KR20210156110A - 3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성하기 위한 도장방법 및 장치 - Google Patents

3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성하기 위한 도장방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성하는 기판의 도장방법에 관한 것으로서, 본 발명은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 기존의 크롬 도금 공정과 같이 복잡하고 여러 단계를 거쳤던 방식을 사용하지 않고 레이저를 이용한 빠르고 간편한 공정을 통하여 3차원 기판 상에 직접적으로 코팅층을 형성할 수 있다. 또한, 긴 초점 심도를 갖는 레이저 광학계를 이용하기 때문에 레이저의 초점을 미세하게 조절하지 않고도 입체적인 형성을 갖는 3차원 기판에 코팅층을 균일한 두께와 물성을 갖도록 형성할 수 있으며, 라인 빔을 이용함으로써 대면적 코팅을 빠르게 수행할 수 있다.

Description

3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성하기 위한 도장방법 및 장치{Method and Device for Preparing Large Area Coating on Three Dimensional Substrate}
본 발명은 3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성하기 위한 도장방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량용 부품과 같이 입체적 형상을 갖는 3차원 기판 상에 크롬 도금과 같은 대면적 코팅을 빠르고 간편한 공정으로 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
크롬(또는 크로뮴, Chromium) 도금은 금속 표면이 아름다운 광택을 띠게 만들어 제품의 고급화에 기여할 뿐만 아니라 표면의 오염물을 제거하거나 부식을 방지하며, 마찰 저항, 내마모성과 같은 기계적 특성을 향상시키는 등의 이점을 가지고 있어, 차량용 부품, 가구, 장식물, 장신구 등의 다양한 용도에서 활용되고 있다.
크롬 도금을 대량으로 생산하기 위해서는 일반적으로 전기도금이 사용된다. 크롬 전기도금은 보통 크롬산에 황산과 같은 산을 가한 용액에 도금할 부품을 침지하여 도금을 하는데, 양극에는 크로뮴 금속을 사용하지 않고 납과 같이 황산에 침해되지 않는 것을 사용하며 용액 중에서 감소된 크롬의 양은 크롬산으로 보충하여 전착(電着)을 계속한다. 이러한 전기도금 방식은 부품을 일일이 용액에 침지해야 하기 때문에 대규모 설비가 필요하고, 무수크롬산과 황산과 같은 유해한 물질이 사용되어 폐수 처리에 많은 비용이 요구되기 때문에 비용 효율성이 낮을 뿐만 아니라 친환경적인 측면에서도 개선이 요구되고 있다.
또한, 크롬 도금 공정은 크게 전처리, 도금, 후처리의 단계로 나뉘며 세부적으로는 14단계의 공정을 거친다. 이는 생산비용의 증가를 초래할 뿐만 아니라 화학 약품의 사용으로 인한 안전 사고의 위험 역시 증가한다.
나아가, 차량용 부품과 같이 입체적인 형상을 갖는 부품에 크롬 도금을 형성하려는 경우 제품의 굴곡진 형상에 따라 크롬 도금의 두께가 불균일하게 형성되는 문제가 있다. 크롬 도금의 두께 편차는 도금층의 부식으로 이어질 수 있기 때문에 입체적 형상을 갖는 기판에 대한 균일한 품질의 도금층을 형성하는 것이 중요하다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허공보 제10-0852046호에서는 크롬 도금의 두께 균일화를 위한 방법을 제공하고 있는데, 크롬 도금 공정을 개선한 것이 아니라 차량용 부품의 형상을 개선한 것이라는 점에서 한계가 있다.
또한, 전기 도금 방식의 크롬 도금은 크롬 도금을 처리할 부품을 먼저 처리한 후 이를 추가적인 조립 과정에 의해 모재와 결합해야 하며 결합 후 모재에 대한 추가 가공 공정이 필요하므로 추가 비용 및 시간이 소모되고, 조립 공정에 따른 불량률 증가와 인건비가 추가로 발생하거나 고가의 자동화 공정 설비가 필요한 문제가 있다. 뿐만 아니라, 조립이라는 근본적인 문제로 인하여 조립 파트와 모재 사이의 내구성 저하가 발생하기 때문에 사용 중 조립 파트의 탈락, 유격으로 인하여 2차 사고 발생 등의 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 전기도금 공정과 같이 부품을 용액에 침지하는 방식이 아닌, 3차원 형상을 갖는 부품 자체에 직접적으로 크롬을 도금하는 공정의 개발이 요구되고 있다.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 기판 상에 간편하고 빠른 공정으로 크롬 도금과 같은 대면적 코팅층을 직접적으로 형성하는 기판의 도장방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기판 상에 대면적 코팅층을 형성하기 위한 기판 도장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 차체 또는 차량용 부품의 일부 또는 전부에 크롬 또는 니켈 박막을 형성하기 위한 차량용 도금 장치를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 기판의 도장방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 상기 코팅층 형성 단계 이후, 잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기판은 3차원 기판일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO2, 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn), TiO2, ZnO, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU), 또는 이들의 복합 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기판은 표면에 도료층을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 나노입자의 함량은 5 내지 35중량%일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 점도는 10 내지 200cP일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 철(Fe), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액은 나노입자를 증류수, 탈이온수, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 디메틸포름아미드(dimethyformamide)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 분산 또는 용해시킨 것일 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 나노입자 용액층을 0.1 ~ 300㎛의 두께로 도포할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 라인 빔은 원형 빔을 파웰 렌즈(Powell lens)에 통과시켜 확장시킨 후 실린더 렌즈(cylinder lens)에 통과시켜 얻어진 것일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 라인 빔은 레이저 다이오드 어레이(laser diode array)로부터 발진된 레이저 빔들을 콜리메이터(collimator)에 통과시켜 얻어진 것일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 레이저의 출력은 1 내지 10W일 수 있다.
본 발명은 또한, 기판의 미리 정해진 영역에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하기 위한 나노입자 도포 부재; 및 상기 나노입자 용액층의 미리 정해진 위치에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하기 위한 레이저 조사 부재를 포함하는, 기판 도장 장치를 제공한다.
본 발명의 장치에서, 상기 나노입자 도포 부재 및 레이저 조사 부재는 머니퓰레이터(manipulator)에 설치될 수 있다.
본 발명은 또한, 차체 또는 차량용 부품의 일부 또는 전부에 크롬 또는 니켈 박막을 형성하기 위한 차량용 도금 장치로서, 상기 차량용 도금 장치는 차체 또는 차량용 부품의 도금이 필요한 위치 정보를 입력받아 헤드가 이동되도록 구성된 머니퓰레이터(manipulator)를 포함하고, 상기 머니퓰레이터는 차체 또는 차량용 부품의 미리 정해진 부분에 크롬 또는 니켈 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하기 위한 나노입자 도포 부재; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 차체 또는 차량용 부품에 크롬 또는 니켈 도금을 형성하기 위한 레이저 조사 부재를 포함하는, 차량용 도금 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존의 크롬 도금 공정과 같이 복잡하고 여러 단계를 거쳤던 방식을 사용하지 않고 레이저를 이용한 빠르고 간편한 공정을 통하여 3차원 기판 상에 직접적으로 대면적 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 긴 초점 심도를 갖는 레이저 광학계를 이용하기 때문에 레이저의 초점을 미세하게 조절하지 않고도 입체적인 형성을 갖는 3차원 기판에 코팅층을 균일한 두께와 물성을 갖도록 형성할 수 있으며, 라인 빔을 이용함으로써 대면적 코팅을 빠르게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 기판 상에 대면적 코팅층을 형성하는 방법의 공정 순서도를 나타낸다.
도 2(a)는 베셀 빔의 원리를 도시한 도면이다.
도 2(b)는 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계를 나타낸 개념도이다.
도 3은 원형 빔을 사용하여 라인 빔 형태의 베셀 빔을 구현하기 위한, 본 발명의 예시적인 광학계를 도시한 것이다.
도 4는 레이저 다이오드 어레이(laser diode array)를 사용하여 라인 빔 형태의 베셀 빔을 구현하기 위한, 본 발명의 예시적인 광학계를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태로서, 차량용 부품의 표면에 크롬 도금을 형성하는 공정을 나타낸 개념도이다.
도 6(a)는 나노입자 용액 분무 장치와 레이저 헤드가 개별적으로 구성된 본 발명의 예시적인 코팅 장치의 개념도를 나타낸다.
도 6(b)는 나노입자 용액 분무 장치와 레이저 헤드가 하나로 통합된 본 발명의 예시적인 코팅 장치의 개념도를 나타낸다.
도 7은 도료층이 도장된 기판 상에 본 발명에 따른 크롬 도금층을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 기판 상에 대면적 코팅을 형성하는 기판의 도장방법에 관한 것으로서, 차량용 부품, 가구, 장식품, 장신구 등과 같이 굴곡진 표면을 갖는 3차원 기판의 표면에 간단하고 빠른 공정으로 대면적 코팅을 형성할 수 있는 도장방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 기존의 크롬 도금 공정과 같이 복잡하고 여러 단계를 거쳤던 방식을 사용하지 않고 레이저를 이용한 빠르고 간편한 공정을 이용하여 3차원 기판 상에 대면적 코팅을 형성할 수 있으며, 본 발명의 방법은 크롬 도금 뿐만 아니라 다른 금속 또는 비금속 코팅층을 형성하는데 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 기판 상에 대면적 코팅층을 형성하는 방법의 공정도를 나타낸다.
본 발명의 방법은, 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계(S100) 및 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 코팅의 대상이 되는 기판은 편평한 2차원 기판 뿐만 아니라, 굴곡, 홈, 돌기, 요철 등의 다양한 입체 형상을 갖는 3차원 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 자동차 부품, 가구, 장식품, 장신구 등과 같이 굴곡진 표면을 갖는 물품을 기판으로서 사용할 수 있다. 본 발명에서는 입체적 형성을 갖는 3차원 기판을 중심으로 본 발명의 공정을 설명하지만, 이는 본 발명의 기술적 특징을 보다 적절히 설명하기 위한 것일 뿐 2차원 평면 기판이 본 발명의 범위에서 제외되는 것은 아니다.
상기 기판의 재질로는 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO2 등의 비금속 재료; 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 금속 또는 이들의 산화물, 예를 들어 TiO2, ZnO; 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU) 등의 중합체; 또는 이들의 복합 재료를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 기판에는 도료층이 코팅될 수 있다. 상기 도료층은 후술하는 공정에 의하여 나노입자가 소결될 때 기판과의 접착력을 강화시켜 최종적으로 형성된 코팅층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 3차원 기판 상에 코팅층을 형성하는 방법은 우선, 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계(S100)를 포함한다.
상기 나노입자 용액은 수 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 다양한 크기를 갖는 나노입자가 용매에 용해 또는 분산된 용액을 의미한다.
상기 나노입자의 크기는 코팅되는 물질의 종류에 따라 상이하게 적용될 수 있으나, 10 내지 500nm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 50 내지 100nm의 평균 입경을 갖는 것이 코팅의 균일성을 고려할 때 더욱 바람직하다.
상기 나노입자는 기판 상에 코팅층을 형성하기 위한 물질을 입자화한 것이며, 바람직하게는 도금, 도장에 주로 사용되는 금속 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 철(Fe), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라, 상기 금속 나노입자는 크롬(Cr) 나노입자 또는 니켈(Ni) 나노입자일 수 있으며, 차량용 부품의 크롬 또는 니켈 도금을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
그러나, 상기 나노입자는 금속 나노입자로 한정되는 것은 아니며, 실리카 나노입자와 같은 비금속 나노입자를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 사용될 수 있는 용매로는 증류수, 탈이온수 등의 무기용매, 또는 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethyformamide) 등의 유기용매를 사용할 수 있다.
상기 나노입자는 용매에 분산 또는 용해된 상태로 존재할 수 있으며, 나노입자가 용매에 용해된 경우 이온의 형태로 존재하게 된다.
상기 나노입자 용액에서, 나노입자의 함량은 5 내지 35중량%인 것이 바람직하다. 나노입자의 함량이 5중량% 미만인 경우 코팅층 형성이 어렵고, 35중량% 초과인 경우 코팅층이 불균일하거나 성장 소결에 과도한 시간이 소요될 수 있다.
또한, 상기 나노입자 용액은 10 내지 200cP의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 나노입자 용액의 점도가 너무 낮은 경우 기판에 코팅이 잘 되지 않아 공정이 어렵게 되고, 점도가 너무 높으면 작업성이 나쁘게 된다.
상기 나노입자 용액을 기판 상에 도포(코팅)하는 방법으로는 스핀(spin) 코팅, 블레이드(blade) 코팅, 롤(roll) 코팅, 슬롯다이(slot die) 코팅, 랭뮤어-블로젯(Langmuir-blogett) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 딥(dip) 코팅 등 기존에 사용되고 있는 다양한 코팅 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 나노입자 용액은 기판의 전면에 코팅되거나, 일부면에 국부적으로 코팅될 수 있다. 전면 코팅의 경우 스핀 코팅, 블레이드 코팅 등의 방법을 사용하는 것이 바람직하며, 국부적인 코팅의 경우 잉크젯, 스프레이 등의 방식을 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 자동차 부품의 코팅에 사용될 경우 상기 코팅 장치는 로봇 팔과 같은 머니퓰레이터에 장착되어 사용될 수 있다.
상기 코팅 과정에서, 필요에 따라 나노입자 용액을 건조시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여 나노입자 용액의 용매를 증발시킬 수 있으며, 나노입자 용액의 코팅과 건조를 수 차례 반복하는 것도 가능하다.
상기 나노입자 용액층은 0.1 내지 300㎛의 두께로 도포되는 것이 바람직하다. 상기 나노입자 용액층의 두께가 너무 두꺼운 경우 레이저 조사에 의한 소결이 잘 이루어지지 않거나 과도한 시간이 걸릴 수 있다.
본 발명의 공정에서, 기판 상에 나노입자 용액 코팅을 완료하면, 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성할 수 있다(S200).
일반적으로 레이저를 이용하여 균일하게 소결된 박막을 얻기 위해서는 기판에 정확히 초점을 맞춘 상태에서 소결 공정을 진행해야 하지만, 3차원 형상의 굴곡진 기판을 이용하는 경우 레이저의 초점을 맞추는 것에 상당한 기술적 난이도가 요구된다. 안정적으로 소결이 가능한 레이저 빔의 길이는 초점의 수배 이내이기 때문에 기판의 소결 부위에 레이저 초점이 정확히 위치하도록 기판이나 초점 위치를 실시간으로 이동시켜야 한다. 이 경우 포지셔닝을 위한 추가적인 정밀시스템이 요구되며, 공정 난이도와 비용이 비약적으로 증가하게 된다.
본 발명에서는 광학계를 사용하여 긴 초점을 갖는 변형된 빔을 사용함으로써 추가적인 정밀시스템의 사용 없이 쉽고 빠르게 균일한 소결 박막을 얻을 수 있다. 구체적으로, 굴곡진 표면에 초점의 위치 변화 없이 나노입자를 소결시키기 위해서는 상하방향으로 긴 초점을 갖는 변형된 빔이 필요하다.
본 발명자의 선행 특허 제10-2089581호에서는 베셀 빔(Bessel beam)을 이용하여 긴 초점 심도를 갖는 광학계를 구성함으로써 미세 패턴을 제조하는 방법을 제안한 바 있다. 상기 문헌에서는 레이저로부터 발생된 레이저 빔을 상하로 긴 초점을 갖는 베셀 빔의 형태로 변환시키고, 변환시킨 베셀빔을 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 조사함으로써 굴곡진 표면에 나노입자를 소결시킬 수 있도록 하였다.
도 2는 베셀 빔의 원리(a) 및 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계(b)를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다. 여기서는 엑시콘 렌즈를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있다. 레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 광 파장에 가까운 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있다. 그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점 크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도(Depth of focus)를 가져 비평면 기판에 패턴 형성을 가능하게 한다.
그리고, 엑시콘 렌즈를 이용하여 원형 빔을 베셀 빔으로 변환시키고 빔 확대기(Beam expander)에 통과시키면 빔의 크기가 변하는데, 이때 빔의 크기는 빔 확대기의 조절에 의해 자유롭게 변화할 수 있다. 베셀 빔의 크기가 자유롭게 변화하면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 제한된 초점심도를 극복하여 높이차가 큰 기판 또는 3차원 패터닝이 가능할 수 있다.
그러나, 상기 문헌에서 사용한 베셀 빔의 경우 일반적인 원형 빔을 사용하여 긴 초점 심도를 구현하였기 때문에 미세 패턴의 형성에는 적합하지만, 차량용 부품의 도장과 같은 대면적 코팅층의 형성을 위해 적용되기는 부적절하다. 따라서, 본 발명의 목적에 따라 다시 변형된 광학계가 필요하다.
본 발명에서는 베셀 빔의 광원(source beam)으로서 라인 빔(line beam)을 이용하여 대면적 코팅층의 형성이 가능하도록 하였다.
본 발명에서 "라인 빔(line beam)"이란 레이저 빔의 단면의 형태가 가로와 세로 길이 중 일방이 상대적으로 길어 초점의 단면이 선형을 나타내는 레이저 빔을 의미한다. 라인 빔을 베셀 빔의 형태로 적용하면 긴 초점 심도를 가지면서 기판에 동시에 닿는 초점의 면적이 넓어져 대면적 코팅을 빠르고 간편하게 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것으로서, 원형 빔을 사용하여 라인 빔을 형성한 후 이를 베셀 빔의 형태로 구현하기 위한 구성을 나타낸다.
원형 빔을 사용하여 광학계를 구성할 경우, 먼저 원형 빔을 라인 빔의 형태를 만들기 위해 원형 빔을 파웰 렌즈(Powell lens)에 통과시켜 빔이 X 방향으로 늘어지도록 한다. 그 후 늘어지는 빔을 실린더 렌즈(cylinder lens)를 사용하여 직진성을 갖도록 콜리메이터(collimation) 시켜 라인 빔으로 변형시킬 수 있다.
그 후 라인 빔이 끝이 뾰족한 반 실린더 형태의 렌즈를 통과하게 되면 1차 베셀 모드로 위 아래로 구분된 라인 빔으로 나뉘게 되는데, 이를 다시 실린더 렌즈에 통과시키면 2차 베셀 모드로 긴 초점 심도를 갖는 라인 빔이 형성된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것으로서, 레이저 다이오드 어레이(laser diode array)를 사용하여 라인 빔 형태의 베셀 빔을 구현하기 위한 구성을 나타낸다.
레이저 다이오드 어레이를 사용하는 경우 발진되는 레이저가 콜리메이터(collimator)를 통과하여 라인 빔의 형상을 가지게 할 수 있다. 라인 빔이 형성되면 다시 도 3에서 설명한 바와 같이, 끝이 뾰족한 반 실린더 형태의 렌즈를 통과시켜 위 아래로 구분된 라인 빔으로 나눈 후, 이를 다시 실린더 렌즈에 통과시켜 베셀 빔으로 변형할 수 있다.
상기 도 3 및 4로 설명한 광학계는 예시적인 것으로서, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니며, 베셀 빔의 형태를 갖는 라인 빔을 구현하기 위한 범위 내에서 다양한 광학계를 구성하여 사용할 수 있다.
기판 상에 코팅된 나노입자 용액층에 레이저 빔이 조사되어 가열되면 나노입자가 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결될 수 있으며, 이에 따라 3차원 형상의 기판 상에 균일한 두께와 물성을 갖는 코팅층을 대면적으로 형성하는 것이 가능하다.
본 발명에서 사용될 수 있는 레이저의 파장은 자외선, 가시광, 적외선을 사용할 수 있으며, 레이저의 종류는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 펄스(pulse) 레이저, CW(continuous wave) 레이저, QCW(quasi-continuous wave) 레이저 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 레이저 조사는 라인 빔을 하나의 장치가 아닌 병렬로 프로세싱 하거나, 어레이 렌즈 등을 사용하여 다중으로 조사함으로써 더 빠르고 넓은 면적에 코팅층을 형성하도록 구성할 수 있다.
또한, 나노입자가 코팅된 기판의 표면에서 레이저가 조사된 영역에만 소결된 코팅층이 형성되므로 레이저 초점을 이동시키는 방법으로 자유로운 형상의 패턴 형성이 가능하다. 레이저 초점의 이동 방법은 예를 들어, 기판을 고정한 상태에서 레이저를 이동시키거나 레이저를 고정한 상태에서 기판을 이동시킬 수 있다. 이때, 기판은 이동 수단 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 기판을 이동시킬 수 있다. 이렇게 이동 수단을 이용하여 레이저 또는 기판을 이동시키며 패터닝 영역에 레이저를 조사하는 방법 이외에 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 베셀 빔을 이동시키며 조사하는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 사용하는 방법들이 사용될 수 있다.
이렇게 코팅층 형성 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를 들어, 대물 렌즈(objective lens), 스캐너(scanner)를 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 코팅층의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 출력은 1 내지 10W가 바람직하다. 상기 출력 범위의 레이저 빔을 조사하면 나노입자 용액을 300 내지 1900℃로 가열함으로써 나노입자가 단시간에 성장하면서 소결될 수 있다. 상기 가열 온도는 기본적으로는 나노입자의 벌크 형태 재료의 녹는점에 대응되지만, 나노입자의 형태인 경우 그보다 더 낮은 온도에서도 성장 소결이 가능하다.
본 발명의 공정은 레이저 빔을 이용하기 때문에 매우 빠른 속도로 코팅층을 형성하는 것이 가능하다. 구체적으로, 본 발명에서 상기 레이저 빔은 0.001 내지 3m/s의 속도로 코팅 및 소결을 수행할 수 있다.
상기 베셀 빔의 초점 심도는 광학계의 구성에 따라 다르게 조정될 수 있는데, 빔 확대기를 이용하여 100㎛ 이상의 초점 심도를 구현할 수 있으며, 따라서 굴곡진 표면에서도 초점을 상하로 이동하는 작업 없이 수평으로만 이동하여 나노입자의 소결로 인한 코팅층 형성이 가능하다.
본 발명의 기판 도장방법은 기판 상에 코팅층이 형성될 부분에만 정밀하게 나노입자 용액층을 형성할 필요가 없으며, 코팅층 형성 영역보다 더 넓은 영역 또는 기판의 전체 면에 나노입자 용액층을 코팅한 후 레이저 조사를 통하여 필요한 영역에만 코팅층을 형성할 수 있다. 따라서, 나노입자 용액층의 코팅에 정밀한 공정이 요구되지 않는다.
본 발명의 방법은 또한, 기판 상에 코팅층을 형성한 다음, 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계(S300)를 더 포함할 수 있다. 상기 나노입자 용액 제거 공정 또는 세척 공정은 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 본 발명의 방법은 차량용 부품의 표면에 크롬 또는 니켈 도금을 수행하기 위하여 활용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태로서, 차량용 부품의 표면에 크롬 도금을 형성하는 공정을 나타낸 개념도이다.
도 5에 나타낸 예시에서, 본 발명의 코팅 공정을 수행하기 위한 코팅 장치는 로봇 팔과 같은 머니퓰레이터에 장착되어 초고속 대용량 코팅층 형성을 위한 자동화 설비에 적용될 수 있다. 상기 로봇 팔의 헤드에는 나노입자 용액층을 코팅하기 위한 스프레이 장치와 라인 빔을 베셀 빔 형태로 조사할 수 있는 광학계가 구비될 수 있다.
본 발명의 코팅 공정은 3차원 형상의 부품 또는 제품 자체에 직접적으로 코팅이 가능하여, 차량용 부품의 조립이 완료되거나 모재 자체에 도료를 이용하여 도색 처리를 실시한 이후에도 코팅층 형성을 수행할 수 있다. 이는 크롬 도장된 부품의 조립을 위해서 추가적인 조립 과정과 모재의 추가 가공이 필요하지 않게 되어 공정 비용을 절감할 수 있고 시간도 절약할 수 있으며 불량률 감소와 인건비 절감의 효과가 있다. 또한, 조립 파트와 모재 사이의 내구성 저하가 발생하지 않기 때문에 부품 탈락으로 인한 2차 사고의 위험성도 크게 줄일 수 있다.
본 발명의 예시적인 크롬 도금 공정에서, 로봇 팔의 헤드에 장착된 코팅 스프레이를 이용하여 차량용 부품 표면의 크롬 도금을 형성하고자 하는 부위에 크롬 나노입자 용액을 도포한다. 이때 크롬 나노입자 용액의 도포는 반드시 크롬 도금이 형성될 부분에 정밀하게 코팅될 필요는 없으며, 해당 부분을 포함하는 부분에 코팅하는 것으로 충분하다. 따라서, 정밀 코팅 작업이 요구되지 않아 공정 시간과 비용을 절약할 수 있다.
크롬 나노입자 용액을 도포한 후 뒤따라 베셀 빔 형태의 라인 빔 레이저를 조사하여 크롬 도금층을 형성시킨다. 이 때 베셀 빔의 긴 초점 심도를 이용하여 3차원 기판의 굴곡진 표면에도 상하 초점 조절 없이 간편하게 크롬 도금을 수행할 수 있다. 즉, 초점의 정밀한 조절 없이 형상에 제한되지 않는 소결이 가능하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 나노입자 용액층을 코팅하기 위한 코팅 장치와 라인 빔을 조사하기 위한 레이저 헤드는 각각 개별적으로 구성되거나(a), 또는 하나로 통합되어 구성될 수 있다(b). 코팅 장치와 레이저 헤드가 하나의 장치로 통합 구성되는 경우 크롬 나노입자가 기판을 향해 분사되면 그 위치에 레이저가 조사되고 있는 시간적으로 연속된 공정을 구현할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서는, 공정의 단순화를 위하여 크롬 도금이 형성될 부위를 제외하지 않고, 전체 영역에 먼저 도료를 도장한 후 국부적으로 크롬 도금층 형성을 진행할 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 기판 상에 도장된 도료층 상에 크롬 나노입자 용액이 코팅되고, 라인 빔 조사에 의해 크롬을 성장 소결 시키면 도료층과 크롬 도금층 사이에 열화학적 결합이 형성되어 보다 크롬 박막과 기판 사이의 접착력을 증가시키고 따라서 크롬 도금의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 크롬 도금이 완료된 차량용 부품은 세척 공정에 의하여 잔류하는 크롬 나노입자 용액층을 제거한 후 공정이 완료될 수 있다.
본 발명에 따른 기판의 도장방법은 자동차의 엠블럼, 윈드실드, 라디에이터 그릴 등과 같이 크롬 도금층을 형성한 후 자동차에 결합하는 방식을 사용하는 부품들에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 도어가드, 썬바이저, 범퍼 등 자동차 차체에 직접 코팅하고 레이저를 조사하여 크롬 도금층을 형성하는 방식으로도 적용될 수 있다.
또한, 귀걸이, 반지, 벨트, 액자, 의자, 책장 등에 일부 크롬 도금 및 문양이 사용되는 각종 장식품, 가구, 의류, 장신구 등에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 3차원 기판의 도장 장치에 관한 것이다.
본 발명의 장치는 기판의 미리 정해진 영역에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하기 위한 나노입자 도포 부재; 및 상기 나노입자 용액층의 미리 정해진 위치에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도하기 위한 레이저 조사 부재를 포함할 수 있다.
상기 나노입자 도포 부재는 나노입자가 용해 또는 분산된 나노입자 용액을 기판의 미리 정해진 영역에 도포할 수 있는 부재이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 도포 부재는 분무 장치일 수 있다.
상기 레이저 조사 부재는 상술한 바와 같이, 레이저 빔을 라인 빔의 형태로 구성하여, 이를 긴 초점 심도를 갖는 베셀 빔으로 조사할 수 있는 구성을 갖는 광학계를 의미하며, 앞서 예시한 바와 같은 구성을 가질 수 있으나, 본 발명의 기술적 특징이 발휘되는 범위 내에서 구성의 변형 또는 변경이 가능하다.
상기 나노입자 도포 부재 및 레이저 조사 부재는 개별적으로 구성될 수 있으며, 또한 통합하여 하나의 부재로 구성될 수 있다.
또한, 자동화 공정에 적용되기 위하여, 상기 나노입자 도포 부재 및 레이저 조사 부재는 다수의 관절을 가진 로봇 팔과 같은 머니퓰레이터에 설치될 수 있다.
본 발명은 또한, 바람직한 실시 형태로서, 차체 또는 차량용 부품의 일부 또는 전부에 크롬 또는 니켈 박막을 형성하기 위한 차량용 도금 장치에 관한 것이다.
상기 차량용 도금 장치는 로봇 팔과 같은 머니퓰레이터(manipulator)를 이용하여 자동화 설비에 적용될 수 있다. 상기 머니퓰레이터는 차체 또는 차량용 부품의 도금이 필요한 위치 정보를 입력 받아 해당 위치에 헤드가 이동하도록 구성된다.
상기 머니퓰레이터에는 나노입자 도포 부재 및 레이저 조사 부재가 구비될 수 있다. 상기 나노입자 도포 부재는 차체 또는 차량용 부품의 미리 정해진 부분에 크롬 또는 니켈 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성한다. 나노입자 및 나노입자 용액에 대한 설명은 앞서 자세히 다룬 바와 동일하다.
또한, 레이저 조사 부재는 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 차체 또는 차량용 부품에 크롬 또는 니켈 도금을 형성할 수 있다. 베셀 빔 및 라인 빔에 대한 설명은 앞서 자세히 다룬 바와 동일하다.
본 발명의 차량용 도금 장치는 차량 제조를 위한 자동화 설비에 적용되어, 차량 부품을 용액에 침지시켰다 꺼내는 전기 도금 공정을 대체할 수 있으며, 자동화 설비의 머니퓰레이터에 설치되어 빠르고 신속하게 고품질의 대면적 크롬 또는 니켈 도금을 형성할 수 있다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 기판의 도장방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층 형성 단계 이후, 잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는, 기판의 도장방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판이 3차원 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판이 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO2, 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn), TiO2, ZnO, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU), 또는 이들의 복합 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판이 표면에 도료층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 나노입자의 함량이 5 내지 35중량%인 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 점도가 10 내지 200cP인 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자가 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 철(Fe), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액이 나노입자를 증류수, 탈이온수, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 디메틸포름아미드(dimethyformamide)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 분산 또는 용해시킨 것임을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액층을 0.1 내지 300㎛의 두께로 도포하는 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 빔이 원형 빔을 파웰 렌즈(Powell lens)에 통과시켜 확장시킨 후 실린더 렌즈(cylinder lens)에 통과시켜 얻어지는 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 빔이 레이저 다이오드 어레이(laser diode array)로부터 발진된 레이저 빔들을 콜리메이터(collimator)에 통과시켜 얻어지는 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 베셀 빔이 라인 빔을 끝이 뾰족한 반 실린더 형태의 렌즈에 통과시켜 두 개의 라인 빔으로 분리시킨 후, 상기 두 개의 라인 빔을 실린더 렌즈에 통과시켜 베셀 빔 형태로 변형한 것임을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저의 출력이 1 내지 10W인 것을 특징으로 하는, 기판의 도장방법.
  15. 기판의 미리 정해진 영역에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하기 위한 나노입자 도포 부재; 및
    상기 나노입자 용액층의 미리 정해진 위치에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 코팅층을 형성하기 위한 레이저 조사 부재
    를 포함하는, 기판 도장 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 나노입자 도포 부재 및 레이저 조사 부재가 머니퓰레이터(manipulator)에 설치된 것을 특징으로 하는, 기판 도장 장치.
  17. 차체 또는 차량용 부품의 일부 또는 전부에 크롬 또는 니켈 박막을 형성하기 위한 차량용 도금 장치로서,
    상기 차량용 도금 장치는 차체 또는 차량용 부품의 도금이 필요한 위치 정보를 입력받아 헤드가 이동되도록 구성된 머니퓰레이터(manipulator)를 포함하고,
    상기 머니퓰레이터는
    차체 또는 차량용 부품의 미리 정해진 부분에 크롬 또는 니켈 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하기 위한 나노입자 도포 부재; 및
    상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(Bessel beam) 형태의 라인 빔(line beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 차체 또는 차량용 부품에 크롬 또는 니켈 도금을 형성하기 위한 레이저 조사 부재
    를 포함하는, 차량용 도금 장치.
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