KR101745949B1 - 플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재 - Google Patents

플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재에 관한 것으로, 플라스틱 소재의 표면을 화학 에칭하여 요철구조의 화학 에칭층을 형성하는 단계; 화학 에칭층 상부에 티타늄, 구리, 크롬, 니켈 및 이들의 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 밀착층을 형성하는 단계; 금속 밀착층 상부에 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 표면층을 형성하는 단계; 표면층을 양극 산화시켜 표면층 내에서 부분적으로 다공성 양극산화 피막층을 형성하는 단계; 및 다공성 양극산화 피막층에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계를 포함하는 플라스틱 소재의 표면처리방법을 제공한다.

Description

플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재{Surface treatment method of plastic material and plastic material having surface structure produced by the method}
본 발명은 플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱 소재의 표면을 화학 에칭하여 화학 에칭층을 형성하는 단계; 화학 에칭층 상부에 금속 밀착층을 형성하는 단계; 금속 밀착층 상부에 화학양론 조성비 미만의 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 표면층을 형성하는 단계; 및 표면층을 양극 산화시켜 다공성 양극산화 피막층을 형성하는 단계; 및 다공성 양극산화 피막층 상부에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계를 포함하는 플라스틱 소재의 표면처리방법과 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재에 관한 것이다.
본 발명은 플라스틱 소재 표면에 버퍼층을 만들고 표면층(산화물, 질화물, 산질화물층)을 만들어 양극산화피막(anodizing)을 형성하는 방법으로, 외장재에 적용시 불량률을 줄이고 원가를 절감하며, 디자인에 제약을 받지 않고 다양하면서 균일한 색상을 구현하여 외장재의 품질을 향상시킬 수 있다.
휴대폰은 몸에 지니고 다니는 물건이므로 될 수 있는 한 가볍게 제조되는 것이 중요하며, 따라서 휴대폰을 구성하는 중요한 부품 중의 하나인 케이스는 부피가 가장 큰 부품에 해당하므로 최종 조립된 휴대폰을 가볍게 하기 위해서는 비중이 낮은 물질로 제조되어야 유리하다.
통상적으로 휴대폰 케이스는 비중이 낮으면서도 어느 정도의 강도를 갖고 또한 제조하기에도 용이한 플라스틱, 마그네슘, 알루미늄이 주로 사용되나, 플라스틱 케이스는 플라스틱 사출 방법으로 제조되고 재료의 강도가 약하여 표면이 잘 긁히는 단점이 있으며, 금속소재 중 마그네슘 합금(비중 1.74)은 알루미늄(비중 2.7)에 비해서 밀도가 낮아 경량성 부분에서 가장 적합한 소재로 각광을 받았지만, 외관 표면처리가 힘들어 상업적으로 적용이 제한되고 있다.
마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금 등의 휴대폰 외장재를 성형하는 방법으로는 복잡한 형상의 특성에 의해서 다이캐스팅 기술이 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 다이캐스팅에 의하여 복잡한 형상을 성형한 후에는 색상, 내식성, 내마모성, 내구성 등을 충족시키기 위하여 일반적으로 도금 또는 도장을 통해서 외관을 가공하고 있으나, 이러한 표면처리 기술은 상업적으로 다양한 외관 색상을 구현하는데 어려움이 있다.
한편, 일반적인 알루미늄 합금 등의 소재는 상술한 표면처리 기술 이외에 양극산화 피막처리(anodizing) 기술을 적용할 수 있지만, 휴대폰 외장재용 다이캐스팅 알루미늄 합금의 표면은 다이캐스팅 후 표면의 불균일로 인해서 균일하고 미려한 색상의 표면처리가 어려워 흑색 이외에는 양극산화 피막처리 기술이 널리 적용되지 못하고 있다.
즉, 다이캐스팅 합금 표면에 구성원소인 Si의 노출에 의한 화학적 불균일과 응고현상에 따른 결정조직의 불균일, 가압시 유입된 공기에 의한 기공 등의 물리적 불균일 등이 발생하며, 이러한 점은 다이캐스팅 합금 표면에 양극산화 피막처리 기술을 이용한 발색 처리를 어렵게 만든다.
다이캐스팅 방법 대신에 알루미늄 합금 판재를 사용한 프레스 성형방법을 이용하는 경우, 상술한 표면 불균일 발생을 피할 수 있어 양극산화 피막처리 기술 및 후속 발색 처리를 적용해서 다양하고 균일한 색상의 구현은 가능하나, 이러한 방법은 휴대폰 외장재의 복잡한 형상을 충족시키는데 한계가 있다. 또한, 표면 불균일을 피하기 위하여 다이캐스팅 성분을 조절하는 방법도 시도되고 있지만, 강도가 저하되어 소형물에는 어느 정도 적용되나 대형물에는 적용이 불가능하다.
상술한 일련의 문제점들을 해결하고 다이캐스팅 표면에 다양한 색상을 구현하기 위하여, 공개 특허 제10-2005-0102018호는 티타늄 케이스 표면에 알루미늄을 코팅한 다음 열처리하여 티타늄과 알루미늄의 접착력을 높인 후, 표면의 알루미늄에 대한 양극산화 피막처리를 수행하여 표면 강도를 높이고, 또한 다양한 색상을 구현할 수 있게 하는 휴대폰 케이스를 개시하나, 단순한 열처리로 접착력을 높이는 것은 한계가 있어 이후 양극산화 피막층이 쉽게 소재에서 떨어지는 문제가 있다.
또한, 등록 실용 제20-0402239호는 증착을 통해 마그네슘 합금 등의 표면에 질화알루미늄 피막을 형성하고, 그 외방으로 다양한 색상을 가지는 멀티 피막을 증착 형성하여, 마그네슘 합금 등의 표면 강화 및 수요자의 다양한 요구에 적절히 대응할 수 있는 마그네슘 합금 등의 표면처리구조를 개시하나, 멀티 피막의 색상이 물질 고유의 색상으로 한정되거나 혹은 간섭색의 경우로 한정되므로 색상의 다양성이 부족하고, 간섭색의 경우 두께에 제한이 있어 외장 부품의 신뢰성을 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
또한, 등록 특허 제10-1016278호에는 실리콘이 10 내지 14 중량% 포함된 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 구성된 외장재 표면을 연마하는 단계, 외장재의 표면에 알루미늄 막을 1 내지 100 ㎛의 두께로 진공 증착하는 단계, 진공 증착된 알루미늄 막에 5 내지 30 ㎛의 두께로 양극산화 피막 처리하는 단계, 양극산화 피막에 착색 및 봉공 처리하는 단계로 이루어지는 휴대폰 외장재용 다이캐스팅 소재의 표면처리방법을 개시하나, 알루미늄 막을 진공 증착하는 것만으로는 이후 형성되는 양극산화 피막층의 밀착력이 부족하여 상용화에 문제가 있다.
한편, 진공 증착을 포함한 물리적 증기 증착(Physical Vapor Deposition, 이하 PVD라 칭함) 방법을 이용하여 3차원적인 제품의 표면에 막을 형성시킬 경우, 그 부위에 따라 두께가 변화되고 최소한 20% 이상의 막 두께 편차가 발생하는 것이 일반적이다.
또한, 핑크색을 착색하기 위하여, 제품 표면에 알루미늄 막을 최소 15 ㎛ 두께로 형성할 경우, 최대로 코팅되는 부위는 18 ㎛ 이상이 된다. 이를 15 ㎛ 깊이로 양극산화 처리하면, 양극산화 처리부위에 의해 최소 코팅부위는 남아있는 알루미늄 막이 없고, 최대 코팅부위는 3 ㎛의 두께로 알루미늄 막이 남게 되어 부위별로 밀착력에 문제가 발생한다. 즉, 금속막이 너무 많이 남거나 너무 적게 남으면 밀착력에 문제가 발생한다.
또한, 알루미늄 막을 최대 15 ㎛ 두께로 코팅하면 최소 코팅 부위는 12 ㎛ 정도가 되며, 이를 15 ㎛ 깊이로 양극산화 처리하게 되면 최소 코팅 부위는 소재까지 양극산화 처리부위가 침투되면서 소재와 알루미늄 박막의 계면에서 박리 문제가 발생하거나 착색의 단계에서 원하는 색상이 구현되지 못하는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 외장재에 적용시 불량률을 줄이고 원가를 절감하며, 디자인에 제약을 받지 않고 다양하면서 균일한 색상을 구현하여 외장재의 품질을 향상시킬 수 있는 플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적 달성을 위해, 플라스틱 소재의 표면을 화학 에칭하여 요철구조의 화학 에칭층을 형성하는 단계; 화학 에칭층 상부에 티타늄, 구리, 크롬, 니켈 및 이들의 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 밀착층을 형성하는 단계; 금속 밀착층 상부에 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 표면층을 형성하는 단계; 표면층을 양극 산화시켜 표면층 내에서 부분적으로 다공성 양극산화 피막층을 형성하는 단계; 및 다공성 양극산화 피막층에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계를 포함하는 플라스틱 소재의 표면처리방법을 제공한다.
본 발명에서 플라스틱 소재는 유리섬유 1 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에서 화학 에칭은 황산 20 내지 40 중량%, 계면활성제 1 내지 20 중량%, 물 50 내지 70 중량%를 포함하는 에칭 약품에 플라스틱 소재를 5 내지 10분 동안 침적하고 수세한 후 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 요철구조의 표면 거칠기 평균값은 약 3 내지 10 ㎛일 수 있다.
본 발명에서 금속 밀착층 형성 이전에, 100 내지 150℃로 1 내지 2시간 동안 건조한 후, 물리적 증기 증착을 통해 금속 밀착층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 양극산화 이전에, 플라스틱 소재의 일측에 알루미늄 소재를 가공하여 인위적으로 접점을 형성하는 단계; 양극산화 이전에, 표면층의 광택도를 증가시키기 위하여, 표면층을 화학 연마 혹은 전해 연마하는 단계; 및 표면층 형성 단계 이후에, 표면층 상부에 알루미늄 금속막층을 형성하는 단계; 중 적어도 하나의 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 플라스틱 소재 표면에 형성되는 요철구조의 화학 에칭층; 화학 에칭층 상부에 형성되고, 티타늄, 구리, 크롬, 니켈 및 이들의 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 밀착층; 금속 밀착층 상부에 형성되고, 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 표면층; 표면층의 양극 산화에 의해 표면층 내에서 부분적으로 형성되는 다공성 양극산화 피막층; 및 다공성 양극산화 피막층에 형성되는 염료 착색층 및 봉공 처리층을 포함하는, 표면구조를 가지는 플라스틱 소재를 제공한다.
본 발명에 따른 플라스틱 소재는 플라스틱 소재의 일측에 알루미늄 소재를 가공하여 인위적으로 형성되는 접점; 및 표면층 상부에 형성되는 알루미늄 금속막층; 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱 소재 외장재 표면의 양극산화 피막처리 기술을 통하여 플라스틱 사출 제품에 금속성 질감을 부여할 수 있으며, 다양하고 미려하면서도 균일한 색상의 구현이 가능하여 외장재의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라스틱 소재에 유리섬유를 첨가시켜 원가 절감효과와 경도 개선효과를 얻을 수 있다.
또한, 기존 다이캐스팅 성형의 경우 성형시 외관에 찍힘, 스크래치, 주조 흐름 자욱 등이 발생하여 치수와 외관 관리가 어려우나, 본 발명의 경우 사출 특성상 정밀 사출이 가능하여 치수와 외관 관리가 용이하고, 모든 형상의 제작이 가능하여 디자인의 제약을 받지않는다.
또한, 다이캐스팅 금속에 표면 밀착층인 ti층 형성시 발생하지 않았던 들뜸 현상이 플라스틱 표면 밀착층에서는 ti층 형성시 소재의 이질감으로 인해 발생하나, 본 발명에 따라 화학 에칭으로 요철구조를 만들어 단위면적을 증대시켜 들뜸 현상을 해결할 수 있다.
또한, 플라스틱 소재가 공기 중에 노출되어 있으면, 습기가 침투하여 PVD 증착시 로 안에 가스가 발생하면서 진공도가 떨어지고 오염되는데, 본 발명에 따라 PVD 증착 전에 특정 온도에서 특정 시간 동안 건조한 후 PVD 증착함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 알루미늄 PVD층 두께가 5 내지 100 ㎛이므로, 양극산화시 랙크 접점부위가 과열되어 단락현상이 발생하는데, 본 발명에 따라 알루미늄 소재로 가공하여 인위적으로 접점을 만들어 주어 상술한 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 소재의 표면처리방법에 의하여 제조된 플라스틱 사출물의 표면구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 소재의 일측에 형성된 알루미늄 가공품을 나타낸 것이다.
도 3은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 단면 사진(500배 확대)이다.
도 4는 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 단면 사진(1,000배 확대)이다.
도 5는 화학 에칭부를 포함하는 표면처리된 플라스틱 소재의 사진이다.
도 6은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 표면 요철부위 단면 분석사진(500배 확대)이다.
도 7은 화학 에칭된 플라스틱 소재의 표면 요철부위 단면 분석사진이다.
도 8은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 Ti 증착층 단면 분석사진(500배 확대)이다.
도 9는 화학 에칭된 플라스틱 소재의 Ti 증착층 단면 분석사진이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 소재의 표면처리방법에 의하여 제조된 플라스틱 사출물의 표면구조를 나타낸 단면도로서, 본 발명에 따른 플라스틱 소재(10)는 화학 에칭층(20), 금속 밀착층(30), 표면층(40), 다공성 양극산화 피막층(50), 염료 착색층(60), 봉공 처리층(70)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱 소재의 표면처리방법은 플라스틱 소재(10)의 표면을 화학 에칭하여 요철구조의 화학 에칭층(20)을 형성하는 단계; 화학 에칭층(20) 상부에 티타늄, 구리, 크롬, 니켈 및 이들의 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 밀착층(30)을 형성하는 단계; 금속 밀착층(30) 상부에 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 표면층(40)을 형성하는 단계; 표면층(40)을 양극 산화시켜 표면층(40) 내에서 부분적으로 다공성 양극산화 피막층(50)을 형성하는 단계; 및 다공성 양극산화 피막층에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
플라스틱 소재(10)로는 특별히 제한되지 않고 통상적으로 사용되는 플라스틱 소재를 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 내열 플라스틱, 유리섬유 함유 플라스틱 등을 사용할 수 있다.
플라스틱 소재(10)는 사출, 압출 등을 이용하여 휴대폰 케이스와 같이 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 플라스틱 사출 기술은 생산성이 매우 높으며, 복잡한 형상을 요구하는 외장재 성형방법으로 매우 적합하다. 기존 다이캐스팅 성형의 경우 성형시 외관에 찍힘, 스크래치, 주조 흐름 자욱 등이 발생하여 치수와 외관 관리가 어려우나, 본 발명의 경우 사출 특성상 정밀 사출이 가능하여 치수와 외관 관리가 용이하고, 모든 형상의 제작이 가능하여 디자인의 제약을 받지않는다.
플라스틱 소재(10)는 유리섬유 1 내지 50 중량%를 포함할 수 있다. 플라스틱 소재(PAEK, PEEK 등)에 유리섬유(GF)를 첨가시키면, 원가 절감효과를 얻을 수 있고, 또한 경도가 30 내지 50% 향상될 수 있다.
화학 에칭층(20)은 플라스틱 소재(10)의 표면을 화학 에칭함으로써 형성되는 요철구조를 포함한다. 화학 에칭층(20)은 플라스틱 소재(10)의 표면층 중에서 요철구조가 형성된 부위를 의미할 수 있다. 요철구조에 의해 단위 면적이 증대됨으로써 들뜸 현상을 해결할 수 있다. 다이캐스팅 금속에 표면 밀착층인 ti층 형성시 발생하지 않았던 들뜸 현상이 플라스틱 표면 밀착층에서는 ti층 형성시 소재의 이질감으로 인해 발생하나, 본 발명에 따라 화학 에칭으로 요철구조를 만들어 단위면적을 증대시켜 들뜸 현상을 해결할 수 있다. 화학 에칭층(20)의 평균 두께는 1 내지 15 ㎛일 수 있다.
요철구조의 표면 거칠기(조도) 평균값은 약 3 내지 10 ㎛, 바람직하게는 4 내지 8 ㎛일 수 있다. 특히, 화학 에칭 후 및 금속 밀착층(30) 형성 전의 요철구조의 표면 거칠기(화학 에칭층의 표면 거칠기) 평균값은 약 6 내지 10 ㎛, 바람직하게는 7 내지 8 ㎛일 수 있다. 표면 거칠기는 고배율 현미경 등을 이용하여 측정할 수 있으며, 평균값은 3군데 이상의 표면 거칠기를 측정한 후 평균한 값일 수 있다.
화학 에칭은 황산 20 내지 40 중량%, 계면활성제 1 내지 20 중량%, 물 50 내지 70 중량%를 포함하는 에칭 약품에 플라스틱 소재를 5 내지 10분 동안 침적하고 수세한 후 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상술한 조성의 에칭 약품과 공정을 통해 적절한 요철구조를 갖는 화학 에칭층을 효과적으로 형성할 수 있다.
금속 밀착층(30)은 플라스틱 소재(10)와 표면층(40) 사이의 밀착력을 향상시키는 역할을 한다. 금속 밀착층(30)은 표면층(40)을 형성하기 전에, 플라스틱 소재(10) 표면에 형성된 화학 에칭층(20) 상부에 PVD 방법을 통하여 형성될 수 있다.
종래의 알루미늄층 만으로 코팅하는 방법에서는 전술한 바와 같이 양극산화 처리되지 않고 잔존하는 알루미늄층의 두께가 부위에 따라 편차가 심하게 발생하여 오히려 밀착에 문제가 되고 있지만, 본 발명과 같이 화학양론 조성비 이하의 표면층(40)의 일부만 양극산화 처리하고, 그 아래에 화학양론 조성비 이하의 표면층(40)이 잔존할 경우, 플라스틱 소재(10)와 화학양론 조성비 미만의 표면층(40) 사이에 금속 밀착층(30)이 삽입되면 밀착력이 현저하게 개선될 수 있다.
금속 밀착층(30)에는 다양한 금속이 사용 가능하며, 바람직하게는 티타늄, 구리, 크롬, 니켈, 이들의 합금 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 구리, 크롬, 니켈의 경우 습식 도금으로 형성시킬 수 있다.
금속 밀착층(30)은 이 층의 효과 및 가격 그리고 형성방법의 용이성을 고려할 경우 스퍼터링 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 금속 밀착층(30)의 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다. 금속 밀착층(30)의 두께가 너무 얇으면 밀착력 개선의 효과가 없고, 너무 두꺼우면 생산 비용이 증가하는 문제가 있다.
금속 밀착층(30)은 매우 얇은 두께를 가지므로, 금속 밀착층(30) 형성 후에도 요철구조가 그대로 전사되어 남아있게 된다. 요철구조의 표면 거칠기 평균값은 금속 밀착층(30) 형성 후에 감소할 수 있는데, 금속 밀착층(30) 형성 후의 요철구조의 표면 거칠기(금속 밀착층의 표면 거칠기) 평균값은 약 3 내지 6 ㎛, 바람직하게는 4 내지 5 ㎛일 수 있다.
금속 밀착층(30) 형성 이전에, 100 내지 150℃로 1 내지 2시간 동안 건조한 후, 물리적 증기 증착을 통해 금속 밀착층(30)을 형성할 수 있다. 플라스틱 소재가 공기 중에 노출되어 있으면, 습기가 침투하여 PVD 증착시 로 안에 가스가 발생하면서 진공도가 떨어지고 오염되는데, 본 발명에 따라 PVD 증착전에 특정 온도에서 특정 시간 동안 건조한 후 PVD 증착함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있다.
종래에는 플라스틱 소재에 금속성 질감을 표현하기 위하여 도장(하도+중도+상도)과 증착(NCVM)을 조합하여 구현하였으나, 최상층이 도장으로 마무리되어 금속성 질감을 정확히 표현할 수 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 플라스틱 외장재 표면에 알루미늄 막을 증착한 후 이를 양극산화 처리하는 방법이 연구되었으나, 알루미늄 막을 진공 증착하는 것만으로는 이후 형성되는 양극산화 피막층의 밀착력이 부족하다는 문제점이 있다. 또한, 진공증착을 포함한 물리적 증기 증착방법(PVD)을 이용하여 3차원적인 제품의 표면에 막을 형성시킬 경우 그 부위에 따라 두께의 차이가 나게 되며, 이러한 경우 코팅 부위에 따라 금속막이 너무 많이 남거나 너무 적게 남아 밀착력에 문제가 발생한다.
이러한 종래의 문제점들을 극복하기 위해서, 본 발명에서는 플라스틱 사출 공정과 플라스틱 표면 가공 공정 후에, 금속 밀착층(30) 상부에 PVD 방법에 의해 화학양론조성비 미만의 표면층(40)을 형성한다. 가공 공정에서는 표면의 이물질 등을 제거하고, 원하는 표면 질감에 따라서 샌드 블라스팅, 헤어라인 또는 버핑 등의 광택 연마가 이루어질 수 있다.
표면층(40)은 금속, 합금, 이들의 산화물, 질화물, 산질화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것이 효과적이다. 바람직하게는, 표면층(40)은 화학양론 조성비 미만의 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 이들의 산화물, 질화물 및 산질화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 열거하면, 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄 산화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산질화물, 티타늄 합금 산화물, 티타늄 합금 질화물, 티타늄 합금 산질화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 알루미늄 합금 산화물, 알루미늄 합금 질화물, 알루미늄 합금 산질화물 중에서 단독 또는 2종 이상 조합할 수 있다.
티타늄 합금으로는 티타늄 합금 (6-4) 등을 사용할 수 있다. 티타늄 산화물로는 TiO, TiOx 등을 사용할 수 있다. 티타늄 질화물로는 TiN, TiNx 등을 사용할 수 있다. 티타늄 산질화물로는 TiON, TiOxNy 등을 사용할 수 있다. 여기서, x 및 y는 1 이상의 정수이다.
알루미늄 합금으로는 Al-Cu-Mg계 합금, Al-Mg계 합금, Al-Si계 합금, Al-Mg-Si계 합금, Al-Zu-Mg계 합금 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 산화물로는 AlO, AlxOy 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 질화물로는 AlN, AlNx 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 산질화물로는 AlON, AlOxNy 등을 사용할 수 있다. 여기서, x 및 y는 1 이상의 정수이다.
표면층(40)의 형성방법은 스퍼터링(sputtering)이나 이온 플레이팅(ion plating)과 같은 PVD 방식이 사용될 수 있으며, 형성속도 및 형성물의 밀착력을 감안하면 이온 플레이팅 방법이 가장 적합하다. 화학 진공 증착(CVD)은 공정 온도가 통상적으로 500℃ 이상의 고온이기 때문에 소재의 변형 등의 문제가 있어 적절하지 못하며, 현재까지 상용화된 알루미늄의 전기 도금 방법은 알려져 있지 않다.
바람직하게는, 표면에 잔존하는 기름 성분과 이물질 등을 초음파 세척을 통하여 제거하고, 진공조 내부에서 폴리콜드로 플라스틱 소재의 수분을 제거한 후, 이온 플레이팅 방법으로 화학양론 조성비 이하의 표면층(40)을 형성할 수 있다.
이온 플레이팅 방법에 의하여 형성된 표면층(40)은 양극산화 처리에 의하여 일부가 다공성 양극산화 피막층(50)으로 변화되며, 요구되는 양극산화 피막층(50)의 두께에 따라서 표면층(40)의 두께는 1 내지 100 ㎛로 형성할 수 있다. 표면층(40)의 두께가 너무 얇으면 양극 산화 처리시 다양한 색상을 구현할 수 없으며, 너무 두꺼우면 비용 증가 및 광택도가 감소하는 문제가 있다.
표면층(40) 중에서 양극 산화되지 않은 나머지 부분의 경우, 종래 기술에서는 경도가 낮은 알루미늄이지만, 본 발명에서는 경도가 알루미늄보다 우수하며, 이온 플레이팅 방법에 의하여 우수한 밀착력을 가지는 화학양론조성비 이하의 표면층(40)이므로 강한 결합을 보여주게 된다.
양극산화 피막처리는 통상적인 방법에 따라 산을 이용하여 수행할 수 있다. 산으로는 황산, 수산, 크롬산 등을 사용할 수 있고, 또한 이들의 혼합산을 사용할 수도 있다. 양극산화 피막층(50)의 두께는 요구되는 색상에 따라서 조절될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 30 ㎛일 수 있다. 양극산화 피막층(50)의 두께가 너무 얇으면 양극 산화 처리시 다양한 색상을 구현할 수 없으며, 너무 두꺼우면 비용 증가 및 광택도가 감소하는 문제가 있다. 양극산화 피막층(50)의 두께는 표면층(40)의 두께보다 얇을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 플라스틱 소재의 일측에 형성된 알루미늄 가공품을 나타낸 것으로, 양극산화 이전에 플라스틱 소재의 일측에 알루미늄 소재를 가공하여 인위적으로 접점을 형성할 수 있다. 알루미늄 PVD층 두께가 5 내지 100 ㎛이므로, 양극산화시 랙크 접점부위가 과열되어 단락현상이 발생하는데, 본 발명에 따라 알루미늄 소재로 가공하여 인위적으로 접점을 만들어 주어 상술한 문제를 해결할 수 있다. 알루미늄 소재로는 10계열, 50계열, 60계열이 적절하다.
양극산화 피막층(50)은 다공질층으로 형성되며, 이때 형성된 다공질층에 염료를 착색 처리하여 염료 착색층(60)을 형성할 수 있다. 염료 착색방법은 유기물 착색, 무기물 착색, 전해 착색 등을 사용할 수 있다.
염료 착색 처리 후에, 최종적으로 봉공 처리를 하여 봉공 처리층(70)을 형성할 수 있다. 봉공 처리는 수화 봉공, 금속성 봉공, 유기물 봉공, 저온 봉공 등의 방법을 이용할 수 있다. 기공을 막는 봉공 처리를 통해 착색의 내후성/내구성 및 피막의 내식성을 개선할 수 있다.
일반적으로, 박막의 두께가 증가하면 면 조도가 나빠져 박막의 광택도가 감소되므로, 이를 바로 양극 산화시키면 광택도 저하의 문제가 발생된다. 따라서 최종제품이 무광일 경우에는 그대로 양극 산화시켜도 무방하지만, 유광의 광택 있는 제품을 제작하려면 양극 산화 단계 이전에 표면층(40)을 화학 연마 혹은 전해 연마하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 착색 후 봉공 처리된 양극산화 피막층(50)의 내구성은 플라스틱 소재(10)와 그 상부에 형성된 표면층(40)과의 밀착력에 의하여 영향을 받으며, 형성된 표면층(40)의 밀착력이 높아야 외장품에 요구되는 신뢰성을 통과할 수 있게 된다.
밀착력을 높이기 위하여, 화학양론 조성비 미만의 표면층(40) 상부에 알루미늄 금속막층을 형성할 수도 있다. PVD 코팅방법으로 표면층(40)을 두껍게 코팅하는 것보다는 알루미늄 막을 두껍게 형성하는 것이 보다 용이하며, 이후의 양극산화 공정에서 피처리물의 요구되는 모든 부위에서 화학양론 조성비 미만의 표면층(40) 물질이 잔존하면, 생산에 소요되는 시간이 줄고 공정의 재현성이 향상될 수 있다.
표면층(40) 상부에 형성되는 알루미늄 금속막층의 두께는 1 내지 100 ㎛이면 효과를 볼 수 있다. 알루미늄 금속막층의 두께가 너무 얇으면 양극 산화 처리시 다양한 색상을 구현할 수 없으며, 너무 두꺼우면 비용 증가 및 광택도가 감소하는 문제가 있다.
요구되는 색상에 따라서 피막의 두께가 결정될 수 있다. 색상이 핑크, 골드, 청색, 녹색, 적색, 흑색으로 갈수록 피막 두께는 증가하며, 1 내지 30 ㎛의 범위이면 원하는 모든 색상의 착색이 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 플라스틱 소재의 표면처리방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나, 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
[실시예]
사출된 PAEK 플라스틱 소재 표면을 화학 에칭하여 요철구조의 화학 에칭층을 형성하였다. 구체적으로, 황산 30 중량%, 계면활성제 10 중량%, 물 60 중량%를 포함하는 에칭 약품에 플라스틱 소재를 약 7분 동안 침적하고 수세한 후 건조하였다.
다음, 125℃로 1.5시간 동안 건조한 후, 스퍼터링 방법을 이용하여 금속 밀착층을 형성하였다. 금속 밀착층의 재료로는 Ti를 사용하였고, 두께는 3.2±0.4 ㎛로 형성하였다.
다음, 금속 밀착층 상부에 이온 플레이팅 방법을 이용하여 표면층을 형성하였다. 표면층의 재료로는 Al 1000계열을 사용하였고, 두께는 40±5 ㎛로 형성하였다.
다음, 알루미늄 가공품으로 접점을 만든 후, 표면층을 양극산화 처리하여 양극산화 피막층을 형성하였다. 양극산화 피막처리에서 황산을 사용하였고, 양극산화 피막층은 4.1±0.5 ㎛ 두께로 형성하였다.
다음, 양극산화 피막층에 염료를 착색처리하고 최종적으로 봉공 처리하였다.
도 3은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 단면 사진(500배 확대)으로, 위쪽 사진이 화학 에칭을 하지 않은 경우이고, 아래쪽 사진이 화학 에칭한 경우이다. 위쪽 사진의 경우 공정은 사출물 → Ti 증착(2hr) → PVD(18kW,4hr) → 샌딩(ceramic, #205, 3kg) → Anodizing의 순서로 진행하였고, 아래쪽 사진의 경우 공정은 사출물 → 화학 에칭 → Ti 증착(2hr) → PVD(18kW,4hr) → 샌딩(ceramic, #205, 3kg) → Anodizing의 순서로 진행하였다.
도 4는 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 단면 사진(1,000배 확대)으로, 위쪽 사진이 화학 에칭을 하지 않은 경우이고, 아래쪽 사진이 화학 에칭한 경우이다. 도면에서 사출물은 플라스틱 소재, Ti층은 금속 밀착층, PVD층은 표면층, 아노다이징층은 양극산화 피막층이다. 위쪽 사진을 참고하면, 사출물 소재에 화학 에칭 없이 Ti 증착된 단면 분석 시, 사출물과 Ti층간 밀착성이 떨어져 Gap이 발생되어 있음을 확인할 수 있다. 아래쪽 사진을 참고하면, 사출물 소재에 화학 에칭된 면에 Ti 증착된 단면 분석 시, 사출물과 Ti 증착층과의 밀착성이 좋은 견고한 조직을 보여준다.
도 5는 화학 에칭부를 포함하는 표면처리된 플라스틱 소재의 사진으로, 위쪽 사진은 사출물 소재이고, 아래쪽 사진은 PVD Anodizing 사진이다. 위쪽 사진을 참고하면, ① 구역은 화학 에칭이 안 되어 있는 부분이고, ② 구역은 화학 에칭이 되어 있는 부분이다. 아래쪽 사진을 참고하면, ① 구역(빨간색 점선부)에는 밀착성 불량(들뜸)이 발생하였으나, ② 구역에서는 밀착성 불량이 발생하지 않음으로써 화학 에칭부의 밀착이 견고함을 알 수 있다.
도 6은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 표면 요철부위 단면 분석사진(500배 확대)으로, 위쪽 사진이 화학 에칭을 하지 않은 경우이고, 아래쪽 사진이 화학 에칭한 경우이다. 위쪽 사진을 참고하면, 일반적인 사출물 표면은 매끄러운 상태로, 단면 촬영 시에도 매끄러운 면을 보여준다. 아래쪽 사진을 참고하면, 사출물에 화학 에칭을 가한 후 단면 분석 시 요철부위를 관찰할 수 있다.
도 7은 화학 에칭된 플라스틱 소재의 표면 요철부위 단면 분석사진으로, 화학 에칭 후의 요철구조의 표면 거칠기 평균값은 약 7.6 ㎛이었다.
도 8은 화학 에칭 유무에 따른 표면처리된 플라스틱 소재의 Ti 증착층 단면 분석사진(500배 확대)으로, 위쪽 사진이 화학 에칭을 하지 않은 경우이고, 아래쪽 사진이 화학 에칭한 경우이다. 위쪽 사진을 참고하면, 일반적인 사출물 표면은 Ti 증착 후에도 매끄러운 면을 보여준다. 아래쪽 사진을 참고하면, 화학 에칭된 요철부위의 Ti 증착층 분석 시 요철부위를 관찰할 수 있다(단위 표면적이 커짐).
도 9는 화학 에칭된 플라스틱 소재의 Ti 증착층 단면 분석사진으로, Ti 증착층 형성 후의 요철구조의 표면 거칠기 평균값은 약 4.6 ㎛이었으며, 화학 에칭 후 Ti 증착 시 요철구조의 표면 거칠기가 약 40% 감소하였다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10: 플라스틱 소재
20: 화학 에칭층
30: 금속 밀착층
40: 표면층
50: 다공성 양극산화 피막층
60: 염료 착색층
70: 봉공 처리층

Claims (8)

  1. 유리섬유 1 내지 50 중량%를 포함하는 플라스틱 소재의 표면을 화학 에칭하되, 화학 에칭 후에 플라스틱 소재의 표면에 표면 거칠기 평균값이 7 내지 10 ㎛인 요철구조가 형성되도록, 황산 20 내지 40 중량%, 계면활성제 1 내지 20 중량%, 물 50 내지 70 중량%를 포함하는 에칭 약품에 상기 플라스틱 소재를 5 내지 10분 동안 침적하고 수세한 후 건조함으로써, 요철구조의 두께 12 내지 15 ㎛의 화학 에칭층을 형성하는 단계;
    화학 에칭층 상부에 티타늄의 금속 밀착층을 형성하되, 화학 에칭층이 형성된 플라스틱 소재를 100 내지 150℃로 1 내지 2시간 동안 건조한 후 물리적 증기 증착을 통해 두께 2.8 내지 3.6 ㎛의 금속 밀착층을 형성하는 단계;
    표면에 잔존하는 기름 성분과 이물질 등을 초음파 세척을 통하여 제거하고, 진공조 내부에서 폴리콜드로 플라스틱 소재의 수분을 제거한 후, 이온 플레이팅 방법으로 금속 밀착층 상부에 알루미늄 및 알루미늄 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 두께 35 내지 45 ㎛의 표면층을 형성하는 단계;
    표면층의 광택도를 증가시키기 위하여, 표면층을 화학 연마 혹은 전해 연마하는 단계;
    표면층 상부에 두께 70 내지 90 ㎛의 알루미늄 금속막층을 형성하는 단계;
    플라스틱 소재의 일측에 알루미늄 소재를 가공하여 일정 길이의 전극을 형성하고, 상기 전극에 전원을 인가하는 단계;
    알루미늄 금속막층이 형성된 표면층을 양극 산화시켜 두께 3.6 내지 4.5 ㎛의 다공성 양극산화 피막층을 형성하는 단계; 및
    다공성 양극산화 피막층에 유기물 착색, 무기물 착색, 전해 착색 중 어느 한 방법을 이용하여 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계를 포함하는 플라스틱 소재의 표면처리방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항의 방법에 따라 제조되며,
    유리섬유 1 내지 50 중량%를 포함하는 플라스틱 소재의 표면을 화학 에칭하되, 화학 에칭 후에 플라스틱 소재의 표면에 표면 거칠기 평균값이 7 내지 10 ㎛인 요철구조가 형성되도록, 황산 20 내지 40 중량%, 계면활성제 1 내지 20 중량%, 물 50 내지 70 중량%를 포함하는 에칭 약품에 상기 플라스틱 소재를 5 내지 10분 동안 침적하고 수세한 후 건조함으로써, 형성된 요철구조의 화학 에칭층;
    화학 에칭층 상부에 형성되고, 화학 에칭층이 형성된 플라스틱 소재를 100 내지 150℃로 1 내지 2시간 동안 건조한 후 물리적 증기 증착을 통해 형성된 티타늄 금속 밀착층;
    금속 밀착층 상부에 형성되고, 알루미늄 및 알루미늄 합금 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하며, 광택도를 증가시키기 위하여 화학 연마 혹은 전해 연마된 표면층;
    표면층 상부에 형성된 알루미늄 금속막층;
    플라스틱 소재의 일측에 형성되고, 알루미늄 소재를 가공한 일정길이의 전극;
    알루미늄 금속막층이 형성된 표면층을 양극 산화시켜 형성된 다공성 양극산화 피막층; 및
    다공성 양극산화 피막층에 형성되는 염료 착색층 및 봉공 처리층을 포함하는, 표면구조를 가지는 플라스틱 소재.
  8. 삭제
KR1020160058010A 2016-05-12 2016-05-12 플라스틱 소재의 표면처리방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 플라스틱 소재 KR101745949B1 (ko)

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WO2009116484A1 (ja) * 2008-03-17 2009-09-24 大成プラス株式会社 亜鉛系鍍金鋼板と被着材の接合体及びその製造方法

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