KR20150021762A - 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법 - Google Patents

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우명훈
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Abstract

본 발명은 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법에 관한 것으로, 고경도 재료인 지르코니아 세라믹스, 단결정 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스와 같은 고경도 재료의 표면 연마된 표면에 문양, 글자 또는 로고를 음각으로 충분히 깊게 새기고 음각부를 열팽창계수가 고경도 재료보다 낮은 유리질이 되는 유리 프릿으로 채우며, 열처리 후 다시 표면 연마하여 높은 광택의 유리질이 균열이 생기지 않고 고경도 재료에 강하게 접합되며 유리질 표면이 주위 고경도 재료보다 낮아서 스프래치가 생길 위험성이 적게 함으로써, 우수한 미감을 갖는 다양하고 선명한 색상의 글자, 로고 또는 문양을 높은 해상도로 형성할 수 있기 때문에 이러한 고경도 재료들을 휴대용 기기나 장식품의 외부 재료로 널리 활용할 수 있다.

Description

로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF FORMING INLAID LOGOS, LETTERS OR PATTERNS ON HARD MATERIALS}
본 발명은 휴대용 기기의 케이스 등에 사용할 수 있는 고경도 재료의 표면에 우수한 미감을 갖는 다양한 색상의 로고, 글자 또는 문양을 형성하는 고경도 재료 제조방법에 관한 것이다.
휴대폰, PDA, MP3 플레이어, 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자기기의 외부 케이스는 대부분 폴리카보네이트, ABS 수지와 같은 플라스틱이나 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금 등의 금속으로 만들어진다. 이들 중 플라스틱은 비교적 저렴하고 간단한 제조방법으로 케이스를 제조할 수 있는 이점이 있으나 고급스럽지 않고 금속은 제조 비용은 높으나 상대적으로 미감이 좋은 반면에 색상이 제한적이며, 공통적으로는 경도가 높지 않아서 사용 중 표면에 스크래치가 쉽게 생기는 근원적인 문제를 가지고 있다.
이외에 투명 디스플레이 전면 패널로 흔히 사용되는 이온 교환을 이용한 화학적 강화유리가 후면 패널로서 사용되기도 하나, 플라스틱이나 금속에 비해서는 상대적으로 경도가 높지만 여전히 스크래치에 취약하다.
스크래치의 단점을 보완할 수 있는 재료로서 세라믹스인 지르코니아를 들 수 있다. 지르코니아 세라믹스는 안정화제를 필요로 하는데 3 몰%의 산화이트리움(Y2O3)의 첨가가 가장 널리 사용된다. 안정화제를 소량 첨가함으로써 정방정상의 지르코니아가 얻어지고, 이러한 정방정상의 지르코니아는 잘 알려진 상변태 인화 거동을 보여서 균열이 잘 자라지 못하기 때문에 높은 강도와 인성을 지니며 구조재료로서 널리 사용된다.
이러한 지르코니아 세라믹스는 높은 경도를 가지기 때문에 스크래치에 대한 저항성이 매우 크다. 이와 더불어, 지르코니아 세라믹스는 무기물 안료를 첨가하여 그 재료 자체로 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 표면 연마를 행하면 광택이 미려하게 된다. 이와 같이 우수한 미감과 기계적 특성을 갖는 지르코니아 세라믹스는 보석류의 재료나 시계 케이스와 같은 장식품에 사용되고 있다.
휴대용 기기의 외부 케이스 재료로도 사용되는 투명한 화학적 강화유리는 높은 경도를 가져서 스크래치가 좀처럼 생기지 않는 단결정 인조 사파이어로 대체될 수 있으며, 이러한 인조 사파이어는 시계의 투명창으로 널리 사용되고 있다. 최근에는 인조 사파이어와 많은 특성이 유사한 보다 경제적인 산질화알루미늄과 같은 고경도 투명 다결정 세라믹스가 개발되었다.
그러나, 이렇게 경도가 높은 지르코니아 세라믹스, 투명 다결정 세라믹스나 단결정 사파이어와 같은 무기물 재료의 표면에는 스크래치에 강하고 미감이 높은, 색상을 가지는 로고, 글자 및 문양을 형성하기가 어렵다.
예를 들어, 지르코니아 세라믹스 또는 단결정 사파이어에 로고, 글자, 문양 등을 형성하는 방법으로는, 각종 생활용 도자기 제조에서 잘 알려진, 데칼 전사(decal transfer), 스크린 프린팅, 또는 스프레이 코팅을 이용하여 안료를 표면에 코팅하여 소성하는 전통적인 방법이 있을 수 있다.
그러나, 이러한 방법을 통해 형성된 이미지는 그 미감이 상대적으로 떨어지고 해상도가 높지 못하며, 양각으로 튀어 나와 있어서 스크래치에 비교적 약하고 경우에 따라서는 바탕의 표면에서 쉽게 떨어져 나올 수 있다.
미국 특허 제5,298,717호는 유리나 세라믹스 표면에 식별번호, 바코드 또는 장식 무늬를 형성하기 위해, 환경비친화적인 샌드블라스팅이나 화학적 에칭법 대신 고에너지 레이저로 음각의 이미지를 새기는 방법을 개시하고 있다. 그리고, 미국 특허 제5,543,269호는 레이저를 사용하여 세라믹스 특히 지르코니아 세라믹스에 이미지를 새기는 방법을 개시하고 있으며, 또한 미국 특허 제5,804,342호는 지르코니아 세라믹스에 지울 수 있는 바코드를 새기는 방법을 개시하고 있다.
이들 방법은 우유빛의 지르코니아 세라믹스 표면에 레이저를 조사하여 조사된 표면이 환원되며 흑색에 가까운 어두운 색깔이 되어 해상도가 높은 이미지를 만들고 있으며, 표면을 열처리 등으로 산화시키면 이미지가 지워져서 원래의 우유빚으로 돌아간다. 이러한 레이저 마킹법은 다양한 재료의 표면에 해상도가 높은 로고, 글자, 문양 등을 형성하는데 널리 사용되고 있으나, 원하는 색상이나 광택을 내지 못해서 미감이 떨어진다.
미국 특허 제4,769,310호, 제4,861,620호, 제6,238,847호, 제6,313,436호, 제6,413,619호, 제6,852,948호, 제6,855,910호는 레이저에 감응하는 무기물 안료 마킹 재료를 세라믹스 위에 부착하고 레이저를 원하는 부분만 조사해서 색상을 가지고 접합되게 하여 세라믹스 표면에 색상을 가지는 마킹을 하는 다양한 방법을 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 색상을 코팅한 층이 세라믹스 위에 노출되며 특히 세라믹스와의 경계면 접합이 충분하지 않아서 쉽게 떨어져 나오거나 유리질이 충분히 소성이 되지 않아서 스크래치에 취약하고 또한 색상을 가지는 코팅 층의 표면 조도를 제어하지 못해 표면 광택이 균일하지 않으며 미감이 떨어진다.
일본 공개특허 특개2003-137677호는 세라믹 표면에 주로 내열성, 내화학성, 내마모의 바코드를 넣기 위한 목적으로, 1차 소성된 세라믹 표면에 레이저마킹기를 이용해서 0.5~30μm 깊이의 음각을 새기고, 이를 본 소성으로 밀도를 높인 후, 이에 유리나 세라믹스가 함유된 유리를 채우고 열처리를 한 후 표면가공을 하여 음각부에만 유리가 남도록 하는 것을 개시하고 있다. 그러나 이 방법은 음각의 깊이가 너무 얕으면, 바코드가 희미해지고 박리의 위험성이 있어서, 5μm 이상의 깊이가 바람직하며, 반대로 30μm를 초과하면 음각의 유리에 균열이 발생하기 때문에, 안정성을 위해 20μm 이하의 깊이가 보다 바람직하다고 개시하고 있다. 따라서 이 방법은 비교적 밝은 색상의 바탕 재료 위에 비교적 작거나 폭이 좁은 글자나 문양에만 이용이 가능하며, 바탕 재료가 진한 색상이거나 큰 로고나 글자 또는 문양에서는 표면가공 후에 음각부 유리의 두께가 크게 얇아져서 색상이 충분히 구현이 되지 않거나 바탕의 세라믹스 색깔이 나타날 수 있다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자는 휴대용 기기에 사용할 수 있는 고강도와 고경도 재료의 표면에 우수한 미감을 갖는 로고, 글자 또는 문양을 형성하기 위하여 연구 노력한 결과, 표면 연마가 충분히 잘 된 고경도 재료에 글자, 로고 또는 문양을 레이저 마킹기를 이용하여 음각으로 충분히 깊게 새기며, 균열이 생기지 않는 다양한 색상의 무기 안료가 함유되어 있는 유리 프릿(glass frit)을 음각부에 채우고 이를 열처리 한 후 다시 표면 연마를 수행함으로써, 고경도 재료와 유리질의 글자, 로고 또는 문양이 동시에 연마된 표면을 가져서 스크래치가 잘 생기지 않으며, 유리질에 균열이 발생하지 않으며, 우수한 미감을 갖는 다양하고 선명한 색상의 로고, 글자 또는 문양을 형성할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 휴대기기 케이스에 사용할 수 있는 높은 강도와 경도를 가지는 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스의 표면에 스크래치나 균열이 잘 생기지 않으며 우수한 미감을 갖는 다양하고 선명한 색상의 로고, 글자 또는 문양을 높은 해상도로 형성할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스에서 선택된 어느 하나의 고경도 재료의 표면을 연마하는 단계; 상기 연마된 고경도 재료의 표면에 로고, 글자 또는 문양을 레이저를 사용하여 음각으로 30μm 초과 100μm 이하의 깊이로 음각부를 새기는 단계; 상기 음각부에 열팽창계수가 고경도 재료보다 낮은 무기물 안료가 함유된 유리 프릿을 주위의 고경도 재료의 표면보다 높게 채우는 단계; 상기 유리 프릿이 채워진 고경도 재료를 열처리하여 유리 프릿을 유리질로 만들고 고경도 재료에 접합시키는 단계; 및 상기 열처리된 고경도 재료를 재차 표면 연마하여, 음각부에만 표면 연마된 소성된 유리질이 남아 있으며, 열처리된 유리질 표면이 주위의 고경도 재료의 표면보다 낮게 되도록 하는 단계를 포함하는, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법을 제공한다.
상기 지르코니아 고경도 재료는 무기물 안료가 첨가되어 자체적으로 색상을 가질 수 있다.
음각부를 새기기 전의 상기 연마는 고경도 재료의 표면 조도 Ra가 10nm 내지 100nm이 되도록 하며, 상기 표면 조도가 100nm보다 크면 음각부 주위 여분의 유리질을 없애는 최종 표면연마가 과도하게 길어져서 유리질의 두께가 더 얇아지거나 고경도 재료의 표면이 미감을 잃으며, 상기 표면 조도가 10nm보다 작으면 미감에도 크게 도움이 되지 않고 고정밀 연마를 해야 하므로 비경제적이다.
상기 유리 프릿으로 채워지는 음각부의 깊이는 더 바람직하게는 35μm 내지 60μm이며, 상기 유리질의 열팽창계수가 300℃에서 4 X 10-6/℃ 내지 9.5 X 10-6/℃일 수 있으며, 상기 열처리는 400℃ 내지 1000℃에서 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스에서 선택된 어느 하나의 고경도 재료의 표면을 표면 조도 Ra가 100nm 이하가 되도록 연마하는 단계; 상기 연마된 고경도 재료의 표면에 로고, 글자 또는 문양을 레이저를 사용하여 음각으로 35μm 내지 60μm의 깊이로 음각부를 새기는 단계; 상기 음각부에 열팽창계수가 고경도 재료보다 낮은 무기물 안료가 함유된 유리 프릿을 주위의 고경도 재료의 표면보다 높게 채우는 단계; 상기 유리 프릿이 채워진 고경도 재료를 400℃ 내지 1000℃에서 열처리하여 유리 프릿을 유리질로 만들고 고경도 재료에 접합시키는 단계; 및 상기 열처리된 고경도 재료를 재차 표면 연마하여, 음각부에만 표면 연마된 소성된 유리질이 남아 있는 단계를 포함하는, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법을 제공한다.
음각부에 채워진 무기물 안료 입자들이 함유된 유리질은 열처리 후 최종 표면연마를 하면, 고경도 재료인 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스보다 유리질의 경도가 일반적으로 크게 낮으므로 유리질의 표면이 주위 고경도 재료의 표면보다 낮아지며(dishing effect), 이렇게 자연스럽게 생기는 디싱 효과(dishing effect)는 음각부 안의 유리질 표면에 사용 중 스크래치가 생기거나, 극단적인 취급으로도 균열이 가거나 떨어져 나올 확률을 적게 해 준다. 그러나 이러한 디싱 효과(dishing effect)는 최종 유리질의 두께를 크게 줄이게 되어 원래 음각부 깊이에 비해 훨씬 얇은 두께의 유리질을 초래한다. 이 뿐만 아니라, 고경도 재료의 표면으로 흘렀던 여분의 유리질 흔적을 완전히 지우려면 표면 연마를 충분히 해야 하며, 특히 로고, 글자나 문양이 하나의 고경도 재료의 표면에 여러 개가 서로 떨어져서 존재할 때는 표면의 평탄도가 완벽하지 않기 때문에 표면 연마를 과도할 정도로 많이 해야 모든 음각부 주위의 여분의 유리질이 완전히 제거된다. 이러한 이유로 최종 연마 후에 유리질의 두께는 원래 음각부의 깊이보다 20 내지 30μm가 작아질 수 있다. 그러나 음각부 또는 음각부 유리질의 두께가 충분하지 않으면 유리질 색상이 제대로 발현되지 않으며, 특히 바탕 부재인 고경도 재료가 짙은 색상을 가지면 유리질 로고의 색상이 의도했던 대로 발현되기 어렵다.
따라서 본 발명에서는 유리 프릿으로 채워지는 음각부의 깊이는 최종 표면 연마 후의 얇아지는 두께를 고려하고 충분한 색상을 발현하기 위해 적어도 30μm보다 깊어야 하며, 그러나 음각부를 과도로 깊게 새겨서 비용을 불필요하게 높이거나 지르코니아 세라믹스, 단결정 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스의 강도에는 크게 영향을 미치지 않도록 100μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 특히 주위의 고경도 재료 두께가 0.5mm 이하로 얇을 경우에는 강도의 저하를 최소화하기 위해 고경도 재료 두께의 1/5 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이 음각부에 채워지는 상기 유리질은 충분히 두꺼워야 하는데, 음각부 유리질의 두께가 두꺼워지면 균열이나 잔금(crazing)이 쉽게 생긴다. 열처리 후 상온으로 냉각되면 바탕 부재인 고경도 재료와 유리질이 수축하는데 두 재질의 열팽창계수가 다르므로 수축률 역시 서로 다르고, 따라서 유리질의 수축율이 조금이라도 크면, 유리질에 표면 방향으로 인장응력이 생겨서 냉각 중 균열이 발생할 수 있다.
또한 보다 큰 문제는, 이러한 인장응력이 유리질의 강도를 저하시켜서 처음에는 균열이 없더라도 이후 사용 중에 균열이 쉽게 발생할 수 있다는 것이다. 이는 특히 유리질의 두께가 두꺼워지면 더욱 심각해진다. 그러나 이와 반대로 유리질의 수축율이 고경도 재료보다 작으면, 냉각 시 고경도 재료가 더 수축하며 유리질의 표면 방향으로 압축응력이 작용하게 되어 유리질이 균열이 생기지 않을 뿐만 아니라 오히려 강화될 수 있다. 일반적으로 열팽창계수가 비교적 작은 유리는 Na2O나 K2O와 같은 성분의 함유량이 작기 때문에 열처리 온도가 상대적으로 높아지므로 과도하게 낮지 않은 열팽창계수가 필요하다.
가장 일반적인 지르코니아 세라믹스인 3 몰% Y2O3가 첨가된 지르코니아는 300℃에서 열팽창계수가 약 10 x 10-6/℃이므로 유리질은 이보다 작은 열팽창계수를 가져야 하며, 따라서 4 x 10-6/℃ 내지 9.5 x 10-6/℃의 열팽창계수를 가지는 유리질을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 유리질의 균열을 방지하는데 결정적이며 또한 적당한 압축응력의 작용으로 더욱 강해진다.
상기 유리 프릿을 음각부에 채우는 공정을 위해 유기 또는 무기 바인더가 첨가될 수 있으며, 상기 유리 프릿을 음각부에 채우는 단계는 유리 프릿의 전사지를 이용할 수 있다. 그리고, 상기 유리 프릿을 음각부에 채우는 단계는 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 코팅을 통해 수행할 수 있다.
상기 유리 프릿은 성분에 따라 다양한 열처리 온도를 요하는 유리 프릿을 사용할 수 있으나, 유리질 자체의 경도가 되도록 높게 비교적 높은 온도에서 열처리되는 유리질이 바람직하며 또한 지르코니아 세라믹, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스와의 충분한 접합 반응이 일어나는 온도가 바람직하다. 반면에 색상이 번지지 않도록 과도하게 높지 않은 온도에서 열처리하기 위해서, 400℃ 내지 1000℃에서 열처리 되는 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고경도 재료는 상대밀도 99% 이상의 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 고경도 재료에 특히 상대적으로 큰 기공이 많이 존재하면 음각부 주위에 흐른 유리질이 기공 및 입계로 침투하여 여분의 유리질 흔적을 완전히 제거하기 위해 더욱 과도한 표면 연마가 요구되며, 결과적으로 음각부의 유리질 두께를 더욱 얇게 만든다.
또한, 상기 지르코니아 세라믹스는 알루미나가 5 내지 80 부피%로 포함된 지르코니아-알루미나 복합체일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조되며, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료를 포함하는, 휴대 기기와 휴대 장식품의 외부 재료를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 다양하고 선명한 색상을 지니는 로고 등의 문양을 가지는 고경도 재료는 휴대폰, MP3 플레이어, 태블릿 PC 또는 시계와 같은 휴대 기기의 외부 재료나 열쇠고리와 같은 휴대 장식품의 외부 재료로써 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 높은 강도와 경도를 가지는 지르코니아 세라믹스, 단결정 사파이어의 또는 투명 다결정 세라믹스 표면에 스크래치가 잘 생기지 않으며 우수한 미감을 갖는 다양하고 선명한 색상의 글자, 로고 또는 문양을 높은 해상도로 형성할 수 있기 때문에 이러한 고강도 고경도 재료들을 휴대용 기기나 장식품의 외부 재료로 널리 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 제조방법에 의해 제조된 로고(inlaid logo)를 갖는 지르코니아 세라믹스의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에서 레이저로 음각부를 새긴 지르코니아 세라믹스의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에서 레이저로 음각부를 새긴 후 전사지를 올려 놓은 지르코니아 세라믹스의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예의 제조방법에 의해 제조된 로고(inlaid logo)를 갖는 지르코니아 세라믹 패널이다.
이하에서는 첨부된 도면을 근거로 하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 고경도 재료로서 지르코니아 세라믹을 이용한 일실시예에 관한 것으로, 로고(inlaid logo)(110)를 갖는 지르코니아 세라믹스(100)의 로고 부분 단면도이다.
상기 실시예는 0.5mm 두께의 4 중량%의 코발트계의 청색안료가 첨가되어 청색을 띄는 상대밀도 99.3%인 3 몰% Y2O3를 함유하는 지르코니아 세라믹 패널의 표면을 평균 표면조도 Ra 42nm로 연마하는 단계; 상기 연마된 표면에 레이저 마킹기로 로고(110)와 글자를 평균 50μm 깊이의 음각으로 새기는 단계; 상기 음각부에 무기 안료를 함유하여 색상을 가지고 열팽창계수가 300℃에서 7.2 X 10-6/℃인 유리질이 되는 유리 프릿 전사지를 부착하는 단계; 상기 지르코니아 세라믹스를 775℃에서 30분간 열처리하는 단계; 상기 열처리된 지르코니아 세라믹스를 다시 표면 연마하여, 로고와 글자 부분에만 색상을 가지는 소성된 유리질이 남아 있으며, 이때 표면 연마된 로고 유리질의 평균 표면조도 Ra는 56nm이고, 색상을 가지는 유리질 글자, 로고 및 문양의 표면이 주위의 지르코니아 세라믹스 표면보다 높지 않도록 하는 단계를 포함한다.
상기 지르코니아 세라믹스는 3 몰% 내외의 산화이트리움(Y2O3)을 포함하고 있는 지르코니아에 5 중량% 내외의 어비움(Er), 알루미늄, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 철, 바나듐 등의 산화물 또는 염 화합물이나 이들 원소 화합물의 조합을 첨가하여 핑크색, 백색, 흑색, 자주색, 아이보리, 녹색, 청색, 노란색, 갈색 등의 다양한 원하는 색상을 띄게 할 수 있다. 또한, 알루미나에 순수한 지르코니아 또는 3 몰% 내외의 산화이트리움(Y2O3)이 함유된 지르코니아가 20 부피% 이상 첨가된 지르코니아 강화 알루미나 즉 지르코니아-알루미나 복합체(알루미나 부피비가 5% 내지 80%)도 지르코니아가 다량 존재하여 상변태 인화 거동을 보이는 고강도, 고인성 및 고경도의 지르코니아계 세라믹스이며, 따라서 본 발명에 적용할 수 있다.
상기 지르코니아 세라믹스는 상대밀도가 99% 이상으로 높아서 기공이 적음으로써 유리질이 음각부 외로 퍼지지 않는 것이 바람직하며, 음각부를 새기기 전에 표면연마가 충분히 행해져서 표면조도 Ra가 100 nm 이하가 되는 것이 바람직하다. 특히 지르코니아 세라믹스가 일반적인 세라믹스처럼 상대밀도가 99% 미만이면, 음각부 주위의 기공에도 유리가 채워져서 최종 표면 연마를 과도하게 해주어야 하거나, 로고, 글자나 문양의 해상도가 떨어지게 되고 미감이 낮아질 수 있으며, 음각부를 새기기 전에 바탕 부재인 고경도 재료를 충분히 표면 연마하는 것은 지르코니아 세라믹스의 평탄도를 최대한 높여서 음각부의 유리질만 남기도록 하는 최종 표면 연마 단계를 단축시키고 음각부 유리질이 과도한 표면 연마로 얇아지는 것을 최소화할 수 있다.
상기 음각부 조각은 샌드블라스팅법이나 화학적 에칭으로도 형성 가능하나, 레이저의 사용이 환경 친화적이고 품질관리 및 양산 측면에서 보다 바람직하다.
도 2는 고경도 재료로서 지르코니아 세라믹을 이용한 일실시예에 관한 것으로, 레이저 마킹기로 폭 10 mm의 음각 로고(210)를 새긴 지르코니아 세라믹스(200)의 단면도이다. 음각의 깊이는 채워진 유리질이 최종 표면 연마 후 두께가 연마 전보다 현저히 얇아졌을 때도 의도했던 색상이 발현되도록 30μm를 초과하여 충분히 깊어야 하며, 특히 품질관리를 위해 그리고 불가결하게 과도한 표면 연마를 고려하여 35μm 내지 60μm인 것이 바람직하다. 크기가 작은 로고나 선폭이 작은 글자 또는 문양도 다수가 서로 떨어져서 존재하면, 지르코니아 세라믹스의 평탄도에 따라, 음각부의 깊이가 충분히 깊어서 표면 연마를 오래해 줄 수 있어야 모든 음각부 주위의 여분의 유리질과 이의 흔적을 확실히 제거할 수 있다. 그러나, 0.5mm 이하 두께의 비교적 얇은 지르코니아 세라믹스 고경도 재료는 음각의 깊이가 깊어질수록 로고 부분의 지르코니아 세라믹스의 강도가 점점 감소할 수 있으므로, 음각의 깊이는 주위의 지르코니아 세라믹스 두께의 1/5 이하가 바람직하다. 이렇게 형성된 로고, 글자 또는 문양은 충분한 유리질 두께가 보장되어, 해상도가 매우 높고 색상의 발현이 좋아서 섬세하고 다양한 색상이 선명하게 구현되며 높은 미감을 갖는다.
도 3은 고경도 재료로서 지르코니아 세라믹을 이용한 일실시예에 관한 것으로, 도 2의 음각부보다 약간 큰 유리 프릿 전사지(310)를 부착한 지르코니아 세라믹스(300)의 단면도이다. 부착되는 전사지 유리 프릿 층의 두께는 음각부의 깊이보다 충분히 두꺼워서 열처리 후에도 유리질 층이 주위의 지르코니아 세라믹스 표면보다 충분히 높은 것이 바람직하다. 열처리를 거치고 충분한 최종 표면 연마를 하면 레이저로 새겨진 음각부에만 표면 연마된 광택이 나는 충분한 두께의 유리질이 남아 높은 해상도와 원하는 색상 그리고 높은 미감을 갖게 된다. 상기 음각부에 채워지는 유리 프릿은 전사지를 사용하는 방법 외에도 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다.
상기 유리 프릿은 성분에 따라 200℃ 내지 1300℃의 다양한 온도에서 열처리를 행할 수 있는 것들이 있으나, 비교적 높은 경도를 지니고 지르코니아 세라믹스와 반응이 충분히 일어나 접합이 잘 되게 하기 위해 400℃ 이상, 한편으로는 지르코니아 세라믹스와 과잉 반응이 일어나서 지르코니아를 상하게 하거나 또한 열처리할 때 유리 프릿의 색상이 세라믹스로 번지지 않도록 1000℃ 이하의 온도에서 열처리되는 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 유리질의 열팽창계수는 지르코니아 세라믹스의 열팽창계수보다 필히 작아야 하며, 열처리 후 상온으로 냉각되면 유리질에 표면 방향으로 압축응력이 작용하여 균열이 생기지 않으며 오히려 강화된다.
도 4는 고경도 재료로서 지르코니아 세라믹을 이용한 일실시예에 따라 제조된 로고(410)와 글자(420)를 갖는 지르코니아 세라믹 패널(400)의 정면도이다. 로고나 글자의 해상도가 매우 높으며, 최종 표면 연마를 거쳐서 로고와 글자가 광택이 나고 다양한 원하는 색상을 선명하게 구현할 수 있어서 우수한 미감을 갖는다. 의도하는 색상의 발현을 위해서 또한 여분의 유리질을 로고와 글자에서 확실히 제거하기 위해 음각부를 약 50μm으로 깊게 팠는데도 불구하고 음각부의 유리질에 균열이나 잔금이 생기지 않으며 사용 중에도 균열이 생길 확률이 작다. 디싱 효과(dishing effect)에 의해 유리질의 표면 높이는 주위의 지르코니아 세라믹스보다 12μm 낮으며, 최종 표면 연마된 음각부 로고 유리질의 두께는 평균 24μm이었고, 이러한 유리질 두께는 원하는 색상을 선명하게 구현한다.
또한, 표면연마가 되어 표면이 매끄럽고 표면연마 중 디싱 효과(dishing effect)에 의해 음각부 안의 유리질의 높이가 주위의 지르코니아 세라믹스보다 낮아져서, 사용 중 스크래치가 생길 확률이 적다.
상기 로고, 글자 또는 문양이 형성되는 지르코니아 세라믹스와 같은 고경도 재료의 표면은 평면에 국한되지 않는다.
상기 지르코니아 세라믹스에 스크래치가 잘 생기지 않으며 우수한 미감을 갖는 다양하고 선명한 색상의 글자, 로고 또는 문양을 높은 해상도로 형성하는 방법은 단결정 인조 사파이어나 투명 다결정 세라믹스에도 똑같이 적용된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 지르코니아 세라믹 110 : 로고
200 : 지르코니아 세라믹 210 : 레이저 음각 로고
300 : 지르코니아 세라믹 310 : 유리 프릿 코팅 로고
400 : 지르코니아 세라믹 410 : 로고
420 : 글자

Claims (11)

  1. 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스에서 선택된 어느 하나의 고경도 재료의 표면을 연마하는 단계;
    상기 연마된 고경도 재료의 표면에 로고, 글자 또는 문양을 레이저를 사용하여 음각으로 30μm 초과 100μm 이하의 깊이로 음각부를 새기는 단계;
    상기 음각부에 열팽창계수가 고경도 재료보다 낮은 무기물 안료가 함유된 유리 프릿을 주위의 고경도 재료의 표면보다 높게 채우는 단계;
    상기 유리 프릿이 채워진 고경도 재료를 열처리하여 유리 프릿을 유리질로 만들고 고경도 재료에 접합시키는 단계; 및
    상기 열처리된 고경도 재료를 재차 표면 연마하여, 음각부에만 표면 연마된 소성된 유리질이 남아 있으며, 열처리된 유리질 표면이 주위의 고경도 재료의 표면보다 낮게 되도록 하는 단계를 포함하는,
    로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    음각부를 새기기 전의 상기 연마는 표면 조도 Ra가 10nm 내지 100nm이 되도록 하는, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리 프릿으로 채워지는 음각부의 깊이는 35μm 내지 60μm이며, 주위의 고경도 재료 두께의 1/5 이하인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지르코니아 세라믹스 고경도 재료에서는 유리질의 열팽창계수가 300℃에서 4 X 10-6/℃ 내지 9.5 X 10-6/℃인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리는 400℃ 내지 1000℃에서 수행하는 단계인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 지르코니아 세라믹스는 상대밀도 99% 이상의 지르코니아 세라믹스인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지르코니아 세라믹스는 알루미나가 5 내지 80 부피%로 포함된 지르코니아-알루미나 복합체인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  8. 지르코니아 세라믹스, 단결정 인조 사파이어 또는 투명 다결정 세라믹스에서 선택된 어느 하나의 고경도 재료의 표면을 표면 조도 Ra가 10nm 내지 100nm이 되도록 연마하는 단계;
    상기 연마된 고경도 재료의 표면에 로고, 글자 또는 문양을 레이저를 사용하여 음각으로 35μm 내지 60μm의 깊이로 음각부를 새기는 단계;
    상기 음각부에 열팽창계수가 고경도 재료보다 낮은 무기물 안료가 함유된 유리 프릿을 주위의 고경도 재료의 표면보다 높게 채우는 단계;
    상기 유리 프릿이 채워진 고경도 재료를 400℃ 내지 1000℃에서 열처리하여 유리 프릿을 유리질로 만들고 고경도 재료에 접합시키는 단계; 및
    상기 열처리된 고경도 재료를 재차 표면 연마하여, 음각부에만 표면 연마된 소성된 유리질이 남아 있는 단계를 포함하는,
    로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 지르코니아 세라믹스는 상대밀도 99% 이상의 지르코니아 세라믹스인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 지르코니아 세라믹스는 알루미나가 5 내지 80 부피%로 포함된 지르코니아-알루미나 복합체인, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조되며, 로고, 글자 또는 문양을 갖는 고경도 재료를 포함하는, 휴대 기기와 휴대 장식품의 외부 재료.
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