KR101733444B1 - 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베이스를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계; 보강부재를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계; 상기 베이스의 가장자리 또는 개구부 주위에 상기 보강부재를 배치하여 사각평판 형상인 지르코니아 케이스 성형체를 얻는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하는 단계; 및 상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함하되, 상기 보강부재는 상기 베이스의 외곽으로부터 1 ~ 5㎜의 영역에 배치하며, 상기 보강부재는 상기 지르코티아 케이스 성형체와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법을 제공한다.
따라서, 지르코니아 재료를 사용하여 충격에 강하고 치수정밀도가 높은 휴대용 전자기기의 케이스를 제조할 수 있다.

Description

휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법 {METHOD OF MANUFACTURING ZIRCONIA CERAMIC CASES FOR MOBILE ELECTRONIC DEVICES}

본 발명은 휴대전자기기용 지르코니아 케이스 제조방법에 관한 것이다.

휴대폰, PDA, MP3 플레이어, 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자기기의 케이스는 폴리카보네이트, ABS와 같은 플라스틱이나 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금 등의 금속으로 만들어진다. 이러한 재료들은 저렴하고 비교적 간단한 제조방법으로 케이스를 제조할 수 있는 이점이 있으나 경도가 높지 않아서 사용 중 표면에 스크래치가 생긴다. 이러한 단점을 보완할 수 있는 재료로서 세라믹스의 일종인 지르코니아가 있다. 지르코니아 세라믹스는 일반적으로 부분안정화제로서 산화이트리움(Y₂O₃)이 몰비 2% 내지 3%가 첨가되어 있다. 부분안정화제를 첨가함으로써 정방정상의 지르코니아가 얻어지며, 이러한 정방정상의 지르코니아는 높은 강도와 인성을 지녀서 구조재료로서 널리 사용되며 또한 높은 경도를 갖기 때문에 스크래치가 생기지 않는다. 이와 더불어, 지르코니아는 그 재료 자체로 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 표면 연마를 행하면 광택이 미려하게 된다. 따라서, 지르코니아는 시계 케이스 등의 장신구로 사용되어 왔다.

미국특허공개 제2006/0268528호에는 지르코니아로 휴대전자기기의 케이스를 만드는 것이 제안되어 있다. 미국특허공개 제2006/0268528호에서는 이를 위해 압출법(extrusion)으로 튜브 형상의 지르코니아 성형체를 만든 후 이를 소결하여 메인 바디를 제조한다. 그런데, 도1에 도시된 바와 같이 튜브 형상의 성형체는 넓은 상면이 얇은 그 양측 모서리를 따라 연장되는 두 측면 사이에 지지되어 있으므로, 소결 공정을 거치는 과정에서 그 자체의 무게로 인해 무너져 내리거나, 성형체의 상면, 하면 및 측면의 소결 공정시 수축율이 각각 달라져서, 소결 중 뒤틀려버리는 문제점이 있다.

한편, 휴대용 전자기기는 그 무게가 적어야 하므로, 비중이 큰 지르코니아로 된 휴대용 전자기기의 케이스는 두께를 0.5 mm 내외로 얇게 만들 필요가 있다. 지르코니아는 강도는 매우 높으나 취성이 큰 세라믹 재료이므로, 이와 같이 얇은 두께의 지르코니아로 된 휴대용 전자기기 케이스는 그 모서리나 가장자리가 충격에 대해 취약하다. 따라서, 지르코니아 휴대용 전자기기 케이스는 사실상 아직 상용화되어 있지 않다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지르코니아 케이스 성형체를 판형으로 성형하는 한편 지르코니아 케이스 성형체의 가장자리 또는 모서리를 지르코니아 케이스 성형체와 동일한 지르코니아 보강재를 이용하여 다른 부분보다 두껍게 형성하여 충격에 강하고 치수정밀도가 높은 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적으로 달성하기 위하여, 본 발명은 베이스를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계; 보강부재를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계; 상기 베이스의 가장자리 또는 개구부 주위에 상기 보강부재를 배치하여 사각평판 형상인 지르코니아 케이스 성형체를 얻는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하는 단계; 및 상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함하되, 상기 보강부재는 상기 베이스의 외곽으로부터 1 ~ 5㎜의 영역에 배치하며, 상기 보강부재는 상기 지르코티아 케이스 성형체와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 사각평판 형상으로 지르코니아 케이스 성형체를 성형하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체의 모서리 부분을 상기 지르코니아 케이스 성형체의 모서리에서 중앙부를 향하여 절단하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하여 가장자리가 곡면으로 형성되고, 절단된 모서리 부분을 겹쳐 별도의 보강부재 없이 곡면의 모서리 두께가 보강되며, 나머지 부분은 평면 또는 상기 가장자리의 곡률반경보다 큰 곡률반경을 가지는 곡면인 지르코니아 케이스 성형체를 얻는 단계; 및 상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함하되, 두께가 보강된 부분은 상기 지르코니아 케이스 성형체의 외곽으로부터 1 ~ 10㎜ 까지의 영역에 배치되며, 상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계는, 상기 지르코니아 케이스 성형체를 1300℃ 내지 1400℃ 사이의 온도로 1차 소결하여 1차 케이스 소결체를 얻는 단계와, 상기 1차 케이스 소결체를 최종 케이스 윤곽형상을 갖는 내화물 받침에 올려놓고 최종 케이스 윤곽형상을 갖는 내화물 무게를 상기 1차 케이스 소결체 상에 올린 후 1차 소결 시보다 높은 온도로 2차 소결하여 2차 케이스 소결체를 얻는 단계를 포함하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 지르코니아 재료를 사용하여 충격에 강하고 치수정밀도가 높은 휴대용 전자기기의 케이스를 제조할 수 있다.

도1은 종래 기술의 지르코니아 케이스 사시도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에서 등압 프레스 공정 이전에 베이스(100) 가장자리에 보강부재(110)를 배치하여 형성된 지르코니아 케이스 성형체의 평면도.
도3은 도2에 도시된 지르코니아 케이스 성형체의 단면도
도4는 본 발명의 제1 실시예에서 서로 마주보는 가장자리를 연결하는 제2 보강부재(120)가 더 배치된 지르코니아 케이스 성형체의 평면도.
도5는 본 발명의 제2 실시예에서 등압 프레스 공정 이전에 베이스(200) 가장자리에 보강부재(210)를 배치하여 형성된 곡면 형상의 지르코니아 케이스 성형체의 단면도.
도6은 본 발명의 제2 실시예에서 지르코니아 케이스 성형체가 1차 소결 공정을 거친 후 2차 소결 공정을 행하는 모습.
도7은 본 발명의 제3 실시예에 관한 것으로, 가장 자리가 곡면으로 형성되고, 그 나머지 부분은 평면으로 형성된 지르코니아 케이스 성형체의 단면도.
도8은 본 발명의 제3 실시예에서 등압 프레스 공정 이전에 지르코니아 케이스 성형체의 모서리를 일부 제거하여 형성된 지르코니아 케이스 성형체의 평면도.
도9는 본 발명의 제4 실시예에 관한 것으로, 가장 자리가 곡면으로 형성되고, 그 나머지 부분은 평면으로 형성된 단판의 지르코니아 케이스 성형체의 단면도.
도10은 본 발명의 제4 실시예에서 등압 프레스 공정 이전에 지르코니아 케이스 성형체의 모서리 부분을 절단하는 모습.
도11은 본 발명의 제5 실시예에 관한 것으로, 일부만(500) 지르코니아로 제조된 케이스의 단면도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.

도2 및 도3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 것으로, 베이스(100)의 가장자리에 보강부재(110)를 배치하여 형성된 지르코니아 케이스 성형체의 평면도 및 단면도를 각각 도시하고 있다. 본 발명의 제1 실시예는 베이스(100)를 성형하는 단계; 보강부재(110)를 성형하는 단계; 상기 베이스(100)의 가장자리 상에 상기 보강부재(110)를 배치하여 지르코니아 케이스 성형체를 형성하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함한다. 제1 실시예에서는 베이스(100)의 가장 자리 상에 보강부재(110)를 추가로 배치한 후 등압 프레스 및 소결 공정을 행하므로, 지르코니아 케이스에서 가장 자리를 제외한 나머지 부분의 두께를 얇게 하여 무겁지 않으면서도 충격에 노출되기 쉬운 가장자리의 강도가 저하되지 않도록 할 수 있다.

베이스(100) 중 보강부재(110)가 배치되는 영역은 베이스 외곽으로부터 1 mm ~ 5 mm까지의 영역으로 하는 것이 바람직하다. 이는 베이스(100) 중 보강부재(110)가 배치되는 영역이 베이스 외곽으로부터 1 mm 미만인 경우에는 베이스 가장자리를 충분히 보강할 수 없고, 5 mm를 초과하는 경우에는 최종 케이스가 지나치게 무거워 질 수 있기 때문이다. 또한, 제조하고자 하는 케이스의 면적이 큰 경우에는 위 보강부재(110) 외에 다른 보강부재를 베이스(100) 상에 더 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도4에 도시된 바와 같이 베이스(100)의 서로 마주보는 가장자리를 연결하는 제2 보강부재(120)를 더 배치하는 것을 고려할 수 있다.

베이스 및 보강부재는 테이프 캐스팅 법, 압출법 또는 롤러 캐스팅법으로 제조될 수 있으나, 테이프 캐스팅법이 바람직하다. 테이프캐스팅법에 의하면, 구체적으로 지르코니아 분말을 액상 용매(예를 들어, 톨루엔과 메탄올의 혼합 용매)와 유기 바인더의 혼합물에 혼합하여 슬러리 상으로 만들고 이를 닥터블레이드에 통과시켜서 얇은 테이프상으로 만들고 용매를 증발시킴으로써 제조된다. 테이프 캐스팅법에 의해 0.7 내지 1.0 mm의 두께의 베이스를 만들면 이후의 소결 고정 중에서의 수축과 표면 연삭 공정에 의해 0.5 mm 내외의 케이스를 얻을 수 있다.

이후, 등압 프레스 공정은 지르코니아 케이스 성형체를 알루미늄 등의 금형 위에 (바람직하게는 금형 양면에) 올려 놓고 비닐 주머니로 진공 포장한 후 고압 챔버에 넣음으로써 지르코니아 케이스 성형체가 높고 균일한 성형밀도를 갖도록 하고 이어지는 소결 공정에서 소결 수축이 고르게 일어나도록 한다.

이후, 지르코니아 케이스 성형체는 1400℃의 온도 하에서 2시간 내외로 소결 공정을 거침으로써, 그 조직이 대략 20% 수축되어 치밀화된다. 다만, 휴대용 전자기기 케이스와 같이 그 두께가 매우 얇은 경우, 지르코니아 케이스 성형체의 소결 수축이 국부적으로 불균일하게 일어남으로써, 지르코니아 케이스 성형체의 전체 형상이 휘어지는 현상을 피할 수 없으므로, 이를 방지하기 위해 지르코니아 케이스 성형체를 내화물 받침으로 받친 상태에서 알루미나 등의 내화물 무게를 지르코니아 케이스 성형체 상면에 올려놓은 상태에서 소결 공정을 행할 수 있다.

도5는 본 발명의 제2 실시예에 관한 것으로, 베이스(200)의 가장자리에 보강부재(210)를 배치하여 형성된 곡면 형상의 지르코니아 케이스 성형체의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명의 제2 실시예는 앞서 설명한 제1 실시예와 동일한 단계를 포함한다. 다만, 제2 실시예와 같이 곡면 형상의 휴대용 전자기기 케이스를 제조하는 경우, 제1 실시예에서와 같이 내화물 받침 및 내화물 무게를 이용한 1단계 소결 공정을 행한다면, 20%의 큰 수축율로 인해 정밀한 곡면 형상을 얻을 수 없다. 따라서, 제2 실시예에서는 소결 공정시 내화물 받침과 내화물 무게를 사용하지 않고 1300℃ 내지 1400℃의 온도 하에서 우선 1차 소결 공정을 행하여 지르코니아 케이스 성형체가 대략 95 % 정도의 상대밀도를 갖도록 하고 대략적인 케이스 형상이 되도록 한 후 도6에서 보는 바와 같이, 지르코니아 케이스 성형체를 최종적인 케이스 윤곽의 형상을 갖는 내화물 받침(230)에 올려놓고 그 위에 최종적인 케이스 윤곽의 형상을 갖는 내화물 무게(240)를 올려놓아 상기 1차 소결 공정 시보다 높은 온도 하에서 2차 소결 공정을 행한다. 이러한 2차 소결 공정에 의해 약 1~3%의 소결 수축이 일어나고 99% 이상의 상대밀도를 갖는 정밀한 곡면 형상의 지르코니아 케이스 소결체를 얻는다.

소결 공정은 고온 하에서 행해지는 것이므로, 내화물(230, 240)과 지르코니아 케이스 성형체 사이에서 본딩(bonding)이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 2차 소결 공정 이전에 지르코니아 케이스 성형체와 접촉하는 내화물 표면 또는 지르코니아 케이스 성형체에 액상 바인더를 분무하고 얇은 층의 용융 알루미나 입자를 도포해 두는 것이 바람직하다.

한편, 베이스(200) 중 보강부재(210)이 배치되는 영역은 제2 실시예와 같이 곡면 형상의 케이스를 만드는 경우 곡면의 크기에 따라 베이스 외곽으로부터 1 mm ~ 10 mm까지의 영역으로 하는 것이 바람직하다.

도7은 본 발명의 제3 실시예에 관한 것으로, 그 가장 자리가 곡면으로 형성되고, 그 나머지 부분은 평면으로 형성된 지르코니아 케이스 성형체(300)의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명의 제3 실시예는 앞서 설명한 제2 실시예와 동일한 단계를 포함하나, 상기 제3 실시예에서는 도8에서 보는 바와 같이 등압 프레스 공정 이전에 지르코니아 케이스 성형체(300)의 모서리를 펀칭으로 일부 제거하는 단계를 포함한다.

이는 등압 프레스 공정에 의해 지르코니아 케이스 성형체(300)의 가장자리를 곡면으로 형성하는 경우 상기 지르코니아 케이스 성형체(300)의 모서리 부분이 일부 접혀 그 모서리 부분의 표면이 불균일하게 되는 것을 방지하기 위함이다.

도9는 본 발명의 제4 실시예에 관한 것으로, 그 가장 자리가 곡면으로 형성되고, 그 나머지 부분은 평면으로 형성된 단판의 지르코니아 케이스 성형체(400)의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명의 제4 실시예는 지르코니아 케이스 성형체(400)를 성형하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체(400)의 모서리 부분을 절단하는 단계(예를 들어, 펀칭공정을 통해); 상기 지르코니아 케이스 성형체(400)를 등압 프레스하여 그 가장자리가 곡면으로 되고, 나머지 부분은 평면으로 되도록 성형하는 단계; 상기 지르코니아 케이스 성형체(400)를 소결하는 단계를 포함한다. 상기 제4 실시예에서는 도10에서 보는 바와 같이, 지르코니아 케이스 성형체의 모서리 부분을 절단한 후 등압 프레스 공정을 거치므로, 등압 프레스 공정 이후 지르코니아 케이스 성형체의 절단된 모서리 부분들이 서로 겹쳐져 별도의 보강 부재 없이도 모서리가 보강될 수 있다.

또한, 지르코니아 케이스 성형체의 모서리를 더욱 보강하고자 하는 경우에는 별도의 보강부재를 상기 모서리에 더 배치하여 상기 등압 프레스를 행할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서는 지르코니아 테이프의 가장 자리에 보강 테이프 조각을 배치하는 실시예가 예시되어 있으나, 상기 가장 자리 외에도 카메라창과 같은 개구부 주위를 보강하기 위하여 상기 개구부 주위에 보강 테이프 조각을 더 배치하는 실시예를 고려할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 케이스 전체를 지르코니아로 제조하는 실시예들만 설명하고 있으나, 도11에 도시된 바와 같이, 케이스를 2 이상으로 분할하여 그 일부만(500)을 지르코니아로 만들 수 있다. 이 경우, 지르코니아 부분을 제외한 나머지 부분(510)은 예를 들어, 플라스틱으로 제조될 수 있다.

Claims (7)

1. 베이스를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계;
   보강부재를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 단계;
   상기 베이스의 가장자리 또는 개구부 주위에 상기 보강부재를 배치하여 사각평판 형상인 지르코니아 케이스 성형체를 얻는 단계;
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하는 단계; 및
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함하되,
   상기 보강부재는 상기 베이스의 외곽으로부터 1 ~ 5㎜의 영역에 배치하며,
   상기 보강부재는 상기 지르코티아 케이스 성형체와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하는 단계 이전에 상기 지르코니아 케이스 성형체의 서로 마주보는 가장자리를 연결하는 제2보강부재를 더 배치하는 단계를 더 포함하며,
   상기 제2보강부재는 상기 지르코니아 케이스 성형체와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법.
4. 사각평판 형상으로 지르코니아 케이스 성형체를 성형하는 단계;
   상기 지르코니아 케이스 성형체의 모서리 부분을 상기 지르코니아 케이스 성형체의 모서리에서 중앙부를 향하여 절단하는 단계;
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 등압 프레스하여 가장자리가 곡면으로 형성되고, 절단된 모서리 부분을 겹쳐 별도의 보강부재 없이 곡면의 모서리 두께가 보강되며, 나머지 부분은 평면 또는 상기 가장자리의 곡률반경보다 큰 곡률반경을 가지는 곡면인 지르코니아 케이스 성형체를 얻는 단계; 및
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계를 포함하되,
   두께가 보강된 부분은 상기 지르코니아 케이스 성형체의 외곽으로부터 1 ~ 10㎜ 까지의 영역에 배치되며,
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 소결하는 단계는,
   상기 지르코니아 케이스 성형체를 1300℃ 내지 1400℃ 사이의 온도로 1차 소결하여 1차 케이스 소결체를 얻는 단계와, 상기 1차 케이스 소결체를 최종 케이스 윤곽형상을 갖는 내화물 받침에 올려놓고 최종 케이스 윤곽형상을 갖는 내화물 무게를 상기 1차 케이스 소결체 상에 올린 후 1차 소결 시보다 높은 온도로 2차 소결하여 2차 케이스 소결체를 얻는 단계를 포함하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,
   2차 소결 이전에 상기 지르코니아 케이스 성형체와 접하는 내화물 표면에 액상 바인더를 분무하고 용융 알루미나 입자를 도포하는 단계를 더 포함하는 휴대전자기기용 지르코니아 세라믹 케이스 제조방법.
   

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