KR20210143889A

KR20210143889A - Pvd 두께 제어 장치

Info

Publication number: KR20210143889A
Application number: KR1020217034961A
Authority: KR
Inventors: 루츠 퀴멜; 토마스 다우베
Original assignee: 에스엠에스 그룹 게엠베하
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-11-29
Also published as: WO2020216775A1; CN113728122A; EP3959348A1; DE102020200366A1; US20220316050A1

Abstract

본 발명은 스트립 코팅 시스템(1) 내에서 금속 기질(12)을 이용하여 금속 스트립(10)을 코팅하기 위한 방법에 관한 것이며, 코팅은 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 수행되고, 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정된다. 본 발명에 따라서, 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도도 동시에 변경되며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 된다.

Description

PVD 두께 제어 장치

본 발명은 스트립 코팅 시스템 내에서 금속 기질(metal substrate), 특히 아연을 이용하여 금속 스트립, 특히 강 스트립을 코팅하기 위한 방법에 관한 것이며, 코팅은 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 수행되고, 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정된다. 또한, 본 발명은 금속 기질을 이용하여 금속 스트립을 코팅하기 위한 시스템에도 관한 것이다.

부동화 층(passivation layer)으로 금속 스트립들을 코팅하기 위한 방법들은 종래 기술로부터 원칙적으로 공지되어 있다.

이와 같이, 예컨대 JPS6296669호는 아연 층으로 강 스트립들을 코팅하기 위한 방법을 개시하고 있되, 코팅 전에 강 스트립의 온도는 비온도 범위(specific temperature range)로 설정된다.

JPS63128168호는, 개선된 딥 드로잉 능력을 가지면서, 아연 층으로 강 스트립들을 코팅하기 위한 방법을 개시하고 있다.

JPH05287528호로부터는, 증착된 층의 품질을 개선하기 위해, 기상 증착기용 제어 유닛이 공지되어 있다. 이와 관련하여, 층 두께 검출기에 의해 증착된 층 두께가, 그리고 속도 검출기에 의해서는 스트립 속도가 지속적으로 검출되어 제어 유닛으로 송신된다. 예컨대 층 두께 설정값이 하회되거나 상회된다면, 스트립 속도는 제어 유닛을 통해 그에 상응하게 매칭되며, 그럼으로써 증착된 층 두께는 일정하게 유지될 수 있게 된다.

JPS6320448호로부터는, 알루미늄으로 강 스트립들을 코팅하기 위한 방법이 공지되어 있되, AlN 층의 사전 형성을 통해 Al-Fe 합금 층의 형성은 방지된다. 이와 관련하여, AlN 층의 층 두께는 스트립 속도의 매칭을 통해 설정된다.

DE 1 521 573호는, 진공에서 연속 스트립 래커링 방법(continuous strip lacquering method)을 위한 제어 시스템을 개시하고 있되, 스트립의 표면 상에서는 스트립 속도에 상응하게 금속 증기(metal vapor)가 증착되며, 그럼으로써 균일한 층 두께가 달성되게 된다.

EP 0 176 852호는 금속 스트립을 연속 코팅하기 위한 진공 코팅 장치를 개시하고 있되, 이 경우 금속 증기 채널의 폭을 변경하기 위한 제어 유닛이 제공되며, 그럼으로써 상이한 폭을 갖는 금속 스트립들은 균일한 층 두께로 코팅될 수 있게 된다.

PVD 코팅 공정에서, 의도되는 금속 기질은 증발되어 금속 표면 상에 증착되며, 증발은 통상적으로 진공 내에서 공지된 기술들에 의해 수행된다. 그런 다음, 증발된 금속 기질은 금속 스트립의 표면 상에 증착된다.

증발 공정은 열적 공정이기 때문에, 예컨대 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경과 같은 공정 변경 시 증발 속도의 매칭은 느리게만 진행되며, 그런 까닭에 금속 스트립 상에는, 의도되는 층 두께를 보유하지 않고 그에 따라 품질 요건을 충족하지 못하는 섹션이 형성되게 된다.

그러므로 본 발명의 과제는 종래 기술의 단점들을 극복하는 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 갖는 방법, 및 청구항 제8항의 특징들을 갖는 시스템을 통해 달성된다.

종속 청구항들은, 자체 각각의 특징들이 기술적으로 유용한 점의 범위에서 경우에 따라서는 여러 청구항의 범주 한계를 넘어 임의로 상호 간에 조합될 수 있는 것인, 본 발명의 각각 바람직한 구현예들 내지 개선예들에 관련된다.

본원 방법은 스트립 코팅 시스템 내에서 금속 기질을 이용하여 금속 스트립을 코팅하기 위해 제공되며, 코팅은 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 수행되고, 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정된다. 본 발명에 따라, 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도는 동시에 변경되며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 된다. 달리 말하면, 층 두께 전환 시 증발 속도는 예측하는 방식으로 매칭될 수 있다.

코팅층은 일면에서, 또는 바람직하게는 양면에서 수행될 수 있으며, 다시 말하면 금속 스트립의 상면뿐만 아니라 하면 역시도 코팅된다.

동일한 방식으로, 본 발명은 금속 기질을 이용하여 금속 스트립을 코팅하기 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은, 금속 스트립이 그 내에서 이동 방향(T)으로 이동되는 곳인 연속 처리 라인을 포함하되, 처리 라인 내에는 코팅 유닛이 제공되고, 이런 코팅 유닛 내에서 금속 스트립은 적어도 일면에서 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 금속 기질로 코팅될 수 있으며, 그리고 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정될 수 있다. 본 발명에 따라, 본원 시스템은 제어 유닛을 포함하며, 이런 제어 유닛은, 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도를 동시에 변경하며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 된다. 본 발명은, 중첩식 속도 매칭을 통해 층 두께 변경이 느린 열적 변환 과정과 무관하게 금속 스트립 상에 직접적으로 설정될 수 있다는 주요 지식을 기초로 한다. 이와 같이, 의도되고 신규로 설정되는 층 두께를 여전히 보유하지 않은, 상대적으로 더 큰 금속 스트립 섹션들의 형성은 효율적으로 피해질 수 있다. 또한, 최적의 생산 속도로 본원의 방법을 수행하거나 본원 시스템을 작동시키기 위해, 증발 속도의 매칭이 바람직하다.

'및/또는'이란 기재문구를 통해, 통상의 기술자는, 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 여러 실시 변형예를 실현할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

예컨대 신규 층 두께가 코팅될 금속 스트립 상에, 또는 후행 금속 스트립 상에 도포되어야 한다면, 증발 속도는 그에 상응하게 매칭된다. 증발 속도는 층 두께 감소의 경우 감소되고, 층 두께 증가의 경우에는 증가된다. 이런 단계에서, 수 분 동안 지속되는 증발 속도의 느린 감소 또는 증가는, 연속적인 매칭을 통해, 스트립 속도의 증가 또는 감소의 형태로 보상되며, 그럼으로써 후행 금속 스트립 상에 증착되는 층 두께는 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 된다.

예컨대 선행 금속 스트립에 비해 더 광폭이거나 더 협폭인 후행 스트립이 동일한 층 두께로 코팅되어야 한다면, 증발 속도는 그에 상응하게 매칭된다. 후행 스트립이 보다 더 협폭이라면, 증발 속도는 감소된다. 후행 스트립이 보다 더 광폭이라면, 증발 속도는 증가된다. 이런 단계에서, 수 분 동안 지속되는 증발 속도의 느린 감소 또는 증가는, 연속적인 매칭을 통해, 스트립 속도의 증가 또는 감소의 형태로 보상되며, 그럼으로써 후행 스트립 상에 증착되는 층 두께는 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 변형예에서, 후행 스트립은 선행 금속 스트립보다 더 광폭으로 형성될 수 있되, 후행 스트립 상의 층 두께는 선행 금속 스트립 상에서보다 더 두꺼워져야 한다. 이런 경우에, 증발 속도는 그에 상응하게 증가되고, 스트립 속도는 감소된다. 이런 단계에서, 수 분 동안 지속되는 증발 속도의 느린 증가는 스트립 속도의 연속적인 감소를 통해 보상되며, 그럼으로써 후행 스트립 상에 증착되는 층 두께는 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 변형예에서, 후행 스트립은 선행 금속 스트립보다 더 광폭으로 형성될 수 있되, 후행 스트립 상의 층 두께는 선행 금속 스트립 상에서보다 더 얇아져야 한다. 이런 경우에, 증발 속도 및 스트립 속도의 변경은 후행 스트립의 폭 변경 및 목표 층 두께에 따라 결정된다. 예컨대 이런 설정에서 증발 속도 및 스트립 속도가 일정하게 유지된다면, 후행 스트립 상에서 상대적으로 더 큰 코팅 대상 표면을 기반으로, 자동으로 상대적으로 더 얇은 층 두께가 설정된다. 예컨대 스트립 속도만 감소된다면, 후행 스트립 상에서 상대적으로 더 큰 코팅 대상 표면을 기반으로, 자동으로 훨씬 더 얇은 층 두께가 설정된다. 그러나 원칙상 증발 속도뿐만 아니라 스트립 속도 역시도, 후행 스트립 상에 증착된 층 두께가 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상승하게 되는 방식으로, 의도되는 목표 설정값들에 따라 동시에 변경된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 변형예에서, 후행 스트립은 선행 금속 스트립보다 더 협폭으로 형성될 수 있되, 후행 스트립 상의 층 두께는 선행 금속 스트립 상에서보다 더 두꺼워야 한다. 설정값들에 상응하게, 증발 속도뿐만 아니라 스트립 속도 역시도, 후행 스트립 상에 증착된 층 두께가 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 되는 방식으로, 동시에 변경된다.

최종적으로, 본 발명에 다른 또 다른 실시 변형예에서, 후행 스트립은 선행 금속 스트립보다 더 협폭으로 형성될 수 있되, 후행 스트립 상의 층 두께는 선행 금속 스트립 상에서보다 더 얇아져야 한다. 설정값들에 상응하게, 증발 속도뿐만 아니라 스트립 속도 역시도, 후행 스트립 상에 증착된 층 두께가 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 되는 방식으로, 동시에 변경된다.

보다 더 바람직한 실시 변형예에서, 증발 속도와 스트립 속도는 함께 고정된 시간 간격으로 변경되며, 그럼으로써 두 매개변수는 특히 정밀하게 상호 간에 부합하게 조정될 수 있게 된다. 원칙상, 시간 간격이 더 짧게 선택될수록, 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경은 더욱더 정확하게 수행될 수 있는 점이 적용된다.

바람직하게는, 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경은, 특히 바람직하게는 이력 데이터 및/또는 모델 관계를 기반으로 하는 시간 간격당 증발 속도 및 스트립 속도의 값 쌍들을 통해 수행된다. 코팅할 표면 및/또는 코팅할 층 두께의 변경이 공지된 경우, 즉각적인 매칭을 달성하기 위해, 속도 매칭은 그에 상응하게 시간 단위당 사전 제어될 수 있다.

금속 스트립은 바람직하게는 강 스트립이다. 금속 기질은 바람직하게는 아연을 함유하며, 그럼으로써 결과적인 코팅층으로서 순수 아연 층이 형성되게 된다.

또 다른 바람직한 실시 변형예에서, 금속 기질은 그 밖에도 마그네슘, 알루미늄, 철 또는 규소의 함량을 함유할 수 있으며, 그럼으로써 결과적인 코팅층으로서 아연 합금 층이 형성되게 된다.

특히 바람직한 실시 변형예에서, 금속 스트립의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경은 최소한 10%이며, 더욱 바람직하게는 15%이며, 훨씬 더 바람직하게는 20%이며, 그리고 가장 바람직하게는 25%이다.

층 두께의 결정을 위해, 바람직하게는, 코팅 유닛의 하류에 배치되는 층 두께 측정 장치가 이용된다. 하류에 장착되는 층 두께 측정 장치를 통해, 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매칭을 통해 폐루프 모드로 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 장점들 및 특징들은 도면들을 기반으로 보다 더 상세하게 설명되는 하기 실시예들로부터 분명하게 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시 변형예를 개략적으로 간소화하여 도시한 측면도이다.

도 1에는, 본 발명에 따른 시스템(1)의 일 실시 변형예가 개략적으로 매우 간소화된 측면도로 도시되어 있다.

시스템(1)은, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 적합하며, 상기 방법의 경우 금속 스트립(10)은 금속 기질(12)에 의해 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 코팅되되, 층 두께는 하기 공식에 따라 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정된다.

.

상기 식에서,

S(T) 증발 속도 [g/s],

b 폭 [m],

v_strip 스트립 속도 [m/s],

E(b,v,t) 효율 [-],

d_Me 층 두께 [g/㎡].

시스템(1)은 우선 연속 처리 라인(2)을 포함하며, 이 처리 라인 내에서 금속 스트립(10)은 우선 제1 권취기(11)에서부터 권출되고 처리 라인(2)의 끝 부분에서 제2 권취기(13)에 의해 다시 권취된다. 처리 라인(2)의 안쪽에서, 금속 스트립(10)은 화살표(3)의 이동 방향으로 이동되고 이와 동시에 복수의 스테이션을 통과한다.

본원에서 설명되는 실시 변형예에서, 시스템(1)은 처리 라인(2) 내에 배치되는 산세척 유닛(14)(pickling unit)과 하류에 배치되는 코팅 유닛(16)을 포함한다.

산세척 유닛(14) 내에서, 금속 스트립(10)의 표면들, 예컨대 강 스트립은, 이어서 코팅 유닛(16) 내에서 코팅될 수 있도록 하기 위해 준비된다.

그런 다음, 코팅 유닛(16) 내에서, 금속 스트립(10)은 적어도 일면에서, 바람직하게는 양면에서 금속 기질(12), 예컨대 아연 층으로, 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라서 코팅된다. 이와 관련하여, 층 두께는, 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 상술한 공식에 따라 설정될 수 있다.

예컨대 다른 층 두께가 설정되어야 한다면, 상술한 공식의 변환을 통해 스트립 속도가 매칭될 수 있다. 따라서, 하기 공식이 적용된다.

이와 동일한 관계는 폭 변경 또는 그 조합에 대해서도 적용된다.

증발 속도 및 폭과 같은 모든 공정 설정이 변함없이 유지된다면, 오직 하기 공식만이 적용된다.

(neu = new, alt = old)

증발 속도 및 층 두께와 같은 모든 공정 설정이 변함없이 유지될 경우에는, 오직 하기 공식만이 적용된다.

(neu = new, alt = old)

이에 따라, 특정 레벨까지 층 두께 변경 또는 폭 변경은 증발 속도의 변경 없이 매칭될 수 있다.

그러나 변환 과정의 속도는 시간 단위당 속도 변경을 통해 제한된다. 상대적으로 더 큰 층 두께 변경 및/또는 폭 변경이 실현되어야 한다면, 증발 속도도 그와 같이 매칭되어야 한다.

그러므로 본 발명에 따라서, 본원 방법의 경우, 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도는 동시에 변경되며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있다. 달리 말하면, 층 두께 전환 시 증발 속도는 예측하는 방식으로 매칭될 수 있다.

이를 위해, 시스템(1)은 제어 유닛(18)을 포함하며, 이런 제어 유닛은, 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도를 동시에 변경하며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 된다. 본원에서 설명되는 실시 변형예에서, 제어 유닛(18)은 EDV 지원되며, 그리고 추가로, 시간 간격당 증발 속도 및 스트립 속도의 값 쌍들이 저장되어 있는 메모리 유닛(19)을 포함한다. 상기 값 쌍들은 예컨대 과거의 데이터 및 모델들을 기반으로 할 수 있다.

예컨대 25%만큼 상대적으로 더 얇은 신규 층 두께가 금속 스트립(10) 상에 도포되어야 한다면, 증발 속도는 제어 유닛(18)을 통해 감소된다. 이런 단계에서, 수 분 동안 지속되는 증발 속도의 느린 감소는 연속적인 매칭을 통해, 값 쌍들을 기반으로 하는 스트립 속도의 증가의 형태로 보상되며, 그럼으로써 후행 금속 스트립 상에 증착된 층 두께는 즉시 의도되는 목표 층 두께에 상응하게 된다.

효율 역시도 변경될 수 있기 때문에, 상기 효율은 경우에 따라 고려되어야 한다. 그러므로 처리 라인(2) 내에서 코팅 유닛(16)의 하류에 추가로 층 두께 측정 장치(20)가 배치되며, 이런 층 두께 측정 장치를 통해 코팅이 점검된다.

그런 다음, 상기 측정값에 의해 보정값이 산출되어 적응될 수 있다. 이와 관련하여, 하기 공식이 적용된다.

(gemessen = measured, soll = set)

이에 따라, 상술한 공식은 하기 공식으로 바꿔 표현될 수 있다.

도 1에서 추론할 수 있는 것처럼, 층 두께 측정 장치(20)는 제어 유닛(18)과 연결되며, 그럼으로써 기설정 값들을 하회하거나 상회할 때, 균일한 코팅층을 실현하기 위해, 코팅은 도시된 수학적 관계에 상응하게 재조정될 수 있게 된다.

1: 시스템
2: 처리 라인
3: 화살표
10: 금속 스트립
11: 제1 권취기
12: 금속 기질
13: 제2 권취기
14: 산세척 유닛
16: 코팅 유닛
18: 제어 유닛
19: 메모리 유닛
20: 층 두께 측정 장치

Claims

스트립 코팅 시스템(1) 내에서 금속 기질(12)을 이용하여 금속 스트립(10)을 코팅하기 위한 방법으로서, 코팅은 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 수행되고, 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정되는 것인, 상기 금속 스트립의 코팅 방법에 있어서,
상기 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도도 동시에 변경되며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제1항에 있어서, 증발 속도와 스트립 속도는 고정된 시간 간격으로 변경되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경은 시간 간격당 증발 속도 및 스트립 속도의 값 쌍들을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제3항에 있어서, 상기 값 쌍들은 이력 데이터 및/또는 모델 관계를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 스트립(10)은 강 스트립이고 상기 금속 기질(12)은 아연을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경은 최소한 10%이며, 더욱 바람직하게는 15%이며, 훨씬 더 바람직하게는 20%이며, 그리고 가장 바람직하게는 25%인 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 층 두께의 결정을 위해 층 두께 측정 장치(20)가 이용되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 방법.
금속 기질(12)을 이용하여 금속 스트립(10)을 코팅하기 위한 시스템(1)으로서, 상기 시스템은, 금속 스트립(10)이 그 내에서 이동 방향(3)으로 이동되는 곳인 연속 처리 라인(2)을 포함하되, 처리 라인(2) 내에는 코팅 유닛(16)이 제공되고, 이런 코팅 유닛 내에서 금속 스트립(10)은 적어도 일면에서 물리적 기상 증착(PVD)의 원리에 따라 금속 기질(12)로 코팅될 수 있으며, 그리고 층 두께는 스트립 속도 및 증발 속도의 매개변수들을 통해 설정될 수 있는 것인, 상기 금속 스트립의 코팅 시스템에 있어서,
제어 유닛(18)이 제공되되, 상기 제어 유닛은, 상기 금속 스트립(10)의 층 두께 변경 및/또는 폭 변경 시, 증발 속도 및 스트립 속도를 동시에 변경하며, 그럼으로써 층 두께 변경은 열 증발 공정과 무관하게 직접적으로 구현될 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 시스템(1).
제8항에 있어서, 상기 코팅 유닛(16)의 하류에 층 두께 측정 장치(20)가 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 코팅 시스템(1).