KR101171535B1 - 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법 - Google Patents

박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법은, 외부로부터 공급되어 수용된 가스를 압축하여 공정가스를 제공하는 가스 압축기와, 외부로부터 공급되어 수용된 단일금속 또는 합금의 코팅용 분말을 제공하는 분말 공급기 및, 상기 가스 압축기와 상기 분말 공급기로부터 제공되는 상기 공정가스와 상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방식으로, 박막이 증착되는 모재의 표면상에 분사하여, 상기 모재의 표면상에 다공성 금속 코팅층을 형성시키는 분사 노즐을 포함한다.
또한, 단일금속 또는 합금의 모재를 준비하는 제1단계와, 하나 또는 둘 이상의 단일금속 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 제2단계와, 상기 준비된 코팅용 분말과 공정가스를 콜드 스프레이 방식을 이용해 박막이 증착될 모재의 표면에 분사하여, 상기 모재의 표면상에 완충을 위한 다공성 금속 코팅층을 형성시키는 제3단계 및, 상기 코팅층에 금속 재질의 박막을 증착시키는 제4단계를 포함한다.

Description

박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법{Pre-treatment apparatus for improving a thin film and pre-treatmenting method}
본 발명은 박막 증착시 부착력을 향상시키기 위한 전처리 방법에 관한 것으로, 특히 박막이 증착되는 모재의 표면상에 저온 분사방식을 이용해 다공성 금속 코팅층을 형성시킴으로써, 일반 금속 모재와 박막(carbon) 증착시 부착력을 향상시킬 수 있는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속재질의 모재에 다공성의 카본 증착을 하기 위해서는, 금속과 탄소 재질이 잘 결합될 수 있도록, 박막이 증착되는 모재의 표면상에 부착력이 우수한 다공성 금속 코팅층을 형성시켜야 한다.
이를 위해, 종래의 코팅층 형성 방법으로는, 진공상태에서 증작 작업을 진행하는 진공 증착법과, 열을 가하여 증착을 하는 열용사법 등이 널리 사용되고 있었다.
여기서, 진공 증착법(Vacuum deposition)은 금속이나 비금속의 증기나 이온을 진공 속에서 가열하여 그 증기를 모재(피도물)에 부착시키는 방식이며, 열용사법(Thermal Spray)은 순간 고압 열과 원료를 동시에 용사에 의해 피도물에 용융 침투 코팅시키는 방법으로, 세라믹, 메탈라이징, 플라즈마 코팅 등 적용 소재에 따라 다양한 코팅 기술이 상용화되고 있다.
그러나, 종래의 진공 증착법은 고가의 장비인 진공 챔버가 반드시 필요로 하므로, 생산비용이 증가하는 요인으로 작용하게 되고, 코팅층을 두껍게 형성시킬 수 없어 사용 범위가 매우 한정적인 단점이 있었다.
또한, 종래의 열용사법은 고온의 열을 이용하는 특성상 열이 전달되는 모재에 변형(뒤틀림 등)이 발생할 염려가 있었다. 특히, 두께가 얇은 모재의 경우에는 변형이 쉽게 발생할 수 있어 코팅층(완충층 이라고도 함) 형성이 어려운 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 모재와 박막 간의 부착력을 충분히 제공하면서도 저온에서 단시간 내에 코팅이 가능하여 생산비용을 절감할 수 있도록 하고, 코팅층 형성시 모재의 변형이 이루어지지 않도록 가장 바람직한 코팅층 형성 방법을 제시하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 박막의 부착력을 향상시키기 위하여, 박막이 증착되는 모재의 표면상에 저온 분사방식을 이용해 다공성 금속 코팅층(완충층)을 형성시킴으로써, 모재와 박막 간의 부착력을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 저렴한 비용으로 상대적으로 낮은 온도에서 코팅층을 제조할 수 있으며, 모재와 코팅층 간의 잔류 응력 발생을 최소화할 수 있는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치는, 외부로부터 공급되어 수용된 가스를 압축하여 고압의 공정가스를 제공하는 가스 압축기와, 외부로부터 공급되어 수용된 단일금속 또는 합금의 코팅용 분말을 제공하는 분말 공급기 및, 상기 가스 압축기와 상기 분말 공급기로부터 제공되는 상기 고압의 공정가스와 상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방식으로, 박막이 증착되는 모재의 표면상에 분사하여, 상기 모재의 표면상에 다공성 금속 코팅층을 형성시키는 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가스 압축기와 상기 분사 노즐 사이에는, 상기 고압의 공정가스를 가열하여 분사속도를 증가시키기 위한 가열용 가스 히터가 더 포함되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 고압의 공정가스는, 10 내지 20 kgf/cm2의 압력을 가지는 것이 바람직하고, 상기 공정가스는, 550~650°의 온도를 가지는 것이 바람직하며, 상기 코팅용 분말은, 상기 분사 노즐을 통해 300 ~ 1200 ㎧의 속도로 분사되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분사 노즐은, 초음속 유동을 발생시키기 위해 수렴-발산형 노즐(de Laval-Type)을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 분말 공급기에는, 상기 코팅용 분말의 공급을 원활히 하기 위하여, 상기 가스압축기로부터 일정 량의 공정가스가 공급되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 고압의 공정가스는 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적 달성을 위한 본 발명의 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법은, 단일금속 또는 합금의 모재를 준비하는 제1단계와, 하나 또는 둘 이상의 단일금속 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 제2단계와, 상기 준비된 코팅용 분말과 압축된 공정가스를 콜드 스프레이 방식을 이용해 박막이 증착될 모재의 표면에 분사하여, 상기 모재의 표면상에 완충을 위한 다공성 금속 코팅층을 형성시키는 제3단계 및, 상기 코팅층에 금속 재질의 박막을 증착시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 콜드 스프레이 방법은, 상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사 노즐에 주입하는 단계 및, 상기 분사 노즐 내에 흐르는 공정가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 코팅용 분말을 분사하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제3단계는, 상기 모재를 가열하여 금속 표면을 질화하는 열처리 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리 단계는 상기 모재와 코팅용 분말이 비용융된 상태에서 진행되는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 제3단계에는, 가스 히터를 이용하여 상기 공정가스를 가열하는 단계가 더 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 저온 분사법으로 박막이 증착되는 모재의 표면상에 금속의 코팅층(완충층)을 형성시킴으로써, 일반 금속 모재와 박막(carbon)의 부착력을 향상시킬 수 있다.
그리고 모재에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상이 유발되지 않으며, 모재와 코팅층 간 또는 코팅층의 피로 발생에 의해 균열이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 높은 저항성이 제공되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법의 각 단계를 순차적으로 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시 예에 따른 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치(100)는, 코팅층을 형성할 분말을 아음속(subsonic speed) 또는 초음속(supersonic speed)으로 가속분사함으로써, 박막(carbon, 미도시)이 증착될 모재(200)의 표면상에 부착력 향상을 위한 코팅층(완충층)을 형성시키기 위한 것이다.
이를 위한, 본 발명의 전처리 장치(100)는 외부로부터 공급된 가스를 압축하여 압축된 공정가스를 제공하는 가스 압축기(compressor, 110)와, 단일금속 또는 합금의 코팅용 분말을 제공하는 분말 공급기(powder feeder, 120) 및, 상기 가스 압축기(110)와 상기 분말 공급기(120)로부터 제공되는 상기 공정가스와 상기 코팅용 분말을 박막이 증착되는 모재(200)의 표면상에 분사함으로써, 박막이 증착될 모재(200)의 표면에 완충을 위한 코팅층을 형성시키는 분사 노즐(140)을 포함한다.
상기한 가스 압축기(110), 분말 공급기(120) 및 분사 노즐(140)은 일반적으로 사용되고 있는 구성들이므로 더 추가적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 가스 압축기(110)와 분사 노즐(140)의 사이에는, 상기 압축된 공정가스를 가열하여, 공정가스의 분사속도를 증가시키기 위한 가열용 가스 히터(130)가 더 포함될 수 있다.
상기 가스 히터(130)는, 가스 압축기(110)와 분사 노즐(140)을 연결하는 가스 이동용 경로 상에 배치되어, 압축된 공정가스에 열을 가하여 운동에너지를 증가시키기 위한 장치로서, 가열되는 공정가스의 온도는 550~650°인 것이 바람직하다. 즉, 압축된 공정가스의 운동에너지를 증가시켜 분사용 노즐에서의 분사속도를 높일 수 있다.
여기서, 가스 히터(130)는 장치의 분사 성능을 향상시키기 위한 부가적인 구성으로, 가스 히터(130)를 적용하는 것이 장치의 성능 향상에 있어 바람직하나 반드시 필요한 것은 아님을 밝혀두는 바이다.
그리고 가스 압축기(110)로부터 분사 노즐(140)을 통해 분사되는 공정가스는, 분사의 용이성을 위해 10 내지 20 kgf/cm2의 압력을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 분말 공급기(120)로부터 분사 노즐(140)을 통해 분사되는 코팅용 분말은, 분사 노즐(140)을 통해 300 ~ 1200 ㎧의 속도로 분사되는 것이 바람직하다.
물론, 상기한 공정가스의 분사압력과 코팅용 분말의 분사속도는 상기한 수치가 바람직하나 다양하게 적용시킬 수 있음을 밝혀두는 바이다.
또한, 분사 노즐(140)은 아음속(subsonic speed) 내지 초음속(supersonic speed) 유동을 발생시키기 위하여, 수렴-발산형 노즐(converging-diverging nozzle) 형태를 사용될 수 있다.
아울러, 공정가스의 종류로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 사용되는 가스의 종류는 분사 노즐(140)에서의 분사 속도 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
따라서, 가스 압축기(110)로부터 제공되는 공정가스가 이동하는 과정에서, 가스 히터(130)에 의해 운동에너지가 증가되는 상태로 가열이 이루어지면서 분사 노즐(140)을 통해 박막이 증착되는 모재(200)의 표면상에 분사된다.
이와 동시에, 분말 공급기(120)로부터 제공되는 코팅용 분말도 공정가스와 함께 모재(200)의 표면상에 분사되면서 코팅층을 형성하는 것이다.
한편, 도 2를 참조로 본 발명의 제2실시 예에 따른 박막(carbon)의 부착력 향상을 위한 전처리 방법을 설명하면 다음과 같으며, 전술한 구성과 동일 구성에 대해서는 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
먼저, 제1단계(S100)에서는 박막(carbon)을 부착시키기 위한 모재(200)를 일정한 위치에 배치하는 과정을 진행한다. 여기서, 모재(200)는 단일금속 또는 합금 등으로 제작할 수 있다.
다음으로, 제2단계(S200)에서는 하나 또는 둘 이상의 단일금속 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비한다. 즉, 준비된 코팅용 분말을 분말 공급기(120)에 공급하여 코팅층을 형성하기 위한 재료를 준비하는 과정이 선행되는 것이다.
여기서, 코팅층의 대상이 되는 금속은 단일금속 또는 합금 기지를 표면에 포함하는 금속을 사용할 수 있는데, 상기 단일금속은 1 성분의 금속을 의미하고, 상기 합금은 둘 이상의 금속이 포함되는 금속을 의미한다.
상기 합금에는, 석출물이나 분산 강화물이 포함되는 합금을 포함할 수 있고, 콜드 스프레이(Cold spray) 방식으로 코팅되는 금속 또는 합금과 금속 간 화합물을 형성하는 일정한 단일 금속 또는 합금 기지를 표면에 가지는 복합체 또는 조합물 등 다양한 재료를 선택적으로 사용할 수 있다.
그리고 상기 모재(200)의 모든 단일금속 또는 금속원소들을 포함하는 합금이 이에 해당할 수 있으며, 코팅용 분말의 모든 단일금속 또는 합금으로는, 모든 단일금속 또는 금속원소를 포함하는 합금이 이에 해당할 수 있다.
또한, 상기 코팅용 분말은 하나의 단일금속분말도 가능하지만, 3개의 성분계 또는 4개의 성분계 등과 같이 둘 이상의 단일 금속분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
예를 들어, 모재(200)의 단일금속 또는 합금과 코팅용 분말의 조합은 니켈 및 구리 합금일 수 있다. 그리고 상기 코팅용 분말은 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속이거나, 알루미늄 및 니켈로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속일 수 있다.
또한, 상기 모재(200)의 단일금속 또는 합금은 니켈 또는 그 합금이고, 상기 코팅용 분말은 니켈, 알루미늄 및 그의 합금일 수 있다.
이와 같은 성분을 갖는 코팅용 분말은, 공지의 콜드 스프레이에 사용되는 다양한 크기의 입자가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 사용되는 분말의 종류에 따라 그 코팅효율 및 반응성이 다르므로 최적입자 크기를 선택적으로 선정하여 사용할 수 있다.
이를 고려하여, 적정한 입자크기를 선정하는 것이 필요하고, 1 내지 200 ㎛의 크기를 가지는 것이 충격 에너지를 갖는 코팅층을 얻기에 바람직하다.
다음으로, 제3단계(S300)에서는 제2단계(S200)에서 준비된 코팅용 분말을 전술한 콜드 스프레이(Cold spray) 방법으로 모재(200)에 완충을 위한 코팅층을 형성한다.
즉, 상기와 같이 준비된 코팅용 분말을 융사법이나, 소결온도에 비하여 상대적으로 낮은 저온에서 콜드 스프레이 방법을 통하여 분사하여 충돌 에너지를 갖는 코팅층을 형성하는 것이다.
다시 말해, 상기 콜드 스프레이 방법은 압축 및 팽창으로 생기는 초음속 기체 기류를 이용하여 분말이 코팅 대상물에 충돌할 때 발생하는 에너지에 의해 점착되면서 코팅되는 방법을 말한다.
이러한, 저온 분사 코팅은 코팅용 분말을 가열해 코팅하는 기존 방식과 달리 상온에서 코팅이 가능해져 소재의 변형 및 변질을 막을 수 있고, 내마모성, 내피로성, 내열성 및 내식성 등을 크게 향상시킬 수 있는 방법이다.
특히, 본 발명의 콜드 스프레이 방법에서는 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사 노즐(140)에 주입하는 단계가 선행된 후에, 분사 노즐(140) 내에 흐르는 공정가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재(200)의 표면에 코팅용 분말을 분사하는 단계가 진행될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제3단계(S300)에서는 모재(200)를 일정 온도로 가열하여 금속 표면을 질화하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열처리 단계는 금속제인 모재(200)와 코팅용 분말이 비용융인 상태에서 진행되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 콜드 스프레이 코팅단계에서 모재(200)는 상온 또는 저온에서 진행할 수도 있으나, 일정온도 이상으로 가열한 상태에서 진행하는 것이 코팅용 분말의 충돌에 따른 변형에너지(strain energy)축적과 코팅용 분말의 심도 깊은 충돌을 유도하게 되므로 바람직하다.
한편, 제3단계에는 가스 히터를 이용하여 상기 공정가스를 가열하는 단계가 더 포함될 수 있다. 여기서, 가열되는 공정가스의 온도는 550~650°인 것이 바람직하다.
최종적으로, 제4단계(S400)에서는 제3단계에서 모재(200)의 표면상에 형성시킨 다공성 금속 코팅층에 금속 재질의 박막(carbon)을 부착시키는 과정이 진행된다.
여기서, 박막(carbon)을 증착시키는 방법으로는 일반적인 유기 금속 화학 증착법(MOCVD) 증착법을 사용하는 것이 바람직하나, 스퍼터링(sputtering) 및 e-beam 증착법 들을 사용할 수도 있다. 이로써, 박막(carbon)을 코팅층이 형성된 모재의 표면상에 견고하게 부착시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 저온 분사법으로 박막이 증착되는 모재의 표면상에 금속의 코팅층(완충층)을 형성시킴으로써, 일반적인 금속 모재와 박막(carbon)의 부착력을 향상시킬 수 있다. 그리고 모재(200)에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상이 유발되지 않으며, 모재(200)와 코팅층 간 또는 코팅층의 피로 발생에 의해 균열이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 높은 저항성이 제공되는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 장치 및 전처리 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
100: 전처리 장치 110:가스 압축기
120 : 분말 공급기 130: 가스 히터
140 : 분사 노즐 200: 모재

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  8. 삭제
  9. 단일금속 또는 합금의 모재를 준비하는 제1단계(S100);
    하나 또는 둘 이상의 단일금속 또는 그 합금의 분말로 이루어지며, 1 내지 200㎛의 입자 크기를 갖는 코팅용 분말을 준비하는 제2단계(S200);
    상기 준비된 코팅용 분말과 공정가스를 콜드 스프레이 방식을 이용해 박막이 증착될 모재의 표면에 분사하여, 상기 모재의 표면상에 완충을 위한 다공성 금속 코팅층을 형성시키는 제3단계(S300); 및
    상기 코팅층에 유기 금속 화학 증착법, 스퍼터링 또는 e-beam 증착법을 이용하여 금속 재질의 카본 박막을 증착시키는 제4단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 콜드 스프레이 방법은, 상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사 노즐에 주입하는 단계; 및
    상기 분사 노즐 내에 흐르는 상기 공정가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 코팅용 분말을 분사하는 단계;를 포함하며,
    상기 공정가스는 550 내지 650℃의 온도 및 10 내지 20 kgf/cm2의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분사 노즐은, 초음속 유동을 발생시키기 위해 수렴-발산형 노즐(de Laval-Type)을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계에는, 가스 히터를 이용하여 상기 공정가스를 가열하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 박막의 부착력 향상을 위한 전처리 방법.
















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