KR100689157B1 - Manufacturing method of al-si alloy films - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본원발명의 피막제조 장치의 구성을 나타내는 도면이고,1 is a view showing the configuration of the film production apparatus of the present invention,
도 2는 본원발명의 처리과정을 나타내는 순서도이며,2 is a flow chart showing the process of the present invention,
도 3은 본원발명에서 전자빔 전력에 따른 실리콘 함량 변화를 나타내는 그래프이며,3 is a graph showing a silicon content change according to the electron beam power in the present invention,
도 4는 본원발명에서 실리콘 함량에 따른 상대적인 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the relative reflectance change according to the silicon content in the present invention.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *Description of the main symbols in the drawings
1: 진공실 2: 전자빔 증발원1: vacuum chamber 2: electron beam evaporation source
3: 알루미나 도가니 4: 기판3: alumina crucible 4: substrate
5: 기판홀더 6: 기판가열장치5: Substrate holder 6: Substrate heating device
7: 셔터 8: 두께측정기7: Shutter 8: Thickness gauge
9: 가스도입구 10: 진공게이지9: gas inlet 10: vacuum gauge
본 발명은 금속 소재의 알루미늄-실리콘 합금 피막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속 소재 표면에 알루미늄-실리콘 합금 피막을 기판상에 증착하여 형성된 알루미늄-실리콘 합금 피막이 고반사율을 가지며 고온에서 우수한 내식성을 가지도록 하는 알루미늄-실리콘 합금 피막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum-silicon alloy film of a metal material, and more particularly, an aluminum-silicon alloy film formed by depositing an aluminum-silicon alloy film on a surface of a metal material on a substrate has high reflectivity and excellent corrosion resistance at high temperatures. A method for producing an aluminum-silicon alloy film to have.
일반적으로 알루미늄은 색상이 미려하고 내식성 및 내열성이 우수하여 화장품 케이스나 악세서리 등의 장식용 피막은 물론 반도체의 도전막, 자성재료나 강판의 보호피막, 온열 계통의 가전제품, 자동차용 머플러 등에 매우 폭 넓게 이용되고 있다. 또한, 알루미늄은 이 금속이 갖는 제 특성(밀도가 낮고, 가공성, 반사도 및 열전도성이 우수)으로 인하여 산업상 응용분야가 매우 다양하다. 최근 우주개발이나 항공산업이 크게 발달하면서 각종 소재에 알루미늄을 피막처리함으로써 내식성 및 기계적 성질을 우수하게 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예로서 맥도넬 더글라스사에서는 비행기에 사용되는 각종 부품에 알루미늄을 코팅하여 내부식 및 내마모 재료로 사용하고 있다. 한편, 독일에서는 강판상에 알루미늄을 진공 증착하여 용기용으로 또는 가전제품에 사용하고 있는 등, 그 응용 분야는 헤아릴 수 없다.In general, aluminum is beautiful in color and has excellent corrosion resistance and heat resistance, so it is widely used in decorative coatings such as cosmetic cases and accessories, as well as conductive films of semiconductors, protective films of magnetic materials and steel sheets, home appliances in thermal systems, and automotive mufflers. It is used. In addition, aluminum has a wide variety of industrial applications due to its properties (low density, excellent workability, reflectivity and thermal conductivity). Recently, as the space development and the aviation industry are greatly developed, researches to improve the corrosion resistance and mechanical properties by coating aluminum on various materials have been actively conducted. McDonnell Douglas, for example, uses aluminum as a coating for various parts used in airplanes as a corrosion and wear resistant material. On the other hand, in Germany, aluminum is vacuum-deposited on steel sheets and used in containers or home appliances.
알루미늄은 전기도금으로 코팅할 경우 그 효율이 낮아 생산성이 떨어지기 때문에 대부분 물리증착법을 이용하고 있다. 물리증착에는 크게 진공증착, 스퍼터링(spattering) 그리고 이온플레이팅(ion plating)이 있으며 내식성 향상을 위한 목적의 경우는 일반적으로 이온플레이팅(ion plating) 방법을 이용하고 있다.Aluminum is most commonly used for physical vapor deposition because its efficiency is low when it is coated with electroplating. Physical vapor deposition includes vacuum deposition, sputtering and ion plating, and ion plating is generally used for the purpose of improving corrosion resistance.
알루미늄은 용융점이 낮은 반면 증기화되는 온도가 높고 열전도율이 매우 높아서 통상의 수냉 구리 도가니를 이용하여 증발시킬 경우 적정한 증착에 필요한 증 발률을 얻기 위해서는 5kW 이상의 높은 전력이 필요하다. 따라서 흑연이나 알루미나 도가니를 수냉 구리 도가니에 삽입하여 열전달을 차폐하는 방법이 널리 이용되고 있다.Aluminum has a low melting point, high vaporization temperature, and high thermal conductivity. When evaporated using a conventional water-cooled copper crucible, a high power of 5 kW or more is required to obtain evaporation necessary for proper deposition. Therefore, a method of shielding heat transfer by inserting graphite or alumina crucibles into a water-cooled copper crucible has been widely used.
알루미늄 피막은 특히, 반사판에도 적용되어 적외선을 이용하는 열반사판이나 광학용 미러(mirror) 등에 많이 이용되고 있다. 알루미늄 피막을 고온 및 고내식 환경에서 사용하기 위해서는 피막의 두께를 향상시켜야 하는데, 피막의 두께가 증가하면 일반적으로 조도가 나빠져 반사율이 현저하게 나빠지게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로 다층계 코팅을 실시하거나 아노다이징(Anodizing)과 같은 고내식 피막층을 형성시키는 경우가 많다. 그러나 이들 방법은 공정이 까다롭게 다층 형성시 밀착 불량이 발생할 수 있는 가능성이 높다는 단점이 있다. 이에 따라 알루미늄에 실리콘이 첨가되면 입자가 미세화되면서 반사율이 향상되는 점을 이용하여 알루미늄 피막층에 실리콘을 첨가하는 방법을 이용하게 된다. 알루미늄 피막에 실리콘을 첨가하는 방법 중 가장 손 쉬운 방법이 알루미늄에 실리콘이 첨가되어 있는 알루미늄-실리콘 모합금을 증발물질로 이용하는 것이다.Aluminum coatings are especially applied to reflecting plates, and are widely used for heat reflecting plates using infrared rays, optical mirrors, and the like. In order to use an aluminum film in a high temperature and high corrosion resistance environment, it is necessary to improve the thickness of the film, and as the thickness of the film is increased, roughness is generally worsened and the reflectance is significantly worsened. In order to solve this problem, a multilayer coating or a high corrosion resistant coating layer such as anodizing is often formed. However, these methods have a disadvantage in that a process may be difficult and adhesion failure may occur when forming a multilayer. Accordingly, when silicon is added to aluminum, the method of adding silicon to the aluminum film layer is used by using the point that the particles become fine and the reflectance is improved. The easiest way to add silicon to the aluminum film is to use an aluminum-silicon mother alloy in which silicon is added to aluminum as the evaporation material.
그러나 상술한 종래기술과 같이 알루미늄-실리콘 모합금을 전자빔 증발원을 이용하여 증발시킬 경우 합금이 용융되면서 두 개의 원소가 서로 분리되어 물질의 증기압 차이로 인해 모합금 성분과는 전혀 다른 합금이 기판에 증착되게 된다. 예로써 실리콘이 30% 함유된 알루미늄-실리콘을 모합금으로 이용하여 기판에 증착시킬 경우 피막내에 존재하는 실리콘의 함량은 1% 미만으로 나타나게 된다. 실리콘의 함량이 너무 낮을 경우에는 반사율이 그다지 향상되지 않게 되는 문제점을 가진다.However, when the aluminum-silicon master alloy is evaporated by using an electron beam evaporation source as described above, two elements are separated from each other while the alloy is melted, and an alloy completely different from the master alloy component is deposited on the substrate due to the difference in vapor pressure of the material. Will be. For example, when a silicon-containing 30% silicon-silicon is deposited on a substrate using a mother alloy, the content of silicon present in the coating is less than 1%. If the silicon content is too low, there is a problem that the reflectance does not improve so much.
따라서, 종래기술의 경우 실리콘을 함유하는 알루미늄 피막의 형성시 실리콘 함량을 적절히 제어할 수 있도록 하는 알루미늄 피막 형성 방법이 요구된다.Therefore, in the prior art, an aluminum film forming method is required to properly control the silicon content in forming the aluminum film containing silicon.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 알루미늄에 실리콘이 첨가된 알루미늄-실리콘 합금을 하나의 도가니에서 알루미늄-실리콘 합금의 실리콘 함량을 조절하며, 또한 전자빔의 전력을 조절하여 적정 증발률을 가지도록 증발시켜 기판상에 고 반사율 및 고온에서 우수한 내식성을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 피막을 형성시킬 수 있도록 하며, 또한, 5㎛ 이상의 두께에서도 매우 높은 반사율을 가지는 알루미늄 실리콘 합금 피막 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, the aluminum-silicon alloy in which silicon is added to aluminum in one crucible to control the silicon content of the aluminum-silicon alloy, and also by adjusting the power of the electron beam to evaporate appropriate It is possible to form an aluminum-silicon alloy film having high reflectance and excellent corrosion resistance at high temperature by evaporating to have a rate, and also providing a method of manufacturing an aluminum silicon alloy film having a very high reflectance even at a thickness of 5 μm or more. It is for that purpose.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 알루미늄-실리콘 합금 피막 제조 방법은, 실리콘이 함유된 알루미늄-실리콘 합금을 증발시켜 진공증착에 의한 피막을 형성시키는 방법에 있어서,In the method for producing an aluminum-silicon alloy film of the present invention for achieving the above object, in the method of evaporating the aluminum-silicon alloy containing silicon to form a film by vacuum deposition,
진공증착 장치내의 진공실을 진공화하는 진공과정과;Vacuuming the vacuum chamber in the vacuum deposition apparatus;
상기 진공과정에 의해 적정 진공압력이 형성된 경우 아르곤 가스를 주입하고 상기 진공실 내의 기판홀더에 장착된 기판에 음의 전압을 인가하여 시편을 청정시키는 기판청정과정과;A substrate cleaning process in which argon gas is injected when the proper vacuum pressure is formed by the vacuum process, and the specimen is cleaned by applying a negative voltage to the substrate mounted on the substrate holder in the vacuum chamber;
상기 기판청정과정에 의해 청정된 기판을 피막 형성을 위한 적정 온도를 가지도록 가열하는 기판가열과정과;A substrate heating process of heating the substrate cleaned by the substrate cleaning process to have an appropriate temperature for forming a film;
상기 기판가열과정에 이해 상기 기판이 적정온도로 가열된 경우 기설정된 증발률을 가지도록 상기 전자빔 전력을 제어하여 알루미나 도가니 내의 증발물질을 증발시키며, 상기 전자빔 전력이 기 설정된 전력 값을 가지는 경우 셔터를 열어 정해진 시간 동안 증발된 알루미늄-실리콘 합금을 상기 기판에 증착시키는 증발증착과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.When the substrate is heated to an appropriate temperature, the substrate is heated at a proper temperature to control the electron beam power to have a predetermined evaporation rate to evaporate the evaporation material in the alumina crucible, and when the electron beam power has a predetermined power value, It characterized in that it comprises a; evaporation deposition process for depositing the aluminum-silicon alloy evaporated for a predetermined time to the substrate.
상기 증발물질은 Si 함량이 17중량% 이상인 알루미늄 실리콘 합금인 것을 특징으로 한다.The evaporation material is characterized in that the aluminum silicon alloy having a Si content of 17% by weight or more.
상기 기판가열과정은 상기 기판의 가열온도가 200 ~ 350 ℃ 범위로 가열하는 것을 특징으로 한다.The substrate heating process is characterized in that the heating temperature of the substrate is heated in the range of 200 ~ 350 ℃.
상기 증발증착과정은 상기 알루미늄 실리콘 합금의 증발률이 0.5㎛분 ~ 1.5㎛/분 범위를 가지도록 상기 전자빔 전력값을 제어하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The evaporation deposition process is performed by controlling the electron beam power value such that the evaporation rate of the aluminum silicon alloy is in the range of 0.5 μm to 1.5 μm / minute.
이하, 첨부도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본원발명의 피막제조 장치의 구성을 나타내는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structure of the film manufacturing apparatus of this invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본원발명의 진공증착장치는 진공실(1)과, 진공실(1) 내에 알루미늄-실리콘 합금을 증발시키기 위한 전자빔 증발원(2)과, 증발물질을 담아 증발시키는 알루미나 도가니(3), 기판(4)을 장착시키기 위한 기판홀더(5)와 기판(4)을 가열시키기 위한 기판가열 장치(6), 피막의 두께를 측정하는 두께측정기(8), 그리고 진공도를 측정하는 진공게이지(10)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the vacuum evaporation apparatus of the present invention includes a vacuum chamber 1, an electron
도 2는 상술한 구성을 가지는 진공증착장치에서 기판에 본원발명에 따르는 알루미늄-실리콘 합금 피막을 진공증착에 의해 형성하기 위한 처리과정을 나타내는 순서도이다.2 is a flow chart showing a process for forming an aluminum-silicon alloy film according to the present invention by vacuum deposition on a substrate in a vacuum deposition apparatus having the above-described configuration.
도 2에 도시된 바와 같이 본원 발명에 따르는 알루미늄-실리콘 합금 피막을 진공증착에 의해 형성하기 위해서는 우선 기판(4)을 기판홀더(5)에 장착하고 낟알 형상의 알루미늄-실리콘합금을 알루미나 도가니(3)에 적당량 채운 다음 진공펌프(도면에 표시하지 않음)를 이용하여 진공도가 10-5 토르 이하가 되도록 배기한다(진공과정)(S11).As shown in FIG. 2, in order to form the aluminum-silicon alloy film according to the present invention by vacuum deposition, first, the
진공도가 10-5 토르 이하가 되면 기판(4)의 청정을 위해 가스 도입구(9)를 통해 아르곤 가스를 주입하고 기판(4)에 음의 전압을 인가하여 시편을 청정시킨다. 기판(4)의 청정은 기판(4)에 존재하는 유기물과 같은 불순물뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다. 이들 불순물이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다. 기판(4)의 청정은 보통 10-2 토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 시편에 400∼1000 V의 음의 전압을 인가하여 글로(glow) 방전을 유도시켜 실시한다. 이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 시편에 충돌하여 시편에 존재하는 불순물을 제거하게 된다(기판청정과정)(S12).When the vacuum degree is 10 −5 Torr or less, argon gas is injected through the
S12과정에 의해 기판(4)의 청정이 완료되면 기판(4)의 가열을 위해 기판가열장치(6)를 이용하여 기판(4)의 온도를 원하는 조건에 맞추는 것에 의해 기판을 가열하여 기판이 적정한 온도를 가지도록 온도 제어를 수행한다. 이때 기판은 하기에 설명되는 바와 같이 200 ~ 350℃ 범위 내를 가지도록 제어하는 것이 바람직하다. 이는 상기 기판(2)의 온도가 200℃ 이하에서는 반사율이 낮고 350℃ 이상에서는 피막의 결정성 증가에 따라 조도가 나빠져 궁극적으로 반사율이 낮아지기 때문이다(기판가열과정)(S13).When the cleaning of the
S13과정에 의해 기판(4)의 온도 제어가 완료되면 전자빔 증발원(2)의 필라멘트를 가열시켜 알루미나 도가니(3) 내의 증발물질을 증발시킨다. 전자빔의 전력이 적정 전력에 도달하면 셔터(7)를 열어 정해진 시간 동안 알루미늄-실리콘 합금을 증착시킨다. 상기 알루미늄-실리콘 합금의 증발률은 분당 0.5-1.5㎛가 적당한데, 이는 증발률이 0.5㎛이하가 되면 피막내의 실리콘 함유량이 낮아 반사율이 그다지 향상되지 않으며 1.5㎛이상이 되면 증발물에서 스플래시(splash) 등이 발생하여 피막을 손상시키기 때문이다. 여기서 전자빔의 전력의 적정 전력은 증착 물질의 증발률과 밀접한 연관이 가지게 되며 전자빔의 전력이 3.5kW가 되면 증발률은 분당 1㎛가 된다. 여기서 증발률은 전자빔의 전력에 의해 제어되는 것이나, 상술한 전자빔의 전력은 주변 환경에 따라 변할 수 있는 것으로서 증발률에 따라 일정한 값을 가지는 것은 아니다. 따라서 상술한 바와 같이 알루미늄-실리콘 합금의 증발률이 분당 0.5-1.5㎛가 되도록 상황에 따라 전자빔의 전력 세기를 조절하여야 한다(증발증착과정)(S14).When the temperature control of the
상술한 S11 내지 S14과정을 수행하게 되면 모든 공정이 완료된다.When the above steps S11 to S14 are performed, all processes are completed.
상술한 본원 발명에 의한 알루미늄 실리콘 피막 제조 방법은 고온 및 고 내식성 환경에서 고 반사율을 요구하는 적외선 반사 열처리 장치 등의 다양한 방면에 매우 유용하게 적용될 수 있다.The above-described method for manufacturing an aluminum silicon film according to the present invention can be very usefully applied to various aspects such as an infrared reflecting heat treatment apparatus requiring high reflectance in a high temperature and high corrosion resistance environment.
이하, 본원발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, the Example of this invention is described.
<실시예 1><Example 1>
도 3은 본원발명 실시예 1로서 전자빔 전력에 따른 실리콘 함량 변화를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a silicon content change according to the electron beam power as Example 1 of the present invention.
도 3이 실시예 1은 미러 연마된 스텐레스 강판에 알루미늄-실리콘 합금을 제조한 경우이다. 가로가 20cm이고 세로가 15cm이며 두께가 0.8mm인 스텐레스 기판(4)을 기판홀더(5)에 설치하고 실리콘이 30중량% 함유된 알루미늄-실리콘 합금을 알루미나 도가니(3)에 장입한 다음 진공 배기를 실시하였다.3 shows a case of manufacturing an aluminum-silicon alloy on a mirror polished stainless steel sheet. A
진공도가 10-5 토르 이하가 된 후 기판(4)의 청정을 위해 가스 도입구(9)를통해 아르곤 가스를 주입하고 기판(4)에 음의 전압을 인가하여 시편을 청정시켰다. 상술한 실시예 1에서는 6x10-2 토르의 아르곤 가스 분위기에서 시편에 700 V의 음의 전압을 인가하여 글로(glow) 방전을 유도한 후 30분 동안 청정시켰다.After the vacuum degree was 10 −5 Torr or less, argon gas was injected through the
기판(4)의 청정이 완료된 후 기판가열 장치(6)를 기동하여 기판을 250℃로 가열하였다. 기판(4)의 온도가 상승하여 250℃를 유지하면 다음 단계는 알루미나 도가니(3) 가열 단계가 된다. 전자빔의 전력을 낮은 전력에서부터 서서히 상승시켜 3.5 kW가 되었을 때 셔터(7)를 열고 10분간 증착하여 실리콘이 30중량% 함유된 두께 10㎛의 알루미늄-실리콘 합금을 피막을 제조하였다.After the cleaning of the board |
도 3은 알루미나를 사용한 일 실시 예로서 전자빔 증발원(2)의 전력에 따른 피막내의 실리콘 함량을 보여주는 그림이다. 전자빔의 전력이 2.5kW 이상이 되면 실리콘의 함량이 급격히 증가하여 3.5kW가 되면 30중량%의 실리콘이 피막 내에 함유된다.3 is a diagram showing the silicon content in the film according to the power of the electron
<실시예 2><Example 2>
도 4는 본원발명에서 실리콘 함량에 따른 상대적인 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the relative reflectance change according to the silicon content in the present invention.
도 4는 본 발명의 효과를 설명하기 위해 피막내의 Si 함량에 따른 알루미늄 피막의 상대적인 반사율을 나타낸 그래프이다. 상기 그래프는 미러 연마된 스텐레스 기판에 알루미늄 피막을 0.2mm 증착한 것을 기준 값(100%)으로 하고 동일 기판에 알루미늄-실리콘 합금을 10mm 두께로 증착한 시편의 반사율 값을 비교한 것이다. 제3도에서 알 수 있듯이 Si 함량이 17중량% 이상이 되면 반사율이 50% 이상으로 향상되고 있음을 볼 수 있다.4 is a graph showing the relative reflectance of the aluminum film according to the Si content in the film to explain the effect of the present invention. The graph compares the reflectance values of specimens in which an aluminum film is deposited on a mirror polished stainless substrate by 0.2 mm as a reference value (100%) and an aluminum-silicon alloy is deposited on the same substrate by a thickness of 10 mm. As can be seen in Figure 3 it can be seen that the reflectance is improved to 50% or more when the Si content is 17% by weight or more.
상술한 본원 발명은 고온에서 우수한 내식성 및 고 반사율의 우수한 피막 특성을 가지는 피막을 형성시킬 수 있도록 하며, 알루미늄-실리콘 피막 제조 공정을 간소화시킴으로써 생산성을 향상시키는 효과를 제공한다.The present invention as described above enables the formation of a film having excellent corrosion resistance and excellent film properties of high reflectance at high temperature, and provides the effect of improving productivity by simplifying the aluminum-silicon film manufacturing process.
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KR1020050096121A KR100689157B1 (en) | 2005-10-12 | 2005-10-12 | Manufacturing method of al-si alloy films |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2005
- 2005-10-12 KR KR1020050096121A patent/KR100689157B1/en not_active IP Right Cessation
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