KR100324966B1

KR100324966B1 - 알루미늄제품의 전해착색법

Info

Publication number: KR100324966B1
Application number: KR1019990013072A
Authority: KR
Inventors: 서정윤
Original assignee: 서정윤
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2002-02-25
Also published as: KR20000066169A

Abstract

본 발명은 종전의 방법에 의하여 단일계통의 색상밖에 착색되지 않았던 알루미늄 제품을 다양한 계통의 색상이 착색되게 함과 동시에, 빛의 굴절각도에 따라 프리즘의 현상과 같이 다양한 색조를 띄게 하는 전해착색방법에 관한 것이다. 그 방법으로는 종전과 같이 먼저 알루미늄 또는 그 합금을 황산수용액중에 침지하여 직류전기를 통하여 그 알루미늄의 표면에 베리어층과 포러스층으로 이루어지는 양극산화피막을 형성시킨 직후에 2차적으로 이 피막에 맥동전류를 소정의 시간동안 인가하여 피막구조를 변형시키는 가변처리를 하고 나서, Sn등의 용해성 금속염을 투입하여 착색을 행하는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄제품의 전해착색법{An Electrolytic Co1oring Method of An Aluminium Products}

본발명은 알루미늄 압출 및 압연판의 표면에 다양한 색상을 착색하기 위한 표면처리에 관한 것으로서, 특히 1차전해처리에 의해 형성된 양극산화피막에 직류와 교류를 동시에 중첩하여 시간변화에 따라 인가하면서 가변처리를 한 후에 2차전해처리하여 착색하는 방법에 관한 것이다.

종래의 알루미늄 또는 그 합금의 양극산화피막에 착색하는 방법으로는 1차적으로 알루미늄을 황산이나 수산액중에 침지하여 직류전기를 통하여 그 알루미늄의 표면에 베리어층과 포러스층으로 이루어지는 양극산화피막을 형성시킨 후에 2차적으로 이 포러스층에 색을 발생시키기 위해 용해성 금속염을 투입하여 직류 또는 교류전기를 통하여 시간의 변화에 따라 색조를 조정함으로써 착색하는 방법이 있었다.

그러나, 이러한 방법에 의해 형성된 산화피막의 색조는 그 시간의 경과에 따라 엷은 색조에서 짙은 색조로, 예를들면 엷은 브론즈색→브론즈색→흑색으로 변화하는 단일계통의 색상만이 얻어졌다.

따라서, 또다른 색상을 추가적으로 얻기 위하여는 착색처리를 위한 다른 욕조와 그에 따른 수세설비가 추가 될 뿐만 아니라 착색을 위한 칼라정류기도 추가됨으로 인하여 막대한 시설과 비용이 수반되었고, 이러한 추가시설은 그 설치공간상의 문제로 대량생산을 하는 데 있어서 현실적으로 어려움에 부딪혀왔다.

현재까지는 알루미늄제품에 다양한 색상을 연출하기 위한 방법으로는 페인트의 전착도장이나 염료처리에 의한 방법이 있으나, 이 또한 소량생산에만 가능하고 각각의 욕조가 필요하기 때문에 작업면이나 경제면에서도 생산성에 저해될 뿐만 아니라 폐수를 유발시켜 환경보호정책에 상극되는 요인이 발생하였다.

또한, 알루미늄제품에 착색을 위한 금속염으로서 니켈염이 주종을 이루고 있으나, 이 니켈을 주재로 사용하는 약품은 환경상의 문제로 유럽을 기점으로 하여 전세계적으로 금지되고 있는 추세에 있다.

따라서, 본발명은 상기한 모든 점을 감안하여 기존의 전해착색설비에 직류와 교류를 중첩하여 인가하기 위한 가변전원장치만을 추가하여 전해액으로서 황산을사용하는 전해조에서 알루미늄부재를 직류전류를 통하여 1차전해처리 한 후에 형성된 양극산화피막에 동일한 전해조에서 직류와 교류전압을 중첩한 맥동전압을 인가하면서 가변처리를 하고 나서, 용해성 금속염을 투입하여 2차 전해처리를 함으로써 다양한 칼라의 제품을 얻게할 뿐만 아니라 빛의 굴절각도에 따라 프리즘의 현상과같이 다양한 색상을 띄게 할 수 있도록 하는 데 있다.

도1은 본 발명의 실시를 위한 장치구성의 개략도.

도2(a)는 종래의 양극전해처리에 의하여 얻어진 양극산화피막의 구조도이고 도2(b)-도2(c)는 도2(a)에 도시된 구조에서 본 발명의 가변처리에 의하여 점차적으로 변형된 양극산화피막의 구조도.

도3은 가변처리에서의 전류파형의 예를 도시한 파형도.

본발명을 구체적으로 설명하기 전에 종래기술에 의한 착색방법과 비교하여 그 처리과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

종래기술에 의한 착색방법은 양극전해처리→수세처리→착색처리에 의하여 행해지는 것에 반하여, 본발명에 의한 착색방법은 양극전해처리→가변처리→수세처리→착색처리에 의해 행해진다.

이와같이, 양극전해처리, 수세처리 및 착색처리의 각 공정은 본 발명의 방법과 종래방법이 실질적으로 큰 차이가 없지만, 다만 양극산화피막을 형성시키는 1차적인 양극전해처리 이후에 2차적으로 양극산화피막의 구조를 변화시기는 가변처리를 하는 데 있어서 상이점이 있다.

본발명에서의 양극전해처리시의 조건은 전해액으로서 15∼20%의 황산수용액을 사용하고, DC전류밀도 1∼1.5A/d㎡ 이고 pH는 대략 1.5이다.

이때, 전해액중의 용존알루미늄의 농도는 5∼20g/ℓ로, 바람직하게는 15g/ℓ로 조정한다. 이는 용존알루미늄의 농도가 이 범위를 벗어나서 증가하게 되면 전해액의 전기전도도가 저하되고 형성된 피막두께가 불균일하게 되어 이후의 착색처리시에 착색에 영향을 끼칠 수가 있기 때문이다.

또한 전해액의 온도가 너무 높으면 용존알루미늄의 양이 증대되어 상기와 같은 현상이 일어날 수가 있고, 역으로 너무 낮으면 피막이 오히려 치밀하게 되어 착색처리시에 칼라의 안정성에 문제가 있을 수 있으므로, 상온의 범위인 21±1℃의 범위가 적당하다.

본발명의 특징은 이러한 전해조건에 의하여 양극전해처리되어 형성된 양극산화피막의 베리어층과 포러스층에 DC와 AC전압을 동시에 중첩하여 ±5∼10V범위내로 2∼5분간 반복적으로 인가하여 피막구조를 변화시키는 가변처리를 한 후에, 최종적으로, 착색조건으로서 SnSO₄5∼15g/ℓ, H₂SO₄5∼15g/ℓ, 처리온도 21±1℃로 하고 DC전압 15∼20V, AC전압 10∼15V를 각각 1분주기로 번갈아 인가하여 가변처리된 산화피막에 착색처리를 행하는 것이다. 이때, 상기와 같은 전해액의 전기전도성, 안정화, pH의 적절한 유지등을 위한 안정제로서 포도당, 비타민 D, 주석산, 구연산등의 무기산 또는 유기산을 일종 또는 2종이상을 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 금속염으로서는 Sn에만 국한되지 않고 Co등도 사용할 수가 있으나, 본 발명에서는 Sn을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 도면에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명을 실시하기 위한 처리장치의 배치를 간략하게 도시한 개략도이다.

양극전해처리에 의하여 형성된 양극산화피막의 구조를 변형시키기 위한 수단인 가변정류기(3)의 출력단은 양극전해처리시에 전압을 인가하기위한 통상의 전해정류기(2)의 입력단에 설치되어 있다. 상기 가변정류기(3)는 60Hz 3상교류를 트랜지스터, 사리리스터, 및 DC와 AC를 중첩하는 믹싱회로를 포함하는 정류장치에 의하여 맥동전류로 출력하는 장치이다. 1은 1차 양극전해를 위한 전해조, 4는 착색처리를 위한 칼라전해조이고, 5는 칼라정류기이다.

통상의 방법으로 형성된 양극산화피막에 이러한 가변정류기(3)에 의하여 DC/AC전압을 중첩한 맥동전압을 대략 ±5∼1OV정도 2∼5분간 인가함으로써 그 피막구조가 변형된다. 도2(a)-도2(c)는 양극전해처리에 의하여 얻어진 양극산화피막의 구조도로서, 특히 도2(b)-도2(c)는 종래예인 도2(a)의 구조에서 가변처리에 의하여 피막구조가 변형되는 과정을 도시한 것이다.

여기서, 11은 알루미늄부재, 12는 베리어층(13)과 포러스층(14)로 구성되는 산화피막이다.

먼저, 종래의 양극전해처리시에 인가된 전압(DC 10∼15V)보다 낮은 전압(DC/AC ±5∼1OV)을 2∼5분동안 도2(a)에 도시된 양극산화피막에 인가하면 도2(b)에서 도2(C)로 점차적으로 베리어층(13)의 두께가 얇아지고, 포러스층(14)에 흠집이 생겨 나뭇가지형상으로 구조변형된다. 전류인가처리시간이 길어질수록 포러스층(14)의 흠집은 더 많이 생길 수가 있다. 이와같이 가변처리를 행하는 것은 일반적으로 양극전해처리후에 형성된 양극산화피막의 베리어층이 알루미늄의 표면에서 전기이동을 위한 반도체성질을 갖고 있으므로, 이 베리어층의 두께가 두껍게 되면 그 만큼 전기통로로서의 기능이 미약하여 전기이동을 원활하게 할 수 있도록 구조를 변형시키기 위해서 이다.

따라서, 이를 위하여 본 발명과 같은 맥동전류를 베리어층(13)에 일정시간동안 인가하되, 도 3에 도시된 전류파형과 같이방향의 전류분량 :방향의 전류 분량의 비율을 대략 3:1정도로 하는 것이 바람직하다. 피막구조는 초단위의 단시간동안에는방향의 전류분량에서만 가변되고,방향의 전류분량에서는 가변되지 않으나, 장시간동안 전류가 인가되면방향의 전류분량에서 가변되기도 한다. 즉,방향의 전류가 흐르는 경우에는 이미 성장된 Al₂O₃막이 전해액중의 H₂SO₄에 의하여 침식되는 데, 이 침식과정은 어느정도의 장시간이 경과되었을 때 발생되고,방향의 전류가 흐르는 경우에는 Al이 H₂SO₄에 의하여 침식이 용이하게 된다. 따라서, 만일방향의 전류와방향의 전류를 교대로 흐르게 하는 경우, 즉 그 전류분량의 비율을 1:1로 하는 경우에는 침식반응이 과도하게 발생되어 안정성이 없기 때문에방향의 전류의 분량을 높혀 침식반응이 급속히 변하는 것을 방지하게하는 것이 유효하다. 그러나,방향의 전류분량을방향의 전류분량보다 과도하게 인가하면 피막구조가 가변되는 시간이 지연되는 문제가 있기 때문에, 이러한 점을 고려한 실험치로서 적정한 값은방향의 전류분량 대방향의 전류분량을 3:1로 하는 것이 바람직함을 발견하였다. 결국, 이러한 비율에 의하여,방향의 전류가 인가되면 산화피막의 구조는 도2(b)에서 도2(c)와 같이 침식작용에 의하여 포러스층(14)에는 미세한 흠집이 생기고, 베리어층(13)의 두께는 전류가 통과되기 쉽게 얇아지는 형태로 변형된다.

한편, 피막의 두께는 7∼30㎛로 하는 것이 바람직하다. 통상, 이러한 두께를 갖는 연질피막은 포러스층(14)에 금속염(15)을 투입할 시에 금속자체의 색상을 발하지 않고 약간의 기본적인 색상만을 발하므로 금속염(15)의 투입에 의하여 색상 발현의 효과가 크다. 만일 이 보다 두꺼운 피막(예를들면 40∼200㎛의 두께)을 갖는 경질피막에서는 금속자체의 석출로 인하여 매우 강한 발색을 나타내므로 원하는 색상의 착색효과를 얻을 수가 없다. 더우기, 그 포러스층(13)의 기공의 크기는 금속염의 투입을 용이하게 하기 위하여 돌출된 포러스층(13)의 간격과 함침된 포러스층(13)의 간격은 각각 300Å 과 100Å으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 경질피막인 경우에는 이 기공의 크기가 매우 작으므로 금속염의 투입이 어렵다.

이러한 가변처리 후에, 주석(Sn)을 주재로 하는 소위 TIN공법에 의하여 최종의 전해처리에 의하여 착색을 행한다. 전해조건으로서는 SnSO₄5∼15g/ℓ, H₂SO₄5∼15g/ℓ의 전해액에 안정제로서 포도당 5∼15g/ℓ를 함유한 산성수용액에 피착색물로서 양극산화피막이 형성된 알루미늄합금을 온도 2l±1℃상태에서 침지하고, 전류밀도는 O.7A/d㎡으로 한다. 상기 안정제로서는 주석산, 구연산, 비타민 D의 1종이상을 더 함유할 수도 있다. 여기서, 금속염의 농도가 너무 적거나 황산의 농도가 너무 높으면, 착색시에 진한 색상을 얻을 수 없기 때문에 주의를 요할 필요가 있다.

상기와 같은 조건하에, 칼라정류기(4)에 의해 DC 와 AC전압을 1분간 주기로 각각 15∼20V와 10∼l5V을 2∼15분간 인가하면, 그 인가전압과 처리시간에 따라 Sn의 금속염에 의하여 보라색, 청색, 녹색, 황색, 회색등의 다양한 색상이 착색된다.

본 발명의 전해착색에 의한 실시예를 들면 다음과 같다.

(실시예1 내지 5)

샘플로서 1050, 6063, 3003, 6061, 5052 알루미늄합금을 준비하여 이하의 공정순으로 각각 실험을 행하였다.

먼저, 다음의 조건하에서 DC전류를 사용하여 1차 공정인 양극전해처리를 행하였다.

전해액 : 15∼2O% H₂SO₄의 수용액

전해액의 온도 : 21±1℃

DC전압 : 15∼20V

전류밀도 : 1∼1.5A/d㎡

전해처리시간 : 15∼40분

다음에, 1차 양극전해공정에 의해 형성된 양극산화피막에 DC/AC전압(맥동전압)을 ±5∼1OV를 인가하고, 전류밀도를 0.5A/d㎡으로 한 것이외는 상기와 같은 전해액의 조건에서 2차 공정인 가변처리를 하였다.

그 후, 3차 공정으로서 가변처리된 피막의 알루미늄합금을 황산제일주석 (SnSO₄) 15g/ℓ, 황산 (H₂SO₄) 15g/ℓ로 된 전해액에 침지하고, 이 전해액에 안정제로서 포도당 15g/ℓ를 첨가하고, 전해온도를 21±1℃로 조정하여 DC 와 AC전류를 1분 주기로 소정의 시간동안 번갈아 인가하여 착색처리를 하였다. 이 때, 알루미늄합금에 대향되는 전극으로서 납을 사용하였고, 그 전극간의 간격을 300∼500cm정도를 두고 대향하도록 배치하였다.

이렇게 실시하였던 바, 인가전압의 범위와 처리시간에 따라 다양한 색상이 얻었졌다.

그 결과를 표1에 표시하였다.

(표1)

상기 표1에는 5가지 색상만을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 전해조건의 변경에 따라 예를들면 얻어진 청색의 한가지 색만으로도 진청, 중청, 연청색과 같이 농담에 따라 여러색조를 얻을 수가 있다

이와같이, 본 발명에 의해 착색처리된 제품은 빛반사각도에 따라 시각적으로 다양한 색상으로도 보일 수가 있다. 즉, 종전과 같이 양극전해처리만 한 후에 형성된 피막에 착색을 위한 금속염을 투입하였을 때에는 도2(a)에 도시한 바와 같이 포러스층의 균일한 형상에 의하여 빛이 단일방향으로만 반사되어 단색상만이 시각적으로 보일 수밖에 없으나, 본 발명은 도2(c)에 도시한 바와 같이 양극전해처리후에 가변처리를 함으로써 미세한 흠집이 다수개 형성된 포러스층의 변형구조에 의하여 빛반사각에 따라 프리즘의 현상과 같이 다양한 색상으로 눈에 비치게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 알루미늄제품에 다양한 계통의 색상을 착색시킬 수 있는 것 뿐만 아니라 빛의 반사각도에 따라 색상이 다르게 보이기 때문에 종래의 단일계통의 색상을 갖는 제품에 비하여 미려하고 화려한 색상을 연출할 수가 있어 도시의 환경미관에도 일조할 수 있으며, 구매고객들에게는 다양한 칼라의 선택의 폭을 증대시킬 수가 있다. 더우기, 기존의 착색장치에 가변처리용의 정류기만을 추가 설치하여 정류파형을 조정함으로써 생산성을 향상시킬 수가 있다.

또한, 착색처리시에 전해액에 식품첨가물로서 사용되는 포도당, 주석산, 구연산등을 첨가하여 실시하기 때문에, 알루미늄샷시, 구조물 내외부의 건축자재이외에, 주방용품의 알루미늄기물류까지 광범위한 분야에 적용될 수가 있다.

Claims

알루미늄 또는 그 합금을 통상적인 양극전해처리에 의하여 형성시킨 양극산화피막의 베리어층과 포러스층에 DC와 AC전압을 중첩한 맥동전압을 ±5∼10V로 2∼5분간 인가하여 피막구조를 변화시키는 가변처리를 한 후에, Sn 또는 Co의 황산염 5∼15g/ℓ과 H₂SO₄5∼15g/ℓ의 수용액에 포도당, 비타민 D, 주석산, 구연산으로부터 1종이상 선택되는 안정제 5∼15g/ℓ가 함유된 전해액에 침지하여, 온도 21±1℃에서 DC전압 15∼20V, AC전압 10∼15V를 각각 1분주기로 번갈아 2∼15분간 인가하여 상기 산화피막의 색조를 다양하게 조정할 수 있을 특징으로 하는 알루미늄 제품의 전해착색법.
제1항에 있어서, 인가되는 맥동전류는방향의 전류분량 :방향의 전류분량의 비율을 3:1로 한 것을 특징으로 하는 알루미늄제품의 전해착색법.
제1항에 있어서, 양극전해처리시에 Al의 용존농도가 5∼20g/ℓ인 것을 특징으로 하는 알루미늄제품의 전해착색법.