KR100466536B1

KR100466536B1 - 이온 조사에 의한 이용기 날의 표면처리 방법

Info

Publication number: KR100466536B1
Application number: KR10-2002-0025926A
Authority: KR
Inventors: 박재원; 최병호; 이재형
Original assignee: 한국원자력연구소; 하충현
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2005-01-15
Also published as: DE10321046A1; JP2003326000A; JP4285636B2; KR20030087844A; US20030208912A1

Abstract

본 발명은 이용기 날의 표면 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 질소이온 빔을 이용기 날 모서리와 일정각도를 유지하도록 조사하여 날의 무딤 현상을 방지 하면서 이온 충돌로 인한 스퍼터링 효과로 표면에 존재하는 연마잔재물 제거 및 표면거칠기를 감소시키고 매우 경한 Cr-N 및 Fe-N 미세 입자들을 표면근처에 형성시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에 의해 이용기 날 표면의 마찰계수를 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이용기 날의 사용 수명을 향상시킨다.

Description

이온 조사에 의한 이용기 날의 표면처리 방법 {METHOD FOR SURFACE TREATING HAIR CLIPPERS BY ION IRRADIATION}

본 발명은 이용기 날의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 질소이온 빔을 이용기 날 모서리와 일정각도를 유지하도록 조사하여 날의 무딤 현상을 방지 하면서 이온 충돌로 인한 스퍼터링 효과로 표면에 존재하는 연마잔재물 제거 및 표면거칠기를 감소시키고 매우 경한 Cr-N 및 Fe-N 미세 입자들을 표면근처에 형성시키는 표면처리 방법에 관한 것이다.

이용기 날은 주로 스테인레스 강재로 제조되며 날이 어떻게 가공되어지느냐에 따라서 사용감 및 사용수명이 달라진다. 또한 사용수명을 향상시키기 위해서는 보다 경도가 높은 재료를 사용하고 보존에 주의를 기울어야 한다. 그렇지 못하면 날이 무디어 잘 듣지 않게 되어 머리카락이 깎이는 느낌보다는 뽑히는 느낌이 들어 사용자로 하여금 불쾌감을 유발시킬 수 있다.

이용기 날은 사용이 끝남과 동시에 기계솔로서 깨끗이 털어서 소독수에 넣어 소독한 후 수분을 닦은 후 소독장에 넣어 보관하고 자주 날을 서게 해줘야 오래 사용이 가능하다.

이용기 날에 있어 가장 중요한 부분은 직접적으로 머리카락과 접촉하는 이용기 날의 위·아랫날 표면으로서 사용감 및 수명은 상기 날의 표면 경도에 의존한다. 따라서 경도가 높은 재료로 제조함으로서 이용기 날의 사용감을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있으나, 경도가 높음에 따라 가공이 어렵고 고가의 재료 사용으로 재료비의 상승이 동반되어 바람직하지 못하다.

이에 대한 대안으로 이용기 날의 표면 특성을 향상시켜 동일한 효과를 얻을 수 있다. 표면 개질의 수단으로는 표면에 막을 씌우는 물리 및 화학적 코팅방법 및 재료자체의 표면을 직접적으로 개질시키는 방법이 있으나 서로 장단점이 있으며, 경우에 따라서는 두 방법이 동시에 적용되어 져야한다. 재료자체의 표면을 개질 하는 방법으로는 기계적 또는 화학적 방법이 있으나, 보다 근접표면을 개질 시키기 위해 최근에는 전자빔, 레이저 빔, 플라즈마/이온 빔 등의 수단이 효과가 크다고 입증이 되어, 점차 그 응용범위가 늘어나고 있다.

일예로, 경한 재료의 박막을 비교적 저가의 연한 재료의 표면에 코팅하여 표면 경도를 향상시키고 재료비 및 가공비의 감소 효과를 얻을 수 있었다. 그러나, 이 방법 또한 서로 다른 재료간의 접합력이 때로는 문제가 되어 박막이 벗겨질 경우 즉시 사용이 중단되어야하는 폐단이 있어왔다.

이에 본원발명자들은 이용기 날의 수명을 증가시키기 위하여 이용기 날의 표면에 이온빔을 주사하여 표면을 개질하는 방법을 착안하여 실시하고자 하였다. 이온빔을 주사하여 이용기 날의 표면을 개질시 어떤 이온을 어느 정도의 강도로 주입하느냐에 따라 그 표면 특성이 달라짐에 따라 다양한 방법으로 실시하였다.

그 결과 질소이온 빔을 이용기 날 모서리와 일정각도를 유지하도록 조사하여 날의 무딤 현상을 방지 하면서 이온 충돌로 인한 스퍼터링 효과로 표면에 존재하는 연마잔재물 제거 및 표면거칠기를 감소시키고 매우 경한 Cr-N 및 Fe-N 미세 입자들을 표면근처에 형성시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에 의해 이용기 날 표면의 마찰계수를 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이용기 날의 사용 수명을 향상시킴을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 이용기 날의 사용수명을 연장시키는 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 이용기 날의 사용수명을 연장시키기 위하여 이용기 날을 이온빔으로 표면처리하는 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 이온을 주입하여 표면 경도 및 내마모성이 향상된 이용기 날을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 날의 무딤 현상을 방지 하면서 이온 충돌로 인한 스퍼터링 효과로 표면에 존재하는 연마잔재물 제거 및 표면거칠기를 감소시키는 표면 개질 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 이용기 날 재료인 Type 440A 표면에 70 keV 질소 이온을 이온량 5x10¹⁶/cm²로 30도 및 45도의 경사각으로 주입한 경우 스퍼터링 시간에 따른 질소 원자의 표면에서의 깊이 방향 분포를 나타내는 그래프이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 결과를 낸 질소 이온 주입된 Type 440A 표면에 주입된 질소의 화학상태를 보여주는 X-ray 광전자 스팩트럼이다.

도 3a는 이온이 주입되지 않은 Type 440A 표면에 500 gf의 스틸볼 (steel ball)로 마모 실험을 한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 3b는 70 keV 질소 이온을 이온량 5x10¹⁶/cm²로, 30도의 경사각으로 주입된 Type 440A 표면에 500 gf의 스틸 볼 (steel ball)로 마모 실험을 한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 4a는 이온이 주입되지 않은 Type 440A 표면에 500 gf의 알루미늄볼 (aluminium ball)로 마모 실험을 한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 4b는 70 keV 질소 이온을 이온량 5x10¹⁶/cm²로, 30도의 경사각으로 주입된 Type 440A 표면에 500 gf의 알루미늄 볼 (aluminium ball)로 마모 실험을 한 결과를 보여주는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

질소이온 빔을 이용기 날 모서리와 일정각도를 유지하도록 조사하여 이용기 날 표면에 Cr-N 또는 Fe-N 미세 입자들을 형성시켜 표면을 개질하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명의 더욱 상세히 설명한다.

본 명세서에서 언급된 '이용기 날'은 통상적으로 사용되는 모든 이용기 날을 포함하며, 그 재료 또한 통상적으로 사용되는 스테인레스 강 (stainless steel)을 의미한다. 스테인레스강은 철 (Fe)에 12% 이상 크롬 (Cr)을 첨가하고, 경우에 따라 탄소 (C), 니켈 (Ni), 규소 (Si), 망간 (Mn) 및 몰리브덴 (Mo)을 소량 포함한 것으로 내식성, 내열성, 표면 특성 등이 우수한 특징을 나타내고, 화학성분 및 금속조직에 따라 다양하게 구분될 수 있으며, 일 예로 SUS440A, SUS44OB, SUS431, SUS420 및 SUS304 등을 포함한다. 본 발명에서 사용하고자 하는 이용기 날의 재료에도 적절히 이용되고 있으며, 본 발명에서는 종류를 한정하지 않는다.

본 발명에서 언급된 '이온 주입'은 높은 에너지를 가진 이온화된 원소를 표적재료 표면에 충돌하여 이온을 재료 내부에 침입시키는 것을 의미하나, 표적표면의 원자나 분자들을 증기상으로 방출시키는 스퍼터링 효과도 수반한다. 이 공정의 변수로는 표적재료, 입사 에너지, 입사각, 이온량 등의 변수가 있으며 본 발명에서는 최적의 조건을 제시한다.

본 발명에서 언급된 이온은, 통상적으로 사용되는 질소 가스 (N), 탄소 가스(C), 아르곤 가스 (Ar), 헬륨 가스 (He), 제논 가스 (Xe), 수소 가스 (H), 중수소 가스 (D) 등을 포함하며, 각각 단독 또는 혼합하여 사용가능하며, 본 발명은 재료 특성 상 이온 주입 후 질화물의 형성이 중요하므로 질소 가스를 사용하였다.

구체적으로, 본 발명에서는 이용기 날의 표면을 개질하기 위하여,

50∼300 keV 에너지 범위의 질소 이온 빔을 이용기 날 표면과 30∼45° 각도를 유지하도록 조사한다.

상기 주입되는 에너지는 이온조사 처리된 이용기 날의 표면특성에 관계된다. 일반적으로 주입되는 이온의 에너지가 높을수록 또 이온의 주입량이 많을 수록 표면 개질이 더욱 진행되어 경도가 더욱 증가되고 표면의 산화물 및 불순물의 제거가 보다 용이해지나 너무 과다할 경우는 조사손상들의 역효과가 나타날 수 있으며, 작업 비용 또한 상승 되므로 바람직한 물성을 나타내고 적절한 비용이 소요되는 조건으로 조절되어야 한다.

본 발명의 이용기 날은 상기 범위의 에너지를 가진 이온이 주입됨에 따라 별도의 열처리 없이 표면에 경도가 큰 질화물이 형성되고, 날 표면에 박힌 연마 잔재물을 제거하고 표면의 거칠기가 감소되어 이용기 날의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 이때 이온은 5×10¹⁶∼5×10¹⁷이온수/cm²로 주입함이 적절하다.

그러나 상기 범위 미만이면 질화물이 표면에 부족하게 형성되어 원하는 정도의 물성을 얻을 수 없고, 초과하게 되면 상기 역효과를 유발할 수 있다.

특히 본 발명에서는 주입되는 이온과 이용기 날의 경사 각도가 개질된 이용기 날의 표면 내구성에 크게 관여한다.

주입되는 이온이 이용기 날의 정면으로 주입하게 되면 날이 무뎌지게 되는 단점이 있어 일정한 각도로 경사지게 주입한다. 이러한 경사는 자연스럽게 표면의 스퍼터링을 유발하여 이용기 날의 표면에 박힌 연마 잔재물을 제거하여 표면 거칠기를 더욱 감소시킬 수 있게 된다.

바람직하기로 상기 각도는 날 모서리 각도의 절반이어야 하며, 예를 들어날의 각도가 60°이면 입사빔과 날 표면의 각도는 30°가 되어야한다. 그러나 조사되는 이온의 경사각이 작을수록 주입되는 질소의 주입 깊이가 줄어 듦으로 동일 효과를 내기 위해 이온에너지를 높여야 할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, SUS404A로 된 스테인레스 강의 이발기에 대해 질소 이온을 주입하여 표면을 관찰한 결과 주입된 대부분의 질소가 질화물을 형성하고, 구체적으로 Fe-N, Cr-N 임을 확인하였다.

본 발명의 바람직한 또다른 실시예에 따르면, SUS404A로 된 스테인레스 강의 이발기에 대해 질소 이온을 주입하여 표면 개질을 수행한 것과 그렇지 않은 경우의 기계적 성질-내마모성-을 측정한 결과, 표면 개질된 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 내마모성이 3배 이상 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 표면 거칠기에 있어서도 두배 정도 감소하여 표면 상태가 상당히 매끄러워짐을 알 수 있었다.

본 발명의 바람직한 또다른 실시예에 따르면 SUS404A로 된 스테인레스 강의 이발기에 대해 30° 및 45°의 경사로 질소 이온을 주입한 결과, 두 가지 경우 모두 이용기 날 표면에 질화물을 형성하였으나, 45°경우가 30° 보다 더 깊은 곳까지 질소 원소가 주입되어 있음을 알 수 있었다.

한편 본 발명의 이온 주입을 수행하기 위하여 사용되는 장치는 통상적으로 사용되고 있는 이온주입 장치이며, 본 발명에서는 그 구체적인 구성요소를 한정하지는 않는다.

본 발명의 실시예에서는 본 출원자에 의해 발명된 대한민국특허 제143,433호에 기재된 이온 주입기를 사용하여 기체 이온을 인출 및 가속하여 이온의 종류 및 에너지, 이온 전류밀도 및 이온량을 적절히 조절하면서 사용하였다.

본 발명의 이온 주입에 의해 표면에 질화물이 형성된 이용기 날은 표면 경도가 향상되며, 표면에 존재하는 연마 잔재물이 제거되고 표면 거칠기가 감소됨에 따라 사용 수명이 연장되는 우수한 표면 특성을 나타낸다. 특히 본 발명의 이온 주입에 의한 표면 개질 방법은 이용기 날을 어느 정도 사용한 이후에도 다시 연마 및 이온 주입으로 질화물의 재생이 가능하여 매우 경제적으로 사용할 수 있다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.

그러나 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일실시예 일 뿐 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1 >

SUS440A (C:0.6-0.75, Mn: 1.00, Si: 1.00, Cr: 16-18.00, P:0.04, S: 0.03 Mo:0.75) 로 된 스테인레스 강 소재의 이발기 날을 표면거칠기 약 0.04 ㎛로 연마한 후 표면에 이온주입기를 이용하여 이온에너지 70 keV의 질소 이온을 5×10¹⁶이온수/cm²만큼 30° 및 45° 경사로 주입하여 표면을 개질하였다.

주입조건	이온 종류	에너지	이온량(이온수/cm²)	표면 거칠기	경사각
1	질소	70	5×10¹⁶	0.04 ㎛	30°
2	질소	70	5×10¹⁶	0.04 ㎛	45°

A. 표면 화학 분석

상기 표면 개질된 이용기 날의 표면 특성을 조사하기 위하여 오제(Auger) 전자 스펙트럼 분석; X-선 광전자 스펙트럼 분석 (XPS)을 하기와 같이 수행하였다.

1) 오제(Auger) 전자 스펙트럼 분석

상기 표면 개질된 이용기 날 표면에 이온을 주입하여 표면에서 깊이 방향으로 깎아 내면서, 잔류하는 질소 원소 분포를 depth profiling 기술로 분석하였으며, 이러한 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1은 스퍼터링 시간에 따른 질소 원자의 표면에서의 깊이 방향 분포를 나타내는 그래프로서, 질소 원소가 상당한 깊이까지 주입되어 있음을 확인할 수 있었으며 30°로 조사한 경우보다 45°로 조사하는 경우 더욱 깊은 곳까지 주입됨을 확인하여 경사각이 작을수록 질소의 주입 깊이가 줄어듦을 알 수 있었다.

2) X-선 광전자 스펙트럼 분석

상기 표면 개질된 이용기 날 표면을 X-선 분석기를 이용하여 X-선 분석을 실시하였으며, 이러한 결과를 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 결과를 낸 질소 이온 주입된 Type 440A 표면에 주입된 질소의 화학상태를 보여주는 X-ray 광전자 스팩트럼으로, 도 2a의 표면의 질소에 비해 도 2b의 내부의 질소는 대부분 Fe-N 및 Cr-N 과 같은 질화물을 형성함이 확인, 주입된 대부분의 질소가 질화물을 형성하고 있음을 알 수 있다.

B. 표면 물리적 특성

상기 표면 개질된 이용기 날의 표면 특성을 조사하기 위하여 Pin-On-Disk 타입의 마찰 마모 시험기를 이용하여 보다 사용 환경에 유사하게 핀 대신 볼(Ball)을 사용하여, 상기 이용기 날의 면과 ball 사이의 마찰마모실험을 수행하였다. 이때 보다 짧은 시간에 결과를 알기 위해 실제 사용하중보다 더 높은 500 gf의 스틸 볼과 알루미나 볼을 사용하여 하중을 주었으며, 이러한 결과를 도 3a∼도 4b에 나타내었다. 두 가지 다른 볼을 사용한 이유는 통상적으로 이용기 날의 하날은 항상 스틸이나 상날은 스틸과 세라믹 두 경우가 있기 때문이다.

도 3a 및 도 3b는 500 gf의 스틸 볼을 사용하여 이용기 날의 내마모성을 알아보기 위한 마모궤적에 관한 마찰계수의 상관관계를 나타내는 그래프로서, 각각 이온 주입 전 (도 3a) 및 후 (도 3b)의 이용기 날의 내마모성을 나타낸다.

상기 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 이용기 날을 표면 처리한 경우가 마찰 계수가 급격히 상승하는 마모궤적이 훨씬 길어 표면 처리를 수행하지 않은 경우에 비하여 약 1.5 배의 내마모성이 향상됨을 확인할 수 있었다.

도 4a 및 도 4b는 500 gf 알루미나 볼을 사용하여 측정한 마모궤적에 관한 마찰계수의 상관관계를 나타내는 그래프로서, 각각 이온 주입 전 (도 4a) 및 후 (도 4b)의 이용기 날의 내마모성을 나타낸다.

도 4a 및 도 4b도 상기에서 나타낸 바와 유사하게, 이용기 날을 표면 처리한 경우가 마찰 계수가 급격히 상승하는 마모궤적이 훨씬 길어 표면 처리를 수행하지 않은 경우에 비하여 약 3 배의 내마모성이 향상됨을 확인할 수 있었다.

C. 표면 거칠기 특성

상기 표면 개질된 이용기 날의 표면 특성을 조사하기 위하여 이온 주입 전및 후의 표면 거칠기를 Mitutoyo 모델 SutftestSJ-301을 사용하여 측정하였다.

상기 실시예에서 제조된 질소 이온 주입된 스테인레스 강의 표면거칠기를 주입하지 않은 시편과 비교한 결과, 여러 가지 다른 표면거칠기에 대해 그 감소가 확인 되었고, 촤종 제품의 경우 이온 주입전 평균 0.04 μm 이던 표면이 이온 주입 후 약 0.02 μm로 감소하였다.

D. 결론

본 실시예에 의해 기계가공후 표면연마된 SS440A (C:0.6-0.75, Mn: 1.00, Si: 1.00, Cr: 16-18.00, P:0.04, S: 0.03 Mo:0.75) 부품에 45°및 30°의 입사각으로 70 keV 질소이온 (5×10¹⁶/cm²)을 충돌시켜 스퍼터링에 의한 연마 잔재물 제거 및 표면 거칠기 감소, 그리고 이온 주입에의한 질화물 형성등에 관해 조사하였다.

표면거칠기는 이온 충돌전 0.04 μm이던 것이 충돌후 0.02 μm로 감소하였으며, XPS 분석결과 표면의 다이아몬드 연마제 잔재물은 이온빔 스퍼터링 효과에 의해 제거 되어 있었고, N1s 전자의 결합에너지를 조사한 결과 내부표면(subsurface)에 CrN 와 FeN 등이 형성되어 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의해 질소이온 빔을 이용기 날 모서리와 일정각도를 유지하도록 조사하여 날의 무딤 현상을 방지 하면서 이온 충돌로인한 스퍼터링 효과로 표면에 존재하는 연마잔재물 제거 및 표면거칠기를 감소시키고 매우 경한 Cr-N 및 Fe-N 미세 입자들을 표면에 형성시켜 표면 특성을 개선하였다. 그 결과 이용기 날 표면의 마찰계수를 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이용기 날의 사용 수명을 향상시킬 수 있게 되었다.

특히 본 발명의 박막증착에 비해 어느 정도 마모 후 다시 연마 및 이온 주입으로 재생할 수 있어 경제적이며, 이용기 날의 경우 상하날간의 압력은 500gf 이하로 극심한 마모 환경이 아니며 면간 마찰이므로 상당한 수명 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 범위가 이들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위 내에서 다양한 보완 및 변형이 가능할 것이다.

Claims

스테인레스 강 재질의 이용기 날의 형상에 따라 30∼60°각도로 경사지게 질소(N) 단독 또는 탄소(C)를 포함한 다른 이온을 동시에, 이온의 에너지 범위를 50∼300 keV로 주입하여 표면에 질화물을 형성시키는 이용기 날의 표면 개질 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스테인레스 강이 통상적인 이용기 날 재료로 사용되는 SUS440A, SUS440B, SUS431, SUS420, 및 SUS304로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
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제 1 항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온의 주입량이 5x10¹⁶∼ 5x10¹⁷이온수/㎠인 것을 특징으로 하는 방법.