KR100529590B1

KR100529590B1 - 핸드폰 케이스 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100529590B1
Application number: KR10-2003-0037426A
Authority: KR
Inventors: 김종희; 박명진; 이광은
Original assignee: 주식회사 샘텍
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-11-21
Also published as: KR20040106641A; WO2004108802A1

Abstract

본 발명은 핸드폰 케이스의 제조방법에 관한 것으로, 특히 보론카바이드(B₄C)의 우수한 기계적 특성(내마모성, 윤활성)을 핸드폰 케이스에 적용시킨 것으로서, 무광 또는 유광으로 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스의 모재 표면에 스퍼터링법으로 보론카바이드(B₄C) 피막층 형성시킴으로써, 핸드폰 케이스 표면의 긁힘을 방지시켜 내구성이 향상된 핸드폰 케이스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이를 위하여 무광 및 유광으로 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스의 모재위에 표면재질에 메탄(CH₄) 활성가스를 미량 첨가하여 결정성과 밀착성이 향상되도록 반응성 스퍼터링 방법으로 마찰계수와 열전도도가 극히 낮고 경도가 높은 보론카바이드의 피막을 제조하였다.

Description

핸드폰 케이스 및 그 제조방법{CELLULAR PHONE CASE AND PRODUCTION METHOD THEREOF}

본 발명은 보론카바이드 물질이 표면에 코팅된 핸드폰 케이스 제조방법에 관한 것으로, 반응성 스퍼터링 장치를 사용하여 PC수지 및 ABS수지의 혼합물인 핸드폰 케이스 위에 알루미늄(Al) 금속분말 등이 스프레이에 의해 유광 또는 무광의 형태로 도포되어 있는 표면에 보론카바이드를 코팅함으로써, 상기 보론카바이드 박막의 높은 경도 및 반영구적인 모재와의 접착력에 의해 내스크래치성이 향상되어 핸드폰 케이스의 제품 수명을 증가시키는 반응성 스퍼터링법으로 보론카바이드를 코팅한 내스크래치성 핸드폰 케이스 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 핸드폰 케이스의 제조공정은 PC(Polycarbonate:폴리탄산에스테르)수지와 ABS(Acylonitriebutadienstyrenehyenehybridpolymerresin:아크릴로니트릴부타디엔스티렌혼성 중합수지 또는 알킬벤젠술폰산염)수지의 혼합 슬러리를 사출성형틀에 일정량 부어서 성형한 후, 건조대에에 건조시킨 다음 스프레이 공정을 내부와 외부에 실시하여 유광 및 무광 코팅을 한 후 건조, 포장 및 출하를 하고 있다.

상기 핸드폰 케이스의 내부표면에는 내부에서 외부로의 전자파를 차폐 및 보호를 위하여 은, 동, 알루미늄 등을 스프레이 방식으로 수십내지 수백 마이크로 단위로 도포되어 있다. 핸드폰의 사용 중에는 최대 1600MHz의 전자파가 핸드폰 내부에서 외부로 방출되는데, 상기 핸드폰 내부에 스프레이 코팅된 은, 동, 알루미늄 등은 내부에서 방출하는 전자파가 외부로 흐르게 하는 전도체 역할을 하여 핸드폰 내부에 장착된 접지단자로 빠른 시간 내에 모이게 하는 기능을 하여 전자파를 차폐하게 된다.

그리고, 상기 핸드폰 케이스 외부표면 상에는 유광 또는 무광층으로 내구성 및 장식성, 색상 등을 조절하기 위하여 일반적으로 알루미늄으로 스프레이 코팅을 하게 된다.

상기와 같이 핸드폰 케이스의 외부표면에 유광, 또는 무광 스프레이 코팅을 하면 상기 핸드폰 케이스의 표면은 광택성, 내지문성 및 소정의 내스크래치성을 갖게 되지만, 상기 핸드폰 케이스가 외부환경에 계속 노출되고 특히 바닥이나 모서리 등에 닿게 되면 마찰이 발생되고 그 부분의 코팅층이 벗겨지거나 많은 스크래치가 생기게 된다. 현재 시중에는 이런 현상을 방지하기 위하여 케이스 덮개 등을 판매하고 있지만, 대부분은 그대로 사용되고 있는 실정이다.

따라서, 핸드폰 제품들의 소형화 경량화 추세가 계속되면 될 수록 핸드폰 케이스 등의 수지재질에 견고한 코팅막을 형성함으로써, 상기 핸드폰 케이스의 긁힘방지 및 사용수명을 향상시킬 수 있는 코팅막의 연구가 더욱 필요한 실정이다.

이에 본 발명의 목적은 이같은 문제점을 해결하고자 외부 핸드폰 케이스의 세라믹 재질인 표면에 보론카바이드(B₄C)의 코팅을 실시하는 것이다. 보론카바이드 코팅을 외부 핸드폰 케이스의 피막으로 사용하기 위해서는 내스크래치성이 우수한 성질의 코팅막 조건과 보론카바이드 코팅 후 색상의 변화 등을 고려하여야만 한다.

특히, 핸드폰 케이스의 기판재질인 PC+ABS 수지에 코팅된 무광 또는 유광의 물질위에 보론카바이드를 증착할 때는, 수지가 변형하지 않는 온도 80℃ 이하에서 균질막을 형성하는 것이 중요하다.

일반적으로 보론카바이드는 고융점 및 고경도의 우수한 열적, 기계적 성질, 산 및 염기에 대한 내화학성, 용융금속에 대한 내침식성과 탁월한 중성자 흡수능, 비교적 큰 열기전력, 낮은 밀도 등의 특성을 가지고 있다. 상기 보론카바이드는 또한 다른 탄화물이나 질화물들과 같이 90% 이상의 높은 공유결합성으로 인하여 소결이 어려운 단점이 있으나 점차 치밀한 소결체를 제조하기 위한 공정방법의 개선이 성과를 얻고 있다. 따라서, 상기 보론카바이드의 경량성 및 윤활성과 고경도 특성을 이용한 구조용 재료로서의 활용에 관심이 커짐에 따라 처리 대상물의 표면에 보론카바이드를 물리적으로 코팅시키기 위한 기술이 꾸준히 연구되어 왔다.

상기 보론카바이드 피막을 처리 대상물 표면에 코팅하는 기술은 보론카바이드의 소결체를 타겟으로하는 진공증착방법인 스퍼터링으로 행하여 지고 있다.

상기 스퍼터링 방법은 기본적으로 에너지 공급원의 종류에 따라 RF 또는 DC 스퍼터링으로 구분되며, 증착재료의 이온화를 증가시키기 위하여 마그네트론(magnetron)을 장착한 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)으로 발전하였다.

그러나, 상기 RF 또는 DC 마그네트론 스퍼터링시에 사용되는 공급가스는 증착하고자 하는 물질이 산화물 또는 질화물의 경우에 아르곤(Ar)가스만이거나 또는 반응성가스를 첨가하여 스퍼터링을 실시하고 있다.

보론카바이드(B₄C) 타겟의 사용시 아르곤가스만으로도 보론(B)과 탄소(C) 원소 각각의 원자크기 효과로 인하여 스퍼터링률에 차이가 발생하므로, 원자 백분율로서 이상적인 B/C=4가 되도록 화합물의 탄소(C)량을 조절함과 동시에 치밀한 막의 미세구조를 얻기는 어렵다. 또한, 피막의 증착시 기판 온도를 가할 경우 일정온도(예를 들면 300℃) 이상에서 결정성을 보이고는 있으나, 보론카바이드 단일상이 아닌 표 1에서와 같이 B₄C,B₈C, B₂₅C 등의 다양한 상들이 혼합되어 증가되어 나타나는 문제점이 발생한다.

종 류	결정계	격자상수(Å)
B₄C	Rhombohedral	a=b=5.60, c=12.08
B₈C	Orthorhombic	a=35.90, b=17.65, c=5.094
B₁₀C	Cubic	a=b=c=3.16
B₁₂C	Hexagonal	a=b=5.63, c=12.16
B₁₃C₂	Rhombohedral	a=b=5.63, c=12.16
B₂₅C	Hexagonal	a=b=8.72, c=5.08
B₅₀C	Hexgonal	a=b=8.77, c=5.07
B₉₉C₁₂	Orthorhombic	a=17.93, b=8.80, c=5.08

상기 B₄C로 표기되는 보론카바이드는 보론(B) 및 탄소(C)간의 2원계에서 안정하게 존재하는 유일한 화합물이지만, 탄소(C) 함량이 8~21at%의 넓은 고용범위를 가지므로 탄소의 함량에 따라 보론카바이드가 B₄C 이외에도 다양한 화학식으로 표기된다.

보론카바이드 특성을 살펴보기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 화학증착법(CVD)으로 보론카바이드 피막을 제조할 경우 B/C=4인 화학양론적인 조성에서 최대 경도값을 나타내는데, 그 비가 커지거나 작아질 경우 모두 경도가 감소한다. 탄소가 고용한계 이상(B/C〈4)인 범위에서의 경도저하 원인은 유리탄소의 존재에 기인한다.

도 2는 보론카바이드에 있어서, 탄소의 함량에 따라 결정구조상의 변이가 생기는 원인을 그래프로 표현한 것이다.

Zone Ⅰ에서 탄소함량이 20at%에서 17.5at% 감소할 때 격자상수가 증가하는데, 그 이유는 B₄C 능면체 구조내의 C-B-C 결합 중 탄소량이 감소하면서 C의 원자가 B로 교체됨으로써 C의 원자반경은 0.77Å이고, B의 원자반경은 0.82Å 이므로, 결정격자가 커지기 때문이다.

Zone Ⅱ는 탄소함량이 17.7at%에서 13.5at%로 감소하는 영역으로써 탄소함량의 변화에 따라 보론카바이드 결정격자내의 격자상수가 변화하지 않으며, Zone Ⅲ는 탄소량이 13.5at% 이하로 특이하게 C함량의 감소에 따라 보론카바이드 격자점내에 c축의 격자상수는 감소하고, a축의 격자상수 a_h는 증가한다.

그러므로, 탄소량을 조절하여 접착력과, 경도, 마찰계수, 내스크래치성이 최대인 점의 증착조건에서 코팅막을 구성하는 것이 가장 중요하며, 이에 격자상수값이 가장 작은 탄소함량 20% 조건에서 가장 단단한 피막을 형성시킬 수 있다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 모재와 반응성이 좋고 코팅재의 밀착성을 향상시킬 수 있는 코팅방법들이 요구된다. 이를 위하여 탄소함량을 조절하는 효과에 의해 반응성가스인 메탄(CH₄)가스를 첨가하여 결정성을 향상시킴으로써 경도값, 마찰계수 및 접착력이 최대인 보론카바이드 코팅막을 얻을 수가 있다.

산업적으로 상기 보론카바이드 코팅재의 응용이 가능한 분야의 하나로는 우수한 내마모적 특성이 필요한 핸드폰 케이스, 무전기 케이스, 광학렌즈 등의 내스크래치성이 요구되는 곳에 적용하여 사용되는 것이 바람직하다.

이러한 코팅재의 소재로 가장 많이 적용되는 모재는 플라스틱, 안경, 고강도수지, 광학렌즈 등이 있는데, 그 이유는 내스크래치성이 좋지 않은 모재에 고경도의 보론카바이드 피막을 반응성가스를 첨가한 스퍼터링법으로 형성시켜 상호 성질이 조화를 이루도록 함으로써 수명 연장 및 성능을 크게 향상시킬 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 보론카바이드를 내마모성이 요구되는 금속재질에 코팅할 경우에 컴퓨터 하드디스크의 보호막 코팅과 관련하여 이미 미국 특허 제 5,750,231호, 제 5,897,931호 및 제 6,010,601호에 소개된 바와 같이, 다양한 금속원소의 중간층 물질을 사용해 접착력 및 내마모성 수명을 증가시켰으나, 핸드폰 케이스의 재질(PC+ABS수지)에는 이미 보론카바이드와 접착성질이 우수한 금속성분으로 이루어진 유광 및 무광물질 등이 스프레이 코팅되어 있어 그 위에 보론카바이드를 증착할 경우 접착성에 관한한 아무런 문제가 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 핸드폰 케이스 모재(PC+ABS 수지 상에 무광 또는 유광 스프레이 코팅된 기판) 표면에 반응성 가스인 메탄을 첨가한 스퍼터링 방법을 통하여 보론카바이드 피막을 형성함으로써, 핸드폰 케이스의 높은 내스크래치성 및 반영구적인 접착력에 의해 내구성을 더욱 향상시킨 보론카바이드가 코팅된 내마모성 핸드폰 케이스의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은, PC와 ABS의 혼합수지인 모재; 상기 모재의 표면으로 증착되는 보론카바이드 피막층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스에 의하여 달성된다.

또한, 상기 모재 표면에는 유광 또는 무광의 스프레이 코팅층이 도포되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스에 의하여 달성된다.

또한, 상기 모재 또는 스프레이 코팅층이 도포된 모재 표면에 증착되는 보론카바이드 피막층은 반응성 스퍼터링 증착방법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스에 의하여 달성된다.

또한, 상기 보론카바이드 피막층의 두께가 0.02~1㎛의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스에 의하여 달성된다.

또한, 상기 스프레이 코팅층은 알루미늄(AL) 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스에 의하여 달성된다.

또한, 핸드폰 케이스의 제조방법에 있어서, PC와 ABS 혼합수지로 이루어진 모재를 형성시키는 단계; 상기 모재 표면에 스프레이 코팅층을 도포하는 단계; 상기 스프레이 코팅층이 도포된 모재 표면에 보론카바이드 피막층을 스퍼터링 방법에 의하여 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스 제조방법에 의하여 달성된다.

또한, 스퍼터링 방법에 의하여 상기 보론카바이드 피막층을 증착시키는 단계는, 스퍼터링 장치내에 보론카바이드 타겟을 위치시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부를 진공상태로 유지시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부에 알곤가스 및 반응성가스를 주입시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부로 모재 또는 스프레이 코팅층이 도포된 모재를 위치시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부에 장착된 모재를 RF bias에 의하여 세척하는 단계; 상기 스퍼터링에 의하여 스프레이 코팅층이 도포된 모재 표면에 보론카바이드 피막층을 증착시키는 단계로 이루어지며, 상기 반응성가스는 메탄가스이며, 상기 메탄가스는 0.4~1.6vol% 범위에서 상기 스퍼터링 장치에 유입되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스의 제조방법에 의하여 달성된다.

또한, 상기 모재에 보론카바이드 피막층이 증착될 때 스퍼터링 장치 내부 온도는 80℃ 이하인 것을 특징으로 핸드폰 케이스의 제조방법에 의하여 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 핸드폰 외부케이스의 전면도와 상기 핸드폰 케이스의 수지표면인 모재에 유,무광 스프레이 코팅층 및 보론카바이드 피막층으로 구성된 단면도를 나타낸 것이다.

본 발명의 핸드폰 케이스는 케이스 재질인 PC와 ABS 수지의 혼합재질인 모재(1)의 표면에 외부환경에 대한 보호막 기능과 함께 장식용의 유광 또는 무광 물질을 이용한 스프레이 코팅층(2)이 스프레이공정을 통해 도포되고, 상기 스프레이 코팅층(2)의 표면에 보론카바이드 피막층(3)이 스퍼터링 방법에 의해 증착된다.

상기 핸드폰 케이스 재질인 모재(1)는 PC(Polycarbonate)수지와 ABS(Acylonitriebutadienstyrenehyenehybridpolymerresin)수지를 적당히 배합한 슬러리를 핸드폰용 금형틀에 부어 사출성형법으로 제작하게 된다. 그 후, 상기 핸드폰 케이스는 건조공정을 거치고 상기 핸드폰 케이스의 외부에는 알루미늄이 함유된 금속분말에 의해 유광 또는 무광으로 스프레이 코팅을 하고, 내부에는 전자파 차단을 위해 알루미늄 또는 은, 동 등의 전도체 물질을 소정의 두께(수십㎛)로 스프레이 코팅한다.

또한, 상기 핸드폰 케이스의 모재(1)에 형성되는 스프레이 코팅층(2)은 수십㎛의 두께로 형성되어 상기 모재(1)를 보호하게 되는데, 일정한 시간이 지나면 외부에 노출된 상기 핸드폰 케이스는 부분적으로 또는 핸드폰 모서리 부분에서 부분 마모가 생겨 상기 스프레이 코팅층(2)이 벗겨지는 단점을 보이고 있다. 이에 핸드폰 케이스의 모재(1)와 스프레이 코팅층(2) 표면에 보론카바이드 피막층(3)을 형성시키면 핸드폰 케이스가 사용환경에 노출되더라도 내스크레치성이 향상되고, 핸드폰 케이스의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 보론카바이드 피막층(3)의 증착은 PVD(물리적증착방법) 방법 중 하나인 스퍼터링 방법으로 실시한다. 이는 PVD 방법이 저온증착(상온증착가능), 오염물질의 배출없는 코팅공정, 단순형상의 모재에 코팅, 플라즈마(8) 영역내에서만 증착, Smooth한 표면형상, 비정질상을 포함하여 다얗안 조성상의 생성가능, ㎛ 단위 이하의 엷은 코팅에 적합한 특성을 갖고 있기 때문에, 복잡한 형상이 아닌 평면에 가까운 핸드폰 케이스의 모재(1)에는 스퍼터링 방법으로 피막을 증착시키는 것이 적합하다.

바람직하게는, 스퍼터링 방법에 의해 모재(1)의 증착된 상기 보론카바이드 피막층(3)은 0.02~1㎛의 두께로 형성되어, 높은 경도를 유지하면서 박리되지 않고 반영구적으로 사용할 수 있다.

그리고, 상기 스프레이 코팅층(2)이 형성된 모재(1)의 표면에 보론카바이드 피막층(3)을 증착할 때, 스퍼터링 장치(10) 내부는 알곤(Ar)가스 또는 반응성의 메탄(CH₄)가스를 첨가한 탄화수소 가스분위기의 플라즈마(8) 상태하에서 이루어지는 것이다.

다음은 본 발명에 따른 핸드폰 케이스의 제조방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 핸드폰 케이스의 모재(1)에 스프레이 증착된 무광 또는 유광 스프레이 코팅층(2)의 표면으로 보론카바이드 피막층(3)을 형성하기 위한 스퍼터링 장치(10)의 사시도이다.

우선, 핸드폰 케이스의 모재(1)는 제조장치에 의하여 성형된 후 상기 모재(1) 표면으로 유광 또는 무광 스프레이 코팅층(2)이 도포되는 단계를 거쳐 준비된다.

상기 스퍼터링 장치(10)에 핸드폰 케이스 재질의 내스크래치성 및 접착성 향상을 위한 스퍼터링 물질로 보론카바이드 타겟(12)을 준비하고, 상기 장치의 내부를 진공상태로 유지시킨다. 이때 상기 보론카바이드 피막층(3)의 증착은 기판의 가열없이 공정압력 1~10mtorr에서 증착시간을 1시간 이내로 조절하면서 형성시킨다.

구체적인 증착 조건으로는 상기 스퍼터링 장치(10)의 기판홀더(16)에 진공펌프(17) 등을 이용하여 장치 내부를 초고진공(10^-7torr)이상으로 유지하고 알곤 및 메탄가스를 각각 알곤가스 유입구(13)에서 5~80scm 그리고 메탄가스 유입구(14)에서 0.4~1.6vol%로 도입하여 0.5~5.5W/cm²의 DC 전원(11)를 인가시킨다. 그리고, 상기 조건에서 모재(1)가 스퍼터링 장치(10) 내부에 위치되면 RF bias(19)를 통해 상기 모재(1)의 표면을 cleaning(세척)한다.

상기 반응성 가스인 메탄가스를 0.4~1.6% 사용한 경우(코팅막의 두께 0.1㎛기준) 기계적 특성은 도 5의 스크래치 테스트결과(SCRATCH TEST)참고하면, 상온 및 100℃에서 증착된 경우 약 0.8%의 메탄비율에서 최대 임계하중을 40N까지 나타낸다. 이 결과는 40N 힘으로 박막을 긁더라도 막이 전혀 손상을 입지 않고 견뎌 낸다는 것을 의미하는 것이다. 또한, 100℃이하의 증착온도에서 메탄가스 비율을 1.2%로 더 증가시키면 임계하중이 감소하는 반면에, 200℃에 있어서는 메탄비율과 함께 계속 증가하여 1.6%에서 32N에 이르고 있어 매우 우수한 특성을 나타내고 있다. 그러므로, 도 6의 실험을 통해 메탄가스는 0.4~1.6%의 범위를 갖는 것이 바람직함을 알수 있다.

상기 유입되는 가스들의 전기적인 방전으로 인한 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단인 플라즈마(8) 상태 하에서 타겟(12)에 있는 보론카바이드 원자들이 유광 또는 무광 코팅된 표면에 진공 증착되어 내스크래치성 보호막층을 형성한다. 이때, 모재(1)의 온도를 가열하지 않는 것은 모재 재질인 PC나 ABS 수지가 열에 견디는 온도가 약 80℃이기 때문이다.

따라서, 상기 모재(1)의 특성상 스퍼터링 장치(10)의 내부온도를 올리지 못하므로 막의 질을 높이고 경계면의 접착력이 양호하기 위해서는 반응성가스를 첨가해서 탄소들이 스프레이 코팅층(2)의 알루미늄(AL) 물질 사이로 흡수가 되어 경계면의 접착특성이 향상되도록 하는 것이다. 이는 온도가 높아지면 결정성이 형성되므로 마찰계수면에서 볼 때 비정질상이 형성되는 상온에서 증착하는 경우가 표면마찰계수가 더 좋고 이에 접착력을 높이기 위해서는 반응성가스를 혼합하여 조절할 경우 접착력은 향상되게 된다.

도 4에 도시된 스퍼터링 장치(10)에서는 기판홀더(16)가 회전하고, 반응성가스의 첨가 및 인가전력의 조절에 의해 보론(B) 입자보다 상태적으로 작은 탄소(C) 입자들이 코팅막에 균일하게 분포하게 되므로, 낮은 온도(상온)에서도 핸드폰 케이스의 모재(1)에 강한 밀착성을 가지는 보론카바이드 피막층(3)을 얻을 수 있게 된다. 또한, 플라즈마(8)의 밀도를 높이면 내스크래치성의 보론카바이드 피막층(3)을 형성하는 보론카바이드의 증착속도를 증가시킴으로써, 보다 빠르게 높은 결정을 가지 코팅 피막을 제조할 수 있다.

또한, 반응가스인 메탄(CH₄)의 주입은 무광 또는 유광의 스프레이 코팅층(2)에 따라 강도, 내구성, 밀착성 등을 향상시키기 위하여 보론카바이드의 화학적 조성을 조절할 때 사용된다. 사실상 기판재질의 종류에 따라 B₄C 타겟(4)을 사용한다 할지라도 증착되는 보론카바이드의 조성이 동일한 B₄C 결정상을 갖추지 못하고 비정질의 결정상(B₈C, B₁₂C, B₂₅C 등)이 얻어지는 경우가 흔히 발생한다.

이때, 상기 스프레이 코팅층(2)에 보론카바이드 피막층(3)을 증착시키면서 메탄(CH₄), 아세틸렌(C₂H₂), 에탄(C₂H₆) 등과 같은 탄화수소를 포함한 반응성 가스를 주입하게 되면 모자라는 탄소 첨가의 효과에 의해 화학량론적인 B₄C 결정상을 얻게 된다.

핸드폰 케이스의 내스크래치성 향상을 위한 실험을 PC와 ABS 혼합수지인 모재(1)인 시편(18)의 표면에 유광으로 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스를 2×2cm² 로 절단제작하여 스퍼터링 방법에 의하여 보론카바이드 피막층(3)을 증착하였다. 이때, 증착조건은 DC power 0.5~5.5W/cm², Ar flow 5~80scm 및 CH₄flow 0.4~0.8vol%가 가장 적절하다.

내스크래치 평가용 핸드폰 케이스의 보론카바이드 피막층 증착조건

실시예	CH₄flow(sccm)	증착시간(min)	두께(nm)	공통
1	0.8	2	20	온도조건:상온DC powerAr flow
2	0.8	4	60
3	0.8	10	100
4	보론카바이드 피막층(3)을 증착하지 않은 시편(18)

표 2의 조건에 의하여 유광 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스의 모재 표면에 보론카바이드 피막층을 증착시켜 그 피막층의 연필경도, 내식성, 색상 등을 평가하였다.

일반적인 기판재료로서 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 이용하여 세라믹 코팅막을 증착할 경우에는 압입기(Nanoindentation)를 이용하여 표면경도를 측정하고 스크래치 시험에 의한 임계하중으로 막의 밀착성을 평가할 수 있으나 핸드폰 케이스의 기판재질인 PC와 ABS의 혼합수지는 연성이 매우 강한 뿐만 아니라 보론카바이드 피막층의 두께가 100nm이하에서도 충분히 보호기능을 수행하기 때문에 연필경도(Pencil hardness:ASTM D3363)의 측정방법을 통하여 피막의 경도와 접착성능을 동시에 유추해 낼 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 연필경도 시험기를 이용하여 경도가 가장 낮은 6B에서 가장 높은 8H까지 연필종류를 바꿔가며 시편(18)에 45°정도의 기울기로 일정하중(500g)으로 밀어서 긁혀지는 정도를 측정하는데, 그 정도에 따라 정성(定性)적으로 보론카바이드 피막층(3)의 기계적 특성을 파악하게 된다.

일반적으로 B에서 제품표면이 긁히면 경도값이 떨어지는 것을 나타내고 H에서 긁히면 어느 정도의 경도를 갖고 있다고 판단되기 때문에 연필경도 시험기를 이용하여 핸드폰 케이스의 경도를 측정할 수 있다.

유광 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스에 보론카바이드 피막층 두께에 따른 제반 표면특성의 비교

	PC+ABS수지유광스프레이코팅(유통제품)비교예1	PC+ABS수지유광스프레이코팅B₄C 피막층(20nm)실시예1	PC+ABS수지유광스프레이코팅B₄C 피막층(60nm)실시예2	PC+ABS수지유광스프레이코팅B₄C피막층(100nm)실시예3
1.연필경도	H	4H	5H	2H
2.투명도	100%	95%	90%	70%
3.색상	은색	은색	어두운 은색	연한 갈색
4.부식성(분)	1	3	5	10
5.코팅막두께	0	20	40	100

표 3은 유광 스프레이 코팅된 핸드폰 케이스에 보론카바이드 피막층 두께에 따른 제반 표면특성을 비교한 것으로, 유광스프레이 코팅된 PC와 ABS혼합수지인 비교예 1(유통제품)과, 유광스프레이 코팅된 PC와 ABS혼합수지에 보론카바이드를 각각 2분, 4분, 10시간 동안 증착시켜 보론카바이드 피막층(3) 두께에 따라 연필경도, 투명도, 색상, 부식성등을 비교한 결과이다.

연필경도(Pencil hardness:ASTM D3363)의 측정방법을 통하여 피막층(3)의 경도를 측정한 결과, 비교예 1은 H에서, 실시예 1은 4H에서 표면이 긁혀졌고, 실시예 2 와 실시예 3은 각각 5H와 2H에서 표면이 긁혀져, 상기 연필경도 실험을 통해 보론카바이드 피막층(3)의 두께가 최적화되는 두께를 알 수 있다.

보론카바이드 피막층(3) 두께에 따른 배면의 투명도 측정은 스퍼터링전 시편(18)에 글씨를 표시하여 그 보이는 정도를 정성적으로 관찰한 결과, 2분(코팅두께 약 20nm) 정도 증착시에는 투명도가 95%로 비교예 1과 거의 비슷하며, 4분(코팅두께:약 60nm) 정도 증착시에는 투명도가 90%에 가까웠고, 10분(코팅두께:약 100nm) 동안 증착한 시편(18)에는 연한 갈색이 보이는 것으로 투명도가 70% 정도로 크게 떨어진 것을 알 수 있다.

투명도에 따른 시편(18)의 색상은 유광 금속분말이 스프레이 형태로 도포되어 있는 비교예 1과, 2분정도 보론카바이드 피막층(3)을 증착시킨 실시예 1의 케이스 색상은 은색을 보이는데, 4분정도 까지 보론카바이드 피막층(3)을 증착시킨 실시예 2의 케이스 색상은 어두운 은색으로 비교예 1의 색상을 어느정도 유지하지만, 10분 정도 보론카바이드 피막층(3)을 증착시켜 두께가 약 100nm 실시예 3은 연한 갈색이 포함되어 있는 갈색톤으로 변화하였다.

부식성 평가는 시편(18)을 수산화나트륨(NaOH) 20%의 수용액에 침전시켜 시간에 따른 막의 형상변화를 관찰하여 평가하였다. 비교예 1의 시편(18)은 부식액에 침전시킨지 1분만에 표면이 벗겨져 알루미늄 조각이 표면전체에 일어났고, 보론카바이드 피막층(3)이 각각 20nm, 40nm, 10nm 증착된 시편(18)은 각각 3분, 5분, 10분 경과 후에 표면이 벗겨지는 결과가 나타났다.

상기와 같이 PC와 ABS 혼합수지 표면에 유광 또는 무광으로 스프레이 코팅된 것이 핸드폰 케이스를 최적조건에서 보론카바이드 피막층(3)을 증착하여 피막 두께를 20nm(실시예1), 60nm(실시예2), 100nm(실시예3) 코팅시켜 특성을 비교해본 결과, 기존 제품에 비해 연필경도는 60nm 두께에서 최적화 되었으며, 부식성은 두께가 증가하면서 크게 증가한 반면 투명도는 감소하였고, 색상은 은색에세 갈색으로 다양하게 변화하였다.

상기 실험결과, 핸드폰 케이스의 내스크래치성만 고려한다면, 어느 코팅조건에서도 연필경도나 접착력이 우수하여 적용이 가능하나 색상과 투명도 등을 고려하여 핸드폰 케이스를 제작한다면 보론카바이드 피막층(3)이 약 60nm 정도로 코팅두께를 조절하여 증착하는 것이 기존제품의 형태를 유지하면서 효과적으로 표면특성을 향상시킬 수 있다.

상기 제조공정을 통하여 완성된 본 발명의 반응성 가스를 첨가한 스퍼터링법으로부터 보론카바이드의 코팅은 이미 경도가 더 높다고 알려진 다이아몬드 또는 입방체 질화붕소보다도 증착조건이 넓으면서 화학조성의 형성이 용이하여 내마모성 이외에 표면윤활성이나 열안정성이 뛰어나 금형, 절삭공구, 자기헤드, 하드디스크 등에 쓰이는 슈퍼하드 코팅용 재료로서 폭 넓게 사용할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 메탄(CH₄)가스가 첨가된 반응성 스퍼터링법을 이용한 박막의 코팅기술로서, 기존 세라믹 코팅 제품에 비해 더 높은 경도와 표면 윤활성을 가지므로, 핸드폰 케이스에 대한 내스크래치성 및 내구성 향상을 통하여 각종 터치스크린, 생체지문 센서소자, 광학렌즈 및 각종 전자제품의 보호막 코팅에 적용될 수 있다.

도 1은 B/C의 화학량론적인 조성에 따른 경도값 변화를 나타낸 그래프,

도 2는 보론카바이드 결정구조내에 탄소함량에 따른 격자상수 변화를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 핸드폰 케이스 표면에 유·무광 스프레이코팅층 및 보론카바이드 코팅막이 증착된 구성을 도시한 확대 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 핸드폰 케이스의 표면에 막을 형성시키는 스퍼터링 장치의 단면도,

도 5는 반응성 가스인 메탄가스를 0.4~1.6% 사용한 경우 스크래치 테스트결과를 나타낸 그래프,

도 6은 보론카바이드 경도측정을 위한 Pencil Hardness(ASTM D3363)측정기의 모식도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:모재 2:스프레이 코팅층

3:보론카바이드 피막층 10:스퍼터링 장치

11:DC 또는 RF 전원 12:B₄C 타겟

13:Ar 가스유입구 14:CH₄가스유입구

15:플라즈마 16:기판홀더

17:진공펌프 18:증착시편

19:RF bias

Claims

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PC와 ABS의 혼합수지인 모재(1); 및

상기 모재(1)의 표면으로 증착되는 보론카바이드 피막층(3)을 포함하며,

상기 모재(1) 표면에는 유광 또는 무광의 스프레이 코팅층(2)이 도포되며,

상기 스프레이 코팅층(2)이 도포된 모재(1) 표면에 증착되는 보론카바이드 피막층(3)은 반응성 스퍼터링 증착방법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스.
제3항에 있어서,

상기 보론카바이드 피막층(3)의 두께가 0.02~1㎛의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 스프레이 코팅층(2)은 알루미늄(AL) 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스.
핸드폰 케이스의 제조방법에 있어서,

PC와 ABS 혼합수지로 이루어진 모재(1)를 형성시키는 단계;

상기 모재(1) 표면에 스프레이 코팅층(2)을 도포하는 단계;

상기 스프레이 코팅층(2)이 도포된 모재(1) 표면에 보론카바이드 피막층(3)을 스퍼터링 방법에 의하여 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스 제조방법.
제 6항에 있어어,

스퍼터링 방법에 의하여 상기 보론카바이드 피막층(3)을 증착시키는 단계는,

스퍼터링 장치(10)내에 보론카바이드 타겟(5)을 위치시키는 단계;

상기 스퍼터링 장치(10) 내부를 진공상태로 유지시키는 단계;

상기 스퍼터링 장치(10) 내부에 알곤가스 및 반응성가스를 주입시키는 단계;

상기 스퍼터링 장치(10) 내부로 스프레이 코팅층(2)이 도포된 모재(1)를 위치시키는 단계;

상기 스퍼터링 장치(10) 내부에 장착된 모재(1)를 RF bias(19)에 의하여 세척하는 단계;

상기 스퍼터링에 의하여 스프레이 코팅층(2)이 도포된 모재(1) 표면에 보론카바이드 피막층(3)을 증착시키는 단계로 이루어지며,

상기 반응성가스는 메탄가스이며, 상기 메탄가스는 0.4~1.6vol% 범위에서 상기 스퍼터링 장치(10)에 유입되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스의 제조방법.
제6항 또는 7항에 있어서,

상기 모재(1)에 보론카바이드 피막층(3)이 증착될 때 스퍼터링 장치(10) 내부 온도는 80℃ 이하인 것을 특징으로 하는 핸드폰 케이스의 제조방법.