KR20230155247A - 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치가 개시된다. 상기 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 미넌트 모드(dominant mode)의 폭이 a인 경우, 도파관의 폭은 na인(n은 2이상의 정수) 마이크로웨이브 도파관; 상기 도파관 내의 전기장 분포의 둘 이상의 피크를 전부 포함하도록 상기 도파관을 수직 관통하는 방전관; 상기 방전관의 일측으로 주입되는 플라즈마 방전가스의 주입부; 및 상기 방전관의 타측으로 주입되는 피처리 분말의 주입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 분말 처리 장치에 관한 것으로, 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용하여 분말을 효율적으로 플라즈마 처리하는 분말 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장비에서 수십 nm 이하의 고집적도 반도체 장치를 제조하기 위해 고밀도 플라즈마 공정이 적용되고 있다. 이로 인해 반도체 장비에서 플라즈마 라디칼 부식에 대한 내구성과 양이온 저항성에 대한 기능성이 요구되고 있다.
이에 따라, 반도체 장비 내벽에 플라즈마 및 높은 온도, 화학 부식에 강한 재료를 플라즈마 용사 코팅하여 사용하고 있다.
상기 플라즈마 용사 코팅 재료의 일 예로 이트리아 분말이 있다. 이트리아 분말은 통상 15 ~ 25㎛의 입자 크기를 갖는 미세분말로서, 이러한 용사 코팅 재료는 플라즈마 용사 코팅시 밀도 높고 치밀한 코팅막을 형성하기 위해 높은 유동성이 확보되어야 한다.
분말 재료의 유동성에 있어서, 분말 재료의 정전기 특성은 분말의 흐름성에 영향을 끼치는 매우 중요한 요소 중 하나도 입증된다. 분석장비의 용기와 분말 또는 분말과 분말입자 내부의 접촉과 이동으로 인해 분말 입자 표면의 전하를 얻을 수 있는데, 이 과정을 마찰대전성(Tribocharging)이라고 하며, 이러한 현상은 서로 다른 물질들이 서로 접촉할 때 한 표면에서 다른 표면으로 이동하는 전자에 의해 발생한다. 그리고, 이때 한 물질은 양전하가 되고 다른 한 물질은 음전하가 된다. 마찰대전성 에 의해 정전기가 발생하는 재료는 정전기가 발생하지 않는 재료보다 흐름성(유동성)이 좋지 않다. 따라서, 분말의 유동성을 높일 수 있는 분말 처리 장치의 개발이 요구된다.
한편, 분말 처리를 위해 다수의 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치들이 개발되어 왔고, 활용되고 있다.
일 예로, 도 1에 도시된 바와 같은 마이크로웨이브 플라즈마 토치장치를 이용하여 분말이 처리된다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 토치(70)는 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태의 반응기(75) 및 쿼츠(80)로 구비될 수 있다.
즉, 상기 반응기(75)는 상기 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태로 구비되며, 내부에 플라즈마 생성을 위한 공간이 형성된다. 또한, 상기 도파관(60)의 마이크로웨이브가 상기 반응기(75) 내부로 유입되기 위하여, 상기 도파관(60)과 반응기가 만나는 부분은 개구되며, 그 위치에 쿼츠(80)가 구비된다. 상기 쿼츠(80)는 마이크로웨이브는 투과시키면서 가스의 유입은 차단시키는 기능을 수행하며, 이 쿼츠(80)로 인 해 마이크로웨이브 전달영역과 플라즈마 영역이 구분된다.
분말을 처리하고자 할 때, 상기 반응기(75)의 상부로부터 플라즈마 가스 및 반응가스와 처리하고자 하는 분말들이 화살표 방향으로 투입되어 플라즈마에 의한 처리가 이뤄진다.
그런데, 이러한 종래의 플라즈마 토치(70)는 도파관(110)이 도미넌트 모드(dominant mode)의 TE10이고, 이에 따라 도 1에 나타나는 바와 같이, 반응기(75)의 중심부에서 강한 전계가 나타나는 전기장 분포를 나타낸다. 이러한 전기장 분포에서 플라즈마가 생성되면 플라즈마의 중심부에서만 밀도가 높아지게 된다.
따라서, 도 1에 도시된 종래의 플라즈마 토치(70)를 이용하여 분말을 처리하는 경우 플라즈마의 중심부에서만 분말 처리 효율이 높아지게 되어서 투입되는 분말 전체에 대해 효율적인 처리가 이루어지기 어려운 문제가 있다.
한편, 현재 상기 이트리아 분말은 전량 일본에서 수입하고 있는 실정이어서 이트리아 분말의 국산화를 통해 플라즈마 용사 코팅의 원료 소비 비용을 낮추는 것이 관련 분야의 당업자가 해결해야 할 당면 과제에 속한다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분말의 표면 균일화 및 유동도를 높일 수 있고, 분말이 방전관(120)의 내벽에 고착되거나 쌓이는 것이 없이 분말의 대부분이 스월 방향으로 원활히 유동되면서 효율적으로 처리될 수 있도록 한 가장지리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 제공하는데 있다.
다른 목적으로, 분말의 처리량을 증가시킬 수 있도록 한 가장지리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 미넌트 모드(dominant mode)의 폭이 a인 경우, 도파관의 폭은 na인(n은 2이상의 정수) 마이크로웨이브 도파관; 상기 도파관 내의 전기장 분포의 둘 이상의 피크를 전부 포함하도록 상기 도파관을 수직 관통하는 방전관; 상기 방전관의 일측으로 주입되는 플라즈마 방전가스의 주입부; 및 상기 방전관의 타측으로 주입되는 피처리 분말의 주입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 도파관은, 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na이고(n은 2이상의 정수)이고, 상기 도파관의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n)λ/2인 경우 (n은 1이상의 정수), 상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 널(null) 라인이 지나가고, 상기 전기장 분포의 인접 피크를 포함하도록 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 도파관은, 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode) 의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na이고(n은 2이상의 정수)이고, 상기 도파관의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n+1)λ/2인 경우(n은 1이상의 정수), 토출관의 중심은, 전기장 분포의 길이방향의 피크 중 폭 방향의 가운데 피크에 위치하도록 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 가스 주입부는 상기 방전관에 접선 방향으로 주입되어, 상기 방전관 내에서 가스가 스월 형태로 유동하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분말 주입부는 상기 스월 가스 방향과 같은 방향으로 주입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분말 주입부는 상기 전기장의 피크를 향해 주입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분말 주입부는 둘 이상을 포함하며, 상기 분말 주입부는 상기 각 전기장의 피크를 향해 주입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 도파관의 상기 일측에서, 상기 도파관의 중심축 방향으로 스트레이트 가스를 주입하는 주입부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용사 코팅 장치는 상기 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하면, 분말의 표면 균일화 및 유동도를 높일 수 있고, 분말의 대부분이 스월 방향으로 원활히 유동되면서 효율적으로 처리될 수 있고, 분말의 처리량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 마이크로웨이프 플라즈마 토치장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도미넌트 도파관의 예시적인 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 도미넌트 도파관에서의 토출관의 위치 및 본 발명의 도파관에서의 토출관의 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 도미넌트 도파관과 본 발명의 도파관의 모드를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 방전관의 위치를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리 후의 이트리아 분말의 유동도 및 겉보기 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리된 후의 이트리아 분말과 처리 전의 이트리아 분말의 응집성이 관찰되는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도미넌트 도파관의 예시적인 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 도미넌트 도파관에서의 토출관의 위치 및 본 발명의 도파관에서의 토출관의 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 도미넌트 도파관과 본 발명의 도파관의 모드를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 방전관의 위치를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리 후의 이트리아 분말의 유동도 및 겉보기 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리된 후의 이트리아 분말과 처리 전의 이트리아 분말의 응집성이 관찰되는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도미넌트 도파관의 예시적인 모습을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치는 마이크로웨이브 도파관(110), 방전관(120), 플라즈마 방전가스 주입부(130), 피처리 분말 주입부(140)를 포함할 수 있다.
상기 마이크로웨이브 도파관(110)은, 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드의 도파관 보다 너비가 큰 도파관이다. 즉, 상기 도미넌트 모드 도파관의 너비가 a인 경우, 본 발명의 도파관(110)은 너비가 na(n은 2이상의 정수)의 크기를 갖는다. 이러한 모습은 도 3에서 예시적으로 도시된 도파관의 모습에서 너비를 a라고 하고 높이를 b라고 정의한 경우에 해당한다.
상기 도미넌트 모드(dominant mode)란 하나 이상의 전파 모드를 수용할 수 있는 도파관에서 최소의 디그러데이션(degradation)으로 전파되는 모드를 의미한다. 즉, 가장 낮은 컷오프(cutoff) 주파수를 갖는 모드이다. 직사각형 도파관을 제작하는 경우 도미넌트 모드는 TE10이다.
상기 모드(mode)라 함은 어떤 구조물에서 특정 주파수의 에너지가 집중되는 형태를 의미하며, 공진기에서의 모드라면 공진주파수와 그 공진 형태를 의미하는 것이고, 도파관이나 전송선로의 경우 특정 주파수 대역의 전자파가 진행하는 형태를 의미한다. 이것은 구조 특성에 따라 에너지가 특정주파수에 집중되는 현상과 관련이 있다. 중요한 것은 모드는 결국 구조물의 형태에 의해 결정되는 점이라는 것이고, 특정 모드를 사용하기 위해서는 그 모드에 원하는 주파수 에너지가 수렴되도록 구조를 설계해야 한다.
한편, 본 발명의 도파관(110)의 차단 주파수는 다음과 같을 수 있다. 전자파는 차단 주파수 이상의 주파수만 도파관으로 전송될 수 있다.
이 경우 c는 빛의 속도이고, a 및 b는 직사각형 도파관에서 폭 및 높이이며 n 및 m은 모드 숫자(mode number)이다.
예를 들어, TE20모드의 경우, TE10모드와 비교하였을 때, m과 a가 동시에 두배 증가하기 때문에, 상기 식에서, TE10모드나, TE20모드의 차단주파수는 같다. A가 3배 커진, TE30을 하더라도 동일하다. 따라서, 결국, a를 정수배로 키우더라도, 2.45GHz의 마이크로웨이브는 전송된다. 이는 915GHz, 5.8GHz 등에서도 모두 사용 가능하다. 즉, 본발명의 도파관(110)은 상기 도미넌트 모드의 특정 도파관과 달리 너비를 크게하는 변화를 주더라도 그 변화에 맞게 정해진 마이크로웨이브 주파수의 전송이 가능하다.
상기 방전관(120)은 도파관(110) 내의 전기장 분포의 둘 이상의 피크를 전부 포함하도록 상기 도파관(110)을 수직 관통한다.
이하에서는 본 발명에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치에서 방전관(120) 내의 가장자리 영역에서 플라즈마의 밀도를 높이기 위한 실시예들에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4는 도미넌트 도파관에서의 토출관의 위치 및 본 발명의 도파관에서의 토출관의 위치를 나타내는 도면이다.
일 실시예로서, 상기 아크 플라즈마 발생기(120)로부터 토출되는 아크 플라즈마 제트의 확장을 위해, 본 발명의 도파관(110)을, 도 4와 같이, 상기 도미넌트 모드의 특정 도파관의 a의 너비보다 커지도록, 폭을 a의 n배인 a'=na로 늘렸다. 이 경우 n은 2 이상의 정수이다. 이에 의해 폭이 2a가 되었고, 도파관(110)의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n)λ/2가 되었다. 여기서, n은 1이상의 정수이다.
도 5는 도미넌트 도파관과 본 발명의 도파관의 모드를 나타내는 도면이다. 도 5와 같이, 전기장 분포(electric field distribution)가 등고선과 같이 나타나 있다.
상기 전기장 분포(electric field distribution)란 E-필드의 분포를 나타내는 것으로서 동일한 전기장 크기를 갖는 곳을 같은 색으로 표현하거나 또는 등고선 형태로 나타내게 된다. 전기장 분포에서 가장 전기장 세기가 큰 부분을 피크(peak)라고 하고, 가장 작은 부분을 널(null)이라고 명명한다. 이러한 널은 인접 피크 사이의 널과 널이 서로 연결되면서 라인을 이루고 이를 널 라인이라고 명명한다. 널 라인은 도파관의 길이 방향을 따라서 이루는 길이 방향 널 라인 및 도파관의 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 이루는 폭 방향 널 라인이 있다. 여기서, 상기 널 라인은 널과 널을 연결하는 라인 및 인접 하는 피크 사이의 널을 지나는 라인을 포함하는 의미일 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치의 방전관의 위치를 나타낸다.
도 4와 같이 너비가 커진 도파관(110)의 전기장 분포에서, 상기 방전관(120)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 방전관(120)의 중심에 전기장 분포의 길이방향 널 라인(11)이 지나도록 배치된다. 이 경우, 방전관(120)의 직경 내에 도파관(110)의 폭 방향을 따라서 이루는 (2n)λ/2의 전기장 분포의 인접 피크, 즉 상기 방전관(120)의 중심에 위치하는 널을 기준으로 인접하는 인접 피크들이 포함된다. 따라서, 방전관(120)의 내부에서 상기 인접 피크들에 의해 전기장 분포의 전기장 세기가 큰 복수 피크가 방전관(120)의 가장자리 영역에 위치할 수 있다. 따라서, 방전관(120)의 직경을 넓힐 수 있고, 방전관(120) 내에는 도파관(110)의 전기장 분포의 전기장 세기가 큰 복수 피크가 포함되므로 방전관(120) 내의 가장자리 영역에서 밀도 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 형성할 수 있다.
또는, 도 4와 같이 너비가 커진 도파관(110)의 전기장 분포에서, 상기 아크 플라즈마 발생기(120)의 방전관(120)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 방전관(120)의 중심에 전기장 분포의 길이방향 널 라인(11)이 지나가고 동시에 전기장 분포의 세로 방향 널 라인(12)이 지나가도록 배치된다. 이 경우, 방전관(120)의 직경 내에 도파관(110)의 폭 방향을 따라서 이루는 (2n)λ/2의 전기장 분포의 인접 피크, 즉 상기 방전관(120)의 중심을 지나는 길이방향 널 라인(11) 및 세로방향 널 라인(12)에 인접하는 다수의 인접 피크들이 포함된다. 따라서, 방전관(120)의 직경을 도 5의 경우보다 더욱 넓힐 수 있고, 방전관(120) 내의 가장자리 영역에서 더 많은 피크가 위치할 수 있고, 방전관(120) 내의 가장자리 영역에서 도 5의 경우보다 더욱 밀도 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 8은 도파관(110)의 폭은 na(n은 2 이상의 정수)이고, 도파관(110)의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n+1)λ/2인 경우(n은 1이상의 정수)에 방전관(120)의 배치 위치를 나타내고 있다.
도 8에 나타나는 바와 같이, 전기장 분포의 (2n+1)λ/2에 걸쳐 방전관(120)이 설치되는 경우, 방전관(120)의 중심은, 전기장 분포의 길이 방향의 피크 중 폭 방향의 가운데 피크에 위치하도록 설치된다. 이 경우, 방전관(120)의 직경 내에 방전관(120)의 중심에 위치하는 피크 및 이에 인접하는 다수 피크들이 포함되게 된다. 따라서, 방전관(120)의 직경을 도 6 및 도 7 의 경우보다 더 넓힐 수 있고, 방전관(120) 내에는 도파관(110)의 전기장 분포의 전기장 세기가 큰 피크가 방전관(120)의 중심 및 중심 주변, 즉 방전관(120)의 가장자리 영역에 포함되므로 방전관(120) 내에서 발생되는 마이크로웨이브 토치 플라즈마의 밀도를 방전관(120)의 가장자리 영역뿐만 아니라 중심 영역에서도 높일 수 있다.
이러한 실시예들에 따른 방전관(120)의 배치 구조에서, 플라즈마 방전가스를 상기 방전관(120) 내부로 주입하기 위한 플라즈마 방전가스 주입부(130)는 상기 방전관(120)의 일측, 예를 들어, 방전관(120)의 상부에 구비되어 상기 방전관(120) 내부로 플라즈마 방전가스를 주입하며, 이때 상기 플라즈마 방전가스 주입부(130)는 상기 방전관(120)의 접선 방향으로 주입되어, 주입되는 플라즈마 방전가스는 상기 방전관(120) 내에서 스월 형태로 유동할 수 있다.
피처리 분말 주입부(140)는 상기 방전관(120)의 타측, 예를 들어, 방전관(120)의 하측에 구비되어 상기 방전관(120)의 타측으로 분말을 주입하며, 이때 상기 피처리 분말 주입부(140)는 상기 방전관(120)의 접선 방향으로 주입되어, 상기 플라즈마 방전가스와 같은 방향으로 주입되어 스월 방향으로 유동될 수 있고, 방전관(120)의 직경 내에 포함되는 전기장의 피크에 인접하게 배치되어 전기장의 피크를 향해 주입될 수 있다. 상기 방전관(120)의 하측은 상기 피크들에 의해 밀도 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마가 토출되는 방향일 수 있다.
상기 피처리 분말 주입부(140)는 둘 이상일 수 있다. 일 실시예로, 상기 분말 주입부(140)는 상기 방전관(120)의 직경 내에 포함되는 둘 이상의 피크와 동일 개수로 구비될 수 있다. 이러한 경우, 각각의 피처리 분말 주입부(140)는 각각의 피크에 인접하는 위치에 배치되어, 각각의 전기장의 피크를 향해 주입될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치는 상기 도파관(110)의 일측, 즉 상기 플라즈마 방전가스 주입부(130)가 위치한 방향에서 상기 피처리 분말 주입부(140)가 위치한 방향을 향해 상기 도파관의 중심축 방향, 즉 상기 도파관(110)의 중심축을 따라 스트레이트 가스(Straight gas)를 주입하는 주입부(150)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방전관(120) 내로 주입되는 플라즈마 방전가스가 스월 형태로 유동될 때 상기 방전관(120)의 중심부에서 역 소용돌이(reverse vortex)가 발생하여 상기 플라즈마 방전가스의 스월 방향으로 공급되는 분말이 방전관(120)의 내벽 방향에 고착되거나 쌓이는 문제가 발생할 수 있는데, 상기 스트레이트 가스를 주입함으로써 상기 역 소용돌이를 방지하여, 상기 문제를 해결할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 분말이 처리되는 과정을 설명한다.
마이크로웨이브 도파관(110)을 따라 전자파가 전송되어, 상기 도파관(110)의 전기장 분포에 따라 상기 방전관(120)의 직경 내에 복수의 피크가 포함되고, 상기 플라즈마 방전가스 주입부(130)를 통해 상기 방전관(120)의 내부로 플라즈마 방전가스가 주입되어 상기 플라즈마 방전가스는 상기 방전관(120)의 내에 스월 형태로 유동되면서 상기 방전관(120)의 토출방향, 예를 들어, 상기 방전관(120)의 하부로 마이크로웨이브 토치 플라즈마가 토출된다.
이때, 상기 분말 주입부(140)를 통해 상기 방전관(120)의 내부로, 상기 복수의 피크를 향해 분말이 공급되어, 분말은 스월 방향으로 상기 마이크로웨이브 토치 플라즈마와 접촉하면서 유동한다.
이 과정에서 상기 분말은 상기 방전관(120)의 내부의 가장자리를 따라 스월 방향으로 유동하므로 마이크로웨이브 토치 플라즈마의 밀도 높은 가장자리와 접촉한다.
분말의 유동성은 분말 재료의 정전기 특성과 연관이 있는데, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 분말을 처리하면 분말 재료의 정전기를 감소시켜서 미세분말의 유동성을 높일 수 있다.
실시예
이트리아(Yttria) 분말의 처리
1) 플라즈마 처리 전 이트리아 분말의 유동도 및 겉보기 밀도
- 처리 전 유동도(FA): 0 g/sec
- 처리 전 겉보기 밀도(TD): 0.98 g/cc
2) 이트리아 분말의 플라즈마 처리 조건(본 발명)
- 플라즈마 인가 전력: 8kW
- 플라즈마 방전가스: 산소(25LPM)
- 분말 투입량: 119g/kWh
- 이트리아 분말의 입도분포: 14±2㎛
3) 플라즈마 처리 후 이트리아 분말의 유동도 및 겉보기 밀도 측정
도 8 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리 후의 이트리아 분말의 유동도 및 겉보기 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8의 그래프에서 나타나는, FA(Flow-ability : 유동도)는 국가표준번호 KS L 1626, 파인세라믹스 분체의 유동동 평가방법으로 측정한 것으로서, 표준 측정기에서 주어진 분말이 단위 시간당 흘러나오는 양을 측정한 값이고, TD(Tap density : 겉보기 밀도)는 처리전후의 분말의 단위부피당 질량으로 측정한 값이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 분말 처리 장치에 따른 플라즈마 처리전의 이트리아 겉보기 밀도는 0.98 g/cc이었으나, 플라즈마 처리 후의 이트리아 겉보기 밀도는 2g/cc으로 증가하였고, 플라즈마 처리 이전에 이트리아의 유동도는 0g/sec 였으나, 플라즈마 처리 이후에 유동도가 8.62g/sec로 크게 상승함을 알 수 있었다.
4) 본 발명 및 대조군 장치의 플라즈마 처리 후 이트리아 분말의 마찰대전(Tribocharging)의 힘 측정
여기서, 대조군 장치는 TE10 모드 도파관을 방전관이 수직 관통하며, 방전관 일측의 플라즈마 방전가스 주입부 및 방전관 타측의 분말 주입부를 구비하는 분말 처리 장치이며, 이러한 대조군 장치는 방전관의 중심영역 밀도가 큰 마이크로웨이브 토치 플라즈마가 발생되며, 이트리아 분말의 플라즈마 처리 조건은 다음과 같다.
<대조군 장치의 이트리아 분말의 플라즈마 처리 조건>
- 플라즈마 인가 전력: 8kW
- 플라즈마 방전가스: 산소(25LPM)
- 분말 투입량: 119g/kWh
- 이트리아 분말의 입도분포: 14±2㎛
| Average charge | Max charge | Charge to mass | |
| 처리전 | -78.8V | -101.7V | -0.688V/g |
| 대조군 | 4.1V | 43V | 0.02V/g |
| 본 발명 | 0.41V | 4.3V | 0.011V/g |
표 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리 전에는 정전기가 상당 부분 발생하는 것으로 측정되었다. 반면에, 플라즈마 처리 후에 상대적으로 정전기가 많이 감소하는 것으로 측정되었다. 이는, 이트리아 분말 입자의 표면에 형성된 기공 및 거친 모서리가 플라즈마 처리에 의해 매립되거나 부분 용융 등이 일어나서, 분말 입자 표면에 형성된 기공이 매립되면서 이동할 수 있는 전하들이 줄어들고, 거친 모서리가 용융되어 구형화 되면서 분말 입자 표면의 전하들이 줄어들고 마찰력 또한 감소하는 것으로 판단된다. 이에 따라, 플라즈마 처리에 의해 분말 입자 사이의 응집성을 저하시키고 유동도를 향상시키는 것으로 판단된다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 대조군에 비해 본 발명의 분말 처리 장치를 이용하는 경우 분말의 정전기가 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있다.
5) 플라즈마 처리 후 이트리아 분말의 응집성 관찰
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리된 후의 이트리아 분말과 처리 전의 이트리아 분말의 응집성이 관찰되는 도면이다.
도 10에 나타나는 바와 같이, 처리 전의 이트리아 분말은 뭉쳐지거나 응집되어 있는 것을 볼수 있고, 처리 후의 이트리아 분말은 뭉쳐지거나 응집된 모습을 찾기 어려운 것을 관찰할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 이용하면, 분말의 표면 균일화 및 유동도를 높일 수 있고, 분말이 방전관(120)의 내벽에 고착되거나 쌓이는 것이 없이 분말의 대부분이 스월 방향으로 원활히 유동되면서 효율적으로 처리될 수 있다.
또한, 도파관(110)이 다수의 피크가 나타나는 전기장 분포를 갖도록 너비를 넓힌 도파관이고, 방전관(120)은 다수의 피크를 직경 내에 포함하도록 도파관(110)을 관통하므로 방전관(120)의 직경을 크게 할 수 있으므로 방전관(120)의 가장자리에서의 플라즈마 밀도를 더욱 높일 수 있고, 분말의 처리량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치는 플라즈마 용사 코팅을 위한 플라즈마 용사 코팅 장치에 이용될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (9)
- 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 폭이 a인 경우, 도파관의 폭은 na인(n은 2이상의 정수) 마이크로웨이브 도파관;
상기 도파관 내의 전기장 분포의 둘 이상의 피크를 전부 포함하도록 상기 도파관을 수직 관통하는 방전관;
상기 방전관의 일측으로 주입되는 플라즈마 방전가스의 주입부; 및
상기 방전관의 타측으로 주입되는 피처리 분말의 주입부를 포함하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파관은, 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na이고(n은 2이상의 정수)이고, 상기 도파관의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n)λ/2인 경우 (n은 1이상의 정수), 상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 널(null) 라인이 지나가고, 상기 전기장 분포의 인접 피크를 포함하도록 설치됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파관은, 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode) 의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na이고(n은 2이상의 정수)이고, 상기 도파관의 폭 방향을 따라서 이루는 전기장 분포가 (2n+1)λ/2인 경우(n은 1이상의 정수), 토출관의 중심은, 전기장 분포의 길이방향의 피크 중 폭 방향의 가운데 피크에 위치하도록 설치됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 가스 주입부는 상기 방전관에 접선 방향으로 주입되어, 상기 방전관 내에서 가스가 스월 형태로 유동하도록 구성됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제4항에 있어서,
상기 분말 주입부는 상기 스월 가스 방향과 같은 방향으로 주입됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제5항에 있어서,
상기 분말 주입부는 상기 전기장의 피크를 향해 주입됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제6항에 있어서,
상기 분말 주입부는 둘 이상을 포함하며,
상기 분말 주입부는 상기 각 전기장의 피크를 향해 주입됨을 특징으로 하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제6항에 있어서,
상기 도파관의 상기 일측에서, 상기 도파관의 중심축 방향으로 스트레이트 가스를 주입하는 주입부를 추가로 포함하는,
가장자리 영역밀도가 높은 마이크로웨이브 토치 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치를 포함하는, 플라즈마 용사 코팅 장치.
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