KR20010047912A - 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽코팅 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 어블레이션(laser ablation)을 이용하여 Cr 또는 Ti의 탄화물 및 질화물 박막 또는 비정질 다이아몬드상 탄소 박막을 튜브 또는 실린더의 내벽에 길이 방향으로 균일하게 코팅시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 튜브 또는 실린더의 내벽에 내식성, 내마모성 및 내마멸성 등이 증진된 매우 치밀한 박막을 코팅할 수 있다.

Description

레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 방법 및 장치 {Method and Apparatus for Coating Inner Surface of Tubes or Cylinders Using Laser Ablation}

본 발명은 레이저 어블레이션(laser ablation)을 이용한 튜브 및 실린더류의 내벽 코팅 방법 및 이에 사용되는 레이저 어블레이션 코팅 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 튜브 및 실린더류의 내벽에 내식성, 내마모성 및 내마멸성 등을 증진시키기 위하여 레이저 어블레이션을 이용하여 Cr 또는 Ti의 탄화물 또는 질화물 박막이나 비정질 다이아몬드상 탄소 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅시키는 방법에 관한 것이다.

일상 생활의 수도 배관에서부터 화학 공장의 배관 또는 원자력 발전소의 배관에 이르기까지 각종 튜브와 실린더는 매우 광범위하게 사용되고 있다. 이들 배관재의 재질로는 철계, 비철계, 폴리머계 및 복합 재료 등이 사용되고 있으나, 기계적 특성과 가격 면에서 철계관이 널리 사용되고 있다. 이러한 배관재는 사용 용도에 따라 내면이 내화학적 특성과 내부식 특성, 내마모 내마멸 특성을 가질 것이 요구된다. 특히, 화학 공장의 배관이나 원자력 발전소의 배관의 내면층은 매우 우수한 물성을 가져야 한다.

그러한 배관재의 내면층에 내화학성, 내부식성 및 내마모성을 부여하기 위한 특성 개선 방법으로는 표면 산화 방법 및 Cr 등과 같은 우수한 물성의 박막을 습식법에 의해 코팅하는 방법이 사용되어 왔다.

표면 산화 방법은 철계 표면을 산화성 분위기에 노출시켜 치밀한 철계 산화물을 생성하여 내식성 및 고경도의 산화물층을 만드는 방법으로서, 새로운 물질을 코팅하는 방법은 아니다. 이 방법은 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있지만, 표면에 형성되는 물질의 층이 모재의 산화물로 제한되고, 산화물층의 윤활 특성과 내충격성이 나쁘다는 단점이 있다.

습식 코팅 방법은 튜브나 실린더의 길이 방향으로 균일한 코팅을 형성할 수 있다는 장점이 있으나, 고경도의 치밀한 박막을 코팅하기 위해서는 코팅층 형성시 이온 충돌이 수반되어야 하지만, 습식 코팅 방법으로는 이러한 조건을 만들어 줄 수 없으므로 고경도 (Hv 2000 이상)의 치밀한 박막을 합성하는 것이 불가능하다. 따라서, 충분한 기계적 특성과 내화학적 특성을 보장하기 위해서는 매우 두꺼운 박막의 코팅이 요구된다. 또한, 이러한 습식 코팅 방법은 공해 유발 요인이 매우 크기 때문에, 보다 환경친화적인 공정으로 대체해야 할 필요성이 있었다.

이온 플레이팅, PACVD 등의 플라즈마를 이용한 박막의 건식 코팅법은 높은 에너지의 이온 충돌을 만들어 고품질의 다양한 박막을 코팅할 수 있으며, 환경친화적이라는 장점을 갖고 있다. 그러나, 플라즈마를 실린더의 내면에 유도하는 기술에 한계가 있기 때문에, 이러한 건식 코팅법은 실린더의 내면에 균일한 코팅이 가능한 길이/내경 비에 제약이 있었다.

최근, 런닝(running) 플라즈마 등과 같이, 자기장을 이용하여 플라즈마를 실린더의 내면으로 유도하는 내벽 코팅 기술이 활발히 연구되고 있고, 이러한 방법을 통해 균일한 코팅이 가능한 길이/내경 비의 제한을 많이 극복할 수 있게 되었다. 그러나, 이들 방법은 높은 경도와 내마모성을 갖는 치밀한 박막의 합성에 필요한 충분한 에너지의 이온을 형성할 수 없다는 한계가 있다. 따라서, 이들 방법은 실린더 내면의 고경질 박막 코팅에 실제적으로 전혀 활용되지 못하고 있는 실정이다.

한편, 레이저 어블레이션은 고온 초전도체, 유전 박막 및 비정질 다이아몬드상 탄소 박막을 합성할 수 있는 기술로서, 1980년대 초반부터 활발한 연구가 진행되고 있는 기술이다. 특히, 레이저 어블레이션에 의해 합성된 비정질 다이아몬드상 탄소 박막은 경도가 매우 높고, 윤활성과 내마모성, 화학적 안정성이 뛰어나, 비정질(amorphic) 다이아몬드라고도 불린다. 레이저 어블레이션에서는 표적 재료를 변화시킴으로써 다양한 재료의 박막을 합성할 수 있다.

이에, 본 발명인들은 환경 오염 문제와 코팅 재료에 대한 제한의 문제를 피하면서 실린더에 고경도의 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅하는 방법에 관하여 심도있게 연구를 거듭한 결과, 레이저 어블레이션을 이용하면, 레이저의 직진성에 의해 이온 발생원을 실린더의 내부로 쉽게 유도하여 실린더 내면에 균일한 코팅을 형성할 수 있어, 실린더의 내면에 내마모성, 고윤활성 및 내식성을 갖는 고경도의 치밀한 박막을 균일하게 코팅할 수 있다는 사실을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 각종 배관재로 사용되는 튜브 및 실린더의 내면에 내식성, 내마모성 및 내마멸성 등과 같은 우수한 기계적 특성과 내화학적 특성을 부여하기 위해 레이저 어블레이션에 의해 Cr 또는 Ti의 탄화물 또는 질화물 박막 또는 비정질 다이아몬드상 탄소 박막과 같은 고경도의 치밀한 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 튜브 또는 실린더의 내면에 레이저 어블레이션에 의해 고경도의 치밀한 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅하는 데 사용하기 위한 코팅 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 어블레이션 코팅 장치의 모식도.

도 2는 나노인덴세이션(nanoindentation)으로 측정한, 레이저 출력이 증대함에 따라 본 발명에 따른 박막의 경도가 15에서 25 ㎬로 단조 증가하는 경향을 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 튜브 또는 실린더 2: 진공 플랜지(flange)

3: 엑시머 레이저 4: 광학 창

5: 기체 도입구(gas feedthrough) 6: 렌즈

7: 표적 재료

상기 본 발명의 목적은,

내벽 코팅하고자 하는 튜브 또는 실린더 내부의 중심축에 코팅 재료로 이루어진 어블레이션 표적을 장착하고,

UV 파장의 엑시머 레이저 빔을 평행 빔으로 상기 튜브 또는 실린더의 중심축에 집광시켜(focusing) 상기 튜브 또는 실린더의 내부로 유도하고,

상기 어블레이션 표적 재료를 튜브 또는 실린더의 중심축을 따라 회전 및 전후로 이동시키면서 레이저 어블레이션을 일으킴으로써, 튜브 또는 실린더의 내벽에 상기 코팅 재료의 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅하는 것을 포함하는, 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 어블레이션 표적은 코팅하고자 하는 재료에 따라 다양한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 비정질 다이아몬드상 탄소 박막을 코팅하기 위해서는 흑연이 사용된다. 또한, 어블레이션 표적으로 Cr 또는 Ti을 사용할 수 있는데, 이 경우에는 레이저 어블레이션을 일으키는 동안, 상기 튜브 또는 실린더의 내부에 질소 및 메탄 등의 반응성 기체를 도입함으로써 Cr 또는 Ni의 질화물 또는 탄화물 박막을 코팅할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따르면,

내벽 코팅하고자 하는 튜브나 실린더 (1)의 양단을 밀폐시켜 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 플랜지 (2);

상기 플랜지의 한 쪽에 설치되는, UV 파장의 엑시머 레이저 빔 (3)을 튜브나 실린더의 내부로 유도하기 위한 UV 광학창 (4)과 반응성 기체를 도입하기 위한 기체 도입구 (5);

상기 UV 광학창과 기체 도입구가 설치된 플랜지의 반대쪽 플랜지에 설치되는 진공 포트, 게이지 포트(gauge port), 및 표적 재료 (7)를 고정하기 위한 표적 매니플레이터(target manipulator);

엑시머 레이저를 평행 빔으로 집광시켜 실린더의 중심축 상에 위치시키기 위한 수단 (6); 및

어블레이션 표적 재료를 회전시키면서 상기 튜브 또는 실린더 내부에서 전후로 이동시키기 위한 수단을 포함하는, 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 레이저 어블레이션 코팅 장치 있어서, 상기 엑시머 레이저를 평행 빔으로 집광시켜 실린더의 중심축 상에 위치시키기 위한 수단으로서는 렌즈 (6)를 이용할 수 있다.

이하, 본 발명을 도 1의 모식도를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 방법에 사용하기 위한 레이저 어블레이션 코팅 장치의 모식도이다. 도 1을 참조하여, 먼저, 코팅하고자 하는 튜브나 실린더 (1)의 양단을 진공 플랜지 (2)로 밀폐하고, 실린더의 내부를 진공 상태로 만든다. 튜브 한쪽의 플랜지에는 UV 파장의 고출력 엑시머 레이저 빔이 투과될 수 있도록 UV 광학창 (4)과 반응성 기체를 도입하기 위한 기체 도입구 (5)를 설치하고, 반대쪽 플랜지에는 진공 포트, 게이지 포트 및 표적 매니플레이터를 설치한다.

엑시머 레이저를 렌즈 (6)를 이용하여 매우 작은 크기의 평행 빔으로 집광시켜 실린더의 중심축 상에 위치시키고, 표적 매니플레이트에 고정시킨 어블레이션 표적 재료 (7)를 저속으로 회전시키면서 실린더 내부에서 전후로 이동시킴으로써 실린더의 길이 방향으로 매우 균일한 내면 코팅을 형성시킨다.

이하, 실시예들을 통해 본 발명에 의한 코팅 방법으로 얻을 수 있는 잇점과 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에서는 CrN의 경우에 국한되어 기술되어 있으나, 본 발명의 범위는 이 실시예로 제한되지 않으며, 또한, 표적 재료와 반응성 기체의 종류에 따라 매우 다양한 박막을 코팅할 수 있다.

<실시예 1>

길이 1 m×반경 10 ㎝의 AISI4210 강관을 트리클로로에틸렌(TCE), 아세톤 및 에탄올을 사용하여 세척한 후, 강관의 양단에 도 1에서와 같이 플랜지들을 설치하고, 터보 몰레큘라 펌프 시스템(Turbo Molecular Pump System)을 이용하여 10^-6Torr까지 진공 상태로 만들었다. KrF (파장 248 ㎚, 펄스 에너지 350 mJ) 엑시머 레이저를 수직으로 교차시킨 2개의 실린더형 렌즈와 1개의 렌즈를 이용하여 크기 0.3 ㎜, 확산도(divergence) 6×10^-3라디안의 평행 빔으로 만들어 강관의 중심축 상에 위치시켰다. 반대편 플랜지에는 레이저 빔에 대해 45°기울어진 각도로 Cr 표적을 설치하고, 1 rpm의 회전 속도로 회전시키면서 1 ㎝/분의 이송 속도로 이동시켰다. 박막의 합성에 사용된 레이저의 펄스율(pulse rate)은 10 ㎐였으며, 펄스 에너지는 100 mJ에서 300 mJ까지 변화시켰다. 이때, Cr 박막의 합성 속도는 10 ㎛/h로 측정되었다. 이 과정에 의해 AISI4210 강관의 내벽에 순수한 Cr층이 0.5 ㎛ 두께로 코팅되었다. 이 과정은 다음 단계에 코팅하는 CrN층의 접착력을 증진시키기 위해 필수적이다.

Cr층의 코팅이 완료된 후, N₂기체를 5-10 sccm의 유량으로 도입시키면서 Cr 표적을 다시 0.5 rpm의 회전 속도로 회전시키면서 5 ㎜/분의 이송 속도로 반대 방향으로 이동시켜 강관의 내벽에 CrN층을 코팅시켰다.

<실시예 2>

실시예 1의 방법에 따라 코팅된 강관의 단면을 절단하여 주사 전자 현미경으로 관찰한 결과, 전체 코팅층의 두께는 1.3±0.1 ㎛로서 길이 방향으로 매우 균일한 박막으로 코팅된 것을 확인할 수 있었다.

박막의 조성은 조사된 레이저 빔의 출력과 질소 유량의 함수이며, 200 mJ의 레이저 빔과 10 sccm의 질소 유량에서 Cr:N의 비는 1:1이었다.

박막의 경도는 관 내에 작은 Si판을 부착하여 코팅한 후 나노인덴세이션으로 측정하였으며, 이는 도 2에 나타낸 바와 같이 레이저 출력이 증대함에 따라 15에서 25 ㎬로 단조 증가하는 경향이 있었다.

<실시예 3>

실시예 1의 방법에 따라 코팅된 강관과 코팅되지 않은 강관을 20℃에서 10%의 묽은 황산 용액 내에 1시간 동안 유지시킨 후 내면 손상 정도를 관찰한 결과, 코팅된 강관의 내면에서는 손상이 전혀 관찰되지 않았으나, 코팅되지 않은 강관의 내면에서는 1㎠ 당 10³개 이상의 표면 에치 피트(etch pit)가 관찰되었다. 이는 본 발명에 의한 CrN 코팅층이 매우 치밀함을 보여주는 것이다.

본 발명의 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 방법은 건식 공정이므로 공해 유발 요인이 없고, 레이저의 직진성을 이용하여 이온 발생원을 실린더의 내부로 쉽게 유도할 수 있으므로 실린더 내면에 균일한 코팅 가능한 길이/내경 비의 제한이 없다.

또한, 레이저 어블레이션에 의해 발생되는 플라즈마 플룸(plume)은 높은 이온 에너지를 갖는 이온을 발생시키며 이 이온들의 대부분이 이온화되기 때문에 튜브 또는 실린더에 바이어스 전압을 인가하여 코팅층의 표면에서 높은 에너지의 이온 충돌을 발생시킬 수 있어서, 종래 방법으로는 구현할 수 없었던 고밀도의 치밀한 박막을 실린더 내벽에 코팅할 수 있어, 튜브 및 실린더의 내벽에 내식성, 내마모성 및 내마멸성을 부여할 수 있다.

Claims (5)

1. 내벽 코팅하고자 하는 튜브 또는 실린더의 내부 중심축에 코팅 재료로 이루어진 어블레이션 표적을 장착하고,

   UV 파장의 엑시머 레이저 빔을 평행 빔으로 상기 튜브 또는 실린더의 중심축에 집광시켜(focusing) 상기 튜브 또는 실린더의 내부로 유도하고,

   상기 어블레이션 표적 재료를 튜브 또는 실린더의 중심축을 따라 회전 및 전후 이동시키면서 레이저 어블레이션(laser ablation)을 일으킴으로써, 튜브 또는 실린더의 내벽에 박막을 길이 방향으로 균일하게 코팅하는 것을 포함하는, 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 어블레이션 표적이 흑연이고, 튜브 또는 실린더의 내벽에 비정질 다이아몬드상 탄소 박막이 코팅되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 어블레이션 표적이 Cr 또는 Ti이고, 상기 레이저 어블레이션을 일으키는 동안, 상기 튜브 또는 실린더의 내부에 질소 또는 메탄 반응성 기체를 추가로 도입하여 튜브 또는 실린더의 내벽에 Cr 또는 Ti의 탄화물 또는 질화물 박막을 코팅하는 방법.
4. 내벽 코팅하고자 하는 튜브나 실린더의 양단을 밀폐시켜 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 플랜지(flange);

   상기 플랜지의 한 쪽에 설치되는, UV 파장의 엑시머 레이저 빔을 튜브나 실린더의 내부로 유도하기 위한 UV 광학창과 반응성 기체를 도입하기 위한 기체 도입구(gas feedthrough);

   상기 UV 광학창과 기체 도입구가 설치된 플랜지의 반대쪽 플랜지에 설치되는 진공 포트, 게이지 포트(gauge port), 및 표적 재료를 고정하기 위한 표적 매니플레이터(target manipulator);

   엑시머 레이저를 평행 빔으로 집광시켜 실린더의 중심축 상에 위치시키기 위한 수단; 및

   어블레이션 표적 재료를 회전시키면서 상기 튜브 또는 실린더 내부에서 전후로 이동시키기 위한 수단;

   을 포함하는, 레이저 어블레이션을 이용한 튜브 또는 실린더의 내벽 코팅 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 엑시머 레이저를 평행 빔으로 집광시켜 실린더의 중심축 상에 위치시키기 위한 수단이 렌즈인 장치.