KR20160064273A - Hppd를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치는 플라즈마 가스 주입구가 일측에 배치되며, 에너지 부가유닛이 설치된 플라즈마 토치유닛; 상기 플라즈마 토치유닛에 결합되며, 적어도 하나 이상의 반응체 주입부와 나노입자가 배출되는 노즐을 가지는 반응체 주입유닛; 내부가 진공을 유지하도록 일단에 펌프유닛이 설치되는 디포지션 챔버; 및 상기 디포지션 챔버의 상기 노즐을 마주보는 면에 배치되는 기판;을 포함하며, 상기 디포지션 챔버 내부의 압력은 100 내지 1000Pa로 형성되어, 상기 노즐에서 가속된 나노입자의 관성력에 의해 상기 기판 표면에서 물리적 증착과 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착이 동시에 진행될 수 있다.

Description

HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치{Fabrication apparatus for nanostructured thermoelectric film using Hypersonic Plasma Particle Deposition}

본 발명은 열전박막 형성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치에 관한 것이다.

공기 중에 부유된 입자를 아주 작은 공간에 집속 시키는 기법은 다양한 분야에 응용되고 있다. 이와 같은 고집속 입자유동을 입자빔(particle beam)이라 한다. 입자빔은 에어로졸 입자를 수반한 유동을 노즐을 통해 상대적으로 저압인 디포지션 챔버를 향해 팽창시킴으로서 쉽게 생성될 수 있다. 이러한 기법을 공기역학적 집중(aerodynamic focusing)이라 한다. 이와 같은 입자빔은 시스템이 간단하고 실용적이기 때문에 광범위하게 이용되고 있다. 최근에는 관내에 오리피스를 설치하는 형태의 공기역학적 렌즈 시스템이 보편적으로 사용되고 있다.

입자의 관성력을 이용하는 공기역학적 집속 방법 이외에도 입자에 작용하는 전기력이나 열영동력(themophoretic force), 광력(light force) 등을 이용하는 방법도 가능한데, 정전분무에 의해 발생되거나 플라즈마를 이용한 공정 상에 존재하는 하전된 입자의 제어, 시스템 특성 상 공기역학적 집속 방법을 사용할 수 없는 경우에만 유용하여 실제로 응용되는 경우는 드물다.

상기한 바와 같이 공기역학적 집중 기법을 사용하면, 그 특성 상 작은 확산각(divergence angle)을 가지는 입자빔은 높은 입자 수농도를 가지기 때문에, 주로 에어로졸 입자 측정기에 응용될 수 있다.

최근에는 나노입자의 관성집속을 이용한 가스 제트 디포지션(gas jet deposition)이나, HPPD(Hypersonic Plasma Particle Deposition)와 같이 입자 포집을 제어하는 방법으로 사용될 수 있다. 이와 같은 나노입자는 전도체 또는 비전도체 시편 위에 일정한 분포를 가지도록 패터닝 시키는 기술에 적용될 수 있어, 기판상에 미세패턴 입자를 형성시키는 기술을 이용하여 열전박막의 열전성능을 개선할 수 있는 계층적 나노 구조화를 구성하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

한국공개특허 제10-2011-0021772호(2011.03.04. 공개)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 계층적 나노 구조화가 가능하도록 구조가 개선된 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치를 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치는 플라즈마 가스 주입구가 일측에 배치되며, 에너지 부가유닛이 설치된 플라즈마 토치유닛; 상기 플라즈마 토치유닛에 결합되며, 적어도 하나 이상의 반응체 주입부와 나노입자가 배출되는 노즐을 가지는 반응체 주입유닛; 내부가 진공을 유지하도록 일단에 펌프유닛이 설치되는 디포지션 챔버; 및 상기 디포지션 챔버의 상기 노즐을 마주보는 면에 배치되는 기판;을 포함하며, 상기 디포지션 챔버 내부의 압력은 100 내지 1000Pa로 형성되어, 상기 노즐에서 가속된 나노입자의 관성력에 의해 상기 기판 표면에서 물리적 증착과 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착이 동시에 진행될 수 있다.

상기 플라즈마 토치유닛은 내부에 공간부를 가지는 제 1 몸체; 상기 제 1 몸체의 일측에 배치되어 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 주입부; 상기 제 1 몸체의 둘레를 감싸는 고주파 유도방전유닛; 및 상기 제 1 몸체의 둘레를 감싸, 상기 제 1 몸체의 과열을 방지하는 냉각유닛;을 포함할 수 있다.

상기 고주파 유도방전유닛은 상기 제 1 몸체의 외주면에 3 내지 7회 권선된 인덕션 코일을 포함할 수 있다.

상기 제 1 몸체는 상기 반응체 주입유닛과 연결되는 부분으로 진행할수록 내부 공간이 좁아질 수 있다.

상기 반응체 주입유닛은 상기 제 1 몸체의 출구단의 단면적보다 넓은 입구 면적을 가질 수 있다.

상기 노즐은 냉각처리되어, 반응체와 플라즈마 가스의 고속 압축 및 팽창에 의한 배경가스 및 나노입자의 급냉(quenching)이 이루어질 수 있다.

상기 기판은 몰리브덴(Mo) 재질일 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 나노 결정립을 함유한 소재를 HPPD 법을 이용하여 빠르게 합성하는 것이 가능하다.

또한, 기존의 방법에 비해 박막형 소재 합성에 유리하며, 균일하고 작은 나노 결정립 함유 나노 복합소재 합성이 가능하다.

또한, 노즐에서 가속된 나노입자의 관성력에 의한 입자의 물리적 증착은 물론, 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착을 동시에 진행할 수 있다. 따라서 일반적인 열기상증착법(Thermal CVD)에 비해 100배 이상 빠른 반응속도로 생성하는 것이 가능하다.

또한, 일반적인 나노 복합소재 합성법에 비해 간결한 합성 프로세스를 가지므로, 합성과 동시에 증착한 후 냉각하는 2단계 과정으로 생성하는 것이 가능하다.

도 1은 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 플라즈마 토치 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 1의 반응체 주입유닛과 기판을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 SMPS로 측정한 디포지션 챔버 내부의 나노입자 입경 분포 그래프,
도 5는 도 3의 A부분을 확대한 도면, 그리고,
도 6은 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 합성 표면 및 박막내 함유된 나노입자의 도면 이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 도 1의 플라즈마 토치 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면, 도 3은 도 1의 반응체 주입유닛과 기판을 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 SMPS로 측정한 디포지션 챔버 내부의 나노입자 입경 분포 그래프, 도 5는 도 3의 A부분을 확대한 도면, 그리고, 도 6은 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 합성 표면 및 박막내 함유된 나노입자의 도면 이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치는 플라즈마 토치유닛(100), 반응체 주입유닛(200), 디포지션 챔버(300) 및 기판(320)을 포함할 수 있다.

플라즈마 토치유닛(100)은 제 1 몸체(110), 에너지 부가유닛(120), 플라즈마 가스 주입부(121), 플라즈마 유로(122), 고주파 유도방전유닛(123) 및 냉각유닛(125)을 포함할 수 있다.

제 1 몸체(110)는 내부에 공간부를 구비할 수 있으며, 일측 단부에는 플라즈마 가스를 가속하기 위한 에너지 부가유닛(120)이 마련될 수 있다. 제 1 몸체(110)는 섭씨 1000도 내지 10000도의 고온의 열원에 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 플라즈마 토치유닛(100)에서 제공된 열원은 열전 소재를 합성하기 위한 원료들의 열분해 및 합성 에너지를 제공할 수 있다.

에너지 부가유닛(120)은 플라즈마 가스 주입부(121)를 통해 주입된 기체 상태의 플라즈마 가스에 에너지를 가하기 위한 장치이다. 즉, 물질은 고체, 액체, 기체 상태로 나눌 수 있는데, 기체 상태의 물질에 에너지를 가하면 원자나 분자에서 전자가 분리되면서 전자와 이온들이 존재하는 플라즈마 상태가 될 수 있다. 플라즈마는 화학적으로 반응성이 매우 큰 매개체이기 때문에, 여기(activated) 되는 방법과 작동 에너지에 따라 낮거나(저온 플라즈마) 높은 온도 환경(고온 플라즈마)을 만들 수 있다. 따라서 에너지 부가유닛(120)은 플라즈마 기체에 에너지를 가하여 화학종이나 이온을 만들 수 있다.

도 2는 이와 같은 플라즈마 토치유닛(100)의 일 예로서, 상기한 에너지 부가유닛(120)을 전기 에너지를 이용한 전기장을 사용하는 고주파 유도방전 플라즈마 토치유닛의 구조를 도시한 것이다. 이 경우, 플라즈마 토치유닛(100)은 제 1 몸체(110), 플라즈마 가스 주입부(121), 전원부(123), 유도코일(124) 및 냉각유닛(125)을 포함할 수 있다.

제 1 몸체(110)는 도시된 바와 같이, 열 플라즈마(Thermal plasma)에 의해 토치 벽면부를 형성할 수 있다. 제 1 몸체(110)는 고온으로 가열되기 때문에 수정관 또는 세라믹관으로 구성될 수 있다.

플라즈마 가스 주입부(121)는 도 1과 같이 제 1 몸체(110)의 일측에 마련될 수 있는데, 일측 단부 측벽에 형성될 수도 있고, 도 2와 같이 단부 중앙에 형성될 수도 있다. 플라즈마 가스 주입부(121)를 통해 주입되는 플라즈마 가스는 질소, 헬륨 및 아르곤 등이 사용될 수 있다. 그러나 필요한 경우 아르곤 수소 혼합가스를 사용할 수도 있고, 필요한 용도에 따라 다양한 가스를 교체하여 사용할 수도 있다.

제 1 몸체(110)의 내부에는 플라즈마 유로(122)가 형성될 수 있다. 플라즈마 유로(122)는 도시된 바와 같이, 후술할 반응체 주입유닛(200)과 연결되는 부분으로 진행할수록 좁아지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 유로가 좁아지면, 진행하는 플라즈마의 속도를 용이하게 증가시킬 수 있다.

전원부(123)는 유도코일(124)에 전원을 인가하기 위한 것으로, 정합회로를 가지는 고주파 전원으로 마련될 수 있다. 전원부(123)는 시변 자기장 발생에 따른 플라즈마 발생용 기체인 상기한 아르곤, 질소, 헬륨 등의 전연파괴를 유도할 수 있다.

유도코일(124)은 제 1 몸체(110)의 외주면에 권선될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 유도코일(124)은 3 내지 7회 정도의 권선회수를 가지도록 하고, 상기 전원부(123)는 유도코일 전류와는 반대 방향의 원형 전류를 구동하여 방전을 유지시키면서 열플라즈마를 생성할 수 있다.

냉각유닛(125)은 제 1 몸체(121)의 열 파괴 및 온도 제어를 위해 공기 또는 냉각수 등을 사용할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 냉각유닛(125)은 냉각수를 순환하는 수랭식으로 구성할 수 있으며, 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 몸체(110)를 둘러싼 워터자켓 등을 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 플라즈마 토치(100)는 1 ~ 500 kW의 전력을 소모하며, 섭씨 1000 내지 10000도의 온도를 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 가스 주입부(121)를 통해 주입되는 플라즈마 발생용 기체의 유속은 100m/s 이하로 구성될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 형성된 플라즈마는 타원형을 가질 수 있으며, 완만한 온도 및 속도 구배를 형성할 수 있다.

한편, 플라즈마 토치유닛(100)은 상기한 구성을 한정하는 것은 아니며, 상기한 구조 이외에도 상용화된 다른 종류의 플라즈마 토치를 대체하여 사용하는 것도 가능하다.

반응체 주입유닛(200)은 제 2 몸체(210)와 제 1 및 제 2 반응체 주입구(220)(230)를 포함할 수 있다. 반응체는 상기한 플라즈마에 의해 반응하는 것으로서, 기상반응을 통해 나노입자(P)을 형성할 수 있다. 반응체는 이미 기판(300)에 증착된 전구체와 화학반응을 하여 박막을 형성하므로, 기판(300)은 화학반응을 일으킬 수 있는 충분히 높은 온도를 가질 필요가 있다.

본 실시예에 따르면, 반응체 주입유닛(200)은 복수 개의 제 1 및 제 2 반응체 주입부(220)(230)를 통해 균일하게 반응체를 주입할 수 있는데, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 반응체 주입유닛(200)의 둘레면에 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 상기 반응체 주입유닛(200)의 제 2 몸체(210)의 내부 공간부는 60kPa의 압력을 가지는 것이 좋으며, 그 끝단에는 나노입자(P)을 분사하기 위한 노즐(211)이 형성될 수 있다. 이때, 노즐(211)을 통해 분사되는 나노입자(P)는 일정 영역(290)을 벗어나지 않도록 조정될 수 있다.

따라서, 제 2 몸체(210)의 내부에서는 열플라즈마에서 발생하는 고온에 의해 반응체의 열분해가 진행될 수 있다. 이때, 열분해된 반응체의 분산(diffusion)에 의한 입자 핵생성(Particle nucleation)이 진행될 수 있다. 한편, 노즐(211)은 냉각처리되어, 상기한 반응체와 플라즈마 가스의 고속 압축 및 팽창에 따른 배경가스 및 나노입자의 급랭(Quenching)이 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 노즐(211)의 전단과 후단에서는 압력 강하가 일어나는데, 노즐(211)의 전단 압력은 대략 10 ~ 100 kPa을 가지고, 노즐(211)의 후단 압력은 대략 100 ~ 1000 Pa으로 형성될 수 있다. 또한, 온도강하도 일어날 수 있는데, 노즐(211)의 전단 온도는 섭씨 2000 ~ 4000도이나, 노즐(211)의 후단은 섭씨 300 내지 2000도이다.

한편, 제 2 몸체(210)의 상기 제 1 몸체(110)와의 연결부의 폭은 제 1 몸체(110)의 출구단의 단면적보다 넓게 구성될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 보다 효과적으로 반응체의 열 분해가 이루어질 수 있다.

도 4는 후술할 디포지션 챔버(300) 내부의 SMPS로 측정한 입경 분포 그래프이다.

도시된 바와 같이 노즐(211)에서의 급랭에 의해 나노입자는 입경이 5 내지 50 nm 정도로 제한될 수 있으며, 단분산 경향을 가지게 된다. SMPS가 측정할 수 있는 입경분보의 입경한계는 대략 4 nm 수준 이며, 대다수의 나노입자는 3 내지 4 nm 의 입경을 가질 수 있다. 또한, 노즐(211)에서 배경가스에 의해 가속된 나노입자(P)는 1 내지 2 km/s의 속도로 가속될 수 있다.

디포지션 챔버(300)는 내부가 진공을 유지하도록 일단에 펌프유닛(310)이 설치될 수 있으며, 상기 디포지션 챔버(300)의 상기 노즐(211)을 마주보는 면에는 몰리브덴(Mo) 재질의 기판(320)이 배치될 수 있다.

디포지션 챔버(300) 내부의 압력은 100 내지 1000Pa로 형성되어, 상기 노즐(211)에서 가속된 나노입자의 관성력에 의해 상기 기판(320) 표면에서 물리적 증착과 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착이 동시에 진행될 수 있다.

한편, 기판(320)은 몰리브덴(Mo) 재질일 수 있다. 그러나 이를 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 재질을 교체하여 사용할 수 있다. 또한 기판(320)은 증착성을 향상시키기 위해 히터 등에 의해 일정 온도 이상으로 가열될 수 있다.

도 5는 상기한 과정을 통해 나노입자(P)가 증착된 기판(320)의 표면을 확대한 것이다. 도시된 바와 같이 기판(320)의 상부면에는 최초 가속에 의해 물리적으로 증착된 나노입자(321)들이 화학증착에 의해 합성된 물질(322)들과 함께 기판(320) 표면에 형성될 수 있다. 한편, 도 6은 본 실시예에 따른 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 합성 표면 및 박막내 함유된 나노입자의 형태를 촬영한 사진이다. 도시된 바와 같이, 물리적 증착과 화학적 증착이 동시에 이루어진 기판(320)의 표면 상태를 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 나노 결정립을 함유한 소재를 HPPD 법을 이용하여 빠르게 합성하는 것이 가능하다.

또한, 기존의 방법에 비해 박막형 소재 합성에 유리하며, 균일하고 작은 나노 결정립 함유 나노 복합소재 합성이 가능하다.

또한, 노즐(211)에서 가속된 나노입자(P)의 관성력에 의한 입자의 물리적 증착은 물론, 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착(CVD)을 동시에 진행할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 증착속도가 2 내지 60μm/min에 달하기 때문에, 일반적인 열기상증착법(Thermal CVD)이 1μm/h의 속도로 증착하는 것에 비해 100배 이상 빠른 반응속도로 생성하는 것이 가능하다.

또한, 일반적인 나노 복합소재 합성법에 비해 간결한 합성 프로세스를 가지므로, 합성과 동시에 증착한 후 냉각하는 2단계 과정으로 생성하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100; 플라스마 토치 유닛 110; 제 1 몸체
120; 에너지 부가유닛 121; 플라즈마 가스주입부
122; 플라즈마 유로 200; 반응체 주입유닛
210; 제 2 몸체 211; 노즐
220; 제 1 반응체 주입부 230; 제 2 반응체 주입부
300; 디포지션 챔버 310; 펌프유닛
320; 기판

Claims (7)

1. 플라즈마 가스 주입구가 일측에 배치되며, 에너지 부가유닛이 설치된 플라즈마 토치유닛;
   상기 플라즈마 토치유닛에 결합되며, 적어도 하나 이상의 반응체 주입부와 나노입자가 배출되는 노즐을 가지는 반응체 주입유닛;
   내부가 진공을 유지하도록 일단에 펌프유닛이 설치되는 디포지션 챔버; 및
   상기 디포지션 챔버의 상기 노즐을 마주보는 면에 배치되는 기판;을 포함하며,
   상기 디포지션 챔버 내부의 압력은 100 내지 1000Pa로 형성되어, 상기 노즐에서 가속된 나노입자의 관성력에 의해 상기 기판 표면에서 물리적 증착과 고온으로 활성화된 기상 반응체에 의한 화학적 증착이 동시에 진행되는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 토치유닛은,
   내부에 공간부를 가지는 제 1 몸체;
   상기 제 1 몸체의 일측에 배치되어 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 주입부;
   상기 제 1 몸체의 둘레를 감싸는 고주파 유도방전유닛; 및
   상기 제 1 몸체의 둘레를 감싸, 상기 제 1 몸체의 과열을 방지하는 냉각유닛;을 포함하는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고주파 유도방전유닛은,
   상기 제 1 몸체의 외주면에 3 내지 7회 권선된 인덕션 코일을 포함하는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 몸체는 상기 반응체 주입유닛과 연결되는 부분으로 진행할수록 내부 공간이 좁아지는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 반응체 주입유닛은,
   상기 제 1 몸체의 출구단의 단면적보다 넓은 입구 면적을 가지는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐은 냉각처리되어, 반응체와 플라즈마 가스의 고속 압축 및 팽창에 의한 배경가스 및 나노입자의 급냉(quenching)이 이루어지는 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판은 몰리브덴(Mo) 재질인 HPPD를 이용한 나노 구조체형 열전박막 형성장치.
   
   
   

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