질을 갖는 세라믹에 대하여 특히 유리할 수 있는 것으로 믿는다. 도 73-75의 이미지는, 투과 전자 현미경 (transmission electron microscope)을 통해 수집된다.
도 76 및 77은, 다른 물질에 대한 유사한 미세구조를 나타낸다. 도 76은, 분당 4 inch 및 1650℃에서 가공된 1부피%의 이트리아-안정화된 지르코니아 (3 mol% Y2O3를 갖는 ZrO2)를 갖는 알루미나에 상응한다. 유사하게, 도 77은, 분당 4 inch 및 1550℃에서 가공된 1부피%의 산화 티타늄 (TiO2)을 갖는 알루미나의 연마된 단면을 나타낸다.
도 78은, 여기에 개시된 바와 같은 그린 테이프에 결합된 성긴 (loose) 실리카 입자로부터 제작된 고순도 용융 실리카의 리본의 디지털 이미지이다. 상기 실리카 입자는 무기물이지만, 결정질 또는 합성 광물이 아닐 수 있다. 따라서, 본 발명자들은, 다결정 세라믹 및 합성 광물에 대해 여기서 개시된 바와 같은 기하학적 구조를 갖지만, 그러나, 높은 용융 온도 및/또는 고점도, 예컨대, 적어도 1000℃의 유리 전이 온도를 갖는, 기타 유리 또는 실리카와 같은, 플로우트 또는 용융 형성 공정을 통해 제작하는데 어려운 유리와 같은, 비결정질일 수 있는 무기 물질을 포함하거나, 필수적으로 이루어지거나, 또는 이루어지는, 테이프를 제조하는데, 여기서 개시된 기술이 사용될 수 있다는 것을 확인했다.
도 79a 및 도 79b는, 과립 프로파일을 갖는 실리카의 소결된 테이프의 연마된 단면을 나타낸다. 도 79a 및 79b의 테이프는, 1150℃의 소결 온도에서 제조된다. 실리카의 개별 입자는 서로 융합되어 테이프를 형성한다. 도 79b에 나타낸 바와 같이, 입자는 일반적으로 구형이며, 마이크로미터 미만의 단면을 갖는다. 대조적으로, 도 80은, 1250℃에서 소결된 대로의, 여기서 개시된 기술에 따라 제조된 실리카 테이프를 나타낸다. 과립 프로파일은 여전히 존재하지만, 도 79b의 실리카에 비해 약화된다. 도 81은, 1300℃에서 본 개시에 따라 소결된 완전 고밀도 및 비결정질의 실리카를 나타낸다. 본 발명자들은, 과립 프로파일을 갖는 실리카 테이프가 광의 산란 또는 기타 적용에 유용할 수 있는 것으로 생각한다. 따라서, 도 79 내지 도 81은, 여기서 개시된 조성물이, 충분히 높은 온도에서 가공된다면, 테이프와 같은, 비결정질 물품의 형태일 수 있음을 보여준다. 그러한 의미에서, 본 발명자들은, 테이프가 과도하게 가열되면, 테이프가 다루기 어려워질 수 있거나 및/또는 형상을 상실할 수 있음을 확인했다.
이하, 도 82를 참조하면, 예컨대, 무기 테이프의, 빠른 열적 가공 및 연속 소결은, 예컨대, 리튬 배터리에서 얇은 캐소드 구조로 사용하기 위한, 위에서 논의된 바와 같은, 리튬-함유 물질을 생산하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은, 망간산 리튬 스피넬 (lithium manganate spinel) (LiMn2O4), LiCoO2 또는 LiFePO4와 같은, 리튬-함유 물질이 캐소드 구조물의 양호한 후보물질이라고 믿는다. 예상외로, 본 발명자들은, 현재 개시된 기술이 높은 증기압으로 인한 리튬 손실을 완화시키고, 및/또는 전이 금속 산화물의 원자가에서 감소의 변화 및 가열시 산소의 방출을 완화시키는 것을 확인했다. 예를 들어, 도 82는, 본 개시된 기술을 사용하여 1250℃에서 6분 동안 신속하게 소결된 (Novarials, Sigma Aldrich, Gelon, Mtixtl, 및/또는 다른 것들로부터 상업적으로 이용 가능한) LiMn2O4 분말 및 1250℃에서 4시간 동안 전통적으로 소결된 LiMn2O4 분말을 함유하는 유사한 30㎛ 두께의 테이프에 대한 분말 x-선 회절 트레이스 (traces)를 나타낸다. 도 82에 나타낸 바와 같이, 신속하게 소결된 물질은 여전히 LiMn2O4의 위치 및 피크 강도를 갖는 단일 상 스피넬이다. 리튬은 보유되고, 그래서, 망간 이온에 대해 3.5의 평균 원자가이다. 따라서, 본 개시된 기술에 의해 소결된 이러한 리튬-함유 물품 (예를 들어, 테이프, 시트)은, 캐소드 지지된 배터리에 대한 최소 화학적 및 상 요구조건을 충족시킬 수 있다. 대조적으로, 전통적으로 소결된 테이프는, 도 82에 나타낸 바와 같이, 더 적은 양의 LiMn2O4가 남아 있는, 주로 Mn3O4이다. 리튬의 광범위한 손실이 있었고, 2.67로 평균 망간 원자가의 하락이 있었다.
본 발명자들은 또한, 현재 개시된 소결 시스템이, 예컨대, LiMn2O4와 같은, 리튬-함유 무기 물질 및/또는 휘발성 성분의 휘발에 민감한 기타 물질을 빠르게 소결하는 경우, 소결 동안 기공 제거에 유리할 수 있음을 확인했다. 전통적인 소결 기술을 이용한, 결정립 성장은, 예컨대, 더 큰 결정립 내에 기공을 포획하여, 기공 제거를 제한할 수 있다.
비교 목적을 위해, 본 발명자들은, 1300℃에서 소결된 다이-형성된 LiMn2O4의 필 (pill)을 제조하였다. 상기 필을 제조하는데 사용된 분말의 평균 입자 직경은, 0.5㎛이어서; 표면 장력을 향상시키고, 기공 제거를 유리하게 한다. 리튬의 손실 및 Mn-원자가의 변화는, 3가지 방법으로 제어되거나 또는 둔화된다. 첫째, 상기 필의 크기는, 25㎜ 초과의 직경 및 5㎜의 두께로, 커서, 잉여 물질 (surplus material)을 제공한다. 둘째, 소결은 커버 하에서 수행된다. 셋째, 상기 필은 백금 상에 지지된다. 분말 x-선 회절은, 그 결과로 생긴 필이 단일 상 리튬 아망간산염 스피넬이고, 화학적 분석이 수신된-대로의 물질에 비해 무시할 수 있는 리튬 손실을 나타내며, 및 Mn의 평균 원자가가 3.5인 것을 확인해 준다. 소결된 필의 평균 결정립 크기는, 약 40㎛이고, 다공도는 15%를 초과한다.
현재 개시된 기술로 돌아가면, 소결된 물질의 다공도는 제한되거나 또는 특히 낮을 수 있고, 및 결정립은 특히 작을 수 있어서, 캐소드 지지체와 같은, 적용에 유리할 수 있다. 대조적으로, 과도한 다공도 및 큰 결정립은, 대부분의 세라믹의 강도에 불리할 수 있다. 더욱이, 본 발명자들은, 여기에 개시된 기술 및 장비를 사용하는, 빠른 열적 소결이, 결정립 성장보다 기공 제거를 유리하다는 것을 확인했다. 도 83 및 84를 참조하면, 빠르게 소결된 LiMn2O4 테이프 (도 83는, 1250℃에서 6분 동안 소결; 및 도 84는 1350℃에서 3분 동안 소결)의 소성된-대로의 표면이다. 상기 필의 예와 같이, 초기 평균 직경은 0.5㎛이다. 다공도의 양은, 전통적으로 소결된 필의 실시 예보다 훨씬 낮다. 좀 더 구체적으로, 다공도는, 폐쇄되고, 5% 미만의 양으로 나타난다. 결정립은 또한 상기 필의 예보다 더 작다. 좀 더 구체적으로, 상기 결정립은, 도 83 및 84에서, 각각 약 10㎛ 및 25㎛이다. 달리 말하면, 리튬-함유 소결된 물질 (예를 들어, 리튬 아망간산염)의 다공도는, 15% 미만, 예컨대 10% 미만, 예컨대 7% 미만, 예컨대 약 5% 미만이고, 및/또는 결정립은 40㎛ 미만, 예컨대 30㎛ 미만이다. 또한, 리튬-함유 물질의 전통적인 소결과 다르게, 본 기술은, 대량의 필 또는 불 (boules)과 대조적으로, 빠른 소결을 가능하게 하여; 주변 증기압의 제어 유무에 관계 없이, 소결 시간을 줄여서 휘발성 성분의 손실을 제어하는, 여기서 개시된 바와 같은 얇은 시트 또는 테이프를 사용한다. 본 발명자들은, 빠른 열적 소결을 포함하는, 현재 개시된 소결 시스템이, 여기에 개시된 바와 같은 연속 공정에서 알루미나 또는 저-비용 지지체에 대한 소결 및/또는 심지어 더 낮은 온도에서 소결을 또한 용이하게 할 수 있는 것으로 생각했다.
LiCO2 및 LiFePO4는, 현재 개시된 기술을 사용하여 소결될 수 있고, 및 캐소드 물질로서 또는 다른 적용에 유용할 수 있는, 리튬-함유 무기 물질의 다른 실시 예이다. 좀 더 일반적으로, 산소의 최소 손실을 갖는 기타 전이 금속 산화물의 소결은, 현재 개시된 기술을 사용하여 가능하다.
이하 도 85a 내지 85b를 참조하면, 그린 테이프의 단면은, 2가지 다른 수준의 배율로 나타낸다. 좀 더 구체적으로, 그린 테이프용 슬립 (slip)은, Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12의 조성을 갖는 약 47.35 wt%의 가넷 분말, 6.45 wt%의 탄산 리튬, 31.74 wt%의 n-프로필 프로피오네이트, 1.30 wt%의 글리세릴 트리오레이트, 3.56 wt%의 n-부틸 스테아레이트, 및 9.60 wt%의 Lucite International Elvacite 2046, 고분자량 이소-부틸/n-부틸 메타아크릴레이트 공-중합체로 만들어진다. 상기 슬립 혼합물은 18시간 동안 진동 분쇄된다. 상기 슬립은 10 mil 블레이드로 Teflon 캐리어 필름 상에 캐스팅되고, 밤새 건조된다. 그 결과로 생긴 건조된 테이프는, 0.6㎛의 평균 입자를 갖는 약 85 내지 90㎛두께이다. 그린 테이프는 도 85a 및 도 85b에서 캐리어 필름으로부터 방출된다.
본 실시 예에서, 바인더는 나중에 400℃에서 도 85a 및 85b의 그린 테이프에서 연소되고, 여기서, 번-오프를 위한 환경은, 아르곤 가스로 제어되며, 바인더 번-오프를 위한 시간은 30분이다. 번-아웃/까맣게 태워진 바인더를 갖는 테이프는, 공기 중에서 15분 동안 1200℃에서 여기서 개시된 바와 같이 연속 소결 가열로에서 소성된다. 소성된 테이프는, 도 86a 및 86b에 나타낸 바와 같이, 적어도 약 2 내지 3㎛ 및/또는 그 이하의 결정립 평균 크기를 갖는 적어도 약 50 내지 55㎛ 및/또는 그 이하의 두께이다. 그 결과로 생긴 테이프는, 적어도 약 3.7Х10-4 내지 3.8Х10-4 S/㎝의 전도도를 가지며, 여기서 S는 지멘스 (siemens)이다. 소성된 샘플은, 적어도 약 96 내지 98 wt% 및/또는 그 이하의 입방 가넷 상 이다.
본 개시된 기술을 사용하여, 몇몇 구체 예는, 특히 고밀도의 가넷 테이프 또는 기타 물품을 형성하는데 고-리튬 함량의 사용을 포함한다. 본 발명자들은, 그린 테이프에서 과잉의 리튬 (소결된 물품의 화학량론에 따른 리튬 이상의 측면에서 과잉, 예컨대, 소결된 물품에서 화학량론적 양 이상의 적어도 1 vol% 과잉, 적어도 10 vol% 과잉, 적어도 20 vol% 과잉, 적어도 50 vol% 및/또는 100부피% 이하)이, 고밀도의 가넷 테이프 소결을 촉진할 수 있고 및/또는 소결 동안 리튬의 손실을 보상할 수 있음을 확인했다. 그린 테이프에 사용하기 위한 이러한 고-리튬 함량 분말은, 가넷 분말 제조에서 원료에 과량의 리튬 전구체를 배칭 (batching)하여, 및/또는 화학량론적이거나 또는 다소 과잉 (최종 물품 화학량론에 대해 50 부피% 이하의 과잉)의 리튬 가넷 분말을 제조한 다음, 테이프 캐스팅을 위해 슬립 제조 동안 더 많은 리튬 전구체를 첨가시켜 제조될 수 있다. 후자의 접근법의 몇몇 장점은, 높은 리튬 함량이 흡습성일 수 있고, 분쇄하는데 어려울 수 있으며, 및/또는 과량의 리튬이 다른 공정 조건을 보상하기 위해 용이하게 조정될 수 있기 때문에, 낮은 수준의 리튬-함유 배칭이 제조에 더 용이할 수 있다는 점을 포함한다. 슬립 제조 동안 이러한 과잉의 리튬을 첨가하기 위한 리튬 전구체의 예로는, Li2CO3, LiOH, LiNO3, LiCl, 등을 포함한다. 바로 기재된 바와 같은 과잉의 리튬을 첨가하는 방법은, 예컨대, 리튬 전구체 및 가넷 분말 혼합물을 약 1 내지 5시간 동안 약 900 내지 950℃로 가열하여, 가넷 분말과 리튬 전구체를 사전-반응시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 사전-반응 없이, 과잉의 리튬은, 미세 전구체 분말로서, 및/또는 세라믹에 남는 기공을 방지하기 위해 입자 크기를, 예컨대, 3 micrometers 미만, 예컨대 1 micrometer 미만의 전구체 분말 입자 크기로, 줄이는 충분한 밀링을 제공하여 첨가될 수 있다. 본 발명자들은, 과량의 리튬이 전-술된 기술을 통해 소결하는데 충분하지만, 소결된 물품에 과잉의 리튬을 남기거나 또는 정방정 상 (tetragonal phase) 형성을 유발하기에는 너무 많지 않다는 것을 확인했다. 따라서, 적어도 약 3분 및/또는 그 이하에서 적어도 약 1000℃ 및/또는 그 이하로 소결시키는 가넷의 경우, 가넷의 mol에 대해 적어도 약 5.8 내지 9 mol의 총 리튬 (예를 들어, 저 리튬-함량 가넷); 적어도 약 3분 및/또는 그 이하에서 적어도 약 1150℃ 및/또는 그 이하로 소결시키는 가넷의 경우, 가넷의 mol에 대해 적어도 약 7 내지 9 mol의 총 리튬이다. 그러한 의미에서, 테이프 캐스팅 슬립에 사용된 유기물에 고반응성일 수 있는, 가넷, 특히 고 리튬-함량 가넷의 경우, 상기 가넷을 안정화하기 위해, 분말은, 과아세트산 (퍼옥시아세트산, PAA), 시트르산, 스테아르산, 염산, 아세트산과 같은, 산 처리; 이소프로필 알코올, PA, PP, 등과 같은, 비-수 함유 용매와 같은, 용매를 사용하여; 약 50%의 고체 로딩으로, 1 내지 5 wt%의 산/용매 용액에서 2시간 동안, 위에서 개시된 바와 같은 가넷 분말과 사전-반응된 과잉의 리튬 전구체일 수 있는, 가닛 분말을 함침 처리하고, 그 다음 용매를 건조시켜, 사전에 처리될 수 있고, 여기서, 얻어진/처리된 분말은 테이프 캐스팅 슬립을 만드는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 저 리튬-함량 가넷 분말에 더하여 Li2CO3와 같은, 불활성 리튬 전구체는, 캐스팅 슬립을 제조하는데 직접 사용될 수 있다.
산 처리의 적어도 하나의 구체 예는, 100 grams의 MAA (Li5.39La3Zr1.7W0.3Ga0.5Ox, 리튬 가넷 또는 입방 LLZO (예를 들어, Li7La3Zr2O12), 저 리튬-함량 가넷 분말)에 더하여 10.7 grams의 Li2CO3, 2.2 grams의 시트린산, 및 100 grams의 이소프로필 알코올을, 3시간 동안 볼 밀링하는 단계 및 60℃에서 오븐 건조하는 단계를 포함한다. 테이프 캐스팅 슬립 제작의 적어도 한 구체 예는, 100 grams의 산 처리된 MAA에 더하여 10.7 wt%의 Li2CO3, 84.67 grams의 메톡시 프로필 아세테이트 용매, 12.14 grams의 PVB Butvar B-79 바인더, 및 2.4 grams의 디부틸 프탈레이트 가소제를 2시간 동안 마멸 밀링하는 단계를 포함한다. 테이프 캐스팅 슬립 제작의 다른 구체 예는, 100g의 산 처리된 MAA에 더하여 30분 동안 터뷸러 혼합기에서 사전-반응되고 900℃에서 1시간 동안 하소된, 8.4wt%의 Li2CO3, 66.67 grams의 에탄올 및 33.33 grams의 부탄올 용매, 12 grams의 PVB Butvar B-79 바인더, 및 10 grams의 디부틸 프탈레이트 가소제를 2시간 동안 마멸 밀링하는 단계를 포함한다. 테이프 캐스팅 슬립 제작의 또 다른 구체 예는, 100 grams의 GP (Li6.1La3Zr2Al0.3O12, 리튬 가넷, 또는 입방 LLZO) 더하여 사전-반응된 (예를 들어, 30분 동안 혼합되고, 1시간 동안 900℃로 가열된) 8.4 wt% Li2CO3, 66.67 grams의 에탄올 및 33.33 grams의 부탄올 용매, 12 grams의 PVB Butvar B-79 바인더, 및 10 grams의 디부틸 프탈레이트 가소제를 포함한다. 본 발명자들은, 위에서 기재된 바와 같은, 과잉의 리튬 전구체에 대해 Li2CO3을 갖는 저 리튬 함량 가넷이, 예를 들어, 100 grams의 MAA에 더하여 10.7% Li2CO3, 84.67 grams의 메톡시 프로필 아세테이트 용매, 2.08 grams의 생선 오일 (Z1) 분산제, 12.14 grams의 PVB Butvar B-79 바인더, 및 2.4 grams의 디부틸 프탈레이트 가소제를 2시간 동안 마멸 밀링하는; 산 처리를 요구하지 않을 수 있음을 확인했다. 선택적으로, 산 기반 분산제는, 예컨대, 100 grams의 MAA에 더하여 10.7% Li2CO3, 104 grams의 2:1 용매 비의 EtOH 및 BuOH, 분산제로 1 gram의 시트린산, 바인더로 16 grams의 PVB B-79, 및 가소제로 14 grams의 디부틸 프탈레이트를 2시간 동안 업-밀링으로, 슬립에 첨가될 수 있다.
본 기술의 관점은, 다른 방법들, 예컨대, 퓨전 인발, 플로우트 유리, 또는 기타 일반 유리 탱크 용융기을 통해 시트로 절단하는데 및/또는 고점도 유리 테이프의 롤로 제작하는데 어렵거나 또는 불가능할 수 있는, 더 높은 점도의, 더 높은 공정 온도 유리, 예컨대, 용융 실리카 또는 초-저-팽창 (비결정질) 유리 조성물의 소결에 관한 것이다. 따라서, 여기서 개시된 기하학적 구조 (예를 들어, 두께, 롤링된 포맷, 길이, 폭) 및 속성 (예를 들어, 평탄도, 낮은 뒤틀림)을 갖는 무기 물질은, 본 기술로 제작된 더 높은 점도의, 더 높은 공정 온도 유리를 포함한다. 본 기술의 부가적인 이점은, 다른 스케일에서 조성적 변화로 이어질 수 있는, 화염 증착 기술과 대조적으로, 소결 동안 제어된 기류, 테이프의 장력 제어, 및 슬러리에서 혼합된 분말의 상용을 통해 작은 (서브-millimeter) 길이 스케일 및 큰 길이 스케일 (millimeter 내지 수-centimeter 변화)에서 조성적 균질성을 포함한다. 부가적으로, 더 높은 점도의, 더 높은 공정 온도의 롤 또는 시트는, 어닐링될 수 있다. 본 발명자들은, 가열 존을 갖는 가열로를 포함하는 본 개시된 기술이, 소결뿐 아니라, 하나 이상의 더 낮은 온도의 가열로의 셋트를 통해 및/또는 유리 테이프를 형성됨에 따라 연속적으로 어닐링하는 능력을 가능하게 한다는 것을 확인했다. 어닐링된 유리에서 상응하는 낮고, 균일한 응력 장은, 어닐링되지 않은 물품과 비교하여 얇고, 소성-후 동안 균일한 치수 변화를 가능하게 하여, 처리-후 어닐링된 시트에서 덜한 뒤틀림으로 이어진다. 더욱이, (통상적으로 2100℃를 초과하는 온도를 갖는 화염 증착과 비교되는) 더 낮은 온도 공정 및 (배칭 소결과 비교되는) 빠른 소결을 포함하는, 여기서 개시된 기술은 또한, 화염 증착된 물질을 통해 첨가하는 것이 어렵거나 또는 불가능할 수 있는, 이러한 무기 물질 (예를 들어, 점성의, 고온 비결정질 유리)의 0.5 wt%를 초과하는 수준에서 붕소 및 인과 같은, 휘발성 도펀트의 혼입을 가능하게 한다. 그러한 의미에서, 여기서 개시된 장비는, 종래의 소결 공정에서 통상적으로 사용되는 더 고온에서 그린 물질 또는 부분적으로 소결된 물질을 가열하는데 사용될 수 있고, 여기서, 짧은 시간의 흡수 (soak)는, 결정립 성장을 제한하고, 기공 제거를 촉진시킨다.
본 발명자들은, 그린 테이프가, 예컨대, 졸겔, 압출, 또는 캐스팅 공정에서, 슬러리 형태로 혼합된 유리 분말로 제조되고, 및 소결이 전술된 바와 같이 수행되는 경우, 점성의, 고온 비결정질 유리 물품과 높은 수준의 조성적 균질성을 확인했다. 좀 더 구체적으로, 본 발명자들은, 1㎜의 공간 변화에서 +/- 2.5ppm 미만 및 3㎝ 거리 내에서 +/- 5ppm 미만, 예컨대, 1㎜ 미만의 주파수에서 +/- 1 ppm 미만 및 3㎝ 미만의 주파수에서 +/- 3 ppm 미만의 변화를 갖는, 수산화물 (OH), 중수소 (OD), 염소 (Cl) 및 불소 (F) 변화를 확인했다. 몇몇 구체 예에서, 조성적 균질성은, 티타니아 함유 유리에서 1㎜의 거리에서 +/-0.1 wt% 미만과 같이, +/-0.2 wt% 미만의 티타니아의 화학적 변화, 및 게르마니아 함유 유리에서 1㎜ 거리에서 10% 미만의 게르마니아 수준에서 변화이다. 몇몇 구체 예에서, 지수 변화 (index variations)는, 혼합 성분 유리가 사용되는 경우, XRF 기술 (중량% 금속)을 통해 측정한 것으로 10 ppm 미만, 예컨대 5 ppm 미만이다.
도 87을 참조하면, 본 기술로 제조된 점성의, 고온 비결정질 유리의 예는, 실선으로 나타내고, 종래 기술로 제조된 것은 점선으로 나타내며 (소다 라임 유리 (SLG) 및 혼합 바륨보로실리케이트 유리), 여기서, 점도는 낮고, 유리는 전통적인 유리 방법, 예컨대, 많은 소다 라임 유리가 보통 창유리와 같이 생산되는, 플로우트 유리 공정에 의해 가공될 수 있다. 도 87은, 또한 7.5 wt% 티타니아를 갖는 실리카, 용융 실리카, 약 60 ppm OH를 갖는 실리카, 약 14 wt% GeO2을 갖는 실리카, 약 1 ppm OH를 갖는 실리카, 약 150 ppm Cl을 갖는 실리카, 3.1 wt% B2O3 및 10.7 wt% TiO2을 갖는 실리카와 같이, 많은 고온 유리 (실선)의 점성 거동을 확인한다. 여기서 개시된 기술로 독특하게 가공될 수 있는 유리의 특징은: 800℃ 초과의 어닐링점 (1013 poise의 점도) 및/또는 85wt% 초과의 실리카 (SiO2) 함량, 예컨대, 95 vol% 초과의 비결정질 또는 5 vol% 미만의 결정이 존재, 예컨대, 존재하는 결정이 없음 (비결정질)이다. 이러한 유리는, 고온 어닐링된 유리의 롤의 형태일 수 있다. 이러한 몇몇 구체 예에 있어서, 약 400㎛ 미만 (예를 들어, 200㎛ 미만)의 유리 두께는, 유리가 수 미터 미만, 예컨대, 1 미터 미만, 예컨대, 0.5 미터 미만의 직경으로 롤링되는 것을 가능하게 한다.
본 발명자들은, 기류 차이, 난기류, 뿐만 아니라 복사 냉각 또는 주변 가열로 환경 또는 고정장치로부터의 가열 차이로부터 결과하는 냉각 속도 차이가, 유리에 내지된, 어닐링점 아래의 온도로 유리가 냉각됨에 따라, 유리에서 국부적인 응력 차이를 생성할 수 있음을 확인했다. 조성적 변화는 또한 유리 점도에 영향을 줄 수 있으며, 이러한 조성적 차이는 다른 응력, 가상 온도, 굴절률, 열팽창을 결과할 수 있다. 자립형 유리 (free standing glass)가 변형될 수 있는 온도로 유리가 재-가열된다면, 그 다음 제한받지 않는 유리 뒤틀림은 발생할 수 있다. 이러한 재가열은, 예를 들어, 박막 증착과 같은, 다운스트림 공정에 필요할 수 있고, 휨은 바람직하지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명자들은, 여기서 개시된 공정, 예컨대, 다중-존 가열로에서 제어된 냉각에 의해, 또는 (바인더 번아웃 시스템의 반대인) 소결 후에 어닐링 가열로를 통한 통과에 의해, 제작된 유리를 어릴닝하는 것이, 유리가 롤링됨에 따라 물품 (예를 들어, 시트) 폭을 가로지르는 장력에서 차이를 완화시키는데 도움이 되고, 및/또는 유리에 포획된 남은 다른 응력 수준의 사례를 완화시키는데 도움이 되는 것을 확인했다. 낮고 균일한 응력 수준은, 자립형으로 남아 있고, 롤로부터 취한 유리에서 확인된다. 좀 더 구체적으로, +/-5 MPa 미만의 물품 (예를 들어, 시트 또는 테이프)을 가로지르는 변화를 갖는 10 MPa 미만의 절대 응력 수준은, 테이프가 평평한 표면에 자유롭게 놓여있는 경우, 예컨대, +/-2 MPa 미만의 변화를 갖는 5 MPa 미만의 절대 응력 수준으로, 예컨대 +/-1 MPa 미만의 변화를 갖는 2 MPa 미만의 절대 응력 장으로, 확인된다. 본 개시의 몇몇 구체 예는, 각각의 물품의 폭을 가로질러 FTIR에 의해 측정된 것으로, +/-20℃ 미만, 예컨대 +/-10℃ 미만, 예컨대 +/- 5℃ 미만의 변화와 같은, 가상 온도의 측면에서 상대적으로 균일한 구조를 갖는, 기재된 바와 같은, 유리를 포함한다. 가상 온도의 측면에서 균일한 구조는, 유리의 특성, 예컨대, 유리의 광학적 또는 열적 팽창에 영향을 미칠 수 있고, 예컨대 여기서, 우수한 팽창성 (expansivity)은, 예를 들어, 균일한 더 낮은 가상 온도를 통해 얻어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 기술은, 점성의, 고온 비결정질 유리의 얇은 리본 또는 시트를 가공하는데 유일무이하게 적합할 수 있다. 이러한 유리는, 900℃를 초과하는 온도에서 오직 12.5 poise의 점도를 가질 수 있으며, 여기서 더 낮은 온도에서, 점도는 12.5보다 높고; 예컨대, 도 87에 나타낸 바와 같이, 900℃를 초과하는 온도에서 오직, 예컨대, 1000℃를 초과하는 온도에서 오직 13 poise의 점도이다. 다른 구체 예에서, (점성의, 고온 비결정질 유리에 제한되지 않는) 유리는, 여기에 개시된 공정을 통해 과립 프로파일을 갖도록 제조될 수 있으며, 예컨대 여기서, 소결 온도는, 도 79a, 79b, 및 80에서 실리카로 나타낸 바와 같이, 개별 결정립 또는 이의 일부를 남기기에 충분히 낮다. 과립 프로파일은, 예를 들어, 광 산란을 위해 유용할 수 있다. 여전히 다른 구체 예는, 점성의, 고온 유리일 수 있는, 실리카가 거의 또는 전혀 없는 유리, 또는 칼코겐화물 (chalcogenide)과 같은 유리를 포함할 수 있다.
여기서 개시된 소결 시스템 및 그린 테이프용 슬러리의 사용은, 정제 공정을 통해 낮은 고체 함유물 수준 및 또한 낮은 가스 함유물 수준을 갖는 유리를 제조하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 캐스팅 전에 슬러리의 액체 여과는, 하나의 이러한 공정이며, 예컨대, 예를 들어, 여기서 용매에 혼합된 서브-micron (예를 들어, 22 ㎡/g) 분말은, 고체 산화물 파편 (debris) 또는 모발과 같은 유기 파편과 같은, 더 큰 크기의 고체 결함을 포획하기 위해, 다른 크기의 필터 (예를 들어, 40 내지 200㎛ 체)를 통해 여과될 수 있다. 또한, 파편은 현탁액에서 다른 침강 속도 (settling rates)를 통해 제거될 수 있고, 예컨대 여기서, 고밀도의 응집 입자는, 분산된 실리카보다 더 빨리 침전되고, 더 가벼운 유기 불순물은 표면으로 상승한다. 중간 80%와 같은, 중간 퍼센트는, 그 다음 캐스팅에 사용될 수 있다. 원심분리기는 침전 또는 상승 과정을 촉진할 수 있다.
매우 균일하고 일관된 테이프를 생성하기 위해 캐스팅하기 전에, 완전히 탈기 (또는 공기-제거)된 균일하고, 일관되며, 여과된 슬러리는, 시드 수준 (seed levels)을 최소화하는데 도움이 될 수 있다. 지수 일치 테이프 (Index matching tapes)는 또한 시드 및 고체 함유물 모두의 검출을 용이하게 할 수 있다. 유기물을 제거하기 위한, 전술된 바인더 번아웃 단계는, 700℃ 미만의 온도에서 일어날 수 있고, 상승된 온도에서 산소는, 탄소의 최종 잔류물을 제거하는데 도움이 될 수 있으며, 이는 실리카와 반응 또는 실리카로 포획되어 CO 또는 CO2 및 SiO와 같은 가스를 생성할 수 있다.
여기서 기재된 적어도 몇몇 물품의 특히 얇은 형태는, 공기가 사용되는 경우도 포획된 기체가 거의 없는, 기체에 대한 짧은 침투 경로를 갖는다. 아르곤, 질소, 및 (더 적은 함량으로) 산소와 같은, 불용성 가스의 포획을 추가로 최소화하기 위해, 공기가 없는 대기에서 강화 (consolidation)는, 예컨대, 진공 및/또는 헬륨 또는 수소를 갖는 진공, 또는 헬륨 또는 수소 분위기, 또는 이의 혼합물에서, 사용될 수 있다. 만약 강화 유리가 이들 가스들 (헬륨 또는 수소)을 포획한다면, 그 다음 가스는 1000℃를 초과하는 임의의 합리적인 온도에서 몇 분 또는 몇 초 안에 구조물 밖으로 침투할 수 있고, 존재하는 가스가 없는 진공 또는 시드 뒤에 남을 수 있다. 상기 시드는 그 다음 유리 변형이 발생하는 온도에서 모세관 응력과 조합된 대기압에서 붕괴될 수 있다. 대부분의 경우, 시드 최소화는, 바람직하게는 어닐링 이전에, 강화 작업 동안 발생할 것이다. 그러나, 유리는, 포획된 가스를 탈기하기 위해 재가열될 수 있고, 시드를 붕괴시킬 수 있으며, 그 다음 어닐링될 수 있다. 따라서, 적어도 몇몇 구체 예는, 5부피% 미만, 예컨대, 3부피% 미만, 예컨대, 1 부피% 미만과 같이, 포획된 가스가 거의 또는 전혀 없는 유리 물품 (예를 들어, 롤, 테이프, 시트)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 몇몇 구체 예는, 소결 동안 장력, 속도, 변형, 또는 물품 (예를 들어, 테이프 또는 리본)의 기타 속성을 제어하기 위해 소결 가열로 내에 롤러를 사용할 수 있다. 몇몇 구체 예에 따르면, 롤러는, 예컨대, 각각의 물품의 수축의 함수로서, 서로 다른 속도로 회전한다. 예를 들어, 적어도 하나의 구체 예에서, 가열로는, 적어도 두개의 롤러를 포함하고, 여기서, 제1 롤러는 물품의 덜 소결된 부분과 결합 작동하고, 및 제2 롤러는 물품의 더 소결된 부분과 결합 작동한다. 제2 롤러는 제1 롤러보다 더 느린 속도로 회전한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 가열로 내에 롤러(들)의 회전은, 소결되는 각각의 물품의 자유 몸체 소결 속도에 상응하거나, 또는 예컨대, 물품을 평탄화하거나 또는 휨을 제어하기 위해, 물품에서 장력을 부여하도록 다소 큰 속도를 갖는다. 롤러는 내화성 물질로 만들어질 수 있다. 정지상 지지체 (예를 들어, 가열로 바닥)는, 가열로에서 롤러들 사이에 위치될 수 있다. 고려된 구체 예에서, 가열로 내에 다른 수준에서 다수의 열의 롤러는, 예컨대, 가열로 내에 공기흐름을 제어하기 위해 및/또는 산출량을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 롤러는, 막대 또는 시트와 같이, 소정의 길이의 단단한 물질로 사용될 수 있다.
도 88a 내지 88b는 이러한 소결 시스템의 구체 예를 나타낸다. 좀 더 구체적으로, 도 88a는 이트리아-안정화된 지르코니아를 소결하기 위한 도 88b의 가열로를 통한 소결 온도 대 거리를 나타낸다. 물품 (예를 들어, 리본, 테이프)은, 미소성된 시트 (이하, 소결된 테이프) 로서 제1 롤로부터 소결된 세라믹 시트 (또는 더 소결된 테이프)로서 제2 롤로, 가열로를 통해 좌측에서 우측으로 이동한다. 가열로를 통하여, 이트리아-안정화된 지르코니아의 수축률의 함수인, 1.0 내지 0.78 범위의 명목상 속도로 회전하는 롤러의 형태로 표면을 회전한다. 도 89는, 도 88a 및 88b에 나타낸 바와 같은, 중간 롤러를 갖지만, 다중 수준 (multiple levels)을 갖는 가열로를 나타낸다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 개시된 바와 같은, 소결 스테이션 또는 기타 가열로는, 동시에 가열로를 횡단하는 하나 이상의 테이프 또는 리본을 포함한다. 도 90a 및 90b를 참조하면, 다른 고려된 구체 예에서, 위에서 개시된 바와 같은 롤러 외에, 가열로 내에 이동 (예를 들어, 회전) 표면은, 벨트, 트랙, 또는 기타 요소를 포함한다. 몇몇 구체 예는, 트랙의 단일 벨트 또는 루프만을 포함할 수 있다.
도 91a 및 91b를 참조하면, 물품 (예를 들어, 전술된 바와 같은 테이프, 시트, 등)은, 위에서 개시된 기술을 사용하여 제작된 리튬-함유 세라믹, 구체적으로 소결된 Li6.1La3Zr2Al0.3O12를 포함한다. (예를 들어, Elvacite에 의해 생산된) 아크릴 바인더에서 6mil로 캐스팅된, 6.7 wt% Li2CO3의 형태의, 과잉 리튬 공급원은, 분당 4 inches 속도로, 각각 180, 225, 280, 350, 및 425℃의 온도에서 5개 가열 존을 갖는 바인더 번아웃 가열로에서 가공된다. 상기 물품은 그 다음 1125℃에서 소결된다. 도 91a 및 91b에 나타낸 바와 같은, 그 결과로 생긴 소결된 물품은, x-선 회절에 의해 측정된 것으로, 80 wt% 초과의 입방 리튬 가넷 결정으로 이루어진, 예컨대 90 wt% 초과, 예컨대 95 wt% 초과, 예컨대 약 99 wt%의 입방 리튬 가넷 결정으로 이루어진다. 밀봉된 도가니에서 배치 소결과 같은, 리튬 가넷을 소결하는 전통적인 접근법은, 통상적으로 더 높은 퍼센트의 비-입방 결정을 결과한다. 도 91a 및 91b에 나타낸 바와 같은, 그 결과로 생긴 소결된 물품은, 복합 임피던스 분석 (complex impedance analysis)에 의해 측정된 것으로, 5Х10-5 S/㎝ 초과, 예컨대, 1Х10-5 S/㎝ 초과, 예컨대, 약 1.72Х10-5 S/㎝의 이온 전도도를 갖는다. 도 91a 및 91b에서 나타낸 바와 같은, 그 결과로 생긴 소결된 물품은, 5 부피 퍼센트 (vol%) 미만과 같은, 10 vol% 미만의 다공도를 가지며, 및/또는 상응하는 다공도는, 적어도 약간, 대부분, 적어도 80%, 적어도 90%의, 기공이 완전히 밀봉된 것을 의미하는, 폐쇄 다공도를 포함한다. 본 발명자들은, 이러한 특징이 빠른 소성, 장력 제어, 기류 제어, 및 여기서 기재된 기타 기술에 기인하는 것으로 믿는다.
도 92를 참조하면, 물품은, 리튬-함유 세라믹, 구체적으로는, 아크릴 바인더에서 12 mil ("mil"은 인치의 천분의 1)로 캐스팅되고, 전-술된 기술로 1050℃에서 소결된, 10.7 wt% Li2CO3 유래의 "과잉" 리튬을 갖는 소결된 Li5.39La3Zr1.7W0.3Ga0.5Ox를 포함한다. 도 92에서 이미지는, 연마되지 않지만, 폐쇄 다공도 및 "풀-아웃 (pull-out)" 결정립을 나타낸다. 본 발명자들은, 본 개시의 소결 시스템이, 밀봉된 도가니에서 "필"의 전통적인 소결과 비교한 경우, 소결된 리튬-함유 세라믹 (가넷)에서 더 작은 결정립을 결과할 수 있음을 관찰했다. 예를 들어, 본 개시의 리튬-함유 가넷의 몇몇 물품은, 5㎛ 이하, 예컨대 3㎛ 이하의 결정립 크기를 갖는다. "결정립 크기"에 대해, 본 발명자들은, 기본 선형 절편법 (basic linear intercept method), 섹션 12, 13 및 19 뿐만 아니라 Equation A2.9를 사용하는, Paragraph A2.3.1을 사용하는, ASTM E-112-13 "Standard Test Methods for Determining Average Grain Size"을 지칭하고, 평균 결정립 크기는 결정립 형상의 구형 추정에 대해 1.5배의 평균 절편 길이이다. 더 작은 결정립 크기는, 여기서 개시된 코어의 직경에 대해 파단 없이 롤링될 수 있는, 더 고강도 테이프 또는 기타 물품을 산출할 수 있다. 그러한 의미에서, 리튬-함유 세라믹의 테이프 또는 기타 물품은, 예컨대, 더 큰 결정립으로 출발하여 또는 소결 시간을 증가시켜, 더 큰 결정립 크기를 갖는 여기서 개시된 기술을 사용하여 생산될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 본 개시의 리튬-함유 가넷 물품 (예를 들어, 시트, 테이프)은, 예를 들어, 도 93에 나타낸 바와 같이, 예컨대, 애노드 및/또는 캐소드를 통해, 리튬-함유 가넷 물품에 연결된 (예를 들어, 결합된, 오버레이된) 전기-전도성 금속 집전체와 함께, 예컨대, 애노드와 캐소드 사이에 위치된, 전해질로서 고체 리튬 배터리와 같은 전자 장치에 통합될 수 있다. 패키징 부품과 같은, 다른 전자 장치에서, 금속 층은, 위에서 개시된 바와 같은 세라믹 물품과, 직접 접촉하여, 직접 결합될 수 있다. 고려된 구체 예들에서, 애노드 및/또는 캐소드는, 그린 테이프로서 테이프 캐스팅될 수 있고, 전해질과 함께 동시-소성될 수 있으며, 이는 애노드 및/또는 캐소드와의 전해질 계면(들)을 향상시켜 전자장치의 성능을 개선할 수 있다. 따라서, 여기서 개시된 바와 같은 물품은, 예를 들어, 그린 테이프로부터 소결되고, 서로 직접 접촉하고 오버레이하며, 얇은 동시-소성된 테이프로서, 위에서 기재된 바와 같이 소성된, 여기서 개시된 바와 같은 둘 이상의 다른 무기 물질의 각 층에 대해 전술된 두께 (예를 들어, 층에 대해 100㎛ 이하)를 갖는, 층을 포함 할 수 있다. 전자장치에서 리튬-함유 가넷은, 폐쇄 기공, (위에서 개시된 바와 같은) 약간의 결함, 적거나 또는 없는 핀 홀, (위에서 개시된 바와 같은) 이온 전도도, 및/또는 (위에서 개시된 바와 같은) 작은 결정립 크기를 갖는다.
도 94 및 95에 참조하면, 리튬-함유에 대한 두 개의 대표 소성 사이클을 나타낸다. 이러한 온도 대 시간 프로파일은, 현재 개시된 소결 시스템을 통하여, 여기서 개시된 바와 같은, 물품을 이동하는 속도에 의해, 및 이러한 가열을 제공하기 위해 시스템 내의 가열 존을 제어하여 실행될 수 있다. 선택적으로, 더 짧은 길이의 물품은, 여기서 개시된 바와 같이 가열로의 내로 또는 밖으로 이동될 수 있고, 예를 들어, 이러한 가열로 내에서 정지상으로 유지되어 소결 시간을 제어할 수 있다. 도 93 및 94에 나타낸 바와 같이, 소결 시간 (즉, 소결을 유도하는 온도에서 시간)은, 사이클 당 2000초 미만과 같이, 상대적으로 짧다. 몇몇 구체 예에서, 동일한 물품은, 다수의 사이클에서, 예컨대, 제1 수준의 장력 및 제1 피크 온도에서의 제1 사이클, 및 그 다음, 다른 장력, 온도, 및/또는 시간 사이클의 제2 사이클에서, 소결될 수 있으며, 이는 소결 동안 수축으로 인한 물품의 뒤틀림을 제어하는데 도움을 줄 수 있다.
본 발명자들은, 그린 물질에서 "과잉"의 휘발성 성분 (예를 들어, 리튬)의 사용이 그 결과로 생긴 세라믹 테이프를 크게 개선한다는 것을 확인했다. 예를 들어, 과잉의 리튬 없이, 기화로 인해 가넷에서 손실된 리튬은, La2Zr2O7 "피로클로르 (pyrochlore)"와 같은, 제2 상 물질을 결과할 수 있으며, 이는 절연체로 작용할 수 있고, 소결을 방해할 수 있다. 따라서, 피로클로르를 갖는 세라믹은, 높은 다공성이고, 기계적으로 약하며, 및/또는 열악한 전도도를 갖는 물질을 결과할 수 있다. 다르게 말하면, 본 발명자들은, 입방 상, 소결 범위 및 밀도 (다공도의 역수), 강도, 및 이온 전도도 모두가, 예컨대, 리튬 손실로부터, 피로클로르 상이 증가함에 따라, 감소하는 것으로 믿는다.
도 96 및 97은, 도 94에 나타낸 바와 같은, 3분 소결 시간, 또는 도 95에 나타낸 바와 같은, 15분 소결 시간으로, 사전-반응된 ("PR") 또는 아닌, 전술된 바와 같이, 과잉의 리튬 공급원으로서 10.7wt% Li2CO3를 갖는 Li5.39La3Zr1.7W0.3Ga0.5Ox에 대한 입방 가넷의 중량 퍼센트 및 이온 전도도 (도 96)를 나타낸다. 도 96에서 개방 점은 보간된다 (interpolated). 도 96에서 각각의 예는, 5Х10-5 S/㎝ 초과의 이온 전도도를 갖고, 몇몇은 2Х10-4 S/㎝ 초과, 예컨대 3Х10-4 S/㎝ 초과의 이온 전도도를 갖는다. 놀랍게도, 더 짧은 소결 시간은, 일반적으로 더 높은 이온 전도도를 결과하고, 이는 생산 효율의 측면에서 상승효과가 있을 수 있다. 도 97을 참조하면, 각각의 예는, 90 wt% 초과의 입방 가넷, 예컨대 93 wt% 초과의 입방 가넷을 갖고, 몇몇은 95 wt% 초과의 입방 가넷을 갖는다. 비교하면, 아크릴 바인더에서 6mil로 캐스팅되고, 1030℃에서 소결된, 6.7 wt% Li2CO3 과잉 리튬 공급원을 갖는 Li6.1La3Zr2Al0.3O12은, 33wt% 입방 및 3.84Х10-6 S /㎝ 전도도를 결과한다.
다른 실시 예에서, 11.98wt% Li2CO3를 갖는 Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12은, 테이프 캐스트의 슬립에서 첨가되고, 10 mil 블레이드로 캐스팅되며, 아르곤 분위기에서 번 오프된 바인더를 갖고, 그 다음 공기 중에서 15분 또는 8분 동안 여기서 개시된 기술을 사용하여 소결된다. 도 85a 및 85b는, 11.98 wt% Li2CO3를 갖는 Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12의 그린 테이프를 나타내며, 여기서, 소성되지 않은 평균 입자 크기 (D50)는 약 0.60 micrometers이고, 테이프 두께는 약 85 내지 88 micrometers이며, 상기 슬립은 약 18 부피% 고형체이다. 도 98 및 99는, 약 1200℃에서 15분 소결 후 상응하는 소결된 테이프의 현미경 사진을 나타낸다. 도 98 및 99의 소결된 테이프는, 약 37 내지 38% 수축에 기인하여 두께가 약 54 micrometers이다. 도 99에 알 수 있는 바와 같이, 테이프는, 핀 홀이 없지만 약간의 폐쇄 기공을 포함한다. 도 100a 및 100b는, 도 98 및 99의 소결된 테이프의 제1 주 표면의 현미경 사진을 나타내고, 도 101a 및 101b는 제2 주 표면을 나타낸다. 상기 표면은 과립 프로파일을 갖는다. 결정립 크기는, 약 10 micrometers 정도로 큰 몇몇 결정립을 갖는, 평균으로, 약 1 내지 5 micrometers이다. 이온 전도도는, 표준 복합 임피던스 분석을 사용하여 3.83Х10-4 S/㎝인 것으로 측정된다. 상 정량화 (Phase quantification)는, 96 wt% 입방 가넷을 나타낸다. 8분 동안 소결된 유사한 샘플의 경우, 약 100 중량% 입방 가넷을 나타낸다. 대신에 6.7% 과잉의 Li2CO3가 첨가되고, 1150℃에서 3분 동안 소결된, 또 다른 Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 샘플에서, 전도도는 약 1.18Х10-4 S/㎝이다. 몇몇 리튬-함유 세라믹은, 본 발명자가 소결된 물품을 강화시킬 수 있는 것으로 믿는, 소결된 물품에서 실리카가 되는 그린 테이프에 첨가된 실리콘, 예컨대, 10.7 wt% Li2CO3와 함께 MAA에 첨가되고, 3분 동안 1050℃에서 소결된 2 wt% M97E Silicone (SILRES®)을 포함하여, 2.38Х10-4 S/㎝ 전도도를 결과한다. 3분 동안 1100℃에서 소결된 경우, 동일한 물질 조합은, 2.59Х10-4 S/㎝ 전도도를 갖는다. 또 다른 실시 예에서, 7 wt%의 LiOH 과잉 리튬 공급원은, MAA에 첨가되고, 3분 동안 1200℃에서 소결되어, 1.97Х10-4 S/㎝ 전도도를 결과한다.
상기에서 나타낸 바와 같이, 본 기술 (예를 들어, 바인더 번-오프, 다중-가열 존 및 기류 제어를 갖는 소결 스테이션, 장력 제어, 등)은, 여기서 개시된 구조물, 기하학적 구조, 및 특성/속성을 갖는 그린 물질 (테이프 또는 기타 물품), 예컨대, 무기 물질의 입자를 지지하는 유기 바인더 (예를 들어, 폴리비닐 부티랄, 디부틸 프탈레이트, 폴리알킬 카보네이트, 아크릴 중합체, 폴리에스테르, 실리콘, 등)를 포함할 수 있는 그린 물질, 예컨대, 롤-대-롤 제작을 위한 얇은 테이프 또는 리본 구조로 별도의 공정이 어려울 수 있는 다결정 세라믹, 합성 광물, 점성 유리, 또는 기타 물질 (예를 들어, 금속, 덜 점성의 유리)를 소결하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 무기 물질은, 지르코니아 (예를 들어, 이트리아-안정화된 지르코니아, 니켈-이트리아 안정화된 지르코니아 서멧, NiO/YSZ), 알루미나, 스피넬 (예를 들어, MgAl2O4, 아연 페라이트, NiZn 스피넬 페라이트, 또는 입방체로 결정화될 수 있고, 및 A2+B2 3+O4 2-의 제형을 포함하는 기타 광물, 여기서 A 및 B는 양이온이고, 및 마그네슘, 아연, 알루미늄, 크롬, 티타늄, 실리콘일 수 있고, 및 산소는, 티오스피넬과 같은, 칼코게나이드를 제외한 음이온임), 가넷과 같은 실리케이트 광물 (예를 들어, 식 X3Z2(TO4)3의, 리튬 가넷 또는 리튬-함유 가넷, 여기서 X는 Ca, Fe, 등이고, Z는 Al, Cr, 등이며, T는 Si, As, V, Fe, Al임), 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (LLZO), 코디어라이트, 뮬라이트, 페로브스카이트 (예를 들어, 다공성 페로브스카이트-구조 세라믹), 피로염화물, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 소듐 비스무트 티타네이트, 바륨 티타네이트 (예를 들어, 도프된 바륨 티타네이트), 마그네슘 티타늄 산화물, 바륨 네오디뮴 티타네이트, 티타늄 디보라이드, 실리콘 알루미나 니트라이드, 질화 알루미늄, 질화규소, 알루미늄 옥시니트라이드, 반응성 세라믹화 유리-세라믹 (유리 프릿과 반응물 분말(들) 사이의 인시튜 반응을 포함하는, 화학 반응 및 실투의 조합에 의해 형성된 유리 세라믹), 실리카, 도프된 실리카, 페라이트 (예를 들어, NiCuZnFeO 페라이트, BaCO 페라이트), 리튬 망가네이트를 포함하는, 리튬-함유 세라믹, 리튬 산화물, 전술된 바와 같이 점성의 유리, 예컨대, 고-용융 온도 유리, 표준 분위기 압력에서 1000℃ 초과 Tg를 갖는 유리, 고순도 용융 실리카, 적어도 99 부피%의 SiO2 함량을 갖는 실리카, 과립 프로파일을 포함하는 실리카, 테이프의 폭을 가로질러 연장되는 파동 또는 줄무늬의 반복 패턴이 없는 실리카 테이프, 황화철, 압전 세라믹, 칼륨 니오베이트, 탄화규소, 사파이어, 이트리아, 서멧, 스테아타이트, 포스테라이트, 리튬-함유 세라믹 (예를 들어, 감마-LiAlO2), 전이 금속 산화물 (예를 들어, 또한 스피넬, 페라이트일 수 있는, 리튬 망가나이트), 상기 전술된 바와 같은 휘발성 성분을 갖는 물질 (예를 들어, 리튬 망가나이트 (다시)), 납 산화물, 가넷, 알칼리-함유 물질, 소듐 산화물, 유리-세라믹 입자 (예를 들어, LAS 리튬 알루미노실리케이트), 및 여기서 개시된 또는 개시되지 않은 기타 무기 물질를 포함한다.
고려된 구체 예에서, 콜로이달 실리카, 알루미나, 지르코니아, 및 이의 수화물과 같은, 무기 바인더는, 예컨대, 테이프를 강화시키기 위해, 여기서 개시된 바와 같은 유기 바인더를 대신해서 또는 조합하여 사용될 수 있다. 본 발명자들은 더 강한 테이프가, 더 넓은 공정 공간에 대한 접근성 및 안정성 측면에서, 소결 공정을 더 강력하게, 예컨대, 더 큰 장력을 만드는 것을 확인했다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 사용된 바와 같은 그린 물질 (예를 들어, 그린 테이프)은, 무기 바인더를 포함한다. 예를 들어, 테이프 물질의 공급원은, 그린 테이프 및 상기 그린 테이프를 지지하는 캐리어 웨브를 포함할 수 있고, 상기 그린 테이프는 유기 바인더에 무기 바인더 및 무기 물질의 결정립을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 무기 바인더와 같은, 무기 입자는, D50 입자 크기에서 약 5㎚ 내지 약 100 micrometer의 입자를 포함한다.
고려된 구체 예에서, 여기서 개시된 세라믹과 같은, 물질은, 20 부피% 초과, 예컨대 50% 초과, 예컨대 70% 초과인, 고도의 다공도를 갖도록 소성될 수 있고, 및/또는 이러한 물질은 그 다음 중합체 필러로 채워질 수 있다. 여기서 개시된 바와 같이, 부분적으로 소결된 무기 물질의 사용은, 부분적으로 소결된 무기 물질이 중합체 필러가 연화되는 고온에서 복합물의 형상을 유지하는 강성 골격으로서 역할할 수 있기 때문에 복합물에서 성긴 무기 물질보다 이점을 가질 수 있다. 따라서, 몇몇 구체 예는, 부분적으로 소결된 세라믹의, 상기에서 개시된 치수를 갖는 복합 테이프를 포함하고, 여기서 (적어도 일부, 대부분, 거의 모든) 입자는, 서로 소결된 세라믹이며 및/또는 여기서 세라믹의 기공은 중합체 필러로 적어도 부분적으로, 대부분, 또는 완전히 채워진다.
전술한 바와 같이, 몇몇 구체 예에서, 다른 무기 물질들, 예컨대, 다른 무기 물질들의 개별 층들 (예를 들어, 고체 배터리의 애노드 + 전해질), 또는 기타 배열에서, 예컨대, 동시-소성된 둘 이상의 무기 물질들의 고르게 분포된 혼합물은, 여기에 개시된 기술을 사용하여 동시-소성될 수 있어, 예컨대, 그 결과로 생긴 물품의 열팽창, 강도, 또는 기타 특성에 영향을 미친다. 몇몇 구체 예에서, 유리 및 세라믹은 동시-소결될 수 있고, 예컨대, 여기서, 유리 상은 세라믹의 입자와 혼합된다. 예를 들어, 도 102는, 테이프가 가열로 내에서 벽/바닥과 직접 접촉하지 않고 소결되게 하는 에어 베어링을 포함하는 소결 스테이션을 사용하여 1000℃에서 소결된 저-온 동시-소결된 세라믹 테이프 (유리 및 알루미나)를 나타낸다.
본 개시의 몇몇 구체 예는, 예컨대, 물품의 하나 이상의 주 표면 상에, 과립 프로파일 및 상기 과립 프로파일의 거칠기를 감소시키기 위해 과립 프로파일을 오버레잉하는 층 (또는 코팅)을 갖는, 예컨대 무기 물질의, 예컨대, 세라믹의, 예컨대, 알루미나 또는 지르코니아의, 물품 (예를 들어, 시트, 테이프 또는 리본)을 포함한다. 상기 층은 스핀 코팅, 슬롯 딥 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 또는 기타 공정을 통해 액체 형태로 적용될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 상기 층은, 유리와 같은, 비결정질 및 무기질일 수 있거나 또는 열적 어닐링 또는 경화시 고체 유리로 전환될 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 층은, 예컨대, 약간의 인, 붕소, 탄소, 질소 또는 기타 성분과 함께, 대부분 실리콘 및 산소이다. 상기 층은 또한 Ti, Hf, 및/또는 Al의 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 층은, 바인더 번아웃 및 소결과 동일한 제조 라인의 일부로서 적용 및 경화될 수 있고, 그 결과로 생긴 물품 (예를 들어, 테이프)은 롤링될 수 있고, 롤링된 경우 층을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 층은 850℃ 이상의 온도에서 어닐링되고, 560㎚ 미만과 같은, micrometer 미만의 양의 두께와 같이, 매우 얇다. 몇몇 구체 예에서, 상기 층의 거칠기는, 과립 프로파일의 절반 미만, 예컨대 3분의 1 미만이다. 몇몇 구체 예에서, 상기 층의 거칠기는, 단일 축을 따라 1㎝의 거리에 걸쳐 약 5㎚ 평균 거칠기 (Ra 또는 Rq)와 같은, 15㎚ 미만이다.
이트륨-안정화된 지르코니아 및 알루미나 물품은, 30Х30㎜ 사각형으로 레이저 절단되고, 스핀-온-유리 (spin-on-glass), 스핀 코팅 기술로 코팅된다. 순수한 실리카 용액 (Desert Silicon NDG 시리즈)은, 저농도 도핑된 (1021 atoms/㎤) 인-도핑 실리카 용액 (Desert Silicon P-210)과 함께 시험된다. 상기 용액은 액체 형태로 적용되고, 경화시 응고된다. 최종 어닐링은 유리 필름을 치밀화시킨다. 상기 용액은, 스핀 코팅을 사용하여 적용된다. 샘플은, 그 다음, 150℃ 내지 200℃ 온도의 고온 플레이트 또는 170℃ 내지 250℃ 온도의 진공 오븐에서 경화된다. 초기 경화 후, 샘플은 850℃ 내지 1000℃ 온도의 질소 분위기에서 어닐링된다. 1-인치 정사각형 실리콘 조각은, 광학 엘립소미터 (optical ellipsometer)를 사용하여 유리 필름 두께를 정확하게 측정하는데 사용된, "증거물" 샘플 ("witness" samples)을 제공하기 위해 세라믹 조각과 병행으로 가공된다.
일 실시 예에서, 40㎛ 두께의 알루미나 시트는, 133rpm/초 가속으로, 60초 동안 1500rpm으로, 회전시켜 인-도핑된 실리카 (Desert Silicon P210)로 코팅되어, 일 측면 상에 약 320㎚ 두께, 15.3㎚ Ra, 12.1㎚ Rq, 130㎚ Zmax의 코팅 및 다른 측면 상에 25.9㎚ Ra, 20㎚ Rq, 및 197㎚ Zmax의 코팅을 결과하고, 여기서 코팅된 층은, 850℃에서 가열로 어닐링 후, 균열이 없는, 우수한 필름 품질을 갖는다. 다른 실시 예에서, 40㎛ 두께의 알루미나 시트는, 133rpm/초 가속으로, 60초 동안 1500rpm으로, 회전시켜 비-도핑된 실리카 (Desert Silicon NDG-2000)로 코팅되어, 일 측면 상에 약 444㎚ 두께, 11㎚ Ra, 8.8㎚ Rq, 79.4㎚ Zmax의 코팅 및 다른 측면 상에 22.6㎚ Ra, 17㎚ Rq 및 175㎚ Zmax의 코팅을 결과하고, 여기서, 코팅된 층은, 850℃에서 가열로 어닐링 후, 균열이 없는, 우수한 필름 품질을 갖는다. 대조적으로, 또 다른 실시 예에서, 40㎛ 두께의 알루미나 시트는, 399rpm/초 가속으로, 60초 동안 4000 rpm으로 회전시켜, 비-도핑된 실리카 (Desert Silicon P210)로 코팅되어, 일 일면 상에 약 946㎚ 두께, 5.1㎚ Ra, 6.5㎚ Rq, 48㎚ Zmax의 코팅 및, 다른 측면 상에 10.8㎚ Ra, 14㎚ Rq, 89㎚ Zmax의 코팅을 결과하고, 여기서, 코팅된 층은 850℃에서 열처리로 어닐링 후 현저한 크랙킹을 갖는다.
일 실시 예에서, 40㎛ 두께의 이트리아-안정화된 지르코니아 시트는, 1995rpm/초 가속으로 60초 동안 2000rpm으로 회전시켜, 비-도핑된 실리카 (Desert Silicon NDG-2000)로 코팅되어, 일 측면 상에 약 258㎚ 두께, 5.9㎚ Ra, 4.7㎚ Rq, 92㎚ Zmax의 코팅을 결과하고, 여기서 코팅된 층은, 1000℃에서 60분 동안 가열로 어닐링 후, 균열이 없는, 우수한 필름 품질을 갖는다. 또 다른 예에서, 40㎛ 두께의 이트리아-안정화된 지르코니아 시트는, 133rpm/초의 가속으로 60초 동안 1500rpm에서 60초 동안 회전시켜, 인-도핑된 실리카 (Desert Silicon P210)로 코팅되어, 일 측면 상에 약 320㎚ 두께, 8.9㎚ Ra, 11.7㎚ Rq, 135㎚ Zmax의 코팅을 결과하고, 다시 여기서, 코팅된 층은 850℃에서 30분 동안 가열로 어닐링 후, 균열이 없는, 우수한 필름 품질을 갖는다. 대조적으로, 또 다른 실시 예에서, 40㎛ 두께의 이트리아-안정화된 지르코니아 시트는, 133 rpm/초의 가속으로, 60초 동안 1500rpm으로 회전시켜, 비-도핑된 실리카 (Desert Silicon P210)로 코팅되어, 일 측면 상에 약 444㎚ 두께, 7.7㎚ Ra, 9.5㎚ Rq, 75㎚ Zmax의 코팅에서 결과하고, 여기서 코팅된 층은, 850℃에서 가열로 어닐링 후 약간의 크래킹을 갖는다. 샘플의 표면 모폴로지는, 10 micron 시계에서 Atomic-Force-Microscopy을 사용하여 측정된다. 도 103은, 예를 들어, 순수한 실리카 (Desert Silicon NDG-2000) 코팅된 이트리아-안정화된 지르코니아의 전자 현미경 이미지를 나타낸다. 실리카 층은 약 250㎚의 두께이다. 이러한 층은, 테이프의 유전체 특성을 개선할 수 있고, 및/또는 기저 물질로/로부터 불순물의 전달을 방지하기 위한 배리어 층 (barrier layer)으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 층은, 여기서 개시된 바와 같은, LEDs, 또는 다른 전자장치 및 패키징과 함께 사용될 수 있거나, 및/또는 여기서 개시된 바와 같이, 소결 테이프에 적용될 수 있고, 및 테이프의 롤로서 롤링될 수 있다. 다른 고려된 구체 예에서, 상기 층은 또 다른 무기 물질, 또는 예컨대, 다른 용도를 위한, 중합체 물질일 수 있다.
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본 개시의 관점은, (1) 제1 주 표면, (2) 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 및 (3) 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에서 연장되는 몸체를 포함하는 소결된 물품에 관한 것으로, 여기서, 상기 몸체는 소결된 무기 물질을 포함하고, 여기서, 상기 몸체는 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 가지며, 여기서, 상기 폭은 약 5㎜ 이고, 상기 두께는 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위이며, 및 상기 길이는 약 300㎝ 이상이다. 이러한 소결된 물품은, 무기 물질이 약 1㎜ 미만의 주 계면 치수를 갖는 계면을 포함하는 정도일 수 있고, 여기서, 상기 계면은 화학적 불균일성 및 결정 구조 불균일성 중 하나 또는 둘 모두를 포함하며, 선택적으로, 여기서, 상기 무기 물질은, 세라믹 물질 또는 유리 세라믹 물질를 포함하고, 및/또는 여기서, 무기 물질는, 압전 물질, 열전 물질, 초전 물질, 가변 저항 물질, 또는 광전 물질 중 어느 하나를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 무기 물질은, 지르코니아, 알루미나, 스피넬, 가넷, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (LLZO), 코디어라이트, 멀라이트, 페로브스카이트, 피로클로어, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 나트륨 비스무스 티타네이트, 바륨 티타네이트, 티타늄 디보라이드, 실리콘 알루미나 질화물, 알루미늄 옥시니트라이드, 또는 반응성 세라믹화 유리-세라믹 중 하나를 포함한다. 상기 소결된 물품들 중 임의의 하나에서, 상기 소결된 물품은, 조성물의 적어도 하나의 성분이, 면적을 가로질러, 약 3 중량% 미만으로 변하는 조성을 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함할 수 있고; 및/또는 여기서, 상기 소결된 물품은, 면적을 가로질러, 약 5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상을 갖는 결정질 구조를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하며; 및/또는 여기서, 상기 소결된 물품은 약 20% 미만으로 변하는 다공도를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하고; 및/또는 여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 결정립 사이에 경계에서 각각의 표면의 오목부에 대해 25㎚ 내지 150㎛의 범위에서 높이를 갖는 결정립을 포함하는 과립 프로파일을 가지며; 및/또는 여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 길이 또는 폭을 따라 1 centimeters의 거리에 걸쳐 100㎚ 내지 50㎛의 범위에서 평탄도를 갖고; 및/또는 여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 5㎛을 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터 100개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하며, 예컨대, 선택적으로, 여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 다른 표면은, 5㎛를 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터의 표면 결함을 포함하고; 및/또는 상기 폭 치수를 따라 줄무늬 프로파일을 더욱 포함하며, 여기에서, 상기 두께는 약 0.9t 내지 약 1.1t의 범위 내이며, 예컨대, 여기서, 상기 줄무늬 프로파일은 폭을 따라 2 이상의 파동을 포함하고, 및/또는 여기서, 상기 줄무늬 프로파일은 폭을 따라 20 미만의 파동을 포함한다.
본 개시의 관점은, (1) 제1 주 표면, (2) 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 및 (3) 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에서 연장되고, 소결된 무기 물질을 포함하는 몸체를 포함하는 소결된 물품에 관한 것으로, 상기 몸체는 여기서, 상기 몸체는 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭, 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 가지며, 여기서, 상기 소결된 물품의 (적어도) 일부는 평평해질 수 있다. 몇몇 이러한 소결된 물품에서, 상기 물품은, 평평해진 경우, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내며; 및/또는 상기 물품은, 평평해진 경우, 물품의 영률의 1% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타낸다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 물품이 약 80㎛의 두께 및 0.03m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내거나; 또는 물품이 약 40㎛의 두께 및 0.015m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내거나; 또는 물품이 약 20㎛의 두께 및 0.0075m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타낸다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 폭은, 약 5㎜ 이상이고, 두께는 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위이며, 및 길이는 약 300㎝ 이상이고, 및/또는 평평해질 수 있는 소결된 물품의 일부는, 약 10㎝의 길이를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 길이 또는 폭을 따라 1 centimeters의 거리에 걸쳐 100㎚ 내지 50㎛의 범에서 평탄도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 무기 물질은 세라믹 물질 또는 유리 세라믹 물질을 포함하고; 상기 무기 물질은, 압전 물질, 열전 물질, 초전 물질, 가변 저항 물질, 또는 광전 물질 중 임의의 하나를 포함하며; 및/또는 상기 무기 물질은, 지르코니아, 알루미나, 스피넬, 가넷, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (LLZO), 코디어라이트, 멀라이트, 페로브스카이트, 피로클로어, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 나트륨 비스무스 티타네이트, 바륨 티타네이트, 티타늄 디보라이드, 실리콘 알루미나 질화물, 알루미늄 옥시니트라이드, 또는 반응성 세라믹화 유리-세라믹 중 하나를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품은, 조성물 중 적어도 하나의 성분이, 면적을 가로질러, 약 3 중량% 미만으로 변하는 조성을 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하고; 및/또는 상기 소결된 물품은, 면적을 가로질러, 약 5 퍼센트 포인트 이하로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상을 갖는 결정질 구조를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하며; 및/또는 상기 소결된 물품은, 면적을 가로질러, 약 20% 미만으로 변하는 다공도를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하고; 및/또는 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 결정립 사이에 경계에서 각각의 표면의 오목부에 대해 25㎚ 내지 150㎛의 범위에서 높이를 갖는 결정립을 포함하는 과립 프로파일을 가지며; 및/또는 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 길이 또는 폭을 따라 1 centimeters의 거리에 걸쳐 100㎚ 내지 50㎛의 범위에서 평탄도를 갖고; 및/또는 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 둘 모두는, 5㎛을 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터 100개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하며, 예컨대, 선택적으로, 여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 다른 표면은, 5㎛를 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터의 표면 결함을 포함하고; 및/또는 상기 소결된 물품은, 상기 폭 치수를 따라 줄무늬 프로파일을 더욱 포함하며, 여기서, 상기 두께는 약 0.9t 내지 약 1.1t의 범위이며, 예컨대, 여기서, 상기 줄무늬 프로파일은 폭을 따라 2 이상의 파동을 포함하고; 및/또는 상기 물품은, 새들 형상을 포함하며; 및/또는 상기 물품은, 길이를 따라 오목한 형상을 갖는 C-형상을 포함한다.
본 개시의 관점은, (1) 직경이 60㎝ 미만인 코어 및 (2) 상기 코어를 돌아서 권취된 연속 소결된 물품을 포함하는 롤링된 소결 물품에 관한 것으로, 상기 연속 소결된 물품은, (2a) 제1 주 표면, (2b) 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, (2c) 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에서 연장되고, 소결된 무기 물질을 포함하는 몸체를 포함하며, 여기서, 상기 몸체는, 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 갖고, 여기서, 상기 폭은 약 5㎜ 이상이며, 상기 두께는 약 3㎛ 내지 약 1㎜의 범위이고, 및 상기 길이는 약 30㎝ 이상이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 연속 소결된 물품은, 중간층 지지 물질 상에 배치되고, 상기 연속 소결된 물품 및 중간층 지지 물질은, 상기 연속 소결된 물품의 각각의 연속적인 랩이 중간층 지지 물질에 의해 서로 분리되도록, 코어를 돌아서 권취되며, 예컨대, 여기서, 상기 중간층 지지 물질은, 제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 중간층 두께 (t), 상기 중간층 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 중간층 폭, 및 상기 중간층 지지 물질의 중간층 두께 및 중간층 폭 모두에 직교하는 상기 제1 또는 제2 주 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 중간층 길이를 포함하고, 및 여기서, 상기 중간층 두께는 소결된 물품의 두께를 초과하며, 및/또는 상기 중간층은, 로드 셀에 의해 측정된 것으로, 연속 소결된 물품에 대한 장력을 초과하는 장력을 포함하고, 및/또는 여기서, 롤링된 물품은, 실질적으로 일정한 직경 및 측벽 폭을 포함하며, 및/또는 여기서, 코어는, 원주 및 상기 원주를 따라 코어 중심선을 포함하고, 여기서, 상기 연속 소결된 물품은, 길이의 방향을 따라 물품 중심선을 포함하며, 및 여기서, 상기 코어 중심선과 물품 중심선 사이의 거리는, 연속 소결된 물품의 길이를 따라, 2.5㎜ 이하이고, 및/또는 여기서, 상기 중간층 지지 물질은 호환성이며, 및/또는 여기서, 상기 중간층 폭은, 연속 소결된 물품의 폭을 초과하고, 및/또는 여기서, 상기 중간층 지지 물질은, 중합체 및 종이 중 임의의 하나 또는 모두를 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 중합체는 발포 중합체를 포함하고, 예컨대, 여기서, 상기 발포 중합체는 폐쇄 셀이다.
본 개시의 관점은, (1) 제1 주 표면, (2) 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면, 및 (3) 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되고, 소결된 물기 물질을 포함하는 몸체를 각각 포함하는 다수의 소결된 물품에 관한 것으로, 여기서, 상기 몸체는, 상기 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 폭 모두에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 가지며, 및 여기서, 상기 다수의 소결된 물품의 각각은 평평해질 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 각 물품은, 평평해진 경우, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내며; 및/또는 각 물품은, 평평해진 경우, 물품의 영률의 1% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타낸다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 각 물품이 약 80㎛의 두께 및 0.03m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내고; 및/또는 각 물품이 약 40㎛의 두께 및 0.015m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타내며; 및/또는 물품이 약 20㎛의 두께 및 0.0075m를 초과하는 굽힘 반경을 갖는 경우, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (박판 밴드 굽힘 방정식에 의해 측정된 바와 같은, 응력의 절대 값)을 나타낸다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 다수의 소결된 물품의 두께는 약 0.7t 내지 약 1.3t의 범위이고, 및/또는 상기 소결된 물품의 적어도 50%는, 면적 및 조성물을 포함하고, 여기서, 상기 조성물의 적어도 하나의 성분은, 상기 면적을 가로질러, 약 3 중량% 미만으로 변하고; 및/또는 상기 소결된 물품의 적어도 50%는, 면적, 및 상기 면적을 가로질러 약 5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상을 갖는 결정질 구조를 포함하며; 및/또는 상기 소결된 물품의 적어도 50%는, 면적, 및 상기 면적을 가로질러 약 20% 미만으로 변하는 다공도를 포함한다.
본 개시의 관점은, 2개의 물질을 분리하기 위한 분리 시스템에 관한 것으로, 여기서, 상기 분리 시스템은, 그린 테이프 물질 및 상기 그린 테이프 물질을 지지하는 캐리어 웨브를 포함하는 연속 테이프 물질의 공급원; 상기 연속 테이프 물질의 공급원에 근접하게 위치되며, 상기 공급원으로부터 필러로 연속 물질을 수용하고, 전달하도록 구성된 진공 드럼으로서, 여기서, 상기 진공 드럼은, 상기 연속 롤이 필러로 전달됨에 따라, 그린 테이프 물질에 가해진 장력을 초과하는, 상기 캐리어 웨브에 상기 분리 시스템에 의한 장력을 가하는 것을 용이하게 하는 다수의 진공 홀을 포함하는, 진공 드럼; 및 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 상기 그린 테이프 물질을 향하게 하는 필러를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 연속 테이프 물질의 공급원은, 스풀 또는 벨트를 포함하고, 상기 스풀 또는 벨트는, 그 위에 권취된 연속 물질을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 되감기 및 다운스트림 공정 방향들은, 그 사이에 약 90도를 초과하는 각도를 형성한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 분리 시스템은,(그린 테이프 자체의 중량 배제하고) 그린 테이프 물질에 본질적으로 어떠한 장력도 가하지 않는다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 캐리어 웨브에 가해진 장력은, 그린 테이프 물질에 가해진 장력을 2배 초과한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 필러는, 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하기 전에, 상기 캐리어 웨브를 그린 테이프 물질로부터 분리시키는 팁을 포함한다. 이러한 구체 예들 중 적어도 몇몇에서, 상기 필러는, 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하는 것과 동시에, 상기 캐리어 웨브를 그린 테이프 물질로부터 분리시키는 팁을 포함하며, 여기서, 상기 팁은 약 0.05 inch 이하의 반경을 포함할 수 있다. 이러한 구체 예의 적어도 몇몇에서, 상기 분리 시스템은, 그린 테이프 물질을 소결시키기 위한 가열로, 캐리어 웨브를 스풀링하기 위한 업테이크 릴, 및/또는 상기 캐리어 웨브에 대한 장력을 유지하는 로드 콘트롤러를 더욱 포함한다.
본 개시의 다른 관점은, 2개의 물질을 분리하기 위한 분리 시스템을 포함하고, 상기 분리 시스템은, 캐리어 웨브 상에 배치된 그린 테이프 물질을 포함하는 연속 테이프 물질의 공급원을 포함하며, 상기 캐리어 웨브는, 제1 장력; 상기 연속 물질을 필러로 전달하는 경우, 상기 제1 장력을 초과하는 제2 장력을 캐리어 웨브에 가하도록 구성된 상기 공급원에 근접하게 위치된 인장 아이솔레이터; 및 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 상기 그린 테이프 물질을 향하게 하는 필러를 포함한다. 이러한 구체 예의 적어도 몇몇 (상기 구체 예 중 임의의 하나 이상)에서, 상기 공급원은, 연속 물질을 포함하는 스풀 또는 벨트를 포함한다. 이러한 구체 예의 적어도 몇몇에서, 상기 되감기 방향과 다운스트림 공정 방향은 약 90도를 초과하는 각도를 형성한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 제2 장력은, 폭의 선형 inch 당 약 2.5 파운드 이하이다. 이러한 구체 예들 중 적어도 몇몇에서, 제1 장력은, 제2 장력의 약 50% 이하이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 필러는, 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하기 전에, 상기 캐리어 테이프를 그린 테이프 물질로부터 분리시키는 팁; 및/또는 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하는 것과 동시에, 상기 캐리어 웨브를 그린 테이프 물질로부터 분리시키는 팁을 포함하며, 여기서, 이러한 구체 예들 중 어느 하나 또는 양자 모두에서, 팁은 약 0.05 inch 이하의 반경을 포함하지 않는다. 이러한 구체 예들 중 적어도 몇몇에서, 상기 인장 아이솔레이터는, 제2 장력을 캐리어 웨브에 가하는 다수의 진공 홀을 포함하는 진공 드럼을 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 분리 시스템은, 그린 테이프 물질을 소결시키기 위한 가열로, 캐리어 웨브를 스풀링하기 위한 업테이크 릴, 및/또는 상기 캐리어 웨브에 대한 장력을 유지하기 위한 로드 콘트롤러를 더욱 포함한다.
본 개시의 관점은, 2개의 물질을 분리시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 반드시 다음의 순서는 아니지만, (1) 캐리어 웨브 상에 배치된 그린 테이프 물질을 포함하는 연속 물질을 인장 아이솔레이터에 공급하는 단계, (2) 상기 인장 아이솔레이터로 그린 테이프 물질에 가해진 장력을 초과하는 장력을 캐리어 웨브에 적용하는 단계, 및 (3) 상기 캐리어 웨브가 되감기 방향으로 이동하도록 향하게 하는 단계 및 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 방향으로 상기 그린 테이프 물질을 향하게 하는 단계를 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 상기 그린 테이프 물질을 향하게 하기 전에, 상기 그린 테이프 물질로부터 상기 캐리어 웨브를 분리시키는 단계, 및/또는 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 그린 테이프 물질을 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 향하게 하는 것과 동시에, 상기 그린 테이프 물질로부터 캐리어 웨브를 분리시키는 단계를 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 되감기 방향과 다운스트림 공정 방향은 약 90도를 초과하는 각도를 형성한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 상기 그린 테이프 물질에 가해진 장력보다 적어도 2배 큰 장력이 캐리어 웨브에 적용되는 경우와 같이, 상기 그린 테이프 물질에 본질적으로 어떠한 장력도 적용하지 않는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 그린 테이프 물질을 적어도 부분적으로 소결시키는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 상기 캐리어 웨브를 업테이크 릴 상으로 스풀링하는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 상기 캐리어 웨브 상에 장력을 유지하는 단계를 더욱 포함한다.
본 개시의 관점은, 2개의 연속 물질을 분리시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 반드시 다음의 순서는 아니지만, (1) 캐리어 웨브 상에 지지된 그린 테이프를 포함하는 연속 테이프 물질을 인장 아이솔레이터에 공급하는 단계 및 상기 캐리어 웨브에 제1 장력을 적용하는 단계; (2) 상기 제1 장력을 초과하는 제2 장력을 캐리어 웨브에 적용하는 단계; 및 (3) 상기 캐리어 웨브가 되감기 방향으로 이동하도록 향하게 하는 단계 및 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 상기 그린 테이프 물질을 향하게 하는 단계를 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하기 전에, 상기 그린 테이프 물질로부터 캐리어 웨브를 분리시키는 단계, 및/또는 상기 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 상기 그린 테이프 물질을 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프 물질을 향하게 하는 것과 동시에, 상기 그린 테이프 물질로부터 캐리어 웨브를 분리시키는 단계를 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 되감기 방향과 다운스트림 공정 방향은, 약 90도를 초과하는 각도를 형성한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 본질적으로 어떠한 장력도 적용하지 않는 (즉, 여기에 개시된 바와 같이 매우 적은) 제1 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 제2 장력은, 폭의 선형 inch 당 약 2.5 파운드 이하이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 제1 장력은 제2 장력의 약 50% 이하이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 방법은, 상기 그린 테이프 물질을 적어도 부분적으로 소결시키는 단계, 상기 캐리어 웨브를 업테이크 릴 상으로 스풀링하는 단계, 및/또는 상기 캐리어 웨브에 대한 장력을 유지하는 단계를 더욱 포함한다.
본 개시의 관점은, 롤-대-롤 테이프 소결 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는 소정의 길이의 테이프 물질의 투입 롤로서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질이 제1 다공도를 갖는, 투입 롤; (2) 입구 (2a), 출구 (2b), 상기 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널 (2c), 및 상기 채널을 500℃를 초과하는 온도로 가열하는 히터 (2d)를 포함하는 소결 스테이션으로서, 여기서, 상기 소결 스테이션의 출구, 입구 및 채널은, 실질적으로 수평면 상에 놓여서, 수평면에 대한 출구와 입구 사이에 형성된 각도가 10도 미만이고, 및 상기 테이프 물질은 투입 롤로부터, 소결 스테이션의 입구로, 소결 스테이션의 채널을 통해, 그리고 소결 스테이션의 출구 밖으로 통과하며, 상기 채널 내에 열은 테이프 물질의 무기 물질을 소결시키는, 소결 스테이션; 및 (3) 상기 소결 스테이션에서 나간 후에 소정의 길이의 테이프 물질을 권취하는 업테이크 롤로서, 여기서, 상기 업테이크 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질은, 제1 다공도보다 작은 제2 다공도를 갖는, 업테이크 롤을 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 수평면에 대한 출구와 입구 사이에 형성된 각도는 1도 미만이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질은, 5mm를 초과하는 폭 및 10m를 초과하는 길이를 갖는다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질은, 3 microns 내지 1 millimeters의 두께를 갖는다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프 물질은, 분당 6 inch를 초과하는 고속으로 소결 스테이션을 통해 이동한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질은, 무기 물질의 결정립을 지지하는 유기 바인더 물질을 포함하고, 상기 시스템은, 투입 롤과 소결 스테이션 사이에 위치된 (4) 바인더 제거 스테이션을 더욱 포함하며, 상기 바인더 제거 스테이션은, (4a) 입구, (4b) 출구, (4c) 상기 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널, 및 (4d) 상기 채널을 200℃ 내지 500℃의 온도로 가열하는 히터를 포함하며, 여기서, 상기 바인더 스테이션의 출구, 상기 바인더 스테이션의 입구, 및 상기 바인더 스테이션의 채널은, 실질적으로 수평면 상에 놓여서, 수평면에 대한 상기 바인더 스테이션의 출구와 상기 바인더 스테이션의 입구 사이에 형성된 각도가 10도 미만이고, 여기서, 상기 바인더 스테이션의 채널은, 상기 소결 스테이션의 채널과 정렬되어, 상기 테이프 물질이, 상기 투입 롤로부터, 상기 바인더 제거 스테이션의 입구로, 상기 바인더 제거 스테이션의 채널을 통해, 그리고 상기 바인더 제거 스테이션의 출구 밖으로 통과하여, 상기 소결 스테이션의 입구로 실질적으로 수평 방향으로 이동하고, 여기서, 상기 바인더 제거 스테이션의 채널 내에 열은, 상기 테이프 물질이 상기 소결 스테이션에 진입하기 전에 유기 바인더 물질의 적어도 일부를 화학적으로 변화 및/또는 제거시킨다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 소결 스테이션의 히터는, 적어도 2개의 독립적으로 제어되는 가열 소자를 포함하고, 상기 가열 소자는, 상기 입구로부터 출구를 향한 방향으로 채널을 따라 증가하는, 상기 소결 스테이션의 채널의 길이를 따라 온도 프로파일을 발생시키며; 여기서, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 온도 프로파일은, 소결 동안에 테이프 물질의 에지에서의 응력이 에지 응력 임계값 아래로 유지되고, 소결 동안에 테이프 물질의 중심선에서의 응력이 중심선 응력 임계값 아래로 유지되도록, 형상화되고, 여기서, 상기 에지 응력 임계값 및 상기 중심선 응력 임계값은, 테이프 물질이, 에지 및 중심선 각각에서, 1㎜를 초과하는 면외 변형을 겪는 응력으로 정의되며, 예컨대, 여기서, 에지 응력 임계값은 300 MPa 미만이고, 상기 중심선 응력 임계값은 100 MPa 미만이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 소결 스테이션의 채널은, 길이가 적어도 1m이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 소결 스테이션은, (2d-i) 상기 소결 스테이션의 입구로부터 제1 소결 가열로의 출구 개구로 연장되는 소결 스테이션 채널의 제1 부분을 한정하는 제1 소결 가열로, (2d-ii) 제2 소결 가열로의 입구 개구로부터 상기 소결 스테이션의 출구로 연장되는 소결 스테이션 채널의 제2 부분을 한정하는 제2 소결 가열로, 및 (2e) 상기 제1 소결 가열로와 제2 소결 가열로 사이에 위치된 장력 제어 시스템을 포함하고, 상기 장력 제어 시스템은, 제1 및 제2 소결 가열로 사이에 장력을 분리하는 것을 돕으며, 여기서, 상기 제2 소결 가열로 내에 상기 테이프 물질의 장력은, 상기 제1 소결 가열로에서 상기 테이프 물질 내에 장력을 초과한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 소결 스테이션은, (2f) 상기 채널의 하부 표면을 한정하는 상향 채널 표면 및 (2g) 상기 채널의 상부 표면을 한정하는 하향 채널 표면을 포함하고, 여기서, 상기 테이프 물질의 하부 표면은, 테이프 물질이 소결 스테이션의 입구에서 출구로 이동함에 따라, 상향 표면과 접촉하고, 슬라이딩하며, 여기서, 상기 하향 채널 표면은, 테이프 물질의 상부 표면과 하향 채널 표면 사이에 갭이 0.5 inch 미만이 되도록, 테이프 물질의 상부 표면에 가깝게 위치되고, 여기서, 상기 상향 채널 표면의 적어도 일부는, 상기 상향 채널 표면의 일부가 수평면에 대해 3도 미만의 각도를 형성하도록, 상기 소결 스테이션의 입구와 출구 사이에 방향에서 실질적으로 수평으로 측정된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나이다.
본 개시의 관점은, (1) 업스트림 면 (upstream face) 및 다운스트림 면을 갖는 하우징, (2) 상기 업스트림 면에 형성된 입구 개구, 및 (3) 상기 다운스트림 면에 한정된 출구 개구, (4) 상기 입구 개구와 출구 개구 사이에 위치된 상향 표면, (5) 상기 입구 개구와 출구 개구 사이에 위치한 하향 평평한 표면, (6) 상기 입구 개구와 출구 개구 사이에서 연장되고, 상기 상향 표면과 하향 표면 사이에 한정된, 가열 채널, (7) 상기 입구 개구 내로, 상기 가열 채널을 통해, 그리고 상기 출구 개구 밖으로 연장되는 연속 길이의 테이프로서, 상기 연속 길이의 테이프는: (7a) 무기 물질의 결정립들, (7b) 상기 입구 개구와 출구 개구 사이에 전체 거리를 가열 채널을 통해 연장되는 좌측 에지, (7c) 상기 입구 개구와 출구 개구 사이에 전체 거리를 가열 채널을 통해 연장되는 우측 에지, 및 (7d) 상기 좌측 에지와 우측 에지 사이에 위치되고, 평행한 중심선을 포함하는, 연속 길이의 테이프; 및 (8) 상기 가열 채널의 길이를 따라 온도 프로파일을 발생하는 가열 채널에 열을 전달하는 다수의 독립적으로 제어되는 가열 소자를 포함하는 제조 가열로 (manufacturing furnace )를 포함하고, 상기 온도 프로파일은, 테이프가 가열 채널을 통해 이동함에 따라, 상기 테이프의 무기 물질의 수축을 일으키기에 충분한 500℃를 초과하는 온도를 가지며; 여기서, 상기 온도 프로파일은, 좌측 및 우측 에지에서 수축 동안에 테이프 내에 응력이 가열 채널의 전체 길이를 따라 에지 응력 임계값 아래로 유지되거나, 또는 중심선에서 측정된 테이프 물질 내에 응력이 가열 채널의 전체 길이를 따라 중심선 응력 임계값 아래로 유지되도록, 가열 채널의 길이의 적어도 일부를 따라 점진적으로 증가한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 에지 응력 임계값은, 100 MPa 미만이고, 상기 중심선 응력 임계값은 100 MPa 미만이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 연속 길이의 테이프는, 5mm를 초과하는 평균 폭을 갖는다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 입구 개구 및 출구 개구는, 상향 표면을 따라 위치된 직선이 수평면에 대하여 10도 미만의 각도를 형성하도록, 수직 방향으로 서로 정렬된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 연속 길이의 테이프는, 입구에서 출구의 방향으로 이동하고, 상기 테이프의 하부 표면은 상향 표면에 대해 이동하며, 예컨대, 여기서, 상기 테이프의 하부 표면은 상향 표면에 대해 접촉하고 슬라이딩한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 온도 프로파일은, 제1 평균 기울기를 갖는 제1 섹션, 제2 평균 기울기를 갖는 제2 섹션 및 제3 평균 기울기를 갖는 제3 섹션을 포함하고, 여기서, 상기 제1 평균 기울기는 제2 평균 기울기를 초과하고, 및 여기서, 상기 제1 및 제2 평균 기울기는 양의 기울기이며, 상기 제3 평균 기울기는 음의 기울기이고, 예컨대, 여기서, 상기 제1, 제2 및 제3 섹션은, 서로 및 숫자 순서로, 및 상기 온도 프로파일의 대부분 또는 전부에서 바로 인접하는데; 예를 들어, 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 제2 섹션은 500℃를 초과하는 최소 온도 및 3200℃ 미만의 최대 온도를 가지며, 적어도 50 inch의 길이에 걸쳐 최소 온도로부터 최대 온도로 연장된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 가열 채널은, 이의 길이를 따른 단면에서, 상향 표면과 하향 표면 사이에 최대 수직 거리가 1 inch 미만이 되도록 좁다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 가열 채널은, 적어도 제1 가열 섹션 및 제2 가열 섹션으로 구분되며, 여기서, 장력 제어 시스템은, 제1 가열 섹션과 제2 가열 섹션 사이에 위치되며, 여기서, 상기 장력 제어 시스템은, 제2 가열 섹션 내에 테이프 물질의 장력이 제1 가열 섹션의 테이프 물질 내에 장력을 초과하도록, 테이프에서 장력을 적어도 부분적으로 분리시킨다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나이다.
본 개시의 관점은, 소결된 테이프 물질의 스풀을 형성하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정은, 반드시 다음의 순서는 아니지만, (1) 투입 릴로부터 무기 물질의 결정립 및 5㎜를 초과하는 폭을 포함하는 테이프의 풀림 단계, (2) 가열 스테이션을 통해 풀린 길이의 테이프를 이동시키는 단계, (3) 상기 가열 스테이션 내에서 테이프를 500℃ 이상의 온도로 가열하여 테이프의 무기 물질이 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라 소결되는, 가열 단계, 및 (4) 상기 가열 및 소결 후에 상기 테이프를 업테이크 릴 상에서 권취하는 단계를 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프 물질은, 가열 동안 실질적으로 수평의 위치에서 유지된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 투입 릴 상에 테이프 물질은, 무기 물질의 결정립을 지지하는 유기 바인더 물질을 더욱 포함하며, 상기 공정은, 상기 테이프 물질을 500℃ 초과의 온도로 가열하는 단계 전에 바인더를 제거하기 위해, 상기 테이프 물질을 200℃ 내지 500℃의 온도로 가열하는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프 물질의 폭은 10㎜를 초과하고, 상기 테이프 물질의 길이는 10m를 초과한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프 물질은, 분당 적어도 6 inch의 속도로 풀려진다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나이다.
본 개시의 관점은 제조 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은, 제조 시스템을 통해 전진하고, 유기 바인더에 의해 결합된 무기 물질의 결정립들을 갖는 제1 부분을 포함하는 테이프; 및 상기 테이프의 제1 부분을 수신하고, 상기 테이프의 제1 부분으로부터 유기 바인더를 화학적으로 변화 및/또는 유기 바인더를 제거하여, 무기 물질의 결정립을 남겨서, 테이프의 제2 부분을 형성하고, 이에 의해 소결용 테이프를 적어도 부분적으로 준비하는, 소결용 테이프를 준비하는 제조 시스템의 스테이션을 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 동시에 테이프가 제2 부분에 연속적으로 연결된 제1 부분을 포함하도록, 동시에, 테이프는 스테이션으로, 스테이션을 통하여, 및 스테이션으로부터 일제히 연장된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 스테이션은, 무기 물질의 결정립을 실질적으로 소결시키지 않고, 테이프의 제1 부분으로부터, 중량의 측면에서, 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 연소시킨다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 스테이션은, 테이프가 테이프의 제2 부분을 형성하기 위해 스테이션과 결합 작동함에 따라, 테이프의 제1 부분으로부터 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 연소시키기 위한 액티브 히터를 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 액티브 히터는 다른 온도의 가열 존을 포함하고, 예컨대, 여기서, 테이프가 스테이션을 통해 전진함에 따라, 테이프에 의해 수신되는 열 에너지의 비율은 증가한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 스테이션은 제1 스테이션이고, 상기 제조 시스템은 제2 스테이션을 더욱 포함하며, 여기서, 상기 제2 스테이션은, 테이프의 제3 부분을 형성하기 위해 테이프의 제2 부분의 무기 물질을 적어도 부분적으로 소결시키고, 예컨대 여기서, 동시에, 테이프는 제2 부분을 거쳐 제3 부분에 연속적으로 연결된 제1 부분을 포함하며, 및/또는 예컨대 여기서, 상기 제1 스테이션은, 제2 스테이션에 가까워 제1 스테이션과 제2 스테이션 사이에 거리가 10m 미만이어서, 이에 의해 테이프의 제2 부분의 열 충격을 완화시킨다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프의 제2 부분은 테이프가 전진함에 따라 양의 세로의 장력하에 있고, 예컨대 여기서, 상기 테이프의 제2 부분의 세로의 장력은 ㎟의 단면 당 500 그램-힘 미만이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 제조 시스템은, 테이프가 스테이션을 통해 전진함에 따라, 테이프 위로 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내며, 예컨대 여기서, 상기 스테이션은, 테이프 위로 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내지 않고, 유기 바인더가 점화되는 온도 이상으로 테이프를 가열하고, 이에 의해 상기 유기 바인더를 태우거나 연소시키지만, 테이프는 착화되지 않으며, 및/또는 예컨대 여기서, 테이프가 스테이션을 통해 전진함에 따라, 테이프 위로 불어 넣고 및/또는 뽑아내는 가스의 흐름은, 적어도 테이프의 제2 부분 위에서 층류가 된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프는 스테이션을 통해 수평으로 전진하고, 몇몇 이러한 구체 예에서, 테이프는, 가스 베어링 및/또는 기저 표면에 의해 직접 지지되고, 테이프가 스테이션을 통해 전진함에 따라, 그 표면에 대해 이동한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프의 제1 부분은, 제1 부분의 파단이 없는 최소 굽힘 반경이 제2 부분의 최소 굽힘 반경의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하다.
본 기술의 관점은, 소결용 그린 테이프를 제조하기 위한 가열로에 관한 것으로, 상기 가열로는, 주입구 및 통로의 대향 단부 상에 배출구 개구를 갖는 통로를 한정하는 벽을 포함하고, 여기서, 상기 통로는 적어도 5㎝의 주입구와 배출구 개구 사이에 길이를 가지며, 여기서, 상기 배출구 개구는, 높이 및 상기 높이에 직교하는 폭을 갖고, 좁고 길며, 여기서, 상기 높이는 폭의 5분의 1 미만이고, 여기서 상기 높이는 2㎝ 미만이며; 및 상기 가열로는, 상기 통로에 열 에너지를 능동적으로 제공하는 히터를 더욱 포함하고, 여기서, 상기 히터는 적어도 200℃의 온도에 도달한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 가열로는, 통로를 통해 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내는 가스 발동기를 더욱 포함하며, 예컨대 여기서, 상기 가스 발동기는 통로를 통해 분당 적어도 1 리터의 가스를 전달한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 통로는, 전술한 바와 같이, 수평적으로 배향된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 히터는, 주입구로부터 배출구를 향해 거리를 갖는 통로를 따라 온도를 증가시키는 가열 존을 포함한다.
본 기술의 관점은, 테이프를 가공하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: (1) 제조 시스템을 통해, 유기 바인더에 의해 결합된 무기 물질의 결정립을 갖는 제1 부분을 포함하는 테이프를 전진시키는 단계; 및 (2) 상기 테이프의 제1 부분으로부터 유기 바인더를 화학적으로 변화시켜 및/또는 유기 바인더를 제거시켜 제조 시스템의 스테이션에서 테이프의 제2 부분을 형성하여, 무기 물질의 결정립을 남기는, 소결용 테이프의 준비 단계를 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 동시에, 테이프가 제2 부분에 연속적으로 연결된 제1 부분을 포함하도록, 동시에 테이프는, 스테이션으로, 스테이션을 통하여, 스테이션으로부터 연장된다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 소결용 테이프를 준비하는 단계는, 무기 물질의 결정립을 (실질적으로) 소결시키지 않고, 테이프의 제1 부분으로부터 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 또는 연소시키는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프의 제1 부분은, 제1 부분의 파단이 없는 최소 굽힘 반경이 제2 부분의 최소 굽힘 반경의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 제조 시스템의 스테이션은 제1 스테이션이고, 상기 가공 방법은, 제2 스테이션에서 테이프의 제2 부분을 수신하는 단계, 및 상기 제2 스테이션에서 테이프의 제2 부분의 무기 물질을 적어도 부분적으로 소결시켜 테이프의 제3 부분을 형성하는, 소결 단계를 더욱 포함하며, 예컨대, 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 동시에, 상기 테이프는 제2 부분을 거쳐 제3 부분에 연속적으로 연결된 제1 부분을 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 공정은, 테이프가 전진함에 따라, 테이프의 제2 부분을 양으로 장력 조정하는 단계를 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 양으로 장력 조정하는 단계는, 테이프의 제2 부분의 세로의 장력이 ㎟의 단면당 500 그램-힘 미만인 정도이다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 공정은, 테이프가 스테이션을 통해 전진함에 따라, 상기 테이프 위로 가스를 불어 넣고 및/또는 뽑아내는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 테이프를 전진시키는 단계는, 스테이션을 통해 테이프를 수평적으로 전진시키는 단계를 더욱 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 공정은, 가스 베어링 및/또는 기저 표면에 의해 테이프를 직접 지지하는 단계 및 상기 테이프를 그 표면에 대해 이동시키는 단계를 더욱 포함한다.
본 개시의 관점은: 기판; 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되는 몸체를 포함하는 소결된 물품, 여기서, 상기 몸체는 소결된 무기 물질, 상기 제1 주 표면과 상기 제2 주 표면 사이에 거리로서 정의되는 두께 (t), 상기 두께에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께 및 상기 폭 모두에 직교하는 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나의 제2 치수로서 정의되는 길이를 포함함; 및 상기 기판에 직접 또는 간접적으로 결합된 소결된 물품;을 포함하는 패키지에 관한 것이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 몸체 폭은 약 5㎜ 이상이고, 상기 몸체 두께는 약 3㎛ 내지 약 1mm의 범위이며, 상기 몸체 길이는 약 300㎝ 이상이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품이, 평평하게된 경우, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (얇은 판 굽힘의 굽힘 방정식에 의해 측정된 것으로, 응력의 절대 값)를 나타내는 경우와 같이, 및/또는 소결된 물품이, 평평하게된 경우, 물품의 영률의 1% 이하의 최대 면내 응력 (얇은 판 굽힘의 굽힘 방정식에 의해 측정된 것으로, 응력의 절대 값)를 나타내는 경우와 같이, 소결된 물품의 일부는, 평평해질 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 소결된 물품은 약 80㎛의 두께 및 0.03m를 초과하는 굽힘 반경을 가지며, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (얇은 판 굽힘의 굽힘 방정식에 의해 측정된 것으로, 응력의 절대 값)를 나타내거나; 또는 상기 소결된 물품은 약 40㎛의 두께 및 0.015m를 초과하는 굽힘 반경을 가지며, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (얇은 판 굽힘의 굽힘 방정식에 의해 측정된 것으로, 응력의 절대 값)를 나타내거나; 또는 상기 소결된 물품은 약 20㎛의 두께 및 0.0075m를 초과하는 굽힘 반경을 가지며, 상기 물품은, 물품의 (2-점 굽힘 강도로 측정된 바와 같은) 굽힘 강도의 25% 이하의 최대 면내 응력 (얇은 판 굽힘의 굽힘 방정식에 의해 측정된 것으로, 응력의 절대 값)를 나타낸다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 평평해질 수 있는 소결된 물품의 일부는, 약 10cm의 길이를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두는, 길이 또는 폭을 따라 1 centimeters의 거리에 걸쳐 100 nanometers 내지 50 micrometers의 범위에서 평탄도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 무기 물질은, 약 1㎜ 미만의 주 계면 치수를 갖는 계면을 포함하고, 여기서, 상기 계면은 화학적 불균일성 및 결정 구조 불균일성 중 하나 또는 모두를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 소결된 무기 물질은 세라믹 물질 또는 유리 세라믹 물질을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 무기 물질은 압전 물질, 열전 물질, 초전 물질, 가변 저항 물질, 또는 광전 물질 중 어느 하나를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 무기 물질은, 지르코니아, 알루미나, 이트륨 안정화된 지르코니아 (YSZ), 스피넬, 가넷, 리튬 란탄 지르코늄 옥사이드 (LLZO), 코디어라이트, 멀라이트, 페로브스카이트, 피로클로어, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 나트륨 비스무트 티타네이트, 바륨 티타네이트, 티타늄 이붕화물, 실리콘 알루미나 질화물, 알루미늄 옥시니트라이드, 또는 반응성 세라믹화 유리-세라믹을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품은, 조성물을 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함하고, 여기서, 조성물의 적어도 하나의 성분은 면적을 가로질러 약 3 중량% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품은, 그 면적을 가로질러, 약 5 퍼센트 포인트 미만으로 변하는 중량 퍼센트를 갖는 적어도 하나의 상 (phase)을 갖는 결정질 구조를 갖는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품은, 다공도가 약 20% 미만으로 변하는 길이를 따라 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주요 표면 중 하나 또는 모두는, 결정립들 사이에 경계에서 각각의 표면의 오목부분에 대해 25㎚ 내지 150㎛의 범위에서 높이를 갖는 결정립을 포함하는 과립 프로파일을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두는, 길이 또는 폭을 따라 1 centimeters의 거리에 걸쳐 100㎚ 내지 50㎛의 범위에서 평탄도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두는, 5㎛을 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터 100개 미만의 표면 결함을 갖는 적어도 10 제곱 센티미터의 면적을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 다른 하나는, 소결 동안 가열로의 표면을 따라 슬라이딩에 기인하는 것과 같은, 5㎛을 초과하는 치수를 갖는 접착 또는 마모로부터의 표면 결함을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 전기-전도성 금속을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 알루미늄, 구리, 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 호환성 중합체 물질을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 폴리이미드를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판에 직접 또는 간접적으로 결합된 소결된 물품은, 코어 주위로 적어도 1회 롤링되고, 상기 코어는 60㎝ 미만의 직경을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 패키지는, 소결된 물품 및 기판을 연결하는 중간층을 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 중간층은 40㎛ 미만의 두께를 갖고 및/또는 상기 기판은 중간층과 접촉하는 홈을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 패키지는, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두의 적어도 일부 상에 금속-계 층을 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 금속-계 층은, 구리, 니켈, 금, 은, 황동, 납, 주석, 또는 이들의 조합을 포함하고, 및/또는 상기 금속-계 층 및 기판은, 소결된 물품의 같은 주 표면에 결합되며, 및/또는 상기 금속-계 층은 기판 내에 구멍 (aperture)을 통해 소결된 물품에 결합된다. 몇몇 구체 예에서, 패키지는, 상기 금속-계 층에 전기적으로 연결된 반도체 장치를 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 반도체 장치 상에 LED로부터 발산하는 광은, 소결된 물품의 몸체 두께를 통해 전도되고, 및/또는 상기 소결된 물품은, 8 W/m·K를 초과하는 열전도도를 갖는다.
본 개시의 부가적인 관점은, 방금 기재된 패키지의 일부 또는 전부를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 기판을 소결된 물품의 제1 또는 제2 주 표면에 직접 또는 간접적으로 접합시키는 단계를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 호환성 중합체 물질을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 기판은 전기-전도성 금속을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 방법은, 기판 및 소결된 물품 중 하나 또는 모두에 전구물질 중간층을 적용하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 전구물질 중간층은, 기판과 소결된 물품을 접합시킨다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 방법은, 기판을 소결된 물품으로부터 분리하기 위해 순간 접착제를 열적으로 비활성화시키는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 방법은, 소결된 물품의 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 하나 또는 모두의 적어도 일부 상에 금속-계 층을 결합시키는 단계를 더욱 포함하며, 상기 방법은 반도체 장치를 금속-계 층에 전기적으로 연결시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 개시의 관점은, 소결된 테이프 물질을 형성하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는, 테이프를 가열 스테이션을 향해 이동시키는 단계, (2) 상기 테이프의 리딩 섹션에 스레딩 물질의 제1 섹션을 연결시키는 단계; (3) 상기 가열 스테이션 외부에 위치된 스레딩 물질의 제2 섹션에 힘을 가하여 가열 스테이션을 통해 스레딩 물질의 제1 섹션 및 테이프의 리딩 섹션 모두를 잡아 당기는 단계, 및 (4) 상기 테이프의 무기 물질이 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라 소결되도록 500℃ 초과의 온도로 가열 스테이션 내에 테이프의 적어도 일부를 가열하는 단계를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 가열 스테이션은 입구 및 출구를 가지며, 상기 공정은, 스레딩 물질의 제1 섹션이 입구로부터 업스트림에 위치되고, 스레딩 물질의 제2 섹션이 출구로부터 다운스트림에 위치되며, 스레딩 물질이 가열 스테이션을 통해 연장되도록, 스레딩 물질을 위치 결정하는 단계를 더욱 포함하고, 여기서, 상기 연결 단계는 위치 결정 단계 후에 발생한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 스레딩 물질은, 테이프의 무기 물질과 다른 물질의 가늘고 긴 스트립 (elongate strip)이고, 예컨대, 여기서, 테이프의 무기 물질과 스레딩 물질 사이에 차이는, 다른 물질 타입 및 다른 소결도 (degree of sintering) 중 적어도 하나이고, 및/또는 여기서, 테이프의 리딩 섹션은, 테이프의 하부 표면이 스레딩 물질의 상부 표면과 접촉하도록, 스레딩 물질의 제1 섹션을 오버랩시킨다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 연결 단계는 접착 물질을 통해 스레드 물질을 테이프에 결합시키는 단계를 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 스레딩 물질의 열팽창계수는, 테이프의 무기 물질의 열팽창계수의 ±50% 이내 및 상기 접착 물질의 열팽창계수의 ±50% 이내이고, 및/또는 여기서, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나이며, 여기서, 상기 접착 물질은 세라믹 함유 접착 물질이고, 여기서, 상기 스레딩 물질은 소결된 세라믹 물질 및 금속 물질 중 적어도 하나이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프를 가열 스테이션을 향해 이동시키는 단계는 투입 릴로부터 테이프를 풀는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 스레딩 물질의 제2 섹션은 업테이크 릴에 연결되고, 힘은 업테이크 릴의 회전에 의해 발생된다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 공정은, 투입 릴로부터의 풀림 단계 후에 가열 스테이션을 통해 테이프를 계속 이동시켜 소정의 길이의 소결된 무기 물질의 테이프를 형성하는, 이동 단계; 및 상기 테이프를 가열 및 소결 후에 업테이크 릴에 또 다른 권취하는 단계를 더욱 포함하고, 예컨대, 여기서, 상기 테이프는 가열 동안 실질적으로 수평 위치에서 유지되며, 예컨대, 여기서, 상기 투입 릴 상에 테이프는 무기 물질의 결정립을 지지하는 유기 바인더 물질을 더욱 포함하고, 및 상기 공정은, 상기 테이프를 500℃ 초과의 온도로 가열하는 단계 전에, 상기 테이프를 200℃ 내지 500℃의 온도로 가열하여 상기 바인더 물질을 제거하는, 가열 단계를 더욱 포함한다.
본 개시의 관점은, 소결된 테이프 물질의 스풀을 형성하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는, 테이프를 투입 릴로부터의 풀림 단계; (2) 스레딩 물질의 제1 섹션이 가열 스테이션의 입구 밖으로 연장되도록, 가열 스테이션의 출구로부터 가열 스테이션의 입구를 향하는 방향으로 가열 스테이션의 채널을 통해 스레딩 물질을 이동시키는 단계; (3) 상기 스레딩 물질의 제1 섹션을 테이프에 연결시키는 단계; (4) 상기 스레딩 물질의 제2 섹션을 상기 가열 스테이션의 출구로부터 다운스트림에 위치된 업테이크 릴에 연결시키는 단계; (5) 상기 업테이크 릴을 회전시켜 장력이 상기 업테이크 릴에 의해 스레딩 물질에 적용되고, 차례로 테이프에 가해져, 상기 가열 스테이션을 통해 테이프를 잡아 당기는, 업테이크 릴을 회전시키는 단계; (6) 상기 테이프의 무기 물질이 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라 소결되도록, 500℃ 초과의 온도로 가열 스테이션에서 테이프의 적어도 일부를 가열하는 단계; 및 (7) 상기 테이프를 가열 및 소결 후에 업테이크 릴 상에 권취하는 단계를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, (i) 상기 테이프의 무기 물질과 스레딩 물질은 서로 다르고, 및/또는 (ii) 스레딩 물질의 소결도는, 투입 릴 상에 테이프의 무기 물질의 소결도를 초과한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프의 리딩 섹션은, 상기 테이프의 하부 표면이 스레딩 물질의 상부 표면과 접촉하도록, 스레딩 물질의 제1 섹션을 오버랩하고, 및 상기 연결 단계는 스레딩 물질을 접착 물질을 통해 테이프에 결합시키는 단계를 포함한다.
본 기술의 관점은, 롤-대-롤 테이프 소결 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는 소정의 길이의 테이프 물질의 투입 롤로서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질이 제1 다공도를 갖는, 투입 롤; (2) 입구 (2a); 출구 (2b); 상기 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널 (2c); 및 상기 채널을 500℃를 초과하는 온도로 가열하는 히터 (2d)를 포함하는 소결 스테이션으로서, 여기서, 상기 테이프 물질은 투입 롤로부터 소결 스테이션의 입구로 향해 연장되며, 여기서, 상기 채널 내에 열은 테이프 물질의 무기 물질의 소결을 일으키는, 소결 스테이션; (3) 상기 소결 스테이션에서 나간 후에 소정의 길이의 테이프 물질을 권취하는 업테이크 롤; 및 (4) 상기 출구를 통해, 그리고 상기 소결 스테이션의 입구 밖으로 연장되는 소저의 길이의 스레딩 물질을 포함하며, 여기서, 상기 스레드 물질의 제1 단부 섹션은, 상기 소결 스테이션의 진입 전에 상기 테이프 물질의 리딩 섹션에 연결되고, 상기 스레드 물질의 제2 단부 섹션은, 업테이크 롤의 권취에 의해 스레딩 물질에 인가된 장력이 상기 테이프 물질에 가해지도록 상기 업테이크 롤을 둘러싸고 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, (i) 테이프 물질의 무기 물질과 스레딩 물질은 서로 다르고, 및/또는 (ii) 스레딩 물질의 소결도는, 투입 롤 상에 테이프의 무기 물질의 소결도를 초과한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프 물질의 리딩 섹션은, 스레딩 물질의 제1 섹션을 오버랩하여, 상기 테이프 물질의 하부 표면이 스레딩 물질의 상부 표면과 접촉하고, 상기 스레딩 물질이 접착 물질에 의해 형성된 결합을 통해 테이프 물질에 연결되며, 예컨대, 여기서, 상기 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나이고, 여기서, 상기 접착 물질은 세라믹 접착 물질이며, 상기 스레딩 물질은, 소결된 세라믹 물질 및 금속 물질 중 적어도 하나이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 소결 스테이션의 출구, 입구 및 채널은, 수평면에 대한 출구와 입구 사이에 형성된 각도가 10도 미만이도록, 실질적으로 수평면에 놓여 있다.
본 개시의 관점은, 소결된 테이프 물질을 형성하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는, 테이프를 투입 릴로부터의 풀림 단계, 여기서, 상기 투입 릴 상에 테이프는 1 microns 내지 1 millimeter의 평균 두께를 가짐; (2) 상기 테이프가 0.01m 내지 13,000m의 곡률 반경을 통해 굽혀지도록, 풀어진 길이의 테이프를 가열 스테이션을 통해 제1 만곡부를 갖는 경로를 따라 이동시키는 단계; (3) 상기 풀어진 길이의 테이프가 곡률 반경을 통해 굽혀지면서, 가열 스테이션 내에서 테이프를 500℃ 초과의 온도로 가열하는 단계, 여기서, 테이프의 무기 물질은 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라 소결됨; 및 (4) 상기 테이프를 가열 및 소결 후에 테이크-업 릴 상에 권취하는 단계를 포함한다. 고려된 구체 예에서, 이러한 공정은 더 광범위할 수 있으며, 풀림 및/또는 권취 단계를 포함하지 않을 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 가열 스테이션은, 가열 스테이션의 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널을 한정하는 하부 표면 및 상부 표면을 포함하고, 여기서, 상기 하부 표면은 입구와 출구 사이에 종방향으로 연장되는 볼록 곡면을 포함하며, 여기서, 상기 볼록 곡면은 경로의 제1 만곡부를 한정한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 상부 표면은, 채널의 높이가 채널의 길이의 적어도 일부를 따라 일정하게 유지되도록, 하부 표면의 볼록 곡면과 부합하는 오목 곡면을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 볼록 곡면은 가스 베어링의 상부 표면이고, 상기 가스 베어링은 가압 가스를 채널에 전달하여, 테이프가 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라, 볼록 곡면 위의 테이프를 지지한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 볼록 곡면은, 입구와 출구 사이에 전체 종방향 길이를 연장하는 연속 곡면이고, 여기서, 상기 볼록 곡면의 최대 수직 높이 (rise)는 1㎜ 내지 10㎝이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 가열 스테이션을 통과하는 경로는, 0.01m 내지 13,000m의 곡률 반경을 갖는 제2 만곡부를 가지며, 여기서, 테이프는 가열 스테이션 내에서 500℃ 초과의 온도로 가열되면서, 풀어진 길이의 테이프는 제2 만곡부의 곡률 반경을 통해 굽혀지는데, 예컨대, 여기서, 테이프는, 테이프가 제1 만곡부를 횡단할 때, 제1 온도로 가열되고, 테이프가 제2 만곡부를 횡단할 때, 제1 온도와는 다른 제 2 온도로 가열된다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 경로의 제1 만곡부는 자유 루프 세그먼트 (free loop segment)에 의해 한정되고, 여기서, 테이프는 한 쌍의 지지체들 사이에서 중력하에 매달려, 테이프에서 곡률 반경을 형성한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 가열 스테이션은, 경로의 제1 만곡부를 한정하는 그 안에 위치된 볼록 곡면을 가지며, 상기 공정은, 테이프가 볼록 곡면과 일치하게 굽혀지도록 테이프에 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 볼록 곡면은 맨드렐 (mandrel) 및 롤러 중 적어도 하나의 외부 표면이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프는, 분당 1 inch 내지 100 inchs의 테이프 길이의 속도로 가열 스테이션을 통해 이동된다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 장력은 종방향으로 테이프에 가해지고, 여기서, 테이프는 폭을 가지며, 장력은 테이프의 폭의 선형 inch 당 적어도 0.1 그램-힘이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 무기 물질 중 적어도 하나이다.
본 개시의 관점은 소결된 테이프 물질을 형성하기 위한 공정에 관한 것으로, 상기 공정은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는, 연속 길이의 테이프의 제1 부분이 가열 스테이션의 입구로부터 업스트림에 위치되고, 상기 연속 길이의 테이프의 제2 부분이 가열 스테이션의 출구로부터 다운스트림에 위치되며, 및 상기 연속 길이의 테이프의 제3 부분이 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 위치되도록, 가열 스테이션을 통해 연속 길이의 테이프를 이동시키는 단계, (2) 상기 가열 스테이션 내에서 연속 길이의 테이프의 제3 부분을 500℃ 초과의 온도로 가열하여 상기 무기 물질이 가열 스테이션 내에서 소결되는, 가열 단계, 및 (3) 상기 가열 스테이션 내에서 500℃를 초과하는 온도에서 0.01m 내지 13,000m의 곡률 반경으로 연속 길이의 테이프의 제3 부분을 굽히는 단계를 포함한다. 이러한 구체 예 중 적어도 몇몇에서, 상기 굽힘은, 제3 부분이 가열 스테이션 내에 위치된 곡면을 돌아서 굽혀지도록, 연속 길이의 테이프에 길이 방향의 힘을 가는 단계를 포함한다. 적어도 몇몇 구체 예에서, 연속 길이의 테이프는 투입 릴로부터 펼쳐지고, 연속 길이의 테이프는 전체 연속 길이의 테이프가 가열 스테이션을 통해 이동하는 동안 0.01m 내지 13,000m의 곡률 반경으로 굽힘을 경험하도록, 가열 스테이션을 통해 연속적 및 순차적으로 이동되며, 여기서, 연속 길이의 테이프는, 굽힘 및 가열 후에 테이크-업 릴 상으로 롤링된다.
본 개시의 관점은, 롤-대-롤 테이프 소결 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는 소정의 길이의 테이프 물질의 투입 롤로서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질이 제1 다공도를 갖는, 투입 롤; (2) 입구 (2a); 출구 (2b); 상기 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널 (2c); 상기 채널을 500℃를 초과하는 온도로 가열하는 히터 (2d)를 포함하는 소결 스테이션으로서; 여기서, 상기 테이프 물질은 투입 롤로부터, 소결 스테이션의 입구로, 소결 스테이션의 채널을 통해, 및 소결 스테이션의 출구 밖으로 통과하고, 상기 채널 내에 열은 테이프 물질의 무기 물질의 소결을 일으키는, 소결 스테이션; (3) 상기 소결 스테이션 내에 위치되어, 테이프 물질이 가열 스테이션을 통과함에 따라, 테이프 물질의 세로축을 따라, 0.01m 내지 13,000m인 곡률 반경을 유도하는 굽힘 시스템; 및 (4) 상기 소결 스테이션으로부터 나간 후에 소정의 길이의 테이프 물질을 권취하는 테이크-업 롤을 포함하며; 여기서, 테이크-업 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질은 제1 다공도보다 작은 제2 다공도를 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 출구 및 입구는, 수평면에 대해 출구와 입구 사이에 형성된 각도가 10도 미만이도록, 실질적으로 수평면에 놓이며, 여기서, 상기 굽힘 시스템은 출구와 입구 사이에 경로를 따라 위치된 볼록 곡면을 포함하고, 여기서, 상기 테이프는, 테이프가 상기 가열 스테이션을 통해 이동함에 따라, 볼록 곡면을 돌아서 굽혀지며, 여기서, 상기 볼록 곡면은 곡률 반경을 한정하고, 상기 테이프 물질의 폭 축에 평행한 축을 돌아서 만곡된다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 볼록 곡면은 맨드렐 및 롤러 중 적어도 하나의 외부 표면이고, 및/또는 상기 볼록 곡면은 소결 스테이션의 채널을 한정하는 소결 스테이션의 하부 표면이며, 예컨대 여기서, 상기 볼록 곡면은 소결 스테이션의 입구에서 출구로 채널의 전체 길이를 연장하는 연속적인 곡선을 형성한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 볼록 곡면은, 볼록 곡면과 접촉하지 않고 채널 내에서 테이프를 지지하는 채널에 가스를 전달하는 가스 베어링의 상부 표면이다. 다른 이러한 구체 예에서, 상기 굽힘 시스템은, 소결 스테이션과 함께 위치된 한 쌍의 지지 구조체를 포함하며, 여기서, 상기 지지 구조체는, 서로 이격되어 갭을 형성하고, 상기 테이프는 지지 구조체들 사이에 중력에 기인한 아래 쪽으로 늘어져서 곡률 반경을 형성한다.
본 개시의 관점은, 롤-대-롤 테이프 소결 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: (1) 무기 물질의 결정립을 포함하는 소정의 길이의 테이프 물질의 투입 롤로서, 상기 투입 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질이 제1 다공도를 갖는, 투입 롤; (2) 입구 (2a); 출구 (2b); 상기 입구와 출구 사이에서 연장되고, 세로방향의 길이 (L)를 갖는, 채널 (2c)을 포함하는 소결 스테이션으로, 여기서, 상기 채널의 하부 표면은 상기 세로방향의 길이 (L)를 연장하고, 곡률 반경 (R), 및 최대 수직 높이 (H)를 갖는 연속적인 곡면에 의해 한정되고; 여기서 R = H + (L^2)/H; 여기서 0.1㎜ < H < 100㎜, 및 0.1m < L2 < 100m인, 소결 스테이션; (3) 상기 채널을 500℃를 초과하는 온도로 가열하는 히터로서, 여기서, 상기 테이프 물질은 상기 투입 롤로부터, 상기 소결 스테이션의 입구로, 상기 소결 스테이션의 채널을 통해, 및 상기 소결 스테이션의 출구 밖으로 통과하고, 상기 채널 내에 열은 상기 테이프 물질의 무기 물질의 소결을 일으키는, 히터; 및 (4) 상기 소결 스테이션으로부터 나간 후에 소정의 길이의 테이프 물질을 권취하는 테이크-업 롤을 포함하고, 여기서, 상기 테이크-업 롤 상에 테이프 물질의 무기 물질은 제1 다공도보다 작은 제2 다공도를 갖는다.
본 개시의 몇몇 관점은, 예를 들어, 도 3, 4, 6, 8과 관련하여 논의되고, 전술된 바와 같이, 테이프의 부분들을 서로 분리시켜 소결 준비를 위한 테이프 분리 시스템에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 상기 테이프 분리 시스템은, 그린 테이프 및 상기 그린 테이프를 지지하는 캐리어 웨브 (예를 들어, 중합체 기판)를 포함하는 테이프 물질의 공급원 (예를 들어, 사전-제조된 롤, 사전-제조된 긴 스트립, 인-라인 그린 테이프 제조)을 포함한다. 상기 그린 테이프는, (예를 들어, 전술된 바와 같은 유기 바인더, 및 무기 바인더를 더욱 포함할 수 있는) 바인더에 무기 물질의 결정립을 포함한다. 상기 테이프 분리 시스템은, 캐리어 웨브를 되감기 방향으로 향하게 하고, 도 8의 각도 C와 같이, 상기 되감기 방향과 다른 다운스트림 공정 방향으로 그린 테이프를 향하게 하는 필러 (도 8, 참조) 및 상기 공급원으로부터 테이프 물질을 수신하고, 테이프 물질을 상기 필러에 전달하도록 위치되고 구성된 진공 드럼을 더욱 포함한다. 상기 진공 드럼은, 캐리어 웨브에 장력 조정을 용이하게 하기 위해 캐리어 웨브에 흡인력을 적용하기 위한 홀을 포함한다. 예를 들어, 상기 진공 드럼의 흡입력은, 중력 및 마찰력 이상으로 테이프에 인력을 가한다. 선택적인 구체 예에서, 자기 캐리어 웨브 상에 작용하는 자기력, 정전기력, 등과 같은, 다른 공급원의 인력은 사용될 수 있으며, 여기서, 진공 드럼은 인력 드럼으로서 더 넓게 특징화될 수 있다. 대표적인 구체 예에 따르면, 캐리어 웨브에서, 횡단면에 대한 힘으로, 장력은, 테이프 물질이 진공 드럼으로부터 필러로 전달됨에 따라, 그린 테이프에서의 장력을 초과하며, 이에 의해 캐리어 웨브로부터 그린 테이프의 분리 동안 그린 테이프의 변형을 완화시킨다. 상기 캐리어 웨브는, 테이프를 이동하고 제어하는데 사용된 힘의 예봉 (brunt of force)을 견딘다. 유사하게, 캐리어 웨브의 제거와 함께 필러는, 그린 테이프의 형상을 보호하는 작용을 하여, 결과적으로 기하학적인 일관성의 측면에서 특히 고품질의 소결된 물품을 가능하게 한다.
본 개시의 다른 관점은, 예를 들어, 도 9, 10, 및 12와 관련하여 나타내고, 논의된 바와 같이, 소결 준비를 위한 테이프를 가공하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 테이프의 그린 부분을 포함하고, 상기 그린 부분은 유기 바인더 내에 무기 물질의 결정립들을 갖는, 테이프; 및 액티브 히터를 포함하는 바인더 번아웃 스테이션을 포함한다. 상기 테이프는 바인더 번아웃 스테이션을 통해 전진하여, 상기 바인더 번아웃 스테이션이 테이프의 그린 부분을 수신하고, 테이프의 그린 부분이 히터로부터의 열과 결합 작동함에 따라, 유기 바인더를 태우거나 또는 연소시키며, 이에 의해 테이프의 무기 물질을 소결시키기 위해 준비된 테이프의 제2 부분을 형성한다. 몇몇 구체 예에서, 동시에, 상기 테이프는 바인더 번아웃 스테이션으로, 바인더 번아웃 스테이션을 통하여, 바인더 번아웃 스테이션으로부터 일제히 연장되고, 동시에, 상기 테이프는 제2 부분에 연속적으로 연결된 그린 부분을 포함하며, 예컨대, 여기서, 상기 바인더 번아웃 스테이션은, 무기 물질의 결정립을 실질적으로 소결시키지 않으면서 테이프의 그린 부분으로부터, 중량의 측면에서, 적어도 대부분의 유기 바인더를 태우거나 또는 연소시킨다. 제거되거나 또는 태워진 유기 바인더를 갖는 테이프의 인지된 약점, 및 이러한 공정 동안 테이프의 치수와 관련된 변화 때문에, 이러한 시스템은 당업자에게 특히 놀랄 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결 준비를 위한 테이프를 가공하기 위한 시스템은, 테이프의 제2 부분에서 장력이 ㎟의 단면 당 500 그램-힘 미만이도록, 상당한 장력을 가하지 않고 테이프를 방향 전환시키는 경-량의, 저-관성 롤러를 포함하는 초-저 장력 댄서를 더욱 포함하며, 이에 의해 테이프의 제2 부분의 파단의 가능성을 감소시키고, 소결용 테이프의 긴 연속적 길이를 가능하게 한다. 몇몇 구체 예에서, 소결 준비를 위한 테이프를 가공하기 위한 시스템은, 테이프가 바인더 번아웃 스테이션을 통해 전진함에 따라, 테이프 위로 가스를 불어 넣거나 및/또는 뽑아내며, 상기 바인더 번아웃 스테이션은, 가스를 테이프 위로 불어 넣거나 및/또는 뽑아냄이 없이 유기 바인더가 점화될 온도 이상으로 테이프를 가열하며, 이에 의해 상기 유기 바인더는 타거나 또는 연소되지만, 상기 테이프는 착화되지 않는다.
본 개시의 부가적인 관점은, 테이프를 가공하기 위한 상기 시스템을 포함하는 제조 라인에 관한 것으로, 여기서, 상기 바인더 번아웃 스테이션은 제1 스테이션이고, 상기 제조 라인은 상기 제1 스테이션으로부터 이격된 제2 스테이션을 더욱 포함한다. 상기 제2 스테이션은, 도 12에 나타낸 바와 같이 제1 스테이션으로부터 이격 될 수 있고, 및/또는 공통 하우징이 있을 수 있으며, 분리는, 예를 들어, 2개의 스테이션에 대한 기류 제어하는 중간 환기 시스템 (intermediate ventilation system)에 기인할 수 있다. 상기 제2 스테이션은, 테이프의 제2 부분의 무기 물질을 적어도 부분적으로 소결시켜 테이프의 제3 부분을 형성하고, 여기서, 동시에, 상기 테이프는 제2 부분을 통해 제3 부분에 연속적으로 연결된 그린 부분을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 테이프의 제3 부분은, 제3 부분의 파단이 없는 최소 굽힘 반경이 제2 부분의 최소 굽힘 반경의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하며, 상기 그린 부분은, 상기 그린 부분의 파단이 없는 최소 굽힘 반경이 상기 제2 부분의 최소 굽힘 반경의 절반 미만이도록, 제2 부분보다 실질적으로 더 굽힘 가능하다. 다른 구체 예에서, 짧은 길이의 물품 만이 소결 시스템을 사용하여 가공되는 경우와 같이, 테이프 또는 기타 물품은, 3개의 다른 이러한 부분들을 포함하지 않을 수 있다. 상기 제조 라인은, 필러 및 진공 드럼과 같은, 전술한 테이프 분리 시스템을 더욱 포함할 수 있다.
본 개시의 몇몇 관점은, 예를 들어, 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이, 무기 물질의 결정립을 포함하는 테이프 물질 및 소결 스테이션을 포함하는 소결 시스템에 관한 것이다. 상기 소결 스테이션은 입구, 출구, 및 상기 입구와 출구 사이에서 연장되는 채널을 포함한다. 동시에, 상기 테이프 물질은, 소결 스테이션의 입구로, 채널을 통해, 및 출구 밖으로 연장된다. 상기 무기 물질이 입구에서 제1 다공도 및 출구에서 제1 다공도 미만의, 예컨대, 적어도 10부피% 미만의 제2 다공도를 갖도록, 채널 내에 열은 무기 물질을 소결시킨다. 더욱이, 여기서, 테이프 물질은, 테이프 물질이 소결 스테이션의 채널을 통해 통과함에 따라, 양으로 장력을 받으며, 이에 의해, 예컨대, 저-장력 댄서를 통해 가해진 장력에 의한, 릴 권취/풀림, 방향성 에어 베어링, 롤러 속도에서 변화, 또는 시스템의 기타 구성요소에 의한, 뒤틀림을 완화시켜, 중력 및 마찰력 이상으로 테이프 물질에 장력을 양으로 적용한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프 물질은, 분당 적어도 1 inch, 예컨대, 분당 적어도 10 inch, 적어도 20 inch, 적어도 40 inch의 속도로 소결 스테이션을 통해 이동한다. 여기에 개시된 바와 같은 긴 테이프와 대조적인, 개별 물품의 경우, 물품은 소결 스테이션 내에서 멈추거나 머무를 수 있거나, 또는 다른 속도로 이동할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 소결 스테이션의 채널은, 적어도 2개의 독립적으로 제어되는 가열 소자에 의해 가열되고, 여기서, 상기 가열 소자는 온도 프로파일을 발생시키며, 여기서, 상기 채널은 소결 스테이션의 입구로부터 출구를 향하는 방향으로 채널의 길이를 따라 온도가 상승하고, 여기서, 상기 채널 내에 소결 온도는 800℃를 초과한다 (예를 들어, 도 19 및 관련 논의를 참조). 몇몇 구체 예에서, 소결 시스템은, 소결 스테이션의 채널을 따라 위치된 곡면을 더욱 포함하고 (예를 들어, 도 58 및 관련 논의를 참조), 여기서, 테이프 물질은, 테이프 물질이 소결 스테이션을 통해 이동함에 따라, 상기 곡면을 돌아서 테이프 물질의 폭방향 축에 대해 굽혀지며, 이에 의해 테이프 물질의 평탄화 및/또는 벌지 (bulges) 또는 다른 뒤틀림의 방지 (예를 들어, 도 1 참조)와 같은, 테이프 물질의 형상에 영향을 미친다. 몇몇 구체 예에서, 상기 소결 스테이션의 출구 및 입구는, 수평면에 대한 소결 스테이션의 출구와 입구 사이에 형성된 각도가 10도 미만이 되도록, 실질적으로 수평면에 놓이고, 이에 의해, 채널에 대한 가스의 흐름을 적어도 부분적으로 제어한다. 본 발명자들은, 이에 선택적으로 또는 부가적으로, 가스의 흐름이 통기구 및 팬에 의해 및/또는 좁은 공간에 테이프를 가두어 제어될 수 있음을 확인했다. 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 소결 스테이션은, 채널의 하부 표면을 한정하는 상향 채널 표면 및 채널의 상부 표면을 한정하는 하향 채널 표면을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 하향 채널 표면은, 상기 테이프 물질의 상부 표면과 상기 하향 채널 표면 사이에 갭이 0.5 inch 미만이 되도록 상기 테이프 물질의 상부 표면에 가깝게 위치되며, 이에 의해 상기 채널 내에 가스의 흐름을 적어도 부분적으로 제어한다. 상기 테이프 물질은, 5 millimeters를 초과하는 폭, 30 centimeters를 초과하는 길이, 3 micrometers 내지 1 millimeters의 두께를 갖는, 특히 넓고, 길며, 얇을 수 있으며, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나일 수 있다. 다른 구체 예에서, 상기 테이프 또는 기타 물품은, 더 좁고, 더 짧고, 및/또는 더 두꺼울 수 있지만, 소결은 소결 시간/에너지 비용의 측면에서 효율적이지 않을 수 있으며, 상기 테이프는 전술된 바와 같이 롤링 및/또는 평탄화되지 않을 수 있다.
본 개시의 다른 관점은, 세라믹 테이프를 제조하는 공정에 관한 것으로서, 상기 공정은, 다결정 세라믹의 입자를 열원에 노출시켜 상기 입자들 사이에 소결을 유도하여, 다결정 세라믹을 포함하는 테이프를 20부피% 미만의 다결정 세라믹의 다공도로 소결시키는 단계를 포함한다. 상기 테이프는, 테이프의 두께가 500㎛ 미만이도록 특히 얇아서, 열 침투를 통한 신속한 소결을 가능하게 한다. 더욱이, 상기 테이프는 폭이 적어더 5㎜이고, 길이가 적어도 300㎝이다. 몇몇 구체 예에서, 상기 공정은, 소결 동안 테이프를 양의 길이방향으로 장력을 조정하는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 공정은, 예컨대, 소결 스테이션의 채널을 통해, 소결 동안 테이프를 열원을 향하고, 그 다음 열원으로부터 멀리 이동시키는 단계를 더욱 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 소결 시간의 양은, 테이프의 임의의 특정 부분에 대해 모두 합쳐 2시간 미만으로, 특히 짧아서, 세라믹 테이프에서 작은 결정립 크기를 유지하는 것을 돕고, 강도를 개선하며, 다공도를 감소시키고, 에너지을 절약한다; 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 소결의 총 시간은, 예컨대, 종래의 배치 소결 (batch sintering)의 경우 20시간과 비교하여, 1시간 미만이고, 소결 후에 다결정 세라믹의 밀도는 95부피%를 초과하는 고밀도이며, 및/또는 상기 테이프는 소결 후에 폐쇄 기공을 포함하고, 핀홀이 없으며, 표면 결함이 거의 없고, 기하학적 일관성, 등을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 리튬과 같은, 소결 동안 휘발하는 휘발성 성분을 포함하며, 여기서, 상기 휘발성 성분은 무기물이고, 여기서, 상기 테이프는, 소결 후보다 소결 전에, 휘발성 성분을 적어도 1부피% 이상 (예를 들어, 적어도 5부피%, 적어도 10부피%, 및/또는 200부피% 미만, 예컨대, 100부피% 미만)을 포함한다. 휘발성 성분의 일부가 기화되지만, 본 발명자들은, 본 소결 기술이 고증기압을 통한 휘발성 성분의 방출을 방지하기 위해 휘발성 성분을 함유하는 모래에서 소결 물질을 둘러싸는 밀봉된 도가니를 사용하는 종래의 공정보다 훨씬 더 효율적이라고 믿는다. 본 발명자들은, 휘발성 성분이 과도하게 새어나가기 전에, 소결의 속도 및 물품의 기하학적 구조가, 이러한 휘발성 물질을 신속히 소결시키는데 사용될 수 있고, 및 과잉의 휘발성 성분의 공급원이, 전술한 바와 같이, 그린 테이프에 첨가될 수 있어, 그 결과로 생긴 소결된 물품의 특성을, 예컨대, 입방 결정의 퍼센트, 작은 결정립 크기, 적은 다공도, 및 더 큰 이온 전도도, 기밀성, 강도, 등의 측면에서, 크게 개선할 수 있음을 발견하였다.
본 개시의 여전히 다른 관점은, 서로 소결된 무기 물질 (세라믹, 유리-세라믹, 유리, 금속)의 결정립을 포함하는 몸체를 포함하는, 테이프 (도 67a, 도 67b, 도 68, 도 69 및 관련 논의, 또한 도 29 및 도 78 및 관련 논의, 참조) 또는 기타 물품 (예를 들어, 시트)에 관한 것으로, 예컨대 여기서, 상기 무기 물질의 입자 내에 원자는, 입자의 경계를 가로질러 확산하여, 예컨대, 입자를 액체 상태로 완전히 용융시키지 않고, 하나의 고체 조각을 생성하고, 입자를 서로 융합시킨다. 그러한 의미에서, 구체 예는, 비결정질 또는 거의 비결정질 물질의 물품 (예를 들어, 도 81)을 포함한다. 상기 몸체는 제1 및 제2 주 표면들 사이에서 연장되며, 여기서, 상기 몸체는 제1 및 제2 주 표면들 사이에 거리로서 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 제1 주 표면의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께와 폭 모두에 직교하는 제1 주 표면의 제2 치수로서 정의되는 길이를 갖는다. 상기 테이프는, 길이가 약 300㎝ 이상으로 길다. 상기 테이프는 약 3㎛ 내지 약 1㎜ 범위의 두께를 갖는 것으로, 얇다. 상기 테이프는, 폭이 약 5㎜ 이상으로 특히 넓다. 다른 구체 예에서, 상기 테이프 또는 기타 물품은, 여기에 개시된 바와 같이, 다른 치수를 가질 수 있다.
대표적인 구체 예에 따르면, 상기 테이프의 기하학적 일관성은, 테이프의 폭에서 차이가, 10cm, 50cm, 1m, 2m, 10m와 같은, 거리 만큼 종방향으로 분리된 위치에서 측정된 경우, 소량 미만, 예컨대, 200㎛ 미만, 100㎛ 미만, 50㎛ 미만, 10㎛ 미만인 정도; 및/또는 테이프의 두께에서 차이가, 테이프의 종방향의 중심을 따라 (즉, 테이프의 길이를 연장하는 중심선을 따라) 10cm, 50cm, 1m, 2m, 10m와 같은, 거리 만큼 종방향으로 분리된 위치에서 측정된 경우, 소량 미만, 예컨대, 50㎛ 미만, 20㎛ 미만, 10㎛ 미만, 5㎛ 미만, 3㎛ 미만, 1㎛ 미만인 정도이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 레이저 트리밍 (Laser trimming)은 테이프 폭의 기하학적 일관성을 개선하는데 도움이 될 수 있다. 과립 프로파일을 오버레이하는 도 103에 나타낸 바와 같은, 층 (예를 들어, 실리카, 용융 온도가 500℃ 이상, 800℃ 이상, 1000℃ 이상을 갖는 물질)은, 두께의 기하학적 일관성을 개선할 수 있고, 및/또는 연마될 수 있거나 또는 연마에 대한 대안을 제공할 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 평행하게 평평한 표면들 사이에 가압된 10cm의 길이의 테이프가 평행하게 평평한 표면들과 평평하게 접촉하거나 또는 파단 없이 0.25㎜ 이내, 예컨대 0.10㎜ 이내, 예컨대 0.05㎜ 이내, 예컨대 0.03㎜ 이내, 예컨대 0.01㎜ 이내로 평평하게 접촉하도록, 전술된 바와 같이, 편평하거나 평평해질 수 있고; 및 예를 들어, 몇몇 이러한 구체 예에서, 평행하게 평평한 표면과 0.05㎜ 이내에서 평평하게 접촉하는 경우, 상기 테이프는 이의 영율의 10% 이하, 예컨대 이의 영율의 5% 이하, 예컨대 이의 영율의 2% 이하, 예컨대 이의 영율의 1% 이하, 예컨대 이의 영율의 0.5% 이하의 최대 면내 응력을 나타낸다. 몇몇 구체 예에서, 상기 테이프의 제1 및 제2 주 표면은, 과립 프로파일을 가지며, 예컨대 여기서 결정립은 세라믹이고 (예를 들어, 도 30b 및 관련 논의, 참조), 및 여기서, 상기 세라믹의 적어도 몇몇 개별 결정립은, 2개의 인접한 결정립 사이에 비결정질 물질의 두께가 50㎚ 미만, 예컨대, 10㎚ 미만, 예컨대, 5㎚ 미만, 예컨대, 2㎚ 미만이도록, 중간 비결정질 물질을 거의 갖지 않고 서로 인접하며, 예컨대 여기서, 인접한 결정립들의 결정 격자들은, 투과 전자 현미경에 의해 관찰된 경우, 서로 직접 접하게 된다 (예를 들어, 도 73c, 74, 75 및 관련 논의, 참조).
몇몇 구체 예에서, 상기 몸체는, 10부피% 미만의 다공도를 가지며, 및/또는 상기 몸체는, 예를 들어, 도 86b, 99b, 102에 나타낸 바와 같이, 폐쇄 기공을 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 결정립은, 리튬 및/또는 또 다른 휘발성 성분을 포함하고, 상기 몸체는 5×10-5 S/㎝ 초과의 이온 전도도, 예컨대, 1×10-4 S/㎝ 초과의 이온 전도도, 예컨대, 2×10-4 S/㎝ 초과의 이온 전도도, 예컨대, 3×10-4 S/㎝ 초과의 이온 전도도를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 상기 몸체는, 전술한 바와 같은, ASTM 표준에 의해 측정된 것으로, 15㎛ 이하, 예컨대, 10㎛ 이하, 예컨대, 5㎛ 이하, 예컨대, 2㎛ 이하인, 특별한 미세 결정립 크기 (평균)를 갖는다.
몇몇 구체 예에서, 상기 테이프는, 몸체의 제1 주 표면에 연결된 전기-전도성 금속을 더욱 포함하고, 여기서, 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 몸체는 반복 패턴의 비아 (vias)를 포함하며, 상기 전기-전도성 금속은 반복 패턴에 배열된다 (일반적으로, 도 51 및 도 104, 참조). 몇몇 구체 예에서, 상기 제1 및 제2 주 표면은, 과립 프로파일을 가지며, 상기 테이프는, 제1 주 표면의 과립 프로파일을 오버레이하는 코팅을 더욱 포함하며, 상기 코팅의 외향 표면은, 제1 표면의 과립 프로파일보다, 예컨대 절반 만큼, 덜 거칠고 (예를 들어, 도 103 참조), 여기서, 상기 제1 주 표면에 연결된 전기-전도성 금속은, 코팅의 외향 표면에 결합을 거쳐 그렇게 연결된다. 몇몇 구체 예에서, 상기 무기 물질은, 900℃를 초과하는 온도에서 12.5 poise의 점도를 갖는다 (예를 들어, 도 78 및 도 87, 참조).
본 개시의 부가적인 관점은, 전술된 구체 예들 중 어느 하나의 테이프의 롤 (예를 들어, 도 67a, 도 67b, 도 68 및 도 69, 참조)에 관한 것으로, 여기서, 상기 테이프는, 30㎝ 미만, 예컨대, 20㎝ 미만, 예컨대, 10㎝ 미만과 같이, 1㎛ 미만의 반경으로 굽혀진, 예컨대, 나선형으로, 그 자제를 감싸고, 오버랩핑한다. 상기 롤의 코어는 단면이 둥글 수 있거나 또는 별개의 형상일 수 있다.
본 개시의 여전히 또 다른 관점은, 전술한 구체 예들 중 어느 하나의 테이프로부터 절단된 다수의 시트에 관한 것이다 (일반적으로, 도 93, 104, 참조). 대표적인 구체 예에 따르면, 상기 시트는 여기에 개시된 기술을 사용하여 시트가 제조되었음을 결정하는데 검출 가능한 서로의 공통 속성을 갖는다. 예를 들어, 상기 공통 속성은: (a) 일반적으로 위치된 표면 홈; (b) 공통적인 홈들의 패턴; (c) 종방향으로 연장되는 일반적으로 존재하는 응력 프로파일 불규칙성; (d) 공통적인 조성적 부조화 (compositional incongruity), 및 (e) 결정 농도에서 공통 비대칭 결정상 분포 또는 공통 패턴 중 적어도 하나일 수 있다.
본 개시의 몇몇 관점은, 서로 소결된 세라믹 결정립을 포함하는 몸체를 포함하는, 테이프에 관한 것으로, 상기 몸체는 제1 및 제2 주 표면들 사이에서 연장되며, 여기서, 상기 몸체는 상기 제1 및 제2 주 표면들 사이에 거리로서 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 상기 제1 주 표면의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께와 너비 모두에 직교하는 상기 제1 주 표면의 제2 치수로서 정의되는 길이를 갖고; 여기서, 상기 테이프는, 약 3㎛ 내지 약 1㎜ 범위의 두께를 갖는 것으로, 얇으며; 여기서, 상기 테이프의 제1 및 제2 주 표면은 과립 프로파일을 갖고; 및 상기 세라믹의 적어도 몇몇 개별 결정립은, 2개의 인접한 결정립 사이에 비결정질 물질의 두께가 5㎚ 미만 이도록, 중간 비결정질 물질을 거의 또는 전혀 갖지 않고 서로 인접한다.
본 개시 내용의 몇몇 관점은, 서로 소결된 세라믹 결정립을 포함하는 몸체를 포함하는, 테이프 또는 기타 소결된 물품 (예를 들어, 섬유, 튜브, 시트, 디스크)에 관한 것으로, 상기 몸체는 제1 및 제2 주 표면 사이에서 연장되며, 여기서, 상기 몸체는 상기 제1 및 제2 주 표면들 사이에 거리로서 정의되는 두께, 상기 두께에 직교하는 상기 제1 주 표면의 제1 치수로서 정의되는 폭, 및 상기 두께와 너비 모두에 직교하는 상기 제1 주 표면의 제2 치수로서 정의되는 길이를 갖고; 여기서, 상기 테이프는, 약 3㎛ 내지 약 1㎜ 범위의 두께를 갖는 것으로, 얇으며; 여기서, 상기 테이프의 제1 및 제2 주 표면은 과립 프로파일을 갖고; 및 상기 결정립은 리튬을 포함하고, 상기 몸체는, 전술되 바와 같이, 5Х10-5 S/㎝ 이상의 이온 전도도를 갖는다. 이러한 물품은, 5㎚ 미만인, 2개의 인접한 결정립 사이에 비결정질 물질의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 상기 물품은 적어도 95%의 고밀도이고, 10㎛ 미만의 결정립 크기를 가지며, 예컨대, 적어도 97%의 고밀도이고, 5㎛ 미만의 결정립 크기를 갖는다. 상기 물품은, 예를 들어, 고체 배터리의 일부로서 양극 및/또는 음극 물질과 동시-소결될 수 있다.
별도로 언급이 없는 한, 여기에서 서술된 임의의 방법은 이의 단계들이 특정한 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 방법이 이의 단계를 수반하는 순서를 사실상 열거하지 않거나, 또는 별도로 상기 단계들이 특정한 순서로 제한되는 것으로 청구 범위 또는 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는 경우, 임의의 특정 순서로 추정되는 것으로 의도되지 않는다. 부가적으로, 여기에 사용된 바와 같은, 용어들의 "단수"는, 하나 이상의 요소 및 구성요소를 포함하는 것으로 의도되고, 오직 하나를 의미하는 것으로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 유사하게, 여기에 개시된 장비 및 공정 단계는, 연속 테이프 이외의 물질과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 연속 테이프가 롤-대-롤 공정에 특히 효율적일 수 있지만, 본 발명자들은 지르코니아 또는 기타 내화성 물질의 슬레드 (sled)가 여기에 개시된 장비를 통해 물질 또는 기타 물품의 개별 시트를 인발하는데 사용될 수 있음을 입증하였다.
다양한 변형 및 변화가 개시된 구체 예의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 구체 예의 사상 및 물질을 포함하는 개시된 구체 예의 변경 조합, 서브-조합 및 변화가 기술분야의 당업자에게 일어날 수 있기 때문에, 개시된 구체 예는 첨부된 청구 범위 및 이들의 균등물의 범주 내에 있는 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

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  10. 무기 물질의 결정립들을 포함하는 테이프 물질;
    입구; 출구; 및 상기 입구와 출구 사이를 연장하는 채널을 포함하는 소결 스테이션을 포함하며;
    여기서, 상기 테이프 물질은, 동시에, 상기 소결 스테이션의 입구 내로, 상기 채널을 통해, 및 상기 출구 밖으로 연장되며,
    여기서, 상기 채널 내에 열은, 상기 무기 물질이 입구에서 제1 다공도 및 출구에서 상기 제1 다공도 미만인 제2 다공도를 갖도록, 상기 무기 물질을 소결시키고, 및
    여기서, 상기 테이프 물질이 소결 스테이션의 채널을 통과함에 따라, 테이프 물질은 확실하게 장력을 받아, 뒤틀림을 완화시키고,
    상기 테이프 물질은, 특별히 넓고, 길며, 얇아서, 폭이 5 millimeters를 초과하고, 길이가 30 centimeters를 초과하며, 및 두께가 3 micrometers 내지 1 micrometers이고, 상기 테이프의 무기 물질은, 다결정 세라믹 물질 및 합성 광물 중 적어도 하나인, 소결 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 테이프 물질은, 분당 적어도 1 inch의 속도로 소결 스테이션을 통해 이동하는, 소결 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 소결 스테이션의 채널은, 적어도 2개의 독립적으로 제어되는 가열 소자에 의해 가열되고, 여기서, 상기 가열 소자는, 채널이 소결 스테이션의 입구로부터 출구를 향하는 방향으로 채널의 길이를 따라 온도가 증가하는 온도 프로파일을 발생하며, 상기 채널에서 소결 온도는 800℃를 초과하는, 소결 시스템.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 소결 스테이션의 채널을 따라 위치된 곡면을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 소결 스테이션을 통해 테이프 물질이 이동함에 따라, 상기 테이프 물질은, 곡면 주위에서 테이프 물질의 폭 방향 축에 대해 굽혀지고, 이에 의해 테이프 물질의 형상에 영향을 미치는, 소결 시스템.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 소결 스테이션의 출구 및 입구는, 수평 평면에 대하여 소결 스테이션의 출구와 입구 사이에 한정된 각도가 10도 미만이도록, 수평면에 놓여 있으며, 이에 의해 채널에 대한 가스의 유동을 적어도 부분적으로 제어하는, 소결 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 소결 스테이션은, 채널의 하부 표면을 한정하는 상향 채널 표면, 및 채널의 상부 표면을 한정하는 하향 채널 표면을 더욱 포함하고, 여기서, 상기 하향 채널 표면은, 테이프 물질의 상부 표면과 하향 채널 표면 사이에 갭이 0.5 inchs 미만이도록, 테이프 물질의 상부 표면과 가깝게 배치되고, 이에 의해 채널 내에 가스의 흐름을 적어도 부분적으로 제어하는, 소결 시스템.
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