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KR102170813B1 - 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치 - Google Patents

연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치 Download PDF

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KR102170813B1
KR102170813B1 KR1020130080410A KR20130080410A KR102170813B1 KR 102170813 B1 KR102170813 B1 KR 102170813B1 KR 1020130080410 A KR1020130080410 A KR 1020130080410A KR 20130080410 A KR20130080410 A KR 20130080410A KR 102170813 B1 KR102170813 B1 KR 102170813B1
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coating agent
coating
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combustion
fuel
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이태희
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김기태
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한국전력공사
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한국중부발전(주)
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연소부과 코팅제 공급부를 분리하여 설계하고, 미립자의 연소 코팅제 대부분이 원거리에 있는 연소 화염까지 도달할 수 있게 코팅제의 열적 활성화(Thermal Activation)를 돕는 장치를 코팅제 공급부에 적용한 코팅 장치를 제공한다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 열적 활성화 이전에 코팅제를 미리 미립자화(atomization)하여, 열적 반응률을 향상한 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치를 제공한다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예는 연료와 조연성 가스를 혼합하며 화염을 발생하는 연소부 및 상기 화염에 코팅제를 공급하는 코팅제 공급부를 포함하는 코팅 장치에 있어서, 상기 코팅제 공급부는 상기 코팅제와 운반가스를 운반받아 혼합하는 혼합관, 상기 혼합관에 연결되며, 상기 운반가스가 혼합된 코팅제를 소정 각도로 분무하여 미립자화하는 코팅제 분무노즐, 상기 코팅제 분무노즐에 연결되며, 발열체가 설치된 활성화관 및 상기 활성화관에 연결된 코팅제 분사노즐을 포함하는 코팅 장치를 개시한다.

Description

연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치{FUNCTIONAL COATING APPARATUS BY COMBUSTION CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTION}
본 발명의 일 실시예는 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치에 관한 것이다.
연소화학기상증착법(Combustion Chemical Vapor Deposition)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)의 한 분야로써, 연소 환경에서 대상이 되는 기판 표면에 분말 또는 결정 형태의 고체물질이 연소화학기상증착 반응에 의해서 코팅되는 공정을 말한다. 연소온도, 코팅 물질의 조성과 농도, 유체의 유량, 운반 가스의 조성과 농도, 기판물질의 종류 및 온도 등의 실험조건에 따라서 다양한 성질을 가진 기능성 코팅 물질을 기판 위에 선택적으로 성장시킬 수 있다.
이 기능성 코팅 물질은 사용 목적에 따라서 고온에서 열을 차단하는 열차폐 기능, 모재의 산화를 억제하기 위해서 산소의 확산을 방지하는 내산화 기능 및 인체 및 환경에 유해한 NOx, CO등의 분해를 돕는 촉매 기능 등의 다양한 역할을 할 수 있으며, 단순한 기판뿐만 아니라 복잡한 기판 위에 국부적, 또는 선택적으로 코팅할 수 있는 장점이 있다.
이러한 연소화학기상증착법을 이용한 종래의 국내기술로는 "접착성이 우수한 실리콘 산화 피막의 연소화학 기상증착 방법(등록번호 100742858, 07.07.19)"과 이와 유사한 "접착성이 우수한 실리콘 산화 피막의 연소화학 기상증착 방법(등록번호 100742857, 07.07.19)"이 있다. 이 방법은 연료(LPG), 공기와 실리콘 전구체인 HMDSN(Hexamethyldsiloxane)을 혼합한 다음에 단일 노즐로 버너에 공급하여 기판에 젖음성 또는 접착력이 우수한 실리콘 산화물을 코팅하는 기술이다. 하지만, 사용시간의 경과 또는 전구체의 투입양이 많아지면 버너의 노즐이 실리콘 산화물에 의해 막힐(Clogging) 수 있는 단점이 있다. 또한, 국외기술로 Guardian Industries Corp. 에서 개발한 "remote combustion deposition burner and/or related methods(Application No: 10190212.0)"와 "Method and apparatus for the combustion chemical vapor deposition of films and coatings(EP 0689618B1)"를 보면, 버너 노즐에 전구체를 직접 넣는 방법도 있고, 버너와 코팅제를 분리하여 별도로 공급하는 방법을 확보하고 있다. 버너에 코팅용 전구체를 직접 넣는 방법은 위에서 기술한 바와 같이 버너의 노즐 막힘 문제가 발생할 수 있는 단점이 있고, 버너와 코팅제를 분리하여 코팅제를 공급하는 방법은 코팅제 또는 운반가스의 도움을 받아 운반되는 코팅제 만으로는 원거리에 있는 연소 화염에 도달하여 혼합이 어렵기 때문에 균일하고 미세한 코팅층을 구현하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 일체형 노즐과 같이 코팅제에 의해 노즐이 막히는 현상을 제거하기 위해서 연소부과 코팅제 공급부를 분리하여 설계하고, 미립자의 연소 코팅제 대부분이 원거리에 있는 화염까지 도달할 수 있게 코팅제의 열적 활성화(Thermal Activation)를 돕는 장치를 코팅제 공급부에 적용한 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 열적 활성화 이전에 코팅제를 미리 미립자화(atomization)하여, 열적 반응률을 향상한 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 코팅 장치는 연료와 조연성 가스를 혼합하며 화염을 발생하는 연소부 및 상기 화염에 코팅제를 공급하는 코팅제 공급부를 포함하는 코팅 장치에 있어서, 상기 코팅제 공급부는 상기 코팅제와 운반가스를 운반받아 혼합하는 혼합관, 상기 혼합관에 연결되며, 상기 운반가스가 혼합된 코팅제를 소정 각도로 분무하여 미립자화하는 코팅제 분무노즐, 상기 코팅제 분무노즐에 연결되며, 발열체가 설치된 활성화관 및 상기 활성화관에 연결된 코팅제 분사노즐을 포함한다.
상기 혼합관과 코팅제 분무노즐 사이에는 필터가 설치될 수 있다.
상기 코팅제 분무노즐과 활성화관 사이에는 제1실링부재가 설치될 수 있다.
상기 활성화관과 코팅제 분사노즐 사이에는 제2실링부재가 설치될 수 있다.
상기 제2실링부재는 내열성 재질로 형성될 수 있다.
상기 코팅제 분무노즐의 토출부에는 망이 설치될 수 있다.
상기 코팅제 분무노즐, 활성화관 및 코팅제 분사노즐은 Ni합금으로 형성될 수 있다.
상기 발열체의 발열 온도는 상기 코팅체의 비등점을 기준으로 50% 내지 150%일 수 있다.
상기 발열체에는 온도를 조절하기 위한 제어장치가 설치될 수 있다.
상기 연소부는 상기 연료와 상기 조연성 가스를 공급하는 독립된 배관, 상기 배관의 유량을 각각 조절할 수 있는 밸브, 유량계, 상기 연료와 조연성 가스를 혼합하는 연료 혼합노즐, 상기 조연성 가스의 유속을 가속시키고 상기 연료와 조연성 가스를 완전히 혼합시켜서 원거리까지 곧게 분출할 수 있도록 구성된 연료 분사노즐을 포함할 수 있다.
상기 연료 분사노즐의 내측 각도는 10°내지 30°로 형성될 수 있다.
상기 연료 분사노즐의 출구는 소정 길이를 갖도록 평행하게 형성될 수 있다.
상기 연료 분사노즐의 출구는 적어도 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 연료는 LPG 또는 LNG 중 어느 하나로 구성되고, 상기 조연성 가스는 산소로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치는 일체형 노즐과 같이 코팅제에 의해 노즐이 막히는 현상을 제거하기 위해서 연소부과 코팅제 공급부를 분리하여 설계하고, 미립자의 연소 코팅제 대부분이 원거리에 있는 화염까지 도달하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소화학기상증착 반응을 이용한 기능성 코팅 장치는 열적 활성화 이전에 코팅제를 미리 미립자화(atomization)하여, 열적 반응률을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 연소부의 분사노즐 및 혼합 노즐을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 코팅제 공급부를 도시한 단면도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 연소부의 분사노즐 및 혼합 노즐을 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 코팅제 공급부를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치는 기판 등의 코팅 대상(101), 상기 코팅 대상(101)에 코팅되는 코팅층(102), 연소 환경을 조성하는 연소부(200)와 코팅제(103)를 화염(F)까지 보낼 수 있는 코팅제 공급부(300)를 포함한다.
상기 연소부(200)에 공급되는 연료는 연료 저장용기(207)로부터 공급을 받게 되는데, 연료 저장용기(207)는 내압을 높게 하여 차압으로 연료를 공급하거나, 별도의 펌프를 사용할 수 있다. 상기 연료 저장용기(207)로부터 나오는 연료는 유량계 또는 압력계(206)를 통해서 감시 및 제어하는 것이 가능하며, 연료 제어밸브(205)로 화염(F)의 크기 및 연소 상태를 조절할 수 있다. 제어밸브(205)와 연료 혼합노즐(203)은 연료공급배관(204)을 통해 연결된다.
또한, 상기 연소부(200)에 공급되는 조연성 가스는 조연성 가스 저장용기(211)로부터 공급을 받아서, 유량계 또는 압력계(210)에서 유량을 감시하고, 조연성 가스의 양을 제어밸브(209)로 제어한다. 조연성 가스 저장용기(211)부터 혼합노즐(203)까지의 각 부분은 가스 공급배관(208)을 통해 연결된다.
여기서, 도 2를 참조하면, 연소부(200)의 버너의 구조는 연료 분사노즐(202)과 연료 혼합노즐(203)로 구성된다. 상기 연료 분사노즐(202)과 연결된 연료 혼합노즐(203)의 길이(Ln)는 연소 화염(F)으로 인한 열이 공급배관(204, 208) 및 밸브(205, 209)에 전달되지 않도록 충분히 길게 한다. 또한, 연료 분사노즐(202)의 내측 분사 각도(θ)는 10°내지 30°로 함으로써, 유동을 가속시켜서 연료와 조연성 가스를 완전히 혼합시킨다. 특히, 출구 측은 연료가 곧게 분출될 수 있도록 평행하게 한다. 연소부(200)의 연료 분사노즐(202)에서 혼합가스의 유량(u)은 혼합 가스의 유속(v)과 연료 분사노즐(202)의 출구 측 내경(a)에 비례하므로, 연소부(200)의 연료 분사노즐(202)의 출구 측 내경은 코팅 대상(101)이 되는 물질의 코팅층(102) 또는 화염(F)의 크기를 고려하여 결정한다.
여기서, 상기 연료는 LPG 또는 LNG 등으로 구성되며, 조연성 가스는 산소 또는 공기로 구성될 수 있다.
도 3을 함께 참조하면, 코팅제 공급부(300)는 코팅제를 분사하는 라인(301~310), 코팅제를 공급하는 라인(311~314), 코팅제를 운반하는 가스를 공급하는 라인(315~318)과 발열체 제어장치(319)로 구성된다.
여기서, 코팅제 공급부(300)에서 코팅제 분사노즐(310)까지 코팅제(103) 및 운반가스를 공급하는 방식은 연소부(200)의 방식과 유사하다. 코팅제 저장용기 (314)로부터 코팅제를 공급받아 유량계 또는 압력계(313)에서 유량을 감시하고, 제어밸브(312)를 통해서 주입량을 조절한다.
여기서, 운반가스는 질소 또는 아르곤 등의 비활성 가스를 사용할 수 있으며 코팅제를 운반하고, 코팅제 분무노즐(306)에서 최종 토출 될 때, 코팅제의 미립자화(Atomizing)를 돕는다. 운반 가스를 사용하면 소량의 코팅제만으로도 효과적인 분무 패턴을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하, 코팅제를 분사하는 라인(301~310)을 설명하면, 코팅제 공급 배관(311)은 제1연결부(301)를 통해 혼합관(302)에 체결된다. 물론, 혼합관(302)과 제1연결부(301)는 고무링 등의 실링부재(303)를 사용하여 코팅제의 누수를 방지할 수 있다.
또한, 운반가스 공급 배관(315)은 제2연결부(304)를 통해 혼합관(302)에 체결된다.
즉, 혼합관(302)은 제1연결부(301)에서 공급된 코팅제와 제2연결부(304)에서 공급된 운반가스를 혼합하는 역할을 한다. 코팅제와 운반가스에 혼합된 불순물 또는 큰 입자 물질들은 분무 노즐(306)의 전단에 설치된 필터(305)를 통해서 제거할 수 있다. 상기 필터(305)는 메시(mesh) 형태로써 스테인리스 또는 유사 재질을 사용할 수 있다.
상기 코팅제 분무노즐(306)은 혼합관(302)에서 혼합되고, 필터(305)를 거친 코팅제와 운반가스가 완전히 혼합하고 이를 미립자화한다.
여기서, 상기 코팅제 분무노즐(306)은 차압과 직경(D3)을 통해서 코팅제의 유량과 분무각(A1)을 조절할 수 있으며, 분무각(A1)과 분사거리(D2)를 조절하면 미립자화된 코팅제의 분사범위(D1)를 결정할 수 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 코팅제 분무노즐(306)의 토출부, 즉 끝단에는 코팅제의 무화(霧化)를 용이하게 하기 위한 망(306a)이 설치된다.
물론, 상기 코팅제 분무노즐(306), 활성화관(307)과 분사노즐(310)은 고무링 등의 제1, 2 실링부재(308)로 연결하여 코팅제의 누수를 방지할 수 있다. 하지만, 발열체(309)에 의해 가열된 활성화 노즐과 접하고 있는 2 실링부재(308)는 고온에서 쉽게 열화 될 수 있기 때문에 상황에 따라서 금속 또는 고온소재로 대체해서 실링 할 수 있다.
상기 코팅제 분무노즐(306)을 통하여 미립자화 된 코팅제는 활성화관(307)에서 열적으로 활성화(Thermal Activation)된다. 이 구간에서 활성화 온도는 코팅제의 비등점(Boiling point)을 기준 결정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 활성화 온도, 즉, 발열체(309)의 발열 온도는 상기 코팅체의 비등점을 기준으로 50% 내지 150%으로 형성된다. 이는 코팅제의 비등점 이상으로 가열하면 미립자화된 코팅제가 기화되어 운반가스와 완전히 섞인 혼합가스를 만들 수 있다. 또한, 코팅제에 혼합된 운반 가스는 기체 상태이므로 온도가 올라가면 가스 분자들의 에너지가 증가하여 온도에 비례해서 부피가 팽창한다. 이는 샤를의 법칙(V=Vo*(1+t/273)에 의한 것으로 코팅제 분사노즐(310)로 토출되며 열적으로 활성화된 코팅제는 원거리까지 갈 수 있다. 다만, 여기서 열적 활성화 온도를 지나치게 높이면, 즉 코팅제 비등점의 대략 150% 이상으로 되면, 코팅제는 활성화관(307) 내면에서 산화되고 흡착되어 출구에서 막힘 현상이 발생할 수 있다.
상기 발열체(309)는 활성화관(307)의 외면을 감싸도록 형성되며, 일측에 발열체 제어장치(319)가 연결되어 자체적으로 발열하거나, 열원을 공급받는다. 따라서, 상기 발열체(309)는 열전도성이 우수한 금속 또는 비철금속을 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
물론 상기 발열체(309)의 열원은 외부 손실 없이 활성화관(307)으로 전달되도록 설치되는 것이 바람직하다.
토출 노즐인 코팅제 분사노즐(310)의 내경(D4)은 코팅제의 분사거리를 고려하여 설치되며, 분사노즐(310)의 토출구는 연료가 곧게 분출될 수 있도록 평행하게 형성되는 것이 바람직하다.
물론, 상기 코팅제 분무노즐(306), 활성화관(307), 분사노즐(310)은 내열성이 우수한 재료인 Ni 계열의 합금 또는 스테인리스 강 등을 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
아래의 표 1은 본 발명의 일 실시예에서 코팅제를 열적 활성화 유/무에 따른 코팅제의 분사 거리를 비교한 것이다.
열적 활성화 무 유
코팅제 분사 거리(cm) 17.5 44.7
분무패턴 측정 결과, 코팅제 분무노즐(306)을 가열하기 전에는 코팅제 분사 거리가 17.5cm 이하로 근거리에 한정되고, 일부 미립자화 되지 못한 코팅제 액적이 응결되는 문제가 있었으나, 코팅제를 비등점 이상으로 가열(열적 활성화)하면 낮은 운반가스 압력(또는 유량)에서도 코팅제를 44.7cm 이상까지 원거리로 안정적이며 균일하게 분사하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
101; 코팅 대상 102; 코팅층
200; 연소부 300; 코팅체 공급부

Claims (14)

  1. 연료와 조연성 가스를 혼합하여 화염을 발생하는 연소부 및 상기 화염에 코팅제를 공급하는 코팅제 공급부를 포함하는 코팅 장치에 있어서,
    상기 연소부와 상기 코팅제 공급부가 분리하여 배열되고,
    상기 연소부는 연료 저장용기와 조연성 가스용기가 각각 별도의 배관을 통해 연결되고,
    상기 코팅제 공급부는 코팅제 저장용기와 운반가스 용기가 각각 별도의 배관을 통해 연결되고,
    상기 코팅제 공급부는,
    상기 코팅제와 운반가스를 운반받아 각각 별도의 배관을 통해 공급받아 혼합하는 혼합관;
    상기 혼합관에 연결되며, 상기 운반가스가 혼합된 코팅제를 소정 각도 및 분사거리로 분무하여 미립자화하는 코팅제 분무노즐;
    상기 코팅제 분무노즐에 연결되고, 외주면에 발열체가 설치된 되어, 미립자화된 코팅제를 비등점 이상으로 가열하여 기화시켜 상기 운반가스와 혼합하여 열적으로 활성화하는 활성화관; 및
    상기 활성화관에 연결되고, 상기 열적으로 활성화된 코팅제를 분사하는 코팅제 분사노즐; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합관과 코팅제 분무노즐 사이에는 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅제 분무노즐과 활성화관 사이에는 제1실링부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 활성화관과 코팅제 분사노즐 사이에는 제2실링부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 내열성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅제 분무노즐의 토출부에는 망이 설치된 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅제 분무노즐, 활성화관 및 코팅제 분사노즐은 Ni합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 발열체의 발열 온도는 상기 코팅제의 비등점을 기준으로 50% 내지 150%인 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 발열체에는 온도를 조절하기 위한 제어장치가 설치된 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 연소부는 상기 연료와 상기 조연성 가스를 공급하는 독립된 배관, 상기 배관의 유량을 각각 조절할 수 있는 밸브와 유량계, 상기 연료와 조연성 가스를 혼합하는 연료 혼합노즐, 상기 조연성 가스의 유속을 가속하고 상기 연료와 조연성 가스를 완전히 혼합시켜서 원거리까지 곧게 분출할 수 있도록 구성된 연료 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연료 분사노즐의 내측 각도는 10° 내지 30°로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 연료 분사노즐의 출구는 소정 길이를 갖도록 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연료 분사노즐의 출구는 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 연료는 LPG 또는 LNG 중 어느 하나로 구성되고, 상기 조연성 가스는 산소로 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
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