KR20060028047A - 플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물 - Google Patents

플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물 Download PDF

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KR20060028047A
KR20060028047A KR1020040077036A KR20040077036A KR20060028047A KR 20060028047 A KR20060028047 A KR 20060028047A KR 1020040077036 A KR1020040077036 A KR 1020040077036A KR 20040077036 A KR20040077036 A KR 20040077036A KR 20060028047 A KR20060028047 A KR 20060028047A
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Abstract

본 발명은 플라스틱 성형물의 표면코팅 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS와 PC수지의 혼합물로 이루어진 플라스틱 성형물에 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition)을 하기 위해 상기 플라스틱 성형물의 표면에 Pd를 무전해 도금하고, Cu, Ni, Cr을 무전해 또는 전기 도금을 하여 도금층을 형성한 후 상기 도금층이 형성된 모재 표면으로 Ti, Zr, Al, Cr, W 또는 B4C 등의 물리적 기상증착 방법인 이온플레이팅방법과 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층을 형성함으로써, 상기 플라스틱 성형물의 내스크래치성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 색상의 코팅이 가능하여 장식적인 효과는 물론 그 표면에 지문이 묻는 것을 방지할 수 있는 플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물에 관한 것이다.

Description

플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물{CERAMIC COATING METHOD FOR PLASTIC MATERIAL AND MODELING PLASTIC MATERIAL THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 성형물의 표면에 도금층, 세라믹 코팅층, 도료층이 피막된 구성을 도시한 확대 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 성형물의 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 이온플레이팅 장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 플라스틱 성형물의 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 스퍼터링 장치의 단면도,
도 4는 본 발명에 의해 제조된 플라스틱 성형물의 경도측정을 위한 연필경도 측정기의 개략도,
도 5는 본 발명에 의해 제조된 플라스틱 성형물의 접착력 측정을 위한 CROSS CUT TEST를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 모재 2 : 전처리
3 : 도금층 4 : 세라믹 코팅층
5 : 도료층 6 : Pd층
7 : Cu층 8 : Ni층
9 : Cr층 20 : 이온플레이팅 장치
21 : 아르곤가스 유입구 22 : 반응성가스 유입구
23 : 모재걸이 24 : 진공펌프
25 : 도가니 26 : RF/DC 전원
30 : 스퍼터링 장치 31 : 아르곤가스 유입구
32 : 반응성가스 유입구 33 : RF/DC 전원
34 : 타겟 35 : 플라즈마
36 : 플로우 슈터 37 : 기판홀더
38 : 시편 39 : 진공펌프
40 : RF/DC 바이어스
본 발명은 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 관한 것으로서, 특히 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS 수지와 PC 수지의 혼합물로 이루어진 플라스틱 성형물의 표면에 Ti, Zr, Al, Cr, W또는 B4C 를 PVD 방법을 이용하여 표면을 코팅함으로서 상기 플라스틱 성형물의 내스크래치성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 색상의 코팅이 가능하여 장식적인 효과는 물론 그 표면에 지문이 묻는 것을 방지할 수 있는 플라 스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰 케이스, 전화기 케이스, 노트북 케이스, 귀걸이, 목걸이, 반지, 팔찌, 브롯치, 손목시계부품, 가방부품, 신발부품, 자동차 부품 등의 플라스틱 성형물은 ABS 수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer Resin: 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌의 혼성중압 수지), PC 수지(Polycarbonate : 아크릴카보네이트) 또는 ABS 수지와 PC 수지 혼합물을 사출성형하여 제조된 것으로, 상기 플라스틱 성형물에 의해 제조된 제품의 크기가 작아지고 디자인 기술이 발달함에 따라 제품의 표면색상에 대한 다양한 욕구가 증대되어 최근에는 다양한 색상의 표현 또는 유광, 무광, 반광 등의 변화를 주기에 이르렀고 또한 고가의 제품에는 표면의 내스크래치성이 중요하게 대두되었다.
기존의 플라스틱 성형물은 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS 수지와 PC 수지 혼합물을 사출성형하여 그 표면에 Al 스프레이코팅을 한 후 UV 코팅(Ultraviolet coating: 자외선 코팅)하여 제조되었으며, 최근에는 색상안료를 첨가하여 사출 광택코팅만 한 후 UV 코팅하여 제조되었다.
그러나, 상기 색상안료는 원색만이 가능하여 색상의 표현에 있어서 한정될 수밖에 없으며 또한 표면경도가 약하여 내스크래치성도 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로 본 발명의 목적은 플라스틱 성형물인 모재의 표면에 Pd(팔라듐)을 무전해 도금하고 Cu( 구리), Ni(니켈) 및 Cr(크롬)을 무전해 도금 또는 전기 도금한 후 그 표면으로 코팅재료를 PVD 공정(스퍼터링 방법 또는 이온플레이팅 방법)으로 증착하여 기존의 플라스틱 표면처리에 의해 제조된 플라스틱 성형물보다 경도, 내마모성, 내스크래치성, 접착성이 향상되고, 상기 코팅재료에 따라 다양한 색상의 표현이 가능한 플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적은, 플라스틱 성형물의 표면 코팅 방법에 있어서, 플라스틱 성형물인 모재를 형성하는 단계; 상기 모재의 표면을 염산으로 전처리하는 단계; 상기 전처리된 모재의 표면에 도금물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법에 의해 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 도금층이 형성된 모재의 표면에 증착물질을 PVD 방법에 의해 세라믹 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 달성된다.
또한, 상기 모재는 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 모재의 표면에 도금층을 형성하는 단계에서, 상기 전처리된 모재의 표면에 Pd층을 무전해 도금에 의해 형성하는 단계; 상기 Pd층이 형성된 모재의 표면에 Cu층, Ni층, Cr층을 순차적으로 무전해 또는 전기 도금에 의해 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 모재의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 상기 모재의 표면에 증착되는 세라믹 코팅층의 증착물질은 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 이고, 상기 증착물질은 이온플레이팅 또는 스퍼터링 공정을 통해 세라믹 코팅층이 상기 모재의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 이온플레이팅 공정에 의해 상기 모재의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법은, 이온플레이팅 장치 내에 상기 모재 및 상기 증착물질을 위치시키는 단계; 상기 이온플레이팅 장치의 내부를 진공상태로 유지시키는 단계; 상기 이온플레이팅 장치 내부로 아르곤가스 및 반응성가스를 주입하는 단계; 상기 이온플레이팅 장치에 RF/DC 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시켜서 상기 도금층이 형성된 모재의 표면에 세라믹 코팅층을 증착시키는 단계로 이루어지며, 상기 반응성가스는 CH4, C2H2, O2, N2 가스이고, 상기 반응성가스는 0.4~60.0 vol% 범위로 상기 이온플레이팅 장치 내부로 주입되는 것을 특징으로하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 스퍼터링 공정에 의해 상기 모재의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법은, 스퍼터링 장치 내에 타겟인 상기 증착물질을 위치시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부로 상기 도금층이 형성된 모재를 위치시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부를 진공상태로 유지시키는 단계; 상기 스퍼터링 장치 내부로 아르곤가 스 및 반응성가스를 주입하는 단계; 상기 스퍼터링 장치에 RF/DC 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시키는 단계; 상기 모재를 RF 바이어스로 클리닝하는 단계; 상기 플라즈마 의해 상기 도금층이 형성된 모재의 표면에 세라믹 코팅층을 증착시키는 단계로 이루어지며, 상기 반응성가스는 CH4, C2H2, O2, N2 가스이고, 상기 반응성가스는 0.4~60.0 vol% 범위로 상기 스퍼터링 장치 내부로 주입되는 것을 특징으로하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 모재의 표면에 아크릴-우레탄계 도료을 코팅하여 도료층을 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 이온플레이팅 장치의 내부 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 스퍼터링 장치의 내부 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 사출성형에 의해 제조된 플라스틱 성형물에 있어서, ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지의 혼합물로 사출성형된 모재; 상기 모재의 표면으로 무전해 또는 전기 도금에 의해 순차적으로 도금된 Pd층, Cu층, Ni층, Cr층으로 구성된 도금층; 상기 도금층이 형성된 모재의 표면으로 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 증착물질이 증착되어 세라믹 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 Pd층의 두께는 0.1~1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 Cu층의 두께는 10.0~30.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 Ni층의 두께는 5.0~20.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 Cr층의 두께는 0.3~1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 세라믹 코팅층의 두께는 0.3~1.0㎛인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 세라믹 코팅층은 반응성가스로 CH4, C2H2, O2, N 2를 사용하는 이온플레이팅 장치 또는 스퍼터링 장치에 의해 상기 모재의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
또한, 상기 모재의 표면으로 아크릴-우레탄계 도료에 의해 도료층이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물에 의하여 본 발명의 목적이 달성된다.
이하, 상기 목적을 구체적으로 실시할 수 있는 본 발명에 따른 플라스틱 성형물에 대한 세라믹 코팅 방법 및 그에 의해 제조된 플라스틱 성형물의 대한 바람 직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법에 대해 상세히 설명한다.
상기 플라스틱 성형물은 ABS 수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer Resin: 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌의 혼성중압 수지), PC 수지(Polycarbonate : 아크릴카보네이트) 또는 ABS+PC 수지(ABS수지와 PC수지의 혼합물) 등의 합성수지를 금형틀에 부어 사출성형에 의하여 제조된 것이다. 상기 플라스틱 성형물의 제조시 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지는 사출성형에 의해 가열된 후 열을 식히는 건조과정에서 기포가 생성되어, 상기 플라스틱 성형물의 모재(1) 표면에는 기포나 기포가 터진 자국이 그대로 남아있게 된다. 따라서, 상기 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지로 성형된 플라스틱 성형물의 모재 표면에 형성된 기포나 또는 기존의 기포가 터진 자국의 부분들을 염산에 의한 전처리(2) 공정을 통하여 상기 모재(1)의 표면에 굴곡을 형성시킨다.
상기 염산에 의한 전처리(2) 공정을 마친 상기 모재(1)의 표면으로는 염산에 의한 핀홀 또는 홈부분을 메꾸고 후술되는 세라믹 코팅층(4)과의 접착력을 높이기 기 위하여 Pd(팔라듐), Cu(구리), Ni(니켈) 및 Cr(크롬)을 무전해 또는 전기 도금에 의해 도금층(3)을 형성한다.
우선, 상기 모재(1)의 표면에 무전해 도금 공정을 이용하여 Pd층(6)을 0.1 ~ 1.0㎛의 두께로 형성한다. 상기 무전해 도금은 기판에 전기를 줄 수 없는 에폭시(Epoxy)나 플라스틱류와 같은 물질에는 전기가 통하지 않아 이 위에 금속이 석출되어 도금이 될수 없으므로, 이러한 경우 무전해 도금을 통하여 도금을 하게된다. 따 라서, 상기 무전해 도금 공정을 통하여 상기 Pd 물질이 석출되어 상기 모재(1)의 굴곡진 표면으로 상기 Pd층(6)이 도금되어 상기 굴곡진 표면을 메워 주고 후술되는 전기 도금 시 전류가 전체적으로 균일하게 흘러 전기 도금층(3)과 모재(1)의 표면 사이가 뜨지 않도록 접착력을 제공한다.
상기 Pd층(6)이 도금된 상기 모재(1)의 표면으로 무전해 도금 또는 전기 도금 공정을 이용하여 Cu층(7)를 10.0 ~ 30.0㎛의 두께로 형성한다. 상기 Cu층(7)은 상기 모재(1)의 표면의 굴곡이 형성되어 있는 부분인 핀홀 등을 모두 메워 주고, 후술되는 세라믹 코팅층(4) 형성시 사용되는 PVD 공정시 바이어스(bias) 전압을 사용할 경우 전류의 흐름이 원활하게 한다.
상기 Cu층(7)이 도금된 상기 모재(1)의 표면으로 무전해 도금 또는 전기 도금 공정을 이용하여 Ni층(8)을 5.0 ~ 20.0㎛의 두께로 형성한다. 상기 Ni층(8)은 상기 Cu층(7)이 밀착성이 좋지 않기 때문에 상기 Cu층(7) 표면으로 Ni을 증착시키면 상기 모재(1)의 표면으로 증착물질의 증착이 용이하게 이루어지고 또한 상기 모재(1)의 표면은 굴곡없이 매끈하게 형성된다.
상기 Ni층(8)이 도금된 상기 모재(1)에 무전해 도금 또는 전기 도금 공정을 이용하여 Cr층(9)을 0.3 ~ 1.0㎛의 두께로 형성한다. 상기 Ni층(8)의 도금 공정을 통하여 상기 모재(1) 표면 색상은 선명하고 밝아지게 되며, 상기 Ni층(8)이 형성된 모재(1)의 표면으로 상기 Cr층(9)을 도금공정하면 상기 모재(1)의 표면은 광택 코팅이 되고, 상기 Cr층(9)을 도금하지 않으면 무광택 코팅이 되는 특성을 가진다.
상기와 같이 모재(1)의 표면에 Pd층(6), Cu층(7), Ni층(8), Cr층(9)을 순차 적으로 무전해 도금 또는 전기 도금 공정을 거쳐 도금층(3)이 형성된 후 PVD(물리적 기상 증착) 공정인 이온플레이팅 방법과 스퍼터링 방법에 의한 세라믹 코팅층(4)의 형성에 대하여 설명하도록 한다.
상기 이온플레팅 방법은 고체물질을 가열 혹은 입자를 충돌시켜 원자 또는 분자로 분해하고 다시 이것을 DC나 RF전원으로 이온화시켜 처리물질의 표면에 응축시켜서 박막을 형성하는 방법으로, 상세하게는 진공용기 내에 아르곤(Ar) 등의 가스를 주입하여 약 10-3 Torr의 저압으로 방전을 일으켜 증착물질과 가스를 이온화하여 피도금체의 표면에 높은 에너지를 가지고 피복되게하는 일종의 진공증착법이다. 일반적인 진공증착에서는 증착물질에서 증발한 분자 또는 원자가 곧바로 피도금체의 표면에 날아와 퇴적하는데 그치는 반면 상기 이온플레이팅의 경우에는 증발 분자들이 피도금체로 날아와 높은 에너지로 퇴적한 입자를 격렬하게 휘젓기 때문에 상기 진공증착법보다 더욱 치밀하고 단단한 막을 형성한다. 이러한 이온플레이팅 방법은 진공증착법이나 습식도금에 비해 50~100배 정도로 피막의 밀착성이 우수하고, 비교적 낮은 온도에서 밀착성이 양호한 초경질의 피막을 얻을 수 있으므로 저온공정에 의한 정밀도를 유지할 수 있으며, 건식공정으로 폐액 또는 대기오염을 방지할 수 있는 무공해 공정이며, 미세한 입자에 의한 고밀도 피막을 얻을 수 있고, 0.01㎛/min의 비교적 높은 증착속도를 가진다. 또한, 상기 이온플레이팅 방법에 의해 형성된 피막은 코팅재료에 따라 아름다운 색조, 내마모성, 내부식성, 무알레르기성 등의 성질을 가지게 된다.
도 2는 이온플레이팅 장치를 도시한 개략도로서, 상기 이온플레이팅 장치(20)에 의해 상기 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)이 형성되는 과정을 설명하도록 한다.
우선 상기 이온플레이팅 장치(20) 내에 도금층(3)이 형성된 모재(1)를 모재걸이(23)에 고정시키고 도가니(25) 내에는 증착물질인 코팅재료 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등을 위치시키며, 상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부를 진공펌프(24)를 이용해 진공상태로 유지시킨다. 그리고, 상기 세라믹 코팅층(4)의 증착은 모재(1)의 가열없이 공정압력 1~10mtorr에서 증착시간을 1시간 이내로 조절하면서 형성시킨다.
구체적인 증착조건으로는 상기 이온플레이팅 장치(20) 내에 모재(1)를 위치시킨 후 상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부를 초고진공 상태인 10-7 torr 이상으로 유지시키고, 상기 이온플레이팅 장치(20) 내부로 아르곤가스(Ar)를 아르곤가스 유입구(21)를 통해 5~80scm, 반응성가스인 CH4(메탄), C2H2(아세틸렌), O2(산소), N2(질소) 가스를 반응성가스 유입구(22)를 통해 0.4~60.0 vol%로 주입시키며, 0.5~5.5W/㎤의 DC 전원(26)를 인가한다.
즉, 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 다양한 코팅재료를 이용해 세라믹 코팅층(4)을 증착할 때 상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부로는 아르곤가스 및 반응성가스가 첨가된 가스분위기의 플라즈마 상태하에서 이루어지게 되는 것이다.
또한, 상기 모재(1)의 재질인 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지는 플라스틱 성형물로 열에 견디는 온도가 약 100℃ 정도이기 때문에 상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부온도는 100℃ 이하로 유지되어야 한다.
상기 PVD 방법에 속하는 스퍼터링 방법은 진공에 가까운 저압력상태에서 불활성 가스인 아르곤가스의 방전에 의해 생성된 아르곤이온(Ar+)을 증착물질의 타켓에 가속 충돌시켜 상기 타켓의 물질을 비산시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이 비산입자를 피도금체의 표면에 퇴적시켜 피막을 얻는 방법이다.
도 3은 스퍼터링 장치를 도시한 개략도로서, 상기 스퍼터링 장치(30)에 의해 상기 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)이 형성되는 과정을 설명하도록 한다.
우선, 상기 스퍼터링 장치(30) 내부에 도금층(3)이 형성된 모재(1)와 내스크래치성 및 접착성 향상을 위한 증착물질인 코팅재료 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 타켓(34)을 원하는 색상에 따라 선택적으로 위치시키고 상기 스퍼터링 장치(30)의 내부를 진공펌프(24)를 이용하여 진공상태로 유지시킨다. 이때 상기 세라믹 코팅층(4)의 증착은 상기 모재(1)의 가열없이 공정압력 1~10mtorr 에서 증착시간을 1시간 이내로 조절하여 형성시킨다.
구체적인 증착조건으로는 상기 스퍼터링 장치(30) 내부를 초고진공 상태인 10-7 torr 이상으로 유지시키고 상기 스퍼터링 장치(30) 내부로 아르곤가스를 아르곤가스 유입구(31)를 통해 5~80scm, 반응성가스인 CH4, C2H2, O2 , N2 가스를 반응성가스 유입구(32)를 통해 0.4~60.0 vol%로 주입시키고 플로우 슈터(Flow Shutter)(36)를 통하여 상기 스퍼터링 장치(30) 내로 주입되는 가스의 분압을 조절하며, 0.5~5.5W/㎤의 DC 전원을 인가시킨다. 그리고, 상기 스퍼터링 장치(30) 내부로 도금층(3)이 형성된 모재(1) 또는 시편(38)을 위치시킨 다음 RF/DC 바이어스(40)를 통해 상기 모재(1)의 표면을 클리닝한다. 이는 상기 모재(1)의 표면에 부착되어 있을지도 모르는 오염물질을 제거하기 위한 것이다.
즉, 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 증착물질에 따라 세라믹 코팅층(4)을 선택적으로 증착할 때, 상기 스퍼터링 장치(30) 내부는 아르곤가스 및 반응성가스를 첨가한 가스 분위기의 플라즈마(35) 상태하에서 이루어지는 것이다.
또한, 상기 모재(1)의 재질인 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지는 플라스틱 성형물로 열에 견디는 온도가 약 100℃ 정도이기 때문에 상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부온도는 100℃ 이하로 유지되어야 한다.
상기와 같이 코팅재료인 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 증착물질을 상기 이온플레이팅 방법 또는 상기 스퍼터링 방법에 따라 모재(1)에 증착시킬 때 각각의 반응성가스 유입구(22,32)로 CH4, C2H2, O2, N2 가스를 선택적으로 주입하여 0.3~1.0㎛ 두께로 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 증착시킨다. 특히, 상기 반응성가스의 종류 및 주입량을 조절하므로써 TiN(Gold 색상), TiCN(Dark Viloet 색상), AlTiN(Black 색상, Grey 색상), TiAlN(Blue 색상, Grey 색상 등 다양한 색), CrN(Silver Grey 색상), CrCN(Silver Grey 색상), W-C:H(Grey 색상, Black 색상), ZrCN(Grey, Green, Violer 색상 등 다양한 색), CrCN+W-C:H, CrN+W-C:H, AlTiN+W-C:H 등 다양한 색상의 표현이 가능하고 내스크래치성, 내부식성, 내마모성, 윤활성이 우수한 세라믹 코팅층(4)이 형성된다. 또한, 상기 코팅재료로 B4C, Ti, Zr, Al, Cr, W 뿐만 아니라 DLC(Diamond like Carbon)등 기타 금속 또는 세라믹 화합물 사용하여 세라믹 코팅층(4)을 형성할 수도 있으며, 상기 DLC를 증착물질로 사용하면 상기 세라믹 코팅층(4)은 Cr+W-C:H+DLC B4C(Dark Violet, Black 색상)을 띠게 된다.
바람직하게는 상기 PVD공정을 실시하여 세라믹 코팅층(4)이 형성된 모재(1)의 표면에 지문방지 도료로써 클리어계 도료인 아크릴- 우레탄 도료를 에어스프레이 방식으로 코팅하여 상기 모재(1)의 표면에 도료층(4)이 형성됨으로써 상기 모재(1) 표면은 소수성(疏水性)을 가지게 되며 또한 지문 또는 오염물질이 부착되는 것이 방지 된다.
상기된 바와 같이 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지의 표면에 Pd층(6), Cu층(7), Ni층(8), Cr층(9)을 순차적으로 무전해 도금 또는 전기 도금 공정을 거쳐 도금층(3)이 형성된 후 PVD(물리적 기상 증착) 공정인 이온플레이팅 방법 또는 스퍼터링 방법에 의하여 세라믹 코팅층(4)의 형성된 플라스틱 성형물을 제조할 수 있게 된다.
다음은, 세라믹 코팅층(4)이 형성된 플라스틱 성형물의 내스크래치성 및 색상변화 등을 실험한 결과를 상세히 설명한다.
실험을 위해서, ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지를 사출성형한 평면의 모재(1)를 2×2㎠으로 절단 제작한 후 도금층(3)이 형성된 시편(38)을 이온플레이팅 방법과 스퍼터링 방법에에 의해 각각 세라믹 코팅층(4)을 형성하되 이온플레이팅 장치(20) 및 스퍼터링 장치(30)에 주어지는 조건인 DC Power 0.5~5.5W/㎠, Ar flow 5.0~80.0scm , N2 flow 10~80vol%, CH4 flow 0.4~60.0vol% 및 증착시간 1시간, 온도 100℃의 동일한 조건이 주어진다. 여기서, 상기 시편(38)으로 사용되는 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지는 종류에 관계없이 유사한 성질을 가지므로 실험에 사용되는 시편(38)으로 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지 중 어느것을 선택해도 무방하다.
표 1은 사출성형된 시편(38) 표면에 Al이 스프레이 코팅된 시편(38)(비교예 1), 상기 사출성형된 시편(38) 표면에 무전해 도금 및 전기도금에 도금층(3)이 15~50㎛의 두께로 증착된 시편(38)(비교예 2), 상기 사출성형된 시편(38) 표면에 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 0.3~1.0㎛의 두께로 형성된 시편(38)(비교예 3), 상기 사출성형된 시편(38) 표면으로 무전해 도금 및 전기 도금에 의해 도금층(3)을 형성한 후 이온플레이팅 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 0.3~1.0㎛의 두께로 형성된 시편(38)(실시예 1), 상기 사출성형된 시편(38) 표면으로 무전해 도금 및 전기 도금에 의해 도금층(3)을 형성한 후 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 0.3~1.0㎛의 두께로 형성된 시편(38)(실시예 2), 상기 사출성형된 시편(38) 표면으로 무전해 도금 및 전기 도금에 의해 도금층(3)을 형성한 후 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 0.3~1.0㎛의 두께로 형성 되고 그 위에 아크릴-우레탄계 도료층이 코팅된 시편(38)(실시예 3)의 내스크래치성, 접착력, 색상, 부식성, 내지문성, 표면 전도성을 비교하여 정리한 결과이다.
일반적인 기판재료로서 실리콘 웨이퍼를 이용하여 세라믹 코팅층(4)을 증착할 경우에는 압입기(Nanoindentation)를 이용하여 표면경도를 측정하고 스크래치 시험에 의한 임계하중으로 막의 밀착성을 평가할 수 있으나, 본 실험에서는 기판재질인 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS+PC 수지는 연성이 매우 강하므로 연필경도(PENCIL HARDNESS: ASTM D3363)의 측정방법을 통하여 상기 시편(39)의 표면에 형성된 피막의 경도와 접착력을 동시에 평가할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같기 연필경도 시험기를 이용하여 경도가 가장 낮은 6B에서 가장 높은 8H까지 연필종류를 교체하면서 실험 시편(38)에 45°정도의 기울기로 일정하중(500g)으로 밀어서 긁혀지는 정도를 측정하여 그 정도에 따라 정성(定性)적으로 각 실험 시편(38)에 따른 표면의 기계적 특성을 파악하였다.
그리고, 접착력 평가는 크로스 컷 테스트(CROSS CUT TEST)가 이용되었으며, 상기 크로스 컷 테스트에 의한 접착력 평가 기준은 테스트용 칼을 가지고 시편의 피막층을 가로 1㎜, 세로 1㎜의 정방형 흔적을 남긴 후 접착테이프의 접착력을 이용하여 상기 정방형 부위의 피막층을 박리시키는 방법으로서, 일반적으로 피막층에 100개의 정방형 부위를 형성시켜 놓게 되며 이들 중 박리되어지는 부분들을 계산하여 백분율로서 접착력의 정도를 나타내게 된다. 즉 도 5에 도시된 바와 같이, 연필경도 4B의 경도에서는 실험시편 표면에서 박리된 것을 도시한 것이며 5%의 수치는 박리되 정도를 백분율로 표시한 것으로 이는 ASTM규격에 의한 것이다.
그리고, 부식성평가는 각 실험 시편(38)을 수산화나트륨(NaOH) 20%의 수용액에 침전시켜 시간에 따른 각 시편(38)에 피막층 표면에 대한 형상변화를 관찰하여 평가하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2 실시예 3
1. 연필경도 H 4H 3H 8H 8H 8H
2. 접착력 4B 4B 3B 5B 5B 5B
3. 표현 색상 회색에 한정 회색에 한정 물질에 따라 다양 불질에 따라 다양 물질에 따라 다양 물질에 따라 다양
4. 부식성 1분 8시간 3분 24시간 이상 24시간 이상 10시간
5. 내지문성 보통 나쁨 나쁨 나쁨 보통 아주좋음
6. 표면 전도성 부도체 전도체 전도체 세라믹층 두께에 따라 전도성과 부도성 조절가능 세라믹층 두께에 따라 전도성과 부도성 조절가능 부도체 두께에 따라 전도성과 부도성 조절가능
연필경도에서, 일반적으로 B에서 제품표면이 긁히면 경도값이 떨어지는 것을 나타내고 H에서 긁히면 어느 정도의 경도를 갖고 있는 것으로 판단하는데(도 4 참조), 상기 각 실험 시편(38)을 연필경도(PENCIL HARDNESS: ASTM D3363)의 측정방법을 통하여 상기 시편(38)에 증착된 피막의 경도를 측정한 결과, 비교예 1은 H에서, 비교예 2는 도금층(3)의 두께가 두꺼워서 4H, 시편(38)에 증착물질을 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 형성된 비교예 3은 접착력이 떨어져서 3H에서 긁혀졌으며, 시편(38)에 도금층(3) 형성후 세라믹 코팅층(4)이 형성된 실시예 1, 2, 3 은 모두 8H로 측정한계 이상의 값이 나타나 기존의 유통제품보다 그 경도가 상당히 개선된 것을 알수 있다.
도 5에 도시된 크로스 컷 테스트(CROSS CUT TEST) 방식으로 실험 시편(38)의 표면에 증착된 피막과의 접착력 평가 결과를 살펴보면 대체적으로 접착력은 모 든 실험 시편(38)에서 고른 특성을 보이나 비교예 1, 2, 3은 3B~4B로 상기 시편(38)과 피막 사이에 약간의 박리현상이 나타나고, 실시예 1, 2, 3은 5B로 상기 시폄과 피막 사이에 박리가 일어나지 않아 접착력이 향상되었음을 알수 있다.
색상 평가 결과를 살펴보면, 시편(38)에 Al이 스프레이 코팅된 비교예 1과 시편(38)에 무전해 도금 및 전기 도금에 의해 도금층(3)이 형성된 비교예 2의 표면 색상은 회색으로 한정되지만, 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법으로 세라믹 코팅층(4)이 형성된 비교예 3, 실시예 1, 2, 3 은 원색이 아닌 다양한 색상(황금색, 푸른색, 녹색, 보라색, 검정색, 회색, 은색 등)이 나타났다.
부식성 평가 결과를 살펴보면, 비교예 1의 시편(38)은 부식액에 침전된지 1분만에 표면이 벗겨져 알루미늄 조각이 표면 전체에 일어났고, 비교예 2는 도금층(3)이 두꺼워서 6~8시간 후 도금층(3)이 부풀어 오는 것을 확인하였으며, 비교예 3은 사출성형된 시편(38)과 세라믹 코팅층(4)의 접착력이 떨어져 3시간을 견디지 못하고 세라믹 코팅층(4)이 벗겨지기 시작하였다. 상기 시편(38)에 도금층(3)이 형성된 후 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법에 의해 세라믹 코팅층(4)이 형성된 실시예 1, 2는 24시간 이상에서도 벗겨지지 않았고, 실시예 3은 내지문성을 주기 위해 아크릴-우레탄계 도료층(5)이 코팅된 것이 10시간 이상에서 도료층의 박리가 일어났으며 미량의 변화가 계속 유지되는 특징으로 보였고 세라믹 코팅층(4)의 변화는 없는 것으로 나타났다.
내지문성 평가 결과를 살펴보면, Al 코팅이 된 비교예 1은 보통이고 아크릴-우례탄계 도료가 도포된 실시예 3은 내지문성이 우수하며 나머지 실험시편(38)들은 지문량은 틀리지만 모든 시편(38)에서 지문이 묻어 나오는 것을 확인하였다.
표면 전도성은 다른 기능으로 활용여부를 조사하기 위해 측정한 것인데 도료층이 코팅된 시편(38) 비교예 1과 실시예 3은 표면 저항 측정결과 부도체이고, 도금층(3)이 형성된 비교예 2는 금속성이 도금되므로 도체이며, 이온플레이팅 또는 스퍼터링 방법으로 증착한 비교예 3, 실시예 1, 2, 증착물질에 따라 다르지만 두께의 영향을 받아 도체 또는 부도체의 성질을 가질 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 상기 실시예 1, 2와 같은 시편(38)은 증착물질의 두께를 조절하여 도체 또는 부도체의 성질이 요구되는 제품에 적용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안의 플라스틱 성형물은, ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지가 사출형성된 모재의 표면에 무전해 또는 전기 도금 방식에 의해 Pd층, Cu층, Ni층, Cr층으로 구성된 도금층이 형성되고, 상기 도금층 표면으로 표면으로 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 증착물질이 증착되어 세라믹 코팅층이 형성되며, 상기 세라믹 코팅층은 CH4, C2H2, O2, N2 가스를 첨가하는 이온플레이팅 방법과 스퍼터링 방법을 이용한 박막 코팅기술로서, 기존의 플라스틱 성형물의 코팅제품에 비하여 더 높은 경도와 표면 윤활성을 가지므로, ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지로 형성된 플라스틱 성형물에 대한 내스크래치성 및 내구성향상을 통해 각종 터치스크린, 생체지문, 광학렌즈 및 전자제품의 표면 코팅에 적용될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 코팅층은 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 증착물질과 상기 반응성가스의 종류 및 주입량에 따라 TiN(Gold 색상), TiCN(Dark Viloet 색상), AlTiN(Black 색상, Grey 색상), TiAlN(Blue 색상, Grey 색상 등 다양한 색), CrN(Silver Grey 색상), CrCN(Silver Grey 색상), W-C:H(Grey 색상, Black 색상), ZrCN(Grey, Green, Violer 색상 등 다양한 색), CrCN+W-C:H, CrN+W-C:H, AlTiN+W-C:H, Cr+W-C:H+DLC B4C(Dark Violet, Black 색상) 등 다양한 색상의 표현이 가능하고 내스크래치성, 내부식성, 내마모성, 윤활성이 우수하게 나타났으므로 시계부품, 넥타이핀, 브로치, 양식기, 필기구, 악세사리, 피어싱, 각종 낚시부품(릴), 미용가위, 각종 볼트 너트, 의료기부품(치과 임플란트, 틀니), 욕실 수전금구, 핸드폰 부품, 자동차 Emblem, 초음파 맛사지기 헤드 및 그 외에 다양한 칼라와 내마모성, 윤활성 등의 기능이 요구되는 제품(금과 유사한 색상)에 적용될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 코팅층이 형성된 플라스틱 성형물의 표면에 아크릴-우레탄계 도료에 도포에 의한 도료층이 형성되어 지문 또는 오염물질이 부착되는 것을 방지하게 되므로써, 각종 터치스크린, 생체지문, 광학렌즈 및 전자제품의 표면 코팅에 적용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 플라스틱 성형물의 표면 코팅 방법에 있어서,
    플라스틱 성형물인 모재(1)를 형성하는 단계;
    상기 모재(1)의 표면을 염산으로 전처리(2)하는 단계;
    상기 전처리(1)된 모재(1)의 표면에 도금물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법에 의해 도금층(3)을 형성하는 단계; 및
    상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 증착물질을 PVD 방법에 의해 세라믹 코팅층(4)을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모재(1)는 ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모재(1)의 표면에 도금층(3)을 형성하는 단계에서,
    상기 전처리(2)된 모재(1)의 표면에 Pd층(6)을 무전해 도금에 의해 형성하는 단계;
    상기 Pd층(6)이 형성된 모재(1)의 표면에 Cu층(7), Ni층(8), Cr층(9)을 순차 적으로 무전해 또는 전기 도금에 의해 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 모재(1)의 표면에 증착되는 세라믹 코팅층(4)의 증착물질은 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 금속 또는 세라믹 화합물이고 ,
    상기 증착물질은 이온플레이팅 또는 스퍼터링 공정을 통해 세라믹 코팅층(4)이 상기 모재(1)의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이온플레이팅 공정에 의해 상기 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 형성하는 방법은,
    이온플레이팅 장치(20) 내에 상기 모재(1) 및 상기 증착물질을 위치시키는 단계;
    상기 이온플레이팅 장치(20)의 내부를 진공상태로 유지시키는 단계;
    상기 이온플레이팅 장치(20) 내부로 아르곤가스 및 반응성가스를 주입하는 단계;
    상기 이온플레이팅 장치(20)에 RF/DC 전원(26)을 인가하여 플라즈마를 형성시켜서 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 증착시키는 단계로 이루어지며,
    상기 반응성가스는 CH4, C2H2, O2, N2 가스이고, 상기 반응성가스는 0.4~60.0 vol% 범위로 상기 이온플레이팅 장치(20) 내부로 주입되는 것을 특징으로하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스퍼터링 공정에 의해 상기 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 형성하는 방법은,
    스퍼터링 장치(30) 내에 타겟(34)인 상기 증착물질을 위치시키는 단계;
    상기 스퍼터링 장치(30) 내부로 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)를 위치시키는 단계;
    상기 스퍼터링 장치(30) 내부를 진공상태로 유지시키는 단계;
    상기 스퍼터링 장치(30) 내부로 아르곤가스 및 반응성가스를 주입하는 단계;
    상기 스퍼터링 장치(30)에 RF/DC 전원(33)을 인가하여 플라즈마를 형성시키는 단계;
    상기 모재(1)를 RF 바이어스(40)로 클리닝하는 단계;
    상기 플라즈마(35) 의해 상기 도금층(3)이 형성된 모재(1)의 표면에 세라믹 코팅층(4)을 증착시키는 단계로 이루어지며,
    상기 반응성가스는 CH4, C2H2, O2, N2 가스이고, 상기 반응성가스는 0.4~60.0 vol% 범위로 상기 스퍼터링 장치(30) 내부로 주입되는 것을 특징으로하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재의 표면에 아크릴-우레탄계 도료을 스프레이 코팅하여 도료층을 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 이온플레이팅 장치의 내부 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 스퍼터링 장치의 내부 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물의 세라믹 코팅 방법.
  10. 사출성형에 의해 제조된 플라스틱 성형물에 있어서,
    ABS 수지, PC 수지 또는 ABS + PC 수지의 혼합물로 사출성형된 모재(1);
    상기 모재(1)의 표면으로 무전해 또는 전기 도금에 의해 순차적으로 도금된 Pd층(6), Cu층(7), Ni층(8), Cr층(9)으로 구성된 도금층(3);
    상기 도금층(3)이 형성된 모재(3)의 표면으로 B4C 또는 Ti, Zr, Al, Cr, W 등의 금속 또는 세라믹 화합물 증착물질이 증착되어 세라믹 코팅층(4)이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Pd층(6)의 두께는 0.1~1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 Cu층(7)의 두께는 10.0~30.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 Ni층(8)의 두께는 5.0~20.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 Cr층(9)의 두께는 0.3~1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 코팅층(4)의 두께는 0.3~1.0㎛인 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 코팅층(4)은 반응성가스로 CH4, C2H2, O2, N2 를 사용하는 이온플레이팅 장치 또는 스퍼터링 장치에 의해 상기 모재(1)의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재(1)의 표면으로 아크릴-우레탄계 도료에 의해 도료층(5)이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라스틱 성형물.
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