KR102205058B1 - 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법에 관한 것으로서, 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부를 가지는 금속재와 섬유 강화 플라스틱이 일체로 접합되어 있으며, 금속재와 섬유 강화 플라스틱 중의 수지 계면의 인장 강도가 35MPa 이상, 특정하게는 42.69MPa 이상의 높은 결합 강도로 접합되므로 판단 시 수지 금속 복합재의 계면이 아니라 수지 부분에서 파단이 일어날 정도로 우수한 내구성을 지님과 아울러, 접합 계면이 균일하게 접합되어 기밀 상태의 고차폐성을 가지며, 미려한 섬유 원단 패턴 외관을 보유하고, 경량화되어 있으면서도 우수한 열전도성과 구조 강성을 지니며, 높은 설계 디자인 자유도로 상기한 이종 접합형 수지 금속 복합재를 효과적이고 효율적으로 제조할 수가 있다.

Description

이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR HETEROJUNCTION TYPE RESIN-METAL COMPOSITE}

본 발명은 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 표면 처리된 금속과 섬유강화 플라스틱을 인서트 성형에 의하여 높은 부착 강도로 이종 접합시킴으로써 우수한 내구성과 미려한 섬유 원단 패턴 외관을 보유하는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

근래 들어, 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 또는 백색 가전 등과 같은 다양한 전기전자 또는 기계전자 제품의 케이싱 또는 하우징은 경량화와 아울러, 고급감 있는 미려한 외관이 요구되고 있다.

그러나 금속 고유의 높은 방열성 및/또는 강성이 요구되는 케이싱 또는 하우징을 경량성의 수지재로 대체하는 데에는 일정한 한계가 있으므로, 금속재의 두께를 감소시켜 경량화하면서도 방열성 또는 강성의 희생은 최소화할 수 있도록 이들 이종 소재를 접합시킨 복합 재료의 필요성이 대두되어 왔다.

일반적으로 이종 소재, 특히 금속재와 수지재 간의 접합은 각 소재 고유의 물리적 및 화학적 특성과 표면 상태가 상이하므로 그 접합이 용이하지 않은 경우가 대부분이므로, 종래 이러한 문제를 해결하고자 금속 표면 개질 후 접착제를 이용한 접합, 금속 표면의 미세 앵커링 효과에 의한 기계적 접합과 수지 수축에 의한 박리 억제를 통한 결합, 사출 성형기, 초음파, 레이저, 고주파를 이용한 용해, 융착, 열압착 결합, 엘라스토머 시트를 이용한 레이저 접합, 또는 고주파 유전 가열에 의한 접합 등과 같은 다양한 방법에 의한 이종 접합체가 제안되어 있으나, 이러한 이종 접합체는 접합 경계면에서의 부착 강도가 충분히 만족스럽지 못하여 내구성이 열등하며 이는 고온 다습한 환경 조건이나 열적 환경 하에서 현저히 저하된다는 문제점이 있다.

또한 본 발명자들이 파악하고 있는 한, 미려한 섬유 원단 패턴 외관을 보유하는 금속과 수지 간의 수지 금속 복합재는 현재까지 알려져 있는 바 없다.

오늘날 스마트 폰과 같은 모바일 기기 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징의 사출 성형에 있어서는 이종 수지 재료를 이용한 이중사출, 금속 성형물 또는 1차 사출 수지 성형물을 인서트하고 그에 다시 2차 사출 성형하는 인서트 사출, 또는 인서트 이중 사출이 광범위하게 적용되고 있으나, 금속과 수지, 또는 이종 수지 재료 간의 물리화학적 특성은 현저히 다른 경우가 대부분이므로, 이중 사출이나 인서트 사출 또는 인서트 이중 사출의 경우 이종 재료 간의 접합력 향상을 위하여 본딩 프라이머(bonding primer) 코팅과 같은 추가적인 전처리 공정을 필요로 하나, 이러한 전처리 코팅층의 형성은 영구적이지 못할 뿐만 아니라 내구성도 여전히 충분히 만족스럽지 못하다는 문제점이 있다.

종래, 이중 사출이나 인서트 사출 등에 있어 본딩 프라이머를 사용하지 않는 전형적인 방법으로서, 한국 특허출원 공개 제10-2013-0037375호(2013.04.16. 공개)는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 제1 소재를 다층 채널화 한 다음, 그 표면을 에칭이나 양극산화 처리와 같은 표면 활성화 처리 후, 수지로 된 제2 소재로 인서트 사출 성형하고, 이어서 다층 채널의 적어도 한 층을 절삭해 내는 것으로 구성되는 이종 소재로 이루어진 복합체 및 그 제조방법을 제안하고 있다.

또한 일본 특허공개 평5－51671호(1993.03.02. 공개)는 수지와 구리 합금을 접착시킨 수지 금속 접합물을 얻는 기술로서 트리아진 티올 피막을 구리 합금 표면에 전착(electrodeposition)하여 형성시키는 구리합금에 대한 전기화학적 표면처리법과 그 복합체를 개시(開示)하고 있다.

또한 국제공개 팜플렛 WO 97/035716(1997.10.02. 국제공개)에는 알루미늄 합금판에 20nm 이하의 양극 산화 피막을 형성하고 그 표면에 열가소성 수지 피막을 적층해 접착시킨 열가소성 수지 코팅 알루미늄 합금판 및 그 제조 장치를 제시하고 있다.

일본 특허공개 2001－200374호 공보(2001.07.24. 공개)에는 금속 표면에 피막 형성된 트리아진 티올 금속염에 음으로 대전 가능한 반응 화합물을 반응 혹은 흡착시켜 금속 표면의 반응성을 장기간 유지함으로써 금속 표면의 산화를 방지하는 금속 표면의 반응성 보유 방법을 제안하고 있다.

그러나 상기한 종래 기술들은 이종 소재 간 계면에서의 결합 강도가 충분히 만족스럽지 못하여 이종 소재 간 분리 내지 박리 또는 탈락의 우려가 있으며, 이러한 우려는 비우호적인 사용 환경 또는 보관 환경 하에서는 더욱 심하게 된다는 문제점이 있다.

이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 종래의 방안으로서, 한국 특허출원 공개 제10-2015-0092872호(2015.08.17. 공개)는 표면에 깊이 50~300㎛, 단면 폭 30~150㎛, 센터 간 간격 100~300㎛인 십자 형태의 마이크로 피트(micro-pit)가 다수 형성된 금속 재료와; 상기한 금속 재료 표면의 상기한 마이크로 피트 내에 앵커링(anchoring)된 상태로 상기한 금속 재료의 적어도 일부 영역에 접합되어 있는 수지 재료로 구성되어 있는 이종(異種) 접합 부재를 제안하고 있다.

그러나 상기한 종래의 기술은 30~70회의 레이저 가공을 반복하는 물리적 가공을 수행하여야 하므로 가공 효율성이 만족스럽지 못하다는 문제점이 있음과 아울러, 금속과 섬유 강화 플라스틱의 복합 재료에 대한 것이 아니다.

한국 특허출원 공개 제10-2013-0037375호(2013.04.16. 공개) 일본 특허공개 평5－51671호(1993.03.02. 공개) 국제공개 팜플렛 WO 97/035716(1997.10.02. 국제공개) 일본 특허공개 2001－200374호 공보(2001.07.24. 공개) 한국 특허출원 공개 제10-2015-0092872호(2015.08.17. 공개)

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금과 같은 금속재와 섬유 강화 플라스틱 간의 접합이 구조적인 높은 접합력으로 인하여 영구적이며 우수한 내구성을 지니는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 금속재와 섬유 강화 플라스틱 간의 접합이 균일하여 기밀 상태의 고차폐성 및 방수성을 가지는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 미려한 섬유 원단 패턴 외관을 보유하는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 경량화되어 있으면서도 우수한 열전도성과 구조 강성을 지니는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다섯 번째 목적은 높은 설계 디자인 자유도로 이종 접합형 수지 금속 복합재를 제조할 수가 있는 효과적이고 효율적인 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 첫 번째 내지 다섯 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, (A) 금속재의 표면에 트리아진 티올 유도체를 포함하는 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부를 형성하는 양극 산화 단계와, (B) 상기한 금속재의 양극 산화 피막 형성부에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 적층하는 단계와, (C) 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지를 이용하여 인서트 성형하는 단계로 구성되며: 상기한 금속재와 수지 계면의 인장 강도가 최소 35MPa이고; 상기한 양극 산화 단계가 상기한 금속재를 양극으로 하고 불용성 도전체 전극을 음극으로 하여, 트리아진 티올 유도체를 포함하는 40~70℃의 산성 용액 중에서 0.1~2.0 A/dm²의 전류 밀도로 30~90분간 전해함으로써 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 0.001~0.01중량% 포함시킨 후, 수세하여 건조하는 것으로 이루어지며; 상기한 인서트 성형이 하부 몰드에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 수지 이송 성형(RTM: Resin Transfer Molding)에 의하여 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지에 의하여 일체화하는 것으로 구성되고; 상기한 섬유 원단이 일면 또는 양면에 굴절률이 다른 금속 또는 금속 산화물이 2종 이상 적층되어 있는 다양한 패턴 및 칼라를 지니는 두께 약 0.03~0.50mm의 평직포나 능직포 또는 부직포이며; 상기한 금속재는 알루미늄 합금으로 된 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 모니터, 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징으로써, 상기한 양극 산화 피막 형성부를 상기한 케이싱 또는 하우징의 상면과 측면, 또는 상면과 측면 및 저면에 형성시키는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법이 제공된다.

상기한 첫 번째 내지 다섯 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 일 양태에 따르면, (A) 금속재의 표면에 트리아진 티올 유도체를 포함하는 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부를 형성하는 양극 산화 단계와, (B) 상기한 금속재의 양극 산화 피막 형성부에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 적층하는 단계와, (C) 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지를 이용하여 인서트 성형하는 단계로 구성되며: 상기한 금속재와 수지 계면의 인장 강도가 최소 35MPa이고; 상기한 양극 산화 단계가 상기한 금속재를 양극으로 하고 불용성 도전체 전극을 음극으로 하여, 트리아진 티올 유도체를 포함하는 40~70℃의 산성 용액 중에서 0.1~2.0 A/dm²의 전류 밀도로 30~90분간 전해함으로써 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 0.001~0.01중량% 포함시킨 후, 수세하여 건조하는 것으로 이루어지며; 상기한 인서트 성형이 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그(prepreg)를 하부 몰드에 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그를 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 핫프레스 성형에 의하여 상기한 금속재와 프리프레그를 일체화하는 것으로 구성되고; 상기한 섬유 원단이 일면 또는 양면에 굴절률이 다른 금속 또는 금속 산화물이 2종 이상 적층되어 있는 다양한 패턴 및 칼라를 지니는 두께 약 0.03~0.50mm의 평직포나 능직포 또는 부직포이며; 상기한 금속재는 알루미늄 합금으로 된 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 모니터, 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징으로써, 상기한 양극 산화 피막 형성부를 상기한 케이싱 또는 하우징의 상면과 측면, 또는 상면과 측면 및 저면에 형성시키는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법이 제공된다.

여기서, 상기한 적어도 한 겹의 섬유 원단은 유리섬유 원단, 탄소섬유 원단, 케블라 원단, 아라미드섬유 원단, 또는 보론섬유 원단이며; 상기한 수지는 PC 및 ABS 알로이, 폴리카보네이드, 폴리아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 에폭시, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메칠펜텐, 폴리메틸메타크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트 및, 에폭시 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 열가소성 수지, 또는 페놀 수지, 요소 수지 및, 멜라민 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 열경화성 수지일 수 있다.

또한, 상기한 인서트 성형 단계에 후속하여, 조립부 CNC(컴퓨터수치제어) 가공, 샌딩이나 블래스팅 또는 연마, 유광 또는 무광 도료 스프레이, 또는 인쇄 단계가 수행될 수 있다.

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전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법에 따르면, 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금과 같은 금속재와 섬유 강화 플라스틱이 높은 결합 강도로 접합되므로 영구적인 우수한 내구성을 지님과 아울러, 접합 계면이 균일하게 접합되어 기밀 상태의 고차폐성 및 방수성을 가지며, 미려한 섬유 원단 패턴 외관을 보유하고, 경량화되어 있으면서도 우수한 열전도성과 구조 강성을 지니며, 높은 설계 디자인 자유도로 상기한 이종 접합형 수지 금속 복합재를 효과적이고 효율적으로 제조할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재 시편의 절단 사진이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재 시편의 절단면 확대 사진 및 주사전자 현미경 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재가 스마트폰 케이스인 경우를 나타내는 사진이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재에 사용되는 섬유 원단의 패턴을 나타내는 예시 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 알루미늄 합금에 있어 양극 산화 피막 형성 전후의 표면 상태에 대한 주사전자 현미경 사진이다.
도 6은 알루미늄 합금에 있어 양극 산화 피막 형성 미처리면과 처리면을 대비한 주사전자 현미경 사진이다.
도 7은 알루미늄 합금에 대한 수지 접합면의 파단 인장력 시험 결과를 대비한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 표면 무처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 표면 프라이머 처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 표면 양극 산화 피막 처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진이다.
도 11은 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 인서트 성형을 설명하는 개략도이다.
도 12는 금속재의 표면 처리 공정도이다.
도 13은 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 인서트 성형이 수지 이송 성형(RTM: Resin Transfer Molding)에 의한 경우를 나타내는 모식도이다.
도 14는 도 13의 경우의 공정도이다.
도 15는 후공정도이다.

먼저, 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 “금속재”란 용어는 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금과 같은 비철금속재로서, 특정하게는 알루미늄 합금을 지칭하며, 상기한 수지재는 섬유 강화 플라스틱을 지칭하고, 상기한 금속재의 표면에 형성된 양극 산화 피막 형성부에 상기한 섬유 강화 플라스틱을 형성하는 수지재가 접합된다.

또한 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 “접합”이라는 용어는 금속재표면에 형성되는 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막에 형성되는 요철 구조에 의한 물리적인 앵커 결합과, 양극 산화 피막 내에 존재하는 Al₂O₃와 수지 사이의 산염기 결합에 의하여 강하게 결합되어 일체화된 상태를 일컬으며, 선택적으로 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 존재시키는 경우에는 상기한 트리아진 티올 유도체가 앵커 결합 및 산염기 결합에 가세함과 아울러, 트리아진 티올 유도체와 수지의 말단 관능기 사이에 공유결합이 형성되어 더욱 강한 접합 강도 및 내구성을 얻을 수 있게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재 시편의 절단 사진이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재 시편의 절단면 확대 사진 및 주사전자 현미경 사진으로서, 설명의 편의상 함께 언급하기로 한다.

도 2a는 도 1의 시편에 대한 10배 확대도로서 금속재 상에 섬유 원단이 수지에 의하여 일체화되어 있는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 절단면을 보여주며, 도 2b는 도 2a의 500배 확대 사진으로서 금속재와 섬유 원단의 섬유 원사가 수지에 의하여 일체화된 절단면을 나타내고 있고, 도 2c는 10,000배 확대 사진으로서 금속재 상에 수지가 접합되어 있음을 보여주며, 도 2d는 100,000배 확대 사진으로서 금속재 상에 두께 0.1~1.2㎛의 미세 요철 구조로 된 양극 산화 피막이 형성되어 있음과 아울러 수지가 상기한 미세 요철 구조 내에 앵커 결합되어 있음을 보여주며, 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재는 상기한 금속재와 수지 계면의 인장(파단) 강도가 35MPa 이상, 바람직하게는 40MPa 이상이다.

상기한 양극 산화 피막의 두께가 0.1㎛ 미만이면 금속재와 수지와의 접합층이 얇아 치밀하지 못하며 균일하지 못하게 되어 접합 강도가 충분치 못하게 될 우려가 있으며, 역으로 1.2㎛를 초과하면 양극 산화 피막과 수지 간의 충분한 접합층은 확보할 수 있으나 양극 산화 피막층 내에서 파단이 일어날 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

한편, 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재가 다양한 섬유 원단 패턴을 가지는 스마트폰 케이스인 경우를 나타내는 사진으로서, 도시된 예는 스마트폰 케이스를 뒤집어 확대 촬영한 것이나, 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재는 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 모니터, 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징, 또는 다른 전자기기 부품일 수 있음은 물론이다.

본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재에 있어서의 상기한 금속재는 전술한 바와 같이 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금이며, 상기한 수지는 이에 한정되는 것은 아니지만 PC 및 ABS 알로이, 폴리카보네이드, 폴리아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 에폭시, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메칠펜텐, 폴리메틸메타크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트, 또는 에폭시 아크릴레이트 중 어느 하나의 열가소성 수지, 또는 페놀 수지, 요소 수지, 또는 멜라민 수지 중 어느 하나의 열경화성 수지일 수 있다.

또한, 필요하다면 상기한 수지에는 비도전성 안료 또는 대전 방지제를 포함시킬 수도 있으며, 이러한 비도전성 안료 및 대전 방지제는 당업계 공지이므로 이에 대한 부연 설명은 생략하기로 한다.

상기한 적어도 한 겹의 섬유 원단은 유리섬유 원단, 탄소섬유 원단, 케블라 원단, 아라미드섬유 원단, 보론섬유 원단, 세라믹섬유 원단, 또는 합성섬유 원단으로 된 두께 약 0.03~0.50mm, 바람직하게는 0.05~0.45mm의 다양한 패턴 및 칼라를 지니는 평직포나 능직포 또는 부직포로서, 동일 종류의 원단만을 단독 사용하거나 또는 서로 다른 종류의 원단을 혼용할 수 있다.

또한 상기한 섬유 원단은 그 일면 또는 양면에 금, 은, 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬, 스텐인레스, 주석, 또는 인듐과 같은 서로 굴절률이 다른 금속이 2종 이상 적층된 박막 구조 또는 이산화티탄(TiO₂)층 및 이산화규소(SiO₂)층이 2층 이상 교대로 적층된 금속 산화물 박막 구조를 가지는 것일 수 있으며, 스퍼터링(sputtering), 저항열 증착(Thermal Evaporator), 전자빔 증착(E-Beam Evaporator) 또는 플라즈마화학 증착(PECVD)에 의해 형성된 것일 수 있고, 필요하다면 염색, 인쇄, 또는 도장된 것일 수 있다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재에 사용되는 섬유 원단의 다양한 패턴을 나타내는 예시 사진으로서, 도 4a는 평직의 탄소 섬유 원단을, 도 4b는 능직의 탄소 섬유 원단을, 도 4c는 평직의 유리 섬유 원단을, 그리고 도 4d는 능직의 유리 섬유 원단을 나타낸다.

이어서, 도 5a 및 도 5b는 각각 알루미늄 합금에 있어 양극 산화 피막 형성 전후의 표면 상태에 대한 주사전자 현미경 사진으로서, 표면 처리전의 평활한 표면이 양극 산화 피막 형성 후에는 Al₂O₃로 된 미세 요철 구조를 가지는 영역(흑색부)이 잘 발달된 상태로 변환되었음을 보여주며, 도 6은 알루미늄 합금에 있어 양극 산화 피막 형성 미처리면과 처리면을 대비한 것이다.

도 7은 알루미늄 합금에 대한 수지 접합면의 파단 인장력 시험 결과를 종래의 경우와 대비한 그래프이며, 도 8a 및 도 8b는 각각 표면 무처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진이고, 도 9a 및 도 9b는 각각 표면 프라이머 처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진이며, 도 10a 및 도 10b는 각각 표면 양극 산화 피막 처리 알루미늄 합금의 파단면을 보여주는 측면 사진 및 정면 사시 사진으로서, 함께 언급하기로 한다.

먼저, 도 8a 및 도 8b로부터 확인되는 바와 같이, 표면 무처리 알루미늄 합금의 측면 일측에 수지를 인서트 사출에 의해 접합하고 인장시킨 경우 알루미늄 합금과 수지 사이의 접합 계면에서 파단이 일어나 알루미늄 합금면에 수지는 남아 있지 않으며, 10회 평균 파단 강도는 8.33MPa이다.

이어서, 도 9a 및 도 9b는 알루미늄 합금의 측면 일측에 에폭시 본딩 프라이머 처리한 후 수지를 인서트 사출에 의해 접합하고 인장시킨 경우에 대한 것으로서, 알루미늄 합금과 수지 사이의 접합 계면에서 파단이 일어나 알루미늄 합금면에 수지는 남아 있지 않으며, 10회 평균 파단 강도는 8.75MPa로 프라이머 처리를 한다하더라도 접합 강도에 별 효과가 없음을 확인할 수 있다.

한편, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재에 대한 것으로서, 알루미늄 합금의 측면 일측에 양극 산화 피막 처리를 한 후 피막 처리면에 수지를 인서트 사출에 의해 접합하고 인장시킨 경우에 대한 것으로서, 알루미늄 합금과 수지 사이의 접합 계면에서 파단이 일어나는 것이 아니라 수지 중에서 파단이 일어나 알루미늄 합금면에 수지는 남아 있음을 확인할 수 있으며, 10회 평균 파단 강도는 42.69MPa로 기존 경우에 비하여 무려 약 5배 이상 더 강한 접합 강도를 지님을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법은 도 11에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 스마트폰 케이스와 같은 금속재의 표면에 습식 표면 처리에 의하여 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부(접합막)를 형성한 후, 상기한 금속재의 양극 산화 피막 형성부에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 적층하고 수지를 이용하여 인서트 성형하는 것으로 구성된다.

양극 산화 단계는 상기한 금속재를 양극으로 하고 불용성 전극으로서도전체인 티탄, 스테인리스 스틸, 탄소 등을 음극으로 하여, 40~70℃의 산성 용액 중에서 0.1~2.0 A/dm²의 전류 밀도로 30~90분간 전해하고 수세하여 건조하는 것으로 이루어질 수 있다.

상기한 산성 용액은 특별한 제한은 없으며, 당업계에 통상적으로 사용되는 인산, 크롬산(chromic acid), 옥살산(oxalic acid), 황산 또는 이들의 임의의 혼합 용액을 사용할 수 있다.

산성 용액의 온도가 40℃ 미만에서는 형성되는 양극 산화 피막의 세공 직경이 0.1㎛ 이상의 알루마이트층이 형성되어 수지와의 앵커 효과에 의한 접합성이 저하되어 바람직하지 못하며, 역으로 70℃을 초과하면 양극 산화 피막의 용해가 지나치게 과다하게 되어 적절한 양극 산화 피막 두께를 확보할 수 없게 되어 접합성이 저하될 우려가 있어 역시 바람직하지 못하다.

한편, 전류 밀도가 0.1 A/dm² 미만이면 양극 산화 피막의 형성 속도가 느려져 치밀한 미세공 형성이 곤란하여 접합성이 저하될 우려가 있으며, 역으로 2.0 A/dm²를 초과하면 미세공 직경이 커져 접합성이 저하될 우려가 있다.

본 발명에 있어, 필요하다면 접합 강도 증대를 위하여 양극 산화 피막이 형성된 금속재를 양극으로 하고, 전술한 바와 같은 불용성 도전체를 음극으로 하여 트리아진 티올 유도체를 포함하는 수용액 중에서 전해함으로써 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 0.001~0.01중량% 포함시킬 수 있다.

전해액으로서는 특별한 제한은 없지만,NaOH, Na₂CO₃, Na₂SO₄, K₂SO₃, Na₂SO₃, K₂SO₃, NaNO₂, KNO₂, NaNO₃, NaClO₄, CH₃COONa 등을 적절히 이용할 수 있다.

상기한 양극 산화 단계를 포함하는 금속 표면 처리 단계에 대하여 도 12를 참조하여 간략히 언급하기로 한다.

금속재를 지그에 안착시킨 후, 계면활성제 용액에 침지하여 탈지시킴과 동시에 오염을 제거하고 세척한 후, 수세하고, 수산화나트륨 수용액과 같은 알칼리 용액에 침적하여 탈지하고 세척한 다음, 수세하고, 황산, 염산, 또는 질산 수용액에서 에칭하여 표면 활성화시킨 후 수세하며, 이러한 과정은 금속표면 처리에 있어 통상적이다.

그 후, 전술한 바와 같이 양극 산화 피막을 형성한 후 수세하거나, 또는 필요하다면 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 존재시키기 위한 전해를 더 수행한 후, 수세하고 탕세한 후 건조시킨다.

도 13은 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 인서트 성형이 수지 이송 성형에 의한 경우를 나타내는 모식도이고, 도 13은 도 12의 공정도로서, 하부 몰드에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 수지 이송 성형에 의하여 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지로 일체화하고, 경화 및 냉각 후, 몰드를 형개하여 제품을 취출한 후, 버(burr) 등을 사상하게 됨을 나타낸다.

한편, 비록 도시하지는 않았지만, 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 인서트 성형은 핫프레스 성형에 의해 수행할 수도 있으며, 이 경우에는 수지로 함침시킨 프리프레그(prepreg)를 하부 몰드에 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그를 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 몰드 내에서 가열 가압하여 상기한 금속재와 프리프레그를 일체화할 수 있다.

또한 비록 도시하지는 않았지만, 본 발명의 제조방법에 따른 이종 접합형 수지 금속 복합재의 인서트 성형은 오토클레이브 성형에 의해 수행할 수도 있음은 물론이며, 이 경우 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그(prepreg)를 금속재에 적층한 후, 이형 필름과 브리더 및 백킹 필름을 적층하고, 오토클레이브 내에서의 진공 가압 가열에 의해 상기한 금속재와 프리프레그를 일체화할 수도 있다.

상기한 수지 이송 성형이나 핫프레스 성형, 또는 오토클레이브 성형의 기본적인 사항은 공지이므로 이에 대한 더 이상의 부연은 생략하기로 한다.

마지막으로, 도 15는 후공정도로서, 상기한 인서트 성형 단계에 후속하여, 필요하다면 조립부를 CNC 가공하거나, 샌딩이나 블래스팅 또는 연마 등을 수행하거나, 또는 유광 또는 무광 도료를 스프레이하거나, 또는 인쇄 작업을 수행하거나, 또는 상기한 조립부에 필요 부품을 조립하는 등의 마무리 후공정을 수행할 수 있으며, 이에 대한 사항 역시 공지이므로 이에 대한 부연은 생략하기로 한다.

이상, 본 발명을 구체예를 들어 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 당업자라면 이로부터 다양한 변화 및 수정이 가능함은 물론이며 이 또한 본 발명의 영역 내이다.

Claims (5)

1. (A) 금속재의 표면에 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부를 형성하는 양극 산화 단계와, (B) 상기한 금속재의 양극 산화 피막 형성부에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 적층하는 단계와, (C) 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지를 이용하여 인서트 성형하는 단계로 구성되며:
   상기한 금속재와 수지 계면의 인장 강도가 최소 35MPa 이고;
   상기한 양극 산화 단계가 상기한 금속재를 양극으로 하고 불용성 도전체 전극을 음극으로 하여, 트리아진 티올 유도체를 포함하는 40~70℃의 산성 용액 중에서 0.1~2.0 A/dm²의 전류 밀도로 30~90분간 전해함으로써 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 0.001~0.01중량% 포함시킨 후, 수세하여 건조하는 것으로 이루어지며;
   상기한 인서트 성형이 하부 몰드에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 수지 이송 성형(RTM: Resin Transfer Molding)에 의하여 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지에 의하여 일체화하는 것으로 구성되고;
   상기한 섬유 원단이 일면 또는 양면에 굴절률이 다른 금속 또는 금속 산화물이 2종 이상 적층되어 있는 다양한 패턴 및 칼라를 지니는 두께 0.03~0.50mm의 평직포나 능직포 또는 부직포이며;
   상기한 금속재는 알루미늄 합금으로 된 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 모니터, 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징으로써, 상기한 양극 산화 피막 형성부를 상기한 케이싱 또는 하우징의 상면과 측면, 또는 상면과 측면 및 저면에 형성시키는
   이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법.
2. (A) 금속재의 표면에 두께 0.1~1.2㎛의 양극 산화 피막 형성부를 형성하는 양극 산화 단계와, (B) 상기한 금속재의 양극 산화 피막 형성부에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 적층하는 단계와, (C) 상기한 금속재와 섬유 원단을 수지를 이용하여 인서트 성형하는 단계로 구성되며:
   상기한 금속재와 수지 계면의 인장 강도가 최소 35MPa 이고;
   상기한 양극 산화 단계가 상기한 금속재를 양극으로 하고 불용성 도전체 전극을 음극으로 하여, 트리아진 티올 유도체를 포함하는 40~70℃의 산성 용액 중에서 0.1~2.0 A/dm²의 전류 밀도로 30~90분간 전해함으로써 양극 산화 피막에 트리아진 티올 유도체를 0.001~0.01중량% 포함시킨 후, 수세하여 건조하는 것으로 이루어지며;
   상기한 인서트 성형이 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그(prepreg)를 하부 몰드에 위치시킨 후, 금속재를 위치시키고, 다시 그 위에 적어도 한 겹의 섬유 원단을 수지로 함침시킨 프리프레그를 위치시킨 다음, 상부 몰드를 합형하고, 핫프레스 성형에 의하여 상기한 금속재와 프리프레그를 일체화하는 것으로 구성되고;
   상기한 섬유 원단이 일면 또는 양면에 굴절률이 다른 금속 또는 금속 산화물이 2종 이상 적층되어 있는 다양한 패턴 및 칼라를 지니는 두께 0.03~0.50mm의 평직포나 능직포 또는 부직포이며;
   상기한 금속재는 알루미늄 합금으로 된 모바일 기기, 퍼스널 컴퓨터, 모니터, 또는 백색 가전제품의 케이싱 또는 하우징으로써, 상기한 양극 산화 피막 형성부를 상기한 케이싱 또는 하우징의 상면과 측면, 또는 상면과 측면 및 저면에 형성시키는
   이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기한 적어도 한 겹의 섬유 원단이 유리섬유 원단, 탄소섬유 원단, 케블라 원단, 아라미드섬유 원단, 또는 보론섬유 원단이며;
   상기한 수지가 PC 및 ABS 알로이, 폴리카보네이드, 폴리아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 에폭시, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메칠펜텐, 폴리메틸메타크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트 및, 에폭시 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 열가소성 수지, 또는 페놀 수지, 요소 수지 및, 멜라민 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 열경화성 수지인
   이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 인서트 성형 단계에 후속하여, 조립부 CNC(컴퓨터수치제어) 가공, 샌딩이나 블래스팅 또는 연마, 유광 또는 무광 도료 스프레이, 또는 인쇄 단계가 수행되는 이종 접합형 수지 금속 복합재의 제조방법.

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