KR900000507B1 - 액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법 - Google Patents

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체크슬로벤스카 아카데미 베드
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프라즈마퓨죤, 인코포레이티드
에프.슈나켈 제이
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Abstract

내용 없음.

Description

액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법
제1도는 본 발명의 한 실시형태를 보인 개략 설명도.
제2도는 제1도의 라인을 따른 전기적 연결을 갖는 본 발명의 한 실시형태를 보인 것으로, 부가적인 전원의 양극이 기재에 연결되고 음극이 봉상의 캐소우드에 연결된 설명도.
제3도는 부가적인 전원의 양극이 캐소우드에 연결되고 음극이 기재에 연결된 전기적인 연결을 갖는 본 발명의 또다른 실시형태를 보인 설명도.
제4도는 부가적인 전원의 양극이 기재에 연결되고 음극이 애노우드에 연결된 전기적인 연결을 갖는 본 발명의 또다른 실시형태를 보인 설명도.
제5도는 부가적인 전원의 양극이 애노우드에 연결되고 음극이 기재에 연결된 전기적인 연결을 갖는 본 발명의 또 다른 실시형태를 보인 설명도.
제6도는 양극 전위가 기재에 나타나거나 나타나지 않을 때 플라즈마 스트림의 변화를 보인 제1도 실시형태의 일부를 보인 설명도.
제7도는 제5도의 라인을 따른 전기적인 연결을 갖는 한 실시 형태를 보인 설명도.
제8도는 DC전원을 갖는 본 발명의 다른 실시형태를 보인 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 플라즈마 발생기 22 : 발생기동체
24 : 캐소우드 26 : 안정화액체 공급원
28 : 코팅물질 공급원 29 : 노즐
32 : 애노우드 36 : 기재
40 : 전원 42＂: 단자
46＂: 단자 52 : 제2 DC 전원
52 : 단자 54 : 도선
56 : 스위치 60 : 도선,
62 : 스위치 64 : 플라즈마스트림,
80 : 저항
본 발명은 어떤 기재의 표면을 코팅하는데 사용되는 액체안정화형 플라즈마 발생기 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 기재의 코팅하는데 사용되는 아크 세미- 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기와 이러한 플라즈마 발생기를 이용하는 방법에 관한 것이다.
액체안정화형 플라즈마 발생기는 기재를 코팅하는데 이용되어 왔다. 1982년 6월 6일자 방사상으로 균일하게 형성된 플라즈마 스트림을 생성하기 위한 방법과 장치에 관한 미국 특허 제4,338,509호에는 이러한 액체 안정화형 플라즈마 발생기가 기술되어 있다. 이 미국 특허 제 4,338,509호에 기술된 바와 같이 장치에 있어서는 전기아크가 봉상 캐소우드의 선단부와 회전형 애노우드의 변부 사이를 때린다. 이 아크는 기재를 향하여 애노우드를 지나 연장되지 않는다. 플라즈마 발생기의 안정화 챔버내에 유입되는 물과 같은 안정화액체는 아크와 만나 플라즈마 상태로 해리된다. 그리고 플라즈마 챔버로부터 플라즈마 스트림으로 노즐공을 통하여 통과한다. 입자형태의 코팅물질이 애노우드의 하류측에서 이 플라즈마 스트림내로 공급되어 스트림의 에너지와 코팅물질의 성질에 따라서 액체, 기체 또는 플라즈마 상태로 변환된다.
플라즈마 스트림은 그 끝이라고 할 수 있는 어느 거리만큼 노즐을 지나 연장된다. 애노우드를 통과한 플라즈마 스트림내의 하전(荷電)된 입자는 재결합하면서 열에너지를 방출한다. 재결합시 이러한 열에너지의 방출은 플라즈마 스트림의 고온이 되도록 한다. 실제로 하전입자들은 모두 플라즈마 스트림의 단부를 지나는 어떤 화합물이 재결합된다. 이들 화합물은 기재로 옮겨져 기재에 이들 화합물로 구성되는 코팅층을 형성한다.
미국 특허 제 4,338,509호에 기술된 바와 같이 구성에 있어서는, 만약 기재의 표면이 ＂활성화＂되지 않거나, 표면에 충돌하기 전에 이미 재결합된 코팅화합물과 화학적으로 반응하지 못한다. 따라서 기재와 코팅 사이에는 물리적 형태의 결합만이 형성된다.
어떤 코팅기술 분야에 있어서는 기재에 대하여 물리적으로 결합된 코팅의 만족스러울때가 있다. 그러나 대부분의 코팅 기술분양에 있어서는 코팅이 기재에 대하여 화학적으로 결합되는 것이 바람직하다.
전술한 내용으로부터 명백해지는 바와 같이, 기재의 온도와 이에 퇴적되는 코팅물질이 온도는 코팅과 기재 사이에 화학적으로 결합이 이루어지도록 하는데 고려되어야할 두 파라메타가 된다. 또한 일부 코팅물질이 기재의 표면에서 이온화되는 경우 화학적인 결합이 보다 쉽게 이루어진다. 기재표면물질이 코팅물질화학적으로 반응하는 경향은 기재와 코팅물질의 온도가 높을때에 증가된다. 따라서 기재의 표면이 코팅물질과 화학저긍로 반응할 가능성 또는 경향을 높이는 온도까지 온도가 상승되는 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 프라즈마 발생기를 제공하는 것이 바람직다.
고려되어야 할 다른 파라메타는 코팅물질이 기재의 표면에 충돌할 때의 속도이다. 미국 특허 제4,338,509호에 기술된 플라즈마 발생기는 코팅물질이 기재와 코팅사이에 결합이 이루어질 수 있는 충분한 속도로 기재에 충돌하도록 작동하지만 이러한 결합은 물리적인 형태의 결합이다. 만약 기재와 코팅사이에 화학적인 결합이 이루어지도록 원하는 경우에는 기재의 표면에 충돌하는 코팅물질의 속도가 미국 특허 4,338,509호에 기술된 아크 난 - 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기의 작동으로 얻을 수 있는 속도보다 빠른 것이 바람직하다.
일부 코팅기술분야에 있어서는 코팅화합물로서 산화물, 탄화물 및 질화물과 같은 어떤 화합물을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 플라즈마 스트림내에 입자상 탄화물질 등을 직접 공급한다는 석은 최적한 코팅이 어려운점이 있다. 따라서 어떤 경우에는 안정화액체가 산화물, 탄화물 및 질화물을 형성하는데 필요한 산소, 탄소 및 질소원자와 같은 필요한 화합물 생성원소를 포함하는 화학조성물로 되는 것이 바람직할 때가 있다. 그러나 기재표면의 온도가 충분히 높지않고 플라즈마 스트림의 속도가 충분히 빠르지 않을 때에는 가장 적당한 산화물, 탄화물 또는 질화물과 같은 화합물이 생성되지 않는다. 따라서 파라메타가 가장 적당한 산화물, 질화물 또는 탄화물을 생성할 수 있도록 조작될 수 있고 원자, 자유원자 및 이온과 같은 원소를 생성하는 적어도 일부의 화합물이 안정화액체를 구성하는 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기를 제공하는 것이 바람직하다. 어떤 코팅기술분야에서는 화합물 형성 원소가 플라즈마 발생기의 애노우드에 포함되어 코팅시 특정화합물이 형성되는 것이 바람직하다. 환원하면 애노우드가 철, 구리, 알루미늄 또는 흑연과 같은 물질로 구성될 수 있는 바 이들 원소중의 하나가 코팅에 필요한 성분이 되는 것이 좋다. 따라서, 원자, 자유전자 및 이온과 같은 화합물 생성원자가 애노우드를 구성하는 코팅화합물의 최적한 조성을 제공할 수 있도록하는 조작 파라메타가 제공되는 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기를 제공하는 것이 바람직하다.
어떤 경우에는 통상의 온도에서 정상적으로 일어날 수 있는 화학반응의 중간화합물인 비화학량론적인 화합물을 포함하는 기재에 코팅이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 화학반응온도를 변화시키므로서 중간화합물을 얻을 수 있도록 반응을 조절할 수 있다. 따라서 기재표면의 온도를 조절 또는 변화시킬수 있는 아크 세미 - 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 어떤 코팅기술분야에 있어서는 기재의 표면이 쉽게 코팅물질과 화학반응이 되도록 하는 것이 바람직할 때가 있다. 이는 기재표면에서 하전이온이 머물지 않도록 기재표면에서 전자를 없애므로서 가능하게 된다. 이들 이온은 코팅물질과 매우 잘 반응하는 경향이 있다. 따라서 기재의 표면으로부터 전자이동이 이루어지도록 하는 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기를 제공하는 것이 바람직하다.
종래 기술의 결점은 코팅물질이 기재상에 퇴적되는 시간동안 기재와 플라즈마 스트림, 그리고 코팅물질과 플라즈마 스트림의 반응성을 변화시키기 위한 방법과 장치가 없다는 점이다.
본 발명에 따른 방법과 장치를 하나의 예를 들어 설명하면 플라즈마 스트림의 길이, 즉 코팅물질의 퇴적되는 동안 이온 또는 다른 하전입자가 존재하는 스트림의 일부를 제어하도록 구성되었다. 이는 전도성이어야하는 기재를 애노우드 전압보다 높은 전압원에 연결하므로서 이루어질 수 있다. 만약 애노우드와 기재사이의 전압차가 현저하게 크다면 프라즈마 스트림은 기재의 어느 방향으로나 연장되어 전자, 안정화액체가 코팅물질의 이온화 분자 또는 원자로 구성되는 입자의 전하밀도가 코팅퇴적중에 기재에 나타나게 된다. 이는 기재와는 반응을 보다 활발하게 하므로서 코팅과 기재 사이에 화학적인 결합이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
이와 같은 화학적인 결합 및 코팅물질과 플라즈마 스트림간의 화학적인 상호작용이 일어나도록 하므로서 비화학량론적인 분자가 형성되고, 프라즈마 스트림이 기재로부터 멀리 후퇴될 수 있도록 프라즈마 스트림의 길이를 조절하므로서 전형적인 화학량론적인 화합물이 형성될 수 있다.이는 기재에 대한 코팅의 조성과 층상구조를 조절할 수 있도록 한다.
또한 기재를 전압원의 음극전압단자에 연결하므로서 기재의 극성을 바꾸어 줄수 있다. 이는 기재와 애노우드 사이에 아크가 형성되도록하여 기재의 표면이 매우 활발히 반응되도록하며 또한 애노우드와 기재의 중간지점에서 전하밀도를 중가시켜 플라즈마 스크림내에 와류가 일어나도록 한다.
코팅중 아크의 ＂트란스퍼＂를 조절할 수 있어 코팅조건의 변화가 이루어질 수 있다. 플라즈마 스트림의 이러한 조절은 기재와 양극전압원 사이의 회로를 개폐하거나, 기재에 인가되는 전압을 조절하거나, 또는 기재의 극성을 역전시키므로서 수행될 수 있다.
본 발명은 코팅물질을 포함한 플라즈마 스트림을 생성하여 기재를 향하여 연장되게 하는 발생기와 발생기로부터의 플라즈마 스트림의 길이를 길게하거나 짧게하도록 코팅중에 기재의 전위를 선택적으로 제어하기 위한 장치를 갖는 전기 전도성기재에 물질을 코팅하기 위한 플라즈마 발생기의 조립예에 관한 것이다.
또한 본 발명은 플라즈마 스트림의 발생중에 기재의 극성을 변화시켜 플라즈마 스트림의 전하 밀도 구배(gradient)를 조절하기 위한 방법에도 관계된다.
본 발명의 목적은 기재를 코팅하는데 이용되는 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 스트림이 기재측으로 연장되어 기재의 표면온도가 기재 표면 물질을 부분적으로 용융시킬수 있도록 높게하므로서 기재 물질이 코팅물질과 화학적으로 반응하여 반응성을 향상시키는 세미-트란스퍼 아크 액체안정화 플라즈마 발생기 장치와 그 이용 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기재에 충돌하는 코팅물질의 속도가 기재와 코팅사이에 화학 결합이 이루어지게 코팅물질에 대한 기재의 반응성을 높일 수 있을 정도로 충분히 빠른, 세미- 트란스퍼 아크 액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른목적은 요구되는 화합물이 안정화 액체 또는 애노우드에 포함된 화합물 형성 원소로부터 기재의 표면에 형성되도록 하는 세미- 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코팅중에 기재표면의 온도를 조절하거나 변화시킬수 있는 아크 세미- 트란스퍼 아크 액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코팅물질과의 화학반응이 매우 용이한 표면을 얻을 수 있도록 기재의 표면으로부터 전자이동이 이루어지도록 하는 아크 세미- 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기와 이를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명의 플라즈마 발생기 장치(20)를 보인 것이다. 플라즈마 발생기장치(20)는 기다란 발생기동체(22)를 갖는 플라즈마 발생기를 포함한다. 발생기동체(22)내에는 봉상의 캐노우드(24)가 장설되어 있다.
물, 알콜 또는 피콜린과 같은 안정화액체 공급원(26)이 발생기동체(22)에 연결되어 있다. 또한 플라즈마 발생기장치(20)는 회전애노우드(32)를 갖는 회전애노우드조립체(30)를 포함한다. 코팅물질공급원(28)은 플라즈마 발생기의 애노우드(32)의 하류측에 착설되어 있다. 따라서 코팅물질은 플라즈마 스트림내로 공급될 수 있다. 일반적으로 코팅물질은 플라즈마 스트림내로 공급될 수 있도록 입자형태로 되어 있다.
기재(36)는 발생기동체(22)로부터 떨어져 위치한다. 이 기재(36)는 그 표면(38)이 노즐(29)로부터 거리 ＂L＂만큼 떨어진 위치에 놓여있다.
제1 DC전원(40)은 양극단자(42)를 포함한다. 이 단자(42)는 도선(44)으로 애노우드조립체(30)에 연결되어 있다. 또한 직류전원(40)은 도선(48)으로 봉상의 캐소우드(24)에 연결된 음극단자(46)를 포함한다.
또한 플라즈마 발생기장치는 제2직류전원(50)을 포함하는 바, 이 제2 전원(50)은 도선(54)과 스위치(56)를 통하여 기재(36)에 연결되는 양극단자(52)를 갖는다. 또한 제2전원(50)은 도선(60)과 스위치(62)를 통하여 봉상의 캐소우드(24)에 연결되는 음극단자(58)를 포함한다. 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 상기 언급된 연결이외에도 여러 가지 전기적인 연결이 본 발명 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기에 사용될 수 있다. 제1도에서 보인 바와 같이 플라즈마 스트림은 부호(64)로 표시되어 있다.
미국 특허 제4,338,509호에서는 아크 난- 트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기의 일반적인 작동에 관하여 기술되어 있다. 플라즈마 발생기의 일반적인 작동에 대하여서는 미국 특허 제 4,388,509호를 인용한다.
본 발명에 따른 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기 장치의 일반적인 작동은 제1도에서 설명될 것이다. 전원(50)의 단지(52)의 전압은 전원(40)의 단자(42)의 전압보다 높다. 예를 들어 제2전원(50)의 전압은 800볼트이고 이에 비하여 제1전원(40)의 전압은 500볼트이다. 또한 제2 또는 부가적인 전원은 그 출력전압이 300-800볼트에서 50볼트씩 상하로 조절될 수 있어야 한다. 또한 이 전원의 전류는 50-300A로 조절될 수 있어야 한다. 이와 같은 플라즈마 발생기장치의 전기적인 파라메타를 변화시킬 수 있도록 하므로서 기재표면에서의 하전입자 집중과 이에 따른 기재 표면 온도를 선택적으로 조절할 수 있다. 기재표면에서의 하전입자를 집중시킬 수 있도록 하는 것이 본 발명의 한 특징이다. 이러한 특징이 이후 상세히 설명될 것이다.
제6도에 의하면, 제1도의 스위치(56)(62)가 개방 또는 폐쇄되어 있음을 보이고 있다. 스위치(56)(62)가 개방되어 있을 때에는 액체안정화 플라즈마 발생기장치가 아크 난-트란스퍼 플라즈마 발생기의 작용을 설명키로 한다.
DC전원의 캐소우드(24) 와 애노우드(32)에 인가될때에는 전기아크(70)가 이들 사이에 나타난다. 안정화액체는 발생기동체(22)의 챔버내로 공급되어 전기아크가 안정화 액체의 액체소용돌이에 접촉한다. 따라서 잘 알려진 바와 같이, 높은 레벨의 에너지가 액체에 공급되어 이를 이온과 자유전자로 구성되는 플라즈마 상태로 해리시킨다. 해리정도는 전기아크의 에너지량에 따라 좌우된다.
플라즈마 발생기의 노즐(29)에서 고압으로 플라즈마 스트림 상태로 방출된다.
제6도에서 보인 바와 같이, 스위치(56)(62)가 개방된 상태에서는 부호 ＂a＂로 표시된 이 플라즈마(64a)은 기재(36)를 향하여 연장된다.
플라즈마 스트림이 전기아크를 통과한 후에는 에너지가 플라즈마 스트림에 공급되지 않는다. 플라즈마의 이온은 이들이 전기아크를 지나 연장되는 순간부터 재결합이 시작된다. 이온의 재결합시 플라즈마 스트립의 온도로 측정되는 열에너지가 생성된다. 프라즈마 스트림이 기재를 향하여 이동되므로서 플라즈마 스트림의 하전입자 농도는 감소된다. 하전입자가 않이 집중된 영역에서는 플라즈마 스트림의 온도가 더 높게된다. 결과적으로, 제6도에서 보인 바와 같이 점 A(Ta)에서 플라즈마 스트림의 온도는 점 B(Tb)에서의 플라즈마 스트림 온도보다 높다. 따라서 플라즈마 스트림(64a)의 점 A, B, C 및 D에서 측정된 온도사이에는 다음의 관계가 있다.
Ta 〉Tb 〉Tc 〉Td
또한 점 D에서의 온도 Td는 기재표면의 온도인 점 E에서의 온도 Te보다 높다.
아크 난- 트란스퍼 조건하에서는 제1도 및 제6도에 도시된 플라즈마 발생기장치가 기재표면에도 이르지 못하는 길이를 갖는 플라즈마 스트림을 발생한다. 실제로 이 플라즈마 스트림내의 모든 이온과 자유전자는 이들이 기재(36)의 표면에 충돌하기 전에 재결합된다. 또한 기재(36)의 표면(38)의 온도는 표면(38)을 부분적으로 용융시킬 수 있을 정도로 충분히 높지 않다. 이러한 상황에서는 코팅물질이 기재에 도포된다하더라고 코팅물질과 기재사이에는 물리적인 형태의 결합만이 이루어지는 것을 알 수 있을 것이다.
스위치(56)(62)가 폐쇄되면(56b 및 62b위치)정전압이 기재(36)에 인가되게 된다. 기재에 정전압이 인가되면 플라즈마 스트림은 기재표면에 보다 접근하도록 길어진다. 제1도 및 제6도의 실시형태에 있어서, 점선으로 표시된 플라즈마 스트림(64b)은 연장되어 그 단부가 기재의 표면에 닿아 있다.
플라즈마 스트림의 길이는 제1도와 제6도에 도시된 길이와는 다른 길이로 변화될 수 있다. 예를 들어 제1도 기재에 보다 큰 정전압이 인가되면 기재표면에서 하전입자의 집중이 제1도에서 보인 것으로 많아질 것이므로 플라즈마 스트림의 길이는 길어질 것이다. 반면에 0보다 크나 제1도의 경우보다는 작은 정전압이 기재에 인가되는 경우에는 플라즈마 스트림의 길이가 길어지지만 플라즈마 스트림의 단부는 기재표며의 어느 곳에나 이르지 못할 것이다.
플라즈마 스트림이 기재표면에 또는 가까이에 이르므로 기재표면에 또는 가까이에서 전기적으로 하전된 입자의 집중이 증가된다. 하전입자에 근접한 기재표면에 부분은 그 일부가 용융되는 온도까지 가열될 것이다. 부분적으로 용융된 표면은 표면이 그대로 있는 상태보다 플라즈마 스트림의 충돌성분과 보다 더 화학적으로 반응하게 될 것이다.
이온 및 전자와 같은 하전입자는 하전되지 않은 화학물보다 화학반응이 쉽다. 따라서 기재표면에 대하여 플라즈마 스트림의 길이를 연장하므로서 화학반응도를 증가시킬수 있다. 난-트라스퍼 아크에 의하면 플라즈마 스트림의 하전입자는 기재표면에 충돌하기 전에 화합물로 재결합된다. 이들 화합물은 플라즈마 스트림의 성분들과 코팅물질로 구성되며 기재의 성분들을 포함하지는 않을 것이다. 그러나 플라즈마 스트림의 길이를 연장시키므로서 용융된 표면에는 하전입자의 농도가 증가되고 그 결과 플라즈마 스트림, 코팅물질 및 기재의 성분 사이에 화학결합이 일어나게 된다.
본 발명의 특정성분에 의하여 기재표면, 또는 플라즈마 발생기와 기재표면 사이의 특정위치에 있는 하전입자의 농도를 변화시킬 수 있다는 것이다.
잘 알 수 있는 바와 같이, 코물질이 기재의 표면에 충돌할 때 코팅 물질의 속도는 미국 특허 제4,338,509호에 기술된 플라즈마 발생기와 같은 종래 기술의 장치에 비하여 매우 빠르다.
제1도와 제6도의 아크 난-트란스퍼 플라즈마 발생기에 있어서는 기재가 충분한 전하를 가질때에 작동조건이 이루어져 기재와 코팅물질사이에 화학적인 결합이 이루어진다. 환원하면 이러한 코팅과정에서 기재의 원소와 코팅물질의 원소를 갖는 새로운 성분의 결합층이 형성된다. 어떤경우에는 결합층이 기재와 코팅층의 중간층일수도 있다. 또한 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 안정화액체와 회전애노우드에 포함된 원소들이 결합층 또는 코팅층에 있는 화합물의 일부 성분을 구성할 수도 있다.
본 발명은 플라즈마 스트림이 발생되고 코팅물질이 기재상에 퇴적될 때에 ＂아크＂가 교호로 전달되거나 전달되지않는 방법과 장치를 제공한다. 환원하며 플라즈마 스트림 길이를 기재에 대하여 조절하므로서 코팅과정중에 플라즈마 스트림이 기재에 접촉될 수 있도록 하고 계속하여 기재로부터 전원을 분리하거나 회전에 노우드(32)와 기재(36)사이에 작은 전압차이를 보이도록 전원을 변경시키므로서 플라즈마 스트림의 길이를 짧아지게 할 수 있다. 플라즈마 스트림의 길이가 변화되면 플라즈마 스트림을 통한 전하밀도의 분포에 의한 그 온도차가 나타난다. 이와 같은 회전애노우드와 기재사이의 전압관계를 변화시키므로서 플라즈마 스트림의 길이를 변경 또는 수정시킬수 있어 종래기술에서는 불가능하였던 코팅성분과 코팅층구조의 형성을 조절할 수 있다.
기재표면에서의 온도상승을 설명하기 위하여서는 이론적인 계산이 도움이 될 것이다. 이 이론적 계산을 안정화 액체로서 물(H2O)을 이용하여 설명한다. 또한 인가된 전압은 약 360볼트DC이고 전류는 약 450암페어이다.
이러한 이론적 계산을 위하여, 8개의 동일한 간격을 두고 지정된 단면부(＂0＂에서 ＂7＂까지 지정됨)가 플라즈마 발생기(22)의 노즐(29)(＂0＂으로 단면부가 지정됨)로부터 기재(36)의 표면(38)(＂7＂로 단면부가 지정됨)까지 설정되었다. 이들 단면부의 간격은 약 10mm이고 아크의 길이는 65mm~80mm사이에서 변화한다. 이들 계산은 알려진 등식에 기초를 둔다. 이러한 이론적 계산이 다음 표 1에 나타나 있다.
[표 1]
노즐로부터 떨어져 있는 여러 위치에서 플라즈마 스트림의 온도, 입자농도 및 전기적인 전도율의 이론치
Figure kpo00001
상기 이론적인 계산으로 알 수 있는 바와 같이, 기재의 표면과 플라즈마 스트림의 표면온도는 매우 높아 기재표면에서 기재의 물질이 보다 반응성으로 되게 한다. 비록 특별히 제안된 실시예가 이후 상세히 설명될 것이나, 본 발명의 플라즈마 발생기 장치에서는 다음과 같은 전형적인 형태의 안정화액체, 기재물질, 코팅물질 및 전극이 사용될 수 있다.
전형적인 안정화액체로서는 물(H2O), 에틸알콜(CH3CH2OH), 2-피콜린(CH3C5H4N) 및 m-톨루이딘(CH3C6H4NH2)이 있다. 전형적인 비금속기재로서는 철(Fe), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)이 있다. 전형적인 비금속기재로서는 흑연(C)이 있다. 또한, 전형적인 금속 코팅 물질로는 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 혼합물, 니켈(Ni),실리콘(Si)과 보론(B)으로된 혼합물 및 니켈(Ni),크롬(Cr)과 보론(B)으로된 혼합물이 있다. 전형적인 비금속 코팅물질로는 Y2O3로 안정화도니 ZrO2나 ZrSiO4또는 Al2O3가 있다. 전형적인 캐소우드 물질은 흑연 (C)이며, 애노우드물질로는 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)을 들수 있다.
제2도, 제3도, 제4도 및 제5도에는 별도의 또는 제2직류 전원과의 전기적인 연결을 보인 여러 가지 특별한 실시형태를 보이고 있다. 제2도와 제3도는 별도의 전원(50a 와 50b)이 프라즈마 바랭기의 캐소우드(30a)와 기재(36a)사이에 연결되어 있음을 보이고 있다. 특히 제2도에서, 별도의 전원(50a)의 양극은 기재(36a)에 연결되고, 별도 전원(50a)의 음극은 발생기(22a)의 봉상 캐소우드에 연결되어 있다. 이 전기적인 배열은 제1도와 제6도에 도시된 전기회로에 따라 이루어진다. 특히 제3도에서는 별도 전원(50b)의 양극이 발생기(22b)의 봉상 캐소우드(30b)에 연결되고 이 별도 전원(50b)의 음극은 기재(36b)에 연결되어 있다.
제4도와 제5도에서는 별도의 또는 제2직류원(50c)(50d)이 각각 플라즈마 발생기의 양극(30c) 또는 양극(30d)와 기재(36c) 또는 기재(36d)사이에 연결되어 있는 전기적인 여러 가지 연결구성을 보인 것이다. 특히 제4도에서는 별도 전원(50c)의 양극이 기재(36c)에 연결되고 별도 전원(50c)의 음극이 애노우드(30c)에 연결되어 있음을 보이고 있다. 제5도는 별도 전원(50d)의 양극이 애노우드(30d)에 연결되고 별도전원(50d)의 음극이 기재(36d)에 연결되었음을 보이고 있다. 이러한 전기적인 배열은 제7도에 도시된 전기회로에 따라 이루어진다. 이러한 형태의 전기회로에 의하여 플라즈마 발생기의 작용을 보다 상세히 설명한다.
제2도-제5도는 전기적인 연결을 설명하기 위한 것이므로 제2도-제5도에는 기계적인 구성에 기초를 둔 제1도와는 달리 기계적인 요소는 생략하였다.
이미 언급된 바와 같이 본 발명은 기재표면의 온도를 상승시킬 수 있도록 되었는바, 이러한 구성은 제2도와 제4도에 도시되어 있다.
제7도에서는 별도의 DC전원(50')으로부터의 부전하가 기재에 인가되는 플라즈마 발생장치를 보인 것이다.
제7도에서 별도의 DC전원(50')의 양극단자는 애노우드(32')에 연결된다. 플라즈마 발생기가 별도의 DC전원으로부터 연장된 도선의 스위치(56')(62')가 개방된 상태에서 작동할 때에 이는 이미 언급된 바와 같은 아크난-트란스퍼 플라즈마 발생기와 같이 작동한다. 스위치(56')(62')가 폐쇄되었을 때 기재(36')에는 부전위가 인가된다. 이때 애노우드(32')는 정전위임을 알 수 있을 것이다. 따라서 애노우드(32')와 기재(36')사이의 전위는 기재가 부전하를 띄기전보다 보다 높게 된다. 플라즈마 스트림은 전기적으로 전도성이다. 이러한 전위의 상승과 플라즈마 스트림(64')의 전도성으로 기재(36')의 표면(38')과 애노우드(32')사이에 제2전기아크(72)가 형성된다. 환언하면 전자가 애노우드로 이동한다. 동시에 두 전기아크가 나타나게 되는 것이다. 제1전기아크(70')는 캐소우드(24')롤부터 애노우드(32')로 연장되고 제2전기아크(72)는 기재로부터 애노우드(32')에 연장된다.
플라즈마 스트림(64')에 제2전기아크(72)가 나타나므로 플라즈마 스트림 내부의 와류현상은 증가한다. 이러한 와류현상으로 플라즈마 스트림의 전하밀도 구배(gradient)가 변화한다. 제7도의 점 ＂F＂에서 플라즈마 스트림의 단면을 플라즈마 스트림(64')의 외측변부에서의 하전입자밀도가 중심부보다 큼을 보일 것이다. 이는 제2전기아크를 갖지 않는 플라즈마 스트림내에서 하전입자의 밀도구배와 반대가 된다. 제2전기아크를 갖지 않는 형태의 플라즈마 스트림에 있어서 하전입자의 밀도는 중심으로부터 방사상 외측변부로 갈수록 감소된다.
전술한 바와 같이, 제2전기아크(72)를 형성하는 전자는 기재(36')의 표면(38')으로부터 애노우드(32')로 이동한다. 이러한 전자이동으로 기재물질과 기재표면에 이미 퇴적된 코팅물질의 양으로 하전된 이온이 생성된다. 잘 알려진 바와 같이 기재물질의 이온은 보다 안정상태에 있기 쉬운 중성화합물 또는 원소보다 플라즈마 스트림의 성분과 용이하게 화학적으로 반응한다. 플라즈마 스트림의 성분과 화학적으로 반응하기 쉬운 표면은 기재로부터 전자이동의 결과에 따라 형성된다. 기재의 표면을 보다 용이하게 화학적으로 반응할 수 있는 위치에 놓이도록 할 수 있다는 것은 기재 표면 및 기재에 코팅된 화학성분에 대한 반응을 조절하기 위한 부가적인 파라메타를 제공한다.
본 출원을 통하여 우리는 제2(또는 별도의) DC 전원(50,50',50＂)에 대하여 언급하여 왔다. 그러나 본원 출원인은 이러한 두 전원만으로 제한하려는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 실제적으로는 둘 이상의 DC 전원을 사용하고 있지만 단하난의 DC전원을 사용할 수도 있다. 예를 들어 제8도에 도시된 구성은 단 하나의 DC전원(40＂)을 사용하고 있다. 이러한 구성은 제1도의 구성과 대동소이하므로 상세한 설명은 필요가 없을 것이다. 그러나, 저항(80)이 양극단자(42＂)와 애노우드(32＂)사이에 직렬로 연결되어 있는 것에 유의하여야 한다. 도선(54＂)은 양극단자(42＂)와 기재(36＂)에 함께 연결되어 있다. 저항(80)은 전압분할기로서 작용하여 애노우드(32＂)의 전압이 기재(36＂)의 전압보다 낮게된다. 또한 애노우드(32＂)와 단자(42＂) 또는 기재(36＂)와 단자(32＂)사이에 각각 직렬로 연결되는 가변저항(도시하지 않았음)을 이용하는 것도 가능하다. 예를 들어 저항(80)은 가변저항일 수 있다. 이와 같이하므로서 플라즈마 스트림(64＂)의 길이는 소규모로나마 연속하여 변화시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 아크 세미-트란스퍼 액체안정화 플라즈마 발생기는 가변출력전압과 가변전류를 제공토록하는 제2DC전원을 가질 수 있다. 전술한 바와 같은 DC전원으로서 행하여질 수 있는 기재에서의 정전하변화가능성은 중요한 작동제어요인을 제공한다.
예를 들어 플라즈마 스트림의 성분과 기재의 물질사이에서 일어나는 화학반응은 일반적으로 온도에 따라서 좌우된다. 만약 반응과정중에 반응이 일어나는 온도를 변화시키면 반응생성물은 반응온도가 일정할때와는 동일하지 않을 것이다. 예를 들어 원소 A와 원소 B의 두 원소가 어떠한 특별반응 온도(T1)에서 반응하여 화합물 AB를 생성한다고 가정하자. 반응온도 T1가 일정한 경우에는 화합물 AB를 생성하기 위한 A와 B의 반응은 완료시까지 계속될 것이다. 환언하면 반응이 방해받지 않는다면 이러한 반응으로 화합물 AB가 생성될 것이다. 그러나 반응과정중에 반응온도를 어느 온도 이하로 떨어뜨릴 경우에는 플라즈마 스트림(64)이 짧아져 기재(36)에 이르지 못하게 되므로 반응이 중단될 것이다. 이러한 온도변화의 결과로 화합물 AB와 원소A+B의 결합으로 구성되는 반응생성물이 생성될 것이다. 비록 이러한 결과가 관련된 특수원소에 따라 좌우되기는 하나 화합물 AB와 원소A+B를 갖는 반응생성물의 생성은 화합물 AB만이 생성될 때 갖지 않는 유리한 특성을 제공할 수도 있다. 또한 이러한 결과로 기재(36)상에는 화합물 AB와 A+B의 층이 형성될 것이다.
코팅중에 기재의 표면온도를 변화시키는 것이 유리함을 이해할 수 있을 것이다. 다양한 반응생성물이 기재표면에 선택적으로 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 기재표면의 온도는 여러 가지 방법으로 변화시킬 수 있다.
전술한 예에 의하면 표면의 온도는 플라즈마 스트림(64a)을 짧게 하여 그 단부를 제6도에서 보인 바와 같이 표면으로 멀리 떨어지게 이동시키므로서 낮출 수 있다. 이는 기재에서 정전하를 완전히 제거하도록 스위치(56)를 개방하므로서 달성될 수 있다. 만약 이와 같이 된다면 플라즈마 발생기는 아크 난-트란스퍼 플라즈마 발생기와 유사하게 작동할 것이다. 이러한 기재온도의 하강은 초기 정전하보다는 약간 작으나 제로보다는 크게 기재의 정전하를 감소시키므로서 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 만약 이와 같이 된다면 플라즈마 스트림은 짧아지지만 모든 정전하를 기재로부터 제거한 경우와는 같지 않을 것이다. 따라서 온도가 하강된다 하여도 모든 정전하가 제거된 경우의 온도보다는 낮지 않을 것이다.
비록 특수 성분과 본원 출원의 목적에 따라 결정되겠지만 시간 및 순서에 의한 정전하의 다양한 결합이 본 발명의 플라즈마 발생기에 의하여 이용될 수 있다. 플라즈마 아크의 위치 또는 길이와 코팅 중 어느 한 위치에서의 지속시간을 변화시키므로서 기재 표면에서 일어나거나 일어나지 않는 특별한 화학반응을 제어할 수 있다. 또한 기재(36)의 극성은 코팅중에도 변화시켜 요구하는 특정 결과에 따른 반응이 표면(38)에서 일어나게 할 수 있다.
본 발명의 실시예는 다음과 같다.
[실시예 1]
흑연으로된 봉상의 캐소우드(24)를 갖는 물-안정화 플라즈마 발생기(20)(제1도)를 이용한다. 회전애노우드(32)는 철로 만들어졌다. 이 플라즈마 발생기는 코팅될 기재(36)의 표면으로부터 약 6-8인치의 거리에 배치되었다. 이 기재는 기본 구성 원소가 철인 탄소강이었다. 또한 이 기재는 전기적으로 전도성이었다.
기재(36)가 별도 또는 제2의 직류전원(50)의 양극단자(52)에 연결되고 별도로 제어가능한 직류전원의 음극단자(58)가 플라즈마 발생기의 캐소우드(24)에 연결되었다. 주 전원이 인가되어 플라즈마 발생기가 작동된 다음 별도의 직류전원(50)이 인가되었다.
공지의 방법으로 입자가 플라즈마 스트림(64)으로 공급되었다. 본 실시예 1에서, 코팅물질의 입자는 92% 니켈, 5% 실리콘과 3% 보론으로 조성되었으며 이들 입도는 44-53미크론(325-270메쉬)이었다. 코팅물질은 0.01-0.1인치 두께로 도포되었다.
결합층은 철, 니켈, 실리콘의 합금, 특히 (a) 55% 철, 44.7% 니켈과 0.3% 탄소 및 (b) 97.5% 철, 2% 실리콘과 0.5% 탄소의 조성을 갖는 합금의 결정을 포함하는 것으로 기대된다. 또한 결합층은 규화물(특히 NiSi2), 붕화물(특히 SiB4) 및 NiO와 같은 니켈산화물의 미량원소를 포함하는 것으로 기대된다. 코팅층은 주로 Ni(92%), Si(5%), B(3%)로 구성되리라 기대된다.
[실시예 2]
이 실시예에서는 실시예 1과 같은 플라즈마 발생기 장치가 사용되었으나 안정화액체로 에틸 알콜(CH3CH2OH)이 사용되고 코팅물질은 니켈과 크롬으로 구성되었다. 플라즈마 스트림으로 공급되는 입자물질은 입도가 44-53미크론(325-270메쉬)인 80중량% 니켈과, 20중량% 크롬의 복합체로 되어 있다. 철기재가 사용되었다.
결합층은 철, 니켈과 크롬합금의 결점과 크롬탄화물(특히 Cr3C2)의 미량원소를 포함하는 것으로 기대되었다. 코팅층은 근본적으로 NI-Cr 합금(80% Ni과 20% Cr)인 것으로 기대되었다.
[실시예 3]
이 실시예는 실시예 1의 플라즈마 발생기장치와 동일한 것이 사용되었다. 안정화액체는 2-피콜린(CH3C5H4N)이었다. 플라즈마 스트림으로 공급되는 코팅물질은 입도가 44-53미크론(325-270메쉬)인 80중량% 니켈, 17중량% 크롬 및 3중량% 보론으로된 입자물질로 구성되었다. 기재는 철이었다.
형성된 결합층은 철-니켈-크롬합금의 결정과, 탄화물(특히 Cr3C2및 B4C)와 질화물(특히 Cr2N)의 미량원소를 포함하는 것으로 기대되었다. 코팅층은 Ni(80%)-Cr(17%)-B(3%)의 합금으로 구성되는 것으로 기대되었다.
이상 설명된 본 발명의 실시형태와 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 제한하고자한 것은 아님을 명백히 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 코팅물질을 포함하는 플라즈마 스트림을 생성하여 이를 기재에 투사하는 액체안정화 플라즈마 발생기(20)으로 구성되고 상기 발생기가 애노우드(32)를 포함하는 전도성 기재에 코오팅 물질을 도포하기 위한 플라즈마 발생기 장치에 있어서, 기재에 코팅물질을 도포하는 동안 기재표면에는 또는 이에 근접한 영역에서 플라즈마 스트림의 하전입자 농도를 변경하기 위하여 애노우드(32)에 대한 기재의 전기적 전위를 선택적으로 제어하기 위한 수단(50,54,56,60,62)을 구비함을 특징으로 하는 플라즈마 발생기장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발생기(20)가 안정화 챔버를 포함하는 발생기 하우징(22), 상기 챔버에 액체를 공급하기 위한 장치(26), 챔버내로 연장된 캐소우드(24), 상기 챔버의 외측에 위치하는 상기 애노우드(32), 애노우드(32)와 캐소우드(24)사이의 노즐(29), 액체를 플라즈마로 변환시키기 위하여 애노우드(32)와 캐소우드(24)사이에 전기아크를 형성하도록 애노우드(32)와 캐소우드(24)에 연결된 제1DC전원(40), 플라즈마 스트림에 입자를 공급하기 위하여 상기 애노우드(32)의 하류측에 위치하는 장치(28) 및 제어수단으로서 기재에 연결되는 제2DC전원(50)을 포함하는 바의 플라즈마 발생기장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어수단이 기재와 제2전원(50)의 단자(52)사이에 스위치(56)를 포함하고, 이 스위치(56)는 기재와 제2DC전원(50)사이의 전기적 연결이 이루어진 온 상태와 기재와 제2DC전원(50)사이의 전기적 연결이 이루어지지 않은 오프상태를 선택할 수 있으며, 상기 제2전원(50)이 스위치가 온 상태에 있을 때의 기재의 전위를 변화시키기 위한 수단을 포함하는 바의 플라즈마 발생기장치.
  4. 제2항에 있어서, 제1 및 제2전원이 전압 분할기(80)의 각 단자(46＂,42＂)이고, 이 전압분할기(80)가 단일전위에 연결된 바의 플라즈마 발생기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어수단이 애노우드(32)에 대한 기재의 전위를 제어하여 플라즈마 스트림의 위치가 기재에 대하여 변화하므로서 한 위치에서는 플라즈마 스트림이 기재에 못미치는 사전에 선택된 거리에서 끝나는 바의 플라즈마 발생기 장치.
  6. 기재를 향하여 연장되는 플라즈마 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 전도성 기재에 코팅물질을 도포하는 액체안정화 플라즈마 발생기를 이용하는 방법에 있어서, 기재의 전위를 변화시키고 플라즈마 스트림의 생성중에 플라즈마 스트림의 전하밀도구배를 선택적으로 제어할 수 있도록 기재의 전위를 변화시킴을 특징으로 하는 액체안정화 플라즈마 발생기 이용한 코팅방법.
  7. 제6항에 있어서, 플라즈마 스트림의 생성단계가 전기아크의 발생단계, 액체를 하전된 입자로 해리시켜 플라즈마 스트림을 생성토록 전기아크에 액체를 공급하는 단계, 플라즈마 스트림을 기재축으로 방출하는 단계와, 입자의 적어도 일부가 하전입자로 해리되도록 플라즈마 스트림 속으로 입자를 공급하는 단계를 포함하는 바의 방법.
  8. 제6항에 있어서, 변화시키는 단계가 기재표면에 대한 플라즈마 스트리의 위치를 제어하기 위한 단계를 포함하며, 그 한 위치에서 플라즈마 스트림은 기재의 표면에 못미치는 사전에 선택된 거리에서 끝나는 바의 방법.
  9. 캐소우드(24)와 애노우드(32)사이에 아크를 형성하고 이에 액체를 주입하여 플라즈마 스트림을 발생하고 이 플라즈마 스트림을 기재축으로 향하게 하는 단계로 구성되는 플라즈마 스트림의 제어방법에 있어서, 플라즈마 스트림이 발생되는 동안 애노우드(32)에 대한 기재의 전압을 변화시켜 기재에 대한 플라즈마 스트림내의 전하밀도분포를 변화시킴을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 기재에 애노우드전압의 극성에 대하여 반대극성의 전압이 인가되게 하는 바의 방법.
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