KR20230041899A - 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법 - Google Patents

다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법 Download PDF

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이경민
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Abstract

본 발명은 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것으로, 구체적으로 플라즈마로 분말 입자 표면이 용융되고 상기 분말 입자를 분사하는 복수 개의 노즐이 포함됨으로써, 증착 속도 및 증착층의 치밀도를 향상시키고 응력을 해소하는 동시에 증착층의 두께를 향상시키며, 기재 상의 코팅 두께의 균일도를 향상시키는 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.

Description

다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법{Plazma Powder Deposition Apparatus Including Multi-nozzle And Deposition Method Using The Same}
본 발명은 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것으로, 구체적으로 플라즈마로 분말 입자 표면이 용융되고 상기 분말 입자를 분사하는 복수 개의 노즐이 포함됨으로써, 증착 속도 및 증착층의 치밀도를 향상시키고 응력을 해소하는 동시에 증착층의 두께를 향상시키며, 기재 상의 코팅 두께의 균일도를 향상시키는 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마(Plasma)는 Ar, H2, O2 등의 불활성 가스에 매우 높은 온도를 가하여, 가속된 전자의 충돌에 의해 투입된 가스가 이온이나, 전자, 라디칼 등으로 이온화된 상태로서, 이러한 플라즈마 상태에서 발생하는 가스의 이온 또는 라디칼 등이 피처리 재료 표면에 충돌하여 미세 유막 제거, 미세 조도 형성 등, 표면의 물리 화학적인 변화를 유도함으로써 각종 접착 밀착력 향상, 플라스틱 사출 도장의 불량 방지, 각종 코팅 밀착력을 증대 시키는 등의 다양한 역할을 한다.
기존에 플라즈마를 이용하여 증착하는 장치로는 대기압 플라즈마 스프레이(APS, atmospheric plazma spray), 서스펜션(현탄액) 플라즈마 용사(SPS, Suspension plasma spray) 등을 이용하여 왔다. 상기 APS는 분말을 고속으로 분사하기 위하여 분말에 포함되는 입자가 20 ㎛ 이상의 크기를 가져야만 했다. 이러한 고상 과립 분말을 이용하는 경우 고속으로 기재 표면에 분사하여 증착을 할 수 있지만, 상기 APS의 경우 용융되지 않은 큰 입자가 기재의 표면에 증착되는 등의 문제가 발생하고 표면이 고르지 못한 문제점이 있었다. 반면, 이러한 문제를 해결하기 위하여 SPS를 사용하였지만, 상기 분말을 용매에 분산시켜 현탁액을 제조함으로써, 입자의 크기가 작은 분말을 증착에 사용하였다. 그러나 상기 현탁액은 용매를 포함하고 있어 이를 증발시키기 위하여 별도의 에너지가 요구되므로 증착 장치의 에너지 효율이 저하되며 증착 속도가 낮아지는 문제점이 있었다.
이에 대한 개선책으로 입자의 크기가 작은 분말을 별도의 플라즈마 장치를 구비하지 않은 상태에서 단지 분말에 높은 운동에너지를 가하여 증착하는 방법인 AD(Aerosol Deposition)로 해결하였다. 즉, 높은 운동 에너지를 가진 입자들이 기재 표면에 충돌하게 되고, 그 충격으로 인하여 입자의 표면이 국부적으로 가열되어 용융되고 이로 인하여 기재 표면에 증착하게 되는 원리를 이용한 것이다. 그러나, 상기 AD를 이용한 증착층은 응력이 과도하게 내포되며 오랜 시간이 경과하는 경우 상기 응력에 의하여 증착층이 깨지거나 박리되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 증착 속도가 낮아 두꺼운 증착층을 형성하기 위해서는 오랜 시간을 필요로 하거나 제조비용이 급격히 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 넓은 면적의 기재 표면을 코팅하기 위해서는 플라즈마 장치에서 분말의 분사 노즐이 고정되어 기재를 이동시키는 것이 필요하였으며, 이로 인하여 기재의 일부분이 균일하게 코팅되지 않으며, 특히 3차원 형상을 갖는 기재의 경우는 일부분이 코팅되지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 증착층의 표면을 고르게 하는 동시에 증착층을 치밀하게 하고 증착 효율을 향상시키며, 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 지나도 변형이 발생하지 않고, 분말이 다양한 각도록 분사되도록 복수 개의 노즐을 포함하여 넓은 면적을 균일하게 코팅할 수 있는 증착 방법에 대한 개발이 시급한 실정이었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플라즈마를 이용하는 증착 방법에서 발생하는 표면이 고르지 못한 문제와 에어로졸 데포지션(AD)에 따른 증착층의 응력을 효과적으로 감소시키며, 넓은 면적에 균일하게 코팅할 수 있는 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계; 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계; 상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계; 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비되며 복수 개의 노즐 부(153)가 상기 에어로졸을 분사시키는 단계; 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하며, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인 플라즈마 분말 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마가 발생되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마를 통과한 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 용융된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛(150)의 내부는 진공 상태인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110); 저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130); 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 복수 개의 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153) 각각의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153) 각각의 말단에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 생성기(155a); 및 상기 발생된 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b);를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 발생된 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛에 연통되어 진공 상태로 유지하는 진공 유닛(170);을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛 내에 구비되며, 상기 기재의 위치를 조절하는 로봇 유닛(180)을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스 공급 유닛과 상기 분말 공급 유닛의 사이에 구비되며, 상기 이송가스의 유량을 조절하는 유량 조절 유닛(190);을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YAG, YF3, YOF, YSZ, W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법에 따르면, 증착층의 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 경과하더라도 변형없이 유지할 수 있어 증착된 기재의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 입자크기가 작은 분말을 사용함으로써 증착층의 표면을 고르게 하며, 증착층의 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 마이크로웨이브를 통하여 플라즈마를 발생시켜 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 증착효율을 향상시키는 동시에 증착층의 응력을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 분말을 분사하는 각도를 달리하는 복수 개의 노즐 부를 포함하여 상기 에어로졸을 균일하게 분사함으로써, 증착층 즉, 코팅층의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 3차원 형상을 갖는 기재를 증착할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법의 순서도이다.
도 2는 종래기술인 에어로졸 데포지션(AD)에 따라 증착된 결정 조직을 촬영한 투과 전자현미경(TEM, Transmission electron microscopy) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정조직을 촬영한 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 개략도이다.
도 5는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치의 공정 챔버 유닛의 개략도이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 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.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시상태를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시상태에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 본원 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계; 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계; 상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계; 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비되며 복수 개의 노즐 부(153)가 상기 에어로졸을 분사시키는 단계; 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하며, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인 플라즈마 분말 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법에 따르면, 증착층의 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 경과하더라도 변형없이 유지할 수 있어 증착된 기재의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 입자크기가 작은 분말을 사용함으로써 증착층의 표면을 고르게 하며, 증착층의 치밀도를 향상시킬 수 있다. 나아가, 분사각을 달리하는 복수 개의 노즐 부를 포함하여 기재 상에 증착층의 두께를 균일하게 구현하며, 3차원 입체 형상을 갖는 기재에도 증착층을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법의 순서도이다. 상기 도 1을 참고하면, 분말을 준비하는 단계(S11)를 포함할 수 있다. 상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YF3, YOF, YAG(이트륨 알루미늄 가넷, Yttrium aluminium garnet), YSZ(이트리아 안정화 지르코니아, Yttria-stabilized zirconia), W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 분말의 종류를 선택함으로써, 상기 증착층의 기능을 부여하는 동시에 증착층의 응력을 감소시키며, 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 준비된 분말을 분말 공급 유닛(130)에 공급하는 단계(S13)를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 공급 유닛(130)에 상기 분말을 공급함으로써, 후술할 이송가스와 혼합으로 에어로졸을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계(S31)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 및 그 등가물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있지만, 본 발명에서 이송가스의 종류가 한정되지 않는다. 상술한 것으로부터 이송가스가 선택됨으로써, 상기 증착효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 증착과정에서 발생하는 불필요한 부반응을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스는 이송가스 공급 유닛(110)로부터 파이프 부(111)를 통해 분말 공급 유닛(130)로 직접 공급되며, 유량 조절 유닛(190)에 의해 그 유량 및 압력이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스는 이송가스 공급 유닛(110)로부터 직접에 구비되어 분말 공급 유닛(130)로 직접 공급될 수 있으며, 상술한 것과 같이 직접 구비됨으로써, 증착속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계(S15)를 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말과 상기 이송가스가 혼합되어 에어로졸로 구비됨으로써, 상기 증착과정을 효과적으로 제어할 수 있으며, 증착과정에서 요구되는 속도로 피증착물을 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에어로졸은 이송관 부(131)를 통하여 고속으로 공정 챔버 유닛(150)으로 공급될 수 있으며, 상기 이송관 부를 상기 에어로졸이 통과함으로써 증착에 요구되는 분사속도를 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비되며 복수 개의 노즐 부(153)가 상기 에어로졸을 분사시키는 단계(S17)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)는 상기 이송관 부(131)의 말단에 위치하여 연통되며, 상기 이송관 부(131)를 통과하는 상기 에어로졸을 상기 노즐 부(153)를 통하여 분사할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 이송관 부(131)의 말단에 노즐 부(153)를 구비함으로써 상기 이송관 부를 통과하는 에어로졸의 속도를 극대화할 수 있으며, 상기 노즐을 통하여 상기 에어로졸의 분사 속도 및 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송관 부와 연통된 복수 개의 노즐 부(153)를 포함하여 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 플라즈마가 발생되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기재 부(151)에 구비된 기재는 세라믹 기판, 유리 기판, 금속 기판일 수 있다. 구체적으로 상기 세라믹 기판은 Al2O3 또는 ZrO2 등의 재질일 수 있으며, 상기 금속 기판은 알루미늄, 스테인리스 스틸, 인코넬(Inconel) 등의 재질일 수 있다. 상술한 것과 같이 기재의 재질을 선택함으로써, 상기 증착층과 기재 사이의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 플라즈마 발생 부(155)가 상기 노즐 부의 외각을 둘러싸일 수 있으며, 일면에 부착되어 구비될 수 있으나, 상기 플라즈마 발생 부가 노즐 부의 외부에 구비될 수 있으면 부착 부위는 제한되지 않는다. 상술한 것과 같이 플라즈마 발생 부가 구비되고 플라즈마 발생 부에 의하여 상기 노즐 부의 말단에서 플라즈마가 발생됨으로써, 상기 분사된 에어로졸에 포함된 분말의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 에어로졸 데포지션에 비하여 증착 속도를 향상시키는 동시에 치밀도 및 표면 고르기를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것이다. 구체적으로 상기 기재의 일면에 분사되는 에어로졸의 분사량이 균일하도록 상기 노즐 부 각각의 각도 즉, 상기 기재 일면의 가상의 수직선과 형성하는 각도를 달리하도록 구비되며, 상기 복수 개의 노즐 부 각각은 이격하여 구비된다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153)가 배치됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부는 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부가 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비됨으로써, 분말이 상기 플라즈마 발생 부에 의하여 발생된 플라즈마에 지속적으로 노출됨으로, 플라즈마에 의한 분말의 표면 개질을 극대화할 수 있다. 나아가, 분말과 이송가스가 동시에 주입됨으로써 에어로졸의 이동 경로에 추가 장치를 요구하지 않으며, 마이크로웨이브 발생을 위한 방전관, 도파관 등의 구성이 노즐 부의 길이방향으로 존재함으로써, 기기의 소형화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시) 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 마이크로웨이브 즉, 전자파를 생성하여 플라즈마를 생성하는 에너지를 제공할 수 있으며, 적절한 에너지를 제공함으로써 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브 생성기에 의하여 마이크로웨이브가 발생되는 단계(S51)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 마이크로웨이브를 발생시킴으로써, 적절한 에너지를 제공하여 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 발생된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)에 의하여 플라즈마를 생성하는 단계(S53)를 포함한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여 기재에 증착되는 단계(S19)를 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마를 에어로졸이 통과함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있으며, 상기 기재를 향해 분사됨으로써, 기재표면에 증착된 증착층의 표면을 고르게할 수 있으며, 상기 증착층의 치밀도를 향상시키는 동시에 응력을 완화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 노즐 부의 말단에서 플라즈마가 발생되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 마이크로웨이브, 즉 전자파에 의하여 플라즈마가 발생하는 경우 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있어 증착효율을 향상시키는 동시에 증착시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부(155)가 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 플라즈마 발생 부의 구조를 단순화하는 동시에 용이하게 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하, 2.10 GHz 이상 2.90 GHz 이하, 2.20 GHz 이상 2.80 GHz 이하, 2.30 GHz 이상 2.70 GHz 이하, 또는 2.40 GHz 이상 2.60 GHz 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.45 GHz인 것이 바람직하다. 상술한 범위 내에서 상기 마이크로웨이브의 주파수를 조절함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자의 용융되는 정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.6 kW 이상 3.4 kW 이하, 0.7 kW 이상 3.3 kW 이하, 0.8 kW 이상 3.2 kW 이하, 0.9 kW 이상 3.1 kW 이하, 1.0 kW 이상 3.0 kW 이하, 1.2 kW 이상 2.9 kW 이하, 1.5 kW 이상 2.8 kW 이하, 1.8 kW 이상 2.7 kW 이하, 1.9 kW 이상 2.5 kW 이하, 2.0 kW 이상 2.4 kW 이하, 또는 2.1 kW 이상 2.3 kW 이하일 수 있다. 상술한 범위 내에서 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력을 조절함으로써, 분말 표면의 용융 저하를 방지하며, 플라즈마의 온도가 낮아짐에 따라 증착층의 적층율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 증착층의 치밀도 즉 조직의 치밀도를 향상시키며, 분말이 과도하게 용융되고 기재의 낮은 온도로 인해 증착 후 급속도로 온도가 저하됨으로써 발생하는 기공형성을 최소화할 수 있으며, 박리문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마를 통과한 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 용융된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 입자의 표면 전체 또는 일부가 용융됨으로써, 에어로졸 데포지션에 따른 증착효과를 누리는 동시에 증착속도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 종래기술인 에어로졸 데포지션에 따라 증착된 결정 조직을 촬영한 TEM 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정조직을 촬영한 TEM 사진이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 에어로졸 데포지션으로 증착한 증착층의 결정 조직과 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정 조직이 동일하여 본 발명은 에어로졸 데포지션의 성질을 동일하게 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법은 에어로졸 데포지션에 의하여 형성된 결정 조직과 동일한 것을 확인함으로써, APS(대기압 플라즈마 스프레이)와 다른 미세조직을 갖는 새로운 증착 방법임을 확인하였다. 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법은 마이크로웨이브에 의하여 발생된 플라즈마가 상기 분말의 표면을 변화, 즉 용융 시킬 수 있는 에너지를 제공하여 증착층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다, 구체적으로 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.05 μm 이상 24.00 μm 이하, 0.10 μm 이상 20.00 μm 이하, 0.50 μm 이상 15.00 μm 이하, 0.70 μm 이상 10.00 μm 이하, 0.90 μm 이상 5.00 μm 이하, 1.00 μm 이상 4.00 μm 이하, 2.00 μm 이상 3.00 μm 이하일 수 있다. 상술한 범위 내에서 상기 분말에 포함된 입자의 입도, 즉 입자 크기를 조절함으로써, 상기 분말을 빠른 속도로 분말 공급 유닛에 공급할 수 있으며, 상기 분말을 포함하는 에어로졸을 기재 표면에 고속으로 분사할 수 있고 상기 분말의 입자 표면만을 용융시킴으로써, 증착층의 치밀도 및 표면의 고르기를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛의 내부는 진공 상태인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 공정 챔버 유닛의 내부는 진공 유닛을 통하여 진공 상태로 유지할 수 있으며, 상술한 것과 같이 진공 상태를 유지함으로써, 분사되는 에어로졸의 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110); 저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130); 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 복수 개의 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153) 각각의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153) 각각의 말단에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치(100)에 따르면, 마이크로웨이브를 통하여 플라즈마를 발생시켜 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 증착효율을 향상시키는 동시에 증착층의 응력을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 분말을 분사하는 각도를 달리하는 복수 개의 노즐 부를 포함하여 상기 에어로졸을 균일하게 분사함으로써, 증착층 즉, 코팅층의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 3차원 형상을 갖는 기재를 증착할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 개략도이다. 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)은 이송가스를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 이송가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 및 그 등가물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있지만, 본 발명에서 이송가스의 종류가 한정되지 않는다. 상술한 것으로부터 이송가스가 선택됨으로써, 상기 증착효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 증착과정에서 발생하는 불필요한 부반응을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)은 파이프 부(111)를 통하여 이송가스를 후술할 분말 공급 유닛(130)에 공급할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 파이프 부(111)를 통하여 이송가스를 후술할 분말 공급 유닛(130)에 공급함으로써, 상기 이송가스와 상기 분말이 포함된 에어로졸을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)은 상기 분말과 상기 이송가스를 포함하는 에어로졸을 형성할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말과 상기 이송가스를 포함하는 에어로졸을 형성함으로써, 상술한 것처럼 입자 표면만이 플라즈마에 의하여 용융될 수 있도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)은 이송관 부(131)를 연통될 수 있다. 구체적으로 분말 공급 유닛(130)은 이송관 부(131)와 연결되고 에어로졸이 통과할 수 있도록 내부에 유로가 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 공급 유닛(130)이 이송관 부(131)와 연통됨으로써, 후술할 노즐 부(153)를 통하여 분사되는 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 복수 개의 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153) 각각의 외부에 구비되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(155) 및 기재(151)가 구비되는 공정 챔버 유닛(150)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 내부에 상기 이송관 부(131)와 연결되어 이송관 부에 따라 공급되는 에어로졸을 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각을 통하여 분사할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각을 통하여 에어로졸을 분사함으로써 기재의 일 표면에 증착층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 상기 노즐 부(153) 각각의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 플라즈마 발생 부(155)가 상기 노즐 부 각각의 외각을 둘러싸일 수 있으며, 일면에 부착되어 구비될 수 있으나, 상기 플라즈마 발생 부가 노즐 부의 외부에 구비될 수 있으면 부착 부위는 제한되지 않는다. 상술한 것과 같이 플라즈마 발생 부가 구비되고 플라즈마 발생 부에 의하여 플라즈마가 발생됨으로써, 상기 분사된 에어로졸에 포함된 분말의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 에어로졸 데포지션에 비하여 증착 속도를 향상시키는 동시에 치밀도 및 표면 고르기를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시) 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 마이크로웨이브 즉, 전자파를 생성하여 플라즈마를 생성하는 에너지를 제공할 수 있으며, 적절한 에너지를 제공함으로써 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다. 또한, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기는 상기 플라즈마의 출력 및 위치를 조절함으로써, 상기 분말의 용융정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부는 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부가 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비됨으로써, 분말이 상기 플라즈마 발생 부에 의하여 발생된 플라즈마에 지속적으로 노출됨으로, 플라즈마에 의한 분말의 표면 개질을 극대화할 수 있다. 나아가, 분말과 이송가스가 동시에 주입됨으로써 에어로졸의 이동 경로에 추가 장치를 요구하지 않으며, 마이크로웨이브 발생을 위한 방전관, 도파관 등의 구성이 노즐 부의 길이방향으로 존재함으로써, 증착 장치의 소형화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것이다. 구체적으로 상기 기재의 일면에 분사되는 에어로졸의 분사량이 균일하도록 상기 노즐 부 각각의 각도 즉, 상기 기재 일면의 가상의 수직선과 형성하는 각도를 달리하도록 구비되며, 상기 복수 개의 노즐 부 각각은 이격하여 구비된다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153)가 배치됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 기재 부(151)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 공정 챔버 유닛(150)은 기재 부(151)를 이용하여 기재를 내부에 고정하여 분사되는 에어로졸이 표면에 증착될 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여 상기 기재 부(151)에 포함된 상기 기재의 일면에 증착되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의하여 발생한 플라즈마를 상기 에어로졸을 통과함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 부분적으로 용융되거나 표면만이 용융될 수 있으며, 상기 기재의 일면에 증착되어 피증착물과 동일한 성질을 갖게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생부(155)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시); 및 상기 발생된 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시);를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 외부에 전원공급장치(미도시)와 연결되어 마이크로웨이브, 즉 전자파를 형성할 수 있으며, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기는 상기 전자파를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상술한 것과 같이 마이크로웨이브 발생기 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기를 포함하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 발생된 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하, 2.10 GHz 이상 2.90 GHz 이하, 2.20 GHz 이상 2.80 GHz 이하, 2.30 GHz 이상 2.70 GHz 이하, 또는 2.40 GHz 이상 2.60 GHz 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.45 GHz인 것이 바람직하다. 상술한 범위 내에서 상기 마이크로웨이브의 주파수를 조절함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자의 용융되는 정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.6 kW 이상 3.4 kW 이하, 0.7 kW 이상 3.3 kW 이하, 0.8 kW 이상 3.2 kW 이하, 0.9 kW 이상 3.1 kW 이하, 1.0 kW 이상 3.0 kW 이하, 1.2 kW 이상 2.9 kW 이하, 1.5 kW 이상 2.8 kW 이하, 1.8 kW 이상 2.7 kW 이하, 1.9 kW 이상 2.5 kW 이하, 2.0 kW 이상 2.4 kW 이하, 또는 2.1 kW 이상 2.3 kW 이하일 수 있다. 상술한 범위 내에서 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력을 조절함으로써, 분말 표면의 용융 저하를 방지하며, 플라즈마의 온도가 낮아짐에 따라 증착층의 적층율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 증착층의 치밀도 즉 조직의 치밀도를 향상시키며, 분말이 과도하게 용융되고 기재의 낮은 온도로 인해 증착 후 급속도로 온도가 저하됨으로써 발생하는 기공형성을 최소화할 수 있으며, 박리문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛(150)에 연통되어 진공 상태로 유지하는 진공 유닛(170);을 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 진공 유닛은 상기 공정 챔버 유닛 내부의 압력을 진공으로 유지함으로써, 분사되는 에어로졸의 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스 공급 유닛(110)과 상기 분말 공급 유닛(130)의 사이에 구비되며, 상기 이송가스의 유량을 조절하는 유량 조절 유닛(190);을 더 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 이송가스 공급 유닛(110)과 상기 분말 공급 유닛(130)의 사이에 유량 조절 유닛이 구비됨으로써, 상기 노즐 부를 통하여 분사되는 에어로졸의 압력 및 분사 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150) 내에 구비되며, 상기 기재의 위치를 조절하는 로봇 유닛(180)을 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 로봇 유닛은 공정 챔버 유닛 내에 포함되어 노즐 부(153)에 대향하는 방향으로 구비될 수 있으며, 상기 로봇 유닛이 상기 고정된 기재의 위치를 조절하거나 상기 기재를 회전시킴으로써, 증착되는 면 및/또는 증착되는 증착층의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다, 구체적으로 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.05 μm 이상 24.00 μm 이하, 0.10 μm 이상 20.00 μm 이하, 0.50 μm 이상 15.00 μm 이하, 0.70 μm 이상 10.00 μm 이하, 0.90 μm 이상 5.00 μm 이하, 1.00 μm 이상 4.00 μm 이하, 2.00 μm 이상 3.00 μm 이하일 수 있다. 상술한 범위 내에서 상기 분말에 포함된 입자의 입도를 조절함으로써, 상기 분말을 빠른 속도로 분말 공급 유닛에 공급할 수 있으며, 상기 분말을 포함하는 에어로졸을 기재 표면에 고속으로 분사할 수 있고 상기 분말의 입자 표면만을 용융시킴으로써, 증착층의 치밀도 및 표면의 고르기를 조절할 수 있다.
본 명세서 전체에서, 입도는 상기 분말에 포함된 입자의 입자 크기 분포를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YAG, YF3, YOF, YSZ, W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 분말의 종류를 선택함으로써, 상기 증착층의 기능을 부여하는 동시에 증착층의 응력을 감소시키며, 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<비교예 1>
도 5는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 5를 참고하면, 상기 도 5 (a)는 고정된 노즐 부가 구비된 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진이다. 상기 도 5(a)와 같이 에어로졸이 특정한 분사각으로 고정되어 있는 것을 확인하였다. 상기 도 5(b)는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 구비된 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 5(b)와 같이 상기 기재를 대면적으로 증착시키기 위하여 상기 기재 부를 회전시켜야 하며, 이 경우 기재의 회전과정에서 외각 부분이 상기 에어로졸이 도달하지 못하거나 중심부에 비하여 충분하지 못한 양의 에어로졸이 분사되어 증착층의 두께가 균일하게 구현되지 않는 것을 확인하였다.
<실시예 1>
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치의 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 6을 참고하면, 상기 기재를 대면적으로 증착시키기 위하여 상기 기재 부를 회전시킬 필요없이, 상기 분사각을 달리하는 복수 개의 노즐 부에 의하여 에어로졸의 분사각을 조절되며 이를 통하여 상기 에어로졸이 균일하게 분사되므로 증착층의 두께를 동일하게 구현한 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시상태인 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치에 의하면, 표면이 고르지 못한 증착층의 문제와 에어로졸 데포지션(AD)에 따른 증착층의 응력을 효과적으로 감소시키며, 넓은 면적에 균일하게 코팅할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치
110: 이송가스 공급 유닛
111: 파이프 부
130: 분말 공급 유닛
131: 이송관 부
150: 공정 챔버 유닛
151: 기재 부
153: 노즐 부
155: 플라즈마 발생부
155a: 마이크로웨이브 생성기
155b: 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기
170: 진공 유닛
180: 로봇 유닛
190: 유량 조절 유닛

Claims (19)

  1. 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계;
    상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계;
    상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계;
    상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비되며 복수 개의 노즐 부(153)가 상기 에어로졸을 분사시키는 단계;
    상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및
    상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하며,
    상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마가 발생되는 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마를 통과한 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 용융된 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛(150)의 내부는 진공 상태인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  9. 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110);
    저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130);
    내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 복수 개의 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153) 각각의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153) 각각의 말단에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 부(155), 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며,
    분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고,
    상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 생성기(155a); 및 상기 발생된 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b);를 포함하는 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 발생된 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것인
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛에 연통되어 진공 상태로 유지하는 진공 유닛(170);을 더 포함하는 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛 내에 구비되며, 상기 기재의 위치를 조절하는 로봇 유닛(180)을 더 포함하는 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 이송가스 공급 유닛과 상기 분말 공급 유닛의 사이에 구비되며, 상기 이송가스의 유량을 조절하는 유량 조절 유닛(190);을 더 포함하는 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  18. 청구항 9에 있어서,
    상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YAG, YF3, YOF, YSZ, W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
  19. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비된 것인,
    다중 노즐 플라즈마 분말 증착 장치.
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