KR20210094017A - 장식 및 기능적 효과를 나타내기 위한 3차원 표면의 선택적 도금 - Google Patents

장식 및 기능적 효과를 나타내기 위한 3차원 표면의 선택적 도금 Download PDF

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KR20210094017A
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폴 에이. 브래이
마틴 뷔. 허버트
케이스 피. 파슨스
피터 에이. 워윅
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맥더미드 엔쏜 인코포레이티드
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Abstract

선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품의 제조 방법은, 1) 제1 표면에 하드코팅된 층을 갖는 미경화 폴리카보네이트 필름으로 된 필름을 제공하는 단계; b) 폴리카보네이트 필름의 제1 표면에 원하는 패턴으로 촉매를 증착시켜, 폴리카보네이트 필름을 선택적으로 촉매하는 단계; c) 폴리카보네이트 필름을 열성형하여, 3차원 폴리카보네이트 필름을 형성하는 단계; d) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 자외선을 조사하여, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 자외선 경화시키는 단계; e) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 성형하여 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 포함하는 3차원 성형 부품을 제조하는 단계; f) 선택적으로 촉매된 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 활성화시키는 단계; 및 g) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 금속층을 도금하는 단계 - 여기서, 도금된 금속은 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에만 증착됨 - 를 포함한다.

Description

장식 및 기능적 효과를 나타내기 위한 3차원 표면의 선택적 도금
본 발명은 일반적으로 장식 및 기능적 효과를 나타내기 위해 3차원 표면을 선택적으로 도금하는 개선된 방법에 관한 것이다.
내마모성 및 내스크래치성(scratch resistant)이고, 다양한 색상 및 높은 색농도를 허용하며, 또한 2차원 장식 및/또는 심볼을 가능하게 하는 표면 코팅을 포함하지만 이로 한정되지 않는, 열가소성 부품에 대한 다양한 요구가 나와 있다.
또한, 일부 영역이 금속 외부 표면을 갖고 다른 영역이 투명 표면을 갖도록 3차원 부품을 선택적으로 장식하는 것이 종종 바람직하다. 하나의 그러한 예는 "시크릿-언틸-리트(secret-until-lit)" 자동차 내장 부품을 포함하는데, 여기서 심볼(들) 및/또는 텍스트를 포함할 수 있는 물품은 부품 뒤의 조명이 켜질 때까지 금속 마감(metallic finish)으로서 나타난다. 투명 비도금 영역은 광의 투과를 가능하게 하고 이미지가 나타난다. 전형적으로, 실질적으로 평탄한 플라스틱 성형품이 도금되는데, 이는 플라스틱 성형품의 배면으로부터 조명함으로써, 도금되지 않은 상태로 남겨진 부분이 밝아지는 이점이 있다.
"시크릿-언틸-리트" 부품을 생성하는 한 가지 방법은 폴리카보네이트 상의 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS)의 다층 표면의 사용을 포함한다. ABS 층은 노출된 폴리카보네이트의 패턴화된 영역을 생성하도록 이미지 방식으로 레이저 어블레이션(laser ablation)된다. 이어서, 이는 기존의 플라스틱 도금(plating-on-plastic) 방법에 따라 도금될 수 있다. 그러나, 이러한 공정은 비용이 많이 들고, 시간과 노동 집약적인 다수의 공정 단계들을 필요로 한다.
일본 특허 공개 제JPS61288094호(Sony)에는 원하는 패턴을 제외한 광투과성 플라스틱 판을 도금하는 방법이 설명되어 있다. 반투명(translucent; 투명 또는 반투명) 플라스틱은 다양한 장치의 디스플레이 부분에 사용되며, 뒷면의 조명으로 도금되지 않은 문자와 패턴을 비추는 이점을 갖는다. 이 방법은 기판에 적용된 다음에, 알칼리 용해성 잉크로 이미지화되는 무전해 구리층을 포함한다. 그 후에, 표면을 니켈, 크롬 또는 유사한 금속으로 전기도금하고, 알칼리에 침지하여 이미지화된 영역(즉, 잉크 및 전기도금된 금속)을 제거한다. 이어서, 노출된 구리층을 화학 에칭에 의해 제거한다. 그러나, 이러한 구조물은 가공 중에 3차원 형상으로 형성될 수 없다.
일본 특허 공개 제JPS62235495호(Kuirihara Mekki Kojo)는 포토레지스트로 코팅된 다음에, UV 광으로 이미지 방식으로 경화되는 기판에 대하여 설명되어 있다. 미경화 영역을 현상액에 용해시키고, 노출된 기판을 전기도금한다. 이어서, 두 번째 현상 단계는 UV 경화 레지스트를 제거하고 도금되지 않은 기판을 노출시킨다. 그러나, 이러한 공정은 도금되지 않은 영역에 하드코트를 형성하지 않으므로, 완성 부품이 더 쉽게 손상될 수 있다.
일본 특허 공개 제JPS63182110호(Mitsubishi)에는 패턴화된 세라믹층으로 마스킹된 몰드 캐비티(mold cavity)에 대하여 설명되어 있다. 마스크의 갭을 충전하기 위해 금속을 오버플레이팅(overplating)한다. 그 다음에, 성형 수지가 캐비티에 주입되고, 금속 패턴이 성형 수지에 접착된다. 이러한 공정은 또한 도금되지 않은 영역에 하드코트를 형성하지 않는다.
해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 공개 제2002/0197492호(Hao 등)에는 금속 코팅을 플라스틱 부품의 표면에 무전해 증착한 후, 포토레지스트 코팅을 행한 다음에, 이미징 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 금속 패턴을 2차원 또는 3차원 플라스틱 부품의 표면에 선택적으로 도금하는 공정이 기재되어 있다. 이어서, 현상 중에 포토레지스트가 제거된 영역을 전기도금한 후에, 잔존하는 포토레지스트 및 무전해 금속을 스트리핑한다. 그러나, 이러한 공정은 플라스틱 부품의 후속 성형 또는 열성형을 허용하지 않는다.
해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 공개 제2007/0226994호(Wollach 등)에는 진공 증착에 의해 베이스 전도층을 적용한 다음에, 전기 절연 포토레지스트를 이미지 방식으로 적용하는 공정이 기술되어 있다. 포토레지스트가 없는 영역에 전기도금을 행하고, 잔존하는 포토레지스트를 제거하고, 진공 증착된 베이스층을 에칭한다. 그러나, 이러한 공정은 3차원 형상으로는 사용할 수 없으며, 도금되지 않은 영역에 하드코트를 형성하지 않으므로, 완성품이 더 쉽게 손상될 수 있다.
해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 공개 제2009/0317609호(Simmons 등)에는 팔라듐 활성화제 용액을 적용한(즉, 잉크젯에 의해) 다음에, 이미지화된 영역을 무전해 도금하여 이미지화하는 기판에 대하여 기술되어 있다. 이어서, 구조물을 경화시킨다. 그러나, 구조물은 강화 섬유 수지로 제한되고, 구조물은 3차원 형상을 생성하도록 형성되거나 성형될 수 없다. 하드코트층도 없다.
따라서, "시크릿-언틸-리트" 부품으로서 사용하기에 적합한 3차원 형상을 포함하여, 3차원 형상을 생성하도록 플라스틱 기판을 선택적으로 도금하는 개선된 방법에 대한 필요성이 당업계에 남아 있음을 알 수 있다.
개선된 내구성을 제공하기 위해 도금되지 않은 영역에 하드코팅된 외측 표면을 포함하는 선택적으로 도금된 부품을 제공하는 것도 유익할 것이다.
필름 인서트 성형(Film Insert Molding, FIM)은 성형 공정 중에 플라스틱 부품에 라벨링 및 그래픽이 적용될 수 있게 하는 인몰드 장식(In-Mold Decorating, IMD)의 형태이다. FIM을 사용하면, 부품을 단일 유닛에 통합하여, 내스크래치성 하드 코팅을 갖는 제품을 만들 수 있으며 내구성도 매우 뛰어나다. 그것은 다수의 응용에서 사용될 수 있지만, 일반적으로 자동차 내장재 및 휴대용 전자 장치와 관련되어 있다.
전형적인 FIM 공정에서, 완성된 장식 부품은 사출 성형 공정 중에 장식되고 재형상화되고 트리밍된 반완성된 필름 제품을 주형에 삽입함으로써 제조될 수 있다. 이렇게 하여, 심볼, 투과광 설계 및 다색의 2차원 장식과 동시에, 샷 마다 간단한 장식 변화로, 복잡한 굴곡부를 갖는 부품을 생산할 수 있다.
FIM에 의해, 타겟으로 하는 열가소성 부품의 외관을 설계할 수 있다. 장식(예를 들어, 단색, 다색, 통합 심볼, 투과광 설계 등) 뿐만 아니라 표면 인상(예컨대, 광택, 구조화된, 무광택 등) 및 고광택도 선택적으로 설정될 수 있다.
따라서, FIM의 장점은 복잡한 형상의 장식 표면 및 장식 변화에서의 극도의 유연성을 포함한다는 것이다.
본 발명의 목적은 3차원 표면을 선택적으로 도금하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3차원 비전도성 기판을 선택적으로 도금하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 폴리카보네이트 기판을 선택적으로 도금하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내구성 증가를 위해 하드코트층을 갖는 3차원 폴리카보네이트 기판을 선택적으로 도금하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 "시크릿-언틸-리트" 부품을 생산하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 일 실시 형태에서, 본 발명은 일반적으로,
a) 제1 표면에 하드코팅된 층을 포함하는 미경화 폴리카보네이트 필름으로 된 필름을 제공하는 단계;
b) 폴리카보네이트 필름의 제1 표면에 원하는 패턴으로 촉매를 증착시켜, 상기 폴리카보네이트 필름을 선택적으로 촉매하는 단계;
c) 폴리카보네이트 필름을 열성형하여, 3차원 폴리카보네이트 필름을 형성하는 단계;
d) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 자외선을 조사하여, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 자외선 경화시키는 단계;
e) 선택적으로 촉매된 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 활성화시키는 단계; 및
g) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 금속층을 도금하는 단계 - 여기서, 도금된 금속은 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에만 증착됨 - 를 포함하는, 선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 도금된 금속의 메시형 패턴을 보이는 완전한 도금 공정 후의 실시예 1의 공정에 따라 제조된 샘플 부품의 도면을 나타낸다.
도 2는 백색광으로 후방으로부터 조명될 때의 도 1과 동일한 샘플 부분의 도면을 나타낸다.
도 3은 도금된 금속의 메시형 패턴을 보이는 완전한 도금 공정 후의 실시예 2의 공정에 따라 제조된 샘플 부품의 도면을 나타낸다.
도 4는 백색광으로 후방으로부터 조명될 때의 도 3과 동일한 샘플 부분의 도면을 나타낸다.
본 명세서에 사용되는 관사("a", "an", 및 "the")는 그 내용이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 단수의 지시대상 및 복수의 지시대상 둘 모두를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 파라미터, 양, 지속시간 등과 같은 측정가능한 값을 지칭하며, 변동이 본 명세서에 기재된 본 발명에서 수행하기에 적절한 한, 구체적으로 언급된 값의 그리고 그로부터 +/-15% 이하의 변동, 바람직하게는 +/-10% 이하의 변동, 더욱 바람직하게는 +/-5% 이하의 변동, 더욱 더 바람직하게는 +/-1% 이하의 변동, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하의 변동을 포함함을 의미한다. 또한, 수식어 "약"이 지칭하는 값은 그 자체가 본 명세서에 구체적으로 개시된 것으로 또한 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용되는 "바로 아래", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은 공간적으로 관련된 용어는 설명의 용이함을 위해 도면에 예시된 바와 같이 하나의 요소 또는 특징부의 다른 요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 관계에 대해 설명하기 위해 사용된다. 공간적으로 관련된 용어는 도면에 도시된 방향에 더하여, 사용 또는 작동 시에 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 요소들 또는 특징부들 "아래" 또는 "바로 아래"로 설명된 요소들은 다른 요소들 또는 특징부들 "위"로 향하게 될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 방향 둘 다를 포함할 수 있다. 장치는 다르게 배향될(90도 또는 다른 방향으로 회전될) 수 있으며, 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 관련된 용어는 이에 따라 해석될 수 있다. 용어 "전방" 및 "후방"은 제한적인 것으로 의도되지 않고 적절한 경우에 상호교환 가능하도록 의도됨이 추가로 이해된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징부, 정수, 단계, 작업, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 작업, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 발명자들은 필름 인서트 성형 공정이 내스크래치성, 내충격성 하드코팅을 포함하는 선택적으로 도금된 3차원 부품을 생산하도록 변형 및 개선될 수 있으며, 시크릿-언틸-리트 또는 다른 유사한 부품을 효율적으로 생산하기에 적합하다는 것을 발견하였다. 본 명세서에 기재된 방법은 일부 영역이 금속 외측 표면을 갖는 반면, 다른 영역이 하드코팅된 투명 표면을 갖도록 3차원 부품의 선택적 장식을 제공한다. 일 실시 형태에서, 부품의 외측 표면은 부품 뒤의 조명이 켜질 때까지 금속 마감으로서 나타난다. 그 다음에, 투명 비도금 영역은 광의 투과를 가능하게 하고 이미지가 나타날 것이다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 일반적으로,
a) 제1 표면에 하드코팅된 층을 포함하는 미경화 폴리카보네이트 필름으로 된 필름을 제공하는 단계;
b) 폴리카보네이트 필름의 제1 표면에 원하는 패턴으로 촉매를 증착시켜, 폴리카보네이트 필름을 선택적으로 촉매하는 단계;
c) 폴리카보네이트 필름을 열성형하여, 3차원 폴리카보네이트 필름을 형성하는 단계;
d) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 자외선을 조사하여, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 자외선 경화시키는 단계;
e) 선택적으로 촉매된 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 활성화시키는 단계; 및
f) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 금속층을 도금하는 단계 - 여기서, 도금된 금속은 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에만 증착됨 - 를 포함하는, 선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일 실시 형태에서, 3차원 열가소성 부품은 3차원 폴리카보네이트 부품을 생산하도록 열성형되어 형성된 폴리카보네이트 필름 또는 층을 포함한다. 일 실시 형태에서, 폴리카보네이트 필름 또는 층은 투명, 반투명 또는 반투명 중 적어도 하나이다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 일 실시 형태에서, 폴리카보네이트 부품은 도금되지 않은 상태로 남아있는 부분이 조명될 때 환해지도록 부품의 뒷면에서 조명될 수 있는 3차원 폴리카보네이트 부품의 "시크릿-언틸-리트" 패턴, 심볼, 아이콘 또는 그래픽을 준비하도록 처리된다.
또한, 본 발명이 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 관한 것으로 기술되지만, 플라스틱 도금 공정에 사용될 수 있고, 열성형될 수있는 다른 열가소성 재료도 본 발명의 실시에 사용되어, 본 명세서에 기재된 단계에 따라 처리되는 하드코팅된 층을 갖는 3차원 열가소성 부품을 생산할 수 있다는데 주목한다.
하드코팅된 폴리카보네이트 필름은, 사용되는 성형 공정 및 원하는 완성품의 구성 및 속성에 부분적으로 의존하며, 두께가 바람직하게는 약 50 μ 내지 500 μ, 더욱 바람직하게는 약 100 μ 내지 약 300 μ이다. "하드코팅된"은 코팅이 내마모성, 내스크래치성, 내용매성 및 내구성 중 적어도 하나인 것을 의미한다.
하드코팅된 폴리카보네이트 필름은 또한 열성형에 적합하여야 한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름은 다양한 공정 단계를 거치므로, 열성형 공정 동안 균열 또는 파손 없이 열성형을 견딜 수 있어야 한다.
하나의 적절한 하드코팅된 폴리카보네이트 필름은 맥더미드 엔톤 인코포레이티드(MacDermid Enthone Inc.)의 상표명 "엑스트라폼(XtraForm)™ M HCL"로 입수가능하다. 엑스트라폼™ M HCL은 광택 마감 처리된 하드코팅된 면 및 매트(matt)한 제2 표면을 갖는 180 μ 및 250 μ 두께의 입수가능한 성형가능한 하드코팅된 폴리카보네이트 필름이다. 수송 중에 필름을 보호하기 위해 하드코팅된 표면에 보호용 라미네이트가 제공된다.
임의로, 그러나 바람직하게는, 폴리카보네이트 필름의 제2 표면(즉, 하드코트층의 반대측면)은 완성품이 원하는 색상, 패턴 또는 마감을 나타내기 위해 순서대로 유색 잉크로 장식되거나 인쇄되거나 달리 코팅될 수 있다.
따라서, 일 실시 형태에서, 투명하거나 유색 투명 또는 반투명 잉크 또는 수지는 폴리카보네이트 기판의 제2 표면에 인쇄되거나 달리 적용되어 선택적 착색 및/또는 불투명한 디자인을 형성할 수 있다. 예를 들어, 황색 투명 또는 반투명 잉크는 선택적으로 기판의 제2 표면에 인쇄될 수 있으므로(즉, 스트라이프), 폴리카보네이트 기판이 후면 조명(backlit)될 때 기판의 전면을 통해 볼 때 장식, 인쇄 및/또는 패턴화된 외관을 생성할 수 있다. 다른 방법에서는, 흑색 또는 진한 색상의 잉크와 같은 불투명 잉크를 기판의 제2 표면에 선택적으로 인쇄하여, 폴리카보네이트 부품이 후면 조명될 때 원하는 그래픽 디자인이나 아이콘이 폴리카보네이트 부품의 전면에서 보이도록 할 수 있다. 이들 기술은 또한 서로 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 흑색 또는 다른 진한 색상의 잉크를 스크린 인쇄하거나 다른 방식으로 패턴화하여, 폴리카보네이트 기판의 제2 표면에 하나 이상의 이미지를 생성할 수 있으며, 그 후에 하나 이상의 투명 또는 반투명 유색 잉크가 하나 이상의 이미지 상에 적용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 투명 또는 반투명 유색 잉크의 균일한 층이 제2 표면 전체, 실질적으로 제2 표면 전체 또는 제2 표면의 선택된 부분에 균일하게 적용된 다음에, 흑색 또는 다른 진한 색상의 잉크가 투명 또는 반투명 유색 잉크의 상부에 일정 패턴으로 스텐실되거나 달리 적용된다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름일 수 있는 열가소성 필름의 제1 면(즉, 하드코트층을 갖는 열가소성 필름의 면)은 촉매 활성화제로 활성화된다. 일 실시 형태에서, 촉매 활성화제는 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 원하는 패턴으로 인쇄되거나 달리 적용되고 건조되게 되는 도금 촉매이다.
도금 촉매를 하드코팅된 폴리카보네이트 필름 상에 스크린 인쇄하여 원하는 패턴을 생성할 수 있다. 그라비어, 리소그래피 및 플렉소그래피를 포함하지만 이로 한정되지 않는 다른 인쇄 수단이 또한 도금 촉매를 기판 상에 원하는 패턴으로 인쇄하는데 사용될 수 있다. 전형적인 촉매 성분에는 예를 들어, 팔라듐, 금, 은, 주석, 니켈, 루테늄, 백금 및 로듐이 포함된다. 하나의 적절한 인쇄가능한 도금 촉매는 열적으로 또는 자외선 경화성 결합제 중의 팔라듐염의 분산물을 포함한다.
도금 촉매는 자외선 경화성이고 성형가능한 제제인 것이 매우 바람직하다. 하나의 이러한 도금 촉매는 해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제7,255,782호(Crouse)에 기재된 바와 같은 촉매 잉크를 포함한다.
열성형 전에, 폴리카보네이트 필름은 높은 속도로 수분을 흡수하는 경향을 갖기 때문에 예비건조된다. 포획된 수분은 약 120℃ 이상의 증기를 형성하고, 증기 팽창은 시트(sheet)에 기포를 생성한다. 예비건조의 지속시간은 부분적으로 시트에 의해 흡수되는 습도의 양과 그 두께에 따라 달라지며 당업자에 의해 용이하게 결정될 수있다. 일 실시 형태에서, 폴리카보네이트 필름은 약 90℃ 내지 약 135℃의 온도, 더욱 바람직하게는 약 115℃ 내지 약 125℃의 온도에서 예비건조하기 위해 제습 공기 순환 오븐에 배치된다. 또한, 폴리카보네이트 시트는 예비건조 오븐으로부터의 제거 시에 즉시 수분을 흡수하기 시작하고, 흡수 속도는 주변 이슬점에 의존한다. 이러한 이유로, 폴리카보네이트 필름은 성형기로 즉시 옮겨진다.
열성형은 사용되는 성형 공정의 유형에 따라 중온 내지 고온에서 수행될 수 있다. 폴리카보네이트는 고온에서 더욱 유연해지고, 온도는 전형적으로 유리전이온도에 접근하거나 이를 초과하는 온도이다. 일 실시 형태에서, 온도대(temperate)는 유리전이온도(즉, 약 150℃) 초과 내지 용융 온도(즉, 약 267℃) 미만인 것이다. 다른 실시 형태에서, 온도는 약 110 내지 약 130℃인 중간 온도이다.
예를 들어, 고압 열성형 및 진공 열성형을 비롯한 다양한 열성형 공정이 사용될 수 있다. 진공 성형에서, 필름은 유리전이온도 이상으로 가열되고, 진공 펌프를 사용하여 필름 아래에 저압 영역을 생성하여 외부 공기 압력이 필름을 폼(form) 위로 밀어낼 수 있다.
고압 성형에서, 고압(최대 약 300 바) 하에서 고온 공기가 필름에 적용된다. 기판이 진공 성형과 비교하여 비교적 더 적은 열로 이러한 고압을 받게 됨에 따라, 필름은 이의 연화 온도 미만에서 형성될 수 있으며, 이는 프린트-투-폼 레지스트레이션(print-to-form registration)을 향상시킬 수 있다. 고압 열성형은, 예를 들어 해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제5,217,563호 및 제5,108,530호(둘 다, Niebling 등)에 기재되어 있다.
폴리카보네이트 시트가 이의 성형 온도에 도달할 때, 균일한 "새그(sag)"가 발생한다. 새그의 양은 시트의 크기 및 두께에 좌우된다. 열성형은 하드코팅된 전면을 갖는 원하는 3차원 형상을 생성한다. 최적 가열 시간 및 온도는 시트의 두께, 사용되는 주형의 유형 및 요구되는 연신율을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다수의 인자에 좌우된다.
필요한 형상으로 열성형 후에, 3차원 제품을 자외선 경화시켜, 최대 내스크래치성 및 내화학약품성을 제공한다.
일 실시 형태에서, 임의로, 그러나 바람직하게는, 열성형 및 자외선 경화된 3차원 부품들은 사출 성형 도구에 배치되며, 열가소성 수지를 다시 주입하여 완성된 열성형 및 성형된 3차원 부품을 제조할 수 있다. 열가소성 수지는 열가소성 필름에 사용되는 수지와 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직한 일 실시 형태에서, 열가소성 필름 및 열가소성 수지는 모두 폴리카보네이트를 포함한다. 그러나, 다른 유사한 열가소성 재료가 또한 본 발명의 공정에 사용될 수 있으며, 본 발명은 폴리카보네이트로 제한되지 않는다.
3차원 폴리카보네이트 부품은 금속 도금층으로 선택적으로 도금된다. 도금된 금속은 인쇄된 촉매가 존재하는 영역에만 증착된다. 도금될 금속은 예를 들어, 구리, 아연, 니켈, 전술한 것의 합금, 및 전술한 것들 중 하나 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 다른 적절한 금속이 또한 본 명세서에 기술된 방법에서 도금될 수 있다.
또한, 도금은 무전해 도금, 전해 도금 또는 전술한 것의 조합에 의해 적용될 수 있는 도금된 금속의 하나 이상의 층을 포함하는 다층 공정일 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 하나의 이러한 도금 방법은 해당 발명의 요지가 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제7,255,782호(Crouse)에 기재되어 있다.
이들 도금욕은 일반적으로 수용액에 용해된 염 형태뿐만 아니라 금속염의 환원제의 형태로 증착되는 금속을 포함한다. 금속화 단계는 원하는 금속 마감을 얻기 위해 무전해 및/또는 전해 코팅을 포함할 수 있다. 무전해 도금에 의해 증착될 수 있는 전형적인 금속에는 구리, 니켈, 또는 인 및/또는 붕소를 함유하는 니켈 합금이 포함된다.
일 실시 형태에서, 도금 공정은 구리와 같은 무전해 금속을 약 10 내지 약 75 마이크론, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 35 마이크론의 깊이로 증착한 다음에, 구리와 같은 전해 금속을 약 1 내지 약 10 마이크론, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 약 8 마이크론의 깊이로 증착하는 것을 포함한다. 그 후에, 부품을 약 150 내지 약 220℃의 온도에서 열경화된다. 최종적으로, 부품을 구리층, 이어서 니켈층, 그 다음에 크롬층으로 전해 도금된다. 이들 층은 각각, 바람직하게는 두께가 약 10 내지 약 50 마이크론, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 35 마이크론이다.
일 실시 형태에서, 적절한 공정 단계들의 시퀀스는 다음과 같다:
1) 제1 표면에 하드코팅된 층을 갖는 미경화 폴리카보네이트 필름으로 된 필름을 제공하는 단계;
2) 폴리카보네이트 필름의 제2 표면(즉, 하드코팅이 없는 표면)에 원하는 색상, 패턴, 금속형(metallic-like) 마감 등을 인쇄하는 단계;
3) 폴리카보네이트 필름의 제1 표면 상에 인쇄가능한 촉매를 원하는 패턴으로 인쇄(즉, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 리소그래피, 플렉소그래피 등에 의해)하여 폴리카보네이트 필름을 선택적으로 촉매하는 단계;
4) 폴리카보네이트 필름을 열성형하여, 3차원 부품을 형성하는 단계 - 여기서, 상기 하드코팅된 층은 외측 표면에 있음 -;
5) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 자외선을 조사하여, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 자외선 경화시키는 단계;
6) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 원하는 3차원 형상으로 성형하는 단계;
7) 선택적으로 촉매된 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 활성화시키는 단계;
8) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 구리 또는 다른 무전해 금속의 시드층(seed layer)을 무전해 도금하는 단계 - 여기서, 도금된 금속은 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에만 증착됨 -;
9) 무전해 금속 증착물의 상부에 금속층을 전해 도금하는 단계 - 여기서, 전해 도금된 금속은 비제한적인 예로서, 구리, 구리 합금, 아연, 아연 합금, 니켈, 니켈 합금, 철, 납 합금 또는 다른 유사한 금속으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있음 -;
10) 완성품을 베이킹하는 단계; 및
11) 필요에 따라, 전해 도금에 의해 추가의 금속 도금층을 적용하는 단계.
본 명세서에 기재된 공정은 금속 특징부로 선택적으로 "장식"되지만, 소수성 하드코팅된 내스크래치성 표면도 포함하는 3차원 폴리카보네이트 부품을 생산하는데 사용될 수 있다.
상기 일련의 단계들을 사용하여, 우수한 내구성을 갖고 내마모성, 내스크래치성 및 내용매성 중 적어도 하나인, 선택적으로 장식된 성형된 하드코팅된 열가소성 부품을 제조하였다. 이들 3차원 부품은 3차원 부품의 투명 부분이 조명될 때 이미지를 나타내도록 후면 조명될 수 있다(즉, "시크릿-언틸-리트" 3차원 부품이 제조됨).
본 발명은 이제 하기의 비제한적인 실시예와 관련하여 설명될 것이다.
실시예 1:
엑스트라폼™ G2502L 코팅된 폴리카보네이트 필름의 305 × 458 mm 시트를 전체 시트에 걸쳐 투명 녹색 잉크(독일 프로엘 소재의 노리판(Noriphan) 669)의 균일층을 적용하여 제2(코팅되지 않은) 표면에 스크린 인쇄하였다. 이어서, 흑색 잉크(독일 프로엘 소재의 노리판 HTR 953)의 제2 층을 이미지 방식으로 적용하여, 녹색 잉크층의 상부에 텍스트 문구를 형성할 수 있도록 텍스트 패턴을 포함하는 스텐실을 적용하였다. 제조업자의 권고에 따라, 각각의 잉크를 10% 노리판 M201 지연제(retarder; 독일 프로엘 소재) 및 5% 노리판 F013 희석제(thinner; 독일 프로엘 소재)로 희석시켰다. 각각의 잉크 층을, 1 m/분의 벨트 속도로 80℃에서 2분간 트루맥스 인프라 레드 컨베이어 시스템(Trumax Infra Red conveyor system; 영국 노팅햄 소재의 나트그래프 리미티드(Natgraph Ltd))을 통해 필름을 통과시켜 건조시켰다.
이어서, 인쇄된 필름을 뒤집고, 제2 스크린 인쇄 스텐실을 도트 패턴을 포함하는 제1 표면에 적용하였다. 이는 미국 코네티컷주 워터베리 소재의 맥더미드 엔톤 일렉트로닉 솔루션즈(MacDermid Enthone Electronic Solutions)로부터 입수가능한 촉매 잉크인 마이크로캣(Microcat)을 사용하여 제1 표면에 패턴을 스크린 인쇄하는데 사용하였다. 마이크로캣 잉크는 98:2 파트 A:파트 B의 비율로 인쇄하기 전에 예비혼합해야 하는 두 부분(파트 A 및 파트 B)을 포함한다. 마이크로캣 인쇄 후에, 필름을 트루맥스 인프라 레드 드라이어(Trumax Infra Red Dryer)를 3회 통과시켰으며, 각각의 통과는 1 m/분의 벨트 속도로 80℃에서 2분간을 포함하였다. 그 다음에, 200℃의 공구 온도 및 10초간의 성형 시간을 사용하여 필름을 변형시키기 위한 성형 공구를 구비한 클라크(Clarke) 725 FLB 진공 성형기(영국 암맨포드 소재의 씨알(CR) 클라크)를 사용하여, 인쇄되고 건조된 필름을 3차원 형상으로 성형하였다. 마이크로캣 인쇄를 갖는 표면이 성형 공구로부터 떨어지도록, 성형 공구 옆에 유색 잉크층으로 필름을 형성하였다. 형성 후에, 필름을 퓨전(Fusion) DRSE-120 컨베이어(영국 태참 소재의 유바이오 시스템즈(UVio Systems)) 상에서 2 J/㎠의 선량으로 자외선 경화시켰다.
제조된 필름을 도금하여 스크린 인쇄 단계에서 마이크로캣이 존재하는 영역에만 금속을 증착시켰다. 도금 공정은 하기 단계들을 포함하였다:
Figure pct00001
도 1은 도금된 금속의 메시 유형 패턴이 보이는, 전체 도금 공정 후에 얻어진 샘플을 도시한다.
도 2는 나타나는 그래픽 이미지를 보여주는, 백색 광으로 후방으로부터 조명될 때의 동일한 부품을 도시한다.
실시예 2:
엑스트라폼™ G2502L 코팅된 폴리카보네이트 필름의 305 × 458 mm 시트를 세 영역에서 패턴화된 스텐실을 통해 흑색 잉크(노리판 HTR953) 층을 적용하여 제2(코팅되지 않은) 표면에 스크린 인쇄하여 이미지를 생성하였다. 그 다음에, 유색 잉크 블록 - 하나의 투명한 적색(독일 프로엘 소재의 노리판 372), 하나의 투명한 청색(독일 프로엘 소재의 노리판 566) 및 하나의 투명한 녹색(노리판 669)을 흑색 잉크의 상부에 인쇄하고, 각각의 패턴화된 흑색 영역에 한 가지 색상의 잉크를 적용하였다. 제조업자의 권고에 따라, 각각의 잉크를 10% 노리판 M201 지연제(독일 프로엘 소재) 및 5% 노리판 F013 희석제(독일 프로엘 소재)로 희석시켰다. 각각의 잉크 층을, 1 m/분의 벨트 속도로 80℃에서 2분간 트루맥스 인프라 레드 컨베이어 시스템(영국 노팅햄 소재의 나트그래프 리미티드)을 통해 필름을 통과시켜 건조시켰다. 이어서, 마이크로캣 도트 패턴의 인쇄, 진공 성형, 자외선 경화 및 후속 도금 단계를 포함하는, 실시예 1과 동일한 방법으로 추가의 처리를 행하였다. 도 3은 도금된 금속의 메시 유형 패턴이 보이는, 전체 도금 공정 후에 얻어진 샘플을 도시한다. 도 4는 나타나는 그래픽 이미지를 보여주는, 백색 광으로 후방으로부터 조명될 때의 동일한 부품을 도시한다.
본 발명은 금속 특징부로 선택적으로 장식되지만, 소수성 하드코팅된 내스크래치성 및 내마모성 표면도 포함하는 3차원 열가소성 부품을 생산하는 해결책을 설명한다.
본 발명은 모든 유형의 인쇄(스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 등)에 적합하다. 또한, 코팅은 제1 표면, 제2 표면 또는 둘 다로부터 경화될 수 있다. 또한, 무전해 도금 및/또는 전해 도금은 형성 및 성형 단계 후에 수행될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 완성품은 제1 표면에 선택적으로 도금되고, 제2 표면에 색 장식(즉, 잉크)될 수 있다. 본 방법은 어떠한 에칭도 수반하지 않으므로, 토포그래피를 최소화한다. 본 명세서에 기재된 방법은 또한 모든 수성 도금 화학에 적합하다.
마지막으로, 하기의 청구범위는 본 명세서에 기재된 본 발명의 일반적인 특징 및 구체적인 특징 전부, 및 언어로서 그 사이에 들어갈 수 있는 본 발명의 범주의 모든 진술을 포함하도록 의도된다는 것이 또한 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. a) 제1 표면에 하드코팅된 층을 포함하는 미경화 폴리카보네이트 필름으로 된 필름을 제공하는 단계;
    b) 폴리카보네이트 필름의 제1 표면에 원하는 패턴으로 촉매를 증착시켜, 폴리카보네이트 필름을 선택적으로 촉매하는 단계;
    c) 폴리카보네이트 필름을 열성형하여, 3차원 폴리카보네이트 필름을 형성하는 단계;
    d) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름에 자외선을 조사하여, 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 자외선 경화시키는 단계;
    e) 선택적으로 촉매된 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 활성화시키는 단계; 및
    f) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 금속층을 도금하는 단계 - 여기서, 도금된 금속은 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에만 증착됨 - 를 포함하는, 선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 b) 전에 폴리카보네이트 필름의 제2 표면에 잉크를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 잉크는 인쇄에 의해 적용되는 유색 잉크이고, 상기 잉크는 폴리카보네이트 필름의 제2 표면에 원하는 색상 또는 패턴 또는 마감(finish)을 나타내는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계 d) 후에 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 성형하여 하드코팅된 폴리카보네이트 필름을 포함하는 3차원 성형 부품을 제조하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리카보네이트 필름은 두께가 약 50 마이크론 내지 약 500 마이크론인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리카보네이트 필름은 두께가 약 100 마이크론 내지 약 300 마이크론인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 금속층을 도금하는 단계는,
    a) 촉매를 환원시키는 단계;
    b) 하드코팅된 폴리카보네이트 필름의 촉매된 부분에 무전해 금속의 시드층(seed layer)을 무전해 도금하는 단계; 및
    c) 무전해 금속 증착물의 상부에 금속층을 전해 도금하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 환원제는 차아인산염 또는 수소화붕소염을 포함하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 무전해 도금 금속은 구리, 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는, 방법.
  10. 제7항에 있어서, 전해 도금 금속은 구리, 구리 합금, 아연, 아연 합금, 니켈, 니켈 합금, 철, 납 합금, 크롬 및 전술한 것들 중 하나 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 도금된 금속 증착물은 두께가 약 10 마이크론 내지 약 300 마이크론인, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 도금된 금속 증착물은 두께가 약 30 마이크론 내지 약 150 마이크론인, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 열가소성 물품은 투명하거나 반투명한, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품을 약 150 내지 약 220℃의 온도에서 열경화시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 하나 이상의 추가의 금속 도금층을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금속 도금층은 구리층에 이어서, 니켈 또는 니켈 합금층에 이어서, 크롬층을 포함하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 열성형 전에, 폴리카보네이트 필름을 예비건조시키는, 방법.
  18. 제1항의 방법에 의해 제조되는 선택적으로 도금된 3차원 열가소성 부품.
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