KR20190067458A - 금속 및 합금의 연속 코팅 장치 - Google Patents

금속 및 합금의 연속 코팅 장치 Download PDF

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김태엽
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Abstract

금속 및 합금의 연속 코팅 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 연속 코팅 장치는, 수직으로 이송되는 기판에 물질을 증발하기 위한 보트 증발원, 물질 와이어를 공급하기 위한 물질 와이어 공급 장치, 제1 고정 전극과 제2 고정 전극, 및 제1 설치 전극과 제2 설치 전극을 포함한다.

Description

금속 및 합금의 연속 코팅 장치{CONTINUOUS COATING APPARATUS FOR METALS AND ALLOYS}
본 발명은 금속 및 합금의 연속 코팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 철은 풍부한 자원과 우수한 특성 및 저렴한 가격으로 인해 산업적으로 가장 폭 넓게 이용되는 금속이다. 철은 이러한 장점에도 불구하고 대기중에서 부식이 발생하는 단점이 있다.
철의 부식은 철과 산소 또는 물이 전기화학적인 반응을 일으켜 철 이온이 용출하는 현상으로 이러한 반응이 진행되면 용출된 부분에 철의 산화물(FeOOH)이 생성되는데, 이것을 녹이라고 부른다.
철의 녹은 다양한 화학양론의 산화물 및 수산화물로 이루어지며 시간이 지나면서 지속적으로 산화가 일어나는 것이 철의 특징 중의 하나이다.
철은 여러 가지 형태로 가공하여 사용되는데, 자동차나 건자재 및 가전 제품의 경우 냉간 압연된 강판 즉, 냉연강판이 주로 이용되고 있다.
이러한 강판의 부식을 방지하기 위한 방법으로 대표적인 것이 강판의 표면에 다른 금속을 도금하는 것이다.
금속 중 알루미늄이 강판의 부식 방지용으로 사용되고 있는데, 알루미늄은 아연과는 달리 그 응용분야가 더욱 다양하다.
알루미늄 피막은 색상이 미려하고 내식성 및 내열성이 우수하여 화장품 케이스나 악세서리 등의 장식용 피막은 물론 반도체의 도전막, 자성재료나 강판의 보호피막, 온열 계통의 가전제품, 자동차용 머플러 등의 코팅에 이용되고 있다.
알루미늄의 피막은 진공코팅이나 전기도금 또는 용융도금 방법을 이용하여 제조한다. 그러나 전기도금의 경우는 그 효율이 낮아 생산성이 떨어지기 때문에 대부분 용융도금법과 진공코팅 방법을 이용하고 있다.
진공증착으로 알루미늄을 코팅하는 방법에는 저항가열방식과 전자빔 방식 그리고 스퍼터링 등의 방법이 있다.
이중에서 스퍼터링 방식은 증착율이 낮아 강판의 내식성 향상을 위한 고속 코팅에는 부적합하다.
또한, 보트를 이용한 코팅 방법에서 보트로 공급되는 알루미늄 와이어가 가열된 보트 표면에서 녹아 액체가 된 후 증발하기 때문에 보트를 수직에 가까운 각도로 설치하게 되면 보트 밖으로 용융된 알루미늄이 흘러내릴 수 있다.
이 때문에 보트 인가전력, 와이어 공급속도, 증발량 등을 고려하여 보트의 설치 각도를 조절해야 한다.
저항가열 방식의 경우는 아연이나 마그네슘과 같이 증기화 온도가 낮고, 가열체와의 반응성이 낮은 물질의 경우는 저항가열 방식을 이용하여 코팅하는 방법이 잘 알려져 있다.
그러나, 알루미늄의 경우는 증기화되는 온도가 높고 물질을 담는 도가니와의 반응성이 커서 저항가열 방식을 이용하는 것이 어려운 실정이다.
따라서, 진공증착 방법으로 알루미늄을 고속으로 코팅하기 위해서는 전자빔 방식이 주로 이용되고 있다. 그러나 전자빔 증발 방식의 경우 증기효율이 30% 이하로 나타나 경제적인 코팅을 구현하는 것이 어렵다.
알루미늄을 연속적으로 코팅하는 방법으로 가장 잘 알려진 보트를 이용한 연속 코팅 방법이다. 현재 포장지 등 플라스틱 재료에는 보트를 이용한 연속 코팅 장치가 롤투롤 코팅 장치라는 이름으로 널리 이용되고 있다.
이러한 롤투롤 방식에는 보트가 수평으로 놓여져 있기 때문에 수직으로 이송되는 기판에 코팅하는 것은 거의 불가능하며 설사 가능하다 하더라도 증기 효율이 현저히 저하된다는 단점이 있다.
따라서, 이러한 단점을 해결하기 위하여, 기판을 수직으로 이송하는 상태로 기판에 알루미늄을 연속으로 코팅하고자 하는 방법이 강구되어 왔다.
이에 수직으로 세워진 기판에 코팅을 하기 위해 덮개가 있는 보트 증발원을 이용하되 증발원 한쪽에 와이어를 공급할 수 있도록 하여 연속 증발이 가능한 방법이 개시되어 있다.
이와 같이, 수직으로 세워진 기판에 보트 증발원을 이용하여 코팅하는 방법에 있어서 보트 증발원을 수직으로 일정한 각도로 세워 증발하되 기판거리 조절과 마스크를 이용하여 두께 균일도를 향상시키는 방법이 제시되어 있다.
이 방법에서는 수직으로 세워진 기판이 수평으로 이동하며 코팅되기 때문에 기판의 상하 방향에 대한 코팅층 두께 균일도가 중요한 해결 과제이다.
코팅층 두께 균일도 확보를 위해서 보트 배열을 기판의 상하 방향으로 하고 마스크를 사용하여 기판의 상하 방향으로 증기를 고르게 분산하였다.
그러나, 마스크 사용으로 인해 코팅층의 두께 균일도는 향상되었지만 증기 효율이 10% 내외로 낮고, 이러한 낮은 증기 효율을 보상하기 위해서 기판이송속도를 최대 2 m/min으로 낮춰야 한다.
따라서, 이러한 방법은 고속 및 고효율 증착이 불가능할 뿐만 아니라, 경제적인 코팅이 곤란하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 고속 코팅이 가능하고, 코팅층 두께 균일도가 우수하며, 증기의 코팅 효율을 향상할 수 있고, 경제적으로 코팅할 수 있는 금속 및 합금의 연속 코팅 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치는 진공실 내에 적어도 하나 이상 설치되어, 수직으로 이송되는 기판 증착용 물질을 증발하기 위한 보트 증발원을 포함할 수 있다.
연속 코팅 장치는, 보트 증발원의 상부에 설치되어 보트 증발원에 물질 와이어를 연속으로 공급하기 위한 물질 와이어 공급 장치와, 보트 증발원의 일단부 및 타단부에 각각 고정 설치되는 제1 고정 전극과 제2 고정 전극을 포함할 수 있다.
또한, 연속 코팅 장치는, 제1 고정 전극과 제2 고정 전극에 각각 고정 설치되어, 보트 증발원을 설치면에 대하여 경사 각도로 설치하기 위한 제1 설치 전극과 제2 설치 전극을 포함할 수 있다.
증발 물질은 알루미늄, 금, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 이 금속을 포함하는 합금인 것일 수 있다.
알루미늄 합금은 Al-Si, Al-Mg, 및 Al-Zn을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 합금인 것일 수 있다.
물질 와이어는 원통형 또는 리본형인 것일 수 있다.
제1 고정 전극과 상기 제1 설치 전극 사이에는 탄성부재가 설치되는 것일 수 있다.
제1 설치 전극에는 탄성부재가 삽입 결합되기 위한 결합홈이 형성되는 것일 수 있다.
제1 설치 전극의 일단부에는 탄성부재를 덮어주기 위한 덮개가 설치되는 것일 수 있다.
제2 설치 전극은 설치면에 대하여 수직으로 배치되는 수직 전극부와, 수직 전극부의 상단부에 설치면에 대하여 경사지게 벤딩되는 경사 전극부를 포함할 수 있다.
진공실의 내부에 설치되고 기판의 양측에 설치되는 히터를 포함할 수 있다.
기판의 이송 속도는 50~300 m/min인 것일 수 있다.
보트 증발원의 설치 각도는 설치면에 대하여 60°~90° 범위 내로 설정되는 것일 수 있다.
물질 와이어의 공급 각도는 설치면에 대하여 70°~180°범위 내로 설정되는 것일 수 있다.
물질 와이어의 공급속도는 100~300 ㎝/min 범위로 설정되는 것일 수 있다.
히터의 온도는 1000℃~2,500℃ 범위로 설정되는 것일 수 있다.
제1 고정 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제1 냉각수 유입관과 제1 냉각수 배출관이 설치되고, 제2 고정 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제2 냉각수 유입관과 제2 냉각수 배출관이 설치되는 것일 수 있다.
제1 설치 전극과 제2 설치 전극에는 보트 증발원의 가열을 위한 전원 공급 장치가 설치되는 것일 수 있다.
제1 설치 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제3 냉각수 유입관과 제3 냉각수 배출관이 설치되고, 제2 설치 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제4 냉각수 유입관과 제4 냉각수 배출관이 설치되는 것일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 보트 증발원을 수평을 기준으로 60° 이상으로 설치하고 보트 증발원 좌우에 히터를 설치하여 50 m/min의 강판 이송속도에서 1㎛의 두께로 85% 이상의 증기 효율, 코팅층 두께 균일도 ±5% 이하를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 일부 상세도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치에 따라 코팅된 알루미늄 코팅층의 표면 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치에 따라 코팅된 알루미늄 코팅층의 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 종래기술에 따라 제조한 알루미늄 코팅층의 단면 전자현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는" 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 일부 상세도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치는, 수직으로 이송되는 기판(100)에 물질을 연속적으로 증착하기 위한 것이다.
연속 코팅 장치는, 진공실(10) 내에 수직으로 이송되는 기판(100)과, 진공실(10) 내에 적어도 하나 이상 설치되어, 기판(100) 증착용 물질을 증발하기 위한 보트 증발원(200)을 포함할 수 있다.
연속 코팅 장치는, 보트 증발원(200)의 상부에 설치되어 보트 증발원(200)에 각각 물질 와이어(310)를 연속으로 공급하기 위한 물질 와이어 공급 장치(300)를 포함할 수 있다.
연속 코팅 장치는, 보트 증발원(200)의 일단부 및 타단부에 각각 고정 설치되는 제1 고정 전극(400)과 제2 고정 전극(500)을 포함할 수 있다.
또한, 연속 코팅 장치는, 제1 고정 전극(400)과 제2 고정 전극(500)에 각각 고정 설치되어, 보트 증발원(200)을 설치면에 대하여 경사 각도로 설치하기 위한 제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)을 포함할 수 있다.
진공실(10)의 일측에는 진공 배기구(12)가 설치될 수 있다.
또한, 제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)에는 보트 증발원(200)의 가열을 위한 전원 공급 장치(800)가 설치될 수 있다.
전원 공급 장치(800)에서 제1, 제2 설치 전극(600, 700) 및 제1, 제2 고정 전극(400, 500)을 통하여 보트 증발원(200)에 인가되는 전력은 5.0~12.0 KW 범위로 설정될 수 있다.
이와 같이, 보트 증발원(200)의 인가 전력을 설정하는 이유는, 보트 증발원 인가 전력이 5.0 kW 이하가 되면 고속 증발이 용이하지 않으며, 12.0 kW 이상이 되면 보트의 자체 증발이 일어날 수 있기 때문이다.
기판(100)은 수직으로 이송되어 물질이 증착될 수 있는 것이면, 어떠한 것이라도 무방하여, 예컨대, 강판, 필름 등을 포함할 수 있다.
기판(100)에는 기판(100)을 수직으로 이송할 수 있는 이송장치(미도시)가 구비될 수 있다.
기판(100)은 설정된 속도로 이송되는데, 고속 코팅을 위하여 예컨대, 50~300 m/min의 속도로 이송될 수 있다.
제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)은 설정된 거리 이격되어 배치될 수 있다.
보트 증발원(200)은 한 열에 적어도 한 개 또는 복수개 설치될 수 있으며, 적어도 한 열이상 설치될 수 있다.
보트 증발원(200)이 한 열에 복수개 설치되는 경우, 도 1에서는 한 열에 3개가 설치되는 경우를 예시하고 있지만, 3개 이하 또는 3개 이상인 경우도 가능함은 물론이다.
또한, 보트 증발원(200)의 개수에 따라, 제1, 제2 고정 전극(400, 500), 및 제1, 제2 설치 전극(600, 700)의 개수도 마찬가지로 조절될 수 있다.
제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)간의 거리를 조절하여 보트 증발원(200)의 설치 각도가 조절될 수 있다.
보트 증발원(200)의 설치 각도는 제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)의 설치에 의하여, 설치면(수평선)(HL)에 대하여 설정된 각도, 예컨대 60°~ 90°범위 내로 설치될 수 있다.
보트 증발원(200)으로 사용되는 재질은 내화물 금속과 비정질 탄소 흑연 또는 금속간 복합 화합물(TiB2 ·BN) 등을 포함할 수 있다.
보트 증발원(200)의 어느 일면은 물질 와이어를 증발시키는 증발면(201)으로 형성될 수 있다.
보트 증발원(200)은 증발면(201)을 최대화할 수 있도록 대략 직육면체 형상 등으로 형성될 수 있다.
증발면(201)은 보트 증발원의 일면에 형성된 평면으로 형성될 수 있고, 보트 증발원(200)의 일면에 오목하게 들어간 홈 형태로 형성될 수 있으며, 보트 증발원(200)의 일면에 볼록하게 돌출된 돌출면 형태로 형성될 수 있다.
보트 증발원(200)에서 증발하는 기판 증착용 물질은 알루미늄, 금, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 이 금속을 포함하는 합금일 수 있다.
알루미늄 합금은 Al-Si, Al-Mg, 및 Al-Zn 등을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 합금일 수 있다.
또한, 물질 와이어(310)는 원통형, 또는 납작한 리본형 등이 사용 가능하다.
물질 와이어 공급 장치(300)에서 보트 증발원(200)에 공급되는 물질 와이어 공급 각도는 우수한 두께 균일도를 위하여 설치면(수평선)에 대하여 70°~180° 범위로 설정되어야 한다.
이와 같이, 물질 와이어 공급 각도를 설정하는 이유는, 물질 와이어(310)가 70°보다 작은 각도로 공급되면, 물질 와이어(310)가 보트 증발원(200)과 접촉하지 못해 용융이 일어나지 않기 때문이다.
또한, 물질 와이어(310)가 180°보다 큰 각도로 공급되면, 물질 와이어(310)가 보트 증발원(200)에 접촉하기 전 용융이 일어나 진공실(10) 바닥으로 떨어지는 현상이 발생할 수 있기 때문이다.
물질 와이어(310)는 물질 와이어(310)의 용이한 증발을 위하여 보트 증발원(200)의 직상부까지 연속적으로 공급될 수 있다.
이와 같이, 물질 와이어 공급 각도로 설정되기 때문에, ±1~5% 코팅층의 두께 균일도를 달성할 수 있다.
물질 와이어 공급 장치(300)는 진공실(10)의 내부에 설치되어 물질 와이어(310)가 권취되어 있는 공급릴(320)을 포함할 수 있다.
공급릴(320)은 공급릴 지지대(330)에 의하여 회전 가능하게 결합되어 지지될 수 있다.
공급릴(320)에는 이를 구동시켜 주기 위한 구동모터(미도시)가 설치될 수 있다.
물질 와이어 공급 장치(300)에서 물질 와이어(310)의 공급속도는 고속 코팅을 위하여 100~300 ㎝/min일 수 있다.
제1 고정 전극(400)과 제2 고정 전극(500)은 용이한 냉각 및 전기 전도를 위하여 구리 또는 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다.
제1 고정 전극(400)에는 제1 고정 전극(400)의 가열 방지를 위하여 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제1 냉각수 유입관(410)과 제1 냉각수 배출관(미도시)이 설치될 수 있다.
또한, 제2 고정 전극(500)에는 제2 고정 전극(500)의 가열 방지를 위하여 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제2 냉각수 유입관(510)과 제2 냉각수 배출관(미도시)이 설치될 수 있다.
제1 고정 전극(400)과 제1 설치 전극(600) 사이에는 제1 고정 전극(400)과 제2 고정 전극(500) 사이에 보트 증발원(200)의 용이한 삽입과 분리를 위한 탄성부재(601)가 설치될 수 있다.
또한, 탄성부재(601)는 제1 설치 전극(600)에 고정 설치되어 보트 증발원(200)이 가열에 의하여 신장될 때 제1 고정 전극(400)을 제2 고정 전극(500)으로 설정된 힘으로 가압하여 고정시켜 준다.
제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)은 용이한 냉각 및 전기 전도를 위하여 구리 또는 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다.
제1 설치 전극(600)에는 탄성부재(601)가 삽입 결합되기 위한 결합홈(603)이 설정된 크기와 형상으로 형성될 수 있다.
제1 설치 전극(600)의 일단부에는 결합홈(603) 삽입 결합된 탄성부재(601)를 덮어주기 위한 덮개(605)가 설치될 수 있다.
제2 설치 전극(700)은 설치면(수평선)(HL)에 대하여 수직으로 배치되는 수직 전극부(701)와, 수직 전극부(701)의 상단부에 설치면(수평선)(HL)에 대하여 설정된 각도로 경사지게 벤딩되는 경사 전극부(703)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 고정 전극(400)과 제2 고정 전극(500)는 서로 다른 전극으로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 고정 전극(400)이 양극이면, 제2 고정 전극(500)은 음극일 수 있으며, 물론 그 반대의 경우도 가능하다.
제1 고정 전극(400)과 제1 설치 전극(600)은 동일한 전극일 수 있으며, 제2 고정 전극(500)과 제2 설치 전극(700)도 동일한 전극일 수 있다.
즉, 제1 설치 전극(600)과 제2 설치 전극(700)은 서로 다른 전극으로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 설치 전극(600)이 양극이면, 제2 설치 전극(700)은 음극일 수 있으며, 물론 그 반대의 경우도 가능하다.
제1 설치 전극(600)에는 제1 설치 전극(600)의 가열 방지를 위하여 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제3 냉각수 유입관(610)과 제3 냉각수 배출관(620)이 설치될 수 있다.
또한, 제2 설치 전극(700)에는 제2 설치 전극(700)의 가열 방지를 위하여 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제4 냉각수 유입관(710)과 제4 냉각수 배출관(720)이 설치될 수 있다.
또한, 보트 증발원(200)을 가열하고 물질 와이어(310)를 보트 증발원(200)에공급하여 보트 증발원(200)으로부터 발생된 증기(311)가 기판(100)에 증착되어 코팅된다.
진공실(10)의 내부에 설치되고 기판(100)의 양측에 설치되어 코팅 시 증기(311)가 기판(100) 이외의 다른 부분에 코팅되는 것을 방지하기 위한 히터(900)를 포함할 수 있다.
히터(900)는 기판(100) 밖으로 빠져나가는 증기(311)를 기판(100) 쪽으로 모아주는 역할을 한다. 따라서, 히터(900)는 기판(100)과 함께 보트 증발원(200)을 감싸도록 배치될 수 있다.
즉, 히터(900)는 보트 증발원(200)이 복수개 구비되는 경우, 기판(100)의 폭방향 양쪽 끝에 위치하는 보트 증발원(200)의 외측에 배치될 수 있다.
히터(900)의 온도는 증기(코팅) 효율 향상을 위하여, 1000℃~2,500℃ 설정될 수 있다.
이와 같이, 히터(900)의 온도를 설정하는 이유는, 히터(900)의 온도가 1,000℃ 이하로 유지되면 알루미늄 증기가 히터에 코팅되고 진공용기 바닥으로 흘러내려 코팅 효율 향상에 기여하지 못한다.
또한, 히터(900)의 온도가 2,500℃ 이상으로 유지되면, 알루미늄 증기와 반응하여 히터가 깨지기 때문이다.
따라서, 히터(900)의 설치에 의하여, 증기(코팅) 효율이 향상될 수 있으며, 증기의 코팅 효율을 85~100% 달성할 수 있다.
기판(100)의 폭에 따라 보트 증발원(200)의 수량을 적절하게 조절하여, 코팅층의 두께 균일도를 확보할 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치의 작동에 대해서 설명한다.
보트 증발원(200)의 물질 증발원을 이용하여 수직으로 이송되는 기판(100)에 코팅하는 과정은 다음과 같다.
본 발명에서 물질 와이어(310)로서 알루미늄 와이어를 사용하였다.
알루미늄 와이어의 직경은 Ø 1.6 ㎜이며, 순도는 3N 이었다. 알루미늄 와이어는 원통형, 납작한 리본형 모두 사용이 가능하다.
보트 증발원(200)의 조성은 TiB2 ·BN이며 크기는 30x130x10㎜ 이었다.
보트 증발원(200)을 제1, 제2 고정 전극(400, 500)에 설치하고, 제1, 제2 고정 전극(400, 500)을 제1, 제2 설치 전극(600, 700)에 설치하여 설치면(수평선)에 대하여 설정된 각도를 이루도록 설치된다.
이와 같이 설정 각도를 갖고 설치된 보트 증발원(200)에 알루미늄 와이어를 물질 와이어 공급 장치(300)의 공급릴(320)에 권취하여 설치한 후, 진공펌프(미도시)를 이용하여 진공실(10)의 진공도가 10-5 Torr(토르) 이하가 되도록 배기한다.
배기가 완료되면 이온빔 장치(미도시)를 이용하여 기판(100) 표면에 붙어있는 불순물과 산화물을 제거하기 위한 청정 공정을 실시한다.
기판 청정이 종료되면 보트 증발원(200)에 전력을 인가하여 가열하고 일정 온도 이상으로 가열되면 물질 와이어 공급 장치(300)를 작동시켜 가열된 보트 증발원(200)에 알루미늄 와이어를 공급하여 기판(100) 위에 코팅층을 형성한다.
그리고, 발명예1은 도 1의 연속 코팅 장치를 이용하여 기판(100)으로서 냉연강판에 보트 증발원(200)으로 알루미늄 코팅층을 제조한 경우이다.
보트 증발원(200)은 설치면에 대하여 75°로 설치되었으며, 폭이 300 ㎜이고 두께가 0.7 ㎜인 기판(100)으로서 냉연강판을 사용하였다.
보트 증발원 설치 각도는 각각 60°, 75°, 90°이었으며, 90°로 설치된 보트 증발원(200)에서도 증발이 가능하였다. 90° 이상으로 보트 증발원(200)이 설치되면 물질 와이어 공급이 용이하지 않다.
물질 와이어 공급 각도는 100°로 유지하여 코팅을 진행하였다.
또한, 진공도가 10-5 Torr 이하가 되면, 이온빔 장치로 기판(100)의 청정을 실시하여 불순물 및 산화막을 제거하였다.
기판(100)의 청정이 완료되면, 보트 증발원(200)에 2.0 kW의 전력을 보트 증발원 가열 전원 공급 장치(800)를 이용하여 인가하고 보트 증발원(200)의 예열을 실시하였다.
보트 증발원(200)의 예열이 완료되면, 0.5 kW 단위로 전력을 올려 예컨대, 6.0kW가 되면 물질 와이어 공급 장치(300)를 작동하여 알루미늄 와이어를 가열된 보트 증발원(200)에 공급한다.
또한, 알루미늄 와이어 공급속도는 150 ㎝/min 이었다. 가열된 보트 증발원(200)에 알루미늄 와이어가 공급되면 알루미늄 와이어가 녹아 보트 증발원(200) 표면에 떨어진 후 퍼지면서 증발이 일어난다.
증발된 알루미늄 증기(311)는 기판(100)으로 이동하여 기판(100)에 코팅된다. 기판(100) 표면에 피막을 총 두께가 3㎛가 되도록 조절하여 코팅하였다.
코팅 공정 시 히터(900)를 작동시켜 기판(100) 밖으로 빠져나가는 증기(311)를 기판(100) 쪽으로 모아주어 코팅 효율을 향상하였다.
히터의 온도는 설정된 온도 구간에서 히터 온도를 유지하는 것이 필요하다.
보트 증발원(200)의 간격을 10㎝에서 15㎝까지 2.5㎝ 간격으로 조절하여 코팅층의 두께 균일도를 확인하였다.
또한, 보트 증발원(200) 중심에서 기판(100)까지의 거리를 10㎝에서 20 ㎝까지 5㎝ 간격으로 조절하여 코팅층의 두께 균일도를 확인하였다.
실험 결과를 [표 1]에 나타내었다.
[표 1: 실시예에 따른 코팅층 두께 균일도 변화]
Figure pat00001
비교예 1은 종래기술에 따라 증발원 보트를 수평하게 설치하여 증발하는 방법으로 실시하여 얻은 결과이다.
보트 증발원(200) 간격이 10㎝ 또는 15 ㎝이면 코팅층 두께 균일도가 높아져 거칠기가 증가했다.
또한, 보트 증발원(200) 간격이 12.5 ㎝이면 가장 낮은 두께 균일도를 보인다. 보트 증발원과 기판 간격은 코팅층 균일도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
[표 2: 실시예에 따른 증기 효율 변화]
Figure pat00002
[표 2]에 따르면, 발명예 2와 발명예 3은 보트 증발원 설치 각도를 각각 75°와 90°로 변경하여 제조한 강판의 코팅 결과로, 보트 증발원 설치 각도가 증가하면 증기 효율도 상승한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치에 따라 코팅된 알루미늄 코팅층의 표면 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금의 연속 코팅 장치에 따라 코팅된 알루미늄 코팅층의 단면 주사전자현미경 사진이다.
또한, 도 6은 종래기술에 따라 제조한 알루미늄 코팅층의 단면 전자현미경 사진이다.
도 6에서 실험 조건은 인가전력을 약 6 kW로 하고, 강판 이송 속도를 약 25 m/min로 한 경우이다.
도 4 내지 도 6에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 코팅층 두께는 종래기술의 경우보다 두껍게 제조되었으며, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 코팅층은 종래기술의 경우에 비하여 치밀한 구조로 형성되었음을 알 수 있다.
이와 같이, 보트 증발원(200)을 설치면에 대하여 60° 이상으로 기울여 수직하게 설치된 기판(100) 위에 코팅층 제조가 가능하다.
또한, 물질 와이어 공급 장치(300)로부터 공급되는 물질 와이어(310)의 공급 각도가 일정한 값을 가져야 두께 균일도가 우수한 코팅층 제조가 가능하다.
코팅 효율 향상을 위해서 보트 증발원(200) 양쪽 끝에 히터(900)를 설치하여 증기(311)의 사용 효율을 85% 이상 높여 증기 손실을 최소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 수직으로 이송되는 강판에 고속으로 금속(알루미늄) 또는 합금(알루미늄 합금)을 코팅할 수 있는 보트 증발원을 포함하는 연속 코팅 장치를 제공한다.
스퍼터링과 열기상 증착과 같은 기존의 증발원은 수직으로 이송되는 강판에 코팅이 가능하지만 알루미늄과 알루미늄 합금을 고속으로 코팅하는데 한계가 있다.
기존 보트 증발원 또한 수직으로 이송되는 강판에 알루미늄과 알루미늄 합금을 코팅하는 것이 가능하지만 증기의 손실률이 높아 코팅 효율이 떨어지고 제품 생산성도 낮은 단점이 있다.
본 발명의 보트 증발원은 50 m/min의 속도로 수직 이송되는 강판에 1㎛ 두께의 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 코팅할 수 있는 높은 생산성을 제공하며 보트 증발원 양쪽 끝에 히터를 설치하여 85% 이상의 높은 증기 사용 효율을 제공한다.
100: 기판
200: 보트 증발원
300: 물질 와이어 공급 장치
310: 물질 와이어
400: 제1 고정 전극
500: 제2 고정 전극
600: 제1 설치 전극
601: 탄성부재
700: 제2 설치 전극

Claims (17)

  1. 진공실 내에 적어도 하나 이상 설치되어, 수직으로 이송되는 기판 증착용 물질을 증발하기 위한 보트 증발원,
    상기 보트 증발원의 상부에 설치되어 보트 증발원에 물질 와이어를 연속으로 공급하기 위한 물질 와이어 공급 장치,
    상기 보트 증발원의 일단부 및 타단부에 각각 고정 설치되는 제1 고정 전극과 제2 고정 전극, 및
    상기 제1 고정 전극과 상기 제2 고정 전극에 각각 고정 설치되어, 상기 보트 증발원을 설치면에 대하여 경사 각도로 설치하기 위한 제1 설치 전극과 제2 설치 전극
    을 포함하는 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발 물질은 알루미늄, 금, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 이 금속을 포함하는 합금인 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 Al-Si, Al-Mg, 및 Al-Zn을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 합금인 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물질 와이어는 원통형 또는 리본형인 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 고정 전극과 상기 제1 설치 전극 사이에는 탄성부재가 설치되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 설치 전극에는 상기 탄성부재가 삽입 결합되기 위한 결합홈이 형성되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 설치 전극의 일단부에는 상기 탄성부재를 덮어주기 위한 덮개가 설치되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 설치 전극은 설치면에 대하여 수직으로 배치되는 수직 전극부와, 상기 수직 전극부의 상단부에 설치면에 대하여 경사지게 벤딩되는 경사 전극부를 포함하는, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 진공실의 내부에 설치되고 상기 기판의 양측에 설치되는 히터를 포함하는, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 는 50~300 m/min인 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보트 증발원의 설치 각도는 설치면에 대하여 60°~90° 범위 내로 설정되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 물질 와이어의 공급 각도는 설치면에 대하여 70°~180°범위 내로 설정되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 물질 와이어의 공급속도는 100~300 ㎝/min 범위로 설정되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 히터의 온도는 1000℃~2,500℃ 범위로 설정되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제1 냉각수 유입관과 제1 냉각수 배출관이 설치되고,
    상기 제2 고정 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제2 냉각수 유입관과 제2 냉각수 배출관이 설치되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 설치 전극과 상기 제2 설치 전극에는 보트 증발원의 가열을 위한 전원 공급 장치가 설치되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 설치 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제3 냉각수 유입관과 제3 냉각수 배출관이 설치되고,
    상기 제2 설치 전극에는 냉각수의 유입 및 배출을 위한 제4 냉각수 유입관과 제4 냉각수 배출관이 설치되는 것인, 금속 및 합금의 연속 코팅 장치.
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