4M급 피복관 크롬 코팅을 위한 아크이온플레이팅 장비 설계

계약

요약 AI 요약

4M급 피복관 500개 이상을 한 번에 코팅할 수 있는 대형 아크이온플레이팅 장비를 설계하는 사업입니다. 연구개발 2단계 결과를 바탕으로 실제 제작이 가능한 세부 도면과 구조 해석 자료를 마련하는 것이 목적입니다.

• 4M급 피복관 500개 이상 장입이 가능한 3가지 모델(더블타워, 대회전체, 인라인) 개념 설계
• 진공 용기 및 내부 지그 회전 시스템 설계
• 아크 건의 위치, 수량 최적화 및 아크건 배치 라인 설계
• 전력 배선도 및 냉각 유로 설계
• 장비 안정성 및 제작 가능성 확보를 위한 부품 및 기본 프레임 구조 해석
• CAD 파일, PDF, 3D 모델링 해석 자료 포함 결과보고서 제출

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사업 내용 · 이 공고에 든 일

중심 · 아크이온플레이팅 장비 설계

용역 › 학술·정책연구 › 과학·기술 연구

4M급 피복관 크롬 코팅용 대형 아크이온플레이팅 장비의 개념·상세 설계와 구조해석을 수행하는 이공계 위탁연구 용역이다.

• 3개 모델(더블타워·대회전체·인라인) 개념설계 및 1개 모델 선정
• 진공용기·도어·지그 회전체 구조해석 및 상세도면 작성
• 아크 캐소드(타겟·촉발기) 설계
• 가스·진공 배기 시스템 설계
• 전원장치·배전라인·Electrical feedthrough 설계
• 냉각장치·냉각라인 설계
• CAD 파일·PDF·3D 모델링 해석자료 및 결과보고서 제출
• 보안확약·보안각서 등 보안관리

참가 자격 · 제한

업종제한

제한 없음

지역제한

제한 없음

공동수급

공동수급불허

입찰참가 제한

없음

실적경쟁 · PQ

해당 없음

국제입찰

국내입찰

제출 방법

전자시담

입찰 일정

가격

추정가격

39,820,000원

배정예산

43,802,000원

예정가격 방식

단일예가

공고 정보

공고종류

재공고 (재입찰공고)

게시일

09/18(금)

공고번호

R26BK01737044-000

참조번호

P812026009A1

공고기관

한국생산기술연구원

수요기관

한국생산기술연구원

계약방법

수의계약

낙찰방법

수의시담

계약유형

총액계약

예정가격 방식

단일예가

추정가격

39,820,000원

배정예산

43,802,000원

공공조달분류

연구조사서비스 › 학술연구서비스 › 기타연구조사서비스

사전규격번호

R26BD00264691

재공고

재공고

출처

나라장터

첨부파일

• HWP · 용역구매시방서-4M급 피복관 크롬 코팅을 위한 아크이온플레이팅 장비 설계.hwp · 공고규격서

첨부 내용을 정리한 글 — 자격 · 배점 · 일정 · 발췌 ›

문서 발췌

I 과업안내

1. 과업개요 ㅇ 용역명 : 4M급 피복관 크롬 코팅을 위한 아크이온플레이팅 장비 설계 ㅇ 과업기간 : 계약체결일로부터 60일 이내 ㅇ 배정예산 : 40,000,000원(부가세 포함) ㅇ 낙찰방식 : 협상에 의한 계약 체결 2. 추진배경 ㅇ 용역의 필요성 - 사고저항성 강화 피복관의 크롬계 코팅 기술의 상용화를 위한 대형 장비를 연구개발 1단계 (3년)에서 제작하여, 2M급 피복관 250개 이상을 단일 공정으로 수행하였음. 연구개발 2단계 (2년)에서 도출된 장비의 제조 기술과 코팅의 연구 결과에 따라서 연구 단계의 목표인 4M급 피복관 500개 이상 장입이 가능한 장비를 제조하기 위한 대형 장비 설계안을 마련하고자 함. - 연구개발 2단계 과제가 종료되는 시점에서 습득된 공정 장비를 기반으로 성능 평가를 거쳐 코팅의 균일성 및 크롬의 결정구조 등에 대한 데이터를 축적하여, 주관기관 및 공동연구기관의 연구 인력으로는 장비의 기본 개념설계는 가능하나, 세부적인 도면 형태의 설계도는 작성하기 어렵기 때문에 외부 기관에 용역 의뢰하여 설계하고자 함. ㅇ 사용 용도 - 연구 1단계 (3년)와 연구 2단계 (2년)의 연구 결과를 통해 진공 용기의 크기 및 기판의 크기 grabbing device 등의 장치 본체와 세부적인 부품을 개발함. 장비의 설계안은 연구 단계에서 구축된 250개 이상 2M급 장비의 성능을 기준으로 함. 이를 기반으로 한 대형 장비의 설계안으로 진공 용기와 내부 지그 회전 시스템 그리고 아크 건의 위치 및 수량 등을 최적화하여 4M급 피복관에 크롬을 코팅하는 장비의 개발을 위한 기본 설계도임. ㅇ 용역기관 선정 사유 - 국내 장비업체 중 장비의 개념을 이해하고 주관 및 공동연구기관의 개념설계에 대한 충분한 이해를 통해 아크 이온플레이팅 장비의 설계가 가능한 기업임. 지난 연구개발 1단계 및 2단계 연구개발 과정에서 2M급 피복관 크롬 코팅장치 (진공 용기, 아크건, 지그 회전체 등)을 제작한 경험이 있음. 현재 프로토 타입 장비의 제작을 통해 주관기관과의 장치 개발과 코팅 품질인 시공 인증 시험에 대한 이해가 충분함. - 4M급 피복관에 크롬 코팅 균일성과 관련하여 진공 용기에 장착되는 아크 건의 배치 기술과 상부에서 시료를 부착하여 회전시키는 지그 시스템으로 구현되는데, 이 연구 결과는 생기원이 특허 등의 지식재산권을 보유하고 있음. - 본 기업의 경우 크롬 코팅 균일성 확보를 위한 아크 건의 배치 기술에 대해서 지식재산권에 대한 사용이 허여된 기업으로, 상기 기술이 포함된 설계 용역으로 타 기업 (특히 외국계 기업)에 기술 유출을 막고자 함.

3. 추진목적 ㅇ 용역의 목표 - 4M급 피복관 500개 이상 장입이 가능한 대형 아크이온플레이팅 장비 설계 ㅇ 주요 내용 - 양산 가공을 위한 4M 피복관 500개 이상의 거치가 가능한 대형 장비의 설계 - 아크건의 위치 및 설치 수량 등의 이온플레이팅 공정 장비의 설계 - 전력선 배선도 및 냉각 유로 등의 설계 ㅇ 용역 설계 및 승인도면 절차 - (사전조사 및 검토) 생기원이 제시하는 4M 피복관 500개 이상의 거치가 가능한 대형 장비 모델 3개를 개념 설계하여 규격, 크기, 형상, 관리, 제조 비용 등을 종합적으로 판단하여 1개 모델을 선정하고 이에 대한 상세 도면 작업 결정 - (상세 도면 제작과 모델 해석) 승인된 1개 모델에 대하여 장비 제작을 위한 상세 설계를 진행하고, 도면을 바탕으로 장비의 안정성 및 제작 가능성 확보를 위한 각 부품과 기본 프레임에 대한 구조 해석을 진행하여 CAD 파일, PDF, 3D 모델링 해석 자료 제출

Ⅱ 과업내용

1. 과업내용 ㅇ 3개 모델에 대한 사전 조사 및 검토 (2-3주) - 4M 피복관 8개를 단취하는 하나의 디스크로 구성되는 위성 접시 시스템을 기본으로 하는 512개 피복관 코팅 장치임. 양산용 장비 제작을 위한 기초 설계안으로 256개 장비 설계안을 기본으로 하고, 512개 장착이 가능한 구조로 설계안 마련

※ 장비의 주요 스펙을 지정하고 PQT 성능 구현이 가능하도록 제작 장비의 성능 검증 필요 1) 1번째 설계안(더블 타워 타입)은 4M 피복관 256개 장비 설계안을 바탕으로 두 개의 챔버를 붙여 2개의 회전 지그 구조로 장비를 설계 : 512개 피복관 장착용 2) 2번째 설계안(대회전체 타입)은 4M 피복관 512개를 하나의 회전 지그에 장착하는 구조로 장비를 설계 3) 3번째 설계안(인라인 타입)은 4M 피복관 256개를 기본 지그 회전체 카트리지 형태 세트로 구성하여 3개의 챔버 (인입, 코팅, 반출)를 이용하는 인라인 방식으로 피복관 768개가 유기적으로 256개 기본 세트로 인입, 코팅, 반출하는 구조로 장비를 설계 - 생기원이 제시하는 4M 피복관 512개 장착이 가능한 대형 장비 모델 3개에 개념 설계; 1) 더블타워형, 2) 대회전체, 3) 인라인 1) 더블타워형 설계안: 256개 1세트가 장착 가능한 2개 챔버 모델 2) 대회전체 설계안: 512개 1세트가 장착 가능한 1개 챔버 모델 3) 인라인 설계안: 256개 1세트가 장착 가능한 3개 챔버 모델 - (중요 설계기준) 4M 피복관 8개가 1개 디스크에 구성되는 위성접시 시스템 1) 32개 위성접시 × 8개 시료 = 256개, 위성 접시 Ø 110 mm 2) 아크건-아크건 간 거리 : 70 mm, 아크건 간 반복 없음

※ 지식재산권 (특허등록번호 10-2909086, 증착소스 배열 설계 방법 및 이를 이용한 균일 코팅 장치 및 균일 코팅 시스템)을 활용 피복관 균일코팅 장비 설계 3) 아크건 라인 4개 (現 장비의 타겟 소모 식각 형상 검토 후 결정 사항) ※ 現 아크건 방사 및 back-stream 영역 : 300 mm 이며, KNF 배치 대응 아크건 라인 4개 라인 (아크건-아크건 간 거리 : 70 mm) ※ 3개 모델에 대해서 아크 건 라인은 모델 형태에 따라 조정 가능 4) 히터 라인 6개 ※ 아크건의 전류량으로는 現 위성 접시 시스템으로는 PQT 달성 어려움. 히터와 시료간 거리 산정 반드시 필요하며, 히터-시료 간 거리와 용량 증대를 통한 PQT 달성 가능 ※ 히터-시료 간 거리 : 30 mm 이내 (열복사 570 ℃ - 475 ℃ 영역) - (중요 설계기준) 회전 방식 및 피복관 상부 고정 방식의 지그 회전체 1) 생기원 상부 고정 타입으로 메인 기어 및 회전체 설계 : 공자전 지그는 피복관 고정 그립과 고정 슬리브 (Sleeve) 8개가 구성되어 하나의 위성접시(Satellite disk) 구조로 메인 회전체에 다시 연결되는 구조임. ※ 지식재산권 (특허등록번호 10-2627931, 장축관 균일 코팅 장치 및 방법)을 활용 피복관 균일 코팅 장비 설계 - 생기원이 제시하는 상부 고정 타입으로 메인 기어 및 회전체 설계안 ㅇ 검토된 모델안 1개에 적용하는 구조 해석과 장비 본체와 지그 회전체 설계 - 4M 피복관 512개 장착이 가능한 대형 장비 모델 3개 1) 더블타워형, 2) 대회전체, 3) 인라인 방식에 대해 생기원에서 장비의 제작 가능성, 효용성, 증착속도, 균일성, 제작비용 등에 대한 종합적인 검토를 완료하고 1개 모델을 선정함 ※ (선정된 모델안에 적용 아크건의 확정 조건) 아크건-아크건 간 거리가 70 mm이고, 히터 라인은 6개이고 히터-시료 간 거리 : 30-50 mm (열복사 570 ℃ - 475 ℃ 영역) 영역으로 지정함. 지정된 거리에 따라 설계할 것 ※ (선정된 모델안에 적용 지그 시스템 확정 조건) 지그 회전체에 고정된 피복관 최외곽 표면과 아크건 간의 거리가 180 mm로 지정함. 장비 본체의 유효 지름이 확정됨. 8개 시료가 1개의 디스크 (Ø 110 mm)에 장착되는 위성접시 구조의 공자전 시스템으로 기본 피복관 장착 256개를 기준으로 하여 피복관 512개가 1실 내지 3실에 이르는 장비 본체를 설계할 것 - 선정된 1개 모델안에 대하여 구조 해석을 실시함. 구조 해석은 진공 장비인 만큼 진공 장비 내부와 외부 압력 차이 (△1기압) 그리고 냉각수 공급 압력(△ 2-3기압)에 따라서 압력차 최소 1기압에서 최대 3기압의 차이가 발생함에 따른 장비의 휨발생에 대한 구조 해석으로 기계의 변형에 대한 보강 방식이나 각종 플렌지 내지 강판의 두께 설정을 구조 해석 결과에 맞추어 설계할 것

1) 다수의 아크 캐소드와 히터가 설치되는 Door에 대한 구조 해석: 아크건-아크건간의 거리가 70 mm 기준에 4개 아크라인 그리고 6개 해터 라인 특히 도어부분에는 4개의 히터라인 구성 대해서 설계 반영하고 구조 해석 2) 각종 진공부품 및 진공 배기라인 등이 장착되는 본체에 대한 구조 해석: 진공배기 펌프 플렌지, 압력 계측기 등의 설치 영역과 일반적으로 직사각형 구조의 본체는 원형의 Door보다 변형에 취약함으로서 각종 플레지 강판의 두께와 보강재 그리고 용접부 등에 대한 구조 해석 ※ 4M 피복관의 크롬 코팅에 대한 코팅 균일성 확보를 위한 장비 높이와 지그회전체의 높이를 해석하여 설계할 것: 설계 기준은 현 KNF 시공인증 (PQT) 규격인 4M 피복관에 코팅 균일도 15㎛ ± 2 ㎛ 기준으로 균일도 오차는 5% 이내임. 첫째 아크건 타겟 중앙점 기준 ± 210 mm 으로 코팅 균일 시작점으로 하고, 지그 회전체에 위치에 의존하지만 그림자 효과 발생으로 최대 ± 210 mm으로 추가 확보할 것. 따라서 첫째 아크건 타겟 중앙점 기준 ± 400-450 mm을 기준으로 고려할 것. - 아크 이온플레이팅 공정에서 시료의 가열은 550 ℃ 이상이 되어야 하고, 공정에서 아크의 발생으로 통한 시료 및 진공 용기가 이온과 용융된 원괴에 의해 600 ℃ 까지 가열됨으로 장치의 본체와 도어는 반드시 이중 자켓 방식의 냉각이 이루어져 장치가 고온에서도 안정적으로 운전이 되도록 설계한다. 이는 온도가 600 ℃ 이상까지 가열되어도 각종 기어 부품들의 수치를 600 ℃ 온도의 변형을 기준으로 설계하여 지그 회전 멈춤 등의 문제를 야기하지 않게 설계할 것. - 장치의 본체에는 반드시 회전체 본체를 1 ton 이상의 하중을 견디며 600 ℃에서도 원활히 회전할 수 있는 페로씰 등의 스핀들(Spindle) 구조는 구성되어야 하며 바이어스가 인가될 수 있는 구조가 되고 본체와는 절연이 되어야 함. - 히터 기준으로 제어할 수 있는 열전대 외에도 장비 본체의 온도를 측정할 여러 개의 열전대 구성이 필요함. 가열장치의 히터 제어는 아크건-시료 간 거리인 180 mm 기준점을 측정 온도로 함. k 타입 쉬쓰 열전대를 사용하고 온도 측정은 장치의 상중하의 5곳 이상의 지점에서 측정하여 진공용기 내의 온도를 측정하도록 할 것. ㅇ 아크 캐소드의 설계 - 아크 캐소드는 지름이 3인치(Ø 69(75)×30H, KNF 타겟 기준)인 타겟이 장착되는 구조로 링형 마그넷으로 자기장을 구속하는 방식의 소스이고 아크 방전을 유도하는 촉발기와 하나의 세트를 구성함.

1) 아크 캐소드 타겟 2) 아크 캐소드 구조 - 아크 캐소드는 반드시 한국생산기술연구원 보유 기술(특허기술)로 설계한다. 링형 영구자석(OD 91, ID 81, T 5 )은 NdFeB N30 이상인 것을 사용하며, 자기장세기는 표면에서 4000G 이상이 되어야 함. ※ 지식재산권 (특허등록번호 10-2667048, 중앙부 함몰형 자기장을 가지는 아크 증발원 및 이를 포함하는 아크 이온 플레이팅 장치, 그리고 이를 이용한 금속 및 금속화합물의 증착 방법)을 활용 아크 캐소드 설계 - (확정 조건) 상기 구조의 타겟 엣지에서 자기장 세기는 14-16 G가 형성되도록 반드시 설계할 것 - 촉발기의 경우 타겟으로부터 방사되는 원괴에 영향을 최소화 할 수 있는 방식으로 제작되어야 한다. 촉발기 소재는 Ø3 mm인 몰리브덴을 사용하고 트리거 위치 변경이 없는 구조로 트리거링 반경 최소화해야 함. ㅇ 가스와 진공 배기 시스템 설계 - 가스 인입장치는 알곤(Ar) 가스의 유량을 제어해야 하며, 2 slm의 용량의 MFC 4대 장착하여 사용한다. 이 중 3대는 공정에 사용하고 1대는 스페어임. 가스 인입은 진공용기 상부, 중부, 하부에서 공급하도록 설계함. - 아크 이온플레이팅의 공정 압력은 MFC 인입되는 가스량에 따라서 Throttle Valve을 제어함으로서 공정압력을 제어하는 방식으로 작동해야 함. 압력의 기준은 Baratron 진공 센서로부터 측정되는 진공압력을 기준으로 함. 압력 조절 방식은 2대의 Baratron 진공 센서와 Throttle Valve 2 대 (상/하 이중 제어)의 밸브를 사용하여 조절함. - 진공 배기장치는 저진공과 고진공펌프를 사용하여 1시간 이내에 압력이 5×10-6 Torr 이하로 배기되어야 함. 또한 본체와 도어 및 아크 캐소드와 기타 부품으로 구성된 장치는 진공 배기 이후에 진공 기밀의 허용 누설율은 10-5 Torr․L/s 이하로 유지되어야 함. 러핑 펌핑 라인 및 고진공 펌핑 라인과 각종 진공 밸브류를 제작하여야 함. 피복관 512개 장착 가능한 진공장치의 체적은 약 10-30 m3로 제작 형태에 따라 달라지며, 최소 10 m3 이상 고려하여 진공배기용 진공펌프는 고진공용 터보펌프 (Osaka 4204-B, JIS350, 4,000 L/sec) 5대 이상과 오일기밀형 진공펌프 (E2M275, 250 M3/h) 2대 그리고 부스터 펌프 (EH2600, 2500 M3/h) 2개 세트를 사용하는 것으로 설계할 것. - 진공 압력 측정은 진공용기 설계가 4M인 피복관으로 상기 기준에 따라서 장비 본체의 높이가 결정되고, 장비 본체에 상하에 고진공용 진공 게이지와 저진공용 게이지를 5곳에 설치하고 러핑라인에 1개의 저진공 게이지 설치한다. 공정용 압력 측정은 Baratron 게이지 (MKS626D, 1 Torr) 2대와 콘트롤러(MKS600) 2대를 사용함.

- 아크 캐소드도 본체의 크기와 냉각수 압력저하 등의 종합적인 검토를 통해 장비 본체와 별도의 냉각장치를 이용하여 냉각할 것을 권고하며, 따라서 총 3개의 별도 냉각 장치를 구성하여 사용하는 것으로 설계 반영할 것 ㅇ 결과보고서 작성과 결과 제출물 등의 용역 완료 - 생기원 용역 결과에 의한 결과 보고서 1부 제출 - CAD 파일, PDF, 3D 모델링 해석 자료 등 결과물 수록 USB 1개 - (중요사항) 모든 설계안의 도면에는 한국생산기술연구원의 용역임을 기재하고 생기원 로고를 기재할 것 2. 추진체계 및 일정

(일정) 4.5주(W)/1월(M) 기준으로 M2 일정으로 총 W9 (60일)로 작성