KR20150087565A - 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재 - Google Patents

다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내외장재의 표면처리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2 이상의 다층 구조 금속막을 내외장재 표면에 코팅한 후 표면 양극 산화에 의해 간섭색을 발현시키는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 알루미늄, 아연, 스테인리스, 마그네슘, 플라스틱 등 일반적인 내외장재 표면에 양극 산화 처리 기술을 적용하여 육안으로 보는 각도나 표면의 3차원적인 형상에 구애받지 않는 균일하면서도 미려한 색상을 다양하게 구현할 수 있다는 효과가 있다.

Description

다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재{SURFACE TREATING METHOD FOR INTERNAL/EXTERNAL MATERIAL BY ANODIZING MULTILAYER METAL FILM, AND INTERNAL/EXTERNAL MATERIAL TREATED BY THE SAME}
본 발명은 내외장재의 표면처리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2 이상의 다층 구조 금속막을 내외장재 표면에 코팅한 후 표면 양극 산화에 의해 간섭색을 발현시키는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재에 관한 것이다.
휴대폰을 비롯한 다양한 제품류의 표면은 디자인적인 측면에서 다양한 색상 구현이 필요한 부분이다. 현재는 페인트 도장 또는 PVD 방법으로 색상을 구현하고 있지만, 페인트 도장의 경우 표면 경도 미흡으로 인한 스크레치 발생의 문제가 있으며, PVD 방법의 경우 3차원적인 형상에 의한 두께 불균일로 색상 차이 발생의 문제가 있어 노란색, 로즈 골드색 혹은 검은색 등의 한정된 색상에만 적용되고 있는 실정이다. 이에 현재는 티타늄 등의 금속 재질류에 양극 산화법을 적용시켜 다양한 간섭색을 만드는 방법이 장식 산업 분야에 널리 사용되고 있다.
양극 산화 피막처리법(Anodizing)이란, 전기화학적인 피막 형성방법 중 하나로서 황산, 수산, 크롬산 등의 용액을 전해액으로 사용하여 알루미늄 등의 금속 표면에 양극 산화 피막을 형성시켜, 기계적·전기적·화학적 특성이 우수한 피막을 형성하는 기술을 의미한다. 이러한 양극 산화 피막처리법에 의해 형성된 피막은 대단히 단단하고 내식성이 크며 다양한 색으로 염색될 수 있는데, 이에 따라 다양한 산업 분야에 사용되고 있으며, 특히 최근 수요가 급증 되고 있는 휴대폰 케이스 등의 제품 관련 산업에서 각광받고 있는 기술이다.
하지만, 알루미늄 재질의 경우 알루미늄 합금 판재를 기계 가공한 후 양극 산화시키는 방법만이 실제로 적용되고 있는 실정이며, 이는 순 알루미늄의 경우 강도가 부족하고, 반면 강도가 우수한 알루미늄 합금은 첨가물인 실리콘 등이 표면에 불균일하게 석출되어 균일한 양극 산화 피막을 형성할 수 없기 때문이다.
또, 기계 가공 방법은 생산성을 고려할 때 단순한 형태의 경우에만 적용 가능하고 복잡한 형태에는 제조 가격에 따른 경제성에 의해 적용하기 어려우며, 또한 이후 조립 공정에도 많은 노력과 비용이 소모되는 방법이다. 이에 복잡한 형상을 대량 생산하기 용이한 알루미늄 다이캐스팅 제품에 알루미늄을 진공 증착시키고 증착된 알루미늄을 양극 산화시키는 방법도 최근 개발되어 왔지만, 진공 증착법의 박막 밀착력 등에 문제가 있었다.
이에 본 발명자는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116558호(고속성막장치 및 이를 이용한 성막방법, 2012.10.23. 공개)를 통해 진공 증착법과 아크법을 조합한 방법으로 진공 증착법의 밀착력 문제를 해결하는 방법을 제시한바 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116557호(다이캐스팅 합금의 표면처리 방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 다이캐스팅 합금재, 2012.10.23. 공개)를 통해 화학 양론 이하의 산화물, 질화물 또는 산질화물을 이용한 방법 또한 제시한바 있다.
한편, 상술한 바와 같이 알루미늄을 양극 산화한 후 착색 및 봉공처리 하는 방식에서는 문제되지 않으나, 산화막 자체의 굴절율을 이용하여 간섭색을 발현시키는 티타늄 혹은 니오븀의 양극 산화 방식의 경우에는, 육안으로 볼 때 보는 각도에 따라 색상이 다르게 보이거나 제품의 형상에 따라 색상이 달라 보이는 문제가 있다.
도 1을 참고하여 더욱 상세히 설명하면, 내외장재(1) 표면에 금속층(2)을 형성한 뒤 이를 양극 산화시켜 양극 산화층(3)을 형성하면 빛이 이들 박막을 통과한 후 산화되지 않은 금속층(2) 계면에서 반사하게 되고 고굴절 박막인 양극 산화층(3)의 두께에 따라 특정 파장의 빛이 서로 상쇄 간섭을 일으키면서 특유의 간섭 색상을 보이게 되는데, 제품의 표면을 기울이거나 보는 각도를 조절하여 빛의 입사 각도를 변화시키게 되면 양극 산화층(3)의 실효 두께가 변하게 되어 상쇄 간섭을 일으키는 빛의 파장이 달라지게 되므로 발현되는 간섭색상이 보는 각도에 따라 상이해진다.
또한 대부분의 제품은 3차원적인 형상을 가지게 되므로 상술한 바와 같은 이유로 인해 동일 제품이라고 하더라도 서로 다른 색상이 발현되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116558호(고속성막장치 및 이를 이용한 성막방법, 2012.10.23. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116557호(다이캐스팅 합금의 표면처리 방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 다이캐스팅 합금재, 2012.10.23. 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 육안으로 보는 각도나 제품의 3차원적인 형상에 상관없이 균일하면서도 미려한 표면 색상을 구현할 수 있는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 a) 내외장재(1) 표면 위에 융점(melting point)이 700K 이하인 저융점 금속을 원료 금속으로 제1금속층(10)을 형성하는 단계; b) 상기 제1금속층(10) 위에 밸브 금속(Valve Metal)으로 제2금속층(30)을 형성하는 단계; 및 c) 상기 제2금속층(30) 표면을 양극 산화시켜 양극 산화층(31)을 형성하여 간섭색을 발현시키는 단계;를 포함하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법을 제공한다.
이때 상기 a) 단계에서, 상기 제1금속층(10)을 캘빈(Kelvin) 온도 기준으로 상기 원료 금속의 융점 2/3 온도 내지 융점 온도의 범위 내에서 형성할 수 있으며, 아연(Zn), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속이거나 둘 이상의 합금인 것이 더욱 바람직하다.
또한 상기 b) 단계에서, 상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금일 수 있으며, 바람직하게는 티타늄-알루미늄 합금일 수 있고, 더욱 바람직하게는 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)일 수 있다.
상기 a) 단계 이전에, 유기 용제와 초음파 세척 장치를 이용하여 상기 내외장재(1) 표면을 세척하는 단계; 진공조 내부에서 아르곤 가스 이온충돌 또는 금속 이온충돌을 통해 상기 내외장재(1) 표면의 불순물이나 산화물을 제거하는 단계; 화학연마, 전해연마 또는 기계연마를 수행하여 상기 내외장재(1) 표면을 연마하는 단계; 및 상기 내외장재(1) 표면을 샌딩(sanding) 처리하거나 헤어라인(hair line) 처리하는 단계;로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
한편 상기 a)단계와 b)단계 사이에, 상기 제1금속층(10) 위에 밸브 금속으로 배리어(barrier) 금속층(20)을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있는데, 상기 배리어 금속층(20)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금, 더욱 바람직하게는 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)이되, 상기 제2금속층(30)의 밸브 금속과 상이한 재질인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1금속층(10)의 두께 및 상기 배리어 금속층(20)의 두께는 0.3~5 ㎛인 것이 바람직하며, 상기 제1금속층(10), 배리어 금속층(20) 및 제2금속층(30)은 물리증착법(Physical Vapor Deposition, PVD), 더욱 바람직하게는 스퍼터링(Sputtering)으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 내외장재(1) 표면 위에 융점(melting point)이 700K 이하인 저융점 금속을 원료 금속으로 하여 제1금속층(10)이 형성되고, 밸브 금속(Valve Metal)으로 이루어진 제2금속층(30)이 상기 제1금속층(10) 위에 형성되며, 상기 제2금속층(30) 표면이 양극 산화되어, 간섭색이 발현되는 양극 산화층(31)이 형성된, 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재를 제공한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재는 알루미늄, 아연, 스테인리스, 마그네슘, 플라스틱 등 일반적인 내외장재 표면에 양극 산화 처리 기술을 적용하여 육안으로 보는 각도나 표면의 3차원적인 형상에 구애받지 않는 균일하면서도 미려한 색상을 다양하게 구현할 수 있다.
도 1은 양극 산화법에 의해 표면을 발색 처리하는 원리 및 빛의 입사 각도에 따라 보이는 색상이 달라지는 종래 기술의 문제점을 도시한 모식도이다.
도 2는 금속층의 형성 온도에 따라 달라지는 박막 결정 구조를 도시한 모식도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면처리된 내외장재의 적층 구조 단면을 도시한 모식도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
먼저 본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 a) 내외장재(1) 표면에 제1금속층(10)을 형성하는 단계, b) 제1금속층(10) 위에 제2금속층(30)을 형성하는 단계, c) 제2금속층(30) 표면을 양극 산화시켜 양극 산화층(31)을 형성하는 단계를 포함하는 내외장재 표면처리 방법을 제공한다. 이하 본 발명의 시계열적인 각 단계를 상세히 설명한다.
먼저 a) 단계는 내외장재(1) 표면에 제1금속층(10)을 형성하는 단계이다. 상기 내외장재(1)는 제품의 내외장재로 사용될 수 있는 물질들을 의미하며, 아연, 스테인레스, 마그네슘, 알루미늄 등의 프레스물이나, 다이캐스팅 합금(종류에 따라서 규소, 철, 구리, 망간, 마그네슘, 아연, 니켈, 티타늄, 납, 주석, 크롬 등의 성분이 첨가될 수 있음), 사출된 플라스틱, 도금된 플라스틱 등 다양한 물질들을 총칭하는 용어이다.
제1금속층(10)의 역할에 대하여 이하 구체적으로 설명한다. 상술한 바와 같이 양극 산화를 통해 간섭색을 구현할 때 빛의 입사 각도에 따라, 즉 육안으로 보는 각도나 제품의 3차원 형상에 따라서 고굴절율을 갖는 산화막의 실효 두께가 달라져 색상이 상이하게 보이는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양극 산화 처리하는 제2금속층(30)과 내외장재(1) 사이에 제1금속층(10)을 형성한다.
도 2를 참고하면, 금속 박막을 형성시킬 때 캘빈(Kelvin) 온도를 기준으로 원료가 되는 금속의 융점 1/3 이하의 온도에서 형성시킬 경우, 도 2 (a) 부분과 같이 주상정 형태로 박막이 성장하며 침상의 형태를 보이고 기공이 많이 형성된다. 반면 융점의 1/3 ~ 2/3 온도에서 형성시킬 경우, 도 2 (b) 부분과 같이 치밀한 주상정 형태로 박막이 성장하며 표면이 매끄러운 형태를 보이며, 융점의 2/3 이상의 온도에서 형성시킬 경우, 도 2 (c) 부분과 같이 등축정 형태로 박막이 성장하며 표면은 일정한 거칠기를 보이게 된다.
상술한 바와 같이 도 2 (c) 부분과 같이 원료 금속 융점의 2/3 온도 내지 융점 온도 범위에서 금속막을 성장시키게 되면 표면이 일정한 요철 구조를 보이게 되어 일정 조도가 발생됨으로써, 보는 각도나 표면의 3차원적 형상에 구애받지 않고 평균화된 간섭색이 발현되어 전체적으로 균일한 색상을 구현할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용하기 위해 제1금속층(10)을 내외장재(1) 표면에 원료 금속 융점의 2/3 온도 내지 융점 온도 범위에서 성장시킨다.
제1금속층(10)의 원료 금속으로는 융점이 700K 이하인 저융점 금속이면서 인체에 무해한 금속인 것이 바람직하며, 융점이 700K를 초과하는 금속, 예컨대 알루미늄(융점 933K)의 경우 제1금속층(10) 형성온도가 622~933 K로 비교적 높은 온도가 되므로, 이 정도의 고온에서 견디지 못하는 소재에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.
다양한 저융점 금속을 사용하여 제1금속층(10)을 형성시킬 수 있으나, 바람직하게는 아연(융점 629.5K), 비스무트(544.5K), 주석(504.9K), 인듐(429.6K) 등의 단일 금속이나 이들 중 둘 이상의 합금을 사용할 수 있다. 이들 금속을 이용하게 되면 아연의 경우 200℃ 이상의 온도에서, 비스무트나 주석의 경우 100℃ 이상의 온도에서, 인듐의 경우 상온 25℃에서 제1금속층(10)을 요철 형태로 형성시킬 수 있다.
제1금속층(10)을 형성하는 데 있어, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식을 적용하게 되면 공정 온도가 통상적으로 500℃ 이상의 고온이어서 소재의 변형 등의 문제가 발생될 수 있어 적절하지 못하므로, PVD(Physical Vapor Deposition) 방식을 채택하는 것이 바람직하다. 더욱 상세하게는 진공증발(Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 및 음극 진공 아크법(Cathodic Vacuum Arc)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식을 채택하여 형성하는 것이 바람직하며, 형성물의 밀착력 등을 감안하였을 때 스퍼터링 방식을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 더욱 바람직하게는 제1금속층(10)을 형성하기 이전에, 1) 유기 용제와 초음파 세척 장치를 이용하여 내외장재(1) 표면을 세척하여 표면에 잔존하는 기름성분, 이물질 등을 제거하거나, 2) 진공조 내부에서 아르곤 가스 이온충돌 또는 금속 이온 충돌을 수행하여 표면 불순물 혹은 산화물을 제거하거나, 3) 화학연마, 기계연마, 전해연마 등의 표면 연마작업을 수행하거나, 4) 내외장재(1) 표면을 샌딩(sanding) 처리 혹은 헤어라인(hair line) 처리할 수 있다.
상기 3)과 관련하여 설명하면, 유광의 제품을 제작하는 경우에는 박막의 두께가 증가하게 되면 박막의 광택도가 감소하게 되므로, a) 단계 이전에 연마 단계, 더욱 상세하게는 화학연마, 전해연마 또는 기계연마를 수행하는 단계를 더 추가하는 것이 바람직하다. 화학연마란, 외부의 전류를 사용하지 않고 광택연마를 행하는 방법으로, 금속의 표면을 화학적으로 평활화시키는 과정을 말한다. 통상적으로 화학연마의 주원료는 인산으로, 인산염 피막을 형성하는 과정을 수행하게 된다. 전해연마란 화학연마에서 발생되는 표면 광택 형성의 한계를 극복하여 그 이상의 고광택이 요구되는 경우, 소정의 조건 하에서 전해하여 평활한 면을 만드는 연마 방식을 말한다.
상기 4)와 관련하여 설명하면, 샌딩이란, 요구하는 표면 처리 목적을 달성하기 위하여 하도 표면을 규정된 연마지(sand paper)로 연마하는 작업으로서, 표면 결함을 제거하고 평활성 및 부착력을 향상시키기 위한 작업이다. 헤어라인이란, 표면에 머릿결 같은 라인을 줌으로서 제품의 품위 향상을 제고할 목적으로 사용하는 작업이다.
다음으로 b) 단계는 제1금속층(10) 위에 제2금속층(30)을 형성하는 단계이다. 제2금속층(30)은 이 후 표면을 양극 산화시켜 간섭색을 발현시키기 위한 금속층이다. 제2금속층(30)의 원료 금속은 밸브 금속인 것이 바람직하다.
밸브 금속(Valve Metal)이란, 밸브 효과(Valve Effect)를 보이는 금속을 의미하며, 밸브 효과란 용액 속에서 전류가 용액에서 금속 방향으로는 흐르지만 반대로 금속에서 용액 방향으로는 거의 흐르지 않는 현상을 말한다.
밸브 금속 중 티타늄과 니오븀 등은 보석류 등을 다루는 장식 산업에서 어노다이징 공정을 통해 다양한 색상을 연출하는데 쓰이고 있다. 더욱 상세하게는 이들 밸브 금속을 어노다이징 할 때 인가 전압에 따라서 청색, 노란색, 핑크색 또는 녹색 등의 간섭 색상이 발현되며, 인가 전압의 크기에 따라 어노다이징 깊이가 조절되어 최대 1㎛ 이하에서 다양한 색을 보이게 된다.
본 발명에서는 바람직한 일 실시예에 따라 제2금속층(30)의 원료가 되는 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 티타늄-알루미늄 합금일 수 있다.
다만, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 텅스텐, 바나듐 등의 경우 이들의 굴절율은 2.0 근방으로 색상이 뚜렷하지 않고 원료 가격이 고가인 점에 비추어 널리 쓰기에 용이하지 않고, 상용화되어 구입이 용이한 티타늄-알루미늄 합금으로서 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄의 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
본 명세서에서 사용되는 "Ti6Al4V" 또는 "Ti6Al7Nb"라는 용어에서 각 숫자는 화합물의 화학 양론비를 의미하는 것이 아니라 합금에서의 중량비를 의미한다. 더욱 상세하게는, "Ti6Al4V"의 경우 전체 중량을 기준으로 알루미늄(Al)이 6 wt%, 바나듐(V)이 4 wt% 함유된 티타늄-알루미늄-바나듐 합금을 의미하며, "Ti6Al7Nb"의 경우 전체 중량을 기준으로 알루미늄(Al)이 6 wt%, 니오븀(Nb)이 7 wt% 함유된 티타늄-알루미늄-니오븀 합금을 의미한다.
상술한 바와 같은 제2금속층(30)은 양극 산화로 간섭색을 만들기 위한 최외곽 금속층으로서, 형성 방법에 관해서는 상기 제1금속층(10)의 경우와 동일하게 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식, 더욱 상세하게는 진공증발(Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 및 음극 진공 아크법(Cathodic Vacuum Arc)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식을 채택하여 형성하는 것이 바람직하며, 형성물의 밀착력 등을 감안하였을 때 스퍼터링 방식을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
다음으로 c) 단계는 b) 단계에서 형성된 제2금속층(30) 표면을 양극 산화 시켜 양극 산화층(31)을 형성하는 단계이다.
양극 산화처리 즉, 어노다이징(Anodizing) 처리란 알루미늄 등의 금속 제품을 양극으로 하여 일정한 전해액에서 적정 조건으로 분극시켜 산화 알루미늄(Al2O3) 등의 피막을 형성하는 공정이다. 이 피막은 대단히 경하여 내식성이 크고, 다공층이 형성되어 여러가지 색으로 염색할 수 있기 때문에, 내식, 내마모성 등의 실용성과 더불어 표면에 미려하고 중후한 색상을 부여하여 상품적 가치를 높일 수 있는 공정이다.
양극 산화는 통상의 황산, 수산, 크롬산 등 또는 이들의 혼합산 중 어느 것이나 사용할 수 있으며, 피막의 두께, 양극 산화 용액의 종류, 원료 금속의 종류, 인가 전압의 세기 등을 조절하여 요구되는 제품 외관의 색상을 구현할 수 있으며 통상적으로 양극 산화되는 깊이는 300~400 ㎚ 수준이다.
내외장재(1) 표면에 순차적으로 제1금속층(10)과 제2금속층(30)을 코팅하고, 제2금속층(30)을 양극 산화시켜 양극 산화층(31)을 형성시킨 표면처리된 내외장재(1)의 단면 구조가 도 3에 도시되어 있다.
한편, 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 a) 단계와 b) 단계 사이, 즉 제1금속층(10)을 형성시킨 후 제2금속층(30)을 형성시키기 이전에, 제1금속층(10) 위에 밸브 금속으로 배리어(barrier) 금속층(20)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 내외장재(1)-제1금속층(10)-배리어 금속층(20)-제2금속층(30)-양극 산화층(31)으로 구성되는 표면처리된 내외장재(1) 단면 구조가 도 4에 도시되어 있다.
상기 배리어 금속층(20)의 역할에 대하여 이하 상세히 설명한다. 간섭색을 구현하기 위하여 제2금속층(30)의 표면을 양극 산화시키게 되면 제2금속층(30)에는 다수의 기공이 형성된다. 이로 인해 기공을 통해 양극 산화 전해액이 제1금속층(10)과 접촉하게 되어 전류가 과다하게 흐르면서 해당 부분이 녹거나 터지게 되는 현상이 발생될 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 제2금속층(30)을 치밀하고 두껍게 코팅하더라도 기공의 발생을 피하기 힘들다.
이를 해결하기 위해 밀착력과 양극 산화 처리를 위해 제2금속층(30)과 동일하게 밸브 금속으로 이루어진 배리어 금속층(20)을 제1금속층(10)과 제2금속층(30) 사이에 형성시키되, 제2금속층(30)과는 상이한 재질의 밸브 금속으로 구성함으로써, 반응 메커니즘의 차이로 인해 배리어 금속층(20)까지 기공이 형성되더라도 제2금속층(30)의 기공과는 서로 연결되지 않으므로 상술한 바와 같은 전류 과다로 인한 터짐 혹은 녹는 현상이 발생하지 않고 안정적인 양극 산화가 이루어지게 된다.
배리어 금속층(20)의 경우에도 상기 제1금속층(10) 및 제2금속층(30)과 마찬가지로 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식, 더욱 상세하게는 진공증발(Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 및 음극 진공 아크법(Cathodic Vacuum Arc)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식을 채택하여 형성하는 것이 바람직하며, 형성물의 밀착력 등을 감안하였을 때 스퍼터링 방식을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 제1금속층(10), 배리어 금속층(20) 및 제2금속층(30)의 두께는 0.3~5 ㎛ 범위인 것이 바람직하다. 제1금속층(10)의 경우, 등축정계의 임의 표면 조도를 만들기 위해 최소한 0.3 ㎛ 이상의 두께가 필요하고, 5 ㎛ 초과하여 과도하게 두꺼우면 생산성이 떨어지므로 상기 범위가 적절하다. 배리어 금속층(20)이나 제2금속층(30)의 경우, 통상적인 양극 산화 깊이(300~400 ㎚)를 포괄하여 원하는 다양한 색상을 구현하거나 배리어 금속층(20)으로서의 역할을 수행하기 위해서는 최소한 0.3 ㎛ 이상의 두께가 요구되며, 마찬가지로 경제성 및 생산성의 측면에서 5 ㎛의 두께를 넘지 않는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 내외장재에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
아연, 스테인리스, 마그네슘, 알루미늄 합금 등의 금속 내외장재의 표면을 버핑에 의해 연마한 후 광택을 없애기 위해 샌딩을 하거나 헤어라인을 형성하였다. 이 후 유기 용제와 초음파 세척장치를 이용하여 소재의 표면을 세척하고 진공로에 소재를 장착하여 아르곤 가스 이온충돌을 실시하였다.
소재에 음의 DC전압, Pulsed DC 전압을 수 내지 수백 볼트로 수 내지 수십분 동안 인가하면서 아르곤 가스를 투입하거나 캐소딕 아크 방전을 유지하면서 표면을 세정하고 표면 불순물 및 산화막을 제거하였다.
제1금속층(10)으로 아연을 200℃ 이상의 온도 조건에서 스퍼터링을 통해 1 ㎛ 코팅하였다. 이 후 배리어 금속층(20)으로 Ti6Al4V 합금을 1 ㎛ 코팅한 후 제2금속층(30)으로 니오븀을 1 ㎛ 코팅하였다.
양극 산화는 구연산 또는 황산암모늄 등의 전해액을 사용하여 수행하였다.
인가 전압에 따라 푸른색, 노란색, 핑크색, 녹색 등의 다양한 색상이 발색되었고, 부위별 색상 편차도 없으며 보는 각도에 따라 색상이 변하는 문제도 없었다.
상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하되, 배리어 금속층(20) 없이 제1금속층(10) 위에 바로 제2금속층(30)으로 Ti6Al7Nb 합금을 2㎛ 코팅하였다. 이를 동일하게 양극 산화시켰으며, 인가 전압에 따라 푸른색, 노란색, 핑크색, 녹색 등의 다양한 색상이 발색되었고, 부위별 색상 편차도 없으며 보는 각도에 따라 색상이 변하는 문제도 없었다.
표면이 전기 도금된 플라스틱재 내외장재(1)를 알콜과 초음파 세척기로 세척하였다. 진공로에 소재를 장착한 후 제1금속층(10)으로 비스무트를 100℃ 이상에서 스퍼터링을 통해 1㎛ 코팅하였다.
이 후 제2금속층(30)으로 티타늄을 1㎛ 코팅하였고, 구연산 또는 황산 암모늄을 이용하여 제2금속층(30) 표면을 양극 산화시켰다.
인가 전압에 따라 푸른색, 노란색, 핑크색, 녹색 등의 다양한 색상이 발색되었고, 부위별 색상 편차도 없으며 보는 각도에 따라 색상이 변하는 문제도 없었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1 : 내외장재
2 : 금속층
3 : 양극 산화층
10 : 제1금속층
20 : 배리어 금속층
30 : 제2금속층
31 : 제2금속층 표면을 양극 산화시켜 형성된 양극 산화층

Claims (25)

  1. a) 내외장재(1) 표면 위에 융점(melting point)이 700K 이하인 저융점 금속을 원료 금속으로 제1금속층(10)을 형성하는 단계;
    b) 상기 제1금속층(10) 위에 밸브 금속(Valve Metal)으로 제2금속층(30)을 형성하는 단계; 및
    c) 상기 제2금속층(30) 표면을 양극 산화시켜 양극 산화층(31)을 형성하여 간섭색을 발현시키는 단계;
    를 포함하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 상기 제1금속층(10)을 캘빈(Kelvin) 온도 기준으로 상기 원료 금속의 융점 2/3 온도 내지 융점 온도의 범위 내에서 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 금속은 아연(Zn), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속이거나 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속층(10)의 두께는 0.3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄-알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄의 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계 이전에,
    유기 용제와 초음파 세척 장치를 이용하여 상기 내외장재(1) 표면을 세척하는 단계;
    진공조 내부에서의 아르곤 가스 이온충돌 또는 금속 이온충돌을 통해 상기 내외장재(1) 표면의 불순물이나 산화물을 제거하는 단계;
    화학연마, 전해연마 또는 기계연마를 수행하여 상기 내외장재(1) 표면을 연마하는 단계; 및
    상기 내외장재(1) 표면을 샌딩(sanding) 처리하거나 헤어라인(hair line) 처리하는 단계;
    로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계와 b)단계 사이에,
    상기 제1금속층(10) 위에 밸브 금속으로 배리어(barrier) 금속층(20)을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금이되,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속과 상이한 재질인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 밸브 금속은 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄의 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)이되,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속과 상이한 재질인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 두께는 0.3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1금속층(10), 배리어 금속층(20) 및 제2금속층(30)은 물리증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 물리증착법은 스퍼터링(Sputtering)인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통한 내외장재 표면처리 방법.
  15. 내외장재(1) 표면 위에 융점(melting point)이 700K 이하인 저융점 금속을 원료 금속으로 하여 제1금속층(10)이 형성되고,
    밸브 금속(Valve Metal)으로 이루어진 제2금속층(30)이 상기 제1금속층(10) 위에 형성되며,
    상기 제2금속층(30) 표면이 양극 산화되어, 간섭색이 발현되는 양극 산화층(31)이 형성된, 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1금속층(10)은 캘빈(Kelvin) 온도 기준으로 상기 원료 금속의 융점 2/3 온도 내지 융점 온도의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 저융점 금속은 아연(Zn), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속이거나 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1금속층(10)의 두께는 0.3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄-알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속은 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄의 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 제1금속층(10)과 제2금속층(30) 사이에,
    밸브 금속으로 이루어진 배리어(barrier) 금속층(20)이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 밸브 금속은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나의 단일 금속 또는 둘 이상의 합금이되,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속과 상이한 재질인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 밸브 금속은 티타늄과 5~55 wt% 알루미늄의 합금, 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 4 wt% 바나듐의 합금(Ti6Al4V) 또는 티타늄과 6 wt% 알루미늄과 7 wt% 니오븀의 합금(Ti6Al7Nb)이되,
    상기 제2금속층(30)의 밸브 금속과 상이한 재질인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 배리어 금속층(20)의 두께는 0.3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 금속막 양극산화를 통해 표면처리된 내외장재.
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