KR20030039649A - 볼펜 볼의 코팅장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼펜에 내장된 볼펜 볼의 코팅장치 및 방법에 관한 것으로, 진공챔버 내의 양 ·음극에 고주파 또는 직류 전원을 공급하면서, 상기 음극에 설치된 티타늄 타겟과 양극에 설치된 기판상의 볼펜 볼 사이에 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합기체를 주입하여 플라즈마를 생성시키고, 스퍼터링에 의해 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성함으로써, 볼펜 볼의 마모 및 변형을 방지할 수 있는 볼펜 볼의 코팅장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

볼펜 볼의 코팅장치 및 방법{COATING DEVICE AND METHOD OF BALL-POINT PEN}

본 발명은 볼펜에 내장된 볼펜 볼의 코팅장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 진공챔버 내에서의 플라즈마 방전을 이용하여 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 볼펜은 볼(1)과, 볼을 싸고 있는 팁(2), 잉크, 잉크 저장부인 카트리지(3), 몸체에 해당하는 축으로 구성되어 있다. 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 볼펜은, 그 끝에 부착된 크롬강, 스테인리스강, 탄화텅스텐(WC) 등으로 이루어진 작은 볼을 구비하는 바, 상기 볼은 지면(紙面)과의 마찰로 인한 회전에 의해, 카트리지로부터 잉크를 뽑아내어 볼에 묻은 잉크가 종이에 전사되는 방식으로 필기된다.

이와 같이 볼펜은 볼의 회전에 의해 잉크가 묻어나는 구조로 되어 있기 때문에, 품질이 좋지 않은 종이에도 저항 없이 부드럽게 잘 써진다는 장점이 있다.

그러나, 볼펜을 사용하다보면 볼펜심에 충분한 잉크가 남아 있어도 필기할 수 없는 경우가 종종 있는데, 볼펜을 연속하여 또는 재질이 좋지 않은 종이에 장기간 사용하는 경우 볼펜에 내장된 볼이 마모 및 변형되어 볼의 원활한 회전이 방해를 받는 경우가 이에 해당된다.

한편, 고경도 및 내마모성을 필요로 하는 소재의 표면강도를 향상시키기 위한 수단으로서 소재의 표면에 박막을 형성하는 방법이 있다. 상기 박막형성 방법은 기체 원료로부터 화학반응을 거쳐 박막이나 입자 등이 고체재료를 합성하는 화학적 방법과, 증착하고자 하는 입자를 여러 가지 물리적인 방법에 의해 소재의 표면에 증착시키는 물리적인 방법으로 분류할 수 있다.

일반적으로 상기 화학적 방법에 해당하는 것으로는 화학기상증착(Chemical Vapor deposition, CVD)과 도금 등을 들 수 있으며, 물리적인 방법에 해당하는 것에는 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation), 스핀코팅(spin coating) 등이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 볼펜 볼의 내마모성 증대 방법은 공정수의 증가와 생산비용의 과대는 물론 코팅막이 적정 필요 이하로 형성되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 볼펜 볼의 마모 및 변형을 방지하기 위하여 안출된 것으로, 진공분위기 하에서의 플라즈마 방전을 이용하여 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성할 수 있는 볼펜 볼의 코팅장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성함으로써, 볼펜 볼의 표면경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있는 볼펜 볼의 코팅방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 볼펜의 일반적인 구조를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 의한 코팅장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...음극, 2...양극,

10...티타늄 타겟, 20...피코팅재,

21...기판, 30...챔버,

31...진공펌프, 40...전원공급부,

50...가스공급부.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 볼펜 볼의 코팅장치는, 챔버와, 챔버 내부에 전원을 공급하는 전원공급부와, 챔버 내부를 일정한 압력 이하의 진공상태로 감압하는 진공펌프와, 챔버 내부에 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합기체를 공급하기 위한 가스공급부와, 챔버의 음극에 설치되는 티타늄 타겟과, 볼펜볼이 마운팅되며 상기 티타늄 타겟과 대향하여 챔버의 양극에 설치되는 기판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 볼펜 볼의 코팅방법은, 진공챔버 내의 양 ·음극에 전원을 공급하면서, 진공챔버의 음극에 설치된 티타늄 타겟과 양극에 설치된 기판상의 볼펜 볼 사이에 아르곤 가스와 질소가스의 혼합기체를 주입하여 플라즈마를 생성시키고, 스퍼터링에 의해 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 볼펜 볼의 코팅에 사용되는 장치의 개략적인 구성을 나타낸다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명의 볼펜 볼의 코팅장치는 외부와 격리된 챔버(30)와, 상기 챔버 내부에 고주파 전원 또는 직류 전원을 공급하기 위한 전원공급부(40)와, 챔버 내부를 일정한 압력 이하의 진공상태로 감압하는 진공펌프(31)와, 상기 챔버의 내부로 아르곤 가스와 질소가스의 혼합기체를 공급하기 위한 가스공급부(50)와, 볼펜 볼의 표면에 티타늄을 증착하기 위해 챔버의 음극에 설치되는 티타늄 타겟(10)과, 볼펜 볼이 마운팅되는 기판(21) 등을 구비하도록 구성된다.

상기한 바와 같은 구성의 코팅장치를 이용하여, 볼펜 볼을 코팅하는 방법에 관해 기술하면 다음과 같다.

먼저, 챔버 내부의 기판(21)위에 피처리 물질인 볼펜 볼을 탑재시킨 후, 진공펌프(31)를 작동시켜 챔버 내부를 약 1/1000(10^-3)mmHg 이하의 진공상태로 만든다.

그 다음 챔버 내부를 코팅에 적합한 온도로 가열한 후, 상기 가스공급부(50)를 통해 진공챔버의 내부에 설치되는 티타늄 타겟(10)과 기판(21) 사이로 아르곤 가스와 질소가스의 혼합기체를 주입하고, 고주파 전원 또는 직류 전원을 진공챔버의 양극과 음극에 인가한다. 그러면 진공챔버의 음극(1)으로부터 튀어나온 전자와 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합기체와의 충돌에 의해 아르곤 가스 및 질소 가스가 이온화되어, 음극(1)에 설치된 티타늄 타겟(10)과 양극(2)에 설치된 기판(21)사이에 플라즈마 방전(plasma discharge)이 발생된다.

이 때 티타늄 타겟의 전위와 플라즈마 전위의 전위차에 기인한 전기적인 힘에 의하여, 상기 방전영역에 존재하는 양이온(positive discharge)들은 티타늄 타겟의 표면을 가격(加擊)하게 되고, 이에 의해 상기 티타늄 타겟에서 떨어져 나온 티타늄 원자나 분자들은 마주보고 있는 피코팅재(20) 즉, 볼펜 볼의 표면에 스퍼터링 증착되어진다.

본 발명에서는, 볼펜 볼의 표면경도를 증가시키기 위하여 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성한다. 순수 티타늄의 경우 500℃까지는 비강도 60~160kg/mm²로 금속재료 중 최대의 비강도를 가질 뿐만 아니라, 비중이 4.51로서 동이나 니켈의 약 50%에 해당하고 스테인리스의 약 60%로 매우 가볍기 때문에 피코팅재의 중량에 미치는 영향이 작다. 이와 같은 이유에서, 티타늄 및 TiN, TiCN,TiAlN 등의 티타늄계열의 물질을 고경도 및 내마모성이 필요한 소재의 표면을 코팅하는 재료로 이용하는 것이 적절하다.

한편, 상기한 바와 같은 티타늄 계열의 코팅층은 그 성분에 따라 경도, 인성(靭性), 내마모성 등의 특성이 상이하므로, 볼펜의 사용용도, 예컨대 지면의 재질, 사용자의 특성 등에 따라 상기 코팅층을 구분하여 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 피코팅재에 어떤 소재를 코팅할 것인가에 따라 진공챔버 내부의 반응조건을 달리하여 구성해야 한다.

다시 말하면, 피코팅재의 표면에 티타늄 박막을 형성하는 경우에는 진공챔버 내부에 아르곤 가스를 주입해야 하며, TiN 박막 또는 TiAlN 박막을 형성하고자 하는 경우에는 질소가스가 포함된 가스 분위기 하에 티타늄 타겟 또는 티타늄-알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하여 증착시켜야 한다. 또한 필요한 경우에는, Ti 층, TiN 층, TiAlN 층을 중첩하여 증착시키는 것도 가능하나, 어느 형태의 코팅층이라도 그 총두께는 볼펜에 내장되는 볼펜 볼 및 팁의 크기를 고려하여 정해져야 한다.

본 발명의 볼펜 볼의 코팅장치에 의하면, 진공챔버 내에서의 플라즈마 방전을 이용하여 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성시킬 수 있게 됨으로써, 볼펜 볼의 표면경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있어, 재질이 좋지 않은 종이에 장기간 볼펜을 사용하는 경우 발생될 수 있는 볼펜 볼의 마모 및 변형을 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 진공분위기 하에서 플라즈마 방전을 발생시켜 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성할 수 있는 볼펜 볼의 코팅방법을 제공할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 진공챔버 내의 양 ·음극에 전원을 공급하면서, 상기 음극에 설치된 티타늄 타겟과 양극에 설치된 기판 상의 볼펜 볼 사이에 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합기체를 주입하여 플라즈마를 생성시키고, 스퍼터링에 의해 볼펜 볼의 표면에 질화티타늄 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 볼펜 볼의 코팅방법.
2. 챔버와, 챔버 내부에 전원을 공급하는 전원공급부와, 챔버 내부를 일정한 압력 이하의 진공상태로 감압하는 진공펌프와, 챔버 내부에 아르곤 가스와 질소 가스의 혼합기체를 공급하기 위한 가스공급부와, 챔버의 음극에 설치되는 티타늄 타겟과, 볼펜 볼이 마운팅되며 상기 티타늄 타겟과 대향하여 챔버의 양극에 설치되는 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 볼펜 볼의 코팅장치.