KR20010046335A

KR20010046335A - 플라스틱과 코팅되는 금속박막의 밀착성을 향상시키는 방법

Info

Publication number: KR20010046335A
Application number: KR1019990050056A
Authority: KR
Inventors: 이병철
Original assignee: 이병철
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-06-15

Abstract

본 발명은 플라스틱 표면에 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하는데 있어서, 플라스틱 표면과 코팅되는 금속박막의 밀착성을 향상시키는 방법과 코팅된 금속박막의 내구성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 플라스틱 표면을 반응성 가스의 플라스마로 전처리하고 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하는데 있어서, 플라스마 전처리 공정과 스퍼터링 공정 사이에 유기규소계 화합물을 플라스마 중합시켜 형성되는 플라스마 폴리머로 이루어지는 결합층을 코팅하는 공정을 추가되는 것을 특징으로 한다. 금속박막의 내구성을 향상시키기 위하여는 코팅된 금속박막 위에 다시 플라스마 폴리머를 코팅한다.

본 발명은 플라스틱 표면에 스퍼터링에 의해 금속박막을 코팅하는 공정에 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 각종 전자제품의 하우징에 금속박막을 코팅하여 전자파 방해를 차단하고자 하는 경우에 유용하다.

Description

플라스틱과 코팅되는 금속박막의 밀착성을 향상시키는 방법{Method of Enhancing Adherence Coated Metal to Plastic Surface}

본 발명은 플라스틱 표면에 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하는데 있어서, 플라스틱 표면과 코팅되는 금속박막의 밀착성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 플라스틱 표면에 코팅된 금속박막을 공기중의 산소나 수분등으로부터 보호하여 내구성을 높이는 방법에 관한 것이다.

화학적인 이유에서 혹은 표면을 장식하기 위하여 플라스틱에 금속을 코팅하는 경우가 있는데, 최근에는 플라스틱으로 된 전자제품의 하우징에 적용하므로써 전자파 장해를 차단하는 수단으로 응용되고 있다.

전자파 장해(Electro Magnetic Interference, EMI)는 각종 전자기기에서 발생되는 잡음(Noise)의 상호간섭에 의해 나타나는 현상으로 정보를 변질시키거나 기기를 오작동시키는 등 치명적인 손상을 줄 수 있다. 따라서 우리나라를 비롯한 각국에서는 전자파 발생에 대하여 규제를 하게 되었고, 전자제품의 새로운 품질문제로 대두되게 되었다. 그리하여 전자파를 효과적으로 차폐하기 위한 연구가 진행되어 왔는데 그 중 하나가 플라스틱으로 된 전자제품의 하우징에 전도성을 부여하여 전계 및 자계의 에너지를 특정 공간에 가두어 놓거나 특정 공간에 들어가지 못하게 하는 방법 즉, 차폐막을 설치하여 전자파를 차단하는 방법이다.

플라스틱에 전도성을 부여하는 방법으로는 성형 조성물에 전도성 물질을 혼합하므로써 플라스틱 자체에 전도성을 부여하는 방법과 플라스틱의 표면에 금속박막을 코팅하는 방법이 있는데 금속박막을 코팅하는 방법에는 도금, 진공증착 및 스퍼터링 등이 실시되고 있다.

그런데, 도금에 의한 방법은 피도금체 전체를 도금액에 담그고 실시하기 때문에 선택적으로 단면도금을 실시하고자 하는 경우, 도금면 이외의 다른면은 마스킹(masking)해주어야 하므로 작업이 까다롭고, 무엇보다도 다량의 유독성 폐수가 발생되는 결점이 있다.

또한, 진공증착에 의한 방법은 원하는 면에만 금속박막을 코팅할 수 있으나 플라스틱 표면에 균일한 두께의 금속박막을 형성하기 어려우며 박막의 밀착성이 떨어지는 결점이 있다.

또한, 최근에는 스퍼터링에 의한 방법(대한민국 특출 제93-11436호)에 대하여 연구가 집중되고 있는데 열에 약한 플라스틱의 표면에 전도성 금속을 코팅하는 방법으로는 최적인 것으로 알려져 있다. 이 방법에 의하면 원하는 면에만 코팅할 수 있고 코팅되는 금속박막의 두께를 균일하게 할 수 있는 장점이 있으나, 주장과는 달리 여전히 플라스틱 표면과 금속박막 사이의 밀착성이 떨어지는 결점이 있다.

그리하여, 금속박막을 코팅하기에 앞서 플라스틱 표면을 반응성 가스의 플라스마로 에칭하는 공정이 추가되기도 하나 그럼에도 불과하고 밀착성은 크게 개선되지 않는다. 또한, 구리나 알루미늄 등 반응성이 높은 금속를 코팅하는 경우, 공기중의 산소나 수분에 의하여 열화(劣化)되어 전도성이 떨어지므로써 시간이 경과함에 따라 전자파 차폐효과가 떨어지는 결점이 있다.

본 발명의 목적은 플라스틱에 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅함에 있어서 플라스틱과 코팅되는 금속박막과의 밀착성을 높이는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플라스틱 표면에 코팅된 금속박막이 공기중의 산소나 수분 등에 의하여 시간이 경과됨에 따라 열화되는 것을 방지하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 방법에 의하여 플라스틱에 금속박막이 코팅된 경우의 단면을 도시한다.

도 2는 본 발명에 의하여 플라스틱에 금속박막이 코팅된 경우의 단면을 도시한다.

도 3은 본 발명의 실시에 사용되는 플라스마 반응기 시스템의 일실시예를 도시한다.

도 4는 본 발명의 실시에 사용되는 스퍼터링 시스템의 개요도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

11, 21: 플라스틱 기재 22: 플라스마 폴리머 결합층

13, 23: 금속박막 24: 플라스마 폴리머 보호층

31: 반응챔버 32: (시료)플라스틱

33: RF 전원 34: 유량계

35: 밸브 36: 진공펌프

37: 스로틀 밸브 38: 가스

41: 반응챔버 42: 타겟

43: 플라스틱 시편 44: 타겟 파워 써플라이

45: 마그네틱 디플렉션 어셈블리 46: 진공펌프

47: 가스

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라스틱 표면을 반응성 가스의 플라스마로 전처리하고 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하는데 있어서, 플라스마 전처리 공정과 스퍼터링 공정 사이에 유기규소계 화합물을 플라스마 중합시켜 형성되는 결합층을 코팅하는 공정이 추가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 코팅된 금속박막의 내구성을 향상시키기 위하여는 스퍼터링에 의하여 코팅된 금속박막 위에 다시 플라스마 폴리머를 코팅한다.

본 발명의 특징을 종래의 방법에 의하여 플라스틱에 금속박막이 코팅된 경우의 단면과 본 발명에 의하여 플라스틱에 금속박막이 코팅된 경우의 단면을 각각 도시한 제1도 및 제2도를 사용하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 방법에 의하면 플라스틱 표면을 반응성 가스의 플라스마로 전처리하고 바로 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하기 때문에 금속박막(13)이 플라스틱 기재(11) 위에 바로 코팅되는데 반하여, 본 발명은 플라스틱 기재(21)와 금속박막(23) 사이에 유기규소계 화합물의 플라스마 폴리머(22)층이 존재하는 것이다.

제2도에서 도면부호 24는 코팅된 금속박막의 내구성을 향상시키기 위하여 선택적으로 코팅되는 금속박막(23) 위에 코팅된 플라스마 폴리머층이다.

본 발명은 종래의 방법에 의하여 코팅한 금속박막이 플라스틱 표면과의 결합력이 떨어지는 이유가 플라스틱은 전기적으로 비극성이고 금속박막은 극성이어서 반 데르 발스(van der Waals) 결합에만 의존하기 때문이 아닌가 하는 의문에서 비롯된다. 그리하여, 플라스틱 표면에 밀착성이 높은 유기규소계의 플라스마 폴리머를 코팅하여 CO-Si-O- 또는 C-Si-O- 라디칼이 표면에 존재하도록 한 후, 금속원자를 코팅하여 화학적으로 결합시키므로써 CO-Si-O-Metal의 형태가 되도록 하면 플라스틱 표면과 코팅되는 금속박막간의 밀착성이 향상될 것이라는 가정을 하고 본 발명을 완성하였다.

플라스틱 표면을 전처리하는 반응성 가스로는 산소 또는 공기 플라스마를 사용한다. 특히, 산소 플라스마는 플라스틱 표면의 유기 오염물을 효과적으로 제거하며 에칭효과가 높아 플라스틱 표면에 침착되는 플라스마 폴리머와의 접착력을 높이는 것으로 알려져 있다.

플라스틱과 금속박막과의 결합층을 형성하는 유기규소계 화합물로는 메틸실란, 에틸실란, 디메틸실란(DMS), 트리메틸실란(TMS), 테트라메틸실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 헥사메틸디실록산(HMDSO), 테트라메틸디실라잔, 헥사메틸디실란, 또는 테트라메틸디실록산에서 선택되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용한다.

유기규소계 화합물은 단독으로 중합시켜도 되고, 산소, 질소, 벤젠 등의 탄화수소나 아르곤 등과 혼합하여 중합시켜도 된다.

스퍼터링 공정에 사용되는 금속은 목적에 따라 선택하며 단일금속과 합금 어느 것이라도 사용할 수 있다. 이를테면, 전자파 장해(EMI)를 차단하는 목적이라면 전도성이 좋은 금속이면 어떤 금속이든 무방하나 바람직하게는 Al, Cu, Ni, Cr, Ag, Au, Pt 또는 이들의 합금중에서 선택한다.

금속박막 위에 선택적으로 실시되는 플라스마 폴리머 코팅은 선택적으로 실시되며 금속이 반응성이 높아 공기중의 산소 및/또는 수분과 반응하여 열화되어 전도성을 잃기 쉬운 알루미늄이나 구리인 경우에 적용한다. 또한, 금속박막에 특별히 내구성을 부여하고자 하는 경우에도 적용할 수 있다. 국제특허출원 92/009666에 의하면 플라스마 폴리머는 부식성 가스를 효과적으로 차단하여 금속의 내부식성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.

금속박막 위에 코팅하는 플라스마 폴리머는 중합성 가스로 탄화수소 화합물, 유기규소계 화합물, 또는 유기불소계 화합물에서 선택한다.

플라스틱 기재(21)와 금속박막(23)의 결합층 역할을 하는 유기규소계 화합물의 플라스마 폴리머층(22)과 금속박막의 보호층 역할을 하는 플라스마 폴리머층(24)은 통상의 저온 플라스마 중합방법에 의하는데 통상적으로, 저온 플라스마 중합공정에서는 W/FM [여기에서, W는 투입되는 에너지(watt)이고, F와 M은 각각 반응챔버로 유입되는 중합가스의 몰유량과 분자량이다. 따라서, FM은 질량유량이 되며 W/FM의 단위는 Joule/Kg이 된다.]가 중합되는 플라스마 폴리머의 물성을 결정하는 가장 중요한 운전변수(operating parameter)로 채용된다.

본 발명에서는 반응챔버의 압력을 0.1∼1,000 milli torr로 하여 W/FM의 값이 100∼5,000 mega Joule/Kg이 되도록 한다. W/FM의 값은 유기규소계 중합가스의 압력을 조절하는 것 이외에 단위시간당 투입하는 에너지 즉, W의 값에 변화를 주므로써 조절할 수도 있다.

또한, 플라스틱 기재와 금속박막의 결합층 역할을 하는 유기규소계 화합물의 플라스마 폴리머층(22)은 중합조건을 점차로 온화한 조건에서 가혹한 조건으로 이행시켜가는 비정상 상태(unsteady state)에서 실시할 수도 있다. 이는 플라스마 중합조건을 가혹하게(severe) 할수록 무기질에 가까운 규소 화합물 및/또는 탄소 화합물이 많이 생성되고 중합조건을 온화하게(mild) 할수록 유기질에 가까운 폴리머가 생성된다는 사실로부터 플라스틱 기재에 가까운 쪽에는 유기질에 가까운 폴리머가 침착되게 하고 멀어질수록 무기질에 가까운 폴리머가 침착되게 하여 플라스틱 기재와 금속박막 사이의 결합력 즉 밀착성을 높이고자 한 것이다.

상기 비정상 상태의 중합조전은 반응챔버 내의 중합가스의 압력을 점차로 낮추어 가는 방법과 중합가스의 압력은 일정하게 유지시키고 투입되는 에너지 W를 점차로 감소시켜가는 방법에 의하여 실현될 수 있다. 다만, 반응챔버 내의 중합가스의 압력이 계속하여 감소시켜가며 중합시키는 비정상 상태에서는 W/FM는 의미가 없고, 반응챔버 내의 중합가스의 단위질량당 에너지 투입량이 의미를 갖게 된다. 그러나, 이 경우 유효부피가 반응기의 크기와 형태, 전극간의 거리 등에 따라 달라지므로 적정하게 정하기가 어렵다. 따라서, 여기서는 어느 시점에서 반응챔버 내에 존재하는 모노머 가스의 밀도에 대한 에너지 투입량 즉, W/ρ를 정상상태에서의 W/FM 대신 운전변수로 사용하기로 한다. [운전변수에 ρ(밀도)를 포함시키면 p(압력) 및 M(분자량)을 포함시킬 필요가 없으며, W/ρ의 단위는 Joule/(Kg/m³)·min가 된다.]

이를테면, 반응챔버의 압력을 10∼1,000 milli torr에서 0.1∼50.0 milli torr까지 서서히 감소시켜 가며 실시한다. [반응성 가스로 헥사메틸렌디실록산(HMDSO)을 사용하는 경우, 최종 W/ρ의 값은 1,300∼13,000 mega Joule/(Kg/m³)·min이 된다.]

금속박막의 보호층 역할을 하는 플라스마 폴리머층(14)은 중합가스의 압력을 0.1∼1,000 milli torr로 하여 정상 상태에서 실시하는데 W/FM의 값이 100~5,000 mega Joule/Kg이 되도록 한다.

플라스마 폴리머층의 두께는 결합층 역할을 하는 유기규소계 화합물의 플라스마 폴리머층(22)과 보호층 역할을 하는 플라스마 폴리머층(24) 모두 1.0μm를 넘지 않게 하는 것이 바람직하다. 결합층의 두께가 너무 두꺼우면 오히려 금속박막이 분리되기 쉽고, 보호층도 두꺼우면 박리되기 쉽다.

본 발명의 구성은 실시예에서 더욱 분명해 질 것이다.

<실시예 1>

A. 플라스마 전처리와 플라스마 코팅 단계

제3도에 도시된 시스템을 사용하여 플라스마 전처리와 플라스마 폴리머 코팅을 실시하였다. 시료로는 컴퓨터 하우징에 주로 사용되는 ABS 시편을 사용하였다.

구체적인 코팅 조건은 다음과 같다.

(1) 플라스마 전처리: 반응챔버의 압력을 50 milli torr, 단위질량당 에너지 투입량(W/FM)을 1.4 giga Joule/Kg (W=100 watt)로 하여 산소 플라스마로 15 분간 전처리하였다.

(2) 결합층의 코팅: 중합가스로 헥사메틸디실록산을 사용하였으며, 에너지 투입량(W)을 150 watt로 하고 반응챔버의 압력을 20 milli torr로 하였다. 중합가스의 유량은 2.5 ml/min였으며 단위질량당 에너지 투입량(W/FM)은 455.5 mega Joule/Kg이었다. 박막의 두께는 0.2 μm가 되도록 하였다.

B. 금속박막의 코팅

제4도에 도시된 시스템을 사용하여 0.1 milli torr의 압력하에 5.0 W/cm²의 타겟전력으로 5분간 알루미늄을 코팅하였다.

본 실시예의 공정을 거쳐 코팅된 금속박막은 스크래치 밀착력 시험법에 의하여 밀착력을 측정한 결과, 임계하중이 3.0 N인 것으로 측정되었다.

한편, 본 실시예와 동일한 조건으로 플라스틱 표면을 전처리한 후, 본 실시예와 동일한 조건에서 알루미늄을 피복시킨 경우(즉, 플라스마 폴리머의 결합층이 없는 경우)은 임계하중이 2.0N으로 측정되었다.

<실시예 2>

A. 플라스마 전처리와 플라스마 코팅 단계

실시예 1에서 사용된 시스템을 사용하여 플라스마 전처리와 플라스마 폴리머 코팅을 실시하였다. 시료로는 무선전화기 하우징으로 사용되는 폴리카보네이트를 사용하였다.

구체적인 코팅 조건은 다음과 같다.

(1) 플라스마 전처리: 실시예 1과 동일한 조건에서 수행하였다.

(2) 결합층의 코팅: 중합가스로 테트라메틸디실록산을 사용하였으며, 압력을 20 milli torr에서 시작하여 2 milli torr까지 서서히 낮추어 가는 비정상 상태에서 실시하였다. 단위시간당 에너지 투입량은 200 watt로 하였으며 초기의 W/ρ는 75.8 mega Joule/(Kg/m³)·min가 되도록 하였고, 박막의 두께는 0.2 μm가 되도록 하였다.

B. 금속박막의 코팅

실시예 1과 동일한 조건에서 구리를 5분간 코팅하였다.

C. 보호층의 코팅

에너지 투입량(W)을 200 watt, 반응챔버의 압력을 20 milli torr로 하여 헥사메틸디실록산을 플라스마 중합하여 0.5 μm의 두께로 코팅하였다.

본 실시예의 공정을 거쳐 코팅된 금속박막은 스크래치 밀착력 시험법에 의하여 밀착력을 측정한 결과, 임계하중이 3.5 N인 것으로 측정되었다.

한편, 본 실시예와 동일한 조건으로 플라스틱 표면을 전처리한 후, 본 실시예와 동일한 조건에서 구리를 피복시킨 경우(즉, 플라스마 폴리머로 이루어지는 결합층이 없는 경우)은 임계하중이 2.0N으로 측정되었다.

실시예 1과 비교하면, 결합층의 코팅을 비정상 상태로 하므로써 밀착력은 크게 향상되었다고 보기는 어렵다. 그러나 금속박막 위에 플라스마 폴리머층이 코팅되므로써 산소, 수증기 및 부식성 가스가 차단되어 금속박막이 열화되는 것이 방지될 것으로 판단된다.

본 발명에 의하면 플라스틱과 이에 코팅되는 금속박막과의 밀착성을 높일 수 있고, 플라스틱 표면에 코팅된 박막이 공기중의 산소나 수분 등에 의하여 열화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 플라스마 공정과 스퍼터링 공정이 모두 진공상태에서 이루어지는 공정이므로 실시예와는 달리 플라스마 공정와 스퍼터링 공정을 하나의 곤간내에서 이루어지도록 하면 진공을 파괴하지 않고 연속하여 실시할 수도 있다.

Claims

플라스틱 표면을 반응성 가스의 플라스마로 전처리하고 스퍼터링에 의하여 금속박막을 코팅하는데 있어서, 플라스마 전처리 공정과 스퍼터링 공정 사이에 유기규소계 화합물을 플라스마 중합시켜 형성되는 결합층을 코팅하는 공정이 추가되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면에 금속박막을 코팅하는 방법.
제1항에 있어서, 유기규소계 화합물이 메틸실란, 에틸실란, 디메틸실란(DMS), 트리메틸실란(TMS), 테트라메틸실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 헥사메틸디실록산(HMDSO), 테트라메틸디실라잔, 헥사메틸디실란, 또는 테트라메틸디실록산에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 유기규소계 화합물의 압력을 0.1∼1,000 milli torr로 하고, W/FM의 값이 100∼5,000 mega Joule/Kg이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 반응챔버 내의 유기규소계 화합물의 압력을 10∼1,000 milli torr에서 0.1∼50.0 milli torr까지 감소시키면서 중합을 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 코팅된 금속박막 위에 중합성 가스를 플라스마 중합시켜 형성되는 플라스마 폴리머를 코팅하므로써 코팅된 금속박막의 내구성을 향상시키는 방법.
제5항에 있어서, 중합성 가스가 탄화수소 화합물, 유기규소계 화합물, 또는 유기불소계 화합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 금속박막의 내구성을 향상시키는 방법.