KR20200021438A - 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 높은 경도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 컬러 구현으로 다양한 산업 및 제품 분야에 적용 가능한 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법을 제공 하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 분말 공급부로부터 세라믹 분말과 피그먼트 분말이 혼합된 혼합 분말을 공급받고, 이송 가스를 이용하여 혼합 분말을 이송하는 단계와, 이송된 혼합 분말을 공정 챔버 내의 기재에 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 충돌 및 파쇄시켜, 기재의 표면에 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하는 단계를 포함하며, 혼합 분말내에 포함된 피그먼트 분말 비는 0.01 내지 50 wt%인 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법을 개시한다.

Description

복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법{Composite Structure Ceramic Coating Film and Forming Method Thereof}

본 발명은 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법에 관한 것이다.

현재 용사 코팅 공정이 상업적으로 널리 이용되고 있다. 이러한 용사 코팅 공정의 가장 큰 특징은 매우 높은 열 에너지를 이용하여 고융점의 세라믹 또는 금속 소재를 급속한 상전이를 통해 기재에 분사 코팅하는 공법으로, 작업 공정의 조건 최적화 시 수 ㎛ 내지 수 mm까지 코팅이 가능하며, 분사 공정 중 여러 가지 기자재를 통해 3차원 형상의 코팅도 가능하다. 이러한 우수한 특성을 바탕으로 내화학적, 내마모성 코팅 분야에서 높은 신뢰성이 있으며, 우주 항공, 반도체, 기계 선박 등의 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 에어로졸 디포지션 방식을 이용하여 높은 경도(HV)를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 컬러 구현(투과율 0%)으로 다양한 산업 및 제품 분야에 적용 가능한 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 의한 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법은 분말 공급부로부터 세라믹 분말과 피그먼트 분말이 혼합된 혼합 분말을 공급받고, 이송 가스를 이용하여 혼합 분말을 이송하는 단계와, 이송된 혼합 분말을 공정 챔버 내의 기재에 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 충돌 및 파쇄시켜, 기재의 표면에 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하는 단계를 포함하며, 혼합 분말 내에 포함된 피그먼트 분말의 중량비는 0.01 내지 50 wt%일 수 있다.

복합 구조 세라믹 코팅막의 경도는 300 HV 내지 2000 HV일 수 있다.

복합 구조 세라믹 코팅막의 두께는 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.

복합 구조 세라믹 코팅막의 투과도는 300 nm 내지 800 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 0%일 수 있다.

세라믹 분말은 알루미나(Al2O3), 알파 알루미나(α-Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소계열) 산화물, 바이오 글래스, 규소(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite), 이산화티탄(TiO2), 인산칼슘, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 지르코니아(ZrO2), 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, 니켈란타늄, 란타늄-스트론튬-망간 산화물, 란타늄-스트론튬-철-코발트 산화물, 실리케이트계 형광체, SiAlON계 형광체, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄,AlON, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체, 세라믹과 금속의 혼합체, 니켈, 동으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 포함할 수 있다.

피그먼트 분말은 무기 피그먼트인 산화철(FeO·FeO3), 산화아연(ZnO), 이산화티탄(TiO2), Lithopone(ZnS + BaSO4), 염기성탄산납(2PbCO3·Pb(OH)2), 카본블랙, 크롬산납(PbCrO4), 황색산화철(FeO(OH) 또는 Fe2O3·H2O), 카드뮴 yellow(CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄 yellow(TiO2·NiO·Sb2O3), 크롬 orange(PbCrO4·PbO), 몰리브데늄 orange(PbCrO4·PbMoO4·PbSO4), 적색산화철(Fe2O3), 광명단(Pb3O4), 카드뮴 Red(CdS + CdSe), 망간 violet(NH4MnP2O7), 감청(Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청(Na6~8Al6Si6O24S2~4), Cobalt Blue(CoO·Al2O3), 크롬 green(크롬산납 + 감청), Emerald Green(Cu(CH3CO2)2·3Cu(AsO2)2), 알미늄분(Al), Bronze powder(Cu + Zn), 황화아연 ZnS + (Cu-초록, Mn-노랑, Ag-보라, Bi-빨강), 염기성탄산납(2PbCO3·Pb(OH)2), 옥시염화비스무스(BiOCl), 운모티탄(운모 + TIO2), 안산화동(Cu2O), 아연(Zn), 크롬산아연(ZnCrO4·4Zn(OH)2), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 수은(Hg), 납(Pb), 안티몬(Sb), 황(S), 셀레늄(Se), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 카본(C), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 유기 피그먼트인 Azo계(노랑 ~ 빨강색), Phthalocyanine계(파랑 ~ 초록색), 축합다환계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 에어로졸 디포지션 방식을 이용하여 높은 경도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 컬러 구현으로 다양한 산업 및 제품 분야에 적용 가능한 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법을 제공한다.

일 예로 본 발명의 실시예에 의한 복합 구조 세라믹 코팅막은 대략 300 HV 내지 대략 2000 HV의 경도를 갖고, 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛의 두께에서 대략 300 nm 내지 대략 800 nm의 파장을 갖는 광에 대한 투과율이 대략 0%일 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 원하는 경도 및 원하는 색상을 구현할 수 있는 복합 구조 세라믹 코팅막 및 이의 형성 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하기 위한 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막중 피그먼트의 중량비에 따른 경도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막중 피그먼트의 중량비에 따른 경도 및 투과도를 도시한 표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막을 도시한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막의 파장별 투과도를 도시한 그래프이다.

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. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.

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 특정하는 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 실시예에 따른 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하기 위한 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막 형성 방법을 도시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막 형성 장치(100)는 이송 가스 공급부(110), 혼합 분말(powder)을 보관 및 공급하는 분말 공급부(120), 분말 공급부(120)로부터 분말을 이송 가스를 이용하여 고속으로 이송하는 이송관(122), 이송관(122)으로부터의 분말을 기재(210)에 코팅/적층 또는 스프레잉하는 노즐(132), 노즐(132)로부터의 분말이 기재(210)의 표면에 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄되도록 함으로써, 일정 두께의 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막( 220)이 형성되도록 하는 공정 챔버(130)(진공 챔버 또는 대기압 챔버)를 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하여, 본 발명에 따른 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막 형성 방법을 설명한다.

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.

분말 공급부(120)는 유량 조절기(150)를 통해 공급되는 이송 가스를 통해, 이송관(122)으로 다수의 혼합 분말을 공급할 수 있다. 분말 공급부(120)는 다수의 혼합 분말을 보관 및 공급할 수 있으며, 다수의 혼합 분말은 세라믹 분말과 피그먼트 분말을 포함할 수 있다.

또한 분말 공급부(120)를 통해 이송관(122)으로 공급되는 다수의 혼합 분말 중에서 피그먼트 분말의 중량비는 대략 0.01 wt% 내지 대략 50 wt%일 수 있다. 물론, 이에 따라 세라믹 분말의 중량비는 대략 50 wt% 내지 대략 99.99 wt%일 수 있다. 여기서, 혼합 분말 내에 피그먼트 분말의 중량비가 증가함에 따라, 혼합 분말을 통해 형성된 복합 구조 세라믹 코팅막의 색상의 농도가 더 진해질 수 있다.

피그먼트 분말의 중량비가 대략 0.01 wt% 이하일 경우, 혼합 분말을 통해 형성된 복합 구조 세라믹 코팅막의 색상 구현이 용이하지 않을 수 있다. 또한 피그먼트 분말의 중량비가 대략 50 wt% 이상일 경우, 색상의 농도는 진해질 수 있으나, 세라믹 분말로 인해 구현될 수 있는 코팅막 본연의 특성을 발휘하지 못할 수 있다.

분말 공급부(120)를 통해 이송관(122)으로 공급되는 혼합 분말 중에서, 세라믹 분말의 입경 범위는 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛일 수 있다.

세라믹 분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛보다 작을 경우, 분말의 보관 및 공급이 어려울 뿐만 아니라, 분말의 보관 및 공급 중 응집 현상으로 인해, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 대략 0.1 ㎛ 보다 작은 입자들이 뭉쳐져 있는 형태인 압분체(壓粉體)가 형성되기 쉬울 뿐만 아니라 대면적의 코팅막 형성도 어려운 단점이 있다.

또한, 세라믹 분말의 입경 범위가 대략 50 ㎛보다 클 경우, 분말의 분사, 충돌 파쇄 및/또는 분쇄 시 기판을 깎아 내는 샌드블라스팅(sand blasting) 현상이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라, 일부 형성된 코팅막도 코팅막 내의 입자 입경이 상대적으로 크게 형성되어, 코팅막 구조가 불안정해지고 또한 코팅막 내부 또는 표면의 기공률이 커져서 코팅막 본연의 특성을 발휘하지 못할 수 있다.

세라믹 분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛ 일 경우, 기공률(공극률)이 상대적으로 작고, 표면 마이크로 크랙 현상이 없으며, 분말 제어가 용이한 복합 구조 세라믹 코팅막을 얻을 수 있다. 또한, 분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛ 일 경우, 코팅막의 적층 속도가 상대적으로 높고, 반투명하며, 소재 특성 구현이 용이한 복합 구조 세라믹 코팅막을 얻을 수 있다.

세라믹 분말은 취성 재료인 알루미나(Al2O3) 또는 알파 알루미나(α-Al2O3)를 포함할 수 있다. 본 발명에서 비록 취성 재료로서 알루미나 또는 알파 알루미나를 예로 하였으나, 이밖에도 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소계열) 산화물, 바이오 글래스, 규소(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite), 이산화티탄(TiO2) 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 혼합물 등이 이용될 수도 있다.

좀 더 구체적으로, 취성 재료인 세라믹 분말은 알루미나, 알파 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, 질화규소, 질화티탄,AlON, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체, 세라믹과 금속의 혼합체, 니켈, 동, 규소 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 이용할 수도 있다.

또한 분말 공급부(120)를 통해 이송관(122)으로 공급되는 다수의 혼합 분말 중에서, 피그먼트 분말의 입경 범위는 대략 0.01 ㎛ 내지 대략 50 ㎛ 일 수 있다. 피그먼트 분말의 입경이 대략 0.01 ㎛ 보다 작을 경우 분말의 보관 및 공급이 어려울 뿐만 아니라, 혼합 분말 내에 균일한 혼합 및 분산이 어려울 수 있으며, 대략 50 ㎛보다 더 클 경우 도포성 및 발색성이 저하될 수 있다.

상기 피그먼트 분말은 무기 피그먼트, 유기 피그먼트 및/또는 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 무기 피그먼트는 검정색 피그먼트로서 산화철(FeO·FeO3), 산화아연(ZnO), 이산화티탄(TiO2), Lithopone(ZnS + BaSO4), 염기성탄산납(2PbCO3·Pb(OH)2), 카본블랙, 노랑색 피그먼트로서 크롬산납 (PbCrO4), 황색산화철 (FeO(OH) 또는 Fe2O3·H2O), 카드뮴 yellow (CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄 yellow (TiO2·NiO·Sb2O3), 주황색 피그먼트로서 크롬 orange (PbCrO4·PbO), 몰리브데늄 orange (PbCrO4·PbMoO4·PbSO4), 빨강색 피그먼트로서 적색산화철 (Fe2O3), 광명단 (Pb3O4), 카드뮴 Red (CdS + CdSe), 보라색 피그먼트로서 망간 violet (NH4MnP2O7), 파란색 피그먼트로서 감청 (Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청 (Na6~8Al6Si6O24S2~4), Cobalt Blue (CoO·Al2O3), 초록색 피그먼트로서 크롬 green (크롬산납 + 감청), Emerald Green (Cu(CH3CO2)2·3Cu(AsO2)2) 등을 포함할 수 있다. 또한, 특수 무기 피그먼트서 금속광택 피그먼트인 알미늄분(은분) (Al), Bronze powder (Cu + Zn), 형광 피그먼트로서 황화아연 ZnS + (Cu-초록, Mn-노랑, Ag-보라, Bi-빨강), 진주광택 피그먼트로서 염기성탄산납 (2PbCO3·Pb(OH)2), 옥시염화비스무스 (BiOCl), 운모티탄 (운모 + TIO2), 오염방지피그먼트로서 안산화동 (Cu2O), 아연 (Zn), 부식방지피그먼트로서 광명단 (Pb3O4), 크롬산아연 (ZnCrO4·4Zn(OH)2) 등을 포함할 수 있다. 이밖에도, 무기 피그먼트는 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 수은(Hg), 납(Pb), 안티몬(Sb), 황(S), 셀레늄(Se), 카드뮴(Cd), 칼슘(Ca), 바나듐(V), 크롬(Cr), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 카본(C), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 중 선택된 하나의 금속을 원소 형태 또는 미립자 형태로 포함한 피그먼트일 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.

또한, 유기 피그먼트는 Azo계(노랑 ~ 빨강색), Phthalocyanine계(파랑 ~ 초록색), 축합다환계 등을 포함할 수 있다. Azo계 피그먼트로서 용성 Azo계 피그먼트 (Azo lake)를 포함할 수 있는데, 이는 친수성의 sulfone 산기, carboxyl 기를 가져 그 산기를 알칼리토금속류 등의 금속화합물로 lake화 하여 수불용화 한 것으로, 피그먼트 용액에 금속액 수용액을 교반하에 가하여 lake화 시킨것이다. 이는 C.I. Pigment Red(48:1, 48:2, 48:3, 48:4), C.I. Pigment Red (53:1, 53:2), C.I. Pigment Red(57:1)을 포함할 수 있다. 불용성 Azo계 피그먼트는 친수성기를 갖지 않고 커플링 반응을 한 것뿐으로 물에 용해도를 갖지 않아 피그먼트화한 것이다. 이는 C.I. Pigment Yellow 1, C.I. Pigment Yellow 3, C.I. Pigment Yellow 83, C.I. Pigment Orange 16, C.I. Pigment Orange 13, C.I. Pigment Red 3, C.I. Pigment Red 5를 포함할 수 있다. Phthalocyanine계 피그먼트는 2가의 금속을 함유한 커다란 환상화합물(약칭 Pc)로서, 파랑색~초록색의 색상을 가지며, 색이 선명하고, 착색력 우수하며, 내광성, 내열성, 내용제성, 내유성, 내수성, 내산성, 내알칼리성, 내약품성이 모두 우수하다. 이는 Phthalocynine Blue(C.I. Pigment Blue 15), Cu-Pc-(SO31/2Ba)n (n=2,3) C.I. Pigment Blue 17, [Cu-Pc]Cl14~16 Phthalocynine Green C.I. Pigment Green 7을 포함한다. 축합다환계 유기 피그먼트는 Benzen 고리, Hetero 고리로 이루어진 축합다환방향족 환상구조를 갖는 유기피그먼트로서, 선명한 색, 착색력, 견뢰성이 Phthalocyanine과 유사한 고급 유기 피그먼트며, 특수한 원료를 사용하여, 공정이 길고 복잡하여 제조 단가가 높다. 이는 Indanthrene Blue, C.I. Pigment Blue 60을 포함하는 Anthraquinone계, Thioindigo Magenta, C.I. Pigment Vilot 38를 포함하는 Thioindigo계, Perinone Orange, C.I. Pigment Orange 43를 포함하는 Perinone계, Perylene Maroon, C.I. Pigment Red 179을 포함하는 Perylene계, Quninacridone Red, C.I. Pigment Violet 19를 포함하는 Quinacridone계를 포함할 수 있다. 또한, 주광형광 피그먼트도 사용 가능하다. 이는 광자극이 있을 때만 형광을 발하는 피그먼트로서, 자체형광을 갖는 수불용성 피그먼트로서 착색력, 내광성은 우수하나 형광의 경도, 색의 선명함이 뒤떨어지는 피그먼트색소형, 형광을 갖는 피그먼트를 담체가 되는 합성수지(멜라민 수지, 요소수지, 아크릴 수지, PVC 수지 등)에 용해하여 경화한 후, 분쇄하여 미분말로 한 합성수지 고용체형을 포함한다. 이러한 형광을 갖는 피그먼트는 C.I. Acid Yellow(노랑 ~ 황록), C.I. Basic Orange 14(노랑 ~ 주황), C.I. Acid Red 87 (노랑 ~ 주황)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 유기 피그먼트로 한정되지 않는다.

한편, 혼합 분말 중 세라믹 분말의 중량비와, 무기 및/또는 유기 피그먼트의 중에서 선택된 피그먼트 분말의 종류에 따라 다양한 색상의 복합 구조 세라믹 코팅막(220)을 구현할 수 있다.

상기 분말 공급부(120)는 각각의 공급관을 통해, 세라믹 분말과 피그먼트 분말을 각각 공급받거나, 세라믹 분말과 피그먼트 분말이 혼합된 혼합 분말을 하나의 공급관을 통해 공급 받을 수 있다. 분말 공급부(120)에서 각각의 공급관을 통해 세라믹 분말과 피그먼트 분말을 각각 공급받을 경우, 혼합 분말 내에 피그먼트 분말의 중량비는 대략 0.01 내지 대략 50 wt%가 되도록 세라믹 분말의 공급관에 구비된 밸브와 피그먼트 분말의 공급관에 구비된 밸브의 제어가 요구된다. 또한 분말 공급부(120)에서 혼합된 혼합 분말을 공급받을 경우, 교반기를 통해 혼합 분말 내에 피그먼트 분말의 중량비는 대략 0.01 내지 대략 50 wt%가 되도록 세라믹 분말과 혼합된 후 공급될 수 있다.

공정 챔버(130)는 복합 구조 세라믹 코팅막 형성 중에 진공 상태를 유지하며, 이를 위해 진공 유닛(140)이 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 공정 챔버(130)의 압력은 대략 1 파스칼 내지 대략 800 파스칼이고, 이송관(122)에 의해 이송되는 분말의 압력은 대략 500 파스칼 내지 대략 2000 파스칼일 수 있다. 다만, 어떠한 경우에도, 공정 챔버(130)의 압력에 비해 이송관(122)의 압력이 높아야 한다.

더불어, 공정 챔버(130)의 내부 온도 범위는 대략 0 ℃ 내지 대략 30 ℃이며, 따라서 별도로 공정 챔버(130)의 내부 온도를 증가시키거나 감소시키기 위한 부재가 없어도 좋다. 즉, 이송 가스 또는/및 기재가 별도로 가열되지 않고, 대략 0 ℃ 내지 대략 30 ℃의 온도로 유지될 수 있다.

그러나, 경우에 따라 복합 구조 세라믹 코팅막의 증착 효율 및 치밀도 향상을 위해, 이송 가스 또는/및 기재가 대략 30 ℃ 내지 대략 600 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 즉, 별도의 도시되지 않은 히터에 의해 이송 가스 공급부(110) 내의 이송 가스가 가열되거나, 또는 별도의 도시되지 않은 히터에 의해 공정 챔버(130) 내의 기재(210)가 가열될 수 있다. 이러한 이송 가스 또는/및 기재의 가열에 의해 복합 구조 세라믹 코팅막 형성 시 분말에 가해지는 스트레스가 감소함으로써, 기공률이 작고 치밀한 복합 구조 세라믹 코팅막이 얻어진다. 여기서, 이송 가스 또는/및 기재가 대략 600 ℃의 온도보다 높을 경우, 분말이 용융되면서 급격한 상전이를 일으키고, 이에 따라 복합 구조 세라믹 코팅막의 기공률이 높아지고 복합 구조 세라믹 코팅막 내부 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 이송 가스 또는/및 기재가 대략 30 ℃의 온도보다 작을 경우, 분말에 가해지는 스트레스가 감소하지 않을 수 있다.

그러나, 본 발명에서 이러한 온도 범위를 한정하는 것은 아니며, 복합 구조 세라믹 코팅막이 형성될 기재의 특성에 따라 이송 가스, 기재 및/또는 공정 챔버의 내부 온도 범위는 대략 0 ℃ 내지 대략 600 ℃ 사이에서 조정될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 공정 챔버(130)와 이송관(122)(또는 이송 가스 공급부(110) 또는 분말 공급부(120)) 사이의 압력 차이는 대략 1.5배 내지 대략 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 기재의 표면이 과도하게 식각될 수 있다.

이러한 공정 챔버(130)와 이송관(122)의 압력 차이에 따라, 분말 공급부(120)로부터의 혼합 분말은 이송관(122)을 통해 고속으로 공정 챔버(130)에 전달된다.

공정 챔버(130) 내에는 이송관(122)에 연결된 노즐(132)이 구비되어, 대략 100 내지 대략 500m/s의 속도로 혼합 분말을 기재(210)에 충돌시킨다. 즉, 노즐(132)을 통한 혼합 분말은 이송 중 얻은 운동 에너지와 고속 충돌 시 발생하는 충돌 에너지에 의해 파쇄 및/또는 분쇄되면서 기재(210)의 표면에 일정 두께의 복합 구조 세라믹 코팅막(220)을 형성하게 된다.

한편, 기재, 혼합 분말 또는 기재와 혼합 분말에 플라즈마, 레이저, 전기 히터, 인덕션 히터, 전자빔, 이온빔 또는 마이크로 웨이브를 이용하여 활성 에너지를 제공함으로써, 상기 기재에 증착되는 복합 구조 세라믹 코팅막의 증착율이 더욱 향상될 수 있다.

여기서, 혼합 분말의 증착율은 아래 같은 방법으로 측정될 수 있으며, 이러한 활성 에너지 제공에 의해 대략 10% 내지 20%의 증착율을 얻을 수 있다.

이와 같은 복합 구조 세라믹 코팅막(220)의 두께는 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 20 ㎛일 수 있다. 상기 코팅막(120)의 두께가 대략 0.1 ㎛ 미만으로 형성될 경우, 원하는 색상 발현 및 원하는 경도(내스크래치 특성)를 얻기 어렵다. 또한, 코팅막(120)의 두께가 대략 20 ㎛를 초과할 경우 원하는 색상 발현 및 원하는 경도(내스크래치 특성)를 얻을 수 있으나, 형성 시간이 너무 길어진다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막을 도시한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 복합 구조 세라믹 코팅막은 기재 위에 형성될 수 있으며, 이는 상술한 세라믹 소재와 상술한 피그먼트를 포함할 수 있다. 본 발명에서, 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막이란, 기재가 없는 상태에서, 예를 들면, 레이저 다이오드로 대략 300 nm 내지 대략 800 nm 파장의 광을 복합 구조 세라믹 코팅막의 일면에 조사하였을 경우, 복합 구조 세라믹 코팅막의 타면에서 어떠한 광도 검출되지 않음을 의미한다. 즉, 대략 300 nm 내지 대략 800 nm의 파장을 갖는 광이 코팅막을 투과할 수 없다면, 본 발명에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막으로 정의한다. 한편, 기재는 글래스, 플라스틱, 사파이어, 쿼츠 또는 금속일 수 있다.

여기서, 플라스틱 기판은 대략 140℃ 정도의 Tg(연화점, glass transition temperature)와 대략 340℃ 정도의 Tm(녹는점, melting temperature)을 갖는 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PEEK(Polyetheretherketon) 등의 열가소성 세미결정성 플라스틱(thermoplastic semicrystalline polymer)을 포함할 수 있다. 또한, 플라스틱 기판은 상술한 세미결정성 플라스틱보다 Tg가 높고, Tm을 보이지 않는 대략 150℃의 Tg를 갖는 PC(Poly Carbonate), 220℃의 Tg를 갖는 PES(Poly Esther Sulphone) 등의 열가소성 무정형(amorphous) 플라스틱을 포함할 수 있다. 또한, 플라스틱 기판은 상대적으로 높은 내열성을 가진 PI(Polyimide), polyarylate, PAR(Polyacrylate) 등으로 제조된 것일 수 있다.

[실시예]

세라믹 분말로서 알루미나를 선택하고, 피그먼트 분말로서 산화철(FeO·FeO3)을 선택하여 혼합 분말을 제조하였으며, 피그먼트 분말의 중량비를 0 wt% 내지 35 wt%(세라믹 분말의 중량비는 100 wt% 내지 65 wt%)로 변화시키며 상술한 에어로졸 디포지션 방식으로 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하였다. 여기서, 세라믹 분말 및 피그먼트 분말의 입경 범위는 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛로 하였고, 기재는 글래스(경도는 50 HV보다 높음)로 하였다.

도 4를 참조하면 피그먼트 분말 중량비에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막의 경도를 도시한 그래프가 도시되어 있다. 도 4에서 X축은 피그먼트 분말의 중량비(wt%)이고, Y축은 복합 구조 세라믹 코팅막의 비커스 경도(HV, load: 10g)이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 분말 공급부(120)에서 공정 챔버(130)내로 공급되는 혼합 분말 중에, 피그먼트 분말 중량비가 증가함에 따라, 공정 챔버(130)에서 형성되는 복합 구조 세라믹 코팅막(220)의 경도가 감소함을 볼 수 있다.

복합 구조 세라믹 코팅막(220)의 내스크래치 특성을 가짐과 동시에, 컬러 구현을 위해서는 혼합 분말 중에서 피그먼트 분말의 중량비가 대략 0.01 wt% 내지 대략 50 wt% 인 것이 바람직하다. 여기서, 혼합 분말 내에 피그먼트 분말의 중량비가 증가함에 따라, 혼합 분말을 통해 형성된 복합 구조 세라믹 코팅막(220)의 색상 농도가 더 높아질 수 있으나 대략 50 wt% 이상일 경우, 세라믹 분말로 인해 구현될 수 있는 복합 구조 세라믹 코팅막 본연의 내스크래치 특성은 저하될 수 있다. 또한 피그먼트 분말의 중량비가 대략 0.01 wt% 이하일 경우, 혼합 분말을 통해 형성된 복합 구조 세라믹 코팅막(220)의 색상 구현이 용이하지 않을 수 있다.

일례로, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 0 wt%일 경우 복합 구조 세라믹 코팅막(알루미나 소재)의 마이크로 경도(10g에서 측정)는 대략 1850 HV, 투과도는 대략 90%이나, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 35 wt%일 경우 복합 구조 세라믹 코팅막의 마이크로 경도는 대략 336 HV, 투과도는 대략 0%이다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막(220)은 높은 경도를 가질 뿐만 아니라, 다양한 컬러을 가짐으로써, 다양한 산업 및 제품 분야에 응용될 수 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막(220)은 표면이 폴리싱 처리되어 평균 조도가 대략 0.005 ㎛ 내지 대략 5 ㎛일 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막중 피그먼트의 중량비에 따른 경도 및 투과도를 도시한 표이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 0 wt%일 경우, 경도는 1850 HV, 투과도는 90%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 5 wt%일 경우, 경도는 980 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 10 wt%일 경우, 경도는 822 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 15 wt%일 경우, 경도는 615 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 20 wt%일 경우, 경도는 547 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 25 wt%일 경우, 경도는 432 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 30 wt%일 경우, 경도는 375 HV, 투과도는 0%, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 35 wt%일 경우, 경도는 336 HV, 투과도는 0%로 나타났다.

이와 같이 하여, 피그먼트 분말의 중량비가 증가할수록 경도가 감소하나, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 5 wt%일 경우 투과도는 0%이므로, 높은 경도 및 원하는 색상을 위해 대체로 피그먼트 분말의 중량비는 대략 5 wt% 정도가 적절함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막을 도시한 사진이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 5 wt% 정도를 포함할 경우, 글래스 상에 검은 색상의 복합 구조 세라믹 코팅막이 적절히 형성됨을 볼 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조 세라믹 코팅막의 파장별 투과도를 도시한 그래프이다. 도 7에서, X축은 광의 파장이고, Y축은 광의 투과율(%)이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 피그먼트 분말의 중량비가 대략 5 wt%이고, 이를 통한 복합 구조 세라믹 코팅막의 두께가 대략 4.5 ㎛일 경우, 대략 380 nm 내지 대략 770 nm의 파장을 갖는 광에 대한 광 투과율은 대략 0%로 측정되었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막 구조물(200)의 복합 구조 세라믹 코팅막(220)은 피그먼트 분말의 중량비가 대략 5 wt%이고, 이를 통한 복합 구조 세라믹 코팅막의 두께가 대략 4.5 ㎛일 경우, 원하는 색상을 완벽하게 구현함은 물론 대략 980 HV의 경도값을 가져 다양한 응용 분야에 사용될 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 복합 구조 세라믹 코팅막 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; 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막 구조물
210; 기재
220; 컬러 복합 구조 세라믹 코팅막

Claims (7)

1. 분말 공급부로부터 세라믹 분말과 피그먼트 분말이 혼합된 혼합 분말을 공급받고, 이송 가스를 이용하여 혼합 분말을 이송하는 단계; 및
   이송된 혼합 분말을 공정 챔버 내의 기재에 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 충돌 및 파쇄시켜, 기재의 표면에 복합 구조 세라믹 코팅막을 형성하는 단계를 포함하고,
   혼합 분말 내에 포함된 피그먼트 분말의 중량비는 0.01 wt% 내지 50 wt%인, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,
   복합 구조 세라믹 코팅막의 경도는 300 HV 내지 2000 HV인, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
3. 제1항에 있어서,
   복합 구조 세라믹 코팅막의 두께는 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛인, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
4. 제1항에 있어서,
   복합 구조 세라믹 코팅막의 투과도는 300 nm 내지 800 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 0%인, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
5. 제1항에 있어서,
   세라믹 분말은 알루미나(Al2O3), 알파 알루미나(α-Al2O3), 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소계열) 산화물, 바이오 글래스, 규소(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite), 이산화티탄(TiO2), 인산칼슘, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 지르코니아(ZrO2), 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, 니켈란타늄, 란타늄-스트론튬-망간 산화물, 란타늄-스트론튬-철-코발트 산화물, 실리케이트계 형광체, SiAlON계 형광체, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄,AlON, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체, 세라믹과 금속의 혼합체, 니켈, 동으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 포함하는, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
6. 제1항에 있어서,
   피그먼트 분말은 무기 피그먼트인 산화철(FeO·FeO3), 산화아연(ZnO), 이산화티탄(TiO2), Lithopone(ZnS + BaSO4), 염기성탄산납(2PbCO3·Pb(OH)2), 카본블랙, 크롬산납(PbCrO4), 황색산화철(FeO(OH) 또는 Fe2O3·H2O), 카드뮴 yellow(CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄 yellow(TiO2·NiO·Sb2O3), 크롬 orange(PbCrO4·PbO), 몰리브데늄 orange(PbCrO4·PbMoO4·PbSO4), 적색산화철(Fe2O3), 광명단(Pb3O4), 카드뮴 Red(CdS + CdSe), 망간 violet(NH4MnP2O7), 감청(Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청(Na6~8Al6Si6O24S2~4), Cobalt Blue(CoO·Al2O3), 크롬 green(크롬산납 + 감청), Emerald Green(Cu(CH3CO2)2·3Cu(AsO2)2), 알미늄분(Al), Bronze powder(Cu + Zn), 황화아연 ZnS + (Cu-초록, Mn-노랑, Ag-보라, Bi-빨강), 염기성탄산납(2PbCO3·Pb(OH)2), 옥시염화비스무스(BiOCl), 운모티탄(운모 + TIO2), 안산화동(Cu2O), 아연(Zn), 크롬산아연(ZnCrO4·4Zn(OH)2), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 수은(Hg), 납(Pb), 안티몬(Sb), 황(S), 셀레늄(Se), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 카본(C), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 유기 피그먼트인 Azo계(노랑 ~ 빨강색), Phthalocyanine계(파랑 ~ 초록색), 축합다환계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물을 포함하는, 복합 구조 세라믹 코팅막의 형성 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성된 복합 구조 세라믹 코팅막.

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