KR100256354B1 - The method for thin coating of composite - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시계 케이스나 시계줄, 안경테, 반지 등에 광택이 있는 화합물 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화합물 박막의 형성시 반사도를 측정하여 성분비를 제어할 수 있는 화합물 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a glossy compound thin film, such as a watch case, watch band, eyeglass frame, ring, etc. More specifically, the method for producing a compound thin film that can control the component ratio by measuring the reflectivity during formation of the compound thin film It is about.
장식용 표면처리 방법은 크게 양극산화법과 흑색의 피막을 코팅하는 코팅방법으로 나눌 수 있다. 이중에서 양극산화법은 산성용액내에 기판을 침지시킨 후 전류를 흘려 산소이온을 기판으로 가속시켜 기판을 산화시킨 후 이 산화막의 두께에 따른 색상변화 즉 간섭색을 이용하는 방법이다.Decorative surface treatment methods can be largely divided into anodizing method and a coating method for coating a black film. The anodizing method is a method of immersing a substrate in an acidic solution, flowing an electric current to accelerate oxygen ions to the substrate, oxidizing the substrate, and using a color change or interference color according to the thickness of the oxide film.
이 방법은 발색 후 피막에 존재하는 다량의 기공을 없애기 위해 별도의 후처리 공정이 필요하며, 습식방법을 이용하므로 공해유발등의 문제점이 있다.This method requires a separate post-treatment process to remove a large amount of pores present in the coating after the color development, there is a problem such as pollution caused by using a wet method.
기판을 코팅처리하여 화합물박막을 만드는 방법으로는 물리증착법(PVD)이 있는데, 이 PVD법을 이용하면 금속, 유리, 세라믹, 플라스틱등의 기판 표면에 금속, 화합물, 무기물, 혹은 유기물 폴리마등의 박막을 쉽게 형성시킬 수 있다. PVD법에는 다시 스퍼터링과 이온플레이팅이 있는데, 이중에서 스퍼터링은 불활성가스 분위기에서 타겟에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 발생시킨 후 방전내에 존재하는 불활성가스 이온이 타겟에 충돌하여 타겟원자를 떼어낸 후 기판에 박막을 형성시키는 방법이다. 한편, 이온플레이팅은 증발물질을 이온화시키면서 동시에 기판에 음의 전압을 인가하여 이온화시킨 증발물질을 높은 에너지로 기판에 박막으로 형성시키는 방법이다. 이들 방법을 이용하면서 별도로 가스를 공급하는 장치를 만들면 금속과 가스가 반응하여 화합물 피막을 형성하는데 매우 적합한 피막제조 공정기술이 된다. 따라서 지금까지 이와 같은 방법으로 TiN과 같은 금색을 띠는 물질을 코팅하여 장식용에 널리 이용하여 왔다. 최근에는 수요가의 다양한 요구와 패션의 고급화 추세에 맞추어 광택이 있는 흑색 표면처리 제품이 유행하면서 이와같은 요구에 부응하고자 다양한 방법으로 흑색을 만드는 기술이 개발, 발전되어 왔으며, 그 중에서도 티타늄 금속에 탄소, 질소, 산소 등을 반응시켜 흑색성 박막을 제조하는 방법이 주종을 이루고 있다.Physical coating method (PVD) is a method of forming a compound thin film by coating a substrate, and using this PVD method, a metal, a compound, an inorganic material, or an organic polymer may be formed on a substrate surface such as metal, glass, ceramic, or plastic. Thin films can be easily formed. In the PVD method, sputtering and ion plating are performed again. Among them, sputtering generates a plasma discharge by applying a high voltage to the target in an inert gas atmosphere, and then inert gas ions present in the discharge collide with the target to remove the target atom. A method of forming a thin film on a substrate. On the other hand, ion plating is a method of forming a thin film on a substrate with high energy by ionizing the evaporation material and simultaneously applying a negative voltage to the substrate. The use of these methods to make separate gas supply devices makes the film-forming process technology well suited to reacting metals with gases to form compound coatings. Therefore, until now it has been widely used for decoration by coating a gold-like material such as TiN in this way. In recent years, in order to meet such demands as the glossy black surface treatment products are popular in accordance with the various demands of the demands and the high-class trend of fashion, the technology for making black in various ways has been developed and developed. The main method is to produce a black thin film by reacting nitrogen, oxygen, and the like.
일본 특개소 62-218550호에는 금속에 적당량의 산소를 반응시켜 이온플레이팅을 행함으로써 산화물 주체의 흑색성 박막을 제조하는 방법이 제안되어 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 62-218550 proposes a method for producing a black thin film of an oxide main body by ion plating by reacting an appropriate amount of oxygen with a metal.
그러나,상기 방법은 피막이 산화물만으로 이루어졌기 때문에 피막자체가 깨지기 쉽고, 기판과의 밀착성 또한 열악하다는 단점을 가지고 있다.However, the above method has a disadvantage that since the coating is made of only oxide, the coating itself is easily broken and the adhesion to the substrate is also poor.
또한, 일본 특개소 61-183458호에는 티타늄을 이용하되 질소와 탄소를 주성분으로 하여 여기에 산소를 티타늄 대비 40% 이하로 하여 제조하는 방법이 제안되어 있다. 그러나 이 방법은 막중의 금속성분인 티타늄이 40% 이하로 되어 피막의 박리가 일어나기 쉽고 막의 밀착성이 떨어진다는 문제점을 내포하고 있다.In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-183458 proposes a method of using titanium, but using nitrogen and carbon as the main components, in which oxygen is 40% or less than titanium. However, this method has a problem that titanium, which is a metal component in the film, is 40% or less, which causes peeling of the film easily and inferior film adhesion.
본 발명자들은 상기한 종래방법들의 문제점들을 해결하기 위하여 연구및 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 단순 진공증착을 이용하면서 별도의 이온빔원을 이용하여 기판에 불활성가스 이온을 조사시키면 화합물 박막의 제조가 가능함에 착안하여 화합물박막의 형성시 반사도를 측정하여 성분비를 제어하므로서,공정이 단순하고 안정적이고 보다 경제적으로 우수한 금속화합물 박막을 제조할 수 있는 화합물 박막의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present inventors have conducted research and experiments to solve the problems of the conventional methods described above and proposed the present invention based on the results. The present invention uses a simple vacuum deposition and inerts onto a substrate using a separate ion beam source. Taking into account that gas ions can be used to produce a compound thin film, the compound ratio is controlled by measuring the reflectivity during formation of the compound thin film, thereby manufacturing a compound thin film that can produce a metal compound thin film having a simple, stable and more economical process. The purpose is to provide a method.
도1은 본 발명을 구현하기 위한 금속화합물 박막 제조장치의 일례를 나타내는 개략도1 is a schematic view showing an example of a metal compound thin film manufacturing apparatus for implementing the present invention
도2는 Ti/N성분비에 따른 반사도 변화를 나타내는 그래프2 is a graph showing the change in reflectivity according to the Ti / N component ratio
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 진공실 2: 전자빔 증발원1: vacuum chamber 2: electron beam evaporation source
2: 증발원 셔터 4: 이온빔원2: evaporation source shutter 4: ion beam source
5 : 기판 6: 기판홀더5: substrate 6: substrate holder
7: 기판가열장치 8 : 기판 셔터7: Substrate heating device 8: Substrate shutter
9 : 두께 측정기 10: 이온전류측정기9: thickness measuring instrument 10: ion current measuring instrument
11: 가스도입구 12: 레이저11: gas inlet 12: laser
13: 광검지기13: light detector
본 발명은 그 내부에 증발원,이온빔원,및 기판이 구비되어 있는 진공조를 포함하는 금속화합물 박막 제조장치를 사용하여 상기 진공조 내에서 화합물을 구성하는 성분의 가스분위기하에서 상기 증발원에의해 금속을 증발시키고,상기 이온빔원에 의해 상기 성분가스를 활성화시키는 활성가스의 이온빔 또는 상기 성분가스와 동일한 가스의 이온빔을 기판에 조사시켜 기판상에 금속화합물 박막을 형성시키는 금속화합물 박막의 제조방법에 있어서,The present invention provides a metal compound thin film manufacturing apparatus including a vacuum chamber having an evaporation source, an ion beam source, and a substrate therein, so that the metal is removed by the evaporation source under a gas atmosphere of the components constituting the compound in the vacuum chamber. In the method of manufacturing a metal compound thin film by evaporating, the ion beam of the active gas for activating the component gas or the ion beam of the same gas as the component gas by the ion beam source to form a metal compound thin film on the substrate,
상기 금속화합물 박막 제조장치에 레이저를 상기 기판을 향해 조사할 수 있도록 위치되는 레이저 조사기 및 상기 레이저 조사기에서 조사된 레이저를 검지하기 위한 광검지기 를 구비시킨 다음, 일정한 입사각으로 기판을 향해 레이저를 조사시키면서 ,분위기 가스의 양, 금속의 증발량,및 이온가스의 에너지 및 이온의 도달율(양) 을 변화시켜 금속화합물 박막의 성분비를 변화시키면서 금속화합물 박막를 형성시키고,금속화합물 박막의 성분비 변화에 따른 반사도의 변화를 측정한후, 금속화합물 박막의 성분비와 반사도와의 상관관계를 구하는 단계; 및The metal compound thin film manufacturing apparatus includes a laser irradiator positioned to irradiate a laser toward the substrate and an optical detector for detecting the laser irradiated from the laser irradiator, and then irradiate the laser toward the substrate at a constant angle of incidence. , By changing the amount of atmosphere gas, the amount of evaporation of metals, and the amount of energy and ions of ions, and forming the metal compound thin film while changing the composition ratio of the metal compound thin film. Determining the correlation between the component ratio and the reflectivity of the metal compound thin film; And
상기와 같이 구한 금속화합물 박막의 성분비 와 반사도와의 상관관계를 이용하여Based on the correlation between the component ratio and the reflectivity of the metal compound thin film
분위기 가스의 양,금속의 증발량,및 이온가스의 에너지및 이온의 도달율(양)을 변화시켜 금속화합물 박막의 성분비를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 금속화합물 박막제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a metal compound thin film, comprising controlling a component ratio of a metal compound thin film by varying an amount of an atmosphere gas, an amount of evaporation of a metal, and an energy (a) of an ion gas and a rate of arrival of an ion.
이하,본 발명을 도면에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1에는 본 발명에 따라 금속화합물 박막을 제조하기 위한 금속화합물 박막 제조장치의 일례가 제시되어 있다.1 shows an example of a metal compound thin film production apparatus for producing a metal compound thin film according to the present invention.
도 1에 나타난 바와 같이, 진공실(1)내의 바닥에 박막을 형성하고자 하는 금속(Ti등)을 증발시키기 위한 전자빔증발원(2)과 증발원셔터(3)가 갖추어져 있으며, 윗부분에는 기판(5)을 비롯하여 기판을 설치하기 위한 기판홀더(6), 기판(5)의 온도조절을 위한 기판가열장치(7) 그리고 기판셔터(8)가 갖추어져 있다. 본 장치에는 이외에 이온빔을 발생시키기 위한 이온빔원(4)과 두께측정 및 증발율 제어를 위한 두께측정기(9) 그리고 이온빔의 전류를 측정하기 위한 전류측정기(10)가 부착되어 있다.As shown in FIG. 1, an electron
그리고. 반사도 측정을 위하여 레이저 조사기(12)와 광검지기(13)가 부착되어 있다.And. A
도 1에 나타난 금속화합물 박막 제조장치를 사용하여 본 발명에 따라 금속화합물 박막을 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for producing a metal compound thin film according to the present invention using the apparatus for producing a metal compound thin film shown in Figure 1 as follows.
상기 진공조(1) 내에서 화합물을 구성하는 성분의 가스분위기하에서 상기 증발원에의해 금속을 증발시키고,상기 이온빔원(4)에 의해 상기 성분가스를 활성화시키는 활성가스의 이온빔 또는 상기 성분가스와 동일한 가스의 이온빔을 기판(5)에 조사시켜 기판상에 금속화합물 박막을 형성시킴에 있어서, 일정한 입사각으로 기판(5)을 향해 레이저를 조사시키면서 ,분위기 가스의 양,금속의 증발량,및 이온가스의 에너지및 이온 도달율(양)을 변화시켜 금속화합물 박막의 성분비를 변화시키고, 금속화합물 박막의 성분비 변화에 따른 반사도의 변화를 측정한후, 금속화합물 박막의 성분비와 반사도와의 상관관계를 구한다.Evaporation of the metal by the evaporation source under the gas atmosphere of the components constituting the compound in the vacuum chamber (1), the same as the ion beam or the component gas of the active gas for activating the component gas by the ion beam source (4) In forming the metal compound thin film on the substrate by irradiating the ion beam of the gas to the
상기와 같이 구한 금속화합물 박막의 성분비 와 반사도와의 상관관계를 이용하여분위기 가스의 양, 금속의 증발량,및 이온가스의 에너지및 이온 도달율(양)을 변화시켜 금속화합물 박막의 성분비를 제어한다.The composition ratio of the metal compound thin film is controlled by varying the amount of the atmosphere gas, the amount of evaporation of the metal, the energy and the ion arrival rate (amount) of the ion gas, using the correlation between the component ratio and the reflectivity of the metal compound thin film obtained as described above.
이온빔 보조증착을 이용하여 화합물 박막을 제조할 경우에는 증발되는 물질의 원자수와 조사하는 이온빔의 갯수의 비에 따라 화합물의 조성이나 색상 등이 달라지는 현상이 발생한다. 이 갯수의 비율을 도달율이라 하는데 하기 식(1)과 같이 정의된다.When the compound thin film is manufactured by using ion beam assisted deposition, the composition or color of the compound is changed depending on the ratio of the number of atoms of the evaporated material and the number of irradiated ion beams. The ratio of the number is called the arrival rate and is defined as in the following equation (1).
본 발명에서는 반사도와 금속화합물 박막의 성분비와의 상관관계를 이용하여이온의 도달율과 이온빔의 에너지, 분위기 가스의 양, 금속의 증발량를 조절함에 의해 금속화합물의 성분비를조절하게 된다.In the present invention, by using the correlation between the reflectance and the component ratio of the metal compound thin film, the component ratio of the metal compound is controlled by controlling the rate of ion arrival, the energy of the ion beam, the amount of the atmospheric gas, and the amount of evaporation of the metal.
한편,이온빔 보조증착을 이용하여 화합물 박막을 제조할 경우에는 화합물의 조성이나 색상 등이 달라짐에 따라 반사도가 달라지는 현상이 발생된다. 반사도는 하기 식(2)와 같이 정의된다.On the other hand, when the compound thin film is manufactured using the ion beam assisted deposition, the phenomenon that the reflectivity is changed as the composition or color of the compound is changed. Reflectivity is defined as in the following formula (2).
반사도
여기서
도 1에 나타난 금속화합물 박막 제조장치를 사용하여 본 발명에 따라 Ti화합물 박막을 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for producing a Ti compound thin film according to the present invention using the apparatus for producing a metal compound thin film shown in Figure 1 as follows.
우선, 전자빔증발원(2)에 박막물질에 사용되는 Ti물질을 장입하고, 기판(6)을 장착한 다음 진공펌프(도면에 표시하지 않음)를 이용하여 배기시킨다. 진공도가 10-6토르 이하가 되면 기판(5)의 청정을 위해 이온빔원(4)을 이용하여 청정시킨다. 기판(6)의 청정은 매우 중요한 단계로 기판(6)에 존재하는 유기물과 같은 불순물뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다. 이 산화막이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다. 이때 이온빔의 조건은 특별히 정해져 있지는 않으며 대체로 300∼700V 의 전압에 20∼60 mA의 방출전류의 조건에서 수분간 실시하면 충분하다. 기판청정이 끝나면 다음 단계는 본격적으로 박막을 제조하는 단계가 된다. 이 단계에서는 우선, 가스주입구(11)를 통해 질소가스를 주입하여 진공용기(1)내의 압력이 10-4∼10-5토르의 질소가스 분위기가 되도록 조절한 다음 이온빔원에 알곤가스를 주입하여 방전을 유도시킨다. 이온빔원의 방전이 안정화되면 원하는 전압과 전류로 빔의 전력을 조절한 다음, 전자빔증발원(2)에 전력을 인가하여 Ti을 증발시킨다. Ti의 증발이 원하는 증발율로 안정화되면 증발원셔터(3)와 기판셔터(8)를 동시에 열어 화합물 박막을 형성시킨다. 동시에 박막의 성분비의 조절시 반사도를 측정하고, 이 값을 증발원에 되먹임하여 증발율을 조절하여 금속화합물 박막을 제조하면 된다.First, the Ti material used for the thin film material is charged into the electron
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
(실시예)(Example)
도1의 금속화합물 박막 제조장치를 사용하여 본 발명에 따라 Ti 화합물 박막을 제조하였다.A Ti compound thin film was prepared according to the present invention using the apparatus for manufacturing a metal compound thin film of FIG. 1.
즉, 진공도가 10-6토르 이하가 되면 기판(5)의 청정을 위해 이온빔원(4)을 이용하여 청정시켰다. 이때 이온빔의 조건은 500V, 40mA로 2분간 청정시켰다. 기판청정이 끝난 후 가스주입구(11)를 통해 질소가스를 주입하여 진공조(1)내의 질소압력을 6×10-5토르가 되도록 조절한 다음 이온빔원에 알곤가스를 주입하여 방전을 유도시켰다. 이온빔원의 방전이 안정화된 후 이온빔의 전력을 200V, 20mA 로 하여 기판에 도달하는 이온빔의 전류밀도가 20μA/cm2가 되도록 하였다.That is, when the vacuum degree is 10 -6 Torr or less, the
다음에 전자빔증발원(2)에 전력을 인가하여 Ti을 증발시켰다. 이때, Ti의 증발율은 1.2Å/s 로 맞추어 Ti원자당 알곤 이온의 도달율이 0.31이 되도록 조절하였다. 다음에 증발원셔터(3)와 기판셔터(8)를 동시에 열어 2,000Å의 두께로 박막을 형성시키면서 레이저를 기판에 입사하여 광검지기로 반사도를 측정하였다. 박막의 성분은 오제전자현미경으로 분석하여 반사도와 비교하여 도 2에 나타내었다.Next, electric power was applied to the electron
도2에 나타난 바와 같이 박막의 성분비와 반사도는 선형적인 관계를 가지고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, it can be seen that the component ratio and the reflectivity of the thin film have a linear relationship.
상술한 바와같이,본 발명은 반사도를 이용하여 금속화합물 박막의 성분비를 제어하므로서 보다 안정적이고 보다 경제적으로 금속화합물 박막을 제조할 수 있는 금속화합물 박막의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention has the effect of providing a method for producing a metal compound thin film which can produce a metal compound thin film more stably and more economically by controlling the component ratio of the metal compound thin film using reflectivity.
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