KR20180002603A

KR20180002603A - 레이저 코팅 방법 및 그 실행 장치

Info

Publication number: KR20180002603A
Application number: KR1020177027225A
Authority: KR
Inventors: 미첼 비스게스; 울리-안드레아스 히르스
Original assignee: 플라즈마 이노베이션즈 게엠베하; 엑카르트 게엠베하
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-01-08
Also published as: CN107532284A; JP2018520262A; US20180117711A1; EP3250731B1; EP3250731A1; DE102015106464A1; WO2016173963A1

Abstract

본 발명은 표면상에 코팅 재료를 도포하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 운반 기체 및 코팅 재료(2)를 함유하는 가스 혼합물 흐름(8)을 제공하는 단계; 표면(3a)으로 가스 혼합물 흐름(8)을 공급하는 단계로서, 가스 혼합물 흐름(8)이 표면(3a)에 충돌하고 표면에 도포된 코팅 재료(3a)는 표면(3a) 상에 충돌 영역(11)을 형성하게 하는 상기 공급 단계와; 가스 혼합물 흐름(8) 내로 적어도 하나의 레이저 빔(7)을 결합하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 레이저 빔(7)의 결합된 에너지는, 고형 코팅 재료(2)가 적어도 부분적으로 용융되는 방식으로 측정되며, 각각의 레이저 빔(7)은, 이 레이저 빔(7)이 표면상의 충돌 영역(11)에 부딪치지 않도록 가스 혼합물 흐름(8)을 향하게 한다. 또한, 본 발명은 상기 방법의 실행을 위한 장치에 관한 것이기도 하다.

Description

레이저 코팅 방법 및 그 실행 장치

본 발명은 표면상에 사실상 모든 고형 코팅 재료를 도포하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

종래 기술로부터는, 피가공재 표면상에 거의 모든 코팅 재료를 도포하는 것으로 표면 코팅층(surface application)이 도포되는 것인 레이저 증착 용접(laser deposition welding)이 공지되어 있다. 레이저 빔은 부품 표면상에 노즐에 의해 코팅 재료가 분말/가스 혼합물로서 공급되는 용융조(melt bath)를 생성한다. 코팅 재료는 특히 금속 분말이다. 부품의 표면뿐만 아니라 코팅 재료 역시도 레이저 증착 용접 동안 용융된다.

Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH(트룸프 레이저 및 시스템 기술 유한책임회사)[D 71254, 디칭엔(Ditzingen) 소재] 사의 팸플릿 "레이저 증착 용접: 표면 최적화 및 수리 - 식별 번호 제0375845_201306_F"에서 개시되는 레이저 증착 용접을 위한 장치는 분말/가스 혼합물 흐름을 제공하기 위한 분말 컨베이어(powder conveyor) 및 분말 노즐을 구비한 가공 광학 장치(processing optical unit)를 포함한다. 분말 노즐의 도움으로 상기 분말 컨베이어로부터 제공되던 분말/가스 혼합물 흐름은 코팅할 표면으로 공급된다. 가공 광학 장치는 광선의 원천으로서 디스크 레이저 또는 다이오드 레이저를 포함한다. 가공 광학 장치는, 분말/가스 혼합물 흐름이 향하는 피가공재의 표면에 레이저 빔이 부딪치도록 조정된다.

레이저 증착 용접은 어떤 표면에 대해서만 적합하다. 특히 플라스틱의 경우 부품 표면 내로 결합되는 레이저 빔의 높은 에너지는 부품 표면의 손상을 야기한다. 그러므로 레이저 증착 용접은 고융점 플라스틱, 금속 또는 세라믹의 표면에서만 가능하다.

이러한 종래 기술을 바탕으로, 본 발명의 과제는 상당히 더 적은 에너지를 요구하면서도 온도 민감성 표면에도 거의 모든 고형 코팅 재료를 도포하기 위한 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 추가 과제는 상기 방법을 실행하는데 바람직한 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법 및 청구항 제24항의 특징을 갖는 장치를 통해 해결된다.

가스 혼합물 흐름 내로 적어도 하나의 레이저 빔을 결합하는 결합 단계는 바람직하게는 표면에 가스 혼합물 흐름을 충돌시키기 직전에 수행된다. 결합 단계를 통해, 에너지가 레이저 빔으로부터 가스 혼합물 흐름 내의 고형 형태로 코팅 재료로 전달되며, 적어도 하나의 레이저 빔의 결합된 에너지는 고형 코팅 재료가 적어도 부분적으로 용융되는 것으로 측정된다.

각각의 레이저 빔은 이 레이저 빔이 표면상에 도포되는 코팅 재료의 충돌 영역(area of impingement)과 충돌하지 않도록 가스 혼합물 흐름을 향하게 한다. 이로써 레이저 빔의 에너지가 표면상으로 직접적으로 전달되지 않고 레이저 증착 용접에 비해 표면의 열하중(thermal loading)이 대폭 감소되는 효과를 가진다. 표면의 상대적으로 더 낮은 열하중은 본 발명에 따른 방법을 이용한 열 민감성 재료의 코팅을 허용한다. 바람직하게는, 각각의 레이저 빔은 이 레이저 빔이 어느 위치에서도 표면에 부딪치지 않도록 표면 쪽을 향하도록 조정된다. 이는 예컨대 표면에 대해 레이저 빔의 평행하거나 상향 경사진 방향 조정을 통해 달성될 수 있다.

가스 혼합물 흐름 내에 고형으로서 존재하는 코팅 재료는 오직 적어도 하나의 레이저 빔의 결합된 에너지를 통해서만 부분적으로 용융된다. 그러므로 코팅 공정은 오직 레이저에 의해서만 제어되고, 예를 들어 레이저 출력을 차단하거나, 레이저 빔을 차폐하거나, 또는 레이저 빔이 일시적으로 가스 혼합물 흐름을 향하지 않게 조정하는 것으로 제어된다. 적어도 고형 코팅 재료의 입자의 표면은, 접착 코팅을 생성하기 위해, 적어도 하나의 레이저 빔의 결합된 에너지를 통해 용융된다.

가스 혼합물 흐름 내로 레이저 빔의 직접적인 결합 및 필수는 아닌 부품 표면의 용융의 결과로서, 본 발명에 따른 방법에 요구되는 레이저 출력은 레이저 증착 용접에 비해 훨씬 더 낮다. 접착이 예를 들어 플라스틱 또는 앞서 증착된 코팅 재료의 표면상에 발생하도록 오직 레이저 방사선(laser radiation)에 의해서만 예를 들어 10g/min의 코팅 재료(구리)의 질량 유량을 용융하기 위해서는 10와트의 레이저 출력만으로도 충분하다.

본 발명에 따르면 코팅 재료는 오직 국소적으로만 도포되거나 또는 넓은 면적에도 도포될 수 있다. 가스 혼합물 흐름의 횡단면보다 더 큰 도포된 코팅 재료의 충돌 영역을 이용한 넓은 면적 코팅을 위해, 표면과 가스 혼합물 흐름은 도포 동안 서로에게 상대적으로 움직인다. 상대적인 움직임은 코팅할 표면을 이동시키는 것으로, 그리고/또는 가스 혼합물 흐름을 위한 공급 부재(feeding element)를 이동시키는 것으로 실행될 수 있다.

특히 분말 컨베이어에 의해 제공되는 가스 혼합물 흐름은 고형 코팅 재료를 함유한다. 전기 전도성 또는 열 전도성 코팅층을 제조하기 위해 코팅 재료로서는 순수 금속 또는 합금이 사용된다. 또한 본 발명의 방법은 그 밖에도 코팅 재료로서 플라스틱, 유리 또는 세라믹을 사용하는데에 적합하다. 코팅 재료는 바람직하게는 분말의 형태를 가진다. 코팅 재료 내로 레이저 방사선의 에너지를 효과적으로 결합하기 위해, 레이저 방사선의 파장은 코팅 재료의 흡수 스펙트럼과 일치되어야 한다.

도포된 코팅 재료의 접착을 얻고자 한다면, 코팅 재료가 도포되는 표면은 바람직하게 코팅 재료에 대해 접착-촉진 특성을 보유한다. 특히 바람직한 접착 촉진 재료는 예를 들어 다음과 같다:

● 폴리아미드,

● PC-ABS(폴리카보네이트 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌),

● PPS(폴리페닐렌술피드),

● PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트),

● 열경화성 수지.

전술한 재료는 순수 폴리머, 또는 충전제(filler)를 함유한 화합물의 형태를 가질 수 있다. 충전제의 예로는 유리, 세라믹, 또는 금속이 고려된다. 충전제는 화합물의 중량의 최대 30 퍼센트를 차지한다.

한 물품의 표면상에서 코팅 재료의 접착을 향상시키기 위해, 본 발명의 바람직한 구현예에서, 표면을 가지는 물품에서 적어도 상부층(top layer)은 언더컷(undercuts)을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 레이저 빔은 연속파 레이저(continuous wave laser)에 의해 연속적으로 생성되거나, 또는 펄스 레이저(pulse laser)에 의해 불연속적으로 생성된다. 높은 피크 강도(peak intensity) 때문에 펄스 레이저는 특히 상대적으로 더 높은 용융 온도를 갖는 코팅 재료를 위해 사용된다.

적어도 하나의 레이저 빔이 집속되어 가스 혼합물 흐름 내에 결합된다면, 방사선의 집속은 결합 영역에서 높은 에너지 밀도를 야기한다. 비집속(defocus)된 레이저 빔으로는 가스 혼합물 흐름 내에 상대적으로 더 큰 결합 영역을 생성할 수 있다.

본 발명의 한 구현예에서, 가스 혼합물 흐름 내로 레이저 빔의, 특히 집속된 레이저 빔의 결합 영역을 확대하기 위해, 가스 혼합물 흐름 내로 적어도 하나의 레이저 빔을 결합시키는 동안 레이저 빔의 방향이 변경된다. 비집속된 레이저 빔의 경우에는 일반적으로 가스 혼합물 흐름 내로 레이저 빔을 결합시키는 동안 방향이 변동 없이 유지될 수 있다.

표면상에 코팅 재료의 구조화된 도포는 가스 혼합물 흐름을 공급하는 동안 적어도 하나의 레이저 빔을 결합하는 결합 단계가 일시적으로 중단시키는 것으로 간단하게 수행될 수 있다. 이는 코팅 재료로의 에너지 전달이 일시적으로 중단되고, 결과적으로 이 중단 동안 공급된 코팅 재료는 용융되지 않는 효과를 가지게 된다. 표면과 가스 혼합물 흐름 간의 상대적인 움직임과 함께, 결합 단계의 중단은 코팅 재료가 접착되지 않는 영역을 표면상에 형성되는 효과를 가질 수 있다.

결합 단계를 일시적으로 중단시키기 위해서는 레이저 출력을 차단하거나, 레이저 빔을 조리개로 차폐시키거나, 또는 레이저 빔이 일시적으로 가스 혼합물 흐름으로 향하지 않도록 레이저 광학 장치(laser optical unit)에 의해 방향을 바꿀 수 있다.

운반 기체 및 고형 코팅 재료를 함유하는 가스 혼합물 흐름 제공은 분말 컨베이어에 의해 수행된다. 분말 컨베이어는 이송 장치(conveying device)로서 예를 들어 디스크 컨베이어, 진동 컨베이어, 또는 분말형 코팅 재료를 운반 기체 흐름 내로 유입시키는 분말 펌프를 포함한다. 운반 기체로서는, 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 기체, 질소 또는 주변 공기가 적합하다. 운반 기체는 1 내지 50ℓ/min, 바람직하게는 1~20ℓ/min 범위의 체적 유량으로 제공된다. 분말 컨베이어의 이송 장치는 0.1g/min 내지 100g/min, 바람직하게는 2g/min 내지 20g/min 범위의 질량 유량을 갖는 코팅 재료를 운반 기체에 공급한다. 공급되는 분말형 코팅 재료는 바람직하게는 100㎚ 내지 120㎛의 입도 분포(grain size distribution)를 포함한다.

이러한 방법으로 형성된 가스 혼합물 흐름은 라인을 통해 유출구(outlet)를 포함한 공급 부재로 안내되고, 유출구는 바람직하게는 표면까지 1㎜ 내지 100㎜ 범위의 수직 이격 간격에서 유지된다. 공급 부재는, 가스 혼합물 흐름이 바람직하게는 표면상에 수직으로 충돌하도록 유출구가 표면을 향하도록 한다.

0.1 내지 10㎜ 범위의 내경을 가진 중공 바늘(hollow needle)이 공급 부재로 사용된다면, 내경에 비해 긴 중공 바늘의 길이를 통해 유출구에서 분말/가스 혼합물의 준층류(quasi-laminar flow)가 생성된다. 가스 혼합물 흐름의 준층류에 의해 정밀한 구조가 표면상에 증착될 수 있다.

특히 전면 코팅(full-surface coating)을 위해 표면상에 상대적으로 더 넓은 트레이스(traces)가 증착되어야 한다면, 가스 혼합물 흐름은 바람직하게는 확산기(diffuser)를 통해 공급되며, 이는 유출구에서 가스 혼합물 흐름을 가속화하여 충돌 영역의 방향으로 확대되는 가스 혼합물 흐름을 생성한다.

레이저 빔은, 공급 부재의 유출구에서 표면까지의 경로 상에서 에너지 손실을 적게 유지하기 위해, 바람직하게는 표면상에서 가스 혼합물 흐름이 충돌하기 직전에 가스 혼합물 흐름 내로 결합된다. 표면과 공급 부재의 유출구의 거리에 따라서 레이저 빔은 표면 위로 0.1㎜ 내지 50㎜의 거리에서 가스 혼합물 흐름 내로 결합된다. 충돌 영역까지 공급 부재의 유출구의 거리가 코팅 재료를 도포하는 동안 변동된다면, 바람직하게는 레이저 출력은 거리가 멀어질 때 증가되고 거리가 가까워질 때에는 감소된다.

본 발명에 따른 방법에 의해, 코팅층이 표면상에만 도포될 수 있을 뿐만 아니라, 3차원 대상물이 표면 코팅으로 형성될 수도 있다. 이를 위해서는 코팅 재료의 복수의 층이 서로 겹쳐 적층된다. 각각 사전에 적층된 층은 후속 작업 단계에서 가스 혼합물 흐름이 공급되는 표면을 형성한다. 연속해서 적층되는 층은 상이한 코팅 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제일 먼저 폴리머로 이루어진 개별 층이 증착되고, 이 위로 금속 코팅 재료, 예를 들어 구리로 이루어진 전도성 트랙(tracks)이 적층된다. 그런 다음, 통합적인 상호연결된 구조를 가진 복합 부품을 제조하기 위해, 폴리머 코팅 재료로 이루어진 추가 층이 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 본 발명에 따른 방법에 의해 MID 부품과 유사한 리드프레임이 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서, 가스 혼합물 흐름을 공급하기 전에, 표면에 공급되는 코팅 재료에 대해 비점착성 특성(anti-adhesive properties)을 가진 상부층을 부분적으로 제공하는 것으로, 표면은 구조화되어 코팅될 수 있다. 가스 혼합물 흐름은 바람직하게는 확대된 유동 횡단면을 가진 표면을 향한다. 상부층은 코팅 재료가 오직 상부층이 제공되지 않은 표면의 나머지 영역과만 접착 결합되는 효과를 가진다. 예를 들어 우선 전면에 증착된 상부층으로부터 일부 영역을 다시 제거(removal)하는 것으로 표면은 상부층을 부분적으로 가질 수 있다. 제거는 예를 들어 레이저 절제로 수행된다. 본 발명에 따르면, 비점착성 특성을 갖는 사부층은 표면상에 1㎛ 내지 500㎛의 층 두께로 도포된다.

표면상에 코팅 재료의 구조화된 도포는, 본 발명의 추가 구현예에서, 기판 또는 대상물이 접착 촉진 특성을 보유한 부분과 비점착성 특성을 보유한 부분을 포함하는 것으로 달성될 수 있다. 표면상에 도포된 코팅 재료는 오직 접착 촉진 재료로 구성된 부분에만 접착될 수 있다.

표면상에 코팅 재료의 구조화된 도포는, 본 발명의 추가 구현예에서, 표면 또는 코팅할 대상물이 적어도 일부 영역에서 희생 재료(sacrificial material)로 구성되고, 이 희생 재료가 그 뒤에 가스 혼합물 흐름과 함께 공급되는 코팅 재료에 대해 비점착성 특성을 보유하는 것으로 달성될 수 있다. 가스 혼합물 흐름을 통한 에너지 유입을 기반으로 희생 재료는 표면상에서 코팅 재료의 접착을 방지하는 기체 성분(gaseous constituents)을 방출한다. 코팅 재료의 구조화된 도포는, 도포 전에 희생 재료로 구성된 표면의 일부분이 예를 들어 레이저에 의해 제거되거나, 또는 부동태화(passivated)되는 것으로 수행된다. 제거는 희생 재료 아래에 위치하면서 접착 촉진 특성을 보유한 표면이 노출되는 효과를 가진다. 부동태화는 희생 재료로 구성된 표면이 완전하게 제거되지 않고도 접착 촉진성이 되게 하는 효과를 가진다. 희생 재료의 부동태화 및 제거는 목표의 에너지 유입을 통해 수행된다. 그 대안으로, 희생 재료는 인쇄 방법 또는 마스킹에 의해 이미 구조화된 형태로 접착 촉진 표면상에 도포될 수 있다.

상부층 또는 객체(object)의 일부의 형성을 위해 사용될 수 있는 희생 재료는 바람직하게는 다음 재료 중 적어도 하나의 재료를 포함한다:

● 폴리카보네이트,

● 폴리아크릴,

● 특히 아크릴레이트 모노머를 함유하는 UV 경화성 래커.

비점착성 특성을 가진 희생 재료는 바람직하게는 아크릴기(CH₂=CH-COR)를 포함하는 화학 물질을 함유한다. 폴리머 내에서 1중량 퍼센트의 비율의 아크릴기 비율에서 조차 희생 재료의 비점착성 특성이 나타난다.

하기에서 본 발명은 도면에 근거하여 더 상세하게 설명된다.
도 1a는 기판의 표면상에 분말형 코팅 재료를 도포하기 위한 장치의 제1 실시예를 도시하는 도면이다.
도 1b는 기판의 표면상에 분말형 코팅 재료를 도포하기 위한 장치의 제2 실시예를 도시하는 도면이다.
도 2는 중공 바늘 형태로 구성된 공급 부재를 포함한 도 1a에 상응하는 장치를 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 3e는 부분적으로 상부층을 가진 기판의 표면상에 분말형 코팅 재료를 도포하기 위한 방법을 도해로 설명하기 위한 개략도이다.
도 4a 내지 4c는 상이한 재료 특성을 가진 표면상에 분말형 코팅 재료를 도포하기 위한 방법을 도해로 설명하기 위한 개략도이다.
도 5a 내지 5c는 3차원 대상물을 제작하기 위한 방법을 도해로 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 기판의 표면상에 코팅 재료를 구조화하여 도포하기 위한 방법을 도해로 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 복수의 기판상에 분말형 코팅 재료를 도포하기 위한 바람직한 장치를 도시하는 도면이다.
도 8은 언더컷을 가진 기판의 표면을 도해로 설명하는 도면이다.

기판(3)의 표면(3a)상에 분말형 코팅 재료(2)를 도포하기 위한 도 1a에 개략적으로 도시된 장치(1)는 실질적으로 부분적으로만 도시된 분말 컨베이어(4)와, 분말 노즐(5b)의 형태로 구성된 공급 부재(5), 및 기판(3)의 표면(3a)에 대해 평행하게 레이저 빔(7)을 생성하기 위한 레이저(6)로 구성된다.

분말 컨베이어(4)는 용기로부터 운반 기체 흐름 내로 분말형 코팅 재료(2)를 유입시키는 분말 펌프(도시되지 않음)를 포함한다. 가스 혼합물 흐름(8)은 공급 라인(9)을 통해 분말 노즐(5b)로 공급된다. 분말 노즐(5b)의 유출구(5a)는 기판(3)의 표면(3a)을 향하고 있으면서 약 50㎜의 수직 거리에 위치한다. 분말 노즐(5b)은 조작 장치(도시되지 않음)에 의해 기판의 표면(3a)에 대해 평행하게 화살표(12)의 방향으로, 그리고 그 반대 방향으로 이동될 수 있다. 레이저(6)는 바람직하게는 분말 노즐(5b)과 기계적으로 연결되고, 그러므로 마찬가지로 도 1에 도시된 실시예에서는 고정된 기판(3)에 대해 화살표(12)의 방향으로 이동한다. 레이저 빔(7)이 가스 혼합물 흐름(8) 내로 결합되는 결합 영역(10)은 기판(3)의 표면(3a)의 바로 위에 위치한다.

레이저 빔(7)의 평행 빔 가이드는 레이저 빔(7)이 표면(3a)상에서 가스 혼합물 흐름(8)의 충돌 영역(11)에 부딪치지 않도록 보장한다. 그 결과로서, 결합 영역(10) 내에서 레이저 빔(7)의 에너지는 오직 가스 혼합물 흐름(8) 내의 분말형 코팅 재료(2)로만 전달된다. 가스 혼합물 흐름(8) 내에서 레이저 빔(7)의 영향으로 이미 적어도 부분적으로 용융된 분말형 코팅 재료(2)는 압력하에 표면(3a)상에 도포된다.

도 1b에 도시된 장치는 레이저(6)가, 가스 혼합물 흐름(8) 내로의 결합 영역(10)의 방향으로 레이저 빔을 확대시키는 이동축 장치(도시되지 않음)를 포함한다는 점에서 도 1a에 도시된 장치와 근본적으로 다르다. 이는 결합 영역(10)이 분말 노즐(5b)의 유출구(5a)와 표면(3a) 사이에서 가스 혼합물 흐름(8)의 상대적으로 더 긴 길이에 걸쳐서 연장되는 효과를 가진다. 이 확장을 통해, 예를 들어 더 높은 온도에서 용융되는 금속 코팅 재료를 증착시킬 수 있도록 하기 위해, 더 높은 레벨의 에너지는 비집속된 레이저 빔(7)의 레이저 출력을 그에 상응하게 증가시키는 것으로 분말형 코팅 재료(2) 내로 결합될 수 있다.

도 2에 도시된 장치(1)는 오직 공급 부재(5)의 구성과 관련해서만 도 1a에 도시된 장치와 다르다. 그러므로 반복의 방지를 위해, 전체 범위에서 도 1a에 대한 설명내용이 참조된다. 공급 부재(5)는 길이에 비해 작고 10㎜ 미만인 내경을 가진 중공 바늘(5c)로서 형성된다. 중공 바늘(5c)로 공급 부재(5)를 형성하는 것은 기판(3)의 표면(3a)과 유출구(5a) 사이에 가스 혼합물 흐름(8)의 준층류를 생성하는 효과를 가진다.

상부층(13)이 부분적으로 구비된 기판(3)의 표면(3a)상에 분말형 코팅 재료(2)를 도포하는 과정은 도 3을 기반으로 상세하게 설명된다. 기판(3)의 표면(3a)은 각각의 가장자리 측에 상부층(13)을 구비한다(도 3b 참조). 상부층(13)을 구비한 가장자리 부분 사이에서 기판(3)의 표면(3a)은 중앙 영역(14)에서 노출된다. 상부층(13)은 분말형 코팅 재료(2)에 대해 비점착성 특성을 보유한다. 그러므로 도 3c에 도시된 것처럼 분말 노즐(5b)이 부분적으로 상부층(13)을 가진 기판(3)의 표면(3a)에 대해 평행하게 화살표(12)의 방향으로 이동된다면, 분말형 코팅 재료(2)는 비점착성 특성 때문에 상부층(13)에 접착되지 않는다. 그러나 도 3d에서 알 수 있는 것처럼, 분말형 코팅 재료(2)는 중앙 영역(14)에서는 기판(3)의 표면(3a) 상에 접착 층(15)을 형성한다. 코팅 재료(2)의 도포가 끝난 후에 표면은 세척된다. 마지막으로 도 3e는 오직 중앙 영역(14)에서만 선택적으로 코팅된, 세척된 기판(3)을 도시한다.

도 4는 분말형 코팅 재료(2)에 대해 비점착성인 재료로 구성되는 부분(3b)과, 그 사이에 배치된 분말형 코팅 재료(2)에 대해 접착 촉진성인 재료로 구성된 부분(3c)으로 이루어지는 비균질(inhomogeneous) 기판(3)을 도시한다. 일부 부분들(3c, 3b)의 접착 촉진 또는 비점착성 특성의 결과로서, 기판(3)의 표면(3a)상에서 비점착성 부분(3b)에서는 코팅 재료(2)와 표면 간에 접착 결합이 생성되지 않는다. 그러나 중앙 부분(3c)에는 코팅 재료(2)의 접착 층(15)이 형성된다. 코팅 재료(2)의 도포가 끝난 후 비점착성 부분(3b)의 표면에서는 도포된 코팅 재료(2)가 제거된다. 마지막으로 도 4c는 오직 중앙 부분(3c)만 선택적으로 코팅되어 세척된 기판(3)을 도시한다.

도 5는 연속해서 복수의 층으로 서로 겹쳐 적층되는 상이한 코팅 재료(2a, 2b)를 도포하는 방법을 개략적으로 도시한다. 코팅 재료를 도포하기 위한 장치(1)는 대체로 도 1a에 도시된 장치에 상응한다. 그러나 분말 컨베이어(4)(도시되지 않음)는 2개의 분말 용기를 포함하고, 분말 펌프는 상기 분말 용기로부터 교대로 제1 코팅 재료(2a) 또는 제2 코팅 재료(2b)를 운반 기체 흐름 내로 유입시킨다. 그러므로 가스 혼합물 흐름(8)은 선택적으로 제1 코팅 재료(2a) 또는 제2 코팅 재료(2b)를 포함한다.

도 5a는 기판(3)의 표면(3a)이 우선 충돌 영역(11)에서 분말 노즐(5b)의 화살표(12)의 방향으로의 상대적인 움직임을 통해 제1 코팅 재료(2a)로 코팅되는 과정을 도시한다. 그런 다음, 도 5b에 도시된 것처럼, 제1 코팅 재료(2a)로 이루어진 제1 층(16)의 표면상에 제2 코팅 재료(2b)로 이루어진 제2 층(17)이 도포된다. 마지막으로, 도 5c에 도시된 것처럼, 제2 층(17)의 표면상에 분말 노즐(5b)이 상대적으로 더 작은 충돌 영역(11b)으로 수회 왕복 이동하는 것으로 제1 코팅 재료(2a)로 4개의 제3 층(18)이 도포된다.

도포 동안 레이저 빔(7)에 의해 용융되는 제1 코팅 재료(2a) 및 제2 코팅 재료(2b)는 서로와 접착 결합(adhesive bond)을 형성하며, 그럼으로써 본 발명의 방법에 따라 도 5c에서 볼 수 있는 대상물(19)이 제조될 수 있다.

기판(3)의 표면 특성에 따라서, 제1 층(16)은 표면(3a)과 결합되거나, 또는 상기 표면과 접착 결합을 형성하지 않는다. 접착 결합을 형성하지 않는 경우, 표면(3a)은 오직 대상물(19)의 제조를 위한 일시적인 받침으로서만 이용된다. 그러나 만약 표면상에서 코팅 재료(2)의 영구적인 접착이 요구된다면, 도 8에 상응하게 표면을 거칠게 처리하여, 도 8의 확대도(A)에서 볼 수 있는 것처럼 코팅 재료(2)가 그 안으로 맞물릴 수 있게하는 언더컷(20)을 형성하는 것을 권한다.

통상적으로, 주형, 압출 또는 압축성형(compression molding)으로 제조되는 객체는 낮은 거칠기의 매끄러운 표면을 가지고 언더컷은 가지지 않는다. 대상물의 표면상에서 코팅 재료의 접착이 요구된다면, 표면의 언더컷 내에서의 적어도 부분적으로 용융된 코팅 재료의 기계적인 맞물림(mechanical interlocking)이 실질적인 접착 메커니즘을 나타낸다. 그러므로 언더컷이 0.1㎛~100㎛의 크기로 표면에 반복적으로 분포되도록 표면을 형성하는 것이 유용하다. 이를 위해, 표면의 거칠기, 그리고 그와 동시에 미세한 언더컷이 표면에서 접착 촉진 특성을 가진 부분에, 예를 들어, 레이저로 생성될 수 있다.

그 대안으로, 예를 들어, 제1 단계에서 언더컷을 가진 접착 촉진 세라믹 코팅층이 대상물의 매끄러운 표면상에 증착될 수 있다. 이를 위해, 분말형 세라믹 코팅 재료가 용융되어 표면상에서 플라스마 코팅 방법에 의해 증착된다. 적합한 분말 입자 크기(1~50㎛) 및 코팅 매개변수는 입자가 완전하게 용융되지 않고 코어 내에서 그대로 유지되게 하는 것으로 표면상에 언더컷을 선택적으로 생성할 수 있게 한다. 표면상에서 부분적으로 원형이거나, 불규칙적이거나 정의되지 않은 분말 입자의 축적은 수많은 언더컷을 가진 개방 다공성(open-pore) 구조를 야기한다. 그러한 세라믹 접착 촉진 층은 바람직하게는 1~500㎛의 두께로 표면상에 도포된다. 그 다음에 세라믹 접착 촉진 층상에 본 발명에 따른 방법으로 도포되는 코팅 재료는 언더컷 내에서 기계적으로 맞물린다.

도 1a에 도시된 장치로 분말형 코팅 재료(2)를 일부 부분에서 구조화하여 도포하는 방법은 도 6에 근거하여 설명된다. 가스 혼합물 흐름(8)을 연속해서 공급하는 동안, 레이저 빔(7)이 일시적으로 차단되고, 이는 예를 들어, 레이저 출력의 활성화 및 비활성화를 통해 수행된다. 레이저(6)가 활성화되고 레이저 빔(7)이 가스 혼합물 흐름(8) 내로 결합되는 동안, 코팅 재료(2)는 기판(3)의 표면(3a)상에 접착 방식으로 증착된다. 레이저(6) 중단 단계에서도 코팅 재료(2)는 표면(3a)상에 도포된다. 그러나 코팅 재료(2) 내로 레이저 에너지가 결합되지 않기 때문에 상기 코팅 재료는 용융되지 않고, 그러므로 표면(3a)과 접착 결합하지 않는다. 주기적인 활성화 및 비활성화는 접착되지 않은 코팅 재료(2)의 제거 후에, 도 6에서 볼 수 있는 연속적인(sequence) 접착 층(15)을 형성한다.

하기에서는 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 바람직한 장치(1)가 도 7에 근거하여 설명된다. 장치(1)는 회전축(23)을 중심으로 회전 가능한 회전 테이블(24)을 포함한다. 회전축(23)을 중심으로 화살표(25)의 방향으로, 그리고 그 반대 방향으로 회전 테이블(24)을 회전시키기 위해, 회전 테이블(24)은 구동부(26)를 포함한다. 회전 테이블(24)의 외주면에는 바깥쪽으로 향하는 표면(3a)을 가진 기판(3)이 분리 가능하게 고정된다.

장치(1)는 예를 들어 구동되는 선형 슬라이드(driven linear slide)와 같은 선형 시스템(27) 또한 포함하고, 이 선형 슬라이드는 선형 이동축(28)(linear axis of displacement)의 방향으로 공급 부재(5)를 이동시킬 수 있다. 공급 부재(5)의 유출구(5a)는, 가스 혼합물 흐름(8)이 기판 표면(3a)으로 공급될 수 있도록 하기 위해, 연속해서 각각의 기판(3)의 표면(3a)을 향한다. 공급 부재(5)는 가스 혼합물 흐름(8)이 각각의 기판(3)의 표면(3a)에 수직으로 충돌하도록 선형 시스템(27)상에 배치된다. 이동축(28)은 회전 테이블(24)의 회전축(23)에 대해 평행하게 연장된다. 그러므로 이동축(28)으로, 그리고/또는 그 반대로 공급 부재(5)를 이동시키는 것으로 코팅 재료(2)가 회전 테이블에 의해 공급 부재(5)의 유출구(5a)에 대해 각각 배치되는 기판(3)상에 스트립(strips) 형태로 도포될 수 있게 한다. 코팅층이 기판(3)상에 한 트레이스로 도포될 수 없다면, 각각의 트레이스 도포 이후 회전 테이블(24)을 극미하게 회전시키는 것으로 복수의 수직 트레이스가 나란히 도포될 수 있다.

레이저(6)는 도 7에 도시된 것처럼 한 곳에 고정되거나, 또는 조작 장치상에 배치될 수 있다. 광학 레이저 장치는 레이저 빔(7)이 결합 영역(10)에서 가스 혼합물 흐름(8)에 수직으로 부딪치도록 일직선으로 조정된다.

마지막으로, 장치(22)는 작업 공간을 형성을 위한 하우징(29)에 에워싸인다. 회전 테이블(24)뿐만 아니라 선형 시스템(27)의 구동부, 및 레이저(6)는, 기판(3)의 전자동 코팅을 보장하기 위해 프로그램으로 제어된다.

다음의 예시는 본 발명에 따른 방법이 적용될 수 있는 몇몇 사례를 기재한다.

1. 전자기술 산업에서, 본 발명의 방법은 특히 플라스틱 및 세라믹으로 이루어진 3차원 물체 상에 구조화된 도체 트랙(structured conductor tracks)을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 방법은 평면 인쇄 회로 기판상에 구조화된 도체 트랙을 증착하기 위해 사용된다.

2. 반도체 산업에서, 본 발명의 방법은, 예를 들어 IGBT 모듈 제조를 위해, 웨이퍼상에 다공성 금속 층을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 방법에 의해, 반도체 및 지지체(supporting bodies) 사이의 접점이 결합 연결(bonding connections)의 대체물이 될 수 있다.

3. 특히 의료 기술에서, 본 발명의 방법은, 예를 들어 대기(atmosphere)를 배제한 상태에서 임플란트를 위한 의료적으로 효과적인 코팅층을 제조하기 위해, 진공화된(evacuated) 작업 공간에서도 실행될 수 있다.

4. 광발전의 분야에서, 전기 전도성 접점 구조 및/또는 반도체 물질은 본 발명에 따른 방법으로 태양 전지상에 증착될 수 있다.

5. 디스플레이 제조의 분야에서, 예를 들어 전도성 구조는 본 발명에 따른 방법으로 디스플레이 제조를 위한 유리의 표면상에 증착될 수 있다.

6. 산업 롤-투-롤 코팅 공정(roll-to-roll coating process)에서, 예를 들어 필름 웹(film web) 및 시트(sheet)에 바람직하게 확장된 가스 혼합물 흐름에 의해 도포되는 다공성 금속 층이 제공될 수 있다.

1: 장치
2: 코팅 재료
2a: 제1 코팅 재료
2b: 제2 코팅 재료
3: 기판
3a: 표면
3b: 기판 부분
3c: 기판 부분
4: 분말 컨베이어
5: 공급 부재
5a: 유출구
5b: 분말 노즐
5c: 중공 바늘
6: 레이저
7: 레이저 빔
8: 가스 혼합물 흐름
9: 공급 라인
10: 결합 영역
11/11b: 충돌 영역
12: 화살표
13: 상부층
14: 중앙 영역
15: 접착 층
16: 제1 층
17: 제2 층
18: 제3 층
19: 대상물
20: 언더컷
21: -
22: 장치
23: 회전축
24: 회전 테이블
25: 화살표
26: 구동부
27: 선형 시스템
28: 이동축
29: 하우징

Claims

표면(3a) 상에 코팅 재료(2)를 도포하기 위한 방법으로서,
- 운반 기체 및 고형 코팅 재료(2)를 포함하는 가스 혼합물 흐름(8)을 제공하는 단계,
- 표면(3a)으로 가스 혼합물 흐름(8)을 공급하고, 가스 혼합물 흐름(8)이 표면(3a)에 충돌하고, 표면에 도포된 코팅 재료(3a)가 표면(3a)상에 충돌 영역(11)을 형성하는 단계, 및
- 가스 혼합물 흐름(8) 내로 적어도 하나의 레이저 빔(7)을 결합하는 단계를 포함하고,
- 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)의 결합된 에너지는 상기 고형 코팅 재료(2)가 적어도 부분적으로 용융되는 것으로 측정되고,
- 상기 레이저 빔(7)이 상기 표면상의 상기 충돌 영역(11)에 부딪치지 않도록 각각의 레이저 빔(7)이 상기 가스 혼합물 흐름(8)을 향하는 것을
특징을 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면(3a) 및 상기 가스 혼합물 흐름(8)이 상기 코팅 재료(2)를 도포하는 동안 서로에게 상대적으로 움직이는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고형 코팅 재료가 오직 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)의 결합된 에너지에 의해서만 부분적으로 용융되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 공급되는 상기 가스 혼합물 흐름(8)은 분말형 코팅 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제4항에 있어서, 적어도 분말 입자의 표면이 용융되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)이 연속파 레이저에 의해 연속적으로 결합되거나, 또는 펄스 레이저에 의해 불연속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제6항에 있어서, 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)이 광학 레이저 장치에 의해 집속되어 또는 비집속되어 결합되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8) 내로 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)을 결합하는 동안, 각각의 레이저 빔(7)의 방향이 변동 없이 유지되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8) 내로 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)을 결합하는 동안, 각각의 레이저 빔(7)의 방향이 변동되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)을 공급하는 동안 적어도 하나의 상기 레이저 빔(7)을 결합하는 과정이 일시적으로 중단되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)이 1~50ℓ/min, 바람직하게는 1~20ℓ/min 범위의 운반 기체의 체적 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)이 0.1g/min~100g/min, 바람직하게는 2g/min~20g/min 범위의 상기 코팅 재료(2)의 질량 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 기체가 불활성 기체, 질소 또는 주변 공기인 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고형 분말형 코팅 재료(2)가 100㎚ 내지 120㎛의 입도 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)의 공급이 상기 가스 혼합물 흐름(8)을 위한 유출구(5a)를 가진 공급 부재(5)에 의해 수행되며, 상기 유출구가 상기 충돌 영역까지 1㎜~100㎜ 범위의 수직 간격에서 유지되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)의 공급이 0.1~10㎜ 범위의 내경을 가진 중공 바늘(5c)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)의 공급이 상기 가스 혼합물 흐름의 유동 횡단면을 확장시키는 확산기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충돌 영역(11)을 가진 상기 표면(3a)이 기판(3)의 구성부분인 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 재료(2, 2a, 2b)의 복수의 층(16, 17, 18)이 서로 겹쳐 적층되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충돌 영역(11)을 가진 상기 표면(3a)이 언더컷(undercuts)(20)을 가지는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)을 공급하기 전에, 상기 표면(3a)에 차후에 상기 가스 혼합물 흐름(8)과 함께 공급되는 상기 코팅 재료(2)에 대해 비점착성 특성을 보유하는 상부층(13)이 부분적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면(3a) 또는 대상물이 적어도 일부 영역이 희생 재료(sacrificial material)로 구성된 표면(3a)을 가지고, 상기 희생 재료가 상기 가스 혼합물 흐름(8)과 함께 공급되는 상기 코팅 재료(2)에 대해 비점착성 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제22항에 있어서, 상기 희생 재료가 적어도 하나의 아크릴기(CH2=CH-COR)를 포함하며, 상기 아크릴기의 비율은 바람직하게는 상기 희생 재료의 적어도 1중량 퍼센트인 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 표면(3a) 상에 코팅 재료(2)를 도포하기 위한 장치(1)에 있어서, 상기 장치는,
- 운반 기체 및 코팅 재료(2)를 포함하는 가스 혼합물 흐름(8)을 제공하도록 구성된 분말 컨베이어(4),
- 상기 표면(3a)으로 상기 가스 혼합물 흐름을 공급하기 위한 공급 부재(5)로서, 상기 가스 혼합물 흐름(8)이 상기 표면(3a)상에 충돌하고 그리고 상기 표면에 도포된 상기 코팅 재료가 상기 표면상에 충돌 영역(11)을 형성하도록 구성된, 상기 표면(3a)으로 상기 가스 혼합물 흐름을 공급하기 위한 공급 부재(5), 및
- 상기 가스 혼합물 흐름(8) 내로 레이저 빔(7)을 결합하도록 설계된, 레이저 빔(7)을 생성하기 위한 레이저(6)를 포함하고,
- 상기 레이저 빔이 상기 표면상의 상기 충돌 영역(11)에 부딪치지 않도록 각각의 레이저 빔(7)이 상기 가스 혼합물 흐름(8)에 대해 방향이 조정되는 것을
특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 장치.
제24항에 있어서, 상기 공급 부재(5) 및 코팅할 상기 표면(3a) 간의 상대적인 움직임을 만들기 위해 구성된 조작 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 장치.
제25항에 있어서,
- 상기 조작 장치가 회전축(23)을 중심으로 회전할 수 있고 코팅할 상기 표면(3a)을 가진 적어도 하나의 객체를 수용하도록 구성된 회전 테이블(24)을 가지고,
- 상기 조작 장치가 이동축(28)의 방향으로 상기 공급 부재(5)의 선형 움직임을 생성하도록 구성된 선형 시스템(27)을 가지고, 그리고
- 상기 이동축(28)이 상기 회전축(23)에 대해 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 장치.
제26항에 있어서, 상기 레이저(6)가 상기 레이저 빔(7)의 방향을 조정하기 위해 구성된 레이저 광학 장치를 포함하고, 그리고/또는 상기 레이저(6)가 상기 레이저 빔(7)의 방향을 조정하기 위해 구성된 조작 장치상에 배치되는 것을 특징으로 하는 표면상의 코팅 재료 도포 장치.