KR101442559B1 - 코팅액 조성물 및 이를 이용한 고품질 세라믹 코팅층의 형성방법 - Google Patents

코팅액 조성물 및 이를 이용한 고품질 세라믹 코팅층의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a); 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b); 및 용매(c)를 포함하는 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물, 및 (ⅰ) 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 용매에 혼합하여 코팅액 조성물을 형성하는 단계; (ⅱ) 상기 (ⅰ)에서 형성된 코팅액 조성물을 코팅 모재에 코팅하는 단계; 및 (ⅲ) 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹 코팅층의 형성방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 세라믹 코팅층을 형성함에 있어서 코팅액을 균질한 분산액 형태로 제조함으로써, 용매에 대한 함침 효율을 높이고 공정 효율성을 높일 수 있으며, 코팅층과 모재와의 계면에서의 응력을 완화시켜 코팅층의 크랙 발생을 억제하고, 나아가 코팅 주재료와 필러 간의 계면 특성을 향상시켜 코팅층의 안정성, 내구성 및 품질을 높여, 다양한 분야, 특히 고온 내식성 또는 내화학 특성이 요구되는 분야에 널리 적용될 수 있다.

Description

코팅액 조성물 및 이를 이용한 고품질 세라믹 코팅층의 형성방법{COATING COMPOSITION AND METHOD OF FORMATION OF THE HIGH QUALITY CERAMIC COATING LAYER USING THE SAME}
본 발명은 코팅액 조성물 및 이를 이용한 세라믹 코팅층의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코팅 주재료와 동종의 불용성 고분자 전구체를 필러로 이용함으로써, 코팅층과 모재와의 계면에서의 응력을 완화시켜 코팅층의 크랙 발생을 억제하고, 코팅 주재료와 필러 간의 계면특성을 향상시켜 코팅층의 안정성, 내구성 및 품질을 높일 수 있는 코팅액 조성물 및 이를 이용한 세라믹 코팅층의 형성방법에 관한 것이다.
반도체 공정에서 반응기는 Ni-Cr계 특수강 또는 고내식 스테인레스강과 같은 금속계 재료로 이루어지고, 척(chuck)이나 지그(jig) 등은 흑연 소재로 형성되는 것이 일반적이다. 통상 반도체 공정은 고온의 산화 또는 강한 부식성 조건하에서 이루어지기 때문에, 반응기, 척 또는 지그 등은 이를 견딜 수 있는 세라믹 코팅과 같은 고내식성 코팅이 필수적으로 요구된다.
특히, 실리콘카바이드와 같은 비산화물계 세라믹은 내플라즈마 특성과 고온 안정성 등이 다른 세라믹 소재에 비해 현저히 우수하므로 세라믹 코팅의 주요한 후보 소재로 부각되고 있다.
실리콘카바이드 코팅으로서는, 화학증착법(CVD)을 이용하여 흑연 소재 제품에 코팅하는 방법이 반도체 공정에서 사용되고 있으나, 비용이 높고 코팅 모재의 형상이나 사이즈에 따라 그 적용이 제한적이다.
코팅 모재가 금속계 소재로 이루어진 경우 플라즈마 용사 코팅법이 이용될 수 있으나, 이는 산화물계 세라믹 소재의 코팅에만 적용가능하므로 그 활용이 역시 제한적이다.
최근, 프리세라믹 폴리머(preceramic polymer)라는 명칭으로 고분자 세라믹 전구체의 연구와 적용이 활발하게 이루어지고 있으며, 이를 이용한 고온 고압의 내부식용 코팅 기술이 시도되고 있다.
이러한 코팅 기술의 예로는 폴리페닐카보실란과 같은 고분자 전구체에 실리콘카바이드 분말과 같은 이종의 필러를 포함하는 코팅 용액을 이용하여 실리콘카바이드 코팅층을 형성하는 방법 등이 알려졌다.
그러나, 이종의 필러를 첨가하여 세라믹 코팅층을 형성하는 경우, 이종 필러와 코팅 주재료 간의 계면 특성이 저하되므로 코팅층의 내구성이 저하된다. 또한, 고분자 전구체와 이종 필러 혼합시에 이종 소재 간에 상분리 가능성이 높고, 분말간 응집으로 인하여 균일 분산이 어려워지는 문제가 있을 수 있다.
따라서, 코팅액 형성시 치밀한 함침화에 의해 균일한 분산을 이루어 공정 효율성을 확보할 수 있으며, 우수한 안정성 및 내구성을 가지며, 크랙 발생이 억제되어 고품질의 코팅층을 제조할 수 있는 세라믹 코팅층 형성에 대한 기술 개발이 여전히 요구된다.
본 발명의 목적은 세라믹 코팅층을 형성함에 있어서 코팅액을 균질한 분산액 형태로 제조함으로써, 용매에 대한 함침 효율을 높이고 공정 효율성을 높일 수 있으며, 코팅층과 모재와의 계면에서의 응력을 완화시켜 코팅층의 크랙 발생을 억제하고, 나아가 코팅 주재료와 필러 간의 계면 특성을 향상시켜 코팅층의 안정성, 내구성 및 품질을 높여, 다양한 분야, 특히 고온 내식성 또는 내화학 특성이 요구되는 분야에 널리 적용될 수 있는 코팅액 조성물 및 이를 이용한 세라믹 코팅층의 형성방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a); 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b); 및 용매(c)를 포함하는 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물을 제공한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 (ⅰ) 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 용매에 혼합하여 코팅액 조성물을 형성하는 단계; (ⅱ) 상기 (ⅰ)에서 형성된 코팅액 조성물을 코팅 모재에 코팅하는 단계; 및 (ⅲ) 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹 코팅층의 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 세라믹 코팅을 위한 코팅액 제조시 코팅액을 균질한 분산액으로 제조하여, 상분리의 우려가 없으며 용매에 대한 함침 효율을 높임으로써 공정 효율성 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 코팅층 형성 후 이루어지는 열처리 과정에서 코팅층의 수축을 완화시켜 코팅 모재와의 계면 응력을 없앨 수 있기 때문에 코팅층의 크랙 발생이 억제되어, 고품질의 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면 코팅 주재료와 동종의 불용성 고분자 전구체를 필러로 이용함으로써, 계면 특성이 향상되어, 세라믹 코팅층의 안정성, 내구성 및 모재와의 부착성을 더욱 높일 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 코팅층은 금속 또는 이종의 세라믹 등의 다양한 모재에 널리 적용될 수 있으며, 특히 고온 내식성 또는 내화학 특성이 요구되는 분야에서 다양한 용도의 제품으로 안정적이고 장기적인 적용이 가능하다.
도 1은 기존 코팅층 형성방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층 형성방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용된 코팅장치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 코팅 시편의 열처리 전후 이미지를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 실리콘카바이드 코팅층에 대한 전자현미경 사진이다.
도 5는 비교예 1에 따라 형성된 실리콘카바이드 코팅층에 대한 전자현미경 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a); 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b); 및 용매(c)를 포함하는 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물은 코팅 주재료로 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a)를 포함하고, 필러로 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 코팅 주재료와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체를 필러로 이용함으로써, 코팅액 제조시 상분리 우려가 없으며, 분말간 응집으로 인한 불균일 분산의 문제를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 코팅액 조성물은 코팅 모재에 적용시 이루어지는 열처리 과정에서 코팅층의 수축을 완화시켜 크랙 발생을 억제하고, 나아가 코팅 주재료와의 계면 특성이 향상되어 코팅층의 내구성 및 안정성을 높일 수 있다.
본 발명에 있어서, 세라믹 고분자 전구체 (a) 및 (b)는 형성하고자 하는 세라믹 코팅층에 따라 선택될 수 있으며, 코팅층의 목표 두께를 고려하여 전구체의 분자량, 열분해수율, 분말 입도 등을 적절하게 선정할 수 있다.
가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)의 제조는 당업계에 공지된 방법 중 적절한 것을 선택하여 이루어질 수 있다.
코팅 주재료인 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a)는 중량평균분자량이 3,000~10,000 범위일 수 있다.
필러로 작용하는 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)는 500 ㎛ 이하의 크기를 갖는 분말 형태일 수 있다.
세라믹 고분자 전구체(b)의 크기가 상기 범위를 초과하는 경우에는 균일한 분산액을 형성하기 곤란하여, 코팅층의 내구성 및 안정성이 저하될 우려가 있다. 그러나, 세라믹 고분자 전구체(b)가 500 ㎛를 초과하는 경우에는, 코팅층 형성 중에 균일 교반 공정을 추가함으로써 필러로 사용이 가능하며, 코팅 주재료와 동종의 필러를 사용하므로 주재료와 필러 간의 계면 응력을 완화시킬 수 있다.
또한, 세라믹 고분자 전구체(b)는 균일한 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다.
특히, 코팅층의 두께가 두꺼워질수록 세라믹 고분자 전구체(b)는 작고 균일하게 분쇄된 분말인 것이 바람직하다.
기존의 세라믹 코팅층 형성시 필러로 이용되던 세라믹 분말의 경우 원하는 크기로 분쇄하거나, 응집된 분말을 해쇄하는 작업이 매우 어렵고, 균일한 입도 분포를 갖는 분말을 얻는 것이 곤란하였다. 반면, 본 발명에 이용되는 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)는 간단한 분쇄 도구나 방법에 의해 미세하고 균일한 분말을 형성할 수 있다.
또한, 세라믹 고분자 전구체(b)는 용매와의 비중 차이가 작아 기존의 세라믹 분말을 이용하는 경우에 비해 균질한 함침 효과를 얻을 수 있어, 공정이 단순화되고, 코팅층의 품질을 향상시킬 수 있다.
용매는 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a)가 균일하게 용해되고, 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)가 균일하게 분산될 수 있어야 하며, 코팅시에 코팅층으로부터 쉽게 제거될 수 있는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 용매는 비극성 유기용매일 수 있으며, 본 발명에 이용될 수 있는 비극성 유기용매는 예를 들어, 톨루엔, 헥산, 벤젠 또는 그 혼합물일 수 있다.
본 발명의 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물에서, 세라믹 고분자 전구체 (a) 및 (b)의 합계량 및 (a)와 (b)의 비율은 코팅액의 점도 제어 측면에서 적절하게 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물은 상기 조성물 전체 중량을 기준으로, 20~70 중량%의 (a), 1~50 중량%의 (b) 및 잔부의 용매를 포함할 수 있다.
(a)와 (b)의 조성비는 코팅층 형성을 위한 용액의 점도를 고려하여 다양하게 조절이 가능하나, 용매의 함량이 지나치게 과도하게 되면, 코팅액의 점도가 크게 떨어지고 입자가 큰 고분자 전구체 필러의 상분리 현상이 나타날 수 있어 고품질의 균일한 코팅층 형성이 어려울 수 있다.
본 발명에 따른 코팅액 조성물은 실리콘카바이드, 하프늄카바이드, 지르코늄카바이드, 보론카바이드, 알루미늄카바이드 및 티타늄카바이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질의 코팅층 형성을 위한 것일 수 있다.
또한, 세라믹 고분자 전구체 (a) 및 (b)는 형성하고자 하는 코팅층을 이루는 세라믹 물질에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 세라믹 고분자 전구체 (a) 및 (b)는 예를 들어, 폴리카보실란 등 주쇄구조에 실리콘과 탄소 또는 질소를 포함하는 전구체, 폴리하프나아젠, 몰피알루미늄아마이드 등과 같이 주쇄구조에 알루미늄, 티타늄, 하프늄, 지르코늄 등과 같은 금속원소와 탄소, 질소, 보론 등을 포함하는 전구체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅액 조성물은 필러가 코팅액 내에 균일하게 분산되고, 균질한 함침 효과를 얻을 수 있어 공정 효율성 및 경제성을 높일 수 있으며, 코팅층의 크랙 발생을 억제하고, 코팅층의 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는 (ⅰ) 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 용매에 혼합하여 코팅액 조성물을 형성하는 단계; (ⅱ) 상기 (ⅰ)에서 형성된 코팅액 조성물을 코팅 모재에 코팅하는 단계; 및 (ⅲ) 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹 코팅층의 형성방법에 관한 것이다.
가용성의 세라믹 고분자 전구체(a), 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b) 및 용매 등은 전술한 세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물에 관한 실시예에 있어서 상술한 바와 같으므로, 본 실시예에서는 반복을 피하기 위하여 그 상세한 설명을 생략한다.
(ⅰ)단계에서, 구성성분의 혼합 순서와 혼합 방법은 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)가 균질하게 분산될 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다.
먼저 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 혼합한 후, 이를 용매와 혼합할 수도 있으며, 또는 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a)를 용매에 용해시킨 후, 이 용액에 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 균일하게 분산시킬 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 (ⅰ)단계 전에, 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 균일한 입도 분포를 갖는 분말 형태로 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 균일한 입도 분포를 갖는 분말 형태인 세라믹 고분자 전구체(b)를 필러로 사용함으로써 코팅액을 균질한 분산액으로 얻을 수 있으며, 코팅 주재료와의 계면 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
일 실시에에서, 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)는 500 ㎛ 범위의 크기를 갖는 분말 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 이러한 분쇄 단계는 간단한 분쇄 도구를 이용하여 이루어질 수도 있으며, 또는 볼밀, 핀밀, 제트밀, 어트리션밀 등 다양한 밀링 방법을 적용함으로써 수행될 수 있다.
상기 (ⅰ)단계는, 상기 (a) 및 (b)의 세라믹 고분자 전구체의 합계량 및 상기 (a)와 (b)의 비율을 조절함으로써, 상기 코팅액 조성물의 점도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (ⅰ)단계에서, 상기 조성물 전체 중량을 기준으로,상기 조성물 전체 중량을 기준으로, 20~70 중량%의 (a), 1~50 중량%의 (b) 및 잔부의 용매를 포함할 수 있다.
(a)와 (b)의 조성비는 코팅층 형성을 위한 용액의 점도를 고려하여 다양하게 조절이 가능하나, 조성물 전체 중량을 기준으로 용매의 함량이 60 중량% 이상이 되면, 코팅액의 점도가 크게 떨어지고 입자가 큰 고분자 전구체 필러의 상분리 현상이 나타날 수 있어 고품질의 균일한 코팅층 형성이 어려울 수 있다.
(ⅱ)단계에서 코팅은 당업계에 공지된 방법 중 적절한 것을 선택하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어 딥 코팅, 스핀 코팅, 페인팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드법을 적용한 코팅에 의할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 선택된 코팅 방법에 따라 코팅액의 농도나 용매 선정을 달리하여 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅층 형성방법은 금속이나 이종의 세라믹 등 다양한 모재에 적용되어 코팅층의 우수한 부착성 및 품질을 확보할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (ⅱ)단계 후에, 건조 및 산화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
건조 및 산화는 당업계에 공지된 방법 중 적절한 것을 선택하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어 예를 들어 ~300℃ 산화로에서 5℃/min 이하로 서서히 승온하여 건조 및 산화시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
건조 공정의 경우 형성된 코팅층 내에 잔존하는 용매의 제거가 목적이기 때문에 통상 용매의 비점 이상에서 건조시킨다. 예를 들어 톨루엔의 경우 비점이 110℃이므로 120℃ 이상에서 건조시키는 것이 좋다. 보다 낮은 온도에서 진공건조도 가능하지만 용매의 휘발이 급격히 일어나게 되면 휘발중 코팅층에 미세 기공을 남기게 되어 치밀한 코팅층 형성이 어려울 수 있다.
건조된 시료는 150~300℃ 범위로 가열된 산화로에서 5℃/min 이하로 서서히 승온하여 산화시킬 수 있으며, 산화 온도 및 속도에 따라 산소의 함량 및 침투량 등이 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 첨가된 불용성 세라믹 고분자 전구체(b)의 함량에 따라 산화 공정은 생략될 수 있다.
(ⅲ)단계에서, 열처리는 용도에 따라 코팅된 세라믹 고분자 전구체가 세라믹 코팅층으로 변환될 수 있도록 하는 조건 하에서 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 열처리는 500~1400℃의 온도에서 1~10 시간 동안 이루어질 수 있으나, 열처리는 용도에 따라 필요한 조건 하에서 이루어질 수 있다.
도 1은 기존 코팅층 형성방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층 형성방법을 나타내는 모식도로서, 실리콘카바이드 코팅층 형성을 예로 들어 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고분자 전구체인 폴리카보실란만을 이용하여 코팅층을 형성할 경우, 열처리 과정에서 계면 응력에 의한 크랙이 발생하며(a), 고분자 전구체인 폴리카보실란에 필러로 결정질 SiC 분말을 이용하여 코팅층을 형성할 경우, 열처리 과정에 의하여 폴리카보실란은 SiOC 비정질 구조에 SiC 나노 결정이 형성된 미세구조를 형성하고, SiC 분말은 이러한 코팅 주재료에 이종 필러로 작용하여 코팅 주재료와의 계면 특성이 저하된다(b).
반면에, 본 발명에 따른 세라믹 코팅층 형성방법에 의하면 코팅 후 이루어지는 열처리 과정에서 계면 응력에 의한 크랙 발생을 억제하고, 이종 필러에 의한 코팅 주재료와의 계면 특성 저하에 의한 코팅층의 내구성 저하를 방지할 수 있으며, 코팅액을 치밀하게 함치된 균일한 분산액 형태로 제조할 수 있어 공정 효율성을 높이며 고품질의 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅층 형성방법은 고분자 전구체를 이용하는 세라믹 코팅층 형성에 널리 이용될 수 있으며, 예를 들어 실리콘카바이드, 하프늄카바이드, 지르코늄카바이드 및 보론카바이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질의 코팅층 형성에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 가용성 폴리카보실란의 합성
가용성 폴리카보실란의 합성은 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 하기와 같은 방법에 의해 가용성 폴리카보실란을 합성하였다. 1 ㎏의 폴리디메틸실란과 1%의 고체산 촉매를 균일하게 혼합한 후, 고속 교반 스터러와 환류장치가 포함된 (고온·고압) 반응기에 넣었다. 반응기 내부를 질소 또는 아르곤 분위기로 만든 후, 반응기 온도를 350℃로 유지하여 10시간 반응시킨 후, 다시 반응기 온도를 400℃로 승온하여 10시간 동안 중합하였다. 합성된 폴리카보실란 반응물을 톨루엔에 녹여 회수하고, 이를 다시 진공여과하여 촉매를 제거한 후, 진공증류/정제공정을 거쳐 용매와 저분자량의 폴리카보실란을 분리함으로써, 고상의 가용성 폴리카보실란을 얻었다.
제조예 2: 불용성 폴리카보실란의 합성
불용성 폴리카보실란의 합성은 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 하기와 같은 방법에 의해 불용성 폴리카보실란을 합성하였다. 1 kg의 폴리디메틸실란을 양날교반기와 환류·응축기를 포함하는 5L 과 용량의 합성반응기에 넣고 불활성 분위기에서 30rpm으로 교반하였다. 반응기는 10℃/min으로 400℃까지 승온시킨 후, 수집용기 쪽 밸브를 열어 반응기 내에 형성된 실란 기체를 응축기를 통과시켜 액화시킨 후 수집용기에 회수하였다. 회수된 액상 실란을 다시 2000rpm으로 원심분리하여, 투명한 액상 실란을 얻었다. 제조된 액상 실란 100g을 다시 중합 용기에 담은 후 0.8g의 B(OH)3 촉매를 첨가한 후, 상부 뚜껑을 덮고 긴밀하게 밀착시켰다. 이어서, 300℃로 승온하여 2시간 동안 유지한 후, 상온에서 회수하였다. 회수한 폴리카보실란을 톨루엔에 녹여 불용분을 회수함으로써, 불용성 폴리카보실란을 얻었다. 이 때 95% 이상이 불용분으로 회수되었으며, 평균분자량 측정은 불가능하였다.
실시예 1: 본 발명에 따른 실리콘카바이드 코팅층 형성
제조예 1에 따라 제조된 가용성 폴리카보실란 분말과 제조예 2에 따라 제조된 불용성 폴리카보실란 분말을 일정비율로 혼합한 후, 톨루엔에 녹여 코팅액을 제조하였다. 이때 코팅액은 탁한 노란색의 성상을 나타냈으며, 동일조건의 가용성 폴리카보실란 용액에 비해 점도가 높기 때문에 톨루엔과의 비율을 조절하여 점도를 제어하였다.
코팅 모재는 스테일레스강과 같은 금속계열과 석영과 같은 산화물계 세라믹, 실리콘 기판 등을 모재를 사용할 수 있으며 본 실시예에서는 석영기판을 모재로 사용하였다. 도 2에 나타낸 바와 같은 스핀코팅 장치에서 코팅을 진행하였다. 모재는 회전체의 상단에 양면테이프로 고정시킨 후 1000 ~ 3000 rpm의 회전속도로 회전시켰으며, 회전하는 모재 위에 코팅용액을 스포이드를 이용하여 떨어뜨려 코팅을 시켰다. 코팅용액을 떨어뜨린 후 10~60초 유지하며 용매 휘발을 유도하였다. 코팅이 완료된 시편은 회수하여 표면 안정화를 진행하였다. 시편은 다시 800℃ 이상의 고온에서 열처리하여 코팅층을 실리콘카바이드로 전환하였다.
도 3은 코팅 후 열처리 전 시편(a)과 코팅 및 열처리 후 시편의 사진을 나타낸다. 각각의 시편의 좌측은 코팅되지 않은 부분을 나타내며, 시편의 우측은 코팅처리된 부분을 나타낸다.
도 4에 본 실시예에 따라 제조된 시편의 코팅층에 대한 전자현미경 사진을 타나낸다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따라 형성된 코팅층은 전반적으로 5 ㎛ 정도의 두께로 매우 균일하고 치밀하게 형성되었으며, 모재와의 결합도 우수하였다. 표면관찰 결과 역시 매우 깨끗한 코팅층을 확인할 수 있었으며, 코팅층 내부에서 필러 첨가에 의한 계면 발생이나 이로 인한 미세 균열 역시 관찰되지 않았다.
비교예 1: 폴리카보실란 용액을 이용한 실리콘카바이드 코팅층의 형성
제조예 1에 따라 제조된 가용성 폴리카보실란을 톨루엔과 같은 적당한 유기용매에 첨가한 후, 대기 분위기에서 1시간 이상 교반하여 균질한 코팅액을 제조하였다. 이때 용액의 농도는 코팅층의 두께에 따라 50 ~ 200 g/ℓ로 다양하게 조절하였다.
모재의 선정, 코팅방법 및 얻어진 시편에 대한 열처리 공정은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
200 g/ℓ 농도의 코팅액을 사용하여 코팅층을 형성한 시편의 경우, 폴리카보실란 코팅층의 두께는 1.2 ㎛ 정도이었으며, 열처리에 의해 실리콘카바이드 코팅층으로 전환된 후의 두께는 0.7 ㎛ 정도로 수축하였다.
도 5에 비교예 1에 따라 형성된 실리콘카바이드 코팅층에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 5로부터, 기존의 방법에 따라 고분자 전구체인 폴리카보실란 용액을 이용하여 실리콘카바이드 코팅층을 형성할 경우, 코팅층 표면에 심한 크랙이 발생하여, 코팅층의 품질이 저하됨을 확인할 수 있었다.
비교예 2: 실리콘카바이드 분말을 필러로 포함하는 폴리카보실란 용액을 이용한 실리콘카바이드 코팅층의 형성
제조예 1에 따라 제조된 가용성 폴리카보실란과 실리콘카바이드 분말을 톨루엔과 같은 적당한 유기용매에 첨가한 후, 대기분위기에서 1시간 이상 교반하여 균질한 코팅액을 제조한다. 이때 실리콘카바이드 분말의 크기는 각각 ~1 ㎛, 1~5 ㎛, ~10 ㎛로 하여, 최대 5%까지 첨가하였다.
모재의 선정, 코팅방법 및 얻어진 시편에 대한 열처리 공정은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
1 ㎛ 이상의 실리콘카바이드 분말을 이용한 경우에는, 균질한 코팅층을 얻을 수 없었으며, 사이사이 큰 입자의 응집이나 또는 뜯겨져 나간 형상 등이 관찰되었다. 또한, ~1 ㎛의 실리콘카바이드 분말을 이용한 경우 상대적으로 균질한 막을 얻을 수 있었으나, 사이사이 미세 균열이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 균열은 코팅 주재료가 SiOC의 비정질 상으로 필러와 다른 조직을 가지고 있기 때문에 계면에서 발생하는 응력이 원인으로 작용할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a);
    상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b); 및
    용매(c)를 포함하는
    세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물 전체 중량을 기준으로, 20~70 중량%의 (a), 1~50 중량%의 (b) 및 잔부의 용매를 포함하는
    세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 실리콘카바이드, 하프늄카바이드, 지르코늄카바이드, 보론카바이드, 알루미늄카바이드 및 티타늄카바이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질의 코팅층 형성을 위한 것을 특징으로 하는
    세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용매(c)는 비극성 유기용매인 것을 특징으로 하는
    세라믹 코팅층 형성용 코팅액 조성물.
  5. (ⅰ) 가용성의 세라믹 고분자 전구체(a) 및 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 용매에 혼합하여 코팅액 조성물을 형성하는 단계;
    (ⅱ) 상기 (ⅰ)에서 형성된 코팅액 조성물을 코팅 모재에 코팅하는 단계; 및
    (ⅲ) 열처리하는 단계를 포함하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (ⅰ)단계 전에, 상기 (a)와 동종인 불용성의 세라믹 고분자 전구체(b)를 분말 형태로 분쇄하는 단계를 더 포함하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계 후에, 건조 및 산화시키는 단계를 더 포함하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (ⅰ)단계에서, 상기 조성물 전체 중량을 기준으로, 20~70 중량%의 (a), 1~50 중량%의 (b) 및 잔부의 용매를 혼합하는 것을 특징으로 하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 (ⅰ)단계는, 상기 (a) 및 (b)의 세라믹 고분자 전구체의 합계량 및 상기 (a)와 (b)의 비율을 조절함으로써, 상기 코팅액 조성물의 점도를 제어하는 단계를 더 포함하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 용매(c)는 비극성 유기용매인 것을 특징으로 하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 방법은 실리콘카바이드, 하프늄카바이드, 지르코늄카바이드, 보론카바이드, 알루미늄카바이드 및 티타늄카바이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질의 코팅층 형성을 위한 것을 특징으로 하는
    세라믹 코팅층의 형성방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106398329A (zh) * 2016-08-30 2017-02-15 江苏同庆车辆配件有限公司 一种铁路棚车用门挡板
KR101790160B1 (ko) 2017-09-20 2017-11-03 김춘수 가구용 고경도 세라믹 코팅액 조성물 및 이를 이용한 가구용 세라믹 코팅층의 제조방법
CN112007781A (zh) * 2020-09-07 2020-12-01 烟台首钢磁性材料股份有限公司 一种钕铁硼永磁体陶瓷镀层的制备装置及制备方法
KR20210050080A (ko) 2019-10-28 2021-05-07 (주)에스엘테크 카본-세라믹 복합재의 코팅방법 및 이의 코팅방법으로 제조된 초경합금용 카본 플레이트

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06322318A (ja) * 1991-04-22 1994-11-22 Dow Corning Corp セラミック塗料及びその塗膜形成方法
KR20120011300A (ko) * 2010-07-28 2012-02-07 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 분말이 첨가된 폴리페닐카보실란이 코팅된 스테인리스스틸 및 이의 제조방법
KR20120072884A (ko) * 2010-12-24 2012-07-04 한국세라믹기술원 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재 및 그 제조방법
JP2012246220A (ja) 2012-09-07 2012-12-13 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 炭化ケイ素ナノ粒子分散液の製造方法及び炭化ケイ素ナノ粒子分散液並びに炭化ケイ素ナノ粒子膜

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06322318A (ja) * 1991-04-22 1994-11-22 Dow Corning Corp セラミック塗料及びその塗膜形成方法
KR20120011300A (ko) * 2010-07-28 2012-02-07 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 분말이 첨가된 폴리페닐카보실란이 코팅된 스테인리스스틸 및 이의 제조방법
KR20120072884A (ko) * 2010-12-24 2012-07-04 한국세라믹기술원 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재 및 그 제조방법
JP2012246220A (ja) 2012-09-07 2012-12-13 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 炭化ケイ素ナノ粒子分散液の製造方法及び炭化ケイ素ナノ粒子分散液並びに炭化ケイ素ナノ粒子膜

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106398329A (zh) * 2016-08-30 2017-02-15 江苏同庆车辆配件有限公司 一种铁路棚车用门挡板
KR101790160B1 (ko) 2017-09-20 2017-11-03 김춘수 가구용 고경도 세라믹 코팅액 조성물 및 이를 이용한 가구용 세라믹 코팅층의 제조방법
KR20210050080A (ko) 2019-10-28 2021-05-07 (주)에스엘테크 카본-세라믹 복합재의 코팅방법 및 이의 코팅방법으로 제조된 초경합금용 카본 플레이트
CN112007781A (zh) * 2020-09-07 2020-12-01 烟台首钢磁性材料股份有限公司 一种钕铁硼永磁体陶瓷镀层的制备装置及制备方法
US11908600B2 (en) 2020-09-07 2024-02-20 Yantai Dongxing Magnetic Materials Inc Preparation device and method of ceramic coating on a sintered type NdFeB permanent magnet

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