KR20140029602A - 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사기능재료 조성물의 코팅방법 및 경사기능재료 조성물에 관한 발명이다.
본 발명에 따른 코팅방법은 경사기능재료를 금속재료에 코팅하는 경우 코팅 두께가 일정하고, 크랙이 발생하지 않으면서도 신속한 코팅의 제공이 가능하다. 또한 코팅양의 급격한 변화 없이 일정한 코팅 두께의 조절이 가능한 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물에 관한 발명이다.
또한 본 발명에 따른 코팅방법을 가지고 금속재료에 경사기능재료를 코팅하게 되면, 모서리 등 일부분이라도 누락되거나 그 양이 불규칙하지 않으면서도 크랙이 발생되지 않게 코팅하는 방법으로서, 상기 금속재료 전체에 고르고 균일하면서도 크랙이 발생하지 않는 코팅을 가능하게 한다.
또한 본 발명에 따른 코팅방법을 가지고 금속재료에 경사기능재료 조성물을 코팅하게 되면, 상기 금속재료가 어떤 형태와 모양을 가지고 있다 하더라도 두께가 균일하고 크랙이 발생하지 않게 상기 경사기능재료 조성물을 코팅할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물은 경사기능재료의 활용도가 높은 우주항공기를 비롯한 우주개발산업, 핵융합발전용 반응기 및 이차전지 산업 등에 획기적 발전을 가져올 것으로 기대된다.

Description

경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물{Coating method using Functionally Gradient Material composition and Functionally Gradient Material composition}

본 발명은 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 균일한 코팅 두께를 달성함과 동시에 크랙이 발생하지 않으면서 신속한 코팅을 가능하게 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물에 관한 발명이다.

경사기능재료(Functionally Gradient Material, FGM)란 재료의 두께 방향으로 성분과 조성을 연속적으로 변화시킨 소재를 말한다. 우주 왕복선 등의 우주항공기 및 무인항공기에는 공기와의 마찰, 엔진에서 연료의 연소, 노즐에서 발생하는 고온의 연소가스 등으로 인해 많은 구성 부품에서 고온의 열이 발생한다.

이렇게 발생한 고온의 열로부터 부품 등을 보호하기 위해서는 기존의 소재로는 한계가 있었다. 이의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것이 바로 경사기능재료이다. 이러한 경사기능재료는 고온의 환경에서 열에 저항하기 위해 한 쪽 재료는 세라믹으로 하고, 다른 쪽 재료는 가볍고 구조적 강성을 지닌 금속 재료를 사용하여 점차적으로 조성을 변화시키는 일종의 복합재료인 것이다. 이러한 경사기능재료는 구성요소의 적당한 조합에 의해 열응력을 줄일 수 있으므로 초고온 환경에 적합한 항공우주 분야 및 핵 연료반응분야 등에서 계속적인 개발 및 발전을 이루어 그 활용 범위를 넓히고 있다.

이렇게 활용 범위가 넓어지면서 코팅 재료로서 경사기능재료의 활용 범위도 크게 증가하고 있다.

한편 금속재료에 경사기능재료를 코팅함에 있어서, 기존에는 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PCD), 화학기상증착(Chemical Vopor Deposition, CVD) 및 전기영동법(Electrophoretic Deposition, EPD)에 의한 코팅법이 있었다. 이 중 전기영동법은 수용액이나 유기용매와 같은 분산매체 중에 콜로이드 입자의 표면에 대전되는 전하를 이용하여, 외부에서 전류/전압을 걸어 입자의 움직임을 제어하는 기술이다. 이러한 전기영동법은 코팅 속도가 상대적으로 빠르고 두꺼운 코팅 층의 제작이 가능하며, 다양한 종류와 모양의 기판 위에 균일한 코팅이 가능하다는 장점이 있어 나머지 방법들보다 더욱 많이 사용되고 있다.

하지만, 이러한 전기영동법에 의한 코팅이 금속재료의 코팅에는 다양한 장점들을 가짐에도 불구하고, 이를 경사기능재료의 코팅에 적용하는 경우 균일한 코팅 두께를 달성하기 어렵고 크랙(Crack)이 발생하는 문제점 있었다. 그리하여 전기영동법이 가진 장점에도 불구하고 경사기능재료에는 전기영동법에 의한 코팅이 도입되기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 경사기능재료의 신속한 코팅에도 불구하고 균일한 두께를 가지며, 크랙이 발생하지 않는 경사기능재료의 코팅방법 및 경사기능재료 코팅 조성물을 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법은 1) 경사기능재료 조성물을 제조하는 단계, 및 2) 상기 조성물을 펄스 전기영동에 의하여 금속재료에 코팅하는 단계를 포함한다.

또한 상기 펄스 전기영동은 펄스폭이 1ms~20ms인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 펄스 전기영동은 듀티 사이클(Duty cycle)이 10~50%인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 2)단계의 펄스 전기영동은 10V~150V의 전압에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 경사기능재료는 Ni, Ti, W, Co, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 코팅의 시간은 하나의 층을 형성하는데 소요되는 코팅의 시간이 1초 내지 30초인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 2)단계 후 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 건조하는 단계 후 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 경사기능재료 조성물은 듀티 사이클(Duty cycle)을 10%~50%로 하여 펄스 전기영동으로 금속재료에 코팅하는 경우 코팅되는 양은 0.1g~0.35g으로 코팅된다.

또한 상기 펄스 전기영동은 펄스폭이 1ms~20ms인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 코팅방법은 경사기능재료를 금속재료에 코팅하는 경우 코팅 두께가 일정하고, 크랙이 발생하지 않으면서도 신속한 코팅의 제공이 가능하다. 또한 코팅양의 급격한 변화 없이 일정한 코팅 두께의 조절이 가능한 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물에 관한 발명이다.

또한 본 발명에 따른 코팅방법을 가지고 금속재료에 경사기능재료를 코팅하게 되면, 모서리 등 일부분이라도 누락되거나 그 양이 불규칙하지 않으면서도 크랙이 발생되지 않게 코팅하는 방법으로서, 상기 금속재료 전체에 고르고 균일하면서도 크랙이 발생하지 않는 코팅을 가능하게 한다.

또한 본 발명에 따른 코팅방법을 가지고 금속재료에 경사기능재료 조성물을 코팅하게 되면, 상기 금속재료가 어떤 형태와 모양을 가지고 있다 하더라도 두께가 균일하고 크랙이 발생하지 않게 상기 경사기능재료 조성물을 코팅할 수 있다.

그러므로 본 발명에 따른 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물은 경사기능재료의 활용도가 높은 우주항공기를 비롯한 우주개발산업, 핵융합발전용 반응기 및 이차전지 산업 등에 획기적 발전을 가져올 것으로 기대된다.

도 1은 펄스 전기영동을 실시할 수 있는 장치를 나타낸 사진이다.
도 2는 경사기능재료 조성물을 제조하는 방법 및 단계(도 2a)를 간략하게 나타낸 모식도와 상기 경사기능재료 조성물을 이용하여 층상 코팅한 경우 그 단면의 층상 조성을 나타낸 그림(도 2b)이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예에서 펄스 전기영동을 실시하기 위한 듀티 사이클 및 펄스 폭의 조건을 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예에 의한 계속적 DC 방식에 의한 전기영동법으로 경사기능재료를 코팅한 경우의 상태를 나타낸 사진이다.
도 5는 각 층별 코팅 시간의 변화에 따른 경사기능재료(FGM)의 코팅 양 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 따른 실시예와 비교예의 경우 각 층별 코팅 시간을 달리하여 코팅한 경우의 상태를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 전압을 달리하여 코팅한 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅양 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예에서 듀티 사이클(Duty cycle)를 달리하여 실시한 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅양 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예에서 듀티 사이클(Duty cycle)를 달리하여 실시한 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅 상태를 보여주는 BSE 이미지 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예에서 펄스폭(Pulse width)을 달리하여 실시한 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅 양 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예에서 코팅 층의 개수를 달리하여 실시한 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅 상태를 보여주는 BSE 이미지 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 실시예에서 코팅 층의 개수를 달리하여 실시한 경우 경사기능재료(FGM)의 실제 코팅 상태를 보여주는 사진이다.

이에 본 발명자들은 경사기능재료를 코팅하여도 균일한 두께의 코팅이 가능하며, 크랙이 발생하지 않는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물을 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법 및 경사기능재료 조성물을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

일반적으로 경사기능재료는 두께 방향으로 성분과 조성을 연속적으로 변화시킨 소재를 말한다. 예를 들어 A, B 두 가지 성분의 경사기능재료인 경우, 표면층인 최상단층은 A만으로, 반대면층인 최하단층은 B만으로, 중간층은 A와 B의 혼합물로 이루어지는 구조를 가질 수 있다.

또한 전기영동 현상은 전기장 안에서 하전된 입자가 양극 또는 음극 쪽으로 이동하는 현상을 말하며, 전기영동법이란 이러한 전기영동을 이용한 코팅법으로서 상기 전기영동법에 의한 코팅은 두꺼운 두께 및 신속한 코팅을 가능하게 하는 장점이 있다.

하지만, 상기 경사기능재료를 코팅용 조성물로 하고 이를 전기영동법에 의해 금속 재료에 코팅하는 경우에는, 다른 코팅용 조성물과는 달리 코팅양의 조절이 어려워 일정하고 균일한 코팅 두께를 달성하기가 어렵고, 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 그리하여 경사기능재료 조성물을 금속재료에 코팅하는 경우에는 전기영동법을 도입하기 어려운 문제점이 있었다.

이에 전기영동법을 통해 경사기능재료 조성물을 금속 재료에 코팅하는 경우에도 전체적으로 일정하고 균일한 두께로 코팅하는 것을 가능하게 하고, 크랙이 발생하지 않게 코팅하면서도, 어떠한 형태와 모양을 가진 금속재료에도 신속한 코팅을 가능하게 하는 본 발명을 완성하였다.

구체적으로 본 발명에 따른 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법은 1) 경사기능재료 조성물을 제조하는 단계, 및 2) 상기 조성물을 펄스 전기영동에 의하여 금속재료에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 펄스 전기영동에 의한 코팅이란, 상기 경사기능재료를 전기영동법에 의해 코팅하되 지속적으로 전압을 인가하는 방식이 아니라, 일정한 전압을 일정한 주기와 간격을 두고 인가하는 방식으로 코팅하는 것일 수 있다.

또한 상기 펄스 전기영동에 있어서, 펄스폭(Pulse width)이란 펄스의 상승 시간과 하강 시간에서 진폭이 2/1이 되는 시간의 간격일 수 있다. 또한 상기 펄스 전기영동에 있어서, 듀티 사이클(Duty cycle)이란 한 주기(전류가 흐른 시간 + 전류가 흐르지 않은 시간)에 대한 전류가 흐른 시간의 비일 수 있다.

상기 경사기능재료는 복합재료로서 우수한 내열성과 내구성을 달성할 수 있는 복합재료에 해당한다면 특별한 제한 없이 사용될 수 있는 것이지만 바람직하게는 세라믹과 금속을 혼합한 복합재료일 수 있다. 또한 더욱 바람직하게는 상기 세라믹은 Al₂O₃, ZrO₂, SiC 및 Si₃N₄로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 금속은 Ni, Ti, W 및 Co로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.

상기 경사기능재료 조성물은 상기 세라믹과 상기 금속을 혼합한 조성물일 수 있으며, 그 비율은 조성 비율의 변화에 따라 달성되는 경사기능재료의 기능 및 특성을 달성할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 0~100:0~100 부피% 또는 중량%의 비율일 수 있다.

상기 세라믹 또는 금속의 조성 비율이 각각 0 부피% 또는 중량%가 포함될 수 있는 이유는 세라믹 또는 금속의 0 부피% 또는 중량%로부터 100 부피% 또는 중량%까지 발현되는 경사기능재료 조성물을 통해 세라믹 또는 금속을 기준으로 하는 한 쪽의 성질로부터 금속 또는 세라믹을 기준으로 하는 다른 쪽의 성질로 변해가는 경사기능재료의 양상과 특성을 충분히 발현시킬 수 있어 바람직하다. 또한 한 쪽에서 다른 쪽으로 성질이 변해가는 양상으로서 조성 비율을 점차적으로 변화시키는 패턴으로 하여 층상 코팅으로 실시하는 경우 경사기능재료로서의 성능 및 양상이 보다 우수하게 발현될 수 있어 바람직하다.

상기 층상 코팅은 경사기능재료로서의 특성을 충분히 발현시킬 수 있는 것이라면 코팅층의 갯수에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 내부에서 균열이 생기지 않으면서 두께가 지나치게 두꺼워지지 않을 정도의 층상 코팅을 실시하는 것이 바람직하다.

상기 2)단계에서 펄스 전기영동의 펄스폭(Pulse width)은 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅임에도 균일한 두께 및 크랙을 발생시키지 않도록 경사기능재료 조성물을 코팅시키는 것이라면 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 1ms~20ms(millisecond, 밀리세컨드)의 범위에서 실시할 수 있다. 상기 펄스폭이 1ms 미만인 경우에는 펄스폭이 지나치게 작아 펄스 전기영동을 실시하는 효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않으며, 상기 펄스폭이 20ms를 초과하는 경우에는 펄스 전기영동을 실시하여 경사기능재료를 코팅함에도 불구하고 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 급격히 증가 할 수 있어 바람직하지 않다.

상기 2)단계의 펄스 전기영동에서 듀티 사이클(Duty cycle)은 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅임에도 균일한 두께 및 크랙을 발생시키지 않도록 경사기능재료 조성물을 코팅시키는 것이라면 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 10~50 %의 범위에서 실시할 수 있다. 상기 듀티 사이클이 10% 미만인 경우에는 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 적어 코팅의 효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않으며, 상기 듀티 사이클이 50%를 초과하는 경우에는 듀티 사이클로서 허용되는 값을 초과하여 바람직하지 않다.

상기 2)단계의 펄스 전기영동에서 전압은 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅임에도 균일한 두께 및 크랙을 발생시키지 않도록 경사기능재료 조성물을 코팅시키는 것이라면 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 10~150 V의 범위에서 실시할 수 있다. 상기 전압이 10 V 미만인 경우에는 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 적어 바람직하지 않으며, 상기 전압이 150 V를 초과하는 경우에는 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 많아지고 두께가 두꺼워지며 크랙이 발생할 우려가 있으므로 바람직하지 않다.

상기 2)단계와 같이 경사기능재료 조성물을 금속재료에 코팅하는 경우 본 발명과 같이 일반적인 전기영동이 아닌 펄스 전기영동에 의해 코팅하는 경우 신속한 코팅을 가능하게 하는 전기영동법의 장점을 유지할 수 있다. 또한 경사기능재료 조성물을 전기영동법에 의하여 코팅하는 경우 코팅양의 조절이 어려워 두께가 균일하지 않으면서 크랙이 발생되는 문제가 있다. 하지만, 본 발명과 같이 전기영동법에 의하면서도 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우 두께가 균일하게 코팅되면서도 크랙이 발생되지 않아 바람직하다.

즉, 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료를 금속재료에 코팅하는 경우 일정하고 균일한 양으로 코팅하는 것이 가능하여 균일한 두께의 코팅이 가능하며, 또한 크랙이 발생되지 않게 코팅할 수 있어 바람직하다. 또한 상기 펄스 전기영동에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅시 상기 펄스폭과 상기 듀티 사이클의 범위에서 코팅하게 되면 코팅의 두께와 밀도의 조절이 가능하여 바람직하다.

또한 상기 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 금속재료에 코팅하는 경우, 상기 금속재료의 일부분이 아닌 전체에 걸쳐 균일한 두께로 크랙이 발생하지 않게 코팅하는 것이 가능하므로 우수한 경사기능재료 조성물의 코팅방법에 해당할 수 있어 바람직하다. 이와는 반대로 본 발명에 따른 펄스 전기영동이 아닌 일반적인 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 금속재료 코팅은 균일한 두께의 달성이 어렵고 크랙이 발생할 뿐만 아니라, 금속재료의 부분별로 코팅되는 양이 다르고 금속재료 일부에 걸쳐서는 코팅이 제대로 이루어지지 않아 바람직하지 않다. 이는 분자 또는 해당 물질의 크기 및 무게에 따른 이동 속도의 차이가 발생할 수 밖에 없는 전기영동법에 의한 코팅이 복합재료로서 각 물질의 상이한 성질을 활용하여 형성된 경사기능재료에서는 각 물질의 이동속도가 달라질 수 있음에 따라 나타나는 결과인 것으로 판단된다.

또한 상기 펄스 전기영동에 의하여 경사기능재료 조성물을 금속재료에 코팅하게 되면, 상기 금속재료가 어떠한 모양과 형태를 가지고 있다 하더라도 두께가 균일하고 크랙이 발생하지 않게 코팅할 수 있어 바람직하다.

그러므로 본 발명에 따른 펄스 전기영동에 의해 상기 경사기능재료 조성물을 금속재료에 코팅하는 것은 상기 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 금속재료 코팅시 발생하는 문제점을 해결하는 수단이 되므로 바람직한 경사기능재료 조성물의 코팅방법이다.

상기 금속재료는 코팅 후에도 경사기능재료의 기능 및 성질을 저하시키거나 방해하지 않는 금속재료이면서, 상기 경사기능재료 조성물을 코팅용 조성물로 사용하는 경우 내열성 및 내구성 등이 우수하게 달성되는 금속재료라면 특별한 제한 없이 본 발명에 적용될 수 있다.

상기 2)단계에서 상기 코팅의 시간은 하나의 층을 형성하는데 소요되는 코팅의 시간이 1초 내지 30초인 것이 바람직하다. 상기 코팅 시간이 1초 미만인 경우에는 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 적어 바람직하지 않고, 상기 코팅 시간이 30초를 초과하게 되면 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 많아지게 되고 두께도 두꺼워지며 크랙이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다.

상기 2)단계 후에는 코팅의 결과가 충분히 달성될 수 있도록 건조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 건조하는 단계 후에는 코팅으로 달성된 효과를 장시간 유지하며 상기 금속재료에 경사기능재료 조성물의 부착력을 더욱 향상시키기 위해 소결하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 경사기능재료 조성물은 듀티 사이클(Duty cycle)을 10%~50%로 하여 펄스 전기영동으로 금속재료에 코팅하는 경우 코팅되는 양은 0.1g~0.35g으로 코팅될 수 있다.

상기 듀티 사이클을 10% 미만으로 펄스 전기영동 하는 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 지나치게 적어 바람직하지 않으며, 듀티 사이클이 50%를 초과하는 경우 듀티 사이클로서 허용되는 값을 초과하는 것이 되어 바람직하지 않다.

상기 펄스 전기영동에서 펄스폭은 1ms~20ms일 수 있다. 상기 펄스폭이 1ms 미만인 경우에는 펄스폭이 지나치게 작아 펄스 전기영동을 실시하는 효과를 충분히 달성할 수 없어 바람직하지 않고, 상기 펄스폭이 20ms를 초과하는 경우 경사기능재료(FGM)의 코팅 양이 급격히 증가할 수 있어 바람직하지 않다.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1:

Ni과 Al₂O₃을 준비하였으며 이를 혼합하여 Ni-Al₂O₃인 경사기능재료를 제작하였다. 이때 power source meter(Keithley. 2611A모델)를 사용하여 Ni과 Al₂O₃의 조성 비율이 각각 100:0, 75:0, 50:50, 25:75 및 0:100의 부피%가 되도록 하여, 각각의 부피%를 갖는 경사기능재료를 제작하였다.

이를 Ni 기판에 펄스 전기영동으로 코팅하였다. 이때 사용된 장비는 펄스 전기영동 시스템의 적용이 가능한 power source meter(Keithley. 2611A모델)를 사용하였다. 또한 펄스폭은 10ms, 듀티 사이클은 50%, 전압은 75V를 펄스 전기영동 프로파일로 적용하여 코팅을 진행하였다. 이 때 위에 각 조성 비율로 제작된 상기 5가지의 경사기능재료 조성물을 가지고 각 조성물 별로 5개의 층을 갖는 층상 코팅이 되도록 코팅하였으며, 그 순서는 Ni 기판 안쪽에서 시작하여 바깥쪽으로 향하는 방향이 100:0(Ni:Al₂O₃), 75:0, 50:50, 25:75 및 0:100이 되도록 순차적으로 층상 코팅하였다.

또한 상기 층상 코팅시 각각의 층별 코팅 시간을 10초로 하여 코팅하였다.

이렇게 코팅된 Ni-Al₂O₃ 경사기능재료 조성물은 상압 및 상온에서 약 2~3시간 정도 건조 과정을 통해 천천히 균일하게 건조를 시켜주었다. 이 후 튜브로(Tube Furnace)를 이용하여 소결하였다.

하기 도 1은 상기 펄스 전기영동 시스템이 가능한 가능한 power source meter(Keithley. 2611A모델)를 나타낸 사진이다. 또한 하기 도 2는 상기 실시예 1에 따른 각 조성 비율에 따른 경사기능재료 조성물의 제조 과정을 나타내는 모식도(도 2a)와 층상 코팅을 실시한 후 층간 조성을 나타내는 단면도(도 2b)이다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 층상 코팅에 있어서 각 층별 코팅 시간을 각각 5초, 20초 및 30초로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 각 층별 코팅시간이 5초인 경우를 실시예 2-1로, 20초인 경우를 실시예 2-2로, 30초인 경우를 실시예 2-3으로 각각 명명하였다.

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 펄스 전기영동에 의한 코팅에 있어서 전압을 각각 50V, 100V, 125V 및 150V로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 전압이 50V인 경우를 실시예 3-1, 100V인 경우를 실시예 3-2, 125V인 경우를 실시예 3-3, 150V인 경우를 실시예 3-4로 각각 명명하였다.

실시예 4

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 펄스 전기영동에 의한 코팅에 있어서 듀티 사이클을 각각 10%와 30%로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 듀티 사이클이 10%인 경우를 실시예 4-1로, 30%인 경우를 실시예 4-2로 각각 명명하였다.

실시예 5

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 펄스 전기영동에 의한 코팅에 있어서 펄스폭을 각각 1ms, 15ms 및 20ms로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 펄스폭이 1ms인 경우를 실시예 5-1로, 15ms인 경우를 실시예 5-2로, 20ms인 경우를 실시예 5-3으로 각각 명명하였다. 도 3은 본 발명에 따른 실시예들의 듀티 사이클과 펄스폭에 따른 펄스 전기영동의 조건을 나타낸 그래프이다.

실시예 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 경사기능재료 조성물의 층상 코팅에 있어서 상기 실시예와 달리 50:50(Ni:Al₂O₃), 25:75 및 0:100인 3층과 50:50 및 0:100인 2층으로 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 3층으로 코팅한 경우를 실시예 6-1로, 2층으로 코팅한 경우를 실시예 6-2로 각각 명명하였다.

비교예

비교예 1

상기 실시예 1과 같이 각각의 조성 비율을 갖는 경사기능재료 조성물을 제조하였다.

이러한 각각의 경사기능재료 조성물을 상기 실시예 1의 펄스 전기영동과는 달리 계속적 DC(contiuous DC) 방식으로 전기영동법을 통해 코팅하는 power source meter(Keithley. 2611A모델)를 사용하여 코팅하였다. 이와 같이 코팅한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 각각의 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다.

하기 도 4는 본 비교예에 의한 일반 전기영동법으로 경사기능재료 조성물을 코팅한 경우 코팅의 상태를 나타낸 사진으로서 코팅이 불규칙하고 그 두께가 일정하지 않음을 보여준다.

비교예 2

상기 비교예 1과 동일한 방법을 통하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 층상 코팅에 있어서 각 층별 코팅 시간을 각각 5초, 20초 및 30초로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 각 층별 코팅시간이 5초인 경우를 비교예 2-1로, 20초인 경우를 비교예 2-2로, 30초인 경우를 비교예 2-3으로 각각 명명하였다.

비교예 3

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하되, 상기 일반적인 전기영동법에 의한 코팅에 있어서 전압을 각각 50V, 100V, 125V 및 150V로 달리하여 실시한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 사용하여 경사기능재료 조성물을 Ni 기판에 코팅하였다. 이때 상기 전압이 50V인 경우를 비교예 3-1, 100V인 경우를 비교예 3-2, 125V인 경우를 비교예 3-3, 150V인 경우를 비교예 3-4로 각각 명명하였다.

실험예

< 실험예 1: 코팅 시간에 따른 코팅 상태 비교 측정>

상기 실시예 1, 실시예 2-1, 실시예 2-2, 실시예 2-3, 비교예 1, 비교예 2-1, 비교예 2-2 및 비교예 2-3의 경우를 가지고 각 층간 코팅 시간을 달리하여 코팅한 경우 어떤 상태로 코팅되는지 관찰하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 5 및 도 6에 나타냈다.

하기 도 5의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 경우에는 각 층별 코팅 시간을 증가시켜도 코팅되는 양이 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반하여 비교예의 경우에는 각 층별 코팅 시간이 10초 미만인 비교예 2-1 및 비교예 1의 경우는 그 코팅의 양이 지나치게 적어 충분한 코팅의 효과를 달성할 수 없으며, 이를 달성하기 위해 시간을 더 소요시킨 비교예 2-2 및 비교예 2-3의 경우는 코팅의 양이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 발명에 따른 실시예와 같이 펄스 전기영동을 실시하여 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우에는 코팅 시간의 적절한 조절을 통해 원하는 두께로 일정하게 코팅하는 것이 가능하지만, 비교예와 같이 일반적인 코팅으로 상기 경사기능재료를 코팅하게 되면 어느 시점 이전까지는 지나치게 코팅 양이 적어 적절한 코팅의 효과를 달성할 수 없고, 이를 보완하기 위해 어느 시점 이후까지 시간을 소요하게 되면 반대로 코팅의 양이 지나치게 많아지게 되어 코팅 양의 적절한 조절이 어렵고, 또한 크랙이 발생할 수 밖에 없는 것임을 확인할 수 있었다.

또한 하기 도 6의 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 코팅의 양의 지나치게 적어 비교 대상으로 하기 부적절한 비교예 1 및 비교예 2-1의 경우를 제외하고 각 층별 코팅 시간을 20초로 하여 코팅한 비교예 2-2의 경우는 지나치게 많은 양이 코팅 됨으로 인해 선명하게 크랙이 형성되는 것을 육안으로도 확인할 수 있었다. 하지만 이와는 달리 실시예 1의 경우는 적절한 양으로 코팅이 되면서도 Ni 기판 전체에 걸쳐 크랙의 형성 없이 고르게 코팅 되는 것임을 육안으로도 확인할 수 있었다. 다만, 실시예 2-2 및 실시예 2-3의 경우는 어느 정도 불균일한 상태로 코팅이 될 수 있다고 하여도 중앙 부위를 중심으로는 균일한 코팅을 달성하여 비교예 2-2의 경우보다는 어느 정도 균일하고 크랙이 없는 코팅이 가능함을 확인하였다.

이러한 결과는 본 발명에 따른 펄스 전기영동에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅방법이 각각의 해당 경사기능재료의 성질 및 물성을 고려하여 시간을 조절하면 적절한 양으로 코팅이 가능하며 크랙이 발생하지 않는 코팅방법임을 보여주는 것이다.

< 실험예 2: 전압의 변화에 따른 코팅양 비교 측정>

실시예 1, 실시예 3-1, 실시예 3-2, 실시예 3-3, 실시예 3-4, 비교예 1, 비교예 3-1, 비교예 3-2, 비교예 3-3 및 비교예 3-4의 경우를 가지고 전압의 변화에 따른 코팅 양의 변화를 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 7에 나타냈다.

하기 도 7의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 비교예와 같은 일반적인 전기영동법에 의해 경사기능재료를 코팅하게 되면 75V 미만에서는 코팅의 양이 지나치게 적어 코팅의 효과를 충분히 달성할 수 없으며, 반면에 75V를 초과하게 되면 코팅의 양이 지나치게 급격히 증가하게 되므로 코팅량 조절이 어려움과 동시에 크랙이 발생 되는 양으로 코팅됨을 확인할 수 있었다.

반면에 본 발명에 따른 펄스 전기영동을 실시하여 경사기능재료 조성물을 코팅하게 되면 도 6의 실시예들의 경우처럼 코팅의 양이 일정한 기울기로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우가 일반적인 전기영동법에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우보다 균일한 코팅의 두께 달성이 가능하고 크랙이 발생하지 않는 코팅방법임을 확인할 수 있었다. 또한 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우 낮은 전압 하에서도 경사기능재료 조성물의 적절한 코팅을 가능하게 하므로 일반적인 전기영동법에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅방법보다 효과적인 코팅방법에 해당하는 것임을 확인할 수 있었다.

< 실험예 3: 듀티 사이클의 변화에 따른 코팅양 비교 측정>

실시예 1, 실시예 4-1 및 실시예 4-2의 경우를 가지고 듀티 사이클의 변화에 따른 코팅 양의 변화를 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 8 및 도 9에서 확인할 수 있었다.

하기 도 8의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 펄스 전기영동으로 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우 듀티 사이클을 증가시킴에 따라 코팅되는 양의 증가 양상이 큰 폭의 변화 없이 일정하므로 증가 폭이 균일함을 확인할 수 있었다. 다만, 하기 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이 듀티 사이클을 10%로 수행한 본 발명의 실시예 4-1의 경우(도 9a)는 가장 얇은 코팅 두께(3~7㎛)를 얻을 수 있으나, 너무 얇은 두께로 인해 소결 후 적절한 코팅층을 얻을 수 없는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 듀티 사이클이 30%인 본 발명의 실시예 4-2(도 9b, 10~17㎛) 및 50%인 실시예 1(도 9c, 28~37㎛)의 경우는 코팅 층이 적절하게 형성될 수 있는 정도의 코팅 두께가 형성되는 것임을 확인할 수 있었다.

< 실험예 4: 펄스폭의 변화에 따른 코팅양 비교 측정>

본 발명에 따른 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하되 펄스폭(Pulse width)을 변화시켜 실시한 경우인 실시예 1, 실시예 5-1, 실시예 5-2 및 실시에 5-3의 경우를 가지고 코팅 양의 변화를 비교하여 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 10에 나타냈다.

하기 도 10의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 펄스폭을 1~20ms의 범위에서 실시한 본 발명의 실시예 5-1, 실시예 1, 실시예 5-2, 실시예 5-3의 경우가 균일하고 일정한 양의 코팅이 가능하게 하는 것임을 확인할 수 있었다. 이에 반하여 20ms를 초과하기 시작하면 코팅 양이 급격하게 증가하는 것임을 확인할 수 있었다. 그러므로 20ms를 초과하면 비록 본 발명과 같은 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하는 경우라고 하여도 크랙이 발생하는 조건이 형성됨을 확인할 수 있었다.

< 실험예 5: 코팅 층의 개수를 달리하여 코팅한 경우 비교 측정>

본 발명에 따른 펄스 전기영동에 의한 경사기능재료 조성물의 코팅에 있어서, 코팅 층의 개수를 달리하여 코팅한 경우인 실시예 1, 실시예 6-1 및 실시예 6-2의 경우를 가지고 각각의 코팅 층 내부 코팅 상태를 비교 분석하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 11에 나타냈다.

상기 실험예와 같이 본 발명에 따라 펄스 전기영동에 의해 경사기능재료 조성물을 코팅하게 되면 코팅의 표면은 균일한 두께로 크랙이 발생하지 않음은 상기 실험예들을 통해 확인할 수 있었다. 여기에 더하여 내부의 코팅 상태도 확인 및 개선 여부를 본 실험예에서 확인한 것이다.

하기 도 11에서 확인할 수 있는 바와 같이 5층으로 코팅한 실시예 1의 경우(도 11a, 28~37㎛)는 코팅 층 내부로서 중간층에 약간의 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 3층으로 실시한 경우인 실시예 6-1(도 11b, 20~25㎛)은 코팅 층 내부의 크랙 정도가 적어지며, 또한 2층으로 실시한 경우인 실시예 6-2(도 11c, 20~23㎛)는 이보다 더 개선되는 것임을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 층상 코팅시 층의 개수를 조절하여 코팅 층 내부의 크랙의 정도도 개선이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 하기 도 12는 실시예 1(도 12a), 실시예 6-1(도 12b) 및 실시예 6-2(도 12c)의 실제 코팅 상태를 보여주는 사진이다. 하기 도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이 육안으로 관찰한 경우에 있어서 실시예 1의 경우도 그리 나쁜 상태는 아니었지만 실시예 6-1의 경우가 실시예 1의 경우보다 조금 더 개선된 코팅 상태를 보였으며, 실시예 6-2의 경우가 가장 우수한 코팅 상태를 보이는 것으로 확인되었다.

그러므로 상기 실험예들의 결과를 종합하여 보면 본 발명에 따른 실시예들과 같이 펄스 전기영동으로 경사기능재료 조성물을 코팅하게 되면 두께 및 코팅 양을 균일하게 코팅하는 것이 가능하고, 크랙이 발생하지 않는 코팅이 가능함을 확인하였다. 또한 코팅 층 내부의 상태도 코팅 층수를 조절하여 개선이 가능한 것임을 확인하였다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (11)

1) 경사기능재료 조성물을 제조하는 단계; 및
2) 상기 조성물을 펄스 전기영동에 의하여 금속재료에 코팅하는 단계;
를 포함하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 1항에 있어서,
상기 펄스 전기영동은 펄스폭이 1ms~20ms인 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 1항에 있어서,
상기 펄스 전기영동은 듀티 사이클(Duty cycle)이 10%~50%인 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 1항에 있어서,
상기 2)단계의 펄스 전기영동은 10V~150V의 전압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 1항에 있어서,
상기 경사기능재료는 세라믹과 금속을 혼합한 복합재료인 것을 특징으로 하는 경사기능 재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 5항에 있어서,
상기 세라믹은 Al₂O₃, ZrO₂, SiC 및 Si₃N₄로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며, 상기 금속은 Ni, Ti, W 및 Co로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 1항에 있어서,
상기 코팅의 시간은 하나의 층을 형성하는데 소요되는 코팅의 시간이 1초 내지 30초인 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.
.

제 1항에 있어서,
상기 2)단계 후 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

제 8항에 있어서,
상기 건조하는 단계 후 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물을 이용한 코팅방법.

듀티 사이클(Duty cycle)을 10%~50%로 하여 펄스 전기영동으로 금속재료에 코팅하는 경우 코팅되는 양은 0.1g~0.35g으로 코팅되는 경사기능재료 조성물.

제 9항에 있어서,
상기 펄스 전기영동은 펄스폭이 1ms~20ms인 것을 특징으로 하는 경사기능재료 조성물.

Images