WO2023042977A1 - 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법 - Google Patents

플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법 Download PDF

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WO2023042977A1
WO2023042977A1 PCT/KR2021/020150 KR2021020150W WO2023042977A1 WO 2023042977 A1 WO2023042977 A1 WO 2023042977A1 KR 2021020150 W KR2021020150 W KR 2021020150W WO 2023042977 A1 WO2023042977 A1 WO 2023042977A1
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WO
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plasma
unit
powder
aerosol
nozzle
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PCT/KR2021/020150
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김대근
이경민
석혜원
최부현
이문기
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아이원스 주식회사
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
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    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the present invention is the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2021-10-2021-0125040 submitted to the Korean Intellectual Property Office on September 17, 2021, and Korean Patent Application No. 10 submitted to the Korean Intellectual Property Office on September 17, 2021. Claims each and every benefit of the filing date of -2021-0125039, all of which are included in the present invention.
  • the present invention relates to a plasma powder deposition apparatus and a deposition method using the same, and specifically, by implementing a plurality of powder particle surfaces melted by plasma and adjusting or changing the spray angle of the powder particles, the deposition rate and It relates to a plasma powder deposition apparatus and a deposition method using the same for improving the density of a deposition layer, relieving stress, improving the thickness of the deposition layer, and improving the uniformity of the coating thickness on a substrate.
  • plasma is a state in which a very high temperature is applied to an inert gas such as Ar, H 2 , O 2 and the like, and the gas introduced by the collision of accelerated electrons is ionized into ions, electrons, radicals, etc., such a plasma
  • an inert gas such as Ar, H 2 , O 2 and the like
  • the gas introduced by the collision of accelerated electrons is ionized into ions, electrons, radicals, etc.
  • Gas ions or radicals generated from the process collide with the surface of the material to be treated to induce physical and chemical changes on the surface such as removal of fine oil film and formation of micro roughness, improving various adhesive adhesion, preventing defects in plastic injection painting, and various coatings. It plays various roles such as increasing adhesion.
  • APS atmospheric plasma spray
  • SPS suspension plasma spray
  • the particles included in the powder had to have a size of 20 ⁇ m or more.
  • deposition can be performed by spraying on the surface of the substrate at high speed, but in the case of the APS, problems such as unmelted large particles are deposited on the surface of the substrate and the surface is uneven There was a problem.
  • SPS was used to solve this problem, powder having a small particle size was used for deposition by dispersing the powder in a solvent to prepare a suspension.
  • the suspension contains a solvent and separate energy is required to evaporate it, there is a problem in that the energy efficiency of the deposition apparatus is lowered and the deposition rate is lowered.
  • AD Arsol Deposition
  • the deposited layer using the AD contains excessive stress and when a long time elapses, the deposited layer is broken or peeled off due to the stress, and the deposition rate is low, so it takes a long time to form a thick deposited layer. There was a problem that required or the manufacturing cost increased rapidly.
  • the surface of the deposition layer is evened out, the deposition layer is dense, the deposition efficiency is improved, and the stress is effectively reduced so that deformation does not occur even after a long time, and the powder is sprayed at various angles or sprayed at different angles. It was urgent to develop a deposition method capable of uniformly coating a large area by improving it.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is a plasma powder capable of uniformly coating a large area while effectively reducing the stress of the deposition layer due to the uneven surface and the aerosol deposition (AD) that occurs in the deposition method using plasma. It is to provide a deposition apparatus and a deposition method using the same.
  • An exemplary embodiment of the present invention includes the steps of supplying the transport gas stored in the transport gas supply unit 110 to the powder supply unit 130 through the pipe unit 111; Step of providing the powder stored in the powder supply unit 130 as an aerosol by the transfer gas; supplying the aerosol to the process chamber unit 150 through the transfer pipe part 131; spraying the aerosol by providing a plurality of nozzle units 153 provided in communication with the transfer tube unit 131 to adjust or change the spray angle; A plasma generator 155 is provided outside the nozzle unit 153, and plasma is generated at the end of the nozzle unit 153 by a plasma generator 155b using microwaves included in the plasma generator 155. is generated; and depositing the sprayed aerosol on one surface of a substrate provided in the substrate unit 151 by passing through the plasma generated by the plasma generating unit 155.
  • An exemplary embodiment of the present invention includes a transfer gas supply unit 110 for supplying the transfer gas through a pipe portion 111; a powder supply unit 130 that mixes the stored powder with the transfer gas supplied to the pipe part 111 to form an aerosol and supplies it to the transfer pipe part 131; A nozzle unit 153 communicating with the transfer pipe unit 131 and spraying aerosol therein, and a plasma generating unit provided outside the nozzle unit 153 and generating plasma at the end of the nozzle unit 153 ( 155) and a process chamber unit 150 having a substrate unit 151; wherein the sprayed aerosol passes through the plasma and is deposited on one surface of a substrate included in the substrate unit 151,
  • the nozzle unit 153 is provided in plurality to adjust or change the spray angle to spray the aerosol, providing a plasma powder deposition apparatus.
  • the stress of the deposition layer can be effectively reduced and maintained without deformation even after a long period of time, thereby improving the durability of the deposited substrate and producing powder having a small particle size.
  • the surface of the deposition layer can be made even and the density of the deposition layer can be improved.
  • plasma can be generated through microwaves to melt only the surface of the powder particles, thereby improving deposition efficiency and effectively removing stress from the deposition layer. there is.
  • the spray angle of the aerosol is adjusted by adjusting the angle of the nozzle part for spraying the powder or including a plurality of nozzle parts for changing the angle for spraying the powder. That is, the thickness of the coating layer can be uniformly controlled, and a substrate having a three-dimensional shape can be deposited.
  • FIG. 1 is a flowchart of a plasma powder deposition method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • TEM 2 is a transmission electron microscopy (TEM) photograph of a crystal structure deposited according to the prior art aerosol deposition (AD).
  • FIG. 3 is a TEM photograph of a crystal structure deposited by a plasma powder deposition method, which is an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of a process chamber unit and a photograph taken of a state in which aerosol is sprayed in a plasma powder deposition apparatus according to the prior art.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a process chamber unit and a photograph of a state in which an aerosol is sprayed in a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a process chamber unit of a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Plasma powder deposition device 110 Transfer gas supply unit
  • pipe part 130 powder supply unit
  • transfer pipe unit 150 process chamber unit
  • 155 plasma generator 155a: microwave generator
  • injection angle control unit 157a injection angle fixer
  • vacuum unit 180 robot unit
  • An exemplary embodiment of the present invention includes the steps of supplying the transport gas stored in the transport gas supply unit 110 to the powder supply unit 130 through the pipe unit 111; Step of providing the powder stored in the powder supply unit 130 as an aerosol by the transfer gas; supplying the aerosol to the process chamber unit 150 through the transfer pipe part 131; spraying the aerosol by providing a plurality of nozzle units 153 provided in communication with the transfer tube unit 131 to adjust or change the spray angle; A plasma generator 155 is provided outside the nozzle unit 153, and plasma is generated at the end of the nozzle unit 153 by a plasma generator 155b using microwaves included in the plasma generator 155. is generated; and depositing the sprayed aerosol on one surface of a substrate provided in the substrate unit 151 by passing through the plasma generated by the plasma generating unit 155.
  • the stress of the deposition layer can be effectively reduced and maintained without deformation even after a long period of time, thereby improving the durability of the deposited substrate and producing powder having a small particle size.
  • the surface of the deposition layer can be made even and the density of the deposition layer can be improved.
  • a plurality of spraying angles are provided to adjust or vary the spraying angle, and the aerosol is sprayed to realize a uniform thickness of the deposited layer on the substrate, and the deposited layer can also be formed on the substrate having a three-dimensional solid shape. .
  • FIG. 1 is a flowchart of a plasma powder deposition method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a step of preparing powder (S11) may be included.
  • the powder is Al 2 O 3 , Al, Y, AlN, Y 2 O 3 , YF 3 , YOF, YAG (Yttrium aluminum garnet), YSZ (Yttria-stabilized zirconia), W, It may be one selected from the group consisting of WO 3 and combinations thereof.
  • the step of supplying the prepared powder to the powder supply unit 130 (S13) may be further included.
  • an aerosol can be formed by mixing with a transfer gas to be described later.
  • a step of supplying the transport gas stored in the transport gas supply unit 110 to the powder supply unit 130 through the pipe unit 111 (S31) may be included.
  • the transport gas stored in the transport gas supply unit 110 may be one or a mixture of two selected from the group consisting of oxygen, helium, nitrogen, argon, carbon dioxide, hydrogen, and equivalents thereof.
  • the type of transfer gas is not limited in the present invention. By selecting the transfer gas from the above, the deposition efficiency can be improved, and unnecessary side reactions occurring in the deposition process can be drastically reduced.
  • the transfer gas is directly supplied from the transfer gas supply unit 110 to the powder supply unit 130 through the pipe part 111, and the flow rate and Pressure can be regulated.
  • the transfer gas may be provided directly from the transfer gas supply unit 110 and directly supplied to the powder supply unit 130, and as described above, the deposition rate may be improved. can make it
  • the powder stored in the powder supply unit 130 may include a step (S15) of providing an aerosol by the transfer gas.
  • step (S15) of providing an aerosol by the transfer gas since the powder and the transport gas are mixed and provided as an aerosol, the deposition process can be effectively controlled, and the deposited material can be sprayed at a speed required during the deposition process.
  • the aerosol can be supplied to the process chamber unit 150 at high speed through the transfer pipe part 131, and the spray speed required for deposition can be reduced by passing the aerosol through the transfer pipe part.
  • the spray speed required for deposition can be reduced by passing the aerosol through the transfer pipe part.
  • a plurality of nozzle parts 153 provided in communication with the transfer pipe part 131 are provided to adjust or change the spray angle to spray the aerosol (S17) can include
  • the nozzle part 153 is located at the end of the transfer pipe part 131 and communicates with it, and the aerosol passing through the transfer pipe part 131 is transferred to the nozzle part 153.
  • can be sprayed through As described above, by providing the nozzle unit 153 at the end of the transfer tube unit 131, the speed of the aerosol passing through the transfer tube unit can be maximized, and the spray speed and pressure of the aerosol can be controlled through the nozzle.
  • the injection angle adjusting unit 157 is provided at an end opposite to the end of the nozzle unit 153 where the plasma is generated to adjust the angle of the nozzle unit, and the angle of the nozzle unit can be adjusted.
  • the spray angle of the aerosol As described above, by adjusting the spray angle of the aerosol, it is possible to improve the thickness uniformity of the deposition layer, and it is possible to deposit a substrate having a three-dimensional shape.
  • the spray angle of the aerosol is adjusted by including a plurality of nozzle parts 153 communicating with the transfer pipe part, and through this, the aerosol can be uniformly sprayed to each position on the substrate, thereby enabling the deposition layer A uniform thickness of can be realized.
  • a plasma generator 155 is provided outside the nozzle unit 153, and a plasma generator 155b by microwave included in the plasma generator 155 (not shown) It may include a step of generating plasma by.
  • the substrate provided in the substrate unit 151 may be a ceramic substrate, a glass substrate, or a metal substrate.
  • the ceramic substrate may be made of a material such as Al 2 O 3 or ZrO 2
  • the metal substrate may be made of a material such as aluminum, stainless steel, or Inconel. Separation between the deposition layer and the substrate can be prevented by selecting the material of the substrate as described above.
  • a plasma generating unit 155 may be provided outside the nozzle unit 153 .
  • the plasma generating unit 155 may surround the outer shell of the nozzle unit and may be attached to one surface, but if the plasma generating unit 155 may be provided outside the nozzle unit, the attachment site is not limited.
  • the plasma generator since the plasma generator is provided and plasma is generated at the end of the nozzle unit by the plasma generator, only the surface of the powder included in the sprayed aerosol can be melted, thereby increasing the deposition rate compared to aerosol deposition. At the same time, the density and surface evenness can be improved.
  • the number of nozzle units 153 may be plural, and the plurality of nozzle units 153 may be spaced apart so as to vary the spray angle of the aerosol.
  • the angle of each of the nozzle parts that is, the angle formed with the virtual vertical line on the one surface of the substrate is provided to be different so that the spray amount of the aerosol sprayed on one surface of the substrate is uniform, and each of the plurality of nozzle parts is spaced apart from each other do.
  • the spray angle of the aerosol is adjusted, and through this, the aerosol can be sprayed uniformly to each position on the substrate, so that a uniform thickness of the deposition layer can be realized. Furthermore, it can be deposited on a substrate having a three-dimensional shape.
  • the plasma generating unit may be provided in a longitudinal direction of the nozzle unit.
  • the powder is continuously exposed to the plasma generated by the plasma generating unit, so that the surface modification of the powder by the plasma can be maximized.
  • the powder and the conveying gas are simultaneously injected, no additional device is required in the aerosol movement path, and a discharge tube and a waveguide for generating microwaves exist in the longitudinal direction of the nozzle part, so that the device can be miniaturized.
  • the plasma generating unit 155 may include a microwave generator 155a (not shown) and a microwave plasma generator 155b (not shown).
  • the microwave generator may generate microwaves, that is, electromagnetic waves to provide energy for generating plasma, and may melt only the surface of the powder particles by providing appropriate energy.
  • a step (S51) of generating microwaves by the microwave generator is included.
  • the microwave generator By generating the microwave as described above, it is possible to melt only the surface of the powder particle by providing appropriate energy.
  • a step of generating plasma by a plasma generator (155b, not shown) by the generated microwaves (S53) is included.
  • the sprayed aerosol may pass through the plasma generated by the plasma generating unit 155 and deposit on a substrate (S19).
  • a substrate S19
  • the aerosol passes through the plasma, only the surface of the particles of the powder included in the aerosol can be melted, and the surface of the deposition layer deposited on the surface of the substrate can be made even by being sprayed toward the substrate. It is possible to improve the density of the deposition layer and relieve stress at the same time.
  • the plasma generating unit 155 may generate plasma at the end of the nozzle unit by microwaves. As described above, when plasma is generated by microwaves, that is, electromagnetic waves, only the surface of powder particles included in the aerosol can be melted, thereby improving deposition efficiency and shortening deposition time.
  • the plasma generating unit 155 may generate plasma by microwave. As described above, since the plasma generating unit 155 generates plasma using microwaves, the structure of the plasma generating unit can be simplified and at the same time, only the surface of powder particles included in the aerosol can be easily melted.
  • the frequency of the microwave may be greater than or equal to 2.00 GHz and less than or equal to 3.00 GHz.
  • the frequency of the microwave may be 2.00 GHz or more and 3.00 GHz or less, 2.10 GHz or more and 2.90 GHz or less, 2.20 GHz or more and 2.80 GHz or less, 2.30 GHz or more and 2.70 GHz or less, or 2.40 GHz or more and 2.60 GHz or less.
  • the frequency of the microwave is preferably 2.45 GHz.
  • the output of the plasma generator by the microwave may be 0.5 kW or more and 3.5 kW or less.
  • the output of the plasma generator by the microwave is 0.6 kW or more and 3.4 kW or less, 0.7 kW or more and 3.3 kW or less, 0.8 kW or more and 3.2 kW or less, 0.9 kW or more and 3.1 kW or less, 1.0 kW or more, 3.0 kW or less, 1.2 kW or more 2.9 kW or less, 1.5 kW or more and 2.8 kW or less, 1.8 kW or more and 2.7 kW or less, 1.9 kW or more and 2.5 kW or less, 2.0 kW or more and 2.4 kW or less, or 2.1 kW or more and 2.3 kW or less.
  • the density of the deposited layer that is, the density of the structure, can be improved, the formation of pores caused by excessive melting of the powder and the rapid decrease in temperature after deposition due to the low temperature of the substrate can be minimized, and the problem of exfoliation can be minimized.
  • the surface of the powder particles included in the aerosol passing through the plasma may be melted.
  • the deposition rate can be improved while enjoying the deposition effect according to the aerosol deposition.
  • 2 is a TEM photograph of a crystalline structure deposited according to the prior art aerosol deposition.
  • 3 is a TEM photograph of a crystal structure deposited by a plasma powder deposition method, which is an exemplary embodiment of the present invention.
  • the crystal structure of the deposition layer deposited by aerosol deposition is the same as the crystal structure deposited by the plasma powder deposition method, which is an exemplary embodiment of the present invention, so that the present invention has the same properties of aerosol deposition. You can see what you can keep.
  • a deposition layer may be formed by providing energy capable of changing, that is, melting, the surface of the powder by plasma generated by microwaves.
  • the particle size of the particles included in the powder may be 0.01 ⁇ m or more and 25.00 ⁇ m or less, specifically, the particle size of the particles included in the powder is 0.05 ⁇ m or more and 24.00 ⁇ m or less, 0.10 ⁇ m or more and 20.00 ⁇ m or more. ⁇ m or less, 0.50 ⁇ m or more and 15.00 ⁇ m or less, 0.70 ⁇ m or more and 10.00 ⁇ m or less, 0.90 ⁇ m or more and 5.00 ⁇ m or less, 1.00 ⁇ m or more and 4.00 ⁇ m or less, 2.00 ⁇ m or more and 3.00 ⁇ m or less.
  • the powder By adjusting the particle size, that is, the particle size, of the particles included in the powder within the above-described range, the powder can be supplied to the powder supply unit at high speed, and an aerosol containing the powder can be sprayed on the surface of the substrate at high speed, By melting only the particle surfaces of the powder, it is possible to control the density and surface evenness of the deposited layer.
  • the inside of the process chamber unit may be in a vacuum state.
  • the inside of the process chamber unit may be maintained in a vacuum state through a vacuum unit, and by maintaining the vacuum state as described above, the speed of the sprayed aerosol may be increased.
  • An exemplary embodiment of the present invention includes a transfer gas supply unit 110 for supplying the transfer gas through a pipe portion 111; a powder supply unit 130 that mixes the stored powder with the transfer gas supplied to the pipe part 111 to form an aerosol and supplies it to the transfer pipe part 131; A nozzle unit 153 communicating with the transfer pipe unit 131 and spraying aerosol therein, and a plasma generating unit provided outside the nozzle unit 153 and generating plasma at the end of the nozzle unit 153 ( 155) and a process chamber unit 150 having a substrate unit 151; wherein the sprayed aerosol passes through the plasma and is deposited on one surface of a substrate included in the substrate unit 151,
  • the nozzle unit 153 is provided in plurality to adjust or change the spray angle to spray the aerosol.
  • the plasma powder deposition apparatus 100 it is possible to melt only the surface of the powder particles by generating plasma through microwaves, thereby improving the deposition efficiency and effectively reducing the stress of the deposition layer. can be removed Furthermore, according to the plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention, the thickness of the deposition layer, that is, the coating layer, is uniform by including a plurality of nozzle units for adjusting the angle of the nozzle unit for spraying the powder or changing the angle for spraying the powder. It can be adjusted to a certain extent, and a substrate having a three-dimensional shape can be deposited.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 .
  • the transfer gas supply unit 110 may include a transfer gas.
  • the transfer gas may be one or a mixture of two selected from the group consisting of oxygen, helium, nitrogen, argon, carbon dioxide, hydrogen, and equivalents thereof, but the type of transfer gas is not limited in the present invention.
  • the transporting gas supply unit 110 may supply the transporting gas to the powder supply unit 130 to be described later through the pipe unit 111. As described above, by supplying the transporting gas to the powder supply unit 130 to be described later through the pipe part 111, an aerosol containing the transporting gas and the powder can be produced.
  • the powder supply unit 130 may form an aerosol containing the powder and the transfer gas. As described above, by forming an aerosol containing the powder and the transporting gas, it is possible to control only the surface of the particle to be melted by the plasma, as described above.
  • the powder supply unit 130 may communicate with the transfer pipe part 131.
  • the powder supply unit 130 may be connected to the transfer pipe unit 131 and may have a flow path formed therein so that aerosol can pass therethrough.
  • the powder supply unit 130 since the powder supply unit 130 communicates with the transfer pipe part 131, it is possible to adjust the spraying speed through the nozzle part 153 to be described later.
  • a nozzle part 153 communicating with the transfer pipe part 131 to spray an aerosol therein, and provided outside the nozzle part 153 to distal end of the nozzle part 153
  • the nozzle unit 153 is provided in plurality to adjust or change the spray angle to spray the aerosol.
  • the process chamber unit 150 may be connected to the transfer pipe part 131 and spray the aerosol supplied according to the transfer pipe part through the nozzle part 153 . Furthermore, the process chamber unit 150 may be internally connected to the transfer pipe unit 131 and spray the aerosol supplied along the transfer tube unit through each of the plurality of nozzle units 153 . As described above, the deposition layer may be formed on one surface of the substrate by spraying the aerosol through the nozzle unit.
  • the process chamber unit 150 may include a plasma generating unit 155 outside the nozzle unit 153 .
  • the plasma generating unit 155 may surround the outer shell of the nozzle unit and may be attached to one surface, but if the plasma generating unit 155 may be provided outside the nozzle unit, the attachment site is not limited.
  • the plasma generator is provided and plasma is generated by the plasma generator, so that only the surface of the powder included in the sprayed aerosol can be melted, thereby improving the deposition rate compared to aerosol deposition and increasing the density. and surface evenness can be improved.
  • the process chamber unit 150 may include a plasma generating unit 155 outside the nozzle unit 153 .
  • the plasma generating unit 155 may surround the outer shell of the nozzle unit and may be attached to one surface, but if the plasma generating unit 155 may be provided outside the nozzle unit, the attachment site is not limited.
  • the plasma generator is provided and plasma is generated by the plasma generator, so that only the surface of the powder included in the sprayed aerosol can be melted, thereby improving the deposition rate compared to aerosol deposition and increasing the density. and surface evenness can be improved.
  • the plasma generating unit 155 may include a microwave generator 155a (not shown) and a microwave plasma generator 155b (not shown).
  • the microwave generator may generate microwaves, that is, electromagnetic waves to provide energy for generating plasma, and may melt only the surface of the powder particles by providing appropriate energy.
  • the plasma generator by the microwave can adjust the melting degree of the powder by adjusting the output and position of the plasma.
  • the plasma generating unit may be provided in a longitudinal direction of the nozzle unit.
  • the powder is continuously exposed to the plasma generated by the plasma generating unit, so that the surface modification of the powder by the plasma can be maximized.
  • the powder and the transport gas are injected at the same time, no additional device is required in the aerosol movement path, and a discharge tube and a waveguide for generating microwaves are present in the longitudinal direction of the nozzle unit, so that the deposition device can be miniaturized. .
  • the plasma generating unit includes a spray angle adjusting unit 157 for adjusting the angle of the nozzle unit 151 to adjust the spray angle of the sprayed aerosol.
  • the process chamber unit 150 may further include a spray angle adjusting unit 157 for adjusting the angle of the nozzle unit 151 to adjust the spray angle of the sprayed aerosol.
  • the plasma generating unit is provided with the spray angle adjusting unit 157 at an end opposite to the end of the nozzle unit 153 where the plasma is generated to adjust the angle of the nozzle unit, and by adjusting the angle of the nozzle unit, the aerosol The spray angle can be adjusted. As described above, by adjusting the spray angle of the aerosol, it is possible to improve the thickness uniformity of the deposition layer, and it is possible to deposit a substrate having a three-dimensional shape.
  • the number of nozzle units 153 may be plural, and the plurality of nozzle units 153 may be spaced apart so as to vary the spray angle of the aerosol.
  • the angle of each of the nozzle parts that is, the angle formed with the virtual vertical line on the one surface of the substrate is provided to be different so that the spray amount of the aerosol sprayed on one surface of the substrate is uniform, and each of the plurality of nozzle parts is spaced apart from each other do.
  • the spray angle of the aerosol is adjusted, and through this, the aerosol can be sprayed uniformly to each position on the substrate, so that a uniform thickness of the deposition layer can be realized. Furthermore, it can be deposited on a substrate having a three-dimensional shape.
  • the process chamber unit 150 may include a base unit 151. Specifically, the process chamber unit 150 fixes the substrate inside using the substrate unit 151 so that the sprayed aerosol can be deposited on the surface.
  • the sprayed aerosol may pass through the plasma and be deposited on one surface of the substrate included in the substrate portion 151 .
  • the surface of the powder particle included in the aerosol can be partially melted or only the surface can be melted, and it is deposited on one side of the substrate and has the same properties as the deposited material. can have
  • the plasma generating unit 155 includes a microwave generator (155a, not shown) generating microwaves; and a plasma generator 155b (not shown) by microwave for generating plasma by the generated microwave.
  • the microwave generator may be connected to an external power supply device (not shown) to form microwaves, that is, electromagnetic waves, and the plasma generator using the microwaves may generate plasma using the electromagnetic waves.
  • an external power supply device not shown
  • the plasma generator using the microwaves may generate plasma using the electromagnetic waves.
  • the plasma generating unit 155 may generate plasma by microwave. As described above, the plasma generating unit 155 may be adjusted to melt only the surface of the powder particles by generating plasma by the microwave.
  • the frequency of the generated microwave may be 2.00 GHz or more and 3.00 GHz or less.
  • the frequency of the microwave may be 2.00 GHz or more and 3.00 GHz or less, 2.10 GHz or more and 2.90 GHz or less, 2.20 GHz or more and 2.80 GHz or less, 2.30 GHz or more and 2.70 GHz or less, or 2.40 GHz or more and 2.60 GHz or less.
  • the frequency of the microwave is preferably 2.45 GHz.
  • the output of the plasma generator by the microwave may be 0.5 kW or more and 3.5 kW or less.
  • the output of the plasma generator by the microwave is 0.6 kW or more and 3.4 kW or less, 0.7 kW or more and 3.3 kW or less, 0.8 kW or more and 3.2 kW or less, 0.9 kW or more and 3.1 kW or less, 1.0 kW or more, 3.0 kW or less, 1.2 kW or more 2.9 kW or less, 1.5 kW or more and 2.8 kW or less, 1.8 kW or more and 2.7 kW or less, 1.9 kW or more and 2.5 kW or less, 2.0 kW or more and 2.4 kW or less, or 2.1 kW or more and 2.3 kW or less.
  • the density of the deposited layer that is, the density of the structure, can be improved, the formation of pores caused by excessive melting of the powder and the rapid decrease in temperature after deposition due to the low temperature of the substrate can be minimized, and the problem of exfoliation can be minimized.
  • a vacuum unit 170 communicating with the process chamber unit 150 to maintain a vacuum state may be further included.
  • the vacuum unit may increase the speed of the sprayed aerosol by maintaining a vacuum inside the process chamber unit.
  • a flow control unit 190 for adjusting the flow rate of the transfer gas is provided between the transfer gas supply unit 110 and the powder supply unit 130, and a flow control unit 190 for adjusting the flow rate of the transfer gas; further comprising it could be As described above, since a flow control unit is provided between the transfer gas supply unit 110 and the powder supply unit 130, the pressure and spray speed of the aerosol sprayed through the nozzle unit can be adjusted.
  • the robot unit 180 provided in the process chamber unit 150 and adjusting the position of the substrate may be further included.
  • the robot unit may be included in the process chamber unit and provided in a direction opposite to the nozzle unit 153, and when the nozzle unit is fixed, the robot unit adjusts the position of the fixed substrate or rotates the substrate. By doing so, it is possible to control the thickness of the surface to be deposited and/or the deposition layer to be deposited.
  • the particle size of the particles included in the powder may be 0.01 ⁇ m or more and 25.00 ⁇ m or less, specifically, the particle size of the particles included in the powder is 0.05 ⁇ m or more and 24.00 ⁇ m or less, 0.10 ⁇ m or more and 20.00 ⁇ m or more. ⁇ m or less, 0.50 ⁇ m or more and 15.00 ⁇ m or less, 0.70 ⁇ m or more and 10.00 ⁇ m or less, 0.90 ⁇ m or more and 5.00 ⁇ m or less, 1.00 ⁇ m or more and 4.00 ⁇ m or less, 2.00 ⁇ m or more and 3.00 ⁇ m or less.
  • the powder By adjusting the particle size of the particles included in the powder within the above range, the powder can be supplied to the powder supply unit at high speed, and an aerosol containing the powder can be sprayed on the surface of the substrate at high speed, and the powder particles By melting only the surface, the density of the deposited layer and the evenness of the surface can be controlled.
  • particle size may refer to a particle size distribution of particles included in the powder.
  • the powder is selected from the group consisting of Al 2 O 3 , Al, Y, AlN, Y 2 O 3 , YAG, YF 3 , YOF, YSZ, W, WO 3 and combinations thereof It may be one.
  • the type of the powder from the above, it is possible to give the function of the deposition layer, reduce the stress of the deposition layer, and improve the density.
  • the spray angle control unit 157 may further include a spray angle fixer 157a (not shown) for fixing the nozzle unit.
  • a spray angle fixer 157a (not shown) for fixing the nozzle unit.
  • the deposition layer may be thickly formed in a specific portion.
  • each of the plurality of nozzle parts 153 may be provided to form different angles with respect to a virtual vertical line on one surface of the substrate. As described above, each of the plurality of nozzle parts 153 is provided to form a different angle with respect to a virtual vertical line on one surface of the substrate, thereby adjusting the spray angle of the aerosol and through this, the aerosol can be uniformly sprayed to each position on the substrate. Therefore, it is possible to implement a uniform thickness of the deposition layer. Furthermore, it can be deposited on a substrate having a three-dimensional shape.
  • FIG. 5 is a schematic view of a process chamber unit and a photograph taken of a state in which aerosol is sprayed in a plasma powder deposition apparatus according to the prior art.
  • FIG. 5 (a) is a photograph of a plasma powder deposition apparatus equipped with a fixed nozzle unit spraying an aerosol. As shown in FIG. 5 (a), it was confirmed that the aerosol was fixed at a specific spray angle.
  • 5(b) is a schematic diagram of a process chamber unit provided in a conventional plasma powder deposition apparatus. As shown in FIG. 5(b), in order to deposit the substrate on a large area, the substrate portion must be rotated. In this case, during rotation of the substrate, the aerosol does not reach the outer portion or the aerosol in an insufficient amount compared to the central portion. It was confirmed that the thickness of the deposited layer was not uniformly implemented by spraying.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a process chamber unit and a photograph of a state in which plasma is sprayed from a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6(a) is a photograph of a state in which aerosol is sprayed in a plasma powder deposition apparatus in which an angle of a nozzle part is adjusted by a spray angle adjusting unit. As shown in FIG. 6 (a), it was confirmed that the aerosol was adjusted to a spray angle different from the initial one by adjusting the angle of the nozzle part.
  • 6(b) is a schematic diagram of a process chamber unit included in a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG.
  • the angle of the nozzle was adjusted by the spray angle adjusting unit without the need to rotate the substrate, and the amount of aerosol sprayed by adjusting the angle of the nozzle was adjusted. It was confirmed that the same thickness of the deposition layer was implemented by adjusting the square. Furthermore. It was confirmed that the same thickness of the deposition layer can be realized by adjusting the aerosol spray angle of the spray angle controller even if the substrate is rotated or the position is changed.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a process chamber unit of a plasma powder deposition apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the spray angle of the aerosol is adjusted by a plurality of nozzle parts having different spray angles, without the need to rotate the substrate part in order to deposit the substrate on a large area, and through this, the aerosol is uniformly distributed. Since it is sprayed, it was confirmed that the deposition layer had the same thickness.

Abstract

본 발명은 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것으로, 구체적으로 플라즈마로 분말 입자 표면이 용융되고 상기 분말 입자의 분사각이 조절되거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되도록 구현함으로써, 증착 속도 및 증착층의 치밀도를 향상시키고 응력을 해소하는 동시에 증착층의 두께를 향상시키며, 기재 상의 코팅 두께의 균일도를 향상시키는 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.

Description

플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법
본 발명은 2021년 09월 17일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2021- 10-2021-0125040호의 출원일의 이익 및 2021년 09월 17일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2021-0125039호의 출원일의 이익 각각 모두를 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것으로, 구체적으로 플라즈마로 분말 입자 표면이 용융되고 상기 분말 입자의 분사각이 조절되거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되도록 구현함으로써, 증착 속도 및 증착층의 치밀도를 향상시키고 응력을 해소하는 동시에 증착층의 두께를 향상시키며, 기재 상의 코팅 두께의 균일도를 향상시키는 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마(Plasma)는 Ar, H2, O2 등의 불활성 가스에 매우 높은 온도를 가하여, 가속된 전자의 충돌에 의해 투입된 가스가 이온이나, 전자, 라디칼 등으로 이온화된 상태로서, 이러한 플라즈마 상태에서 발생하는 가스의 이온 또는 라디칼 등이 피처리 재료 표면에 충돌하여 미세 유막 제거, 미세 조도 형성 등, 표면의 물리 화학적인 변화를 유도함으로써 각종 접착 밀착력 향상, 플라스틱 사출 도장의 불량 방지, 각종 코팅 밀착력을 증대 시키는 등의 다양한 역할을 한다.
기존에 플라즈마를 이용하여 증착하는 장치로는 대기압 플라즈마 스프레이(APS, atmospheric plazma spray), 서스펜션(현탄액) 플라즈마 용사(SPS, Suspension plasma spray) 등을 이용하여 왔다. 상기 APS는 분말을 고속으로 분사하기 위하여 분말에 포함되는 입자가 20 ㎛ 이상의 크기를 가져야만 했다. 이러한 고상 과립 분말을 이용하는 경우 고속으로 기재 표면에 분사하여 증착을 할 수 있지만, 상기 APS의 경우 용융되지 않은 큰 입자가 기재의 표면에 증착되는 등의 문제가 발생하고 표면이 고르지 못한 문제점이 있었다. 반면, 이러한 문제를 해결하기 위하여 SPS를 사용하였지만, 상기 분말을 용매에 분산시켜 현탁액을 제조함으로써, 입자의 크기가 작은 분말을 증착에 사용하였다. 그러나 상기 현탁액은 용매를 포함하고 있어 이를 증발시키기 위하여 별도의 에너지가 요구되므로 증착 장치의 에너지 효율이 저하되며 증착 속도가 낮아지는 문제점이 있었다.
이에 대한 개선책으로 입자의 크기가 작은 분말을 별도의 플라즈마 장치를 구비하지 않은 상태에서 단지 분말에 높은 운동에너지를 가하여 증착하는 방법인 AD(Aerosol Deposition)로 해결하였다. 즉, 높은 운동 에너지를 가진 입자들이 기재 표면에 충돌하게 되고, 그 충격으로 인하여 입자의 표면이 국부적으로 가열되어 용융되고 이로 인하여 기재 표면에 증착하게 되는 원리를 이용한 것이다. 그러나, 상기 AD를 이용한 증착층은 응력이 과도하게 내포되며 오랜 시간이 경과하는 경우 상기 응력에 의하여 증착층이 깨지거나 박리되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 증착 속도가 낮아 두꺼운 증착층을 형성하기 위해서는 오랜 시간을 필요로 하거나 제조비용이 급격히 증가하는 문제점이 있었다. 또한, 넓은 면적의 기재 표면을 코팅하기 위해서는 플라즈마 장치에서 분말의 분사 노즐이 고정되어 기재를 이동시키는 것이 필요하였으며, 이로 인하여 기재의 일부분이 균일하게 코팅되지 않으며, 특히 3차원 형상을 갖는 기재의 경우는 일부분이 코팅되지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 증착층의 표면을 고르게 하는 동시에 증착층을 치밀하게 하고 증착 효율을 향상시키며, 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 지나도 변형이 발생하지 않고, 분말이 다양한 각도로 분사되거나 분사각을 달리하도록 노즐 개량하여 넓은 면적을 균일하게 코팅할 수 있는 증착 방법에 대한 개발이 시급한 실정이었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플라즈마를 이용하는 증착 방법에서 발생하는 표면이 고르지 못한 문제와 에어로졸 데포지션(AD)에 따른 증착층의 응력을 효과적으로 감소시키며, 넓은 면적에 균일하게 코팅할 수 있는 플라즈마 분말 증착 장치 및 그를 이용한 증착 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계; 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계; 상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계; 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비된 노즐 부(153)가 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 단계; 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하는 플라즈마 분말 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110); 저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130); 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153)의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고, 상기 노즐 부(153)는 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 것인, 플라즈마 분말 증착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법에 따르면, 증착층의 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 경과하더라도 변형없이 유지할 수 있어 증착된 기재의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 입자크기가 작은 분말을 사용함으로써 증착층의 표면을 고르게 하며, 증착층의 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 마이크로웨이브를 통하여 플라즈마를 발생시켜 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 증착효율을 향상시키는 동시에 증착층의 응력을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 분말을 분사하는 노즐 부의 각도를 조절하거나 분말을 분사하는 각도를 달리하는 복수 개의 노즐 부를 포함하여 상기 에어로졸의 분사각을 조절함으로써, 증착층 즉, 코팅층의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 3차원 형상을 갖는 기재를 증착할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법의 순서도이다.
도 2는 종래기술인 에어로졸 데포지션(AD)에 따라 증착된 결정 조직을 촬영한 투과 전자현미경(TEM, Transmission electron microscopy) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정조직을 촬영한 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 개략도이다.
도 5는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 공정 챔버 유닛의 개략도이다.
[부호의 설명]
100: 플라즈마 분말 증착 장치 110: 이송가스 공급 유닛
111: 파이프 부 130: 분말 공급 유닛
131: 이송관 부 150: 공정 챔버 유닛
151: 기재 부 153: 노즐 부
155: 플라즈마 발생부 155a: 마이크로웨이브 생성기
155b: 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기
157: 분사각 조절부 157a: 분사각 고정기
170: 진공 유닛 180: 로봇 유닛
190: 유량 조절 유닛
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시상태를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시상태에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 본원 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계; 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계; 상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계; 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비된 노즐 부(153)가 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 단계; 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하는 플라즈마 분말 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법에 따르면, 증착층의 응력을 효과적으로 감소시켜 오랜 시간이 경과하더라도 변형없이 유지할 수 있어 증착된 기재의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 입자크기가 작은 분말을 사용함으로써 증착층의 표면을 고르게 하며, 증착층의 치밀도를 향상시킬 수 있다. 나아가, 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시시켜 기재 상에 증착층의 두께를 균일하게 구현하며, 3차원 입체 형상을 갖는 기재에도 증착층을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법의 순서도이다. 상기 도 1을 참고하면, 분말을 준비하는 단계(S11)를 포함할 수 있다. 상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YF3, YOF, YAG(이트륨 알루미늄 가넷, Yttrium aluminium garnet), YSZ(이트리아 안정화 지르코니아, Yttria-stabilized zirconia), W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 분말의 종류를 선택함으로써, 상기 증착층의 기능을 부여하는 동시에 증착층의 응력을 감소시키며, 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 준비된 분말을 분말 공급 유닛(130)에 공급하는 단계(S13)를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 공급 유닛(130)에 상기 분말을 공급함으로써, 후술할 이송가스와 혼합으로 에어로졸을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계(S31)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 및 그 등가물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있지만, 본 발명에서 이송가스의 종류가 한정되지 않는다. 상술한 것으로부터 이송가스가 선택됨으로써, 상기 증착효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 증착과정에서 발생하는 불필요한 부반응을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스는 이송가스 공급 유닛(110)로부터 파이프 부(111)를 통해 분말 공급 유닛(130)로 직접 공급되며, 유량 조절 유닛(190)에 의해 그 유량 및 압력이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스는 이송가스 공급 유닛(110)로부터 직접에 구비되어 분말 공급 유닛(130)로 직접 공급될 수 있으며, 상술한 것과 같이 직접 구비됨으로써, 증착속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계(S15)를 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말과 상기 이송가스가 혼합되어 에어로졸로 구비됨으로써, 상기 증착과정을 효과적으로 제어할 수 있으며, 증착과정에서 요구되는 속도로 피증착물을 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에어로졸은 이송관 부(131)를 통하여 고속으로 공정 챔버 유닛(150)으로 공급될 수 있으며, 상기 이송관 부를 상기 에어로졸이 통과함으로써 증착에 요구되는 분사속도를 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비된 노즐 부(153)가 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 단계(S17) 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)는 상기 이송관 부(131)의 말단에 위치하여 연통되며, 상기 이송관 부(131)를 통과하는 상기 에어로졸을 상기 노즐 부(153)를 통하여 분사할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 이송관 부(131)의 말단에 노즐 부(153)를 구비함으로써 상기 이송관 부를 통과하는 에어로졸의 속도를 극대화할 수 있으며, 상기 노즐을 통하여 상기 에어로졸의 분사 속도 및 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마가 발생되는 노즐 부(153) 말단의 반대측의 말단에 상기 분사각 조절 부(157)가 구비되어 상기 노즐 부의 각도를 조절할 수 있으며, 상기 노즐 부의 각도를 조절함으로써, 상기 에어로졸의 분사각을 조절할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 에어로졸의 분사각을 조절함으로써, 상기 증착층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있으며, 3 차원 형상의 기재를 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송관 부와 연통된 복수 개의 노즐 부(153)를 포함하여 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)에 의해 플라즈마가 발생되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기재 부(151)에 구비된 기재는 세라믹 기판, 유리 기판, 금속 기판일 수 있다. 구체적으로 상기 세라믹 기판은 Al2O3 또는 ZrO2 등의 재질일 수 있으며, 상기 금속 기판은 알루미늄, 스테인리스 스틸, 인코넬(Inconel) 등의 재질일 수 있다. 상술한 것과 같이 기재의 재질을 선택함으로써, 상기 증착층과 기재 사이의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 플라즈마 발생 부(155)가 상기 노즐 부의 외각을 둘러싸일 수 있으며, 일면에 부착되어 구비될 수 있으나, 상기 플라즈마 발생 부가 노즐 부의 외부에 구비될 수 있으면 부착 부위는 제한되지 않는다. 상술한 것과 같이 플라즈마 발생 부가 구비되고 플라즈마 발생 부에 의하여 상기 노즐 부의 말단에서 플라즈마가 발생됨으로써, 상기 분사된 에어로졸에 포함된 분말의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 에어로졸 데포지션에 비하여 증착 속도를 향상시키는 동시에 치밀도 및 표면 고르기를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)는 복수 개이며, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 기재의 일면에 분사되는 에어로졸의 분사량이 균일하도록 상기 노즐 부 각각의 각도 즉, 상기 기재 일면의 가상의 수직선과 형성하는 각도를 달리하도록 구비되며, 상기 복수 개의 노즐 부 각각은 이격하여 구비된다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153)가 배치됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부는 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부가 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비됨으로써, 분말이 상기 플라즈마 발생 부에 의하여 발생된 플라즈마에 지속적으로 노출됨으로, 플라즈마에 의한 분말의 표면 개질을 극대화할 수 있다. 나아가, 분말과 이송가스가 동시에 주입됨으로써 에어로졸의 이동 경로에 추가 장치를 요구하지 않으며, 마이크로웨이브 발생을 위한 방전관, 도파관 등의 구성이 노즐 부의 길이방향으로 존재함으로써, 기기의 소형화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시) 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 마이크로웨이브 즉, 전자파를 생성하여 플라즈마를 생성하는 에너지를 제공할 수 있으며, 적절한 에너지를 제공함으로써 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브 생성기에 의하여 마이크로웨이브가 발생되는 단계(S51)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 마이크로웨이브를 발생시킴으로써, 적절한 에너지를 제공하여 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 발생된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)에 의하여 플라즈마를 생성하는 단계(S53)를 포함한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여 기재에 증착되는 단계(S19)를 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마를 에어로졸이 통과함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있으며, 상기 기재를 향해 분사됨으로써, 기재표면에 증착된 증착층의 표면을 고르게할 수 있으며, 상기 증착층의 치밀도를 향상시키는 동시에 응력을 완화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 노즐 부의 말단에서 플라즈마를 발생시키는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 마이크로웨이브, 즉 전자파에 의하여 플라즈마가 발생하는 경우 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있어 증착효율을 향상시키는 동시에 증착시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부(155)가 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 플라즈마 발생 부의 구조를 단순화하는 동시에 용이하게 에어로졸에 포함된 분말의 입자 표면만을 용융시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하, 2.10 GHz 이상 2.90 GHz 이하, 2.20 GHz 이상 2.80 GHz 이하, 2.30 GHz 이상 2.70 GHz 이하, 또는 2.40 GHz 이상 2.60 GHz 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.45 GHz인 것이 바람직하다. 상술한 범위 내에서 상기 마이크로웨이브의 주파수를 조절함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자의 용융되는 정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.6 kW 이상 3.4 kW 이하, 0.7 kW 이상 3.3 kW 이하, 0.8 kW 이상 3.2 kW 이하, 0.9 kW 이상 3.1 kW 이하, 1.0 kW 이상 3.0 kW 이하, 1.2 kW 이상 2.9 kW 이하, 1.5 kW 이상 2.8 kW 이하, 1.8 kW 이상 2.7 kW 이하, 1.9 kW 이상 2.5 kW 이하, 2.0 kW 이상 2.4 kW 이하, 또는 2.1 kW 이상 2.3 kW 이하일 수 있다. 상술한 범위에서 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력을 조절함으로써, 분말 표면의 용융 저하를 방지하며, 플라즈마의 온도가 낮아짐에 따라 증착층의 적층율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 증착층의 치밀도 즉 조직의 치밀도를 향상시키며, 분말이 과도하게 용융되고 기재의 낮은 온도로 인해 증착 후 급속도로 온도가 저하됨으로써 발생하는 기공형성을 최소화할 수 있으며, 박리문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마를 통과한 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 용융된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 입자의 표면 전체 또는 일부가 용융됨으로써, 에어로졸 데포지션에 따른 증착효과를 누리는 동시에 증착속도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 종래기술인 에어로졸 데포지션에 따라 증착된 결정 조직을 촬영한 TEM 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정조직을 촬영한 TEM 사진이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 에어로졸 데포지션으로 증착한 증착층의 결정 조직과 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법으로 증착된 결정 조직이 동일하여 본 발명은 에어로졸 데포지션의 성질을 동일하게 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 방법은 에어로졸 데포지션에 의하여 형성된 결정 조직과 동일한 것을 확인함으로써, APS(대기압 플라즈마 스프레이)와 다른 미세조직을 갖는 새로운 증착 방법임을 확인하였다. 본 발명의 일 실시상태인 플라즈마 분말 증착 방법은 마이크로웨이브에 의하여 발생된 플라즈마가 상기 분말의 표면을 변화, 즉 용융 시킬 수 있는 에너지를 제공하여 증착층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다, 구체적으로 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.05 μm 이상 24.00 μm 이하, 0.10 μm 이상 20.00 μm 이하, 0.50 μm 이상 15.00 μm 이하, 0.70 μm 이상 10.00 μm 이하, 0.90 μm 이상 5.00 μm 이하, 1.00 μm 이상 4.00 μm 이하, 2.00 μm 이상 3.00 μm 이하일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 분말에 포함된 입자의 입도, 즉 입자 크기를 조절함으로써, 상기 분말을 빠른 속도로 분말 공급 유닛에 공급할 수 있으며, 상기 분말을 포함하는 에어로졸을 기재 표면에 고속으로 분사할 수 있고 상기 분말의 입자 표면만을 용융시킴으로써, 증착층의 치밀도 및 표면의 고르기를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛의 내부는 진공 상태인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 공정 챔버 유닛의 내부는 진공 유닛을 통하여 진공 상태로 유지할 수 있으며, 상술한 것과 같이 진공 상태를 유지함으로써, 분사되는 에어로졸의 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110); 저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130); 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153)의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고, 상기 노즐 부(153)는 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 것인 플라즈마 분말 증착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치(100)에 따르면, 마이크로웨이브를 통하여 플라즈마를 발생시켜 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 증착효율을 향상시키는 동시에 증착층의 응력을 효과적으로 제거할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 따르면, 분말을 분사하는 노즐 부의 각도를 조절하거나 분말을 분사하는 각도를 달리하는 복수 개의 노즐 부를 포함하여 증착층 즉, 코팅층의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 3차원 형상을 갖는 기재를 증착할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 개략도이다. 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)은 이송가스를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 이송가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 및 그 등가물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있지만, 본 발명에서 이송가스의 종류가 한정되지 않는다. 상술한 것으로부터 이송가스가 선택됨으로써, 상기 증착효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 증착과정에서 발생하는 불필요한 부반응을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이송가스 공급 유닛(110)은 파이프 부(111)를 통하여 이송가스를 후술할 분말 공급 유닛(130)에 공급할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 파이프 부(111)를 통하여 이송가스를 후술할 분말 공급 유닛(130)에 공급함으로써, 상기 이송가스와 상기 분말이 포함된 에어로졸을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)은 상기 분말과 상기 이송가스를 포함하는 에어로졸을 형성할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말과 상기 이송가스를 포함하는 에어로졸을 형성함으로써, 상술한 것처럼 입자 표면만이 플라즈마에 의하여 용융될 수 있도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말 공급 유닛(130)은 이송관 부(131)를 연통될 수 있다. 구체적으로 분말 공급 유닛(130)은 이송관 부(131)와 연결되고 에어로졸이 통과할 수 있도록 내부에 유로가 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분말 공급 유닛(130)이 이송관 부(131)와 연통됨으로써, 후술할 노즐 부(153)를 통하여 분사되는 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153)의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)는 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 내부에 상기 이송관 부(131)와 연결되어 이송관 부에 따라 공급되는 에어로졸을 상기 노즐 부(153)를 통하여 분사할 수 있다. 나아가, 공정 챔버 유닛(150)은 내부에 상기 이송관 부(131)와 연결되어 이송관 부에 따라 공급되는 에어로졸을 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각을 통하여 분사할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 노즐 부를 통하여 에어로졸을 분사함으로써 기재의 일 표면에 증착층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 플라즈마 발생 부(155)가 상기 노즐 부의 외각을 둘러싸일 수 있으며, 일면에 부착되어 구비될 수 있으나, 상기 플라즈마 발생 부가 노즐 부의 외부에 구비될 수 있으면 부착 부위는 제한되지 않는다. 상술한 것과 같이 플라즈마 발생 부가 구비되고 플라즈마 발생 부에 의하여 플라즈마가 발생됨으로써, 상기 분사된 에어로졸에 포함된 분말의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 에어로졸 데포지션에 비하여 증착 속도를 향상시키는 동시에 치밀도 및 표면 고르기를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 플라즈마 발생 부(155)가 상기 노즐 부의 외각을 둘러싸일 수 있으며, 일면에 부착되어 구비될 수 있으나, 상기 플라즈마 발생 부가 노즐 부의 외부에 구비될 수 있으면 부착 부위는 제한되지 않는다. 상술한 것과 같이 플라즈마 발생 부가 구비되고 플라즈마 발생 부에 의하여 플라즈마가 발생됨으로써, 상기 분사된 에어로졸에 포함된 분말의 표면만을 용융시킬 수 있으며, 이를 통하여 에어로졸 데포지션에 비하여 증착 속도를 향상시키는 동시에 치밀도 및 표면 고르기를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시) 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시)를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 마이크로웨이브 즉, 전자파를 생성하여 플라즈마를 생성하는 에너지를 제공할 수 있으며, 적절한 에너지를 제공함으로써 상기 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있다. 또한, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기는 상기 플라즈마의 출력 및 위치를 조절함으로써, 상기 분말의 용융정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부는 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부가 상기 노즐 부의 길이방향으로 구비됨으로써, 분말이 상기 플라즈마 발생 부에 의하여 발생된 플라즈마에 지속적으로 노출됨으로, 플라즈마에 의한 분말의 표면 개질을 극대화할 수 있다. 나아가, 분말과 이송가스가 동시에 주입됨으로써 에어로졸의 이동 경로에 추가 장치를 요구하지 않으며, 마이크로웨이브 발생을 위한 방전관, 도파관 등의 구성이 노즐 부의 길이방향으로 존재함으로써, 증착 장치의 소형화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부는 분사되는 상기 에어로졸의 분사각을 조절하도록 상기 노즐 부(151)의 각을 조절하는 분사각 조절 부(157)을 구비한다. 구체적으로 상기 공정 챔버 유닛(150)은 분사되는 상기 에어로졸의 분사각을 조절하도록 상기 노즐 부(151)의 각을 조절하는 분사각 조절 부(157)를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 플라즈마 발생 부는 상기 플라즈마가 발생되는 노즐 부(153) 말단의 반대측의 말단에 상기 분사각 조절 부(157)가 구비되어 상기 노즐 부의 각도를 조절할 수 있으며, 상기 노즐 부의 각도를 조절함으로써, 상기 에어로졸의 분사각을 조절할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 에어로졸의 분사각을 조절함으로써, 상기 증착층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있으며, 3 차원 형상의 기재를 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 노즐 부(153)는 복수 개이며, 상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 기재의 일면에 분사되는 에어로졸의 분사량이 균일하도록 상기 노즐 부 각각의 각도 즉, 상기 기재 일면의 가상의 수직선과 형성하는 각도를 달리하도록 구비되며, 상기 복수 개의 노즐 부 각각은 이격하여 구비된다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153)가 배치됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150)은 기재 부(151)가 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 공정 챔버 유닛(150)은 기재 부(151)를 이용하여 기재를 내부에 고정하여 분사되는 에어로졸이 표면에 증착될 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여 상기 기재 부(151)에 포함된 상기 기재의 일면에 증착되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의하여 발생한 플라즈마를 상기 에어로졸을 통과함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 부분적으로 용융되거나 표면만이 용융될 수 있으며, 상기 기재의 일면에 증착되어 피증착물과 동일한 성질을 갖게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생부(155)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 생성기(155a, 미도시); 및 상기 발생된 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b, 미도시);를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브 생성기는 외부에 전원공급장치(미도시)와 연결되어 마이크로웨이브, 즉 전자파를 형성할 수 있으며, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기는 상기 전자파를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상술한 것과 같이 마이크로웨이브 발생기 및 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기를 포함하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 플라즈마 발생 부(155)가 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마가 발생됨으로써, 분말 입자의 표면만을 용융시킬 수 있도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 발생된 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하, 2.10 GHz 이상 2.90 GHz 이하, 2.20 GHz 이상 2.80 GHz 이하, 2.30 GHz 이상 2.70 GHz 이하, 또는 2.40 GHz 이상 2.60 GHz 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.45 GHz인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 마이크로웨이브의 주파수를 조절함으로써, 상기 에어로졸에 포함된 분말의 입자의 용융되는 정도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력은 0.6 kW 이상 3.4 kW 이하, 0.7 kW 이상 3.3 kW 이하, 0.8 kW 이상 3.2 kW 이하, 0.9 kW 이상 3.1 kW 이하, 1.0 kW 이상 3.0 kW 이하, 1.2 kW 이상 2.9 kW 이하, 1.5 kW 이상 2.8 kW 이하, 1.8 kW 이상 2.7 kW 이하, 1.9 kW 이상 2.5 kW 이하, 2.0 kW 이상 2.4 kW 이하, 또는 2.1 kW 이상 2.3 kW 이하일 수 있다. 상술한 범위에서 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기의 출력을 조절함으로써, 분말 표면의 용융 저하를 방지하며, 플라즈마의 온도가 낮아짐에 따라 증착층의 적층율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 증착층의 치밀도 즉 조직의 치밀도를 향상시키며, 분말이 과도하게 용융되고 기재의 낮은 온도로 인해 증착 후 급속도로 온도가 저하됨으로써 발생하는 기공형성을 최소화할 수 있으며, 박리문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 공정 챔버 유닛(150)에 연통되어 진공 상태로 유지하는 진공 유닛(170);을 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 진공 유닛은 상기 공정 챔버 유닛 내부의 압력을 진공으로 유지함으로써, 분사되는 에어로졸의 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이송가스 공급 유닛(110)과 상기 분말 공급 유닛(130)의 사이에 구비되며, 상기 이송가스의 유량을 조절하는 유량 조절 유닛(190);을 더 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 이송가스 공급 유닛(110)과 상기 분말 공급 유닛(130)의 사이에 유량 조절 유닛이 구비됨으로써, 상기 노즐 부를 통하여 분사되는 에어로졸의 압력 및 분사 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공정 챔버 유닛(150) 내에 구비되며, 상기 기재의 위치를 조절하는 로봇 유닛(180)을 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 로봇 유닛은 공정 챔버 유닛 내에 포함되어 노즐 부(153)에 대향하는 방향으로 구비될 수 있으며, 상기 노즐 부가 고정되는 경우 상기 로봇 유닛이 상기 고정된 기재의 위치를 조절하거나 상기 기재를 회전시킴으로써, 증착되는 면 및/또는 증착되는 증착층의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것일 수 있다, 구체적으로 상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.05 μm 이상 24.00 μm 이하, 0.10 μm 이상 20.00 μm 이하, 0.50 μm 이상 15.00 μm 이하, 0.70 μm 이상 10.00 μm 이하, 0.90 μm 이상 5.00 μm 이하, 1.00 μm 이상 4.00 μm 이하, 2.00 μm 이상 3.00 μm 이하일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 분말에 포함된 입자의 입도를 조절함으로써, 상기 분말을 빠른 속도로 분말 공급 유닛에 공급할 수 있으며, 상기 분말을 포함하는 에어로졸을 기재 표면에 고속으로 분사할 수 있고 상기 분말의 입자 표면만을 용융시킴으로써, 증착층의 치밀도 및 표면의 고르기를 조절할 수 있다.
본 명세서 전체에서, 입도는 상기 분말에 포함된 입자의 입자 크기 분포를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YAG, YF3, YOF, YSZ, W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 분말의 종류를 선택함으로써, 상기 증착층의 기능을 부여하는 동시에 증착층의 응력을 감소시키며, 치밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분사각 조절 부(157)은 상기 노즐 부를 고정하는 분사각 고정기(157a, 미도시)를 더 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 분사각 조절 부가 분사각 고정기를 더 포함함으로써, 특정 부분에 증착층을 두껍게 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비됨으로써, 에어로졸의 분사각을 조절하며 이를 통하여 기재 상의 각 위치에 균일하게 에어로졸을 분사할 수 있어 증착층의 균일한 두께를 구현할 수 있다. 나아가, 3 차원 형상을 갖는 기재에도 증착할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<비교예 1>
도 5는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 5를 참고하면, 상기 도 5 (a)는 고정된 노즐 부가 구비된 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진이다. 상기 도 5(a)와 같이 에어로졸이 특정한 분사각으로 고정되어 있는 것을 확인하였다. 상기 도 5(b)는 종래기술에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 구비된 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 5(b)와 같이 상기 기재를 대면적으로 증착시키기 위하여 상기 기재 부를 회전시켜야 하며, 이 경우 기재의 회전과정에서 외각 부분이 상기 에어로졸이 도달하지 못하거나 중심부에 비하여 충분하지 못한 양의 에어로졸이 분사되어 증착층의 두께가 균일하게 구현되지 않는 것을 확인하였다.
<실시예 1>
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 플라즈마를 분사한 모습을 촬영한 사진 및 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 6을 참고하면, 상기 도 6(a)는 분사각 조절부에 의하여 노즐 부의 각도가 조절되는 플라즈마 분말 증착 장치의 에어로졸을 분사한 모습을 촬영한 사진이다. 상기 도 6(a)와 같이 노즐 부의 각을 조절함으로써 에어로졸이 처음과 다른 분사각으로 조절되는 것을 확인하였다. 상기 도 6(b)는 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치에 구비된 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 6(b)와 같이 상기 기재를 대면적으로 증착시키기 위하여 상기 기재 부를 회전시킬 필요없이, 상기 분사각 조절부로 상기 노즐 부의 각도를 조절하였으며, 상기 노즐 부 각도를 조절하여 분사되는 에어로졸의 분사각을 조절하여 증착층의 두께를 동일하게 구현한 것을 확인하였다. 나아가. 상기 기재를 회전시키거나 위치를 변경하더라도 상기 분사각 조절기의 에어로졸 분사각을 조절함으로써, 증착층의 두께를 동일하게 구현할 수 있음을 확인하였다
<실시예 2>
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 플라즈마 분말 증착 장치의 공정 챔버 유닛의 개략도이다. 상기 도 7을 참고하면, 상기 기재를 대면적으로 증착시키기 위하여 상기 기재 부를 회전시킬 필요없이, 상기 분사각을 달리하는 복수 개의 노즐 부에 의하여 에어로졸의 분사각을 조절되며 이를 통하여 상기 에어로졸이 균일하게 분사되므로 증착층의 두께를 동일하게 구현한 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (24)

  1. 이송가스 공급 유닛(110)에 저장된 이송가스를 파이프 부(111)를 통하여 분말 공급 유닛(130)으로 공급하는 단계;
    상기 분말 공급 유닛(130)에 저장된 분말이 상기 이송가스에 의해 에어로졸로 구비되는 단계;
    상기 에어로졸이 이송관 부(131)를 통하여 공정 챔버 유닛(150)으로 공급되는 단계;
    상기 이송관 부(131)와 연통하여 구비된 노즐 부(153)가 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 단계;
    상기 노즐 부(153)의 외부에 플라즈마 발생 부(155)가 구비되고, 상기 플라즈마 발생 부(155)에 포함된 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)에 의해 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마가 발생되는 단계; 및
    상기 분사된 에어로졸이 상기 플라즈마 발생 부(155)에서 발생된 플라즈마를 통과하여, 기재 부(151)에 구비된 기재의 일면에 증착되는 단계;를 포함하는,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐 부(153)는 분사각 조절 부(157)에 의해 소정의 각으로 조절되어 상기 에어로졸을 분사시키는 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐 부(153)는 복수 개이며,
    상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마를 통과한 에어로졸에 포함된 분말 입자의 표면이 용융된 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛(150)의 내부는 진공 상태인 것인,
    플라즈마 분말 증착 방법.
  11. 이송가스를 포함하며, 파이프 부(111)를 통하여 상기 이송가스를 공급하는 이송가스 공급 유닛(110);
    저장된 분말이 상기 파이프 부(111)로 공급된 이송가스와 혼합되어 에어로졸을 형성하여 이송관 부(131)로 공급하는 분말 공급 유닛(130);
    내부에 상기 이송관 부(131)와 연통되어 에어로졸을 분사하는 노즐 부(153), 상기 노즐 부(153)의 외부에 구비되어 상기 노즐 부(153)의 말단에서 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 부(155) 및 기재 부(151)가 구비된 공정 챔버 유닛(150);을 포함하며,
    분사된 상기 에어로졸이 상기 플라즈마를 통과하여, 상기 기재 부(151)에 포함된 기재의 일면에 증착되는 것이고,
    상기 노즐 부(153)는 분사각을 조절하거나 분사각을 달리하도록 복수 개로 구비되어 상기 에어로졸을 분사시키는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛(150)은 분사되는 상기 에어로졸의 분사각을 조절하도록 상기 노즐 부(151)의 각을 조절하는 분사각 조절 부(157)를 더 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 노즐 부(153)는 복수 개이며,
    상기 복수 개의 노즐 부(153)는 상기 에어로졸의 분사각을 달리하도록 이격하여 구비된 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 생성기(155a); 및 상기 발생된 마이크로웨이브에 의하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b);를 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 부(155)는 상기 노즐 부(153)의 길이방향으로 구비되는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 발생된 마이크로웨이브의 주파수는 2.00 GHz 이상 3.00 GHz 이하인 것인
    플라즈마 분말 증착 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 생성기(155b)의 출력은 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛에 연통되어 진공 상태로 유지하는 진공 유닛(170);을 더 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 공정 챔버 유닛 내에 구비되며, 상기 기재의 위치를 조절하는 로봇 유닛(180)을 더 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 이송가스 공급 유닛과 상기 분말 공급 유닛의 사이에 구비되며, 상기 이송가스의 유량을 조절하는 유량 조절 유닛(190);을 더 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  21. 청구항 11에 있어서,
    상기 분말에 포함된 입자의 입도는 0.01 μm 이상 25.00 μm 이하인 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  22. 청구항 11에 있어서,
    상기 분말은 Al2O3, Al, Y, AlN, Y2O3, YAG, YF3, YOF, YSZ, W, WO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  23. 청구항 12에 있어서,
    상기 분사각 조절 부(157)은 상기 노즐 부를 고정하는 분사각 고정기(157a)를 더 포함하는 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
  24. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수 개의 노즐 부(153) 각각은 기재 일면의 가상의 수직선에 대하여 상이한 각을 형성하도록 구비된 것인,
    플라즈마 분말 증착 장치.
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