KR20140090931A - 금속 수지 복합성형체용 인서트 금속부재 및 금속 수지 복합성형체 - Google Patents

금속 수지 복합성형체용 인서트 금속부재 및 금속 수지 복합성형체 Download PDF

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Abstract

[과제] 인서트 금속부재의 표면에 조면을 형성하여, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성을 향상시키는 기술을 제공한다.
[해결 수단] 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체(5)용의 인서트 금속부재(1)는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역(3)을 구비하고, 조면화 영역(3)은, 적어도, 인서트 금속부재(1)과 인서트 금속부재(1)상에 인서트 성형되는 수지부재(6)의 접합 예정면의 일부 또는 전부에 형성되고, 상기 접합 예정면에서, 조면화 영역(3)은, 상기 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터, 상기 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않는다.

Description

금속 수지 복합성형체용 인서트 금속부재 및 금속 수지 복합성형체{INSERT METAL MEMBER FOR METAL-RESIN COMPOSITE MOLDED BODY, AND METAL-RESIN COMPOSITE MOLDED BODY}
본 발명은, 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재, 및 상기 인서트 금속부재와 수지부재를 구비하는 금속 수지 복합성형체에 관한 것이다.
금속이나 합금등으로 구성되는 인서트 금속부재와 열가소성 수지 조성물로 구성되는 수지부재가 일체화되어 이루어지는 금속 수지 복합성형체는, 종래부터 계기판(Instrument Panel) 주위의 콘솔 박스 등의 자동차의 내장 부재나 엔진 주위 부품이나, 인테리어 부품, 디지털 카메라나 휴대전화 등의 전자기기의 인터페이스 접속부, 전원 단자부 등의 외계(外界)와 접촉하는 부품에 이용되고 있다.
인서트 금속부재와 수지부재를 일체화시키는 방법으로는, 인서트 금속부재측의 접합면에 미소(微小)한 요철을 형성하여 앵커 효과로 접합하는 방법, 접착제나 양면 테이프를 이용하여 접착하는 방법, 인서트 금속부재 및/또는 수지부재에 절곡편이나 돌기 등의 고정 부재를 형성하고, 이 고정 부재를 이용하여 양자를 고착시키는 방법, 나사 등을 이용하여 접합하는 방법 등이 있다. 이 중에서도, 인서트 금속부재에 미소한 요철을 형성하는 방법이나 접착제를 이용하는 방법은, 금속 수지 복합성형체의 설계 자유도 면에서 유효하다.
특히, 인서트 금속부재의 표면을 가공하여 미소한 요철을 형성하는 방법은, 고가의 접착제를 사용하지 않는다는 점에서 유리하다. 인서트 금속부재의 표면을 가공하여 미소한 요철을 형성시키는 방법으로는, 예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 방법을 들 수 있다.
1.1 일본 공개특허 2010－167475호 공보
상기 특허 문헌 1에 기재된 방법은, 인서트 금속부재의 표면의 원하는 범위에 조면(粗面)을 형성할 수 있고, 작업도 간편하여 유효한 방법의 하나이다. 특허 문헌 1에 기재된 방법에서는, 레이저로 상기 표면에 조면을 형성한다.
그러나, 상술한 디지털 카메라나 휴대전화 등의 전자기기의 인터페이스 접속부, 전원 단자부 등의 외계와 접촉하는 부품, 최근의 휴대폰을 비롯한 전자기기에서는 방수 기능이 표준이 되고 있어, 이들 외계 접촉 부품에서 금속과 수지의 계면으로부터의 물의 침입이 문제가 되고 있다. 또한, 전자기기 부품은, 제조 과정에서 납땜 공정(리플로우 공정)을 거칠 필요가 있는데, 이 과정에 이용되는 금속 산화막 제거제가 금속과 수지의 계면에 전해져 기판에 스며들게 되는 것이 문제가 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는, 인서트 금속부재 표면에 조면을 형성함으로써 인서트 금속부재와 수지부재를 일체화시키는 방법에서, 더욱 향상된 양자간의 밀착성이 필요하고, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 밀착성, 특히 기밀성의 향상이 급무의 과제가 되고 있다.
본 발명의 목적은, 인서트 금속부재의 표면에 조면을 형성하여, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성을 향상시키는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재의 표면 중에, 적어도, 수지부재와의 접합 예정면의 일부 또는 전부에, 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않는 조면화 영역을 형성시킴으로써, 상기 과제가 해결되는 것을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 보다 구체적으로 본 발명은 이하의 것을 제공한다.
(1) 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재로서, 상기 인서트 금속부재는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역을 구비하고, 상기 조면화 영역은, 적어도, 상기 인서트 금속부재와 상기 인서트 금속부재상에 인서트 성형되는 수지부재와의 접합 예정면의 일부 또는 전부에 형성되고, 상기 접합 예정면에서 상기 조면화 영역은, 상기 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터, 상기 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않는 인서트 금속부재.
(2) 상기 복수의 조면은, 레이저 조사에 의해 형성된 것인 (1)에 기재된 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재.
(3) 화학적으로 처리된 (1) 또는 (2)에 기재된 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재.
(4) 인서트 금속부재와, 상기 인서트 금속부재상에 인서트 성형된 수지부재를 구비하고, 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체로서, 상기 인서트 금속부재는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역을 구비하고, 상기 조면화 영역은, 적어도, 상기 인서트 금속부재와 상기 수지부재의 접합면의 일부 또는 전부에 형성되고, 상기 접합면에서 상기 조면화 영역은, 상기 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터 상기 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않는 금속 수지 복합성형체.
(5) 상기 복수의 조면은, 레이저 조사에 의해 형성된 것인 (4)에 기재된 금속 수지 복합성형체.
(6) 상기 인서트 금속부재는, 화학적으로 처리된 (4) 또는 (5)에 기재된 금속 수지 복합성형체.
(7) 상기 조면화 영역에서, 조면화 영역 1mm2 당 조면의 면적이 0.15mm2 이상인 (6)에 기재된 금속 수지 복합성형체.
(8) 상기 조면화 영역에서, 조면화 영역 1mm2 당 조면의 면적이 0.2mm2 이상인 (4) 또는 (5)에 기재된 금속 수지 복합성형체.
(9) 상기 조면화 영역내의 조면에서, 형성된 요철의 깊이가 100㎛ 이하인 (4)에서 (8)의 어느 하나에 기재된 금속 수지 복합성형체.
(10) 상기 조면화 영역에서의 상기 차단측의 가장자리부로부터 상기 개방측의 가장자리부까지의 거리가 1.5mm 이하인 (4)에서 (9)의 어느 하나에 기재된 금속 수지 복합성형체.
본 발명의 인서트 금속부재는, 수지 부품과 일체화되었을 때, 수지 부품과의 계면에서의 기밀성이 매우 높아진다.
도 1은, 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 일 실시형태를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이고, (c)는 AA단면을 나타내는 단면도이다. 도에서 치수 단위는 mm이다(이하, 동일함).
도 2는, 조면화 영역(3)에서의 조면의 패턴을 나타내는 평면도이다.
도 3은, 금속 표면에의 레이저 조사 방법의 구체적인 예를 나타내는 도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 다른 실시형태를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 금속 수지 복합성형체의 일 실시형태를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이고, (c)는 BB단면을 나타내는 단면도이다.
도 6은, 기밀 시험기(7)를 이용한 기밀성 평가 방법을 나타내는 종단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시형태로 한정되지 않는다.
<인서트 금속부재>
본 발명의 인서트 금속부재는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역을 구비한다.
먼저, 조면을 형성하기 전의 인서트 금속부재에 대하여 설명한다. 인서트 금속부재를 구성하는 금속재료로서는, 알루미늄, 마그네슘, 스텐레스강, 동(銅) 등을 예시할 수 있다. 또한, 인서트 금속부재는, 금속 합금으로 구성될 수 있다. 또한, 금속재료의 표면에는, 양극(陽極) 산화 처리 등의 표면 처리나 도장이 실시되어 있을 수 있다.
본 발명에서는, 용도 등에 따라서 원하는 형상으로 성형한 인서트 금속부재를 사용한다. 예를 들면, 원하는 형상의 틀에 용융된 금속 등을 흘려 넣음으로써 원하는 형상의 인서트 금속부재를 얻을 수 있다. 또한, 인서트 금속부재를 원하는 형상으로 성형하기 위하여, 공작기계 등에 의한 절삭 가공 등을 이용할 수도 있다.
본 발명에 따른 인서트 금속부재의 일 실시형태에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 일 실시형태를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이고, (c)는 AA단면을 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 인서트 금속부재(1)는, 직경 50mm, 두께 1mm의 원판상(圓板狀)이고, 중심부에는 동심원상으로 직경 20mm의 구멍(2)을 가진다. 인서트 금속부재(1)는, 구멍(2) 주위의 평면상에 처리폭(d)(즉, 후술하는 차단측의 가장자리부로부터 개방측의 가장자리부까지의 거리)의 조면화 영역(3)을 구비한다. 조면화 영역(3)은, 복수의 조면을 가진다. 처리폭(d)은, 설계상의 관점 등에서 작을수록 좋고, 본 발명에서는, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성이 향상된다는 점에서, 예를 들면 2mm 이하, 바람직하게는 1.5mm 이하, 더욱 바람직하게는 1mm 이하로 설정할 수 있다. 인서트 금속부재(1)에서, 인서트 금속부재(1)와 인서트 금속부재(1)상에 인서트 성형되는 수지부재의 접합 예정면은, 인서트 금속부재(1)의 평면상에서 구멍(2)의 원주와 접합 예정면의 외주(外周)(4)에 의해 둘러싸이는 영역, 및 구멍(2)의 둘레면(周面)으로 이루어진다. 접합 예정면의 외주(4)는, 인서트 금속부재(1)와 동심원상으로 되어 있고, 직경은 30mm이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 조면화 영역(3)은, 접합 예정면의 일부에 형성되어 있다.
조면화 영역(3)의 내주연(內周緣) 및 외주연(外周緣)의 일방이 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부가 되고, 타방이 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부가 된다. 조면화 영역(3)의 내주연 및 외주연의 어느 쪽이 차단측의 가장자리부 또는 개방측의 가장자리부가 될 것인가는, 인서트 금속부재(1)로부터 얻어지는 금속 수지 복합성형체의 사용 방법에 의한다. 이 점에 대해서, 후술하는 도 5에 나타낸 금속 수지 복합성형체(5)를 예로 들어 구체적으로 설명한다. 금속 수지 복합성형체(5)가 기체 또는 액체를 외측에서 내측으로 들어가지 못하도록 하기 위해 사용되고 있는 경우에는, 조면화 영역(3)의 외주연이 차단측의 가장자리부가 되고, 조면화 영역(3)의 내주연이 개방측의 가장자리부가 된다. 이 경우, 차단해야 할 기체 또는 액체의 누설 방향은, 외측에서 내측을 향해 들어 오는 방향이다. 한편, 금속 수지 복합성형체(5)가 기체 또는 액체를 내측에서 외측으로 내보내지 않기 위해 사용되고 있는 경우에는, 조면화 영역(3)의 내주연이 차단측의 가장자리부가 되고, 조면화 영역(3)의 외주연이 개방측의 가장자리부가 된다. 이 경우, 차단해야 할 기체 또는 액체의 누설 방향은, 내측에서 외측을 향해 나가는 방향이다.
조면화 영역(3)에서의 조면의 패턴은, 조면화 영역(3)의 내주연과 외주연 사이에 연속 관통하는 조면을 가지지 않는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 도 2는, 조면화 영역(3)에서의 조면의 패턴을 나타내는 평면도이다. 도 2에서, 인서트 금속부재(1)의 평면상에서 구멍(2)의 원주와 접합 예정면의 외주(4)에 의해 둘러싸이는 영역내에 존재하는 곡선이 조면을 나타낸다. 예를 들면, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 원형으로 배치된 복수의 조면으로 이루어지는 패턴을 들 수 있다. 여기서, 복수의 조면은, 동심원상으로 배치될 수도 있고, 일부 또는 전부가 다른 중심을 가질 수도 있다. 또한, 조면끼리 교차될 수도 있다. 또한, 조면은 원형이 아닐 수도 있고, 예를 들면, 타원형일 수도 있고, 파상(波狀)의 곡선으로 이루어질 수도 있다. 그리고 조면은 매끄러운 곡선으로 형성되지 않아도 되며, 예를 들면, 다각형상으로 형성될 수도 있다. 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 도 2(a)의 원형으로 배치된 조면의 일부가 끊어질 수도 있다. 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 조면이 나선형일 수도 있다. 조면의 패턴을 알기 쉽게 도시하기 위해, 도 2에서 조면화 영역(3)의 처리폭(d)은, 도 1에서보다 크게 설정되어 있다.
도 2(a)~(c)의 어느 것에도, 조면화 영역(3)의 내주연과 외주연 사이에 연속 관통하는 조면은 존재하지 않으므로, 이러한 인서트 금속부재를 수지부재와 일체화시킨 경우에 조면을 통한 기체 또는 액체의 누설이 발생되기 어려우므로, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명에서, 금속 표면에 조면을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 조면화 수법을 이용할 수 있는데, 예를 들면 레이저 처리나 화학 에칭을 들 수 있다. 원하는 범위에 용이하게 조면을 형성할 수 있고, 작업도 간편하고 효율적이라는 점에서, 조면은 레이저 조사에 의해 형성된 것이 바람직하다. 레이저 처리의 경우, 구체적으로는, 레이저를 조사하여 금속 표면을 홈 가공 및 용융시켜 재응고 시키는 조건으로 조면 가공한다. 화학 에칭의 경우, 마스킹 등에 의해 원하는 범위를 조면화함으로써, 조면의 패턴을 형성한다.
조면화 영역에서의 복수의 조면은, 평행하게 늘어설 수 있고, 평행하게 늘어서지 않을 수도 있다. 조면이 늘어서는 방향에서의 조면의 중심간 거리가, 이웃하는 조면의 간격이고, 본 명세서에서는, 이웃하는 조면의 간격을 『해칭폭』이라 할 수 있다. 본 발명에서는, 해칭폭이 250㎛ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 해칭폭이 250㎛ 이하이면, 금속 부품과 수지 부품의 밀착성이 향상되기 쉽다. 보다 바람직한 해칭폭의 범위는 50㎛ 이상 250㎛ 이하이다. 해칭폭이 일정하지 않을 경우(예를 들면, 복수의 조면이 평행하게 늘어서 있지 않은 경우 등)는, 해칭폭의 적어도 일부가 상기 범위인 것이 바람직하다. 일부일지라도 해칭폭이 상기 범위에 있으면, 해칭폭이 250㎛ 이하인 부분에서의 인서트 금속부재와 수지부재의 밀착성이 향상되어, 전체적으로 인서트 금속부재와 수지부재의 밀착성이 향상되기 때문이다. 단, 상기 밀착성을 매우 우수하게 하기 위해서는, 상기 해칭폭의 최대치가 250㎛ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 조면화 영역 1mm2 당의 조면의 면적이 0.2mm2 이상인 것이 바람직하고, 0.3mm2 이상인 것이 보다 바람직하다. 조면화 영역 1mm2 당의 조면의 면적이 0.2mm2 이상인 경우에는, 금속부재와 인서트 성형되는 수지부재 사이의 물리적 접착(앵커) 효과를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 기밀성이 향상되기 쉽다. 특히, 후술하는 바와 같이, 인서트 금속부재(1)가 화학적으로 처리되어 있는 경우, 조면화 영역 1mm2 당의 조면의 면적은 0.15mm2 이상인 것이 바람직하다. 또한, 레이저 조사에 의해 조면을 형성하는 경우는, 조사에 의해 형성된 레이저홈의 전체 길이와 레이저광의 스폿지름의 곱을 조면의 면적으로 한다.
조면의 수는 복수인 한 특별히 한정되지 않는다. 조면의 수가 3 이상인 경우, 어느 하나의 이웃하는 조면의 해칭폭의 적어도 일부가 250㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 복수의 조면이 서로 교차될 수 있다.
상기의 조면을 형성할 때에는 조면을 형성하는 요철의 깊이가 100㎛ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하고, 5~100㎛가 되도록 조정하는 것이 보다 바람직하다. 요철의 깊이가 100㎛ 이하인 경우, 조면을 형성하기 위한 처리 시간이 길어지지 않으므로 제조상의 관점에서 바람직하다. 요철의 깊이를 100㎛ 이하로 조정하는 방법으로서는, 한 번 레이저광을 조사한 위치에, 이중, 삼중 거듭하여 레이저광을 조사하거나(주사 회수의 조정), 레이저광의 스폿지름을 조정하거나, 레이저광의 출력을 조정하거나, 레이저광의 주파수를 조정하거나, 레이저광의 주사 속도를 조정하는 방법이나, 동일 위치에서 여러 차례 화학 에칭을 실시하거나, 에칭액의 조성이나 에칭 시간을 조정하는 방법을 들 수 있다. 구체적인 조건에 대해서는, 인서트 금속부재를 구성하는 금속재료의 종류 등에 따라서 다르므로, 금속재료의 종류 등에 따라서 적절하게 바람직한 조건을 적용한다.
요철의 깊이는, 레이저 현미경을 이용하여 측정된 값을 적용한다. 조면끼리 교차하는 경우 교차되는 부분에서는 교차되지 않는 부분에 비해, 보다 깊은 요철이 형성된다. 이와 같이 교차되는 부분이 있는 경우에는, 교차되지 않는 부분에 대해 상기 방법으로 요철의 깊이를 측정한다.
이하, 금속 표면에 조면을 형성하는 구체적인 방법에 대하여, 펄스파의 레이저광을 조사하는 경우를 예로 설명한다. 도 3(a)에 기재하는 바와 같이 레이저 광은 금속 표면에 조사된다. 레이저가 조사된 부분에 조면이 형성된다. 도 3에서 백색 화살표는, 레이저의 주사 방향을 나타낸다.
또한, 도 3(a)에는, 조면을 나란하게 형성하기 위한 레이저의 조사 방법을 나타낸다. 도 3(a)에 기재된 조사 방법의 경우, 두 개의 조면이 거의 평행하게 늘어선다. 도 3(a)에서, 조면이 늘어서는 방향에서의 펄스의 중심간 거리가 해칭폭이다. 도 3(a)에 나타낸 경우에서는, 해칭폭이 일정하고, 해칭폭이 250㎛ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 해칭폭의 범위는 50㎛ 이상 250㎛ 이하이다. 또한, 조면화 영역 1mm2 당의, 레이저 조사에 의해 형성된 조면의 면적이 0.2mm2 이상인 것이 바람직하고, 0.3mm2 이상인 것이 보다 바람직하다.
도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 거의 평행하게 레이저를 조사하지 않아도 된다. 도 3(b)에 나타낸 바와 같은 경우에는, 해칭폭이 일정하지 않으나, 해칭폭의 적어도 일부가 250㎛ 이하인 것이 바람직하다. 일부일지라도 해칭폭이 상기 범위에 있으면, 해칭폭이 250㎛ 이하인 부분에서의 인서트 금속부재와 수지부재의 밀착성이 향상되어, 전체적으로 인서트 금속부재와 수지부재의 밀착성이 향상되기 때문이다. 단, 상기 밀착성을 매우 우수하게 하기 위해서는, 상기 해칭폭의 최대치가 250㎛ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 레이저광이 직선상으로 조사되지 않아도 된다. 이 경우도, 도 3(b)의 경우와 마찬가지로, 해칭폭이 일정하지 않으나, 해칭폭의 적어도 일부가 250㎛ 이하가 되면 바람직하다는 점, 해칭폭의 최대치가 250㎛ 이하이면 바람직하다는 점은, 도 3(b)의 경우와 동일하다.
또한, 도 3(d)는, 복수의 조면끼리 교차하는 경우를 나타낸다.
레이저광의 스폿지름(도 3에 나타내는 바와 같이, 레이저광의 조사 범위가 원인 경우의, 조사 범위를 나타내는 원의 직경)은, 200㎛ 이하가 바람직하고, 30~130㎛가 보다 바람직하다.
인서트 금속부재(1)는, 화학적으로 처리되어 있을 수 있다. 화학적으로 처리함으로써, 인서트 금속부재(1)와 인서트 성형되는 수지부재 사이에, 공유결합, 수소결합, 또는 분자간력 등의 화학적 접착 효과가 부여되므로, 인서트 금속부재(1)와 수지부재의 계면에서의 기밀성이 향상되기 쉽다. 그리고, 화학적 처리를 실시하지 않은 경우에 비해, 적은 조면의 가공 면적일지라도 동등한 기밀성이 유지된다. 화학적인 처리로서는, 예를 들면, 코로나 방전등의 건식 처리, 트리아진 처리(일본공개특허 2000-218935호 공보 참조), 케미컬 에칭(일본공개특허 2001-225352호 공보) 등을 들 수 있다. 또한, 인서트 금속부재(1)를 구성하는 금속재료가 알루미늄인 경우에는, 온수 처리(일본공개특허 평 8-142110호 공보)도 들 수 있다. 온수 처리로서는, 100℃의 물에 3~5분간의 침지를 들 수 있다. 복수의 화학적인 처리를 조합하여 실시할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 도 1에서는, 원판상의 인서트 금속부재를 나타냈으나, 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 형상은 원판상으로 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 다른 실시형태로는, 예를 들면, 도 4에 나타내는 것을 들 수 있다. 도 4는, 본 발명에 따른 인서트 금속부재의 다른 실시형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 4에서, 각기둥 또는 원기둥 측면에 그려진 선이 조면을 나타낸다. 도 4(a)는, 각기둥 형태의 인서트 금속부재를 나타낸다. 조면은, 4개의 측면 모두에 형성될 수 있고, 일부의 측면에만 형성될 수도 있다. 어느 한 측면과 여기에 인접하는 측면 사이에 조면이 연속될 수도 있고, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 불연속일 수도 있다. 도 4(b)는, 원기둥 형태의 인서트 금속부재를 나타낸다. 도 4(b)에서, 조면은 도 2(b)와 마찬가지로, 일부가 끊어져 있다. 도 4(c)는, 다른 원기둥 형태의 인서트 금속부재를 나타낸다. 도 4(c)에서, 조면은 도 2(c)와 마찬가지로, 나선형으로 되어 있다. 도 4(a)에 나타낸 인서트 금속부재는, 예를 들면 각 단자로서 이용할 수 있다. 또한, 도 4(b) 및 (c)에 나타낸 인서트 금속부재는, 예를 들면, 환 단자로서 이용할 수 있다.
도 4(a)~(c)에서, 조면화 영역의 가장자리부는, 각기둥 또는 원기둥의 길이 방향으로 거리를 두고 2개소 존재한다. 차단해야 할 기체 또는 액체가 각기둥 또는 원기둥의 길이 방향의 일단 측에 접하는 경우(즉, 차단해야 할 기체 또는 액체의 누설 방향이 각기둥 또는 원기둥의 길이 방향인 경우), 조면화 영역의 가장자리부 중, 일방이 차단측의 가장자리부가 되고, 타방이 개방측의 가장자리부가 되나, 이들 2개소의 가장자리부 사이에 연속 관통하는 조면은 존재하지 않으므로, 이들 인서트 금속부재를 수지부재와 일체화한 경우에, 조면을 통한 기체 또는 액체의 누설이 발생되기 어려우므로, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
<금속 수지 복합성형체>
본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 상기한 바와 같이, 기체 또는 액체의 차단기능을 가지고, 인서트 금속부재와 상기 인서트 금속부재상에 인서트 성형된 수지부재를 구비한다. 인서트 금속부재의 표면에 형성되는 요철이, 기체 또는 액체의 경로가 되지 않도록 형성되어 있으므로, 본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성이 높다.
먼저, 수지부재에 대하여 간단히 설명한다. 수지부재를 구성하는 재료로는, 특별히 한정되지 않으며, 종래 공지의 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 조성물을 사용할 수 있다. 열가소성 수지 조성물에는, 열가소성 수지 이외에 미량의 불순물 밖에 포함하지 않는 등, 실질적으로 열가소성 수지로 구성되는 경우도 포함된다.
열가소성 수지로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 아크릴로니트릴/스티렌 수지(AS), 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌 수지(ABS), 메타크릴 수지(PMMA), 염화비닐(PVC)을, 열가소성 수지(범용 엔지니어링 수지)로서는, 예를 들면, 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 초고분자량 폴리에틸렌(UHPE), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), GF강화 폴리에틸렌 테레프탈레이트(GF-PET), 폴리메틸펜텐(TPX), 폴리카보네이트(PC), 변성 폴리페닐렌 에테르(PPE)를, 열가소성 수지(슈퍼 엔지니어링 수지)로서는, 예를 들면, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정성 수지(LCP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리설폰(PSF), 폴리에테르설폰(PES), 폴리아미드이미드(PAI)를, 열경화성 수지로서는, 예를 들면, 페놀 수지, 요소수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르, 알키드 수지, 에폭시 수지, 디알릴 프탈레이트를, 엘라스토머로서는, 예를 들면, 열가소성 엘라스토머나 고무, 예를 들면, 스티렌ㆍ부타디엔계, 폴리올레핀계, 우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 1, 2-폴리부타디엔, 폴리염화비닐계, 아이오노머를 들 수 있다. 그리고, 열가소성 수지에 유리 섬유를 첨가한 것이나, 폴리머 알로이 등도 들 수 있다.
또한, 본 발명의 효과를 크게 저해하지 않는 범위에서, 원하는 물성 부여를 위해, 상술한 유리 섬유로 대표되는 종래 공지의 각종 무기ㆍ유기 충전제, 난연제, 자외선 흡수제, 열안정제, 광안정제, 착색제, 카본 블랙, 이형제, 가소제 등의 첨가제를 함유한 것일 수 있다.
열가소성 수지 조성물중에서도, 보다 좋은 밀착성을 얻기 위하여, 열가소성 수지의 융점+20℃ 이상 열가소성 수지의 융점+50℃ 이하의 온도, 특히 열가소성 수지의 융점+20℃ 이상 열가소성 수지의 융점+30℃ 이하의 온도에서 측정한, 전단 속도 1000/초에서의 용융 점도가 500Paㆍs 이하인 열가소성 수지 조성물을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 열가소성 수지 조성물은, 열가소성 수지 외에, 종래 공지의 충전제 및/또는 첨가제를 포함할 수 있다.
상기의 점에서, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정성 수지(LCP) 등은, 바람직한 열가소성 수지이고, 특히, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 및 액정성 수지(LCP)가 바람직하게 이용된다.
본 발명에 따른 금속 수지 복합성형체의 일 실시형태에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는, 본 발명에 따른 금속 수지 복합성형체의 일 실시형태를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이고, (c)는 BB단면을 나타내는 단면도이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 금속 수지 복합성형체(5)는, 인서트 금속부재(1)와 인서트 금속부재(1)상에 인서트 성형된 수지부재(6)를 구비한다. 인서트 금속부재(1)는, 상술한 바와 같다. 수지부재(6)는, 직경 30mm, 두께 2mm의 원판상인 상부와, 직경 20mm, 두께 1mm의 원판상인 하부로 구성되고, 상기 하부는, 인서트 금속부재(1)중의 구멍(2)을 충전하고 있다. 금속 수지 복합성형체(5)에서, 인서트 금속부재(1)와 수지부재(6)의 접합면은, 인서트 금속부재(1)의 평면상에서 구멍(2)의 원주와 수지부재(6)의 외주에 둘러싸이는 영역, 및, 구멍(2)의 둘레면으로 이루어진다. 인서트 금속부재(1)의 평면상에서의 수지부재(6)의 외주는, 도 1에서의 접합 예정면의 외주(4)에 상당한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 조면화 영역(3)은 접합면의 일부에 형성되어 있다.
금속 수지 복합성형체(5)에서, 인서트 금속부재(1)와 수지부재(6)의 접합면의 일부에는, 조면화 영역(3)이 형성되어 있으므로, 도 2를 이용하여 상술한 바와 같이, 조면을 통한 기체 또는 액체의 누설이 발생되기 어려우므로, 인서트 금속부재(1)와 수지부재(6)의 계면에서의 기밀성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 인서트 금속부재와 수지부재의 계면에서의 기밀성이 우수하기 때문에, 본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 높은 기밀성이 요구되는 용도에 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 습도나 수분에 의해 악영향을 받기 쉬운 전기ㆍ전자 부품 등을 내부에 구비하는 금속 수지 복합성형체로서 적합하다. 특히, 높은 레벨의 방수가 요구되는 분야, 예를 들면, 강, 풀장, 스키장, 욕실 등에서의 사용이 상정되는, 수분이나 습기의 침입이 고장으로 이어지는 전기 또는 전자기기용의 부품으로서 이용하는 것이 적합하다. 본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 예를 들면, 경사 센서, 연료 센서 등의 센서로서 유용하다. 경사 센서로서는, 자세 제어 등의 차재(車載) 용도에 이용되는 것이나, 게임 콘트롤러에 이용되는 것이 예시된다. 연료 센서로서는, 연료량 계측 등의 차재 용도에 이용되는 것이 예시된다. 또한, 본 발명의 금속 수지 복합성형체는, 예를 들면, 내부에 수지제의 보스나 지지 부재 등을 구비한, 전기ㆍ전자기기용 케이스로서도 유용하다. 여기서, 전기ㆍ전자기기용 케이스로서는, 휴대 전화 외에, 카메라, 비디오 일체형 카메라, 디지털 카메라 등의 휴대용 영상 전자기기의 케이스, 노트북 컴퓨터, 포켓 컴퓨터, 전자계산기, 전자수첩, PDC, PHS, 휴대 전화 등의 휴대용 정보 혹은 통신 단말의 케이스, MD, 카셋트 헤드폰 스테레오, 라디오 등의 휴대용 음향 전자기기의 케이스, 액정 TVㆍ모니터, 전화, 팩시밀리, 핸드 스캐너 등의 가정용 전화 (電化) 기기의 케이스 등을 들 수 있다.
<금속 수지 복합성형체의 제조 방법>
금속 수지 복합성형체의 제조 방법의 구체적인 공정은 특별히 한정되지 않으며, 용융된 열가소성 수지 조성물을 조면의 요철에 주입시킴으로써, 수지부재와 인서트 금속부재를 일체화시키는 것이면 된다.
예를 들면, 조면이 형성된 인서트 금속부재를, 사출 성형용 금형내에 배치하고, 용융 상태의 열가소성 수지 조성물을 사출 성형용 금형내에 사출하여, 수지부재와 인서트 금속부재가 일체화된 금속 수지 복합성형체를 제조하는 방법을 들 수 있다. 사출 성형의 조건은 특별히 한정되지 않으며, 열가소성 수지 조성물의 물성 등에 따라서, 적절하게 바람직한 조건을 설정할 수 있다. 또한, 트랜스퍼 성형, 압축 성형 등을 이용하는 방법도 수지부재와 인서트 금속부재가 일체화된 금속 수지 복합성형체를 형성하는 유효한 방법이다.
다른 예로서는, 미리 사출 성형법 등의 일반적인 성형 방법으로 수지부재를 제조하고, 조면이 형성된 인서트 금속부재와 상기 수지부재를, 원하는 접합 위치에서 접촉시키고 접촉면에 열을 가함으로써, 수지부재의 접촉면 부근을 용융시켜 수지부재와 인서트 금속부재가 일체화된 금속 수지 복합성형체를 제조하는 방법을 들 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명이 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<금속 수지 복합성형체의 제조 방법>
실시예 및 비교예에서는, 도 5에 나타낸 금속 수지 복합성형체를 사용하였다.
인서트 금속부재(1)로서, 알루미늄(A5052, 두께 1mm)으로 구성되고, 다음과 같이 하여 조면을 형성한 판상물을 이용하였다. 이들 판상의 인서트 금속부재는, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 조면화 영역(3)을 가진다.
수지부재(6)를 구성하는 열가소성 수지 조성물로서, 폴리페닐렌 설파이드계 수지 조성물(충전재료로서 유리 섬유를 35질량% 포함하고, 열가소성 수지의 융점이 280℃이며, 열가소성 수지의 융점+30℃의 온도에서 측정한, 전단 속도 1000/초에서의 용융 점도가 160Paㆍs인 수지 조성물, 폴리플라스틱스(주) 제품, 『포트론(등록상표) 1135 MF1』) 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트계 수지 조성물(충전재료로서 유리 섬유를 30질량% 포함하고, 열가소성 수지의 융점이 210℃이며, 열가소성 수지의 융점+50℃의 온도에서 측정한, 전단 속도 1000/초에서의 용융 점도가 140Paㆍs인 수지 조성물, 윈 텍 폴리머(주) 제품, 『쥬라넥스(등록상표) 303 RA』)을 사용하였다.
융점 및 용융 점도의 측정 방법은 다음과 같다. 또한, 표 1 및 표 2에서는, 폴리페닐렌 설파이드계 수지 조성물을 『PPS』, 폴리부틸렌 테레프탈레이트계 수지 조성물을 『PBT』라고 표기한다.
[융점]
시차주사열량분석장치(퍼킨엘머사 제품 DSC)를 이용하여, 실온에서부터 20℃/분의 승온 조건으로 열가소성 수지의 융점을 측정하였다. 폴리페닐렌 설파이드계 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지의 융점은 280℃였다. 또한, 폴리부틸렌 테레프탈레이트계 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지의 융점은 210℃였다.
[용융 점도]
토요세이키(주) 제품 캐필로그라프를 이용하여, 캐필러리로서 1mmΦ20mmL/플랫 다이를 사용하고, 소정의 배럴 온도와, 전단 속도 1000/초에서의 용융 점도를 측정하였다. 배럴 온도는, 폴리페닐렌 설파이드계 수지 조성물을 이용한 경우, 310℃(열가소성 수지의 융점+30℃에 해당)이고, 폴리부틸렌 테레프탈레이트계 수지 조성물을 이용한 경우, 260℃(열가소성 수지의 융점+50℃에 해당)였다.
<조면의 형성>
레이저 마커 MD-V9900(키엔스사 제품, 레이저 타입: YV04 레이저, 발신 파장: 1064nm, 최대정격출력: 13W(평균))을 이용하여, 출력 90%, 해칭폭 100㎛ 또는 200㎛, 주파수 40kHz, 주사 속도 1000 mm/s, 주사 회수 100회(요철의 깊이 30㎛인 경우) 또는 300회(요철의 깊이 70㎛인 경우), 처리폭(도 5에서 d) 1mm, 1.5mm, 또는 2mm의 조건으로, 조면 형성전의 금속 표면 중, 조면화 영역(3)에 해당하는 부분에 조면을 형성하였다. 실시예 1~10에서는, 도 2(a)에 나타낸 동심원 패턴이 되도록, 조면을 형성하였다. 한편, 비교예 1, 3, 및 4에서는, 소정 방향으로 거의 평행하게 늘어선 복수의 조면과, 상기 소정 방향에 대해서 90°회전한 방향에 거의 평행하게 늘어선 복수의 조면을 교차시켜 크로스헤칭 패턴이 되도록 조면을 형성하였다. 그리고, 비교예 2에서는, 소정 방향에 거의 평행하게 늘어선 복수의 조면을 형성시키고, 싱글 해칭 패턴이 되도록 조면을 형성하였다. 레이저광의 스폿지름은, 50㎛로 조정하였다. 또한, 실시예 1~2, 9 및 비교예 1~4에서는, 조면화 영역 1mm2 당의, 레이저 조사에 의해 형성된 레이저홈의 전체 길이와 레이저광의 스폿지름의 곱으로 정의한 조면의 면적이, 0.5mm2가 되도록 해칭폭을 조정하였다. 또한, 실시예 3~6 및 10에서는, 조면화 영역 1mm2 당의, 레이저 조사에 의해 형성된 레이저홈의 전체 길이와 레이저광의 스폿지름의 곱으로 정의한 조면의 면적이, 0.25mm2가 되도록 해칭폭을 조정하였다. 그리고, 실시예 7 및 8에서는, 조면화 영역 1mm2 당의, 레이저 조사에 의해 형성된 레이저홈의 전체 길이와 레이저광의 스폿지름의 곱으로 정의한 조면의 면적이, 각각 0.13mm2 및 0.17mm2가 되도록 해칭폭을 조정하였다.
실시예 3, 5, 7, 8, 및 10에서는, 조면을 형성한 인서트 금속부재(1)를 100℃의 물에 3~5분간 침지함으로써, 화학적으로 처리하였다.
또한, 조면을 형성하는 요철의 깊이를, 레이저 현미경(주식회사 키엔스사 제품, 『VK-9510』)을 이용하여 측정하였다. 그리고 비교예에서는, 조면이 교차되지 않는 부분에서 요철의 깊이 Y를 측정하였다. 측정 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
인서트 금속부재(1)를 각각 금형에 배치하고, 일체화 공정을 실시하였다. 성형 조건은 다음과 같다. 금속 수지 복합성형체(5)의 형상은, 도 5에 나타낸 바와 같다.
[성형 조건]
(폴리페닐렌 설파이드계 수지 조성물을 이용한 경우)
성형기: 소딕 TR-40 VR(종형 사출 성형기)
실린더 온도: 310℃-320℃-310℃-290℃
금형 온도: 150℃
사출 속도: 100mm/s
보압력: 49MPa×초
(폴리부틸렌 테레프탈레이트계 수지 조성물을 이용한 경우)
성형기: 소딕 TR-40 VR(종형 사출 성형기)
실린더 온도: 260℃-260℃-240℃-220℃
금형 온도: 140℃
사출 속도: 100mm/s
보압력: 49MPa×10초
<기밀성의 평가>
상기의 방법으로 제작한 금속 수지 복합성형체(5)에 대하여, 다음의 기밀성 평가를 실시하였다.
도 6은, 기밀 시험기(7)를 이용한 기밀성 평가 방법을 나타내는 종단면도이다. 기밀 시험기(7)는, 기밀 시험기 본체(8)와 기밀 시험기 뚜껑(9)을 구비한다. O링(10)을 끼워 금속 수지 복합성형체(5)를 기밀 시험기 본체(8)에 장착하고, 금속 수지 복합성형체(5)의 하부를 밀봉하였다. 그 후, 기밀 시험기 뚜껑(9)을 금속 수지 복합성형체(5)의 인서트 금속부재(1)상에 올리고 클램프하였다. 금속 수지 복합성형체(5) 위로 증류수(11)를 흘려, 금속 수지 복합성형체(5)를 증류수(11) 중에 완전하게 담그었다. 라인(12)을 통하여 기밀 시험기 본체 내부(13)에 450MPa의 압력을 6분간 가하고, 인서트 금속부재(1)와 수지부재(6)의 계면으로부터 기포의 누설이 있는지 없는지를 육안으로 관찰하였다. 다음의 평가 기준으로 평가한 기밀성 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
○: 상기 시험을 3회 실시하여, 1회도 기포의 누설이 확인되지 않은 경우, 기밀성이 양호하다고 평가하였다.
×: 상기 시험을 3회 실시하여, 1회라도 기포의 누설이 확인된 경우, 기밀성이 불량하다고 평가하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 조면의 패턴이 동심원 패턴인 경우에는, 처리폭 2mm에서뿐만 아니라, 처리폭 1.5mm에서도 기밀성이 양호하였다. 또한, 상기의 경우에는, 조면의 패턴이 싱글 해칭 패턴 및 크로스헤칭 패턴인 경우에 비해, 동일한 조면가공 면적이더라도 기밀성이 향상되었으며, 또한 처리 시간도 짧았다. 또한, 인서트 금속부재(1)를 화학적으로 처리한 경우에는, 화학적으로 처리하지 않은 경우에 비해, 기밀성이 향상되었으며(실시예 3과 실시예 4의 비교, 또는 실시예 5와 실시예 6의 비교), 그리고, 적은 조면가공 면적이더라도 양호한 기밀성을 나타내었다(실시예 1과 실시예 3의 비교, 실시예 1과 실시예 8의 비교, 실시예 2와 실시예 5의 비교, 또는, 실시예 9와 실시예 10의 비교). 나아가, 인서트 금속부재(1)를 화학적으로 처리한 경우에서, 조면화 영역 1mm2 당의 레이저 가공 면적이 0.15mm2 이상이면, 기밀성이 보다 양호하였다 (실시예 7과 실시예 8의 비교).
1 인서트 금속부재
2 구멍
3 조면화 영역
4 접합 예정면의 외주
5 금속 수지 복합성형체
6 수지부재
7 기밀 시험기
8 기밀 시험기 본체
9 기밀 시험기 뚜껑
10 O링
11 증류수
12 라인
13 기밀 시험기 본체 내부

Claims (10)

  1. 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재로서,
    상기 인서트 금속부재는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역을 구비하고,
    상기 조면화 영역은, 적어도, 상기 인서트 금속부재와 상기 인서트 금속부재상에 인서트 성형되는 수지부재의 접합 예정면의 일부 또는 전부에 형성되고,
    상기 접합 예정면에서, 상기 조면화 영역은, 상기 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터, 상기 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않는 인서트 금속부재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 조면은, 레이저 조사에 의해 형성된 것인 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    화학적으로 처리된 금속 수지 복합성형체용의 인서트 금속부재.
  4. 인서트 금속부재와 상기 인서트 금속부재상에 인서트 성형된 수지부재를 구비하고, 기체 또는 액체의 차단기능을 가지는 금속 수지 복합성형체로서,
    상기 인서트 금속부재는, 그 표면에 복수의 조면을 가지는 조면화 영역을 구비하고,
    상기 조면화 영역은, 적어도, 상기 인서트 금속부재와 상기 수지부재의 접합면의 일부 또는 전부에 형성되고,
    상기 접합면에서, 상기 조면화 영역은, 상기 기체 또는 액체가 접하는 차단측의 가장자리부로부터, 상기 기체 또는 액체가 접하지 않는 개방측의 가장자리부에 걸쳐 연속 관통하는 조면을 가지지 않은 금속 수지 복합성형체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 조면은, 레이저 조사에 의해 형성된 것인 금속 수지 복합성형체.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 인서트 금속부재는, 화학적으로 처리된 금속 수지 복합성형체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 조면화 영역에서, 조면화 영역 1mm2 당의 조면의 면적이 0.15mm2 이상인 금속 수지 복합성형체.
  8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 조면화 영역에서, 조면화 영역 1mm2 당의 조면의 면적이 0.2mm2 이상인 금속 수지 복합성형체.
  9. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 조면화 영역내의 조면에서, 형성된 요철의 깊이가 100㎛ 이하인 금속 수지 복합성형체.
  10. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 조면화 영역에서의 상기 차단측의 가장자리부로부터 상기 개방측의 가장자리부까지의 거리가 1.5mm이하인 금속 수지 복합성형체.
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