KR101433831B1

KR101433831B1 - 방열 효과 및 내식성 개선을 위한 마그네슘 아노다이징 방법

Info

Publication number: KR101433831B1
Application number: KR1020130012378A
Authority: KR
Inventors: 조호현
Original assignee: 조호현
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-26
Also published as: KR20140099674A

Abstract

본 발명은, 마그네슘 아노다이징 방법에 관한 것으로, 마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와; 상기 전처리 단계 후에 상기 마그네슘 판재의 표면에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 마그네슘 아노다이징 및 CNT 침지단계; 상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 아노다이징 표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방열 효과 및 내식성 개선을 위한 마그네슘 아노다이징 방법{Magnesium anodizing method for improving radiation of heat and corrosion resistance}

본 발명은 마그네슘 아노다이징 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 마그네슘 아노다이징에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성 및 방열성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현하는 마그네슘 아노다이징 방법에 관한 것이다.

현재 주방용품으로 사용되는 냄비, 그릇, 후라이팬, 컵, 식판 등은 플라스틱, 스테인레스강, 알루미늄 합금 등의 소재를 사용하여 다양한 형태로 제조되고 있다. 여기서, 비중이 큰 강(鋼) 소재로 구성된 주방용품의 경우는 무게가 무겁고 부식이 되는 문제가 있어, 내부식성이 있고 가벼운 소재인 알루미늄 합금의 주방용품이 많이 이용되고 있는 실정이다.

그러나, 알루미늄의 경우 인체에 흡수되어 축적될 경우 독성을 나타내어 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있어, 새로운 소재를 사용한 제품에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

한편, 마그네슘은 실용금속 중에 가장 낮은 비중으로 경량성이 있고, 탄성이 좋고 뛰어난 전자파 차폐성을 가지며, 기타 다른 금속에 비하여 주조성, 강도, 절삭 가공성, 진동 흡수성 등이 우수한 특징이 있다.

이러한 마그네슘의 경량성과 고강도의 특성에 따라, 자동차 부품, 휴대용 전자부품, 휴대폰, 노트북 케이스 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있어, 이를 후라이팬, 냄비 등 주방용품에도 적용하고자 하는 시도가 있다.

이러한 시도로서, 한국특허출원 10-2009-0029995(마그네슘합금 판재를 사용한 주방용기 및 그 제조방법)과 같이, 마그네슘합금으로 된 평판 소재를 프레스를 이용하여 열간 드로잉 공법으로 단조 성형한 후, 규소강판을 부착시켜 제조한 것으로 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(100)는, 마그네슘 판재를 용기형태로 형성하여 이루어진 몸체(40)와, 상기 몸체의 내부 표면에 테프론 또는 세라믹이 코팅되어 이루어진 코팅층(80)을 포함하여 이루어진다.

그러나, 마그네슘 자체의 속성이 화학적으로 반응성이 매우 큰 금속이기 때문에, 공기중에서도 부식이 급속히 진행되는 단점이 있어, 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기에서도 내부식성 문제가 꾸준히 대두되고 있고 이를 강화하는 요구는 여전한 문제점으로 남아 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마그네슘 아노다이징에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성 및 방열성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현할 수 있어 심미감도 향상시킬 수 있는 마그네슘 아노다이징 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 마그네슘 아노다이징 방법에 있어서, 마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와; 상기 전처리 단계 후에 상기 마그네슘 판재의 표면에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 마그네슘 아노다이징 및 CNT 침지단계; 상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 아노다이징 표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CNT 침지단계는, 상온의 24~26℃의 온도조건과, 14~16분의 침지시간의 조건에서 처리되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전처리 단계는, 상기 마그네슘 판재를 적용 제품에 적합한 형상으로 가공하는 형상가공단계; 상기 형상가공단계가 완료된 마그네슘 판재 표면의 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지단계; 상기 침지탈지단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, 산화물 또는 이형제 등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 화학에칭단계; 상기 화학에칭단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 개질시키는 중화단계; 상기 마그네슘 판재의 스머트를 제거하는 디스머트단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 건조단계 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마그네슘 판재를 이용한 제품은, 상기 제품에 적합한 형태로 성형된 몸체와, 상기 몸체를 아노다이징 및 CNT 침지단계로 표면 처리한 다음 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마그네슘 아노다이징 방법은, 마그네슘 아노다이징에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성 및 방열성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현할 수 있어 심미감도 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(100)를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(200)를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 제조 공정을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 냄비, 후라이팬 등 주방용기(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(140)는 마그네슘 판재로 이루어지는데, 상기 마그네슘 판재는 프레스 성형 또는 기타의 방법으로 성형된 몸체(140)를 아노다이징 및 CNT 침지공정으로 표면처리한 다음 세라믹 코팅 또는 다이아몬드 코팅 등의 다양한 형태의 코팅 방법을 통해 코팅층(160)을 형성한다.

이하에서는 본 발명에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 아노다이징 및 CNT 침지방법을 위주로 자세히 설명하며, 각 공정 이후에 진행될 수 있는 수세공정은 생략하며, 크게 전처리 공정과, 마그네슘 아노다이징 및 CNT 침지공정과, 건조공정으로 나눌 수 있다.

또한, 전처리공정은 형상가공공정(S100)과, 침지탈지공정(S110)과, 화학에칭공정(S120)과, 중화공정(S130) 및 디스머트 공정(S140)으로 나눌 수 있다.

먼저, 소정의 두께를 가지는 마그네슘 판재를 일정한 형상으로 가공하는 형상가공공정(S100)을 실시한다. 이때, 형상가공공정(S100)은 가령, 후라이팬, 냄비 등과 같이 적용되는 제품에 적합한 형상으로 가공된다.

이후, 상기 형상가공공정(S100)이 완료된 마그네슘 판재의 표면 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지공정(S110)을 구현한다. 이때, 상기 침지탈지공정(S110)은 상기 형상가공공정(S100)에서 발생되거나, 마그네슘 판재의 표면상에 있는 유지 및 유기 오염물을 탈지액을 사용하여 제거하는 공정이다. 상기 침지탈지공정에서 사용할 수 있는 탈지액은 유기오염물을 제거할 수 있는 것이며, 특히 조성은 한정되지 않으나 계면활성제를 함유한 알칼리성 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 탈지액의 알칼리염으로는 수산화물, 인산염, 규산염, 탄산염 등을 적용할 수 있다. 그리고, 계면활성제로서는 비이온계, 양이온계, 음이온계 중의 어느 것이라도 적용할 수 있다. 더욱이 탈지효과를 높이기 위해 킬레이트를 배합해도 좋다. 탈지액을 마그네슘 판재에 접목시키는 온도와 시간은 특히 한정되지 않으나, 마그네슘 판재 표면의 오염의 정도에 따라 60~80℃, 5~15분의 범위내에서 접근시키는 것이 바람직하다. 그리고, 탈지액의 농도는 마그네슘 판재 표면의 오염의 정도, 탈지액 성분 등에 따라 적절히 설정한다. 피처리물인 마그네슘 판재의 표면이 이형제에 의해 과도하게 오염되어 있거나 산화막층이 극히 두껍게 성장해 있을 경우에는 탈지에 앞서 마그네슘 판재 표면에 쇼트 블라스트를 할 수 있다.

이와 같이 침지탈지 공정을 정리하면 다음 표1 과 같다.

탈지제(ND-7)의 농도	200~300ml/l
탈지 온도	60~80℃
탈지 시간	5~15분
액교반 방식	공기 교반
초음파	26kHZ(Sweep 방식)

상기 침지탈지공정(S110)이 완료되면, 여러번의 수세과정을 거치게 된다. 이러한 수세과정은 상기 침지탈지공정(S110)을 거치면서 표면에 묻어있는 유기용제 및 불순물 등을 깨끗하게 세척하는 과정이며, 이는 일반적인 흐르는 물을 이용하여 상온에서 처리하는 공정으로, 각 공정 후의 수세과정에 대해서는 이하에서 생략한다.

이후, 상기 침지탈지공정(S110) 및 수세과정이 완료되면, 마그네슘 판재의 표면에 화학에칭공정(S120) 및 중화공정(S130)을 거치게 된다.

상기 화학에칭공정(S120)은 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, (금속간 화합물 등) 산화물 또는 이형제등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 공정이다. 또한, 표면의 자연 산화막 및 부식 생성물을 제거한다. 이 화학에칭공정(S120)은 마그네슘 판재의 연마 작용도 동시에 갖고 있는데, 에칭제의 능력이 저하하면, 편석물이나 부식 생성물이 제거되지 않고 특히 부식 부분이 흑색화한다. 이와 같은 상태로 되면 양극산화 피막 처리가 정상적으로 되지 않고, 피막의 밀착 불량이 발생한다. 또한, 에칭처리 후 마그네슘 판재의 표면이 거칠어지면(오버 에칭) 피막의 밀착성이 저하된다.

이와 같이, 화학에칭공정을 정리하면 표 2와 같다.

에칭제(EMS)의 농도	300~350 g/l
용액 온도	60~70℃
액교반 방식	공기 교반
처리 시간	5~10 분

상기 화학에칭공정(S120)이 완료되면, 중화공정(S130)이 실시된다. 중화공정(S130)은 에칭 공정에서 판재 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 본 공정에서 의해서 표면이 개질되고 디스머트(Desmut) 공정을 원활하게 하기 위한 공정이다. 또한, 에칭 공정 중의 산이 디스머트 공정액에 혼입되지 않기 위해서 필요한 공정이다. 이와 같이, 중화공정을 정리하면 표 3과 같다.

중화제(구연산)의 농도	20~50 g/l
용액온도	70~80℃
처리시간	10~25 분

상기 중화공정(S130)이 완료되면, 에칭공정에서 생긴 스머트(Smut)를 제거하는 디스머트 공정(S140)이 실시된다. 이때, 디스머트 공정(S140)은 화학에칭공정에 의해 표면에 잔존하는 스머트, 즉 에칭에 의해 발생한 부식 생성물이나 에칭되지 않고 남아있는 합금성분 등의 잔류물의 제거를 목적으로 한다. 디스머트액으로서는 상기 마그네슘 판재 표면에 잔존한 스머트를 제거할 수 있는 것이면 산 또는 알칼리성 수용액 등을 사용할 수 있다. 디스머트액의 농도, 온도, 시간 등의 조건은 마그네슘 판재 표면의 스머트의 부착강도, 사용하는 디스머트액의 성분에 따라 적절히 조절된다. 이와 같이 디스머트 공정을 정리하면, 표 4와 같다.

디스머트액(NaOH)의 농도	100~150 g/l
용액 온도	60~70℃
액교반 방식	공기교반법
처리 시간	10~13분

상기 침지탈지공정(S110), 화학에칭공정(S120), 중화공정(S130) 및 디스머트공정(S140)의 전처리공정이 완료되면, 마그네슘 판재의 표면에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하는 마그네슘 아노다이징 및 CNT 침지공정(S150)이 실시된다.

상기 마그네슘 아노다이징은, 황산, 인산, 그리고 옥살산 등의 무기물 전해질 용액 속에 양극과 음극을 삽입하고 상기 전해액을 담고 있는 전해조에 S100~S140의 과정이 완료된 마그네슘 판재를 담근 후에, 마그네슘 판재에는 (+)전극을 인가하고, 전해조에는 (-)전극을 인가하여 양극에 위치한 금속을 전기화학적 방법에 의하여 산화시키는 공정이다. 이때, 상기 마그네슘 아노다이징에서 마그네슘 판재가 황산, 인산 등과 같은 산성용액에서 양극산화가 일어나게 되면, 마그네슘 판재의 표면에는 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층의 산화막이 형성된다. 이처럼 양극 산화막은 조밀한 육각 단위 세포로 되어 있으며, 이러한 피막은 다수의 기공이 형성된 상부의 기공층(Porous Layer)과 치밀한 하부의 장벽층(Barrier Layer)으로 구성되어 있다. 또한, 양극산화 분위기 조건은 전해액의 성질, 전압, 전류 등 양극산화시 수반된 조건과 양극산화의 시간과 금속의 성질 즉 표면상태와 순도 등이다. 가령, 양극사이에 일정한 전압을 가하면 산화막의 두께가 점점 증가되지만 일정한 산화막의 두께가 형성된 후에는 생성된 산화막이 절연체의 역할을 하여 막의 성장 속도가 느려진다. 또한, 기공이 많은 다공질 산화막에서는 가해준 전압의 크기가 기공의 지름, 기공 벽의 두께가 장벽층의 두께를 변화시키는 공통요소로 작용한다. 이에 따라 전압이 낮아질수록 이러한 것들의 크기는 작아져서 기공의 밀도가 증가하여 박막의 물리적인 강도는 낮아진다.

상기 마그네슘 아노다이징 공정 중에 친수성 탄소나노튜브(CNT) 분말을 첨가하는 CNT 침지공정(S150)이 실시된다. 상기 CNT 침지공정(S150)은 기존의 마그네슘 아노다이징 공정의 온도(15℃ 전후)보다 높은 온도(상온의 25℃ 전후, 가령 24~26℃)를 이용하여 다공성 피막을 생성한 후 전해조에 친수성 CNT 분산액을 침지시켜 상기 다공성 피막층의 무수한 기공에 CNT 입자를 침투시켜서 형성한다. 상세하게는, CNT 분말과 물을 일정한 비율로 교반하여 분산시킨 분산액에 마그네슘 판재을 침지시키면, CNT 입자는 상기 다공성 피막의 기공속에 침투될 수 있다. 상기 CNT는 전기전도성이 좋은 물질이며 흑연면이 대롱형태로 말린 속이 비어 있는 형태로, 그 입자는 작고 무게대비 비표면적이 어떤 물질보다 크며, 우수한 전도성과 물리적인 강도 및 열전달성이 우수하며 입자의 크기가 나노사이즈의 입자이므로, 용이하게 기공에 침투될수 있으며 내식성 및 방열성을 구현하는데 유리하다. 상기 CNT 침지공정(S150)을 정리하면 표 5와 같으며, 이를 표 6의 기존의 아노다이징 공정과 비교하면 다음과 같다.

온도(℃)	침지시간(min)
10	3분
15	5분
20	10분
25	15분
30	20분

전압(V)	온도(℃)	침지시간(min)
80	5	3분
90	10	3분
100	15	3분
110	20	3분
120	25	3분

상기 CNT 침지공정에서, 전해액은 기존의 마그네슘 아노다이징시 온도인 15℃ 전후에서 상온의 25℃ 전후로 상향 조정하여 보다 고온에서 산화 피막층을 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 고온에서 기공이 넓어지는 기공 확장의 효과를 구현할 수 있고, 이에 따라, 상온에서의 아노다이징을 통해 확장된 상기 다공성 피막의 기공에서 보다 손쉽게 CNT 입자가 침투될 수 있는 효과가 있다.

또한, 전기분해 시간이 길어지고, 전류밀도가 높을수록 다공성 피막층의 두께는 두꺼워지므로, 상기 다공성 피막층은 통전량에 비례하도록 기존 100V의 전압을 유지하고, 침지시간은 기존 3분에서 15분 내외(14~16분)으로 시간을 늘려 경질의 다공성 피막층이 형성되게 한다. 이때, 표 5 및 표 6의 공정 조건은 온도는 5~30℃ 범위내에서 각 5℃ 간격 범위로 측정하고, 전압은 70~130V 범위내에서 각 10V 범위로 측정하였다.

이와 같이, 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투됨에 따라 산화 피막층을 형성한 마그네슘 판재의 표면은 다공질의 방열효과 및 내식성을 강화하는 효과를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 마그네슘 판재가 소정의 색상(암회색)을 형성하므로 착색효과도 구현할 수 있다. 상기 CNT 침지공정에 따른 표 7의 방열효과 시험을 표 5의 CNT 침지공정 조건과 표 6의 기존 아노다이징 공정 조건에 따라 비교하면 다음과 같다.

시험 조건	Mg 아노다이징		Mg 아노다이징 후 CNT 처리
	실제온도(℃)	접촉 테스트온도(℃)	실제온도(℃)	접촉테스트 온도(℃)
측정온도	50	49	50	44
온도변화	-1℃		-6℃

즉, 히트 싱크(Heat sink)에서 표 7의 조건에 따라 본 발명에 따른 방열효과 시험을 살펴보면, 상기 CNT 침지공정에 따라 기존 마그네슘 아노다이징 공정보다 5℃ 이상의 높은 방열성능으로 방열성을 개선하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 상기 CNT 침지공정(S150)이 완료되면, 또 다시 수세과정을 거쳐서, 상기 CNT 침지공정(S150)에서 발생된 이물질을 제거한 다음 아노다이징 표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조공정(S160)이 실시된다. 이때, 상기 건조는 상온에서 자연 건조도 실시하나 열풍히터나 적외선 건조 등에 의한 오븐 건조가 바람직하다. 또한, 상기 건조공정(S160) 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계가 더 추가될 수 있다. CNT 입자의 경우 분산력이 좋아 침투력이 우수하나 상기 봉공단계는 미침투된 나머지 부분을 채우는 과정으로, 상기 다공성 피막층의 내식성을 보다 강화할 수 있다.

100, 200: 마그네슘 판재을 이용한 주방용기
40, 140: 몸체
80, 160: 코팅층

Claims

마그네슘 아노다이징 방법에 있어서,
마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와;
상기 전처리 단계 후에, 상온의 24~26℃의 온도조건과 14~16분의 침지시간의 조건에서, 상기 마그네슘 판재의 표면에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 마그네슘 아노다이징 및 CNT 침지단계;
상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 아노다이징 표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 아노다이징 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는,
상기 마그네슘 판재를 적용 제품의 형상으로 가공하는 형상가공단계;
상기 형상가공단계가 완료된 마그네슘 판재 표면의 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지단계;
상기 침지탈지단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, 산화물 또는 이형제 등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 화학에칭단계;
상기 화학에칭단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 개질시키는 중화단계;
상기 마그네슘 판재의 스머트를 제거하는 디스머트단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 아노다이징 방법.
제1항에 있어서,
상기 건조단계 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 아노다이징 방법.
제1항에 있어서,
상기 마그네슘 판재를 이용한 제품은, 상기 제품의 형상으로 성형된 몸체와, 상기 몸체를 아노다이징 및 CNT 침지단계로 표면 처리한 다음 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 아노다이징 방법.