KR101134480B1 - 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 표면에 아르곤 이온빔을 조사하여, 폴리프로필렌 고분자 표면에 나노 엠보(embossing) 패턴이 형성되도록 한 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 진공 챔버내에서 고분자 재료의 표면에 이온빔을 조사하되, 그 조사 시간 및 가속 전압 크기를 조절하면서 조사하는 표면 처리를 수행하여, 고분자 재료 표면에 나노 크기의 엠보 패턴이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법을 제공한다.
나노, 엠보, 패턴, 플라스틱, 고분자, 이온빔, 내외장재
Description
본 발명은 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 표면에 아르곤 이온빔을 조사하여, 폴리프로필렌 고분자 표면에 나노 엠보(embossing) 패턴이 형성되도록 한 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차용 내장재를 비롯하여, 각종 가정용 내외장재, 전자 제품의 내외장재 등에는 외관을 수려하게 장식하는 다양한 형태의 플라스틱 디자인 제품 등이 출시되고 있으며, 보다 새롭고 특별한 디자인을 위하여 여러가지 형상 및 모양을 갖는 재료들을 추구하고 있다.
그 일례로서, 입체 효과를 부여하기 위해 인위적인 엠보싱 처리가 이루어진 내장재 등이 개발되었으나, 기존에 복잡한 핫-엠보싱(hot-embossing) 방법으로는 엠보 심도나 엠보 크기 등을 미세하게 조절할 수 없는 한계가 있기 때문에, 디자인 측면에서 입체감 및 미적 효과를 냄에도 불구하고 엠보 형상 및 크기 조절에 대한 디자인 자유도가 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 같은 플라스틱 재료가 차량 및 각존 전자제품의 내외장재로 사용되고 있는 바, 성형성이 양호하고, 경량이면서 저렴하다는 장점에도 불구하고, 표면에 쉽게 스크래치가 발생하는 단점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 플라스틱 표면에 도장 또는 도금과 같은 표면처리를 하는 기술들이 사용되어 왔지만, 도장 및 도금 공정에 따른 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
따라서, 플라스틱 표면 처리를 위한 목적으로서 정전기에 의한 얼룩방지, 내스크래치성, 미끄럼 방지 등의 기능성 향상, 색상 향상에 의한 고급화 등을 실현할 수 있는 보다 새로운 플라스틱 제품이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 폴리프로필렌 (polypropylene, PP) 고분자 표면에 아르곤 이온빔을 조사하여, 이온빔과 폴리프로필렌 표면 반응에 의한 폴리프로필렌 기재 표면에 고분자 나노 구조인 마이크로-나노 크기의 엠보 패턴이 형성되도록 함으로써, 엠보 크기를 미세하게 조절할 수 있는 디자인적 측면과, 정전기에 의한 얼룩 방지, 내스크래치성, 미끄럼 방지, 색상 향상에 의한 고급화 등과 같은 기능적 측면을 동시에 만족시킬 수 있어, 자동차 내외장재, 가정용 내외장재 및 가전 전자 제품 내외장재 분야에 유용하게 응용할 수 있는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 진공 챔버내에서 고분자 재료의 표면에 이온빔을 조사하되, 그 조사 시간 및 가속 전압 크기를 조절하면서 조사하는 표면 처리를 수행하여, 고분자 재료 표면에 나노 크기의 엠보 패턴이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 제조 방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 이온빔은 아르곤, 산소, 질소, He, CF4 중 어느 하나를 플라즈마/이온화하여 사용한 것임을 특징으로 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 챔버내 압력 범위는 1.0 × 10-7Pa ~ 2.75 × 10-3Pa 인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 이온빔의 조사 시간, 가속 전압의 크기 중 적어도 하나를 조절하여 나노 크기의 엠보 패턴 형상을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온빔의 조사 시간은 수 초 ~ 수 시간이고, 상기 이온빔의 가속 전압 크기는 100V ~ 100.0 kV 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온빔의 입사각은 고분자 재료 표면에 대해서 0°~ 90°범위로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 재료의 표면에 이온빔을 조사하는 표면 처리를 수행하여, 표면에 폭이 1~ 1000 나노미터이고, 길이가 1 ~ 10,000 나노미터인 나노 엠보 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 폴리프로필렌을 비롯하여 다양한 고분자 재료 표면에 이온빔을 조사하는 간단한 방법을 이용하여, 플라스틱 표면에 나노 크기의 엠보 패턴이 형성되도록 함으로써, 자동차용 내외장재를 비롯하여 각종 전자제품 내외장재에 유용하게 응용할 수 있다.
특히, 본 발명의 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱은 엠보 크기를 미세하게 조절할 수 있는 디자인적 측면과, 정전기에 의한 얼룩 방지, 내스크래치성, 미끄럼 방지, 색상 향상에 의한 고급화 등과 같은 기능적 측면을 동시에 만족시킬 수 있어, 자동차 내외장재, 가정용 내외장재 및 가전 전자 제품의 내외장재 디자인 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 폴리프로필렌(PP) 및 그 밖의 다양한 고분자 표면에 이온빔을 조사하여, 나노 크기의 엠보 패턴을 형성하되, 나노 구조의 폭과 높이가 각각 수십 나노미터를 가지도록 한 점에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 기존에 복잡한 핫 엠보싱(hot-embossing) 방법으로는 전혀 제작하기 힘든 나노 스케일의 엠보 패턴을 공정면에서 간단하게 형성시킬 수 있고, 플라스틱 표면 젖음각과 표면 성분의 변화, 그리고 스크래치(scratch test)에 의한 미끄럼 특성 등에 대하여 분석한 결과, 새로운 나노 크기의 엠보 특성을 제공하고자 한 것이다.
또한, 본 발명은 건식 식각 공정을 이용하여 간단하게 패턴의 크기를 나노 크기로 만들 수 있고, 마이크로 크기의 엠보와 결합하여 계층적 구조를 형성할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
이러한 본 발명의 특징은 나노 구조를 가진 고분자 폴리프로필렌(PP)의 표면을 처리하는 방법, 제조된 나노크기 구조 패턴의 화학적 구조에 대한 평가, 제조된 나노 크기의 구조 패턴 위에서의 젖음성 거동에 대한 평가 등을 통해 이해될 수 있을 것이다.
여기서, 본 발명을 최선의 실시 양태로 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 (a) 도면은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평활한 PP 표면에 이온빔 처리를 수행하는 모식도이고, (b) 도면은 본 발명에 따른 엠보 패턴이 형성 된 표면을 촬영한 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscopy, 이하 SEM이라 함) 이미지이다.
본 발명에 따르면, 고 진공 조건하에서 고분자 재료, 특히 폴리프로필렌 표면에 브로드 이온 빔(broad ion beam) 방식을 이용한 이온빔을 조사하여 표면 처리함으로써, 폴리프로필렌 표면에 나노 크기의 엠보 패턴을 형성하게 된다.
상기 이온빔은 아르곤, 산소, CF4 중 어느 하나를 플라즈마/이온화하여 사용하는 것이 바람직하고, 이러한 플라즈마 이온을 이용하는 방식 이외에 이온빔을 이용하는 방식, 박막을 코딩하는 방식, 금속 및 비금속 물질을 스퍼터링하는 방식 중 어느 하나를 이용하여도 나노 크기의 엠보 패턴을 형성할 수 있다.
특히, 상기 이온빔의 조사 시간, 가속 전압의 크기 중 적어도 하나를 조절하여 나노 크기의 엠보 패턴의 형상을 조절할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 나노 엠보 패턴을 형성하는 조건으로서, 이온빔 처리를 이용하는 챔버내 압력 범위는 1.0 × 10-7Pa 내지 2.75 × 10-3Pa 범위 이내이고, 이온빔 처리중 집속 이온빔의 가속 전압 크기는 100V 내지 100.0 kV 범위 이내이며, 이온빔 처리중 이온빔의 입사각은 고분자 표면에 대해서 0°~ 90°범위이나 이온빔을 수직으로 입사시키는 것이 바람직하다.
이때, 상기와 같은 이온빔 처리에 의하여 나노 엠보 패턴을 갖게 되는 고분자 재료는 폴리프로필렌(PP) 이외에, 표면에 나노 크기의 거칠기를 가질 수 있는 폴리카보네이트(polycarbonate(PC)), 폴리이미드 (Polyimide(PI)), 폴리에틸렌 (Polyethylene(PE)), 폴리메타크릴산메틸 (Polymethylmethacrylate (PMMA)), 폴리 스틸렌(Polystyrene(PS)), 폴리락틱코글리코릭산Poly(lactic-co-glycolic acid(PLGA)), 히드로겔(Hydrogel), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate(PET)), 실리콘고무(Silicone rubber), PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나를 추가로 이용 가능하다.
이하, 본 발명의 리튬 이차전지 제조 방법을 하나의 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
반투명의 폴리프로필렌(PP, LG Chem 제품) 시편을 진공 챔버내에 넣고, 진공도를 0.01 mTorr이하로 유지시킨 다음, 진공챔버내 이온건의 캐소드-애노드(cathod-anode)사이의 전압 조건은 1000V로 적용하였고, 이온건의 이온빔 조사(처리) 방향이 폴리프로필렌(PP) 시편 표면에 수직으로 배향되게 고정시켰다.
이러한 조건에서, 이온건의 이온빔 조사 시간을 5분에서 2시간 등 여러가지 조건에서 처리하였다.
즉, 평활한 표면을 가진 고분자 재료인 폴리프로필렌(PP) 시편 표면에 대하여 아르곤(Ar+) 이온빔 처리를 5분에서 2시간 등 여러가지 시간 조건(5분, 30분, 50분 등)으로 수행하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같다.
첨부한 도 2는 위와 같이 이온빔 처리 전후의 폴리프로필렌 표면에 대한 주사전자현미경 이미지들이며, 이온빔의 조사 시간(5분, 30분, 50분)에 따라 이온의 양이 달라지면서 표면 패턴이 나노 구조의 엠보싱화되면서 그 거칠기가 점차 증가 함을 알 수 있었다.
이렇게 이온빔 처리된 폴리프로필렌 표면에 나노 엠보싱이 형성되는 이유를 보면, 이온빔이나 플라즈마를 이용하여 폴리프로필렌과 같은 고분자 표면을 처리할 때, 연성의 고분자 표면의 고분자 체인(polymer chain)들이 재배열하게 되고, 고분자 체인(chain)을 이루고 있는 C-H 본드(bond)가 끊어지게 됨으로써, 점차 C-C본드가 많이 형성되어 표면이 경화되는 경향을 보이게 된다.
이러한 경화된 표면에 동시에 변형이 커지게 되는데, 이를 완화하기 위해서 엠보 패턴등이 형성되는 것으로 판단된다.
또한, 첨부한 도 2에서 보는 바와 같이, 나노 엠보 패턴의 폭과 높이는 이온빔 처리시의 이온빔 에너지와 밀접한 연관을 가지게 되는데, 특히 이온빔 에너지의 양을 증가시키는 즉, 이온빔 처리 시간을 증가하게 되면, 폴리프로필렌 고분자 재료에 형성된 엠보 패턴의 주름 폭도 계속 증가하게 되어, 결국 기울어진 형태의 마이크로 기둥 배열이 형성된다.
시험예1
라만 스펙트럼(Raman spetrum) 분석을 통하여 이온빔 표면 처리 전후의 폴리프로필렌 시편 표면에 대한 화학 결합의 변화를 살펴보았는 바, 그 결과는 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같다.
도 3에서 도시된 라만 스펙트럼 분석 결과를 보면, 이온 플라즈마 처리 전의 PP의 표면의 경우 전형적인 비정질 고분자 특성을 나타내는 그래프를 보이고 있는 반면, 이온 플라즈마 처리 후의 경우 비정질 카본 박막에서 보이는 피크(peak)들이 뚜렸하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
즉, 비정질 카본을 정의하는 기본 피크(peak)들인 D(disorder graphitic) 피크가 약 1365 (cm-1)에서, G(crystalline graphitic) 피크가 약 1540 (cm-1) 부근에서 이온 플라즈마 처리 후에 PP 표면에 존재하는 특성을 보여주고 있다.
따라서, 이온 플라즈마에 의하여 표면의 소프트(soft)한 고분자가 상당한 경도를 가진 경화된 비정질 탄소층으로 변화하였음을 알 수 있고, 또한 이온 플라즈마에 의하여 표면의 전기전도성도 같이 변화함을 추론할 수 있다.
시험예2
AFM을 이용하여 실시예에 따른 폴리프로필렌 시편의 표면 거칠기(roughness)를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같다.
도 4에서 에러 바(Error bar)는 표준편차를 의미한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 폴리프로필렌 시편 표면에 대한 표면 처리 시간 즉, 아르곤 이온빔 조사 시간이 증가함에 따라 나노 엠보 패턴이 깊게 형성되어 표면거칠기가 커짐을 알 수 있었고, 이는 도 2의 SEM 이미지들과 비교하여 유사한 경향을 보임을 알 수 있었다.
시험예2
실시예에 따른 폴리프로필렌 시편, 즉 이온빔 표면 처리에 의하여 형성된 폴리프로필렌 표면의 나노 엠보 패턴에 대한 거칠기를 측정하였는 바, 그 결과는 첨 부한 도 5에 나타낸 바와 같다.
측정방법은 스크래치 테스터(Scratch tester (J&L, Korea Rep.))를 이용하여 폴리프로필렌 표면에 대해 수직 힘 200mN을 가하였고, 총 미끄럼 거리(sliding distance)는 5mm로 고정하였다.
그 결과, 도 5에서 보는 바와 같이 미끄럼 거리가 증가함에 따라서 초기에는 마찰계수(COF, Coefficient of friction)가 증가하다가 점차 일정한 값을 가지게 됨을 알 수 있었다.
하지만, 폴리프로필렌 표면에 대한 이온빔 처리 시간이 증가함에 따라, 즉 표면의 거칠기가 증가함에 따라, 표면의 마찰계수가 증가함을 알 수 있었다.
이러한 시험예들의 결과로부터, 폴리프로필렌과 같은 고분자 재료 표면에 형성된 나노 엠보 패턴에 의하여 거칠기가 증가되고, 증가된 거칠기는 미끄럼 방지(non-slip, anti-slip)특성을 가짐을 알 수 있었고, 이러한 미끄럼 방지 특성은 나노 혹은 마이크로 크기의 나노 엠보 패턴에 요구되는 내-외장재용 표면 패턴으로서 적절한 특성을 나타내는 것이고, 결국 본 발명의 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱은 디자인적 측면과, 정전기에 의한 얼룩 방지, 내스크래치성, 미끄럼 방지, 색상 향상에 의한 고급화 등과 같은 기능적 측면을 동시에 만족시킬 수 있으므로, 각종 내외장재, 특히 자동차 내외장재에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1에서 (a) 도면은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평활한 PP 표면에 이온빔 처리를 수행하는 모식도이고, (b) 도면은 본 발명에 따른 엠보 패턴이 형성된 표면을 촬영한 전자 주사 현미경 이미지,
도 2는 본 발명의 실시예로서, 아르곤 이온빔을 이용하여 전압 1000eV 조건 하에서, 처리전(a), 5분 (b), 30분(c), 그리고 50분(d) 동안 표면 처리한 후의 폴리프로필렌 표면을 관찰한 주사전자현미경 이미지들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 대한 시험 결과로서, 아르곤 이온빔의 처리 조건에 따른 표면의 화학 결합의 변화를 알 수 있는 라만 스펙트라 결과 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 대한 시험 결과로서, 아르곤 이온빔 처리 시간에 따른 표면 거칠기를 AFM에 의하여 측정한 결과 그래프,
도 5은 본 발명의 실시예에 대한 시험 결과로서, 아르곤 이온빔 처리 시간에 따른 표면 마찰계수의 변화에 대한 결과 그래프.
Claims (7)
- 진공 챔버내에서 고분자 재료의 표면에 이온빔을 조사하되, 그 조사 시간 및 가속 전압 크기를 조절하면서 이온빔의 입사각을 고분자 재료 표면에 대해서 수직으로(0°)으로 설정하는 동시에 진공 챔버내 압력 범위는 1.0 × 10-7Pa 내지 2.75 × 10-3Pa 범위 이내이고, 이온빔 처리중 집속 이온빔의 가속 전압 크기는 100V 내지 100.0 kV 범위 이내로 설정한 후 브로드 이온 빔 방식을 이용한 이온빔을 조사하여 표면 처리를 수행함으로써, 고분자 재료 표면에 나노 크기의 엠보 패턴이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 이온빔은 아르곤, 산소, 질소, He, CF4 중 어느 하나를 플라즈마/이온화하여 사용한 것임을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱 제조 방법.
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- 청구항 1에 따른 제조 방법에 의하여 제조되어, 표면에 폭이 1~ 1000 나노미터이고, 길이가 1 ~ 10,000 나노미터인 나노 엠보 패턴이 형성된 것임을 특징으로 하는 나노 엠보 패턴 표면을 갖는 플라스틱.
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