산업용 플라즈마 최적화hcd source · 2011. 12. 20. · hcd gun의 기술 발전을...

산업용 플라즈마 최적화산업용 플라즈마 최적화산업용 플라즈마 최적화산업용 플라즈마 최적화HCD sourceHCD sourceHCD sourceHCD source

2006. 12.2006. 12.2006. 12.2006. 12.

지원기관지원기관지원기관지원기관 한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원::::

지원기업지원기업지원기업지원기업 아이시스 주아이시스 주아이시스 주아이시스 주: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 산업용 플라즈마 최적화에 관한 기술지원 지원기간“ source ”( : 2005.

과제의 기술지원 성과보고서로 제출합니다12. 01 ~ 2006. 11. 30) .

2006. 12. 31.2006. 12. 31.2006. 12. 31.2006. 12. 31.

지원기관 기관명 한국전기연구원지원기관 기관명 한국전기연구원지원기관 기관명 한국전기연구원지원기관 기관명 한국전기연구원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 박 동 욱대표자 박 동 욱대표자 박 동 욱대표자 박 동 욱( )( )( )( )

지원기업 기업명 아이시스 주지원기업 기업명 아이시스 주지원기업 기업명 아이시스 주지원기업 기업명 아이시스 주: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자 배 상 열대표자 배 상 열대표자 배 상 열대표자 배 상 열( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 최 영 욱최 영 욱최 영 욱최 영 욱

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 김 영 배김 영 배김 영 배김 영 배

"""" :::: 김 지 연김 지 연김 지 연김 지 연

"""" :::: 김 대 호김 대 호김 대 호김 대 호

"""" :::: 최 시 영최 시 영최 시 영최 시 영

"""" :::: 윤 정 욱윤 정 욱윤 정 욱윤 정 욱

"""" :::: 신 연 철신 연 철신 연 철신 연 철

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 12. 1 ~ 2006. 11. 30

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 산입용 플라즈마 최적화HCD source

지원책임자 최 영 욱 지원연구원수

총 명: 4

내부 명: 4

외부 명:

총

사업비

정부 천원: 90,000

기업 천원: 90,000

계 천원: 180,000

지원기관명 한국전기연구원 소속부서명 산업전기연구단 전기물리연구그룹

지원기업 기업명 아이시스 주 기술책임자 최 시 영: ( ) :

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수40

고밀도 플라즈마를 발생하는 은 공구 고팅 세정 및 대변적 코팅 핵심장치로서 사용된HCD gun ,

다 또한 아크 하이브리드 방식의 코팅 장비의 제작시 주요 공정용 장치로서 포함된다. .

본 연구에서는 아크 플라즈마 프로세스에서 핵심적인 장비로 사용되는 의 신뢰성 향상과HCD gun

나아가서 최적화를 목표로 하였다 기술지원기관인 한국전기연구원에서는 의 연구전례를. HCD gun

활용하여 기술지원기업인 아이시스 주 에서 필요한 상용화 기술을 지원하였다 그 결과 만족할 만( ) .

한 상품수준의 최적화 기술을 도출 할 수 있었다 즉 출력용량이 급 사용시 유HCD gun . , 20 kW ,

지보수가 편리한 구조 안정적 연속운전특성 달 이상 간단하고 방전개시가 용이한 구조 그리고, (1 ),

산업계의 실기전용이 편리한 구조의 성능을 가지는 기술을 확립하였다HCD gun .

이상과 같은 기술적 싱과는 기술이 선진국 수준과 비교하여 손색이 없어 이온플레이팅HCD gun

장비 등 다양한 고팅 공정에 사용되는 장비들을 국산화 하는데 활용이 가능 할 뿐만 아니라 고가

의 외산 장비의 수입대체 효과도 가져온다 또한 이번 기회에 기술력에 자신감을 가져 국산장비의.

해외 판로의 여건을 더욱 성숙시켜서 아이시스 주 는 관련 장비를 이미 국내 외 시장에 판매하여( ) ㆍ

경쟁적으로 시장을 확장해 가고 있다.

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한글 중공방전 건 고밀도 플라즈마 증착 세성 표면처리, , , ,

영어 HCD gun, High density plasma, coating, cleaning, surface treatment

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

의 최적화 기술을 달성하여 각종의 아크HCD (Hollow Cathode Discharge) gun

플라즈마 응용 코팅 공정과 장비에 효율적으로 적용하고 나아가서 고부가가치,

상품으로 발전시켜 지원기업의 수익성을 높이는 데 있음.

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

에서 가장 중요한 핵심적 설계부분인 의 구조설계 중HCD gun cathode cathode

가 안정한 방전이 유지되도록 하고 내구성도 반영구적인 구조로 고안하고자 함, .

플라즈마 빔이 통과하는 중간전극이 내열특성을 가지도록 기술적 해결을 모색하

고 방전개시용 필라멘트의 적용기술과 의 재료의 사용을 효율적으로LaB6高價

하는 기술 그리고 전원장치의 적용에 있어서 경제적 효율적 면을 고려하는 기.

술지원을 하고자 함.

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

설계cathode 설계능력이 급10 kW 설계능력이 급으로 향상10 kW

방전개시 필라멘트 기술경험이 없었음방전개시를 위한 필라멘트 기

술을 습득 함.

LaB6수명이 짧고 소모성이

심한 구조사용 수명이 배 이상 증가5 특허출원

전원장치단계 점화기술3

트리거 단계 포함( )

단계 점화 기술로 발전2

트리거 단계 제거( )

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1. : 2※

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : 前後ㆍ

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기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명o : HCD Gun

모 델 명o : HIPS-820

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 20KW 10 kW 20 kW NACHI SS-2-8

경쟁제품 대비 가격 $350,000 90% 85%

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년10 / ( 50 %) 장비 대 기준1

인건비 절감 백만원 년2 / ( 7 %) 장비 대 기준1

계 백만원 년12 / ( 32 %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년250 / 백만원 년500 / 200%

수 출 천달러 년/ 천달러 년320 / %

계 백만원 년250 / 백만원 년790 / 316%

참고 적용제품 주요수출국 일본) 1. :

작성당시 환율기준 원2. : 910

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수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도 수입액 수입대체금액 비고

HCD Gun part 천달러 년400 / 천달러 년200 / 천달러200

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러

계 천달러 년400 / 천달러 년200 / 천달러200

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

출력이 에서 로 증가되어 공정의 생산성이 증대 됨- 10 kW 20 kW

중간전극의 설계능력 향상으로 달이상의 연속 공정 사용가능- 1

재료의 사용수명 연장으로 의 사용 경비의 감소- LaB6 HCD gun

전원장치에서 트리거 회로를 제거하여 경제적 운전 감소화 효과- ,

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

의 기술발전으로 플라즈마 응용 코팅장비의 품질향상에 기여- HCD gun

절삭공구 등의 코팅의 고경도 박막을 얻기 위한 공정기술 발전- TiAIN

고가의 외국제품의 수입대체 기회-

국내 외 시장의 확장으로 지원지업의 이익 증대- ㆍ

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

가 규격 인증획득가 규격 인증획득가 규격 인증획득가 규격 인증획득. ,. ,. ,. ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

- 7 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

특허아크 방전용 재료의LaB6

효율적 사용을 위한 도구

최영옥,

배상열

전기연구원

아이시스 주( )아이시스 주( ) 출원

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

지수지 원 성 과

기술정보제공 건40 기술 특허의 전반적 파악HCD gun ,

시제품제작 건1 제작 기술 습득HCD gun

양산화개발 건1 의 양산기술 가능HCD gun

공정개선 건1

품질향상 건1 의 성능 향상HCD gun

시험분석 건1

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건1 대한전기학회 영문지 게재(2006.3 )

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건22 급 의 상품화 기술 완성20kW HCD Gun

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

의 기술 발전을 원하는 지원기업의 요구에 따라 의 출력증대HCD gun HCD gun ,

방전안정성 내구성 경제적 전원장치 및 재료의 소모성도 배이상 감소, , LaB6 5

시키는 기술이 확립되었으며 지원기업은 이를 바탕으로 코팅장비의 상품성을 높

일 수 있었다.

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연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

논문게제 세부사항논문게제 세부사항논문게제 세부사항논문게제 세부사항

(9)(9)(9)(9)

게재게재게재게재

년도년도년도년도

(10)(10)(10)(10)

논문명논문명논문명논문명

저자저자저자저자(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

학술지명학술지명학술지명학술지명

(13)(13)(13)(13)

Vol.Vol.Vol.Vol.

(No.)(No.)(No.)(No.)

(14)(14)(14)(14)

국내외국내외국내외국내외

구분구분구분구분

(15)(15)(15)(15)

SCLSCLSCLSCL

구분구분구분구분주저자주저자주저자주저자

교신교신교신교신

저자저자저자저자

공동공동공동공동

저자저자저자저자

2006

Sputtening technique of

magnesium oxide thin

film for plasma display

panel applications

최영옥 김지현대한전기학

회 영문지( )1 1

SCI

아님

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과□

출원된 특허의 경우◯

세부사항세부사항세부사항세부사항

(9)(9)(9)(9)

출원년도출원년도출원년도출원년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

출원인출원인출원인출원인

(12)(12)(12)(12)

출원국출원국출원국출원국

(13)(13)(13)(13)

출원번호출원번호출원번호출원번호

2007200720072007

아크 방전용아크 방전용아크 방전용아크 방전용 LaB6LaB6LaB6LaB6

재료의 효율적재료의 효율적재료의 효율적재료의 효율적

사용을 위한 도구사용을 위한 도구사용을 위한 도구사용을 위한 도구

한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원

아이시스 주아이시스 주아이시스 주아이시스 주( )( )( )( )한국한국한국한국

등록된 특허의 경우◯

특허 세부사항특허 세부사항특허 세부사항특허 세부사항

(9)(9)(9)(9)

등록년도등록년도등록년도등록년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

등록인등록인등록인등록인

(12)(12)(12)(12)

등록국등록국등록국등록국

(13)(13)(13)(13)

등록번호등록번호등록번호등록번호

- 9 -

사업화 현황□

사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항

사업화사업화사업화사업화(9)(9)(9)(9)

명명명명

(10)(10)(10)(10)

사업화사업화사업화사업화

내용내용내용내용

사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

기 매출액기 매출액기 매출액기 매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(13)(13)(13)(13)

당해년도당해년도당해년도당해년도

매출액매출액매출액매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(14)(14)(14)(14)

매출액 합계매출액 합계매출액 합계매출액 합계

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )업체명업체명업체명업체명 대표자대표자대표자대표자 종업원수종업원수종업원수종업원수

사업화사업화사업화사업화

형태형태형태형태

- - -

주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의11) 1. , 2.

한 창업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과□

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

주 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입9) “2. ”

사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이10)

나 부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

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세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 221. : 221. : 221. : 22

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005.12.23 의 특허 자료 분석HCD Gun 출장근거서류

2 2006.1.3-1.4 의 제작 방법의 논의HCD Gun “

3 2006.1.10-1.11 의 크기와 방전전류 산정법LaB6 “

4 2006.2.10 의 손상을 최소화 하는 방법 의논LaB6 “

5 2006.2.16-2.17 의 구조 설계에 대한 의논Cathode “

6 2006.3.23-3.24 의 설계방법 의논Anode, Filament “

7 2006.4.6-4.7 냉각구조 의논Plasma beam path “

8 2006.4.20-4.21 의 제작개시 및 주요사항 토의HCD Gun “

9 2006.6.8-6.9 제작 후 실험장치 문제점 분석 “

10 2006.6.23 냉각구조 중간전극의 문제점 분석, “

11 2006.6.29-6.30 필라멘트의 구조 검토 “

12 2006.7.6-7.7 용 의 구조 분석Filament Feedthrough “

13 2006.7.12-7.14 전원장치 개선 검토HCD Gun “

14 2006.7.21 트리거 회고 없이 방전개시 실험 “

15 2006.7.27-7.28 부하저항 변화에 따른 실험데이타 분석 “

16 2006.8.23-8.24 출력실험20 kW “

17 2006.9.21 의 안정적 동작 실험HCD Gun “

18 2006.9.25-9.26 의 경제적 사용방법 검토LaB6 “

19 2006.10.16-10.17 특허 내용의 집필계획을 토의 “

20 2006.10.26.10.27 의 실험 계속 및 안정성 검토HCD Gun “

21 2006.10.31-11.1 의 성능 확인 실험 실시HCD Gun “

22 2006.11.22 급 의 상품화 완성20 kW HCD Gun “

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기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 402. : 402. : 402. : 40

NO.NO.NO.NO. 일자일자일자일자 구체적 내용구체적 내용구체적 내용구체적 내용 증빙유무증빙유무증빙유무증빙유무

1 2006 일본특허, 4-23400特公平 제본

2 2006 일본특허, 4-50577特公平 제본

3 2006 일본논문 유전재료의 측정, 제본

4 2006 일본논문, RF Ion source 제본

5 2006 일본논문, Ion source (HCD) 제본

6 2006 일본논문, Ion plating (HCD) 제본

7 2006 일본논문, RF Ion plating system 제본

8 2006 일본논문 이온을 사용한 탈막제작, 제본

9 2006 일본논문 금속표면기술, 제본

10 2006 일본논문 장수명 캐소드, 제본

11 2006 일본논문 판상 플라즈마, 제본

12 2006 일본논문 대면적, Ion plating (HCD) 제본

13 2006 일본논문 전자가속 플라즈마, 제본

14 2006 일본논문 전자빔 편향, 제본

15 2006 일본논문 고온 플라즈마 응용, 제본

16 2006 일본논문 플라즈마 프로세싱, 제본

17 2006 일본논문 전압구배형 캐소드, 제본

18 2006 일본논문 저온성막, ITO 제본

19 2006 일본논문 신 코팅기 개발, 제본

20 2006 일본논문 저자 재료, 제본

21 2006 영어논문 개스방전, 제본

22 2006 영어논문 고이온화 방전, 제본

23 2006 영어논문 이온가속 박막증착, 제본

24 2006 영어논문 박막증착, 제본

25 2006 영어논문 박막제조의 전계영향, 제본

26 2006 영어논문 금속박막증착, 제본

27 2006 영어논문 전자빔 응용, 제본

28 2006 영어논문 금속분말증착, 제본

29 2006 영어논문 금증착방법, 제본

30 2006 영어논문, Ion plating 제본

31 2006 영어논문 스프터링 박막제조, 제본

32 2006 영어논문 박막증착의 정전계 영향, 제본

33 2006 영어논문 고이온화 증착, 제본

34 2006 영어논문, Ion plating and beam 제본

35 2006 영어논문 금증착에서 전계 영향, 제본

36 2006 영어논문 은코팅, 제본

37 2006 영어논문 증착기술, HCD gun 제본

38 2006 영어논문 진공증착, HCD 제본

39 2006 영어논문 재료적용, LaB6 제본

40 2006 영어논문, Plasma Gun 제본

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시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 13. : 13. : 13. : 1


1 2006.4 급 의 제작20 kW HCD Gun 현물

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. :4. :4. :4. :


기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. :5. :5. :5. :


- 13 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술1111

제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술2222

제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술3333

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

의 제작 및 실험의 제작 및 실험의 제작 및 실험의 제작 및 실험1. HCD gun1. HCD gun1. HCD gun1. HCD gun

가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험....

나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험....

다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로....

라 실험시 발생하는 의 손상문제의 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제의 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제의 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제의 해결. LaB6. LaB6. LaB6. LaB6

마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전. HCD gun. HCD gun. HCD gun. HCD gun

바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석. HCD gun. HCD gun. HCD gun. HCD gun

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 절 지원목표제 절 지원목표제 절 지원목표제 절 지원목표1111

제 절 목표달성도제 절 목표달성도제 절 목표달성도제 절 목표달성도2222

제 절 관련분야 기여도제 절 관련분야 기여도제 절 관련분야 기여도제 절 관련분야 기여도3333

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

- 14 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

호브 펀치 금형의 코딩에 적합한 산업용 설비 및 절삭공구 등의, , HCD Ion Plating

설비의 밀착력을 향상시키기 위해 방식의 플라즈마Arc Ion Plating Hybrid HCD

가 필요하다 이러한 산업용 코팅설비로 사용하기 위해서는 높은 밀착력과source .

고경도 및 코팅두께의 균일성을 확보하여야 하며 건의 파워를 조절하여HCD work

축 및 더미로 방전을 일으키는 를 이용한IEGD (Ion Enhanced Glow Discharge)

최적화 된 플라즈마 에 대한 기술적 확립을 하고자 한다HCD Source .

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

은HCD gun 1800~2000o

의 고열에서 동작을 하고 보통 정도의 전류를C , 100~200A

흘리기 때문에 사용중 부품의 파손이 일어나 정기적으로 부품의 교환이 불가피하

다 그러므로 이러한 불기피한 현실적인 애로점을 개선하여 의 주요부품. HCD gun

의 성능을 최적화하는 연구를 본 실험연구를 통하여 하는 것을 목표로 함.

본 기술의 최적화를 위한 주요점은

용량 급- 20 kW

사용시 유지보수가 편리한 구조-

안정적 연속운전 특성-

간단하고 방전개시가 용이한 구조-

산업계의 실기적용이 편리한 구조-

로 요약 함.

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제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

산업용 의 최적화 기술의 요점은 대전류를 발생시키는 음극 의HCD gun (cathode)

구조 음극에서 발생한 플라즈마 빔이 앞으로 전진하면서 유지될 수 있도록, 放電路

를 구성하는 개의 중간전극 초기 방전시 가열원인 열 필라멘트 고온으로부터의2 , ,

보호를 위해 적절한 냉각구조의 설계가 필요로 한다.

이상의 기술내용의 세부사항으로서 그림 그림 에 지원기관이 보유하고 있1-1, 1-2

는 음극의 설계 개념도를 나타내었다 텅스텐 필라멘트를 사용하여 를. LaB6 1800o

정도로 가열한 후 트리거를 전원장치를 이용하여 을 개시할 수 있도록 하C 主放電

였다 필라멘트의 가열전원은 기초 실험을 통하여 직류 교류 어느 것이나 사용할. ,

수 있는 것을 파악하였고 필라멘트의 구조는 그림 의 두 가지 형태 중 어느 것1, 2

으로도 할 수 있다 필라멘트의 직경은 다양한 기초실험을 통하여 로 하는. 1.3 mm

것이 최적이라는 것을 파악하고 있다.

는 최소 개 이상 여러 개를 사용할 수 있다 의 개수에 따라 발생하는LaB6 1 . LaB6

전자의 수가 증감하므로 의 개수에 따라 플라즈마의 밀도가 변할 것이므로 그LaB6

러한 변수들이 성막속도 및 공정에 영향을 미칠 것을 고려하여 최적의 개수를 선택

할 수 있도록 하고자 한다 는 원통에 넣을 누 있도록 하고 플라즈마 빔이. LaB6 Mo

방출되는 앞부분의 구멍은 상당한 고온이 예상되므로 텅스텐으로 최적화 한 기술을

지원기관은 보유하고 있다 이에 대한 사항으로서 플라즈마 방전이 일어나는 원. Mo

통의 외경은 내경은 로 하고 원통의 두께는 로 하는 전례연60 mm, 50 mm 2.5 mm

구경험을 지원기관은 가지고 있다 그리고 내부의 를 지지하는 원통의 두께를. LaB6

로 하여 동작시 를 둘러싸는 의 두께를 로 하였다 이는 한2 mm LaB6 Mo 4.5 mm .

번 가열된 가 두꺼운 원통의 굵기로 인해 열의 의존능력이 커져 안정된 방전LaB6

에 기여하도록 하는 관점으로 설계하고 제작하여 우수한 방전 유지 특성을 가지는

기술도 지원기관은 또한 보유하고 있다 원통을 고정시키는 부분은 스테인레스. Mo

강으로 하였고 열이 전달되는 것을 방지하기 위하여 최적의 수냉구조의 설계기술도

가지고 있다.

추가적으로 본 의 구동을 위한 전원장치의 구성에서 가장 경제적이고 효HCD gun

율적인 전원장치기술의 기술지원을 위해 트리거 전원이 없이도 구동 할 수 있는 기

법을 지원하고자 한다.

- 16 -

그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도1-1. Hollow cathode discharge gun1-1. Hollow cathode discharge gun1-1. Hollow cathode discharge gun1-1. Hollow cathode discharge gun

그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도그림 의 핵심부위의 설계 개념도1-2, Hollow cathode discharge gun1-2, Hollow cathode discharge gun1-2, Hollow cathode discharge gun1-2, Hollow cathode discharge gun

그림 과 개념은 같으나 텅스텐 필라멘트의 위치를 다르게 한 설계그림 과 개념은 같으나 텅스텐 필라멘트의 위치를 다르게 한 설계그림 과 개념은 같으나 텅스텐 필라멘트의 위치를 다르게 한 설계그림 과 개념은 같으나 텅스텐 필라멘트의 위치를 다르게 한 설계( 1-1 )( 1-1 )( 1-1 )( 1-1 )

- 17 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술제 절 미국의 기술1111

미국의 의 개발은 년 대학에서 되었다 텅스텐 필라멘트HCD gun 1978 UCLA . [1]

로 원통형 를 가열하여 을 발생시키는 방식이었다 이LaB6 plasma beam . HCD gun

은 수백 암페어의 전류를 무리 없이 발생할 수 있으니 이 방식은 를 고정하는LaB6

방식에 문제가 있어서 오래 사용하면 의 끝 부분이 처음 손상되기 시작하면서LaB6

점차 파손이 진전되어 전체가 바스러지는 현상이 발생한다.

그러므로 고가의 의 재료를 경제적이고 능률적으로 사용하지 못하는 결점이LaB6

있다 또한 에 걸리는 자장의 방향이 평행일 경우에는 현상. LaB6 magnetron cutoff

이 발생하여 안정적으로 방전의 유지가 되지 않는다.

그림 미국 대학에서 제작한그림 미국 대학에서 제작한그림 미국 대학에서 제작한그림 미국 대학에서 제작한2-1 UCLA HCD gun2-1 UCLA HCD gun2-1 UCLA HCD gun2-1 UCLA HCD gun

그림 에 미국 대학에서 제작한 의 개략도를 보였다 원통형 몰2-1 UCLA HCD gun .

리브텐 고온재료에 텅스텐 필라멘트 를 내장시켜 일단 텅스텐 필라멘트로, LaB6

를LaB6 1800o

정도로 가열하고 캐소드와 애노드 사이에 바이어스 전압을 걸고C

외부에서 아르곤가스를 유입하면서 플라즈마 빔을 발생시키고 그 후 필라멘트 전원

은 끄는 방식으로 사용한다 이 형식의 은 외부의 자장이 없는 상태에서. HCD gun

는 자유롭게 사용할 수 있으나 빔의 진전방향을 제어하는 외부의 자장이 존재하는

상태에서는 사용할 수 없는 점이 있다.

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제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술제 절 일본의 기술2222

일본의 개발은 당초 의 대직경 이온 을 제작할 목적으HCD gun 中性粒子入射加熱源

로 개발한 초정도의 대전류 펄스 방전용이었다 이렇게 개발한 것을 이온플레10 .[2]

이팅 장치에도 시험삼아 적용하게 된 것이 일본의 대면적 코팅 의 시작이 되었다.源

일본식 은 방전을 개시할 때 몰리브덴 원통에 가스를 공급하면서 가운데HCD gun

의 비열이 작은 관에 전력을 공급하여 방전을 일으켜서 를Ta LaB6 1800o 까지C

가열시키는 방식이다 그 후 캐소드와 애노드 사이에 바이어스 전압을 걸어서 대전.

류를 발생시킨다 이 방식은 전원장치를 단계 점화하는 식으로 제작하여야 하여서. 3

전원장치의 비용이 크고 오래 사용하면 표면에 물질이 입혀져서 초기 방, LaB6 Ta

전의 발생에 방해되는 단점이 있다 이 기술에서는 를 디스크 형태로 제작하여. LsB6

삽입하므로서 미국의 기술보다는 손상에 강하여 경제적으로 사용할 수 있는 장점이

있다 그림 에 일본의 의 모습을 보였다 일본의 기술개발 경위에 대. 2-2 HCD gun .

한 보고서를 보면 미국의 것을 참고하여 자기들의 목적에 맞도록 수정 개량한 것을

알 수 있다.

그림 일본 나고야 대학에서 제작한그림 일본 나고야 대학에서 제작한그림 일본 나고야 대학에서 제작한그림 일본 나고야 대학에서 제작한2-2 HCD gun2-2 HCD gun2-2 HCD gun2-2 HCD gun

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제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술제 절 한국의 기술3333

한국의 의 개발은 년부터 한국전기연구원에서 시작하였다 그 이전에HCD gun 2000 .

는 산업체에서는 외국의 기술을 모방하여 사용하여왔고 기술적 특허권을 확보할 만

한 수준에 이르지 못하였다.

한국에서의 에 대한 특허기술은 년도에 확보되어 처음으로 한국전기HCD gun 2006

연구원에서 등록하였다 한국의 기술은 기존의 외국의 기술보다 방전의 안정성.[3] ,

내구성 장수명 유지보수의 간편성 및 현장에서 작용이 편리한 기술로 개발하였다, , .

그러므로 기존의 외국기술에 비하여 상당하게 발전된 기술을 보유하고 있다.

그림 한국의 기술그림 한국의 기술그림 한국의 기술그림 한국의 기술2-3 HCD gun2-3 HCD gun2-3 HCD gun2-3 HCD gun

그림 에 한국의 기술을 보였다 방전의 안정성을 위한 방안으로2 HCD gun . LaB6

를 병렬로 다수를 배치하여 한 달 이상의 연속운전이 가능하도록 하였다 그리고.

조립과 분해가 쉽도록 구조를 설계제작 하였고 외부의 몰리브덴 원통을 두께2 mm

로 제작하여 열의 보존이 잘되어 의 가열 효과를 상승시켰다 플라즈마 빔이LaB6 .

진전하여 애노드의 중심부를 통과 할 때 고온에 잘 견디도록 원통형 텅스텐 재료를

사용하였으며 적절한 냉각 구조를 가져 거의 반영구적인 수명의 을 설계HCD gun

제작한 것이 최근의 한국의 기술이다.

- 20 -

제 장 기술지원 수행 및 결과제 장 기술지원 수행 및 결과제 장 기술지원 수행 및 결과제 장 기술지원 수행 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

의 제작 및 실험의 제작 및 실험의 제작 및 실험의 제작 및 실험1. HCD gun1. HCD gun1. HCD gun1. HCD gun

본 기술지원에 있어서 의 제작은 한국전기연구원에서 기 보유한 기술을HCD gun

토대로 하였다 제작한 은 다양한 조건에서 실험을 하여 의 사. HCD gun HCD gun

용상의 문제점들을 파악하고 최적조건의 설계수정을 통하여 지원기업에서 사용상

문제가 없도록 할 수 있었다.

이하에 각 부품에 대한 실험내용을 기술하였다.

가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험가 텅스텐 필라멘트 실험....

방전을 시작할 때 초기에는 를Lab6 1800 o 까지 가열하기 위해 텅스텐 필라멘트C

를 사용한다 이 텅스텐 필라멘트의 기초 실험을 통하여 적용 가능한 필라멘트의.

기술적 사양을 파악하였다 필라멘트는 직경이 으 것을. 1.6 mm, 1.3 mm 1.2 mm

기초실험에 사용하였고 최종적으로 지원기업에서 적용가능한 필라멘트의 직경은

로 하였다 그림 에 필라멘트의 모습과 사양을 보였다1.3 mm . 3-1 .

그림 기초실험에 사용한 필라멘트 종류그림 기초실험에 사용한 필라멘트 종류그림 기초실험에 사용한 필라멘트 종류그림 기초실험에 사용한 필라멘트 종류3-1 33-1 33-1 33-1 3

그림 에는 필라멘트의 기초실험 장면을 보이고 필라멘트의 온도는3-2 高溫計

로 측정하였다 전류는 교류 사용주파수(pyrometer, Minolta cyclops 153) . 60 Hz

로 하였고 그림 에 필라멘트 실험 전원을 보였다3-3 .

- 21 -

20 A 87020 A 87020 A 87020 A 870ooooCCCC 40 A 138040 A 138040 A 138040 A 1380

ooooCCCC

60 A 171060 A 171060 A 171060 A 1710ooooCCCC 70 A 185070 A 185070 A 185070 A 1850

ooooCCCC

그림 필라멘트 기초실험 장면그림 필라멘트 기초실험 장면그림 필라멘트 기초실험 장면그림 필라멘트 기초실험 장면3-23-23-23-2

그림 필라멘트 실험 전원모습그림 필라멘트 실험 전원모습그림 필라멘트 실험 전원모습그림 필라멘트 실험 전원모습3-33-33-33-3

- 22 -

나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험나 중간전극의 실험....

은 애노드의 역할을 하는 개의 중간전극이 있다 캐소드에서 발생한 고HCD gun 2 .

온의 플라즈마 빔이 중간전극의 중심부를 통과하기 때문에 매우 1800 ~ 2000 oC

의 고온에 대한 설계가 주요한 부분이다 이 부분의 재료는 텅스텐으로 하고 최적.

의 냉각설계를 하여서 거의 반영적인 수명을 가지도록 할 수 있었다 그림. 3-4(a)

는 중간전극의 모습을 보이고 있다 중심부의 화살표 표시의 동그란 부품이 플라즈.

마 빔이 통과하는 부분으로 텅스텐으로 제작되었다 그림 는 중심부의 텅스. 3-4(b)

텐 부품이 실험 중 부분적으로 용융된 모습을 보인다 이것은 냉각이 완전하지 않.

아서 발생한 사고이다 이러한 냉각상의 문제점을 해결후의 모습을 그림 에. 3-4(c)

보이고 있다.

그림 중간전극의 중심부의 고온 텅스텐 부품의 모습그림 중간전극의 중심부의 고온 텅스텐 부품의 모습그림 중간전극의 중심부의 고온 텅스텐 부품의 모습그림 중간전극의 중심부의 고온 텅스텐 부품의 모습3-4(a)3-4(a)3-4(a)3-4(a)

그림 고온 텅스텐 부품의 손상된 모습그림 고온 텅스텐 부품의 손상된 모습그림 고온 텅스텐 부품의 손상된 모습그림 고온 텅스텐 부품의 손상된 모습3-4(b)3-4(b)3-4(b)3-4(b)

- 23 -

그림 냉각보완으로 시험시 사고가 없는 텅스텐 부품의 모습그림 냉각보완으로 시험시 사고가 없는 텅스텐 부품의 모습그림 냉각보완으로 시험시 사고가 없는 텅스텐 부품의 모습그림 냉각보완으로 시험시 사고가 없는 텅스텐 부품의 모습3-4(c)3-4(c)3-4(c)3-4(c)

그림 에는 중간전극의 하부의 사고 모습을 보인다 이 부분은 플라즈마 빔이 통3-5 .

과하여 나가는 부분으로 제작상 용접이 필요한 부분이나 용접이 까다로운 구조로

되어있다 그러므로 시험시 용접부위기 손상되어 냉각수가 새어나오는. HCD gun

사고가 발생하였다 이 부분의 설계제작도 적절히 보완하여 완전한 구조로 용접하.

고 사고가 발생하지 않도록 할 수 있었다.

그림 중간전극 하부의 모습 전체모습 사고부위 근접사진그림 중간전극 하부의 모습 전체모습 사고부위 근접사진그림 중간전극 하부의 모습 전체모습 사고부위 근접사진그림 중간전극 하부의 모습 전체모습 사고부위 근접사진3-5 ( : , : )3-5 ( : , : )3-5 ( : , : )3-5 ( : , : )左右左右左右左右

- 24 -

다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로다 실험전원 및 회로....

그림 에는 실험시 사용한 전원을 보였다 최대 의 출력이고 최대전류는3-6 . 25 kW

이다 주 전원과 트리거용 보조전원으로 구성하였다250 A . .

그림 실험 전원그림 실험 전원그림 실험 전원그림 실험 전원3-6 HCD gun3-6 HCD gun3-6 HCD gun3-6 HCD gun

그림 에는 실험회로를 나타내었다 는 중간전극을 나타낸다 중3-7 . Grid 1, Grid 2 .

간전극에는 부하 저항 가 각각 연결된다 본 실험에서는 은 는R1, R2 . R1 20 , R2Ω

으로 하였다 그림 에는 부하저항 의 모습을 보였다10 . 3-8 R1, R2 .Ω

그림 실험회로그림 실험회로그림 실험회로그림 실험회로3-7 HCD gun3-7 HCD gun3-7 HCD gun3-7 HCD gun

- 25 -

그림 실험회로 중 중간전극의 부하저항 의 모습그림 실험회로 중 중간전극의 부하저항 의 모습그림 실험회로 중 중간전극의 부하저항 의 모습그림 실험회로 중 중간전극의 부하저항 의 모습3-8 HCD gun R1, R23-8 HCD gun R1, R23-8 HCD gun R1, R23-8 HCD gun R1, R2

라 실험시 발생하는 의 손상문제와 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제와 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제와 해결라 실험시 발생하는 의 손상문제와 해결. LaB6. LaB6. LaB6. LaB6

방전을 방생시키는 데 중요한 역할을 하는 의 재료는 시간이 경과하면서 파손LaB6

현상이 나타난다 심하게 파손되면 교체를 해야 하나 이기 때문에 경제적인 사. 高價

용방법을 모색하게 되었다.

그림 에는 중심부가 파손되고 전체가 균열된 모습을 보이고 있다 이러한 현상3-9 .

을 방지하기 위해서 그림 과 같은 형태의 고정 도구를 몰리브덴으로 제작하여3-10

의 표면에 부착하여 사용하면 파손현상이 상당히 줄어들어 배 이상의 사용시LaB6 5

간의 연장을 가져올 수 있었다 이 고정 도구에 대해서는 특허를 출원하였다. .

그림 파손된 의 모습그림 파손된 의 모습그림 파손된 의 모습그림 파손된 의 모습3-9 LaB63-9 LaB63-9 LaB63-9 LaB6 그림 보호용 고정도구그림 보호용 고정도구그림 보호용 고정도구그림 보호용 고정도구3-10 LaB63-10 LaB63-10 LaB63-10 LaB6

- 26 -

마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전마 제작한 의 운전. HCD gun. HCD gun. HCD gun. HCD gun

그림 에 제작한 의 모습을 보였다 다양한 실험을 통하여 문제점을3-11 HCD gun .

보완했고 의 출력을 내면서 거의 반영구적인 수명의 의 제작 기술20 kW HCD gun

을 완성하였다 본 은 대면적 코팅 공구류 코팅 플라즈마 세정 공정 등. HCD gun , ,

에 안정적으로 사용할 수 있는 성능을 보유한다 그림 에는 발생하는 플라즈. 3-12

마 빔의 모습을 보였다.

그림 제작한 의 모습그림 제작한 의 모습그림 제작한 의 모습그림 제작한 의 모습3-11 HCD gun3-11 HCD gun3-11 HCD gun3-11 HCD gun

그림 발생하는 플라즈마 빔의 모습그림 발생하는 플라즈마 빔의 모습그림 발생하는 플라즈마 빔의 모습그림 발생하는 플라즈마 빔의 모습3-123-123-123-12

방전조건 캐소드 전류 가스 의 위 아래 부분의( : 2 mTorr, 250 A, Ar , HCD gun

빔 제어용 전자석을 설치하여 좌로부터 각각 보빈전류를 0 A, 50 A, 100 A, 150

으로 한 상태A, 200 A )

- 27 -

바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석바 시험체임버의 자기회로 해석. HCD gun. HCD gun. HCD gun. HCD gun

본 기술지원에서 을 시험하는 체인버의 자기장 분포의 해석도 시도하였HCD gun

다 이러한 해석은 다양한 공정시 플라스마 빔의 제어를 하기위한 기초자료로 활용.

할 수 있다.

플라즈마는 요소들의 하전성 때문에 전기를 전도시키며 플라즈마 입자의 하전성에

의한 가장 큰 특징은 그 특성을 이용하여 여러 가지 방법으로 플라즈마의 제어가

가능하다는 것이며 주로 자기장에 의한 자기차폐효과를 이용하여 입자들을 제어한,

다 그러나 플라즈마는 가스의 흐름 즉 유체으로 보면 개별적인 하전입자의 자기적. ,

차폐를 고려하는 것은 불가능하므로 유체역학적인 분석이 필요하지만 본 연구에서

는 외부에서 인가된 전자기장에 의한 자기차폐만을 통해 플라즈마의 입자가 제어된

다는 전제 조건이 부여된다.

본 내용에서는 제작한 플라즈마 빔 제어용 코일과 에 설치된 영구Magnetron target

자석을 자기회로 해석모델에 수정 및 추가하여 제어용 코일에 흐르는 전류와 플라

즈마 압축용 영구자석의 간격변화에 따른 플라스마 빔의 제어성을 검토한다.

자기회로 해석모델 및 조건자기회로 해석모델 및 조건자기회로 해석모델 및 조건자기회로 해석모델 및 조건(1)(1)(1)(1)

플라즈마 빔 발생의 치의 개략도를 그림 에 나타내었다 장치의 상측에 플라3-14 .

즈마 빔의 발생장치가 위치하며 외부 자계를 인가하기 위한 플라즈마 제어용 코일,

와 코일 는 그림 와 같이 상측 측 과 하측 측 에 각각 설치되1 2 3-14 (Cathod ) (Anode )

었다 그리고 원주 형태로 발생된 플라즈마 빔을 넓게 펴주기 위해 플라즈마 발생. ,

장치의 아래쪽에 막대형 영구자석 개를 마주보게 배치하였다2 .

그림 실험장치의 개략도 측면도그림 실험장치의 개략도 측면도그림 실험장치의 개략도 측면도그림 실험장치의 개략도 측면도3-14 HCD gun ( )3-14 HCD gun ( )3-14 HCD gun ( )3-14 HCD gun ( )

- 28 -

장치의 자계해석은 해석모델의 기하학적인 특성상 차원으로 수행되었으며 해석모3 ,

델이 대칭구조이기 때문에 그림 와 같이 형상만을 이용하였고 자계의 영3-15 1/2 ,

향을 받는 요소만으로 구성하였다.

그림 실험장치의 자계해석 모델 모델그림 실험장치의 자계해석 모델 모델그림 실험장치의 자계해석 모델 모델그림 실험장치의 자계해석 모델 모델3-15 HCD gun (1/2 )3-15 HCD gun (1/2 )3-15 HCD gun (1/2 )3-15 HCD gun (1/2 )

해석모델에 나타나지 않는 요소들은 모두 비자성체로서 자기회로에 영향을 주지않

기 때문에 해석모델에서 생략하였다 플라스마 빔 제어용 코일 의 윗부분에 있는. 1

요소들은 플라즈마 빔 발생장치 내에 있는 원형자석과 코일을 나타낸다.

해석조건은 플라즈마 빔 제어용 코일에 전류가 흐르지 않는 경우와 각각 40, 60,

가 흐르는 경우 그리고 개의 플라즈마 압축용 영구자석간 거리가 각80, 100 [A] , 2

각 인 경우의 자기차폐 형태와 자속밀도분포를 해석하였다65, 75, 85, 95 [mm] .

또한 코일에 의해 발생된 자속의 방향이 플라즈마 빔의 방향과 반대일 경우의 현,

상을 검토하기 위해 코일에 흐르는 전류를 반대방향으로 인가하는 경우도 해석하였

다.

해석결과해석결과해석결과해석결과(2)(2)(2)(2)

가 플라즈마 빔 제어용 코일의 전류에 따른 자계해석가 플라즈마 빔 제어용 코일의 전류에 따른 자계해석가 플라즈마 빔 제어용 코일의 전류에 따른 자계해석가 플라즈마 빔 제어용 코일의 전류에 따른 자계해석( )( )( )( )

플라스마 빔 제어용 코일 과 의 권선수는 각각 턴으로서 전류를 까지1 2 309 100 A

흘릴 수 있기 때문에 전류가 각각 가 흐를 때 자계분포를 해석40, 60, 80, 100 A

하여 자기차폐 효과를 분석하고자 한다.

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우선 플라즈마 빔 제어용 코일의 효과를 검토하기 위한 비교대상으로 전류가 흐르,

지 않는 경우 자계분포를 해석하여 그림 평면과 평면은 그림, 3-16 (x-z y-z 3-15

의 좌표를 참고 에 나타내었다) .

평면평면평면평면a) x-za) x-za) x-za) x-z 평면평면평면평면b) y-zb) y-zb) y-zb) y-z

그림 플라즈마 빔 제어용 전류가 흐르지 않는 경우 자계분포그림 플라즈마 빔 제어용 전류가 흐르지 않는 경우 자계분포그림 플라즈마 빔 제어용 전류가 흐르지 않는 경우 자계분포그림 플라즈마 빔 제어용 전류가 흐르지 않는 경우 자계분포3-163-163-163-16

그림 에서는 플라즈마 빔 제어용 코일에 전류가 흐르지 않기 때문에 영구자석3-16

에 의해서만 자계가 형성되어 있다 플라즈마 압축용 영구자석은 자화방향이 서로.

마주보게 배치되어 자계분포가 서로 밀어내는 형상을 하고 있다.

코일의 자속이 하측 방향인 경우코일의 자속이 하측 방향인 경우코일의 자속이 하측 방향인 경우코일의 자속이 하측 방향인 경우①①①①

플라즈마 빔 제어용 코일 과 에서 발생되는 자속이 하측방향 방향 으로1 2 (Cathode )

향하도록 각각 의 전류가 흐를 때 코일 과 코일 의 중심축 선40, 60, 80, 100 A 1 2

상에서 발생되는 자속밀도를 계산하여 그림 에 나타내었다3-17 .

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그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포3-173-173-173-17

자속밀도의 방향은 축 성분 아래쪽으로 향하는 성분 만을 나타낸다 그림 의z- ( ) . 3-17

가로축에서 는 해석모델을 나타내는 그림 에서 원점과 같으며0 [mm] 3-15 , 40

지점이 물질 증착공간이다 그림 에 따르면 코일에 흐르는 전류가 클수[mm] . 3-17

록 높은 자속밀도를 나타내고 있으며 물질 증착공간에서 균일한 자속분포로 자기,

차폐를 형성하고 있다.

자기차폐의 형태로서 코일에 흐르는 전류가 인 경우와 인 경우의 자속밀40 A 100 A

도 벡터도와 등자속선 분포를 그림 그림 에 나타내었다 전류가 높을3-18 ~ 3-21 .

수록 강한 외부자계에 의해 자기차폐는 더욱 수축되는 경향을 보이고 있어 플라즈

마 빔의 밀도가 상당히 높아질 것으로 예측된다.

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그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도3-18 40 A3-18 40 A3-18 40 A3-18 40 A


그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포3-19 40 A3-19 40 A3-19 40 A3-19 40 A

그림 의 자기벡터 분포도에 따르면 플라즈마 빔 제어용 코일의 자계에 의해3-18

물질 증착공간에서 항아리 형태의 자기차폐가 형성되고 있어 중심축 부근에서 플라

즈마의 밀도가 상당히 커질 것으로 예측되며 플라즈마 압축용 막대자석에 의해 원,

통형태의 플라즈마가 압착되는 형상을 나타내고 있다.

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그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도그림 인 경우의 자속벡터 분포도3-20 100 A3-20 100 A3-20 100 A3-20 100 A


그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포그림 인 경우의 등자속선 분포< 2. 21> 100 [A]< 2. 21> 100 [A]< 2. 21> 100 [A]< 2. 21> 100 [A]

그림 과 그림 은 플라즈마 빔 제어용 코일에 의 전류가 흐를 때의3-20 3-21 100 A

자계 분포로서 가 흐를 때보다 자기차폐가 더욱 수축되는 형상을 하고 있어40 A

플라즈마 밀도가 더욱 높아질 것으로 예측된다.

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코일의 자속이 상측 방향인 경우코일의 자속이 상측 방향인 경우코일의 자속이 상측 방향인 경우코일의 자속이 상측 방향인 경우②②②②

플라즈마 빔 제어용 코일에 의한 자속이 플라즈마 빔의 방향과 반대로 발생될 때의

현상을 검토하기 위해 전류를 반대로 인가하여 장치의 자계분포를 해석하였다 그.

림 에 전류의 크기에 따른 중심축상에서의 자속밀도분포를 나타내었다 그림3-22 .

과 비교하여 자속밀도의 극성이 반대로 나타났으며 증착공간에서의 자속밀도3-17 ,

크기는 비슷한 경향을 보였다 실제로 발생되는 자기차폐효과는 실험과 병행하여.

평가해야 할 것으로 판단된다.

그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포그림 코일의 전류변화에 따른 자속밀도 분포3-223-223-223-22



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플라즈마 빔 제어용 코일의 전류가 각각 일 때 등자속선 분포에40 [A], 100 [A]

따르면 코일에 의한 자속이 반대방향인 경우 플라즈마 압축용 영구자석의 효과를,

저감시키며 플라즈마 빔의 흐름을 방해할 것으로 예측되지만 구체적인 판단은 실험

과 병행하여 평가해야 한다.

플라스마 압축용 영구자석의 간격에 따른 자속밀도 분포플라스마 압축용 영구자석의 간격에 따른 자속밀도 분포플라스마 압축용 영구자석의 간격에 따른 자속밀도 분포플라스마 압축용 영구자석의 간격에 따른 자속밀도 분포③③③③

플라즈마 압축용 영구자석의 간격에 따른 플라즈마 빔의 압착 효과를 검토한다.

그림 영구자석 간격에 따른 자속밀도 분포그림 영구자석 간격에 따른 자속밀도 분포그림 영구자석 간격에 따른 자속밀도 분포그림 영구자석 간격에 따른 자속밀도 분포3-253-253-253-25

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영구자석의 간격을 각각 로 설정하여 자속밀도와 자계분포를65, 75, 85, 95 [mm]

해석하여 자속밀도 분포를 그림 에 영구자석의 간격이 각각 인3-25 , 85, 65 [mm]

경우 등자속선 분포를 각각 그림 과 그림 에 나타내었다 그림 에3-26 3-27 . 3-25

따르면 플라즈마 압축용 영구자석의 영향이 플라즈마 빔 제어용 코일에 비해 상당

히 작기 때문에 영구자석의 간격에 따른 증착공간에서의 영향은 거의 없는 것으로

판단된다.


그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포3-26 85 mm3-26 85 mm3-26 85 mm3-26 85 mm


그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포그림 영구자석의 간격이 인 경우의 등자속선 분포3-27 65 mm3-27 65 mm3-27 65 mm3-27 65 mm

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제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

본 기술지원의 성과로는 호브 및 펀치용에 적합한 장시간의 안정적인 방전을 유지

하는 급의 의 신뢰성 확보이다 또한 지원기업이 자체적으로 건20KW HCD gun . HCD

의 설계 및 전원특성을 분석 할 수 있는 기술을 습득하였으며 향후 필요시 30KW

급의 건을 설계 제작 할 수 있는 능력을 보유하였다 위에 타겟을, . Hearth Ti 100g

이상 올려놓고 건 파워를 까지 단계에 걸쳐 최대 운전용량까지 상승시HCD 20KW 3

키었다 초기 타겟을 용융시킬 때에는 에서 시작하여 분후에는 로. Ti 150 A 5 180 A

또다시 분후부터는 최대운전용량인 까지 상승시키어 분까지 테스트를 진5 200 A 300

행하였다.

물론 타겟을 충분히 올려놓을 경우 그 이상 시간까지도 테스트를 진행할 수 도Ti

있으나 내구성 테스트를 위해 분부터 분까지만 테스트를 진행시켜 유지보수120 300

없이 장시간을 사용할 수 있는 지를 관찰하였다 목표수명인 시간 이상을 사용. 1000

하기 위해 총테스트 시간을 관찰하였으며 그 결과 목표수명까지 충분히 사용할 수

있었으나 짧은 시간 오래 사용할 경우 메인 방전용 재료인 가 열충격으로 깨LaB6

지는 현상이 있었다 물론 재료가 깨지더라도 방전할 수 있었으나 본 기술지. LaB6

원시에는 이러한 점을 보완하기 위해 아크방전용 재료의 효율적 사용을 위한LaB6

도구를 개발하게 되었다 몰리브덴 고정장치를 삽입하여 고정도구로 이용하여.

재료를 효과적으로 충격으로부터 보호할 수 있었다 본 과제에서 상기의 아LaB6 . “

르방전용 재료의 효율적 사용을 위한 도구 는 현재 특히 출원중이다LaB6 ” .

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제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 절 지원목표제 절 지원목표제 절 지원목표제 절 지원목표1111

본 기술지원의 목표는 이 고열에서 동작을 하고 산업용으로 사용하기 위HCD gun

해서는 정도의 전류가 필요하기 때문에 장시간 사용시에 부품의 파손이 일200 A

어나 부품의 교환이 필요하였다 산업용 양산으로 사용되기 위해서는 생산성을 고.

려하여야 하므로 이러한 점을 개선하기 위해 본 기술지원 목표는

용량 급- 20KW

사용시 유지보수가 편리한 구조-

안전적 연속운전 특성-

간단하고 방전개시가 용이한 구조-

산업계의 실기적용이 편리한 구조 등의 을 설계 제작하는 것이다- HCD gun .

또한 고품질 박막을 코팅하기 위한 기술지원으로 건의 설계 및 제작기술을 지HCD

원하고 건의 구동 전원장치의 기술지원도 병행하였다.

제 절 목표달성도제 절 목표달성도제 절 목표달성도제 절 목표달성도2222

방전의 안정성 유지를 위한 캐소드 구조를 위해 냉각을 최대화 하였으며 급20KW

의 최대 운전용량 적용시 수명을 시간 이상을 확보하기 위해 특(100V, 200A) 1000

히 문제가 되었던 재료의 고정도구를 이용하여 해결하였다LaB6 .

제 절 관련분야의 기여도제 절 관련분야의 기여도제 절 관련분야의 기여도제 절 관련분야의 기여도3333

위에 메탄을 올려놓고 을 이용하여 용융 증발시켜 코팅을 하는 시Hearth HCD gun ,

스템은 박막의 표면조도가 매끄럽다는 장점이 있다 이러한 점은 특히 정삭이 요구.

되는 절삭공구 및 장식용코팅에 적용하기에 적합하다 그러나 지금까지는 이상방전.

이 없는 신뢰성있는 을 제작하기가 어려워으며 특히 장시간사용시 열충격HCD gun

에 의한 소모품의 유지보수 가격이 고가라는 단점이 있어 산업용으로 적용하기에

애로사항이 있었다 본 기술지원시애 이러한 점을 고려하여 장시간 열충격으로부터.

부품을 보호할 수 있는 을 설계 제작하게 되었다 이 은HCD gun , . HCD gun 20KW

급의 산업용 으로 충분히 외국 선진 장비대비 경쟁력을 확보하였다고 판HCD gun

단된다.

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제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

산업용의 의 활용도는 이온화율이 높은 아르곤가스를 이용한 플라즈마 크HCD gun

리닝 및 허스위의 메탈을 용융 증발시켜 코팅하는 것이다 앞의 플라즈마 크리닝의, .

경우는 낮은 전류의 사용으로 충분히 크리닝을 할 수 있으므로 큰 문제가 되고 있

지 않지만 코팅시에는 고융점재료를 녹여야 하므로 실험용이 아닌 양산시스템으로

사용하기 위해서는 정도의 대전류를 이용하여야 한다 그러나 이러한 대전200 A .

류에서는 안정적인 방전의 유지와 장시간 사용시 부품의 소모량이 늘어 보완이 필

요하였다 본 기술지원결과 이러한 단점을 보완한 을 개발하였고 이. HCD gun HCD

온 플레이팅 시스템에 사용이 가능하였다 이온플레이팅 시스템이란 하나의. HCD

건을 이용하여 히팅 크리닝 이외에 재료를 용융 증발시켜 코팅을 하여야 하HCD , ,

므로 산업용 이온플레이팅 시스템에 적합하다HCD .

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제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

[1] D. M. Goebel, J. T Crow, and A. T Forrester, "Lanthanum hexaboride

hollow cathode for dense plasma production, "Rev. Sci. Instrum, 49 (4), pp.

469 - 472, Apr. 1978

[2] , “ , , ”浦本上進大電流長壽命陰極硏究眞空第イォソプレテソぐのためののー

25 10 , pp. 660 - 670, 1982券第号

방전 안정성이 우수한 중공 캐소드 방전 건 특허등록번호[3] “ ” :

10-0624745-0000(2006.9.8)

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산업용 플라즈마 최적화hcd source · 2011. 12. 20. · hcd gun의 기술 발전을...

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