KR20220135836A - 입자 코팅 장치 - Google Patents

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박성은
이은정
김기환
이근성
박상준
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 입자 코팅 장치에 관한 것으로, 상기 입자 코팅 장치에 따르면, 코팅 공정 중 반응기 이송 및 입자의 혼합을 위한 반응기의 회전이 동시에 이루어짐에 따라 연속 공정에 유리하고, 코팅 처리 속도가 높다.

Description

입자 코팅 장치{APPARATUS OF COATING PARTICLE}
본 발명은 입자 코팅 장치에 관한 것으로, 특히, 분말 코팅용 원자층 증착장치에 관한 것이며, 기류의 형성에 의해 증착이 이루어지는 다양한 증착법, 예를 들어, 화학적 기상 증착, 분자층 증착, 또는 이들의 조합에 의한 증착에도 적용될 수 있다.
원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)은, 통상적으로 기상(gas pahse)인 화학물질의 순차적인 공급에 기반하여 기재 상에 막을 형성하는 기술로서, 다양한 분야에 적용되고 있다.
분말 입자의 표면에 대해 Å 수준에서의 컨포멀 코팅(Conforaml Coating)의 필요성이 크게 대두되고 있다. 예를 들어, 전지 활물질 입자나 촉매의 보호층 코팅을 위해 기존 입자의 특성은 저해하지 않으면서 내구성 및 성능을 개선할 수 있는 초박막 코팅 기술이 요구된다.
이와 같은 초박막의 컨포멀 코팅을 위해서 입자 표면에 원자층 증착법을 이용한 코팅 기술의 적용이 이루어지고 있다. 원자층 증착법은 반응 사이클의 조절을 통해 Å 수준의 두께 조절 및 정밀 제어가 가능하고 반응 소스가스들의 교차 주입에 따른 표면 반응에 의해 코팅이 이루어지므로, 높은 컨포멀 코팅 특성을 갖기 때문에, 분말 입자 표면의 초박막 코팅에 가장 적합한 기술이다.
기존 분말 입자 코팅 설비는 통상 배치(batch) 공정 기반으로 코팅 공정이 이루어짐에 따라, 분말 코팅 공정이 불연속적이므로 코팅 처리 속도가 낮다.
따라서 분말 입자에 대한 연속 코팅 공정을 통해 처리 속도를 높일 수 있는 장치가 요구된다.
본 발명은 연속 공정에 유리하고, 코팅 처리 속도가 높은 입자 코팅 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에 위치하는 제1 공간부를 갖는 외곽 챔버, 외곽 챔버의 입구로 진입시켜 제1 공간부를 통과 후 출구로 배출되도록 반응기를 이송하되, 제1 공간부 내 이송 과정에서 반응기를 회전시키도록 마련된 이송부, 제1 공간부를 통과하는 반응기로 퍼지가스를 공급하기 위한 하나 이상의 퍼지가스 공급부 및 반응가스를 공급하기 위한 하나 이상의 반응가스 공급부를 포함하는 하나 이상의 공급유닛, 및 제1 공간부 내의 배기를 위한 펌핑유닛을 포함하고, 반응기는 입자가 수용되는 중공의 실린더이며, 실린더는 적어도 일부 영역이 퍼지가스 및 반응가스를 통과시킬 수 있는 다공성 메쉬로 구성되고, 상기 다공성 메쉬의 크기는 1,000 메쉬 내지 24,000 메쉬인 입자 코팅 장치가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 입자 코팅 장치에 따르면, 코팅 공정 중 반응기 이송 및 입자의 혼합을 위한 반응기의 회전이 동시에 이루어짐에 따라 연속 공정에 유리하고, 코팅 처리 속도가 높다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 입자 코팅 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 이송부 및 반응기를 나타내는 개략도이다.
도 3은 반응기의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 반응기의 회전을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 공급유닛을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 코팅 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 입자 코팅 장치(100)을 나타내는 개략도이고, 도 2는 이송부(300) 및 반응기(200)를 나타내는 개략도이며, 도 3은 반응기(200)의 단면을 나타내는 개략이다.
또한, 도 4는 반응기(200)의 회전을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 공급유닛(400)을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 입자 코팅 장치(100)는 입자(P, '분말'이라고도 함)의 표면 코팅을 위해 사용될 수 있다. 상기 입자 코팅 장치(100)는 외곽 챔버(110), 이송부(300), 공급유닛(400) 및 펌핑유닛(500)을 포함한다. 또한, 상기 입자 코팅 장치(100)는 외곽 챔버(110), 반응기(200), 이송부(300), 공급유닛(400) 및 펌핑유닛(500)을 포함한다. 상기 반응기(200)는 내부에 입자(P)가 수용될 수 있는 수용공간(204)을 갖는다. 예를 들어, 반응기(200)는, 중공의 실린더 형태를 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 입자 코팅 장치(100)는 입구(111), 출구(112) 및 입구(111)와 출구(112) 사이에 위치하는 제1 공간부(113)를 갖는 외곽 챔버(110)을 포함한다. 상기 입구 및 출구에는 각각 외곽 챔버(110) 내부로 외기의 유입을 방지하기 위한 가스커튼이 마련될 수도 있다. 상기 가스커튼은 불활성 가스를 분사하는 방식으로 구성될 수 있다.
또한, 외곽 챔버(110)의 입구(111), 출구(112)에는 가스커튼을 구비하여 외부로부터 가스 유입을 차단하며, 이는 입구(111), 출구(112)에 마련된 별도의 가스분사 유닛 또는 후술할 퍼지가스공급부에 의해 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 입자 코팅 장치(100)는 외곽 챔버(110)의 입구(111)로 반응기(200)를 진입시켜 제1 공간부(113)를 통과 후 출구(112)를 통해 외곽 챔버(110) 외부로 반응기(200)가 배출되도록 이송하되, 제1 공간부(113) 내 이송 과정에서 반응기(200)를 회전시키도록 마련된 이송부(300)를 포함한다. 상기 이송부(300)는 하나 이상의 반응기(200)를 이송방향(MD)을 따라 이송시켜 외곽 챔버(110) 내부를 통과시킴으로써, 입자 코팅 시 연속 공정이 가능하게 하고, 외곽 챔버(110)를 통과하는 과정에서 반응기(200)를 회전시킴으로써 반응기(200) 내 입자(P)의 혼합이 가능하게 한다. 상기 이송부(300)는 제1 공간부(113) 내에서, 복수 개의 반응기(200)를 연속적으로 이송시키도록 마련될 수 있다.
또한, 입자 코팅 장치(100)는 제1 공간부(113)를 통과하는 반응기(200)로 퍼지가스를 공급하기 위한 하나 이상의 퍼지가스 공급부(410, 430, 450) 및 반응가스를 공급하기 위한 하나 이상의 반응가스 공급부(420, 440)를 포함하는 하나 이상의 공급유닛(400)을 포함한다. 상기 공급유닛(400)은 외곽 챔버(110) 내 제1 공간부(113)에 위치할 수도 있다. 이와는 다르게, 공급유닛(400)은 외곽 챔버(110) 외부에 위치하고, 제1 공간부(113)와 유체 이동 가능하게 연결되어, 제1 공간부(113) 측으로 퍼지가스 및 반응가스를 공급하도록 마련될 수도 있다.
또한, 입자 코팅 장치(100)는 제1 공간부(113) 내의 배기를 위한 펌핑유닛(500)을 포함한다. 상기 펌핑유닛(500)은 제1 공간부(113) 내 가스(퍼지가스/반응가스)를 외곽 챔버(110) 외부로 배기시키는 기능을 수행하며, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 또한 펌핑유닛(500)은 외곽 챔버(110) 내 제1 공간부(113)에 위치할 수도 있다. 이와는 다르게, 펌핑유닛(500)은 외곽 챔버(110) 외부에 위치하고, 제1 공간부(113)와 유체 이동 가능하게 연결되어, 제1 공간부(113) 내 가스를 배기시키도록 마련될 수 있다.
도 1에서 미설명 부호 F는 공급유닛(400)로부터 공급되는 가스(퍼지가스/반응가스)의 기류 방향을 나타낸다.
또한, 반응기(200)는 입자(P)가 수용되는 중공의 실린더이며, 실린더는 적어도 일부 영역이 퍼지가스 및 반응가스를 통과시킬 수 있는 다공성일 수 있다. 즉, 공급유닛(400)로부터 공급된 퍼지가스 또는 반응가스가 반응기(200) 내 입자(P)에 도달하도록, 반응기(200)는 가스를 통과시킬 수 있는 다공성일 수 있다. 예를 들어, 반응기(200)는 적어도 일부 영역이 다공성 메쉬(mesh)로 구성될 수 있다. 이 때, 상기 다공성 메쉬의 크기는 1,000 메쉬(13 ㎛) 내지 24,000 메쉬(0.5 ㎛)일 수 있다. 상기 다공성 메쉬의 크기가 1,000 메쉬 미만인 경우 직경이 10 ㎛ 내외의 입자가 상기 다공성 메쉬를 투과하여 반응기 외부로 유출될 수 있고, 24,000 메쉬 초과인 경우 상대적으로 높은 차압에 의해 퍼지가스 및 반응가스가 반응기 내부로 주입되는 시간이 길어짐에 따라, 공정 시간을 증가시키고, 이에 따라 반응기(200)가 외곽 챔버(110) 내에 머물러야 하는 시간이 증가하여, 생산성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 반응기(200)는 다공성 메쉬인 영역과, 다공성 메쉬가 아닌 영역이 일체형인 것일 수 있고, 또는 다공성 메쉬인 영역과, 다공성 메쉬가 아닌 영역을 개별적으로 준비한 후, 이 둘을 조립한 조립형인 것일 수 있다.
또한, 반응기(200)는 다공성 메쉬인 영역과, 다공성 메쉬가 아닌 영역이 각각 독립적으로 알루미늄 합금 또는 스테인레스 스틸 합금으로 형성된 것일 수 있다. 즉, 반응기(200) 및 다공성 메쉬는 각각 독립적으로 알루미늄 합금 또는 스테인레스 스틸 합금으로 형성된 것일 수 있고, 이 경우 반응기의 내구성을 충분히 확보할 수 있다. 구체적인 예로, 반응기(200) 및 다공성 메쉬는 스테인레스 스틸 합금으로 형성된 것일 수 있고, 이 경우 반응기(200) 및 다공성 메쉬가 반응가스와의 반응성이 낮아 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 알루미늄 합금은 금속 알루미늄 합금일 수 있고, 금속은 알루미늄과 합금 형성이 가능하면서, 반응기의 내구성을 확보할 수 있는 금속 중에서 선택될 수 있다.
상기 스테인레스 스틸 합금은 오스테나이트계 스테인레스 스틸 합금, 페라이트계 스테인레스 스틸 합금 및 마르텐사이트계 스테인레스 스틸 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 스테인레스 스틸 합금은 스테인레스 301계, 303계, 304계, 305계, 316계, 321계, 409계, 410계, 420계, 430계 및 436계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 스테인레스 스틸 합금은 스테인레스 304계일 수 있다.
또한, 상기 다공성 메쉬는 내식성을 향상시키고, 금속 표면의 평활 및 산화 피막의 형성으로 이물질 부착을 방지 하기 위해 전해연마가 실시된 것일 수 있다.
또한, 상기 다공성 메쉬는 다공성 메탈 필터인 것일 수 있다. 구체적인 예로, 다공성 메탈 필터는 메탈 와이어 메쉬 필터(metal wire mesh filter), 소결 금속 섬유 필터(sintered metal fiber filter) 및 소결 분말 금속 필터(sintered powder metal filter)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 반응기(200)는 중심축(C)이 관통하는 한 쌍의 밑면(201, 203)과 2개의 밑면(201, 203)을 연결하는 측면(202)을 가지며, 상기 측면(202)은 적어도 일부 영역이 퍼지가스 및 반응가스를 통과시킬 수 있는 다공성일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 밑면(201, 203)은 개폐 가능하게 마련될 수 있으며, 이에 따라 입자의 인입 및 인출이 가능할 수 있다.
또한, 반응기(200)는 중심축(C)을 기준으로 회전 가능하게 이송부(300)에 장착될 수 있다. 상기 중심축(C)은 상기 반응기(200)의 회전축일 수 있다.
또한, 반응기(200)의 입자 수용량은 반응기(200) 내부 부피에 대하여 5 부피% 내지 40 부피%, 또는 10 부피% 내지 30 부피%인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 공정 효율을 높이면서도, 퍼지가스 및 반응가스가 입자 분율에 막히는 것을 방지하여 반응기 내부로 충분히 침투되도록 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 공급유닛(400)은 상기 반응기(200)의 측면(202)으로 퍼지가스 및 반응가스를 공급하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 반응기(200)의 이송 시, 공급유닛(400) 및 펌핑유닛(500)은 이송부(300)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 이송부(300)는 반응기(200)가 안착되어 입구에서 출구를 향하는 방향(MD방향)으로 이동을 안내하는 레일부(301) 및 레일부(301)에 안착된 반응기(200)를 회전시키기 위한 회전 구동부(310)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 회전 구동부(310)는 반응기(200)가 중심축(C)을 기준으로 회전 가능한 상태로 레일부(301) 상에 안착시키기 위한 홀더(도시되지 않음), 레일부(301)에 장착되는 모터와 같은 구동원, 및 구동원의 회전동력을 반응기(200) 측에 전달하기 위한 동력전달부재(벨트 등)를 포함할 수 있다. 또한, 레일부(301)는 롤러 체인 또는 타이밍 벨트를 포함하여 구성될 수 있고, 반응기(200)에 마련된 스프로켓 또는 풀리의 상호 작용에 의해 회전 구동부(310)는 반응기(200)를 회전시킬 수 있다.
또한, 입자 코팅 장치(100)는 이송부(300), 공급유닛(400), 및 펌핑유닛(500)을 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 레일부(301)의 주행속도, 회전 구동부(301)의 회전속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 제어할 수 있게 마련된다.
상기 이송부(300)는 제1 공간부(113) 내에서, 복수 개의 반응기(200)를 이송시키도록 마련될 수 있다. 이러한 구조에서, 레일부(301) 상에는 소정 간격으로 떨어져 위치하는 복수 개의 회전 구동부(310)가 마련될 수 있다.
또한, 이송부(300)는 각각의 반응기(200)의 회전을 개별적으로 조절하도록 마련될 수 있다. 이를 위하여, 각각의 반응기(200)에는 개별적으로 회전 구동부(310)가 마련될 수 있고, 각각의 회전 구동부(310)의 구동원은 개별적으로 제어될 수 있다. 즉, 레일부(301) 상의 복수 개의 회전 구동부(310)는 개별적으로 제어될 수 있다. 또한, 이송부(300)는 반응기(200)의 회전속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 조절하도록 마련될 수 있다. 또한, 이송부(300)는 이송 중 제1 공간부(113) 내 반응기(200)의 위치에 따라 반응기(200)의 회전속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 조절하도록 마련될 수 있다.
또한, 반응기(200)의 회전속도는 10 rpm 내지 60 rpm일 수 있고, 이 범위 내에서 반응기 내부에 적재된 입자가 회전에 따라 교반되도록 유도하면서도, 입자의 원심 분리 거동을 방지할 수 있다.
또한, 공급유닛(400)으로 공급되는 퍼지가스의 반응기 체적 대비 공급량은 0.1 sccm/cc 내지 2.0 sccm/cc, 0.1 sccm/cc 내지 1.5 sccm/cc, 또는 0.2 sccm/cc 내지 1.0 sccm/cc일 수 있고, 이 범위 내에서 퍼지가스로부터 반응가스를 충분히 제거하면서도, 반응기 내부에 난류가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 공급유닛(400)은 반응기의 이송방향을 따라 차례로 배열된 퍼지가스 공급부(410), 제1 반응가스(전구체) 공급부(420), 퍼지가스 공급부(430) 및 제2 반응가스(전구체) 공급부(440)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 반응가스 공급부(420) 및 제2 반응가스 공급부(440)는 서로 다른 전구체 가스를 공급하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 반응가스 공급부(420)는 트리메틸알루미늄(TMA)를 공급할 수 있고, 제2 반응가스 공급부(440)는 H2O를 공급할 수 있다.
또한, 공급유닛(400)에서, 퍼지가스 공급부(410), 제1 반응가스 공급부(420), 퍼지가스 공급부(430) 및 제2 반응가스 공급부(440)가 차례로 작동되도록 제어될 수 있다. 즉, 반응기(200) 측으로 우선 퍼지가스를 공급하고, 퍼지가스의 공급이 완료된 이후에 제1 전구체를 공급하며, 제1 전구체 가스의 공급이 완료된 이후 다시 퍼지가스를 공급하며, 퍼지가스의 공급이 완료된 이후에 제2 전구체를 공급하도록 마련될 수 있다.
또한, 공급유닛(400)은 이송방향(MD)을 따라 복수 개 구비될 수 있다. 이러한 경우, 이송방향(MD)을 기준으로 상류 측(입구 측)에 위치한 공급유닛 및 하류 측(출구 측)에 위치한 공급유닛은 서로 다른 전구체 가스를 공급하도록 마련될 수 있다. 이때, 상류 측 공급유닛 및 하류 측 공급유닛은 각각 제1 증착부 및 제2 증착부를 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 증착부에서는 TMA 및 H2O의 소스 가스가 사용될 수 있고, 제2 증착부에서는, TiCl4와 H2O의 소스 가스가 사용될 수 있다. 이 밖에, 소스 가스로는, 산화물, 질화물, 황화물, 단일 원소 등의 다양한 조합이 가능하다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 입자 코팅 장치
110: 외곽 챔버
200: 반응기
300: 이송부
400: 공급유닛
500: 펌핑유닛

Claims (16)

  1. 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에 위치하는 제1 공간부를 갖는 외곽 챔버;
    외곽 챔버의 입구로 진입시켜 제1 공간부를 통과 후 출구로 배출되도록 반응기를 이송하되, 제1 공간부 내 이송 과정에서 반응기를 회전시키도록 마련된 이송부;
    제1 공간부를 통과하는 반응기로 퍼지가스를 공급하기 위한 하나 이상의 퍼지가스 공급부 및 반응가스를 공급하기 위한 하나 이상의 반응가스 공급부를 포함하는 하나 이상의 공급유닛; 및
    제1 공간부 내의 배기를 위한 펌핑유닛을 포함하고,
    반응기는 입자가 수용되는 중공의 실린더이며, 실린더는 적어도 일부 영역이 퍼지가스 및 반응가스를 통과시킬 수 있는 다공성 메쉬로 구성되고,
    상기 다공성 메쉬의 크기는 1,000 메쉬 내지 24,000 메쉬인 입자 코팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 및 다공성 메쉬는 각각 독립적으로 알루미늄 합금 또는 스테인레스 스틸 합금으로 형성된 것인 입자 코팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 메쉬는 다공성 메탈 필터인 것인 입자 코팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    반응기는 중심축이 관통하는 한 쌍의 밑면과 2개의 밑면을 연결하는 측면을 가지며,
    상기 측면은 적어도 일부 영역이 퍼지가스 및 반응가스를 통과시킬 수 있는 다공성인 입자 코팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    반응기는 중심축을 기준으로 회전 가능하게 이송부에 장착되는 입자 코팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    반응기의 입자 수용량은 반응기 내부 부피에 대하여 5 부피% 내지 40 부피%인 것인 입자 코팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    이송부는 반응기가 안착되어 입구에서 출구를 향하는 방향으로 이동을 안내하는 레일부 및 레일부에 안착된 반응기를 회전시키기 위한 회전 구동부를 포함하는 입자 코팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    공급유닛으로 공급되는 퍼지가스의 반응기 체적 대비 공급량은 0.1 sccm/cc 내지 2.0 sccm/cc인 것인 입자 코팅 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    공급유닛은 반응기의 이송방향을 따라 차례로 배열된 퍼지가스 공급부, 제1 반응가스 공급부, 퍼지가스 공급부 및 제2 반응가스 공급부를 포함하는 입자 코팅 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 반응가스 공급부 및 제2 반응가스 공급부는 서로 다른 전구체 가스를 공급하도록 마련된 입자 코팅 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    공급유닛은 이송방향을 따라 복수 개 구비되며,
    이송방향을 기준으로 상류 측에 위치한 공급유닛 및 하류 측에 위치한 공급유닛은 서로 다른 전구체 가스를 공급하도록 마련된 입자 코팅 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    이송부는 제1 공간부 내에서, 복수 개의 반응기를 이송시키도록 마련된 입자 코팅 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    이송부는 각각의 반응기의 회전을 개별적으로 조절하는 입자 코팅 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    이송부는 반응기의 회전속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 조절하는 입자 코팅 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    이송부는 이송 중 제1 공간부 내 위치에 따라 반응기의 회전속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 조절하는 입자 코팅 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    반응기의 회전속도는 10 rpm 내지 60 rpm인 것인 입자 코팅 장치.
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