KR101425208B1 - 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사출 성형물의 표면 개질 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온 주입 또는 전자빔 조사에 의한 표면처리에 의해서 플라스틱 사출 성형물의 표면을 개질하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 사출 성형물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법으로서, (a) 금형의 캐비티를 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 이상이며 분해온도 이하인 제1온도까지 가열하는 단계; (b) 상기 금형의 캐비티에 용융된 상기 수지조성물을 사출하는 단계; (c) 상기 수지조성물의 결정화 온도(Tc) 이하인 제2온도까지, 상기 금형의 캐비티를 200 내지 400℃/분의 냉각속도로 냉각하여 사출 성형물을 얻는 단계; (d) 상기 사출 성형물을 취출하는 단계; (e) 상기 사출 성형물을 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대에 위치시키는 단계; 및 (f) 상기 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대를 냉각하면서, 상기 사출 성형물에 이온 또는 전자를 주입하는 단계;를 포함하는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 사출 성형물의 표면 개질 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온 또는 전자 주입에 의해서 플라스틱 사출 성형물의 표면을 개질하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 사출 성형물에 관한 것이다.
이온 주입이란 이온화 된 원자를 가속하여 대상물체의 표면에 강제로 주입하여 표면의 조성, 결합상태, 결정구조 등을 변화시킴으로써 표면 특성을 개선하는 기술이다.
이러한 기술을 이용하여 금속, 반도체, 세라믹, 고분자 등과 같은 물체의 표면에 이온을 주입하여 표면의 성질을 변화시킬 경우 다양한 상업적인 응용가능성이 제공된다. 대상물체의 표면에 이온을 주입할 경우, 마찰, 마모, 부식저항, 경도, 색상 등 물체의 표면 성질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 고분자와 같은 부도체에도 전도성을 부여할 수 있다.
높은 에너지로 가속된 이온을 표면 처리하고자 하는 물체의 표면에 주입시키는 다양한 방법이 알려져 있다. 전통적인 이온 주입 방법은 플라스마 발생장치에서 발생된 이온을 추출하여 포커싱에 의하여 빔의 형태로 형성하고 가속시켜서 대상물체의 표면에 주사하는 방식이다. PSII(Plasma Source Ion Implantation) 방법은 플라스마로 채워진 챔버 내의 지지대에 이온 주입에 의한 표면 처리를 하고자 하는 대상물을 올려놓고, 대상물에 마이너스 고전압 펄스를 인가하면, 대상물의 표면 주위에 생성되는 천이성 플라스마쉬스(Transition plasma sheath)에서 이온 가속이 일어나는 현상을 이용하여, 가속된 이온이 자발적으로 마이너스 고전압이 인가된 대상물의 표면과 충돌하는 원리를 이용한 것이다.
이온 주입 방법을 이용하여 사출 성형물의 표면 특성을 개선하고자 하는 시도가 있었다. 그러나 일반적인 사출 성형물의 표면에 이온을 주입하면, 도 8에 나타난 것과 같이, 사출 성형물의 표면이 변형되거나, 표면에 얼룩이 생기거나, 탄화되거나, 웰드 라인(weld line)이 재현되는 등의 결함이 발생한다.
일반적으로 사출 성형된 플라스틱 제품은 평판 제품이다. 평판 제품은 두께에 비하여 폭이 5배 이상 큰 제품을 말한다. 이러한 평판 형상의 캐비티 내로 수지가 흐를 때는 금형 벽면에 고화층을 형성하면서 분수와 같은 모양으로 전진한다. 이를 분수 흐름(fountain flow)라고 한다. 이런 원리에 의하여 배럴 앞 부분에 계량된 수지는 제품 표면층을 형성하는데 사용되고, 뒷부분에 계량된 수지는 제품 중앙부위를 채운다. 또한, 전단 변형률이 가장 큰 부분은 고화 층과 유동층 경계면이 되고, 표면층은 빠르게 고화되며, 중앙부위는 마지막으로 고화된다. 따라서 표면층은 배향성이 크고 중앙부위는 배향성이 작다.
본 출원의 발명자는 사출 성형물의 표면에 이온이나 전자를 주입하는 실험을 반복하여서, 표면의 결함이 주로 사출성형물의 표면에 잔존하는 미세한 기포에 의하여 발생한다는 것을 발견하였다. 일반 사출 성형물의 표면은 분수 흐름(fountain flow)에 배향성이 크고, 기포가 많고 밀도가 낮다. 미세한 기포가 잔존하는 표면에 이온이나 전자를 주입하면, 기포 내부의 가스가 에너지를 받아서 팽창하여 외부로 방출되면서 표면에 변형이나 얼룩을 남긴다. 또한, 표면으로부터 일정한 깊이에 잔존하여 외부로 방출되지 못하고 내부에 남게 되는 기포도 에너지를 받아서 팽창하여 표면을 변형시키게 된다. 또한, 이온 주입 과정에서 주입되는 이온의 높은 에너지에 의해서 사출 성형물의 표면이 녹거나 탄화되는 경우도 있다.
또한, 전자빔을 사출 성형물의 표면에 조사하여 전자를 주입하여 사출 성형물의 표면 특성을 개선하고자 하는 경우도, 이온 주입에 의하여 표면 특성을 개선하고자 하는 경우와 마찬가지로 표면 광택이 불균일하거나, 표면이 변형되거나 탄화되는 결함이 있다.
본 발명은 사출 성형물의 표면에 변형이나 얼룩을 발생시키지 않고 이온이나 전자를 주입하여 표면을 개질 하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 표면에 변형이나 얼룩이 없는 이온이나 전자가 주입된 플라스틱 사출 성형물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법은, (a) 20 마이크로미터 이하의 표면 거칠기를 갖는 가공 표면을 구비한 플라스틱 사출 성형물을 준비하는 단계와, (b) 플라스틱 사출 성형물의 가공 표면의 배면을 냉각하면서, 플라스틱 사출 성형물의 가공 표면에 이온 또는 전자를 주입하는 단계를 포함한다.
사출 성형물의 개질 하고자 하는 가공 표면은 표면층에 잔존하는 기포가 없어야 한다. 20 마이크로 미터 이하의 표면 거칠기를 갖는 사출 성형물의 표면층에는 거의 기포가 잔류하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르면 이온이나 전자를 가공 표면에 주입하더라도 사출 성형물의 표면층에 기포가 거의 잔류하지 않기 때문에 표면의 변형이나 얼룩이 생성되지 않는다. 또한 본 발명에 따르면, 이온이나 전자를 주입하는 동안에 가공 표면의 배면을 냉각하여 표면층으로부터 일정 깊이 이하에 압축된 상태로 잔류하는 기포가 표면층의 가열에 의하여 표면으로 표출되는 것을 방지한다.
본 발명에 따르면 표면에 기포가 잔류하지 않는 사출 성형물을 준비하는 단계는 (a-1) 금형의 캐비티를 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 이상이며 분해온도 이하인 제1온도까지 가열하는 단계와, (a-2) 금형의 캐비티에 용융된 상기 수지조성물을 사출하는 단계와, (a-3) 수지조성물의 결정화 온도(Tc) 이하인 제2온도까지, 상기 금형의 캐비티를 200 내지 400℃/분의 냉각속도로 냉각하여 사출 성형물을 얻는 단계와, (a-4) 사출 성형물을 취출하는 단계를 포함한다.
또한, 사출 성형물의 가공 표면의 배면을 냉각하면서 이온이나 전자를 주입하는 단계는, (b-1) 사출 성형물의 배면을 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대에 위치시키는 단계와, (b-2) 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대를 냉각하면서, 사출 성형물의 가공 표면에 이온 또는 전자를 주입하는 단계를 포함한다.
지지대를 이용하여 가공 표면의 배면을 간접적으로 냉각할 경우, 지지대의 내부를 순환하는 냉각수를 이용하여 지지대를 냉각하거나, 지지대에 축냉 물질(Phase Change Material, PCM)을 접촉시켜서 냉각하거나, 지지대에 펠티어 소자를 설치하여 냉각할 수 있다.
또한, 지지대는 상기 사출 성형물과 밀착되어 냉각효율을 향상할 수 있도록 사출 성형물의 가공표면의 배면과 접하는 면이 사출 성형물의 배면에 대응하는 형상을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 지지대와 상기 사출 성형물 사이에는 축냉 물질을 수용하는 용기를 배치하고, 용기가 사출 성형물과 밀착되어 냉각효율을 향상할 수 있도록 사출 성형물의 가공 표면의 배면과 접하는 면이 사출 성형물의 배면에 대응하는 형상을 가지도록 할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 개질 된 표면을 갖는 플라스틱 사출 성형물이 제공된다. 본 발명에 따른 개질 된 표면을 갖는 플라스틱 사출 성형물은, 20 마이크로미터 이하의 표면 거칠기를 갖는 표면에 이온 또는 전자가 주입된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 따르면, 고온에서 사출성형을 하기 때문에 분수 흐름에 의한 표면층의 배향성을 최소화하고, 밀도를 높일 수 있다. 따라서 표면 광택의 불균일을 방지할 수 있다. 또한, 이온 주입 시 대상물을 냉각하여 사출 성형물이 주입되는 이온의 높은 에너지에 의해서 녹거나 타버리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 따르면, 사출 성형물의 마찰, 마모, 부식저항, 경도, 색상 등 물체의 표면 성질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 사출 성형물에 전도성을 부여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법의 일 실시예의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 개방된 상태의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 폐쇄된 상태의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 사출 성형 방법과 종래의 사출 성형 방법을 비교한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 사출 성형 방법에 의한 사출 성형물과 종래의 사출 성형 방법에 의한 사출성형물의 표면사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 다른 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 8은 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면에 이온이 주입되어 표면에 불량이 발생한 상태를 나타내는 사진
도 9는 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면의 전자현미경 사진
도 10은 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면의 표면 거칠기를 나타내는 그래프
도 11은 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면의 전자 현미경 사진
도 12는 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면의 표면 거칠기를 나타내는 그래프
도 13은 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면에 이온이 주입된 상태를 나타내는 사진
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 개방된 상태의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 폐쇄된 상태의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 사출 성형 방법과 종래의 사출 성형 방법을 비교한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 사출 성형 방법에 의한 사출 성형물과 종래의 사출 성형 방법에 의한 사출성형물의 표면사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 다른 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 8은 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면에 이온이 주입되어 표면에 불량이 발생한 상태를 나타내는 사진
도 9는 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면의 전자현미경 사진
도 10은 일반적인 플라스틱 사출 성형물의 표면의 표면 거칠기를 나타내는 그래프
도 11은 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면의 전자 현미경 사진
도 12는 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면의 표면 거칠기를 나타내는 그래프
도 13은 기포가 잔류하지 않는 표면층을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 표면에 이온이 주입된 상태를 나타내는 사진
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법의 순서도이다. 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법은 고밀도 표면을 갖는 사출품을 제조하는 단계와 사출 성형물에 이온을 주입하는 단계로 이루어진다.
본 발명에서 고밀도 표면을 갖는 사출품을 제조하는 단계는 금형의 캐비티를 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 이상이며 분해온도 이하인 제1온도까지 400 내지 800℃/분의 가열속도 가열하는 단계(S10), 금형의 캐비티에 용융된 수지조성물을 사출하는 단계(S20), 수지조성물의 결정화 온도(Tc) 이하인 제2온도까지, 금형의 캐비티를 200 내지 400℃/분의 냉각속도로 냉각하여 사출 성형물을 얻는 단계(S30), 상기 사출 성형물을 취출하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명의 수지조성물은, 특별히 한정되지 않지만, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 수지와 에틸렌-프로필렌, 에틸렌 옥텐, 에틸렌-프로필렌-디엔, 에틸렌-부틸계 및 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 공중합체를 혼합한 것 바람직하다.
고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌은 높은 굴곡강도(flexural strength)를 구현할 수 있는 열가소성 수지이며, 에틸렌-프로필렌, 에틸렌 옥텐, 에틸렌-프로필렌-디엔, 에틸렌-부틸계 및 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌은 높은 충격강도(impact strength)를 개선할 수 있는 수지이다. 이들을 혼합하여 사용함으로써 취성(blittleness)을 개선할 수 있다.
수지조성물의 혼합방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 상기한 각 성분을 롤, 압출기, 니더, 밴버리믹서, 헨셸 믹서(등록상표), 플래너터리믹서 등의 수지분야에서 일반적으로 이용되고 있는 혼합기, 혼련기를 사용하여 균일하게 혼합한다.
사출 성형 단계에 있어서 특히 중요하고, 치밀하게 제어되어야 할 성형조건은 금형의 캐비티 온도, 승온속도 및 냉각속도이다. 금형 캐비티 온도, 승온속도 및 냉각속도를 제어하는 방법으로서는, 특별히 제한하지 않는다. 물 혹은 오일을 금형 내에 순환시키거나, 금형히터로 금형온도나 캐비티 표면온도를 정밀하게 제어할 수 있는 온도 프로파일 금형의 사용을 예로 들 수 있다. 또한, 금형온도를 수지조성물의 냉각시의 온도로 설정하고, 성형 직전에 캐비티 표면을 유도가열, 적외선, 초음파, 전계나 자계, 화염 등으로 일시적으로 가열해서 성형하는 방법도 사용할 수 있다. 계량, 사출속도, 사출압, 2차압, 몰드체결력 등의 사출 성형조건에 대해서는 특별히 제한은 없다.
본 실시예에서는 상기 사출 성형 조건을 만족시키기 위한 사출 성형 장치로서 초고온 금형가열기술이 적용된 분리형 금형인 E-MOLD(출원인에 의해 E-MOLD로 상용화된 금형)를 사용하였다.
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 개방된 상태의 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 분리형 금형이 폐쇄된 상태의 개략도이다. 도 2와 3에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 사용되는 금형장치는 미도시된 사출 성형기에 고정되기 위한 캐비티금형(20)과, 가이드핀(41)에 안내되어 캐비티금형(20)의 전후방으로 슬라이딩이 가능하게 설치된 중간코아금형(30)과, 사출 성형기에 가동이 가능하도록 설치되는 코아금형고정판(50)에 고정되고 중간코아금형(30)의 부시(35)에 삽입된 가이드핀(41)이 고정된 코아금형지지판(40)을 포함한다. 캐비티금형(20)에는 용융된 수지조성물이 주입되는 캐비티면(21)이 형성되어 있고, 캐비티면(21)에는 용융된 수지조성물의 주입통로(23)가 연결되어 있다. 또한, 캐비티금형(20)에는 가이드핀(41)이 삽입되기 위한 안내구멍(22)이 형성되어 있다. 중간코아금형판(30)의 캐비티면(21)을 향하는 면에는 코아면(31)이 형성되어 있다. 코아면(31)은 캐비티면(21)과 함께 용융된 수지조성물이 주입되는 캐비티(C)를 형성한다. 중간코아금형판(30)은 가열과 냉각이 용이하도록 코아금형지지판(40)보다 얇은 두께를 갖는 판형상으로, 종래의 코아금형을 분리한 것이다.
분리형 금형을 구비한 사출 성형 장치를 사용하여 사출 성형하는 방법은 다음과 같다. 사출기에 본 실시예의 금형장치(100)가 설치된 상태에서, 전열히타에 전류를 공급하여 중간코아금형판(20)을 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 이상이며 분해온도 이하인 제1온도까지 가열한다. 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 미만인 온도에서는 용융된 수지조성물이 캐비티의 표면에 고화층(frozen layer)을 형성하면서 전진하여 흐름 자국이 형성되거나, 보이드가 형성되어 표면의 밀도가 저하될 수 있다. 이러한 표면 상태는 이온 주입 후에 표면 광택의 불균일을 일으키는 원인이 된다. 분해온도를 초과하는 온도에서는 수지조성물이 분해되어 가스가 발생하므로 보이드가 형성되어 표면의 밀도가 저하된다.
중간코아금형판(20)은 두께가 얇기 때문에 400 내지 800℃/분의 승온 속도로 가열할 수 있다. 동시에 코아금형지지판(40)의 냉각수배관(43)으로 냉각수를 흘려서 코아금형지지판(40)을 효율적인 냉각에 필요한 온도를 유지하도록 냉각한다.
중간코아금형판(20)과 코아금형지지판(40)이 사출과 냉각에 적절한 온도에 이르면, 도면에서 좌측 방향으로(캐비티 금형측으로) 코아금형고정판(50)을 이동시켜서 캐비티금형(20)과 중간코아금형판(30)과 코아금형지지판(40)이 밀착되도록 한다(금형 장치 폐쇄).
다음으로 밀착에 의해서 형성된 캐비티(C)내에 용융된 수지조성물을 주입하고, 주입 도중이나 주입이 완료된 시점에서 전열히타의 전원을 차단한다. 전원이 차단되면, 냉각되어 있는 코아금형지지판(40)에 의해서 중간코아금형판(30)이 급속하게 냉각되며, 중간코아금형판(30)과 접하고 있는 캐비티금형(20)도 200 내지 400℃/분의 냉각속도로 제2온도까지 급속하게 냉각된다.
주입이 완료되고 수지조성물의 응고가 완료되면 코아금형고정판(50)을 후방으로(그림에서 우측방향으로) 이동시켜서 가이드핀(41)이 가이드구멍(22)으로부터 분리되도록 한다(금형 장치 개방). 이때 중간코아금형판(30)은 코일스프링(90)의 복원력에 의해서 코아금형지지판(40)으로부터 분리되어 냉각이 차단되고 동시에 전열히타(33)에 전원이 공급되어 중간코아금형판(30)이 가열된다. 캐비티(C)로부터 사출 성형된 사출 성형물을 제거하고 상기와 같은 과정이 반복되어 사출 성형을 행하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 사출 성형 방법과 종래의 사출 성형 방법을 비교한 개념도이며, 도 5는 본 발명에 따른 사출 성형 방법에 의한 사출 성형물과 종래의 사출 성형 방법에 의한 사출성형물의 표면사진이다. 도 4와 5의 (a)는 종래의 사출 성형 방법에 관한 것이며, (b)는 본 발명에 따른 사출 성형 방법에 관한 것이다. 종래의 사출 성형 방법에서는 냉각수가 흐르는 금형의 캐비티에 용융된 수지조성물을 사출하여 성형하였다. 도 4의 (a)에서 알 수 있듯이, 종래의 사출 성형 방법은 금형의 캐비티의 온도가 낮기 때문에 용융된 수지조성물이 캐비티의 표면에 고화층(frozen layer)을 형성하면서 분수와 같은 모양(fountain flow)으로 전진한다. 고화층의 형성에 의해 도 5의 (a)에서 알 수 있듯이, 표면층의 배향성이 크며, 흐름 자국(flow line)이 형성된다. 또한, 보이드(voids)가 형성되고 밀도가 낮다. 반면, 도 4의 (b)에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 사출 성형 방법은 금형이 고온으로 가열된 상태에서 용융된 수지조성물이 흐르므로 캐비티의 표면에 고화층이 거의 형성되지 않아 용융된 수지 조성물이 층류(laminar flow) 형태로 전진하며, 도 5의 (b)와 같이 표면층의 배향성이 작고, 균일하며 밀도가 높다.
도 9는 종래의 일반적인 사출 성형물의 웰드 라인 부근 표면의 전자 현미경 사진이고, 도 10은 도 9의 사출 성형물의 웰드 라인 부근의 표면 거칠기를 측정한 그래프이다. 종래의 일반 사출 성형물의 월드 라인 주위에는 약 230 마이크로 미터의 깊이의 홈이 형성되어 있고, 웰드 라인을 따라서 미세한 기포가 잔존하고 있다.
도 11은 본 실시예의 방법에 따라서 사출한 성형물의 웰드라인 주위 표면의 전자현미경 사진이고, 도 12는 도 11의 사출 성형물의 웰드 라인 부근의 표면 거칠기를 측정한 그래프이다. 본 실시예의 방법에 따라서 사출한 성형물의 웰드라인 주위에는 약 20 마이크로 미터 이하의 홈이 형성되어 있고, 이는 웰드라인 이외의 표면의 표면 거칠기와 거의 동일한 깊이의 홈이다. 또한, 웰드 라인 주위에도 기포가 잔류하지 않는다.
도 1을 참고하면, 사출 성형물에 이온을 주입하는 단계는 사출 성형물을 이온 주입 장치 챔버 내의 지지대에 위치시키는 단계(S50)와 이온 주입 장치 챔버 내의 지지대를 냉각하면서, 사출 성형물에 이온을 주입하는 단계(S60)를 포함한다.
사출 성형물에 가속된 이온을 주입하면 고분자의 분자사슬이 끊어지거나(chain Scission), 이중 결합을 하거나, 가교(cross-linking)가 일어나, 기계적, 전기적, 광학적 특성 등이 변화하게 된다. 이러한 변화를 이용하여 사출 성형물의 마찰, 마모, 부식저항, 경도, 색상 등 물체의 표면 성질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 사출 성형물에 전도성을 부여할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법에 사용되는 이온 주입 장치의 개략도이다. 도 6에 도시된 장치는 플라스마 이온 주입 방법(Plasma Source Ion Implantation; PSII)으로 이온을 주입하는 장치이다.
도 6을 참조하면, 챔버(71)내에 설치된 지지대(76)에 사출 성형물(W)이 놓여 있다. 사출 성형물(W)의 표면과 일정한 거리 이격된 위치에 도전체인 그리드(81)가 설치되어 있다. 진공펌프(73)로 챔버(71) 내에 적당한 진공을 형성한 상태에서 가스공급장치(74)로부터 플라스마 생성을 위한 가스가 공급되고, 플라스마 발생기(72)의 동작에 의하여 챔버(71) 내부에 플라스마가 형성된 상태에서 그리드(81)에 마이너스 고전압 펄스를 인가한다. 이 경우 그리드에 형성된 플라즈마 쉬스에서 가속된 이온들 중 일부는 그리드에 주입이 되고, 나머지는 그리드를 통과하여 지지대(76)에 위치한 사출 성형물(W)의 표면에 도달하게 된다. 사출 성형물(W)의 표면에 도달하는 이 이온들의 에너지가 충분히 클 경우에는 사출 성형물(W)의 표면에 주입이 된다. PSII 방법에 있어서는 그리드와 사출 성형물(W) 표면 사이의 간격이 가까울수록 사출 성형물(W)에 도달하는 이온의 에너지가 크므로 이온 주입이 잘 일어난다. 그러나 간격이 너무 가까우면 사출 성형물(W)의 표면에 그리드에 의한 그림자가 생겨서 처리된 표면의 균일성을 나빠지는 문제점이 있다.
이온 주입이 일어나는 과정에서 가속된 이온의 에너지에 의해서 사출 성형물(W)의 온도가 상승하여 사출 성형물(W)이 녹거나 타버리는 것을 방지하기 위해서 지지대(76)에는 냉각장치(77)가 설치되어 있다. 또한, 냉각장치(77)는 사출 성형물의 내부에 잔존하는 압축된 기체가 이온의 에너지에 의하여 사출 성형물의 표면층이 유리전이온도 이상으로 상승하면, 표면으로 표출되어 표면에 얼룩이나 변형이 발생하는 것을 방지한다. 지지대(76)는 사출 성형물(W)과 접하는 상면이 사출 성형물(W)에 대응하는 형상을 가지므로, 지지대(76)와 사출 성형물과 밀착되어 냉각 효율이 증가한다.
냉각장치(77)는 지지대(76)에 삽입된 냉각파이프(77)를 포함한다. 냉각파이프(77)는 냉각매체, 예를 들어 냉각수가 순환하는 유로이다.
냉각장치로는 냉각수가 순환하는 냉각파이프 이외에 지지대와 접하도록 설치된 축냉 물질을 사용할 수 있다. 축냉 물질은 저온 환경에서 냉각되어 냉열을 저장하고 있다가 주위 온도가 상승하면 냉열을 방출함으로써 주위 공기를 냉각시킨다. 축냉 물질은 나사기구, 와이어, 클램프 기구와 같은 고정수단에 의해 지지대에 고정된다. 가열된 사출 성형물은 축냉 물질의 현열 및/또는 잠열을 이용하여 냉각된다. 축냉 물질로는 상변화물질(Phase Change Material, 이하 PCM이라 한다), 물 또는 그 밖에 저온에서 냉각 및/또는 고체상으로 상변화하고 주위 온도가 상승하면 냉열을 방출하여 주위 공기를 저온으로 유지시키는 다양한 액체 물질이 이용될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각장치로서 지지대(78)와 사출 성형물(W)의 사이에 축냉 물질을 수용하는 용기(79)를 배치할 수 있다. 이 용기(79)는 사출 성형물(W)과 접하는 상면이 사출 성형물(W)에 대응하는 형상을 가지므로, 사출 성형물(W)과 밀착되어 냉각 효율이 증가한다.
또한, 냉각장치로는 지지대에 설치되는 펠티어(peltier) 소자를 사용할 수 있다. 펠티어 소자는 서로 다른 2종류의 금속 또는 반도체 끝을 접속시키고, 전류를 흘려보내면 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 펠티어 효과를 이용하는 것으로서, 전류량에 따라서 흡열량을 조절할 수 있다.
[제2실시예]
본 발명에 따른 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법의 제2실시예는 고밀도 표면을 갖는 사출품을 제조하는 단계와 사출 성형물에 전자를 주입하는 단계로 이루어진다.
고밀도 표면을 갖는 사출품을 제조하는 단계는 제1실시예와 동일하므로 전자를 주입하는 단계에 대해서만 설명한다.
사출 성형물에 전자를 주입하는 단계는 사출 성형물을 전자빔 조사 장치의 챔버 내의 지지대에 위치시키는 단계와 전자빔 조사 장치의 챔버 내의 지지대를 냉각하면서, 사출 성형물에 전자를 주입하는 단계를 포함한다.
전자빔 조사 장치는 종래의 전자빔 조사 장치를 사용한다. 전자빔 조사 장치의 챔버 내의 진공도는 진공펌프에 의해 2×10-5torr 이하로 유지될 수 있으며, 전자빔의 에너지는 가속 전압을 통해서 수십 내지 수백 keV로 조절한다.
대면적 사출 성형물의 표면을 처리하기 위해서 전자빔의 조사 면적을 넓힐 수 있다. 즉, 전자빔 광학계에서 전자빔의 크기를 조절하는 솔레노이드의 전류를 변화시켜 전자빔 조사 면적을 늘릴 수 있으며, 스캔(scan) 타입의 전자빔 조사장치를 이용하여 넓은 면적으로 조사할 수 있다.
전자 주입이 일어나는 과정에서 가속된 전자의 에너지에 의해서 사출 성형물의 온도가 상승하여 사출 성형물이 녹거나 타버리는 것을 방지하기 위해서 전자빔 조사 장치의 챔버 내의 지지대에는 냉각장치가 설치되어 있다. 지지대와 냉각장치는 실시예 1에서 설명한 것과 동일하므로 설명을 생략한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
예를 들어, 플라스마 이온 주입 방법(Plasma Source Ion Implantation; PSII)으로 이온을 주입하는 것으로 설명하였으나, 플라스마 발생장치에서 발생된 이온을 추출하여 포커싱에 의하여 빔의 형태로 형성하고 가속시켜서 대상물체의 표면에 주사하는 방식으로 이온을 주입할 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 개질 된 표면을 갖는 플라스틱 사출 성형물의 일실시예이다. 도 11의 전자 현미경사진과 도 12의 표면 거칠기 그래프는 각 각 도 13의 사진에 표시된 플라스틱 사출 성형물의 전자현미경 사진과 그래프이다. 도 13의 사출 성형물은 표면 거칠기가 20 마이크로미터 이하이고, 표면에 이온이 주입된 것이다. 질소(N2)와 헬륨(Ne)을 12대 8의 비율의 혼합 가스를 약 10 Torr의 진공에서 플라스마를 생성하고, 이온 빔 인젝터를 사용하여 이온을 주입한 것이다. 이온 주입시 5 ℃의 축냉 물질을 사출 성형물의 배면에 접촉시켜서 냉각하였다. 이온 주입 결과 표면에 금속성의 광택이 형성되고, 성형물 내부의 기포가 표면으로 표출되지 않았으며, 표면에 얼룩이나 변형이 발생하지 않았다.
10: 캐비티금형 고정판 20: 고정 캐비티금형
30: 중간 코아금형판 33: 전열히타
35: 코아금형 부시 40: 코아금형 지지판
41: 가이드핀 43: 냉각 파이프
50: 코아금형 고정판 60: 중간 캐비티금형판
71: 챔버 72: 플라스마 발생기
73: 진공펌프 74: 가스공급장치
75: 펄스발생장치 76, 78: 지지대
77, 79: 냉각장치 81: 그리드
30: 중간 코아금형판 33: 전열히타
35: 코아금형 부시 40: 코아금형 지지판
41: 가이드핀 43: 냉각 파이프
50: 코아금형 고정판 60: 중간 캐비티금형판
71: 챔버 72: 플라스마 발생기
73: 진공펌프 74: 가스공급장치
75: 펄스발생장치 76, 78: 지지대
77, 79: 냉각장치 81: 그리드
Claims (9)
- 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법으로서,
(a) 20 마이크로미터 이하의 표면 거칠기를 갖는 가공 표면을 구비한 플라스틱 사출 성형물을 준비하는 단계;
(b) 상기 플라스틱 사출 성형물의 가공 표면의 배면을 냉각하면서, 상기 플라스틱 사출 성형물의 가공 표면에 이온 또는 전자를 주입하는 단계를 포함하는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 금형의 캐비티를 수지조성물의 용융 온도(Tm)의 50% 이상이며 분해온도 이하인 제1온도까지 가열하는 단계;
(a-2) 상기 금형의 캐비티에 용융된 상기 수지조성물을 사출하는 단계;
(a-3) 상기 수지조성물의 결정화 온도(Tc) 이하인 제2온도까지, 상기 금형의 캐비티를 200 내지 400℃/분의 냉각속도로 냉각하여 사출 성형물을 얻는 단계;
(a-4) 상기 사출 성형물을 취출하는 단계를 포함하는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b-1) 상기 사출 성형물의 배면을 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대에 위치시키는 단계;
(b-2) 상기 이온 또는 전자 주입 장치 챔버 내의 지지대를 냉각하면서, 상기 사출 성형물의 가공 표면에 이온 또는 전자를 주입하는 단계;를 포함하는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b-2)단계에서, 상기 지지대는 상기 지지대의 내부를 순환하는 냉각수에 의해서 냉각되는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b-2)단계에서, 상기 지지대는 상기 지지대와 접촉하는 축냉 물질에 의해서 냉각되는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b-2)단계에서, 상기 지지대는 상기 지지대에 설치된 펠티어 소자에 의해서 냉각되는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b-2)단계에서, 상기 지지대는 상기 사출 성형물과 밀착되어 냉각효율을 향상할 수 있도록 상기 사출 성형물의 가공표면의 배면과 접하는 면이 상기 사출 성형물의 배면에 대응하는 형상을 가지는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b-2)단계에서, 상기 지지대와 상기 사출 성형물 사이에는 축냉 물질을 수용하는 용기가 배치되며, 상기 용기는 상기 사출 성형물과 밀착되어 냉각효율을 향상할 수 있도록 상기 사출 성형물의 가공표면의 배면과 접하는 면이 상기 사출 성형물의 배면에 대응하는 형상을 가지는 플라스틱 사출 성형물의 표면 개질 방법.
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