KR20170077835A - 복합 구조물 및 이의 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 구조물 및 이의 형성 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 표면 조도가 크거나 분말 입자의 충돌에 의해 미세 균열 또는 식각이 발생할 수도 있는 기재 표면에 완충층을 형성하여, 기재의 표면을 보호한 후에 기능층을 형성하여, 기능층을 형성할 때 기계적 충격에 의해서 기재 표면의 손상 및 깨짐을 방지할 수 있는 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재; 상기 기재 상에 완충성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 완충층; 및, 상기 완충층 상에 기능성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 기능층을 포함하고, 상기 완충층의 강도가 상기 기능층의 강도에 비해서 더 낮은 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 개시한다.
이를 위해 본 발명은 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재; 상기 기재 상에 완충성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 완충층; 및, 상기 완충층 상에 기능성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 기능층을 포함하고, 상기 완충층의 강도가 상기 기능층의 강도에 비해서 더 낮은 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 복합 구조물 및 이의 형성 방법에 관한 것이다.
현재 다양한 산업분야에서는 내화학성, 내마모성 등의 특성 발현을 위해 세라믹 소재를 이용한 코팅층 형성에 대한 요구가 늘어나고 있다. 세라믹 코팅층을 형성하는 공정에는 크게 용사 코팅 공정, CVD, PVD 등의 박막 공정 그리고 용액 기반의 공정이 널이 이용되고 있으나 이 또한 내부 결함, 생산성의 저하 그리고 유기물 함유 등의 문제를 포함하고 있다. 최근에는 상온에서 세라믹 분말을 고속으로 분사하여 코팅층을 형성하는 공정 기술이 대두되고 있다. 이러한 기술의 큰 특징은 상온 공정이 가능하고, 수백 nm 에서 수십 um 에 이르는 세라믹 코팅층을 내부 공극 및 균열 등의 결함이 없으며 바인더를 이용하지 않기 때문에 매우 안정적인 나노 구조의 코팅층을 형성할 수 있다는 것이다. 그러나 이러한 코팅 공정은 100~300m/s의 고속으로 분말을 기재 표면에 분사, 충돌하여 코팅층을 형성하기 때문에 기재 표면에 손상을 유발할 수 도 있다.
특히 기재의 표면 조도가 높으면 상기 고속 분사되는 세라믹 분말 입자가 표면에 충돌하는 순간 표면의 돌출부(vally) 혹은 미세 결함으로부터 균열이 발생 또는 전파되어 표면 손상 또는 기재의 파괴로 이어질 수도 있다. 또한 깨짐성이 매우 강한 유리 소재 또는 석영 유리, 단결정 내지는 다결정 소재 더 나아가 결합 구조가 비교적 단단하지 않은 플라스틱 소재의 유기 소재의 경우 표면 조도가 높지 않은 경우라도 표면에 충격을 주어 코팅이 이루어지기 전에 표면 식각이 발생할 수도 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 표면 조도가 크거나 분말 입자의 충돌에 의해 미세 균열 또는 식각이 발생할 수도 있는 기재 표면에 완충층을 형성하여, 기재의 표면을 보호한 후에 기능층을 형성하여, 기능층을 형성할 때 기계적 충격에 의해서 기재 표면의 손상 및 깨짐을 방지할 수 있는 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 표면 조도가 크거나 분말 입자의 충돌에 의해 미세 균열 또는 식각이 발생할 수 있는 기재에 입경 범위가 작거나 덜 단단한 세라믹 분말 또는 비교적 분자 결합 구조가 단단한 유기 소재 및/또는 유무기 복합 소재를 통해 완충층을 형성한 후에, 완충층을 형성하기 위한 완충성 분말보다 입경 범위가 크거나 더 단단한 기능성 분말(예를 들면, 세라믹 분말)을 통해 고밀도의 기능층을 형성하여, 고밀도의 기능층을 형성할 때 기계적 충격에 의해서 기재 표면의 손상 및 깨짐을 방지할 수 있는 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 복합 구조물은 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재; 상기 기재 상에 완충성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 완충층; 및, 상기 완충층 상에 기능성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 기능층을 포함하고, 상기 완충층의 강도가 상기 기능층의 강도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 완충층의 경도는 상기 기능층의 경도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 완충층의 치밀도는 상기 기능층의 치밀도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 완충성 분말은 상기 기능성 분말과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
상기 완충층을 이루는 입자의 평균 입경이 상기 기능층을 이루는 입자의 평균 입경에 비해서 더 작을 수 있다.
상기 완충성 분말은 상기 기능성 분말과 상이한 재료를 포함할 수 있다.
상기 기재는 글래스, 강화 글래스, 석영 글래스, 석영, 에폭시, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 스테인레스강(SUS), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide), PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 PVB(Polyvinyl butyral)를 포함할 수 있다.
상기 완충층은 유기 소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다.
상기 기능층은 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 바이오 글래스, (SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite) 또는 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 복합 구조물의 형성 방법은 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재의 표면에 완충성 분말이 분사되어, 기계적 충격을 가하면서 완충층을 형성하는 단계; 및, 상기 완층층의 표면에 기능성 분말이 분사되어, 기계적 충격을 가하면서 기능층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 강도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 강도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 완충성 분말의 입경 범위가 상기 기능성 분말의 입경 범위에 비해서 더 작을 수 있다.
상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 경도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 경도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 밀도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 밀도에 비해서 더 낮을 수 있다.
상기 기재는 글래스, 강화 글래스, 석영 글래스, 석영, 에폭시, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 스테인레스강(SUS), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide), PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 PVB(Polyvinyl butyral)를 포함할 수 있다.
상기 완충층은 유기 소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다.
상기 기능층을 형성하기 위한 기능성 분말은 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 바이오 글래스, 실리카(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite) 또는 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 복합 구조물 및 이의 형성 방법은 표면 조도가 크거나 분말 입자의 충돌에 의해 미세 균열 또는 식각이 발생할 수도 있는 기재 표면에 완충층을 형성하여, 기재의 표면을 보호한 후에 기능층을 형성하여, 기능층을 형성할 때 기계적 충격에 의해서 기재 표면의 손상 및 깨짐을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 복합 구조물 및 이의 형성 방법은 표면 조도가 크거나 분말 입자의 충돌에 의해 미세 균열 또는 식각이 발생할 수 있는 기재에 입경 범위가 작거나 덜 단단한 세라믹 분말 또는 비교적 분자 결합 구조가 단단한 유기 소재 및/또는 유무기 복합 소재를 통해 완충층을 형성한 후에, 완충층을 형성하기 위한 완충성 분말보다 입경 범위가 크거나 더 단단한 기능성 분말(예를 들면, 세라믹 분말)을 통해 고밀도의 기능층을 형성하여, 고밀도의 기능층을 형성할 때 기계적 충격에 의해서 기재 표면의 손상 및 깨짐을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 도시한 개략도이다.
도 2a는 표면 조도가 대략 0.1㎛ 이상인 기재에 기능층을 형성함에 있어 깨짐이나 손상 발생을 도시한 개략도이고, 도 2b는 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재에 기능층을 형성함에 있어 표면 식각이나 손상 발생을 도시한 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 통해 형성된 복합 구조물을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 통해, 복합 구조물의 형성 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 기재 표면에 기능층만 코팅하여 박리가 발생된 상태와, 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다.
도 6은 플라스틱 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다.
도 2a는 표면 조도가 대략 0.1㎛ 이상인 기재에 기능층을 형성함에 있어 깨짐이나 손상 발생을 도시한 개략도이고, 도 2b는 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재에 기능층을 형성함에 있어 표면 식각이나 손상 발생을 도시한 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 통해 형성된 복합 구조물을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 통해, 복합 구조물의 형성 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 기재 표면에 기능층만 코팅하여 박리가 발생된 상태와, 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다.
도 6은 플라스틱 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정 하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 도시한 개략도이고, 도 2a는 표면 조도가 대략 0.1㎛ 이상인 기재에 기능층을 형성함에 있어 깨짐이나 손상 발생을 도시한 개략도이며, 도 2b는 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재에 기능층을 형성함에 있어 표면 식각이나 손상 발생을 도시한 개략도이다. 또한, 도 3a 및 도 3b는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치에 의해서 형성된 복합 구조물(200,200A)의 단면 확대도이다. 여기서 도 3a 및 도 3b는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치에서, 상하 반전시킨 확대도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 구조물 형성 장치(100)는 이송 가스 공급부(110), 유기 소재 분말, 유무기 복합 소재 분말 및/또는 세라믹 분말(ceramic powder)을 보관 및 공급하는 분말 공급부(120), 분말 공급부(120)로부터 유기 소재 분말, 유무기 복합 소재 분말 및/또는 세라믹 분말을 이송 가스를 이용하여 고속으로 이송하는 이송관(122), 이송관(122)으로부터의 유기 소재 분말, 유무기 복합 소재 분말 및/또는 세라믹 분말을 기재(210)에 코팅/적층 또는 스프레잉하는 노즐(132), 노즐(132)로부터의 유기 소재 분말, 유무기 복합 소재 분말 및/또는 세라믹 분말이 기재(210)의 표면에 충돌 및 파쇄되도록 함으로써, 일정 두께의 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 코팅층(220)이 형성되도록 하는 공정 챔버(130)를 포함한다.
여기서, 도 2a에 도시된 바와 같이 표면 조도가 대략 0.1㎛ 이상인 기재에 완충층 없이 기능성 분말을 충돌시켜 기능층을 형성하게 되면 그 표면에 크랙이나 손상이 발생하고, 또한 도 2b에 도시된 바와 같이 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재에 완충층 없이 기능성 분말을 충돌시켜 기능층을 형성하게 되면 그 표면에 식각이나 손상이 발생한다.
그러나, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 구조물 형성 장치(100)에 의해서 형성된 복합 구조물(200,200A)은 상술한 바와 같이 기재(210,201A)의 표면에 형성된 코팅층(220)을 포함한다. 상기 코팅층(220)은 기재(210)의 표면에 형성되는 완충층(221)과, 완충층(221)이 형성된 이후 완충층(221)에 형성된 기능층(222)으로 이루어질 수 있다. 상기 완충층(221)은 표면 조도가 대략 0.1 ㎛ 이상(또는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛)인 기재(210) 상에 기능층(222)을 직접 형성할 경우, 발생되는 기재(210) 표면의 균열을 방지하기 위해서 기재(210)와 기능층(222) 사이에 개재된다. 즉, 완충층(221)은 기능층(222)이 형성되기 이전에 기재(210)의 표면을 덮도록 형성하여, 표면 조도가 큰 기재(210)의 표면에서 돌출부가 깨지거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 표면 조도 또는 표면 거칠기는 표면을 그것과 직각인 평면으로 절단한 후, 그 절단면의 가장 낮은 곳에서 가장 높은 곳까지의 높이(Rmax 또는 R)를 의미한다. 표면 조도 즉, 절단면의 가장 낮은 영역에서 가장 높은 곳까지의 값이 대체로 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛의 표면 조도에 본 발명이 적용될 수 있다. 또한, 완충층(221)은 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재(210A) 상에 기능층(222)을 직접 형성할 경우, 발생하는 기재(210A)의 크랙이나 손상을 방지하기 위해서 기재(210A)와 기능층(222) 사이에 개재된다. 즉, 완충층(221)은 기능층(222)이 형성되기 이전에 기재(210A)의 표면을 덮도록 형성하여, 표면 조도가 큰 기재(210)의 표면에서 돌출부가 깨지거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 1, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 함께 참조하여, 본 발명에 따른 복합 구조물(200,200A)의 형성 방법을 설명하고자 한다. 도 4에서는 도 1의 복합 구조물을 형성하기 위한 장치를 통해, 복합 구조물(200,200A)에서 코팅층인 완충층(221) 또는 기능층(222)을 형성하는 방법을 도시한 순서도가 도시되어 있다. 여기서 완충층(221)과 상기 기능층(222)을 형성하는 방법은 동일하며, 이하에서는 기재(210,210A)의 표면에 완충층(221)을 형성하는 방법을 위주로 설명하고자 한다.
우선 이송 가스 공급부(110)에 저장된 이송 가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 및 그 등가물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있지만, 본 발명에서 이송 가스의 종류가 한정되지 않는다. 이송 가스는 이송 가스 공급부(110)로부터 파이프(111)를 통해 분말 공급부(120)로 직접 공급되며, 유량 조절기(150)에 의해 그 유량 및 압력이 조절될 수 있다.
상기 분말 공급부(120)는 다량의 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말을 보관 및 공급하는데, 이러한 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말은 완충층(221)과 기능층(222)의 종류에 따라서 입경 범위가 상이할 수 있다. 바람직하게 상기 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말은 입경 범위가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말의 입경 범위가 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 경우, 기공률(공극률)이 상대적으로 작고, 세라믹 분말 제어가 용이한 코팅층(220)을 얻을 수 있다.
유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말의 입경 범위가 0.1 ㎛보다 작을 경우, 코팅층(220)의 형성이 용이하지 않고, 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말의 보관 및 공급 중 응집 현상으로 인해, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 0.1 ㎛ 보다 작은 입자들이 뭉쳐져 있는 형태인 압분체(壓粉體)가 형성되기 쉬울 뿐만 아니라 대면적의 코팅막 형성에 어려운 단점이 있다. 또한, 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말의 입경 범위가 10 ㎛보다 클 경우, 분말의 분사, 충돌 파쇄 및/또는 분쇄 시 기재(210)를 깎아 내는 샌드블라스팅(sand blasting) 현상이 발생하기 쉬울 수 있다.
상기 완충층(221)과 기능층(222)의 소재가 동일할 경우(이때, 완충성 분말과 기능성 분말은 모두 세라믹 분말이 바람직함), 완충층(221)을 형성하기 위한 완충성 분말의 입경 범위 또는 밀도가 기능층(222)을 형성하기 위한 기능성 분말의 입경 범위에 비해서 더 작은 것이 바람직하다. 이는 기능층(222)을 형성할 때 보다 완충층(221)을 형성할 때, 기재(210,210A)의 표면이 깨지거나 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
또한 완충층(221)과 기능층(222)의 소재가 서로 상이할 경우(이때, 완충성 분말은 유기 소재 및/또는 유무기 복합 소재가 바람직하고, 기능성 분말은 무기 소재 즉 세라믹 소재가 바람직함), 완충층(221)을 형성하기 위한 완충성 분말의 강도, 경도 및 취성 비율이 기능층(222)을 형성하기 위한 기능성 분말에 비해서 더 작은 것이 바람직하다. 즉, 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상 또는 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재 또는 유무기 복합 기재(210,210A)의 표면 돌출 부분을 매립하기 위해서, 강도, 경도 및 취성 비율이 상대적으로 낮은 완충성 분말을 이용하여 완충층(221)을 먼저 형성한 후에, 기능성 분말을 이용하여 기능층(222)을 형성한다. 여기서 기능층(222)은 기재(210,210A)에 추가적인 기능을 부여하기 위한 층으로, 무기 소재 즉, 세라믹 소재에 따라서 내플라즈마, 내스크래치, 내절연성등과 같은 기능을 가질 수 있다.
공정 챔버(130)는 코팅막(220)인 완충층(221)과 기능층(222)을 형성하는 중에 진공 상태를 유지하며, 이를 위해 진공 유닛(140)과 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 진공 유닛(140)의 구동에 의해서 공정 챔버(130)의 압력은 대략 1 파스칼 내지 800 파스칼이고, 고속 이송관(122)에 의해 이송되는 분말의 압력은 대략 500 파스칼 내지 2000 파스칼일 수 있다. 다만, 어떠한 경우에도, 공정 챔버(130)의 압력에 비해 고속 이송관(122)의 압력이 높아야 한다.
상기 공정 챔버(130)와 고속 이송관(122)(또는 이송 가스 공급부(110) 또는 분말 공급부(120)) 사이의 압력 차이는 대략 1.5배 내지 2000배 일 수 있다. 압력 차이가 대략 1.5배보다 작을 경우 분말의 고속 이송이 어려울 수 있고, 압력 차이가 대략 2000배보다 클 경우 분말에 의해 오히려 기재(210) 또는 완충층(221)의 표면이 과도하게 식각될 수 있다.
이러한 공정 챔버(130)와 이송관(122)의 압력 차이에 따라, 분말 공급부(120)로부터의 분말은 이송관(122)을 통해 분사하는 동시에, 고속으로 공정 챔버(130)에 전달된다.
또한, 공정 챔버(130) 내에는 이송관(122)에 연결된 노즐(132)이 구비되어, 대략 100 내지 500m/s의 속도로 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말을 기재(210,210A)의 표면에 충돌시킴으로써, 완충층(221)을 형성한다. 즉, 노즐(132)을 통한 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말은 이송 중 얻은 운동 에너지와 고속 충돌 시 발생하는 충돌 에너지에 의해 파쇄되면서 기재(210,210A)의 표면에 일정 두께의 완충층(221)을 형성한다. 이와 같이 완충층(221)이 형성된 이후에, 동일한 방법에 의해서 완충층(221)의 표면상에 기능층(222)을 형성할 수 있다. 즉, 기재(210)의 표면에 순차적으로 완충층(221)과, 기능층(222)을 형성하여, 복합 구조물(200,200A)을 형성할 수 있다.
유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말이 노즐을 통해 분사되어, 기재(210,210A)에 충돌하면서 파쇄되면서 코팅층(220)을 형성하게 되므로, 코팅층(220)인 완충층(221)과 기능층(222)을 이루는 입자의 입경은 코팅층(220)인 완충층(221)과 기능층(222)을 각각 형성하기 위한 유기 소재, 유무기 복합 소재 및/또는 세라믹 분말의 입도에 비해서 더 작은 크기를 갖는다.
또한 완충층(221)과 기능층(222)이 동일한 소재의 세라믹 분말에 의해 형성될 경우, 완충층(221)을 이루는 입자의 평균 입경이 기능층(222)을 이루는 입자의 평균 입경에 비해서 더 작거나 덜 치밀한 것을 이용할 수 있다. 이는 코팅층(220)을 형성할 때, 기재(210,210A)의 표면에 가해지는 충격을 저감시키기 위해서, 완충층(221)을 형성하기 위한 세라믹 분말의 입경 범위가 기능층(222)을 형성하기 위한 세라믹 분말에 비해서, 더 작거나 덜 치밀한 것을 이용하기 때문이다.
상기 기재(210,210A)는 세라믹, 글래스, 강화 글래스, 석영 글래스, 석영, 플라스틱, 금속 및 에폭시 중 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 즉, 기재(210,210A)는 하나의 재질로 이루어진 단층 기재이거나, 2개의 재질 이상이 적층된 복층 기재일 수 있다. 예를 들어, 기재(210,210A)는 강화 글래스로 이루어진 단층 기재이거나, 글래스에 세라믹이 적층된 복층 기재일 수 있다. 특히, 기재(210,210A)는 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나, 유기 소재 또는 플라스틱 소재로 된 것일 수 있다.
상기 세라믹은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 금속은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 스테인레스강(SUS)중 어느 하나일 수 있다. 또한 플라스틱은 PC(Polycarbonate)계열, PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide)계열, PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol), PVB(Polyvinyl butyral)중 어느 하나일 수 있다.
상기 코팅층(220)인 완충층(221)과 기능층(222)은 취성 재료인 알파 알루미나(α- Al2O3), 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 바이오 글래스, 실리카(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite), 이산화티탄(TiO2), 유기 소재, 유무기 복합 소재 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 혼합물로 각각 이루어질 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
좀 더 구체적으로, 취성 재료인 세라믹 분말은 알파 알루미나, 알루미나, 수산화인회석, 인산칼슘, 바이오 글래스, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 이산화티탄, 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 이트리아-지르코니아(YSZ, Yttria stabilized Zirconia), 디스프로시아(Dy2O3), 가돌리니아(Gd2O3), 세리아(CeO2), 가돌리니아-세리아(GDC, Gadolinia doped Ceria), 마그네시아(MgO), 티탄산 바륨(BaTiO3), 니켈 망가네이트(NiMn2O4), 포타슘 소듐 니오베이트(KNaNbO3), 비스무스 포타슘 티타네이트(BiKTiO3), 비스무스 소듐 티타네이트(BiNaTiO3), CoFe2O4, NiFe2O4, BaFe2O4, NiZnFe2O4, ZnFe2O4,MnxCo3-xO4(여기서, x는 3 이하의 양의 실수), 비스무스 페라이트(BiFeO3), 비스무스 징크 니오베이트(Bi1.5Zn1Nb1.5O7), 인산리튬알루미늄티타늄 글래스 세라믹, Li-La-Zr-O계 Garnet 산화물, Li-La-Ti-O계 Perovskite 산화물, La-Ni-O계 산화물, 인산리튬철, 리튬-코발트 산화물, Li-Mn-O계 Spinel 산화물(리튬망간산화물), 인산리튬알루미늄갈륨 산화물, 산화텅스텐, 산화주석, 니켈산란타늄, 란타늄-스트론튬-망간 산화물, 란타늄-스트론튬-철-코발트 산화물, 실리케이트계 형광체, SiAlON계 형광체, 질화알루미늄, 질화실리카, 질화티탄,AlON, 탄화실리카, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체, 세라믹과 금속의 혼합체, 니켈, 동, 실리카 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 이용할 수도 있다.
또한, 코팅층(220)인 완충층(221)은 유기 소재로서, PC(Polycarbonate) 계열, PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide) 계열, PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol), PVB(Polyvinyl butyral) 및 그 등가물 중에서 선택된 하나 또는 혼합물을 포함할 수 있다.
도 5는 기재 표면에 기능층만 코팅하여 박리가 발생된 상태를 도시한 사진과 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다. 도 5의 좌측 사진에 도시된 바와 같이 대략 0.4 ㎛의 표면 조도를 갖는 쿼츠 기재에 완충층없이 기능층만 코팅하였을 경우, 기능층이 쉽게 박리됨을 관찰할 수 있었다. 그러나, 도 5의 우측 사진에 도시된 바와 같이 대략 0.4 ㎛의 표면 조도를 갖는 쿼츠 기재에 완충층을 형성하고, 그 위에 기능층을 코팅하였을 경우에는 박리 현상이 관찰되지 않았으며 안정적인 코팅층이 관찰되었다.
도 6은 플라스틱 기재 표면에 완충층 적용 후 기능층을 코팅하여 안정적인 코팅층이 형성된 상태를 도시한 사진이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 비교적 분자 결합 구조가 덜 단단한 유기 소재인 에폭시 기재층 위에 상술한 방법으로 세라믹 완충층을 형성하고, 그 위에 세라믹 기능층을 코팅하였을 경우에도, 전반적으로 안정적인 코팅층이 관찰되었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 복합 구조물 및 이의 형성 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
200,200A; 복합 구조물
210,210A; 기재
220; 코팅층 221; 완충층
222; 기능층
220; 코팅층 221; 완충층
222; 기능층
Claims (16)
- 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재;
상기 기재 상에 완충성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 완충층; 및,
상기 완충층 상에 기능성 분말이 기계적 충격에 의해서 코팅된 기능층을 포함하고,
상기 완충층의 강도가 상기 기능층의 강도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충층의 경도는 상기 기능층의 경도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충층의 치밀도는 상기 기능층의 치밀도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충성 분말은 상기 기능성 분말과 동일한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충층을 이루는 입자의 평균 입경이 상기 기능층을 이루는 입자의 평균 입경에 비해서 더 작은 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충성 분말은 상기 기능성 분말과 상이한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 기재는 글래스, 강화 글래스, 석영 글래스, 석영, 에폭시, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 스테인레스강(SUS), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide), PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 PVB(Polyvinyl butyral)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충층은 유기 소재 또는 유무기 복합 소재를 포함함을 특징으로 하는 복합 구조물. - 제 1 항에 있어서,
상기 기능층은 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 바이오 글래스, (SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite) 또는 이산화티탄(TiO2)을 포함함을 특징으로 하는 복합 구조물. - 표면 조도가 0.1 ㎛ 이상이거나 또는 유기 소재로 된 기재의 표면에 완충성 분말이 분사되어, 기계적 충격을 가하면서 완충층을 형성하는 단계; 및,
상기 완층층의 표면에 기능성 분말이 분사되어, 기계적 충격을 가하면서 기능층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 강도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 강도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 완충성 분말의 입경 범위가 상기 기능성 분말의 입경 범위에 비해서 더 작은 것을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 경도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 경도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 완충층을 형성하기 위한 상기 완충성 분말의 밀도가 상기 기능층을 형성하기 위한 상기 기능성 분말의 밀도에 비해서 더 낮은 것을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 기재는 글래스, 강화 글래스, 석영 글래스, 석영, 에폭시, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 스테인레스강(SUS), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyamide), PMMA(Polymethyl Methacrylat), PBT(Polybutylene terephthalate), PU(Polyurethane), PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 PVB(Polyvinyl butyral)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 완충층은 유기 소재 또는 유무기 복합 소재를 포함함을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 기능층을 형성하기 위한 기능성 분말은 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 바이오 글래스, 실리카(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite) 또는 이산화티탄(TiO2)을 포함함을 특징으로 하는 복합 구조물의 형성 방법.
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