KR0158538B1 - 기능성 다층 피복제품 - Google Patents

기능성 다층 피복제품

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Abstract

본 발명은 플라즈마 스퍼터링기술을 이용하여 투명한 비금속 내화물질로 된 기판 표면에 태양열 제어, 색도제어 및 반사율 및 투과율제어를 위하여 금속층과 질화물층 및/또는 산화물층을 균일하게 피복시켜 제조되는 다층피복제품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

기능성 다층 피복제품
본 발명은 플라즈마 스퍼터링(Sputtering) 기술을 이용하여 유리나 플라스틱 같은 투명한 비금속 내화물질로 된 기판 표면에 태양열 제어, 색도제어, 빛 반사율 및 투과율 제어를 위한 물질을 균일하게 피복시켜 제조되는 기능성 다층피복제품에 관한 것이다.
기존에는 건축용 유리제품등에 있어서 태양열제어 및 색도제어를 위하여 유리를 제조할 때 용융액속에 Fe 또는 Cr등의 금속계 물질을 극미량 첨가하여 태양열 및 색도 제어유리를 제조하였다. 그러나 이런 종류의 유리의 경우 태양광의 투과율과 흡수율은 제어할 수 있으나 반사율은 제어를 하지 못하는 단점이 있다. 또한 태양광 중 열선을 유리자체에서 흡수를 함으로 인하여 단열 및 냉방효과에서 단점이 있다.
한편, 기재상에 목적 물질을 피복시키기 위한 기술인 스퍼터링 증착 기술은 이온화된 불활성기체가 타겟 표면충돌 현상에 의해 증착물질을 직접 기화시키는 것이다. 불활성기체의 이온화작용은 비평형방전(Abnormal Glow Discharge) 영역에서 이루어지며 이온화된 기체는 전기장의 영향에 의해 음극 표면을 가격하게 된다. 따라서, 스퍼터링법에서는 타겟을 음극으로 사용하고 있으며 진공용기나 모재를 양극으로 사용하고 있다. 본 발명에 이용되는 스퍼터링 기술의 원리를 살펴보면, 진공용기내에 존재하는 타겟에 일정한 압력과 전압을 공급하여 주면 타겟주위에 플라즈마가 발생되고 방전영역에 존재하고 있던 양이온들이 전기적인 힘에 의해 타겟 표면을 가격하게 된다. 이때 가격하는 양이온의 운동에너지가 타겟표면에 존재하는 원자들에게 전달되며 이 에너지가 가격당하는 원자들의 결합에너지보다 크면 타겟 원자들은 타겟으로부터 방출되어 나온다.
그러나 스퍼터링 기술의 가장 큰 단점은 이극법을 사용하였을 경우 피막형성 속도가 매우 낮아 생산성이 떨어진다는 점이었다. 이를 보완한 것이 마그네트론 스퍼터링법이다. 마그네트론 스퍼터링법은 자기력을 이용하여 전자들의 운동을 제어하여 이온화 확률을 최대로 증대시키는 방법이다. 이러한 자기력을 이용하는 스퍼터링법은 타겟 뒤쪽에 N극과 S극을 형성시켜 전자들의 운동을 직선운동에서 나선운동으로 변형시킨다. 따라서, 동일압력조건에서 전자들이 중성원자등을 가격할 확률은 전자들의 이동거리를 증가시킴에 따라 증가되고, 이온화 확률을 높이므로써 빠른 증착속도를 얻을 수 있다. 자성 스퍼터링의 타겟을 살펴보면 자력선과 자력선이 수직으로 교차되는 지점에서 최대 이온화 확률을 보이며 고밀도 플라즈마 띠를 형성함으로써 국부적인 스퍼터링 현상이 발생됨을 보여주고 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 자성 스퍼터링법을 이용하여 비금속 내화물질 표면에 크롬, 불수강, 알루미늄, 인듐-주석, 주석, 구리 등의 금속층과 질화크롬, 질화알루미늄등의 질화물층 및/또는 산화크롬, 산화주석, 알루미나, 산화인듐주석 등의 산화물층을 균일하게 피복시켜 제조되는 기능성 다층 피복제품 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
이하, 본 발명에 따른 기능성 다층피복제품을 제조하기 위하여, 비금속 내화물질인 기판의 표면에 태양열 제어, 색도제어, 빛 반사율 및 투과율 제어의 기능을 갖는 다층 피복층을 형성하는 방법을 일예를 들어 상세하게 설명한다.
기판 표면과의 밀착력 향상 및 반사층을 형성하기 위하여 기판상에 금속층을 형성한다. 금속층을 형성하는 방법은 표면에 존재하는 오염물질(먼지, 유기물 등)이 세정작업에 의해 완전히 제거된 기판을 1X10-5토르 이하의 진공상태로 유지된 진공 챔버에 장입시킨 후, 순수 불황성 가스를 진공챔버에 주입하여 진공도를 4X10-4∼6X10-2토르로 유지시킨 후 금속 타겟 물질, 즉 주석, 알루미늄, 불수강, 인듐-주석, 구리 또는 크롬으로 된 음극 타겟에 전원을 공급하여 안정한 플라즈마를 형성한 후 기판을 플라즈마 지역내로 이동시키는 동안 스퍼터링 현상에 의해서 기판상에 금속피복층을 형성한다. 금속피복층의 형성에 따라 투과도를 85% 정도로 감소시킬 수 있다.
금속물질에 의한 초기피복층을 형성한 후 색상, 빛 반사율 및 투과율을 제어하기 위하여 질화물층 또는 산화물층을 증착한다.
질화물층을 형성하는 방법은 질화반응을 일으키는 크롬, 알루미늄등의 금속을 음극타겟으로 하고, 순수 아르곤가스를 진공챔버내에 주입하여 4X10-4∼6X10-2토르의 작업압력 범위에서 플라즈마를 발생시키고 플라즈마가 안정화된 후 반응성 기체인 순수 질소가스를 진공챔버 내에 주입하여 플라즈마 지역내에서 질소가스를 최대로 이온화시킨다. 그 후 기판을 플라즈마 지역내로 이동시키는 동안 스퍼터링되면서 음극 타겟의 금속물질이 이온화된 질소와 반응하여 유리기판에 질화물층이 피복된다. 이때 스펙트로포토미터에 의하여 측정되는 550nm에서의 투과도가 65%에서 83%까지 작업공정에 의해서 제어가 된다.
산화물층을 형성하는 방법은 산화반응을 일으키는 크롬, 주석, 알루미늄, 인듐-주석등의 금속을 음극타겟으로 하고 순수 아르곤가스를 진공챔버내에 주입하여 4X10-4∼6X10-2토르의 작업압력범위에서 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마가 안정화된 후 반응성 기체인 순수 산소 가스를 주입하여 플라즈마 지역내에서 산소가스를 최대로 이온화시킨 후 유리기판을 플라즈마 지역내로 이동시키는 동안 스퍼터링되면서 음극타겟의 금속물질이 이온화된 산소와 반응하여 유리기판에 산화물층이 피복된다. 이때 스펙트로포토미터에 의하여 측정되는 550nm에서의 투과도가 65%에서 83%까지 작업공정에 의해서 제어가 된다.
색상제어는 피복되는 금속층, 산화물층, 질화물층의 두께에 의해 엷은 노란빛에서 진한 청색빛까지 약 137가지 종류의 색상으로 제어를 할 수 있으며, 이때 스펙트로포토미터에 의하여 측정되는 가시광선영역(380∼780nm)에서의 최고 투과도인 분광투과율은 40%에서 90%까지, 분광반사도는 7%에서 60%까지 변화가 된다.
본 발명에서의 다층피복층 형성시에는 매우 높은 온도를 필요로 하지 않기 때문에 유리 또는 여러종류의 플라스틱 예를들어, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 같은 비금속 내화물질로 된 다양한 제품에 다층피복층을 형성할 수 있다. 가스의 농도 및 압력과 같은 공정변수는 광범위한 범위에 걸쳐서 변화될 수 있으며, 당분야의 기술자라면 이러한 변수를 용이하게 조절할 수 있을 것이다.
본 발명에서 금속층형성의 경우에 단일층으로 된 금속층을 형성할 수도 있고, 2종 이상의 금속타겟을 이용하여 각각 다른 금속으로 된 2층 이상의 금속층을 형성할 수도 있다. 그리 고, 피복층의 형성순서는 다양하게 선택할 수 있는데, 예를들면 상술한 일예에서와 같이 금속층을 먼저 형성하고 질화물층 및/또는 산화물층을 형성할 수도 있고, 산화물층 또는 질화물층을 먼저 형성한 후 금속층을 형성할 수도 있다.
본 발명에서는 직류 또는 교류전원공급장치로 부터 공급되는 전원을 사용하고 타겟뒤에 마그네트론을 장착하여 자성스퍼터링을 실시하여 투명한 비금속 내화물질의 기판상에 각 피복층을 증착하는데, 본 발명의 일실시예에 있어서 증착되는 물질에 따른 바람직한 증착 속도는 하기 표1과 같으나, 이에 한정되지는 않으며 당분야의 기술자라면 적합한 증착속도를 용이하게 선택할 수 있을 것이다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
표면상의 먼지와 유기물을 완전히 제거한 유리기판을 초기진공도가 1X10 토르인 진공챔버에 장입한 후 순도 99.995% 이상인 아르곤가스를 진공챔버에 주입하여 진공도를 4X10 으로 유지시킨 다음 인듐-주석의 합금으로 된 음극타겟에 전원을 공급하여 플라즈마를 형성시켰다.
이때, 타겟에 가해지는 전력밀도는 11.3W/㎠이었다. 유리기판을 2m/분의 속도로 플라즈마 지역내로 통과시키면서 스퍼터링에 의해 유리기판상에 금속피복층인 인듐-주석 피복층을 형성하였다.
그런 다음 순도 99.995% 이상인 질소가스를 진공챔버내에 주입하고 인듐-주석피복층이 형성된 유리기판을 2m/분의 속도로 플라즈마지역내로 통과시키면서 알루미늄 음극타겟에 전력 밀도 10.3W/㎠을 가하여 스퍼터링하여, 상기 인듐-주석피복층 위에 질화알루미늄층을 피복하였다.
그후 순도 99.995% 이상인 산소가스를 진공챔버내에 주입하고, 인듐-주석 피복층과 질화 알루미늄 피복층이 형성된 유리기판을 2m/분의 속도로 플라즈마지역내로 통과시키면서 인듐-주석 음극 타겟에 전력밀도 10.3W/㎠을 가하여 스퍼터링함으로써 최종적으로 산화인듐-주석 피복층을 형성하여 전체 피복층의 두께가 480nm인 본 발명에 따른 다층피복층의 유리제품을 얻었다.
[실시예 2]
금속피복층 형성을 위하여 불수강 음극타겟과 구리 음극타겟을 사용하여 불수강피복층과 구리피복층의 두층의 금속층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
피복층의 두께는 600nm이었다.
[실시예 3]
질화물층은 형성하지 아니하고 금속피복층인 인듐-주석 피복층과 산화물 피복층인 산화인듐-주석피복층만을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
피복층의 두께는 250nm이었다.
[실시예 4]
불수강과 구리로 된 금속피복층 및 질화알루미늄층을 형성하고, 산화물층은 형성하지 아니한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
피복층의 두께는 400nm이었다.
[실시예 5]
산화물층을 먼저 형성한 다음 금속층을 형성하고 그위에 질화물층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
피복층의 두께는 600nm이었다.

Claims (3)

  1. 비금속 투명내화물질로 된 기판에 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 크롬, 불수강, 알루미늄, 인듐-주석, 구리 및 주석중에서 선택되는 1종 이상의 금속층과 질화크롬 및 질화알루미늄중에서 선택되는 1종 이상의 질화물층 및/또는 산화크롬, 산화주석, 알루미나 및 산화인듐-주석중에서 선택되는 1종이상의 산화물층을 피복시켜 이루어진 다층피복제품.
  2. 제1항에 있어서, 비금속 투명 내화물질은 유리인 것을 특징으로 하는 다층피복제품.
  3. 제1항에 있어서, 비금속 투명 내화물질은 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 다층피복제품.
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