KR20140048990A - 증가된 강성 및 강도를 위해 원자층 증착을 이용하여 물질이 증착된 섬유들을 포함하는 직물 - Google Patents

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Abstract

실시 예들은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 기능들을 제공하거나 강화하기 위해 원자층 증착(ALD)을 이용하여 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 하나 이상의 물질층을 증착하는 것과 관련된다. 그러한 기능들은 예를 들어, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 더 높은 강성, 더 높은 강도, 굽힘에 대한 저항력의 부가, 충격에 대한 저항력의 부가 또는 인장력에 대한 저항력의 부가를 포함한다. 물질층은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착 또는 코팅되고, 그 다음 물질의 표면이 산화, 질화 또는 탄화되어 물질의 부피를 증가시킨다. 물질의 부피를 증가시킴으로써, 물질은 압축력을 받는다. 압축력은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질을 더욱 견고하고, 강하고, 굽힘, 충격 또는 인장력에 대해 더 저항력이 있도록 만든다.

Description

증가된 강성 및 강도를 위해 원자층 증착을 이용하여 물질이 증착된 섬유들을 포함하는 직물{TEXTILE INCLUDING FIBERS DEPOSITED WITH MATERIAL USING ATOMIC LAYER DEPOSITION FOR INCREASED RIGIDITY AND STRENGTH}
본 명세서는 강성을 증가시키거나 다른 유용한 특징들을 섬유들 또는 직물들에 제공하기 위해 원자층 증착을 이용하여 섬유들 또는 직물들 상에 물질들을 증착하는 것과 관련된다.
섬유는 다양한 응용을 위한 충분한 강도 또는 강성이 일반적으로 부족하다. 이런 이유로, 더 높은 강도 및 강성을 위해 다중 섬유들이 종종 서로 꼬아져 실을 만든다. 실은 그 다음 섬유들, 크로셰(crochet), 니트(knit) 및 밧줄을 생산하는 데 사용된다. 대안적으로, 섬유들(예를 들어, 탄소 섬유들)은 강하면서 경제적으로 실현 가능한 화합물을 생산하기 위해 다른 물질들(예를 들어, 폴리머)과 결합할 수 있다. 그러한 화합물의 예는 그 중에서도, CFRP(Carbon-Fiber-Reinforced Polymer, 탄소-섬유-강화된 폴리머)를 포함한다. CFRP는 증가된 강도 및 개선된 속성들을 위해 탄소 섬유에 더하여 케블러(Kevlar), 알루미늄 또는 유리 섬유들을 포함할 수 있다.
강도 또는 강성을 증가시키기 위해서, 섬유들은 물질로 코팅될 수 있다. 그러나, 그러한 섬유들은 특정 곡률 이상으로 굽혀지거나 정도를 넘어서 늘려질 때, 그것들의 표면에 균열이나 다른 결함들을 형성하는 경향이 있다. 도 1은 굽힘력(F)을 받는 물질(102)로 코팅된 섬유(100)의 단면도이다. 섬유(100)는 굽혀지고(도 1에 도시된 바와 같이), 섬유(100)의 상부 및 코팅된 물질(102)은 인장력(도 1에서“T”로 표시된)을 받는 반면에, 섬유(100)의 하부는 압축력(도 1에서“C”로 표시된)을 받는다. 인장력이 특정 한계를 초과할 때(예를 들어, 섬유(100)가 각을 넘어서 굽혀질 때), 코팅된 물질들은 응집 파괴(참조 번호 104로 도시된) 및 접착 파괴(참조 번호 108로 도시된) 때문에 균열이 생길 수 있다. 유사한 균열들이 섬유(100) 및 코팅된 물질(102)이 당겨지거나 또는 반대로 인장력을 받을 때 발생할 수 있다. 코팅된 물질들에 형성된 균열들은 이러한 코팅된 물질들에 의해 제공되는 기능들의 저하에 더하여 섬유의 강도나 강성을 감소시키는 결과를 낳는다.
얇은 섬유들이 사용될 때, 섬유들 상에 물질들을 코팅하는 종래의 방법들은 부족한 것일 수 있다. 즉, 물질들은 섬유들 상에 등각(conformal)으로 코팅되지 않을 수 있고, 코팅된 물질들의 두께는 원하는 기능들 및 속성들을 달성하기에 충분히 얇지 않을 수 있다.
실시 예들은 섬유 상에 물질을 증착하는 방법 또는 섬유나 섬유를 포함하는 물질의 강도(strength) 또는 강성(rigidity)을 증가시키는 섬유를 포함하는 물질과 관련된다. 원료 전구체(source precursor)는 ALD(Atomic Layer Deposition, 원자층 증착)를 이용하여 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 표면상에 물질층을 증착하기 위해, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 반응 전구체(reactant precursor)가 뒤이어 주입되는 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 주입된다. 층의 적어도 외부를 또 다른 물질로 변환함으로써 압축력이 층의 적어도 일부에 유도된다. 변환된 물질은 변환되지 않은 물질과 비교하여 더 큰 부피를 갖고, 그러므로, 층에 압축력을 제공한다.
일 실시 예에서, 변환은 변환되지 않은 물질을 산화(oxidizing), 질화(nitrifying) 또는 탄화(carbonizing)시키는 것을 포함한다.
일 실시 예에서, 증착된 층은 다결정 물질을 포함한다. 압축력이 다결정 물질의 결정 입계(grain boundary)들 및 외부 표면의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 유도된다.
일 실시 예에서, 다결정 물질층은 반도체, 금속 화합물 또는 금속 중 적어도 하나를 포함한다. 다결정 물질층은 TiN을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 비정질 물질층이 산화, 질화 또는 탄화된 다결정 물질층의 표면상 증착된다. 비정질 물질층은 Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 섬유는 탄소 섬유를 포함한다.
일 실시 예에서, 반응 전구체는 기체를 플라즈마에 노출함으로써 생성된 라디칼들을 포함한다.
일 실시 예에서, 증착된 층은 비정질 물질을 포함한다. 비정질 물질은 Al2O3 또는 SiN일 수 있다.
실시 예들은 또한 섬유들 각각이 강도 또는 강성을 증가시키기 위해 원자층 증착(ALD)을 이용하여 그것의 표면상에 물질층이 증착되는 복수의 섬유들을 포함하는 직물과 관련된다. 처리된 층이 증착된 물질층에 압축력을 유도하기 위해 물질층의 부분들을 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 물질의 표면상에 형성된다. 처리된 층은 물질층의 결정 입계들로 적어도 부분적으로 확산한다. 물질층 내의 압축력은 각 섬유의 강도 또는 강성을 증가시킨다.
일 실시 예에서, 증착된 층은 다결정 물질을 포함한다. 압축력이 다결정 물질의 결정 입계들 및 외부 표면의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 유도된다.
도 1은 종래 섬유에서의 내부 압력과 섬유 상의 코팅된 물질의 파괴를 보여주는 단면도이다.
도 2a는 일 실시 예에 따른, 다결정 물질층이 증착된 섬유의 단면도이다.
도 2b는 일 실시 예에 따른, 산화, 질화 또는 탄화된 다결정 물질의 결정 입계들 및 표면의 적어도 일부를 갖는 도 2a의 섬유의 단면도이다.
도 2c는 일 실시 예에 따른, 비정질층이 증착된 도 2b의 섬유의 단면도이다.
도 3a는 일 실시 예에 따른, 물질들이 증착된 섬유의 단면도이다.
도 3b는 또 다른 실시 예에 따른, 물질들이 증착된 섬유의 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른, 원자층 증착을 이용하여 섬유들 또는 직물들 상에 물질들을 증착하는 장치의 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른, 섬유들 또는 직물들 상에 물질들을 증착하는 장치의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른, 섬유들 또는 직물들 상에 물질들을 증착하는 장치의 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질들을 증착하는 방법을 도시하는 순서도이다.
실시 예들이 첨부된 도면들을 참조하여 여기서 설명된다. 여기서 개시된 원리들은 그러나, 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 여기서 제시된 실시 예들에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 상세한 설명에서, 잘 알려진 특징들 및 기술들의 세부 사항들은 실시 예들의 특징을 불필요하게 흐리는 것을 방지하기 위해 생략될 수 있다.
도면들에서, 도면들 내의 유사한 참조 번호들은 유사한 원소들을 표시한다. 도면의 모양, 크기와 영역, 및 그와 유사한 것들은 명확성을 위해 과장될 수 있다.
실시 예들은 굽힘, 충격 또는 인장력에 대한 저항을 제공하는 강성 또는 강도를 증가시키기 위해 원자층 증착(ALD)을 이용하여 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 하나 이상의 물질층을 증착하는 것과 관련된다. 물질층은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착되고, 그 다음 증착된 물질의 적어도 일부가 산화, 질화 또는 탄화되어 물질층 내에 압축력을 유도한다. 증착된 물질은 다결정 물질 또는 비정질(amorphous) 물질일 수 있다. 압축력은 섬유(fiber) 또는 직물(textile)을 더욱 견고하고, 강하고, 굽힘력, 충격 또는 인장력에 대해 더욱 저항력 있도록 만든다. 나아가, 섬유 또는 직물은 산화를 방지하거나 야간 시야 카메라들에 의한 감지를 방지하기 위해, 추가 물질들로 코팅될 수 있다.
여기서 설명되는 섬유를 포함하는 물질은 섬유들을 포함하는 어떤 물질을 나타낸다. 섬유를 포함하는 물질은, 예를 들어 실, 직물 및 합성 물질을 포함한다. 물질들을 포함하는 섬유 내의 섬유들은 서로 꼬여있을 수도 그렇지 않을 수도 있다.
여기서 설명되는 하나 이상의 물질층들은 섬유를 포함하는 물질로 포함되기 전후에 섬유들 상에 증착될 수 있다.
물질들로 코팅된 예시적인 섬유들 또는 직물
섬유 및 섬유를 포함하는 물질은 굽힘력, 충격 또는 인장력에 대한 감소된 저항으로 이끌 수 있는 강성 또는 강도와 같은 원하는 속성들이 부족할 수 있다. 강성 또는 강도를 증가시키기 위해서, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질에는 강성 또는 강도를 강화하는 물질들이 증착될 수 있다. 그러나, 증착된 물질은 물질의 증착 후에 종종 인장력을 받을 수 있다. 이런 이유로, 증착된 물질은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질이 굽혀지거나 다른 이유로 인장력을 받을 때, 균열 또는 다른 결함들에 취약할 수 있다.
특히, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착된 물질이 다결정 물질일 때, 물질의 결정 입계들은 더 높은 자유 에너지를 갖고 종종 불안정한 상태에 놓인다. 나아가, 결정들 사이의 결합력은 일반적으로 약하다. 그러므로, 다결정 물질로 형성된 층은 열위한 방벽 특성들을 가질 뿐 아니라 결정 입계들로부터 전파되는 균열들 또는 다른 파괴들에 취약해진다.
하나 이상의 실시 예들에서, 섬유를 포함하는 물질 중 섬유의 강성 또는 강도는 다결정 물질이 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착된 후에 결정들의 부피를 팽창시킴으로써 증가된다. 결정들의 부피는 다결정 물질의 결정 입계들의 표면 및 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 증가될 수 있다.
대안적으로, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질에 다결정 물질을 증착하는 것을 대신하여, 비정질 물질이 섬유 또는 물질을 코팅하는 섬유 상에 증착될 수 있다. 비정질 물질의 외부 영역은 부피를 늘리고 물질의 외부 영역 내에 압축력을 제공하기 위해 산화, 질화 또는 탄화될 수 있다
도 2a는 일 실시 예에 따른, 다결정 물질층(204)이 증착된 섬유(200)의 단면도이다. 비록, 도 2a가 다결정 물질층(204)이 증착된 단일 섬유(200)를 도시하고 있지만, 전체 실, 직물 또는 섬유를 포함하는 어떤 다른 물질에도 원자층 증착(ALD)을 이용하여 다결정 물질층(204)이 증착될 수 있다. 일 실시 예에서, 다결정 물질은 TiN이고, 도 4 내지 6을 참조하여 아래에서 상세히 설명되는 증착 장치를 이용하여 10Å 내지 500Å의 두께를 갖는다. 다른 실시 예들에서, 다결정 물질은 반도체 물질(예를 들어, Si, Ge), 금속(예를 들어, Al, Ti, Ta), 높은 녹는점을 갖는 금속 화합물(예를 들어, TiAlN, TiCN, WC) 중 하나 이상일 수 있다.
다결정 물질층(204)을 증착하기 위한 ALD의 이용은 다른 이유 중에서도, 층(204)이 다른 증착 방법들보다 낮은 증착 온도에서 얇은 두께와 함께 등각 방식으로 섬유(200) 상에 증착되기 때문에 유리하다.
섬유(200)는 탄소 섬유 또는 어떤 다른 섬유들일 수 있다. 섬유가 탄소를 포함하는 실시 예에서, 초기 증착된 층은 탄소 원자들과 반응하여 섬유와의 더 강한 결합을 생성한다. 예를 들어, 탄소 섬유에 TiN이 증착될 때, TiN 막의 초기층은 탄소 섬유 내에서 탄소 원자들과 반응하고 TiCN층을 형성한다. TiCN층은 탄소 섬유와 TiCN층 상에 더 증착된 TiN 층(204) 사이의 결합력을 유리하게 증가시킨다.
TiN(204)의 다결정 층(204)이 TiCN층 상에 형성된 후에, 섬유(200)는 산소, H2O, 오존, O＊라디칼들 또는 그것들의 조합에 노출되어 TiN층(204)의 표면 및 결정 입계들을 TiON으로 산화시킨다. TiN층(204)의 결정 입계들은 이러한 산화 중개자들을 결정 입계들로 확산시킴으로써 산화된다. 산화 중개자들의 확산의 확장은 TiN 층의 깊이에 따라 감소하기 때문에, TiN층(204)의 산화된 부분은 표면에서 더 넓어지는 경향이 있지만, 섬유(200)를 향한 깊이가 증가함에 따라 더 얇아진다. 산화의 결과로, TiON층(208)의 단면 모양은 적어도 부분적으로 TiN층(204)의 결정 입계들로 확장하는 역삼각 모양을 취한다.
TiON은 TiN과 비교하여 더 많은 부피를 차지하기 때문에, 증착된 물질의 전체 부피는 TiN층(204)의 표면 및 결정 입계들이 TiON층(208)으로 산화됨에 따라 증가한다. 그러나, TiN층(204) 및 TiON층(208)은 섬유(200)에 결합되기 때문에, 이러한 층들의 공간적 팽창은 제한된다. 결과적으로, 이러한 층들은 대신에 압축력을 받는다.
게다가, TiN의 결정들과의 TiON의 결합은 TiN의 결정들 사이의 결합보다 더 강하다. 그러므로, 균열은 TiON과 TiN 결정들의 경계들 사이에서 발생할 가능성이 더 적다. 결과적으로, 경계들 사이에서 TiON으로의 TiN의 산화는 섬유의 강도를 더욱 증가시킨다. 하나 이상의 실시 예에서, TiON층의 두께는 5 내지 50Å이다.
TiON은 또한 TiN과 비교하여 확산에 대해 더 저항력이 있다. 그러므로, TiON층(208)은 또한 다른 물질들이 섬유(200)로 투과하는 것을 방지하는 확산 장벽으로서 기능할 수 있다.
대안적으로, TiN층(204)은 예를 들어, C＊라디칼들을 이용하여 탄화될 수 있다. 결과적으로, TiCN층은 TiN층의 표면상에 형성되고 또한 TiN의 결정 입계들로 투과한다. TiCN층은 또한 TiN층과 비교하여 더 큰 부피를 갖고, 그러므로, TiN층의 표면상의 TiCN층의 형성 및 결정 입계들로의 TiCN의 투과는 TiN 및 TiCN층 내에 압축력을 야기한다. 나아가, TiCN은 TiN과 비교하여 확산에 더욱 저항력이 있고, 그러므로, TiCN은 또한 차단을 위한 확산 장벽으로서 기능한다.
다결정 층을 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 형성된 층은 섬유의 강성 또는 강도를 유리하게 증가시키고 또한 섬유를 위한 확산 장벽으로서 기능한다.
일 실시 예에서, 비정질 층이 산화, 질화 또는 탄화된 다결정 층상에 증착된다. 예를 들어, 10 내지 100Å 두께의 Al2O3 또는 SiO2층이 산화, 질화 또는 탄화된 다결정 층상에 증착된다. 비정질 층은 인장력을 가질 수 있고 상이한 압력(stressed) 막들의 조합은 증가된 강성을 낳으므로, 비정질 층은 다결정 층의 코딩과 관련된 문제들을 감소시킨다.
일 실시 예에서, TiN 및 TiON층들의 다중 세트(set)들이 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착될 수 있다. TiN을 증착하고 TiON을 형성하는 공정은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 강성 또는 강도를 더 증가시키기 위해 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 TiN/TiON층의 다중 세트들을 증착하도록 미리 결정된 횟수만큼 반복될 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 각각의 세트가 TiN층, TiON층 및 비정질 층을 포함하는 층들의 다중 세트들이 미리 결정된 횟수만큼 공정을 반복함으로써 섬유 상에 증착된다.
도 3a는 일 실시 예에 따른, 물질들이 증착된 섬유(300A)의 단면도이다. 섬유(300A)는 탄소 섬유일 수 있고, 그것에는 그 다음 두께(t1a)의 제 1 물질(310A, 예를 들어, TiN, Al2O3, SiN), 제 1 물질을 산화, 질화 또는 탄화시킴으로써 형성되는 두께(t2a)의 층(320A, 예를 들어, TiCN, AlON, SiO2) 및 두께(t3a)의 비정질 층(330A)이 증착된다.
층들(310A, 320A, 330A)을 증착하는 공정은 섬유(300A) 상에 층들의 세트들을 증착하기 위해 미리 결정된 횟수의 사이클 동안 반복될 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 비정질 층은 다결정 층을 증착하기 전에 섬유 상에 증착된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, Al2O3 또는 SiO2의 비정질 층(330B)은 ALD를 이용하여 섬유(300B) 상에 먼저 형성된다. 뒤이어, 다결정 층(320B)이 비정질 층(330B)상에 증착된다. 마지막으로, 다결정 층(320B)이 산화, 탄화 또는 질화되어 최종적인 층(310B)을 형성한다. 비정질 층(330B)은 t1b의 두께를 갖고, 다결정 층(320B)은 t2b의 두께를 갖고, 산화, 탄화 또는 질화된 층(310B)은 t3b의 두께를 갖는다. t1b의 두께는 10 내지 500Å이고, t2b의 두께도 또한 10 내지 500Å이고, t3b의 두께는 5 내지 50Å이다.
층들(310B, 320B, 330B)을 증착하는 공정은 섬유(300B) 상에 층들의 세트들을 증착하기 위해 미리 결정된 횟수의 사이클 동안 반복될 수 있다.
섬유 상에 다결정 물질을 증착하는 것을 대신하여, 비정질 층이 섬유 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, Al2O3는 원료 전구체로서 TMA(trimethylaluminum)을 이용하여 섬유 상에 증착되고, 퍼지 기체(purge gas)를 이용하여 섬유 상에 물리흡착된 TMA의 제거 및 그 다음 H2O, O3, O2 플라즈마로부터 생성된 반응 전구체가 섬유 상에 주입하는 것이 뒤따를 수 있다. 그러한 Al2O3층은 일반적으로 5×109 내지 1×1010dyne/cm2의 인장력을 갖는다.
Al2O3층은 그 다음 O2 및 NH3 또는 N2O 및 NH3를 포함하는 기체에 플라즈마를 야기하여 생성되는 O＊라디칼들 및/또는 N＊라디칼들에 노출된다. 과잉 NH3는 증착 공정에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 입자들을 생성하는 경향이 있기 때문에, NH3의 퍼센티지는 30％이하로 유지될 수 있다. 이러한 방법으로, Al2O3의 외부 주변부는 Al2O3와 비교하여 증가된 부피를 갖는 AlON으로 변환된다. AlON층은 약 1×109 내지 5×109dyne/cm2의 압축력을 받는다.
섬유 상에 Al2O3 및 AlON을 증착한 결과로서, 섬유는 굽힘에 대해 더욱 단단해지고 또한 더 견고해진다. Al2O3 및 AlON의 다중 층들은 굽힘에 대한 증가된 저항 및 강성을 제공하기 위해 교호하는 방식으로 섬유 상에 증착될 수 있다.
섬유 상에 형성된 Al2O3의 두께는 섬유의 직경의 2％ 미만일 수 있다. Al2O3층의 두께는 50Å 내지 300Å 일 수 있다.
비정질 물질은 또한 SiN일 수 있다. SiN은 원료 전구체로서 HMDS(Hexamethyldisilazane:(CH3)-Si-NH-Si-(CH3)3), 그리고 반응 전구체로서 N＊라디칼들을 이용하여 섬유 상에 증착될 수 있다. SiN층의 두께는 섬유의 직경의 2％ 미만일 수 있다. SiN층의 두께는 50Å 내지 300Å 일 수 있다. SiN층의 외부 주변부는 O＊라디칼들에 노출되어 SiN층의 노출된 부분을 SiO2로 변환할 수 있다. SiO2는 SiN과 비교하여 더 높은 부피를 갖고, 그러므로, 압축력이 증착된 물질에 제공된다.
증착 장치의 예들
도 4는 일 실시 예에 따른, 증착 장치(400)의 사시도이다. 비록 증착 장치(400)가 직물 상에 물질층들을 증착하는 것으로 도시되었지만, 동일한 증착 장치(400)는 섬유 또는 물질들을 포함하는 다른 섬유들 상에 물질층들을 증착하는 데에 사용될 수도 있다.
증착 장치(400)는 여러 요소들 중에서, 상부 반응기(430A) 및 하부 반응기(430B)를 포함할 수 있다. 직물(420)은 왼쪽에서 오른쪽으로(화살표(414)로 표시되는 바와 같이) 움직이고, 상부 및 하부 반응기들(430A, 430B) 사이를 지나가고, 직물(420)에는 물질층(440)이 증착된다. 일 실시 예에서, 층(440)은 다결정 층, 다결정 층을 산화, 탄화 또는 질화시켜 형성된 층, 또는 비정질 층이다.
전체 증착 장치(400)는 진공 혹은 기밀 용기로 둘러싸일 수 있다. 비록, 증착 장치(400)는 직물(420)이 수평적으로 움직일 때 직물(420) 상에 물질을 증착하는 것으로 도시되지만, 증착 장치(400)는 층(440)이 직물(420)이 수직적으로 또는 상이한 방향으로 움직일 때 증착되도록 지향될 수 있다.
상부 반응기(430A)는 전구체, 퍼지 기체 및 그것들의 조합을 상부 반응기(430A)에 제공하는 파이프들(442A, 446A, 448A)과 연결된다. 배기 파이프들(452A, 454A)이 또한 상부 반응기(430A)에 연결되어 과잉 전구체 및 퍼지 기체를 상부 반응기(430A)의 내부로부터 방출한다. 상부 반응기(430A)의 하부 표면은 직물(420)과 마주한다.
하부 반응기(430B)도 또한 전구체, 퍼지 기체 및 그것들의 조합을 수신하기 위해 파이프들(442B, 446B, 448B)과 연결된다. 배기 파이프들(예를 들어, 파이프(454B))도 또한 하부 반응기(430B)에 연결되어 과잉 전구체 및 퍼지 기체를 하부 반응기(430B)의 내부로부터 방출한다. 하부 반응기(430B)의 상부 표면은 직물(420)과 마주한다.
증착 장치(400)는 직물(420)이 상부 반응기(430A)의 하부 표면과 하부 반응기(430B)의 상부 표면 사이에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 이동할 때, 직물(420) 상에서 원자층 증착(ALD)을 수행한다. ALD는 직물(420) 상에 원료 전구체를 주입하고 뒤이어 직물(420) 상에 반응 전구체를 주입함으로써 수행된다,
도 5는 일 실시 예에 따른, 도 4의 선A-B를 다라서 취한 증착 장치(400)의 단면도이다. 상부 반응기(430A)는 여러 요소들 중에서, 원료 주입기(502) 및 반응 주입기(504)를 포함할 수 있다. 원료 주입기(502)는 파이프(442A)와 연결되어 원료 전구체를 수신하고(아르곤과 같은 운반 기체와 조합하여), 반응 주입기(504)는 파이프(448A)와 연결되어 반응 전구체를 수신한다(아르곤과 같은 운반 기체와 조합하여). 운반 기체는 개별 파이프(예를 들어, 파이프(446A))를 통해서 또는 원료나 반응 전구체를 공급하는 파이프들을 통해서 주입될 수 있다.
원료 주입기(502)의 몸체에는 채널(542), 천공들(544, perforations, 예를 들어, 홀들 또는 슬릿들), 반응 챔버(534), 협착 영역(560) 및 배기 부분(562)이 형성된다. 원료 전구체는 채널(542) 및 천공들(544)을 통해 반응 챔버(534)로 흐르고, 직물(120)과 반응한다. 원료 전구체의 일부는 직물(420)을 투과하고, 하부 반응기(430B) 상에 형성된 배기 부분(268)을 통해 방출된다. 남은 원료 전구체는 직물(420)의 표면과 평행하게 협착 영역(560)을 통해 흐르고, 배기 부분(562)으로 방출된다. 배기 부분은 파이프(452A)와 연결되고 과잉 원료 전구체를 주입기(502)의 밖으로 방출한다.
원료 전구체가 협착 영역(560)을 통해 흐를 때, 과잉 원료 전구체는 협착 영역(560) 내의 원료 전구체의 더 높은 속도 때문에 직물(420)의 표면으로부터 제거된다. 일 실시 예에서, 협착 영역(560)의 높이(M)는 반응 챔버(534)의 높이(Z)의 2/3 미만이다. 그러한 높이(M)가 직물(420)의 표면으로부터 원료 전구체를 제거하는 데 바람직하다.
반응 주입기(504)는 원료 주입기(502)와 유사한 구조를 갖는다. 반응 주입기(504)는 반응 전구체를 수신하고 반응 전구체를 직물(420) 상에 주입한다. 원료 주입기(504)는 채널(546), 천공들(548), 반응 챔버(536), 협착 영역(564) 및 배기 부분(566)이 형성된 몸체(514)를 갖는다. 반응 주입기(504)의 이러한 부분들의 기능들 및 구조들은 원료 주입기(502)의 대응하는 부분들과 대체로 동일하다. 배기 부분(566)은 파이프(454A)와 연결된다.
하부 반응기(430B)는 상부 반응기(430A)와 유사한 구조를 가지만, 상부 반응기(430A)와 반대 방향으로 마주하는 상부 표면을 갖는다. 하부 반응기(430B)는 원료 주입기(506) 및 반응 주입기(508)를 포함할 수 있다. 원료 주입기(506)는 파이프(542B)를 통해 원료 전구체를 수신하고 원료 전구체를 직물(420)의 뒷면상에 주입한다. 원료 전구체의 일부는 직물(420)을 투과하고, 배기 부분(562)을 통해 방출된다. 남은 원료 전구체는 직물(420)의 표면과 평행하게 배기 부분(568)으로 흐르고, 원료 주입기(502)로부터 방출된다.
반응 주입기(508)의 구조는 반응 주입기(504)와 대체로 동일하고, 그러므로, 그것의 상세한 설명은 간명함을 위해 여기서 생략된다.
증착 장치(400)는 또한 직물(420)을 이동시키는 매커니즘(580, mechanism)을 포함할 수 있다. 메커니즘(580)은 도 5에 도시된 바와 같이 직물(420)을 오른 방향으로 당기는 전동기 또는 액추에이터(actuator)일 수 있다. 직물(420)이 오른쪽으로 점차로 움직임에 따라, 대체로 직물(420)의 전체 표면은 원료 전구체 및 반응 전구체에 노출되어, 결과로서 직물(420) 상에 물질을 증착한다.
반응기들의 마주하는 세트를 가짐으로써, 원료 전구체 및 반응 전구체는 직물(420)의 표면에 수직하여 흐를 뿐만 아니라 직물(420)의 표면에 평행하여 흐른다. 그러므로 등각 물질층이 평면 표면뿐 아니라 직물(420) 내의 구멍들 또는 홀들 상에도 증착된다. 이런 이유로, 물질은 직물(420) 상에 더욱 균일하게 및 완전하게 증착된다.
증착 장치(400) 바깥으로 누출되는 전구체 물질을 감소시키기 위해서, 직물(420)과 상부/하부 반응기(430A, 430B) 사이의 거리(H)는 낮은 값으로 유지된다. 일 실시 예에서, 거리(H)는 1㎜ 미만이고, 더욱 바람직하게는 수십 ㎛ 미만이다.
일 실시 예에서, TiCl4가 원료 전구체로서 사용되고, NH3가 반응 전구체로서 사용되어 직물(420) 상에 다결정 TiN층을 형성한다. 직물(420) 상에 TiN층을 형성한 후에, 직물은 산소, H2O, 오존, O＊라디칼들 또는 그것들의 조합에 노출되어 TiN층의 표면 및 결정 입계를 TiON으로 산화시킬 수 있다.
게다가, SiH4, SiCl2H2와 같은 무기 물질 또는 HMDS(hexamethyldisilazane), TMDSO(tetramethyldisiloxane), TDMAS(tris(dimethylamino)silane)와 같은 유기 금속 화합물이 원료 전구체로서 사용되고, O＊라디칼, H2O, 오존 또는 그것들의 조합이 반응 전구체로서 사용되어 섬유 상에 SiO2를 증착할 수 있다. Al2O3를 증착하기 위해서, TMA 또는 DMAH(dimethylaluminiumhydride)가 원료 전구체로서 사용될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른, 라디칼 반응기들(604, 608A)을 포함하는 증착 장치(600)의 단면도이다. 증착 장치(600)는 라디칼 반응기들(604A, 608A)로 대체되는 주입기들(504, 508)을 제외하면 증착 장치(500)와 대체로 동일하다.
증착 장치(600)는 원료 주입기들(602, 606A) 및 라디칼 반응기들(604, 608A)을 포함한다. 원료 주입기들(602, 606A)의 구조 및 기능은 원료 주입기들(502, 506)과 동일하고, 그러므로 그것들의 상세한 설명은 간명성을 위해 생략된다. 직물(420)은 직물(420)이 먼저 원료 전구체에 노출되고(원료 주입기들(602, 606A)에 의해) 그 다음 라디칼들에 노출되도록(라디칼 반응기들(604, 608A)에 의해), 도 6에서 화살표(611)로 도시된 바와 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 움직인다.
라디칼 반응기(604)는 여러 요소들 중에서, 내부 전극(614) 및 몸체(620)를 포함할 수 있다. 몸체(620)에는 여러 구조들 중에서, 채널(622), 천공들(예를 들어, 홀들 또는 슬릿들, 618), 플라즈마 챔버(612), 주입 홀들(626), 반응 챔버(624) 및 배기 부분(632)이 형성될 수 있다. 기체가 채널(622) 및 천공들(618)을 통해 플라즈마 챔버(612)로 제공된다. 전압 차는 내부 전극(614)와 라디칼 반응기(604)의 몸체(620) 사이에 인가되어, 플라즈마 챔버(612) 내에 플라즈마를 생성한다. 라디칼 반응기(604)의 몸체(620)는 외부 전극으로서 기능한다. 대안적인 실시 예에서, 몸체(620)와 분리된 외부 전극이 제공되어 플라즈마 챔버(612)를 둘러쌀 수 있다. 플라즈마 생성의 결과로, 기체의 라디칼들이 플라즈마 챔버(612) 내에 형성되고 주입 홀들(626)을 통해 반응 챔버(624)로 주입된다.
도 5를 참조하여 앞에서 설명된 바와 같이, 라디칼 반응기들(604, 608A)에 의해 생성된 라디칼들의 일부는 기판을 투과하고, 반대편의 라디칼 반응기들에서 제공되는 배기 부분들에 의해 방출된다. 다른 라디칼들은 직물(420)의 표면과 평행하게 흐르고 라디칼들을 생성한 라디칼 반응기의 배기 부분들에 의해 방출된다.
일 실시 예에서, 라디칼 반응기들(604, 608A)은 TiCl4를 포함하는 원료 전구체가 미리 주입된 직물(420) 상에 반응 전구체로서 N＊라디칼들을 생성 및 주입하여 다결정 TiN층을 형성한다.
일 실시 예에서, 라디칼 반응기들(604, 608A)은 SiH4, SiCl2H2과 같은 무기 물질 또는 HMDS(hexamethyldisilazane), TMDSO(tetramethyldisiloxane), TDMAS(tris(dimethylamino)silane)과 같은 유기 금속 화합물을 포함하는 원료 전구체가 미리 주입된 직물(420) 상에 반응 전구체로서 O＊라디칼들을 생성 및 주입하여 섬유 상에 SiO2를 증착한다. 유사하게, O＊라디칼들은 TMA(trimethylaluminium) 또는 DMAH(dimethylaluminiumhydride)를 포함하는 원료 전구체가 미리 주입된 직물(420) 상에 반응 전구체로서 주입되어 직물(420) 상에 Al2O3를 증착할 수 있다.
섬유들 또는 물질들을 포함하는 섬유는 증착 장치들(500, 600)에 의해 처리되어 섬유들 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질들을 증착할 수 있다. 게다가, 동일한 직물, 섬유들, 실 또는 다른 요소 구조들이 섬유들 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 층들의 다중 세트를 증착하기 위해, 증착 장치들(500, 600)에서 반복된 공정들을 겪을 수 있다.
도 4 내지 6을 참조하여 앞에서 설명된 섬유들 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 장치들은 단지 예시하는 것이다. 다양한 다른 장치들이 섬유를 포함하는 물질의 섬유들 상에 물질을 증착하는 데 사용될 수 있다.
물질을 증착하는 예시적인 방법
도 7은 일 실시 예에 다른, 섬유들 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질들을 증착하는 방법을 도시하는 순서도이다. 먼저, ALD를 이용하여 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 제 1 물질층의 층이 증착된다(702). 이러한 용도로, 도 4 내지 도 6을 참조하여 앞에서 설명된 증착 장치가 사용될 수 있다. 제 1 물질은 TiN과 같은 다결정 물질 또는 Al2O3나 SiO2와 같은 비정질 물질일 수 있다.
제 1 물질층이 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 증착된 후에, 제 1 물질의 적어도 일부는 제 1 물질보다 더 큰 부피를 갖는 제 2 물질로 변환되어(706) 층 내에 압축력을 제공한다. 변환은 제 1 물질의 산화, 질화 또는 탄화일 수 있다. 제 2 물질은 예를 들어, 제 1 물질이 TiN일 때 TiON을 포함할 수 있다.
그 다음 비정질 물질층이 다결정 물질층의 산화, 질화 또는 탄화된 표면상에 증착된다(710). 비정질 물질층은 예를 들어, Al2O3나 SiO2를 포함할 수 있다. 이러한 방법으로, 비정질 층은 인장력을 받을 수 있고, 상이하게 압력받는 막들의 조합은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 견고함을 증가시킬 것이고, 가장 바깥층은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상의 증가된 강성을 위한 압축력을 가지게 된다.
그 다음, 증착된 물질들의 두께가 충분한지가 결정된다(714). 만일 증착된 물질들의 두께가 충분하지 않으면, 공정은 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 제 1 물질층을 증착하는 단계(702)로 돌아간다. 만일 증착된 물질들의 두께가 충분하면, 공정은 종료한다.
도 7에 도시된 공정은 단지 예시하는 것이다. 대안적으로, 도 7의 특정한 단계들이 생략될 수 있다. 예를 들어, 비정질 층을 증착하는 단계(710)는 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 다결정 물질층을 증착하기 전에 수행될 수 있다. 대안적으로, 비정질 물질층을 증착하는 단계(710)는 생략될 수 있다.
다른 기능을 위한 물질을 증착
강성 또는 강도를 증가시키기 위해 물질들을 코팅하는 것 대신에 또는 그것에 추가하여, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질에는 섬유들, 실 또는 직물의 복사율(emissivity)을 낮추는 물질이 코팅될 수 있다. 복사율은 다른 물질들에 대하여 그것의 표면으로부터의 에너지 복사와 관련된 물질 속성이다. 군용 유니폼과 같은 응용들에서, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 복사율을 낮추는 것은 군용 유니폼을 입은 사람이 야간 시야(night vision)에 의해 감지되는 것을 방지하는 데 유리하다. 복사율을 낮추기 위해, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질은 유니폼의 복사율을 낮추는 페인트로 코팅될 수 있다. 그러나, 페인트는 유니폼을 세탁하거나 반복적으로 사용하는 동안 벗겨지거나 제거될 수 있기 때문에, 페인트의 효과는 오랫동안 지속할 수 없다.
일 실시 예에서, 알루미늄이 복사율을 낮추기 위해 ALD를 이용하여 섬유들, 실 또는 직물 상에 증착된다. 이러한 용도로, DMAH(DimethylaluminiumHydride)가 원료 전구체로서 사용되고 수소 플라즈마가 반응 전구체로서 사용될 수 있다. ALD를 이용하여 증착된 알루미늄은 섬유들, 실 또는 직물에 단단히 결합된다. 이런 이유로, 감소된 복사율은 직물 상의 페인트 코팅과 비교하여 더 오랜 지속시간 동안 유지된다.
직물들에는 물질이 증착되어 습기 또는 산소로부터 직물들을 분리할 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유들은 그것의 높은 전기 전도도 때문에 히터(heater) 내의 가열 요소로서 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 섬유들은 고온에서 습기 또는 산소와 반응하여 산화될 수 있다. 그러므로, Al2O3와 같은 물질들이 탄소 섬유들 상에 증착되어 탄소 섬유들이 고온에서 산화하는 것을 방지할 수 있다. Al2O3는 예를 들어, 원료 전구체로서 TMA(trimethylaluminium) 또는 DMAH(dimethylaluminiumhydride)를 이용하고 반응 전구체로서 O＊라디칼, H2O, 오존 또는 그것들의 조합을 이용함으로써 섬유 상에 증착될 수 있다.
물질이 증착된 섬유들, 실 또는 직물이 예시적인 이용
다결정 물질이 증착된 섬유들, 실 또는 직물 및 그것의 대응하는 탄화, 질화 또는 산화된 층은 옷감(fabric)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 형성은 입을 수 있는 옷(clothes)으로 재단되고 형상화될 수 있다. 그러한 입을 수 있는 옷들 중 하나는 군용 유니폼 또는 방탄 조끼이다. 동일한 섬유들, 실 또는 직물은 앞에서 설명한 바와 같이, 낮은 복사 물질로 코팅되어 야간 시야 카메라들에 의한 감지 가능성을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 낮은 복사 물질로 코팅된 상이한 섬유들, 실 또는 직물은 강화된 강도 및 강성과 함께 야간 시야 카메라에 의한 낮은 감지 가능성을 갖는 옷을 가공하기 위해, 다결정 물질이 증착된 섬유들, 실 또는 직물과 함께 사용될 수 있다.
다결정 물질이 증착된 섬유들, 실 또는 직물 및 그것의 상응하는 탄화, 질화 또는 산화된 층은 합성 물질을 위한 요소로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 다결정 물질이 코팅된 섬유들, 실 또는 직물은 탄소-섬유-강화된 폴리머(carbon-fiber-reinforced polymer, CFRP)에 사용될 수 있다.
비록 본 발명이 앞에서 몇몇 실시 예들에 관하여 설명되었지만, 다양한 변경들이 본 발명의 범위 내에서 행해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 개시된 내용은 예시적일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아닌 것으로 의도되며, 본 발명의 범위는 이후의 청구범위에서 제시된다.

Claims (23)

  1. 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질의 표면상에 원료 전구체를 주입하는 단계;
    인장력을 받는 제 1 물질층을 원자층 증착(ALD)을 이용하여 증착하기 위해, 원자층 증착(ALD)을 이용하여 상기 섬유 또는 상기 섬유를 포함하는 물질의 상기 표면상에 반응 전구체를 주입하는 단계; 및
    상기 층 내에 압축력을 제공하기 위해, 상기 층의 적어도 바깥 부분을 상기 제 1 물질과 비교하여 더 큰 부피를 갖는 제 2 물질로 변환하는 단계를 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 다결정 물질을 포함하고, 상기 변환은 상기 다결정 물질의 결정 입계들 및 표면의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화시키는 것을 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다결정 물질은 반도체, 금속 화합물 또는 금속 중 적어도 하나를 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 다결정 물질은 TiN을 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 물질의 표면상에 비정질 물질층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비정질 물질은 Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 전구체들은 기체를 플라즈마에 노출함으로써 생성되는 라디칼들을 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 비정질 물질을 포함하고, 상기 변환은 상기 제 1 물질의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화시키는 것을 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 비정질 물질은 Al2O3 및 SiN 중 적어도 하나를 포함하는, 섬유 또는 섬유를 포함하는 물질 상에 물질을 증착하는 방법.
  10. 복수의 섬유들;
    원자층 증착(ALD)을 이용하여 상기 복수의 섬유들 각각의 표면상에 증착되고, 인장력을 받는 제 1 물질층; 및
    상기 제 1 물질의 적어도 표면상에 있는 제 2 물질로서, 상기 제 2 물질은 상기 제 1 물질로부터 변환됨으로써 형성되고 상기 층 내에 압축력을 제공하도록 상기 제 1 물질과 비교하여 더 큰 부피를 갖는, 상기 제 2 물질을 포함하는, 직물.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 다결정 물질을 포함하고, 상기 변환은 상기 다결정 물질의 결정 입계들 및 표면의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 탄화하는 것을 포함하는, 직물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다결정 물질층은 반도체, 금속 화합물 또는 금속을 포함하는, 직물.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 다결정 물질층은 TiN을 포함하는, 직물.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 물질은 TiON 또는 TiCN을 포함하는, 직물.
  15. 제 11 항에 있어서,
    ALD를 이용하여 상기 다결정 물질과 상기 복수의 섬유들 사이에 또는 상기 제 2 물질의 표면상에 증착된 비정질 물질층 더 포함하는, 직물.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비정질 물질층은 Al2O3 또는 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는, 직물.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 탄소 섬유들을 포함하는, 직물.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 상기 복수의 섬유들 각각에 원료 전구체를 주입하고 그 다음 상기 복수의 섬유들 각각에 반응 전구체를 증착함으로써 증착되는, 직물.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반응 전구체는 기체를 플라즈마에 노출함으로써 생성되는 라디칼들을 포함하는, 직물.
  20. 제 10 항에 있어서,
    ALD를 이용하여 상기 복수의 섬유들 각각에 증착된 복사율 저하층을 더 포함하고, 상기 복사율 저하층은 처리된 층보다 더 낮은 복사율을 갖는, 직물.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 복사율 저하층은 알루미늄을 포함하는, 직물.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 물질은 비정질 물질을 포함하는, 직물.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 비정질 물질은 Al2O3 및 SiN 중 적어도 하나를 포함하는, 직물
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