KR101246429B1 - 금속-수지 접합 방법 및 금속-수지 복합체, 유리-수지 접합방법 및 유리-수지 복합체, 및 세라믹-수지 접합 방법 및세라믹-수지 복합체 - Google Patents

금속-수지 접합 방법 및 금속-수지 복합체, 유리-수지 접합방법 및 유리-수지 복합체, 및 세라믹-수지 접합 방법 및세라믹-수지 복합체 Download PDF

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슈지 구보따
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고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 오사까 다이가꾸
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Abstract

본 발명은, 적용 분야에 제한이 없고 간이한 방법으로 강고한 접합부를 형성할 수 있는, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합 방법을 제공한다. 본 발명은 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합 방법에 있어서, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료를 합친 상태하에 접합부의 수지 재료에서 바람직하게는 0.01 ㎜ 내지 5.0 ㎜의 구 상당 직경의 기포가 발생되는 온도까지 접합부를 가열함으로써 접합시키는 것을 특징으로 하는 접합 방법이다. 접합부를 가열하는 가열원으로는, 특히 레이저 광원을 이용한다.
금속-수지 접합, 유리-수지 접합, 세라믹-수지 접합, 접합부 가열, 레이저 광원

Description

금속-수지 접합 방법 및 금속-수지 복합체, 유리-수지 접합 방법 및 유리-수지 복합체, 및 세라믹-수지 접합 방법 및 세라믹-수지 복합체{METHOD FOR JOINING METAL AND RESIN AND METAL-RESIN COMPOSITE, METHOD FOR JOINING GLASS AND RESIN AND GLASS-RESIN COMPOSITE, AND METHOD FOR JOINING CERAMIC AND RESIN AND CERAMIC-RESIN COMPOSITE}
본 발명은 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법, 및 이러한 방법에 의해서 접합된 접합부를 갖는 금속-수지 복합체에 관한 것으로서, 특히 금속 재료와 수지 재료의 접합부를 특정 온도까지 가열함으로써 강고한 접합부를 형성할 수 있는 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 유리-수지 접합 방법 및 유리-수지 복합체, 및 세라믹-수지 접합 방법 및 세라믹-수지 복합체에 관한 것이다.
종래의 금속 재료와 수지 재료의 접합에 사용되는 방법으로는, 리벳 체결 또는 접착제를 이용하는 방법이 있다. 리벳 체결은 금속 재료와 수지 재료를 관통하도록, 수 ㎜ 내지 수십 ㎜ 정도의 직경을 갖는 리벳을 박아넣어서 고정하는 물리적인 체결 방법이다. 한편, 접착은 금속 재료와 수지 재료를 접착제에 의해서 물리적 흡착력 및 화학적 흡착력에 의해 고정하는 방법이다.
또한, 레이저를 이용한 접합에서는 금속 재료끼리나 수지 재료끼리를 용접 및 용착시킴으로써 접합하는 방법이 실용화되어 있지만, 금속 재료와 수지 재료의 접합은 행해지지 않았다. 단지, 최근 들어, 레이저 수지 접합에서는, 레이저광의 파장에 대하여 투명한 재료와 불투명한 재료를 중첩시키고, 레이저광을 투명한 재료측으로부터 조사하여, 접합부만을 용융시켜 접합하는 획기적인 방법이 실용화되어 있다. 이 방법에서는, 접합 면적도 넓게 취할 수 있고, 또한 가열 시의 수지의 분해에 기초하는 가스의 발생을 억제할 수도 있다(특허 문헌 1 내지 3, 비특허 문헌 1 참조).
금속 재료와 수지 재료의 접합에 대한 필요성이 강하게 요망되고 있다. 그 이유는, 필요한 부분만 금속 재료를 사용하고, 나머지를 수지 재료로 치환함으로써, 수지 재료의 중량 또는 비용이 금속 재료에 비하여 모두 절반 이하이기 때문에, 대폭적인 중량과 비용의 삭감을 기대할 수 있고, 절연체인 수지 재료의 우수한 전기·열특성에 관한 설계 자유도의 향상, 또는, 이들을 조합함으로써, 새로운 복합 기능성 재료의 창출 등 다양한 메리트를 들 수 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2003-325710호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 (소)60-214931호 공보
특허 문헌 3: 일본 특허 공개 제2002-67165호 공보
비특허 문헌 1: 제59회 레이저 가공 학회 논문집, 제1 내지 7 페이지(2003년 9월)
그러나, 종래의 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법인 리벳 체결이나 접착제 를 이용하는 방법으로서는 적용 분야가 한정되는 것이 현실이다. 리벳 체결에서는, 체결부에 어느 정도의 크기·중량이 있기 때문에, 부품의 대형화·중량화를 피할 수 없고, 설계의 자유도도 저하되기 때문에, 대형 또는 단순한 상품 또는 부품에 주로 적용되고 있다. 한편, 접착에서는 대형화·중량화되지는 않지만, 기술적인 면에서, 접착제가 젖어서 퍼지기 때문에 정밀한 핀 포인트의 접합이 어려운 점, 평면보다 요철 표면쪽이 접착 강도는 높아지는 등 접착 표면의 제한, 생산면에서는, 경화 시간이 길기 때문에 생산 택트의 저하나 접착제의 상태 유지·관리가 어려운 등의 문제점이 존재한다. 또한, 레이저를 이용한 접합에서는, 수지끼리의 접합에서와 같이, 레이저 파장에 대하여 투명한 수지 재료 및 불투명한 수지 재료를 사용해야만 하기 때문에, 재료 선택에 제한이 있는 점, 또는 투명한 수지 재료 쪽으로부터만 레이저 조사할 수 있다는 점에서 생산 기술면에서의 문제점도 존재한다. 이러한 문제점은, 유리 재료와 수지 재료의 접합, 및 세라믹 재료와 수지 재료의 접합에 있어서도 마찬가지로 존재한다.
<발명의 개시>
<발명이 해결하고자 하는 과제>
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 그 목적은, 적용 분야에 제한이 없고 간이한 방법으로 강고한 접합부를 형성시킬 수 있는, 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법, 유리 재료와 수지 재료의 접합 방법, 및 세라믹 재료와 수지 재료의 접합 방법, 및 이러한 방법에 의해서 접합된 강고한 접합부를 갖는 금속-수지 복합체, 유리-수지 복합체, 및 세라믹-수지 복합체를 제공하는 데에 있다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명자 등은 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구한 결과, 이하의 지견에 도달하였다.
금속-수지 접합 방법은, 금속 재료와 수지 재료를 합친 상태에서, 접합부의 금속 재료 및 수지 재료에 대하여, 수지 재료 내부로부터 열분해로 인한 가스가 팽창되어 수지 내부에 기포가 발생될 정도까지 가열한다. 이때, 마이크로 사이즈 영역이기는 하지만, 기포 발생에 따른 폭발적인 압력이 접합부에 가해져, 접합부의 금속 재료 및 수지 재료의 온도가 높아지게 되면서, 기포 주변부의 수지 재료와 금속 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합 또는 금속 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족시켜서 접합된다. 또한, 수지 재료가 냉각되어 굳어질 때는, 기포의 온도도 감소되기 때문에, 기포 내부의 압력이 저하되어 흡착력이 발생된다. 이들 접합력이 복합됨으로써 금속-수지 접합이 가능해진다. 또한, 가열원으로서 레이저광을 사용함으로써, 국소적인 급속 가열과 급속 냉각이 가능하게 되어, 기포 발생에 수반되는 압력·흡착력을 증가시킬 수 있어, 금속 재료와 수지 재료의 접합을 촉진시킬 수 있다. 유리-수지 접합 방법 및 세라믹-수지 접합 방법도 금속-수지 접합 방법과 동일하다.
보다 구체적으로, 본 발명은, 하기 (1) 내지 (30)의 구성을 포함한다.
(1) 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 금속 재료와 수지 재료를 합친 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되는 온도까지 접합부를 가열함으로써 접합시키는 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
(2) 가열 온도가 수지의 연화 온도 이상이고 또한 금속의 비점 미만인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 따른 금속-수지 접합 방법.
(3) 가열 온도가 접합부에서 200 ℃ 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 따른 금속-수지 접합 방법.
(4) 가열 온도는 수지에서 기포가 접합부 부근으로부터의 이동을 수반하지 않는 온도인 것임을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법.
(5) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구(sphere) 상당 직경이 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법.
(6) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법.
(7) 수지 재료가 열가소성 수지 재료인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법.
(8) 접합부를 가열하는 가열원으로서 레이저 광원을 이용하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법.
(9) 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 따른 금속-수지 접합 방법에 의해 금속 재료와 수지 재료가 접합된 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 금속-수지 복합체.
(10) 접합부의 인장 전단 강도가 5 ㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 상기 (9)에 따른 금속-수지 복합체.
(11) 유리 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 유리 재료와 수지 재료를 합친 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되는 온도까지 접합부를 가열함으로써 접합시키는 것을 특징으로 하는 유리-수지 접합 방법.
(12) 가열 온도가 수지의 연화 온도 이상이고 또한 유리의 비점 미만인 것을 특징으로 하는, 상기 (11)에 따른 유리-수지 접합 방법.
(13) 가열 온도가 접합부에서 200 ℃ 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는, 상기 (11)에 따른 유리-수지 접합 방법.
(14) 가열 온도는 수지에서 기포가 접합부 부근으로부터의 이동을 수반하지 않는 온도인 것임을 특징으로 하는, 상기 (11) 내지 (13) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법.
(15) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 (11) 내지 (14) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법.
(16) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는, 상기 (11) 내지 (14) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법.
(17) 수지 재료가 열가소성 수지 재료인 것을 특징으로 하는, 상기 (11) 내지 (16) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법.
(18) 접합부를 가열하는 가열원으로서 레이저 광원을 이용하는 것을 특징으로 하는, 상기 (11) 내지 (17) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법.
(19) 상기 (11) 내지 (18) 중 어느 하나에 따른 유리-수지 접합 방법에 의해 유리 재료와 수지 재료가 접합된 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 유리-수지 복합체.
(20) 접합부의 인장 전단 강도가 5 ㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 상기 (19)에 따른 유리-수지 복합체.
(21) 세라믹 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 세라믹 재료와 수지 재료를 합친 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되는 온도까지 접합부를 가열함으로써 접합시키는 것을 특징으로 하는 세라믹-수지 접합 방법.
(22) 가열 온도가 수지의 연화 온도 이상이고 또한 세라믹의 비점 미만인 것을 특징으로 하는, 상기 (21)에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(23) 가열 온도가 접합부에서 200 ℃ 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는, 상기 (21)에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(24) 가열 온도는 수지에서 기포가 접합부 부근으로부터의 이동을 수반하지 않는 온도인 것임을 특징으로 하는, 상기 (21) 내지 (23) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(25) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 (21) 내지 (24) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(26) 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는, 상기 (21) 내지 (24) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(27) 수지 재료가 열가소성 수지 재료인 것을 특징으로 하는, 상기 (21) 내지 (26) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(28) 접합부를 가열하는 가열원으로서 레이저 광원을 이용하는 것을 특징으로 하는, 상기 (21) 내지 (27) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법.
(29) 상기 (21) 내지 (28) 중 어느 하나에 따른 세라믹-수지 접합 방법에 의해 세라믹 재료와 수지 재료가 접합된 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹-수지 복합체.
(30) 접합부의 인장 전단 강도가 5 ㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 상기 (29)에 따른 세라믹-수지 복합체.
<발명의 효과>
본 발명의 접합 방법은 금속 재료, 유리 재료, 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 강고한 접합을 가능하게 한다. 구체적으로는, 가열원으로서 레이저 광원이나 전리성 방사선원 등을 사용하여 수지 재료 내부를 가열함으로써 수지에 미세한 기포를 발생시켜 기포를 포함하는 구조를 갖게 함으로써, 기포 발생에 수반되는 압력·흡착력을 증가시킬 수 있어, 금속 재료, 유리 재료, 또는 세라믹 재료와 수지 재료 사이의 강고한 접합을 촉진시킬 수 있다.
또한, 가열원으로서 레이저 광원이나 전리성 방사선원 등을 사용함으로써, 많은 이점이 발생한다. 첫째로, 레이저 광원이나 전리성 방사선원 등을 사용하여 국소적으로 가열할 수 있기 때문에 작은 접합부를 만들어낼 수 있다. 따라서, 리벳 체결에 있어서의 리벳 크기의 접합부나 리벳 자체가 불필요해져서, 접합부의 대형화·중량화를 방지할 수 있다. 둘째로, 접착제를 사용하는 접합 방법에서는, 접착제가 젖어서 퍼지기 때문에 정밀한 핀 포인트의 접합이 어렵지만, 예를 들어 레이저 광원은 마이크로미터 오더까지 빔 직경을 좁힐 수 있기 때문에, 정밀하고 미세한 접합부도 얻을 수 있다. 셋째로, 수지 재료가 냉각되어 굳어질 때에 발생되는 흡착력이 평면일수록 유리하게 기능하기 때문에, 접합 표면의 제한도 경감할 수 있다. 넷째로, 접합을 위해 요하는 레이저광 조사 시간은 접착제의 경화에 관한 시간보다도 짧아서, 생산의 속도제한 단계로 작용하지 않는다. 또한, 레이저광으로 접합하는 경우에는 접착제로 접합하는 경우보다 산화·열화가 야기되는 것을 억제할 수 있는 경우가 있어, 유지·관리가 비교적 용이하다. 다섯째로, 수지 재료를 투과하는 레이저광의 파장이나 전리성 방사선원을 선택함으로써, 금속 재료, 유리 재료, 또는 세라믹 재료측으로부터 또는 수지 재료측으로부터 가열하는 것이 가능하게 되어, 가열원을 가하는 방향의 제약이 없어진다. 이것은, 설계 자유도·재료 선택의 자유도를 증가시키기 때문에, 생산 기술적인 면에서도 매우 유효하다. 사실, 레이저광을 이용한 수지 재료끼리의 접합에서는, 한쪽으로부터만 레이저광을 조사할 수 있다는 제약이 존재하는 경우도 있다.
도 1은 실시예 1의 접합 방법의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 실시예 1의 접합 방법에 있어서의 레이저 조사 초기 단계에서의 접합 공정의 개략도.
도 3은 실시예 1의 접합 방법에 있어서의 기포 발생 동안의 접합 공정의 개략도.
도 4는 실시예 1의 접합 방법에 있어서의 레이저 조사 직후의 접합 공정의 개략도.
도 5는 실시예 1의 접합 방법으로 형성된 접합부를 도시하는 도면.
도 6은 실시예 2의 접합 방법의 구성을 도시하는 도면.
도 7은 실시예 2의 접합 방법에 있어서의 레이저 조사 초기 단계에서의 접합 공정의 개략도.
도 8은 실시예 2의 접합 방법에 있어서의 기포 발생 동안의 접합 공정의 개략도.
도 9는 실시예 2의 접합 방법에 있어서의 레이저 조사 직후의 접합 공정의 개략도.
도 10은 실시예 2의 접합 방법으로 형성된 접합부를 도시하는 도면.
도 11은 실시예 3의 접합 방법에 있어서의 접합부의 표면 외관을 도시하는 도면.
도 12는 실시예 3의 접합 방법에 있어서의 접합부의 인장 전단 하중을 도시 하는 그래프.
도 13은 실시예 3의 접합 방법에 있어서의 접합부의 인장 전단 강도를 도시하는 그래프.
도 14는 실시예 4의 접합 방법에 있어서의 접합부의 주사 전자 현미경 사진.
<부호의 설명>
1 : 파이버 레이저 발진기
2 : 파이버
3 : 레이저 가공 헤드
4 : 파이버 레이저광
5 : 집광 렌즈
6 : 피가공물
7 : 피가공물
8 : 클램프
9 : 열수송
10 : 피가공물 (6)과 피가공물 (7)의 경계부
11 : 기포
12 : 기포 (11)의 발생에 수반되는 압력
13 : 흡착하는 힘
14 : 접합부
15 : YAG 레이저 발진기
16 : 가공 헤드
17 : YAG 레이저광
18 : 집광 렌즈
19 : 피가공물
20 : 피가공물
21 : 열수송
22 : 피가공물 (19)와 피가공물 (20)의 경계부
23 : 기포
24 : 기포 (22)의 발생에 수반되는 압력
25 : 흡착하는 힘
26 : 접합부
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하에 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 방법에서 사용되는 금속 재료로는, 철, 알루미늄, 티탄, 구리 등 및 이들의 합금을 들 수 있지만, 특별히 이에 한정되지 않는다. 단, 마그네슘, 알루미늄, 및 이들의 합금과 같이 비점이 낮은 금속 재료는 접합부에 충분한 열을 입력할 수 없을 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 본 발명에 있어서는, 접합부를 높은 온도까지 급속 가열할 수 있는 탄소강, 스테인레스강, 티탄 합금 등을 포함하는 금속 재료가 특히 바람직하다. 금속 재료는 수지 재료와의 접합력을 높이기 위한 표면 처리를 행한 것이 바람직하다. 또한, 오스테나이트계 스테인레스강 SUS 304의 경우, 표면 미연마된 취득재료로 고강도의 접합부가 얻어지고, 본 발명자 등의 실험의 결과, 접합되는 금속 재료의 표면의 조도가 접합부의 접합 강도에 거의 영향을 주지 않는 경우가 있다는 것이 발견되었다. 금속 재료의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 0.1 ㎜ 이상, 나아가서 1 ㎜ 이상, 나아가서 3 ㎜ 이상의 두께의 금속 재료이어도 상관없다.
본 발명의 방법에서 사용되는 유리 재료로는, 화학 성분에 의한 분류로부터 다음과 같은 것이 있다. 즉, 규산, 소다회 및 석회로부터 제조되는 「소다 유리」, 규산, 탄산칼슘 및 산화연으로부터 제조되는 「납 유리」, 규산, 붕산 및 소다회로부터 제조되는 「붕규산 유리」 등을 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 유리 재료의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 0.1 ㎜ 이상, 나아가서 1 ㎜ 이상, 나아가서 3 ㎜ 이상의 두께의 유리 재료이어도 상관없다.
본 발명의 방법에서 사용되는 세라믹 재료로는, 조성 면에서 다음과 같은 것이 있다. 즉, 산화물계로서 알루미나나 지르코니아 등, 탄화물계로서 탄화규소 등, 질화물계로서 질화규소 등, 및 기타 탄산염계, 인산염계, 수산화물계, 할로겐화물계 및 원소계 등을 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 세라믹 재료의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 0.1 ㎜ 이상, 나아가서 1 ㎜ 이상, 나아가서 3 ㎜ 이상의 세라믹 재료이어도 상관없다.
본 발명의 방법에서 사용되는 수지 재료로는, 열원하에 유동화하는 수지 및/또는 수지의 전구체일 필요가 있다. 구체적으로 이용하는 수지의 종류로는, 예를 들면, 나일론6(PA6) 및 나일론66(PA66) 등의 폴리아미드 수지(PA), 폴리에틸렌테레 프탈레이트(PET) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등의 폴리에스테르 수지, 폴리카르보네이트(PC) 수지, 폴리스티렌 및 ABS 등의 스티렌계 수지, 아크릴계 수지(MMA 등) 등의 열가소성 수지를 들 수 있다. 특히, 주쇄, 측쇄 및/또는 말단에 극성기, 또는 금속과 반응성인 기를 갖는 수지 재료가 바람직하고, 폴리아미드 수지(PA), 폴리에스테르 수지, 폴리카르보네이트(PC), 및 카르복실산기나 술폰산 금속염기 등의 극성기, 또는 금속, 유리 또는 세라믹과 반응성인 기를 측쇄 및/또는 말단에 갖는 스티렌계 수지 및 아크릴계 수지 등이 바람직하다. 특히 주쇄, 측쇄 및/또는 말단에 극성기, 또는 금속, 유리 또는 세라믹과 반응성인 기를 갖는 비정질성 수지를 포함하는 수지 재료가 바람직하다. 또한, 수지 재료는 바람직하게는 구성 원자 중에 산소를 포함하는데, 이는 금속, 유리 또는 세라믹의 표면의 산화물과 용이하게 화학 결합을 형성하여 높은 접합 강도가 얻어지기 때문이다. 또한, 본 발명에 사용되는 수지 재료로는 필요에 따라 유리 섬유, 카본 섬유 등의 보강 섬유나 착색제, 열안정화제, 광안정화제 등을 첨가한 것을 이용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 방법에서 사용되는 수지 재료는, 가열에 의해서, 특히 레이저 광원이나 전리성 방사선원 등에 의한 가열에 의해서 기포가 발생되는 수지 재료일 필요가 있다. 예를 들면, 흡습된 수지 재료 내의 수분이 가열되는 것에 의한 가스 발생 또는 고온에서 수지 재료가 분해되는 것에 의한 가스 발생에 의해서 기포가 발생되는 수지 재료가 이용된다. 수지 재료의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 0.1 ㎜ 이상, 나아가서 1 ㎜ 이상, 나아가서 3 ㎜ 이상의 두께의 수지 재료이어도 상관없다.
본 발명의 방법에서는, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료를 합친 상태에서 접합부를 레이저광이나 전리성 방사선 등으로 가열함으로써 양 재료를 견고하게 접합시킬 수 있다. 접합부의 가열 온도는, 수지 재료 내부에서 미세한 기포가 발생되는 온도일 필요가 있고, 구체적으로는 수지의 연화 온도 이상이면서 금속, 유리 또는 세라믹의 비점 미만이고, 바람직하게는 접합부에서 200 ℃ 내지 1500 ℃이다. 또한, 가열 온도는, 수지에서 기포가 접합부 부근으로부터의 이동을 수반하는 높은 온도로 하지 않는 것이 바람직하다. 이는, 수지 내의 기포가 이동하면, 접합부에서의 기포 발생에 따른 압력과 열에 의한 접합을 기대할 수 없게 되기 때문이다. 또한, 가열에 의해 접합부의 수지 내에 발생되는 기포의 구 상당 직경의 상한은, 접합 강도나 외관 면에서 5 ㎜ 이하, 바람직하게는 3 ㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 1 ㎜ 이하, 특히 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하이다. 하한은 접합 강도 면에서 0.0001 ㎜ 이상, 바람직하게는 0.001 ㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 0.01 ㎜ 이상이다.
본 발명의 방법에서 사용되는 접합부의 가열원으로는, 레이저 광원 또는 전리성 방사선원 등이 바람직하다. 레이저 광원으로는, 예를 들면, YAG 레이저, 파이버 레이저, 반도체 레이저(laser diode), 탄산 가스 레이저 등을 사용할 수 있다. 전리성 방사선원으로는, 예를 들면, 전자선, γ선, X선 등을 사용할 수 있는데, 특히 전자선이 바람직하다. 또한, 이들 가열원의 조사는, 연속 조사 또는 펄스 조사 중의 어느 것일 수도 있다.
또한, 레이저 광원을 사용하는 경우에는, 레이저의 파워, 파워 밀도, 가공 속도(이동 속도)나 촛점 벗어남 거리(defocusing distance) 등의 조사 조건은, 목적에 따라 적절하게 설정 가능하다. 예를 들면, 레이저의 파워 밀도는, 1 W/㎟ 내지 10 kW/㎟가 바람직하다. 또한, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합면 부근의 수지 재료에만 미세한 기포를 발생시키는 조건을 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 레이저의 파워를 크게 하면 접합부가 고온이 되고, 그 후의 냉각도 늦어지고 수지 내에 발생되는 기포도 커지는 반면, 파워를 작게 하면 수지 내에 기포가 발생하지 않거나, 기포가 극단적으로 적어져, 접합 강도가 작아진다. 접합 강도는, 적절한 크기의 기포를 급속히 발생시킴으로써, 용융된 상태의 수지를 금속, 유리 또는 세라믹의 표면에 밀착하도록 하면 높아진다. 또한, 레이저의 촛점 벗어남 거리를 크게 하면, 파워 밀도가 작아지기 때문에, 이러한 거리를 커버하는 큰 파워의 레이저를 조사할 수 있고, 그 결과 넓은 조건 범위에서 양호한 접합부가 얻어지고, 제어가 용이해진다. 또한, 레이저의 이동 속도를 크게 하면, 바람직한 접합을 얻을 수 있는 레이저 파워의 범위가 넓어지기 때문에 제어가 용이해진다. 또한, 레이저의 조사의 방향은, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료를 합친 상태에서 어느 재료측으로부터 행하여도 강고한 접합부를 형성할 수 있다.
본 발명의 방법에서는, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료를 합친 상태에서, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합부를 가열함으로써, 수지 재료 내부로부터 열분해에 의해 형성된 가스가 팽창되어, 수지 내부에 미세한 기포가 발생된다. 그 원리는 명확하지 않지만, 이때 마이크로 사이즈 영역에서, 기포 발생에 따른 폭발적인 압력이 접합부에 가해져, 접합부의 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료 및 수지 재료의 온도가 높아지게 되면서, 기포 주변부의 수지 재료와 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합력 및/또는 금속, 유리 또는 세라믹의 산화물을 통한 화학적인 접합력으로 금속, 유리 또는 세라믹과 수지가 접합할 수 있는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 수지 재료가 냉각되어 굳어질 때에는, 기포의 온도도 감소되기 때문에, 기포 내부의 압력이 저하되어, 흡착력이 발생된다. 이들 접합력이 복합됨으로써 금속, 유리 또는 세라믹과 수지와의 강고한 접합이 가능해진다. 또한, 가열원으로서 레이저광을 사용함으로써, 국소적인 급속 가열과 급속 냉각이 가능하게 되어, 기포 발생에 따른 압력·흡착력을 증가시킬 수 있어, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합을 촉진시킬 수 있다. 본 발명의 방법에 따라 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료가 접합된 복합체는, 1 ㎫ 이상, 보다 특히 5 ㎫ 이상, 보다 특히 10 ㎫ 이상의 인장 전단 강도를 갖는 강고한 접합부를 가질 수 있다.
이하에 실시예에 의해 본 발명의 방법을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 측정된 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합부의 각 물성에 대한 측정 방법을 이하에 나타낸다.
1. 접합부의 온도
접합부의 온도는, R(백금·백금로듐: Pt-Pt 13％ Rh) 또는 K(아르멜·크로멜) 열전쌍을 사용하여 접합부의 금속, 유리 또는 세라믹 측의 표면 온도를 실측함으로써 얻었다.
2. 접합부의 기포의 구 상당 직경
기포의 관찰과 계측은 실체 현미경으로 행하였다. 접합부를 실체 현미경으로 관찰하고, 사진 촬영(컴퓨터 화면에 표시함)을 행하였다. 또한, 기준 치수(0.1 ㎜, 0.5 ㎜, 1 ㎜)도 관찰하여 컴퓨터 화면에 표시하고, 기포와 기준 치수와의 비교에 의해 개개의 기포의 구 상당 직경을 화상 분석함으로써 측정하였다.
3. 접합부의 접합 강도(인장 전단 강도 및 파괴 상태)
판형의 금속 재료와 수지 재료(각각 길이 70 ㎜×폭 30 ㎜×두께(후술 참조))를 준비하여, 길이 70 ㎜ 중 20 ㎜를 인장 시험용 유지부로 하고 나머지 50 ㎜를 중첩시켜서 접합시킨 것을 인장 전단 시험편으로 준비하였다. 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료의 시험용 유지부의 각각 10 ㎜를 인장 시험기(최대 하중 1톤)의 상하의 척(chuck) 사이에 끼우고, 5 ㎜/분의 속도로 서로 인장하여, 하중-연신 곡선을 얻음과 동시에 최대 파단 하중을 계측하고, 이것을 인장 전단 강도로 하였다. 또한, 계측하는 동안에, 파단(파괴)가 접합부 이외의 수지 재료의 모재에서 발생되는지(모재 파괴), 또는 접합부에서 발생되는지(접합부 파괴)에 대해서도 관찰하였다. 파괴가 접합부 이외의 모재에서 발생되는 모재 파괴의 경우에는, 접합 강도가 매우 높은 것을 나타낸다.
〔실시예 1〕
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 실시예 1의 금속-수지 접합 방법의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 발진기 (1)로부터 파이버 (2)를 통해 레이저 가공 헤드 (3)에 파장 1090 ㎚의 파이버 레이저광 (4)를 도입하고, 촛점 거리 80 ㎜의 집광 렌즈 (5)로 집광하였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 15 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (6)의 금속 재료인 순수한 티탄과 피가공물 (7)의 수지 재료인 폴리카르보네이트(미츠비시 엔지니어링 플라스틱사 제조 「노바플렉스 7025IR」, 유리 전이 온도=150 ℃ (DSC법 JIS K 7121에 준거한 Tmg의 값), 카탈로그값의 하중 변형 온도=129 ℃(하중: 1.80 ㎫)/142 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 30 W에서 레이저광 (4)의 조사 중에 이동 속도 3 ㎜/s로 이동시켰다. 그때, 집광 렌즈 (5)측(가열원 측)에 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (6)의 순수한 티탄은 두께 1 ㎜의 판형이고, 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트는 두께 0.5 ㎜의 판형이다. 레이저광 (4)가 피가공물 (7)에 조사되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저광 (4)는 피가공물 (7)을 투과하고, 레이저광 (4)의 파장에 대하여 흡수율이 높은 피가공물 (6)의 순수한 티탄이 주로 가열됨으로써, 피가공물 (6)으로부터 피가공물 (7)로의 열수송 (9)에 의해, 피가공물 (6)과 피가공물 (7)의 경계부 (10) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 3에 도시한 바와 같이 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트 내부에서 열분해가 일어나, 가스가 발생함으로써, 기포 (11)이 형성된다. 이 때, 기포 (11)의 발생에 수반되는 압력 (12)가 발생한다. 또한 가공물 (6)의 금속 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (7)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (11)의 주변부에서, 피가공물 (7)의 수지 재료와 피가공물 (6)의 금속 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합, 또는 금속 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (4)의 조사를 정지하면, 기포 (11)이 급속 냉각되어, 압력 (12)가 저하되어, 도 4에 도시된 바와 같이 피가공물 (6)의 티탄을 흡착하는 힘 (13)이 발생한다. 이들 접합력이 복합되어, 도 5에 도시된 바와 같이 금속-수지 접합부 (14)가 형성되었다. 이 금속-수지 접합부 (14)는, 접합부에 기포 (11)(구 상당 직경 약 0.01 내지 1 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하였다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부 이외의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 23 ㎫였다.
〔실시예 2〕
도 6은 실시예 2의 금속-수지 접합 방법의 구성을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, YAG 레이저 발진기 (15)로부터 파이버 (2)를 통해 가공 헤드 (16)에 파장 1064 ㎚의 YAG 레이저광 (17)을 도입하고, 촛점 거리 200 ㎜의 집광 렌즈 (18)로 집광하였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 30 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (19)인 금속 재료 스테인레스강 SUS 304와 피가공물 (20)인 수지 재료 PA12계 비정질성 폴리아미드(도요 보우세끼사 제조 「T-714H」, 유리 전이 온도=160 ℃ (DSC법 JIS K 7121에 준거한 Tmg의 값), 하중 변형 온도=130 ℃(하중: 1.80 ㎫)/145 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시 키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 1000 W에서 레이저광 조사 중에 이동 속도 30 ㎜/s로 이동시켰다. 그 때, 집광 렌즈 (18) 측에 피가공물 (19)의 금속 재료인 스테인레스강 SUS 304가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (19)의 스테인레스강 SUS 304는 두께가 3 ㎜인 판형이고, 피가공물 (20)의 T-714H는 두께 2 ㎜의 판형이다. 레이저광 (17)이 피가공물 (19)에 조사되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저광 (17)이 피가공물 (19)의 스테인레스강 SUS 304을 흡수되어 발열되고, 열수송 (21)에 의해, 피가공물 (19)과 피가공물 (20)의 경계부 (22) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 피가공물 (20)의 T-714H 내부에서 발생된 가스에 의해 기포 (23)이 발생된다. 이 때, 기포 (23)의 발생에 수반하여 압력 (24)이 발생한다. 또한, 피가공물 (19)의 금속 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (20)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (23) 주변부의 피가공물 (20)의 수지 재료와 피가공물 (19)의 금속 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합 또는 금속 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (17)의 조사를 정지하면, 기포 (23)이 급속 냉각되어, 압력 (24)이 저하되어, 도 9에 도시된 바와 같이 피가공물 (19)의 스테인레스강 SUS 304에 흡착하는 힘 (25)가 발생한다. 이들 접합력이 복합되어, 도 10에 도시된 바와 같이 금속-수지 접합부 (26)가 형성되었다. 이 금속-수지 접합부 (26)는, 접합부에 기포 (23)(구 상당 직경 약0.01 내지 3 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하였다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부 이외의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 21 ㎫였다.
〔실시예 3〕
이하의 조건하에 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 재료와 수지 재료의 접합부의 가열을 행하고, 레이저 파워를 변화시킨 경우의 접합부의 표면 외관과 기포의 상태를 관찰함과 함께, 접합부의 인장 전단 하중와 인장 전단 강도를 측정하였다.
금속 재료: 스테인레스강 SUS 304판(두께 2 ㎜)
수지 재료: PA12계 비정질성 폴리아미드판(상술한 도요 보우세끼사 제조 「T-714H」)(두께 2 ㎜)
가열원 측의 재료: 수지 재료
가열원: YAG 레이저 사용
파워(0 내지 1000 W에서 변화)
촛점 벗어남 거리: 20 ㎜(빔 직경 5 ㎜)
이동 속도: 10 ㎜/s
레이저 파워를 변경한 경우의 접합부의 표면 외관(파워 110 W, 300 W, 560 W, 850 W)를 도 11에 도시하였다. 도 11로부터 분명한 바와 같이, 레이저 파워 110 W에서 수지 재료의 기포가 발생하기 시작하였고, 그 후 파워를 상승시키면 300 W 이상에서 0.01 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 구 상당 직경의 기포가 발생되었고, 그 후 파워의 상승과 함께 기포가 비대화되었다. 기포가 발생된 모든 접합부에서 수지 재료와 금속 재료의 접합을 확인하였다.
또한, 레이저 파워를 0 내지 1000 W에서 변화시킨 경우의 접합부의 인장 전단 하중 및 인장 전단 강도를 각각 나타내는 그래프를 도 12 및 도 13에 도시하였 다. 도 12 및 도 13으로부터 분명한 바와 같이, 기포의 발생이 거의 없는 낮은 레이저 파워인 경우, 접합부의 인장 전단 하중 및 인장 전단 강도는 모두 낮았지만, 레이저 파워의 상승과 함께 적절한 크기의 기포가 발생하면 접합부에서 매우 높은 인장 전단 강도가 얻어졌다. 그러나, 레이저 파워를 너무 높게 하면, 기포가 비대화되어, 반대로 인장 전단 강도가 저하되었다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 인장 전단 강도 측정 시험에서는 적절한 크기의 기포가 발생된 접합부는 모재 파괴가 나타난 반면, 기포의 발생이 불충분한 접합부 또는 기포가 비대화된 접합부는 접합부에서 파괴가 나타났다. 각 레이저 파워에서의 접합부의 인장 전단 강도는 표 1에 나타낸 바와 같았다.
다음으로, 금속 재료와 수지 재료의 접합 현상을 확인하기 위해서, 레이저 파워를 변화시켜 접합부의 온도를 변경한 경우의 접합부의 수지 재료의 상태를 금속 현미경을 이용하여 촬영하였다. 접합부의 표면 온도가 570 ℃일 때 수지 내에서 적은 기포(구 상당 직경 0.01 내지 0.1 ㎜)를 확인할 수 있었고, 790 ℃가 되면 수지 내에 적절한 크기의 기포(구 상당 직경 0.02 내지 1.5 ㎜)가 발생되었고, 1200 ℃가 되면 수지 내의 기포가 더욱 성장하여(구 상당 직경 0.02 내지 2.0 ㎜), 가스 방출이 확인되었다. 또한, 이들 온도 중 790 ℃로 가열되었을 때가 가장 강고한 접합부를 형성하였다(인장 전단 강도 22 ㎫). 따라서, 금속 재료와 수지 재료의 강고한 접합부의 형성에는 레이저에 의한 고온으로의 급속 가열과 플라스틱 분해에 의한 고압의 발생이 필요하여, 기포의 비대화에 따른 감압 상태를 피하는 것도 중요하다는 것을 알 수 있었다.
Figure 112008023150968-pct00001
〔실시예 4〕
이하의 조건하에 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 재료와 수지 재료의 접합부의 가열을 행하고, 양 재료의 접합부를 주사형 전자 현미경으로 촬영하였다.
금속 재료: 스테인레스강 SUS 304판(두께 2 ㎜)
수지 재료: 폴리카르보네이트(상술한 미츠비시 엔지니어링 플라스틱사 제조 「노바플렉스 7025IR」)(두께 0.5 ㎜)
가열원 측의 재료: 수지 재료
가열원: YAG 레이저 사용
파워: 750 W
촛점 벗어남 거리: 30 ㎜(빔 직경 7 ㎜)
이동 속도: 10 ㎜/s
접합부의 수지의 기포: 0.01 ㎜ 내지 0.3 ㎜(구 상당 직경)
접합부의 인장 전단 강도: 20 ㎫
접합부의 촬영 사진을 도 14에 도시하였다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저 광원에 의해서 금속 재료와 수지 재료의 접합부를 가열하여 수지 재료 내부에 기포를 발생시킴으로써, 양 재료를 마이크로미터 오더로 단단히 접합시킬 수 있었다.
〔실시예 5〕
이하의 조건하에 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 재료와 수지 재료의 접합부의 가열을 행하고, 양 재료의 접합부의 인장 전단 강도를 측정하였다.
금속 재료: 스테인레스강 SUS 304판(두께 2 ㎜)
수지 재료: PA12계 비정질성 폴리아미드판(상술한 도요 보우세끼사 제조 「T-714H」)(두께 2 ㎜)
가열원 측의 재료: 수지 재료
가열원: 반도체 레이저 사용
파워: 200 W
장방 빔형: 1 ㎜×7 ㎜
이동 속도: 2.5 ㎜/s(접합부폭이 넓어지는 방향으로 이동)
접합부의 수지의 기포: 0.01 ㎜ 내지 0.3 ㎜(구 상당 직경)
접합부의 인장 전단 강도: 50 ㎫
〔실시예 6〕
이하의 조건하에 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 재료와 수지 재료의 가열을 행하고, 양 재료의 접합부의 기포의 발생 상태와 기포의 구 상당 직경을 측정함과 함께, 접합부의 인장 전단 강도 시험에 있어서의 파괴 상태(모재 파단 또는 접합부 파단)을 관찰하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
금속 재료: 스테인레스강 SUS 304판(두께 2 ㎜)
수지 재료(두께 2 ㎜)는 다음과 같은 것을 변경하여 사용하였다:
나일론6(NY6): 도요 보우 나일론 T-800(도요 보우세끼사 제조)
나일론12(NY12): 다이아미드 L1801(다이셀·휼스사 제조)
폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT): 터프테크 PBT N1000(미츠비시레이온사 제조)
폴리아릴레이트(PAR): U-폴리머 U1000(유니티카사 제조)
가열원 측의 재료: 수지 재료
가열원: YAG 레이저 사용
파워: 650 W
촛점 벗어남 거리: 20 ㎜(빔 직경: 5 ㎜)
이동 속도: 10 ㎜/s
표 2에 나타낸 바와 같이, 수지 재료인 나일론6, 나일론12, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리아릴레이트 모두에서 적절한 크기의 기포가 발생되어, 금속 재료와의 접합 강도가 강하여, 접합부의 인장 전단 강도 시험 중에, 접합부가 아닌 수지의 모재 부분에서 파괴가 일어났다.
Figure 112008023150968-pct00002
〔실시예 7〕
실시예 7의 유리-수지 접합 방법의 구성 및 공정을 도시한 도면은 실시예 1의 도 1 내지 5와 동일하고, 이들 도면에 기초하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 발진기 (1)로부터 파이버 (2)를 통해 레이저 가공 헤드 (3)에 파장 1090 ㎚의 파이버 레이저광 (4)를 도입하고, 촛점 거리 80 ㎜의 집광 렌즈 (5)로 집광하였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 5 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (6)의 유리 재료(소다 유리로 제조된 플로트 유리판)과 피가공물 (7)의 수지 재료인 폴리카르보네이트(미츠비시 엔지니어링 플라스틱사 제조 「노바플렉스 7025IR」, 유리 전이 온도=150 ℃ (DSC법 JIS K 7121에 준거한 Tmg의 값), 카탈로그값의 하중 변형 온도=129 ℃(하중: 1.80 ㎫)/14 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 30 W에서 레이저광 (4)의 조사 중에 이동 속도 3 ㎜/s로 이동시켰다. 그 때, 집광 렌즈 (5)측에 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (6)의 유리 재료는 두께 3 ㎜의 판형이고, 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트는 두께 0.5 ㎜의 판형이다. 레이저광 (4)가 피가공물 (7)에 조사되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저광 (4)는 피가공물 (7)을 투과하고, 레이저광 (4)의 파장에 대하여 흡수율이 높은 피가공물 (6)의 유리 재료가 주로 가열됨으로써, 피가공물 (6)으로부터 피가공물 (7)로의 열수송 (9)에 의해, 피가공물 (6)과 피가공물 (7)의 경계부 (10) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트 내부에서 열분해가 일어나, 가스가 발생됨으로써, 기포 (11)이 형성된다. 이 때, 기포 (11)의 발생에 수반되는 압력 (12)가 발생한다. 또한, 피가공물 (6)의 유리 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (7)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (11)의 주변부에서, 피가공물 (7)의 수지 재료와 피가공물 (6)의 유리 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합, 또는 유리 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (4)의 조사를 정지하면, 기포 (11)이 급속 냉각되어, 압력 (12)가 저하되어, 도 4에 도시된 바와 같이 피가공물 (6)의 유리 재료를 흡착하는 힘 (13)이 발생한다. 이들 접합력이 복합되어, 도 5에 도시된 바와 같이 유리-수지 접합부 (14)가 형성되었다. 이 유리-수지 접합부 (14)는, 접합부 및 그 주변부에 기포 (11)(구 상당 직경 약 0.01 내지 1 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하고 있었다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부에서의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 5 ㎫ 이상이었다.
〔실시예 8〕
실시예 8의 유리-수지 접합 방법의 구성 및 공정을 도시한 도면은 실시예 2의 도 6 내지 10과 동일하고, 이들 도면에 기초하여 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, YAG 레이저 발진기 (15)로부터 파이버 (2)를 통해 가공 헤드 (16)에 파장 1064 ㎚의 YAG 레이저광 (17)을 도입하고, 촛점 거리 200 ㎜의 집광 렌즈 (18)로 집광하였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 10 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (19)인 유리 재료(소다 유리로 제조된 플로트 유리판)과 피가공물 (20)인 수지 재료 PA12계 비정질성 폴리아미드(도요 보우세끼사 제조 T-714H, 유리 전이 온도=160 ℃ (DSC법 JIS K 7121에 준거한 Tmg의 값), 하중 변형 온도=130 ℃(하중: 1.80 ㎫)/145 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 1000 W에서 레이저광 조사 중에 이동 속도 30 ㎜/s로 이동시켰다. 그 때, 집광 렌즈 (18) 측에 피가공물 (19)의 유리 재료가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (19)의 유리 재료는 두께가 3 ㎜인 판형이고, 피가공물 (20)의 T-714H는 두께 2 ㎜의 판형이다. 레이저광 (17)이 피가공물 (19)에 조사되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저광 (17)이 피가공물 (19)의 유리 재료에 흡수되어 발열하고, 열수송 (21)에 의해, 피가공물 (19)과 피가공물 (20)의 경계부 (22) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 피가공물 (20)의 T-714H 내부에서 발생한 가스에 의해 기포 (23)이 발생된다. 이 때, 기포 (23)의 발생에 수반하여 압력 (24)이 발생한다. 또한, 피가공물 (19)의 유리 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (20)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (23) 주변부의 피가공물 (20)의 수지 재료와 피가공물 (19)의 유리 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합 또는 유리 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (17)의 조사를 정지하면, 기포 (23)이 급속 냉각되어, 압력 (24)이 저하되어, 도 9에 도시된 바와 같이 피가공물 (19)의 유리 재료를 흡착하는 힘 (25)가 발생한다. 이들 접합력이 복합되어, 도 10에 도시된 바와 같이 수지 접합부 (26)가 형성되었다. 이 수지 접합부 (26)는, 접합부 및 그 주변부에 기포 (23)(구 상당 직경 약 0.01 내지 3 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하였다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부에서의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 5 ㎫ 이상이었다.
〔실시예 9〕
실시예 9의 세라믹-수지 접합 방법의 구성 및 공정을 도시한 도면은 실시예 1의 도 1 내지 5와 동일하고, 이들 도면에 기초하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 발진기 (1)로부터 파이버 (2)를 통해 레이저 가공 헤드 (3)에 파장 1090 ㎚의 파이버 레이저광 (4)를 도입하고, 촛점 거리 80 ㎜의 집광 렌즈 (5)로 집광하였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 20 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (6)의 세라믹 재료인 산화물계의 알루미나(Al2O3)로 제조된 판과 피가공물 (7)의 수지 재료인 폴리카르보네이트(미츠비시 엔지니어링 플라스틱사 제조 「노바플렉스 7025IR」, 유리 전이 온도=150 ℃ (DSC법 JISK 7121에 준거한 Tmg의 값), 카탈로그값의 하중 변형 온도=129 ℃(하중: 1.80 ㎫)/142 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 30 W에서 레이저광 (4)의 조사 중에 이동 속도 3 ㎜/s로 이동시켰다. 그 때, 집광 렌즈 (5) 측에 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (6)의 세라믹 재료는 두께 1 ㎜의 판형이고, 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트는 두께 0.5 ㎜의 판형이다. 레이저광 (4)가 피가공물 (7)에 조사되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저광 (4)는 피가공물 (7)을 투과하고, 레이저광 (4)의 파장에 대하여 흡수율이 높은 피가공물 (6)의 세라믹 재료가 주로 가열됨으로써, 피가공물 (6)으로부터 피가공물 (7)로의 열수송 (9)에 의해, 피가공물 (6)과 피가공물 (7)의 경계부 (10) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 피가공물 (7)의 폴리카르보네이트 내부에서 열분해가 일어나, 가스가 발생함으로써, 기포 (11)이 형성된다. 이 때, 기포 (11)의 발생에 수반되는 압력 (12)가 발생한다. 또한, 피가공물 (6)의 세라믹 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (7)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (11)의 주변부에서, 피가공물 (7)의 수지 재료와 피가공물 (6)의 세라믹 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합, 또는 세라믹 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (4)의 조사를 정지하면, 기포 (11)이 급속 냉각되어, 압력 (12)가 저하되어, 도 4에 도시된 바와 같이 피가공물 (6)의 세라믹 재료를 흡착하는 힘 (13)이 발생한다. 이들 접합력이 복합되어, 도 5에 도시된 바와 같이 세라믹-수지 접합부 (14)가 형성되었다. 이 세라믹-수지 접합부 (14)는, 접합부 및 그 주변부에 기포 (11)(구 상당 직경 약 0.01 내지 1 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하였다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부에서의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 5 ㎫ 이상이었다.
〔실시예 10〕
실시예 10의 세라믹-수지 접합 방법의 구성 및 공정을 도시한 도면은 도 6 내지 10과 동일하고, 이들 도면에 기초하여 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, YAG 레이저 발진기 (15)로부터 파이버 (2)를 통해 가공 헤드 (16)에 파장 1064 ㎚의 YAG 레이저광 (17)을 도입하고, 촛점 거리 200 ㎜의 집광 렌즈 (18)로 집광하ㅇ였다. 촛점 위치로부터 렌즈로부터 멀어지는 방향으로 30 ㎜ 떨어진 위치에, 피가공물 (19)의 세라믹 재료인 산화물계의 알루미나(Al2O3)로 제조된 판과 피가공물 (20)인 수지 재료 PA12계 비정질성 폴리아미드(도요 보우세끼사 제조 T-714H, 유리 전이 온도=160 ℃ (DSC법 JIS K 7121에 준거한 Tmg의 값), 하중 변형 온도=130 ℃(하중: 1.80 ㎫)/145 ℃(하중: 0.45 ㎫), ISO 75-1, 75-2에 준거함)를 서로 중첩시키고, 클램프 (8)로 고정하고, 파워 1000 W에서 레이저광 조사 중에 이동 속도 30 ㎜/s로 이동시켰다. 그 때, 집광 렌즈 (18)측에 피가공물 (19)의 세라믹 재료가 위치하고 있었다. 또한, 피가공물 (19)의 세라믹 재료는 두께가 3 ㎜인 판형이고, 피가공물 (20)의 T-714H는 두께 2 ㎜의 판형이다. 레이저광 (17)이 피가공물 (19)에 조사되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저광 (17)이 피가공물 (19)의 세라믹 재료에 흡수되어 발열되고, 열수송 (21)에 의해, 피가공물 (19)과 피가공물 (20)의 경계부 (22) 및 그 주변부가 가열된다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 피가공물 (20)의 T-714H 내부에서 발생한 가스에 의해 기포 (23)이 발생된다. 이 때, 기포 (23)의 발생에 수반하여 압력 (24)이 발생한다. 또한, 피가공물 (19)의 세라믹 재료의 온도가 비점 미만으로 가열되고, 피가공물 (20)의 수지 재료의 온도가 연화 온도 이상으로 가열되면서, 기포 (23) 주변부의 피가공물 (20)의 수지 재료와 피가공물 (19)의 세라믹 재료가, 앵커 효과 등의 물리적인 접합 또는 세라믹 산화물을 통한 화학적인 접합을 가능하게 하는 조건을 충족하여 접합된다. 또한, 레이저광 (17)의 조사를 정지하면, 기포 (23)이 급속 냉각되어, 압력 (24)이 저하되어, 도 9에 도시된 바와 같이 피가공물 (19)의 세라믹 재료를 흡착하는 힘 (25)가 발생된다. 이들 접합력이 복합되어, 도 10에 도시된 바와 같이 세라믹-수지 접합부 (26)가 형성되었다. 이 세라믹-수지 접합부 (26)는, 접합부 및 그 주변부에 기포 (23)(구 상당 직경 약0.01 내지 2 ㎜)를 갖는 것을 특징으로 하였다. 또한, 접합부의 접합 강도 및 파괴 상태를 조사한 바, 파단은 접합부에서의 수지 재료의 모재 부분에서 발생하였고, 인장 전단 강도는 5 ㎫ 이상이었다.
본 발명에 따른 접합 방법을 이용함으로써, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 강고한 접합이 가능하게 된다. 또한, 가열원으로서 레이저 광원 또는 전리성 방사선원 등을 사용함으로써, (1) 작은 접합부를 만들 수 있고, (2) 마이크로미터 오더가 정밀하고 미세한 접합을 형성시킬 수 있고, (3) 대면적의 접합도 형성시킬 수 있고, (4) 단시간에 접합을 형성시킬 수 있고, (5) 접착제에 의한 금속의 산화·열화를 억제할 수 있고, (6) 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료 측으로부터 또는 수지 재료측으로부터 가열할 수 있는 등 유리한 점이 많고, 설계나 재료 선택의 자유도도 증가하여, 전자 기기 분야, 자동차 분야 등에서 금속, 유리 또는 세라믹과 수지와의 복합체를 제조하는 데에 있어서 유용하다. 특히, 본 발명의 방법을 이용하면, 금속 재료, 유리 재료 또는 세라믹 재료와 수지 재료와의 접합력이 높기 때문에, 각 재료의 두께가 1.0 ㎜ 이상, 특히 3.0 ㎜ 이상의 두꺼운 재료끼리를 접합하는 경우에도 이용할 수 있다.

Claims (30)

  1. 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 금속 재료와 수지 재료를 합치고 클램프로 고정시킨 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되도록 레이저 광원을 이용하여 접합부의 수지 재료를 가열함으로써 1 MPa 이상의 인장 전단 강도를 갖는 접합부를 얻는 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가열 온도는 수지에서 기포가 접합부 부근으로부터의 이동을 수반하지 않는 온도인 것임을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  3. 제1항에 있어서, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구(sphere) 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 3 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 재료가 열가소성 수지 재료인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  5. 제4항에 있어서, 수지 재료가 폴리카르보네이트, 나일론6, 나일론12, PA12계 비정질성 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리아릴레이트로부터 선택되는 1종 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  6. 제4항에 있어서, 수지 재료가 폴리카르보네이트이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  7. 제4항에 있어서, 수지 재료가 나일론6이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.05 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  8. 제4항에 있어서, 수지 재료가 나일론12이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 0.3 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  9. 제4항에 있어서, 수지 재료가 PA12계 비정질성 폴리아미드이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 1.5 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  10. 제4항에 있어서, 수지 재료가 폴리부틸렌테레프탈레이트이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.03 ㎜ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  11. 제4항에 있어서, 수지 재료가 폴리아릴레이트이고, 접합부의 수지 재료에서 발생되는 기포의 구 상당 직경이 0.01 ㎜ 내지 0.5 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  12. 제1항에 있어서, 5 MPa 이상의 인장 전단 강도를 갖는 접합부를 얻는 것을 특징으로 하는 금속-수지 접합 방법.
  13. 삭제
  14. 유리 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 유리 재료와 수지 재료를 합치고 클램프로 고정시킨 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되도록 레이저 광원을 이용하여 접합부의 수지 재료를 가열함으로써 1 MPa 이상의 인장 전단 강도를 갖는 접합부를 얻는 것을 특징으로 하는 유리-수지 접합 방법.
  15. 세라믹 재료와 수지 재료의 접합 방법이며, 세라믹 재료와 수지 재료를 합치고 클램프로 고정시킨 상태하에 접합부의 수지 재료에서 기포가 발생되도록 레이저 광원을 이용하여 접합부의 수지 재료를 가열함으로써 1 MPa 이상의 인장 전단 강도를 갖는 접합부를 얻는 것을 특징으로 하는 세라믹-수지 접합 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
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