KR20130051289A

KR20130051289A - 저온분사 코팅방법 및 이에 의해 제조되는 코팅층

Info

Publication number: KR20130051289A
Application number: KR1020110116551A
Authority: KR
Inventors: 김형준
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2013-05-20

Abstract

본 발명은 고순도의 기판 제조방법에 관한 것으로, 저온분사 공정에 의한 코팅방법에 있어서, 1~5vol.%의 수소를 함유하는 환원 가스를 5~70㎛의 분말과 함께 기판에 저온 분사하여 상기 기판에 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법을 제공하여, 저가의 고산소량 분말을 사용하더라도 낮은 산소량을 가지는 고순도, 고밀도의 금속 소재를 제조할 수 있어 향상된 소재 제조가 가능하다.

Description

저온분사 코팅방법 및 이에 의해 제조되는 코팅층{COLD SPRAY COATING METHOD AND COATING LAYER MANUFACTURED BY THE SAME METHOD}

본 발명은 저온분사 코팅방법 및 이에 의한 코팅층에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온분사 공정으로 고순도의 금속을 제조하기 위한 것으로 타겟 소재나 무산소동과 같은 저온분사 코팅방법 및 코팅층에 관한 것이다.

반도체, LCD, 유리, 태양광, 귀금속 등 다양한 산업 분야에서 PVD, CVD 등으로 박막을 형성하기 위해서는 고순도, 고밀도의 원천 타겟이 요구된다. 전통적으로 타겟 제조는 금속은 주조 공법, 세라믹 소재는 분말 야금법으로 제조된다. 그러나, 금속의 경우도 합금의 경우는 분말야금법의 사용이 증대되고 있다. 분말야금법으로는 방전 플라즈마 소결 (SPS, Spark Plasma Sintering), 고온 등방향 압축성형 (HIP, Hot Isostatic Pressing), 고온 성형 (Hot pressing) 등이 사용된다.

그러나, 최근에는 대면적 박막이 요구되고 있는 추세이고, 특히 태양전지의 경우도 대면적 박막을 통한 효율 향상을 도모하므로 대면적 박막을 만들기 위한 대형 타겟이 요구된다. 종래의 평판형 타겟으로는 1m 이상의 대형 제조가 공정시 노 크기, 균일성 등의 이유로 거의 불가능하므로, 대형 타겟으로는 실린더 형태의 타겟이 사용된다. 실린더 형태 타겟 제조에는 주조 후 접합, 또는 분말야금에 의한 제조 후 접합 등이 사용될 수 있으나, 대형 실린더 타겟 제조에는 스프레이 공정을 사용하는 방법이 경제적이다. 상기 스프레이 공정으로는 전통적으로 용사코팅 (thermal spray)이 세라믹 소재에 많이 사용되고, 금속의 경우는 산화 문제로 인하여 최근에는 국내 특허출원 제10-2008-0046704호(초음속 유동 적층 성형에 의한 스퍼터링 타겟의 제조방법), 국내 특허출원 제10-2009-0039491호(스퍼터링 타겟 및 그 제조방법)에 개시된 저온분사 공정을 통한 평판 또는 실린더 형태의 타겟 제조 공정에 대한 특허가 보고되고 있다.

상기와 같은 타겟 소재는 균일한 고품질의 박막을 얻기 위하여 고순도 고밀도의 타겟 소재를 요구한다. 상기 저온분사 공정의 경우 고상 상태에서의 공정이므로 대기 중에서 공정을 실시하더라도 초기 분말과의 성분 변화는 없게 된다. 따라서 초기 분말을 고순도를 사용하게 되면 고순도의 타겟재 제조가 가능하다.

그러나, 고밀도(통상적으로 밀도 99% 이상)의 타겟을 얻기 위하여 저온분사 공정 조건을 고압이나 국내특허등록 제10-515608호에서 제시한 방법과 같은 고온 또는 추가 열원을 사용하여 고밀도를 얻으려고 하는 경우, 적층시 개별 입자들의 순간적인 고온, 고압에 의한 산화물 형성으로 산소량이 무게비로 0.1~0.2% 증가하게 된다. 이러한 수치는 종래의 용사코팅 (thermal spray)에서 나타나는 1~5%의 산소 증가에 비하면 아주 미미한 산소 증가이지만, 통상적으로 99% 이상의 순도를 요구하는 타겟의 경우 치명적인 결함이 될 수 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 저온분사 공정시 발생하는 산소 증가를 억제하거나, 더 낮추어 고순도의 금속 타겟을 얻을 수 있는 고순도 저온분사 코팅방법 및 이에 의해 제조되는 코팅층을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 저온분사 공정에 의한 코팅방법에 있어서, 1~5vol.%의 수소를 함유하는 환원 가스를 5~70㎛의 분말과 함께 기판에 저온 분사하여 상기 기판에 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 저온분사 공정시 상기 환원 가스 중 분말 송급 가스를 예열하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 코팅 소재는 Cu, Al, Ni, Ti, Au, Ag, Sn, Zn, Fe, Ta 중 하나의 단일금속 또는 NiCr, NiAl, CuGa, CuIn, 스틸(steel) 중 어느 하나의 합금인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 환원 가스는 H₂, CO, CH₄, C₃H₈, C₄H₁₀ 중 어느 하나이거나, 상기 가스 중 어느 하나 이상과 Ar, N₂, He, 공기(air) 중 어느 하나 이상을 혼합한 가스인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 저온분사 코팅시 기판과 분사 노즐과의 거리는 10~100 mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 코팅층이 제공될 수 있고, 상기 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 금속 타겟을 보수하는 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면 수소를 함유하는 환원 가스를 사용함으로써 저가의 고산소량 분말을 사용하더라도 낮은 산소량을 갖는 고순도, 고밀도의 금속 기판을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 저온 분사 코팅 장치의 구성도이다.
도 2는 종래예 2의 단면 조직 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 단면 조직 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

본 발명에 따른 실시예에서는 저온 분사 코팅 장치를 이용한 고순도 코팅방법이 개시된다. 본 발명에 따른 저온 분사 코팅 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부로부터 고압가스가 주입되는 고압가스 공급배관(12), 상기 공급되는 고압가스의 양을 제어하여 일부는 분말 송급가스로서 분말 송급 장치(30)로 이송되도록 하고 나머지는 주가스로서 가스 히터(20)로 이송되도록 하는 가스 제어부(10), 상기 가스 제어부(10)에서 가스 히터(20)로 유입되는 주가스를 승온시키는 가스 히터(20), 상기 가스 제어부(10)와 연결되고 분말을 공급하는 분말 송급 장치(30), 상기 분말 및 분말 송급가스가 분말 공급관(32)을 통하여 유입되고 상기 주가스가 주가스관(22)을 통해 유입되어 혼합되는 혼합 챔버(35), 상기 분말 및 분말 송급가스와 주가스를 승온시키도록 제어하는 제어부(60)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 혼합 챔버의 일측에는 분사 노즐(40)이 형성되어 있어 기판(50)에 환원 가스와 분말을 분사하여 코팅층(52)을 형성하도록 되어 있다.

또한, 분말 송급 장치(30)와 연결되어 코팅 분말을 이송하면서 저항선 등의 가열 장치를 구비하여 저항선의 발열을 통하여 이송되는 코팅 분말을 간접 가열하는 분말 예열 장치(34)가 구비될 수 있다.

상기 저온 분사 코팅 장치는 분말 입자를 질소, 헬륨, 공기 등의 고압 가스를 이용하여 입자 속도를 가속시키고, 입자 속도가 기판과 코팅 소재에 따른 코팅이 시작되는 임계 속도에 다다르면 코팅이 시작되는 코팅 공정을 실시하는 장치이다.

이와 같은 저온 분사 장치는 소재를 용융시키지 않고 순수한 고상 상태의 공정을 통하여 수행된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저온 분사 코팅 장치의 구성도인데, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 1의 저온분사 공정시 사용하는 가스의 성분을 조절하여 저온분사 공정시 사용하는 질소 또는 공기 이외에 공정 중 환원 효과를 얻기 위하여 환원 가스로 주가스(main gas)와 분말 송급 가스에 1~5vol.%의 수소를 혼합한 가스를 사용하거나 분말 송급가스에 1~5vol.%의 수소를 혼합한 가스를 사용한다.

이때, 상기 환원 가스는 H₂, CO, CH₄, C₃H₈, C₄H₁₀ 중 어느 하나 또는 Ar, N₂, He, 공기(air) 와 혼합한 가스를 의미한다. 즉, 혼합 가스로는 Ar-H₂, N_2-H₂, He-H₂, 공기(air)-H₂ 등이 바람직하다. 만약, 수소의 함량이 1vol.% 이하인 경우에는 환원 효과가 미미하게 되고, 5% 이상인 경우에는 폭발 위험성이 있어 5vol.% 이상의 사용이 제한된다.

또한, 상기 코팅 소재로 금속, 세라믹, 플라스틱 등이 사용될 수 있으며, 상기 코팅 소재가 금속인 경우에는 인성이 우수한 분말로써 Cu, Al, Ni, Ti, Au, Ag, Sn, Zn, Fe, Ta 중 하나의 단일금속 또는 NiCr, NiAl, CuGa, CuIn, steel 중 어느 하나의 합금일 수 있다. 그리고, 금속 분말은 5~70㎛의 크기를 갖는 것을 사용한다. 만약, 분말의 크기가 70㎛이상이면 분말의 비행 속도가 코팅이 되는 임계 속도에 도달하지 못하게 되고, 5㎛보다 작은 경우에는 분말의 송급이 원활하지 못하게 되는 문제와 공정 중 충격파에 의하여 적층 효율이 현저히 저하하게 된다.

상기 환원 가스를 사용하여 기판에 코팅층을 형성할 때 분사 노즐과 기판과의 거리는 10~100mm인 것이 바람직한데, 만약 10mm보다 가까운 거리라면 충격에 의해 코팅이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 100mm보다 먼 경우에는 분말의 운동 속도가 작아져 코팅이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 분말 송급 가스를 예열하기 위하여 분말 예열 장치(34)를 이용하여 예열할 수 있도록 하였다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

표 1의 특성을 지닌 구리 분말을 사용하여 저온분사 적층을 Al 기판 위에 실시하였다. Al 기판의 크기는 100x50x5 (t) mm로 블래스팅(blasting) 처리없이 가공된 상태에서 그대로 공기 세척 후 실시하였다. 사용된 구리 분말은 산소를 포함한 불순물이 0.16wt% 포함되어 있으며 그 중 산소는 0.06wt%이다. 참고로 표 1에서 D10의 값이 16인 것은 16㎛이하인 것이 10%를 차지하는 것을 의미한다.

저온분사 공정 조건은 표 2 및 3에서 나타내었다. 종래예는 주가스 및 분말 송급 가스로 질소만을 사용한 경우이고, 비교예는 헬륨만을 사용한 경우이다.

사용 구리 분말의 특성.

Purity (wt.%)	Nitrogen content (wt.%)	Oxygen content (wt.%)	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)
99.84	0.007	0.06	16	25	35

저온분사 공정 조건.

스프레이 거리 (mm)	분말 송급량 (kg/hr)	주 가스 압력 (Bar)	주 가스 온도 (^oC)	건 이송 횟수
30	3.2	29	550	10

시편별 저온분사 공정 조건.

시편번호	사용가스	분말 예열 온도(℃)	건 이송 속도(mm/sec)
종래예 1	N2	100	20
종래예 2	N2	350	20
발명예 1	N2-5%H2	100	20
발명예 2	N2-5%H2	350	20
비교예 1	He	100	20
비교예 2	He	400	20
비교예 3	He	300	100

표 4는 표 2 및 표 3의 공정으로 실험한 시편에 대한 특성인데, 표 4를 참조하면 종래예 1에서 산소량이 0.06%에서 분말 예열 온도가 100℃로 비교적 낮을 때는 0.0666% 로 약간 증가한 것을 알 수 있다. 그러나, 종래예 2에서와 같이 분말 예열 온도를 350℃로 높이면 기공도는 낮아지나 산소량이 0.11% 정도 상승한다. 고가인 헬륨만을 사용하는 비교예 1, 2, 3의 경우를 보면 기공도는 낮으나(밀도는 높으나), 역시 산소량이 0.02~0.04% 증가함을 알 수 있다.

그러나, 발명예 1과 2에서 보면 낮은 기공도(고밀도)의 적층을 보이면서도 분말의 산소량을 유지하거나 발명예 1의 경우는 오히려 산소량이 0.01% 감소함을 알 수 있다.

시편의 특성.

시편번호	Porosity(%)	Oxygen content(wt.%)
종래예 1	1.6	0.0666
종래예 2	1.0	0.1755
발명예 1	0.4	0.0497
발명예 2	0.2	0.0632
비교예 1	0.5	0.0985
비교예 2	0.3	0.0801
비교예 3	0.5	0.1062

상기와 같이 본 발명에 따른 실시예에서는 밀도 및 적층효율을 증가시키기 위하여 분말 송급 가스를 예열하는데, 발명예2에서와 같이 분말 예열 온도를 350℃로 한 경우에는 낮은 기공도(0.2%)를 유지하면서도 산호의 함량을 줄일 수가 있었다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기와 같은 코팅방법에 의하여 고순도의 코팅층을 얻을 수 있고, 고순도의 코팅을 실시함으로써 손상된 고순도의 금속 타겟을 보수할 수도 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 가스 제어부 12: 고압가스 공급배관
20: 가스 히터 22: 주가스관
30: 분말 송급장치 32: 분말 공급관
34: 분말 예열 장치 40: 노즐
50: 기판 52: 코팅층
60: 제어부

Claims

저온분사 공정에 의한 코팅방법에 있어서,
1~5vol.%의 수소를 함유하는 환원 가스를 5~70㎛의 분말과 함께 기판에 저온 분사하여 상기 기판에 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 저온분사 공정시 상기 환원 가스 중 분말 송급 가스를 예열하는 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅 소재는 Cu, Al, Ni, Ti, Au, Ag, Sn, Zn, Fe, Ta 중 하나의 단일금속 또는 NiCr, NiAl, CuGa, CuIn, 스틸(steel) 중 어느 하나의 합금인 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 환원 가스는 H₂, CO, CH₄, C₃H₈, C₄H₁₀ 중 어느 하나이거나, 상기 가스 중 어느 하나 이상과 Ar, N₂, He, 공기(air) 중 어느 하나 이상을 혼합한 가스인 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 저온분사 코팅시 기판과 분사 노즐과의 거리는 10~100 mm인 것을 특징으로 하는 저온분사 코팅방법.
제 1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조되는 코팅층.
제 1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 의해 금속 타겟을 보수하는 방법.