KR101986306B1 - 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치 및 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법 - Google Patents

진공 서스펜션 플라즈마 용사장치 및 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치 및 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법에 관한 것이고, 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부의 압력을 10 내지 500mbar로 유지하도록 하는 압력조절장치; 상기 진공 챔버에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 분사구를 포함하는 플라즈마 건; 상기 플라즈마 건에서 분사된 플라즈마에 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐; 및 상기 드립프리아토마이징 노즐에 연통되고, 상기 드립프리아토마이징 노즐에 서스펜션을 공급하는 서스펜션 공급부;를 포함하고, 상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 서스펜션 플라즈마 용사장치 및 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법{VACUUM SUSPENSION PLASMA SPRAY APARATTUS AND VACUUM SUSPENSION PLASMA SPRAY METHOD}
본 발명은 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치 및 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법에 관한 것이다.
세라믹은 금속원소가 비금속원소와 결합해 만드는 물질을 의미하며 크게 산화물계 세라믹과 비산화물계 세라믹으로 구분된다. 세라믹은 우수한 기계적 특성(강도, 경도 등), 높은 내열특성(고온 안정성, 단열성 등), 특이한 전자적 특성(유전성, 절연성, 반도성, 압전성 등), 자기적성질(강자성, 상자성 등), 광학적특성(투광성, 흡광성 등), 화학적특성(내식성 등) 등을 가지고 있어 현대문명의 발전에 없어서는 안되는 대표적인 소재이다. 세라믹은 금속이나 고분자재료에 비하여 깨지기 쉬우며 또한 성형이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 세라믹 소재를 다양한 수단으로 코팅하는 기술이 활발히 개발되고 있다.
세라믹을 원하는 피코팅물에 직접 코팅하는 방법에는 PVD, CVD, 에어로졸 데포지션, 플라즈마 용사 등 종류가 다양하다. PVD나 CVD법은 주로 DLC, TiN, CrN , ZrO2 등의 세라믹을 절삭공구나 마모가 빈번한 부품에 표면에 코팅하는 방법으로서 코팅의 조성, 결정성 등을 제어할 수 있는 장점이 있다. 내마모 부품 이외에도 응용범위에 따라 반도체, 태양전지 디스플레이용 코팅, 광학용 코팅 등 다양한 코팅에 적용이 가능한 장점이 있다. 통상 코팅두께는 박막이라 불리우는 2-5㎛범위이며 이 보다 두꺼운 코팅도 가능하나, 여기에는 상당히 많은 시간과 특수한 공정이 요구되는 문제가 있다.
에어로졸 데포지션 방법은 (KR 10-0818188) 미세한 세라믹 분말을 운송가스에 실어 기판에 분사, 코팅을 형성하는 것으로서, 분당 180㎛ 정도의 고속 코팅이 가능하고 치밀하고 균열이 없는 코팅을 형성할 수 있으나 코팅이 가능한 분말의 종류가 한정되어 있고, 전술의 경우와 마찬가지로 코팅두께가 수 ㎛에 국한되는 문제를 가지고 있다.
플라즈마 용사법은 분말상의 재료를 고온 고속의 플라즈마 화염을 이용하여 순간적으로 용융시키고 고속으로 기판에 충돌시켜 급냉 응고된 코팅을 형성하는 기술이다. 이 방법을 이용하면 금속, 세라믹, 금속간 화합물 등의 광범위한 재료를 고속으로 수 mm까지 두껍게 코팅이 가능한 장점이 있다. 용사법은 전술한 바와 같이 고에너지 화염에 분말상의 재료를 외부로부터 투입하여 용융 및 가속을 시켜야 하는 공정의 특성상, 치밀/균일한 코팅 및 빠른 코팅을 위해서는 크기가 작은 용사분말이 요구된다. 하지만 분말의 크기가 작아질수록 분말의 이송과정에서 뭉치거나 엉기는 등 유동성이 낮아져, 균일한 코팅이 이루어지지 않는다는 문제가 있었다.
한국 등록 특허 공보 KR 10-0818188
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 용사분말의 크기가 작은 경우 분말이 이송과정에서 뭉치거나 엉기는 등 유동성이 낮아져, 균일한 코팅이 어렵고, 또한 미세분말을 함유한 서스펜션을 대기중에서 용사 코팅할 경우 에너지 저하 및 산화를 유발하는 문제를 해결하여, 치밀하고 두꺼운 코팅을 단시간 내에 형성하는, 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부의 압력을 10 내지 500mbar로 유지하도록 하는 압력조절장치; 상기 진공 챔버에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 분사구를 포함하는 플라즈마 건; 상기 플라즈마 건에서 분사된 플라즈마에 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐; 및 상기 드립프리아토마이징 노즐에 연통되고, 상기 드립프리아토마이징 노즐에 서스펜션을 공급하는 서스펜션 공급부;를 포함하고, 상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 드립프리아토마이징 노즐은, 서스펜션 공급관, 기체 공급관, 상기 서스펜션 공급관에서 서스펜션이 공급되는 것을 차단하는 서스펜션 차단부, 상기 서스펜션 공급관에서 공급되는 서스펜션 및 상기 기체 공급관에서 공급되는 기체가 혼합 분사되는 배출구,를 포함하고, 상기 서스펜션 차단부는 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 흐르도록 열린 상태(On-state)가 되고, 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되지 않는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 차단되도록 닫힌 상태(Off-state)가 될 수 있다.
또한, 상기 드립플리아토마이징 노즐의 서스펜션 배출구 직경은 100 내지 1000㎛일 수 있다.
또한, 상기 서스펜션 공급부의 서스펜션 공급 유량은 1g/min 내지 2000g/min 일 수 있다.
또한, 상기 서스펜션 공급부는 서스펜션 유량을 조절하는 유량조절장치 및 서스펜션 유량을 계측하는 유량계측장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 서스펜션 공급부로부터 서스펜션이 공급되지 않는 경우에는 상기 진공 챔버 및 서스펜션 공급부를 차단하는 차단부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법은 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용하여 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 서스펜션 및 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판을 진공 챔버에 배치하는 단계; 및 기 서스펜션을 플라즈마에 공급하고, 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치는 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐을 포함한다.
또한, 상기 분말의 직경은 10 내지 1000nm일 수 있다.
본 발명은 나노미터 크기의 금속 또는 산화물계 세라믹 또는 비산화물계 세라믹 분말을 용매에 분산시킨 서스펜션을, 대기압 보다 낮은 압력을 가진 진공플라즈마 용사챔버 내부에, 일정한 양이 되도록 유량을 제어하며 공급하여 플라즈마 화염에 주입시킨 후, 플라즈마 화염에 의해 서스펜션의 분해, 고상입자의 가열 및 용융하여, 공급된 서스펜션의 가속을 통해, 진공 또는 불활성 분위기 하에서 치밀하고 두꺼운 코팅을 단시간 내에 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법은, 기존 수-수백 ㎛ 크기가 아닌 1㎛ 이하의 용사분말 미세입자를 서스펜션으로 이송하므로, 미세분말을 과립화할 필요가 없으며, 과립화된 고융점 분말들의 중심부 미용융에 기인된 불균일 코팅형성이 억제되고, 미세하고 치밀한 코팅 형성이 가능한 장점이 있다. 또한 기존 진공플라즈마 용사장치를 그대로 사용하여 나노미터 크기의 미세분말을 진공 또는 불활성 분위기 하에서 플라즈마 화염에 직접 투입하여, 용융 가속시켜 기판과 충돌, 적층이 이루어지게 되므로 대기중의 산소 등 불순물과의 반응이 억제되어 경제적으로 고품위 치밀 코팅이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치의 구조도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치의 드립프리아토마이징 노즐의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치에서 분사되는 플라즈마와 드립프리아토마이징 노즐에 의해 공급되는 서스펜션을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 5는 실시 예 1에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다.
도 6은 실시 예 2에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다.
도 7은 실시 예 3에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다.
도 8은 실시 예 4에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사장치
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치의 구조도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치(1000)는 진공 챔버(1100); 상기 진공 챔버(1100) 내부의 압력을 10 내지 500mbar로 유지하도록 하는 압력조절장치(1200); 상기 진공 챔버(1100)에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 분사구를 포함하는 플라즈마 건(1300); 상기 플라즈마 건(1300)에서 분사된 플라즈마에 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐(1400); 및 상기 드립프리아토마이징 노즐(1400)에 연통되고, 상기 드립프리아토마이징 노즐(1400)에 서스펜션을 공급하는 서스펜션 공급부(1500);를 포함한다.
상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 진공 챔버는 진공 서스펜션 플라즈마 용사를 수행하기 위한 공간으로써, 내부 대기가 10 내지 500mbar 의 압력으로 제어될 수 있다. 또한, 상기 진공 챔버는 진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 때 대기에 의한 영향을 최소화하기 위해 불활성 분위기인 아르곤, 헬륨 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 분위기로 제어될 수 있다.
상기 진공 챔버 내부의 압력이 10mbar 미만인 경우 플라즈마 챔버 내의 분위기를 유지하는데 많은 에너지가 필요할 수 있고, 상기 진공 챔버 내부의 압력이 500mbar를 초과하는 경우 플라즈마 화염의 작은 크기로 인해 코팅층의 균일도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.
상기 분말의 직경은 10 내지 1000nm일 수 있다.
상기 분말의 직경이 10nm이하인 경우, 입자의 운동에너지가 낮고, 10nm 크기의 분말을 제조하는 데 어려움이 있다는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 상기 분말의 직경이 1000nm를 초과하는 경우 분말이 조대하여 치밀한 박막이 형성되지 않을 수 있다.
상기 플라즈마 건은 상기 진공 챔버에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 플라즈마 분사구를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생부는 플라즈마를 발생시키기 위한 음극 및 양극을 포함하고, 상기 플라즈마 발생부로 플라즈마를 발생시키는 주류가스가 주입될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치의 드립프리아토마이징 노즐의 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 드립프리아토마이징 노즐(1400)은, 서스펜션 공급관(1410), 기체 공급관(1420), 상기 서스펜션 공급관(1410)에서 서스펜션이 공급되는 것을 차단하는 서스펜션 차단부(1430), 상기 서스펜션 공급관(1410)에서 공급되는 서스펜션 및 상기 기체 공급관(1420)에서 공급되는 기체가 혼합 분사되는 배출구(1440),를 포함하고, 상기 서스펜션 차단부는 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 흐르도록 열린 상태(On-state)가 되고, 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되지 않는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 차단되도록 닫힌 상태(Off-state)가 될 수 있다.
상기 서스펜션 공급관(1410)은 서스펜션 공급부와 연통되어 서스펜션을 공급할 수 있다. 상기 기체 공급관은 상기 서스펜션에서 공급되는 서스펜션을 제어된 유량 및 속도로 배출하기 위해 기체를 공급할 수 있으며, 상기 기체 공급관은 에어펌프와 같은 장치와 연결될 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐의 서스펜션 배출구 직경은 100 내지 1000㎛일 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐의 서스펜션 배출구 직경은 100㎛ 미만인 경우 서스펜션 유량을 높이기 어려운 단점이 있을 수 있고, 상기 드립프리아토마이징 노즐의 서스펜션 배출구 직경이 1000㎛를 초과하는 경우에는 서스펜션 유량조절장치의 제어 용량을 초과하며, 설령 공급되더라도 입자의 양이 많기 때문에 균일하게 코팅하는 것이 어려울 수 있다.
상기 서스펜션 공급부의 서스펜션 공급 유량은 1g/min 내지 2000g/min 일 수 있다.
상기 서스펜션 공급부의 서스펜션 공급 유량이 1g/min인 경우 코팅 효율 저하로 생산성이 저하될 수 있고, 상기 서스펜션 공급부의 서스펜션 공급 유량이 2000g/min을 초과하는 경우 서스펜션 유량조절장치의 제어 용량을 초과하며, 설령 공급되더라도 입자의 양이 많기 때문에 균일하게 코팅하는 것이 어려울 수 있다.
상기 서스펜션 공급부는 서스펜션 유량을 조절하는 유량조절장치(1600) 및 서스펜션 유량을 계측하는 유량계측장치(1700)를 더 포함할 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 서스펜션 공급부로부터 서스펜션이 공급되지 않는 경우에는 상기 진공 챔버 및 서스펜션 공급부를 차단하는 차단부재를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치에서 분사되는 플라즈마와 드립프리아토마이징 노즐에 의해 공급되는 서스펜션을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 플라즈마 건에서 분사된 플라즈마(100)에 서스펜션(200)을 공급하도록 배치될 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐을 통해 서스펜션(200)을 공급하여 플라즈마 화염(100)에 주입시킨 후, 플라즈마 화염(100)에 의해 서스펜션(200)의 분해, 고상입자(210)의 가열 및 용융, 용매(220)의 휘발, 용융액적의 가속이 이루어져, 진공 또는 불활성 분위기 하에서 치밀하고 두꺼운 코팅을 단시간 내에 형성할 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션 공급부와 연통되고, 상기 서스펜션 공급부로부터 공급된 서스펜션을 플라즈마에 설정된 유량으로 공급하도록 구성될 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션을 제어된 유량 및 제어된 형상으로 공급할 수 있다. 상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션을 연속된 형태로 플라즈마에 공급하는 것이 아니고, 바람직하게 분리된 물방울 또는 액적 형태로 플라즈마에 공급할 수 있다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사방법
도 4는 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법은 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용하여 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 서스펜션 및 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판을 진공 챔버에 배치하는 단계; 및 기 서스펜션을 플라즈마에 공급하고, 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치는 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐을 포함한다.
먼저, 서스펜션 및 기판을 준비하는 단계를 설명한다.
상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 분말의 직경은 10 내지 1000nm일 수 있다.
상기 분말의 직경이 10nm이하인 경우, 입자의 운동에너지가 낮고, 10nm 크기의 분말을 제조하는 데 어려움이 있을 수 있다. 또한, 상기 분말의 직경이 1000nm를 초과하는 경우 분말이 조대하여 치밀한 박막이 형성되지 않을 수 있다.
상기 기판은 세라믹 기판, 금속 기판 또는 복합재 기판 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 기판의 형상도 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 기판을 진공 챔버에 배치하는 단계를 설명한다.
상기 진공 챔버는 진공 서스펜션 플라즈마 용사를 수행하기 위한 공간으로써, 내부 대기가 10 내지 500mbar 의 압력으로 제어될 수 있다. 또한, 상기 진공 챔버는 진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 때 대기에 의한 영향을 최소화하기 위해 불활성 분위기인 아르곤, 헬륨 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 분위기로 제어될 수 있다.
상기 진공 챔버 내부의 압력이 10mbar 미만인 경우 플라즈마 챔버 내의 분위기를 유지하는데 많은 에너지가 필요할 수 있고, 상기 진공 챔버 내부의 압력이 500mbar를 초과하는 경우 플라즈마 화염의 작은 크기로 인해 코팅층의 균일도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.
상기 플라즈마 건은 상기 진공 챔버에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 플라즈마 분사구를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생부는 플라즈마를 발생시키기 위한 음극 및 양극을 포함하고, 상기 플라즈마 발생부로 플라즈마를 발생시키는 주류가스가 주입될 수 있다.
상기 기판은 상기 진공 챔버에서 플라즈마에 대응되도록 배치될 수 있다. 상기 기판은 기판 제어 수단에 의해 일정한 속도로 회전을 할 수 있고, 이를 통해 균일한 코팅층을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치의 센스펜션 공급부를 이용하여 상기 서스펜션을 진공 플라즈마 용사를 수행하여 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계를 설명한다.
상기 진공 플라즈마 용사장치는 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐을 포함한다.
상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 플라즈마 건에서 분사된 플라즈마에 서스펜션을 공급하도록 배치될 수 있다. 상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션 공급부와 연통되고, 상기 서스펜션 공급부로부터 공급된 서스펜션을 플라즈마에 설정된 유량으로 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 드립프리아토마이징 노즐(1400)은, 서스펜션 공급관(1410), 기체 공급관(1420), 상기 서스펜션 공급관(1410)에서 서스펜션이 공급되는 것을 차단하는 서스펜션 차단부(1430), 상기 서스펜션 공급관(1410)에서 공급되는 서스펜션 및 상기 기체 공급관(1420)에서 공급되는 기체가 혼합 분사되는 배출구(1440),를 포함하고, 상기 서스펜션 차단부는 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 흐르도록 열린 상태(On-state)가 되고, 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되지 않는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 차단되도록 닫힌 상태(Off-state)가 될 수 있다.
상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션을 제어된 유량 및 제어된 형상으로 공급할 수 있다. 상기 드립프리아토마이징 노즐은 서스펜션을 연속된 형태로 플라즈마에 공급하는 것이 아니고, 바람직하게 분리된 물방울 또는 액적 형태로 플라즈마에 공급할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예를 따르는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법은 별도의 과립화가 필요하지 않고, 서스펜션의 분해, 고상입자의 가열 및 용융, 용융액적의 가속이 이루어져 치밀하고 두꺼운 코팅을 단시간 내에 형성할 수 있다.
실시 예
실시 예 1
서스펜션 준비
에탄올 용매에 평균 입도 200nm 크기 분포를 갖는 8wt% YSZ 상용 분말(Northwest Mettech Corp.)을 10wt%의 농도에 맞게 투입하고, 교반기를 사용하여 YSZ 분말이 고르게 분산된 서스펜션을 준비하였다.
기판 준비
진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 기판으로 Ni 계열 초내열합금 기판을 준비하였다. 상기 Ni 계열 초내열합금 기판 상에 결합 코팅층으로 NiCoCrAlY(Oerlikon Metco, 입자 크기 40μm, 조성 Co 18.0 - 26.0, Cr 13.0 - 21.0, Al 10.0 - 15.0, Y 0.1 - 1.0 및 잔여 Ni) 분말을 이용하여 NiCoCrAlY 층을 200 μm의 두께로 증착하였다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사층 형성
1000mbar의 압력으로 질소 분위기로 조절된 진공 챔버에 앞서 준비된 기판을 배치하였다.
상기 진공 챔버에 플라즈마 건을 배치하고, 상기 플라즈마 건에 아르곤 및 수소를 주류가스로 주입하여 플라즈마를 생성하였다. 상기 챔버의 압력이 400mbar로 유지되도록 분위기가스의 유량을 조절하고, 플라즈마 건과 기판의 거리는 80mm로 조절하였다.
상기 생성된 플라즈마에 앞서 준비된 서스펜션을 50g/min의 유량으로 공급하면서 YSZ 코팅층을 100μm의 두께로 형성하였다.
도 5는 실시 예 1에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다. 도 5를 참조하면, YSZ 코팅층이 상기 NiCoCrAlY 접합층 상에 조밀하게 코팅된 것을 알 수 있다.
실시 예 2
서스펜션 준비
에탄올 용매에 평균 입도 200nm 크기 분포를 갖는 8wt% YSZ 상용 분말(Northwest Mettech Corp.)을 10wt%의 농도에 맞게 투입하고, 교반기를 사용하여 YSZ 분말이 고르게 분산된 서스펜션을 준비하였다.
기판 준비
진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 기판으로 Ni 계열 초내열합금 기판을 준비하였다. 상기 Ni 계열 초내열합금 기판 상에 결합 코팅층으로 NiCoCrAlY 층을 200 μm 의 두께로 증착하였다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사층 형성
상기 실시 예 1에서 진공 플라즈마 용사 압력을 250mbar로 조절하고, 상기 플라즈마 건과 기판과의 거리를 70mm로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시 예 1과 동일한 조건으로 거쳐서 YSZ 코팅층을 150μm의 두께로 형성하였다.
도 6은 실시 예 2에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다. 도 6을 참조하면, YSZ 코팅층이 상기 NiCoCrAlY 접합층 상에 조밀하게 코팅된 것을 알 수 있다.
실시 예 3
서스펜션 준비
에탄올 용매에 평균 입도 200nm 크기 분포를 갖는 8wt% YSZ 상용 분말(Northwest Mettech Corp.)을 10wt%의 농도에 맞게 투입하고, 교반기를 사용하여 YSZ 분말이 고르게 분산된 서스펜션을 준비하였다.
기판 준비
진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 기판으로 Ni 계열 초내열합금 기판을 준비하였다. 상기 Ni 계열 초내열합금 기판 상에 결합 코팅층으로 NiCoCrAlY 층을 200μm의 두께로 증착하였다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사층 형성
상기 실시 예 1에서 진공 플라즈마 용사 압력을 100mbar로 조절하고, 상기 플라즈마 건과 기판과의 거리를 90mm로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시 예 1과 동일한 과정을 거쳐서 YSZ 코팅층을 50μm의 두께로 형성하였다.
도 7은 실시 예 3에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다. 도 7을 참조하면, YSZ 코팅층이 상기 NiCoCrAlY 접합층 상에 조밀하게 코팅된 것을 알 수 있다.
실시 예 4
서스펜션 준비
에탄올 용매에 평균 입도 200nm 크기 분포를 갖는 8wt% YSZ 상용 분말(Northwest Mettech Corp.)을 25wt%의 농도에 맞게 투입하고, 교반기를 사용하여 YSZ 분말이 고르게 분산된 서스펜션을 준비하였다.
기판 준비
진공 서스펜션 플라즈마 용사가 수행될 기판으로 Ni 계열 초내열합금 기판을 준비하였다. 상기 Ni 계열 초내열합금 기판 상에 결합 코팅층으로 NiCoCrAlY 층을 200μm의 두께로 증착하였다.
진공 서스펜션 플라즈마 용사층 형성
상기 실시 예 1에서 서스펜션의 YSZ 무게 함량의 변화이외에는 동일한 조건을 통해서 YSZ 필름을 270㎛의 두께로 형성하였다.
도 8은 실시 예 4에 의해 형성된 진공 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 표면 및 측단면을 촬영한 것이다. 도 8을 참조하면, YSZ 코팅층이 상기 NiCoCrAlY 접합층 상에 조밀하게 코팅된 것을 알 수 있다.
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본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1000: 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치
1100: 진공 챔버
1200: 압력조절장치
1300: 플라즈마 건
1400: 드립프리아토마이징 노즐
1410: 서스펜션 공급관 1420: 기체 공급관
1430: 서스펜션 차단부 1440: 서스펜션 배출구
1500: 서스펜션 공급부
1600: 유량조절장치
1700: 유량계측장치
100: 플라즈마
200: 서스펜션
210: 입자 220: 용매

Claims (8)

  1. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내부의 압력을 10 내지 500mbar로 유지하도록 하는 압력조절장치;
    상기 진공 챔버에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부 및 상기 발생된 플라즈마를 분사하는 분사구를 포함하는 플라즈마 건;
    상기 플라즈마 건에서 분사된 플라즈마에 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐; 및
    상기 드립프리아토마이징 노즐에 연통되고, 상기 드립프리아토마이징 노즐에 서스펜션을 공급하는 서스펜션 공급부;를 포함하고,
    상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠, 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 노즐 내부에, 서스펜션 공급관, 기체 공급관, 서스펜션이 노즐 외부로 배출되는 것을 차단하는 서스펜션 차단부, 상기 서스펜션 공급관에서 공급되는 서스펜션 및 상기 기체 공급관에서 공급되는 기체가 혼합 분사되는 배출구,를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서스펜션 차단부는 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 흐르도록 열린 상태(On-state)가 되고, 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되지 않는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 차단되도록 닫힌 상태(Off-state)가 되는 것을 특징으로 하는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 드립프리아토마이징 노즐의 서스펜션 배출구 직경은 100 내지 1000㎛인 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서스펜션 공급부의 서스펜션 공급 유량은 1 내지 2000g/min인 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서스펜션 공급부는 서스펜션 유량을 조절하는 유량조절장치 및 서스펜션 유량을 계측하는 유량계측장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 서스펜션 공급부로부터 서스펜션이 공급되지 않는 경우에는 상기 진공 챔버 및 서스펜션 공급부를 차단하는 차단부재를 더 포함하는 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치.
  7. 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용하여 코팅층을 형성하는 방법에 있어서,
    서스펜션 및 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판을 진공 챔버에 배치하는 단계; 및
    상기 서스펜션을 플라즈마에 공급하고, 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 서스펜션은 분말 및 용매의 혼합체이고, 상기 분말은 금속 분말, 산화물계 세라믹 분말 및 비산화물계 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 물, 알코올, 벤젠 또는 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 진공 서스펜션 플라즈마 용사장치는 서스펜션을 공급하도록 배치된 드립프리아토마이징 노즐을 포함하고, 상기 드립프리아토마이징 노즐은 상기 노즐 내부에, 서스펜션 공급관, 기체 공급관, 서스펜션이 노즐 외부로 배출되는 것을 차단하는 서스펜션 차단부, 상기 서스펜션 공급관에서 공급되는 서스펜션 및 상기 기체 공급관에서 공급되는 기체가 혼합 분사되는 배출구,를 포함하고, 상기 서스펜션 차단부는 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 흐르도록 열린 상태(On-state)가 되고, 상기 기체 공급관에서 기체가 공급되지 않는 경우 상기 서스펜션 공급관에서 상기 배출구로 서스펜션이 차단되도록 닫힌 상태(Off-state)가 되는 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분말의 직경은 10 내지 1000nm인 진공 서스펜션 플라즈마 용사방법.
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