KR20180040618A - 금속 스트립을 세정 및 코팅하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 스트립을 세정 및 코팅하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 금속 스트립은 증착 챔버에 연결된 세정 챔버에서 세정되고, 세정 챔버 내 진공 압력은 0.01 - 100 mbar 및 0.01 - 10 mbar의 범위에 있는 증착 챔버 내 진공 압력이 유지된다.
Description
본 발명은 금속 스트립을 세정 및 코팅하기 위한 장치에 관한 것이며, 세정은 플라즈마 처리 공정에 의해 수행되고 코팅은 진공 증착 공정에 의해 적용된다. 진공 증착은 물리적 증착(PVD) 및 화학적 증착(CVD)을 포함하며, 본 개시에서 사용된 용어 PVD는 적용 가능하다면 PVD와 CVD 모두를 지칭한다.
산업용의 PVD에 의해 금속 기판 예컨대 강철 스트립에 코팅을 적용함에 있어서 중요한 이슈는, PVD 공정을 위해 필요한 진공을 유지하고, 스트립에 코팅이 적용되는 증착 챔버(deposition chamber)를 가능한 오염이 없도록 유지하는 것이다. 증착 챔버의 오염은 금속 스트립 대신 챔버의 벽에 피착(depostion)하는 코팅 증기에 의해 발생할 수 있다. 오염의 또 다른 형태는 금속 스트립의 세정으로부터 초래된 잔류물이다.
연속 PVD 코팅 설비는 금속 스트립을 설비 내에 공급하고 설비로부터 배출하기 위한 에어 로크(air lock)를 구비하는 입구부 및 출구부를 구비한다. PVD 코팅 설비를 비용 효과적으로 운용하기 위해서, 코팅 공정은 가능한 연속 공정으로 작동되어야 한다. 이것을 위한 전제 조건은 오염 수준과 유지보수 중지 빈도를 절대 최소치로 유지하는 것이다.
전자빔 또는 마그네트론 스퍼터링과 같은 공지된 PVD 코팅 기술은 60 내지 95%의 증기 수율(vapour yield)을 가지며, 여기서 증기 수율은 금속 스트립 상에 증착된 증기를 생성된 전체 증기로 나눈 비율이다. 이것은, 이러한 기술을 사용하는 경우에 5-40%의 증기가 증착 챔버를 오염시키게 되어 증착 챔버의 규칙적 세정이 필요하고 그에 따라 코팅 공정을 상당한 시간 동안 자주 중단시킨다는 것을 의미한다.
유럽 특허문헌 EP 0909342호는 거의 100%의 증기 수율로 아연 코팅된 강철 스트립을 생성하는 방법을 개시한다. 이 방법은, 단독으로 이미 ≥99%의 증기 수율을 실현할 수 있는 증기 분배부(vapor distribution section)를 가열된 채널과 결합함으로써, 그리고 종래의 PVD 코팅 공정들에서 사용된 압력(10-4 mbar 이하)에 비해 증가된 압력을 상기 증착 챔버 내에서 사용함으로써 달성된다. 상기 가열된 채널의 벽들의 온도는 그 재료의 증기 압력 및 상기 채널 내 압력에 관련이 있다. 가열된 채널의 사용에 의하면, 코팅 재료는 벽에 피착되지 않고 스트립 상으로 방향 조정되며 금속 스트립에 피착하기 위한 제2 또는 제3 또는 제4의 변화가 주어진다.
증기 분배부는 유럽 특허문헌 EP 1902152호와, B. Schmitz에 의해 Revue de Metallurgie에 실린 "Jet vapor deposition a novel vacuum coating technique with superior properties"(Vol. 97, Nr. 7/8, p.971-978, 2000년)에 개시되어 있다.
또한, 가열된 채널의 사용은, 종래의 압력보다 약 3 자릿수 더 큰 증가된 압력에서 PVD 코팅 공정을 작동시키는 것을 허용한다. 이렇게 높은 압력의 이점은, 금속 스트립을 위해 입구 및 출구에 있는 종래의 에어 로크 섹션의 수가 다수의 섹션에 의해 감소될 수 있다는 점이다. 다수의 섹션을 갖는 에어 로크가 EP 1627096호에 개시되어 있다.
금속 스트립은 또한 코팅 피착 공정 이전에 세정되고 활성화될 필요가 있다. 이 세정은 예컨대 마그네트론 스퍼터링과 같은 플라즈마 스퍼터링 기술로 매우 자주 행해진다. 적용될 수 있는 또 다른 세정 방법은 WO 2008/074312호에 개시된 바와 같은 전기 아크 방전 장치의 사용을 수반한다. WO 2012/091409호에는, 고급 고강도 강철의 세정 및 코팅이 개시되어 있으며, 여기서 강철의 표면에 존재하는 산화물은 그 강철에 코팅을 적용하기 전에 플라즈마, 플라즈마 아크 및/또는 레이저 세정에 의해 제거된다.
그러나 이러한 모든 세정 방법은, 스퍼터링된 층으로부터 나오는 잔류물이 증착 챔버를 불가피하게 오염시키는 주요 문제를 갖는다. 상기 강철 스트립 상의 산화물층은 1 내지 50 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에 및 특히 고급 및 초고강도 강철에 있어서, 산화물층은 두께가 수십 내지 수백 nm일 수 있다.
이러한 잔류물에 의해 발생하는 증착 챔버의 오염은, 증기 분배 상자와 가열된 채널의 조합을 이용함으로써 얻어진 모든 이점들을 완전히 제거한다.
본 발명의 목적은 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 여기서 오염은 가능한 한 많이 방지된다.
본 발명의 다른 목적은 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 여기서 세정 공정의 잔류물이 증착 챔버에 들어가서 코팅 피착 또는 코팅 특성에 영향을 미치는 것이 가능한 한 많이 방지된다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 여기서 세정 공정의 잔류물은 상기 장치로부터 제거된다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 여기서 금속 스트립의 세정을 위한 압력은 종래의 PVD 공정에서보다 더 높다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 여기서 세정 공정 및 코팅 공정의 압력은 같거나 또는 한자릿수보다 더 크게 다르지 않다.
본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 PVD 코팅 공정과 비교하여 감소된 비용으로 금속 스트립의 PVD 코팅 공정을 작동하는 것을 허용하는 금속 스트립의 세정 및 코팅을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 증착 챔버 압력에서 생성된 Zn계 코팅된 강철 스트립 제품과 비교하여 탁월한 접착 결합 특성을 갖는 Zn-계 코팅된 강철 스트립 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 증착 챔버 압력에서 생성된 Zn-Mg계 코팅된 강철 스트립 제품과 비교하여 탁월한 접착 결합 특성을 갖는 Zn-Mg 코팅된 강철 스트립 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 본 발명의 상기 목적들 중 하나 이상은 다음 단계들을 포함하는 금속 스트립을 세정 및 코팅하는 방법을 제공함으로써 실현된다:
- 코팅을 적용하기 전에 상기 금속 스트립을 세정하는 단계,
- 증기 챔버 내에서 재료를 가열함으로써 코팅 증기를 발생시키는 단계, 및
- 상기 증기 챔버에 연결된 증기 분배부를 통해 증착 챔버 내에서 상기 코팅 증기를 상기 금속 스트립 상에 적용시키는 단계를 포함하고,
- 상기 코팅은 가열된 상자 내에서 적용되며,
상기 금속 스트립은 상기 증착 챔버에 연결된 세정 챔버 내에서 세정되며, 상기 세정 챔버 내 압력은 0.01 - 100 mbar의 범위로 유지되고, 상기 증착 챔버 내 압력은 0.01 - 10 mbar의 범위로 유지된다.
금속 스트립의 세정 및 금속 스트립의 코팅이 개별 챔버들에서 수행되는 것은 코팅 챔버의 오염을 최소로 유지하는 것에 기여한다.
상기 방법의 추가적인 이점은 세정 챔버 및 코팅 챔버에서 저수준 진공 내지 중수준 진공을 이용함으로써 얻어지는데, 이것은 통상 PVD를 이용하는 금속 코팅에 적용되는 10-4 mbar의 고수준 진공보다 제공하고 유지하기 더 쉽다. 또한, 세정 챔버 및 증착 챔버 내 압력은 같은 크기일 수 있으며 이것에 의해 세정 챔버로부터 증착 챔버까지의 통로에 대해 에어 로크가 필요 없거나 제한적으로만 필요한 이점이 있다.
상기 방법의 추가적인 일 양태에 따르면, 상기 금속 스트립은 플라즈마 세정 기술을 사용하여 세정된다. 이러한 플리즈마 세정은 예컨대 마그네트론 스퍼터링 장치, 전기 아크 방전 장치 또는 유전체 배리어 방전 장치에 의해 행해질 수 있다. 바람직하게는 나중의 2개 장치 중 하나가 사용되는데, 그 이유는 이것들이 마그네트론 스퍼터링보다 더 높은 압력에서 사용될 수 있기 때문이다. 전기 아크 방전 장치에 의한 세정은 WO 2008/074312호에 개시되어 있다. 이러한 장치들은 대기압에서 사용될 수 있지만, 통상 대기압과 연관된 증기 생산성 단점을 회피하기 위해 진공에서 이것들을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 금속 스트립이 증착 챔버로 들어가기 전에 금속 스트립의 세정으로부터 초래된 잔류물을 제거하기 위해 가스 스트림(gas stream)이 세정 챔버를 통해 유지된다는 점이 추가로 제공된다. 상기 가스 스트림은 이것이 플라즈마 세정에 부정적으로 영향을 미치지 않도록 특정 한계 이하로 유지된다. 중간 내지 낮은 진공에서 작동하는 세정 장치를 사용하는 동안, 진공을 유지하고, 동시에 세정 작업으로부터 초래된 잔류물을 제거하기 위해 세정 챔버를 통해 특정 가스 흐름을 가지는 것이 쉬울 것이다. 이러한 목적을 위해, 세정 챔버는 가스 공급 수단에 연결된 가스 유입구를 구비하는 한편, 진공 펌프 수단이 상기 공급된 가스의 제거를 담당한다. 이러한 점에서, "가스"는 예를 들어 건조 공기, 질소 또는 아르곤, 또는 금속 스트립의 표면에 영향을 미치지 않는 임의의 다른 적절한 가스를 의미한다.
바람직하게는, 상기 세정 챔버와 상기 증착 챔버 사이에 가스 베어링 로크(gas bearing lock)가 사용된다. 가스 베어링 로크를 제공하는 것의 이점은 가스 베어링 로크와 스트립 사이에 직접적인 접촉이 없다는 점이다. 또한, 가스 베어링 로크의 필요한 압력 및 이것의 작동 원리는, 세정 작업으로부터 초래된 잔류물의 제거를 향상시킬 가스 스트림을 발생시킬 것이다. 가스 베어링 로크는 당해 분야에서 공지된 것이다(WO 2007/016688 참조). 이러한 가스 베어링 로크는, 만약 필요하다면 세정 챔버와 증착 챔버 사이에서 진공 압력의 차이가 쉽게 유지될 수 있다는 점을 추가로 제공한다.
본 발명의 추가적인 일 양태에 따르면, 증착 챔버와 세정 챔버 사이에 중간 챔버가 제공되며, 가스 베어링 로크가 중간 챔버를 세정 챔버 및 증착 챔버에 연결한다. 양 측면에 가스 베어링 로크를 갖는 중간 챔버의 사용에 의해 별도의 챔버가 얻어지며, 이것은 세정 작업으로부터 나오는 잔류물을 제거하기 위해 이용되고 또한 잔류물이 증착 챔버로 들어가는 것을 방지한다. 또한, 중간 챔버 내 압력은 세정 챔버와 코팅 챔버 사이의 임의의 압력 차이로 조정될 수 있다. 중간 챔버의 크기는 세정 챔버 및/또는 증착 챔버의 크기보다 훨씬 더 작을 수 있으며, 그것에 의해 중간 챔버 내에서 특정 압력을 쉽게 유지할 수 있도록 한다. 또한, 잔류물의 제거는 비교적 작은 중간 챔버로 더 쉽게 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양태에 따르면, 상기 방법은 금속 스트립이 증착 챔버로 들어가기 전에 기계적으로 세정되는 단계를 포함한다. 기계적 세정이란, 금속 스트립의 표면이 스크레이퍼 수단, 브러시 수단, 또는 임의의 다른 기계적 수단으로 처리된다는 것을 의미한다. 기계적 세정은 플라즈마 세정 단계 이후에 수행되며 금속 스트립의 표면에 여전히 존재하거나 부착된 잔류물을 제거하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 추가적인 일 양태에 따르면, 상기 방법은 중간 챔버 내부에서 금속 스트립이 가압 가스의 스트림을 받게 함으로써 금속 스트립 상에 여전히 남아있는 잔류물이 제거되는 단계를 포함한다. 이러한 가압 가스의 스트림은 금속 스트립 상에 여전히 존재하는 잔류물을 제거하는 데에 효과적일 뿐만 아니라, 금속 스트립을 효과적으로 냉각시키는 데에도 사용될 수 있다. 이것은, 두꺼운 산화물층이 제거되고 그 결과로서 금속 스트립 온도가 상당히 증가된 경우에 특히 필요하다.
상기 기계적 세정은 세정 챔버에서 또는 중간 챔버에서 행해진다. 바람직하게는, 금속 스트립은 중간 챔버 내부에서 기계적으로 세정되며, 이것은 상기 가스 베어링 로크의 진공 펌프 시스템을 이용한 잔류물의 쉬운 제거를 가능하게 한다.
상기 방법은 코팅이 적용되기 이전에 금속 스트립이 활성화되는 단계를 추가로 포함한다. 사실 금속 스트립의 활성화는 금속 스트립의 저강도 세정이다. 이러한 처리는 Zn-Mg 코팅과 같은 일부 Zn-계 코팅에 충분한 접합 특성을 표면에 제공하기 위해 필요하다. 금속 스트립의 표면의 활성화는 중간 챔버 내에서 또는 증착 챔버 내에서 일어날 수 있다. 상기 활성화는 야기되는 잔류물이 거의 없는 저강도 세정 단계이기 때문에, 증착 챔버에서의 활성화가 허용된다. 상기 활성화는 코팅이 금속 스트립 상에 적용되는 위치에 가까이서 행해지는 것이 중요하다. 따라서 활성화 단계가 증착 챔버에서 또는 중간 챔버에서 수행되는지는 중간 챔버 및 증착 챔버의 규모에 따라 달라질 수 있다.
본 발명은 금속 스트립을 세정 및 코팅하기 위한 장치를 추가로 제공하며:
- 증착 챔버,
- 상기 금속 스트립이 상기 장치에 출입하기 위한 입구 및 출구에 있는 에어 로크들,
- 금속을 가열하고 코팅 증기를 발생시키기 위한 증기 챔버,
- 상기 코팅 증기를 상기 금속 스트립에 조향하기 위한 하나 이상의 구멍을 갖는 증기 분배부,
- 상기 증기 분배부에 연결되는 공간을 부분적 또는 전체적으로 둘러싸고, 개방된 측면이 코팅될 금속 스트립을 향하는 후드,
- 상기 후드를 가열하기 위한 가열 수단, 및
- 상기 증기 챔버를 상기 증착 챔버 내의 상기 증기 분배부에 연결하는 연결 수단을 포함하고,
상기 장치는 상기 금속 스트립을 세정하기 위한 플라즈마 세정 장치를 구비한 세정 챔버를 포함하고, 상기 세정 챔버는 상기 코팅 증기가 상기 금속 스트립에 적용되는 상기 증착 챔버에 연결된다.
본 발명의 추가적인 일 양태에 따르면, 세정 챔버는 세정 챔버를 통해 가스 스트림을 제공하고 0.01 - 100 mbar 범위, 바람직하게는 0.1 - 50 mbar 범위의 압력을 유지하기 위한 수단을 구비한다. 이 압력 범위 내에서 세정함으로써, 금속 스트립이 증착 챔버에 들어가기 전에 금속 스트립의 세정으로부터 초래되는 잔류물을 제거하기 위해 상기 가스 스트림이 세정 챔버를 통해 유지될 수 있다. 동시에 원하는 압력이, 특히 상기 압력 범위의 더 높은 부분 내에서, 고진공 목적으로 특별히 설계된 펌프의 필요 없이 다소 쉽게 유지될 수 있다. 이 실시예에서, 세정 챔버는 증착 챔버에 직접적으로 연결될 수 있다. 양쪽 챔버들이 대략 동일한 압력에서 작동되는 경우, 연결부는 단순한 슬릿형 개구일 수 있다. 압력 차이가 있는 경우, 챔버들 사이의 어떤 압력 균등화를 막기 위해 에어 로크 또는 가스 베어링 로크가 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 추가적인 일 실시예에서, 세정 챔버와 증착 챔버 사이의 연결부는 에어 로크를 양 측면에 구비한 중간 챔버를 포함한다. 이러한 중간 챔버에 의해, 세정 챔버와 증착 챔버 사이의 임의의 압력 차이가 어려움 없이 유지될 수 있다. 또한, 이러한 중간 챔버의 사용에 의해, 예컨대 세정 작업으로부터 초래되는 잔류물과 같은 세정 챔버로부터의 대부분의 어떤 오염이 증착 챔버에 도달하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 추가적인 일 실시예에서, 상기 에어 로크들 중 하나 이상은 가스 펌핑 수단에 연결된 하나 이상의 홈통 및 가스 공급 수단을 구비한 하나 이상의 가스 투과형 베어링 표면을 구비하는 가스 베어링 로크이다. 상기 홈통들 및 펌핑 수단에 의해, 상기 베어링 부분들로부터 오는 가스가 제거되고 특정 압력이 유지된다.
중간 챔버를 갖는 구성에서, 적어도 세정 챔버 측에 있는 가스 베어링 로크는 가스 투과형 표면에 앞서는 하나 이상의 홈통을 구비한다. 베어링 부분에 앞서는 홈들에 의해, 상기 세정 작업으로부터 나오는 잔류물의 적어도 일부는 중간 챔버에 들어가기 전에 제거될 수 있다.
추가적인 일 양태에서, 상기 홈통들 및 가스 투과형 베어링 표면들은 홈통들 및 베어링 표면들의 대향하는 쌍들로 제공된다. 이러한 가스 베어링 로크의 대향하는 베어링 부분들로부터 나오는 가스에 의해, 금속 스트립은 두 베어링 부분들의 표면으로부터 일정 거리에 유지되고 금속 스트립은 스트립의 어느 한 면이 가스 베어링 로크와 접촉하지 않고 가스 베어링 로크를 통과한다.
홈통들 및 가스 투과형 표면들의 대향하는 쌍들을 갖는 가스 베어링 대신에, 스트립의 한 면에 롤(roll)을 갖고 스트립의 다른 면에 다수의 홈통들 또는 다수의 홈통들 및 가스 투과형 표면들을 갖는 구성을 이용하는 것 또한 가능하다. 이러한 구성은 임의의 가능한 잔류물이 이미 스트립으로부터 제거된 지점인 중간 챔버와 증착 챔버 사이에서 적절하다.
본 발명에 따르면, 금속 스트립 상에 여전히 존재하거나 접착되어 있는 임의의 잔류물을 기계적으로 제거하기 위해, 대향하는 가스 투과형 표면들의 연속하는 쌍들 사이의 대향하는 홈통들의 하나 이상의 쌍의 위치에 브러시가 제공된다.
본 발명의 추가적인 일 양태에서, 가압 가스 공급이 제공되고, 가압 가스의 스트림을 금속 스트립의 표면에 안내하기 위한 수단이 중간 챔버 내부에 제공된다. 이러한 가압 가스의 스트림은 금속 스트립 상에 여전히 존재하는 잔류물을 제거하는 데에 효과적일 뿐만 아니라 금속 스트립을 효과적으로 냉각시키는 데에도 사용될 수 있다. 이것은 두꺼운 산화물층이 스트립으로부터 제거되고 그 결과로서 온도가 상당히 증가한 경우에 특히 필요하다.
가압 가스 공급의 스트림 옆에는, 공급된 가압 가스 또는 공급된 가압 가스와 잔류물을 함께 제거하기 위해 하나 이상의 배출 채널이 제공된다.
중간 챔버와 증착 챔버 사이에 있는 가스 베어링 로크에서 중간 챔버 및 증착 챔버 내부로부터의 압력 전이가 일어난다. 동시에, 세정 작업으로부터의 임의의 잔류물이 여전히 이 단계에 도달하는 경우, 잔류물은 증착 챔버로 들어가기 전에 제거될 것이다. 이 점에서, 특히 중간 챔버와 증착 챔버 사이에 작은 압력 차이만 있는 경우라면 표준 에어 로크가 사용될 수 있을 것이다.
아래 도면들을 참조하여 본 발명이 추가로 설명된다.
도 1은 증착 챔버 오염을 증기 수율 및 코팅 두께의 함수로서 도시한다.
도 2는 증착 챔버 오염을 산화물층 두께의 함수로서 도시한다.
도 3a는 세정 챔버 및 증착 챔버의 배치(lay-out)를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 중간 챔버의 대향 측면들에 상이한 에어 로크를 갖는다.
도 3c는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 중간 챔버의 대향 측면들에 가스 베어링 로크를 갖는다.
도 4a는 세정 챔버와 증착 챔버 사이의 가스 베어링 로크를 통과하는 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 중간 챔버의 대향하는 가스 베어링 로크를 통과하는 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4c는 중간 챔버 내에 브러시가 구비된 가스 베어링 로크를 통과하는 섹션을 개략적으로 도시한다.
도 5는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 금속 스트립을 활성화시키기 위한 수단을 증착 챔버 내에 갖는다.
도 6은 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 가스 베어링 로크 및 이중 코팅 시스템을 갖는다.
도 7은 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 코팅이 금속 스트립에 적용되는 공간을 가열하기 위한 가열 수단이 증착 챔버의 벽에 통합되어 있다.
도 1은 증착 챔버 오염을 증기 수율 및 코팅 두께의 함수로서 도시한다.
도 2는 증착 챔버 오염을 산화물층 두께의 함수로서 도시한다.
도 3a는 세정 챔버 및 증착 챔버의 배치(lay-out)를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 중간 챔버의 대향 측면들에 상이한 에어 로크를 갖는다.
도 3c는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 중간 챔버의 대향 측면들에 가스 베어링 로크를 갖는다.
도 4a는 세정 챔버와 증착 챔버 사이의 가스 베어링 로크를 통과하는 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 중간 챔버의 대향하는 가스 베어링 로크를 통과하는 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4c는 중간 챔버 내에 브러시가 구비된 가스 베어링 로크를 통과하는 섹션을 개략적으로 도시한다.
도 5는 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 금속 스트립을 활성화시키기 위한 수단을 증착 챔버 내에 갖는다.
도 6은 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 가스 베어링 로크 및 이중 코팅 시스템을 갖는다.
도 7은 세정 챔버, 중간 챔버, 및 증착 챔버의 배치를 개략적으로 도시하며, 코팅이 금속 스트립에 적용되는 공간을 가열하기 위한 가열 수단이 증착 챔버의 벽에 통합되어 있다.
(시험예 1)
이 실시예는 활성화되고 세정된 스트립에 대한 에어 베어링(air bearing)의 영향을 조사하기 위해 행해진 시험을 개시한다. 이를 위하여, 상기 스트립은 200 kJ/m2의 전력 밀도에서 작동하는 마그네트론 스퍼터링 유닛을 사용하여 5·10-4 mbar의 작동 압력의 롤투롤(roll to roll) 배치 챔버(batch chamber)에서 우선 세정되었다. 마그네트론 스퍼터 유닛은 스트립을 세정/활성화하고 가열하기 위해 사용되었다. 세정 및 활성화 관점에서 >40 kJ/m2의 세정 밀도는 충분하다. 세정 후에, 상기 강철 스트립은 코일로 형성되고 챔버 내 압력은 아르곤, 질소 또는 건조 공기로 0.1 내지 5 mabr의 범위에 있는 압력까지 증가된다. 이것은, 증착 챔버를 통과하는 가스 흐름을 최대화하기 위해 부스터 및 루츠 펌프(roots pump)가 아직 작동 중인 동안 행해진다. 그리고 나서, 상기 코일이 풀려서 이 증가된 기압에서 일정 기간 진행하고 그 결과 가스 원자들이 스트립 상에 충돌하며, 활성화된 스트립이 가스 베어링 로크를 통과할 때도 같은 현상이 발생할 것이다. 마지막으로, 동일한 기압에서, 3 마이크론의 아연 및 아연-마그네슘 코팅이 스트립 상에 피착된다. 이러한 샘플들의 접착은 크래쉬 접착 테스트(crash adhesion test)(BMWAA-M223)를 사용하여 시험된다. 그 결과는, 5·10-4 mbar에서 스퍼터링하고 이 압력에서 상기 세정/활성화된 강철 스트립을 직접 코팅한 후에 생성된 샘플들의 접착 시험과 비교된다. 시험 결과를 통해, 마그네슘 함유 코팅의 경우, 접착이 약화되고 허용할 수 있는 접착이 얻어질 수 없다는 것을 알 수 있다. 아연 함유 코팅의 경우, 접착은 모든 시험 샘플들에서 양호했으며 가스 원자들과의 접촉이 아연 코팅의 접착 거동을 바꾸지 않는다.
도 1에는, 증착 챔버 오염이 증기 수율 및 코팅 두께의 함수로서 도시되어 있다. 코팅 오염은 발생된 증기의 질량 흐름(mass flow), 캠페인 길이(campaign length) 및 증기 수율에 비례한다. 도 1의 그래프에서는, 120 m/분의 속도로 진행하는 1.0 m 너비의 스트립이 0 내지 2.5 마이크론 사이에서 가변하는 아연 코팅으로 양쪽 면이 코팅되는 것을 가정하여 계산되었다. 증기 수율은 99 내지 100 % 사이 어딘가에 있는 것을 가정하였다. 증착 챔버의 오염은 litres/week로 주어진다. 장치를 연속 또는 반연속 작동에 적합하게 만드는 낮은 오염 값을 얻기 위해서는 증기 수율이 매우 높아야 한다는 것을 도면의 그래프를 통해 알 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 이점은 증기 분배 상자의 적용이며, 상기 증기 분배 상자에 의해 ≥99%의 증기 수율이 실현될 수 있고, 상기 수율은 가열 채널의 사용으로 추가로 향상될 수 있을 것이다. 이러한 가열 채널에 의하면, 초기에 스트립에서 튀어오르는 금속 코팅 원자들에는 금속 스트립 상에 응축할 두 번째 기회가 주어진다. 본 개시에서, 용어 "가열 채널(heat channel)"은 용어 "후드(hood)", "가열된 후드" 및 "가열 상자"와 상호교환적으로 사용되며, 이들 모두는 코팅될 금속 스트립과 증기 분배부를 연결하는 공간을 형성하는 엔벨로프(envelope)를 의미하게 된다. 이러한 엔벨로프에 의하면, 상기 증기 분배부로부터의 증기 흐름은 스트립 표면에 곧바로 향하는 흐름 방향으로 대체로 제한된다. 금속 스트립이 양면 코팅되는 경우, 금속 스트립의 양쪽면 상의 "후드"는 바람직하게는 상자를 형성하도록 연결되며, 상기 상자는 금속 스트립을 위한 입구 및 출구 슬릿을 구비한다.
도 2의 그래프는, 적절한 금속 코팅 접착을 위해 식각될 필요가 있는 산화물층의 두께의 함수로 증착 챔버 오염을 도시하고 있다. 금속 스트립 상의 산화물층은 저 합금강에 대해 1 내지 50 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 고급 고강도 및 초고강도 강철의 경우에, 산화물층 두께는 수십 내지 수천 나노미터일 수 있다. 도 2에서의 챔버 오염은, 10 nm의 산화물층에 대해 플라즈마 세정으로 인한 오염이 이미 20-30 litres/week라는 것을 보여준다. 이것으로부터 분명히 알 수 있는 것은, 금속 스트립의 세정으로부터 초래된 잔류물이 충분히 제어되지 않는 경우, 가열 상자 및 더 높은 진공 압력을 사용하여 증착 챔버 오염을 제어하는 것은 제한된 효과만을 갖는다는 것이다.
도 3a에는, 세정 챔버(2) 및 증착 챔버(4)를 포함하는 장치(1)의 배치가 개략적으로 도시되어 있다. 세정 챔버(2)의 입구 및 증착 챔버(4)의 출구에는 에어 로크(5, 6)가 설치되고, 세정 챔버(2)와 증착 챔버(4) 사이에는 가스 베어링 로크(7)가 설치되어 있다.
세정 챔버(2) 내에는, 전기 아크 방전 수단 또는 유전체 배리어(barrier) 방전 수단과 같은 플라즈마 세정 수단들(9, 10)이 제공되어 있다. 마그네트론 스퍼터링에 의한 세정 또한 가능하지만, 바람직하게는 다른 세정 기술들도 이용되는데, 왜냐하면 다른 세정 기술들이 마그네트론 스퍼터링보다 훨씬 더 높은 진공 압력에서 작동될 수 있기 때문이다. 이러한 기술들은 0.01 - 100 mbar 범위의 압력에서 그리고 훨씬 더 높은 압력에서 이용될 수 있다.
세정 챔버(2)는 세정 챔버(2)에 가스를 공급하기 위한 가스 유입구(15), 및 세정 챔버(2)로부터 상기 가스를 제거하기 위한 펌핑 수단을 구비하며, 이것에 의해, 세정 작업으로부터 초래된 잔류물을 세정 챔버(2)로부터 제거하기 위해 세정 챔버(2)를 통과하는 충분한 가스 흐름이 실현된다. 가스의 공급은, 특정 압력이 세정 챔버(2) 내부에 유지되도록 제한된다. 사용되는 가스는 건조 공기, 질소 또는 아르곤일 수 있다. 도 3a의 구성에서, 세정 잔류물과 함께 가스를 제거하는 펌핑 수단은 가스 베어링 로크(7)와 연관된 펌핑 수단이다.
증착 챔버(4) 내에는, 금속 스트립(11)(예를 들어, 강철 스트립)의 양면 상에 증기 분배부(12)가 제공되어 있다. 증기 분배부(12)에는 금속 스트립(11)의 전체 너비를 커버하는 슬릿 및/또는 노즐이 제공된다. 증기 분배부(12)에 후드(13)가 연결되고 후드를 가열하기 위해 가열 수단(14)이 제공된다. 금속 스트립(11)의 양면이 코팅된다면, 양쪽의 후드(13)는 바람직하게는 서로 연결되어 상자를 형성하며, 여기서 상자는 금속 스트립을 위한 입구 및 출구 슬릿을 구비한다.
코팅 증기를 발생시키기 위해 금속이 가열되는 증기 챔버(도면에 도시되지 않음)는 증기 분배부(12)에 연결된다. 증기 분배부(12)는 증기가 음속으로 노즐을 통해 증기 분배부(12)를 떠나도록 작동된다. 가열 상자에의 증기의 피착을 감소시키기 위해 상기 후드 또는 가열 상자가 가열된다. 오염이 발생하지 않도록 확실히 하기 위해, 가열 상자 또는 후드 내 증기의 압력에 상응하는 상기 피착된 재료의 포화 증기 온도와 같거나 더 높은 온도까지 후드 또는 가열 상자가 가열된다. Zn-코팅 시, 후드 또는 가열 상자는 330 내지 580℃의 온도 범위에서 가열되며, 이것은 0.01 내지 10 mbar의 증기 압력과 일치하는 대략적인 Zn 온도 범위이다. 가열 상자의 정확한 온도는 또한 최대 허용 가능한 스트립 온도에 의해 결정될 것이다.
도 3b에는 세정 챔버(2), 중간 챔버(3) 및 증착 챔버(4)를 포함하는 장치(1)의 배치가 개략적으로 도시되어 있다. 중간 챔버(3)의 입구 및 출구에는 각각 가스 베어링 로크(7) 및 에어 로크(8)가 제공되어 있다. 중간 챔버(3)를 제공함으로써, 그것에 의해 임의의 잔류물이 증착 챔버(4)로 들어갈 가능성을 제한하여, 세정 작업으로부터 나오는 잔류물의 제거가 개선될 수 있다. 스트립이 중간 챔버(3)의 출구에 도달하기 전에, 잔류물의 전부는 아니더라도 대부분이 제거되기 때문에, 종래의 에어 로크(8)는 출구에서 사용될 수도 있다.
종래의 에어 로크에 의하면, 스트립(11)은 롤(rolls)을 갖는 하나 이상의 섹션을 통과해야 하며, 스트립 상의 또는 스트립에 접착하고 있는 잔류물이 여전히 존재하는 경우, 잔류물이 말려 들어가서 최종 제품에 어떤 표면 결함을 야기할 수 있다. 도 3c에 따른 구성에 의하면, 가스 베어링 로크(7, 8)가 중간 챔버(2)의 입구 및 출구에 제공되므로, 이 문제를 회피할 수 있다.
도 4a는 세정 챔버(2)와 증착 챔버(4) 사이에 있는 가스 베어링 로크(7)를 통과하는 단면을 도시한다. 도면에는, 단순화를 위해 가스 베어링 로크의 상반부만 도시되어 있다. 가스 베어링 로크(7)에는 중심 가스 베어링 부분(17)의 양쪽에 다수의 대향하는 홈통 쌍(16, 21)이 제공되어 있다. 홈통들(16)을 통해서 세정 챔버(2)의 가스가 제거되어 세정 챔버 내부를 특정 압력으로 유지하며, 동시에 가스 베어링 부분(17)을 통해 오는 가스의 일부가 제거된다. 가스 베어링 부분(17)의 다른 쪽의 홈통들(21)도 역시 가스 베어링 부분(17)을 통해 오는 가스의 일부를 제거하기 위해 및 증착 챔버(4) 내부를 특정 진공 압력으로 유지하기 위해 이용된다.
도 4b에는 중간 챔버(3)의 입구 및 출구에 있는 가스 베어링 로크(7, 8)를 통과하는 단면이 도시되어 있다. 가스 베어링 로크(7)는 다수의 대향하는 홈통들(16)을 가지며, 이것들을 통해서 세정 챔버(2)의 가스와 가스 베어링 부분(17)을 통과하여 오는 가스의 일부가 제거된다. 홈통들(16)을 통한 가스 제거를 통해 세정 작업으로부터의 잔류물의 적어도 일부는 세정 챔버 내부를 일정 압력으로 유지하면서 제거된다. 중간 챔버(3)의 출구에 있는 가스 베어링 로크(8)는 대향하는 가스 베어링 부분들(20) 및 다수의 대향하는 홈통들(21)과 유사한 디자인을 갖는다. 이들 홈통들(21)은 가스 베어링 부분(20)을 통과하여 오는 가스의 일부분을 제거하고 증착 챔버(4)의 내부 압력을 조절하기 위한 것이다. 최종 홈통(21)을 통과한 뒤에, 금속 스트립은 증착 챔버(4)로 들어간다.
중간 챔버의 내부에는 가압 가스 공급(pressurised gas supply)(19)이 제공되며, 이것은 여전히 스트립(11)의 표면에 있는 임의의 잔류물을 제거하기 위해 사용된다. 상기 가압 가스 공급은 스트립의 너비에 걸쳐 연장하는 긴 슬릿 또는 다수의 노즐을 포함할 수 있다. 스트립으로부터 잔류물을 제거하기 위한 이 방식은 중간 챔버 내에 많은 가스를 유입하며, 이 가스를 제거하기 위해 배출 채널들(18, 18')이 가압 가스 공급부(19)의 양측에 제공된다. 사용된 가압 가스 공급의 제거를 향상시키기 위해 필요한 만큼 펌핑 수단이 제공될 수 있다. 상기 사용된 가스와 함께, 스트립에서 이탈된 잔류물이 제거된다. 이들 배출 채널들(18, 18')을 통해서, 가스 베어링 부분(17, 20)을 통과하여 오는 가스의 일부분이 또한 제거된다. 배출 채널(18)을 통해서 제거되는 잔류물의 양은, 세정 챔버(2)와 관련된 위치 때문에, 배출 채널(18')을 통해서 제거되는 양보다 더 클 수도 있다.
홈통들(16, 21), 배출 채널들(18, 18'), 및 가스 베어링 부분들(17, 20)은 금속 스트립(11)의 너비를 가로질러 계속된다.
가압 가스 공급부(19)를 통해서 공급된 가스는 또한 스트립을 냉각시키기 위해 사용될 수도 있다. 스트립의 냉각은, 세정 작업의 결과로서 스트립의 온도가 스트립 상에 코팅을 적용하기에 아직 허용할 수 있는 온도보다 상승한 경우 또는 스트립의 특성이 바뀔 정도로 온도가 상승한 경우에 필요할 것이다.
도 4c는, 대향하는 가스 투과형 표면(17)에 잇따라 한 쌍의 대향하는 배출 채널(18)의 쌍의 위치에 브러시(brush)가 제공되어 있는 일 실시예에서, 도 4b의 가스 베어링 로크(7)의 상반부를 도시한다. 브러시(22)에 의해, 금속 스트립(11)의 표면에 여전히 존재하거나 접착되어 있는 임의의 잔류물이 제거될 수 있다. 홈통(18)의 측면(23)은 브러시(22)로부터 잔류물을 제거하여 브러시를 깨끗하게 유지하는 스크레이퍼(scraper)로서 사용된다.
도 5는, 금속 스트립의 표면을 활성화하기 위한 활성화 수단(24)이 증착 챔버(4) 내에 제공되어 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 이것은 Zn-Mg 코팅과 같은 일부 금속 코팅이 금속 스트립에 대해 코팅의 충분한 접착력을 얻기 위해 필요하다. 스트립의 활성화를 위해서 마그네트론 스퍼터링, 글로우 방전 또는 유전체 배리어 방전이 이용될 수 있다. 전기 아크 방전 또한 이용될 수 있지만, 제공되는 에너지 수준이 목적에 필요한 것보다 훨씬 더 많다.
도 6에는, 모든 입구 및 출구에 가스 베어링 로크(5', 7, 8, 6')가 설치되어 있는 구성이 도시되어 있다. 추가로 2개의 증기 분배부(12, 12')가 설치되어 있으며, 이것은 코팅층들을 서로 위에 예컨대 Zn 코팅층에 이어서 Zn-Mg 코팅층을 적용하는 것을 허용한다. 중간 챔버(3)에는 활성화 수단(24)이 제공되어 있으며, 이것은 이 구성에서 제1 증기 분배부(12)에 충분히 가깝다.
도 7은, 증착 챔버(4)의 벽들이 후드 또는 가열 상자(13)를 형성하는 구성을 개략적으로 도시하며, 증착 챔버(4)의 벽들에는 가열 수단(14)이 통합되어 있다. 이 통합된 구성은 소형의 증착 챔버(4)/가열 상자(13)를 형성하는 것을 허용한다. 이렇게 결합된 증착 챔버(4)/가열 상자(13)에 의하면, 증기 분배 상자(12)에 충분히 가까운 활성화 수단(24)이 필요에 따라 중간 챔버(3) 내에 제공된다.
완전한 증착 챔버가 가열 상자로서 형성되는 것을 제공하는 대신에, 금속 스트립의 한 면에 대향하는 증착 챔버의 부분만이 가열된 후드로서 형성되는 것을 제공하는 것도 또한 가능하다. 이것은 한 면만 코팅될 금속 스트립을 위한 적절한 실시예일 것이다.
Claims (17)
- 금속 스트립을 세정 및 코팅하는 방법에 있어서,
코팅을 적용하기 전에 상기 금속 스트립을 세정하는 단계,
증기 챔버 내에서 재료를 가열함으로써 코팅 증기를 발생시키는 단계, 및
상기 증기 챔버에 연결된 증기 분배부를 통해 증착 챔버 내에서 상기 코팅 증기를 상기 금속 스트립 상에 적용시키는 단계를 포함하고,
상기 코팅은 가열된 상자 내에서 적용되며,
상기 금속 스트립은 상기 증착 챔버에 연결된 세정 챔버 내에서 세정되며, 상기 세정 챔버 내 압력은 0.01 - 100 mbar의 범위로 유지되고, 상기 증착 챔버 내 압력은 0.01 - 10 mbar의 범위로 유지되는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 스트립은 플라즈마 세정 기술을 사용하여 세정되는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 금속 스트립이 상기 증착 챔버 내로 들어가기 전에 상기 금속 스트립의 세정으로부터 초래되는 잔류물을 제거하기 위해 가스 스트림이 유지되는, 세정 및 코팅 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 가스 스트림은 상기 세정 챔버와 상기 증착 챔버 사이에 있는 가스 베어링 로크를 사용함으로써 유지되는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세정 챔버와 상기 증착 챔버 사이에 중간 챔버가 제공되고,
상기 중간 챔버를 상기 세정 챔버 및 상기 증착 챔버에 연결하는 가스 베어링 로크를 구비하는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 스트립은 상기 증착 챔버에 들어가기 전에 기계적으로 세정되는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 스트립은 상기 중간 챔버 내부에서 가압된 가스의 스트림을 받는, 세정 및 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스트립은 상기 코팅을 적용하기 전에 활성화되는, 세정 및 코팅 방법. - 금속 스트립을 세정 및 코팅하는 장치에 있어서:
증착 챔버,
상기 금속 스트립이 상기 장치에 출입하기 위한 입구 및 출구에 있는 에어 로크들(air locks),
금속을 가열하고 코팅 증기를 발생시키기 위한 증기 챔버,
상기 코팅 증기를 상기 금속 스트립에 조향하기 위한 하나 이상의 구멍을 갖는 증기 분배부,
상기 증기 분배부에 연결되는 공간을 부분적 또는 전체적으로 둘러싸고, 개방된 측면이 코팅될 금속 스트립을 향하는 후드,
상기 후드를 가열하기 위한 가열 수단, 및
상기 증기 챔버를 상기 증착 챔버 내의 상기 증기 분배부에 연결하는 연결 수단을 포함하고,
상기 장치는 상기 금속 스트립을 세정하기 위한 플라즈마 세정 장치를 구비한 세정 챔버를 포함하고,
상기 세정 챔버는 상기 코팅 증기가 상기 금속 스트립에 적용되는 상기 증착 챔버에 연결되는, 세정 및 코팅 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 세정 챔버는, 상기 세정 챔버를 통과하는 가스 스트림을 제공하고 0.01 내지 100 mbar의 진공 압력을 유지하기 위한 수단을 구비하는, 세정 및 코팅 장치. - 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 세정 챔버와 상기 증착 챔버 사이의 연결부에 에어 로크를 포함하는, 세정 및 코팅 장치. - 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세정 챔버와 상기 증착 챔버 사이의 연결부에 중간 챔버를 포함하고,
상기 중간 챔버는 대향하는 측면들에 에어 로크를 구비하는, 세정 및 코팅 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 에어 로크들 중 하나 이상은 가스 베어링 로크이며,
상기 가스 베어링 로크는 가스 펌핑 수단에 연결된 하나 이상의 홈통 및 가스 공급 수단을 구비한 하나 이상의 가스 투과형 베어링 표면을 가지는, 세정 및 코팅 장치. - 제 13 항에 있어서,
적어도 상기 세정 챔버 측에 있는 상기 가스 베어링 로크는 가스 투과형 표면에 앞서는 하나 이상의 홈통을 구비하는, 세정 및 코팅 장치. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 홈통들 및 상기 가스 투과형 베어링 표면들은 홈통들 및 베어링 표면들의 대향하는 쌍들로 제공되는, 세정 및 코팅 장치. - 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
가압 가스 공급이 제공되고,
가압 가스의 스트림을 상기 금속 스트립의 표면에 안내하기 위한 수단이 상기 중간 챔버 내부에 제공되는, 세정 및 코팅 장치. - 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간 챔버 또는 상기 증착 챔버 내에 플라즈마 활성화 장치가 제공되는, 세정 및 코팅 장치.
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