KR19990026684A - 다양한 색상을 나타내는 색거울 및 이의 제조방법 - Google Patents

다양한 색상을 나타내는 색거울 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 방법에 의해 기판의 한 쪽 표면상에 반투명막, 투명막 및 반사막을 순차적으로 코팅시켜 다양하고 선명한 색상을 나타내는 색거울 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 반사율 및 굴절율이 높은 반투명막을 코팅함으로써 종래에 비하여 더욱 선명하고, 투명막의 두께에 따라 다양한 색상을 나타내고, 별도의 이면 보호 도장이 없이도 제조가능하여 환경오염물질을 배출하지 않는 거울이 제공된다.

Description

다양한 색상을 나타내는 색거울 및 이의 제조방법
본 발명은 진공증착기술을 이용하여 투명 기판상에 다층막을 형성시켜 다양한 색상을 나타내는 코팅물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는,진공 중에서 기판의 한 쪽 표면상에 반투명 박막, 투명막 및 반사막을 순차적으로코팅하여, 빛의 간섭현상으로 인하여 다양하며 선명한 색상을 나타내는 색거울 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
거울을 제조하는 고전적인 기술은 은경 반응에 의해 투면 유리의 후면을 코팅하여 거울을 제조하는 것이다. 그러나, 최근에는 공해 문제로 인하여 알루미늄을 사용한 거울로 대체되기 시작하였다. 알루미늄 거울은 알루미늄을 진공 중에서 가열하고, 이때 발생되는 증기를 유리표면에 미세하게 코팅하여 반사면을 형성, 거울을 제조한다. 상기 방법을 사용하여 제작한 거울은 은경 반응에 의한 종래의 거울과 마찬가지로 내구성이 없기 때문에 이면을 보호도장하여 사용한다. 알루미늄 거울은 단순히 은경반응에 의한 거울을 대체할 목적으로 개발되었기 때문에 색상을 나타내지는 않는다.
또한, 알루미늄 거울의 내구성을 증진시키기 위한 방법으로 알루미늄 대신에 크롬(Cr) 금속을 사용한 거울 및 티탄(Ti)을 사용한 거울이 개발되고 있으나, 이들 거울도 모두 색상을 나타내지는 않는다.
한편, 사용되는 물질의 종류에 따라 거울의 반사율이 결정되는데, 알루미늄을 사용한 거울의 반사율은 약 90 %이며, 티탄을 사용한 경우에는 약 60 %이다. 스테인레스 스틸을 사용하는 경우에는 반사율이 이보다 약간 떨어진다. 반사율을 조절하기 위하여, 상기 금속들의 합금을 사용하는 경우도 있지만, 어떠한 경우에도색상을 나타내지는 않는다.
또한, 진공기술이 발달함에 따라, 스퍼터링법등과 같은 진공증착기술을 이용하여 유리 표면에 얇은 반사막을 형성시켜, 광의 간섭현상을 이용하여 색상을 나타내는 거울도 개발되었으나, 이 경우에는 층의 구조에 따라 나타낼 수 있는 색상의 종류가 크게 제한된다.
색상이 나타나도록 거울을 코팅하는 방법으로서, 광의 간섭현상을 사용하여 파란색을 나타내는 거울이 개발되어 사용되고 있는 데, 대표적인 방법으로 독일 쇼트(shott)사의 자동차용 청색 거울을 들 수 있다. 이 거울은 습식(졸-겔:sol-gel) 방법을 사용하여 유리 표면에 파란색을 특히 많이 반사시키는 층을 코팅하고, 이면에 흑색의 보호도장을 한 제품이다. 이 거울은 유리 위에 TiO2층을 일정한 두께로 코팅하여 빛이 간섭 현상을 일으키도록 함으로써 이러한 특성을 얻었다. 이렇게 만든 거울은 TiO2층이 투명한 물질이기 때문에 전체적으로 투명한 상태이며, 거울로 사용하기 위해서는 뒷면이 보이지 않도록 흑색의 보호도장을 하여야만 한다. 이런 과정을 거치면 파란색의 색거울이 되지만 보호도장으로 인하여 색상의 순도가 높지 못하고, 또한 별도의 보호도장을 하여야만 사용 가능하다는 단점이 있다. 또한 빛을 반사하는 역할을 수행하는 층(layer)의 관점에서 볼 때, 상기 구조에서는 TiO2의 광간섭에 의한 반사만이 일어나기 때문에 크롬(Cr) 등의 금속반사층을 사용한 경우에 비하여 전체적인 반사율이 낮다는 문제점도 있다.
색거울을 제조한는 또 다른 방법으로, 미국의 비오씨 그룹(BOC group)에서는 진공코팅방법을 사용하여 TiO2를 크롬(Cr)층 위에 코팅함으로써 이면도장이 필요없는 청색거울을 개발하였다. 이 청색거울은 이면경(색상을 나타내는 층이 유리의 두 면중에서 뒷면에 있는 거울) 및 표면경(색상을 나타내는 층이 유리의 앞면에 있는 거울)등 2 종류이다. 이 두 제품중에서, 표면경은 투명기판의 바깥표면(앞면)에 반사막이 코팅되기 때문에 비교적 작은 외력에 의해서도 쉽게 코팅막이 훼손되는 단점이 있으며, 이면경은 이러한 문제점을 나타내지는 않지만, 색상이 변하면서 색순도가 바뀌는 문제점이 있었다.
더욱이, 상기 방법에 의한 거울들은 TiO2층에 의한 광간섭현상을 사용하여 파란색을 나타내고 있기 때문에, 표면경으로 제작하여 사용하는 경우에는 공기(굴절률=1.0)와 TiO2(굴절률=2.2∼2.5)간의 굴절률 차이가 1.2∼1.5 정도로 크기 때문에 어느 정도 높은 순도의 색거울을 얻을 수 있다. 그러나 이면경으로 제작하는 경우에는 공기층이 아니라 유리 또는 플라스틱(굴절률=1.5 정도)과 접하게 되어, 이때의 굴절률 차이는 0.7∼1.0 정도로 낮다. 따라서 얻어지는 색거울도 선명한 색상이 아니라 옅은 색이 얻어진다.
한편, 상기한 바와 같은 파란색 이외에, 노란색을 나타내는 색거울을 제조하는 방법으로, 은(Ag)을 코팅한 유리를 고온에서 열처리하여 노란색으로 착색시킨 후, 은을 다시 반사막으로 코팅하여 거울을 만드는 방법도 개발되어 있으나, 이 방법에 의하면 오직 노란 색상을 나타내는 거울의 제조만이 가능하다.
파란색 및 노란색 이외의 색상을 나타내는 거울은 일반적인 염료나 안료를 사용한 제 2 의 물질을 유리 뒷면에 부착시키고, 그 위에 반사막으로 은을 코팅하여 색상을 나타내는 방법, 또는 소정의 색상을 나타내는 색유리에 종래 기술에 의한 반사막을 형성시켜 색상을 나타내는 색거울을 제조하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 상기와 같이 색상을 나타내는 물질을 유리에 부착시키는 방법은 다단계의 공정을 거쳐야 하며, 발색재료의 내구성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 또한, 색유리를 사용하는 방법은 기존에 생산되고 있는 색유리의 종류가 다양하지 못하기 때문에 나타낼 수 있는 색상의 종류가 매우 제한된다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 색거울에 비하여 더욱 다양하고 선명한 색상을 가지며, 제조가 용이하며, 별도의 이면 보호도장 없이도 사용할 수 있어 환경오염물질을 배출하지 않는 색거울 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 색거울의 층구조를 나타낸 개략 단면도,
도 2는 본 발명에 따라 제조된 파란색, 노란색 및 자주색 거울유리의 분광반사율을 나타낸 그래프이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판의 한 쪽 표면상에 반투명막, 투명막 및 반사막이 순차적으로 형성되어 이루어진 색거울을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면 스퍼터링 방법을 사용하여 기판의 한 쪽 표면상에 반투명막, 투명막 및 반사막을 순차적으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 색거울의 제조 방법이 제공된다.
본 발명이 종래의 쇼트(shott)사의 청색 거울이나 비오시 그룹(BOC group)의 청색 거울과 상이한 점은 기판과 반사막 사이에 반투명막이 추가로 도입되어 있다는 점이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에서는 기판과 반사막 사이에 반투명막 과 투명막을 추가로 도입하여 색순도를 향상시켰다. 본 발명에서 도입된 반투명막은 투과광의 일부만을 차단하는 층으로서 금속 자체이거나 금속의 질화물, 탄화물 등의 물질을 기판 상에 얇게 코팅하여 얻을 수 있다. 예를 들면, 하기 표 1에 나타낸 금속, 이의 질화물 또는 탄화물을 사용할 수 있다. 이러한 물질로 형성된 반투명 막들은 굴절률(광의 흡수까지 포함한 복소굴절률)이 기존의 투명박막의 굴절률에 비하여 매우 높기 때문에 선명한 색상을 얻을 수 있다. 따라서, 기존의 청색 거울에서는 높은 굴절률 차이를 나타내기 위하여 반사막으로 굴절률이 높은 TiO2를 주로 사용하고 있으나, 본 발명에서는 굴절률이 높은 광 흡수층을 이미 사용하고 있기 때문에 반사막에 사용하는 물질은 굴절률이 높지 않아도 된다. 실제로 표 1a 내지 표 1c와 같은 통상의 금속박막이 모두 사용가능하며, 사용하는 물질의 종류에 따라 광학 두께를 조절하여 사용한다.
한편, 본 발명에서 도입된 투명막의 재질로는 상기 표에 제시한 산화물 이외에도 가시광선 영역에서 투명한 투명막을 형성할 수 있는 재질의 것이라면 여하한 산화물도 사용가능하나, 금속 물질 자체는 모두 광의 흡수가 심하기 때문에, 투명막으로 사용할 수 없다.
한편, 본 발명에서의 반투명막은 Cr, Ti, SST, Nb 및 Zr 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질을 단독으로 사용하거나 두 물질 이상의 합금을 사용할 수 있다. 또한, Al, Cr, Sn, Ti, SST, Nb 및 Zr 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질의 질화물을 단독으로 사용하거나 두 물질 이상의 합금의 질화물도 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서의 투명막은 Sn, Al, Si, Ti, Zr, Nb 및 Zn 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질의 산화물을 단독으로 사용하거나 두 물질 이상의 합금의 산화물을 사용할 수 있다. 또한, Al 및 Si 로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질의 질화물을 단독으로 사용하거나 두 물질의 합금의 질화물을 사용할 수 있다.
한편, 반사막으로는 Cr, Ti, Al, Si, SST, Zr, Nb, Cu, Ag, Ni 로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질을 단독으로 사용하거나 두 물질 이상의 합금을 사용할 수 있다.
반투명막의 두께는 사용되는 물질의 종류에 따라 상기 표와 같은 범위로 하는 것이 바람직하며, 통상 2∼20 nm 이 바람직하다.
투명 기판으로는 유리 이외에도 플라스틱(예를 들면, 아크릴, 폴리카보네이트 등), 필름(예를 들면, PET 필름, 비닐 등) 등의 물질을 사용할 수 있으며, 보석이나 장난감 등을 기판으로 사용하여 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
본 발명에서는 투명막의 두께 및 이를 구성하는 물질의 종류에 따라 다양한 색상을 나타내는 데, 하기 표 2에 대표적인 색상을 나타내는 투명 코팅층의 두께와 물질의 예를 나타내었다.
본 발명에서는, 상기 표에 나타낸 바와 같이 투명 코팅층의 재질 및 두께를 적절히 조절, 선택하므로써, 다양한 색상의 거울을 제작할 수 있으며, 코팅층의 물질로서 내화학성이 우수한 크롬, 산화 주석 등을 사용하는 경우에는 별도의 이면 보호 도장을 하지 않고서도 거울을 제작할 수 있다.
또한, 반투명막층을 도입함으로써 색상의 순도가 높고, 선명하며 다양한 색상의 이면 코팅 거울을 얻을 수 있다. 종래 기술로 이면경을 만드는 경우에는 표면경에 비하여 선명한 색상을 얻기 어렵다. 이는 이면경으로 만들게 되면 표면경에 비하여 광학적 굴절률의 차이가 적어지기 때문이다. 본 발명에서는 얇은 광흡수층을 사용하며, 대부분의 광흡수 물질이 가지고 있는 높은 굴절률을 이용하기 때문에 선명한 색상을 얻을 수 있다. 따라서, 기존에 사용하고 있던 투명한 유전체층의 굴절률은 본 발명에서는 그리 중요하지 않다. 즉, 종래 기술에서는 투명한 유전체층의 굴절률이 2.3 이상이 되어야만 사용 가능한 수준의 색상을 나타내었으나, 본 발명에서는 굴절률이 1.5 이상인 어떤 물질을 사용하여도 선명한 색상을 얻을 수 있다. 또한, 굴절률이 2.3 이상인 물질들은 모두 코팅 속도가 현저하게 느린 물질들 뿐이므로, 본 발명을 사용하면 코팅 속도가 빠른 물질을 사용하면서도 기존 제품보다 더욱 선명한 색상을 나타내는 색거울을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 색거울은 건축용 또는 장식용 등으로 사용가능하다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 더욱 용이하게 이해할 수 있게 하기위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
두께가 6 mm인 맑은 플로트(float) 유리 기판상에, 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 조건으로하여, 크롬(Cr), 산화주석(SnO2) 및 알루미늄(Al)을 각각 사용하여, 도1에 나타낸 바와같이 반투명막, 투명막 및 반사막을 순차적으로 각각 12nm, 110nm, 30nm의 두께가 되도록 다층박박층을 형성시켜 색거울을 제작하였다. 이때 나타난 색상은 선명한 파란색이었다. 제막장치로는 연속식 자력보강 스퍼터링(in-line magnetron sputtering) 방식의 것을 사용하였다.
실시예 2 및 실시예 3
투명막층을 형성하는 SnO2층 형성시의 처리조건을 하기 표3에 나타낸 바와 같이 변경하여 그의 두께가 각각 160nm, 205nm가 되게한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하여 색상이 노란색(실시예 2) 및 자주색(실시예 3)인 색거울을 제작하였다. 상기 실시예에 의해 제작된 거울들에 대한 분광 반사율을 측정하여 그결과를 도 2에 그래프로 나타내었다.
실시예 4 및 5
반투명막, 투명막 및 반사막 형성에 사용되는 재료 및 처리 조건을 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 변경한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 처리하여 색거울을 제작하였다. 상기 실시예에 의해 형성된 각층의 두께는 각각 9nm, 152nm, 95nm 및 9nm, 138nm, 95nm이었다.
실시예 6 및 7
반투명막, 투명막 및 반사막 형성에 사용되는 재료 및 처리 조건을 하기 표 5에 나타낸 바와 같이 변경한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 처리하여 색거울을 제작하였다. 상기 실시예에 의해 형성된 각층의 두께는 각각 6nm, 147nm, 45nm 및 7nm, 183nm, 56nm 이었다. 본 실시예의 장점은, 기존의 스퍼터링 장치에서 스테인레스 스틸 타겟이 많이 사용되고 있으며, 건축용 반사유리를 생산하는 설비에는 통상적으로 스테인레스 스틸 타켓이 장착되어 있으므로, 별도의 타겟을 설치할 필요가 없이 이를 그대로 사용하여 본 발명의 색거울을 제작할 수 있으며 또한 쉽게 품종을 변경할 수 있다는 장점이 있다.
실시예 8
반투명막, 투명막 및 반사막 형성에 사용되는 재료로서 질화 크롬, 질화 규소 및 티탄을 각각 사용하고, 처리 조건을 하기 표 6에 나타낸 바와 같이 변경한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 처리하여 색거울을 제작하였다. 상기 실시예에 의해 형성된 각층의 두께는 각각 2nm, 120nm, 40nm 이었다.
상기 실시예 1 내지 7에서는 기판 / 질화물 / 산화물 / 금속 또는 기판 / 금속 / 산화물 / 금속과 같은 층구조로 되어 있기 때문에, 연속식 장치를 사용하여 이들 실시예에 의한 거울을 제작함에 있어, 3개의 코팅 챔버가 있어야만 기기를 한번 지나가게 하여 (즉, 1 pass에) 모든 층을 코팅할 수 있다. 그러나 본 실시예에 있어서는 반투명막 및 투명막의 재질로서 질화크롬 및 질화규소인 질화물을 사용함으로써 이들 두 층을 하나의 챔버에서 코팅할 수 있개 하였다. 이와 같이 하면, 챔버가 두 개만 있는 소형 코팅장치에 의해서도 본 발명의 색거울을 제조할 수 있다.
실시예 9
반투명막, 투명막 및 반사막 형성에 사용되는 재료로서 질화크롬, 아연/주석 합금(무게비로 70/30%)의 산화물, 알루미늄을 사용하고 처리조건을 하기 표 7에 나타난 바와 같이 변경한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 처리하여 색거울을 제조하였다. 상기 실시예에 의해 형성된 각 층의 두께는 각각 5nm, 126nm, 49nm 였다.
상기 실시예에서 사용한 Zn/Sn 합금의 산화물은 Zn 단독으로 사용하는 경우에 비하여 화학적 내구성이 우수하고 인가 전력을 더 높일 수 있기 때문에 빠른 속도로 생산이 가능하며, Sn 단독으로 사용하는 경우에 비하여 타켓 물질의 가격이 싸다는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 반사율 및 굴절율이 높은 반투명막을 기판과 반사막 사이에 도입함으로써 종래에 비하여 더욱 선명하고, 다양한 색상을 나타내는 색거울을, 별도의 이면 보호 도장이 없이도 제조가능하게 하여, 환경오염물질을 배출하지 않는 색거울을 제공할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 기판의 한 쪽 표면상에 반투명막, 투명막 및 반사막이 순차적으로 형성되어 이루어진 색거울.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반투명막의 두께가 2∼20 nm 인 것을 특징으로 하는 색거울.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반투명막은 Al, Cr, Sn, Ti, SST, Nb 및 Zr 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 두 물질 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 색거울.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반투명막은 Cr, Ti, SST, Nb 및 Zr 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 둘 이상의 합금의 질화물인 것을 특징으로 하는 색거울.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반투명막은 Si의 탄화물인 것을 특징으로 하는 색거울.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 투명막은 Sn, Al, Si, Ti, Zr, Nb, Zn, Pr 및 Nd 로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 둘 이상의 합금의 산화물인 것을 특징으로 하는 색거울.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 투명막은 Al 및 Si 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 두 물질의 합금의 질화물인 것을 특징으로 하는 색거울.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 투명막은 Al 및 Si 으로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 두 물질의 합금이 산화된 질화물인 것을 특징으로 하는 색거울.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반사막은 Cr, Ti, Al, Si, SST, Zr, Nb, Cu, Ag, Ni 로 구성된 그룹에서 선택되는 한 물질 또는 두 물질 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 색거울.
  10. 스퍼터링 방법을 사용하여 기판의 한 쪽 표면상에 반투명막, 투명막 및 반사막을 순차적으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 색거울의 제조 방법.
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