KR100349423B1 - 플라즈마를 이용한 표면처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 표면처리 장치에 관한 것으로서, 금속재료의 플라즈마 표면처리시 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 함은 물론, 금속재료를 고온으로 용이하게 승온시킬 수 있도록 하고, 또한 금속재료의 표면에 균일한 경화층이 형성되도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 챔버 내부에 금속재료를 설치한 상태에서 공정가스를 주입시켜 발열체를 통해 임의의 반응온도로 가열하는 한편, 금속재료에 임의의 펄스형 음전압을 인가하여 금속재료의 주위에 플라즈마를 형성시키는 공정에 의해 금속재료를 표면처리 하는 장치에 있어서, 금속재료와 발열체 사이에 애노드전극(Anode Electrode)을 적어도 하나 이상 설치하여 금속재료와 애노드전극 사이에 전기장이 형성되도록 한 것이다.

Description

플라즈마를 이용한 표면처리 장치{PLASMA USING FOR SURFACE TREATMENT APPARATUS}

본 발명은 플라즈마를 이용한 표면처리 장치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 반응을 통해 금속재료의 표면을 경화처리 하는 장치에서 열효율이 높고 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 표면처리라 함은 금속 표면에 내마모성, 내식성, 내열성 및 윤활성 등을 주기 위한 처리로서, 금속 표면의 경화처리, 방식(防蝕), 도금, 청정, 피복, 착색 및 도장을 위한 기타 조정처리까지 포함된다.

전술한 금속 표면의 경화처리에는 침탄법(Carburizing), 질화법(Nitriding), 청화법(Cyaniding) 및 금속침투법(金屬浸透法) 등이 있으며, 침탄법은 가장 오래된 표면경화법의 하나로 탄소가 적은 강을 목탄(木炭)과 같은 탄소로 구성된 물질과 접촉시킨 상태에서 높은 온도로 가열하여 강(鋼) 내부로 탄소를 흡수되게 하는 것이다. 특히, 플라즈마 침탄법은 CH₄, H₂, Ar 플라즈마를 이용하여 시료 표면에 탄소를 확산 고용시킨 후 급랭시켜 마르텐사이트 변태나 석출경화를 통하여 재료의 내부인성은 유지하면서 표면경도를 증가시키고 내마모성과 피로특성을 향상시키는 고부가가치의 기술로서, 기존의 염욕 침탄법이나 가스 침탄법에 비해 무공해, 에너지 소비량 감축, 어려운 침탄재의 침탄 가능, 입계산화 및 탈탄 방지의 장점 이외에도 침탄 효율이 높아 조업시간이 단축되는 등의 장점을 지니고 있다.

한편, 금속 표면의 경화처리법 중 질화법은 다른 열처리 경화법에 비하여 처리 후 변형이 적기 때문에 기계부품의 수명연장 수단으로 전 산업분야에 활용되고 있다. 질화라 함은 질소를 금속재료에 침투시켜 그 표면을 경화시키는 조작을 말하는 것으로, 플라즈마를 이용한 질화는 플라즈마 방전에 의한 활성이온을 금속 표면에 침투시켜 경화처리 하는 것으로, 금속재료를 챔버 내에 설치한 상태에서 진공 상태의 챔버를 일정한 반응온도로 가열하는 한편, 챔버에 질화용 가스를 투입시키고, 금속재료에 일정한 펄스형 음전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 공정에 의해 금속재료의 표면을 경화처리 한다.

다음은 금속재료의 플라즈마 표면처리 장치를 예로 들어 설명한 것이다.

도 1 은 종래 발열체를 사용하지 않는 플라즈마 표면처리 장치를 보인 개략도, 도 2 는 종래 핫월(Hot wall) 방식의 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도, 도 3 은 종래 콜드월(Cold wall) 방식의 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도이다.

도 1 은 발열체를 이용하지 않는 플라즈마 표면처리 장치에 있어 미국특허 5,306,531에 개시된 기술로서, 그 구성은 금속재료(1)를 플라즈마 반응시키기 위한 챔버(10), 금속재료(1)를 지지하는 음극판(12), 음극판(12)을 통해 금속재료(1)에 음전압을 인가하기 위한 전원(14), 챔버(10) 내부에 질화용 가스를 주입하기 위한 가스주입수단(도시하지 않음), 챔버(10) 내부를 진공으로 만드는 배기관(16a)과 진공펌프(16)로 이루어진다. 이러한 구성에 더하여 챔버(10) 내부의 온도를 조절하는 냉각장치(도시하지 않음)와 챔버(10) 내부의 대류를 용이하게 하는 팬(도시하지 않음)이 설치될 수 있다. 이때, 금속재료(1)는 챔버(10) 내부의 음극판(12) 상부에 설치되어 플라즈마 표면처리시 캐소드전극(Cathode Electrode) 역할을 하게 되고, 챔버(10)는 접지된 상태로 애노드전극(Anode Electrode) 역할을 한다.

전술한 바와 같은 플라즈마 표면처리 장치의 작용은 다음과 같다. 먼저, 금속재료(1)를 챔버(10) 내부에 설치한 후 배기관(16a)과 진공펌프(16)를 통해 챔버(1) 내부를 진공화시킨 상태에서 가스주입수단을 통해 질화용 가스를 주입하고 캐소드전극인 금속재료(1)와 애노드전극인 챔버(10)에 수백 볼트의 전압을 인가하면 금속재료(1)와 챔버(10) 사이에는 플라즈마가 형성된다.

한편, 전술한 바와 같은 플라즈마 상태에는 소정량의 전자와 이온이 존재하며, 이온은 전기장에 의해 금속재료(1)의 방향으로 가속·충돌되어 금속재료(1)의 온도를 수백 ℃까지 승온시킨다. 이때, 플라즈마 표면처리시 플라즈마 질화는 500℃ 내외의 온도를 필요로 하고, 플라즈마 침탄의 경우에는 900℃ 내외의 온도를 필요로 한다.

반면, 이온충돌로 인한 금속재료(1)의 온도 승온은 승온속도와 최대온도에 한계가 있기 때문에 도 2 및 도 3 의 미국특허 4,645,981과 5,059,757에 개시된 기술에서와 같이 이온충돌과 더불어 별도의 발열체(24, 34)를 사용해서 금속재료(1)의 온도를 승온시키고 있다.

더욱 상세히 설명하면, 도 2 는 발열체를 이용하는 플라즈마 표면처리 장치에 있어 미국특허 4,645,981에 개시된 핫월(Hot Wall) 방식의 기술로서, 그 구성은금속재료(1)를 플라즈마 반응시키기 위한 실린더 형태의 챔버(20), 금속재료(1)를 지지하는 음극판(22), 챔버(20) 내부의 온도를 상승시키는 발열체(24), 질화용 가스를 주입하기 위한 수단(도시하지 않음) 및 챔버(20) 내부를 진공으로 만들기 위한 수단(도시하지 않음)으로 이루어진다.

전술한 구성에서 발열체(24)는 플라즈마 표면처리를 위한 챔버(20)의 외부에 설치되고, 금속재료(1)의 플라즈마 표면처리시 챔버(20) 내부만 진공화되기 때문에 일반적으로 발열체(24) 부분은 진공화되지 않는다. 한편, 플라즈마 표면처리시 챔버(20)는 발열체(24)를 보호하는 외부챔버(도시하지 않음)와 연결되어 애노드전극으로 작용한다. 따라서, 플라즈마는 챔버(20)와 금속재료(1) 사이에 형성되며, 발열체(24)는 플라즈마 상태에 노출되지 않는다. 여기서 챔버(20)는 실린더형으로 제한되지 않고 다각형의 3차원 공간을 가질 수 있다. 다만, 실린더형 챔버(20)에는 발열체(24)에서 발생한 열이 대류 혹은 복사를 통해서 금속재료(1)로 전달되는 역할을 하는 구멍이 없는 것을 특징으로 한다.

특히 전술한 바와 같은 구성은 이온충돌에 의한 금속재료(1)의 온도가 충분하게 높지 못하거나 더욱 빠른 속도로 금속재료(1)의 온도를 상승시켜야 할 필요가 있는 경우 별도의 발열체를 필요로 한다.

한편, 도 3 은 발열체를 이용하는 플라즈마 표면처리 장치에 있어 미국특허 5,059,757에 개시된 콜드월(Cold Wall) 방식의 기술로서, 그 구성은 금속재료(1)를 플라즈마 반응시키기 위한 챔버(30), 금속재료(1)를 지지하는 음극판(32), 챔버(30) 내부의 온도를 상승시키는 발열체(34), 질화용 가스를 주입하기 위한 수단(도시하지 않음) 및 챔버(30) 내부를 진공으로 만들기 위한 수단(36)으로 이루어진다. 이때, 발열체(34)는 챔버(30) 내부에 설치된다.

전술한 바와 같은 콜드월 방식은 플라즈마 표면처리시 챔버(30)의 내부에 직접 발열체(34)를 설치하는 방법으로, 플라즈마 표면처리시 챔버(30)는 애노드전극 역할을 하며, 금속재료(1)는 캐소드전극 역할을 한다. 발열체(34)는 금속재료(1)와 챔버(20)벽 사이에 위치하며 금속재료(1)와 발열체(34) 사이에는 아무런 장벽이 없다. 따라서, 발열체(34)에서 발생한 열은 복사와 대류를 통해서 직접 금속재료(1)에 전달된다.

그러나, 미국특허 5,306,531에 개시된 기술에서는 금속재료의 온도를 승온시키기 위한 별도의 발열체를 사용하지 않기 때문에 소정의 플라즈마 표면처리 온도까지 승온시키는데 걸리는 시간이 너무 길어지게 됨은 물론, 경제성이 저하된다. 또한, 700℃ 이상으로 승온시키기 위해서는 챔버의 단열과 공정 가스의 양 및 인가전압 등을 최적화시켜야 하는 문제점이 있기 때문에 현실적으로 문제점이 많다.

미국특허 4,645,981에서는 발열체가 챔버의 외부에 위치하기 때문에 발열체에서 발생한 열이 효과적으로 금속재료에 전달되지 못하기 때문에 에너지 손실이 많고, 또한 900℃ 이상으로 금속재료의 온도를 승온시키기는 어렵다.

미국특허 5,059,757에 개시된 기술은 플라즈마 표면처리시 발열체가 애노드전극 역할을 하는 챔버와 캐소드전극 역할을 하는 금속재료 사이에 위치하기 때문에 두 전극 사이에 위치하는 발열체는 두 전극 사이에 발생하는 전기장에 영향을주게 된다. 특히, 판상의 발열체를 사용하는 경우는 캐소드전극 역할을 하는 금속재료와 애노드전극 역할을 하는 챔버벽 사이에 전기장이 형성되는 공간의 50% 이상이 발열체에 의해서 차단된다. 이러한 경우 금속재료 주위에 형성되는 플라즈마는 불균일해서 균일한 플라즈마 표면처리를 할 수 없는 문제가 발생된다. 또한, 발열체가 금속재료에 직접 노출되어 있기 때문에 금속재료를 챔버 내부에 설치하거나 꺼낼시 금속재료의 낙하로 인해 값비싼 발열체를 파손시킬 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 금속재료의 플라즈마 표면처리시 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 함은 물론, 금속재료를 고온으로 용이하게 승온시킬 수 있도록 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 금속재료의 플라즈마 표면처리시 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 함으로써 금속재료의 표면에 균일한 경화층이 형성되도록 함에 있다.

도 1 은 종래 발열체를 사용하지 않는 플라즈마 표면처리 장치를 보인 개략도.

도 2 는 종래 핫월(Hot wall) 방식의 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도.

도 3 은 종래 콜드월(Cold wall) 방식의 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도.

도 4 는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도.

도 5a 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 1 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도.

도 5b 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 2 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도.

도 5c 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 3 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1. 금속재료 110. 챔버

120. 발열체 130. 음극판

140. 음극판 지지폴 150. 애노드전극

160. 진공펌프 162. 파이프

170. 전원수단

본 발명은 전술한 목적에서와 같이 금속재료의 주위에 균일한 플라즈마를 형성시켜 금속재료의 표면을 균일하게 처리하기 위한 기술로, 전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 챔버 내부에 금속재료를 설치한 상태에서 공정가스를 주입시켜 발열체를 통해 임의의 반응온도로 가열하는 한편, 금속재료에 임의의 펄스형 음전압을 인가하여 금속재료의 주위에 플라즈마를 형성시키는 공정에 의해 금속재료를 표면처리 하는 장치에 있어서, 금속재료와 발열체 사이에애노드전극(Anode Electrode)을 적어도 하나 이상 설치하여 금속재료와 애노드전극 사이에 전기장이 형성되도록 한 것이다.

전술한 구성의 애노드전극과 챔버는 전기적으로 연결되고, 애노드전극과 발열체는 진공 상태하에서 전기적으로 절연되는 상태이다.

한편, 애노드전극이 두 개 이상인 경우 각각의 애노드전극은 전기적으로 연결되어 동일한 전압이 인가됨이 양호하다.

전술한, 애노드전극은 다수의 관통홈이 형성된 판상형, 망사형 또는 다수의 관통홈이 형성된 실린더형으로 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 양호한 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 4 는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치에서 챔버, 발열체 및 금속재료의 위치관계를 보인 개략도, 도 5a 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 1 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도, 도 5b 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 2 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도, 도 5c 는 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에서 제 3 실시 예에 따른 애노드전극의 형상을 보인 개략도이다.

도 4 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리 장치는 금속재료(1)를 플라즈마 반응시키는 챔버(110), 챔버(110) 내벽에 설치되어 챔버(110) 내부의 반응온도를 승온시키는 발열체(120), 챔버(110)내부에 설치되어 금속재료(1)를 지지하는 음극판(130), 챔버(110)의 내부에 설치되어 음극판(130)을지지하는 음극판 지지폴(140), 음극판(130)에 지지된 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 설치되는 애노드전극(150), 챔버(110)의 내부를 진공으로 만드는 수단, 공정가스를 챔버(110)의 내부에 주입시키는 수단 및 금속재료(1)에 전압을 인가하기 위한 수단으로 이루어진다.

전술한 구성을 더욱 상세히 설명하면 먼저, 전술한 챔버(110)는 금속재료(1)를 그 내부에 설치하여 플라즈마 반응시키기 위한 것으로, 이 챔버(110)의 내부에는 금속재료(1)를 플라즈마 반응시키기 위한 공정가스(질화 및 침탄용 가스, 스퍼터링용 가스 또는 냉각용 가스 등)가 유입된다. 이때, 챔버(110)의 내부는 열처리 공정 및 냉각 공정을 진행할 때 진공상태이어야 한다.

발열체(120)는 금속재료(1)의 플라즈마 표면처리시 챔버(110) 내부의 반응온도를 승온시키기 위한 것으로, 이 발열체(120)는 챔버(110)의 내부에 주입된 공정가스를 플라즈마 상태의 온도가 될 때까지 가열하게 된다. 이러한 발열체(120)는 챔버(110)의 내벽에 설치된다.

음극판(130)은 챔버(110)의 내부에 설치되어 금속재료(1)를 지지함은 물론, 후술할 전압 인가수단과 전기적으로 연결되고, 금속재료(1)에 인가되는 전압은 음극판(130)을 통해 인가된다.

음극판 지지폴(140)은 음극판(130)을 지지함은 물론, 후술할 전압 인가수단과 음극판(130)을 전기적으로 서로 연결시켜 준다. 따라서, 금속재료(1)에 인가되는 전압은 음극판 지지폴(140)과 음극판(130)을 통해 인가된다.

애노드전극(150)은 음극판(130)에 지지된 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에설치되어 금속재료(1)의 사이에 균일한 전기장이 형성되도록 하기 위한 것이다. 이처럼 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 애노드전극(150)을 설치함으로써 금속재료(1)와 애노드전극(150) 사이에 균일한 자기장이 형성되도록 함은 물론, 금속재료(1)의 주위에 균일한 플라즈마가 형성되도록 할 수 있다.

전술한 바와 같은 애노드전극(150)은 하나 또는 그 이상의 다수개로 설치될 수 있으며, 애노드전극(150)이 두 개 이상인 경우 각각의 애노드전극(150)은 전기적으로 연결되어 동일한 전압이 인가된다. 이때, 애노드전극(150)은 다수의 관통홈이 형성된 판상형, 망사형 또는 다수의 관통홈이 형성된 실린더형으로 이루어질 수 있으며, 판상형 또는 실린더형의 애노드전극(150)에 다수 형성되는 관통홈의 크기 및 모양에는 제한을 두지 않는다.

애노드전극(150, 150a, 150b)에 다수의 관통홈(152, 152a)을 형성한 이유는 도 5a 내지 도 5c 도시된 바와 같이 애노드전극(150, 150a, 150b)이 캐소드전극(Cathode Electrode) 역할을 하는 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 위치할 때 발열체(120)에서 발생한 열이 복사 및 대류를 통해서 쉽게 금속재료(1)의 표면으로 전달되도록 하기 위함이다. 한편, 전술한 구성의 애노드전극(150)과 챔버(110)는 전기적으로 연결되고, 애노드전극(150, 150a, 150b)과 발열체(120)는 진공 상태하에서 전기적으로 절연되는 상태이다.

챔버(110)의 진공수단은 챔버(110)의 내부를 진공 상태로 만들기 위한 것으로, 이 챔버(110)의 진공수단은 챔버(110)의 내부를 진공으로 만들기 위한 진공펌프(160), 진공펌프(160)와 챔버(110)를 연결하는 파이프(162)로 이루어진다. 이러한 구성에 더하여 챔버(110) 내부의 알력을 측정하는 압력계(도시하지 않음) 및 챔버(110) 내부의 압력을 조절하는 압력조절밸브(도시하지 않음)가 더 구비될 수 있다.

공정가스를 챔버(110)의 내부에 주입시키는 수단은 금속재료(1)의 표면처리시 챔버(110) 내부에 질화 및 침탄용 가스, 스퍼터링용 가스 또는 냉각용 가스를 주입시키기 위한 것으로, 이러한 공정가스 주입수단은 일반적으로 가스공급장치(도시하지 않음) 및 가스공급장치로부터 주입된 공정가스를 챔버(110)의 내부에 주입시키는 가스주입관(도시하지 않음)으로 이루어진다. 한편, 가스주입장치에는 각각의 공정가스 즉, 질화 및 침탄용 가스, 스퍼터링용 가스 및 냉각용 가스를 저장하기 위한 가스 저장탱크(도시하지 않음)가 다수 구비된다.

금속재료(1)에 전압을 인가하기 위한 수단은 침탄공정, 질화공정 또는 스퍼터링 공정시 금속재료(1) 주위에 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 한 것이다.

즉, 플라즈마 침탄 또는 플라즈마 질화시 임의의 펄스형 음전압을 인가하면 음극판 지지폴(140)과 음극판(130)을 통해 금속재료(1)에 전압이 인가되어 금속재료(1)의 주위에 플라즈마가 형성되고, 이에 따라 플라즈마에 의한 이온이 시료의 표면에 반응하게 되어 질화층 또는 탄화층을 형성하게 된다.

한편, 전술한 바와 같은 공정시 전압을 인가하기 위한 수단은 음극판(130)에 전기적으로 연결된 전원수단(170)이 구비되어 금속재료(1)에 전압을 공급하게 된다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리 장치를 정리·요약하면 다음과 같다. 즉, 본 발명은 챔버(110) 내부에 금속재료(1)를 설치한 상태에서 공정가스를 주입시켜 발열체(120)를 통해 임의의 반응온도로 가열하는 한편, 금속재료(1)에 임의의 펄스형 음전압을 인가하여 금속재료(1)의 주위에 플라즈마를 형성시키는 공정에 의해 금속재료(1)를 표면처리 하는 장치의 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 애노드전극(150)을 적어도 하나 이상 설치하여 금속재료(1)와 애노드전극(150) 사이에 균일한 전기장이 형성되도록 한 것이다.

이와 같이 금속재료(1)와 애노드전극(150) 사이에 균일한 전기장이 형성되도록 함으로써 금속재료(1) 주위에 균일한 플라즈마를 형성시켜 금속재료(1)를 균일하게 표면처리할 수 있게 된다.

다음은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리 장치의 작용 및 효과를 설명한 것이다. 본 발명의 설명을 하기 위해 일반적인 플라즈마 공정을 예를 들어 설명하면 먼저, 챔버(110) 내부의 음극판(130)에 금속재료(1)를 설치한 상태에서 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 애노드전극(150)을 설치하여 진공펌프(160)와 파이프(162)를 통해 챔버(110) 내부를 진공 상태로 만든다.

챔버(110) 내부를 진공 상태로 만든 후, 공정가스를 투입하는 한편, 발열체(120)를 통해 가열하여 챔버(110) 내부의 반응온도를 승온시킨다.

이러한 상태에서 금속재료(1)에 펄스형 음전압을 인가하여 금속재료(1) 주위에 플라즈마가 형성되도록 한다. 이처럼 금속재료(1) 주위에 플라즈마를 형성시킴으로써 플라즈마에 의한 이온은 금속재료(1)의 표면으로 가속·충돌되어 금속재료(1)의 표면에 질화층 또는 탄화층을 형성하게 된다.

한편, 캐소드전극 역할을 하는 금속재료(1)와 발열체(120) 사이에 설치된 애노드전극(150)과 금속재료(1) 사이에는 균일한 전기장이 형성되고, 이에 따라 금속재료(1) 주위에 형성되는 플라즈마는 균일하게 형성된다.

이때, 애노드전극(150)에 다수 형성된 관통홈(152, 152a)을 통해서 발열체(120)에서 발생한 열이 금속재료(1)에 전달되어 금속재료(1)의 반응온도를 용이하게 승온시킬 수 있게 된다. 따라서, 900℃ 부근의 고온 공정을 용이하게 할 수 있게 된다.

한편, 펄스형 전원장치를 바꿈으로써 펄스형 음전압을 금속재료(1)에 인가하는 대신 음전압과 양전압을 교대로 금속재료(1)에 인가시켜 사용할 수도 있다. 이러한 경우 전술한 애노드전극(150)은 접지상태에 있게 된다.

이후의 공정에서는 rf 플라즈마 발생(ICP : Inductive Couple rf Plasma) 공정을 가능하게 하여 플라즈마 밀도를 증대시키는 공정이 이루어질 수 있다. 즉, 플라즈마의 밀도를 높여 보다 많은 이온과 활성화된 중성 질소입자와 질소 라디칼을 형성시킴으로써 금속재료(1)의 표면과의 반응 작용을 증대시켜 금속재료(1)의 표면으로부터 일정깊이 이상 경화깊이 더 성장시킬 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 금속재료(1)의 표면에 경화층을 형성한 후 냉각용 가스를 챔버(110)의 내부에 주입하여 일정 온도로 냉각시키면 기계적 특성이 다른 제품을 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리 장치의 기술을 적용하게 되면 금속재료(1)와 애노드전극(150) 사이에 균일한 전기장을 형성시켜금속재료(1) 주위에 균일한 플라즈마를 형성시킴으로서 금속재료(1)의 표면에 균일한 경화층을 형성시킬 수 있게 된다.

따라서, 표면 부하를 크게 요구하는 공구강 및 기계부품의 표면처리에 적용할 수 있음은 물론, 정밀도가 높은 고 부가성의 부품생산을 유도할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 금속재료와 발열체 사이에 애노드전극을 설치하여 금속재료의 플라즈마 표면처리시 금속재료와 애노드전극 사이에 균일한 전기장이 형성되도록 함으로써 금속재료 주위에 형성되는 플라즈마를 균일하게 할 수 있는 효과가 발휘된다.

따라서, 전술한 바와 같이 금속재료 주위에 플라즈마를 균일하게 형성시킬 수 있어 금속재료의 표면처리를 균일하게 할 수 있는 효과가 발생한다.

한편, 전술한 바와 같이 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있도록 함은 물론, 금속재료를 고온으로 용이하게 승온시킬 수 있어 900℃ 부근의 고온 공정이 용이하게 할 수 있는 효과가 발휘된다.

다른 한편으로, 애노드전극이 금속재료와 발열체 사이에 설치되기 때문에 금속재료를 챔버 내부에 설치하거나, 챔버 내부로부터 꺼낼시 금속재료의 낙하로 인한 발열체의 파손을 방지할 수 있는 부수적인 효과도 기대할 수 있다.

Claims (7)

1. 챔버 내부에 금속재료를 설치한 상태에서 상기 챔버 내부에 공정가스를 주입시켜 발열체를 통해 임의의 반응온도로 가열하는 한편, 상기 금속재료에 임의의 펄스형 음전압을 인가하여 상기 금속재료의 주위에 플라즈마를 형성시키는 공정에 의해 상기 금속재료를 표면처리 하는 장치에 있어서,

   상기 금속재료와 발열체 사이에 애노드전극을 적어도 하나 이상 설치하여 상기 금속재료와 애노드전극 사이에 전기장이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드전극은 상기 챔버와 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 애노드전극과 발열체는 진공 상태하에서 전기적으로 절연됨을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
4. 제 1 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드전극이 두 개 이상인 경우 상기 각각의 애노드전극은 전기적으로 연결되어 동일한 전압이 인가됨을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 애노드전극은 다수의 관통홈이 형성된 판상형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 애노드전극은 망사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 애노드전극은 다수의 관통홈이 형성된 실린더형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 표면처리 장치.