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KR102211395B1 - 면도날 및 면도날 제조방법 - Google Patents

면도날 및 면도날 제조방법 Download PDF

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KR102211395B1
KR102211395B1 KR1020190060077A KR20190060077A KR102211395B1 KR 102211395 B1 KR102211395 B1 KR 102211395B1 KR 1020190060077 A KR1020190060077 A KR 1020190060077A KR 20190060077 A KR20190060077 A KR 20190060077A KR 102211395 B1 KR102211395 B1 KR 102211395B1
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boron
hard thin
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오성훈
정성원
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주식회사 도루코
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Abstract

본 발명은 물리적 기상 증착 방식에 의한 면도날 코팅에 있어서, 이종 재질이 하나의 복합단일타겟(complex single target)에 구성되되 이종 재질의 복합단일타겟 내 면적비가 코팅되는 면도날의 이송방향으로 변하도록 형성된 복합단일타겟에 의해 증착이 이루어져, 코팅층의 두께 방향으로 이종 재질의 구성비가 점진적으로 변하는 단일층을 형성할 수 있어 면도날 코팅층의 내구성이 개선되는 특징이 있다.
또한, 코팅층 내에 두께 방향의 서로 다른 위치에서 두 가지 물질에 대한 구성비가 상이한 영역을 용이하게 형성할 수 있으므로, 하나의 코팅층으로 코팅의 내구성 강화 및 접착력 향상 등의 효과를 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

면도날 및 면도날 제조방법{Razor Blade and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 면도날 및 면도날 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 면도날 에지(edge)와 면도날에 내구성과 경도를 향상시키기 위한 경질박막층을 구비하는 면도기의 면도날 에지와 면도날 제조방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
습식 면도기의 면도날은 통상 스테인리스 스틸의 모재를 열처리하여 경도를 증가시킨 후 연마 과정을 거쳐 면도날 에지를 형성한다. 이후, 일단이 날카롭게 연마된 면도날 에지의 강도 및 내구성을 증가시키기 위해 면도날의 에지 위에 다양한 코팅 재료가 증착된다. 코팅 재료로는 일반 경질 박막 재료인 금속이나 세라믹 계열의 탄화물, 질화물, 산화물 및 금속 붕소화물 등의 박막이 사용될 수 있다. 또한, 면도 시 피부와의 마찰력을 줄이고, 면도 성능을 향상시키기 위하여 경질 박막 재료 위에는 PTFE(PolyTetraFlouroEthylene) 등의 유기 재료가 증착되기도 한다.
그러나, 이종 재질 간의 접착력, 예컨대 스테인리스 스틸과 경질박막층 혹은 경질박막층과 PTFE 간의 접착력은 내구성 요구수준에 미치지 못하는 경우가 많다. 이 경우, 층간 접착력을 증대시키기 위해 Cr, Ti, W, Nb 등의 금속 박막을 그 사이에 증착시키기도 한다.
일반적으로 이종 재질의 증착은 두 개 이상의 타겟을 면도날 주위에 배치하여 타겟 마다 각기 전압 및 바이어스 조건 등이 제어되어 면도날이 해당 타겟에 노출되는 동안 타겟의 재료가 적층되는 증착 공정이 수행된다. 이러한 방법은 증착 챔버의 크기가 커지고 증착 소요 시간도 길어지는 단점이 있어, 단일타겟에 이종 재질이 기계적으로 접합되어 단일 스퍼터링 조건 하에서 증착을 수행하는 방법이 제안되기도 하였다. (특허문헌 0001 참조)
한편, 금속 모재 상에 다층 코팅이 이루어지는 경우, 층간 경계가 명확할수록 그 경계로부터 파괴가 시작될 확률이 높은 것으로 알려져 있다. (비특허문헌 0001 참조)
국내등록특허 제10-1101742호 (2011.12.27)
Bell, T., Dong, H. & Sun, Y. (1998). Realising the potential of duplex surface engineering, Tribology International, 31(1-3), 127-137. Kvashnin, A.G., Oganov, A.R., Samtsevich, A.I. & Allahyari, Z. (2017). Computational search for novel hard chromium-based materials, Journal of Physical Chemistry, 8(4), 755-764.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내구성이 향상된 면도날 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 박막의 두께 방향으로 이종 재질의 구성비가 점진적으로 변하는 단일층을 면도날 상에 증착하고, 면도날 측 또는 PTFE가 코팅될 면은 박막의 접착력을 향상시키는 구성비를 갖도록 형성하고, 박막 내부 또는 외측으로는 박막의 강도 및 경도를 향상시키는 구성비를 갖도록 형성하되, 박막 내부적으로는 이들 구성비가 점진적으로 변하도록 단일층을 형성함으로써 면도날 코팅에 요구되는 접착성, 강도, 경도 및 내구성을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날은, 면도날 에지가 형성되는 면도날 모재; 면도날 모재 상에 코팅된 경질박막층으로서, 경질박막층은 크롬 및 붕소를 포함하고, 두께 방향으로 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율(atomic percent composition ratio)이 변화하도록 형성된, 경질박막층; 및 경질박막층 상에 형성되는 수지코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층은 단일층인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층은, 면도날 모재에 접하는 경질박막층의 내측에 인접하여 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제1비율로 분포된 제1영역을 포함하고, 경질박막층의 외측에 인접하여 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 상기 제1비율과 상이한 제2비율로 분포된 제2영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1비율은 제2비율보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층은, 경질박막층의 내측에서 외측 방향으로 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 연속적으로 감소하는 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 제1영역에서 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 제2영역에서 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 8:2 내지 5:5인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층은, 수지코팅층에 인접하여 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 상기 제2비율과 상이한 제3비율로 분포된 제3영역으로서, 제2 영역보다 경질박막층의 외측에 배치되는, 제3 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제3영역에서 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층 내의 전체 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율은 9:1 내지 6:4인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층의 두께는 10 내지 1000 nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 수지코팅층은 PTFE(PolyTetraFlouroEthylene)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 제1영역은 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하고, 제2영역은 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 6:4인 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1영역은 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하고, 제2영역은 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 7:3인 영역을 포함하며, 제3영역은 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날 제조방법은, 면도날 모재를 열처리하는 열처리 과정; 열처리된 면도날 모재를 연마하여 면도날 에지를 형성하는 에지 형성과정; 금속과 붕소가 기계적으로 결합하여 혼재된 단일 스퍼터 타겟(sputter target)을 이용하여 면도날 에지가 형성된 열처리된 면도날 모재 상에 물리적 기상 증착(PVD: physical vapor deposition)에 의해 경질박막층을 형성하되, 경질박막층은 두께 방향으로 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율(atomic percent composition ratio)이 변화하도록 형성되는, 경질박막층 형성과정; 및 경질박막층 상에 수지코팅층을 형성하는 수지코팅층 형성과정을 포함하는 것을 특징으로 한다 .
또한, 경질박막층은, 단일층으로 형성되고, 스퍼터 타겟에 대해 면도날 모재가 증착되며 이동하는 방향으로 스퍼터 타겟 내 금속과 붕소의 면적비를 조절함으로써, 두께 방향의 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 금속은 Cr, Ni, Ti, W, Nb 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층 형성과정은, 면도날 모재에 접하는 경질박막층의 내측에 인접하여 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제1비율로 분포된 제1영역을 포함하도록 형성되고, 제1영역에서 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층 형성과정은, 경질박막층의 외측에 인접하여 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제1비율과 상이한 제2비율로 분포된 제2영역을 포함하도록 형성되고, 제2영역에서 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 8:2 내지 5:5인 것을 특징으로 한다.
또한, 경질박막층 형성과정은, 수지코팅층에 인접하여 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제3비율로 분포된 제3영역을 더 포함하도록 형성되고, 제3영역에서 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 물리적 기상 증착 방식에 의한 면도날 코팅에 있어서, 이종 재질이 하나의 복합단일타겟(complex single target)에 구성되되 이종 재질의 복합단일타겟 내 면적비가 코팅되는 면도날의 이송방향으로 변하도록 형성된 복합단일타겟에 의해 증착이 이루어져, 코팅층의 두께 방향으로 이종 재질의 구성비가 점진적으로 변하는 단일층을 형성할 수 있어 면도날 코팅층의 내구성이 개선되는 효과가 있다.
또한, 코팅층 내에 두께 방향의 서로 다른 위치에서 두 가지 물질에 대한 구성비가 상이한 영역을 용이하게 형성할 수 있으므로, 하나의 코팅층으로 코팅의 내구성 강화 및 접착력 향상 등의 효과를 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날 에지 및 면도날 에지 상의 코팅층을 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 기존의 복합단일타겟을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날 에지에 경질박막층을 증착하기 위한 스퍼터링 타겟을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날의 경질박막층을 증착하는 진공챔버 내의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 재질이 결합된 복합단일타겟에 의한 증착 과정을 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 방향으로 이종 재질의 구성비가 변화하도록 형성된 단일층을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 면도날의 경질박막층의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 경질박막층의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 면도날의 경질박막층의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, A 대 B의 조성비가 크거나 작다는 기재는 A/B의 값이 크거나 작다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에서는 경질박막층(120) 코팅에는 물리적 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)을 이용한다. 물리적 기상 증착 방식으로는 직류 스퍼터(DC Sputter), 직류 마그네트론 스퍼터(DC Magnetron Sputter), 직류 불균형 마그네트론 스퍼터(DC Unbalanced Magnetron Sputter), 펄스 직류 불균형 마그네트론 스퍼터(Pulse DC Unbalanced Magnetron Sputter), 무선 주파수 스퍼터(RF Sputter), 아크 이온 플래팅(Arc Ion Plating), 전자 빔 증발 증착(Electron-Beam Evaporation), 이온 빔 증착(Ion-Beam Deposition), 이온 빔 보조 증착(Ion-Beam Assisted Deposition) 방법 중 임의의 어느 하나일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날 에지 및 면도날 에지 상의 코팅층을 나타내는 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날(10)은 면도날 모재(110), 경질박막층(120) 및 수지코팅층(130)을 포함한다.
일 실시예에서, 연마된 면도날 모재(110)가 사용되며, 모재(110) 상에 CrB성분의 단일층인 경질박막층(120)이 적층되고, 경질박막층(120) 상에 마찰력 저감을 위한 수지코팅층(130)이 적층된다. 일 실시예는 박막 내부의 영역 간 구분이 명확하지 않은 단일 박막층을 형성함으로써, 일반적으로 층간 경계에서 시작되는 초기 파괴가 억제될 수 있어 결과적으로 반복되는 충격하중으로 인한 피로파괴에 대한 내구성이 향상될 수 있다.
도 2는 기존의 복합단일타겟을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 물리적 기상 증착에 사용되는 스퍼터링 타겟은 이종 재질로 구성된 다수의 영역이 조합된 구성이다. 제1재질(210)과 제2재질(220)이 모자이크 형식으로 번갈아 배치된 형태로서, 단일타겟처럼 이용되는 이종 재질이 결합된 형태의 복합단일타겟(20)이다. 모재(110)에 제1재질(210)과 제2재질(220)이 증착되는 비율은 제1재질(210)과 제2재질(220)의 복합단일타겟(20) 내 면적비를 조절함으로써 제어된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날 에지에 경질박막층을 증착하기 위한 스퍼터링 타겟을 나타내는 개념도이다.
도 3는 일 실시예에 따른 면적비 가변형 복합단일타겟(21, 22)의 다양한 실시예를 도시한다. 일 실시예에 따른 면적비 가변형 복합단일타겟(21, 22)은 면도날(10)이 스퍼터링 되며 이송되는 방향(810)으로 이종 재질 간의 면적비가 다르게 분포되도록 형성된다. 예컨대, 도 3(a)과 같이 면도날 이송 방향(810)으로 이종 재질이 번갈아 적층된 형태로 구성되되, 적층되는 폭을 조절함으로써 스퍼티링 과정에서 인출되는 입자의 구성비가 변하도록 형성될 수 있다. 도 3(b)는 모자이크 패턴의 크기가 면도날 이송 방향(810)으로 변하도록 형성된 것을 예시한다. 또한, 도시하지는 않았으나, 제1재질(210)에 제2재질(220)이 삽입되는 형태로 면적비 가변형 복합단일타겟이 구성될 수도 있으며, 제2재질(220)이 삽입되는 패턴의 간격을 조정하거나 패턴의 크기를 조정하여 이종 재질 간 면적비가 조정될 수 있다.
면적비 가변형 복합단일타겟(21, 22)의 구조는 복합단일타겟(21, 22) 내에 적절히 분산 배치되어 타겟으로부터 입자화되어 인출된 이종 재질이 증착 대상인 모재(110)에 이르러 충분히 균일하게 혼재된 수준이 될 수 있는 형태와 배치라면 어떤 형태라도 무방하다. 복합단일타겟(21, 22) 내부에 배치되는 각 재료의 형상은 원형, 삼각형, 사각형 등 다양한 형상일 수 있다. 또한, 사각형 형태가 모자이크 형태로 배치되어 기계적으로 결합될 수도 있고, 하나의 재료로 전체 복합단일타겟(21, 22) 형상을 이루고 복수의 구멍이 형성되어 구멍에 다른 재료가 삽입되어 접합되는 형태일 수 있다.
일 실시예에서 이종 재질은 금속 재질 및 붕소(B: Boron)이다. 금속 재질은 Cr, Ni, Ti, W, Nb 중 어느 하나 일 수 있으며, 일 실시예에서 금속 재질은 면도날 모재(110)인 스테인리스 스틸과의 박막 접착성을 감안하여 Cr인 경우에 대해 서술하고 샘플을 제작하고 분석하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, Cr과 B가 복합된 복합단일타겟 뿐만 아니라, CrB, CrB2, CrB3, Cr2B, Cr3B4 등 Cr과 B가 결정학적으로 결합되었으나 그 원자 개수 조성비율(at%: atomic percent composition ratio)이 다른 재질이 복합된 것일 수도 있다. Cr과 B가 CrxBy의 결정학적으로 결합된 형태의 부분 타겟이 사용될 경우, 이로부터 형성되는 박막은 이들 결정구조가 주로 분포될 확률이 높다고 할 수 있으며, 박막내 결정구조의 분포에서 특정 결정구조가 주가 되도록 유도될 수 있을 것이다.
한편, 복합단일타겟의 형태가 아닌 CrxBy의 Cr과 B가 결정학적으로 결합된 단일타겟이 사용될 수도 있다. 이 경우, 단일층 내 조성이 두께 방향으로 점진적으로 변화되는 형태로 형성하기 위해서 여러 가지 방법이 동원될 수 있다. 스퍼터링이 실시되는 구간 별로 모재의 바이어스가 다른 값을 가지도록 조정 가능하도록 형성하거나, 아르곤 가스의 주입구 위치 및/또는 개수를 변경하거나, 스퍼터링 타겟과 모재 사이의 거리 가변 등 스퍼터링 공정 관련 변수를 조정하거나, 혹은 이온 건(ion gun)을 추가로 설치하거나, 아크 이온 플레이팅 방법을 부가적으로 실시하여 부분적으로 스퍼터링율이 다르게 증착되도록 함으로써 두께 방향 조성비가 다르게 형성되도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면도날의 경질박막층을 증착하는 진공챔버 내의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 스퍼터링 장치(30)는 진공챔버(320) 내에 면적비 가변형 복합단일타겟(21, 22)인 스퍼터링 타겟 및 코팅될 면도날 모재(110)가 복수로 배치된 집합체(310)를 포함한다. 스퍼터링 장치(30) 내부는 10-6 torr정도의 고진공이 형성되며 주입 가스(일 실시예에서, 아르곤(Ar) 가스)에 의한 분위기 및 플라즈마(350)가 형성된다. 아르곤 가스를 주입하고 직류 파워를 인가하면, 아르곤 가스는 플라즈마화 되고 아르곤 이온이 생성된다. 생성된 아르곤 이온은 타겟 측에 인가되는 조건으로서 음극의 직류 파워 조건에 의해 복합단일타겟(21, 22) 측으로 가속되어 타겟 표면에 충돌하면 중성의 타겟 원자들이 인출된다.
면도날은 잔류 이물질 및 산화막을 제거하기 위해 증착 전에 아르곤 플라즈마에 의한 표면 세정 처리가 실시될 수 있다. 또한, 면도날 집합체(310)에 대한 일련의 증착 작업이 수행되기 전, 면도날 집합체(310)가 복합단일타겟(21, 22)을 마주보도록 이송되기 전에 복합단일타겟(21, 22)의 세정을 위하여 아르곤 분위기에서 5 내지 20초 정도 프리 스퍼터링(pre-sputtering)이 실시될 수 있다.
면도날 집합체(310)의 코팅될 면도날 영역들과 스퍼터링 타겟은 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서는 고정된 스퍼터링 타겟에 대해 면도날 집합체(310)가 이송되는 경우를 예시하나, 그 반대의 경우일수도 있다. 면도날 집합체(310) 및/또는 복합단일타겟(21, 22)은 스퍼터링에 필요한 바이어스 전압 형성기구(미도시) 및/또는 가열기구(미도시)를 포함할 수 있다.
Cr과 B를 포함하는 일 실시예의 면적비 가변형 복합단일타겟(21, 22)의 경우, Cr 대 B의 원자 개수 조성비율은 9:1 내지 4:6 범위로 증착이 이루어지는 경우를 예시한다. 바람직하게는 Cr 대 B의 원자 개수 조성비율은 6:4 일 수 있다. 이 경우, 증착을 위한 파워 밀도(power density)는 1 내지 12 W/cm2의 범위이며, 1 내지 10 kW 수준에 해당할 수 있다. 면도날 모재(110)의 바이어스는 -50 내지 -750 V, 온도는 0 내지 200 ℃, 직류 파워 밀도(DC power density)는 1 내지 12 W/cm2 일 수 있다. 바람직하게는 온도 15 내지 75 ℃, 기판 바이어스는 -200 내지 -600 V, 직류 파워 밀도는 4 내지 8 W/cm2일 수 있다. 이는 일반적인 Cr과 B의 스퍼터링율 및 이들이 복합단일타겟(21, 22)으로 형성된 것을 고려하여 도출된 스퍼터링 조건이다. 참고로 Cr은 250 내지 10,000 eV, B는 1,000 내지 10,000 eV의 충돌에너지로 모재(110)에 입사될 때 스퍼터링율이 높으며, 이를 고려하여 복합단일타겟(21, 22)은 1,000 내지 10,000 eV의 충돌에너지를 얻을 수 있는 범위가 되도록 설정될 수 있다. 상술한 조건에서 경질박막층(120)은 적어도 10 nm에서 두껍게는 1,000 nm까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
면도날 모재(110)에 입사되는 입자의 이온 에너지가 일정 수준, 예컨대 일 실시예에서 B의 경우 1,000 eV 이하, Cr의 경우 250 eV 이하, 이내인 경우에는 낙온(Knock-on) 조건에 해당되어 결국 튕겨져 나가 증착이 잘 이루어지지 않을 수 있으며, 반대로 예컨대 100,000 eV 이상의 경우가 되어도 표면에 증착이 되지 못하고 모재(110) 깊이 침투해버리고 만다. 기재한 스퍼터링 조건은 그 중간 범위의 이온 에너지로 입자가 가속되도록 일 실시예의 스퍼터링 장치를 고려하여 선정된 것으로써 캐스케이드 스퍼터링(cascade sputtering)이 주로 일어나 이온 빔 믹싱(ion beam mixing) 효과에 의해 모재(110) 표면과 코팅 재질의 결합력이 향상되며 코팅될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 일 실시예의 스퍼터링 장치에는 이온 건(ion gun)이 추가적으로 설치되어 스퍼터링 장치와 아크 이온 플레이팅 방법을 함께 사용하여 박막 증착 과정이 수행될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 재질이 결합된 복합단일타겟에 의한 증착 과정을 설명하는 개념도이다.
면도날은 스테인리스 스틸과 같은 모재(110)를 사용하여 형성되고, 열처리 과정을 통해 경도를 증가시키며, 연마되어 면도날 에지가 형성된 후에, 도 5에 도시한 바와 같이 복합단일타겟(21, 22)으로부터 방출된 이종 재질의 입자들(212, 222)이 동시에 증착되어 경질박막층(120)이 형성된다.
면도날(10)은 증착이 이루어짐과 동시에 면적비 가변형 복합단일타겟(21,22)의 다른 면적비를 가지고 결합된 영역을 지나면서 이종 재질의 원자 개수 조성비율이 다르게 분포되는 입자들(212, 222)이 증착되게 된다. 즉, 면도날은 서로 다른 구성비를 가지는 입자들(212, 222)이 연속하여 증착됨으로써 박막의 두께 방향으로 구성비가 점진적으로 변화하는 경질박막층(120)이 형성될 수 있다.
경질박막층(120)의 결정학적 형태는 스퍼터링 조건 및 복합단일타겟(21,22)의 이종 재질의 구성비 등에 의해 제어될 수 있다. 경질박막층(120)은 Cr과 B가 결정학적으로 결합된 다양한 형태의 결정구조를 포함할 수 있으며, 또한, Cr 혹은 B가 비결정 상태로 혼재된 비정질(amorphous) 구조를 포함할 수 있다. 또한, 모재(110)에 충돌하는 입자들(212, 222)의 충돌 에너지를 적절히 조절함으로써 경질박막층(120)에 형성되는 결정의 크기를 적절히 제어할 수 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 일반적으로 형성된 결정의 크기가 크면 표면경도는 더 상승할 수 있으나 취성이 증가하여 외부 충격에 의한 파손으로 내구성이 저하될 수 있다. 스퍼터링 조건 및 복합단일타겟 내 B의 함량은 직경 기준으로 수 내지 수십 nm 수준인 적절히 작은 크기의 결정이 고르게 분포되도록 제어되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 방향으로 이종 재질의 구성비가 변화하도록 형성된 단일층을 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 경질박막층(120)은 모재(110)인 면도날로부터 접착력 강화영역(Adhesion enhancing region), 박막의 강도 강화구간(Strength enhancing region) 및 표면경도 강화구간(Hardness enhancing region)으로 구성될 수 있으며, 그 위에 마찰력 저감을 위한 수지코팅층(Polymer coating)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서 접착력 강화영역은 모재(110)를 구성하는 스테인리스 스틸과의 결합력이 우수한 Cr성분이 많이 포함된 영역일 수 있고, 박막의 강도 강화구간은 수 내지 수십 나노 직경의 CrB 결정구조가 비정질인 CrB에 둘러싸여 분산된 구조일 수 있으며, 표면경도 강화구간은 CrB 결정구조의 체적 내 점유율이 강도 강화구간 보다 증가된 것일 수 있다. 한편, 표면경도 강화구간에서는 강도 강화구간에서 보다 큰 직경의 CrB 결정구조가 형성된 경우일 수도 있다. 스퍼터링 조건에 따라 세부적인 CrB 결정구조의 형태는 공간군(space group) 분류 상 cmcm, I41/amd, I4/mcm 등을 포함하여 다양한 형태가 혼재된 것일 수 있다. CrB의 결정구조에 따라 경도에 차이는 있으나, 일반적으로 금속붕소화물은 면도날에 높은 경도를 부여하기 위한 충분한 경도를 보인다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 면도날의 경질박막층의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 면도날 모재(110) 측에 가까운 영역은 Cr:B의 원자 개수 조성비율이 9:1 수준이고, 그 외 영역은 Cr:B의 원자 개수 조성비율이 6:4 수준인 것을 예시한다. 모재(110)에 인접하여 Cr의 함유량을 높여 형성하는 것은 경질박막층(120)의 모재(110)와의 접착력을 증대시키기 위한 구성이다.
일 실시예에서 영역의 구분을 점선으로 표시하였으나, 이는 실제로 구분 가능한 경계가 있는 것은 아니며, 일 실시예의 경질박막층(120)은 점진적으로 그 구성비가 변하는 것으로서, 뚜렷한 경계가 확인되는 것은 아니다. 즉, Cr:B의 원자 개수 조성비율가 6:4인 영역도 해당 영역이 모두 6:4의 구성비를 가지는 것은 아니고, 바람직하게는 모재(110)로부터 멀어져 표면에 가까운 영역이 될수록 붕소(B)의 함유량이 증가하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제1실시예는 경질박막층(120)의 외측으로 붕소의 함유율을 높임으로써 경도를 확보하는 효과가 있으며, 일 실시예에 따른 경질박막층(120)은 그 조성비가 점진적으로 변하는 구조를 가지기 때문에 다층 코팅된 면도날 코팅층에 비해 강도 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 경질박막층의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 면도날 모재(110) 측에 가까운 영역은 Cr:B의 원자 개수 조성비율이 9:1 수준이고, 그 외 영역은 Cr:B의 원자 개수 조성비율이 7:3 수준인 것을 예시한다. 도 7의 실시예와 비교하여, 모재(110)로부터 멀어져 수지코팅층(130)과 접하게 되는 표면에 가까운 영역의 Cr함유량을 보다 높임으로써 PTFE 등의 수지코팅층(130)과의 접착력을 강화하고 해당 영역의 경도 및 강도가 같이 고려된 경우라고 할 수 있다. 즉, 바람직하게는 제2실시예의 경우 제1실시예와 비교하여 표면과 가까운 영역에서 Cr함유량이 더 크도록 형성될 수 있다.
제2실시예는 제1실시예에 비해 경질박막층(120)의 외측으로 갈수록 붕소의 함유율이 상대적으로 낮은 반면, 크롬의 함유율이 상대적으로 높아 크롬의 박막내 잔류압축응력에 의한 효과로 인해 경질박막층(120) 내의 결합력 혹은 인성(toughness)이 개선되므로 전체적인 내구성이 향상되는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 면도날의 경질박막층의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 경질박막층(120)의 외측 표면에 인접하여 PTFE 등의 수지코팅층(130)과의 접착력을 보다 강화하기 위해 Cr:B의 원자 개수 조성비율이 9:1 수준인 영역을 더 포함하는 실시예를 도시한다. 표면에 인접하여 Cr의 함유량을 보다 높임으로써 수지코팅층(130)과의 접착력이 향상될 수 있다.
제3실시예는 경질박막층(120)의 최외측으로 크롬의 함유율이 높은 구성으로서, 마찰력 저감을 위한 수지코팅층(130)과의 접착력이 크게 향상되므로 장시간 사용에도 수지코팅층(130)의 탈락이 방지되어 면도 성능이 꾸준히 유지될 수 있는 효과가 있다. 이 경우, 반복되는 면도에 의한 충격 하중을 수지코팅층(130)이 흡수하여 분산시킴으로써 내구성이 향상되는 효과도 기대할 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3실시예에 따른 경질박막층은 전체적으로 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 내지 6:4일 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따라 코팅된 경질박막층의 성분별 구성비를 코팅층 표면으로부터 깊이 방향으로 분석한 결과이다.
도 10 내지 도 12는 전체 약 90 nm두께의 경질박막층(120)의 구성 성분을 그래프 좌측의 표면 위치로부터의 그래프 우측의 모재(110) 위치까지 경질박막층(120)의 깊이 별 구성 성분을 측정한 결과를 도시한다. 도 10 내지 도 12를 참조하면, 제1 내지 제3실시예의 영역별 구성비가 반영되어 경질박막층(120) 내에 점진적으로 구성 성분 별로 원자개수 구성비가 변하는 형태의 단일층이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 각각의 실시예에 따라 실험적으로 제작된 경질박막층(120)의 측정된 각 성분의 구성비는, 도 7 내지 도 9에 도시한 단일층 내 영역별 목표 원자개수 구성비를 염두에 두고 제작되었으나, 오차를 포함하고 있음은 감안하고 보아야 할 것이다. 이러한 오차는 공정 최적화를 통해 최소화될 수 있을 것이다.
도 10을 참조하면, 제1실시예에 따른 경질박막층(120)의 구성 성분에서 B의 함유량은 모재(110)에 가까운 위치에서 약 5 at%로부터, 경질박막층(120)의 표면 측으로 가면서 약 25 at%까지, 점진적으로 증가하는 단일층인 것을 알 수 있다. 이때, 같은 구간을 따라 Cr의 함유량은 약 70 at%에서 약 50 at%로 점진적으로 감소됨을 알 수 있다.
도 11을 참조하면, 제2실시예에 따른 경질박막층(120)의 구성 성분에서 B의 함유량은 모재(110)에 가까운 위치에서 약 3 at%로부터, 경질박막층(120)의 표면 측으로 가면서 약 10 at%까지, 점진적으로 증가하는 단일층인 것을 알 수 있다. 이때, 같은 구간을 따라 Cr의 함유량은 약 80 at%에서 약 72 at%로 감소함을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 제3실시예에 따른 박막 양측면을 향해 Cr의 함유량이 높은 구성이 실험적으로 제작된 경질박막층(120) 내에 구현된 것을 확인할 수 있다. 제3실시예의 중간 영역은 양측 영역에 비해 B의 함유량이 높은 구성으로써, 중간 영역은 평균적으로 약 38 at%의 B가 측정되었으며, 양측 영역으로 멀어질수록 B의 함유량이 점진적으로 감소하는 형태가 측정되었다. 즉, 제3실시예는 단일층으로 구성된 형태이면서도 경질박막층(120)의 내부 영역은 B가 많아 경도 및 강도가 높은 영역이 형성되고, 양측 영역으로 Cr의 함유량이 많도록 형성됨으로써 경질박막층(120)이 모재(110) 및 PTFE 수지(130)와 충분히 높은 접착력을 가지고 결합될 수 있는 특성이 확보될 수 있다. 이로써 코팅층에 요구되는 기계적 강도가 확보되면서 동시에 인접층과의 접착력이 확보되는 효과가 있다. 통상, 코팅층의 경도를 높이면 모재(110)와의 접착력이 저하되고, 외부 충격이 인가되는 경우 고 경도인 코팅층이 모재(110)로부터 박리되어 파괴되기 쉽기 때문에 경질의 코팅층과 모재(110)의 접착력을 강화하기 위한 별도의 중간층이 코팅되는 것이 일반적이다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방식에 의한 경질박막층(120)은 단일층의 구조를 유지함으로써 다층 박막과 비교하여 강도 및 내구성 확보가 유리하며, 모재(110)와의 접착력도 용이하게 확보되는 장점이 있다.
한편, 도 12의 중앙 영역의 측정 결과는 경질박막층(120)의 두께가 90 nm 수준으로 얇은 점을 감안하여 해석해야 할 것이다. 경질박막층(120) 내 구성비의 두께 방향 변화 정도(즉, 측정 그래프 상의 기울기)를 더욱 완만하게 형성하고자 하는 경우에는, 예컨대 도 3에 도시된 타겟 내 Cr과 B를 번갈아 배치하는 간격을 좁히거나 증착 속도 혹은 모재(110)의 이송 속도를 적절히 변경하는 등의 방법이 이용될 수 있을 것이다.
한편, 일 실시예는 이종 재질이 2가지 사용된 경우를 예시하였으나 이에 한정하는 것은 아니며 3종 이상의 이종 재질이 사용될 수도 있다.
또한, 일 실시예의 경질박막층(120)은 Cr과 B가 혼합되어 증착된 단일층인 것을 특징으로 하지만, 그렇다고 하여 경질박막층(120)과 면도날 모재(110) 사이에 버퍼 레이어(buffer layer)층을 포함하거나, 경질박막층(120)과 수지코팅층(130) 사이에 중간층(inter layer)으로서 Cr코팅층이 적층될 수 있음을 배제하는 것은 아니다. 일 실시예의 경질박막층(120)은 강도와 내구성의 향상을 기대할 수 있는 단일층이되, 두께 방향으로 이종 성분이 점진적으로 변하도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 하며, 특히 양측 표면에 가까운 영역에서 양측 표면과 접하게 되는 소재 또는 코팅층과의 접착력을 강화하는 구성 성분비를 갖도록 형성될 수 있는 장점이 있다.
Figure 112019052535958-pat00001
표 1은 본 발명의 제2실시예에 따라 제조된 면도날과 Cr/DLC(Diamond-Like Carbon) 다층 면도날 및 CrC 단일층 면도날의 성능을 비교 측정한 결과이다. 제2실시예의 면도날을 기준으로 상대적인 성능을 비교 평가하였다. 표 1에서 비교된 면도날들에서 경질박막층(120) 상에 PTFE가 코팅된 것은 공통 사항이다.
코팅 성능을 테스트하기 위한 반복 절삭 실험에 사용된 절삭 대상으로는 통상 면도날 분야에서 사용되는 젖은 양털 펠트를 이용하였다. 절삭성은 절삭 소재를 5회 절삭하여 적절한 통계처리 후 절삭성능을 평가한다. 내마모성 및 내구성 실험은 각각 500회, 2,000회 절삭 실험 후, 초기 절삭성능 대비 절삭능력의 변화를 평가한다. 내부식성은 5회 절삭 실험으로 절삭성 평가를 마친 면도날을 묽은 염산에 1분간 담근 후, 초기 절삭성능 대비 절삭능력의 변화를 평가한다. 표 1의 내마모성, 내구성 및 내부식성에서 비교된 수치는 퍼센트 수치가 클수록 초기 절삭성능에 비해 마모나 파손의 정도가 커서 더 큰 절삭부하가 걸리는 것으로 이해될 수 있다.
비교 평가에서 절삭성은 CrC > CrB > Cr/DLC 순으로 좋은 것으로 평가되었으나 그 차이는 크지 않은 수준이다. 내마모성과 내구성은 본 발명의 일 실시예에 따른 CrB 단일층 면도날이 매우 우수하게 측정되어, 경질박막층의 경도, 강도 및 접착력이 우수함에 따른 면도날 성능 향상을 확인할 수 있다. 특히, Cr/DLC 다층 면도날의 내마모성과 내구성이 매우 낮게 측정되었는데, 이는 앞서 언급한 바와 같이 다층 박막의 경계에서의 파손이 조기에 발생되었기 때문으로 이해할 수 있다.
또한, 블라인드 테스트를 통한 실제 면도 결과에서도 본 발명의 실시예에 따른 CrB 박막이 증착된 면도날이 CrC 박막이 증착된 면도날 보다 저자극에서 우위를 보였으며, Cr/DLC 박막이 증착된 면도날 보다 바짝 깎임, 걸림/뜯김, 밀착감 항목에서 우위를 보였다.
종합하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일층 박막이되 Cr과 B의 구성비가 박막 두께 방향으로 점진적으로 변하도록 형성된 코팅 면도날은 실질적으로 동등한 수준의 절삭성을 가지면서, 내마모성과 내구성 측면에서 매우 개선된 성능을 제공함을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 면도날 에지가 형성되는 면도날 모재;
    상기 면도날 모재 상에 코팅된 경질박막층으로서, 상기 경질박막층은 크롬 및 붕소를 포함하고, 상기 경질박막층은 두께 방향으로 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율(atomic percent composition ratio)이 점진적으로 변화하도록 형성됨으로써 영역 구분이 가능하지 않은 상태로 코팅된, 경질박막층; 및
    상기 경질박막층 상에 형성되는 수지코팅층을 포함하는 면도날.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질박막층은 단일층인 면도날.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경질박막층은,
    상기 면도날 모재에 접하는 상기 경질박막층의 내측에 인접하여 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제1비율로 분포된 제1영역을 포함하고,
    상기 경질박막층의 외측에 인접하여 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 상기 제1 비율과 상이한 제2비율로 분포된 제2영역을 포함하는 면도날.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1비율은 상기 제2비율보다 커서, 상기 붕소는 상기 제1비율보다 상기 제2비율에 더 큰 비율로 포함된 면도날.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경질박막층은,
    상기 경질박막층의 내측에서 외측 방향으로 상기 붕소의 비율이 점진적으로 증가하여 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 연속적으로 감소하는 구조인 면도날.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1영역에서 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 면도날.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2영역에서 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 8:2 내지 5:5인 면도날.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 경질박막층은,
    상기 수지코팅층에 인접하여 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 상기 제2 비율과 상이한 제3비율로 분포된 제3영역으로서, 상기 제2 영역보다 상기 경질박막층의 외측에 배치되는, 제3 영역을 더 포함하는 면도날.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3영역에서 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 면도날.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 경질박막층 내의 전체 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율은 9:1 내지 6:4인 면도날.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 경질박막층의 두께는 10 내지 1000 nm인 면도날.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수지코팅층은 PTFE(PolyTetraFlouroEthylene)로 이루어진 면도날.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하고,
    상기 제2영역은 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 6:4인 영역을 포함하는 면도날.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하고,
    상기 제2영역은 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 7:3인 영역을 포함하며,
    상기 제3영역은 상기 크롬 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1인 영역을 포함하는 면도날.
  15. 면도날 모재를 열처리하는 열처리 과정;
    열처리된 면도날 모재를 연마하여 면도날 에지를 형성하는 에지 형성과정;
    금속과 붕소가 기계적으로 결합하여 혼재된 단일 스퍼터 타겟(sputter target)을 이용하여 상기 면도날 에지가 형성된 상기 열처리된 면도날 모재 상에 물리적 기상 증착(PVD: physical vapor deposition)에 의해 경질박막층을 형성하되, 상기 경질박막층은 두께 방향으로 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율(atomic percent composition ratio)이 점진적으로 변화하도록 형성됨으로써 영역 구분이 가능하지 않은 상태로 형성되는, 경질박막층 형성과정; 및
    상기 경질박막층 상에 수지코팅층을 형성하는 수지코팅층 형성과정
    을 포함하는 면도날 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 경질박막층은,
    단일층으로 형성되고,
    상기 스퍼터 타겟에 대해 상기 면도날 모재가 증착되며 이동하는 방향으로 상기 스퍼터 타겟 내 상기 금속과 상기 붕소의 면적비를 조절함으로써, 두께 방향의 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 다르게 형성되는 면도날 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 금속은 Cr, Ni, Ti, W, Nb 중 어느 하나인 면도날 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 경질박막층 형성과정은,
    상기 면도날 모재에 접하는 상기 경질박막층의 내측에 인접하여 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제1비율로 분포된 제1영역을 포함하도록 형성되고,
    상기 제1영역에서 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 면도날 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 경질박막층 형성과정은,
    상기 경질박막층의 외측에 인접하여 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 상기 제1비율과 상이한 제2비율로 분포된 제2영역을 포함하도록 형성되고,
    상기 제2영역에서 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 8:2 내지 5:5인 면도날 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 경질박막층 형성과정은,
    상기 수지코팅층에 인접하여 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 제3비율로 분포된 제3영역을 더 포함하도록 형성되고,
    상기 제3영역에서 상기 금속 대 붕소의 원자 개수 조성비율이 9:1 이상인 면도날 제조방법.
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