KR20180050756A - 입자를 사용한 기판 코팅 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 장치 - Google Patents

입자를 사용한 기판 코팅 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 장치 Download PDF

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KR20180050756A
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폰 아르덴네 아세트 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은, 하기 방법 단계를 진공에서 수행하는, 입자로 기판을 코팅하는 방법에 관한 것이다: 기판 표면을 코팅해야 하는 고체 입자가 배치되는 영역의 방향으로 진공에서 코팅되어야 하는 기판(7)의 기판 표면을 위치시키는 단계; 및 정전 하전에 의해 발생된 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위하여 고체 입자를 기판(7)의 기판 표면의 방향으로 가속하도록 하는 방식으로, 고체 입자를 정전 하전시키기 위하여 전자를 고체 입자 내로 도입하는 단계. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 장치는 입자 용기, 기판 홀더 및 전자 공급원을 갖는다.

Description

입자를 사용한 기판 코팅 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 장치
본 발명은 진공 조건하에서 기판을 입자로 코팅하기 위한 목적에 이용될 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
입자는 nm 및 ㎛ 범위의 입자 크기(입경)를 갖는 소립 물질을 가리킨다. 이는 일반적으로 수 ㎛의 입경까지의 분말, 및 ㎛ 범위의 입경의 과립을 둘 다 포함한다.
입자로 처리되거나 코팅된 표면은 다양한 분야에서 공지되어 있고, 매우 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 분말 코팅에 의한 표면 보호 및 표면 업그레이드가 알려져 있다. 높은 경도 또는 내마모성의 표면을 획득하기 위하여, 분말 형태로 가해지는 첨가제와 표면을 합금시킨다.
리튬 이온 배터리 생산의 경우, 20㎛ 내지 수백 ㎛의 층 두께를 갖는 다공성 활성 물질이 전극용으로 필요하고, 이는 리튬 이온의 삽입(intercalation)에 필요하다. 연료 전지의 생산에 사용되는 기체 확산 층(GDL)은 높은 동시에 미세하게 분포되는 기체 투과율을 갖는다. 본원에서는 기체 분포 용량, 전기 전도율 및/또는 발수성을 증가시키기 위하여 기체 확산 층을 미세다공성 층 형태로 가공할 필요가 있다.
획득되어야 하는 표면 또는 층 두께에 따라, 처리되거나 코팅되어야 하는 표면에 분말을 가하는 다양한 방법이 공지되어 있다. 흔히는, 습식-화학적 수단 또는 기계적 수단에 의해 분말을 결합제와 혼합하고, 예컨대 분무, 슬롯-다이 코팅, 스크린 인쇄 또는 소위 회전-코팅에 의해 표면에 가한 다음, 후속 공정에서 건조시킨다. 복합적인 습식-화학적 생산 공정에서의 장애는 집괴(agglomerate)를 형성하는 경향 및 기체 혼입 경향, 요구되는 순도를 제공하는데 수반되는 복잡함, 이용되는 건조 및 용매, 표면 내에 혼입되는 결합제 잔류물, 통상적으로는 중합체 쇄이며, 이들은 층의 전기적 특성에 불리하게 영향을 준다.
리튬 이온 배터리의 전극에 있어서, 결합제 잔류물은 전극 층의 입자 사이에서 만족스럽지 못하게 높은-오옴(ohm) 전달 저항성을 야기한다. 표면 업그레이딩 또는 다공성 활성 물질의 생산을 위한 공지의 PVD 방법(예컨대, 스퍼터링 또는 열 증발)에서는 층 두께 및/또는 층 구조와 관련하여 한계가 있거나, 이들은 너무 비효율적이어서 산업적인 규모에서 요구되는 특성을 달성할 수 없다.
다양한 실시양태에서, 예시적으로 건조 코팅을 가능케 하는 방법 및 장치를 제공한다. 다양한 실시양태에서는(예를 들어, 코팅시에, 즉 코팅하는 동안), 액체 용매 또는 액체 결합제가 요구되지 않는다. 달리 말해, 건조 방식으로(즉, 임의의 액체 없이) 코팅(즉, 층의 형성)을 수행할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 표면 상에 입자 물질(고체 입자)을 가하기 위한 방법 및 이 목적으로 사용될 수 있는 장치를 제공한다. 방법 및 장치는 유전성 물질을 비롯한 다양한 물질을 가하는데, 또한 다공성 구조를 비롯한 다양한 층 구조를 달성하는데 적합해야 한다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리의 애노드 및 캐쏘드의 활성 물질은, 예컨대 약 30% 내지 약 40% 또는 약 40%를 넘는 공극률을 갖는 필요한 다공성 구조를 갖도록 생성될 수 있어야 한다.
예를 들어, 박막 리튬 이온 배터리의 고체 전해질은 필요한 불침투성 층으로 생성될 수 있어야 한다.
예를 들어, 예시적으로 충분히 높은 전기 전도율(예컨대, 약 106지멘스/m보다 높음) 및/또는 높은 소수성(발수성)을 갖는 기체 확산 층(예를 들어, 미세다공성 기체 확산 층)을 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 본질적으로 비-소수성인 중합체 위브(weave) 또는 본질적으로 비-소수성인 금속 위브를 고체 입자에 의해 코팅할 수 있다. 중합체 위브 및/또는 금속 위브 상에 침착되는 고체 입자는 예시적으로 우수한 전기 전도율(예컨대, 약 106지멘스/m 정도) 및 높은 부식 보호성(이는 개선된 연료 전지 성능(예컨대, 효율)으로 이어짐)을 가능케 하는 표면 작용화 또는 표면 구조화를 제공할 수 있다. 고체 입자에 의해 형성되는 층이 발수성(소수성)일 수 있음은 명백하며, 이 경우 고체 입자에서 떨어져나오는 물은 가능한 부식 면적을 최소화하고 위브에서 정체되지 않아, 기체 유동 또는 기체 공급이 중단 없이 또한 예시적으로 매우 효과적으로 진행될 수 있다. 이것이, 물에 의해 습윤된 표면이 기체 유동을 중단시켜(예컨대, 방해하여) 전지 전압을 감소시키지 못하도록 방지할 수 있음이 명백하다.
다양한 실시양태에서, 방법은 코팅되어야 하는 기판의 기판 표면을 진공에, 또한 기판 표면을 코팅할 고체 입자가 배치되는 영역의 방향으로 위치시키는 단계; 및 정전 하전에 의해 야기되는 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위하여 기판의 기판 표면의 방향으로 이들을 가속하는 방식으로, 고체 입자를 정전 하전시키기 위해 전자(예를 들어, 1차 전자 및/또는 2차 전자)를 고체 입자 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
고체 입자 내로의 전자의 도입은 전자 공급원에 의해(예를 들어, 전자 공급원으로부터 방출되는), 예컨대 1차 전자 공급원 및/또는 2차 전자 공급원에 의해 이루어질 수 있다. 달리 말해, 고체 입자 내로 도입되는 전자는 전자 공급원으로부터 유래될 수 있다. 고체 입자 내로 도입되는 전자는 1차 전자 및/또는 2차 전자를 포함할 수 있다.
2차 전자는, 예를 들어 2차 방출에 의해 제공될 수 있다. 2차 방출(2차 전자를 형성함)은 1차 선(예를 들어, 1차 전자)에 의해 촉발되는(예컨대, 이루어지는) 표면 또는 물체(2차 전자 공급원, 예컨대 고체 조사 표적으로 일컬어짐)로부터의 전자의 방출로서 이해될 수 있다. 1차 선(예를 들어, 1차 전자 또는 1차 이온)은 2차 전자보다 더 큰 운동 에너지를 가질 수 있다. 1차 선(즉, 2차 방출을 촉발시키는 선)은, 예를 들어 x-선 또는 감마 선을 포함할 수 있거나, x-선 또는 감마 선으로부터 형성될 수 있다.
1차 전자는, 예를 들어 백열 캐쏘드(예컨대, 전자 건)에 의해 제공될 수 있다. 2차 전자는, 예컨대 1차 전자로 조사된다는 점에서, 예를 들어 2차 전자 공급원에 의해 제공될 수 있다.
전자의 도입 동안 및/또는 코팅 동안 고체 입자의 온도는 고체 입자의 물질 상태의 전이 온도(예를 들어, 증발 온도, 융점 및/또는 승화 온도) 미만일 수 있다. 따라서, 예시적으로 고체 입자가 용융, 승화, 함께 소결 또는 증발하지 못하도록 방지할 수 있다. 고체 입자가 그의 온도를 증발 온도보다 높게 올리지 않으면서 전자의 도입에 의해 정전기로 하전될 수 있음이 명백하다. 열 에너지 손실은 고체 입자의 온도에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 그의 융점 또는 승화 온도에서 한정될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 추가로 냉각될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 전자의 에너지(예를 들어, 전기 에너지 및/또는 운동 에너지), 즉 전자에 의해 도입되는 에너지는, 전자의 도입 동안 및/또는 코팅 동안 고체 입자의 온도가 물질 상태의 전이 온도 미만이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자에 의해 도입되는 에너지는 고체 입자로부터의 열 에너지 손실 미만일 수 있다.
본원과 관련하여, 고체 입자는 고체를 포함하거나 고체로부터 형성되는 입자, 즉 고체 상태로 존재하는 물질(물질이 다수개의 원자 및/또는 분자를 포함할 수 있는 경우)로서 이해될 수 있다. 고체 입자는 5nm 초과, 예를 들어 0.1nm 초과, 예컨대 1mm 미만, 예를 들어 500㎛ 미만, 예를 들어 약 10nm 내지 약 500㎛, 예를 들어 약 100nm 내지 약 100㎛, 예컨대 약 200nm 내지 약 10㎛, 또는 약 0.1㎛ 내지 약 1mm, 예를 들어 약 1㎛ 내지 약 500㎛, 예컨대 약 10㎛ 내지 약 250㎛의 크기(즉, 입경)를 가질 수 있다. 고체 입자는 예시적으로 과립상 물질 또는 분말을 형성할 수 있다. 고체 입자의 크기는, 예를 들어 모든 고체 입자에 걸쳐 평균이 구해지고/구해지거나 각 고체 입자에 대해 개별적으로 평균이 구해진 그의 평균 크기일 수 있다. 단일 고체 입자의 평균이 구해진 크기는 예시적으로 고체 입자의 부피를 갖는 구의 직경에 상응한다. 예를 들어, 고체 입자는 분말 또는 과립상 물질의 형태일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 용기 벽(예를 들어, 절연 또는 적어도 부분적으로 전기 전도성 용기 벽, 즉 적어도 일부 구역에서 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 갖는 용기 벽)을 갖는 용기 내에 배치될 수 있으며, 이 경우 고체 입자 내로의 전자의 도입은 용기 벽을 통해 간접적으로 및/또는, 예를 들어 1차 및/또는 2차 전자에 의해 직접적으로(전자 샤워로도 일컬어짐) 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고체 입자 내로의 전자의 도입은 전자 빔(예를 들어, 그의 코어), 빔 가장자리 및/또는 용기 벽과 고체 입자의 직접적인 충돌로부터 야기될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 예컨대 이전 전자 빔(1차 전자 빔이라고도 함)에 의해 방출되는 전자 빔은 빔 방향으로 유도되는(예컨대, 조준되는) 전자의 이동을 포함하거나 이러한 전자의 이동으로 이루어질 수 있다. 전자 빔의 단면에서(제트 방향에 수직인 각도에서), 예를 들어 입사 부위에서, 전자의 공간 배치 빈도(측방향 강도 분포)는 대략 가우스 분포와 유사하다. 전자 빔이 그의 코어(입사 부위에서의 실제 초점)는 물론 그를 둘러싸는 가장자리 영역(즉, 외부 쉘)(이는 빔 가장자리로도 불림)도 가짐이 분명하다. 코어의 측방향 크기는 대략 전자 빔의 측방향 강도 분포의 반 높이선 폭일 수 있다. 달리 말해, 전자 빔은 코어(빔 코어) 및 쉘(빔 쉘 또는 빔 가장자리)을 갖거나 이들로 이루어질 수 있다.
전자 도입에 전자 빔의 일부(예컨대, 빔 가장자리)만이 사용되는 경우, 고체 입자 내로 도입되는 에너지는 전자 건에 의해 방출되는 에너지 미만일 수 있다. 이는 고체 입자 내로 도입되는 에너지의 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프(피드백) 제어를 더욱 용이하게 할 수 있는데, 왜냐하면 전자 건이, 예컨대 시간에 걸쳐 일정한 에너지로 작동될 수 있거나 이것이 더 적은 정도로 변화되어야(예컨대, 요구되는 에너지 증가를 감소시켜야) 하기 때문이다.
이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 예를 들어 전자가 용기 벽에 의해 또는 2차 방출에 의해(예컨대, 2차 전자를 발생시키기 위해 입자 용기 외부에서 및/또는 입자 용기 내에서 직접적인 표적화에 의해) 전자를 분포시키는 것인데, 이는 고체 입자 내로의 전자의 도입에 의해 유발되는 전류 밀도를 감소시킨다. 따라서, 예시적으로 고체 입자의 국부적인 가열, 예를 들어 결과적으로 유발되는 국부적인 용융 또는 소결을 감소시키고/시키거나 방지할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 고체 입자 내로의 전자의 도입 동안 고체 입자로부터 전자를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이 때 제거는, 예컨대 제어 시스템에 의한 개방-루프 또는 폐쇄-루프(피드백) 제어하에 있다. 따라서, 전자의 도입에 의해 이루어지는 고체 입자의 전위(electrical potential)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프(피드백) 제어가 가능하다. 전자의 도입에 의해 고체 입자 내로 도입되는 전하의 일부가 전자의 제거에 의해 다시 제거될 수 있음이 명백하다.
다양한 실시양태에서, 제어 시스템은 피드-포워드(feed-forward) 제어 경로를 가질 수 있고, 따라서 예시적으로 입력 매개변수를 출력 매개변수로 전환하는 일련의 제어를 실행할 수 있다. 제어 경로는 다르게는 폐쇄-루프 제어가 실행되도록 폐쇄-루프 제어 회로의 일부일 수 있다. 폐쇄-회로 제어 시스템은 순수한 피드-포워드 제어와는 대조적으로 입력 매개변수에 대한 출력 매개변수의 연속적인 영향을 가지며, 이는 폐쇄-루프 제어 회로(피드백)에 의해 야기된다. 다양한 실시양태에서, 개방-루프 제어 시스템보다는 폐쇄-루프 제어 시스템을 이용할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 도입은, 예컨대 제어 시스템에 의한 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어하에 있을 수 있다. 따라서, 전자의 도입에 의해 발생하는 고체 입자의 전위의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어가 가능하다.
다양한 실시양태에서, 방법은 기판 표면을 코팅 물질(제 2 코팅 물질로도 일컬어짐)의 적어도 일부로 코팅하기 위하여 기판 표면의 방향으로 코팅 물질을 증발시키는 단계(달리 말해, 물질 증기 스트림을 발생시킴, 동시 증발이라고도 함)를 추가로 포함할 수 있으며, 이 때 코팅 물질의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅과 분리된 고체 입자의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅은 시간 및/또는 공간 면에서 중첩된다. 코팅 물질(증기 구름과 유사하게)과 고체 입자(입자 구름과 유사하게)의 일부의 적어도 부분적인 상호 침투가 존재할 수 있음이 분명하다. 그러므로, 고체 입자가 기판에 도달하기 전에 고체 입자를 코팅 물질로 코팅할 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 코팅 물질의 고체 입자로의 결합 및/또는 고체 입자의 기판으로의 결합을 달성할 수 있다. 코팅 물질의 증발은 열 증착 및/또는 스퍼터링(캐쏘드 원자화라고도 일컬어짐)을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 물질은 1차 전자로 조사될 수 있다. 임의적으로, 코팅 물질 및/또는 추가적인 용기는 고체 입자 내로 도입되는 2차 전자를 방출할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 기판 표면을 코팅 물질의 적어도 일부로 코팅하기 위하여 기판 표면의 방향으로 코팅 물질을 증발(동시 증발)시킴을 추가로 포함할 수 있으며, 이 때 코팅 물질의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅과 분리된 고체 입자의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅은 시간 및/또는 공간 면에서 서로 분리된다. 그러므로, 고체 입자가 기판에 도달한 후에 고체 입자를 코팅 물질로 코팅할 수 있다. 예를 들어, 고체 입자에 의해 형성된 층이 코팅 물질로 코팅될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 물질은 리튬-인 화합물, 예를 들어 옥시질화인리튬(LiPON) 및/또는 산화인리튬(LiPO)을 포함할 수 있다. 임의적으로, 리튬-인 화합물(예컨대, 산화인리튬, 예를 들어 LiPO 코팅 물질)은 후속해서, 예를 들어 코팅 후에, 예컨대 산소 대기 및/또는 질소 대기에 노출되거나 노출되었다는 점에서 질화 및/또는 산화될 수 있다. 예를 들어, 고체 입자는 리튬-인 화합물로 코팅될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은, 예컨대 기판과 고체 입자 사이의 전위차의 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프 제어(예를 들어, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 시스템에 의한)를 추가로 포함할 수 있다. 고체 입자가 용기 내에 배치되는 경우, 고체 입자의 전위는 용기의 전위에 상응할 수 있다. 예를 들어, 용기(예컨대, 절연된 용기)의 전위는 전자 빔 공급원의 전위에 대략 상응할 수 있거나 적어도 전자 빔 공급원의 전위의 10% 내지 100% 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 기판의 전위 및/또는 고체 입자의 전위의 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프 제어가 가능하다. 예를 들어, 기판에 인가되는 전압(즉, 기준 전위로부터의 전위차)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어가 가능하다. 다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자에 인가되는 전압(즉, 기준 전위로부터의 전위차)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어가 가능하다. 기준 전위는, 예를 들어 진공 챔버에 의해 제공될 수 있다. 다르게는, 기판과 고체 입자 사이의 전위차의 플로팅 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어도 가능하다(즉, 기준 전위와 무관하게).
전자 빔 공급원의 가속 전압은, 예를 들어 기준 전위(대지 전위라고도 불림)로부터의 전자 빔 공급원의 전위의 차이로서 이해될 수 있다. 가속 전압에 의해, 1차 전자는 고체 입자 내로 도입되기 전에, 즉 고체 입자에 도달하기 전에 가속될 수 있다.
고체 입자는 다양한 실시양태에서, 예컨대 영역을 떠날 때 음의 전하를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 전도성 기판 또는 층(예컨대, 입자 층)의 경우, 바이어스 전압(기판과 고체 입자 또는 용기 사이의 전위차)에 의해, 기판 상에서의 고체 입자의 제어되는 침착이 가능하다.
임의적으로, 층 미소구조의 특성, 예를 들어 기계적 경도, 전기 전도율, 공극률을 제어하기 위하여, 기판과 고체 입자 사이의 전위차에 의해(예컨대, 바이어스 전압에 의해) 스퍼터링 효과를 발생시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 영역으로부터 멀리 가속되는 고체 입자의 퍼짐 특징의 제어(예컨대, 제어 시스템에 의한)를 추가로 포함할 수 있다. 퍼짐 특징은 다음중 하나를 포함할 수 있다: 주요 퍼짐 방향, 주요 퍼짐 방향으로부터의 평균 편차(예를 들어, 고체 입자가 퍼지는 공간 각도), 주요 퍼짐 속도, 또는 주요 퍼짐 속도로부터의 평균 편차.
예를 들어, 주요 퍼짐 방향으로부터의 평균 편차가 감소된다는 점에서, 고체 입자의 개시시 집중(예컨대, 기계적 및/또는 전기적 수단에 의해 개시됨)이 가능하다. 다르게는 또는 추가적으로, 예컨대 주요 퍼짐 방향의 공간 프로파일을 변화시킴으로써 고체 입자의 편향이 일어날 수 있다.
주요 퍼짐 방향은 영역으로부터 멀리 가속되는 고체 입자가 시간에 걸쳐 평균상(즉, 고체 입자의 질량 중심) 영역으로부터 멀리 이동하는 방향을 가리킬 수 있다. 고체 입자(예를 들어, 다수개의 고체 입자 또는 고체 입자의 공간 분포)의 질량 중심은 고체 입자의 질량에 의해 가중된 고체 입자의 위치의 평균으로서 기재될 수 있다. 주요 퍼짐 속도는 입자가 퍼지는, 즉 평균상(즉, 고체 입자의 질량 중심) 이동하는 속도를 가리킨다. 주요 매개변수(주요 퍼짐 속도 또는 주요 퍼짐 방향)로부터의 평균 편차는 고체 입자의 질량에 의해 가중되는 주요 매개변수로부터의 표준 편차로 간주될 수 있다.
주요 퍼짐 방향과는 다르게는 또는 주요 퍼짐 방향에 덧붙여, 고체 입자의 주요 모멘텀 및/또는 주요 운동 에너지 및/또는 이들로부터의 평균 편차가 이용될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅의 제어(예를 들어, 제어 시스템에 의한)는 층 특성(층 미소구조의 특성), 예를 들어 층(입자 층)의 밀도, 층의 공극률, 층의 기계적 경도, 층의 두께, 층의 평균 공극 크기, 공극의 평균 밀도, 층의 화학적 조성, 층의 전기 전도율, 층의 기체 투과율, 층의 유전율중 하나 이상을 제어함을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅의 제어(예컨대, 제어 시스템에 의한)는 다음중 하나 이상을 포함할 수 있다: 기판 상에서 고체 입자로부터 형성되는 층을 조밀화시킴; 층의 소정 층 두께가 달성되었을 때 코팅을 중단시킴; 층을 경화시킴.
다르게는 또는 추가적으로, 코팅의 제어(예컨대, 제어 시스템에 의한)는 하나 이상의 층 특성(층 미소구조의 특성), 예를 들어 층(입자 층)의 밀도, 층의 공극률, 층의 기계적 경도, 층의 두께, 층의 평균 공극 크기, 공극의 평균 밀도, 층의 화학적 조성, 층의 전기 전도율, 층의 기체 투과율, 층의 유전율중 하나 이상에서 구배를 형성함을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 입자 층(층이라고도 일컬어짐)은 고체 입자를 포함하거나 고체 입자로부터 형성될 수 있다. 임의적으로, 입자 층은, 예컨대 고체 입자의 코팅 형태, 고체 입자-기판 화합물의 형태 및/또는 고체 입자-고체 입자 화합물의 형태로 코팅 물질을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅은 기판 및/또는 코팅될 표면의 전기적, 화학적 또는 물리적 특성을 변화시킴, 예를 들어 이들을 제어되는 방식으로 변화시킴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 소정의 힘보다 적은 힘으로(즉, 약하게) 결합된 고체 입자가 기판 또는 그 위에 형성된 층으로부터 떨어져서(제거되어) 기판으로부터 멀리 가속되도록 기판의 전위를 구성하거나 구성하였다는 점에서, 층의 경화(즉, 층의 기계적 경도 증가)를 수행할 수 있다. 따라서, 소정의 힘 이상의 힘으로 기판 및/또는 그 위에 형성된 층에 결합된, 기판에 부착된(침착된) 고체 입자만이 잔류하여, 층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 주요 퍼짐 속도를 증가시킨다는 점에서, 예를 들어 기판과 영역(예를 들어, 영역 또는 용기에 배열되는 고체 입자) 사이의 전위차를 증가시킨다는 점에서, 조밀화를 수행할 수 있다. 고체 입자가 기판 및/또는 그 위에 형성되는 층을 가격하는 더 큰 모멘텀을 가질 수 있음이 분명하다.
코팅에 의해 형성된 층은 약 10nm 초과, 예컨대 약 100nm 초과, 예를 들어 약 1㎛ 초과, 예를 들어 약 10㎛ 초과, 예컨대 약 20㎛ 초과(예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 500㎛), 예컨대 약 100㎛ 초과, 예컨대 약 1mm 초과, 예컨대 약 10mm 초과의 층 두께(즉, 기판 표면을 가로지르는 크기)를 가질 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 층은 약 1mm 미만, 예컨대 약 500㎛ 미만, 예를 들어 약 100㎛ 미만, 예컨대 약 10㎛ 미만, 예컨대 약 1㎛ 미만, 예를 들어 약 500nm 미만, 예를 들어 약 250nm 미만, 예를 들어 약 100nm 미만, 예컨대 약 50nm 미만, 예컨대 약 25nm 미만, 예컨대 약 10nm 미만, 예컨대 약 5nm 미만, 예를 들어 약 10nm 내지 약 100nm, 또는, 예컨대 약 100nm 내지 약 1㎛, 또는, 예컨대 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 또는, 예를 들어 약 10㎛ 내지 약 100㎛, 또는, 예를 들어 약 100㎛ 내지 약 1mm의 두께(층 두께)를 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 용기에는 전기 절연재가 위치(예컨대, 장착)될 수 있거나, 예를 들어 용기의 내부를 둘러쌀(즉, 층의 형태로) 수 있는 전기 절연 물질을 포함하거나 이들 물질로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 용기로부터의 전자의 제거는 감소되거나 방지될 수 있으며, 이는, 예컨대 전자의 도입을 통해 획득되는 용기의 전위(용기 전위)를 증가시킨다. 따라서, 예시적으로, 더 높은 용기 전위를 발생시킬 수 있고, 이는 다시 고체 입자의 더 높은 운동 에너지로 이어진다. 다르게는 또는 추가적으로, 더 높은 용기 전위는 고체 입자(예컨대, 분말 물질에서)의 개별화 및/또는 해응집을 촉진할 수 있다.
다르게는, 다양한 실시양태에서, 용기는 조정가능한 저항기(가변 저항기)에 의해 기준 전위, 예컨대 대지 전위로 연결될 수 있다. 제어 시스템은, 예컨대 코팅의 진행에 기초하여 및/또는 층 특성을 나타내는 조작되는 변수에 기초하여 가변 저항기의 저항 값을 설정 또는 조절하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판에는 전기 절연재가 위치할 수 있다. 이 경우, 기판으로부터의 전자 제거가 감소되거나 방지될 수 있다.
다르게는, 다양한 실시양태에서, 기판은 조정가능한 저항기(가변 저항기)에 의해 기준 전위, 예를 들어 대지 전위로 연결될 수 있다. 제어 시스템은, 예컨대 코팅의 진행에 기초하여 및/또는 층 특성을 나타내는 조작되는 변수에 기초하여 가변 저항기의 저항 값을 설정 또는 조절하도록 구성될 수 있다.
코팅 물질은 고체 입자와 상이한 연결 물질을 포함하거나 이 물질로부터 형성될 수 있다. 방법은 연결 물질을 포함하거나 이 물질로부터 제조되는 고체 입자-고체 입자 화합물을 형성시킴을 추가로 포함할 수 있다. 층은 고체 입자 및 고체 입자-고체 입자 화합물을 포함할 수 있다. 연결 물질은 기체 상태에서 고체 입자와 화학적으로 반응하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 탄화물, 예컨대 탄화티탄 및/또는 탄화규소가 형성될 수 있다).
다르게는 또는 추가적으로, 방법은 연결 물질을 포함하거나 이 물질로부터 제조되는 기판-고체 입자 화합물을 형성시킴을 추가로 포함할 수 있다. 층은 고체 입자 및 기판-고체 입자 화합물을 포함할 수 있다. 연결 물질은 기체 상태에서 고체 입자 및/또는 기판과 화학적으로 반응하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 활성 축전지(accumulator) 물질, 활성 태양 전지 물질, 촉매 물질 및/또는 고체 전해질을 포함할 수 있다.
전해질은 전기장의 영향 하에서 유도되는 방식으로 이동할 수 있도록 고체 상태(고체 전해질), 액체 상태 또는 용해된 상태에서 이온으로 해리되는 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 활성 축전지 물질은 화학적 반응하에 전하를 수용 또는 방출하는(달리 말해, 전기 에너지를 화학 에너지로 전환하고, 그 반대로도 전환하는) 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 촉매 물질은 그 자신이 소비되지 않으면서 화학 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시키는 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 활성 태양 전지 물질은 선 에너지(전자기선, 예컨대 광으로부터의 에너지)를 전기 에너지로 전환시키고 그 반대로도 전환시키는 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
고체 전해질은, 예컨대 하기 물질중 하나를 포함하거나 그로부터 제조될 수 있다: 이트륨-안정화된 지르코늄(YSZ), 이산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화이트륨(Y2O3); 옥시질화인리튬(LiPON); LiSICON(리튬 초이온 전도체) 또는 NaSICON(나트륨 초이온 전도체) 같은 초이온 전도체; 설파이드 유리. 초이온 전도체에서, 이온 전도율은 약 0.01오옴-1cm-1(예를 들어, 300K에서)보다 크고, 예를 들어 약 0.1오옴-1cm-1보다 클 수 있고/있거나, 이온 수송의 활성화 에너지는 약 1전자볼트(eV) 미만, 예를 들어 약 0.1eV 미만일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 하기 물질로부터의 하나 이상의 물질을 포함하거나 그로부터 제조될 수 있다: 금속; 전이 금속 및 산화물(예컨대, 금속 산화물 또는 전이 금속 산화물); 유전체; 중합체(예를 들어, 탄소계 중합체 또는 규소계 중합체); 옥시질화물; 질화물; 탄화물; 세라믹; 반금속(예컨대, 탄소); 페로브스카이트; 유리 또는 유리질 물질(예를 들어, 설파이드 유리); 반도체 물질(예컨대, 규소); 반도체 산화물; 반유기(semiorganic) 물질, 및/또는 유기 물질, 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드("PVDF"), 카복시메틸 셀룰로즈("CMC") 및/또는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로즈("HPMC").
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 리튬-인 화합물, 예를 들어 옥시질화인리튬(LiPON) 및/또는 산화인리튬(LiPO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 리튬-인 화합물, 예를 들어 산화인리튬(예컨대, 고체 LiPO 입자)은 후속해서, 예를 들어 코팅 후에, 예컨대 산소 대기 및/또는 질소 대기에 노출되거나 노출되었다는 점에서 산화 및/또는 질화될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자 및/또는 코팅 물질은 IV족 반도체(예를 들어, 규소 또는 게르마늄), 화합물 반도체, 예컨대 III족 내지 V족 화합물 반도체(예컨대, 비소화갈륨), III족 반도체, V족 반도체 또는 중합체를 비롯한 한 유형 또는 다양한 유형의 반도체 물질을 포함할 수 있거나 이로부터 제조될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 고체 입자 및/또는 코팅 물질은 규소(도핑되거나 도핑되지 않음)로부터 제조될 수 있다. 용어 "반도체 물질"은 반도체 기본 물질(예컨대, 규소)을 포함하거나 그로부터 제조되었고/되었거나 도핑되지 않은 상태에서 반도체인, 즉 약 10- 6지멘스/m 내지 약 106지멘스/m의 전기 전도율을 갖는 화학적 조성물을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 반도체 물질 또는 반도체 기본 물질은, 예를 들어 원소 반도체(예컨대, 규소 또는 게르마늄) 또는 화합물 반도체(예컨대, 탄화규소 또는 SiGe)를 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있다.
탄소는 하기 탄소 형태중 하나 이상을 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있다: 흑연; 비정질 탄소; 사면체 탄소; 다이아몬드-유사 탄소; 풀러렌; 다이아몬드; 탄소 나노튜브; 비정질 사면체 탄소; 및/또는 단결정질 탄소, 예컨대 나노결정질 흑연. 임의적으로, 수소가 탄소 내에 혼입되었을 수 있다(즉, 수소가 첨가된 탄소 형태).
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 코팅, 예를 들어 금속 코팅(예컨대, 코팅이 리튬, 티탄, 알루미늄 및/또는 백금을 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있음, 예를 들어 백금-코팅된 카본 블랙 입자 및/또는 루테늄-코팅된 카본 블랙 입자) 또는 산화물 코팅(예를 들어, 코팅이 산화알루미늄, 산화규소 및/또는 산화티탄을 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있음) 및/또는 반도체 코팅(예를 들어, 코팅이 규소를 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있음) 및/또는 세라믹 코팅(예컨대, 코팅이 LiPON을 포함하거나 그로부터 제조될 수 있음)을 가질 수 있다. 다양한 실시양태에서, 고체 입자의 코팅은 동시 증발에 의해 제공될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 고체 입자 내로 도입되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양에 기초하여 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하는 것을 제어하는 단계(예컨대, 제어 시스템에 의해)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체 입자 내로 도입되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양에 기초하여, 기판 상에 침착되는 고체 입자에 의해 형성되는 층의 두께를 나타내는 매개변수를 확인한다. 예를 들어, 매개변수는 기판의 기판 표면의 방향으로 가속되는 분리된 고체 입자의 양을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
전자의 양은 고체 입자에 공급되거나 그로부터 제거되는 전하를 한정할 수 있다. 공급되는 전하가 제거되는 전하보다 더 크면, 고체 입자가 정전기적으로 하전된다. 각 경우에 고체 입자 내로 도입되거나 그로부터 제거되는 전자의 양(또는 그의 전하)은 고체 입자의 전위를 한정할 수 있다. 고체 입자의 전위와 기준 전위 사이의 차이가 클수록, 정전 하전에 의해 발생되는 힘이 더 클 수 있다. 기준 전위는, 예를 들어 기판의 전위 및/또는 챔버 벽(예컨대, 진공 챔버)의 전위를 포함할 수 있거나, 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 기판 표면의 코팅 동안 분리된 고체 입자의 적어도 일부와 함께 이동할 수 있다. 예를 들어, 기판은, 예컨대 수송 방향에서 진동 방식으로 또는 균일한 방식으로 이동할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 축전지, 커패시터, 태양 전지 또는 연료 전지의 전극을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 전극은, 예컨대 호일 또는 호일 구조체, 판 또는 판 구조체를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 연료 전지의 기체 확산 층(예를 들어, 미세다공성 기체 확산 층)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성되었다. 기체 확산 층은, 예를 들어 다중 필라멘트 또는 막으로 구성되는 위브를 포함하거나 그로부터 형성된 기체-투과성 구조체(예를 들어, 미소구조체)를 포함할 수 있거나, 그로부터 형성될 수 있다. 필라멘트는 중합체 및/또는 금속을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 기체 확산 층은 금속 위브 및/또는 중합체 위브(이 위에, 예컨대 고체 입자 방출에 의해, 예컨대 카본 블랙 입자 층이 형성될 수 있음)를 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있다. 이 경우, 고체 입자에 의한 기판의 코팅(즉, 기판 상에서의 고체 입자의 침착)은 기판의 전기적 특성 및 소수성, 즉 그의 발수성을 증가시킬 수 있다.
본원과 관련하여, 기체 투과율(기체 투과성이라고도 함)은 기체에 대한 물체 또는 물체의 일부의 투과율을 기재하는 척도, 또는 달리 말해 기체가 물체 또는 물체의 일부를 통해 단위 시간당 침투 또는 이동하는 양을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 기체 투과율은 특정 압력 차이 및 특정 온도에서 특정 기체를 기준으로 할 수 있다. 기체 투과율은 기체에 의해 가로질러 침투되는 물체의 두께에 대해 정규화되는 투과 매개변수에 상응하며, 이는 0℃(기체 온도) 및 1바(101 325Pa)에 기초하여, 예컨대 두께를 가로질러 단위 시간당 온도 T에서의 기체의 분압 차이에서 얼마만한 부피의 기체가 일정 두께 및 두께를 가로지르는 표면을 갖는 물체를 통해 투과(침투)할 수 있는지를 기재한다. 기체 확산 층의 기체 투과율은 약 150·10-18m2s-1파스칼보다 클 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 축전지 또는 연료 전지의 전해질(예를 들어, 전해질 판, 전해질 막 또는 전해질 호일)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 축전지 또는 연료 전지(예컨대, 직접 메탄올 연료 전지 같은 액체 전해질 전지의 경우)의 분리막을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 분리막은 축전지 또는 연료 전지의 전극(즉, 음극 및 양극, 예를 들어 캐쏘드 및 애노드)을 공간 면에서 또한 전기적으로 분리하도록 구성될 수 있다. 분리막은 이온-투과성이도록 구성될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 저장된 화학적 에너지의 전기 에너지로의 전환 또는 반대의 전환을 유발하는 이온이 분리막을 통해 침투할 수 있다. 분리막은 미세다공성일 수 있으며, 이 경우 분리막은 중합체(예를 들어, 플라스틱, 예컨대 PTFE) 및/또는 유리를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 분리막은, 예를 들어 부직 유리 섬유 또는 폴리에틸렌 섬유 형태의 섬유를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판은 연료 전지의 전극, 전해질(예컨대, 전해질 판, 전해질 막 또는 전해질 호일) 또는 기체 확산 층을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자는, 예를 들어 촉매 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 촉매 물질은 연료 전지의 전극(예컨대, 애노드)과 연료 전지의 전해질 사이에 배치될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 고체 입자에 의해 형성된 층이 소수성(발수성), 소유성(발유성) 및/또는 소수성-소유성(amphiphobic)(액체-반발성) 표면을 갖도록 구성될 수 있다. 달리 말해, 층은 반발성 표면을 가질 수 있다. 층의 표면의 특성은 그의 조도 및/또는 고체 입자의 물질에 의해 한정될 수 있다. 예를 들어, 표면이 약 10nm 내지 약 100㎛, 예컨대 약 10㎛ 내지 약 20㎛의 조도(평균 조도)를 가질 때 소수성 표면을 획득할 수 있다. 표면의 조도는 고체 입자의 크기에 의해 한정될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 조도는 침착되는 기상 코팅 물질의 양에 의해 한정될 수 있다. 예를 들어, 코팅 물질이 그의 기상으로부터 층 상으로 추가로 침착될 때 표면의 조도가 감소될 수 있다(즉, 층이 매끈해질 수 있다). 다르게는, 더 큰 크기를 갖는 고체 입자를 사용함으로써 표면의 조도를 증가시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자의 크기, 예를 들어 그의 평균 크기(평균을 낸 크기)는 층의 소정 조도보다 더 클 수 있다.
물에 대해 90° 초과의 접촉각을 갖는 표면은 다양한 실시양태에서 소수성으로 간주될 수 있다. 지방에 대해 90° 초과의 접촉각을 갖는 표면은 다양한 실시양태에서 소유성으로 간주될 수 있다. 액체에 대해 90° 초과의 접촉각을 갖는 표면은 다양한 실시양태에서 소수성-소유성으로 간주될 수 있다. 접촉각은 액체 소적의 표면 영역과 이 표면 영역에 인접한 표면 영역에 의해 형성되는 각도(액체 쪽으로 향함)로서 간주될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판을 코팅하기 위한 코팅 장치는 하기를 포함할 수 있다: 고체 입자를 수용하기 위한 영역을 갖는 용기(즉, 입자 용기, 제 1 용기라고도 불림); 기판의 기판 표면을 갖는 기판을 영역의 방향으로 위치시키기 위한 위치 설정 장치; 전자를 고체 입자 내로 도입하기 위한 하나 이상의 전자 공급원(예를 들어, 1차 전자 공급원 및/또는 2차 전자 공급원); 정전 하전에 의해 발생되는 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위하여 기판의 기판 표면의 방향으로 이들을 가속하도록, 고체 입자의 정전하를 제어하도록 구성된 제어 시스템.
전자 공급원은 전자를 방출 영역 내로 방출하기 위한 방출 구역(예를 들어 캐쏘드에 의해, 예컨대 백열 캐쏘드 및/또는 전기장 방출 캐쏘드에 의해 제공됨)을 가질 수 있다. 임의적으로, 전자 공급원(예를 들어, 1차 전자 공급원)은 전자 빔 공급원의 일부일 수 있다.
2차 전자 공급원은 고체 물체(고체 조사 표적 또는 전자 표적 물체라고도 일컬어짐)를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 2차 전자를 형성하기 위하여(즉, 이들을 방출하기 위하여) 1차 전자에 의해 2차 전자 공급원의 방출 구역을 조사할 수 있다.
전자 빔 공급원은 전자 공급원 및 빔 형성 단위장치를 포함할 수 있다. 빔 형성 단위장치는 하나의 전극 또는 다수개의 전극 및/또는 하나의 코일 또는 다수개의 코일을 포함할 수 있다. 빔 형성 단위장치는 방출 영역 내로 방출되는 전자로부터 빔(전자 빔)을 형성하도록 구성될 수 있다. 전자 빔 공급원은 전자 빔 건의 일부일 수 있다. 전자 빔 건은 전자 빔 공급원 및 편향 설비를 포함할 수 있다. 편향 설비는, 예컨대 영역 및/또는 용기, 또는 추가의 영역 및/또는 추가의 용기(추가 용기라고도 불림)를 포괄하기 위하여 하나 이상의 편향 매개변수에 따라 전자 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다. 편향 설비는 하나 이상의 전극 또는 다수개의 전극 및/또는 하나의 코일 또는 다수개의 코일을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 장치는 하기를 포함할 수 있다: 다수개의 충격 영역이 배치되는 진공 챔버(진공 공정 챔버라고도 불림); 하나 이상의 전자 빔 공급원; 하나 이상의 전자 빔을 다수개의 충격 영역(전자 충격 영역) 내로 편향시키기 위한 편향 설비. 다수개의 충격 영역중 하나 이상의 충격 영역은 영역 및/또는 추가의 영역에 배치될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 다수개의 충격 영역중 하나 이상의 충격 영역은 용기 상에 또는 용기 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 충격 영역은, 예컨대 용기 외부에 배열되는 2차 전자 공급원(예를 들어, 원형 블랭크)을 가질 수 있다. 2차 전자 공급원은, 예컨대 고체 조사 표적을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
2차 전자 공급원 및/또는 용기 외부의 충격 영역의 사용은 고체 입자 및/또는 용기 내로의 열 에너지의 투입을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 따라서 분말 물질 내로의 열 투입을 감소시킬 수 있다. 이는 비교적 낮은 열 안정성을 갖는 고체 입자의 방출을 가능케 할 수 있다.
2차 전자 공급원, 예를 들어 고체 조사 표적, 및/또는 용기는, 예컨대 전자 빔의 작용에 대해 안정할 수 있다[예를 들어 약 1500℃ 이상, 예컨대 약 2000℃ 이상, 예컨대 약 2500℃ 이상까지 열에 대해 안정할 수 있다(즉, 화학적으로 안정할 수 있고, 예를 들어 고체 형태로 남을 수 있다)]. 다르게는 또는 추가적으로, 2차 전자 공급원 내로 도입되는 전력 밀도 및/또는 하나 이상의 충격 영역(예컨대, 2차 전자 공급원 상의)에서의 전자 빔의 체류 시간은, 2차 전자 공급원의 온도가 물질 상태 사이의 전이 온도 미만으로 유지되도록(그의 증발이 방해됨을 의미함), 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프 제어에 의해 제어될 수 있다.
예를 들어, 2차 전자 공급원, 예컨대 고체 조사 표적은 금속(예컨대, 몰리브덴)을 포함하거나 그로부터 형성될 수 있고/있거나 고체 입자의 융점보다 더 높고/높거나 용기의 융점보다 더 높은 융점, 예를 들어 약 1500℃ 이상, 예컨대 약 2000℃ 이상, 예컨대 약 2500℃ 이상을 가질 수 있다.
2차 전자 공급원이, 예컨대 1차 전자에 의해 조사된다는 점에서, 2차 방출을 위해, 즉 고체 입자 내로 도입될 수 있는 2차 전자의 발생을 위해, 2차 전자 공급원을 사용할 수 있음이 명백하다. 2차 전자가 전자 샤워 형태로 입자 표면 상에 떨어질 수 있음이 분명하다. 다르게는 또는 추가적으로, 2차 전자 공급원은 코팅 물질(동시 증발 물질)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 물질은 티탄, 알루미늄 및/또는 탄소를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 추가적인 용기가 2차 전자 공급원으로서의 역할을 할 수 있다.
고체 입자를 서로 분리하고 이들을 기판의 기판 표면의 방향으로 가속하는(예를 들어, 고체 입자의 집단적인 방출), 정전 하전에 의해 발생되는 힘은 다양한 실시양태에서 약 5kW 미만, 예를 들어 약 1kW 미만, 예컨대 약 0.5kW 미만, 예컨대 약 0.1kW 미만의 전자에 의해 도입되는 전력에서 제공될 수 있거나 제공되었다. 다르게는 또는 추가적으로, 전자는 약 10kV 내지 약 60kV의 가속 전압에 의해 고체 입자 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 1차 전자 빔(10kV 내지 60kV)은 이미 0.1kW의 전력에서 입자의 집단적인 방출을 이끌어낼 수 있다. 고체 입자 내로 도입되는 전력(즉, 전자의 에너지)이 낮을수록, 고체 입자 내로 도입되는 열 에너지가 낮을 수 있으며, 따라서 이들은 예시적으로 더 적은 정도까지 가열된다.
고체 입자의 표면에 도달하는 제트 유동, 즉 단위 시간당 전하의 수가 클수록, 더 많은 고체 입자가 방출될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 전력에 의해 더 큰 제트 유동이 제공될 수 있다. 이는 더욱 신속한 코팅을 가능케 한다. 예를 들어, 약 5kW 초과, 예를 들어 약 10kW 초과, 예컨대 약 30kW 초과, 예를 들어 약 40kW 초과, 예컨대 약 50kW 초과의 전력으로, 고체 입자 내로의 전자(예컨대, 전자 빔)의 도입을 일으킬 수 있다.
전자 빔 공급원은, 예를 들어 5kW 미만 또는 약 5kW 이상, 예컨대 약 10kW 이상, 예컨대 약 30kW 이상, 예컨대 약 40kW 이상, 예컨대 약 50kW 이상에서 전자 빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 전자 빔 공급원의 가속 전압은, 예를 들어 약 10kV 내지 약 60kV일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 전압(예컨대, 가속 전압)은 전위차(두 전위 사이의 차이), 예를 들어 전압에 배정된 전위와 기준 전위(예컨대, 대지 전위) 사이의 차이로서 간주될 수 있다. 다수개의 전압의 수치는 동일한 기준 전위에 기초할 수 있다. 전압이 양인 경우, 배정되는 전위는 기준 전위보다 크다. 전압이 음인 경우, 배정되는 전위는 기준 전위 미만이다. 전위가 클수록, 배정되는 전위가 더 클 수 있다. (예컨대 두 원소 사이의) 전압 차이는 두 전압 사이의 차이로서 간주되며, 이는 두 전압이 동일한 기준 전위에 기초할 때 (예컨대, 두 원소 사이에) 배정된 전위(즉, 기준 전위와는 독립적으로 보고됨) 사이의 차이에 상응한다.
이용되는 기준 전위는, 예를 들어 대지 전위 또는 다른 전위, 예컨대 기판의 전위일 수 있다. 기준 전위(예컨대, 기판)에 비해, 고체 입자(용기 내의) 또는 용기는, 예를 들어 고체 입자가 기판의 방향으로 가속되도록 전자의 도입에 의해 음으로 하전될 수 있다. 예를 들어, 기판과 고체 입자(용기 내의) 또는 용기 사이의 전압은 가속 전압 미만이거나 본질적으로 동일할 수 있다. 기판과 고체 입자(용기 내의) 또는 용기 사이의 전압이 클수록, 고체 입자가 더 많이 및/또는 더 신속하게 기판의 방향으로 유동한다(고체 입자의 스트림).
편향 매개변수는 제어 시스템에 의해 제공될 수 있다. 편향 매개변수는, 예를 들어 전자 빔이 편향되는 선 형태(조사 형태)를 한정할 수 있다.
위치 설정 장치는 스트립 형태(예컨대, 호일)의 기판 및/또는 판 형태(예컨대, 시트 또는 판)의 기판을 위치시키도록, 즉 제 위치로 수송하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 위치 설정 장치는, 예를 들어 다수개의 수송 롤(이에 의해 기판이 움직임)을 가질 수 있다. 기판은, 예를 들어 수송 롤 상에 놓일(예컨대, 판 형태의 기판의 경우) 수 있고/있거나 수송 롤에 의해 편향될 수 있다(예를 들어, 스트립 형태의 기판의 경우).
다르게는 또는 추가적으로, 위치 설정 장치는, 예컨대 기판 홀더에 대해 한정된 위치에, 예컨대 매달린 방식으로, 기판을 기판에 작용하는 중량에 대향하도록 유지시키는 기판 홀더(예컨대, 그리퍼)를 가질 수 있다.
영역(수용 영역)은, 예를 들어 용기 내의 오목부를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 추가적인 영역(추가적인 수용 영역)은, 예컨대 추가적인 용기 내의 오목부를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 전자 공급원은 1차 전자 공급원 및/또는 2차 전자 공급원을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 1차 전자 공급원은, 예를 들어 전자 빔 건에 의해 제공될 수 있다. 2차 전자 공급원은, 예를 들어 고체 조사 표적에 의해, 추가적인 용기에 의해 및/또는 코팅 물질에 의해 제공될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 제어 시스템은 고체 입자 내로 도입되는 전자의 양을 제어하도록; 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양을 제어하도록; 기판과 용기 사이의 전위차를 제어하도록; 및/또는 고체 입자 내로 도입되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양에 기초하여 코팅을 제어하도록 구성될 수 있다.
제어 시스템은, 예컨대 단위 시간당 고체 입자 내로 도입되는 전자(즉, 전하)의 양의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다. 달리 말해, 제어 시스템은 고체 입자에 공급되는 전자 유동(즉, 전류, 예를 들어 전자 빔 유동)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은, 예컨대 고체 입자, 용기, 2차 전자 공급원 및/또는 코팅 물질을 조사할 수 있는 전자 빔의 전력의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다.
제어 시스템은, 예컨대 단위 시간당 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다. 달리 말해, 제어 시스템은, 예컨대 가변 저항기를 통해 고체 입자로부터 제거되는 전자 유동(즉, 전류)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다.
제어 시스템은, 예를 들어 고체 입자의 전위에 기초하여 및/또는 주어진 전위차에 기초하여, 기판에 인가되는 전압(즉, 기준 전위로부터의 전위차)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 제어 시스템은, 예를 들어 기판의 전위에 기초하여 및/또는 소정 전위차에 기초하여, 고체 입자에 인가되는 전압(즉, 기준 전위로부터의 전위차)의 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어를 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 소정 전위차를 가이드 매개변수로서 사용할 수 있다. 예컨대, 고체 입자에 공급되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양을 설정 또는 조절할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 용기는 고체 입자 및/또는 용기의 냉각을 위한 열 교환기를 가질 수 있다. 열 교환기는 냉매, 예를 들어 냉각 액체 또는 냉각 기체를 수용하도록 구성될 수 있다. 열 교환기는, 열 에너지가 냉매에 의해 제거될 수 있도록, 열 에너지를 용기로부터 및/또는 고체 입자로부터 냉매로 전달하도록 구성될 수 있다. 열 교환기에 의해, 고체 입자 및/또는 용기로부터의 열 에너지 손실을 증가시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 영역에 배치될 수 있다.
제어 시스템은, 예를 들어 폐쇄-루프 또는 개방-루프 제어하에 전자를 고체 입자 내로 도입하는 동안 및/또는 코팅 동안 고체 입자의 온도를 고체 입자의 증발 온도(예컨대, 융점 및/또는 승화 온도) 미만으로 유지하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 전자 공급원은 2차 전자 공급원을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있으며, 이 경우 제어 시스템은, 예컨대 전자 빔에 의해 발생되는 2차 전자 공급원으로부터의 2차 방출을 제어하도록 구성된다.
다양한 실시양태에서, 코팅 장치는 추가 용기(제 2 용기라고도 불림)를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 제어 시스템은 추가 용기 내에 배치되는 코팅 물질(증발 물질로도 일컬어짐)을 증발시키도록 구성된다. 추가 용기는 코팅 물질을 수용하기 위한 추가 영역을 포함할 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 추가 용기는, 예를 들어 크누센 셀(Knudsen cell)(분출 공급원이라고도 불릴 수 있음)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 장치는 추가 용기와 위치 설정 장치 사이에 전기장을 제공하기 위하여 애노드를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 제어 시스템은 전기장에 의해 플라즈마를 가격하도록 추가로 구성된다. 플라즈마는, 예를 들어 추가 용기로부터 증발되는 코팅 물질로부터(즉, 기상 코팅 물질로부터) 형성될 수 있다. 예를 들어, 애노드는 플라즈마-보조 증발을 가능케 할 수 있다. 애노드는 약 50볼트 내지 약 100볼트의 기준 전위로부터의 전위차를 갖는 전위에 있을 수 있다. 예를 들어, 50볼트 내지 약 100볼트의 전압을 애노드와 추가 용기 사이에 및/또는 애노드와 챔버 벽 사이에 인가할 수 있다.
달리 말해, 예컨대 용기로부터 멀리 가속된 고체 입자가 퍼져나가는 퍼짐 영역에서, 추가 용기와 위치 설정 장치(또는 그에 의해 위치된 기판) 사이에 및/또는 용기와 위치 설정 장치(또는 그에 의해 위치된 기판) 사이에 플라즈마가 제공될 수 있다. 퍼짐 영역은 위치 설정 장치(그에 의해 위치되는 기판)와 용기 사이에 배열될 수 있다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 플라즈마를 통해 이동하는(즉, 날아가는) 고체 입자가 화학적으로 활성화되는 것이다(그의 화학적 반응성이 증가될 수 있음을 의미함). 이는 서로 결합시키기 위한 고체 입자 상호간의, 코팅 물질과의 및/또는 기판과의 화학 반응을 용이하게 한다. 고체 입자의 표면이 화학적으로 활성화될 수 있음(표면 활성화)이 명백하다.
제어 시스템은, 예컨대 폐쇄-루프 또는 개방-루프 제어하에서 코팅 물질 내로 전자를 도입하는 동안 및/또는 코팅하는 동안 코팅 물질의 온도를 코팅 물질의 물질 상태 사이의 전이점(예를 들어, 증발 온도, 융점 및/또는 승화 온도)보다 높게 유지시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 물질은 추가의 영역, 예를 들어 점착성 코팅 물질(예컨대, 블록, 봉 등의 형태)에 배치될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 과립상 코팅 물질이 또한 추가의 영역에, 예컨대 상에 배치될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 추가 용기 및/또는 2차 선 공급원이 용기 내에 및/또는 용기(들)에 인접하여 배치될 수 있다. 다르게는, 용기는 추가 용기 및/또는 2차 전자 공급원 내에 및/또는 인접하여 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 예를 들어 증발된 코팅 물질 및/또는 2차 전자 및 기판 방향으로 가속된 고체 입자가 서로 상호 침투된다는 것이다.
다양한 실시양태에서, 위치 설정 장치는 수송 방향을 한정할 수 있으며, 이 때 추가 용기 및 용기는 수송 방향에서 소정 거리에 배치된다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 고체 입자 및 코팅 물질을 사용한 기판의 코팅이 시간 및/또는 공간 면에서 분리되는 것이다. 다르게는 또는 추가적으로, 추가 용기 및 용기는 수송 방향을 횡단하는 방향에서 분리될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 장치는 코팅 물질의 증발을 위한 증발 장치, 예를 들어 열 증발 장치(예컨대, 전자 빔 증발 장치, 레이저 빔 증발 장치, 광 아크 증발 장치 및/또는 분자 빔 에피택시 장치) 및/또는 스퍼터링 장치를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자를 포함하거나 고체 입자로부터 형성된 층이 기판 상에 형성될 수 있다. 임의적으로, 추가적인 층이 기판 상에 형성될 수 있는데, 이 경우 층은 코팅 물질을 포함하거나 그로부터 형성된다.
다양한 실시양태에서, 금속은 10W/(m·K) 초과, 예컨대 50W/(m·K) 초과의 열 전도율을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 물질은 하나 이상의 금속(예를 들어, 니켈, 티탄, 알루미늄, 구리 및/또는 크롬)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 코팅 물질용 물질은 고체 입자용 물질과는 상이할 수 있다.
본원과 관련하여, 금속(금속 물질이라고도 일컬어짐)은 적어도 하나의 금속 원소(즉, 하나 이상의 금속 원소), 예를 들어 하기 원소의 군으로부터의 원소를 포함할 수 있다(또는 그로부터 형성될 수 있다): 구리(Cu), 철(Fe), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 은(Ag), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 바나듐(V), 바륨(Ba), 인듐(In), 칼슘(Ca), 하프늄(Hf), 사마륨(Sm) 및/또는 리튬(Li). 또한, 금속은 금속 화합물(예를 들어, 금속간 화합물 또는 합금), 예컨대 둘 이상의 금속 원소(예를 들어, 원소의 군으로부터의)의 화합물, 예를 들어 청동 또는 황동, 또는, 예컨대 하나 이상의 금속 원소(예를 들어, 원소의 군으로부터의)와 하나 이상의 비금속 원소(예컨대, 탄소)의 화합물, 예를 들어 강을 포함할 수 있거나, 그로부터 형성될 수 있다.
본원과 관련하여, 중합체는 중합체 형태의 유기 성분(즉, 유기 중합체), 예를 들어 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 카복시메틸 셀룰로즈(CMC) 또는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로즈(HPMC) 또는 전기 전도성 중합체(즉, 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 고체 입자는 중합체(예컨대, 플루오르계 중합체 물질, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌)를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
예를 들어, 코팅 물질은 금속(예컨대, 티탄)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있고, 고체 입자는 전이 금속(예를 들어, 탄소)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 금속은, 예컨대 화학 반응(예컨대, 금속 탄화물을 형성함) 하에서 고체 입자 상에 침착될 수 있으며, 이는 층 내에서 고체 입자의 결합을 야기한다.
다양한 실시양태에서, 층은 금속 및 반금속을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅은 층이 그의 화학적 조성 면에서, 예를 들어 금속 성분 및/또는 전이 금속 성분 면에서 구배(조성 구배)를 갖도록 구성될 수 있다.
이후, 다양한 실시양태의 추가적인 세부사항을 기재한다.
다양한 실시양태에서, 기판을 입자(고체 입자)로 코팅하는 방법은 감압하에서 수행될 수 있고, 하기 방법 단계를 포함할 수 있다: 기판을 미립자 코팅 물질의 저장분(이는 달리 말해 다수개의 고체 입자를 포함하거나 그로부터 형성됨)(이후, 입자 층으로 일컬어짐) 위에 위치시키는 단계(이 때, 코팅되는 기판 표면을 입자 층의 자유로운 표면에 대향하도록 함); 입자 층의 정전 하전을 위해 입자 층 내로 전자를 유도하는 단계(즉, 전자를 도입함)(이 때, 하전은 입자 층의 표면에 놓이는 입자(고체 입자)의 경우 입자의 개별적인 중량을 초과하는 쿨롱 힘(coulombic force)이 발생되어 이들 입자가 기판 방향으로 방출되고(입자 방출) 코팅 영역에서 침착되도록 하는 정도의 크기임). 방출 또는 입자 방출은 고체 입자가 스스로 원자화되지 않으면서 서로 분리되고 서로로부터 멀리 가속됨을 의미하는 것으로 이해된다.
다양한 실시양태에서, 입자 층(예컨대, 층상 집괴)은 적어도 부분적으로 전기 전도성인 벽(즉, 106지멘스/m보다 큼)을 갖는 입자 용기 내에 배치될 수 있고, 입자 층의 하전은 이 용기 벽을 통해 간접적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 전자는 용기 벽을 통해 고체 입자 내로 간접적으로 도입될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 전자는 1차 전자 및/또는 2차 전자에 의해 고체 입자 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 전자는 직접적인 충돌, 빔 가장자리 및/또는 용기 벽으로부터 고체 입자 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 전자 빔의 일부만이 용기 벽 및/또는 2차 전자 선 공급원을 가격하고 전자 빔의 나머지(즉, 갈라져서 나가거나 잔류하는)는 그를 지나쳐서 간다는 점에서 빔 가장자리에 의한 도입이 수행될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 정전 하전 동안, 도입되는 전자의 일부(즉, 전극에 의해 도입되는 전하의 일부, 반드시 동일한 전자일 필요는 없음)는 저-저항 도체, 예를 들어 가변 저항기를 통해 제거될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 전하의 일부는 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어하에 제거될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 추가적인 제 2 코팅 물질의 보충 증발(동시 증발)은, 예를 들어 기판 상에서 제 2 코팅 물질이 제 1 미립자 코팅 물질(즉, 고체 입자)과 동일한 코팅 영역에 침착되도록 이루어질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 추가적인 제 2 코팅 물질의 보충 증발은 미립자 코팅 물질의 제 1 코팅 영역에 인접하거나 적어도 부분적으로 일치하는 제 2 코팅 영역에서 제 2 코팅 물질이 침착되도록 하는 방식으로 수행될 수 있으며, 코팅을 위해 기판을 하나의 코팅 영역으로부터 다른 영역으로 수송할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 미립자 전이 금속 또는 미립자 흑연을 침착시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 입자 층으로부터 방출되는 물질의 양은, 예컨대 유도되는 전자의 양으로부터 결정될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅은 연속 공정으로 수행될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 다양한 실시양태에서 방법을 실행하도록 구성된 코팅 장치는 하기를 포함할 수 있다: 미립자 코팅 물질의 저장분(이후, 입자 층이라고 일컬어짐)을 보유하기 위한 입자 용기, 기판을 입자 층의 자유로운 표면에 대향하도록 위치시키기 위한 기판 홀더. 백열 전극이 전자를 입자 층 내로 유도하기 위한 전자 공급원이다. 기판 홀더는 위치 설정 장치의 일부일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 다양한 실시양태에서 방법을 수행하도록 구성된 코팅 장치는 하기를 포함할(가질) 수 있다: 제 1 미립자 코팅 물질의 저장분(이후, 입자 층이라고 함)을 보유하기 위한 입자 용기, 기판을 입자 층의 자유로운 표면에 대향하도록 위치시키기 위한 기판 홀더, 및 전자를 입자 층 내로 유도하기 위한 전자 공급원, 제 2 코팅 물질을 보유하기 위한 추가의 제 2 용기 및 그의 증발을 위한 증발 단위장치를 갖는 추가적인 제 2 코팅 물질 증발용 증발 장치(이 때, 증발 장치는 제 2 코팅 물질이 제 1 미립자 코팅 물질과 동일한 코팅 영역에 또는 인접한 제 2 코팅 영역에 침착되도록 배치됨).
달리 말해, 코팅 장치는 2개의 용기(제 1 용기 및 제 2 용기)를 포함할 수 있다. 다르게는, 코팅 장치는 추가적인 용기를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 이후 입자 층으로 일컬어지는, 입자 용기 내에 배치되는 미립자 코팅 물질(즉, 다수개의 고체 입자)가 존재할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 장치는 기판의 수송을 위한 수송 장치를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 용기중 하나(즉, 2개의 용기중 하나)는 (2개의 용기중) 다른 하나 내에 배열될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 입자 용기 및 제 2 용기는 기판의 수송 경로 방향에서 볼 때 서로 나란히 배치될 수 있다.
전자가 이후 입자 층으로 일컬어지는, 미립자 코팅 물질(입자로도 불리는 고체 입자 포함)의 저장분 내로 유도되어, 입자 층을 정전 하전시키는 것으로 제안된다. 정전 하전의 크기는, 입자 층의 표면 내의 입자의 경우, 입자에 작용하는 다른 힘(예컨대, 고체 입자의 중량 및/또는 이들을 함께 결합하는 힘)을 초과하는 쿨롱 힘 또는 전기장이 발생되어, 고체 입자가 입자 층 위에 배열된 기판 방향으로 방출되고 코팅되어야 하는 기판 표면의 자유로운 표면(입자 층에 대향함) 상의 코팅 영역에 침착되도록 하는 것이다.
다양한 실시양태에서, 입자 층의 표면 전하는, 입자 사이의 정전 쿨롱 반발력이 입자에 작용하는 다른 힘보다 우세하도록 하는 방식으로 발생되며, 이는 감압하에서 진행되는 고체 입자의 집단적인 방출을 야기한다(입자 방출). 입자의 중량이 우세한 매우 단순화된 가정하에서, 쿨롱 반발력은 입자 방출 또는 입자의 벗어남을 위한 구동력을 구성하는 것으로 추정될 수 있다. 이 경우, 동일한 크기의 두 인접한 입자와 관련하여 하기 식이 적용될 수 있다:
FC≥FG
상기 식에서,
FC는 쿨롱 힘을 나타내고;
FG는 입자의 중량을 나타낸다.
예를 들어, 2차 전자 산란의 결과로서 전하 상실을 고려하여, 입경 값, 입자의 밀도, 두 인접한 입자에서의 전하의 수 및 물리적 기본 값(예컨대, 전자의 단위 전하, 전기장 상수 및 중력으로 인한 가속)의 도움을 받아 입자의 구형 형상을 간단히 추정하면, 사용되는 전자 공급원의 전력 매개변수에 대한 기초로서 입자당 요구되는 전자의 대략적인 추정치를 이끌어낼 수 있다. 이 수가 초과되는 경우, 전자 유도가 수행된 모든 영역에서 입자 층의 표면 층으로부터 입자의 집단적인 펄스-유사 방출이 있게 된다. 동시에 방출되는 입자의 양은 표면 전하의 크기 및 배치에 따라 달라질 수 있다.
집단적인 입자 방출의 개시에 기초하여 이론적인 결정 또는 일련의 시험을 통해 충분한 정전 하전 정도를 우수하게 처리할 수 있다. 물질이 상이한 입경을 갖는 경우, 입자 방출에서의 그의 효과는 미미한데, 왜냐하면 저장분에서 평균 입경을 초과라는 나머지 더 큰 입자가 전자량 조정에 의해 후속적으로 방출될 수 있기 때문이다. 입자 크기에서의 차이에 따른 입자 층에서의 물질 혼합물로부터의 입자 방출의 경우, 예를 들어 더 큰 입자에 대해 선택된 전자 유도를 통해 또는 상이한 전자 방출의 조합을 통해 입자 방출의 충분한 혼합이 달성될 수 있다.
사용되는 전자 공급원은, 개별적인 물질로부터의 입자 방출에 필요한 전자 방출을 제공하는 한, 공지의 장치일 수 있다. 예를 들어, 백열 캐쏘드, 전기장 방출 캐쏘드 또는 전자 빔 건을 사용할 수 있다. 전자 빔 건은 전자 빔 증발로부터 공지된다. 전자 빔 건을 사용하여, 동시에 입자의 구름으로 되는 입자 층의 구역이 우수한 조정성 및 결과적인 기판으로의 조율성을 가지도록, 특정 빔 형태(조사 형태)를 덮는데 사용되어야 한다. 동시와 같은 방식으로(즉, 약 1초 미만, 예컨대 약 0.1초의 기간 내에) 다수개의 저장분 용기를 덮는데 전자 공급원을 사용할 수도 있으며, 또한 전자 빔 형태(조사 형태)의 집중, 기하학적 형태 및 크기, 및 전력을 통해 전자의 방출을 재현성 있고 매우 정밀하게 조정할 수 있다. 비용-절감 변형으로서의 백열 캐쏘드는, 예를 들어 선형 전자 공급원의 형태를 취할 수 있어서, 이들은 기판의 전체 폭을 가로지르는 기판의 수송 방향을 가로질러 연장될 때 연속 공정에 유리하다.
입자 층의 표면의 동일한 영역 또는 다른 영역에서의 진보된 전자 유도로 인해, 입자 물질이 연속적으로 방출될 수 있다(입자 방출). 충분한 입자 저장분, 또는, 예를 들어 저장분 용기의 이동에 의한 입자 물질의 적합한 보충으로 인해, 연속 공정에서 분진을 기판에 가할 수 있다. 따라서, 이 목적을 위해 디자인된 연속식 플랜트에서 연속식 공정으로 수행하는데 이 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해, 담체, 결합제, 덩어리 형성 등을 피하기 위한 첨가제 같은, 가공성을 가능케 하거나 개선하는 입자 혼합물중 첨가제를 피할 수 있다. 그러므로, 덩어리의 물질은 통상 추가 가공 없이 균질하게 방출될 수 있다.
본 방법은 nm 범위에서 mm 범위의 입경에, 또한 1mm 이하의 입경에도, 또한 더 큰 층 두께를 생성시키기 위하여 효과적으로 적용될 수 있다. 이는 산업상 규모로 수백 ㎛의 층 두께를 허용하며, 또한 크고 연속적인 기판(스트립 형태의 기판)에도 가변 적용될 수 있다.
방법을 실행하기 위하여, 열 및 전자 빔 증발에 사용되는 코팅 장치를 이용할 수 있다. 코팅 물질에 통상적으로 이용되는, 상부 말단이 개방된 용기 또는 도가니에 입자 층이 배치되어야 하고, 기판 홀더에 의해 또는 적절한 경우 기판 수송 장치에 의해 기판이 입자 층에 대향하여 보유되거나 입자 층을 지나 수송되어야 한다.
도가니 전체에서 또는 도가니의 일부에서 입자 층의 표면을 덮고 하전시키기 위하여, 전자 빔 증발에 사용되는 전자 빔 건을 본 발명의 방법용 전자 공급원으로서 사용할 수 있다. 언급된 증발 방법으로부터 알려진 물질의 보충을, 입자에 적합화된 방식으로 기재된 방법에 또한 이용할 수 있다. 예를 들어, 도가니 바닥을 통해 아래로부터 보충하거나 표면 영역으로부터 멀리 상부로부터 도가니를 채우는 방식이 현재 코팅에 이용된다. 대안으로서, 백열 캐쏘드를 전자 공급원으로서 사용할 수 있다. 그로부터의 전자의 방출이 본 발명의 방법에 이용될 수 있고, 하전시 가능한 균질화 공정과 관련하여 유리한 것으로 밝혀졌다.
예컨대, 전자 빔에 의해 동시에 방출되어야 하는 입자 물질 및 표면에 따라 하전을 직접적으로 또는 간접적으로 수행할 수 있다. 직접적인 하전의 경우, 전자를 입자 층 내로 직접 유도한다. 적절한 경우 상기 기재된 바와 같이 고유한 분배 공정에 의해 및/또는 전자 공급원으로 달성될 수 있는 형태(조사 형태)에 의해, 입자 층의 표면 구역에 걸쳐 전하가 분배된다. 전자 공급원의 기하학적 형태에 따라, 입자 층의 표면의 방출되는 영역의 상이한 기하학적 형태 및 크레이터의 형성이 존재할 수 있다. 이들은 전자 공급원 또는 전자 빔 및 입자 층의 상대적인 이동에 의해 보상되거나 피해질 수 있거나, 입자 용기의 격정적인 이동에 의해 제거될 수 있다.
예컨대, 전자 빔 건에 의해 입자 저장분에 국부적으로 도입되는 에너지 밀도 때문에, 인접한 입자의 국부적인 용융 위험이 있다. 이 때문에, 이 실시양태는 융합이 피해지거나 충분히 감소될 수 있다면 승화하는 물질, 예컨대 흑연으로부터의 입자 방출에, 또한 다른 물질에도 특히 이용될 수 있다.
간접적인 하전의 경우, 본 방법의 한 구성에서는, 적어도 부분적으로 전기 전도성인 벽(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)을 갖는 저장분 용기(용기)에 입자 층이 배치되고, 이 용기 벽을 통해 입자 층의 정전 하전을 위한 전자가 유도된다. 저장분 용기의 벽은 완전히 전기 전도성 물질(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)로 구성될 수 있거나 그의 인레이(inlay)를 가질 수 있다. 저장분 용기의 단순히 전기 전도성인 표면(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)도 가능하다. 다르게는 또는 덧붙여, 2차 전자에 의해 및/또는 빔 가장자리에 의해 입자 층의 정전 하전을 수행할 수 있다. 방법의 이 실시양태를 이용하면, 크기 증가에 따라 정전 하전 및 그의 균질화에 수반되는 비용과 불편함이 증가함에도 불구하고, 특정 전기적 특성 또는 열 특성을 제한하지 않으면서 1㎛ 내지 1mm의 입경을 갖는 입자 물질을 방출할 수 있다.
저장분 용기의 전기 전도성 부분(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)이 전자 공급원으로의 적어도 가시선(line-of-sight) 연결 및 입자 층의 표면으로의 전기적 연결을 가짐이 명백하다. 간접적인 하전에 의해, 비교적 낮은 전자 밀도의 비교적 큰 면적의 유도의 결과로서, 더욱 균질한 방출을 촉진하는 평형화 공정이 가능하다. 이를 위해, 저장분 용기의 입자 층의 표면을 포함하는 전기 전도성 구역(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)이 유리하다.
간접적인 하전에 있어서, 예를 들어 전자 빔 건의 사용의 경우, 전자 빔은 저장분 용기 및/또는 2차 전자 빔 공급원의 전기 전도성 구역(즉, 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐) 상에 특정 형태(조사 형태)를 그릴 수 있고, 이는 전자의 최적 분배를 허용한다(예컨대, 제어 시스템에 의해). 예를 들어, 전기 전도성 저장분 용기 및/또는 2차 전자 빔의 가장자리는, 전자가 용기 가장자리로부터 큰 구역에 걸쳐 입자 층 내로 도입되도록, 전자 빔에 의해 적어도 부분적으로(즉, 완전히 또는 부분적으로) 덮일 수 있다.
입자 층의 표면에서의 전하 분배 및 따라서 균질한 방출에 가능한 평형화 공정은, 방법의 추가적인 구성에 따라, 하전 동안 유도된 음전하의 일부가 저-저항 도체를 통해(예컨대, 제어 시스템에 의해) 제어가능한 방식으로 제거된다는 점에서 보조를 받을 수 있으며; 여기에서 용어 "도체"는 더욱 포괄적인 방식으로 이해되어야 하고, 다수개의 도체 및/또는 측정 및 제어 단위장치(예컨대, 센서 및 제어 시스템)를 포함할 수 있다. 상기 도체는 입자 층의 표면과 전기적으로 접속한다. 다르게는 또는 추가적으로, 도체는 추가 용기와 전기적으로 접속할 수 있다. 임의적으로, 도체는 저장분 용기의 적어도 부분적으로 전기 전도성인 벽에 의해 형성될 수 있다. 가변 저항기의 사용을 통해, 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어하에서 전하의 인발이 가능하다. 전하의 인발이 전자 공급원의 전력 매개변수에 영향을 끼치고, 따라서 이들이 매치되어야 하며, 최적 코팅 결과를 위한 전자 공급과 회수 사이의 최적화가 가능하기 때문에, 이는 유리하다.
입자 방출 공정에 의해 기판 상에 침착되는 입자 물질은 반 데르 발스(van der Waals) 힘을 통해 기판 상에 또한 그 자체끼리 접착된다. 층의 도포에 의해 보조를 받고/받거나 요구되는 경우, 입자 층으로부터의 고체 입자의 방출(입자 방출)은 방법의 다양한 구성에 따라 증발과 조합될 수 있다.
증발 방법은 일반적으로 코팅 물질이 에너지 공급에 의해 증발되고 기판 상에서 응축되는 물리적 기상 침착 분야로부터의 방법을 의미하는 것으로 이해된다. 이들은 열 증발, 전자 및 레이저 빔 증발, 광 아크 증발, 스퍼터링 및 분자 빔 에피택시를 포함한다.
두 방법의 조합은 증발로부터 알려진 결합 강도를 입자 층으로부터의 고체 입자로부터 형성되는 층의 특성과 조합하는 혼합 층을 야기한다. 보충 증발 단계의 경우, 결과적으로 증발되어야 하는 물질 및 방출되어야 하는 입자 물질의 우수한 선택 덕분에, 입자의 작용화, 특히 리튬 이온 배터리의 상이한 구성 형태에 이용가능한 다수의 선택사항이 존재하도록, 금속 물질, 반도체 물질 및 침착가능한 것으로 알려진 다른 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 증발에 의해 티탄, 구리, 알루미늄, 망간, 니켈, 코발트, 철 및/또는 리튬 같은 금속을 보충적으로 침착시킬 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 증발에 의해, 탄소, 반도체 물질(예컨대, 규소 및/또는 갈륨) 및/또는 중합체(예를 들어, CMC, HPMC 및/또는 PVDF)를 침착시킬 수도 있다.
두 물질이 용기와 기판 사이에서(즉, 입자 구름 및 증기 구름에서) 또는 다르게는 기판 상에서 직접 서로 혼합되고/되거나 화학적으로 반응하도록 하는 방식으로 보충적인 증발을 실행한다. 첫 번째 경우에는, 제 2의 보충 코팅 물질이 제 1 미립자 코팅 물질과 동일한 코팅 영역에서 침전되도록 입자 및 증기 스트림을 동일한 코팅 영역으로 유도한다. 코팅 영역은 일반적으로 층-형성 물질이 침전되는 기판의 영역(임의적으로 게이트에 의해 경계가 지어짐)을 가리킨다. 방법의 이 구성은 기판 기하학적 형태 및 기판 수송과 관련하여 임의의 목적하는 방법 변형에 적용될 수 있다.
기판 상에서의 혼합 및/또는 화학 반응의 경우, 제 2 코팅 물질이 미립자 코팅 물질의 제 1 코팅 영역에 인접하거나 부분적으로 일치하는 제 2 코팅 영역에서 침전되도록, 입자 구름과 증기 구름이 서로 나란히 발생된다. 따라서, 완전히 또한 부분적으로 중첩되는 코팅 영역과 분리된 코팅 영역 사이의 모든 공정 구성이 포함된다. 하나의 코팅 영역으로부터 다른 코팅 영역으로의 코팅 동안 기판의 수송의 결과로서 두 물질이 혼합된다.
다양한 실시양태에서, 예를 들어 약 300밀리바 초과의 압력에서, 및/또는 기판 상에 형성되는 코팅이 물질(후처리 물질이라고도 일컬어짐), 예를 들어 접착-증가 후처리 물질 및/또는 봉입 후처리 물질로 코팅(예컨대, 용액으로부터)된다는 점에서, 기판 상에서 형성되는 코팅(예를 들어, 그 위에 침착되는 고체 입자, 즉 가해지는 입자 층)의 후처리가 수행될 수 있다. 후처리 물질은, 예를 들어 이온-전도 특성을 가질 수 있다.
후처리 물질은, 예를 들어 후처리 물질이 기판 상에서의 고체 입자의 접착을 증가시키거나(접착 증가라고도 함) 또는 후처리 물질이 고체 입자를 봉입할 때, 중합체를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 후처리 물질은 PVDF를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다르게는(예컨대, 플루오르가 분배되는 경우) 또는 추가로, 후처리 물질은 당(예컨대, 후처리 물질이 수용성이어야 하는 경우), 예를 들어 다당, 예컨대 셀룰로즈를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
임의적으로, 예를 들어 후처리 물질이 수용성인 경우, 후처리 물질을 용액으로부터 기판에 도포할 수 있다(액상 침착으로도 불림). 수용성(예컨대, 플루오르-미함유) 후처리 물질은 환경 친화적인 및/또는 단순화된 후처리를 가능케 할 수 있다. 액상 침착은 저렴한 후처리를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 액상 침착은, 예를 들어 임의적인 쉐도우 마스크를 사용하는 분무 코팅, 커튼 코팅 및/또는 슬롯 다이 코팅을 포함할 수 있거나 이로부터 형성될 수 있다.
임의적으로, 후처리는 기판 및/또는 후처리 물질을, 예를 들어 후처리 물질의 융점 및/또는 유리 전이 온도 이상으로 가열함을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 당, 예컨대 HPMC는 액체 또는 점성(자유-유동) 상태로 전환되고, 고체 입자와 접촉한 다음 경화될 수 있다. 가열은, 예를 들어 기판 및/또는 후처리 물질을 약 100℃ 초과의 온도, 예를 들어 약 150℃ 초과의 온도, 예컨대 약 180℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열함을 포함할 수 있다. 예를 들어, 당이 점착성 물질로 전환될 수 있고, 이것이 경화된 상태에서는 고체 입자를 기판 상에 고착시킴(예컨대, 고체 입자를 기판에 결합시킴)이 명백하다.
코팅의 후처리는 임의적으로 반응성 대기(예컨대, 산소 및/또는 질소를 포함하거나 그로부터 형성됨) 또는 화학적으로 불활성인 대기에서 이루어질 수 있다. 반응성 대기는, 예를 들어 후처리 물질 및/또는 고체 입자의 화학적 조성이 변한다는 점에서(예컨대, 반응성 대기로부터의 화학 원소가 이들 내로 혼입된다는 점에서), 후처리 물질 및/또는 고체 입자의 화학적 변화를 가능케 할 수 있다.
예를 들어, 예시적으로 더 높은 점착 및 접착 요구를 달성하기 위하여, 진공 외부에서 가해진 입자 층을 후처리할 수 있다. 예를 들어, 임의적으로 수용액 형태의 CMC(카복시메틸 셀룰로즈) 또는 HPMC(하이드록시프로필 메틸 셀룰로즈) 같은 물질을 주위 조건하에서 미세하게 분산된 형태로 분무-도포할 수 있다. 임의적으로, 도포되는 활성 물질의 층 밀도의 추가적인 증가 또는 변화를 위해, 건조 및/또는 캘린더링을 수행할 수 있다.
제공된 방법의 구성 변형에 의해, 균질한 화학적 층 조성뿐만 아니라 층 조성이 층 두께에 따라 변화되는 구배 층도 생성될 수 있다. 이를 위하여, 한정된 기판 구역에서 층 두께를 증가시키면서 혼합 비를 변화시키기 위하여, 하나 이상의 코팅 성분의 코팅 매개변수를 변화시켜야 한다.
기재된 방법 변형의 경우, 방법의 구성에 있어서, 입자 층으로부터 방출되는 물질의 양은 유도되는(즉, 고체 입자 내로 도입되는) 전자의 양으로부터 결정된다. 상기 기재된 바와 같이 입자 방출을 야기하는 힘이 개별적인 입자에 기초하는 효과 때문에, 방출되는 물질의 양과 유도되는 전하 사이에는 상관관계가 있다. 분진 형태로 가해지는 층의 층 두께를 확인하기 위하여 또는 혼합된 층의 경우 전체 층에서 방출되는 물질의 양을 확인하기 위하여 이 상관관계를 측정 목적에 및/또는 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어에 이용할 수 있다. 사용되는 물질에 따라, 임의적으로 동일한 기간 내에 증발된 물질로 달성될 수 있는 층 두께를 고려하여, 다공성 물질의 경우를 비롯하여 적합한 맵 결정에 의해 층 두께를 결정할 수 있고, 예를 들어 이를 기초로 하여 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프 제어를 실행할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자 내로 도입되는 전자의 양(이는, 예를 들어 전자 빔 증발에서 한정될 수 있음)에 기초하여 단위 시간당 전하(즉, 제 1 전류)를 확인할 수 있다. 또한, 용기(예컨대, 도가니)를 통해 유동하고/하거나 이로부터 기준 전위로 유동하는 제 2 전류를 측정할 수 있다. 제 1 전류와 제 2 전류 사이의 차이는 용기로부터 멀리 가속되는(즉, 퍼짐 영역 내로 방출되는) 고체 입자로부터 수송되는 전하의 양(예컨대, 단위 시간당)을 나타낸다. 따라서, 고체 입자와 함께 이동하는 전자의 양이 얼마나 많은지 확인할 수 있음이 명백하다. 주요 퍼짐 방향(예컨대, 공간 각도)의 평균 편차 및/또는 실험적인 보정 계수(예를 들어, 고체 입자 구름 연구로부터 확인됨)를 고려하여, 층 두께(입자 층의 두께)를 결정할 수 있고, 그에 기초하여 이를 제어할 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 센서(층 두께 센서)에 의해 층 두께를 측정할 수 있다. 층 두께 센서는, 예를 들어 결정 진동자를 가질 수 있다. 층 두께 센서는 존재하는 경우 동시 증발 과정에서, 예를 들어 코팅 물질의 매우 적은 산란 증기만 접근하는 영역에서 적합한 부위에 배치될 수 있다. 또한, 층 두께 센서는, 예를 들어 고체 입자를 휴식 시간에, 예컨대 정규적인 휴식시간에 결정 진동자로부터 제거한다(예컨대, 긁어낸다)는 점에서, 주기적인 세정을 위해 구성될 수 있다.
이들 방법 변형의 실행을 위한 장치의 한 구성은 입자 층으로부터의 입자 방출을 위한 상기 구성요소에 덧붙여, 추가적인 제 2 코팅 물질의 증발을 위해 제공되는 증발 장치를 갖는다. 이 장치 구성요소는 또한 제 2 코팅 물질을 보유하기 위한 용기 및 그의 증발을 위한 증발 단위장치를 포함한다. 전자 공급원의 특성상 허용된다면, 방법의 두 부분에 대해 하나의 전자 공급원을 사용할 수 있다. 상이한 유형의 것을 비롯한 별도의 전자 공급원도 대안으로서 마찬가지로 가능하다.
2개의 코팅 공정을 시간 또는 공간 면에서 연결하기 위하여, 제 2 코팅 물질이 제 1 미립자 코팅 물질과 동일한 코팅 영역에서 또는 인접한 제 2 코팅 영역에서 침착되도록 하는 방식으로, 증발 장치(물질 증기 공급원)를 입자 방출 장치(입자 구름 공급원)에 대해 배치한다. 두 물질 구름의 퍼짐 특징을 서로에 대해 제어하에 정렬함으로써, 예를 들어 임의적으로 게이트를 함께 이용하면서 기판 표면을 기준으로 하여 기울어진 배열에 의해(예컨대, 승화 코팅 물질의 경우), 및/또는 서로에 대한 공간상 배열에 의해, 이를 달성할 수 있다.
코팅 장치의 두 구성요소의 입자 방출 및 증발 장치로서의 지정은 단순히 개별적인 물질 구름으로의 전환을 위한 방법에 기초한 구분을 위한 것이다. 그럼에도 불구하고 둘 다 코팅 작업이다.
두 코팅 작업의 연결의 두 변형이 공간상 배열에 의해 이루어지는 경우, 코팅 장치의 다양한 이용가능한 실시양태가 있다. 그러므로, 용기중 하나가 다른 용기 내에 배치된다는 점에서 동일한 코팅 영역도 달성될 수 있다. 한 용기를 다른 용기 내의 중심에 배열하는 것은 두 구름이 정확하게 일치되는데 바람직하다. 내부 용기를 외부 용기의 가장자리에 배치시킴으로써, 부분적인 중첩을 달성할 수 있다.
예를 들어, 추가 용기를 용기 내에 배치하거나 용기에 인접시킬 수 있거나, 용기를 추가 용기 내에 배치하거나 추가 용기에 인접시킬 수 있다. 코팅 방법 및 고체 입자 또는 코팅 물질(증발 물질)의 물질에 대한 요구와 관련하여 두 용기(용기 및 추가 용기)를 서로에 대해 배열할 수 있다. 예를 들어, 요구되는 증발 구역(즉, 추가 영역의 단면적)은 입자 방출 구역(즉, 영역의 단면적)보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시양태에서, 전자 빔 건에 의해 수 개의 증발 지점이 제공될 수 있거나, 하나보다 많은 전자 빔 건이 증발 물질로 향하도록 할 수도 있다.
다른 실시양태에서, 수송되는 동안 먼저 하나의 코팅 영역 통해 지난 다음 다른 코팅 영역을 통해 지나도록, 입자 용기 및 제 2 용기가 기판의 수송 경로 방향에서 보아 서로 나란히 배열될 때, 두 구름이 별도로 이동할 수 있다.
본 발명은 다양한 구성을 참조하여 상세하게 설명된다. 상응하는 도면은 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b는 전하의 간접적인 유도를 위한 본 발명의 장치의 측면도 및 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 전하의 직접적인 유도를 위한 본 발명의 장치의 측면도 및 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 전하를 입자 층 내로 간접적으로 유도하면서 입자 방출 및 증발을 동시에 실행하는 본 발명의 장치의 한 실시양태의 측면도 및 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 전하를 입자 층 내로 직접적으로 유도하면서 입자 방출 및 증발을 동시에 실행하는 본 발명의 장치의 다른 실시양태의 측면도 및 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 코팅되는 표면의 상이한 실시양태에서 각 경우의 한 기판의 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 연료 전지의 각 경우의 한 적층 단위장치의 측면도 또는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 축전지의 각 경우의 하나의 축전지의 측면도 또는 단면도이다.
도 8a는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 커패시터의 측면도 또는 단면도이다.
도 8b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 코팅 장치의 측면도 또는 단면도이다.
도 9는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 코팅 장치의 측면도 또는 단면도이다.
도 10은 다양한 실시양태에 따른 방법에서 코팅 장치의 측면도 또는 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 각 경우의 하나의 코팅 장치의 측면도 또는 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서 각 경우의 하나의 층 배열의 측면도 또는 단면도이다.
도 13은 다양한 실시양태에 따른 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 14는 전하를 입자 층 내로 직접적으로 도입하면서 입자 방출 및 증발을 동시에 실행하는 본 발명의 장치의 한 실시양태의 평면도이다.
도 15는 다양한 실시양태에 따라 용기 가장자리를 통해 전자를 분말 물질 내로 간접적으로 도입하기 위한 2차 전자 빔 발생 방법을 도시한다.
도 16은 다양한 실시양태에 따라 별도의 전자 표적 물체를 통해 전자를 분말 물질 내로 간접적으로 도입하기 위한 2차 전자 빔 발생 방법을 도시한다.
도 17은 세라믹 용기에 의한 해응집을 도시하기 위한, 다양한 실시양태에 따른 용기의 고체 입자를 도시한다.
도 18은 다양한 실시양태에 따른 고체 입자 층(예를 들어, 조밀한 MCMB-G15 입자 층)의 레이저 주사 현미경 이미지(LSM)이다.
도 1a에 따른 본 발명의 장치는, 예를 들어 미립자 코팅 물질의 저장분(5), 즉 입자 층(5)을 갖는, 이동하거나 고정된 형태의, 예컨대 냉각되거나 냉각되지 않는 형태의, 예를 들어 흑연 또는 금속으로 제조된 입자 용기(2)(용기(2)라고도 불림)를 도시한다. 전자 빔 건(4)에 의해, 전자 빔(3)이 발생되는데, 이는 정확하게 입자 용기(2)의 상부 가장자리를 적어도 부분적으로 덮는 조사 형태(60a)를 덮는다. 전자 빔 형태(조사 형태(60a))의 결과, 전자가 입자 용기(2)로 전달되고, 이는 입자 층(5) 내로의 전자 유동(1)(화살표로 도시됨)을 야기한다. 이 전자 유동(1)은 입자 층(5) 상에 표면 전하를 유발하고, 그 결과 입자 층(5)의 표면 층으로부터의 입자의 정전 방출(입자 구름(6)으로 표시됨)을 일으킨다. 모든 방법 구성에서 입자당 전자의 수에 의해 영향을 받을 수 있는 고-에너지 입자 방출 때문에, 입자 구름(6)은 입자 물질이 침착되는 기판(7)까지 연장된다.
도면에 도시된 것은 단순히 장치의 본질적인 구성요소의 개략적인 표시이며, 완성되었거나 축척대로 도시된 것을 주장하지는 않는다. 예를 들어, 기판(7)과 입자 용기(2) 사이의 거리는 도면과 분명히 상이할 수 있다.
유도되는 전자중 일부가 멀리 유동될 수 있도록, 입자 용기는 가변 저항기(8)를 통해 접지된다. 입자 층(5) 내로 유도되는 전자에 대한 관련 평형화 공정은 표면 전하의 균질화, 따라서 더 큰 면적의 더욱 균질한 코팅으로 이어진다.
도 1b는 이 작업의 평면도이다.
도시된 장치를 이용하면, 입자 층의 표면에서의 한정된 폭발과 비교하여, 1회 입자 방출 펄스로, 10kW의 전자 빔 전력, 12.5ms의 적용 시간 및 100의 전류 분배 비에서, 흑연 1.6cm3의 입자량이 입자-방출될 수 있다. 보고된 매개변수는 특히 입자의 연속 방출에 의해 균질한 기판 코팅을 달성하기 위하여 본 발명의 방법에 대해 조정된 변수이다.
도 2a 및 도 2b는 전자 빔(3)이 입자 층(5)으로 직접 향한다는 점에서 직접적인 전자 유도인 것을 제외하고는 동일한 장치를 도시한다. 이 경우 전자 유동(1)은 전하가 여기에서도 마찬가지로 가변 저항기(8)를 통해 멀리 유동하고 평형화 공정이 상기 기재된 바와 같이 이루어질 수 있도록, 용기 벽에서 유도된다. 도 2b는 전하의 간접 유도와 비교함으로써 입자 층(5)에서의 상이한 전자 유동(1)을 도시한다.
도 3a 및 도 3b에 따른 구성은 보충 증발 장치에 의해 도 1a 및 도 1b의 구성과는 상이하다. 두 장치가 서로 상응하는 경우, 상기 세부사항을 참조한다. 증발 장치는 제 2 코팅 물질, 예컨대 티탄을 보유하는 제 2 용기(10), 즉 도가니를 포함한다. 입자 층으로부터의 입자의 방출 및 제 2 코팅 물질(11)의 증발은 동일한 전자 빔 건(4)을 사용하여 달성된다. 다르게는, 다수개의 전자 빔 건(4), 예를 들어 각 용기에 대해 하나의 전자 빔 건(4) 또는 다수개의 전자 빔 건(4)을 사용할 수 있다.
그로부터의 전자 빔(3)은 증기 구름(9)이 위로 형성되고 제 2 코팅 물질(11)이 기판(7) 상에서 응축되도록 입자 용기(2)의 가장자리 및 제 2 코팅 물질(11)의 표면 둘 다로 번갈아 향한다. 전자 빔(4)은 입사 지점(60)(도 3b에서 점으로 도시됨)에서 제 2 코팅 물질(11)에서 작은 면적의 증기 공급원을 구성한다.
두 구름(6, 9)은 서로 나란히 코팅 영역을 형성하는데, 이들은 개별적인 구름(6, 9)과 기판(7) 사이의 교차선에서 보인다. 입자 구름(6)의 방향(화살표로 도시됨)으로 기판 수송 장치(도시되지 않음)에 의해 더 수송된 기판(7)은 그 직후 입자 구름(6)에 노출되어 두 코팅 물질의 혼합된 층(도시되지 않음)을 형성한다.
도 3a 및 도 3b의 구성과는 대조적으로, 제 2 용기(10)가 입자 용기(2) 내에 중심에서 벗어나서 배열된다. 그 결과, 증기 구름(9)이 입자 구름(6) 내에 형성되고, 두 코팅 물질(5, 11)은 동일한 코팅 영역에서 침착된다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자(5) 내로의 전자의 도입에 의해, 고체 입자(5)의 기판(7), 예컨대 기체 확산 층으로의 전달이 이루어질 수 있다. 기판(7)으로 전달된 고체 입자(5)는 층(즉, 코팅, 입자 층으로도 일컬어짐)을 형성할 수 있다.
입자 층은 예시적으로 기판(7)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시키는 기능성 코팅을 제공할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 층(7)은 기판(7) 상에 제공될 수 있으며, 이 경우 층은 다수개의 고체 입자(5)를 포함한다. 고체 입자(5)는 기체-투과성 층, 예를 들어 다공성 층을 형성할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 층은 기판(7), 예컨대 기체 확산 층의 전기 전도율보다 높은 전기 전도율, 예를 들어 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가질 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 층(7)은 기판(7), 예컨대 기체 확산 층의 화학적 반응성 미만인 화학적 반응성(즉, 반응이 진행되는 속도)을 가질 수 있다. 화학적 반응성은, 예를 들어 기체 및/또는 액체와 관련하여, 예컨대 산소, 수소 및/또는 물과 관련하여 한정될 수 있다. 층이 부식 보호력을 제공할 수 있음이 명백하다.
다양한 실시양태에서, 층은 수소성(예컨대, 초소수성) 및/또는 소유성(예컨대, 초소유성)을 가질 수 있다. 즉, 소수성 및/또는 소유성 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 층은 소수성-소유성(예컨대, 초 소수성-소유성), 즉 액체-반발성(예컨대, 소수성 및 소유성)일 수 있다. 즉, 소수성-소유성 표면을 가질 수 있다.
예를 들어, 층은 비극성 물질을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 층은 소수성 및/또는 소유성을 유발하는 높은 미시적인 조도 또는 높은 비표면적을 가질 수 있다. 층의 소수성 및/또는 소유성은 기판(7), 예컨대 기체 확산 층의 소수성 및/또는 소유성보다 클 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자의 전자 빔-유도되는 (간접적인) 분리가 제공될 수 있다. 입자 층으로부터의 고체 입자(5)가 다른 층으로부터의 고체 입자(5)와 별도로 방출될 수 있음이 명백하다.
임의적으로, 기상 코팅 물질(9)을 제공하는 동시 증발이 제공될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 층은 특정(소정) 화학적/물리적 특성과 함께 높은 비표면적을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자(5)는 소수성(예를 들어, 초소수성) 및/또는 소유성(예컨대, 초소유성) 물질을 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 층은 조도를 가질 수 있다. 조도에 의해 높은 비표면적이 제공될 수 있음이 분명하다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자(5)는 중합체(예를 들어, 플루오르계 중합체 물질, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌)를 포함할 수 있거나 그로부터 제조될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자(5)는, 예를 들어 흑연, 흑연 복합체, 비정질 탄소 및/또는 탄소 복합체 형태의 탄소를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 층은 다공성일 수 있다. 즉, 강을 가질 수 있다(도 13 참조). 예를 들어, 층은 기체 투과성이도록, 상호 연결된 공극의 망상구조를 포함할 수 있다. 예컨대, 층은 약 10% 내지 약 95%, 예를 들어 약 25% 내지 약 75%, 예컨대 약 40% 초과, 예컨대 약 50% 초과, 예컨대 약 60% 초과, 예컨대 약 70% 초과의 공극률을 가질 수 있다. 공극률은 층의 총 부피에 대한 강 부피의 비로서 간주될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 층은 기판(7), 예컨대 기체 확산 층의 경도보다 더 큰 경도를 가질 수 있다.
도 5a는 정돈되지 않고 서로 결합된(소위 종이 또는 펠트, 예컨대 소위 탄소지) 다수개의 섬유(502)로 구성된 기체 확산 층(달리 말해, 기체 투과성 층)을 도시하고, 도 5b는, 예컨대 규칙적인 격자(메쉬로 불림)로 정돈되고 서로 결합된(소위 위브) 다수개의 섬유로 구성된 기체 확산 층을 도시한다.
기체 확산 층을 사용하여 연료 전지를 생성시킬 수 있다. 분리판에 앞서, 기체 확산 층은 애노드 측에 연료(예컨대, 수소 또는 메탄), 또한 캐쏘드 측에 산소 또는 공기 같이 반응 기체의 균질한 분배를 제공한다. 기체 확산 층이, 예를 들어 반응 기체, 예컨대 수소 및/또는 산소와 관련하여 높은 기체 투과율을 가질 수 있음이 분명하다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 고체 입자로부터 형성되는 입자 층이 소수성, 소유성 및/또는 소수성-소유성 표면을 갖도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기체 확산 층은 충분히 높은 전기 전도율(예컨대, 약 106지멘스/m보다 큼) 및/또는 높은 소수성(발수성)을 갖도록 하는 방식으로 고체 입자로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 본질적으로 비-소수성인 중합체 위브 또는 본질적으로 비-소수성인 금속 위브를 고체 입자에 의해 코팅할 수 있다. 중합체 위브 및/또는 금속 위브 상에 침착된 고체 입자는 예시적으로 우수한 전기 전도율(예컨대, 약 106지멘스/m보다 큼) 및 높은 부식 보호력을 가능케 하는 표면 작용화 또는 표면 구조화를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 고체 입자는 전기 전도성일 수 있다(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가질 수 있다).
입자 층이 발수성(소수성)일 수 있음이 분명하며, 이 경우 입자 층으로부터 떨어지는 물은 가능한 부식 면적을 최소화하고, 기체 유동 또는 기체 유동 공급이 중단되지 않고/않거나 효과적으로 진행될 수 있도록 위브 내에 머물지 않는다. 물에 의해 습윤된 표면이 기체 유동을 중단시키지(예컨대, 방해하지) 않고, 따라서 전지 전압을 감소시키지 않도록 방지할 수 있음이 명백하다.
도 6a는 연료 전지의 적층 단위장치를 도시하고 연료 전지의 개략적인 구성을 명확히 하며, 도 6b는 적층 단위장치의 세부사항을 도시하는데, 이 때 연료 전지는 도 6a에 도시된 적층 단위장치를 하나 이상 포함할 수 있다. 기상 연료(602)(예컨대, 수소)는 애노드(612)로의 산화 측에서 기체 확산 층(608)(GDL)을 통해, 예를 들어 흑연-함유 전기 전도성 종이(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐)를 통해 유도될 수 있는 반면, 산소(604)는 추가적인 GDL(608)에 의해 미세하게 분할된 형태로 캐쏘드(616)에 도달할 수 있다.
이를 위해, 코팅 공정 전에 연료 전지에 사용하기 위하여 분리판(600), 예를 들어 스테인레스 강 판(600)을 기계적으로 엠보싱시킬 수 있는데, 이는 도 6a에 도시된 바와 같이 분리판에 전형적인 기체 도관을 발생시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 연료 전지에 효과적인 전하(618)의 분리는, 연료 전지의 적층 단위장치가 낮은 내부 저항 및 높은 전력 수율을 가질 수 있도록, 분리판(600)에 의해 전해질 막(614)(막-전자 어셈블리: MEA), 애노드(612)(또는 캐쏘드(616)) 및 GDL(608)을 통해 이어지거나 접속-연결될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 적층 단위장치의 다양한 부분은 고체 입자로 코팅될 수 있으며, 이는 전지 효율의 개선을 야기할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 촉매 물질을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판은 전극(612, 616)(예를 들어, 애노드(612) 및/또는 캐쏘드(616)), 전해질(614)(예컨대, 판, 막 또는 호일 형태) 및/또는 기체 확산 층(608)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여 기판 상에 촉매 층을 침착시킬 수 있으며, 이는 고체 입자를 포함한다. 촉매 층은 반응 기체의 화학적 반응을 촉진시키고/시키거나 반응 기체의 분할을 달성할 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자는 전해질(614)(예컨대, 고체 전해질)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판은 전극(612, 616)(예컨대, 애노드(612) 및/또는 캐쏘드(616)) 및/또는 기체 확산 층(608)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여 기판 상에 전해질 층을 침착시킬 수 있으며, 이는 고체 입자를 포함한다.
다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자 및 코팅은 소수성, 소유성 및/또는 소수성-소유성 층이 형성될 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우, 기판은 전극(612, 616)(예컨대, 애노드(612) 및/또는 캐쏘드(616)) 및/또는 기체 확산 층(608)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여 기판 상에 소수성, 소유성 및/또는 소수성-소유성 층을 침착시킬 수 있으며, 이는 고체 입자를 포함한다.
전해질(614)과는 다르게 또는 추가적으로, 연료 전지는 애노드(612)와 캐쏘드(616) 사이에 분리막(618)을 가질 수 있다. 이 경우, 기판은 전해질과는 다르게 또는 추가적으로, 예컨대 시트, 호일 또는 부직포 형태의 분리막(618)을 가질 수 있다.
도 7a는 다양한 실시양태에서의 축전지의 축전지를 개략적인 측면도 또는 개략적인 단면도로 도시한다. 축전지는 하나의 축전지 또는 다수개의 축전지를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
축전지는 다양한 실시양태에서 제 1 화학 포텐셜을 갖는 제 1 전극(1012)을 가질 수 있다.
제 1 전극(1012)은 생산 단계에 따라 다양한 구성요소 및/또는 물질을 가질 수 있다. 제 1 전극(1012)은 집전기 구조체(302), 예를 들어 전기 전도성 호일(즉, 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐), 호일 구조체 또는 판을 가질 수 있다. 집전기 구조체(302)는 100㎛ 미만, 예컨대 약 50㎛ 미만, 예를 들어 약 20㎛ 미만, 예를 들어 약 10㎛ 미만, 예를 들어 약 5㎛ 미만, 예컨대 약 10㎛ 내지 약 30㎛의 두께를 가질 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 제 1 전극(1012)은 다양한 실시양태에서, 예컨대 고체 입자를 포함하거나 그로부터 형성되는 활성 물질(1012a)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a)은 전기 전도성 방식으로(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐) 집전기 구조체(302)에 연결될 수 있으며, 이 경우 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a)은 제 1 전극(1012)의 제 1 화학 포텐셜을 제공(예컨대 한정)한다.
제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a) 또는 그의 고체 입자는, 예를 들어 (예컨대 캐쏘드를 형성시키기 위하여) 인산철리튬(LFPO)을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있거나(예를 들어, 인산철리튬 축전지에서), 산화망간리튬(LMO)을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있거나(예컨대, 산화망간리튬 축전지에서), 또는 오산화바나듐(산화바나듐(V) 또는 V2O5)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있거나(예를 들어, 티탄산리튬 축전지에서), 또는 붕산리튬(예컨대, LiBO2)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있거나, (예를 들어, 애노드를 형성시키기 위하여) 티탄산리튬(LTO)을 포함하거나 그에 의해 형성될 수 있다(예를 들어, 티탄산리튬 축전지에서). 리튬 이온 축전지의 경우, 활성 물질(1012a)은 또한 리튬 화합물 활성 물질(1012a)로도 일컬어질 수 있다.
애노드를 형성하기 위하여, 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a) 또는 그의 고체 입자는, 예를 들어 약 500nm 미만, 예컨대 약 150nm 미만의 입경을 갖는 반도체(예컨대, 규소) 또는 탄소-규소 복합체를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
애노드(예를 들어, 리튬 애노드)를 형성하기 위하여, 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a) 또는 그의 고체 입자는, 예컨대 순수한 금속 리튬을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
또한, 축전지는 화학 포텐셜을 갖는 제 2 전극(1022)을 가질 수 있다.
또한, 축전지는 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022)을 둘러싸는 봉입재(1030)를 가질 수 있다.
예를 들어 축전지가 충전되고 있거나 충전될 때 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022) 사이에서 전압이 형성될 수 있고, 이는 제 1 화학 포텐셜과 제 2 화학 포텐셜 사이의 차이에 대략 상응한다.
집전기 구조체(302)는 예시적으로, 예컨대 축전지가 방전될 때 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022) 사이의 이온 교환에 의해 발생되는 전하를 잇기 위한 집전기 또는 전류 도체로서 기능할 수 있다. 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022) 사이에서 이동하는 이온(이온 교환)은 저장된 화학 에너지(예컨대, 축전지가 하전될 때)를 전기 에너지로 전환시킬 수 있고, 이 경우 전기 에너지는 접속부(1012k, 1022k)에서 전압을 제공한다.
다양한 실시양태에서, 약 1.2V 초과, 예를 들어 약 4V 초과의 전압이 제공될 수 있다. 예를 들어, 티탄산리튬을 포함하는 전극(예컨대, 애노드의 일부로서)에 의해 약 4V 초과의 전압을 획득한다.
다양한 실시양태에서, 제 1 전극(1012)의 집전기 구조체(302)는, 예컨대 탄소를 포함하거나 그로부터 형성되는 고체 입자로 양면에서 코팅된 금속 호일을 포함할 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 활성 물질은, 예컨대 상기 기재된 바와 같이 고체 입자 형태로 집전기 구조체(302)에 도포될 수 있다.
도 7b는 다양한 실시양태에 따른 방법에서의 축전지를 개략적인 측면도 또는 개략적인 단면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 제 2 전극(1022)은 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a)가 아닌 활성 물질(1012b)를 가지면서 제 1 전극(1012)과 유사한 방식으로 구성될 수 있다.
제 2 전극(1022)은 생산 단계에 따라 다양한 구성요소 및/또는 물질을 가질 수 있다. 제 2 전극(1022)은 집전기 구조체(304), 예를 들어 전기 전도성 호일, 호일 구조체 또는 판을 가질 수 있다. 집전기 구조체(304)는 100㎛ 미만, 예컨대 약 50㎛ 미만, 예를 들어 약 20㎛ 미만, 예를 들어 약 10㎛ 미만, 예를 들어 약 5㎛ 미만, 예컨대 약 10㎛ 내지 약 30㎛의 두께를 가질 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 제 1 전극(1012)은, 예를 들어 다양한 실시양태에서 고체 입자를 포함하거나 그로부터 형성되는 활성 물질(1022a)을 포함할 수 있다. 활성 물질(1022a)은 전기 전도성 방식으로(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐) 집전기 구조체(304)에 연결될 수 있고, 이 경우 제 2 전극(1022)의 활성 물질(1022a)은 제 2 전극(1022)의 제 2 화학 포텐셜을 제공(예컨대, 한정)한다.
제 2 전극(1022)(예컨대, 애노드)의 활성 물질(1022a) 또는 고체 입자는 제 1 전극(1012)의 활성 물질(1012a)과 상이할 수 있다. 제 2 전극(1022)의 활성 물질(1022a)은, 예를 들어 흑연(또는, 예컨대 다른 구성의 탄소)을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있거나, 나노결정질 및/또는 비정질 규소를 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있거나, 티탄산리튬(Li4Ti5O12)을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있거나, 이산화주석(SnO2)을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 제 2 전극(1022)의 집전기 구조체(304)는, 예컨대 탄소를 포함하거나 그로부터 형성되는 고체 입자로 양면에서 코팅된 금속 호일을 가질 수 있다.
또한, 축전지는 제 1 전극(1012)에 접촉하고, 예컨대 제 1 전극(1012)의 집전기 구조체(302)에 전기적으로 연결되는 제 1 접속부(1012k)를 가질 수 있다. 제 1 접속부(1012k)는 노출된 표면을 가질 수 있다.
또한, 축전지는 제 2 전극(1022)에 접촉하고, 예를 들어 제 2 전극(1022)의 집전기 구조체(302)에 전기적으로 연결되는 제 2 접속부(1022k)를 가질 수 있다. 제 2 접속부(1022k)는 노출된 표면을 가질 수 있다.
축전지가 하전될 때 제 1 접속부(1012k)와 제 2 접속부(1022k) 사이에서 전압이 형성될 수 있고, 이는 제 1 화학 포텐셜과 제 2 화학 포텐셜 사이의 차이에 대략 상응한다.
임의적으로, 축전지는 분리막(1040)을 포함할 수 있다. 분리막(1040)은 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022), 달리 말해 음극 및 양극(즉, 캐쏘드 및 애노드)을 공간적으로 또한 전기적으로 서로 분리시킬 수 있다. 그러나, 분리막(1040)은 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022) 사이에서 이동하는 이온에 대해 투과성일 수 있다. 제 1 전극(1012)과 제 2 전극(1022) 사이에서 이동하는 이온은 저장된 화학적 에너지(예를 들어, 축전지가 하전될 때)를 전기 에너지로 전환할 수 있으며, 이 경우 전기 에너지는 접속부(1012k, 1022k)에서 전압을 제공한다. 분리막(1040)은 미세다공성 플라스틱을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있고/있거나, 분리막(1040)은 유리 섬유 또는 폴리에틸렌으로 구성되는 부직물을 포함할 수 있거나 그에 의해 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 분리막(1040)은 본원에 기재된 바와 같이 고체 입자의 층을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 호일 구조체는 하나 이상의 플라스틱 및 하나 이상의 금속으로 구성되는 적층체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 호일 구조체는 고체 입자(금속을 포함하거나 그로부터 형성됨)로 코팅된(예를 들어, 한 면 또는 두 면에서) 중합체 필름을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 제 1 화학 포텐셜을 갖는 제 1 전극을 형성하기 위하여, 활성 물질(전극 물질이라고도 불릴 수 있음)을 포함하거나 그로부터 형성되는 고체 입자, 금속을 포함하거나 금속으로부터 형성되는 고체 입자, 및/또는 탄소를 포함하거나 탄소로부터 형성되는 고체 입자를 기판(예를 들어 집전기 구조체(302, 204))에 도포하고; 제 2 화학 포텐셜을 갖는 제 2 전극에 제 1 전극을 연결하며; 제 1 전극 및 제 2 전극을 봉입함을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 제 1 전극(1012)의 집전기 구조체(302)의 접속 연결을 위해 접속부(1012k)을 형성시킴을 추가로 포함할 수 있다. 달리 말해, 접속부(1012k)는 제 1 전극(1012)의 집전기 구조체(302)와 접촉을 형성할 수 있다. 임의적으로, 방법은 제 2 전극(1022)과의 접속 연결을 위해 추가적인 접속부(1022k)를 형성할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 이온 교환 연결을 제공하기 위하여 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전해질(1032)을 형성함을 추가로 포함할 수 있다. 전해질(1032)은 하기중 하나 이상을 포함할 수 있다: 염(예컨대, LiPF6; 육플루오로인산리튬), LiBF4(사플루오로붕산리튬), 무수 비양성자성 용매(예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등), LiBOB(비스(옥살레이토)붕산리튬), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로펜(PVDF-HFP), Li3PO4N(질화인산리튬).
다르게는 또는 추가적으로, 전해질(1032)은 고체 입자 형태의 고체 전해질을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 고체 전해질 또는 고체 입자는 유기 중합체, 예를 들어 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜(PEDOT) 및/또는 폴리피롤(PPy), 테트라시아노퀴노디메탄(TCNQ)의 유기 염, 및/또는 유기 산화물, 예를 들어 이산화망간(MnO2)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
제 2 전극(1022)은 제 1 전극(1012)과 유사하게 형성될 수 있다. 이 경우, 추가적인 접속부가 제 2 전극(1022)의 집전기 구조체(304)와 접촉을 형성할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 촉매 물질을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(7)은 전극(1012, 1022)(예를 들어, 그의 집전기 구조체(302, 304)), 전해질(1032)(예컨대, 판, 막 또는 호일의 형태), 및/또는 분리막(1040)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여, 기판 상에 고체 입자를 포함하는 촉매 층을 침착시킬 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자는 전해질(1032)(예컨대, 고체 전해질(1032))을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(7)은 전극(1012, 1022)(예를 들어, 그의 집전기 구조체(302, 304)), 및/또는 분리막(1040)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여, 기판 상에 고체 입자를 포함하는 전해질 층을 침착시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 활성 물질(활성 축전지 물질)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판은 전극(1012, 1022)(예를 들어, 그의 집전기 구조체(302, 304)), 전해질(1032)(예컨대, 판, 막 또는 호일의 형태), 및/또는 분리막(1040)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여, 기판 상에 고체 입자를 포함하는 활성 물질 층을 침착시킬 수 있다.
도 8a는 다양한 실시양태에서의 커패시터를 개략적인 측면도로 도시한다.
커패시터는 제 1 전극(1112) 및 제 2 전극(1122)을 가질 수 있다. 또한, 커패시터는 제 1 전극(1112)과 제 2 전극(1122) 사이에 배열된 전해질(1032)을 포함할 수 있다. 또한, 커패시터는 제 1 전극(1112)과 전해질(1032) 사이에 배열된 제 1 유전체(1112d)를 포함할 수 있다. 또한, 커패시터는 제 2 전극(1122)과 전해질(1032) 사이에 배열된 제 2 유전체(1122d)를 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자는 유전체를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(7)은 전극(1112, 1122) 또는 전해질(1032)(예컨대, 판, 막 또는 호일 형태)을 포함할 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여 기판(7) 상에 고체 입자를 포함하는 유전체 층을 침착시킴으로써, 예를 들어 제 1 유전체(1112d) 및/또는 제 2 유전체(1122d)를 형성시킬 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자는 전해질(고체 전해질)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(7)은 전극(1112, 1122) 또는 유전체(1112d, 1122d)(예컨대, 판, 막 또는 호일의 형태)를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 고체 입자를 사용하여 기판(7) 상에 고체 입자를 포함하는 전해질 층을 침착시킴으로써, 전해질(1032)를 형성시킬 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 고체 입자는 금속을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(7)은 전극(1112, 1122) 또는 유전체(1112d, 1122d)(예컨대, 판, 막 또는 호일의 형태)를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 전극(1112, 1122)의 표면적을 증가시키기 위하여, 고체 입자를 사용하여 기판(7) 상에 고체 입자를 포함하는 다공성 금속 층을 침착시킬 수 있다. 예를 들어, 커패시터가 슈퍼커패시터이도록, 고체 입자에 의해 전극(1112, 1122)의 표면적을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 슈퍼커패시터는 전극(1112, 1122)의 크기를 갖는 평면의 표면적의 약 10000배보다 크고, 예컨대 약 100000배보다 큰 표면적을 갖는 전극(1112, 1122)을 포함할 수 있다.
도 8b는 다양한 실시양태에서의 코팅 설비를 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 진공을 발생시키도록 구성될 수 있는 진공 챔버(802)를 포함할 수 있다.
이를 위하여, 진공(즉, 약 0.3바 미만의 압력) 및/또는 약 10- 3밀리바 내지 약 10- 7밀리바의 압력(달리 말해, 고진공) 또는 고진공 미만의 압력, 예컨대 약 10- 7밀리바 미만의 압력(달리 말해, 초고진공)이 진공 챔버(802) 내에 제공될 수 있도록, 진공 챔버(802)를 펌프 시스템(804)(하나 이상의 고진공 펌프를 가짐)에 연결시킬 수 있다.
또한, 진공 챔버(802)는, 예컨대 코팅 동안 진공 챔버(802) 내에서 주위 조건(공정 조건)(예를 들어, 압력, 온도, 기체 조성 등)이 설정 또는 조절될 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 예컨대 진공 챔버(802)는 기밀, 분진-밀폐 및/또는 진공-밀폐이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 진공 챔버(802)의 공정 대기를 형성하기 위하여 기체 공급원에 의해 기체를 진공 챔버(802)에 공급할 수 있다.
코팅 영역(803)이 진공 챔버(802) 내에 배치될 수 있다. 또한, 코팅 영역(803) 내로의 고체 입자의 물질 스트림(예를 들어, 질량 유동 또는 부피 유동)을 발생시키기 위하여 코팅 장치(306)가 진공 챔버(802) 내에 배치될 수 있는데, 이는 상기 코팅 장치(306)가 고체 입자를 코팅 영역(803) 내로 방출할 수 있음을 의미한다. 코팅 장치(306)는 고체 입자의 물질 스트림이 코팅 영역(803) 내로 퍼지도록 하는 방식으로 이들 물질 스트림을 발생시킬 수 있다. 달리 말해, 코팅 장치(306)에 의해 제공되는 고체 입자는 코팅 영역(803) 내로 유동할 수 있다.
또한, 코팅 설비는 기판(7), 예를 들어 호일 구조체(이는 코팅 영역(803) 내로, 예컨대 진공 챔버(802) 내로 도입됨)를 풀기 위한 풀림 롤(502a)을 포함할 수 있다. 또한, 코팅 설비는 코팅 영역(803)으로부터 배출되는 기판(7)을 권취하기 위한 권취 롤(502b)을 포함할 수 있다.
또한, 코팅 설비는 기판(7)이 코팅 영역(803)을 통해 풀림 롤(502a)과 권취 롤(502b) 사이에서 수송되는 수송 경로를 한정하는 다수개의 수송 롤(508)을 가질 수 있다.
또한, 코팅 설비는 다수개의 수송 롤(508)중 적어도 일부에, 풀림 롤(502a)에, 또한 권취 롤(502b)에 연결되는 구동 시스템(518)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동 시스템(518)은 체인, 구동 벨트 또는 기어에 의해 롤(508, 502a, 502b)(즉, 다수개의 수송 롤(508)중 대다수의 수송 롤, 풀림 롤(502a) 및 권취 롤(502b) 각각)에 연결될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 다수개의 수송 롤(508)은 수송 롤의 회전 축을 가로질러 수송 경로를 편향시키기 위한 하나 이상의 편향 롤을 가질 수 있다.
또한, 적어도 다수개의 수송 롤(508)은 퍼짐 롤(spreader roll)의 회전 축을 따라 기판(7)에 장력을 주기 위한 하나 이상의 퍼짐 롤을 가질 수 있다. 퍼짐 롤은 그를 가로질러 이동하는 기판(7)이 바깥쪽으로 장력을 받도록, 예를 들어 그의 외표면에 나선형 프로파일을 가질 수 있거나 약간 구부러질 수 있다. 따라서, 기판(7)에 절첩이 생기지 않도록 억제할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 임의적으로 기판(7)의 표면 층을 제거하는 하나 이상의 에칭 장치(806)를 가질 수 있다. 따라서, 기판(7)의 표면을 에칭할 수 있음이 분명하다. 하나 이상의 에칭 장치(806)는 하나 이상의 이온 빔 공급원, 하나 이상의 플라즈마 공급원 및/또는 하나 이상의 에칭 기체 공급원을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다수개의 수송 롤은 다양한 실시양태에서 진공 챔버(802) 내에 배치될 수 있다. 다르게는, 적어도 풀림 롤(502a) 및/또는 권취 롤(502b)이 진공 챔버(802) 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 진공 챔버(802)는 기판(7)이 수송될 수 있는 입구 영역 및/또는 출구 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 입구 영역 및/또는 출구 영역은 추가적인 챔버, 예를 들어 예비-진공 챔버 또는 진공 챔버에 연결될 수 있고(진공 목적을 위해), 이들은 함께 코팅 설비의 일부일 수 있다.
도 9는 다양한 실시양태에서의 코팅 설비를 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 다수개의 충격 영역(108a, 108b)이 배치되는 진공 챔버(802) 또는 진공 공정 챔버(802)를 포함할 수 있다. 또한, 코팅 설비는 하나 이상의 전자 빔 공급원(104)(예를 들어, 하나의 전자 빔 공급원, 또는, 예컨대 다수개의 전자 빔 공급원)을 포함할 수 있다. 이를 위해, 전자 빔 공급원(104)은 10kW 초과의 전자 빔(114a, 114b)을 제공하는 고-전력 모드로 작동될 수 있다.
충격 영역(108a, 108b)중 적어도 하나에 고체 입자가 배치될 수 있다.
또한, 코팅 설비는 전자 빔 공급원(104)에 연결될 수 있는 편향 설비(106)를 포함할 수 있다. 전자 빔 공급원(104) 및 편향 설비(106)는 전자 빔(114a, 114b)이 진공 챔버 내에서 다양한 영역(108a, 108b)(충격 영역) 내로 편향될 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 코팅 설비는 전자 빔 공급원(104)에 연결된 제어 시스템(116)을 포함할 수 있다. 제어 시스템(116)은, 예를 들어 제어 시스템(116)이 측정치에 기초하여 데이터(측정 데이터)를 발생시킨다는 점에서 측정치(예컨대 센서로부터)를 결정 및 가공하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고진공 또는 초고진공 범위의 진공(112b)이 진공 챔버(802)에 제공될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 전자 빔 공급원(104)은 다수개의 전자를 제공하기 위한 전자 공급원(예를 들어, 육붕화란탄 캐쏘드 또는 육붕화세륨 캐쏘드, 또는 다른 백열 캐쏘드, 예컨대 텅스텐 캐쏘드, 또는 전기장 방출 캐쏘드), 및 발생되는 전자를 다발로 만들고/만들거나 가속시켜 전자 빔을 형성하기 위한 빔-형성 단위장치(예컨대, 전기 및/또는 자기 렌즈, 애노드, 그리드 등을 가짐)를 포함할 수 있다.
또한, 편향 설비(106)는 자기장(전자 빔의 편향을 위한)을 발생시키기 위한 하나 이상의 코일을 갖는 편향 설비를 포함할 수 있고, 추가로 컴퓨터로 보조되거나 컴퓨터에 기반을 둔 빔 유도 시스템을 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 컴퓨터로 보조되거나 컴퓨터에 기반을 둔 빔 유도 시스템은 편향 설비에 의해 전자 빔이 진공 챔버(802) 내에서 상응하게 편항될 수 있도록, 예를 들어 전자 빔의 편향을 위한 편향 설비의 편향 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 전자 빔은 방향(101)으로, 또는 방향(103)에 수직인 각도의 방향(101)을 가로지르는 방향으로 편향될 수 있으며(전형적으로는 x-y 편향으로 일컬어짐), 이 때 방향(103)은 데카르트(Cartesian) 좌표 시스템의 z 방향을 나타낸다.
평향 매개변수에 기초하여 편향 신호가 제공될 수 있다. 편향 매개변수는 제어 시스템(116)에 의해 제공될 수 있다.
볼 수 있는 바와 같이, 전압 및/또는 전류에 기초하여 편향 설비(106)에 의해 전자 빔이 편향될 수 있으며, 이 때 편향 신호는, 예를 들어 편향 매개변수 세트(예컨대, 다수개의 편향 매개변수)와 상호관련될 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 제어 시스템(116)은 전력 매개변수(이에 기초하여 전자 빔의 전력이 폐쇄-루프 및/또는 개방-루프 제어하에 제어될 수 있음)를 제공할 수 있다. 전자 빔의 전력이 고체 입자로부터의 열 전력 손실 미만이도록, 고체 입자의 조사를 위한 전력 매개변수가 제공될 수 있다. 따라서, 고체 입자의 과도한 가열 및 용융, 승화 및/또는 소결이 방지될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 전자 빔의 전력이 코팅 물질로부터의 열 전력 손실보다 더 크도록, 코팅 물질의 조사를 위한 전력 매개변수가 제공될 수 있다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은 코팅 물질이 용융 및 증발될 수 있다는 것이다.
전자 빔의 전력이 클수록, 코팅 속도가 더 커질 수 있다. 예를 들어, 낮은 코팅 속도의 경우, 약 5kW 내지 약 10kW의 전력을 갖는 전자 빔이 제공될 수 있다. 다르게는, 높은 코팅 속도의 경우, 약 100kW 내지 약 1000kW의 전력을 갖는 전자 빔이 제공될 수 있다.
이를 위하여, 코팅 설비 또는 전자 빔 건은 전자 빔 공급원(116k)에 연결된 에너지 공급원(126)을 가질 수 있다. 에너지 공급원은 전자 빔 공급원에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 예를 들어, 에너지 공급원은 수A의 전류를 제공하고 전자 빔 공급원 또는 전자 공급원에, 예컨대 약 0.1A, 예를 들어 약 0.5A 초과, 예컨대 약 1A 초과, 예컨대 약 2A 초과, 예를 들어 약 5A 초과, 예를 들어 약 10A 초과, 예컨대 약 20A 초과, 예를 들어 약 10A 내지 약 25A의 전류를 공급하도록 구성될 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 에너지 공급원(126)은 수천V(볼트), 즉 kV 범위의 전압(가속 전압)을 제공하도록, 또한 전자를 가속하기 위한 전자 빔 공급원 또는 빔 형성 단위장치에, 예를 들어 약 5kV 초과, 예컨대 약 10kV 초과, 예를 들어 약 20kV 초과, 예컨대 약 30kV 초과, 예컨대 약 40kV 초과, 예를 들어 약 50kV 초과, 예를 들어 약 25kV 내지 약 60kV의 전압을 공급하도록 구성될 수 있다.
에너지 공급원(126)에 의해 제공되는 전류 및/또는 전압은 에너지 공급원(126)이 전자 빔 공급원(104)에 공급하거나 전자 빔 공급원(104)에 의해 수용되는 전력을 한정할 수 있다. 예를 들어, 에너지 공급원(126)은 kW(킬로와트) 범위의 전력을 제공하고 전자 빔 공급원(104)에, 예컨대 약 0.1kW 초과, 예컨대 약 1kW 초과, 예컨대 약 5kW 초과, 예를 들어 약 10kW 초과, 예컨대 약 50kW 초과, 예를 들어 약 100kW 초과, 예를 들어 약 200kW 초과, 예를 들어 약 300kW 초과, 예를 들어 약 400kW 초과, 예를 들어 약 500kW 초과, 예를 들어 약 600kW 초과, 예를 들어 약 700kW 초과, 예를 들어 약 800kW 초과, 예컨대 약 500kW 내지 약 1000kW의 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
달리 말해, 전자 빔 공급원(104)은 에너지 공급원(126)에 의해 제공되는 전력(또는 적어도 그의 일부)을 전자 빔(114a, 114b)로 전환시킬 수 있고, 이는 상응하는 전력을 갖는다. 전자 빔(114a, 114b)의 전력은 특정 거리에 걸쳐 특정 기간 내에 전자 빔에 의해 수송되는 전하에 의해 한정될 수 있다. 달리 말해, 전자 빔의 전력은 전자 빔을 형성하는 전자의 양 및 그의 속도에 의해 한정될 수 있다. 단위 시간당 전자 빔에 의해 수송되는 전자의 양은 전자 빔(114a, 114b)의 전류, 즉 전자 빔 전류를 한정할 수 있다. 전자 빔 전류는 약 0.01A 초과, 예컨대 0.1A 초과, 예컨대 0.5A 초과, 예컨대 1A 초과, 예컨대 2A 초과, 예컨대 5A 초과, 예컨대 10A 초과, 예컨대 20A 초과, 예를 들어 약 10A 내지 약 25A일 수 있다.
예를 들어, 약 5kW의 전력 및 50kV의 전압이 0.1A의 전자 빔 전류를 야기한다.
다양한 실시양태에서, 전자 공급원(104)은 캐쏘드를 가열하는 캐쏘드 히터, 예를 들어 저항식 캐쏘드 히터 또는 빔 캐쏘드 히터(예컨대, 전자 빔 캐쏘드 히터)를 포함할 수 있다. 빔 캐쏘드 히터는, 예를 들어 캐쏘드에 공급되고 캐쏘드를 가열하는(달리 말해, 전자 빔 캐쏘드 가열에 의해 캐쏘드가 조사됨) 선, 예컨대 전자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다. 가열에 의해, 캐쏘드는 전자(열 전자로 불림)를 방출시킬 수 있다. 캐쏘드에 의해 더 많은 전자가 방출될수록, (예컨대, 빔 형성 단위장치에 의해) 전자로부터 형성되는 전자 빔(114a, 114b)의 전자 빔 전류, 따라서 전력이 더 커질 수 있다.
전자 빔 캐쏘드 가열의 경우, 에너지는 캐쏘드로 가속되는 전자로부터의 에너지에 의해, 즉 캐쏘드로 유도되는 전자를 가속하는 전압에 의해, 캐쏘드(예컨대, 블록 캐쏘드)로 공급될 수 있다. 이를 위해, 열 가열된 필라멘트(열 전자의 발생을 위한 가열)와 캐쏘드 사이에 약 1000V의 전압이 인가될 수 있다.
도 10은 다양한 실시양태에서의 코팅 설비를 개략적인 단면도 또는 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 다수개의 전자 빔 공급원(104a, 104b, 104c) 및 다수개의 편향 설비(106a, 106b, 106c)를 포함할 수 있으며, 이 때 다수개의 편향 설비(106a, 106b, 106c)중 각각의 편향 설비는 다수개의 전자 빔 공급원(104a, 104b, 104c)중 하나의 전자 빔 공급원에 연결된다.
다양한 실시양태에서, 제어 시스템(116)은 편향 매개변수(이에 의해, 다수개의 편향 설비(106a, 106b, 106c)중 각 편향 설비가 다수개의 전자 빔 공급원(104a, 104b)중 상응하는 전자 빔 공급원에 의해 발생되는 전자 빔을 편향시킴)를 조정하도록 구성될 수 있다.
또한, 코팅 설비는 다수개의 표적 영역중 충격 영역(108a, 108b)에 표적 물질을 보유하도록 구성된 2개의 용기(2, 10)(하나 이상의 제 1 용기(2) 및 하나 이상의 제 2 용기(10))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 용기(2, 10) 각각은 코팅 물질(도시되지 않음)을 수용하도록 구성된 도가니의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 제 1 용기(2)는 제 1 충격 영역(108a)에 배치될 수 있고, 제 2 용기(10)는 제 2 충격 영역(108b)에 배치될 수 있다.
제 2 용기(10)는 다르게는, 예컨대 코팅 물질이 봉의 형태를 갖는 경우, 코팅 물질을 보유하기 위한 홀더의 형태를 취할 수도 있다.
도 11a는 다양한 실시양태에서의 코팅 설비를 개략적인 단면도 또는 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 제 1 전자 빔(114a)은 제 1 전자 빔 건(604a)(제 1 전자 빔 공급원 및 제 1 편향 설비를 가짐)에 의해 발생될 수 있다. 제 1 전자 빔(114a)에 의해, 제 1 코팅 물질을 포함하는 제 1 용기(2)에서 다수개의 고체 입자(5)(제 1 코팅 물질이라고도 불림)가 조사될 수 있다. 이러한 방식으로, 고체 입자(5)는 제 1 용기(2)에서 제 1 퍼짐 영역(611)으로 멀리 퍼져나가는 입자 구름(6)으로 전환될 수 있다.
입자 구름 또는 고체 입자는 (제 1 퍼짐 영역(611)을 통해) 기판(7)으로 갈 수 있고, 거기에서 입자 구름으로부터의 고체 입자는 기판(7) 상에 침착되어 제 1 층을 형성할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 제 2 전자 빔 건(604b)(제 2 전자 빔 공급원 및 제 2 편향 설비를 가짐)에 의해 제 2 전자 빔(114b)이 발생될 수 있다. 다르게는, 제 2 전자 빔(114b)은 제 1 전자 빔 건(604a)에 의해, 예를 들어 상응하는 편향 매개변수 또는 편향 매개변수 세트에 의해 발생될 수 있다.
제 2 전자 빔(114b)에 의해, 증발 물질(11)(제 2 코팅 물질이라고도 불림)이 제 2 용기(10)에서 조사될 수 있고, 이에 의해 증발 물질(11)이 기체 상태로 전환될 수 있다(즉, 증발 또는 승화될 수 있다). 예를 들어, 증발 물질(11)은 제 2 전자 빔(114b)에 의해 가열(용융)될 수 있다. 기체 상태로 전환된 증발 물질(11)은 제 2 퍼짐 영역(613)에서 퍼져나갈 수 있는 물질 증기(9)를 형성할 수 있다.
물질 증기(9)는 (제 2 퍼짐 영역(613)을 통해) 기판(7)으로 갈 수 있고, 거기에서 물질 증기(9)는 기판(7) 상에 침착되어 제 2 층을 형성할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 입자 구름(6) 및 물질 증기(9)는, 이들이 서로 혼합되고/되거나 서로 반응하고 함께 기판(7) 상에 층을 형성하도록, 동시에 형성될 수 있다.
기판(7)으로부터 2개의 용기(2, 10)까지의 거리는 다양한 실시양태에서 약 0.2m 내지 약 2m, 예컨대 약 0.2m 내지 약 1.6m, 예컨대 약 0.4m 내지 약 0.8m일 수 있다. 예를 들어, 기판(7)을 지나는 선형(직선) 궤적의 경우 기판(7)으로부터 2개의 용기(2, 10)까지의 거리는 약 0.6m 내지 약 1.6m의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판 아래의 궤적의 경우(도 11b 참조), 기판(7)으로부터 2개의 용기(2, 10)까지의 거리는 약 0.5m 내지 약 1.8m의 값을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비의 하나의 또는 각각의 전자 빔 건(604a 604b)은 소위 축류 건(axial gun)의 형태를 취할 수 있다.
도 11b는 다양한 실시양태에서의 코팅 설비의 개략적인 단면도 또는 개략적인 측면도, 예를 들어 도 11a에 도시된 코팅 설비의 상세도 또는 본원에 기재된 다른 코팅 설비를 도시한다.
다양한 실시양태에서, 제 1 전자 빔 공급원(104a)에 의해 발생되는 제 1 전자 빔(114a)은 제 1 편향 설비(106a)에 의해 편향될 수 있다. 따라서, 제 1 전자 빔(114a)는 표적 물질(5, 11)(예를 들어, 고체 입자(5) 및/또는 증발 물질(11))로 유도될 수 있다.
예를 들어, 예컨대 제 1 조사 형태(60a)에 따라 제 1 전자 빔(114a)에 의해 고체 입자(5)를 스캐닝할 수 있다(도 1b 및 도 2b 참조). 제 1 조사 형태(60a)는 고체 입자(5)가 용융되지 않으면서 균일하게 하전될 수 있도록 하는 방식으로 제공될 수 있다. 제 1 조사 형태(60a)는, 예를 들어 고체 입자(5)(도 2b 참조) 및/또는 제 1 용기(2)(예컨대, 그의 가장자리에서; 도 1b 참조) 상에 다수개의 선 위치를 한정할 수 있고/있거나 다수개의 조사 위치의 각 조사 위치에 대한 조사 시간을 한정할 수 있다.
유사하게, 제 1 전자 빔(114a) 또는 임의적으로 동시에 발생되는 다른 전자 빔(도시되지 않음), 예컨대 추가적인 전자 빔 건(604b)에 의해 발생되는 제 2 전자 빔(114b)은 증발 물질(11) 위로 유도될 수 있다.
예를 들어, 증발 물질(11)은, 예컨대 제 2 조사 형태(60b)(도 3b 및 도 4b 참조)에 따라 전자 빔(114a, 114b)에 의해 스캐닝될 수 있다. 제 2 조사 형태(60b)는 증발 물질(11)이 균일하게 가열 및 증발될 수 있도록 하는 방식으로 제공될 수 있다. 제 2 조사 형태(60b)는, 예컨대 증발 물질(11) 상의 다수개의 조사 위치를 한정할 수 있고/있거나(도 3b 및 도 4b 참조) 다수개의 조사 위치중 각 조사 위치의 선 시간을 한정할 수 있다.
제 1 조사 형태(60a) 및 제 2 조사 형태(60b)는 제어 시스템에 의해 제공될 수 있으며;, 예를 들어 하나 이상의 편향 매개변수에서 각각의 조사 위치(제 1 조사 형태(60a) 및/또는 제 2 조사 형태(60b)의)가 할당될 수 있다. 편향 매개변수는 임의적으로 할당된 선 위치의 조사 시간을 한정하는 시간 성분을 포함할 수 있다.
기판(7)은 표적 물질(5, 11)의 조사 동안(즉, 물질 증기(9) 및/또는 입자 구름(6)이 형성되는 동안), 예컨대 상응하는 퍼짐 영역(611, 613)을 통해, 예컨대 수송 방향(7r)에서 또는 수송 평면을 따라 수송될 수 있다.
일반적으로, 기판(7)은, 예를 들어 호일, 판 또는 스트립(예컨대, 금속 스트립) 형태의 유리, 플라스틱 또는 금속을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 위치 설정 장치, 예를 들어 기판(7)을 수송하기 위한 수송 장치를 포함할 수 있다. 기판(7)이 수송되는 수송 방향(7r) 또는 수송 평면은 위치 설정 장치에 의해 한정될 수 있다. 위치 설정 장치는 다양한 실시양태에서 하나 이상의 수송 롤(1102) 및 수송 롤을 구동시키기 위한 수송 구동장치를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 기판(7), 예를 들어 빨리 이동하는 기판(예컨대, 금속 스트립 또는 강 스트립)을 예열하도록 구성된 기판 가열 장치(1104)를 포함할 수 있다. 기판 가열 장치는, 예를 들어 열 선 가열 장치의 형태를 취할 수 있다. 기판 가열 장치는 기판 쪽 또는 용기(2, 11) 맞은편 수송 평면 쪽에 배열될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판(7)의 코팅은 하나 이상의 용기(2, 11), 예를 들어 2개, 또는 3개, 또는 4개, 또는 4개보다 많은 용기를 이용하여 달성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 각각의 용기(2, 11)에 대해 하나 이상의 전자 빔 건, 예를 들어 하나의 전자 빔 건(전자 건이라고도 함) 또는 복수개의 전자 빔 건을 사용할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 편향 설비(106a)는 전자 빔(114a)이 도 11b에 도시된 바와 같이 구부러진 프로파일을 갖도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 편향 설비(106a)는, 예를 들어 전자 빔(114a)이 가로지르는 진공 챔버의 영역을 침투하는 자기장을 발생시키는 추가적인 코일을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 설비는 용기(2, 11)와 수송 평면(또는 기판(7)) 사이에 전기장을 제공하기 위해 애노드(1106)를 포함할 수 있다. 애노드는 퍼짐 영역(611, 613)을 침투하는 전기장을 제공하도록 구성될 수 있다.
제어 시스템(116)은 애노드(1106)에 전위를 제공하도록, 즉 애노드(1106)에 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 애노드(1106)의 전위는 전기장을 유발할 수 있다.
제어 시스템(116)은 또한, 퍼짐 영역(611, 613)에 제공되는 기체 물질, 예컨대 물질 증기(9)가 이온화되게 유도되도록(즉, 기체 물질의 이온화가 유도되도록) 하는 방식으로, 애노드(1106)에 의해 전기장을 발생시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 조사의 결과 표적 물질(5, 10)로부터 방출되고 퍼짐 영역(611, 613) 내로 통과하는, 퍼짐 영역(611, 613)에 존재하는 전자가 기체 물질의 원자와 충돌하여 이들을 이온화시킬 때까지 가속화됨이 명백하다. 이러한 방식으로, 플라즈마의 타격을 야기할 수 있다. 플라즈마는, 예컨대 물질 증기(9)로부터(즉, 기상 코팅 물질로부터) 형성될 수 있다.
도 12a는 다양한 실시양태에서의 층 배열을 개략적인 단면도 또는 개략적인 측면도로 도시한다.
고체 입자(12p)를 포함하거나 그로부터 형성된 층(12)이 기판(7) 상에 형성될 수 있다. 층(12)의 고체 입자(12p) 사이에 강(12h)(공극)이 형성될 수 있다. 달리 말해, 층(12)은 다수개의 공극(12h)을 가질 수 있다. 공극(12h)의 부피 대 고체 입자(12p)의 부피의 비는 층의 공극률을 한정할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자(12p)는 상기 기재된 바와 같이 활성 축전지 물질, 촉매 물질 및/또는 고체 전해질을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 기판(7)은 이후 기재되는 바와 같이 투명할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 고체 입자(12p)는 활성 물질(활성 태양 전지 물질, 즉 광학 활성 물질), 예를 들어 반도체, 산화물 반도체(산화물), 예컨대 금속 산화물 반도체, 예컨대 산화티탄을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(7)은 태양 전지(예컨대, 페로브스카이트 태양 전지 또는 염료 태양 전지)의 전극(1212), 예를 들어 투명한 전기 전도성 층(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 갖는 것)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 임의적으로, 기판(7)은 투명한 담체(1214), 예를 들어 유리판 또는 중합체 시트를 가질 수 있으며, 이 위에 전자가 형성된다. 다르게는, 전극은 또한 불-투명성(불투명)일 수도 있다.
태양 전지의 경우, 전극(1212)으로부터 층(12)의 맞은편에 배열되는 추가의 투명한 담체(1224)가 존재할 수 있다.
도 12b는 다양한 실시양태에서의 층 배열을 개략적인 단면도 또는 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 동시 코팅에 의해, 고체 입자(12p) 및/또는 기판(7)을 적어도 부분적으로 코팅하는 코팅 물질을 침착시킬 수 있다.
다양한 실시양태에서, 코팅 물질은 고체 입자(12p)를 서로 결합시키도록(고체 입자-고체 입자 결합) 구성될 수 있다.
다르게는 또는 추가적으로, 코팅 물질은 고체 입자(12p)를 기판에 결합시키도록(고체 입자-기판 결합) 구성될 수 있다.
태양 전지의 경우, 코팅 물질은 또한 광학 활성 물질, 예를 들어 반도체, 예컨대 페로브스카이트 태양 전지의 경우 유기 금속 페로브스카이트(반-유기 및 반-무기 반도체) 및/또는 염료 태양 전지(그라첼(Gratzel)이라고도 함)의 경우 염료(태양 전지 염료)를 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 염료는 유기 염료, 예를 들어 안토시안일 수 있다.
도 13은 다양한 실시양태에 따른 방법을 개략적인 흐름도로 도시한다. 방법은 (1301)에서 진공에서 기판 표면을 코팅해야 하는 고체 입자가 배치되는 영역의 방향으로 기판의 기판 표면을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 (1303)에서, 정전 하전에 의해 발생된 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위한 기판의 기판 표면의 방향으로 이들을 가속하도록 하는 방식으로, 고체 입자를 정전 하전시키기 위하여 고체 입자 내로 전자를 도입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 14는 도 3b에 도시된 코팅 장치와 유사하게 동시 입자 방출 및 증발을 위한 다양한 실시양태에서의 코팅 장치를 평면도로 도시하며, 이 때 전하는 입자 층(5) 내로 직접 유도된다.
도 15는 다양한 실시양태에서의 공정을 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 공정은 2차 전자(1)(2차 전자 유동(1))를 고체 입자(5) 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 2차 전자(1)는 용기(2)를 1차 전자(3)로 조사함으로써 발생될 수 있다. 1차 전자는, 예컨대 전자 빔(3)에 의해 제공될 수 있다.
전자 빔(3)은, 예컨대 2차 전자(1)를 방출하도록 하는 방식으로 용기 벽(용기 가장자리)으로 유도될 수 있다. 달리 말해, 2차 전자 빔 공급원은 용기(2)의 적어도 일부, 예컨대 그의 용기 벽을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
방법이, 예를 들어 용기 벽에서의 전하의 간접 도입, 전자(2차 전자)의 후방 산란(이로부터 전하의 입자 층(5) 내로의 직접적인 도입이 궁극적으로 이루어짐)을 포함할 수 있음이 명백하다.
도 16은 다양한 실시양태에 따른 방법을 개략적인 측면도로 도시한다.
다양한 실시양태에서, 방법은 2차 전자(1)(2차 전자 유동(1))를 고체 입자(5) 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 조사 표적(14)(예컨대, 원형 블랭크)을 1차 전자(3)로 조사함으로써 2차 전자(1)를 발생시킬 수 있다. 1차 전자는, 예컨대 전자 빔(3)에 의해 제공될 수 있다.
고체 조사 표적(14)은 임의적으로 용기로부터 일정 거리에 배열될 수 있다. 따라서, 고체 입자(5) 내로의 열의 도입을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 용기(2) 내에 또는 그와 나란히 배열된 제 2 용기(10)(도 3a 및 도 4a 참조) 대신에 또는 그에 덧붙여서 고체 조사 표적(14)을 사용할 수 있다. 임의적으로, 고체 조사 표적(14)이 사용될 때 용기 가장자리의 충격을 없앨 수 있다.
다르게는, 제 2 용기(10)는 고체 조사 표적(14)을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다.
공정이, 예를 들어 별도의 원형 블랭크에서의 전하의 도입, 전자(2차 전자)의 후방 산란(이로부터 전하의 입자 층(5) 내로의 직접적인 유도가 궁극적으로 이루어짐)을 포함할 수 있음이 명백하다.
2차 전자 빔 공급원(14)이 용기(2)와 나란히 배열되는 경우, 예시적으로 고체 입자(5)가 더 적은 정도로 가열되도록 열 투입이 고체 입자(5)로부터 멀리 이동할 수 있다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 낮은 융점을 갖는 고체 입자(5)가 방출될 수 있다는 것이다.
도 17은 전자를 도입하기 전 개략도(1701) 및 전자를 도입한 후 상세도(1703)로 다양한 실시양태에서의 용기(5)의 고체 입자를 도시한다.
방법은 (1702)에서, 고체 입자(5)를 용기(2)에서 전기 절연 배열(예컨대, 위치)시키는 단계(즉, 용기(2)의 환경으로부터 전기적으로 분리시키는 단계); 및 전기 절연(즉, 무-전위) 방식으로 배열된 고체 입자 내로 전자를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용기(2)는 고체 입자를 수용하는 무-전위 영역을 포함하거나 무-전위 방식으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 용기(2)는 전기 절연 물질(즉, 약 10- 6지멘스/m 미만의 전기 전도율을 가짐), 예를 들어 유전체 및/또는 세라믹, 예컨대 금속 산화물, 예컨대 산화지르코늄을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 용기(2)는 전기 절연(즉, 무-전위) 방식으로, 예를 들어 기준 전위로부터 전기적으로 절연되어, 예컨대 대지 전위로부터 전기적으로 절연되어 장착될 수 있다.
방법은 (1704)에서, 고체 입자(5)를 용기(2)에 전기 전도 배열(예컨대, 위치)시키는 단계(즉, 용기(2)의 환경에 전기적으로 연결됨); 및 전기 전도성(즉, 전위-연결) 방식으로 배열된 고체 입자 내로 전자를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용기(2)는 전기 전도성 물질(즉, 약 106지멘스/m 초과의 전기 전도율을 가짐), 예를 들어 금속 또는 탄소 다형체중 탄소, 예컨대 흑연을 포함할 수 있거나 그로부터 형성될 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 용기(2)는 전기 전도성 방식으로, 예를 들어 기준 전위와 전기 전도성 연결로, 예컨대 대지 전위와 전기 전도성 연결로(즉, 접지됨) 장착될 수 있다. 예를 들어, 용기(2)는 고체 입자를 수용하기 위한 접지된 영역을 포함할 수 있거나, 접지되면서 장착될 수 있다.
전기 절연 방식으로 배열된 고체 입자 내로 전자를 도입함으로써, 고체 입자(5)의 정전 하전을 향상시킬 수 있으며, 이는 고체 입자를 서로 분리하고/하거나 이들을 기판의 기판 표면의 방향으로 가속하는, 정전 하전에 의해 발생되는 힘을 증가시킨다. 이러한 방식으로 달성될 수 있는 것은, 고체 입자(5)로부터의 덩어리의 형성을 감소, 중단 및/또는 역전시킬 수 있다는 것이다. 예를 들어, 고체 입자가 무-전위 방식으로 배열될 때, 고체 입자의 집괴(응집된 고체 입자)의 파괴 및/또는 개별화가 촉진될 수 있다. 예를 들어, 무-전위 방식으로 장착된 고체 입자가 하전되는 전압은 약 1kV보다 클 수 있고, 예컨대 약 15kV 내지 약 100kV, 예를 들어 약 15kV 내지 대략 전자의 가속화 전압일 수 있다.
전기 전도성(전위-연결) 방식으로 배열된 고체 입자 내로 전자를 도입함으로써, 고체 입자(5)의 정전 하전을 감소시킬 수 있으며, 이는 고체 입자를 서로 분리하고/하거나 이들을 기판의 기판 표면의 방향으로 가속하는, 정전 하전에 의해 발생되는 힘을 감소시킨다. 이는 기판 상에서의 고체 입자의 접착을 촉진시킬 수 있고/있거나 고체 입자로 기판을 온화하게 코팅시킬 수 있다. 예를 들어, 기판 상에서의 고체 입자의 탄성 산란은 그의 운동 에너지 저하를 억제할 수 있다. 예를 들어, 전위-연결 방식으로 고체 입자가 장착되는 전압은 약 1kV 미만, 예를 들어 약 1V 내지 약 10V일 수 있다.
상세도(1703)는 (1702)에서의 세라믹 용기와 비교함으로써, 전기 전도성 접지된 용기(1704)에서의 전하의 간접적인 유도 후 분말 물질(5)의 표면 형태에서의 변화를 도시한다. 고체 입자의 방출이 종결된 후 세라믹 용기에서 더욱 미세하고 더욱 조밀한 잔류물이 발견된다.
도 18은 고체 입자(즉, 고체 입자 층)로 코팅된 기판을 주사 레이저 현미경 이미지(SLM 이미지)로 도시한다. 고체 입자 층은, 예를 들어 약 60㎛의 평균 층 두께를 가질 수 있다. 고체 입자는, 예를 들어 약 15㎛ 또는 약 25㎛의 평균 입자 크기를 갖는 분말(1802), 예컨대 MCMB(mesocarbon microbead) 분말이 배치된 용기로부터 방출될 수 있다.
예를 들어, MCMB-G15 분말을 함유하는 용기로부터의 전자 빔-유도된 방출에 의해 전달되는 60㎛의 평균 두께를 갖는 조밀한 입자 층이 제공될 수 있다.
1: 전자 유동
2: 입자 용기
3: 전자 빔
4: 전자 빔 건
5: 고체 입자
6: 입자 구름
7: 기판
8: 가변 저항기
9: 증기 구름
10: 제 2 용기, 도가니
11: 제 2 코팅 물질
101: 방향
1012: 전극
1012a: 활성 물질
1012b: 활성 물질
1012k: 접속부
1022: 전극
1022a: 활성 물질
1022k: 접속부
103: 방향
1030: 봉입재
1032: 전해질
104: 전자 공급원
1040: 분리막
104a: 제 1 전자 빔 공급원
104b: 제 2 전자 빔 공급원
104c: 제 3 전자 빔 공급원
106: 편향 설비
106a: 제 1 편향 설비
106b: 제 2 편향 설비
106c: 제 3 편향 설비
108a: 제 1 충격 영역
108b: 제 2 충격 영역
1102: 수송 롤
1104: 가열 장치
1106: 애노드
1112: 제 1 전극
1112d: 제 1 유전체
1122: 제 2 전극
1122d: 제 2 유전체
112b: 진공
114a: 제 1 전자 빔
114b: 제 2 전자 빔
116: 제어 시스템
12: 층
1212: 제 1 전극
1214: 제 1 담체
1222: 제 2 전극
1224: 제 2 담체
126: 에너지 공급원
12h: 강
12p: 층의 고체 입자
302: 제 1 집전기 구조체
304: 제 2 집전기 구조체
306: 코팅 장치
502: 섬유
502a: 풀림 롤
502b: 권취 롤
508: 수송 롤
518: 구동 시스템
600: 분리판
60a: 제 1 조사 형태
60b: 제 2 조사 형태
604: 산소
604a: 제 1 전자 빔 건
604b: 제 2 전자 빔 건
608: 기체 확산 층
611: 퍼짐 영역
612: 제 1 전극
613: 퍼짐 영역
614: 전해질
616: 제 2 전극
618: 분리막
802: 진공 챔버
803: 코팅 영역
804: 펌프 시스템
806: 에칭 장치

Claims (23)

  1. 기판 표면을 코팅해야 하는 고체 입자가 배치된 영역의 방향으로 진공에서 코팅되어야 하는 기판(7)의 기판 표면을 위치시키는 단계; 및
    정전 하전에 의해 발생된 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위하여 고체 입자를 기판(7)의 기판 표면의 방향으로 가속하도록 하는 방식으로, 고체 입자를 정전 하전시키기 위하여 전자를 고체 입자 내로 도입하는 단계
    를 포함하는, 기판(7)을 코팅하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고체 입자가, 적어도 부분적으로 전기 전도성인 벽을 갖는 입자 용기(2) 내에 배치되고, 전자가 용기 벽을 통해 간접적으로 고체 입자 내로 도입되는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전자를 고체 입자 내로 도입하는 동안 전자를 고체 입자로부터 제거하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 제거가 개방-루프(open-loop) 또는 폐쇄-루프(closed-loop) 제어하에 있는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    도입이 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어하에 있는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판 표면을 코팅 물질(11)의 적어도 일부로 코팅하기 위하여 코팅 물질(11)을 기판 표면의 방향으로 증발시키는 단계를 추가로 포함하되, 코팅 물질(11)의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅과 분리된 고체 입자의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅이 시간 및/또는 공간 면에서 중첩되는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판 표면을 코팅 물질(11)의 적어도 일부로 코팅하기 위하여 코팅 물질(11)을 기판 표면의 방향으로 증발시키는 단계를 추가로 포함하되, 코팅 물질(11)의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅과 분리된 고체 입자의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅이 시간 및/또는 공간 면에서 서로 분리되는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판과 고체 입자 사이의 전위차의 개방-루프 및/또는 폐쇄-루프 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    고체 입자가 활성 축전지 물질, 활성 태양 전지 물질, 촉매 물질 및/또는 고체 전해질을 갖는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    고체 입자 내로 도입되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양에 기초하여, 분리된 고체 입자의 적어도 일부를 사용한 기판 표면의 코팅을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이, 기판 표면을 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 코팅하는 동안 이동되는, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 축전지, 커패시터, 태양 전지 또는 연료 전지의 전극을 포함하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 연료 전지의 기체 확산 층을 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 축전지 또는 연료 전지의 전해질을 포함하는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 축전지 또는 연료 전지의 분리막을 포함하는, 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 연료 전지의 전극, 전해질 또는 기체 확산 층을 포함하고, 고체 입자가 촉매 물질을 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    고체 입자에 의해 형성되는 층이 소수성, 소유성 및/또는 소수성-소유성(amphiphobic) 표면을 갖도록 고체 입자가 구성되는, 방법.
  17. 고체 입자를 수용하기 위한 영역을 갖는 용기(2);
    상기 영역으로 유도되는 기판(7)의 기판 표면을 갖는 기판을 위치시키기 위한 위치 설정 장치;
    전자를 고체 입자 내로 도입하기 위한 하나 이상의 전자 공급원; 및
    정전 하전에 의해 발생된 힘이 고체 입자를 서로 분리하고 분리된 고체 입자의 적어도 일부로 기판 표면을 코팅하기 위하여 고체 입자를 기판(7)의 기판 표면의 방향으로 가속하도록 하기 위하여, 고체 입자의 정전 하전을 제어하도록 구성된 제어 시스템(116)
    을 포함하는, 기판을 코팅하기 위한 코팅 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    제어 시스템(116)이
    고체 입자 내로 도입되는 전자의 양을 제어하도록;
    고체 입자로부터 제거되는 전자의 양을 제어하도록;
    기판과 용기(2) 사이의 전위차를 제어하도록; 및/또는
    고체 입자 내로 도입되고/되거나 고체 입자로부터 제거되는 전자의 양에 기초하여 코팅을 제어하도록
    구성되는, 코팅 장치.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    추가 용기(10)를 추가로 포함하되, 제어 시스템(116)이 추가 용기 내에 배치되는 코팅 물질을 증발시키도록 구성되는, 코팅 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    추가 용기(10)와 위치 설정 장치 사이에 전기장을 제공하기 위한 애노드(1106)를 추가로 포함하되, 제어 시스템이 전기장에 의해 플라즈마를 타격하도록 추가로 구성되는, 코팅 장치.
  21. 제 17 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서,
    추가 용기(10)가 용기(2) 내에 및/또는 용기(2)에 인접하여 배치되거나, 용기(20)가 추가 용기(10) 내에 및/또는 추가 용기(10)에 인접하여 배치되는, 코팅 장치.
  22. 제 17 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    위치 설정 장치가 수송 방향을 한정하고, 추가 용기(10) 및 용기(2)가 수송 방향에서 서로로부터 소정 거리에 배열되는, 코팅 장치.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
    코팅 물질(11)을 증발시키기 위한 증발 장치를 추가로 포함하는 코팅 장치.
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