KR20160105431A

KR20160105431A - 3차원 배열의 균일한 형상을 갖는 물체의 균일한 화학 증착 코팅

Info

Publication number: KR20160105431A
Application number: KR1020167019932A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이 아우더컬크; 맥스 파워스; 니콜라스 티 가브리엘; 빌 에이치 닷쥐; 에린 에이 맥도웰; 로버트 알 키에쉬케; 아로키아라즈 제수도스
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-09-06
Also published as: JP2017503924A; US10739503B2; TW201533806A; CN105849867A; US20200333523A1; EP3087585A1; EP3087585A4; WO2015100065A1; US20160306088A1

Abstract

이 발명은 균일한 형상 및 크기를 갖는 물체를 코팅하는 방법이다. 방법은 배열식 내면을 갖는 반응기를 제공하는 단계, 반응기 내에 물체를 배치하는 단계, 및 물체를 코팅하는 단계를 포함한다.

Description

3차원 배열의 균일한 형상을 갖는 물체의 균일한 화학 증착 코팅 {UNIFORM CHEMICAL VAPOR DEPOSITION COATING ON A 3-DIMENSIONAL ARRAY OF UNIFORMLY SHAPED ARTICLES}

이 발명은 일반적으로 코팅 방법에 관한 것이다. 특히, 이 발명은 균일한 형상 및 크기를 갖는 물체 상에 코팅을 도포하는 방법에 관한 것이다.

원격 조명 인광체 패키지에서, 하나 이상의 자외선 또는 청색 펌프 LED로부터의 빛이 반구형 렌즈에 의해 LED에 거의 인접하고 동일한 평면에 있는 인 함유 층 상에 영사된다. 대부분의 청색광을 반사하고 고율의 적색광 및 녹색광을 투과시키는 반구면의 표면의 전반에 걸친 정밀하고 정확한 광학 코팅을 이용함으로써 단일 LED에서 및 다수의 LED 내에서의 우수한 색상 균일성이 달성될 수 있다.

광학 코팅을 제조하는 두가지 방법, 즉 저압 화학 증착(low pressure chemical vapor deposition)(LPCVD) 및 원자층 증착(atomic layer deposition)(ALD)이 원격 조명 인광체 패키지에서 요구되는 필수적 코팅 정밀도 및 정확도를 제공하는 것으로 밝혀졌다. LPCVD는 내화 표면에 무기 산화물 코팅을 전형적으로 증착시키기 위해 약 1토르(Torr) 압력의 반응 가스를 이용한다. LPCVD는 단일 광학 요소에 대해 고 증착 속도 및 우수한 코팅 균일성을 제공한다. LPCVD 증착은 고체 표면에서의 반응속도론(reaction kinetics)에 의해 결정되므로, 가스 속도 및 이력이 코팅 속도에 영향을 준다. 유동 이력의 효과는 코팅 정밀도에 큰 영향을 미친다. ALD는 어느 한 코팅 단계에서든 코팅 두께를 제한하기 위해 포화 물리적 흡착 또는 화학 흡착, 또는 양자의 조합을 이용한다. 반응물의 포화 흡착 층 또는 반응물-개질 표면을 성장시키기에 충분하게 모든 표면을 반응물에 노출시킨다면, 그리고 축출 시간이 과도한 반응물 및 반응 생성물을 제거하기에 충분하다면, ALD를 이용하여 매우 정확하고 정밀한 코팅이 생성될 수 있다.

두가지 코팅 공정 모두 비교적 시간 소모적일 수 있고, LPCVD는 1 마이크로미터 두께의 코팅을 성장시키기 위해 1 시간 이상 걸리고, ALD는 동일한 코팅 두께를 위해 10 시간 이상 걸린다. 그러므로, 저비용 코팅을 생성하기 위해, 많은 수의 광학 요소가 동시에 코팅되어야 한다. 그러나, 다수의 광학 요소를 반응기 속에 적재하면 불균일한 가스 유동을 일으킬 수 있다. LPCVD의 경우, 이것은 어떤 광학 요소는 코팅이 너무 두꺼워지고, 어떤 요소는 코팅이 너무 얇아지게 할 수 있다. ALD는 불균일한 가스 유동에 의한 영향을 덜 받지만, 최소량의 가스 유동을 받는 광학 요소 표면이 코팅 속도를 한정한다는 사실로 인해 코팅 시간은 상당히 길어질 수 있다.

광학 요소가 반응기를 채우는 방식은 코팅 비용 및 품질에 큰 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 공백을 갖는 규칙적 배열은 고 품질 코팅을 제공할 수 있지만, 패킹 밀도가 낮아지는 대가가 따른다. 패킹 밀도를 저감시키면 시스템의 잠재적 처리량을 저감시키고, 서브스트레이트(substrate) 또는 광학 요소가 체적을 차지하면 반응기 내에서의 혼합을 증대시킬 수 있다. 혼합은 ALD 시스템에서의 반응 및 축출 사이클 시간을 증대시킬 수 있다. 저감된 패킹 밀도는 ALD 시스템 및 LPCVD 시스템 둘 다의 처리량을 저감시키기도 한다.

반응기를 채우는 다른 한 방법은 요소들의 무작위로 패킹된 체적을 만드는 것이다. 이 방법은 분말 코팅에 이용된다. 무작위 패킹의 한가지 이점은 반응기를 구성하기가 비싸지 않고, 신속하게 채우고 비울 수 있다는 것이다. 단점은 무작위 패킹은 요소들이 규칙적 배열로 패킹될 때보다 패킹 밀도가 낮아진다는 것이다. 규칙적 배치는 면심 입방(face-centered cubic)(FCC) 또는 육방 밀집 팩(hexagonal close pack)(HCP) 배열을 증대시킬 수 있다. 패킹 밀도가 낮아지면 유동 저항을 낮추는 이점을 가질 수 있지만, 이 이점에는 반응물 체적의 증대, 상응하여 낮아지는 유속, 및 유동의 불균일성이라는 큰 대가가 따른다. 도 1a 및 도 1b는 ALD 반응기(10)를 통한 유동 특성의 시뮬레이션을 도시한다. 도 1a는 HCP 배열의 구체(12)로 채워진 반응기를 도시한다. 도 1b는 도 1a의 구체의 상측에서 본 횡단면도를 도시한다. 이 명세서의 전반에 걸쳐, 음영은 속도를 나타내고, 더 밝은 음영(청색)은 저속을 나타내고, 더 어두운 음영(적색)은 고속을 나타낸다. 그래서, 도 1a 및 도 1b에서, 구체들 사이의 더 밝은 음영(청색)은 저속을 나타내고, 구체 클러스터(cluster of spheres)의 가장자리 주변의 중간 음영(녹색)은 중간 속도를 나타내며, 반응기의 바로 외주에서의 더 어두운 음영(적색)은 고속을 나타낸다. 유동 조건은 1토르의 출구 압력, 20sccm(분 당 표준 세제곱 센티미터)의 질소, 및 200℃의 반응기 온도이다. 시뮬레이션은 프랑스, 벨리지에 소재하는 다쏘 시스템즈 코포레이션(Dassault Systemes Corp)이 판매하는 솔리드웍스(Solidworks) 2012 유동 시뮬레이터로 이루어졌다.

한 실시 양태에서, 이 발명은 균일한 형상 및 크기를 갖는 물체를 코팅하는 방법이다. 방법은 배열식 내면(arrayed inner surface)을 갖는 반응기를 제공하는 단계, 반응기 내에 물체를 배치하는 단계, 및 물체를 코팅하는 단계를 포함한다.

다른 한 실시 양태에서, 이 발명은 균일한 형상 및 크기를 갖는 물체를 코팅하는 반응기이다. 반응기는 내부 배열식 표면(inner arrayed surface)을 포함하고, 내부 배열식 표면은 인접 물체들의 외곽선에 상응한다.

또 다른 한 실시 양태에서, 이 발명은 복수의 접점을 갖는 물체이다. 인접 접점들은 서로 약 25도 내지 약 35도 이격되어 있다.

도 1a는 종래 기술의 ALD 반응기를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 사시도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 종래 기술의 반응기를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 상면도를 도시한다.
도 2a는 이 발명의 반응기의 제1 실시 양태를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 사시도를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 반응기의 제1 실시 양태를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 상면도를 도시한다.
도 3a는 이 발명의 반응기의 제2 실시 양태를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 사시도를 도시한다.
도 3b는 도 3a의 반응기의 제2 실시 양태를 통한 유동 특성 시뮬레이션의 상면도를 도시한다.
도 4는 예시적인 전천이 경계 반응기 속의 제1 층의 광학 요소들의 상면도를 도시한다.
도 5a는 패킹된 배열로부터 단일 광학 요소를 제거하는 영향의 횡단면도를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 패킹된 배열로부터 단일 광학 요소를 제거하는 영향의 확대된 횡단면도를 도시한다.
도 6은 도 5a 및 도 5b의 패킹된 배열로부터 단일 광학 요소를 제거하는 영향의 횡단면도를 도시한다.
도 7은 반응기 내에 무작위로 패킹된 체적의 상면도를 도시한다.
도 8은 제1 방법을 이용하여 이 발명의 반응기를 패킹하는 제1 단계를 도시한다.
도 9는 제1 방법을 이용하여 이 발명의 반응기를 패킹하는 제2 단계를 도시한다.
도 10은 제1 방법을 이용하여 이 발명의 반응기를 패킹하는 제3 단계를 도시한다.
도 11은 이 발명의 반응기를 패킹하는 제2 방법을 도시한다.
도 12는 전천이 경계 반응기의 예시적 유동 특성 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
도 13은 전천이 경계 반응기의 예시적 유동 특성 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
도 14는 0.2초에서의 도 13의 전천이 경계 반응기의 완전히 발달된 속도 특성의 예시적 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
도 15는 0.2초에서의 도 13의 전천이 경계 반응기의 반응물의 체적비의 예시적 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
도 16은 1초에서의 도 13의 전천이 경계 반응기의 반응물의 체적비의 예시적 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
도 17은 2초에서의 도 13의 전천이 경계 반응기의 반응물의 체적비의 예시적 시뮬레이션의 횡단면도를 도시한다.
이들 도면은 축척대로 도시되지 않았으며 단지 설명의 목적으로만 의도된다.

이 발명의 반응기 및 방법은 광학 요소와 같은 복수의 물체가 균일하고 효율적으로 코팅되게 한다. 반응기는 두개의 반응물 사이의 균일한 반응을 허용함으로써 복수의 광학 요소의 동시 코팅을 부분적으로 허용하기도 한다. 매우 균일하고 재생 가능한 유동 조건을 갖는 반응기는 코팅 광학 요소 수율 및 속도가 더 높고 검사 요구가 저감된다는 이점을 갖는다. 예를 들어, 매우 균일하고 재생 가능한 유동 조건은 원자층 증착(ALD) 사이클에서의 축출 시간을 단축시켜서, 전체 코팅 시간을 단축시키고 비용을 낮추게 한다. 이 도면 및 명세서가 광학 요소를 육각형 유리 구체로 묘사하고 지칭할지라도, 광학 요소는 이 발명의 의도된 범위로부터 벗어남이 없이 어떤 형상이든 될 수 있고 어떤 재료로든 제조될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 광학 요소는 구체, 렌즈, 또는 다른 형상일 수 있다. 또한, 이 명세서가 물체를 광학 요소라고 지칭할지라도, 물체는 균일하게 코팅되어야 할 어떤 요소든 될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 이 발명의 반응기(20) 및 반응기에 의해 생성된 유동 특성의 한 실시 양태의 개략적 사시도 및 상면도를 각각 도시한다. 반응기(20)의 측면 벽(22) 및 상면 벽(24)은 반응기(20) 속의 최외부 광학 요소(26)에 인접하게 설계된다. 도 2a 및 도 2b에서의 음영에 의해 알 수 있듯이, 반응기(20)의 벽(22, 24)이 광학 요소(26)에 인접할 때, 반응물은 광학 요소(26)의 배열을 통해 효과적으로 안내되어 더 균일한 유동을 생성한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 반응기(20)의 구성에서, 과도한 체적이 제거되어 반무한 경계 조건(semi-infinite boundary condition)을 생성한다. 반무한 경계 조건에서는, 최외부 광학 요소(26)와 반응기 벽(22, 24) 사이의 간격의 증대로 인해 반응기의 측면을 따라 유속이 커진다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 반응기 설계가 도 1a 및 도 1b에 도시된 종래 기술의 설계보다 더 개선된 유동 설계를 도시하지만, 반무한 경계 조건에 따른 유동의 어떤 불균일성이 여전히 있다. 예를 들어, 저압 화학 증착 (LPCVD) 시스템에서, 반응기 벽(22, 24) 근처의 광학 요소(26)는 고속 가스 유동에 인접해 있고, 비교적 두꺼운 광학 코팅을 성장시킬 수 있다. 대안적으로, ALD 시스템에서, 저속 가스 유동 근처의 광학 요소는 반응물 및 축출 가스에 덜 노출될 것이고, 원하는 코팅을 증착시키기 위해 요구되는 시간의 양을 증가시킨다.

반응기 설계는, 광학 요소의 더 대칭적인 배열을 이용하고 반응기의 측면으로부터 반응기의 입구 또는 출구 중 적어도 하나까지 반복하는 경계 조건을 연장함으로써 더 개선될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 반복하는 경계 조건이 반응기(30)의 측면 벽(32)으로부터 반응기(30)의 입구(34) 또는 출구(36) 중 적어도 하나까지 연장된, 반응기(30) 및 반응기(30)에 의해 생성된 유동 특성의 제2 실시 양태의 개략적 사시도 및 상면도를 각각 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 반응기의 유동 특성은 평균 유동 방향에 직교하는 4개의 벽에서 무한 경계 조건을 생성하는 것이 광학 요소 둘레의 유동 속도를 상당히 개선할 수 있음을 도시한다. 구체들 사이의 유동은 고속이고 상당히 균일하다.

도 4는 예시적인 전천이 경계 반응기(full transition boundary reactor)(40) 속의 광학 요소(26)의 제1 층의 상측에서 본 사시도를 도시한다. 전천이 경계 반응기(40)는 배열식이고 최외부 광학 물체(26)의 형상에 대응하고 일치하는 측면 벽(42), 저면 벽(44)(도시 안됨) 및 상면 벽(46)(도시 안됨)을 갖고, 무한 경계 조건을 생성한다. 배열식 표면(arrayed surface)은 광학 요소(26)의 구조를 연장하는 표면이다. 배열식 표면은 반응기 벽(42, 44, 46)으로부터 배열된 광학 요소(26)로의 천이(transition)를 제공하고, 반응기 벽(42, 44, 46) 바로 옆의 광학 요소(26)에 인접한 반응물 유동은 다른 광학 요소(26)에 의해 둘러싸인 광학 요소(26)에서의 유동과 유사하다. 이러한 무한 경계 조건이 전천이 경계 반응기 속에 존재한다. 그래서, 전천이 경계 반응기(40)는 부분 구체들의 배열된 표면 구조를 갖는 저면 벽(44) 및 측면 벽(42)을 갖는다. 무한 경계 조건은, 예를 들어, 반응기의 표면 영역을 기계가공한 후, 반응기에 광학 요소를 적재함으로써 수행될 수 있다.

무한 경계 조건에서, 주어진 광학 요소에 대한 최소 가스 유동 속도는 모든 광학 요소에 대한 평균 가스 유동 속도와 유사하다. 이것은 ALD 공정 및 LPCVD 공정 둘 다에서 유리하다. ALD의 경우에, 코팅 속도는 반응-축출 사이클 시간에 의해 부분적으로 결정되고, 그것은 가장 낮은 반응물 노출량 및 가장 느린 축출 시간에 의해 결정되며, 그러므로, 최소 가스 유동 속도와 평균 가스 유동 속도 사이의 차이를 저감시키면 전체 ALD 코팅 시간을 저감시킨다. 이 작은 차이는 LPCVD 코팅 변화를 개선하기도 할 것이다. 또한, 주어진 광학 요소에 대한 최대 가스 유동 속도는 모든 광학 요소에 대한 평균 가스 유동 속도와 유사하다. 이것은 LPCVD 코팅 가변성을 개선하고, 어떤 공정에서든 반응물의 활용을 증대시키며, ALD에서 코팅 사이클 사이의 축출을 개선한다. 무한 경계 조건은 ALD에서 반응물 사이의 균일한 반응을 허용하는 플러그 유동 조건(plug flow condition)을 거의 생성하기도 한다. 이것은 반응기가, 차기 반응물 유동이 개시되기 전에 반응물이 완전히 축출되지 않는, ALD와 LPCVD 사이의 하이브리드 모드(hybrid mode)로 이용되게 한다. 무한 경계 조건의 다른 한 이점은 광학 요소들 사이의 코팅의 균일성이 100% 검사가 아닌 감사(audit)를 통한 품질 보증의 가능성을 허용한다는 것이며, 입구 열 및 출구 열이 나머지 광학 요소들로부터 분리된다면 특히 더 그렇다.

한 예로, 소형 반응기를 위한 전통적인 ALD 하프 사이클은 0.2초의 반응물 유동(A 또는 B) 후에 20초의 축출(P)이 이어질 수 있다. 축출의 목적은 반응 하프 사이클 사이에 광학 요소의 표면으로부터 및 반응기로부터 과도한 반응물 및 반응 생성물을 제거하려는 것이다. 축출 시간을 저감하는 것은 비용을 저감하는 효과적인 방식이다. 주어진 반응기에 대한 축출 시간이 저감되므로, 각각의 하프 사이클 동안에 포화 서브-단층들(saturated sub-monolayer)이 형성하는 순수 ALD 모드의 밖에서 반응물 A 및 반응물 B가 반응을 개시할 것이다. 다시 말해서, 반응물 A 및 반응물 B는 가스 상태의 반응물의 조합을 통한 반응, 또는 광학 요소 상의 다중 흡착 층에 반응을 개시할 것이다. 이러한 반응은 용인 가능하거나, 또는 그것이 반응기 속에서 균일하다면 바람직하기도 하다.

광학 요소가 반응기 속에 패킹되는 방식이 중요하다. 도 5a 및 도 5b는 패킹된 배열에서 단일 광학 요소(50)를 제거하는 것의 영향을 도시한다. 도 6은 도 5a 및 도 5b의 반응기 조건의 횡단면도를 도시한다. 도면에서 알 수 있듯이, 단일 결손조차도 유동에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 빠진 광학 요소의 위치에 고속 영역이 있고, 우측으로 갈수록 속도가 낮아지는 영역이 있다. 이러한 속도 차이는 길어지는 사이클 시간 및/또는 불균일한 증착의 원인이 될 수 있다. 일련의 결손은 문제를 더 악화시킬 수 있다. 또한, 광학 요소의 크기가 감소하고 주어진 체적 내에 더 많은 수의 광학 요소가 존재함에 따라, 결손이 한층 더 두드러질 수 있다.

결손 외에, 반응기 직경이 변함 없다는 것은, 패킹된 광학 요소가 반응기의 직경 내에 실질적으로 꼭 맞는 직경을 갖도록, 패킹된 광학 요소가 경계 벽의 크기 내에 꼭 맞을 것을 요구한다. 예를 들어, 평균적으로 광학 요소의 직경(또는 다른 적합한 특징적 길이)이 지정된 한도보다 약간 크면, 광학 요소의 전체 배열 층을 경계 내에 꼭 맞도록 하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 하나 이상의 광학 요소를 적절한 크기를 갖는 광학 요소로 대체하는 것이 필요할 수 있다. 다른 한 선택은 반응기 조립체를 가열하여 반응기가 열팽창하게 하는 것일 수 있다. 가열은 코팅이 일어날 것인 의도된 온도까지 지속될 수 있다. 이것은 반응기 재료의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion)(CTE)가 내부에 배치되는 광학 요소의 열팽창 계수보다 더 크다고 가정한 것이다. 그러한 경우에, 광학 요소의 추출도 동일한 온도에서 행해져야 한다. 시스템이 냉각하게 하면 반응기 및 물체 배열에 큰 응력을 발생시킬 수 있다.

이 발명의 반응기는 균일한 형상 및 크기를 갖는 광학 요소에 코팅이 균일하게 도포되게 한다. 한 실시 양태에서, 코팅은, 3차원 배열의 모든 광학 요소에 대해 균일한 반응물 유동을 만들어내기 위해 반응기가 반무한 경계 조건을 형성하는, 화학 증착 시스템에서 광학 요소에 도포된다. 이것은 배열식이고 광학 요소의 최외부 층과 접촉하고 있는 적어도 하나의 반응기 벽면을 가져서 광학 요소들 사이의 유동과 유사한 반응물 유동을 일으킴으로써 수행된다.

도 7은 반응기(60) 내에 무작위로 패킹된 체적의 한 예를 도시한다. 이 경우에는 구체인 광학 요소(26)가 무정형 영역과 정형 영역의 조합으로 패킹된다. 앞서 설명했듯이, 반응기를 무작위로 패킹하는 것은, 1회분의 구체들에서의 코팅 균일성을 열악하게 하거나, 코팅 시간이 느려지게 하거나, 또는 둘 다 일으킬 수 있다. 반응기 처리량을 증대시키는 한 방식은 반응기를 이원적 크기 분포의 광학 요소로 채우는 것이다. 예를 들어, 10mm 구체가 4mm 구체와 조합되어 패킹 밀도를 증대시킬 수 있다.

반응기(70)를 패킹하는 이 발명의 제1 방법에서, 반응기는 층별 패킹 및 조립 방식을 사용하여 채워진다. 적층식 모듈 설계에 의한 반응기를 활용하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 기부 및 단일 측면 벽 경계(72)를 먼저 쌓음으로써, 원하는 패킹이 달성될 수 있다.

광학 요소(26)는, 예를 들어, 무작위로 패킹된 상태로 존재하는 광학 요소의 저장소로부터 반응기의 제1 층으로 제어된 속도로 분배될 수 있다. 광학 요소(26)는 당해 기술 분야에서 알려진 어떤 수단에 의해서든, 예를 들어, 깔때기를 통해, 수작업으로, 또는 자동화 분배 공정을 통해 분배될 수 있다. 한 실시 양태에서, 광학 요소(26)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 기부 구성요소(74)의 평면 위의 어떤 높이로부터, 측면 벽(72)의 가장자리 내에, 하나씩 반응기를 채운다. 한 실시 양태에서, 광학 요소(26)가 반응기(70) 속으로 분배됨에 따라, 기계적 수단 또는 음향에 의한 적합한 크기의 진동 및 주파수가 반응기(70)에 주어질 수 있다. 진동은 1층을 초과하는 높이를 쌓기 시작했을 수 있는 어떤 광학 요소(26)든 옵셋(offset)하고 그것의 중력 상태를 낮추는 역할을 한다. 이러한 진동은 본질적으로 축방향 및/또는 방사방향일 수 있다. 반응기 진동에 대한 대안으로서, 분배되는 광학 요소의 수동 조작이 수행될 수도 있다.

분배 및 진동은, 반응기의 제1 층 내에 꼭 맞도록 채울 수 있는 정확한 수의 광학 요소가 분배되고 광학 요소의 제1 층의 결손이 없어지기까지 지속된다. 제1 층의 무결손 패킹이 완료된 후, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 반응기 벽 섹션이 추가될 수 있다. 분배 및 적층 공정은 원하는 배열 크기에 도달할 때까지 반복될 수 있다.

반응기(80)를 패킹하는 제2 방법에서, 반응기(80)는 층별 패킹을 이용하여 채워진다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기부(84) 및 모든 측면 벽(82) 경계를 정위치에 갖는 반응기에 의해 시작해서, 정형 배열의 제1 층에 꼭 맞는 지정된 수의 광학 요소(26)가 반응기(80)의 상면에 분배된다. 한 실시 양태에서, 광학 요소는 무작위로 패킹된 저장소로부터 분배된다. 광학 요소는 용기로부터 반응기 속으로 부어지거나, 또는 깔때기 또는 다른 수단에 의해 하나씩 분배될 수 있다. 제1 방법에서 기술된 바와 같이, 결손 없는 정형 층의 적절한 형성을 보조하기 위해 진동 입력이 가해질 수 있다. 제1 층이 형성되었으면, 제2 라운드의 광학 요소가 제1 층의 상부에 분배된다. 공정은 반응기가 최상층까지 채워질 때까지 층별로 반복된다. 한 실시 양태에서, 각각의 층은 각각의 층을 적층하는 공정 동안 스크래치(scratch)가 생길 개연성을 저감할 수 있는 재료로 코팅될 수 있다.

반응기를 패킹하는 제3 방법에서, 반응기는 지속적인 채움을 이용하여 채워진다. 도 11에 도시된 바와 같은 반응기 셋업에 의해 시작해서, 광학 요소는 전체 반응기가 채워지기까지 일정한 속도로 반응기 속에 분배될 수 있다. 단일 층의 광학 요소만 한번에 분배하는 제1 방법 및 제2 방법과 달리, 이러한 제3 방법에서는 분배 속도가 더 높아질 것이다. 다시 한번, 광학 요소가 분배됨에 따라, 진동 입력이 동시에 공급되어 광학 요소가 적절하게 정렬되게 할 수 있다. 한 실시 양태에서, 남아 있는 결손 또는 공극이 채워지게 하고 더 많은 광학 요소가 분배되게 하기 위해, 반응기가 용량에 접근함에 따라 분배 속도가 느려질 수 있다.

반응기를 패킹하는 제4 방법에서, 반응기는 전자동 배치를 이용하여 채워진다. xyz 프로그램화 이동을 갖는 로봇식 분배 장치가, 광학 요소 이송 기구와 함께, 개별적 광학 요소들을 정밀한 위치에 한번에 하나씩 배치할 수 있다. 자동화 공정은 광학 요소들을 방사형 또는 직선형 방식으로 한번에 한층씩 분배할 것이다. 이것은 층별로 구성되는 반응기 레이아웃(layout)을 이용하거나, 또는 이송/분배기 헤드가 추가 제어축을 가지면 도 11에 도시된 바와 같은 조립식 반응기 레이아웃(assembled reactor layout)을 이용하여 수행될 수 있다.

이 발명의 반응기 및 방법에 의해 코팅된 광학 요소는 그것이 반응기 속에 패킹되는 구조로 인해 관찰 가능한 표시가 생긴다. 광학 요소의 광학 접점은 코팅이 평균 코팅 구조와 현저하게 상이한 점이라고 정의된다. 광학 요소의 규칙적 접점은 가장 가까운 인접 광학 접점으로부터 약 25도 내지 약 35도 이격된 점이라고 정의된다. 한 실시 양태에서, 각각의 광학 접점은 가장 가까운 인접 광학 접점으로부터 약 30도 이격된다. 인접 접점들은 그러므로 서로 약 25도 내지 약 35도 이격되고, 특히 서로 약 30도 이격된다. 이 발명의 반응기 및 방법에 의해 코팅된 광학 요소는 3차원 배열의 적어도 3개의 규칙적 접점을 갖는다. 어떤 실시 양태에서, 광학 요소는 적어도 6개의 규칙적 접점을 갖는다. 다른 한 실시 양태에서, 광학 요소는 적어도 12개의 규칙적 접점을 갖는다. 한 실시 양태에서, 이 발명의 방법에 의한 반응기에서 코팅된 광학 요소들의 적어도 80%는 적어도 6개의 규칙적 접점을 갖는다.

규칙적 접점은 어떤 응용예에서는 가시적일 수 있고, 그래서 영향을 최소화 하는 방식으로 그것을 광학 요소에 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 규칙적 접점은 규칙적 접점에 의해 전달된 빛이 최소한의 영향이 있을 것인 위치에 배치되도록 배열될 수 있다. 광학 요소들이 반응기 속에 무작위로 배열되지 않기 때문에, 그것들이 적절하게 배치될 수 있다.

2색 코팅을 갖는 광학 요소는 코팅 상에 규칙적이고 반복적인 관찰 가능한 기준점들을 갖는다. 한 실시 양태에서, 광학 요소 상의 2색 코팅이, 대응하는 구체의 두께의 적어도 40%를 갖도록 구체, 반구체, 또는 절두 반구체의 면적의 적어도 90%를 덮고, 밴드 에지(band edge)는 표면 위로, 및 무더기(lot) 내의 구면으로부터 구면까지 5nm 미만으로 변한다.

실시예

본 발명은 본 발명의 범주 내에서 많은 변형 및 변경이 당업자에게 명확할 것이기 때문에 단지 예시로서 의도되는 후속하는 실시예에서 더욱 자세히 설명된다. 달리 언급되지 않으면, 후속하는 실시예에 보고된 모든 부, 백분율, 및 비는 중량 기준이다.

도 12는 전천이 경계 반응기(90)의 제1 실시 양태를 도시한다. 원자층 증착(ALD) 반응기 유동이 솔리드웍스 유동 시뮬레이션 버전 2012(미국, 매사추세츠, 월담에 소재하는 다쏘 시스템즈 솔리드웍스 코포레이션으로부터 구입 가능한)를 이용하여 시뮬레이션되었다. 전형적인 ALD 조건(1토르 압력, 200℃, 20sccm의 N2 담체 가스)에 따른 반응기의 유동 시뮬레이션에서 알 수 있듯이, 반응기의 상부(92)에서의 확산기 섹션(diffuser section)의 체적이 반응물을 축출 가스와 혼합 ?? 원하는 플러그 유동 조건을 낮춤 - 한다. 반응기의 체적이 증대되어 광학 요소 당 코팅 비용을 저감시킬 수 있다.

도 13은 개선된 유동(즉, 체적을 줄이고 혼합) 및 개선된 제조특성을 갖는 전천이 경계 반응기의 제2 실시 양태를 도시한다. 제2 실시 양태에서, 가스 유동은 좌측으로부터 시작해서 반응기의 상면(102)으로 가서 저면(104)으로 흘러나간다. 반응기(100)는 저진공과 대기압 바로 위의 압력 사이의 중간에서 가장 효율적으로 작동한다. 예를 들어, 반응기(100)는 약 0.1토르 내지 약 1 대기압 초과 압력에서 작동할 수 있다. 도 13에 도시된 시뮬레이션에서, 20sccm의 21% 산소와 79% 질소의 혼합물(공기)인 경계 조건에서 0.20초 동안 ALD 반응기 유동이 시뮬레이션된 후, 동일한 유속에서 100% 질소의 3초 축출이 뒤따랐다. 저면 배기 경계 조건은 1토르 압력으로 설정되었다. 반응기, 유리 구체, 및 유입 가스는 모두 200℃로 설정되었다.

도 14는 시뮬레이션을 시작한 후 0.2초에서 도 13의 반응기(100)의 완전히 발달된 가스 속도 특성을 도시한다. 도 14에서 알 수 있듯이, 가스 속도는 반응기(100)의 단면의 전반에 걸쳐 고도로 균일하다. 도 13 및 도 14에 도시된 제1 열의 구체는 반응기(100)의 영구 부분이며, 유동 확산기로서의 작용 및 반응기(100)의 잔부의 유동 특성과 유사한 유동 특성을 형성하기 위한 작용 둘 다 한다.

도 15, 도 16, 및 도 17은 "시뮬레이션된 반응물"(순수 질소 가스의 배경 유동에 대해, 공기로서 시뮬레이션된)이 반응기(100)를 통해 균일한 특성, 즉, 플러그 유동으로 유동하는 것을 도시한다. 도 17은 0.2초에서 반응물(공기)의 비율의 시뮬레이션을 도시한다. 더 어두운(적색) 음영은 1.0 또는 100% 반응물이고, 더 밝은(청색) 음영은 0 또는 0% 반응물이며, 반응물이 초기 광학 요소에 방금 도달했음을 나타낸다. 도 18은 1초에서 반응물의 비율의 시뮬레이션을 도시한다. 더 어두운(적색) 음영은 0.0544 또는 5.44% 반응물 농도이고, 더 밝은(청색) 음영은 0 또는 0%이며, 반응기의 입구 선(inlet line)이 완전히 축출되었음을 나타낸다. 도 19는 2초에서 반응물의 비율의 시뮬레이션을 도시한다. 더 어두운 음영은 0.0544 또는 5.44% 반응물 농도이고, 더 밝은 음영은 0 또는 0%이며, 반응기의 입구 선이 완전히 축출되었고 혼합 매니폴드(mixing manifold)의 입구 포트(inlet port)를 많이 갖는 것을 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이, 저압 및 고온은 대규모 확산을 유발하고, 광학 요소의 노출은 반응기의 시작(상면)부터 끝(저면)까지 균일하다.

이 발명이 양호한 실시 양태를 참조하여 기술되었지만, 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 이 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 형태 및 세부사항에서 변화가 이루어질 수 있음을 알 것이다.

Claims

균일한 형상 및 크기를 갖는 물체를 코팅하는 방법으로서,
배열식 내면(arrayed inner surface)을 갖는 반응기를 제공하는 단계;
물체를 상기 반응기 내에 배치하는 단계; 및
물체를 코팅하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 배열식 내면을 갖는 반응기를 제공하는 단계는 배열식 저면, 배열식 상면 및 배열식 측벽을 갖는 반응기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응기의 배열식 내면은 물체의 외주의 형상에 대응하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체를 반응기 내에 배치하는 단계는 물체를 층별로 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체가 반응기 속에 배치될 때, 반응기는 무한 경계를 형성하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체가 반응기 속에 배치될 때, 반응기는 반무한 경계를 형성하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체를 코팅하는 단계는 원자층 증착 및 저압 화학 증착 중 하나에 의해 코팅하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체를 반응기 내에 배치하는 동안 반응기에 진동을 가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 물체를 반응기 내에 배치하는 단계는 패킹된 물체들의 직경이 상기 반응기의 직경 내에 실질적으로 꼭 맞도록 물체를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 코팅된 물체들의 적어도 80%는 적어도 6개의 규칙적 접점을 갖는, 방법.
제1항에 있어서, 코팅된 물체들은 서로 약 25도 내지 약 35도 이격된 접점을 갖는, 방법.
균일한 형상 및 크기를 갖는 물체를 코팅하기 위한 반응기로서,
내부 배열식 표면(inner arrayed surface)을 포함하고, 상기 내부 배열식 표면은 인접 물체의 외곽선과 상응하는, 반응기.
제12항에 있어서, 모든 내면이 배열식인, 반응기.
제12항에 있어서, 전천이 경계 반응기(full transition boundary reactor)인, 반응기.
복수의 접점을 갖고, 인접 접점들은 서로 약 25도 내지 약 35도 이격된 물체.
제15항에 있어서, 적어도 12개의 접점을 갖는, 물체.
제15항에 있어서, 상기 인접 접점들이 서로 약 30도 이격된, 물체.
제17항에 있어서, 각각의 접점이 가장 가까운 인접 접점으로부터 약 30도 이격된, 물체.