KR100384449B1 - 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재상에 알루미늄 피막을 증착하여 내식성 및 장식성을 향상시키는데 사용되는 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이온플레이팅 방법으로 소재에 알루미늄을 피막처리하여 소재의 수명연장 또는 성능향상을 위한 피막을 제조함에 있어서, 이온화에 필요한 적정 증발율을 0.5㎛/min 이상으로 하여 별도의 이온화용 가스를 사용하지 않고, 이온화전극의 전압을 40∼70 V, 전류를 8∼30 A로 하고, 필라멘트의 전류를 40∼50 A로 하여 알루미늄을 증발시키면서 동시에 이온화시켜 소재표면에 알루미늄 피막을 형성시킴으로써 기존의 방법에 비해 기판 전압을 낮출 수 있으며, 증착효율이 높고, 밀착성이 우수하며 치밀도가 향상된 알루미늄 피막을 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법 {Manufacturing method of Al films having good adhesion}

본 발명은 소재상에 알루미늄 피막을 증착하여 내식성 및 장식성을 향상시키는데 사용되는 알루미늄 피막을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 전자빔 증발방식을 이용한 이온플레이팅 방법을 이용하되 적정 증발율을 선정하여 별도의 이온화 가스를 사용하지 않고 이온화 전극과 필라멘트만으로 이온화시켜 밀착력과 치밀도 및 증착효율이 향상된 미알루미늄 피막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄은 색상이 미려하고 내식성이 우수하여 화장품 케이스나 악세서리 등의 장식용 피막은 물론 반도체의 도전막, 자성재료나 강판의 보호피막 등에 매우 폭 넓게 이용되고 있다. 또한 알루미늄은 그 자체 금속이 갖는 제 특성(밀도가 낮고, 가공성, 내식성 및 열전도성이 우수함)으로 인하여 산업상 응용분야가 매우 다양하다.

최근에는 우주개발이나 항공산업이 크게 발달하면서 각종 소재에 알루미늄을 피막처리 함으로서 내식성 및 기계적 성질을 우수하게 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예로서 맥도넬 더글라스사에서는 비행기에 사용되는 각종 부품에 알루미늄을 코팅하여 내부식 및 내마모 재료로 사용하고 있으며, 독일에서는 강판상에 알루미늄을 진공증착하여 용기용 및 가전제품에 사용하고 있는 등 그 응용은 헤아릴 수 없다.

이와 같은 알루미늄은 전기도금으로 코팅할 경우 그 효율이 낮아 생산성이 떨어지기 때문에 대부분 물리증착법을 이용하고 있다. 물리증착에는 크게 진공증착, 스퍼터링 그리고 이온플레이팅이 있는 바, 내식성 향상을 위한 목적의 경우에는 일반적으로 이온플레이팅 방법을 이용하고 있으며, 특히 맥도넬 더글라스사나 스미토모 특수금속에서는 소위 AC 코팅으로 알려진 알루미늄 코팅 제품을 생산, 판매하고 있다.

알루미늄 피막은 대체로 피막층에 많은 구멍을 포함하고 있을 뿐만 아니라기판과의 밀착성이 열악한 단점도 가지고 있는바, 이를 해결하기 위해서 진공증착의 경우에는 기판을 고온으로 가열하여야 하며, 이온플레이팅에서는 기판에 인가되는 전압을 증가 시키거나 이온화율을 증대 시키기 위해 더 많은 양의 방전가스를 도입할 필요가 있게 된다. 그러나 기판을 고온으로 가열할 경우는 기판에 손상을 줄 뿐만 아니라 기판이 고온이 될수록 부착량이 감소하여 경제성이 저하되며, 기판에 고전압을 인가하는 방법 또한 기판에 손상을 주게 된다. 방전가스 도입량을 증대하여 이온화율을 높이려 하면 방전가스가 피막에 혼입되어 피막을 손상시키게 되며 방전가스와 증발되는 알루미늄 사이에 산란이 일어나 역시 부착량의 감소를 초래하게 된다.

상기한 문제점들을 해결하기 위해서 여러 가지 방법의 진공증착, 스퍼터링, 이온플레이팅 장치나 방법(일본국 특허공고 소화 59-28569, 일본국 특허공고 소화 61-59861, 영국 특허공고 2141442, 일본국 특허공고 소화 57-95749, 영국특허 2162205, 일본국특허 7942676)이 개발되었으며, 주로 피막의 균일성 및 피막과 기판간의 밀착성, 발생된 플라즈마의 안정성, 증발원의 재질 및 구조, 높은 이온화율 등에 관한 기술이다. 본 발명의 발명자들도 상기한 문제점들을 해결하고자 특허출원한 것이 "밀착성 및 표면특성이 우수한 피막형성 방법(대한민국 특허 제205117호)" 및 "소형 소결 부품에의 고내식성 알루미늄 피막 제조방법(대한민국 특허공개 제99-52861호)"으로 게시된 바 있으며, 이 경우도 비록 10^-4토르 이하의 고진공이기는 하지만 불활성 가스를 사용하고 있다. 전자빔 증발원의 경우 안정된 플라즈마를 위해 아르곤 가스를 방전가스로 사용하는 것이 일반적이었다.

또한 본 발명의 발명자들이 특허출원한 것으로서 저항가열 증발원을 이용하면서 다수의 필라멘트를 이용하여 "아크방전 유도형 이온플레이팅에 의한 알루미늄 피막의 제조방법(대한민국 특허 제65363호)"이 게시되어 있으나 이 방법은 가스를 사용하고 있지는 않으나 저항가열원에 의한 증발율의 한계와 다수의 필라멘트를 이용함에 의한 기판의 온도 증가 그리고 증기분포의 변동 등의 문제점을 않고 있었다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 알루미늄 피막 제조방법이 갖는 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 전자빔 증발원을 이용하면서 적정한 증발율을 선정함에 의해 별도의 이온화용 가스를 사용하지 않고도 충분한 양의 이온화가 발생하는 알루미늄의 이온화 조건을 찾아 이를 이온플레이팅에 적용하여 알루미늄 피막을 형성하는 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 채용된 알루미늄 피막 제조용 이온플레이팅 장치의 구성도

이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 진공실 2 : 증발원

3 : 이온화전극 4 : 필라멘트

5 : 셔터 6 : 두께 모니터

7 : 가열장치 8 : 시편 홀더

9 : 진공게이지 10 : 가스도입구

11 : 시편 12 : 증발물(알루미늄)

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법은 이온플레이팅 방법으로 소재에 알루미늄을 피막처리하여 소재의 수명연장 또는 성능향상을 위한 피막을 제조함에 있어서, 이온화에 필요한 적정 증발율을 0.5㎛/min 이상으로 하여 별도의 이온화용 가스를 사용하지 않고, 이온화전극의 전압을 40∼70 V, 전류를 8∼30 A로 하고, 필라멘트의 전류를 40∼50 A로 하여 알루미늄을 증발시키면서 동시에 이온화시켜 소재표면에 알루미늄 피막을형성시키는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명은 통상적인 이온플레이팅 장치에 이온화전극과 필라멘트를 설치하여 알루미늄 피막을 제조하는 것이다. 도 1은 본 발명에 채용된 알루미늄 피막 제조용이온플레이팅 장치의 구성도로서, 진공실(1) 내에 우선 증기를 이온화시키기 위한 이온화전극(3)과 필라멘트(4)를 설치하였다. 진공실(1) 내부에는 이외에 증발원(2)과 셔터(5), 두께 모니터(6), 가열장치(7), 시편홀더(8), 진공도를 측정할 수 있는 진공게이지(9) 그리고 가스를 주입하는 가스도입구(10) 등이 설치되어 있다.

증발원(2)은 전자총 증발원을 사용하되 알루미나 도가니(도면에 표시하지 않음)를 라이너로 사용하였다. 알루미나 도가니를 사용한 이유는 알루미늄의 특성상 수냉 도가니에서는 증발율의 증가에 한계가 있기 때문이다. 시편(11)은 용기내에 장입하기 전 및 장입후에 전처리를 실시하여야 하는데 본 발명에서는 용기내에 장입하기 전의 전처리 방법으로 샌드브라스트를 이용하였다.

시편(11)의 전처리 방법은 처리되는 시편(11)의 특성, 제거하려는 오염물질 등에 따라 달리해야 한다. 실험실적으로는 가벼운 연마를 거친 후 청정제나 용매를 이용한 초음파 세척이 적당하지만, 산업상으로는 샌드브라스트나 화학세정 등이 이용되고 있다. 고정구나 공구, 베어링 등의 부품에 전형적으로 존재하는 오염물질로는 윤활유, 절삭유, 산화물 그리고 지문 등이 있다. 본 발명에서는 상업적 적용성이 우수하고 경제적이며 환경친화적인 샌드브라스트를 전처리로 이용하였다. 전처리를 거친 시편(11)을 배럴인 시편홀더(8)에 장입시키고, 증발원(2)에 알루미늄(12 )을 채운 후 용기를 닫고 진공펌프(도면에 표시하지 않음)를 이용하여 원하는 진공도까지 배기한다.

진공도가 10^-5토르 이하가 되면 시편의 청정을 위해 아르곤 가스를 주입하고 시편에 음의 전압을 인가하여 시편을 청정시킨다. 시편의 청정은 매우 중요한 단계로 시편에 존재하는 유기물과 같은 불순물 뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다. 이들 불순물이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다. 시편의 청정은 보통 10^-2토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 시편에 400∼1,000 V의 음의 전압을 인가하여 글로방전을 유도시켜 실시한다. 이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 시편에 충돌하여 시편에 존재하는 불순물을 제거하게 된다. 시편의 청정이 끝나면 진공도를 다시 10^-5토르 이하로 유지시킨 후 본격적으로 코팅을 실시하는 단계가 된다. 진공중에서 피막제조가 끝나면 시편(11)을 밖으로 꺼낸 후 표면의 거칠음을 제거하고 금속성의 광택이 나는 표면을 만들기 위해 다시 샌드브라스트를 이용하여 연마하면 알루미늄 피막제조의 모든 공정이 완료된다.

다음에는 실시예를 통하여 본 발명 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

발명예 1은 니오듐 영구자석의 내식성 향상을 위해 알루미늄 피막을 제조한 것이다. 본 발명예 1에 사용된 시편(11)은 외경이 24 mm이고, 내경이 18 mm이며 두께가 1.2 mm인 구멍이 있는 원판형의 니오듐 영구자석으로 150개를 한 배럴에 장입하여 코팅하였다. 시편(11)은 외부에서 #200 메쉬의 알루미나 비드를 이용한 샌드브라스트로 전처리를 거친 후 배럴인 시편홀더(8)에 장입하였다. 다음에 증발물인 알루미늄(12)을 전자빔 증발원(2)에 넣고, 이온화전극(3)과 필라멘트(4)를 설치한 다음 진공실(1)을 닫고 진공펌프를 이용하여 배기하였다.

진공도가 10^-5토르 이하가 되면 시편(11)의 청정을 위해 가스도입구(10)를 통해 1.2 x 10^-2토르의 아르곤 가스를 주입하여 글로방전에 의한 시편의 이차 청정을 실시하였다. 이때 배럴에 인가한 전압은 500 V였고, 전류는 400∼800 mA로 하여 배럴을 회전시키면서 20분간 청정을 실시하였다. 시편의 청정이 끝나고 진공도가 다시 10^-5토르 이하가 된 후 알루미늄 피막을 제조하였다.

우선 전자빔 증발원(2)에 전자총 전원을 인가하여 알루미늄을 증발시키면서 이온화전극(3)과 필라멘트(4)에 전원을 인가하여 안정된 플라즈마를 발생시켰다. 전자빔에 의한 알루미늄 증발시에 증발율의 향상을 위해 알루미나 도가니를 사용하였으며, 전자빔의 전력은 10 kV, 150∼400 mA로 조절하였다. 전자빔에 의해 알루미늄의 증발이 안정화되면 필라멘트(4)에 전원을 인가하여 50 A의 전류가 흐르게 한 다음 이온화전극(3)에 50 V의 전압을 인가하여 이온화전류가 16 A가 되도록 조절하였다. 상기 이온화전극(3)의 전압은 40∼70 V의 범위가 바람직한데 그 이유는 다음과 같다.

이온화전극(3)의 전압이 40 V 이하가 되면 이온화가 충분히 일어나지 않아밀착성 및 치밀도가 나빠지고, 이온화전극(3)의 전압이 70 V 이상이 되면 이상방전 등으로 인해 피막이 손상을 입을 가능성이 크기 때문이다.

상기 필라멘트(4)의 전류는 40~60 A가 적당한데 그 이유는 필라멘트(4) 전류가 40 A 이하가 되면 이온화가 충분하지 않고 60 A 이상이 되면 필라멘트(4)의 과열에 의한 기판온도 상승이나 아크방전과 같은 이상 현상이 발생되기 쉬우며 필라멘트(4) 자체도 열변형에 의해 파손되기 쉽기 때문이다.

상기 이온화전극(3)의 전류는 8∼20 A의 범위가 적당한데 그 이유는 상기한 이온화전극(3)의 전압과 유사하기 때문이다. 플라즈마가 안정화되면 기판에 100 V의 전압을 인가하고, 배럴인 시편홀더(8)를 회전시키면서 셔터(5)를 열어 2시간 동안 증착시켰다. 시편(11)에 코팅된 알루미늄 피막의 두께를 두께모니터(6)를 이용하여 측정하였으며 평균 10 ㎛의 두께로 증착된 것으로 나타났다.

하기 실시예와 표 1은 본 발명의 효과를 설명하기 위해 발명예와 비교예로 구분하여 시편에 알루미늄을 코팅한 다음 밀착력 및 치밀도, 증착효율 등의 특성을 비교한 것이다.

밀착력은 테이프 테스트와 스크레치 테스터를 이용한 측정을 통해 3단계로 구분하여 밀착성이 매우 우수한 경우를 ●로 중간일 경우는 △로 테이프로도 떨어지는 경우를 ×로 표시하였다.

피막의 치밀도는 동일 두께의 시편에 대해 단위면적당 알루미늄의 양을 습식법으로 도출한 후 그 양을 상대적으로 비교하여 상, 중, 하로 나타내었다.

증착효율은 생산성 증대를 위한 일정 두께 형성까지의 시간을 비교한 것으로10 ㎛까지의 증착시간이 30 분 이내일 경우는 ●로 30∼60분 사이일 경우는 △로, 60분 이상이 걸릴 경우에는 ×로 표시하였다. 이 경우의 증착층 두께의 계산은 고정된 평판에서의 평균 두께를 의미하는 것이다.

발명예 2는 발명예 1과 동일하되 증발율을 1.0 ㎛/min로, 필라멘트 전류를 45 A로, 이온화전류를 20 A로 그리고 기판전압을 50 V로 하여 피막을 제조한 경우이다.

발명예 3은 발명예 1과 동일하되 증발율을 0.8 ㎛/min로, 이온화전류를 16 A로 하여 피막을 제조한 경우이다.

발명예 4는 발명예 1과 동일하되 증발율을 1.0 ㎛/min로, 필라멘트 전류를 55 A로 이온화전류를 24 A로 그리고 기판전압을 50 V로 하여 피막을 제조한 경우이다.

발명예 5는 발명예 1과 동일하되 증발율을 1.2 ㎛/min로, 필라멘트 전류를 40 A로 이온화전류를 20 A로 그리고 기판전압을 50 V로 하여 피막을 제조한 경우이다.

비교예 1은 발명예와 비교하기 위하여 진공증착 방법으로 알루미늄을 니오듐자석에 증착하여 특성을 비교한 경우이다.

비교예 2는 발명예 1과 동일하되 도가니로 수냉구리를 이용하고, 아르곤 가스를 3x10^-4토르 주입하였으며, 증발율은 0.15 ㎛/min로, 필라멘트 전류를 50 A로 이온화전류를 16 A로 그리고 기판전압을 200 V로 하여 피막을 제조한 경우이다.

비교예 3은 발명예 1과 동일하되, 증발율은 0.3 ㎛/min로, 필라멘트 전류를50 A로 이온화전류를 2 A로 하여 피막을 제조한 경우이다.

비교예 4는 발명예 1과 동일하되, 필라멘트 전류를 30 A로 하여 이온화전류가 거의 흐르지 않는 상태에서 피막을 제조한 경우이다.

실시예 No.	증발율(㎛/min)	필라멘트전류 (A)	이온화전극전류 (A)	기판전압(V)	밀착력	치밀도	증착효율
발명예 1	0.5	50	12	100	●	상	●
발명예 2	1.0	45	20	50	●	상	●
발명예 3	0.8	50	16	100	●	상	●
발명예 4	1.0	55	24	50	●	상	●
발명예 5	1.2	40	20	50	●	상	●
비교예 1	0.2	-	-	-	×	하	△
비교예 2	0.15	50	16	200	△	중	×
비교예 3	0.3	50	2	100	△	중	△
비교예 4	0.5	30	-	100	△	하	●

상기한 바와 같이 본 발명의 방법으로 알루미늄 피막을 제조하면 기존의 방법에 비해 기판 전압을 낮출 수 있으며, 증착효율이 높고, 밀착성이 우수하며 치밀도가 향상된 알루미늄 피막을 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 이온플레이팅 방법으로 소재에 알루미늄을 피막처리하여 소재의 수명연장 또는 성능향상을 위한 피막을 제조함에 있어서, 이온화에 필요한 적정 증발율을 0.5㎛/min 이상으로 하여 별도의 이온화용 가스를 사용하지 않고, 이온화전극의 전압을 40∼70 V, 전류를 8∼30 A로 하고, 필라멘트의 전류를 40∼50 A로 하여 알루미늄을 증발시키면서 동시에 이온화시켜 소재표면에 알루미늄 피막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 밀착력 및 증착효율이 향상된 알루미늄 피막의 제조방법.