KR20120111425A

KR20120111425A - 알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120111425A
Application number: KR1020110029881A
Authority: KR
Inventors: 정재인; 양지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-10
Also published as: KR101245324B1

Abstract

피막의 기공을 최소화하여 치밀도를 높이고 두께를 얇게 하면서도 내식성을 향상시킬 수 있도록, 진공 증착 공정을 통해 알루미늄 타겟을 증발하여 기판 표면에 코팅막을 형성하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법에 있어서, 기판 전면을 향해 이송되는 알루미늄 증기의 진행 방향에 대해 기판을 경사지게 배치하여 코팅 공정을 수행하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법을 제공한다.

Description

알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법{ALUMINUM COATED STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 내식성 보호막 코팅 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 피막의 치밀도 및 내식성을 향상시킨 알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 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 도금하여 사용하는 것이 일반적이다. 아연과 함께 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 합금도 철강 소재의 부식을 방지하기 위한 보호막으로 이용되고 있다.

한편 고온 내식성이 요구되는 자동차 배기계 등의 기술분야에서는 용융알루미늄 도금강판이 널리 이용되고 있다. 이는 알루미늄 도금강판이 고온 내산화성 및 내약품성이 우수하기 때문이다. 알루미늄 도금강판은 실리콘이 첨가된 Al-Si 합금도금강판(TypeI)과 순수 알루미늄을 도금하는 Al 도금강판(TypeII)으로 구분되며각각의 용도에 맞추어 이용되고 있다.

알루미늄은 색상이 미려하고 내식성 및 내열성이 우수하여 화장품 케이스나 악세서리 등의 장식용 피막은 물론 반도체의 도전막, 자성재료나 강판의 보호피막, 온열 계통의 가전제품, 자동차용 머플러 등에 매우 폭 넓게 이용되고 있다. 또한 알루미늄은 이 금속이 갖는 제 특성(밀도가 낮고, 가공성, 반사도 및 열전도성이 우수)으로 인하여 산업상 응용분야가 매우 다양하다. 최근 우주개발이나 항공산업이 크게 발달하면서 각종 소재에 알루미늄을 피막처리 함으로서 내식성 및 기계적 성질을 우수하게 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

알루미늄은 전기도금으로 코팅할 경우 그 효율이 낮아 생산성이 떨어지기 때문에 용융도금과 물리증착법을 이용하여 코팅하고 있다. 용융도금은 건자재 및 자동차 배기계 등에 상용화되어 있으며 물리증착법으로 제조된 알루미늄 피막은 환경친화적이며 두께 제어가 용이한 장점 때문에 높은 반사도가 요구되는 각종 부품의 표면 코팅을 비롯하여 다양한 분야에서 그 응용이 확대되고 있다.

물리증착에는 크게 진공증착, 스퍼터링 그리고 이온플레이팅이 있으며 내식성 향상을 위한 목적의 경우는 일반적으로 스퍼터링 및 이온플레이팅 방법을 이용하고 있다.

스퍼터링은 불활성가스 분위기에서 타겟에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 발생시킨 후 플라즈마 내에 존재하는 불활성가스 이온이 타겟에 충돌하여 운동량 전달에 의해 타겟 물질을 기판으로 이송시켜 기판에 피막을 형성시키는 방법이다. 이러한 스퍼터링 공정에서는 스퍼터링 도중에 각종 증착 변수를 제어함에 의해 피막의 밀착력 및 치밀도 등의 제어가 가능하다.

물리증착으로 제조되는 알루미늄 피막은 대체로 피막층에 많은 미세 기공을 포함하고 있을 뿐만 아니라 기판과의 밀착성이 열악한 단점도 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서 진공증착의 경우는 기판을 고온으로 가열하여야 하며 이온플레이팅에서는 기판에 인가되는 전압을 증가시키거나 이온화율을 증대시키기 위해 더 많은 양의 방전 가스를 도입할 필요가 있게 된다. 그러나 기판을 고온으로 가열할 경우는 기판에 손상을 줄뿐만 아니라 기판이 고온이 될수록 부착량이 감소하여 경제성이 저하되며, 기판에 고전압을 인가하는 방법 또한 기판에 손상을 주게 된다. 방전가스 도입량을 증대하여 이온화율을 높이려 하면 방전가스가 피막에 혼입되어 피막을 손상시키게 되며 방전가스와 증발되는 알루미늄 사이에 산란이 일어나 역시 부착량의 감소를 초래하게 된다.

알루미늄은 기본적으로는 아연과 마찬가지로 강판보다 먼저 부식되어 강판을 보호하는 소위 희생방식의 원리로 강판의 내식성을 향상시키나, 아연과 달리 부동태 피막이 형성되면서 동일두께 기준으로 아연보다 우수한 내식성을 보인다. 결국 부동태 피막의 치밀도가 내식성을 좌우하게 되며, 안정적인 부동태 피막이 형성되기 위해서는 기공을 최소화할 수 있는 피막의 치밀도가 가장 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 내식성을 향상시키기 위해서는 치밀한 피막의 제조가 무엇보다 중요하다.

더불어, 내식성 코팅에서 중요한 요소의 하나로 코팅 두께가 있다. 알루미늄을 내식 및 내열 환경에서 사용하기 위해서는 피막의 두께를 증가시켜야 하는데, 피막의 두께가 증가하면 일반적으로 밀착력이 저하될 뿐만 아니라 표면도 거칠어지는 경향이 나타나게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로 합금이나 다층계 코팅을 실시하거나 아노다이징과 같은 고내식 피막층을 형성시키는 경우가 많다. 그러나 이들 방법은 공정이 까다롭게 합금이나 다층을 형성할 경우에 밀착 불량이 발생할 수 있는 가능성이 높다는 단점이 있다. 또한, 얇은 두께로 고내식성을 확보하는 것은 생산성 및 경제성과 직결되는 문제이므로, 알루미늄 피막을 얇게 하면서 내식성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

이에, 피막의 기공을 최소화하여 치밀도를 높이고 내식성을 향상시킨 알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법을 제공한다.

또한, 피막을 보다 얇게 하면서도 내식성을 높일 수 있도록 된 알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법을 제공한다.

또한, 보다 간단한 공정으로 다층의 코팅막을 형성하며, 다층 형성시 알루미늄의 밀착 불량을 최소화할 수 있도록 된 알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법을 제공한다.

이를 위해 본 제조 방법은 진공 증착 공정을 통해 알루미늄 타겟을 증발하여 기판 표면에 코팅막을 형성하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법에 있어서, 기판 전면을 향해 이송되는 알루미늄 증기의 진행 방향에 대해 기판을 경사지게 배치하여 코팅 공정을 수행하는 구조일 수 있다.

본 제조 방법은 알루미늄 증기의 이송 방향에 대한 기판의 경사 각도가 15 ~ 80도 일 수 있다.

본 제조 방법은 코팅막이 단일층일 수 있다.

본 제조 방법은 코팅막이 다층일 수 있다.

상기 다층을 이루는 각 코팅층의 두께는 코팅막 전체 두께의 1/10 ~ 1/3일 수 있다.

상기 다층을 이루는 각 코팅층은 코팅층 형성시 상기 경사각도가 서로 동일할 수 있다.

상기 다층을 이루는 각 코팅층은 코팅층 형성시 상기 경사각도가 서로 상이할 수 있다.

상기 다층을 이루는 각 코팅층은 코팅층 형성시 적층 순서에 따라 상기 경사각도가 서로 반대로 엇갈려 형성될 수 있다.

본 제조 방법은 상기 진공 증착 공정에서 알루미늄 타겟을 증발시키기 위한 증발원이 저항가열 증발원, 전자빔 증발원, 스퍼터링 증발원 및 아크 증발원에서 선택될 수 있다.

본 제조 방법은 알루미늄 코팅 공정이 스퍼터링 증발원, 스퍼터링 증발원에 자기장을 인가할 수 있도록 스퍼터링 증발원 외부에 장착된 전자석을 포함하는 스퍼터링 장비에 의해 이루어지고, 코팅 공정시 상기 전자석에 의한 자기장이 스퍼터링 증발원에 의한 자기장에 영향을 미치도록 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

전자석에 인가되는 전류의 방향은 스퍼터링에 의해 발생된 플라즈마를 타겟 부근에 구속하는 방향으로 조절될 수 있다.

전자석에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A로 설정될 수 있다.

한편, 본 알루미늄 코팅 강판은 기판과 기판 상에 알루미늄을 진공 증착하여 코팅한 코팅막을 포함하고, 상기 코팅막은 진공 증착시 알루미늄 증기가 기판 전면에 대해 경사지게 입사되어 증착된 구조일 수 있다.

본 알루미늄 코팅 강판은 코팅막의 알루미늄 증기의 입사 각도가 기판 전면에 대해 15도 ~ 80도 일 수 있다.

본 알루미늄 코팅 강판은 코팅막이 단일층일 수 있다.

본 알루미늄 코팅 강판은 코팅막이 다층일 수 있다.

상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 두께가 코팅막 전체 두께의 1/10 ~ 1/3일 수 있다.

상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 알루미늄 증기의 입사 각도가 서로 동일할 수 있다.

상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 알루미늄 증기의 입사 각도가 서로 상이할 수 있다.

상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 알루미늄 증기의 입사 각도가 적층순서에 따라 서로 반대로 엇갈려 형성될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면 피막의 치밀도 및 내식성을 보다 높일 수 있어 강판의 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 피막의 두께를 보다 얇게 하면서도 내식성을 높일 수 있어 경제성을 높일 수 있게 된다.

또한, 다층의 피막을 보다 간단한 공정을 통해 형성할 수 있어 제조가 용이하며, 다층으로 형성시에도 밀착 불량이 발생되지 않아 코팅 품질을 높일 수 있게 된다.

또한, 피막의 표면 조도 및 반사율을 높일 수 있어, 플라스틱이나 유리 또는 금속 제품에 대한 장식용 코팅 등 다양한 용도로 활용이 가능하다.

또한, 알루미늄 박막의 치밀도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따라 기판에 알루미늄을 코팅하기 위한 진공 장비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따라 기판에 단일층으로 형성된 코팅막을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따라 기판에 다층으로 형성된 코팅막을 도시한 개략적인 도면이다.
도 4와 도 5는 본 실시예에 따라 기판에 코팅된 코팅막을 전자현미경으로 분석한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 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 제조 방법에서 기판에 대한 알루미늄 코팅은 진공 증착 공정을 통해 이루어지며, 알루미늄을 증발하기 위한 증발원으로 저항가열 증발원, 전자빔 증발원, 스퍼터링 증발원 및 아크 증발원 등 다양한 공정이 적용될 수 있다.

이하 본 실시예는 스퍼터링 증발원을 이용한 진공 증착 장치를 통해 알루미늄을 기판에 증착하는 공정을 예로서 설명한다.

이하 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 알루미늄 코팅을 위한 진공 증착 장치를 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 제조 방법에서 사용되는 진공 증착 장치는 코팅이 이루어지는 진공 용기(11)와, 알루미늄 타겟(14), 알루미늄 타겟(14)에서 알루미늄을 증발시킬 수 있는 스퍼터링 증발원(12), 진공 용기(11) 내부에서 시편인 기판(15)을 지지하는 시편 홀더(16), 전원 공급을 위한 전원공급장치(19), 상기 시편홀더(16)를 경사지게 배치하여 기판(15) 전면을 향해 이송되는 알루미늄 증기의 이송 방향에 대해 기판의 경사각도(α)를 조절하는 각도조절장치(17)를 포함한다.

여기서 상기 경사각도(α)는 알루미늄 타겟(14)에서 기판으로 이송되는 알루미늄 증기의 진행 방향과 기판(15)의 전면이 이루는 각도로 정의될 수 있다. 상기 경사각도는 곧 기판의 전면에 대해 알루미늄 증기가 입사되는 각도인 입사각도를 의미한다. 종래에는 진공 증착시 알루미늄 타겟과 기판이 평행하게 배치되어 기판은 알루미늄 증기의 진행방향에 대해 직각을 이루므로, 기판의 경사각도는 90도를 이루게 된다. 본 제조 방법은 알루미늄 타겟에 대해 기판이 경사지게 배치되어 경사각도가 90도 이하인 상태에서 알루미늄이 기판에 증착된다.

상기 각도조절장치(17)는 시편홀더(16)의 후단 회전축을 중심으로 시편홀더를 회동시키는 구조일 수 있다. 상기 각도조절장치는 알루미늄 타겟의 전면에서 알루미늄 증기의 이송 방향에 대해 시편홀더를 원하는 각도로 조절할 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않는다.

또한, 본 실시예에서 상기 스퍼터링 증발원(12)은 비평형 마그네트론 방식이 적용된다. 비평형을 유지하기 위하여 본 장치는 상기 스퍼터링 증발원(12) 외부에 전자석(13)이 구비되어 스퍼터링 증발원에 자기장을 인가하는 구조로 되어 있다.

상기 진공 용기(11)는 일측에 가스도입구(18)가 형성되며, 고진공펌프가 장착되어 내부를 진공압으로 유지할 수 있게 된다.

본 알루미늄 코팅 강판 제조 방법은 상기 진공 증착 장치를 이용함으로써, 알루미늄 증기의 이송방향에 대해 경사지게 배치된 기판 표면에 알루미늄을 경사지게 코팅하게 된다.

이와 같이 기판이 경사지게 배치되어 경사각도(α)가 90도 보다 작아지게 되면 알루미늄 증기는 기판에 비스듬하게 입사된다. 이에 코팅막의 성장 조직도 달라지게 되어, 피막 조직의 성장이 제어되어 조직이 미세화되고 기공이 줄고 표면이 평활하면서 조직이 치밀한 코팅막을 기판 상에 형성할 수 있게 된다.

또한, 상기 경사각도를 조절함으로써, 기판에 코팅되는 코팅막의 특성을 제어할 수 있게 된다. 경사각도가 90도에서 점차 작아질수록 조직이 치밀해진다. 본 실시예에서 상기 경사각도(α)는 0도 이상 90이하일 수 있으나, 바람직하게는 15 ~ 80도의 범위로 설정될 수 있다. 상기 경사각도(α)가 80도 보다 크게 되면 알루미늄 증기의 입사각도가 커져 기판의 경사에 따른 알루미늄 코팅 효과가 충분히 나타나지 않는다. 상기 경사각도(α)가 15도보다 작은 경우에는 입사되는 알루미늄 증기의 손실이 커져 경제성이 나빠지게 된다.

본 제조 방법은 상기 기판의 경사각도(α)를 단일 각도로 고정한 상태에서 알루미늄 코팅막을 형성할 수 있다. 이 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(15)에는 알루미늄 증기의 입사각도가 동일한 단일층의 코팅막(30)이 형성된다.

또한, 본 제조 방법은 상기 기판의 경사각도를 제조 공중 정 적어도 한 번 이상 달리하여 알루미늄 코팅막을 형성할 수 있다. 이 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(15)에는 알루미늄 증기의 입사각도가 각각 상이한 다층의 코팅막(40)이 형성된다.

다층의 코팅막(40)을 이루는 각 코팅층(41,42,43)은 그 두께가 코팅막(40) 전체 두께의 1/10 ~ 1/3일 수 있다. 상기 각 코팅층(41,42,43)의 두께가 상기 범위를 벗어나게 되면 각 코팅층의 두께가 너무 얇거나 두꺼워져 기판에 알루미늄 증기를 기판에 경사지게 입사시킴으로써 얻어지는 효과가 나타나지 않는다. 즉, 각 코팅층의 두께가 너무 얇으면 조직의 치밀화 효과가 나타나지 않으며, 두께가 너무 두꺼워지면 다층 형성이 어렵고 다층의 효과가 나타나지 않는다.

여기서 상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층에 대한 알루미늄 증기의 입사 각도(α)가 서로 상이할 수 있다. 일예로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 코팅막(40)은 3개의 코팅층(41,42,43)으로 이루어지며 각 코팅층의 알루미늄 증기의 입사 각도가 적층순서에 따라 서로 반대로 엇갈려 형성될 수 있다. 반대로 엇갈려 형성된다 함은 알루미늄 증기의 진행방향을 기준선으로 하여 입사각도가 대향 형성되는 것을 의미한다.

상기와 같이 입사각도를 달리하는 간단한 과정을 통해 다층의 코팅막을 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다. 또한, 입사 각도를 달리하여 코팅막(40)을 형성함으로써, 단일층에 비해 조직을 더욱 치밀화하여 내식성을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 이는 코팅막 적층 순서에 따라 입사각도를 반대로 엇갈림으로써, 기공이 기판까지 연결되는 과정을 길게하거나 차단시킬 수 있고, 단일층에서 나타날 수 있는 빈 공간을 채우는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 경사각도 조절과 더불어 본 제조 방법은 스퍼터링 증발원(12)의 외부에 장착된 전자석(13)에 인가되는 전류를 조절하여 스퍼터링 증발원의 영구자석에 의해 생성된 자기장에 영향을 가함으로써, 코팅막의 조직이나 특성을 제어할 수 있게 된다.

본 실시예에서 상기 전자석(13)에 가해지는 전류의 방향은 전자석극성을 스퍼터링 증발원(12)의 안쪽 자석의 극성과 동일한 자기장으로 형성되도록 하여, 발생된 플라즈마가 알루미늄 타겟 근처에 구속되도록 작용하는 방향으로 설정된다. 이하 설명의 편의를 위해 상기와 같은 작용을 얻도록 하는 전류의 방향을 역방향이라 칭한다. 반대로, 전자석(13)의 극성을 스터터링 증발원(12)에 부착된 바깥쪽 자석의 극성과 동일한 극성의 자기장을 형성하도록 유도함으로써 자기장이 기판으로 지나가게 유도하여 기판(15) 부근에서 높은 이온 밀도를 갖도록 하는 전류의 방향을 순방향이라 칭한다.

본 제조 방법에서 상기와 같이 전자석(13)에 역방향의 전류를 인가하는 경우 알루미늄 코팅막의 조직이 치밀해진다. 반대로 순방향의 전류를 전자석(13)에 인가할 경우 과도한 이온 충돌로 인해 알루미늄 코팅막의 조직에 많은 기공이 발생하게 된다. 이때, 전자석(13)에 역방향으로 인가되는 전류의 세기를 증가시키게 되면 기판에 코팅되는 알루미늄의 조직은 더욱 치밀해진다.

본실시예에서 상기 전자석(13)에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A로 설정될 수 있다. 상기 전자석(13)에 인가되는 전류의 세기가 0.5A 이하인 경우에는 전자석에 의한 코팅막의 치밀화 효과가 나타나지 않으며, 5A를 넘게 되면 증착율 및 타겟 효율이 현저히 저하된다.

이하, 본 실시예에 따라 알루미늄 코팅 강판을 제조하는 과정에 대해 보다 상세하게 살펴본다.

본 제조 방법은 진공 증착 공정시 기판에 경사각도를 부여함으로써, 주상정 조직으로 성장하는 특징이 있는 알루미늄 피막의 성장조직을 제어하여 치밀도 및 내식성을 향상시키게 된다.

기판에 대한 알루미늄 코팅 전 전처리과정으로, 기판을 세척하는 단계와 세척된 기판을 진공용기 내에 장착하고 세정하는 단계, 알루미늄 타겟 청정 단계를 거친다. 그리고 기판이 설치된 시편홀더를 원하는 경사각도로 셋팅한 후 알루미늄 코팅 과정을 진행한다.

기판을 진공 용기 내에 장착하기 전의 전처리 방법으로 알칼리 세척과 초음파 세척을 순차로 진행한다. 기판의 전처리 방법은 처리되는 기판의 특성, 제거하려는 오염물질 등에 따라 달라진다. 강판의 경우 수송 중의 부식을 방지하기 위한 방청유가 사용되므로 본 실시예에서는 방청유 제거에 효율적인 방법으로 알칼리 용액을 이용한 세척 후 아세톤과 알코올을 이용한 초음파 세척을 실시하였다.

전처리를 거친 기판(15)은 기판홀더(16)에 부착시키고, 스퍼터링 증발원(12)에 알루미늄 타겟(13)을 고정시킨 다음 진공 용기(11)를 닫고 진공펌프(도면에 표시하지 않음)를 이용하여 원하는 진공도까지 배기한다. 진공도가 10^-6 토르 이하가 되면 기판의 청정을 위해 가스 주입구(18)를 통해 아르곤 가스를 주입하고 기판에 음의 전압을 인가하여 기판을 청정시킨다. 기판(15)의 청정은 기판에 존재하는 유기물과 같은 불순물뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다. 이들 불순물이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다.

기판(15)의 청정은 보통 10^-2 토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 기판에 400?1000 V의 음의 전압을 인가하여 글로방전을 유도시켜 실시한다. 이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 기판에 충돌하여 기판에 존재하는 불순물을 제거하게 된다.

기판(15)의 청정이 끝나면 다음 단계로 알루미늄 타겟(14)을 청정한다. 알루미늄 타겟(14)의 청정은 알루미늄 타겟(14) 표면에 존재하는 불순물을 제거하기 위한 것으로 스퍼터링 공정의 바로 전에 실시한다. 스퍼터링 증발원(12)에 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨 후 약 3분간 스퍼터링을 시켜 알루미늄 타겟(14)을 청정시킨다.

알루미늄 타겟(14) 청정이 끝나면 각도조절장치(17)를 구동하여 기판을 지지하는 시편홀더의 각도를 조절하여 알루미늄 타겟에 대해 경사지게 배치한다. 이에 시편홀더에 설치된 기판의 전면이 알루미늄 증기의 진행방향에 대해 경사지게 배치된다. 이 상태에서 정해진 시간에 따라 기판에 알루미늄을 코팅한다. 알루미늄의 코팅은 상기 알루미늄 타겟(14)에 고전압을 인가하여 이루어진다. 이에 알루미늄 타겟에서 증발된 알루미늄 증기는 기판에 경사지게 입사된다. 따라서 기판에 기공이 거의 없이 치밀한 조직의 코팅막이 형성될 수 있게 된다.

이때, 다층으로 코팅막을 형성하는 경우에는 정해진 각도에서 일정 두께를 코팅한 후, 각도조절장치(17)를 이용하여 시편홀더의 경사각도를 다시 조절하고 다음 코팅층을 형성한다. 이러한 과정을 반복하여 원하는 개수로 다층의 코팅막을 형성할 수 있다.

이 과정에서 전자석(13)에 전류를 인가함으로써, 스퍼터링 증발원(12)의 영구자석에 의해 생성된 자기장에 영향을 가하여 도금층의 특성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

[실시예]

상기 제조 과정을 거쳐 가로, 세로가 각각 10cm이고 두께가 1mm인 냉간 압연된 강판 상에 알루미늄 코팅막을 형성하였다.

기판(15)은 진공용기(11)에 장입하기 전에 알칼리 용액을 이용하여 탈지한 후 아세톤과 알코올을 이용하여 각각 10분간 초음파 세척을 실시하였다. 그리고 진공용기(11)에 알루미늄 타겟(14)을 설치하고 기판(15)을 장착한 다음 진공펌프를 이용하여 배기하였다. 진공도가 10^-6토르 이하가 되면 기판(15)의 청정을 위해 가스 도입구(18)를 통해 5 x 10^-2토르의 아르곤 가스를 주입하여 글로방전에 의해 기판 청정을 실시하였다. 이때 기판(15) 인가한 전압은 800V였고, 전류는 200?400mA로 하여 30분간 청정을 실시하였다. 기판의 청정이 끝나고 진공도가 다시 10^-6토르 이하가 되면 아르곤 가스를 3x10^-3 토르가 되도록 주입하고 스퍼터링 증발원(12)에 300W의 전력을 인가하여 알루미늄 타겟의 청정을 실시하였다. 타겟 청정이 완료되면, 각도 조절장치(17)를 이용하여 시편홀더의 각도를 조절하여 알루미늄 타겟(14) 표면에 대해 기판(15) 표면이 경사지게 배치되도록 한다. 그리고 전자석(13)에 3A의 전류를 역방향으로 인가한 후 스퍼터링 증발원(12)에 600W의 전력을 인가하고 원하는 두께로 기판 상에 알루미늄을 코팅하였다. 코팅막을 다층으로 적층 형성하는 경우 먼저 5분간 증착하여 1㎛의 두께로 알루미늄을 코팅하였다. 그리고 각도조절장치(17)를 이용하여 시편홀더(16)를 반대쪽으로 회전시킨 후 다시 5분간 코팅하여 다음 코팅층을 형성하였다. 상기 과정을 반복하여 원하는 두께로 알루미늄 코팅막을 적층 형성하여 코팅 공정을 완료하였다.

상기 제조 과정에서 기판에 대한 알루미늄 증기의 입사각도, 기판에 코팅되는 코팅막의 두께와 적층 층수, 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 달리하여 코팅막의 특성 변화를 확인하였다.

아래 표 1은 각 조건에 따라 제조된 알루미늄 코팅 강판의 조도 및 반사율과 염수분무 시험에 의한 적청 발생 개시 시간을 비교하여 나타낸 것이다.

실시예	전자석 전류 방향과 세기(A) /코팅두께(㎛)	경사 각도(도)/ 코팅층 수	조도(nm) / 반사율(%)	적청 발생 개시 시간 (시간)
발명예 1	역방향(3) / 3	45 / 3	25 / 60	264
발명예 2	역방향(3) / 3	30 / 1	20 / 85	120
발명예 3	역방향(3) / 3	60 / 4	15 / 72	168
발명예 4	순방향(3) / 3	45 / 4	40 / 32	120
발명예 5	역방향(3) / 6	45 / 6	50 / 60	408
발명예 6	전류인가 없음 / 3	30 / 4	45 / 58	120
비교예 1	순방향(3) / 3	0 / 1	150 / 5	48
비교예 2	역방향(3) / 3	0 / 1	70 / 30	72
비교예 3	전류인가 없음 / 3	0 / 1	85 / 10	48
비교예 4	전류인가 없음 / 6	0 / 1	110 / 5	144

표 1에서 전자석의 전류 방향과 세기는 스퍼터링 증발원(12)에 부착된 전자석(13)의 자기장 방향이 스퍼터링 증발원(12)에 설치된 외부자석의 자기장과 일치하는 방향을 순방향으로 표시하였고 그 반대의 방향을 역방향으로 표시하였으며 전자석의 전류를 인가하지 않은 경우는 전류인가 없음으로 표기하였고 전류의 세기 단위는 A로 표기하였다. 경사각도는 기판 표면과 알루미늄의 입자의 진행방향이 이루는 각도를 표기한 것이며 코팅층의 수는 경사각을 교대로 바꿔가면서 증착한 전체 코팅층의 총 수를 표기한 것이다. 표면조도는 스타일러스 측정기를 이용하여 측정하였고, 반사도는 분광분석기를 이용하여 가시광선의 전 영역을 측정한 후 평균값을 계산하여 나타낸 것이다. 염수분무 시험은 ASTM-B-117 규격을 기반으로 5% NaCl 용액을 분사하는 시험을 실시한 후 적청 발생 개시 시간을 측정하여 이루어졌다.

여기서, 발명예 1 내지 발명예6은 기본적으로 기판에 경사각도를 부여하고 경사각도나 코팅층 층수 또는 전류 방향과 세기를 달리하여 제조한 강판이며, 비교예 1 내지 비교예 4는 경사각도를 주지 않고 기판을 타겟과 평행하게 유지한 상태, 즉 알루미늄 증기가 기판 표면에 수직으로 입사하는 상태에서 제조된 강판이다.

표 1에 도시된 바와 같이, 전자석에 인가되는 전류의 방향이 역방향이며 기판에 경사각도를 준 경우 표면조도와 반사율에서 월등한 효과가 있음을 알 수 있다. 또한, 적청 발생 개시 시간을 통해 확인할 수 있듯이 경사각도를 부여하여 코팅막을 형성하였을 때 강판의 내식성이 월등히 향상됨을 알 수 있다.

도 4는 상기 발명예 1과 비교예 2의 단면을 주사전자현미경을 이용하여 분석한 것이다. 도 4에서 (a)는 발명예 1의 단면이고, (b)는 비교예 2에 대한 단면이다.

도 4에서와 같이, 발명예 1의 경우 비교예 2와 비교하여 강판의 단면이 매우 치밀하며 기공이 거의 보이지 않고 특별한 형태의 조직을 형성하지 않고 결정의 크기도 상대적으로 미세하게 성장하고 있음을 알 수 있다.

도 5는 도 4의 강판에 대해 투과전자현미경을 이용하여 보다 자세하게 분석한 것이다. 도 5에서 (a)는 발명예 1의 단면이고, (b)는 비교예 2에 대한 단면이다. 도 4에서 흰색의 타원형 마크는 결정조직을 표시하는 것으로, 인용예 1의 경우 결정의 크기가 크게 성장하면서 하나의 결정이 강판에서 코팅층 표면까지 길게 연결되어 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 발명예 1의 경우 코팅층의 성장조직이 작으며 작은 결정들이 서로 겹쳐져 있음을 볼 수 있다.

도시된 바와 같이 기판을 경사지게 배치하여 알루미늄 증기의 입사각도를 경사지게 함으로써, 코팅막의 조직이 매우 치밀해지고 내식성이 향상되며, 표면 조도 및 반사율이 우수한 알루미늄 코팅 강판을 제조할 수 있다.

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

진공 증착 공정을 통해 알루미늄 타겟을 증발하여 기판 표면에 코팅막을 형성하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법에 있어서,
기판 전면을 향해 이송되는 알루미늄 증기의 진행 방향에 대해 기판을 경사지게 배치하여 코팅 공정을 수행하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 진공 증착 공정에서 알루미늄 타겟을 증발시키기 위한 증발원이 저항가열 증발원, 전자빔 증발원, 스퍼터링 증발원 및 아크 증발원에서 선택되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅막은 단일층으로 제조되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅막이 적어도 하나 이상의 코팅층을 차례로 적층하여 다층으로 제조되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 다층을 이루는 코팅막의 각 코팅층의 두께는 코팅막 전체 두께의 1/10 ~ 1/3인 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 다층을 이루는 코팅막의 각 코팅층은 코팅층 형성시 상기 알루미늄 증기의 진행 방향에 대한 기판의 경사 각도가 서로 상이하게 제조되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 각 코팅층은 적층 순서에 따라 상기 경사각도가 서로 반대로 엇갈려 형성되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알루미늄 증기의 진행 방향에 대한 기판의 경사 각도가 15도 ~ 80도 인 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 진공 증착 공정이 스퍼터링 증발원, 스퍼터링 증발원에 자기장을 인가할 수 있도록 스퍼터링 증발원 외부에 장착된 전자석을 포함하는 스퍼터링 장비에 의해 이루어지고,
코팅 공정시 상기 전자석에 의한 자기장이 스퍼터링 증발원에 의한 자기장에 영향을 미치도록 전자석에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절하는 단계를 포함하는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 전자석에 가해지는 전류의 방향은 전자석의 극성을 스퍼터링에 의해 발생된 플라즈마를 알루미늄 타겟 근처로 구속하도록 작용하는 방향으로 설정되는 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 전자석에 인가되는 전류의 세기는 0.5 ~ 5A인 알루미늄 코팅 강판 제조 방법.
기판과, 상기 기판 상에 알루미늄을 진공 증착하여 코팅한 코팅막을 포함하고,
상기 코팅막은 진공 증착시 알루미늄 증기가 기판 전면에 대해 경사지게 입사되어 증착된 구조의 알루미늄 코팅 강판.
제 12 항에 있어서,
상기 기판 전면에 대한 알루미늄 증기의 입사 각도는 15도 ~ 80도 인 알루미늄 코팅 강판.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 코팅막은 단일층인 알루미늄 코팅 강판.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 코팅막은 적어도 하나 이상의 코팅층이 적층된 다층 구조인 알루미늄 코팅 강판.
제 15 항에 있어서,
상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 두께가 코팅막 전체 두께의 1/10 ~ 1/3인 알루미늄 코팅 강판.
제 15 항에 있어서,
상기 코팅막은 다층을 이루는 각 코팅층의 알루미늄 증기의 입사 각도가 서로 상이한 알루미늄 코팅 강판.
제 17 항에 있어서,
상기 각 코팅층은 적층 순서에 따라 상기 입사 각도가 서로 반대로 엇갈려 형성되는 알루미늄 코팅 강판.