KR20240012365A - 고온 소결 용광로 시스템 및 방법 - Google Patents

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량빙 후
지젱 왕
신펑 자오
후어 지
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유니버시티 오브 매릴랜드, 칼리지 파크
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Abstract

소결 용광로는 하우징, 하나 이상의 가열 요소 및 컨베잉 어셈블리를 포함할 수 있다. 각 가열 요소는 하우징 내에 배치될 수 있으며, 가열 구역에 열 충격 온도 프로파일을 적용할 수 있다. 하나 이상의 전구체를 갖는 기판은 컨베잉 어셈블리에 의해 하우징의 입구를 통해 가열 구역으로 이동될 수 있으며, 여기서 기판은 처음으로 적어도 500℃ 이상의 제1 온도에 노출된다. 그런 다음 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 소결 재료가 있는 기판을 가열 구역으로부터 하우징의 출구를 통해 이동할 수 있다.

Description

고온 소결 용광로 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 26일에 출원된 미국 가출원 제63/166,941호(명칭: "고온 소결 용광로 시스템")의 혜택을 주장하며, 본 출원에는 그 전체가 참조에 의해 통합되어 있다.
연방 정부가 후원하는 연구에 관한 진술
본 발명은 에너지부(Department of Energy, DOE), 에너지 첨단 연구 프로젝트 기관(Advanced Research Projects Agency - Energy, ARPA-E)이 부여한 DEAR0001329에 따라 정부 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 보유한다.
분야
본 발명은 일반적으로 물질을 가열하기 위한 용광로(furnaces)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 고온(예를 들어, ≥ 500℃) 용광로 시스템(furnace systems) 및 물질 소결 방법에 관한 것이다.
고온 소결은 예를 들어, 전자제품, 에너지 저장 및 극한 환경 등에 사용되는 세라믹 물질을 처리하는 데 사용할 수 있다. 튜브 용광로(tube furnace) 또는 머플 용광로(muffle furnace)와 같은 기존 소결 기술은 일반적으로 긴 소결 시간(예를 들어, 10시간), 온화한 온도(~1300K), 느린 가열 속도(예: 10K/min), 높은 에너지 투입이 필요하다. 또한, 기존의 소결 기술은 휘발성 원소(예: Na, Li 등)를 함유하는 소결된 물질에 공극을 생성하거나 오염 물질을 생성할 수 있다. 이러한 결함으로 인해 소결된 제품은 세라믹-기반 고체-전해질(SSE)과 같은 특정 애플리케이션에 사용하기에 부적합할 수 있다. 또한, 기존의 소결 기술은 비-정상적인 입자 성장과 다양한 크기 분포로 인해 문제가 발생할 수 있는 결정 조대화 프로세스(crystal coarsening process)를 제한적으로 제어할 수 있다.
마이크로파-보조 소결(microwave-assisted sintering, MAS), 스파크-플라즈마 소결(spark-plasma sintering, SPS), 플래시 소결(flash sintering, FS)과 같은 더 빠른 소결 기술이 최근에 개발되었지만, 자체적인 문제가 있거나 어플리케이션에 제한이 있다. 예를 들어, MAS는 물질의 마이크로파 흡수 특성에 따라 달라지거나 서셉터(susceptor)를 사용해야 하는 경우가 많다. 필드-보조 소결 기술(field-assisted sintering technology, FAST) 또는 펄스 전류 소결(pulsed electric current sintering, PECS)이라고도 하는 SPS는 비교적 짧은 소결 시간(예: 2-10분)과 낮은 온도 범위(예: 1073-1883 K)에서 적당한 압력으로 고밀도 세라믹을 얻을 수 있다. 그러나 SPS는 기계적 압력(예: 6-100 MPa)과 고-전류 직류(예: 최대 수천 암페어)를 동시에 제공하기 위해 정교하고 값비싼 장비가 필요하다. FS에는 복잡한 기기가 필요하지 않지만 고가의 백금 전극이 필요하며, FS를 수행하는 데 필요한 조건은 물질의 전기적 특성에 따라 다르다(따라서 특정 재료로만 제한될 수 있음). MAS, SPS 및 FS 시스템은 롤-투-롤 처리 시스템(roll-to-roll processing systems)에 통합하기 어려울 수 있으며, 이로 인해 대규모 제조를 제공하지 못할 수 있다.
개시된 주제의 실시양태는 무엇보다도 상기에서 언급한 문제점 및 단점 중 하나 이상을 해결할 수 있다.
개시된 주제의 실시양태는 고온 소결 용광로 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 실시양태에서, 고온 소결 용광로 시스템은 롤-투-롤 프로세싱 구성을 포함할 수 있으며, 이는 소결된 물질(예컨대, 세라믹(ceramics))의 대규모 및/또는 연속 제조를 가능하게 할 수 있다. 상기 소결 용광로는 비교적 짧은 시간(예를 들어, ≤ 60초, 예컨대, ≤ 약 10초) 동안 500℃ 초과, 예를 들어 약 1000-3000℃를 초과하는 소결 온도를 생성하는 하나 이상의 가열 요소(예컨대, 줄 가열 요소(Joule heating element))를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 각 가열 요소는 소결 온도로 급속히 가열되거나 및/또는 소결 온도에서 급속히 냉각될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 요소는 저온(예를 들어, 20-25℃와 같은 실온 또는 200℃와 같은 500℃보다 훨씬 낮은 상승 온도)에서 적어도 103℃/분(예를 들어, ≥ 103℃/s, 예를 들어, 103-104℃/s, 포함)의 가열 속도로 소결 온도로 전이할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소는 적어도 104℃/분(예를 들어, ≥ 104℃/s)의 냉각 속도로 소결 온도에서 더 낮은 온도(예를 들어, 실온 또는 500℃미만의 상승된 온도, 예를 들어 200℃)로 전환할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 소결 용광로는 하우징, 적어도 하나의 가열 요소, 컨베잉 어셈블리 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 내부 부피(interior volume), 내부 부피에 대한 입구 및 내부 부피로부터의 출구를 정의할 수 있다. 적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 입구와 출구 사이의 하우징 내부 부피 내에 배치될 수 있다. 각 가열 요소는 가열 구역(heating zone)에 온도 프로파일을 적용하도록 구성될 수 있다. 상기 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 기판을 하우징 안쪽, 내부 및 외부로 이동하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 시스템은 적어도 하나 이상의 가열 요소 및 컨베잉 어셈블리에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 컨베잉 어셈블리를 통해 하나 이상의 전구체를 갖는 제1 기판을 입구를 통해 가열 구역으로 이동시키고; 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해, 상기 가열 구역의 제1 기판을 제1 기간 동안 적어도 500℃의 제1 온도에 노출시키며; 및 상기 컨베잉 어셈블리를 통해, 하나 이상의 소결 물질을 갖는 제1 기판을 상기 가열 구역으로부터 출구를 통해 이동시키는 명령을 저장한다.
하나 이상의 실시양태에서, 소결 용광로는 하우징, 디스펜서, 적어도 하나 이상의 가열 요소, 샘플 수집기(sample collector) 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 내부 부피(interior volume), 상기 내부 부피에 대한 입구 및 상기 내부 부피로부터의 출구를 정의할 수 있다. 상기 디스펜서는 상기 하우징의 입구에 하나 이상의 전구체 입자를 제공하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 가열 요소는 입구와 출구 사이의 하우징의 내부 부피 내에 배치될 수 있다. 각 가열 요소는 하나 이상의 전구체 입자에 온도 프로파일을 적용하도록 구성될 수 있다. 상기 샘플 수집기는 상기 하우징의 출구에서 하나 이상의 소결 입자를 받도록 구성될 수 있다. 상기 제어 시스템은 적어도 하나 이상의 가열 요소에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함할 수 있으며, 상기 제어 시스템이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해 하나 이상의 전구체 입자를 적어도 500℃의 제1 온도에 제1 기간 동안 노출시키도록 한다.
본 개시의 다양한 혁신 중 임의의 것은 조합하여 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 이 요약은 아래의 상세한 설명에서 하기에 추가로 설명되는 단순화된 형태로 일부 개념을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 주요 특징 또는 필수적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 사용하려는 것도 아니다. 전술한 바와 같은 공개 기술의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 다음의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해질 것이다.
이하, 실시양태는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이며, 도면은 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니다. 해당되는 경우, 일부 요소는 기본 특징의 예시 및 설명을 돕기 위해 단순화되거나 달리 예시되지 않을 수 있다. 도면 전체에서 유사 참조 번호는 유사 요소를 나타낸다.
도 1A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른 고온 소결 용광로(high temperature sintering furnace)의 단순화된 단면도이다.
도 1B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른 고온 소결 용광로를 적용하는 롤-투-롤 처리 시스템(roll-to-roll processing system)의 단순화된 단면도이다.
도 1C는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 입구(inlet) 및 출구(outlet)를 위한 단일 포트(port)를 적용하는 또 다른 고온 소결 용광로의 단순화된 단면도이다.
도 2는 개시된 기술들이 구현될 수 있는 컴퓨팅 환경의 일반화된 실시예를 도시한 것이다.
도 3A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른 고온 소결 용광로의 가열 요소에 대한 예시적인 온도 프로파일의 그래프이다.
도 3B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 소결될 물질을 운반하는 기판(substrate)에 대한 예시적인 다중-온도 프로파일(multi-temperature profile)의 그래프이다.
도 4A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른 고온 소결 용광로를 위한 가열 요소의 단순화된 투시도이다.
도 4B-4C는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 고온 소결 용광로를 위한 예시적인 전기 연결부를 갖는 가열 요소의 단순화된 단면도 및 부분 투시도이다.
도 5A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 단일 용광로(single furnace)를 적용하는 예시적인 2-단계 가열 시스템의 단순화된 단면도이다.
도 5B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 별도의 용광로를 적용하는 예시적인 2-단계 가열 시스템의 단순화된 단면도이다.
도 6은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 단일 용광로에서 다수의 가열 요소를 사용하는 예시적인 배치 처리 시스템(batch processing system)의 단순화된 단면도이다.
도 7A-7B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 외부 표면의 능동 냉각을 갖는 예시적인 고온 소결로의 단순화된 단면도이다.
도 8A-8B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 쉴드 가스 흐름(shield gas flow)을 위한 노즐을 갖는 가열 요소의 단순화된 투시도 및 단면도이다.
도 8C는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 쉴드 가스 흐름을 위한 노즐이 통합된 고온 소결 용광로의 단순화된 단면도이다.
도 9는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 가열 및 가압을 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 작동을 예시하는 일련의 단순화된 단면도이다.
도 10은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 컨베이어 벨트의 일부를 가열 요소로 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 단순화된 단면도이다.
도 11A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 한 쌍의 반대되는 가열 요소 및 기판 이송을 적용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 투시도이다.
도 11B는 도 11A의 고온 소결 용광로의 작동을 예시하는 일련의 단순화된 단면도이다.
도 12A-12B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 한 쌍의 반대되는 가열 요소, 물질 압축 및 물질 전달을 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부의 단순화된 단면도 및 사시도이다.
도 13A-13B는 본 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 물질 전달 없이 한 쌍의 반대되는 가열 요소를 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부의 단순화된 단면도 및 투시도이다.
도 14A-14B는 본 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 물질 압축이 있고 물질 전달이 없는 한 쌍의 반대되는 가열 요소를 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 단면도 및 투시도이다.
도 15A-15C는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 능동 외부 냉각(active exterior cooling)을 적용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 단순화된 출구 측면, 투시도, 및 부분 투시도이다.
도 16A-16C는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 내부 절연 및 쉴드 가스 흐름(shielding gas flow)을 적용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 단순화된 단면도, 투시도 및 부분 투시도이다.
도 17A-17B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 각각 능동 냉각을 적용하는 예시적인 고온 소결 용광로 및 단열재를 적용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 내부 부피의 단순화된 단면도이다.
도 18A-18B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 쉴드 가스 흐름을 위해 하나 이상의 쉘(shell)을 사용하는 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 단면도 및 투시도이다.
도 19A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 물질 및 한 쌍의 가열 요소의 로봇 로딩(loading)/언로딩(unloading)을 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 투시도이다.
도 19B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 물질 및 복수의 가열 요소 쌍의 로봇 로딩/언로딩을 사용하는 또 다른 예시적인 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 투시도이다.
도 20은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 컨베이어(conveyor) 상에서 전구체 입자 디스펜싱을 사용하는 예시적인 고온 소결 용광로의 일부에 대한 단순화된 투시도이다.
도 21A는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 예시적인 가스-지원 흐름-관통 고온 소결 용광로(gas-supported flow-through high temperature sintering furnace)의 일부의 단순화된 단면도이다.
도 21B는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 도 21A의 소결 용광로에서 사용될 수 있는 예시적인 흐름-관통 가열 요소의 단순화된 평면도이다.
도 22는 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라, 고온 소결 용광로를 통한 예시적인 중력 방향 흐름의 일부의 단순화된 투시도이다.
일반적인 고려 사항
본 설명의 목적을 위해, 본 개시의 실시양태의 특정 양태, 장점 및 새로운 특징이 본 명세서에 설명되어 있다. 개시된 방법 및 시스템은 어떠한 방식으로든 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 대신, 본 개시는 개시된 다양한 실시양태의 모든 신규하고 명백하지 않은 특징 및 양태를 단독으로 또는 서로 다양한 조합 및 하위 조합으로 지시한다. 상기 방법 및 시스템은 특정 양태나 특징 또는 이들의 조합에 한정되지 않으며, 개시된 실시양태에서 하나 이상의 특정 이점이 존재하거나 문제가 해결될 것을 요구하지도 않는다. 임의의 실시양태 또는 실시예의 기술은 하나 이상의 다른 실시양태 또는 실시예에 설명된 기술과 결합될 수 있다. 개시된 기술의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시양태를 고려할 때, 예시된 실시양태 예시적인 것일 뿐이며 개시된 기술의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점을 인식해야 한다.
개시된 방법들 중 일부의 연산들은 편리한 표현을 위해 특정한 순차적 순서로 설명되었지만, 하기에 명시된 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한, 이러한 설명 방식은 재배열을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 순차적으로 설명된 작업은 경우에 따라 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 또한, 단순화를 위해 첨부된 도면에는 개시된 방법이 다른 방법과 함께 사용될 수 있는 다양한 방법이 표시되지 않을 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 때때로 "제공(provide)" 또는 "달성(achieve)"과 같은 용어를 사용하여 개시된 방법을 설명한다. 이러한 용어는 실제 수행되는 작업에 대한 높은-수준의 추상적 개념이다. 이러한 용어에 해당하는 실제 작업은 특정 구현에 따라 달라질 수 있으며 당업자가 쉽게 식별할 수 있다.
수치 범위의 공개는 달리 명시되지 않는 한, 종점을 포함하여 범위 내의 각 개별 지점을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 명세서 또는 청구범위에 사용된 성분, 분자량, 백분율, 온도, 시간 등의 수량을 나타내는 모든 숫자는 "약(about)"이라는 용어에 의해 수정된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 암시적 또는 명시적으로 표시되지 않는 한, 또는 문맥이 당업자에 의해 보다 명확한 구성으로 적절히 이해되지 않는 한, 명시된 수치 파라미터는 당업자에게 알려진 바와 같이 표준 테스트 조건/방법 하에서 원하는 특성 및/또는 검출 한계에 의존할 수 있는 근사치이다. 실시양태 논의된 선행 기술로부터 직접적이고 명시적으로 구별할 때, "약(about)"이라는 단어가 인용되지 않는 한, 실시양태 수치는 근사치가 아니다. "실질적으로(substantially)", "대략적으로(approximately)", "약(about)" 또는 이와 유사한 언어가 특정 값과 함께 명시적으로 사용될 때마다, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 해당 값의 최대 10%까지를 포함하는 변형을 의도한다.
지시 및 기타 관련 참조는 본 문서의 도면 및 원리에 대한 논의를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있지만, 이를 제한하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, "내부(inner)", "외부(outer)", "상부(upper)", "하부(lower)", "상단(top)", "하단(bottom)", "안쪽(interior)", "바깥쪽(exterior)", "왼쪽(left)", "오른쪽(right)", "앞쪽(front)", "뒤쪽(back)", "후면(rear)" 등과 같은 특정 용어가 사용될 수 있다. 이러한 용어는 해당되는 경우, 특히 예시된 실시양태와 관련하여 상대적인 관계를 다룰 때 설명의 명확성을 제공하기 위해 사용된다. 그러나 이러한 용어는 절대적인 관계, 위치 및/또는 방향을 암시하기 위한 것이 아니다. 예를 들어, 물체와 관련하여, "상부(upper)" 부분은 단순히 물체를 뒤집는 것만으로 "하부(lower)" 부분이 될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 여전히 동일한 부분이며 물체는 동일하게 유지된다.
본원에 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"은 "포함하는(including)"을 의미하며, 상기 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 단수형 "a" 또는 "an" 또는 "the"는 복수를 포함한다. 상기 용어 “또는(or)”은 문맥에서 달리 명시되지 않는 한 명시된 대체 원소 중 단일 원소 또는 둘 이상의 원소의 조합을 의미한다.
본 문서에 명시된 다양한 구성 원소, 매개변수, 작동 조건 등에 대한 대안이 있지만, 그렇다고 해서 이러한 대안이 반드시 동등하거나 성능이 동일하다는 의미는 아니다. 또한 달리 명시되지 않는 한, 대안이 선호되는 순서대로 나열되어 있다는 의미도 아니다. 달리 명시되지 않는 한, 하기에 정의된 그룹 중 어느 것이라도 대체되거나 대체되지 않을 수 있다.
달리 설명되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 개시의 실험 또는 테스트에서 본원에 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 사용될 수 있지만, 적절한 방법 및 재료가 하기에 설명되어 있다. 상기 재료, 방법 및 실시예는 예시적인 것일 뿐이며 제한하려는 의도는 없다. 현재 개시된 주제의 특징은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항으로부터 명백해질 것이다.
용어의 개요(Overview of Terms)
특정 용어 및 약어에 대한 다음의 설명은 개시된 주제의 다양한 양태에 대한 설명을 용이하게 하고 당업자에게 개시된 주제의 실행을 안내하기 위해 제공된다.
열 충격(Thermal shock): 약 10초 미만의 지속 기간 동안의 소결 온도 적용한다. 일부 실시양태에서, 소결 온도 적용 기간의 지속 시간은 약 1 마이크로초 내지 약 10초 범위, 예를 들어 약 55 밀리초이다.
소결 온도(Sintering temperature): 전원이 공급될 때(예를 들어, 전류 펄스의 적용에 의해) 가열 요소 표면의 최대 온도이다. 일부 실시양태에서, 상기 소결 온도는 적어도 500℃ 이상, 예를 들어 1000-3000℃의 범위이다. 일부 실시양태에서, 상기 용광로 내에서 소결되는 물질의 온도는 가열 요소의 온도와 일치하거나 실질적으로 일치할 수 있다(예를 들어, 10% 이내).
불활성 기체(Inert gas): 소결 온도에 노출될 때 화학 반응을 일으키지 않는 가스. 일부 실시양태에서, 상기 불활성 가스는 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 헬륨(helium), 네온(neon), 크립톤(krypton), 크세논(xenon), 라돈(radon), 오가네손(oganesson) 또는 전술한 것들의 임의의 조합이다.
내화성 물질(Refractory material): 용융 온도가 적어도 1000℃ 이상, 예를 들어 적어도 1580℃ 이상인 물질(예를 들어, 원소 또는 화합물)이다. 일부 실시양태에서, 내화성 물질은 본원에 참조로 통합된 ASTM C71-01, "내화물에 관한 표준 용어(Standard Terminology Relating to Refractories)"(2017년8월)에 정의된 바와 같을 수 있다.
내화성 금속(Refractory metal): 용융점이 적어도 1000℃ 이상, 예를 들어 적어도 1850℃ 이상인 금속 또는 금속 합금. 일부 실시양태에서, 내화성 금속은 니오븀(niobium), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈륨(tantalum), 텅스텐(tungsten), 레늄(rhenium) 또는 이들의 합금 중 하나이다.
금속(Metal): 알칼리 금속(alkali metals), 알칼리 토금속(alkaline earth metals), 전이 금속(transition metals), 란타나이드(lanthanides) 및 악티나이드(actinides)를 포함하여 주기율표에서 금속으로 분류되는 개별 화학 원소와 스테인리스 스틸(stainless steel), 황동(brass), 청동(bronze), 모넬(monel) 등과 같이 이러한 금속으로 형성된 합금을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
개요
도 1A는 예시적인 고온 소결 용광로 시스템(100)을 도시한다. 상기 소결 용광로 시스템(100)은 입구(110), 출구(112) 및 이동 방향을 따라 입구(110)와 출구(112) 사이에 배치된 내부 부피(114)를 포함 및/또는 정의하는 하우징(108)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 부피(114)를 정의하는 하우징(108)의 내부 표면은 하나 이상의 저-방사율 물질(low-emissivity materials)(예컨대, 금(gold), 크롬(chromium), 아연(zinc), 구리(copper), 은(silver), 알루미늄(aluminum), 실리콘(silicon), 납(lead) 등)로 형성되거나 코팅될 수 있으며, 이러한 재료는 용광로(100)의 효율을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 상기 입구(110)는 높이(예컨대, 이동 방향에 수직인 방향)를 갖는 개구부(ti)를 정의할 수 있고, 상기 출구(112)는 높이(예컨대, 이동 방향에 수직인 방향)를 갖는 개구부(to)를 정의할 수 있다. 일부 실시양태에서, 입구 높이(ti)및/또는 출구 높이(to)는 소결될 재료가 입구(110)에 접촉하지 않고 유입되고 소결된 재료가 출구(112)에 접촉하지 않고 배출되도록 허용하면서 가능한 한 작도록 선택될 수 있다.
가열 요소(116)는 입구(110)와 출구(112) 사이의 위치(예를 들어, 이동 방향을 따라 입구와 출구 사이의 실질적으로 중간)에 있는 하우징(108)의 내부 부피(114) 내에 배치될 수 있다. 상기 가열 요소(116)는 예를 들어, 도3A-3B와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 가열 영역(124)에 열 충격 프로파일을 가할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소는 예를 들어 탄소, 흑연, 금속 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된 줄 가열 요소(Joule heating element)이다. 전력 소스(118)(예컨대, 파형 발생기와 같은 전류 소스)와 상기 가열 요소(116) 사이의 전기적 접촉은 각각의 피드스루(feedthroughs) 또는 패스-스루(pass-throughs)(120a, 120b)(예컨대, 내화성 물질로 형성됨)를 통해 연장되는 배선에 의해 이루어질 수 있다. 컨트롤러(122)는 예를 들어, 상기 가열 구역(124)을 열 충격 프로파일에 노출시키는 가열 요소(116)에 전류 펄스를 인가하도록 전류 소스(118)를 제어하기 위해 전류 소스(118)에 작동적으로 결합되어 그 작동을 제어할 수 있다. 줄 가열 대신 또는 이에 부가하여, 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소는 열 충격 프로파일을 생성할 수 있는 임의의 다른 가열 소스, 예를 들어 마이크로파 가열 소스, 레이저, 전자 빔 장치, 스파크 방전 장치 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 1A의 예시적인 실시예에서, 가열 요소(116)는 예를 들어, 복사 가열을 제공하기 위해 가열 영역(124) 내의 소결될 재료로부터 간격(g)(예를 들어, 가열 요소와 소결될 물질의 상부 표면 및/또는 재료 이동 방향에 수직인 방향을 따라 소결된 물질 사이의 최소 간격)만큼 이격되어 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 가열 요소(116)는 전도성 가열을 제공하기 위해 소결될 물질과 접촉하도록 이동될 수 있다. 예를 들어, 작동기(예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이)는 열 충격 가열을 목적으로 상기 가열 요소(116)를 소결될 재료 쪽으로(예를 들어, 갭, g를 0으로 감소시키기 위해) 변위시킨 다음, 물질을 하우징 밖으로 이송하기 위한 목적으로 소결된 물질로부터 멀리(예를 들어, 갭, g를 안전한 거리로 증가시키기 위해) 변위시키도록 제공될 수 있다. 도 1A의 실시예는 단 일 가열 요소(116)만을 도시하지만, 개시된 주제의 실시양태는 이에 한정되지 않는다. 오히려, 예를 들어, 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 직렬 가열(예를 들어, 하우징(108)을 통과하는 이동 방향을 따라 서로 다른 위치에 가열 요소를 배치함으로써) 및/또는 병렬 가열(예를 들어, 소결될 재료의 반대편에 가열 요소를 배치함으로써)을 제공하기 위해 복수의 가열 요소가 제공될 수 있다.
도 1A의 예시적인 실시예에서, 상기 내부 부피(114)는, 예를 들어, 내부 부피(114)를 정의하는 하우징(108)의 내부 측벽과 하우징(108)을 통해 이동하는 구성요소(예컨대, 컨베이어 벨트(102)) 사이에 상당한 거리를 두고, 실질적으로 개방되어 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 내부 부피(114)의 크기는 가열 영역(124)의 부피(예를 들어, 열 충격 동안 소결 온도의10% 내에 있는 영역)보다 적어도 10배 이상(예를 들어, 적어도100배 이상) 클 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 일부 실시양태에서, 내부 부피(114)의 크기는 가열 요소의 부피보다 적어도 107배 더 클 수 있다. 예를 들어, 스테인리스 스틸 챔버 또는 하우징에서 탄소 기반 줄 가열(예를 들어, 약 10 cm x 1 cm x 0.2 cm의 치수를 갖는)의 온도를 ~3000℃로 유지하려면~ 15 kW의 전력이 필요할 수 있다. 상기 하우징의 크기가 약 1.87m x 1.87m x 1.87m(부피비 3.4 × 106)인 경우 용광로 또는 단열재를 냉각하지 않으면 하우징 외벽의 온도가 최대 200℃에 도달할 수 있다. 반대로 챔버의 크기를 약 2.8m × 2.8m × 2.8m(부피비 약 1.0 × 107)로 늘리면 하우징 외벽의 온도를 약 100℃로 유지할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 상기 입구(110) 및 출구(112) 사이의 용광로 하우징(108) 내의 이동 길이(Ltravel)는 상기 가열 구역(124)의 길이(LHZ)보다 적어도10배(예를 들어, 적어도 100배 이상) 더 클 수 있다. 이러한 구성은 열 충격 프로파일의 결론에서 가열 요소(116)의 급속 냉각(예컨대, 소결된 재료의 수반되는 급속 냉각)에 도움이 될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 내부 부피(114)의 크기는 예를 들어, 가열 구역(124)과 하우징(108)의 벽들 사이에 배치된 단열재에 의해 감소될 수 있다. 이러한 단열은 열 충격 동안 도달한 고온이 하우징(108) 및/또는 주변 환경의 외부 표면으로 전달되는 것을 방지하는 데 유용할 수 있다.
이송 어셈블리(transport assembly)는 입구(110)를 통해 하우징(108)의 내부 부피(114) 내로 소결될 물질을 이동시키고, 출구(112)를 통해 하우징(108)의 내부 부피(114) 밖으로 소결된 물질을 이동시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 이송 어셈블리는 컨베이어 벨트(102)(예컨대, 연속 벨트), 하나 이상의 구동 롤러(104A, 104B)(예컨대, 회전 모터를 포함하거나 이에 결합된) 및 하나 이상의 지지 롤러(106A, 106B)(예컨대, 패시브 롤러)로 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 상기 구동 롤러들(104a, 104b)은 하우징(108) 외부에 유지되고, 따라서 열 충격 동안 하우징(108) 내에서 생성되는 고온으로부터 절연될 수 있다. 지지 롤러(106A, 106B)는 하우징(108) 내에 배치되기 때문에, 내화성 금속(예컨대, 텅스텐)으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 지지 롤러(106a, 106b)가 상기 가열 구역(124)으로부터 충분한 간격을 두고 배치되는 경우, 비-내화성 금속(예를 들어, 스테인리스 스틸)로 형성될 수 있다.
상기 컨베이어 벨트(102)는 소결 온도의 하나 이상의 적용을 견딜 수 있는 유연한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 컨베이어 벨트(102)는 흑연과 같은 탄소-기반 물질로 형성될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 컨베이어 벨트(102)는 소결 온도를 견딜 수 없는 물질로 형성될 수 있다(예를 들어, 용융, 탄화, 또는 다른 열화 효과로 인해). 예를 들어, 일부 실시양태에서, 컨베이어 벨트는 폴리머 직물로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 소결될 물질은 컨베이어 벨트에서 고온 지지대(도시되지 않음) 또는 가열 구역 내의 가열 요소 표면으로 이송될 수 있고, 임의의 소결된 물질은 내부 부피(114)에서(예를 들어, 가열 구역(124)에서) 이송을 위해 컨베이어 벨트로 다시 전달될 수 있다.
작동 시, 소결될 물질(128i)은 입구(110)를 통해 하우징(108) 내로 이송될 수 있고, 소결된 물질(128s)은 출구(112)를 통해 하우징(108) 외부로 이송될 수 있다. 일부 실시양태에서, 소결될 물질(128i)은 나노 입자 및/또는 전구체(예컨대, 원소 금속의 염화물 또는 수화물 형태와 같은 금속 염)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 소결될 물질(128i)은 폴리머 필름(예컨대, 그린 테이프)과 같은 기판 상에 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 소결될 물질(128i)(및 임의의 기판)과 컨베이어 벨트(102)의 조합은 입구 두께(ti) 및/또는 출구 두께(to)보다 약간 작은 최대 두께(tm)를 가질 수 있다. 예를 들어, 입구 두께(ti), 출구 두께(to) 또는 둘 다 두께(tm)보다 적어도 10% 이상 더 클 수 있는데, 이는 하우징(108) 내의 고온에 하우징(108)의 주변이 노출되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수도 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 입구 두께(ti), 출구 두께(to) 또는 둘 다는 두께(tm)의 2배 이하일 수 있다.
상기 이송 어셈블리의 특정 구성이 도 1A에 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 지지 롤러(106A, 106B) 중 하나 또는 둘 모두가 제거될 수 있거나, 하우징(108) 내부 또는 외부에 추가적인 지지 롤러가 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 구동 롤러는 구동 롤러(104a, 104b)에 추가로 또는 그 대신에 하우징(108) 내에 제공될 수 있다. 게다가, 도 1A의 실시예에서 연속 컨베이어 벨트(102)가 채용되었지만, 일부 실시양태에서, 이송 어셈블리는 대신 롤-투-롤 프로세싱 구성(roll-to-roll processing configuration)을 채용할 수 있다.
예를 들어, 도 1B는 롤-투-롤 구성을 갖는 예시적인 소결 용광로 시스템(130)을 예시하는데, 공급 롤(supply roll) (132)이 언롤(unroll)되어 컨베이어 물질(136)을 입구(110)로 공급하고, 출구(112)로부터 처리된 컨베이어 물질(136)이 출력 롤(134) 상에 감겨진다. 일부 실시양태에서, 상기 컨베이어 물질(136)은 소결될 물질(예를 들어, 실질적으로 고체 형태인 하나 이상의 전구체)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 컨베이어 물질(136)은 예를 들어 하나 이상의 전구체가 컨베이어 물질(136)의 적어도 하나의 표면 상에 미리 로딩되고 공급 롤(132) 주위에 권취된 상태에서 소결될 물질을 위한 지지체로서 역할을 할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 표면은 일단 가열 구역으로 공급되면 가열 요소(116)를 향하게 된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 컨베이어 물질(136)은 예를 들어, 컨베이어 물질을 형성하는 섬유(예를 들어, 탄소 나노 섬유) 상에 하나 이상의 전구체(예를 들어, 나노 입자)를 갖는 소결될 물질을 지지할 수 있다.
도1A-1B의 실시예들에서, 상기 하우징(108)은 출구(112)와 분리된 입구(110)를 가지며, 상기 컨베이어 벨트 또는 물질은 입구(110)와 출구(112) 사이의 내부 부피(114)을 통해 연장된다. 그러나, 다른 실시양태들에서, 단일 포트는 상기 가열 구역에 소결될 물질을 제공하고 그로부터 소결된 물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 단일 포트 구성은 예를 들어, 상기 하우징의 내부 부피에서 열이 빠져나가거나 불순물이 하우징 외부에서 내부 부피로 유입될 수 있는 개구부를 최소화함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 1C는 로딩/언로딩 단계(140) 및 소결 단계(152)를 포함하는 예시적인 단일 포트 소결 용광로 시스템을 도시한다. 전술한 실시예들과 유사하게, 하우징(150)은 가열 요소(116)가 제공되는 내부 부피(146)를 정의한다. 그러나, 하우징(150)은 물질이 도입된 후 나중에 내부 부피(146)에서 제거되는 단일 입구/출구 포트(148)를 포함한다. 상기 소결될 물질(128i)은 물질 지지 부재(142)(예를 들어, 강성 기판) 상에 배치될 수 있고, 이는 소결 단계(152)에 도시된 바와 같이 소결을 위해 물질(128i)을 배치하기 위해 작동 어셈블리(actuation assembly)(144)를 통해 입구/출구 포트(148)를 통해 측면으로 변위될 수 있다. 예시된 실시예에서, 작동 어셈블리(144)는 드로인 페이지에 수직인 축을 중심으로 회전하는 한 쌍의 롤러를 사용한다. 또는, 일부 실시양태에서, 작동 어셈블리(A)는 회전 스테이지를 이용하는데, 여기서, 작동 부재(142)를 드로잉 페이지에 평행한 축(예를 들어, 가열 요소와 가열 영역 내 물질 사이의 갭(G)에 평행한 축)을 중심으로 회전시킨다.
상기 기재된 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 가열 요소는 가열 구역 내의 물질에 열 충격 프로파일을 가할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(122)는 전력 소스(118)를 제어하여 가열 요소(116)에 단-기간 전류 펄스를 인가함으로써 가열 요소가 소결 온도로 급격히 상승하고, 소정의 소결 시간 동안 소결 온도에서 체류한 후, 소결 온도에서 급격히 냉각되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 3A는 열 충격 프로세스를 수행하기 위해 가열 요소에 의해 생성될 수 있는 온도 프로파일(300)을 나타낸다. 제1 소결 단계(302a) 동안, 소결 온도(TH)(예를 들어, 적어도 500℃ 이상, 예를 들어, 1000-3000℃의 범위, 예를 들어, ~ 2000℃ 이상을 포함)가 비교적 짧은 기간 동안 제공될 수 있다(예를 들어, 60초 이하, 예를 들어, 약 1 μs 내지 10초 범위, 예를 들어, ~ 10초를 포함). 일부 실시양태에서, 고온은 모든 구성 전구체 물질을 용융시키거나 고온 균일 혼합을 유도하기에 충분할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 온도 프로파일(300)은 소결 온도(TH)로 및/또는 소결 온도로부터의 급속한 전이를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 온도 프로파일(300)은 가열 램프율(RH)을 나타낼 수 있다(예를 들어, 예를 들어, 실온(예컨대, 20-25℃) 또는 상승된 주변 온도(예컨대, 100-200℃)와 같은 기본 온도(TL)로부터 소결 온도(TH)로의 가열 램프 속도(예컨대, 102-104℃/s)가 적어도 10℃/s 이상 포함할 수 있다. 상기 온도 프로파일(300)은 냉각 램프율(RC)(예를 들어, 소결 온도(TH)로부터 기본 온도(TL)로 및/또는 소결 온도(TH)로부터 전구체의 구성 물질 중 하나 이상의 용융 온도까지)이 적어도 102℃/s, 예를 들어, 103 -104℃/s를 더 나타낼 수 있다. 예를 들어, 열 충격 시스템 및 방법은 "나노입자 및 열 충격을 통해 나노입자를 합성하기 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 미국 공개 번호 2018/0369771, "열 충격을 통해 나노입자를 합성하는 방법"이라는 제목의 미국 공개 번호2019/0161840, "고온 소결 시스템 및 방법"이라는 제목의 국제 공개 번호 WO 2020/236767, "단일 원자 분산액 및 다중 원자 분산액의 고온 합성을 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 국제 공개 번호 WO 2020/252435에 기재된 것과 유사할 수 있으며, 모두 본 문서에 참조로 통합되어 있다.
일부 실시양태에서, 상기 열 충격 노출은 예를 들어, 물질이 가열 구역으로 이송되고, 소결 온도에 노출되는 동안 실질적으로 고정된 상태로 유지된 다음, 냉각 중 또는 냉각 후에 가열 구역 밖으로 이송되는 일괄적인 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 상기 온도 프로파일(300)은 후속 소결 단계(302b)를 포함할 수 있는데, 이는 실질적으로 동일할 수 있지만 지연(t2)에 의해 제1 소결 단계(302a)와 시간적으로 상쇄될 수 있다. 일부 실시양태에서, 지연(t2)은 가열 구역으로부터 소결된 물질(또는 그 세트)를 제거하고/제거하거나 가열 구역에 다음 소결될 물질(또는 그 세트)을 도입하는 시간 기간과 동일하거나 그 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, t2는 소결 시간 기간(t1) 보다 작을 수 있다(예컨대, 적어도 그보다 한 자릿수 더 작음). 대안적으로 또는 추가적으로, t2는 t1와 실질적으로 동일하거나 t1보다 클 수 있다.
대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 열 충격 노출은 연속적인 방식으로 수행될 수 있는데, 예를 들어, 상기 가열 요소가 열 충격 프로파일을 제공하는 동시에 물질이 가열 구역 내로 및 가열 구역을 통해 이송되는 경우이다. 이러한 실시양태에서, 상기 가열 구역을 통과하는 각 물질이 원하는 소결 시간과 실질적으로 동등한 누적 시간(예를 들어, 소정의 최대 시간 미만) 동안 소결 온도에 노출되도록 가열 구역을 통과하는 통과 시간 및 열 충격 프로파일을 조정할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 열 충격 노출은 적어도 부분적으로는 가열 구역을 통과하는 물질의 이동에 의해 생성될 수 있다(예를 들어, 여기서 t1=LHZ÷(가열 영역을 통과하는 물질의 이동 속도)).
일부 실시양태에서, 상기 소결될 물질은 열 충격 프로파일 이전에, 예를 들어, 후속 열 충격을 위해 전구체 물질 및/또는 전구체 물질을 지지하는 기판을 준비하기 위한 예비 온도 프로파일에 노출될 수 있다. 예를 들어, 도 3B는 소결될 물질에 의해 경험되는 다-단계 온도 프로파일(310)을 도시한다. 예열 단계(312)에서, 상기 물질은 지속 시간((T3)동안 중간 온도(TI)에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 예열 단계(312)는 탄화 단계일 수 있으며, 여기서 중간 온도(T1)는 소결될 물질을 지지하는 기판이 탄화되도록 하기에 충분한 온도이다. 예를 들어, 중간 온도(T1)는 200-500℃ 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 온도(T1)는 소결 용광로 하우징 내에 있지만 가열 구역 외부에 있는 기본 온도이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 중간 온도(T1)는 예를 들어, 입구 및 소결 가열 구역 사이의 이동 경로(tavel path)를 따라 배치된 소결 용광로 내의 별도의 가열 요소에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 중간 온도(TI)는 소결 용광로 외부의 별도의 가열 요소, 예를 들어 소결 용광로 하우징의 입구 업스트림의 별도의 하우징 또는 단순히 입구 이전의 소결 용광로 하우징 외부에 배치된 별도의 가열 요소에 의해 생성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 예열 단계(312)의 지속 시간(t3)은 소결 지속 시간(t1) 및/또는 이송 지속 시간(t2)보다 클 수 있다. 대안적으로, 예열 단계(312)의 지속 시간(t3)은 t1 및 t2 중 하나 또는 둘보다 작을 수 있다. 일부 실시양태에서, 예열 단계(312)의 지속 시간(t3)은 실질적으로 t1과 같을 수 있는데, 예를 들어 업스트림 기판의 탄화가 다운스트림 기판 상의 물질의 소결과 동시에 발생할 때이다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 예열 단계(312)의 지속 시간(t3)은, 예를 들어, 기판의 탄화가 가열 영역으로 이동하는(en route) 동안 발생하는 경우, 실질적으로 t2와 같을 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 예열 단계(312) 후에, 상기 물질은 소결 단계(302)로 전달되기 전에 이송 단계(314)를 통과할 수 있다. 예를 들어,상기 이송 단계(314)는 물질이 예열 영역(예를 들어, 소결 용광로의 상류에 있는 하우징, 또는 소결 용광로 내에 있지만 소결 가열 구역의 상류에 있는 구역)으로부터 소결 가열 구역으로 이동하는 시간에 대응할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 이송 단계(314)의 지속 시간(t4)은, 예를 들어, 다운스트림 기판이 소결 가열 구역으로부터 이동되는 것과 동시에 업스트림 물질이 예열 구역으로부터 이동될 때, 실질적으로 t2와 동일할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 이송 단계(314)의 지속 시간(t4)은, 예를 들어, 소결 단계(302)가 기본 온도(Tt)가 아닌 중간 온도(TI)로부터 직접 진행되는 경우, 0 이거나 0에 가까울 수 있다.
컴퓨터 구현(Computer Implementation)
도 2는 컨트롤러(122)의 양상 및/또는 개시된 소결 용광로 시스템의 동작 방법과 같이, 설명된 혁신이 구현될 수 있는 적합한 컴퓨팅 환경(231)의 일반화된 실시예를 도시하고 있다. 상기 컴퓨팅 환경(231)은, 혁신이 다양한 범용 또는 특수 목적 컴퓨팅 시스템에서 구현될 수 있기 때문에, 사용 범위 또는 기능에 대한 어떠한 제한을 제안하기 위한 것이 아니다. 예를 들어, 컴퓨팅 환경(231)은 다양한 컴퓨팅 디바이스(예컨대, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등) 중 어느 것이라도 될 수 있다.
컴퓨팅 환경(231)은 하나 이상의 프로세싱 유닛(235, 237) 및 메모리(239, 241)를 포함한다. 도 2에서, 이러한 기본 구성(251)은 점선 내에 포함된다. 상기 프로세싱 유닛들(235, 237)은 컴퓨터 실행 가능한 명령어들을 실행한다. 프로세싱 유닛은 범용 중앙 처리 장치(CPU), 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)의 프로세서 또는 다른 유형의 프로세서일 수 있다. 다중-프로세싱 시스템에서는 여러 프로세싱 장치가 컴퓨터 실행 명령을 실행하여 프로세싱 능력을 높인다. 예를 들어, 도 2는 중앙 처리 유닛(235)과 그래픽 처리 유닛 또는 공동 처리 유닛(237)을 도시한다. 상기 유형 메모리(239, 241)는 휘발성 메모리(예컨대, 레지스터, 캐시, RAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 등) 또는 이 둘의 일부 조합일 수 있으며, 프로세싱 유닛(들)에 의해 액세스될 수 있다. 메모리(239, 241)는 프로세싱 유닛(들)에 의해 실행하기에 적합한 컴퓨터 실행 가능한 명령어의 형태로, 본원에 설명된 하나 이상의 혁신을 구현하는 소프트웨어(233)를 저장한다.
컴퓨팅 시스템은 추가 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 컴퓨팅 환경(231)은 저장(261), 하나 이상의 입력 디바이스(271), 하나 이상의 출력 디바이스(281) 및 하나 이상의 통신 연결(291)을 포함한다. 버스, 컨트롤러 또는 네트워크와 같은 상호 연결 메커니즘(도시되지 않음)은 컴퓨팅 환경(231)의 구성 요소들을 상호 연결한다. 전형적으로, 운영 체제 소프트웨어(도시되지 않음)는 컴퓨팅 환경(231)에서 실행되는 다른 소프트웨어에 대한 운영 환경을 제공하고, 컴퓨팅 환경(231)의 구성 요소들의 활동을 조정한다.
상기 유형 저장소(261)는 이동식 또는 비-이동식일 수 있으며, 자기 디스크, 자기 테이프 또는 카세트, CD-ROM, DVD, 또는 비-이동식 방식으로 정보를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨팅 환경(231) 내에서 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 상기 저장소(261)는 본원에 설명된 하나 이상의 혁신을 구현하는 소프트웨어(233)에 대한 명령어를 저장할 수 있다.
상기 입력 장치(들)(271)는 키보드, 마우스, 펜, 또는 트랙볼과 같은 터치 입력 장치, 음성 입력 장치, 스캐닝 장치, 또는 컴퓨팅 환경(231)에 입력을 제공하는 다른 장치일 수 있다. 상기 출력 장치(들)(271)는 디스플레이, 프린터, 스피커, CD-라이터, 또는 컴퓨팅 환경(231)으로부터 출력을 제공하는 다른 장치일 수 있다.
상기 통신 연결(들)(291)은 통신 매체를 통해 다른 컴퓨팅 엔티티와의 통신을 가능하게 한다. 상기 통신 매체는 컴퓨터 실행 명령어, 오디오 또는 비디오 입력 또는 출력, 또는 변조된 데이터 신호의 기타 데이터와 같은 정보를 전달한다. 변조된 데이터 신호는 신호의 정보를 인코딩하는 방식으로 하나 이상의 특성이 설정되거나 변경된 신호이다. 예를 들어, 통신 매체는 전기, 광학, 무선 주파수(RF) 또는 기타 반송파를 사용할 수 있으며 이에 제한되지 않는다.
개시된 방법 중 임의의 방법은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(예: 하나 이상의 광학 미디어 디스크, 휘발성 메모리 구성 요소(예: DRAM 또는SRAM) 또는 비-휘발성 메모리 구성 요소(예: 플래시 메모리 또는 하드 드라이브))에 저장되고 컴퓨터(예: 컴퓨팅 하드웨어를 포함하는 스마트폰 또는 기타 모바일 장치를 포함한 모든 상용 컴퓨터)에서 실행되는 컴퓨터 실행 명령으로 구현할 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체라는 용어에는 신호 및 반송파 등의 통신 연결은 포함되지 않는다. 개시된 기술들을 구현하기 위한 컴퓨터 실행 가능한 명령어들 및 개시된 실시예들을 구현하는 동안 생성되고 사용되는 모든 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터 실행 명령어는 예를 들어, 전용 소프트웨어 애플리케이션 또는 웹 브라우저 또는 다른 소프트웨어 애플리케이션(예컨대, 원격 컴퓨팅 애플리케이션)을 통해 액세스 또는 다운로드되는 소프트웨어 애플리케이션의 일부일 수 있다. 이러한 소프트웨어는 예를 들어 단일 로컬 컴퓨터(예: 적절한 상용 컴퓨터) 또는 하나 이상의 네트워크 컴퓨터를 사용하는 네트워크 환경(예: 인터넷, 광역 네트워크, 로컬 영역 네트워크, 클라이언트-서버 네트워크(예: 클라우드 컴퓨팅 네트워크) 또는 기타 네트워크)에서 실행될 수 있다.
명확성을 위해, 소프트웨어 기반 구현의 특정 선택된 측면만 설명한다. 당업자에게 잘 알려진 다른 세부 사항은 생략한다. 예를 들어, 개시된 기술은 특정 컴퓨터 언어 또는 프로그램에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 예를 들어, 개시된 기술의 측면은 C++, 자바, 펄 또는 기타 적절한 프로그래밍 언어로 작성된 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다. 마찬가지로, 개시된 기술은 특정 컴퓨터 또는 하드웨어 유형에 한정되지 않는다. 적합한 컴퓨터 및 하드웨어의 특정 세부 사항은 잘 알려져 있으며, 본 개시에서 상세히 설명할 필요는 없다.
또한, 본 명세서에 설명된 모든 기능은 적어도 부분적으로는 소프트웨어 대신 하나 이상의 하드웨어 로직 구성요소에 의해 수행될 수 있음을 잘 이해해야 한다. 예를 들어, 사용될 수 있는 하드웨어 논리 구성 요소의 예시적인 유형에는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field-programmable Gate Arrays , FPGA), 프로그램별 집적 회로(Program-specific Integrated Circuits, ASIC), 프로그램별 표준 제품(Program-specific Standard Products, ASSP), 시스템-온-칩 시스템(System-on-a-chip systems, SOC), 복합 프로그래머블 논리 장치(mplex Programmable Logic Devices, CPLD) 등이 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
또한, 소프트웨어-기반 실시양태들 중 임의의 것(예를 들어, 컴퓨터가 개시된 방법들 중 임의의 것을 수행하도록 하기 위한 컴퓨터 실행 가능한 명령어들을 포함)은 적절한 통신 수단을 통해 업로드, 다운로드 또는 원격으로 액세스될 수 있다. 이러한 적합한 통신 수단은 예를 들어, 인터넷, 월드 와이드 웹, 인트라넷, 소프트웨어 애플리케이션, 케이블(광섬유 케이블 포함), 자기 통신, 전자기 통신(RF, 마이크로파 및 적외선 통신 포함), 전자 통신 또는 기타 그러한 통신 수단을 포함한다. 전술한 실시예들 및 실시양태들 중 어느 하나에서, 요청(예컨대, 데이터 요청), 표시(예컨대, 데이터 신호), 명령(예컨대, 제어 신호) 또는 시스템, 구성 요소, 장치 등 간의 다른 통신의 제공은 유선 또는 무선 연결을 통해 적절한 전기 신호의 생성 및 전송에 의해 이루어질 수 있다.
가열 요소 구성(Heating Element Configurations)
일부 실시양태에서, 소결 용광로 시스템의 가열 어셈블리는 줄 가열 요소, 전력 소스, 및 줄 가열 요소를 전력 소스에 결합시키는 전기 배선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4A는 줄 가열 요소(402)를 갖는 가열 어셈블리(400)를 도시한다. 전력 소스(404)(예컨대, 전류 소스)는 각각의 배선(406a, 406b)에 의해 줄 가열 요소(402)의 반대쪽 단부에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 줄 가열 요소(402)는 탄소 나노섬유, 탄소 종이, 탄소 펠트, 탄소 천, 흑연 종이, 흑연 펠트, 흑연 천, 흑연 필름 및/또는 흑연 판과 같은 전도성 탄소 물질로 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 줄 가열 요소(402)는 내화성 금속(예컨대, 텅스텐)과 같은 다른 전도성 물질로 구성될 수 있다. 도 4A는 직사각형 시트 또는 필름(예를 들어, 폭이 약 2㎝ 및 길이가 약 10㎝인)으로 형성된 줄 가열 요소를 예시하지만, 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 다른 형상(예를 들어, 규칙적이거나 임의의 형상)도 가능하다. 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소(402)는 약 30초 이내에 실온에서 소결 온도로 상승한 후, 약 10초의 소결 시간, 그리고 약 5초의 급속 냉각이 뒤따를 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 가열 어셈블리는 열 충격 프로파일에 의해 유도되는 기계적 변화, 예를 들어, 소결 온도로의 가열로 인한 가열 요소의 열 팽창 및 소결 온도로부터의 냉각으로 인한 후속 열 수축을 보상하는 피처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4B-4C는 열 충격 프로파일에 의해 유도된 가열 요소(402)의 크기/형상의 변화를 수용하기 위한 전기 커플링 어셈블리(412a, 412)를 갖는 예시적인 가열 어셈블리(410)를 예시적으로 도시한다. 예를 들어, 각 전기 커플링 어셈블리(412a, 412b)는 한 쌍의 각진 부재 또는 암(arm) (422)을 갖는 바이어스 클립(414)을 포함할 수 있다. 전기 커플링 어셈블리(412a, 412b)는 한 쌍의 전도성 플레이트(416, 418)를 더 포함할 수 있으며, 이 전도성 플레이트는 가열 요소(402)의 단부 부분을 그 사이의 리세스(420) 내에 함께 샌드위치할 수 있다. 각 바이어싱 클립(biasing clip) (414)의 각진 암(422)은 플레이트(416, 418)를 함께 가열 요소(402)의 단부 부분에 확실하게 고정되도록 하는 데 효과적일 수 있다. 예를 들어, 리세스(420)의 높이는 가열 요소(402)의 두께보다 작을 수 있고, 플레이트(416, 418)가 부분적으로 압축되어 가열 요소(402)의 단부 부분에 고정되도록 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 커플링 어셈블리의 구성요소는 전도성일 수 있는데, 예를 들어, 전기 배선(406a, 406b)을 각각의 바이어싱 클립(414)에 연결함으로써 전기 소스(404)로부터 가열 요소(402)로의 전기 연결이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 각각의 바이어싱 클립(414)은 금속(예컨대, 구리, 구리 코팅 스테인리스 스틸 등)으로 형성될 수 있고, 각각의 플레이트(416, 418)는 흑연과 같은 전도성 탄소 기반 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 배선(406a, 406b)은 텅스텐 또는 구리와 은의 조합과 같은 내화성 금속으로 형성될 수 있다. 커플링 어셈블리(412A, 412B)의 구성은 가열 요소의 양호한 전기적 접촉을 유지하면서 가열 요소의 팽창/수축을 허용하고, 구성 금속을 녹이거나 열화시킬 수 있는 가열 요소에 의해 생성되는 고온으로부터 금속 배선 및/또는 금속 클립을 적어도 부분적으로 절연시키는 데 효과적일 수 있다.
2-단계 가열 구성(Two-Stage Heating Configurations)
일부 실시양태에서, 다중 가열 단계는 예를 들어, 예열을 제공하기 위해(예를 들어, 기판 탄화, 전구체 건조, 또는 임의의 다른 목적을 위해) 동일한 용광로 하우징 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 5A는 2-단계 소결 용광로 시스템(500)을 예시하는데, 이는 입구(502), 출구(506), 및/또는 이동 방향을 따라 입구(502)와 출구(506) 사이에 배치된 내부 부피(504)를 포함 및/또는 정의하는 하우징(508)을 구비할 수 있다. 작동 시, 컨베이어 벨트(522)는 기판(510i) 상에 소결될 물질(512i)(예를 들어, 폴리머 필름)을 입구(502)를 통해 하우징(508)의 내부 부피(504) 내로 이송하는 데 사용될 수 있다. 상기 기판(510i) 및 전구체 물질(512i)은 컨베이어 벨트(522)에 의해 예열 단계(514), 예를 들어, 제1 가열 요소(516)의 가열 영역 내에 위치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 예열 단계(514)는 기판을 탄화 물질(510c)로 변환하는 데 효과적일 수 있다. 상기 예열 단계(514) 후에, 컨베이어 벨트(522)는 소결 단계, 예를 들어 소결 가열 요소(116)의 가열 구역(124) 내에서 탄화 물질(510c) 및 전구체 물질(512i)을 소결 단계에 재배치할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 소결 단계(524)는 전구체 물질(512i)을 소결 물질(512s)로 변환하는 데 효과적일 수 있다.
예를 들어, 일부 실시양태에서, 제1 가열 요소(516)는 각각의 전기 도체 피드스루 또는 패스-스루(520a, 520b)를 통과하는 배선을 통해 전력 소스(518)(소결 가열 요소(116)를 구동하는 전력 소스(118)와 다르거나 통합될 수 있음)에 작동적으로 결합된 줄(Joule) 가열 요소일 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 제1 가열 요소(516)는 예를 들어, 500℃ 미만의 온도를 생성할 수 있는 다른 유형의 가열 메커니즘을 이용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨트롤러(122)는 예열 단계(514) 및 소결 단계(524) 모두의 가열 요소(516, 116)의 동작을 제어할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태들에서, 각각의 단계(514, 524)에 대해 별도의 컨트롤러가 제공될 수 있으며, 이들 사이의 통신을 포함하거나 포함하지 않고 이들의 동작을 조율할 수 있다.
일부 실시양태에서, 복수의 가열 단계는, 예를 들어, 초기 예열(예를 들어, 기판 탄화, 전구체 건조, 또는 임의의 다른 목적)을 제공한 후 소결하기 위해, 직렬로 배열된 용광로 하우징을 통해 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 5B는 2-단계 소결 용광로 시스템(500)을 예시하는데, 이는 제1 가열 단계(예컨대, 예열 단계) 및 제2 가열 단계(예컨대, 소결 단계)를 가질 수 있다. 제1 가열 단계(544)는 제1 입구(532), 제1 출구(536) 및 이동 방향을 따라 제1 입구(532)와 제1 출구(536) 사이에 배치된 제1 내부 부피(534)를 포함 및/또는 정의하는 제1 하우징(538)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 가열 단계(554)는 도 1A의 소결 용광로 시스템(100) 또는 본원에 개시된 임의의 다른 소결 용광로 시스템과 유사한 구성(예컨대, 하우징(108), 소결 가열 요소(116) 등)을 가질 수 있다.
작동 시, 컨베이어 벨트(542)는 예를 들어, 입구(532)를 통해 제1 가열 요소(546)의 가열 영역 내의 위치로 운반함으로써, 기판(510i) 상의 소결될 물질(512i)(예를 들어, 폴리머 필름)을 제1 하우징(538)의 제1 내부 부피(534)로 이송하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 가열 단계(544)는 기판을 탄화 물질(510c)로 변환하는 데 효과적일 수 있다. 제1 가열 단계(544) 후에, 상기 컨베이어 블렛(conveyor blet) (542)은 탄화된 물질(510c) 및 전구체 물질(512i)을 출구(536)를 통해 하우징(538) 밖으로 그리고 제2 가열 단계(554)의 하우징(108)의 입구(110) 내로, 예를 들어 소결 가열 요소(116)의 가열 영역(124) 내의 위치로 운반할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 소결 단계(554)는 전구체 물질(512i)를 소결 물질(512s)로 변환하는 데 효과적일 수 있다.
예를 들어, 일부 실시양태에서, 제1 가열 요소(546)는 각각의 전기 도체 피드스루 또는 패스-스루(550a, 550b)를 통과하는 배선을 통해 전력 소스(548)에 작동적으로 결합된 줄 가열 요소(소결 가열 요소(116)를 구동하는 전력 소스(118)와 상이하거나 통합될 수 있음)일 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 제1 가열 요소(546)는 예를 들어, 500℃ 미만의 온도를 생성할 수 있는 다른 유형의 가열 메커니즘을 이용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨트롤러(122)는 제1 가열 단계(544) 및 제2 가열 단계(554) 모두의 가열 요소(546, 116)의 동작을 제어할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 각 단계(544, 554)에 대해 별도의 컨트롤러가 제공될 수 있으며, 이들 사이의 통신을 포함하거나 포함하지 않고 이들의 동작을 조율할 수 있다.
다중 가열 요소 구성(Multiple Heating Element Configurations)
일부 실시양태에서, 복수의 가열 요소는, 예를 들어, 소결될 복수의 물질의 동시 또는 순차적 배치 처리를 제공하기 위해, 동일한 용광로 하우징 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 입구(610), 출구(612) 및 이동 방향을 따라 입구(610)와 출구 사이에 배치된 내부 부피(614)을 포함 및/또는 정의하는 하우징(616)을 포함하는 배치 프로세싱 소결 용광로 시스템(batch processing sintering furnace system)(600)을 예시한다. 배치 프로세싱 소결 용광로 시스템(600)은 또한 내부 부피(614) 내에 배치되고, 예를 들어 각각의 가열 구역(124)이 제1 가열 단계(604), 제2 가열 단계(606) 및 제3 가열 단계(608)를 형성하기 위해 이동 방향을 따라 연속적으로 배치되도록 배열된 복수의 가열 요소(116)를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예에는 3개의 가열 단계(604-608)가 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 더 적은 또는 추가적인 단계도 가능하다.
작동 시, 컨베이어 벨트는 소결될 물질(128i)의 배치를 입구(610)를 통해 내부 부피(614) 내로 이송하는 데 사용될 수 있다. 도 6의 예시적인 실시예에서, 2개의 물질(128i)이 각 가열 영역(124) 내에 배치되지만, 일부 실시양태에서는, 각 가열 구역(124) 내에 더 적은(예를 들어, 하나의 물질(128i)) 또는 추가(예를 들어, 3개 이상의 물질(128i))가 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 물질(128i)의 배치(602)를 처리하기 위해, 가열 요소(116)는 단계(604-608)의 각 가열 영역(124)에서 물질(128i)에 열 충격 프로파일을 제공하기 위해 동시에 통전될 수 있고, 이로써 다수의 소결 물질(128)을 동시에 형성할 수 있다. 그런 다음, 컨베이어 벨트는 출구(612)를 통해 내부 부피(614) 밖으로 소결된 물질 배치(128s)를 이송하는 동시에, 입구(610)를 통해 다음 소결될 물질 배치(128i)를 적재하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 가열 단계들(604-608)은 병렬이 아닌 상이한 시간에 작동할 수 있는데, 예를 들어, 제1 단계(604)의 가열 요소(116)가 가열 구역 내의 물질에 열 충격 프로파일을 제공하고, 이어서 제2 단계(606)의 가열 요소(116)가 그 가열 구역 내의 물질에 열 충격 프로파일을 제공하는 등의 방식이 있다. 상기 배치의 모든 물질이 소결되면, 상기 컨베이어 벨트는 배치를 하우징(616) 밖으로 운반하고/하거나 처리를 위해 다음 배치를 하우징에 로드하는 데 사용될 수 있다.
냉각 시스템 구성(Cooling System Configurations)
열 충격 프로파일은 소결 용광로 하우징 내에서 이러한 고온(예: 1000-3000℃)을 생성하기 때문에, 하우징의 외부 표면은 주변 환경 및/또는 작업자에게 유해할 수 있는 온도(예: 100℃ 이상의 온도)를 나타낼 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열 충격의 고온은 예를 들어, 하우징 벽을 구성 물질의 용융 온도에 근접하거나 초과하는 온도에 노출시킴으로써 소결 용광로의 무결성을 손상시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 소결 용광로 벽 및/또는 하우징의 외부 표면의 온도를 소정의 온도 이하로 유지하기 위한 냉각 시스템이 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 7A는 하우징(108)의 외부 표면과 열 전달하는 냉각 시스템을 채용하는 소결 용광로 시스템(700)을 예시한다. 예시된 실시예에서, 상기 냉각 시스템은 하우징(108)의 상부 표면(706)에 인접하거나, 그 위에 배치되거나, 그 내에 배치되는 제1 유체 도관(704) 및 하우징(108)의 바닥 표면(716)에 인접하거나, 그 위에 배치되거나, 그 내에 배치되는 제2 유체 도관(714)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가 도관은 상기 하우징(108)의 다른 표면과 열 통신을 위해 제공될 수 있다(예를 들어, 도 15A-15C의 구성과 유사). 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태들에서, 유체 도관은 하우징(108) 또는 그 일부의 더 적은 표면들에 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각의 유체 도관(704, 714)은 구불구불하거나 구불구불한 구성을 가질 수 있고, 내부의 유체 흐름은 용광로 하우징(108) 내의 물질의 이동 방향(T)에 직교하거나 적어도 교차하는 방향이 될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 도관(704, 714)을 통한 유체 흐름은 물, 오일, 용융 염 등과 같은 임의의 유형의 열 전달 유체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 유체는 도관(704, 714)을 통해 직렬로 흐를 수 있는데, 예를 들어, 입구 라인(720)을 통해 제1 도관(704)의 출구로부터 제2 도관(714)으로 유체를 향하게 하는 유압 펌프(708)를 사용하고, 제2 도관(714)의 출구로부터 유체는 출구 라인(722)을 통해 제1 도관(704)의 입구로 리디렉션될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 유체는 도관(704, 714)을 통해 병렬로 흐를 수 있는데, 예를 들어, 유압 펌프(708)의 출력이 동시에 도관(704, 714)의 각각의 입구로 향하고 도관(704, 714)의 출구로부터의 토출이 유압 펌프(708)의 입력으로 리디렉션될 수 있다. 직렬 또는 병렬 구성에서, 제1 도관(704)을 통한 유체 흐름의 방향은 제2 도관(714)을 통한 유체 흐름의 방향과 동일할 수 있다. 대안적으로, 제1 도관(704)을 통과하는 유체 흐름의 방향은 제2 도관(714)을 통과하는 유체 흐름의 방향과 반대일 수 있다.
일부 실시양태에서, 컨트롤러(122)는 예를 들어, 외부 표면에 장착된 센서(예컨대, 열전대, 도시되지 않음)에 기초하여 및/또는 용광로 하우징의 외부 표면의 열화상 촬영을 사용하는 것에 기초하여, 하우징(108)의 외부 온도를 미리 결정된 임계값(예를 들어, 100℃ 미만, 50℃ 미만, 또는 30℃ 미만) 이하로 유지하도록 냉각 시스템을 제어하기 위해 그 작동을 제어할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 컨트롤러(122)는 예를 들어, 도관(704, 714)을 통한 유체 속도를 제어하기 위해 유압 펌프(708)에 작동적으로 결합될 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 도관으로부터의 출력은 예를 들어, 냉각 유체 흐름(718)(예컨대, 공기, 물, 오일 등)과 열을 교환하여 도관(704, 714) 내의 유체를 냉각시키기 위해 열 교환기(710)(예컨대, 교차 흐름 열 교환기)로 향하게 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 열 방출 장치(예컨대, 핀-핀 히트 싱크(pin-fin heat sink), 직선 핀 히트 싱크(straight fin heat sink), 또는 플레어 핀 히트 싱크(flared fin heat sink))는 도관(704, 714) 내의 유체를 냉각하기 위해 열 교환기(710)에 부가적으로 또는 대신에 사용될 수 있다.
도 7A의 예시된 실시예에서, 상기 도관들(704, 714)은 구불구불한 구성을 가지지만; 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 다른 도관 구성도 가능하다. 예를 들어, 도 7B는 제1 및 제2 유체 도관(734, 744)이 각각 표면(706, 716)에 인접, 상부 또는 내에 배치된 냉각 시스템을 채용하는 소결 용광로 시스템(730)을 예시한다. 각각의 유체 도관(734, 744)은, 예를 들어, 용광로 하우징(108) 내의 물질의 이동 방향(T)에 평행하게 연장되는 실질적으로 직선적인 구성을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 유체는 도관(734, 744)을 통해 병렬로 흐를 수 있는데, 예를 들어, 유압 펌프(708)를 사용하여 입구 라인(750)을 통해 유체를 입구로 동시에 향하게 하고 출구 라인(752)을 사용하여 도관(734, 744)으로부터 배출된 유체를 펌프(708)의 입력으로 리디렉션할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 유체는 예를 들어 도 7A에 도시된 것과 유사한 방식으로 도관(734, 744)을 통해 직렬로 흐를 수 있다.
쉴드 가스 구성(Shield Gas Configurations)
일부 실시양태에서, 불활성 가스의 방향성 흐름은, 예를 들어, 열 충격 프로파일의 끝에서 냉각 속도를 향상시키기 위해, 가열 요소의 수명을 증가 및/또는 신뢰성을 향상시키기 위해, 오염 물질이 가열 영역, 소결될 물질 및/또는 소결된 물질에 도달하는 것을 방지하기 위해, 및/또는 다른 목적을 위해 소결 용광로의 내부 부피에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도8A-8B는 소결될 물질(810)의 반대편에 한 쌍의 가열 요소(802a, 802b)에 의해 형성된 가열 어셈블리(800)를 예시한다. 전기 배선(예컨대, 텅스텐과 같은 내화성 금속으로 형성된)은 예를 들어, 물질(810)의 이동 방향에 수직인 각 가열 요소(802a, 802b)의 반대측으로부터 연장될 수 있다. 제1 쉴드 가스 노즐 쌍(806a, 806b)은 제1 가열 요소(802a)의 반대측(예컨대, 물질의 이동 방향에 대하여)에 제공될 수 있다. 제2 쉴드 가스 노즐 쌍(808a, 808b)은 제2 가열 요소(802b)의 반대측에(예를 들어, 물질 이동 방향에 직교하는 방향에 대하여) 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 실드 가스 노즐들(806a, 806b, 808a, 808b)은 내화성 물질(예를 들어, 텅스텐 또는 탄화물)로 형성될 수 있다.
제2 쉴드 가스 노즐 쌍(808a, 808b)은 제1 쉴드 가스 노즐들(806a, 806b)과 다른 배열을 가질 수 있는데, 예를 들어, 가열 요소들(802a, 802b) 사이에서 연장되는 컨베이어 벨트를 및/또는 가열 요소들(802a, 802b) 사이의 가열 구역 안팎으로 물질의 수송을 수용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 쉴드 가스 노즐들(806a, 806b, 808a, 808b)은 각 가열 요소(802a, 802b)의 측면 단부 및/또는 각 가열 요소(802a, 802b)의 후면(예를 들어, 소결될 물질(810)에 향하고/또는 접촉하는 측면의 반대편)에서 불활성 기체의 흐름을 유도할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 불활성 가스의 흐름은 히터의 가열 영역으로 향할 수 있다. 예를 들어, 도 8C는 입구(830), 출구(832) 및 한 쌍의 쉴드 가스 노즐(824a, 824b)을 포함 및/또는 정의하는 용광로 하우징(822)을 갖는 예시적인 소결 용광로 시스템(820)을 예시한다. 상기 쉴드 가스 노즐(824A, 824B)은 하우징(822)과 일체적으로 형성될 수 있고, 불활성 가스 흐름(826)이 가열 구역(124)으로 향하고 각각 입구(830) 또는 출구(932)를 통해 하우징(822)의 내부 부피를 빠져나가도록 배치될 수 있다. 상기 쉴드 가스 노즐 및 불활성 가스 흐름에 대한 다른 구성도 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 가능하다.
압력 애플리케이션 구성(Pressure Application Configurations)
일부 실시양태에서, 상기 열 충격 프로파일은 예를 들어, 가열 요소 자체 또는 용광로 하우징 내의 가열 요소에 근접하거나 인접한 다른 구성요소(예를 들어, 내화 물질로 형성된)를 통해 압력의 적용과 동시에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 프레싱을 이용한 예시적인 소결 용광로 시스템의 작동을 예시한다. 초기 이송 단계(900)에서, 소결될 물질(128i)는 컨베이어(126)에 의해 입구(110)를 통해 하우징(108) 내의 가열 구역(124)으로 이동될 수 있다. 상기 가열 요소(116)는 통로(906)를 통해 연장되고 컨트롤러(122)에 의해 제어되는 구동 어셈블리(902)(예컨대, 회전 모터)에 의해 변위 가능한 가동 스테이지 또는 구동 부재(904)(예컨대, 스크류 메커니즘)에 장착될 수 있다. 예시된 실시예에서, 상기 작동 어셈블리(902)는 하우징(108) 외부에 배치될 수 있고 작동 부재(904)는 패스-스루(906)를 통해 연장될 수 있지만, 일부 실시양태에서, 작동 부재(904) 및/또는 작동 어셈블리(902)는 하우징(108) 내에 배치될 수 있다. 또한, 도 9는 특정 유형의 작동 부재 및 작동 어셈블리를 예시하고 있지만, 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 가열 요소를 소결될 물질(128i)을 향하여 또는 소결될 물질로부터 멀어지도록 이동시키는 다른 메커니즘도 가능하다.
이송 단계(900) 후에, 상기 동작은 접촉 단계(910)로 진행되며, 여기서 작동 어셈블리(902)는 가열 요소(116)를 가열 영역(124) 내의 소결될 물질(128i)를 향해 이동시킨다. 그런 다음, 상기 작동은 소결 단계(920)로 진행될 수 있고, 여기서 가열 요소(116)는 열 충격 프로파일(예를 들어, 도 3A에 도시된 바와 같이)에 물질(128i)을 노출시키기 위해 통전되고, 그 후에 가열 요소(116)는 해제 단계(930)에서 작동 어셈블리(902)에 의해 후퇴된다. 그런 다음, 상기 작동은 다음 소결될 물질 세트에 대해 반복하기 위해 이송 단계(900)로 복귀할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 가열 요소(116)는 예를 들어, 열 충격 프로파일 동안 복사열을 제공하기 위해, 이송 단계(900)와 비교하여, 가열 요소(116)와 물질(128i) 사이의 간격을 감소시키기 위해 접촉 단계(910) 내에 위치할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소(116)는 예를 들어 열 충격 프로파일 동안 전도성 가열을 제공하기 위해, 예를 들어 이송 단계(900)와 비교하여 가열 요소(116)와 물질(128i) 사이의 간격을 제거하도록 접촉 단계(910)에 위치할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소(116)는 물질(128i)을 압축하기 위해 접촉 단계(910)에 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨베이어(126)는 다른 가열 요소로 대체될 수 있으며, 이는 고정되거나 가열 요소(116)를 향해 개별적으로 이동될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 컨베이어(126)는 고온 플래튼 또는 지지대(예를 들어, 탄소 기반 물질 또는 내화 물질로 형성됨)로 대체되거나, 또는 그 일부가 지지될 수 있으며, 이는 고정되거나 가열 요소(116)를 향해 개별적으로 이동될 수 있다.
통합된 가열 및 운반 구성(Integrated Heating and Conveyance Configurations)
일부 실시양태에서, 상기 가열 요소는 이송 어셈블리와 통합되거나 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 가열 영역(1024) 내의 물질(128i)를 원하는 열 충격 프로파일에 노출시키기 위한 가열 요소로서 컨베이어 벨트(1002)의 일부(1016)를 사용하는 예시적인 소결 용광로 시스템(1000)을 예시한다. 일부 실시양태에서, 상기 부분(1016)은 줄 가열 요소로서 작용할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 상기 컨베이어 벨트는 탄소, 흑연, 금속 또는 이들의 조합과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 전기 인터페이스들(1004a, 1004b)은 부분(1016)과 전기적으로 접촉할 수 있고, 여기에 전류 펄스를 인가하여 줄 가열에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 인터페이스들(1004a, 1004b)은 하나 이상의 전도성 롤러, 하나 이상의 슬립 링 인터페이스 등을 포함할 수 있다. 작동 시, 상기 컨베이어 벨트(1002)는 하우징(1008)의 입구(1010)와 출구(1012) 사이에서 연장될 수 있고, 지지 롤러들(예를 들어, 도시된 바와 같이 내부 부피(1014) 내에 배치되고 내화 금속으로 형성되거나 하우징 외부에 배치되고 금속으로 형성되는)에 의해 그 내부에서 지지될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 하우징은, 예를 들어, 과도한 온도로부터 용광로 하우징(1008)의 벽을 보호하기 위해(예를 들어, 하우징(1008)의 크기가 가열 구역의 부피의 100배 미만인 경우), 내부 부피(1014) 내의 컨베이어 벨트(1002)의 반대측에 단열재(1018, 1022)를 더 포함할 수 있다.
상기 소결될 물질(128i)은 가열 구역(1024)으로 이송될 수 있고, 여기서 전기 인터페이스(1004a, 1004b) 사이의 부분(1016)을 통과하는 전류가 물질(128i)을 원하는 열 충격 프로파일에 노출시킨다. 일부 실시양태에서, 상기 전류는 예를 들어, 물질(128i)이 가열 구역으로 이동된 후에 컨베이어 벨트가 정적인 상태에서 인가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 전류는 컨베이어 벨트가 예를 들어 연속적인 방식으로 계속 이동하는 동안 인가될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 상기 컨베이어 벨트의 속도, 가열 구역(1024)의 크기 및/또는 전류의 타이밍은, 조합하여, 상기 가열 구역(1024)을 통과하는 각 물질이 각각의 열 충격 프로파일을 받도록 조정될 수 있다.
예시적인 소결 용광로 시스템(Exemplary Sintering Furnace Systems)
도11A-11B는 고온 소결 용광로 시스템(1100) 및 그 작동, 예를 들어 롤-투-롤 프로세싱을 위한 작동을 도시한다. 상기 고온 소결 용광로 시스템(1100)은 복사열을 제공하기 위한 상부 가열 요소(1112) 및 롤러(1104)(예를 들어, 스테인리스 스틸과 같은 금속으로 형성됨)에 의해 지지되는 컨베이어 필름(1102)(예를 들어, 탄소로 형성됨)에 의해 운반되는 소결될 물질에 전도성 가열을 제공하기 위한 하부 가열 요소(1114) 등 한 쌍의 반대되는 가열 요소들을 사용한다. 예를 들어, 컨베이어 필름(1102)은 입력 단계(1100a)에 도시된 바와 같이, 입구 영역(1124)으로부터 가열 영역(1110)을 향해 전구체를 갖는 기판(1128i, 예를 들어, 그린 테이프)을 운반할 수 있다. 상기 기판(1128i)은 이송 단계(1100b)에서 컨베이어 필름(1102)으로부터 물질 이송 롤러(1106)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화 금속으로 형성됨)에 의해 이송될 수 있고, 단계(1100c)에서 가열 요소(1114)의 상부 표면 위에 배치될 수 있다. 상기 가열 요소(1112, 1114)(예컨대, 줄 가열 탄소 스트립)는 빠른 합성(예컨대, 고체 상태 반응) 및 반응성 소결을 위해 가열 영역(1110) 내의 기판(128i)을 빠르게 가열할 수 있다. 예를 들어, 불활성 분위기에서, 가열 요소들(1112, 1114)은 적어도 2000℃(예컨대,≥ 3000℃)의 온도를 제공할 수 있으며, 이는 세라믹 물질의 합성 및 소결에 충분할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소들(1112, 1114)은 약 30초 이내에 실온에서 소결 온도로 상승할 수 있고, 약 10초의 소결 시간 후 약 5초 이내에 실온으로 급속 냉각될 수 있다. 소결 후, 소결된 물질(1128)은 단계(1100d)에 도시된 바와 같이, 회전축(1118)을 중심으로 가열 요소(1114)를 회전시키는 틸트 메커니즘(1120)(예를 들어, 탄화물과 같은 내화 세라믹으로 형성됨)에 의해 이송될 수 있다. 출력 단계(1100e)에서, 소결된 물질(1128)은 컨베이어 필름(1102)에 의해 후속 처리 또는 사용을 위해 출구 영역(1126)으로 이동될 수 있다.
일부 실시양태에서, 가열 요소(1112, 1114) 중 하나 또는 둘 모두는 탄소 종이, 탄소 펠트, 탄소 옷, 흑연 종이, 흑연 펠트, 흑연 옷, 흑연 필름 또는 흑연 판과 같은 전도성 탄소 물질로 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 다른 전도성 물질 또는 복합체가 가열 요소들(1112, 1114)에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 가열 요소들(1112, 1114)은 소결될 물질들(1128i)의 크기 및/또는 제조 요구를 충족시키기 위해(예를 들어, 소결된 물질들(1128s)의 충분한 처리량을 제공하기 위해) 크기 조정될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 요소들(1112, 1114)은 약 2㎝의 폭과 약 10㎝의 길이를 가질 수 있다(예컨대, 물질 이동 방향에 평행한 평면에서). 하나 이상의 고려되는 실시양태에 따르면 가열 요소의 다른 형상 및 크기도 가능하다. 일부 실시양태에서, 상부 가열 요소(1112)와 물질(1128i) 사이의 거리는 상부 가열 요소를 지지 및/또는 이동시키도록 구성될 수 있는 시프트 가이드(shift guides) (1122)에 의해 조정될 수 있다. 예를 들어, 상기 시프트 가이드(1122)는 실리콘 카바이드(silicon carbide), 보론 카바이드(boron carbide) 등과 같은 내화 세라믹으로 형성될 수 있다.
상기 가열 요소(1112, 1114)가 전도성 물질로 이루어진 경우, 배선 케이블(1116)을 통해 가열 요소의 전도성 물질을 통해 전류를 전달하는 전기 소스(도시되지 않음)에 의해 가열될 수 있다(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화성 금속 또는 구리와 은의 조합으로 형성됨). 상기 가열 요소(1112, 1114)의 전도성 물질을 통과하는 전류의 양은 가열 속도에 대응할 수 있다. 상기 가열 속도 및 전원은 가열 요소(1112, 1114)의 전도성 물질을 통해 원하는 양의 전류를 제공함으로써 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다.
도 12A-12B는 고온 소결 용광로 시스템(1200)의 또 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 프로세싱을 위한 구성을 나타낸다. 상기 가열 요소들(1112, 1114), 이송 어셈블리, 및 용광로 시스템(120)의 작동은 도 12A-12B와 관련하여 전술한 것과 유사할 수 있지만, 상기 용광로 시스템(1200)은 가열 요소들(1112, 1114)에 압력을 가하는 메커니즘을 더 포함할 수 있고, 이에 따라 소결될 물질(1128i)에 압력을 가하는 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 압력 도포기(pressure applicator) (1202)(예컨대, 플래튼)는 작동 메커니즘(1204)(예컨대, 커넥션 로드)을 통해 제어되어 소결 동안 물질에 압력을 가할 수 있으며, 이로 인해 소결된 물질은 더 높은 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 가해지는 압력의 양은 원하는 밀도 및/또는 임의의 다른 파라미터에 기초하여 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 압력 애플리케이터(1202), 작동 메커니즘(1204), 또는 둘 다 실리콘 카바이드와 같은 내화 세라믹으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 압력은 유압 플레이트, 로봇/기계 팔, 또는 다른 기계적 압력 적용 메커니즘과 같은 다른 유형의 메커니즘에 의해 가열 요소(1112, 1114) 및 물질(1128i)에 적용될 수 있다.
도 13A-13B는 고온 소결 용광로 시스템(1300)의 또 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 처리를 위한 구성을 도시한다. 도시된 실시예에서, 상부 가열 요소(1314)는 이동 가능하며, 예를 들어, 가열 요소(1314)와 컨베이어 필름(1302) 사이의 갭(1312)을 제거함으로써, 배선 도체 가이드(1316)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화성 물질로 형성됨)에 의해 소결될 물질(1328i)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 컨베이어 필름(1302)(예컨대, 탄소로 형성됨)은 별도의 가열 요소로의 이송을 달리 요구하지 않고도 물질(예컨대, 소결될 물질(1328i) 및 소결된 물질(1328s))를 입구 영역(1324)으로부터 출구 영역(1326)으로 운반할 수 있다. 오히려, 배선 전류 도체(1306)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화성 물질로 형성됨)는 가열 구역(1310) 내의 컨베이어 필름(1302)의 일부(1308)에 에너지를 공급하여 하부 가열 요소로 작용하고, 롤러(1304)(예를 들어, 스테인리스 스틸과 같은 금속으로 형성됨)는 컨베이어 필름을 지지하고 가열 영역(1310)으로부터 멀리 이동시킨다. 도면에는 도시되지 않았지만, 컨베이어 필름(1302)을 이동시키는 컨베이어 시스템은 하나 이상의 모터, 하나 이상의 컨트롤러 및/또는 다른 통상적인 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨트롤러는 가열 요소(1308, 1314)를 가열하기 위한 전력 공급(예컨대, 전류 소스)을 제어할 수 있고/있거나 가열 영역(1310)으로/로부터 물질을 전진시키도록 컨베이어 시스템을 제어할 수 있고/있거나 상부 가열 요소(1314)를 가열 구역(1310)으로/로부터 이동시키기 위한 도체 가이드(1316)를 제어할 수 있다.
도 14A-14B는 고온 소결 용광로 시스템(1400)의 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 프로세싱을 위한 구성을 도시한다. 상기 가열 요소(1308, 1314), 이송 어셈블리 및 용광로 시스템(1400)의 작동은 도 13A-13B와 관련하여 전술한 것과 유사할 수 있지만, 상기 용광로 시스템(1300)은 가열 요소(1308, 1314)에 압력을 가하는 메커니즘, 예를 들어 도 12A-12B와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 작동하는 구동 메커니즘(1204)(예를 들어, 커넥션 로드)을 통해 제어되는 압력 도포기(1202, 플래튼)를 추가로 포함할 수 있다.
도 15A-15C는 고온 소결 용광로 시스템(1500)의 또 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 프로세싱을 위한 구성을 나타낸다. 용광로 시스템(1500)의 가열 요소, 이송 어셈블리 및 작동은 도 12A-12B와 관련하여 전술한 시스템(1200)과 유사할 수 있지만, 용광로 시스템(1500)은 용광로 하우징(furnace housing) (1502) 및 냉각 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 상기 용광로 하우징(1502)은 하나 이상의 쉴드 가스 유입 포트(1506), 유입 포트(1504) 및 배출 포트(1514)를 포함 및/또는 정의할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 가열 요소의 서비스 수명을 증가시키고/시키거나 하우징(1502) 내에 불활성 가스 환경을 제공하기 위해, 불활성 가스(예컨대, 아르곤, 질소, 아르곤/수소 혼합물)의 주기적 또는 연속적 흐름이 가스 유입 포트(1506)를 통해 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 냉각 시스템은 용광로 하우징(1502)의 상부, 하부 및 측면 표면 상에(예를 들어, 접촉 또는 인접하여) 배치된 구불구불한 냉각 도관(1508a-1508d)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 도관들(1508a-1508d)은 예를 들어, 하우징(1502)의 외부 표면 아래에 배치되지만 하우징의 내부 부피 외부에 배치될 수 있다(예를 들어, 하우징의 벽 내에 매립될 수 있다). 상기 가열 요소들에 의해 생성되는 가열 전력에 따라, 도관(1508a-1508)을 통해 흐르는 작동 유체는 물, 오일, 액체 질소 등이 될 수 있다. 일부 실시양태에서, 초고속 냉각 속도(예를 들어, 적어도 100-500℃/s 이상)를 달성하기 위해, 히터와 용광로 하우스 사이의 크기 비율(내부 부피(예를 들어, 입구에서 출구까지)의 길이에 대한 가열 영역의 길이)은 100-1000의 범위 내에 있을 수 있다.
도 16A-16C는 고온 소결 용광로 시스템(1600)의 또 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 처리를 위한 구성을 나타낸다. 용광로 시스템(1600)의 가열 요소, 이송 어셈블리 및 작동은 도11A-11B와 관련하여 전술한 시스템(1100)과 유사할 수 있지만, 용광로 시스템(1600)은 단열재(1604, 1606)를 갖는 용광로 하우징(1602)을 더 포함할 수 있다. 상기 용광로 하우징(1602)은 하나 이상의 쉴드 가스 유동 채널(1608a, 1608b(예컨대, 절연 물질(1604)에 형성됨), 입구 포트(1610) 및 출구 포트(1612)를 포함 및/또는 정의할 수 있다. 일부 실시양태에서, 불활성 가스(예컨대, 아르곤, 질소, 아르곤/수소 혼합물)의 주기적 또는 연속적 흐름은 예를 들어, 가열 요소의 수명을 증가시키거나 하우징(1602) 내에 불활성 가스 환경을 제공하기 위해 가스 흐름 채널(1608a, 1608b)을 통해 제공될 수 있다(예를 들어, 가스 입구 포트(1614) 경유). 예를 들어, 상기 절연 물질(1604, 1606)은 유리 섬유, 다공성 세라믹, 에어로젤 등으로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(1604, 1606)의 크기(예컨대, 두께)는 열 충격 프로세스 동안 용광로 하우징(1602)의 외부 또는 외부 표면의 최대 온도에 대한 요건 및 절연 물질의 대응하는 열 전도성에 기초하여 결정될 수 있다.
단열재가 있는 용광로 시스템과 단열재가 없는 용광로 시스템 사이의 상대적인 크기를 설명하기 위해, 도 17A는 도 15A-15B와 관련하여 전술한 것과 유사한 소결 용광로 시스템(1500)을 도시하고, 도17B는 도16A-16B와 관련하여 전술한 것과 유사한 소결 용광로 시스템(1600)을 도시한다. 일부 실시양태들에서, 단열재의 사용은 용광로 시스템(1600)이 외부 풋프린트뿐만 아니라 내부 부피의 크기(예를 들어, 부피 1620 >> 부피 1510) 측면에서 용광로 시스템(1500)보다 훨씬 더 작아질 있다. 더 큰 용광로 시스템(1500)에서 충분한 냉각을 허용하기 위해(활성 냉각 기능 포함 또는 미포함), 내부 부피(1510)의 크기는 가열 구역(1512)의 크기보다 훨씬 클 수 있다. 내부 부피(1510)의 측벽에 대한 가열 구역의 위치 및/또는 크기는 열 충격 프로파일의 끝에서 충분한 냉각을 허용하고/또는 하우징 외부의 고온 통신을 최소화하거나 감소시키기 위해 사용자 정의될 수도 있다.
예를 들어, Linlet(예를 들어, 입구(1504)로부터 가열 영역(1512)의 가장 가까운 단부(예를 들어, 가열 요소(1114)의 가장자리)까지의 길이), Loutlet(예를 들어, 출구(1514)로부터 가열 영역(1512)의 가장 가까운 단부(가열 요소(1114)의 가장자리)까지의 길이) 또는 둘 다 가열 구역(1512)의 폭보다 클 수 있다(예를 들어, 적어도 5배 또는 적어도 50배). 대안적으로 또는 추가적으로, Ltop(예를 들어, 내부 부피(1510)의 상단 단부에서 가열 영역(1512)의 가장 가까운 단부(예를 들어, 가열 요소(1114)의 상단 표면) 사이의 높이), Lbottom(예를 들어, 내부 부피(1510)의 하단 단부에서 가열 영역(1512)의 가장 가까운 단부(가열 요소(1114)의 상단 표면) 사이의 높이), 또는 둘 다 가열 영역의 높이보다 클 수 있다(예를 들어, 최소 5배 또는 최소 50배).
도 18A-18B는 고온 소결 용광로 시스템(1800)의 또 다른 구성, 예를 들어 롤-투-롤 처리를 위한 구성을 도시한다. 상기 고온 소결 용광로 시스템(1800)은 한 쌍의 반대되는 가열 요소, 예를 들어, 컨베이어 기판(1810)에 의해 운반되는 그 사이의 물질을 가열하기 위한 상부 가열 요소(1808) 및 하부 가열 요소(1818)를 채용한다. 예시된 롤-투-롤 구성에서, 상기 컨베이어 기판(1810)은 입력 롤러(1820)로부터 공급되고, 이송 롤러(1824)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화 금속으로 형성됨)를 통해 가열 요소(1808, 1818) 사이의 가열 영역으로 공급된 다음 소결 후 출력 롤러(1822)에 감겨질 수 있다. 상기 소결 용광로 시스템(1800)은 또한 가열 영역의 반대측에 배치된 한 쌍의 1차 쉘 부재(1802, 1812)를 가질 수 있고, 상기 가열 요소(1808, 1818)가 그 사이에 배치될 수 있다. 상기 소결 용광로 시스템(1800)은 또한 가열 구역의 입구 단부에서 컨베이어 기판(1810)의 반대측에 배치된 제1 쌍의 보조 쉘 부재(1804a)와, 가열 구역의 출구 단부에서 컨베이어 기판(1810)의 반대측에 배치된 제2의 2차 쉘 부재 쌍(1804b)을 가질 수 있다. 제1의 2차 쉘 부재 쌍(1804a)은 컨베이어 기판(1810)이 연장되는 입구 포트를 형성하기 위해 협력할 수 있고, 제2의 2차 쉘 부재 쌍(1804b)은 컨베이어 기판(1810)이 연장되는 출구 포트를 형성하기 위해 협력할 수 있다. 일부 실시예에서, 1차 쉘 부재(1802)는 인접한 2차 쉘 부재(1804A, 1804B)와 협력하여 불활성 가스의 흐름을 위한 각각의 입구 도관(1806A, 1806B)을 형성할 수 있고, 1차 쉘 부재(1812)는 인접한 2차 쉘 부재(1804A, 1804B)와 협력하여 불활성 가스의 흐름을 위한 각각의 입구 도관(1816A, 1816B)을 형성할 수 있다.
도 19A는 고온 소결 용광로 시스템(1900)의 또 다른 구성, 예를 들어 연속 컨베이어 설정을 사용하는 구성을 도시한다. 컨베이어 필름(1908)은 샘플 공급 메커니즘(1910)(예를 들어, 로봇 배치 유닛)에 의해 가열 구역(1916)의 상류에 있는 입력 구역(1914)으로 로드되는 소결될 물질(1912i, 예를 들어, 그린 테이프와 같은 전구체 기판)를 운반할 수 있다. 상기 컨베이어 필름(1908)은 하나 이상의 구동 롤러(1902, 1906)에 의해 이동될 수 있고, 예를 들어, 가열 요소(1918, 1924)의 가열 영역(1916) 내에 물질(1912i)을 위치시키기 위해 하나 이상의 리디렉션 롤러(1904)에 의해 지지될 수 있다. 상기 가열 요소들(1918, 1924)은, 예를 들어, 시프트 가이드(1920)(예를 들어, 탄화물과 같은 내화 세라믹으로 형성됨)를 통해, 물질(1912i)을 향해(예를 들어, 가열 요소들 사이의 간격이 5-20cm인 것을 포함) 및/또는 접촉하도록 이동될 수 있다. 예를 들어, 배선(1922, 1926)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화 금속으로 형성됨)을 통해 가열 요소(1918, 1924)에 전류를 인가함으로써, 물질(1912i)은 방사선 및/또는 전도를 통해 빠르게 가열되어 소결될 물질(1912i)을 소결 물질(1912s)로 변환하는 균일한 고온 환경을 형성할 수 있다. 소결된 물질(1912s)은 예를 들어, 샘플 선택 메커니즘(1928)(예를 들어, 로봇 피커 유닛)을 사용하여 가열 영역(1916)의 하류의 출구 영역(1930)에서 컨베이어 필름(1908)으로부터 제거될 수 있다. 한 번에 단일 물질(1912i)를 처리하기 위한 단일 가열 구역(1916)이 제공되지만, 예를 들어, 도 19B의 시스템(1950)에 도시된 바와 같이, 복수의 가열 요소 쌍(1918a-c, 1924a-c) 및 대응하는 가열 구역이 복수의 물질(1912i)의 동시 배치 처리(1956)를 위해 제공될 수 있다.
도 20은 고온 소결 용광로 시스템(2000)의 또 다른 구성, 예를 들어 연속 컨베이어 설정을 사용하는 구성을 도시한다. 컨베이어 필름(2008)은 입자 디스펜서(2012)로부터 가열 구역(2016)의 상류에 있는 입력 구역(input zone)(2018)으로 증착되는 소결될 물질(예컨대, 분말과 같은 물질 전구체 입자)을 운반할 수 있다. 상기 컨베이어 필름(2008)은 하나 이상의 구동 롤러(2002, 2006)에 의해 이동될 수 있고, 예를 들어, 가열 요소(1918, 1924)의 가열 영역(2016) 내에 물질(2014i)을 위치시키기 위해 하나 이상의 방향 전환 롤러(2004)에 의해 지지될 수 있다. 상기 가열 요소들(1918, 1924)은, 예를 들어, 시프트 가이드(1920)(예를 들어, 탄화물과 같은 내화 세라믹으로 형성됨)를 통해, (예를 들어, 가열 요소들 사이의 간격이 5-20cm인 것을 포함하여) 및/또는 물질(2014i)과 접촉하도록 이동될 수 있다. 예를 들어, 배선(1922, 1926)(예를 들어, 텅스텐과 같은 내화 금속으로 형성됨)을 통해 가열 요소들(1918, 1924)에 전류를 인가함으로써, 상기 물질(2014i)은 방사선 및/또는 전도를 통해 빠르게 가열되어, 상기 소결될 물질(2014i)을 소결된 물질(2014s, 예를 들어, 소결 입자)로 변환하는 균일한 고온 환경을 형성할 수 있다. 상기 소결된 물질(2014s)은 예를 들어, 가열 구역(2018)의 하류 출구 구역(2020)에서 컨베이어 필름(2008)으로부터 제거되어 입자 수집기(2022)로 수집될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 전구체 물질은 상기 컨베이어 필름(2008)과 통합될 수 있으며(예를 들어, 롤-투-롤 설정에서), 이 경우 입자 디스펜서(2012) 및/또는 수집기(2022)는 생략될 수 있다.
도 21A-21B는 고온 소결 용광로 시스템(2100)에 대한 또 다른 구성, 예를 들어, 플라이 스루((fly-through)), 다공성 반응기 설정을 사용하는 구성을 도시한다. 상기 시스템(2100)은 예를 들어, 전기 접점(2122A, 2122B)(예를 들어, 은 페이스트와 같은 전도성 페이스트)을 통해 전원에 전기적으로 연결되는 다공성 가열 요소(2118)를 가질 수 있다. 도 21A는 단일 가열 요소(2118)를 예시하고 있지만, 일부 실시양태에서는, 예를 들어, 하나 이상의 가열 요소가 직렬 배열(예를 들어, 순차적 히터들 사이의 간격이 1-5㎝인 경우 포함)로 제공될 수 있다. 하나 이상의 전구체 분말(2114i)(예를 들어, 금속 아질산염, 금속 염화물 등)은 입자 디스펜서(2112)를 통해 유체 현탁 혼합 매니폴드(2106)(예를 들어, 분말 주입 구역)로 제공될 수 있고, 여기서 가스 입구(2102)로 제공된 운반 가스(2104)(예를 들어, 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 가스)와 결합되어 운반될 수 있다. 상기 가스-분말 흐름은 상기 용광로(예를 들어, 석영 튜브)의 내부 부피(2110)에 접근하기 위해 입구 인터페이스(2108)로 차례로 제공된다. 상기 가스 흐름은 입자(2114i)를 가열 영역(2116) 및 다공성 가열 요소(2118)(예를 들어, 10㎛ 내지 10㎜ 범위의 기공 크기를 포함)를 통해 운반할 수 있으며, 이에 따라 상기 입자는 열 충격 프로파일에 노출되어 소결 입자(2114s)로 전환될 수 있다. 상기 소결 입자(2114s)는 출구 인터페이스(2120)에서 용광로를 빠져나갈 수 있고, 샘플 수집기(2122)(예를 들어, 입자(2114s)를 포집하기에 충분히 작은 크기를 갖는 필터 부재 또는 메시)에 의해 출구 가스 흐름(2124)으로부터 분리될 수 있다.
도 22는 고온 소결 용광로 시스템(2200)의 또 다른 구성을 도시하는데, 예를 들어, 중력에 의존하는 플라이-스루 반응기 설정을 이용하는 것이다. 시스템(2100)과 유사하게, 하나 이상의 전구체 입자(예컨대, 금속 질산염, 금속 염화물 등)가 입자 디스펜서(2212)를 통해 제공될 수 있으며, 이는 중력(2206)의 작용 하에 한 쌍의 가열 요소(2204a, 2204b) 사이의 가열 구역의 입구 단부(2202)(예를 들어, 중력 방향에 실질적으로 평행하게 배열됨)로부터 가열 구역의 출구 단부(2208)로 유동한다. 상기 입자(2214i)가 가열 요소(2204a, 2204b) 사이를 통과함에 따라, 상기 입자는 열 충격 프로파일에 노출되어 소결 입자(2214s)로 변환될 수 있고, 이는 차례로 입자 수집기(2210)에서 수집될 수 있다.
기재된 기술의 추가적인 실시예
기재된 주제의 전술한 구현을 고려하여, 본 출원은 하기에 열거된 항목에서 추가적인 실시예를 기재한다. 항목의 하나의 특징이 분리되어 있거나 상기 항목의 둘 이상의 특징이 결합되어 있다는 점에 유의해야 하며, 선택적으로, 하나 이상의 추가 항목의 하나 이상의 특징과 조합하여 본 출원의 개시 범위 내에 속하는 추가 실시예가 있다.
항목 1. 소결 용광로(sintering furnace)로서,
내부 부피(interior volume), 상기 내부 부피로부터의 입구(inlet), 내부 부피로부터의 출구(outlet)를 정의하는 하우징(housing);
상기 입구 및 출구 사이의 하우징의 내부 부피 내에 배치된 적어도 하나 이상의 가열 요소(각 가열 요소는 가열 구역(heating zone)에 온도 프로파일(temperature profile)을 적용하도록 구성된다);
하나 이상의 기판을 상기 하우징 안으로, 내부, 및 밖으로 이동시키도록 구성된 컨베잉 어셈블리(conveying assembly); 및
적어도 하나 이상의 가열 요소 및 상기 컨베잉 어셈블리에 작동가능하게 결합된 제어 시스템(control system)을 포함하는 소결 용광로로서, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 제어 시스템으로 하여금 다음을 수행하게 하는 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 제어 시스템을 포함하는 소결 용광로:
(a) 상기 컨베잉 어셈블리를 통해, 하나 이상의 전구체를 갖는 제1 기판을 상기 입구를 통해 상기 가열 구역으로 이동(move);
(b) 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해, 상기 가열 구역 내의 제1 기판을 제1 기간 동안 적어도 500℃ 이상의 제1 온도로 가열(subject); 및
(c) 상기 컨베잉 어셈블리를 통해, 하나 이상의 소결된 물질을 갖는 제1 기판을 상기 가열 구역으로부터 출구를 통해 이동(move).
항목 2. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 흑연, 금속, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된 줄(Joule) 가열 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 3. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 2 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 시트 또는 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 4. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 각 가열 요소에 대해,
각각의 가열 요소의 제1 단부(end)에 결합된 제1 전도성 고정 장치(first conductive fixture);
각각의 가열 요소의 제2 단부에 결합되고, 제2 단부는 제1 단부의 반대편에 있는 제2 전도성 고정 장치;
상기 제1 전도성 고정 장치에 결합되고, 상기 제1 전도성 고정 장치와 각각의 가열 요소의 제1 단부에 클램핑(clamping)을 적용하는 제1 금속 클립(metal clip); 및
상기 제2 전도성 고정 장치에 결합되고, 상기 제2 전도성 고정 장치와 각각의 가열 요소의 제2 단부에 클램핑(clamping)을 적용하는 제2 금속 클립을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 5. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 4에 있어서,
제1 전도성 고정 장치, 제2 전도성 고정 장치, 또는 둘 다 하나 이상의 흑연 플레이트(graphite plates)를 포함하거나;
제1 금속 클립, 제2 금속 클립 또는 둘 모두는 구리 클립 또는 구리 코팅이 된 스테인리스-스틸 클립을 포함하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 6. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 4 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
전류 소스(current source); 및
상기 전류 소스를 제1 및 제2 금속 클립에 결합하는 전기 배선을 추가로 포함하며,
상기 제어 시스템은 상기 전류 소스에 작동가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 전기 배선을 통해 전류 펄스(current pulse)를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 적용하여 제1 기판을 제1 온도에 가하여 전류 소스를 제어하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 7. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 6에 있어서, 상기 전기 배선은 내화금속(refractory metal)을 포함하거나, 상기 전기 배선은 텅스텐으로 형성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 8. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
입구와 출구 사이의 하우징 내 이동 길이(travel length) 대 가열 구역의 길이의 비율은 적어도 100:1이거나;
상기 내부 부피의 부피 대 상기 가열 구역의 부피의 비율은 적어도 100:1이거나;
상기 둘 다인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 9. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
상기 이동 길이 대 상기 가열 구역의 길이의 비율은 100:1 내지 1000:1 범위이거나;
상기 내부 부피의 부피 대 상기 가열 구역의 부피의 비율은 100:1 내지 1000:1 범위이거나;
상기 둘 다인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 10. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서,
제1 온도는 1000 ~ 3000℃의 범위이거나;
제1 기간의 지속시간은 60초 이하이거나;
제1 기간의 지속시간은 약 10초이거나;
제1 기간이 시작될 때, 제1 온도까지 가열 램프 속도는 적어도 102℃/s 이거나;
제1 기간이 끝날 때 제1 온도로부터 냉각 램프 속도는 적어도 103℃/s 이거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 11. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서,
제1 기판은 폴리머(polymer)를 포함하고;
상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 (b) 단계 전에 다음 수행하게 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
(d) 상기 하우징 내의 적어도 하나 이상의 가열 요소 또는 다른 가열 요소를 통해, 제1 기판의 폴리머를 탄화시키기 위해 제1 기판을 제1 온도 미만의 온도로 가열하는 단계.
항목 12. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서,
제1 기판은 폴리머(polymer)를 포함하고;
상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 (a) 단계 전에 다음 수행하게 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
(d) 적어도 하나 이상의 외부 가열 요소를 통해, 제1 기판의 폴리머를 탄화시키기 위해 제1 기판을 제1 온도 미만의 온도로 가열하는 단계.
항목 13. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 11 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 (d) 단계의 온도는 200℃ 미만인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 14. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 11 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 (d) 단계의 기간은 (b) 단계의 제1 기간 보다 긴 것을 특징으로 하는 소결 용광로
항목 15. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 지지 롤러(support rollers), 하나 이상의 이송 롤러(transfer rollers), 하나 이상의 회전 작동기(rotational actuators), 컨베이어 벨트(conveyor belt), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 16. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는
상기 가열 구역 전에 배치되고, 상기 컨베이어 벨트로부터 상기 제1 기판을 분리하고, 상기 가열 구역으로 상기 제1 기판을 이송하도록 구성된 하나 이상의 제1 이송 롤러; 및
상기 가열 구역 후에 배치되고 상기 가열 구역으로부터 컨베이어 벨트로 제1 기판을 이송하도록 구성된 하나 이상의 제2 이송 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 17. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 15 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 상기 가열 구역 주위 또는 아래를 통과하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 18. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 15 내지 17 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 지지 롤러는 하나 이상의 금속을 포함하거나;
상기 하나 이상의 지지 롤러는 스테인리스 스틸로 형성되거나;
상기 하나 이상의 이송 롤러는 하나 이상의 내화 금속을 포함하거나;
상기 하나 이상의 이송 롤러는 텅스텐(tungsten)으로 형성되거나;
상기 컨베이어 벨트는 탄소로 형성되거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 19. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 15 내지 18 중 어느 하나에 있어서,
적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판을 지지하도록 배치된 제1 가열 요소를 포함하고, 제1 가열 요소는 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 20. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 19에 있어서, 실질적으로 수평 배향으로 제1 기판을 지지하는 제1 위치 및 수평에 대해 각진 제2 위치 사이에서 제1 가열 요소를 움직여 제1 기판이 가열 구역으로부터 슬라이드 되도록 구성된 이송 작동기(transfer actuator)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 21. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 20에 있어서, 상기 이송 작동기는 내화성 세라믹(refractory ceramic)을 포함하거나; 상기 이송 작동기는 탄화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 22. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 15 내지 21 중 어느 하나에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격된 제2 가열 요소를 포함하고;
상기 제2 가열 요소는 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며;
상기 제2 가열 요소는 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 23. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 15 내지 21 중 어느 하나에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격된 제2 가열 요소를 포함하고;
상기 제2 가열 요소는 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 가까운 제4 위치 사이에서 작동가능하며;
상기 제2 가열 요소는 복사를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 24. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 23에 있어서, 상기 제4 위치에서, 제2 가열 요소 및 제1 기판 사이의 간격은 0-1 cm인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 25. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 22 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 가열 요소는 하나 이상의 변위 가이드(displacement guides)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 26. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 25에 있어서, 하나 이상의 변위 가이드는 내화성 세라믹을 포함하거나; 하나 이상의 변위 가이드는 탄화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 27. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 26 중 어느 하나에 있어서,
상기 하우징 내의 플래튼(platen); 및
상기 플래튼에 결합된 압축 작동기를 추가로 포함하며,
상기 제어 시스템은 상기 압축 작동기에 작동 가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 압축 작동기를 통해, (b) 단계 동안 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소를 제1 기판 내로 가압하기 위한 플래튼을 변위시키도록 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 28. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 27에 있어서, 상기 압축 작동기는 상기 하우징 외부에 배치되고 하나 이상의 연결 로드(rods)를 통해 플래튼에 결합되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 29. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 27 내지 28 중 어느 하나에 있어서,
상기 플래튼은 내화성 세라믹을 포함하거나;
상기 플래튼은 탄화물로 구성되거나;
하나 이상의 연결 로드는 내화성 세라믹을 포함하거나;
하나 이상의 연결 로드는 탄화물로 구성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 30. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 지지 롤러, 하나 이상의 회전 작동기, 컨베이어 벨트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 31. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30에 있어서,
적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소의 반대쪽 단부에 전기적으로 결합된 한 쌍의 제1 전류 전도체;
상기 가열 구역의 반대쪽 단부에서 컨베이어 벨트에 전기적으로 결합되고, 상기 가열 구역 내의 컨베이어 벨트의 일부(a portion of)가 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제2 가열 요소를 형성하는 한 쌍의 제2 전류 전도체; 또는
상기의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 32. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 31에 있어서,
제1 전류 전도체 쌍, 제2 전류 전도체 쌍 또는 둘 다 내화성 금속을 포함하거나;
제1 전류 전도체 쌍, 제2 전류 전도체 쌍 또는 둘 다는 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 33. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30 내지 32 중 어느 하나에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 상기 가열 구역 내에서 제1 기판을 통과하여 지지하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 34. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격되어 있고, 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며, 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 35. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격되어 있고, 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며, 복사를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 36. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 35에 있어서, 상기 제4 위치에서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소와 제1 기판 사이의 간격은 0-1cm 범위인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 37. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 상기 하우징에 열적으로 결합되고 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 38. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 37에 있어서, 상기 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 작업 유체(working fluid)가 통과하여 흐르는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 39. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 38에 있어서, 적어도 하나 이상의 작업 유체(working fluid)는 물, 공기, 오일, 액체 질소 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 40. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 38 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 하우징의 외부 쉘(exterio shell)에 인접하거나 접촉하여 배치된 구불구불한 도관(serpentine conduit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 41. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 40 중 어느 하나에 있어서,
상기 하우징은 불활성 가스의 공급원에 결합된 하나 이상의 가스 포트(gas ports)를 가지며;
상기 하우징은 하나 이상의 가스 포트에 공급된 불활성 가스가 내부 부피를 통해 흐르고 임구 및 출구를 통해 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 42. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 상기 하우징의 내부 부피의 크기는 상기 가열 구역의 크기보다 적어도 100배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 43. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 41에 있어서,
적어도 하나 이상의 가열 요소 및 상기 하우징의 쉘 사이의 내부 부피 내에 배치된 제1 절연층(insulating layer); 및
상기 컨베잉 어셈블리 및 상기 하우징의 쉘 사이의 내부 부피 내에 배치된 제2 절연층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 44. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 43에 있어서, 제1 절연층, 제2 절연층 또는 둘 다는 하나 이상의 가스 포트로부터 연장되어 불활성 가스를 입구에 인접한 컨베잉 어셈블리의 일부, 출구에 인접한 컨베잉 어셈블리의 일부, 적어도 하나 이상의 가열 요소의 제1 단부, 적어도 하나 이상의 가열 요소의 제2 단부, 또는 상기의 임의의 조합으로 향하게 하는 하나 이상의 도관을 형성하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 45. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 43 내지 44 중 어느 하나에 있어서,
상기 하우징의 쉘은 금속을 포함하거나;
상기 하우징의 쉘은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 형성되거나;
제1 절연층, 제2 절연층 또는 둘 다는 유리 섬유 또는 다공성 세라믹 에어로겔로 형성되거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 46. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 41 내지 45 중 어느 하나에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 가열 요소가 배치되는 영역(region)을 경계하는 하나 이상의 쉴드 가스 파티션(shield gas partition), 상기 하나 이상의 쉴드 가스 파티션은 하나 이상의 가스 포트에서 불활성 가스를 적어도 하나 이상의 가열 요소의 하나 이상의 단부를 향하게 하는 적어도 하나 이상의 도관을 정의하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 47. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 46 중 어느 하나에 있어서, 상기 내부 볼륨 내에 배치되고 적어도 하나 이상의 가열 요소의 하나 이상의 단부를 향해 가스 흐름을 유도하도록 구성된 하나 이상의 쉴드 가스 노즐(shield gas nozzles)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 48. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 47 중 어느 하나에 있어서,
상기 하우징의 입구에 근접한 위치 및 업스트림(upstream)에 있는 컨베잉 어셈블리에 기판을 로드하도록 구성된 제1 로봇 포지셔너(robotic positioner);
상기 하우징의 출구에 근접한 위치 및 다운스트립(downstream)에 있는 컨베잉 어셈블리에 기판을 언로드하도록 구성된 제2 로봇 포지셔너; 또는
상기 둘 다를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 49. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 48 중 어느 하나에 있어서,
상기 하우징의 입구에 근접한 위치 및 업스트림에 있는 컨베잉 어셈블리의 파트 또는 이에 의해 지지되는 기판 상에 하나 이상의 전구체를 증착하도록 구성된 디스펜서(dispenser);
상기 하우징의 출구에 근접한 위치 밍 다운스트림에 있는 컨베잉 어셈블리의 파트 또는 이에 의해 지지되는 기판 상에 하나 이상의 소결된 물질을 수용하도록 구성된 샘플 수집기(sample collector); 또는
상기 둘 다를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 50. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 49 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 기판은 상기 컨베잉 어셈블리의 파트를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 51. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 50 중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 기판은 상기 컨베잉 어셈블리의 컨베이어 벨트의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 52. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 전도성 탄소 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 53. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 52 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 평면도에서 적어도 20cm2 이상의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 54. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1 내지 53 중 어느 하나에 있어서, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 다음과 같이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 제어하게 하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
상기 가열 구역의 온도는 제1 기간 직전의 제2 기간 동안 약 실온에서 제1 온도로 증가; 및
상기 가열 구역에서 온도는 제1 기간 직후의 제3 기간 동안 제1 온도에서 약 실온으로 감소.
항목 55. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 54에 있어서,
제2 기간의 지속 시간은 제1 기간의 지속 시간보다 길거나;
제2 기간의 지속 시간은 30초 이하이거나;
제1 기간의 지속 시간은 제3 기간의 지속 시간보다 길거나;
제1 기간의 지속 시간은 약 10초이거나;
제3 기간의 지속 시간은 5초 이하이거나;
제2 기간 동안 제1 온도로 가열되는 속도는 제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각되는 속도보다 적거나;
제2 기간 동안 제1 온도까지 가열하는 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 56. 소결 용광로(sintering furnace)로서,
내부 부피(interior volume), 상기 내부 부피로부터의 입구(inlet), 내부 부피로부터의 출구(outlet)를 정의하는 하우징(housing);
상기 하우징의 입구에 하나 이상의 전구체 입자(precursor particles)를 제공하도록 구성된 디스펜서(dispenser);
상기 입구 및 출구 사이의 하우징의 내부 부피 내에 배치된 적어도 하나 이상의 가열 요소(각 가열 요소는 가열 구역(heating zone)에 온도 프로파일(temperature profile)을 적용하도록 구성된다);
상기 하우징의 출구로부터 하나 이상의 소결된 입자를 수용하도록 구성된 샘플 수집기(sample collector); 및
적어도 하나 이상의 가열 요소에 작동 가능하게 결합된 제어 시스템을 포함하는 소결 용광로로서, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해 하나 이상의 전구체 입자를 제1 기간 동안 적어도 500℃ 이상의 제1 온도에 적용하도록 하는 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 소결 용광로.
항목 57. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56에 있어서, 각각의 가열 요소는 제1 온도에 적용될 때 하나 이상의 전구체 입자가 통과하도록 다공성인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 58. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 57 중 어느 하나에 있어서,
상기 디스펜서, 불활성 가스의 공급 및 상기 하우징의 입구와 연결되는 가스 매니폴드(gas manifold)를 추가로 포함하며,
상기 가스 매니폴드는 하나 이상의 전구체 입자가 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통한 불활성 가스 흐름에 의해 운반되도록 하나 이상의 전구체 입자를 불활성 가스 흐름과 결합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 59. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 상기 하우징의 출구로부터 하나 이상의 소결된 입자를 수신하도록 구성된 샘플 수집기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 60. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59에 있어서,
상기 샘플 수집기는 하우징의 출구에 연결되며;
상기 샘플 수집기는 소결된 입자를 포획하는 동안 불활성 가스 흐름을 통과시키는 다공성 필터 멤브레인(porous filter membrane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 61. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 60 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소는 전도성 페이스트(conductive paste)를 통해 전류 소스에 전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 62. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 61 중 어느 하나에 있어서,
적어도 하나 이상의 가열 요소는 수직으로-연장되는 가열 부피를 정의하기 위해 갭에 의해 분리된 한 쌍의 실질적으로 평행한 가열 요소를 포함하며;
상기 디스펜서는 상기 하우징의 입구 위에 수직으로 배치되어, 하나 이상의 전구체 입자가 입구로 전달되고 중력에 의해 수직으로-연장되는 가열 부피를 통과하며;
상기 샘플 수집기는 상기 하우징의 출구 아래에 수직으로 배치되어, 상기 가열 부피의 하나 이상의 소결된 입자가 중력에 의해 출구를 통해 샘플 수집기로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 63. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 62 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 흑연, 금속, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된 줄-가열 요소(Joule-heating element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용광 소결로.
항목 64. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 63 중 어느 하나에 있어서,
전류 소스(current source); 및
상기 전류 소스를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 결합하는 전기 배선을 추가로 포함하며,
상기 제어 시스템은 상기 전류 소스에 작동가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 전기 배선을 통해 전류 펄스(current pulse)를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 적용하여 하나 이상의 전구체 입자를 제1 온도에가하도록 전류 소스를 제어하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 65. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 64에 있어서, 상기 전기 배선은 내화성 금속을 포함하거나, 상기 전기 배선은 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 66. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 65 중 어느 하나에 있어서,
제1 온도는 1000~3000℃의 범위이거나;
제1 기간의 지속시간은 60초 이하이거나;
제1 기간의 지속시가능 대략적으로 10초 이거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 67. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 66 중 어느 하나에 있어서, 상기 하우징에 열적으로 결합되고 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 68. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 67에 있어서, 상기 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 작업 유체가 통과하여 흐르는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 69. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 68에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 작업 유체는 물, 공기, 오일, 액체 질소 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 70. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 68 내지 69 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 하우징의 외부 쉘에 인접하거나 접촉하여 배치된 구불구불한 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
항목 71. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56 내지 70 중 어느 하나에 있어서, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 다음과 같이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 제어하게 하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
상기 가열 구역의 온도는 제1 기간 직전의 제2 기간 동안 약 실온에서 제1 온도로 증가; 및
상기 가열 구역에서 온도는 제1 기간 직후의 제3 기간 동안 제1 온도에서 약 실온으로 감소.
항목 72. 본원의 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 71에 있어서,
제2 기간의 지속 시간은 제1 기간의 지속 시간보다 길거나;
제2 기간의 지속 시간은 30초 이하이거나;
제1 기간의 지속 시간은 제3 기간의 지속 시간보다 길거나;
제1 기간의 지속 시간은 약 10초이거나;
제3 기간의 지속 시간은 5초 이하이거나;
제2 기간 동안 제1 온도로 가열되는 속도는 제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각되는 속도보다 적거나;
제2 기간 동안 제1 온도까지 가열하는 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
결론
예를 들어, 도 1A-22 및 항목 1-72와 관련하여 본원에 예시되거나 기재된 특징들은, 예를 들어, 도 1A-22 및 항목 1-72와 관련하여 본원에 예시되거나 기재된 다른 특징들과 결합하여, 본원에 달리 예시되거나 구체적으로 설명되지 않은 시스템, 장치, 방법 및 실시양태를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4B-4C의 클립은 도 1A-1C 및 도 5A-22의 시스템 내의 임의의 가열 요소에 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 8A-8C 및/또는 도 16A-16C 및/또는 도 18A-18B의 쉴드 가스 구성은 도 1A-1C 및 도 5A-22의 임의의 용광로에 적용될 수 있다. 하나 이상의 고려된 실시양태에 따라 다른 조합 및 변형도 가능하다. 실제로, 본원에 기재된 모든 특징들은 서로 독립적이며, 구조적으로 불가능한 경우를 제외하고, 본원에 기재된 다른 특징들과 조합하여 사용될 수 있다.
개시된 기술의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예의 관점에서, 예시된 실시양태는 단지 실시예일 뿐이며 기재된 기술의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 인식해야 한다. 오히려, 상기 범위는 다음 청구범위에 의해 정의된다. 따라서 우리는 이러한 주장의 범위와 정신에 속하는 모든 것을 주장한다.

Claims (71)

  1. 소결 용광로(sintering furnace)로서,
    내부 부피(interior volume), 상기 내부 부피로부터의 입구(inlet), 내부 부피로부터의 출구(outlet)를 정의하는 하우징(housing);
    상기 입구 및 출구 사이의 하우징의 내부 부피 내에 배치된 적어도 하나 이상의 가열 요소(각 가열 요소는 가열 구역(heating zone)에 온도 프로파일(temperature profile)을 적용하도록 구성된다);
    하나 이상의 기판을 상기 하우징 안으로, 내부, 및 밖으로 이동시키도록 구성된 컨베잉 어셈블리(conveying assembly); 및
    적어도 하나 이상의 가열 요소 및 상기 컨베잉 어셈블리에 작동가능하게 결합된 제어 시스템(control system)을 포함하는 소결 용광로로서, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 제어 시스템으로 하여금 다음을 수행하게 하는 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 제어 시스템을 포함하는 소결 용광로:
    (a) 상기 컨베잉 어셈블리를 통해, 하나 이상의 전구체를 갖는 제1 기판을 상기 입구를 통해 상기 가열 구역으로 이동(move);
    (b) 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해, 상기 가열 구역 내의 제1 기판을 제1 기간 동안 적어도 500℃ 이상의 제1 온도로 가열(subject); 및
    (c) 상기 컨베잉 어셈블리를 통해, 하나 이상의 소결된 물질을 갖는 제1 기판을 상기 가열 구역으로부터 출구를 통해 이동(move).
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 흑연, 금속, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된 줄(Joule) 가열 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 시트 또는 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  4. 제1항에 있어서, 각 가열 요소에 대해,
    각각의 가열 요소의 제1 단부(end)에 결합된 제1 전도성 고정 장치(first conductive fixture);
    각각의 가열 요소의 제2 단부에 결합되고, 제2 단부는 제1 단부의 반대편에 있는 제2 전도성 고정 장치;
    상기 제1 전도성 고정 장치에 결합되고, 상기 제1 전도성 고정 장치와 각각의 가열 요소의 제1 단부에 클램핑(clamping)을 적용하는 제1 금속 클립(metal clip); 및
    상기 제2 전도성 고정 장치에 결합되고, 상기 제2 전도성 고정 장치와 각각의 가열 요소의 제2 단부에 클램핑(clamping)을 적용하는 제2 금속 클립을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 전도성 고정 장치, 제2 전도성 고정 장치, 또는 둘 다 하나 이상의 흑연 플레이트(graphite plates)를 포함하거나;
    제1 금속 클립, 제2 금속 클립 또는 둘 모두는 구리 클립 또는 구리 코팅이 된 스테인리스-스틸 클립을 포함하거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  6. 제4항에 있어서,
    전류 소스(current source); 및
    상기 전류 소스를 제1 및 제2 금속 클립에 결합하는 전기 배선을 추가로 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 전류 소스에 작동가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 전기 배선을 통해 전류 펄스(current pulse)를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 적용하여 제1 기판을 제1 온도에 가하여 전류 소스를 제어하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전기 배선은 내화 금속(refractory metal)을 포함하거나, 상기 전기 배선은 텅스텐으로 형성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  8. 제1항에 있어서,
    입구와 출구 사이의 하우징 내 이동 길이(travel length) 대 가열 구역의 길이의 비율은 적어도 100:1이거나;
    상기 내부 부피의 부피 대 상기 가열 구역의 부피의 비율은 적어도 100:1이거나;
    상기 둘 다인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이동 길이 대 상기 가열 구역의 길이의 비율은 100:1 내지 1000:1 범위이거나;
    상기 내부 부피의 부피 대 상기 가열 구역의 부피의 비율은 100:1 내지 1000:1 범위이거나;
    상기 둘 다인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  10. 제1항에 있어서,
    제1 온도는 1000 ~ 3000℃의 범위이거나;
    제1 기간의 지속시간은 60초 이하이거나;
    제1 기간의 지속시간은 약 10초이거나;
    제1 기간이 시작될 때, 제1 온도까지 가열 램프 속도는 적어도 102℃/s 이거나;
    제1 기간이 끝날 때 제1 온도로부터 냉각 램프 속도는 적어도 103℃/s 이거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  11. 제1항에 있어서,
    제1 기판은 폴리머(polymer)를 포함하고;
    상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 (b) 단계 전에 다음 수행하게 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
    (d) 상기 하우징 내의 적어도 하나 이상의 가열 요소 또는 다른 가열 요소를 통해, 제1 기판의 폴리머를 탄화시키기 위해 제1 기판을 제1 온도 미만의 온도로 가열하는 단계.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 기판은 폴리머(polymer)를 포함하고;
    상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 (a) 단계 전에 다음 수행하게 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
    (d) 적어도 하나 이상의 외부 가열 요소를 통해, 제1 기판의 폴리머를 탄화시키기 위해 제1 기판을 제1 온도 미만의 온도로 가열하는 단계.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 (d) 단계의 온도는 200℃ 미만인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 (d) 단계의 기간은 (b) 단계의 제1 기간 보다 긴 것을 특징으로 하는 소결 용광로
  15. 제1항에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 지지 롤러(support rollers), 하나 이상의 이송 롤러(transfer rollers), 하나 이상의 회전 작동기(rotational actuators), 컨베이어 벨트(conveyor belt), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  16. 제15항에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는
    상기 가열 구역 전에 배치되고, 상기 컨베이어 벨트로부터 상기 제1 기판을 분리하고, 상기 가열 구역으로 상기 제1 기판을 이송하도록 구성된 하나 이상의 제1 이송 롤러; 및
    상기 가열 구역 후에 배치되고 상기 가열 구역으로부터 컨베이어 벨트로 제1 기판을 이송하도록 구성된 하나 이상의 제2 이송 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  17. 제16항에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 상기 가열 구역 주위 또는 아래를 통과하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 지지 롤러는 하나 이상의 금속을 포함하거나;
    상기 하나 이상의 지지 롤러는 스테인리스 스틸로 형성되거나;
    상기 하나 이상의 이송 롤러는 하나 이상의 내화 금속을 포함하거나;
    상기 하나 이상의 이송 롤러는 텅스텐(tungsten)으로 형성되거나;
    상기 컨베이어 벨트는 탄소로 형성되거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  19. 제15항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판을 지지하도록 배치된 제1 가열 요소를 포함하고, 제1 가열 요소는 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  20. 제19항에 있어서, 실질적으로 수평 배향으로 제1 기판을 지지하는 제1 위치 및 수평에 대해 각진 제2 위치 사이에서 제1 가열 요소를 움직여 제1 기판이 가열 구역으로부터 슬라이드 되도록 구성된 이송 작동기(transfer actuator)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 이송 작동기는 내화성 세라믹(refractory ceramic)을 포함하거나;
    상기 이송 작동기는 탄화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격된 제2 가열 요소를 포함하고;
    상기 제2 가열 요소는 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며;
    상기 제2 가열 요소는 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격된 제2 가열 요소를 포함하고;
    상기 제2 가열 요소는 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 가까운 제4 위치 사이에서 작동가능하며;
    상기 제2 가열 요소는 복사를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제4 위치에서, 제2 가열 요소 및 제1 기판 사이의 간격은 0-1 cm인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 가열 요소는 하나 이상의 변위 가이드(displacement guides)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  26. 제25항에 있어서,
    하나 이상의 변위 가이드는 내화성 세라믹을 포함하거나;
    하나 이상의 변위 가이드는 탄화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내의 플래튼(platen); 및
    상기 플래튼에 결합된 압축 작동기를 추가로 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 압축 작동기에 작동 가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 압축 작동기를 통해, (b) 단계 동안 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소를 제1 기판 내로 가압하기 위한 플래튼을 변위시키도록 하는 추가 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  28. 제27항에 있어서, 상기 압축 작동기는 상기 하우징 외부에 배치되고 하나 이상의 연결 로드(rods)를 통해 플래튼에 결합되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 플래튼은 내화성 세라믹을 포함하거나;
    상기 플래튼은 탄화물로 구성되거나;
    하나 이상의 연결 로드는 내화성 세라믹을 포함하거나;
    하나 이상의 연결 로드는 탄화물로 구성되거나;
    상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  30. 제1항에 있어서, 상기 컨베잉 어셈블리는 하나 이상의 지지 롤러, 하나 이상의 회전 작동기, 컨베이어 벨트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  31. 제30항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소의 반대쪽 단부에 전기적으로 결합된 한 쌍의 제1 전류 전도체;
    상기 가열 구역의 반대쪽 단부에서 컨베이어 벨트에 전기적으로 결합되고, 상기 가열 구역 내의 컨베이어 벨트의 일부(a portion of)가 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제2 가열 요소를 형성하는 한 쌍의 제2 전류 전도체; 또는
    상기의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  32. 제31항에 있어서,
    제1 전류 전도체 쌍, 제2 전류 전도체 쌍 또는 둘 다 내화성 금속을 포함하거나;
    제1 전류 전도체 쌍, 제2 전류 전도체 쌍 또는 둘 다는 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  33. 제30항에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 상기 가열 구역 내에서 제1 기판을 통과하여 지지하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  34. 제31항에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격되어 있고, 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며, 전도를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  35. 제31항에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 상기 가열 구역에서 제1 기판으로부터 이격되어 있고, 제1 기판으로부터 먼 제3 위치 및 제1 기판과 접촉하는 제4 위치 사이에서 작동가능하며, 복사를 통해 제1 기판을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제4 위치에서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소와 제1 기판 사이의 간격은 0-1cm 범위인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  37. 제1항에 있어서, 상기 하우징에 열적으로 결합되고 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  38. 제37항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 작업 유체(working fluid)가 통과하여 흐르는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  39. 제38항에 있어서, 적어도 하나 이상의 작업 유체(working fluid)는 물, 공기, 오일, 액체 질소 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  40. 제38항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 하우징의 외부 쉘(exterio shell)에 인접하거나 접촉하여 배치된 구불구불한 도관(serpentine conduit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 불활성 가스의 공급원에 결합된 하나 이상의 가스 포트(gas ports)를 가지며;
    상기 하우징은 하나 이상의 가스 포트에 공급된 불활성 가스가 내부 부피를 통해 흐르고 입구 및 출구를 통해 빠져나가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  42. 제41항에 있어서, 상기 하우징의 내부 부피의 크기는 상기 가열 구역의 크기보다 적어도 100배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  43. 제41항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 가열 요소 및 상기 하우징의 쉘 사이의 내부 부피 내에 배치된 제1 절연층(insulating layer); 및
    상기 컨베잉 어셈블리 및 상기 하우징의 쉘 사이의 내부 부피 내에 배치된 제2 절연층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  44. 제43항에 있어서,
    제1 절연층, 제2 절연층 또는 둘 다는 하나 이상의 가스 포트로부터 연장되어 불활성 가스를 입구에 인접한 컨베잉 어셈블리의 일부, 출구에 인접한 컨베잉 어셈블리의 일부, 적어도 하나 이상의 가열 요소의 제1 단부, 적어도 하나 이상의 가열 요소의 제2 단부, 또는 상기의 임의의 조합으로 향하게 하는 하나 이상의 도관을 형성하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 하우징의 쉘은 금속을 포함하거나;
    상기 하우징의 쉘은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 형성되거나;
    제1 절연층, 제2 절연층 또는 둘 다는 유리 섬유 또는 다공성 세라믹 에어로겔로 형성되거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  46. 제41항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소가 배치되는 영역(region)을 경계하는 하나 이상의 쉴드 가스 파티션(shield gas partition), 상기 하나 이상의 쉴드 가스 파티션은 하나 이상의 가스 포트에서 불활성 가스를 적어도 하나 이상의 가열 요소의 하나 이상의 단부를 향하게 하는 적어도 하나 이상의 도관을 정의하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  47. 제1항에 있어서,
    상기 내부 볼륨 내에 배치되고 적어도 하나 이상의 가열 요소의 하나 이상의 단부를 향해 가스 흐름을 유도하도록 구성된 하나 이상의 쉴드 가스 노즐(shield gas nozzles)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  48. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 입구에 근접한 위치 및 업스트림(upstream)에 있는 컨베잉 어셈블리에 기판을 로드하도록 구성된 제1 로봇 포지셔너(robotic positioner);
    상기 하우징의 출구에 근접한 위치 및 다운스트립(downstream)에 있는 컨베잉 어셈블리에 기판을 언로드하도록 구성된 제2 로봇 포지셔너; 또는
    상기 둘 다를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  49. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 입구에 근접한 위치 및 업스트림에 있는 컨베잉 어셈블리의 파트 또는 이에 의해 지지되는 기판 상에 하나 이상의 전구체를 증착하도록 구성된 디스펜서(dispenser);
    상기 하우징의 출구에 근접한 위치 밍 다운스트림에 있는 컨베잉 어셈블리의 파트 또는 이에 의해 지지되는 기판 상에 하나 이상의 소결된 물질을 수용하도록 구성된 샘플 수집기(sample collector); 또는
    상기 둘 다를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  50. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판은 상기 컨베잉 어셈블리의 파트를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  51. 제1항에 있어서, 하나 이상의 기판은 상기 컨베잉 어셈블리의 컨베이어 벨트의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  52. 제51항에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 전도성 탄소 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  53. 제1항에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소 중 제1 가열 요소는 평면도에서 적어도 20cm2 이상의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  54. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 다음과 같이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 제어하게 하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
    상기 가열 구역의 온도는 제1 기간 직전의 제2 기간 동안 약 실온에서 제1 온도로 증가; 및
    상기 가열 구역에서 온도는 제1 기간 직후의 제3 기간 동안 제1 온도에서 약 실온으로 감소.
  55. 제54항에 있어서,
    제2 기간의 지속 시간은 제1 기간의 지속 시간보다 길거나;
    제2 기간의 지속 시간은 30초 이하이거나;
    제1 기간의 지속 시간은 제3 기간의 지속 시간보다 길거나;
    제1 기간의 지속 시간은 약 10초이거나;
    제3 기간의 지속 시간은 5초 이하이거나;
    제2 기간 동안 제1 온도로 가열되는 속도는 제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각되는 속도보다 적거나;
    제2 기간 동안 제1 온도까지 가열하는 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
    제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  56. 소결 용광로(sintering furnace)로서,
    내부 부피(interior volume), 상기 내부 부피로부터의 입구(inlet), 내부 부피로부터의 출구(outlet)를 정의하는 하우징(housing);
    상기 하우징의 입구에 하나 이상의 전구체 입자(precursor particles)를 제공하도록 구성된 디스펜서(dispenser);
    상기 입구 및 출구 사이의 하우징의 내부 부피 내에 배치된 적어도 하나 이상의 가열 요소(각 가열 요소는 가열 구역(heating zone)에 온도 프로파일(temperature profile)을 적용하도록 구성된다);
    상기 하우징의 출구로부터 하나 이상의 소결된 입자를 수용하도록 구성된 샘플 수집기(sample collector); 및
    적어도 하나 이상의 가열 요소에 작동 가능하게 결합된 제어 시스템을 포함하는 소결 용광로로서, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통해 하나 이상의 전구체 입자를 제1 기간 동안 적어도 500℃ 이상의 제1 온도에 적용하도록 하는 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 소결 용광로.
  57. 제56항에 있어서, 각각의 가열 요소는 제1 온도에 적용될 때 하나 이상의 전구체 입자가 통과하도록 다공성인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 디스펜서, 불활성 가스의 공급 및 상기 하우징의 입구와 연결되는 가스 매니폴드(gas manifold)를 추가로 포함하며,
    상기 가스 매니폴드는 하나 이상의 전구체 입자가 적어도 하나 이상의 가열 요소를 통한 불활성 가스 흐름에 의해 운반되도록 하나 이상의 전구체 입자를 불활성 가스 흐름과 결합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 샘플 수집기는 하우징의 출구에 연결되며;
    상기 샘플 수집기는 소결된 입자를 포획하는 동안 불활성 가스 흐름을 통과시키는 다공성 필터 멤브레인(porous filter membrane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  60. 제57항에 있어서, 적어도 하나 이상의 가열 요소는 전도성 페이스트(conductive paste)를 통해 전류 소스에 전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  61. 제56항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 가열 요소는 수직으로-연장되는 가열 부피를 정의하기 위해 갭에 의해 분리된 한 쌍의 실질적으로 평행한 가열 요소를 포함하며;
    상기 디스펜서는 상기 하우징의 입구 위에 수직으로 배치되어, 하나 이상의 전구체 입자가 입구로 전달되고 중력에 의해 수직으로-연장되는 가열 부피를 통과하며;
    상기 샘플 수집기는 상기 하우징의 출구 아래에 수직으로 배치되어, 상기 가열 부피의 하나 이상의 소결된 입자가 중력에 의해 출구를 통해 샘플 수집기로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  62. 제56항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 흑연, 금속, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된 줄-가열 요소(Joule-heating element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용광 소결로.
  63. 제56항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류 소스(current source); 및
    상기 전류 소스를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 결합하는 전기 배선을 추가로 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 전류 소스에 작동가능하게 결합되고, 상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 전기 배선을 통해 전류 펄스(current pulse)를 적어도 하나 이상의 가열 요소에 적용하여 하나 이상의 전구체 입자를 제1 온도에가하도록 전류 소스를 제어하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  64. 제63항에 있어서, 상기 전기 배선은 내화성 금속을 포함하거나, 상기 전기 배선은 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  65. 제56항에 있어서,
    제1 온도는 1000~3000℃의 범위이거나;
    제1 기간의 지속시간은 60초 이하이거나;
    제1 기간의 지속시가능 대략적으로 10초 이거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  66. 제56항에 있어서, 상기 하우징에 열적으로 결합되고 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  67. 제66항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 적어도 하나 이상의 작업 유체가 통과하여 흐르는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  68. 제67항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 작업 유체는 물, 공기, 오일, 액체 질소 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  69. 제67항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 하우징의 외부 쉘에 인접하거나 접촉하여 배치된 구불구불한 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
  70. 제56항에 있어서, 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템이 다음과 같이 적어도 하나 이상의 가열 요소를 제어하게 하는 명령을 저장하는 것을 특징으로 하는 소결 용광로:
    상기 가열 구역의 온도는 제1 기간 직전의 제2 기간 동안 약 실온에서 제1 온도로 증가; 및
    상기 가열 구역에서 온도는 제1 기간 직후의 제3 기간 동안 제1 온도에서 약 실온으로 감소.
  71. 제70항에 있어서,
    제2 기간의 지속 시간은 제1 기간의 지속 시간보다 길거나;
    제2 기간의 지속 시간은 30초 이하이거나;
    제1 기간의 지속 시간은 제3 기간의 지속 시간보다 길거나;
    제1 기간의 지속 시간은 약 10초이거나;
    제3 기간의 지속 시간은 5초 이하이거나;
    제2 기간 동안 제1 온도로 가열되는 속도는 제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각되는 속도보다 적거나;
    제2 기간 동안 제1 온도까지 가열하는 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
    제3 기간 동안 제1 온도로부터 냉각 속도는 적어도 100℃/s 이상이거나;
    상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 소결 용광로.
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