KR20110117528A

KR20110117528A - 알루미늄 박막 코팅 방법

Info

Publication number: KR20110117528A
Application number: KR1020100037033A
Authority: KR
Inventors: 정재인; 양지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-10-27

Abstract

철강 소재의 부식을 방지하기 위한 보호막으로 알루미늄을 철강 소재 상에 코팅함에 있어서, 진공 코팅 공정인 스퍼터링 방법을 이용하여 알루미늄 박막을 보다 치밀하게 철강 소재 상에 코팅될 수 있도록, 스퍼터링 공정을 통해 알루미늄 타겟과 시편 사이에 알루미늄 플라즈마를 형성하여 시편인 철강 소재 표면에 알루미늄 박막을 코팅하는 단계를 포함하고, 상기 스퍼터링 공정이 진공 용기와 스퍼터링 소스, 알루미늄 타겟, 시편 홀더, 스퍼터링 소스에 자기장을 인가할 수 있도록 스퍼터링 소스 외부에 장착된 전자석, 전원 공급장치를 포함하는 스퍼터링 장비를 이용하여 이루어지고, 상기 전자석에 의한 자기장이 스퍼터링 소스에 의한 자기장에 영향을 미치도록 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절하는 단계를 포함하여 철강 소재 표면에 코팅되는 알루미늄의 조직의 치밀도를 제어하는 알루미늄 박막 코팅 방법을 제공한다.

Description

알루미늄 박막 코팅 방법{METHOD FOR COATING ALUNINUM ON STEEL}

본 발명은 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 내식성 보호막 코팅 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 철강 소재 표면에 알루미늄 박막을 코팅하는 방법에 관한 것이다.

철강 소재는 수분이나 염수에 의해서 쉽게 부식이 일어나기 때문에 산업에 이용되기 위해서는 부식을 방지하기 위한 보호막의 코팅이 필수적이다. 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 보호막으로써, 철강 소재 표면에 아연을 용융 도금하는 것이 일반적이다. 아연과 함께 마그네슘, 알루미늄 금속과 그 화합물도 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 보호막으로 이용되고 있다.

보호막의 도금은 용융 도금 방식이 가장 보편적으로 사용되고 있으며, 공정 기술의 개발과 발전으로 진공 공정을 이용한 박막 코팅도 일부 사용되고 있다.

진공 코팅 방법은 화학기상증착법과 물리증착법이 있다. 물리증착법은 일반적으로 순도가 높고 표면이 평활한 금속피막을 손쉽게 제조가 가능한 것으로 잘 알려져 있다. 물리증착법에는 크게 전자빔 기상증착, 열 기상증착, 스퍼터링(sputtering), 캐소드 아크(cathode arc) 등이 있다.

이에, 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 보호막으로 알루미늄을 철강 소재 상에 코팅하는 알루미늄 박막 코팅 방법을 제공한다.

또한, 진공 코팅 공정인 스퍼터링 방법을 이용하여 알루미늄 박막을 보다 치밀하게 철강 소재 상에 코팅될 수 있도록 한 알루미늄 박막 코팅 방법을 제공한다.

이를 위해 본 코팅 방법은 스퍼터링 공정을 통해 알루미늄 타겟과 시편 사이에 알루미늄 플라즈마를 형성하여 시편인 철강 소재 표면에 알루미늄 박막을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

본 코팅 방법은 상기 스퍼터링 공정이 진공 용기와 스퍼터링 소스, 알루미늄 타겟, 시편 홀더, 스퍼터링 소스에 자기장을 인가할 수 있도록 스퍼터링 소스 외부에 장착된 전자석, 전원 공급장치를 포함하는 스퍼터링 장비를 이용하여 이루어지고, 상기 전자석에 의한 자기장이 스퍼터링 소스에 의한 자기장에 영향을 미치도록 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절하는 단계를 포함하여 철강 소재 표면에 코팅되는 알루미늄의 조직의 치밀도를 제어할 수 있다.

전자석에 인가되는 전류의 방향은 알루미늄 이온을 스퍼터링 소스 앞에 속박하여 이온 밀도가 알루미늄 타겟 근처에서 높게 유지되는 방향으로 조절될 수 있다.

전자석에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A로 설정될 수 있다.

본 코팅 방법은 스퍼터링 공정 전에 시편을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 코팅 방법은 시편을 진공 용기에 장착하고, 글로 방전을 발생하여 시편을 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

글로 방전은 진공 용기 진공 배기 후 2×10^-2 토르(torr)의 압력까지 아르곤 가스를 주입하고, 직류전원을 30분간 인가하여 실시할 수 있다.

본 코팅 방법은 시편 세정 후 배기를 실시하고, 진공 용기 내에 아르곤 가스를 주입하여 2×10^-3 토르(torr)로 유지하고, 스퍼터링 소스에 1.5A의 직류전원을 인가하여 실시할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 코팅 방법은 치밀한 조직으로 알루미늄 박막을 철강 소재 상에 코팅할 수 있게 된다.

이에 알루미늄 박막을 철강 소재의 부식을 방지할 수 있는 보호막으로 이용할 수 있게 된다.

또한, 전자석의 전류 방향과 세기를 조절하여 알루미늄 박막의 치밀도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따라 철강 소재에 알루미늄을 코팅하기 위한 진공 장비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따라 철강 소재에 코팅된 알루미늄 박막의 조직을 도시한 도면이다.
도 3은 비교예에 따라 철강 소재에 코팅된 알루미늄 박막의 조직을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 코팅 방법은 스퍼터링 장비를 이용한 스퍼터링 공정을 통해 이루어진다.

이하 도면을 참조하여 스퍼터링 장비에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 알루미늄 코팅을 위한 스퍼터링 장비를 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 스퍼터링 장비(10)는 코팅이 이루어지는 진공 용기(11)와, 아루미늄 타겟(A), 알루미늄을 증발시킬 수 있는 원형 스퍼터링 소스(12), 진공 용기(11) 내부에서 시편(P)인 철강 소재를 지지하는 시편 홀더, 스퍼터링 소스(12)에 자기장을 인가할 수 있도록 된 전자석(14), 전원공급장치(15)를 포함한다.

진공 용기(11)는 일측에 배기구(16)와 가스주입구(17)가 형성되며, 고진공펌프가 장착되어 내부를 진공압으로 유지할 수 있게 된다.

또한, 상기 시편(P) 홀더는 시편(P) 홀더 회전장치(18)와 연결되어 필요시 시편(P) 홀더 회전장치의 구동에 의해 진공 용기(11) 내에서 회전된다.

상기와 같은 구조로 되어 본 스퍼터링 장비(10)는 진공 용기(11) 내부에서 타겟(A)인 알루미늄을 증발시켜 시편(P)인 철강 소재 표면에 알루미늄을 코팅하게 된다.

본 알루미늄 코팅 방법은 상기한 스퍼터링 장비(10)를 이용함으로써 소스(12)에 사용하는 자석의 세기와 자기력선의 모양에 따라 타겟(A)의 효율과 박막의 특성을 변화시키게 된다. 특히, 스퍼터링 소스(12)의 외부에 전자석(14)을 장착하고 전류를 전자석(14)에 인가하여 플라즈마를 구성하는 전자와 이온의 분포 위치를 조절할 수 있어, 박막의 조직이나 특성을 제어할 수 있게 된다. 이에 본 코팅 방법은 알루미늄 박막을 보다 치밀하게 코팅할 수 있게 된다.

이하, 상기 스퍼터링 장비(10)를 이용하여 알루미늄 박막을 코팅하는 과정에 대해 보다 상세하게 살펴본다.

본 코팅 방법은 시편(P)인 철강 소재를 세척하는 단계와, 세척된 시편(P)을 진공 용기(11) 내에 장착하고 세정하는 단계, 스퍼터링 소스(12)에 전류을 인가하여 알루미늄 박막을 코팅하는 단계, 전자석(14)에 전류를 인가하여 시편(P)에 코팅되는 알루미늄 박막의 치밀도를 제어하는 단계를 포함한다.

상기 세척단계는 진공 용기(11) 외부에서 이루어지며, 계면활성제를 사용하여 시편(P) 표면의 방청유를 제거하게 된다. 상기 세정단계는 진공 용기(11) 내부에서 글로 방전을 통해 이루어진다.

알루미늄 박막의 코팅은 불활성 가스 분위기에서 타겟(A)에 고전압을 인가하여 이루어진다. 이 과정에서 본 코팅 방법은 전자석(14)에 전류를 인가함으로써, 스퍼터링 소스(12)의 영구자석에 의해 생성된 자기장에 영향을 가하여 도금층의 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

본 실시예에서 상기 전자석(14)에 가해지는 전류의 방향은 전자석의 극성을 스퍼터링 소스(12)의 안쪽 자석의 극성과 동일한 자기장이 형성되도록 하여 알루미늄 이온을 알루미늄 타겟(A) 근처에서 높게 유지하도록 작용하는 방향으로 설정된다. 이에 알루미늄 이온을 알루미늄 타겟 근처에 속박하여 시편(P)에 손상이 가해지지 않게 된다.

이하 설명의 편의를 위해 상기와 같은 작용을 얻도록 하는 전류의 방향을 역방향이라 칭한다. 반대로, 전자석(14)의 극성을 스터터링 소스(12)에 부착된 바깥쪽 자석의 극성과 동일한 극성의 자기장을 형성하도록 유도함으로써 자기장이 시편(P)으로 지나가게 유도하여 시편(P) 부근에서 높은 이온 밀도를 갖도록 하는 전류의 방향을 순방향이라 칭한다.

본 코팅 방법에서 상기와 같이 전자석(14)에 역방향의 전류를 인가하는 경우 알루미늄의 박막의 조직이 치밀해진다. 반대로 순방향의 전류를 전자석(14)에 인가할 경우 알루미늄 박막의 조직에 많은 기공이 발생하게 된다.

이때, 전자석(14)에 역방향으로 인가되는 전류의 세기를 증가시키게 되면 시편(P)에 코팅되는 알루미늄의 조직은 더욱 치밀해진다.

본실시예에서 상기 전자석(14)에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A로 설정될 수 있다.

상기 전자석(14)에 인가되는 전류의 세기가 0.5A 이하인 경우에는 전자석에 의한 박막의 치밀화 효과가 나타나지 않으며, 5A를 넘게 되면 증착율 및 타겟 효율이 현저히 저하된다.

[실시예]

상기 스퍼터링 장비(10)를 이용하여 시편(P)인 철강 소재에 알루미늄 박막을 코팅하였다. 실험에는 직경이 4인치이며 두께는 1/4인치이고, 순도 99.99%인 알루미늄 타겟(A)이 사용되었다. 또한, 실험에 사용된 시편(P)은 두께 약 0.8mm의 냉연강판으로, 크기는 5×10㎟ 이다. 시편(P)은 진공 용기(11) 내에 장착하기 전에 방청유를 제거하기 위하여 계면활성제를 사용하여 세척하였다.

본 실시예에서 시편(P)을 진공 용기(11)에 장착한 후, 확산 펌프와 로터리 베인 펌프를 이용하여 진공도 2×10^-6 토르(torr)까지 진공 용기(11)를 배기하였다. 진공 배기 후 아르곤 가스를 진공 용기(11) 내부로 주입하였다. 아르곤가스 주입에 따라 진공 용기(11) 내부 진공도가 2×10^-2 토르(torr)에 도달하면, 직류 전원(또는 플러스 전원)을 사용하여 30분간 글로 방전을 실시한다. 이러한 글로 방전을 통해 시편(P)에 생성된 자연 산화막을 제거하게 된다. 글로 방전에 의한 시편(P)의 세정이 완료되면 진공 용기(11) 내로 주입되는 아르곤가스의 주입을 차단하고 기본 진공도인 2×10^-6 토르(torr)가지 진공 용기(11)의 배기를 실시한다. 진공 용기(11)의 압력이 기본 진공도에 이르면, 아르곤 가스를 주입하여 진공 용기(11)의 압력을 2×10^-3 토르(torr)로 유지한다. 이 상태에서 스퍼터링 소스(12)에 1.5A의 직류전원을 인가하여 알루미늄을 시편(P)에 30분간 코팅하였다.

그리고, 스퍼터링 소스(12)에 인가되는 자기장의 세기에 따라 코팅되는 알루미늄의 조직 변화를 관찰하기 위하여 스퍼터링 소스(12)를 감싸는 원형 전자석(14)에 0 ~ 3A의 전류를 순방향과 역방향으로 인가하였다. 그 결과 순방향으로 전류를 전자석(14)에 인가하여 알루미늄을 코팅한 경우 알루미늄 박막의 조직이 치밀하지 못하고 공극이 많이 존재한다는 것을 확인하였다. 반대로, 역방향 전류를 인가하는 경우 알루미늄 조직의 치밀도를 높일 수 있었다.

도 2와 도 3은 전자석(14)에 1.5A의 전류를 역방향으로 인가하였을 때와 전자석(14)에 전류를 인가하지 않았을 때의 시편(P)에 코팅되는 알루미늄 조직을 전자현미경을 이용하여 분석한 것이다. 도 2는 알루미늄 조직을 10만배로 확대한 도면이고, 도 3은 알루미늄 조직을 2만배로 확대한 도면이다.

도시된 바와 같이 전자석(14)에 역방향으로 전류를 인가한 경우가 전류를 인가하지 않은 경우보다 코팅된 알루미늄 박막 조직이 매우 치밀함을 알 수 있다. 따라서 본 코팅 방법은 스퍼터링 공정시 전자석(14)에 순방향의 전류를 인가함으로써 매우 치밀하고 밀착력이 우수한 알루미늄 코팅층을 철강 소재에 형성시킬 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims

스퍼터링 공정을 통해 알루미늄 타겟과 시편 사이에 알루미늄 플라즈마를 형성하여 시편인 철강 소재 표면에 알루미늄 박막을 코팅하는 단계를 포함하는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 스퍼터링 공정이 진공 용기와 스퍼터링 소스, 알루미늄 타겟, 시편 홀더, 스퍼터링 소스에 자기장을 인가할 수 있도록 스퍼터링 소스 외부에 장착된 전자석, 전원 공급장치를 포함하는 스퍼터링 장비를 이용하여 이루어지고,
상기 스퍼터링 공정시 상기 전자석에 의한 자기장이 스퍼터링 소스에 의한 자기장에 영향을 미치도록 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절하는 단계를 포함하여 철강 소재 표면에 코팅되는 알루미늄의 조직의 치밀도를 제어하는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 전자석에 가해지는 전류의 방향은 전자석의 극성을 알루미늄 이온을 알루미늄 타겟 근처에서 높게 유지하도록 작용하는 방향으로 설정되는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 전자석에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A인 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 스퍼터링 공정 전에 시편을 세척하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 시편 세척 후 시편을 진공 용기에 장착하고, 글로 방전을 발생하여 시편을 세정하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 글로 방전은 진공 용기 진공 배기 후 2×10^-2 토르(torr)의 압력까지 아르곤 가스를 주입하고, 직류전원을 30분간 인가하여 실시하는 알루미늄 박막 코팅 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 시편 세정 후 배기를 실시하고, 진공 용기 내에 아르곤 가스를 주입하여 2×10^-3 토르(torr)로 유지하고, 스퍼터링 소스에 1.5A의 직류전원을 인가하여 알루미늄을 코팅하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 박막 코팅 방법.