KR101642364B1 - 금속 스트립에 합금 코팅을 증착시키기 위한 산업용 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기판(7)에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 진공 증착 설비에 관한 것으로, 상기 설비에는 증기 발생기/혼합기가 구비되고, 상기 증기 발생기/혼합기는, 외부 환경에 대해 여전히 근본적으로 실링되면서, 외부 환경에 대해 그 내부에 진공 상태를 생성하기 위한 수단 및 상기 기판(7)의 출입을 위한 수단이 제공된 인클로저 형태의 진공 챔버(6)를 포함하고, 상기 인클로저는 기판(7)의 표면을 향하며 상기 기판의 표면에 수직으로 음속으로 금속 합금 증기의 제트를 생성하도록 구성된, 이젝터(3)라 불리우는 증기 증착 헤드를 포함하고, 상기 이젝터(3)는 액체 형태의 상이한 금속(M1, M2)을 포함하는 적어도 두 도가니(11, 12)에 상류측으로 그 자체가 각각 연결된 개별 혼합 장치(14)와 실링 연통되고, 각 도가니(11, 12)는 그 자신의 파이프(4, 4')에 의해 상기 혼합기(14)에 연결된다.

Description

금속 스트립에 합금 코팅을 증착시키기 위한 산업용 증기 발생기{INDUSTRIAL VAPOUR GENERATOR FOR DEPOSITING AN ALLOY COATING ON A METAL STRIP}

본 발명은, 양호한 인발(drawing)과 용접성(weldability)을 유지하면서 우수한 내식성을 부여하도록, 기판의 표면에 금속 합금층을 형성하기 위해 금속 증기를 이용하여 움직이는 기판, 보다 구체적으로 금속 스트립(metal strip)을 연속적으로 진공 코팅하기 위한 산업용 증기 발생기(vapor generator)에 관한 것이다.

1980년대 말 이후, 스틸 스트립의 표면에 ZnMg와 같은 소정의 합금을 증착시키면 스틸 보호의 역할을 한다는 것이 알려져 있다. 상기 ZnMg 합금의 우수한 내식성은 장벽 필름으로서 작용하는 고밀도층으로 상기 스트립의 표면에 형성된 천연의 부식 생성물에서 비롯된다.

일반적으로, 이러한 합금 증착은 소정의 구성 한계 내에서 전해 증착, 용융 도금(hot dipping) 등과 같은 통상적인 기술에 의해서만 가능하다. 따라서, 대기압에서, 공기 중의 산소에 의해 액체 금속 배스(bath)의 오염이 발생할 수 있고, 이는 상기 배스의 표면에 산화물을 형성한다.

연장된 두께 및 구성 범위를 얻고자 하면, 오직 가능한 통상의 해법은 순수한 형태이거나 합금 형태인 액체 금속의 진공 증발 건조(vacuum evaporation)인 경우가 종종 있다 {PVD 기술, 압력 기상 증착(Pressure Vapor Deposition)}.

이러한 기술과 관련하여, 저온에서 유지되며 용융 금속의 도가니(crucible)를 포함하는 진공 인클로저에 상기 기판을 위치시키는 것이 알려져 있다. 이때, 상기 증착은 금속 증기의 온도보다 낮은 온도를 갖는 모든 벽에서 이루어진다. 상기 기판에 증착량을 증가시키면서 낭비되는 것을 방지하기 위하여, 상기 인클로저의 벽을 가열하는 것이 유용하다.

문헌 WO-A-97/47782호에는, 진공 인클로저에서 코팅 금속에 의해 형성된 배스를 포함하는 도가니를 유도 가열함으로써 금속 증기가 발생되는, 움직이는 기판을 연속적으로 코팅하기 위한 방법이 기재되어 있다. 코팅될 기판의 표면을 향해 제트(jet; 분출)를 형성하기 위하여, 바람직하게는 캘리브레이트된 출구 오리피스를 향하는 파이프를 통해 상기 증기가 도가니에서 빠져나온다. 좁은 단면을 갖는 길이방향 슬롯 형태의 오리피스를 사용하면, 상기 슬롯(소닉 스로트(sonic throat))을 따라 일정한 음속으로 증기 질량 유량을 조절하는 것이 가능하고, 이는 균일한 증착을 얻을 수 있는 장점을 갖는다. 이후, 이러한 기술은 약자 "JVD"(Jet Vapor Deposition; 제트 기상 증착)를 이용하는 것으로 지정될 것이다.

그러나, 이러한 기술은 다수의 결함을 갖고, 특히 그 결함은 다음과 같다.

- 액체 금속의 일정한 공급은 하나 또는 다수의 지점에서 용기로 그 복귀를 제공하는 것을 수반하고;

- 상기 액체 금속은 불순물을 포함하고, 증발 후에 배스의 표면 위에 이러한 불순물이 농축되며 이는 유량을 감소시킨다. 상기 배스의 균일함은 균일한 증착을 얻는데 필수적이다. 이는 어느 위치에 차가운 액체를 제공하는 것을 수반하는데 반하여 다른 위치에서는 사용된 액체를 제거한다. 한가지 해법은 표면을 닦아내거나 로드를 재생하는 것이지만, 임의의 기계적 작동은 진공에서 더 어려워지고;

- 가변적인 대역폭에 증발 슬롯을 적용하는데 어려움으로 인해 상기 슬롯의 양 측면에 은폐 수단이 수반되고, 이에 따라 700℃ 및 진공 하에서의 증기 실링의 생성은 쉽지 않고;

- 스트립의 이동이 중단된 경우에 상기 슬롯을 감추는데 어려움이 있고, 이는 통상적으로 2m 이상의 길이에 걸쳐 실링 라이너 밸브의 존재를 수반하고;

- 시스템의 주요한 열 관성(적어도 수 분)이 있고;

- 진공 유도에 의해 발생된 가열은 모든 가열 전력을 진공의 실링 벽을 통해 전기 커넥터를 거쳐 통과하는 것을 필요로 하며, 이는 설비에 대한 접근 및 정비성을 곤란하게 한다.

또한, 이러한 기술 상태는 기화기로부터 나오는 두 제트의 혼합을 포함하는, 두 개의 다른 금속의 공동 증착을 수행하는데 필요힌 만족스러운 해법을 제공하지 않는다. 배플(baffle)을 갖는 중간 혼합 박스의 사용은 충분하게 확실한 해법을 제공하지 못한다.

스트립에 합금 코팅을 증착시키기 위해 진행되는 첫 번째 방식은 아연과 같은 제 1 금속 층을, 예를 들어 용융 도금, 전해, 또는 진공 마그네트론 스프레이(vacuum magnetron spraying) 방법에 의해 먼저 증착시킨 후에, 알루미늄과 같은 제 2 금속 층을, 예를 들어 진공 상태에서 증착시켜서, 최종적으로 합금을 생성하는 열확산 처리, 예를 들어 저온 어닐링을 수행하는 것이다.

이러한 방법의 이점은 단계적인 규정을 고려하여 간단한 디자인을 갖는다는 것이다.

그러나, 첫 번째 단점은 상기 방법의 단계들이 증가하여 비용이 상승하는 것이다. 특히, 열확산 처리는 상당한 양의 에너지를 소모한다. 예를 들어, 코팅의 상대적인 두께가 1%이면, 필요한 에너지는 완성된 생성물의 전체 두께, 즉 100%로 제공되어야 하고, 이는 산업용 라인을 위한 수배의 메가와트에 대응한다.

따라서, 문헌 WO-A-02/14573호에는 용융 도금 또는 전기 아연 도금(electro-galvanizing) 방법에 의해 얻어진 베이스 아연 플레이트 코팅(base zinc plated cozting)으로부터 코팅된 후에 차례로 진공에서 마그네슘으로 코팅되는 방법이 제안되어 있다. 급속한 유도 가열은 수 초 동안 융합 증착을 미루게 하고, 냉각 후에 층의 두께 전체에서 ZnMg 합금 상의 양호한 미세구조 분포를 얻을 수 있도록 한다.

문헌 FR 2 843 130 A호에는 다음에 따라 금속재를 갖는 표면을 코팅하기 위한 방법이 제안되어 있다.

- 상기 재료의 제 1 코팅은 금속 또는 금속 합금층을 이용하여 달성되고,

- 열 처리는 상기 제 1 코팅의 표면을 상기 금속재의 용융 온도보다 낮은 온도로 제공하기 위하여 급속한 가열 수단을 이용하여 제 1 코팅에서 달성되고,

- 제 2 코팅은 금속 또는 금속 합금층으로부터 증착된다.

또한, 본 출원인은 PVD(EP-A-0 756 022)에 의해 얻어진 산업용 이중 층 전기 아연 도금/ZnMg 합금 생성물을 제안하였으며, 또한 파열되기 쉬운 금속간 FeZn 상의 형성을 최소화하기 위하여 아연과 마그네슘을 합금시키기 위해 적외선 가열 시스템을 이용하는 향상된 방법을 제안하였다.

두 번째 단점은 모든 종류의 스틸이 이러한 열 처리를 수용할 수 있는 것이 아니라는 점이다. 예를 들어, BH(bake hardening; 소부 경화) 스틸은 차량에 적용되는 가단성, 변형성, 내식성 스틸이고, 이는 도료의 경화 동안에 대체되는 불안정성을 갖고, 이에 의하여 스틸 금속이 경화된다. 그러므로, 이러한 생성물은 재가열로부터 야기되는 표면 경화에 관련된 곤란성을 갖는다. 따라서, 직접적인 합금 증착은 이러한 단점을 극복할 수 있다.

그러므로, 다른 방법은 열 처리 없이 직접적인 합금 증착에 의해, 도가니에서 양 금속의 농도를 엄격히 제어함으로써 금속 코팅 합금을 생성하는 것이다. 예를 들어, 50% 아연과 50% 마그네슘이 도가니에 위치하는 경우, 주어진 상이한 증발 속도에서 85% 아연/15% 마그네슘의 합금이 얻어진다. 그러나, 이러한 제어는 시스템의 제어면에서, 그리고 도가니에서 계속적인 농도 변화를 고려하면 큰 어려움을 수반한다. 특히, 상기 도가니에서 도가니의 단면이 원형이 아니라면 균질성을 확보하는 것이 어렵다. 예를 들어, POSCO(공보: "Next Generation Automotive Steels at POSCO ," 2008년 1월)에서는 높은 증기 산출 및 에너지 산출을 갖고, 특히 단일의 증발원으로부터 공동 증착 합금의 형태로, 고속에서 PVD에 의해 얻어진 코팅을 제안하였다.

이러한 기술의 상태에 따른 또 다른 방법은 두 도가니를 이용하는 것이고, 상기 도가니의 각각은 일종의 증기를 발생시키고, 상기 도가니에서 발생된 증기는 채널에 의해 혼합 장치를 향하고, 상기 혼합 장치로부터 합금이 스트립에 증착된다.

특허문헌 BE 1010720 A3호에는 기상에서 금속 합금을 이용하여 움직이는 기판을 연속적으로 코팅하기 위한 방법이 제안되어 있고, 이러한 방법에서 상기 합금의 다양한 구성요소는 적절한 특유의 성분으로 증발되며, 이것으로 얻어진 상이한 금속 증기는 증착이 일어나는 위치를 향해 보내진다. 금속 합금의 구성요소를 갖는 금속 배스로부터 나온 증기 중 하나는 현존의 다른 금속 증기에 대하여 추진제 성분의 역할을 한다.

문헌 WO-A-02/06558호에서, 하나는 아연을, 다른 하나는 마그네슘을 갖는 두 개의 도가니로부터 증발에 의해 ZnMg 코팅이 진공에서 얻어진다. 스트립에 분무되기 이전에, 증기는 홀이나 슬롯이 제공된 플레이트 형태의 스로틀 장치에서 혼합되고, 이에 의해 최대 음속 및 증기 유량을 얻게 된다. 그러나, 혼합되기 전의 증기의 빠른 속도는 분자 확산에 의한 균질한 혼합물을 얻는 것을 매우 어렵게 한다.

L. Baptiste 등의, "Electromagnetic levitation : A new technology for high rate physical vapour deposition of coatings onto metallic strip", Surface & Coatings Technology 202 (2007), 1189-1193에서, 고주파수의 전자기장에서 도전성 재료에 대한 부양 기술에 기초한 방법이 제안되어 있다. 유도 코일의 적절한 디자인을 통해, 고전력 밀도 및 낮은 증기 압력에서 알루미늄, 니켈, 또는 구리와 같은 금속을 얻을 수 있고, 또한 이들의 합금이 쉽게 증발될 수 있다. 생성된 증기는 특별히 디자인된 증기 분포 시스템에 의해 기판을 향해 가이드되고, 이는 코팅의 양호한 균일성을 얻는 것과,증기의 폭넓은 사용을 가능하게 한다.

문헌 US-A-5,002,837호엔는 완전하게 합금된 Zn₂Mg 또는 Zn₂Mg/Zn₁₁Mg₂ 상을 갖는 이중 층 Zn/ZnMg 코팅의 증발 증착이 기재되어 있다.

출원인의 이름으로 출원된 특허 출원 EP-A-2 048 261호에는 스틸 스트립에 금속 코팅을 증착하기 위한 증기 발생기가 제안되어 있고, 상기 증기 발생기는 외부 환경에 대하여 본질적으로 실링되면서, 외부 환경에 대해 내부에 진공 상태를 확보하기 위한 수단이 제공되고, 스트립의 출입을 가능하게 하는 수단이 제공된, 인클로저 형태의 진공 챔버를 포함한다. 이러한 인클로저는 스트립의 표면을 향하며 상기 스트립의 표면에 수직한 음속으로 금속 증기의 제트를 생성하도록 구성된 이젝터라 불리우는 증기 증착 헤드를 커버한다. 상기 이젝터는 액체 형태의 코팅 금속을 포함하며 진공 챔버의 외부에 위치된 적어도 하나의 도가니와 공급 도관을 통해 밀봉 연통된다. 상기 증기 발생기는 이젝터에서 금속 증기의 유량, 압력, 및/또는 속도를 조절하기 위한 수단을 포함한다. 문헌 EP-A-2 048 261호는 EPC 조항 54(3)에 따른 기술의 상태에 속한다.

출원인의 이름으로 출원된 종래의 특허 출원 EP-A-1 972 699호에는 기판을 코팅하기 위한 방법 및 설비가 제안되어 있고, 상기 방법 및 설비에 따르면, 적어도 두 금속 성분을 포함하는 금속 합금층은, 기판에 소정의 상대적이며 일정한 비율로 금속 성분을 포함하는 증기를 분무하는 것을 가능하게 하는, 증기 제트 코팅 장치를 포함하는 진공 증착 설비를 이용하여, 상기 기판에 연속적으로 증착되고, 상기 증기는 사전에 음속으로 제공된다. 특히, 상기 방법은 ZnMg 코팅의 증착을 목적으로 한다.

본 발명은, 종래 기술 상태의 단점을 극복할 수 있게 하는 해법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 다음의 목적을 달성하고자 한다.

- 증착을 위한 진공 인클로저에서 액체 공급원이 없음;

- 생성의 용이성;

- 둘 이상 금속 증기의 혼합 길이에서 매우 상당한 감소;

- 산업용 합금 금속 내용물 레벨의 매우 빠른 분화 및 가변 조절성;

- 도가니(들)에 대한 접근성과 정비의 용이성;

- 증착의 우수한 균등성과 2m를 초과할 수 있는 스트립 폭에 적응하기 위한 간단한 메커니즘;

- 최대화된 증기 유량;

- 증발 표면 온도 및/또는 전력을 제어함으로써 증기 유량의 용이한 조절;

- 진공에서 전체적으로 합금 증착을 위한 매우 유연한 설비의 디자인.

본 발명의 제 1 목적은 증기 발생기-혼합기가 구비되며, 진공 하에서 기판, 바람직하게는 연속적으로 움직이는 금속 스트립에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비에 관한 것으로, 상기 증기 발생기-혼합기는, 외부 환경에 대해 여전히 근본적으로 실링되면서, 외부 환경에 대해 그 내부에 진공 상태를 확보하기 위한 수단 및 상기 기판의 입구와 출구용 수단이 제공된 인클로저 형태의 진공 챔버를 포함하고, 상기 인클로저는 기판의 표면을 향하며 상기 기판의 표면에 수직으로 음속으로 금속 합금 증기의 제트를 생성하도록 구성된, 이젝터라 불리우는 증기 증착 헤드를 포함하고, 상기 이젝터는 액체 형태의 상이한 금속(M1, M2)을 포함하는 적어도 두 도가니에 상류측으로 그 자체가 각각 연결된 개별 혼합 장치와 실링 연통되고, 각 도가니는 그 자신의 파이프에 의해 상기 혼합기에 연결된다.

본 발명에 따른 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 설비의 기본적인 특징과 조합하여 하나 이상의 다음의 특징을 또한 포함한다.

- 상기 혼합기는 원통형 인벨로프를 포함하고, 규칙적으로 배열되며 입구에서 제 1 금속 증기의 공급 파이프에 연결된 복수의 튜브가 상기 인벨로프의 축을 따라 상기 인벨로프의 내부에 위치하고, 제 2 금속 증기의 공급 파이프는 원통형 인벨로프에 대하여 측방향으로 연결되며 상기 튜브 사이의 사이 공간에 연결된다. 상기 튜브와 사이 공간은 증기의 혼합이 일어나는 공간에 모두 나오는 출구 오리피스를 갖고;

- 상기 혼합기는 적어도 두 진입 증기를 분리시키는 것을 가능하게 하는 일련의 칸막이를 포함하고, 상기 칸막이는 배출 흐름 방향으로 두 증기의 층을 교번하는 형태로 혼합되기 전에 상기 두 증기가 배출되는 것을 가능하게 하는 오리피스를 생성하고;

- 상기 파이프의 각각은 헤드 로스 장치를 선택적으로 갖는 비례 밸브를 포함하고;

- 상기 비례 밸브는 버터플라이 밸브 타입이고;

- 상기 이젝터는 기판의 전체 폭에 걸쳐 연장되며 소닉 스로트로서 작용하는 증기용 길이방향 출구 슬롯, 및 상기 이젝터에서 나오는 증기의 속도 벡터를 균등화시키며 정류하기 위하여 소결 재료로 이루어진, 바람직하게는 티타늄 또는 소결 스테인리스강 섬유를 갖는 금속 체(metal sieve)의 형태로 이루어진 헤드 로스 부재인 필터링 매체를 포함하고;

- 상기 설비는 슬롯의 길이를 상기 기판의 폭에 대하여 조절하기 위한 수단을 포함하고;

- 상기 수단은 공급 파이프에 대하여 이젝터를 회전시키기 위한 수단을 포함하고;

- 상기 이젝터, 혼합기, 파이프, 및 도가니는 외부 환경으로부터 열적으로 분리되며 방사 히터에 의해 가열되고;

- 상기 설비는 진공 인클로저용 선택적 가열 수단을 포함하고;

- 각 두 증기의 압력의 균형을 유지하기 위하여, 상기 튜브의 출구에 제 1 다공성 표면이 배열되고, 및/또는 상기 사이 공간의 출구에 제 2 다공성 표면이 배열되고;

- 추가 파이프가 고립 밸브를 가지며 상기 진공 챔버에서 추가 이젝터로 안내하는 혼합기를 향해 제 1 금속(M1)의 공급 파이프의 바이패스에 장착되고, 상기 추가 이젝터는 기판의 표면을 향하며 상기 기판의 표면에 수직으로 음속으로 제 1 금속(M1)의 증기 제트를 생성하도록 구성되고, 상기 혼합기로 안내하는 제 1 금속(M1)의 공급 파이프의 부분에는 상기 혼합기로부터 제 1 도가니를 고립시키기 위해 추가 밸브가 제공된다.

본 발명의 제 2 목적은 전술한 설비를 이용하여, 기판, 바람직하게는 연속적으로 움직이는 금속 스트립에 금속 합금 코팅을 증착시키기 위한 방법에 관한 것으로,

- 상기 각 금속 증기의 흐름 속도가 혼합기의 입구에서 조절되어, 상기 혼합기의 입구에서 상기 증기의 흐름 속도는 10의 팩터, 바람직하게는 50의 팩터에 의해 음속보다 낮아지고;

- 각 금속의 농도는 상기 기판에 증착될 증기의 혼합 동안에 독립적으로 조절된다.

유리한 장점으로는, 상기 방법은 상기 흐름 속도가 100m/s, 바람직하게는 5 내지 50m/s보다 작도록 구현된다.

또한 유리한 장점으로는, 기판, 바람직하게는 연속적으로 움직이는 금속 스트립에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 전술한 설비를 구현하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 상기 추가 밸브는 폐쇄되며 상기 고립 밸브는 개방되고, 상기 제 1 금속(M1)은 추가 이젝터의 레벨에서 상기 기판에 증착될 수 있으며 상기 제 2 금속(M2)은 진공 챔버의 이젝터의 레벨에서 연속적으로 증착될 수 있다.

또한 유리한 장점으로는, 기판, 바람직하게는 연속적으로 움직이는 금속 스트립에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 전술한 설비를 구현하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 상기 추가 밸브는 개방되며 상기 고립 밸브는 폐쇄되고, 상기 M1+M2 합금은 진공 챔버의 이젝터의 레벨에서 상기 기판에 직접적으로 증착된다.

또한 유리한 장점으로는, 기판, 바람직하게는 연속적으로 움직이는 금속 스트립에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 전술한 설비를 구현하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 상기 추가 밸브와 상기 고립 밸브는 개방되고, 상기 제 1 금속(M1)은 추가 이젝터의 레벨에서 상기 기판에 증착되며 상기 M1+M2 합금은 진공 챔버의 이젝터의 레벨에서 직접적으로 계속해서 증착된다.

유리한 장점으로는, 전술한 방법에 따르면, 상기 금속 또는 합금 증착(들) 다음에 열 처리가 일어난다.

본 발명은 양호한 인발 및 용접성을 유지하면서 우수한 내식성을 부여하도록 기판의 표면에 금속 합금층을 형성하기 위해 금속 증기를 이용하여 움직이는 기판, 보다 구체적으로 금속 스트립을 연속적으로 진공 코팅하기 위한 산업용 증기 발생기를 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따라 혼합기를 갖는 증기 발생기를 도해하고, 기판에 두 순수한 금속의 합금 증착을 가능하게 하는 것을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 증기 혼합기를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 완전한 이형 설비를 평면도 및 정면도로 각각 도해하고, 금속 스트립에 특유한 두 금속 종류의 증착, 또는 상기 혼합기를 이용하여 직접적인 합금 증착을 위해 이용될 수 있는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3a 및 3b에 따른 설비의 파이프를 나타낸 사시도이다.
도 5는 파일럿 라인에서 본 발명의 테스트를 구현하는 동안에 코팅된 스트립의 전체 폭에 걸쳐 다양한 지점에서 얻어진, 아연과 마그네슘 중량(목표로 된 공칭 값 I/In의 %)으로 나타낸 글로우 방전 광 방출 분광학(GDOES)에 의한 ZnMg 코팅의 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 JVD 설비의 밸브가 개방된 경우 그 순간에 얻어진 층 중량의 변화 및 ZnMg 합금 유형의 구성을 나타낸 도면이다(스트립을 따르는 ICP 분석).

본 발명에 따른 권장된 해법은 장외의 증발 도가니(offboard evaporation crucible), 즉 이하에서 이젝터라 불리우는, 증기 출구용 길이방향 슬롯 또는 캘리브레이트 홀을 갖는 JVD 증발 헤드로부터 분리된 증발 도가니를 사용하는 것으로 구성된다. 증착될 단일의 증기 종류의 경우에, 이러한 장외의 도가니 장치의 일반적 원리는 특허 출원 EP-A-2 048 261호에 상세하게 기재되어 있다.

본 특허 출원은 합금 코팅의 증착에 기초하므로, 적어도 상이한 두 금속 증기의 공급원의 사용을 필요로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상이한 두 코팅 금속의 증기를 혼합하려는 경우, 상이한 두 순수한 금속(예를 들면, 아연과 마그네슘)을 포함하는 두 용융 챔버인 도가니(11, 12) 각각은 이젝터(3)에 결합된 혼합 챔버(14)에 밸브(5, 5')가 제공된 파이프(4, 4')에 의해 각각 연결된다. 상기 혼합물에서 양 금속의 농도는 한편으로는 공급된 에너지를 이용하여 다른 한편으로는 각각의 비례 밸브(5, 5')를 이용하여 조절되며, 이는 제어 문제를 단순화시킨다. 이러한 시스템의 규모는 유리하게 감소된다(후술 참조).

존재하는 밸브로 인하여, 이러한 장치는 증기 흐름을 미세하며 빠르게 조절하는 것을 가능하게 한다. 이러한 관점에서, 원통형 파이프의 선택에 의해 양호한 고온의 진공 실링을 얻을 수 있으며, 헤드 로스 장치(head loss device)(5A)를 갖는 비례 밸브(5), 예를 들어 상업적으로 입수가능한 버터플라이 밸브를 사용하여 증기 유량을 조절할 수 있다. 증착 두께는 금속 증기 유량에 따라 좌우되고, 상기 유량 그 자체는 공급된 유용 전력에 비례한다. 상기 전력이 바뀌는 경우, 상기 헤드 로스를 새로운 작동 지점에 적용하기 위해서 동시에 밸브의 위치를 변화시킬 수 있다. 또한, 질량 유량은 순간적으로 변화되고, 이는 밸브의 위치가 변화되는 동안에 실제 일시적으로 존재하지 않는 것으로 하게 한다.

상기 이젝터(3)는 코팅될 스트립의 폭보다 큰 길이를 갖는 박스이다. 상기 장치는 박스의 전체 길이에 걸쳐 증기 유량의 균등화를 확보하기 위해 헤드 로스를 코팅하는 매체인 필터링 매체를 포함한다. 상기 이젝터(3)는 증기 금속보다 높은 온도로 가열되어 외부와 열적으로 단열된다. 캘리브레이트 슬롯인 일련의 홀은 음속으로 스트립(7)에 금속 증기의 분무를 가능하게 한다. 상기 금속의 밀도에 따라 좌우되는 속도는 전형적으로 500에서 800m/s의 범위로 얻어진다. 상기 슬롯의 전체 폭에 걸친 소닉 스로트는 스트립에서 증착의 균일성을 확보하기 위해 매우 효과적으로 필터링 매체(3A)를 보완한다. 상기 슬롯인 홀(S)의 크기는 체적 유량(K X V_son X S, K~0,8)에 제한된다. 음속(V_sound)은 상기 슬롯인 홀의 출구에서 이젝터에 도달된다. 상기 파이프에서 헤드 로스 요소의 존재로 인하여(밸브(5)), 상기 증기 유량은 조절될 수 있으며 낮은 초기 압력으로 부여될 수 있다.

상기 기술(WO-A-02/06558 참조)의 상태에서, 상기 이젝터의두 공급 파이프에는 캘리브레이트 오리피스 형태의 규제부가 제공된다. 이때, 그 위치에서 상기 음속이 얻어진다(수백의 m/s). 혼합 시간(t0)이 완전한 혼합을 얻기 위해 필요한 경우, 상기 증기가 캘리브레이트 홀의 출구에서 속도(v0)를 가지면, 상기 혼합 부재는 길이(v0 X t0)를 가져야 한다. 예를 들어, v0 = 500m/s이고, t0 = 0,2 s이면, v0 X t0 = 100m이다. 그 결과, 이러한 원리에 따르면, 실제로 증착된 혼합물은 절대 완전하지 않다. 이는 코팅을 이용하는데 있어서 균질성 문제를 야기시킨다.

그러나, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치에 의하면, 밸브와 같이 시스템에 통합된 헤드 로스 요소로 인하여 낮은 속도에서 상기 시간에 증기를 혼합할 수 있다. 상기 혼합은 조절된 흐름 속도를 갖는 증기들 사이 및 전형적으로 혼합기의 입구에서 5와 50m/s 사이에서 이루어지고(그러므로, 이러한 흐름 속도는 적어도 10, 바람직하게는 50 팩터에 의해 음속보다 낮다), 이는 10에서 100 범위의 팩터(그러므로, 몇 미터)에 의해 균질성 길이를 감소시키게 한다.

예를 들어, 테스트는 0wt%와 15.6wt% 사이의 마그네슘 내용물 레벨을 갖는 코팅을 생성하기 위해 출원인의 JVD 파일럿 라인에서 실행된다.

상기 생성된 코팅에 행해진 화학 분석으로부터의 테스트로 인하여, 부분적인 마그네슘과 아연의 압력을 입증할 수 있다. 상기 아연 도가니에서 얻어진 압력은 1956Pa와 8736Pa 사이에 있는데 반해, 상기 마그네슘 도가니에서 얻어진 압력은 241Pa와 1467Pa 사이에 있다.

이러한 동일한 테스트 동안에 얻어진 혼합기에서의 총 압력(Zn + Mg)은 241Pa와 1440Pa 사이에 있다. 이러한 실험적인 데이터로부터 계산된 혼합기에서의 금속 증기의 속도는 9.81m/s와 22.7m/s 사이에 있거나 또는 0.02와 0.04Mach 사이에 있다(그러므로, 음속보다 더 낮다).

또한, 동일한 화학 분석은 증기의 혼합이 스트립의 전체 폭에 걸쳐 균일한 구성을 갖는 증착을 수행하도록 하는 본 발명에서 설명된 바와 같은 설비로 달성되는 것을 입증한다. 도 5는 이러한 방법을 이용하여 코팅된 스트립의 전체 폭에 걸쳐 다양한 지점에서 분석에 의해 얻어진 (목표로 된 공칭 값의 퍼센트로 나타낸) 아연과 마그네슘을 예로서 도시한 것이다.

마지막으로, 도 6은 상기 JVD 설비의 밸브가 개방된 경우 그 순간에 얻어진 층 중량의 변화 및 표준 합금의 구성의 변화를 나타낸 것이다. 사실, 이러한 극단적인 예시는 밸브가 개방되어 나머지 생산 캠페인을 통해 전체가 안정적으로 유지됨에 따라 원하는 목표가 얻어지므로 본 발명에 따라 수립된 시스템이 산업용 라인(정지, 속도 변화, 포맷 변화 등)을 순간적으로 제어할 수 있다는 것을 입증한다.

또한, 혼합기의 경우, A의 층 및 B의 층보다 두 가스 A 및 B의 수개의 층이 교대로 접촉하면 분자 확산이 증가한다는 원리는 알려져 있다. 상기 확산기에서 분리벽의 수는 확산 길이 및 혼합 시간을 더욱 대략적으로 감소시키게 한다. 전술한 유형의 혼합기에서 이러한 원리를 적용하면, 혼합 길이를 작은 cm로 감소시킬 수 있고, 이에 의하여 작은 혼합기를 디자인할 수 있으며, 이는 주어진 시스템의 여러 이점이다(진공 이젝터, 고온).

저속에서 금속 증기와 작용하며 교대로 분포하는 혼합기의 실행 가능성은 디지털 시뮬레이션에 의해 연구된다. 이러한 결과는 도 2a 내지 2c에 도시된 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 디자인을 발생시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 혼합 장치(14)는 원통형 인벨로프(envelope)(14C)의 형태이고, 그 내부는 실린더의 축을 따라 제 1 금속 증기(M1)의 공급 파이프(4')에 연결되며 규칙적으로 배열된 복수의 튜브(14A)를 포함한다. 제 2 금속 증기(M2)의 공급 파이프(4)는 원통형 인벨로프에 측방향으로 연결되며, 상기 원통형 인벨로프(14C) 내부에서 상기 튜브(14A) 사이에 위치된 사이 공간(interstitial space)(14B)에 연결된다. 상기 튜브(14A)는 플랜지(16)에 유지되며 체결된다. 상기 튜브(14A)와 사이 공간(14B) 모두는 엄격히 말하면 혼합 공간(15)의 출구에 출현한다.

물론, 상기 혼합 장치의 디자인을 위해 원통형 대칭을 선택하면 양호한 압력 저항에 관련된다.

외부에서 조정가능한 밸브로 인하여, 증기 혼합기를 갖는 장외의 저속 시스템을 사용하면 상기 기술 상태로부터 알려진 공동-증발에 걸쳐 소정의 이점을 갖는다. 사실, 각 증기에서 전력 및 각 산업용 밸브의 조합 작용으로 인하여, 각 금속에 대해 필요한 증기 내용물을 조절하는 것은 더욱 쉽게 된다. 상기 전력은 혼합된 양의 조정을 가능하게 하고, 상기 밸브는 작동 지점의 빠른 설정 및 변형을 가능하게 한다. 사실, 상기 밸브의 헤드 로스로 인하여, 밸브 뒤에서 온도의 변형 없이 압력을 변화시킬 수 있다. 반대로, 이러한 기술의 상태에 따르면, 압력 변형은 항상 온도 변화에 영향을 받으므로, 가열에 영향을 받아 관성적이며 순간적으로 발생된다.

두 금속(M1, M2)은 동일한 밀도 또는 물리적 특성을 갖지 않기 때문에, 요구 압력은 두 금속(M1, M2)에 대해 다르다(예를 들면, T_evap(Zn) = 600℃ 및 T_evap(Mg) = 700℃).

이러한 조건 하에서, 각각의 두 가스의 상이한 압력은 다공성 표면(미도시) 형태의 추가 두 헤드 로스 요소를 회로에 부가시킴으로써 균형을 유지할 수 있다. 제 1 다공성 표면은 튜브(14A)의 출구에 배열되고(금속(M1)), 제 2 다공성 표면은 사이 가스의 출구에 배열된다(금속(M2)). 이 경우, 압력 및 속도의 재균등화가 마찰, 즉 열 전달 및 (열 전달 없는) 가스의 단열 팽창에 의해 달성되고, 이에 의해 재응결이 방지된다.

이러한 점과 관련하여 본 발명의 이점은, 두 금속 증기의 내용물 레벨을 조절하는 것을 가능하게 하기 위하여 에너지 공급원과 함께 조합하여 헤드 로스가 밸브의 형태로 사용되므로, 입구에서 상이한 온도 또는 압력을 갖는 가스를 제어할 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다음의 증착 형태를 가능하게 하는, 도 3a, 3b, 4에 도시된 "이형(bimodal)" 진공 증착 설비를 제안하는 것이다.

- M1의 증착 후에 M2의 증착, 양 증착은 진공 상태에 있고,

- 전술한 바와 같이 달성된 혼합 형태인 M1+M2의 증착, 합금 증착은 진공 상태에 있고,

- 전술한 바와 같이 달성된 혼합 형태인 M1+(M1+M2)의 증착, 복합 합금 증착은 진공 상태에 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 도가니(11)로부터 금속(M2)을 제공하는 설비의 부분에는 혼합기(14)가 제공된다. M1이 M2와 혼합되지 않는 경우, 즉 (밸브(5B)가 개방된 경우에) 상기 혼합기에서 M1을 이송하는 파이프(4')의 부분에서 밸브(5B)가 폐쇄된 경우, 상기 설비는 진공 챔버(6)의 이젝터(3')의 레벨에서 금속 스트립에 M1을 증착시키는 것과 독립적으로 작동할 수 있다. 유사하게, 상기 밸브(5B)가 폐쇄된 경우에서, 상기 도가니(11)로부터 M2를 공급하는 설비의 부분은 자동적으로 작동할 수 있으며, 예를 들어 (도 3a에서 스트립의 좌우 가로방향에 대해) 이미 증착된 M1의 층 위에 상기 진공 챔버(6)에서 M2의 증착을 가능하게 한다. 그러나, 전술한 밸브(5B)가 개방된 경우, 상기 혼합 M1+M2는 혼합기(14)에서 달성될 것이고, 진공 챔버(6)의 이젝터(3)의 레벨에서 스트립에 증착될 것이다. 다른 합금 증착의 가능성은 이젝터(3')의 레벨에서 M1의 증착에 이어서 상기 이젝터(3)의 레벨에서 혼합물 M1+M2를 이후에 증착시키는 것과 같은 이러한 설비를 이용하는 것이 고려될 수 있다. 사실, 코팅의 초킹(chalking)을 방지하기 위하여 비교적 연성인 아연의 서브층에 아연과 마그네슘 합금의 증착을 수행하는 것은 유리할 수 있다.

도 3a에서, 상기 비례 밸브(5, 5')는 각 도가니의 출구에서 밸브(5C, 5C')에 의해 배열된다.

본 발명은 다음의 이유로 인하여 "완전한 PVD(full PVD)"에 접근하는 기술 분야의 발전 상황에 적합하다.

- 전해 증착에서, 상기 스트립 속도의 증가는 요구 전류(밀리언 암페어)의 증가 및 이에 따라 에너지 소비의 면에서 억제되야 하는 소비 전력(메가와트)의 증가를 수반하고; 또한 이러한 기술은 최대 스트립 속도를 약 160m/minute으로 제한하는 스패터(spatter)를 생성하고;

- 아연의 제 1 층의 증착을 위한 용융 도금은 원심력과 관련된 물리적 제한과 맞닿게 되고, 그의 효과는 고속에서 감소하고; 허용 스트립 속도의 제한은 약 180m/minute이고;

- 진공 증착의 경우, 160-180m/minute의 제한은 액체 상의 손상이 더 이상 존재하지 않기 때문에 사라진다. 상기 금속 증기는 증착 인클로저에서 음속이므로, 더 이상 화학적, 전기적 또는 물리적 제한이 없다. 차후에 본 발명의 기술로 인하여, 200-220, 또는 더 나아가 300m/minute에 도달할 수 있을 것이다.

본 발명의 장점

본 발명에 따른 시스템은 매우 낮은 응답 시간을 가지면서 신뢰가능하고 접근가능하면서, 증착되는 증기의 온도 및 속도의 매우 양호한 균등성을 얻을 수 있게 한다. 따라서, 본 발명은 산업화 방법에 대한 요구를 매우 양호하게 충족시킨다.

또한, 본 발명에 따른 장외의 장치는, 액체 합금 구성의 변형을 가지지 않고증착된 화학적 구성을 조절할 수 있기 때문에 증기 혼합에 의한 합금 증착에 특히 적합하다. 따라서, 상기 증기 혼합은 종래 기술의 상태와 달리, 매우 낮은 흐름 속도에서 파이프에서 달성된다.

상당한 다른 이점은 300-600mm와 같은 작은 밸브에서 혼합 길이를 얻기 위하여 전술한 타입의 혼합기를 이용하는 점이고, 이러한 이점은 필요한 규모를 감소시키며 이러한 장치가 약 750℃의 온도에서 진공 상태로 유지되는 점을 고려할 때 특히 결정적이다.

Claims (25)

1. 증기 발생기-혼합기(vapor generator-mixer)가 구비되며, 진공 하에서 기판(7)에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비(facility)로서,
   상기 증기 발생기-혼합기는, 외부 환경에 대해 실링되면서, 외부 환경에 대해 그 내부에 진공 상태를 확보하기 위한 수단 및 상기 기판(7)의 입구와 출구용 수단이 제공된 인클로저 형태의 진공 챔버(6)를 포함하고, 상기 인클로저는 상기 기판(7)의 표면을 향하며 상기 기판의 표면에 수직으로 음속으로 금속 합금 증기의 제트를 생성하도록 구성된, 이젝터(3)로 불리는 증기 증착 헤드를 포함하고, 상기 이젝터(3)는 액체 형태의 상이한 금속(M1, M2)을 포함하는 적어도 두 도가니(crucible)(11, 12)에 상류측으로 자체 연결된 개별 혼합기(14)와 실링 연통되고, 각 도가니(11, 12)는 그 자신의 파이프(4, 4')에 의해 상기 혼합기(14)에 연결되는, 진공 하에서 기판(7)에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비에 있어서,
   상기 혼합기(14)는 적어도 두 진입 증기를 분리시키는 것을 가능하게 하는 일련의 칸막이를 포함하고, 상기 칸막이는 배출 흐름 방향으로 두 증기의 층을 교번하는 형태로 혼합되도록 상기 두 증기가 배출되는 것을 가능하게 하는 오리피스(orifice)를 생성하고,
   상기 혼합기(14)는 원통형 인벨로프(14C)를 포함하고, 상기 인벨로프의 축을 따라, 규칙적으로 배열되고 입구에서 제 1 금속 증기의 공급 파이프(4)에 연결된 복수의 튜브(14A)가 상기 인벨로프의 내부에 위치하고, 제 2 금속 증기의 공급 파이프(4')는 원통형 인벨로프에 대하여 측방향으로 연결되고, 상기 튜브(14A) 사이의 사이 공간(14B)에 연결되며, 상기 튜브(14A)와 상기 사이 공간(14B)은 증기의 혼합이 일어나는 공간(15)에서 모두 나오는 출구 오리피스를 갖고, 증기의 혼합이 음속 이하인 유속에서 이루어지는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 파이프(4, 4')의 각각은 헤드 로스 장치(5A)를 선택적으로 갖는 비례 밸브(5, 5')를 포함하는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
4. 제 3항에 있어서, 상기 비례 밸브(5, 5')는 버터플라이 밸브 타입인, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
5. 제 1항에 있어서, 상기 이젝터(3)는 기판의 전체 폭에 걸쳐 연장되며 소닉 스로트로서 작용하는 증기용 길이방향 출구 슬롯, 및 상기 이젝터(3)에서 나오는 증기의 속도 벡터를 균등화시키며 정류하기 위하여 소결 재료로 이루어진 헤드 로스 부재(3A)인 필터링 매체를 포함하는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
6. 제 5항에 있어서, 상기 슬롯의 길이를 상기 기판의 폭에 대하여 조절하기 위한 수단을 포함하는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
7. 제 6항에 있어서, 상기 수단은 공급 파이프(4)에 대하여 이젝터(3)를 회전시키기 위한 수단을 포함하는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
8. 제 1항에 있어서, 상기 이젝터(3), 혼합기(14), 파이프(4, 4'), 및 도가니(11, 12)는 외부 환경으로부터 열적으로 분리되고 방사 히터에 의해 가열되는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
9. 제 1항에 있어서, 상기 진공 챔버(6)용 선택적 가열 수단을 포함하는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
10. 제 1항에 있어서, 각 두 증기의 압력의 균형을 유지하기 위하여, 상기 튜브(14A)의 출구에 제 1 다공성 표면이 배열되고, 및/또는 상기 사이 공간(14B)의 출구에 제 2 다공성 표면이 배열되는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
11. 제 1항에 있어서, 상기 기판(7)은 연속적으로 움직이는 금속 스트립인, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
12. 제 1항에 있어서, 상기 기판(7)에 음속의 증기 제트에 의해 제 1 금속(M1) 및 제 2 금속(M2)의 합금을 직접적으로 증착하는 것을 가능하게 하고, 추가 파이프(4＂)가 고립 밸브(5')를 가지며 상기 진공 챔버(6)에서 추가 이젝터(3')로 안내하는 혼합기(14)를 향해 제 1 금속(M1)의 공급 파이프(4')의 바이패스에 장착되고, 상기 추가 이젝터(3')는 기판(7)의 표면을 향하며 상기 기판의 표면에 수직으로 음속으로 제 1 금속(M1)의 증기 제트를 생성하도록 구성되고, 상기 혼합기(14)로 안내하는 제 1 금속(M1)의 공급 파이프(4')의 부분에는 상기 혼합기(14)로부터 제 1 도가니(12)를 고립시키기 위해 추가 밸브(5B)가 제공되는, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
13. 제 1항, 제 3항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 기재된 설비를 이용하여, 기판(7)에 금속 합금 코팅을 증착시키기 위한 방법에 있어서,
    - 상기 각 금속 증기의 흐름 속도가 혼합기(14)의 입구에서 조절되어, 상기 혼합기의 입구에서 상기 증기의 흐름 속도는 10의 팩터에 의해 음속보다 낮아지고,
    - 각 금속의 농도는 상기 기판(7)에 증착될 증기의 혼합 동안에 독립적으로 조절되는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 흐름 속도는 100m/s 미만인, 금속 합금 코팅 증착 방법.
15. 제 13항에 있어서, 제 13항에 따라 기판(7)에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 설비를 구현하기 위하여, 상기 추가 밸브(5B)는 폐쇄되며 상기 고립 밸브(5')는 개방되고, 상기 제 1 금속(M1)은 추가 이젝터(3')의 레벨에서 계속해서 증착되며 상기 제 2 금속(M2)은 진공 챔버(6)의 이젝터(3)의 레벨에서 상기 기판(7)에 증착되는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
16. 제 13항에 있어서, 제 13항에 따라 기판(7)에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 설비를 구현하기 위하여, 상기 추가 밸브(5B)는 개방되며 상기 고립 밸브(5')는 폐쇄되고, 상기 M1+M2 합금은 진공 챔버(6)의 이젝터(3)의 레벨에서 상기 기판(7)에 직접적으로 증착되는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
17. 제 13항에 있어서, 제 13항에 따라 기판(7)에 금속 합금 코팅을 진공 하에서 증착하기 위한 설비를 구현하기 위하여, 상기 추가 밸브(5B)와 상기 고립 밸브(5')는 개방되고, 상기 제 1 금속(M1)은 추가 이젝터(3')의 레벨에서 계속해서 상기 기판(7)에 증착되며 상기 M1+M2 합금은 진공 챔버(6)의 이젝터(3)의 레벨에서 직접적으로 증착되는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
18. 제 13항에 있어서, 상기 금속 또는 합금 증착(들) 다음에 열 처리가 일어나는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
19. 제 5항에 있어서, 상기 소결 재료가 티타늄 또는 소결 스테인리스강 섬유를 갖는 금속 체의 형태인, 진공 하에서 기판에 금속 합금 코팅을 증착하기 위한 설비.
20. 제 13항에 있어서, 상기 기판(7)이 연속적으로 움직이는 금속 스트립인, 금속 합금 코팅 증착 방법.
21. 제 13항에 있어서, 상기 각 금속 증기의 흐름 속도가 혼합기(14)의 입구에서 조절되어, 상기 혼합기의 입구에서 상기 증기의 흐름 속도는 50의 팩터에 의해 음속보다 낮아지는, 금속 합금 코팅 증착 방법.
22. 제 14항에 있어서, 상기 흐름 속도는 5 내지 50m/s인, 금속 합금 코팅 증착 방법.
23. 제 15항에 있어서, 상기 기판(7)이 연속적으로 움직이는 금속 스트립인, 금속 합금 코팅 증착 방법.
24. 제 16항에 있어서, 상기 기판(7)이 연속적으로 움직이는 금속 스트립인, 금속 합금 코팅 증착 방법.
25. 제 17항에 있어서, 상기 기판(7)이 연속적으로 움직이는 금속 스트립인, 금속 합금 코팅 증착 방법.

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