KR102090531B1 - 진공 플라즈마를 이용한 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법 - Google Patents

진공 플라즈마를 이용한 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공 플라즈마를 이용한 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법에 관한 것으로, 진공 환경에서 형성한 플라즈마로 금속판을 표면 처리하여 금속판의 표면을 개질하는 단계; 및 개질된 금속판과 플라스틱층을 접합하는 단계를 포함하는, 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법을 제공한다.

Description

진공 플라즈마를 이용한 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법{Method for producing plastic-metal composite material using vacuum plasma}
본 발명은 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래에 사용되고 있었던 전기아연도금강판의 표면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 그런데 종래의 기술구성은 하기와 같은 문제점이 있다.
아연도금강판은 표면에 요철이 없이 매끈한 형상을 가지고 있으므로, 플라스틱과 접착하기 불리하다. 또한, 아연도금강판의 표면은 Zn 순수금속 또는 아연산화물인 ZnO 형태로 존재하기 때문에, 플라스틱과 접착력을 구현할 수 있는 화학적 작용기가 없는 상태이다. 따라서 강판-플라스틱 접합 소재를 제조하고자 하는 경우, 화학적 또는 물리적으로 접착성을 구현하는 기구가 존재하지 않아, 강판과 플라스틱 사이의 접착강도가 열위하거나, 아예 접착이 되지 않는 현상이 일어난다.
본 발명의 목적은 접착강도가 우수한 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 진공 환경에서 형성한 플라즈마로 금속판을 표면 처리하여 금속판의 표면을 개질하는 단계; 및 개질된 금속판과 플라스틱층을 접합하는 단계를 포함하는, 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는 금속판의 표면을 화학적으로 개질시켜 금속판의 표면에 하이드록시 작용기를 형성할 수 있다.
본 발명에서는 금속판의 표면을 물리적으로 개질시켜 금속판의 표면에 포어, 요철 및 스펀지 형상 중에서 선택된 1종 이상을 형성할 수 있다.
본 발명에서 플라즈마 처리 횟수는 6 내지 500회일 수 있다.
본 발명에서 플라즈마 소스기체는 아르곤일 수 있다.
본 발명에서 금속판은 전기아연도금강판 또는 용융아연도금강판일 수 있다.
본 발명에서 플라스틱층은 폴리프로필렌 또는 나일론을 포함할 수 있다.
본 발명에서 금속판과 플라스틱층의 접합은 핫 프레스를 이용하여 가압 및 가열함으로써 수행할 수 있다.
본 발명에서 금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수직방향으로 인장력을 인가하였을 때 0.28 내지 1 MPa일 수 있다.
본 발명에서 금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수평방향으로 전단력을 인가하였을 때 19 내지 30 MPa일 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공 플라즈마를 이용하여 금속판의 표면을 화학적 및 물리적으로 개질함으로써, 접착강도가 우수한 플라스틱-금속 복합소재를 제조할 수 있다.
도 1은 종래에 사용되고 있었던 전기아연도금강판의 표면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 건식 플라즈마 에칭 기술의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스틱-금속 복합소재의 적층구조를 예시한 것이다.
도 4는 플라스틱 접착력 평가를 위한 인장시편 제조 및 수직방향 인장시험을 나타낸 것이다.
도 5는 플라스틱 접착력 평가를 위한 인장시편 제조 및 수평방향 인장시험을 나타낸 것이다.
도 6은 건식 플라즈마 에칭 실험 공정 모식도이다.
도 7은 본 발명을 통해 플라즈마 식각 처리된 아연도금강판의 표면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 8은 플라즈마 처리횟수 2~6 Pass에서 전기아연도금강판(EG)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진이다.
도 9는 플라즈마 처리횟수 10~40 Pass에서 EG의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진이다.
도 10은 플라즈마 처리횟수 50~60 Pass에서 EG의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진이다.
도 11은 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 용융아연도금강판(GI)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(10,000배)이다.
도 12는 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 GI의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(50,000배)이다.
도 13은 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 냉연강판(CR)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(10,000배)이다.
도 14는 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 CR의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(50,000배)이다.
도 15는 EDS(Energy Dispersive Spectrometry) 표면성분 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 플라즈마 처리시간에 따른 아연 및 산소 농도 변화 양상을 나타낸 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 진공 플라즈마를 이용하여 금속판(아연도금강판 등)의 표면을 화학적/물리적으로 개질하는 방법을 통해 플라스틱-금속 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 금속판이 진공 플라즈마 챔버를 통과하면서 플라즈마에 의해 표면 처리되는데, 이때 산화과정에 의해 금속판 표면에 하이드록시 작용기가 형성됨과 동시에, 표면이 식각되면서 요철 내지 스펀지(해면) 형상을 구현하는 방법을 통해, 플라스틱이나 고분자와의 접착성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법은 표면 개질(또는 표면 처리) 단계 및 접합(접착, 결합 또는 적층) 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 표면 개질 단계에서는, 진공 환경에서 형성한 플라즈마로 금속판을 표면 처리하여 금속판의 표면을 개질한다.
표면 개질 단계는 건식 플라즈마 에칭을 통해 수행될 수 있다. 본 발명에서는 매질에 플라즈마를 조사하여 매질 표면이 식각되는 건식 플라즈마 에칭 기술을 이용하여 매질의 표면을 화학적으로 개질함과 동시에 표면에 미세 포어(Pore) 내지 요철 형상을 구현할 수 있다. 표 1은 건식 플라즈마 에칭과 습식 에칭의 장단점을 비교한 것이다.
건식 플라즈마 에칭 습식 에칭
-공정제어 용이, 일정한 공정환경 제공
-공정상 자동제어 범위 넓음
-폐수 배출량 적음		 -공정제어 어려움, 실시간으로 공정환경 변함
-공정상 자동제어 범위 제한적
-폐수 배출량 많음
-설비설치 및 유지비용 높음
-대량 Toxic Gas 필요, 유출 위험 높음
-공정속도 느림, Low Throughput		 -설비 운용비용 저렴
-Toxic Gas 유출 위험 낮음
-공정속도 빠름, High Throughput
도 2는 건식 플라즈마 에칭 기술의 모식도로서, 플라즈마 에칭을 유형별로 분류하면, 물리적 에칭과 화학적 에칭으로 분류할 수 있다. 물리적 에칭은 기판이 기체이온이나 원자와 충돌함으로써 발생하는 손상(Damage)을 이용한 에칭 형태로서, 비등방성 식각(Anisotropic Etching: 식각 형상이 일정한 방향성을 갖는 형태로 이루어지는 에칭)에 유리하며, 대표적인 소스 가스(Source Gas)로써 아르곤(Ar)을 사용할 수 있다. 화학적 에칭은 대상물질이 플라즈마와 접촉하여 화학반응을 일으키고, 그 생성물이 휘발되면서 에칭되는 형태로서, 산소 및 불소계열의 소스 가스가 주로 사용될 수 있다.
본 발명에서는 아르곤 등의 기체가 직류 전력(DC Power)에 의해 이온화됨에 따라 활성을 띄는 아르곤 이온으로 변환되어 강판 등의 금속판과 충돌하면서 금속판을 식각시킬 수 있다. 또한, 진공 챔버 내에 미량 잔류하고 있는 산소가 이 과정에서 역시 이온화되고, 금속판과의 산화반응에 참여하면서 표면에 하이드록시 작용기(OH)를 형성함으로써 화학적 반응을 동반하게 된다.
이와 같이, 표면 개질은 화학적 개질 및 물리적 개질을 모두 포함할 수 있고, 즉 플라즈마 처리시에 화학적 개질 및 물리적 개질이 동시에 이루어질 수 있다. 화학적 개질에서는, 금속판의 표면을 화학적으로 개질시켜 금속판의 표면에 하이드록시 작용기를 형성할 수 있으며, 이론 인해 금속판 표면이 친수성으로 개질될 수 있다. 물리적 개질에서는, 금속판의 표면을 물리적으로 개질시켜 금속판의 표면에 포어, 요철 및 스펀지 형상 중에서 선택된 1종 이상을 형성할 수 있다. 포어 또는 요철의 평균 크기는 예를 들어 10 내지 100 nm일 수 있다. 플라즈마 처리횟수에 따라 금속판의 표면 형태가 달라지는데, 초기에는 미세 포어가 형성되고, 처리횟수가 증가할수록 점차 해면(sponge) 조직과 유사한 형태로 표면 형태가 변화한다.
표면 개질 단계는 진공 챔버, 진공 펌프, 가스 공급부, 가스 배출부, 전극, 히터, 전원, 컨베이어 벨트 및/또는 롤 등을 구비한 플라즈마 처리장치를 이용하여 수행될 수 있다. 진공 환경은 진공도로서 0.0005 내지 0.005 mbar, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.003 mbar일 수 있다. 압력이 너무 낮으면 플라즈마 파워가 떨어져서 에칭효율이 낮아지는 문제가 있고, 압력이 너무 높으면 아크가 발생하는 문제가 있다.
금속판의 표면 개질을 위한 적절한 플라즈마 소스 기체로는 아르곤을 바람직하게 사용할 수 있다. 아르곤은 쉽게 구할 수 있는 불활성 가스로서, 금속판의 탄화나 산화 등을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에서처럼 물리적 식각에 의한 표면형상을 구현하기 위해서는, 플라즈마 소스로서 단원자 분자 형태인 아르곤이 유리한 것으로 알려져 있다.
플라즈마 처리 횟수는 6 내지 500회, 바람직하게는 6 내지 100회, 더욱 바람직하게는 6 내지 60회일 수 있다. 플라즈마 처리 횟수가 너무 적으면 플라스틱과의 접착강도가 열위하거나 플라스틱과 아예 접착되지 않을 수 있고, 너무 많으면 도금층이 유실될 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 횟수는 금속판의 종류에 따라 다를 수 있는데, 예를 들어 전기아연도금강판의 경우, 적어도 6회 이상, 바람직하게는 6 내지 60회일 수 있다. 용융아연도금강판의 경우, 적어도 8회 이상, 바람직하게는 10 내지 60회일 수 있다.
플라즈마 처리 속도는 1 내지 20 MPM(m/min), 바람직하게는 1 내지 10 MPM, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 MPM일 수 있다. 플라즈마 처리 속도가 너무 느리면 표면에 열이 발생함으로써 위치별 열구배에 의한 색상편차가 발생하는 문제가 있고, 너무 빠르면 표면이 충분히 식각이 되지 않아 발명에서 구현하고자 하는 목적을 달성하기 어려운 문제가 있다.
플라즈마 소스 기체의 주입량은 35±10 SCCM(㎤/min), 더욱 바람직하게는 35±5 SCCM일 수 있다. 플라즈마 소스 기체의 주입량이 너무 적으면 에칭효율이 떨어지는 문제가 있고, 너무 많으면 챔버 압력이 상승함에 따라 진공도가 떨어지는 문제가 있다.
금속판으로는 강판, 바람직하게는 도금강판, 더욱 바람직하게는 전기아연도금강판(EG) 또는 용융아연도금강판(GI)을 사용할 수 있다. 냉연강판(CR)의 경우 도금층이 없기 때문에, 플라즈마 처리를 해도 플라스틱과의 접착강도가 열위하거나 플라스틱과 아예 접착되지 않을 수 있다. 도금강판의 도금량은 예를 들어 편면 기준으로 5 내지 200 g/㎡일 수 있다. 금속판의 두께는 예를 들어 0.2 내지 1.2 mm일 수 있다.
플라즈마 표면 개질된 아연도금강판의 경우, 표면 산소 농도는 3 내지 10 원자%일 수 있고, 표면 아연 농도는 60 내지 85 원자%일 수 있으며, 표면 철 농도는 7 내지 30 원자%일 수 있고, 표면 불소 농도는 0.1 내지 5 원자%일 수 있다.
다음, 접합 단계에서는, 개질된 금속판과 플라스틱층을 접합한다.
플라스틱층(플라스틱 필름, 고분자층 또는 고분자 필름)으로는 폴리올레핀 또는 폴리아미드를 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌 또는 나일론을 사용할 수 있다. 나일론은 폴리프로필렌보다 금속판과의 접착강도가 우수할 수 있다. 플라스틱층은 하나의 고분자 수지로만 구성될 수 있고, 또한 2종 이상의 수지 혼합물을 포함할 수 있으며, 또한 첨가제 등을 포함할 수 있다. 플라스틱층의 두께는 예를 들어 0.2 내지 1.2 mm일 수 있다.
금속판과 플라스틱층의 접합은 핫 프레스(Hot Press)를 이용하여 가압 및 가열함으로써 수행할 수 있다. 핫 프레스의 가압 조건은 10 내지 50 Bar, 바람직하게는 15 내지 40 Bar, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 Bar일 수 있다. 압력이 너무 낮으면 충분한 압착이 되지 않아 정상적으로 접착이 되지 않는 문제가 있고, 너무 높으면 용융된 플라스틱이 유실되어 충분한 두께를 형성하지 못하는 문제가 있다. 가열 조건은 260±50℃, 바람직하게는 260±10℃, 더욱 바람직하게는 260±5℃일 수 있다. 온도가 너무 낮으면 플라스틱이 충분히 용융되지 않은 상 문제가 있다. 가압 조건은 플라스틱 종류에 따라 달라질 수 있으므로, 상술한 범위에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스틱-금속 복합소재의 적층구조를 예시한 것으로, 본 발명에 따른 플라스틱-금속 복합소재는 금속판(강판)/플라스틱층/금속판(강판), 플라스틱층/금속판(강판)/플라스틱층과 같은 샌드위치식 3층구조가 가능하고, 또한 금속판(강판)+플라스틱층의 2층구조도 가능하며, 그 외에 다양한 적층구조를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 기존 아연도금강판보다 플라스틱과의 접착력이 우수한 아연도금강판을 제조할 수 있고, 플라스틱-스틸 접합강판 제조에 적합한 소재 또는 그러한 소재를 제조하는 기술을 제시할 수 있다.
금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수직방향으로 인장력을 인가하였을 때 0.28 내지 1 MPa, 바람직하게는 0.5 내지 0.8 MPa일 수 있다. 또한, 금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수평방향으로 전단력을 인가하였을 때 19 내지 30 MPa, 바람직하게는 23 내지 29 MPa일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 아연도금강판과 같은 금속판의 표면에 미세 포어 또는 미세 요철 또는 불규칙적인 해면형상 조직을 형성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 아연도금강판과 같은 금속판의 표면에 OH 작용기를 효과적으로 형성함으로써, 표면을 친수성으로 화학적 개질을 구현할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 한 면이 5g/㎡ 이상 도금된 전기아연도금강판 또는 용융아연도금강판에 아르곤 플라즈마를 조사하여 표면을 물리적 및 화학적으로 개질할 수 있다. 이렇게 개질된 아연도금강판은 표면에 미세 포어와 요철형상을 형성하는 효과 및 표면을 친수성으로 개질하는 효과를 동시에 얻을 수 있다.
[실시예 및 비교예]
아연도금강판으로서 한면 도금량이 20 g/㎡인 전기아연도금강판 및 양면 도금량이 120 g/㎡인 용융아연도금강판을 사용하였다. 플라스틱층으로는 폴리프로필렌(PP) 필름 및 나일론 6 필름을 사용하였다. 플라즈마 기체 소스로는 아르곤을 사용하였고, 챔버의 진공도는 0.001~0.002 mbar 환경이었으며, 40 SCCM의 아르곤 가스를 주입하여 4000V DC Power에 의해 플라즈마를 형성시켰다. 이렇게 형성된 플라즈마 챔버를 2 MPM으로 고정된 속도로 강판이 통과하였고, 처리횟수(Pass 수)에 따른 표면형상 변화와 그에 따른 접착강도를 실험한 결과 하기 표 2와 같은 결과에 도달하였다. 표 2에서 Fail로 표기된 데이터는 접착력이 극도로 열위하여 인장시편 제조과정에서 접착이 파괴된 경우를 의미한다.
도 4는 플라스틱 접착력 평가를 위한 인장시편 제조 및 수직방향 인장시험을 나타낸 것으로, 강판 시편과 시편 사이에 플라스틱(PP 필름)을 삽입한 후, 핫 프레스를 이용하여 가압 및 가열하여 플라스틱-스틸 복합소재 시험편 제조를 제조하였다. 제조된 시험편의 양면에 아크릴 지그(Jig)를 접착 체결시킨 후, 접착면의 수직으로 인장력을 인가하여 최대 강도를 측정하였다. 이때, 인장시편의 크기는 25×25/50×50 mm이었고, 핫 프레스의 가압 및 가열 조건은 20~30 Bar 및 220℃이었다.
도 5는 플라스틱 접착력 평가를 위한 인장시편 제조 및 수평방향 인장시험을 나타낸 것으로, 강판 시편과 시편 사이에 플라스틱(나일론 필름)을 삽입한 후, 핫 프레스를 이용하여 가압 및 가열하여 플라스틱-스틸 복합소재 시험편 제조를 제조하였다. 제조된 시험편의 양 끝단에 접착면의 수평으로 전단력을 인가하여 최대 강도를 측정하였다. 이때, 인장시편의 크기는 25×100 mm이었고, 핫 프레스의 가압 및 가열 조건은 20~30 Bar 및 220℃이었다.
강판 처리속도 처리횟수 플라스틱 인장 Type 접착강도
(MPa)
비교예1-1 EG - 0 Polypropylene 수직 Fail
비교예2-1 GI - 0 Nylon 6 수평 Fail
비교예1-2 EG 2MPM 2 Polypropylene 수직 Fail
비교예1-3 EG 2MPM 4 Polypropylene 수직 Fail
실시예1-1 EG 2MPM 6 Polypropylene 수직 0.28
실시예1-2 EG 2MPM 10 Polypropylene 수직 0.32
실시예1-3 EG 2MPM 20 Polypropylene 수직 0.52
실시예1-4 EG 2MPM 30 Polypropylene 수직 0.63
실시예1-5 EG 2MPM 40 Polypropylene 수직 0.52
실시예1-6 EG 2MPM 50 Polypropylene 수직 0.57
실시예1-7 EG 2MPM 60 Polypropylene 수직 0.59
비교예2-2 GI 2MPM 2 Nylon 6 수평 Fail
비교예2-3 GI 2MPM 4 Nylon 6 수평 Fail
비교예2-4 GI 2MPM 6 Nylon 6 수평 Fail
실시예2-1 GI 2MPM 10 Nylon 6 수평 19.4
실시예2-2 GI 2MPM 20 Nylon 6 수평 24.6
실시예2-3 GI 2MPM 30 Nylon 6 수평 23.6
실시예2-4 GI 2MPM 40 Nylon 6 수평 25.1
실시예2-5 GI 2MPM 50 Nylon 6 수평 26.9
실시예2-6 GI 2MPM 60 Nylon 6 수평 28.2
표 2에 따르면, 전기아연도금강판(EG)의 경우 처리횟수 6회부터 접착강도가 발현되었고, 전체적으로 플라즈마 처리 Pass 수가 증가할수록 접착강도가 향상되는 경향을 보였다. 표에는 없지만, 냉연강판(CR)의 경우 표면분석 결과를 봤을 때 플라즈마 처리에 따른 요철형상이 구현되지 않아 접착력 향상효과가 없었다.
용융아연도금강판(GI)의 경우, 수직인장 시험법에서는 20 Pass 이후부터 Over Range(인장시험 과정에서 Steel-Plastic 접착면보다 Jig-Steel 접착면이 먼저 파괴되어 최대 강도 측정이 불가한 경우임)가 발생하여 평가의 한계가 있음을 확인하였고, 이에 따라 고접착강도 조건 시험을 위해 인장시험 방식을 도 5와 같은 수평 접착시험으로 변경하였다. 수직인장 시험 대비 절대치가 높게 나타나는 가운데, Pass 수에 따른 접착강도가 향상되는 경향을 보였다. 수직인장의 경우 인장시험 중 국부적으로 결함(Defect)이 발생하면 쉽게 파단이 일어나는 반면에, 수평 인장은 인장시험 중 결함이 발생하더라도 다른 접착면이 파단을 견뎌주기 때문에 절대값의 차이가 크게 나타났다. 처리횟수 10회부터 접착강도가 발현되었음을 확인할 수 있다. 또한, PP 대비 Nylon 6가 열융착 특성이 우수한 부분도 접착강도 차이에 영향을 미친 것으로 판단되었다.
한편, 건식 플라즈마 에칭기술의 적용 가능성을 평가하기 위해, 진공 조건에서 형성된 플라즈마에 의해 화학적 반응 및 물리적 충돌에 의한 표면 개질과 요철 형상을 구현하였다. Ar 플라즈마로 강판 표면을 물리적으로 식각하고, 가스에 미량 포함된 O2를 이용하여 표면을 화학적으로 개질하였다. 에칭 공정은 Poscote-D 추진반에서 보유하고 있는 PVD Simulator(Von Ardenne사) 설비를 활용하여 수행하였다. 시편 크기는 300×300 mm이었고, 준 in-line 방식의 설비를 이용하였으며, 공정변수는 처리속도(Line Speed)와 Pass 수로 제어하였다. 도 6은 건식 플라즈마 에칭 실험 공정 모식도이다.
도 7은 본 발명을 통해 플라즈마 식각 처리된 아연도금강판의 표면을 나타낸 SEM 사진이다. 플라즈마 에칭을 통해 표면 요철형상의 구현 가능성을 타진하기 위해, Feasibility Test를 실시하였다. 소재는 EG(도금량 20 g/㎡), 플라즈마 처리 조건은 2 MPM 및 2~6 Pass, 플라즈마 소스 기체는 Ar, 분석방법은 OM/육안관찰 및 SEM 형상관찰이었다. 실험결과, 2 Pass부터 강판 표면이 회백색으로 변색되기 시작하였으며, 10~100 nm 사이즈의 미세 포어가 형성되어, 요철형상 구현 가능성을 확인하였다.
도 8은 플라즈마 처리횟수 2~6 Pass에서 전기아연도금강판(EG)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진이다. 에칭 시간에 따라 EG 강판 표면의 변화 양상을 분석하고, 그에 따른 플라스틱 접착력 개선 양상을 확인하였다. 소재는 EG(도금량 20 g/㎡), 플라즈마 처리 조건은 2 MPM 및 2~60 Pass, 플라즈마 소스 기체는 Ar, 분석방법은 SEM 형상 관찰, 표면 성분 분석이었다. SEM 형상 분석 결과, 플라즈마 처리 시 초기 표면 형상은 미세 포어를 형성하는 형태로 진행되었다.
도 9는 플라즈마 처리횟수 10~40 Pass에서 EG의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진으로, SEM 형상 분석 결과(10~40 Pass), 30 Pass까지는 앞선 결과와 유사한 형태의 표면 변화 양상을 보이다가, 40 Pass 이상부터 아연결정 형태를 잃고 해면(Sponge) 조직과 유사한 형태로 표면 Morphology가 변화하였다.
도 10은 플라즈마 처리횟수 50~60 Pass에서 EG의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진으로, SEM 형상 분석 결과(50~60 Pass), 40 Pass와 마찬가지로 해면조직이 관찰되었다. 단면 분석 결과, 60 Pass에서는 도금층이 거의 유실되는 것으로 확인되었으며, 도금량 20g/㎡ EG는 60 Pass가 한계 수준인 것으로 판단되었다.
도 11은 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 용융아연도금강판(GI)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(10,000배)이고, 도 12는 50,000배 SEM 사진으로, GI SEM 형상 분석 결과, EG와 마찬가지로 Zn층의 식각이 일어났다. 다만 EG와 달리, 높은 Pass 조건에서도 EG 대비 규칙성 있는 배열을 보이는 경향이 있었다.
도 13은 플라즈마 처리횟수 0~60 Pass에서 냉연강판(CR)의 표면 변화 양상을 나타낸 SEM 사진(10,000배)이고, 도 14는 50,000배 SEM 사진으로, CR SEM 형상 분석 결과, 미세하게 Damage를 입은 흔적이 보이나, EG/GI 대비 뚜렷한 Morphology 변화를 나타내지 않았다.
도 15는 EDS(Energy Dispersive Spectrometry) 표면성분 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 16은 플라즈마 처리시간에 따른 아연 및 산소 농도 변화 양상을 나타낸 것으로, 표면 성분 분석 결과, 산화물 형성이 형성되었다. EDS 표면성분 분석결과, 4 Pass 이상 조건에서 표면 산소농도가 3 atom% 이상으로 증가함을 확인하였다. 종유석 내지 해면조직을 보이는 형상은 Zn과 산소의 반응에 의해 생성된 아연 산화물인 것으로 추정되었다. 또한, 도금층 식각현상을 관측하였는데, Pass 수가 증가함에 따라 표면 Zn 농도가 줄어들고 Fe 농도가 상승함을 확인하였다. 표 3은 0 Pass에서 EDS 표면 성분을 분석한 결과이고, 표 4는 50 Pass에서 EDS 표면 성분을 분석한 결과이다.
Element Weight % Atom %
C 1.36 6.92
Fe 4.63 5.08
Zn 94.01 88.01
Total 100.00 100.00
Element Weight % Atom %
O 1.81 6.79
F 0.41 1.28
Fe 13.85 14.88
Zn 83.93 77.04
Total 100.00 100.00

Claims (10)

  1. 진공 환경에서 형성한 플라즈마로 금속판을 표면 처리하여 금속판의 표면을 개질하는 단계; 및
    개질된 금속판과 플라스틱층을 접합하는 단계를 포함하고,
    플라즈마 처리 횟수는 6 내지 500회이며,
    금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수직방향으로 인장력을 인가하였을 때 0.28 내지 1 MPa이고,
    금속판과 플라스틱층의 접착강도는 접합면에 수평방향으로 전단력을 인가하였을 때 19 내지 30 MPa이며,
    금속판의 표면을 플라즈마에 의해 화학적으로 개질시켜 금속판의 표면에 하이드록시 작용기를 형성함과 동시에, 금속판의 표면을 플라즈마에 의해 물리적으로 개질시켜 금속판의 표면에 포어, 요철 및 스펀지 형상 중에서 선택된 1종 이상을 형성하고,
    포어 또는 요철의 평균 크기는 10 내지 100 nm이며,
    진공 환경의 진공도는 0.0005 내지 0.005 mbar이고,
    플라즈마 처리 속도는 1 내지 20 MPM(m/min)이며,
    플라즈마 소스 기체의 주입량은 35±10 SCCM(㎤/min)이고,
    도금강판의 도금량은 편면 기준으로 5 내지 200 g/㎡이며,
    개질된 금속판의 표면 산소 농도는 3 내지 10 원자%, 표면 아연 농도는 60 내지 85 원자%, 표면 철 농도는 7 내지 30 원자%, 표면 불소 농도는 0.1 내지 5 원자%인 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    플라즈마 소스기체는 아르곤인 것을 특징으로 하는 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    금속판은 전기아연도금강판 또는 용융아연도금강판인 것을 특징으로 하는 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    플라스틱층은 폴리프로필렌 또는 나일론을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    금속판과 플라스틱층의 접합은 핫 프레스를 이용하여 가압 및 가열함으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 플라스틱-금속 복합소재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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