KR102019834B1 - 금속 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 표면 처리된 구조체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 처리 방법은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정으로 도금층을 형성하는 단계; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 코팅층을 형성하는 단계; 를 순차적으로 포함한다.
Description
본 발명은 금속 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 표면 처리된 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 표면의 부식을 방지할 수 있는 처리 방법 및 이를 이용하여 표면 처리된 구조체에 관한 것이다.
금속 재료는 공업적으로 이용할 수 있는 상태에서 사용하고 있더라도 그 환경 속에서 가장 안정된 상태로 돌아가려는 성질을 가지고 있다. 금속의 부식 발생은 금속의 자연적인 형태가 화합물이고 정련된 금속이 광석으로 되돌아 가려는 성질과 이온화 하려는 경향에 기인한다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제19940018218호(공개일: 1994년8월16일, 발명의 명칭: 금속부재의 부식 방지 방법)가 있다.
본 발명의 목적은 금속의 부식 특성을 향상시키기 위하여, 구체적으로는, 금속 표면에서 발생되는 전면 및/또는 국부적 부식 특성을 향상시키기 위하여 소정의 코팅 공정을 적용한 금속 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 표면 처리된 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 금속 표면 처리 방법은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정으로 도금층을 형성하는 단계; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 코팅층을 형성하는 단계;를 순차적으로 포함한다.
상기 금속 표면 처리 방법에서, 상기 금속 대상체는 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 큰 물질인 아연(Zn)을 함유하는 아연 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 금속 표면 처리 방법에서, 상기 금속 대상체는 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 작은 물질인 니켈, 주석, 은 및 금 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 함유하는 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 금속 표면 처리 방법에서, 상기 습식 코팅 공정은 딥(DIP) 코팅 공정 또는 스프레이 코팅 공정을 포함할 수 있다.
상기 금속 표면 처리 방법은 상기 딥 코팅 공정 또는 스프레이 코팅 공정 후에 코팅층의 경화를 위한 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 표면 처리된 구조체는 금속 대상체; 상기 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정으로 형성된 도금층; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층; 을 포함하되, 상기 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층은 상기 도금 공정으로 형성된 도금층과 상기 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층과 상하로 각각 직접 맞닿아 배치된다.
상기 표면 처리된 구조체에서, 상기 금속 대상체는 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 큰 물질인 아연(Zn)을 함유하는 아연 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 표면 처리된 구조체에서, 상기 금속 대상체는 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 작은 물질인 니켈, 주석, 은 및 금 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 함유하는 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 관점에 따른 낚시바늘 구조체는 낚시바늘; 상기 낚시바늘의 표면 상에 도금 공정으로 형성된 도금층; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층; 을 포함하되, 상기 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층은 상기 도금 공정으로 형성된 도금층과 상기 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층과 상하로 각각 직접 맞닿아 배치된다.
상기 낚시바늘 구조체에서, 상기 낚시바늘은 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 큰 물질인 아연(Zn)을 함유하는 아연 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 낚시바늘 구조체에서, 상기 낚시바늘은 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 작은 물질인 니켈, 주석, 은 및 금 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 함유하는 도금층이며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 금속의 부식 특성을 향상시키기 위하여, 구체적으로는, 금속 표면에서 발생되는 전면 및/또는 국부적 부식 특성을 향상시키기 위하여 코팅 공정을 적용한 금속 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 표면 처리된 구조체를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 처리 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 도금 및 도금을 하지 않은 낚시바늘에 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 공정 전후의 표면상태를 전자주사 현미경으로 분석한 결과이다.
도 2는 도금 및 도금을 하지 않은 낚시바늘에 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 공정 전후의 표면상태를 전자주사 현미경으로 분석한 결과이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 처리 방법을 도해하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 처리 방법은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정으로 도금층을 형성하는 단계(S100); 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 버퍼층을 형성하는 단계(S200); 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 코팅층을 형성하는 단계(S300); 를 순차적으로 포함한다.
상기 단계(S300)에서, 상기 습식 코팅 공정은 딥(DIP) 코팅 공정 또는 스프레이 코팅 공정을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 딥 코팅 공정 또는 스프레이 코팅 공정 후에 코팅층의 경화를 위한 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 대상체는 철(Fe)을 함유하며, 상기 도금층은 철(Fe) 보다 이온화율이 큰 물질인 아연(Zn)을 함유하는 아연 도금층이거나, 철(Fe) 보다 이온화율이 작은 물질인 니켈, 주석, 은 및 금 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 함유하는 도금층일 수 있으며, 상기 버퍼층은 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO 및 Si3N4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 상기 코팅층은 실리콘을 함유하는 유무기 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도금 물질은 아연, 주석, 니켈, 은, 금 및 니켈주석과 같은 혼합 도금막일 수 있고, 두께는 0.5㎛ 이상으로 도금막을 형성할 수 있고, 원자층 증착법에 따른 코팅물질은 산화막 또는 질화막으로 Al2O3, SiO2, HfO, TiO2, ZrO, Si3N4, high-k물질일 수 있고, 두께는 10nm 이상으로 할 수 있다. 또한 습식코팅물질은 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 DIP 코팅 및 스프레이 코팅법에 의해 열처리 수반 후 1㎛ 이상의 두께로 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법 및 습식 코팅으로 금속의 표면에 코팅을 하게 되면 얇은 두께로 인한 본래의 기능성 특성은 그대로 유지하면서, 금속 표면을 완전히 밀봉하여 전해질 침투를 원천 봉쇄하여 부식에 발생에 따른 내구성을 향상시킬 수 있어, 금속 부식에 따른 손실을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 부식 방지 코팅 방법은 코팅막이 절연막이기 때문에 금속 표면에서의 부식 발생의 원인이 되는 전해질로의 이온화에 따른 부식을 방지하기 위해 전기적으로 전하 이동을 위한 차단막으로 작용할 수 있고, 전해질에 포함된 염소 원소에 의한 화학적 부식을 차단할 수 있고, 전해질이 포함된 수분의 침투를 직접적으로 밀봉하여 차단할 수 있다. 예컨데 종래의 도금 및 유기물 코팅 방법은 금속의 불균일한 가공면에서 치밀하지 못한 코팅 도포로 인해 도포되지 않은 금속면으로 직접적인 전해질 침투에 의한 국부적 부식을 발생시킬 수 있다. 또한, 3D 형상을 가지는 구조물에서 일반적인 코팅법은 습식 코팅 방법 및 스프레이법을 통해 코팅이 가능하지만, 코팅막이 치밀하지 못하고, 낮은 단차피복성 문제로 인한 우수한 부식 특성을 제공하는데 한계가 있고, 생산성 문제로 인한 단점이 있다.
하지만 이러한 코팅법과는 달리 원자층 증착법은 단차피복성이 우수하고 치밀한 산화막 제공에 의해 전하의 이동하지 못하도록 차단할 수 있다. 원자층 증착법에 따른 코팅물질은 산화막 내지 질화막으로 Al2O3, SiO2, TiO2, Si3N4, high-k 물질 등으로 불균일한 금속 표면에서 우수한 코팅 피복성을 제공하는 원자층 증착 방법에 따라 부식 발생의 원인인 금속 표면에서 직접적으로 전하의 이동을 차단할 수 있는 1차 절연막을 제공할 수 있고, 또한, 수 마이크로미터 이상의 유무기 화합물질로 이루어진 습식 코팅막을 불균일한 금속 표면 위에 직접 코팅하게 되면, 습식 코팅막의 품질 강화를 위한 큐어링 과정에서 습식 코팅막의 스트레스 변화에 따른 크랙 발생 및 금속 표면과의 접합 특성에 문제가 생기기 때문에, ALD 코팅막은 습식 코팅막과의 접합특성을 향상 시킬 수 있는 버퍼층 역할을 할 수 있다. 또한, 원자층 증착법을 이용하면 기존에 도금 및 습식 코팅법과는 달리 확산법에 의한 코팅을 할 수 있기 때문에, 가공물 외형 전면에 3D 코팅이 가능한 장점이 있다. 하지만, 원자층 증착법은 성막속도가 기존의 코팅법에 비해 낮은 단점을 가지고 있기 때문에, 위 기술한 문제점에 따른 원자층 증착 코팅법 만으로는 임계 두께 이하에서는 전해질 용액에 포함된 수분 침투를 방지하는데 한계가 있다. 이러한 관점에서 원자층 증착 코팅막 도포 후 일정 두께 이상으로 습식 코팅 방법에 따른 딥(DIP) 코팅을 이용해 코팅막을 형성하게 되면, 불균일한 금속 표면에서의 원자층 증착법에 따른 코팅 도포성을 향상시켜 전해질에 포함된 수분의 침투를 방지할 수 있고, 수 마이크로미터 이상의 두께를 쉽게 형성할 수 있다.
또한, 도금층을 금속에 도포하게 되면 매우 향상된 부식 특성을 얻었을 수 있는데, 도금막은 철보다 이온화율이 큰 금속으로 즉 부식이 철보다 더 잘 되는 갈바닉 컨택에 따른 부식 특성에 의한 부식 발생의 희생막으로 사용할 수 있는 아연 도금막일 수도 있고, 철보다 이온화율이 작은 즉, 철보다 부식이 잘 되지 않는 금속으로 니켈, 주석, 은, 금 도금막으로 도금막은 무전해 도금 및 전해 도금방법에 의해 두께는 약 3마이크로미터 이상으로 형성할 수 있고, 둘의 경우 모두 원자층 증착 코팅 및 습식 코팅막으로 인해 하부 도금막 자체의 부식시간을 감소시켜 철의 내구성을 매우 향상 시킬 수 있다. 다
부식 특성을 향상시키기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코팅 방법 순서는 도금→원자층 증착코팅→습식코팅 순으로 수행한다. 원자층 증착 코팅, 습식 코팅 등으로 구현한 산화막 상에서는 치밀한 도금막 형성이 어렵기 때문에 도금→원자층 증착 코팅→습식 코팅 순으로 코팅하는 것이 바람직하다. 또한, 도금막과 습식 코팅막 간의 접합 특성이 좋지 않기 때문에 도금막→원자층 증착코팅→습식 코팅 순으로 코팅하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성은 금속 가공품 및 금속 재료의 부식 특성 향상을 위한 방법으로 금속 재료의 기능성 특성을 그대로 유지하면서, 부식 방지를 통한 내구성을 향상시킬 수 있는 방법이다.
금속 재료는 공업적으로 이용할 수 있는 상태에서 사용하고 있더라도 그 환경 속에서 가장 안정된 상태로 돌아가려는 성질을 가지고 있다. 금속의 자연적인 형태는 화합물인데 이로부터 정련된 금속은 광석으로 다시 되돌아 가려는 성질과 이온화 하려는 경향을 가지므로 금속의 부식은 열역학적으로 자연스러운 현상이다. 예를 들면, 우리가 관찰하는 철의 녹은 물과 공기가 존재하는 환경 하에서 가장 안정된 상태를 취한 결과라고 할 수 있다. 이처럼 금속이 부식되는 반응은 금속과 보통의 환경과의 조합에 의해 정해지기 때문에 진공 속에 있는 철은 녹이 슬지 않는다. 금속이 부식하는 원리는 금속 이온의 이온화에 의해 결정되며 금속 이온화율은 그 금속이 수용액 속에서 얼마나 이온이 되기 쉬우냐에 달려있다. 알루미늄과 같이 이온화 경향이 큰 금속은 동시에 전자를 많이 방출하므로 수소이온(H+)의 경우를 기준으로 해서 표준전극 전위는 마이너스 값으로 낮아져 저급으로 분류되며, 백금과 같이 이온화 경향이 적은 금속은 전자의 방출도 적어지므로 표준전극 전위는 높은 플러스 값을 나타내서 귀금속으로 분류된다. 금속을 용액 속에 담그면 그 금속 고유의 전위를 나타낸다. 상대적으로 표준전극 전위가 낮은 금속과 높은 금속을 전해질 용액 속에 담그고 외부에서 전기적으로 접속하면 두 금속의 전위가 다르므로 두 금속 간의 전위차에 의해 전자의 흐름(전류)이 일어난다. 이때 전위가 낮은 쪽에서는 금속이온의 이온화(M → M+ + e-) 현상이 일어나고 다른 쪽에서 방출된 전자를 받는 반응이 동시에 일어나 결국 전위가 낮은 금속에서만 용해가 되게 된다.
이러한 현상은 동일 금속 면에서도 존재한다. 동일 금속 면에서도 원자의 배열, 입자의 크기, 불순물의 존재, 결함 존재 등에 의해 국부적으로 전위차 발생이 가능하므로 국부전자가 형성되면 부식 반응이 일어나게 되는 것이다.
이렇듯 부식이 발생하기 위해서는 양극(Anode), 음극(Cathode), 전해질(Electrolyte), 전기적 회로(Return Circuit)등 4가지 요소를 갖추어야 한다.
이러한 부식 발생 원리에 따른 부식 방지 방법으로는 우레탄 및 에폭시, 페인트 등을 유기물 도료를 코팅하여 전해질 속에 존재하는 전하들을 차단하여 원재료의 금속이 부식되지 않도록 하거나, 원재료의 금속보다 이온화가 큰 금속 물질을 코팅하여 원재료 금속의 희생막 역할을 하여 보호하거나, 또는 원재료의 금속보다 이온화가 작은 금속을 코팅하여 코팅물질에 부동태 피막을 형성하여 원재료의 금속의 부식을 방지하는 방법을 생각할 수 있다.
하지만 이러한 부식 방지 방법은 금속 표면 상태에 따른 코팅물질과의 접합문제 및 코팅물질로의 전해질 투과 문제, 코팅물질의 이온화 크기에 따른 금속 원재료의 부식 특성을 향상시키는데 한계가 있다.
구체적으로, 금속의 부식 방지 방법은 금속 표면에 도금, 유기도료, 에폭시, 산화막 등을 코팅하여 부식을 방지하는 방법을 고려할 수 있으나, 이러한 부식 방지 코팅법은 치밀하지 못한 코팅막 제공, 금속과의 접합문제, 도금 문제점, 도포성 등에 따라 금속의 국부적 부식이 발생 시킬 수 있고, 국부적 부식은 금속 전면 부식을 발생시킬 수 있다.
국부적 부식의 원인은 금속 가공 시 발생하는 균일하지 않은 금속 표면에 불완전한 코팅막 도포 문제로 인해 금속과 코팅면 사이의 결함 부위 및 불규칙한 금속 표면을 통해 전해질 침투에 따른 국부적 부식을 발생시킬 수 있다.
예컨데, 도금방법에 의한 코팅 방법에서 도금막 형성시 발생되는 핀 홀(pin hole), 들뜸 문제 및 도금막의 금속 결정화에 따른 그레인과 그레인 사이의 전해질의 침투로 인한 부식을 발생시킬 수 있고, 불균일한 금속 표면에서의 치밀하지 않은 도금막 도포에 의해 도금이 도포되지 않은 부분으로 전해질 유입에 따른 국부적 부식을 발생시킬 수 있다.
또한, 유기물 코팅막은 코팅막 자체가 기공 및 엉성한 분자구조로 인해 치밀하지 못한 밀도로 인해 전해질 침투가 쉽게 되기 때문에 부식 문제가 쉽게 발생될 수 있다.
또한, 수 마이크로미터 이상의 두께를 도포할 수 있는 무기물 코팅 방식은 코팅막의 도포과정 및 외부환경요인에 따른 변수들, 온도, 응력 등에 따른 스트레스로 인해 표면에서 쉽게 크랙 발생을 유도할 수 있고 이런 크랙 부위로 전해질이 쉽게 유입되어 금속의 부식을 발생시킬 수 있다.
또한 이러한 코팅 방법은 이미 성형화된 금속 가공물에 기능성 특성을 유지하면서 3D 코팅하기 위한 방법으로 적합하지 않고, 금속 표면 전면에 균일한 도포가 어렵다는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 구성은 이미 성형화된 금속 구조물의 기능성 특성을 유지하면서 금속 표면에 고밀도의 산화무기물막 제공에 따른 전기적으로 금속 표면에서 전해질로 전하의 이동을 차단하여 금속 표면에서 화학적 이온화가 발생되지 않도록 하고, 가공된 불균일한 금속 표면에 도포성이 매우 우수한 코팅막을 제공하는 동시에, 가공물 표면 전면에서 3D 코팅에 따른 금속 표면으로의 전해질 용액이 침투하지 못하도록 하여 부식 특성을 향상시킬 수 있는 금속의 부식 방지 방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 금속의 부식 특성을 향상시키기 위한 방법으로 원자층 증착법과 습식 코팅법을 이용하여 부식 특성을 향상시켜 내구성을 향상시키는 금속 표면 처리 방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 금속 표면의 코팅 방법은 원자층 증착법과 습식 코팅 방법을 동시에 적용한 코팅 방법으로 원자층 증착법에 따른 코팅막은 전해질 용액에 대하여 내화학적 특성을 가지고, 치밀한 코팅막 제공에 따른 금속 표면과 우수한 접합특성을 가지고, 금속 표면에서의 수 나노미터 이하의 불균일한 가공면까지 우수한 단차 피복성을 가지기 때문에 우수한 전기적 절연특성을 가질 수 있고, 원자층 증착법은 확산법에 따른 코팅 방법을 제공하기 때문에 이미 성형화된 금속 가공물 표면 전면에 3D 코팅을 제공할 수 있다.
하지만, 원자층 증착법에 따른 코팅막의 문제점은 금속 표면에서 핀 홀 및 크랙 등의 금속 결함이 존재하거나 균일하지 않은 금속 표면에서의 결함 부위에 코팅막이 도포될 때 원자층 증착 코팅막의 사이 사이에 심(seam) 또는 보이드(void)와 같은 공간이 존재하고, 이러한 공간 영역에서 전해질에 직접적으로 노출될 때 원자층 증착 코팅막이 임계 두께 이하로 도포된다면 전해질 용액이 침투하여 부식을 발생시킬 수 있고, 실제 결함 부위는 단차 방향 및 단차 크기가 수 마이크로부터 수 나노 이하로 일정하지 않기 때문에, 원자층 증착법으로 이러한 결함 위치를 밀봉하는데 한계가 있고, 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 이상의 결함 부위를 밀봉하기 위해선 낮은 증착률을 가지는 원자층 증착법에서는 한계가 있다.
따라서, 원자층 증착법 코팅 문제점을 개선하기 위한 방법으로 결함 부위를 쉽게 밀봉할 수 있는 코팅 방법으로 원자층 증착법으로 채우지 못한 부분을 가공물 표면에 전면에 갭필 형태로 코팅막을 갭필할 수 있는 습식 코팅 방법의 DIP 코팅 방법을 적용할 수 있다.
원자층 증착법에 따른 코팅물질은 무기 또는 금속화합물로 Al2O3, SiO2, Si3N4, HfO, ZrO, AlN, TiN, ZnO 등과 같은 산화물 또는 질화물로 내화학성 특성 및 전기적 절연 특성이 우수한 물질일 수 있고, 또한 습식 코팅막은 원자층 증착 코팅막과 접합특성이 좋은 동종 물질 또는 폴리머 형태의 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다.
도 2는 도금 및 도금을 하지 않은 낚시바늘에 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 공정 전후의 표면상태를 전자주사 현미경으로 분석한 결과이다.
도 2를 참조하면, 표면 상태를 분석한 결과 가공면의 표면 상태가 불규칙하고, 이런 부분들은 도금의 도포성이 좋지 않은 분석 결과를 나타내었고, 또한 도금 과정에서 발생되는 수 나노미터 내지 수 마이크로미터의 핀 홀 및 도금면 상태가 불균일한 것으로 확인되었다.
원자층 증착 코팅 및 습식 코팅에 따른 부식 특성이 향상된 것은 이러한 도금막 표면에서 원자층 증착법으로 코팅하였을 때 작은 크기의 핀 홀들이 매우 감소됨을 확인하였고, 또한, 원자층 증착법만으로 큰 크기의 홀 및 불균일한 면을 완벽히 밀봉되지 못한 부분을 습식 코팅 방법의 딥(DIP) 코팅법으로 밀봉시켰기 때문에 부식 발생의 요인인 전해질이 금속 표면으로 침투하지 못하기 때문에 부식 특성이 매우 향상된 결과를 나타낸 것으로 보여진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속의 부식 특성 향상을 위한 코팅 방법으로 원자층 증착법을 이용한 낚시바늘의 코팅 방법은 다음과 같은 순서로 진행할 수 있다.
먼저, 코팅을 위한 낚시바늘을 원자층 증착 장치의 반응기에 장착한다. 그 후, 반응기에 선구 물질인 소스 기체를 공급한다. 이때, 선구 물질은 코팅되고자 하는 물질의 원료가스인 유무기 화합물 구조의 소스기체를 공급한다. 다음으로 퍼지 기체를 공급한다. 퍼지 기체는 불활성 가스(예를 들어, Ar)를 포함할 수 있다. 그 후, 소스기체와 반응할 반응기체를 공급한다. 이때, 반응기체는 플라즈마를 포함한 반응기체이고, 다시 퍼지 기체를 공급한다. 이러한 과정을 원하는 코팅의 두께만큼 반복하여 낚시바늘 표면 전면을 코팅할 수 있다. 이러한 증착 공정은, 예를 들어, 50℃ 이상의 온도, 10mtorr 이상의 압력 하에서 이루어질 수 있고, 증착 후 열처리 과정도 수반할 수 있다.
다음으로는 낚시바늘의 원자층 증착법에 따른 코팅 이후 Si, N, C, H 등을 함유하는 폴리머 형태의 유무기 화합물로 구성된 용액으로 딥(DIP) 코팅 방법으로 원자층 증착법으로 밀봉하지 못한 금속의 불균일한 표면을 치밀하게 밀봉하기 위해 1㎛ 이상의 두께로 낚시바늘을 코팅 용액에 딥핑(Dipping)방법으로 코팅 후 코팅막의 경화를 위해 UV처리 및 오븐에서 열처리 과정을 수반하여 유무기 화합물을 형성할 수 있다. 이때 UV처리 및 열처리는 상온 이상에서 원하는 코팅막 특성을 얻을 수 있는 시간을 포함한다.
표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 금속 표면 처리 방법을 적용한 대상체에 대한 염수테스트에 따른 부식 특성 결과이다. 표 1에서 ‘X’ 항목은 해당 공정을 적용하지 않은 것을 의미하며, ‘O’ 항목은 해당 공정을 적용한 것을 의미한다. 예를 들어, 비교예2는 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정을 진행하지 않고 원자층 증착막을 형성한 후 별도의 습식 코팅 공정을 적용하지 않은 경우를 의미하며, 비교예3은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정 및 원자층 증착 공정을 진행하지 않고 습식 코팅 공정만 적용한 경우를 의미하며, 비교예4는 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정을 진행하지 않고, 원자층 증착 공정 및 습식 코팅 공정만 적용한 경우를 의미하며, 비교예5는 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정만을 진행한 후 후속으로 별도의 원자층 증착 공정 및 습식 코팅 공정을 적용하지 않은 경우를 의미하며, 비교예6은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정 및 원자층 증착 공정을 진행한 후 후속으로 별도의 습식 코팅 공정을 적용하지 않는 경우를 의미하며, 비교예7은 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정을 진행하고, 원자층 증착 공정은 적용하지 않고, 습식 코팅 공정을 적용한 경우를 의미하며, 실시예는 금속 대상체의 표면 상에 도금 공정, 원자층 증착 공정 및 습식 코팅 공정을 순차적으로 적용한 경우를 의미한다.
| 도금 공정 | ALD 공정 | 습식 코팅 공정 | 염수 지속시간 | |
| 비교예1 | X | X | X | < 1 |
| 비교예2 | X | O | X | < 10 |
| 비교예3 | X | X | O | < 10 |
| 비교예4 | X | O | O | 40 ~ 48 |
| 비교예5 | O | X | X | < 10 |
| 비교예6 | O | O | X | 40 ~ 65 |
| 비교예7 | O | X | O | 16 ~ 24 |
| 실시예1 | O | O | O | > 500 |
본 발명의 실험예에 따른 도금막은 주석도금으로 도금 두께는 3㎛의 두께로 도금되었고, 원자층 증착법에 따른 코팅막은 Al2O3이고, 두께는 100nm의 두께로 코팅하였고, 습식코팅에 따른 코팅물질은 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 약 2㎛ 정도의 두께로 코팅 후 1시간 이상 열처리 과정을 수반하여 습식 코팅막을 경화 시켰다.
표 1에 의한 본 발명의 실험예에서는, 원자층 증착법으로만 코팅된 바늘, 습식 코팅으로만 코팅된 바늘과, 도금만 진행한 바늘, 도금층 위에 원자층 증착법으로 코팅한 바늘과 도금층과 원자층 증착코팅과 습식 코팅을 동시에 적용한 낚시바늘에서 염수분무테스트(SST)에 대한 부식시간을 나타내는 결과로, 본 발명의 실시예에 따른 코팅법에 의해 코팅된 낚시바늘이 부식 특성 결과에서 가장 우수한 염수 지속시간을 나타내었다. 즉, 염수 분무평가는 물에 소금이 5%로 포함된 소금물로 50℃의 환경에서 지속적으로 노출시켰을 때, 코팅이 되지 않는 낚시바늘은 빠른 시간 내에 모두 부식이 되었고, 도금 공정과 원자층 증착법 및 DIP 코팅 방법을 적용한 바늘은 최대 100배 이상의 오랜 시간 동안 부식이 되지 않은 것을 확인하여 부식 특성이 매우 향상된 결과를 얻었다.
표 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 낚시바늘의 부식평가를 위한 염수 분무시험 결과에서 본 발명의 실시예에서 부식 특성이 매우 향상된 결과를 얻었고, 부식 발생의 원인으로 부식 발생 부위를 전자현미경 및 광학 현미경으로 관찰하였을 때, 부식이 발생하는 부분은 금속 표면에서 불균일한 가공면에서 코팅이 치밀하게 도포되지 않은 면에서 발생되는 것을 확인하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (11)
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- 철(Fe)을 함유하는 금속 대상체; 상기 금속 대상체의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층; 을 포함하는 표면 처리된 구조체이며,
상기 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층은 상기 도금 공정으로 형성된 도금층과 상기 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층과 상하로 각각 직접 맞닿아 배치되는 것을 특징으로 하는 상기 표면 처리된 구조체가 소금이 5%로 포함된 50℃의 소금물에 지속적으로 노출되는 조건 하에서 부식이 되지 않고 지속되는 제 1 시간은,
i) 상기 금속 대상체의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층만 존재하는 경우,
ii) 상기 금속 대상체의 표면 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층만 존재하는 경우,
iii) 상기 금속 대상체의 표면 상에 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우,
iv) 상기 금속 대상체의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층 및 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층만 존재하는 경우,
v) 상기 금속 대상체의 표면 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층 및 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우, 또는
vi) 상기 금속 대상체의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층 및 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우,
소금이 5%로 포함된 50℃의 소금물에 지속적으로 노출되는 조건 하에서 부식이 되지 않고 지속되는 제 2 시간 보다, 적어도 7배 이상 긴 것을 특징으로 하는,
표면 처리된 구조체. - 제 6 항에 있어서,
상기 도금층은 두께가 3㎛이고, 상기 버퍼층은 두께가 100㎚이고, 상기 코팅층은 두께가 2㎛인 것을 특징으로 하는,
표면 처리된 구조체. - 삭제
- 철(Fe)을 함유하는 낚시바늘; 상기 낚시바늘의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층; 상기 도금층 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층; 을 포함하는 낚시바늘 구조체이며,
상기 원자층 증착 공정으로 형성된 버퍼층은 상기 도금 공정으로 형성된 도금층과 상기 습식 코팅 공정으로 형성된 코팅층과 상하로 각각 직접 맞닿아 배치되는 것을 특징으로 하는 상기 낚시바늘 구조체가 소금이 5%로 포함된 50℃의 소금물에 지속적으로 노출되는 조건 하에서 부식이 되지 않고 지속되는 제 1 시간은,
i) 상기 낚시바늘의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층만 존재하는 경우,
ii) 상기 낚시바늘의 표면 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층만 존재하는 경우,
iii) 상기 낚시바늘의 표면 상에 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우,
iv) 상기 낚시바늘의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층 및 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층만 존재하는 경우,
v) 상기 낚시바늘의 표면 상에 원자층 증착 공정으로 형성되되 Al2O3으로 이루어진 버퍼층 및 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우, 또는
vi) 상기 낚시바늘의 표면 상에 주석 도금 공정으로 형성된 도금층 및 습식 코팅 공정으로 형성되되 Si, O, C, H가 함유된 유무기 화합물로 이루어진 코팅층만 존재하는 경우,
소금이 5%로 포함된 50℃의 소금물에 지속적으로 노출되는 조건 하에서 부식이 되지 않고 지속되는 제 2 시간 보다, 적어도 7배 이상 긴 것을 특징으로 하는,
낚시바늘 구조체. - 제 9 항에 있어서,
상기 도금층은 두께가 3㎛이고, 상기 버퍼층은 두께가 100㎚이고, 상기 코팅층은 두께가 2㎛인 것을 특징으로 하는,
낚시바늘 구조체. - 삭제
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