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Beyond Surfaces #9 - Opportunity

아주 작은 결함 조차도 허용되지 않는: Marc Herve는 스피드가 중요한 스페셜 분야를 개발합니다…; Materials for Giants: Computational material development in mining; Spot on: 재료 플라즈마; Turbo-charged innovation with suspension plasma spray; Spot on 애플리케이션; Hidden champions of mobility.

Beyond Surfaces #9 - Opportunity

The year 2020 has brought a great deal of change. In this edition of BEYOND SURFACES we include a “special”, giving you a unique insight into how our employees around the world have taken on the challenge of the initial months of the Covid-19 pandemic with commitment and creativity. We are also taking the magazine title quite literally and are looking “beyond surfaces” into the second pillar of the Oerlikon Group, our synthetic-fiber business.

With this edition, we are celebrating a small but important anniversary: The first issue of BEYOND SURFACES was published five years ago. Two years earlier, Metco had joined the Oerlikon Group, and this magazine was created to introduce our customers to the solutions offered by the two brands, Oerlikon Balzers and Oerlikon Metco.

Since then, the Oerlikon Group has undergone significant changes. Today, it is a “Powerhouse of Materials and Surface Solutions.” Our newest business unit, Additive Manufacturing, which focuses on the industrialization of additive manufacturing methods, represents an important augmentation of the Oerlikon Balzers and Oerlikon Metco portfolio.

매거진 미리보기

플라즈마 : 표면 솔루션의 혁신을 가능하게 하는 것

지금까지 Spot on materials 시리즈에서 주로 다루어진 것들은 니켈이나 티타늄과 같이 ‘고체의, 실제로 만질 수 있는’ 소재들이 대부분이었습니다. 이번 호에서는 현대 표면 솔루션에서 빼놓을 수 없는 것(고대 그리스어: 플라즈마)에 대해 살펴보겠습니다.

플라즈마의 생성

플라즈마의 생성

플라즈마는 고체, 액체, 기체 다음의 ‘제 4의 물질 상태’를 말합니다. 기체에 열 형태의 추가적인 에너지가 전달되면 플라즈마 상태가 됩니다. 고온으로 인해 전자가 원자 구조에서 분리되고 양이온과 음이온(전자)의 혼합물이 만들어지며, 플라즈마가 강할수록 더 많이 ‘이온화’되었음을 의미합니다. 플라즈마의 이온화 정도는 1~100% 입니다.

플라즈마의 사례

일상 생활에서 플라즈마는 잘 관찰되지 않지만, 우주에서는 매우 흔합니다. 대부분의 별들처럼 중심 온도가 수백만 °C에 이르는 태양도 플라즈마로 구성되어 있습니다. 또한 대부분의 가스 성운과 성간 공간도 플라즈마로 이루어져 있습니다. 번개나 북극의 오로라처럼 지구에서도 자연적으로 플라즈마가 만들어지기도 합니다. 최대 30,000 °C의 온도에서 번개는 원자들을 분열시킬 정도로 지구 대기를 국부적으로 가열할 수 있으며, 그 결과 생성되는 플라즈마가 반짝이는 섬광으로 보입니다.

다른 물질 상태들과 마찬가지로, 인류는 플라즈마와 그 힘을 여러가지 기술적 용도로 활용해왔으며 이를 위해서는 플라즈마가 인공적으로 생성되어야 합니다. 이에 필요한 에너지는 일반적으로 전하를 띤 가스나 강한 레이저 광선을 통해 공급됩니다.

플라즈마의 활용

플라즈마는 독특한 성질을 가지고 있습니다. 한편, 공통점도 가지고 있는데 그것은 바로 전기 전도성이 있고 전자기적인 영향을 받을 수 있다는 것입니다. 플라즈마가 가진 다양한 특성은 에너지 절약형 형광램프, 플라즈마 디스플레이, 의료기기 소독용, 원자로 핵융합 등, 여러가지 프로세스와 개발에서 활용될 수 있습니다.

올리콘 발저스와 올리콘 메트코는 표면 코팅을 위해 플라즈마를 사용합니다. “과학적인 관점에서 볼 때, 우리는 같은 것, 즉 플라즈마 연구에 관심을 두고 있습니다. 하지만 적용 되는 분야를 생각하면 우리는 플라즈마 스펙트럼의 양쪽 끝에서 일하고 있다고 볼 수 있습니다”.라는 부분에 재료 과학자 Alessandro Zedda(올리콘 발저스)와 Alexander Barth(올리콘 메트코)는 동의합니다.

대기압 플라즈마 스프레잉: 고압 및 고밀도 플라즈마

대부분의 용사 공정은 정상 대기압에서 처리됩니다. 일반적으로 분말 형태인 코팅 재료의 크기는 10~100 µm이고 Ø 6~10 mm의 좁은 플라즈마 제트에서 녹여져 코팅 될 표면에 분사됩니다. 플라즈마의 온도는 태양 표면의 온도와 같은 20,000 °C까지 올라갈 수 있어서 어떤 물질이라도 녹일 수 있습니다. 플라즈마와 재료 물성 간의 균형을 정밀하게 맞춤으로써 입자를 이상적인 온도와 속도로 증착시켜 최적의 코팅 결과를 얻을 수 있습니다.

플라즈마는 가스가 지속적으로 흐르는 좁은 노즐(양극)과 노즐 내에 위치한 전극(음극)으로 구성됩니다. 양전하의 노즐과 음전하의 전극이 전기적으로 쌍을 형성하고 흐르는 가스를 이온화하여 플라즈마로 변환합니다. 그 후 코팅 원료가 플라즈마에 주입되고 융융되어 코팅 될 표면에 증착됩니다.

올리콘 메트코의 Alexander Barth는 다음과 같이 설명합니다. “플라즈마는 모든 전기적 파워가 열로 변환되기 때문에 높은 수준의 열을 발생시키는 데 매우 효율적입니다. 우리는 플라즈마 코팅 연구를 위해 대학 및 파트너들과 협업하고 있으며 그 연구 결과는 올리콘 메트코의 신제품에 지속적으로 통합됩니다”

대기압 플라즈마 스프레잉: 고압 및 고밀도 플라즈마

PVD 코팅: 저압 및 저밀도 플라즈마

고품질의 초박막 PVD코팅을 위해 플라즈마는 금속 타겟에서 원자를 증발시켜 생성됩니다. 그리고 이온들은 원자로부터 전자가 분리됨으로써 형성됩니다. 이러한 이온은 전기 전압이 가해짐에 따라 코팅이 될 공구나 부품에 증착됩니다. 이온이 높은 에너지로 공구나 부품을 타격하고 표면에서 확산되어 서로 결합하여 고밀도의 박막 코팅을 형성합니다. 이온이 증착 과정에서 공기 분자와 충돌하는 것을 방지하기 위해 모든 작업은 높은 진공 상태에서 이루어집니다.

플라즈마를 생성하기 위해서는 최대 수백 볼트에 이르는 고전압 형태로 된 대량의 에너지가 필요합니다. 코팅 품질은 타겟 물질의 선택과 플라즈마의 에너지 및 인가된 전압에 따라 크게 달라집니다. “플라즈마 소스의 설계는 코팅 품질의 결과에 있어 매우 중요합니다. 그런 이유로 올리콘 발저스는 플라즈마 소스 및 코팅 결과의 개선을 위해 끊임없이 연구합니다.” 라고 Alessandro Zedda는 설명합니다.

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Petra Ammann

Petra Ammann

Head of Communications Oerlikon Balzers
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