KR0166665B1 - 금속제품의 장식용 발색 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속표면에 건식도금의 일종인 이온빔 보조증착법으로 투명한 금속산화물을 코팅하여 장식효과를 갖게 하는 발색 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 증발원으로 금속산화물을 사용하고 이온빔의 가스로 산소나 질소를 사용하여 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 색상을 창출할 수 있는 금속제품의 장식용 발색제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 원기둥형의 이온빔 보조증착장치를 사용하며, 그 바닥 한쪽에 셔터가 달린 전자빔 증발원이 놓인다. 천장 부분에 위치한 지그에 스테인레스등 으로 된 금속제품을 장치한다. 전자빔 증발원에는 원료로 순도 99.5% 이상의 금속산화물을 사용하며 그 옆에 카우프만형 이온건이 지그를 향하여 장치된다.

설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시키고 기저압력이 원하는 값에 다다르면 전자빔 증발원을 작동하여 금속산화물 원료를 증발시키고 동시에 이온건으로 이온빔을 발생시킨다. 이를 지그에 장착된 제품을 향해 쏘면서 셔터를 열어 원하는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 셔터의 개방시간을 지그공전 주기의 정수 배로 하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입혀지도록 한다.

이상과 같은 본 발명은 장식용 금속제품의 표면에 이온빔 보조증착에 의한 코팅을 행함으로써 코팅층의 다양한 색상효과를 창출할 수 있을 뿐아니라 이온빔 보조증착시 증발원으로 금속산화물을 사용하고 이온빔의 가스로 산소나 질소를 사용하여 광택을 갖는 금속제품의 표면에 입혀지는 금속산화물코팅의 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 발색이 가능한 등의 효과가 있는 것이다.

Description

금속제품의 장식용 발색제조방법

본 발명은 금속표면에 금속산화물을 코팅하여 장시효과를 갖게하는 발색제조방법에 관한 것으로서 상세하게는 건식도금의 일종인 이온빔 보조증착법을 이용하여 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 색상을 창출할 수 있는 금속제품의 장식용 발색제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 빛은 겉보기에 투명한 물질로 입사를 할 경우에도 그 계면 저후의 굴절률 차이에 의해 일부는 반사를 하게 된다. 따라서 반사도가 높은 표면위에 수 ㎛내외의 얇고 투명한 막을 입히면 이 박막은 간섭에 의한 색상을 띄게 되며 이는 박막과 공기의 계면에서 반사된 빛이 박막과 기판의 계면에서 반사된 빛과 상호간섭작용을 일으킴으로써 나타나고, 이와같이 금속표면위에 단층의 산화물 박막을 입혔을 경우 각 계면에서 반사된 빛은 동일한 위상변화를 일으키며 반사된다. 이때 이 두빛은 박막의 두께에 의해 서로 다른 위상을 갖게 되며 이에 의해 간섭을 일으키는바, 실제 태양광에 의해서는 모든 파장영역의 빛이 동시에 입사된다. 이때 박막의 두께가 특정한 파장의 1/4의 홀수배에 해당하면 그러한 빛은 두 반사파간의 상쇄간섭으로 소멸된다. 따라서 이 소멸된 빛의 보색에 해당하는 빛이 지배적으로 나타나게 된다. 이러한 현상이 간섭에 의한 발색의 기본적인 원리이다. 이러한 간섭현상에 의해서는 이론적으로 빛을 구성하는 7가지색이 모두 가능하나 실제로는 각 빛의 파장영역이 협소한 이유로 대표적으로 노랑, 빨강, 파랑, 초록이 지배적으로 나타나며 두께의 미세한 차이에 의해 색상의 미묘한 변화가 일어나게 된다. 또한 빛의 소멸간섭 파장의 1/4의 홀수배에 해당하는 두께에서 일어나므로 간섭색상은 두께의 증가에 따라 계속 반복적으로 일어나며 두께가 수 ㎛이상으로 두꺼워지면 각 파장영역의 중첩에 의해 간섭색상을 잃게 된다. 따라서 간섭색이 나타나는 박막의 두께는 수십에서 수천 ㎚의 범위에 있게 된다.

이와같이 빛의 간섭현상을 이용한 코팅은 그 두께의 제어에 따라 색상을 다양하게 변화시킬 수 있고 코팅물질의 굴절률에 따라 간섭 색상의 진하기가 변화한다는 것은 공지의 사실이다.

상기한 바에 착안하여 본 발명에서는 동일한 원료물질을 사용함에 있어서도 보조이온빔의 가스의 조성을 변화시킴으로써 그 색상의 농담을 제어하는 것을 그 특징으로 한다. 일반적으로 알려진 많은 수의 금속물질은 산소와 결합하여 산화물을 형성할 경우에는 투명해 진다. 그리고 이들 중의 상당수가 질소와 결합하여 질화물을 이룬 경우에는 불투명한 화합물을 형성한다. 이러한 질소가 투명한 산화물에 소량 존재하게 되면 이는 산화물의 투명도를 감소시키고 이러한 투명도의 감소는 간섭색상을 진하게 하여 준다. 이렇듯 산화물의 증착에 산소 또는 질소 이온빔을 이용하여 색의 농담을 조절하는 것이 본 발명의 기본기술 이라고 할 수 있다.

건식도금에 많이 사용되는 금속중, 산화물 상태에서는 가시광선영역에 투광성을 가지며 질화물 상태에서는 투광성을 갖지 않는 것으로는 대표적으로 Ti, Zr, Cr, Ta, Hf, W등을 들 수 있다. 이러한 물질을 증발원으로 사용하여 이온빔 보조증착법으로 산화물을 증착할 경우, 무엇을 보조이온빔의 기체로 사용하느냐 하는 것은 박막의 투명도에 매우 중요한 역할을 하게 된다.

예를 들자면 Ti의 경우, TiNx가 되면 금과 매우 유사한 황색을 띄며, TiO_2-x가 되면 투명한 물질이 된다. 증발원으로 Tio₂를 사용할 경우에는 이온빔으로 보조증착을 하지 않아도 어느 정도의 우수한 투광성을 갖는 간섭막이 얻어진다.

그러나 산소를 이용하여 이온빔 보조증착을 하면 그 막의 기계적 강도와 투광성이 증진되어 더욱 맑고 투명한 색상을 얻을 수 있다. 또한 질소를 이용하여 이온빔 보조증착을 하면 산화물에 질소가 첨가되어 반응을 하므로 투광도가 감소하고 따라서 간섭색상이 진하게 된다. 그리고 질소의 양이 더욱 많아지면 갈색으로 변해가게 된다. 이때 실제산화물내에 첨가되는 질소의 양은 증발원에서의 산화물의 증발속도와 이온에서의 질소의 유량, 이온화율, 이온에너지등의 비에 의하여 결정된다. 즉, 동일한 이온빔 조건하에서도 산화물의 증발속도가 빠르면 질소의 함유량은 줄어들고, 동일한 산화물 증발조건에서도 질소이온의 양이 많으면 질소의 함유량은 증가하게 된다.

이때 이온빔과 증발원에 의한 작업압력은 10 × 10^-5∼ 9.9 × 10^-3Torr사이의 값을 가져야 하는데, 이는 10^-5Torr미만의 낮은 압력에서는 이온건의 플라즈마 형성이 어려우며 10^-2Torr이상의 높은 압력에서는 증발원에 아아크가 발생하기 쉽고 증발물질의 평균 자유행로감소에 의해 원활한 이송에 문제가 있거나 진공 배기 시스템에 무리가 갈 수 있기 때문이다.

상기의 본 발명을 달성할 수 있는 이온빔 보조증착장치는 원통형을 하고 있으며 그 바닥한쪽에 셔터가 달린 전자빔 증발원이 놓여 있다. 피증착물을 장착하기 위한 지그는 원통의 뚜껑부분에 우산형태로 설치되며 피증착물이 코팅면을 아래로 하여 걸치게 되어 있다. 피증착물은 이 지그에 부착되어 지그가 자전,공전 하면서 증발원의 상부를 통과할 때 코팅이 되며 회전속도와 회전수를 조절함으로써 코팅의 두께를 제어한다. 이온건은 카우프만(Kauffmann)형 이온건으로, 역시 챔버의 바닥에 설치되어 증착과 동시에 이온빔을 쓸 수 있도록 되어 있다. 진공의 배기는 초기에는 기계식펌프로 고진공에서는 확산펌프로 행하며, 스테인레스 STS 304나 410,420등으로 제작된 금속제품을 세제나 알코올, TCE등을 이용하여 세척하고 건조시킨다. 이 제품을 진공챔버안의 지그에 설치하되, 코팅을 하고자 하는 면이 원료물질 공급원을 효과적으로 마주 볼수 있도록 아래쪽을 향하도록 장치한다. 증발원의 도가니에는 증발 물질로 99.5% 이상의 순도를 갖는 금속산화물 물질을 담는다.

이하, 본 발명을 제조 실시예에 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[제조실시예 1]

금속제품의 설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시켜 기저압력이 1 × 10^-6Torr까지 떨어지도록 한다. 정해진 압력에 다다르면 이온건으로 아르곤 이온빔을 발생시켜 수분간 피증착물을 이온 세척한다. 세척이 끝나면 아르곤을 차단하고 산소를 공급하여 100eV의 이온에너지를 발생시킨다. 그리고 전자빔 증발원에 5kw의 전력을 가하여 금속산화물을 증발시킨다. 챔버내의 압력이 안정화되면 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 두께의 측정은 크리스탈 모니터를 이용하여 행한다. 이와같은 방법에 의한 코팅은 매우 우수한 투광성을 갖는 코팅층으로 맑은 색상을 뛰게 된다.

증착이 끝나면 챔버를 열고 제품을 지그로부터 분리해 내어 마스킹용액에 침적, 건조시킨다. 마스킹제가 완전히 마르면 원하는 부분을 남기고 코팅층을 제거하고자 하는 부분의 마스킹 제를 칼로 도려낸다. 이를 질산, 초산, 불산 혼합용액(45:45:10)에 수십 초간 담가 탈막시킨다. 노출된 부분의 코팅층이 깨끗하게 탈막되면 물로 세척을 하고 마스킹제를 벗겨내어 완성한다.

[제조실시예 2]

금속제품의 설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시켜 기저압력이 1 × 10^-6Torr까지 떨어지도록 한다. 정해진 압력에 다다르면 이온건으로 아르곤 이온빔을 발생시켜 수분간 피증착물을 이온 세척한다. 세척이 끝나면 아르곤을 차단하고 질소를 공급하여 100eV의 이온에너지를 발생시킨다. 이때 그리고 전자빔 증발원에 5kw의 전력을 가하여 금속산화물을 증발시킨다. 챔버내의 압력이 안정화되면 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 두께의 측정은 크리스탈 모니터를 이용하여 행한다. 이와같은 방법에 의한 코팅은 다소 불투명한 코팅층으로 보다 진한 간섭색상을 나타내게 된다.

증착이 끝나면 챔버를 열고 제품을 지그로부터 분리해 내어 마스킹용액에 침적, 건조시킨다. 마스킹제가 완전히 마르면 원하는 부분을 남기고 코팅층을 제거하고자 하는 부분의 마스킹제를 칼로 도려낸다. 이를 질산, 초산, 불산 혼합용액(45:45:10)에 수십 초간 담가 탈막시킨다. 노출된 부분의 코팅층이 깨끗하게 탈막되면 물로 세척을 하고 마스킹제를 벗겨내어 완성한다.

이상과 같은 본 발명은 장식용 금속제품의 표면에 이온빔 보조증착에 의한 코팅을 행함으로써 코팅층의 다양한 색상효과를 창출할 수 있을 뿐아니라, 이온빔보조증착시 증발원으로 금속산화물을 사용하고 이온빔의 가스로 산소나 질소를 사용하여 광택을 갖는 금속제품의 표면에 입혀지는 금속산화물 코팅의 간섭색상의 농담을 변화시킴 으로써 다양한 발색이 가능한 등의 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 이온빔 보조증착법에 의해 금속표면에 산화물 코팅층을 입힘에 있어서 원료물질로 금속산화물을 사용하고 이온빔으로 산소나 질소, 또는 그 혼합가스를 사용하여 간섭에 의한 색상의 농담을 제어하는 것을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
2. 제1항에 있어서, 그 코팅층의 원료물질로 산화물의 금속이 산화물 상태에서는 가시광선영역에 90% 이상의 투광성을 갖고 질화물 상태에서는 10% 이하의 투광성을 갖는 금속물질임을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
3. 제1항에 있어서, 그 코팅층이 두께 50∼1000nm의 금속산화물 박막으로서 빛의 간섭효과를 이용하여 장식효과를 내는 것을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
4. 제1항에 있어서, 그 코팅하고자 하는 금속표면이 광택을 갖는 금속자체이거나 또는 광택을 갖는 금속이 한층 이상 코팅된 상태로써 양식기, 각종 주방용품 각종 수지품, 일용품, 장식품에 해당하는 것을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.