KR101560918B1 - 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판 및 그 제조방법 - Google Patents

표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면인 용융아연합금 도금강판의 제조방법은 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하는 용융아연합금 도금욕을 준비하는 단계; 소지강판을 상기 용융아연합금 도금욕에 침지하여 용융아연합금 도금강판을 제조하는 단계; 및 상기 용융아연합금 도금강판에 플라즈마를 조사하여 표면처리하는 단계를 포함하며, 상기 플라즈마의 입사각은 10~30°인 것을 특징으로 한다.

Description

표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판 및 그 제조방법{HOT DIP Zn ALLOY PLATED STEEL SHEET HAVING NANO WIRE ON THE SURFACE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 표면에 나노선(nano-wire)이 형성된 용융아연합금 도금강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 금속, 반도체, 부도체 표면에 나노구조체를 형성하여 차세대 표면처리제품에 적용하려는 연구가 전세계적으로 매우 활발하게 진행 중에 있다. 이에 따라 철강산업 분야에서도 나노구조체를 이용하여 기계적 성질 및 표면 개질 등을 개선하려는 노력이 시도되고 있다.
상기와 같은 나노구조체를 형성하는 방법으로는 전자 빔, 레이저 빔, 고출력 X-선, Focused 이온 빔 등을 이용한 식각(Etching)을 통하여 원하는 나노구조체를 인위적으로 대상 표면 위에 형성 시키는 방법이 있다. 상기의 방법은 감광제(photo resistor), 마스크(mask) 등을 사용하여 개개의 나노선을 순차적으로 제조함으로 정밀도는 우수하나, 대용량의 표면적에 나노 구조체를 형성하는 데는 기술적인 한계가 있다.
상기 기술에 대한 대안으로서, 비특허문헌 1에서는 비활성 기체의 이온빔 플라즈마를 이용하여 GaSb 반도체 표면에 나노 크기의 양자점(Quantum Dot)을 매우 고르게 대면적으로 형성하는 방법이 제안되었다. 이온빔 플라즈마를 이용한 상기의 방법은 단결정 금속 표면에 대해서도 매우 활발한 연구가 이루어져, 나노 선(Nano Wire), 나노 점(Nano Dot), 나노 구멍(Nano Hole) 등의 형성이 가능하게 되었으며 이에 대한 이론적 원리 규명이 가능해졌다. 그러나 고진공(10-5 Torr 이하) 상태에서의 이온빔 플라즈마가 필요하여 고가의 설비가 추가로 필요하며 유지 보수가 어려우며, 수 초 정도의 단시간에 나노 구조체를 표면에 형성 시키기에는 용이하지 않아 실제의 산업에 적용하기에는 한계가 있다.
S.Facsco et al, Science 285, 1551 (1999)
본 발명의 일 측면은, 내식성, 도장성 및 백색도가 우수할 뿐만 아니라, 광학적 특성의 차별화가 가능한 용융아연합금 도금강판 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하는 용융아연합금 도금욕을 준비하는 단계; 소지강판을 상기 용융아연합금 도금욕에 침지하여 용융아연합금 도금강판을 제조하는 단계; 및 상기 용융아연합금 도금강판에 플라즈마를 조사하여 표면처리하는 단계를 포함하며, 상기 플라즈마의 입사각은 10~30°인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 소지강판 및 용융아연합금 도금층을 포함하고, 상기 용융아연합금 도금층은 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 도금층의 표면에 복수의 나노선(nano wire)이 형성되고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)가 250 이상이고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)와 상기 나노선과 직각 방향의 광택도(G60RD)의 비율(G60PD/G60RD)이 1.3~2.0인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판을 제공한다.
덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 표면에 치밀하고 균일한 나노선이 형성되어, 내식성, 도장성 및 백색도가 우수한 용융아연합금 도금강판을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 용융아연합금 도금강판은 강판을 바라보는 방향에 따라 빛의 반사 특성이 차별되어, 광학적 특성의 차별화가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 표면처리는 수 초 내에 나노선(nano wire)를 형성함으로써 실질적인 연속 공정상에 응용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금도금강판을 제조하는 공정의 개략도이다.
도 2는 실시예 1의 표면을 관찰한 AFM(Atomic Force Microscope) 사진이다.
본 발명자들은 도금강판의 내식성, 도장성 및 표면의 미려함을 동시에 확보하는 방법에 대하여 도금층의 조성 및 도금강판의 제조방법의 양 측면으로 연구를 거듭한 결과, 소지강판의 표면에 아연-알루미늄-마그네슘 합금도금층을 형성시키고, 적절하게 제어된 조건 하에 플라즈마 공정에 의한 표면처리를 수행할 경우, 그 표면에 이온빔 스퍼터링(Sputtering)에 의한 식각(Etching)과 원자들의 표면 확산(Surface diffusion) 현상이 균형을 이루면서 매우 치밀하고 균일한 나노선(nano-wire)이 자발적으로 형성되어 도금강판의 내식성, 도장성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 표면 백색도가 매우 우수한 도금강판을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
또한, 플라즈마 입사각을 적절히 제어하여 나노선을 향상시킬 경우, 강판을 바라보는 방향에 따라 빛의 반사 특성이 차별되어, 광학적 특성의 차별화가 가능함을 추가적으로 발견할 수 있었다.
또한, 상술한 종래기술과 달리, 수 torr의 저압 플라즈마를 이용하여 표면처리를 수행할 경우, 수 초 내에 나노선(nano-wire)을 형성할 수 있어 실질적인 연속 공정 상에 응용이 가능하다는 것을 추가적으로 발견할 수 있었다.
이하, 도 1를 참조하여 본 발명의 일 측면인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하는 용융아연합금 도금욕(1)을 준비한다.
상기 용융아연합금 도금욕 내의 Al 함량이 1중량% 미만인 경우에는 열연강판과 도금층 계면에 Fe-Al계 금속간 화합물의 형성이 미약하여 도금 밀착성이 열위하게 나타나며, 반면 15중량%를 초과하는 경우에는 도금욕의 융점이 높아져서 도금욕 관리 및 도금 후 냉각 관리 등의 문제가 있다. 또한, 상기 용융아연 도금욕 내의 Mg 함량이 1중량% 미만인 경우에는 Mg 첨가에 의한 내식성 향상 효과를 얻을 수 없으며, 반면 4중량%를 초과하는 경우 도금욕 내 드로스 형성이 과다하여 도금욕 관리가 어려울 뿐만 아니라, 도금 표면품질이 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 용융도금공정을 거쳐 용융아연합금 도금강판을 제조한다. 바람직한 일 예로서, 소지강판을 용융아연합금 도금욕에 침지하여 용융아연합금 도금강판을 제조할 수 있으며, 도금욕을 통과한 용융아연합금 도금강판은 도금조 상단의 공기 또는 질소를 사용하는 가스 와이퍼(2)에 의해 예컨대 80~600g/m2으로 도금 부착량이 조절된 후 냉각대(4)를 거쳐 냉각될 수 있다. 한편, 필요에 따라 냉각 전 응고 반응을 촉진하여 미세 스팽글을 형성하는 대전 인산염 처리장치 또는 합금화 처리장치(3)를 거칠 수 있다. 상기 용융아연합금 도금강판의 합금화 처리시 500℃ 내외의 온도에서 수행할 수 있으며, 상기 용융아연합금 도금층은 5~10중량%의 철(Fe)을 함유한 합금층으로 변화하게 되어 도금강판의 용접성 및 도장성이 보다 향상되게 된다. 냉각 후 스킨패스 압연기(5) 및 텐숀 레벨러(6)에 의해 형상 교정 및 강판에 매크로한 조직(texture)의 제공을 가능하게 할 수 있다.
다음으로, 상기 용융아연합금 도금강판에 플라즈마를 조사하여 표면처리한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용융아연합금 도금강판에 플라즈마를 조사하기 위한 플라즈마 장치(8)는 글로우 방전(Glow Discharge) 또는 절연체 방전(Dielectric Barrier Dicharge) 방식을 사용할 수 있다.
한편, 상기 표면처리는 10-2~20torr의 압력에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1~15torr, 보다 바람직하게는 5~10torr의 압력에서 수행될 수 있다. 상기와 같이 수 torr의 저압 플라즈마를 이용하여 표면처리를 수행할 경우, 수 초 내에 나노선(nano wire)를 형성할 수 있어 실질적인 연속 공정 상에 응용이 가능하다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 진공도를 확보하기 위하여 플라즈마 장치(8)의 전후로 진공 잠금장치(7,9)를 설치할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마는 양쪽에 구성된 전극으로부터 유도된 고전압(0.5~5kV)에 의해 플라즈마 생성기체가 이온화되면서 형성될 수 있으며, 상기 플라즈마 생성기체로는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 및 Rn으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마 생성기체에 산소(O2)를 첨가하여 플라즈마를 형성시킬 경우, 도금강판 표면을 친수성으로 개질할 수 있으며, 상기 플라즈마 생성기체에 메탄(CH4) 또는 실란(Silane)을 첨가하여 플라즈마를 형성시킬 경우, 도금강판 표면을 소수성으로 개질할 수 있다.
상기 플라즈마의 이온 에너지는 0.5~5keV인 것이 바람직하다. 상기 이온 에너지가 0.5keV 이하인 경우에는 나노 선 형성효율이 떨어지며, 반면, 5keV를 초과하는 경우에는 스퍼터링 발생이 과다하여 도금층의 증발이 과다하게 발생하며, 이로 인해 소지강판 자체에 손상이 가해질 우려가 있다.
상기 플라즈마의 입사각은 10~30°인 것이 바람직하다. 상기 입사각은 도금강판의 표면과 플라즈마의 입사 방향이 이루는 각도 중 예각을 의미하며, 만약 상기 입사각이 10°미만인 경우에는 도금층 식각 깊이가 지나치게 낮아 나노선 생산 효율이 떨어지며, 반면, 상기 입사각이 30°를 초과하는 경우에는 상기 이온 에너지가 강판의 수직방향으로 전달이 많이 이루어져 나노선의 길이가 짧아 나노선의 특성이 나타나지 않는다.
상기와 같이 표면처리된 도금강판은 필요에 따라 후처리 장치(10)에 의해 크롬산 처리, 수지 코팅, 방청유 처리 등이 실시될 수 있으며, 텐숀 릴(11)에 의해 코일 형태로 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판은 소지강판 및 용융아연합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층의 표면에 복수의 나노선(nano wire)이 형성된다.
본 발명에 의한 도금강판은 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)가 250 이상이고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)와 상기 나노선과 직각 방향의 광택도(G60RD)의 비율(G60PD/G60RD)이 1.3~2.0의 값을 나타낸다. 이는 나노선과 평행 방향은 정반사 반사량의 증가로 광택도가 향상되나, 나노선과 직각 방향은 주기적인 굴곡이 나타나기 때문에 난반사 반사량의 증가로 광택도가 저하되기 때문이다. 이로 인해, 강판을 바라보는 방향에 따라 빛의 반사 특성이 차별되어, 광학적 특성의 차별화가 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기의 광택도 값을 구현하기 위하여, 상기 나노선의 길이의 평균값은 1000~3000nm이고, 폭의 평균값은 10~20nm으로 제어할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 1)
탄소 0.04%, 망간 0.2%, 실리콘 0.01% 이하를 함유한 저탄소 냉연강판 (1.5mm X 1200mm) 소재를 도금욕 440℃에서 도금 부착량 120 g/m2로 합금용융아연도금 처리(도금욕 성분: 아연+ 2% 알루미늄 + 3% 마그네슘)하였다. 그 후 글로우 방전을 Ar 분위기, 9 Torr 진공도 내에서 Ar 이온 에너지 700eV로 1초 동안 실시 하였다. 플라즈마 입사각도는 20도로 하였다.
평균값으로, 폭 17nm, 길이 1300nm의 나노선이 Zn-Al-Mg 용융아연도금강판 표면에 매우 고르게 형성되었으며, 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)가 315이고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)와 상기 나노선과 직각 방향의 광택도(G60RD)의 비율(G60PD/G60RD)이 1.8로써 광학적 특성의 차별화가 우수한 것으로 나타났다.
( 실시예 2)
탄소 0.04%, 망간 0.2%, 실리콘 0.01% 이하를 함유한 저탄소 냉연강판 (0.7mm X 1000mm) 소재를 도금욕 440oC 에서 도금 부착량 90 g/m2로 합금용융아연도금(도금욕 성분: 아연+ 6%알루미늄+ 3%마그네슘) 처리한 후, 롤 조도가 1.0 ?m 내외인 스킨 패스 밀로 1.0% 연신을 주어 압연처리 하였다. 그 후 글로우 방전을 Ar 분위기, 9 Torr 진공도 내에서 Ne 이온 에너지 700eV로 2초 동안 실시 하였다. 플라즈마 입사각도는 15도로 하였다.
평균값으로, 폭 27nm, 길이 2200nm의 나노선이 합금용융아연도금강판 표면에 매우 고르게 형성되었으며, 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)가 280이고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)와 상기 나노선과 직각 방향의 광택도(G60RD)의 비율(G60PD/G60RD)이 1.5로써 광학적 특성의 차별화가 우수한 것으로 나타났다.
1: 용융아연합금 도금욕 2: 가스 와이퍼
3: 인산염 처리장치(합금화 처리장치) 4: 냉각대
5: 스킨패스 압연기 6: 텐숀 레벨러
7: 진공 잠금장치 8: 플라즈마 장치
9: 진공 잠금장치 10: 후처리 장치
11: 텐숀 릴

Claims (10)

  1. 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하는 용융아연합금 도금욕을 준비하는 단계;
    소지강판을 상기 용융아연합금 도금욕에 침지하여 용융아연합금 도금강판을 제조하는 단계; 및
    상기 용융아연합금 도금강판에 플라즈마를 조사하여 표면처리하는 단계를 포함하며,
    상기 플라즈마의 입사각은 10~30°인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 표면처리는 10-2~20torr의 압력에서 수행되는 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 용융아연합금 도금강판을 제조하는 단계 및 상기 표면처리하는 단계가 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 이온 에너지는 0.5~5keV인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성기체는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 및 Rn으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성기체는 산소(O2), 메탄(CH4) 및 실란(Silane)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면처리 전, 용융아연합금 도금강판을 가열하여 합금화 처리하는 단계를 더 포함하는 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판의 제조방법.
  8. 소지강판 및 용융아연합금 도금층을 포함하고,
    상기 용융아연합금 도금층은 중량%로, 알루미늄(Al): 1~15%, 마그네슘(Mg): 1~4%, 잔부 아연(Zn) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    상기 도금층의 표면에 복수의 나노선(nano wire)이 형성되고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)가 250 이상이고, 상기 나노선과 평행 방향의 광택도(G60PD)와 상기 나노선과 직각 방향의 광택도(G60RD)의 비율(G60PD/G60RD)이 1.3~2.0인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 나노선의 길이의 평균값은 1000~3000nm이고, 폭의 평균값은 10~20nm인 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 용융아연합금 도금층은 중량%로 철(Fe): 5~10%를 더 포함하는 표면에 나노선이 형성된 용융아연합금 도금강판.
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