KR20100085702A

KR20100085702A - 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법

Info

Publication number: KR20100085702A
Application number: KR1020090005129A
Authority: KR
Inventors: 한장규
Original assignee: 주식회사 알룩스
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-29

Abstract

본 발명은 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 산화 처리 및 디지털 칼라 프린팅 공정을 포함하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법에 관한 것이다.

본 발명은 연마 평탄화 공정을 거친 알루미늄 합금 소재를 양극 산화 처리하여, 다공성 피막층을 생성하는 단계; 상기 양극 산화 처리된 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층에 잉크젯 프린팅을 통하여 잉크를 주입하여 상기 알루미늄 합금 소재의 표면을 착색하는 단계; 및 상기 잉크 주입된 상기 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층을 실링(sealing) 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 실시하면, 잉크젯 프린터를 이용한 전자 인쇄 기술을 적용하여 고강도 알루미늄 소재에 자연스러운 금속의 질감과 색상 발색이 균일하고 다양한 색감의 이미지를 표현할 수 있게 된다.

고강도, 알루미늄, 디지털 칼라 프린팅, 양극 산화 처리

Description

강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법{Method on printing on the surface of treated aluminium material}

종래 알루미늄 소재의 칼라 착색 표면 처리 방법, 특히, 아노다징(anodizing, 양극 산화 처리) 공정을 통해 형성된 다공성 피막 상에 염료를 습식 침적하거나 전해 착색에 의한 알루미늄 표면 착색을 하는 종래의 제조 공정은 염료농도, pH, 온도, 기계적 교반, 침지 시간, 전류 밀도 등 많은 공정 변수요인으로 인하여 균일하고 다양한 색상 처리의 한계성을 안고 있었다. 또한 종래의 제조 공정은 환경 유해 요소 및 염료 폐액 및 유출물을 처리하기 위한 많은 수고와 처리 시설 등이 요구되었다. 이로 인한 종래의 제조 공정은 제품의 품질과 생산 비용 등의 시장 경쟁력에 중요한 개선 요인을 안고 있었다.

종래의 종래 아노다이징 공정에 사용되는 전해액 조성물은 주로 황산이나 수산 또 는 크롬산 등의 용액을 기본으로 하고 있으나, 피막이 형성될 때 줄(Joule) 열에 의해 급격한 온도 상승이 발생하게 되고, 이로 인해 산화 피막의 용해 작용을 수반하게 된다. 이러한 용해 작용으로 인해 치밀한 산화 피막의 형성이 어려워 피막의 자체 밀도가 낮은 다공성 피막 형성으로 기계적 특성이 매우 취약하게 되는 문제가 있었다.

피막의 색은 Al합금의 종류, 전해질 및 전해 조건에 따라 변화되어 Al재(Al합금)의 양극 산화적응성 역시 용도에 따라 그 방식성, 염색성 및 광택성이 각각 달라 알루미늄소재의 내 외장품을 선택하는데 어려움이 있다. 그리고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제를 양극 산화 처리를 하여 착색한 산화물층은 장기간에 걸쳐 일광으로 노출되면 변색 및 탈색이 되었고, 작업조건이 까다롭고 균일한 색상을 얻기가 어려웠다. 또한 종래의 알루미늄 소재의 습식 칼라 착색 방법은 발색이 불균일하고 표면 경도가 낮으며 고광택의 표면 구현이 극히 제한적으로 고품질의 신뢰성에 대응해야 할 여러 가지 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 기술적 과제는 양극 산화 처리 및 디지털 칼라 프린팅 공정을 포함하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법을 제시하는 데 있다.

본 발명을 해결하고자 하는 두번째 기술적 과제는 자연스러운 금속의 질감과 색상의 한계를 벗어나 다양한 색감의 이미지를 표현할 수 있는 동시에 내식성과 내후성 등의 제품 신뢰성이 우수한 고품질의 제품을 생산할 수 있는 새로운 양극 산화 처리 및 디지털 칼라 프린팅 공정을 포함하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법을 제시하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여, 연마 평탄화 공정을 거친 알루미늄 합금 소재를 양극 산화 처리하여, 다공성 피막층을 생성하는 단계; 상기 양극 산화 처리된 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층에 잉크젯 프린팅을 통하여 잉크를 주입하여 상기 알루미늄 합금 소재의 표면을 착색하는 단계; 및 상기 잉크 주입된 상기 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층을 실링(sealing) 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징을 하는 양극 산화 처리 및 디지털 칼라 프린팅 공정을 포함하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법을 제시한다.

상기 실링된 알루미늄 합금 소재를 폴리싱(polishing)처리하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 양극 산화 처리는 황산 용액에서, 0℃ 내지 25℃ 온도 범위, 1A/d㎡ 내지 5A/d㎡ 전류 밀도 범위 및 15V 내지 50V 전해욕 전압 범위에서 수행되는 것인 것이 바람직하다.

상기 실링 처리는 순수 정제수로 90℃ 내지 100℃ 범위 내에서, 2분 내지 25분간 처리하는 것인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금 소재는 곡면부 내지 절곡부를 가지는 것이며, 상기 잉크젯 프린팅은 상기 곡면부 내지 절곡부를 프린팅할 수 있는 것인 것이 바람직하다.

상기 폴리싱 처리는 고광택 처리 및 내스크래치 처리 중 어느 하나 이상을 포함하는 것인 것이 바람직하다.

상기 폴리싱 처리된 상기 알루미늄 합금 소재에 클리어코팅을 위한 프린팅을 추가적으로 실시하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

잉크젯 프린터를 이용한 전자 인쇄 기술을 적용하여 자연스러운 금속의 질감과 색상 발색이 균일하고 다양한 색감의 이미지를 표현할 수 있는 동시에 제품 신뢰성이 우수한 고품질의 제품을 생산할 수 있다.

알루미늄 합금 소재의 건식 칼라 착색 표면 처리 방법을 제공함으로써 점차 다양화되고 개성화되는 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있으며, 다품종 소량 생산이 가능한 생산 체제를 구축하여 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 알루미늄 소재의 아노다징 공정을 통해 형성된 피막에 염료를 직접 잉크젯 프린팅하므로 하도층인 프라이머층의 코팅액을 바르지 않게 된다. 그러므로, 낮은 제조 비용으로 균일한 색상과 두께의 고품질의 제품을 대량 생산할 수 있다.

이하, 도면을 참조하면서 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본원 발명의 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법에 관한 순서도의 일 실시예이다. 본 발명의 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법은 연마 평탄화 공정을 거친 알루미늄 합금 소재를 양극 산화 처리하여, 다공성 피막층을 생성하는 단계; 상기 양극 산화 처리된 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층에 잉크젯 프린팅을 통하여 잉크를 주입하여 상기 알루미늄 합금 소재의 표면을 착색하는 단계; 및 상기 잉크 주입된 상기 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층을 실링(sealing) 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고강도 알루미늄 소재는 프레스 성형 등 금속 성형 공정을 통해 성형된 것이다. 성형된 상기 고강도 알루미늄 소재를 표면 처리하고, 표면 처리 후 표면 보호와 염료에 의한 색상처리가 가능하게 산화 피막을 형성한 후 후 그 표면에 정확한 위치와 간격으로 컴퓨터 그래픽 등으로 도안한 디자인을 잉크젯 프린팅을 이용하여 인쇄하는 디지털 인쇄를 수행하며, 디지털 인쇄된 상기 알루미늄소재의 표면에 있는 양극 산화 피막의 기공을 막아 주어 부식과 색상의 발색 등을 억제하게 하는 봉공 처리를 수행한다. 이때, 상기 알루미늄 양극 산화 피막의 표면을 고광택, 내스크래치성, 색상의 발색 방지 등 높은 신뢰성을 만족하게 하는 폴리싱 공정을 통해 표면 처리하는 단계나 얼룩이나 지문 등을 억제하게 하는 크리어 코팅을 위한 프린팅 공정을 더 포함하고 있을 수 있다.

이하, 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명에 있어서 Al재질의 선택은 가장 중요한 것으로 성형가공에 문제점이 없고 양극산화, 착색성, 내식성등이 우수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재가 바람직하다. 상기의 특성에 적합한 알루미늄 합금소재를 성형 가공하고 성형 후 높은 표면 강도와 항복강도의 특성 향상을 위해 Micro Peening 공정을 거친 후 소재표면의 압연자국, 작은 흠 등을 제거하며 평탄한 광택 면을 얻기 위한 기계적 표면 연마(Lapping)공정으로 가공 처리한다. 그 다음 외관검사를 하고 래킹(racking)을 한다.

도 2는 통상적인 폴리싱을 수행한 것(그림 A)와 기계적 표면 연마를 수행한 것(그림 B)를 비교한 모식도이다. 도 2의 그림 A에서와 같은 표면은 소재 표면에 광택제를 도포 후 폴리싱한 경우로 초기 광도가 우수한 편이나 표면의 굴곡을 깎아 내지 못한 관계로 빛이 난반사 되어 뿌연 광이 날뿐 아니라 비교적 짧은 시간이 흐른 뒤에는 광택제의 증발 및 탈락으로 본래의 감춰진 스크래치나 원판이 그대로 드러나 장기간의 광택을 요하는 제품에는 적합하지 않다. 본원 발명인 도 2의 그림 B는 표면을 우선 예비연마 (Lapping)하여 스크래치나 귤껍질 같은 곰보 자국 등을 없앤 후 광택제로 폴리싱한 경우로 정반사가 일어나 광이 맑고 깊어 보인다. 이런 방법의 광택은 시간이 흘러 광택제가 제거되더라도 표면이 영구평면으로 남기 때문에 비교적 맑은 광택을 오랫동안 유지할 수 있다.

이어, 상기 알루미늄 합금 소재를 대상으로 탈지 및 산화 피막 제거를 수행한다. 탈지 공정은 중성탈지제(AL??CLEAN??PASTE 부림양행) 10 내지 20 중량부, 황산 10 내지 20 중량부, 물 70 내지 80 중량부로, 60℃ 내지 70℃에서 30초 내지 3분 동안 수행한다. 산화 피막 제거 공정은 7% NaOH 산화 피막 제거액으로 15℃ 내지 25℃에서 20초 내지 2분 동안 수행한다.

상기 산화 피막 제거 공정을 수행한 다음 중화 처리를 수행한다. 중화 처리는 5 내지 10% 질산 용액으로 20℃ 내지 35℃의 온도에서 20초 내지 180초 동안 알루미늄 합금 소재를 침지하여 수행한다.

이어, 양극 산화 전해액으로 양극 산화 처리를 수행한다. 상기 양극 산화 처리는 20 내지 30%(w/v)의 황산 용액에서 0 내지 20g/L의 알루미늄 농도에서 0℃ 내지 25℃의 온도에서 1d㎡ 내지 5A/d㎡의 전류 밀도 및 15V 내지 50V의 전해욕 전압 하에서 수행한다. 상기 전압은 소재의 합금 종류, 온도, 면적 등에 따라 조정하는 것이 바람직하다. 이러한 양극산화 처리와 고경도(hard) 양극 산화 처리는 기본적으로 두께 및 경도의 차이가 있으나, 일반적인 저전압의 경질 양극 산화 처리에서 1㎟안에 3억 개 가량의 기공이 형성된다.

상기와 같은 양극 산화 처리에서는 각종 공정 변수의 조절이 중요하다. 특히, 황산의 농도, 용존 알루미늄, 전해액의 온도, 전류 밀도 및 전해 시간이 중요하게 된다. 이하, 하나씩 상술한다.

황산 농도의 변화에 따라 전해시의 전해 전압이 변화하고 이러한 전해 전압이 변화는 피막성능에 영향을 준다. 이것은 황산 농도가 높으면 피막의 용해 작용 이 크게 되어 피막 표면 및 미세한 기공의 하부에 있는 장벽 층이 얇게 되기 때문이다. 일반적인 양극 산화 처리 시에는 5??18V를 적용하고 있으나 고경도 양극 산화 처리 시에는 15??50V의 전압을 필요로 한다.

황산 전해액 중에서 알루미늄이 양극으로서 전해될 때 알루미늄으로부터 녹아나오는 Al³⁺ 는 피막의 생성에 기여하는 양 이외에 용존 알루미늄으로 전해액 중에서 존재하게 되고, 황산과 반응하여 황산 알루미늄을 형성함으로써 전해액의 농도를 감소한다. 이러한 이유로 용존 알루미늄 양이 증가하면 전해액의 저항이 증가하고, 일정한 전압 전해에서는 전류밀도의 감소가 일어난다. 상기와 같은 이유로 통상의 전해액 관리는 알루미늄 이온과 결합하지 않는 유리 황산 농도를 관리해야한다.

전해액의 온도는 전류 밀도에 큰 영향을 준다. 전류 밀도를 높이면 전해 전압도 높게 되어 전류 소비에 의한 주울열의 발생이 크게 되고, 또한 산화반응열도 추가되어 전해액의 온도가 상승하게 된다. 전해액의 상승하면 전해액의 화학적 용해력이 강하게 되기 때문에 생성된 피막은 용해되고, 피막 성능을 감소한다. 이에 대한 대책으로 냉각 설비 및 전해중의 알루미늄 표면의 발생열을 제거하기 위해 교반 설비가 필요하게 된다. 일반적으로 전류 밀도가 100~200A/㎡에서 생성되는 피막의 내식성을 가질 경우에는 전해액의 온도가 20℃ 내마모성을 가질 경우에는 10℃ 에서 관리하는 것이 바람직하다.

전류 밀도와 전해 시간의 관계는 피막의 생성 속도에 영향을 주고 구하는 피 막 두께를 결정하는 중요한 항목이다. 피막 두께는 다음 식에 의해서 계산 된다.

피막 두께(㎛) = K ⅹ전류밀도(A/㎡) ⅹ전해시간/100이다 여기서 K는 계수이고, 피막질 성분으로 몇몇의 연구가 된바 있으며 현재에는 0.264 내지 0.364 값의 범위이다.

그러나, 이 계산식은 전해 시간이 길게 되면 성립되지 않는다. 이것은 피막의 생성 속도와 용해 속도의 균형이 이루어 지지 않기 때문이다. 특히 Al??Cu??Mg(2000계열) 합금 및 AL??Zn??Mg(7000계열) 합금은 그 경향이 더욱 강하다. 켈러(keller) 등의 연구 보고에 의하면 양극 산화 피막은 배리어층(barrier)과 다공층(porous)으로 구분되고, 초기에는 구조가 치밀하여 경도가 높은 배리어층이 생성되고 그 위에 구조가 치밀하지 못한 다공층이 형성된다.

알루미늄 합금 소재에 양극 산화 피막을 형성한 후 그 표면에 정확한 위치와 간격으로 컴퓨터 그래픽 등을 통한 색상이나 디자인 이미지를 잉크젯 프린터를 이용한 디지털 인쇄를 수행한다. 디지털 인쇄는 잉크젯 프린터를 통하여 수행하며, 디지털 인쇄이므로, 균일하고 다양한 색상과 디자인 이미지를 얻을 수 있다.

다공성 알루미늄 합금 소재에 디지털 프린팅을 수행하면, 알루미늄 합금 표면에 형성된 미세한 공간에 잉크가 주입되게 된다. 도 3에 양극 산화 공정이 진행될 때의 알루미늄 합금 소재의 단면 변화에 대한 예시가 있다. 양극 산화 공정을 통해서 형성된 다공성 셀(cell)에 디지털 잉크로 프린팅을 수행하면, 상기 셀에 염료가 투입된다. 염료가 투입된 상기 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층을 실링(sealing) 처리(봉공 처리)한다. 봉공 처리는 100% 초순수 정제수로 95℃ 내지 100℃의 온도에서 20분 내지 30분 동안 수행한다.

이어, 칼라 착색되고, 봉공 처리된 알루미늄 합금 소재에 고광택, 내스크래치성, 색상의 발색 방지 등 높은 신뢰성을 만족하게 하는 폴리싱(polishing) 공정으로 처리한다. 이어, 적용 목적에 따라 얼룩이나 지문 등을 억제하게 하는 크리어 코팅을 위한 프린팅 공정을 수행한다. 이어, 건조 공정을 수행하고, 외관 검사 및 제품 평가를 수행한다. 건조는 80℃ 이상에서 열풍 건조기로 5분 이상 건조하는 것이 바람직하다. 외관 검사는 착색 상태, 색상의 균일 상태 등을 시각적으로 체크하며, 제품 평가는 색상의 균일성, 경도, 두께 및 내식성 등을 평가한다.

이어, 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다.

먼저, Al판 규격을 확인한 다음 공지의 방법으로 절단→소성 가공→절삭 가공→ Micro Peening /연마 가공→외관검사 후 래킹을 하였다.

탈지 공정은 15% 중성 탈지제(AL??CLEAN??PASTE 부림양행)로 15% 농도의 황산 용액에 65℃에서 2분 동안 수행하였다. 산화 피막 제거는 20℃의 7% NaOH 산화 피막 제거액에서 30초 동안 수행한다. 중화 처리는 27℃의 10% 질산 중화 처리액에서 60초 동안 알루미늄 합금 소재를 침지하는 방식으로 수행하였다.

양극 산화 처리는 16% 황산 양극 산화액으로, AL 농도 4g/L, 산화 처리액 온도 20℃에서 1.2A/d㎡ 전류 밀도 및 16V 전압 조건 하에서 30분 동안 수행하였다.

알루미늄소재의 건식 컬러착색 표면처리방법으로 잉크젯 프린터를 이용하여 착색 및 이미지를 인쇄하였다. 인쇄된 결과의 예시들은 도 4에 있다. 봉공 처리는 100% 초순수 정제수로 98℃의 온도에서 25분 동안 수행하였다.

이어, 칼라 착색된 양극 산화 피막을 고광택, 내스크래치성, 색상의 발색 방지 등 높은 신뢰성을 만족하게 하는 폴리싱 처리를 수행하였고, 적용 목적에 따라 얼룩이나 지문 등을 억제하게 하는 크리어 코팅을 수행하였다.

본 실시예에서와 같이 처리한 결과, 두께 20μ 정도, 연필 스크래치 경도 6H정도의 칼라 착색된 알루미늄 합금 제품을 얻었다. 본 실시예의 알루미늄 합금 제품은 경도, 색상, 표면처리, 가공비 및 재료비의 대비에서 황동 및 스테인리스강보다 우수하였다.

본 발명은 알루미늄 및 알루미늄 합금 소재의 다양한 표면 처리에 활용될 수 있으며, 알루미늄 소재 산업에 이용 가능하다.

도 1은 본원 발명의 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법에 관한 순서도의 일 실시예이다.

도 2는 본원 발명의 랩핑(lapping)과 폴리싱을 동시에 처리했을 때의 고광택이 구현되는 원리에 대한 모식도이다.

도 3은 본원 발명의 다공성 셀에 디지털 프린팅으로 잉크가 주입되고 실링(봉공) 처리되는 것을 보여 주는 모식도이다.

도 4는 휴대폰 케이스에 본원 발명이 실시되었을 때의 일 실시예적 구현 예시들이다.

Claims

연마 평탄화 공정을 거친 알루미늄 합금 소재를 양극 산화 처리하여, 다공성 피막층을 생성하는 단계;

상기 양극 산화 처리된 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층에 잉크젯 프린팅을 통하여 잉크를 주입하여 상기 알루미늄 합금 소재의 표면을 착색하는 단계; 및

상기 잉크 주입된 상기 알루미늄 합금 소재의 다공성 피막층을 실링(sealing) 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 실링된 알루미늄 합금 소재를 폴리싱(polishing)처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 양극 산화 처리는 황산 용액에서, 0℃ 내지 25℃ 온도 범위, 1A/d㎡ 내지 5A/d㎡ 전류 밀도 범위 및 15V 내지 50V 전해욕 전압 범위에서 수행되는 것인 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 실링 처리는 순수 정제수로 90℃ 내지 100℃ 범위 내에서, 2분 내지 25분간 처리하는 것인 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 알루미늄 합금 소재는 곡면부 내지 절곡부를 가지는 것이며, 상기 잉크젯 프린팅은 상기 곡면부 내지 절곡부를 프린팅할 수 있는 것인 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 폴리싱 처리는 고광택 처리 및 내스크래치 처리 중 어느 하나 이상을 포함하는 것인 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.
제1항에 있어서,

상기 폴리싱 처리된 상기 알루미늄 합금 소재에 클리어코팅을 위한 프린팅을 추가적으로 실시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 처리된 알루미늄 소재 대상 전자 인쇄 방법.