KR100417972B1 - 날에무정형다이아몬드코팅을도포하는방법과,이에의해제조된날,무정형다이아몬드코팅을갖는면도날및그제조방법과,그것을포함하는면도장치 - Google Patents

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데이비드 엘. 파파스
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Abstract

날을 바람직하게는 필터링된 음극 아크 플라즈마 원을 이용하여 무정형 다이아몬드로 경질-탄소 코팅함에 의한 예리하고 내구성인 절삭 엣지를 갖는 개선된 면도기와 면도날 및 면도날(16, 20, 44) 및 유사 절삭 공구의 제조 방법. 적어도 40% sp3탄소 결합, 적어도 45 기가파스칼의 경도 및 적어도 400 기가파스칼의 모듈 러스를 갖는 무정형 다이아몬드 코팅(60)이 지지체(50)의 예리한 엣지에 도포된다. 지지체는 기계적으로 허닝될 수 있고, 지지체와 무정형 다이아몬드 코팅 사이에는 개입층이 존재하지 않는다. 코팅은 높은 종횡비를 유지하면서 얇은 날에 강성과 경성을 부여한다.

Description

날에 무정형 다이아몬드 코팅을 도포하는 방법과, 이에 의해 제조된 날, 무정형 다이아몬드 코팅을 갖는 면도날 및 그 제조방법과, 그것을 포함하는 면도장치
도1은 본 발명에 따른 면도 장치의 사시도.
도2는 본 발명에 따른 다른 면도 장치의 사시도.
도3은 본 발명에 따른 면도 날 엣지의 일 실시예를 도시한 도면.
도4는 본 발명을 실행하기 위한 장치를 도시한 도면.
도1A 내지 도6A는 첨부서류(A)에 개시된 미국특허출원 제08/233,006호를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 개선된 면도기 및 면도기 날에 관한 것으로서, 면도 날 또는 날카롭고 내구성 있는 절삭 엣지를 가진 유사한 절삭 도구를 생산하기 위한 방법, 및 특히 필터링된 음극 아크 플라즈마 공급원을 사용하여 형성되는 날의 무정형 다이아몬드 코팅에 관한 것이다. 본 발명은 면도날의 매우 얇은 절삭 엣지상에 종횡비가 높은 매우 견고하고 단단한 코팅을 형성하는데 특히 유용하다.
면도기 날은 전형적으로 금속 또는 세라믹 등의 적절한 모재(母材) 재료로 형성되며, 그 엣지는 반경이 약 1,000Å 미만인 최극단 팁을 갖는 쐐기형 표면으로 형성되며, 상기 쐐기형 표면은 30°미만의 끼인각을 갖는다. 면도 작업은 주의를 요하면서도 또한 날의 엣지가 빈번하게 손상되기 때문에, 면도력을 향상시키거나 엣지의 견고성 및 내부식성을 증가시키기 위해, 하나이상의 보조코팅 재료층을 사용할 것이 제안되고 있다.
상기 코팅재료로서는 예컨대 중합체 재료 및 금속뿐만 아니라 다이아몬드형 탄소(diamond-like cargon: DLC) 재료 등이 제안되고 있다. 상기 각각의 보조재료 층들은 면도 날의 내구수명동안 모재에 단단히 부착되어 있도록 부착 적합성을 가져야 하며, 면도 엣지의 기하학 및 절삭 효과에 악영향을 주지 않고 개선된 면도력, 개선된 경도 및/또는 내부식성 등의 특징을 제공해야만 한다.
버취(Bache) 등에 허여된 미국특허 제5,032,243호에는 비임의 축선이 면도 날의 엣지를 향하는 이온공급원으로부터의 이온 폭격에 의해 예리하게 되는 모재 재료가 개시되어 있다. 페어런트(Parent) 등에 허여된 미국특허 제5,232,568호 및 호온(Hahn)에 허여된 미국특허 제5,295,305호에는 모재와 다이아몬드형 코팅 사이에 내부층이 형성된 날이 개시되어 있으며, 이에 따르면 상기 내부층은 모재상에 침착된 후에 다이아몬드형 코팅이 내부층에 침착되고 있다.
이러한 해결책은 그다지 성공적이지는 않으며, 이러한 해결책 보다는 모재상에 무정형 다이아몬드 코팅을 직접 침착시키고(내부층 부착이라는 중간 단계없이), 기계적 호우닝 방법을 사용하여 예리한 모재를 형성하는 것이 바람직할 것이다(미국특허 제5,032,243호에 개시된 이온 비임 형성이 아니다). 따라서, 기계적 호우닝에 의해 얇은 날 모재를 생성하고, 이러한 모재상에 직접 무정형 다이아몬드 코팅을 침착하므로써 모재에 강도 및 경도를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면, 면도 날의 절삭 엣지는 모재의 예리한 엣지에 무정형 다이아몬드 코팅을 도포시키므로써 기계적 특성이 개선된다. 상기 재료는 적어도 40%가 sp3 탄소결합되며, 적어도 45 기가파스칼의 경도와, 적어도 400 기가파스칼의 모듈러스(modulus)를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 재료는 면도에서 일반적으로 사용되는 뜨거운 수용액 및 화합물에 의해 부식되지 않는다. 이러한 특징을 갖는 물질은 본 발명에서는 무정형 다이아몬드로 언급될 것이다. 본 발명의 무정형 다이아몬드 물질과는 달리, 스퍼터링 등과 같은 방법에 의해 생산된 전통적 다이아몬드형 탄소 코팅(DLC)은 경도가 높지 않다. 본 발명의 무정형 다이아몬드와는 달리, DLC 코팅은 전형적으로 30 기가파스칼을 초과하지 않는 경도를 갖는다.
도포된 무정형 다이아몬드 코팅의 극도의 경도 및 강도는 매우 얇은 면도 날 엣지에 강도를 제공할 수 있다. 커리(Curry) 등에 허여된 미국특허 제4,720,918호에는 이러한 형태의 엣지가 개시되어 있지만, 이러한 엣지는 본 발명의 범주를 제한하지는 않는다. 매우 얇은 날 엣지는 면도 쾌감을 증가시키며, 이러한 엣지는 단지 면도를 충분히 견딜 수만 있다면 실용적이다. 상기 미국특허 제4,720,918호에 개시된 바와 같은 엣지를 포함하여, 400 내지 2000Å의 무정형 다이아몬드 코팅에 의해 강화된 얇은 엣지는 면도에 사용되는 엣지 보다 상당히 얇은 마무리 엣지(finished edge)를 포함하는데, 이러한 엣지는 무정형 다이아몬드 코팅의 우수한 강도로 인하여 면도에 충분히 견딜 수 있는 강도로 결합되어 있다.
상기 얇은 엣지에서는 높은 종횡비를 필요로 하는데, 이러한 종횡비는 무정형 다이아몬드 코팅을 제조하기 위해 본 발명에 사용된 특정 음극 아크 침착 방법에 의해 얻을 수 있다. 상기 "종횡비"는 도3을 참조하여 하기에 상세히 서술될 것이지만; 간단히 요약한다면 도3에 도시된 바와 같이 a:b의 비율로서, 상기 a는 무정형 다이아몬드 코팅의 팁으로부터 모재 팁까지의 제2두께이고, 상기 b는 무정형 다이아몬드 코팅의 표면으로부터 모재의 팁까지의 제1두께이다.
상기 종횡비는 하부에 형성된 모재의 날 엣지 모양에 대한 코팅 효과를 측정하는데 유용한 것으로서, 높은 종횡비로 코팅된 날은 낮은 종횡비로 코팅된 날에 비해 "보다 예리"하게 된다. 본 발명의 무정형 다이아몬드 코팅의 현저한 강도로 인해, 이러한 코팅을 통상적인 단면을 갖는 면도 날에 도포하면 장기간의 면도 수명을 제공할 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 쐐기형 엣지와 상기 쐐기형 엣지의 팁 및 플랭크 상에 400Å의 두께를 갖는 무정형 다이아몬드 코팅이 제공되며, 이들은 약 500Å 미만의 팁 반경과 2:1 내지 4:1의 종횡비를 형성한다. 날은 탁월한 면도 특성 및 긴 수명을 보인다.
양호한 실시예에서, 면도 날 모재는 강철로 형성되며, 무정형 다이아몬드 코팅은 강철 모재 보다 적어도 4배의 경도를 갖고 있으며; 상기 쐐기형 엣지는 일련의 기계적 연마에 의해 형성되고; 상기 무정형 다이아몬드 코팅은 필터링된 음극 아크공급원으로서 사용되는 흑연 타겟으로부터 제공된 탄소 이온으로 형성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 모재를 제공하는 단계와; 30°미만의 끼인각과, 1,200Å 미만의 팁 반경(적어도 25,000 배율의 스캐닝 전자 현미경으로 관찰하였을 때, 엣지의 최극단 팁내에 위치되는 것으로 추정되는 가장 큰 원의 반경)을 갖는 쐐기 형상의 예리한 엣지를 모재의 엣지상에 형성하는 단계와; 약 1000Å 미만의 무정형 다이아몬드 코팅의 최극단 팁에서의 반경을 제공하기 위해, 필터링된음극 아크 증발에 의해 상기 예리한 엣지상에 무정형 다이아몬드 코팅을 침착시키는 단계를 포함하는 면도 날 제조방법이 제공된다. 상기 무정형 다이아몬드 코팅은 일반적으로 탄소를 효과적으로 침착시키는 여러 가지 기법에 의해 고이온화된 종(species)으로서 침착된다. 음극 아크, 양극 아크, 탄화수소 가스의 플라즈마 분해, 유도결합된 RF에 의한 후이온화 스퍼터링, 레이저 융식(laser ablation), 레이저 흡수파 침착(LAWD), 및 직접 이온 비임 침착 등과 같은 방법이 사용될 수 있으며, 본 발명의 양호한 실시예에서는 필터링된 음극 아크를 사용한다.
상기 모재는 예리한 엣지가 형성되도록 일련의 호우닝처리에 의해 기계적으로 연마되며; 무정형 다이아몬드의 코팅이 필터링된 음극 아크에 의해 침착되며, 이때 절삭 엣지상에 형성되는 무정형 다이아몬드 코팅은 적어도 400Å의 두께를 갖고, 무정형 다이아몬드 코팅은 적어도 40%가 sp3 탄소 결합되고, 적어도 45 기가파스칼의 경도를 갖고; 상기 무정형 다이아몬드 코팅된 절삭 엣지상에는 부착성 중합체 코팅이 도포될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 날 엣지 또는 엣지들의 전후방에서 사용자 피부와의 접촉을 위한 외측면을 갖는 날 모재 구조물과, 상기 모재 구조물에 고정된 적어도 하나의 날 부재를 포함하는 면도 장치가 제공된다. 상기 모재 구조물에 고정된 면도 날 구조물은 예리한 팁으로부터 40㎛의 거리에서 17°미만의 끼인 각을 갖는 면에 의해 한정되는 쐐기형 절삭 엣지를 갖는 모재와, 강화재료층을 포함하며; 상기 강화재료층은 모재의 예리한 팁으로부터 40㎛의 거리까지 적어도 400Å의 두께와, 강화 물질의 최극단 팁에서 500Å 미만의 반경과, 2:1 내지 4:1의 종횡비를 갖는다.
면도 장치에 있어서, 면도 날 구조물은 2개의 강철 모재를 포함하며, 상기 쐐기형 엣지는 피부접촉면들 사이에서 서로 평행하게 배치되고, 엣지 강화층은 약 1000Å(정형적으로, 모재 및 공정 파라미터에 따라 400Å 내지 2000Å의 범위)의 두께를 갖는 무정형 다이아몬드를 포함하며, 적어도 40%가 sp3 탄소 결합되고 적어도 45 기가파스칼의 경도를 가지며; 각각의 무정형 다이아몬드 코팅에 부착성 중합체 코팅이 존재한다.
면도 장치는 면도기 손잡이에 착탈가능한 일회용 카트리지 형태를 취할 수 있으며, 날 또는 날들이 무뎌졌을 때 완전한 면도기가 하나의 유닛으로서 폐기되도록 손잡이와 일체로 형성될 수도 있다. 전후방 피부접촉면은 날 엣지(또는 엣지들)와 협력하여 기하학적 면도를 형성하게 된다. 양호한 면도 장치로서는 미국특허 제3,876,563호 및 제4,586,255호에 개시된 형상을 갖는다.
필요로 하는 무정형 다이아몬드 코팅을 도포시키기 위한 공정 조건과 함께, 도면을 참조한 양호한 실시예의 서술에 의해 본 발명의 다른 특징 및 장점이 명확하게 인식될 것이다.
하기의 서술에서는 날, 모재, 및 무정형 다이아몬드 코팅의 여러가지 양호한 실시예의 특징 및 특성이 개시될 것이고, 이어서 필요로 하는 코팅을 침착시키기 위한 공정 조건에 대해 서술될 것이다.
도1에 도시된 바와 같이, 면도 장치(10)는 면도기 손잡이에 부착하기 위한 구조물과, 전방 및 횡단방향으로 연장되는 피부접촉면(14)을 형성하는 구조물이 구비된 고충격 폴리스티렌으로 성형된 플랫폼 부재(12)를 포함한다. 예리한 엣지(18)가 구비된 전방의 날(16)과, 예리한 엣지(22)가 구비된 날(20)이 상기 플랫폼 부재(12)상에 장착된다. 고충격 폴리스티렌으로 성형된 캡 부재(24)는 엣지(22)의 후방에 배치되는 피부접촉면(26)을 한정하는 구조를 가지며, 면도 보조 복합물질(48)은 캡 부재(24)에 고정된다.
도2에 도시된 면도 장치(30)는 제이콥슨(Jacobson)에 허여된 미국특허 제 4,586,255호에 개시된 형태를 취하여, 전방 부분(34) 및 후방 부분(36)이 구비된 성형된 몸체(32)를 포함한다. 가드 부재(38)와, 전방의 날 유닛(40)과 후방의 날 유닛(42)은 몸체(32)에 탄성적으로 고정된다. 각각의 날 유닛(40, 42)은 예리한 엣지(46)를 갖는 날(44)을 포함한다. 면도 보조 복합물질(48)은 후방 부분(36)의 오목부에 마찰가능하게 고정된다.
도3에는 날(16, 20, 44)의 엣지 영역이 도시되어 있으며, 이러한 도면으로부터 종횡비를 보다 용이하게 이해할 수 있다. 날은 일련의 호우닝 작업에 의해 형성된 쐐기형의 예리한 엣지가 구비된 스텐레스 스틸재의 몸체(50)를 포함하며, 상기 호우닝 작업은 약 13°의 각도로 분기되는 경사면(54, 56)에 의해 전형적으로 반경이 500Å 미만인 팁 부분(52)을 형성한다. 상기 팁(42)과 제1경사면 및 제2경사면(54, 56)에는, 약 3:1의 종횡비[무정형 다이아몬드 팁(70)으로부터 스테인레스 스틸로 이루어진 몸체 팁(52)까지의 제2두께(a)와, 무정형 다이아몬드 코팅(60)의 표면으로부터 팁(52)까지의 제1두께(b)의 비율]로, 약 2000Å의 두께를 갖는 무정형 다이아몬드 코팅(60)이 침착된다.
상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)에는 실질적으로 침착된 두께를 가지나, 초기면도중에 단층 두께로 감소되는 부착성 텔로머 층(72)이 침착된다.
도4에는 도3에 도시된 형태의 날을 가공하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 장치는 밸브(82)를 통해 진공 펌핑 시스템(도시않음)에 결합된 스테인레스 스틸 챔버(80)를 갖는, 콜로라도 보울더 소재의 베이퍼 테크놀러지즈에서 제조한 것과 같은 필터링된 음극 아크 침착 시스템을 포함한다. 상기 챔버(80)에는 전기적으로 절연된 수냉식 모재 플랫폼(84)이 장착되는데, 이러한 플랫폼에는 면도 날(88)의 스택을 지탱하는 회전식 장착부(86)가 배치된다.
엣지는 도면의 평면에 수직으로 정렬되고, 상기 장착부(86)와는 하방으로 대면하고 있다. 각각의 날 엣지를 단일의 음극 아크공급원(92)으로부터의 탄소 이온 비임에 선택적으로 노출시키기 위하여, 챔버(80)의 외부에 고정된 모터(90)는 설정의 간격으로 배치된 날 스택을 180°회전시키므로써 날의 양 경사면에 균일한 침착을 보장한다.
챔버(80)에는 2개의 필터링된 음극 아크공급원(92, 94)이 배치되며, 상기 음극 아크공급원(94)에서는 제2플라즈마 스트림이 방출되며; 이들 각각은 흑연 타겟(96)(음극, 99.99% 순도), 아크 타격기구(98), 및 필터 또는 덕트(100)로 구성되어 있다. 상기 덕트(100)는 덕트의 하부에 위치된 전자석(104)과 덕트의 길이를 따라, 전기권선(102)에 의해 생성된 솔레노이드 자기장을 사용하여, 탄소 이온(아크플라즈마)의 흐름을 음극인 흑연 타겟(96)으로부터 날(88)의 스택으로 향하게 한다. 상기 자기장은 웰티(Welty)에 의해 1994년 4월 25일에 출원된 미국특허출원 제08/233,006호에 개시된 공급원에 대해 아크 성능을 최적화하기 위해 조절될 수 있으며; 상기 음극 아크공급원은 본 발명의 하기의 첨부서류(A)에 개시된 바와 같은 형태를 취할 수 있다. 흑연 타겟(96)과 덕트와 장착부(86)에는 냉각수라인(106, 108, 110)이 제공된다.
상기 덕트는 날 팁에 의해 제공된 평면(112)과 덕트 배출구의 중앙 축선(114) 사이에 40°의 각도가 형성되도록 지향한다. 이러한 각도는 완전히 밀집된 코팅이 부착되는 것을 보장하기 위해 선택된 각도이다. 흑연 타겟(96)은 약 30cm x 2.5cm(길이x 폭)이고, 챔버(80)로부터 전기적으로 절연되며, 덕트(100)는 접지되어 있다. 상기 흑연 타겟(96)은 스위치(120)를 통해 DC 동력원(118)에 연결된다. 전기 배선은 스위치(122)를 통해 DC 동력원(124)까지, 또는 스위치(126)를 통해 RF 동력원(128)까지 날(88)의 스택을 연결하기 위해 제공된다. 필터링된 음극 아크 디자인 및 작동에 대한 세부사항은 앞서 언급된 미국특허출원 제08/233,006호에 개시되어 있다.
회전가능한 장착부(86)는 덕트의 입구로부터 15cm 이격된 엣지를 갖는 날(88)의 스택을 지지한다. 상기 날 스택은 한쪽 경사부가 덕트에 대면하는 위치와, 대향의 경사부가 덕트에 대면하는 위치 사이에서 회전된다. 이러한 180°회전은 10초마다 실행되어, 베벨이 동일하게 코팅되는 것을 보장한다.
일련의 처리과정에 있어서, 날(88)(2.5cm 길이)의 스택은 회전가능한 장착부(86)에 고정되고, 장착부에 냉각수가 제공되고, 챔버(80)는 비워진다. 챔버(80)의 압력은 유동 아르곤으로 50 밀리토르로 조정된다. 스위치(122)는 날 스택에 -400V DC를 제공하도록 폐쇄되어, 날이 10분간 세척되는 DC 플라즈마 방전을 점화시킨다. 세척 단계후에, (i) 챔버내 압력은 0.1 밀리토르의 아르곤으로 조절되고, (ii)단일 덕트에 권취된 전기권선(102)이 여자되고, (iii)흑연 타겟(96)에 대한 스위치(120)는 폐쇄되고, (iv)날에 대한 DC 동력원(124)은 -1000V DC로 조정되고, (v)기계적 아크 타격기구(98)에 의해 흑연 타겟(96)상에 아크가 타격되기 시작된다. 아크 전류는 100A로 설정된다. 덕트로부터 강한 탄소 이온 플라즈마가 방출되어, 10초 마다 180°회전하는 날(88)상에 부착된다.
아크가 2분동안 가동된 후에, 바이어스 공급원인 DC 동력원(124)은 -50V로 고정되고, 침착은 16분동안 계속된다. 이에 따라 최종적으로 얻어진 무정형 다이아몬드 날 코팅은 각각의 면에 약 1000Å의 두께를 갖는다. 날 팁의 반경은 약 350Å이고, 종횡비는 약 2.5:1 이다.
또 다른 실시예에서는 제2공급원인 아크공급원(94)이 제1공급원인 아크공급원(92)에 대향하여 위치되어 두개의 음극 아크공급원이 동시에 작동되므로 양 날의 경사면이 거의 동일한 입사각으로 동시에 코팅된다. 이 경우, 날(88)의 스택은 회전하는 것이 아니라, 상기 두 공급원의 교차지점으로부터 플라즈마가 방출되는 지역을 통해 이동된다. 처리과정의 다른 특징은 상술의 처리과정과 동일하다.
그후, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 텔로머 층(72)이 무정형 다이아몬드 코팅된 날 엣지에 도포된다. 이러한 처리과정은 아르곤의 중성대기내에서 날을 가열하는 단계와, 날의 절삭 엣지상에 고체 PTFE의 부착 및 마찰 감소 중합체 코팅을 제공하는 단계를 포함한다. 낮은 습윤 펠트 울 절단력[약 0.45 kg인 습윤 펠트울을 이용한 처음 5개 절단중 가장 낮은 가장 낮은 것(L5)]일 경우, 코팅(72, 60)은 몸체(50)에 견고히 부착되어, 반복적으로 인가되는 펠트 울 절단력에도 견디므로, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 극심한 조건의 펠트 울 절단시험에 노출되어도 실질적으로 영향받지 않으며, 80℃ 증류수에 16시간 동안 침잠된 후에도 몸체(50)에 견고히 부착되었다.
최종적인 날(44)은 도2에 도시된 형태의 면도 장치(30)로 조립되며 탁월한 면도 효과를 제공한다.
공정 조건(process condition)
상술한 바와 같은 날, 모재 및 무정형 다이아몬드 코팅의 특성은 하기의 적절한 공정조건의 상세한 설명에 의해 용이하게 인식될 것이다. 먼저, 양호한 음극 아크공급원이 서술된 후 여러 바람직한 공정 조건이 기술될 것이다.
음극 아크공급원
무정형 다이아몬드의 침착 코팅은 파라벨라(Falabella) 등에 허여된 미국특허 제5,279,723호에 개시된 바와 같이 일반적인 필터링된 음극 아크 플라즈마 공급 물질을 사용하여 도포될 수 있다. 그러나, 양호한 실시예에 있어서, 침착 코팅은 서술한 바의 첨부서류(A)에 따라 도포된다. 첨부서류(A)의 장방형 공급원이 본 발명의 실행에 특히 적합하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 마찬가지로, 필터링되지 않거나 기타 다른 일반적인 공급원이 사용될 수도 있으며, 본 발명은 필터링된 음극 아크공급원에 한정되지 않는다.
처리 조건 및 조절
처리 조건은 모재에 대한 다단계 바이어스와, 날 양측의 균등한 평균 침착, 및 각도의 제공에 대한 주의를 포함한다.
모재에는 고착을 달성하기 위한 2분 이하의 침착과정중 초기에는 200V 내지 2000V의 높은 바이어스가 인가된다. 이어서 10V 내지 200V 의 제2단계 바이어스가 인가되어, 무정형 다이아몬드 경질 탄소 코팅의 구조를 최적화시키고 필요로 하는 결정 구조를 설정한다. 본 발명에서는 적어도 이러한 두 단계가 바람직하지만, 예를 들어 500 볼트에서 중간 바이어스 단계를 추가하는 것과 같이 부가의 "계단식"으로 증가되는 바이어스 볼트 감소를 제공하는것 또한 바람직하다.
무정형 다이아몬드 침착은 동일한 평균 속도로(또는 동시에) 날의 양면에 쌓인다. 동시 침착을 위해 적어도 2개의 공급원을 설치하거나 또는 침착 공급원에 대해 설치된 날의 각도를 회전시킴으로써, 코팅층은 양면에 동일하게 또는 동일한 평균 침착 속도로 도포될 것이다. 각각의 날은 제 1 경사면과 제 2 경사면에 의해 경계지워지고 상기 경사면들의 교차지점에 팁을 구비한 절삭 엣지를 가진다는 사실과, 또한 세트로 이루어진 날은 팁에 의해 형성된 평면을 제공하는 날의 스택으로서 배치되거나 또는 커로셀(carousel) 방식 등으로 배치된다는 사실에 비추어 볼때; 층이 형성된다는 개념은 (i)적어도 2개의 공급원을 사용하여 침착속도가 절삭 엣지의 양 측면상에서 동시에 동일하게 실행되거나, 또는 (ii)시간의 경과에 따라 코팅이 각 면도기의 절삭 엣지 양측면상에 거의 동일한 속도로 적층되도록, 단일 공급원에 대한 날 세트(스택 또는 커로셀)의 이동(스택의 플리핑, 커로셀의 회전 또는 기타 다른 연속적 제공과 같이 공급원에 대한 날 제공의 주기적 변화)을 이용한다는 사실을 포함한다.
즉, 1000Å 두께의 코팅을 도포하기 위해 본 발명의 양호한 방법은 한쪽에 1000Å을 모두 적층한 후 날 스택의 다른쪽에 1000Å을 모두 적층하는 방식 대신에, (i)양 측면에 동시에 침착되거나, (ii)한쪽에 3Å 내지 500Å 범위로 한후 다른쪽에도 3Å 내지 500Å으로 순환변경시켜 1000Å 또는 기타 필요로 하는 두께가 날의 절삭 엣지 양측에 형성될 때 까지 실행하는 방식이다. 전자의 방식이 바람직한 것이기는 하나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 불균일하거나 불균형적으로 코팅이 형성될 수 있음을 인식해야 한다.
각도의 제공에도 다소 관심을 기울여야 한다. 저압(고진공) 상태는 이온화된 탄소의 고지향성 플라즈마 스트림을 생산한다. 날은 적층되어 있는 날의 팁에 의해 형성된 평면에 수직한 선으로부터 측정된(또는 적층되지 않은 날의 절삭 엣지의 제1경사면 및 제2경사면과 팁으로 둘러싸인 각도를 이등분하는 선으로부터 측정된)각도 즉, 20°이상 90°미만의 각도로 제공된다. 이러한 각도는 플라즈마 스트림을 날 절삭 엣지의 한쪽 또는 다른쪽으로 보다 양호하게 지향시키기 위한 것이다.
공지된 바와 같이, 본 발명의 침착 공정은 아르곤 등의 처리가스의 존재 또는 부재하에서 가동될 수 있으며; 챔버의 청소는 RF 또는 DC 글로우 방전으로 실행되고 ; 모재의 바이어싱은 DC 또는 RF 공급원으로 수행될 수 있다(또한 이러한 바이어싱은 날의 팁을 형성하는데 사용될 수도 있다).
본 발명은 예리함을 유지하면서 얇은 날을 강화시킨다(즉, 팁의 날카로움과 예리함에 손상을 주지 않으면서 얇은 날에 경도와 강도를 부여한다). 일반적인 면도날은 약 100Å 내지 350Å의 두께로 코팅되지만, 본 발명의 방법은 3000Å의 두께(팁으로부터 이격된 날 표면상에서 측정)와, 탭에서 측정했을 때 5,000Å 높이로 무정형 다이아몬드 코팅을 침착할 것이다. 상술한 바와 같이, 이 모든것은 높은 종횡비를 유지하면서 달성된다.
이러한 방법에 의해 코팅될 날은 일반적인 면도 날보다 얇고, 예리하며; 본 발명의 방법에 의해 허용되는 2:1 이상의 종횡비는 무정형 다이아몬드 경질 탄소 코팅의 극도의 강도와 연계되어 날의 품질을 향상시킬 것이다.
첨부서류(A)
장방형 진공-아크 플라즈마 공급원
발명의 분야
본 발명은 진공 아크 증발에 관한 것으로서, 특히 장방형 플라즈마 도관에 장착된 장방형 평면 음극의 필터링된 음극 아크 증발에 관한 것이다. 장방형 공급원은 길이방향으로 무한대로 연장될 수 있으므로, 본 발명은 대형이거나 긴 모재에 코팅 또는 이온 이식에 특히 유용하다.
본 발명은 용융된 공급 재료의 방울에 의한 모재의 오염을 최소화하면서 대형 모재상의 균일한 코팅 또는 이식을 위하여, 장방형 공급원의 장점(공급원으로부터의 균일한 증발 및 선형 움직임을 이용한 모재상의 균일한 침착)과 함께 필터링된 음극 아크의 장점(완전히 이온화된 증기 스트림, 방울 튀김의 배제)을 실현시킨다.
발명의 배경
최근 십여년간, 진공 아크 증발은 코팅될 모재상의 금속 침착, 합금 및 금속 화합물 코팅의 침착을 위해 상업적으로 광범위하게 사용되었다. 진공 아크 방전 또한 이온 이식, 비임 가속기 및 로케트 추진 등의 용도를 위한 이온공급원으로서 사용되어 왔다.
모재를 코팅하거나 이식하기 위한 진공 아크 증발의 과정에는 침착될 재료로 구성된 음극 타켓 및 코팅될 모재가 포함된다. 상기 타켓은 전형적으로 0.001 mbar 미만의 압력으로 진공된 진공챔버내에서 높은 전류, 낮은 전압 아크 플라즈마 방전에 의해 증발된다. 일반적으로 코팅되거나 이식될 모재는 전형적으로 10 내지 100cm 거리에서 진공챔버내에 타켓의 증발면과 대면하여 위치된다. 전형적인 아크 전류 범위는 25 내지 1000 암페어이며 전압은 15 내지 50V이다.
아크 플라즈마 방전은 아크에 의한 타켓 물질의 증발 및 이온화에 의해 생성된 플라즈마를 통해 음극과 양극 사이로 전류를 전도한다. 음극(음성 전극)은 공정중에 적어도 부분적으로 소모되는 전기적으로 절연된 공급원 구조물이다. 음극의 소모가능한 부분을 "타겟"이라 부르며 종종 음극 몸체라 불리는 차가운 비소모성 부품과 연결된 교체가능한 부품으로서 제작된다. 양극(양성 전극)은 진공챔버 내에서 전기적으로 절연된 구조이거나 진공챔버 자체일 수 있으며, 공정중에 소모되지 않는다.
아크는 보편적으로 기계적 접촉, 높은 전압 스파크 또는 레이저 조사에 의해 음극 타겟의 증발가능한 표면상에 점화된다. 생성된 아크 플라즈마 방전은 음극 타켓 표면상의 하나이상의 이동성 아크 스파트(spot)에 고도로 국한되지만, 양극(anode)에서 넓은 지역에 걸쳐 분포된다. 음극에서의 아크 스파트의 매우 높은 전류 밀도는 106내지108암페어/cm2일 것으로 측정되며 음극 공급원 재료의 국소적인 가열, 증발 및 이온화를 초래한다.
각각의 아크 스파트는 음극 타켓 표면에 거의 직각인 방향으로 플라즈마의 제트를 방출하여 음극과 양극 사이의 지역으로 확장되는 발광 플럼을 형성한다. 코팅되거나 이식될 모재는 음극과 양극의 사이 또는 그 주변에 위치한다. 음극 물질의 증기는 전형적으로 인가된 전압에 의해 모재 표면을 향해 더욱 가속되어 모재 표면으로 응축되거나 또는 매립된다. 반응성 기체는 증발 과정중에 진공챔버내로 이식되어, 타켓 재료, 반응성 기체 및/또는 모재 물질과 관계된 물질 화합물의 형성을 초래한다.
타켓 물질에 따라 약 70 내지 100 암페어 이하의 아크 전류, 단일 아크 스파트 만이 음극 공급원 물질의 표면상에 존재한다. 높은 아크 전류에서, 다수의 아크 스파트가 동시에 타켓 표면상에 존재할 수 있으며, 이들 각각은 전체 아크 전류에서 동일한 비율을 차지한다. 아크 스파트는 인가된 자기장이 없는 경우 타켓 표면 주위를 임의로 이동하는 경향이 있으며, 이에 따라 타켓 표면상에 현미경으로 확인할 수 있는 분화구 형태의 흔적을 남긴다.
외부에서 인가된 자기장은 자기장 선과 제트 모두에 직각인 방향으로 아크 제트상에 힘을 미치며, 아크의 소규모 운동이 반-임의적으로(semi-random) 남아있기는 하지만 아크 스파트의 대규모 평균 이동에 주된 영향력을 미칠 수 있다. 자기장 내에서의 아크 스파트의 이동 방향은 음극으로부터 방출되는 전자 흐름을 고려했을 때 암페어 법칙을 기본으로 예견되는 벡터 Jx B 방향에 대해 대향하거나 또는 "역행"한다. 이러한 현상은 아크 제트내의 복합적인 동력학적 효과때문인 것으로 널리 보고 및 토론되었다.
아크 스파트에서 타켓 재료 증발의 바람직하지 않은 부작용은 용융된 타켓 재료 방울이 생성된다는 것인데, 이것은 증가 제트의 팽창으로 인한 반응력에 의해 타켓으로부터 분출된다. 상기 방울은 통상 미세입자라 불리우며, 직경이 서브마이크론 내지 수십㎛ 범위에 속한다. 상기 미세입자는 코팅될 모재상에 낙하되었을때 코팅 내에 매립되어 불필요한 불규칙성을 형성하거나, 또는 모재에 고착된 후 나중에 박리되어 코팅상에 구멍(pit)을 유발시킬 수도 있다.
모재 코팅에 함유되는 미세입자의 수를 감소시키기 위해 다양한 전략이 고안되었다. 이러한 전략은 일반적으로 두개의 범주 즉, (1)아크를 조절하고 가속시키는 자기장 형태를 이용하여 미세입자의 형성을 감소시키는 제1범주와, (2)음극 공급원과 모재 사이에 필터링 장치를 사용하여 음극 부산물의 이온화된 부분을 모재로 전달하지만 용융된 방울을 차단하는 제2범주에 속한다.
제1범주의 자기적 방법은 일반적으로 필터링 방법보다 간단하지만, 미세입자의 생성을 완전하게 제거하지는 못한다. 제2범주의 필터링 방법은 일반적으로 미세입자를 제거하는데 자기적 방법 보다 효과적이지만, 복잡한 기구를 요구하며 공급원 부산물을 현저히 감소시킨다.
필터링 방법은 모재를 음극 타켓 표면의 시야선 밖으로 위치시켜 음극으로부터 방출되는 미세입자가 모재상에 직접적으로 닿지 않도록 하는 것이다. 각이진 필터링 도관은 음극과 모재 사이에 놓여져서, 플라즈마를 모재로 전달한다.
모재에 도달하기 위해, 음극 공급원으로부터 방출된 하전된 플라즈마는 45°내지 180°의 각을 통해서 필터링 도관내에 전자기적으로 편향되어 필터링 도관내의 굴곡부를 통과하여 모재에 충돌한다. 하전되지 않은 미세입자는 전자기장에 의해 편향되지 않으며, 필터링 도관의 벽을 타격하는 경로를 계속 따르게 되므로, 이상적으로 미세입자는 모재에 도달하지 못한다. 그러나 실제에 있어서, 필터벽을 나온 미세입자의 되튀김 및/또는 플라즈마내의 작은 입자의 동행은 필터를 통해 약간의 미세입자가 전달되어 모재에 도달되게 한다.
상술의 필터링된 음극성 아크는 환형 또는 원통형 음극 및 필터 기하에 기본한 것이기 때문에, 소형 모재 또는 특별한 형태의 용도로 사용하기에는 일반적으로 제한이 가해졌었다.
아크 증발 분야에 있어서 초기의 실시예는 모재의 코팅의 침착을 위해 진공 아크 증발의 사용이 개시되어 있는, 에디슨(Edison)에 허여된 미국특허 제484,582호; 자기적으로 안정화된 진공 아크 증발 기구를 기술한 뤄(Wroe)에 허여된 미국특허 제2,972,695호; 특수한 전극형태를 가진 아크 증발기구 및 증발 속도를 증가시키고 이온을 모재로 향하게 하는 자기장의 사용을 기술한, 스내퍼(Snaper)에 허여된 미국특허 제3,625,848 및 3,836,451호; 특수한 형태의 전극 및 차폐물이 개시되어 있고, 아크 스파트가 음극 공급 물질의 원하는 증발 표면을 벗어날 때 활성화된 자기장의 사용을 기술한 사브레브(Sablev) 등에 허여된 미국특허 제3,783,231호; 미국특허 제3,793,179호를 포함한 미국특허에 개시되어 있다.
음극상의 환형 또는 레이스트랙 경로로 제한된 음극성 아크의 예는 모리슨(Morrison)에 허여된 미국특허 제4,724,058호; 라말링감(Ramalingam) 등에 허여된 미국특허 제4,673,477호; 벨트로프(Vletrop) 등에 허여된 미국특허 제4,849,088호에 개시되어 있다. 상술한 각각의 참조문헌에는 폐쇄루프 터널형태의 아치형 자기장을 사용하는 아크 증발 기구가 개시되어 있으며, 이러한 기구는 음극 표면의 고정위치 또는 가동위치에서 아크 스파트를 폐쇄루프 레이스트랙 궤도로 제한시킨다. 자기장에 의한 아크의 제한 및 가속화는 아크 방전에 의한 미세입자의 생성을 감소시키는 것으로 생각된다. 이러한 자기장을 생성시키는데 요구되는 장치는 본 기술 분야에서 평면 마그네트론 스퍼터로 널리 알려져 있다. 예를 들어, 라말링감 및 벨트로프에 허여된 특허에 개시된 바와 같이 기계적으로, 또는 모리슨에 허여된 특허에 개시된 바와 같이 다수의 전자기를 사용하여 아크의 전자기장 생성수단을 이동시키는 것 또한 알려져 있다.
긴 원통형 음극의 예는 핑크하소프(Pinkhasov)에 허여된 미국특허 제 4,609,564호 및 제4,859,489호; 베르가손(Vergason)에 허여된 미국특허 제 5,037,522호; 웰티(Welty)에 허여된 미국특허 제5,269,898호에 개시되어 있으며, 이들은 모두 원통형 또는 막대형의 긴 음극의 사용에 대해 개시하고 있으며, 음극의 길이를 따라 그 운동을 유발시키는 아크 전류의 자체 자기장을 사용하고 있다. 상기 한다. 미국특허 제5,269,898호는 부가적인 축방향 자기장을 인가하여 아크 운동을 가속 및 제어하므로써, 거대입자의 생성이 감소될 수 있음을 개시하고 있다.
클주쵸코(Kljuchko) 등에 허여된 미국특허 제4,492,845호에는 환형 음극을 사용하는 아크 증발 기구가 개시되어 있으며, 이에 따르면 증발하기 쉬운 음극 표면은 음극보다 더 큰 직경과 더 긴 길이의 원통형 양극을 대면하는 음극의 외벽이다. 코팅될 모재는 환형 음극 내부에 배치되어, 증발하기 쉬운 표면과는 대면하지 않도록 배치되며, 양극에서 전자기장에 의해 역반사된 이온화 물질에 의해 코팅된다. 공통축의 자기장은 양극으로부터의 반사를 강화하는 것으로 개시되어 있다. 음극 표면으로부터 배출된 거대입자는 양극에 의해 전기적으로 반사되지 않는다(이들이 기계적으로 양극에서 되튈수는 있지만). 결과적으로, 코팅 내의 거대분자 혼입이 감소된다.
음극 출력의 하전된 이온화 분편을 전송하고 비하전된 거대입자를 차단하기 위해 음극원과 모재 사이에 몇몇 형태의 필터링 기구를 사용함으로써 모재상의 코팅에 삽입된 거대입자의 수를 감소시키기 위한 노력의 예가 아케세노프(Aksenov)/악세노프(Axenov) 및 팔라벨라(Falavella) 및 샌더스(Sanders)가 저술한 문헌에 개시되어 있다.
악세노프(Aksenov) 등에 의한 문헌["곡선 플라즈마-광학 시스템내의 플라즈마 스트림의 운송", 소비에트 저널의 플라즈마 물리학, 4(4), 1978년]에는 덕트를 통한 솔레노이드 자기장을 생성하기 위한 전자석 코일, 덕트의 한쪽 단부의 원형 아크 증발 음극 및 다른쪽 단부의 모재를 갖는, 90°굴곡을 갖는 원통형 플라즈마 덕트의 사용이 개시되어 있다. 음극에 의해 방출된 플라즈마는 존재하는 자기장 및 전기장에 의해 덕트벽으로부터 반사된 후, 덕트를 통해 자기장을 따라 모재로 운송되는 반면, 비하전된 거대입자는 자기장 또는 정전기장에 의해 굴절되지 않고 덕트벽에 의해 차단된다.
팔라벨라(Falavella)에 허여된 미국특허 제5,279,723호에는 45°의 굴곡부를 자는 원통형 덕트, 원형 또는 원추형의 음극 및 양극을 사용하고, 음극과 거대입자의 전송을 감소시키는 내부 배플의 형태를 포함하는 여러 요소가 개선된, 상기 악세노프(Aksenov)에 의해 제안된 필터와는 본질적으로 유사한 장치가 기재되어 있다.
악세노프(Axenov)에 허여된 미국특허 제4,452,686호에는 굴곡이 없고, 덕트의 한쪽 단부에 배치된 원형 음극, 덕트를 통하여 솔레노이드 자기장을 생성하는 전자석 코일, 및 음극에서 모재로의 시야 침착의 직선을 차단하는 덕트의 중앙부에 배치된 부가적인 전극을 갖는 수직 원통형 필터링 덕트가 기재되어 있다. 음극에 의해 방출된 플라즈마는 덕트벽 및 중앙 전극에서 자기장 및 전기장에 의해 굴절되어, 턱트를 통하여 자기장을 따라 및 중앙 전극 주위로 운송된다. 비하전된 거대 입자는 자기장 또는 전기장에 의해 굴절되지 않고, 중앙 전극에 의해 차단된다.
샌더스에 허여된 미국특허 제5,282,944호에는 수직 원통형 필터링 덕트 및 음극으로부터 작은 각도로 방출된 거대입자를 모재에 직접적으로 도달하지 않도록 차단하는 중앙 차폐물을 사용하는, 상기 미국특허 제4,452,686호와 다소 유사함 장치가 개시되어 있다. 전자석 코일은 실질적으로 덕트벽 부근의 솔레노이드인 덕트 내부의 자기장을 생성한다. 이러한 경우에 음극의 증발하기 쉬운 표면은, 음극으로부터 방출된 플라즈마가 필터 덕트의 외벽에서 방사상으로 조사되고, 덕트벽에서 자기장 및 전기장에 의해 약 90°로 굴절되어, 자기장을 따라 모재가 배치된 덕트의 단부로 운송되도록, 필터 덕트와 공축으로 배향된 짧은 원통의 외면이다. 내부 전극은 모재가 배치된 단부에 반대되는 원형 필터링 덕트의 단부에서 플라즈마의 굴절을 강화하는 것으로 개시되어 있다.
종래기술의 참조 문헌은 사각형 형태의 증발하기 쉬운 표면을 갖고, 음극 표면상의 아크의 운동을 제어하기 위한 자기장 극성 역전을 사용하는 음극이 개시되어 있지 않으며, 또한 사각형 단면을 갖는 필터링 덕트도 개시되어 있지 않다. 따라서, 이러한 참조문헌에서도 개선된 필터링된 음극 아크를 여전히 필요로 하고 있다. 이러한 필터링된 음극 아크는 사각형 침착 공급원이 포함하는 것이 바람직할 것이다.
사각형 침착 공급원은 큰 모재의 코팅, 롤 형태의 시이트 물질의 코팅 및 선형 컨베이어 또는 원형 커로셀(carousel)상의 더 작은 모재의 연속 스트림의 코팅을 위해 바람직하다. 1970년대의 사각형 평면 전자덕트 스퍼터링 음극의 개발은 이러한 형상의 모재를 코팅하기 위한 스퍼터링을 널리 상용화시켰다(예를 들어 웰티(Welty)에 허여된 미국특허 제4,865,708호 및 제4,892,633호의, 전자덕트 스퍼터링 음극).
필터링된 음극 아크공급원은, 증발 및 스퍼터링과 같은 비아크형 침착 방법과는 달리, 공급원으로부터 방출된 음극 물질의 증기 스트림이 완전히 이온화된다는 장점을 갖는다. 사각형 공급원으로 완전히 이온화된 중기 스트림은 코팅 또는 이식을 위해 모재에 도달하는 전자의 에너지에 대하여 보다 넓은 범위의 제어를 허용하고, 시스템 내에서 반응성 가스와 또는 모재와 직접적으로 화합물을 형성하는 증기의 반응성을 증가시킬 것이다.
본 발명은 길거나 큰 모재를 코팅하거나 이식하기 위해, 필터링된 음극 아크의 장점(완전히 이온화된 증기 스트림, 스플래팅된 방울의 제거) 및 사각형 원의 장점(공급원으로부터의 균일한 증발 및 선형 운동을 사용하는 모재상의 균일한 침착)을 실현한다. 따라서, 본 발명의 목적은 종래기술에 의해 성취될 수 없는 과제를 성취하기 위해 사각형 진공-아크 음극상에 필터링된 음극 아크를 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명은 모재상에 코팅을 형성하거나 이온 이식을 수행하기 위하여, 플라즈마 비임을 생성하여 사각형 영역에 조사하기 위한 수단을 제공한다. 사각형 음극은 사각형 단면의 각진 덕트 내에 장착되고, 이는 아크에 의해 생성된 음극 물질의용융된 방울을 차단하면서, 플라즈마를 가두어 모재 부분쪽으로 굴절시킨다. 음극이 장착된 플라즈마 덕트의 부분은 본원에서 덕트의 입구 아암으로 지칭되며, 모재는 덕트의 출구 아암에 인접하여 장착된다.
자기장은 아크를 사각형 음극의 길이방향 하부의 한쪽 방향으로 동시에 이동시키면서 플라즈마를 덕트를 통하여 지향시키는 덕트 내에 생성된다. 아크가 음극의 한쪽 단부에 도달하면, 센서는 자기장의 적어도 일부의 극이 역전되는 신호를 제공하여, 아크를 역방향으로 하여 음극의 반대 단부로 이동시킨다. 자기장의 극은 아크가 음극의 양 단부에 도달할 때마다 절환되어, 사각형 음극의 길이를 따라 전후로 아크를 스캐닝한다.
자기장의 극(방향)이 반복적으로 역전되더라도, 자기장의 형태 및 덕트에 대한 배향은 우선적으로 실질적으로 동일하게 유지되며, 플라즈마는 덕트를 통하여 양 극으로 전송된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 음극에 인접한 수렴하는 자기장선 부분은 플라즈마를 덕트의 출구쪽으로 반사하는 자기 거울을 형성한다.
음극 타겟의 길이를 따른 아크의 운동은 타겟 표면의 평면에 평행하고 사각형 타켓의 장축에 수직인, 타겟 표면에 인접한 자기장 요소에 의한 것이다. 이와 같이 지향된 지속 요소를 위해, 두개의 극(방향)이 가능하다. 자기장이 하나의 극을 가질 때, 아크는 음극의 길이를 따라 전술된 JxB 역벡터에 의해 주어진 방향으로 움직인다. 자기장이 반대극을 가질 때, 아크는 음극의 길이를 따라 반대 방향으로 움직인다.
음극의 양 단부에 배치된 센서로부터의 신호에 기초된 자기장의 극을 전환함으로써, 타겟 표면에 대해 자속 선의 배향을 유지하면서, 음극의 길이를 따른 아크의 운동의 방향을 주기적으로 역전시켜, 아크를 상대적인 직선을 따라 사각형 음극의 길이를 따라 전후로 스캐닝할 수 있다.
아크를 타겟의 길이를 따라 이동시키므로써, 타겟의 증발하기 쉬운 표면에 인접한 역전가능한 자기장은 덕트 외부 또는 음극 몸체 내부에 배치된 전자석 코일을 사용하여 생성될 수 있다. 사각형 음극을 통하여 유동하는 아크 전류의 자기-자기장을 사용하여 역전가능한 장을 생성하는 것은 선행 분야에 공지되어 있다. 예를 들면, Welty의 미국특허 제5,269,898호에 기술된 것처럼, 음극의 양쪽 단부에 배치된 센서로부터의 신호에 기초된, 아크 전류를 동시에 사각형 음극의 양쪽 단부에 접속시키고, 음극의 각각의 단부로 유동하는 총 전류의 분편을 변화시키는 것은, 아크를 음극의 길이를 따라 움직이게 하기 위해 필요한 배향으로 자기장 요소를 생성시킬 것이다.
사각형 음극 내에서 대부분의 아크 전류가 유동하는 방향이 센서로부터의 신호에 기초되어 역전될 때, 타겟 표면에 평행한 자기장 요소의 극(방향)도 또한 역전되어, 타겟의 길이를 따른 아크 이동의 방향을 역전시킨다. 이와 마찬가지로, 미국특허 제5,269,898호에 기술된 바와 같이, 아크 스캐닝을 일으키는 자기장 요소는 또한, 제어 전류를 음극의 길이를 따라 통과시키고 그 방향을 센서 신호에 기초된 방향으로 역전시키거나, 미국특허 제5,037,522호에 기술된 바와 같이 아크 전류 입력을 음극의 한쪽 단부에서 다른쪽 단부로 절환하므로써 생성될 수 있다. 종래 기술에서는 음극 자체를 통하여 유동하는 전류에 의존하지 않는 자기적 수단에 의해역전가능한 자기장을 생성하는 방법이 제시되어 있지 않다.
덕트를 통한 플라즈마의 운송은 주로 벽의 평면에 평행하고 덕트의 축에 평행한, 덕트벽에 인접한 자기장 요소에 의한 것이다. 덕트벽을 향하여 자기장을 통하는 플라즈마의 전자의 확산은, 양극으로 하전된 이온을 굴절시켜 덕트를 따라 및 덕트 내의 굴곡 주변으로 연속적으로 이동하게 하는, 덕트벽에 수직인 전기장 요소를 생성한다. 비하전된 거대입자는 굴절되지 않아, 덕트벽에 의해 또는 덕트벽에 수직으로 장착될 수 있고 거대분자의 덕트벽에 대한 바운딩을 감소시키기 위해 짧은 거리로 덕트로 신장하는 배플에 의해 차단된다. 덕트 내부의 및 덕트벽에 인접한 자기장 요소의 극은 아크 스캐닝을 일으키는 타겟 표면에 인접한 자기장 요소의 극과 동시에 우선적으로 스위칭되어, 덕트 전체를 통한 자기장의 형태가 극의 역전에도 불구하고 동일하게 남아있게 된다. 그러나, 전자석 또는 영구 자석을 사용하여 덕트의 나머지 부분에서 정적(비역전) 자기장을 유지하면서 타겟 표면 일부에서만 자기장의 극을 역전시키는 것도 또한 본 발명의 범위내에 속한다. 후자의 경우, 자기장의 순수 형태에서의 변화는 타겟 표면 근처에서 자기장의 역전의 함수로서 덕트를 통한 플라즈마의 운송에서 주기적인 변화를 일으킬 수 있다.
플라즈마 제트는 음극으로부터 주로 증발하기 쉬운 표면에 수직은 방향으로 방출되므로, 덕트 내의 굴곡부의 외경 부분에서 가장 강하게 덕트벽에 출동하는 경향이 있다. 덕트를 통한 플라즈마의 운송을 증가시키기 위해, 이 부분내의 자기장의 강도를 강화하는 것이 바람직하다. 부가적인 인자는 원자량 및 융점이 상이한 음극 타겟 물질이 상이한 속도 및 운동 에너지로 타겟으로부터 방출되는 것이다.따라서, 자기장의 강도를 특히 덕트 내의 굴곡부에서 변화시켜, 다양한 물질에 대한 운송을 최적화하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에서, 개별적인 전자석 코일이 타겟의 증발하기 쉬운 표면의 반대면인, 덕트 내 굴곡의 외경 부근에 제공되고, 여기에서 전류는 바람직하게는 덕트 내에 자기장 부분을 생성하는 다른 코일의 전류에 의존하지 않고 변화될 수 있다.
하나이사의 전자석 코일이 덕트를 통하여 솔레노이드 자기장을 생성시키기 위해 덕트를 둘러싸면서 배치되는, 종래기술의 원통형 플라즈마 덕트에서(또는 종래기술이 사각형 덕트로 확장될 수 있는 직접적인 방법에서), 코일(들)을 포함하는 와이어는 반드시 덕트 내의 굴곡부의 외경에서 보다 내경에서 서로 더 밀접하게 이격되어야 하는 것을 인식해야 한다. 이로 인해, 덕트 내부에, 와이어가 더 밀접하게 이격된 덕트의 내경에 대해 더 큰 강도를 갖고, 아크 플라즈마 제트가 충돌하는 덕트의 외경에 대해 더 낮은 강도를 갖는 자기장이 생성된다. 따라서, 종래기술은, 덕트를 통한 플라즈마의 운송을 증가시키기 위해 굴곡부의 외경에서 덕트 내부의 자기장 강도가 내경에서의 자기장 강도와 동일하게 또는 그 이상의 강화될수 있는 본 발명의 특징과는 상이한 것이다.
종래기술 및 전술된 본 발명의 특징에서 덕트벽으로부터 양극으로 하전된 이온을 굴절시키는, 덕트벽에 수직인 전기장은 필터 덕트벽에 실질적으로 평행인 자기장을 통하여 횡단으로의 플라즈마 전자의 분산에 의해 생성된다. 두번째 방법에 의해, 즉, 자기 거울로서 공지된 부분을 생성하면서, 대략 수직방향으로 벽에 접근할 때 자속선이 수렴하는 부분을 벽 부근에 생성시킴으로써, 이온을 덕트 벽으로부터 멀리 반사시키는 것이 또한 가능하다. 벽으로 접근하는 플라즈마 전자는 수렴하는 자속선 부분으로 들어갈 때, 플라즈마 이온을 또한 반사시키는 전기장을 만드는 전자 밀도 구배를 생성하면서, 반사되거나 지체된다. 자기 거울은 보통 실험실 기구 및 기타 플라즈마 장치내의 플라즈마 제한기를 위해 사용된다.
필터링된 진공-아크 플라즈마 공급원의 분야에서 자기 거울장에 대한 유용성은 본 발명에서 처음으로 기술되었다. 거울장에 의해 제공되는 기능에 대한 필요는 예를 들어 미국특허 제5,282,944호에 개시된 종래기술[여기에서, 이 참고문의 도2 및 도3에서 도면부호 21로 도시된 다수의 절연 링(ring)이 자기장이 덕트벽을 통하여 통과하는 영역에서 덕트벽으로의 플라즈마 손실을 방지하기 위해 필요한 것으로 지적되는]에 개시되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예의 입구 아암 내의 자기 거울장 부분의 포함은 덕트의 출구 아암을 향한 플라즈마 유동일 위한 바람직한 방향을 생성시키며, 아크를 타겟의 길이 아래로 이동시키는 자기장 요소(타겟의 표면에 평행하고, 장축에 수직인)를 동시에 제공한다. 자기 거울장의 극의역전, 및 이에 의한 타겟 표면에 평행한 자기장 요소의 역전은 거울장의 형태 또는 기능을 변화시키지 않으면서 타겟 표면상의 아크의 이동 방향을 역전시킨다.
플라즈마 덕트의 출구 아암내 솔레노이드 자기장 영역, 덕트내 굴곡부의 바깥 반경 근처의 "범퍼"장 영역, 및 음극에 인접한 덕트의 입구 아암내 자기 거울장 영역을 제공하는 다양한 자기장 공급원에 독립적인 조합 및 겹침은 아주 다양한 타겟 물질용 덕트를 통하여 플라즈마 운송을 최적화시키기 위한 충분한 조절력을 제공한다. 그러나, 이러한 요소 모두가 본 발명의 실시예에 포함될 필요는 없고, 또한 이러한 요소는 특히 단일 타겟 물질을 최적화하는 공급원의 경우에서, 독립적으로 다양한 필요도 없음을 인식해야 한다. 예를 들면, 타겟 물질 근처의 자기장 영역의 극성을 역전시키기 위해 사용되는 방법에 따라, 전체 덕트를 둘러싸는 단일 솔레노이드 전자석이면 충분하다.
본 발명은 음극 및 플라즈마 덕트의 직사각형 모양, 양극상의 아크 운동의 조절 방법, 및 플라즈마 덕트내 자기장의 모양 및 조절에서 종래기술과는 다르다.
특히, 공개된 자기장 모양 및 조절 방법은 원하는한 제조가능한 직사각형의 배출구를 갖는 밀집된, 효과적인 플라즈마 공급원을 제조하는 것을 가능하게 하여, 직사각형의 침착 공급원에 유리한 조합에서 필터링된 음극의 아크에 이득을 제공한다. 음극 표면상의 아크 조절에 대한 장 역전 기술은 음극의 너비를 종래기술의 레이스트랙형 자기장을 사용하는것보다 훨씬 작게 형성될 수 있게 한다.
따라서, 플라즈마 덕트는 훨씬 더 좁고 더 작게 제조되어, 종래기술의 거대한 필터보다 진공 시스템, 특히 다중 플라즈마 공급원을 포함하는 시스템으로 용이하게 직접될 수 있는 디자인이 생성된다. 좁은 음극 및 조사된 아크는 또한 판상 레이스트랙형 음극보다 길이를 따라서 타겟의 부식을 균일하게 하며 타겟재료 유용성을 높인다.
본 발명의 장점은 공급원을 그 길이방향으로 무한정으로 연장되게 하므로써, 필터링된 아크 침착 또는 이식이 직사각형 또는 확장된 증기 공급원을 필요로 하는 용도에서도 사용될 수 있게 한다.
[도면의 간단한 설명]
도1A는 원형 음극 및 원통형 플라즈마 덕트를 사용하는 종래기술의 필터링된 진공 아크를 도시한 도면.
도2A는 본 발명의 필터링된 아크 플라즈마 공급원을 도시한 도면.
도3A는 본 발명의 덕트 조립체 및 자석의 사시도.
도4A는 본 발명의 덕트 조립체의 횡단면도.
도5A는 본 발명의 덕트 조합체의 측단면도.
도6A는 덕트 조합체 및 자석 세트와 연관된 본 발명의 자기장 라인 및 자기장 거울을 보이는 횡단면도.
[실시예]
본 발명은 코팅을 형성하거나 모재상에서 이온 이식을 실행하기 위해 직사각형 영역 위로 플라즈마 비임을 생성 및 지향시키는 방법을 제공한다.
도1A에는 음극의 아크 방전에 의해 생성된 이온 흐름으로부터 거대 입자의 분리가능한 필터(22)에 연결된 종래기술 음극(20)이 도시되어 있다. 음극(20)은 원추형으로 원형면 및 경사진 측면을 갖는다. 필터(22)는 양단부에 두개의 솔레노이드를 포함하지만, 서로에 대해 다른 45°로 위치되어 이온 및 전자의 흐름 경로를 제공하는 반면, 코팅된 모재(24)로 음극의 아크 지점으로부터 관측 라인을 으며, 거대분자를 트랩하기 위한 일련의 배플을 포함한다.
도2A에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예는 음극 몸체(31)위에 음극 타겟(30)을 포함한다. 타겟(30)은 실질적으로 직사각형 모양의 증발성 표면(33)을 갖는다. 양호한 실시예에서, 음극(30)은 탄소이지만, 임의의 적합한 증발성 재료로 구성될 수도 있다. 음극 몸체(31)는 홀더(32)에 놓여지고 플라즈마 덕트(34)의 입구 아암(36)에 위치된다. 음극(30)은 아크 동력원(28)의 음성 배출부와 연결되고, 플라즈마 덕트(양극으로도 제공된다)(34)는 아크 동력원의 양성 배출부와 연결된다. 아크 스트라이커(35)는 음극(30, 34) 사이에서 아크 방전을 점화하기 위해 제공된다. 음극(30) 및 증발성 표면(33)은 또한 절연기(86)로 둘러싸인다(도4A). 내부 전극(82)은 플라즈마 덕트(34)내의 센서(84)로서 장착된다.
플라즈마 덕트(34)는 음극(30)과 유사한 크기의 직사각형 단면을 갖는다. 플라즈마 덕트는 플라즈마 덕트의 중간선을 따르는 축의 굴곡부를 포함한다. 도시된 실시예에서는 덕트의 한쪽벽에서만 등가의 내경 굴곡지점(37)이 도시되어 있지만, 약 15°내지 120°범위의 내경 각도가 본 발명의 실행에 적합하다. 등가의 외경 굴곡부는 도면부호(39)로 도시되어 있다. 플라즈마 덕트(34)는 내경 굴곡지점(37)의 한면에 입구 아암(36) 및 출구 아암(38)을 갖는다. 음극(30)은 입구 아암의 단부 또는 이러한 단부의 근처에서 분리된 홀더(32)에 장착되므로, 음극의 증발성 표면(33)이 플라즈마 덕트와 대면한다. 코팅된 하나이상의 날(44)은 출구 아암(38)의 영역 또는 근처 영역에 위치할 수 있다.
전자석 세트는 플라즈마 덕트(34) 주위에 대해 배치된다. 자석(46)은 코일 동력원(52)과 연결되고 플라즈마 덕트의 입구 아암(36) 근처에 위치한다. 자석(48)은 코일 동력원(52)에 연결되고 플라즈마 덕트(34)내 굴곡부의 외경(39) 근처에 위치한다. 자석(50)은 코일 동력원(52)에 연결된 솔레노이드이고 플라즈마 덕트의 출고 아암(38)의 일부 주위를 감싼다. 도3A의 사시도에는 플라즈마 덕트(34)와 관련된 자석(46, 48, 50)이 도시되어 있으며, 입구 아암(38)근처의 자석(46), 굴곡부의 외경(39) 근처의 자석(48), 및 출구 아암(38) 주위의 코일화된 자석(50)을 포함한다.
도4A에 있어서, 자석(46)은 중앙 포올(pole)의 각 말단에 부착된 말단 플레이트(74)로, 자기적으로 허용가능한 재료와 중앙 포올(72) 주위를 감싸는 코일(70)을 포함한다. 마찬가지로, 자석(48)은 중앙 포올의 각 말단에 부착된 말단 플레이트(80)로, 자기적으로 허용가능한 재료의 중앙 포올(78) 주위를 감싸는 코일(76)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 자석(46)의 말단 플레이트(74)가 투자성 물질로 제조되는 반면, 자석(48)의 말단 플레이트(80)는 필요로 하는 방식으로 자장을 형성하기위해 비투자성 재료로 제조된다.
도2A에 있어서, 도관(54)은 음극(30)에 물을 공급한다. 플라즈마 덕트(34) 및 내부 전극(82)은 수냉되는 것이 바람직하지만, 이러한 냉각을 위한 설비는 도시되지 않았다. 바이어스 전위는 모재(44)에 적용될 수 있고, 모재는 통상적으로 침전중에 회전하거나 병진될 수 있다. 양호한 실시예에서, 플라즈마 덕트(34) 및 모재(44)는 챔버(도시않음)내에서 포위되고 진공이 배출된다. 다른 양호한 실시예에서, 플라즈마 덕트(34) 및 덕트의 음극 홀더(32)는 진공에서 존재하는 반면, 덕트의 바깥면은 대기압에서 존재한다.
동일한 도면부호가 부여된 도4A 및 도5A를 참조하여, 본 발명의 시스템의 특정한 세부사항이 개시될 것이다. 플라즈마 덕트(34)의 굴곡부는 음극(30) 및 모재(44)사이의 관측 라인을 막기 위해 제공되었다[도4A 또는 5A에는 도시되지 않았지만, 덕트의 출구 아암(38)의 말단이나 그 근처에 위치된다]. 출구 아암(38), 입구 아암(36) 및 플라즈마 덕트(34)의 굴곡분의 내벽은 실질적으로 내벽과 직각을 이루고 실질적으로 서로 평행인 이격된 다수의 배플(52)과 정렬된다.
도4A에서 전기적으로 절연된 내부 전극(82)은 플라즈마 덕트(34)의 내측에 위치되어 있으며, 양극에 관하여 전위적으로 바이어스되거나, 양극에 관하여 양성적으로 바이어스될 수 있다. 도5A에 있어서, 좌측 말단에 인접한 도면부호(54A) 및 우측 말단에 인접한 도면부호(54B)를 갖는 센서(54)의 쌍들은 음극(30)의 증발성 표면의 각 말단에 인접하여 위치한다.
자석(46, 48, 50)은 도6A에 도시된 바와 같은 자속선으로 도시된 자기장을 생성한다. 자속선(60)은 출구 아암(38)내 플라즈마 덕트(34)의 축에 실질적으로 평행인 방향으로 배향된다. 자속선(62)은 음극 근처에 입구 아암(36)의 영역내에 음극(30)의 증발성 표면(33)에 실질적으로 평행인 방향으로 배향된다. 자속선은 입구 아암(36)내의 영역(64)으로 수렴되어, 음극(30)의 증발성 표면(33)에 인접한 자기 거울을 형성한다.
도6A에 도시된 자속선(60)의 표현은 통상적으로 사용가능한 한정된 요소 자기 분석 프로그램에 의해 유발된다. 도시된 바와 같이, 자석(50, 46)은 600amp-turns를 가지지만, 자석(48)은 200amp-turns을 가진다. 이러한 경우에, 덕트의 출구 아암(38)의 중심에서의 장의 세기는 대략 50게이지이다. 덕트에서 굴곡부의 외경(39)에서 자속밀도(장의 세기)는 굴곡부의 내경(37)에서의 자속밀도와 거의 같은 것으로 상기 경우에서 보여질 수 있다. 자석(48)의 코일(76)에서 턴의 수, 또는 그것을 통한 현재 흐름을 조절하므로서(예를 들면, amp-turns의 조절), 굴곡부의 외경(39)에서의 자속밀도는 덕트에서의 자속밀도에 상관없이 조절될 수 있다.
센서(54A, 54B)(도5A 참조)는 아크 지점이 음극(30)의 각각의 좌측 도는 우측 말단에 도달할 때마다 아크 지점을 감지하고 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 센서(54)는 플라즈마 덕트(34)로 확장되는 전기적으로 절연된 와이어로 구성되며, 그 와이어는 말하자면 1000Ω의 저항계(도시않음)을 통하여 양극에 연결되어, 아크가 와이어에 도달할 때마다 전기 전위를 제공한다. 선택적으로, 센서(54)는 아크 제트로부터 광학적 방출을 감지하는 광감 다이오드, 또는 아크의 자기장을 감지하는 자기장 감지기로 구성된다. 코일 동력원(52)(도2A)은 자석을 통한 전류의 흐름의 방향을 연전시킬 수 있는 스위치를 가지고, 통상적인 조절 수단(도시않음)에 의해 센서(54)로 연결되어 자기장 연전을 일으킨다. 자기장 역전은 모든 자석에서 동시에 일어날 수 있고 플라즈마 덕트에 관하여 자속선의 모양 및 이들의 배향을 동시에 변화시키지 않고 자속선의 방향을 역전시킬 수 있다. 선택적으로, 단지 자석으로(46,48)의 하나 또는 둘만 역전될 수 있다.
본 발명의 시스템의 양호한 배치에서(분리되어 보이지 않음), 자석은 하나이상의 코일 동력원(52)에 의해 독립적으로 동력을 공급한다. 하나이상의 코일 동력원의 사용은 플라즈마 덕트(34)의 다른 부분에서 독립적으로 자기장의 세기를 조절하기 위해 서로 독립적으로 변화하는 자석의 전류를 허용한다. 동시에, 분리된 코일 동력원은 조절 시스템을 제공하여, 이러한 동력원은 센서(54)로부터의 신호에 따른 작용과 동시에 전류의 방향을 역전시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 하기와 같이 작동된다.
아크 방전물질(35)은 음극(30) 및 양극으로 작용하는 플라즈마 덕트(34) 사이에서 아크 방전을 점화한다. 아크 방전은 음극의 증발성 표면상의 아크 지점에서 생성되어, 음극 물질의 이온화된 증기를 포함하는 플라즈마를 생성한다.
플라즈마 덕트(34)는 아크 방전에 의해 생성된 플라즈마를 음극으로부터 코팅되거나 이식된 후 덕트의 출구 아암(38)에 또는 근처에 위치되는 모재(44)를 향하게 한다. 플라즈마 덕트(34)는 음극(30)과 유사한 크기의 직사각형 단면을 가지고, 굴곡에 의해 서로 다른 관측 라인으로부터 분리된 입구 아암(36) 및 출구 아암(38)에 의해 그 중심선을 따르는 축에서 거의 15 내지 180°의 굴곡부를 갖는다[도시된 실시예에서, 굴곡부의 내경(37)은 90°이다]. 음극(30)은 플라즈마 덕트와 대면하는 증발성 표면을 갖는 입구 아암(36)의 말단 또는 근처에 위치하고, 모재(44)는 출구 아암(38)의 말단 또는 근처에 위치한다.
자석(46, 48, 50)은 플라즈마 덕트(34)내에서 그리고 음극(30)의 증발성 표면 위로 자속선으로 도시된 자기장을 생성한다. 자속선은 출구 아암(38)내에서 덕트(34)의 축에 실질적으로 평행하게 배향된다. 자속선은 양극에 또는 근처에 입구 아암(36)의 영역내에서 음극(30)의 증발성 표면에 실질적으로 평행하게 배향된다. 자속선은 또한 플라즈마 덕트(34)의 입구 아암(36)내 영역에 수렴되어, 직사각형 음극(30)에 인접하고 평행한 자기 거울을 형성한다. 자속선은 이온화된 증기를 플라즈마 덕트내 굴곡부를 향하게 하고, 일반적으로 음극(30)의 증발성 표면의 길이를 따른 선형 운동으로 아크 지점으로 가압한다. 자석 거울은 플라즈마 덕트(34)의출구 아암(38)을 향해서 플라즈마를 반사하는 방향으로 배향된다.
센서(54)는 아크 지점을 감지하고, 아크 지점이 상기 증발성 표면의 말단에 도달할 때마다 신호를 생성한다. 감지기로부터의 신호는 코일 동력원(52)에서 전류를 역전시키는 조절 시스템을 작동시키고, 이에 따라 플라즈마 덕트(34)에 관한 자속선 모양 또는 그들의 배향을 실질적으로 변화시키지 않고 자속선의 방향을 역전시킨다. 따라서, 아크 지점은 직사각형 음극(30)의 표면을 넘는 선형 방향에서 조사될 뿐만 아니라 일반적으로 말단-말단 통로에서 전후방으로 조사하도록 가압된다.
플라즈마 덕트(34)의 내벽은 배플(52)과 정렬된다. 거대입자는 덕트내 굴곡부에 의해 필터링되고, 상기 배플은 거대분자를 잡기 위해 제공된다.
본 발명의 시스템은 길고 좁은 직사각형의 공급원 및 상기 공급원과 유사한 크기의 직사각형 단면을 갖는 상대적으로 조밀한 덕트를 포함한다. 따라서, 조밀한 덕트가 제조된다. 예를 들면, 2.5cm 넓이와 약 30cm 길이의 음극 타겟, 또는 약 12:1(길이:넓이)의 비율을 사용하여 양호한 결과를 얻을 수 있다. 본 발명의 직사각형의 음극이 무한정으로 연장될 수 있기 때문에, 더 높은 비율도 가능할 것으로 여겨진다.
따라서, 본 발명은 모재에 코팅을 형성하거나 이온 이식을 수행하기 위해 플라즈마 비임을 생성하고 이를 직사각형 영역 위로 지향시키는 방법을 제공한다.
서술한 바와 같이, 본 발명의 장점은 다음과 같다: (a)음극 공급원 재료의 직사각형 모양, (b)플라즈마 덕트의 직사각형 단면, (c)일반적으로 직사각형 공급원의 길이를 전후방으로 가로지르는 선형 방향으로 아크를 스캐닝시켜 자기장의 극성의 역전에 의한 음극상의 아크 운동의 조절, 및 (d)플라즈마 덕트내 자기장의 모양 및 조절.
특히, 본 발명의 직사각형 공급원에 대한 아크의 자기장 형태 및 제어에 의하여 원하는 길이로 제조될 수 있는 직사각형 출력 개구부를 갖는 콤팩트하고 효율적인 플라즈마 공급원의 제작이 가능해지고, 이에 따라 직사각형 침착 공급원의 장점과 함께 필터링된 음극 아크의 장점을 제공할 수 있다. 아크 제어를 위한 자기장 역전 기술에 의하여, 음극 공급원의 폭은 종래기술의 레이스트랙형 자기장을 이용하는 것보다 훨씬 작게 된다.
따라서, 플라즈마 필터링 도관이 한층 더 좁고 짧게 형성될 수 있으며, 결국 종래기술의 부피가 큰 필터 보다 진공 시스템내로 더 수월하게 일체화되는 콤팩트한 디자인이 이루어진다. 또한 협소한 음극 및 협소하고 직선적으로 스캐닝하는 아크에 의해 길이를 따라 타겟을 균일하게 침착할 수 있고, 평면 레이스트랙형 음극을 사용하는 것보다 공급원 재료를 보다 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명의 장점에 따라 공급원은 길이가 무한정 연장되며, 이에 따라 직사각형 또는 연장된 증기 공급원을 필요로 하는 용도에 필터링된 아크 침착 또는 이식의 장점을 부여한다.

Claims (57)

  1. 날의 엣지상에 경질 탄소층이 형성된 면도날의 제조방법에 있어서,
    (a)몸체(50)를 제공하는 단계와,
    (b)상기 몸체(50)상에 30°미만의 끼인각 및 1200Å 미만의 팁(52) 반경을 갖는 예리한 쐐기형 엣지를 형성하는 단계와,
    (c)상기 날의 엣지상에 무정형 다이아몬드 코팅(60)을 침착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 몸체(50)는 예리한 엣지를 형성하기 위하여 일련의 호우닝가공에 의해 기계적으로 연마되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 쐐기형 엣지상에 부착성 폴리머 코팅인 텔로머 층(72)을 도포하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 엣지상의 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)의 팁으로부터 40 ㎛ 거리까지 적어도 400Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 몸체(50)는 금속이며, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 상기 금속 몸체보다 적어도 4배 경질인 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 필터링된 음극 아크, 음극 아크, 양극 아크, 탄화수소 가스의 플라즈마 분해, 유도결합된 RF에 의한 후이온화 스퍼터링, 레이저 융식, 레이저 흡수파 침착(LAWD) 및 이온 비임 침착으로 이루어진 집단에서 선택된 기술에 의하여 침착되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 흑연 타겟(96)이 위치되어 있는 챔버(80)에서 진공 또는 아르곤 분위기하에서 침착되고; DC 또는 RF 바이어스가 몸체(50)에 인가되면서 예리한 엣지상에 무정형 다이아몬드층이 침착되도록, 상기 흑연 타겟에는 전압이 인가되고, 아크가 흑연 타겟상에 충돌되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 플라즈마 비임과 날의 경사면 사이의 각도는 32°이상인 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  9. 날의 엣지(18, 22, 46)상에 경질 탄소층이 형성되며, 몸체(50)를 제공하는 단계와, 상기 몸체(50)상에 30°미만의 끼인각 및 1200Å 미만의 팁(52) 반경을 갖는 쐐기형 엣지를 형성하는, 면도 날(16, 20, 44)의 제조방법에 있어서,
    상기 쐐기형 엣지상에 무정형 다이아몬드 코팅(60)을 침착하고, 이러한 무정형 다이아몬드 코팅의 최극단에 위치된 팁(70)의 반경을 1200Å 미만으로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 음극 아크에 의해 침착되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 쐐기형 엣지에 형성된 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 적어도 400Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 쐐기형 엣지에 부착성 중합체 코팅인 텔로머 층(72)을 도포하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 엣지상의 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 약 2000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  14. 날의 엣지(18, 22, 46)가 경질 탄소층을 포함하는 면도 날(16, 20, 44)에서, 상기 면도날은 적어도 약 0.1mm의 폭 및 20°미만의 끼인각을 갖는 제1경사면 및제2경사면(54, 56)이 구비된 면에 의해 형성되는 쐐기형 엣지를 구비한 몸체(50)를 포함하는 면도날에 있어서,
    상기 쐐기형 엣지상에 무정형 다이아몬드 코팅(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 적어도 40%가 sp3탄소결합되고, 가시광선 영역에서 투명성을 갖는 것을 특징으로 하는 면도날.
  16. 청구항 15에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 상기 제1경사면 및 제2경사면(54, 56)중 어느 한쪽 경사면으로부터 수직방향으로 측정한 제1두께(b)와, 상기 경사면이 이루는 끼인각을 양분하는 선을 따라 측정된 제2두께(a)를 가지며; 상기 a:b는 2:1인 것을 특징으로하는 면도날.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)상에 부착성 중합체 코팅인 텔로머 층(72)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 약 2000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 면도날.
  19. 쐐기형 엣지가 형성된 몸체(50)를 포함하며, 날의 엣지(18, 22, 46)가 경질 탄소층을 포함하는 면도 날(16, 20, 44)에 있어서,
    상기 쐐기형 엣지의 팁과 플랭크상에 형성된 무정형 다이아몬드 코팅을 포함하며,
    상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)의 예리한 팁(52)으로부터 40㎛ 거리까지 적어도 약 400Å의 두께를 가지며, 약 1000Å 미만의 팁 반경을 형성하는 것을 특징으로 하는 면도날.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 몸체(50)의 재료는 강철이며, 상기 쐐기형 엣지는 일련의 기계적 기계적 연마가공에 의해 형성되며, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 음극 아크 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 면도날.
  21. 청구항 20에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 적어도 40%가 sp3탄소 결합되고, 무정형 다이아몬드 코팅(60)상에 부착성 중합체 코팅인 텔로머 층(72)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 면도날.
  22. 엣지(18, 22, 46)에 경질 탄소층이 형성된 면도 날(16, 20, 44)을 포함하며, 피부접촉면들이 서로 이격되어 있는 지지 구조물인 플랫폼 부재(12)와, 상기 지지 구조물에 고정되고 쐐기형 엣지가 형성된 몸체(50)가 구비된 면도날 구조물을 포함하는 면도장치(10)에 있어서,
    상기 쐐기형 엣지상에 형성되는 무정형 다이아몬드 코팅(60)을 포함하며; 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)이 형성된 쐐기형 엣지는 상기 피부접촉면들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 면도장치.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 면도날 구조물은 쐐기형 엣지를 갖는 두개의 몸체(50)를 포함하며, 상기 쐐기형 엣지는 피부접촉면들 사이에서 상호 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 면도장치.
  24. 청구항 23에 있어서, 각각의 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 적어도 40%가 sp3탄소 결합되고, 약 2000Å의 두께를 가지며; 각각의 무정형 다이아몬드 코팅상에 부착성 중합체 코팅인 텔로머 층(72)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 면도장치.
  25. 제1경사면(54) 및 제2경사면(56)에 의해 경계지워진 엣지상에 경질 탄소층이 형성되는, 날(88)에 무정형 다이아몬드 코팅을 도포하는 방법에 있어서,
    (a)음극인 흑연 타겟(96)의 기화성 탄소 표면에 아크 방전을 인가하여 기화 탄소의 플라즈마 스트림을 생성하는 단계와,
    (b)기화 탄소가 날의 엣지상에 침착되도록 코팅될 날(88)을 플라즈마 스트림내에 지향시키는 단계와,
    (c)기화 탄소가 상기 제1경사면 및 제2경사면에 침착되도록 상기 날(88)을 플라즈마 스트림에 대하여 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 제1경사면 및 제2경사면에서의 기화 탄소의 침착은 거의 동일한 평균 침착 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅 방법.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 날(88)은 다수의 날을 적층할 수 있는 장착부(86) 내에 지지되며, 상기 날 지향 단계와 날 제공 단계는 다수의 적층된 날(88)에서 동시에 실행되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    (a)장착부(86)내에 위치된 각각의 날(88)은 날의 제1경사면과 제2경사면 사이의 교차지점에 팁(52)을 포함하며, 상기 날은 팁이 평면(112)을 형성하도록 적층되며,
    (b)상기 플라즈마 스트림은 세트를 이루는 거의 평행한 선들로 분리될 수 있는 방향성 스트림이며,
    (c)상기 날 지향단계는 상기 평면에 대해 수직인 선과 거의 평행한 복수개의 선들로 이루어진 세트들중 하나의 세트에 의해 형성된 각도가 20°내지 90°범위에 속하도록 날을 배치하고, 날의 제1경사면 및 제2경사면중 하나를 상기 각도에서 플라즈마 스트림에 노출시키는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  28. 청구항 27에 있어서, 날 제공 단계는 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각을 상기 각도에서 플라즈마 스트림에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56)을 플라즈마 스트림에 노출시키는 단계는 날이 적층되어 있는 적층부와 플라즈마 스트림을 서로에 대해 이동시키는 단계와, 상기 제1경사면 및 제2경사면(54, 56) 각각을 플라즈마 스트림에 순차적으로 노출시키는 단계를 포함하며; 이러한 순차적인 노출에 의해, 상기 각각의 제1경사면 및 제2경사면상에는 침착층이 소량씩 증가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 소량씩 증가되어 형성되는 침착층은 3Å 내지 500Å 범위이고; 소량씩 침착되어 증가하는 적어도 2개의 침착층이 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각에 침착될 때까지, 상기 이동단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  31. 청구항 28에 있어서, 상기 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각의 노출 단계는 필터링된 음극 아크공급원(92)과 함께 기화 탄소의 제2플라즈마 스트림을 생성하는 음극 아크공급원(94)을 사용하여, 침착층이 각각의 경사면상에 동시에형성될 수 있도록, 제1경사면 및 제2경사면 각각을 상기 각도에서 플라즈마 스트림들에 동시에 노출시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  32. 청구항 28에 있어서, 기화 탄소를 날에 침착시킬 동안, 날(88)에 제1전압 바이어스를 인가하고 이어서 제2전압 바이어스를 인가하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  33. 청구항 32에 있어서, 제1전압 바이어스는 200V 내지 2000V 범위이고, 제2전압 바이어스는 10V 내지 200V 범위인 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  34. 청구항 33에 있어서, 제1전압 바이어스는 2분 이하동안 인가되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  35. 청구항 25에 있어서, 날(88)은 다수의 날을 포함할 수 있는 장착부(86)내에 지지되고; 상기 날 지향단계 및 날 제공단계는 날이 장착부내에 있을 동안 실행되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    (a)장착부(36)내의 각각의 날(88)은 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56)의 교차지점에 팁을 가지며, 상기 팁과 제1경사면 및 제2경사면에 의해 형성된 제1각도로 둘러 싸이며,
    (b)플라즈마 스트림은 세트를 이루는 거의 평행한 선들로 분리가능한 방향성 스트림이며,
    (c)날 지향단계는 제2각도(상기 제1각도를 양분하는 선과, 거의 평행한 복수개의 선들로 이루어진 세트들중 하나의 세트에 의해 형성되는)가 20°내지 90°범위에 속하도록 날을 지향시키고, 날의 엣지의 제1경사면 및 제2경사면(54, 56)중 하나를 상기 제2각도로 플라즈마 스트림에 노출시키는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  37. 청구항 36에 있어서, 날 제공단계는 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각을 상기 제2각도에서 플라즈마 스트림에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  38. 청구항 37에 있어서, 청구항 28에 있어서, 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각을 플라즈마 스트림에 노출시키는 단계는 세트로 이루어진 날과 플라즈마 스트림을 서로에 대해 이동시키는 단계와, 상기 제1경사면 및 제2경사면(54, 56) 각각을 플라즈마 스트림에 순차적으로 노출시키는 단계를 포함하며; 이러한 순차적인 노출에 의해 상기 각각의 상기 각각의 경사면상에 침착층이소량씩 증가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  39. 청구항 38에 있어서, 상기 소량씩 증가되어 형성되는 침착층은 3Å 내지 500Å 범위이고, 소량씩 침착되어 증가하는 적어도 2개의 침착층이 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각에 침착될 때까지, 상기 이동단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  40. 청구항 37에 있어서, 상기 날의 제1경사면(54) 및 제2경사면(56) 각각의 노출 단계는 필터링된 음극 아크공급원(92)과 함께 기화 탄소의 제2플라즈마 스트림을 생성하는 음극 아크공급원(94)을 사용하여, 침착층이 각각의 경사면상에 동시에 형성될 수 있도록, 제1경사면 및 제2경사면 각각을 상기 각도에서 플라즈마 스트림들에 동시에 노출시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  41. 청구항 37에 있어서, 기화 탄소를 날에 침착시킬 동안, 날에 제1전압 바이어스를 인가하고 이어서 제2전압 바이어스를 인가하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  42. 청구항 41에 있어서, 제1전압 바이어스는 200V 내지 2000V 범위이고, 제2전압 바이어스는 10V 내지 200V 범위인 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  43. 청구항 42에 있어서, 제1전압 바이어스는 2분 이하동안 인가되는 것을 특징으로 하는 무정형 다이아몬드 코팅방법.
  44. 경질 탄소 코팅이 형성된 엣지를 가지며, 상기 엣지는 제1경사면(54)과 제2경사면(56)에 의해 경계지워지고, 상기 엣지는 제1경사면 및 제2경사면의 교차지점에 팁(52)을 보유하며, 팁과 제1경사면 및 제2경사면에 의해 형성된 각도로 둘러싸이는 날(16, 20, 44, 88)에 있어서,
    상기 엣지는 제1경사면 및 제2경사면상에 무정형 다이아몬드 코팅(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 날.
  45. 청구항 44에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 약 40 기가파스칼 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 날.
  46. 청구항 45에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 약 45 기가파스칼 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 날.
  47. 청구항 44에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 적어도 40%가 sp3탄소결합 되는 것을 특징으로 하는 날.
  48. 청구항 44에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 약 400 기가파스칼의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 날.
  49. 청구항 44에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅은 제1경사면(54) 및 제2경사면(56)중 하나에 수직한 제1두께(b)와, 상기 경사면이 이루는 끼인각을 양분하는 선을 따라 측정된 제2두께(a)를 가지며, 상기 a:b 는 2:1 인 것을 특징으로 하는 날.
  50. 청구항 44 내지 청구항 49 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅(60)은 약 400Å 내지 2000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 날.
  51. 청구항 50에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)상에 침착되는 것을 특징으로 하는 날.
  52. 청구항 51에 있어서, 상기 몸체(50)는 강철로 이루어진 것을 특징으로 하는 날.
  53. 청구항 50에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)상에 텔로머 층(72)이제공되는 것을 특징으로 하는 날.
  54. 청구항 14에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)상에 직접 침착되는 것을 특징으로 하는 면도날.
  55. 청구항 1에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)에 직접 침착되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
  56. 청구항 22에 있어서, 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 몸체(50)에 직접 침착되는 것을 특징으로 하는 면도장치.
  57. 청구항 1에 있어서, 상기 무정형 다이아몬드 코팅(60)은 높은 에너지를 공급할 수 있는 에너지 공급원에 의해 침착되는 것을 특징으로 하는 면도날의 제조방법.
KR1019960705980A 1994-04-25 1995-04-21 날에무정형다이아몬드코팅을도포하는방법과,이에의해제조된날,무정형다이아몬드코팅을갖는면도날및그제조방법과,그것을포함하는면도장치 KR100417972B1 (ko)

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