KR20110016750A - 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 처리된 마그네슘 합금 부재 - Google Patents

마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 처리된 마그네슘 합금 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법과 이를 이용하여 표면 처리된 마그네슘 합금 부재에 관한 것이다. 본 발명은 표면 가공 공정에 의해 자연 산화막과 이 물질이 모두 제거된 마그네슘 합금 부재의 표면에 산화마그네슘 막, 불화마그네슘 막, 산화마그네슘-불화마그네슘 등의 막을 건식 증착하여 부동태화 공정을 진행한 후 졸겔 코팅을 실시함으로써, 마그네슘 합금 부재의 내염수성과 내스크래치성을 향상시키고 마그네슘 합금 고유의 금속 질감을 표현할 수 있다.
마그네슘 합금 부재, 표면 처리, 건식, 내부식성, Sol-gel 코팅, 표면 경도

Description

마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 처리된 마그네슘 합금 부재{Surface treatment process for magnesium parts and magnesium parts treated by using the same}
본 발명은 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 처리된 표면을 갖는 마그네슘 합금 부재에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 마그네슘의 금속 질감을 가지며, 내염수성과 내스크래치성이 우수한 표면 처리 방법 및 이를 이용하여 처리된 표면을 갖는 마그네슘 합금 부재에 관한 것이다.
마그네슘은 지구상에 존재하는 물질 중 8번째로 풍부하며 비중이 낮고 인체에 무해하기 때문에 다양한 제품의 내, 외장재로 응용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 마그네슘은 비강도가 상대적으로 높은 금속이며 제품의 경량화와 에너지 절감이라는 큰 흐름에 따라 기존 소재를 대체하고 플라스틱 소재의 단점을 보완할 수 있는 새로운 소재로 관심을 끌고 있다. 마그네슘 합금이 이용되고 있는 분야로는 자동차, 우주항공, 전자기기, 휴대용 정보기기 등이 있으며, 점차 그 용도가 늘어나고 있는 추세이다.
그러나 이러한 마그네슘을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 경우 내부식성이 상대적으로 취약하다는 단점을 가지기 때문에 마그네슘의 고유 금속 질감을 표현하는 외장 케이스 등에 적용될 경우 제품의 외관 신뢰성이 길지 않다는 단점이 있어, 마그네슘 고유의 금속 질감을 표현하는 케이스류의 제품을 제조하기 위해서는 이의 보완이 필수적이다.
마그네슘 합금 부재의 대표적인 표면 처리 방법에는 양극 산화 처리법(anodizing treatment), 화성 처리법(chemical conversion treatment), 스파크 양극 산화 처리법(plasma electrolytic oxidation treatment), 아연 치환법, 무전해 니켈 도금법 등이 있다. 그러나 이러한 표면 처리 방법은 대부분 습식 공정으로 폐수가 발생하고 오염물질 사용제한(Restriction of Hazardous Substances Directive; RoHS)에 의해 규제를 받는 물질을 함유하고 있기 때문에 사용이 제한적이다. 또한 상기 방법에 따르면, 두꺼운 피복에 의하여 내염수성이 구현되는 특징이 있어, 마그네슘 고유의 금속 질감을 표현할 수 없는 단점이 있다.
따라서 증착에 의한 박막 부동태화 공정과 내염수성 및 내스크래치성을 가지는 졸겔 코팅을 통하여 마그네슘 고유의 금속 표면 질감을 저하시키지 않으며, 마그네슘 합금 부재의 내염수성과 내스크래치성을 향상시켜 마그네슘 합금 부재를 외장용 산업 분야에 용이하게 적용 가능하도록 하는 새로운 표면 처리 방법에 대한 연구가 현재 활발하게 진행되고 있는 실정이다. 하지만, 아직까지 원하는 수준의 우수한 물성을 갖는 방법은 개발되지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 마그네슘 합금 부재의 표면에 내염수성 및 내 스크래치 특성을 가지는 졸겔 코팅을 하고자 할 때 마그네슘의 취약한 내산 특성으로 표면이 급격히 산화되는 것을 억제하여 효과적으로 졸겔 코팅이 진행될 수 있도록 하며, 이에 따라 마그네슘 고유의 표면 질감을 표현할 수 있는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 표면 처리 방법에 의해서 처리된 표면을 갖는 내염수성 및 내스크래치성이 우수한 마그네슘 합금 부재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 마그네슘 합금 부재의 표면에 금속 함유 박막을 건식 증착하는 단계,
(b) 상기 건식 증착된 금속 함유 박막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 코팅을 진행하는 단계, 및
(c) 상기 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하는 단계
를 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 제공한다.
상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 건식 증착되는 금속 함유 박막은 산화마그네슘 막, 불화마그네슘 막, 불화실리콘막, 헥사메틸디실록산을 전구체로 이용하여 형성된 박막, 이산화규소, 이산화티탄, 산화세륨 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택된 금속 함유막 또는 이들의 1종 이상의 복합막을 포함할 수 있다.
상기 건식 증착하는 단계는 전자빔 진공 증착법, 스퍼터링 증착법 또는 화학기상증착법을 사용할 수 있다.
이때, 상기 건식 증착하는 단계 후에, 상기 산화마그네슘 막에 불화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함하여 산화마그네슘막-불화마그네슘막의 복합막을 형성할 수 있다. 또한 상기 건식 증착하는 단계 후에 상기 불화마그네슘 막에 산화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함하여 불화마그네슘막-산화마그네슘막의 복합막을 형성할 수 있다. 상기 증착하는 단계에서 전자 빔 증착법, 스퍼터링 증착법 또는 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)을 사용할 수 있다. 상기 복합막의 두께의 합은 10nm 내지 150nm인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 방법에 따라 표면 처리된 마그네슘 합금 부재를 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 압연에 의하여 판상으로 제조되고, 성형에 의하여 부품으로 가공되는 마그네슘 합금 부재 중에서 연마나 버핑(buffing) 등의 기계적 표면 가공을 통하여 마그네슘 고유의 금속질감을 나타내는 마그네슘의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 표면처리 방법을 이용하여 내염수성 및 내스크래치성이 매우 우수하고 마그네슘 고유의 금속질감을 나타내도록 표면 처리된 마그네슘 합금 부재에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 표면처리 방법은 표면 연마 등 적절한 표면 가공 공정에 의하여 자연 산화막과 표면 오염 물질이 모두 제거된 마그네슘 합금 부재의 표면에 산화 마그네슘 막, 불화마그네슘 막 또는 이들의 1종 이상의 복합막을 건식 증착하는 단계를 포함한다. 상기 건식 증착에 의하여 부동태화 공정을 거친 후, 산 촉매 공정을 이용하는 졸겔 코팅 처리를 진행하는 단계를 포함한다. 건식 증착에 의하여 부동태화 공정을 거친 마그네슘 합금 부재의 경우는 산 촉매를 사용하는 졸겔(Sol-gel) 공정 적합성이 매우 우수하다.
즉, 기존과 같이 증착법만 사용하여 표면처리를 하면 두께가 두꺼워지거나 마그네슘 고유의 금속질감의 표현에 한계가 있고, 내염수성 및 내스크래치성 특성도 저하될 수 있다. 또한 기존 졸겔 공정만을 거쳐 표면처리를 할 경우 외부 충격에 의한 강도가 약해질 수 있고, 특히 필리폼 부식(filiform corrosion)에 취약한 경향을 보이며, 마그네슘의 취약한 내산 특성으로 표면 코팅시 표면이 급격히 산화될 수 있다.
따라서 본 발명은 마그네슘 합금 부재의 표면에 특정의 금속 함유막을 증착하여 표면의 두께를 적절히 형성한다. 이러한 과정을 통해, 마그네슘 합금의 표면에 얇은 막을 형성시켜 마그네슘의 산용액과의 반응성을 잃게 하는 부동태화 공정을 유도한다. 이후, 본 발명은 상기 반응성을 잃은 금속막 표면에 내염수성과 내스크래치 특성을 갖는 졸겔코팅을 수행함으로써, 마그네슘의 취약한 내산 특성으로 표면이 급격히 산화되는 것을 억제할 수 있는 특징이 있다. 그러므로, 본 발명에 따르면 효과적인 졸겔 코팅 진행에 따라 마그네슘 합금 표면 처리를 원활히 진행할 수 있고, 마그네슘 고유의 표면 질감을 표현하며 물성이 우수한 마그네슘 합금 부재를 얻을 수 있다.
이때, 상기 복합막은 산화마그네슘막-불화마그네슘막의 복합막 또는 불화마그네슘막-산화마그네슘 복합막을 포함할 수 있다. 또한 상기 복합막 건식 증착에 사용되는 마그네슘 합금 부재는 진공중에서 플라즈마 표면처리를 생략할 수도 있다. 또한, 본 발명에서 표면 처리전 사용하는 합금 부재의 합금 비율은 특별히 한정되지 않고, 통상적인 것을 사용할 수 있다.
그러면 아래에서는 첨부한 도면을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 명세서 전체에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 수행하는 데 사용되는 전자 빔 진공 증착 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전자 빔 진공 증착 장치는 진공 용기(10), 진공 용기(10)에 내장되어 마그네슘 합금 부재를 고정하는 홀더(20), 가스가 유입되는 가스 유입구(30), 공정 후 가스를 배출되는 가스 배출구(40), 타겟 물질을 증발시키는 증발원(50), 진공 용기(10)를 진공으로 만드는 진공 펌프(60) 및 기타 진공 증착을 위해 필요한 요소들로 구성된다.
따라서, 본 발명의 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법은 자연산화막이 형성된 마그네슘 합금 부재를 준비하고, 마그네슘 합금 부재를 도 1의 진공 증착 장 치에 거치한 뒤, 진공을 걸어준다. 이후, 진공 조건 하에 마그네슘 합금 부재의 표면을 세정하고, 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 건식 증착된 금속 함유 박막을 형성하고, 상기 건식 증착된 금속 함유 박막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 용액을 코팅하고, 상기 마그네슘 합금 부재를 건조 및 표면 경화하는 단계를 포함한다.
특히, 본 발명은 진공 증착 공정에 의해, 마그네슘 합금 표면에 내염수성이 우수한 부동태 피막을 형성하여 내염수성을 향상시키면서, 산 촉매를 활용하는 졸겔 코팅 공정 중에 마그네슘 표면 산화가 발생하지 않도록 하여, 마그네슘 고유의 미려한 금속 질감을 그대로 구현할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 졸겔 코팅을 통해 마그네슘 합금 부재의 표면에서 경화를 유도하여 코팅막이 단단하고 외관이 수려하면서도 깨끗한 표면을 얻을 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 방법은 마그네슘 합금 부재를 진공 용기 안에 배치하고(S110), 진공 조건 하에 마그네슘 합금 부재의 표면을 세정하고(S120), 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 산화마그네슘 막을 건식 증착하고(S130), 상기 건식 증착된 산화마그네슘 막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 코팅을 진행하고, 및 상기 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하 는 단계(S150)를 포함한다. 이하에서 이를 보다 상세히 설명한다.
우선, 본 발명은 자연산화막이 형성된 마그네슘 합금 부재를 준비하여 진공 용기 안에 배치한다(S210). 진공 용기의 진공도는 일반적인 조건을 유지할 수 있으며 그 조건이 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들면, 진공도는 10-9 Torr 내지 10-1Torr로 압력을 유지하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 마그네슘 합금 부재는 마그네슘이 대기중의 산소와 반응하므로, 그 표면에는 불가피하게 자연산화막이 형성된다. 자연산화막은 산화마그네슘 및 수산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 수산화마그네슘은 산화마그네슘이 버핑 공정에서 사용되는 물 혹은 대기중의 수분과 반응하여 생성될 수 있다.
이어서, 진공 조건 하에 마그네슘 합금 부재의 표면을 플라즈마를 이용하여 세정한다(S220). 그러나, 본 발명에서 상기 마그네슘 합금 부재의 표면 처리는 필요에 따라 생략 가능하여 선택적으로 실시할 수 있으며, 반드시 수행하지 않아도 되고 일반적인 공정으로 얻어진 마그네슘 합금 부재를 그대로 사용할 수도 있다. 상기 표면 세정 공정을 통해 마그네슘 합금 부재 표면의 자연 산화막이 제거될 수 있으며, 그 밖에 이물질도 모두 제거될 수 있다. 세정 시간은 그 조건이 특별히 한정되지는 않으나, 구체적으로 30분 정도가 바람직하다. 상기 플라즈마는 아르곤 플라즈마를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 필요에 따라 산소 플라즈마를 사용할 수도 있다.
또한 본 발명은 상기에서 처리된 마그네슘 합금 표면에 산화마그네슘(MgO) 막을 건식 증착한다(S130). 구체적으로, 산화마그네슘을 포함하는 타겟을 증발원(50)에 배치한다. 이 타겟에 전자빔을 가함으로써 가스 상태의 산화마그네슘을 형성한다. 가스 상태의 산화마그네슘은 홀더(20)에 장착된 마그네슘 합금 부재로 확산하여 마그네슘 합금 부재의 표면에 산화마그네슘 막을 형성한다. 이 단계에서 건식 증착법으로 전자 빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 사용할 수 있다. 또한, 이산화규소를 적용할 경우는 전자빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법 이외에, 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)법을 사용하는 것도 가능하다.
상기 박막 증착 공정으로 마그네슘 합금 표면에 내 산성 부동태 피막을 형성한다.
여기서 산화마그네슘 막은 두께 10nm 내지 150nm로 형성할 수 있다. 두께가 10nm 보다 얇으면 내식력이 불충분해지는 문제가 있고 150nm보다 두꺼우면 간섭색이 발현하여 마그네슘 고유의 질감이 충분히 표현되지 않는 문제가 있다.
상기 과정이 완료되면, 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 용액을 이용하여 졸겔 코팅을 진행한다(S140). 즉, 본 발명은 졸겔법에 의해 마그네슘 합금 부재의 표면을 처리한다. 본 발명은 박막 증착 공정으로 마그네슘 합금 표면에 내 산성 부동태 피막을 형성한 후 산 촉매를 이용한 졸겔 코팅을 실시하여 마그네슘 고유의 금속 질감을 유지할 수 있도록 한다.
상기 졸겔(sol-gel)법은 전구체의 가수분해와 축중합 반응에 의해 무기질 망상구조를 만드는 것을 의미한다. 상기 졸겔 법의 졸겔 반응에서 얻어지는 망상구 조는 전구체의 가수분해 및 알코올의 축합 등에 따른 중합반응 속도에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 졸겔 반응시 pH, 온도 및 촉매의 성질 및 농도, 전구체의 농도를 조절하여 다양한 형태의 망상 구조를 얻을 수 있으며, 본 발명이 그 조건을 특별히 한정시키는 것은 아니다.
본 발명에서 졸겔법을 이용하기 위해 사용하는 졸겔 용액은 가수분해 및 축중합반응이 진행된 실리카졸 수용액을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 졸겔 용액은 직쇄 또는 측쇄의 탄소수 1 내지 20의 알킬알콕시실란 및 실리콘산화물(알콕시실란)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 졸겔 용액은 알코올을 더 포함하여 제조할 수 있다.
상기 알킬알콕시실란과 물의 몰비는 1: 5.4 이상을 만족하는 것이 바람직하나, 그 조건이 상기 범위에 한정되는 것만은 아니며 졸겔용액을 제조하는 일반적인 범위의 몰비일 수 있다. 또한 상기 알킬알콕시실란과 실리콘산화물의 몰비도 반응 조건에 따라 적절히 조절할 수 있다. 상기 알킬알콕시실란과 알코올의 몰비는 코팅의 필러 부피에 따라 적절히 변경될 수 있다.
상기 알킬알콕시실란은 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 메틸트리프로폭시실란, 메틸트리부톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 에틸트리프로폭시실란, 에틸트리부톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란 등을 사용할 수 있다. 상기 실리콘산화물로는 테트라에틸오르쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS), 테트라메틸오르쏘실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS) 또는 이들의 혼합 물을 사용할 수 있다. 상기 실리콘산화물은 알코올에 용해되고 가수분해 및 축중합반응에 의해 졸겔반응을 일으킨다. 상기 실리콘산화물은 그대로 사용될 수 있으나, 측량의 편의 및 가수분해 반응 속도를 조절하기 위해 무수에탄올과 같은 알코올에 희석하여 사용할 수도 있다. 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등이 사용될 수 있으며, 이중에서 쉽게 구입할 수 있고 경제적인 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 가수분해 촉매는 통상의 산촉매 계열을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 산촉매는 말레산, 초산, 인산, 황산, 염산, 질산, 플루오르산, 옥살산, 파라-톨루엔설포닉산, 트리클로로아세트산 등을 사용할 수 있으며, 그 종류가 이들에 한정되는 것은 아니다.
상기 가수분해 및 축중합 반응의 온도는 통상의 조건에서 수행할 수 있으며, 그 조건이 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 상온에서 1시간 내지 10시간 동안 진행할 수 있다. 본 발명은 졸겔 반응을 빨리 진행시키기 위해, 가수분해 및 중합반응이 진행된 용액을 이용하는 것이며, 이를 잘 흔들어 반응을 진행시킨 후 용액이 맑아지면 이용하는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 용액은 겔분자가 커지면 점성이 커지므로 코팅의 유연성을 떨어뜨리지 않기 위해 pH 범위를 3.5 내지 4.5로 유지할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 얻어진 졸겔 용액을 이용해서, 마그네슘 합금 부재 표면에 코팅을 수행하여 1 내지 60 ㎛ 두께의 막을 형성한다. 상기 코팅법은 스프레이 법을 이용할 수 있다.
마지막 공정으로, 상기 코팅이 완료된 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면경화시킨다(S150).
본 발명은 졸겔 용액의 용매인 알코올과 물을 제거하기 위해 건조과정을 수행한다. 또한 알코올과 물이 제거된 표면의 강도 및 표면의 외관을 위해 표면 경화 과정을 수행할 수 있다.
상기 건조는 물과 알코올을 제거할 수 있는 조건이면 모두 가능하고, 예를 들면 상온 내지 80도의 온도에서 1분 내지 10분 동안 수행할 수 있으며, 바람직하게 80℃에서 수행할 수 있고, 건조 오븐 등을 사용하여 진행될 수 있다.
표면경화는 100도 내지 200도의 온도에서 10분 내지 30분 동안 이루어질 수 있다. 바람직하게, 표면경화는 200 ℃에서 진행한다.
이렇게 본 발명에서는, 건식 증착된 산화마그네슘 막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 상온에서 졸겔 용액을 코팅하여, 용액 중의 망상 구조체를 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 화학적으로 결합시켜 표면을 실리카로 개질시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 방법은 마그네슘 합금 부재를 진공 용기 안에 배치하고(S210), 진공 조건 하에 마그네슘 합금 부재의 표면을 세정하고(S220), 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 불화마그네슘 막을 건식 증착하고(S230), 상기 건식 증착된 불화마그네슘 막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 코팅을 진행하고(S240), 및 상기 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하는 단계(S250)를 포함한다.
즉, 본 발명은 건식 증착하는 단계에서, 제1 실시예에서의 산화마그네슘 막을 증착하는 대신 불화마그네슘 막을 증착하는 것을 포함한다. 이를 위해, 본 발명은 상기에서 처리된 마그네슘 합금 표면에 불화마그네슘(MgF2) 막을 건식 증착한다(S230). 구체적으로, 불화마그네슘을 포함하는 타겟을 증발원(50)에 배치한다. 이 타겟에 전자빔을 가함으로써 가스 상태의 불화마그네슘을 형성한다. 가스 상태의 불화마그네슘은 홀더(20)에 장착된 마그네슘 합금 부재로 확산하여 마그네슘 합금 부재의 표면에 불화마그네슘 막을 형성한다. 이 단계에서 건식 증착법으로 전자 빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 사용할 수 있다.
상기 박막 증착 공정으로 마그네슘 합금 표면에 내 산성 부동태 피막을 형성한다.
여기서 불화마그네슘 막은 두께 10nm 내지 150nm로 형성할 수 있다. 두께가 10nm 보다 얇으면 내식력이 불충분해지는 문제가 있고 150nm보다 두꺼우면 간섭색이 발현하여 마그네슘 고유의 질감이 충분히 표현되지 않는 문제가 있다.
상기 불화마그네슘 막의 건식 증착 단계 이전 및 이후의 과정은, 제1 실시예에서와 동일한 방법을 이용할 수 있으므로, 구체적인 서술은 생략하기로 한다.
한편 본 발명에 따르면, 상기 제1 실시예의 건식 증착하는 단계 후에 상기 산화마그네슘 막에 불화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 과정을 통해서 산화마그네슘-불화마그네슘의 복합막이 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제3실시예에 따르면, 도 4에 도시한 바와 같이, 졸겔 코팅을 적용하기 전에 산화마그네슘 막 위에 불화마그네슘(MgF2) 막을 추가로 건식 증착한다(S340). 이 단계에서도 전자 빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 사용할 수 있다. 이 경우 산화마그네슘 막과 불화마그네슘 막의 두께를 합한 값은 10nm 이상 150nm 이하이다. 이 값이 10nm 보다 얇으면 내식력이 불충분해지는 문제가 있고 150nm보다 두꺼우면 간섭색이 발현하여 마그네슘 고유의 질감이 충분히 표현되지 않는 등 문제가 있다.
결국, 추가 증착될 불화마그네슘 막의 두께는 먼저 증착된 산화마그네슘 막의 두께에 따라 결정된다. 한편, 이 단계는 필요에 따라 생략할 수도 있다.
여기서 상기 산화마그네슘-불화마그네슘의 다층막(복합막) 위에 졸겔 용액을 코팅하는 것을 제외하고는(S350), 상기 제1 실시예에 기재된 바와 동일한 방법을 적용할 수 있으므로, 구체적인 서술은 생략하기로 한다. 또한 졸겔 코팅 이후 과정은 상기 졸겔 코팅까지 완료된 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하는 단계(S360)를 포함한다.
또한 본 발명은 상기 제2 실시예의 건식 증착하는 단계 후에 상기 불화마그네슘 막에 산화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 과정을 통해서 불화마그네슘-산화마그네슘의 복합막이 형성될 수 있다.
따라서 본 발명의 제4 실시예에 따르면, 도 5에 도시한 바와 같이, 졸겔 코팅을 적용하기 전에 불화마그네슘 막 위에 산화마그네슘 막을 추가로 건식 증착한다(S440). 이 단계에서도 전자 빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 사용할 수 있다. 이 경우 불화마그네슘 막과 산화마그네슘 막의 두께를 합한 값은 10nm 이상 150nm 이하이다. 이 값이 10nm 보다 얇으면 내식력이 불충분해지는 문제가 있고 150nm보다 두꺼우면 간섭색이 발현하여 마그네슘 고유의 질감이 충분히 표현되지 않는 등 문제가 있다.
결국, 추가 증착될 산화마그네슘 막의 두께는 먼저 증착된 불화마그네슘 막의 두께에 따라 결정된다. 한편, 이 단계는 필요에 따라 생략할 수도 있다.
상기 방법 또한, 상기 불화마그네슘-산화마그네슘의 다층막(복합막) 위에 졸겔 용액을 코팅하는 것을 제외하고는(S450), 상기 제1 실시예에 기재된 바와 동일한 방법을 적용할 수 있으므로, 구체적인 서술은 생략하기로 한다. 또한 졸겔 코팅 이후 과정은 상기 졸겔 코팅까지 완료된 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하는 단계(S460)를 포함한다.
또한 본 발명에 있어서, 필요에 따라 상기 산화마그네슘, 불화마그네슘, 산화마그네슘-불화마그네슘, 불화마그네슘-산화마그네슘 대신, 헥사메틸디실록산을 전구체로 이용하여 형성된 박막, 이산화규소, 이산화티탄, 알루미나, 불화실리콘, 산화세륨 등 금속 산화물을 포함하는 금속 함유 박막을 증착시킬 수도 있으며, 이들은 서로 1종 이상의 복합막의 형태로도 증착될 수 있다. 상기 헥사메틸디실록산을 전구체로 이용하여 형성된 박막은 HMDSO(hexamethyldisiloxane)를 전구체로 이 용하여 플라즈마 기상화학증착법에 의하여 생성되는 코팅 박막일 수 있다.
따라서, 이상의 방법을 통해 표면 처리된 마그네슘 합금 부재는 마그네슘 합금 부재; 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 건식 증착으로 형성된 금속 함유 박막; 및 상기 건식 증착된 금속 함유 박막 위에 형성된 표면 경화막을 포함할 수 있다.
즉 상기 건식 증착된 금속 함유 박막은 산화마그네슘 막; 불화마그네슘 막; 불화실리콘막; 이산화규소, 이산화티탄, 알루미나, 산화세륨 등의 금속 함유막; 또는 이들의 1종 이상의 복합막을 포함할 수 있다. 상기 복합막은 불화마그네슘-산화마그네슘의 복합막 또는 산화마그네슘-불화마그네슘의 복합막일 수 있다.
본 발명은 박막 증착 공정으로 마그네슘 합금 표면에 내 산성 부동태 피막을 형성한 후 산 촉매를 이용한 졸겔 코팅을 실시하여 마그네슘의 금속 질감의 표현이 가능한 장점이 있다. 또한 박막 증착 공정을 이용한 부동태 피막으로 마그네슘 합금 부재의 부식 저항성을 현저하게 향상시킬 수 있으며 내 스크래치 특성이 우수한 표면처리를 구현할 수 있다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의 해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
실시예 1
먼저, 판재로부터 성형을 통하여 가공되어지는 형상의 부재에, 표면 오염이 잘 제거된 마그네슘 합금 부재를 준비하고, 이를 도 1의 증착 설비에 거치한 뒤, 10-5 torr의 진공을 가하고 아르곤 플라즈마를 이용하여 30분간 마그네슘 합금 부재의 표면을 세정하였다.
이후, 마그네슘 합금 부재의 표면을 부동태화하기 위하여, 산화 마그네슘을 건식 증착하여 산화 마그네슘 막을 형성하였다.
구체적으로, 산화마그네슘(MgO)을 증발원에 위치시킨 후 상기 타겟에 전자빔 증발기(e-beam evaporator)를 제공하여, 증발을 통해 가스 상태의 산화 마그네슘 물질을 형성하였다. 그리고 상기 가스 상태의 산화 마그네슘 물질을 홀더에 장착된 마그네슘 합금 부재의 표면상에 증착시켜 10nm에서부터 150nm 두께의 산화마그네슘 막을 단계별로 형성하였다.
그런 다음, 상기 산화마그네슘 막 위에 스프레이 방법으로 졸겔 용액을 코팅하여 1 ㎛ 두께로 막을 형성시켰다.
이때, 상기 졸겔 코팅 공정에 사용된 용액은 다음의 방법으로 제조된 것을 사용하였다.
Ludox HS-40 (Sigma-Aldrich, 12 nm monodisperse particles, 40 wt.% in water) 의 무게를 잰 후, 메틸트리메톡시실란 (MTMS, 95%, Sigma-Aldrich)과 물의 몰비가 1:5.4 이상이 되게 물을 추가하여 실리카졸을 제조하였다. 이후, 실리카졸을 격렬하게 교반하면서 pH 가 3.5 ~ 4.5 가 되게 말레산(Maleic acid)을 첨가한 후, 에틸알콜을 첨가하였다. 이어서, 상기 용액으로 MTMS와 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (TEOS, 98%, Sigma-Aldrich)를 첨가하였다. 혼합물을 1~2시간 동안 수화반응을 진행시켜 졸겔 용액을 제조하였다. 여기서, 상기 MTMS: TEOS의 몰비는 1:0.02이 되도록 하였으며, MTMS:에탄올의 몰비는 코팅의 필러 부피가 0.21의 경우는 1:1.5, 그 부피가 0.61의 경우는 1:29, 0.66의 경우는 1:2.9, 0.71의 경우 1:4.2인 것을 사용하였다.
상기에서 졸겔 코팅이 완료된 마그네슘 합금 부재를 80℃의 건조 오븐에서 5분 동안 건조시킨 후, 200 ℃에서 30 동안 경화 반응을 진행하여, 최종 표면 처리된 마그네슘 합금 부재를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 산화마그네슘 막을 형성하는 대신, 불화마그네슘(MgF2)을 이용하여 불화마그네슘 막을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 마그네슘 합금 부재를 표면처리 하였다. 이때, 불화마그네슘은 실시예 1에서와 동일하게 전자빔 증발기를 이용하여 가스상태를 만든 후 마그네슘 합금 부재의 표면에 건식 증착하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 산화마그네슘 막 위에 불화마그네슘(MgF2)을 추가로 건식 증착시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 마그네슘 합금 부재를 표면처리 하였다. 이때, 불화마그네슘은 실시예 1에서와 동일하게 전자빔 증발기를 이용하여 가스상태를 만든 후 산화마그네슘 막 위에 건식 증착하였다.
실시예 4
상기 실시예 2에서 불화마그네슘 막 위에 산화마그네슘을 추가로 건식 증착시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 마그네슘 합금 부재를 표면처리 하였다. 이때, 산화마그네슘은 실시예 1에서와 동일하게 전자빔 증발기를 이용하여 가스상태를 만든 후 불화마그네슘 막 위에 건식 증착하였다.
비교예 1
실시예 1에서 졸겔 코팅 공정을 진행하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 마그네슘 합금 부재의 표면을 처리하였다.
비교예 2
실시예 1에서 마그네슘 합금 부재의 표면 처리시, 건식 증착 공정을 진행하 지 않고, 자연산화막이 형성된 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 용액을 코팅하는 공정을 진행하여 표면을 처리하였다.
실험예 1: 신뢰성 시험
다음의 방법으로 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 대하여 신뢰성 시험을 실시하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
(1) 표면 외관 관찰
졸겔 공정 후 육안으로 마그네슘 합금 부재의 표면 상태를 관찰하였다. "양호"는 표면오염이 제거된 후 마그네슘 질감이 유지됨을 나타내며, "불량"은 공정 중 산화에 의하여 얼룩이나 변색등이 생겼음을 나타낸다.
(2) 염수분무 시험
ASTM B117 방법에 의거하여, 35℃에서 5% 염수 스프레이를 마그네슘 합금 부재 시편에 분무하여 시험하였다. 이때, 평가기준으로 "양호"는 24시간 이상 초기 표면 외관 품질을 유지함을 나타내며, "불량"은 변색이나 발청 등으로 표면 질감이 손상되었음을 나타낸다.
(3) 내식성 (Filiform corrosion)
졸겔 코팅 처리된 샘플을 이용하여 두께 15 ~ 20 마이크론 두께의 도장을 실시한 후 ASTM D 2083에 의거하여 측정하였다. ASTM D 2038기준 중 2와 3 방법에 의하여 진행하였으며, 습도 방치 기간은 6주 동안 진행하여 표면을 관찰하였다. 이때, 평가기준으로 "양호"는 필리폼 부식이 발생하지 않음을 나타내며, "불량"은 도 막 커팅 부에서 부식이 진행됨을 나타낸다.
(4) 표면경도
통상의 방법으로 연필경도를 측정하였다. 연필경도는 경도 측정기에 연필경도 측정용 연필(미쓰비시연필)을 45도 각도로 끼우고 1kg의 하중을 가하면서 이를 밀면서 측정하였다.
(5) 도장 부착력
졸겔 코팅 처리된 샘플을 이용하여 두께 15 마이크론의 도장을 실시한 후 끓는 물(증류수)에서 1시간 가열한 후(통상적인 휴대폰 신뢰성 시험 기준) ASTM D 3359 방법에 의거하여 부착력(adhesion tape test)을 시험하였다.
이때, 평가기준으로 "양호"는 ASTM D 3359 기준에 5B 등급을 나타내며, "불량"은 4B 이하를 나타낸다.
[표 1]
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2
표면외관품질 양호 양호 양호 양호 - 불량
염수분무시험 양호 양호 양호 양호 불량 불량
필리폼 부식력 양호 양호 양호 양호 양호 불량
연필경도 7H 7H 7H 7H - 4H
부착력 양호 양호 양호 양호 양호 불량
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 수행하는 데 사용되는 전자 빔 진공 증착 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (15)

  1. (a) 마그네슘 합금 부재의 표면에 금속 함유 박막을 건식 증착하는 단계,
    (b) 상기 건식 증착된 금속 함유 박막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면에 졸겔 코팅을 진행하는 단계, 및
    (c) 상기 마그네슘 합금 부재를 건조하고 표면 경화하는 단계
    를 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 함유 박막은 산화마그네슘 막, 불화마그네슘 막, 불화실리콘막, 헥사메틸디실록산을 전구체로 이용하여 형성된 박막, 이산화규소, 이산화티탄, 산화세륨 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택된 금속 함유막 또는 이들의 1종 이상의 복합막을 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 건식 증착하는 단계는
    전자빔 진공 증착법, 스퍼터링 증착법 또는 화학기상증착법을 사용하는, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 건식 증착된 금속 함유 박막은 10nm 내지 150 nm의 두께로 형성되는 것인, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 졸겔 코팅은 가수분해 및 축중합반응이 진행된 졸겔 용액을 사용하는, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 졸겔 용액은 탄소수 1 내지 20의 알킬알콕시실란 및 실리콘산화물을 포함하는, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 가수분해 및 축중합반응은 산촉매하에서 이루어지며, 상기 산촉매는 말레산, 초산, 인산, 황산, 염산, 질산, 플루오르산, 옥살산, 파라-톨루엔설포닉산 및 트리클로로아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 건조는 상온 내지 80 ℃의 온도에서 이루어지고, 표면 경화는 80℃ 내지 200℃의 온도에서 이루어지는, 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 산화마그네슘막이 형성되는 경우 건식 증착하는 단계 후에
    상기 산화마그네슘 막에 불화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함하여 산화마그네슘막-불화마그네슘막의 복합막을 형성하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 합금 부재의 표면에 불화마그네슘막이 형성되는 경우 건식 증착하는 단계 후에
    상기 불화마그네슘 막에 산화마그네슘 막을 증착하는 단계를 더 포함하여 불화마그네슘막-산화마그네슘막의 복합막을 형성하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 증착하는 단계에서
    전자 빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 사용하는 마그네슘 부재의 표면 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 산화마그네슘 막과 상기 불화마그네슘 막의 두께의 합은 10nm 내지 150nm인 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 불화마그네슘 막과 상기 산화마그네슘 막의 두께의 합은 10nm 내지 150nm인 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 방법은 건식 증착하는 단계 이전에, 진공 조건 하에 마그네슘 합금 부재의 표면을 플라즈마를 이용하여 세정하는 단계를 더 포함하는 마그네슘 합금 부재의 표면 처리 방법.
  15. 제1항의 방법에 따라 표면 처리된 마그네슘 합금 부재.
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