KR20060068608A - 구리판이 삽입된 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리판이 삽입된 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 내산화성과 가공성이 우수한 은(Ag)으로 도금된 구리층을 포함하고, 상기 구리층은 상기 알루미늄층과 은도금층을 사이에 두고 클래드 판재를 형성함에 따라, 구리의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 400℃이상의 고온에서 이루어지는 테프론 코팅 공정에서도 알루미늄층과 구리층이 반응하여 금속산화물 생성에 따른 박리 현상을 방지할 수 있는 충분한 접착력을 확보할 수 있는 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조 방법을 제공한다.

클래드 판재, 은도금, 구리, 알루미늄

Description

구리판이 삽입된 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조방법{STRUCTURE AND FABRICATION METHOD OF CU-INSERTED CLAD FOR COOKING JAR}

도 1은 니켈을 구리에 도금한 후 클래드 압연에 의하여 제조된 종래의 클래드 판재의 조직 사진

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리판이 삽입된 클래드 판재의 구성 및 클래드 판재를 밥솥 형상으로 성형하고 난 후에 안쪽면에 테프론 코팅을 한 공정을 도시한 개략도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 은을 구리에 도금한 후 클래드 압연에 의하여 제조된 클래드 판재의 조직 사진.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 클래드 판재와 종래의 클래드 판재의 박리 시험 방법을 도시한 개략도.

본 발명은 구리판이 삽입된 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 400℃이상의 고온에서도 내산화 성능이 우수하고 접착력이 높은 동시에 금속화합물의 생성을 억제하여 박리를 방지할 수 있는 구리판이 삽 입된 클래드 판재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 클래드 판재 중에 가장 많이 사용되고 있는 것은 알루미늄(Al)과 스텐레스 강(STS)의 조합으로 된 Al/STS 클래드 판재이다. 가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄에 내식성과 강도가 좋고 색상이 미려한 스텐레스 강을 조합하여 전기밥솥용 내피로 많이 사용되고 있다. 일반적으로 Al/STS 클래드 판재는 200℃ 이상에서 소정의 압하율로 압연하는 방법에 의하여 접합되며, Al/STS 클래드 판재를 구성하는 알루미늄은 하나 이상의 여러 층으로 구성될 수 있으며, 스텐레스 강(STS)은 유도 가열을 위하여 페라이트계나 알루미늄이 용융 도금된 탄소강이 사용된다.

최근에는 Al/STS 클래드 판재를 제조함에 있어서 알루미늄(Al)대신 구리(Cu)판을 삽입하여 접합하는 Al/Cu/Al/STS 구조의 클래드 판재가 고급품으로 인정받고 있다.(알루미늄이 여러 층일 수 있으며 구리층도 2개 이상인 경우도 있으나, Al/Cu/Al/STS가 기본 형태이다.) 이와 같은 Al/Cu/Al/STS 구조의 클래드 판재에서는 구리를 사용하는 것은 그 강도가 알루미늄(Al)에 비하여 2배 이상 높을 뿐만 아니라(AA 3003 기준), 열전도성이 우수하여 내용물에 빠르고 균일하게 온도를 전달시킬 수 있기 때문이다.

일반적으로, 밥솥용 내피의 제조공정은, 클래드 판재의 제작을 위한 압연 공정과, 내피 형상으로 성형하는 공정과, 알루미늄층이 형성된 내부면에 음식물 등이 달라붙지 않도록 하는 코팅 공정으로 구성된다. Al/Cu/Al/STS 클래드 판재를 밥솥 내피의 제작에 응용하는 과정에 있어서, 알루미늄층과 구리층 사이의 접착력이 가장 중요한 문제점으로 대두된다. 이는, 클래드로 제조하기 위한 압연 공정은 대개 200℃이상에서 행하여야 충분한 접합력이 얻어 지는데, 구리(Cu)가 200℃의 온도로 대기에 노출되면 쉽게 산화되어 접합이 불가능하여지기 때문이다. 더욱이, 밥솥 내피의 알루미늄층이 형성된 안쪽면에 음식물 등이 달라붙지 않도록 하는 코팅 공정은 불화수지인 테프론(Teflon) 등으로 코팅되는 것이 일반적인데, 테프론의 코팅은 약 420℃에서 작업이 이루어지므로, 테프론 코팅 공정에서 알루미늄층과 구리층이 급격히 반응하여 금속간 화합물을 생성함에 따라 박리가 일어나는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 이종섭 등이 고안하여 대한민국 공개특허공보 공개번호 제2004-0058613호에 개시된 구리가 산화되지 않은 낮은 온도에서 알루미늄과 구리를 높은 압하율로 압연하여 접합하는 방식은, 압연시 산화를 억제함으로써 클래드 재를 용이하게 제조할 수 있으나, 테프론 코팅을 위하여 400℃이상으로 가열하면 Al₂Cu, AlCu 등 금속간 화합물이 생성되어 쉽게 박리가 일어나는 문제점이 있었다.

또한, 본 발명자 등이 고안하여 대한민국 공개특허공보 공개번호 제2004-0009639호에 개시된 구리에 내산화성이 우수한 구리나 니켈(Ni) 또는 코발트(Co) 등을 도금하는 방법은, 클래드 압연시 산화를 방지할 수 있어 높은 온도에서 압연이 가능해서 클래드 재를 쉽게 제조할 수 있으며, 동시에 상기 도금층이 알루미늄과 구리의 접촉을 막기 때문에 400℃도 이상 가열하여도 알루미늄-구리(AlCu) 등과 같은 금속간 화합물 생성을 방지하는 장점을 갖지만, 상기 도금층은 클래드 압연시 쉽게 깨지게 되어 부분적으로 알루미늄과 구리의 접촉을 허용하므로 접합력을 감소시키고 불량의 원인이 되는 문제점이 있었다. 도 1은 니켈을 구리에 도금한 후 클래드 압연 후 관찰한 조직 사진으로서, 니켈 도금층이 파단되어 알루미늄과 구리가 접촉되어 있음을 알 수 있다.

따라서, 400℃이상의 고온에서도 알루미늄층과 구리층의 충분한 접착력을 확보하기 위해서는, 클래드의 압연 공정시 구리의 산화를 방지하여야 하고, 고온에서 이루어지는 테프론 코팅 공정에서도 알루미늄층과 구리층의 반응을 억제해야 할 필요성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 400℃이상의 고온에서도 내산화 성능이 우수하고 접착력이 높아 가공성이 우수함과 동시에 동시에 금속화합물의 생성을 억제하여 박리를 방지하고, 클래드 압연시 깨지는 것을 방지하는 구리판이 삽입된 클래드 판재 및 그 제조 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 알루미늄층을 포함하는 밥솥 내피용 클래드 판재로서, 표면에 은(Ag)이 도금된 구리층을 더 포함하여 구성되고, 상기 구리층은 상기 알루미늄층과 은도금층을 사이에 두고 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재를 제공한다.

이는, 구리층과 알루미늄 층 사이에 내산화성과 가공성이 우수한 은을 도금 함으로써 구리의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 400℃이상의 고온에서 이루어지는 테프론 코팅 공정에서도 알루미늄층과 구리층이 반응하여 금속산화물 생성에 따른 박리 현상을 방지할 수 있는 충분한 접착력을 확보할 수 있도록 하기 위함이다.

여기서, 상기 은도금층은 0.1㎛ 내지 10㎛ 두께로 형성된 것이 바람직하다. 은도금층이 지나치게 낮을 경우에는 테프론 코팅 공정에서 은도금층이 깨질 우려가 있으며, 지나치게 두꺼울 경우에는 제조 비용이 상승하기 때문이다.

그리고, 상기 알루미늄층은 복수개의 층으로 형성될 수도 있으며, 이 때, 상기 복수개의 알루미늄층 사이에는 구리층이 형성되고, 상기 알루미늄층과 상기 구리층 사이에는 은도금층이 형성됨으로써, 알루미늄층과 구리층 사이에 높은 접착력을 확보할 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은 알루미늄층을 포함하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법으로서, 알루미늄층을 제조하는 단계와; 구리층을 제조하는 단계와; 상기 구리층에 은도금하여 은도금층을 제조하는 단계와; 상기 은도금층을 사이에 두고 상기 구리층과 상기 알루미늄층을 적층하는 단계와; 상기 적층 구조를 접합하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 관하여 상술한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구리판이 삽입된 밥솥 내피용 클래드 판재(10)는, 내식성과 강도가 우수한 스텐레스층(1)과, 스텐레스 층(1)에 접합된 가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄층(2)과, 양표면이 은(Ag)도금되고 강도가 높으며 열전도성이 우수한 구리층(3)과, 구리층(3)의 또 다른 면에 형성된 알루미늄층(4)으로 구성된다. 그리고, 상기 클래드 판재(10)는 딥 드로잉 가공에 의하여 밥솥 형상으로 가공된 후, 음식물 등이 달라붙지 않도록 안쪽 알루미늄층(4)의 표면에 테프론층(5)이 코팅된다.

상기와 같이 구성된 클래드 판재(10)의 제조 방법은 다음과 같다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 스텐레스층(1), 알루미늄층(2,4)과, 양면에 2㎛의 두께로 은도금층을 형성한 구리층(3)을 마련한 후, 스텐레스층(1), 알루미늄층(2), 구리층(3), 알루미늄층(4)으로 적층(STS/Al/Cu/Al)한 다음, 이들을 300℃로 가열한 다음 30%의 압하율로 압연하여 접합한다. 그리고, STS/Al/Cu/Al 클래드 판으로 딥 드로잉 가공하여 밥솥 형상으로 형성한다. 그리고, 밥솥의 안쪽면인 알루미늄층(4)에 테프론을 도포한 후 큐링(curing)을 위하여 약420℃로 30분간 가열하여 테프론층(5)을 생성한다.

상기와 같이 제조된 클래드 판재(10)는 알루미늄층(2)과 구리층(3) 사이에 내산화 성능과 가공성이 매우 우수한 은(Ag)이 도금됨에 따라, 알루미늄층(2, 4)과 구리층(3) 사이의 접합력이 우수할 뿐만 아니라, 구리층(3)에 은을 도금한 다음 클래드 압연후 관찰한 조직 사진인 도3에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 은도금층이 잘 늘어나 알루미늄층(2, 4)과 구리층(3) 사이의 접촉을 완전히 막고 있어, 테프론층(5)을 성형하는 공정에서 알루미늄과 구리 사이의 반응에 의하여 금속 산화물이 생성되어 알루미늄층(2, 4)과 구리층(3) 사이가 박리되는 현상을 억제할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 알루미늄층(2,4) 사이에 구리층(3)이 하나로 형성된 경우를 예시로 하여 살펴보았으나, 본 발명은 알루미늄층(2, 4) 사이의 구리층(3)이 복수개로 형성된 Al/Cu/Al/Cu/Al... 적층 형태를 포함한다. 이 때, 알루미늄층과 접하는 구리층(3)에 은도금층이 형성된다.

이하에서는, 상기와 같은 본발명에 따른 클래드 판재의 접합력의 시험 결과를 상술하기로 한다.

우선, 본 발명에 따라 제조된 샘플 클래드 판재(이하, "샘플 A"라 함.)는 스텐레스층, 알루미늄층, 구리층, 알루미늄층의 순서로 적층 형성되며, 알루미늄층과 접하는 구리층에는 은도금층이 형성된다. 이와 같은 적층 구조를 간단히 "STS/Al/Cu/Al"이라고 표현하기로 한다. 이 때, 스텐레스는 유도 가열이 가능한 STS430을 사용하였고, 알루미늄은 AA1050을 사용하였다. 상기 은도금층은 구리층의 양면에 2㎛의 두께로 도금하였고, STS/Al/Cu/Al로 적층한 다음 300℃에서 30%의 압하율로 압연 접합하였다. 그 다음, STS/Al/Cu/Al의 적층판을 지름 370mm로 블랭킹(blanking)한 다음에 직경 180mm의 펀치를 이용하여 밥솥 형상으로 딥 드로잉(deep drawing)한다. 이 때, STS/Al/Cu/Al의 적층판 구조에서 스텐레스층이 밥솥의 안쪽면을 형성하게 되어 외부로 드러나게 되고, 스텐레스층에 테프론을 도포한 후 큐링을 위해 420℃에서 30분간 가열함으로써, 샘플 A를 완성한다.

본 발명에 따른 샘플 A와 비교 시험을 행하기 위하여, 이종섭이 고안한 바와 같이, Al/Cu/Al 형태로 적층한 후 구리층이 산화되지 않는 120℃로 가열한 후에 70%의 압하율로 압연하여 클래드를 제작한 다음, Al/Cu/Al 클래드를 STS430에 300℃에서 30%의 압하율로 압연 접합하여 STS/Al/Cu/Al 클래드를 형성한다. 그리고 나서, 마찬가지로 STS/Al/Cu/Al의 적층판을 지름 370mm로 블랭킹(blanking)한 다음에 직경 180mm의 펀치를 이용하여 밥솥 형상으로 딥 드로잉(deep drawing) 가공을 행한다. 이 때, STS/Al/Cu/Al의 적층판 구조에서 스텐레스층이 밥솥의 안쪽면을 형성하게 되어 외부로 드러나게 되고, 스텐레스층에 테프론을 도포한 후 큐링을 위해 420℃에서 30분간 가열함으로써, 샘플 B를 완성한다.

또한, 상기 샘플 A와 마찬가지로 제작되지만, 은도금층 대신 니켈(Ni) 도금층이 구리층에 형성된 클래드를 샘플 C로 하여 제작하였다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 만들어진 샘플 A, B, C의 접합력을 시험하기 위하여, 길이 100mm, 폭 10mm 으로 절단한 후 'T' 자 형으로 해서 인장시험기를 이용하여 박리시키는데 필요한 힘을 측정하였다. 아래의 표 1은 각 샘플의 클래드 압연 및 테프론 코팅 후 접합강도를 나타낸 것으로, 단위는 폭이 10mm 일때 필요한 힘(Newton; N)으로 표시하였다. "불가"라고 기재된 것은 접합력이 강도보다 높아 측정이 불가능한 경우를 의미한 것이다.

각 샘플의 클래드 압연 및 테프론 코팅 후 접합강도 (단위: N/10mm)

	샘플 A	샘플 B	샘플 C
클래드 압연 후	측정 불가	측정 불가	250
테프론 코팅 후	측정 불가	5 이하	120

위 시험 결과로부터, 샘플 B의 경우에는 클래드 압연 후 접합력이 아주 우수하지만, 테프론 코팅을 위하여 420℃로 가열하면 알루미늄층과 구리층 사이의 계면에서 금속간 화합물이 생성되어 접합력이 거의 없어지게 됨을 확인할 수 있다.

또한, 샘플 C는 니켈(Ni) 도금층이 압연시 깨짐에 따라, 부분적으로 테프론 코팅시 알루미늄층과 구리층의 계면에서 금속간 화합물이 생성되어 접합력이 떨어지게 된다. 원활하게 제작된 샘플 B는 사용상 문제가 없지만, 불량률이 10-20%에 달하므로 생산성에 문제가 발생된다.

한편, 본 발명에 따라 제작된 샘플 A의 경우에는, 은(Ag)의 연성이 우수하므로 압연 공정에서도 잘 늘어나 알루미늄층과 구리층의 계면이 발생되지 않아 금속간 화합물을 생성하지 않게되며, 고온으로 생성되는 테프론 코팅 공정 이후에도 우수한 접합력을 유지할 수 있게 된다. 더욱이, 불량품이 1% 미만이어서 경제성이 매우 우수하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절히 변경 가능한 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 내산화성과 가공성이 우수한 은(Ag)으로 도금된 구리층을 포함하고, 상기 구리층은 상기 알루미늄층과 은도금층을 사이에 두고 클래드 판재를 형성함에 따라, 구리의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 400℃이상의 고온에서 이루어지는 테프론 코팅 공정에서도 알루미늄층과 구리층이 반응하여 금속산화물 생성에 따른 박리 현상을 방지할 수 있는 충분한 접착력을 확보할 수 있는 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 불량품이 1% 미만으로서 경제성이 매우 우수한 밥솥 내피용 클래드 판재 및 그 제조 방법을 제공한다.

Claims (13)

1. 알루미늄층을 포함하는 밥솥 내피용 클래드 판재로서,

   표면에 은(Ag)이 도금된 구리층을 더 포함하여 구성되고,

   상기 구리층은 상기 알루미늄층과 은도금층을 사이에 두고 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 은도금층은 0.1㎛ 내지 10㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 알루미늄층은 복수개의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 복수개의 알루미늄층 사이에는 구리층이 형성되고,

   상기 알루미늄층과 상기 구리층 사이에는 은도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 알루미늄층과 접합하는 스텐레스층을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   밥솥 내피의 가장 안쪽층에 테프론 코팅층을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피의 알루미늄-스텐레스 클래드 판재.
7. 알루미늄층을 포함하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법으로서,

   알루미늄층을 마련하는 단계와;

   구리층을 마련하는 단계와;

   상기 구리층에 은도금하여 은도금층을 제조하는 단계와;

   상기 은도금층을 사이에 두고 상기 구리층과 상기 알루미늄층을 적층하는 단계와;

   상기 적층 구조를 접합하는 단계를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 은도금층은 0.1㎛ 내지 10㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 구리층과 상기 알루미늄층의 적층 단계는 압연 접합하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 압연 접합은 250℃ 내지 400℃에서 30%의 압하율로 접합되는 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 알루미늄층이 복수개로 형성되고,

    상기 구리층은 양면에 상기 은도금층이 형성되어, 상기 알루미늄층 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
12. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    스텐레스층이 상기 알루미늄층에 적층되어 함께 접합하는 단계를;

    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밥솥 내피용 클래드 판재의 제조 방법.
13. 제 12항에 따른 상기 상기 클래드 판재를 딥 드로잉으로 밥솥 형상으로 성형 하는 단계와;

    성형된 밥솥은 안쪽면에 테프론을 도포하고, 큐링(curing)을 위해 400℃ 내지 450℃로 20분 내지 40분간 가열함으로써 테프론 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클래드 판재를 이용한 밥솥 내피의 제조 방법.

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