KR20080096842A

KR20080096842A - 금속 기재 상의 코팅 및 코팅된 금속 제품

Info

Publication number: KR20080096842A
Application number: KR1020087023134A
Authority: KR
Inventors: 자리 루투; 베사 밀리마키; 레이조 라파라이넨; 라세 풀리; 주하 마키타로
Original assignee: 피코데온 리미티드 오와이
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-11-03
Also published as: US20090136739A1; EP1994194A1; EP1993775A1; JP5237125B2; KR101395393B1; CA2642867A1; JP2009527915A; WO2007096486A1; JP5237123B2; EP1993780A1; EP1993779A2; US20100221489A1; EP1994195A1; KR101395513B1; KR20090005301A; US20090017318A1; US8741749B2; WO2007096487A1; KR20080106552A; KR101467584B1

Abstract

본 발명은 일반적인 수준에서 큰 표면적을 갖는 금속 제품을 코팅하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이 방법에 의해 제조된 코팅된 금속 제품에 관한 것이다. 코팅은 초단 펄스 레이저 증착을 이용하여 수행되며, 이때 펄스 레이저 빔은 상기 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔된다. 본 발명은, 높은 코팅 생산 속도, 뛰어난 코팅 특성 및 전체적으로 낮은 제조 비용과 같은 산업적 및 질적으로 모두 유리한 몇 가지 효과를 갖는다.

Description

금속 기재 상의 코팅 및 코팅된 금속 제품{COATING ON A METAL SUBSTRATE AND A COATED METAL PRODUCT}

본 발명은 일반적으로 초단 펄스 레이저 어블레이션 (ultra short pulsed laser ablation)에 의해 큰 표면적을 포함하는 금속 제품을 코팅하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 제품에 관한 것이다. 본 발명은 높은 코팅 생산 속도 (production rate), 우수한 코팅 특성 및 낮은 제조 비용과 같은 많은 이점을 갖는다.

금속 제품

청동기 시대 이래로 금속 및 이로부터 유래된 다른 제품들은 인류를 위해 매우 중요한 역할을 해왔다. 금속이 뛰어난 마모, 화학적 및 물리적 특성을 갖기는 하지만 상기 제품들과 관련된 문제들은 여전히 많다. 이러한 문제들 중 일부는 금속 물질 구조를 바꾸어 (합금 및 복합물) 금속 제품의 물리적 및 화학적 특성을 개발함으로써 개발되어 왔지만, 표면 특성과 관련된 문제를 해결하기 위한 시도는 그다지 성공적이지 못하다.

철기시대를 고려하면, 본래의 철로부터 강철, 탄소강, 합금강, 스테인리스 강철, 내열강, 공구강 및 예를 들어 주철이 파생되었다.

금속 제품 표면의 문제는 특히 금속의 부식 내성, 마모- 및 마찰 특성뿐만 아니라 구조물용 및 내부/외부용 모두로의 다양한 금속 제품의 용도와 관련된 특성을 다룬다. 보통, 금속 제품은 극히 오래 사용하기 위해 디자인되고, 금속 제품의 기술적, 기계적 및 시각적 특성은 수십 년을 초과하는 수명을 바람직하게 달성하여야 한다.

눈에 보이는 구조물뿐 아니라 직접적인 내부용에서 금속 제품의 사용이 계속 증가하기 때문에, 금속 제품의 세정 특성도 특별히 강조된다.

금속 제품은 전형적으로 큰 표면적을 가지며, 예를 들어 구조물 및 내부용 제품용의 얇은 시트인데, 이는 예를 들어 1200 mm × 1500 mm 크기로 제조되어 평평하거나 감긴 시트로 고객에게 전달된다. 제품을 보호하고 수명을 증가시키기 위해, 상기 문제들은 어떤 경우에는 단순한 코팅 또는 페인팅, 전해 코팅에 의해 다루어져 왔다. 예를 들어 알루미늄 제품은 전형적으로 일록세이션 (eloxation), 즉 옥살산이나 요즘에는 황산에 의해 전해 산화 (electrolytic oxidation)의 대상이 된다. 구리 및 브라스 (bras)와 같은 많은 다른 금속 제품은 그들의 화학적 성질로 인해 산화되는데, 인테리어 효과가 바람직한 것이 된다. 환경적으로 해롭기 때문에 구리 및 몇몇 다른 금속 산화물 또는 기타 유도체들의 누출은 바람직하지 않으며, 이러한 문제는 상기 제품의 인테리어 효과를 보호함과 동시에 또 다른 보호 코팅을 함으로써 해결되어야 한다.

요즘, 금속성 회관을 갖는 제품들에 대한 수요도 증가하고 있다. 즉, 특히 구리, 브라스 및 스테인리스 강철에 대하여 원래의 장식적 효과를 없애지 않고 금 속 제품 표면의 산화가 예방되어야 한다. 따라서, 보호는

눈에 보이는 구조물 및 내부용에서, 세정의 문제는 최근 나노기술에 의해 다루어져 왔다. UV-방사에 의해 활성화된 나노-스케일 티탄 디옥사이드 입자는, 물과 함께 UV-촉매 반응에서 유기 물질을 분해하여 자정성을 갖는다. 세정 효과 및 투명성을 동시에 가지기 때문에, 상기 기술은 보통 유리, 특히 창문에 적용되며, 콘크리트 제품에도 다소 적용된다. 금속에 대한 점착성이 나쁘기 때문에 상기 기술은 금속 제품에는 보통 적용되지 않는다. 더욱이, 입자 분포가 자정성 표면의 균일한 층을 생성하지 못한다.

부식성 화합물에 접촉하거나 그렇지 않으면 위험한 또는 마모 환경에 노출되는 화학 반응기 및 튜브뿐 아니라 모든 금속성 제품은 코팅하기가 어렵기 때문에, 이러한 구성요소들은 보통 티탄 및 이들의 다른 합금과 같은 고가의 특별한 금속으로부터 제조되어야 한다.

금속 제품의 코팅과 관련된 현재의 문제 중 일부를 해결하기 위한 몇 가지 접근이 있어 왔는데, 가장 최근의 기술적으로 진보된 방법은 CVD (Chemical Vapor Deposition) 및 PLD (Physical Vapor Deposition) 방법을 모두 포함한다. 가장 최근의 코팅/박막 생산 방법은 레이저 관련 어블레이션 및 그 중에서도, 특히 고진공, 긴 코팅 시간 및 뱃치식 (batch-wise) 코팅 셋업에서 매우 작은 표면을 코팅하는데만 이용 가능한 기술인 콜드 어블레이션 (cold ablation)이다.

레이저- 어블레이션

최근 몇 년 동안 레이저 기술의 상당한 발전은 반도체 섬유에 기초한 매우 고효율의 레이저 시스템을 제조하는 수단을 제공해 왔으며, 이는 소위 콜드 어블레이션 방법에 증진을 뒷받침한다.

본 출원의 우선일 당시에, 단독 섬유상 다이오드-펌프된 (diode-pumped) 반도체 레이저가 전구-펌프된 (light-pumped) 반도체 레이저와 경쟁하고 있었으며, 이들 모두는 레이저 빔이 먼저 섬유로 향하고, 이어서 워킹 타겟 (working target)으로 향하게 된다. 이러한 섬유상 레이저 시스템이 산업적 규모로 레이저 어블레이션 적용에 적용되는 유일한 것이다.

결과적인 낮은 방사 전력 (radiation power)뿐만 아니라 섬유 레이저의 최근 섬유는 기화/어블레이션 타겟처럼 기화/어블레이션에 이용되는 재료를 제한하는 것처럼 보인다. 알루미늄의 기화/어블레이션은 적은 펄스 전력으로 용이하게 진행되는 반면, 구리, 텅스텐 등과 같이 기화/어블레이션되기 보다 어려운 물질들은 더 많은 펄스 전력이 필요하다. 새로운 화합물들이 동일한 종래 기술에서 야기된 관심사 내에 있는 상황에서도 동일하게 적용된다. 언급될 실시예들은 예를 들면, 포스트 레이저 어블레이션 조건에서 기상 (vapor-phase)의 적절한 반응을 통하여 탄소 (흑연)로부터 직접 다이아몬드를 제조하거나 알루미늄 및 산소로부터 직접 알루미나를 생산하는 것이다.

한편, 섬유 레이저 기술을 진척시키는데 가장 심각한 장애 중 하나는 섬유의 파괴 없이 또는 레이저 빔의 질의 감소 없이 섬유가 고전력 레이저 펄스를 견딜 수 있는 섬유의 능력인 것으로 보인다.

신규의 콜드-어블레이션 (cold-ablation)을 채용할 때, 코팅, 박막 생성뿐만 아니라 커팅/그루빙/카빙 (cutting/grooving/carving) 등과 연관된, 질 (qualitative) 및 생산 속도 모두와 관련된 문제는, 증가하는 레이저 전력 및 타겟 상의 레이저 빔의 감소하는 스팟 크기에 초점을 맞추어 접근되어 왔다. 그러나 대부분의 전력 증가는 소음으로 소비되었다. 일부 레이저 제조사들이 레이저 전력 관련 문제를 해결했음에도, 질 및 생산 속도 관련 문제는 여전히 남아 있다. 코팅/박막뿐 아니라 커팅/그루빙/카빙 등을 위한 대표적인 샘플은, 특히 큰 몸체 (large bodies)가 강조된 것과 같이 산업적 실행 가능성과는 거리가 먼, 낮은 반복률 (repeating rate), 좁은 스캐닝 폭 및 긴 작업 시간으로만 제조될 수 있다.

펄스의 에너지 함량이 일정하게 유지되면, 펄스의 전력은 펄스 지속 시간의 감소를 증가시키고, 상당한 문제들이 감소하는 레이저-펄스 지속시간과 함께 증가한다. 콜드 어블레이션 방법과 같은 경우에는 적용되지 않음에도, 나노초-펄스 레이저인데도 상기 문제들은 중요하다.

더욱이 펨토초 또는 심지어 아토초 규모까지 펄스 지속 시간이 감소하는 것은 거의 해결할 수 없는 문제를 만든다. 예를 들어, 펄스 지속 시간이 10-15 ps인 피코초 레이저 시스템에서, 레이저의 총 전력이 100 W이고 반복률이 20 MHz일 때 10-30 ㎛ 스팟에 대해 펄스 에너지는 5 μJ이어야 한다. 오늘날 발명자의 지식에 따르면 본 출원의 우선일 당시에 이러한 펄스를 견디는 섬유는 입수할 수 없다.

생산 속도는 반복률 또는 반복 주파수에 직접 비례한다. 한편, 공지의 거울 필름 (mirror-film) 스캐너 (갈바노-스캐너 또는 전후 떨림형 (wobbling type) 스 캐너)는 그 듀티 사이클을 그 전후 (back and forth) 운동에 의해 특정되는 방식으로 수행하는데, 듀티 사이클의 양쪽 끝에서 거울의 멈춤뿐 아니라 전환점에 관련된 가속과 감속, 및 관련 일시적인 멈춤, 더욱이 스캐닝 폭은 다소 문제가 있으며, 이들은 모두 거울을 스캐너로 이용하는 것을 제한한다. 생산 속도를 늘리려고 시도한다면, 반복률을 증가시킴으로써 가속 및 감속은 좁은 스캐닝 범위 또는 불균일한 방사 분포를 일으키고, 따라서 방사시 타겟에서의 플라즈마가 가속 및/또는 감속 거울을 통하여 타겟을 때린다 (hit).

단순히 펄스 반복률을 증가시키는 것에 의해서 코팅/박막 생산 속도를 증가시키고자 한다면, 현재의 전술한 공지의 스캐너는 자유로운 방식으로, kHz-범위에서 낮은 펄스 반복률에서, 타겟 영역과 겹치는 스팟에 펄스를 향하게 한다. 최악의 상태에, 이러한 접근은 타겟 재료로부터 플라즈마 대신에 입자가 방출되는 결과를 초래하지만, 적어도 플라즈마로 입자가 형성되는 결과를 초래한다. 일단 몇 번의 연속적인 레이저 펄스가 타겟 표면의 동일한 위치로 향하면, 누적 효과가 타겟 재료를 불균일하게 침식시키고 타겟 재료의 히팅을 이룰 수 있어서, 이에 따라 콜드 어블레이션의 이점이 없어진다.

동일한 문제가 나노초 범위 레이저에 적용되는데, 고에너지의 오래 지속되는 에너지 때문에 문제는 당연히 더욱 심각하다. 여기서, 타겟 재료 히팅은 항상, 타겟 재료 온도가 약 2000 K까지 상승하면 일어난다. 따라서, 단 한 번의 나노초 범위 펄스도 타겟 재료를 전술한 문제점들을 가진 채로 거칠게 침식시킨다.

공지 기술에서, 타겟은 불균일하게 마모될 뿐만 아니라 쉽게 부서지고 플라 즈마 질을 열화시킨다. 따라서, 이러한 플라즈마로 코팅된 표면도 플라즈마의 해로운 효과를 겪는다. 표면이 부서진 조각 (fragment)들로 이루어지고, 플라즈마가 코팅 등을 형성하기 위해 균일하게 분포될 수 없는데, 이는 정확도를 요구하는 적용에는 문제가 되지만, 예를 들어 도료 또는 안료로 그 적용의 감지 한계 아래 수준을 유지한다면 문제가 되지 않을 수 있다.

본 발명의 방법은 한 번의 사용으로 타겟을 마모시키므로, 타겟은 동일한 표면으로부터 추가 사용에 이용할 수 없다. 상기 문제는 타겟의 처녀 (virgin) 표면만을 이용하고, 타겟 재료 및/또는 빔 스팟을 적절히 이동시킴으로써 다루어져 왔다.

기계 또는 작업 관련 적용에서, 일부 부서진 조각들을 포함하는 잔류물 (left-over) 또는 파편 (debris)은 커트라인 (cut-line)을 불균일하게 하여, 예를 들면 유량-조절 드릴링에 적용되는 경우 부적절하게 만들 수도 있다. 또한, 표면은 방출된 부서진 조각에 의해 야기된 임의의 울퉁불퉁한 외관을 가지도록 형성될 수 있는데, 이는 예를 들면 특정 반도체 제조에는 적절하지 않을 수 있다.

또한, 전후로 이동하는 거울 필름 스캐너는 그 구조 자체뿐 아니라 거울이 부착되고/부착되거나 거울 이동을 일으키는 베어링을 지탱하는 (load) 관성력을 발생시킨다. 이러한 관성은, 특히 거울이 가능한 작동 세팅의 극한 범위에 가깝게 작업하는 경우에 거울의 부착을 조금씩 느슨하게 할 수 있고, 장시간 규모에서 세팅의 로밍을 이끌 수 있는데, 이는 생성물 질의 불균일한 반복도 (repeatability)로 나타날 수 있다. 이동의 방향 및 관련된 속도 변화뿐만 아니라 멈춤 때문에, 이러한 거울 필름 스캐너는 어블레이션 및 플라즈마 생성에 사용되기에는 매우 제한된 스캐닝 폭을 갖는다. 작동이 어쨌든 매우 느림에도 불구하고 효율적인 듀티사이클은 전체 사이클과 비교하면 상대적으로 짧다. 거울 필름 스캐너를 이용하는 시스템의 생산도를 증가시키는 관점에서, 플라즈마 생산 속도는 필수적으로 느리고, 스캐닝 폭은 좁으며, 장기간 규모에서 작동이 불안정하지만, 플라즈마 내로 원치 않는 입자가 방사되는 것과 관련될 개연성이 매우 높으며, 결과적으로 생성물이 기계류 및/또는 코팅을 통하여 플라즈마와 연관되게 된다.

발명의 요약

금속 제품의 유지 비용은 매우 크고 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 큰 표면적을 갖는 금속 제품에 대한 코팅 기술에 대한 요구가 크다. 제품 수명은 증가하여야 하고 유지 비용은 감소되어야 하며, 지속 가능한 개발이 필수 불가결하다. 하나 또는 몇 가지의 다음과 같은 특성을 갖는 코팅 및 특히 큰 금속 표면에 대한 균일한 코팅이 여전히 존재하며 문제를 해결하지 못하였다: 뛰어난 광학 특성, 화학적 및/또는 마모 내성, 내열성, 저항력, 코팅 점착성, 자정성 (self-cleaning properties), 어쩌면 마찰 특성.

최근의 첨단 기술 코팅 방법도, 나노초 또는 콜드 어블레이션 범위 (피코-, 펨토-초 레이저)의 레이저 어블레이션에 관련된 현재의 코팅 기술도 큰 표면을 갖는 금속 제품의 산업적 규모의 코팅 방법에 대하여 어떠한 실행할 수 있는 방법을 제공하지 못하였다. 본 발명의 CVD- 및 PVD-코팅 기술은 코팅 공정 뱃치를 신중하게 하는 고진공 조건을 필요로 하므로, 대부분의 현 금속 제품의 산업적 규모의 코팅은 실현할 수 없다. 더욱이, 코팅되는 금속 물질과 어블레이트되는 코팅 물질과의 거리가 전형적으로 50cm 이상으로 길면, 코팅 챔버가 커지게 되고, 진공 펌핑 기간 시간 및 에너지가 소모된다. 이러한 고진공 진공상태의 챔버는 코팅 공중 중 코팅 물질 자체에 의해 쉽게 오염되므로 연속적이고 시간이 소요되는 세정 공정이 필요하다.

본 발명의 레이저-조력 코팅 방법에서 코팅 생산 속도를 증가시키는 시도를 하게 되면, 예컨대 핀홀, 증가된 표면 조도, 감소되거나 사라진 광학 특성, 코팅 표면 상의 미립자, 부식 경로에 영향을 미치는 표면 구조 내의 미립자, 감소된 표면 균일도, 감소된 점착성, 부적합한 저항력 (전기적), 만족스럽지 못한 표면 두께 및 마찰 특성 등과 같은 다양한 단점들이 발생한다.

본 발명의 코팅 방법은 또한 일반적으로 코팅 목적으로 채용가능한 물질들을 철저하게 제한하고, 따라서 오늘날 시장에서 입수가능한 상이한 코팅된 금속 제품의 범위를 한정한다. 적용 가능하다면, 타겟 재료의 최외각층만이 코팅 목적으로 채용될 수 있는 방식으로 타겟 재료 표면이 침식된다. 나머지 물질은 버려지거나 재사용되기 전에 재가공되어야 한다. 본 발명의 목표는 공지 기술의 문제를 해결하거나 적어도 완화하는 것이다.

본 발명의 제1 목적은 코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이 되도록 펄스 레이저 증착에 의해 금속 제품의 특정 표면을 코팅하는 문제를 해결하는 신규의 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이 되도록 펄스 레이저 증착에 의해 코팅된 신규한 금속 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은 금속 제품의 코팅에 사용되는 임의의 타겟으로부터 실질적으로 이용가능한 미세한 플라즈마를 어떻게 제공하는지의 문제를 해결하기 위한, 적어도 신규의 방법 및/또는 관련 수단을 제공하는 것이며, 따라서 타겟 재료는 어떠한 미립자 조각 (particulate fragment)도 전혀 플라즈마 내로 형성하지 않고, 즉 플라즈마는 순수한 플라즈마이거나 또는 조각이 존재한다면 드물거나 적어도, 상기 타겟으로부터 어블레이션에 의해 플라즈마가 생성되는 어블레이션 깊이보다 작은 크기이다.

본 발명의 제4 목적은, 상기 타겟으로부터 어블레이션에 의해 플라즈마가 생성되는 어블레이션 깊이보다 큰 미립자 조각 없는 미세한 플라즈마로 금속 제품의 균일한 표면적을 코팅하는 방법, 즉 실질적으로 임의의 물질에 기인하는 순수한 플라즈마로 기재를 코팅하는 방법을 해결하는 적어도 신규의 방법 및/또는 관련 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 제5 목적은 상기 순수한 플라즈마에 의한 금속 제품의 균일한 표면적에 코팅의 우수한 점착성을 제공하는 것이며, 이에 따라 미립자 조각의 존재를 제한하거나 그들의 크기를 상기 어블레이션 깊이보다 작은 것으로 제한함으로써 미립자 조각에 대한 운동 에너지의 낭비가 억제된다. 동시에, 미립자 조각은 의미 있는 방식으로 그들의 부족한 존재 때문에, 핵 생성 및 축합 관련 현상을 통한 플라즈마 플룸 (plasma plume)의 균질성에 영향을 미칠 수 있는 차가운 표면을 형성하지 못한다.

본 발명의 제6 목적은 큰 몸체에 대해 넓은 스캐닝 폭과 동시에 미세한 플라스마 품질 및 넓은 코팅 폭을 산업적인 방식으로 제공하여 문제를 해결하는 적어도 신규의 방법 및/또는 관련 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 제7 목적은 전술한 본 발명의 목적에 따라 산업적 규모 적용에 사용되기 위한 높은 반복률을 제공하여 문제를 해결하는 적어도 신규의 방법 및/또는 관련 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 제8 목적은 제1 내지 제7 목적에 따라 제품을 제조하기 위하여 균일한 금속 표면을 코팅하기 위한 미세한 플라스마를 제공하되, 코팅 상 (coating phase) 내에서 사용되는 타겟 재료를 안전하게 하여 필요로 하는 동일한 품질의 코팅/박막을 제조하는 적어도 신규의 방법 및/또는 관련 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 코팅된 제품에 대하여 콜드-작업 (cold-work) 및/또는 표면 코팅을 하여 문제를 해결하는 상기 목적에 따른 방법 및 수단을 이용하는 것이다.

본 발명은, 큰 표면을 갖는 금속 제품이, 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔되는 방식으로 초단 펄스 레이저 증착을 채용함으로써, 광학 투명성, 화학적 및/또는 마모 내성, 스크래치-프리 (free) 특성, 내열성 및/또는 열 전도성, 코팅 점착성, 자정성 및 어쩌면 마찰 특성, 미립자-프리 특성, 핀홀-프리 코팅 및 전기 전도성과 같은 기술적 특징 중 하나 이상과 관련된 뛰어난 품질 및 산업적 생산 속도로 코팅될 수 있다는 놀라운 발견에 기초한다. 더욱이, 본 방법은 높은 코팅 결과를 유지하면서, 이미 사용한 물질을 재사용하는 방식으로 어블레이트 됨으로써 타겟 재료의 경제적인 사용을 완수한다. 본 발명은 또한 높은 코팅 특성과 동시에 낮은 진공 조건으로 금속 제품을 코팅하는 것을 완수한다. 아울러, 요구되는 코팅 챔버 부피가 경쟁 방법에서보다 지극히 작다. 이러한 특징은 전체 설비 비용은 과감하게 감소하고, 코팅 생산 속도는 증가한다. 많은 바람직한 경우에, 코팅 설비는 온라인 방식으로 생산-라인에 설비된다.

20W USPLD-장비로 코팅 증착 속도는 2 mm³/분이다. 레이저 전력을 80W로 증가시키면 이에 따라 USPLD 코팅 증착 속도는 8 mm³/분으로 증가된다. 본 발명에 따르면, 증착 속도의 증가는 현재, 높은 품질의 코팅 생산에 충분히 채용될 수 있다.

본 출원에서 "코팅"이라는 용어는 기재 위에 임의의 두께의 물질을 형성하는 것을 의미한다. 따라서 코팅은 예를 들어 1 ㎛보다 작은 두께의 박막을 생성하는 것도 의미한다.

본 발명의 다양한 구현예는 적합한 부분에서 조합 가능하다.

본 발명을 읽고 이해할 때 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 나타낸 구현예를 변형하는 많은 방법을 알 수 있으며, 본 발명의 구현예의 실시예로 나타낸 보여진 구현예로만 한정되는 것은 아니다.

발명의 상세한 설명

본 발명에 따르면, 코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이고, 코팅은 초단 펄스 레이저 증착을 이용하여 수행되며, 펄스 레이저 빔은 상기 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔되는 레이저 어블레이션에 의해 금속 제품의 특정 표면을 코팅하는 방법을 제공한다.

본 명세서에서의 금속 제품은 대체로 구조물과 같은 금속 제품, 내부 또는 장식용 용도, 화학 산업, 전력 및 에너지 산업과 같은 다양한 산업용 파이프 및 탱크, 기계류, 예컨대 승용차, 트럭, 오토바이 및 트랙터와 같은 자동차, 비행기, 선박, 보트, 기차, 레일, 연장, 의료 제품, 전자 장치의 케이스, 전광 (lightning), 프로파일, 프레임, 구성 요소, 가공 설비, 초고 (ultra-high) 진공 조건을 포함하는 적용에서의 케이블 절연 적용, 우주선, 평평한 금속 시트, 군사적 해결책 (military solutions), 통풍, 채광, 나사, 제과 설비 및 빵 자르는 연장 및 칼, 물 파이프, 드릴 및 그들의 부품 등을 의미하지만 이들로 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따르면, 금속 함량이 100%이든 1%이든 상관 없이 금속 표면을 포함하는 모든 제품이 여기 제시된 방법으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 가능한 구현예의 일부를 도 4 및 도 10-31에 도시한다.

초단 레이저 펄스 증착은 종종 USPLD로 약칭한다. 상기 증착은 또한 콜드 어블레이션이라고도 하는데, 이것의 특징 중 하나는 예를 들어 경쟁하는 나노초 레이저와는 반대이며, 여기서 나노초 레이저는 노출된 타겟 영역으로부터 이 영역의 주변까지 실질적으로 열 전달이 없고, 레이저 펄스 에너지가 타겟 재료의 어블레이션 역치를 초과하기에 충분히 존재한다. 펄스 길이는 전형적으로 5-30 ps와 같이 50 ps 아래, 즉 초단이고, 콜드 어블레이션은 피코초, 펨토초 및 아토초 펄스 레이저로 도달한다. 레이저 어블레이션에 의해 타겟으로부터 증발된 물질은 실온 가까이에서 유지된 기재 상에 증착된다. 또한, 플라스마 온도는 노출된 타겟 영역 상에서 1.000.000 K에 도달한다. 플라즈마 속도는 100.000 m/s가 얻어져서 우수하며, 따라서 생성된 코팅/박막의 적합한 점착성이 더욱 기대된다.

본 발명의 다른 바람직한 구현예에서, 상기 균일한 표면적은 적어도 0.5 dm²이다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 균일한 표면적은 적어도 1.0 dm² 이다. 본 발명은 또한 0.5 m²보다 큰, 예를 들어 1 m² 이상의 균일한 코팅 표면적을 갖는 제품의 코팅을 쉽게 완수한다. 상기 공정은 큰 표면적을 고품질 플라즈마로 코팅하는데 특히 유리하기 때문에, 몇 가지 상이한 금속 제품의 서비스가 충분하지 못하거나 서비스가 되지 않는 시장을 충족시킨다.

산업적 적용에서, 레이저 처리의 고효율을 달성하는 것이 중요하다. 콜드 어블레이션에서, 레이저 펄스의 강도는 콜드 어블레이션 현상을 용이하게 하기 위하여 소저의 역치를 초과하여야 한다. 이 역치는 타겟 재료에 의존하다. 높은 처리 효율 및 이에 따른 산업적 생산성을 달성하기 위하여, 펄스의 반복률은 예컨대 1 MHz, 바람직하게는 2 MHz 및 더욱 바람직하게는 5 MHz를 초과하게 높아야 한다. 앞서 말한 바와 같이, 타겟 표면의 같은 위치로 몇 개의 펄스가 향하지 않는 것이 유리한데, 이는 타겟 재료의 축적 효과를 야기하여 입자 증착이 나쁜 품질의 플라즈마, 이에 따라 나쁜 품질의 코팅 및 박막, 바람직하지 않은 타겟 재료의 침식, 타겟 재료 가열 가능성 등을 유도한다. 따라서, 고효율의 처리를 달성하기 위해서 레이저 빔의 높은 스캐닝 속도를 갖는 것도 필요하다. 본 발명에 따르면, 효율적인 공정을 달성하기 위해서 타겟 표면에서 빔의 속도가 일반적으로 10 m/s 이상, 바람직하게는 50 m/s 이상 및 보다 바람직하게는 100 m/s 이상, 심지어 2000 m/s의 속도와 같이 되어야 한다. 그러나 진동 거울에 기초한 광학 스캐너에서는 관성 모멘트가 거울의 높은 각속도를 충분하게 달성하는 것을 방해한다. 그러므로 타겟 표면에서 얻어진 레이저 빔은 수 m/s에 불과하고, 도 1은 갈바노-스캐너라고도 불리는 이러한 진동 거울의 실시예를 도시한다.

갈바노-스캐너를 채용한 본 발명의 코팅 방법이 최대 10 cm, 바람직하게는 미만의 스캐닝 폭을 생성할 수 있기 때문에, 본 발명은 또한 뛰어난 코팅 특성 및 생산 속도를 가짐과 동시에 예를 들어 30 cm 및 심지어 1 미터를 초과하는 훨씬 넓은 스캐닝 폭을 완수한다.

본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 본 명세서의 회전 광학 스캐너는 레이저 빔을 반사하는 적어도 하나의 거울을 포함하는 스캐너를 의미한다. 이러한 스캐너 및 이의 적용은 특허 출원 FI20065867에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 회전 광학 스캐너는 레이저 빔을 반사하는 적어도 3개의 거울을 포함한다. 본 발명의 한 구현예에서, 코팅 방법은 도 5에 도시된 다각형 프리즘을 채용한다. 여기서 다각형 프리즘은 면 (faces) (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 및 28)을 갖는다. 화살표 (20)는 프리즘이, 프리즘의 대칭 축인 축 (19) 주변을 회전할 수 있다는 것을 가리킨다. 도 5의 프리즘의 면이, 프리즘이 그 축 주변을 회전할 때 거울 면에 입사한 광 (radiation incident)의 방향인 반사에 의해 각 면이 그 순서대로 바뀌도록 배열되어 스캐닝 라인을 달성하기 위하여 유리하게 기울어진 거울 면인 경우, 상기 프리즘은, 회전 스캐너 즉 터빈 스캐너의 일부로서 광 전송 라인 내에 본 발명의 구현예에 따른 방법에 적용 가능하다. 도 5는 8개 면을 도시하고 있지만 이보다 상당히 많은 면, 심지어 수십 또는 수백 개 면도 존재할 수 있다. 도 5는 또한 축에 대해 동일하게 기울어진 각도의 거울들을 보여주고 있지만, 특히 몇 개의 거울을 포함하는 한 구현예에서는 상기 각도는, 다른 것들 중에서 도 6에 도시된 특정 범위 내의 단계화 (stepping)에 의해 작업 스팟 상의 특정 단계화된 이동이 타겟 상에서 달성되도록 단계에서 달라질 수 있다. 본 발명의 상이한 구현예는 예를 들어 크기, 형태 및 거울이 반사하는 레이저 빔의 개수에 관한 다양한 터빈 스캐너 거울 배열을 한정하는 것이 아니다.

도 5의 터빈 스캐너의 구조는 중앙 축 (19) 주변에 대칭적으로 위치된 적어도 2개의 거울, 바람직하게는 6개 이상의 거울, 예를 들어 8개의 거울 (21 내지 28)을 포함한다. 터빈 스캐너 내의 프리즘 (21)이 중앙 축 (19) 주변을 회전할 (21) 때 거울은 광, 예를 들어 스팟 (29)에서 반사된 레이저 빔이 항상 하나 및 동일한 방향으로부터 출발하여 정확하게 라인-형태의 영역 위로 향한다 (도 6). 터빈 스캐너의 거울 구조는 기울어지지 않을 수도 있고 (도 7) 또는 예컨대 도 8 및 도 9와 같이 원하는 각도로 기울어질 수도 있다. 터빈 스캐너의 크기 및 비율은 자유롭게 선택될 수 있다. 코팅 방법의 한 유리한 구현예에서, 상기 스캐너는 주변 길이 (perimeter) 30 cm, 직경 12 cm 및 높이 5 cm를 갖는다.

본 발명의 한 구현예에서, 터빈 스캐너의 거울 (21 내지 28)은 중앙 축 (19)에 대해 기울어진 각도로 위치하는 것이 바람직한데, 이는 추후에 레이저 빔이 스캐너 시스템으로 쉽게 인도되기 때문이다.

본 발명의 구현예에 따라 채용되는 터빈 스캐너에서 (도 5), 거울 (21 내지 28)이 있기 때문에 회전 운동 1회전 동안 많은 라인-형태의 영역 (29) (도 6)이 스캔되도록 하는 방식으로 거울 (21 내지 28)이 서로 어긋날 수 있다.

본 발명에 따라, 코팅되는 표면은 금속 제품 표면의 전체 또는 부분을 포함할 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 한 구현예에서, 구조물 내 또는 내부 마감용으로서의 다양한 용도를 위한 얇은 금속 시트는, 바람직한 코팅 효과 또는 효과들을 얻기 위하여 전체 시트가 코팅된다. 1 mm 두께를 갖는 1200 mm × 1500 mm 구리 얇은 시트를 포함하고, 먼저 CuO₂로 코팅되고 투명한 ATO (알루미늄티탄옥사이드) 보호 코팅으로 마감한 본 발명에 따른 대표적인 제품의 하나를 도 4에 도시한다. CuO₂는 인테리어 효과를 주고, ATO는 마모 내성뿐 아니라 해로운 구리 화합물이 자연으로 누출되는 것을 막는다. ATO는 예를 들어 알루미늄 옥사이드, 이트륨 안정화된 지르코늄 옥사이드, 이트륨 알루미늄 옥사이드, 티탄 디옥사이드 및 다양한 탄소계 코팅으로 대체될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 레이저 어블레이션은 10^-1 내지 10^-12 분위기의 진공 하에서 수행된다. 고진공 조건은 매우 긴 펌핑 시간 및 이에 따라 길어진 코팅 생성 시간을 요구한다. 특정의 최고급 제품의 경우에 이것은 큰 문제가 되지 않지만 예를 들어 특히 보다 큰 표면을 갖는 일용품의 경우에는 이것은 확실히 큰 문제이다. 예를 들어 신규의 마모- 및 스크래치-프리 코팅, 화학적으로 불용성인 코팅, 저항성 코팅, 마찰력 코팅, 내열성 및/또는 열전도성 코팅, 전기 전도성 코팅 및 어쩌면 동시에 뛰어난 투명성을 고려하면, 기술적 관점 및/또는 경제적 관점 모두에서 상기 제품에 이용 가능한 어떠한 코팅 방법도 존재하지 않는다.

따라서, 본 발명의 특히 바람직한 한 구현예에서, 상기 레이저 어블레이션은 10^-1 내지 10^-4 분위기의 진공 하에서 수행된다. 본 발명에 따르면, 이미 낮은 분위기 내에서 뛰어난 코팅/박막 특성이 얻어져서 가공 시간을 극적으로 감소시키고 증강된 산업적 적용성을 유도할 수 있다.

본 발명에 따르면, 타겟 재료와 코팅되는 상기 균일한 표면적 사이의 거리가 25 cm 미만, 바람직하게는 15 cm 미만, 가장 바람직하게는 10 cm 미만인 방식으로 코팅을 수행하는 것이 바람직하다. 이는 코팅 챔버를 매우 축소된 부피로 개발하고, 코팅 생산 라인의 전체 가격을 낮추고, 더욱이 진공 펌핑에 소요되는 추가 시간을 감소시키는 것을 달성한다.

본 발명의 바람직한 구현예에서 상기 타겟 재료의 어블레이트된 표면은 결점 없는 코팅을 생성하기 위하여 반복적으로 어블레이트될 수 있다. 대부분의 현재의 코팅 기술의 경우, 타겟 재료가 영향을 받는 영역이 어블레이션에 재사용될 수 없도록 불균일하게 마모시키고 따라서 특정 사용 후에 처분하거나 재생을 위해 보내져야 한다. 상기 문제는 코팅 목적으로 신규의, 어블레이트되지 않은 타겟 표면을 연속적으로 공급하는 상이한 기술을 개발함으로써, 예를 들어 x/y 축 내에 타겟 재료를 이동하는 것에 의해 또는 원통-형상의 타겟 재료를 회전하는 것에 의해 다루어져 왔다. 본 발명은 실질적으로 타겟 재료의 전체 피스 (piece)를 이용함으로써 우수한 품질의 플라즈마가 그의 품질을 보유한 채로 타겟 재료를 사용할 뿐만 아니라 동시에 뛰어난 코팅 특성 및 생산 속도를 완수한다. 바람직하게, 본 발명에 따라 우수한 품질의 플라즈마를 생성하는데 단일 타겟 재료의 50% 이상이 소모된다. 여기서 우수한 품질의 플라즈마는 결점이 없는 코팅 및 박막 생성, 높은 펄스 주파수 및 증착 속도로 유지되는 높은 품질의 플라즈마 플룸을 의미한다. 이러한 특성 중 일부는 하기에 기술된다.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적 위에 생성된 코팅의 평균 표면 조도는 원자력 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)으로 1 ㎛² 의 영역으로부터 스캔되었을 때 100 nm 미만이다. 더욱 바람직하게, 상기 평균 조도는 30 nm 미만이다. 여기에서 평균 표면 조도란 예컨대 AFM 또는 표면 조도계 (profilemeter)에서 입수 가능한 것과 같은 적당한 과정에 의해 고정된 중앙선 평균 곡선 (centre line average curve)으로부터의 평균 편차를 의미한다. 표면 조도는 다른 것들 중에서도 본 발명에 따라 코팅된 금속 제품 위의 코팅의 투명성뿐만 아니라 마모- 및 스크래치-프리 특성, 마찰 특성에 영향을 미친다.

본 발명의 다른 바람직한 구현예에서, 상기 균일한 표면적에 생성된 코팅의 광 투과율 (optical transmission) 88% 미만, 바람직하게는 90% 미만 및 가장 바람직하게는 92% 미만이다. 광 투과율은 심지어 98%보다 높을 수도 있다. 어떤 경우에는 한정된 광 투명성을 갖는 것이 유리할 수 있다. 금속 제품에서 코팅의 광 투명성은, 본 발명에 따른 코팅에 의해 얻어지는 다른 이점에 더하여 고유의 금속성 외관이 선호되는 용도에 있어서 특히 중요하다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 균일한 표면적 위에 생성된 코팅은 1 mm² 당 1개 미만의 핀홀, 바람직하게는 1 cm² 당 1개 미만의 핀홀을 함유하고, 가장 바람직하게는 핀홀을 함유하지 않는다. 핀홀은 코팅을 통과하거나 실질적으로 통과하는 구멍이다. 예를 들면 화학적 또는 환경적 요소에 의한 본래 코팅된 물질의 침식을 위한 플랫폼을 제공한다. 예를 들어 화학적 반응기 또는 관류 (tubing), 의료용 임플란트, 우주선, 상이한 자동차들의 상이한 부품 및 그의 기계 부품의 코팅 내, 금속 구조물 또는 내부 구조 내의 한 개의 핀홀은 쉽게 상기 제품의 낮아진 수명을 크게 낮추게 한다.

따라서, 또 다른 바람직한 구현예에서 상기 균일한 표면적 상의 상기 코팅의 첫 번째 50%는 1000 nm, 바람직하게는 100 nm, 가장 바람직하게는 30 nm를 초과하는 직경을 갖는 어떠한 입자도 함유하지 않는 방식으로 상기 균일한 표면적이 코팅된다. 코팅 제조 공정의 초기 단계에서 마이크로미터 크기 입자가 생성되면, 이러한 입자는 생성된 코팅의 다음 층 내에 개방된 부식 경로를 야기할 수 있다. 더욱이, 입자의 불규칙한 형태 때문에 이러한 입자 밑의 표면을 밀봉하기는 극히 어렵다. 또한, 이러한 입자는 표면 조도를 실질적으로 증가시킨다. 본 방법은 상이한 금속 제품들의 수명을 증가시키고 유지 비용을 낮출 수 있게 한다.

금속 제품 자체는 사실상 금속, 금속 합금, 산화물, 탄화물, 질화물 또는 복합 물질과 같은 금속 화합물 중 어느 것이든지 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 또는 이들의 혼합물로 코팅된다. 금속의 비제한적 예로는 알루미늄, 몰리브덴, 티탄, 지르코늄, 구리, 이트륨, 마그네슘, 납, 아연, 크롬, 은, 금, 코발트, 주석, 니켈, 탄탈륨, 갈륨, 망간, 바나듐, 백금 및 사실상 어떠한 금속도 포함한다.

뛰어난 광학, 마모 및 스크래치-프리 특성을 갖는 본 발명에 따른 코팅을 제조할 때, 특히 유리한 금속 산화물은 예를 들어 알루미늄 옥사이드 및 알루미늄 티탄 옥사이드 (ATO), 인듐 주석 옥사이드 (ITO), 이트륨 안정화된 지르코늄과 같은 그의 상이한 복합물이다.

티탄 옥사이드 및 아연 옥사이드와 같은 특정 금속 산화물이 생성된 코팅의 UV-활성을 제공하는 표면 두께 위에 적용되면, 상기 코팅은 자정성을 가질 수 있다. 이러한 특성은 내부 및 외부 이용 모두에 있어서 몇몇 금속 제품의 사용 및 유지 비용을 감소시키는 것을 완수하기 위하여 매우 바람직하다.

금속 산화물 코팅은 금속 또는 금속류를 활성 산소 분위기 내에서 어블레이팅하거나 산화물-재료를 어블레이팅 함으로써 제조될 수 있다. 후자의 가능성에 있어서도 산소 분위기 내에서 어블레이션을 수행함으로써 코팅 품질 및/또는 생산 속도를 증강시키는 것이 가능하다. 질화물에 대해서도 또한 동일하게 적용된다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 70% 이상의 sp³-결합을 갖는 90 원자% 초과의 탄소를 포함하는 탄소 재료로 코팅된다. 이러한 재료는 예를 들어 비정질 다이아몬드, 나노-결정질 다이아 몬드 또는 심지어 슈도-모노결정질 (pseudo-monocrystalline) 다이아몬드를 포함한다. 다양한 다이아몬드 코팅은 뛰어난 마찰, 마모- 및 스크래치-프리 특성을 제공하지만 열-전도성 및 저항력도 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 탄소, 질소 및/또는 붕소를 다른 비율로 하여 코팅된다. 이러한 물질은 붕소 탄소 나이트라이드, 탄소 나이트라이드 (C₂N₂ 및 C₃N₄), 붕소 나이트라이드, 붕소 카바이드 또는 B-N, B-C 및 C-N 상 (phases)의 상이한 혼성 (hybridization)의 상을 포함한다. 이러한 재료는 낮은 밀도를 갖는 유사 다이아몬드 재료이고, 지극이 마모 내성이며, 일반적으로 화학적으로 불활성이다. 일반적으로 탄소 나이트라이드는, 의료 장치 및 임플란트, 배터리 전극, 습도 및 가스 센서, 반도체 적용, 컴퓨터 하드디스크 보호, 태양 전지 내, 연장 등의 코팅으로서 부식성 조건에 대항하여 금속 제품을 보호하기 위해 채용될 수 있다.

본 발명의 한 구현예에 따르면 금속 제품의 특정 균일한 표면적은 유기 중합체 재료로 코팅된다. 이러한 물질은 키토산 및 그의 유도체, 폴리실록산 및 상이한 유기 중합체를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

금속 제품을 키토산으로 코팅함으로써 내부 및 외부 용도의 새로운 금속 제품뿐 아니라 바다 및 다른 물 환경을 위한 새로운 종류의 금속 제품의 제공하는 장래성 있는 전망이 있다. 여기서, 뛰어난 광학 투명성과 동시에 비교적 높은 마모-내성 및 스크래치-프리 특성을 갖는 제품을 제조하는데 폴리실록산이 특히 유리하다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 균일한 표면적은 무기 재료로 코팅된다. 이러한 재료는 예를 들어 석재 및 세라믹 유래의 재료를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다.

본 발명의 특별히 바람직한 구현예에서, 상이한 금속 시트 및 3차원-구조는 분홍색 마노 (agate)를 포함하는 타겟 재료를 어블레이팅하여 코팅되어, 착색되지만 불투명한 코팅 결과물은 아니다.

본 발명의 한 구현예에 따르면 금속 제품의 상기 균일한 표면은 1회 코팅만으로 코팅된다. 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 금속 제품의 상기 균일한 표면은 다층 코팅으로 코팅된다. 몇몇 코팅은 상이한 이유에서 생성될 수 있다. 하나의 이유는, 금속 표면에 보다 우수한 점착력을 갖는 제1 세트의 코팅을 제조하고 후속 코팅층이 금속 표면 자체보다 상기 층에 더 우수한 점착력을 갖는 특성을 가지도록 함으로써 금속 표면에 대한 특정 코팅의 점착을 증강시키는 것이 될 수 있다. 또한, 다층 코팅은 상기 구조가 없으면 달성될 수 없는 몇몇 기능을 가질 수 있다. 본 발명은 하나의 코팅 챔버 내에서 또는 인접하는 챔버들 내에서 몇몇 코팅의 생성을 완수한다.

본 발명은 또한 하나의 복합 재료 타겟 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 둘 이상의 복합 재료 타겟을 동시에 어블레이팅 함으로써 금속 제품 표면에 복합 코팅 (composite coating)을 생성하는 것을 완수한다.

본 발명에 따르면 금속 제품의 균일한 표면 상의 상기 코팅의 두께는 20 nm 내지 20 ㎛ 사이, 바람직하게는 100 nm 내지 5 ㎛ 사이이다. 코팅 두께는 이들로 한정되지 않는데, 이는 본 발명이 한편으로는 분자 규모 코팅의 제조, 다른 한편으로는 100 ㎛ 및 이를 초과하는 것과 같은 두꺼운 코팅의 제조를 완수하기 때문이다.

본 발명은 또한 3차원-구조의 성장을 위한 골격으로서 금속 구성요소를 채용하는 3차원-구조의 제조를 완수한다.

본 발명에 따르면, 코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이고, 코팅은 초단 펄스 레이저 증착을 이용하여 수행되며, 펄스 레이저 빔은, 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔되는 것을 특징으로 하는, 레이저 어블레이션에 의해 코팅된 특정 표면을 포함하는 금속 제품도 제공된다. 이러한 제품으로 얻어지는 이익은 방법에 관한 이전의 기재에 더욱 상세하게 기재된다.

본 발명의 한 구현예에서, 상기 균일한 표면적은 적어도 0.5 dm²이다. 본 발명의 더욱 바람직한 구현예에서, 상기 균일한 표면적은 적어도 1.0 dm²이다. 본 발명은 1 m² 이상과 같이 0.5 m²보다 큰 균일한 코팅 표면적을 포함하는 제품도 쉽게 완수한다.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 평균 표면 조도는, 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛² 의 영역으로부터 스캔되었을 때 100 nm 미만이다. 바람직하게, 평균 표면 조도는 30 nm 미만이다. 여기에서 평균 표면 조도란 예컨대 AFM 또는 표면 조도계에서 입수 가능한 것과 같은 적당한 과정에 의해 고정된 중앙선 평균 곡선으로부터의 평균 편차를 의미한다. 표면 조도는 다른 것들 중에서도 본 발명에 따라 코팅된 금속 제품 위의 코팅의 투명성뿐만 아니라 마모- 및 스크래치-프리 특성, 마찰 특성에 영향을 미친다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 광 투과율은 88% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 92% 이상이다. 어떤 경우에 광 투과율은 98%를 초과할 수 있다. 금속 제품에서 코팅의 광 투명성은, 본 발명에 따른 코팅에 의해 얻어지는 다른 이점에 더하여 고유의 금속성 외관이 선호되는 용도에 있어서 특히 중요하다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적 상에 상기 생성된 코팅은 1 mm² 당 1 미만의 핀홀, 바람직하게는 1 cm² 당 1 미만의 핀홀을 함유하고, 가장 바람직하게는 핀홀이 없다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적 상의 상기 코팅의 첫 번째 50%는 1000 nm, 바람직하게는 100 nm, 가장 바람직하게는 30 nm를 초과하는 직경을 갖는 어떠한 입자도 함유하지 않는 방식으로 상기 균일한 표면적이 코팅된다.

본 발명에 따른 금속 제품은 사실상 금속, 금속 합금, 산화물, 탄화물, 질화물 또는 이들의 복합물과 같은 금속 화합물 중 어느 것이든지 포함할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 관계의 금속 제품의 정의는, 상기 제품이 본 발명의 방법에 따라 코팅된 특정의 금속 표면을 포함한다는 방식으로 이해되어야 한다. 상기 제품 골격 (코팅되지 않은 제품)의 금속 함량은 따라서 0.1 내지 100% 사이에서 어디로든 달라질 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 또는 이들의 혼합물로 코팅된다. 가능한 금속은 전술한 본 발명의 코팅 방법에 대한 설명 내에 기재되었다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 70% 이상의 sp³-결합을 갖는 90 원자% 초과의 탄소를 포함하는 탄소 재료로 코팅된다. 가능한 탄소 재료는 전술한 본 발명의 코팅 방법에 대한 설명 내에 기재되었다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 탄소, 질소 및/또는 붕소를 다른 비율로 하여 코팅된다. 이러한 재료는 전술한 본 발명의 코팅 방법에 대한 설명 내에 기재되었다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 유기 중합체 재료로 코팅된다. 이러한 재료는 전술한 본 발명의 코팅 방법에 대한 설명 내에 기재되었다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 균일한 표면적은 무기 재료로 코팅된다. 이러한 재료는 전술한 본 발명의 코팅 방법에 대한 설명 내에 기재되었다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면적은 다층 코팅으로 코팅된다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 금속 제품의 상기 균일한 표면은 단일 코팅층으로 코팅된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 금속 제품의 균일한 표면 상의 상기 코팅의 두께는 20 nm 내지 20 ㎛ 사이, 바람직하게는 100 nm 내지 5 ㎛ 사이이다. 본 발명은 하나 또는 몇몇의 원자층 코팅 및 예를 들어 1 mm인 100 ㎛를 초과하는 것과 같은 두꺼운 코팅을 포함하는 코팅된 금속 제품도 완수한다. 본 발명은 또한 3차원-구조의 성장을 위한 골격으로서 금속 구성요소를 채용하여 제조된 3차원-구조를 완수한다.

도 1은 콜드 어블레이션 코팅/박막 생성 기술의 상태 및 기타 작업-관련 적용에 채용되는 2개의 갈바노-스캐너를 포함하는 예시적인 갈바노-스캐너 셋업을 도시한다. 레이저 빔이 향하는 갈바노-스캐너의 수는 여러 가지이지만 전형적으로 하나의 단일한 갈바노-스캐너로 한정된다.

도 2는 상이한 ITO 박막 두께를 가지며 (30 nm, 60 nm 및 90 nm), 종래 기술의 진동 거울 (갈바노-스캐너)을 채용하여 생성된 폴리카보네이트 시트 (~100 mm × 30 mm) 상의 ITO 코팅을 도시한다.

도 3은 종래 기술의 갈바노 스캐너가 스캐닝 레이저 빔에 채용되어 2 MHz의 반복률로 펄스가 심하게 중첩된 (heavy overlapping) 상황을 도시한다.

도 4는 본 발명에 따라 구리 옥사이드 및 ATO 코팅된 제품을 도시한다.

도 5는 본 발명에 따른 방법에 채용된 하나의 가능한 터빈 스캐너 거울을 도시한다.

도 6은 도 5의 실시예에서 각 거울이 달성한 어블레이팅 빔의 이동을 도시한다.

도 7은 본 발명에 따라 채용되는 하나의 가능한 회전 스캐너를 통과한 빔 유도 (beam guidance)를 도시한다.

도 8은 본 발명에 따라 채용되는 하나의 가능한 회전 스캐너를 통과한 빔 유도를 도시한다.

도 9는 본 발명에 따라 채용되는 하나의 가능한 회전 스캐너를 통과한 빔 유도를 도시한다.

도 10은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 11은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 12는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 특정 구현예를 도시한다.

도 13은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 14는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 15는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 16은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 17은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 18은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 19는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 20은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 21은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 22는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 23은 본 발명에 따른 2개의 상이한 코팅층을 갖는 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 24는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 두 개의 구현예를 도시한다.

도 25는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 몇 개의 구현예를 도시한다.

도 26은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 몇 개의 구현예를 도시한다.

도 27은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 몇 개의 구현예를 도시한다.

도 28은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 29는 본 발명에 따른 코팅된 제품의 몇 개의 구현예를 도시한다.

도 30은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 하나의 구현예를 도시한다.

도 31은 본 발명에 따른 코팅된 제품의 몇 개의 구현예를 도시한다.

도 32a는 타겟 재료가 회전 스캐너 (터빈 스캐너)로 레이저 빔을 스캐닝하여 어블레이트된 본 발명에 따른 하나의 구현예를 도시한다.

도 32b는 도 32a의 타겟 재료의 예시적인 부분을 도시한다.

도 32c는 도 32b의 타겟 재료의 예시적인 어블레이트된 영역을 도시한다.

도 33a는 본 발명에 따라 터빈 스캐너 (회전 스캐너)로 타겟 재료를 스캔 및 어블레이트 하는 예시적인 방법을 도시한다.

도 34a는 공지 기술의 플라스마-관련 문제들을 도시한다.

도 34b는 공지 기술의 플라스마-관련 문제들을 도시한다.

공지 기술의 문제점을 설명하기 위한 실시예 - 레이저 기술

도 2는 상이한 ITO 박막 두께를 가지며 (30 nm, 60 nm 및 90 nm), 종래 기술의 진동 거울 (갈바노-스캐너)을 채용하여 생성된 폴리카보네이트 시트 (~100 mm × 30 mm) 상의 ITO 코팅을 나타낸다. 금속 기재 위에 ITO-코팅이 증착되지는 않았지만, 도면은 특히 초단 펄스 레이저 증착 (USPLD)뿐 아니라 일반적인 레이저 관련 코팅에서 광학 스캐너로서 진동 거울을 채용한 것과 관련된 일부 문제들을 설명한다. 진동 거울이 그 끝 위치 (end position)에서 각 운동의 방향을 바꾸기 때문에, 및 관성 모멘트로 인해, 거울의 각 속도는 그 끝 위치에 가까이에서 일정하지 않다. 진동 운동으로 인해 거울은 다시 속도를 올리기 전에 연속적으로 브레이크가 걸리거나 멈추게 되어 스캔된 영역의 에지 (edge)에서 타겟 재료의 불규칙한 처리를 야기한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이것은 차례로 특히 스캔된 영역 의 에지 내에 입자를 포함하는 저품질의 플라즈마 및 최종적으로 품질이 낮고 외관상 불균일한 코팅 결과를 초래한다.

채용된 스캐너의 특징에 기인한 어블레이트된 물질의 불균일한 분포를 증명하기 위하여 코팅 변수를 선택하였다. 변수를 적절히 선택하면 필름 품질이 증강될 수 있고 문제들은 보이지 않게 되지만 배제되는 것은 아니다.

약 2-3 m/s, 실제로는 약 1 m/s의 전형적인 최대 속도의 레이저 빔을 스캔하는데 종래에는 갈바노미터 스캐너 (galvanometric scanner)가 사용된다. 이것은 심지어 40-60 펄스가 2 MHz의 반복률로 중첩되고 있다는 것을 의미한다.

플라즈마 관련 품질 문제들이 도 34a 및 도 34b에 설명되는데, 이는 공지 기술에 따른 플라즈마 생성을 가리킨다. 레이저 펄스 □ (1114)가 타겟 표면 (1111)을 히트 (hit)한다. 펄스가 긴 펄스이므로 깊이 (h) 및 빈 직경 (d)는 동일한 크기이고, 펄스 (1114)의 가열은 히트 스팟 영역 (hit spot area)에서 표면뿐 아니라 표면 (1111) 아래도 가열한다. 상기 구조는 열 쇼크 (thermal shock)를 겪고, 장력 (tension)이 생기며, 부서지면 F로 표시되는 부서진 조각들을 생성한다. 상기 예에서의 플라즈마의 품질이 나쁘기 때문에 작은 점 (1115)이 가리키는 분자 및 분자 무리 (clusters)가 있는 것처럼 보이며, 숫자 1115에 의한 부호는 도 34b에 나타낸 가스 (1116)으로부터 형성된 핵 또는 유사한 구조의 무리와 관련된다. 문자 "o"는 가스로부터 및/또는 응집작용 (agglomeration)을 통해 생성 및 성장할 수 있 는 입자들을 나타낸다. 방출된 부서진 조각들은 축합 및/또는 응집작용에 의해 성장할 수도 있는데, 이는 점들로부터 F들까지 및 o들로부터 F들까지의 구부러진 화살표로 나타내진다. 구부러진 화살표는 또한 플라즈마 (1113)로부터 가스 (1116)로, 및 나아가 입자 (1115) 및 크기가 증가한 입자 (1117)로의 상 전이도 나타낸다. 도 34b의 어블레이션 플룸이 증기 및 가스에서 생성된 입자뿐 아니라 부서진 조각 (F)을 포함함에 따라, 나쁜 플라즈마 생성 때문에, 플라즈마는 플라즈마 영역에서 연속적이지 않고 따라서 품질의 변화는 단일 펄스 플룸 내에서 충족될 수 있다. 깊이의 결과적인 변화뿐 아니라 조성물 내 및/또는 깊이 (h) 아래 구조의 결점 때문에 (도 34a), 일부 물질들이 이용 가능하여도 도 34b에서 타겟 표면 (1111)은 추가 어블레이션에 더 이상 이용할 수 없고 상기 타겟은 버려진다.

일반적으로 나노초-레이저 및 현재의 피코-초 레이저를 종래의 스캐너의 상태에 채용하면 상기와 같은 문제들은 공통으로 발생한다.

발명의 실시예 - 1

도 32a는 타겟 재료의 어블레이션을 인접하는 펄스와 약간 중첩하도록 하는 속도를 갖는 회전 스캐너를 채용하여 종래 기술의 갈바노-스캐너와 관련된 문제들을 회피한 피코-초 범위 펄스 레이저로 어블레이트된 타겟 재료를 도시한다. 도 32b는 어블레이트된 물질의 일부를 확대한 도면으로서, x- 및 y-축 상에서 물질이 평탄하고 조절된 상태로 어블레이션되며, 따라서 높은 품질의 입자-프리 플라즈마 및 나아가서 높은 품질의 박막 및 코팅을 생성한다는 것이 명확하게 나타나 있다. 도 32c는 하나 또는 약간의 펄스에 의해 달성된 단일의 어블레이션 스팟의 x- 및 y-치수의 가능한 일 실시예를 나타낸다. 여기서, 본 발명은 어블레이트된 스팟 영역의 깊이보다 어블레이트된 스팟의 폭이 항상 훨씬 크도록 하는 방식으로 물질의 어블레이션을 완수한다는 것을 명백하게 볼 수 있다. 이론적으로, 가능한 입자들 (생성된다면)은 이제 최대 크기의 스팟 깊이를 가질 수 있다. 이제 회전 스캐너는 큰 생산 속도로, 동시에 특히 큰 표면적을 갖는 코팅되는 기재에 유리한 큰 스캐닝 폭으로 우수한 품질, 입자가 없는 플라즈마의 생성을 완수한다. 더욱이, 도 32a, 32b 및 32c는 현재의 기술과 반대로, 고급 플라스마의 새로운 생성을 위해 이미 어블레이트된 타겟 재료 영역이 어블레이트될 수 있으므로 전체 코팅/박막 생성 비용이 극적으로 감소한다.

발명의 실시예 - 2

도 33a는 피코-초 USPLD-레이저를 채용하고 터빈 스캐너로 레이저 펄스를 스캐닝함으로써 코팅이 수행된 일 실시예를 나타낸다. 여기서, 스캐닝 속도는 30 m/s이고, 레이저 스팟-폭은 30 ㎛이다. 이 실시예에서, 인접하는 펄스들 사이에 1/3 중첩이 있다.

발명의 실시예 - 코팅된 제품

하기 샘플은 1064 nm에서 피코초-범위 레이저 (X-lase, 20-80 W)로 초단 파장 레이저 증착 (USPLD)을 채용하여 다양한 금속 기재 위에서 성장되었다. 기재는 400 ℃ 및 실온에서 700 ℃까지의 범위의 타겟 온도 범위에서 달라진다. 산화물, 소결 흑연, 소결 흑연성 C₃N₄H_x (Carbodeon Ltd Oy) 및 다양한 타겟이 채용된다. 산소 분위기에서 채용될 때 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar의 범위에서 달라진다. 질소 분위기에서 채용될 때 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar의 범위에서 달라진다. 채용된 스캐너는 타겟 표면에서 빔의 속도를 1 m/s 내지 350 m/s 사이로 조절할 수 있는 회전 거울 스캐너였다. 채용된 반복률은 1 내지 52 MHz 사이에서 달라졌는데, 이는 산업적 방식으로 고품질의 코팅을 생성할 때 스캐너 및 높은 반복률이 모두 중요하다는 것을 명확하게 설명한다. 증착된 필름을 공초점 (confocal) 현미경, FTIR 및 라만 분광법, AFM, 광학 투과율 측정, ESEM 및 어떤 경우에는 전기적 측정으로 특징화하였다 (University of Kuopio, Finland; ORC, Tampere, Finland and Corelase Oy, Tampere Finland). 채용된 스팟 크기는 20 내지 80 ㎛ 사이에서 달라졌다. 핀온디스크 (pin on disk) 방법을 채용하여 마모 테스트를 수행하였는데 (University of Kuopio, Finland), 상기 테스트는 실온 22 ℃ 및 50% (AD-코팅) 또는 25% (기타) 상대 습도 (급유 (lubrication) 없이)에서 핀으로서 직경 6 mm인 강화 강철 볼 (AISI 420)을 이용하여 10-125 g 범위의 하중으로 수행하였다. AD-코팅을 위한 회전 속도는 300-600 rpm이고, 렌즈를 위한 회전 속도는 1 rpm이었다. 모든 코팅은 뛰어난 마모 특성뿐 아니라 점착성을 가졌다.

실시예 1

소결 탄소를 어블레이팅하여 250 mm × 400 mm의 알루미늄 포일로 마무리된 거울 (mirror finish aluminum foil)을 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 4 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 4 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-5 분위기였다. 상기 과정으로 균일한 하늘색의 투명한 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 코팅 두께는 200nm, 평균 표면 조도는 8 nm로 결정되었다. 어떠한 측정 영역에서도 핀홀은 발견되지 않았다.

실시예 2

구리 옥사이드를 어블레이팅하여 300 mm × 400 mm의 얇은 구리 시트를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 4 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 17 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-1 분위기였다. 상기 과정으로 균일한 연한 녹색의 투명하지 않은 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 코팅 두께는 5 ㎛, 평균 표면 조도는 50 nm로 결정되었다.

실시예 3

알루미늄티탄 옥사이드 (ATO)를 어블레이팅하여 구리 산화물이 코팅된 실시예 2의 구리 시트를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 15 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 6 cm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-3 분위기였다. 상기 과정으로 균일한 연한 녹색의 제품 얻어졌는데, ATO는 본래 투명하지 않은 구리 옥사이드 코팅의 색을 변하게 하지 않 았다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 코팅 두께는 420 nm였고, 평균 표면 조도는 40 nm로 결정되었다. ATO-코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 4

산소 분위기에서 티탄 옥사이드를 어블레이팅하여 500 mm × 600 mm의 얇은 강철 시트 (두께 1.5 mm)를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 20 MHz, 펄스 에너지 4 μJ, 펄스 길이 10 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 1 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-2 분위기였다. 상기 과정으로 50 nm의 두께를 갖는 투명한 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 3 nm로 결정되었다. 티탄 옥사이드-코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다. TiO₂-코팅의 광 투과율은 98%보다 우수한 것으로 결정되었다.

실시예 5

티탄을 어블레이팅하여 500 mm × 600 mm의 얇은 강철 시트 (두께 1.5 mm)를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 20 MHz, 펄스 에너지 4 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-5 분위기였다. 상기 과정으로 280 nm의 두께를 갖는 금속 티탄 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 보다 우수한 것으로 결정되었다. 티탄-코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 6

탄탈륨을 어블레이팅하여 500 mm × 600 mm의 얇은 강철 시트 (두께 1.5 mm)를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 20 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-4 분위기였다. 상기 과정으로 320 nm의 두께를 갖는 금속성 탄탈륨 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 3 nm보다 우수한 것으로 결정되었다. 탄탈륨 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 7

분홍색 마노 (분쇄되고 소결된)를 어블레이팅하여 0.33 dm²의 부피를 갖는 표지가 없는 알루미늄 캔, 10 cm 전통적인 금속 나사 및 강철 시트 (35 mm × 50 mm)를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 35 MHz, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 2 cm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-4 분위기였다. 상기 과정으로 100 nm 내지 550 nm 사이의 두께를 갖는 분홍색 마노 색깔의 불투명한 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 10 nm보다 우수한 것으로 결정되었다. 마노 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀 홀이 발견되지 않았다.

실시예 8

냉압 (cold-pressed) 키토산을 어블레이팅하여 500 mm × 600 mm의 강철 시트를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 10 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 20 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-5 분위기였다. 상기 과정으로 280 nm의 두께를 갖는 부분적으로 불투명한 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 10 nm보다 우수한 것으로 결정되었다. 중합체 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 9

열압 (hot-pressed) 흑연을 어블레이팅하여 스테인리스 강철로 제조된 뼈 나사를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 20 MHz, 펄스 에너지 4 μJ, 펄스 길이 15 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 1 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-5 분위기였다. 코팅 두께는 1 ㎛로 측정되었다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 3 nm로 결정되었다. 다이아몬드 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다. 탄소 함량은 98%를 초과하는 것으로 측정되었고, sp³-결합도는 약 86%였다.

실시예 10

열압 C₃N₄H_x을 어블레이팅하여 스테인리스 강철로 제조된 뼈 나사를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 20 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10 mm였다. 코팅 과정 동안 진공 수준은 10^-5 분위기였다. 코팅 두께는 1 ㎛로 측정되었다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 3 nm 미만으로 결정되었다. 카본 나이트라이드 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 11

산화물 형태 (90 중량% In₂O₃; 10 중량% SnO₂)의 ITO를 어블레이팅하여 300 mm × 400 mm의 얇은 구리 시트를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 30 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10.2 cm였다. 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar의 범위에서 달라졌다. 공정 결과, 균일한 투명 코팅이 얻어졌다. 코팅 두께는 110 nm로 측정되었고, 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. ITO 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 12

금속 타겟 (90 중량% In; 10 중량% Sn)으로부터 ITO를 어블레이팅하여 300 mm × 400 mm의 얇은 구리 시트를 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 27 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 10.2 cm였다. 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar의 범위에서 달라졌다. 공정 결과, 균일한 투명 코팅이 얻어졌다. 코팅 두께는 40 nm였고, 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. ITO 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 13

크롬을 어블레이팅하여 도 14에 따른 금속 걸쇠 (crasp)를 크롬 금속으로 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 4 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 24 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 15 cm였다. 코팅 공정 동안 진공 수준은 10^-4 분위기였다. 공정 결과, 균일한 금속성 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 코팅 두께는 320 nm로 측정되었고, 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. 크롬 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 14

소결된 C₃N₄H_x-재료를 어블레이트하여 실시예 13에 따른 금속 걸쇠를 탄소 나이트라이드로 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 6 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 24 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 5 cm였다. 코팅 공정 동안 진공 수준은 10^-4 분위기였다. 공정 결과, 균일한 금속성 코팅이 얻어졌다. 원자 력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 탄소 나이트라이드 코팅 두께는 390 nm였고, 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. 탄소 나이트라이드 (C₃N₄) 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 15

소결된 C₃N₄H_x-재료를 어블레이트하여 도 17에 따른 금속성 모터 밸브를 탄소 나이트라이드로 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 4 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 24 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 3 cm였다. 질소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar 범위 내에서 달라졌다. 공정 결과, 균일한 C₃N₄-코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 탄소 나이트라이드 코팅 두께는 500 nm였고, 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. 탄소 나이트라이드 (C₃N₄) 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 16

알루미늄 옥사이드를 활성 산소 분위기에서 어블레이트하여 도 15에 따른 자동차 모터의 금속성 실린더를 알루미늄 옥사이드로 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 26 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 2.5 cm였다. 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar 범위 내에서 달라졌다. 공 정 결과, 균일한 투명 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 알루미늄 옥사이드 코팅 두께는 2.3 ㎛였고, 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. 알루미늄 옥사이드 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다.

실시예 17

활성 산소 분위기에서 티탄 금속을 어블레이팅하여 도 20에 따른 금속성 수도꼭지를 티탄 옥사이드로 코팅하였는데, 이때 펄스 반복률은 9 MHz, 펄스 에너지 5 μJ, 펄스 길이 20 ps, 타겟 재료와 코팅되는 표면 사이의 거리는 2.5 cm를 유지하였다. 산소압은 10^-4 내지 10^-1 mbar 범위 내에서 달라졌다. 공정 결과, 균일한 투명 코팅이 얻어졌다. 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛²의 영역을 스캔하였을 때 알루미늄 옥사이드 코팅 두께는 25 nm였고, 평균 표면 조도는 2 nm 미만으로 결정되었다. 알루미늄 옥사이드 코팅의 어떠한 측정 영역에서도 핀홀이 발견되지 않았다. 코팅된 대상은 빛 및 특정 습도에 노출된 후 유기 오염물로 오염되었다. 상기 코팅은 자정성을 가졌다.

Claims

코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이고, 코팅은 초단 펄스 레이저 증착을 이용하여 수행되며, 펄스 레이저 빔은, 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔되는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션에 의해 금속 제품의 특정 표면을 코팅하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적은 적어도 0.5 dm²인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 균일한 표면적은 적어도 1.0 dm²인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레이저 증착에 이용된 펄스 주파수는 적어도 1 MHz인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레이저 어블레이션은 10^-1 내지 10^-12 분위기의 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 레이저 어블레이션은 10^-1 내지 10^-4 분위기의 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

타겟 재료와 상기 코팅되는 균일한 표면적 사이의 거리는 25 cm 미만, 바람직하게는 15 cm 미만, 가장 바람직하게는 10 cm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 타겟 재료의 어블레이트된 표면은 결점 없는 코팅을 생성하기 위하여 반복적으로 어블레이트되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 평균 표면 조도는, 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛² 의 영역으로부터 스캔되었을 때 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 광 투과율은 88% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 92% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 상기 생성된 코팅은 1 mm² 당 1 미만의 핀홀, 바람직하게는 1 cm² 당 1 미만의 핀홀을 함유하고, 가장 바람직하게는 핀홀이 없는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적 상의 상기 코팅의 첫 번째 50%는 1000 nm, 바람직하게는 100 nm, 가장 바람직하게는 30 nm를 초과하는 직경을 갖는 어떠한 입자도 함유하지 않는 방식으로 상기 균일한 표면적이 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 또는 이들의 혼합물로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 70% 이상의 sp³-결합을 갖는 90 원자% 초과의 탄소를 포함하는 탄소 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 탄소, 질소 및/또는 붕소를 다른 비율로 하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 유기 중합체 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 균일한 표면적은 무기 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면은 다층 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,

금속 제품의 균일한 표면 상의 상기 코팅의 두께는 20 nm 내지 20 ㎛ 사이, 바람직하게는 100 nm 내지 5 ㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
코팅되는 균일한 표면적이 적어도 0.2 dm²이고, 코팅은 초단 펄스 레이저 증착을 이용하여 수행되며, 펄스 레이저 빔은, 레이저 빔을 반사하기 위한 거울을 적어도 하나 포함하는 회전 광학 스캐너로 스캔되는 것을 특징으로 하는, 레이저 어블레이션에 의해 코팅된 특정 표면을 포함하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적은 적어도 0.5 dm²인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 균일한 표면적은 적어도 1.0 dm²인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 평균 표면 조도는, 원자력 현미경 (AFM)으로 1 ㎛² 의 영역으로부터 스캔되었을 때 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 생성된 코팅의 광 투과율은 88% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 92% 이상인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적 상에 상기 생성된 코팅은 1 mm² 당 1 미만의 핀홀, 바람직하게는 1 cm² 당 1 미만의 핀홀을 함유하고, 가장 바람직하게는 핀홀이 없는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적 상의 상기 코팅의 첫 번째 50%는 1000 nm, 바람직하게는 100 nm, 가장 바람직하게는 30 nm를 초과하는 직경을 갖는 어떠한 입자도 함유하지 않는 방식으로 상기 균일한 표면적이 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 또는 이들의 혼합물로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 70% 이상의 sp³-결합을 갖는 90 원자% 초과의 탄소를 포함하는 탄소 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 탄소, 질소 및/또는 붕소를 다른 비율로 하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면적은 유기 중합체 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20에 있어서,

상기 균일한 표면적은 무기 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20 내지 청구항 31 중 어느 한 항에 있어서,

금속 제품의 상기 균일한 표면은 다층 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
청구항 20 내지 청구항 32 중 어느 한 항에 있어서,

금속 제품의 균일한 표면 상의 상기 코팅의 두께는 20 nm 내지 20 ㎛ 사이, 바람직하게는 100 nm 내지 5 ㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 금속 제품.