KR102150648B1 - 표면 처리된 티타늄 판재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 구현예는 표면 처리된 티타늄 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함하는, 표면 처리된 티타늄 판재를 제공하고자 한다.

Description

표면 처리된 티타늄 판재 및 이의 제조방법{SURFACE TREATED TITANIUM SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}
본 발명의 일 구현예는 표면 처리된 티타늄 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발색 표면처리는 소재 표면에 기능성 및 심미성을 부여하기 위한 기술로써, 대표적인 방식으로 도료를 사용하는 도장이 있다. 또한, 도금 및 코팅을 이용하여 소재 위에 다른 물질을 도포함으로써 소재의 부방식, 열전도/차단, 전기특성 개선 등의 물리/화학적인 특성과 광택, 색상 등의 심미성을 부여한다.
티타늄은 은백색의 금속성 색상을 가지고 있으며, 이를 활용하여 건축, IT제품 등으로 용도가 확대되고 있다. 이러한 분야에서는 고강도의 기능성 외에 심미적인 특성도 고려되는 바, 표면의 다양한 발색 표면처리가 필요하다.
티타늄의 발색 표면처리 방식으로 다양한 방법이 활용될 수 있으나, 티타늄 고유의 특성을 유지하면서 발색 효과를 나타내는 대표적인 공정이 양극산화이다.
양극산화기술은 산화피막이 형성되는 알루미늄 및 티타늄에서 일반적으로 사용되는 공정으로써, 전해조에서 양극에 전류를 흘려주면서 원하는 두께의 산화피막을 형성하게 된다. 공극의 산화피막을 형성하여 착색을 하는 알루미늄의 아노다이징과 달리 티타늄의 아노다이징은 산화피막의 빛의 산란을 이용하여 발색을 구현하며, 산화피막의 두께가 발색의 차이를 나타낸다.
종래 티타늄 판재를 양극 산화하는 기술로는 정해진 전류밀도에 따라 단일 색상만 구현할 수 있으며, 동일 판재 내에서 다양한 색상을 구현하기는 제한이 있다. 또한, 동일 판재 내에서 다양한 색상을 구현하더라도 양극 산화 처리 후 레이저 등의 추가 수단이 필요하고, 혼합된 색상이 아닌 점진적인 방식에 의한 그라데이션 발색만 가능하였다.
본 발명의 일 구현예는 다단계의 양극산화 표면 처리를 통해 다수의 색상이 나타나는 발색 영역을 포함하는 티타늄 판재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재는, 50 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함할 수 있다.
상기 티타늄 판재의 발색 영역에는 2 내지 5가지 색상이 불규칙하게 중첩될 수 있다.
상기 티타늄 판재의 표면에는 TiO2 피막이 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 피막의 두께 차에 의해 다중 발색이 가능할 수 있다.
상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법은, 티타늄 판재를 준비하는 단계, 상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계, 상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계, 및 상기 에칭된 티타늄 판재를 양극산화 표면 처리하는 단계를 포함하고, 상기 양극산화 표면 처리하는 단계는, 3단계로 실시할 수 있다.
구체적으로, 상기 양극산화 표면 처리하는 단계에서, 1단계는 5 내지 10V 인가전압 범위에서 실시할 수 있다.
2단계는, 상기 1단계에서 인가된 전압보다 5 내지 10V 이상 큰 전압 범위에서 실시할 수 있다.
3단계는, 상기 2단계에 인가된 전압보다 10 내지 100V 이상 큰 전압 범위에서 실시할 수 있다.
구체적으로, 상기 3단계는, 10 내지 20℃ 온도 범위에서 실시할 수 있다.
또한, 상기 양극산화 표면 처리하는 단계는, 0.1 내지 0.5M 농도의 황산(H2SO4) 수용액에서 양극산화 표면 처리할 수 있다.
상기 티타늄 판재를 준비하는 단계에서, 상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm일 수 있다.
상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계는, 80 내지 100% 농도의 아세톤(CH3COCH3) 용액으로 30 내지 60초간 초음파 세척하여 탈지할 수 있다.
상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계는, 4 내지 7% 농도의 불산(Hydrofluoric acid) 및 2 내지 4% 농도의 인산(H3PO4)을 포함하는 혼합 수용액을 이용할 수 있다.
상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계는, 40 내지 60℃ 온도에서, 30 내지 90초 동안 실시할 수 있다.
다단계 양극산화 공정을 통하여 추가적인 발색공정 없이 다중 발색에 의한 다양한 색상을 구현할 수 있다.
이에, 다중 색상의 조합으로 심미적인 목적을 구현하고자 하는 것이다.
도 1은 실시예에 따른 양극산화 표면 처리 단계의 단계별 시간, 전압 조건을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 비교예에 따른 양극산화 표면 처리 단계의 시간, 전압 조건을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경(OLM)으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경(OLM)으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경(OLM)으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경(OLM)으로 관찰하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
표면 처리된 티타늄 판재
본 발명의 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재는, 50 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함할 수 있다.
상기와 같은 크기의 발색 영역이 구현될 경우, 다양한 색상의 조합에 의한 발색능을 확보하는데 유리할 수 있다.
구체적으로, 상기 티타늄 판재의 발색 영역에는 2 내지 5가지 색상이 불규칙하게 중첩된 상태일 수 있다.
또한, 다단계의 표면 산화 처리를 통해 여러가지 색상이 구현되므로, 기존에 구현하지 못하는 다중 발색을 구현할 수 있다는 점에서 우수할 수 있다.
상기 티타늄 판재의 표면에는 TiO2 피막이 위치할 수 있다.
이로 인해, 산화 피막의 두께 차에 의한 다중 발색 특성이 나타날 수 있다.
상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm일 수 있다.
후술하겠지만, 티타늄 판재의 두께가 상기 범위일 경우 양극산화 표면 처리가 용이할 수 있다.
표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법
본 발명의 다른 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법은, 티타늄 판재를 준비하는 단계, 상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계, 상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계, 및 상기 에칭된 티타늄 판재를 양극산화 표면 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 티타늄 판재를 준비하는 단계를 실시할 수 있다.
상기 티타늄 판재를 준비하는 단계는 후술하는 양극산화 처리를 위한 장치의 치구 크기에 맞게 판재의 크기를 절단하여 치구에 설치하는 단계일 수 있다.
구체적으로, 설치는 양 모서리를 볼트체결로 고정할 수 있다. 치구에 체결하는 볼트는 기존의 양극산화 공정에서 사용하는 티타늄을 포함하는 다양한 소재가 적용될 수 있으며, 특정소재로 제한하지 않는다. 치구의 설치위치는 양 모서리를 설정하되, 판재의 크기에 따라 한 쪽 또는 양 쪽으로 적용할 수 있다.
또한, 상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm일 수 있다.
구체적으로, 0.1mm 미만의 경우에는 양극산화 시 전류밀도의 차이가 발생하여 균일한 발색이 어려우며, 1.0mm를 초과하는 경우에는 발색 구현 가능한 인가전압의 제한이 발생할 수 있다.
이후, 상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계를 실시할 수 있다.
상기 탈지하는 단계는 상기 티타늄 판재 상의 잔류 압연유를 세척하는 단계일 수 있다.
구체적으로, 80 내지 100% 농도의 아세톤(CH3COCH3) 용액에서 30 내지 60초간 초음파 세척하여 잔류 압연유를 세척할 수 있다.
구체적으로, 압연유 탈지 단계는 티타늄 표면의 잔류 압연유의 상태에 따라 결정하며, 탈지액에 용해되는 세척된 오일의 농도를 통하여 세척상태를 확인한다. 경우에 따라서는 판재 표면의 잔류 탄소 분석을 통해 탈지 정도를 파악할 수도 있다.
이후, 상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계를 실시할 수 있다.
상기 에칭하는 단계는 4 내지 7% 농도의 불산(Hydrofluoric acid) 및 2 내지 4% 농도의 인산(H3PO4)을 포함하는 혼합 수용액을 이용할 수 있다.
상기와 같이, 혼합 수용액을 이용하는 경우 표면의 발색도를 높히고, 다중 발색 구현성이 우수할 수 있다.
또한, 상기 혼합 수용액을 이용하여, 30 내지 90초 동안 40 내지 60℃ 조건 하에서 실시할 수 있다.
구체적으로, 에칭은 표면의 조도를 부여하는 역할을 하므로, 30초 미만은 조도가 형성이 안되며, 90초를 초과하면 표면광택을 상실하므로 주어진 범위 내에서 실시할 수 있다. 형성된 표면 조도는 후술하는 양극산화 표면 처리 단계에서 다중 발색을 구현하는데 도움을 주는 역할을 한다.
마지막으로, 상기 에칭된 티타늄 판재를 양극산화 표면 처리하는 단계를 실시할 수 있다.
구체적으로, 상기 양극산화 표면 처리하는 단계는, 3단계로 실시할 수 있다.
더 구체적으로, 0.1 내지 0.5M 농도의 황산(H2SO4) 수용액에서 양극산화 표면 처리를 실시할 수 있다.
보다 구체적으로, 1단계에서는 인가전압 5 내지 10V 범위로 진행하여 표면에 10 내지 20nm 두께의 TiO2 피막을 형성할 수 있다. 2단계에서는 1단계 인가전압의 5 내지 10V이상을 인가하여 국부적으로 1단계 TiO2 피막을 재생성하는 역할을 수행할 수 있다. 3단계에서는 2단계 인가전압의 10 내지 100V 범위 및 10℃ 내지 20℃의 온도 조건 하에서 실시하며, 최종적인 전체 발색 색상을 구현하는 역할을 수행한다.
이는 도 1에도 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법에서 양극산화 표면 처리 단계의 단계별 시간, 전압 조건을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 단계에서 인가되는 전압이 다르기 때문에 표면에 생성되는 산화피막은 전압별로 차이가 있을 수 있다. 또한, 산화피막이 형성된 이후에는 전압 강하로 인하여 급격히 전압이 떨어지게 된다.
이후 단계에서 전압 재인가를 통하여 피크 전압까지 상승하고, 산화피막을 형성한 이후 전압 강하가 다시 발생할 수 있다. 이러한 공정을 반복하여 다중 발색을 구현할 수 있다.
이에, 상기와 같이 양극산화 표면 처리하여, 50 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함하는 표면처리된 티타늄 판재를 제공할 수 있다. 이때, 상기 발생 영역에는 2 내지 5가지 색상이 불규칙하게 중첩된 상태일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
200X300mm크기, 0.6mm 두께의 티타늄 판재를 준비하였다.
상기 티타늄 판재를 80% 농도의 CH3COCH3 용액에서 60초간 초음파 세척을 실시하여 탈지하였다.
상기 탈지된 티타늄 판재 표면은 5% 농도의 불산(Hydrofluoric acid) 및 3% 농도의 인산(H3PO4)을 포함하는 혼합 수용액으로 60초간 50℃에서 에칭하였다.
상기 에칭된 티타늄 판재를 양극산화 표면 처리하였다.
구체적으로, 10℃, 0.5M 농도 황산(H2SO4) 수용액에서 하기 3단계 조건으로 실시하였다.
- 1단계 인가전압 5V, 유지시간 30초
- 2단계 인가전압 10V, 유지시간 30초,
- 3단계 인가전압 40V, 유지시간 120초
양극산화 표면 처리 단계를 실시하는 조건은 도 1에도 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법에서 양극산화 표면 처리 단계의 단계별 시간, 전압 조건을 도식화하여 나타낸 것이다.
그 결과, 실시예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 실시예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 50 내지 100㎛ 크기의 발색영역을 가지는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 발생영역에는 다양한 색상이 불규칙하게 중첩되어 색 범위가 고르게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 실시예 1에 따른 판재의 색차값은 L* 69.68, a* -3.66, b* -5.86로 측정되었다.
참고로, 색차값 측정 방법은 하기와 같다.
색차값 측정 방법
색차 측정은 색차 측정기를 이용하여 백색의 표준시험편을 사용하여 초기값을 보정하고, 색상 견본의 L*, a*, b* 를 측정하고 저장하다. 이후 컬러 강판과 표준 시편과의 색차값을 저장하여 평가하였다. 이때, 색차의 측정값은 자동으로 산출되어 표시하는 값을 사용하였다.
구체적으로, L* 값은 밝기를 말하는 것으로 흰색과 검정의 관계를 말한다. L*값이 + 방향으로 큰 값일수록 흰색을 의미할 수 있고, - 방향으로 큰 값일수록 검정색을 의미한다.a* 값은 빨강과 초록과의 관계를 말한다. a*값이 + 방향으로 큰 값일수록 빨강색을 의미할 수 있고, - 방향으로 큰 값일수록 초록색을 의미한다. b* 값은 노랑과 파랑과의 관계를 말한다. b*값이 + 방향으로 큰 값일수록 노랑색을 의미할 수 있고, - 방향으로 큰 값일수록 파랑색을 의미한다.
실시예 2
실시예 1과 비교하여, 양극산화 표면 처리 조건을 하기와 같이 실시한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1과 동일한 수용액에서 하기 3단계 조건으로 실시하였다.
- 1단계 인가전압 10V, 유지시간 30초
- 2단계 인가전압 20V, 유지시간 30초
- 3단계 인가전압 50V, 유지시간 120초
그 결과, 실시예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 실시예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재도 50 내지 100㎛ 크기의 발색영역을 가지는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 발생영역에는 다양한 색상이 불규칙하게 중첩되어 색 범위가 고르게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 실시예 2에 따른 판재의 색차값은 L* 52.00, a* -1.80, b* -1.67로 측정되었다.
비교예 1
실시예 1과 비교하여, 양극산화 표면 처리 조건을 하기와 같이 실시한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1과 동일한 수용액에서 하기 조건으로 실시하였다.
- 1단계 인가전압 40V, 유지시간 240초
이는 도 2에도 도시되어 있다.
도 2는 비교예에 따른 양극산화 표면 처리 단계의 시간, 전압 조건을 도식화하여 나타낸 것이다.
또한, 비교예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 비교예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 발색 크기가 특정되지 않고, 균일한 단색으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이에, 다양한 색상이 구현된 발색 영역을 가지는 실시예와 차이가 있다.
구체적으로, 상기 비교예 1에 따른 판재의 색차값은 L* 80.38, a* -8.65, b* 14.56로 측정되었다.
비교예 2
상기 비교예 1과 비교하여, 양극산화 표면 처리 조건을 하기와 같이 실시한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1과 동일한 수용액에서 하기 조건으로 실시하였다.
- 1단계 인가전압 50V, 유지시간 240초
비교예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재는 도 6에 도시되어 있다.
도 6은 비교예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재를 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 2에 따라 표면 처리된 티타늄 판재도 발색 크기가 특정되지 않고, 균일한 단색으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이에, 다양한 색상이 구현된 발색 영역을 가지는 실시예와 차이가 있다.
구체적으로, 상기 비교예 1에 따른 판재의 색차값은 L* 73.96, a* 1.34, b* 57.32로 측정되었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. 50 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함하고,
    티타늄 판재의 발색 영역에는 2 내지 5가지 색상이 불규칙하게 중첩된, 표면 처리된 티타늄 판재.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 티타늄 판재의 표면에는 TiO2 피막이 위치하는, 표면 처리된 티타늄 판재.
  4. 제3항에서,
    상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm인, 표면 처리된 티타늄 판재.
  5. 티타늄 판재를 준비하는 단계;
    상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계;
    상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계; 및
    상기 에칭된 티타늄 판재를 양극산화 표면 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계는,
    3단계로 실시하며,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계를 거친 티타늄 판재는, 50 내지 150㎛ 크기의 발색 영역을 다수 포함하고,
    상기 티타늄 판재의 발색 영역에는 2 내지 5가지 색상이 불규칙하게 중첩된는 것인, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  6. 제5항에서,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계에서,
    1단계는 5 내지 10V 인가전압 범위에서 실시하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  7. 제6항에서,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계에서,
    2단계는, 상기 1단계에서 인가된 전압보다 5 내지 10V 이상 큰 전압 범위에서 실시하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  8. 제7항에서,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계에서,
    3단계는, 상기 2단계에 인가된 전압보다 10 내지 100V 이상 큰 전압 범위에서 실시하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  9. 제8항에서,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계에서,
    상기 3단계는, 10 내지 20℃ 온도 범위에서 실시하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  10. 제9항에서,
    상기 양극산화 표면 처리하는 단계는,
    0.1 내지 0.5M 농도의 황산(H2SO4) 수용액에서 양극산화 표면 처리하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  11. 제5항에서,
    상기 티타늄 판재를 준비하는 단계에서,
    상기 티타늄 판재의 두께는 0.1 내지 1.0mm인, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  12. 제5항에서,
    상기 티타늄 판재를 탈지하는 단계는,
    80 내지 100% 농도의 아세톤(CH3COCH3) 용액으로 30 내지 60초간 초음파 세척하여 탈지하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  13. 제5항에서,
    상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계는,
    4 내지 7% 농도의 불산(Hydrofluoric acid) 및 2 내지 4% 농도의 인산(H3PO4)을 포함하는 혼합 수용액을 이용하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
  14. 제13항에서,
    상기 탈지된 티타늄 판재 표면을 에칭하는 단계는,
    40 내지 60℃ 온도에서, 30 내지 90초 동안 실시하는, 표면 처리된 티타늄 판재의 제조방법.
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