KR20140006482A - 이종소재의 접착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면인 이종소재의 접착방법은 상기 금속재인 제 1 소재 표면에 결정립의 크기가 10~1000nm인 금속 화합물층을 형성하는 단계, 상기 금속 화합물층이 형성된 제 1 소재에 접착시키고자 하는 제 2 소재를 위치시키는 단계 및 상기 제 1 및 2 소재를 가열 및 가압하여 접착하는 단계를 포함한다. 이를 통하여, 기존 접착제를 사용하는 경우와 비교하여, 결합력을 증대시킬 수 있으며, 특히 열이력에 의한 결합력 저하를 현저히 개선할 수 있다.

Description

이종소재의 접착방법{BONDING METHOD OF DIFFERENT MATERIALS}
본 발명은 이종소재의 접착방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 금속재와 이종소재를 접착하는 방법에 관한 것이다.
오래 전부터 소재의 연구에 있어서, 이종소재간의 결합은 언제나 중요한 과제가 되어왔다. 특히, 금속재와 비금속재간의 결합은, 양 소재간의 물성이 상이하여 그 결합이 어렵기 때문에, 계속적으로 연구되어 왔다. 최근에는, 에폭시 수지를 가교제인 아민계 화합물과 혼합하여 접착제로 사용하거나, 시아노아크릴산계 화합물을 접착제로 사용하여 상기 금속재와 비금속재 사이에 반응성 화합물을 형성함으로써, 상기의 소재를 접착하는 방안이 사용되어 왔다.
그러나, 이러한 접착제에 의한 접착방법은 접착제와 피접착물 사이의 반응성과 표면 상태 등에 따라 접착의 강도에 제약이 발생하였다. 특히, 금속재와 비금속재와 같은 이종 소재간의 접착시, 마주하는 이종 소재의 면적은 제한될 수 있기 때문에, 접착 후 열화현상에 의하여 접착강도가 저하되는 문제가 발생하였다. 이로 인해, 종종 접착된 소재의 탈락현상이 발생하는 단점이 존재하였다.
따라서, 이종소재의 접착방법에 있어서, 특별한 접착제를 사용하지 않으면서도, 우수한 접착강도를 확보할 수 있는 접착방법에 대한 연구가 필요한 시점이다.
본 발명의 일측면은, 따로 접착제를 사용하지 않으면서도, 우수한 접착강도를 확보할 수 있는 이종소재간의 접착방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면인 이종소재의 접착방법은 상기 금속재인 제 1 소재 표면에 결정립의 크기가 10~1000nm인 금속 화합물층을 형성하는 단계, 상기 금속 화합물층이 형성된 제 1 소재에 접착시키고자 하는 제 2 소재를 위치시키는 단계 및 상기 제 1 및 2 소재를 가열 및 가압하여 접착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 기존의 접착제와 대비할 때, 그 결합력이 증가하고, 열이력에 따른 결합력 저하를 현저히 개선할 수 있다.
특히, 금속재와 플라스틱재를 접착하는 경우, 나노크기의 금속 화합물의 공극사이로 액상의 플라스틱이 스며들어, 금속재와 플라스틱의 융착 접합이 일어나게 된다. 따라서, 종래와 같이 접착제를 이용하여 접착하는 방법과 비교할 때, 보다 우수한 접착강도를 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 이종소재의 접착방법을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제공되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이종소재는 기계적 물성 등이 상이하기 때문에, 이를 접착하고 그 접착력을 유지하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 종래에는 상술한 바와 같이, 접착제를 이용하여 이종소재를 접착하였다. 그러나, 접착제의 도포 면적이 한계가 있기 때문에, 우수한 접착강도를 확보하기 어려웠으며, 열이력에 의한 접착 강도가 저하되는 현상이 발생하였다.
본 발명자들은, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 접착제를 사용하지 않고도 높은 접착 강도를 확보할 수 있는 방법에 대한 연구를 거듭해 왔다. 그 결과, 나노 사이즈의 금속 화합물층을 양 소재 사이에 형성시킴으로써, 표면적이 넓은 나노크기의 금속 화합물 사이로, 융융된 제 2 소재의 일부가 결합되도록 제어하면 우수한 접착강도가 확보됨을 인지하고, 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명의 일측면인 이종소재의 접착방법에 대하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일측면인 접착방법의 개념도이며, 이에 대한 설명은 후술한다.
먼저 제 1 소재를 준비한다. 상기 제 1소재는 특별히 한정되는 것은 아니지만 본 발명에서는 금속재인 것이 바람직하다. 본 발명에서, 상기 금속재의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1) Fe계 합금재, 2) Ni계 합금재, 3) Mg계 합금재, 4) Ti계 합금재, 5) Al계 합금재, 6) Cu계 합금재, 7) Zn계 합금이 코팅된 강판 및 8) Al계 합금이 코팅된 강판 중 하나인 것이 보다 바람직하다.
상기 준비된 제 1 소재의 표면에 금속 화합물층을 형성시킨다. 상기 화합물층을 형성시키기 위하여, 상기 제 1 소재를 금속 화합물층을 형성시킬 수 있는 용액에 침지하거나, 상기 금속 화합물층을 형성시킬 수 있는 용액을 상기 제 1소재의 표면에 분사하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제 1소재의 성분이 용출되면서 상기 용액과 반응하여, 금속 화합물층을 형성하는 반응이 일어난다. 상기 금속 화합물층을 형성시킬 때의 온도는 20~80℃가 바람직하다. 온도가 20℃ 미만일 경우, 상기 금속 화합물층의 형성 속도가 지나치게 느리게 되고, 80℃를 초과하게 될 경우, 상기 금속 화합물을 형성시킬 수 있는 용액의 성분이 증발할 수 있기 때문이다.
이 때, 상기 금속 화합물층은, 나노 사이즈의 구형 금속 화합물을 형성하게 되며, 상기 금속 화합물 사이에는 공극이 존재하게 된다.
상기 금속 화합물층을 형성시킬 수 있는 용액은 유기산, 무기산이온, 금속이온 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 유기산은 금속 화합물층을 형성하는 반응을 촉진하는 역할을 한다. 상기 유기산은 구연산, 주석산, 사과산, 옥살산, 프탈산 및 말레산 중 1종 또는 2종 이상의 혼합된 것이 바람직하다. 그리고 그 농도는, 5~50g/L로 제어하는 것이 바람직하다. 5g/L 미만에서는 반응이 진행되지 않고, 50g/L 초과의 경우에는 금속의 용출속도가 지나치게 빠르게 되어, 원하는 금속 화합물층이 형성되지 않을 수 있기 때문이다.
상기 무기산이온은 상기의 유기산의 작용을 도와주며, 금속 화합물층의 결정립 크기를 좌우하는 역할을 한다. 상기 무기산이온은, NO3-, SO42-, PO43-, Cl-, ClO3- 및 ClO4- 중 1종 또는 2종 이상의 혼합된 것이 바람직하다. 그 농도는, 5~100g/L로 제어하는 것이 바람직하다. 5g/L 미만에서는 금속 화합물층의 결정립이 너무 미세해지고, 100g/L를 초과할 경우에는 금속 화합물층의 결정립이 지나치게 조대해지기 때문이다.
또한, 본 발명에서 상기 금속이온은 상기 제 1 소재의 표면에 나노사이즈의 금속 화합물층의 일부를 형성하는 역할을 한다. 상기 금속이온은 Fe2 +, Co2 +, Ni2 +, Sn2+, Ti2 +, Al3 +, Cu2 +, Mo2 +, V3 + 및 Mn2 + 중 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 금속이온의 농도는 0.001~50g/L가 바람직하다. 50g/L를 초과한 농도에서는 수용액중 금속이온의 과포화로 인한 석출이 진행될 수 있고, 0.001g/L 미만의 농도에서는 본 발명에서 구현하고자 하는 나노사이즈 결정립이 구현되지 않을 수 있기 때문이다.
여기서 상기 금속 화합물은 구형 혹은 다각형 형태의 결정립을 형성하며 적층되게 된다. 이 때, 상기 결정립의 크기(평균직경)는 10~1000nm로 제어하는 것이 바람직하다. 상기와 금속 화합물의 크기를 나노크기로 제어함으로써, 후술할 내용과 같이, 제 2 소재의 일부가 액상 상태로 침투하여 나노 크기의 금속 화합물과 결합할 때, 그 결합면적이 극대화 될 수 있다. 그렇게 되면, 두 소재간의 접착 강도가 향상되는 효과가 발생할 수 있다. 또한, 상기 금속 화합물의 적층은 제 1 소재 상에서 1 내지 수백층에 이르는 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 단계의 일실시예로서, 상온에서 아연도금강판을 2~10초간 금속 화합물층을 형성시킬 수 있는 수용액에 침지하거나, 상기 수용액을 아연도금강판에 스프레이 분사 처리할 수 있다. 상기 아연도금강판의 아연도금층 표면과 상기 수용액이 접촉하게 되면, 모재인 아연 금속이 수용액으로 용출하게 된다.
이 때, 상기 수용액 속의 수소이온은 상기 아연도금층 표면으로부터 전자를 공급받아 수소분자를 형성하여 기포가 발생하게 된다. 한편, 상기 수용액 속의 수산화이온(OH-)은, 용출된 아연도금층의 아연금속이온과 반응하여, 아연 수산화물(Zn(OH)2)을 형성하며 우선 석출된다. 이와 동시에, 상기 수용액에 포함된 금속이온 또한, 자유에너지를 낮추기 위하여, 또다른 금속 수산화물(Me-OH)을 형성하거나, 전자를 그대로 수용하여 순수한 금속 형태(Metal)로 석출되게 된다. 상기의 석출된 아연 수산화물과, 상기 수용액에 포함된 금속이온이 석출된 물질(Me-OH, Metal)이 함께 혼재되어 상기 아연도금강판(제 1 소재) 위로 금속 화합물층을 형성하게 된다.
그 다음 단계로는, 상기 제 1 소재와 접착시키고자 하는 제 2소재를 상기 금속 화합물층 상에 위치시킨다. 여기서, 상기 제 2 소재는 특별히 한정되는 것은 아니지만 본 발명에서는 폴리머로 구성된 플라스틱재 또는 폴리머 수지가 코팅된 소재가 바람직하다. 본 발명에서, 상기 플라스틱재 또는 폴리머 수지의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 폴리아마이드계, 에스테르계, 에폭시계, 아크릴계 및 멜라민계 중 1종 또는 2종이상의 혼합된 것이 보다 바람직하다.
도 1(a)에 도시한 바와 같이, 제 1 소재(1)와 제 2 소재(2) 사이에 금속 화합물(3)이 위치하게 되며, 많은 공극(4)이 형성된다.
이 후, 상기 제 1 소재 및 제 2 소재를 가열 및 가압한다. 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 공극에 용융된 제 2 소재가 침투하여, 공극을 채워 금속 화합물과 결합하게 된다. 이를 통하여, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 제 1 소재(1)와 제 2 소재(2)는 완전결합하게 되어 매우 큰 접착강도를 확보할 수 있는 것이다.
이 때, 가열온도는 70~250℃로 제어하는 것이 바람직하다. 이는 플라스틱 또는 폴리머의 전이온도에 해당되어, 플라스틱 또는 폴리머가 액상으로 전이되어 수십나노미터 크기로 형성된 금속 화합물 사이의 공극으로 폴리머 액상이 침투하여 두 소재가 접합되게 된다. 단, 이 때의 가열온도는 120~250℃이 보다 바람직하다. 그리고, 이 때, 가열유지시간은 3~3000초로 제어하는 것이 바람직하며, 소재의 종류에 따라서, 적절히 가열 유지 시간을 제어하는 것이 바람직하다. 더불어, 가열수단은 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상의 가열수단이 적용될 수 있다.
또한, 가압시 압력은 0.1~10Kgf/㎠로 제어하는 것이 바람직하다. 용융된 제 2 소재의 일부가 금속 화합물 사이의 공극으로 용이하게 침투하도록 압력을 가하므로서, 완전 접착을 유도할 수 있다. 이 때, 가압수단은 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상의 가압수단이 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
비교예로서, 하기 표 1에 기재된 제 1소재와 폴리아미드계 플라스틱를 시아노아크릴산계 접착제를 5g/㎠으로 도포하여 접착시켰다. 접착된 소재를 5m/min 의 속도로 두 소재가 파괴 될 때까지 인장응력을 측정하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
발명예로서, 하기 표 1에 기재된 제 1 소재를 금속이온이 첨가된 용액(Ni+2: 3g/L, PO4 2 +: 2g/L)에 3~10초간 침지시켜 상기 제 1소재의 표면에 금속 화합물을 형성한 후 폴리아미드계 플라스틱을 겹쳐놓은 후 180℃에서 30초간 55Kgf/㎠으로 가압하여 접착시켰다. 접착된 소재를 5m/min 의 속도로 두 소재가 파괴 될 때까지 인장응력을 측정하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
또한, 열이력에 의한 소재의 내구성 변화를 측정하기 위하여 결합된 두 소재를 150℃ 14시간 -> 25℃ 10 시간을 1 주기로 100 주기를 반복한 후 동일한 인장속도로 인장 강도를 측정하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
구분 제 1 소재 접착방법 인장응력(MPa)
최초 100주기 후
비교예1 Mg Alloy 판재
(Zn 3%, Al 1%, 잔부 Mg 및 불순물)		 시아노아크릴산계 접착제 0.75 0.41
비교예2 전기아연 도금 강판
(도금두께 3um,
Zn 100%)		 0.83 0.54
비교예3 냉연강판
(C 0.02%, Ti 0.0001% 잔부 Fe 및 불순물)		 0.78 0.34
발명예1 Mg Alloy 판재
(Zn 3%, Al 1%, 잔부 Mg 및 불순물)		 금속 화합물층
형성		 0.91 0.85
발명예2 전기아연 도금 강판
(도금두께 3um,
Zn 100%)		 0.84 0.80
발명예3 냉연강판
(C 0.02%, Ti 0.0001% 잔부 Fe 및 불순물)		 1.02 0.94
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 접착제를 이용하여 접착한 비교예 1 내지 3은 최초 인장응력이 열위하고, 100주기 이후에도 접착력이 급격히 저하됨을 확인할 수 있다.
이에 반하여, 본 발명의 일측면에 따른 발명예 1 내지 3은 최초 인장응력이 우수하고, 100주기 이후에도 인장응력이 급격히 저하되지 않음을 확인할 수 있다.
1: 제 1 소재
2: 제 2 소재
3: 금속 화합물
4: 공극
5: 용융된 제 2 소재

Claims (12)

  1. 금속재인 제 1 소재를 준비하는 단계;
    상기 제 1 소재 표면에 결정립 크기가 10~1000nm인 금속 화합물층을 형성하는 단계;
    상기 금속 화합물층이 형성된 제 1 소재에 접착시키고자 하는 제 2 소재를 위치시키는 단계; 및
    상기 제 1 및 2 소재를 가열 및 가압하여 접착하는 단계를 포함하는 이종소재의 접착방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 화합물층을 형성하는 단계는 상기 제 1 소재를 유기산, 무기산이온, 금속이온이 포함된 용액에 침지하거나, 상기 제 1 소재 표면에 유기산, 무기산이온, 금속이온이 포함된 용액을 분사하여 실시하는 이종소재의 접착방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 화합물층을 형성하는 단계는 20~80℃에서 실시되는 이종소재의 접착방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 소재는, 1) Fe계 합금재, 2) Ni계 합금재, 3) Mg계 합금재, 4) Ti계 합금재, 5) Al계 합금재, 6) Cu계 합금재, 7) Zn계합금이 코팅된 강판 및 8) Al계합금이 코팅된 강판 중 하나인 이종소재의 접착방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 소재는 플라스틱재, 폴리머 수지 및 폴리머 수지가 코팅된 소재 중 1종이며, 상기 폴리머 또는 플라스틱재는 폴리아마이드계, 에스테르계, 에폭시계, 알칼리계 및 멜라민계 중 1종인 이종소재의 접착방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 및 가압하여 접착하는 단계의 가열은 70~250℃에서 3~3000초간 실시되는 이종소재의 접착방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압은 0.1~10Kgf/㎠의 압력으로 실시되는 이종소재의 접착방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 유기산은 구연산, 주석산, 사과산, 옥살산, 프탈산 및 말레산 중 1종 또는 2종 이상인 이종소재의 접착방법.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 유기산의 농도는 5~50g/L인 이종소재의 접착방법.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기산이온은 NO3 -, SO4 2 -, PO4 3 -, Cl-, ClO3 - 및 ClO4 - 중 1종 또는 2종 이상인 이종소재의 접착방법.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기산이온의 농도는 5~100g/L인 이종소재의 접착방법.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속이온은 Fe2 +, Co2 +, Ni2 +, Sn2 +, Ti2 +, Al3 +, Cu2 +, Mo2 +, V3 + 및 Mn2 + 중 1종 또는 2종 이상인 이종소재의 접착방법.
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