KR100319188B1 - 금속제품의장식용발색제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급속제품에 각종 처리를 한후 입혀진 투명한 코팅층의 간섭효과를 이용하여 다양한 색상을 창출하는 금속제품의 장식용 발색제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 광택을 갖는 금속제품의 표면에 샌드 블라스팅, 화학적 에칭등을 행하여 표면에 서리무늬를 한후에 일차로 금속 코팅층을 입히고 이 위에 다시 50 ∼ 1000 ㎚ 의 투명한 금속 산화물 간섭 코팅층을 증착하며 독특한 발색이 가능토록 한 것이 특정이다.

Description

금속제품의 장식용 발색 제조방법

본 발명은 급속제품의 표면에 장식효과를 갖게 하기 위하며 각종 처리를 한 후 다층 코팅을 하여 다양한 발색효과를 구현하는 방법에 관한 것으로서, 특히 빛의 간섭에 의한 발색를 기본으로 하며 표면의 처리 상태에 따라 독특한 효과를 창출하는 금속제품의 장식용 발색방법에 관한 것이다.

빛은 겉보기에 투명한 물질로 입사한 경우에도 그 계면 전후의 굴절률 차이에 의해 일부는 반사를 하게 된다. 따라가 제1도에서와 같이 반사도가 높은 표면위에 수 ㎛ 이하의 얇고 투명한 막을 입히면 이 박막은 반사광 l과 반사광 2의 상호간섭에 의한 색상을 띄게 된다. 일반적으로 급속 표면 위에 단층의 산화물 박막을 입혔을 경우 각 계면에서 반사된 빛은 동일한 위상 변화를 일으키며 반사된다. 이때 이 두빛은 박막의 두께에 의해 서로 다른 위상을 갖게 되며 이에 의해 간섭을 일으킨다. 실제 태양광에 의해서는 모든 파장 영역의 빛이 동시에 입사된다. 이때 박막의 두께가 특정한 파장의 1/4 의 홀수배에 해당하면 그러한 빛은 두 반사파 간의 상쇄 간섭으로 소멸된다. 따라서 이 소멸된 빛의 보색에 해당하는 빛이 지배적으로 나타나게 된다. 이러한 현상이 간섭인 의한 발색의 기본적인 원리이다.

전술하였듯이 우리가 일상생활에서 대하는 빛은 태양과 인공 관원으로 부터 오며 이 빛은 모든 파장 영역의 빛을 연속적으로 포함한다. 따라서 박막의 두께를 점차 변화시키면 소일간섭을 일으키는 파장이 달라지게 되고 따라서 이에 의해 나타나는 보색도 달라지게 된다. 이때 이론적으로는 빛을 구성하는 7가지 색이 모두 가능하나 실제로는 각 빛의 파장영역이 협소한 이유로 대표적으로 노랑, 빨강, 파랑 초록이 지배적으로 나타나며 두께의 미세한 차이에 의해 색상의 미묘할 변화가 일어나게 된다. 또한 빛의 소멸간섭은 파장의 l/4 리 홀수배에 해당하는 두께에서 일어나므로 간섭색상은 두께의 증가에 따라 계속 반복적으로 일어나며 두께가 수 ㎛ 이상으로 두꺼워지면 각 파장 영역의 중첩에 의해 간섭 색상을 잃게 된다. 따라서 간섭색이 나타나는 박막의 두께는 수십에서 수천 ㎚의 범위에 있게 된다.

이러한 간섭막을 입히는 방법으로는 습식에 의할 방범과 건식에 의한 방법이 있다. 습식에 의한 산화막의 경우에는 황산등의 용액과 금속판과의 반응에 의한 산화를 이용한다. 또한 열산화법의 경우에는 크롬산등의 용액에서 금속을 전처리한 후 공기중에서 450 ∼500℃ 정도의 온도로 가열하여 산화막를 얻게된다. 이러한 방법은 대면적의 강판을 처리하는 데에는 유리한 방법이다. 건식 도금법 등 대표적인 진공증착법은 금속원료를 전공중에서 저항 가열이나 전자빔 가열에 의하며 증발시킨 후 산소를 주입하여 강판위에 산화물 막이 생성되게 하는 방법이다. 이러한 방법은 비교적 짧은시간에 산화막을 형성하는 장점이 있는 반면 두께의 정확한 제어가힘들고 막의 표면이 거칠고 성긴 문제점이 있다. 한편 역시 건식 도금에 속하는 이온증착법은 마그네트론 스퍼터링, 이온빔 증착법, 이온 플레이팅법 등으로 세분화되며 막의 두께를 정밀하게 자동으로 재어할 수 있는 방법이라고 하겠다. 또한 이온의 충돌 효과에 의하여 얇은 두께에서도 치밀하고 단단하며 밀착성이 우수한 코팅층을 얻을 수 있는 것이 특징이다.

본 발명은 이상과 같이 공지의 방법에 의해 금속 제품에 간섭색상을 표현함에 있어서 그 금속표면에 특별한 전처리를 함으로써 기존의 간섭 색상과는 또 다른 독특한 질감을 얻고자 함이 본 발명의 목적이라 하겠다. 여기서의 전처리는 Satin(서리 무늬) 처리와 하부 금속층 코팅을 말한다. Satin 처리 혹은 서리 무늬 처리란 금속 등의 표면에 미세한 요철을 만들어 주는 것으로서, 기계적인 분사에 의한 샌드 블라스팅법과 화학적 또는 전기화학적인 에칭의 방법이 있다. 이러한 Satin 처리의 효과는 다음과 같다. 평활한 금속 표면에 균일할 간섭 박막이 입혀졌을 경우에는 표면으로 입사된 빛이 일정한 각도로 굴절, 반사를 하게되고 따라서 전체적으로 일정한 색채를 띄게 된다. 또한 동일하게 입사한 빛의 각도가 정해져 있으므로 일전한 광원 아래에서 보았을 경우에 거울과 같이 반사를 하게된다. 이에 비해 Satin 처리를 하게 되면 표면이 불규칙적으로 미세하게 울통불통해재므로 일정한 각도로 입사한 빛이라도 불규칙하게 난반사를 일으키게 된다. 또한 표면에 미세한 굴곡이 형성되어 있으므로 각각의 미세한 부분들에서 마치 평활한 전체 표면을 기울여 놓았을 때와 비슷한 효과를 나타내게 된다. 따라서 이러할 면에 입혀진 간섭 색상은 광원의 위치에 관계없이 난반사에 의한 반짝임을 나타내고 동시에 그 간섭 색상도 두껍고 얇은 두가지 상태의 중간 톤의 대상이 나타나므로 부드러운 색채를 띄게 된다. 한편 하부 금속층의 효과는 다음과 같다. 금속 표면에 입해진 간섭색의 선명도는 그 간섭막 물질의 굴절률 뿐 아니라 표면의 밝기에 의해서도 결정 된다. 따라서 스터인레스 표면에 하부층으로 금속을 코팅한 다음 산화물 막을 입히면 그 간섭 대상이 영향을 받는다. 예를 들면 어두운 광택을 갖는 타이타늄을 하부에 코팅한 경우에는 간섭 색상이 어두워진다. 반면 밝은 광택을 갖는 금속인 알루미늄을 코팅한 다음 산화물 박막을 입히면 알루미늄이 입혀지지 알았을 때와 비교하며 그 간섭 색상이 매우 연하게 변한다. 즉 이러한 방법에 의하면 기존의 방법으로는 전혀 얻을 수 없는 아주 은은한 색채의 간섭색을 얻을 수 있다.

더욱이 이상의 Satin 처리와 하부 금속 코팅을 병행할 경우에는 더욱 아름다운 표면상태를 얻을 수 있다. 즉 Satin 처리에 의한 빛의 난반사를 이용한 반짝이는 면 또는 광택이 약해전 면에 하부 금속층에 의한 특유의 색조를 결합함으로써독특 표면 장식 효과를 얻게 되는 것이다.

본 발명은 제2도 및 제3도에서와 같이 양식기와 같은 스테인레스 스틸등의 금속제품에 있어서 그 코팅하고자 하는 금속제품(1) 표면에 샌드블라스팅, 화학적에칭, 전기화학적 에칭을 각각 사용하거나 이들을 각각 순차적으로 또는 반복적으로 사용하여 표면처리한다.

그리고 표면처리된 금속제품(1) 표면에 일차적으로 하부금속층(2)을 만들어 주고 그 상부에 이차적으로 간섭코팅층인 금속산화를 코팅층(3)을 코팅하여 제조된 것이다.

이때 상기 하부금속층(2)은 Ti, Al, Cr, Ni, Zr 등의 단일금속층 또는 혼합 금속층으로 코팅한다.

그리고 상기 간섭코팅층인 금속산화물 코팅층(3)은 50∼1000 ㎜ 의 투명막 막으로서 및의 간섭효과를 이용하며 장식효과를 나타내도록 하며 가시광신 영역에서 50％ 이상의 투과를 나타내는 물질이면 양호하다.

본 발명을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

스테인레스 스틸등의 금속재 위에 서리무늬를 만드는 방법으로는 압측공기에 의한 기계적 분사의 방법과 화학적 또는 전기화학적인 부식에 의한 에칭의 방법이 있다. 이러한 처리를 한 면들은 모두 평행하게 입사한 빛을 서로 다른 각도로 난반사하므로 이에 의한 독특한 질감을 갖게 한다. 우선 화학적, 전기 화학적인 에칭의 경우에는 금속 표면 미세구조의 입계를 따라 용해반응이 진행되는 것이므로 그 요절이 매우 미세하고 면의 광택이 매우 감소하면서 부드러운 질감의 면이 형성되는결과를 보인다. 이러한 에칭면은 간섭 대상에 있에서도 은은하고 부드러운 대상을 표현하는데 적합하다. 반면 기계적인 분사, 즉 샌드 블라스팅의 경우에는 사용하는 분사 입자의 종류에 따라 금강사를 이용하는 방법과 글라스 비드를 이음하는 방법이 있다. 금강사를 분사하였을 경우에는 제2도에서 보듯이 표면에 예리하고 뚜렷한 각을 가진 요철이 형성된다. 즉 각각의 요철에 뚜렷한 각과 면이 형성되어 있고 이러한 면이 경사면을 이루고 있기 때문에 광원에서 발산된 빛이 반사되어 눈에 도달하는 확률이 비교적 낮다. 따라서 비교적 어두운 면이 나타나므로 이러한 면은 증후한 색상을 표현하는데 적합하다. 이에 비해 글라스 비드를 사용하였을 경우에는 제3도에서 처럼 각이 없는 둥그런 요철을 가진 면이 형성된다. 이러한 면은 하나 하나의 둥근요철이 어느 각도에서 입사하는 빛이든 모든 방향으로 반사를 시키므로 매우 높은 광택을 보인다. 따라서 이리한 면은 밝고 반짝이는 면을 표현하는데 적합하다. 하부금속층의 광택을 간섭 색상에 크게 영향을 미친다. 타이타늄이나 지르코늄 같은 어두운 금속은 간섭 색상을 원래보다 어둡게 하여 준다. 반면 크롬이나 내켈등의 고광택성 금속은 매우 반사도가 우수한 간섭 색상을 만들어주면 알루미늄 등의 밝은 백색을 나타내는 금속은 간섭 색상을 매우 약화시켜 은은할 색조를 만들어준다.한편, 이 위에 입혀지는 간섭층 물질의 굴절률도 중요한 역할을 한다. 즉, 코팅층의 굴절률이 낮으면 간섭 색상은 약해재고 굴절률이 높으면 색상이 선명해진다. 따라서 같은 표면 처리상태에 있에서도 그 위에 입힌 간섭 코팅층의 굴절률에 따라 색상의 톤을 조절할 수 있게 된다.

상기의 본 발명을 달성할 수 있는 방법 중, 하부 금속층 및 상부 금속 산화물층일 입히는 방법으로는 상기한 바와같이 다양한 방법이 가능하나 본 실시예에서는 마그네트론 스퍼터링, 이온빔 보조 증착법 등의 건식 도금법을 이용하여 양식기 등의 금속 일용품에 부분적으로 장식음 박막을 입힌다. 한편 Satin 처리의 경우에는 기계적 샌드 블라스팅과 화학적 에칭방법을 사용한다.

스테인레드 STS 304 나 410, 420 등으로 제작된 금속제품을 세척하고 건조시킨다. 이 제품을 그대로 사용하거나, 또는 특정부위를 마스킹 하여 장식을 하고자 하는 부분만 노출을 시킨후 그 표면에 금강사나 글라스 비드를 압축공기로 분사하거나 에칭 용액에 담가 서리무늬를 만든다. 이후 마스킹제를 제거하고 세제와 알코을 등을 이용하며 다시 세척 한다. 그리고 원하는 부위에 다시 마스킹을 한후 건식 도금 장비의 진공 챔버 내의 제품 호울더에 장착 한다. 타아겟으로는 99％ 이상의 순도를 갖는 금속이나 금속산화물을 사용한다. 제품 호울더와 타아겟은 서로 마주보게 놓이며 그 거리는 균일한 두께의 막을 얻을 수 있는 한도내에서 최대한 가깝게 놓이도록 한다. 진공 펌프를 가동시켜 챔버의 기저압력이 10-6 Torr 에 이르면 아르곤 가스를 주입하며 챔버의 압력을 10-3∼10-1 Torr 로 유지한 상태에서 제품 호울더 부분에 수분간 RF 플라즈마를 발생시켜 제품을 이온 세척한다. 이와 동시에 타아겟에도 플라즈마를 인가하여 이물질을 제거한다. 이때 제품 호울더와 타아겟 사이에는 셔터를 닫아서 타아겟의 오염을 방지한다. 세척이 끝나면 적당할 시간만큼 셔터를 열고 하부 급속층 증착을 한다. 이후 셔터를 닫고 산소를 챔대 내에 주입하여 산화성 분위기를 만들어 준후 금속 산화물을 증착한다. 이때 하부 금속층과 상부 산화물증의 금속 원료를 다르게 하고자 할 경무에는 타겟을 바꾸어 준다. 증각되는 산화막의 두께는 동일할 조인하에서는 공정시간에 대하며 거의 직선적으로 비례하며 따라서 공정시간을 조절하여 원하는 색상의 간섭막을 얻을 수 있다.

실시예 1

스테인레스 STS 304 로 제작된 잘 연마된 양식기에 마스킹제를 씌운 후 무늬를 내고자 하는 부위를 도려낸다. 이를 압축 분사기가 장치된 글로브 박스 내에 놓고 금강사를 수분간 표면에 분사하며 드러난 표면에 서리무늬가 고르게 생기도록 한다. 이를 글로브 박스에서 꺼내 마스킹제를 벗겨내고 초음파 세척기에서 연성 세제로 깨끗이 세척하고 증류수로 헹군후, 다시 알코올로 닦아내고 건조시킨다. 이 양식기에 내열 마스킹제로 마스전하여 장식을 하고자 하는 부분만 노출 시킨후 건식 도금기 진공 챔버내의 제품 호울더에 장착을 한다. 타아겟으로는 99.5％의 알루미늄을 사용한다.

진공 챔버의 문을 닫고 펌프를 가공시켜 챔버의 기저 압력이 10-6 Torr 에 이르면 아르곤 가스를 110sccm 주입하여대 챔버의 압력을 10-2 Torr 로 유지시킨다. 압력이 일정해지면 제품 호울더 부분에 5분간 13.56㎒ 2W/㎠ 의 RF power를 인가하여 제품을 이온 세척한다. 이와 동시에 타아겟에는 3W/㎠ 의 DC Power 를 인가하여 이물질을 제거한다. 이때 제품 호울더와 타아겟 사이에는 셔터를 닫아서 상호간의 오염을 방지한다.

세척이 끝나면 타아겟에 5W/㎠ 의 power 를 인가하고 셔터를 열어 수분간 알루미늄을 증착한다. 이때 타아겟이 음극의 역할을 하게 된다. 원하는 두께를 얻고나면 셔터를 닫은 뒤 10sccm 의 산소를 챔버내에 주입한다. 진공 챔버 내의 압력분포와 전기적 분포가 일정해지면 셔터를 다시 열어 원하는 시간만큼 마그네트론 스퍼터링을 행한다. 증착이 끝나면 진공 챔버에 질소를 채운 뒤 문을 열고 제품을 꺼내 마스킹 테이프를 제거한다.

이에 의하여 박막의 두께 150 ∼ 800 ㎖ 의 범위에서 다양한 색상이 얻어진다. 나타나는 기본직인 색상은 아래의 표와 같다. 그려나 실제로 나타나는 색상은 서리무늬 효과와 하부 알루미늄층의 효과로 인해 매우 은은하고 부드러운 색상을 얻게 된다. 작업 조건에 따라 그 두께가 얻어지는 시간은 변화하나 같은 두께에 있어서 얻어진 간섭색상의 차이는 없었다.

-Al₂O₃(굴절률 ∼ 1.65)

실시예 2

스테인레스 STS 410 으로 제작되고 잘 연마된 양식기에 마스킹제를 씌운 후 무늬를 내고자 하는 부위를 도려낸다. 이를 염산으로 세척한 후 60℃ 로 가열된 스테인레스 에칭 용액 중에 5분간 침적하여 서리 무늬를 만든다. 이를 연성 세제로 세척하고 이를 증류수로 행군후, 다시 알코올로 닦아내고 건조시전후 건식 도금기의 진공 챔버내의 제품 호울더에 장착을 한다. 증발원으로는 99.5％의 알루미늄과타이타늄을 사용한다.

진공 챔버의 문을 닫고 펌프를 가동시켜 챔대의 기저 압력이 10-6 Torr 에 이르면 제품 호울더 부분에 5분간 500eV, 1㎃/㎠ 의 아르곤 이온빔을 인가하여 제품을 이온 세척한다. 이때 제품 호울더와 증발원 사이에는 셔터를 닫아서 증발원리 오염을 방지한다.

세척을 끝나면 증발원에 5㎸ 의 전압을 이용하여 전자빔을 발생시켜 알루미늄을 증발시켜 수분간 셔터를 열고 알루미늄 층을 입힌다.적당한 두께의 알루미늄층이 얻어지면 셔터를 닫고 증발원을 타이타눔으로 교체한다. 이를 5㎸ 의 전압으로 증발시키는 동시에 보조 이온건으로 산소 플라즈마를 발생시켜 30eV의 에너지로 제품 호울더를 행해 조사하며 이러한 작용이 안정 영역에 이르면, 즉 전기적 분포가 일정해지면 셔터를 열어 증착율 시작한다. 종착이 끝나면 진공 챔버에 질소를 채운 뒤 문을 열고 제품을 꺼내 마스킹 테이프를 제거한다.

이에 의하며 박막의 두께 150 ∼ 800㎚ 의 범위에서 다양할 색상이 얻어진다. 이에 나타나는 기본적인 색살은 아래의 표와 같다. 그러나 실제로 나타나는 색상은 서리무늬의 효과와 하부 알루미늄층의 효과로 인해 매우 은은하고 부드러운 색상을 얻게 된다. 작업 조건에 따라 각 두께가 얻어지는 시간은 변화하나 같은 두께에 있어서 얻어진 간섭 색상의 차이는 없었다.

-TiO2 (굴절률 - 2.60)

실시예 3

스테인레스 STS 304 로 제작된 잘 연마된 양대기에 마스킹제를 씌운후 무늬를 내고자 하는 부위를 도려낸다. 이를 압축 분사기가 장치된 글로브 박스 내에 넣고 150 목의 글라스 비드를 수분간 표면에 분사하여 드러난 표면에 서리 무늬가 고르게 생기도록 한다. 이를 글로브 박스에서 꺼내 마스킹제를 벗겨낸 후 초음파 세척기 내에서 연성 세제로 깨끗이 세척하고 증류수로 헹군 후, 다시 알코올로 닦아내고 건조시킨다. 이 양식기에 내열 마스킹제로 마스킹하여 장식을 하고자 하는 부분만 노출 시킨 후 증발원이 장착된 건식 도금기의 진공 챔버 내의 제품 호울더에 장착 한다. 증발원으로는 99.5％ 의 알루미늄, 타아겟으로는 99％의 타이타늄을 사용한다.

전공 챔버의 문을 닫고 펌프를 가동시켜 챔버의 기저 압력이 10-6 Torr 에 이르면 제품 호울더 부분에 5분간 500eV 의 아르곤 이온빔을 인가하여 제품을 이온 세척한다. 이때 제품 호울더와 증발원 사이에는 셔터를 닫아서 증발원의 오염을 방지한다. 세척이 끝나면 증발언에 5㎸의 전압을 이용하여 전자빔을 발생시켜 알루미늄을 증발시켜 수분간 셔터를 열고 알루미늄층을 입힌다. 적당한 두께의 알루데늄층이 얻어지면 셔터를 닫고 제품을 진공 챔버로부터 꺼낸다. 여기에 Two tone의 디자인을 표현하기 위한 새로운 마스킹을 한다. 즉, 기존의 마스킹 된 부분의 일부만을 벗겨 내거나 전체를 벗겨낸 후 다시 마스킹을 한다.

이를 타이타늄 타아겟이 장착된 진공 챔버에 다시 장입한다.

다시 진공 챔버의 문을 닫고 펌프를 가동시켜 챔버의 기저 압력이 10-6 Torr에 이르면 아르근 가스를 110sccm 주입하여 챔버의 압력을 10-2 Torr 로 유지한 상태에서 제품 호울더 부분에 2분간 13.56㎒ 2W/㎠ 의 RF powsr 를 인가하여 제품을 이온 세척한다. 이와 동시에 타아겟에는 3W/㎠ 의 DC POWER 를 인가하여 이물질을 제거한다. 이때 제품 호울더와 타아겟 사이에는 셔터를 닫아서 상호간의 오염을 방지한다. 세척이 끝나면 10sccm 의 산소를 챔버내에 주입하고 타아겟에 5W/㎠ dml DC power를 인가하여 원하는 시간만큼 마그네트론 스퍼터링을 행한다. 이때 타아겟이 음극의 역할을 하게 된다. 증착이 끝나면 챔버 내에 질소를 불어넣은 주 압력이 상압에 이르면 챔버를 열고 제품을 꺼내어 마스킹 테이프를 제거한다.

이상과 같은 공정에 의해서는 산화 타이타늄에 의한 기존의 간섭층과 Satin 처리, 하부 금속층등을 적용한 새로운 간섭층의 조화에 의해 더욱 아름다운 패턴을 갖는 장식성 무늬를 창출하게 된다.

제1도는 일발적인 빛의 간섭현상을 보인 개략도

제2도는 본 발명의 설명도로서

(가)는 각인요철이 생인 표변의 적층코팅된 상태도이고,

(나)는 빛의 난반사 경로의 예시도이다.

제3도는 본 발명의 다른 실시예 설명도로서,

(가)는 둥근요철이 생긴 표면의 적층코일절 상태도이고,

(나)는 빛의 난반사 경로의 예시도이다.

**** 도면의 주요부분에 대한 부호의 실명 ****

1 : 금속제품 2 : 하부금속층 3 : 금속산화물 코팅층

Claims (4)

1. 양식기를 제작하는 스테인레스틸의 금속제품에 있어서,

   코팅하고자 하는 금속제품(1) 표면에 샌드블라스팅, 화학적 에칭, 전기화학적 에칭을 각각 하거나 순차적 또는 반복적으로 하며 표면처리한 후 일차적으로 하부금속층(2)을 코팅하고 그 상부에 이차적으로 간섭코팅층인 금속산화물 코팅층(3)를 코팅하여 제조됨을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   하부금속을(2)은 Ti, Al, Cr, Ni, Zr 등의 단일 또는 혼합금속층으로 이루어 짐을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   금속산화물 코팅은(3)은 50 ∼ 1000㎜ 의 투명 박막으로서 및의 간섭효과를 이용하여 장식효과를 나타내는 것을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색 제조 방법.
4. 제l항 및 제3항에 있어서,

   금속산화물 코팅층(3)의 투명박막이 각종 금속의 산화물로서 가시광선 영역에서 50％ 이상의 투과도를 나타내는 물질임을 특징으로 하는 금속제품의 장식용발색제조방법.