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KR100250214B1 - 칼라 스텐레스의 강판의 제조 방법 - Google Patents

칼라 스텐레스의 강판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공중에서 이온화전극과 필라멘트를 이용하여 산소가스를 이온화시킨 후 기판에 음의 전압을 인가하여 이온화된 산소를 가속시켜 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 칼라 스텐레스 강판의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

칼라 스텐레스의 강판의 제조 방법
제1도는 본 발명을 설명하기 위한 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공실 2 : 이온화전극
3 : 필라멘트 4 : 셔터
5 : 기판 6 : 기판 가열장치
6′ : 기판 홀더 7 : 가스도입구
8 : 이온화전극용 전원 9 : 필라멘트 가열용 전원
10 : 기판 바이어스 인가용 전원
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 진공중에서 산소가스를 이온화시켜 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시켜 스텐레스 강판을 착색시키는 것으로 구성되는 칼라 스텐레스의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공중에서 이온화전극과 필라멘트를 이용하여 산소가스를 이온화시킨 후 기판에 음의 전압을 인가하여 이온화된 산소를 가속시켜 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법에 관한 것이다.
건축의 내외장재, 각종 주방가구, 하이패션, 장식품 등에 널리 사용되고 있는 스텐레스는 표면을 보호하거나, 또는 장식성의 효과를 주기 위해 다양한 표면처리 방법이 개발되어 있다.
그 중에서도 특히 건축물의 외장재는 건축물의 고급화와 패션화에 발맞추어 최근에는 칼라 스텐레스 강판이 더욱더 각광을 받고 있는 실정이다.
스텐레스 강판에 색상을 내는 칼라링 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 하나는 스텐레스 강판에 존재하는 금속성분을 산화시켜 산화막의 두께에 따른 색상변화 즉 간섭색을 이용하는 방법이고, 또다른 방법은 자연광에서 자체로 색상을 내는 물질을 스텐레스 강판 표면에 피복시켜 색상을 내는 방법이다.
간섭색을 이용하는 칼라링 기법의 대표적인 것이 바로 양극산화이다. 이 중 INCO법이 그 주종을 이루고 있으며 이를 개량한 다양한 방법들이 개발되어 왔다. INCO법은 황산과 산화크롬이 들어있는 용액내에 스텐레스를 넣고 기준전극과의 전위차를 이용하여 스텐레스 강판에 산화막을 입혀 산화막을 입혀 산화막의 두께 차이를 이용하는 소위 간섭색을 이용하고 있다. 이 방법은 발색 후 피막에 존재하는 다량의 기공을 없애기 위해 크롬산 용액을 이용하여 스텐레스 강판에 전압을 걸어 후처리하는 것으로 공정이 끝난다.
최근에는 이 방법을 개량하여 다양한 방법의 습식 공정이 개발되어(일본국 특허 제1259187호 및 제1230751호) 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 공정이 복잡하고 기본적으로 습식방법을 이용하므로 공해유발 등의 문제점이 있다.
색상을 가진 물질을 피복하여 칼라링을 하는 방법에는 습식도금과 건식도금 등의 도금방법이 주종을 이루고 있다. 이중 습식방법은 금이나 은 등의 몇가지 물질계를 제외하고는 칼라링에는 그다지 사용되지 않고 있다.
건식도금은 공해를 유발하지 않고 좀더 깨끗한 환경에서 칼라 스텐레스 강판을 제조할 수 있기 때문에 최근에 많이 사용되고 있으며 이 과정은 진공에서 이루어지므로 진공코팅 방법으로 잘 알려져 있다.
특히, 칼라 스텐레스 강판을 제조하는데는 이온플레이팅과 스퍼터링 방법이 주종을 이루고 있다.(일본국 공개특허공보 제 소52-149277호 및 국제공개공보 제88-08473호)
이온플레이팅 방법은 진공중에 장착된 스텐레스 강판상에 음의 전압을 인가하여, 이온화시킨 증발물질을 피복하는 것으로 별도로 가스를 공급하는 장치를 만들면 금속과 가스가 반응하여 화합물 피막을 형성하는데 매우 적합한 피막 공정기술 중의 하나이다. 따라서 지금까지 이와 같은 이온플레이팅 방법으로 질화티타늄과 같은 금색을 띠는 물질이 장식용 코팅에 널리 이용되고 있다. 특히 질화티타늄의 경우는 피막중의 질소의 비율을 조절하거나 또 다른 가스(탄소 또는 산소)를 첨가하면 다양한 색상을 얻을 수 있으므로 널리 이용되고 있다.
스퍼터링 방법은 기본적으로는 이온플레이팅 기술과 유사하나 다만 금속을 증발시키는 방법에서 불활성 가스를 이용하여 떼어내는 방법을 사용하는 것이 다르다.
건식코팅 방법중에 또다른 방법으로 화학증착이 있다. 이 방법은 진공 중에서 금속성분을 포함한 가스와 반응가스를 높은 온도 또는 플라즈마 분위기에서 화학 반응시켜 기판상에 피막을 입히는 방법으로 경질피막의 제조에 주로 사용되며 장식용에서도 사용되고 있다.(일본국 특허공개공보 제59-070771호)
이들 건식방법은 별도의 금속성분을 사용해야 하므로 그만큼 공정이 복잡해지고, 비용도 그 만큼 추가된다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은 건식도금의 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 진공중에서 산소가스만을 이용하면 스텐레스 강판상에 잘 정의된 산화물을 형성시킬 수 있음에 착안하여, 금속을 사용하지 않고 산소가스만을 사용하되 이를 이온화시켜 산화막 두께를 조절하여 스텐레스 강판을 착색하는 것을 특징으로 하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법을 제공하는 것이다.
이 방법을 이용하면 산화막이 매우 치밀하고 균일한 색상을 얻을 수 있으므로 NICO법과 같은 별도의 후처리 공정이 필요없게 된다.
[발명의 구성]
본 발명은 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시켜 색상을 내어 장식품에 이용하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법에 있어서, 진공중에서 이온화전극과 필라멘트를 이용하여 산소가스를 이온화시킨 후 기판에 음의 전압을 인가하여 이온화된 산소를 가속시켜 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시킨 것을 특징으로 하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법에 관한 것이다.
상기 제조방법의 실시에 있어서 이온화전극의 전압은 50∼100V이고, 기판 바이어스 전압이 300∼700V이며, 산소가스 압력의 범위는 10-4∼10-3인 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 통상의 진공증착 장치에서 이루어졌다. 제1도는 본 발명을 설명하기 위한 장치의 개략도이다. 장치를 보면 진공실(1)내에 이온화전극(2)과 필라멘트(3)가 설치되어 있으며, 가스도입구(7)가 이온화전극(2)과 필라멘트(3) 사이에 설치되어 있다.
우선, 기판(5)을 기판홀더(6′)에 장착하고 진공펌프(도시하지 않음)를 이용하여 배기하여 진공실(1)의 진공도가 10-5토르 이하가 되면 기판(5)의 청정을 위해 아르곤가스를 주입하고 기판(5)에 음의 전압을 인가하여 기판(5)을 청정시킨다. 기판(5)의 청정은 매우 중요한 단계로 기판(5)에 존재하는 유기물과 같은 불순물 뿐만 아니라 스텐레스 기판상에 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다. 이 산화막이 충분히 제거되지 않으면 색상이 고르지 못하므로 주의를 요한다. 기판(5)의 청정은 보통 10-2토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 기판(5)에 500∼1000V의 음의 전압을 인가하여 글로우방전을 유도시켜 실시한다. 이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 기판(5)에 충돌하여 기판(5)상에 존재하는 산화막을 제거하게 된다. 상기 기판(5)에 인가하는 전압을 500∼1000V로 제한한 것은 전압이 500V이하가 되면 글로우방전의 효율이 낮고 따라서 기판(5)의 청정효과가 충분하지 못하기 때문이며, 1000V 이상이 되면 과다 청정에 의해 기판(5)이 손상을 입기 때문이다. 기판(5) 청정이 끝나면 진공도를 다시 10-5토르 이하로 유지시킨 후 가스주입구(7)를 통해 산소가스를 주입시키고 이온화전극(2)과 필라멘트(3)를 이용하여 산소가스를 이온화시킨다. 이온화전극(2)에는 이온화전극용 전원(8)을 이용하여 양의 직류전류가 공급되며, 필라멘트(3)에는 필라멘트 가열용 전원(9)을 이용하여 교류전류가 공급된다.
산소가스의 압력은 10-4∼10-3토르로 유지하는 것이 바람직한데 이는 산소가스의 압력이 10-4이하가 되면 이온화효율이 떨어져 결국은 산화막의 형성시간이 오래 걸리기 때문이며, 10-3토르 이상이 되면 이상방전이 발생하여 피막에 손상을 입히기 때문이다.
상기 이온화전극(2)의 전압은 50∼100V로 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는 이온화전극(2)의 전압이 50V 이하일 경우 방전이 완전하지 못하여 산소가스의 이온화가 완전히 이루어지지 않기 때문이며, 100V 이상일 경우 이상방전 등으로 피막이 손상을 입기 때문이다. 필라멘트에 흐르는 전류는 필라멘트의 형상이나 크기에 의존하므로 필라멘트의 밝기와 이온화 전류의 양을 비교하여 크기를 조절하며, 본 발명에서는 40∼60A 사이에서 조절하였다.
이온화전극(2)과 필라멘트(3)에 의해 산소가스의 이온화가 안정화되면 기판 바이어스 인가용 전원(10)을 이용하면 기판(5)에 바이어스 전압을 인가하고 셔터(4)를 열어 본격적으로 기판(5)에 산화 피막을 형성시킨다. 기판 바이어스 전압은 300∼700V 사이가 바람직한데, 그 이유는 기판 바이어스 전압이 300V 이하가 되면 산소가스의 가속이 작아 산화막의 두께를 조절하는데 한계가 있으며, 700V 이상이 되면 산소가스의 가속에 의해 피복된 산화막이 재증발되어 산화막에 손상을 입히기 때문이다. 이 때, 산화막의 두께 및 색상은 셔터(4)가 열려있는 시간으로 조절한다. 원하는 색상의 산화피막이 얻어지면 셔터(4)를 닫고 모든 공정을 끝내면 된다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
통상의 진공증착 용기인 진공실(1)에 이온화전극(2)과 필라멘트(3)를 설치하고 가스도입구(7)를 통해 산소가스를 주입하여 스텐레스 강판상에 산화막을 제조하였다. 진공실(1)을 열어 거울처럼 연마된 스텐레스 기판(5)을 기판홀더(6′)에 설치한 다음, 유회전펌프와 부스터펌프를 사용하여 10-2토르까지 초기배기를 하였다. 그 다음 유확산 펌프를 사용하여 10-5토르 이하로 배기하였다. 원하는 진공도를 얻은 후 기판(5)에 존재하는 불순물을 제거하여 기판(5)을 청정시키기 위하여 아르곤 가스 분위기에서 기판에 약 800V의 전압을 걸어 글로우방전에 의한 청정을 실시하였다. 기판청정이 끝난 후 이온화전극(2)에는 직류전압 50V를 인가하였으며, 필라멘트(3)에는 교류 60A의 전류를 흘려 가열시켰다. 그런 다음 가스도입구(7)를 통해 산소가스를 흘려 가스압이 4×10-4토르가 되도록 조절한 다음 이온화 방전이 안정되기를 기다려 기판에 300V의 전압을 인가하고 기판(5)에 산화막을 5분간 형성시켰다. 산화막 형성 후 육안으로 색상을 관찰하였으며, 주사 전자형미경과 오젠 전자분광분석기 등을 이용하여 피막의 제 특성을 평가하였고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
이온화전극의 전압은 80V, 기판 바이어스전압을 400V, 산소가스 압력을 4×10-4토르, 피복시간을 10분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[실시예 3]
이온화전극의 전압을 100V, 산소가스 압력을 8×10-4토르, 피복시간을 15분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[실시예 4]
이온화전극의 전압을 60V, 기판 바이어스전압을 400V, 산소가스 압력을 4×10-4토르, 피복시간을 20분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[실시예 5]
이온화전극의 전압을 90V, 기판 바이어스전압을 700V, 산소가스 압력을 10-4토르, 피복시간을 25분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[실시예 6]
기판 바이어스전압을 500V, 산소가스 압력을 7×10-4토르, 피복시간을 30분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 1]
이온화전극의 전압을 40V로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 2]
산소가스의 압력을 5×10-5토르, 피복시간을 10분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 3]
이온화전극의 전압을 120V, 피복시간을 20분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 4]
이온화전극의 전압을 70V, 기판 바이어스전압을 100V, 피복시간을 20분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 5]
기판 바이어스전압을 1000V, 피복시간을 10분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 6]
이온화전극의 전압을 60V, 기판 바이어스전압을 400V, 산소가스의 압력을 5×10-5토르, 피복시간을 10분으로 각각 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 실시예 1과 동일한 방법으로 색상 및 피막의 제 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
[표 1]
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 이온화 전극의 전압범위, 기판 바이어스 전압범위, 및 산소가스의 압력범위내에서는 균일한 색상을 갖는 치밀한 피막을 얻을 수 있었으나, 그 범위를 벗어나게 되면 색상이 고르지 못하거나 이상방전이 일어나는 등의 문제점이 발생하였다.
[발명의 효과]
본 발명의 칼라 스텐레스 강판의 제조방법에 의해 산화막이 매우 치밀하고 균일한 색상을 얻을 수 있으므로 건식도금이나 NICO법에 비해 경제적이며 공해가 없는 칼라 스텐레스 강판을 제조할 수 있다.

Claims (1)

  1. 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성시켜 색상을 내어 장식품에 이용하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법에 있어서, 진공중에서 이온화전극과 필라멘트를 이용하여 산소가스를 이온화시킨 후, 기판에 음의 전압을 인가하여 이온화된 산소를 가속시켜 스텐레스 강판의 표면에 산화막을 형성하되, 상기 이온화전극의 전압이 50∼100V이고, 상기 기판 바이어스 전압이 300∼700V이며, 상기 산소가스 압력의 범위가 10-4∼10-3토르인 것을 특징으로 하는 칼라 스텐레스 강판의 제조방법.
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