KR20190056558A - 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법 - Google Patents

금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가전, 주방, 욕실용품 등과 같은 생활용품, 건축자재, 의료용품 등에 PVD법을 이용하여 금도금처럼 유사한 색상을 구현할 수 있는 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법에 관한 것이다.

Description

금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법{manufacturing method of Ti-Zr alloy target and coating method of gold color thin layer using the same}
본 발명은 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가전, 주방, 욕실용품 등과 같은 생활용품, 건축자재, 의료용품 등에 PVD법을 이용하여 금도금처럼 유사한 색상을 구현할 수 있는 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법에 관한 것이다.
심미코팅은 가전, 주방, 욕실용품 등 생활용품과, 건축자재, 의료용품 등에 널리 사용되는 기술로 국내에서는 대부분 습식도금을 통하여 골드 색상을 구현하고 있다.
하지만 이러한 습식도금은 산성용액을 사용함으로 인해 유독성 폐수가 발생하여 환경오염을 불러일으키는 문제점이 있다. 또한, 정밀한 두께 컨트롤의 어려움, 불순물 제거의 어려움 그리고 약한 내마모성 등의 문제점을 가진다.
이러한 습식도금 공정의 문제점을 해결하는 방안으로 PVD(Physical Vapor Deposition)법과 같은 건식 박막코팅 공정이 유력하다.
건식 박막코팅 공정은 크게 PVD법과 CVD법으로 나눌 수 있는데, CVD법은 1200℃ 이상의 높은 공정온도, 정밀한 공정제어의 어려움 그리고 전구체 제조가 어렵다는 문제점이 있다.
이에 반해 PVD법은 오염원 배출이 전혀 없는 친환경적인 공정이며 정밀한 공정제어가 가능하고 우수한 부착력과 내마모성을 가진다.
PVD법의 경우 주로 티타늄 타겟이나 지르코늄 타켓을 이용하여 골드 색상의 코팅층을 형성하고 있다.
하지만, TiN 코팅층은 어두운 골드 색상을 보이며, ZrN 코팅층은 옅은 골드 색상을 나타내어 금도금처럼 실제 금과 같은 유사한 색상을 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0859875호에는 주방용품 코팅방법 및 이 방법에 의하여 제조된 주방용품이 개시되어 있다.
상기 기술은 모재에 티타늄을 코팅한 후 그 위에 지르코늄을 코팅하여 금색의 코팅층을 형성하고 있으나, 이 경우 역시 실제 금과 같은 유사한 색상을 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0859875호: 주방용품 코팅방법 및 이 방법에 의하여 제조된 주방용품
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 하나의 타겟을 이용하여 한번의 PVD공정으로 순수한 금과 유사한 금색 칼라를 구현할 수 있는 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법은 비소모성 전극이 설치된 진공용해로에 티타늄 및 지르코늄을 1~3:1~3의 비율로 장입한 후 아크를 발생시켜 Ti-Zr 합금단광을 만드는 제 1아크용해단계와; 상기 Ti-Zr 합금단광을 다수 준비한 다음 용접하여 봉상의 소모성 전극을 제조하는 용접단계와; 상기 소모성 전극을 진공용해로에 설치한 후 아크를 발생시켜 상기 소모성 전극을 용해하여 Ti-Zr 합금잉곳을 만드는 제 2아크용해단계와; 상기 Ti-Zr 합금잉곳의 미세주조결함 제거 및 내부균질화를 위해 진공분위기에서 열처리하는 열처리단계와; 상기 열처리단계에서 열처리된 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 기계가공하여 Ti-Zr 합금타켓을 형성하는 가공단계;를 포함한다.
상기 열처리단계는 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 진공열처리로에 투입하여 진공도 2.0×10- 4torr로 진공배기한 후 5℃/min 속도로 850℃까지 승온시킨 다음 850℃로 30분 동안 유지하고, 5℃/min 속도로 1200 내지 1230℃까지 승온시킨 후 1200 내지 1230℃에서 4 내지 6시간 동안 유지하여 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 열처리한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금색박막의 코팅방법은 상기의 방법으로 제조된 Ti-Zr 합금타겟을 아크방전시켜 기재의 표면에 금색박막을 형성한다.
그리고 상기 기재를 챔버 내의 홀더에 장착하고 상기 Ti-Zr 합금타겟을 설치한 후 압력 7 내지 20mTorr, 200 내지 400℃, 20 내지 60A의 아크 파워, 100 내지 300V의 음(-)전위 바이어스 전압 조건에서 아르곤 가스 100sccm, 질소 가스 100sccm을 주입하고 60분 동안 아크방전시켜 상기 기재의 표면에 상기 금색박막을 형성한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 티타늄과 지르코늄이 혼합된 합금타겟을 이용하여 한 번의 PVD공정으로 금색의 박막을 코팅할 수 있다.
이러한 금색의 박막은 순수한 금과 유사한 칼라를 구현하므로 본 발명은 우수한 품질의 가전, 주방, 욕실용품 등과 같은 생활용품, 건축자재, 의료용품을 제공할 수 있다.
도 1은 아크 이온 플레이팅 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법과 이를 이용한 금색 박막의 코팅방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법은 비소모성 전극이 설치된 진공용해로에 티타늄 및 지르코늄을 1~3:1~3의 비율로 장입한 후 아크를 발생시켜 Ti-Zr 합금단광을 만드는 제 1아크용해단계와;상기 Ti-Zr 합금단광을 다수 준비한 다음 용접하여 봉상의 소모성 전극을 제조하는 용접단계와; 상기 소모성 전극을 진공용해로에 설치한 후 아크를 발생시켜 상기 소모성 전극을 용해하여 Ti-Zr 합금잉곳을 만드는 제 2아크용해단계와; 상기 Ti-Zr 합금잉곳의 미세주조결함 제거 및 내부균질화를 위해 진공분위기에서 열처리하는 열처리단계와; 상기 열처리단계에서 열처리된 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 기계가공하여 Ti-Zr 합금타켓을 형성하는 가공단계;를 포함한다. 각 단계별로 상세하게 살펴본다.
1. 제 1아크용해단계
제 1아크용해단계는 비소모성 전극 방식의 진공아크용해 과정이다.
제 1아크용해단계에서 티타늄 및 지르코늄을 비소모성 전극이 설치된 진공용해로에 장입한 후 아크를 발생시킨다. 제 1아크용해단계를 수행하기 위한 진공아크용해장치는 통상적인 것을 이용할 수 있다.
일 예로, 진공용해로의 내부에 반구홈으로 형성된 하스(hearth)가 구비되고, 하스의 상측에 봉 형상의 비소모성 전극(텅스텐 소재)이 위치하는 구조를 가진다. 전극에 의하여 아크가 발생되며, 발생된 아크에 의해 하스에 위치한 금속소재가 용융된다.
진공용해로에 장입되는 금속은 티타늄과 지르코늄이다. 티타늄과 지르코늄은 순도 99.9% 이상인 괴상(briquette) 또는 칩의 형태로 진공용해로에 장입된다.
진공용해로에 장입되는 티타늄과 지르코늄은 Ti:Zr의 비가 1~3:1~3의 비율로 조정된다. 아크가 발생하여 용융된 티타늄과 지르코늄은 하스의 중앙으로 흘러들어 혼합되면서 티타늄과 지르코늄이 혼합된 합금이 이루어진다.
하스에서 용융된 금속을 냉각시키면 Ti:Zr이 1~3:1~3의 비로 혼합된 Ti-Zr 합금단광이 만들어진다. Ti-Zr 합금단광의 크기는 대략 직경 20mm, 길이 200mm크기의 봉 형상을 갖는다.
2. 용접단계
다음으로, 제 2아크용해단계에서 사용할 소모성 전극을 제조한다.
이를 위해 Ti-Zr 합금단광을 여러 개 준비한 다음 상호 용접하여 기다란 봉상의 소모성 전극을 제조한다. 소모성 전극으로 직경 20mm, 길이 700 내지 800mm가 적당하다.
3. 제 2아크용해단계
다음으로, 소모성 전극을 진공용해로에 설치한 후 아크를 발생시켜 소모성 전극을 용해하여 Ti-Zr 합금잉곳을 만든다.
제 2아크용해단계는 소모성 전극 방식의 진공아크용해 과정이다.
제 2아크용해단계를 수행하기 위한 진공아크용해장치는 통상적인 것을 이용할 수 있다. 일 예로, 진공용해로의 내부에 반구홈으로 형성된 하스가 구비되고, 하스의 상측에 소모성 전극이 설치된 구조를 가진다. 아크가 발생되면 소모성 전극은 용융되고, 용융된 용탕은 주형으로 이동시켜 일정한 모양의 합금잉곳(ingot)을 제조한다.
4. 열처리단계
다음으로, Ti-Zr 잉곳의 미세주조결함 제거 및 내부균질화를 위해 진공분위기에서 열처리하는 열처리단계를 수행한다. 이러한 진공균질화열처리는 미세주조결함을 제거하고, 균질화하는데 효과적이다.
열처리단계는 일 예로, Ti-Zr 합금잉곳을 진공열처리로에 투입하여 진공도 2.0×10- 4torr로 진공배기한 후 5℃/min 속도로 850℃까지 승온시킨 다음 850℃로 30분 동안 유지하고, 5℃/min 속도로 1200 내지 1230℃까지 승온시킨 후 1200 내지 1230℃에서 4 내지 6시간 동안 유지하여 열처리한다. 그리고 8 내지 10시간 동안 노냉한다.
이와 같이 진공상태에서 균질화열처리된 합금잉곳은 국부적인 조성의 불균일과 응고속도의 차이에 의한 화학적 편석을 감소시켜 조성을 균질화시킬 수 있다.
5. 가공단계
다음으로, 열처리된 Ti-Zr 합금잉곳을 기계가공하여 Ti-Zr 합금타켓을 형성시킨다.
티타늄 및 지르코늄이 혼합된 Ti-Zr 합금잉곳은 가공단계를 통해 타겟으로 사용하기 적절한 모양과 크기로 가공된다. 예를 들어 직경 75mm, 두께 35mm의 디스크 형태로 가공할 수 있다.
가공은 통상적인 선반기계를 이용하여 가공할 수 있다. 가령, 와이어 컷팅 머신(wire cutting machine)을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같은 방법으로 제조된 Ti-Zr 합금타겟을 이용하여 박막을 코팅하는 경우 Ti과 Zr의 조성비를 정밀하게 조절할 수 있다. 이러한 Ti-Zr 합금타겟의 Ti:Zr의 중량비는 1~3:1~3이다.
이하, 상술한 방법으로 Ti-Zr 합금타겟을 이용한 금색박막의 코팅방법에 대하여 설명한다.
기재의 표면에 금색의 박막을 형성하기 위한 코팅방법으로 건식 박막코팅 공정을 적용한다. 바람직하게 PVD(Physical Vapor Deposition)법을 적용한다. PVD법은 오염원 배출이 없는 친환경적인 공정이며 정밀한 공정제어가 가능하고 박막의 부착력과 내마모성이 우수하다. PVD법 중 박막의 부착력이 우수한 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating, AIP)방식을 이용한다.
이하에서는 일 예로 아크 이온 플레이팅 방식을 이용한 코팅단계를 설명한다.
챔버 내에 Ti-Zr 합금타겟을 설치한 후 아르곤과 질소가스를 주입하고 Ti-Zr 합금타겟을 아크방전시켜 기재의 표면에 Ti-Zr-N 질화물계 소재의 금색 박막을 형성한다.
금색 박막을 코팅하기 위한 기재로 가전, 주방, 욕실용품 등과 같은 생활용품이 이용될 수 있다. 또한, 건축자재, 의료용품, 의료기기, 임플란트 등이 이용될 수 있다.
기재가 준비되면 기재의 표면에 묻어 있는 이물질을 세척한다. 이물질을 세척하기 위하여 세척 통에 기재를 투입한 다음 통상적인 세척액을 주입하고 세척기를 이용하여 기재의 표면에 붙어 있는 불순물을 세척한다. 이외에도 초음파를 이용하여 세척할 수 있다.
세척공정을 거친 다음 헹굼 공정을 거치고 건조기에서 건조하여 수분을 증발시킨 후 아크이온플레이팅 방식을 적용하여 기재의 표면에 금색의 박막을 형성한다.
아크 방전을 이용해 기재의 표면에 특정 물질을 코팅시키는 아크 이온 플레이팅 장치는 기동시 아크 증발원인 음극(타겟)과 챔버인 양극 사이에 아크 방전을 발생시킴에 따라 음극을 구성하는 타겟 물질이 용융 및 증발되며, 이때 증발된 물질은 음극과 양극 사이에 존재하는 플라즈마에 의해 이온화됨에 따라 기재의 표면에 증착이 이루어진다.
아크이온플레이팅 방식을 이용한 코팅을 수행하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치의 일 예를 도 1에 도시하고 있다.
도 1에 도시된 아크 이온 플레이팅 장치(20)는 가스를 유입시킬 수 있는 가스 유입구와 가스를 유출시킬 수 있도록 진공펌프(23)와 연결된 가스 유출구가 마련된 챔버(21)와, 챔버(21) 내의 일측에 하나 또는 복수개가 장착되어 아크 증발원인 타겟(25)을 아크방전에 의해 용융 및 증발시키는 아크 발생원(27)과, 피증착물인 기재(10)를 지지하고 가속전자에 의해 이온화된 물질을 끌어당기도록 바이어스 발생원(29)을 통해 음(-)전위 바이어스 전압이 인가되는 홀더(28)를 포함하여 구성된다. 이외에도 통상적인 아크 이온 플레이팅 장치를 이용할 수 있음은 물론이다.
상기의 아크 이온 플레이팅 장치를 이용하여 반응을 시키기 위해서 Ti-Zr 합금타겟(25)과 기재(10)를 챔버(21) 내부에 장착한 상태로 진공펌프(23)를 가동하여 챔버(21)를 진공상태로 만든 후 아크 방전시켜 기재(10)의 표면에 박막을 형성한다. 가스로 아르곤 가스 및 질소 가스를 이용한다. 그리고 아크 방전시 홀더(28)에 100 내지 300V의 음(-)전위 바이어스 전압을 인가하여 방전시킨다.
아크 방전 조건의 일 예로, 챔버 압력 7 내지 20mTorr, 200 내지 400℃, 20 내지 60A의 아크 파워, 100 내지 300V의 음(-)전위 바이어스 전압 조건에서 아르곤 가스 100sccm, 질소 가스 100sccm을 주입하고 60분 동안 아크 방전시킬 수 있다. 아크 방전을 통해 Ti-Zr 합금타겟에서 증발되는 티타늄과 지르코늄은 질소와 반응하여 기재의 표면에 Ti-Zr-N 질화물계 소재의 박막을 형성한다.
상술한 코팅과정을 통해 각종 기재의 표면에 실제 금의 색상과 거의 유사한 금색의 박막을 형성할 수 있다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
20: 아크이온플레이팅 장치 21: 챔버
25: Ti-Zr 합금타겟 28: 홀더

Claims (4)

  1. 비소모성 전극이 설치된 진공용해로에 티타늄 및 지르코늄을 1~3:1~3의 비율로 장입한 후 아크를 발생시켜 Ti-Zr 합금단광을 만드는 제 1아크용해단계와;
    상기 Ti-Zr 합금단광을 다수 준비한 다음 용접하여 봉상의 소모성 전극을 제조하는 용접단계와;
    상기 소모성 전극을 진공용해로에 설치한 후 아크를 발생시켜 상기 소모성 전극을 용해하여 Ti-Zr 합금잉곳을 만드는 제 2아크용해단계와;
    상기 Ti-Zr 합금잉곳의 미세주조결함 제거 및 내부균질화를 위해 진공분위기에서 열처리하는 열처리단계와;
    상기 열처리단계에서 열처리된 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 기계가공하여 Ti-Zr 합금타켓을 형성하는 가공단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열처리단계는 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 진공열처리로에 투입하여 진공도 2.0×10- 4torr로 진공배기한 후 5℃/min 속도로 850℃까지 승온시킨 다음 850℃로 30분 동안 유지하고, 5℃/min 속도로 1200 내지 1230℃까지 승온시킨 후 1200 내지 1230℃에서 4 내지 6시간 동안 유지하여 상기 Ti-Zr 합금잉곳을 열처리하는 것을 특징으로 하는 금색 박막을 형성하기 위한 Ti-Zr 합금타겟의 제조방법.
  3. 제 1항의 방법으로 제조된 Ti-Zr 합금타겟을 아크방전시켜 기재의 표면에 금색박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 금색박막의 코팅방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 기재를 챔버 내의 홀더에 장착하고 상기 Ti-Zr 합금타겟을 설치한 후 압력 7 내지 20mTorr, 200 내지 400℃, 20 내지 60A의 아크 파워, 100 내지 300V의 음(-)전위 바이어스 전압 조건에서 아르곤 가스 100sccm, 질소 가스 100sccm을 주입하고 60분 동안 아크방전시켜 상기 기재의 표면에 상기 금색박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 금색박막의 코팅방법.
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