KR20110122740A

KR20110122740A - 간단한 분말 공급 및 기화기기

Info

Publication number: KR20110122740A
Application number: KR1020117021542A
Authority: KR
Inventors: 마이클 롱
Original assignee: 글로벌 오엘이디 테크놀러지 엘엘씨
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-11-10
Also published as: EP2398932B1; JP2012518092A; EP2398932A1; US20100206234A1; CN102317497A; WO2010096340A1; TW201031581A

Abstract

본 발명에 따르면, 계측기기와, 계측된 재료를 수용하고 기화시키는 플래시 기화기를 구비하고, 상기 계측기기는 미립자 재료를 수용하기 위한 용기와, 상기 용기에 배치된 회전식 와이어 휠 브러시를 포함하고, 상기 용기는 미립자 재료를 기화챔버로 방출하기 위한 개구를 가지며, 상기 용기와 와이어 휠 브러시의 치수는 와이어 휠 브러시가 용기의 내벽과 협력해 미립자 재료를 액화시키도록 선택되며, 미립자 재료의 계측부는 와이어 휠 브러시에 들어가 연이어 용기 개구로 강제 방출되는 미립자 재료 기화기기가 제공된다.

Description

간단한 분말 공급 및 기화기기{SIMPLIFIED POWDER FEEDING AND VAPORIZATION APPARATUS}

본 발명은 상당한 범위의 공급량에 걸쳐 기화기기로의 미립자 재료를 계측하는 것에 관한 것이다.

진공에서 동작하는 배치 공정을 위해 고중량 또는 부피 정확도로 소량의 미세하게 나누어진 분말들을 분배할 수 있는 것이 필요하다. 또한 진공에서 동작하는 연속 공정을 위해 고정확도와 일관성을 가지며 연속 흐름으로 분말을 분배할 필요성이 있다. 예컨대, 몇몇 공정에 대해, 중량 정확도 필수는 ±10 마이크로그램이고 속도 일관성은 초당 ±10 마이크로그램이다.

특히 전자기기 산업은 직접 기화증착을 위해 또는 화학기상증착(CVD)에서 전구체에 대한 기화영역에 소량의 분말 재료를 계측할 필요가 있다. 또한 훨씬 더 높은 속도로, 예컨대, 초당 1000 마이크로그램으로 정확하고 정밀하게 재료량을 계측할 수 있는 것이 필요하다. 많은 시스템에서, 동일 장비로 1 내지 1000 마이크로그램의 범위에 걸쳐 분말 재료를 계측할 수 있는 것이 이점적이다. 예를 들어, 유기 발광다이오드 디바이스(OLEDs)는 2 내지 3차 크기만큼 다른 양으로 증착되는 종종 호스트와 도판트를 포함하는 발광층을 갖는다. 호스트, 코호스트(co-host) 및 도판트 재료용 공통 수송 설계를 이용해 기화영역에 별도로 그리고 연속으로 분말 재료를 계측할 수 있는 것이 OLED 제조에 매우 이점적이다.

소량의 분말 재료를 정밀하게 측정하는 게 어렵다는 것이 잘 알려져 있다. 예컨대, 캐리어와 첨가제로서 추가 재료를 이용해 분말 재료의 정확한 분배를 용이하게 하는 제약업에는 많은 예시적인 시스템들이 있다. 사용된 캐리어들은 불활성 가스, 액체 및 고체를 포함한다. 임의의 종류의 첨가제의 사용은 재료 수송 복잡도를 높이는데, 이는 캐리어 또는 첨가제가 실제 대상 재료로부터 추가, 제거, 및 처리되어야 할 필요가 있기 때문이다. 캐리어의 사용은 또한 오염 위험을 높이는데, 이는 특히 재료를 계측하는 것이 특별히 필요한 제약업 및 전자 제조업에서 치명적이다.

미국특허 US 3,754,529에서, 플라이슈너(Fleischner)는 불활성 캐리어로 혼합된 분말 재료, 바람직하게는, 모래를 수송하는 오거(auger) 디바이스를 기술하고 있다. 활성재료 대 모래의 비율은 1:9로 보고된다. 대부분 불활성 재료인 혼합물을 수송하는 것은 혼합물이 균일한 경우 크기 차수에 의해 분말 분배 정확도 요건을 효과적으로 줄이지만, 이 방법은 시스템에 비용과 복잡도가 추가되고 재료 공급에 오염물의 도입 가능성을 높인다.

공통으로 양도된 미국특허출원 공개공보 No. 2006/0062918 및 No. 2006/0177576은 기화장치에서 분말을 계측하기 위한 종래 오거 디바이스를 이용하며, 상기 디바이스에는 완만한 배럴 내에 패터화된 스크류가 있다. 도 1은 완만한 배럴(7)내에 패턴화 오거 스크류(5)를 도시한 대표적인 종래 기술의 오거 구조(8)의 횡단면도를 도시한 것이다. 오거 스크류(5)의 말단은 협소한 환형 또는 관형 형태를 이루도록 강화된 미립자 재료를 가두기 위해 작은 길이 위로 일정한 원형 횡단면을 갖는 스레드프리부(thread-free portion)(9)를 갖도록 구성될 수 있다. 이런 타입의 오거 구조를 이용함에 따른 문제들 중 하나는 변하는 방출량이다. 방출량은 오거 스크류(5)의 각방향에 따라 주기적으로 변하는 것이 관찰되었다. 회전마다 오거에 의해 방출된 재료의 양은 매우 재현가능할 수 있으나, 회전 내에서 매우 가변적이다. 오거 구조가 갖는 또 다른 문제는 분말이 자유롭게 흐르지 않거나 굳은 덩어리로 떼짓는 경향이 있을 경우에 상기 구조가 재밍(jamming)되는 경향이 있다는 것이다. 입자 크기가 50 마이크론 미만인 분말의 사용이 문제가 되는 경향이 있다.

추가적인 어려움은 분말 분배 시스템이 분말을 기화 공정으로 전달하는데 사용되는 경우에 마주친다. 많은 유기 재료들은 확장된 시간 주기동안 고온에 노출될 때 열분해를 받으며, 기화 시스템은 이점적으로 용기내 분말과, 재료가 기화기기로 분배되는 짧은 시간 주기 내에 기화온도로 급격한 온도 상승을 받도록 하는 분말공급장치를 활발하게 냉각시키도록 설계되어 있다. 인접한 온냉 지역들을 유지하는데 있어 어려움은 가열된 분말로부터의 기화가 기화의 응축온도보다 차가운 표면에 응축되어 대부분의 분말 수송 시스템을 빨리 막히게 하는 것이다.

특별한 대상의 기화증착 시스템은 유기 발광다이오드(OLED) 디바이스를 제조하도록 설계된 시스템이다. OLED 디바이스는 기판, 양극, 유기 화합물로 제조된 홀수송층, 적절한 도판트를 갖는 유기 발광층, 유기 전자수송층, 및 음극을 포함한다. OLED 디바이스는 낮은 구동전압, 높은 휘도, 넓은 가시각 및 풀컬러 평면 방출 디스플레이 능력으로 인해 매력적이다. 탕 등(Tang et al.)은 미국특허 No. 4,769,292 및 4,885,211에 다층 OLED 디바이스를 기술하였다.

진공환경에서 물리기상증착은 작은 분자 OLED 디바이스에 사용된 바와 같이 유기재료 박막을 증착하는 기본 방법이다. 이런 방법은 예컨대 바(Barr)의 미국특허 No. 2,447,789 및 타나베 등(Tanabe et al.)의 EP 0 982 411에 잘 알려져 있다. OLED 디바이스용으로 사용된 유기 재료들은 종종 확장된 시간 주기동안 소정의 속도의존성 기화온도에 또는 기화온도 부근에 유지될 경우 열화된다. 고온에 민감한 유기재료의 노출로 분자 구조 및 재료 특성에 있어 관련된 변화가 일어날 수 있다.

이들 재료의 열 민감성을 극복하기 위해, 단지 소량의 유기 재료들만 종래 기술의 증착 소스에 적재되었고, 이들은 가능한 한 적게 가열된다. 이런 식으로, 재료는 상당한 열화를 유발하도록 온도 노출 임계치에 다다르기 전에 소비된다. 이 입자에 따른 한계는 이용가능한 기화속도가 히터 온도에 대한 제한으로 인해 매우 낮고 소스의 동작시간도 소스 내에 있는 소량의 재료로 인해 매우 짧다는 것이다. 종래 기술에서, 증착 챔버를 통기하고 기화소스를 해체하고 세정하며, 소스를 다시 채우고, 증착챔버에 진공을 재확립하며, 동작을 재개하기 전에 몇 시간에 걸쳐 막 도입된 유기재료에서 가스를 제거하는 것이 필요했다. 낮은 증착속도와 소스를 재충전하는 것과 관련된 자주 그리고 시간소모적인 공정은 OLED 제조 설비의 스루풋에 상당한 제한을 두었다.

대략 동일 온도로 전체 유기재료 양을 가열하는 부차적 결과는 도판트의 기화 행동 및 기화 압력이 호스트 재료의 기화 행동 및 기화 압력과 매우 가깝지 않다면 도판트와 같은 추가 유기재료를 호스트 재료와 혼합하는 것이 실행불가능하다는 것이다. 추가로, 별개의 소스의 표준 사용은 증착된 박막에 그래디언트 효과를 일으키는데, 여기서 진행하는 기판에 가장 가까운 소스에 있는 재료가 기판에 바로 인접한 초기 박막에 과도하게 나타나는 한편, 말단 소스에 있는 재료가 최종 박막 표면에 과도하게 나타난다. 이 그래디언트 공증착(co-deposition)은 다른 단일재료가 기판상에 직접 다수의 소스들 각각으로부터 기화되는 종래 기술의 소스들에서는 불가피하다. 증착된 박막에서의 그래디언트는 가령 코호스트(co-host)가 사용되는 경우 말단 소스들 중 어느 하나의 기여가 중앙 소스의 몇 퍼센트보다 더 큰 경우에 특히 명백하다. 도 2는 이러한 종래 기술의 기화장치(10)의 횡단면도를 도시한 것으로, 상기 장치는 유기재료를 기화하기 위한 3개의 개개의 소스들(11, 12, 및 13)을 포함한다. 기화 기둥(14)은 바람직하게는 다른 소스들로부터 재료에 균일하나, 실제로 측면마다 조성물이 변하므로, 기판(15)에 코팅이 불균일해진다.

공통으로 양도된 미국특허출원 공개공보 No. 2006/0062918 및 No. 2006/0062919는 플래시 기화영역에 재료를 계측함으로써 별개의 포인트 소스들 사용의 많은 단점을 극복한다. 미국특허출원 공개공보 No.2006/0062918은 단일 분말수송장치에서 호스트와 도판트 혼합물의 계측 및 증기를 기판에 분배하는 매니폴드를 이용하는 것을 개시하고 있다. 미국특허출원 공개공보 2006/0062919는 매니폴드에서 유기 증기들을 혼합하고 기판 표면에 재료의 혼합물을 수송하는 능력을 개시하고 있다. 그러나, 이들 초기 개시들 중 어느 것도 호스트와 도판트 재료에 대한 별개의 계측 컨트롤을 가질 필요성을 생각하지 못한다. 따라서, 수송장치는 설계에 의해 별개의 도판트 공급에 필요한 1-10 마이크로그램/초의 저속으로 계측할 수 없다.

미국특허출원 공개공보 No. 2007/0084700과 No. 2006/0157322, 미국특허 No. 6,832,887 및 No. 7,044,288는 분말공급펌프를 개시하고 있으며, 상기 펌프는 나란히 이격된 디스크를 이용해 진입포트에서 방출포트까지 분말을 이동한다. 디스크는 진입포트에서 방출포트까지 증가하는 용적을 갖는 하우징내에서 회전한다. 이들 분말공급펌프는 훨씬 더 큰 입자크기 분말과 함께 사용하도록 의도되어 있으며 밀리그램 또는 마이크로그램 기반으로 분말을 계측하는 데는 맞지 않다.

기화기기로 밀리그램에서 마이크로그램의 분말 재료량 계측을 정확하게 제어할 필요가 계속 있다.

기화기기로 밀리그램에서 마이크로그램의 미립자 재료량 계측 및 수송을 정확하게 제어할 필요가 계속 있다.

본 목적은

a. 계측기기와,

b. 계측된 재료를 수용하고 기화시키는 플래시 기화기를 구비하고,

상기 계측기기는

i. 미립자 재료를 수용하기 위한 용기와,

ⅱ. 상기 용기는 미립자 재료를 기화챔버로 방출하기 위한 개구를 가지며,

ⅲ. 상기 용기에 배치된 회전식 와이어 휠 브러시를 포함하고,

ⅳ. 용기와 와이어 휠 브러시의 치수는 와이어 휠 브러시가 용기의 내벽과 협력해 미립자 재료를 유동화시키도록 선택되며, 미립자 재료의 계측부는 와이어 휠 브러시의 갈래에 들어가 연이어 용기 개구로 강제 방출되는 미립자 재료 기화기기에 의해 달성된다.

본 발명의 이점은 많은 종래 기술의 장치들보다 더 균일하게 소량의 미립자 재료의 조절가능한 제어된 계측 및 기화를 제공할 수 있다는 것이다. 본 발명의 미림자 재료 수송기기는 정확하게 가령 초당 1 마이크로그램과 같이 소량뿐만 아니라 가령 초당 1000 마이크로그램까지 훨씬 더 큰 량의 미립자 재료를 수송할 수 있다. 본 발명의 다른 이점은 불활성 가스, 액체 또는 고체와 같은 캐리어를 사용하지 않고도 미립자 재료를 균일하게 계측할 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 미립자 재료의 연속으로 보충되는 양과 소스 재료가 소비되는 필요한 히터 온도변화 없이 안정된 기화속도를 유지할 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 미립자 재료가 재료 용기 내에서 낮은 온도로 유지되고 관련된 기화챔버로 방출될 때에만 가열된다는 것이다. 본 장치는 많은 종래 기술의 장치들보다 실질적으로 더 큰 기화속도로 소스의 확장된 동작을 허용하고 심지어 매우 온도에 민감한 유기재료를 열화시키는 위험을 상당히 줄인다. 본 발명의 다른 이점은 도판트 및 호스트와 같이 여러 공급량을 별개로 제어하기 위한 기화 시스템에 사용될 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 기화의 급속한 시작 및 정지를 가능하게 한다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 제어된 증기량을 전달하고 이로써 영역 증착 공정에서 증착된 박막 두께를 조절할 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 임의의 방향으로 기화 소스를 제공할 수 있다는 것이며, 이는 종래 기술의 장치들로는 종종 불가능한 것이다.

도 1은 종래 기술의 기화장치의 오거 수송부의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 2는 다른 종래 기술의 기화기기의 일부의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 기기의 일실시예의 3차원 횡단면도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 본 발명의 기기의 일부분의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 일부분의 횡단면도를 더 상세히 도시한 것이다.
도 6은 도 3의 본 발명의 기기의 일부분의 3차원 횡단면도를 도시한 것이다.
도 7은 회전식 플래시 기화기를 구동하기 위한 자석 커플링을 도시한 도 3의 회전식 플래시 기화기의 3차원 횡단면도를 도시한 것이다.
도 8은 또 다른 방향으로 본 발명의 기기의 일실시예의 횡단면도를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기기의 일실시예의 3차원 횡단면도가 도시되어 있다. 기화기기(100)는 미립자 재료를 기화하기 위한 기기이다. 기화기기(100)는 계측기기를 포함하고, 상기 계측기기는 미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 갖는 하우징과, 상기 재료를 기화챔버로 방출하기 위해 용기에 있는 개구와, 상기 용기에 배치된 회전식 와이어 휠 브러시를 포함한다. 이들 구성요소들을 더 상세히 설명한다. 용기(130)는 하우징(140)에 있고, 미립자 재료를 수용하기 위한 것이다. 미립자 재료는 단일 성분을 포함할 수 있거나, 각각 다른 기화온도를 갖는 2 이상의 다른 재료 성분들을 포함할 수 있다. 미도시하였으나, 용기(130)는 적재될 수 있는 미립자 재료의 양을 늘리기 위해 용기 위에 더 큰 저장 및 공급기기를 포함할 수 있다. 이런 컨테이너 및 공급 기기는 공통으로 양도된 롱 등(Long et al.)의 미국특허 No. 7,288,285에 기술되어 있다. 하우징(140)은 유효 기화온도 훨씬 아래의 온도로 활발히 냉각될 수 있고 용기(130)내 미립자 재료를 보유하도록 역할하는 바람직하게는 알루미늄과 같은 열도전성 재료로 구성된다.

회전식 와이어 휠 브러시(170)가 용기(130)에 배치되고, 바람직하게는, 니켈 또는 스테인레스 스틸과 같은 열도전성 재료로 구성되며, 상기 열도전성 재료는 활발히 냉각될 수 있고 유효 기화온도 훨씬 아래의 온도로 강모(bristles)내에 보유된 미립자 재료를 유지하는데 도움된다. 티타늄 니트라이드 또는 다이아몬드형 탄소와 같은 하드코팅이 하우징(140)의 내부에 이점적으로 도포된다. 와이어 휠 브러시(170)는 샤프트(175)에 부착된 모터(미도시)에 의해 회전될 수 있다. 대안으로, 모터가 샤프트(180)에 부착될 수 있고, 그런 후 예컨대 기어 장치에 의해 샤프트(175 및 125)를 구동시킬 수 있다. 샤프트(125)는 후술되는 플래시 기화기(120)를 회전시키는데 사용된다. 용기(130)는 또한 계측된 속도로 미립자 재료를 기화챔버(210)로 방출하는 개구를 바닥에 포함한다. 기화기기(100)는 또한 기화챔버(210)내에 회전식 플래시 기화기(120)를 포함한다. 플래시 기화기(120)는 기화챔버(210)로 방출된 미립자 재료를 수용하고 계측된 재료를 기화시킨다. 기화챔버(210)는 또한 챔버 벽의 일부 주위로 실린더형 폼 요소(foam element)(150)를 포함할 수 있다. 기화기기(100)는 기화챔버(210)내 압력을 측정하기 위한 압력센서(미도시)를 선택적으로 더 포함할 수 있고, 따라서 재료 기화속도를 모니터할 수 있다. 또한 기화챔버(210)와 하우징(140) 사이에 절연체(220)를 가져 하우징으로 열전달을 줄이는 것이 유용하다. 절연체(220)는 코게비 그룹(Cogebi Group)에 의해 시판되는 것과 같은 합성 운모, 절연 세라믹재료, 얇은 갭 또는 기화챔버(210)와 하우징(140) 사이에 간단한 가벼운 접촉을 포함할 수 있다.

용기(130)와 와이어 휠 브러시(170)의 치수는 상기 와이어 휠 브러시가 용기의 내벽과 협력해 미립자 재료를 유동화시키도록 선택된다. 미립자 재료의 계측부는 와이어 휠 브러시의 갈래들에 들어가 있고 연이어 용기 개구로 강제로 방출된다; 와이어 휠 브러시(170)는 회전하고 미립자 재료 용기(130)의 벽의 일부와 접촉한다. 브러쉬는 벽을 상대로 미립자 재료를 밀고 용기(130)의 벽에 있는 개구(60)를 통해 용기로부터 기화챔버(210)로 미립자 재료를 수송한다. 브러쉬가 용기내 미립자 재료를 통해 회전하면, 미립자는 브러쉬 주위로 휘저어지거나 유동하게 되고 브러쉬의 갈래들 사이 공간에 들어가는 경향이 있다. 갈래는 용기(130)의 벽과 회전 접촉하게 되고 자유 위치로부터 옮겨진다. 브러쉬가 계속 회전하면, 갈래 중 일부가 용기의 벽에 있는 개구(160)로 보내지고, 이들 갈래들이 적어도 부분적으로 휴지 위치를 향해 다시 반발하게 한다. 이들 갈래의 갑작스런 변위는 개구(160) 부근에 미립자 재료를 유동화시켜, 미립자 재료가 강제적으로 개구로 방출되게 한다. 갈래와 용기의 벽 간의 접촉은 그렇지 않으면 벽에 부착할 수 있는 임의의 응고물을 계속 제거한다. 추가로, 갈래들이 용기의 벽에 대해 회전함에 따라 갈래들을 변형시키고 갈래들이 개구(160)를 지날 때 약간 곧아지게 함으로써, 갈래들이 다소 개구로 돌출되어 응고물을 더 제거하고 응고물 막힘이 통상적으로 문제가 되는 경우에도 신뢰할 수 있는 동작을 하게 한다.

따라서, 용기(130)와 협력해 와이어 휠 브러시(170)는 용기에 있는 미립자 재료를 휘젓거나 유동화시키도록 동작하여 상기 재료를 용기로부터 방출 개구(160)로 수송해 방출 개구에서 재료를 국소적으로 유동화시키고 지속적으로 개구 주위로 수집한 응고물을 제거한다.

자유 길이가 14㎜이며 직경이 0.05㎜인 다수의 스테인레스 스틸 갈래들로 구성된 외직경이 40㎜인 와이어 휠 브러시는 자유 유동 분말을 계측하는데 효과적인 것으로 입증되었다. 다른 휠 직경들도 또한 효과적이다. 갈래들은 용기의 내벽과 접촉시 갈래들이 변형되고 방출 개구 위로 지날 때 다시 반발할 수 있게 허용하도록 충분히 유연한 것이 중요하다.

방출 개구 가까이에 있는 미립자 재료가 교반에 의해, 예컨대, 회전식 와이어 휠 브러시의 회전과 방출 개구 위로 지나는 갈래들의 국소적 반발작용에 의해 유동화될 때 공급량 균일성이 향상된다. 와이어 휠 브러시(170)는 용기내 미립자 재료의 벌크에 거의 적은 에너지를 부과하고 이에 따라 크기 또는 밀도에 의한 미립자 분리를 유발할 가능성이 없어서 혼합 성분의 미립자 재료들을 공급하는데 아주 적합하다.

도 4를 참조하면, 하우징(140)에 있는 개구(160) 평면에 그리고 회전식 와이어 휠 브러시(170)의 중앙에 도 3의 본 발명의 기기의 일부의 횡단면도가 도시되어 있다. 와이어 휠 브러시(170)는 개구(160)와 정렬되어 있다. (도 3에 보다 명확히 알 수 있는) 플래시 기화기(120)와 실린더형 폼 요소(150)는 바람직하게는 롱 등(Long et al.)의 공통으로 양도된 미국특허출원 11/834,039에 기술된 바와 같은 망상형 유리화 비정형 탄소(vitreous carbon), 또는 망상형 니켈, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 또는 탄탈륨이다. 이런 망상형 재료는 기화챔버(210)로 떨어진 미립자 재료가 플래시 기화기(120)에 의해 주로 갇혀 상기 재료를 기화시키도록 급속히 가열되게 한다. 몇몇 미립자 재료는 플래시 기화기(120)로부터 되튀나오거나, 내뿜어질 수 있거나, 간단히 기화기로부터 떨어져 나갈 수 있다. 실린더형 폼 요소(150)는 이들 입자들을 급속히 기화시키기 위한 2차 가열요소로서 작동한다. 플래시 기화기(120)와 실린더형 폼 요소(150)는 직접 가열될 수 있다. 대안으로, 플래시 기화기(120)와 실린더형 폼 요소(150)가 내부에 위치되어 있는 기화기 인클로저(210)가 가열될 수 있다. 용기(130)와 하우징(140)은 활발히 냉각될 수 있다. 와이어 휠 브러시(170)와 내에 들어간 미립자 재료는 미립자 재료의 소정의 기화온도 훨씬 아래의 온도로 활발한 냉각에 의해 유지될 수 있다. 미립자 재료의 작은 부분, 즉, 제 2 개구(160)에 닿아 떨어지는 부분만이 속도 의존성 기화온도로 가열되는 반면, 재료의 벌크는 기화온도 충분히 아래로 유지된다. 와이어 휠 브러시(170)는 미립자 재료가 갈래에 충분히 들어온 상태를 유지할 수 있어 멈출 경우에 미립자 재료가 개구(160)에 진입하는 것이 크게 방지된다. 따라서, 와이어 휠 브러시(170)의 회전을 멈추고 시작함으로써 기화를 급격히 멈추고 시작할 수 있다. 기화는 기판 표면이 코팅되지 않은 경우 중단될 수 있어 유기 재료를 보존하고 기화챔버(210)의 벽과 같이 임의의 관련 기기의 오염을 최소화한다. 이는 온도를 이용해 기화속도를 제어하고, 급격한 중단과 시작 또는 기화속도의 급격한 변화를 허용하지 않는 많은 종래 기술의 장치들에 대해 이점적이다.

상승된 온도에서 재료의 체류 시간, 즉, 속도의존성 기화온도는 많은 종래 기술의 장치 및 방법보다 적은 크기 차수(종래 기술에서 초 대 시간 또는 일수)이며, 이는 종래 기술에서보다 더 높은 온도로 재료를 가열하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 현재 장치 및 방법은 노출 시간 및 온도의 곱이 실질적으로 종래 기술의 장치보다 더 낮기 때문에 유기재료 성분들의 뚜렷한 열화를 유발하지 않으면서 실질적으로 더 큰 기화속도를 달성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 도 4의 기기의 일부가 더 상세히 도시되어 있다. 개구(160)는 가열되는 미립자 재료를 기화챔버(210)로의 수송을 위해 용기(130) 아래의 바닥에 있다. 기화챔버(210)에서 용기(130)내 미립자 재료로의 열전달은 미립자 재료를 가열해 잠정적으로 재료 열화, 용융 또는 기화를 일으킬 수 있다. 이런 열전달을 방지하기 위해, 냉각되고 용기(130)내 개구(160) 부근에 있는 미립자 재료의 가열을 방지하는 디바이더(190)가 하우징의 일부를 이룬다.

개구(160)는 와이어 휠 브러시(170)로부터 제거된 재료가 개구의 벽에 부착하지 않고 기화챔버(210)로 떨어지게 독려하도록 기화챔버(210)로 침투한 증가한 횡단면적을 갖는다. 하우징(140)과 기화챔버(210) 모두의 회전식 와이어 휠 브러시(170)와 개구(160) 사이의 가벼운 접촉은 중력에 의존하지 않고 용기 밖으로 그리고 기화챔버(210) 안으로 재료를 강제로 방출하는 양 변위 계측 형태를 만든다. 기화챔버(210)로 미립자 재료의 수송량은 각 변위 단위당 미립자 재료의 계측부에 들어가는 와이어 휠 브러시(170)의 회전속도를 제어함으로써 제어될 수 있다.

실험적으로, 미세한 미립자 재료는 대기의 절반 이하의 부분적 진공상태에서 게측하기가 상당히 더 어려운 것을 관찰하였다. 미립자 재료는 잔여 공기 분자들이 제거됨에 따라 덩어리를 이루며 주입가능한 분말보다 고체에 더 가깝게 행동한다. 이런 경향에도 불구하고, 본 개시의 재료 공급 및 기화장치는 50 마이크론 미만의 미립자 크기 분산을 갖는 재료뿐만 아니라 50 내지 100 마이크론 및 100 내지 200 마이크론 사이의 입자 크기 분산을 갖는 재료들을 분산할 수 있음이 입증되었다.

분말공급 기화 시스템에서 응고물을 관리하는 것이 매우 중요한데, 이는 재료 공급문제 및 재료 열화 또는 분할의 주요 원인이다. 기화챔버(210)로의 개구(160)는 재료가 기화챔버로 들어가게 할 정도로 충분히 크게 만들어지나, 1㎜ 직경 미만으로, 기화의 역류에 대한 낮은 컨덕턴스를 갖도록 의도적으로 개구가 만들어진다. 이 장치에서 응고의 모든 사항들은 자가 제한(self limiting)되며 매우 작은 면적에 한정된다. 초기 기화주기 후에, 재료 공급량은 안정화된다.

이 구성은 실질적으로 와이어 휠 브러시(170)의 온도와 기화챔버(210)의 온도 사이에 미립자 재료에서 달성가능한 온도 그래디언트를 증가시킨다. 이 그래디언트는 혼합성분 재료의 벌크 용량으로부터 더 많은 휘발성 구성물질들이 새어 나오는 것을 막고 단일 소스가 다수 미립자 재료와 공증착하게 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 도 3의 기기의 일부분의 3차원 횡단면도가 도시되어 있다. 와이어 휠 브러시(170)는 다수의 갈래들을 구비한다. 개구(160)와 정렬된 이들 갈래들, 예컨대, 갈래들(155a)만이 실제로 미립자 재료를 개구(160)로 쓸어낸다. 일측 또는 타측으로 옮겨진 갈래들, 예컨대, 갈래들(155b 및 155c)은 하우징(140)의 내벽에 부착될 수 있는 미립자 재료를 긁어내도록 작용해 개구(160)로의 향상된 흐름을 위해 미립자 재료를 유동화한다.

도 7 및 또한 도 6을 참조하면, 차가운 자기 드라이버 커플링과 뜨거운 기화소자 사이에 물리적 접촉없이 또는 기화챔버(210)의 증기 무결성을 깨뜨리지 않고 기화챔버(210) 안쪽에 회전식 플래시 기화기(120)를 회전시키기 위한 자기 커플링(320)을 도시한 도 3의 회전식 플래시 기화기의 3차원 도면이 도시되어 있다. 이 배열은 롱 등(Long et al.)의 미국특허출원 12/271,211에 기술된 바와 같으며, 상기 내용은 참조로 합체되어 있다. 커플링은 자기 커플링(320)을 통해 회전 드라이브 샤프트(325)에 부착된 여러 개의 자석들(315)을 포함하며, 상기 자석들은 회전식 플래시 기화기(120)에 부착된 드라이버 러그들(340)과 협동한다. 플래시 기화기와 부착된 드라이브 러그들은 세라믹 베어링(도 6에서 베어링(335))상에 지지된다. 뜨거운 회전식 플래시 기화기(120)와 차가운 회전식 드라이브 샤프트(325) 사이에 비접촉식, 자기 드라이버가 이들 사이의 열 흐름을 방지하고, 이로써 플래시 기화기와 회전하는 추가 가열요소들의 사용이나 추가 가열소자들에 전원을 전달하기 위한 복잡한 슬립 링들을 필요로 하지 않고도 회전식 플래시 기화기(120)가 기화챔버(210)로부터 복사에 의해 가열되게 한다. 자기 커플링(320)은 회전식 플래시 기화기(120)에 회전 드라이브 연결 주위로 밀봉할 필요를 또한 없앤다. 자기 커플링은 자석(315)이 낮은 탄소 스틸 드라이브 러그들(340)이 700℃에 접근하는 온도로 낮은 자기저항을 보유하면서 차단되어 차가운 상태로 유지하기 때문에 600℃를 초과한 온도에서도 유효하다.

실제로, 기화기기(100)는 다음과 같이 사용된다. 미립자 재료가 상술한 바와 같이 하우징(140)에 형성된 용기(130)에 수용된다. 상술한 바와 같이 회전식 와이어 휠 브러시(170)는 용기(130)에서 회전되고, 이로써 와이어 휠 브러시(170)는 용기(130)로부터 미립자 재료에 들어가 개구(16))를 통해 재료를 제거해 계측된 미립자 재료양을 기화챔버(210) 및 플래시 기화기(120)로 방출하며, 계측된 미립자 재료는 플래시 기화된다.

본 개시의 재료 공급 및 기화장치는 와이어 브러쉬 휠 축이 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 수평일 경우 미립자 재료 수송에 효과적이나, 이는 또한 다른 방향으로도 사용될 수 있다. 미립자 재료는 회전함에 따라 와이어 브러쉬 휠에 들어가서 많은 재료들에 대해 동작이 중력에 무관하게 하도록 충분히 잘 보유된다. 도 8을 참조하면, 와이어 브러쉬 휠(170)의 축이 수직으로 지향된 실시예가 도시되어 있다. 와이어 브러쉬 휠(170), 플래시 기화기(120), 및 기화챔버(210)는 상술한 보아 같으나 90도로 돌려질 수 있다. 하우징(145)내 용기(135)는 방향의 변화를 수용하도록 변형되었다. 와이어 브러쉬 휠(170)은 상술한 바와 같은 용기(135)와 협력해 미립자 재료를 유동화시키고 개구(165)를 통해 플래시 기화기(120)에 닿아 플래시 기화되는 기화챔버(210)로 재료를 들어가게 한다. 이들 특징들은 혼합된 성분의 유기 재료 및 기화 전에 액화하는 유기 재료의 기화를 상당히 제어 가능하게 한다.

5 오거 스크류
7 배럴
8 오거 구조
9 스레드프리부
10 기화장치
11 소스
12 소스
13 소스
14 기화 기둥
15 기판
100 기화기기
120 플래시 기화기
125 샤프트
130 용기
135 용기
140 하우징
145 하우징
150 실린더형 폼 요소
155a 갈래
155b 갈래
155c 갈래
160 개구
165 개구
170 와이어 휠 브러시
175 샤프트
180 샤프트
190 디바이더
210 기화챔버
220 절연체
315 자석
320 자기 커플링
325 드라이버 샤프트
335 베어링
340 드라이브 러그

Claims

a. 계측기기와,
b. 계측된 재료를 수용하고 기화시키는 플래시 기화기를 구비하고,
상기 계측기기는
i. 미립자 재료를 수용하기 위한 용기와,
ⅱ. 상기 용기는 미립자 재료를 기화챔버로 방출하기 위한 개구를 가지며,
ⅲ. 상기 용기에 배치된 회전식 와이어 휠 브러시를 포함하고,
ⅳ. 용기와 와이어 휠 브러시의 치수는 와이어 휠 브러시가 용기의 내벽과 협력해 미립자 재료를 유동화시키도록 선택되며, 미립자 재료의 계측부는 와이어 휠 브러시의 갈래에 들어가 연이어 용기 개구로 강제 방출되는 미립자 재료 기화기기.
제 1 항에 있어서,
플래시 기화기는 회전가능한 미립자 재료 기화기기.
제 2 항에 있어서,
플래시 기화기는 자기 커플링을 통해 회전되는 미립자 재료 기화기기.
제 1 항에 있어서,
플래시 기화기는 기화챔버 내에 있는 미립자 재료 기화기기.
제 4 항에 있어서,
기화챔버는 2차 가열요소로서 실린더형 폼 요소(cylindrical foam element)를 더 포함하는 미립자 재료 기화기기.