내플라즈마 보호 코팅을 위한 에어로졸 데포지션과 대기압 열 플라즈마 스프레이 공법에 관한 연구

Abstract

하전된 나노 입자 이론은, 기상에서 생성 된 나노 입자가 박막 증착의 단위가 될 수 있으며, 이 때 나노 입자가 하전이 되어 있을 때 자가 조립에 의한 결정성이 좋은 박막이 형성될 수 있다는 이론으로, 본 연구실에서 처음으로 제안한 이론이다. 이 이론의 핵심은 나노 입자가 하전이 될 때 자가 조립이 된다는 것으로, 앞서 언급한 조건만 맞다면 어느 공정에서도 일반적으로 일어나는 현상일 것이다. 본 연구에서는 에어로졸 데포지션 및 대기압 열 플라즈마 스프레이와 같은 후막을 형성하는 공정에서도 나노 입자를 공급했을 때 결정성이 좋은 후막이 형성될 수 있는지 확인해보는 것으 목표로 하였다. 본 연구원은 에어로졸 데포지션과 대기압 열 플라즈마 스프레이 공법, 두 가지 공정에 대하여 하전된 나노 입자 이론과의 연관성을 찾기 위한 연구를 수행하였다.

먼저, 에어로졸 데포지션 공정과 깨짐 방출 현상이 서로 밀접한 연관성이 있다는 사실을 확인하였다. 깨짐 방출 현상(fracto-emission)이란, 어떤 물질이 깨질 때 다양한 입자 및 광자를 방출할 뿐만 아니라, 전자를 방출하는 현상을 의미한다. 이 때, 전도체 < 반도체 < 세라믹 순으로 방출되는 양이 많아진다는 특징이 있다. 이는 주로 나노 ~ 서브 마이크론 크기의 세라믹 입자가 깨지면서 증착이 일어난다는 에어로졸 데포지션의 RTIC 메커니즘과 공통점을 가진다. 여기에 대하여 운반 가스의 압력에 따라서 입자가 기판과 맞닿는 경우, 입자에 의해서 기판의 표면이 깎여 나가는 경우, 기판 뿐만 아니라 입자도 깨지는 경우, 세 가지 현상이 일어나는 것을 확인하였고, 이 중에서 기판과 입자 모두 깨지는 조건에서 다량의 전자가 방출되는 것을 확인하였다.

대기압 열 플라즈마 스프레이 공법의 경우, 우선 공급하기가 쉬운 마이크로 사이즈의 텅스텐 입자를 이용하여 미세조직이 어떻게 형성되는지를 확인하였다. 이 때, 열 전도도와 잠열의 방출량이 고화 속도 및 미세조직의 크기에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이에 대하여 40 마이크론 크기의 텅스텐 분말을 공급하여 플라즈마 전력에 따른 기공도 및 미세조직의 크기 변화를 관측하였다. 반면, 나노 입자를 직접 공급하기에는 고려해야 할 변수가 많았고, 이 때문에 시간 및 금전적인 여유가 부족하였다. 따라서, 염(Salt)를 용해시킨 용액을 공급하여서, 플라즈마 안에서 용액에서 나노 입자로 상변태가 일어남과 동시에 증착을 하는 공법인 solution precursor plasma spray 공법에 주목하였다. 그러나, 용액이 기화하면서 소모되는 열량이 많기 때문에 필요한 열량보다 본 연구에서 사용된 플라즈마 스프레이 장비가 만들어 낼 수 있는 플라즈마 엔탈피가 부족하였다. 따라서 후막이 형성되기보다는 분말이 형성되는 것을 확인하였고, 이에 대하여 공정을 평가할 수 있는 지표를 정리하는 것으로 연구를 마무리 하였다. 공정 지표는 Line scanning 이라고 불리우는 실험 방법을 이용하였고, 이를 통해서 초기 나노 입자의 크기 및 용융 정도를 확인하였고, 입자가 충분히 용융되지 못한 채 기판에 도달하는 것을 정리하였다.