KR101189812B1 - 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물 및 이의 제조방법, 이를 이용한 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

마그네슘 소재의 내부식을 방지하는 휴대폰 케이스 도장용 페인트 조성물 및 이의 제조방법, 이를 이용한 표면처리방법이 개시된다. 이를 위하여 테트라에톡시실란과 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물과 물과 산촉매와 용매로 이루어진 표면처리액 및 실리카 나노입자 콜로이드로 구성된 코팅용액, 및 상용 유기도료를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물을 제공한다. 본 발명은 종래의 도장 페인트보다 향상된 내식성을 가지며, 환경오염물질을 발생하지 않는 친환경적인 방법일 뿐만 아니라 간단한 코팅 방법에 적용할 수 있는 효과를 가진다.

Description

마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물 및 이의 제조방법, 이를 이용한 표면처리방법{PAINT COMPOSITION FOR MOBILE PHONE CASES COMPRISING MAGNESIUM MATERIALS, METHOD OF PREPARING THE SAME, AND COATING METHOD OF MAGNESIUM MATERIALS USING THE SAME}

본 발명은 마그네슘 소재를 기반으로 구성된 휴대폰 케이스의 표면 도장을 위한 페인트 조성물 및 이의 제조방법, 이를 이용한 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친환경적이고 경제적인 마그네슘 소재를 휴대폰 케이스로 활용할 수 있도록 상기 마그네슘 소재로 구성된 휴대폰 케이스의 표면에 내식성 및 내마모성을 제공하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물 및 이의 제조방법, 이를 이용한 표면처리방법에 관한 것이다.

마그네슘은 1808년 영국의 화학자 H.데이비가 마그네시아알바를 금속칼륨으로 환원시켜 발견한 금속으로서 지상에서 매우 풍부한 광물이며, 외관은 은백색이고 비등점은 알루미늄과 거의 같은 650℃로서 마그네슘-알루미늄 등과 같이 타 금속과의 합금으로 주로 사용된다.

그리고 마그네슘은 자연계에 유리(遊離)상태로는 산출되지 않지만, 탄산염, 황산염, 규산염 등의 형태로 지구상에 널리 그리고 다량으로 존재하며, 그 주요 산출 광석은 마그네사이트, 카널라이트, 돌로마이트, 활석, 사문석, 석면 등이며, 그 밖에 휘석, 각섬석 등에도 함유되어 있다.

또한, 마그네슘은 지구상에서 8번째로 풍부한 경량 금속으로서, 비강도, 치수안정성, 기계 가공성, 진동 흡수성 등이 우수한 최경량의 기계 구조용 소재이다.

근래 들어, 마그네슘은 기존의 플라스틱에 비해 강도 및 강성이 우수하고 가공성이 양호하며 박형화(薄型化)가 가능하므로 마그네슘 합금은 21세기 꿈의 신소재로 각광 받고 있으며, 설계, 정밀금형, 정밀가공, 금속공학, 도장 등 여러 분야의 기술을 필요로 하는 고정밀, 고부가가치의 제품으로 자동차, 우주항공, 전기, 전자분야에서 그 사용 및 시장 규모가 급속히 확대되고 있다.

이러한 마그네슘 합금은 최근 컴퓨터, OA 기기, 비디오, 오디오 및, MD/CD 플레이어 케이스, 텔레비전 프레임, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, MP3, 디지털 카메라, TV 카메라, 액정프로젝터 등과 같은 경량성과 고강도를 요하는 전기전자 및 정보통신 부품으로서, 핸들, 센터페시아, 엔진의 실린더 헤드, 환기 팬 등과 같은 차량 부품으로서, 낚시용이나 등산용 등의 고급 경량화 스포츠용품으로서, 그리고 우주항공 분야의 신소재로서 적용되고 있으며, 그 적용 분야는 급격히 확대될 것으로 예상되고 있다.

그러나 마그네슘은 실용금속 중에서 표준전위가 가장 낮기 때문에 대기 중에서 산화되기 매우 쉬운 특성을 갖고 있다. 따라서 마그네슘 합금은 내식성이 매우 취약하다는 결점을 가지고 있어 내식성 증대를 위한 표면처리가 불가피하며 이는 중요한 과제로 부각되어 있다.

상기한 마그네슘 합금의 표면처리는 내식성 증대 목적 외에, 제품의 외관 특성과 내마모 특성 등의 표면 기능을 향상시킬 목적으로도 수행되며, 마그네슘 합금 부품(소재)에 대한 표면처리는 표면전도도, 내식성, 내마모성 등과 같은 특징적인 기능성을 마그네슘 합금에 부여하게 된다.

이러한 마그네슘 합금의 표면처리는 제품의 사용 조건과, 마그네슘 합금의 종류, 그리고 다른 금속이 함께 조립되는지의 여부 등에 따라 그에 적합한 특정의 표면처리 공정이 적용되며, 전형적인 표면처리 방법으로는 화성처리(chemical coating treatment), 양극 산화, 전기도금, 무전해 도금, 도장(painting) 등과 같은 공정을 들 수 있다.

이 중에서 가장 널리 사용되고 있는 표면처리 방법은 화성처리 및 도금이다. 상기의 표면처리 방법은 모두 탈지, 산세 등의 전처리 공정을 거친 뒤 수행하게 되며, 일반적으로 마그네슘 합금 부품을 성형한 뒤에는 표면처리를 위한 전처리로서 세정 및 표면조정 처리를 하고 화성처리 혹은 도금하여 완제품으로 출하하거나 또는 다시 도장 처리하여 마무리하게 된다.

상기 화성처리는 금속 표면에 일종의 화학피막을 만드는 화학적 처리 방법으로서 방식(防蝕) 및 도장 하지(primer)용 피막, 금속 착색 등에 이용되며 환경조건이 상대적으로 깨끗하고 부식조건이 심하지 않은 환경에 주로 적용된다. 한편, 도금은 미려한 외관과 제품의 강도 구현 및 내마모성이 요구는 제품에 주로 적용되며 도장 하지용 피막으로서 사용되기도 한다.

종래, 마그네슘합금의 일반적인 화성처리법으로 6가 크롬을 함유하는 화성처리액에 마그네슘합금을 침적시키는 방법이 널리 시용되어 왔으나, 중금속인 6가 크롬은 인체에 치명적일 뿐만 아니라 심각한 환경오염 문제를 유발하게 된다는 문제점이 있어서 그 작업환경 및 폐수 처리 등에 대한 엄격한 규제가 적용되고 있으며, 크롬산염처리는 가까운 장래에 법적으로 금지될 예정이다.

따라서, 상기한 종래의 크롬산염 처리를 대체하기 위한 종래의 비크롬산염 화성처리법으로서, 인산마그네슘에 지르코늄, 티탄, 또는 아연 등의 금속을 첨가하는 인산염 처리방법이 제안되었으나, 장시간이 소요되는 긴 처리 공정으로 인한 실용성 결여와 아울러, 충분한 내식성, 방청성 및 도막 밀착성을 부여할 수 없다는 문제가 있다.

그리고 미국등록특허 제5,240,589호에서는 마그네슘의 2단계 내부식 코팅으로 양극산화처리 특성의 향상을 위하여 1단계에서 불화물 처리를 수행하는 기술이 제안되고 있지만, 수세 시에 발생하는 불화물로 인하여 환경 오염이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 미국등록특허 제4,770,946호에서는 마그네슘 소재의 부식을 방지하기 위하여 표면에 산화막, 두 층의 수지막, 및 두 층의 금속막의 다층구조 부식보호막을 형성하는 부식 방지 코팅 방법이 제안되고 있지만, 이러한 방법은 여러 번의 코팅층을 형성해야 되기 때문에 코팅 공정이 복잡하고, 비용이 많이 소요되는 경제적인 문제점이 있다.

아울러, 대한민국등록특허 제0931258호에서는 화성처리, 염료 착색 및 양극산화를 순차적으로 실시하여 내식성이 향상되도록 한 마그네슘 합금제품의 표면처리 방법이 제안되고 있다. 그러나 전술한 방법은 양극산화 처리를 위해 지속적으로 전류를 공급해야 되기 때문에 전류의 공급이 원활하지 못한 환경에서는 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.

특히 마그네슘이 이동통신기기의 외장 케이스에 적용될 경우 사용자의 신체 특히 손, 얼굴 등과 지속적으로 접촉하기 때문에 염수에 의한 부식이 매우 활발히 일어난다. 이에 따라, 휴대폰 케이스를 제작하는데 사용되는 마그네슘 소재에 내식성을 부여할 수 있도록 하는 코팅제의 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 제 1 목적은 마그네슘 소재로 형성된 휴대폰 케이스의 염수 부식 문제를 해결하며, 신뢰성 평가 기준에 필요한 내마모성을 제공하고, 환경 유해물질을 사용하지 않으며, 기존의 도장처리 기술을 이용한 1회 코팅만으로도 우수한 밀착성을 가지는 보호막을 형성할 수 있는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물을 제공하는데 있다.

그리고 본 발명의 제 2 목적은 전술한 페인트 조성물을 제조할 수 있도록 하는 페인트 조성물의 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 제 3 목적은 전술한 페인트 조성물을 이용하여 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면에 내식성을 부여하는 휴대폰 케이스의 표면처리방법을 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 테트라에톡시실란과 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물 1 내지 3M, 물 5 내지 15M, 산촉매 0.01 내지 0.1M 및 용매 5 내지 15M로 이루어진 표면처리액 70 내지 97 중량%, 및 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%로 구성된 코팅용액 80 내지 95 중량%; 및 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물을 제공한다.

그리고 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 에탄올 5 내지 15M와, 물 5 내지 15M, 및 질산 0.01 내지 0.1M를 혼합하고 교반시켜 혼합용액을 생성하는 단계와, 테트라에톡시실란 0.1 내지 2M와, 메틸트리에톡시실란 0.1 내지 2M, 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란 0.1 내지 2M를 혼합하여 총 1 내지 3M 범위의 실리카 전구체 혼합물을 생성하는 단계와, 상기 혼합용액 및 실리카 전구체 혼합물을 혼합한 표면처리액 70 내지 97 중량%에 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%를 혼합하고 교반시켜 코팅용액을 생성하는 단계, 및 상기 코팅용액 80 내지 95 중량%에 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 제 3 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 알칼리세정용액으로 마그네슘 소재를 10 내지 20분간 초음파 세척 후 증류수로 2 내지 5회 수세하는 알칼리탈지 단계와, 산화물과 이물질을 제거하기 위하여 알칼리탈지 단계를 통과한 마그네슘 소재를 산세처리용액에 담근 후 증류수로 2 내지 5회 수세하여 주고, 수분을 제거하여 건조시키는 산세 단계와, 상기 산세 단계를 통과한 마그네슘 소재의 표면을 테트라에톡시실란 과 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물 1 내지 3M, 에탄올 5 내지 15M, 물 5 내지 15M 및 질산 0.01 내지 0.1M로 이루어진 표면처리액 70 내지 97 중량% 및 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%로 구성된 코팅용액 80 내지 95 중량%, 및 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 포함하는 페인트 조성물로 표면처리하는 코팅 단계, 및 상기 코팅 단계를 통과한 마그네슘 소재를 UV 조사장치를 이용하여 UV 경화시켜 상기 마그네슘 소재의 표면에 유무기 하이브리드 코팅 보호막을 형성하는 경화 단계를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면처리방법을 제공한다.

본 발명에 의한 페인트 조성물은 휴대폰 케이스에 종래의 도장 페인트보다 향상된 내식성 및 내마모성을 부여할 수 있으며, 환경오염물질을 발생하지 않는 친환경적인 방법일 뿐만 아니라 간단한 코팅 방법에 적용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 페인트 조성물을 사용하면 간편한 코팅 공정을 사용하여 휴대폰 케이스의 표면에 내식성 및 내마모성을 갖는 코팅 보호막을 형성할 수 있게 된다.

본 발명은 휴대폰 케이스에 양호한 외관미를 제공하고, 휴대폰 케이스의 전면에 균일한 도장밀착성을 제공한다.

본 발명은 기존의 도장 페인트와 스프레이 도장 장치에 적용할 수 있어 대량생산이 가능하여 경제적이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 코팅 보호막을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페인트 조성물의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대폰 케이스의 표면처리방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 페인트 조성물로 코팅된 휴대폰 케이스의 부식실험의 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 페인트 조성물로 코팅되지 않은 휴대폰 케이스의 부식실험 결과를 나타내는 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물(이하, '페인트 조성물'이라 한다.)을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 페인트 조성물은 실리카 전구체의 가수분해와 축중합 반응을 통한 졸-겔법과, 유기물인 상용 도장 페인트와 혼합하는 유무기 하이브리드 기술을 이용하여 내식성, 내마모성 코팅 보호막을 형성하는 환경 친화적이며 경제적인 코팅제로서, 이를 위해 테트라에톡시실란와 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물과 물과 산촉매 및 용매를 포함하는 표면처리액과 실리카 나노입자 콜로이드로 구성된 코팅용액, 및 상용 유기도료가 사용된다. 특히, 본 발명은 실리카 전구체인 테트라에톡시실란와 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란을 동시에 사용하여 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면에 코팅 보호막을 형성한 경우 마그네슘 소재는 우수한 내식성 및 표면경도를 가지는 점에 착안한 것임을 고려하여 볼 때, 실리카 전구체로서 테트라에톡시실란와 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란을 사용한 것과, 3종류 실리카 전구체의 조성비는 본 발명에 있어 중요한 기술적 특징에 해당된다.

이하, 본 발명의 구성요소별로 각 구성요소의 특징을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 실리카 전구체 혼합물을 포함한다.

상기 실리카 전구체 혼합물은 실리카 전구체인 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane : TEOS)과 메틸트리에톡시실란(Methyltriethoxysilane : MTES) 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane : MAPTS)이 혼합되어 형성된다.

이때, 상기 TEOS는 실리카 고분자의 안정된 네트워크 구조를 형성하기 위해 사용되고, 상기 MTES는 네트워크의 유연성을 증가시키기 위해 사용되며, 상기 MAPTS는 상용 유기도료와의 안정적인 결합을 위해 사용된다. 따라서, TEOS와 MTES만으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물을 상용 유기도료와 혼합하여 페인트 조성물을 제조하면, 상기 페인트 조성물은 시간이 경과됨에 따라 유기도료와 실리카 전구체 혼합물이 서로 분리되는 문제가 발생될 수 있지만, 본 발명은 실리카 전구체 혼합물에 MAPTS가 포함되어 있어 유기도료와 실리카 전구체 혼합물이 원활하게 혼합될 수 있다.

본 발명에 따른 실리카 전구체 혼합물로 TEOS는 0.1 내지 2.0 몰농도(M)가 포함될 수 있다. 이때, 실리카 전구체 혼합물에 포함되는 TEOS의 함량이 0.1 몰농도 미만이면 실리카 전구체의 함량의 저하로 경도가 약화될 수 있으며, TEOS의 함량이 2.0 몰농도를 초과하면 실리카 전구체의 함량이 높아져 마그네슘 소재의 표면에서 경화된 페인트 조성물이 부서지기 쉬워지고, 건조되는 과정 중에 크랙이 발생될 수 있다.

본 발명에 따른 실리카 전구체 혼합물로 MTES는 0.1 내지 2.0 몰농도가 포함될 수 있다. 이때, 실리카 전구체 혼합물에 포함되는 MTES의 함량이 0.1 몰농도 미만이면 네트워크의 유연성이 저하되며, MTES의 함량이 2.0 몰농도를 초과하면 네트워크 구조가 느슨하게 변형되어 경화된 코팅 보호막의 경도가 저하된다.

본 발명에 따른 실리카 전구체 혼합물로 MAPTS는 0.1 내지 2.0 몰농도가 포함될 수 있다. 이때, 실리카 전구체 혼합물에 포함되는 MAPTS의 함량이 0.1 몰농도 미만이면 실리카 전구체와 유기도료의 결합비율의 불균형으로 인하여 충분한 결합이 이루어지지 못하게 됨에 따라 안정적인 구조를 형성하지 못한다. 또한, MAPTS의 함량이 2.0 몰농도를 초과하면 실리카 전구체와 유기도료의 결합비율의 불균형으로 인하여 실리카 보호막 내부에 유기성분이 많아지게 되어 경화된 코팅 보호막의 경도가 저하된다.

이러한 실리카 전구체 혼합물은 표면처리액에 전술한 3 종류의 실리카 전구체의 총 몰농도가 1 내지 3이 되도록 포함되는 것이 바람직하다. 이는, 화학적 몰농도의 양으로 실리카 전구체의 총 몰농도가 3몰농도를 초과하게 될 경우, 그에 필요한 에탄올, 물 및 실리카 나노미터 콜로이드의 양이 충분하게 혼합되지 못하기 때문이다. 이와 같이, 실리카 전구체 혼합물 대비 에탄올, 물 및 실리카 나노미터 콜로이드의 혼합용액의 용량이 부족하게 되면 반응이 잘 일어나지 못하게 되어 안정적인 상태의 페인트 조성물을 합성하기 어려워진다.

더불어 실리카 전구체 혼합물은 pH가 1 내지 2.5 수준인 것이 바람직하다. 만약, pH 1 미만이면 코팅용액에 의한 마그네슘재의 부식 반응이 일어나게 되며, 이와 반대로 pH가 2.5 을 초과하면 시간이 경과됨에 따라 코팅용액의 안정성이 감소하여 졸이 아닌 겔화 진행이 이루어지는 문제가 발생될 수 있다. 이와 같이 적절한 pH 범위의 선택은 본 발명에 있어 중요한 요소이다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 물을 포함한다.

상기 물은 실리카 전구체 혼합물의 가수분해 반응을 위해 첨가되는 것으로서, 어떠한 물질도 포함하지 않는 연수, 증류수, 탈이온수 또는 여과된 수돗물을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 사용하는 것이 좋다.

상기 물은 본 발명의 표면처리액에 5 내지 15 몰농도로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 실리카 전구체 혼합물 1몰농도 당 4몰농도가 포함되는 것이 좋다. 다만, 코팅용액의 합성 시에 양적 소실과 같은 변수가 발생될 수 있기 때문에, 상기 물은 실리카 전구체 혼합물 1몰농도 당 4몰농도 이상이 포함되는 경우에 가수분해 반응이 완벽히 일어난다.

이때, 본 발명의 표면처리액에 포함되는 물의 함량이 5 몰농도 미만이면 실리카 전구체 혼합물의 가수분해율이 낮아 축합반응이 잘 이루어지지 않으므로 실리카 네트워크 형성이 저하된다. 그리고 물의 함량이 15 몰농도를 초과하면 실리카 전구체 혼합물의 가수분해율이 너무 높아져 겔화 현상이 발생하고 용액의 안정성이 저하된다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 산촉매를 포함한다.

상기 산촉매로는 질산, 규산, 초산, 아세트산, 황산, 염산, 아스코브르산, 타르타르산, 또는 사과산을 사용할 수 있지만, 페인트 조성물의 안정성, 즉 실리카 나노입자 콜로이드의 응집이나 침전현상이 발생되지 않도록 질산을 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 질산이 염산과 황산의 비해 약한 산화력을 가지며, 적은 농도의 pH 변화에도 입자표면의 전기장변화에 의해 나노입자들 간의 상호작용의 변화가 발생되어 결국 입자간의 반발력을 향상시켜 용액의 안정성을 향상시키기 때문이다.

본 발명에 따른 표면처리액에 포함되는 산촉매는 0.01 내지 0.1 몰농도가 포함된다. 이때, 상기 표면처리액에 포함되는 산촉매의 함량이 0.01 몰농도 미만이면 가수분해율이 저하되고, 페인트 조성물의 겔화시간이 빨라지게 되어 페인트 조성물의 안정성이 저하되며, 상기 표면처리액에 포함되는 산촉매의 함량이 0.1 몰농도를 초과하면 페이트 조성물의 점도가 낮아지게 되어 코팅제로서의 실용성이 저하된다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 용매를 포함한다.

상기 용매는 물과 함께 실리카 전구체에 사용되는 공통용매로서, 졸-겔 합성에서 중요한 반응인 가수분해반응과 축합반응을 잘 일으키기 위해 상기 물과 원활하게 혼합될 수 있는 용매라면 어떠한 용매를 사용하여도 무방하지만, 알코올류 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 알코올류 용매로는 에탄올 또는 이소프로필알코올(IPA)을 사용할 수 있으며, 이중에서는 보다 안정적인 에탄올을 사용하는 것이 좋다. 이러한 에탄올이나 이소프로필알코올은 졸-겔 반응 시 실리카 전구체가 흡수하는 수분을 대체하여 보충하는 역할도 한다.

본 발명에 따른 표면처리액에 포함되는 용매는 5 내지 15 몰농도가 포함된다. 이때, 상기 표면처리액에 포함되는 용매의 함량이 5몰농도 미만이면 실리카 전구체와 물의 불균일한 반응이 진행되어 반응속도가 저하되며, 상기 표면처리액에 포함되는 용매의 함량이 15 몰농도를 초과하면 페인트 조성물의 점도가 낮아져 페인트 조성물로서의 실용성이 저하된다.

이와 같이, 전술한 실리카 전구체 혼합물과 물과 산촉매 및 용매는 표면처리액을 구성하며, 전체 코팅용액 100 중량%를 기준으로 상기 표면처리액은 70 내지 97 중량%가 포함된다. 이때, 표면처리액의 함량이 70 중량% 미만이거나 97 중량%를 초과하면 코팅 보호막의 내식성과 내마모성의 성능이 저하될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 실리카 나노입자를 포함한다.

상기 실리카 나노입자는 코팅 보호막의 내식성 및 내마모성 향상을 위하여 첨가되는 것으로서, 콜로이드 상태로 혼합될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 실리카 나노입자 콜로이드는 상기 실리카 전구체 혼합물과 졸-겔 반응으로 유기질에 가까운 유·무기 혼성 복합재를 합성하며, 수성 또는 기타 용매 매질 중의 나노미터 크기의 실리카 분산물로 이루어진다. 이때, 실리카 나노입자 콜로이드는 약 85중량% 이하의 실리콘 다이옥사이드, 전형적으로는 약 80중량% 이하의 실리콘 다이옥사이드를 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 실리카의 입자는 1 내지 약 250㎚인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 약 150㎚의 범위의 입자를 갖는 실리카 콜로이드를 사용하는 것이 좋다. 여기서, 본 발명의 페인트 조성물에 사용되는 실리카 나노입자 콜로이드는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어떠한 실리카 콜로이드를 사용하여도 무방하지만, 특정적으로는 H.C. Starck사의 LEVASIL?(상품명), 듀폰사 루독스(상품명), 날코 케미칼 캄파니(Nalco Chemical Company)사의 날코 2327(Nalco 2327 : 상품명) 및 날코 2326(Nalco 2326 : 상품명), S-CHEMTECH사의 SS-SOL 30OEAC(상품명)을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 페인트 조성물에 포함되는 상기 실리카 나노입자 콜로이드는 전체 코팅용액 100 중량%를 기준으로 3 내지 30 중량%가 포함된다. 이때, 100 중량%의 코팅용액에 포함되는 실리카 나노입자 콜로이드의 함량이 3 중량% 미만이면 저온 열처리 경화시간이 길어지고 그에 따라 경도가 저하된다. 또한, 100 중량%의 코팅용액에 포함되는 실리카 나노입자 콜로이드의 함량이 30 중량%를 초과하면 실리카 나노입자의 함량이 높아져 마그네슘 소재의 표면에서 경화된 페인트 조성물이 부서지기 쉬워지고, 건조되는 과정에서 크랙이 발생되어 접착력이 저하될 수 있다.

이와 같이, 코팅용액은 표면처리액과 실리카 나노입자 콜로이드로 구성되며, 이러한 코팅용액은 페인트 조성물 100 중량%를 기준으로 80 내지 95 중량%가 포함된다.

여기서, 100 중량%의 페인트 조성물에 포함되는 코팅용액의 함량이 80 중량% 미만이면 코팅 보호막의 내식 성능이 저하되고 휴대폰 케이스와의 도장밀착성이 떨어지며, 코팅용액의 함량이 95 중량%를 초과하면 코팅 보호막의 표면에 크랙이 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 페인트 조성물은 상용 유기도료를 포함한다.

상기 상용 유기도료는 코팅 보호막의 핀홀(pinhole)과 크랙을 제거하며 코팅 보호막의 두께를 조절하는 역할을 수행한다. 이러한 상용 유기도료로는 UV 경화형 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 특정적으로는 한진사의 UV 7100(상품명) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 페인트 조성물에 포함되는 상기 유기도료는 전체 페인트 조성물 100 중량%를 기준으로 5 내지 20 중량%가 포함된다. 이때, 100 중량%의 페인트 조성물에 포함되는 상용 유기도료의 함량이 5 중량% 미만이면 코팅 보호막에 핀홀과 크랙이 형성되어 내부식 성능이 저하되며, 상용 유기도료의 함량이 20 중량%를 초과하면 코팅 보호막 내부에 함유된 다량의 유기성분에 의해 수분의 접촉이 지속적으로 이루어져 코팅 보호막이 휴대폰 케이스로부터 박리되는 현상이 발생될 수 있으며 경도도 감소된다.

더불어, 본 발명은 전술한 구성요소를 이용한 페인트 조성물의 제조방법을 제공한다.

도 2는 본 발명의 페인트 조성물의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 페인트 조성물은 합성 시 발생하는 실리카 나노입자의 성장 및 응집이나 침전현상의 문제를 해결하고 용액의 안정성을 위하여, 먼저 용매인 에탄올에 물과 질산을 혼합하고, 이를 교반시켜 혼합용액을 생성한다(S10 단계). 그 다음, 실리카 전구체인 TEOS, MTES와 MAPTS를 혼합한 실리카 전구체 혼합물을 준비한다(S20 단계). 그 다음, 상기 혼합용액에 실리카 전구체 혼합물과 에탄올계나 수계의 실리카 나노입자 콜로이드를 동시에 혼합하여 합성된 코팅용액을 3 내지 5시간 동안 상온에서 교반하여 가수분해와 축중합반응이 끝나도록 유도한다. 이렇게 합성된 코팅용액에 상용 유기도료를 투입하여 1 내지 3시간 동안 전체를 혼합한다(S30 단계). 이때, 상기 혼합용액 및 실리카 전구체 혼합물을 혼합한 표면처리액은 코팅용액 100 중량%에 대하여 70 내지 97 중량%가 포함되도록 첨가되며, 상기 실리카 나노입자 콜로이드는 코팅용액 100 중량%에 대하여 3 내지 30 중량%가 포함되도록 첨가된다.

보다 구체적으로, S10 단계에서는 에탄올, 증류수, 질산을 첨가한 후 각 물질이 잘 혼합된 상태를 만들어 주기 위하여 상온 하에서 25분 내지 60분 동안 교반하는 과정을 수행한다. 본 단계는 혼합용액의 전체 용량이 많아질수록 교반시간이 증가시키는 것이 바람직하다.

그리고 S20 단계에서는 교반기에 실리카 전구체인 TEOS, MTES와 MAPTS를 순차적으로 투입한 다음, 이를 상온 하에서 충분히 교반시켜 각 실리카 전구체를 모두 원활하게 혼합시키는 과정을 수행한다.

또한, S30 단계는 실리카 전구체와 실리카 나노입자에서 일어나는 가수분해반응과 축합반응이 실리카 전구체 물질을 순차적으로 넣을 때보다 부분적 반응이 일어나지 않고 동시에 반응이 일어날 수 있게 하기 위해 수행하는 과정이다. 만약, 실리카 전구체와 실리카 나노입자의 반응이 따로 일어나게 되면 실리카 입자의 응집 및 침전현상이 발생하게 된다. 본 단계에서는 가수분해와 축중합반응을 충분하게 반응시키기 위해 3 내지 5 시간 정도 교반하는 과정을 수행한다.

한편, 본 발명은 전술한 페인트 조성물을 이용하여 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면에 코팅 보호막을 생성하기 위한 휴대폰 케이스의 표면처리방법을 제공한다.

도 3은 본 발명의 휴대폰 케이스의 표면처리방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리방법은 마그네슘 소재에 존재하는 유기물을 제거하기 위한 알칼리탈지 단계와, 산화물과 이물질을 제거하기 위한 산세 단계와, 코팅 보호막 형성을 위한 코팅 단계, 및 치밀한 코팅표면을 제조하기 위한 경화 단계를 포함한다.

일반적으로 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면에 잔존하는 부식을 야기하는 물질이 소량이라도 포함되어 있을 경우에는 마그네슘 소재의 표면에 치명적 손상을 입게 된다. 따라서 알칼리탈지 단계에서는 휴대폰 케이스의 표면에서 부식을 유발하는 물질을 제거하는 과정을 수행한다. 보다 구체적으로, 알칼리탈지 단계는 물(예를 들면, 증류수) 1L에 수산화나트륨(NaOH) 50 내지 150g과 계면활성제(예를 들면, Triton X-100) 0.5 내지 2.5g을 넣어 80 내지 110℃ 정도로 가열하여 제조한 알칼리세정용액에 마그네슘 소재를 크기에 맞게 자른 거즈에 감싸 10 내지 20분간 담가 초음파 세척을 한 후 증류수로 2 내지 5회 수세하는 과정을 거친다.

상기 산세 단계에서는 증류수 1L에 크롬산(CrO₃)과 아세트산(CHCOOH)를 20:1 비율로 합성된 용액을 120 내지 240g 을 넣어 50 내지 100℃로 가열하여 제조한 산세처리용액에 상기 알칼리탈지 단계를 통해 알칼리탈지 처리된 마그네슘 소재를 30초 이상, 바람직하게는 1 내지 3분간 담근 후 증류수로 2 내지 5회 수세하여 주고, 에어건으로 수분을 제거하여 약 45℃ 건조장치(dry oven)에서 10 내지 40분간 건조하여 준다.

상기 코팅 단계에서는 스프레이 코팅법 등의 표면처리법을 활용하여 상기 산세 단계를 거친 휴대폰 케이스의 표면에 페인트 조성물에 의한 코팅 보호막을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 휴대폰 케이스를 상기 페인트 조성물을 이용하여 기존의 핸드폰 스프레이 도장 조건과 동일한 분사량과 분사속도로 코팅 보호막을 형성한다.

여기서, 페인트 조성물은 코팅용액 80 내지 95 중량% 및 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 포함한다. 보다 구체적으로, 코팅용액은 TEOS 0.1 내지 2.0M, MTES 0.1 내지 2.0M, 및 MAPTS 0.1 내지 2.0M로 이루어진 실리카 전구체 혼합물, 에탄올 5 내지 15M, 물 5 내지 15M 및 질산 0.01 내지 0.1M로 이루어진 표면처리액 70 내지 97 중량%, 및 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%로 이루어진다.

상기 경화 단계에서는 상기 코팅 단계를 통해 코팅 보호막이 형성된 휴대폰 케이스를 UV 조사장치를 이용하여 50 내지 70℃에서 10 내지 60분 동안 UV 경화시켜, 유무기 하이브리드 코팅 보호막을 정착시킨다.

이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

1. 용매인 에탄올 6M에 증류수 10M과 질산 0.1M을 혼합하고, 이를 30분간 교반시켜 혼합용액을 제조하였다.

2. 실리카 전구체인 TEOS 0.5M과 MTES 1M 및 MAPTS 0.5M을 혼합하여 실리카 전구체 혼합물을 제조하였다.

3. 상기 혼합용액에 실리카 전구체 혼합물과 10nm 실리카 나노입자 콜로이드를 혼합한 코팅용액 7㎏에 상용 유기도료 3㎏을 투입하고, 이를 모두 혼합하였다. 이때, 혼합용액과 실리카 전구체 혼합물은 모두 합쳐 6㎏을 사용하였고, 실리카 나노입자 콜로이드는 1㎏을 사용하였다.

그리고 이렇게 합성된 용액을 5시간동안 상온에서 교반하여 가수분해와 축중합반응이 끝나도록 유도하여 페인트 조성물을 제조하였다.

<실시예 2>

1. 100g 수산화나트륨(NaOH)과 1g 계면활성제(Triton X-100)를 증류수 1L에 넣어 90℃로 가열하여 제조한 알칼리세정용액에 마그네슘으로 형성된 휴대폰 케이스를 거즈에 감싸 15분간 초음파 세척기에 넣어 담근 후 상기 휴대폰 케이스를 증류수로 3회 세척하였다.

2. 180g 크롬산(CrO₃)과 9g 아세트산을 증류수 1L에 넣어 70℃로 가열하여 제조한 산세처리용액에 알칼리탈지 처리된 휴대폰 케이스를 1분간 담근 후 증류수로 3회 세척하고, 에어건으로 수분을 제거한 다음 건조오븐에서 45℃로 30분간 건조하였다.

3. 건조된 휴대폰 케이스에 실시예 1의 페인트 조성물을 스프레이 코팅기를 통해 분무하여 상기 휴대폰 케이스의 표면에 코팅 보호막을 형성하였다.

4. 상기 페인트 조성물이 도포된 휴대폰 케이스를 UV 조사장치에 넣어 30분 동안 UV 경화처리를 실시하여 코팅 보호막을 경화시켰다.

<실험예>

* 페인트 조성물이 처리된 휴대폰 케이스의 내부식성 시험 및 결과

실시예 2를 통해 생산된 휴대폰 케이스의 내식성을 판단하기 위하여 기본 휴대폰 케이스, 및 실시예 2를 통해 실시예 1의 페인트 조성물을 코팅처리한 휴대폰 케이스에 염분분무시험(DIN 50021, CASS)을 수행한 후 72시간 이후에 표면손상을 관찰하였다. 이때, 표면손상을 관찰하기 위해 실시예 2를 통해 실시예 1의 페인트 조성물을 코팅처리한 휴대폰 케이스와 기본 휴대폰 케이스를 SEM을 통해 SEM 사진을 촬영하였다. 그 결과는 도 4와 도 5를 통해 나타내었다.

도 4를 살펴보면, 본 발명에 따른 코팅용액이 처리된 휴대폰 케이스는 변색되거나 표면이 손상된 부분이 발생되지 않는 것으로 관찰되었다.

또한 도 5를 살펴보면, 본 발명에 따른 페인트 조성물이 처리되지 않은 휴대폰 케이스는 부분적으로 변색되었고, 표면에 손상된 부분이 발생되었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 테트라에톡시실란과 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물 1 내지 3M, 물 5 내지 15M, 산촉매 0.01 내지 0.1M 및 용매 5 내지 15M로 이루어진 표면처리액 70 내지 97 중량%, 및 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%로 구성된 코팅용액 80 내지 95 중량%; 및
   상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 1 내지 3M의 실리카 전구체 혼합물은
   0.1 내지 2M의 테트라에톡시실란과, 0.1 내지 2M의 메틸트리에톡시실란, 및 0.1 내지 2M의 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 실리카 나노입자 콜로이드는
   에탄올계이거나 수계의 실리카 나노입자 콜로이드인 것을 특징으로 하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 산촉매는
   질산인 것을 특징으로 하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 용매는
   에탄올인 것을 특징으로 하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물.
6. 에탄올 5 내지 15M와, 물 5 내지 15M, 및 질산 0.01 내지 0.1M를 혼합하고 교반시켜 혼합용액을 생성하는 단계;
   테트라에톡시실란 0.1 내지 2M와, 메틸트리에톡시실란 0.1 내지 2M, 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란 0.1 내지 2M를 혼합하여 총 1 내지 3M 범위의 실리카 전구체 혼합물을 생성하는 단계;
   상기 혼합용액 및 실리카 전구체 혼합물을 혼합한 표면처리액 70 내지 97 중량%에 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%를 혼합하고 교반시켜 코팅용액을 생성하는 단계; 및
   상기 코팅용액 80 내지 95 중량%에 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 혼합하는 단계를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 도장용 페인트 조성물의 제조방법.
7. 알칼리세정용액으로 마그네슘 소재를 10 내지 20분간 초음파 세척 후 증류수로 2 내지 5회 수세하는 알칼리탈지 단계;
   산화물과 이물질을 제거하기 위하여 알칼리탈지 단계를 통과한 마그네슘 소재를 산세처리용액에 담근 후 증류수로 2 내지 5회 수세하여 주고, 수분을 제거하여 건조시키는 산세 단계;
   상기 산세 단계를 통과한 마그네슘 소재의 표면을 테트라에톡시실란 과 메틸트리에톡시실란 및 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란으로 이루어진 실리카 전구체 혼합물 1 내지 3M, 에탄올 5 내지 15M, 물 5 내지 15M 및 질산 0.01 내지 0.1M로 이루어진 표면처리액 70 내지 97 중량% 및 실리카 나노입자 콜로이드 3 내지 30 중량%로 구성된 코팅용액 80 내지 95 중량%, 및 상용 유기도료 5 내지 20 중량%를 포함하는 페인트 조성물로 표면처리하는 코팅 단계; 및
   상기 코팅 단계를 통과한 마그네슘 소재를 UV 조사장치를 이용하여 UV 경화시켜 상기 마그네슘 소재의 표면에 유무기 하이브리드 코팅 보호막을 형성하는 경화 단계를 포함하는 마그네슘 소재로 이루어진 휴대폰 케이스의 표면처리방법.

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