KR20190115594A

KR20190115594A - 분말 입자를 코팅할 수 있는 증착장치 및 분말 입자의 코팅 방법

Info

Publication number: KR20190115594A
Application number: KR1020180038474A
Authority: KR
Inventors: 김도형
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-10-14
Also published as: EP3778986A1; US11434566B2; US20210002764A1; CN111902565B; EP3778986A4; KR102086574B1; CN111902565A; WO2019194347A1

Abstract

본 발명은 별도의 반응기 자체의 진동이나 회전이 없이, 반응기에 도입되는 전구체 또는 퍼징 가스의 펄스 도입에 따른 충격을 사용하여, 표면 코팅 대상인 입자들의 응집(agglomeration)을 억제하고 분산을 극대화 할 수 있으며, 각 입자에 균일한 입자 코팅이 가능하도록 하는 동시에, 별도의 필터나 충진재 없이 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에서 손실되는 것을 방지할 수 있는 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 증착 반응기는 적어도 2개 이상의 반응기가 겹쳐 배치되는 구조로 되어 있으며, 반응물의 유입 또는 퍼징가스의 유입이 화학반응이 일어나는 내부 반응기로 직접 유입되지만, 퍼징의 단계는 내부 및 외부 반응기에서 동시에 이루어지는 것을 특징으로한다

Description

분말 입자를 코팅할 수 있는 증착장치 및 분말 입자의 코팅 방법{Deposition appratus for coating of powder particles and a coating method using the same}

본 발명은 분말 또는 미립자(powder)의 표면에 균일한 박막을 도포할 수 있는 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말 또는 미립자(powder)의 표면에 균일한 박막을 형성하는 반응물을 펄스(pulse)와 같은 시분할 유입하여 화학증착 방식을 통해 미립자 표면에 두께가 균일하게 제어된 박막 혹은 코팅층을 형성할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.

화학증착 기법에서 반응물의 시분할 유입을 통해 표면 화학반응을 일으키는 기술을 별도로 원자층 증착 기술(ALD, atomic layer deposition) 또는 디지털 화학증착 (Digital chemical vapor deposition)이라고 부르고 있다.

이러한 기술은 1970년대 초 핀란드에서 개발된 것으로, 일반적인 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)을 변형한 디지털화된 화학증착 방법에 해당한다. 일반적인 CVD에서는 반응물들을 반응기에 동시에 주입하여 고체재료를 합성하지만, ALD에서는 원료 물질을 각각 분리하여 별도로 공급하고 원료 물질들의 흡착을 통한 표면 화학 반응만을 이용하도록 한 기술이다.

즉, 각 원료 물질 기체들이 순차적으로 반응기 내로 공급되는데, 이때 반응물 유입 단계 사이에 기판표면에 흡착되지 않은 원료 물질들이나 부산물들을 제거하는 퍼징 공정을 추가하여 증착공정이 구성된다.

예를 들어, AX(반응물 1, 기체)+BY(반응물 2,기체)→AB(생성물, 고체)+XY(부산물, 기체) 반응을 이용하여 AB 박막을 제조하고자 한다면, 먼저 반응물 1인 AX 기체를 반응기에 유입한 후, 다음 단계로 반응기를 퍼징함으로써 반응기 내에는 기판 표면에 흡착된 AX만 존재하는 상태가 된다.

다음 단계로 반응물 2인 BY 기체를 반응기에 유입시키면, 표면에 흡착된 반응물 1인 AX와 유입된 반응물 2인 BY가 기판 표면에서 화학 반응을 일으키고, 기판 표면에 생성물인 AB를 형성하게 된다.

이후 단계의 퍼징에서는, 반응기에 유입되었으나 반응에 참여하지 못한 반응물 BY와 반응 부산물인 XY가 반응기 밖으로 배출된다 이렇게 반응물 1 AX 유입-퍼징-반응물 2 BY유입-퍼징을 1사이클로 하면 반복하는 사이클 수로 성막두께를 나노미터까지 정밀하게 제어할 수 있다.

이렇게 ALD 공정은, 유입되는 각 원료 물질(전구체, precursor)들이 표면에 흡착되는 조건에서 반응이 일어나게 되어 자기제어 반응(Self-Limiting reaction mechanism)에 의한 박막 성장이 이루어지며, 따라서 박막의 우수한 층덮임(step coverage)이 가능하고 공정횟수를 조절함으로써 나노미터 단위의 정확한 두께조절이 가능한 특징을 가질 뿐만 아니라, 충분한 반응 시간으로 고품위 박막의 제조가 가능한 장점이 있다.

그런데 반드시 표면에 화학흡착된 반응물만을 이용하지 않고 화학 및 물리흡착된 모든 흡착물을 이용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있는데, 이러한 경우를 디지털 CVD라 부르기도 한다.

원자층 증착기술 (Atomic layerdeposition, ALD)은 2000년 이후 반도체 소자의 크기가 작아짐과 동시에 집적도 증대가 급격히 이루어져 나노 시대가 열리게 됨에 따라 나노 박막 증착기술로 크게 각광을 받고 있다. 현재는 나노 반도체 소자의 게이트, isolation, 접합 및 배선분야에 필요한 박막 제조에 응용되고 있을 뿐 아니라 에너지 저장 및 변환 소자, 센서, 디스플레이등 다양한 나노 박막 소재의 합성에도 응용되고 있다.

다만, 이러한 ALD 또는 디지털 CVD의 활용은 주로 대상물질(substrate)이 벌크재료, 즉 평판(plate)과 같은 연속적인 고체에서 사용이 되고 있고, 많은 산업적 응용(촉매, 센서, 반도체, 에너지 저장 및 변환소재, 디스플레이, 제약, 화장품등)에서 필요로 하는 파우더 또는 입자 표면에 균일한 도포 혹은 증착을 할 수 있는 ALD 또는 디지털 CVD 기술은 아주 초보적인 상황이며, 양산을 위한 반응기를 상용화한 경우는 거의 없다 하여도 무방하다.

지난 20 여년간 파우더 위에 균일한 코팅기술 개발의 필요성으로 관련 연구자들이 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기에 대하여 몇 가지 제안한 바가 있으며, 크게 유동화 반응기(fludization reactor) 형태(도 1)와 로터리(Rotary) 회전반응기(도 2)의 두 종류로 구분될 수 있다.

이처럼 반응기 형태가 다르게 제안된 근본적인 원인은 분체의 경우 입자간에 응집(agglomeration)하려는 성질이 자연적인 현상으로, 이를 극복하는 방법이 개별 입자의 코팅 가능성 여부를 결정하는 기준이 되기 때문이다. 따라서 기존의 제안된 분체용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기들은 도 1과 2에 제시된 것처럼, 각각 분체 입자간에 응집(agglomeration)을 최소화 할수 있는 특정한 방법들을 제시하고 있다.

그러나 이렇게 제안된 방법들의 경우에는 여전히 많은 단점을 갖고 있는데, 예를 들어 유동화를 이용하는 ALD 형태의 반응기(그림 1)의 경우에는, 저압에서 공정이 이루어지는 ALD 또는 디지털 CVD 특성상 상압에서 이루어지는 유동화 조건을 확보하는 것은 거의 불가능하다. 특히 미세한 나노 분말의 경우에는 비록 상압의 조건에서 조차도 유동화 보다 마이크로 혹은 나노 채널이 형성되어, 유동화 자체가 거의 불가능하다.

다른 형태인 로터리 회전반응기(도 2)의 경우에는, 반응기내에 축을 통하여 회전하는 형태로 중력과 날개 또는 mixing ball을 이용하여 분산 효과를 얻는데, 중력과 회전력을 이용해서는 분체의 충분한 분산을 얻기 어렵고, 유동층 반응기와 동일하게 반응기 안의 분체 유실을 막을 마땅한 방법이 없다는 문제점이 여전히 존재한다.

기존의 제안된 대부분의 반응기들에서는, 분체가 반응기에서 반응기 밖으로 유실되는 문제를 해결하기 위하여 나노/마이크로 구조의 필터나 충진재를 이용하는 방식을 제안하고 있지만, 일정 부분의 분체 유실을 감수해야 하며, 빈번한 필터 또는 충진재의 막힘 현상은 장비의 안정적 운영에 큰 문제가 된다.

따라서 실제 활용이 가능한 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기를 위해서는 두 가지 이슈, 즉 분산도를 극대화 시키고 반응기 안의 분체(미립자)들이 반응기 밖으로 손실되는 문제점을 해결하는 새로운 방법이 필요하다.

공개특허 제2015-0008667호

본 발명은 진동이나 회전이 없이 분체 입자의 응집(agglomeration)을 억제하여, 각 입자에 균일한 입자코팅이 가능하도록 하는 동시에 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지할 수 있는 새로운 개념의 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은, 미립자 코팅을 위한 ALD 또는 디지털 CVD 공정에서 진동이나 회전과 같은 부가적인 설비가 없이 간단하게 코팅하고자 하는 담체 입자를 분산 시킬 수 있는 동시에 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 증착 장치는, 개폐 가능한 개폐문(10)이 포함된 외부 반응기(1); 및 상기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 인입되어 고정될 수 있는 내부 반응기(2);를 포함하고, 상기 외부 반응기(1)의 내부 공간(11)과 내부 반응기(2)의 내부 공간(12)는 내부 반응기(2)로 인해 서로 공간적으로 구분되며, 상기 내부 반응기(2)는 나선형 구조 또는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태이고, 상기 내부 반응기(2)의 양 끝단에는 연결부(3,4)를 포함하여, 외부 반응기(1)의 외부로부터 반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스가 시분할적으로 내부 반응기(2)의 내부로 도입하는 운송라인(7,8)과 연결되되, 상기 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송라인(7,8)의 단면적 보다 큰 것을 특징으로 한다.

반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스는, 증착 장치의 외부에서 운송 라인(7,8)을 통해 펄스 방식으로 공급됨으로써, 내부 반응기(2)의 내부에 로딩된 입자들을 일측(A)에서 타측(B)으로 이동시키게 되며, 상기 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 증착 장치의 외부로 배출될 수 있다.

또한, 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되며, 이때 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스가 펄스(pulse) 방식으로 공급됨으로써, 응집된 입자를 이동시켜 응집된 피코팅 대상물인 입자 혹은 파우더를 분산시키는 기능을 수행하게 된다.

바람직하게는, 내부 반응기(2)기의 양 끝단에 위치하는 연결부(3,4) 각각에 연통되는 운송라인(7,8)은 적어도 하나 이상인 일 수 있으며, 상기 ALD 또는 디지털 CVD 반응을 위해 내부 반응기(2) 혹은 외부 반응기(1)의 전체 혹은 일부를 가열할 수 있는 가열 장치가 추가적으로 더 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태로, 본 발명의 일 실시예로 언급된 증착 장치를 사용하여 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법을 들 수 있는데, 먼저 증착 장치를 준비하는 단계; 내부 반응기(2)의 내부로 입자들을 로딩하는 단계; 외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해 내부 반응기(2)를 도입하여, 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)와 운송 라인(7,8)을 연결하는 고정 단계; 운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 일측으로 반응물인 제1 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제1 흡착단계; 상기 제1 흡착 단계 이후, 제1 전구체의 공급 방향과 동일하게 내부 반응기(2)의 일측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제1 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제1 퍼지단계; 운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 타측으로 반응물인 제2 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제2 흡착단계; 상기 제2 흡착 단계 이후에, 제2 전구체의 공급 방향과 동일하게 내부 반응기(2)의 타측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제2 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제2 퍼지단계; 및 외부 반응기(1) 및/또는 내부 반응기(2)의 온도를 높여 입자 표면 반응을 일으키는 표면 반응 단계;를 포함한다.

상기 제1 흡착 단계 및/또는 제2 흡착 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행될 수 있으며, 상기 제1 퍼지 단계 및/또는 제2 퍼지 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 제1, 2 흡착 단계 또는 제1, 2 퍼지 단계에서, 제1, 2 전구체 혹은 퍼지 가스의 펄스 공급으로 인해 입자가 내부 반응기(2) 내에서 이동함으로써, 응집된 입자들이 분산될 수 있다.

아울러 상기 제1 퍼지 단계 또는 제2 퍼지 단계에서, 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출되는 미반응물은 운송라인(7,8)을 통해 증착 장치외부로 배출될 수 있는데, 이러한 배출과 동시에 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 외부 반응기(1)를 거쳐 연통된 외부 반응기 배출구(9)를 통해 증착 장치의 외부로 배출될 수 있다.

상기 제1 흡착 단계, 제1 퍼지 단계, 제2 흡착 단계 및 제2 퍼지 단계는, 적어도 1회 이상 반복되어 수행되는 것도 가능하다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 이중 반응기(double wall reactor) 구조를 채택하고 있으므로, 반응물 및 퍼징 가스가 유입되는 펄스(pulse)의 힘을 통해 코팅되는 대상인 분체 혹은 파우더가 내부 반응기 내에서 분산 효과를 얻을 수 있으며, 외부 반응기를 통하여 퍼징과정이 수행되므로 반응기에 필터나 충진재를 사용하지 않고도 분체가 ALD 또는 디지털 CVD 반응기에서 배출되어 진공 펌프(저압공정)나 외부(상압공정)로 손실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 반응물 및 퍼징 가스가 유입되는 펄스(pulse)의 힘을 통해 코팅되는 대상인 분체 혹은 파우더가 내부 반응기 내에서 물리적으로 이동함으로써, 분산 효과에 더하여 분체 혹은 파우더 표면에 균일하게 반응물이 코팅될 수 있는 효과가 존재한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 유동층 ALD 반응기의 모식도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 로타리(Rotary) 회전 ALD 반응기의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD 이중 반응기의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD 이중 반응기의 내부 반응기에 코팅되는 분체가 장착(loading)된 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5와 6은 내부 반응기의 우측 운송라인을 통해 도입되는 전구체(도 5) 혹은 퍼지 가스(도 6)의 펄스 공급에 의해, 내부 반응기 안에서 우측에서 좌측으로 미분체가 이동하는 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7과 도 8은 내부 반응기의 좌측 운송라인을 통해 도입되는 전구체(도 7) 혹은 퍼지 가스(도 8)의 펄스 공급에 의해, 내부 반응기 안에서 좌측에서 우측으로 미분체가 이동하는 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 아울러, 본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, "제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

아울러 본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

앞서 언급된 종래 기술의 문제점과 본 발명의 기술적 과제를 해결하고, 효과를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 외부 반응기(1)와 내부 반응기(2)를 포함하는 이중 반응기(double wall reactor)구조를 제시하고 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 증착 장치는, 전구체가 유입되어 ALD 또는 디지털 CVD 공정이 주로 이루어지는 내부 반응기(2)와 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지하기 위한 외부 반응기(1)로 구성이 되어 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 별도의 반응기 자체의 진동이나 회전이 없이, 반응기에 도입되는 전구체 또는 퍼징 가스의 펄스 도입에 따른 충격을 사용하여, 표면 코팅 대상인 입자들의 응집(agglomeration)을 억제하고 분산을 극대화 할 수 있으며, 각 입자에 균일한 입자 코팅이 가능하도록 하는 동시에, 별도의 필터나 충진재 없이 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에서 손실되는 것을 방지할 수 있는 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 증착 반응기는 적어도 2개 이상의 반응기(예를 들어 외부 반응기와 내부 반응기)가 겹쳐 배치되는 이중 구조로 되어 있으며, 반응물의 유입 또는 퍼징가스의 유입이 화학반응이 일어나는 내부 반응기로 직접 유입되지만, 퍼징의 단계는 내부 및 외부 반응기에서 동시에 이루어지는 것을 특징으로한다

본 발명에 따른 증착 반응기에 포함된 내부 반응기(2)에서는, ALD 또는 디지털 CVD 공정이 수행되는데, 상기 내부 반응기(2)에서는 전구체의 반응기 유입과 퍼징가스의 반응기 유입시 발생하는 힘 또는 압력으로 효과적인 입자 분산이 진행되고, 외부 반응기(1)를 통하여 퍼징이 이루어지므로 코팅 층이 형성되는 분체들의 손실을 필터나 충진재 없이 감소시킬 수 있다.

또한, 내부 반응기(2)의 내부에 위치하는 분체 입자들의 분산 효과를 극대화 하기 위하여 본 발명에 따른 이중 반응기 (double wall reactor) 형태를 갖는 증착 반응기에 부가적인 물리적인 힘(예, 초음파, 자기장 등)을 부여할 수 있는 장치(예를 들어 초음파 발생 유닛, 자기장 발생 유닛, 전기장 발생 유닛 등)를 추가적으로 더 형성하는 것도 가능하다.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 이러한 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

또한, 명세서 상에 기재된 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을수도 있고, 또는 추가적인 구성요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 분체 코팅용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기 장치의 전체적인 형태를 나타내는 도면이다 본 실시 예에서는 이중 반응기 (double wall reactor)를 예로 설명하지만, 본 발명은 3중(triple wall reactor) 또는 그 이상인 경우(multi wall reactor)에도 적용될 수 있다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 증착 장치는, 분체 코팅용 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되는 것으로, 외부 반응기(1)의 안으로 내부 반응기(2)가 위치하는 이중 반응기 구조를 갖는다.

외부 반응기(1)는, 전구체 혹은 퍼징 가스가 도입되는 유입구와 퍼징가스, 미반응물, 부반응물 등이 배출되는 유출구(9) 및 외부 반응기 개폐문(10)을 포함한다.

내부 반응기(2)는, 표면 코팅 대상인 파우더 입자의 움직임을 반응기 내 공간에 가두어 놓을 수 있도록 나선형이나 다양한 꼬임형 형태를 포함하는 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태가 사용될 수 있으며, 이 외에도 다양한 곡률을 갖는 구조가 사용될 수 있다.

이러한 내부 반응기(2)와 외부 반응기(1)는 공간을 두고 서로 구분될 수 있는데, 내부 반응기(2)는 외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해서 외부 반응기의 안으로 쉽게 장착될 수 있으며, 반대로 탈착 또한 쉽게 이루어질 수 있다.

표면 코팅이 이루어지는 대상인 분체는, 내부 반응기(2)가 외부 반응기(1)의 내부로 장착되기 전에 사전에 내부 반응기(2)의 안쪽, 바람직하게는 중심부로 도입(loading)되며, ALD 또는 디지털 CVD 반응이 종료된 후 내부 반응기가 외부 반응기에서 탈착된 후, 내부 반응기 내부에서 배출될 수 있어, 반응 대상물인 입자 혹은 분체의 충진 및 코팅된 입자 혹은 분체의 회수가 용이하게 수행될 수 있다.

도 3에 제시되어 있듯이, 전구체 및 퍼징가스는 외부반응기의 유입구를 통해 내부 반응기(2)의 간접 연결부(3,4)와 직접 연결된 운송 라인(7,8)을 통해 증착 장치의 외부에서 내부 반응기(2)로 직접적으로 유입될 수 있다.

또한, 이렇게 내부 반응기(2)에 사전에 로딩된 입자 혹은 분체의 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행된 후, 잔류하는 미반응물, 부반응물 등은 내부 반응기(2)의 양 끝단에 위치하는 간접연결부(3,4)를 통해 배출될 수 있는데, 간접 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송 라인(7,8)의 단면적 보다 크기 때문에 단면 영역에 존재하는 공간부(C)를 통해서 외부 반응기(1)의 안쪽으로 배출될 수 있다.

이후, 선택적으로 외부 반응기의 배출구(9)를 통해 증착 장치의 외부로 배출될 수도 있으나, 필요에 따라 이러한 미반응물인 전구체 물질이나, 코팅 대상인 입자 혹은 분체를 다시 외부 반응기의 내부에서 회수하여 재사용하는 것도 가능하다.

다른 실시 형태로, 내부 반응기(2)에 유입된 전구체나 퍼지가스의 퍼지(배출)은 내부 반응기(2)와 외부 반응기(1)와 공간(C)을 두고 간접적으로 연결된 간접 연결부(3,4)를 통해 수행되고, 동시에 이들은 외부 반응기(1)의 배출구(9)를 통해 모두 배출되는 것도 가능하다.

예를 들어, AX(반응물, 기체)+BY(반응물, 기체)→AB(생성물, 고체)+XY(부산물, 기체) 반응을 이용하여, 입자 혹은 분체의 표면에 AB 박막을 제조할 경우에는,

AX 반응물을 내부 반응기에 유입한 후, 역시 퍼지 가스를 내부 반응기로 도입하여 내부 반응기를 퍼지함으로써, 내부 반응기 내에는 입자 표면에 흡착된 AX만 존재하는 상태를 만들 수 있다.

다음 단계로 BY 반응물을 앞선 AX와 동일한 방식으로 내부 반응기에 유입시키면 입자 표면에 흡착된 AX 반응물과 유입된 BY가 기판 표면에서 화학 반응을 일으키며 입자 표면에 생성물인 AB 코팅층을 형성하게 된다.

마지막으로 다시 퍼지 단계를 거쳐 내부 반응기의 내부에 잔류하는 반응하지 못한 BY와 반응 부산물인 XY를 내부 반응기 밖으로 배출시키게 된다. 이때 BX는 플라즈마 또는 오존등의 활성화 반응 물질을 포함할 수 있다.

이러한 과정이, 도 3에 제시된 본 발명에 따른 증착 장치에서 수행될 수 있는데, 구체적으로 살펴보면, 먼저 내부 반응기(2)의 어느 한 쪽의 측부(A 혹은 B 영역) 또는 중간 부분으로 입자 혹은 분체(14)를 로딩한 후(도 4 참조), 내부 반응기(2)를 외부 반응기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 도입하여 고정한다.

이때 내부 반응기(2)의 간접 연결부(3,4)를 외부 반응기(1)를 관통하여 연결된 운송 라인(7,8)과 연결하여 고정하며, 계폐문(11)을 닫아 외부 반응기(1)를 밀폐시킨다.

이후 운송 라인(7 또는 8)을 통해 AX 반응물을 내부 반응기로 유입시키게 되는데, 전구체 AX를 내부 반응기의 일측에 위치하는 간접 연결부(4)(도 5의 경우에는 우측)를 통해 이송라인(8)을 통하여 내부 반응기(2)로 유입되되, 펄스(pulse) 형태로 유입되는 것이 바람직하다.

이렇게 전구체 AX가 이송가스와 함께 펄스 방식으로 공급됨으로써, 사전에 내부 반응기의 중간부에 로딩되었던 분체 입자들이 반대쪽인 A영역 쪽으로 이동하게 되며, 동시에 응집되어 있던 입자들이 분쇄되는 분산이 일어나게 된다(도 5 참조).

이후 상기 전구체 AX가 도입되는 방향과 동일하게 퍼지 가스 역시 도입될 수 있는데, 이러한 퍼지 과정을 통해 내부 반응기 내에 로딩되어 있는 분체 입자들은 더욱 이동하게 되고 역시 분산 효과를 더욱 높일 수 있다(도 6 참조).

또한, 이러한 퍼지 가스의 유입은 도 6에 제시된 방향(즉, 전구체 AX가 도입되는 방향)과는 반대로 유입되는 것도 가능한데, 이렇게 반대 방향으로 퍼지 가스가 유입될 경우에는, 내부 반응기(2)의 내부에서 (전구체 AX의 펄스 도입으로 인해 A 영역쪽으로 이동되었던) 분체 입자들은 B 영역으로 다시 이동하게되고, 이동거리가 증가함에 따라 더욱 분산 효과가 증가할 수 있다.

이러한 반응물인 전구체 AX와 퍼지 가스의 도입은 각각 한번에 수행되는 것도 가능하지만, 여러번에 걸쳐 나누어 복수회 수행되는 것도 가능하다.

또한, 이러한 퍼지 과정 중 혹은 퍼지 과정 이후에 외부 반응기(1)와 연결된 펌프(13)를 통해 진공을 걸어 퍼지 효율을 더욱 높여주는 것도 가능하다.

도 5 및 6에 제시된 반응물인 전구체 AX와 퍼지 과정을 거쳐, 내부 반응기의 A 영역 쪽으로 전구체 AX가 표면 흡착된 분체 입자들이 이동한 후, 도 7 및 8에 제시된 것처럼, 전구체 BY와 퍼지 가스를 각각 펄스 방식으로 순차적으로 내부 반응기(2)의 반대 영역으로 주입함으로써, 분체 입자들을 내부 반응기의 B 영역쪽으로 이동시킬 수 있다.

즉, 내부 반응기(2)의 (AX가 도입된 측면의) 반대쪽 측면에 위치하는 간접 연결부와 운송라인을 통해 반응물인 BY 전구체를 펄스 방식으로 도입함으로써, 분체 입자들은 다시 내부 반응기(2)의 중간 영역을 거쳐 B 영역쪽으로 이동하게 되며, 이 과정 중에서 앞서 설명하였던 분체 입자들의 분쇄와 분산이 이루어지면서 분체 입자의 표면 반응이 수행된다.

따라서, 분체의 이동과 표면 반응이 동시에 일어나게 되므로, 보다 균일한 코팅층이 분체 혹은 입자의 표면에 형성될 수 있게 된다.

이후, 퍼지 단계가 앞서 BY 전구체가 도입된 방향과 동일한 방향으로 수행될 수 있으며, 필요에 따라 반대 방향으로도 수행될 수 있는데, 이러한 퍼지 가스의 도입 방향은, 내부 반응기 내에 위치하는 분체 입자들의 위치를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.

선택적으로 이러한 퍼지 단계는, AX 반응물이 도입되는 방향 혹은 BY 반응물이 도입되는 방향 중 어느 하나의 반향으로 수행될 수 있으며, 퍼지 가스를 사용하지 않고, 외부 반응기와 연결된 펌프를 통해 수행되는 것도 가능하다.

이러한 반응기 외부의 펌프를 통한 퍼지 과정은, 앞서 살펴본 것처럼, 내부 반응기의 간접 연결부와 운송라인의 단면적 차이로 인해 완전히 내부 반응기가 밀폐되지 않고, 공간부 C가 존재하기 때문에 가능해지는 것이며, 이러한 외부 펌프를 사용한 퍼지 과정과 운송 라인을 통해 퍼지 가스가 도입되어 수행되는 퍼지 과정은 동시에 수행되거나, 순차적으로 수행될 수 있으며, 필요에 따라 어느 하나만으로 수행되는 것도 가능하다.

내부 반응기의 양 끝단에 형성되는 간접 연결부에는 적어도 하나 이상의 운송라인이 위치할 수 있으나, 적어도 공간부(C)가 존재할 수 있도록, 운송라인의 수가 적절히 조절되는 것이 바람직하다.

이렇게 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor, AX 혹은 BY 등)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되면서, 동시에 상기 반응물인 전구체(precusor, AX 혹은 BY 등)와 퍼지(purge) 가스가 펄스 형태로 도입됨으로써, 분체 입자의 이동과 분쇄를 일으킬 수 있어, 보다 균일한 분체의 표면 반응 및 표면 코팅을 수행할 수 있다.

앞서 설명한 다양한 변형 예들이 존재할 수 있는데, 예를 들어, 운송라인(7,8)을 통해서 반응물인 전구체 AX와 BY가 각각 공급되고, 별도의 퍼지 가스의 공급 없이 외부 반응기(1)의 배출구(9)를 통해 퍼지 과정이 수행되는 것도 가능하며, 퍼지 가스의 운송 라인(7,8)으로의 공급에 의한 퍼지 과정과 함께 수행되는 것도 가능하다.

또한, 간접 연결부(3, 4)에는 각각 하나의 운송라인(7,8)이 존재할 수도 있지만, 복수의 운송라인들이 위치될 수 있으며, 내부 반응기의 일측(A영역)에서 타측(B영역)으로 복수회 이상 분체 입자들을 이동시키면서 표면 반응을 일으킬 수 있다.

또한, 전구체 물질의 유입과 퍼징가스 유입은 펄스의 형태로 이루어 지게 되는데, 반대 방향으로 펄스 형태의 유입을 통해 내부 반응기(2) 내에 로딩된 분체들이 내부 반응기(2) 안에서 A 영역과 B 영역을 복수 회 왕복 운동을 하며 분산된 형태로 이동하면서 입자 표면 반응을 수행하여 코팅되는 것도 가능한데, 이를 위해 반응물 및 퍼지 가스의 펄스 유입은 이송라인에 연결된 밸브의 개폐 조작을 통해 적절히 수행될 수 있으며, 이때의 공급 유량 역시 내부 반응기(2) 내의 충진공간(reservoir)의 크기를 고려하여 유량조절기를 사용하여 제어하는 것이 바람직하다.

전구체 물질 AX와 반응하는 또 다른 전구체 물질 혹은 대응 반응물인 BY의 경우에는 플라즈마나 오존 등으로 활성화된 반응물들이 사용될 수 있으며, ALD 또는 디지털 CVD법을 위한 가열이 필요할 경우에는 가열부가 외부 반응기(1)의 내부 또는 외부에 장착되어 사용될 수 있다.

또한, 플라즈마의 발생은 내부 반응기(1) 또는 전체 증착 반응기의 내부에서 발생되는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 분체 입자의 표면 코팅 방법을 예를 들어 설명하면, 도 5와 같이 전구체(AX)가 펄스 유입되어 내부 반응기(2)에 로딩된 분체를 A 영역 쪽으로 이동시키면서 분산하고, 다음 단계로 퍼징가스가 유입될 경우 도 6과 같이 분체가 분산되면서 이동하게 된다

이후 외부 반응기(1)와 연결된 펌프를 사용하여 추가 퍼징 단계를 진행한 후에, 도 7와 같이 대응 반응물 혹은 다른 전구체(BY)를 내부 반응기의 반대편 운송 라인을 통해 펄스 방식으로 유입시키고, 동일한 유입구를 통하여 퍼지 가스를 펄스 유입시켜 미분체가 B 영역 쪽으로 분산되며 이동되도록 한다.

이때 선택적으로 각각의 퍼지 가스는 반응물과 동일한 방향이 아닌 반대 방향으로 공급되는 것도 가능하고, 퍼지 가스 도입 후에 외부 반응기와 연결된 펌프를 통하여 추가 퍼지 단계를 진행하할 수도 있다.

이러한 과정을 통해 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD의 한 사이클(1 cycle)이 진행되게 되며, 상기 단계들을 복수회 반복할 경우 분체의 지속적인 이동을 야기시켜 서로 응집되는 agglomeration을 방지하며 입자 위에 보다 균일한 박막코팅층을 제조할 수 있다.

또한, 앞서 살펴본 바와 같이, 필요에 따라 퍼지 가스가 공급되는 운송라인과 전구체가 유입되는 운송 라인을 따로 구성하거나, 퍼지 라인을 여러 개 구성하여 펄스 방식으로 공급함으로써, 미분체의 분산 효과를 극대화 할 수 있다.

아울러 본 발명의 실시예에 의하면 ALD 또는 디지털 CVD법을 위한 사이클 구성을 위해서는 특정 전구체나 퍼징가스의 유입을 반복적으로 하거나 분체의 이송 및 분산을 더 효과적이 되도록 퍼징가스 유입라인 숫자를 증가시킨 반응기를 구성 할 수도 있으며, 증착 반응기는 실시예와 같이 두 개가 아닌 3개 이상 다수의 내(inner-), 외부 반응기(outer-reactor)로도 구성이 될 수 있다.

이상과 같이 상기와 같이 설명된 분체 코팅을 위한 ALD 또는 디지털 CVD용 증착장치 및 방법은 상기 설명된 실시예의 구성과 방법이 한정되게 적용될수 있는 것이 아니라, 상기 실시에의 다양한 변형이 이루어 질수 있도록 실시예의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다 즉 발명의 기술적 사상이 한정되는 것은 아니다.

1: 외부반응기(outer reactor) 2: 내부반응기(inner reactor)
3, 4: 간접연결부 7,8: 전구체 또는 퍼징(purge)가스 운송라인
9: 외부 반응기 배출구 10: 외부반응기 개폐문
11: 외부반응기 내부 공간(volume of outer reactor)
12: 내부반응기 내부 공간(volume of inner reactor)
13: 펌프
14: 내부 반응기에 장착(loading)된 분체(분말입자)
A, B: 내부반응기 내의 영역 C: 공간부

Claims

개폐 가능한 개폐문(10)이 포함된 외부 반응기(1); 및
상기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 인입되어 고정될 수 있는 내부 반응기(2);를 포함하고,
상기 외부 반응기(1)의 내부 공간(11)과 내부 반응기(2)의 내부 공간(12)는 내부 반응기(2)로 인해 서로 공간적으로 구분되며,
상기 내부 반응기(2)는 나선형 구조 또는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태이고,
상기 내부 반응기(2)의 양 끝단에는 연결부(3,4)를 포함하여, 외부 반응기(1)의 외부로부터 반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스가 시분할적으로 내부 반응기(2)의 내부로 도입하는 운송라인(7,8)과 연결되되,
상기 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송라인(7,8)의 단면적 보다 큰 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제1항에 있어서,
반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스는, 증착 장치의 외부에서 운송 라인(7,8)을 통해 펄스 방식으로 공급됨으로써, 내부 반응기(2)의 내부에 로딩된 입자들을 일측(A)에서 타측(B)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 증착 장치의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제1항에 있어서,
시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제4항에 있어서,
시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스가 펄스(pulse) 방식으로 공급됨으로써, 응집된 입자를 이동시킴으로써 응집된 입자를 분산시키는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제1항에 있어서,
내부 반응기(2)기의 양 끝단에 위치하는 연결부(3,4) 각각에 연통되는 운송라인(7,8)은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
제4항에 있어서,
상기 ALD 또는 디지털 CVD 반응을 위해 내부 반응기(2) 혹은 외부 반응기(1)의 전체 혹은 일부를 가열할 수 있는 가열 장치가 추가적으로 포함된, 증착 장치.
입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법에 있어서,
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 증착 장치를 준비하는 단계;
내부 반응기(2)의 내부로 입자들을 로딩하는 단계;
외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해 내부 반응기(2)를 도입하여, 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)와 운송 라인(7,8)을 연결하는 고정 단계;
운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 일측으로 반응물인 제1 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제1 흡착단계;
상기 제1 흡착 단계 이후, 내부 반응기(2)의 일측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제1 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제1 퍼지단계;
운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 타측으로 반응물인 제2 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제2 흡착단계;
상기 제2 흡착 단계 이후에, 내부 반응기(2)의 타측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제2 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제2 퍼지단계; 및
외부 반응기(1) 및/또는 내부 반응기(2)의 온도를 높여 입자 표면 반응을 일으키는 표면 반응 단계;를 포함하는 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 흡착 단계 및/또는 제2 흡착 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 퍼지 단계 및/또는 제2 퍼지 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1, 2 흡착 단계 또는 제1, 2 퍼지 단계에서, 제1, 2 전구체 혹은 퍼지 가스의 펄스 공급으로 인해 입자가 내부 반응기(2) 내에서 이동함으로써, 응집된 입자들이 분산되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
제8항에 있어서,
제1 퍼지 단계 또는 제2 퍼지 단계에서, 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출되는 미반응물은 운송라인(7,8)을 통해 증착 장치외부로 배출되면서 동시에 외부 반응기(1)와 연통된 외부 반응기 배출구(9)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 흡착 단계, 제1 퍼지 단계, 제2 흡착 단계 및 제2 퍼지 단계는, 적어도 1회 이상 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.