KR100720986B1 - 전기선 폭발에 의한 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기선 폭발에 의한 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 특정 압력 하에서 특정 전압을 금속 전기선에 인가하여 금속 전기선을 폭발시킬 때 발생되는, 약 2500~3000m/s의 초음속에 해당하는 속도를 갖는 100nm 이하 크기의 나노크기 금속 분말을 이용하여 코팅의 대상이 되는 기재 표면 상에 상기 금속 분말의 나노 구조 코팅층을 형성하는 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.

전기선 폭발, 나노 구조 코팅, 방법, 장치

Description

전기선 폭발에 의한 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치{METHOD FOR NANO-STRUCTURED COATING BY ELECTRICAL EXPLOSION OF WIRE AND APPARATUS USED FOR THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 나노 구조 코팅장치의 바람직한 일 구체예의 구성도이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 실시예 1에 의해 코팅된 기재의 코팅후 표면을 350배 확대한 전자 현미경 사진이고, 도 2의 (b)는 본 발명의 실시예 1에 의해 코팅된 기재의 코팅후 표면을 1000배 확대한 전자 현미경 사진이다.

도 3의 (a)는 본 발명의 실시예 2에 의해 코팅된 기재의 코팅후 표면을 350배 확대한 전자 현미경 사진이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 실시예 2에 의해 코팅된 기재의 코팅후 표면을 1000배 확대한 전자 현미경 사진이다.

본 발명은 전기선 폭발에 의한 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 특정 압력 하에서 특정 전압을 금속 전기선에 인가하여 금속 전기선을 폭발시킬 때 발생되는, 약 2500~3000m/s의 초음속에 해당하 는 속도를 갖는 100nm 이하 크기의 나노크기 금속 분말을 이용하여 코팅의 대상이 되는 기재 표면 상에 상기 금속 분말의 나노 구조 코팅층을 형성하는 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.

전 세계적으로 나노기술에 대한 관심이 커지고 있으며, 그에 대한 연구개발 또한 활발하게 진행되고 있다. 그러한 가운데에서도 특히, 나노 구조 코팅은 재료의 내식성, 내마모성, 내열성 등을 더욱 향상시킬 수 있어 주목을 받고 있다. 현재 활용되고 있는 나노 구조 코팅 기술로는 기상화학증착법, 액상합성법 및 분말을 이용한 코팅법이 대표적이다. 이 중에서도 특히, 분말을 이용하는 코팅법은, 고 에너지 열원인 연소 화염, 아크 및 플라즈마를 사용하여 분말을 용융상태로 변화시킨 후, 이를 고속으로 코팅 대상 재료에 충돌시켜 급랭 및 응고시키는 것에 의해 코팅층을 형성하는 기술로서, 금속, 세라믹, 합금, 유기물질 등 분말로 제조가 가능한 재료를 사용할 수 있고, 상대적으로 두꺼운 코팅층의 형성이 가능하며, 또한 다른 코팅법에 비하여 코팅층의 형성이 매우 빠르다는 장점을 지니고 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 분말을 이용한 코팅 방법에 의할 경우, 일반적으로 용융상태의 입자 내에는 기공이 포함되며, 형성된 코팅층의 코팅 입자표면과 기공의 내면에는 산화물 등이 존재하게 되어 코팅 상태를 나쁘게 하는 원인이 되는데, 특히 입자에 포함된 기공은 피막층의 표면균열 및 코팅층과 기재와의 밀착상태 불량의 원인이 된다.

따라서, 코팅층에 존재하는 산화물의 양을 줄이기 위하여, 분말을 용융상태로 가열하지 않고, 상온에 가까운 상태에서 압축가스를 이용하여 분말을 초음속에 해당하는 600~1000m/s에 가까운 속도로 기재와 충돌시키므로써 코팅층을 형성하는 기술이 알려져 있다. 그러나, 이러한 기술에 있어서, 입자 사이의 기공을 줄이기 위해서는 나노크기의 분말을 사용할 필요가 있는데, 나노크기의 분말 각각은 질량이 매우 작은 관계로, 초음속으로 기재에 충돌시킬 때 충분한 관성력을 가지지 못한다는 문제점이 있다. 이 때문에, 실제로는, 공급 원료인 나노 분말들을 마이크론 크기에 가까운 덩어리로 만들어서 사용하고 있는 실정이다. 또한, 상기 초음속 분말 코팅 기술에 있어서, 고체 상태의 분말이 공기 중에서 초음속으로 충돌할 경우에는 충돌에 의해 열이 발생하게 되어 분말입자의 상의 변질이나 산화 현상이 일어난다는 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 코팅층의 산화를 방지하고, 코팅층과 기재 사이의 밀착성이 매우 우수한 나노 구조 코팅을 얻을 수 있는, 경제성과 양산성을 겸비한 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, (1) 코팅재료인 금속으로 이루어진 전기선과 코팅될 기재를 코팅 챔버 내에 위치시키고, 상기 코팅 챔버를 밀봉시키는 단계, (2) 불활성 기체로 상기 코팅 챔버 내를 2~6기압으로 채우는 단계, 및 (3) 상기 코팅 챔버 내가 상기 (2) 단계의 결과 가압된 상태에서, 상기 전기선에 전압을 인가하여 상기 전기선을 적어도 1회 폭발시키는 단계를 포함하여 이루어지는 나노 구조 코팅방법이 제 공된다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법에 있어서 사용되는 상기 전기선은 기재표면에 코팅층을 형성할 코팅재료인 금속으로 이루어진다. 상기 코팅재료인 금속에는 특별한 제한이 없다. 따라서, 상기 전기선으로는, 코팅의 목적에 따라 구리, 니켈, 알루미늄, 철, 금, 은 등과 같은 금속 단독, 또는 둘 이상의 합금으로 이루어진 것을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법의 (1) 단계에서는, 상기한 바와 같은 전기선과 코팅될 기재를 코팅 챔버 내에 위치시키고, 코팅 챔버를 밀봉시킨다. 이 때, 코팅 챔버 내에서 상기 기재와 전기선 사이의 거리는 10~50mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재가 코팅 챔버 내에 두개 이상 투입될 경우, 이들은 상기 전기선의 세로축을 중심으로 하는 원주 상에 위치시키는 것이 바람직하다. 기재와 전기선 사이의 거리가 10mm 미만이면, 폭발시 발생하는 금속의 나노입자가 기재 표면에서 뭉쳐지기 쉬우며, 50mm를 초과하면, 코팅층의 형성이 불균일해질 수 있다. 또한, 상기 기재는 치구(fixture) 내지 다른 수단에 의해 코팅 챔버 내에 고정되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 하여 전기선과 코팅될 기재를 코팅 챔버 내에 위치시킨 다음에는, 이후의 (2) 단계에서 코팅 챔버 내에 주입될 불활성 기체의 유출을 막고, 안전사고를 방지하기 위하여, 코팅 챔버를 밀봉시킨다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법에 있어서 사용되는 상기 코팅 챔버 및 상기 치구는, 코팅층에 목적하는 금속 이외의 다른 금속의 혼입을 방지하기 위하여, 금속 재질보다는 유리 또는 합성수지 재질, 바람직하게는 투명성이 우수한 아 크릴 재질로 만들어진 것이 바람직하다. 또한, 상기 코팅 챔버는 6기압 이상을 견딜 수 있을 정도의 구조 및 두께를 지녀야 한다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법의 (2) 단계에서는, (1) 단계의 결과 밀봉된 코팅 챔버 내에 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 기체를 주입하여 상기 코팅 챔버 내의 압력을 2~6기압으로 만든다. 본 발명에 따른 코팅방법에서는 고체 상태의 분말이 공기 중에서 초음속으로 비행하여 기재와 충돌하므로써 기재 표면에 코팅층을 형성하게 된다. 이 때, 코팅 챔버 내에 산소가 존재할 경우, 이 충돌시 발생하는 열에 의해 코팅층을 형성하는 금속의 산화가 일어나게 되는데, 본 발명에서는 이를 방지하고자 상기 불활성 기체를 전기선 폭발 이전에 코팅 챔버 내에 주입하는 것이다. 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 불활성 가스 분위기에서 코팅층을 형성하기 때문에, 코팅층을 구성하는 금속의 산화를 완전히 차단할 수 있다.

또한, 상기 불활성 기체는 상기 코팅 챔버 내의 압력을 2~6기압으로 만들 정도로 주입된다. 전기선 폭발에 의한 나노 분말의 제조 시에는 챔버 내 가스 압력을 대기압에 가까운 상태로 설정하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 전기선이 폭발하여 발생된 금속 분말 입자가 전기선과 기재 사이의 거리를 비행한 후 기재 표면에 충돌하여 코팅층을 형성하기 위해서는, 필요한 최소한의 관성력 이상을 지녀야 하는 바, 이를 얻기 위해서는 분말의 입자크기를 크게 하여 입자 자체의 질량을 늘릴 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 전기선 폭발에 의하여 비행하는 금속 분말 입자의 크기를 적절하게 하기 위하여 챔버 내의 압력을 2~6기압으로, 바람직하게는 3~5기압으로 유지하는 바, 이 압력이 2기압 미만이면, 비행하는 금속 분말입자의 관성력이 충분치 않아 코팅층의 형성이 불충분하게 되고, 6기압을 초과하면, 비행하는 금속 분말입자의 크기가 지나치게 커져서 나노 구조의 코팅이 어려워지게 된다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법의 (3) 단계에서는, 상기 코팅 챔버 내가 상기 (2) 단계의 결과 가압된 상태에서, 상기 전기선에 전압을 인가하여 상기 전기선을 적어도 1회 폭발시킨다. 상기 (3) 단계에서, 전기선의 폭발에 의해 발생되는 금속입자의 비행 속도는 약 2500~3000m/s 정도로서, 이는 종래의 초음속 분말 코팅기술에서의 입자 비행 속도인 600~1000m/s보다 약 3배 정도 빠르기 때문에, 종래의 초음속 분말 코팅기술에서보다 작은 크기의 분말입자로도 고밀착성의 코팅이 가능하게 되며, 그 결과, 나노 구조의 코팅층이 보다 효율적으로 형성된다.

상기 (3) 단계에서, 전기선의 폭발을 위하여 전기선에 인가되는 전압은, 사용되는 전기선을 구성하는 금속의 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 20~30kV의 범위 내인 것이 바람직하다. 이 전압이 20kV 미만이면, 실질적으로 금속 전기선을 폭발시키기 어려우며, 30kV를 초과하는 경우, 발생된 금속 분말입자의 비행속도가 너무 빨라져서, 기재 표면에서 금속 분말입자의 뭉침이 발생할 수 있기 때문에, 나노 구조의 코팅을 얻기가 어렵게 된다. 본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면, 4기압 하에서 구리-니켈 합금으로 이루어진 전기선을 폭발시키고자 하는 경우, 특히 22~24kV의 전압을 인가하는 것이, 나노 구조 코팅을 형성하는 데에 있어 보다 바람직하다.

상기 (3) 단계에서, 전기선의 폭발은 적어도 1회 수행되어야 한다. 본 발명 의 바람직한 구체예에 따르면, 전기선의 폭발은 10~100회 수행되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되지는 않으며, 목적하는 코팅층의 두께 등에 따라 적절한 횟수로 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부에 전기선 폭발용 전극을 갖고, 표면에 금속 전기선 투입구를 갖는 코팅 챔버; 상기 코팅 챔버 내에 설치되고, 코팅될 기재의 고정을 위한 치구를 하나 이상 갖춘 코팅용 지그(jig); 상기 코팅 챔버와 라인연결되고, 상기 연결된 라인을 통하여 상기 코팅 챔버 내로 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급부; 상기 코팅 챔버 표면 상의 금속 전기선 투입구 바깥쪽에서 결합되고, 상기 금속 전기선 투입구를 통하여 상기 코팅 챔버 내로 금속 전기선을 공급하는 금속 전기선 공급부; 및 상기 전기선 폭발용 전극과 전선연결된 전압 발생기를 포함하여 이루어지는 나노 구조 코팅장치가 제공된다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅장치의 바람직한 일 구체예의 구성도가 도 1에 나타나 있다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅장치에 있어서, 전기선 폭발을 위하여 기본적으로 필요한 구성인 전기선 폭발용 전극 및 금속 전기선 투입구를 갖는 챔버, 금속 전기선 공급부 및 전압 발생기로 이루어지는 전기선 폭발용 장치구성은, 종래의 전기선 폭발장치의 구성을 그대로, 또는 적절하게 변형하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 나노 구조 코팅장치에 있어서, 상기 코팅용 지그는 코팅될 기재를 폭발될 전기선에 대하여 적절하게 위치시키기 위한 것으로서, 코팅될 기재의 높이에 따라 또는 폭발될 전기선의 길이에 따라 적절하게 기재의 위치가 조절될 수 있도록 높낮이가 조절가능한 것이 바람직하다. 또한, 상기 코팅용 지그는 코팅될 기재의 고정을 위한 치구를 하나 이상 가지는데, 상기 치구는 이에 의해 고정될 기재와 전기선 사이의 거리가 10~50mm가 되도록 위치하는 것이 바람직하며, 상기 치구가 두개 이상일 경우, 이들은 폭발될 전기선의 세로축을 중심으로 하는 원주 상에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 나노 구조 코팅장치에 있어서, 상기 전압 발생기는 펄스형 전압 발생기인 것이, 다수회의 폭발에 의한 코팅층의 형성에 보다 바람직하다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하나, 이들 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1에 나타난 바와 같은 나노 구조 코팅장치의 코팅 챔버 안에, 코팅될 철강 기재를, 아크릴 재질의 치구와 볼트로 고정시키는 것에 의해 위치시켰으며, 폭발될 금속 전기선을 코팅 챔버 내에 투입하였다. 금속 전기선은 윤활성의 코팅층을 형성하기 위하여 사용되는 구리-니켈 합금으로 이루어졌으며, 그 직경은 0.4mm이었다. 기재는 전기선의 중심에서 30mm 거리에 해당되는 원주 상에 위치시켰다.

다음으로, 코팅 챔버를 밀봉한 후, 챔버 내부를 불활성 가스 분위기로 만들기 위해 아르곤 가스를 코팅 챔버 내에 4기압의 압력이 되도록 주입시켰다.

다음으로, 금속 전기선에 22.5kV의 전압을 펄스형으로 50회 인가하는 것에 의해, 금속 전기선을 폭발시켜 나노 구조의 코팅층을 철강 기재 상에 형성하였다.

상기와 같이 하여 형성된 코팅층 표면을 전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 350배 및 1000배 확대한 전자 현미경 사진을 각각 도 2의 (a) 및 (b)에 나타내었다.

실시예 2

금속 전기선에 23.5kV의 전압을 펄스형으로 50회 인가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 나노 구조의 코팅층을 철강 기재 상에 형성하였다.

상기와 같이 하여 형성된 코팅층 표면을 전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 350배 및 1000배 확대한 전자 현미경 사진을 각각 도 3의 (a) 및 (b)에 나타내었다.

도 2 및 도 3에 따르면, 인가 전압이 22.5kV인 실시예 1의 경우에는 0.1∼5㎛ 크기의 금속 분말 입자가 코팅층에 분포되어 있었던 반면, 인가 전압이 23.5kV인 실시예 2의 경우에는 0.1∼5㎛ 크기의 금속 분말 입자와 편평한 입자(splat deformation)가 함께 분포하고 있었던 바, 이는 인가 전압이 상승할수록 코팅층을 형성하는 금속 분말 입자의 뭉침현상이 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서, 보다 미세한 크기의 금속 분말 입자로 코팅층을 형성하기 위해서는, 폭발될 전기선을 구성하는 금속에 따라 폭발 가능한 인가 전압을 최소한으로 하는, 가능한한 낮은 인가 전압을 적용하는 것이 바람직하다.

이상 살핀 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 구조 코팅방법 및 이에 사용되는 장치에 의하면, 코팅층과 기재 사이의 밀착성이 매우 우수한 나노 구조 코팅을, 경 제적으로 대량생산할 수 있다.

Claims (8)

1. (1) 코팅재료인 금속으로 이루어진 전기선과 코팅될 기재를 코팅 챔버 내에 위치시키고, 상기 코팅 챔버를 밀봉시키는 단계, (2) 불활성 기체로 상기 코팅 챔버 내를 2~6기압으로 채우는 단계, 및 (3) 상기 코팅 챔버 내가 상기 (2) 단계의 결과 가압된 상태에서, 상기 전기선에 20~30kV의 전압을 인가하여 상기 전기선을 적어도 1회 폭발시키는 단계를 포함하여 이루어지는 나노 구조 코팅방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기선은 구리, 니켈, 알루미늄, 철, 금 또는 은 금속 단독, 또는 둘 이상의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 구조 코팅방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 코팅 챔버 내에서 상기 기재와 상기 전기선 사이의 거리는 10~50mm인 것을 특징으로 하는 나노 구조 코팅방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 전기선은 구리-니켈 합금으로 이루어지고, 상기 전기선에 인가되는 전압은 22~24kV인 것을 특징으로 하는 나노 구조 코팅방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images