KR101353697B1 - 밀착성이 향상된 방향성 전기강판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방향성 전기강판 - Google Patents

밀착성이 향상된 방향성 전기강판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방향성 전기강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밀착성이 향상된 방향성 전기강판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포스테라이트 층이 제거된 방향성 전기강판을 제공하는 단계; 상기 방향성 전기강판의 표면에 글로우 방전 처리를 하는 단계; 장력 코팅제를 도포하여 피막을 형성하는 단계; 및 건조 소부하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법, 및 상기 제조방법에 의해 제조된 방향성 전기강판에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 글로우 방전을 이용하여 방향성 전기강판의 표면을 전처리 하여 표면 에너지를 상승시킴으로써 코팅제의 젖음성을 향상시키고 밀착성이 우수한 피막을 획득할 수 있다. 특히 본 발명에 의하면 경면 표면에 글로우 방전과 같은 간단한 전처리 공정만으로 일반 인산염 코팅 등과 같은 습식 코팅법을 그대로 적용할 수 있다.

Description

밀착성이 향상된 방향성 전기강판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 방향성 전기강판{Method for preparing grain-oriented electrical steel sheet having improved adhesion and grain-oriented electrical steel sheet prepared by the same}
본 발명은 방향성 전기강판에 있어서 포스테라이트 피막을 가지지 않는 방향성 전기강판의 표면에 글로우 방전을 이용하여 표면을 전처리함으로써 강판의 표면 에너지를 높이고 이에 따라 코팅제의 젖음성을 향상시켜 밀착성이 우수한 피막을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 전기강판에 관한 것이다.
방향성 전기강판은 3.1%의 실리콘(Si) 성분을 함유하며 결정의 자화용이 방향을 압연방향에 나란하게 한 제품으로 압연방향으로 우수한 자기 특성을 나타낸다. 따라서 대형 변압기를 비롯한 소형 변압기 등의 제작에 사용되고, 배전용 변압기, 전동기, 발전기, 리액터(Reactor), 기타 전기 기기 등의 철심 재료로 등에 사용될 수 있다.
이와 같은 방향성 전기 강판의 제조 공정에 있어서 최종 공정은 '절연 코팅 및 평탄화 소둔'으로서, 상기와 같은 공정은 방향성 전기강판 포스테라이트(forsterite; Mg2SiO4) 층으로 구성된 1차 코팅 상에 재코팅을 시행하는 기존의 공정과 달리, 의도적으로 포스테라이트층의 형성을 방해하거나 또는 제거하여 자기적 성질을 우수하게 하는 평활화 과정을 거친 소재를 대상으로 한다. 방향성 전기강판은 절연 코팅 후 소둔을 거치면서 열에 의해 팽창된 소재는 냉각 시 다시 수축하려는 반면 이미 세라믹화가 된 절연 코팅층은 소재의 수축을 방해하게 된다. 일반적으로 절연코팅 피막이 소재에 비하여 아주 적을 때 압연 방향에서의 잔류응력 (Residual stress) sRD 은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다 (A.J.Moses and J.E. Thompson, Proc. IEEE, 119, 1222 [1972]).
Figure 112010086972311-pat00001
(1)
여기서 △T= 온도차 (oC), aSi-Fe= 소재의 열팽창 계수, aC = 코팅층의 열팽창 계수, Ec= 영역에서의 코팅층의 영스 모듈러스(Young's Modulus)의 평균값, δ = 소재와 코팅층의 두께비, nRD = 압연방향에서의 푸아송비(Poisson's ratio)이다.
상기 식으로부터 피막에 의한 인장응력 향상 계수로는 코팅제의 두께 또는 소재와 코팅제 간의 열팽창계수의 차를 들 수 있으며, 코팅제의 두께를 향상 시키면 점적율이 좋지 않게 되므로 소재와 코팅제간의 열팽창 계수 차이를 크게 함으로써 인장응력을 높일 수 있다. 이제까지의 연구는 열팽창 계수가 작은 코팅제를 제조하여 모재와 코팅제 간의 열팽창 계수 차를 크게 함으로써 피막장력을 향상시키는데 노력하였다.
한편, 우수한 절연코팅은 기본적으로 외관에 결함이 없는 균일한 색상을 가져야 하며, 기능성을 부여하는 여러 가지 기술의 접목에 의해 전기절연성을 향상시키고 피막의 밀착성을 강화시키는 것이 바람직하다. 그러나, 최근 고자속밀도급의 방향성 전기강판이 상용화되면서 최종 절연피막의 고장력화를 추구하게 되었으며, 실제 고장력 절연피막은 최종제품의 자기적 특성의 개선에 크게 기여하는 것으로 확인되었다.
장력 피막 특성의 향상을 위해서 여러 가지 공정인자의 제어 기법이 응용되고 있으며, 현재 상품화되어 있는 방향성 전기강판은 강판과 포스테라이트계 바탕 피막 상에 형성된 절연 피막의 열팽창계수 차이를 이용하여 강판에 인장응력을 부가함으로써 철손 감소 효과를 도모하고 있다.
대표적인 절연피막 형성 방법으로서, 고온의 유리 전이점을 가진 콜로이달 실리카를 이용하여 피막장력을 향상시키거나, 또는 알루미나 주체의 알루미나 솔(sol)과 붕산 혼합액을 이용하여 전기강판에 고장력의 산화물 피막을 형성하는 기술 등이 제안되었다. 또한, 포스테라이트계 바탕 피막 위에 특정의 금속 원자를 함유한 인산 수소염과 실리카로 구성된 제1층을 형성시킴으로써 포스테라이트계 바탕피막과 절연 피막과의 밀착성 향상을 유도하고 그 위에 재차 붕산 알루미늄을 주성분으로 하는 제2층을 형성시킴으로써 더욱 강력한 피막 장력 효과를 나타내는 기술이 제안되었다.
이와 더불어 최근에는 방향성 전기강판 표면의 포스테라이트 층을 의도적으로 제거하거나 또는 이의 형성을 방해하여 표면을 평활하게 만든 경면 방향성 전기강판이 제안되었다. 경면 방향성 전기강판은 자구 이동을 방해하는 표면의 피닝 사이트(Pinning site)를 제거해 줌으로써 자구 이동을 원활히 하여 자기이력손을 낮추어 준다.
그러나 이렇게 표면이 경면화 되었을 경우 표면 젖음성이 불량해져 일반적인 습식코팅이 어렵고, 성막된 피막의 밀착성도 매우 불량하게 된다. 이에 대한 대안으로 스퍼터링을 포함한 일반 물리증착에 의한 코팅방법이 제안되었으나, 이 경우 습식 코팅 대비 피막 밀착성은 향상 되었지만 표면 조도에 따라 밀착성 정도가 많은 차이를 보이며 더욱이 성막 속도가 느려 상업적으로 적용되는데 한계가 있다.
이에 본 발명의 한 측면은 일반 습식 코팅을 그대로 적용할 수 있고 생산 원가 인상 요인이 거의 없는 밀착성이 향상된 방향성 전기강판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기와 같은 방법에 의해 제조된 전기강판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 포스테라이트 층이 제거된 방향성 전기강판을 제공하는 단계; 상기 방향성 전기강판의 표면에 글로우 방전 처리를 하는 단계; 장력 코팅제를 도포하여 피막을 형성하는 단계; 및 건조 소부하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법이 제공된다.
상기 피막의 두께는 0.5 ~ 6.0 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 전기강판의 두께는 150 ~300 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 피막의 장력은 0.4 ~ 1.0 kgf/mm2인 것이 바람직하다.
상기 글로우 방전 처리 시 가스 분위기는 아르곤(Argon)이고, 챔버 압력은 50 ~ 100 mTorr로 고정한 것이 바람직하다.
상기 글로우 방전 처리 시 인가된 플라즈마 파워는 0.1 ~ 30 W/in2, 시편에 인가된 바이어스는 -500 ~ -1500V, 전류는 40 ~ 90 mA인 것이 바람직하다.
상기 글로우 방전 처리 시 방향성 전기강판의 표면조도는 0.05 ~ 0.5 ㎛이고, 온도는 25 ~ 200℃인 것이 바람직하다.
상기 장력 코팅제를 0.5 ~ 6.0 g/m2로 도포하여 피막을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 건조 소부 단계는 750 내지 850 ℃에서 10 내지 50초간 수행되는 것이 바람직하다.
상기 글로우 방전 처리는 30 내지 120 초 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기 전기 강판은 Si 3.0 내지 3.4 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 장력 코팅제는 콜로이달 실리카, 금속인산, 및 산화크롬을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 장력 코팅제는 금속인산 100 중량부를 기준으로 콜로이달 실리카 15 내지 30 중량부, 및 산화크롬 5 내지 15 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기의 제조방법에 의해 제조된 방향성 전기강판이 제공된다.
본 발명에 의하면 글로우 방전을 이용하여 방향성 전기강판의 표면을 전처리 하여 표면 에너지를 상승시킴으로써 코팅제의 젖음성을 향상시키고 밀착성이 우수한 피막을 획득할 수 있다. 특히 본 발명에 의하면 경면 표면에 글로우 방전과 같은 간단한 전처리 공정만으로 일반 인산염 코팅 등과 같은 습식 코팅법을 그대로 적용할 수 있다.
도 1은 글로우 방전처리 후 액적 및 표면 젖음성을 나타낸 것이다.
도 2는 글로우 방전처리 전 시편 상태 및 표면 상태를 나타낸 것이다.
본 발명은 일반 습식코팅을 그대로 적용할 수 있고 일반 건식 코팅 대비 생산성이 매우 높은 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 포스테라이트 층이 제거된 방향성 전기강판을 제공하는 단계, 상기 방향성 전기강판의 표면에 글로우 방전 처리를 하는 단계, 장력 코팅제를 도포하여 피막을 형성하는 단계 및 건조 소부하는 단계를 포함한다.
본 발명에 사용되는 방향성 전기강판은 포스테라이트 층이 제거된 것으로, 이와 같이 표면을 평활하게 만든 경면 방향성 전기강판은 자구이동을 방해하는 표면의 피닝 사이트(Pinning site)를 제거해 줌으로써 자구이동을 원활히 하여 자기이력손을 낮추어 준다.
본 발명의 글로우 방전 처리는 아르곤(Argon)과 같은 비활성 기체가 투입되고 비교적 70 ~ 150 mTorr 정도의 낮은 진공도에서 가능하다. 이렇게 준비된 진공 챔버에 비교적 높은 전압 (1KV), 낮은 전류(300 mA)를 가하면 아르곤 기체가 이온화 되면서 시편 표면에 충돌하게 된다. 이때 소재 표면에 바이어스(bias)를 걸면 충돌을 가속화 시킬 수 있어 매우 효과적이다.
그러나 글로우 방전에 의한 전처리 공정이 현장 실기에 적용되기 위해서는 매우 빠른 시간 안에 효과적으로 강판 표면의 개질을 가능하게 만들어야 하며, 이를 만족시키기 위해서 본 발명자들은 글로우 방전 조건, 즉, 분위기 가스 구성비, 인가되는 플라즈마 파워, 소재의 표면 조도, 그리고 시편의 온도에 따라 피막 물성이 달라지는 것을 발견하였다.
상기 글로우 방전 처리 시 가스 분위기는 아르곤(Argon)인 것이 바람직하고, 아르곤 및 공기의 혼합기체를 포함할 수 있으며, 이 때 공기는 0 ~ 30 cm3/min 함유되는 것이 바람직하다. 공기가 30 cm3/min를 초과하는 경우 접촉각이 증가하는 경향이 있다.
한편, 챔버 압력은 50 ~ 100 mTorr인 것이 바람직하다. 챔버 압력이 50 mTorr 미만인 경우 글로 방전(Glow discharge)의 안정성에 문제가 있으며, 100 mTorr를 초과하는 경우 글로 방전(Glow discharge) 영역을 넘어 RF 또는 마그네트론 방전(Magnetron discharge) 범위로 전이 된다.
상기에서 설명한 바와 같이 아르곤 또는 공기와 아르곤의 혼합 기체가 채워져 있는 진공도가 낮은 챔버에 적절한 전압과 전류를 인가하면 공기 또는 아르곤이 이온화 되면서 시편의 표면과 충돌하게 된다. 이때 시편의 표면에너지는 식(2)에서 보여지는 바와 같이 표현된다 (R. Mahlberg et al., International Journal of Adhesion and Adhesive, 18, 283 (1998))
Figure 112010086972311-pat00002
(2)
여기서 γs 는 강판표면의 에너지이며 이 항목은 디스펄시브 항 (γs d) 과 극성 항 (γs p), 정전기적 결합, 금속결합, 수소결합 그리고 다이폴-다이폴 결합에 기인한다.
특히 글로우 방전에 의해 전처리가 이루어졌을 때 식(2)의 극성 항이 증가하여 전체적으로 표면에너지를 증가시킨다. 따라서 코팅제가 이렇게 전 처리된 표면에 도포되는 경우 코팅제가 표면에 완전히 퍼지며, 이와 같이 젖음성이 향상되면서 원할한 코팅 작업이 가능하게 된다.
상기 글로우 방전 처리 시 인가된 플라즈마 파워는 0.1 내지 30 W/in2인 것이 바람직하며, 3.50 내지 3.80 W/in2인 것이 보다 바람직하다. 플라즈마 파워가 0.1 W/in2 미만인 경우 표면개질의 효과가 없으며 있으며, 플라즈마 파워가 30 W/in2를 초과하는 경우 과도한 표면 식각으로 인해 개질 효과가 감소할 수 있다.
상기 글로우 방전 처리 시 방향성 전기강판의 표면조도는 0.05 ~ 0.5 ㎛인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.4 ㎛인 것이 특히 바람직하며, 0.2㎛인 것이 가장 바람직하다. 표면 조도가 0.05㎛ 미만인 경우 미려한 조도로 인해 개질의 효과가 크지 않으며, 0.5㎛를 초과하는 경우 표면을 식각하는데 매우 큰 에너지가 소비되어 경제성과 효용성에 문제가 있다.
한편, 글로우 방전 처리 시 방향성 전기강판의 온도는 25 ~ 200℃인 것이 바람직하며, 150 내지 170℃인 것이 보다 바람직하고, 160℃인 것이 가장 바람직하다. 상기 전기 강판 시편의 온도가 25℃ 이상으로 증가함에 따라 접촉각이 작아지며 200℃를 초과하는 경우에는 표면 개질의 효과가 미미하다
상기 글로우 방전 처리는 30 내지 120 초 동안 수행되는 것이 바람직하며, 30 초 미만으로 수행되는 경우 표면 개질에 필요한 충분한 시간이 확보되지 않으며, 120초를 초과하여 수행되는 경우 위에서 언급한 과도한 표면 식각에 의한 경제성 및 효율성이 문제가 된다.
특히, 3.50 ~ 3.80 W/in2 플라즈마 파워에서 전기강판의 온도를 160℃ 정도로 상승시켰을 때 처리시간이 1분 미만에서 전처리 효과가 매우 높으며, 특히 위 조건에서는 도 1과 같이 물과 같은 액체를 표면에 떨어뜨렸을 때 액적 안에서 가스 버블이 발생하는 현상을 발견하였다.
이러한 현상은 다음과 같이 설명될 수 있다. 글로우 방전 처리 전의 시편에는 Fe, FeO, Fe(OH)2, FeOOH, SiO2 와 같은 산화성 물질이 존재하며 글로우 방전이 처리 후 전기 강판의 철 표면과 코팅제에는 다음과 같은 화학적 변화가 일어난다.
<철 표면>
Fe → Fe2+ + 2e-
Fe2+ +2OH- → Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O → 2 Fe(OH)3
2 Fe(OH)3 → Fe2O3 + nH2O
Si + 2H2O →SiO2 + 2H2
<코팅제>
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
위의 화학 반응 메커니즘에 따르면 철 표면에 존재하는 많은 산화성 작용기들이 글로우 방전 처리 후 히드록실 그룹으로 변환되며 이러한 경우 표면을 친수성으로 전환시킨다.
특히 본 발명에 사용될 수 있는 전기 강판은 실리콘(Si) 3.0 내지 3.4 중량%를 포함하는 방향성 전기강판인 것이 바람직하며, 3.4 중량%를 포함하는 것이 보다 바람직하고, 상기와 같은 실리콘 강판의 경우 표면에 존재하는 실리콘 성분이 코팅제 내에 존재하는 물과 반응하여 SiO2와 수소를 발생시킨다. 따라서 도 1a에서 액적 내에 존재하는 기체는 위와 같은 반응을 거쳐 생성된 기체이며, 이러한 기체가 발생하였을 경우 도 1b에서와 같이 액체의 퍼짐성과 젖음성이 매우 양호해지는 것이다.
본 발명에 사용되는 강판의 두께는 150 ~300 ㎛인 것이 바람직하며, 150㎛ 미만인 경우에는 전기강판으로서 맴돌이 전류(Eddy current loss)를 대폭 줄일 수 있으나 제품으로 생산하는데 문제가 발생하며, 300㎛을 초과하는 경우에는 맴돌이 전류(Eddy current loss)가 증가함으로써 제품으로서의 가치가 떨어진다.
상기 장력 코팅제를 도포하여 피막을 형성하는 단계는 장력 코팅제를 0.5 ~ 6.0 g/m2로 도포하여 피막을 형성하는 것이 바람직하며, 0.1 ~ 2.0 ㎛의 두께인 것이 보다 바람직하다. 장력 코팅제를 0.5 g/m2 미만으로 도포하는 경우에는 코팅제에 의한 장력부여가 충분하지 않으며, 6.0 g/m2을 초과하여 도포하는 경우에는 과도포에 의한 코팅 필름의 균열을 초래할 수 있다.
상기 장력 코팅제 피막의 장력은 0.4 ~ 1.0 kgf/mm2인 것이 바람직하며, 0.4 kgf/mm2 미만인 경우에는 코팅제 의한 장력부여가 미흡하여 코팅의 효과가 없고, 1.0 kgf/mm2을 초과하는 경우에는 장력에 의한 철손 감손을 더 이상 기대하기 어렵다.
본 발명에 사용될 수 있는 상기 장력 코팅제는 콜로이달 실리카, 금속인산, 및 산화크롬을 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 코팅제를 구성하는 성분비로는 금속인산 100 중량부를 기준으로 콜로이달 실리카 15 내지 30 중량부, 및 산화크롬 5 내지 15 중량부를 포함하는 것이 보다 바람직하다.
마지막으로, 건조 소부 단계가 수행되며, 건조 소부 단계에 의해 코팅제와 강판과의 열팽창 계수 차이에 의해 강판에 장력이 인가된다. 상기 건조 소부 단계는 750 내지 850 ℃ 에서 10 내지 50초간 수행되는 것이 바람직하고, 850℃에서 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 750 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우 코팅제 주요성분인 콜로이달 실리카가 나트워크 구조로 반응하기 위한 최소한의 온도가 되지 않아 코팅제에 장력을 부여하기 힘들며, 850 ℃를 초과하는 온도에서 이루어지는 경우 강판에 열적 변형을 초래할 수 있어 코팅제에 의한 장력효과를 충분히 기대할 수 없다. 한편, 상기 건조 소부 단계의 수행 시간이 10초 미만인 경우 건조가 충분하지 못하며 있으며, 50초를 초과하는 경우 장시간 로내 체류시간으로 인해 강판의 변형을 초래할 수 있다.
본 발명에 의하면 상기와 같은 제조 방법에 의해 제조된 방향성 전기강판이 제공되며, 이 경우 경면 방향성 소재에 피막을 형성함에 있어 증착에 의한 건식코팅 대비 생산성이 매우 높고 기존의 습식코팅 공정을 그대로 이용할 수 있으며, 표면에너지가 높아져 기존의 습식 코팅제가 표면에 도포되었을 때 젖음성이 향상된다. 따라서 경면처리된 시편도 기존의 습식코팅제를 이용하여 우수한 피막을 형성할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것으로 의도되지 않는다.
<실시예>
1. 방향성 전기강판의 제조
실리콘(Si)를 3.1중량% 함유하고, 판 두께 0.23mm이며, 마무리 소둔 된 1차 피막이 없는 경면 방향성 전기강판 (300 ×60mm)을 공시재로 한다.
상기 경면 방향성 시편을 진공 챔버에 위치시키고 5.0 × 10-6 Torr 정도로 감압한다. 아르곤(Argon)을 60 cm3/min 이하의 범위에서 투입하고 이 때 챔버 압력은 90 mTorr로 고정시킨다. 인가된 플라즈마 파워는 3.8 W/in2, 시편에 인가된 바이어스는 1000V, 전류는 70 mA, 시편의 표면조도는 0.25 ㎛, 시편온도를 150℃로 하여 실험하였다.
2. 평가방법
(1) 응력제거 소둔(Stress Relief Annealing, SRA)
건조한 100% N2 가스분위기에서 750℃의 온도에서 2시간 동안 열처리한다.
(2) 장력 평가
코팅된 면은 피막에 의한 인장응력의 부가로 한 쪽 방향으로 휘게 되고 이러한 휨의 정도(H')를 측정하여 피막에 의한 장력을 평가할 수 있다.
(3)절연성
절연성은 300PSI 압력 하에서 전압 0.5V, 그리고 1.0A의 전류를 통하였을 때의 수납 전류 값으로 나타낸 것이다.
(4)밀착성
밀착성은 응력제거 소둔 전, 후 시편을 10, 20, 30 ~ 100 mmφ인 원호에 접하여 180o 구부릴 때 피막 박리가 없는 최소 원호직경으로 나타낸 것이다.
(5) 피막 외관
피막외관은 줄무늬, 광택 유무 등을 육안 관찰하여 평가한 것이다.
(6) 내식성
내식성은 35℃에서 5%의 NaCl 용액에 8시간 동안 시편을 담지하는 경우 녹 발생 유무를 평가하는 것으로써, 본 시험에서는 녹 발생면적이 5% 이하일 경우 우수, 20% 이하일 경우 양호, 20~50% 약간 불량, 50% 이상에서는 불량으로 표시하였다.
(7) 젖음성 및 퍼짐성
글로우 방전처리 효과에 따른 표면 젖음성 및 퍼짐성은 물과 같은 액체를 표면에 떨어뜨린 후 액적과 표면과의 접촉각을 통해 확인하였다.
1) 글로우 방전 처리 시간에 따른 접촉각
글로우 방전처리의 효과를 확인하기 위하여 도 2와 같이 경면 처리된 표면에 물과 같은 액체를 떨어뜨려 액적의 상태 (도 2 a) 및 접촉각 (도 2b)을 측정하였다. 도면에서 확인할 수 있듯이 경면 상태의 표면은 액체의 퍼짐성 및 젖음성이 매우 열위하며 따라서 접촉각도 매우 큼을 알 수 가 있다.
상기와 같은 경면 방향성 전기강판 소재를 챔버에 위치한 후 플라즈마 파워에 따른 접촉각을 측정하였다. 인가된 플라즈마 파워는 0.1 ~ 30 W/in2 였으며, 인가 시간은 3분으로 고정하였다.
그 결과 플라즈마 파워가 증가하면 액체와의 접촉각이 점점 작아져서 표면에너지를 크게 하는 효과를 보였으나, 일정 범위 이상에서는 접촉각이 오히려 커지는 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 초기 플라즈마 이온이 표면에 충돌하여 화학적 개질에 기여하지만 장시간 이런 상태를 유지할 경우 '플라즈마 에칭'이라는 표면 식각 효과 때문에 그 효과가 감소되기 때문이라 생각된다. 따라서 본 발명에서는 인가되는 플라즈마를 3.50 ~ 3.80 W/in2 로 고정하여 실험하였다.
하기 표 1은 글로우 방전 처리 시간에 따른 접촉각을 나타내고 있다. 인가되는 플라즈마를 3.50 ~ 3.80 W/in2 로 고정한 후 인가되는 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰한 결과 2분 정도에서 가장 좋은 결과를 나타내었으며, 이는 상기에서 설명한 바와 같이 일정 시간 이상에서는 플라즈마 에칭 현상에 의해 전처리 효과가 감소되는 것으로 생각된다.
글로우 방전 처리 시간에 따른 접촉각 변화(인가 플라즈마 3.50 ~ 3.80 W/in2, 상온)
시간(분) 접촉각(도, degree)
비교예 1 10 14.2
비교예 2 5 15.5
비교예 3 2.5 16.2
실시예 1 2.0 10.4
2) 글로우 방전 처리 조건에 따른 피막물성 변화
글로우 방전이 현장 실기에 적용되기 위해서는 처리 시간이 매우 빨라야 하고 특히 1분 이하에서 처리되어야 적용 가능성을 높일 수 있다. 따라서 본 발명에서는 처리 시간을 단축하기 위해 챔버 내의 가스 구성비, 표면조도, 시편온도를 고려하여 보았다.
챔버 내의 가스를 순수한 아르곤(Argon) 상태에서 공기를 서서히 증가시켜 보았다. 그 결과 공기 투입에 의한 효과는 거의 없었으며 오히려 접촉각이 증가하는 경향을 보였다. 또한 표면조도가 0.05 ~ 0.5 ㎛ 범위인 시편에 글로우 방전처리를 한 결과 0.2 ㎛ 정도의 조도에서 효과가 가장 우수하였다.
상기와 같은 결과를 통해 플라즈마를 3.50 ~ 3.80 W/in2, 시편 조도 0.2 ㎛, 순수한 아르곤(Argon) 분위기의 챔버에서 시편의 온도를 상온~ 200 ℃로 달리하며 시험하였고 이렇게 처리된 시편에 장력코팅을 행하여 물성을 평가하였다. 글로우 방전 처리시간은 30초로 제한하였다.
하기 표 2는 그 결과를 나타내며, 시편온도가 올라감에 따라 접촉각이 작아졌으며 160 ℃가 되었을 때 그 효과가 가장 우수하였다. 이러한 현상은 온도 상승에 의해 생성된 에너지는 시편 표면을 활성화 하는데 도움을 준다고 생각되며 따라서 상온에서 시편을 처리하는 시간 대비 짧은 처리시간에도 효과를 극대화 할 수 있었다.
글로우 방전 처리 조건에 따른 피막물성 변화

전처리 온도(℃) 접촉각(°) 코팅 두께(㎛) 피막장력(kgf/mm2) 내식성 밀착성(mmφ) SRA(850℃, 3hr) 현장 적용성
상태 밀착성
실시예2 25 21.3 2.0 0.2 ◎ ≤30 양호 ≤40 ◎
실시예3 120 18.6 2.0 0.6 ◎ ≤30 양호 ≤20 ◎
실시예4 160 11.2 2.0 1.0 ◎ ≤20 양호 ≤20 ◎
실시예5 180 14.7 2.0 0.5 ◎ ≤20 양호 ≤20 ◎
비교예4 230 25.1 2.0 0.4 ○ ≤40 양호 ≤40 ◎
비교예5 스퍼터링 - 1.0 3.0 ○ ≤30 양호 ≤40 ×
비교예6 습식코팅 - 2.0 0.20~0.30 ◎ ≤30 양호 ≤30 ◎
[물성판정/ 우수: ◎, 양호: ○, 보통 △, 약간불량 ▽, 불량 ×]
이 때 접촉각이 25 도를 초과하는 경우에는 젖음성이 부족하여 원활한 코팅제 도포가 어려우며, 22 도 이하인 것이 바람직하다. 22도 이하의 접촉각을 유지하는 경우 코팅제가 도포 되었을 때 강판 표면에 코팅제가 골고루 도포되며 또한 위에서 언급한 바와 같이 개질에 의한 특별한 화학적 반응까지 수반해 강판과 표면과의 접착력을 향상 시킨다.
위와 같이 본 발명에서 제안된 그로방전(Glow discharge)에 의한 표면개질에 의한 장력코팅 도포법은 비교적 낮은 진공도 또는 상압 플라즈마를 이용하여 가능하고 아울러 기존의 장력코팅제를 이용할 수 있기 때문에 현장적용이 매우 용이하다. 반면에 스퍼터링법을 이용할 경우 습식 코팅 방법에 비해 높은 피막장력을 얻을 수 있으나 내식성이나 SRA후 밀착성이 떨어지며 무엇보다 진공도가 높은 장비가 필요하여 대단위의 생산 라인에서는 적합하지 않다.

Claims (14)

  1. 포스테라이트 층이 제거된 방향성 전기강판을 제공하는 단계;
    상기 방향성 전기강판의 표면에 글로우 방전 처리를 하는 단계;
    장력 코팅제를 도포하여 피막을 형성하는 단계; 및
    건조 소부하는 단계를 포함하고;
    상기 글로우 방전 처리 시 가스 분위기는 아르곤(Argon)이고, 챔버 압력은 50 ~ 100 mTorr로 고정하며;
    상기 글로우 방전 처리 시 인가된 플라즈마 파워는 0.1 ~ 30 W/in2, 시편에 인가된 바이어스는 -500 ~ -1500V, 전류는 40 ~ 90 mA이고;
    상기 글로우 방전 처리 시 방향성 전기강판의 표면조도는 0.05 ~ 0.5 ㎛이고, 온도는 25 ~ 200℃인 방향성 전기강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피막의 두께는 0.5 ~ 6.0 ㎛인 방향성 전기강판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전기강판의 두께는 150 ~300 ㎛인 방향성 전기강판의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 피막의 장력은 0.4 ~ 1.0 kgf/mm2인 방향성 전기강판의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 장력 코팅제를 0.5 ~ 6.0 g/m2로 도포하여 피막을 형성하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 건조 소부 단계는 750 내지 850 ℃에서 10 내지 50초간 수행되는 방향성 전기강판의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 글로우 방전 처리는 30 내지 120 초 동안 수행되는 방향성 전기강판의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전기 강판은 Si 3.0 내지 3.4 중량%를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 장력 코팅제는 콜로이달 실리카, 금속인산, 및 산화크롬을 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 장력 코팅제는 금속인산 100 중량부를 기준으로 콜로이달 실리카 15 내지 30 중량부, 및 산화크롬 5 내지 15 중량부를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  14. 제1항 내지 제4항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 방향성 전기강판.
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