KR20080004518A - 코팅된 물품 본체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

코팅(5, 21)이 형성되어 있는 물품의 본체는 금속성 또는 비금속성일 수 있다. 상기 본체는 바람직하게는 주방 기구의 본체이다. 상기 코팅(5, 21)의 적어도 하나의 층은 섬유상 재료를 가진 코팅 재료를 포함하고, 상기 섬유상 재료는 3㎛-1 내지 1,000㎛-1 범위의 공간 빈도 분획으로 코팅의 표면을 변형한다. 상기 층의 표면이 자유 코팅 표면일 경우, 공간 빈도 분획에 의해 생성되는 조도는 자동 세정 효과를 생성하고 및/또는 접착 방지 효과를 향상시킨다. 상기 층의 표면이 또 다른 층에 대한 경계면일 경우, 상기 층들은 메슁되어 층들 사이에 향상된 접착성을 생성한다.
물품 본체, 주방 기구, 섬유상 재료, 공간 빈도 분획, 자동 세정 효과, 접착 방지 효과, 탄소 섬유

Description

코팅된 물품 본체 및 그 제조 방법{COATED BASE BODY OF AN OBJECT AND PROCESS}
본 발명은 코팅이 형성된 물품 본체로서, 금속으로 만들어질 수 있고 바람직하게는 청구의 범위 제1항의 전제부에 따른 주방 기구(kitchen appliance)인 물품 본체에 관한 것이고, 본 발명은 또한 청구의 범위 제12항의 전제부에 따른 층의 적용 방법에 관한 것이다.
코팅이 형성되어 있는 물품 본체는, 본 발명의 관점에서 볼 때, 특히 팬 및 찜냄비(casserole)와 같은 주방 기구뿐 아니라 오븐, 가열판, 예를 들면 다리미 및 전기 그릴 판, 패널(panel) 가열 엘리먼트 및 패널 라디에이터 등의 라이닝을 의미하는 것으로 이해된다. 물품 본체는 반드시 높은 온도에서 사용해야 하는 것은 아니며, 실온 또는 그 미만의 온도에서도 사용될 수 있다. 주방 구역에서 일어나는 바와 같은 더 높은 온도에서는, 금속성 본체가 사용될 것이다. 낮은 온도에서는 합성 물질로 만들어진 본체가 사용될 수도 있다. 알루미늄이나 강철로 만들어진 금속성 본체를 구비한 주방 기구의 경우에, 높은 온도, 즉 100℃ 내지 300℃의 온도에서도 문제없이 사용될 수 있다.
코팅된 물품 본체와 같은 접착 방지 효과를 나타내는 주방 기구는 EP 0 365 485, EP 0 719 594 및 EP 1 046 751로부터 알려져 있다. 각각의 문헌에서, 접착 방지층은 자유 표면(free surface)을 나타내는 상층, 즉 각각의 경우 튀김, 끓임 또는 스튜(stew) 조리할 식품과 접촉해 있는 층으로서 적용된다.
주방 기구의 본체에 대한 코팅 전제의 양호한 접착을 달성하기 위해, EP 0 365 485에서는 본체를 조면화(roughening)한다. 산화알루미늄/산화티타늄 분말 혼합물과 같은 세라믹 재료를 상기 조면화되고 가열된 표면 상에 열적 분무시킨다. EP 0 719 594에서는, 경질 재료층의 중첩 스트립(strip)의 스트립형 적용이 기재되어 있다. EP 1 046 751에서는, 양호한 열 전도도를 가진 경질 코팅을 얻기 위해, 층 패키지 중 적어도 하나의 층 내부에 다이아몬드 결정을 혼입시킨다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 양호한 층 결합이 달성되고, 접착 방지(anti-adhesive) 효과 및 자동 세정(self-cleaning) 효과가 향상될 수 있는, 코팅이 형성된 물품 본체, 특히 주방 기구를 제조하는 것이다. 바람직한 방법에서, 층 복합체는 100℃보다 높은 온도에서도 접착 방지 및 자동 세정 성질을 유지한다.
[목적의 해법]
전술한 목적은, 섬유상 물질이 첨가된 층 재료에 대해 적어도 하나의 층을 나타내는 코팅을, 특히 금속성일 수 있는 물품 본체 상에 적용함으로써 해결된다. 상기 층 재료는 일반적으로 페이스트형이고, 추후 공정 단계에서 경화된다.
섬유를 함유한 층의 제조는 이미 알려져 있다. 그러나 공지된 층에서, 섬유는 항상 개별적 섬유 또는 위브(weave)가 사용되는 상태로 층의 상부 또는 저면측에 거의 평행하게 위치한다. 위브는 섬유가 층 표면으로부터 뻗쳐나오지 않도록 하는 데 사용된다; 즉 이들 층의 특징은 매끄러운 표면이다. 매끄러운 표면을 구비한 상기 층들은 EP 1 238 785, JP 07 255 606 및 JP 07 184 785에 기재되어 있다.
종래 기술의 교시와는 상반되게, 본 발명은 더 이상 매끄러운 표면을 추구하지 않는다; 반대로 3㎛-1 내지 1,000㎛-1 범위의 공간 빈도 분획(spatial frequency fraction)을 가진 피크(peak) 및 트러프(trough)가 얻어지도록, 섬유는 층에 위치한다
이제 섬유는 층이 제조되기 전에 층 재료에 첨가될 수 있다. 이어서 상기 혼합물은 본체 또는 본체 상에 이미 존재하는 하나 이상의 층에 "섬유 페이스트"로서 적용된 다음, 경화된다. 섬유상 물질의 분획 및 층 재료의 선택은, 섬유가 "펠트(felt)"를 형성하고 나중에 경화되는 층 재료에 의해 함께 고정되도록 이루어진다. 그런 다음, 거친 표면이 얻어진다. 이 거친 표면은, 코팅의 자유 표면, 즉 예를 들면 주방 기구의 경우에 끓이거나 튀기는 것과 접촉하게 되는 상층인 경우, 층 재료와는 사실상 독립적으로 접착 방지 효과 및/또는 자동 세정 효과를 발생시킨다. 이러한 두 가지 효과의 발생은 도 1에 기초하여 설명된다.
적은 양의 층 재료가 사용될 경우, 감소된 기본재 영역은 조도(roughness)에 기여한다. 비교적 많은 양의 층 재료가 사용될 경우, 조도는 표면을 "부풀게(to bulge)" 만드는 섬유 말단(end)에 의해 주로 초래된다.
어느 정도까지, 층 재료 및 섬유의 주어진 물성에 대해 얻어지는 조도는 특히 섬유가 층에 도입되는 시기에 의존한다. 먼저 섬유가 적용된 다음, 코팅 이전에 층 재료가 첨가되거나 또는 섬유가 층 재료에 첨가된다면, 여전히 페이스트형인 층 재료의 표면 장력으로 인해 섬유는 단지 박층이더라도 항상 층 재료로 코팅될 것이지만, 섬유 말단은 뚜렷하게 돌출된다. 반면에, 섬유가 적용된 후에만 페이스트형 층 재료 상에 적용된다면, 섬유는 층 재료 내에 침강하고 및/또는 주걱으로 눌려짐으로써 압력판 등으로 가압될 수 있지만, 층 표면으로부터 돌출되는 섬유 말단은 항상 존재할 것이다. 이러한 돌출되는 섬유 말단은 이 층에 추가의 층이 적용될 경우 양호한 매슁 효과(meshing effect)를 제공한다. 바람직한 방식으로 탄소 섬유가 사용되기 때문에, 상부 자유 표면에는 또한 상부 자유 표면을 벗어나서 돌출되는 섬유 말단이 존재할 수 있으나, 탄소 섬유는 건강에 해롭지 않다. 돌출되는 섬유 말단은 매우 짧기 때문에, 파손되지 않고 기계적 부하를 견딘다. 뻗쳐나오는 섬유는 자동 세정 및 접착 방지 효과의 증대에 기여한다.
도 1은 좌측 상단에 액적(42)이 위치하는 매끄럽고 수평인 물품(41)의 표면(40)을 나타낸다. 이 액적(42)은 일반적으로 물 방울이지만, 특별히 주방 기구의 경우에는 유적 또는 소스(sauce)의 방울일 수도 있다. 매끄러운 표면 상에는 여러 개의 오물 입자(43)가 있다. 물 방울(42)의 경우, 그 방울은 매끄러운 표면(40) 상에 40° 내지 70°의 접촉각(βg)을 가진다. 상기 접촉각(βg)은 물 방울이 위치하는 매끄러운 표면(40)과 물 방울(42)의 접촉 에지에서 방울 표면(Mg)에 대한 접선(Tg) 사이의 각도이다. 이제 도 1의 우측 상단에 도시된 바와 같이, 매끄러운 표면(40)을 각도 α 만큼 기울이면, 물방울(42)은 변형되지만 오물 입자(43)와 함께 여전히 부착되어 있다.
도 1의 좌측 하단에 도시된 바와 같이, 거친 표면(47)의 경우, 물 방울(42)의 접촉 에지에서 방울 표면(Mr)에 대한 접선(Tr)의 접촉각(βr)은 증가한다. 방울(42)의 접촉 면적은 감소하였고, 그 결과 표면(47) 상의 유지력(holding force)도 감소되었다. 방울(42)은 또한 좌측 상단에서의 방울 외형에 비해 거의 구형에 더 가까운 외형을 가진다. 또한, 간단히 말해서 유지력은 상기 고도(elevation)에서만 작용할 수 있기 때문에, 조도의 결과로서 추가적인 유지력 감소가 일어난다. 이제 거친 표면(47)을 매끄러운 표면(40)의 경우와 동일한 각도 α 만큼 기울이면, 물 방울은 오물 입자(43)와 함께 굴러 떨어질 것이다(자동 세정 효과). 동일한 방식으로, 접착 방지 효과도 증가된다. 다른 점적 물질에 대해서도 동일한 상황이 적용된다. 튀김 및 조리할 식품 또는 다른 가열할 식품은 확대된 면적에 걸쳐 표면에 더 이상 접촉되어 있지 않으며, 그 결과 "태워짐(burning on)" 현상이 뚜렷이 감소된다.
이제 거친 표면은 층 표면을 "부풀게' 만드는 섬유 말단에 의해서만 제조될 필요가 없으며, 층 표면을 따라 구르는 섬유 또한 조도에 기여한다. 확률적 분포(stochastic distribution)가 3㎛-1 내지 1,000㎛-1인 공간 빈도 분획(공간 빈도 믹스(mix))을 나타내는 표면을 생성하기만 하면 된다.
이러한 접착 방지 및 세정 효과에 있어서, 중요한 것은 고도의 여유 공간이다. 양호한 결과는 확률적 공간이 1㎛ 내지 1,000㎛인 고도에 대해서이다. 바람직하게는 탄소 섬유로서 하부에 사용되는 섬유는 2㎛ 내지 8㎛의 직경을 갖기 때문에, 유리한 방식에서 20㎛ 내지 100㎛ 범위의 확률적 섬유 공간이 선택된다. 이 범위의 공간에서는 취급이 용이하고 층 재료에 용이하게 첨가될 수 있는 섬유량이 얻어진다.
동일한 길이의 섬유, 즉 층 두께보다 큰 섬유 길이를 사용할 수 있다. 수직(평균 층 레벨에 대해)으로부터 실질적으로 벗어나는 섬유는 층의 길이에 대해 어느 정도 기여하지만, 그 섬유가 층 재료에 둘러싸여 있는 경우에는 접착 방지 및 세정 효과에 기여하지 못한다.
섬유를 정렬함으로써 섬유의 규칙적인 분포도 생성될 수 있다. 정렬은 예를 들어 진동(예컨대, 초음파 소스를 이용하여)에 의해 이루어질 수 있다. 비전도성 섬유는 예를 들면 직류 및 교류 전장을 이용하여 정렬될 수 있고, 강자성 섬유는 자장에 의해 정렬될 수 있다. 그러나 섬유의 정렬은 비용이 많이 들지만, 양호한 접착 방지, 자동 세정 및 메슁(meshing) 효과가 훨씬 저렴한 확률적 분포로 달성되었다.
공간 빈도 분획을 나타내는 거친, 즉 불균일한 층 상부측이 더 이상 상부 자유 표면이 아니고 2개 이상의 층을 가진 코팅 내부에 있을 경우, 이어지는 층에 의한 매슁이 얻어진다. 하부 층에 의한 메슁은 하부 층이 연화될 경우에 피복층이 적용되고 섬유 말단이 그 층에 또한 유입될 때 일어날 수 있다. 층 재료에 도입되는 섬유는 확률적으로 무작위 배향 상태에 위치한다. 따라서 일부 섬유 말단은 표면 장력이 층 재료를 섬유 말단 위로 끌어당기지 않을 경우에 층 표면을 관통한다. 표면 장력은 또한 섬유를 층 속으로 다시 끌어당기려고 한다. 이제 표면 장력의 결과로서 풀링-인(pulling-in)과 반대로 충분한 불균일성이 초래될 수 있으려면, 제조할 층 두께보다 긴 섬유가 존재해야 한다. 이것은 또한 확률적으로 분포되지만, 대략 표면 벡터의 방향으로, 즉 제조할 평균 층 레벨에 대해 거의 수직으로 위치하는 일부의 섬유가 항상 존재한다. 이러한 불균일 표면의 제조에 있어서, 적어도 20 중량%의 섬유는 층 두께보다 적어도 5% 더 긴 섬유 길이를 나타내야 한다. 최대 섬유 길이는 아래에 특정되는 층 두께 및 섬유에 의해 야기되고 표면 장력으로 인한 재료 커버링(material covering)보다 적은 층 두께 프로파일에서의 최대 고도에 의해 주어진다. 문제가 되는 층 재료의 표면 장력은 데이터 시트로부터 얻어지거나 실험적으로 간단한 방식으로 결정될 수 있다.
커버층으로서, 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 또는 동족 물질과 같은 접착 방지 층 재료가 사용되고, 묻혀있는 섬유의 결과로서 스크래치에 대한 증가된 내성이 제공되며, 상기 섬유에 의해 생성된 표면의 조도에 의해 자동 세정 효과가 생기고 접착 방지 효과가 강화된다. 바람직하게는, 기계적 강도를 지지하기 위해 다이아몬드가 커버층 내에 묻힌다.
특정한 품질 요건에 따라 다양한 코팅이 사용될 수 있다.
본체의 표면으로부터 진행하여, 다음과 같은 4개의 입증된 상이한 코팅이 제안되는데, 다른 코팅을 사용할 수 있음은 물론이다:
I. 경질 재료층 - 접착 촉진층 - 중간층 - 접착 방지층
II. 경질 재료층 - 접착 촉진층 - 접착 방지층
III. 접착 촉진층 - 중간층 - 접착 방지층
IV. 접착 촉진층 - 접착 방지층.
개별 층의 두께는, 가능한 한, 재료의 사용을 한계 내에 유지하고 경화 시간이 불필요하게 증가되는 것을 방지하고 또한 적절한 접착성 및 안정성을 보장하기 위해, 자동 함유층이 응용시 형성되고, 상기 층이 지나치게 두껍지 않도록 선택되어야 한다. 5㎛ 내지 150㎛가 층 두께로서 적절한 것으로 입증되었다.
혼합된 섬유는, 이미 앞에서 제시된 바와 같이, 이어서 적용될 층으로 메쉬할 수 있는 불균일 표면을 생성해야 한다. 양호한 메슁, 자동 세정 효과 또는 접착 방지 효과의 보강을 얻기 위해, 섬유 함유층의 표면 프로파일에서의 피크 및 트러프가 확률적으로 분포되어 평균 평탄면 프로파일 위로 0.1㎛ 내지 500㎛에 위치하는 공간 빈도 분획을 생성하는 길이를 나타내는 섬유가 사용된다. 이들 피크는 50nm 내지 500㎛ 범위의 상호 확률적 공간을 갖는 것이 바람직하다.
상기 섬유는 층 재료에 첨가되고, 적용 전, 적용 후 또는 적용 도중에 전술한 공간 빈도 분획을 가진 표면이 여기서 생성된다. 층의 적용은 코팅할 층 또는 본체의 수평 배향에서 일어난다. 층 재료는 페이스트형인 것이 바람직하기 때문에, 특정한 점도 η를 가진다. 점도 η의 단위는 Pas(pascal seconds = Nsm-2 = kg/ms)로 주어진다. η에 대한 값이 높을수록, 재료는 더 높은 점도를 가진다. 이제, 수평 배향인 경우에 층 재료에서 얻어지는 섬유에 의해 표면이 어떻게 두드러진 프로파일을 갖는가는 실질적으로 다음과 같은 것에 의존한다:
- 섬유 두께,
- 섬유 밀도,
- 페이스트형 층 재료의 비중으로 지칭되는 점도, 즉 운동학적 점도(kinematic viscosity), 및
- 층 재료의 표면 장력.
점도 및 그에 따른 표면 장력은 일반적으로 온도에 의존한다; 즉 점도 및 표면 장력은 층의 경과 공정중에 일반적으로 변한다. 존재하는 점도의 결과로서 층 재료의 "침투(sinking-in)"("스며들어감(oozing-in)")는 시간에 의존하므로, 얻고자 하는 공간 빈도 분획에 있어서 층이 경화될 때까지의 기간도 고려해야 한다. 따라서 섬유의 밀도 및 섬유의 치수는, 사용할 층 재료를 참고하여 공정 파라미터(경화)의 함수로서 실험적으로 결정될 것이다.
섬유 재료를 나타내는 층 재료가 기포를 함유하지 않도록 하기 위해, 방금 섬유 함유 층이 제공된 물품 본체(예컨대, 주방 기구)는 층으로부터 탈기(outgassing)를 위해 감압 상태에 노출시킬 수 있다. 이를 위해 기계적 진동 빈도를 이용할 수도 있다. 그러나, 그 경우에 압력 강하 및 아직 경화되지 않은 층 상태에서 인가되는 임의의 진동은 공간 빈도 분획(공간 빈도 믹스) 또는 "진폭(amplitude)"(표면 프로파일의 피크 및 트러프)을 변화시킬 수 있음을 알아야 한다. 이러한 영향은 또한 몇 가지 전문가적으로 실행된 간단한 실험으로 결정될 수 있다.
다양한 섬유가 사용될 수 있다. 그러나, 섬유를 선택할 때, 주방 기구의 경우에 요구되는 바와 같이, 섬유는 주방 기구의 코팅층에 사용되기 때문에 섬유상 재료가 식품과 함께 사용되는 것과 관련된 요건에 합치되는 것을 보장되어야 한다. 섬유상 재료로서 탄소 섬유를 사용하여 양호한 결과가 얻어졌다. 탄소 섬유는 우수한 안정성, 특히 버클링 안정성(buckling stability)을 가진다. 또한, 탄소 섬유는 가벼울 뿐 아니라 텐사이드(tenside)를 함유하므로, 층 재료에서의 양호한 임베딩(embedding)을 보장한다.
물론 (탄소) 섬유 대신에 이른바 (탄소) 튜브를 사용할 수도 있다.
이하의 상세한 설명 및 특허 청구의 범위로부터, 본 발명의 추가적 유리한 실시예 및 특징들의 조합이 명백해진다.
도 1은 평탄한 매끄러운 표면 및 거친 표면 상의 액적(液滴)을 개략적으로 나타내는 도면으로, 이들 표면은 한 번은 수평 배향을 가지고, 또 다른 한 번은 수평에 대해 각도 α 만큼 경사진 배향을 가진다.
도 2는 코팅이 형성되어 있는 주방 기구의 본체를 통한 확대된 단면도로서, 상기 코팅은 섬유와 혼합되고 본체에 직접 형성된 접착 촉진층 및 상기 접착 촉진 층 상에 형성된 접착 방지층을 가진다.
도 3은 도 2와 동일한 코팅된 주방 기구의 변형예로서, 경질층, 접착 촉진층, 중간층 및 접착 방지층을 나타내는 코팅을 구비한 것을 나타낸다.
도 2에서, 코팅된 주방 기구(1)(물품 본체)는 단면으로 도시되어 있다. 상기 주방 기구(1)는 팬, 포트, 베이킹(baking) 트레이, 찜냄비 또는 다리미, 다리미의 가열판 등일 수 있다.
주방 기구(1)는 조면화 본체(3)를 가지며, 본체 상에는 코팅(5)이 적용되어 있고, 이것은 본체의 표면 상에 양호한 접착성을 가지며, 코팅의 자유 표면은 접착 방지 효과를 가진다. 본체는 일반적으로 알루미늄 합금 또는 강철로 만들어지지만, 다른 금속도 가능하다.
본 발명에 따르면, 상기 코팅은 하나 이상의 층으로 구성되고, 여기서는 2층, 즉 접착 촉진층(7) 및 접착 방지층(9)으로 구성된다. 접착 촉진층(7) 내에는 섬유(11)가 묻혀있다. 상기 섬유(11)는 접착 촉진층(7) 내부에서 상이한 길이 및 상이한 배향을 가진다. 그러나, 섬유(11)의 길이는 적어도 상기 섬유(11)의 20%가 생성할 접착 촉진층(7)의 평균 층 두께(dhv)보다 적어도 5% 만큼 더 긴 길이를 갖도록 선택된다. 여기서는 상기 섬유(11)로서 탄소 섬유가 사용된다. 탄소 섬유는 안정성 및 "식품-내성(food-fastness)"이 크다는 장점을 가진다. 접착 촉진층(7)의 두께(dhv)는 전형적으로 5㎛ 내지 50㎛이고, 여기서는 예를 들어 40㎛으로 선택 되었다. 섬유(11)는 전형적으로 20㎛ 내지 100㎛의 길이를 가진다.
접착 촉진층(7)용 재료로서, 예를 들면 Whitford사로부터의 코드 7131인 제품 또는 DuPont사의 코드 459-415인 재료를 고려할 수 있다. 상기 두 가지 예시적 재료에는, 직경이 5㎛ 내지 40㎛인 세라믹 입자, 예를 들면 이산화알루미늄(Al2O3)로 만들어진 입자를 첨가할 수 있다.
접착 촉진층(7) 상에는 평균 층 두께(dA)가 7㎛인 접착 방지층(9)이 설치된다. 접착 촉진층(7)과 동일하게, 접착 방지층(9)도 섬유(11)를 함유한다. 여기서 상기 섬유(11)는 예를 들면 제조상의 단순성을 위해 두 층 모두 동일하게 선택되었다. 그러나, 상이한 두께와 상이한 섬유상 재료의 섬유를 상기 층에 사용할 수 있다. 섬유 길이는 얻고자 하는 층 두께에 의존한다. 접착 방지층(9)의 재료로서, 예를 들면 Whitford사로부터의 코드 7333인 재료 또는 DuPont사의 코드 456-401인 재료를 사용할 수 있다. 다른 유사한 재료를 사용할 수 있음은 물론이다.
본체(3)의 표면 상에 직접 접착 촉진층 및 상기 접착 촉진층(70 상에 커버층으로서 접착 방지층(9)이 형성된 코팅(5) 대신에, 경질층(hard layer)(25), 접착 촉진층(27), 중간층(29) 및 접착 방지층(31)이 형성된 코팅(21)이 존재할 수도 있다. 중간층뿐 아니라 경질 재료층이 존재하지 않는 코팅을 본체에 적용할 수도 있다. 중간층(29)은 일반적으로 부식 억제층이다.
도 3에 도시된 코팅된 주방 기구(20)도 마찬가지로, 도 2에 도시된 주방 기기(1)와 동일하게 (21)로 표시된 코팅을 가지며, 이것은 조면화 본체(24)의 표 면(23) 상에 설치되어 있다. 코팅(5)의 두 층(7, 9)과는 달리, 여기서의 코팅(21)은 4개의 층, 즉 본체(24) 상에 형성된 경질층(25), 이어서 접착 촉진층(27), 이어서 중간층(29), 및 최종적으로 접착 방지층(31)을 가진다.
경질 재료층(25)은 열적 분무 공정에 의해 적용되며, 여기서는 예를 들면 100∼60 중량%의 산화알루미늄(Al2O3) 및 0∼40 중량%의 이산화티타늄(TiO2)의 혼합물로 구성된다. 이러한 경질층은, 예를 들면 EP 1 048 751에 기재되어 있다. 경질층(250의 재료로서 산화알루미늄 및 이산화티타늄 대신에, IVb족 내지 VIb족으로부터 선택되는 하나 이상의 원소, 알루미늄, 니켈, 실리콘, 및 이들의 혼합물로 이루어진 다른 세라믹 산화물, 질화물, 탄화물, 옥시니트라이드(oxynitride) 또는 카르보-옥시니트라이드(carbo-oxynitride)를 사용할 수도 있다. IVb족 원소로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)이 포함된다. Vb족 원소로는 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 탄탈(Ta)이 포함된다. VIb족 원소로는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)이 포함된다.
접착 촉진층(27) 및 접착 방지층(31)은 접착 촉진층(7) 및 접착 방지층(9)과 유사하게 형성된다.
중간층으로서, 예를 들면 Whitford사로부터의 코드 7232인 재료 또는 DuPont사의 코드 456-605인 재료를 사용할 수 있다.
그런데 섬유, 특히 탄소 섬유는 상기 처방에 따라 모든 층들(25, 27, 29, 31)에 또는 개별 층에만 함유될 수 있다.
탄소 섬유는 어두운 색이다. 따라서 묻힌 탄소 섬유를 구비한 층은 항상 회색 내지 검은 색을 나타내며, 층 재료가 투명하거나 확산성(diffusive)인 경우에 묻힌 섬유는 무지개빛(iridescent) 광학 효과를 유발한다. 이러한 무지개빛 효과를 방지하고자 할 경우에는, 문제시되는 층을 어두운 안료로 채색한다. 어두운 안료에 의한 이러한 채색은 또한 접착 방지층의 접착 방지 효과를 교란하지 않는, 일반적으로 접착 방지층에 대한 층 손상을 거의 보이지 않게 하는 이점을 가진다.
주방 기구(1 또는 20)의 코팅 공정은 4층 코팅(21)의 제조에 기초하여 설명된다. 이 코팅(21)은 앞에서 설명한 모든 등을 포함한다. 이보다 적은 층을 구비한 코팅을 제조하고자 하는 경우에는 적절한 공정 단계를 생략하면 된다.
제1 공정 단계에서, 주방 기구(20)의 본체(24), 예를 들면, 팬의 바닥을 수행하고자 하는 코팅을 위해 전처리한다. 이를 위해, 표면을 탈지(degrease)하고 강옥(corundum) 분말로 샌드블라스트 처리한다. 강옥 분말은 굵은 그레인(coarse grain)이 혼합되어 있는 미세 그레인을 가진다. 굵은 그레인은 코팅할 표면 상에 약 100∼200㎛의 조도를 생성한다. 이렇게 굵게 조면화된 표면 조직 상에 미세 그레인에 의해 약 10∼30㎛ 범위의 미세 조도가 중첩된다.
경질층(25)의 제조를 위해, 조면화 후 주방 기구(예컨대, 팬, 물론 손잡이와 기타 피팅이 없는 것) 전체를 킬른 내에서 600℃ 미만의 온도로 가열한다. 바람직하게 300℃ 내지 450℃의 온도가 선택된다. 이 온도에 도달한 직후, 100∼60 중량%의 산화알루미늄(Al2O3) 및 0∼40 중량%의 이산화티타늄(TiO2)의 혼합물을 적용 한다. 예를 들어, 열적 분무 공정으로서 플라즈마 분무 공정에서 약 60 중량%의 산화알루미늄과 40 중량%의 이산화티타늄을 혼합된 탄소 섬유(11)와의 균질한 혼합물로서 적용한다.
탄소 섬유는 또한 다이아몬드 결정을 함유할 수 있는데, 이것은 탄소 섬유의 경도 및 열전도도를 증가시킨다.
산화알루미늄은 비교적 저가의 재료로서, 경질층(25)에 필요한 경도를 부여하는 한편, 이산화티타늄은 탄소 섬유(11)와 함께 이 경질층(25)에 전성(ductility) 및 어두운 색, 즉 흑색을 부여한다. 이산화티타늄의 전성의 결과로서, 튀김용 팬에서 일어나는 바와 같은 큰 온도 변화에 대한 코팅의 양호한 내구성이 제공된다. 탄소 섬유(11)는, 조면화 결과 얻어지는 본체(24)의 불균일 상측과 체결되어 있는 경질층(25)의 불균일한 상측을 생성한다.
경질층(25)의 분무 공정 후, 주방 기구는 방치하여 냉각된다. 상기 경질층(25) 상에 접착 촉진층(27)이 적용된다. 층 재료는 현탁액(suspension)으로서 존재한다. 전술한 섬유(11) 및 어두운 색의 안료를 이 현탁액과 혼합할 수 있다. 수 마이크론의 층 두께가 적용된다. 이 현탁액은 경질층(25)의 거친 표면 및 기공에 유입된다. 계속해서, 주방 기구는 킬른 내에서 400℃ 내지 430℃까지 여러 단계(100℃, 250℃, 400℃)로 가열되고, 최종 온도에서 약 10분 내지 15분간 유지된다.
유사한 공정에서, 중간층(29)이 이어서 적용된다.
접착 방지 커버층(31)으로서, 플루오로폴리머, 바람직하게는 PTFE(폴리테트 라플루오로에틸렌)으로 된 1개 내지 3개의 층이 주방 기구가 실온까지 냉각된 후 현탁액으로서 적용된다. 이 현탁액도 마찬가지로 여전히 잔존하는 조도 및 기공 내로 유입된다. 적용 후, 층(27)의 경우와 동일한 가열 프로그램이 가동된다. 여기에서도 최종 온도는 10분 내지 15분간 유지되는 사실의 결과로서 PTFE의 베이킹(baking)이 일어난다. PTFE의 연화 온도는 약 360℃이다. 따라서 물품의 온도는 베이킹 실행시 이 온도보다 훨씬 높으므로, 현탁 입자는 소결되어 강인한 탄성층을 형성한다. 소결 결과, 탄성인 PTFE 커버층(31)이 형성되고, 이것은 2∼10㎛의 층 두께를 가짐으로써, 하부의 중간층(29)의 잔존하는 조도에 양호하게 정합된다.
마감처리된 코팅을 구비한 주방 기구에서, 바람직하게 최외곽의 자유 표면은 브러싱(brushing) 공정으로 처리된다. 이 브러싱 공정에서, 지나치게 많이 돌출하는 섬유 말단은 이들 말단이 전형적인 사용시 끊어지지 않도록 제거된다. 끊어진 섬유 부분은 건강에 해롭지 않지만, 팬이 새로 사용될 때에는, 근접 검사해 보면 튀김 처리되는 옅게 착색된 것 표면에 미량 잔류할 수 있다. 브러시의 경도에 의해 코팅 표면에 스크래치가 생기지 않고 지나치게 많이 돌출되는 섬유 말단이 끊어지는 브러시가 사용된다. 지나치게 많이 돌출되는 섬유 말단은 접착 방지 코팅된 주방 기구의 경우에 사용되는 것과 같은 부드러운 주걱을 사용했을 때 끊어지는 섬유 말단을 의미하는 것으로 이해된다.
다리미, 포트의 표면, 베어링 외피와 같은 기계 부품의 표면 등도 주방 기구로서의 튀김 팬 대신에 전술한 코팅으로 코팅될 수 있다.
접착 촉진층(27)을 적용하는 대신에, 각각 현탁액으로 존재하는 중간층(29) 및 접착 방지층(31)이 개별층으로서 여러 단계로 가열되고, 접착 촉진층(27), 중간층(29), 및 이어서 접착 방지층(31)이 표면 건조 단계만 거친 후 차례로 적용될 수 있다. 그런 다음 이러한 층들(27, 29, 31)은 전술한 바와 같이 여러 단계로, 또는 대략 점증되는 방식으로 함께 가열될 수 있다.
섬유가 내포될 수 있는 층 재료로서, 접착 방지 효과를 가진 경질 재료도 사용될 수 있다. 그 경우, 코팅할 주방 기구 바닥을 조면화한 후, 물품(예; 팬) 전체를 킬른 내에서 600℃ 미만의 온도로 가열한다. 바람직하게 450℃의 온도가 선택된다. 이 온도에 도달한 직후, 80∼40 중량%의 산화알루미늄(Al2O3) 및 20∼60 중량%의 이산화티타늄(TiO2)의 혼합물이 적용된다. 예를 들면, 열적 분무 공정으로서 플라즈마 분무 공정에서, 균질한 혼합물로서 약 60 중량%의 산화알루미늄, 40 중량%의 이산화티타늄, 및 5∼10 중량%의 플루오르화알루미늄(AlF3)의 혼합물이 여기에 적용된다. 혼입된 플루오르화알루미늄은 경질층(7)에서 접착 방지 효과를 제공한다. 플루오르화알루미늄의 사용은 필수적인 것은 아니고, 접착 방지 효과를 가진 다른 재료를 사용할 수도 있다. 그러나, 산화알루미늄/이산화티타늄 혼합물과의 상용성이 보장되어야 한다. 사용되는 재료는 또한 플라즈마 분무의 열 조건 하에서 반드시 존속해야 한다. 블라즈마 분무에서, 0.5㎛ 내지 10㎛ 범위의 직경을 가진 다이아몬드 결정이 혼입된다. 다이아몬드 결정이 내포된 산화알루미늄/이산화티타늄/플루오르화알루미늄 혼합물은 표면(5) 상에 50㎛ 내지 150㎛의 층 두께 로 분무된다. 적용된 층은 흑색으로 보일 수 있다.
다이아몬드 결정의 혼입은 상기 결정이 900℃보다 높은 온도에 노출되지 않도록 이루어져야 한다. 900℃에서 다이아몬드는, 산소가 과량인 경우에 흑연으로 변화되거나 연소될 수 있다. 따라서, 상기 온도는 900℃로부터 충분히 차이를 두고 유지되어야 한다.
혼입된 다이아몬드 결정은 본질이 탄소이기 때문에 열 전도도를 향상시키고, 마모성을 개선하며, 재료의 상용성을 향상시킨다.
간단히 말해서, 산화알루미늄은 비교적 저렴한 재료로서, 상기 층(7)에 필요한 경도를 부여하는 한편, 이산화티타늄은 이 층(7)에 전성 및 어둡거나 검은 색을 부여한다. 이산화티타늄의 전성의 결과로서, 튀김 팬에서 일어나는 바와 같은 큰 온도 변동에 대한 코팅의 양호한 내구성이 제공된다.

Claims (18)

  1. 코팅(5,21)이 형성되어 있는, 바람직하게는 금속성 물품 본체(3, 24), 특히 주방 기구(1, 24)로서,
    상기 코팅의 적어도 하나의 층이 섬유상 재료(fibrous material)를 구비한 층 재료를 함유하고, 상기 섬유상 재료는 상기 층의 표면을 3㎛-1 내지 1,000㎛-1 범위의 공간 빈도 분획(spatial frequency fraction)에 의해 변형시키는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 층의 표면은 자유(free) 코팅 표면이고, 상기 공간 빈도 분획에 의해 생성된 조도(roughness)는 자동 세정 효과(self-cleaning effect)를 생성하고, 및/또는 접착 방지 효과(anti-adhesive effect)를 생성하거나 향상시키는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 층에 부가하여 추가층이 존재하고, 상기 층의 표면은 상기 추가층에 대한 중간 표면이고, 상기 중간 표면의 공간 빈도 분획이 상기 층과 상기 추가층 사이에 향상된 층 접착을 위한 층 매슁(meshing)을 생성하는 것을 특징으로 하는 코 팅된 물품 본체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유상 재료의 적어도 20 중량%의 섬유(11)가 상기 섬유상 재료를 나타내는 제조할 층의 두께보다 적어도 5% 만큼 더 길고, 따라서 이러한 긴 섬유(11)는 그 말단(end)과 함께 공간 빈도 분획을 나타내는 트러프(trough) 및 피크(peak)를 가진 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 층이 2㎛ 내지 150㎛ 범위의 층 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    공간 빈도 분획을 가지고 변형된 상기 표면은 확률적으로(stochastically) 분포된 트러프 및 피크를 나타내고, 상기 피크는 조도를 형성하며 50nm 내지 500㎛의 간격으로 평균 층 레벨 상부에 0.1㎛ 내지 500㎛에 위치하는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유상 재료의 섬유(11)는 2㎛ 내지 8㎛의 직경을 가진 탄소 섬유이고, 상기 섬유는 바람직하게는 다이아몬드 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅의 적어도 하나의 층, 특히 바깥쪽 자유층이 다이아몬드 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  9. 제2항에 있어서,
    상부의 자유 표면을 나타내는 상기 코팅의 층은 접착 방지층(9, 31)으로서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA) 또는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP)을 접착 방지 재료로서 나타내는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품 본체(24) 상에 경질(hard) 재료층(25)에 이어서 접착 촉진층(27), 및 바람직하게는 그 위에 중간층(29)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(24).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품 본체 상에 접착 촉진층(7, 27) 및 바람직하게는 그 위에 중간 층(29)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 물품 본체(1, 24).
  12. 특별한 금속성 물품 본체(3, 24) 상에 층 재료를 구비한 적어도 하나의 층(7, 9, 25, 27, 29, 31)을 적용하는 방법으로서,
    상기 층(7, 9, 25, 27, 29, 31)을 적용하기 전, 적용한 후, 또는 적용하는 동안 섬유상 재료(11)를 상기 층 재료에 첨가하고, 계속해서 경화시키고, 상기 경화 공정 후에도 3㎛-1 내지 1,000㎛-1 범위의 공간 빈도 분획을 가진 거친 표면(47)이 존재하는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 표면은 자유 코팅 표면으로서 제조되고, 상기 공간 빈도 분획에 의해 생성된 상기 표면의 조도는 자동 세정 효과를 생성하고, 및/또는 접착 방지 효과를 생성 또는 향상시키는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    추가층이 적용되고, 상기 거친 표면은 상기 층과 상기 추가층 사이의 중간층이고, 상기 거친 표면은 층 접착을 향상시키기 위한 층 메슁을 생성하는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유상 재료를 첨가하기 위해 제공된 적어도 하나의 층을 위해 페이스트형 경화가능한 층 재료가 사용되고, 이 층 재료는 상기 코팅(5, 21)의 추가층 또는 상기 본체(3, 24) 상에 적용된 후 상기 섬유상 재료를 함유한 상태로 경화되고, 첨가할 상기 섬유상 재료 중 적어도 20 중량%의 섬유는 이 층의 생성할 평균 층 두께보다 적어도 5% 만큼 더 긴 섬유 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체(3, 24) 또는 상기 코팅(5, 21)의 추가층 상에 상기 섬유상 재료를 함유하는 층 재료를 적용했을 때, 소정의 표면 빈도 분획을 가진 표면이 얻어지게 되는 점도를 가진 층 재료가 사용되고, 상기 층 재료는 상기 본체의 표면을 향해 적절히 침강함으로써 상기 섬유를 커버하는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA) 또는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP)을 상부 자유층을 위한 층 재료로서 사용하고, 이 층은, 그의 자유층 상부 표면이 접착 방지 효과 또는 자동 세정 효과를 갖도록 마지막 층(9, 31)으로서 상기 코팅(5, 21) 내에 생성되는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 재료에 다이아몬드 결정을 첨가하는 것을 특징으로 하는 층의 적용 방법.
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