KR100779247B1

KR100779247B1 - 금속 무늬 판재의 제조 방법

Info

Publication number: KR100779247B1
Application number: KR1020010062447A
Authority: KR
Inventors: 정재인; 정우철; 정창영
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2007-11-23
Also published as: KR20030029753A

Abstract

본 발명은 진공실내의 기판홀더에 장착된 시편의 기판에 300Å∼ 500Å 두께의 산화물이나 유기물을 증착하는 증착 공정과, 상기 공정에서 증착 공정이 완료되면 진공실내의 진공도를 6 ×10^-2∼ 6 ×10^-3토르가 되도록 진공도를 조절하는 진공도 조절공정과, 상기 진공도 조절 공정에서 설정된 진공도가 되면 기판에 -300V ∼ -500V 의 전압을 인가하여 글로 방전을 유도하는 글로 방전 공정과, 상기 글로 방전에서 발생하는 아크 방전을 제어하여 패턴 무늬를 형성하는 무늬형성과정으로 이루어져, 플라즈마 방전인 글로 방전 중에 발생하는 아크 방전을 제어하여 방전 무늬를 형성하는 금속 무늬 판재의 제조 방법에 관한 것이다.

진공실, 기판, 기판 홀더, 대향전극, 전원공급부, 배기구. 글로 방전

Description

금속 무늬 판재의 제조 방법{Manufacturing method of decorative metal plate}

도 1 은 본 발명에 의한 금속 무늬 판재의 제조 방법을 설명하기 위한 증착 장치의 개략도.

도 2 는 본 발명에 의해 제조된 금속 무늬 판재의 사진.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10. 진공실 20. 대향전극

30. 기판 40. 기판홀더

50. 기판 가열장치 60. 전원공급부

70. 진공밸브 80. 배기구

90. 가스 공급장치

본 발명은 금속 무늬 판재의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 방전인 글로 방전 중에 발생하는 아크 방전을 제어하여 방전 무늬를 형성하는 금속 무늬 판재의 제조 방법에 관한 것이다.

금속의 무늬 및 패턴 형성은 지금 까지 화학적인 에칭이나 건식 에칭 등에 의해 이루어지며 기계적으로 스크래치 연마 등의 방법이 이용되고 있다.

기계적인 방법을 이용하여 패턴을 형성하거나 무늬를 만드는 경우는 주로 스텐레스나 알루미늄의 강판을 이용한 장식성 판재를 만드는데 이용된다.

한편, 에칭 기술은 주로 반도체 분야에서 패턴을 형성하거나 코, 표면처리 등의 분야에서 사용되는데, 이들 분야에서는 글로 방전에 의해 형성된 플라즈마를 이용하고 있다.

건축의 내. 외장재, 각종 주방기구, 하이 패션 장식품 등에 널리 사용되고 있는 스텐레스는 표면을 보호하거나 또는 장식성의 효과를 주기 위해 다양한 표면 처리 방법이 개발되어 있다. 그 중에서도 특히 건물의 외장재는 건축물의 고급화와 패션화에 발맞추어 최근에는 칼라 스텐레스 강판이 더욱더 각광을 받고 있는 실정이다.

스텐레스 강판에 색상을 내는 칼라링 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 하나는 스텐레스 강판에 존재하는 금속 성분을 산화시켜 산화막의 두께에 따른 색상 변화 즉 간섭 색을 이용하는 방법이고, 또 다른 방법은 자연광에서 자체로 색상을 내는 물질을 스텐레스 강판 표면에 피복 시켜 색상을 내는 방법이다.

상기 칼라링 방법 중에서 간섭 색을 이용하는 칼라링 기법의 대표적인 것이 바로 양극산화이다. 이중 INCO법이 그 주종을 이루고 있으며 이를 개량한 다양한 방법들이 개발되어 왔다. INCO법은 황산과 산화크롬이 들어있는 용액 내에 스텐레스를 넣고 기준전극과의 전위차를 이용하여 스텐레스 강판에 사화 막을 입혀 산화 막의 두께 차이를 이용하는 소위 간섭색을 이용하고 있다.

이 방법은 발색 후 피막에 존재하는 다량의 기공을 없애기 위해 크롬산 용액을 이용하여 스텐레스 강판에 전압을 걸어 후처리하는 것으로 공정이 끝난다. 최근에는 이 방법을 개량하여 다양한 방법의 습식 공정이 개발되어 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 공정이 복잡하고 기본적으로 습식 방법을 이용하므로 공해 유발 등의 문제점이 있다.

색상을 가진 물질을 피복 하여 칼라링을 하는 방법에는 습식도금과 건식도금 등의 도금 방법이 주종을 이루고 있다. 이중 습식 방법은 금이나 은 등의 몇 가지 물질계를 제외하고 칼라링에는 그다지 사용되지 않고 있다. 건식도금은 공해를 유발하지 않고 좀더 깨끗한 환경에서 칼라 스텐레스 강판을 제조할 수 있기 때문에 최근에 많이 사용되고 있으며 공정이 진공 상태에서 이루어지므로 진공코팅방법으로 잘 알려져 있다. 특히, 스텐레스 강판을 제조하는 데는 이온 플레이팅과 스퍼터링 방법이 주종을 이루고 있다. 이온플레이팅 방법은 진공 중에 장착된 스텐레스 강판상에 음의 전압을 인가하여, 이온화시킨 증발물질을 피복 하는 것으로 별도로 가스를 공급하는 장치를 만들면 금속과 가스가 반응하여 화합물 피막을 형성하는데 매우 적합한 피막 공정기술 중의 하나이다. 따라서 지금가지 이와 같은 이온플레이팅 방법으로 질화티타늄과 같은 금색을 띠는 물질이 장식용 코팅에 널리 이용되고 있다. 특히 질화티타늄의 경우는 피막중의 질소의 비율이나 또 다른 가스(탄소 도는 산소)를 첨가하면 다양한 색상을 얻을 수 있으므로 널리 이용되고 있다. 스퍼터링 방법은 기본적으로는 이온플레이팅 기술과 유사하나 다만 금속을 증발시키는 방 법에서 불활성 가스를 이용하여 떼어내는 방법을 사용하는 것이 다르다. 건식코팅 방법 중에 또 다른 방법으로 화학증착이 있다. 이 방법은 진공 중에서 금속 성분을 포함한 가스와 반응가스를 높은 온도 또는 플라즈마 분위기에서 화학 반응시켜 기판상에 피막을 입히는 방법으로 경질피막의 제조에 주로 사용되며 장식용에서도 사용되고 있다.

글로 방전은 10^-3∼ 10^-1토르의 가스 분위기에서 기판에 수백 볼트 이상의 전압을 인가하면 가스가 해리 되면서 플라즈마 가 발생하는데 이러한 플라즈마를 통상 글로 방전이라 부른다. 이러한 글로 방전은 이를 형성시키는 방법에 따라 직류 전압 인가에 의한 직류 글로 방전, RF 방전에 의한 RF 글로 방전 그리고 마이크로파 또는 자장을 이용하여 밀도를 높인 마그네트 방전 등이 있다. 어느 경우든 글로 방전은 물리증착이나 화학증착에 의한 코팅, 금속 또는 절연체의 에칭, 그리고 기판의 청정에 주로 이용되고 있다.

글로 방전을 기판의 청정에 이용할 경우는 보통 10^-2 토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 기판에 400∼1000V의 음의 전압을 인가하여 글로 방전을 유도시켜 실시한다. 이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 시편에 충돌하여 시편에 존재하는 유기물이나 산화막 같은 불순물을 제거하게 된다. 기판 표면에 불순물이 존재할 경우의 피막의 밀착력이 저하되거나 피막 내에 불순물의 혼입가능성이 크기 때문이다.

직류 전압을 인가하여 방전을 유도하는 직류 글로 방전은 이를 기판청정이나 패턴형성에 이용할 경우 몇 가지 문제점이 드러나고 있다. 그 중의 대표적인 것이 이상 방전(주로 아크 방전)에 의해 기판에 손상을 준다는 것이다. 이러한 이상 방전이 발생하면 그 방전이 주위로 번져가면서 주위의 물질을 증발시키고 증발된 입자가 다시 기판에 달라붙은 현상이 반복되어 결국은 기판 전체를 손상시키는 원인으로 작용하는 것이다. 따라서 이러한 이상 방전이 발생하지 않도록 많은 주의를 해야한다. 이상 방전은 주로 부도체나 산화물이 기판 주위에 존재하면 이를 부도체 축적된 전하가 한꺼번에 방출되면서 발생한다. 이러한 아크 현상을 코팅에 이용한 경우가 있는데 그 방법이 바로 아크 증착 기술이다.

일반적인 아크 방전 및 아크 방전을 이용한 증착 기술을 설명하면 다음과 같다.

아크 방전이란 전기적인 파괴 현상을 말하는 것으로 두 전극사이에 일정크기 이상의 전압이 인가되었을 경우 전극 사이의 절연층(공기 혹은 진공)에서 순간적으로 절연파괴가 일어나 높은 전류가 흐르는 현상이다. 직류전압 인가시 플라즈마 방전에서 나타나는 전류-전압 특성을 보면 글로 방전과 아크 방전의 차이를 알 수 있다. 전압을 증가시키면 파괴전압을 지나면서 전압 증가에 비례하여 전류가 증가하는 타운젠드 방전 구간이 존재하고 더 전압을 올리면 글로를 형성하며 방전이 일어나는 글로 방전 구간이 존재한다. 그러나 이 구간에서는 방전 전류가 약하여 글로가 음극 전 면적을 덮지는 못한다. 전압을 좀더 증가시키면 방전 전류가 증가하여 음극 전면적이 글로로 덮이는 이상 글로 방전 영역이 존재한다. 대부분의 플라즈마 공저에서는 이 영역의 방전을 이용한다. 전압을 더 증가시키면 음극표면의 가열과 함께 음극 표면의 국부적인 부분에서 용융 혹은 열전자 방출(고융점 금속인 경우)이 일어나게 된다. 이 구간의 방전을 아크 방전이라 하는데, 이 구간에서는 국부적 용융에 의해 음극재료의 급격한 증발이 일어나 음극증기 플라즈마의 강력한 제트가 형성되고, 이때 많은 전류가 흐르면서 다시 가열, 이온화, 팽창의 과정을 거쳐 계속적인 아크와 음극재료의 식각이 이루어지게 된다.

아크가 발생하면 급격한 전하 흐름이 생기므로 한쪽 극에서 반대쪽으로 이온과 전자가 방출되며 이때 고속으로 분출되어 이온들이 기판에 증착되어 막을 형성하는 것이다. 아크 방전은 원리상 대기압에서도 일어날 수 있다. 그러나 사용하는 전원의 한계와 제조되는 박막의 질을 고려하여 보통 10^-3∼10^-7 토르 정도의 진공에서 방전을 일으킨다.

본 출원인은 글로 방전에 의한 기판 청정 실험을 거듭하면서 발생된 아크가 원자 방출되어 연결되고 결국 이들을 적절히 제어하면 글로 방전 플라즈마를 이용하면서 발생되는 아크 방전을 유도하면 무늬 패턴의 형성이 가능함을 확인할 수 있었다.

이에, 본 발명의 목적은 플라즈마 방전인 글로 방전 중에 발생하는 아크 방전을 제어하여 방전 무늬를 형성하는 금속 무늬 판재의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 금속 무늬 판재의 제조 방법 은, 진공실내의 기판홀더에 장착된 시편의 기판에 300Å∼ 500Å 두께의 산화물이나 유기물을 증착하는 증착 공정과, 상기 공정에서 증착 공정이 완료되면 진공실내의 진공도를 6 ×10^-2∼ 6 ×10^-3토르가 되도록 진공도를 조절하는 진공도 조절공정과, 상기 진공도 조절 공정에서 설정된 진공도가 되면 기판에 -300V ∼ -500V 의 전압을 인가하여 글로 방전을 유도하는 글로 방전 공정과, 상기 글로 방전에서 발생하는 아크 방전을 제어하여 패턴 무늬를 형성하는 무늬형성과정으로 이루어 진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 의한 금속 무늬 판재의 제조 방법을 설명하기 위한 증착 장치의 개략도이고, 도 2 는 본 발명에 의해 제조된 금속 무늬 판재의 사진이다.

도 1 에 도시된 증착 장치는 통상적인 구조같이 진공실(10)내에 대향전극(20)과 기판(30) 및 기판홀더(40), 기판 가열장치(50), 가스도입구(90) 등이 설치되어 있으며, 상기 기판가열장치(50)에는 전원공급부(60)가 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 진공실(10)의 외벽에는 진공을 유지하는 진공밸브(70) 및 배기구(80)가 형성되어 있다.

상기 구성에서 대향전극(20)은 글로 방전 유도를 위해 음의 전압에 대향되며 양의 전극의 역할을 하는 것으로 여기서는 진공실(10)의 외벽에 연결되어 그라운드된 상태로 되어 있다.

상기와 같은 구조를 가진 증착 장치를 이용하여 기판의 무늬 패턴을 형성하고자 진공실(10)내의 기판 홀더(40)에 일측면에 절연체(알루미나)가 증착된 소정의 크기를 가진 금속 기판(30)을 장착한다.

상기 기판(30)을 기판홀더(40)에 장착한 후 진공펌프(도면에 생략됨)를 이용하여 진공실(10)의 진공도가 10^-5 토르 이하가 되면 가스도입구(90)를 이용하여 아르곤 가스를 주입하고 전원 공급부(60)를 이용하여 기판(30)에 음의 전압을 인가하여 글로 방전을 유도한다.

글로 방전이 발생되면 서서히 전압을 증가시키면서 무늬 형성에 적합한 전압을 유지하면서 아크 방전을 유도한다.

상기와 같은 방법을 이용하여 기판에 무늬를 형성하는 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 실시 예는 스텐레스 판재에 짙은 청색의 색상을 가지며 아크 무늬가 형성된 장식용 스텐레스 판재의 제조 방법으로, 기판(30)은 가로가 15㎝이고 세로가 10㎝, 두께가 1㎜ 이고, 표면이 거울처럼 연마된 시편이다.

상기 기판(30)MS 아크 무늬 형성의 잔 단계로 알루미나를 500Å를 증착하였다. 알루미나의 증착 과정은 다음과 같다. 기판(30)을 기판홀더(40)에 장착하고 낟알 형상의 알루미나를 전자빔 도가니에 넣은 다음 진공실(10)을 닫고 배기장치(도면에 생략됨)를 이용하여 진공실(10)의 진공도가 2 ×10^-5이하가 되도록 배기 한다.

상기 진공실(10)의 진공도가 일정치 이하가 되면 전자빔에 전원을 인가하여 100㎃의 방출 전류에서 10분간 증착하여 최종 두께가 500Å 이 되도록 하였다.

이렇게 준비된 시편을 글로 방전에 의해 아크 무늬를 형성하였는데, 그 과정은 다음과 같다.

기판(30)에 증착이 끝난 후 진공실(10)의 진공도가 2 ×10^-5토르가 되면 가스 도입구(90)를 이용하여 아르곤 가스를 주입하여 진공도를 6 ×10^-2토르가 되도록 조절한다. 이 경우 필요에 따라 배기구(80)에 연결된 진공 밸브를 닫고 유회전 펌프(도면에 생략)만을 이용할 수 있다.

진공실(10)의 진공도를 조절한 후 전원공급부(60)를 이용하여 기판(30)에 -100 ∼ 1000V를 인가하여 글로 방전을 유도하였다. 글로 방전 후 아크 방전이 발생함을 확인한 후 10분간 처리한다. 마지막 단계는 색상을 입히는 단계이다. 이 단계는 처음 단계와 도일하게 기판(30)에 알루미나를 1000Å으로 증착하여 전술한 단계를 수행한 결과 증착된 알루미나의 두께에 의해 빛의 간섭이 발생하여 본 실시예에서는 도 2 에 도시된 바와 같이 청색으로 무늬가 형성된다.

상술한 본 발명에 의하면 금속 판재에 글로 방전을 이용하여 칼라 무늬를 형성할 수 있어서 기존의 방법에 비해 경제적이며 공해가 없는 장식용 판재를 제조할 수 있다.

Claims

진공실내의 기판홀더에 장착된 시편의 기판에 300Å∼ 500Å 두께의 산화물이나 유기물을 증착하는 증착 공정과,

상기 공정에서 증착 공정이 완료되면 진공실내의 진공도를 6 ×10^-2∼ 6 ×10^-3토르가 되도록 진공도를 조절하는 진공도 조절공정과,

상기 진공도 조절 공정에서 설정된 진공도가 되면 기판에 -100V ∼ -1000V 의 음의 전압을 인가하여 글로방전을 유도하는 글로방전 공정과,

상기 글로 방전에서 발생하는 아크 방전을 제어하여 패턴 무늬를 형성하는 무늬형성과정으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 금속 무늬 판재의 제조 방법.
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