KR20050116645A - 장식용 칼러 코팅 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장식용 칼러 코팅에 관한 것으로서, 실리콘 또는 게르마늄 박막의 특성을 이용하여 다양한 색상을 구현하는 것을 특징으로 한다.

Description

장식용 칼러 코팅 {Decorative Color Coating}

장식용 칼러 코팅은 주로 페인팅 또는 진공 증착 코팅 등이 이용된다. 페인팅에서는 페인트에 함유된 안료 본래의 색갈, 즉 안료 물질의 본래의 색갈이 이용되며, 진공 증착 코팅 방법에서는 증착되어지는 물질의 본래의 색갈이 이용되거나 또는 간섭색이 이용된다.

진공 증착 코팅 방법에서 증착되어지는 물질의 본래의 색갈이 이용되는 경우의 예는, 알루미늄 증착 코팅, 니켈 증착 코팅, 금 증착 코팅, 황동 증착 코팅 등이 사용되고 있는데, 상기의, 물질의 본래의 색갈이 이용되는 경우에는, 다양한 색상을 구현하려면 다양한 물질을 구비하고 있어야 한다.

간섭색을 이용하는 경우에는 투명한 물질의 박막을 증착하여 다양한 색상을 구현할 수 있는데, 일상 생활에서 쉽게 볼수 있는, 물위에 기름막이 있을 때 보여지는 무지개 색은 빛의 간섭에 의해 색상이 나타나는 좋은 예이며 기름막의 두께에 따라 여러가지 색상이 나타나게 된다.

간섭색이 나타나는 원리는 다음과 같이 도1을 이용하여 설명될 수 있다. 도1은 물질b위에 투명한 물질a의 얇은 막이 균일하게 덥혀 있고, 물질b의 빛의 굴절률이 물질a의 빛의 굴절률보다 크며, 물질a의 두께가 d이고 물질a의 빛의 굴절률이 Na인 경우이다. 이 때 빛이 물질a의 표면에 입사하면 빛이 물질a의 표면과 또한 물질a와 물질b와의 경계면에서 각 각 180도의 위상 변화를 일으키며 반사하게 되는데, 표면에서 반사한 빛과 경계면에서 반사한 빛들이 서로 간섭현상을 일으키므로 수직으로 입사하는 빛의 파장의 길이 L이 다음의 식을 만족하면 그 파장의 빛이 잘 반사되어 그 파장의 빛의 색상으로 보인다.

mL = 2dNa, m = 1, 2, - - -

일 예로, 굴절률이 2.6인 티타늄 산화물위에 굴절률이 1.46의 실리콘 산화물이 0.183 마이크론의 두께로 코팅되어 있을 때는 파장의 길이가 0.5345 마이크론인 빛이 잘 반사되는데 가시광선 중에서 초록색으로 보이는 빛의 파장의 길이 범위가 0.492 ~ 0.577 마이크론이므로 반사되는 빛의 색상이 초록색으로 보이게 된다.

반사되는 빛의 색상은 투명막의 두께로 조절될 수 있는데, 상기 예의 경우 실리콘 산화물 박막의 두께가 0.201 마이크론이면 파장의 길이가 0.587 마이크론인 빛이 잘 반사되는데 노랑색으로 보이는 빛의 파장의 길이 범위가 0.577 ~ 0.597 마이크론이므로 반사되는 빛의 색상은 노랑색으로 보이게 된다.

장식용 코팅으로 이처럼 간섭색이 이용되는 경우에는 통상 티타늄 산화물 또는 실리콘 산화물 등의 투명한 막이 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 (이하 스퍼터링 방법과 진공 증착 방법을 통칭하여 진공 증착 방법이라 칭한다.) 형성되어 이용되는데, 이처럼 티타늄 산화물이나 실리콘 산화물의 단층을 이용하여 간섭색을 구현하면 상기 산화물들의 표면에서 반사되는 빛의 강도가 약하여 간섭색의 강도도 약하게 나타나는 단점이 있다.

물질의 표면에서 반사되는 빛의 양은 물질의 빛의 굴절률과 밀접한 관계가 있어, 빛이 물질 a로 부터 물질 b로 수직으로 들어 갈 때 물질a와 물질 b의 경계면에서 반사되는 빛의 반사율은 다음의 식으로 표현될 수 있다.

반사율 = {(Na-Nb)/(Na+Nb)}²

상기 식에서 Na는 물질 a의 빛 굴절률이고, Nb는 물질 b의 빛 굴절률이며, 빛이 대기 중에서 물질 b로 바로 들어갈 때는 대기의 빛의 굴절률은 1이므로 물질 b의 표면에서 반사되는 빛의 반사율은 다음과 같다.

반사율 = {(1-Nb)/(1+Nb)}²

상기의 식에 의하면, 굴절률 2.62인 티타늄 산화물의 표면에서의 빛의 반사율은 약 20%이며, 굴절률 1.46인 실리콘 산화물의 표면에서의 빛의 반사율은 약 3.5%가 된다.

그러나 도2에서와 같이 굴절률 1.5의 합성수지 안쪽에 티타늄 산화물이 진공증착되어 있는 것을 합성수지 쪽에서 보았을 때는 합성수지와 티타늄 산화물과의 경계면에서의 빛의 반사율은 상기의 식에 의하면7.39% 밖에 되지 않는다. 도2의 경우 티타늄 산화물 박막에 의한 간섭색은 경계면에서 반사되는 빛과 티타늄 산화물 후면에서 반사되는 빛에 의하여 형성되므로, 경계면에서의 빛의 반사율이 7.39% 밖에 되지 않으므로 간섭색의 강도가 그리 높지 않게 된다.

상기 합성수지의 안쪽에 굴절률 1.46의 실리콘 산화물층이 형성되어 있을 때는 반사율이 더욱 낮아져 합성수지와 실리콘 산화물과의 경계면에서의 빛의 반사율은 0.02% 밖에 되지 않으므로 간섭색은 매우 약하여 식별이 거의 되지 않을 정도가 된다.

또한, 장식용 코팅 색갈 중에 금 색갈을 선호하는 소비자들이 많이 있어 이들을 위한 제품에서는 금 코팅, 또는 금 색갈과 비슷한 황동 코팅을 하는데 금 코팅은 원재료 코스트가 높고 황동 코팅은 부식에 약한 단점이 있다.

본 발명에서는, 금속 반사막과 함께 실리콘 박막을 이용하여 다양한 색상을 구현하며, 또한 금속 반사막과 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 이용하여 금색 또는 금의 합금색을 구현한다.

본 발명은, 금속 반사막과 함께 실리콘 박막을 이용하여 다양한 강도의 다양한 색상을 구현하며, 또한 금속 반사막과 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 이용하여 금색 또는 금의 합금색을 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

실리콘에서의 빛의 굴절률은 가시광선 범위에서 3.71 ~ 6.06이며 따라서 빛이 대기중에서 실리콘으로 입사할 때 실리콘 표면에서의 반사율이 33% ~ 50%로 매우 높다. 가시 광선 범위에서 색상에 따른 실리콘에서의 빛의 굴절률과 이에 따른 표면에서의 빛 반사율은 다음과 같다.

색상 빛의 파장 길이 굴절률 표면 반사율

보라색 0.423 마이크론 5.069 45%

파랑색 0.474 마이크론 4.469 40%

초록색 0.535 마이크론 4.146 37%

노랑색 0.587 마이크론 3.978 36%

오렌지색 0.610 마이크론 3.928 35%

빨강색 0.696 마이크론 3.788 34%

또한 실리콘 덩어리를 보면 빛이 통과되지 않는 것으로 보이나 실은 가시광선 영역에서 어느 정도의 빛 투과성을 가진다. 물질의 특성에 관한 책자를 살펴 보면, 실리콘의 빛의 파장에 따른 빛의 흡수계수는 다음과 같아 아주 얇은 두께의 실리콘은 빛이 잘 통과하는 것을 알 수 있다.

색상 빛의 파장 길이 흡수계수

보라색 0.423 마이크론 33,750/cm

파랑색 0.474 마이크론 14,430/cm

초록색 0.535 마이크론 7,197/cm

노랑색 0.587 마이크론 4,818/cm

오렌지색 0.610 마이크론 4,054/cm

빨강색 0.696 마이크론 2,252/cm

두께 d의 물질을 빛이 통과할 때 빛의 초기 강도 Io와 통과 후의 강도 I는 아래의 식으로 나타내어진다.

I = Io*exp(-흡수계수*d)

상기의 식에 의하면, 실리콘 박막의 두께에 따른 가시광선의 통과율(I/Io)은 아래와 같다.

두께 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

색상

파랑색 87% 75% 65% 56% 49%

초록색 93% 87% 81% 75% 70%

노랑색 95% 91% 87% 82% 79%

오렌지색 96% 92% 89% 85% 82%

빨강색 98% 96% 93% 91% 89%

* 참고: 두께 단위는 마이크론임.

따라서, 실리콘을 빛이 과다하게 흡수되지 않는 두께 내에서 간섭색이 실현될 수 있는 두께로 코팅하면, 실리콘 표면에서의 빛 반사율이 높으면서도 실리콘 박막에 의한 빛의 흡수가 그리 크지 않으므로 밝은 간섭색을 구할 수 있다.

도3과 같이 기판위에 금속 반사막이 코팅되고 그 위에 실리콘 박막이 코팅되어 있어, 빛이 실리콘 박막의 표면과 금속 반사막으로부터 각 각 180도의 위상변화를 일으키며 반사될 때, 빛의 파장의 길이에 따라 강한 반사를 얻을 수 있는 실리콘 박막의 두께는 아래의 식에 따라 얻을 수 있다.

mL = 2dN, m = 1, 2, - - -

(L: 빛의 파장 길이, N: 굴절률, d: 박막 두께, m: 정수)

상기의 식과 색상에 따른 실리콘의 굴절률에서 색상에 따라 강한 반사를 얻을 수 있는 실리콘 박막의 두께는 다음과 같다.

색상 빛의 파장 길이 굴절률 1차 반사두께 2차 반사두께 3차 반사두께

보라색 0.423 마이크론 5.069 0.0417 0.0833 0.1250

파랑색 0.474 마이크론 4.469 0.0530 0.1060 0.1589

초록색 0.535 마이크론 4.146 0.0645 0.1289 0.1934

노랑색 0.587 마이크론 3.978 0.0738 0.1476 0.2213

오렌지 0.610 마이크론 3.928 0.0776 0.1552 0.2328

빨강색 0.696 마이크론 3.788 0.0919 0.1837 0.2756

*참고: 두께 단위는 마이크론임.

예를 들어, 파랑색의 파장 길이는 0.474 마이크론이고, 파랑색의 실리콘에서의 굴절률은 4.469이므로, 실리콘 박막의 두께가 0.0530 마이크론일 때와 0.1060 마이크론일 때, 그리고 0.1589 마이크론일 때, 즉 0.053 마이크론의 배수 일 때 실리콘 박막에 의한 파랑색의 간섭색이 나타나게 되는데, 배수가 올라갈 수록 두꺼워져 실리콘 박막에 의한 빛의 흡수도 높아지므로 반사되는 빛은 어두워지고 간섭색의 강도도 낮아지게 된다.

이와 같이 실리콘 표면에서의 가시광선의 반사율이 높고, 얇은 실리콘 박막을 가시광선이 쉽게 통과할 수 있으므로, 도3과 같이 실리콘 박막의 뒤에 빛을 잘 반사하는 금속 반사막을 위치시키면 강한 간섭색을 얻을 수 있다.

상기의 예에서는 빛이 실리콘 박막의 표면과 금속 반사막으로부터 각 각 180도의 위상변화를 일으키며 반사되는 경우이며, 그와 달리 빛이 실리콘 박막의 표면에서는 180도의 위상 변화를 일으키며 반사되나 실리콘 박막과 금속 반사막과의 경계면에서는 위상 변화없이 반사되는 경우에는 다음의 식으로부터 파장의 길이에 따라 강한 반사를 얻을 수 있는 실리콘 박막의 두께를 얻을 수 있다.

(m+1/2)L = 2dN, m = 1, 2, - - -

(L: 파장 길이, N: 굴절률, d: 박막 두께, m: 정수)

도4에서와 같이 굴절률 1.5의 합성수지 안쪽에 실리콘이 코팅되어 있는 경우에는 "반사율 = {(Na-Nb)/(Na+Nb)}²"의 식에 따라 반사율을 계산하여 보면 합성수지와 실리콘과의 경계면에서의 반사율은 다음과 같다.

색상 빛의 파장 길이 굴절률 경계면 반사율

보라색 0.423 마이크론 5.069 30%

파랑색 0.474 마이크론 4.469 25%

초록색 0.535 마이크론 4.146 22%

노랑색 0.587 마이크론 3.978 20%

오렌지색 0.610 마이크론 3.928 20%

빨강색 0.696 마이크론 3.788 19%

이와 같이 실리콘은 굴절률 1.5의 물질 안쪽에 코팅되어 있는 경우에도 그 경계면에서의 빛 반사율이 높으므로 강한 간섭색을 얻을 수 있다.

실리콘과 게르마늄은 빛의 흡수율에 있어서, 보라색과 파랑색, 초록색 부분이 노랑색과 오렌지색, 빨강색 부분보다 더욱 커서 실리콘 박막과 게르마늄 박막들이 간섭색을 나타내지 않을 정도로 얇은 경우에는 금색 또는 금의 합금색을 나타내게 된다. 하지만 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막 만으로는 금속 표면 특유의 반짝이는 반사는 얻을 수 없다. 이 때 금속 반사막을 함께 이용하면 금속 반사막에 의해 금속 표면 특유의 반짝이는 반사 느낌을 얻을 수 있는데, 간섭색이 나타내지 않을 정도로 얇은 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 도3 또는 도4와 같이 금속 반사막과 함께 이용하면 금색 또는 금의 합금색을 띄면서 또한 금속 표면 특유의 반짝이는 느낌을 주는 반사색을 구할 수 있다.

본 발명의 상기 설명에서 금속 반사막을 이용하는 것으로 하였으나, 피 코팅 물체가 이미 반짝이는 금속성의 표면을 갖으면 금속 반사막을 코팅하지 않고 바로 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 코팅하여 이용할 수 있으며, 장식용 코팅을 한 후 제일 바깥에 최종적으로 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물로 보호층을 형성하여 실리콘 박막, 게르마늄 박막, 또는 금속 반사막을 보호할 수 있다.

실리콘 박막과 게르마늄 박막은 내식성이 매우 높으며, 금속 반사막으로서는 티타늄이 함유된 알루미늄 합금, 은, 크롬, 니켈, 티타늄, 또는 스텐레스 강을 사용하면 이들 금속 반사막도 내식성이 높으며, 이에 더하여 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물을 최종적으로 코팅하여 보호층을 형성하면 내식성이 우수한 장식용 코팅을 형성할 수 있다.

본 발명과 같이 금속 반사막와 함께 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 이용하면, 단지 실리콘 박막의 두께를 조절함으로서 다양한 색상을 구현할 수 있고, 또한 간섭색이 나타나지 않을 정도로 얇은 실리콘 박막 또는 게르마늄 박막을 금속 반사막과 함께 이용하면 금색 또는 금의 합금색을 띄면서 금속 표면 특유의 반짝이는 느낌을 주는 반사색을 구할 수 있다.

도1은 물질b에 투명한 물질a가 코팅되어 있고, 빛이 물질a의 표면과, 물질a와 물질b와의 경계면에서 반사되는 것을 보여주는 개략도.

도2는 투명한 합성수지의 뒷면에 티타늄 산화물 막이 코팅되어 있고, 빛이 투명한 합성수지 쪽으로부터 들어와, 합성수지와 티타늄 산화물과의 경계면에서 반사되는 것을 보여주는 개략도.

도3은 기판에 금속 반사막이 코팅되어 있고 그 위에 실리콘 박막이 코팅되어 있어, 빛이 실리콘 박막의 표면과 금속 반사막에서 반사되는 것을 보여주는 개략도.

도4는 투명한 기판에 실리콘 박막이 코팅되어 있고 그 위에 금속 반사막이 코팅되어 있어, 빛이 투명한 기판 쪽으로부터 들어와, 투명한 기판과 실리콘 박막과의 경계면과 금속 반사막에서 반사되는 것을 보여주는 개략도.

Claims (6)

1. 기판의 위에 금속 반사막이 코팅되고 그 위에 실리콘 박막이 코팅되어, 실리콘 박막의 위에서 관찰할 때, 금속 반사막과 실리콘 박막의 표면에서 각 각 반사되는 빛의 조합에 의하여 색이 나타나는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.
2. 투명한 기판의 위에 실리콘 박막이 코팅되고 그 위에 금속 반사막이 코팅되어, 투명한 기판 쪽에서 볼 때, 투명한 기판과 실리콘 박막과의 경계면과, 금속 반사막에서 각 각 반사되는 빛의 조합에 의하여 색이 나타나는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.
3. 제1항과 제2항에 있어서, 금속 반사막으로 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 크롬, 니켈, 티타늄, 또는 스텐레스 강이 사용되고, 금속 반사막의 두께가 3 나노미터 내지 300 나노미터이며, 실리콘 박막의 두께는 5나노미터 내지 3000 나노미터이고, 금속 반사막과 실리콘 박막을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.
4. 제1항과 제2항에 있어서, 실리콘 산화물 박막이 외부 환경에 대한 보호막으로 코팅되고, 실리콘 산화물 박막의 두께는 30 나노미터 내지 1000 나노미터이며, 실리콘 산화물 박막을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.
5. 제1항과 제2항에 있어서, 금속 반사막으로 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 크롬, 니켈, 티타늄, 또는 스텐레스 강이 사용되고, 금속 반사막의 두께가 3 나노미터 내지 300 나노미터이며, 실리콘 박막의 두께가 50나노미터 이하로서, 금색 또는 금의 합금색이 나타나는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.
6. 금속 반사막으로 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 크롬, 니켈, 티타늄, 또는 스텐레스 강이 사용되고, 금속 반사막의 두께가 3 나노미터 내지 300 나노미터이며, 게르마늄 박막의 두께는 30나노미터 이하로서, 금색 또는 금의 합금색이 나타나는 것을 특징으로 하는 장식 코팅.