WO2010011076A2 - 고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법 - Google Patents

고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법 Download PDF

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WO2010011076A2
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김옥률
김옥민
이근식
정승채
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material
    • B05B7/144—Arrangements for supplying particulate material the means for supplying particulate material comprising moving mechanical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material
    • B05B7/1454—Arrangements for supplying particulate material comprising means for supplying collected oversprayed particulate material

Definitions

  • the present invention uniformly disperses the aerosol mixed with the transport gas and the solid powder regardless of the particle size, shape, specific gravity of the solid powder, uniformly and continuously deposited regardless of the material and size of the substrate to form a uniform thin film And a device thereof.
  • the deposition method is determined by the size of the powder particles, the specific gravity of the particles, the presence or absence of heat treatment, the substrate temperature (high temperature, low temperature, room temperature), the presence or absence of vacuum, and the particle spraying speed. It is directly related to the deposition process speed and productivity and economy.
  • the solid powder referred to herein refers to a solid powder such as glass, metal, semimetal, ceramic, or compound.
  • the thermal spray deposition method is a method in which a solid powder is melted by a plasma, accelerated by a spark, and sprayed onto a substrate.
  • the temperature applied to the powder varies depending on the type of the thermal spraying process, but a high temperature of 3,000K to 15,000K is applied.
  • the cooling rate after reaching the substrate may reach 10 6 K per second.
  • the temperature of the powder is hot and sprayed at a high speed at a supersonic speed, so that the particle size of the powder is more than several tens of micrometers.
  • the bonding strength between particles is excellent, but pores are often present in the deposition layer, and the particles may be exposed to high temperature, causing evaporation or a change in chemical composition, and an amorphous phase due to rapid cooling. It is formed, there is a disadvantage that the crack is likely to occur, the bonding strength with the substrate is reduced, and a thick deposition layer can be formed at a high speed, but the thickness of the deposition layer is difficult to control and has a rough surface.
  • Electrostatic particle impact deposition method is the deposition of ultra-fine particles of sub-micrometer to nanometer size on the electrode surface by the electrostatic acceleration between the two electrodes in a vacuum of 10 -4 torr or less, particle charging such as carbon or metal particles Only particles in this easy case are deposited, and ceramic particles are not well deposited. Although the thickness can be up to several micrometers, tens of micrometers are difficult, and the deposited layer is characterized by the presence of an amorphous phase or a different crystal phase from the raw powder.
  • the cold spray deposition method is similar to the spraying process, but the method of spray deposition of metal particles of several micrometers or more on the surface of a substrate using a gas of several hundred degrees Celsius without using a hot gas or plasma, such as a spray deposition method.
  • the velocity of gas injected by this method is supersonic speed of 500m / s or more, and the deposition is carried out by plastic deformation when particles collide with the substrate by the kinetic energy and heat of the gas, and the particles are fused by the substrate by the temperature rise of the surface.
  • the thickness of the deposited layer can be from several mm to several cm.
  • particles having a low specific gravity or fine particles have a disadvantage in that the velocity of the particle flow decreases due to aerodynamic drag (flow flowing back after the gas collides with the substrate) and thus is not deposited.
  • U.S. Patent No. 5,302,414 (“Gas-dynamic spraying method for applying a coating", 1994; PCT / SU90 / 00126) is a patented technology that was aided by the cold spray deposition method. It is a technique of spray deposition at 300 ⁇ 1,200m / s by inserting micrometer metal, alloy or polymer powder, and melting of powder used in conventional spraying, plasma deposition and explosion deposition. It is a technology that can reduce the thermal shock on the substrate relatively because it is deposited at a temperature lower than the high temperature above the melting point, except that the metal is fractured and deposited, unlike the metal that causes plastic deformation during deposition.
  • the deposition of powders such as ceramics is difficult, the deposition efficiency is very low, and the deposition of nanometer powder particles of sub-micrometer size, whether metal powder or ceramic powder, And the injection speed of the powder from the spray nozzle exit as greatly reduced wake difficult to be deposited on the substrate, there is a disadvantage that the deposition efficiency is very poor.
  • Korean Patent No. 0691161 discloses a method of manufacturing a field emission emitter electrode by spray deposition of carbon nanotube powder on a substrate at a supersonic speed using the cold spray method.
  • This method has a disadvantage in that the gas is injected at supersonic speed in the air as described above, so that severe noise is generated.
  • a transport gas is applied to the substrate. When colliding, there is a problem that is difficult to deposit on the substrate due to the phenomenon of the high-speed gas backflow.
  • FIG. 1 A conceptual diagram of a typical aerosol deposition method is shown in FIG.
  • the basic concept of the aerosol deposition method is that a transport gas flows into the aerosol chamber containing the solid powder, and fine powders floating in the aerosol chamber by using the pressure difference between the aerosol chamber and the deposition chamber are placed in the vacuum deposition chamber. It is a method of spray deposition through.
  • Republic of Korea Patent No. 0724070 (“Composite Structure and Manufacturing Method and Manufacturing Apparatus”) and Republic of Korea Patent No. 0767395 (“Composite Structure”) relates to a technique using the aerosol deposition method, such as the conceptual diagram of FIG. Patent No. 0531165 (“Method and Apparatus for Carbon Fiber Fixed on Substrate”) has a basic concept of an aerosol deposition method that generates carbon nanotubes directly in an aerosol chamber and transports carbon nanotubes to a deposition chamber for deposition.
  • An apparatus is disclosed. This relates to a technique for forming a thin film by spray-depositing carbon nanotubes, it is applied in anticipation that excellent properties such as metal thin film will be expressed by applying this.
  • 0846148 Method and Apparatus for Forming Deposition Thin Film Using Solid Powder
  • a technique using the aerosol deposition method by intermittently amplifying a reduced pressure in a deposition chamber to accelerate and collide with an aerosolized particle by accelerating a collision speed.
  • a method of obtaining a thin film at room temperature is disclosed.
  • the intermittent pressure control there is a significant problem in depositing solid powder continuously and uniformly. This is because, when adjusting the pressure intermittently, there is a problem in that a uniform thin film cannot be formed at an injection interval corresponding to the time.
  • Korean Patent No. 0818188 High Efficiency Powder Dispersion Device for Aerosol Deposition
  • Korean Patent No. 0818188 High Efficiency Powder Dispersion Device for Aerosol Deposition
  • this also has a disadvantage in that it is almost ineffective in the dispersion method of materials such as carbon nanotubes, uniformity decreases when depositing on a large-area substrate, and a large resistance increases when a current flows due to a large sheet resistance. There is a serious problem that occurs.
  • Korean Patent No. 0818188 High Efficiency Powder Dispersion Device for Aerosol Deposition
  • 0724070 (“Composite Structure and Manufacturing Method and Manufacturing Apparatus”) discloses a method of smoothing dispersion of powder particles by irradiating any one of ultrasonic waves and microwaves or ultrasonic waves and microwaves to an aerosol. It is a slight level. In particular, the tubular material is a situation in which the dispersing effect is even more minimal.
  • the heating means for example, resistance line heating, electron beam
  • the aerosol deposition method for example, resistance line heating, electron beam
  • Korean Patent No. 0695046 Low Temperature Forming Method for Ultrafine Particles Brittle Materials and Ultrafine Particles Brittle Materials Used in Its
  • the conventional aerosol deposition apparatus includes a large aerosol chamber and a deposition chamber as shown in FIG. 1, and transport gas flows into the aerosol chamber to aerosolize the powder inside the aerosol chamber, and aerosol chamber and deposition. Due to the pressure difference in the chamber, the aerosol is moved and sprayed onto the substrate through the nozzle.
  • the aerosol generated by the transport gas flowing into the aerosol chamber does not move uniformly and continuously in a predetermined amount, it is difficult to form a uniform thin film. The reason for this is that the probability of matching the direction of movement of the aerosol through the transport pipe connected to the aerosol chamber and the direction of the transport gas flowing into the aerosol chamber is very low.
  • the material properties of the carbon nanotube powder due to the material properties of the carbon nanotube powder, agglomeration between particles occurs during the formation of the aerosol, so that the aerosol of the quantity is not continuously introduced into the nozzle, so that a uniform thin film is not continuously formed. That is, when the transport gas and the aerosol flow along the transport pipe, the flow rate and concentration must be uniformly distributed along the transport pipe cross section, so that a uniform thin film can be continuously formed on the substrate, and this technique has a decisive influence on the deposition method and apparatus. Is a key factor.
  • the aerosol deposition method as a whole is a solid powder is injected by the pressure difference between the aerosol chamber and the deposition chamber to be deposited on the substrate, so that the injection speed must be increased for a smooth deposition, a considerable vacuum that is not necessary for the cold spray deposition method It is necessary to maintain the state, and takes a lot of time to prepare the deposition process in order to make a high vacuum state.
  • Supply at pressure P 2 the supply pressure P 2 of the solid powder must be higher than the pressure P 1 of the pressure tube so that the solid powder can be supplied without backflow.
  • the pressure pipe may have to transport gas at a pressure that is several tens of times the atmospheric pressure (for example, 10 to 40 bar), and in order to supply the solid powder to the pressure pipe, the pressure pipe may be larger than the pressure P 1 inside the pressure pipe.
  • the pressure pipe may be larger than the pressure P 1 inside the pressure pipe.
  • there is a limit (typically 14 bar) to use a general compressed air as a transport gas of a solid powder and there is a problem that expensive nitrogen or helium can be used as a transport gas, and such a transport gas is continuously used for a long time.
  • the economics and productivity of supply can be a problem. Therefore, there is a need for an apparatus and method for supplying a solid powder to a pressure tube through which a gas of pressure P 1 greater than atmospheric pressure flows without using the above high pressure.
  • U.S. Patent No. 5,302,414 (“Gas-dynamic spraying method for applying a coating”) is a spray coating technique, which applies three methods to supply a solid powder.
  • the first method is shown in Fig. As shown in Fig. 1, a compressed gas is supplied to a hopper containing a pressure tube and a solid powder, and the cylinder drum is rotated to adjust the pressure so that the solid powder does not flow back to the hopper so that it can be mixed with the gas and moved to the nozzle.
  • the second method is shown in Fig. As shown in Fig. 4, the compressed gas was directly supplied to the feeder with the solid powder so that the solid powder could be pushed out and supplied to the nozzle.
  • the third method is shown in Fig. As shown in Fig.
  • the compressed gas is supplied to the heating apparatus and the solid powder feeder, respectively, and the supplied compressed gas and the solid powder are mixed in the premix chamber, and the transport gas pipe is directly connected to the mixing chamber.
  • the solid powder supply pipe is allowed to penetrate into the mixing chamber tube, so that the solid powder can be smoothly supplied to the nozzle without backflow.
  • U.S. Patent No. 6,139,913 (“Kinetic spray coating method and apparatus”) is a technique related to spray coating. As shown in Fig. 2, there is provided a method of transferring air from a pressure tank to a mixing chamber to supply a solid powder, and also injecting a solid powder at a pressure higher than the high pressure air transported into the mixing chamber. do. This method is applied similarly to the third method of US Pat. No. 5,302,414.
  • Korean Patent No. 0770173 (“Low Temperature Spray Apparatus")
  • Korean Patent No. 075139 (“Low Temperature Spray Coating Apparatus with Gas Cooling System”
  • Korean Patent No. 0515608 (“Low Temperature Spray Apparatus with Powder Preheater) Device ") provides a method of injecting solid powder into the mixing chamber. This method is also applied in a similar manner to the third method of US Pat. No. 5,302,414.
  • the solid powder supply method used in the patent technology of 1) to 3) is a method commonly used in thermal spray, cold spray, and kinetic spray methods. It is known as a general apparatus to form a pressure under a high pressure condition of 10 to 40 bar, and to transport a solid powder powder at a higher pressure in this high pressure environment. In general, when using the air pressure can be used up to 14 bar (bar), there is a problem in economic and mass productivity because expensive nitrogen (N 2 ) or helium (He) gas is used to maintain more pressure.
  • N 2 nitrogen
  • He helium
  • Korean Patent No. 0695046 Low Temperature Forming Method of Ultrafine Particle Brittle Material and Ultrafine Particle Brittle Material Used in It
  • Korean Patent No. 0724070 Composite Structure and Manufacturing Method and Manufacturing Apparatus
  • Korean Patent No. 0767395 Composite
  • Korean Patent No. 0531165 Method and Apparatus for Carbon Fiber Fixed on Substrate
  • AD aerosol deposition
  • U.S. Patent No. 4,815,414 discloses a device that can supply a solid-state powder at atmospheric pressure to a spray nozzle using a high pressure transport gas
  • the specification of this patent invention Attached with Fig.
  • Fig. 1 a technology for transporting powder to a nozzle through a lower container by inhaling powder from the lower outlet of the container by transporting a high-pressure gas through a pressure tube into the container containing the solid powder at atmospheric pressure and containing the powder Is described.
  • the problem with this technology is that the transport gas of higher pressure than the atmospheric pressure flows into the container containing the solid powder, so that the solid powder under atmospheric pressure is not completely sucked into the lower container but flows back to the upper part where the solid powder is contained. Is not likely to be supplied (the pressure moves in a lower direction), but a small amount of powder may be momentarily moved downward by high pressure carrier gas injection, but the problem is that most of the powder continues to flow upward or stagnate. It exists.
  • U.S. Patent No. 6,569,245 (“Method and apparatus for applying a powder coating”) describes a technique for coating a nozzle by supplying a solid powder under atmospheric pressure to a nozzle.
  • the compressed air supply device supplies air to a nozzle unit and supplies solid powder to the unit.
  • the solid powder under atmospheric pressure is supplied to the nozzle unit.
  • the solid powder may not be supplied to the nozzle unit and may flow backward, and compressed air may be used to express a higher injection speed. Increasing the pressure further increases the solid state powder is placed in an environment that can not be supplied to the nozzle unit.
  • the solid powder in the atmospheric pressure is discharged at its own weight without any device for discharging the solid powder into a container such as a hopper, so that the amount of solid powder is constantly controlled. There is a problem that can not be discharged. Because of this, there is a limit in that the thickness and quality of the solid phase powder coating layer cannot be kept constant.
  • the problem to be improved in the method of supplying the solid powder to the pressure pipe flowing higher than atmospheric pressure is that i) a higher pressure than the atmospheric pressure (e.g. 10 to 40 bar) is required, and ii) Expensive nitrogen or helium gas other than air must be used for supply. I) If a gas at a pressure higher than atmospheric pressure flows into the solid powder at atmospheric pressure, the solid powder may flow backwards or stagnate. It is difficult to supply solid powder continuously.
  • the present invention provides a constant flow rate gas per unit time and a constant amount of solid phase powder per unit time, irrespective of the size, shape and specific gravity of the solid powder particles, aerosols having a constant density, flow rate and flow rate over the cross section of the transport pipe to the nozzle It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus capable of depositing solid powder continuously and evenly over a cross section of a substrate regardless of the material and size of the substrate.
  • the present invention air supply unit 100; An air processor 200 for filtering and drying the air provided from the air supplier 100 to discharge the filter; Solid powder supply apparatus 300 for supplying a solid powder to the air discharged through the air processing unit 200 in a predetermined amount; A deposition chamber 400 having a substrate therein; A pipe connecting the air processing unit 200 and the deposition chamber 400 to transport the aerosol formed by mixing the solid powder into the air discharged from the air processing unit 200 to the deposition chamber 400. ); An injection nozzle (600) provided at an end of the transport pipe (500) for injecting the aerosol to a substrate in the deposition chamber (400); And a vacuum pump 700 connected to the deposition chamber 400 by a vacuum connecting tube 710 to maintain the deposition chamber 400 in a vacuum state. It provides a solid-phase powder continuous deposition apparatus configured to include.
  • the air supply unit 100 is an air pump 110; And an air storage tank 120; As configured, the air pump 110 is configured to pump the air sucked from the air inlet 111 provided on one side to flow into the air storage tank 120, the air storage tank 120 is inlet It is configured to store the cooled air and to provide it to the air processing unit 200, between the air pump 110 and the air storage tank 120, and between the air storage tank 120 and the air processing unit 200 Each of the flow control valve 10 may be provided.
  • the air processing unit 200 includes a flow rate controller 20 for constantly controlling and discharging the flow rate of the filtered and dried air; May be further provided.
  • the flow regulator 20 is to adjust the amount of air filtered and dried by a constant supply from the air supply unit 100, the aerosol formed by a mixture of solid powder and air in a deposition chamber per unit time (liter / min Control the supply to That is, the flow regulator 20 is a device necessary for uniform and continuous solid-phase powder deposition process.
  • the air processing unit 200 includes a primary filter 210; Primary dryer 220; Secondary filter 230; And a secondary dryer 240; It may be configured to sequentially perform the filtering and drying treatment of the introduced air by sequentially.
  • the secondary filter 230 is a water filter 231; Oil filter 232; And a dust filter 233; It can be configured as.
  • the flow control valve 10 may be provided between the primary filter 210 and the primary dryer 220, and between the moisture filter 231 and the flow regulator 20, respectively.
  • the solid powder supply apparatus 300 and the transport pipe 500 is a connection pipe 310; Connected by, the connection pipe 310 may be inserted into the transport pipe, so as to be refracted in the air advancing direction.
  • the transport pipe 500 may be an elbow (elbow) formed in the pipeline arrangement (design). In this case, it is preferable to further equip the flow regulator 30 in the section before the elbow in the transport pipe 500.
  • the flow regulator is a device that maintains a constant air flow despite the deformation of the transport pipe is a device that is not necessary when the transport pipe and the slit nozzle is connected without the elbow as shown in (a) of FIG. .
  • the air flow rate of the outside of the inner wall of the transport pipe increases due to the centrifugal force while the air being transported passes through the curved portion.
  • a flow regulator shall be fitted at the beginning of the elbow.
  • the transport pipe is most preferably configured so that there is no bending change or cross-sectional change such as elbow so that a separate flow regulator is not required.
  • the pressure gauge 50 may be further installed inside the transport pipe 500.
  • the injection nozzle 600 and the substrate 5 coupled to the transport pipe 500 ends by adjusting the length of the transport pipe 500. You can adjust the distance between them.
  • the deposition chamber 400 may communicate with the exhaust pump 800 through the exhaust pipe 810.
  • the exhaust pump 800 performs a function of forcibly exhausting and collecting the solid solid powder remaining after being deposited on the substrate in the deposition chamber 400 through the exhaust pipe 810.
  • the pressure control valve 60 may be mounted inside the vacuum connection pipe 710 to efficiently maintain and control the vacuum state of the deposition chamber 400.
  • the deposition chamber 400 includes a transfer device for moving the substrate (900); Can be installed together.
  • a pressure measuring device 50 is installed in the transport pipe 500 and the vacuum connection pipe 710, respectively, and the transfer device 900 is inside the transport pipe 500 and the vacuum connection pipe ( By interlocking with the pressure gauge 50 inside the 710, the substrate transport speed of the transfer apparatus 900 may be increased or decreased according to the pressure increase and decrease of the transport pipe 500 and the deposition chamber 400.
  • the transport pipe 500 is a continuous section of the first section, the tube diameter is reduced to a certain ratio, the second section, the tube diameter is increased to a constant ratio, starting from the shrub formed by a certain ratio is continuous to a constant diameter From the third section, the shrub formed by decreasing the diameter at a constant ratio, the fourth section with the tube diameter increasing at a constant ratio and the fifth section continuously running at a constant diameter are connected in one direction. It is formed larger than the shrub of the second section, the solid powder supply device 300 is one side is in communication with the third section of the transport pipe 500 by the connection pipe 310, the other side opening 320 It is provided with a solid-phase powder continuous deposition apparatus characterized in that it is provided. At this time, the connection pipe 310 may be adjusted so that the connection angle.
  • the transport pipe 500 is the first section of the pipe diameter is continuously continuous to decrease at a constant rate, the second section of the pipe diameter is continuously continuous to increase to a certain ratio, the third pipe diameter is continuously continuous
  • the section is configured to continue in one direction
  • the solid powder supply device 500 is one side is in communication with the second section of the transport pipe 500 by a connection pipe 310, the other side opening 320 Provides a solid phase continuous deposition apparatus characterized in that it is provided.
  • the injection nozzle 600 may apply a subsonic nozzle configured to decrease at a constant ratio of the cross-sectional area from the end of the third section of the transport pipe 500 to the nozzle outlet.
  • the cross-sectional area of the section having a constant diameter in the second section of the transport pipe 500 should be configured to be greater than or equal to the nozzle outlet cross-sectional area of the subsonic nozzle.
  • a supersonic nozzle configured to reduce the cross-sectional area at a constant rate from the end of the third section and increase the cross-sectional area at a constant rate from the nozzle neck.
  • the cross-sectional area of the section having a constant diameter in the second section of the transport pipe 500 should be configured to be equal to or larger than the cross section of the nozzle throat of the supersonic nozzle.
  • the conveying device 900 is a roll-to-roll device is provided so that the flexible substrate wound on the unwinding roller 910 is unwinded and wound around the unwinding roller 920 by the rotational movement of the roller
  • an adsorbing member 970 holding the flexible substrate between the unwinding roller 910 and the winding roller 920 and being in close contact with the flexible substrate by adsorption force
  • An adsorption pump 960 for adjusting the adsorption force of the adsorption member 970
  • an adsorption tube 950 connecting the adsorption member 970 and the adsorption pump 960. It provides with a solid-phase powder continuous deposition apparatus characterized in that provided.
  • the suction member 970 is a vacuum chuck (vacuum chuck) covered with a seating portion 974 formed with a plurality of fine holes 973 on the upper surface of the box-shaped body portion 971 as shown in FIG. As shown in FIG. 26, it may be selectively applied to a rotating suction cylinder in which a seating part 974 in which a plurality of fine holes 973 are formed in the track-type rotational track 972 is wound.
  • the suction pipe 950, the suction control valve 70 By installing more can adjust the adsorption force of the adsorption member more precisely.
  • the present invention also provides a pressurizing device (130) for applying pressure to the air supplied from the air supply unit (100) and then supplying the air processing unit (200); A heating device (510) attached to the transport pipe (500) for controlling the temperature of the air by heating the air in advance before the aerosol is formed; And a cooling device 340 disposed so as to pass through the solid powder before it is supplied to the transport gas, wherein the cooling device 340 controls the cooling temperature of the solid powder. Also provided with a solid-phase powder continuous deposition apparatus characterized in that it is further provided.
  • thermal shocks from being applied to the substrate 1) regardless of the subsonic and supersonic aerosol injection rates, 2) regardless of the type and size of the solid phase powder, and 3) the material of the substrate. More specifically, when the aerosol mixed with the solid powder and the gas is sprayed at a subsonic or supersonic speed to coat the substrate, the heating temperature of the transport gas and the cooling temperature of the solid powder in advance before the transport gas and the solid powder reach the injection nozzle inlet. By controlling the temperature, the thermal shock is not applied to the substrate.
  • the present invention has introduced a means for removing the thermal shock inevitably generated by spray deposition of a solid powder on a substrate. That is, the present invention introduces a heating device for a transport gas and a cooling device for a solid powder.
  • micrometer-sized solid powder when 1) supersonic injection speed is expressed, i) micrometer-sized solid powder is used to heat transport gas and solid powder cooling, and ii) when nanometer-sized solid powder is applied, only transport gas is used. The thermal shock applied to the substrate is removed by heating and spray deposition. 2) In case of subsonic injection speed, i) Micrometer-sized solid powder heats the transport gas, and in some cases, cools or does not cool the solid powder. Ii) Nanometer-sized solid powder is transport gas. The thermal shock applied to the substrate is removed by only heating and spray deposition.
  • the deposition chamber 400 is connected via a heat insulating tube 411, and can be configured to further include a substrate temperature control device 410 for controlling the temperature of the substrate in conjunction with the system control unit 1000.
  • the substrate temperature control device 410 is preferably adjusted so that the temperature of the substrate located inside the deposition chamber 400 is lower than the temperature of the nozzle outlet of the injection nozzle 600.
  • speed and temperature of the aerosol transported through the transport pipe 500 may be configured to further include a flow meter, a pressure gauge and a temperature meter respectively installed in the transport pipe (500). have.
  • the present invention is the solid powder supply device 300 is controlled to uniformly regulate the amount of solid powder supplied per unit time and to distribute the solid powder evenly, the front of the discharge port of the solid powder supply device 300
  • a block chamber 330 connected to and having an opening 320 formed at an upper portion thereof to allow air to be introduced into the upper portion so that the solid powder provided to the connection pipe 310 is sucked through a pressure difference; It further provides a solid-phase powder continuous deposition apparatus characterized in that it comprises a.
  • An opening 320 disposed above the block chamber 330 may further include a pretreatment device for removing moisture and impurities of air introduced into the block chamber 330.
  • the present invention is a dust collection pipe 720 connected to the vacuum pump 700; And a dust collecting and recovery processor 730 capable of collecting and recovering a small amount of solid powder remaining after being deposited on a substrate in the deposition chamber 400 through the dust collecting and collecting pipe 720. It further provides a solid-phase powder continuous deposition apparatus characterized in that it comprises a.
  • the connecting pipe 310 is directly communicated between the nozzle neck and the nozzle outlet of the supersonic nozzle in the block chamber 330, directly into the supersonic nozzle
  • the supplied solid powder may be mixed with the air accelerated at supersonic speed through the nozzle neck to form an aerosol and then sprayed on the substrate at supersonic speed.
  • the injection nozzle 600 is a supersonic nozzle or subsonic nozzle
  • the solid phase powder passing through the cooling device 340 is connected to the insulated cooling tube 411 in communication with the inlet of the supersonic nozzle or subsonic nozzle of the injection deposition unit. It can be configured to be supplied to the transport gas through.
  • the present invention (a) a process for sucking and storing air; (b) filtering and drying the inhaled air and transporting the air in a predetermined amount; (c) forming aerosol dispersed in a constant mixing density by quantitatively supplying the solid powder to the air which has passed the step (b); (d) continuously transporting the aerosol in density, velocity, and flow rate in a controlled state; And (e) injecting the aerosol to the substrate in the deposition chamber in a vacuum state through a spray nozzle having a constant pressure distribution and a spray speed over the full width; It provides a solid-phase powder continuous deposition method implemented by. Such a solid powder continuous deposition method may be implemented through the solid powder continuous deposition apparatus described above.
  • step (b) by controlling the flow rate of the air to be transported, it is possible to control the increase or decrease of the aerosol injection speed in the step (e).
  • step (e) may be parallel to the process of forcibly exhausting and collecting the solid powder remaining after being deposited on the substrate in the deposition chamber.
  • the step (a) further includes a step of pressurizing the air, and the step (b) heats the air to correct the temperature drop of the transport gas in advance. You can include more of the process.
  • the step (c) cools the solid powder before forming the aerosol, the temperature difference with the transport gas passing through the supersonic nozzle or subsonic nozzle ( ⁇ T m ) Cooling is preferably controlled by the same temperature behavior as the transport gas.
  • the inhaled air and the aerosol is a continuous section of the first section in a constant diameter
  • the second section of the tube diameter is increased to a constant ratio based on the shrub formed by reducing the diameter to a certain ratio
  • the second section is continuous to a constant diameter From section 3
  • the diameter of the shrub decreases with a certain ratio
  • the fourth section with a constant diameter increases and the fifth section with a constant diameter continues in one direction.
  • the step (a) further comprises the step of pressurizing the sucked air to a pressure greater than atmospheric pressure
  • the step (b) is the first of the transport pipe Lowering the pressure of the air supplied to the section and further comprising the step of adjusting the location of the shock wave to the shrub of the fourth section
  • the step (c) is a solid state of atmospheric pressure in the third section of the transport pipe
  • the step (b) is a pressure gauge connected to the transport pipe while adjusting the temperature of the air passing through the first section of the transport pipe so that the temperature of the air passing through the third section of the transport pipe is maintained as an image. It may be performed by checking whether the pressure is rapidly rising in the shrub of the fourth section of the transport pipe.
  • the Mach number of the air passing through the third section of the transport pipe may be adjusted in parallel so that the temperature of the air passing through the third section of the transport pipe is maintained as an image.
  • the inhaled air and the aerosol are the first section in which the pipe diameter is constantly continuous and then decreases at a constant rate, the second section in which the pipe diameter is continuously and then increases at a constant rate, and the third section in which the pipe diameter is continuously.
  • the step (a) further comprises the step of pressurizing the sucked air to a pressure greater than atmospheric pressure
  • the step (b) is the pressurized air of the transport pipe Supplying a first section to form a negative pressure in a second section of the transport pipe
  • step (c) is performed by supplying a solid powder at atmospheric pressure to a second section of the transport pipe. It is provided with a solid-phase powder continuous deposition method characterized in that.
  • the step (a) is based on the cross-sectional ratio and the mass flow rate of the air in the first section and the second section of the transport pipe in the first section by the following four equations It is possible to set the speed of the air supplied and the pressure in the transport pipe so that the negative pressure is formed in the second section.
  • the flow rate control of the transport gas, the pressure control of the deposition chamber, and the supply injection of the solid powder are controlled, so that the solid powder is moved through the transport pipe in an aerosol state to form a uniform cross-sectional velocity distribution.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional aerosol deposition apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a basic embodiment of a solid-phase powder continuous deposition apparatus according to the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing an embodiment of the injection of the solid powder is dispersed in the aerosol transport pipe in the solid powder supply apparatus.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the velocity distribution of the transport gas generated in the elbow cross section or expansion section of the transport pipe.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a conventional apparatus capable of supplying a solid powder to a transport pipe through which a transport gas of atmospheric pressure or higher flows.
  • FIG. 6 is a conceptual view of a device capable of supplying a solid powder in an atmospheric pressure state by forming a negative pressure in a certain section of a transport pipe through which a transport gas of atmospheric pressure or more flows.
  • FIG. 7 is a conceptual view showing a cross-sectional shape of the first embodiment of the transport pipe applied to the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in the pressure inside the transport pipe according to the cross-sectional change of the transport pipe.
  • FIG. 9 is a graph showing the effect of the change of the shock wave generation position on the pressure change in the pipeline.
  • FIG. 10 illustrates an embodiment in which a plurality of solid powder supply devices are connected to a negative pressure forming section, and a subsonic nozzle is connected to a transport pipe end.
  • FIG. 11 illustrates an embodiment in which a plurality of solid powder supply devices are connected to a negative pressure forming section, and a supersonic nozzle is connected to an end of a transport pipe.
  • FIG. 12 shows the temperature change of the transport gas over the first to fifth sections according to the transport gas temperature of the first section and the transport gas Mach number of the third section.
  • FIG. 13 shows the shape of Embodiment 2 of a transport pipe applied to the present invention.
  • FIG. 14 is a conceptual view showing another negative pressure forming section of the second embodiment of the transport pipe.
  • FIG. 15 shows an embodiment in which a plurality of solid powder supply devices are connected to the area 2 of the second section of the transport pipe (Example 2), and a subsonic nozzle is connected to the end of the transport pipe.
  • FIG. 16 shows an embodiment in which a plurality of solid powder supply devices are connected to the area 2 of the second section of the transport pipe (Example 2), and a supersonic nozzle is connected to the end of the transport pipe.
  • FIG. 17 shows an embodiment in which a plurality of solid powder supplying devices are connected to the hatched local area of the second section of the transport pipe (Example 2), and a subsonic nozzle is connected to the end of the transport pipe. will be.
  • FIG. 18 shows an embodiment in which a plurality of solid powder supplying devices are connected to the hatched local area of the second section of the transport pipe (Example 2), and a supersonic nozzle is connected to the end of the transport pipe. will be.
  • 19 is a schematic diagram of a process of depositing a solid powder on a flexible substrate using a conventional roll-to-roll apparatus.
  • 20 is a schematic diagram of a process of depositing a solid powder on a flexible substrate by adding a support member to a conventional roll-to-roll apparatus.
  • 21 is a schematic diagram of a process of depositing a solid powder on a flexible substrate by adding a supporting member and a fixing member to a conventional roll-to-roll apparatus.
  • FIG. 22 is a schematic diagram of a process of depositing a solid powder on a flexible substrate by adding a cylindrical support member to a conventional roll-to-roll apparatus.
  • Figure 23 shows a first embodiment of a roll-to-roll apparatus applied to the present invention.
  • Figure 24 shows a second embodiment of a roll-to-roll apparatus applied to the present invention.
  • 25 is a perspective view of a vacuum chuck.
  • Fig. 26 is a perspective view of a rotary suction cylinder.
  • FIG. 27 is a schematic diagram of a solid-phase powder continuous deposition apparatus apparatus having a substrate thermal shock removing means.
  • 29 is a schematic diagram showing a process of mixing the solid powder and the heated transport gas cooled in the transport pipe.
  • Fig. 30 shows the structure of the subsonic nozzle in the cross section and the slit type subsonic nozzle.
  • Fig. 31 is a schematic diagram of an apparatus for coating a surface of a three-dimensional object by placing a subsonic nozzle in a deposition chamber.
  • 32 is a schematic diagram of an apparatus for coating a large area substrate in a two-dimensional shape by placing a subsonic slit nozzle in a deposition chamber.
  • Fig. 33 shows the structure of the supersonic nozzle in the slit and cross section of the supersonic nozzle.
  • 34 is a schematic diagram of an apparatus for coating a surface of a three-dimensional object by placing a supersonic nozzle in a deposition chamber.
  • 35 is a schematic diagram of an apparatus for coating a large area substrate in a two-dimensional shape by placing a supersonic slit nozzle in a deposition chamber.
  • 36 is a graph showing the injection speed and the temperature change in the subsonic nozzle.
  • 37 is a graph showing changes in injection speed and temperature according to the cross-sectional position of the supersonic nozzle.
  • FIG. 38 is a cross sectional view of an improved supersonic nozzle capable of supplying a solid powder to the latter portion of the nozzle neck of the supersonic nozzle.
  • FIG. 39 is a graph showing the temperature behavior and the speed change of the transport gas and the solid powder generated when the solid powder at room temperature is supplied to the latter part of the nozzle neck of the supersonic nozzle.
  • 40 is a schematic diagram of an apparatus for coating a surface of a three-dimensional object by directly communicating a block chamber with a supersonic nozzle.
  • Fig. 41 is a schematic diagram of an apparatus for coating a large area substrate of a two-dimensional shape by directly communicating a cooling device with a slit supersonic nozzle.
  • Transport gas 3 Solid powder
  • air supply unit 110 air pump
  • air processing unit 210 primary filter
  • cooling device 341 adiabatic cooling tube
  • deposition chamber 410 substrate temperature control device
  • insulation pipe 420 object position control
  • injection nozzle 610 nozzle position controller
  • conveying device 910 unwinding roller
  • auxiliary roller 950 adsorption tube
  • adsorption pump 970 adsorption member
  • the best form for the solid-phase powder continuous deposition apparatus implementation is the air supply unit 100; An air processor 200 for filtering and drying the air provided from the air supplier 100 to discharge the filter; Solid powder supply apparatus 300 for supplying a solid powder to the air discharged through the air processing unit 200 in a predetermined amount; A deposition chamber 400 having a substrate therein; A pipe connecting the air processing unit 200 and the deposition chamber 400 to transport the aerosol formed by mixing the solid powder into the air discharged from the air processing unit 200 to the deposition chamber 400.
  • An injection nozzle (600) provided at an end of the transport pipe (500) for injecting the aerosol to a substrate in the deposition chamber (400);
  • a vacuum pump 700 connected to the deposition chamber 400 by a vacuum connecting tube 710 to maintain the deposition chamber 400 in a vacuum state. Should be configured to include.
  • the air supply unit 100 is an air pump 110; And an air storage tank 120;
  • the air pump 110 is configured to pump the air sucked from the air inlet 111 provided on one side to flow into the air storage tank 120, the air storage tank 120 is inlet It is configured to store the cooled air and to provide it to the air processing unit 200, between the air pump 110 and the air storage tank 120, and between the air storage tank 120 and the air processing unit 200
  • Each of the flow control valve 10 is characterized in that it is provided.
  • the air processing unit 200 includes a flow rate controller 20 for constantly controlling and discharging the flow rate of the filtered and dried air;
  • the air processing unit 200 includes a primary filter 210; Primary dryer 220; Secondary filter 230; And a secondary dryer 240;
  • the secondary filter 230 is a moisture filter 231; Oil filter 232; And a dust filter 233; It consists of, between the secondary dryer 240 and the flow regulator 20, the water filter 231; Is further provided, it is preferable that the flow control valve 10 is provided between the primary filter 210 and the primary dryer 220, and between the moisture filter 231 and the flow regulator 20, respectively.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a basic embodiment of a solid-phase powder continuous deposition apparatus according to the present invention.
  • the basic embodiment of the solid-phase powder continuous deposition apparatus will be described for each component.
  • an inert gas such as argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He) was used as a transport gas, and the transport gas was introduced into an aerosol chamber to generate an aerosol.
  • the inert gas is a very expensive gas to be used in a continuous process for mass production of a commercial product, and even when used as a storage container, there is a disadvantage in that the continuous process cannot be performed due to the capacity limitation of the container.
  • the present invention is configured not to use an inert gas, the general air is introduced to utilize the outside, the air supply unit 100 is responsible for providing the air processing unit 200 to be described later, by introducing the external general air. do. Therefore, the present invention is suitable for a continuous process for mass-producing a commercialized product, it is possible to significantly reduce the manufacturing cost of the product produced using the present invention.
  • the air supply unit 100 is composed of the air pump 110 and the air storage tank 120, as shown in Figure 2, the air pump 110 is sucked in the air inlet 111 provided on one side
  • One air may be pumped to be introduced into the air storage tank 120, and the air storage tank 120 may store and cool the introduced air and provide the air to the air processing unit 200.
  • the temperature of the air flowing into the air storage tank 120 is caused by the heat generated by the air pump 110, by cooling the temperature of the inlet air in the air storage tank 120 by about 40%
  • mass production of stable and continuous products can be carried out.
  • a flow control valve 10 is provided between the air pump 110 and the air storage tank 120 and between the air storage tank 110 and the air processor 120, respectively, so that the amount of inlet-exhaust air in each stage is increased. Can be controlled quantitatively.
  • the air processing unit 200 is configured to discharge the filtered and dry treatment of the air provided from the air supply unit 100.
  • the air processing unit 200 may be further equipped with a flow controller 20 for controlling and discharging the flow rate of the filtered and dried air uniformly.
  • the present invention introduces a method of controlling the speed of the aerosol by removing impurities in the transport gas (ie, the air supplied from the air supply) and adjusting the flow rate of the transport gas while maintaining the deposition chamber in a low vacuum state. It is.
  • the air processor 200 includes a primary filter 210, a primary dryer 220, a secondary filter 230, and a secondary dryer 240 in order to filter and dry the introduced air. Can be repeated repeatedly.
  • the secondary filter 230 may include a moisture filter 231, an oil filter 232, and a dust filter 233 to completely remove impurities in the air.
  • the air is configured to pass through the water filter 231 once more, thereby discharging the air in a completely dry state.
  • the flow control valve 10 is also provided between the primary filter 210 and the primary dryer 220 and between the moisture filter 231 and the flow regulator 20 to quantify the inflow-discharge air volume at each stage. Can be adjusted.
  • the solid powder supply device 300 is a component for supplying the solid powder 3 to the air discharged through the air processing unit 200 in a quantitative manner. Since the air discharged through the air processing unit 200 is introduced into the transport pipe 500 to be described later, the solid powder supply device 300 is also connected to the transport pipe 500. That is, the solid powder 3 in the solid powder supply device 300 is supplied to the transport pipe 500. Therefore, the solid powder supply apparatus 300 may be configured to discharge the solid powder to the air moving along the transport pipe at a constant flow rate and a constant speed distribution through the metering feeder. In this case, it is important to constantly adjust the amount of solid powder (g / min) discharged per unit time from the metering feeder and to distribute the solid powder evenly.
  • connection pipe 310 The solid powder supply apparatus 300 and the transport pipe 500 can be communicated by the connection pipe 310, the connection pipe 310 may be configured in various ways in communication with the transport pipe 500. .
  • FIG. 3 various connection structures between the connection pipe 310 and the transport pipe 500 are illustrated, and the dispersion form of the solid phase powder is somewhat different according to the connection structure.
  • (A) of FIG. 3 is a connection of the connection pipe 310 directly to the transport pipe 500
  • (b) of FIG. 3 shows the connection pipe 310 to the transport pipe 500. Intrusive to the center of the.
  • One side of the solid powder supply apparatus 300 may be configured to additionally configure the block chamber 330 so that the solid powder 3 is supplied to the transport pipe 500 through the block chamber 330. have.
  • an opening 320 through which gas can be formed is formed, so that the speed (several to several tens of m / s) and the pressure ( ⁇ 40 bar) of the transport gas are maintained at a constant level. It is possible to cause the solid powder to be suctioned.
  • the opening 320 located above the block chamber 330 may be provided with a filter for removing moisture and impurities of the gas introduced therein, or may be provided with a pretreatment apparatus for supplying a gas from which moisture and impurities have been removed. .
  • the transport pipe 500 is a conduit for transferring the aerosol 4 formed by mixing the solid powder 3 into the air discharged from the air processing unit 200 to the deposition chamber 400, wherein the air processing unit 200 is provided. It is provided to connect the deposition chamber 400 with.
  • the cross-sectional area of the transport pipe 500 should not be increased or decreased due to external impact or pressure. It is preferable to use a material such as aluminum.
  • the transport pipe 500 is vibrated or the cross-sectional area is reduced or increased due to factors such as external pressure. This is because the cross-sectional velocity distribution may be irregular and it may be difficult to deposit uniformly on the substrate.
  • the spray nozzle 600 is provided at the end of the transport pipe 500 to spray the aerosol 4 to the substrate 5 inside the deposition chamber 400.
  • the injection nozzle 600 is for maximizing the deposition efficiency by injecting the solid powder 3 below the deposition critical velocity and below the erosion velocity, and the solid powder 3
  • the type and size of the subsonic nozzle (supersonic) nozzle or supersonic (supersonic) nozzle can be applied.
  • the critical speed and the erosion speed are different depending on the type, size, and specific gravity of each solid powder. Therefore, a spray nozzle suitable for each solid powder should be selectively used.
  • the injection nozzle 600 may be configured in the form of a slit nozzle as shown in FIG.
  • the injection width must also be largely configured to spray the entire surface of the substrate, and thus a slit-shaped nozzle having a constant width is required.
  • the slit nozzle may be designed to have a uniform spray pressure distribution and velocity distribution over the entire nozzle width, thereby forming a uniform deposition thin film on the entire surface of the substrate. This is in contrast to the problem that when a solid powder is sprayed with a single nozzle composite combining a plurality of single nozzles in a horizontal direction and a vertical direction, a deposition thin film having a uniform thickness is not formed between the single nozzles. This difference between the slit nozzle and the single nozzle composite is exacerbated as the size of the substrate increases.
  • the injection nozzle 600 can properly adjust the separation distance from the base material 5 by the length adjusting device 40 mounted on the transport pipe 500, the critical speed and erosion speed of each solid powder
  • a subsonic nozzle or a supersonic nozzle may be selectively applied, and the subsonic speed near the subsonic speed may be expressed as a supersonic nozzle.
  • the injection nozzle 600 may be made of a material, such as stainless steel, titanium, aluminum alloy, or the like, resistant to pressure and temperature.
  • the deposition chamber 400 provides a space for depositing a solid powder on a substrate.
  • the material of the deposition chamber 400 may be sufficiently resistant to external pressure according to a vacuum state, and may be made of a material such as stainless steel, which is durable, and a transparent material to observe the inside of the deposition chamber from the outside. Can be produced by combining.
  • the deposition chamber 400 may further include a transfer device for moving the substrate.
  • the embodiment shown in FIG. 2 is provided with a transfer device, which will be described in more detail as follows.
  • a slit nozzle is located in the deposition chamber 400, and the substrate 5 is disposed on a shelf that is moved by the transfer device 900.
  • the deposition chamber 400 is connected to the vacuum pump 700 by a vacuum connection pipe 710.
  • one side of the deposition chamber 400 may be provided with a door for positioning the substrate 5 into the deposition chamber or for smoothing the inside of the deposition chamber.
  • a solid powder may be deposited regardless of the type of the substrate.
  • the transfer apparatus may be placed in a batch type (substrate having a predetermined area is moved by the transfer apparatus to carry out the deposition process. Structure, and the transfer device may be replaced with a roll-to-roll type in-line device when a flexible material such as a polymer film or a foil is used. This will be described in detail in " III. An Example of a Solid-Powder Continuous Deposition Apparatus Having a Roll-to-Roll Device ").
  • the transfer device may be configured to be assembled, disassembled and replaced according to the material of the substrate.
  • a three-dimensional object (regular or irregular shape such as a sphere, a tetrahedron, a rod, a tube, and the like) is shown in FIGS. 31 and 34.
  • a cradle 420 may be installed to deposit the solid powder, and the cradle 420 may be configured to control the position of the object so as to coat the three-dimensional object as a whole.
  • the transfer apparatus 900 may be configured to adjust a transfer speed of the substrate. 32 and 35 are equipped with a vacuum chuck that is capable of adsorbing and fixing the substrate to the lower portion of the substrate, and is configured to perform a function of suppressing fluctuation of the substrate by spraying.
  • the deposition chamber is shown.
  • a vacuum chuck is disposed between the bottom surface of the deposition chamber 400 and the substrate 5 to provide the substrate 5.
  • the aerosol may be sprayed to deposit the solid powder on the substrate, and when the deposition is performed in a continuous spraying process in which the transfer device 900 should be provided in the deposition chamber 400.
  • the vacuum chuck may be fixed between the upper surface of the transfer apparatus 900 and the substrate 5 to fix the lower portion of the substrate by vacuum suction.
  • the substrate can be stably fixed by the vacuum chuck and the generation of shaking due to the aerosol injection can be suppressed together (for details, refer to " III. Roll-to-Roll Device).
  • Example of the solid-state powder continuous deposition apparatus provided.
  • the transfer device 900 is interlocked with the pressure measuring device 50 mounted in the transport pipe 500 and the pressure measuring device 50 mounted in the vacuum connection pipe 710 to the transport pipe 500 and the pressure chamber. It can be configured to adjust the substrate transport speed in order to suppress the deposition thickness change due to the minute pressure increase and decrease in the 400 as possible.
  • the vacuum pump 700 is a device for maintaining the deposition chamber 400 in a vacuum state.
  • the deposition chamber 400 By maintaining the deposition chamber 400 in a vacuum state, the chemical reaction in the deposition chamber 400 is reduced, and particles are caused by the aerodynamic drag (flow flowing back after the gas collides with the substrate) generated during deposition. The speed of the flow can be prevented from being reduced and also the deposition noise can be reduced.
  • it is sufficient to maintain the inside of the deposition chamber 400 in a low vacuum state because it adopts the deposition method through the flow rate control in the transport pipe rather than the deposition method by the pressure difference between the chambers as in the conventional aerosol deposition method.
  • the pressure control valve 60 may be mounted inside the vacuum connection pipe 710 to efficiently maintain and control the vacuum state of the deposition chamber 400.
  • the solid-phase powder continuous deposition apparatus collects by exhausting the exhaust pipe 810 communicated with the deposition chamber 400 and the solid powder remaining after being deposited on the substrate in the deposition chamber 400 through the exhaust pipe 810.
  • the exhaust pump 800 may be further included.
  • the exhaust pump 800 is a device for maintaining the deposition chamber 400 in a vacuum state.
  • the deposition chamber 400 By maintaining the deposition chamber 400 in a vacuum state, the chemical reaction in the deposition chamber 400 is reduced, and particles are caused by the aerodynamic drag (flow flowing back after the gas collides with the substrate) generated during deposition. The speed of the flow can be prevented from being reduced and also the deposition noise can be reduced.
  • a pressure control valve 60 By mounting a pressure control valve 60 between the deposition chamber 400 and the exhaust pump 800, the vacuum state of the deposition chamber 400 can be efficiently maintained and controlled.
  • FIG. 27 is a schematic diagram of an embodiment of a solid-phase powder continuous deposition apparatus equipped with a substrate thermal shock removing means according to the present invention.
  • the injection speed from subsonic to supersonic speed is required, and the transport gas at this time must maintain a high flow rate and high pressure.
  • the performance of the high pressure pump eg, 7 to 14 bar
  • expensive high pressure pump eg, 40 bar
  • high pressure nitrogen gas should be used.
  • a pressurization apparatus capable of increasing the capacity of the air supply unit and the pressure of the transport gas is installed to replace expensive high-pressure inert gas (eg, nitrogen, helium gas).
  • the transport gas temperature drops sharply, so that the temperature of the transport gas is maintained at a constant level by configuring a transport gas heating temperature control device capable of raising the temperature of the transport gas.
  • the thermal shock can be prevented from being applied.
  • the temperature of the transport gas injected from the nozzle outlet should be controlled within -40 ° C to 80 ° C.
  • the temperature of the solid powder can directly affect the damage and thermal shock of the substrate when the solid powder is injected through the furnace outlet have. If the supplied solid powder is micrometer in size, the heat transfer rate is high, so that the temperature is higher than the transport gas when passing through the supersonic nozzle.In this case, the solid powder cooling temperature controller that can lower the solid powder temperature is installed. The temperature of the powder can be lowered to match the temperature of the transport gas.
  • the pressurizing device 130 is configured to communicate with a pipe connecting the air supply unit 100 and the air processing unit 200 to add pressure to the air supplied from the air supply unit. .
  • the injection speed V e of the supersonic or subsonic speed can be obtained by the following equation (5). do.
  • V e injection velocity at the supersonic nozzle exit (m / s)
  • T absolute temperature of the transport gas at the nozzle inlet (K)
  • M molecular mass (kg / kmol) of transport gas
  • the heating device 510 is located in the transport pipe 500 between the air processing unit 200 and the solid powder supply device 300, as shown in FIG. 27, and heats the transport gas 1 to maintain a temperature. It plays a role of raising.
  • the transport gas heated by the heating device 510 is increased in speed as it passes through the nozzle throat of the supersonic nozzle as shown in FIG.
  • the injection speed is expressed, and the temperature T and the pressure P of the transport gas drop sharply.
  • the heating device 510 is a device for controlling the temperature of the transport gas 1 to remove the thermal shock applied to the substrate 5 located in the deposition chamber 400 according to the above mechanism.
  • the temperature of the transporting gas at the nozzle exit is about -120 ° C and the deposition chamber ( Thermal shock may be applied to the substrate 5 located within 400. Therefore, when the temperature of the transport gas 1 is heated to 160 ° C. and passed through the injection nozzle, the temperature of the transport gas 1 becomes 20 ° C., thereby avoiding thermal shock.
  • the subsonic nozzle is for producing an injection speed of less than 340m / s
  • the temperature drop due to the injection is relatively small because the injection speed is relatively slow compared to the supersonic nozzle. Therefore, when the subsonic nozzle is used as the injection nozzle, the substrate can be controlled so as not to apply thermal shock to the substrate even at a temperature lower than the temperature applied to the supersonic nozzle. Therefore, by controlling the temperature of the transport gas in accordance with the injection speed of the supersonic or subsonic speed can be controlled to the thermal shock tolerance of the substrate.
  • the cooling device 340 is a device for lowering the temperature by cooling the solid powder 3 supplied from the solid powder supply device 300 as shown in Fig. 29.
  • a supersonic speed as shown in Fig. 28
  • the temperature T of the heated transport gas passing through the inlet of the nozzle causes a rapid temperature drop (T e ) after passing through the nozzle neck, but it should be considered because it varies according to the particle size of the solid powder.
  • T e rapid temperature drop
  • the nanoparticle-size solid powder exhibits a similar temperature range ( ⁇ T n ) to the transport gas, but the micro-size solid powder has a large temperature difference ( ⁇ T m ).
  • the adiabatic cooling pipe 341 which communicates the cooling device 340 and the transport pipe 500 maintains the transport gas at a constant temperature, and is installed at a position where the cooling temperature of the solid powder is less affected by the temperature of the transport gas. Since the heat insulation cooling tube 341 should be connected to and installed close to the deposition chamber 400. In other words, it is preferable that the heated transport gas and the cooled solid powder reach the nozzle neck of the injection nozzle at an arbitrary temperature difference, so that the temperature of the transport gas and the solid powder is almost eliminated after passing through the nozzle neck. to be.
  • the cooling and dispersing effect of the solid phase powder can be simultaneously achieved. In this way, it is easy to control the temperature of the transport gas and the solid powder, and it is possible to control the temperature change generated at the nozzle outlet in the temperature range without thermal shock.
  • the cooling device 340 may not be necessary.
  • the nozzle inlet as shown in FIG. 38, when the solid powder at room temperature is supplied through the connection pipe 310 formed near the nozzle neck among the nozzle neck of the supersonic nozzle and the nozzle outlet, the nozzle inlet as shown in FIG.
  • the heated transport gas flows through the nozzle neck, it is mixed with the solid powder to form an aerosol.
  • the aerosol behaves at the same speed as the transport gas, exits the nozzle outlet, and does not apply a thermal shock to the deposition chamber. Spray deposition on the substrate within. However, the conditions to transport and transport the transport gas to a temperature that does not apply a thermal shock to the substrate should be satisfied.
  • the injection nozzle is also important to configure the injection nozzle as a subsonic nozzle or a supersonic nozzle in order to make the solid powder be deposited on the substrate at a subsonic or supersonic speed as follows.
  • the ratio (P 2 / P 1) an equal to 0.528 or smaller, the injection of the absolute pressure in the nozzle inlet (P 1) and the nozzle outlet absolute pressure (P 2) ratio, that is, the absolute pressure of the deposition chamber (P 2) of the Subsonic nozzles capable of producing subsonic speeds of less than 340 m / s are constructed. Accordingly, in order to express the subsonic critical deposition rate of the solid state powder, an orifice type injection nozzle as shown in FIG. 36 is configured, and the subsonic speed is the absolute pressure P 1 of the air supply unit and the pressurization device.
  • the absolute pressure (P 2 ) ratio (P 2 / P 1 ) of the vacuum chamber can be maintained close to 0.528 to express a speed (V) of about 340 m / s or less.
  • the flow rate in the cross-sectional area (A) can determine the density of the air), the required flow rate can be adjusted to the required flow rate of P 1 not to grow so depends on the P 1 pressure, the cross-sectional area of the orifice flow rate to achieve the maximum injection rate is less than 340m / s and Can be calculated using the relationship between injection speed.
  • FIG. 30 illustrates the configuration of a subsonic nozzle having a single shape and its cross section, and solid-phase powder can be deposited on a three-dimensional object as shown in FIG. 31.
  • the subsonic nozzle can control its position in three axes (x, y, z axis).
  • (c) of Figure 30 shows the shape of the subsonic nozzle having a slit form for large-area deposition
  • Figure 32 is a slit-type subsonic nozzle in the planar substrate of a large area
  • the configuration for depositing the solid phase powder is schematically shown.
  • a supersonic de Laval nozzle is applied, so that the transport gas and the solid phase powder pass through the nozzle throat at the inlet speed of the nozzle section at a subsonic speed. Due to thermal expansion, the temperature and pressure of the transport gas and the solid powder, which are expressed at supersonic speed and passed through the nozzle neck, can be rapidly reduced.
  • Supersonic nozzles that have a cross-sectional area that decreases from the nozzle inlet to the nozzle throat and that crosses the nozzle neck toward the nozzle outlet are generally called laval nozzles. These supersonic nozzles were developed by Gustaf de Laval in Sweden in 1897 and used on steam turbines, which were then applied to rocket engines by Robert Goddard.
  • the relational expression of the supersonic nozzle is as described above (Equation 5), and the cross section of the supersonic nozzle is as shown in FIG.
  • the aerosol mixed with the solid powder and the transport gas expands while passing through the nozzle neck of the supersonic nozzle, and the speed becomes supersonic, and the pressure and the temperature drop sharply.
  • the supersonic nozzle has to have the same mass flow rate at the nozzle inlet and the nozzle outlet, the rapid change of the cross section of the nozzle neck can serve as the supersonic nozzle and has been used as a device for producing supersonic for a long time.
  • (D) of FIG. 33 shows the shape of a slit-type supersonic nozzle for large area deposition.
  • 34 illustrates a structure for depositing a solid powder on a three-dimensional object, in which a nozzle position controller 610 is installed at a portion connecting the transport pipe 500 and the supersonic nozzle, and the supersonic nozzle 3 It is configured to move along the axis (x, y, z axis).
  • 35 shows a structure for depositing a solid powder on a large-area substrate having a two-dimensional shape, and shows a supersonic nozzle having a slit shape.
  • the present invention together with the substrate temperature control device 410 connected to the deposition chamber 400 as shown in Figure 27 in order to minimize the backflow caused by the above mechanism when the solid powder is deposited on the substrate Can be configured. As can be seen in the graph shown in FIG.
  • the substrate temperature adjusting device 410 may be linked to the system control unit 1000 to be described later to automatically adjust the temperature of the substrate. However, when the vacuum degree of the deposition chamber 400 is increased, the backflow can be minimized even without operating the substrate temperature control device 400.
  • the dust collection and recovery processor 730 is connected to the vacuum pump 700 through the dust collection pipe 720 to collect and recover a small amount of solid powder remaining in the deposition chamber 400 after deposition.
  • the solid powder is heavier than the air, so the air is exhausted, and the solid powder can be collected at the lower floor.
  • the system controller 1000 is connected to the pressurizing device 130, the heating device 510, and the cooling device 340, and the conditions such as pressure, speed, flow rate, temperature, etc. of the transport gas and the solid state powder are applied to each component. It is a component that controls by interlocking.
  • the system control unit 1000 is 1) air supply unit 100, 2) pressurizing device 130, 3) air processing unit 200, 4) heating device 510 of the solid-phase powder continuous deposition apparatus provided by the present invention, 5) solid powder supply device 300, 6) cooling device 340, 7) transport pipe 500, 8) injection nozzle 600, 9) deposition chamber 400, 10) exhaust pump 700, 11) It may be configured to be linked to each of the dust collection processor 730 so that each component can be interlocked control.
  • the supersonic nozzle As shown in FIG. 38, using an improved supersonic nozzle capable of supplying a solid powder directly near the nozzle neck of the supersonic nozzle to form an aerosol inside the nozzle, the supersonic nozzle as shown in FIG. As soon as the transport gas heated at the inlet passes through the nozzle neck, it is mixed with the solid powder, becomes aerosol inside the nozzle, exits the nozzle outlet, and is sprayed on the substrate at supersonic speed.
  • the solid powder behaves at the same speed as the transport gas in the aerosol state, and can be deposited on the substrate in the vacuum deposition chamber at a temperature without temperature and thermal shock effects.
  • the temperature of the transport gas is a temperature in which the transport gas is heated to a temperature in a range without a thermal shock, passed through a supersonic nozzle, mixed with a solid powder at room temperature, and aerosol.
  • 40 and 41 show an embodiment applied using the improved supersonic nozzle.
  • the present invention is to deposit the solid powder continuously and evenly throughout the cross section of the substrate regardless of the size, shape and specific gravity of the solid powder particles, so that even if the solid pressure of the solid powder aerosol injected from the spray nozzle There is a need for a technical element that does not cause vibration.
  • the present invention may be variously applied to a general roll-to-roll process, and may be usefully used for a circuit board printing operation requiring precise work.
  • Figure 21 may be considered a configuration for controlling the lifting of the flexible substrate by pressing the flexible substrate to the fixing member, this also can completely exclude the occurrence of the micro-gap between the flexible substrate and the supporting member. There is no.
  • the supporting member is configured to have a cylindrical shape, and the flexible substrate is pulled to closely adhere to the cylindrical supporting member. It can be configured to ride over the cylindrical support member in the state.
  • the purpose of controlling the lifting or the generation of minute spacing between the flexible substrate and the fixing member can be achieved to some extent.
  • this configuration causes another problem in that the supporting member is cylindrical.
  • the deposition surface of the solid powder is also curved because the flexible substrate is in close contact with the cylindrical support member, it is difficult to guarantee that the solid powder is evenly distributed over the entire surface of the flexible substrate. If the diameter of the cylindrical support member is increased to reduce the curvature of the deposition surface, the above concerns can be solved to some extent, but this causes the problem that the size of the equipment increases, the cost of the equipment increases, and the space of the equipment increases. .
  • the present invention also provides a solid-phase powder continuous deposition apparatus having a roll-to-roll device provided to unwind the flexible substrate wound on the unwinding roller by the rotational movement of the roller.
  • a flexible substrate such as a polymer film or foil is wound on the unwinding roller, and the end of the flexible substrate is pulled to fix the winding-roller, and then wound on the winding roller by rotating the roller.
  • the solid substrate is configured to be deposited in the middle of moving the flexible substrate from the unwinding roller to the winding roller, and the internal structure of the deposition chamber in which the roll-to-roll apparatus is installed, the occupied space size, the direction of tension on the flexible substrate, and the like.
  • an auxiliary roller may be provided for each element (see FIG. 23 and FIG. 24).
  • an adsorption member 970 supporting the flexible substrate is provided at the flexible substrate deposition portion between the unwinding roller 910 and the winding roller 920.
  • the adsorption member 970 is similar to the support member shown in [FIG. 20] and [FIG. 21] in that it supports a flexible base material, but in close contact with a flexible base material by the adsorption force of the adsorption pump 960. Has its own characteristics.
  • the adsorption member 970 and the adsorption pump 960 are interconnected by the adsorption tube 950 as shown in FIGS. 23 and 24.
  • the adsorption force of the adsorption member 970 is configured to be controlled by the adsorption pump 960, but the adsorption force of the adsorption member 970 is adjusted more precisely by further installing an adsorption control valve 70 in the adsorption tube 950. You can do it.
  • the suction member 970 may apply a vacuum chuck covered with a seating portion 974 in which a plurality of fine holes 973 are formed on an upper surface of the box-shaped body portion 971 (see FIG. 25). Since the seating portion 974 is in close contact with the flexible substrate by the air suction force through the micro holes 973, even if there is a deposition impact of the solid powder, no disturbance is formed in the uniform deposition film formation. In this case, the suction force of the vacuum chuck should be appropriately adjusted in consideration of the adhesion effect of the flexible substrate and the winding movement speed of the flexible substrate. This can be achieved by adjusting the suction force of the suction pump 960 and opening and closing control of the suction control valve 70.
  • the suction member 970 may be applied to the rotary suction cylinder in which the seating portion 974 formed with a plurality of fine holes 973 in the track-type rotational track 972 (see FIG. 26).
  • the rotary suction cylinder When the rotary suction cylinder is applied, the flexible substrate moves in a horizontal direction along the rotational track 972 while being in close contact with the seating portion 974, and the seating portion 974 is curved in the track-type rotational track 972.
  • the flexible substrate can be moved smoothly than when the above vacuum chuck is applied. This is because the adsorption force by the adsorption pump 960 acts only in the vertical direction.
  • the adsorption member 970 may be in close contact with the flexible substrate by the adsorption force, but when the flexible substrate itself is moved to the crumpled state, uniform deposition of the solid powder cannot be expected, and thus the absorption member 970 loses its meaning. Done. Accordingly, the present invention provides a solid-phase powder continuous deposition roll-to-roll apparatus, characterized in that the tension control roller 930 is further provided before and after the suction member 970 between the unwinding roller 910 and the winding roller 920. do.
  • the tensile force control roller 930 serves to pull the flexible substrate taut, it is possible to adjust the tensile force according to the type-specific characteristics of the flexible substrate.
  • An embodiment of the solid-phase powder continuous deposition apparatus configured to form a negative pressure in a certain section of the transport pipe so that the solid powder in atmospheric pressure flows into the transport pipe naturally
  • the present invention has a pipe cross section and environment capable of forming a constant negative pressure in a certain section of a transport pipe above atmospheric pressure, and an apparatus and method capable of supplying a solid powder under atmospheric pressure into a transport pipe through which gas flows. It may be applied to supply the solid powder to the transport pipe of the atmospheric pressure or more to spray and coat any substrate through the injection nozzle.
  • the present invention avoids the conventional techniques for pushing the solid powder to a pressure greater than the pressure inside the transport pipe, and by forming a negative pressure in some sections of the transport pipe, the technical means for the natural solid powder to flow into the transport pipe naturally It is the first point.
  • a method for forming a negative pressure in a portion of the transport pipe the principle of the conventional supersonic nozzle and subsonic nozzle which controls the cross-sectional shape of the pipe, the pressure and the gas velocity in the pipe is applied.
  • the ultimate reason for supplying the solid powder to the transport pipe is to spray-deposit aerosol mixed with the transport gas and the solid powder to a specific substrate at high pressure. It should be possible to inject without a large pressure loss compared to the pressure of the transport gas, and the technical means for realizing this is the second point of the present invention.
  • a negative pressure is formed in a certain section of the transport pipe so that the solid-phase powder at atmospheric pressure may be naturally introduced into the transport pipe.
  • the transport pipe 500 of the first embodiment has a first section continuous to a constant diameter, a second section of a continuous diameter increased to a constant ratio based on a shrub formed by decreasing the diameter to a predetermined ratio, and a second continuous section to a constant diameter.
  • the third section, the shrub formed by decreasing the diameter at a constant ratio, and the fourth section in which the diameter increased at a constant ratio, and the fifth section which is continuous at the constant diameter are continued in one direction.
  • the shrub of the fourth section is formed larger than the shrub of the second section, the connection pipe 310 connected from the solid powder supply device 300 should be in communication with the third section.
  • the present invention allows the negative pressure (P 3 ) to be formed in a portion of the transport pipe as shown in the attached [FIG. 6], so that the solid phase powder in the atmospheric pressure (P 4 ) state higher than the atmospheric pressure (P 1 , P 1 ′) is configured to be supplied to the transport pipe 500 flowing through.
  • the cross-sectional shape of the transport pipe 500 should be changed to form the first to fifth sections as follows.
  • the pressure significantly lowered in the negative pressure section can be rapidly increased to the shock wave generated in the supersonic state, and ultimately, in consideration of the required injection speed and pressure of the aerosol, the change in the cross-sectional shape of the transport pipe and the position of the shock wave generation after the negative pressure section are adjusted. You can do it.
  • the shock wave can be controlled by the pressure control of the transport gas at the time of entering the transport pipe.
  • the first section 1 is a section in which the transportation pipe is continuous with a constant diameter.
  • a transport gas having a pressure greater than atmospheric pressure is supplied in a state where subsonic speed is expressed.
  • the temperature of the transport gas decreases or rises due to the change in the cross-sectional area of the transport pipe.
  • the measures such as heating the transport gas to an appropriate temperature for the purpose of eliminating the thermal shock of the substrate and the smooth transport of the aerosol Can be taken.
  • the solid state powder solidifies so that the temperature of the transport gas does not drop below 273K (0 ° C). This may cause the particles to agglomerate with each other.) Take measures to heat the transport gas to any suitable temperature. Details thereof will be described with reference to FIG. 12 and isotropic tropical quasi-one-dimensional flow equation.
  • Equation 6 As the Mach number of the transport gas 4 passing through the shrub of the second section 2 (the interface between the reduced section and the extended section of the diameter, hereinafter the same) increases, the second section ( 2) The temperature of the outlet transport gas in the second section is sharply reduced compared to the temperature of the inlet transport gas.
  • Equation (7) the Mach number of the transport gas is reduced to subsonic speed M ⁇ 1 after the vertical shock wave is generated, and it can be seen that the temperature of the transport gas is rapidly increased.
  • the present invention will be described based on the above theory as shown in FIG. 12.
  • FIG. 12 illustrates a change in the temperature of the transport gas over the first to fifth sections according to the transport gas temperature in the first section 1 and the transport gas Mach number in the third section 3. The case where the temperature of the transport gas supplied to the gas is 500K and 300K is shown separately.
  • the temperature (T e ) of the transport gas in the third section is about 278 K, and it occurs in the shrub of the fourth section. Due to the vertical shock wave, the temperature of the transport gas rapidly rises, so that the temperature T 2 of the transport gas passing through the shrub becomes about 469 K.
  • T e about 178 K, solid powder may be coagulated and aggregated.
  • the Mach number (M e ) of the transport gas in the third section is 2 (Case C)
  • the temperature (T e ) of the transport gas in the third section is about 166 K, and it occurs in the shrub of the fourth section.
  • the temperature rises sharply due to the vertical shock wave, and the temperature T 2 of the transport gas passing through the shrub becomes about 281 K.
  • the second section (2) is a section in which the diameter increases again at a constant rate from the shrub formed by decreasing the diameter at a constant rate. That is, the second section 2 is configured in the shape of a supersonic nozzle, and the transport gas 4 passing through the second section 2 is expressed in supersonic speed.
  • the Mach number is less than 1 (M ⁇ 1), which is a subsonic speed, and as the diameter is constant, the transport proceeded to the subsonic speed from the first section 1.
  • the pressure of the gas 4 also decreases constantly.
  • the supersonic velocity of the transport gas expressed in the second section (2) is determined by the shape of the transport pipe (cross section area of the second section inlet, shrub, and outlet of the second section) and the environment (pressure and temperature of the second section inlet, outlet of the second section). Pressure and temperature).
  • the third section 3 is a section in which the transport pipe is continuous with a constant diameter.
  • This section is a section in which the negative pressure (minus pressure) is formed in the transport pipe, the cross section must be kept constant so that a constant negative pressure is formed throughout the third section (3). Therefore, the solid powder transport pipe can be connected to this section to supply the solid powder under atmospheric pressure. Since the third section has a smaller pressure than the inside of the solid powder feeder at atmospheric pressure, the solid powder is introduced into the third section without stagnation or backflow. As a result, an aerosol in which the transport gas and the solid powder are mixed is formed in the third section.
  • an opening is formed in a part of the solid powder feeder. Accordingly, the air pressure inside and outside the solid powder feeder is kept constant at atmospheric pressure (1 bar).
  • the air filter is installed in the opening, fine dust, which may be introduced together with the outside air, may be prevented from being mixed into the solid powder.
  • the solid powder may be compressed and stored, and a predetermined amount of solid powder may be continuously supplied to the third section at a predetermined time, and the fine screw (not shown) having a small diameter may be supplied to the solid phase. It can be installed in the powder transport pipe to adjust the rotational speed (RPM) of the motor or by using the control valve installed in the solid powder transport pipe can supply the solid powder without pulsation.
  • RPM rotational speed
  • the solid powder transport pipe may be configured to be adjusted to an angle that can be mixed with the transport gas solid powder discharged to the third section.
  • FIG. 10 and 11 illustrate an embodiment in which a plurality of solid state powder feeders are connected to the third section. According to this embodiment, two or more types of solid powder can be mixed together in the third section.
  • the Mach number of the transport gas is greater than 1 (M> 1) and is expressed at supersonic speed, so that the transport gas is the Mach number (in the third section).
  • M the Mach number
  • a sudden temperature drop occurs, so that when the solid powder under atmospheric pressure is sucked into the negative pressure region (section 3) of the transport pipe together with the atmospheric pressure air, the moisture in the sucked air
  • the transport gas is heated in advance in the first section 1 and the second section 2 is used.
  • the temperature of the transport gas which is heated in advance and heated in advance, is controlled by the injection environment (inlet temperature and outlet temperature of the nozzle) of the supersonic nozzle (or subsonic nozzle) at the end of the fifth section (5), which will be described later, and the transport to the substrate after the injection.
  • the temperature of the product (the temperature does not give a thermal shock to the substrate) can be determined in consideration of both.
  • the fourth section (4) is a section in which the diameter increases again at a constant rate from the shrub formed by decreasing the diameter at a certain rate. In this section, the pressure rises due to the shock wave, and the transport gas changes to subsonic speed again. In the section 4 'in which the cross section is uniformly reduced in the fourth section, the supersonic speed M> 1 expressed in the third section is continuously expressed. On the other hand, in the section (4 ") in which the cross section is constantly enlarged in the fourth section, since the aerosol formed in the third section is maintained at a supersonic speed, the pressure in the section is gradually increased as the diameter decreases. The shrub generates a shock wave according to the supersonic speed expressed in the third section, so that the pressure of the aerosol 5 is rapidly increased.
  • a shock wave is not generated in the third section so that the third section is not generated.
  • the product of the pressure P in the second section shrub and the cross-sectional area A is equal to the pressure P' in the fourth section shrub. It should be equal to the value of the cross-sectional area (A '), and because the entropy increases over the fourth section, the pressure of the second section shrub is greater than the pressure of the fourth section shrub. Therefore, the cross-sectional area A 'of the fourth section shrub must be larger than the cross-sectional area A of the second section shrub.
  • the fifth section 5 is a section in which the diameter of the transport pipe is continuous with a constant diameter.
  • the pressure in the section of the fifth section 5 is kept constant in a state in which the pressure in the first section 1 is almost recovered.
  • the aerosol is spray coated on the substrate in the atmosphere or the substrate in a vacuum (in the vacuum chamber). Therefore, the injection nozzle (subsonic nozzle or supersonic nozzle) can be configured to be accommodated in the vacuum chamber.
  • the present invention provides a transport pipe in which a first section in which the diameter is continuously continued and decreases at a constant rate, a second section in which the diameter is constantly being continuous and increases at a constant rate, and a third section in which the diameter is constantly connected in one direction. ;
  • An injection nozzle provided at an end of the third section of the transport pipe;
  • one side is in communication with the second section by a solid powder transport pipe, and the other side is provided with one or more solid powder feeders provided with openings.
  • It provides a solid-phase powder supply apparatus characterized in that it comprises a.
  • a negative pressure is formed in a portion of the transport pipe 500 so that the solid gas powder 3 in atmospheric pressure is transported at a pressure P1 higher than atmospheric pressure 1. It is configured to be supplied to the transport pipe 500 is flowing.
  • the transport pipe 500 is configured such that the first to third sections are formed, and the details thereof are as follows.
  • the first section is configured such that a section in which the transport pipe is continuous in a constant diameter (hereinafter referred to as' 1 region ') and a section in which the tube diameter decreases at a constant rate (hereinafter referred to as' 1' region ') continue in one direction. .
  • a transport gas 1 of a pressure higher than atmospheric pressure is supplied.
  • measures such as heating the transport gas 1 to an appropriate arbitrary temperature can be taken for the purpose of eliminating the thermal shock of the substrate and the smooth transportation of the aerosol.
  • the second section includes a section (hereinafter referred to as '2') and a section where the diameter increases again at a constant rate (hereinafter referred to as '2'), in one direction. It is configured to be connected.
  • This section is a section in which a negative pressure is formed in the transport pipe, and a negative pressure may be formed in the 2 area or the 2 'area.
  • D1 is the diameter of the transport gas in the zone 1 in the first section
  • m is the mass flow rate of the transport gas
  • T1 is the temperature of the transport gas in the zone 1
  • V1 is in the zone 1.
  • Transport gas velocity P1 is the transport gas pressure in the first zone?
  • D * is the diameter in the second section 2
  • M * is the Mach number of the transport gas in the 2 section of the second section, and
  • P * is the transport gas pressure in the 2 section of the second section.
  • the environment (pipe diameter, temperature, pressure, mass flow rate, and velocity) of the transport pipe can be set to generate negative pressure in the 2 area of the second section to smoothly supply the solid powder.
  • the conditions of the pipeline may be innumerable depending on the purpose of use. At this time, it is possible to create the environment of the transport pipe by using the above-described formulas (1) to (4) to meet the appropriate conditions according to the purpose of use.
  • the transport gas passing through the area 2 flows into the third section through the area 2 'where the diameter increases at a constant rate, and is hatched in the area 2.
  • the negative pressure P2 may be generated in the region. Accordingly, the solid powder transport pipe may be connected to the hatched local area to supply the solid powder under atmospheric pressure.
  • the second section flows into the second section without stall or backflow. As a result, in the second section, an aerosol 5 in which the transport gas 4 and the solid powder 1 are mixed is formed.
  • an opening 320 In order to maintain the solid powder 3 at atmospheric pressure, an opening 320 must be formed in a portion of the solid powder supplying device 300. Accordingly, the air pressure inside and outside the solid powder supplying device 300 is atmospheric pressure (760torr). It remains constant. When the air filter is installed in the opening 320, it is possible to prevent the fine dust, which may be introduced together with the outside air, from being mixed in the solid powder 3.
  • the solid powder supplying device 300 in the solid powder 3 is compressed and stored to supply a small amount of solid powder 3 in a continuous time at a predetermined time, the fine fine diameter A screw (not shown) is installed in the connecting pipe 310 to adjust the rotational speed (RPM) of the motor or the solid powder using the solid powder supply control valve 12 installed in the connecting pipe 310 (3). Can be supplied without pulsation.
  • the connection pipe 310 may be configured to be adjusted to an angle that can be mixed with the solid state powder 3 is discharged in the second section well with the transport gas (1).
  • 15 to 18 illustrate an example in which a plurality of solid state powder supply devices 300 are connected to the second section.
  • two or more types of solid powders 3 can be mixed together in the second section.
  • the third section is a section in which the diameter of the transport pipe is continuous to a constant diameter.
  • subsonic nozzles as shown in FIGS. 15 and 17 or supersonic nozzles as shown in FIGS. 16 and 18 are selectively connected to the substrate as necessary.
  • the subsonic nozzle is a nozzle configured to reduce the cross-sectional area at a constant ratio from the end of the third section to the nozzle outlet.
  • the supersonic nozzle is a constant ratio of the cross section from the end of the third section.
  • the aerosol can be sprayed onto the substrate in the deposition chamber 400.
  • the pressure (P3) of the third section is significantly lower than the pressure (P1) of the first section, resulting in a large pressure loss, relatively in terms of device configuration
  • the spraying state of the connected nozzle may not operate normally depending on the cross-sectional area of the nozzle outlet (in the case of the subsonic nozzle) or the nozzle neck (in the case of the supersonic nozzle). Therefore, it is more preferable if the flow of the aerosol in the third section is a subsonic flow.
  • the subsonic nozzle outlet cross section A4 and the second section 2 are sprayed at subsonic regardless of the cross section area A * of the region.
  • the mass flow rate flowing through this cross-sectional area is not choked at the cross-sectional area A5 of the supersonic nozzle, so it is sprayed at subsonic speed. If A5 ⁇ A *, it is injected at supersonic speed.
  • the subsonic nozzle outlet cross section A4 and the second section 2 are sprayed at subsonic regardless of the cross section area A * of the region.
  • the mass flow rate flowing through this cross-sectional area is not choked at the cross-sectional area A5 of the supersonic nozzle, so it is sprayed at subsonic speed. If A5 ⁇ A *, the flow state of the third section is changed to subsonic speed and is injected at the supersonic speed from the nozzle.
  • the above contents are summarized according to the environment suitable for each, irrespective of the shape of the subsonic nozzle or the supersonic nozzle connected to the terminal when the flow of the aerosol is subsonic and supersonic in the third section.
  • the cross-sectional area (A *) of the area 2 of the second section in the apparatus of the present invention must be greater than or equal to the subsonic nozzle outlet cross-sectional area (A4) or the supersonic nozzle neck cross-sectional area (A5) connected at each end. According to the environment, it can be sprayed by the normal (subsonic nozzle in the subsonic nozzle without the shock wave inside, supersonic spray in the supersonic jet nozzle).
  • a * is the cross-sectional area of the second section 2 area
  • A4 is the cross-sectional area of the subsonic nozzle outlet
  • A5 is the cross-sectional area of the supersonic nozzle neck.
  • the solid powder continuous deposition method according to the present invention can be realized by operating various embodiments of the solid powder continuous deposition apparatus described above, and details thereof will be described for each process below.
  • (a) process is the process of inhaling and storing air.
  • the heat generated from the air pump causes the temperature of the inhaled air to rise, so it is preferable to cool the temperature about 40% in the process of storing the intake air. Same as one.
  • (b) process is the process of filtering and drying the sucked air and discharging it in a certain amount. This process can be specifically performed by the following process.
  • Step (c) is a step of forming aerosol dispersed in a constant mixing density by supplying a solid powder to the air having undergone the step (b).
  • the flow rate of the air flowing through the step (b) is controlled by the flow control valve and the amount of solid powder mixed therein is controlled by the quantitative feeder to form aerosol dispersed at a uniform and constant concentration.
  • Step (d) is a step of continuously transporting the aerosol in density, speed, and flow rate under constant control.
  • the aerosol may be transported through a transport pipe, and a pressure gauge may be further installed inside the transport pipe to check whether the hourly flow rate and velocity distribution of the aerosol transported through the transport pipe are constant.
  • the aerosol is sprayed onto the substrate inside the deposition chamber in a vacuum state through a slit nozzle having a constant pressure distribution and a spraying speed over the entire width.
  • a slit nozzle formed with a width corresponding to the width of the substrate is required, and the slit nozzle must have a constant pressure distribution and a spraying speed over the entire width.
  • the deposition chamber may maintain a low vacuum state in association with a vacuum pump, and may collect and collect a small amount of solid phase powder deposited on a substrate by an exhaust pump.
  • the deposition chamber in a low vacuum state and forced exhaust of the inlet air, it is possible to remove deposition disturbances due to reflux and to reduce deposition noise.
  • the increase and decrease control of the aerosol injection speed can be linked to the control the flow rate of the air (transport gas) to be transferred in the step (b).
  • the present process may be parallel to the process of forcibly exhausting and collecting the solid powder remaining after being deposited on the substrate in the deposition chamber.
  • the present invention provides a solid-phase powder continuous deposition method that can further improve the deposition quality by applying a supersonic nozzle or subsonic nozzle as a spray nozzle in advance to block the thermal shock that can be transmitted to the substrate.
  • the method may further include pressurizing the air after inhaling and storing the air in the step (a), and the step (b) may further include a step of preliminarily correcting a temperature drop of the transport gas by heating the air.
  • the step (c) cools the solid powder before forming an aerosol, but by a temperature difference ( ⁇ T m ) from the transport gas passing through the supersonic nozzle or subsonic nozzle. By the same temperature behavior as the transport gas may be further included a control process.
  • the carrier gas is heated regardless of the particle size of the micrometer-sized or nanometer-sized particles to deposit the solid powder without thermal shock to the substrate.
  • the conveying gas in order to control the temperature of the conveying gas at the nozzle outlet and the temperature of the solid powder to a temperature without thermal shock, the conveying gas must be heated before the spray deposition unit.
  • the solid powder in addition to the conveying gas heating described above, the solid powder is cooled before the supersonic nozzle by the temperature difference ( ⁇ T m ) between the conveying gas and the solid powder that has passed through the supersonic nozzle and is controlled to the same temperature behavior as the conveying gas. Thermal shock can be eliminated.
  • the aerosol temperature (transfer gas temperature and solid powder temperature) at the supersonic nozzle outlet is controlled in a temperature range that does not give a thermal shock to the substrate.
  • the particle size is micrometer
  • the transfer gas when spray-depositing a solid powder having a particle size of nanometer at supersonic speed, only the transfer gas needs to be heated, and the solid powder does not need to be cooled. Because, as shown in FIG. 37, the temperature of the carrier gas at the outlet of the supersonic nozzle and the nanometer solid powder temperature are similar (since ⁇ T n is relatively smaller than ⁇ T m ), it is not necessary to cool the solid powder. At this time, as described above, the aerosol temperature at the supersonic nozzle outlet is controlled to a temperature range that does not give a thermal shock to the substrate.
  • the carrier gas When spray-solid deposition of solid powder at subsonic velocity, the carrier gas is heated regardless of the particle size in a temperature range that does not cause thermal shock to the substrate (e.g., when the carrier gas is heated to 50 ° C in advance, the aerosol temperature is 20 ° C at the subsonic nozzle exit. Is not subjected to thermal shock to the substrate).
  • the ⁇ T m is relatively small in the solid-state powder of several micrometers size close to the nanometer size according to the micrometer particle size, thereby reducing the need for cooling, and the ⁇ T m in the solid-state powder of several hundred micrometers in size.
  • the relatively large size increases the need for cooling. Therefore, the conveying gas may be commonly heated, and in some cases, the solid powder may or may not be cooled.
  • the nanometer-sized solid powder behaves at the same temperature as the conveying gas, the solid powder does not need to be cooled, and only the conveying gas can be heated to remove the thermal shock of the substrate.
  • the temperature of the transfer gas at the subsonic nozzle outlet is controlled before the nozzle inlet in a range that does not apply thermal shock.
  • the present invention is the air and aerosol sucked in the first section continuous to a constant diameter, the second diameter of the tube diameter is increased to a constant ratio from the shrub formed by decreasing the diameter to a certain ratio, the second continuous to a constant diameter From section 3, the diameter of the shrub decreases with a certain ratio, the fourth section with a constant diameter increases and the fifth section with a constant diameter continues in one direction.
  • the step (a) further comprises the step of pressurizing the sucked air to a pressure greater than atmospheric pressure
  • the step (b) is the first of the transport pipe Lowering the pressure of the air supplied to the section and further comprising the step of adjusting the location of the shock wave to the shrub of the fourth section
  • the step (c) is a solid state of atmospheric pressure in the third section of the transport pipe
  • the aerosol maintains the supersonic speed and the pressure increases in the section (4 ') in which the diameter of the fourth section is reduced, the shrub of the fourth section
  • the pressure in the surge is to more than atmospheric pressure, and the speed is such that through the fifth region to the off state to the subsonic discharged to the outside.
  • a pressure gauge is connected to the transport pipe to check whether the pressure is rapidly rising at the boundary of the shrub of the fourth section, and the first section at the moment of the sudden pressure rise.
  • a method of stopping the process of lowering the pressure of the transport gas supplied to (1) may be taken.
  • the solid powder may be continuously deposited on the large-area substrate by continuously supplying the solid powder compressed and stored in the solid powder supply device 300 to the third section 3 for a predetermined time and a predetermined amount.
  • the temperature of the transport gas passing through the first section may be controlled, or the Mach number of the transport gas passing through the third section may be adjusted. Details thereof are as described above.
  • the inhaled air and the aerosol is a continuous section of the pipe diameter is constantly continuous, the first section to decrease at a constant rate, the diameter of the second section is constantly increased to a constant ratio, the third section of the pipe diameter is continuously continuous
  • the step (a) further comprises the step of pressurizing the sucked air to a pressure greater than atmospheric pressure
  • the step (b) is the pressurized air of the transport pipe Supplying a first section to form a negative pressure in a second section of the transport pipe
  • step (c) is performed by supplying a solid powder at atmospheric pressure to a second section of the transport pipe. It is provided with a solid-phase powder continuous deposition method characterized in that.
  • the negative pressure may be formed in the second section by setting the speed of the air supplied to the first section and the pressure in the transport pipe.
  • the area of the product which can be manufactured by the solid-phase powder continuous deposition apparatus according to the present invention is as follows.
  • Conductive (semi) transparent electrode formed by depositing with solid phase powder (carbon nanotube, ITO (indium tin oxide), etc.)

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Abstract

본 발명은 고상의 파우더를 균등 분산시켜 기재에 균일하게 연속적으로 증착하여 균일한 박막을 형성할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 고상 파우더 입자의 크기, 형태 및 비중에 상관없이 수송관에 단위 시간당 일정한 유량의 수송기체와 단위 시간당 일정한 양의 고상파우더를 공급하여 생성된 밀도, 속도, 유량이 일정한 에어로졸을 연속적으로 노즐에 유입시켜 기재의 재질 및 크기에 상관없이 기재 단면 전체에 걸쳐 균등하게 연속적으로 고상파우더를 증착하여 박막을 형성시킬 수 있는 방법 및 그 장치를 제공한다.

Description

고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법
본 발명은 고상 파우더의 입자 크기, 형태, 비중에 상관없이 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸을 균등하게 분산시켜, 기재의 재질 및 크기에 관계없이 균일하게 연속적으로 증착시켜 균일한 박막을 형성할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
고상 파우더를 분사하여 기재에 증착시키는 종래의 방법은 파우더 입자의 크기, 입자의 비중, 열처리 유무, 기재 온도(고온, 저온, 상온), 진공 유무, 입자 분사 속도 등에 의하여 증착 방법이 결정되며, 이는 증착 공정 속도 및 생산성·경제성에 직결된다. 여기서 말하는 고상 파우더란 유리, 금속, 반금속, 세라믹, 화합물 등의 고체상의 분말을 지칭한다.
종래의 전통적인 고상 파우더 분사 증착 방법은 다음과 같다.
1) 용사 증착(thermal spray deposition) 방법
용사 증착 방법은 고상 파우더를 보통 플라즈마에 의해 녹여서 불꽃에 의해 가속하여 기재에 분사하는 방법으로서, 이 과정에서 분말에 가해지는 온도는 용사 공정의 종류에 따라 차이가 있으나 3,000K 내지 15,000K에 이르는 고온이며, 기재에 도달한 후의 냉각속도는 초당 106K에 이르기도 한다. 이 때 분말의 온도는 고온이고 초음속의 빠른 속도로 분사되므로 분말의 입자크기는 수십마이크로미터 이상의 것을 사용한다. 입자들이 녹아서 기재에 증착되기 때문에 입자간의 결합력이 우수하지만, 증착층 내에 기공이 존재하는 경우가 많고, 입자들이 고온에 노출되어 증발이나 화학적 조성의 변화 등이 발생할 수 있으며, 급속 냉각에 의해 비정질상이 형성되고, 균열이 발생하기 쉽고, 기재와의 결합력이 감소되는 단점이 있으며, 빠른 속도로 두꺼운 증착층을 형성할 수 있으나, 증착층의 두께 제어가 어렵고 표면이 거친 특징이 있다.
2) 정전입자충격 증착(electrostatic powder impact deposition) 방법
정전입자충격증착 방법은 10-4torr 이하의 진공에서 서브 마이크로미터에서 나노미터 크기의 극미세 입자들이 두 전극 사이에서 정전기적 가속도에 의해 전극표면에 증착되는 것으로서, 카본이나 금속입자 등과 같은 입자 대전이 용이한 경우의 입자들만 증착되며, 세라믹 입자들은 증착이 잘 되지 않는 단점이 있다. 두께도 수 마이크로미터까지 가능하지만 수십 마이크로미터는 어려우며, 증착층은 비정질상이나 원료 분말과 다른 결정상이 존재하는 특징이 있다.
3) 콜드스프레이 증착(cold spray deposition) 방법
콜드스프레이 증착방법은 용사공정과 비슷하나 용사 증착방법과 같은 고온의 기체 또는 플라즈마를 사용하지 않고 수백℃ 정도의 기체를 사용하여 수 마이크로미터 이상 크기의 금속 입자들을 기재표면에 분사 증착하는 방법이다. 이 방법에 의해 분사되는 기체의 속도는 500m/s 이상의 초음속이며 운동에너지와 기체의 열에 의해 입자들이 기재에 충돌시 소성변형되고 표면의 온도 상승에 의해 입자가 기재에 융착되는 방식으로 증착이 이루어지고, 증착층의 두께는 수 mm에서 수 cm까지 가능하다. 다만, 비중이 낮거나 미세한 입자들은 고속기체의 반류(aerodynamic drag; 기체가 기재에 충돌한 후 되돌아오는 흐름)에 의해 입자 흐름의 속도가 감소하여 증착되지 않는 단점이 있다.
미합중국 특허 제5,302,414호("Gas-dynamic spraying method for applying a coating”, 1994; PCT/SU90/00126)는 콜드스프레이 증착방법의 원조가 된 특허기술로서, 40~400℃의 수송가스에 1~50마이크로미터 크기의 금속(metal) 또는 합금(alloy) 또는 폴리머(polymer) 파우더를 투입하여 300~1,200m/s로 분사 증착하는 기술로, 기존의 용사 및 플라즈마증착, 폭발증착에서 사용되는 분말의 녹는점(melting point) 이상의 고온보다 상대적으로 낮은 온도로 증착하기 때문에 기재에 열충격을 상대적으로 감소시킬 수 있는 기술이다. 다만, 증착시 소성변형(plastic deformation)이 발생하는 금속과 달리 입자가 파쇄되어 증착되는 세라믹과 같은 분말의 증착은 어렵고, 증착효율 또한 매우 낮다. 그리고, 금속 분말이든 세라믹 분말이든 서브 마이크로미터 크기 이하의 나노미터 분말입자의 증착은 수송기체의 반류로 분사노즐 출구에서 분말의 분사속도가 매우 감소하여 기재에 증착되기 어렵고, 증착효율이 매우 저하되는 단점이 있다.
대한민국 특허 제0691161호("전계방출 에미터전극 제조방법")는 상기 콜드스프레이 방법을 이용하여 탄소나노튜브 분말을 기재에 초음속으로 분사 증착시켜 전계방출 에미터 전극을 제조하는 방법을 개시하였다. 이 방법은 전술한 바와 같이 공기 중에서 기체가 초음속으로 분사되므로, 심한 소음이 발생하는 단점이 있으며, 특히 금속 입자가 아닌 비중이 작고 나노미터 크기 입자인 탄소나노튜브가 분사되면, 수송기체가 기재에 충돌할 때 고속기체의 반류 현상으로 인하여 기재에 증착되기 어려운 문제점이 있다.
4) 기체 증착(gas deposition) 방법
일본의 Seiichiro Kashu 등은 100nm 정도의 금속, 세라믹 파우더를 에어로졸(aerosol) 챔버에서 수송기체와 함께 에어로졸로 만들어 증착 챔버로 수송시켜 증착하는 방법을 소개한 바 있다(S. Kashu et al., Japanese Journal of Applied Physics 23, L910(1984)). 이는 후에 Jun Akedo의 에어로졸 증착 방법의 모태가 된 증착방법으로서, 금속 또는 세라믹과 같은 입자를 기체 교반에 의해 에어로졸로 만들고, 미세한 노즐을 통해 가속시켜, 입자가 기재에 충돌했을 때 운동에너지의 일부가 열에너지로 변환되어, 입자 사이 또는 입자와 기재 사이에 소결하는 것을 기본 원리로 하고 있다.
5) 에어로졸 증착(aerosol deposition) 방법
Jun Akedo는 상기 Seiichiro Kashu의 기체 증착법을 개선 발전시켜, 다양한 박막을 제조할 수 있도록 하였다. 대표적인 에어로졸 증착방법의 개념도는 [도 1]과 같다. 에어로졸 증착방법의 기본 개념은 수송 기체가 고상 파우더가 담긴 에어로졸 챔버로 유입되고, 에어로졸 챔버와 증착채버의 압력차를 이용하여 에어로졸 챔버 내에 부유하는 미세한 분말이 진공상태의 증착챔버 내에 있는 기재에 노즐을 통하여 분사 증착시키는 방법이다.
대한민국 특허 제0724070호("복합 구조물 및 그의 제조방법과 제조장치")와 대한민국 특허 제0767395호("복합 구조물")는 [도 1]의 개념도와 같은 에어로졸 증착방법을 이용하는 기술에 관한 것이고, 대한민국 특허 제0531165호("기재 위에 고정된 카본파이버를 위한 방법 및 장치")에는 에어로졸 증착방법의 기본 개념에 에어로졸 챔버에서 카본나노튜브를 바로 생성하여 증착챔버로 카본나노튜브를 수송하여 증착하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 이는 탄소나노튜브를 분사증착시켜 박막을 형성하는 기술에 관한 것으로서, 이를 적용하여 금속 박막과 같은 우수한 물성이 발현될 것이라고 기대하여 응용된 것이다. 그러나, 이는 탄소나노튜브 재료의 형태가 기존의 에어로졸 증착방법으로서는 균일한 박막 및 면저항이 낮은 박막을 제조할 수 없는 문제점이 있다는 것을 간과하고 있다. 금속 입자의 형태와 아주 다른 튜브형의 재료(직경(수~수십 나노미터) 대비 길이(수~수십 마이로크미터)의 비(aspect ratio)가 500~1,000배 이며, 반데르발스(van der waals) 인력에 의한 응집현상 및 고분자 사슬의 엉킴현상과 유사한 특성을 가지는 재료)인 탄소나노튜브는 그 물질적인 특성으로 인하여 대면적 기재에 균일한 증착이 요구되는 상용화 제품 생산에 적용하기에 어려움이 있다. 대한민국 특허 제0846148호("고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법 및 장치")는 상기 에어로졸 증착법을 이용한 기술에 관한 것으로서 증착챔버 내에 간헐적으로 감압을 증폭시켜 에어로졸화된 입자의 충돌속도를 가속화하여 충돌시킴으로써 상온에서 박막을 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나 간헐적으로 압력을 조절하기 때문에 고상파우더를 연속적으로 균일하게 증착하는데 상당한 문제점이 있다. 왜냐하면, 간헐적으로 압력을 조절할 때 이로 인하여 그 시간에 해당되는 순간의 분사 간격으로 균일한 박막을 형성할 수 없는 문제점이 있기 때문이다. 특히 튜브형 재료(직경대비 길이가 500~1000배)인 경우 반데르발스 인력에 의한 응집 및 고분자 사슬의 엉킴을 분산 시키기 위하여, 에어로졸 챔버 내에 필터 또는 바람개비를 설치하여 분산시키려고 하였으나, 챔버 내에 오히려 와류가 발생하여 더 응집되어 증착챔버내로 분말 입자가 수송되기 전 단계에서 분산에 역효과가 발생할 수 있고, 필터로 인하여 수송기체의 유량 부하가 발생할 우려가 클 뿐만 아니라, 에어로졸 챔버에서 증착챔버로 수송되는 에어로졸 챔버의 출구관 단면에 단위시간당 일정한 유량과 일정한 양의 분말이 공급되지 못하고 불규칙적으로 수송된 에어로졸이 노즐을 통하여 기재에 분사되므로 균일한 박막을 형성할 수 없는 큰 문제점이 있다.
대한민국 특허 제0818188호("에어로졸 데포지션을 위한 고효율 분말 분산장치")는 상기 분말의 분산에 대한 문제를 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 종래의 에어로졸 챔버 자체를 진동시키는 기술을 개선하여 에어로졸 챔버를 상하로 흔들면서 동시에 원운동을 시킴으로써 분말의 분산이 보다 효율적으로 이루어지게 한 것이다. 그러나 이것 또한 탄소나노튜브와 같은 재료의 분산 방법에는 효과가 거의 없는 것이 단점이며, 대면적의 기재에 증착 시 균일도가 저하되고, 면저항이 커서 전류를 흘렸을 때 높은 저항이 발생하여 기재에 기준치 이상의 열이 심각하게 발생하는 문제점이 있다. 또한 대한민국 특허 제0724070호("복합 구조물 및 그의 제조방법과 제조장치")에서 초음파 및 마이크로파 또는 초음파와 마이크로파 중 어느 하나를 에어로졸에 조사하여 분말 입자의 분산을 원활하게 하는 방법을 개시하였으나, 분산 효과가 미미한 수준이다. 특히, 튜브형 재료는 더욱 더 분산효과가 미미한 수준인 실정이다. 일본 공개특허공고 특개평8-81774호, 일본 공개특허공고 특개평10-202171호 및 일본 공개특허공고 특개평11-21677호에 개시된 방법에서는 에어로졸 증착법에 가열수단(예를 들어, 저항선 가열, 전자빔 가열, 고주파 유도가열, 스퍼터링 또는 플라즈마 등)을 추가하여 기재에 고상파우더 입자가 잘 증착될 수 있도록 하였다. 또한 이와 유사하게 대한민국 특허 제0695046호("초미립자 취성재료의 저온성형방법 및 그것에 사용하는 초미립자 취성재료")는 에어로졸 증착법으로 분사하여 기계적으로 충격하고, 2차적으로 열처리 공정을 통하여, 결정입자직경을 감소시킬 수 있는 방법을 개시하였다.
전술한 바와 같이 종래의 에어로졸 증착장치는 [도 1]에 보이는 바와 같이 크게 에어로졸 챔버와 증착챔버로 이루어지며, 에어로졸 챔버로 수송기체가 유입되어 에어로졸 챔버 내부의 분말을 에어로졸화시키고, 에어로졸 챔버와 증착챔버의 압력차로 인하여 에어로졸이 이동하여 노즐을 통하여 기재에 분사하는 방식이다. 종래의 에어로졸 증착장치에서는 에어로졸 챔버로 유입되는 수송기체에 의해 생성되는 에어로졸이 일정량으로 균일하고 연속적으로 이동하지 않기 때문에 균일한 박막을 형성하기 어렵다. 그 이유는 실제 에어로졸 챔버에 연결된 수송관을 통한 에어로졸의 이동방향과 에어로졸 챔버로 유입되는 수송기체의 방향이 일치할 확률이 매우 낮기 때문이다. 또한, 탄소나노튜브 분말의 물질적 특성상 에어로졸이 형성되는 동안에 입자간 응집이 발생하여 정량의 에어로졸이 연속적으로 노즐에 유입되지 않게 되어 균일한 박막이 연속적으로 형성되지 않는다. 즉, 수송기체 및 에어로졸이 수송관을 따라 흐를때 수송관 단면을 따라 유속 및 농도가 균일하게 분포되어야만, 기재에 균일한 박막을 연속적으로 형성 할 수 있고, 이러한 기술이 증착방법 및 장치에 결정적인 영향을 미치는 핵심 요소이다. 요약하면, 전체적으로 에어로졸 증착방법은 에어로졸 챔버와 증착챔버 사이의 압력차이로 고상 파우더가 분사되어 기재에 증착하는 것이기 때문에 원활한 증착을 위해서는 분사속도를 높혀야 하므로, 상기 콜드스프레이 증착방법에 필요 없는 상당한 진공 상태 유지가 필요하며, 고진공상태를 만들기 위하기 증착공정 준비시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
한편, 일반적으로 대기압(1bar) 이상의 압력(P1)으로 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법은 [도 5]에 도시된 바와 같이 고상파우더를 상기 압력관 내부의 압력(P1)보다 큰 압력(P2)으로 공급하는 것이다. 이러한 종래의 방법에서는 상기 압력관의 압력(P1)보다 고상파우더의 공급 압력(P2)이 높아야 고상파우더가 역류하지 않고 공급될 수 있다.
상기 압력관은 사용목적에 따라 대기압의 수십배에 달하는 압력(예: 10~40bar)으로 기체를 수송하여야 하는 경우가 있으며, 이러한 압력관에 고상파우더를 공급하기 위해서는 상기 압력관 내부의 압력(P1) 보다 큰 압력으로 고상파우더를 공급하여야할 수밖에 없다. 그러나 일반적인 압축공기를 고상파우더의 수송기체로 사용하는데는 한계(일반적으로 14bar)가 있으며, 이로 인해 고가(高價)의 질소 또는 헬륨을 수송기체로 사용할 수 밖에 없는 문제가 있고, 이러한 수송기체를 장시간 연속적으로 공급하는 것의 경제성 및 생산성이 문제될 수 있다. 따라서, 위와 같은 고압력을 사용하지 않고도 대기압보다 큰 압력(P1)의 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급할 수 있도록 하는 장치 및 방법이 필요하다.
대기압 보다 큰 압력의 기체가 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.
1) 미합중국 특허 제5,302,414호("Gas-dynamic spraying method for applying a coating")는 스프레이 코팅에 관한 기술로서, 고상파우더를 공급하는 방법으로 3가지 방법을 적용하고 있다. 첫 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 1에 도시된 바와 같이 압축 기체를 압력관 및 고상파우더가 담긴 호퍼에 공급하고, 실린더 드럼을 회전시켜 고상파우더가 호퍼 쪽으로 역류하지 않도록 압력을 조절하여 기체와 혼합되어 노즐로 이동될 수 있도록 하는 방법을 사용하였고, 두 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 4에 도시된 바와 같이 압축 기체를 고상파우더가 있는 피더(feeder)에 직접 공급하여 고상파우더를 밀어내어 노즐로 공급 될 수 있도록 하는 방법을 사용하였고, 세 번째 방법은 이 특허발명의 Fig. 5에 도시된 바와 같이 압축 기체를 가열장치와 고상파우더 공급기에 각 각 공급하고, 이 각 각 공급된 압축기체와 고상파우더가 혼합 챔버(premix chamber)에서 혼합되게 하고, 수송기체관을 혼합챔버에 직접 표면까지 연결하고, 고상파우더 공급관은 혼합챔버 관내부로 관통하게 하여 고상파우더가 역류되지 않고 노즐에 원활하게 공급될 수 있는 방법을 제시하였다.
2) 미합중국 특허 제6,139,913호("Kinetic spray coating method and apparatus")는 스프레이 코팅에 관한 기술로서, 이 특허발명의 Fig. 2에 도시된 바와 같이 고상파우더를 공급하기 위하여 압력탱크의 공기를 혼합 챔버로 이송하고, 또한 이 혼합 챔버 내부로 수송된 고압의 공기보다 높은 압력상태의 고상파우더를 공급(injection)하는 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 미합중국 특허 제5,302,414호의 세 번째 방법과 유사하게 적용된 기술이다.
3) 대한민국 특허 제0770173호("저온스프레이 장치"), 대한민국 특허 제0575139호("가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치") 및 대한민국 특허 제0515608호("분말 예열장치가 구비된 저온 스프레이 장치")는 혼합 챔버에 고상파우더를 공급(injection)하는 방법을 제공한다. 이 방법 또한 상기 미합중국 특허 제 5,302,414호의 세 번째 방법과 유사하게 적용된 기술이다.
상기 1)~3)의 특허 기술에서 사용되는 고상파우더 공급방법은 용사 증착(thermal spray), 저온분사(cold spray), kinetic spray 방법에서 일반적으로 사용하는 방법이며, 초음속을 발현하기 위해 수송기체의 압력을 10~40기압(bar)의 고압조건으로 형성하고, 이 고압 환경내에 더 높은 압력 상태의 고상파우더를 수송하도록 되어 있는 것이 일반적인 장치로 알려져 있다. 일반적으로 공기압을 사용할 경우 14기압(bar)까지 사용할 수 있고, 그 이상의 압력을 유지하기 위해서 고가의 질소(N2) 또는 헬륨(He) 가스를 사용하기 때문에 경제성 및 양산성 문제가 있다.
4) 대한민국 특허 제0695046호("초미립자 취성재료의 저온성형방법 및 그것에 사용하는 초미립자 취성재료"), 대한민국 특허 제0724070호("복합 구조물 및 그의 제조방법과 제조장치"), 대한민국 특허 제0767395호("복합 구조물"), 대한민국 특허 제0531165호("기재 위에 고정된 카본파이버를 위한 방법 및 장치")는 에어로졸 증착(AD, aerosol deposition) 방법을 이용한 것으로서, 이 시스템에서 있어서, 공통적인 고상파우더 공급 방법은 고상파우더가 위치해 있는 에어로졸 챔버에 공급되는 수송기체의 압력을 증착 챔버 내의 압력보다 큰 압력을 유지시킴으로써 고상파우더가 노즐에 공급되어 분사될 수 있도록 한 것이다.
다만, 에어로졸 증착 방법에서 에어로졸 챔버내에 있는 고상파우더가 수송기체와 혼합되어 이동할 때 에어로졸 챔버 출구에서 토출되는 고상파우더의 양을 일정하게 연속적으로 공급하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다. 그 이유는 고상파우더 입자의 거동이 곧 수송가스의 거동과 일치하므로 실제 에어로졸 챔버에 연결된 압력관을 통한 에어로졸의 이동방향과 에어로졸 챔버로 유입되는 수송기체의 이동방향이 일치할 확률이 매우 낮아 균일한 농도의 에어로졸(고상파우더와 수송기체의 혼합상태)이 압력관에 연속적으로 공급되기 어렵다. 또한 에어로졸 챔버에서 에어로졸 생성시 에어로졸 챔버 내벽에 정전기 발생으로 인한 고상파우더의 부착으로 일정량의 고상파우더가 연속적으로 에어로졸 챔버에 연결된 압력관을 통해 수송되기 어렵기 때문이다.
5) 미합중국 특허 제 4,815,414호("Powder spray apparatus")는 대기압 상태에 있는 고상파우더를 고압력(high pressure)의 수송기체를 이용하여 스프레이 노즐로 공급할 수 있는 장치를 제시한 것으로서, 이 특허발명의 명세서와 함께 첨부된 Fig. 1에 도시된 바와 같이 고상파우더가 대기압 상태에 있고 파우더가 담겨져 있는 용기 속으로 고압력의 기체를 압력관을 통하여 수송하여 용기 하부 출구에서 파우더를 흡입하여 하부 용기를 통하여 노즐로 파우더를 이동시킬 수 있는 기술로 기재되어 있다. 이 기술의 문제점은 고상파우더가 담겨져 있는 용기에 대기압보다 높은 압력의 수송기체가 유입되므로 대기압 상태에 있는 고상파우더가 하부 용기로 완전히 흡입되지 않고 고상파우더가 담겨져 있는 상부로 역류하여 하부 용기로 고상파우더가 공급되지 않을 확률이 높다는 것이고(압력이 낮은 방향으로 이동), 다만 고압력의 수송기체 분사로 소량의 분말이 하부로 순간 이동될 수 도 있으나 계속적으로 분말의 대부분이 상부로 역류되거나 정체되는 문제점이 존재하고 있다.
6) 미합중국 특허 제 6,569,245호("Method and apparatus for applying a powder coating")는 대기압 상태에 있는 고상파우더를 노즐에 공급하여 코팅하는 기술서, 이 특허발명의 Fig. 1에 도시된 바와 같이 압축공기 공급장치에서 공기를 노즐 유닛(unit)에 공급하고, 이 유닛에 고상파우더를 공급하여 분사되는 기술로 설명되어 있으나, 대기압 상태에 있는 고상파우더가 노즐 유닛에 공급되기 위해서는 노즐 유닛의 압력이 대기압 상태보다 낮은 부압이 형성되어야만 공급될 수 있으므로, 상기 이러한 장치에서 고상파우더는 노즐 유닛에 공급되지 못하고 역류될 수 있는 문제점이 있고, 분사속도를 더 높게 발현하기 위해 압축공기의 압력을 더 상승시킬 경우 더욱 더 고상파우더는 노즐 유닛에 공급될 수 없는 환경에 놓이게 되는 문제점이 있다.
상기 5)~6)의 특허 기술에서 대기압 상태에 있는 고상파우더는 호퍼(hopper)와 같은 용기에 고상파우더를 토출하는 임의의 장치 없이 자중(self weight)으로 토출되기 때문에 고상파우더 양을 일정하게 조절하여 토출할 수 없는 문제점이 있다. 이로 인하여 고상파우더 코팅층의 두께 및 품질을 일정하게 유지할 수 없는 한계가 있다.
전술한 바와 같이 대기압 보다 높은 압력이 흐르는 압력관에 고상파우더를 공급하는 방법에서 개선해야 할 문제점은 ⅰ) 대기압 보다 높은 고압력(예:10~40기압(bar))이 요구되며, ⅱ) 이 고압력을 공급하기 위해 공기 이외 고가의 질소 또는 헬륨 기체를 사용해야 되며, ⅲ) 대기압 상태의 고상파우더에 대기압 보다 높은 압력의 기체가 흐르는 경우 고상파우더가 역류 또는 정체될 가능성이 있고, ⅳ) 미소량과 일정량의 고상파우더를 연속적으로 공급하는 것이 어렵다는 것 등이다.
본 발명은 고상 파우더 입자의 크기, 형태 및 비중에 관계없이 단위 시간당 일정한 유량의 수송기체와 단위 시간당 일정한 양의 고상파우더를 공급하여, 수송관 단면에 걸쳐 밀도, 유속 및 유량이 일정한 에어로졸을 노즐에 유입하여 기재의 재질 및 크기에 상관없이 기재 단면 전체에 걸쳐 균등하게 연속적으로 고상파우더를 증착할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 에어공급부(100); 상기 에어공급부(100)로부터 제공받은 공기를 필터링 및 건조처리하여 배출하는 에어처리부(200); 상기 에어처리부(200)를 통해 배출된 공기에 고상파우더를 일정량으로 공급하는 고상파우더공급장치(300); 내부에 기재가 구비된 증착챔버(400); 상기 에어처리부(200)와 증착챔버(400)를 연결하는 관으로서, 상기 에어처리부(200)에서 배출된 공기에 고상파우더가 혼입되어 형성된 에어로졸을 상기 증착챔버(400)로 이송하는 수송관(500); 상기 수송관(500)의 말단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 증착챔버(400) 내부의 기재에 분사하는 분사노즐(600); 및 진공연결관(710)에 의해 상기 증착챔버(400)와 연결되어 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(700); 를 포함하여 구성되는 고상파우더 연속 증착장치를 제공한다.
상기 에어공급부(100)는 에어펌프(110); 및 공기저장탱크(120); 로 구성된 것으로서, 상기 에어펌프(110)는 일측에 구비된 공기흡입구(111)에서 흡입한 공기를 펌핑하여 상기 공기저장탱크(120)로 유입시키도록 구성된 것이고, 상기 공기저장탱크(120)는 유입된 공기를 저장하여 냉각시킨 후 상기 에어처리부(200)에 제공하도록 구성된 것이며, 상기 에어펌프(110)와 공기저장탱크(120) 사이 및 상기 공기저장탱크(120)와 에어처리부(200) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비되도록 할 수 있다.
또한, 상기 에어처리부(200)에는 필터링 및 건조처리된 공기의 유량을 일정하게 조절하여 배출하는 유량조절기(20); 가 더 구비되도록 할 수 있다. 상기 유량조절기(20)는 에어공급부(100)에서 공급받아 필터링 및 건조처리된 공기의 양을 일정하게 조절하는 것으로서, 고상파우더와 공기의 혼합으로 형성된 에어로졸이 증착챔버 내에 단위 시간당 일정량(liter/min)으로 공급되도록 통제하는 역할을 한다. 즉, 상기 유량조절기(20)는 균일하고 연속적인 고상파우더 증착공정을 위해 필요한 장치이다.
상기 에어처리부(200)는 1차필터(210); 1차건조기(220); 2차필터(230); 및 2차건조기(240); 를 차례로 구비하여 유입된 공기의 필터링 처리 및 건조처리를 반복적으로 수행하도록 구성할 수 있다. 상기 2차필터(230)는 수분필터(231); 유분필터(232); 및 먼지필터(233); 로 구성할 수 있다. 이 때, 상기 2차건조기(240)와 상기 유량조절기(20) 사이에는 수분필터(231); 가 더 구비되고, 상기 1차필터(210)와 1차건조기(220) 사이 및 상기 수분필터(231)와 유량조절기(20) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비되도록 할 수 있다.
한편, 상기 고상파우더공급장치(300)와 수송관(500)은 연결관(310); 에 의해 연결되며, 상기 연결관(310)은 수송관 내에 관입하여, 공기진행방향으로 굴절되도록 할 수 있다. 상기 수송관(500)은 관로배치(설계)상 엘보우(elbow)가 형성된 경우가 있을 수 있다. 이 경우에는 상기 수송관(500) 내 엘보우 전(前) 구간에 유동조절기(30)를 더 장착시키는 것이 바람직하다. 상기 유동조절기는 수송관의 형태 변형에도 불구하고 공기유속을 일정하게 유지시켜 주는 장치로서 [도 4]의 (a)에 도시된 바와 같이 엘보우 없이 수송관과 슬릿노즐이 연결될 경우에는 필요 없는 장치이다. 그러나, 수송관에 엘보우가 형성된 경우에는 수송되는 공기가 만곡부를 지나면서 원심력에 의해 수송관 내벽 외측의 공기 유속이 커지는 현상이 발생하므로 수송관 내의 균일한 공기 유속 유지를 위해서는 [도 4]의 (b)에 도시된 바와 같이 엘보우 초입 부분에 유동조절기를 설치해 두어야 한다. 물론, 상기 수송관은 엘보우와 같은 만곡변화 또는 단면변화가 없는 상태로 구성하여 별도의 유동조절기가 필요 없도록 하는 것이 가장 바람직하다.
상기 수송관(500)을 통해 이송되는 에어로졸의 시간당 유량 및 속도분포가 일정한지 체크하기 위해서는 상기 수송관(500) 내부에 압력측정기(50)를 더 장착할 수 있다. 또한, 상기 수송관(500)에 길이조절장치(40)를 더 장착하면, 상기 수송관(500)의 길이를 조절함으로써 수송관(500) 말단에 결합된 분사노즐(600)과 기재(5)간의 간격(거리)을 조절할 수 있다. 상기 증착챔버(400)는 배기관(810)을 통해 배기펌프(800)와 연통시킬 수 있다. 상기 배기펌프(800)는 상기 증착챔버(400) 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 상기 배기관(810)을 통해 강제 배기시켜 포집하는 기능을 수행한다. 상기 진공연결관(710) 내부에는 압력제어밸브(60)를 장착시켜 증착챔버(400)의 진공상태를 효율적으로 유지, 조절할 수 있다. 상기 증착챔버(400)에는 기재를 이동시키는 이송장치(900); 를 함께 설치할 수 있다. 이 경우, 상기 수송관(500) 내부 및 상기 진공연결관(710) 내부에는 각각 압력측정기(50)를 설치하고, 상기 이송장치(900)는 상기 수송관(500) 내부 및 상기 진공연결관(710) 내부의 압력측정기(50)와 각각 연동시킴으로써, 상기 수송관(500)과 증착챔버(400)의 압력증감에 따라 상기 이송장치(900)의 기재 이송속도가 증감되도록 구성할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 수송관(500)은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성되고, 상기 고상파우더공급장치(300)는 일측이 연결관(310)에 의해 상기 수송관(500)의 제3구간과 연통되어 있으며, 타측에는 개방구(320)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 이 때, 상기 연결관(310)은 그 연결각도가 조절되도록 할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 수송관(500)은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어지도록 구성되고, 상기 고상파우더공급장치(500)는 일측이 연결관(310)에 의해 상기 수송관(500)의 제2구간과 연통되어 있고, 타측에는 개방구(320)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 이 때, 상기 분사노즐(600)은 상기 수송관(500)의 제3구간 말단에서부터 노즐출구에 이르기까지 그 단면적 일정비율로 감소하도록 구성된 아음속노즐을 적용할 수 있다. 이 경우 상기 수송관(500)의 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 아음속노즐의 노즐 출구 단면적 보다 크거나 같게 구성되어야 한다. 한편, 상기 분사노즐(600)로서 상기 제3구간 말단에서부터 그 단면적이 일정비율로 감소하다가 노즐목을 기점으로 그 단면적이 일정비율로 증가하도록 구성된 초음속노즐을 적용할 수도 있다. 이 경우에는 상기 수송관(500)의 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 초음속노즐의 노즐목 단면적 보다 크거나 같게 구성되어야 한다.
본 발명은 또한, 상기 이송장치(900)는 롤러의 회전운동에 의해 풀림롤러(910)에 감겨 있는 연성기재가 풀어져 감김롤러(920)에 감기도록 구비된 롤투롤(roll-to-roll) 장치로서, 상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이에서 상기 연성기재를 떠받치며 흡착력에 의해 연성기재와 밀착되는 흡착부재(970); 상기 흡착부재(970)의 흡착력을 조절하는 흡착펌프(960); 및 상기 흡착부재(970)와 흡착펌프(960)를 연결하는 흡착관(950); 이 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 이 때, 상기 흡착부재(970)는 [도 25]에 도시된 바와 같이 박스형 몸체부(971)의 상면에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)로 커버된 진공척(vacuum chuck)인 것과, [도 26]에 도시된 바와 같이 트랙형 회전궤도(972)에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)가 둘러감긴 회전 흡착실린더인 것을 선택적으로 적용할 수 있다. 상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이의 흡착부재(970) 전후에는 인장력 조절 롤러(930); 를 설치하여 연성기재의 종류별 특성에 따라 인장력을 조절하며 연성기재를 팽팽하게 잡아당겨주도록 할 수 있다. 또한, 상기 흡착관(950)에는 흡착조절밸브(70); 를 더 설치하여 흡착부재의 흡착력을 보다 정밀하게 조절토록 할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 에어공급부(100)로부터 공급되는 공기에 압력을 가한 후 상기 에어처리부(200)에 공급하는 가압장치(130); 상기 수송관(500)에 부설되며, 에어로졸이 형성되기 전에 공기를 미리 가열하여 공기의 온도를 조절하는 가열장치(510); 및 고상파우더가 수송기체에 공급되기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 고상파우더의 냉각온도조절을 주관하는 냉각장치(340); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다.
이는 1) 아음속 및 초음속의 에어로졸 분사속도에 관계없이, 2) 고상파우더의 종류 및 크기에 상관없이, 3) 기재의 재질에 관계없이, 기재에 열충격을 가하지 않도록 하기 위한 것이다. 더욱 구체적으로는 고상파우더와 기체가 혼합된 에어로졸을 아음속 또는 초음속으로 분사하여 기재에 코팅할 때, 수송기체 및 고상파우더가 분사노즐 입구에 도달하기 전에 미리 수송기체의 가열온도 및 고상파우더의 냉각온도를 조절함으로써, 기재에 열충격(thermal shock)이 가해지지 않도록 하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 고상파우더를 기재에 분사 증착할 때 필연적으로 발생하는 열충격을 제거할 수 있는 수단을 도입하였다. 즉, 본 발명에 수송기체에 대한 가열장치와 고상파우더에 대한 냉각장치를 도입한 것이다.
구체적 상황에 따른 수송기체와 고상파우더의 온도조절 방법은 아래의 [표 1]에 정리된 바와 같다.
표 1
분사속도 입자크기 이송기체가열 고상파우더 냉각
초음속 마이크로미터 ○ ○
나노미터 ○ ×
아음속 마이크로미터 ○ △
나노미터 ○ ×
○ : 반드시 필요
× : 불필요
△ : 경우에 따라 필요 또는 불필요
즉, 1) 초음속의 분사속도를 발현할 경우에는 ⅰ) 마이크로미터 크기의 고상파우더는 수송기체 가열 및 고상파우더 냉각을 각각 실시하고, ⅱ) 나노미터 크기의 고상파우더를 적용할 경우에는 수송기체만 가열하여 분사 증착을 실시함으로써 기재에 가해지는 열충격을 제거한다. 2) 아음속의 분사속도를 발현할 경우에는 ⅰ) 마이크로미터 크기의 고상파우더는 수송기체를 가열하고, 경우에 따라 고상파우더를 냉각하거나 냉각 하지 않도록 하고, ⅱ) 나노미터 크기의 고상파우더는 수송기체만 가열하여 분사 증착을 실시함으로써 기재에 가해지는 열충격을 제거한다.
위와 같은 작용을 원활히 수행하기 위해서는 상기 가압장치(130), 가열장치(510) 및 냉각장치(340)에 연결되어 있으며, 수송기체 및 고상파우더의 압력, 속도, 유량, 온도 등의 조건을 각 구성요소에 연동하여 제어하는 시스템제어부(1000); 를 도입할 수 있다.
또한, 상기 증착챔버(400)에 단열관(411)을 통해 연결되어 있으며, 상기 시스템제어부(1000)와 연동하여 기재의 온도를 조절하기 위한 기재온도조절장치(410)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 상기 기재온도조절장치(410)는 증착챔버(400) 내부에 위치한 기재의 온도가 상기 분사노즐(600)의 노즐출구의 온도보다 낮도록 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수송관(500)을 통하여 이송되는 에어로졸의 유량, 속도 및 온도가 일정한지 체크하기 위하여 상기 수송관(500)에 각각 설치되는 유량측정기, 압력측정기 및 온도측정기를 더 포함하여 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고상파우더공급장치(300)는 단위시간당 공급되는 고상파우더의 양을 일정하게 조절하고 고상파우더를 균등하게 분산시키도록 제어되며, 상기 고상파우더공급장치(300)의 토출구 전면에 연결되어 있고 상부에는 공기가 내부로 유입될 수 있도록 개방구(320)가 형성되어 있어 압력차를 통해 상기 연결관(310)에 제공되는 고상파우더가 흡입되도록 하는 블록챔버(330); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 상기 블록챔버(330)의 상부에 위치한 개방구(320)에는 상기 블록챔버(330) 내부로 유입되는 공기의 수분 및 불순물을 제거하기 위한 전처리장치를 추가적으로 설치할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 진공펌프(700)에 연결된 집진회수관(720); 및 상기 집진회수관(720)을 통해, 상기 증착챔버(400) 내에서 기재에 증착된 후 남은 미량의 고상파우더를 집진 및 회수처리할 수 있는 집진회수처리기(730); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 한편, 상기 분사노즐(600)로써 초음속노즐을 적용하는 경우, 상기 연결관(310)은 상기 블록챔버(330)에서 상기 상기 초음속노즐의 노즐목과 노즐출구 사이에 직접 연통되어, 초음속노즐 내부로 직접 공급된 고상파우더가 노즐목을 통과하여 초음속으로 가속된 공기에 혼합되어 에어로졸을 형성시키도록 한 후 초음속으로 기재에 분사되도록 할 수 있다. 또한, 상기 분사노즐(600)이 초음속노즐 또는 아음속노즐인 경우, 상기 냉각장치(340)를 거쳐나간 고상파우더가 상기 분사증착부의 초음속노즐 또는 아음속노즐의 입구와 연통된 단열냉각관(411)을 통해 수송기체에 공급되도록 구성할 수 있다.
본 발명은 (a) 공기를 흡입, 저장하는 공정; (b) 흡입된 공기를 필터링 및 건조처리하여 일정량으로 이송하는 공정; (c) 고상파우더를 상기 (b)공정을 거친 공기에 정량공급하여 일정한 혼합밀도로 분산된 에어로졸을 형성시키는 공정; (d) 상기 에어로졸의 밀도, 속도, 유량을 일정하게 통제한 상태로 연속적으로 수송하는 공정; 및 (e) 전폭에 걸쳐 압력분포와 분사속도가 일정한 분사노즐을 통해 상기 에어로졸을 진공상태의 증착챔버 내부의 기재에 분사하는 공정; 으로 시행되는 고상파우더 연속 증착방법을 제공한다. 이러한 고상파우더 연속 증착방법은 전술한 고상파우더 연속 증착장치를 통해 시행할 수 있다.
상기 (b)공정에서는 이송하는 공기의 유량을 제어하여, 상기 (e)단계에서의 에어로졸 분사속도의 증감을 제어토록 할 수 있다. 또한, 상기 (e)공정은 상기 증착챔버 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 강제배기하여 포집하는 과정과 병행할 수 있다.
상기 분사노즐로는 초음속노즐 또는 아음속노즐을 적용하는 경우, 상기 (a)공정은 공기를 가압하는 과정을 더 포함하고, 상기 (b)공정은 공기를 가열하여 수송기체의 온도강하를 사전에 보정하는 과정을 더 포함시킬 수 있다. 이 때, 상기 고상파우더가 마이크로미터 크기라면, 상기 (c)공정은 상기 고상파우더를 에어로졸을 형성시키기 전에 냉각시키되, 상기 초음속노즐 또는 아음속노즐을 통과한 수송기체와의 온도 차이(ΔTm)만큼 냉각하여 상기 수송기체와 같은 온도 거동으로 제어 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 흡입된 공기와 에어로졸은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 수송관을 통해 이동하고, 상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고, 상기 (b)공정은 상기 수송관의 제1구간에 공급된 공기의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 과정을 더 포함하고, 상기 (c)공정은 상기 수송관의 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법을 함께 제공한다.
이 때, 상기 (b)공정은 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 온도가 영상으로 유지되도록 상기 수송관의 제1구간을 지나는 공기의 온도조절을 병행하면서, 상기 수송관에 연결된 압력계로 상기 수송관 제4구간의 관목에서 압력이 급상승되는지 여부를 체크하며 수행할 수 있다. 또한, 상기 (b)공정은 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 온도가 영상으로 유지되도록 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 마하수 조절을 병행할 수 있다.
본 발명은 또한, 흡입된 공기와 에어로졸은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 수송관을 통해 이동하고, 상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고, 상기 (b)공정은 가압된 공기를 상기 수송관의 제1구간에 공급하여 상기 수송관의 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 과정을 더 포함하고, 상기 (c)공정은 상기 수송관의 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법을 함께 제공한다.
이 때, 상기 (a)단계는 상기 수송관의 제1구간과 제2구간 중 관경이 일정하게 연속되는 구간간의 단면적 비와 공기의 질량유량에 따라 다음의 4가지 식에 의해 상기 제1구간에 공급되는 공기의 속도 및 수송관 내의 압력을 설정하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 할 수 있다.
(식 1) :
Figure PCTKR2009004041-appb-I000001
Figure PCTKR2009004041-appb-I000002
: 수송관을 흐르는 수송기체의 질량유량
Figure PCTKR2009004041-appb-I000003
: 공기의 밀도
Figure PCTKR2009004041-appb-I000004
: 수송관 임의의 위치에서의 단면적
Figure PCTKR2009004041-appb-I000005
: 공기의 속도
(식 2) :
Figure PCTKR2009004041-appb-I000006
Figure PCTKR2009004041-appb-I000007
: 마하수(mach number)
Figure PCTKR2009004041-appb-I000008
: 공기의 속도
Figure PCTKR2009004041-appb-I000009
: 비열비
(식 3) :
Figure PCTKR2009004041-appb-I000010
Figure PCTKR2009004041-appb-I000011
,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000012
,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000013
: 임의의 위치에서 공기의 압력, 밀도, 온도
Figure PCTKR2009004041-appb-I000014
,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000015
,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000016
: 초기상태에서 공기의 압력, 밀도, 온도
(식 4) :
Figure PCTKR2009004041-appb-I000017
Figure PCTKR2009004041-appb-I000018
: 수송관 내 임의의 위치에서의 단면적
Figure PCTKR2009004041-appb-I000019
: 수송관 내 임의의 위치에서의 목 단면적
Figure PCTKR2009004041-appb-I000020
: 수송관 내 임의의 위치에서의 마하수
Figure PCTKR2009004041-appb-I000021
: 비열비
본 발명에 따른 고상파우더 연속 증착장치를 이용하면, 기존 에어로졸 증착법에서 제기된 여러 문제점 들을 해결할 수 있다.
구체적으로는
첫째, a) 고상파우더 종류(세라믹, 금속, 반금속, 화합물 등의 분말), 입자 크기(수밀리미터~수나노미터 등), 형상(구형, 판형, 튜브형 등) 및 비중에 상관없이, b) 기재의 종류(유리, 폴리머, 금속, 플라스틱 등의 기재)에 상관없이, c) 기재의 크기(가로×세로)에 상관없이, 수송기체의 유량조절 및 증착챔버의 압력조절로 아음속 또는 초음속으로 고상파우더를 대면적의 기재에 분사하여 증착시킬 수 있다.
둘째, 고상파우더의 시간당 공급량을 일정하게 제어하고, 균등분산을 제어할 수 있어, 기존의 에어로졸증착법에서 필수사항이었던 에어로졸 챔버가 필요 없게 된다.
셋째, 고상파우더의 연속적인 균일한 공급으로 기재에 균일한 박막을 연속적으로 형성할 수 있는 고상파우더의 연속 증착공정을 시행할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면 수송기체의 유량조절, 증착챔버의 압력조절 및 고상파우더의 공급 분사를 제어하여, 고상파우더가 에어로졸 상태로 수송관을 통해 이동하면서 균일한 단면 속도 분포가 형성되도록 하고, 수송기체의 단위 유량당 고상파우더 입자량을 균일한 농도로 연속적으로 형성시키며 노즐로 분사함으로써, 기재에 균일한 박막을 연속적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 에어로졸 증착장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고상파우더 연속 증착장치 기본 실시예의 개략도이다.
도 3은 고상파우더공급장치에서 에어로졸 수송관에 토출 분산되는 고상파우더의 분사 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 수송관의 엘보우 단면 또는 확장 단면에서 발생하는 수송기체의 속도분포를 나타낸 모식도이다.
도 5는 대기압 이상 압력의 수송기체가 흐르는 수송관에 고상파우더를 공급할 수 있는 종래 장치의 개념도이다.
도 6은 대기압 이상 압력의 수송기체가 흐르는 수송관 일정구간에 부압이 형성되어 대기압 상태의 고상파우더를 공급할 수 있는 장치의 개념도이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 수송관 실시예1의 단면 형상을 나타낸 개념도이다.
도 8는 수송관의 단면 변화에 따른 수송관 내부 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 충격파 발생 위치의 변환이 수송관 내부 압력 변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 10은 복수개의 고상파우더공급장치가 부압형성구간에 연결되어 있고, 수송관 말단에 아음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 11은 복수개의 고상파우더공급장치가 부압형성구간 연결되어 있고, 수송관 말단에 초음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 12는 수송관(실시예1) 제1구간의 수송기체 온도 및 제3구간의 수송기체 마하수에 따른 제1구간 내지 제5구간에 걸친 수송기체의 온도변화를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에 적용되는 수송관의 실시예2의 형상을 도시한 것이다.
도 14는 수송관 실시예2의 또 다른 부압형성구간을 나타낸 개념도이다.
도 15는 복수개의 고상파우더공급장치가 수송관(실시예2) 제2구간의 ②영역에 연결되어 있고, 수송관 말단에 아음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 16은 복수개의 고상파우더공급장치가 수송관(실시예2) 제2구간의 ②영역에 연결되어 있고, 수송관 말단에 초음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 17은 복수개의 고상파우더공급장치가 수송관(실시예2) 제2구간의 ②'영역 중 빗금친 국부적인 영역에 연결되어 있고, 수송관 말단에 아음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 18은 복수개의 고상파우더공급장치가 수송관(실시예2) 제2구간의 ②'영역 중 빗금친 국부적인 영역에 연결되어 있고, 수송관 말단에 초음속노즐이 연결되어 있는 실시예를 도시한 것이다.
도 19는 종래의 롤투롤 장치를 이용하여 연성기재에 고상파우더를 증착시키는 과정의 모식도이다.
도 20은 종래의 롤투롤 장치에 받침부재를 부가하여 연성기재에 고상파우더를 증착시키는 과정의 모식도이다.
도 21은 종래의 롤투롤 장치에 받침부재와 고정부재를 부가하여 연성기재에 고상파우더를 증착시키는 과정의 모식도이다.
도 22는 종래의 롤투롤 장치에 원통형 받침부재를 부가하여 연성기재에 고상파우더를 증착시키는 과정의 모식도이다.
도 23은 본 발명에 적용되는 롤투롤 장치의 제1실시예를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명에 적용되는 롤투롤 장치의 제2실시예를 도시한 것이다.
도 25는 진공척의 사시도이다.
도 26은 회전 흡착실린더의 사시도이다.
도 27은 기재 열충격 제거수단이 구비된 고상파우더 연속 증착장치 장치의 개략도이다.
도 28은 초음속노즐에서의 수송기체와 고상파우더 입자크기에 따른 온도변화 그래프이다.
도 29는 수송관에서 냉각된 고상파우더와 가열된 수송기체가 혼합되는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 30은 아음속노즐의 단면 및 슬릿형태의 아음속노즐의 구조를 도시한 것이다.
도 31은 아음속노즐을 증착챔버에 위치시켜 3차원형상물체의 표면을 코팅하는 장치의 개략도이다.
도 32는 아음속 슬릿노즐을 증착챔버에 위치시켜 2차원형상의 대면적 기재를 코팅하는 장치의 개략도이다.
도 33은 초음속노즐의 단면 및 슬릿형태의 초음속노즐의 구조를 도시한 것이다.
도 34는 초음속노즐을 증착챔버에 위치시켜 3차원형상물체의 표면을 코팅하는 장치의 개략도이다.
도 35는 초음속 슬릿노즐을 증착챔버에 위치시켜 2차원형상의 대면적 기재를 코팅하는 장치의 개략도이다.
도 36은 아음속노즐에서의 분사속도 및 온도 변화 그래프이다.
도 37은 초음속노즐의 단면 위치에 따른 분사속도 및 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 38은 고상파우더를 초음속노즐의 노즐목 후반부에 공급할 수 있는 개량된 초음속노즐의 단면도이다.
도 39는 상온의 고상파우더를 초음속노즐의 노즐목 후반부에 공급할 때 발생하는 수송기체 및 고상파우더의 온도 거동과 속도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 40은 블록챔버와 초음속노즐을 직접 연통시켜 3차원형상물체의 표면을 코팅하기 위한 장치의 개략도이다.
도 41은 냉각장치와 슬릿형태의 초음속노즐을 직접 연통시켜 2차원 형상의 대면적 기재를 코팅하기 위한 장치의 개략도이다.
도 42는 분사노즐의 노즐출구에서 수송기체와 고상파우더가 혼합되어 형성된 에어로졸의 온도(Te)와 기재의 온도(Ts) 및 분사노즐과 기재간 거리(D)에 따른 압력(P) 변화를 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 수송기체 3 : 고상파우더
4 : 에어로졸 5 : 기재
6 : 대기압 7 : 3차원형상물체
12 : 고상파우더 공급제어밸브 13 : 충격파
10 : 유동제어밸브 20 : 유량조절기
30 : 유동조절기 40 : 길이조절장치
50 : 압력측정기 60 : 압력제어밸브
70 : 흡착조절밸브
100 : 에어공급부 110 : 에어펌프
111 : 공기흡입구 120 : 공기저장탱크
130 : 가압장치 131 : 가압관
200 : 에어처리부 210 : 1차필터
220 : 1차건조기 230 : 2차필터
231 : 수분필터 232 : 유분필터
233 : 먼지필터 240 : 2차건조기
300 : 고상파우더공급장치 310 : 연결관
320 : 개방구 330 : 블록챔버
340 : 냉각장치 341 : 단열냉각관
400 : 증착챔버 410 : 기재온도조절장치
411 : 단열관 420 : 물체위치제어대
500 : 수송관 510 : 가열장치
600 : 분사노즐 610 : 노즐위치제어기
700 : 진공펌프 710 : 진공연결관
720 : 집진회수관 730 : 집진회수처리기
800 : 배기펌프 810 : 배기관
900 : 이송장치 910 : 풀림롤러
920 : 감김롤러 930 : 인장력 조절롤러
940 : 보조롤러 950 : 흡착관
960 : 흡착펌프 970 : 흡착부재
971 : 몸체부 972 : 회전궤도
973 : 미세구멍 974 : 안착부
1000 : 시스템제어부
고상파우더 연속 증착장치의 실시를 위한 최선의 형태는 에어공급부(100); 상기 에어공급부(100)로부터 제공받은 공기를 필터링 및 건조처리하여 배출하는 에어처리부(200); 상기 에어처리부(200)를 통해 배출된 공기에 고상파우더를 일정량으로 공급하는 고상파우더공급장치(300); 내부에 기재가 구비된 증착챔버(400); 상기 에어처리부(200)와 증착챔버(400)를 연결하는 관으로서, 상기 에어처리부(200)에서 배출된 공기에 고상파우더가 혼입되어 형성된 에어로졸을 상기 증착챔버(400)로 이송하는 수송관(500); 상기 수송관(500)의 말단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 증착챔버(400) 내부의 기재에 분사하는 분사노즐(600); 및 진공연결관(710)에 의해 상기 증착챔버(400)와 연결되어 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(700); 를 포함하여 구성되어야 한다.
이 때, 상기 에어공급부(100)는 에어펌프(110); 및 공기저장탱크(120); 로 구성된 것으로서, 상기 에어펌프(110)는 일측에 구비된 공기흡입구(111)에서 흡입한 공기를 펌핑하여 상기 공기저장탱크(120)로 유입시키도록 구성된 것이고, 상기 공기저장탱크(120)는 유입된 공기를 저장하여 냉각시킨 후 상기 에어처리부(200)에 제공하도록 구성된 것이며, 상기 에어펌프(110)와 공기저장탱크(120) 사이 및 상기 공기저장탱크(120)와 에어처리부(200) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에어처리부(200)에는 필터링 및 건조처리된 공기의 유량을 일정하게 조절하여 배출하는 유량조절기(20); 가 구비된 것이 바람직하며, 상기 에어처리부(200)는 1차필터(210); 1차건조기(220); 2차필터(230); 및 2차건조기(240); 를 차례로 구비하여 유입된 공기의 필터링 처리 및 건조처리를 반복적으로 수행하도록 구성하고, 상기 2차필터(230)는 수분필터(231); 유분필터(232); 및 먼지필터(233); 로 구성하며, 상기 2차건조기(240)와 상기 유량조절기(20) 사이에는 수분필터(231); 가 더 구비되고, 상기 1차필터(210)와 1차건조기(220) 사이 및 상기 수분필터(231)와 유량조절기(20) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비되도록 함이 바람직하다.
Ⅰ. 고상파우더 연속 증착장치의 기본 실시예
[도 2]는 본 발명에 따른 고상파우더 연속 증착장치 기본 실시예의 개략도이다. 이하에서는 고상파우더 연속 증착장치 기본 실시예를 구성요소별로 설명하기로 한다.
1. 에어공급부
종래의 에어로졸 증착방법에서는 수송기체로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등의 비활성 가스를 사용하였고, 이러한 수송기체를 에어로졸 챔버에 유입시켜 에어로졸을 생성시켰다. 그러나 상기 비활성 가스는 상용화 제품을 양산하기 위한 연속공정에 사용하기에는 매우 고가의 기체이며, 저장용기로 사용할 경우에도 용기의 용량 한계성으로 인하여 연속적인 공정을 실행할 수 없는 단점이 있다. 본 발명은 비활성 가스를 사용하지 않고, 일반 공기를 외부에서 유입시켜 활용하도록 구성된 것으로서, 상기 에어공급부(100)는 외부의 일반 공기를 유입하여, 후술할 에어처리부(200)에 제공하는 역할을 담당한다. 따라서 본 발명은 상용화 제품을 양산하기 위한 연속공정에 적합하며, 본 발명을 이용하여 제작한 제품의 제작 단가도 크게 줄일 수 있게 된다.
상기 에어공급부(100)는 [도 2]에 도시된 바와 같이 에어펌프(110) 및 공기저장탱크(120)로 구성하여, 상기 에어펌프(110)에서는 일측에 구비된 공기흡입구(111)에서 흡입한 공기를 펌핑하여 상기 공기저장탱크(120)로 유입시키도록 하고, 상기 공기저장탱크(120)에서는 유입된 공기를 저장하여 냉각시킨 후 상기 에어처리부(200)에 제공하도록 할 수 있다. 상기 에어펌프(110)에서 발생하는 열에 의해 상기 공기저장탱크(120)에 유입되는 공기의 온도상승이 유발되는 경우에는, 상기 공기저장탱크(120) 내에서 유입공기의 온도를 40% 정도 냉각시킴으로써 다음 단계로 수송되는 공기 토출량의 불규칙성과 지연을 방지하여, 안정적이고 연속적인 제품 양산을 시행할 수 있다.
또한, 상기 에어펌프(110)와 공기저장탱크(120) 사이 및 상기 공기저장탱크(110)와 에어처리부(120) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)를 구비시켜 둠으로써 각 단계별 유입-배출 공기량을 정량으로 조절할 수 있다.
2. 에어처리부
상기 에어처리부(200)는 상기 에어공급부(100)로부터 제공받은 공기를 필터링 및 건조처리하여 배출하도록 구성된 것이다. 또한, 상기 에어처리부(200)에는 필터링 및 건조처리된 공기의 유량을 일정하게 조절하여 배출하는 유량조절기(20)를 더 장착할 수 있다.
종래의 에어로졸 증착방법은 노즐에서 분사되는 에어로졸 속도를 증가시키기 위하여 증착챔버를 고진공 상태로 유지해야 했다. 그러나, 본 발명은 증착챔버를 저진공 상태로 유지하면서, 수송기체(즉, 상기 에어공급부로부터 공급된 공기)의 불순물을 제거하고, 수송기체의 유량을 조절함으로써 에어로졸의 속도를 제어하는 방식을 도입한 것이다.
한편, 상기 에어처리부(200)는 1차필터(210), 1차건조기(220), 2차필터(230) 및 2차건조기(240)를 차례로 구비하여 유입된 공기에 대한 필터링 처리와 건조처리를 반복적으로 시행하도록 할 수 있다. 또한 상기 2차필터(230)는 수분필터(231), 유분필터(232) 및 먼지필터(233)로 구성하여 공기 중의 불순물을 완전히 제거토록 할 수 있다. 더 나아가, 상기 2차건조기(240) 다음에는 공기가 수분필터(231)를 한번 더 거치도록 구성하여, 공기를 완전 건조상태로 배출시킬 수 있다.
상기 1차필터(210)와 1차건조기(220) 사이 및 상기 수분필터(231)와 유량조절기(20) 사이에도 각각 유동제어밸브(10)를 구비시켜 둠으로써 각 단계별 유입-배출 공기량을 정량으로 조절할 수 있다.
3. 고상파우더공급장치
상기 고상파우더공급장치(300)는 상기 에어처리부(200)를 통해 배출된 공기에 고상파우더(3)를 정량으로 공급하기 위한 구성요소이다. 상기 에어처리부(200)를 통해 배출된 공기는 후술할 수송관(500)으로 유입되므로, 상기 고상파우더공급장치(300) 역시 상기 수송관(500)에 연결된다. 즉, 상기 고상파우더공급장치(300) 내의 고상파우더(3)는 상기 수송관(500)에 공급되는 것이다. 따라서 상기 고상파우더공급장치(300)에는 정량공급기를 통해 유량 및 일정한 속도 분포로 수송관을 따라 이동하는 공기에 고상파우더를 토출하도록 구성할 수 있다. 이 때 중요한 것은 상기 정량공급기에서 단위시간당 토출되는 고상파우더량(g/min)을 일정하게 조절하고, 고상파우더를 균등하게 분산되도록 하는 것이다.
상기 고상파우더공급장치(300)와 수송관(500)은 연결관(310)에 의해 연통시킬 수 있으며, 상기 연결관(310)이 수송관(500)에 연통되는 형태는 다양하게 구성할 수 있다. [도 3]에서는, 연결관(310)과 수송관(500) 간의 다양한 연결구조를 도시하고 있으며, 그 연결구조에 따라 고상파우더의 분산형태가 다소 차이가 발생하게 됨을 나타내고 있다. [도 3]의 (a)는 상기 연결관(310)을 상기 수송관(500)에 직접 연결한 것이고, [도 3]의 (b)는 상기 연결관(310)을 상기 수송관(500)의 중앙부까지 관입시킨 것이다. 또한 [도 3]의 (c)는 상기 연결관(310)을 상기 수송관(500)의 중앙부에까지 관입시킨 상태에서 수송관(500) 내 공기의 이동방향과 반대방향으로 굴절시킨 것이고, [도 3]의 (d)는 상기 연결관(310) 상기 수송관(500)의 중앙부에까지 관입시킨 상태에서 수송관(500) 내 공기의 이동방향과 같은 방향으로 굴절시킨 것이다. 본 발명에서는 [도 3]에 도시된 모든 실시예를 적용할 수 있으나, [도 3]의 (d)에 도시된 바와 같이 상기 연결관(310)을 수송관 내에 관입시켜, 공기진행방향으로 굴절되도록 구성하는 것이 바람직하다. 공기의 흐름과 같은 방향으로 고상파우더(4)를 분사하는 것이 균일한 분산과 균일한 증착에 가장 유리하기 때문이다.
상기 고상파우더공급장치(300)의 일측에는 블록챔버(330)를 부가적으로 구성하여 고상파우더(3)가 상기 블록챔버(block chamber, 330)를 거쳐 수송관(500)에 공급되도록 구성할 수 있다. 상기 블록챔버(330)의 상부에는 기체가 유입될 수 있는 개방구(320)를 형성시켜, 수송기체의 속도(수~수십m/s)와 압력(~40bar)이 일정하게 유지되는 수송관에 고상파우더가 흡입(suction)되도록 할 수 있다. 상기 블록챔버(330)의 상부에 위치한 개방구(320)에는 유입되는 기체의 수분 및 불순물을 제거하기 위한 필터가 구비되거나, 수분 및 불순물이 제거된 기체를 공급할 수 있는 전처리 장치가 구비될 수 있다.
4. 수송관
상기 수송관(500)은 상기 에어처리부(200)에서 배출된 공기에 고상파우더(3)가 혼입되어 형성된 에어로졸(4)을 상기 증착챔버(400)로 이송하는 관로로서, 상기 에어처리부(200)와 증착챔버(400)를 연결하도록 구비된 것이다.
상기 수송관(500)을 지나는 에어로졸(4)이 일정한 유량과 속도를 유지하기 위해서는, 상기 수송관(500)의 단면적이 외부의 충격 또는 압력으로 인해 증가하거나 감소되지 않아야 하며, 이를 위해서는 스테인레스 스틸, 알루미늄 등의 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 수송관(500)을 폴리머 또는 플라스틱 재질 등으로 제작하면 외부압력 등의 요인에 의해 수송관(500)이 진동되거나, 단면적이 축소 또는 증가하게 되므로 상기 수송관(500)을 통해 이송되는 에어로졸의 단면 속도 분포가 불규칙하게 이루어져 기재에 균일하게 증착되는 것이 어려울 수 있기 때문이다.
5. 분사노즐
상기 분사노즐(600)은 상기 수송관(500)의 말단에 구비되어 상기 에어로졸(4)을 상기 증착챔버(400) 내부의 기재(5)에 분사하도록 구비된 것이다.
상기 분사노즐(600)은 고상파우더(3)를 증착 임계속도(critical velocity) 이상 및 침식속도(erosion velocity) 미만으로 분사하여 증착효율(deposition efficiency)을 최대로 하기 위한 것이며, 고상파우더(3)의 종류 및 크기에 따라 아음속(subsonic)노즐 또는 초음속(supersonic)노즐을 적용할 수 있다. 예를 들어, 25μm 크기 주석(tin) 분말을 약 150m/s 정도의 아음속으로 분사하면 기재에 증착되나, 340m/s 이상의 초음속으로 분사하면 이 분사속도로 인하여 기재 및 증착층이 깍여져 나가는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 각 고상파우더의 종류 및 크기, 비중에 따라 임계속도와 침식속도가 상이하므로, 각 고상파우더에 적합한 분사노즐을 선택적으로 사용하여야 한다.
상기 분사노즐(600)은 [도 2]에 도시된 바와 같은 슬릿노즐 형태로 구성할 수 있다. 기재의 면적(가로×세로)이 커짐에 따라 분사폭 역시 크게 구성해야 기재 전면에 분사할 수 있으므로, 일정한 폭을 가지는 슬릿형태의 노즐이 필요한 것이다. 상기 슬릿노즐은 노즐 전폭에 걸쳐 균등한 분사압력분포 및 속도분포를 가지도록 설계하여, 기재 전면에 균일한 증착박막을 형성시킬 수 있다. 이는 단일노즐을 여러 개 가로방향과 세로방향으로 결합한 단일노즐 복합체로 고상파우더를 분사하면 단일노즐 사이 사이에 균일한 두께의 증착박막이 형성되지 않는 문제점이 발생하는 것과 대비된다. 슬릿노즐과 단일노즐 복합체간의 이러한 차이점은 기재의 크기가 커짐에 따라 그 정도가 심해진다.
한편, 상기 분사노즐(600)은 상기 수송관(500)에 장착된 길이조절장치(40)에 의해 기재(5)와의 이격거리를 적절하게 조절할 수 있고, 각 고상파우더의 임계속도 및 침식속도를 고려하여 아음속노즐 또는 초음속노즐을 선택적으로 적용하여 사용할 수 있고, 이때 아음속의 한계 속도 근처의 아음속은 초음속노즐로도 발현 가능하다. 상기 분사노즐(600)의 재질은 압력과 온도에 강한 스테인레스 스틸이나, 티타늄, 알루미늄 합금 등의 재질로 제작할 수 있다.
6. 증착챔버
상기 증착챔버(400)는 고상파우더를 기재에 증착시키는 공간을 제공한다.
종래의 에어로졸 증착방법에서는 상기 증착챔버를 고진공 상태로 유지할 필요가 있었으나, 본 발명에서는 저진공 상태를 유지해도 고상파우더를 기재에 증착시키는 작업이 가능하다. 상기 증착챔버(400)의 재질은 진공상태에 따른 외부의 압력에 충분히 저항할 수 있고, 내구성이 있는 스테인레스 스틸 등의 재료로 구성하는 것이 좋고, 증착챔버의 내부를 외부에서 관찰할 수 있도록 투명한 재료를 결합하여 제작할 수 있다.
상기 증착챔버(400) 내에는 기재를 이동시키는 이송장치를 더 구비할 수 있다. [도 2]에 도시된 실시예는 이송장치가 구비된 것으로서 이를 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 슬릿노즐이 상기 증착챔버(400) 안에 위치하고, 기재(5)는 이송장치(900)에 의해 이동하는 선반 위에 배치되어 있다. 또한, 상기 증착챔버(400)는 진공연결관(710)에 의해 진공펌프(700)와 연결되어 있다. 또한, 상기 증착챔버(400) 일측에는 기재(5)를 증착챔버 내부로 위치시키거나, 증착챔버 내부 청소 등의 작업을 원활하게 하기 위한 도어를 설치할 수 있다. 상기 증착챔버(400) 내에서는 기재의 종류에 상관없이 고상파우더를 증착할 수 있다. 다만, 유리, 금속 등과 같이 휘어지지 않는 소재의 기재에 대량으로 고상파우더를 증착시키는 공정을 위해서는 상기 이송장치를 배치타입(소정의 면적을 가지는 기재가 이송장치에 의해 이동하며 증착되는 공정을 실행하기 위한 구조)장치로 구성하고, 폴리머 필름, 호일(foil) 등과 같이 유연한 소재의 기재가 사용되는 경우에는 상기 이송장치를 롤투롤(roll-to-roll) 형태의 인라인 장치로 대체될 수 있다(이에 대해서는 "Ⅲ. 롤투롤 장치를 구비한 고상파우더 연속 증착장치의 실시예"에서 상세히 설명하기로 한다). 상기 이송장치는 기재의 재질에 따라 조립, 해체 및 치환 가능하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 증착챔버(400) 내에는 평면형상의 기재 대신 [도 31] 및 [도 34]에 도시된 바와 같이 3차원형상물체(구체, 사면체, 봉, 관 등의 규칙적인 형상 또는 불규칙한 형상)에 고상파우더를 증착시키기 위한 거치대(420)를 설치할 수 있고, 이 거치대(420)는 3차원형상물체를 전체적으로 코팅하기 위하여 물체의 위치 제어가 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, [도 32] 및 [도 35]에 도시된 바와 같이 상기 이송장치(900)를 기재의 이송속도를 조절할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, [도 32] 및 [도 35]는 기재 하부에 기재를 흡착하여 고정할 수 있는 진공척(vacuum chuck)이 설치되어 있어, 분사에 의한 기재의 요동을 억제하는 기능을 수행할 수 있도록 구성된 증착챔버를 도시하고 있다.
증착챔버(400)에 별도로 이송장치(900)를 구비하지 않는 분사공정으로 증착을 시행하는 경우에는 증착챔버(400)의 바닥면과 기재(5) 사이에 진공척을 배치하여 상기 기재(5)의 하부를 진공흡착시켜 고정한 후에 에어로졸을 분사하여 기재에 고상파우더를 기재에 증착시킬 수 있고, 상기 증착챔버(400)에 이송장치(900)를 구비하여야 하는 연속식 분사공정으로 증착을 시행하는 경우에는 이송장치(900)의 윗면과 기재(5) 사이에 진공척을 고정설치하여 기재의 하부를 진공흡착하여 고정시킬 수 있다. 이에 따라 상기 이송장치(900)가 작동하는 경우에도 상기 진공척에 의해 기재가 안정되게 고정될 뿐만 아니라 에어로졸 분사에 의한 요동 발생도 함께 억제토록 할 수 있다(자세한 설명은 "Ⅲ. 롤투롤 장치를 구비한 고상파우더 연속 증착장치의 실시예" 참조).
또한, 상기 이송장치(900)는 수송관(500) 내에 장착된 압력측정기(50) 및 진공연결관(710) 내에 장착된 압력측정기(50)와 연동시켜 상기 수송관(500) 및 상기 압력챔버(400) 내의 미세한 압력 증감에 따른 증착두께 변화를 최대한 억제하기 위하여 기재 이송속도를 조절하도록 구성할 수 있다.
7. 진공펌프
상기 진공펌프(700)는 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시기 위한 장비이다. 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시킴으로써 증착챔버(400) 내의 화학적 반응을 감소시키고, 증착시 발생하는 고속기체의 반류(aerodynamic drag; 기체가 기재에 충돌한 후 되돌아오는 흐름)에 의해 입자 흐름의 속도가 감소되는 것을 방지할 수 있고, 또한 증착 소음을 감소시킬 수 있다. 다만, 본 발명에서는 종래의 에어로졸 증착방법과 같이 챔버 간의 압력차에 의한 증착방식이 아닌 수송관 내 유량 제어를 통한 증착방법을 채택한 것이므로 증착챔버(400) 내부는 저진공 상태로 유지시키는 것으로 충분하다. 상기 진공연결관(710) 내부에는 압력제어밸브(60)를 장착시킴으로써 증착챔버(400)의 진공상태를 효율적으로 유지, 조절할 수 있다.
8. 배기펌프
본 고상파우더 연속 증착장치는 상기 증착챔버(400)와 연통된 배기관(810) 및 상기 증착챔버(400) 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 상기 배기관(810)을 통해 강제 배기시켜 포집하는 배기펌프(800)를 더 포함시켜 구성할 수 있다.
상기 배기펌프(800)는 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시키기 위한 장비이다. 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시킴으로써 증착챔버(400) 내의 화학적 반응을 감소시키고, 증착시 발생하는 고속기체의 반류(aerodynamic drag; 기체가 기재에 충돌한 후 되돌아오는 흐름)에 의해 입자 흐름의 속도가 감소되는 것을 방지할 수 있고, 또한 증착 소음을 감소시킬 수 있다. 상기 증착챔버(400)와 상기 배기펌프(800) 사이에는 압력제어밸브(60)를 장착시킴으로써 증착챔버(400)의 진공상태를 효율적으로 유지, 조절할 수 있다.
Ⅱ. 기재 열충격 제거 수단이 구비된 고상파우더 연속 증착장치의 실시예
[도 27]은 본 발명에 따른 기재 열충격 제거 수단이 구비된 고상파우더 연속 증착장치 실시예의 개략도이다. 이하에서는 위 실시예의 특징을 도면과 함께 설명하기로 한다.
1. 개요
고상파우더의 증착효율을 높이기 위해서는 아음속에서 초음속에 이르는 분사속도가 필요하며, 이때의 수송기체는 상당한 고유량 및 고압력이 유지되어야 한다. 이를 위해 일반적으로 사용되는 고압펌프(예; 7~14bar)의 성능으로는 해결하기 어려우며, 고가의 고압펌프(예; 40bar) 또는 고압의 질소가스를 사용하여야 한다. 특히, 고압 질소가스를 사용해야 하는 경우는 연속공정을 위해서 고가의 질소가스 발생기를 사용해야 하는 문제점이 있다. 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여 에어공급부의 용량과 수송기체의 압력을 증가시킬 수 있는 가압장치를 설치하여, 고가의 고압 비활성 기체(예; 질소, 헬륨 가스)를 대체하였다.
한편, 수송기체가 아음속노즐이나 초음속노즐을 통과할 때 수송기체 온도는 급강하하므로 수송기체의 온도를 올릴 수 있는 수송기체가열온도조절장치를 구성하여 수송기체의 온도가 일정 수준으로 유지되도록 함으로써 기재에 열충격이 가해지지 않도록 할 수 있다. 예를 들면, 플라스틱 기재일 경우 노즐출구에서 분사되는 수송기체의 온도가 -40℃~80℃ 이내로 조절되어야 한다.
또한, 가열된 수송기체에 공급되는 고상파우더는 그 크기에 따라 열 전달율이 상이하므로, 고상파우더가 노줄출구를 통과하여 분사될 때 고상파우더의 온도가 기재의 손상 및 열충격에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 공급되는 고상파우더가 마이크로미터 크기일 경우 그 열 전달율이 높아 초음속노즐 통과시 수송기체보다 온도가 높아지게 되므로, 이 경우에는 고상파우더 온도를 내릴 수 있는 고상파우더냉각온도조절장치를 장착시켜, 공급되는 고상파우더의 온도가 수송기체의 온도에 맞추어 하강되도록 할 수 있다.
2. 가압장치
가압장치(130)는 [도 27]에 도시된 바와 같이 상기 에어공급부(100)와 에어처리부(200)를 연결하는 관로에 연통되어 에어공급부로부터 공급되는 공기에 압력을 부가토록 구성하는 것이 바람직하다. 초음속노즐 또는 아음속노즐을 분사노즐로 적용하고, 상기 가압장치(130)로 수송기체의 압력(P)을 높이는 경우 하기 (식 5)에 의해 초음속 또는 아음속의 분사속도(Ve)를 얻을 수 있게 된다.
Figure PCTKR2009004041-appb-I000022
(식 5)
여기서, Ve = 초음속노즐 출구에서의 분사속도(m/s)
T = 노즐입구에서의 수송기체 절대온도(K)
R = 기체상수(universal gas law constant), 8,314.5J/(kmolㆍK)
M = 수송기체의 분자질량(molecular mass; kg/kmol)
k = cp/cv = 등엔트로피 팽창계수(isentropic expansion factor)
cp = 정압력(constant pressure)에서의 수송기체의
비열(specific heat)
cv = 정체적(constant volume)에서 수송기체의 비열(specific heat)
Pe = 초음속노즐 출구에서 수송기체의 절대압력(Pa)
P = 초음속노즐 입구에서 수송기체의 절대압력(Pa)
3. 가열장치
가열장치(510)는 [도 27]에 도시된 바와 같이 에어처리부(200)와 고상파우더공급장치(300) 사이의 수송관(500)에 위치하는 것으로서, 수송기체(1)를 가열하여 온도를 올리는 역할을 수행한다.
분사노즐(600)이 초음속노즐인 경우 상기 가열장치(510) 의해 가열된 수송기체는 [도 28]에 도시된 같이 초음속노즐의 노즐목(throat)을 통과하면서 속도가 증가되어 노즐출구에서 초음속의 분사속도가 발현되고, 수송기체의 온도(T)와 압력(P)은 급강하한다. 상기 가열장치(510)는 위의 메카니즘에 따라 증착챔버(400)에 위치한 기재(5)에 가해지는 열충격을 제거하기 위해 수송기체(1)의 온도를 조절하는 장치인 것이다.
예를 들어, 650m/s의 초음속 분사속도를 내기 위하여 상온(20℃)의 수송기체를 가열하지 않고, 그대로 노즐목을 통과시키면 노즐출구에서의 수송기체 온도는 약 -120℃가 되어 증착챔버(400) 내에 위치한 기재(5)에 열충격을 가할 수 있다. 따라서, 수송기체(1)의 온도를 160℃로 가열하여 분사노즐에 통과시키면 수송기체(1)의 온도가 20℃가 되어 열충격을 피할 수 있는 것이다.
한편, 아음속노즐은 340m/s 미만의 분사속도를 내기 위한 것으로서, 초음속노즐과 비교하면 상대적으로 분사속도가 느리기 때문에 분사로 인한 온도 하강은 상대적으로 작은 편이다. 따라서, 분사노즐로서 아음속노즐을 적용하는 경우에는 수송기체의 온도를 초음속노즐에 적용한 온도보다 낮은 온도로도 기재에 열충격을 가하지 않도록 제어할 수 있다. 그러므로, 상기 초음속 또는 아음속의 분사 속도에 따라 수송기체의 온도를 조절하여 기재의 열충격 허용범위로 제어할 수 있다.
4. 냉각장치
냉각장치(340)는 [도 29]에 도시된 바와 같이 상기 고상파우더공급장치(300로부터 공급받은 고상파우더(3)를 냉각하여 온도를 강하시키는 장치이다. [도 28]에 도시된 바와 같이 초음속노즐의 입구를 통과한 가열된 수송기체의 온도(T)는 노즐목을 통과한 후 급격한 온도 하강(Te)이 발생한다. 다만, 고상파우더의 입자 크기에 따라 상이한 양상을 보이므로 이를 고려하여야 하는데, [도 28]에 도시된 바와 같이 나노입자 크기의 고상파우더는 수송기체와 유사한 온도 범위(ΔTn)의 거동을 보이나, 마이크로 크기의 고상파우더는 수송기체의 온도와 큰 온도차(ΔTm)를 보이므로, 이 온도차(ΔTm)만큼 노즐입구 전에서 고상파우더의 온도를 하강시키지 않으면, 수송기체와 별도로 기재에 손상을 줄 수 있으므로, 고상파우더의 온도를 조절하여 수송기체와 같이 거동하게 하여야 한다. 따라서, 상기 초음속노즐 출구의 수송기체 온도뿐만 아니라 고상파우더의 온도 또한 증착챔버 내에 위치한 기재에 열 충격을 가하지 않는 허용범위에서 온도가 제어되어야 한다. 상기 가열장치(510)와 냉각장치(340)는 서로 연동시켜 피드백을 통해 기재에 열충격이 가해지지 않도록 수송기체와 고상파우더의 온도가 조절되도록 할 수 있다.
상기 냉각장치(340)와 수송관(500)을 연통시키는 단열냉각관(341)은 수송기체를 일정한 온도로 유지시키고, 고상파우더의 냉각온도가 이 수송기체의 온도에 영향을 덜 받는 위치에 설치해야 하므로, 상기 단열냉각관(341)은 증착챔버(400)에 가깝게 연결, 설치하는 것이 바람직하다. 다시 말하면 가열된 수송기체와 냉각된 고상파우더가 임의의 일정한 온도차로, 에어로졸 상태로 분사노즐의 노즐목에 도달하여 노즐목 통과 후 수송기체와 고상파우더의 온도차가 거의 없이 분사되도록 하는 것이 바람직하다는 의미이다. 다만 에어로졸의 분산이 잘 되도록 하기 위해서는 일정한 거리가 요구되므로, 단열냉각관의 길이를 충분히 길게 하면 고상파우더의 냉각 및 분산효과를 동시에 달성할 수 있다. 이렇게 함으로써 수송기체와 고상파우더의 온도를 제어하기가 용이하고, 노즐출구에서 발생되는 온도변화를 열충격이 없는 온도범위로 제어할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉각장치(340)가 필요하지 않은 경우도 있다. [도 38]에 도시된 바와 같이 초음속노즐의 노즐목과 노즐출구의 사이 중 노즐목에 가깝게 형성된 연결관(310)을 통해 상온의 고상파우더를 공급하면, [도 39]에 도시된 바와 같이 노즐입구로 유입된 가열된 수송기체가 노즐목을 통과하는 순간 고상파우더와 혼합되어 에어로졸을 형성시키고, 상기 에어로졸은 수송기체와 같은 속도로 거동하여 노즐출구를 빠져나가면서, 열충격을 가하지 않는 온도로 증착챔버 내에서 기재에 분사증착될 수 있다. 단, 기재에 열충격을 가하지 않는 온도로 수송기체를 가열하여 이송하여야 하는 조건을 만족하여야 한다.
5. 아음속노즐 또는 초음속노즐
고상파우더가 기재에 증착되는 속도가 아음속 또는 초음속이 되도록 하기 위해서는 분사노즐을 다음과 같이 아음속노즐 또는 초음속노즐로 구성하는 것도 중요하다.
노즐입구의 절대압력(P1)과 노즐출구의 절대압력(P2)의 비, 즉 증착챔버 내부의 절대압력(P2)의 비(P2/P1)를 0.528보다 같거나 작게 하면 분사속도를 340m/s 미만의 아음속으로 낼 수 있는 아음속노즐이 구성된다. 따라서, 고상파우더의 아음속 임계 증착속도를 발현하기 위해서는 [도 36]에 도시된 바와 같은 오리피스(orifice) 형태의 분사노즐을 구성하고, 아음속의 분사속도는 에어공급부 및 가압장치의 절대압력(P1)과 진공챔버의 절대압력(P2) 비(P2/P1)를 0.528에 근접하게 유지하여 약 340m/s 이하의 속도(V)가 발현되도록 할 수 있다. 노즐의 단면적(A)으로 유량(
Figure PCTKR2009004041-appb-I000023
,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000024
: 공기의 밀도)을 결정할 수 있는데, 필요한 유량은 P1의 압력에 달려 있으므로 소요유량이 커지지 않도록 P1을 조절할 수 있고, 최대분사 속도를 340m/s 미만으로 발휘하기 위한 오리피스의 단면적을 유량과 분사속도 관계식를 이용하여 계산할 수 있다.
[도 30]은 단일형태를 가지는 아음속노즐의 구성 및 그 단면을 도시한 것으로서, [도 31]에 도시된 바와 같은 3차원형상물체에 고상파우더를 증착시킬 수 있다. 상기 수송관(500)과 아음속노즐을 연결하는 노즐위치제어기(610)를 통해 상기 아음속노즐은 3축(x,y,z축)으로 그 위치를 제어할 수 있다. 한편, [도 30]의 (c)는 대면적 증착을 하기 위한 슬릿(slit)형태를 가지는 아음속노즐의 형상을 나타낸 것이고, [도 32]는 슬릿형태의 아음속노즐로 대면적의 평면상 기재에 고상파우더를 증착시키기 위한 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
한편, 고상파우더의 초음속 임계 증착속도를 발현하기 위해서는 초음속 라발노즐(de Laval nozzle)을 적용하여, 수송기체와 고상파우더는 노즐 단면의 입구에서 아음속으로 노즐목(throat)을 통과하면서 수송기체의 단열팽창으로 인하여 초음속으로 발현되고, 노즐목을 통과한 수송기체 및 고상파우더의 온도 및 압력은 급속하게 감소되도록 할 수 있다. 노즐입구에서 노즐목(throat)으로 갈수록 단면적이 작아지고 다시 노즐목을 지나 노즐출구로 갈수록 단면적이 커지는 형상을 가지고 있는 초음속노즐을 일반적으로 라발(laval)노즐이라고 부른다. 이러한 초음속노즐은 1897년 스웨덴의 Gustaf de Laval에 의해 개발되어 증기 터빈(steam turbine)에 이용되었고, 그 후 Robert Goddard에 의해 로켓트 엔진에 그 원리가 적용되었다.
초음속노즐의 관계식은 전술한 (식 5)와 같고, 초음속노즐의 그 단면은 [도 33]에 도시된 바와 같다. [도 37]과 같이 고상파우더와 수송기체가 혼합된 에어로졸은 초음속노즐의 노즐목을 통과하면서 팽창하여 속도가 초음속으로 되고, 압력과 온도는 급강하된다. 왜냐하면 초음속노즐은 노즐입구와 노즐출구의 질량 유량(mass flow rate)이 같아야 하므로 노즐목의 급속한 단면변화가 초음속노즐의 역할을 할 수 있어 오랫동안 초음속을 내기 위한 장치로 활용되어 왔다. [도 33]의 (d)는 대면적 증착을 위한 슬릿(slit) 형태의 초음속노즐의 형상을 나타낸 것다. [도 34]는 3차원형상물체에 고상파우더를 증착시키기 위한 구조를 도시한 것으로서, 수송관(500)과 초음속노즐을 연결하는 부위에 노즐위치제어기(610)가 설치되어, 상기 초음속노즐이 3축(x,y,z축)으로 운동할 수 있도록 구성된 것이다. 한편, [도 35]는 2차원 형상의 대면적 기재에 고상파우더를 증착시키기 위한 구조를 도시한 것으로서, 슬릿형태의 초음속노즐을 보여주고 있다.
6. 기재온도조절장치
한편, 에어로졸의 온도(Te)보다 기재의 온도(Ts)가 클 경우(Ta<Ts) 기재와 에어로졸의 접촉면에 큰 온도차가 생겨 에어로졸 중에 존재하는 고상파우더가 기재의 연직방향으로 큰 압력(P)을 받아 충돌속도가 감소되어 증착효율이 감소된다. 본 발명은 고상파우더를 기재에 증착시킬 때 위와 같은 메카니즘에 의해 발생하는 반류를 최소화하기 위해서 [도 27]에 도시된 바와 같이 증착챔버(400)에 연결되어 있는 기재온도조절장치(410)를 함께 구성할 수 있다. [도 42]에 도시된 그래프에서 알 수 있듯이 증착챔버(400) 내부에 위치한 기재(5)의 온도(Ts)를 분사노즐의 노즐출구에서의 에어로졸 온도(Te)보다 낮게 제어하면, 고상파우더 충돌속도의 감소 없이 증착효율을 더 향상시킬 수 있다. 상기 기재온도조절장치(410)는 후술할 시스템제어부(1000)와 연동시켜 기재의 온도가 자동으로 조절되도록 할 수 있다. 다만, 증착챔버(400)의 진공도를 크게 하면 상기 기재온도조절장치(400)를 가동하지 않아도 반류를 최소화할 수 있다.
7. 집진회수처리기
집진회수처리기(730)는 집진회수관(720)을 통해 진공펌프(700)와 연결되어, 증착 후 증착챔버(400)에 남은 미량의 고상파우더를 집진 및 회수처리할 수 있도록 구비된 것이다. 고상파우더는 공기보다 무거우므로 공기는 배기하고, 고상파우더는 하부 바닥에서 집진할 수 있는 것이다.
8. 시스템 제어부
시스템제어부(1000)는 상기 가압장치(130), 가열장치(510) 및 냉각장치(340)에 연결되어 있으며, 수송기체와 고상파우더의 압력, 속도, 유량, 온도 등의 조건을 각 구성요소에 연동하여 제어하는 구성요소이다. 상기 시스템제어부(1000)는 본 발명이 제공하는 고상파우더 연속 증착장치의 1) 에어공급부(100), 2) 가압장치(130), 3) 에어처리부(200), 4) 가열장치(510), 5) 고상파우더공급장치(300), 6) 냉각장치(340), 7) 수송관(500), 8) 분사노즐(600), 9) 증착챔버(400), 10) 배기펌프(700), 11) 집진회수처리기(730)에 각각 연계되어 각 구성요소가 상호 연동 제어될 수 있도록 구성할 수 있다.
9. 분사노즐에 고상파우더를 직접 공급하는 실시예
[도 38]에 도시된 바와 같이 고상파우더를 초음속노즐의 노즐목 근처에 직접 공급하여 노즐 내부에서 에어로졸을 형성시킬 수 있는 개량된 초음속노즐을 사용하면, [도 39]에 도시된 바와 같이 초음속노즐의 입구에서 가열된 수송기체가 노즐목을 통과하는 순간 고상파우더와 혼합되어 노즐 내부에서 에어로졸 상태로 되어 노즐출구로 빠져나가 초음속으로 기재에 분사된다. 따라서, 고상파우더는 에어로졸 상태로 수송기체와 같은 속도로 거동하고, 온도 또한 열충격 영향이 없는 온도로 진공증착챔버 내에서 기재에 증착될 수 있다. 여기서, 수송기체의 온도는 열충격이 없는 범위의 온도로 가열하여 초음속노즐을 통과하여 상온의 고상파우더와 혼합되어 에어로졸이 된 상태의 온도이다. [도 40] 및 [도 41]는 개량된 초음속노즐을 사용하여 적용한 실시예를 도시한 것이다.
Ⅲ. 롤투롤 장치를 구비한 고상파우더 연속 증착장치의 실시예
이하에서는 롤투롤 장치를 구비한 고상파우더 연속 증착장치의 실시예를 구성요소별로 설명하기로 한다.
1. 개요
본 발명은 고상 파우더 입자의 크기, 형태 및 비중에 관계없이 기재의 단면 전체에 걸쳐 균등하게 연속적으로 고상파우더를 증착하기 위한 것이므로, 분사노즐에서 분사되는 고상파우더 에어로졸의 분사압에 의하더라도 연성기재에 진동이 발생하지 않도록 하는 기술요소가 필요케 된다. 다만, 본 발명은 일반적인 롤투롤 공정에도 다양하게 적용 가능하며, 정밀한 작업이 요구되는 회로기판 인쇄작업 등에도 유용하게 활용될 수 있다.
연성기재에 고상파우더 에어로졸을 증착시키고자 하는 경우 [도 19]에 도시된 바와 같은 일반적인 롤투롤(roll-to-roll) 장치를 이용하면 에어로졸의 분사압에 의해 연성기재가 상하로 진동하게 되므로 균일한 증착막을 얻어내기가 매우 어렵다.
이러한 문제점 해결을 위해서는 우선 [도 20]에 도시된 바와 같이 연성기재에 고상파우더가 증착되는 면의 배면(즉, 에어로졸 분사압을 받는 면의 반대면)에 받침부재를 설치하는 방법을 생각해볼 수 있다. 그러나 이 방법에서도 연성기재가 받침부재에서 들뜨는 경우에는 상기한 문제점을 그대로 갖게 되며, 특히 탄소나노튜브와 같은 극미한 고상파우더 증착 공정에서는 연성기재가 받침부재에서 크게 들뜨지 않더라도 연성기재와 받침부재간의 미세간격에 의해 균일하고 정교한 증착막 형성이 어렵게 된다.
한편, [도 21]에 도시된 바와 같이 연성기재를 고정부재로 눌러줌으로써 연성기재의 들뜸을 제어하는 구성도 고려해 볼 수 있으나, 이 역시 연성기재와 받침부재간의 미세간격의 발생을 완전히 배제할 수는 없다.
다른 한편, 위와 같은 연성기재와 고정부재간의 들뜸이나 미세한 간격의 발생을 제어하기 위해서는 [도 22]에 도시된 바와 같이 상기 받침부재를 원통형으로 구성하여, 연성기재가 원통형 받침부재에 밀착되도록 잡아 당겨진 상태에서 원통형 받침부재를 타고 넘도록 구성할 수 있다. 이러한 구조의 롤투롤 장치를 적용하면 연성기재와 고정부재간의 들뜸이나 미세한 간격의 발생을 제어하고자 하는 목적은 어느 정도 달성할 수 있게 된다. 그러나 이러한 구성은 받침부재가 원통형이라는 점에서 또 다른 문제가 발생한다. 즉, 연성기재가 원통형 받침부재에 밀착되어 감겨 넘어가는 이상 고상파우더의 증착면 역시 곡면이 될 수밖에 없으므로 연성기재 전면에 걸쳐 고상파우더가 고르게 분산된다는 점을 보장하기 어렵게 된다. 원통형 받침부재의 직경을 크게 하여 증착면의 곡률을 낮추면 위의 우려는 어느 정도 해소할 수 있게 되나 이렇게 되면 장비의 사이즈가 커져 장비의 단가가 높아지고 장비의 점유공간이 커진다는 문제가 또다시 발생한다.
2. 롤투롤(roll-to-roll) 장치
본 발명은 롤러의 회전운동에 의해 풀림롤러에 감겨 있는 연성기재가 풀어져 감김롤러에 감기도록 구비된 롤투롤(roll-to-roll) 장치를 구비한 고상파우더 연속 증착장치를 함께 제공한다. 상기 롤투롤 장치는 폴리머 필름, 호일 등의 연성기재를 상기 풀림롤러에 권취한 상태에서, 연성기재의 단부를 끌어당겨 상기 감김롤러에 정착시킨 후 롤러를 회동시킴으로써 감김롤러에 권취되도록 하는 것이다. 본 발명에서는 연성기재가 풀림롤러에서 감김롤러로 이동하는 중간에 고상파우더가 증착되도록 구성되며, 이러한 롤투롤 장치가 설치되는 증착챔버의 내부구조, 점유 공간 사이즈, 연성기재에 미치는 장력의 방향 등을 고려하여 요소마다 보조롤러를 구비토록 할 수 있다.([도 23] 및 [도 24] 참조)
3. 흡착부재 및 흡착펌프
본 발명에서는 상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이의 연성기재 증착부위에 상기 연성기재를 떠받치는 흡착부재(970)가 구비된다. 상기 흡착부재(970)가 연성기재를 뒷받침한다는 점에서는 [도 20] 및 [도 21]에 도시된 받침부재와 유사하나, 흡착펌프(960)의 흡착력에 의해 연성기재와 밀착된다는 점에서 본 발명 고유의 특징을 갖는다. 상기 흡착부재(970)와 흡착펌프(960)는 [도 23] 및 [도 24]에 도시된 바와 같이 흡착관(950)에 의해 상호 연결된다. 상기 흡착부재(970)의 흡착력은 흡착펌프(960)에 의해서 조절되도록 구성되나, 상기 흡착관(950)에 흡착조절밸브(70)를 더 설치하여 흡착부재(970)의 흡착력을 보다 정밀하게 조절토록 할 수 있다.
상기 흡착부재(970)는 박스형 몸체부(971) 상면에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)로 커버된 진공척(vacuum chuck)을 적용할 수 있다.([도 25] 참조) 상기 안착부(974)는 미세구멍(973)을 통한 공기 흡입력에 의해 연성기재와 밀착되므로 고상파우더의 증착 충격이 있더라도 균일한 증착막 형성에 어떠한 지장도 받지 않게 된다. 이 경우 상기 진공척의 흡착력은 연성기재의 밀착 효과와 연성기재의 권취 이동 속도를 고려하여 적절히 조절해야 한다. 이는 상기 흡착펌프(960)의 흡착력 조절과 상기 흡착조절밸브(70)의 개폐조절로 실현할 수 있다.
한편, 상기 흡착부재(970)로는 트랙형 회전궤도(972)에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)가 둘러감긴 회전 흡착실린더를 적용할 수도 있다.([도 26] 참조) 이러한 회전 흡착실린더를 적용하면, 연성기재가 안착부(974)에 밀착된 상태로 회전궤도(972)를 따라 수평방향으로 움직이다가 상기 안착부(974)가 트랙형 회전궤도(972)의 곡선구간을 지나는 경우에는 연성기재에 작용하는 흡착력이 자연스럽게 제거되므로 위의 진공척을 적용하는 경우보다는 부드럽게 연성기재를 이동시킬 수 있게 된다. 이는 흡착펌프(960)에 의한 흡착력이 상하방향으로만 작용하기 때문이다.
4. 연성기재의 인장조절
상기 흡착부재(970)는 흡착력에 의해 연성기재와 밀착될 수 있으나, 연성기재 자체가 구겨진 상태로 이동되면 고상파우더의 균일한 증착은 기대할 수 없으므로 상기 흡착부재(970)는 그 존재의 의미를 상실하게 된다. 따라서, 본 발명은 상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이의 흡착부재(970) 전후에 인장력 조절 롤러(930)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착 롤투롤 장치를 함께 제공한다. 상기 인장력 조절 롤러(930)는 연성기재를 팽팽하게 잡아당겨주는 역할을 하는 것이며, 연성기재의 종류별 특성에 따라 인장력을 조절할 수 있다.
Ⅳ. 수송관의 일정구간에 부압이 형성되어 대기압 상태의 고상파우더가 수송관 내로 자연유입되도록 구성된 고상파우더 연속 증착장치의 실시예
1. 개요
본 발명은 대기압 이상의 수송관의 일정구간에 일정한 부압(minus pressure)을 형성시킬 수 있는 관 단면 및 환경을 구비하여, 대기압 상태에 있는 고상파우더를 기체가 흐르는 수송관 내부로 공급할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 이는 고상파우더를 대기압 이상의 수송관에 공급하여 분사노즐을 통해 임의의 기재에 분사하여 코팅하는데 적용할 수 있다.
본 발명은 수송관 내부 압력보다 큰 압력으로 고상파우더를 밀어 넣는 종래의 기술들을 지양하고, 수송관 중 일부구간에 부압을 형성시킴으로써, 대기압 상태의 고상파우더가 자연스럽게 수송관 내로 유입되도록 하는 기술수단이 그 첫번째 요지(要旨)이다. 수송관 중 일부구간에 부압을 형성시키기 위한 방법으로서는 관로의 단면 형상 변화, 관로 내의 압력 및 기체속도를 조절하는 종래의 초음속노즐과 아음속노즐의 원리를 응용하였다.
한편, 수송관에 고상파우더를 공급하는 궁극적인 이유는 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸을 특정 기재에 고압으로 분사증착시키기 위한 것이므로, 상기 수송관 내에 고상파우더가 공급된 후에는 다시 대기압 이상의 최초 수송기체의 압력에 비해 큰 압력 손실 없이 분사될 수 있어야 하고, 이를 실현하는 기술수단이 본 발명의 두번째 요지(要旨)이다.
수송관의 일정구간에 부압이 형성되어 대기압 상태의 고상파우더가 수송관 내로 자연유입되도록 구성된 장치 다음의 두 가지 실시예로 구별할 수 있다.
2. 제1실시예
본 제1실시예의 수송관(500)은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있는 것이다. 또한, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성되며, 고상파우더공급장치(300)로부터 연결된 연결관(310)은 상기 제3구간과 연통되어 있어야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 첨부된 [도 6]에 도시된 바와 같이 수송관의 일부구간에 부압(P3)이 형성되도록 하여 대기압(P4) 상태의 고상파우더를 대기압 보다 높은 압력(P1, P1′)의 수송기체가 흐르는 수송관(500)에 공급할 수 있도록 구성한 것이다. 이를 위해서는 상기 수송관(500)의 단면 형상을 아래와 같은 제1구간 내지 제5구간이 형성되도록 변화시켜야 한다. 본 실시예에서는 부압구간에서 현저히 낮아진 압력을 초음속 상태에서 발생하는 충격파로 급상승시킬 수 있으며, 궁극적으로 필요한 에어로졸의 분사속도와 압력을 고려하여 부압구간 이후의 수송관 단면형상 변화 및 충격파 발생 위치 조절을 꾀할 수 있다. 충격파는 수송관 내로 유입되는 당시의 수송기체의 압력 조절에 의해 그 발생거리를 조절할 수 있다.
제1구간(①)은 수송관이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제1구간(①)에는 대기압 보다 큰 압력의 수송기체가 아음속이 발현되는 상태로 공급된다. 본 제1구간(①) 이후 수송관의 단면적 변화로 인해 수송기체의 온도는 하강하거나 상승하게 되는데 기재의 열충격 배제, 에어로졸의 원활한 수송 등을 위해 수송기체를 적절한 임의의 온도로 가열하는 등의 조치를 취할 수 있다.
본 제1구간(①)에서는 후술할 제3구간(③)에 고상파우더가 공급된 이후 수송기체의 온도가 273K(0℃)이하로 하강되지 않도록(미량의 수분이 포함되어 있는 고상파우더가 응고하여 입자간 서로 응집하는 현상이 발생할 수 있다.) 수송기체를 임의의 적정 온도로 가열하는 조치를 취하여야 한다. 이에 대한 상세한 내용은 [도 12] 및 등엔트로피 정상 준1차원 유동(isoentropic quasi-one-dimensional flow) 관계식과 함께 설명하기로 한다.
먼저, 제1구간(①)을 지나는 수송기체의 온도에 따라 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 어떻게 변화는지 이론적으로 설명하기 위해 등엔트로피 정상 준1차원 유동에 관한 관계식(식 6)과 유동에서 수직충격파가 발생할 때의 관계식(식 7)을 열거하면 아래와 같다.
등엔트로피 정상 준 1차원 유동에서 마하수(mach number)와 온도의 관계식은;
Figure PCTKR2009004041-appb-I000025
(식 6)
여기서,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000026
= 비열비(specific heat ratio),
(예; 수송기체가 공기일 경우,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000027
=1.4)
Figure PCTKR2009004041-appb-I000028
= 마하수(mach number),
Figure PCTKR2009004041-appb-I000029
= 제2구간 입구의 수송기체 온도,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000030
= 제2구간 출구의 수송기체 온도이고,
유동에서 수직충격파가 발생할 때의 관계식은;
Figure PCTKR2009004041-appb-I000031
(식 7)
여기서,
Figure PCTKR2009004041-appb-I000032
= 수직충격파 발생 전(前)의 수송기체 온도
Figure PCTKR2009004041-appb-I000033
= 수직충격파 발생 후(後)의 수송기체 온도
Figure PCTKR2009004041-appb-I000034
= 수직충격파 발생 전(前)의 수송기체 마하수
Figure PCTKR2009004041-appb-I000035
= 수직충격파 발생 후(後)의 수송기체 마하수이다.
따라서, 상기 (식 6)에서 알 수 있듯이 제2구간(②)의 관목(관경의 축소구간과 확장구간의 경계면, 이하 동일)을 통과한 수송기체(4)의 마하수가 증가할수록 제2구간(②) 입구 수송기체의 온도 대비 제2구간 출구 수송기체 온도가 급격히 하강한다. 한편, 상기 (식 7)에서는 수직 충격파 발생 후 수송기체의 마하수는 아음속(M<1)으로 감소되고, 이때 수송기체의 온도는 급격히 상승한다는 사실을 알 수 있다. 즉, 상기 이론에 근거하여 본 발명을 [도 12]에 도시된 바와 같이 적용하여 설명하면 다음과 같다.
[도 12]는 제1구간(①)의 수송기체 온도 및 제3구간(③)의 수송기체 마하수에 따른 제1구간 내지 제5구간에 걸친 수송기체의 온도변화를 도시한 것으로서, 제1구간에 공급되는 수송기체의 온도가 500K인 경우와 300K인 경우를 나누어 도시하였다.
첫째, 제1구간의 수송기체 온도(To)를 500K로 한 경우;
(1) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 2일 경우(Case A), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 278K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 수송기체의 온도가 급격히 상승하여, 상기 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)는 약 469K로 된다.
(2) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 3일 경우(Case B), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)는 약 178K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 상기 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)는 약 478K로 된다.
따라서, 상기 To=500K, Me=2인 경우는 제3구간을 지나는 수송기체의 온도(Te)는 약 278K가 되어 고상파우더가 응고되지 않지만, To=500K, Me=3인 경우는 Te=약 178K이기 때문에 고상파우더가 응고되어 응집되는 현상이 발생할 수 있다.
둘째, 제1구간의 수송기체 온도(To)를 300K로 한 경우;
(1) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 2일 경우(Case C), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 166K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)가 약281K로 된다.
(2) 제3구간에서 수송기체의 마하수(Me)가 3일 경우(Case D), 제3구간에서 수송기체의 온도(Te)가 약 107K로 되고, 제4구간의 관목에서 발생하는 수직 충격파로 인하여 급격히 온도가 급격히 상승하여, 관목을 지난 수송기체의 온도(T2)가 약287K로 된다.
따라서, 상기 To=300K, Me=2 및 To=300K, Me=3의 두 경우 모두 제3구간에서 발생하는 온도(Te)가 274K 미만이기 때문에 고상파우더가 응고되어 응집되는 현상이 발생할 수 있다.
상기 4가지 경우를 표로 정리하면 아래 [표 2]와 같다.
표 2
Case To[K] Me Te[K] T2[K]
A 500 2 278 469
B 500 3 178 478
C 300 2 166 281
D 300 3 107 287
상기 예에서 알 수 있듯이, 제3구간을 지나는 수송기체의 온도를 영상으로 유지하기 위해서는, 제1구간 수송기체의 온도나 제3구간 수송기체의 마하수를 조절하여야 한다. 제3구간의 초음속(M>1) 발현에 대해서는 후술하기로 한다.
제2구간(②)은 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 구간이다. 즉, 본 제2구간(②)은 초음속노즐 형상으로 구성된 것이며, 본 제2구간(②)을 거친 수송기체(4)는 초음속이 발현된다.
상기 제2구간(②) 중 관경이 감소되는 구간(②')에서는 마하수가 1보다 작은(M<1) 아음속 구간으로서 관경은 일정함에 따라, 상기 제1구간(①)에서부터 아음속으로 진행하던 수송기체(4)의 압력 또한 일정하게 감소하게 되고, 상기 제2구간의 관목에서는 수송기체(4)의 마하수가 1이 되며(M=1), 단면이 일정하게 확대되는 구간(②")에서는 마하수가 1보다 크게 되어(M>1) 초음속이 발현되며, 관경이 일정하게 증가함에 따라 수송기체의 압력은 계속 감소하게 된다(초음속 상태에서는 관경이 증가하면 압력이 감소한다).
본 제2구간(②)에서 발현되는 수송기체의 초음속은 수송관의 형상(제2구간 입구, 관목, 제2구간 출구의 단면적)과 환경(제2구간 입구의 압력 및 온도, 제2구간 출구의 압력 및 온도)에 의해 각각 다르게 결정된다.
제3구간(③)은 수송관이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 구간은 수송관 내에 부압(minus pressure)이 형성되는 구간으로서, 본 제3구간(③) 전체에 걸쳐 일정한 부압이 형성되도록 하기 위하여 단면적이 일정하게 유지되어야 한다. 따라서, 이 구간에 고상파우더수송관을 연결하여 대기압 상태에 있는 고상파우더를 공급할 수 있다. 본 제3구간은 대기압 상태인 고상파우더공급기 내부보다 그 압력이 작으므로 고상파우더가 정체되거나 역류됨 없이 상기 제3구간 내로 유입된다. 이에 따라 제3구간 내에서는 수송기체와 고상파우더가 섞인 에어로졸이 형성된다.
한편, 상기 고상파우더를 대기압 상태로 유지하기 위해서는 고상파우더공급기의 일부에 개방구를 형성시켜야 하며, 이에 따라 고상파우더공급기 내외부의 공기압은 대기압(1bar) 상태로 일정하게 유지된다. 상기 개방구에 에어필터를 설치하면 외기와 함께 유입될 수 있는 미세먼지 등이 고상파우더에 혼입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 고상파우더공급기 내에는 고상파우더를 압축 저장하여 일정시간에 일정소량의 고상파우더를 연속적으로 상기 제3구간에 공급할 수 있고, 직경이 미소한 미세스크류(screw, 미도시)를 상기 고상파우더수송관에 설치하여 모터의 회전수(RPM)를 조절하거나 상기 고상파우더수송관에 설치된 조절밸브를 이용하여 고상파우더를 맥동 없이 공급할 수 있다.
또한, 상기 고상파우더수송관은 상기 제3구간으로 토출된 고상파우더가 수송기체와 잘 혼합될 수 있는 각도로 조절되도록 구성할 수 있다.
[도 10]과 [도 11]은 상기 제3구간에 복수개의 고상파우더공급기를 연결한 실시예이다. 이러한 실시예에 의해 2종류 이상의 고상파우더를 상기 제3구간에 함께 혼입시킬 수 있다.
한편, 제2구간(②) 중 관경이 일정하게 확대되는 구간(②")에서는 수송기체의 마하수가 1보다 크게되어(M>1) 초음속으로 발현되므로, 수송기체는 제3구간에서의 마하수(mach number ; M)가 증가할수록 급격한 온도 강하가 발생한다. 따라서, 대기압 조건에 있는 고상파우더가 대기압 상태의 공기와 함께 수송관의 부압영역(제3구간)에 흡입될 경우, 흡입된 공기 중의 수분이 응고되어 고상파우더와 공기의 혼합밀도가 불균일하게 되어 균일한 밀도의 에어로졸 유동이 형성되기 어렵다. 이를 해결하기 위해서는 상기 제1구간(①)에서 수송기체를 미리 가열하여 상기 제2구간(②)으로 수송하고, 미리 가열되는 수송기체의 온도는 후술할 제5구간(⑤) 말단에 있는 초음속노즐(또는 아음속노즐)의 분사환경(노즐의 입구온도와 출구온도)과 분사 후 기재에 이르는 수송기체의 온도(기재에 열충격을 주지 않는 온도)를 모두 고려하여 정할 수 있다.
제4구간(④)은 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 구간이다. 이 구간에서는 충격파 발생으로 인해 압력이 상승되어 수송기체가 다시 아음속으로 변경되는 구간이다. 상기 제4구간 중 단면이 일정하게 축소되는 구간(④')에서는 제3구간에서 발현된 초음속(M>1)이 연속적으로 발현된다. 한편, 제4구간 중 단면이 일정하게 확대되는 구간(④")에서는 상기 제3구간에서 형성된 에어로졸이 초음속 상태로 유지되므로 관경이 감소함에 따라 구간 내 압력이 서서히 증가하게 되는데, 상기 제4구간의 관목에는 상기 제3구간에서 발현된 초음속에 따른 충격파(shock wave)가 발생하여, 에어로졸(5)의 압력이 급속하게 상승하게 된다.
제4구간(④) 중 단면이 일정하게 확대되는 구간(④")에서는 상기 관목에서 발생한 충격파로 인하여, 상기 제3구간에서 발현된 초음속(M>1)이 다시 아음속(M<1)으로 변하고, 그 결과 압력은 급격히 상승하게 된다. 이에 따라, 상기 제4구간을 거쳐 제5구간에 진입한 수송기체의 압력은 상기 제1구간에 최초로 공급되는 수송기체의 압력과 큰 차이가 없게 된다.
수송기체가 상기 제2구간을 통과하면 그 속도가 초음속이 되고, 이에 따라 충격파가 발생하는데, 본 발명에서는 [도 9]에 도시된 바와 같이 제3구간에 충격파가 발생하지 않도록 하여 상기 제3구간 전체를 부압형성 구간으로 활용토록 한다. 이를 위해서는 제1구간에서의 수송기체 압력을 감소시키며 충격파가 제3구간을 벗어나, 제4구간의 관목에 생성되도록 조절해야 한다. 만약, 제3구간에 충격파가 생기게 되면 제3구간에 일정한 부압이 발생하지 아니하므로 대기압 상태에 있는 고상파우더를 공급하기 어려워짐은 물론, [도 9]의 그래프에서 파악되듯이 후술할 제5구간에서 에어로졸의 압력손실이 커지게 된다.
한편, 이상기체 1차원 정상류거동관계식(PA = P'A')에 따르면 제2구간 관목에서의 압력(P)과 단면적(A)을 곱한 값이 제4구간 관목에서의 압력(P')과 단면적(A')을 곱한 값과 같아야 하고, 제4구간을 지나면서 엔트로피가 증가하기 때문에 제2구간 관목의 압력이 제4구간 관목의 압력보다 크게 된다. 그래서 제4구간 관목의 단면적(A')은 제2구간 관목의 단면적(A) 보다 커야 한다.
제5구간(⑤)은 수송관의 관경이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제5구간(⑤)의 구간 내 압력은 제1구간(①)에서의 압력을 거의 회복한 상태로 일정하게 유지된다.
한편, 본 제5구간(⑤)의 말단에는 [도 10]에 도시된 바와 같은 아음속노즐 또는 [도 11]에 도시된 바와 같은 초음속노즐을 필요에 따라 선택적으로 연결하여 외부의 기재에 에어로졸이 분사되도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 에어로졸은 대기 중에 있는 기재 또는 진공상태(진공챔버 내)에 있는 기재에 분사 코팅된다. 따라서, 분사노즐(아음속노즐 또는 초음속노즐)은 진공챔버에 수용되도록 구성할 수 있다.
2. 제2실시예
본 발명은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 수송관; 상기 수송관의 제3구간 말단에 구비된 분사노즐; 및 일측은 고상파우더수송관에 의해 상기 제2구간과 연통되어 있으며, 타측은 개방구가 구비된 하나 또는 다수개의 고상파우더공급기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 공급장치를 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 첨부된 [도 13]에 도시된 바와 같이 수송관(500)의 일부구간에 부압이 형성되도록 하여 대기압 상태의 고상파우더(3)를 대기압 보다 높은 압력(P1)의 수송기체(1)가 흐르는 수송관(500)에 공급할 수 있도록 구성한 것이다. 이를 위해 상기 수송관(500)을 제1구간 내지 제3구간이 형성되도록 구성한 것이며, 이에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.
상기 제1구간은 수송관이 일정한 관경으로 연속되는 구간(이하 '①영역'이라 함)과 관경이 일정비율로 감소하는 구간(이하 '①'영역'이라 함)이 일방향으로 이어지도록 구성되어 있다. 본 제1구간에는 대기압보다 큰 압력의 수송기체(1)가 공급된다. 상기 ①영역에서는 기재의 열충격 배제, 에어로졸의 원활한 수송 등을 위해 수송기체(1)를 적절한 임의의 온도로 가열하는 등의 조치를 취할 수 있다.
상기 제2구간은 상기 ①'영역의 말단에서부터 일정한 관경으로 연속되는 구간(이하 '②영역'이라 함)과 관경이 다시 일정비율로 증가하는 구간(이하 '②'영역'이라 함)이 일방향으로 이어지도록 구성되어 있다. 본 구간은 수송관 내에 부압(minus pressure)이 형성되는 구간으로서, 상기 ②영역 또는 ②'영역에 부압이 형성될 수 있다.
상기 제2구간 중 상기 ②영역 전체에 걸쳐 일정한 부압이 형성되도록 하기 위해서는, 준 1차원 연속방정식 및 등엔트로피 과정의 관계식((식 1) 내지 (식 4))을 이용하여 수송관의 단면적, 질량유량, 속도, 압력을 적절하게 설정한다. 질량유량, 기체속도 및 단면적의 관계를 설정하는 (식 1) 내지 (식 4)는 [발명의 상세한 설명]에서 설명한 바 있다.
수송기체를 공기로 가정할 때, 상기 (식 1) 내지 (식 4)를 이용하여 수송관 제2구간 중 ②영역에 부압이 발생하는 경우와 부압이 발생하지 않는 경우의 실시예를 들면 아래의 [표 3]과 같다([도 13]참조).
표 3
Case D1[mm] D* [mm] m[kg/s] T1[K] V1[m/s] P1[torr] M* P*[torr] 비고
A 12 3.5 0.00104 328 7.5 800 0.300 752 부압
B 12 3.8 0.00104 328 7.5 800 0.297 765 양압
C 15 2.6 0.00104 328 4.8 800 0.297 753 부압
D 15 3.0 0.00104 328 4.8 800 0.218 774 양압
위 [표 3]에서, D1은 제1구간의 ①영역에서의 관경, m은 수송기체의 질량유량, T1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체의 온도, V1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체 속도, P1은 제1구간 ①영역에서의 수송기체 압력; D*는 제2구간 ②영역에서의 관경, M*는 제2구간의 ②영역에서의 수송기체의 마하수, P*은 제2구간의 ②영역에서의 수송기체 압력을 말한다.
상기 [표 3]에 보이는 바와 같이, 제1구간 중 ①영역의 관경을 12mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역의 관경을 3.5mm로 정한 Case A의 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 낮은 압력(부압)이 발생한다. 따라서, 후술할 고상파우더공급기 내의 고상파우더는 고상파우더 수송관을 따라 수송관의 ②영역으로 흡입된다.
반면, 제1구간 중 ①영역의 관경을 12mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 관경을 3.8mm로 정한 Case B인 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 높은 압력(양압)이 발생하기 때문에 고상파우더가 수송관의 ②영역에 흡입되지 않는다. 왜냐하면, 고상파우더가 대기압 상태(760 torr)에 있기 때문이다.
한편, 제1구간 중 ①영역에서의 수송관 관경을 15mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 수송관 직경을 2.6mm로 정한 Case C의 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 낮은 압력(부압)이 발생하기 때문에 수송관의 ②영역으로 고상파우더가 흡입된다.
반면, 제1구간 중 ①영역에서의 수송관 관경을 15mm로 설정하고, 제2구간 중 ②영역에서의 수송관 직경을 3.0mm로 정한 case D인 경우는 ②영역에 760torr(대기압 상태)보다 높은 압력(양압)이 발생하기 때문에 고상파우더가 수송관의 ②영역에 흡입되지 않는다.
따라서, [표 3]에 보인 바와 같이, 수송관의 환경(관경, 수송기체의 온도, 압력, 질량유량, 속도)을 설정하여 제2구간의 ②영역에 부압을 발생시켜 고상파우더를 원활하게 공급할 수 있다. 다만, 수송관의 조건은 사용목적에 따라 무수한 경우가 있을 수 있다. 이때 사용목적에 따라 적절한 조건에 부합되도록 전술한 (식 1) 내지 (식 4)의 관계식을 이용하여, 수송관의 환경을 조성할 수 있다.
한편, [도 14]에 도시된 바와 같이, ②영역을 통과한 수송기체가 관경이 일정비율로 증가하는 ②'영역을 지나 제3구간으로 유입되면서, ②'영역 중 [도 2]에서 빗금친 영역에 부압(P2)이 발생토록 할 수 있다. 따라서, 상기 빗금친 국부적인 영역에 고상파우더 수송관을 연결하여 대기압 상태에 있는 고상파우더를 공급할 수 도 있다.
상기 제2구간은 대기압 상태인 고상파우더공급기(2) 내부보다 그 압력이 작으므로 고상파우더(1)가 정체되거나 역류됨 없이 상기 제2구간 내로 유입된다. 이에 따라 제2구간 내에서는 수송기체(4)와 고상파우더(1)가 섞인 에어로졸(5)이 형성된다.
상기 고상파우더(3)를 대기압 상태로 유지하기 위해서는 고상파우더공급장치(300)의 일부에 개방구(320)를 형성시켜야 하며, 이에 따라 고상파우더공급장치(300) 내외부의 공기압은 대기압(760torr) 상태로 일정하게 유지된다. 상기 개방구(320)에 에어필터를 설치하면 외기와 함께 유입될 수 있는 미세먼지 등이 고상파우더(3)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 고상파우더공급장치(300) 내에는 고상파우더(3)를 압축 저장하여 일정시간에 일정소량의 고상파우더(3)를 연속적으로 상기 제2구간에 공급할 수 있고, 직경이 미소한 미세스크류(screw, 미도시)를 연결관(310)에 설치하여 모터의 회전수(RPM)를 조절하거나 상기 연결관(310)에 설치된 고상파우더 공급제어밸브(12)를 이용하여 고상파우더(3)를 맥동 없이 공급할 수 있다. 또한, 상기 연결관(310)은 상기 제2구간으로 토출된 고상파우더(3)가 수송기체(1)와 잘 혼합될 수 있는 각도로 조절되도록 구성할 수 있다.
[도 15] 내지 [도 18]은 상기 제2구간에 복수개의 고상파우더공급장치(300)를 연결한 실시예이다. 이러한 실시예에 의해 2종류 이상의 고상파우더(3)를 상기 제2구간에 함께 혼입시킬 수 있다.
상기 제3구간은 수송관의 관경이 일정한 관경으로 연속되는 구간이다. 본 제3구간의 말단에는 [도 15] 및 [도 17]에 도시된 바와 같은 아음속노즐 또는 [도 16] 및 [도 18]에 도시된 바와 같은 초음속노즐을 필요에 따라 선택적으로 연결하여 기재에 에어로졸이 분사되도록 할 수 있다.(상기 아음속노즐은 제3구간 말단에서부터 노즐출구에 이르기까지 그 단면적이 일정비율로 감소하도록 구성된 노즐이고, 상기 초음속노즐은 상기 제3구간 말단에서부터 그 단면적이 일정비율로 감소하다가 노즐목을 기점으로 그 단면적이 일정비율로 증가하도록 구성된 노즐이다.) 이에 따라 상기 에어로졸은 증착챔버(400) 내에 있는 기재에 분사될 수 있다.
한편, 상기 제3구간 내 에어로졸의 유동이 초음속 유동이 될 경우, 제3구간의 압력(P3)이 제1구간의 압력(P1)보다 상당히 낮게 되어 큰 압력손실을 가져오게 되어 장치 구성상 상대적으로 비경제적이고, 제3구간 말단에 아음속 또는 초음속노즐이 연결될 경우 노즐출구(아음속노즐일 경우) 또는 노즐목(초음속노즐일 경우)의 단면적에 따라 연결된 노즐의 분사 상태가 정상적으로 동작하지 않을 수 있다. 그러므로, 제3구간 내 에어로졸의 유동이 아음속 유동일 경우가 더 바람직하다.
더 구체적으로, 제3구간 내 에어로졸의 유동상태와 상기 제3구간의 말단에 구비된 노즐의 종류에 따른 유동상태를 설명하면 다음과 같다.
(1) 제3구간에서 에어로졸이 아음속(M<1) 유동상태이면서 말단에 아음속노즐이 연결된 경우
이 경우에는 아음속노즐 출구 단면적(A4)과 제2구간 ②영역의 단면적(A*)에 상관없이 아음속으로 분사된다.
(2) 제3구간에서 에어로졸이 아음속(M<1) 유동상태이면서 말단에 초음속노즐이 연결된 경우
이 경우에는 초음속노즐 목 단면적(A5)이 제2구간 ②영역의 단면적(A*) 보다 크면, 이 단면적에 흐르는 질량유량이 초음속노즐목 단면적(A5)에서는 초킹(choking)되지 않기 때문에 아음속으로 분사되며, A5≤A*이면 초음속으로 분사된다.
(3) 제3구간에서 에어로졸이 초음속(M>1) 유동상태이면서 말단에 아음속노즐이 연결된 경우
이 경우에는 아음속노즐 출구 단면적(A4)과 제2구간 ②영역의 단면적(A*)에 상관없이 아음속으로 분사된다.
(4) 제3구간에서 에어로졸이 초음속(M>1) 유동상태이면서 말단에 초음속노즐이 연결된 경우
이 경우에는 초음속노즐 목 단면적(A5)이 제2구간 ②영역의 단면적(A*)보다 크면, 이 단면적에 흐르는 질량유량이 초음속노즐 목 단면적(A5)에서는 초킹(choking)되지 않기 때문에 아음속으로 분사되며, A5≤A*이면, 제3구간의 유동상태가 아음속으로 변하면서 노즐에서 초음속으로 분사된다.
아래의 [표 4]를 참조하여 상기 내용을 정리하면, 제3구간에서 에어로졸의 유동이 아음속일 경우와 초음속일 경우 모두 말단에 연결된 아음속노즐 또는 초음속노즐의 형태에 관계없이 각각에 맞는 환경에 따라 정상적으로 분사되려면, 상기 본 발명의 장치에서 제2구간 ②영역의 단면적(A*)을 말단에 연결되는 아음속노즐 출구 단면적(A4) 또는 초음속노즐 목 단면적(A5) 보다 크거나 같게 해야 각 노즐에서의 환경에 부합되게 정상적(아음속노즐에서는 노즐 내부에 충격파 없이 아음속 분사, 초음속 분사 노즐에서는 초음속 분사)으로 분사할 수 있다.
표 4
제3구간유동상태 아음속노즐 초음속노즐
A4>A* A4≤A* A5>A* A5≤A*
아음속(M<1) 아음속 분사 아음속 분사 아음속 분사 초음속 분사
초음속(M>1) 낮은 아음속 분사(노즐 내부에서 충격파 발생) 제3구간 유동상태가 아음속으로 변화면서 노즐에서 아음속분사 (노즐목에서 음속(M=1) 발생) 아음속 분사(확산기 역할) 제3구간 유동상태가 아음속으로 변화면서 노즐에서 초음속분사
위 [표 4]에서, A*는 제2구간 ②영역의 단면적, A4는 아음속노즐 출구의 단면적, A5는 초음속노즐목의 단면적을 말한다.
Ⅴ. 고상파우더 연속 증착방법
본 발명에 따른 고상파우더 연속 증착방법은 전술한 고상파우더 연속 증착장치의 여러 가지 실시예를 가동하여 실현할 수 있으며, 자세한 내용은 이하에서 각 공정별로 설명하기로 한다.
(a)공정은 공기를 흡입, 저장하는 공정이다. 본 과정에서 에어펌프로 공기를 흡입하는 경우 에어펌프에서 발생하는 열로 인해, 흡입된 공기의 온도상승이 유발되므로 흡입공기를 저장하는 과정에서 온도를 약 40%가량 냉각처리하는 것이 바람직하다는 점은 전술한 바와 같다.
(b)공정은 흡입된 공기에 대한 필터링 및 건조처리하여 일정량으로 배출하는 공정이다. 본 공정은 구체적으로 다음의 과정으로 수행할 수 있다.
ⅰ) 외부 흡입하여 저장시킨 공기의 불순물을 1차적으로 필터링 하는 단계;
ⅱ) 1차 필터링된 공기를 1차 건조기를 통해 공기의 수분을 제거하는 단계;
ⅲ) 1차 공기건조기를 통해 수송된 공기의 불순물을 수분필터, 유분필터 및 먼지필터로 2차 필터링하는 단계;
ⅳ) 2차 필터링된 공기를 2차 건조기에 수송하여 공기의 수분을 제거하는 단계;
ⅴ) 수분을 제거하기 위하여 필터링 하는 단계;
ⅵ) 이상의 각 단계를 거쳐 불순물이 제거된 공기를 유량조절기로 일정량 배출시키는 단계;
상기한 각 단계는 전술한 고상파우더 연속 증착장치의 에어처리부에 의해 시행할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 이송하는 공기의 유량을 제어하여, 상기 (e)단계에서의 에어로졸 분사속도의 증감을 제어토록 할 수 있다.
(c)공정은 고상파우더를 상기 (b)공정을 거친 공기에 정량공급하여 일정한 혼합밀도로 분산된 에어로졸을 형성시키는 공정이다. 본 공정에서는 상기 (b)공정을 거쳐 유입되는 공기의 유량을 유동제어밸브로 일정하게 통제하고 이에 혼입되는 고상파우더의 양을 정량공급기로 일정하게 통제함으로써 균일하고 일정한 농도로 분산된 에어로졸을 형성시킬 수 있다.
(d)공정은 상기 에어로졸의 밀도, 속도, 유량을 일정하게 통제한 상태로 연속적으로 수송하는 공정이다. 에어로졸은 수송관을 통해 수송할 수 있으며, 상기 수송관을 통해 이송되는 에어로졸의 시간당 유량 및 속도분포가 일정한지 체크하기 위해서는 상기 수송관 내부에 압력측정기를 더 장착할 수 있다.
(e)공정은 전폭에 걸쳐 압력분포와 분사속도가 일정한 슬릿노즐을 통해 상기 에어로졸을 진공상태의 증착챔버 내부의 기재에 분사하는 공정이다. 고상파우더를 대면적의 기재에 균일하게 증착시키기 위해서는 기재의 폭에 대응하는 폭으로 형성된 슬릿노즐이 필요하며, 상기 슬릿노즐은 전폭에 걸쳐 압력분포와 분사속도가 일정해야 한다. 상기 증착챔버는 진공펌프와 연동시켜 저진공 상태를 유지할 수 있고, 또한, 기재에 증착되고 남은 미량의 고상파우더를 배기펌프로 강제배기 시켜 포집할 수 있다. 이에 따라 증착챔버를 저진공 상태로 유지하고, 유입공기를 강제배기 시킴으로써 반류에 의한 증착 방해를 제거하고 증착 소음을 감소시킬 수 있다. 한편, 상기 에어로졸 분사속도의 증감 제어는 상기 (b)공정에서 이송하는 공기(수송기체)의 유량을 제어와 연동시킬 수 있다. 또한, 본 공정은 증착챔버 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 강제배기하여 포집하는 과정과 병행할 수 있다.
본 발명은 분사노즐로 초음속노즐 또는 아음속노즐을 적용하는 경우, 기재에 전달될 수 있는 열충격을 사전에 차단하여 증착 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 고상파우더 연속 증착방법을 함께 제공한다. 이를 위해서는 상기 (a)공정에서 공기를 흡입, 저장한 후 가압하는 과정을 더 포함시키고, 상기 (b)공정은 공기를 가열하여 수송기체의 온도강하를 사전에 보정하는 과정을 더 포함시킬 수 있다. 마이크로미터 크기의 고상파우더를 적용하는 경우에는 상기 (c)공정은 상기 고상파우더를 에어로졸을 형성시키기 전에 냉각시키되, 상기 초음속노즐 또는 아음속노즐을 통과한 수송기체와의 온도 차이(ΔTm)만큼 냉각하여 상기 수송기체와 같은 온도 거동으로 제어 과정을 더 포함시킬 수 있다.
이하에서는 고상파우더의 분사속도 및 고상파우더의 입자 크기에 따른 구체적인 온도조절방법을 나누어 설명하기로 한다.
(1) 초음속의 분사속도를 발현할 경우 기재의 열충격 제거를 위한 온도조절 방법
① 고상파우더의 입자 크기에 상관없이 적용할 수 있는 방법
초음속노즐을 이용하여 고상파우더를 초음속으로 분사할 때, 기재에 열충격을 주지 않고 고상파우더를 증착시키기 위해서는 마이크로미터 크기 입자이든 나노미터크기 입자이든 입자 크기에 상관없이 이송기체를 가열한다. 이 때, 노즐출구에서의 이송기체 온도 및 고상파우더의 온도를 열충격이 없는 온도로 제어하기 위해 분사증착부 전에서 미리 이송기체를 가열해야 한다.
② 입자크기가 마이크로미터인 고상파우더를 적용할 경우;
이 경우는 전술한 이송기체 가열에 더하여, 같이 초음속노즐을 통과한 이송기체와 고상파우더의 온도 차이(ΔTm) 만큼 초음속 노즐 전에서 고상파우더를 냉각하여 이송기체와 같은 온도 거동으로 제어함으로써 기재에 열충격을 제거할 수 있다. 이 때 초음속 노즐 출구에서의 에어로졸 온도(이송기체 온도 및 고상파우더 온도)는 기재에 열충격을 주지 않는 온도범위로 제어한다.
③ 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 적용할 경우
입자크기가 마이크로미터인 경우와 달리, 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 초음속으로 분사증착할 경우, 이송기체만 가열하면 되고, 고상파우더는 냉각할 필요가 없다. 왜냐하면, [도 37]에 도시된 바와 같이 초음속노즐 출구에서의 이송기체 온도와 나노미터 고상파우더 온도가 비슷하므로(ΔTn이 ΔTm보다 상대적으로 작으므로) 고상파우더를 냉각할 필요가 없다. 이때, 전술한 바와 마찬가지로 초음속 노즐 출구에서의 에어로졸 온도는 기재에 열충격을 주지 않는 온도범위로 제어한다.
(2) 아음속의 분사속도를 발현할 경우 기재의 열충격 제거를 위한 온도조절 방법
① 고상파우더의 입자 크기에 상관없이 적용할 수 있는 방법
아음속으로 고상파우더를 분사증착할 때, 기재에 열충격을 주지 않는 온도 범위에서 입자크기에 상관없이 이송기체를 가열(예: 50℃로 미리 이송기체를 가열하면 아음속 노즐출구에서 에어로졸의 온도가 20℃가 되어 기재에 열충격을 가하지 않음)한다.
② 입자크기가 마이크로미터인 고상파우더를 적용할 경우
[도 36]에 보이는 바와 같이 마이크로미터 입자 크기에 따라 나노미터크기에 가까운 수㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 작으므로 냉각 필요성이 줄어들고, 수백㎛ 크기의 고상파우더에 있어서는 ΔTm이 상대적으로 크기 때문에 냉각 필요성이 커진다. 따라서, 이송기체를 공통적으로 가열하고, 상기 경우에 따라 고상파우더를 냉각하거나 냉각하지 않을 수 있다.
③ 입자 크기가 나노미터인 고상파우더를 적용할 경우;
[도 36]에 보이는 바와 같이 나노미터크기의 고상파우더는 이송기체와 같은 온도로 거동하기 때문에 고상파우더를 냉각하지 않아도 되고, 이송기체만 가열하여 기재의 열충격을 제거할 수 있다. 이를 위해 아음속 노즐 출구에서의 이송기체 온도를 열충격을 가하지 않는 범위로 미리 노즐입구 전에서 제어한다.
또한, 본 발명은 흡입된 공기와 에어로졸은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 수송관을 통해 이동하고, 상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고, 상기 (b)공정은 상기 수송관의 제1구간에 공급된 공기의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 과정을 더 포함하고, 상기 (c)공정은 상기 수송관의 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법을 함께 제공한다.
이는 대기압 이상 압력의 수송기체를 아음속이 발현되는 상태로 상기 제1구간(①)에 공급하여, 상기 수송기체가 상기 제2구간(②) 중 관경이 감소되는 구간(②')을 지나며 압력이 감소하고 속도는 음속에 근접하다가 제2구간 중 관경이 확장되는 구간(②")을 지나며 압력은 계속 감소하고 속도는 초음속이 발현되어, 상기 제3구간에 이르러 대기압보다 낮은 부압이 형성되도록 하고, 상기 제1구간(①)에 공급된 수송기체(4)의 압력을 낮추며 충격파(13) 발생 위치를 제4구간(④)의 관목에 맞추어 놓은 다음, 상기 제3구간(③)에 대기압 상태의 고상파우더를 공급함으로써 상기 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸이 형성되도록 하여, 상기 에어로졸이 초음속을 유지하며 제4구간 중 관경이 감소하는 구간(④')에서 압력이 증가하다가 제4구간의 관목에서 발생한 충격파에 의해 제4구간 중 관경이 증가하는 구간(④")에서의 압력은 대기압 이상으로 급증하고, 속도는 아음속으로 떨어진 상태로 제5구간을 통해 외부로 배출되도록 하는 것이다.
상기 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 방법으로서는, 상기 수송관에 압력계를 연결하여 상기 제4구간 관목의 경계면에서 압력이 급상승되는지 여부를 체크하여, 압력이 급상승하는 순간에 상기 제1구간(①)에 공급된 수송기체의 압력을 낮추는 과정을 중단시키는 방법을 취할 수 있다.
또한, 상기 고상파우더공급장치(300) 내에 압축 저장된 고상파우더를 상기 제3구간(③)에 일정시간 및 일정소량으로 연속 공급함으로써 고상파우더가 대면적 기재에 연속적으로 증착되도록 할 수 있다.
아울러, 제3구간을 지나는 수송기체의 온도가 영상으로 유지되도록 하기 위해서는 상기 제1구간을 지나는 수송기체의 온도조절을 수행하거나, 상기 제3구간을 지나는 수송기체의 마하수를 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
또한, 본 발명은 흡입된 공기와 에어로졸은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 수송관을 통해 이동하고, 상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고, 상기 (b)공정은 가압된 공기를 상기 수송관의 제1구간에 공급하여 상기 수송관의 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 과정을 더 포함하고, 상기 (c)공정은 상기 수송관의 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법을 함께 제공한다.
이 때, 상기 (a)단계는 상기 수송관의 제1구간과 제2구간 중 관경이 일정하게 연속되는 구간간의 단면적 비와 공기의 질량유량에 따라 (식 1) 내지 (식 4)에 의해 상기 제1구간에 공급되는 공기의 속도 및 수송관 내의 압력을 설정하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 할 수 있다. 상기 (식 1) 내지 (식 4)에 대해서는 전술한 바와 같다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면과 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
본 발명에 따른 고상파우더 연속 증착장치에 의해 제조할 수 있는 제품의 영역은 다음과 같다.
1. 고상파우더(탄소나노튜브, ITO(indium tin oxide) 등)로 증착하여 구현되는 전도성 (반)투명 전극
2. 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 FED(field emission display) 및 BLU(back light unit)용 전계방출소자
3. 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 고효율 조명장치
4. 고상 파우더로 증착 구현되는 태양 전지
- 실리콘(silicon) 태양전지
- Ⅲ-Ⅴ족 화합물 GaAs, InP 태양전지
- CIGS(CGS, CIS), CdTe 태양전지
- 양자점(quantum dot) 태양전지
5. 고상파우더로 증착구현되는 양자점(quantum dot) 반도체 소자(semiconductor diode)
6. 고상파우더(탄소나노튜브, 구리 등)로 증착 구현되는 반도체 배선
7. 고상파우더로 증착 구현되는 전자 차폐재
8. 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 고효율 발열체
9. 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 고효율 센서
10. 고상파우더로 증착 구현되는 플렉시블(flexible) 디스플레이
11. 고상파우더로 증착 구현되는 정전기 분산재
12. 탄소나노튜브로 증착 구현되는 고분자 복합재 및 초경량, 고강도 복합재
13. 고상파우더로 증착구현 되는 유전체(dielectric)
14. 고상파우더로 증착 구현 되는 전자장(magnetically conducting) 재료
15. 고상파우더로 증착구현 되는 내마모성(antifriction) 재료
16. 고상파우더로 증착구현 되는 내부식성(corrosion-resistance) 재료
17. 고상파우더로 증착구현 되는 표면 강화(surface hardening) 재료
18. 고상파우더로 증착구현 되는 2차전지 재료
19. 고상파우더로 증착구현 되는 축전지(수퍼커패시터) 재료
20. 고상파우더로 증착구현 되는 발광다이오드 재료
21. 고상파우더로 증착구현 되는 대전방지 재료 등.

Claims (44)

  1. 에어공급부(100);
    상기 에어공급부(100)로부터 제공받은 공기를 필터링 및 건조처리하여 배출하는 에어처리부(200);
    상기 에어처리부(200)를 통해 배출된 공기에 고상파우더를 일정량으로 공급하는 고상파우더공급장치(300);
    내부에 기재가 구비된 증착챔버(400);
    상기 에어처리부(200)와 증착챔버(400)를 연결하는 관으로서, 상기 에어처리부(200)에서 배출된 공기에 고상파우더가 혼입되어 형성된 에어로졸을 상기 증착챔버(400)로 이송하는 수송관(500);
    상기 수송관(500)의 말단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 증착챔버(400) 내부의 기재에 분사하는 분사노즐(600); 및
    진공연결관(710)에 의해 상기 증착챔버(400)와 연결되어 상기 증착챔버(400)를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(700); 를 포함하여 구성되는 고상파우더 연속 증착장치.
  2. 제1항에서,
    상기 에어공급부(100)는 에어펌프(110); 및 공기저장탱크(120); 로 구성된 것으로서,
    상기 에어펌프(110)는 일측에 구비된 공기흡입구(111)에서 흡입한 공기를 펌핑하여 상기 공기저장탱크(120)로 유입시키도록 구성된 것이고,
    상기 공기저장탱크(120)는 유입된 공기를 저장하여 냉각시킨 후 상기 에어처리부(200)에 제공하도록 구성된 것이며,
    상기 에어펌프(110)와 공기저장탱크(120) 사이 및 상기 공기저장탱크(120)와 에어처리부(200) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  3. 제1항에서,
    상기 에어처리부(200)에는 필터링 및 건조처리된 공기의 유량을 일정하게 조절하여 배출하는 유량조절기(20); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  4. 제3항에서,
    상기 에어처리부(200)는 1차필터(210); 1차건조기(220); 2차필터(230); 및 2차건조기(240); 를 차례로 구비하여 유입된 공기의 필터링 처리 및 건조처리를 반복적으로 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  5. 제4항에서,
    상기 2차필터(230)는 수분필터(231); 유분필터(232); 및 먼지필터(233); 로 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  6. 제5항에서,
    상기 2차건조기(240)와 상기 유량조절기(20) 사이에는 수분필터(231); 가 더 구비되고,
    상기 1차필터(210)와 1차건조기(220) 사이 및 상기 수분필터(231)와 유량조절기(20) 사이에는 각각 유동제어밸브(10)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  7. 제1항에서,
    상기 고상파우더공급장치(300)와 수송관(500)은 연결관(310); 에 의해 연결되며,
    상기 연결관(310)은 수송관 내에 관입하여, 공기진행방향으로 굴절된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  8. 제1항에서,
    상기 수송관(500)은 엘보우(elbow)가 형성된 것으로서,
    상기 수송관(500) 내 엘보우 전(前) 구간에는 유동조절기(30); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  9. 제1항에서,
    상기 수송관(500)은 길이조절장치(40); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  10. 제1항에서,
    상기 수송관(500)은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성되고,
    상기 고상파우더공급장치(300)는 일측이 연결관(310)에 의해 상기 수송관(500)의 제3구간과 연통되어 있으며, 타측에는 개방구(320)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  11. 제10항에서,
    상기 연결관(310)은 그 연결각도가 조절되도록 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  12. 제1항에서,
    상기 수송관(500)은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어지도록 구성되고,
    상기 고상파우더공급장치(500)는 일측이 연결관(310)에 의해 상기 수송관(500)의 제2구간과 연통되어 있고, 타측에는 개방구(320)가 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  13. 제12항에서,
    상기 분사노즐(600)은 상기 수송관(500)의 제3구간 말단에서부터 노즐출구에 이르기까지 그 단면적 일정비율로 감소하도록 구성된 아음속노즐인 것으로서, 상기 수송관(500)의 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 아음속노즐의 노즐 출구 단면적 보다 크거나 같게 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  14. 제12항에서,
    상기 분사노즐(600)은 상기 제3구간 말단에서부터 그 단면적이 일정비율로 감소하다가 노즐목을 기점으로 그 단면적이 일정비율로 증가하도록 구성된 초음속노즐인 것으로서, 상기 수송관(500)의 제2구간 중 관경이 일정한 구간의 단면적은 상기 초음속노즐의 노즐목 단면적 보다 크거나 같게 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  15. 제1항에서,
    상기 증착챔버(400)와 연통된 배기관(810); 및
    상기 증착챔버(400) 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 상기 배기관(810)을 통해 강제 배기시켜 포집하는 배기펌프(800); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  16. 제1항에서,
    상기 진공연결관(710) 내부에는 압력제어밸브(60); 가 장착된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  17. 제1항에서,
    상기 증착챔버(400)에는 기재를 이동시키는 이송장치(900); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  18. 제17항에서,
    상기 이송장치(900)는 롤러의 회전운동에 의해 풀림롤러(910)에 감겨 있는 연성기재가 풀어져 감김롤러(920)에 감기도록 구비된 롤투롤(roll-to-roll) 장치로서,
    상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이에서 상기 연성기재를 떠받치며 흡착력에 의해 연성기재와 밀착되는 흡착부재(970);
    상기 흡착부재(970)의 흡착력을 조절하는 흡착펌프(960); 및
    상기 흡착부재(970)와 흡착펌프(960)를 연결하는 흡착관(950); 이 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  19. 제18항에서,
    상기 흡착부재(970)는 박스형 몸체부(971)의 상면에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)로 커버된 진공척(vacuum chuck)인 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  20. 제18항에서,
    상기 흡착부재(970)는 트랙형 회전궤도(972)에 미세구멍(973)이 다수 형성된 안착부(974)가 둘러감긴 회전 흡착실린더인 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  21. 제18항에서,
    상기 풀림롤러(910)와 감김롤러(920) 사이의 흡착부재(970) 전후에는 인장력 조절 롤러(930); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  22. 제21항에서,
    상기 흡착관(950)에는 흡착조절밸브(70); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  23. 제1항에서,
    상기 수송관(500) 내부 및 상기 진공연결관(710) 내부에는 각각 압력측정기(50); 가 더 구비되어 있고,
    상기 이송장치(900)는 상기 수송관(500) 내부 및 상기 진공연결관(710) 내부의 압력측정기(50)와 각각 연동되어 있어,
    상기 수송관(500)과 증착챔버(400)의 압력증감에 따라 상기 이송장치의 기재 이송속도가 증감되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  24. 제1항에서,
    상기 에어공급부(100)로부터 공급되는 공기에 압력을 가한 후 상기 에어처리부(200)에 공급하는 가압장치(130);
    상기 수송관(500)에 부설되며, 에어로졸이 형성되기 전에 공기를 미리 가열하여 공기의 온도를 조절하는 가열장치(510); 및
    고상파우더가 수송기체에 공급되기 전에 거쳐나가도록 배치되어, 상기 고상파우더의 냉각온도조절을 주관하는 냉각장치(340); 가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  25. 제24항에서,
    상기 가압장치(130), 가열장치(510) 및 냉각장치(340)에 연결되어 있으며, 수송기체와 고상파우더의 압력, 속도, 유량, 온도 등의 조건을 각 구성요소에 연동하여 제어하는 시스템제어부(1000); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  26. 제25항에서,
    상기 증착챔버(400)에 단열관(411)을 통해 연결되어 있으며, 상기 시스템제어부(1000)와 연동하여 기재의 온도를 조절하기 위한 기재온도조절장치(410)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  27. 제26항에서,
    상기 기재온도조절장치(410)는 증착챔버(400) 내부에 위치한 기재의 온도가 상기 분사노즐(600)의 노즐출구의 온도보다 낮도록 조절하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  28. 제24항에서,
    상기 수송관(500)을 통하여 이송되는 에어로졸의 유량, 속도 및 온도가 일정한지 체크하기 위하여 상기 수송관(500)에 각각 설치되는 유량측정기, 압력측정기 및 온도측정기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  29. 제24항에서,
    상기 고상파우더공급장치(300)는 단위시간당 공급되는 고상파우더의 양을 일정하게 조절하고 고상파우더를 균등하게 분산시키도록 제어되며,
    상기 고상파우더공급장치(300)의 토출구 전면에 연결되어 있고 상부에는 공기가 내부로 유입될 수 있도록 개방구(320)가 형성되어 있어 압력차를 통해 상기 연결관(310)에 제공되는 고상파우더가 흡입되도록 하는 블록챔버(330); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  30. 제29항에서,
    상기 블록챔버(330)의 상부에 위치한 개방구(320)에 설치되며 상기 블록챔버(330) 내부로 유입되는 공기의 수분 및 불순물을 제거하기 위한 전처리장치; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  31. 제24항에서,
    상기 진공펌프(700)에 연결된 집진회수관(720); 및
    상기 집진회수관(720)을 통해, 상기 증착챔버(400) 내에서 기재에 증착된 후 남은 미량의 고상파우더를 집진 및 회수처리할 수 있는 집진회수처리기(730); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  32. 제24항에서,
    상기 분사노즐(600)은 초음속노즐이고,
    상기 연결관(310)은 상기 블록챔버(330)에서 상기 초음속노즐의 노즐목과 노즐출구 사이에 직접 연통되어,
    초음속노즐 내부로 직접 공급된 고상파우더가 노즐목을 통과하여 초음속으로 가속된 공기에 혼합되어 에어로졸을 형성시키도록 한 후 초음속으로 기재에 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  33. 제24항에서,
    상기 분사노즐(600)은 초음속노즐 또는 아음속노즐이고,
    상기 냉각장치(340)를 거쳐나간 고상파우더는 상기 분사증착부의 초음속노즐 또는 아음속노즐의 입구와 연통된 단열냉각관(411)을 통해 수송기체에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착장치.
  34. (a) 공기를 흡입, 저장하는 공정;
    (b) 흡입된 공기를 필터링 및 건조처리하여 일정량으로 이송하는 공정;
    (c) 고상파우더를 상기 (b)공정을 거친 공기에 정량공급하여 일정한 혼합밀도로 분산된 에어로졸을 형성시키는 공정;
    (d) 상기 에어로졸의 밀도, 속도, 유량을 일정하게 통제한 상태로 연속적으로 수송하는 공정; 및
    (e) 전폭에 걸쳐 압력분포와 분사속도가 일정한 분사노즐을 통해 상기 에어로졸을 진공상태의 증착챔버 내부의 기재에 분사하는 공정; 으로 시행되는 고상파우더 연속 증착방법.
  35. 제34항에서,
    상기 (b)공정에서 이송하는 공기의 유량을 제어하고 증착챔버의 압력을 제어하여, 상기 (e)단계에서의 에어로졸 분사속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  36. 제34항에서,
    상기 (e)공정은 상기 증착챔버 내에서 기재에 증착된 후 남은 고상파우더를 강제배기하여 포집하는 과정과 병행함을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  37. 제34항에서,
    상기 분사노즐로는 초음속노즐 또는 아음속노즐을 적용하고,
    상기 (a)공정은 공기를 가압하는 과정을 더 포함하고,
    상기 (b)공정은 공기를 가열하여 수송기체의 온도강하를 사전에 보정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  38. 제37항에서,
    상기 고상파우더로서는 마이크로미터 크기의 고상파우더를 적용하고,
    상기 (c)공정은 상기 고상파우더를 에어로졸을 형성시키기 전에 냉각시키되, 상기 초음속노즐 또는 아음속노즐을 통과한 수송기체와의 온도 차이(ΔTm)만큼 냉각하여 상기 수송기체와 같은 온도 거동으로 제어 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  39. 제34항에서,
    흡입된 공기와 에어로졸은 일정한 관경으로 연속되는 제1구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제2구간, 일정한 관경으로 연속되는 제3구간, 관경이 일정비율로 감소하여 형성된 관목을 기점으로 다시 관경이 일정비율로 증가하는 제4구간 및 일정한 관경으로 연속되는 제5구간이 한 방향으로 이어져 있으며, 상기 제4구간의 관목은 상기 제2구간의 관목보다 크게 형성된 수송관을 통해 이동하고,
    상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고,
    상기 (b)공정은 상기 수송관의 제1구간에 공급된 공기의 압력을 낮추며 충격파 발생 위치를 제4구간의 관목에 맞추는 과정을 더 포함하고,
    상기 (c)공정은 상기 수송관의 제3구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  40. 제39항에서,
    상기 (b)공정은 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 온도가 영상으로 유지되도록 상기 수송관의 제1구간을 지나는 공기의 온도조절을 병행하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  41. 제39항에서,
    상기 (b)공정은 상기 수송관에 연결된 압력계로 상기 수송관 제4구간의 관목에서 압력이 급상승되는지 여부를 체크하며 수행하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  42. 제39항에서,
    상기 (b)공정은 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 온도가 영상으로 유지되도록 상기 수송관의 제3구간을 지나는 공기의 마하수 조절을 병행하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  43. 제34항에서,
    흡입된 공기와 에어로졸은 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 감소하는 제1구간, 관경이 일정하게 연속되다가 일정비율로 증가하는 제2구간, 관경이 일정하게 연속되는 제3구간이 한 방향으로 이어져 있는 수송관을 통해 이동하고,
    상기 (a)공정은 흡입된 공기를 대기압보다 큰 압력으로 가압하는 과정을 더 포함하고,
    상기 (b)공정은 가압된 공기를 상기 수송관의 제1구간에 공급하여 상기 수송관의 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 과정을 더 포함하고,
    상기 (c)공정은 상기 수송관의 제2구간에 대기압 상태의 고상파우더를 공급하는 과정으로 시행되는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
  44. 제43항에서,
    상기 (a)단계는 상기 수송관의 제1구간과 제2구간 중 관경이 일정하게 연속되는 구간간의 단면적 비와 공기의 질량유량에 따라 다음의 4가지 식에 의해 상기 제1구간에 공급되는 공기의 속도 및 수송관 내의 압력을 설정하여 상기 제2구간에 부압이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고상파우더 연속 증착방법.
    (식 1) :
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000036
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000037
    : 수송관을 흐르는 수송기체의 질량유량
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000038
    : 공기의 밀도
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000039
    : 수송관 임의의 위치에서의 단면적
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000040
    : 공기의 속도
    (식 2) :
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000041
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000042
    : 마하수(mach number)
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000043
    : 공기의 속도
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000044
    : 비열비
    (식 3) :
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000045
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000046
    ,
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000047
    ,
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000048
    : 임의의 위치에서 공기의 압력, 밀도, 온도
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000049
    ,
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000050
    ,
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000051
    : 초기상태에서 공기의 압력, 밀도, 온도
    (식 4) :
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000052
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000053
    : 수송관 내 임의의 위치에서의 단면적
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000054
    : 수송관 내 임의의 위치에서의 목 단면적
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000055
    : 수송관 내 임의의 위치에서의 마하수
    Figure PCTKR2009004041-appb-I000056
    : 비열비
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