KR20090082898A - 초음파 스프레이 증착을 사용하는 코팅 제조 방법 및 코팅 제조 장치 - Google Patents

초음파 스프레이 증착을 사용하는 코팅 제조 방법 및 코팅 제조 장치 Download PDF

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Abstract

초음파 스프레이 증착(USD)은 기판에 대한 합성 코팅의 접착과 초기 위상 입자에 대한 결합제의 양호한 접착에 의해서 합성 코팅을 생성하는 결합제 위상을 도입하기 위하여, 기판 상에 베이스층을 증착시키고 그후에 화학 증기 침투(CVI)를 실행하는데 사용된다. 본 발명자들은 화학 증기 침투(CVI)를 사용하여 적용된 질화 티타늄(TiN) 및 초음파 스프레이 증착(USD)을 사용하여 증착된 입방정 질화 붕소(cBN)로 구성되는 코팅을 생성하기 위하여 상기 공정을 사용하였다. 이 공정은 질화물, 탄화물, 질화탄소(carbonitride), 붕화물, 산화물, 황화물 및 규화물을 포함하는, 다른 공정에서 사용할 수 없는 많은 재료와 함께 사용될 수 있다. 또한, 다른 결합 또는 사후 증착 처리 공정은 여러 실시예에서, 기판, 코팅 재료 및 코팅의 적용 요구조건에 따라서 화학 증기 침투(CVI)에 대한 대안으로서 적용될 수 있다. 코팅은 복잡한 기하학적 형태를 갖는 것을 포함하는 다양한 기판들에 적용될 수 있다. 상기 적용 방법은 초음파 스프레이 증착(USD)을 실행하는데 사용되는 장치 및 설비 디자인에 대해서도 기술한다.
초음파 스프레이 증착, 화학 증기 침투, 기판, 결합제, 코팅, 증착 재료

Description

초음파 스프레이 증착을 사용하는 코팅 제조 방법 및 코팅 제조 장치{Methods and apparatus for making coatings using ultrasonic spray deposition}
본원은 2006년 10월 19일자 출원된 발명의 명칭이 "초음파 스프레이 증착을 사용하는 코팅 제조 방법 및 코팅 제조 장치"인 미국 임시특허출원 시리얼 번호 제 60/852,863호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 코팅 증착의 핵심 방법으로서 초음파 스프레이의 사용을 포함하는 여러 재료의 합성으로부터 코팅 및 물품을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
초음파 스프레이 증착은 다른 방법을 사용하여 제조된 코팅보다 얇고, 더욱 조밀하면서 더욱 균일한 코팅을 제조한다. 이러한 코팅은 예를 들어 취성 및 내마모성이 중요한 공구 절삭용 코팅을 포함하고, 얇은 코팅이 요구되며, 생물 의학적 임플란트용 코팅 및 얇고 균일한 코팅이 요구되는 다른 적용분야를 포함하는 다양한 적용분야에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 초음파 스프레이 증착(Ultrasonic spray deposition;USD)은 기판에 대한 합성 코팅의 접착과 초기 위상 입자에 대한 결합제(binder)의 양호한 접착에 의해서 합성 코팅을 생성하는 결합제 위상(binder phase)을 도입하기 위하여, 기판 상에 베이스층을 증착시키고 그후에 화학 증기 침투(chemical vapor infiltration;CVI)를 실행하는데 사용된다. 어제이 피. 맬쉬(Ajay P. Malshe) 등에게 허여된 2003년 8월 19일자 발행된 미국 특허 제 6,607,782호는 초기 베이스 층을 증착하고, 제 2 단계로서 화학 증기 침투(CVI)를 실행하기 위하여 정전기 스프레이 코팅(electrostatic spray coating;ESC)을 사용하는 방법을 공개하고 있다. 일 실시예에서 초음파 스프레이 증착(USD)을 사용하고 그후에 화학 증기 침투(CVI)를 실행하는 본 발명은 이전에 공개된 방법에 대해서 하기 사항을 포함하는 중요한 장점을 제공한다:
●입자들이 액체에 분산되고 초음파 스프레이 증착(USD)을 사용하여 스프레이되고 그후에 액체 증발될 때, 더욱 조밀한 코팅을 제조하는 능력 - 본 발명자들은 건식 분말의 정전기 스프레이 코팅(ESC)과 비교할 때 더욱 큰 밀도의 입자들이 기판에 증착될 수 있다는 것을 발견하였다;
●적절하게 채택된 액체에서 분산된 나노입자들이 응집되는 경향이 크게 감소되기 때문에, 그리고 초음파 스프레이 증착(USD) 공정이 증착되는 동안 및 다음의 증착에서 신속하게 증발되는 매우 작은 액체 분산 방울을 생성하기 때문에, 코팅의 균일성이 더욱 커지고 표면 거칠기가 더욱 감소된다 - 본 발명자들은 그에 따른 코팅의 응집성이 크게 감소하고, 그에 따라서 표면 매끄러움 및 코팅 균일성이 크게 증가한다는 것을 발견하였다;
●더욱 얇은 균일한 코팅을 증착하는 능력 - 건식 분말의 정전기 스프레이 코팅(ESC)에 의해서, 최소의 코팅 두께는 10 미크론의 범위에 있고, 초음파 스프레이 증착(USD)은 일 미크론 만큼 얇은 균일한 코팅을 제조할 수 있다; 그리고
●비전도성 기판을 코팅하는 능력[정전기 스프레이 코팅(ESC)은 기판의 표면이 임의의 레벨의 전기 전도성을 갖는 것을 요구한다 - 초음파 스프레이 증착(USD)은 요구하지 않는다]
본 발명자들은 여러 실시예에서 화학 증기 침투(CVI)를 사용하여 적용된 질화 티타늄(TiN) 및 초음파 스프레이 증착(USD)을 사용하여 증착된 입방정 질화 붕소(cBN)로 구성되는 코팅을 생성하기 위하여 상기 공정을 사용하였다. 이 공정은 질화물, 탄화물, 질화탄소(carbonitride), 붕화물, 산화물, 황화물 및 규화물을 포함하는, 다른 공정에서 사용할 수 없는 많은 재료와 함께 사용될 수 있다.
또한, 다른 결합 또는 사후 증착 처리 공정은 여러 실시예에서, 기판, 코팅 재료 및 코팅의 적용 요구조건에 따라서 화학 증기 침투(CVI)에 대한 대안으로서 적용될 수 있다. 본 발명은 여러 실시예에서 베이스 또는 그린 코팅의 초기 증착을 위한 공정으로서 초음파 스프레이 증착(USD)을 사용하여 단일 재료 또는 다중 재료의 조합으로 구성된 코팅을 생성하는 여러 방법들에 관한 것이다. 코팅은 복잡한 기하학적 형태를 갖는 것을 포함하는 다양한 기판들에 적용될 수 있다. 상기 적용 방법은 초음파 스프레이 증착(USD)을 실행하는데 사용되는 장치 및 설비 디자인에 대해서도 기술한다.
도 1은 베이스 또는 그린 코팅층의 초기 증착 및 그후의 사후 증착 처리 단계를 포함하는, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 두 단계의 코팅 공정을 도시한 도면.
도 2는 사전 증착 처리가 증착 이전의 코팅 재료에 적용되는 경우를 도시한 도면.
도 3은 초음파 스프레이 증착 공정을 도시한 도면.
도 4는 정전 전하와 조합되는 초음파 스프레이 증착(USD)을 도시한 도면.
도 5는 액체에서 분산된 코팅 재료들을 초음파 스프레이 시스템에 공급할 때 사용되는 초음파 탱크를 도시한 도면.
도 6은 증착되는 재료를 수용하는데 사용되고, 대기에 대한 허용될 수 없는 방출을 방지하면서, 기판 거리에 대한 스프레이 노즐을 조정할 수 있고, 사용되지 않은 코팅 재료를 포획 및 재순환시키는 증착 챔버를 도시한 도면.
도 7은 기판 상의 코팅의 균일한 증착을 보장하는데 사용되는 회전 스테이지를 도시한 도면.
도 8은 챔버를 포함하는 증착 시스템 및 초음파 압력 전달 시스템을 포함하는 통합된 초음파 스프레이 증착 시스템을 도시한 도면.
기판 상에 코팅을 제조하기 위한 방법 및 장치가 본원에 기재되어 있으며, 베이스 코팅층을 증착하기 위하여 초음파 스프레이 증착으로 개시된다.
두 단계의 코팅 공정 - 개요
도 1은 기판 상에 코팅을 제조하기 위한 두 단계의 공정을 도시한다. 기판(170)은 증착 시스템(200)에 배치된다. 하나 이상의 코팅 재료(150)는 증착 시스템(200)에 도입된다. 상기 코팅 재료들은 건식 분말 또는 액체 부유물 형태, 및 나노 또는 마이크로 크기의 입자들 또는 두개의 조합물을 수용할 수 있다. 다중 재료들이 함께 조합되거나 또는 개별적으로 증착 시스템(200)에 개별적으로 도입될 수 있다. 질화물, 탄화물, 질화탄소(carbonitride), 붕화물, 산화물, 황화물 및 규화물을 포함하는, 여러 재료들이 사용될 수 있다.
증착 시스템(200)은 기판 상에 초기 코팅 또는 베이스층을 제조하기 위하여 여러 방법들중 임의의 것을 사용할 수 있다. 이러한 하나의 증착 방법은 하기 추가로 기술되는 초음파 스프레이 증착(USD)이다.
초기 증착 단계 후에, 코팅 재료(들)의 건식 고체 입자들이 기판과 접촉한다. 증착(270)을 갖는 기판은 도 1에 도시된 바와 같이, 증착 단계(200)의 출력이다.
베이스층으로 증착되는 기판(270)은 그 후에 사후 증착 처리 단계(300)를 겪는다. 사후 증착 처리는 증착된 건식 입자들을 서로에 대해서 그리고 기판에 결합시키는데 사용된다. 적당한 처리 방법들은 다음 사항을 포함한다:
●화학 증기 증착(CVD)과 유사하지만, 결합제가 다공성 건식 분말 증착을 침투하여서 기판 및 건식 입자들 모두와 접촉하도록 느린 반응을 이용하는 화학 증기 침투(CVI)
●○마이크로파 소결
○레이저 소결
○적외선 소결을 포함하는 단일 또는 조합, 여러 대안 소결 방법중 임의의
것을 사용하는 소결
상기 방법들은 각각 초기 코팅 증착의 입자들을 소결하여서 서로에 대해서 그리고 기판에 결합시키기 위하여, 고에너지(마이크로파, 레이저, 적외선 또는 고온 및 고압)의 하나 이상의 짧은 폭발을 적용시킨다. 상기 방법들은 오랜 시간 동안 기판을 고온에 적개 노출시킨 상태에서 그린 코팅(green coating)을 기판에 결합시킬 수 있다.
다른 결합 방법은 다결정 입방 붕소 질화물(PCBN) 고체 컴팩트의 제조를 포함하는 다양한 목적을 위하여 현재 사용되고 있는 고온-고압(HT-HP) 공정을 사용한다. 본 발명에서, HT-HP은 증착된 입자들을 서로에 대해서 그리고 기판에 결합시키기 위하여, 사후 증착 결합 단계로서 사용된다.
일부 실시예에서, 추가 처리 단계(도면에서는 도시생략됨)가 사후 증착 처리 단계(300) 후에 적용되어서 코팅에 추가 위상을 부가한다. 이것의 한 보기는 활성 생물학적 약품을 베이스 코팅에 적용시킬 목적으로, 베이스 코팅의 증착 및 소결 이후에, 최종 단계로서, 정전기 스프레이 코팅 또는 초음파 스프레이 증착을 사용하는 것이다. 더욱 특정 보기로서, 가능하게는 다공성 표면층을 갖는 치과용 임플란트 또는 다른 생물의료 장치는 정전기 스프레이 코팅 또는 초음파 스프레이 증착 및 그후의 베이스 코팅의 마이크로파 소결하여 코팅될 수 있다. 그후, 추가 사후 소결 증착 단계에서, 살균 또는 항박테리아 약품과 같은 활성 약품 또는 골형성 단백질 또는 이식 후의 장치의 표면에서 약제 투여를 위한 입자 운반 약제와 같은 다른 활성 약품이 적용될 수 있다. 이들은 특정 목적을 위하여, 베이스 코팅에 추가 요소를 적용하는데 사용될 수 있는 사후 처리 단계의 보기들이다.
사후 증착 처리(300) 이후에 적용될 수 있는 다른 추가 처리 단계들(도면에서 도시생략됨)은 코팅의 결함 및 비균일성을 감소시키거나 또는 제거하기 위하여 그리고 코팅의 결합을 강화하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공구들을 컷팅하기 위하여 사용되는 것과 같이 단단한 코팅에 대해서 적당한 처리는 고온-고압(HT-HP) 적외선 소결(펄스형 적외선 방사)을 포함한다. 과도기적 에너지 소스를 사용하는 다른 방법들은 기판 상의 최종 코팅 특성을 보강하는데 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들은 선택적인 사전 증착 처리 단계(100)를 포함한다. 비처리된 코팅 재료(50)는 증착 시스템(200)에 대한 처리된 코팅 재료(150)로서 통과하기 전에 처리된다. 예를 들어, 코팅 재료들의 입자들은 기능성(특정 적용에 바람직한 특정 기능을 제공하는)의 목적을 위하여 사전 처리되거나 또는 다수의 목적중 임의의 목적(즉, 코팅 공정에 연관된 고온으로부터 입자를 보호하는 것)을 위하여 입자들의 오버 코팅(over coating)될 수 있다.
코팅 증착을 위한 방법 및 장치
도 3은 기판 상에 재료를 증착하기 위하여, 초음파 분무 및 액체 분산 스프 레이를 사용하는 증착(200) 방법을 도시한다. 상술한 바와 같이, 선택적으로 사전처리될 수 있는 코팅 재료(150)가 압력 전달 시스템(220)에 도입된다. 분산제(dispersant;215)는 코팅 재료가 액체 분산제에서 분산되는 압력 전달 시스템에 도입된다. 압력 전달 시스템(220)은 재료들을 분산액에서 유지하고 분산액을 가압한 후에 초음파 분무기(235)에 공급한다.
분산액을 생성하는데 사용된 액체는 메탄올, 에탄올 등을 포함하는 다수의 적당한 캔디데이트(candidate)중에서 선택될 수 있다. 입방정 질화 붕소(cBN)의 초음파 스프레이를 위하여, 본 발명자들은 액체로서 에탄올(C2H5OH)을 사용하였다. 에탄올은 검습 특성(hygroscopic characteristics)을 갖는 입방정 질화 붕소(cBN) 입자들을 부착하고 입자들을 액체에서 부유상태로 유지하는 것을 보조하는 극성 분자 또는 친수성 분자들을 갖는다. 더욱 균일한 분산을 위하여, 극성 특성을 갖는 다른 분산제도 역시 제공되거나 또는 계면활성제와 조합하여 적용될 수 있다.
초음파 신호 발생기(240)는 분무기(235) 내의 압전 소자에 연결된다. 압전 소자는 초음파 신호를 기계적 작용으로 변환시키고, 상기 기계적 작용은 액체 분산액을 방울로 분무하고, 이것은 노즐(245)로 공급된다. 초음파 신호의 주파수를 조정함으로써, 그에 따른 방울 크기가 조정될 수 있다. 주파수가 높을 수록, 방울 크기가 작아진다. 예를 들어, 일 실시예에서, 125KHz의 주파수가 사용되며, 이것은 약 20 미크론의 중간 크기를 갖는 방울을 생산한다.
노즐은 방울들을 코팅될 부분 또는 기판을 향하여 지향시킨다. 방울의 액체 는 변이 상태(transit)에서 기판을 향하여 증발되거나 또는 기판 상에 증착된 후에 증발되거나 또는 양자의 조합 상태에서 증발된다. 그 결과로 코팅 재료(들)의 건식 분말이 기판 상에 증착된다. 선택적인 방안으로서, 가스 유동(공기, 질소 또는 다른 적당한 가스)이 방울 스프레이를 표면을 향하여 추가로 지향시키기 위하여, 노즐의 출구 주위로 도입될 수 있다. 이것은 재료의 증착 효율(기판 상에 증착되는 재료의 분율)을 증가시킬 뿐 아니라 증착 속도를 개선시킬 수 있다. 가스는 액체의 증발 속도를 높이기 위하여 가열될 수 있다.
초음파 스프레이 증착(USD)은 상기 초음파 스프레이 증착(USD)을 일부 적용에 대해서 더욱 적당하게 하는 정전기 스프레이 코팅(ESC)에 대해서 여러 장점들을 제공한다. 또한, 코팅 재료는 재료를 응집분리시키는 액체에서 분산되고, 초음파 분무 공정은 자체적으로 응집체를 파괴하므로, 그에 따른 증착은 매끄러운 표면에 의해서 더욱 균일해진다. 본 발명자들은 또한 초음파 스프레이 증착(USD)에 의해서 고밀도의 코팅을 생성할 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 코팅 예비형성체의 코팅 재료의 용적 분율(fraction)이 정전기 스프레이 코팅(ESC)보다 초음파 스프레이 증착(USD)에 의해서 더욱 높아질 수 있다는 것을 발견하였다.
도 4는 초음파 스프레이 증착(USD)을 정전 전하와 조합시키는 다른 증착 방법(200)을 도시한다. 다시, 코팅 재료(150)(비처리 또는 사전 처리된) 및 액체 분산액(215)은 압력 전달 시스템(220)에 도입된다. 초음파 분무기(235), 초음파 신호 발생기(240) 및 노즐(245)의 조합은 기판(170)을 향하여 지향되는 제어된 크기의 방울들을 갖는 스프레이를 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 가스 유동은 방 울 스프레이를 추가로 지향시키고 증착 속도 및 효율을 증가시키기 위하여 도입될 수 있다.
본 실시예에서, 초음파 스프레이 노즐(245)의 출구 부근에 하나 이상의 전도성 전극(265)을 배치함으로써, 방울들에 정전 전하가 주어진다. 전극(들)에 고전압을 인가하고, 조정가능한 고전압 발생기(260)를 사용하고, 기판(170)을 접지시킴으로써[기판은 임의의 전도성을 갖는 표면을 가져야 한다], 초음파 스프레이 노즐을 빠져나오는 방울들은 충전되고 전기장 라인을 따라 기판으로 이동한다. 노즐 출구 부근에 배열된 하나 이상의 첨부형 전극(point electrode) 뿐 아니라 원형 또는 타원형 칼라를 포함하는 전극에 대해서, 다양한 형태 및 구성들이 사용될 수 있다.
노즐(245), 전극(265) 및 기판(170)의 위치를 조정함으로써 그리고 전압, 전극 기판 거리, 초음파 주파수(방울 크기에 영향을 미치는) 및 압력 전달 시스템(220)으로부터의 스프레이 압력을 조정함으로써, 정전기의 영향과 방울들의 초음파 스프레이 사이의 균형은 주어진 코팅 적용을 위하여 필요한 특성을 제공하도록 변경될 수 있다. 전압 레벨을 조정하고 스프레이 노즐 및 기판 사이의 거리를 조정함으로써, 노즐 및 기판 사이의 방울들에 대한 변이 시간을 변경할 수 있다. 선택방안으로서, 운반 가스는 가열되어서 변이 동안 방울들이 증발되는 시간에 영향을 미친다. 이와 같이 다양하게 조정하는 것은 건식 증착[방울들이 기판에 도달하기 전에 증발되는] 및 습식 증착[방울들이 기판에 증착될 때 아직 액체 상태에 있는] 사이의 바람직한 균형이 이루어져서, 모든 건식, 모든 습식 또는 혼합형 습식/ 건식 증착이 적용을 위하여 최상의 것에 따라서 사용될 수 있도록, 공정을 최정하는데 사용될 수 있다.
이러한 접근 방안은 초음파 스프레이 증착(USD) 및 정전 전하 모두에 대한 긍정적인 형태를 조합하며, 이것은 여러 장점들을 제공한다:
●초음파 스프레이 증착(USD)에 정전기력을 부가하는 것은 3D 표면들을 적응되게 코팅하는 것을 보조하여서, 기판 표면 및 노즐 사이의 시선(on line of sight)에 대한 의존도를 낮출 수 있다;
●정전기력을 부가하면 초음파 스프레이 증착(USD) 자체만과 비교할 때 증착 속도를 개선시킨다;
●정전기력은 역시 전달 효율[기판 상에 증착되는 스프레이된 재료의 분율]을 증가시키며, 이것은 증착 생산성을 증가시키고 비증착 재료의 잠재적인 환경 영향을 감소시킨다;
●정전기력은 전기장 라인이 에지들까지 적용되어서 방울들/입자들의 제조성을 크게 하기 때문에, 예리한 에지들의 적용범위를 개선한다;
●초음파 스프레이 증착(USD) 및 정전 전하를 조합하면, 정전기 스프레이 코팅(ESC) 자체만과 비교할 때[본원에서 참고로 전체적으로 합체된 미국 특허 제 6,544,599호를 참조하시오], 초음파 스프레이에 대해서 상술한 여러 장점들 즉, 더욱 얇게 제조하는 능력, 더욱 조밀하고 더욱 균일한 코팅을 생성하는 능력을 제공한다;
초음파 스프레이 증착을 위한 압력 전달 시스템의 핵심 부분은 초음파 스프 레이 시스템으로의 전달을 위하여 분산제 내에서 입자들의 부유물을 유지하는 초음파 탱크이다. 도 5는 초음파 탱크 장치를 도시한다. 압력 용기(3)는 입자 부유물(4)을 저장한다. 적당한 압력 시일(도면에 도시생략됨)을 갖는 개방부는 용기를 처음에 수동으로 충전하기 위하여 사용된다. 용기는 또한 액체 분산제에 대해서 적당한 공급 라인/입구들을 제공하고 적당한 계측 및 자동 제어에 따라서 분말 입자들을 제공함으로써 자동으로 충전될 수 있다.
용기는 압축 공기 입구(5)에서 용기로 들어가는 압축 공기, 질소 또는 다른 적당한 가스를 사용하여 압력 상태에서 가압된다. 일부 적용을 위하여, 가스의 이슬점 또는 습도 수준의 제어를 유지하는 것이 필요할 수 있다. 선택 방안으로서, 가스는 증착 도중에 분산제의 제거 속도를 높이기 위하여 사전 가열될 수 있다. 압력 릴리프 밸브(7)는 용기 또는 가압 조립체의 다른 부분들이 과도하게 가압되고 점재적으로 누설 또는 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 안전 조치로서 제공된다.
입자 부유물은 유체 픽업 튜브(6)를 통해서 압력 용기를 빠져나온다. 유체 픽업 튜브의 바닥부 및 압력 용기의 바닥부 사이의 거리는 일정한 입자 밀도 및 양호한 부유물을 갖는 유체가 압력 용기 내의 위치에서 당겨지는 것을 보장하도록 조정될 수 있다. 액체 레벨 표시(도면에서 도시생략)는 압력 용기의 외부에 제공된다.
선택 방안으로서, 초음파 탱크는 입자들의 균일한 분산을 유지하기 위하여 여러 수단중 임의의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 실시예에서, 상업용 초음파 물 욕조(1)는 압력 용기 및 그 안에 있는 부유물에 초음파 진동을 부여하는 초음파처리된 물(sonicated water)에 의해서 압력 용기를 둘러싸는데 사용된다. 다른 보기들은 둘러싸는 욕조 또는 압력 용기에 부착된 기계식 진동기, 용기 내의 부유물에 잠겨진 초음파 진동기 스틱 또는 유사 장치, 기계식 교반기 및 기타 진동 또는 초음파처리 수단의 사용을 포함한다.
도 6은 정전기 스프레이 코팅(ESC), 초음파 스프레이 증착(USD) 또는 초음파 스프레이 증착(USD) 플러스 정전 전하에 대해서 사용될 수 있는 증착 챔버를 도시한다. 스프레이 노즐 조립체(1)는 코팅 재료[건식 분말 또는 입자를 수용하는 액체 부유물]를 코팅 챔버(2) 안으로 스프레이하도록 설치된다. 스프레이 노즐 조립체는 정전기, 초음파 또는 초음파 플러스 정전기 증착 수단을 사용할 수 있다. 코팅될 기판 또는 부분(들)은 스테이지 부유물 조립체(3)를 사용하여 챔버에 부유되는 스테이지(4) 상에 배치된다. 스테이지의 방위는 고정되거나 또는 선택 방안으로서, 회전 스테이지는 본원에 추가로 기술된 바와 같이, 사용될 수 있다. 스테이지 및 스프레이 노즐 사이의 거리는 조정될 수 있다.
챔버는 오염물의 침입 또는 코팅 재료의 이탈을 방지하도록 밀봉된다. 기판(들) 상에 증착되지 않는 재료는 재료가 재순환될 수 있도록 분말 재순환 수집기(5)에 모아진다. 양호한 실시예에서, 사용되지 않은 재료는 액체 욕조를 통해서 또는 재료가 재사용을 위하여 포획되도록 다른 여과 수단에 의해서 밀봉된 챔버를 빠져나고 대기로 방출되는 것이 방지된다.
양호한 실시예에서, 스테이지 부유물 조립체(3) 상에 제공된 조정 수단은 O링 타입의 시일 또는 다른 밀봉 수단을 사용하여 밀봉되는 개방부를 관통하여 챔버 의 상단을 통해서 조립체를 연장시킴으로써 챔버 외부에 위치한다. 이러한 디자인에 의해서, 스테이지 대 노즐의 거리는 챔버를 개방시키지 않고 조정될 수 있다.
도 7은 기판의 표면을 가로지르는 증착 균일성을 개선하기 위하여, 선택 방안으로서 사용되는 회전 스테이지를 도시한다. 회전 스테이지는 정전기 스프레이, 초음파 스프레이, 정전 전하를 갖는 초음파 스프레이 및 다른 증착 방법과 함께 사용될 수 있다. 전기 모터(1)는 감속 기어(2)를 통해서 장치를 구동하여서, 중심 샤프트(6)가 회전할 수 있게 한다. 선 플레이트(sun plate;7)는 중심 샤프트(6)에 부착되어서 샤프트와 함께 회전한다. 다수의 위성 기어(5)가 위성 샤프트(8)를 사용하여 선 플레이트(7)에 설치된다. 위성 기어는 고정된 설치 베이스(3)에 설치된 내부 링 기어(4)와 맞물린다. 도면에 도시된 일 실시예에서, 6개의 위성 기어들이 사용된다.
선 플레이트가 회전할 때, 위성 기어들은 조립체의 중심축 주위로 이동하고 내부 링 기어와의 상호 작용으로 인하여, 위성 기어들은 그 자체 축에서 회전한다. 기판들은 개별적인 위성 기어 스테이지들에 설치된다. 이중 회전 작용은 기판의 표면 상의 모든 지점들이 재료 스프레이에 동일하게 노출되는 것을 보장함으로써, 기판 상의 증착 균일성을 보강한다.
위성 및 링 기어들은 종래의 기어 치형체를 사용하여 맞물리거나 또는 위성 기어들은 각 롤러의 외부 에지가 내부 링 기어의 표면과 접촉하고 마찰이 위성기어들을 회전하게 하도록 (즉, 스프링에 의해서) 외부를 향하여 가압되는 롤러로서 제조될 수 있다.
임의의 유형의 정전기 증착을 위해서, 위성 기어들은 이들 위에 설치되는 기판을 접지시키기 위하여, 접지되어야 한다. 이것은 위성 기어들을 접지 부재에 전기 접속하도록 수단이 제공되는 것을 필요로 한다. 위성 기어들이 롤러인 일 실시예에서, 위성 기어 샤프트에 대해서 가압하고 위성 기어들을 내부 링 기어에 대해서 유지하는 스프링들이 브러쉬(brush)로서 작용하여서 접지된 회전 스테이지 조립체의 받침대(rest) 및 위성 기어들 사이의 전기 접속을 이룬다.
전기 모터의 속도는 코팅될 기판이 코팅의 바람직한 균일성을 달성하기 위하여 동일하게 증착 스프레이 패턴의 모든 부분들에 노출되는 것을 보장하도록 조정될 수 있다. 속도는 DC 모터에 대한 전력 입력값(전압)을 변경함으로써 조정될 수 있다. 도면에 도시된 특정 실시예에서, 전체 선 플레이트에 대한 위성 기어들의 회전 속도의 비율은 기어 비율에 의해서 고정된다. 그러나, 다른 실시예에서, 두개의 속도가 독립적으로 조정될 수 있도록, 하나 이상의 추가 모터 또는 다른 수단이 제공될 수 있다.
회전 스테이지도 역시 x 방향 또는 y 방향으로 측방향으로 이동하는 적당한 플랫폼에 설치됨으로써 병진이동할 수 있고 상기 스테이지도 역시 z 방향[도면의 수직 방향]으로 병진이동하여서, 회전 스테이지를 스프레이 소스로 인접하게 또는 스프레이 소스로부터 이격되게 이동시킨다.
도 8은 통합된 초음파 스프레이 증착 시스템을 도시한다. 압축 공기, 질소 또는 다른 적당한 가스가 압력 제어 밸브를 통해서 압력 전달 시스템에 제공된다. 상기 밸브들중 하나는 초음파 탱크로 이송된 가스 압력을 제어한다. 입자들의 액 체 부유물은 가압된 초음파 탱크를 빠져나와서 초음파 스프레이 노즐 조립체로 이송된다. 선택 방안으로서, 제 2 밸브는 초음파 스프레이를 기판에 추가로 지향시키기 위하여 초음파 스프레이 노즐 조립체로 제공된 가스의 압력을 제어하는데 사용된다. 초음파 스프레이 노즐 조립체는 증착 챔버에 설치되며, 이것은 본원에 개별적으로 기술되어 있다.
동일 구성이 정전 전하를 갖는 초음파 스프레이 증착에 대해서 사용된다. 이 경우, 전기 및 조정가능한 전압 소스가 제공되며 전기장 보조 초음파 증착을 제공하기 위하여 접지된다. 정전기 스프레이 코팅(ESC)에 대해서 이용가능한 상업용 고전압 발생기가 사용될 수 있다; 그러나, 본 발명자들은 이 적용을 위해서는 일부 수정 즉, 폭넓게 다른 유전체 상수를 갖는 분산제에 적용될 수 있도록 전압 발생기를 수정하는 것이 필요하다는 것을 발견하였다.
본원에 기술된 시스템에 포함될 수 있는 다른 선택적인 형태는 다음과 같다:
●특정 적용을 위하여 바람직할 때, 운반 가스 또는 액체의 예비 가열;
●재료 공급 및 액체 분산액 유동, 온도 및 기판의 회전/병진이동의 자동화 및 공급 및 증착 속도, 온도 및 다른 핵심 변수들의 자동 측정;
●큰 표면 상의 증착을 허용하도록, 기판 또는 초음파 노즐[정전 전하에 의해서 또는 정전 전하 없이] 또는 양자 모두의 추가 병진이동; 및
●큰 표면 또는 복잡한 기하학적 형태의 코팅을 허용하기 위하여 다중 노즐의 사용.

Claims (29)

  1. 기판을 증착 재료로 코팅하는 방법으로서,
    a) 증착 재료를 초음파 신호에 의해서 분무(atomize)하는 단계;
    b) 증착 재료를 기판 상으로 지향시키는 단계; 및
    c) 하나의 원위치 및 사후 증착 처리를 기판에 적용함으로써, 증착 재료가 기판으로 바운드(bound)되는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료는 탄화물, 질화물, 질화탄소(carbonitride), 붕화물, 산화물, 황화물 및 규화물중 적어도 하나를 포함하는, 코팅 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증착 재료는 질화 붕소를 포함하는, 코팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사후 증착 처리를 적용하는 단계는 화학 증기 침투를 포함하는, 코팅 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화학 증기 침투의 단계는 질화 티타늄을 기판에 적용하는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사후 증착 처리를 적용하는 단계는 화학 증기 증착을 포함하는, 코팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 사후 증착 처리를 적용하는 단계는 소결을 포함하는, 코팅 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소결 단계는 마이크로파 소결, 레이저 소결 및 적외선 소결의 세트중 적어도 하나를 포함하는, 코팅 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 원위치 및 사후 증착 처리를 기판에 적용하는 단계 후에 약품 재료(agent material)를 기판에 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 약품 재료는 활성 생물학적 약품을 포함하는, 코팅 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 활성 생물학적 약품은 하나의 살균성 및 항박테리아 약품을 포함하는, 코팅 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 약품 재료는 골 형성 단백질(bone morphogenic protein)을 포함하는, 코팅 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 약품 재료는 약제 운반 약품을 포함하는, 코팅 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 기판 상으로 증착시키는 상기 단계는 노즐을 사용하고, 가스 유동을 노즐에 인접하고 기판을 향하여 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스 유동을 가열시키는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 분무하는 상기 단계 이전에 증착 재료를 액체에서 분산시키는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 액체는 알콜을 포함하는, 코팅 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 알콜은 메탄올 및 에탄올중 하나를 포함하는, 코팅 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 액체는 극성 화합물을 포함하는, 코팅 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료는 미세 크기의 입자를 포함하는, 코팅 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료는 나노 크기의 입자를 포함하는, 코팅 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 정전기적으로 충전하는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 기판 상으로 지향시키는 상기 단계 동안 상기 기판을 조작(manipulate)하는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판을 조작하는 상기 단계는 기판을 스테이지 상에서 회전시키는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판은 복잡한 기하학적 형태를 포함하는, 코팅 방법.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 분무하는 상기 단계 이전에 상기 증착 재료를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 코팅 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 증착 재료를 처리하는 상기 단계는 상기 증착 재료를 기능성 재료 및 보호성 재료중 적어도 하나에 의해서 코팅하는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 재료는 비전도성인, 코팅 방법.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에 사후 증착 처리를 적용하는 상기 단계는 고온-고압 처리를 기판에 적용시키는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
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