KR102215030B1

KR102215030B1 - 색채화된 표면을 가지는 금속부재 및 금속 표면의 색채화 방법

Info

Publication number: KR102215030B1
Application number: KR1020190040991A
Authority: KR
Inventors: 변지영; 조소혜; 이승용; 최광덕; 백인욱; 김윤희
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2021-02-10
Also published as: KR20200118703A

Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 색채화된 표면을 가지는 금속부재를 제공한다. 상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재는 금속기판; 상기 금속기판 상부에 형성된, 광투과성 유전체층; 및 상기 광투과성 유전체층 상부면에 형성된, 서로 이격된 복수의 금속나노입자;를 포함한다.

Description

색채화된 표면을 가지는 금속부재 및 금속 표면의 색채화 방법{Metal member with colored surface and coloring method of metal surface}

본 발명은 색채화된 표면을 가지는 금속부재 및 금속 표면의 색채화 방법에 대한 것으로서, 금속나노입자를 이용하여 다양하게 색채화된 표면을 가지는 금속부재 및 금속 표면의 색채화 방법에 대한 것이다.

최근 소비자들의 소비 패턴이 기존의 기능 위주에서 디자인과 기능을 동시에 만족하는 방향으로 변화하고 있다. 이러한 흐름에 발맞춰 소재 분야에서도 소비자의 구매 감성을 자극할 수 있는 소재 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 감성이란, 자극이나 자극의 변화를 느끼는 성질을 의미하는데, 금속 분야에서 이러한 감성을 만족시키는 연구는 여러 가지가 있지만, 그 중 가장 눈으로 확인하기 쉬운 것은 색상이라고 할 수 있다.

금, 구리, 황동 등을 제외하고는 알루미늄, 스테인레스 강 등 일상에서 사용되는 대부분의 금속 소재는 백색 또는 회백색의 무채색을 나타낸다. 다양한 색상을 가지는 금속, 특히, 반짝이고 빛나는 표면 금속 광택을 유지하면서 선명한 색상을 발현하는 금속표면을 만들 수만 있다면 그 활용도는 무한할 것이라 기대된다.

현재까지 알려진 컬러링 방법에 대해 간략히 설명한다. 가장 간단한 방법은 페인트를 칠하는 것으로, 이 방법은 다양한 색상을 구현할 수는 있으나 금속광택을 유지하기가 곤란한 단점이 있다. 두 번째로는 질화물, 탄화물, 탄질화물 등을 표면에 코팅하는 방법으로, 이는 금속 표면에 내구성을 부여하는 것과 동시에 색상을 제공하는 방법으로 알려져 있다. 이 방법은 다양한 색상을 제공하는 것이 곤란한 단점이 있다. 세 번째 방법으로 양극산화법이 알려져 있다. 이 방법을 적용할 수 있는 금속은 알루미늄. 타이타늄 등으로 한정되는 단점이 있다. 알루미늄의 경우 양극산화된 산화피막에 염료를 주입하는 방법으로 색상을 발현시킨다. 염료가 자외선에 취약하여 시간경과에 따라 색상이 발하는 단점이 있다. 또한 금속 광택을 살리지 못하는 단점도 있다. 네 번째로는 합금원소를 첨가하여 금속자체의 색상을 제어하는 방법이 있다. 최근 연구되는 방법이나 이 또한 다양한 색상을 발현할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 제조공정으로 다양한 색상을 발현할 수 있도록 금속소재의 광학적 특성을 제어하는 색채화된 표면을 가지는 금속부재 및 금속 표면의 색채화 방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 색채화된 표면을 가지는 금속부재를 제공한다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재는 금속기판; 상기 금속기판 상부에 형성된, 광투과성 유전체층; 및 상기 광투과성 유전체층 상부면에 형성된, 서로 이격된 복수의 금속나노입자;를 포함할 수 있다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재에 있어서, 상기 금속기판은 Fe, Al, Cu, Ni, Mg, Zn, Ti, Cr, Ag, Au, Pt, Pd 순금속 및 이들의 합금(예로써, 스테인레스 강, 황동, 청동, 백동, 두랄루민 등) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재에 있어서, 상기 광투과성 유전체는 TiO₂, Al₂O₃, MgO, SiO₂, ITO(Indium Tin Oxide) 및 Si₃N₄ 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재에 있어서, 상기 금속나노입자는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Pd, Zn, Ti, Cr, Ni, Ru 순금속 및 이들의 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재에 있어서, 상기 금속나노입자는 평균 입자 크기가 2㎚ 내지 50㎚ 범위일 수 있다.

상기 색채화된 표면을 가지는 금속부재에 있어서, 상기 광투과성 유전체는 두께가 5㎚ 내지 200㎚ 범위일 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 금속 표면의 색채화 방법을 제공한다.

상기 금속 표면의 색채화 방법은 금속기판의 적어도 일면에 광투과성 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 광투과성 유전체층의 적어도 일면에 서로 이격된 복수의 금속나노입자를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 금속 표면의 색채화 방법에 있어서, 상기 금속나노입자 패턴을 형성하는 방법은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Depostion) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 금속 표면의 색채화 방법에 있어서, 상기 광투과성 유전체층의 두께 및 종류, 상기 금속나노입자의 종류 중 어느 하나 이상을 변화시켜 상기 금속기판으로 입사된 광파장 중 흡수되는 파장 대역을 제어할 수 있다.

상기 금속 표면의 색채화 방법에 있어서, 상기 금속기판은 Fe, Al, Cu, Ni, Mg, Zn, Ti, Cr, Ag, Au, Pt, Pd 순금속 및 그 합금 (예로써 스테인레스 강, 황동, 청동, 백동, 두랄루민 등) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 금속 표면의 색채화 방법에 있어서, 상기 광투과성 유전체는 TiO₂, Al₂O₃, MgO, SiO₂, ITO(Indium Tin Oxide) 및 Si₃N₄ 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 제조방법에 의하면, 간단한 공정으로도 금속 표면의 색상을 다양하게 제어할 수 있으며, 이를 통해 다양한 색상으로 색채화된 표면을 가지는 금속부재를 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색채화된 표면을 가지는 금속부재의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 2는 금속나노입자를 형성하는 과정을 개략적으로 도해한 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 금속부재 샘플들의 파장에 따른 반사율을 측정한 것이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 금속나노입자가 형성된 금속부재의 표면 미세구조를 분석한 이미지이다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 실험예에 따른 금속부재 샘플들의 파장에 따른 반사율 및 그에 따른 색차값을 전산모사로 예측한 값이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실험예에 따른 금속부재 샘플들의 표면 이미지를 정리한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속나노입자를 적용한 색채화된 표면을 가지는 금속부재를 제공한다. 금속나노입자는 유전체 박막과의 커플링에 의해 특정 파장에서 높은 효율의 광 흡수 특성을 보인다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색채화된 표면을 가지는 금속부재(100)의 단면 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.

도 1을 참조하면, 금속부재(100)는 금속기판(10), 금속기판(10) 상부에 형성된 광투과성 유전체층(20) 및 광투과성 유전체층(20) 상부면에 형성된, 서로 이격된 복수의 금속나노입자(30)을 포함한다.

예를 들어, 금속기판(10)은 Fe, Al, Cu, Ni, Mg, Zn, Ti, Cr, Ag, Au, Pt, Pd 순금속 및 그 합금 (예로써 스테인레스 강, 황동, 청동, 백동, 두랄루민 등) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

광투과성 유전체층(20)은 금속기판(10)의 적어도 일면에 형성된다. 광투과성 유전체(20)는 TiO₂, Al₂O₃, MgO, SiO₂, ITO(Indium Tin Oxide) 및 Si₃N₄ 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 두께가 5㎚ 내지 200㎚ 범위일 수 있다. 광투과성 유전체층(20)은 박막제조 공정, 예를 들어, 반응성 스퍼터링(reactive sputtering), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 졸-겔법 등을 이용하여 형성할 수 있다.

금속나노입자(30)는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Pd, Zn, Ti, Cr, Ni, Ru 순금속 및 이들 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 평균 입자 크기가 2㎚ 내지 50㎚ 범위일 수 있다.

금속나노입자(30)는 박막제조 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 박막제조 공정은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 포함한다. 상기 PVD 방법은 예를 들어, 증발법(evaporation), 스퍼터링 및 아크 플라즈마 증착법 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로서 가스의 반응을 이용하여 박막을 형성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 혹은 ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 방법도 사용될 수 있다.

광투과성 유전체층(20)의 일면에 형성되는 금속나노입자(30)는 박막 형성 과정 중의 초기 단계에 형성되는 것일 수 있으며, 금속나노입자(30)의 크기 및 두께는 이를 형성하기 위해 소요되는 시간을 제어함으로써 제어될 수 있다.

도 2에는 임의의 기판 일면에서 금속박막의 형성 과정을 개념적으로 도해한 도면이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 금속박막 형성의 초기 단계에서는, 기판(S)의 일면에서 금속원자의 응집에 의해 금속 클러스터(N)가 형성되고, 상기 금속 클러스터(N)가 핵의 역할을 수행한다. 이 경우 금속 클러스터(N)의 크기가 매우 작으므로 기판(S)의 일부만이 도포되며, 금속 클러스터(N)간의 이격거리가 충분히 확보된다.

박막 형성에 소요되는 시간이 증가됨에 따라, 도 2의 (b)와 같이 금속 클러스터의 크기 및 두께가 증가하고, 금속 클러스터간의 병합에 의해 금속입자(P)가 형성된다. 박막 형성이 계속 진행되면, 도 2의 (c)에서와 같이, 금속입자의 크기 증가 및 입자간 병합에 의해 기판(S)의 일면의 일부 채널 형태의 공간(C)을 제외하고 거의 대부분 도포되어 연속적으로 연결된 금속박막이 형성된다. 도 2의 (c) 단계 및 그 이후 기판의 일면에 형성된 금속은 입자 형태가 아닌 막 형태이므로 본 발명에서와 같은 금속나노입자에 의한 플라즈모닉 효과는 발생되지 않는다. 따라서 본 발명에서의 금속나노입자는 박막의 초기 단계인 도 2의 (a) 혹은 (b)에 형성되는 것으로 이해될 수 있다.

금속나노입자의 두께 또는 크기를 제어하기 위해서는 상술한 바와 같이, 박막 형성 초기에 박막 형성 조건, 예를 들어 증착시간, 증착속도 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링법에 의해 형성할 경우, 금속 타겟으로 이루어진 증착원으로부터 스퍼터링되는 시간을 제어함으로써 금속나노입자의 크기 및 두께를 제어할 수 있다. 다른 예로서, 아크 플라즈마 증착법에 의할 경우에는 금속 타겟에서의 아크 발생 수인 샷(shot) 수를 제어함으로써 금속나노입자의 크기 및 두께를 제어할 수 있다. 또 다른 예로서,전구체 가스를 이용하는 CVD 방법 혹은 ALD 방법에 의할 경우에는, 증착시간 혹은 가스유량, 기판온도 등을 제어할 수 있다. 특히 복수의 전구체 가스가 교호적으로 기판에 투입되는 ALD 방법의 경우에는 교호적으로 투입되는 주기를 제어함으로써 금속나노입자의 크기 및 형상을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 금속기판의 일면에 형성된 광투과성 유전체층의 두께와, 그 상부에 형성된 금속나노입자의 종류, 두께 혹은 크기, 기판의 종류를 조합하여 변경시킴으로써 금속기판에 입사되는 광 파장 중 흡수되는 파장 대역을 제어할 수 있으며, 이를 통해 금속표면에 다양한 색상이 구현되도록 할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실험예>

실험을 위해 여러 가지 조건에서 금속부재 샘플을 제조하였다. 금속부재 샘플은 1㎝×1㎝ 크기의 Al 기판 상에 TiO₂ 유전체층을 반응성 스퍼터링 방법으로 형성하고, 아크 플라즈마 증착법으로 TiO₂ 유전체층 상에 금속나노입자로서, Au, Pd, Ag, Al 및 Ni을 각각 형성하였다. 금속나노입자의 크기 및 두께를 제어하기 위해 아크 플라즈마 샷 수를 변경하였다.

이하 표 1에는 실험예 및 비교예에 해당되는 유전체층의 두께, 금속나노입자의 종류 및 아크 플라즈마 샷 수가 나타나 있다.

실험예	유전체층의 두께 (㎚)	금속나노입자의 종류	아크 플라즈마 샷 수 (회)
비교예 1	50	-	0
실험예 1a	50	Au	30
실험예 1b	50	Au	100
실험예 1c	50	Au	200
실험예 1d	50	Au	400
비교예 2	30	-	0
실험예 2a	30	Au	30
실험예 2b	30	Au	100
실험예 2c	30	Au	200
실험예 3a	35	Au	200
실험예 3b	45	Au	200
실험예 3c	80	Au	200
실험예 3d	100	Au	200
실험예 4	100	Ag	200
실험예 5a	30	Pd	200
실험예 5b	30	Ag	200
실험예 5c	30	Al	200
실험예 6a	35	Ag	200
실험예 6b	35	Al	200
실험예 7a	80	Pd	200
실험예 7b	80	Ag	200
실험예 7c	80	Ni	200
비교예 3	6	-	0
비교예 4	12	-	0
비교예 5	35	-	0
비교예 6	40	-	0
비교예 7	45	-	0
비교예 8	70	-	0
비교예 9	80	-	0
비교예 10	100	-	0

도 3은 본 발명의 비교예에 따른 금속부재 샘플들의 파장(wavelength)에 따른 반사율(reflectance)을 측정한 것이다.

도 3은 Al 기판 상에 TiO₂ 유전체층의 두께에 따른 반사율을 측정한 것으로서, TiO₂ 유전체층의 두께가 증가할수록 흡수 피크(peak)의 위치가 장파장 대역으로 이동하는 것을 알 수 있다. 여기서, TiO₂ 유전체층의 두께가 50㎚ 이상일 경우, 적외선(IR) 파장 대역에서 흡수 피크가 발생하였으며, 가시광선 파장 대역에서는 반사율이 최대가 되는 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 도 3에 도시된 것과 같이, TiO₂ 유전체층만 Al 금속기판 상에 증착할 경우, 모두 50% 이상의 높은 반사율을 나타내며, 따라서 선명한 색을 구현하는 것이 곤란한 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 금속나노입자가 형성된 금속부재의 표면 미세구조를 분석한 이미지이다.

도 4의 (a) 내지 (d)는 실험예 1a 내지 실험예 1d 샘플들의 표면 미세구조를 각각 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 이미지이다. 그 결과, 샷의 수가 증가할수록 금속나노입자의 크기 및 두께는 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

도 5는 실험예 1a 내지 실험예 1d 샘플의 가시광선 파장 대역에서의 반사율을 비교 분석한 것이다. 비교예로서 비교예 1 및 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율 결과가 같이 도시되어 있다.

비교예 1과 같이, 두께가 50㎚인 TiO₂ 유전체 층만이 존재할 때는 710㎚에서 반사율이 최저가 되며, 그 값은 50.6%였다. 반면 실험예 1a 내지 1d와 같이, TiO₂ 유전체 층 상부에 Au 나노입자가 존재하게 되면 최저 반사율을 나타내는 파장이 600㎚ 부근으로 감소하고, 그 파장에서의 반사율은 급격히 감소하는 것이 관측된다. Au 나노입자의 함량이 30 샷으로 작을 때는 최저 반사율이 23.7%, 100 샷 일 때는 13.4%, 200 샷 일 때는 8.7%로 관측된다. Au가 나노입자로 존재할 때는 최저 반사율을 나타내는 파장은 거의 일정하면서 Au 나노입자의 함량이 증가하면 반사율의 최저값은 감소하는 것이 관측된다.

반면, Au가 나노입자로 존재하지 않고 서로 서로 연결된 상태로 또는 필름형태로 되면, 즉, 400 샷과 같은 상태로 되면 최저 반사율을 나타내는 파장은 보다 단파장으로 이동하여 540㎚에서 최저 반사율이 관측된다. 이로부터 Au 금속나노입자를 서로 연결되지 않은 이격된 상태로 존재하게 하면 색상의 변화는 크지 않은 상태에서 색상의 선명도 조절이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 실험예 2a 내지 실험예 2d 샘플의 가시광선 파장 대역에서의 반사율을 비교 분석한 것이다. 비교예로서 비교예 2 샘플 및 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율 결과가 같이 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, TiO₂ 유전체층의 두께가 30㎚일 때, Au 금속나노입자 수가 증가하면 400㎚ 내지 430㎚ 파장 대역에서의 흡수율이 급격이 증가하는 것으로 나타났다. 200 샷 한 경우 최저 반사율은 400㎚에서 2.4%로 되어 선명한 황색을 보인다. 이로부터 Au 금속나노입자를 서로 연결되지 않은 이격된 상태로 존재하게 하면 색상의 변화는 크지 않은 상태에서 색상의 선명도 조절이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 7은 본 발명의 실험예에 따른 금속부재 샘플들의 표면 이미지를 색차값으로 정리한 것이다. 비교를 위해 TiO₂ 유전체 층만 존재하는 비교예 1 및 비교예 2에 해당되는 시편의 결과가 같이 도시되어 있다. 도 7에서 이용한 시편들의 L, a*, b* 값들은 하기 표 2에 정리하여 나타내었다.

실험예	유전체층 두께(㎚)	Au 아크 플라즈마 샷 수(회)	L	a*	b*
비교예 1	50	0	81.16	-2.00	-10.63
실험예 1a	50	30	63.03	1.15	-29.4
실험예 1b	50	100	53.95	4.75	-41.23
실험예 1c	50	200	46.04	9.08	-44.39
실험예 1d	50	400	42.77	41.56	-33.35
비교예 2	30	0	83.45	1.18	8.59
실험예 2a	30	30	68.97	1.54	18.44
실험예 2b	30	100	60.43	7.42	33.26
실험예 2c	30	200	69.12	6.44	52.89

도 7 및 표 2를 참조하면, TiO₂ 유전체층 상에 Au 금속나노입자 패턴의 형성 후 색상을 나타내는 색차값이다. 색차값은 분광광도계(color spectrophotometer)를 이용하여 측정된 값으로 국제조명위원회(CIE)에 의해 체계화된 CIELAB 시스템에서 색을 표시하는 적색도(a*, red-green), 황색도(b*, yellow-blue)의 2가지 속성으로 표시하였다. a* 값은 +로 클수록 적색도가 높아지며, b 값은 +로 클수록 황색도가 높아진다.

비교예 1 및 실험예 1a 내지 실험예 1c 샘플의 경우, Au의 샷 수가 증가할수록 청색도가 높아지는 것으로 나타났으며, 실험예 1d 샘플의 경우에는, Au가 나노입자로 존재하지 않을 때에는 적색도가 높아지는 것으로 나타났다. 또, 비교예 2 및 실험예 2a 내지 실험예 2c 샘플의 경우, Au의 샷 수가 증가할수록 황색도가 높아지는 것으로 나타났다. 이를 통해, Au 입자가 형성되는 정도에 따라 다양한 파장 대역에서 빛이 흡수되며, 특정 파장 대역의 빛이 반사되는 고유의 값을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Au 나노입자의 TiO₂ 유전체 층 표면 점유면적 뿐만 아니라, TiO₂ 유전체층의 두께에 따라서도 색이 변하는 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 TiO₂ 유전체 층의 두께가 변화함에 따라 색상의 변화를 반사율로 측정하여 나타낸 것이다. 도 8의 실험예들은 TiO₂ 유전체층 상부에 Au 나노입자가 존재하는 구조로, 점유면적은 본 특허 조건에서 아크 플라즈마 200 샷에 해당한다. 반면, 도 8의 비교예들은 Au 나노입자가 존재하지 않는 구조이다.

도 8의 (a)에는 TiO₂ 유전체층의 두께가 30nm(비교예 2, 실험예 2c), 35㎚(비교예 5, 실험예 3a), 45㎚(비교예 7, 실험예 3b), 50㎚(비교예 1, 실험예 1c) 일 때 Au 나노입자 유무에 따른 결과가 나타나 있으며, 도 8의 (b)에는 80㎚(비교예 9, 실험예 3c), 100㎚(비교예 10, 실험예 3d)일 때 Au 나노입자 유무에 따른 결과가 나타나 있다. 또한, 비교예로서 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율의 결과가 같이 도시되어 있다.

도 8의 (a)를 참조하면, TiO₂ 유전체층의 두께가 증가할수록 최대 흡수 피크를 나타내는 파장이 장파장 대역으로 이동하는 것으로 나타났으며, Au 금속나노입자가 존재함에 따라 특정 파장 대역에서의 흡수도가 증가되었다. 이로부터 Au 나노입자의 존재에 의해 선명한 색상을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

도 8의 (b)를 참조하면, TiO₂층의 두께가 80㎚, 100㎚ 일 때는 가시광선 영역 바깥쪽에서 흡수가 나타난다. 즉, 자외선 영역과 적외선 영역에서 흡수가 일어난다. Au 나노입자가 존재하게 되면 자외선 영역과 적외선 영역에서의 흡수도가 급격히 증가하고 가시광선 영역 중 500㎚ 내지 550㎚ 근방에서의 반사율이 최대가 되는 현상이 나타난다. Au 나노입자의 존재가 선명한 색상을 구현할 수 있음을 확인해 준다.

도 9는 금속나노입자가 Au, Pd, Ag 및 Al인 실험예 2c, 실험예 5a 내지 실험예 5c 샘플의 가시광선 파장 대역에서의 반사율을 비교 분석한 것이다. 비교예로서 비교예 2 및 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율의 결과가 같이 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, Pd 및 Ag를 사용한 경우, Au를 사용한 경우와 유사한 거동을 하였다. 반면, Al의 경우, 귀금속과는 다른 거동을 하였으며, 200㎚ 파장 대역만큼 피크의 위치가 시프트 되었으며, 흡수도가 Pd 및 Ag를 사용한 경우보다 상대적으로 더 감소되었다.

도 10은 금속나노입자가 Au, Ag 및 Al인 실험예 3a, 실험예 6a 및 실험예 6b 샘플의 가시광선 파장 대역에서의 반사율을 비교 분석한 것이다. 비교예로서 비교예 5 및 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율 결과가 같이 도시되어 있다.

도 10을 참조하면, Ag를 사용한 경우, Au를 사용한 경우와 유사한 거동을 하였으며, 동일 파장 대역에서 흡수도가 증가되었다. 반면, Al의 경우, 실험예 5c와 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다.

도 11은 금속나노입자가 Au, Pd, Ag 및 Ni인 실험예 3c, 실험예 7a 내지 실험예 7c 샘플의 가시광선 파장 대역에서의 반사율을 비교 분석한 것이다. 비교예로서 비교예 9 및 코팅층이 형성되지 않은 Al(Bare Al) 기판의 반사율 결과가 같이 도시되어 있다.

도 11을 참조하면, Pd 및 Au를 사용한 경우, 서로 유사한 거동을 하였으며, 530㎚ 파장 대역 근방에서 최대 반사율을 보였으며, Au 금속나노입자의 반사도가 상대적으로 더 높은 것으로 나타났다. 또, Ag 및 Ni을 사용한 경우, 서로 유사한 거동을 하였으며, 570㎚ 파장 대역 근방에서 최대 반사율을 보였으며, Ni 금속나노입자의 반사도가 상대적으로 더 높은 것으로 나타났다.

도 12는 본 발명의 실험예에 따른 금속부재 샘플들의 표면 이미지를 정리한 것이다.

도 12를 참조하면, TiO₂ 유전체층의 두께와 금속나노입자의 종류에 따른 샘플들의 표면 색상을 정리하였다. 비교예로서 비교예 2, 비교예 9 및 비교예 10 샘플의 결과를 같이 도시하였다.

도 12에 의하면, 비교예 샘플들은 표면 색상을 제어할 수 없었으나, 실험예 샘플들은 앞서 진행한 샘플들의 반사율 측정 결과와 동일한 색상을 내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예들에 의하면, TiO₂ 유전체층의 두께 및 금속나노입자의 종류에 따라 금속부재의 표면 색상을 다양하게 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 13에는 구리를 금속기판으로 사용하였을 때의 실험예와 알루미늄을 기판으로 사용하였을 때의 실험예를 비교하여 나타내었다. 각각의 기판에 TiO₂를 스퍼터링으로 증착하고 그 위에 Au를 200번 샷 하여 발색한 시편에 대한 것이다.

도 13에서 보인 바와 같이 TiO₂와 Au 나노입자로 구성된 발색층의 구조가 동일하더라도 기판의 종류에 따라 그 색상이 달라짐을 알 수 있다. 이는 가시광선 영역에서 Cu의 반사도와 Al의 반사도가 다르기 때문에 나타난 현상이다. 이를 활용하면 금속기판의 종류를 바꾸는 방법으로 색상을 조절할 수 있다.

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.

10 : 금속기판
20 : 광투과성 유전체층
30 : 금속나노입자
100 : 금속부재

Claims

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금속기판의 적어도 일면에 광투과성 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 광투과성 유전체층의 적어도 일면에 서로 이격된 복수의 금속나노입자를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 서로 이격된 복수의 금속나노입자를 형성하는 단계는,
아크 플라즈마 증착법을 이용하되, 금속 타겟에서의 아크 발생 수인 샷(shot) 수를 제어함으로써 서로 연결되지 않은 이격된 상태로 상기 금속나노입자를 형성하여 색상의 선명도를 조절하는 단계를 포함하는,
금속 표면의 색채화 방법.
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제 7 항에 있어서,
상기 광투과성 유전체층의 두께 및 상기 금속나노입자의 두께 중 어느 하나 이상을 변화시켜 상기 금속기판으로 입사된 광파장 중 흡수되는 파장 대역을 제어하는,
금속 표면의 색채화 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 금속기판은 Fe, Al, Cu, Ni, Mg, Zn, Ti, Cr, Ag, Au, Pt, Pd 순금속 및 그 합금 중 어느 하나를 포함하는,
금속 표면의 색채화 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 광투과성 유전체는 TiO₂, Al₂O₃, MgO, SiO₂, ITO(Indium Tin Oxide) 및 Si₃N₄ 중 어느 하나를 포함하는,
금속 표면의 색채화 방법.