KR20100052628A - 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치및 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법 - Google Patents

기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치및 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고상파우더와 기체가 혼합된 에어로졸을 아음속 또는 초음속으로 분사하여 기재에 증착시킬 때, 수송기체 가열 및 고상파우더 냉각을 통해 기재에 열충격(thermal shock)이 미치지 않도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 결과적으로 본 발명은 1) 고상파우더의 종류 및 크기, 2) 기재의 재질에 상관없이, 기재에 열충격 손상이 없는 고품질의 코팅층을 형성시키는 기술을 제공한다.
고상파우더, 아음속, 초음속, 열충격, 수송기체 가열, 고상파우더 냉각, 저온분사 증착, 에어로졸 증착

Description

기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치 및 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법{Deposition apparatus of solid powder with thermal shock control units ＆ Temperature control method for eliminating thermal shock in solid powder spray deposition}
본 발명은 고상파우더와 기체가 혼합된 에어로졸을 아음속 또는 초음속으로 분사하여 기재에 코팅할 때, 수송기체 가열온도 및 고상파우더 냉각온도를 조절함으로써 기재에 열충격(thermal shock)을 가하지 않도록 하는 증착장치 및 증착방법에 관한 것이며, 이는 1) 고상파우더 종류 및 크기, 2) 기재의 재질에 상관없이 적용될 수 있는 것이다.
고상파우더를 기재에 분사 증착시키는 종래의 기술은 다음과 같다.
1. 용사(thermal spray) 증착 및 저온분사(cold spray) 증착 방법
용사 증착 및 저온분사 증착 방법은 일반적으로 0~1000℃ 정도의 온도로 가열된 수송기체에 1~50㎛ 크기의 금속류 파우더를 공급하여 혼합된 에어로졸을 기재에 300~1200m/sec의 음속으로 분사하는 방법으로서, 노즐을 통과한 에어로졸의 온도가 급강하되어 기재에 큰 열충격을 가하여 기재의 손상을 초래할 수 있다.
즉, 첨부된 [도 1]에 도시된 바와 같이 초음속 노즐을 사용하여 고상 파우더를 기재에 분사 증착시킬 때, 노즐목을 통과한 「에어로졸(수송기체와 고상파우더가 혼합된 상태)」 또는 「수송기체와 고상파우더」의 온도가 기재에 열충격을 가할 수 있는 온도로 된다는 의미이다. 따라서, 기재에 열충격을 가하지 않도록 하기 위해서는, 수송기체 및 고상파우더가 노즐 입구에 도달하기 전에 그 온도를 제어해야만 한다.
그러나, 종래의 용사 증착 및 저온분사 증착 방법을 사용할 때에는 기재에 미치는 열충격을 제거할 수 없어, 열충격에 취약한 플라스틱류의 기재 사용을 지양한 채 금속류 기재를 사용하여 왔고, 금속류 기재를 사용함으로써 열충격으로 인한 기재의 완전한 손상은 피할 수 있었다. 다만, 금속류 기재를 사용하는 경우에도 위와 같은 열충격에 의해 고상파우더 코팅층에 기공(dimple) 및 균열(crack)이 발생하고, 코팅층 표면이 거칠어지게 된다. 또한, 종래의 용사 증착 및 저온분사 증착 방법으로서는 입자가 파쇄되어 증착되는 세라믹 파우더 등과, 탄소나노튜브와 같은 나노미터 크기의 고상파우더를 증착시키기 어려운 단점이 있다.
상기 용사 및 저온 분사 증착방법에 관한 구체적 예는 다음과 같다.
(1) 미합중국 특허 제5,302,414호
미합중국 특허 제5,302,414호("Gas-dynamic spraying method for applying a coating" 1994; PCT/SU90/00126)는 저온분사 증착 방법의 원조가 된 기술로서, 40~400℃의 수송가스에 1~50㎛ 크기의 금속(metal), 합금(alloy), 폴리머(polymer) 파우더를 투입하여 300~1,200m/s로 기재에 분사 증착하는 기술로, 기존의 용사 증착, 플라즈마증착, 폭발증착에서 사용되는 분말의 녹는점(melting point) 이상의 고온보다 상대적으로 낮은 온도로 고상파우더를 기재에 증착시키기 때문에 기재에 열충격을 상대적으로 감소시킬 수 있는 기술이나, 플라스틱과 같은 융점이 낮은 기재에 적용할 수 없는 고상파우더 증착방법이다.
(2) 대한민국 특허 제0515608호
대한민국 특허 제0515608호("분말 예열 장치가 구비된 저온 스프레이 장치"; 미합중국 특허공개 US2007/0137560 A1, "Cold spray apparatus having powder preheating device"; PCT/KR04/03395)는 분말을 코팅 전에 예열하여 같은 저온 스프레이 공정조건에서 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻도록 하는 기술로서, 기존의 저온분사 증착 공정으로는 인성(ductility)이 낮은 세라믹 소재, 합금, WC-Co와 같은 도성합금(cermat)의 분말을 기재에 증착시키기 어렵기 때문에, 분말을 예열함으로써 증착이 이루어지도록 하는 것이다. 이 방법은 전술한 미합중국 특허 제 5,302,414의 Fig. 4에 도시된 바와 같이 압축된 기체를 분말공급장치로 이송하여, 이송된 기체와 분말을 히터에서 예열한 후 노즐로 이송하여 기재에 분사하는 방법과 Fig. 5에 보이는 바와 같이 가열되지 않은 분말과 히터에서 예열된 압축가스를 노즐 입구 전에 위치한 프리믹스챔버에서 혼합하여 분사하는 방법과 유사하다. 다만 상기 대한민국 특허 제0515608호는 가스공급량 컨트롤부를 통과한 주가스가 히터를 통해 가열되어 혼합챔버에서 예열된 분말과 함께 혼합되어 노즐로 분사되는 방법을 취하고 있으며, 이는 결국 혼합챔버내에서 주가스 온도와 분말온도가 같아지는 결과가 된다. 그러나, 본 명세서에 첨부된 [도 1]에 도시된 바와 같이 초음속 노즐목을 통과한 수송기체의 온도 및 고상파우더의 온도는 급격하게 하강되고, 고상 파우더의 입자크기에 따라 온도 하강 변화가 다르다. 따라서, 초음속 노즐목을 통과한 수송기체 및 고상파우더의 온도와 고상파우더의 입자 크기에 따른 온도하강변화를 고려하여, 노즐목 전 단계에서 고상파우더의 온도를 조절하지 않으면(냉각하지 않으면) 초음속 노즐목을 통과한 수송기체와 고상파우더의 온도차(ΔTm)가 크게 발생하여 수송기체와 별도로 고상파우더가 기재에 더 큰 열충격을 가할 수 있다. 특히, 플라스틱 등과 같은 열충격에 약한 기재에는 상기 대한민국 특허 제0515608호 기술을 적용하지 못하는 한계가 있다.
(3) 대한민국 특허 제0575139호
대한민국 특허 제0575139호("가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장 치")는 전술한 대한민국 특허 제0515608호의 개량발명으로서, 주 가스 예열장치의 전단에 가스를 극저온으로 냉각시켜 공급하는 냉각장치를 설치하여, 단위체적당 가스밀도를 높여주고 밀도가 높아진 가스가 예열히터에 의해 팽창됨으로써 보다 높은 가스 속도를 발휘되도록 함에 따라, 저온 스프레이 공정조건에서 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻을 수 있는 저온 스프레이 코팅 장치 기술로 기재되어있다. 즉, 인성이 감소하는 분말의 경우에는 코팅이 이루어지는 임계속도가 증가하게 되므로, 분말을 가속시키는 가스속도를 증가시키기 위해 가스 압력을 증가시키면 이에 비례하여 가스의 소비량이 증가하는 문제점이 있고, 특히 저온분사법에서 질소, 헬륨 가스 사용으로 인한 가스 공급량 증가로 경제성에 문제가 될 수 있으므로, 가스 공급량을 줄이고 속도를 증가시키기 위해 냉각장치를 통해 가스의 밀도를 높이는 장치를 마련한 기술이다. 이 기술은 압축가스 저장부로부터 이송된 가스를 냉각장치에서 극저온으로 냉각시켜 주 가스 예열장치와 분말송급장치로 보내고 혼합챔버에서 예열된 주 가스와 예열된 분말이 혼합되어 분사되도록 되어 있다. 따라서, 이 장치는 비활성 기체(질소, 헬륨) 사용을 감소시키기 위해 냉각장치를 통하여 가스의 밀도를 증가시켜 높은 가스속도를 발휘하는데 주안점이 있으나, 대한민국 특허 제0515608호와 마찬가지로 초음속 노즐목을 통과한 수송기체 및 고상파우더의 온도와 고상파우더의 입자크기에 따른 온도하강변화를 고려하여, 노즐목 전 단계에서 고상파우더의 온도를 조절하지 않으면(냉각하지 않으면) 초음속 노즐을 통과한 수송기체와 고상파우더의 온도차(ΔTm)가 발생하여 기재에 더 큰 열충격이 가해지는 문제점이 있고, 플라스틱 등과 같은 열충격에 약한 기재에는 이 방법을 적용하지 못하는 한계가 있다.
2. 에어로졸 증착(aerosol deposition) 방법
에어로졸 증착방법의 기본 개념은 수송기체가 고상 파우더가 담긴 에어로졸 챔버로 유입되고, 에어로졸챔버와 증착챔버의 압력차로 에어로졸 챔버 내에 부유하는 미세한 분말이 진공상태의 증착챔버 내에 있는 기재에 노즐을 통하여 분사되어 증착되는 방법이다. 상기 에어로졸 증착방법은, 전술한 용사 증착 및 저온분사 증착방법에서 사용하는 금속류 고상파우더가 소성변형(plastic deformation)되어 증착되는 원리를 이용하는 것과 달리, 취성(brittle)의 입자를 분사하여 입자가 기재에 부딪혀 파쇄되어 증착되는 메카니즘을 이용한 증착 방법으로서, 특히 상기 에어로졸 증착 시스템에서는 수송기체 가열장치와 고상파우더 냉각 장치가 별도로 구비되어 있지 않다. 단지, 에어로졸 증착 방법으로 취성 파우더를 분사하여 기계적으로 충격하고, 2차적으로 열처리 공정을 통하여, 결정입자직경을 감소시킬 수 있는 장치를 추가하는 정도다.
따라서, 에어로졸 증착 시스템에서 고상파우더의 증착율을 높이기 위해 초음속 노즐을 사용하여 수송기체 가열 없이 상온의 에어로졸을 초음속으로 분사하면, 첨부된 [도 1]에 도시된 바와 같이 노즐목을 통과한 에어로졸의 온도가 급격하게 하강하므로 기재에 큰 열충격을 줄 수 있다. 따라서, 상기 에어로졸 증착 방법에서 초음속의 분사속도를 발현하여 기재에 열충격을 주지 않고 고상파우더를 증착시키 기 위해서는 마이크로미터 크기 입자이든 나노미터크기 입자이든 입자 크기에 상관없이 수송기체를 가열하여야 하고, 마이크로미터 크기 입자의 고상파우더는 [도 1]에 도시된 바와 같이 노즐목을 통과한 수송기체와 고상파우더의 온도 차이(ΔTm) 만큼 온도를 하강시키기 위해 고상파우더를 노즐 목 전에서 냉각하는 것이 필요하다.
한편, 상기 에어로졸 증착 시스템에서 아음속 노즐을 사용하여 수송기체 가열 없이 상온의 에어로졸을 아음속으로 분사하면, [도 2]에 도시된 바와 같이 노즐을 통과한 에어로졸의 온도가 저온(예: 영하 30℃)으로 하강하므로 공기를 사용할 경우에는 이송공기중의 수분이 얼어, 기재에 큰 열충격을 가할 수 있다. 또한 비활성 기체를 사용할 경우에도 기재에 큰 열충격을 줄 수 있다. 따라서, 아음속으로 고상파우더를 분사 증착 할 경우에도 저온의 수송기체로 인하여 기재에 열충격을 주지 않는 온도 범위에서 입자크기에 상관없이 수송기체를 가열하여야 하고(예: 영상 50℃로 미리 수송기체를 가열하면 아음속 노즐출구에서 에어로졸의 온도가 20℃가 되어 기재에 열충격을 가하지 않음), 나노미터 크기 입자의 고상파우더는 [도 2]에 도시된 바와 같이 수송기체와 같은 온도로 거동하기 때문에 고상파우더를 냉각하지 않아도 되고, 마이크로미터 크기 입자의 고상파우더인 경우에는 마이크로미터 입자 크기에 따라 나노미터크기에 가까운 수㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 작으므로 냉각 필요성이 줄어들고, 수백㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 크기 때문에 냉각 필요성이 커진다.
대한민국 특허 제0724070호("복합 구조물 및 그의 제조방법과 제조장치")와 대한민국 특허 제0767395호("복합 구조물"), 대한민국 특허 10-0531165호("기재 위에 고정된 카본파이버를 위한 방법 및 장치"), 대한민국 특허 제0846148호("고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법 및 장치")는 상기 에어로졸 증착 방법을 이용한 것이고, 전술한 바와 같이 수송기체 가열 온도조절 및 고상파우더 냉각 온도조절 장치가 없어 에어졸을 아음속 및 초음속으로 분사 증착할 때, 기재에 열충격을 가하는 단점이 있어 열충격을 제거하는 방법이 강구되어야 한다.
한편, 일본 공개특허공고 특개평8-81774호, 일본 공개특허공고 특개평10-202171호 및 일본 공개특허공고 특개평11-21677호에 개시된 방법에서는 에어로졸 증착법에 가열수단(예를 들어, 저항선 가열, 전자빔 가열, 고주파 유도가열, 스퍼터링 또는 플라즈마 등)을 추가하여 기재에 고상파우더 입자가 잘 증착될 수 있도록 하였다. 상기 이러한 가열수단은 고상파우더 입자가 기재에 잘 증착되는 것에 주안점을 둔 것이어서, 특히 열충격에 약한 플라스틱 등과 같은 기재 및 고상파우더의 입자크기에 따른 영향을 고려하지 못하기 때문에 한계가 있다. 또한 이와 유사하게 대한민국 특허 10-0695046호("초미립자 취성재료의 저온성형방법 및 그것에 사용하는 초미립자 취성재료")는 에어로졸 증착법으로 분사하여 기계적으로 충격하고, 2차적으로 열처리 공정을 통하여, 결정입자직경을 감소시킬 수 있는 방법을 제시하였다.
전술한 바와 같이 종래의 에어로졸 증착 방법에서 공통적으로 발생하는 문제점은; 1) 초음속 노즐 출구에서 분사되는 고온의 가스 및 분말 온도로 인한 기재의 열충격을 배제할 수 없으며, 2) 아음속 노즐 출구에서 분사되는 저온의 가스 및 분말 온도로 인한 기재의 열충격을 배제할 수 없으며, 3) 열충격이 약한 플라스틱 등과 같은 기재에 적용하기 어렵고, 4) 아음속 및 초음속 노즐 출구에서의 입자크기에 따른 고상파우더의 온도 제어가 어렵다는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
1) 아음속 및 초음속의 에어로졸 분사속도에 관계없이, 2) 고상파우더의 종류 및 크기에 상관없이, 3) 기재의 재질에 관계없이, 기재에 열충격을 가하지 않는 증착장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 더욱 구체적으로는 고상파우더와 기체가 혼합된 에어로졸을 아음속 또는 초음속으로 분사하여 기재에 코팅할 때, 수송기체 및 고상파우더가 분사노즐 입구에 도달하기 전에 미리 수송기체의 가열온도 및 고상파우더의 냉각온도를 조절함으로써, 기재에 열충격(thermal shock)이 가해지지 않도록 하는 증착장치 및 증착방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제 해결을 위해 본 발명은 고상파우더를 기재에 분사 증착할 때 필연적으로 발생하는 열충격을 제거할 수 있는 온도조절방법 및 온도조절장치를 도입한다. 즉, 고상파우더 분사 증착 시스템에 수송기체 가열 온도조절장치와 고상파우더 냉각 온도조절장치를 도입하는 것이다.
이를 위해 본 발명서는 첨부된 [도 3]에 도시된 바와 같이 수송기체의 가열온도를 주관하는 가열부와 고상파우더의 냉각온도를 주관하는 냉각부로 구성된 중심장치부와, 수송기체를 공급하는 기체공급부와 고상파우더가 수송기체와 함께 분 사되어 기재에 증착되도록 하기 위한 분사증착부로 구성된 주변장치부를 구비한 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법을 제공한다. 이는 고상파우더를 초음속의 분사속도를 발현하여 증착시키는 경우와, 아음속의 분사속도를 발현하여 증착시키는 경우 모두에 적용할 수 있다.
구체적 상황에 따른 수송기체와 고상파우더의 온도조절 방법은 첨부된 [도 4]에 정리된 바와 같다. 즉, 1) 초음속의 분사속도를 발현할 경우에는 ⅰ) 마이크로미터 크기의 고상파우더는 수송기체 가열 및 고상파우더 냉각을 각각 실시하고, ⅱ) 나노미터 크기의 고상파우더를 적용할 경우에는 수송기체만 가열하여 분사 증착을 실시함으로써 기재에 가해지는 열충격을 제거한다. 2) 아음속의 분사속도를 발현할 경우에는 ⅰ) 마이크로미터 크기의 고상파우더는 수송기체를 가열하고, 경우에 따라 고상파우더를 냉각하거나 냉각 하지 않도록 하고, ⅱ) 나노미터 크기의 고상파우더는 수송기체만 가열하여 분사 증착을 실시함으로써 기재에 가해지는 열충격을 제거한다.
본 발명에 따르면 기존 고상파우더 분사 증착법에서 제기된 기재의 열충격 문제를 해결할 수 있으며, 다음과 같은 구체적인 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 고상파우더를 1) 아음속 및 초음속의 에어로졸 분사속도에 관계없이, 2) 소성변형으로 증착되는 금속류, 파쇄로 증착되는 세라믹류(산화물, 질화물, 붕화물 등), 중간적인 증착특성을 지닌 특수재료(탄소나노튜브, 풀러린(fullerene), 그라핀(graphene) 및 이종재료(예; 금속+세라믹, 금속(또는 세라믹)+특수재료 등)등의 고상파우더 종류에 관계없이, 3) 입자 크기가 마이크로미터 크기뿐만 아니라 마이크로미터 크기 이하의 나노미터 크기 고상파우더에 관계없이, 4) 기재의 재질에 상관없이, 수송기체의 가열 및 고상파우더 냉각 온도조절을 통하여 기재에 열충격 없이 분사 증착할 수 있다.
둘째, 수송기체와 고상 파우더가 노즐출구를 통과한 후 기재에 분사될 때 동일한 온도범위로 제어됨에 따라 기재에 열충격, 상변화(phase transformation) 및 기공(dimple) 없이 증착할 수 있어, 종래의 증착 결과에서 볼 수 없었던 치밀한 고품질 코팅층을 만들 수 있다.
셋째, 다양한 소재의 기재(금속, 세라믹, 고분자 플라스틱, 폴리머 등)에 고밀도, 균일 및 균열이 없는 구조의 코팅층을 형성할 수 있다. 특히 열충격에 약한 고분자 플라스틱 및 폴리머 소재에 적용성이 높다.
한편, 본 발명에 의해 제조할 수 있는 제품으로는 전기전자관련 코팅; 전도 성 (반)투명 전극, FED(field emission display)용 전계방출소자, BLU(back light unit)용 전계방출소자, 조명장치, 태양전지, 반도체, 전자 차폐재, 발열체, 센서, 플렉시블(flexible) 디스플레이, 정전기 분산재, 유전체(dielectric), 자장(magnetically conducting) 재료 등을 예로 들 수 있고, 기계관련 코팅; 내마모성(antifriction) 재료, 내부식성(corrosion-resistance) 재료, 표면 강화(surface hardening) 재료 등을 예로 들 수 있다.
Ⅰ. 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치
본 발명은 고상파우더를 수송기체에 공급하여 기재에 분사 증착시키는 장치로서, 고상파우더가 혼입된 수송기체가 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통해 배출되어, 고상파우더가 기재에 분사 증착되도록 구성된 분사증착부; 수송기체가 상기 분사증착부에 도달하기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 수송기체의 가열온도조절을 주관하는 가열부; 및 고상파우더가 수송기체에 공급되기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 고상파우더의 냉각온도조절을 주관하는 냉각부; 가 구비된 것을 특징으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 냉각부를 거쳐나간 고상파우더는 상기 분사증착부의 초음속 노즐 또는 아음속 노즐의 입구와 연통된 단열냉각관을 통해 수송기체에 공 급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치 및 상기 수송기체를 공급하는 기체공급부; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치를 함께 제공한다.
이하에서는 상기 가열부와 냉각부를 중심장치부로 분류하고, 상기 기체공급부와 분사증착부를 주변장치부로 분류하여 설명하기로 한다. 단, 위와 같은 중심장치부와 주변장치부의 구분은 구성요소의 경중(輕重)을 가린 것이 아니라, 종래 기술들과 확연히 구분되는 본 발명만의 특징적 구성요소들을 중심장치부로 묶고, 종래 기술들을 가변적으로 응용하여 대응시킬 수 있는 구성요소들을 주변장치부로 묶은 것임을 밝혀둔다.
1. 중심장치부
(1) 가열부
상기 가열부는 [도 3]에 도시된 바와 같이 냉각부와 더불어 본 발명의 중심장치부(A)를 구성한다. 상기 가열부는 수송기체를 가열하여 온도를 올릴 수 있다. [도 1] 및 [도 2]에 도시된 바와 같이 수송기체는 초음속 노즐과 아음속 노즐의 출구에서 각각 초음속, 아음속의 분사속도가 발현되고, 이 때 수송기체의 온도는 강하되는데, 이 강하 온도를 미리(분사증착부 전에) 제어하여 분사증착부에 위치한 기재에 열충격을 가하지 않도록 수송기체의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 초음속 노즐 또는 아음속 노즐 출구에서의 에어로졸(수송기체와 고상파우더가 혼합된 것) 온도를 일정하게 제어하기 위해서는 상기 가열부에서 가열된 수송기체의 열 손실을 방지해야 하며, 이를 위해 상기 수송기체가 유동하는 통로를 단열관으로 구성할 수 있다. 마찬가지로 고상파우더를 수송기체에 공급하기 위한 유동 통로 역시 단열관으로 구성하는 것이 바람직한데, 이하에서는 이를 단열냉각관이라 칭하기로 한다.
(2) 냉각부
상기 냉각부는 고상파우더가 수송기체에 공급되기 전에 거쳐가며 냉각되도록 구성된 중심장치부(A)의 구성요소이며, 이는 [도 3]에 도시된 바와 같이 별도의 고상파우더공급장치와 연통되도록 구성할 수 있다. 상기 냉각부는 고상파우더의 상태조건에 따라 그 작동여부를 결정할 수 있다.
[도 1] 및 [도 2]의 그래프에 나타난 바와 같이 초음속 노즐 및 아음속 노즐 출구에서 입자 크기에 따른 고상파우더의 온도변화는 상이한 양상을 보이므로, 상기 냉각부의 운용시에는 이를 고려하여야 한다. 예를 들면, [도 1]에 도시된 바와 같이 나노입자 크기의 고상파우더는 거의 수송기체의 온도 범위(ΔTn)의 거동을 보이나, 마이크로 크기의 고상파우더는 수송기체의 온도와 큰 온도차(ΔTm)를 보이므로, 이 온도 차이(ΔTm)만큼 노즐입구 전에서 고상파우더의 온도를 하강시키지 않으 면, 수송기체와 별도로 기재에 손상을 줄 수 있으므로, 고상파우더의 온도를 조절하여 수송기체의 온도와 같이 거동하게 하여야 한다.
따라서, 상기 아음속 노즐 또는 초음속 노즐 출구의 수송기체 온도뿐만 아니라 고상파우더의 온도 또한 분사증착부에 위치한 기재에 열 충격을 가하지 않는 허용범위에서 제어되어야 한다. 따라서, 상기 가열부와 냉각부를 연동시켜 피드백을 통한 온도조절이 가능한 중심장치부(A)를 구성할 수 있다.
상기 냉각부에 연결되어 이송기체에 고상파우더를 공급해주는 통로 역할을 하는 단열냉각관의 위치는 가열된 수송기체의 온도 유지 및 냉각된 고상파우더의 온도 유지에 영향을 덜 미치도록 배치하여야 한다. 즉, 상기 단열냉각관의 출구부가 분사증착부에 가깝게 설치하는 것이 바람직하며, 더 나아가 상기 단열냉각관이 상기 분사증착부의 초음속 노즐 또는 아음속 노즐의 입구와 직접 연통되도록 구성할 수도 있다.
위와 같은 냉각부의 기능을 다시 정리하면, 가열된 수송기체와 냉각된 고상파우더가 임의의 일정한 온도차로, 에어로졸 상태로 노즐(초음속 노즐 또는 아음속 노즐)입구에 도달하여 노즐출구에서는 수송기체와 고상파우더의 온도차가 거의 없이 분사되도록 하는 것이다. 다만 에어로졸의 분산이 잘 되게 하는 일정한 거리가 있어야 하므로, 상기 단열냉각관의 길이를 충분히 길게 하면 고상파우더의 냉각 및 분산효과를 동시에 달성할 수 있다.
위와 같은 중심장치부(A)에 의해 수송기체와 고상파우더의 온도를 제어하기 가 용이하고, 노즐출구에서 발생되는 온도변화를 열충격이 없는 온도범위로 제어할 수 있다. 한편, [도 4]에서 정리된 바와 같이, 고상파우더를 냉각하지 않고 상온의 고상파우더를 공급할 경우도 있다. 이러한 경우로는; 1)초음속으로 나노미터크기의 고상파우더를 분사 증착하는 경우; 2) 아음속으로 나노미터크기의 고상파우더를 분사 증착하는 경우; 3) 아음속으로 나노미터크기에 근접하는 마이크로크기 고상파우더를 분사증착하는 경우를 예로 들 수 있다. 위와 같은 경우들에서는 상기 냉각부를 가동시키지 않은 채 수송기체만을 가열하여 기재에 열충격을 가하지 않는 온도로 보정할 수 있다.
2. 주변장치부
(1) 기체공급부
상기 기체공급부는 수송기체를 공급해주는 구성요소로서, 상기 가열부의 일측에 연결시킬 수 있다. 본 기체공급부에서는 일반공기(air), 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등의 가스를 공급할 수 있다. 또한, 기체공급시 기체에 함유된 수분이나 불순물을 제거하기 위한 기체처리 장치와 이송되는 공기에 압력을 부가하기 위한 가압장치를 더 포함하여 구성할 수 있고, 유입-배출 공기량을 조절할 수 있다.
(2) 분사증착부
상기 분사증착부는 대기상태 또는 진공상태에서 아음속 또는 초음속 노즐이 구비되어, 2차원 또는 3차원 형상의 기재에 고상파우더를 분사 증착시킬 수 있는 장비와 장소를 제공하는 구성요소이다. 따라서, 본 분사증착부는 챔버 형태로 구성할 수 있으며 상기 분사증착부에는 고상파우더 증착시 기재의 요동을 억제하기 위한 요동 억제 장치, 기재 이동 장치, 고상파우더 집진회수처리 장치 등을 더 구비할 수 있다.
Ⅱ. 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법
본 발명은 고상파우더의 초음속 또는 아음속 분사 증착에 의한 기재의 열충격 제거를 위한 방법으로서, 수송기체에 고상파우더를 공급하여 기재에 분사 증착 시키는 과정에서, 초음속 노즐 또는 아음속 노즐에 도달하기 전의 수송기체를 가열함으로써, 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통해 배출되는 수송기체의 온도강하를 사전에 보정하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고상파우더로서는 마이크로미터 크기의 고상파우더를 적용하고, 상기 고상파우더를 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통과한 수송기 체와의 온도 차이(ΔTm)만큼 냉각하여 상기 수송기체와 같은 온도 거동으로 제어한 상태로, 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐의 입구 이전의 위치에서 수송기체에 공급하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법을 함께 제공한다.
이하에서는 고상파우더의 분사속도 및 고상파우더의 입자 크기에 따른 구체적인 온도조절방법을 나누어 설명하기로 한다.
(1) 초음속의 분사속도를 발현할 경우 기재의 열충격 제거를 위한 온도조절 방법
① 고상파우더의 입자 크기에 상관없이 적용할 수 있는 방법
초음속 노즐을 이용하여 고상파우더를 초음속으로 분사할 때, 기재에 열충격을 주지 않고 고상파우더를 증착시키기 위해서는 마이크로미터 크기 입자이든 나노미터크기 입자이든 입자 크기에 상관없이 이송기체를 가열한다. 이 때, 노즐출구에서의 이송기체 온도 및 고상파우더의 온도를 열충격이 없는 온도로 제어하기 위해 분사증착부 전에서 미리 이송기체를 가열해야 한다.
② 입자크기가 마이크로미터인 고상파우더를 적용할 경우;
이 경우는 전술한 이송기체 가열에 더하여, 같이 초음속 노즐을 통과한 이송 기체와 고상파우더의 온도 차이(ΔTm) 만큼 초음속 노즐 전에서 고상파우더를 냉각하여 이송기체와 같은 온도 거동으로 제어함으로써 기재에 열충격을 제거할 수 있다. 이 때 초음속 노즐 출구에서의 에어로졸 온도(이송기체 온도 및 고상파우더 온도)는 기재에 열충격을 주지 않는 온도범위(예: 25℃ 내외)로 제어한다.
③ 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 적용할 경우
입자크기가 마이크로미터인 경우와 달리, 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 초음속으로 분사증착할 경우, 이송기체만 가열하면 되고, 고상파우더는 냉각할 필요가 없다. 왜냐하면, [도 1]에 도시된 바와 같이 초음속 노즐 출구에서의 이송기체 온도와 나노미터 고상파우더 온도가 비슷하므로(ΔTn이 ΔTm보다 상대적으로 작으므로) 고상파우더를 냉각할 필요가 없다. 이때, 전술한 바와 마찬가지로 초음속 노즐 출구에서의 에어로졸 온도는 기재에 열충격을 주지 않는 온도범위로 제어한다.
(2) 아음속의 분사속도를 발현할 경우 기재의 열충격 제거를 위한 온도조절 방법
① 고상파우더의 입자 크기에 상관없이 적용할 수 있는 방법
아음속으로 고상파우더를 분사증착할 때, 기재에 열충격을 주지 않는 온도 범위에서 입자크기에 상관없이 이송기체를 가열(예: 50℃로 미리 이송기체를 가열 하면 아음속 노즐출구에서 에어로졸의 온도가 20℃가 되어 기재에 열충격을 가하지 않음)한다.
② 입자크기가 마이크로미터인 고상파우더를 적용할 경우
[도 2]에 보이는 바와 같이 마이크로미터 입자 크기에 따라 나노미터크기에 가까운 수㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 작으므로 냉각 필요성이 줄어들고, 수백㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 크기 때문에 냉각 필요성이 커진다. 따라서, 이송기체를 공통적으로 가열하고, 상기 경우에 따라 고상파우더를 냉각하거나 냉각 하지 않을 수 있다.
③ 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 적용할 경우;
[도 2]에 보이는 바와 같이 나노미터크기의 고상파우더는 이송기체와 같은 온도로 거동하기 때문에 고상파우더를 냉각하지 않아도 되고, 이송기체만 가열하여 기재의 열충격을 제거할 수 있다. 이를 위해 아음속 노즐 출구에서의 이송기체 온도를 열충격을 가하지 않는 범위로 미리 노즐입구 전에서 제어 한다.
[도 1]은 초음속 노즐의 단면 위치에 따른 분사속도 및 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.
[도 2]는 아음속 노즐에서의 분사속도 및 온도 변화 그래프이다.
[도 3]은 중심장치부와 주변장치부로 구성된 본 발명에 따른 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치 개략도이다.
[도 4]는 분사속도 및 입자크기에 따른 이송기체 가열 및 고상파우더 냉각의 필요 유무를 나타낸 것이다.
<발명의 주요부분에 대한 부호의 설명>
A : 중심장치부 B : 주변장치부
10 : 초음속 노즐 11 : 초음속 노즐 입구
12 : 초음속 노즐목 13 : 초음속 노즐 출구
20 : 아음속 노즐 21 : 아음속 노즐 입구
22 : 아음속 노즐목 23 : 아음속 노즐 출구
30 : 에어로졸

Claims (5)

  1. 고상파우더를 수송기체에 공급하여 기재에 분사 증착시키는 장치로서,
    고상파우더가 혼입된 수송기체가 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통해 배출되어, 고상파우더가 기재에 분사 증착되도록 구성된 분사증착부;
    수송기체가 상기 분사증착부에 도달하기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 수송기체의 가열온도조절을 주관하는 가열부; 및
    고상파우더가 수송기체에 공급되기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 고상파우더의 냉각온도조절을 주관하는 냉각부; 가 구비된 것을 특징으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각부를 거쳐나간 고상파우더는 상기 분사증착부의 초음속 노즐 또는 아음속 노즐의 입구와 연통된 단열냉각관을 통해 수송기체에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 수송기체를 공급하는 기체공급부; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징 으로 하는 기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치.
  4. 고상파우더의 초음속 또는 아음속 분사 증착에 의한 기재의 열충격 제거를 위한 방법으로서, 수송기체에 고상파우더를 공급하여 기재에 분사 증착 시키는 과정에서, 초음속 노즐 또는 아음속 노즐에 도달하기 전의 수송기체를 가열함으로써, 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통해 배출되는 수송기체의 온도강하를 사전에 보정하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법.
  5. 제4항에서,
    상기 고상파우더로서는 마이크로미터 크기의 고상파우더를 적용하고,
    상기 고상파우더를 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐을 통과한 수송기체와의 온도 차이(ΔTm)만큼 냉각하여 상기 수송기체와 같은 온도 거동으로 제어한 상태로, 상기 초음속 노즐 또는 아음속 노즐의 입구 이전의 위치에서 수송기체에 공급하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절방법.
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