KR102039996B1 - 중이온빔 조사에 의한 TiO2 SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법 및 이를 이용하여 제조된 적층체 - Google Patents

중이온빔 조사에 의한 TiO2 SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법 및 이를 이용하여 제조된 적층체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중이온빔 조사에 의한 코팅 표면개질 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재를 준비하는 단계; 모재의 표면에 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 포함하는 코팅재를 코팅하는 단계; 및 코팅된 모재 표면을 중이온빔 조사장치로부터 발생하는 중이온빔에 노출하는 단계; 및 상기 중이온빔을 조사한 코팅모재의 표면에 제2코팅재를 코팅하는 단계를 포함하며, 중이온빔의 에너지의 크기는 1 MeV 이상인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법에 관한 것이다.
본 발명의 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법을 이용하면 코팅의 고온에서의 열응력, 부식저항성 및 접합성을 향상시킬 수 있다.

Description

중이온빔 조사에 의한 TiO2 SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법 및 이를 이용하여 제조된 적층체{SURFACE MODIFICATION METHOD FOR TiO2 SiO2 HYBRID COATING BY ION BEAM MIXING AND LAMINATE STRUCTURE MANUFACTURED BY USING SAME}
본 발명은 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법 및 이를 이용하여 제조된 적층체에 관한 것으로, 보다 바람직하게는 모재를 준비하는 단계; 모재의 표면에 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 포함하는 코팅재를 코팅하는 단계; 및 코팅된 모재 표면을 중이온빔 조사장치로부터 발생하는 중이온빔에 노출하는 단계;를 포함하며, 중이온빔의 에너지의 크기는 1 MeV 이상인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법에 관한 것이다.
원자로 구조물 및 계통 표면에 보호피막을 형성하여 재료 열화를 방지하려는 기술로서 산화 피막(Pre oxidation) 기술, Pt/TiO2 도포 기술, 세라믹 화학기상증착(CVD), 플라즈마 스프레이(Plasma spray)기술 등이 시도되었으나, 기지금속과의 접착력이 미흡하여 큰 진전이 없었다.
이온 빔 조사(Ion beam mixing)를 통한 세라믹 코팅 접합성 향상 기술은 이온 빔을 활용하여 코팅 물질과 금속모재 소재가 혼합된 균질한 중간 피막층을 형성하여 코팅의 접합성을 향상하는 기술이다. 이 기술을 활용하면 열팽창에 의한 코팅 균열 및 부식 저항성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되었다.
그러나, 종래 기술은 50 내지 500 keV의 이온빔을 조사하여 이온빔 믹싱을 유도하였으나, 이 경우 큰 믹싱 효과를 얻기에는 어려웠다.
이에 본 발명자들은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하고자 신개념 졸겔 TiO2 코팅 및 유무기계 혼성(hybrid) TiO2-SiO2 코팅 소재 기술과 이온빔 조사를 통한 이온 믹싱 표면개질 기술을 융합하는 기술을 개발하여, 원전 표면의 부식 열화방지가 기대되는 본 발명에 이르렀다.
한국등록특허 제1052036호 (등록일자 : 2011.07.20.)
본 발명의 목적은 고온에서의 열응력, 부식 저항성 및 코팅 접합성이 향상된 적층체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 적층체를 보다 효과적으로 제조할 수 있는 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅 표면개질 방법은 모재를 준비하는 단계; 모재의 표면에 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 포함하는 코팅재를 코팅하는 단계; 및 코팅된 모재 표면을 중이온빔 조사장치로부터 발생하는 중이온빔에 노출하는 단계;를 포함하며, 중이온빔의 에너지의 크기는 500KeV 이상, 바람직하게는 1 MeV 이상, 보다 바람직하게는 2 내지 40 MeV 일 수 있다.
중이온빔 조사장치에 사용되는 원소는 철(Fe), 아이오딘(I), 텅스텐(W), 구리(Cu), 실리콘(Si), 아르곤(Ar), 금(Au), 알루미늄(Al), 티탄(Ti) 및 이들을 하나 이상 혼합한 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
중이온빔의 주입량은 50uC 내지 10,000uC일 수 있으며, 중이온빔 조사장치에 인가되는 전류는 0.01 μA 내지 1 μA일 수 있으며, 중이온빔의 노출시간은 1분 내지 2시간인 것일 수 있다.
중이온빔에 노출하는 단계는 1회 또는 2회 이상 수행할 수 있으며, 중이온빔에 노출하는 단계를 2회 이상 수행하는 경우, 코팅된 모재 표면을 중이온빔에 노출하는 단계 이후에 중이온빔을 조사한 코팅된 모재 표면에 제2코팅재를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제2코팅재는 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액일 수 있다.
모재는 304 스테인레스강, Alloy 800H, Alloy 690, Hastelloy X, Hayness230, Hayness556, CX2002U, Alloy X750, Alloy 718, Sanicro28 및 이들의 복합재료에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 금속모재; 금속모재의 금속 성분과 TiO2 성분 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 성분을 포함하는 혼합계면층; 및 혼합계면층 상에 적층되어 있는 TiO2 코팅층 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅층;을 포함하는 적층체를 제공할 수 있다.
혼합계면층은 철(Fe), 아이오딘(I), 텅스텐(W), 구리(Cu), 실리콘(Si), 아르곤(Ar), 금(Au), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 산소(O) 및 이들이 하나 이상 혼합된 원소군에서 선택되는 어느 하나의 원소가 존재하고, 1 내지 200 nm의 두께를 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법을 이용하면 코팅의 고온에서의 열응력, 부식저항성 및 접합성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 중이온빔 조사장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질의 결과를 해석하기 위한 SRIM(Stopping and Range of Ions in Materials) 프로그램이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에서와 같이 실시예 7의 적층체에 대하여 철 기지 위에 형성된 100nm 혼합계면층 경계 내외에 형성된 표면에서부터의 거리에 따른 Fe, O, Ti 원소의 함유 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에서와 같이 실시예 1 내지 3의 표면사진이다.
도 6은 본 발명의 실험예 3에서와 같이 실시예 7의 중이온빔 조사 전후 코팅 표면의 균일도를 확인한 사진(100배 확대) 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예 3에서와 같이 실시예 1의 중이온빔 조사 전후 코팅 표면의 균일도를 확인한 사진(100배 확대) 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예 3에서와 같이 실시예 1 내지 3의 중이온빔 조사 및 2차 코팅 후 코팅계면의 표면 균일도를 SEM으로 관찰한 사진(100배 내지 5,000배 확대) 및 코팅 두께를 SEM으로 관찰한 사진(6,500배 내지 100,000배 확대)이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 기술범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지는 않는다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 모식도와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법은 모재(10)를 준비하는 단계; (a) 모재(10)의 표면에 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 포함하는 코팅재를 코팅(20)하는 단계; 및 (b) 코팅된 모재(10, 20) 표면을 중이온빔 조사장치로부터 발생하는 중이온빔(31)에 노출하는 단계;를 포함하며, 중이온빔의 에너지의 크기는 500 KeV이상, 바람직하게는 1 MeV 이상, 보다 바람직하게는 2 내지 40 MeV 일 수 있다.
코팅재(20)는 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 사용하는 것일 수 있다.
도 1의 (a)단계에 해당하는 졸 용액을 이용한 코팅단계는 통상적으로 사용되는 졸-겔 법을 이용한 코팅방법은 어느 것이나 사용할 수 있으며, 코팅조건 또한 모재(10)와 코팅재(20)의 종류에 따라 통상적인 코팅조건을 활용하는 것일 수 있다.
도 1의 (b)단계에 해당되는 중이온빔(31) 제공을 위한 중이온빔 조사장치에 사용되는 원소는 철(Fe), 아이오딘(I), 텅스텐(W), 구리(Cu), 실리콘(Si), 아르곤(Ar), 금(Au), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 아르곤(Ar) 및 이들을 하나 이상 혼합한 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
중이온빔(31)의 주입량은 50uC 내지 10,000uC이며, 중이온빔 조사장치에 인가되는 전류는 0.01 μA 내지 1 μA이며, 중이온빔의 노출시간은 1분 내지 2시간인 것일 수 있다. 본 발명의 바람직한 중이온빔 주입량이나 중이온빔 조사장치에 인가되는 전류범위 및 중이온빔 노출시간 범위를 벗어날 경우, 효과적인 이온빔 믹싱이 발생하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 도 1의 (b) 중이온빔(31)에 노출하는 단계는 1회 또는 2회 이상 수행할 수 있으며, 중이온빔(31)에 노출하는 단계를 2회 이상 수행하는 경우, (b) 코팅된 모재(10, 30) 표면을 중이온빔(31)에 노출하는 단계 이후에 (c) 중이온빔을 조사한 코팅된 모재(10, 30) 표면에 제2코팅재(40)를 코팅하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
제2코팅재(40)는 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액일 수 있다. 따라서, 코팅재(10)를 코팅하고 중이온빔(31)에 노출한 뒤 제2코팅(40)을 수행하는 단계를 통해 제1코팅-제2코팅으로 TiO2 코팅-TiO2 코팅, TiO2 코팅-TiO2-SiO2 코팅, 금속모재와 TiO2 하이브리드 코팅-TiO2 코팅, 금속모재와 TiO2 하이브리드 코팅-TiO2-SiO2 코팅, TiO2-SiO2 코팅-TiO2 코팅, TiO2-SiO2 코-TiO2-SiO2 코팅, 금속모재와 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅-TiO2 코팅, 금속모재와 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅-TiO2-SiO2 코팅이 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 TiO2-SiO2 코팅-TiO2 코팅, TiO2-SiO2 코팅-TiO2-SiO2 코팅, 금속모재와 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅-TiO2 코팅 또는 금속모재와 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅-TiO2-SiO2 코팅이 형성될 수 있다.
모재(10)는 304 스테인레스강, Alloy 800H, Alloy 690, Hastelloy X, Hayness230, Hayness556, CX2002U, Alloy X750, Alloy 718, Sanicro28 및 이들의 복합재료에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다.
코팅재(20) 또는 제2코팅재(40)로 사용되는 TiO2 졸 용액 또는 TiO2??SiO2 하이브리드 졸 용액은 티타늄 알콕사이드, 실리콘 알콕사이드, 산 또는 염기 촉매 및 용매를 포함하는 것일 수 있다.
티타늄 알콕사이드는 티타늄 이소프로폭사이드(TIP, Titanium isopropoxide), 티타늄 테트라에톡사이드(TTE, Titanium tetraethoxide), 티타늄 테트라이소프로폭사이드(TTIP, Titanium tetraisopropoxide), 티타늄 테트라부톡사이드(TTB, Titanium tetrabutoxide), 테트라부틸오르쏘티타네이트(TBOT, Tetrabutyl orthotitanate) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나이고, 보다 바람직하게 티타늄 알콕사이드는 TBOT를 사용하는 것일 수 있다.
실리콘 알콕사이드는 테트라메틸오르쏘실리케이트(TMOS, tetramethylorthosilicate), 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS, tetraethylorthosilicate), 테트라프로필오르쏘실리케이트(TPOS, tetrapropylorthosilicate), 테트라노말부틸오르쏘실리케이트(TBOS, tetr-n-butylorthosilicate), 감마-메타크릴옥시 프로필트리메톡시실란(MAPTS, γ-methacryloxy propyltrimethoxysilane) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나이며, 보다 바람직하게 실리콘 알콕사이드는 MAPTS를 사용하는 것일 수 있다.
유무기 혼성(TiO2-SiO2 하이브리드) 졸 용액은 티타늄 알콕사이드 1몰에 대하여 실리콘 알콕사이드를 0.40몰 이상 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는 티타늄 알콕사이드 1몰에 대하여 실리콘 알콕사이드를 0.40몰 내지 13.5몰 포함할 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 티타늄 알콕사이드 1몰에 대하여 실리콘 알콕사이드를 8몰 내지 13.5몰 포함하는 것일 수 있다. 티타늄 알콕사이드 1몰에 대하여 실리콘 알콕사이드를 0.40몰 미만 포함할 경우, TBOT-MAPTS 망목구조 형성에 의한 코팅의 균일성 및 접합성 효과가 약화될 수 있다.
용매는 C1-10의 알코올, 물 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나이다. 보다 바람직하게 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 물 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 용매는 티타늄 알콕사이드에 포함된 티타늄 1몰당 1 내지 20 몰, 보다 바람직하게는 티타늄 1몰당 13 내지 18 몰로 포함될 수 있다. 용매가 티타늄 1몰당 1몰 미만으로 포함될 경우에는 안정적으로 용액화되지 않을 수 있으며, 티타늄 1몰당 20몰을 초과하여 포함될 경우에는 용액의 밀도가 낮아져 졸 용액을 구성하는 입자가 안정적으로 분산하는데 필요한 촉매량이 부족할 수 있다.
산촉매는 염산(HCl), 아세트산 및 이들이 하나 이상 포함된 혼합산을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 티타늄 알콕사이드를 구성하는 티타늄 1몰당 산촉매를 0.1 내지 2 몰 포함하며, 졸 용액의 산도는 pH 2 내지 6일 수 있다. 산촉매를 티타늄 1몰당 0.1 몰 미만으로 포함하거나, 졸 용액의 pH가 6을 초과할 경우에는 촉매량 부족으로 졸 용액이 원활하게 구성되지 않을 수 있다. 또한 산촉매를 티타늄 1몰당 2 몰을 초과하여 포함시키거나, 졸 용액의 pH가 2 미만일 경우에는 급격한 겔화 반응이 진행되어 졸 용액이 안정적으로 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
염기 촉매는 에탄올아민(Ethanolamine, ETA)을 포함할 수 있으며, 티타늄 알콕사이드 1몰당 염기 촉매를 1x10-6 내지 2x10-6 몰 포함하는 것일 수 있다. 염기 촉매를 티타늄 알콕사이드 1몰당 1x10-6 몰 미만으로 포함할 경우, 촉매량 부족으로 Ti 미립자 또는 Ti-Si 하이브리드 미립자의 형성속도가 매우 느려져 코팅을 위한 졸 용액이 효과적으로 형성되지 않을 수 있으며, 염기 촉매를 티타늄 알콕사이드 1몰당 2x10-6 몰을 초과하여 포함시킬 경우 급격한 겔화 반응이 진행되어 졸 용액이 안정적으로 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 금속모재(10); 금속모재의 금속 성분과 TiO2 성분 또는 금속모재의 금속 성분과 TiO2-SiO2 하이브리드 성분을 포함하는 혼합계면층(30); 및 혼합계면층(30) 상에 적층되어 있는 TiO2 코팅층(40) 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅층(40);을 포함하는 적층체를 제공할 수 있다.
혼합계면층(30)은 철(Fe), 아이오딘(I), 텅스텐(W), 구리(Cu), 실리콘(Si), 아르곤(Ar), 금(Au), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 산소(O) 및 이들이 하나 이상 혼합된 원소군에서 선택되는 어느 하나의 원소가 존재하고, 1 내지 200 nm의 두께, 바람직하게는 1 내지 100 nm의 두께, 보다 더 바람직하게는 1 내지 50 nm의 두께를 가지는 것일 수 있다.
또한, 혼합계면층(30) 상에 적층되어 있는 코팅층(40)은 코팅의 경계부가 균일하게 접합된 계면을 형성하고, 균열없는 단일한 코팅층을 포함할 수 있다. 그리고 이온빔 믹싱을 수행하지 않은 코팅층에 비해 혼합계면층 및 코팅층을 포함하는 적층체는 코팅이 균일하며 두께가 증가하는 효과를 가진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
에탄올 100 ml에 티타늄 알콕사이드(Ti-alkoxide)인 TBOT(tetrabutyl orthotitanate, 분자량:340.32 g/mol, Aldrich사 제공) 2.86 ml와 TBOT 내에 포함된 Ti 1몰에 대하여 Si이 1몰 포함되도록 실리콘 알콕사이드 MAPTS(γ-methacryloxy propyltrimethoxysilane, 분자량:240.32 g/mol, Aldrich)를 첨가하여 제1혼합용액을 제조하였다.
여기에 아세트산과 에틸아세토아세테이트(Ethyl Acetoacetate, EAcAc, 분자량: 130.14 g/mol, Aldrich사 제공)를 TBOT:아세트산:EAcAc의 몰비가 1:0.5:0.65 만큼 포함하는 제2혼합용액을 제조하여, 제1혼합용액에 한 방울씩 30분에 걸쳐 천천히 점적한 뒤 2시간 동안 교반하여 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 제조하였다.
304 스테인레스 강 기지금속을 모재로 준비하여, TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 1차 딥코팅시켜 하이브리드 코팅 시편을 제조하였다. 모재는 1.0 ㎛ 알루미나(Al2O3) 분말을 사용하여 입도 #100 내지 #2000으로 정밀연마하고, 연마 후 잔류불순물을 제거하기 위해 아세톤 용액에서 30분간 초음파 세척하여 전처리하였다. 딥코팅의 하강-상승속도는 3.36 mm/sec로 하였다. 모재를 15분간 용액에 침지(dipping)시킨 후, 상승시켜 코팅한 후, 50 ℃에서 15분간 건조시켰다. 이러한 과정을 3회 반복한 후 코팅 모재 시편을 200 ℃에서 1시간동안 열처리하였다.
제조된 코팅 모재 시편을 도 2의 중이온 조사 설비(Tendem)에 장착하고, 2 MeV Si2+ 이온빔을 0.5 uA, 1시간 동안 조사하여, 총 7,000 uC이 조사되었다.
이온빔 믹싱이 완료된 코팅 모재 시편에 1차 딥코팅에 사용한 것과 동일한 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 딥코팅시켜 적층체 시편을 제조하였다.
[실시예 2 내지 3]
실시예 1의 조건에서 중이온빔을 각각 0.05 uA, 1시간 동안 조사하여, 총 700 uC을 조사(실시예 2)하고, 0.05 uA, 6분 동안 조사하여, 총 70 uC을 조사(실시예 3)하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체 시편을 제조하였다.
[실시예 4 내지 6]
실시예 1 내지 3의 조건에서 TBOT 내에 포함된 Ti 1몰에 대하여 Si이 4몰 포함되도록 MAPTS를 첨가한 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 사용하는 점을 제외하고는 실시예 1 내지 3과 동일한 방법으로 적층체 시편을 제조하였다.
[실시예 7]
실시예 1의 조건에서 MAPTS를 포함하지 않는 TiO2 졸 용액을 제조하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체 시편을 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1의 조건에서 500 keV 이온빔을 조사하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체 시편을 제조하였다.
[실험예 1] SRIM 조사 해석
도 3은 중이온빔 조사에 의한 코팅 표면개질의 결과를 해석하기 위한 SRIM(Stopping and Range of Ions in Materials) 프로그램에 관한 것이고, 도 4는 이러한 SRIM 조사 분석 프로그램을 사용하여 실시예 7의 적층체 시편의 깊이에 따른 (a) 철(Fe), (b) 산소(O) 및 (c) 티타늄(Ti) 이온 분포 결과를 분석한 결과 그래프이다.
도 4의 (a) 내지 (c)에서 도시한 바와 같이, 실시예 7의 적층체에 대하여 표면에서부터의 거리에 따른 Fe, O, Ti 원소의 함유 분포도를 분석한 결과, 철 기지 위에 형성된 100nm 두께의 TiO2 코팅에서 코팅층 경계를 기준으로 시편의 깊이 10 nm 구간에서 Fe, O, Ti 등의 원소가 서로 혼합되는 구간이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 이러한 SRIM 분석을 통해 중이온빔 조사에 따른 금속 모재와 산화 코팅막의 경계가 서로 믹싱된 혼합계면층이 형성된 것을 알 수 있었다.
[실험예 2] 중이온빔 조사 후 표면 분석(색상)
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3(Test 1 내지 3)의 중이온빔 조사 이후 표면을 관찰한 사진이다.
실시예 3에 비해 실시예 2의 중이온빔 조사량이 10배 증가하였고, 실시예 1은 실시예 2에 비해 10배 많은 이온 조사량을 가지며, 도 5의 관찰 결과, 실시예 1이 실시예 2 및 3에 비해 보다 선명한 표면 색상 변화를 보였다.
이러한 중이온빔 조사 이후 적층체의 표면 색상 변화가 뚜렷한 양상을 통해, 실시예 1의 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅막과 금속 모재의 이온빔 믹싱 정도가 실시예 2 또는 3에 비해 현저하였으며, 이는 중이온빔 조사에 의한 이온 믹싱이 실질적으로 발생하였음을 유추할 수 있었다.
[실험예 3] 중이온빔 조사 후 표면 분석(균일도)
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예 7 또는 실시예 1의 중이온빔 조사 이후 코팅계면 표면의 균일도를 확인한 사진(100배 확대) 결과이고, 도 8은 본 발명의 실시예 1 내지 3의 중이온빔 조사 및 2차 코팅 후 코팅계면의 표면 균일도를 SEM으로 관찰한 사진(100배 내지 5,000배 확대) 및 코팅 두께를 SEM으로 관찰한 사진(6,500배 내지 100,000배 확대)이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 실시예 7에 있어서, 1차 코팅 후 중이온빔을 조사하기 전 시편 표면(단면 및 평면)에 대한 사진이고, (b)는 중이온빔을 조사한 후 혼성계면층이 형성된 시편 표면(단면 및 평면)의 사진이다. 도 6의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이온빔 조사에 의한 이온 믹싱 효과를 통해 균열이 없으며, 균일한 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 7의 (a)는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 1차 코팅 후 중이온빔을 조사하기 전의 시편 표면(단면 및 평면)에 대한 사진이고, (b)는 중이온빔을 조사한 후 혼성계면층이 형성된 시편 표면(단면 및 평면)의 사진이다. 도 7의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 하이브리드 코팅에 중이온빔을 조사한 경우도 도 6의 결과와 유사하게 이온 믹싱에 의한 균열없는 균일한 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 8의 (a)는 실시예 1 내지 3의 1차 코팅 후 중이온빔을 조사하여 혼합계면층이 형성된 코팅 표면을 100배 내지 5000배 확대한 SEM 이미지이다. 도 8의 (a) 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이온 믹싱 후 코팅층에 균열이 발생하지 않았으며, 균일한 표면층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 8의 (b)는 (a)에서 형성된 이온빔 믹싱을 통한 혼합계면층의 형성 이후 2차 TiO2 코팅을 수행하였을 때, 코팅층의 단면을 6,500배 내지 100,000배 확대한 SEM 이미지이며, 이를 통해 전체 코팅 두께의 평균값을 산출한 결과이다. 도 8(b)의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 2차 코팅의 두께는 평균적으로 112.62nm만큼 형성되었으며, 이온 믹싱의 효과로 이온빔을 조사하지 않은 코팅에 비해 재코팅된 시편의 코팅두께가 증가하고, 코팅의 경계부가 균일하게 접합된 계면을 형성하며, 균열이 없는 단일한 코팅을 형성한다는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 모재, 20 : 코팅층
30 : 혼합계면층, 31 : 중이온(빔)
40 : 제2코팅층

Claims (10)

  1. 모재를 준비하는 단계;
    상기 모재의 표면에 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액을 포함하는 코팅재를 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 모재 표면을 중이온빔 조사장치로부터 발생하는 중이온빔에 노출하는 단계;를 포함하며,
    상기 중이온빔의 에너지의 크기는 2 내지 40 MeV이고,
    상기 중이온빔의 주입량은 50uC 내지 10,000uC이며,
    상기 중이온빔 조사장치에 인가되는 전류는 0.01 μA 내지 1 μA이고,
    상기 중이온빔의 노출시간은 1분 내지 2시간인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중이온빔 조사장치에 사용되는 원소는 철(Fe), 아이오딘(I), 텅스텐(W), 구리(Cu), 실리콘(Si), 아르곤(Ar), 금(Au), 알루미늄(Al), 티탄(Ti) 및 이들을 하나 이상 혼합한 군에서 선택되는 어느 하나인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중이온빔에 노출하는 단계는 1회 또는 2회 이상 수행하는 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중이온빔에 노출하는 단계를 2회 이상 수행하는 경우,
    상기 코팅된 모재 표면을 중이온빔에 노출하는 단계 이후에 상기 중이온빔을 조사한 코팅모재의 표면에 제2코팅재를 코팅하는 단계를 더 포함하는 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2코팅재는 TiO2 졸 용액 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 졸 용액인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모재는 304 스테인레스강, Alloy 800H, Alloy 690, Hastelloy X, Hayness230, Hayness556, CX2002U, Alloy X750, Alloy 718, Sanicro28 및 이들의 복합재료에서 선택되는 어느 하나의 금속인 중이온빔 조사에 의한 TiO2 코팅 또는 TiO2-SiO2 하이브리드 코팅의 표면개질 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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