KR101354464B1 - 내구성 및 비변색성의 다층 세라믹 코팅을 갖는 순수 구리 취사도구 및 금속 제품 및 이의 제조 방법 - Google Patents

내구성 및 비변색성의 다층 세라믹 코팅을 갖는 순수 구리 취사도구 및 금속 제품 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연질의 다공성 재료가 물리 증착에 의해 다층 세라믹 코팅으로 코팅된다. 코팅된 재료는 취사도구, 특히 순수 구리 기재, 베이스 코팅 및 세라믹 코팅을 포함하는 구리 취사도구 제품으로서 사용하기에 적합하다. 베이스 코팅은 스퍼터링 및 캐소드 아크의 조합에 의해 침착되어 양호한 내부식성 및 기재에 대한 접착성을 제공한다. 세라믹 코팅은 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층을 포함하며, 비변색성 표면, 양호한 내구성, 및 열 안정성을 제공한다. 코팅된 구리 취사도구 제품은 순 구리와 동일한 열 전도도, 양호한 내부식성, 높은 내구성, 탁월한 취반성 및 세척 용이성을 갖는다. 다층 코팅을 갖는 금속 제품 및 금속 제품을 제조하는 방법이 또한 기술된다.

Description

내구성 및 비변색성의 다층 세라믹 코팅을 갖는 순수 구리 취사도구 및 금속 제품 및 이의 제조 방법 {Plain copper foodware and metal articles with durable and tarnish free multilayer ceramic coating and method of making}
본 발명은 일반적으로 금속 제품, 더욱 특히 다층 코팅을 갖는 금속 제품, 및 이러한 금속 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 하나의 양태에서, 본 발명은 일반적으로 내점착성 및 순 구리(pure copper)와 같은 양호한 열 전도도를 갖는 순수 구리(plain copper) 취사도구(foodware) 제품, 더욱 특히 다층의 내구성 및 내점착성의 세라믹 코팅을 갖는 순수 구리 취사도구 제품 및 이러한 취사도구 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
조리도구(cookware)는 주철, 알루미늄, 클래드(clad) 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 클래드 스테인리스 스틸, 및 클래드 구리를 비롯한 각종 모재(base material)를 사용하여 제조될 수 있다.
시효처리된(seasoned) 주철 조리도구는 강인한 내마모성 표면을 갖는다. 그러나, 주철은 녹슬기 쉬우며, 조리도구 표면에 대한 손상을 피하기 위해 주의 깊게 세척되어야 한다. 또한, 음식물에서의 산은 상기 표면으로부터 철을 침출시켜 몇몇 경우에서 건강상 문제점들을 초래할 수 있다.
구리 조리도구는 탁월한 전열성을 갖는다. 그러나, 이는, 주철 또는 스테인리스 스틸과 같은 다른 조리도구 재료들보다 더 부드럽기 때문에 쉽게 긁힌다. 구리는 또한 쉽게 산화되어 변색(tarnish)을 초래한다. 상기 변색된 것을 없애기 위해 구리를 연마시킬 수 있지만, 표면 마감부(surface finish)를 유지하기 위해 상당한 노력을 필요로 한다. 더욱이, 구리 이온은 음식물 중으로 침출될 수 있다.
알루미늄 조리도구는 탁월한 전열성을 갖는다. 그러나, 알루미늄은 또한 이온 침출되기 쉽다. 이러한 문제점을 줄이는 하나의 방법은 알루미늄의 표면을 코팅하는 것이다. 양극산화된 알루미늄은 산화알루미늄으로 코팅된다. 상기 산화물 층은 비처리된 알루미늄보다 더욱 단단하다(비처리된 알루미늄은 공기 중에서의 산소와의 반응에 의해 산화알루미늄 박층을 갖는다). 그러나, 요리 시에 오일이 사용되지 않는다면, 음식물은 일반적으로 양극산화된 알루미늄 조리도구에 점착할 것이다. 또한, 양극산화된 알루미늄 조리도구는 식기세척기에 안전하지 않은데, 그 이유는, 통상의 자동 식기세척기에 의해 색이 변하거나 부식될 수 있기 때문이다.
또한, 알루미늄은 침출을 방지하기 위해 용사(thermal spraying)에 의해 처리될 수 있다. 그러나, 이러한 공정은 거친 표면을 형성하며, 표면이 처리되지 않는다면, 일반적으로 음식물이 상기 표면에 점착할 것이다.
스테인리스 스틸 조리도구가 널리 사용된다. 이의 강도 및 내구성은 공지되어 있다. 스테인리스 스틸은 세척이 비교적 용이하고, 구리보다 더 양호한 광택을 갖는다. 그러나, 음식물은 시효처리된 주철보다 스테인리스 스틸에 더욱 잘 점착하는 경향이 있다. 과열, 염수로의 요리, 또는 팬에서의 "졸이는 요리(cook dry)"는 표면의 색을 변하게 한다. 또한, 통상적으로 아주 낮다고 할지라도, 철, 크롬, 망간 및 니켈과 같은 이온들의 침출이 스테인리스 스틸과 관련될 수 있다.
또한, 스테인리스 스틸은 불량한 열 도체이다. 225℃에서 스테인리스 스틸의 열 전도도는 단지 19W/mK이며, 반면 동일 온도에서 구리는 398W/mK이고 알루미늄은 250W/mK이다. 따라서, 구리는 열 전달이 스테인리스 스틸보다 약 20배 높다.
스테인리스 스틸 조리도구의 성능은, 그 팬이 열을 얼마나 잘 확산시켜서 "열점(hot spot)"을 감소 또는 제거시키는 가에 의해 대부분 정해진다. 스테인리스 스틸 조리도구의 열을 분산시키기 위해, 브레이징(brazing) 또는 충격 본딩(impact bonding)을 사용하여 알루미늄 또는 구리 디스크를 상기 팬의 바닥에 첨가할 수 있다(측벽은 스테인리스 스틸이다). 열 전도도가 개선된다고 할지라도, 전체 팬의 열 분포는 균일하지 않다. 더욱이, 사용자가 장기간 동안 과열로 음식을 요리하거나 또는 상기 팬을 마른 상태로 졸이는 경우, 상기 디스크가 상기 팬으로부터 분리될 수 있다.
스테인리스 스틸 조리도구의 열을 분산시키기 위한 또 다른 방법은 상기 조리도구의 모재로서 클래드 스테인리스 스틸을 사용하는 것이다. 클래드 재료는 함께 붙인 스테인리스 스틸 및 알루미늄 또는 구리로 제조된다. 이러한 팬은, 바닥에만 열을 전도시키는 대신에 측벽에도 열을 균일하게 전도시킨다. 클래드 스테인리스 스틸 조리도구는 빠르게 가열되지만, 또한 빠르게 냉각되는데, 그 이유는, 구리 또는 알루미늄 코어가 열 및 냉기의 양호한 도체이기 때문이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 총 두께가 1.87mm인 5겹 재료로 만들어진 클래드 스테인리스 스틸 팬(5)은 내부 304 스테인리스 스틸 층(0.336mm)(10), 알루미늄 층(0.140mm)(15), 구리 코어(0.940mm)(20), 알루미늄 층(0.140mm)(25) 및 외부 430 스테인리스 스틸 층(0.31mm)(30)을 가질 수 있다. 총 두께가 2.71mm인 3겹 재료의 하나의 예는 내부 304 스테인리스 스틸 층(0.394mm), 알루미늄 코어(1.930mm) 및 외부 430 스테인리스 스틸 층(0.386mm)을 포함한다. 클래드 스테인리스 스틸의 열 전도도는 총 두께의 약 28 내지 35%인 스테인리스 스틸 층의 불량한 전도도와 알루미늄 또는 구리의 양호한 전도도의 조합이다.
3겹 및 5겹 스테인리스 스틸 조리도구는 보통의 스테인리스 스틸 조리도구와 동일한 단점들, 즉 조리면의 색 변화 및 긁힘을 갖는다. 상기 조리도구는 고온에서 요리할 때 쉽게 그슬릴 수 있고(scorching), 그슬린 내부 표면의 세척에는 많은 시간이 소요된다. 또한, 내부 스테인리스 스틸 표면층은 문지르는 동안 제거될 수 있다. 수요가 많은 음식점에서, 5겹 냄비는 구리 코어가 노출되기 때문에 약 7 내지 8개월만을 사용할 수 있을 것이다.
더 많은 열을 분산시키기 위한 또 다른 방법은 조리도구의 모재로서 클래드 구리를 사용하는 것이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 총 두께가 2.2mm인 클래드 구리 재료로 만들어진 팬(40)은 내부 304 스테인리스 스틸 층(0.4mm)(45), 알루미늄 층(0.3mm)(50) 및 구리 외부 층(1.5mm)(55)을 가질 수 있다. 이러한 경우, 스테인리스 스틸 층은 전체의 18%로 감소된다. 클래드 구리 조리도구의 최종 열 전도도는 3겹 또는 5겹 클래드 스테인리스 스틸 조리도구의 열 전도도보다 더 크다. 그러나, 상기 내부 스테인리스 스틸 표면은 다른 스테인리스 스틸 조리도구와 동일한 문제점들, 즉 색 변화(discoloration)/그슬림 및 긁힘 문제를 갖는다. 또한, 상기 외부 구리 표면은 쉽게 산화할 수 있다. 상술된 바와 같이, 구리 표면 마감부의 유지에는 상당한 노력을 필요로 한다.
점착을 방지하기 위한 표면 처리는 공지되어 있다. 조리도구에 대한 한 가지 널리 공지된 표면 처리는 퍼플루오로카본 중합체의 사용과 관련된다. 퍼플루오로카본 코팅은 비점착성 표면을 제공하지만, 이들은 쉽게 긁힌다. 현재의 퍼플루오로카본 코팅이 이들의 선행 재료보다는 인성이 강할지라도, 이는 여전히 꽤 쉽게 긁힌다. 상기 표면이 긁히거나 흠집이 날 때, 퍼플루오로카본 코팅의 파편이 요리된 음식물에 들어갈 수 있다. 이러한 파편은 퍼플루오로카본 파편이 건강상 위험을 주는 것으로 알려지지 않았다고 할지라도 많은 사람들에게 불쾌감을 준다. 또한, 보통의 요리 온도에서는 안전하다고 할지라도, 퍼플루오로카본 중합체는 고온에서는 피해를 줄 수 있고 독성 연기를 방출할 수 있다.
또 다른 표면 처리는 세라믹 코팅의 사용과 관련된다. 미국 특허 제5,447,803호는 티탄 층 및 질화티탄 층의 침착을 기술하고 있다. 질화티탄 코팅은 높은 경도 및 금색을 갖는다. 질화티탄 코팅은 산화 또는 질화되어 색을 안정화시킬 수 있지만, 이러한 산화물 또는 질화물 코팅은 얇고 여전히 긁힐 수 있어서 팬의 색 변화 가능성을 초래할 수 있다.
미국 특허 제6,197,438호는 내긁힘성 및 비점착성을 달성하기 위해 프라이머 또는 상부도막 층으로서 질화크롬 또는 질화알루미늄의 두꺼운 층(약 2 내지 50마이크론)의 사용을 기술하고 있다. 질화규소, 알루미나 또는 다이아몬드형 탄소와 같은 장식적 또는 기능적 상부도막 층이 첨가될 수 있다. 플라즈마-용사된 알루미늄 합금 기재를 기본으로 하는 세라믹 코팅된 취사도구가 또한 기술되어 있다.
미국 특허 제6,360,423호는 조리도구 상의 질화지르코늄 코팅의 침착을 기술하고 있다. 상기 표면은, 내점착성 코팅을 수득하기 위해 질화지르코늄 층을 침착시키기 전에, 높은 표면 평활도로 연마되어야 한다. 상기 질화지르코늄 코팅이 색을 안정화시키기 위해 산화 또는 질화될 필요가 없다고 할지라도, 질화지르코늄은 과열에 의해 또는 염분이 있는 음식물에 의해 다양한 정도로 색이 변할 수 있다.
미국 특허 제6,906,295호 및 제7,462,375호는 내점착성, 내긁힘성, 열안정성, 내부식성 및 색상 안정성인 다층의 세라믹 코팅을 갖는 취사도구 제품을 기술하고 있다. 상기 취사도구 제품은 내부의 음식 접촉 표면 및 외부 표면을 갖는 금속 취사도구 제품을 포함한다. 음식 접촉 표면 위에, 통상적으로 금속 층인 본딩 층이 침착된다. (Ti,Al,Cr)N의 층은 상기 본딩 층에 인접하여 침착된다. 상기 코팅은 CrN과 (Ti,Al,Cr)N의 교대 층들(alternating layers)을 임의로 포함할 수 있다.
클래드 스테인리스 스틸 조리도구 또는 클래드 구리 조리도구보다 열 전도도가 우수하지만, 클래드 스테인리스 및 클래드 구리 조리도구의 내부 스테인리스 표면과 관련된 색 변화/그슬림 및 긁힘 문제를 갖지 않은 조리도구가 필요하다. 또한, 순 구리와 동일한 열 전도도를 갖는 조리도구가 필요하며, 금속의 외형을 갖고, 고온 요리 온도에서 사용하기에 적합하며, 산성의 및 염분이 있는 음식물에도 사용할 수 있는 내긁힘성, 내점착성, 열 안정성의 세라믹 코팅이 필요하다.
또한, 연질이고 다공성인 모재에 대한 양호한 접착성 및 양호한 내부식성을 갖는 세라믹 코팅이 필요하다.
본 발명은 다층의 내점착성 비변색성 코팅을 갖는 구리 취사도구 제품을 제공함으로써 상기 필요성을 만족한다. 구리 취사도구 제품은 구리 기재; 금속, 합금, 또는 이들의 조합물로부터 선택된 재료를 포함하는 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(combination cathodic arc and sputtered bonding layer)을 포함하며 상기 구리 기재의 제1 표면 위에 침착된 베이스 코팅; 및 PVD 질화물 또는 탄화질화물(carbonitride) 층을 포함하며 상기 베이스 코팅에 인접하여 침착된 세라믹 코팅을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 다층의 내점착성 비변색성 세라믹 코팅을 갖는 금속 제품에 관한 것이다. 상기 금속 제품은 금속 기재; 금속, 합금, 또는 이들의 조합물로부터 선택된 재료를 포함하는 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층을 포함하며 상기 금속 기재의 제1 표면 위에 침착된 베이스 코팅; 및 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층을 포함하며 상기 베이스 코팅에 인접하여 침착된 세라믹 코팅을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 다층의 내점착성, 비변색성 코팅을 갖는 금속 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 금속 기재를 제공하는 단계; 캐소드 아크 공정 및 스퍼터링 공정의 조합을 사용하여, 금속, 합금, 또는 이들의 조합물로부터 선택된 재료로 제조된 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층을 침착시키는 것을 포함하여, 상기 금속 기재의 제1 표면 위에 베이스 코팅을 침착시키는 단계; 및 PVD 공정을 사용하여 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층을 침착시키는 것을 포함하여, 상기 베이스 코팅에 인접하게 세라믹 코팅을 침착시키는 단계를 포함한다.
질화물 또는 탄화질화물 층은 질화물 또는 탄화질화물 합금을 의미한다. 상기 질화물 및 탄화질화물은 일반적으로 주기율표의 4족, 5족, 6족, Al 또는 B 중의 하나 이상의 원소를 포함할 것이다. 통상적으로, 상기 질화물 또는 탄화질화물은 Ti, Al, Cr, Zr, Nb, V, Mo 또는 B 중의 일종 이상을 함유할 것이다. 질화물 또는 탄화질화물은 TiN, CrN, NbN, ZrN, BN, AlCrN, TiAlN, (Ti,Al,Cr)N, (Al,Cr,X)N, 및 TiCN, CrCN, ZrCN, BCN, AlCrCN, TiAlCN, (Ti,Al,Cr)CN, (Al,Cr,X)CN을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
(Al,Cr,X)N 또는 (Al,Cr,X)CN는 추가의 원소를 갖는 알루미늄 및 크롬의 질화물 또는 탄화질화물 합금을 의미한다. X는 일반적으로 주기율표의 4족, 5족, 6족 또는 B 중의 하나 이상의 원소일 것이다. X는 통상적으로 Ti, Zr, Nb, V, Mo, 또는 B 중 하나이다. 알루미늄, 크롬 및 추가의 원소의 질화물 및 탄화질화물 합금은 알루미늄 X 질화물 및 질화크롬 또는 기타 조합물의 초격자 구조화 코팅을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
(Ti,Al,Cr)N, 또는 (Ti,Al,Cr)CN은 티탄, 알루미늄 및 크롬의 질화물 또는 탄화질화물 합금을 의미한다. 티탄, 알루미늄 및 크롬의 질화물 합금은 질화알루미늄티탄 및 질화크롬의 초격자 구조화 코팅을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 티탄, 알루미늄 및 크롬의 탄화질화물 합금은 티탄 알루미늄 탄화질화물 및 크롬 탄화질화물의 초격자 구조화 코팅을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
생체적합성은, 상기 코팅이 ISO10993-1에 따라 실시된 생체적합성 시험을 충족해야 함을 의미한다. 생체적합성 코팅의 예는 TiN, CrN, TiN/TiCN, AlTiN, TiAlN, ZrN, (Ti,Al,Cr)N을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
순수 구리는 임의의 클래드 층이 없는 구리를 의미한다.
"∼ 위에 침착된"은 임의의 중간층 없이 선행된 층에 직접 침착되는 것을 의미한다. "∼에 인접하여 침착된"은, 선행된 층에 반드시 직접 침착되는 것은 아니고, 선행된 층 다음에 침착되는 것을 의미한다. 선행된 층 위에 직접 침착될 수 있거나, 또는 서로 인접하여 침착된 층들 사이에 하나 이상의 매개층들이 있을 수 있다.
도 1은 5겹 클래드 스테인리스 스틸로 된 팬의 단면도이다.
도 2는 클래드 구리로 된 팬의 단면도이다.
도 3은 본 발명 제품의 하나의 양태의 단면도이다.
도 4는 본 발명 제품의 또 다른 양태의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 만들어진 팬의 또 다른 양태의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 유용한 침착 챔버의 계통도이다.
본 발명은 특히 다층 세라믹 코팅을 침착시킴으로써 구리 및 알루미늄과 같은 연질의 다공성 기재를 코팅하기 위해 설계된다. 다층 세라믹 코팅은 베이스 코팅 및 세라믹 코팅을 포함한다. 베이스 코팅 및 세라믹 코팅은 상이한 기능을 갖는다. 베이스 코팅은 기재 재료에 대한 양호한 접착력 및 양호한 내부식성을 제공한다. 세라믹 코팅은 양호한 내구성, 내점착성 또는 비점착성, 비변색성 및 열 안정성과 같은 목적하는 기능을 제공한다.
구리 및 알루미늄과 같은 비철 재료는 연질이고 다공성이다. 이러한 재료에서는 부식이 주된 염려이다. 따라서, 기재 위에 침착된 두껍고 조밀하고 매끄러운 베이스 코팅이 필요하다. 스퍼터링 공정은 양호한 내부식성을 제공하는 측면에서 캐소드 아크 공정보다 우수하다. DC 스퍼터링, 반응성 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링을 포함하지만 이로 한정되지 않는 스퍼터링 공정은 매끄럽고 조밀한 필름을 제조하도록 규정된 코팅 파라미터, 예를 들어 바이어스 전압 및 적합한 장치에 의해 정밀하게 제어될 수 있다. 캐소드 아크는, 조밀한 필름을 방해할 수 있는 거대 입자, 소위 액적(droplet)을 발생시켜, 불량한 내부식성을 초래한다. 그러나, 캐소드 아크 공정은, 기재로 침투할 수 있는 고에너지 금속 이온으로 기재를 공격하여, 기재에 대한 양호한 접착력을 초래한다.
하기 논의가 취사도구용 다층 세라믹 코팅의 사용에 초점을 맞추고 있다 할지라도, 이러한 코팅은 다른 제품에도 사용될 수 있다. 이러한 예로는 장식용 제품, 배관 설비, 철물 등이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
"취사도구(foodware)"는 조리도구, 취사 기물, 예를 들어 커틀러리 및 기타 수동식 식품 가공 도구[예를 들어, 소쿠리(colander), 거르개(strainer) 등], 급식 기물(예를 들어, 접시, 볼 등), 및 음식 섭취를 위한 유텐실(utensil)을 의미한다. "조리도구(cookware)"는 스토브탑(stovetop) 요리를 위한 포트(pot) 및 팬, 제빵기구(bakeware), 그리들(griddle), 그릴, 요리 유텐실(예를 들어, 스푼, 주걱 등) 및 음식을 요리하는데 사용되는 취사 장치들(예를 들어, 전기 프라이팬, 취반기 등)을 의미한다. "내점착성"은 취사도구 제품이 적어도 내점착 특성을 가짐을 의미하며, 이는 또한 비점착 특성을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제품의 하나의 양태(100)의 단면도이다. 금속 제품(100)이 도시되어 있다. 금속 기재(105)는 제1 표면(110) 및 제2 표면(115)을 갖는다. 상기 금속 기재는 스틸, 스테인리스 스틸, 순수 구리, 알루미늄, 클래드 알루미늄, 주철, 클래드 재료, 마그날륨(magnalium) 합금, 및 이들의 합금 및 조합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는 각종 재료일 수 있다. 상기 금속 기재는 고체 금속 또는 고체 합금일 수 있거나, 또는 상기 금속 기재는 금속 표면을 갖는 다층 구조와 같은 클래드 재료일 수 있다. 다층 구조의 예는 스테인리스 스틸-클래드 알루미늄 또는 구리, 플라즈마 용사된 스테인리스 스틸 코팅을 갖는 알루미늄, 또는 흑연과 같은 비금속 코어 재료를 둘러싸고 있는 금속 외부 층을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
기재(105)의 제1 표면(110) 위에 침착된 베이스 코팅(120), 및 베이스 코팅(120)에 인접하여 침착된 세라믹 코팅(125)이 있다. 상기 베이스 코팅의 전체 두께는 통상적으로 약 2 내지 약 20마이크론이며, 반면 상기 세라믹 코팅의 전체 두께는 일반적으로 약 1 내지 약 20마이크론이다.
베이스 코팅(120)은 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(130)을 포함한다. 이러한 컴비네이션 층은 동시에 작업되는 캐소드 아크 공정 및 스퍼터링 공정의 조합을 사용하여 침착된다. 상기 컴비네이션 층은 베이스 코팅의 접착의 강도를 증가시키면서 내부식성의 방해 가능성을 감소시킨다. 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층은 금속, 합금, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 상기 층의 제조에 사용된 스퍼터링 공정에서 금속 및 금속 합금이 사용될 수 있다. 적합한 금속 및 금속 합금에는 티탄, 크롬, 지르코늄, 니오븀 및 하프늄 뿐만 아니라 각종 타입의 스테인리스 스틸, 예를 들어 304 또는 316, TiAl 및 AlCr이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 상기 층을 제조하기 위해 사용된 캐소드 아크 공정에서, 금속 및 금속 합금이 사용될 수 있다. 적합한 금속 및 금속 합금에는 티탄, 크롬, 지르코늄, 니오븀 및 하프늄이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 바람직하게는, 순 금속이 기재 중으로 더욱 양호하게 침투될 수 있기 때문에, 순 금속이 캐소드 아크 공정에서 사용된다.
캐소드 아크 공정으로부터 액적을 제어하기 위해, (하나 이상의) 캐소드 아크 타겟으로부터의 전체 침착물은 상기 캐소드 아크 타겟과 스퍼터링 타겟의 (하나 이상의) 조합의 전체 침착물의 약 5 내지 약 40% 범위이다.
원하는 경우, 베이스 코팅(120)은 단일 층일 수 있다. 또는, 이는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 하나 이상의 추가의 층을 포함한다. 상기 추가의 층은 하나 이상의 추가의 컴비네이션 층 및/또는 하나 이상의 스퍼터드 층 및/또는 하나 이상의 캐소드 아크 층을 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 코팅(120)은, 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층에 인접한 스퍼터링 공정에 의해 침착된 스퍼터드 층(135)을 포함한다. 상기 스퍼터드 층을 위한 스퍼터링 공정에서, 금속 및 금속 합금이 사용될 수 있다. 적합한 금속 및 금속 합금에는 티탄, 크롬, 지르코늄, 니오븀 및 하프늄 뿐만 아니라 각종 타입의 스테인리스 스틸, 예를 들어 304 또는 316, TiAl 및 AlCr이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
제1 스퍼터드 층에 인접하여 침착된 제2 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(140)이 또한 도시되어 있다. 제2 컴비네이션 층은 제1 컴비네이션 층과 동일한 일반 공정 및 재료를 사용하여 제조된다. 그러나, 상기 2개 층에 대한 공정 및 재료가 동일할 필요는 없다(예를 들어, 제1 컴비네이션 층은 제2 컴비네이션 층 이외의 다른 금속을 사용할 수 있으며/있거나 상이한 타입의 스퍼터링 공정 또는 캐소드 아크 공정을 사용할 수 있다).
컴비네이션 층에서의 스퍼터링 공정 또는 스퍼터링된 층에 적합한 스퍼터링 공정은 반응성 스퍼터링, DC 스퍼터링 및 마그네트론 스퍼터링을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 원하는 경우, 스퍼터드 층과 컴비네이션 층의 추가의 교대 층들이 침착될 수 있다. 원하는 경우, 베이스 코팅의 상부 층은 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층일 수 있다.
최적의 내부식성을 위해, 스퍼터드 층은 베이스 코팅에서의 컴비네이션 층보다 더 두껍다. 스퍼터드 층과 컴비네이션 층의 교대 층들은 다층 세라믹 코팅에 대한 기저로서 작용하는 베이스 코팅의 경도 및 인성을 또한 증가시킬 수 있다.
베이스 코팅에 인접한 세라믹 코팅(125)이 있다. 세라믹 코팅(125)은 하나 이상의 층일 수 있다. 상기 층들 중 하나 이상은 PVD 질화물 또는 탄화질화물이다.
PVD 질화물 또는 탄화질화물 층(145)은 베이스 코팅(120)에 인접하여 침착된다. PVD 질화물 또는 탄화질화물 층은 탁월한 내구성 및 열 안정성을 갖는 비변색 표면을 제공한다. 질화물 또는 탄화질화물 합금에 적합한 재료는 TiN, CrN, NbN, ZrN, BN, AlCrN, TiAlN, (Ti,Al,Cr)N, (Al,Cr,X)N 및 TiCN, CrCN, ZrCN, BCN, AlCrCN, TiAlCN, (Al,Cr,X)CN을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. X는 Ti, Zr, Nb, V, Mo 또는 B 중 하나를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
PVD 질화물 또는 탄화질화물 층은 생체적합성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이로 인해 제품을 취사도구 등으로 사용할 수 있다.
원하는 경우, 하기에 기술되는 바와 같이, 추가의 질화물 또는 탄화질화물 층이 있을 수 있다.
다양한 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층의 조성은 동일하거나, 이는 원하는 경우 층에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, (Ti,Al,Cr)N이 사용되는 경우, Ti, Al 및 Cr의 양은 층 간에 차이가 있을 수 있다. 또는, (Ti,Al,Cr)N 및 (Zr,Al,Cr)N과 같이 상이한 원소들이 사용될 수 있다. 당해 기술 분야에 널리 공지된 바와 같이, 각 층에 사용된 타겟의 수 및 종류를 변경시켜 조성을 변화시킬 수 있다.
적합한 PVD 질화물층의 하나의 예는 (Ti,Al,Cr)N이다. 매끄러운 (Ti,Al,Cr)N 층은 비반응성 표면의 특성을 가져서, 적어도 내점착 성능 및 종종 비점착 성능을 초래한다. 원하는 경우, 초격자 개념, (Ti,Al)N/CrN, 시스템을 취사도구 제품과 같은 기재에 대한 도포에 적합한 (Ti,Al,Cr)N 코팅을 제조하는데 활용할 수 있다.
교대하는 (Ti,Al,Cr)N/CrN 층들의 코팅이 바람직한데, 그 이유는, 이것이 다층 코팅의 인성을 더욱 개선시키기 때문이다. 이로 인해, 성형 공정에서 코팅의 부서짐 없이 얇은 다층 코팅으로 금속 시트를 인발시킬 수 있다.
제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145)은 베이스 코팅(120)에 인접하여 침착된다. 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145)은 강하고, 내긁힘성과 내점착성이 있으며 열적으로 안정한 베이스층을 제공한다. 이러한 양태에서, 제1 (Ti,Al,Cr)N 층이 베이스 코팅에 침착되는 것으로 도시되었다고 할지라도, 원하는 경우, 베이스 코팅(120)과 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145) 사이에 하나 이상의 중간층이 있을 수 있다. 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145)은 통상적으로 두께가 약 0.1 내지 약 1.5마이크론 범위이다.
임의로 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145)에 인접하여 침착된 제1 질화크롬 층(150)이 있을 수 있다. 이러한 양태에서, 제1 질화크롬 층(150)이 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145) 위에 침착되는 것으로 도시되었다고 할지라도, 원하는 경우 제1 (Ti,Al,Cr)N 층(145)과 제1 질화크롬 층(150) 사이에 하나 이상의 중간층이 있을 수 있다. 제1 질화크롬 층(150)은 일반적으로 두께가 약 2마이크론 미만이다. 상부 층이 침투되는 경우에 있어서, 제1 질화크롬 층은 내부식성 및 산화 저항성을 제공한다.
(Ti,Al,Cr)N의 제2 층(155)이 임의로 제1 질화크롬 층(150) 위에 침착될 수 있다. 제2 (Ti,Al,Cr)N 층은 일반적으로 두께가 약 10마이크론 미만이다.
원하는 경우, 질화크롬과 (Ti,Al,Cr)N의 추가의 교대 층들이 침착될 수 있다. (Ti,Al,Cr)N과 질화크롬의 각각의 층은 통상적으로 0.1 내지 약 2.0마이크론 범위이다. 더 얇은 층이, 다층 코팅의 기계적 저항성 및 내부식성을 개선시키기 때문에, 바람직하다.
(Ti,Al,Cr)N 층은 높은 내부식성을 가지며, 내부식성에 대한 혹독한 시험인, 96시간의 ASTM B 368-97 시험인 구리 가속성 연수 분무 시험(copper accelerated acetic acid-salt spray test)을 통과한다.
다층 (Ti,Al,Cr)N 코팅을 갖는 조리도구는 색 변화없이 산성 및 염분이 있는 음식물을 요리하는데 적합하다. 또한, 상기 조리도구는 조리도구의 손상에 대한 걱정없이 높은 요리 온도에서 사용될 수 있다.
(Ti,Al,Cr)N 코팅은 (Ti,Al)N 및 CrN보다 더 높은 경도를 가져서 높은 내마모성을 초래한다. (Ti,Al,Cr)N 층은 극히 높은 경도 및 높은 내마모성이 조합되어, 상기 조리도구의 요리하는 표면에 내긁힘성, 내점착성 및 내구성을 제공한다. 따라서, 상기 조리도구의 모재로부터의 이온 침출의 문제가 제거된다. (Ti,Al,Cr)N 층은 일반적으로 다층 코팅의 상부 층이다.
당해 예에서는 (Ti,Al,Cr)N 및 질화크롬 층을 사용하고 있다고 할지라도, 본 발명이 상기 층으로 한정되지 않는 것으로 이해해야 한다. 다른 층들이 상술된 바와 같이 사용될 수 있다.
세라믹 코팅의 하나 이상의 층은 증발, 스퍼터링, 캐소드 아크 또는 이온 빔과 같은 물리 증착 공정을 사용하여 침착된다. 참조로, 본 명세서에서 인용되는 미국 특허 제6,906,295호 및 제7,462,375호에서는 캐소드 아크 침착 공정을 기술하고 있다.
도 4는 본 발명의 금속 제품의 또 다른 양태의 단면도이다. 제1 표면(210) 및 제2 표면(215)을 갖는 금속 기재(205)가 도시되어 있다. 베이스 코팅(220)은 제1 표면(210) 위에 침착되며, 세라믹 코팅(225)은 베이스 코팅(220)에 인접하여 침착된다.
베이스 코팅(220)은 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(230), 스퍼터드 층(235) 및 제2 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(240)을 갖는다. 또한 추가 스퍼터드 층(270) 및 컴비네이션 층(275)이 있다.
베이스 코팅(220)과 세라믹 코팅(225) 사이에 추가의 층(280)이 있다. 층(280)은 캐소드 아크 공정에 의해 침착된, Cr 층과 같은 금속 층일 수 있다.
추가의 층(280) 위에 침착된 (Ti,Al,Cr)N의 제1 층(245), 질화크롬의 제1 층(250) 및 (Ti,Al,Cr)N의 제2 층(255)이 있다. 추가의 질화크롬 층(285) 및 (Ti,Al,Cr)N 층(290)이 있다.
도 5는 본 발명의 팬의 또 다른 양태의 단면도이다. 제1 표면(310) 및 제2 표면(315)을 갖는 금속 기재(305)가 도시된다. 베이스 코팅(320) 및 세라믹 코팅(325)은 기재(305)의 면(310) 및 면(315) 둘 다 위에 침착된다.
예시로서, 취사도구 제품 위에 코팅을 침착하는 하나의 공정이 기술될 것이다. 당해 기술 분야의 숙련자에게 널리 공지된 다른 공정 또는 단계가 사용될 수 있다.
취사도구 제품을 먼저 형성하고 이어서 코팅하거나, 평판 금속 시트를 코팅한 후 이어서 팬으로 성형할 수 있다. 이러한 공정은 사전성형된 팬을 코팅하기 위해 기술될 것이다.
매끄러운 표면을 형성하기 위해, 침착 전에 순수 구리 팬을 연마할 수 있다. 당해 기술 분야의 숙련자에게 공지된 바와 같은 버핑(buffing) 또는 그라인딩(grinding) 화합물 또는 또 다른 연마 매질이 사용될 수 있다. 매우 밝은 표면 마감부를 달성하기 위해 반드시 필요하지는 않더라도, 상기 표면은 되도록 매끄러워서, 일반적으로 상기 표면 상에서 동심원적 기본선에 수직으로 측정할 때 약 20마이크로인치 미만 또는 16마이크로인치 미만 및 통상적으로 약 10 내지 약 16마이크로인치 범위, 예를 들어 약 2 내지 약 4마이크로인치이어야 한다.
이어서, 상기 순수 구리 팬을 철저하게 세척하고 건조시켜, 임의의 그리스, 연마 잔류물, 유리되어 매봉된 입자들, 산화물 염 잔류물, 또는 기타 이물질들을 제거한다. 통상적인 세척에는 초음파 세척과 결합된 수성 세척 시스템을 포함할 것이다.
침착되는 층에 따라, 캐소드 아크 침착 공정 및 스퍼터링 침착 공정은 별도로 작업할 수 있거나, 또는 동일 진공 챔버에서 동시에 함께 작업할 수 있다. 캐소드 아크 캐소드(cathodic arc cathode) 및 스퍼터링 캐소드 모두 금속 또는 합금으로 그것들의 목적하는 타겟을 가질 수 있다. 이러한 코팅 챔버는, 목적하는 단계를 실시하는데 필요한, 진공 펌프 시스템, 가스-공급 시스템, 부품 홀더, 유성 회전 시스템(planetary rotation system), 전력원 및 각종 전기 시스템을 포함한 본 발명에 따른 방법으로 실시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 하나의 양태의 실시에 사용될 수 있는 침착 챔버(400)의 예의 도면이다. 이는 캐소드 아크 시스템 및 스퍼터링 시스템을 포함하는 다중 캐소드 시스템이다. 적절한 캐소드 아크 캐소드(415)는 도 6에 도시된 바와 같은 챔버 내에 위치한다. 예를 들어, 50% 티탄/50% 알루미늄의 압축 분말 금속 타겟이 순 크롬의 압축 분말 금속 타겟과 함께 사용될 수 있다. 적절한 장방형 스퍼터링 캐소드(420)는 상기 동일한 챔버에 위치한다. 예를 들어, 스테인리스 스틸 타겟 또는 티탄 타겟이 사용될 수 있다. 캐소드 아크 캐소드 및 스퍼터링 캐소드의 개수 및 종류 뿐만 아니라 사용된 타겟의 재료는, 챔버의 크기 및 침착된 코팅에 따라 다를 것이다.
팬(405), 예를 들어 순수 구리 팬을 적합한 고정대에 놓고, 목적하는 회전을 갖는 유성(410)에 위치시킨다. 도시된 바와 같이, 모든 팬은 침착되는 동안 회전할 수 있다. 원하는 경우, 각각의 팬(405)이 또한 회전할 수 있다.
챔버는 약 10-3Pa의 압력 이하로 펌핑된다. 상기 팬은, 팬을 제조하는 재료의 유형에 따라 약 350℉ 내지 약 450℉의 범위의 온도로 가열된다.
약 800 내지 약 1200V의 부전압으로 팬을 바이어싱(biasing)시킴으로서 글로우 방전을 발생시켜, 상기 팬을 마이크로-세척한다.
베이스 코팅의 컴비네이션 본딩 층은 동시에 작업된 스퍼터링 공정과 캐소드 아크 공정에 의해 침착된 혼합층이다. 타겟, 예를 들어 티탄, 크롬 또는 스테인리스 스틸의 스퍼터링은 약 200 내지 500V의 기재의 바이어스 전압과 약 0.3 내지 약 1.0Pa로 조절된 진공 준위에서 희가스인 아르곤의 고에너지 이온으로의 충격에 의해 실시된다. 스퍼터링 타겟으로부터 방출된 원자는 기재 위에 침착되어 매끄럽고 조밀한 필름을 형성한다. 스퍼터링 파라미터는 당해 기술 분야에 널리 공지된 바와 같이 가변 스퍼터링 시스템을 기준으로 하여 정밀하게 제어될 수 있다.
동시에, 캐소드 아크 공정의 타겟, 예를 들어 크롬 또는 티탄은 동일한 아르곤 대기 및 진공 준위에서의 높은 전류와 낮은 전압 아크에 의해 공격 받아서, 고준위 이온화 다가 이온, 중성 입자, 클러스터 및 거대 입자를 함유하는 플라즈마 제트를 산출한다. 고에너지 이온(Cr＋, Ti＋)은 기재에 대한 양호한 접착력을 제공하는 깊이로 기재 중으로 침투할 수 있다. 스퍼터링 및 캐소드 아크 공정으로부터의 침착물은 컴비네이션 본딩 층에 쌓인다. 일반적으로, 컴비네이션 본딩 층은, 캐소드 아크 공정으로부터의 조밀한 이온보다 스퍼터링 공정으로부터의 더욱 조밀한 원자를 함유하고, 기재에 대한 양호한 접착성을 갖는 매끄럽고 조밀한 컴비네이션 층을 형성한다. 캐소드 아크 공정으로부터의 침착물의 양은, 목적하는 접착 강도를 제공하면서도, 매끄러운 본딩 층에 대한 거대 입자의 부정적인 효과를 제한하기에 충분해야 한다. 바람직하게는, 캐소드 아크 공정으로부터의 침착물은 컴비네이션 층에 대한 전체 침착물 중의 약 40% 이하이다. 컴비네이션 층의 두께는 일반적으로 약 0.1 내지 약 3.0마이크론 범위이다.
컴비네이션 층에 인접하여 침착된 베이스 코팅의 하나의 층은 스퍼터드 층이다. 이는 캐소드 아크 공정에 대한 타겟 모두를 터닝 오프(turning off)시킴으로써 제조될 수 있다. 스퍼터링은 원하는 경우, 컴비네이션 층에서와 같은 작업 파라미터를 사용하여 연속적으로 실시할 수 있다. 제1 스퍼터드 층의 두께는 통상적으로 약 0.1 내지 약 3마이크론이다.
베이스 코팅의 또 다른 층은 제1 층에 인접하여 침착된 또 다른 컴비네이션 층이다. 상기 컴비네이션 층은 상술된 바와 같이 스퍼터링 공정 및 캐소드 아크 공정을 사용하여 형성된다. 베이스 코팅의 제2 컴비네이션 층의 두께는 일반적으로 약 0.1 내지 약 3마이크론이다.
베이스 코팅에 인접하여, 기능적 세라믹 코팅, 예를 들어 (Ti,Al,Cr)N이 캐소드 아크 공정에 의해 침착된다.
금속 층, 예를 들어 Cr은 모든 스퍼터링 타겟이 터닝 오프될 때 베이스 코팅에 인접하여 침착될 수 있다. 상기 팬은 약 600 내지 약 1000V의 바이어스 전압과 약 10-2Pa의 진공 준위에서 이온(Cr＋)과 충돌한다. 상기 금속 층은 약 1마이크론 미만의 두께를 가질 수 있다.
TiAl 및 Cr 타겟 모두에 대해 터닝 온(turning on)되면, 이어서 질소가 상기 시스템에 도입되어 (Ti,Al,Cr)N 코팅을 형성한다. 인가 전압은 약 0.4 내지 약 1.5Pa의 진공 준위에서 약 80 내지 약 200V이다.
약 80 내지 약 200V의 바이어스 전압 및 약 0.4 내지 약 1.5Pa의 진공 준위에서 질화크롬의 층을 침착시키기 위해 Cr 캐소드가 온(on)으로 유지되는 동안 TiAl 캐소드는 터닝 오프된다.
이어서, TiAl 캐소드를 다시 터닝 온시켜 (Ti,Al,Cr)N의 또 다른 층을 침착시킨다. 상기 절차를 반복하여 목적하는 대로 질화크롬 및 (Ti,Al,Cr)N의 다수의 층들을 침착시킨다. 팬을 제조하는 재료에 따라, 침착의 종결 시에 침착 온도가 약 600℉ 내지 약 900℉로 상승될 수 있다.
당해 기술의 숙련자에게 공지된 바와 같이 쥬월러 루즈(Jeweler Rouge), 다이아몬드 화합물 또는 또 다른 연마 매질을 사용하여 팬을 최종 연마시켜 함침된 미립자 및 코팅 잔류물이 없는 표면을 달성할 수 있다.
다양한 (Ti,Al,Cr)N 층의 조성은 동일하거나, 또는 원하는 경우, 층에 따라 서로 상이할 수 있다. 당해 기술 분야에 널리 공지된 바와 같이, 각 층에 사용된 타겟의 수와 종류를 변경시켜 조성을 변경시킬 수 있다.
캐소드 아크 침착 공정에서, Cr 타겟의 수는, 코팅의 조합된 물리적 성질(즉, 내점착성, 산화방지성, 인성, 색 안정성 등) 모두가 균형을 이룰 수 있도록 (Ti,Al,Cr)N 층을 침착시키는데 사용된 TiAl 타겟의 수보다 크거나 또는 동일한 것이 바람직하다. TiAl의 수가 Cr 타겟의 수보다 더 클 때, 형성된 (Ti,Al,Cr)N 코팅이 내점착성 코팅으로서 사용하기에 여전히 매우 적합하다고 할지라도 (Ti,Al,Cr)N 코팅은 염분이 있는 음식물을 요리할 때 약간의 색 변화를 보여 준다. 상기 색 변화가 어떤 용도에서는 외관상 이유 때문에 바람직하지 않을 수 있다고 할지라도, 이는 다른 용도에서는 문제가 되지 않을 수 있다. 이는, Bar Keepers™ 세척제 또는 몇 방울의 레몬 쥬스를 사용하여 쉽게 제거할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 구리 팬은 (1개 면 위에서) 30마이크론 미만의 두께로 본 발명의 코팅으로 코팅된 총 1.4mm의 두께를 갖는 순수 구리 재료로 구성될 수 있다. 총 1.4mm 두께의 구리 재료와 비교되는 이러한 박막 코팅(0.003mm)에서, 팬의 열 전도도에 대한 코팅의 영향은 무시될 수 있다. 따라서, PCP(Plain Copper PVD: 순수 구리 PVD) 조리도구는 순 구리와 동일한 열 전도도를 갖는데, 이것이 유의한 특징이다.
표 1은 3겹 및 5겹 클래드 스테인리스 스틸 조리도구에서 304 스테인리스 스틸의 내부층과 본 발명의 코팅의 경도를 비교한 것이다. 본 발명의 코팅의 경도는 304 스테인리스 스틸의 내부층보다 약 5 내지 7배 더 단단하다. 결과적으로, PCP 조리도구의 조리면의 내구성은 3겹 또는 5겹 클래드 스테인리스 스틸의 조리면보다 약 5 내지 7배 더 양호하며, 이것이 PCP 조리도구의 또 다른 유의한 특징이다.
또한, PCP 조리도구는 탁월한 열 안정성을 나타낸다. PCP 조리도구는 (Ti,Al,Cr)N의 기능성 다층 코팅의 결과로서 약 700℃까지의 온도에서 견딜 수 있다. 보통의 요리 시에, 요리 온도는 통상적으로 약 300℃ 미만이다. PCP 구리 팬과 5겹 클래드 스테인리스 팬을 350℃에서 약 15분 동안 가열시켜 두 팬을 비교하였다. PCP 팬은 색의 변화가 없었으며, 전체 표면에서 원래의 광택 표면을 유지하였다. 5겹 클래드 팬은 전체 표면에서 색 변화 또는 그슬림(갈색)을 보였으며, 이는 고온에서 요리하는 동안 스테인리스 스틸은 내열성이 없다는 것을 의미한다.
PCP 조리도구의 또 다른 유의한 특징은 이의 양호한 내부식성이며, 변색이 없다. 구리 재료가 쉽게 변색된다는 것은 널리 공지되어 있다. 본 발명의 코팅으로 코팅된 순수 구리 조리도구는 변색이 없다.
실시예 1
두께가 1.4mm인 순수 구리로부터 제조된 10인치 팬을 조리도구의 전체 면에 대해 본 발명의 코팅으로 코팅하였다. 다층 세라믹 코팅에는 약 3 내지 5마이크론의 베이스 코팅이 포함되었다. 상기 베이스 코팅은 Cr, Ti 및 스테인리스 스틸로부터 제조된 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층(0.2 내지 0.4마이크론), Ti 및 스테인리스 스틸의 스퍼터드 층(0.3 내지 0.5마이크론), 및 이어서, 선행된 층들과 동일한 조성물로부터 제조된, 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층과 스퍼터드 층이 교대하는 4쌍의 층이었다. 상기 베이스 코팅의 상부 층은 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층이었다. 세라믹 코팅은 약 5 내지 6마이크론이었으며, 상부 코팅으로서, 초격자 (Ti,Al,Cr)N 및 CrN과 이어서 (Ti,Al,Cr)N이 교대하는 6쌍의 층을 포함한다. 베이스 코팅 및 세라믹 코팅을 포함하는 전체 코팅 두께는 약 10 내지 12마이크론(한쪽 면)이었다. 동일한 다층 세라믹 코팅은 상기 팬의 외부 면에 있었다.
상기 PCP 팬을 시험하여, 5겹의 스테인리스 스틸 조리도구(5겹 클래드) 및 클래드 구리 조리도구(Cu 클래드)와 비교하였다.
표 2는 10인치의 PCP 팬을 10인치의 5겹 클래드 팬과 비교한 결과이다. 각 팬에는 동일한 음식물이 요리되었다. 상기 팬을 예열 시간, 요리 시간, 음식물의 팬에 대한 점착성 및 세척의 용이성에 대해 평가하였다.
샘플 1 - 스트립 스테이크
심지어 더욱 낮은 가열 설정치에서도 PCP 팬은 5겹 클래드 팬 보다 예열 시간이 더욱 짧았으며, 전체 요리 시간은 거의 2분 더 짧았다. 또한, 스테이크는 PCP 팬에 점착되지 않았다.
샘플 2 - 파스타 프리마베라
PCP 팬은 심지어 낮은 가열 설정치에서도 5겹 팬보다 더 빠르게 가열되었고 더 빠르게 요리되었다. PCP 팬에서 요리하는 동안 색 변화도 없었고 그슬림도 없었다. 5겹 클래드 팬의 조리면이 심하게 그슬렸다. 그슬린 표면은 보통의 소비자의 세척 방법을 사용하여 세척하기는 어려웠다. 산업용 스카치 패드(scotch pad)를 사용하여 세척하면 흠집이 도처에 나타났으며, 힘을 줘서 문지르는 경우 304 층이 제거될 수 있다. 산업용 스카치 패드를 사용하여 PCP 팬의 조리면을 문지르면 흠집이 나타나지 않았다.
샘플 3 - 호수 송어
PCP 팬은 5겹 클래드 팬보다 더욱 빠르게 요리되었다. 호수 송어는 PCP 팬에서 더욱 잘 갈변되었으며, 세척하기가 용이하였다. 5겹 클래드 팬은 세척하기 위해 얼마간의 문지름을 필요로 하였다.
샘플 4 - 안심 스테이크
고기를 팬에 구은 후, 팬을 10분 동안 350℉의 오븐에 넣었다. PCP 팬에서 목적하는 대로 갈변되도록 안심 스테이크를 굽는데 35초가 걸렸으며, 반면 5겹 클래드에서는 상기와 동일하게 갈변시키는데에 1분이 결렸다. 이어서, 상기 2개 팬을 오븐에 넣었다. PCP 팬에서 요리된 안심 스테이크는, PCP 팬에서 더욱 빠르게 구워지고 육즙과 수분을 포획하기 때문에, 육즙이 더욱 풍부하였으며, 고기는 맛이 더욱 좋았다. 5겹 클래드 팬에서 요리된 안심 스테이크는 약간 퍽퍽하였다. 5겹 클래드 팬은 요리하는 동안에 그슬렸으며, 표면을 문지를 필요가 있었으며, 많은 흠집이 발생하였다.
샘플 5 - 발삼 시럽
발삼 식초가 매우 점성인 시럽으로 변할 때까지 발삼 식초를 끓였다. 이러한 실험은 시럽을 제거하기 위한 팬의 세척 능력을 연구하는데 사용되었다. 뜨거운 물로 세정하여 PCP 팬으로부터 모든 시럽을 간단하게 제거하는데에는 단지 10초가 걸렸다. 그러나, 5겹 클래드 팬은 시럽을 제거하기 위해 문지를 필요가 있었다.
샘플 6 - 전분을 입힌 닭 볶음
본 실험은 비점착성 능력을 연구하기 위해 설계되었다. 전분으로 요리된 고기는 팬에 쉽게 점착된다. PCP 팬과 5겹 팬을 동일량의 오일로 코팅하고, 팬을 가열시킨 후, 오일에서 증기가 나기 시작하면 닭을 팬에 넣었다.
PCP 팬에서 볶아진 닭은, PCP 팬의 탁월한 열 전도도로 인해 PCP 팬이 매우 뜨겁기 때문에, 점착되지 않았다. PCP 팬은 고기를 매우 빠르게 구워서 고기를 점착시키지 않았다. 동일한 가열 설정치가 사용된다고 할지라도, 5겹 클래드 팬은 이의 불량한 열 전도도로 인해 PCP 팬만큼 뜨겁지 않아, 상기 고기가 상당히 점착되었다. 5겹 클래드 팬에서는 도처에 그슬림이 있었으며, 세척이 어려웠다. 표면을 문지르기 전에 수 시간 동안 뜨거운 물에 상기 팬을 담글 필요가 있었다.
샘플 7 - 계란 프라이
동량의 요리 오일을 두 팬에 분사하였다. 팬들을 가열시키고 오일 대부분을 종이 타월로 닦아내었다. 오일에서 증기가 발생하기 시작할 때 계란을 떨어 뜨렸다. PCP에서 프라이된 계란은 점착되지 않았다. 5겹 클래드 팬에서 프라이된 계란은 점착되었다.
실시예 2
표 3은 10인치의 PCP팬과 10인치의 클래드 구리 팬의 비교를 보여 준다. 클래드 구리 조리도구는 현존하는 조리도구에서 가장 양호한 열 전도도를 갖는 것으로 공지되어 있다. 두 팬에서 동일한 음식이 요리되었다. 팬들은 예열 시간, 요리 시간, 음식물의 팬으로의 점착성 및 세척의 용이성에 대해 평가되었다.
샘플 8 - 닭 튀김
PCP 팬이 더욱 빠르게 가열되었고 닭도 더욱 우수하게 갈변되었다. 또한 PCP 팬의 세척은 클래드 구리 팬의 2분에 비하여 35초로 더욱 빨랐다.
샘플 9 - 새우 튀김
PCP 팬이 더욱 빠르게 가열되었고 새우도 더욱 우수하게 갈변되었다. 클래드 구리 팬의 조리면은 요리하는 동안 그슬린 반면, PCP 팬은 색 변화가 없었다. 그슬린 면을 문지르면 흠집이 발생하였다.
샘플 10 - 간장 소스를 사용한 쇠고기 볶음
PCP 팬이 더욱 빠르게 가열되었고 고기도 더욱 우수하게 갈변되었다.
실시예 1 및 2는 PCP 조리도구의 유의한 특징을 증명한다. PCP 팬은 탁월한 열 전도도를 가져서, 더 낮은 열 전도도를 갖는 5겹 클래드 스테인리스 스틸 팬 또는 클래드 구리 팬에 비하여 요리 성능이 우수하다. 상기 유의한 특징들은, 조리도구의 모재로서 연질의 순수 구리의 사용을 가능하게 하는 다층 코팅으로부터 비롯된다.
PCP 조리도구는 구리의 사용으로 인해 높은 열 전도도를 갖는다. 결과적으로, 상기 팬은 놀라울 정도로 빠르고 균일하게 가열되고 또한 신속하게 냉각된다. 또한, 더 낮은 가열 설정치를 사용하면서도 여전히 탁월하게 요리할 수 있다.
다층 코팅은 304 스테인리스 스틸보다 5 내지 7배 더 단단하다. 따라서, PCP 구리 조리도구는 3겹 및 5겹 클래드 스테인리스 조리도구 및 구리 클래드 조리도구보다 내구성이 훨씬 크다. 상기 코팅은 탁월한 내긁힘성을 제공하여 긁힘 없이 연마 스카치 그릿(abrasion scotch grit)의 사용을 가능하게 한다. 상기 조리도구는 금속 유텐실에 대해 안전하고, 세척이 쉬우며, 수명이 길다.
상기 조리도구는 탁월한 내부식성을 가지고 변색이 없다. 이는 약 700℃ 이하의 높은 온도에서도 견딜 수 있다. 염분이 있거나 산성인 음식물에도 사용하기 안전하다. 식기세척기에도 안전하다.
순수 구리 및 다층 코팅의 이점을 조합함으로써, PCP 조리도구는 순 구리와 동일한 열 전도도, 양호한 내부식성, 높은 내구성, 탁월한 취반성, 및 세척 용이성을 갖는다. 변색이 없는 장기간 지속되는 새로운 순수 구리 조리도구가 본 발명으로부터 실현된다.
본 발명을 설명하기 위해 특정의 대표적인 양태 및 상세한 내용이 제시되었지만, 당해 기술 분야의 숙련자들은 첨부된 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 기술된 조성 및 방법에서 여러 변화가 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.
Figure 112011086790714-pct00001
Figure 112012027692564-pct00010
Figure 112012027692564-pct00011

Claims (15)

  1. 다층의 내점착성 비변색성 세라믹 코팅을 갖는 금속 취사도구 제품(foodware article)으로서, 상기 제품이
    금속 기재;
    금속 또는 금속 합금을 포함하는 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층(combination cathodic arc and sputtered bonding layer)을 포함하며 상기 금속 기재의 제1 표면 위에 침착된 베이스 코팅; 및
    PVD 질화물 또는 탄화질화물 층을 포함하며 상기 베이스 코팅에 인접하여 침착된 세라믹 코팅을 포함하는, 금속 취사도구 제품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 기재가 순수 구리(plain copper)인, 금속 취사도구 제품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 기재가 알루미늄, 클래드(clad) 알루미늄, 스틸, 주철, 스테인리스 스틸, 클래드 구리, 클래드 스테인리스 스틸, 또는 이들의 합금으로부터 선택된 재료로 제조된, 금속 취사도구 제품.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층과 상기 세라믹 코팅 사이에 침착된 하나 이상의 추가의 층을 추가로 포함하며, 여기서 상기 추가의 층은 스퍼터드 층, 캐소드 아크 층, 또는 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층으로부터 선택되며, 상기 추가의 층은 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 금속 취사도구 제품.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 층이 티탄, 크롬, 지르코늄, 니오븀, 하프늄, 스테인리스 스틸, 또는 이들의 합금으로부터 선택된 재료로 제조된, 금속 취사도구 제품.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층이 주기율표의 4족, 5족, 6족, Al 또는 B로부터의 하나 이상의 원소의 질화물 또는 탄화질화물로부터 선택되는, 금속 취사도구 제품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층이 (Al,Cr)N, (Al,Cr)CN, (Al,Cr,X)N 또는 (Al,Cr,X)CN을 포함하며, 여기서 X가 Ti, Zr, Nb, V, Mo 또는 B로부터 선택되는, 금속 취사도구 제품.
  8. 제7항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층이 (Ti,Al,Cr)N 또는 (Ti,Al,Cr)CN을 포함하는, 금속 취사도구 제품.
  9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층에 인접하여 침착된 하나 이상의 추가의 층을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 추가의 층은 CrN 및 (Ti,Al)N, 또는 CrCN 및 (Ti,Al)CN, 또는 (Ti,Al,Cr)N 및 CrN, 또는 (Ti,Al,Cr)CN 및 CrCN의 교대 층들(alternating layers)로부터 선택되는, 금속 취사도구 제품.
  10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 코팅의 두께가 0.2 내지 20마이크론 범위이며 상기 세라믹 코팅의 두께가 1.0 내지 20마이크론 범위인, 금속 취사도구 제품.
  11. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 코팅의 침착 전에 상기 기재의 표면이 20 마이크로인치 미만의 표면 마감부(surface finish)를 갖는, 금속 취사도구 제품.
  12. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층에서, 하나 이상의 캐소드 아크 타겟으로부터 침착된 금속 또는 금속 합금의 양이 상기 하나 이상의 캐소드 아크 타겟과 하나 이상의 스퍼터링 타겟 둘 다로부터 침착된 금속 또는 금속 합금의 전체 양의 5% 내지 40% 범위인, 금속 취사도구 제품.
  13. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물 층이 생체적합성인, 금속 취사도구 제품.
  14. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 PVD 질화물 또는 탄화질화물이 스퍼터링, 반응성 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링 또는 캐소드 아크 공정으로부터 선택된 물리 증착 공정에 의해 침착되는, 금속 취사도구 제품.
  15. 다음의 단계를 포함하는 다층의 내점착성 비변색성 코팅을 갖는 금속 취사도구 제품의 제조 방법:
    금속 기재를 제공하는 단계;
    캐소드 아크 공정 및 스퍼터링 공정의 조합을 사용하여, 금속 또는 금속 합금으로 제조된 컴비네이션 캐소드 아크 및 스퍼터드 본딩 층을 침착시키는 것을 포함하여, 상기 금속 기재의 제1 표면 위에 베이스 코팅을 침착시키는 단계; 및
    PVD 공정을 사용하여 질화물 또는 탄화질화물 층을 침착시키는 것을 포함하여, 상기 베이스 코팅에 인접하게 세라믹 코팅을 침착시키는 단계.
KR1020117026280A 2009-04-07 2010-03-25 내구성 및 비변색성의 다층 세라믹 코팅을 갖는 순수 구리 취사도구 및 금속 제품 및 이의 제조 방법 KR101354464B1 (ko)

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