KR20150064567A - 금속과 수지의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속과 수지의 접합방법에 관한 것으로, 금속의 형상을 가공하는 단계와, 상기 가공된 금속을 레이저로 표면처리하는 단계 및 상기 표면처리된 금속에 수지를 사출하는 단계를 포함하고, 상기 표면처리하는 단계는, 연속파 레이저로 레이저 빔을 조사하여 상기 금속 표면에 용융에 의해 외부를 향하여 볼록하게 형성되는 볼록부 및 상기 볼록부의 배면에 형성되는 오목부를 포함하는 그루브(groove)를 형성하여 상기 수지가 상기 그루브에 의해 상기 금속과 결합되도록 하는 금속과 수지의 접합방법이 제공된다.

Description

금속과 수지의 접합방법{METHOD FOR JOINING METAL AND RESIN}

본 발명은 금속과 수지의 접합방법에 관한 것으로, 금속 표면을 표면처리하고 수지를 사출하여 금속과 수지를 접합하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수지와 금속금속을 서로 접합시키기 위한 방법으로, 물리적인 방법과 화학적인 방법이 있다. 물리적인 방법은 오목부(concavity)와 볼록부(convexity)를 상기 수지와 상기 금속의 접합면에 형성하여 앵커링(anchoring) 효과에 의해 접합하는 방식이고, 화학적인 방법은 화학적 작용기(chemical functional group)들이 산성 또는 알칼리 처리나 프라이머 처리와 같은 표면 처리를 실행하여 에폭시계 접착제와 같은 접착제로 금속과 수지를 접합시키는 방식이다.

상기 금속과 수지가 접착제를 사용하여 접합되는 경우에는, 산성, 알칼리, 또는 프라이머 처리제와 같은 대량의 표면처리제가 사용되므로, 사용을 마친 표면처리제가 폐기되는 경우, 환경적인 부담이 야기된다.

한편, 최근에는 휴대용 전자 제품들이 더욱 가볍고, 짧아지고, 작아지게 됨에 따라 경량 및 고 강도성을 갖는 금속 하우징이 더욱 필요한 실정이다. 이러한 요구들에 따르기 위해서, 산업계에서는 금속 하우징과 수지부재를 결합하는 복합 물질에 관심이 집중되고 있다. 상기 복합 물품을 제조하기 위한 통상적인 방법은 금속과 수지를 분리하여 몰딩하는 단계, 상기 금속 상에 접착제를 적용하는 단계, 및 상기 금속 부품과 상기 수지를 적층 및 프레싱하여 함께 접합시키는 단계를 포함한다. 그러나, 상기 금속 하우징은 평평한 평면 구조물이 아니라 불규칙한 곡선 표면으로 제공되며, 수지도 대응하는 곡선 표면을 갖는다. 따라서 두 개의 곡선 표면들을 서로 접합하는 것은 쉽지 않아 수율 향상을 저해하게 된다.

본 발명의 일 목적은 금속 표면을 레이저로 조사하여 그루브를 형성시킨 다음, 그루브에 의해 수지가 결합되도록 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속의 형상을 가공하는 단계와, 상기 가공된 금속을 레이저로 표면처리하는 단계 및 상기 표면처리된 금속에 수지를 사출하는 단계를 포함하고, 상기 표면처리하는 단계는, 연속파 레이저로 레이저 빔을 조사하여 상기 금속 표면에 용융에 의해 외부를 향하여 볼록하게 형성되는 볼록부 및 상기 볼록부의 배면에 형성되는 오목부를 포함하는 그루브(groove)를 형성하여 상기 수지가 상기 그루브에 의해 상기 금속과 결합되도록 하는 금속과 수지의 접합방법이 제공될 수 있다.

상기 연속파 레이저는, 주파수가 200KHz 이하일 수 있고, 상기 레이저 빔의 스폿(spot)의 크기는 30~80㎛일 수 있다.

또한, 상기 연속파 레이저의 출력은 10~50W일 수 있고, 상기 레이저 빔의 주행 속도는 10~500mm/sec일 수 있다.

또한, 상기 그루브는, 직경이 0.1~0.2mm일 수 있고, 상기 레이저 조사선간의 간격은 0.01~1mm일 수 있다.

나아가, 상기 그루브는, 외부에 노출되는 부분의 높이가 0.08~0.1mm일 수 있다.

상기 레이저로 표면처리하는 단계 이후에는 에어 샤워(air shower) 또는 초음파 세척을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 형상 가공하는 단계 및 표면처리하는 단계 이후에는 탈지 세정하는 단계가 더 포함될 수 있다.

상기 레이저 빔의 조사는 다수의 방향으로 실시할 수 있으며, 상기 레이저 빔의 조사선은 45°, 90° 및 135°중 1 이상의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 금속 표면에 레이저를 조사함으로써 원하는 영역만 표면처리하여 접합공정의 자유도를 높일 수 있다.

또한, 값싼 범용 레이저를 사용할 수 있어 비용을 저감시킬 수 있고, 대형 공정라인이 불필요하여 공간의 활용도를 높일 수 있다.

나아가, 유해물질을 사용하지 않으므로 안전하고, 다양한 금속 및 수지의 접합이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속과 수지의 접합 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브가 형성된 금속의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사선이 형성된 금속의 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 금속에 레이저로 표면처리된 형상을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속과 수지가 접합된 단면의 SEM 사진.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속과 수지의 접합 공정의 순서도.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따르는 금속과 수지의 접합방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속(100)과 수지(200)의 접합 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브(120)(groove)가 형성된 금속(100)의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사선이 형성된 금속(100)의 평면도인데, 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 금속(100)과 수지(200)의 접합은, 상기 금속(100) 표면에 볼록부(111) 및 오목부(112)를 형성하고, 상기 볼록부(111) 및 오목부(112)에 의해 수지(200)가 앵커 효과(anchor effect)에 의해 용이하게 결합되도록 함으로써 금속(100)과 수지(200)를 접합시키는 방법이다.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 상기 금속(100) 표면에 레이저 빔을 조사하여 용융에 의해 재응고부(recast)를 형성한다. 상기 재응고부는 레이저 빔을 조사함에 따라 발생되는 열에 의해 금속(100) 표면이 용융된 이후, 응고되어 오목하게 형성된 부분을 의미한다. 즉, 레이저 빔을 금속(100) 표면에 조사하면, 열에 의해 금속이 용융된 후 대부분은 다시 응고되어 재응고부를 형성하고, 나머지는 탄화되어 연기로 증발하게 된다.

수지(200)가 용융 온도로 가열되는 경우, 금속(100)은 용융된 수지(200)에 삽입되어 인서트 사출(insert molding)되고, 상기 수지(200)가 응고됨에 따라 상기 금속(100)과 수지(200)는 앵커 효과(anchor effect)에 의해 접합된다. 상기 오목부(112)가 형성됨으로써 접합시에 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다. 즉, 용융된 수지(200)가 상기 오목부(112)로 침투된 상태에서 응고되면, 상기 오목부(112)에 걸려 외부로 빠져나오지 못한 상태에서 응고되어 상기 금속(100)과 접합되게 되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기의 볼록부(111)와 오목부(112)를 갖는 그루브(120)를 형성하기 위하여 연속파 레이저(continuous wave laser)를 사용한다. 상기 연속파 레이저는 일정한 시간 간격으로 발진 및 정지를 반복하는 레이저를 말하는데, 이산화탄소 레이저(CO2 laser), 파이버 레이저(fiber laset)를 예로 들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 금속(100) 표면에 일정한 간격으로 형성되는 레이저 빔을 다수 조사하여 그루브(120)를 형성시키는데, 상기 그루브(120)의 직경(D)은 0.1~0.2mm가 되도록 한다. 만약, 상기 그루브(120)의 직경(D)이 0.1mm보다 작다면, 유동성이 좋은 수지(200)만을 사용해야 하므로, 사용 수지(200)에 제약이 따르게 되고, 그루브(120)의 직경(D)이 0.2mm를 초과하는 경우에는 그루브(120)의 직경(D) 뿐만 아니라 높이(H)도 함께 커지게 되는데, 상기 그루브(120)의 높이(H)가 과도하게 커지는 경우에는 체결강도는 향상되나 두께가 얇은 소재의 제작에는 제약이 따르므로, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 그루브(120)의 직경(D)을 0.1~0.2mm로 한정한다. 다만, 금속(100)과 수지(200)의 접합에 있어, 접합되는 소재의 두께가 충분히 두꺼운 경우에는 상기 범위로 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 그루브(120)의 직경(D)의 크기는 모재 두께에 따라 달라질 수 있다.

상기와 같은 직경(D) 크기를 갖는 그루브(120)를 형성하기 위해서는 레이저 빔의 스폿(spot)크기를 30~80㎛로 하여 레이저 빔을 조사하는데, 만약 상기 레이저 빔의 스폿 크기가 30㎛보다 작은 경우에는 피코 레이저(pico laser) 또는 펨토 레이저(femto laser)와 유사하게 되는데, 스폿 크기를 작게 하기 위해 고비용이 소요되게 된다. 반면, 레이저 빔의 스폿 크기가 80㎛를 초과하는 경우에는 그루브(120) 즉 재응고부의 형상이 과도하게 커진다. 이때는, 상기 그루브(120)의 높이(H)가 커지게 되어 체결 강도는 좋아지나 두께가 얇은 소재를 사용하는 이동 단말기(mobile phone)와 같은 소재에는 사용이 부적합하다. 다만, 텔레비젼과 같이 두꺼운 소재가 사용되는 경우에는 80㎛보다 큰 레이저 빔을 사용할 수 있음은 당연하다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 연속파 레이저를 사용하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 빔의 발진 주파수가 200KHz이하가 되도록 한다. 레이저 빔의 발진 주파수가 200KHz를 초과하게 되면, 금속(100) 표면의 가공이 제대로 되지 않을 수 있으므로 본 발명의 일 실시예에 따른 발진 주파수는 200KHz이하로 한정한다.

레이저의 출력 또한 상기 그루브(120)의 형성에 중요한 요소인데, 본 발명의 일 실시예에서는 10~50W로 하였다. 만약, 10W보다 작은 출력을 사용하게 되면 금속(100) 표면이 제대로 가공되지 않으며, 50W를 초과하게 되면 과도한 에너지에 의해 금속(100) 표면이 탄화되고, 용융에 의한 재응고부가 형성되지 않게 된다. 상기와 같이 탄화되는 부분은 절단(cutting)해야 하므로 추가적인 작업이 필요하게 된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서의 레이저의 출력은 10~50W로 한정한다.

레이저 출력 뿐만 아니라 그루브(120)의 형성에는 레이저 빔의 주행 속도도 중요한데, 본 발명의 일 실시예에서 레이저 빔의 주행 속도를 10~500mm/sec로 한정한다. 만약, 레이저 빔의 주행 속도가 10mm/sec 보다 낮으면, 금속(100) 표면이 용융되어 타버리게 된다. 즉, 탄화부가 생기게 되고, 500mm/sec 보다 높으면, 충분한 깊이와 높이(H)를 갖는 그루브(120)가 형성되지 않게 된다.

이때, 상기 외부에 돌출되는 그루브(120)의 높이(H)는 0.08~1mm 정도가 바람직하다. 그루브(120)의 높이(H)가 0.08mm보다 낮으면 볼록부(111) 및 오목부(112)의 형성이 제대로 되지 않아, 수지(200)와의 접합력이 낮아지게 되고, 1mm보다 높게 되면, 접합부재의 두께가 과도하게 두꺼워지는 문제가 발생하므로 본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같이 그루브(120)의 높이(H)를 0.08~1mm로 한정하였다. 다만, 이때도 앞서 설명한 바와 같이 두꺼운 접합소재를 사용하고자 하는 경우에는 그루브(120)의 높이(H)에 대한 상한은 특별히 문제되지 않는다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 조사선의 간격(P)을 0.01~1mm로 한정하는데, 만약 레이저 조사선의 간격(P)을 0.01mm보다 작도록 한다면 금속(100) 표면이 재응고되지 않고 탄화될 수 있고, 1mm보다 크게 한다면 접합 강도가 낮아지게 되므로 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 조사선의 간격(P)을 상기 범위로 한정한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속(100)과 수지(200)가 접합된 단면의 SEM 사진으로 250배 확대한 사진인데, 도 5에서의 금속(100)은 알루미늄 합금으로 Al 5052를 사용하였으며, 수지(200)로는 PC(poly carbonate)를 사용하였다. 금속(100) 표면에 형성되는 그루브(120)에 의해 수지(200)가 결합된 것을 알 수 있으며, 상기 그루브(120)의 노출되는 부위에는 미세한 돌기(115)들이 형성되어 있어, 수지(200)가 보다 견고하게 결합될 수 있음을 알 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속(100)과 수지(200)의 접합 공정의 순서도이다. 금속(100)과 수지(200)의 접합 공정을 살펴보면, 먼저 접합하고자 하는 금속(100)을 레이저로 표면처리하기 위하여 금속(100)의 형상을 가공(S10)하고, 가공된 금속(100)을 레이저로 표면처리(S30)한다. 이때의 레이저에 대하여는 앞서 설명하였으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 상기 표면처리(S30)에 의해 금속(100) 표면에는 볼록부(111) 및 오목부(112)를 갖는 그루브(120)가 형성되므로, 상기 금속(100)을 수지(200)를 이용하여 인서트 사출(insert molding)함으로써 금속(100)과 수지(200)를 접합시킨다. 이때, 상기 금속(100)을 가공(S10)한 다음에는 가공시 발생되는 탈지를 제거하는 탈지 세정(S20)을 실시하고, 상기 레이저 표면처리(S30) 이후에도 발생된 탈지를 제거하는 탈지 세정(S40)을 실시한다.

도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 금속(100)에 레이저로 표면처리된 형상을 나타내는 도면인데, 금속(100) 표면에 레이저로 표면처리된 영역(130)과 표면처리되지 않은 영역(140)을 설명하기 위한 도면이다. 레이저로 표면처리된 영역(130)은 교차하는 다수의 레이저 조사선이 형성되어 표면처리 영역(130)을 형성한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 조사선은 서로 직각으로 교차하도록 형성할 수도 있고, 45° 또는 135°로 교차되도록 형성할 수도 있다. 이와 같이 다수의 레이저 조사선을 교차되도록 형성하면, 재응고부가 성장하는데 도움이 된다. 도 4에서는 레이저 조사선이 직각으로 교차하는 것만 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다수의 레이저 조사선이 다양한 각도를 가지면서 형성될 수도 있다. 다만, 레이저 조사선의 교차각이 작으면 앞서 설명한 레이저 조사선간의 간격(P)이 작은 것과 동일한 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 레이저로 금속(100) 표면을 가공하므로, 금속(100) 표면 전체를 처리하는 것이 아니고 원하는 영역만 부분적으로 표면처리한 다음 수지(200)와 접합시킬 수 있으므로 공정 자유도가 높다. 즉, 금속(100) 표면의 형상을 자유롭게 적용할 수 있으며, 유해물질인 화학약품을 사용하지 않는 건식 표면처리 방식이므로 화학적 방식에 의한 접합 방식에 비하여 안전하다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속(100)과 수지(200)의 접합방법에 의해 접합된 소재의 인장강도는 25MPa 이상이 되었다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 다양한 금속(100) 및 수지(200)의 접합이 가능한데, 사용가능한 금속(100) 재료로는 SUS, Mg, Al, ADC 합금, Ti 및 황동 등이 있고, 사용가능한 수지 재료로는 PC 수지, ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 보강 PC 수지, PBT수지(Polybutylene Terephthalate resin), PA 수지(polyamide resin), PP 수지(polypropylene resin), PPS 수지(Polyphenylene Sulfine resin), PPE 수지(Polyphenylene Ether resin), POM 수지(Poly Oxy Methylene resin), TPE 수지(Thermoplastic elastomer) 등이 있다. 다만, 상기 재료들은 일 예에 불과하고, 사용가능한 재료는 특별히 한정되지 않는다.

상기 레이저에 의한 표면처리시에는 비산물이 발생하게 되는데, 이를 제거하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 에어 샤워(air shower) 기법을 사용하거나 초음파 세척 기법을 이용한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 범용 레이저인 이산화탄소 레이저 또는 파이버 레이저를 사용하여 금속(100)을 표면처리할 수 있으므로, 대형의 공정라인이 불필요하게 된다.

이상에서 설명한 금속과 수지의 접합방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 금속의 형상을 가공하는 단계;
   상기 가공된 금속을 레이저로 표면처리하는 단계; 및
   상기 표면처리된 금속에 수지를 사출하는 단계를 포함하고,
   상기 표면처리하는 단계는,
   연속파 레이저로 레이저 빔을 조사하여 상기 금속 표면에 용융에 의해 외부를 향하여 볼록하게 형성되는 볼록부 및 상기 볼록부의 배면에 형성되는 오목부를 포함하는 그루브(groove)를 형성하여 상기 수지가 상기 그루브에 의해 상기 금속과 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연속파 레이저는,
   주파수가 200KHz 이하인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 스폿(spot)의 크기는 30~80㎛인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 연속파 레이저의 출력은 10~50W인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 주행 속도는 10~500mm/sec인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는,
   직경이 0.1~0.2mm인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 조사선간의 간격은 0.01~1mm인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는,
   외부에 노출되는 부분의 높이가 0.08~0.1mm인 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 레이저로 표면처리하는 단계 이후에는 에어 샤워(air shower) 또는 초음파 세척을 실시하는 단계를 더 포함하는 금속과 수지의 접합방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 형상 가공하는 단계 및 표면처리하는 단계 이후에는 탈지 세정하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 조사는 다수의 방향으로 실시하는 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 조사선은 45°, 90° 및 135°중 1 이상의 각도를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 금속과 수지의 접합방법.

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