KR100412360B1

KR100412360B1 - 플라스틱 표면 개질 방법

Info

Publication number: KR100412360B1
Application number: KR10-2001-0078776A
Authority: KR
Inventors: 오정묵
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-12-31
Also published as: KR20030048763A

Abstract

본 발명은 일반적인 플라스틱을 사용함에 있어 플라스틱을 형성하는 폴리머가 갖는 물리적 특성으로 인하여 제품의 사용에 제한을 받으며 개질된 플라스틱이라 하더라도 표면 강도가 증가되지 않아 제품 사용에 한계를 가지는 문제점이 있기 때문에,

용융 상태의 플라스틱을 원하는 형상으로 성형한 후 플라스틱의 표면에 미세 중공체를 코팅시키되, 상기 미세 중공체는 단일층으로 코팅되고, 그 지름은 적어도 표면 거칠기의 2배 이상이며, 1/3D 이상이 플라스틱에 심어지고, 중공체간 거리는 5-15D 정도가 되도록 함으로써,

플라스틱의 표면강도를 증가시켜 스크래치가 발생되지 않도록 하고 높은 열안정성을 가짐과 동시에 플라스틱의 전기적, 광학적 특성을 변화시켜 다양한 분야에 적용할 수 있도록 하는 플라스틱 표면 개질 방법에 관한 것이다.

Description

플라스틱 표면 개질 방법{ Plastic surface reforming method }

본 발명은 폴리머 재질로 형성된 플라스틱의 물리적 특성을 개선하기 위한플라스틱 표면 개질 방법에 관한 것으로서, 특히 플라스틱의 표면에 미세한 직경의 구형체를 도포하여 플라스틱 표면의 내마모성을 향상시키고 여러 가지 물리적, 광학적 특성을 부여할 수 있도록 하는 플라스틱 표면 개질 방법에 관한 것이다.

생산 현장에서 많이 사용되는 플라스틱은 금속과 같은 재질에 비해 폴리머 재질의 낮은 물리적 특성으로 인하여 많은 제약을 받고 있다. 폴리머 재질이 갖고 있는 일반적인 물리적 특성은 '낮은 표면 강도', '연마재에 의한 표면 스크래치 발생', '낮은 연화 온도 및 화염 위험성' 등이며, 그 외에도 많은 사용상의 제약이 있다.

건설 자재용 또는 전자장치에 사용되는 폴리머의 경우는 내마모성을 요구하므로 플라스틱을 작업 현장에서 용이하게 사용하기 위해서는 표면을 개질할 필요가 있으나, 폴리머 재질의 낮은 열안정성으로 인해 일반적인 표면 개질 기술을 적용하기 곤란한 것이 현실이다. 따라서, 폴리머 표면에 적용하기가 용이한 표면 개질 기술의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명에서 사용되는 기술과 유사한 종래의 기술들을 살펴보면 다음과 같다.

아베 히데도시(Abe Hidetoshi)는 "접착제 코팅 필름"(US.6015606호)의 특허를 취득한 바 있는데, 필름의 표면에 10-100㎛ 크기의 미세한 구형 탄성체를 접착제로 고정한 기술로서 표면 장식용으로 주로 사용되고 있다.

상기한 기술은 접착제 필름의 장식 특성을 한정된 범위 내에서 향상시킬 수 있지만, 구형 탄성체가 표면의 강도를 증가시키지 못하고 표면에 구형 탄성체를 고정시키기 위하여 접착제와 같은 첨가물질을 요구하고 있으며 코팅 전에 표면처리가 필요한 단점이 있다.

또, 율리치 켐프(Ulrich Kempf)는 "미세구형체(microsphere)를 장착한 종이회로기판(circuit board paper)"(US.6042936호)의 특허를 취득하였는데, 이 특허는 종이기판 위에 미세한 유리중공체(hallow glass microsphere)를 장착하여 회로판을 만드는 방법을 기술하고 있다. 이 종이기판은 5-50% 정도로 10 내지 50㎛의 플라스틱 섬유와, 유리중공체의 충전재가 첨가된 종이펄프로 구성되어 있다.

상기한 종이기판에서 미세중공체의 장착은 기판의 절연특성을 증가시키는 효과가 있으나, 미세중공체가 기판의 표면강도를 증가시키지는 않고 그 양이 기판 무게의 5-50%에 달하므로 전체 비용이 증가되며 플라스틱 섬유와 같은 첨가물질을 요구하는 단점이 있다.

또, 하워드 플러머(Howard Plummer)는 미국특허 US.5126192호에서 "무기 미세구형체와 강화 폴리머 복합수지로 이루어진 PCB 기판"을 출원하였으며, 이 특허는 미세구형체를 이용하여 화염지연제(flame retardant)의 역할을 수행하도록 하고 절연 특성이 나타나도록 하는 방법을 기술하고 있다.

이 특허에 따른 PCB 기판은 높은 열안정성을 가지고, 화염지연제 및 균일한 절연성능을 가지는 특성을 가지고 있으나, 기판위에 균일하게 장착된 미세구형체가 플라스틱 표면의 강도를 증가시키는 것이 아니며 미세구형체의 양이 전체의 25-65%에 달해 제품의 비용을 증가시키는 단점이 있다.

다시 말해서, 일반적인 플라스틱을 사용함에 있어 플라스틱을 형성하는 폴리머가 갖는 물리적 특성으로 인하여 제품의 사용에 제한을 받으며 개질된 플라스틱이라 하더라도 표면 강도가 증가되지 않아 제품 사용에 한계를 가지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용융 상태의 플라스틱을 원하는 형상으로 성형한 후 플라스틱의 표면에 미세중공체를 코팅시켜 플라스틱의 물리적 특성을 개선하고 광학적/전기적 특성이 나타나도록 하는 플라스틱 표면 개질 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 플라스틱 표면 개질 방법에 의해 개질된 플라스틱 표면이 도시된 상세 단면도,

도 2는 플라스틱의 표면에 코팅된 미세중공체와 연마재를 도식적으로 나타낸 참고도면,

도 3은 플라스틱 표면의 거칠기와 미세중공체의 직경을 비교한 참고도면,

도 4는 미세중공체가 심어진 깊이와 스크래치 저항 사이의 관계 설명을 위한 참고도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50 : 플라스틱 60 : 미세중공체

70 : 연마재 알갱이 70' : (임계 크기의) 연마재

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 용융 상태의 플라스틱을 원하는 형상으로 성형한 후 플라스틱의 표면에 미세중공체를 코팅시키되, 상기 미세중공체는 단일층으로 코팅되고, 그 지름은 적어도 표면거칠기의 2배 이상이며, 1/3D 이상이 플라스틱에 심어지고, 중공체간 거리는 5-15D 정도가 되도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 플라스틱 표면 개질 방법은 용융 상태의 플라스틱을 원하는 형상으로 성형한 후 도 1에 도시된 바와 같이 플라스틱(50)의 표면에 미세중공체(60)를 코팅시키는 것이다.

이때, 상기 미세중공체(60)는 단일층으로 코팅되고, 그 지름이 적어도 표면거칠기의 2배 이상인 것이 사용되는데, 대략 5-40㎛ 범위 내에서 결정된다. 또, 상기 미세중공체(60)는 1/2D 내지 2/3D 정도의 깊이로 플라스틱(50)에 심어지고, 중공체(60) 사이의 거리는 당연히 중공체(60)의 지름보다 커야 하며 5-15D의 범위 내에서 불규칙적으로 분포된다.

상기 미세중공체(60)의 분포를 살펴보면 도 2에 도시된 바와 같이 불균일하게 분포되는 것이 바람직하며, 연마재 알갱이(70)의 크기가 임계직경(Dc) 이상인 경우 연마재 알갱이(70)에 반드시 여러 개의 미세중공체(60)가 동시에 접촉되도록 분포된다.

상기 미세중공체(60)와 표면거칠기(Rz)의 관계를 살펴보면 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 표면거칠기(Rz)에 비해 미세중공체(60)의 직경이 커야 한다. 표면거칠기(Rz)에 비해 미세중공체(60)의 직경이 작다면 그 미세중공체(60)는 플라스틱(50) 표면에 함몰되어 미세중공체(60) 코팅의 특장점을 발휘할 수 없게 된다. 또, 플라스틱(50) 표면에 코팅된 미세중공체(60)가 스크래치 포스(Fs)에 충분히 대응하기 위해서는 1/2D 이상의 깊이로 심어져 플라스틱(50) 표면과의 높이 차이(Δh1)를 줄이는 것이 매우 중요하다.

상기 미세중공체(60)는 유리, 금속, 세라믹, 플라스틱 등으로 형성될 수 있으며, 그 내부는 진공을 유지하거나 용도에 따라 고체, 액체 및 기체 등의 충진물(60')을 충진시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 플라스틱 표면 개질 방법에 의해 개질된 플라스틱은 미세중공체가 스크래치나 다른 환경적 요인으로부터 플라스틱을 보호하게 된다.

플라스틱(50)의 표면에 단일층의 미세중공체(60)를 코팅하기 위해서는 먼저 플라스틱(50)을 성형한다. 플라스틱(50)이 성형된 후에는 상기한 조건에 맞도록 미세중공체(60)를 코팅한다. 미세중공체(60)를 플라스틱(50)에 코팅하기 위해서는 플라스틱 몰딩(plastic molding) , 플라즈마 몰딩(plasma molding), 워터젯 코팅(water jet coating) 및 폭발을 이용한 코팅(detonation coating) 등의 방법이 사용된다.

이 방법들은 비용과 코팅의 균일성 면에서 각각 장단점을 갖고 있으며, 비용과 균일성 면에서 가장 바람직한 방법은 플라스틱(50)의 성형과정에서 용융상태의 플라스틱(50)이 성형된 후 고화되기 이전에 플라스틱(50)의 표면에 미세중공체(60)를 코팅하는 플라스틱 몰딩 방법이다. 플라스틱 몰딩 방법은 압출과 사출성형, 블로 몰딩, 가열성형, 반응사출상형, 압착 성형 등의 방법이 사용될 수 있으며, 각각의 코팅방법은 다음과 같다.

먼저, 압출을 이용한 방법을 살펴보면, 압출공정에서 용융상태의 플라스틱(50)은 다이의 형상에 따라 원하는 형태로 성형된 후 냉각된다. 압출 다이에서 원하는 형상으로 성형된 플라스틱(50)의 표면에 중공체(60)를 코팅하는데, 플라스틱(50)이 완전히 고화되기 이전에 코팅하는 것이 바람직하다. 즉, 압출다이와 중공체 저장조를 연결하여 플라스틱(50)이 압출 다이를 통과한 후 중공체 저장조를 거치도록 하여 플라스틱(50)의 표면에 중공체(60)가 코팅되도록 하는 것이다.

또, 사출성형을 이용한 방법을 살펴보면, 사출성형은 열가소성 수지를 성형하는 가장 대표적인 방법중 하나로서 용융상태의 플라스틱(50)을 노즐을 통해 일정한 형상의 몰드에 공급하여 냉각시킴으로써 플라스틱(50)을 성형하는 기술이며, 이 공정에서 플라스틱(50)의 표면에 미세중공체(60)를 코팅하기 위해서는 용융 플라스틱이 몰드에 공급되기 이전에 미세중공체(60)를 몰드 표면에 균일하게 분사하는 작업이 필요하다.

이 밖에 블로 몰딩, 가열성형, 반응사출성형, 압축성형 등과 같은 다른 플라스틱 몰딩방법을 이용하는 경우에도 상기한 압출 및 사출성형 공정에서 사용된 방법과 유사한 방법을 통해 미세중공체(60)를 플라스틱(50)의 표면에 코팅할 수 있다.

플라스틱 몰딩방법을 제외하면 플라즈마 코팅, 워터젯 코팅, 폭발에 의한 코팅 등의 코팅 방법이 있으며, 플라즈마 코팅은 미세중공체(60)로 이루어진 분사체를 고온의 플라즈마 화염을 이용하여 고속으로 대상의 표면에 분사하여 코팅하는 방법이다. 이 공정에서 미세중공체(60)는 짧은 시간내에 가열되고 고속으로 플라스틱(50)의 표면에 코팅된 후 냉각된다.

워터젯 코팅은 고압의 유체를 이용하여 미세중공체(60)를 플라스틱(50)의 표면에 코팅하는 방법으로, 열을 이용하지 않으므로 열에 의한 표면의 손상을 방지할 수 있어 폴리머 재질에 적합하다. 또, 폭발에 의한 코팅은 가스입자(산소와 아세틸렌)의 폭발력을 이용한 방법으로, 폭발력에 의해 미세중공체(60)가 고속으로 분사되어 플라스틱(50)의 표면에 강한 코팅이 이루어지도록 하는 방법이다.

미세중공체(60)의 코팅에 의해 개질된 플라스틱(50)은 플라스틱 표면에 스크래치가 발생되지 않으며, 코팅 후에도 플라스틱(50)의 유연성은 유지된다. 또, 미세중공체(60)의 내부에 금속 또는 자성물질을 채울 경우 플라스틱(50)의 전기적 또는 전자기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 미세중공체(60)의 색상을 변화시킴으로써 플라스틱(50)의 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 미세중공체(60)를 유리로 형성하는 경우에는 자외선을 흡수할 수 있으며, 높은 열안정성과 화염방지 특성을 갖게 된다. 플라스틱(50) 표면에 미세중공체(60)를 코팅하기 위해서는 간단한 방법이 사용되어 환경적인 문제를 야기하지 않으며, 미세중공체(60)의 양이 전체 무게의 약2-15%에 불과하여 잠재적인 비용을 증가시키지 않는 장점이 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은 향후 플라스틱의 응용분야에서 다양하게 사용될 수 있다. 즉, 열에 의해 플라스틱이 과열되는 것을 방지하고 플라스틱 콘택트 렌즈와 인공조직 및 의학용 기구 등과 같은 의학 분야에도 적용이 가능하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라스틱 표면 개질 방법은 플라스틱의 표면강도를 증가시켜 스크래치가 발생되지 않도록 하고 높은 열안정성을 가짐과 동시에 플라스틱의 전기적, 광학적 특성을 변화시켜 다양한 분야에 적용할 수 있도록 하는 이점이 있다.

Claims

용융 상태의 플라스틱을 원하는 형상으로 성형한 후 플라스틱의 표면에 미세중공체를 코팅시키되,

상기 미세중공체는 단일층으로 코팅되고, 그 지름은 적어도 표면거칠기의 2배 이상이며, 1/3D 이상이 플라스틱에 심어지고, 중공체간 거리는 5-15D 정도가 되도록 한 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.
제 1항에 있어서,

상기 미세중공체는 유리, 금속, 세라믹, 플라스틱 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.
제 1항에 있어서,

상기 미세중공체의 내부는 진공을 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.
제 1항에 있어서,

상기 미세중공체의 내부는 플라스틱의 필요한 특성에 따라 고체, 액체 및 기체 등의 충진물이 충진된 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.
제 1항에 있어서,

상기 미세중공체는 1/2D-2/3D 가량의 깊이로 플라스틱에 심어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.
제 1항에 있어서,

상기 미세중공체는 플라스틱의 표면에 불규칙적으로 도포된 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면 개질 방법.