KR20110032679A - 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법 - Google Patents

광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 재료의 표면에 이온 플라즈마를 조사하여 표면 경화층과 표면 나노 구조를 형성하여 고분자 재료의 표면에서의 굴절률을 변화시킴으로써 표면 광택을 다양화할 수 있는 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 아르곤 이온 플라즈마로 폴리프로필렌(PP) 표면을 간단하게 표면처리함으로써 0.1~1,000 나노미터의 두께를 갖는 표면 경화층을 형성하고, 1~1,000나노미터의 폭을 갖는 나노 패턴을 형성하는 방법을 제공하고, 이온 플라즈마 처리에 따른 고분자 재료 표면의 조성변화를 측정 및 표면을 관찰하여 표면 경질화 및 광투과도를 정량적으로 평가함으로써 광택의 다변화에 대한 특성을 평가하였다.
따라서, 본 발명은 광택이 다양화된 고분자 소재를 고분자 소재의 색상 향상에 의한 고급화를 이룰 수 있는 자동차의 내외장재, 핸드폰 및 소형 가전 제품 및 가정용 내외장재 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
나노 패턴, 플라즈마, 광택, 표면 처리

Description

광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법{Gloss-enhanced plastics and method for gloss treatment of plastics' surface}
본 발명은 광택 특성이 향상된 플라스틱 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 고유의 색깔로부터 다양한 광택으로 변화시킬 수 있는 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법에 관한 것이다.
플라스틱은 성형성이 높다는 것, 경량이라는 것, 비교적 값이 싸다는 것 등의 이점 때문에 여러가지 부품의 제조에 사용되고 있으나, 표면강도가 낮고 흠집이 생기기 쉽다는 것, 외관이 그다지 보기가 좋지 못하다는 것 등의 한계가 있었다.
특히, 폴리프로필렌은 가격이 비교적 안정적이며 경량화 및 기계적 강도 등이 우수하여 각종 분야에 폭넓게 사용되고 있으나, 내충격성 및 강성이 떨어진다.
이의 보완을 위해 에틸렌-프로필렌 공중합체 고무(EPM)와 탈크 등의 무기필러가 첨가된 폴리프로필렌 수지 조성물이 제안되고 있으나, 이러한 성형품은 최종제품의 외관이 좋지않아 성형 후 도장공정을 거쳐야 한다는 단점이 있다.
그러나, 폴리프로필렌은 분자내에 무극성기를 가지고 있어 화학적으로 불활성이어서, 도장성이 극히 저조하기 때문에 도장성을 향상시키기 위한 다른 방법들이 요구되고 있다.
따라서 이점을 보강하기 위한 표면처리기술이 여러가지로 개발되고 있다.
예를 들면 크롬 도금, 니켈 도금 등의 금속도금이 현재로서는 많이 사용되고 있는 실정이다.
상기 크롬 도금은 통상 플라스틱 성형품에 대하여 먼저 전해(電解)가 없는 도금을 해서 표면을 동으로 피복하는 공정과, 이렇게 얻어진 전도성(傳導性) 피막을 이용하여 크롬이 전해도금되는 공정으로 이루어지고 있다.
그러나, 상기 크롬 도금의 경우 공정이 복잡하고 비용이 증가하며, 환경에 유해한 문제점을 갖는다.
그리고, 다양한 표면질감을 나타내는데 한계를 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 아르곤 이온빔을 폴리프로필렌의 표면에 조사하여 표면에 고분자 나노 구조와 경화층을 형성함으로써 고분자 및 플라스틱 소재만을 이용하여 광택을 다양하게 변화시킬 수 있는 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적은 고분자 재료의 표면에 이온 플라즈마를 조사하여 그 표면에 나노패턴과 경화층이 형성된 광택특성이 향상된 플라스틱에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법의 장점 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
1. 이온 플라즈마 처리를 이용하여 플라스틱 표면에 나노패턴과 경화층을 형성함으로써, 고분자 고유의 색깔로부터 다양한 광택을 구현할 수 있다.
2. 금속 등을 플라스틱 표면에 도장할 필요가 없으므로, 기존의 고분자 고광택 구현방법에 비해 공정이 간단하고 친환경적인 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
본 발명은 고분자 재료의 표면에 나노패턴과 경화층을 형성하여 고분자/플라스틱 소재만을 이용하여 광택을 다양하게 변화시킬 수 있는 광택특성이 향상된 플라스틱 및 플라스틱 표면의 광택 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이온 플라즈마 처리 방법을 이용하여 아르콘, 질소, 및 산소 이온 플라즈마로 플라스틱 표면을 간단하게 표면 처리함으로써, 1~1000 나노미터의 폭과 1~10,000 나노미터의 길이를 갖는 나노패턴과, 0.1~1000 나노미터 두께의 표면경화층을 형성하여 플라스틱 표면의 광택을 다양하게 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 아르콘 이온빔이 폴리프로필렌(Polypropylene,PP)의 표면에 조사되면 이온 플라즈마와 PP 표면이 반응함으로써 PP 표면에 고분자 나노패턴 및 경화층(10)이 동시에 형성된다.
이와 같이, 상기 플라스틱 표면에 형성된 나노패턴과 경화층(10)에 의해 고분자 고유의 색깔로부터 다양한 광택을 다양화함으로써, 색상의 향상에 의한 고급화에 응용이 가능한, 자동차 내외장재, 핸드폰 및 소형 가전 제품 및 가정용 내외장재 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.
도 1는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평활한 PP 표면에 이온 플라즈마 처리를 수행하여 형성되는 나노 크기의 표면 패턴 및 표면 경화층(10)에 대한 모식도이다.
도 1를 참조하면, 고 진공 조건 하에서 고분자 재료(20)인 PP 표면에 이온 빔(broad ion beam)방식을 이용하여 이온 플라즈마 처리를 함으로써 표면에 나노 패턴을 형성한다.
여기서 이온 플라즈마에 의한 처리방법은 아르곤 가스, 산소, 질소, He, CF4 중 어느 하나의 가스를 플라즈마/이온화하여 사용하며, 또한 플라즈마 이온을 이용하는 방법 이외에 이온빔을 이용하는 방법, 박막을 코딩하는 방법, 금속 및 비금속 물질을 스퍼터링하는 방법 중 어느 하나를 이용하여 이온 플라즈마를 고분자 표면에 주입(implantation)함으로써 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 이온 플라즈마 처리의 조사 시간, 가속 전압의 크기 및 처리 챔버 내의 압력 중 적어도 하나를 조절하여 나노 크기의 표면 패턴 및 경화층(10)의 깊이를 조절한다.
상기 나노패턴의 형성 조건을 살펴보면, 이온 플라즈마 처리를 이용하는 챔버내 압력 범위는 1.0 × 10-7Pa ~ 2.75 × 10-3Pa 범위 이내이고, 이온 플라즈마 처리에서 이온 플라즈마의 가속 전압의 크기는 100V ~ 50.0 kV 범위 이내이며, 이온 플라즈마 처리시 이온빔의 조사시간은 수초~수시간이고, 이온 플라즈마 처리에서 이온의 입사각은 표면에 대해서 실시예에서는 수직으로 입사하나 통상적으로 0°~ 90° 정도가 바람직하다.
여기서, 고분자 재료의 표면에 저에너지(1kV)의 이온빔이 조사되는 경우 나노패턴과 경화층이 동시에 형성되나, 고에너지(10kV이상)의 이온빔이 조사되는 경우 경화층만 형성된다.
따라서, 저에너지의 경우에는 경화층이 형성된 나노구조에 의해 광택이 좋아지고, 고에너지의 경우에는 경화층만으로도 광택성질이 좋아진다.
고분자 재료(20)(플라스틱)로 PP 이외에, 표면에 나노 크기의 거칠기를 가질 수 있는 폴리에틸렌(polyethylene (PE)), 나일론 6 (Nylon 6), 나일론 66 (Nylon 66), 폴리카보네이트(polycarbonate(PC)), 폴리이미드(Polyimide(PI)), 폴리에틸렌 (Polyethylene(PE)), 폴리메틸메타크릴산(Poly methyl methacrylate (PMMA)), 폴리스틸렌(Polystyrene(PS)), 폴리(poly)(lactic-co-glycolic acid)(PLGA), 히드로겔(Hydrogel), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate(PET)), 실리콘 고무(Silicone rubber), PDMS (Polydimethylsiloxane) 등과 같은 한 종류로 이루어진 플라스틱, 및 PC/ABS, PC/SAN, PC/PBT 등과 같은 두 개 이상의 혼합물로 형성된 플라스틱 중의 어느 하나를 추가로 이용할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 일실시예에 따라 PP 표면에 아르곤 플라즈마를 조사하여 나노크기의 패턴 및 나노두께의 경화층(10)을 형성하였다.
도 2는 본 발명에 따른 PP 표면에 이온빔 처리를 수행하여 얻은 주사전자현미경 이미지들이며, 도 2a 와 2b를 통해서 이온 플라즈마의 조사 시간에 따라 이온의 양이 달라지면서 표면 패턴의 거칠기가 점차 증가함을 알 수 있다.
여기서 PP는 LG 화학에서 구입되었으며, 반투명한 재질을 사용하였다. 이온 플라즈마 처리의 방향이 PP 시편 표면에 수직을 이루도록 배향하기 위하여 고정한다.
상술한 바와 같이 제작된 평활한 표면을 가진 고분자 재료(20)인 PP 시편에 대하여 아르곤(Ar+) 이온 플라즈마 처리를 수행한다.
여기서, 이온 건의 캐소드(cathod)-애노드(anode)사이의 전압 조건은 1000eV에서 5분에서 2시간의 여러가지 조건에서 처리하였으며, 진공 챔버내의 작업(working) 진공도는 0.01 mTorr이하 이다.
또한 이온 플라즈마를 10에서 50keV로 변화시키면서 이온 플라즈마 에너지에 따른 표면 경화층(10)의 변화를 살펴보았다.
이온이나 플라즈마를 이용하여 고분자 표면을 처리하게 되면, 연성의 고분자 표면의 고분자 체인(polymer chain)들이 재배열하게 되고, 고분자 chain을 이루고 있는 C-H 본드(bond)가 끊어지게 됨으로써 점차 C-C본드가 많이 형성되어 표면의 경화되는 경향을 보이게 된다.
이러한 경화된 표면에 동시에 박막 표면 방향으로 변형이 커지게 되는데, 이를 완화하기 위해서 표면 패턴등이 형성된다.
도 2a 및 2b에서 보여지는 것처럼 나노 패턴의 폭과 높이는 이온 플라즈마 처리 시간의 변화, 즉 이온의 양에 밀접한 연관을 가지게 되며, 이온 플라즈마 처리 시간이 증가하게 되면 고분자 표면의 거칠기가 증가하게 된다.
이온 플라즈마 에너지가 20keV의 경우 표면 패턴이 거의 형성되지 않지만, 약 100나노미터 깊이의 표면 경화층(10)이 형성되어 굴절률을 향상시킬 수 있다.
표면 분석
도 3에서 라만(Raman) 분석을 통하여 이온 플라즈마 처리 전후의 PP 표면에 대한 화학결합의 변화를 살펴보았다.
이온 플라즈마 처리 전의 PP의 표면은 전형적인 비정질 고분자 특성을 보이고 있는 반면, 이온 플라즈마 처리 후의 경우 비정질 카본 박막에서 보이는 D (disorder graphitic) (파수 1365 cm-1 주위에서 피크(peak))과 G(crystalline graphitic) (파수 1540 cm-1 주위에서 피크)이 존재하는 특성을 보여주고 있다.
이온 플라즈마에 의하여 표면의 부드러운(soft) 고분자가 상당한 경도를 가진 경화(stiff)된 비정질 탄소층으로 변화하였음을 알 수 있다.
또한 이온 플라즈마에 의하여 표면의 전기전도성도 같이 변화함을 추론할 수 있다.
도 4에서 적외선 분광분석기(FT-IR)을 이용하여 이온 플라즈마 처리 전후의 PP 표면에 대한 화학 결함의 변화를 분석하였다. 도 4a 및 4b를 살펴보면 2800/cm 부근의 C-Hn 본딩(bonding)이 이온빔 처리시간에 비례하여 변화함을 보여주고 있다.
특히 이온 플라즈마 에너지가 증가함에 따라서 CH2 본드(bonds)는 증가하는 반면에 CH3 본드(bonds)는 감소함을 보이고 있는데, 이는 고분자 체인의 분 리(Scissioning)보다는 가교(cross-linking)특성이 좀더 활발함을 알 수 있다.
따라서 이온 플라즈마에 의하여 영향을 받은 영역은 가교(cross-linking) 특성이 증가하여 경화됨을 예측할 수 있다.
도 5에서는 UV-VIS 분석장비를 이용하여 이온 플라즈마 표면 처리 전후의 투과율 및 흡수율에 대한 변화를 분석하고 있다.
이온 플라즈마의 처리 조건을 1000eV 조건하에서 처리 시간을 변화시킴에 따라서 흡수율(도 5a)은 점차 증가하고, 투과율(도 5b) 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.
또한 이온 플라즈마의 처리 조건에서 에너지를 변화시키면서 흡수율(도 5c)과 투과율(도 5d)을 분석하였는데, 이온 플라즈마 에너지의 증가에 따라서 흡수율을 점차적으로 증가하였고, 투과율은 감소하는 경향을 보이고 있다.
이러한 특성은 고분자가 가지는 고유의 흡수율과 투과율을 변화시킴으로써 고분자의 굴절율 등의 고유의 광특성이 변화하게 됨에 따라 광택이 변화하게 된다.
따라서 이온 플라즈마의 처리 조건인 표면 처리 시간 및 처리 에너지를 변화시킴으로써 빛의 흡수율과 투과율을 조절할 수 있게 되어 고분자 표면에 다양한 광택을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 플라즈마 처리에 의하여 나노 스케일 패턴과 표면 경화층이 형성된 것을 보여주는 모식도이다.
도 2는 도 1에 실시한 실시예에서, 아르곤 이온 플라즈마를 이용하여 전압 1000eV 조건 하에서 5분 동안 처리한 표면의 SEM 이미지 (a)와 1000 eV에서 처리 시간을 변화시키면서 나노 패턴의 거칠기의 변화에 대한 표 (b)이다. 또한 20keV하에서 5분동안 처리한 표면의 SEM 이미지(c)와 같은 조건에서 고분자 PP 표면의 경화층이 형성된 단면에 대한 SEM이미지(d)이다.
도 3은 도 1에 실시한 실시예에서, 아르곤 이온 플라즈마에 의하여 형성된 PP 표면 경화층에 대한 라만 분석 결과이다.
도 4는 도 1에 실시한 실시예에서, 아르곤 이온 플라즈마 에너지의 변화에 의하여 형성된 PP 표면 경화층에 대한 FT-IR 분석 결과이다.
도 5는 도 1에 실시한 실시예에서, 아르곤 이온 플라즈마 에너지가 1000eV로 고정하고 플라즈마 처리 시간을 변화시키면서 분석한 FT-IR 결과 (a 와 b) 이며 이온 플라즈마 에너지가 10에서 50keV로 변화할때에 대한 PP 표면을 분석한 FT-IR 결과 (c 와 d) 이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 표면 경화층 20 : 고분자 재료

Claims (7)

  1. 고분자 재료(20)의 표면에 이온 플라즈마를 조사하여 나노패턴과 경화층(10)이 형성되어 고광택특성이 구현된 플라스틱.
  2. 고분자 재료(20)의 표면에 이온 플라즈마를 조사하여 나노패턴과 경화층(10)을 형성하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 이온 플라즈마의 처리시 조사시간, 전압 및 챔버 내 압력 중 적어도 하나를 조절하여 나노 패턴과 경화층(10)의 깊이를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 고분자 재료(20)는 PP, Nylon 6, Nylon 66, PC, PI, PS, PE, PMMA, PDMS, PLGA, 히드로겔, PET, 실리콘 고무 중 어느 하나로 이루어진 플라스틱, 또는 PC/ABS, PC/SAN, PC/PBT 중 적어도 하나이상의 혼합물로 이루어진 플라스틱인 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 고분자 재료(20)의 표면에 이온 플라즈마 형태로 조사하여 그 표면에 나노 구조 및 경화층(10)이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 고분자 재료(20)의 표면에 이온빔 형태로 조사하여 그 표면에 나노 구조 및 경화층(10)이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 고분자 재료(20)의 표면에 플라즈마 형태로 조사하여 그 표면에 나노 구조 및 경화층(10)이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 표면의 광택 처리 방법.
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