KR960015544B1 - 금/질화물 복합 미세 구조로 이루어진 금색 피막의 제조 방법 - Google Patents

금/질화물 복합 미세 구조로 이루어진 금색 피막의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

금/질화물 복합 미세 구조로 이루어진 금색 피막의 제조 방법
제1도는 순금 피막과 금/크롬 합금 피막의 반사 분광 특성 곡선을 도시한 그래프
제2도는 순금 피막과 금/티타늄 합금 피막의 반사 분광 특성 곡선을 도시한 그래프
제3도는 순금 피막과 질화티타늄 피막의 반사 분광 특성 곡선을 도시한 그래프
제4도는 본 발명의 성막 방법을 실시하기 위한 이온 플레이팅(ion plating) 장치의 개략도
제5도는 본 발명에 따른 금/질화티타늄 복합 미세구조로 이루어진 피막들과 순금 피막의 반사 분광 특성 곡선을 도시한 그래프
제6도는 본 발명의 방법으로 제조된 실시예의 시편 2(티타늄 3중량%와 금 97중량%로 된 합금)를 증발원으로 사용하여 제조된 피막의 두께 방향의 조성프로필(Auger Depth Profile).
제7도는 본 발명의 성막 방법으로 제조된 금/질화티타늄 복합 미세 구조로 이루어진 피막들과, 단순 진공 증발 증착법으로 제조된 금/질화티타늄 합금 피막의 반사 분광 특성 곡선을 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 스테인레스 진공조 2 : 피도금물 가열 장치
3 : 피도금물 4 : 피도금물 지지대
5 : 피도금물 전압전원 장치 6 : 열전자 방출용 텅스텐 필라멘트
7 : 필라멘트 전압 전원 장치 8 : 저항기 가열용 전원 공급 장치
9 : 저항 가열 보트 10 : 셔터
11 : 기체 유량 조절계 12 : 진공 펌프
13 : 질소 가스 주입구 15 : 필라멘트 가열용 전원 공급 장치
16 : 금합금 증발원
본 발명은 내마모성이 우수하고 순금과 유사한 반사 분과 특성을 갖는 금/질화물의 복합 미세 구조로 이루어진 장식용 금색 피막의 제조 방법에 관한 것이다.
고급품의 장식용 피막 재료로 사용되고 있는 순금 피막은 표현하는 색상이 우수한 반면, 내마모성과 경도등의 기계적 성질이 열등하여 실용성이 매우 적다. 열등한 순금 피막의 기계적 성질을 향상시키기 위하여, 순금에 미량의 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄 등의 원소를 첨가한 금합금 피막이 순금 피막의 대체물로 이용되기도 한다. 그러나, 이러한 합금 피막은 합금 원소를 소량만 첨가해도 쉽게 변하는 금의 색상 특성으로 인하여, 고품위의 금 색상과 우수한 기계적 성질을 동시에 만족시키지는 못한다. 제1도와 제2도는 크롬과 티타늄 첨가에 따라서 금의 반사 분광 특성이 변화되는 예를 보여주고 있다. 물질의 색상은 반사 분광 특성 곡선의 모양으로 주로 결정된다. 제1도와 제2도로부터 알수 있는 바와 같이 금/크롬 또는 금'티타늄 합금 증발원을 사용하여 제조한 피막은 순금 피막의 반사 분광 특성 곡선과 다른 모양을 나타내고 있다. 이러한 금합금 피막의 색상을 보완하기 위하여 금합금 피막층 위에 얇은 두께의 순금 피막을 덧입히는 방법이 이용되기도 한다.
저금품의 금 색상 장식용 피막으로 널리 이용되고 있는 질화티타늄, 질화하프늄, 질화지르코늄 피막은 매우 우수한 내마모성과 내식성을 갖지만, 표현하는 금 색상이 순금 색상과는 차이가 많이 나므로, 고급 장식용 피막 재료로는 사용되지 않는다. 제3도는 순금 피막과 질화티타늄 피막의 반사 분광 특성의 차이를 보여주고 있다. 빛의 파장이 500nm근처일 때 급격한 반사율의 변화를 나타내는 금 피막의 고유 특성과는 달리, 질화티타늄 피막은 파장에 따른 반사율의 완만한 변화를 나타낸다.
본 발명의 목적은 순금의 함량이 낮더라도 순금의 반사 분광 특성과 크게 다르지 않을 뿐만 아니라 우수한 기계적 특성을 갖는 금 색상 장식용 피막을 제공함에 있다.
이러한 본 말명의 목적은 질소 또는 직소 가스를 함유하는 불활성 가스의 존재 하에 금합금을 사용하는 이온 플레이팅(ion plating)에 의해서 달성된다.
본 발명에서는 금합금 증발원으로서 금/티타늄, 또는 금/지르코늄, 또는 금/하프늄, 또는 금/티타늄, 지르코늄 및 하프늄의 혼합물로 이루어진 합금을 사용한다. 순수 질소 또는 질소를 함유한 불활성 가스들을 진공중착 장치 안으로 유입시킨다. 피도금물 또는 열전자 방출 필라멘트에 걸어주는 전압에 의하여 플라즈마가 형성된다. 가열을 통하여 금합금으로부터 증발되는 금, 티타늄, 지르코늄, 또는 하프늄 등의 금속 원소들은 피도금물과 증발원 사이에서 기체 원소와 혼합된 플라즈마 기체군을 형성한다. 이 플라즈마로 부터 여기되거나 또는 이온화된 상태로 피도금물에 도달하는 금속 및 가스 원소들로부터 피막이 형성된다.
본 발명에 의하면 질소를 비롯한 다른 가스 원소들에 대하여 매우 낮은 고용도 및 반응성을 보이는 금의 특성과, 질소 원소와 매우 쉽게 반응하는 티타늄 지르코늄, 하프늄, 원소들의 특성 차이로 인하여, 형성되는 피막은 순금과 질화티타늄 또는 질화하프늄 등이 혼합된 복합 미세 구조를 갖는다. 이러한 금/질화물의 복합 미세 구조의 피막은 티타늄, 지르코늄, 하프늄 등을 첨가하여 제조한 금합금 피막과는 달리 그 반사 분광 특성이 순금과 유사한 것으로 확인되었다.
본 발명의 또 다른 특징은 기계적 성질이 우수한 표피층이 형성된다는 점이다. 동일한 온도에서 금의 중기압은 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄의 증기압보다 높다. 증기압은 금속 원소들의 증발율을 결정한다. 금과 상기 금속 원소 간의 증기압 차이로 인하여, 제조된 피막은 그 표면으로부터 그 내부를 향하여 질화물의 양이 서서히 감소하는 구배를 갖는다. 본 발명에 따라서 얻어진 피막을 두께 방향으로 관찰해보면, 피도금물로부터 피막 표면으로 갈수록 질화물의 체적 비율이 증가한다. 이러한 특징으로 인하여, 본 발명에서는 내마모성 또는 경도가 큰 금색 피막을 얻을 수 있다.
본 발명은 전기 처항 가열법, 전자총 가열법, 할로우 캐소드(Hollow Cathode) 가열법, 고주파 유도 용해법과 같은 다양한 종류의 금합금 증발원 가열법을 적용한 이온 플레이팅 방법에서 이용가능하며, 이들 방법에서는 금속 질화물 피막 형성이 용이하다.
본 발명에 따른 금/질화물의 복합 피막을 구성하는 질화물의 예로서는 질화티타뉴므 질화하프늄 또눈 이들의 혼합물을 들 수 있다.
이하, 금/티타늄 합금 증발원을 사용한 금/질화물의 복합 미세 구조를 갖는 피막의 제조방법을 예로 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명에 따라서 금/티타늄 합금 증발원으로 제조한다. 이를 위하여, 티타늄을 미세한 크기로 분말화한다. 이어서, 금과 티타늄 분말을 소정의 중량비로 석영관에 넣는다. 이때, 예를 들어, 1.36×10-5kg/cm2(10-2토르) 이하까지 관내의 압력을 저하시킨 후 석영관을 봉인함으로써, 용융 방법에 의해 합금을 제작하는 동안 티타늄 원소와 대기 중의 기체 원소들 간의 반응을 극소화시킨다. 금/티타늄 상평형도에 의거하여 티타늄이 첨가된 조성에서 액상선보다 높은 온도에서, 고주파 유도로를 이용하여 석영관 속의 혼합물을 열처리하여 티타늄이 완전히 용해된 합금 액상 용액을 얻는다. 티타늄 뷴말이 완전히 용해된 후, 석영관속의 액상용액이 잘 혼합되도록 교반하고 급냉시킨다.
제4도에는 본 발명에서 사용될 수 있는 통상적이 3극형 저항 가열원 이온 플레이팅 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 이 장치는 스테인레스 진공조(1), 피도금물 가열 장치(2), 피도금물 지지대(4), 피도금물(3)에 음극 전압을 걸기 위한 피도금물 전압 전원장치(5), 질소 또는 질소 함유 가스를 주입시키기 위한 기체 주입구(13), 열전자 방출을 위한 텅스텐 필라멘트(6)과 저항 가열 보트(9) 사이에 전압을 걸어 주기 위한 필라멘트 전압전원 장치(7), 저항 가열 보트(9) 가열을 위한 전압 공급 장치(8), 덩스텐 필라멘트 가열을 위한 전원공급장치(15), 진공 펌핑 장치(12)등으로 구성되어 있다. 진공조 내의 필라즈마 형성을 위하여 질소 또는 질소가 함유된 가스가 주입구(13)을 통하여 피도금물과 증발원 사이의 영역(14)로 유입된다. 진공조 내로 유입되는 가스량은 기체 유량 조절계(11)을 통하여 조절된다.
본 발명에 따른 성막 방법을 제4도를 참고로 구체적으로 설명한다.
진공 펌핑 장치(12)를 이용하여 진공조(1)내의 압력을 1.36×10-9kg/cm2(10-6토르) 영역까지 저하시키고, 피도금물 가열 장치(2)를 이용하여 피도금물(3)을 실온 내지 800℃의 온도로 가열한다. 이어서, 기체 유량 조절계(11)을 이용하여 적정한 양의 질소 가스 24SCCM(standard cc per minute)을 주입구(13)을 통하여 주입시킨다음, 전원 장치(5),(7)및 (15)를 작동시켜 진공조 내에 플라즈마를 형성시킨다. 5분이 경과하여 플라즈마 상태가 안정된 후, 전기 저항 가열 보트(9)를 1500℃로 가열하여 금/티타늄 합금(16)을 증발시킨 다음, 셔터(10)을 열어 피도금물(3)위에 피막을 형성시킨다. 상기 전원중 피도금물에 음극 전압을 걸기 위한 전원 장치(5)에 의해서 피도금물에 0 내지 1,000V의 전압이 걸린다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 피막의 두께는 100Å 내지 10,000Å이다. 본 발명의 방법에 따르면 금/질화물의 복합 미세 구조를 갖는 피막 표면으로부터 피막 내부를 향하여 질화물의 양이 서서히 감소함으로써 기계적 강도가 증가된 피막이 제공이 제공된다.
제6도는 본 발명의 성막 방법으로 제조된 실시예1의 시편 2의 두께 방향의 조성 프로필(Auger Depth Profile)을 보여주고 있다. 제6도로부터 피막 표면이 금과 질화티타늄의 혼합물로 이루어짐과, 질화물의 양이 피막 표면에서 가장 풍부하고 피막 표면으로부터 멀어짐에 따라 감소함을 알 수 있다. 티타늄이 질화물형태로 존재하는 것은 오우제 스펙트럼(Auger spectrum)의 특성으로부터 확인된다.
본 발명에 의하면 피도금물(3)에 도달하는 여기되거나 또는 이온화된 티타늄 원자는, 여기되거나 또는 이온화된 질소 원자와의 높은 치환력으로 인하여 질화물 형태로 증착되고, 질소 원자와의 고용도가 0에 가깝고 질소 원자와의 친화력이 매우 낮은 금 원자는 순수한 순금 피막 형태로 증착되어 금/질화티타늄이 혼합되어 있는 복합 미세 구조의 피막이 형성되게 된다.
제7도는 동일한 금합금 우너소를 증발시켜 피막을 제조하더라도, 본 발명에 따른 방법으로 제조한 경우, 순금의 반사분광 특성 곡선에 근접한 형태의 반사 분과 특성 곡선이 얻어짐을 보여주고 있다.
(실시예)
앞에서 설명한 방법으로 하기 표 1과 같은 금/티타늄 중량비를 갖는 금합금 증발원을 제조하였다.
[표 1]
제조된 금/티타늄 합금 증발원인 시편 1,2 및 3 각각을 저항 가열 보트에 놓고, 이온 플레이팅 장치에 장착된 진공 펌핑 장치를 이용하여 진공로 내의 압력을 약 1.36×10-9kg/cm2(10-6토르)로 저하시켰다. 피도금물 가열 장치를 작동시켜 피도금물을 250℃로 가열하였다. 기체 유량 조절계를 이용하여 질소 가스 24SCCM을 진공로 내에 주입하였다. 텅스텐 필라멘트 가열용 전원 공급장치, 피도금물에 음극 전압을 걸기 위한 전원 장치, 저항 가열 보트 사이에 전압을 걸어주기 위한 전원 장치를 작동시켜, 진공로 내에 플라즈마를 형성하였다. 5분이 경과하여 플라즈마 상태가 안정된 후, 전기 저항 가열 보트를 전원에 연결하여 가열함으로써 금/티타늄 합금 시료들을 증발시켰다. 금/티타늄 합금 시료와 피도금물 사이를 막고 있는 셔터를 열어서 피도금물에 피막을 증착시켰다.
이렇게 하여 얻어짐 금/질화티타늄의 복합 미세 구조 피막과 순금 피막의 반사 분광 특성 곡선을 비교한 그래프를 제5도에 나타내었다. 제5도에 나타난 바와 같이, 금합금 증발원 중의 티타늄 중량비가 증가하여도 순금 피막 고유의 반사분광 특성 곡선의 모양은 변화하지 않고, 반사도만 전반적으로 감소되었다. 물질의 색상은 반사 분광 특성 곡선의 모양으로 주로 결정되므로, 본 발명의 방법에 따라서 제조한 금/질화티타늄의 피막이 나타내는 색상은 금합금 증발원 중의 티타늄의 중량비가 늘어나더라도 순금의 색상을 실질적으로 유지하며 그 밝기만 감소함을 알 수 있다.
(비교예1)
앞에서 제조한 시편 2 및 3을 금 합금 증발원으로 하여 선행 기숭에 따른 단순 진공 증발 증착 방법에 따라서 피막을 형성시켰다. 얻어진 피막에 대하여 400nm 내지 70nm의 파장 범위에서의 반사율을 측정함으로써 이들의 반사 분과 특성을 조사하였다.
비교의 목적으로, 얻어진 반사 분광 특성 곡선을 상기 실시예에서 시편 2 및 3으로부터 제조된 피막의 반사분광 특성곡선과 함께 제7도에 도시하였다. 제7도로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 피막은 500nm근체에서 반사율이 급증하여 순금과 유사한 형태의 반사 분광 곡선을 나타냄에 반하여, 종래의 단순 진공 증발 증착 방법에 따른 피막은 순금의 반사 분광 특성 곡선과는 다른 완만한 곡선을 나타내었다.
(비교예2)
실시예 및 비교예1에서 제조한 피막들의 색도를 1976년 국제 조면(색체) 위원회에서 규정된 방법으로 측정하여, 그결과를 순금의 색도와 함께 하기 표 2에 기재하였다.
[표 2]
상기 표2에 기재된 색도 수치로부터, 동일한 금합금 증발원을 사용하더라도 본 발명의 성막 방법으로 제조된 피막들의 색도 수치가, 종래의 단순 진공 증발증착 방법으로 제조된 피막보다 훨씬 더 순금 피막 색도에 근접하여 있음을 알 수 있다.
오우제 스펙트럼으로 실시예의 시편 2의 단면을 조사하여 그 결과를 제7도에 도시하였다. 그 결과로부터, 피막 표면에서 질화 티타늄이 가장 풍부하고 피도금물 쪽으로 갈수록 금 함량이 늘어남을 알 수 있다.
실시예와 비교예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 얻은 금 색상 피막은 동일한 양 또는 더 작은 양의 금을 사용하는 경우에도 종래의 금합금 증발증착 방법에 따라 제조된 피막보다 순금 피막 색도에 더 가까운 색상 특성을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 금색 피막의 제조 방법은 순금의 함량을 줄여도 된다는 경제적인 측면과 외관 품질면에서 종래의 금합금 증발 증착법보다 훨씬 더 우수한 것으로 볼 수 있다.

Claims (2)

  1. 질소 또는 질소 함유 불활성 가스의 존재하에 티타늄 지르코늄, 하프늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속과 순금의 금합금을 증발원으로 사용하여 이온 플레이팅시키는 것을 특징으로 하는, 상기 금속의 질화물의 체적분율이 피막 표면에 가까울수록 증가하는 구배를 갖는 금/금속 질화물의 복합 미세 구조를 갖는 금색 피막의 제조방법.
  2. 제1항의 방법으로 제조된 금색 표면 피막이 있는 물품.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI660062B (zh) * 2014-05-30 2019-05-21 日商日立造船股份有限公司 真空蒸鍍裝置

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