KR20220027426A - Ceramic composition for coating and coating method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음이온 용매를 포함하는 코팅용 세라믹 조성물 및 상기 코팅용 세라믹 조성물을 이용하여 서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅하는 코팅 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a ceramic composition for coating containing an anionic solvent and a coating method for coating by suspension plasma spray using the ceramic composition for coating.
방위산업, 우주항공 및 첨단산업에 적용되는 소재들은 극한 환경인 초고온, 고압, 화학적 열화에 노출되는 소재들이다. Materials applied to the defense industry, aerospace and high-tech industries are those that are exposed to extreme environments such as ultra-high temperature, high pressure, and chemical degradation.
예를 들어, 상기 소재들은 반도체 제조용 챔버, 엔지니어링 세라믹 부품, 터빈용 부품 등을 포함한다.For example, the materials include chambers for semiconductor manufacturing, engineering ceramic components, turbine components, and the like.
상기 소재들은 내열성, 경량화 및 내부식성 등을 필요로 한다. 그리고 상기 소재들은 그 소재의 특성을 유지하고 보호할 수 있는 물성을 필요로 한다. The materials require heat resistance, light weight and corrosion resistance. And the materials require physical properties that can maintain and protect the properties of the material.
이러한 물성들을 나타내기 위해, 상기 소재들은 고온이나 플라즈마 분위기에 견디는 세라믹 재질로 제조된다. In order to exhibit these properties, the materials are made of a ceramic material that withstands high temperature or plasma atmosphere.
최근에는 상기 소재의 내부식성이나 열적 안정성까지 향상시키기 위해 상기 소재 표면에 코팅막을 형성하는 연구가 진행되고 있다.Recently, in order to improve the corrosion resistance or thermal stability of the material, research on forming a coating film on the surface of the material is being conducted.
상기 소재 표면에 코팅막을 형성하게 되면, 내마모, 내부식, 내열, 내산화, 마찰특성 및 기계적 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산할 수 있다. When a coating film is formed on the surface of the material, it is possible to produce a high-functional material exhibiting abrasion resistance, corrosion resistance, heat resistance, oxidation resistance, friction characteristics and mechanical characteristics.
이에 따라 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 쉽게 코팅할 수 있는 방법도 요구되고 있다.Accordingly, there is also a need for a method capable of easily coating a large area object in a short time.
본 발명의 목적은 용질과의 인시츄(in-situ) 반응을 위한 코팅용 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a ceramic composition for coating for in-situ reaction with a solute.
또한 본 발명의 목적은 내플라즈마성, 내마모성뿐만 아니라 기계적 특성을 향상시키기 위해 코팅용 세라믹 조성물을 이용한 코팅 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a coating method using a ceramic composition for coating in order to improve not only plasma resistance, abrasion resistance, but also mechanical properties.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects and advantages of the present invention not mentioned may be understood by the following description, and will be more clearly understood by the examples of the present invention. Further, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
본 발명에 따른 코팅용 세라믹 조성물은 음이온을 포함하는 용매; 및 상기 용매에 분산되어 있는 산화물 입자;를 포함하고, 상기 산화물 입자는 상기 음이온을 포함하는 표면 반응층을 포함한다.The ceramic composition for coating according to the present invention comprises: a solvent containing an anion; and oxide particles dispersed in the solvent, wherein the oxide particles include a surface reaction layer including the anion.
본 발명에 따른 코팅 방법은 (a) 코팅용 세라믹 조성물을 마련하는 단계; 및 (b) 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하여, 코팅용 세라믹 조성물을 베이스 기판에 코팅하는 단계;를 포함하고, 상기 코팅용 세라믹 조성물을 마련하는 단계는 (a1) 음이온을 포함하는 용매와 산화물 입자를 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 혼합하는 동안, 상기 산화물 입자의 표면에 상기 음이온을 포함하는 표면 반응층이 형성되고, 상기 코팅하는 단계에서, 상기 음이온의 농도에 따라 조성이 상이한 세라믹 코팅막을 형성한다.The coating method according to the present invention comprises the steps of (a) providing a ceramic composition for coating; And (b) using the suspension plasma spray, coating the ceramic composition for coating on the base substrate; including, wherein the step of preparing the ceramic composition for coating includes (a1) mixing a solvent containing an anion and oxide particles and, during the mixing, a surface reaction layer containing the anion is formed on the surface of the oxide particle, and in the coating step, a ceramic coating film having a different composition according to the concentration of the anion is formed.
본 발명에서는 음이온 용매를 사용함으로써, 서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅 시 용질과의 인시츄(in-situ) 반응이 가능하다.In the present invention, by using an anionic solvent, an in-situ reaction with the solute is possible when coating with suspension plasma spray.
또한 본 발명에서는 음이온의 농도에 따라 최종 형성되는 세라믹 코팅막의 조성을 변화시킬 수 있어, 외부의 화학적 열화조건에 대한 저항성 효과를 나타낼 수 있다.In addition, in the present invention, it is possible to change the composition of the finally formed ceramic coating film according to the concentration of anions, thereby exhibiting the effect of resistance to external chemical deterioration conditions.
또한 본 발명에서는 내플라즈마성, 내마모성뿐만 아니라 기계적 특성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, in the present invention, there is an effect of improving the mechanical properties as well as the plasma resistance and abrasion resistance.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, the specific effects of the present invention will be described together while describing specific details for carrying out the invention below.
도 1은 본 발명의 코팅용 세라믹 조성물을 보여준다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 산화물 입자의 코어 쉘 구조를 보여준다.
도 4는 본 발명의 코팅 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 코팅 방법의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 코팅 방법을 이용하여 베이스 기판 상에 세라믹 코팅막이 배치된 구조의 단면도이다.
1 shows a ceramic composition for coating of the present invention.
2 and 3 show the core-shell structure of the oxide particle of the present invention.
4 is a flowchart of the coating method of the present invention.
5 is a schematic diagram of the coating method of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a structure in which a ceramic coating film is disposed on a base substrate using the coating method of the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above-described objects, features and advantages will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar components.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다. In the following, that an arbitrary component is disposed on the "upper (or lower)" of a component or "above (or below)" of a component means that any component is disposed in contact with the upper surface (or lower surface) of the component. Furthermore, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. Also, when it is described that a component is "connected", "coupled" or "connected" to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are "interposed" between each component. It is to be understood that “or, each component may be “connected,” “coupled,” or “connected,” through another component.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 코팅용 세라믹 조성물 및 이를 이용한 코팅 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a ceramic composition for coating according to some embodiments of the present invention and a coating method using the same will be described.
본 발명에서는 용질과의 인시츄(in-situ) 반응을 위해 음이온계 용매를 사용하고, 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하여 복합 음이온계 세라믹 코팅막을 형성할 수 있는 코팅용 세라믹 조성물, 이를 이용한 코팅 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a ceramic composition for coating capable of forming a composite anionic ceramic coating film using an anionic solvent for in-situ reaction with a solute and using a suspension plasma spray, and a coating method using the same want to
도 1은 본 발명의 코팅용 세라믹 조성물을 보여준다.1 shows a ceramic composition for coating of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 코팅용 세라믹 조성물(100)은 음이온을 포함하는 용매(10) 및 상기 용매(10)에 분산되어 있는 산화물 입자(20)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the
본 발명에서 음이온을 포함하는 용매(10)는 종래에 사용하던 알코올계 용매나 증류수 용매처럼, 미세한 코팅 입자가 플라즈마의 에너지를 과하게 받아 코팅화되지 못하고 대기 중으로 증발되는 현상을 방지하기 위한 기능을 갖는다. In the present invention, the
뿐만 아니라 음이온을 포함하는 용매(10)는 산화물 입자(20) 표면에 복합적인 음이온 조성을 갖는 표면 반응층(22)을 가져 최종 세라믹 코팅막(300)의 조성을 변화시키는 기능을 갖는 것이 주요 특징이다. In addition, the main feature is that the
산화물이 불화물, 염화물 등과 화학적 접촉을 하는 경우, 산화물이 분해되는 등과 같이 코팅막의 화학적 열화가 발생할 수 있다. 이러한 화학적 열화를 억제하기 위해 외부의 화학적 조성과 유사한 복합 음이온계 조성을 표면 반응층에 형성함으로써 패시브 층의 효과를 기대할 수 있다.When the oxide is in chemical contact with fluoride, chloride, etc., chemical deterioration of the coating film may occur such as decomposition of the oxide. In order to suppress this chemical deterioration, the effect of the passive layer can be expected by forming a complex anionic composition similar to the external chemical composition on the surface reaction layer.
이와 관련하여 음이온을 포함하는 용매(10)는 산화물 입자(20)가 분해되는 용매를 배제하는 것이 바람직하다. 또한 서스펜션 플라즈마 스프레이 용도로 충분히 사용 가능하지 못한 용매도 배제하는 것이 바람직하다.In this regard, it is preferable that the
상기 음이온은 플루오린(F), 염소(Cl), 질소(N) 및 황(S) 중 1종 이상을 포함한다. The anion includes at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), nitrogen (N) and sulfur (S).
상기 음이온은 NO3 - 질산염(nitrate), NO2 - 아질산염(nitrite)과 같은 음이온 염도 포함한다.The anion also includes anionic salts such as NO 3 -nitrate , NO 2 -nitrite .
예를 들어, 상기 음이온을 포함하는 용매(10)는 HSO4 -, SO3 2-, H2PO4 -, Cl-, NO3 -, NO2 -, ClO4 -, F -, S2-, HS- 중 1종 이상을 포함할 수 있다. For example, the
바람직하게는 상기 음이온을 포함하는 용매(10)는 불소 함유 염을 포함할 수 있다. Preferably, the
본 발명에서 상기 음이온의 농도는 중요한 요소이다.In the present invention, the concentration of the anion is an important factor.
음이온을 포함하는 용매(10)에서, 상기 음이온의 농도에 따라 세라믹 코팅막(300)의 조성이 변화하게 된다. 세라믹 코팅막(300)의 조성이 변화한다는 것은 세라믹 코팅막(300)을 구성하는 산화물 입자(20)의 표면 자체(표면 반응층)의 화학 조성이 바뀌는 것을 의미한다.In the
본 발명에서는 산화물 입자(20) 표면이 플라즈마 에너지에 의해 분해 및 반응되어 복합 음이온화된다. In the present invention, the surface of the
음이온을 포함하는 표면 반응층(22)은 플라즈마와 함께 고온에 의해 표면 반응층 내 존재하는 원소 조성과 원소 비율이 달라지게 된다. 이러한 원소 비율은 서스펜션 플라즈마 조건과 용매 내 음이온 농도에 따라 달라지게 된다.In the
음이온이 용매에 완전히 용해되어 있는 상태라는 가정 하에, 음이온의 농도는 최대량까지 사용 가능하다. 염의 경우도 용매에 완전히 용해되는 것이 바람직하다. Under the assumption that the anion is completely dissolved in the solvent, the concentration of the anion can be used up to the maximum amount. It is preferable that the salt is also completely dissolved in the solvent.
용매에 용해된 음이온이 표면 반응층의 복합 음이온계 화합물로 전환되는 비율이 100% 이거나, 또는 최대로 전환되는 것을 목표로 하는 경우, 상기 용매에 대하여 음이온은 최대 고용 한계까지 첨가될 수 있다.When the conversion ratio of anions dissolved in a solvent to a complex anionic compound in the surface reaction layer is 100% or the maximum conversion is aimed at, the anions may be added to the solvent up to the maximum solubility limit.
상기 용매에 대하여, 음이온의 농도는 5ppm(중량/중량) 이상일 수 있다.With respect to the solvent, the concentration of the anion may be 5 ppm (weight/weight) or more.
음이온의 농도가 5ppm 미만인 경우, 산화물 입자(20) 표면에 표면 반응층(22) 형성 시, 복합 음이온계 조성의 화합물로 전환되는 것이 극히 미미할 수 있기 때문에, 서스펜션 플라즈마 스프레이 과정에서 세라믹 코팅막(300)의 조성을 변화시키기 어려울 수 있다. When the concentration of the anions is less than 5 ppm, when the
산화물 입자(20)는 용질로서, 음이온을 포함하는 용매(10)에 분산되어 있다.The
산화물 입자(20)는 상기 음이온을 포함하는 표면 반응층(22)을 포함한다.The
음이온을 포함하는 용매(10)와 산화물 입자(20)의 혼합 과정에서 기계적 작용과 열적 작용을 통해, 산화물 입자(20)의 표면에 음이온을 포함하는 표면 반응층(22)이 형성된다.A
여기서, 기계적 작용과 열적 작용은 혼합 및 교반에 의한 마찰, 분쇄일 수 있다.Here, the mechanical action and the thermal action may be friction and pulverization by mixing and stirring.
산화물 입자(20)는 3-13족의 금속 산화물, 이산화규소 및 희토류 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The
구체적으로, 3-13족의 금속 산화물은 산화아연, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화크롬, 산화구리, 산화바나듐, 산화코발트, 산화하프늄, 산화철, 산화니오븀, 산화탄탈륨, 산화텅스텐 등을 포함한다.Specifically, metal oxides of Group 3-13 include zinc oxide, titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, chromium oxide, copper oxide, vanadium oxide, cobalt oxide, hafnium oxide, iron oxide, niobium oxide, tantalum oxide, tungsten oxide, and the like. include
상기 희토류 산화물은 원자 번호 57~71에 해당하는 란탄족 원소와 스칸듐(21번)과 이트륨(39)을 포함하는 원소의 산화물을 가리킨다. 희토류 산화물은 예를 들어 산화이트륨, 산화란타넘, 산화 가돌리늄, 산화세륨, 산화프라세오디뮴, 산화네오디뮴, 산화사마륨, 산화루테늄 등을 포함한다.The rare earth oxide refers to an oxide of a lanthanide element corresponding to atomic numbers 57 to 71 and an element including scandium (No. 21) and yttrium (39). Rare earth oxides include, for example, yttrium oxide, lanthanum oxide, gadolinium oxide, cerium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, ruthenium oxide, and the like.
산화물 입자(20)의 평균 입도(d1)는 0.1~100㎛ 일 수 있다. 이 범위를 만족하는 경우 세라믹 코팅막(300)의 치밀도를 확보할 수 있고, 균일한 두께를 형성할 수 있다.The average particle size d 1 of the
산화물 입자(20)의 평균 입도(d1)가 0.1㎛ 미만인 경우 입도(d1)가 너무 작아 산화물 입자(20)들 끼리 뭉침 현상이 발생할 수 있다. 또한 산화물 입자(20)의 기능인 경도와 강도 향상 효과가 불충분할 수 있다.When the average particle size (d 1 ) of the
반대로 산화물 입자(20)의 평균 입도(d1)가 100㎛를 초과하는 경우 세라믹 코팅막(300)의 강도와 경도를 충분히 확보하기 어렵고, 세라믹 코팅막(300) 자체의 성능이 낮아지는 문제점이 있다.Conversely, when the average particle size (d 1 ) of the
코팅용 세라믹 조성물(100)은 음이온을 포함하는 용매(10) 100중량부에 대하여, 산화물 입자(20) 5~70중량부를 포함할 수 있다.The ceramic composition for
산화물 입자(20)의 함량이 5~70중량부를 벗어나는 경우 세라믹 코팅막(300)의 기계적 특성과 열정 안정성, 그리고 치밀도를 확보하기 어려울 수 있다.When the content of the
도 2 및 도 3은 본 발명의 산화물 입자의 코어 쉘 구조를 보여준다.2 and 3 show the core-shell structure of the oxide particle of the present invention.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 인시츄(in-situ) 반응에 의해 산화물 입자(20)는 코어-쉘 구조를 가진다. 코어에 해당하는 부분은 산화물 입자(20)이고, 쉘에 해당하는 부분은 표면 반응층(22)이다. 2 and 3 , the
표면 반응층(22)은 단독 음이온을 포함하거나 2종 이상의 복합 음이온을 포함하게 된다. The
음이온을 포함하는 표면 반응층(22)은 산화물 입자(20)의 표면에 배치되는 구조이다. 그리고 표면 반응층(22)은 1층 이상으로 적층된 구조일 수 있다. The
예를 들어 코팅용 세라믹 조성물 상태에서 불소계 음이온 용매와 산화물 입자(20)로서 이트리아(Y2O3)를 사용하는 경우, 플라즈마 에너지에 의해 산화물 입자(20)의 표면이 Y-O-F 등으로 변환될 수 있다. For example, when using a fluorine-based anionic solvent and yttria (Y 2 O 3 ) as the
표면 반응층(22) 내의 O와 F 비율은 서스펜션 플라즈마의 조건과 용매 내 음이온의 농도의 영향에 따라 영향을 받을 수 있다.The ratio of O and F in the
나아가 서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅하는 과정에서, 플라즈마와 함께 고온에 의해 상기 코팅용 세라믹 조성물(100)이 반응하면서 산화물 입자(20)의 원소와 표면 반응층(22)의 원소가 서로 연결 또는 결합된 구조일 수 있다.Furthermore, in the process of coating with suspension plasma spray, the ceramic composition for
즉, 서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅 후, 인시츄(in-situ)의 합성물은 용질의 원소와 음이온 원소가 서로 연결 또는 결합된 구조일 수 있다.That is, after coating with suspension plasma spray, the in-situ compound may have a structure in which a solute element and an anion element are connected or combined with each other.
플라즈마와 함께 고온에 의해, 산화물 입자(20)의 원소는 용매에 존재하는 음이온 원소와 연결 또는 결합되어, 산화물 입자(20)의 표면이 복합적인 원소들로 형성될 수 있다.By high temperature with plasma, the elements of the
이에 따라 표면 반응층(22)의 조성이 음이온 원소를 포함하거나, 또는 산화물 입자(20)의 원소도 함께 포함할 수 있다.Accordingly, the composition of the
표면 반응층(22)의 두께(d2)는 상기 음이온의 농도에 따라 조절될 수 있다.The thickness d 2 of the
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 음이온의 농도가 약 5ppm 근처로 갈수록 표면 반응층(22)의 두께(d2)가 작아지는 경향을 보인다. For example, as shown in FIG. 2 , as the concentration of the anion approaches about 5 ppm, the thickness d 2 of the
이는 산화물 입자(20) 표면이 복합 음이온계 조성의 화합물로 전환되는 것이 극히 미미한 것으로 볼 수 있다.It can be seen that the conversion of the surface of the
산화물 입자(20)의 입도(d1)와 표면 반응층(22)의 두께(d2)를 비교하면, d1≥d2처럼 입도(d1)가 두께(d2) 보다 크거나, 입도(d1)와 두께(d2)가 동일할 수 있다. Comparing the particle size (d 1 ) of the
도 4는 본 발명의 코팅 방법의 순서도이다. 도 5는 본 발명의 코팅 방법의 모식도이다.4 is a flowchart of the coating method of the present invention. 5 is a schematic diagram of the coating method of the present invention.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 코팅 방법은 코팅용 세라믹 조성물을 마련하는 단계(S110) 및 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하여, 코팅용 세라믹 조성물을 베이스 기판에 코팅하는 단계(S120)를 포함한다.4 and 5 , the coating method of the present invention includes a step of preparing a ceramic composition for coating (S110) and coating the ceramic composition for coating on a base substrate using a suspension plasma spray (S120) do.
상기 코팅용 세라믹 조성물(100)을 마련하는 단계는 음이온을 포함하는 용매(10)와 산화물 입자(20)를 혼합하는 단계를 포함한다.The step of preparing the
음이온을 포함하는 용매(10)와 산화물 입자(20)를 혼합하는 과정에서 산화물 입자(20)가 용매(10)내에서 원활한 교반이 이루어진다. In the process of mixing the solvent 10 containing anions and the
상기 교반에 의해 마찰과 분쇄가 작용하면서 산화물 입자(20) 표면에 음이온을 포함하는 표면 반응층(22)이 형성된다. The
상기 혼합은 대략 25~100℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The mixing may be performed at about 25 to 100° C., but is not limited thereto.
상기 음이온을 포함하는 용매 100중량부에 대하여, 산화물 입자 5~70중량부를 혼합할 수 있다.With respect to 100 parts by weight of the solvent containing the anion, 5 to 70 parts by weight of the oxide particles may be mixed.
산화물 입자(20)의 함량이 5중량부 미만인 경우 세라믹 코팅막(300)의 형성이 어려울 수 있고, 요구되는 기계적 특성과 열정 안정성, 그리고 치밀도를 확보하기 어려울 수 있다.When the content of the
반대로 산화물 입자(20)의 함량이 70중량부를 초과하는 경우, 서스펜션 내 침강 등에 의해 코팅이 원활히 이루어지지 않을 수 있다. 또한 물성 향상 효과 없이 제조 비용만 증가하는 단점이 있다.Conversely, when the content of the
음이온을 포함하는 용매(10)와 산화물 입자(20)에 대한 사항은 코팅용 세라믹 조성물(100)에서 전술한 바와 동일하므로, 생략하기로 한다.Since the solvent 10 and the
다음으로, 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하여, 코팅용 세라믹 조성물(100)을 베이스 기판(200)에 코팅하는 단계이다.Next, it is a step of coating the
서스펜션 플라즈마 스프레이는 기존의 플라즈마 용사와 유사한 방법이나 코팅 원료로 서스펜션 혹은 슬러리를 사용하는 방법이다. Suspension plasma spraying is a method similar to conventional plasma spraying, but a method using a suspension or slurry as a coating material.
여기서 서스펜션은 액체 속에 고체의 미립자가 분산되어 있는 것을 의미한다.Here, the suspension means that solid particles are dispersed in a liquid.
서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하면, 플라즈마의 중심부 온도인 수천도 이상의 초고온을 발생시킴으로써, 용융된 미립자들을 액적(작은 액체방울) 형태로 초고속으로 분사시키게 된다.If suspension plasma spray is used, the molten particles are sprayed at high speed in the form of droplets (small droplets) by generating an ultra-high temperature of several thousand degrees or more, which is the central temperature of the plasma.
구체적으로, 상기 서스펜션 플라즈마 스프레이는 다음과 같이 작동한다.Specifically, the suspension plasma spray works as follows.
플라즈마 토치 내부에서 플라즈마 가스가 흐르고 음극과 양극 사이에서 아크를 발생시키면 고열이 발생한다. 상기 고열에 의해 플라즈마 가스가 해리되면서 플라즈마 제트가 형성된다. When plasma gas flows inside the plasma torch and generates an arc between the cathode and the anode, high heat is generated. As the plasma gas is dissociated by the high heat, a plasma jet is formed.
상기 플라즈마 제트의 흐름에 코팅용 세라믹 조성물(100)을 주입하면 용매의 분해가 일어나고, 용매에 존재하는 불소 등 음이온 원소들의 일부가 플라즈마 에너지에 의해 산화물 입자(20)의 표면에서 반응층(22)이 형성되며 이와 동시 혹은 순차적으로 산화물 입자(20)의 용융이 시작되어 고온의 화염과 동시에 비행하면서 용융이 지속되어 액적화 된다. When the ceramic composition for
그리고 궁극적으로 피코팅재인 베이스 기판(200)의 표면에 반응층(22)이 변환된 산화물 입자(20)를 포함한 산화물 입자(20)가 충돌하면서 부착하게 되고, 세라믹 코팅막(300)을 형성하게 된다.And ultimately, the
상기 플라즈마 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스 등과 같은 비활성 가스와 산소 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 1종 이상이 혼합된 것일 수 있다.The plasma gas may be a mixture of an inert gas such as argon gas or helium gas, and at least one of oxygen gas, nitrogen gas, and hydrogen gas.
이처럼 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하면, 용사되는 미립자에 의해 치밀하고 고밀도의 세라믹 코팅막(300)을 확보할 수 있다.As such, using the suspension plasma spray, it is possible to secure a dense and high-density
또한 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하면, 세라믹 코팅막(300)의 재료 특성을 살려 내마모, 내부식, 내열 및 열장벽, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산해내는데 유리하다. In addition, if the suspension plasma spray is used, it is advantageous to use the material properties of the
뿐만 아니라 CVD나 PVD 등 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 인시츄(in-situ)로 쉽게 코팅할 수 있다는 장점이 있다.In addition, compared to other coating methods such as CVD or PVD, it has the advantage of being able to easily coat a large area object in-situ within a short time.
본 발명에서는 서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅하는 단계에서, 표면 반응층(22)의 두께(d2)에 따라 조성이 상이한 세라믹 코팅막(300)을 형성한다.In the present invention, in the step of coating with suspension plasma spray, a
전술한 바와 같이, 상기 음이온의 농도에 따라 세라믹 코팅막(300)의 조성을 변화시킬 수 있다.As described above, the composition of the
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 표면 반응층(22)의 두께(d2)가 두꺼울수록 세라믹 코팅막(300)의 조성이 초기 산화물 입자(20)와 함께 전환된 복합 음이온의 함량이 증가하는 양상으로 전개된다. 그리고 세라믹 코팅막(300) 구조 내에 전환된 복합 음이온이 존재하는 방식도 입계, 층간 등의 형태로 구성되는 비율이 높아지게 된다. 상기 입계, 층간은 표면 반응층(22)을 포함한 산화물 입자(20)와 입자 사이의 경계면, 표면 반응층(22)을 포함한 산화물 입자(20)이 용융으로 만들어진 액적이 쌓이면서 형성된 층과 층 사이를 가리킨다.For example, as shown in FIG. 3 , as the thickness d 2 of the
또한 표면 반응층(22)의 두께(d2)가 얇을수록 세라믹 코팅막(300)의 조성이 산화물 입자의 경계에만 존재할 가능성이 높아지며, 그 함량 비율도 낮아지는 경향을 나타낸다.In addition, as the thickness d 2 of the
이처럼 세라믹 코팅막(300)의 조성을 변화시킴에 따라, 외부 화학적 열화에 대한 저항성을 제어할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.As such, by changing the composition of the
서스펜션 플라즈마 스프레이로 코팅함으로써, 세라믹 코팅막(300)은 3~2000㎛의 균일한 두께(d3)로 형성될 수 있다. By coating with suspension plasma spray, the
세라믹 코팅막(300)의 두께(d3)가 3~2000㎛ 범위를 벗어나는 경우, 세라믹 코팅막(300)의 기능을 제대로 나타내기 어려울 수 있다.If the thickness d 3 of the
세라믹 코팅막(300)은 0.1~60 vol%의 기공율을 갖는 코팅막으로, 고밀도에서 다공성까지 광범위하게 적용 가능하다. The
기공율이 60 vol% 를 초과하는 경우, 기공율이 높아짐에 따라 세라믹 코팅막(300)의 치밀도가 낮아지고 기계적 물성이 저하될 수 있다.When the porosity exceeds 60 vol%, as the porosity increases, the density of the
베이스 기판(200)은 통상의 반도체 제조용 챔버 부품, 엔지니어링 세라믹 부품, 터빈용 부품에 사용되는 소재로, 금속, 합금 및 세라믹 중 1종 이상을 포함한다.The
베이스 기판(200)은 금속 또는 소결체로서 벌크 소재일 수 있고, 코팅막이 형성된 소재일 수도 있다. The
상기 금속 재질의 베이스 기판(200)은 알루미늄, 아노다이징(anodizing) 된 알루미늄, 철계, 철계 합금, 비철계 금속, 비철계 합금 중 1종 이상을 포함하는 금속류 기판재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 재질은 Ni, Co, Cr, Al, Y, 귀금속(novel metal) 및 희유금속 등을 포함할 수 있다.The
다른 예를 들어, 베이스 기판(200)은 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 탄화티타늄(TiC), 탄화텅스텐(WC), 탄화크롬(CrC), 탄화탄탈륨(TaC), 탄화지르코늄(ZrC), 이트리아(Y2O3), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2), 일산화납(PbO), 산화아연(ZnO), 과산화스트론튬(SrO2), 산화비스무트(Bi2O3), 뮬라이트(3Al2O3-2SiO2), 희토류 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. For another example, the
도 6은 본 발명의 코팅 방법을 이용하여 베이스 기판 상에 세라믹 코팅막이 배치된 구조의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a structure in which a ceramic coating film is disposed on a base substrate using the coating method of the present invention.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 서스펜션 플라즈마 스프레이 코팅 방법을 이용하여 베이스 기판(200) 상에 세라믹 코팅막(300)을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 6 , the
베이스 기판(200) 상에 세리믹 코팅막(300)이 형성된 소재는 우수한 내플라즈마성, 내마모성, 내부식성과 함께 우수한 기계적 특성을 가진다. The material on which the
상기 소재는 챔버 벽, 챔버 라이너, 기판 지지부, 가스 분배판, 플라즈마 한정 링, 노즐, 발열체, 플라즈마 포커스 링과 같이, 반도체, 발광다이오드, 태양전지 제작용 챔버와 챔버 내부에 배치되는 부품에 사용될 수 있다. The material can be used for chamber walls, chamber liners, substrate supports, gas distribution plates, plasma confinement rings, nozzles, heating elements, plasma focus rings, etc. there is.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the illustrated drawings, but the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed in this specification, and various methods can be obtained by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention. It is obvious that variations can be made. In addition, although the effects according to the configuration of the present invention have not been explicitly described and described while describing the embodiments of the present invention, it is natural that the effects predictable by the configuration should also be recognized.
10 : 음이온을 포함하는 용매
20 : 산화물 입자
22 : 표면 반응층
100 : 코팅용 세라믹 조성물
200 : 베이스 기판
300 : 세라믹 코팅막10: solvent containing anion
20: oxide particles
22: surface reaction layer
100: ceramic composition for coating
200: base substrate
300: ceramic coating film
Claims (10)
상기 용매에 분산되어 있는 산화물 입자;를 포함하고,
상기 산화물 입자는 상기 음이온을 포함하는 표면 반응층을 포함하는 코팅용 세라믹 조성물.
a solvent containing an anion; and
Including; oxide particles dispersed in the solvent;
The oxide particle is a ceramic composition for coating comprising a surface reaction layer containing the anion.
상기 음이온은 플루오린(F), 염소(Cl), 질소(N) 및 황(S) 중 1종 이상을 포함하는 코팅용 세라믹 조성물.
The method of claim 1,
The anion is a ceramic composition for coating comprising at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), nitrogen (N) and sulfur (S).
상기 산화물 입자는 3-13족의 금속 산화물, 이산화규소 및 희토류 산화물 중 1종 이상을 포함하는 코팅용 세라믹 조성물.
The method of claim 1,
The oxide particle is a ceramic composition for coating comprising at least one of a group 3-13 metal oxide, silicon dioxide, and a rare earth oxide.
상기 용매에 대하여, 음이온의 농도는 5ppm 이상인 코팅용 세라믹 조성물.
According to claim 1,
With respect to the solvent, the concentration of the anion is 5 ppm or more of the ceramic composition for coating.
상기 산화물 입자의 평균 입도는 0.1~100㎛인 코팅용 세라믹 조성물.
According to claim 1,
The average particle size of the oxide particles is a ceramic composition for coating of 0.1 to 100㎛.
(b) 서스펜션 플라즈마 스프레이를 이용하여, 코팅용 세라믹 조성물을 베이스 기판에 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 코팅용 세라믹 조성물을 마련하는 단계는
(a1) 음이온을 포함하는 용매와 산화물 입자를 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 혼합하는 동안, 상기 산화물 입자의 표면에 상기 음이온을 포함하는 표면 반응층이 형성되고,
상기 코팅하는 단계에서, 상기 음이온의 농도에 따라 조성이 상이한 세라믹 코팅막을 형성하는 코팅 방법.
(a) preparing a ceramic composition for coating; and
(b) using a suspension plasma spray, coating the ceramic composition for coating on the base substrate;
The step of preparing the ceramic composition for coating is
(a1) comprising the step of mixing a solvent containing an anion and oxide particles,
During the mixing, a surface reaction layer containing the anion is formed on the surface of the oxide particle,
In the coating step, a coating method for forming a ceramic coating film having a different composition depending on the concentration of the anion.
상기 음이온을 포함하는 용매 100중량부에 대하여, 산화물 입자 5~70중량부를 혼합하는 코팅 방법.
7. The method of claim 6,
A coating method of mixing 5 to 70 parts by weight of oxide particles with respect to 100 parts by weight of the solvent containing the anion.
상기 음이온의 농도에 따라 상기 표면 반응층의 두께가 상이하게 형성되는 코팅 방법.
7. The method of claim 6,
A coating method in which the thickness of the surface reaction layer is formed differently depending on the concentration of the anion.
상기 세라믹 코팅막의 두께는 3~2000㎛인 코팅 방법.
7. The method of claim 6,
The thickness of the ceramic coating film is 3 ~ 2000㎛ coating method.
상기 베이스 기판은 금속, 합금 및 세라믹 중 1종 이상을 포함하는 코팅 방법.7. The method of claim 6,
The base substrate is a coating method comprising at least one of a metal, an alloy, and a ceramic.
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EP4328348A1 (en) * | 2022-08-22 | 2024-02-28 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Gas turbine engine component with copper oxide coating |
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JP2014240511A (en) * | 2013-06-11 | 2014-12-25 | 株式会社フジミインコーポレーテッド | Method of producing sprayed coating and material for flame spray |
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