KR101746620B1

KR101746620B1 - 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법

Info

Publication number: KR101746620B1
Application number: KR1020160068626A
Authority: KR
Inventors: 장관섭; 장도섭; 정윤미; 김훈식
Original assignee: 주식회사 영광와이케이엠씨
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-06-15

Abstract

본 발명은 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법에 관한 것으로, 타이타늄을 탈지하는 단계; 탈지된 타이타늄을 산세 처리하는 단계; 산세 처리된 타이타늄을 양극산화하는 단계; 양극산화된 타이타늄을 1차 코팅하는 단계; 1차 코팅된 타이타늄을 2차 코팅하는 단계를 포함하는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법을 제공한다.

Description

양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법{Fingerprint resistant titanium surface treatment method using anodizing}

본 발명은 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법에 관한 것이다.

타이타늄은 지각을 구성하는 금속 원소 중 4번째로 많고, 매장량은 지각 속에서 9번째로 풍부한 금속이며, 비중은 4.51로 스테인리스강 및 철의 약 60% 정도로 가벼우면서, 합금 강도는 특수강에 필적할 정도의 강도를 갖고 있어, 산업분야에 매우 유용하게 쓰일 수 있다.

타이타늄은 산소와의 높은 친화력으로 자연 산화 피막을 형성하며, 인위적으로 아노다이징 피막을 얻게 되면, 내식성과 내마모성이 향상되어, 상업적으로 상당히 활용성이 높은 성질을 띠게 된다.

또한 타이타늄은 양극산화에 의해 다양한 색상을 표현할 수 있으며, 색상은 전압에 따라 산화피막의 두께를 조절하여 다양한 파장의 빛의 간섭현상으로 표현되므로, 다른 염색한 금속재에 비하여 채도가 높고, 선명한 색채를 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나, 타이타늄 산화막은 -OH와 친화력이 좋아 기름기에 쉽게 오염되어 제품에 적용하기 어려운 실정이므로, 지문방지를 위한 기술개발은 필수적이다.

타이타늄은 고강도, 내식성, 인체친화성 등이 우수하여, 조선, 플랜트, 자동차, 안료 등 주력산업 및 국방, 항공, 의료 등 미래 첨단산업에서도 없어서는 안 될 소재로서, 시장규모도 크게 성장할 것으로 전망된다.

산업통상자원부에서는 타이타늄의 중요성을 감안하여 2014년 11월 13대 산업엔진 프로젝트 중의 하나로 타이타늄 프로젝트를 선정하였으며, 타이타늄의 세계시장이 2012년 250조원에서 2025년 600조원으로 성장할 것으로 전망하였다.

타이타늄은 주로 항공, 의료, 플랜트 등에 활용되고, 항공기 부품으로는 랜딩기어, 배기계통, 날개구조물, 엔진계통에 사용되고 있으며, 민항기 타이타늄 부품 비중은 1970년 1~3%에서 2000년 9%로, 2010년에는 12~15%로 성장하였고, 군용기 타이타늄 부품 비중은 1970년 10%에서 1990년 22~40%로 성장하였다. 민항기의 대표적인 예로서 Boeing 787, Airbus A380, A350 등 대형항공기에 주로 사용되고 있다.

국방용으로는 탱크, 장갑차, 잠수함, 소총 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으며, 탱크의 무게 증가에 따른 경량화를 위해 기존 방탄재료를 타이타늄이 대체하면서, 사용량은 더욱 증가하는 추세이다.

플랜트로는 석유화학, 열교환기, 담수화설비 등의 시장이 꾸준히 성장하고 있으며, 의료용으로는 고령화 및 의료기술 발전으로 인공관절, 임플란트 시술이 증가하고 있다.

양극산화 기술은 저가로 대량생산이 가능해 산업적으로 높은 가치가 있으며, 타이타늄 양극산화는 본 금속의 경도를 향상시키고 접착 강도를 증가하는 이점을 가지고 있어, 양극산화를 통해 표면 처리 산업 발전에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

2012년 세계 타이타늄 소재 시장규모는 2008년 대비 17% 증가한 28.2조원 규모로 성장하였으며, 국방항공, 의료, 플랜트, 안료 등 수요산업 성장에 따라 2015년에는 33.3조원으로 성장할 것으로 전망된다.

국내시장 동향을 살펴보면, 우리나라는 소재를 전량 수입에 의존하여 국내시장 규모가 사실상 수입규모와 동일하다고 볼 수 있다.

2012년 국내 소재 시장규모는 2008년 대비 47% 증가한 1조원 규모로서, 국내 플랜트업체가 중동의 대규모 해수담수화 사업을 수주함에 따라 수입량이 증가한 것에 기인하며, 향후에도 플랜트, 조선 등 수요산업이 지속 성장할 것으로 전망됨에 따라 국내 시장(수입) 규모도 확대될 것으로 전망된다.

본 발명의 목적은 타이타늄 양극산화 및 코팅방법을 통하여 최적의 지문 방지 공정기술을 확립할 수 있는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 타이타늄을 탈지하는 단계; 탈지된 타이타늄을 산세 처리하는 단계; 산세 처리된 타이타늄을 양극산화하는 단계; 양극산화된 타이타늄을 1차 코팅하는 단계; 1차 코팅된 타이타늄을 2차 코팅하는 단계를 포함하는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법을 제공한다.

본 발명에서 탈지 단계는 NaOH 10±5% 및 계면활성제 5±3%를 포함하는 알칼리 탈지약품을 12±2%의 농도로 이용하여 40±2℃에서 10±2분 동안 수행할 수 있다.

본 발명에서 산세 처리 단계는 5±2% HF 및 20±2% HNO₃ 혼합액을 이용하여 30±2℃에서 40±5초 동안 수행할 수 있다.

본 발명에서 양극산화 단계는 (NH₄)₂SO₄ 전해액을 10±2%의 농도로 이용하여 pH 4.5 내지 4.7, 온도 20±2℃, 전압 4 내지 100 V의 조건으로 수행할 수 있다.

본 발명에서 1차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 1차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 10±2%, 코팅액 온도 40±2℃, 코팅액 침지시간 10±2분, 수세 온도 40±2℃, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행할 수 있다.

본 발명에서 2차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 2차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 20±2%, 코팅액 온도 50±2℃, 코팅후 건조온도 270±5℃, 건조시간 1±0.2시간, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행할 수 있다.

본 발명에서 표면처리된 타이타늄의 접촉각은 90 내지 120도, 5% NaCl 염수분무시험에 따른 내부식성은 100시간 내지 2000시간까지 가능하며, 내마모성은 1000 cycle 수행시 무게차로서 0.0001 내지 0.001 g일 수 있다.

본 발명에 따르면, 양극산화 공정을 통한 지문 방지 타이타늄 산화막을 형성할 수 있고, 전압에 따라 재현성 가능한 색상을 구현할 수 있으며, 내지문성과 내식성 및 내마모성이 우수하다.

도 1은 본 발명에 따른 타이타늄 양극산화 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 기능성 코팅 공정도이다.
도 3은 색상 재현성 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 내마모 테스터기의 사진이다.
도 5는 물 접촉 시험 사진(정면)이다.
도 6은 물 접촉 시험 사진(측면)이다.
도 7 및 8은 접촉각 시험성적서이다.
도 9, 10 및 11은 타이타늄 아노다이징 색차를 나타낸 사진이다.
도 12는 염수분무 시험성적서이다.
도 13, 14 및 15는 색차 시험성적서이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 타이타늄 양극산화 공정도로서, 상기 공정은 탈지, 수세, 에칭(산세 처리), 수세, 양극산화, 수세, 봉공처리, 수세, 건조 단계로 구성될 수 있다. 일부 공정은 생략될 수 있고, 다른 공정이 추가될 수 있으며, 상기 공정 순서는 필요에 따라 변경될 수 있다.

탈지 단계는 NaOH 10±5% 및 계면활성제 5±3%를 포함하는 알칼리 탈지약품을 12±2%의 농도로 이용하여 40±2℃에서 10±2분 동안 수행할 수 있다.

탈지 후 수세 단계는 탈이온수를 이용하여 20 내지 25℃에서 10±2분 동안 수행할 수 있다.

산세 처리 전에 초음파 수세를 실시할 수 있으며, 초음파 수세는 탈이온수를 이용하여 20 내지 25℃에서 120±20초 동안 수행할 수 있다.

산세 처리 단계는 5±2% HF 및 20±2% HNO₃ 혼합액을 이용하여 30±2℃에서 40±5초 동안 수행할 수 있다.

산세 처리 후 수세 단계는 탈이온수를 이용하여 20 내지 25℃에서 10±2분 동안 수행할 수 있다.

양극산화 단계는 (NH₄)₂SO₄ 전해액을 10±2%의 농도로 이용하여 pH 4.5 내지 4.7, 온도 20±2℃, 전압 4 내지 100 V의 조건으로 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 기능성 코팅 공정도로서, 상기 공정은 HO 코팅(1차 코팅), 수세, HO 코팅(1차 코팅), 수세, DCC 코팅(2차 코팅), 고온 건조, DCC 코팅(2차 코팅), 고온 건조, 자연 냉각 단계로 구성될 수 있다. 일부 공정은 생략될 수 있고, 다른 공정이 추가될 수 있으며, 상기 공정 순서는 필요에 따라 변경될 수 있다.

1차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 1차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 10±2%, 코팅액 온도 40±2℃, 코팅액 침지시간 10±2분, 수세 온도 40±2℃, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행할 수 있다.

구체적으로, 1차 코팅액은 폴리테트라플루오로에틸렌 1 내지 90 중량%, 소디움 라우릴 설페이트 0.1 내지 30 중량%, 실리콘 수지 1 내지 90 중량%, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올 0.1 내지 30 중량%, 톨루엔 1 내지 10 중량%, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 0.1 내지 5 중량%, 물 1 내지 90 중량%, 크실렌 0.1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다. 코팅액의 증발 속도는 에테르보다 느리고, 증기 밀도는 공기보다 무거우며, 휘발 성분의 양은 75±10 부피% 및 60±10 중량%이고, 고형분의 양은 40±10 중량%이며, 끓는점은 100 내지 245℃일 수 있다.

코팅은 통상의 코팅방법을 이용하여 수행할 수 있으며, 예를 들어 롤 코팅, 스핀 코팅, 드랍 캐스팅, 바 코팅, 그라비아 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅 등을 이용할 수 있다. 코팅 두께는 5 내지 60 ㎛일 수 있다.

2차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 2차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 20±2%, 코팅액 온도 50±2℃, 코팅후 건조온도 270±5℃, 건조시간 1±0.2시간, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행할 수 있다. 2차 코팅액은 1차 코팅액과 성분은 같고 함량이 다른 것일 수 있다.

본 발명에 따라 표면처리된 타이타늄의 접촉각은 90 내지 120도, 5% NaCl 염수분무시험에 따른 내부식성은 100 내지 2000시간, 내마모성은 1000 cycle 수행시 무게차로서 0.0001 내지 0.001 g일 수 있다.

[실시예]

본 발명에서는 타이타늄 양극산화공정을 통하여 Ti 소재에 양극산화피막을 입히고, 기능성을 가진 보호피막으로 초발수 피막코팅 공정을 수행하여 내식성과 내마모성을 및 내지문성을 부여함으로써, Ti 소재를 항공기부품이나, 휴대폰, 노트북 케이스 외장재에 적용시키고자 하였다. 이에 최적의 전처리 및 양극산화 공정 기술을 확립하였고, 기능성 코팅 공정의 기본적 공정 조건을 확립하였으며, Ti 소재를 사용하여 그 성능을 평가하였다.

1. 실험방법 및 평가방법

가. 실험방법

티타늄 소재의 양극산화처리를 위한 기본공정으로 전처리공정 -> 양극산화공정 -> 코팅공정 순서로 진행하였다.

Ti 소재의 시편은 Gr1 소재로 100mm×100mm×1.2T의 크기로 제작하여 사용하였다.

1) 전처리 공정

전처리 공정은 표면처리를 행하기 위한 준비 작업으로써, 알칼리탈지, 수세 및 초음파수세, 산세처리 및 중화처리 순서로 수행하였다.

2) 양극산화 공정

가) 양극산화

양극에 Ti 소재를 걸고, Racker로 Ti gr1 소재를, 음극으로는 SUS 304 기판을 사용하였으며, DC 정류기를 사용하여 전원을 공급하였다.

나) 다단 공정을 통한 양극산화

1차 양극산화로 TiO₂ 나노튜브 형태를 제조한 후에, 2차로 다시 양극산화하여 색을 구현하였다.

3) 기능성 코팅

미국의 General Magnaplate Coporation의 HO 및 DCC 초발수 코팅액을 사용하여 침지 및 스프레이 코팅을 진행하였다.

나. 평가방법

1) 접촉각

ASTM D 5946 기준으로 물 접촉각을 측정하였다.

2) 내부식성

5%의 NaCl 용액으로 염수분무시험기를 사용하여 내부식성을 검토하였다.

쿠폰 size (mm)	시험편	염수분무시험 (hr)
100×100×1.2T	양극산화 + 코팅	100 hr 이상

3) 색깔

동일 조건으로 3회 이상 테스트 결과, 색상의 재현성을 확인하였다(도 3 참조).

4) 내마모성

ED-RB1의 내마모 테스터기(도 4)를 사용하여 250 g의 하중으로 1000 cycle을 60 rpm의 속도로 수행하여 내마모 테스트 전후의 무게차를 구하는 방법으로 내마모성을 확인하였다. 이 과정에서 무게는 일본 AND사의 HR-200 전자저울을 사용하여 측정하였다.

쿠폰 size (mm)	시험전(g)	시험후(g)	무게 변화량(g)
50×100×1.2T	22.4505	22.4500	0.0005

2. 실험 내용

가. Ti 소재의 전처리 기술연구

양극산화처리 기술을 비롯한 표면처리 과정에서 전처리 공정은 양호한 제품생산의 가능성 유무를 결정함에 있어서, 큰 요인으로 작용하기에 중요한 부분이다. 특히, 양극산화처리 기술 적용에 있어서, 적절하지 않은 전처리 공정이 수행되는 경우에는, 표면에 얼룩이 생기거나 부식이 발생하는 문제점이 나타난다. 이를 방지하기 위해서는, 양극산화처리 기술 적용 대상인 소재에 최적의 전처리 공정조건이 확립되어야 할 필요가 있다. 따라서 본 실험에서는 탈지제 및 산처리제의 종류와 온도 및 시간을 변수로 하여 최적의 전처리 공정조건을 확립하고자 하였다.

1) 탈지

타이타늄 소재도 알루미늄 소재와 같이 가공품이나 기계연마를 한 제품의 표면에는 연마유, 연마재, 잔여물, 용접 후 잔류 Flux 등이 남아 있어, 이를 제거하지 않고 양극산화를 하게 되면, 피막의 밀착성이 저하되어 양호한 피막을 얻기 힘들게 되므로, 이를 방지하고 에칭에서 좋은 결과를 얻기 위해 화학적 탈지를 실시한다. 탈지 테스트를 위해 시편 표면에 절삭유를 묻힌 후, 화학적 탈지방법으로 시중에서 시판 중인 중성세제를 사용한 중성 탈지, 알칼리 탈지약품(알크린300)을 사용한 알칼리 탈지, 산성 탈지약품(알크린1000)을 사용한 산성 탈지를 실시하였다.

세가지 용액에서의 탈지방법은 각각 그 용액을 사용하여 가장 좋은 효과를 보였던 농도와 온도를 중심으로 3가지를 비교하였다.

	조성 및 방법	시간(분)	온도	water break free
1	중성세제 12%, 침지 에어버블 0	10	40±2℃	×
2	알크린1000 10%, 침지 에어버블 0	10	40±2℃	△
3	알크린300 12%, 침지 에어버블 0	10	40±2℃	○

pH 7.0의 중성세제를 사용한 중성 탈지의 경우, 탈지온도 40~42℃ 범위에서 10분 동안 탈지를 수행하였으나, 기름기가 완전히 제거되지 않았으며, 탈지액 온도를 50℃이상 올리고 20분 이상 침지했을 때 water break free가 가능하였다. 시판되는 알크린 1000을 사용한 산 탈지의 경우, 탈지온도 40~42℃ 범위에서 water break free가 가능하였으나, 탈지뿐만 아니라 에칭도 되면서 스머트도 발생하였다. 시판되는 알크린 300을 사용한 알칼리 탈지의 경우, water break free 및 에칭현상이 발생하지 않아 가장 적합한 탈지액으로 선정하였다.

2) 산세처리

산세처리 공정은 탈지에서 완전히 제거되지 않은 유지 및 자연산화피막이나 소재의 부식된 것 등을 용해제거하기 위한 공정이다.

일반적으로 Ti 및 Ti 합금의 산세처리는 HF이나 HF+HNO₃, HF+H₂O₂, HCl을 주로 사용하는 것으로 알려져 있다.

본 실험에서는 일반적으로 알려진 3가지 산세처리 방법을 사용하여 산세처리 공정을 수행하였다.

가) HF +HNO₃ 혼합법

금속제품 산세처리에 가장 많이 사용되는 방법으로, 가장 좋은 산세처리 방법을 찾기 위해, 산세처리 시간은 30초, 산세처리 온도는 30℃, 혼합액 중 HNO₃을 20%로 고정한 후, HF 농도를 3%, 5%, 10%, 15%, 20%로 변경하여 실험을 진행한 결과, 5% HF + 20% HNO₃ 혼합액을 사용한 산세처리 공정이 가장 적합하였다.

	3% HF	5% HF	10% HF	15% HF
에칭 전
에칭 후
무게 변화량	0.1 g	0.12 g	0.6 g	0.9 g
실험 결과	표면양호	표면양호 표면상태 가장좋음	표면이 하얗게 약간 변색	표면 변색 심하며 에칭시 가스 발생 심함

가장 적합한 방법으로 선정한 5% HF + 20% HNO₃ 혼합액을 사용하여 가장 좋은 산세처리 시간을 찾기 위해 처리시간을 변경하여 시험한 결과, 산세처리시간은 40초가 가장 적절하였다.

애칭액 침지시간	10s	20s	30s	40s	50s
에칭 전
에칭 후
무게 변화량	0.06 g	0.096 g	0.123 g	0.16 g	0.19 g
실험 결과	표면 얼룩 제거안됨	에칭 덜됨	표면 상태 양호	표면 상태 양호	표면 상태 하얗게 변색

나) HF +H₂O₂ 혼합법

실험 1)과 같이 위 혼합액에서도 처리시간 30초, 처리온도 30℃로 고정하고, H₂O₂을 5%로 고정한 후, HF 농도를 0.5%, 1%, 1.5%, 2%로 변동하면서 실험한 결과, 위 혼합액에서의 HF 혼합 %는 1.5%에서 가장 적합하였다.

	0.5% HF	1% HF	1.5% HF	2% HF
에칭 전
에칭 후
무게 변화량	0.057 g	0.095 g	0.123 g	0.14 g
실험 결과	표면 변색 심하며 에칭 안됨	표면 변색 심하며 에칭 덜됨	표면 상태 양호	표면 변색 없으나 상태 미흡

가장 적합한 방법으로 선정한 1.5% HF + 5%H₂O₂ 혼합액을 사용하여 가장 좋은 산세처리 시간을 찾기 위해 처리시간을 변경하여 시험한 결과, 산세처리시간은 30초~40초가 가장 적절하였다.

다) HCl 수용액

HCl 용액에서 처리시간 30초, 처리온도 30℃로 고정하고, HCl 농도를 변경하여 실험한 결과, 산세처리가 전혀 되지 않았으며, 처리온도를 50℃까지 상승하여 실험한 결과에서도 산세처리가 전혀 되지 않아, 위 용액은 산세처리액으로 적합하지 않았다.

	5% HCl	10% HCl	15% HCl	20% HCl
에칭 전
에칭 후
실험 결과	표면상태 부적합	표면상태 부적합	표면상태 부적합	표면상태 부적합

산세처리 실험결과를 종합해보면, 가장 좋은 산세처리 조건은 5% HF + 20% HNO₃ 혼합액에서 액온도 30℃, 처리시간 40초의 결과를 도출하였다.

이상의 본 실험에서 수행한 전처리 공정연구에서 확립한 결과를 하기 표로 정리하였다.

공정	처리제	온도(℃)	시간
탈지	알크린300, 12%	40±2℃	10분
수세	탈이온수	20~25℃	10분
초음파수세	탈이온수	20~25℃	120초
산세처리	5% HF + 20% HNO₃	30℃	40초
수세	탈이온수	20~25℃	10분

나. Ti 전해액 및 양극산화 공정조건 연구

1) 양극산화

일반적으로 Ti 소재의 양극산화 처리 과정에서 전해액은 알칼리성 용액과 산성 용액을 모두 사용할 수 있으며, 사용용도에 따라 전해액을 변경할 수 있다. 본 실험에서는 색상의 재현성에 중점을 두어, 전해액으로 (NH₄)₂SO₄을 사용하여, 실험을 진행하였다.

위 전해액을 사용하여 최적의 농도를 선정하기 위하여 전해온도는 20±2℃를 유지하고, 전해액의 농도를 15%와 10%로 변화를 주어 양극산화 공정을 수행하였다.

(NH₄)₂SO₄ 농도	전압
(NH₄)₂SO₄ 농도	8 V	12 V	16 V	20 V	40 V
15%	Gold	Purple	Blue	sky blue	Pink

(NH₄)₂SO₄ 농도	전압
(NH₄)₂SO₄ 농도	8 V	12 V	16 V	20 V	40 V
10%	Gold	Purple	Blue	sky blue	Pink

위 실험결과, 두 가지 농도에서 색상은 모두 같은 결과가 도출되어, 이후에서 진행되는 공정은 양극산화 전해액 농도를 10% (NH₄)₂SO₄ 용액, pH 값은 4.5~4.7로 선정하였다.

하기 표는 10% (NH₄)₂SO₄ 용액에서의 전압별 양극산화 색상을 나타낸 것이다.

전압	색상		전압	색상
4 V		Champagn-gold	8 V		Gold
12 V		Purple	16 V		Blue
20 V		Sky blue	80 V		Blue-green
40 V		Pink	33 V		Yellow-gold
100 V		Gray

다. 코팅공정

양극산화 처리후 접촉각 및 내지문성을 위해 투프람 코팅을 실시하였다.

코팅액은 초발수 코팅액으로 미국의 General Maganaplate corporation의 HO 및 DCC 코팅액을 사용하였다.

1) HO 코팅

양극산화 후 1차 코팅공정으로 HO 코팅을 실시하였다.

코팅방법은 그동안 코팅 침지 시간의 실험에서 가장 양호한 코팅을 보여준 코팅액 온도 40℃, 침지시간 10분으로 고정한 후, 코팅액의 농도를 5%, 10%, 15%, 20%로, 코팅후 수세는 10분간 실시하였으며, 수세온도를 40℃와 50℃로, 코팅반복 회수는 2~3회로 변화를 주어 실험을 실시하였다.

코팅회수	농도 5%		농도 10%		농도 15%		농도 20%
코팅회수	수세온도 40℃	수세온도 50℃	수세온도 40℃	수세온도 50℃	수세온도 40℃	수세온도 50℃	수세온도 40℃	수세온도 50℃
2 회	코팅 안됨	코팅 안됨	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅후 얼룩	코팅 양호	코팅후 얼룩
3 회	코팅 안됨	코팅 안됨	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅후 얼룩	코팅 양호	코팅후 얼룩

위와 같이 실험한 결과, 코팅후 수세온도가 코팅의 밀착성에 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있었으며, 수세온도가 30℃일 때는 코팅액의 농도가 10~20% 범위에서 모두 양호하였다. 이중 경제적인 측면까지 모두 고려하여 가장 적합한 코팅방법은 코팅액 농도 10%, 수세온도 40℃로 선정하였다.

2) DCC 코팅 조건 및 결과 (스프레이, 코팅후 고온건조 : 250℃, 60분)

양극산화 후 HO 코팅만으로는 접촉각과 색상 및 내식성은 양호하나, 확실한 지문방지를 위해서는 추가코팅의 필요성이 있어, HO 코팅후 스프레이 코팅방법인 DCC 코팅을 실시하였다.

코팅방법은 50℃의 DCC 코팅액을 분사하여 고온 건조로에서 1hr 건조시키는 공정으로 DCC 코팅액 농도와 건조온도를 변화시켜 코팅을 실시하였다.

코팅회수	농도 10%		농도 20%		농도 30%
코팅회수	건조온도 250℃	건조온도 270℃	건조온도 250℃	건조온도 270℃	건조온도 250℃	건조온도 270℃
2 회	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅피막 불균일	코팅피막 불균일
3 회	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅 양호	코팅피막 불균일	코팅피막 불균일

위와 같이 실험한 결과, 코팅액의 농도는 10~20%가 양호하였으나, 코팅액 농도 20%, 코팅후 건조온도가 270℃일 때, 내식성과 내마모성이 더 양호하여, DCC 코팅의 최적조건은 코팅액 농도 20%, 코팅후 건조온도 270℃로 선정하였다.

기능성 코팅의 최적 조건은 다음과 같다.

HO 코팅	DCC 코팅
코팅액농도 : 10% 코팅액온도 : 40℃ 코팅액 침지시간 : 10분 수세온도 : 40℃ 코팅반복 : 2~3회	코팅액농도 : 20% 코팅액온도 : 50℃ 코팅후건조온도 : 270℃ 건조시간 : 1hr 코팅반복 : 3회

3. 시험분석

1) 접촉각

타이타늄 시편에 물을 떨어뜨려 친수성을 확인하였다.

양극산화 전의 타이타늄 시편은 떨어뜨린 물이 표면에 바로 퍼지면서 친수성이 좋았고(도 5의 첫 번째), 양극산화만 수행한 시편도 표면에 물이 퍼짐을 볼 수 있었으나(도 5의 두 번째), 코팅 완료 시편은 그림처럼 물방울이 퍼지지 않고 동그랗게 맺혀있는 것을 확인할 수 있었다(도 5의 세 번째).

측면사진은 소수성을 확인하기 위한 사진으로, 양극산화만 수행한 시편(도 6의 두 번째)보다 코팅까지 수행한 시편(도 6의 세 번째)의 접촉각이 증가함을 볼 수 있고, 이를 통해 코팅을 완료한 시편의 경우 소수성이 높아짐을 알 수 있다.

정확한 접촉각의 측정을 위해 코팅까지 완료한 시편 5개를 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰한 결과를 첨부하였다(도 7 및 8).

2) 염수분무시험

시험편의 내식성을 확인하기 위하여 코팅까지 완료한 쿠폰 5개를 KS D 9502 염수분무시험 규격으로 한국화학시험연구원에 의뢰한 결과, 표 1 및 도 12와 같은 결과를 얻었다.

3) 색상구현

동일 조건으로 5회 시험한 시험편을 한국화학시험연구원에 의뢰한 결과, 도 3, 13, 14 및 15와 같은 결과를 얻었다.

시험결과 육안으로 색상이 동일하며, 시험기로 측정한 색차의 차이가 미세하여 동일 색상구현을 달성하였다고 판단하였다.

4) 마모시험

마모시험은 마모 측정기를 활용하여 측정하였으며, 결과는 표 2와 같다.

4. 결과 요약

이상과 같이, Ti 양극산화를 통해 Ti 소재에 재현성이 가능한 양극산화피막을 형성하고, 그 위에 기능성을 갖는 코팅 공정을 수행하여 내식성과 내마모성, 소수성을 부여하며, 또한 다단양극산화 공정을 통하여 소수성을 부여함으로써, 내지문을 요하는 부품에 적용시키고자 하였다.

이에 실험 시작의 중간시점에서 타이타늄 양극산화를 위한 전처리공정, 코팅공정 및 다단양극산화 공정의 공정조건을 확립하였으며, 100mm×100mm×1.2T 크기의 Gr1 타이타늄 소재를 활용하여 내식성 및 내마모성 평가를 수행하였다.

가. 전처리 공정조건

타이타늄 양극산화를 위한 최적의 전처리 공정조건은 표 9와 같다.

나. 양극산화 공정

색상의 재현성을 위한 최적의 양극산화 공정은 하기 표와 같다.

전해액	농도(%)	pH	온도(℃)	전압(V)
(NH₄)₂SO₄	10%	4.5~4.7	20±2℃	4~100

다. 코팅공정

타이타늄 양극산화 후 최적의 코팅조건은 표 15와 같다.

라. Ti 양극산화 샘플 평가 결과

주요 성능지표	단위	최종 개발목표	결과	평가	기타
1. 접촉각	도	> 85	100도 이상	달성	사외분석
2. 내부식성	h	100	100hr 이상	달성	사외분석
3. 색깔		색 구현	육안 양호	양호	사외분석
4. 내마모성	cycle	1000회	0.0005 g	달성	자체분석

기술개발 결과를 통한 활용분야로는 장식성 외장재를 요하는 휴대폰, 노트북 등 전자기기 케이스, 항공기부품, 건축용 외장재, 악세사리 등 작은 소자에서부터, 대면적인 건물 외장재까지 광범위하게 내지문성을 요하는 제품에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

특히, 휴대폰 시장 등은 세계적으로 메탈 케이스를 개발하려는 추세에 있으며, 건축용 외장재도 타이타늄의 자연 발색을 활용하고자 하는 곳이 증가하고 있으므로, 기술개발의 적용대상의 범위도 확대될 것으로 예상된다.

Claims

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타이타늄을 탈지하는 단계;
탈지된 타이타늄을 산세 처리하는 단계;
산세 처리된 타이타늄을 양극산화하는 단계;
양극산화된 타이타늄을 1차 코팅하는 단계;
1차 코팅된 타이타늄을 2차 코팅하는 단계를 포함하는,
양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법에 있어서,
1차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 1차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 10±2%, 코팅액 온도 40±2℃, 코팅액 침지시간 10±2분, 수세 온도 40±2℃, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법.
타이타늄을 탈지하는 단계;
탈지된 타이타늄을 산세 처리하는 단계;
산세 처리된 타이타늄을 양극산화하는 단계;
양극산화된 타이타늄을 1차 코팅하는 단계;
1차 코팅된 타이타늄을 2차 코팅하는 단계를 포함하는,
양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법에 있어서,
2차 코팅 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌, 소디움 라우릴 설페이트, 실리콘 수지, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 톨루엔, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 물, 크실렌을 함유하는 2차 코팅액을 이용하여 코팅액 농도 20±2%, 코팅액 온도 50±2℃, 코팅후 건조온도 270±5℃, 건조시간 1±0.2시간, 코팅 반복 2 내지 3회의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법.
타이타늄을 탈지하는 단계;
탈지된 타이타늄을 산세 처리하는 단계;
산세 처리된 타이타늄을 양극산화하는 단계;
양극산화된 타이타늄을 1차 코팅하는 단계;
1차 코팅된 타이타늄을 2차 코팅하는 단계를 포함하는,
양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법에 있어서,
표면처리된 타이타늄의 접촉각은 90 내지 120도, 5% NaCl 염수분무시험에 따른 내부식성은 100 내지 2000시간, 내마모성은 1000 cycle 수행시 무게차로서 0.0001 내지 0.001 g인 것을 특징으로 하는, 양극산화를 활용한 내지문성 타이타늄 표면처리 방법.