KR20090092872A - 분말 도포 방법 및 장치 - Google Patents

분말 도포 방법 및 장치

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Abstract

본 발명은 소정의 분말을 공급하는 공정; 상온 상태에서 가스를 주입하여 상기 공급된 분말을 소정의 분사노즐로 운반하는 공정; 및 상온 및 진공상태에서 상기 운반된 분말을 소정의 분사노즐을 이용하여 소정의 기판 상에 분사하는 공정을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 소정의 분말은 0.1 ~ 10 ㎛ 범위이고, 상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 500 ~ 1200 m/sec의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 분말을 도포하는 방법, 및 그 방법을 수행하기 위한 분말 도포 장치에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면 소정의 분말을 상온에서도 원활하게 기판 상에 도포할 수 있어, 열에 약한 다양한 재료의 기판을 이용할 수 있다.

Description

분말 도포 방법 및 장치{Method and Apparatus for coating powder material on substrate}
본 발명은 기판 상에 소정의 재료를 도포하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 저온하에서 금속, 세라믹, 또는 고분자 등으로 이루어진 다양한 기판 상에 금속 또는 세라믹 등과 같은 다양한 재료를 도포할 수 있는 방법에 관한 것이다.
기판 상에 소정의 재료를 도포하는 방법으로는 화학적 기상증착법(Cemical Vapor Deposition), 열 스프레이법(Thermal Spray), 가스 디포지션법(Gas Deposition) 등이 있다.
상기 화학적 기상증착법은 반도체 제조공정에서 널리 이용되는 방법으로서, 기체상태의 재료를 가열된 기판 표면에서 화학적으로 반응시킴으로써 기판 표면에 소정의 재료를 도포하는 방법이다. 그러나, 이와 같은 화학적 기상증착법은 기체 상태의 재료를 기판 표면에 도포하기 때문에 금속 등과 같은 다양한 재료를 기판 표면에 도포할 수 없으며, 또한 화학적 기상증착법은 1000 ℃ 이상의 고온에서 수행하기 때문에 열에 약한 고분자와 같은 재료로 이루어진 기판 상에 소정 재료를 도포하는데 한계가 있다.
상기 열 스프레이법은 분말 재료를 고온의 열원을 이용하여 용융상태로 변화시키고 고속으로 기판 표면에 충돌시킨 후 급냉응고함으로써 기판 표면에 소정의 재료를 도포하는 방법이고, 상기 가스 디포지션법은 금속 또는 세라믹과 같은 재료를 고온의 열원을 이용하여 기화시켜 초미립자 형태로 만든 후 기화된 초미립자를 고온의 가스를 이용하여 소정의 기판 표면에 분사함으로써 기판 표면에서 초미립자 사이의 결합을 유도하여 기판에 소정의 재료를 도포하는 방법이다.
그러나, 이와 같은 열 스프레이법 및 가스 디포지션법은 금속 또는 세라믹과 같은 다양한 재료를 기판 표면에 도포할 수는 있으나, 공정이 600 ℃ 이상의 고온에서 수행하기 때문에 열에 약한 고분자와 같은 재료로 이루어진 기판 상에 소정 재료를 도포할 경우 기판이 열충격에 의해 변형되는 문제점이 있다.
결국, 종래의 화학적 기상증착법, 열 스프레이법, 및 가스 디포지션법은 공정이 고온에서 수행되기 때문에 열에 약한 재료로 이루어진 기판 상에 소정 재료를 도포하는데 한계가 있고, 따라서, 낮은 온도에서 도포 공정을 수행함으로써 다양한 재료로 이루어진 기판 상에 소정 재료를 도포할 수 있는 방법에 대한 개발이 있어왔고, 그 일 예로서 콜드 스프레이법(Cold Spray)이 개발되었다.
상기 콜드 스프레이법은 300 ~ 600℃의 비교적 낮은 온도에서 소정의 분말을 공급한 후 대기압하에서 초음속 가스를 이용하여 상기 분말을 소정 재료의 표면에 충돌시켜 높은 변형을 유도함으로써 기판에 소정 재료를 도포하는 방법으로, 이하 도면을 참조로 종래의 콜드 스프레이법에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 콜드 스프레이 장치의 개략도로서, 종래의 콜드 스프레이 장치는 가스주입부(10), 분말공급부(20), 가열부(30), 챔버(40), 및 분사노즐(50)로 이루어진다.
상기 가스주입부(10)에서 가스가 주입되면, 일부 가스는 상기 분말공급부(20)로 이동하여 분말을 이송하고, 나머지 가스는 상기 가열부(30)로 이동하여 고온의 가스로 가열된다. 그 후, 가열된 가스와 분말을 이송하는 가스가 합류한 후 상기 분사노즐(50)을 통해 분말입자가 분사된다. 분사된 분말 입자는 챔버(40) 내에 안착된 기판(1)의 표면과 충돌한 후 기판(1) 내로 함침하면서 기판(1) 표면에 분말 입자가 도포되게 된다.
그러나, 이와 같은 콜드 스프레이법은 다음과 같은 적용의 한계가 있다.
첫째, 콜드 스프레이법은 화학적 기상증착법, 열 스프레이법, 및 가스 디포지션법 등과 비교할 때 상대적으로 저온에서 도포공정을 수행할 수는 있지만, 300 ~ 600℃의 공정 온도가 필요하기 때문에 여전히 온도에 민감한 재료로 이루어진 기판에 소정 재료를 도포하는 데에는 한계가 있다. 특히, 현재 미래의 디스플레이 장치로서 많은 관심을 받고 있는 플렉시블 기판(Flexible)을 이용한 디스플레이 장치의 경우, 상기 플렉시블 기판으로서 열에 약한 유기고분자 재료가 적용되어야 하므로, 300 ~ 600℃의 공정 온도를 요구하는 콜드 스프레이법을 이용하기에는 아직 온도조건이 충족되지 못하고 있다.
또한, 콜드 스프레이법은 300 ~ 600℃의 공정 온도가 요구되기 때문에 도 1에서와 같이 가열부(30)가 필수적으로 요구되고 가스 이동을 위한 배관이 복잡하게 구성되어 비용이 증가되는 단점이 있다.
둘째, 콜드 스프레이법은 분말 입자가 기판과 충돌한 후 기판 내로 함침하면서 도포되기 때문에 분말 입자가 소정 크기 이하일 경우에는 분말 입자가 기판 내로 함침하지 않게 된다. 따라서, 소정 크기 이상의 분말 입자를 이용하여야 하는데, 이 경우 분말 입자가 기판과 충돌하면서 기판 표면에 악영향을 미칠 우려가 있다.
셋째, 콜드 스프레이법은 그 공정상 한계로 인하여 금속 분말의 도포공정만이 적용될 수 있고 세라믹 분말은 단독으로 도포될 수는 없고 금속 분말과 혼합한 경우에만 적용될 수 있어, 도포공정의 재료 선택의 다양성에 한계가 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 소정의 분말을 상온에서도 원활하게 기판 상에 도포할 수 있도록 함으로써 다양한 재료의 기판을 이용할 수 있도록 하는 도포 방법 및 도포 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 작은 크기의 분말을 기판 상에 도포함으로써 기판에 미치는 악영향을 최소화할 수 있는 도포 방법 및 도포 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 금속 분말 및 세라믹 분말 등과 같은 다양한 재료의 분말을 이용할 수 있도록 하는 도포 방법 및 도포 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 소정의 분말을 공급하는 공정; 상온 상태에서 가스를 주입하여 상기 공급된 분말을 소정의 분사노즐로 운반하는 공정; 및 상온 및 진공상태에서 상기 운반된 분말을 소정의 분사노즐을 이용하여 소정의 기판 상에 분사하는 공정을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 소정의 분말은 0.1 ~ 10 ㎛ 범위이고, 상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 500 ~ 1200 m/sec의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 분말을 도포하는 방법을 제공한다.
본 발명자는 열에 약한 유기고분자 재료를 기판으로 이용하기 위해서 상온상태에서 분말을 도포할 수 있는 방법에 대해 연구한 결과, 도포공정이 이루어지는 챔버의 조건, 분말의 크기, 분말을 기판에 분사하는 속도를 적절히 조절할 경우 종래와 같이 분말에 대한 가열공정을 수행하지 않고도 상온상태에서 충분히 양호한 분말 도포공정이 가능함을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다. 구체적으로는, 도포공정이 이루어지는 챔버를 대기압이 아닌 진공상태로 설정하고, 분말의 크기를 0.1 ~ 10 ㎛ 범위로 하고, 분말을 기판에 분사하는 속도를 500 ~ 1200 m/sec범위로 할 경우, 분말에 대한 가열공정 없이 양호한 분말 도포가 가능함을 발견하였다.
여기서, 도포공정이 이루어지는 챔버를 진공상태로 유지함으로써 분말이 가스에 의해 이동할 때 받는 유체저항을 감소시켜 분말의 속도감소 요인이 없어지게 되고, 그와 더불어 분말의 크기를 상기 범위와 같이 상대적으로 작게 형성하고 그 대신 분말을 분사하는 속도를 상기 범위와 같이 상대적으로 크게 형성함으로써 분말이 기판에 충돌하여 도포되는 공정이 원활히 이루어지게 되는 것이다.
또한, 상기와 크기가 작은 분말을 이용함으로써 분말이 기판에 충돌시 기판에 미치는 악영향이 최소화되고, 상기 공정 범위 내에서 세라믹 분말을 기판 상에 분사할 경우 세라믹 분말이 기판과 충돌하여 부서지면서 재결합을 함으로써 기판 상에 세라믹 분말이 도포되는 모습을 확인하였으며, 그에 따라 금속 분말 및 세라믹 분말 등 다양한 분말 재료를 이용하여 도포 공정을 수행할 수 있게 되었다.
본 발명은 또한 상기와 같은 도포 방법을 구현하기 위해서, 챔버; 상기 챔버와 연결되어 상기 챔버 내부를 진공 환경으로 조성하는 진공펌프; 상기 챔버 내부에 형성되며, 소정의 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 챔버 내부에 형성되며, 상기 기판 상에 소정의 분말을 분사하도록 구성된 분사노즐; 상기 챔버 외부에 형성되며, 소정의 가스를 주입하는 가스주입부; 상기 가스주입부와 상기 분사노즐에 각각 연결되어 상기 가스주입부에서 주입되는 가스가 상기 분사노즐까지 이동할 수 있도록 하는 배관; 및 상기 배관에 연결되며, 상기 가스가 이동하는 배관에 분말을 공급하는 분말공급부를 포함하여 이루어진 분말 도포 장치를 제공한다.
상기 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 도포공정이 이루어지는 챔버를 진공환경으로 설정하고, 분말의 크기를 0.1 ~ 10 ㎛ 범위로 하고, 분말을 기판에 분사하는 속도를 500 ~ 1200 m/sec범위로 함으로써, 소정의 분말을 상온에서도 원활하게 기판 상에 도포할 수 있다. 따라서, 열에 약한 다양한 재료의 기판을 이용할 수 있어 플렉시블 기판 상에 절연층 또는 금속 배선층을 위한 도포공정이 가능하게 된다.
둘째, 본 발명은 0.1 ~ 10 ㎛ 범위의 작은 크기의 분말을 기판 상에 도포하기 때문에 기판에 미치는 악영향이 최소화된다.
셋째, 본 발명은 금속 분말 및 세라믹 분말 등과 같은 다양한 재료의 분말을 이용할 수 있어 도포되는 재료의 선택의 폭이 커지게 된다.
이상과 같은 효과 이외에도, 본 발명은 다양한 실시형태로 변형함으로써 얻어지는 개별적인 효과가 있으며, 그에 대해서는 후술하는 실시예에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 콜드 스프레이 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도이다.
도 5a는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 5b는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 SEM이미지이고, 도 5c는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 6a는 알루미늄 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 6b는 알루미늄 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 7a는 구리 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 7b는 구리 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 8a는 PET 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 8b는 PET 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 9a는 PMMA 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 9b는 PMMA 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 10a는 스테인레스 스틸 기판에 Sn분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 10b는 스테인레스 스틸 기판에 Sn분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 11a는 비교예에 따른 광학이미지이고, 도 11b는 비교예에 따른 EDX 분석 그래프이다.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
100: 챔버 200: 진공펌프
300: 기판 지지부 400: 분사노즐
500: 가스 주입부 600: 배관
700: 분말 공급부
<분말 도포 장치>
이하에서는 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분말 도포 장치에 대해서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 코팅 장치는 챔버(100), 진공펌프(200), 기판 지지부(300), 분사노즐(400), 가스공급부(500), 배관(600), 및 분말공급부(700)를 포함하여 이루어진다.
상기 챔버(100)는 상기 기판 지지부(300) 및 분사노즐(400)을 수용하고 있으며, 상기 챔버(100)에는 진공펌프(200)가 연결되어 있어 상기 진공펌프(200)의 작동에 의해 상기 챔버(100) 내부가 진공 환경을 조성하게 된다.
상기 기판 지지부(300)는 상기 챔버(100) 내부에 형성되어 소정의 기판(S)을 지지하는 역할을 하는 것으로서, 상기 기판 지지부(300)는 소정의 구동장치(310)에 의해 X축 및 Y축으로 이동가능하게 구성된다. 이와 같이, 기판 지지부(300)가 X축 및 Y축으로 이동가능하게 구성됨으로써, 기판 지지부(300)에 고정되는 기판(S) 또한 이동이 가능하여 기판(S)상에 분말이 소정의 패턴을 갖도록 도포될 수 있다. 상기 기판(S)으로는 금속, 세라믹, 또는 고분자 등을 이용할 수 있다.
상기 분사노즐(400)은 상기 챔버(100) 내부에 형성되어 상기 기판(S) 상에 소정의 분말을 분사함으로써 기판(S) 상에 분말이 도포될 수 있도록 하는 것으로서, 상기 분사노즐(400)은 제1개구부(410), 제2개구부(420), 및 노즐목(430)을 구비하여 형성된다. 상기 제1개구부(410)는 상기 배관(600)에 연결되어 상기 배관(600)으로부터 분말을 전달받고, 상기 제2개구부(420)는 전달받은 분말을 기판(S)에 분사하고, 상기 노즐목(430)은 상기 제1개구부(410)와 제2개구부(420) 사이에 형성된다. 여기서, 상기 노즐목(430)은 100 ㎛ ~ 3mm의 직경을 갖도록 형성되고, 상기 제1개구부(410)에서 상기 노즐목(430)까지는 구경이 점차로 감소하고, 상기 노즐목(430)에서 제2개구부(420)까지는 구경이 점차로 증가하도록 형성함으로써, 상기 분사노즐(400)을 통해 분사되는 분말이 500 ~ 1200 m/sec의 분사속도, 바람직하게는 600 ~ 1200 m/sec의 분사속도를 갖도록 한다.
상기 분사노즐(400)은 상기 기판(S) 면에 대해서 경사지게 형성될 수 있도록 구성되어, 분사되는 분말이 상기 기판(S) 면에 대해서 경사지게 분사될 수 있도록 한다. 분말이 상기 기판(S) 면에 대해서 수직으로 분사될 경우에는 분말과 함께 분사되는 가스가 기판(S) 면으로부터 반사되기 때문에 분말의 분사속도가 변경될 수 있어 원하는 도포 특성을 구현할 수 없을 수 있기 때문에, 분말은 상기 기판(S) 면에 대해서 소정의 각으로 경사지게 분사되는 것이 바람직하며, 그를 위해서 상기 분사노즐(400)을 상기 기판(S) 면에 대해서 경사지게 형성하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 분사노즐(400)을 수평면에 대해서 수직하게 형성하고, 그 대신 상기 기판(S)을 소정의 각으로 경사지게 배치하는 것도 가능할 것이다.
상기 가스주입부(500)는 상기 챔버(100) 외부에 형성되며 분말을 운반하도록 가스를 주입하는 역할을 한다. 상기 가스주입부(500)에서 주입되는 가스압을 적절히 조절함과 더불어 전술한 구성의 분사노즐(400)을 사용함으로써, 분사노즐(400)을 통해 분사되는 분말의 분사속도를 적절히 조절할 수 있게 된다. 상기 가스주입부(500)에서 주입하는 가스로는 헬륨, 질소, 산소 또는 공기 등을 이용할 수 있다.
상기 배관(600)은 상기 가스주입부(500)와 상기 분사노즐(400)에 각각 연결되어 상기 가스주입부(500)에서 공급되는 가스가 상기 분사노즐(400)까지 이동할 수 있도록 한다.
상기 분말공급부(700)는 상기 배관(600)에 연결되어 상기 배관(600)에 분말을 공급하는 역할을 한다. 공급되는 분말은 금속 또는 세라믹을 이용할 수 있고, 그 크기는 0.1 ~ 10 ㎛ 범위이다.
한편, 상기 분사노즐(400)과 상기 분말공급부(700) 사이에 가열부(미도시)를 추가로 구성함으로써, 운반되는 분말을 상온 ~ 300 ℃ 범위로 가열할 수도 있다. 이와 같이 가열부를 추가구성하여 분말을 소정온도 범위로 가열할 경우에는 분말의 분사속도를 다소 느리게 설정할 수 있어 분말의 분사속도 범위를 300 ~ 1200 m/sec로 설정할 수 있다. 즉, 가열된 분말이 가열되지 않은 분말 보다 높은 속도로 이동할 수 있기 때문에, 분말을 소정온도 범위로 가열할 경우에는 분말의 분사속도 범위를 다소 느리게 설정하더라도 최종적으로 기판에 충돌할 때에는 원하는 속도를 얻을 수 있게 된다. 또한, 분말을 소정온도 범위로 가열하게 되면 분말이 기판에 충돌할 때 입자변형이 원활히 이루어져 기판에의 적층효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 분사노즐(400)과 상기 분말공급부(700) 사이의 배관(600)에 필터부(미도시)를 추가로 구성함으로써, 상기 운반되는 분말을 가스 중에 부유시켜 소정 크기이상의 분말을 필터링할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도로서, 이는 분말공급부, 배관, 및 분사노즐의 구성을 변경한 것을 제외하고 전술한 도 2에 따른 분말 도포 장치와 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였고, 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분말공급부가 제1분말을 공급하는 제1분말공급부(710) 및 제2분말을 공급하는 제2분말공급부(730)로 이루어지고, 배관이 상기 제1분말공급부(710)와 연결되는 제1배관(610) 및 상기 제2분말공급부(730)와 연결되는 제2배관(630)으로 이루어지고, 분사노즐이 상기 제1배관(610)과 연결된 제1분사노즐(410) 및 상기 제2배관(630)과 연결된 제2분사노즐(430)로 이루어진다.
따라서, 상기 제1분사노즐(410)에서 제1분말을 분사함과 동시에 상기 제2분사노즐(430)에서 제2분말을 분사함으로써 제1분말과 제2분말을 기판(S) 상에 동시에 도포할 수 있다. 또한, 상기 제1분사노즐(410)에서 제1분말을 분사한 후 이어서 상기 제2분사노즐(430)에서 제2분말을 분사하는 것과 같이 제1분말과 제2분말을 교대로 분사함으로써 기판(S) 상에 서로 상이한 분말을 연속적으로 적층할 수도 있다. 결국, 복수 개의 분말재료를 다양한 형태로 도포할 수 있게 된다.
상기 제1분사노즐(410) 및 제2분사노즐(430)은 편의상 기판(S) 면에 수직하게 배열된 모습을 도시하였지만, 도 2에서와 마찬가지로 기판(S) 면에 소정의 각으로 경사지게 배열될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략도로서, 이는 분말공급부, 배관, 및 분사노즐의 구성을 변경한 것을 제외하고 전술한 도 2에 따른 분말 도포 장치와 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였고, 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 분말공급부가 제1분말을 공급하는 제1분말공급부(710) 및 제2분말을 공급하는 제2분말공급부(730)로 이루어지고, 배관이 상기 제1분말공급부(710)와 연결되는 제1배관(610), 상기 제2분말공급부(730)와 연결되는 제2배관(630), 및 상기 제1배관(610)과 제2배관(630)이 통합되는 제3배관(650)으로 이루어지고, 분사노즐이 상기 제3배관(650)과 연결된 하나의 분사노즐(400)로 이루어진다.
따라서, 상기 제1분말공급부(710)에서 공급하는 제1분말의 양과 상기 제2분말공급부(730)에서 공급하는 제2분말의 양을 변경함으로써 분사노즐(400)에서 분사되는 제1분말과 제2분말의 함량을 변경하여 원하는 함량비를 갖는 혼합분말을 기판(S) 상에 용이하게 도포할 수 있다. 특히, 상기 제1분말공급부(710)에서 공급하는 제1분말의 양과 상기 제2분말공급부(730)에서 공급하는 제2분말의 양 사이의 비율을 연속적으로 변경할 경우, 최종적으로 기판(S) 상에 도포되는 혼합분말이 연속적인 비율변화를 가지면서 적층될 수 있다.
상기 분사노즐(400)은 편의상 기판(S) 면에 수직하게 배열된 모습을 도시하였지만, 도 2에서와 마찬가지로 기판(S) 면에 소정의 각으로 경사지게 배열될 수 있다.
<분말 도포 방법>
이하에서는 본 발명에 따른 분말 도포 방법에 대해서 도 2 내지 도 4에 따른 분말 도포 장치를 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 분말 도포 방법이 반드시 도 2 내지 도 4에 따른 분말 도포 장치만을 이용하는 것으로 제한되는 것은 아니다.
우선, 소정의 분말을 공급한다.
상기 분말은 0.1 ~ 10 ㎛ 범위의 크기를 가지는 금속 또는 세라믹 분말을 이용하고, 이와 같은 분말은 도 2에서와 같이 분말공급부(700)로부터 배관(600)으로 공급할 수도 있고, 도 3 및 도 4에서와 같이 제1분말공급부(710)로부터 제1배관(610)으로 제1분말을 공급하고 제2분말공급부(730)로부터 제2배관(630)으로 제2분말을 공급할 수도 있다. 상기 제1분말 및 제2분말은 서로 상이한 재료를 이용할 수 있고, 공급되는 양도 다양하게 변경할 수 있다.
다음, 상온 상태에서 가스를 주입하여 상기 공급된 분말을 소정의 분사노즐로 운반한다.
상기 가스는 도 2 내지 도 4에서와 같이 가스주입부(500)에 의해 배관(600)으로 주입되며, 주입되는 가스압은 분사노즐을 통해 분사되는 분말의 분사속도를 감안하여 적절히 조절한다.
상기 주입된 가스는 하나의 경로로 분말을 운반할 수도 있고, 2이상의 경로로 분말을 운반할 수도 있다. 즉, 도 2에서와 같이 주입된 가스는 배관(600)을 따라 이동하면서 분말을 분사노즐(400)까지 운반할 수도 있고, 도 3에서와 같이 제1배관(610)을 따라 이동하면서 제1분말을 제1분사노즐(410)까지 운반하고 제2배관(630)을 따라 이동하면서 제2분말을 제2분사노즐(430)까지 운반할 수도 있고, 도 4에서와 같이 제1배관(610)을 따라 이동하면서 제1분말을 운반하고 제2배관(630)을 따라 이동하면서 제2분말을 운반한 후 상기 제1배관(610)과 제2배관(630)이 통합되는 제3배관(650)을 따라 이동하면서 제1분말과 제2분말의 혼합분말을 분사노즐(400)까지 운반할 수도 있다.
한편, 상기 분말을 운반하는 도중에 분말을 상온 ~ 300 ℃ 범위로 가열할 수도 있으며, 이 경우에는 분사노즐을 통해 분사되는 분말의 분사속도를 다소 느리게 설정할 수 있고, 구체적인 분말의 분사속도는 300 ~ 1200 m/sec 범위로 설정할 수 있다.
또한, 상기 분말을 운반하는 도중에 분말을 가스 중에 부유시켜 소정 크기이상의 분말을 필터링할 수 있다.
다음, 상온 및 진공상태에서 상기 운반된 분말을 소정의 분사노즐을 이용하여 소정의 기판 상에 분사한다.
이와 같은 공정은 도 2 내지 도 4에서와 같이, 진공펌프(200)를 이용하여 진공상태로 조성한 챔버(100) 내에서 수행할 수 있다.
상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 500 ~ 1200 m/sec의 속도로, 바람직하게는 600 ~ 1200 m/sec의 속도로 수행하며, 상기 기판으로는 금속, 세라믹 또는 고분자 기판을 이용할 수 있다.
상기 분말을 기판 상에 분사할 때에는 상기 기판 면에 대해서 경사진 각으로 분말을 분사하는 것이 분말의 분사속도 조절에 용이함은 전술한 바와 동일하다. 또한, 상기 분말을 기판 상에 분사함과 동시에 상기 기판을 이동시킴으로써 상기 기판 상에 소정의 패턴으로 분말을 도포할 수 있다.
상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은, 도 2에서와 같이 하나의 분사노즐(400)에서 분말을 기판(S) 상에 분사할 수도 있고, 도 3에서와 같이 제1분사노즐(410)에서 제1분말을 기판(S) 상에 분사함과 더불어 제2분사노즐(430)에서 제2분말을 기판(S) 상에 분사할 수도 있고, 도 4에서와 같이 하나의 분사노즐(400)에서 제1분말 및 제2분말의 혼합분말을 기판(S) 상에 분사할 수도 있다.
이때, 도 3에서의 경우 상기 제1분사노즐(410)에서 제1분말을 분사하는 공정과 제2분사노즐(430)에서 제2분말을 분사하는 공정은 동시에 수행할 수도 있고 교대로 수행할 수도 있다.
<실험예>
금속 기판으로서 스테인레스 스틸(SUS), 구리(Cu) 합금, 및 알루미늄(Al) 합금을 준비하고, 고분자 기판으로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 및 폴레메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 준비하고, 세라믹 분말로 5 ㎛이하의 크기의 TiO2(시그마-알드리히사 제조: Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA), 및 5 ㎛이하의 크기의 Sn(시그마-알드리히사 제조: Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)를 준비하였다.
공정 조건을 하기 표 1과 같이 설정한 상태에서, 압축공기를 이용하여 상기 세라믹 분말 또는 금속 분말을 상기 각각의 기판에 분사하여 각각의 기판 상에 세라믹 분말을 5mm ×5mm의 면적으로 도포하였다.
표 1
공정인자 값
가스압(MPa) 0.7
노즐목 직경(㎛) 590
분사속도(m/sec) 600 ~ 800
챔버 압력(MPa) 0.02 ~ 0.04
챔버 온도(℃) 15℃
가스 유량(L/min) 6 ~ 12
기판과 분사노즐 사이의 간격(mm) 1.5
도포 결과를 확인하기 위해서 광학이미지 또는 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지를 촬영하였고, 도포층의 화학적 조성을 확인하기 위해서 에너지 분산 엑스레이(Energy Dispersive X-ray: EDX) 분석 또는 엑스레이 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 분석을 수행하였다.
도 5a는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 5b는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 SEM이미지이고, 도 5c는 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 5a에서 알 수 있듯이, 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 TiO2분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 5b에서 알 수 있듯이, 도포된 TiO2분말의 크기가 1㎛ 이하로, 도포되기 전 분말의 크기보다 훨씬 작음을 알 수 있다. 이와 같이 분말의 크기가 도포되기 전보다 작게 되는 것은 분말이 분사되어 스테인레스 스틸(SUS)기판에 충돌시 입자들이 부서지면서 적층되기 때문이다. 또한, 도 5c에서 알 수 있듯이, 도포층이 스테인레스 스틸의 조성물과 Ti물질이 결합되어 있음을 알 수 있는데, 이로부터 TiO2분말이 스테인레스 스틸 기판에 완전히 결합되어 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6a는 알루미늄 합금 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 6b는 알루미늄 합금 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 6a에서 알 수 있듯이, 알루미늄 합금 기판에 TiO2분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 6b에서 알 수 있듯이, 도포층이 알루미늄 합금 기판의 조성물과 Ti물질이 결합되어 있음을 알 수 있는데, 이로부터 TiO2분말이 알루미늄 합금 기판에 완전히 결합되어 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 7a는 구리 합금 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 7b는 구리 합금 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 EDX 분석 그래프이다.
도 7a에서 알 수 있듯이, 구리 합금 기판에 TiO2분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 7b에서 알 수 있듯이, 도포층이 구리 합금 기판의 조성물과 Ti물질이 결합되어 있음을 알 수 있는데, 이로부터 TiO2분말이 구리 합금 기판에 완전히 결합되어 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 8a는 PET 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 8b는 PET 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 8a에서 알 수 있듯이, PET 기판에 TiO2분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 8b에서 Ti 피크가 나타남으로부터 TiO2분말이 PET 기판에 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 9a는 PMMA 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 9b는 PMMA 기판에 TiO2분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 9a에서 알 수 있듯이, PMMA 기판에 TiO2분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 9b에서 Ti 피크가 나타남으로부터 TiO2분말이 PMMA 기판에 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 10a는 스테인레스 스틸 기판에 Sn분말을 도포한 경우의 광학이미지이고, 도 10b는 스테인레스 스틸 기판에 Sn분말을 도포한 경우의 XPS 분석 그래프이다.
도 10a에서 알 수 있듯이, 스테인레스 스틸 기판에 Sn분말이 원활히 도포되어 있음을 알 수 있고, 도 10b에서 Sn 피크가 나타남으로부터 Sn분말이 스테인레스 스틸 기판에 도포되어 있음을 확인할 수 있다.
<비교예>
금속 기판으로서 스테인레스 스틸(SUS)을 준비하고, 세라믹 분말로 5 ㎛이하의 크기의 TiO2(시그마-알드리히사 제조: Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)를 준비하였으며, 전술한 표 1에서 사용노즐을 초음속노즐에서 아음속노즐 (입구 10mm X 0.4mm)로 바꾸어서 분사속도를 340m/sec이하로 설정한 것을 제외하고 전술한 실험예와 동일한 조건에서 도포공정 수행하였다.
도포 결과를 확인하기 위해서 광학이미지를 촬영하였고, 도포층의 화학적 조성을 확인하기 위해서 에너지 분산 엑스레이(Energy Dispersive X-ray: EDX) 분석 을 수행하였다.
도 11a는 광학이미지이고, 도 11b는 EDX 분석 그래프로서, 도 11a에서와 같이 기판에 TiO2분말이 도포되어 있음이 명확하지 않고, 이는 도 11b에서 확인할 수 있다. 즉, 도 11b에서 알 수 있듯이, 도포층에서 Ti물질이 검출되지 않았으며, 이로부터 TiO2분말이 기판에 도포되지 않았음을 확인할 수 있다.

Claims (16)

  1. 소정의 분말을 공급하는 공정;
    상온 상태에서 가스를 주입하여 상기 공급된 분말을 소정의 분사노즐로 운반하는 공정; 및
    상온 및 진공상태에서 상기 운반된 분말을 소정의 분사노즐을 이용하여 소정의 기판 상에 분사하는 공정을 포함하여 이루어지고,
    이때, 상기 소정의 분말은 0.1 ~ 10 ㎛ 범위이고, 상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 500 ~ 1200 m/sec의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 기판 상에 분말을 도포하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 분말은 금속 또는 세라믹을 이용하고, 상기 기판은 금속, 세라믹, 또는 고분자를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운반하는 분말을 상온 ~ 300 ℃ 범위로 가열하는 공정을 추가로 포함하고, 이때, 상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 300 ~ 1200 m/sec의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말을 운반하는 공정은 상기 분말을 가스 중에 부유시켜 소정 크기이상의 분말을 필터링하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 상기 기판 면에 대해서 경사진 각으로 상기 분말을 분사하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정과 동시에 상기 기판을 이동시키는 공정을 추가로 포함하여 상기 기판 상에 소정의 패턴으로 분말을 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분말을 공급하는 공정은 제1분말을 공급하는 공정 및 제2분말을 공급하는 공정으로 이루어지고,
    상기 분말을 운반하는 공정은 상기 제1분말을 제1경로로 운반하는 공정 및 상기 제2분말을 제2경로로 운반하는 공정으로 이루어지고,
    상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 상기 제1경로로 운반된 제1분말을 제1분사노즐을 이용하여 분사하는 공정 및 상기 제2경로로 운반된 제2분말을 제2분사노즐을 이용하여 분사하는 공정으로 이루어지고,
    이때, 상기 제1분사노즐을 이용하여 제1분말을 분사하는 공정과 상기 제2분사노즐을 이용하여 제2분말을 분사하는 공정은 동시에 수행하거나 또는 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분말을 공급하는 공정은 제1분말을 공급하는 공정 및 제2분말을 공급하는 공정으로 이루어지고,
    상기 분말을 운반하는 공정은 상기 제1분말을 제1경로로 운반하는 공정, 상기 제2분말을 제2경로로 운반하는 공정, 및 상기 제1분말과 제2분말을 혼합하는 공정으로 이루어지고,
    상기 분말을 기판 상에 분사하는 공정은 상기 혼합된 제1분말과 제2분말을 하나의 분사노즐을 이용하여 분사하는 공정으로 이루어지고,
    이때, 상기 제1분말을 공급하는 공정 및 제2분말을 공급하는 공정시 공급되는 제1분말과 제2분말의 양을 변경하여 분사되는 제1분말과 제2분말의 양을 변경함으로써, 도포되는 제1분말과 제2분말의 양을 상이하게 하거나 또는 연속적으로 비율을 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 챔버;
    상기 챔버와 연결되어 상기 챔버 내부를 진공 환경으로 조성하는 진공펌프;
    상기 챔버 내부에 형성되며, 소정의 기판을 지지하는 기판 지지부;
    상기 챔버 내부에 형성되며, 상기 기판 상에 소정의 분말을 분사하도록 구성된 분사노즐;
    상기 챔버 외부에 형성되며, 소정의 가스를 주입하는 가스주입부;
    상기 가스주입부와 상기 분사노즐에 각각 연결되어 상기 가스주입부에서 주입되는 가스가 상기 분사노즐까지 이동할 수 있도록 하는 배관; 및
    상기 배관에 연결되며, 상기 가스가 이동하는 배관에 분말을 공급하는 분말공급부를 포함하여 이루어진 분말 도포 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐은 상기 배관에 연결되는 제1개구부, 상기 기판에 분말을 분사하기 위한 제2개구부, 및 상기 제1개구부와 제2개구부 사이에 형성되며 100 ㎛ ~ 3mm의 직경을 갖는 노즐목을 포함하여 이루어지고, 상기 제1개구부에서 상기 노즐목까지는 구경이 점차로 감소하고, 상기 노즐목에서 제2개구부까지는 구경이 점차로 증가하여, 상기 분사노즐을 통해 500 ~ 1200 m/sec의 속도로 분말이 분사되도록 구성된 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐과 상기 분말공급부 사이에 형성되어, 운반되는 분말을 상온 ~ 300 ℃ 범위로 가열하기 위한 가열부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐과 상기 분말공급부 사이의 배관에 형성되어, 운반되는 분말을 가스 중에 부유시켜 소정 크기 이상의 분말을 필터링하는 필터부가 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐은 상기 기판 면에 대해서 경사지게 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 기판 지지부는 X축 및 Y축으로 이동가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 분말공급부는 제1분말을 공급하는 제1분말공급부 및 제2분말을 공급하는 제2분말공급부로 이루어지고,
    상기 배관은 상기 제1분말공급부와 연결되는 제1배관 및 상기 제2분말공급부와 연결되는 제2배관으로 이루어지고,
    상기 분사노즐은 상기 제1배관과 연결된 제1분사노즐 및 상기 제2배관과 연결된 제2분사노즐로 이루어진 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 분말공급부는 제1분말을 공급하는 제1분말공급부 및 제2분말을 공급하는 제2분말공급부로 이루어지고,
    상기 배관은 상기 제1분말공급부와 연결되는 제1배관, 상기 제2분말공급부와 연결되는 제2배관, 및 상기 제1배관과 제2배관이 통합되는 제3배관으로 이루어지고,
    상기 분사노즐은 상기 제3배관과 연결되는 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
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