KR100491363B1 - 금속 표면에 내부 조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법 및 그 성형물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 주조법, 성형가공법, 세공법 등으로 제조된 금속성형물 또는 금속제 반성형물 및 최종 마감처리 전 단계의 성형물들 표면을 경면처리 후 국부 또는 전체 표면을 화학 또는 전해 에칭하여 마이크로화된 결정립(grain)의 성상이나 무늬 모양을 매크로화하여 육안으로 관찰, 식별할 수 있게 시각화시키고, 아노다이징(anodizing) 또는 진공증착 등의 방법으로 결정립(grain)들을 다양한 색상으로 유도하고, 최종 마감처리로서 투명 코팅 층을 형성시킴으로써, 다양한 도안의 결정립 무늬 모양 즉, 금속 내부조직의 마이크로화되어 육안으로 식별할 수 없는 무늬 모양을 용이하게 표면으로 확대 발현시켜 육안으로 관찰할 수 있게 시각화하여 주므로서 금속성형물의 표면장식성을 가일층 향상시켜 장식성이 우수하도록 함과 동시에, 수분이나 대기에 접촉되어도 칼라 결정립 무늬가 박리 되지 않는 등 외부환경에 대한 내구성이 우수하도록 하는 칼라 또는 흑백 결정립 무늬가 형성된 각종 금속 성형물을 제공할 수 있게 한 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법 및 그 성형물에 관한 것이다.

Description

금속 표면에 내부 조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화 방법 및 그 성형물{A Method of surface design using a metallic internal structure and there for products}

본 발명은 금속 또는 귀금속이나 이들의 합금 등 모든 종류의 금속으로 이루어지는 금속성형물의 표면에 금속조직이 지니는 다양한 형태의 무늬 모양이나 문양을 금속성형물의 표면에 다양하고 화려한 무늬 모양과 문양을 확대 발현하여 금속성형물의 표면을 다양하게 무늬와 문양을 디자인하여 제공할 수 있게 한 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법 및 그 성형물에 관한 것으로, 특히 본 발명은 주조공법, 성형가공이나 주조 또는 성형된 금속을 기계적으로 가공하여서 얻어지는 금속성형물의 내부조직이 지니는 무늬모양을 육안으로 식별 가능한 크기로 성장시키는 성형물 제조공정과; 가공된 금속성형물을 열처리하고 표면을 연마하는 경면처리 공정과; 금속성형물 표면의 무늬모양이나 임의 처리하는 문양을 확대하여 시각화하는 매크로 에칭공정과; 표면의 디자인되어 발현된 무늬 모양 및 문양을 보호하고 착색하는 표면코팅처리공정으로 이루어져 금속의 제조처리과정에 따라 각각 다르게 형성되는 내부조직의 결정 무늬 모양을 금속 성형물의 전 표면에 육안을 통하여 시각적으로 인식할 수 있게 발현하거나 또는 국부적으로 표현하는 문양을 육안을 통하여 시각적으로 인식할 수 있게 발현하여 금속표면에 다양하고 화려한 무늬모양과 문양을 디자인하여 제공할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 금속 성형물의 가치나 품격의 유부 판단의 기준에 있어서는 금속 성형물의 표면처리 상태의 양부에 따라 그 성형물의 품격과 가치가 최종적으로 결정하고 평가하고 있음으로서 금속성형물의 표면처리나 이의 표면의 디자인 처리가 금속성형물의 부가가치를 평가하는 매우 중요한 요소 중 하나이다.

따라서, 이와 같은 요인으로 인하여 현재에는 금속 성형물을 디자인할 때 금속 성형물의 표면부를 물리적 또는 화학적으로 처리하는데 많은 방법들을 도입하여 금속 성형물의 표면 디자인 개선에 많은 노력이 시도되고 있다.

종래 시도되어 제안되고 있는 금속 성형물의 표면을 처리방법을 기능적으로 분류하여 열거하면, 대체로 금속 표면을 거울과 같이 처리하는 크롬도금과 같은 도금방법에 의한 경면화 방법과 표면에 경질피막을 형성하여 처리하는 코팅방법이나 피막형성방법 및 착색, 절연피막 방법 등등이 널리 알려져 사용되고 있는 방법들이 있다.

한편, 상기의 여러 가지 방법의 기능적인 목적을 달성하기 위한 방법으로서는 습식법과 건식법을 독자적으로 사용하여 처리하거나 습식과 건식을 병행하여 사용하는 혼합법으로 다시 대별될 수 있는데, 습식법으로는 각종 도금법(plating), 화성처리법(인산염 피막 등,chemical coatings), 양극 산화피막처리법(anodizing), 부식 문양처리법, 라이닝(lining) 등이 있으며, 건식 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 기상증착(vapour deposition), 인쇄 또는 도장, 표면경화(case hardening), 금속용사(metal spraying), 화학증착(chemical deposition), 진공증착법 등이 개별적으로 또는 서로 혼용되어 적용되고 있다.

그러나 상기 열거된 방법 중 도금법은 금속의 표면이나 비금속표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 만드는 처리방법으로서 전기도금, 화학도금, 용융도금, 진공도금, 침투도금, 이온도금 등을 들 수 있으며, 전기도금은 전기에너지를 이용하여 금속 또는 비금속 소지에 다른 금속의 피막을 만들어 주는 방법으로서 장식품, 공업용품 등 그 용도가 가장 넓게 적용되고 있다.

또한, 화학도금은 화학변화를 이용하여 금속 또는 비금속표면에 다른 금속의 피막을 만들어주는 방법으로서 플라스틱 성형물, 금속성형물의 전부 도는 국부적으로 일부 위에 도금하는 방법이다.

또한 용융도금은 금속을 도금하고자 하는 금속의 용융체에 담가서 용융금속의 피막을 만들어 주는 방법으로서, 아연 및 주석도금 강판, 야영도금 파이프 등에 적용되고 있다.

침투도금은 금속에 다른 금속을 확산시켜서 합금의 피막을 만드는 방법이며, 이는 유류 탱크 및 탱크의 내부, 마모된 부분의 보수 등에 주로 적용되고 있다.

화성처리(chemical coatings)법은 금속표면에 화학변화를 일으켜서 인산염 또는 산화피막 등을 만들어주는 방법이며, 처리방법으로서는 인산염 피막처리, 크로메이트처리(chromate conversion coating), 착색 등이 있으며, 주로 방식 및 도장하지용 피막, 금속착색에 활용되고 있다.

양극산화법(anodizing)은 금속성형물을 양극으로 하여 직류, 교류 또는 이들을 병용하여 황산, 옥살산, 붕산 등을 수용액에서 처리하여 양극산화피막을 만드는 방법이며, 주로 알루미늄(Al)제 성형물의 주방기구, 건축자재, 공업용품, 전해콘덴서, 액세서리 등에 널리 사용되고 있다.

한편, 도장법은 부식을 방지하는 동시에 미관을 주기 위한 목적으로 금속의 표면에 도료를 도포하는 방법이며, 라이닝(lining)은 금속으로 만든 성형물의 내면 혹은 외면에 납판, 고무, 합성수지 등을 피복 시키는 것을 말한다.

표면경화(case hardening)법은 탄소나 질소 등을 침투시켜서 표면을 경화 또는 기타의 방법으로 물리적 성질을 향상시키는 방법이며, 주로 금속 열처리 분야에서 취급하고 있다.

금속용 사법은 금속표면에 다른 용융금속을 분무하여 피막을 만들어 주는 방법으로서 금속성형물의 내, 외부, 마모된 부분의 보수 등을 목적으로 사용하고 있다.

화학증착법은 휘발성 금속염을 증발시켜 피도금 물체에서 열분해 등으로 금속 또는 금속화합물을 피복 시키는 방법으로서 공구 등에 TiN, TiC 등의 내마모성 코팅 및 표면보호에 사용하며, 특히 반도체공정에 널리 적용되어 왔다.

음극 스퍼터링법은 진공 내에서 + 이온의 입자로 음극물질을 충돌시킴으로서 음극물질이 튕겨 나온 것이 진공내의 피도금 물체에 피막을 만들게 하는 방법으로서 전자, 자동차 부품 등 금속 및 비금속 위의 금속피막을 입히는 방법이다.

진공증착은 금속 또는 비금속표면에 다른 금속을 진공 내에서 증발시켜 금속피막을 만드는 방법이며, 각종 플라스틱 장식품, 장신구, 렌즈 등의 표면처리에 사용될 수 있다.

이온도금법은 글로우 방전으로 금속이나 가스를 +로 이온화시키고, -로 가속하여 음극소지에 피막을 만드는 방법이며, 각종 금속, TiN, TiC 등으로 내열, 내마모성 피막생성, 금색코팅 등에 사용되고 있다.

또한, 투명코팅법은 금속표면에 반투명 또는 투명의 금속화학층, 합성수지, 법랑(enamel), 유리질 등의 투명수지 또는 유리질 또는 금속 피막을 만드는 방법이며, 금속의 방식, 흡습방지, 절연, 도금 등의 색상유지를 목적으로 사용하고 있다.

그러나 상기의 방법들에 의한 금속의 표면처리방법은 주로 단순히 특정한 기능적인 목적 예컨대 표면경도강화 등의 기계적, 물리적인 기능이나 표면 녹이나 부식방지 등의 화학적인 기능 등 특정한 기능만을 고려하고 이를 전제하여 요구되는 기능에 따라 선택적으로 적용하고 있음으로서, 이러한 종래의 방법으로는 성형물 표면의 외관이나 표면의 무늬 모양 또는 문양을 디자인하여 표현하기가 곤란하여 금속이나 금속성형물 표면에 별도로 인공적으로 문양을 도안하여 삽입하여 부가하는 방법을 시행하고 있어 금속성형물의 표면처리가 복잡하여지고 이에 따라 금속성형물 표면에 단순한 무늬 모양과 문양만을 표현하고 있는 실정이어서 고가의 성형물을 제외하고는 금속성형물의 표면에 다양한 무늬 모양이나 문양을 표현하여 시각적인 장식성이나 미려함을 표현하는데 많은 제약과 한계가 뒤따르고 있었다.

따라서, 본 발명은 단순히 표면을 불투명하게 처리한 종래의 금속 성형물들이 지닌 디자인 창출의 한계성을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 다양한 주조법, 성형가공법, 세공법 등으로 제조된 금속성형물 또는 금속제 반성형물 및 최종 마감처리 전 단계의 성형물들 표면을 경면처리 후 국부 또는 전체 표면을 화학 또는 전해 에칭하여 마이크로화된 결정립(grain)의 성상이나 무늬 모양을 매크로화하여 육안으로 관찰, 식별할 수 있게 시각화시키고, 아노다이징 (anodizing) 또는 진공증착 등의 방법으로 결정립(grain)들을 다양한 색상으로 유도하고, 최종 마감처리로서 투명 코팅 층을 형성시킴으로써, 다양한 도안의 결정립 무늬 모양 즉, 금속 내부조직의 마이크로화되어 육안으로 식별할 수 없는 무늬 모양을 용이하게 표면으로 확대 발현시켜 육안으로 관찰할 수 있게 시각화하여 줌으로서 금속성형물의 표면장식성을 가일층 향상시켜 장식성이 우수하도록 함과 동시에, 수분이나 대기에 접촉되어도 칼라 결정립 무늬가 박리 되지 않는 등 외부환경에 대한 내구성이 우수하도록 하는 칼라 또는 흑백 결정립 무늬가 형성된 각종 금속 성형물을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 각종 금속제 악세서리류, 전자성형물, 생활가전용품, 스포츠용품, 예술품 등의 금속성형물의 외관부, 문구류 성형물, 금속라벨, 버튼, 산업 또는 건축용 프레임, 샤시, 금속화장판 등 모든 금속성형물의 표면에 무늬 모양이나 문양을 표현하여 디자인함에 있어, 아름답고 다양한 특성을 지닌 금속 내부구조의 결정립이 이루는 다양한 무늬 모양의 성상과 패턴을 금속성형물의 표면에 매크로화하여 발현시켜, 금속성형물 표면에 금속 내부구조의 결정립이 이루는 다양한 무늬 모양의 성상과 패턴을 외부에서 육안으로 확인하고 감상할 수 있도록 하여 금속성형물 표면의 무늬 모양 및 문양 등의 디자인 장식성과 미려함을 다양하게 표현하고 향상시켜 줄 수 있게 함으로서 금속성형물의 품격을 향상시켜 높은 부가가치의 성형물을 얻게 함에 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 각종 금속제 악세서리류, 전자성형물, 생활가전용품, 스포츠용품, 예술품 등의 금속성형물의 외관부는 물론 일상적인 용품인 문구류 성형물, 각종 금속라벨, 버튼 등의 생활용품, 산업 또는 건축용 프레임, 샤시, 금속화장판, 금속제 공구나 도구 등 산업용이나 건축용 금속성형물에도 손쉽게 적용하여 광범위하게 모든 금속성형물에 적용하여 외관과 장식성이 뛰어난 금속성형물을 염가로 대량 제공할 수 있게 함에 다른 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 표면에 발현되는 금속 내부의 마이코화된 결정립의 무늬 모양이 목재의 나이테와 같이 일치하지 않는 무늬 모양으로 표현되게 하므로서 각각의 금속성형물 마다 개별적인 고유한 패턴을 표현하게 하여 종래 인공적인 것으로 형성하는 획일적인 모양의 표현에 비하여 금속성형물마다의 고유미와 자연미를 가일층 향상시켜 독특하게 부여하여 주므로서 천연미와 자연미가 탁월한 장식효과를 부여할 수 있게 함에 또 다른 목적이 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속내부구조의 결정체의 무늬 모양이나 패턴을 표면으로 발현하기 위한 금속성형물의 내부조직의 마이크로상태의 결정립 성상(또는 미세조직)을 디자인화하는 성형물 성형공정과; 이를 표면에 육안을 통하여 시각적으로 관찰하고 인식할 수 있게 확장하는 매크로에칭공정을 주공정으로 하고, 이에 금속성형물의 생산을 위한 그 중간 단계 및 표면을 더욱 미려하게 하고 또한 표면의 부식 및 긁힘 등을 방지하기 위한 열처리와 경면처리 공정과 매크로에칭공정 전 단계에 시행하는 문양형성공정, 투명 또는 칼라 마감처리를 위한 마스킹공정과 표면코팅처리공정을 선택적 또는 모두 포함하는 공정의 결합을 특징으로 하는 것으로, 이를 첨부한 도면과 바람직한 실시 예를 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1은 발 발명의 전체 공정도이고, 도 2 내지 도 11은 본 발명에 의하여 금속성형물의 표면부에 발현된 금속 내부조직의 결정립 성상을 예시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 주조공법(1-a), 성형가공공법(1-b)이나 주조 또는 성형 가공된 금속성형물을 다시 기계적 가공(1-c)하여서 얻어지는 금속성형물(100)의 내부조직이 지니는 결정립(200)의 무늬 모양의 성상을 결정하고 이를 육안으로 식별 가능한 크기로 성장시키는 성형물 제조공정(1)과; 성형물 제조공정(1)에서 가공된 금속성형물(100)을 1차 열처리하는 냉각하는 열처리공정(2)과; 금속성형물(100)의 표면을 연마하는 경면처리공정(3)과; 금속성형물(100)의 표면에 무늬 모양이나 문양을 형성하기 위한 문양형성공정(4)를 포함하며 표면이나 국부적인 문양에 금속 내부조직의 결정립(200)의 무늬 모양을 확대, 발현시켜 시각화하는 매크로 에칭공정(5)과; 매크로 에칭공정(5) 후 얻어진 성형물의 표면에 착색하고 보호 투명피막을 형성시키는 착색 및 투명피막 성형공정(6)을 포함함을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 적용되는 금속성형물의 원재료는 주기율표상의 금속, 비금속, 반금속, 또는 반도체 또는 저융점 및 고융점 금속화합물 또는 이들의 합금 등이 포함되며, 본 발명에서는 금속이라 함은 상기의 원소들을 모두 포함한 통상적인 의미를 부여하고 이와 같은 공정의 본 발명을 공정별로 다시 세분하여 설명한다.

제1공정(성형물성형공정)

본 발명에 있어 성형물성형공정은 금속성형물(100)을 제조하기 위한 공법으로 주조공법(1-a), 성형가공공법(1-b)과 주조공법(1-a), 성형가공공법(1-b)을 거친 후 기계가공법(1-c) 중 적용 대상에 있는 금속성형물(100)의 제조특성에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 본 발명에서의 주조공법(1-a)이라 함은 통상적으로 주조공학에서 일컫는 현재까지 알려진 모든 주조법이 포함되며, 알려진 주조법은 정밀주조, 원심주조, 다이캐스팅, 중력주조, 저압주조, 진공주조, 감압주조, 용탕단조, 연속주조 등이 그 일례들이다.

상기 각각의 주조공정들에서 응고중인 금속에 온도구배 또는 용질원자를 적절히 제공하여 줄 경우 금속성형물(100)의 내부조직의 결정립(200)의 성상을 지향성 응고(directional solidification) 또는 수지상 응고 또는 주상정 응고 또는 등축정 응고 조직들이 얻어질 수 있다.

본 발명 목적 중의 하나는 상기의 방법들을 이용하여 원천적으로 매우 다양하고 아름다운 금속 내부구조의 결정립(200)의 조직 성상을 금속성형물(100)의 표면으로 확대 발현하여 금속의 내부조직 결정립(200)의 조직들이 지니는 다양하고 특이한 무늬 모양을 육안을 통하여 시각적으로 표현시킬 수 있게 된다.

즉, 본 공정에서 용융금속이 주형 내에서 일방향(지향성)응고가 되도록 유도할 경우 결정립(200)은 도 2와 같이 그 응고방향에 수평인 방향으로 길쭉하게 늘어서게 된다. 또한 금속 또는 흑연으로 제작된 원통형 주형에 용융금속을 주입할 경우에는 도 3과 같이 방사상으로 결정립이 성장된다.

또한 원심 또는 스핀주조를 할 경우 결정립(200)은 도 4와 같이 회전방향으로 배열하게 된다.

주기율표상 순금속들이 응고할 때 온구구배를 제어함으로서 또는 적정한 함량의 용질원자를 합금화할 경우에는 도 5에 표현된 바와 같은 수지상(dendrite) 조직의 결정립(200)이 형성될 수 있다.

또한 초음파, 진동, 조핵제 제공 등의 방법으로 주형내의 용융금속에 대한 응고양상을 제어할 경우 또는 재결정 열처리 등의 방법으로 주조할 경우에는 도 6과 같이 등축정(equiaxed grain)의 미세조직의 결정립(200)을 얻는 것이 가능하다.

한편, 성형가공공법(1-b)은 단조, 압출, 압연, 딥드로잉, 인발 등 선재, 판재, 봉재 등을 냉간 또는 열간에서 성형하는 공정을 의미하고, 기계가공법(1-c)은 통상적으로 선반, 밀링 등과 같은 산업기계로 표면 또는 형상을 다듬는 공정을 말하며, 본 발명에서는 수공법인 세공 또한 이에 포함하고 있다.

제2공정(재결정 열처리공정)

상술한 성형물제조공정(1)에 포함되는 성형가공공정-주조공정(1-a), 성형가공공법(1-b), 기계가공법(1-c)들을 거친 성형물의 내부조직은 금속원소 또는 합금조성에 따라서 그 처리온도가 각기 다르지만 재결정 열처리를 수행할 경우, 등축정 조직이 보다 용이하게 나타날 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 가공 미세조직들이 육안으로 관찰될 수 있도록 재결정(recrystallization)을 위한 열처리와 아울러 결정립성장(grain growth)을 위하여 본 열처리공정(2)를 수행하는 것이 목적을 달성하기 위한 또 하나의 요건이다.

제3공정(경면처리공정)

상술한 제1, 제2방법을 거쳐 제작된 금속성형물(100)들은 표면의 연마하기 위한 경면처리공정(3)을 거치게 된다. 본 고정은 연마지(사포) 혹은 버프(buff)를 사용한 표면연마(polishing) 또는 바렐연마기와 같은 기계를 활용한 연마 또는 전해 연마법이 적용하여 금속성형물(100)의 표면을 연마한다.

본 발명에 있어서 적용되는 연마방법은 전해연마(3-a), 바렐연마(3-b) 및 버프연마(3-c)등 표면의 조건에 따라 시행할 수 있다.

그러나 본 공정을 시행함에 있어 제1, 제2공정에서 얻어진 금속성형물(100)의 표면에 형성된 결정립(200)이 수지상 조직을 형성하고 이를 그대로 얻고자 할 때에는 본 공정을 행하지 않고 곧바로 후술하는 매크로 에칭공정(5)을 거쳐야 한다.

제4공정(문양형성공정)

본 공정은 표면이 연마된 성형물 또는 표면의 수지상 조직을 갖는 금속성형물(100)의 표면에 소정의 문자 또는 문양을 도안하기 위하여 거치는 공정으로서 문양을 형성하는 방법으로는 마스킹(masking)공정(4-a), 레이저마킹(laser marking)(4-b), 레이저를 이용한 표면 국부열처리(4-c), 레이저를 이용한 성형물 표면의 국부 용융 및 응고 공정(4-d) 단계를 거칠 수 있다.

본 공정은 후술하는 다음공정인 매크로 에칭공정(5)의 이전 단계로서, 금속성형물(100)의 표면에 행하는 마스킹 공정(4-a)은 도안된 문자 또는 문양만을 양각상태로 에칭하거나 또는 그 바깥부분을 음각 에칭하는 방법을 적용하여 도안된 문자 또는 문양을 금속성형물(100)의 표면에 구현할 수 있다.

또한 레이저를 활용하여 성형물상에 마킹(marking)(4-b), 표면의 국부열처리 (4-c), 표면의 국부용융 및 방향 응고공정(4-d)와 같은 공정을 본 발명에 적용하므로서 금속성형물(100) 내부조직 결정립(200)의 성장방향을 더욱 효과적으로 원하는 방향으로 유도해 내는 것이 가능해지고, 뿐만 아니라 마킹(marking)된 부위 또는 레이저 궤적 부위는 그 바깥부위와 결정립(200)의 크기 혹은 방향이 달라지기 때문에 고품위의 표면디자인이 가능해 진다.

제5공정(매크로 에칭공정)

본 매크로 에칭공정(5)은 금속성형물(100)의 내부구조 결정립(금속 미세조직) (200)을 가시화 시키는 본 발명의 핵심적인 필수공정이다.

본 공정을 수행함에 사용 가능한 에칭공정은 화학적 매크로 에칭(chemical macro etching)(5-a), 전기적인 전해 매크로 에칭(electrical macro etching)(5-b),광학적인 포토 매크로 에칭(photo macro etching)(5-c) 등 모두 적용될 수 있으며 성형물의 특성에 따라 적절하게 선택되어 사용될 수 있으며, 본 공정에 의하여 상기와 같은 에칭을 행함으로서 금속성형물(100)의 표면에 육안으로 관찰할 수 없게 표면에 존재하고 있던 내부조직의 결정립(200)의 조직성상이 육안으로 식별되게 확대 발현되어 나타내게 된다.

즉, 예컨대 도 2내지 도 11에 도시된 바와 같이, 처리된 금속성형물(100)의 내부조직 결정립(200)이 이루는 성상이 도 2와 같이 그 응고방향에 수평인 방향으로 길쭉하게 늘어서게 발현될 수도 있고, 또한 금속 또는 흑연으로 제작된 원통형 주형에 용융금속을 주입할 경우의 금속성형물(100)의 경우에는 이의 표면에는 도 3과 같이 방사상의 결정립(200)이 성장, 생성되고, 원심 또는 스핀 주조한 금속성형물 (100)의 경우에는 표면의 표현되어 발현되는 결정립(200)은 도 4와 같이 회전방향으로 배열한 상태로 나타내며, 주기율표상 순금속들이 응고할 때 온구구배를 제어하거나 또는 적정한 함량의 용질원자를 합금화할 금속성형물(100)의 경우에는 도 5에 표현된 바와 같은 수지상(dendrite) 조직의 결정립(200)이 형성될 수 있다.

또한 초음파, 진동, 조핵제 제공 등의 방법으로 주형내의 용융금속에 대한 응고양상을 제어할 경우 또는 재결정 열처리 등의 방법으로 주조할 경우에는 도 6과 같이 등축정(equiaxed grain)의 미세조직의 결정립(200)을 얻을 수 있게 된다..

제6공정(착색 및 투명피막성형공정)

본 발명은 상기한 매크로 에칭공정(5) 이후의 공정으로 표면처리와 표면보호 및 매크로 에칭공정(5)으로 금속성형물(100)의 표면에 발현된 금속성형물(100)의 내부조직 결정립(200)의 미세조직을 보호하고, 매크로 에칭공정(5)에서 얻어진 도형화된 문자나 문양의 보다 입체효과를 구현하기 위하여 표면을 피막 처리하기 전에 마스킹, 또는 레이저 마킹공정(6-a)을 행하여 매크로 에칭공정(5)에서 얻어진 도형화된 문자나 문양의 보다 입체효과를 구현한 후, 진공증착(vacuum deposition)(6-b), 스퍼터링(sputtering)(6-c), 플라즈마(plasma) 이온코팅(6-d) 등의 방법을 적용하여 투명 또는 반투명막을 형성하는 것도 가능하고, 원가를 크게 절감하기 위해서는 투명의 아크릴, 에나멜 등과 같은 수지로 코팅하는 방법의 모든 공정(6-e)의 적용이 가능하다.

본 공정은 매크로 에칭공정(5)에서 금속성형물(100)의 표면에 발현된 금속성형물 (100)의 내부조직 결정립(200)의 미세조직을 보호하는 역할을 담당하는 보호 피막을 형성시키기 위한 주요 요소로서, 필수적으로 요구되는 공정이다.

한편, 본 공정 시행시 필요에 따라 칼라(색상)조직을 형성하기 위해서는 전기 화학적으로 착색하는 아노다이징(anodizing)공정(6-f)의 착색 공정이 먼저 수행될 수도 있다.

이 애노다이징공정(6-f)은 매크로 에칭공정(5) 이후 금속성형물(100)의 결정립 (200)이 가시화된 상태에서 적용하여 시행하는 공정으로, 전류값 또는 전압의 조정으로 여러 가지 칼라색상들을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 성형물이 평면인 상태에서도 결정립(200)들의 방위가 다르게 형성되는 상태로 발현되어 있음으로서 바라보는 방향과 각도에 따라 반사광(reflected light)이 달라지기 때문에 보석같은 현란한 느낌을 연출할 수 있게 된다.

이러한 본 발명을 아래의 실시 예를 통하여 상세하게 설명한다.

[실시예]

본 실시 예에서는 진공장치 및 일반 용해장치를 이용하여 순도 99.9%의 순알루미늄(Al)을 용해하였다. 주형은 금속제 주형을 사용하였으며, 일부 샘플은 주형에서 응고중 용탕진동이 수반되도록 장치하였다. 주조 후 얻어진 각 금속성형물 (100)들은 주조 조건에 따라 다르나 결정립(200)의 조직이 주형내의 용융금속이 주형 벽면으로부터 중심부로 향하는 도 7과 같은 지향성 응고(directional solidification)상태로 나타나고, 응고 중 초음파 진동을 가하거나 다른 측면에서 조핵제를 투여한 조건에서는 등축정의 금속 미세조직이 나타났다.

주조된 샘플들은 표면이 거칠기 때문에 기초적인 연마작업을 하여 표면 경면처리공정을 시행하였다. 주조 후 금속성형물(100)의 표면에 도 5와 같이 결정립(200)이 무늬 모양의 성상이 수지상 조직으로 나타난 경우에는 이를 그대로 얻기 위해서 연마공정을 행하지 않고 곧바로 매크로 에칭하였다.

본 실시 예에서 주조된 금속성형물(100)의 표면 연마하여 경면처리 공정에서 사용한 연마지는 입도 400번의 사포(sand paper)를 사용하여 Rmax=1.5 이하로 표면연마를 실시하였다.

이후 매크로 에칭을 행하되, 에칭용액 100용량(cc)%에 대하여 HCl 30~50 용량%, HF 10~20용량%, HNO₃15~30용량%와, H₂O 15~30용량%의 비율로 혼합하여 에칭용액을 조성하고, 이 용액 내에 연마한 금속성형물(100)과 연마하지 않은 금속성형물 (100)을 투입하여 상온에서 약 20초간 에칭하였다.

상기에서 에칭된 금속성형물(100)의 샘플은 탈지과정이 필요하지 않으므로 곧바로 애노다이징(anodizing)공정을 수행하여 착색을 시행하였다. 그 방법은 황산법으로 농도 H₂SO₄20%용액, 온도 20℃, 전압 DC 16volt, 전류 1.5 ～ 1.6 A/d㎡의 조건에서 약 50분간 침적하였다.

이때 시료는 전해 액에서 양극으로 하고 전기를 통하였다. 이후 베이킹 파우더(8g/ℓ)을 사용하여 중화하였으며, 온도 80 ～ 90℃의 끓는 증류수에서 약 30분간 침적하여 봉공처리 하였다.

[실시 적용예]

본 실시 적용예는 실시 예와 같이 실시하되 원형버튼 모양이 조각된 흑연제 주형을 사용하여 금속단추를 성형하였다.

그 결과 도 9도 내지 도 11과 같이 다양한 무늬 모양을 지니는 금속단추를 얻을 수 있었다.

이와 같은 본 발명은 다양한 주조법, 성형가공법, 세공법 등으로 제조된 금속성형물 또는 금속제 반성형물 및 최종 마감처리 전 단계의 성형물들 표면을 경면처리 후 국부 또는 전체 표면을 화학(chemical) 또는 전해(electrical) 에칭(etching)하여 결정립(grain)을 시각화시키고, 애노다이징(anodizing) 또는 진공증착 등의 방법으로 결정립(grain)들을 다양한 색상으로 유도시키고, 최종 마감처리로서 투명 코팅 층을 형성시키는 과정으로 금속성형물이 지니는 마이크로 내부조직의 결정립의 다양한 무늬 모양을 육안을 통하여 시각적으로 관찰할 수 있게 매크로 에칭하여 표면에 크게 발현하여 주므로서 다양한 도안의 결정립 무늬 즉, 금속 내부조직의 무늬를 화려하고 다양하게 시각화시킬 수 있어 금속성형물의 표면 장식성을 현저하게 향상시켜 줄 수 있으며, 각종 금속제 악세서리류, 전자성형물, 생활가전용품, 스포츠용품, 예술품 등의 금속성형물의 외관부는 물론 일상적인 용품인 문구류 성형물, 각종 금속라벨, 버튼 등의 생활용품, 산업 또는 건축용 프레임, 샤시, 금속화장판, 금속제 공구나 도구 등 산업용이나 건축용 금속성형물에도 손쉽게 적용하여 광범위하게 모든 금속성형물에 적용하여 외관과 장식성이 뛰어난 금속성형물을 염가로 대량 제공할 수 있고, 표면에 발현되는 금속 내부 결정립의 무늬 모양이 목재의 나이테와 같이 일치하지 않는 무늬 모양으로 표현되게 하므로서 각각의 금속성형물 마다 개별적인 고유한 패턴을 표현하게 하여 종래 인공적인 것으로 형성하는 획일적인 모양의 표현에 비하여 금속성형물마다의 고유미와 자연미를 가일층 향상시켜 독특하게 부여하여 주므로서 천연미와 자연미가 탁월한 장식효과를 부여할 수 있는 등의 여러 가지 특징을 지닌 것이다.

도 1은 본 발명의 전체 공정 설명도

도 2 내지 도 11은 본 발명에 의하여 금속성형물의 표면에 매크로 상으로 발 현된 각 실시 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 성형물제조공정 1-a: 주조공법 1-b: 성형가공공법 1-c: 기계가공법

2: 열처리공정 3: 경면처리공정 3-a: 전해연마 3-b: 바렐연마

3-c: 버프연마 4: 문양형성공정 4-a: 마스킹 공정 4-b: 레이저마킹

4-c: 국부열처리 4-d: 국부 용융 및 응고공정 5: 매크로애칭공정

5-a: 화학적 매크로 에칭 5-b: 전해 매크로 에칭 5-c: 포토 매크로 에칭

6: 착색 및 표면피막공정 6-a: 레이저마킹공정 6-b: 진공증착

6-c: 스퍼터링 6-d: 플라즈마이온코팅 6-e: 모든공정

6-f: 아노다이징공정 100: 금속성형물 200: 결정립

Claims (11)

1. 금속성형물의 내부조직이 지니는 결정립의 무늬 모양의 성상을 결정하고 이를 육안으로 식별 가능한 크기로 성장시키는 성형물 제조공정의 제1공정과;

   성형물 제조공정의 제1공정에서 가공된 금속성형물의 표면을 연마하는 경면처리 공정의 제3공정을 처리한 후 금속성형물의 표면이 전면이나 국부적인 문양에 금속성형물의 내부조직의 결정립의 무늬 모양을 확대, 발현시켜 육안으로 시각화하는 매크로 에칭공정의 제5공정과;

   매크로 에칭공정 후 얻어진 성형물의 표면에 착색하고 보호투명피막을 형성시키는 착색 및 투명피막성형공정의 제6공정을 포함함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   금속성형물의 내부조직이 지니는 결정립의 무늬 모양의 성상을 결정하고 이를 육안으로 식별 가능한 크기로 성장시키는 성형물 제조공정의 제1공정과;

   금속성형물의 표면이 전면이나 국부적인 문양에 금속성형물의 내부조직의 결정립의 무늬 모양을 확대, 발현시켜 육안으로 시각화하는 매크로 에칭공정의 제5공정을 반드시 포함함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   금속성형물의 내부조직이 지니는 결정립의 무늬 모양의 성상을 결정하고 이를 육안으로 식별 가능한 크기로 성장시키는 성형물 제조공정의 제1공정은 주조공법, 성형가공공법을 단독으로 하거나 기계적 가공법을 병용하여서 됨을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   금속성형물의 표면이 전면이나 국부적인 문양에 금속성형물의 내부조직의 결정립의 무늬 모양을 확대, 발현시켜 육안으로 시각화하는 매크로 에칭공정은 포토에칭, 전해에칭 및 화학에칭의 방법 중 적어도 1가지 이상으로 되는 것을 더 포함함을 특징으로 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   표면 경면처리를 위한 공정시행 전에 열처리하는 제2공정을 더 포함함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   표면경면처리의 제 3공정 후 매크로 에칭공정의 제5공정을 수행함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   표면경면처리의 제 3공정 후, 문양을 형성하기 위한 문양형성공정의 제4공정을 시행한 후, 매크로 에칭공정의 제5공정을 수행함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   매크로 에칭공정 시행 후 마스킹 또는 레이저 마킹공정을 시행하여 입체 문양을 형성하는 공정을 더 포함함을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   매크로 에칭공정 후 얻어진 성형물의 표면에 착색하고 보호투명피막을 형성시키는 착색 및 투명피막성형공정은 아노다이징, 진공증착, 스퍼터링, 플라즈마 이온코팅 등의 방법으로 됨을 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    매크로 에칭공정 후 얻어진 성형물의 표면에 착색하고 보호투명피막을 형성시키는 착색 및 투명피막성형공정은 아노다이징, 투명의 아크릴, 에나멜 등과 같은 수지로 코팅하는 방법으로 됨을 금속표면에 내부조직구조 패턴의 발현 디자인 시각화방법.
11. 금속성형물의 표면에 금속성형물의 내부조직의 결정립의 무늬 문양이 에칭에 의하여 매크로화하여 표면에 발현시켜 육안을 통하여 식별하게 표현시켜서 된 것을 특징으로 하는 금속표면에 내부조직구조의 패턴이 발현된 금속성형물.