KR20230031092A - 이종 소재 접합 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접합 강도 및 외관 품질이 우수한 이종 소재 접합 방법을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 이종 소재 접합 방법은, 수지 부재와 금속 부재를 준비하는 단계; 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 적층시키는 단계; 및 상기 적층 단계에서 적층된 상기 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 접합시키는 단계를 포함한다.

Description

이종 소재 접합 방법 및 장치{Method and apparatus for joining different materials}

본 발명은 접합 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 이종 소재 간 접합 방법 및 장치 등에 관한 것이다.

통상적으로, 금속 재료와 수지 재료와 같은 이종 소재 간 접합이 필요한 경우가 많다. 특히, 일정 수준 이상의 기계적 강도를 확보하면서도 제품의 경량화 및 재료 비용 절감을 위해, 이러한 이종 소재의 활용 및 접합은 널리 이용되고 있다. 그러나, 이와 같이 이종 소재를 이용하는 과정에서, 접합이 용이하지 않은 측면이 있다

이러한 이종 소재의 대표적인 접합 방식으로는, 접착제, 이를테면 아크릴 계열이나 우레탄 계열의 접착제를 이용하는 것을 들 수 있다. 하지만, 이러한 접착제를 통한 접합 방식의 경우, 접착제를 도포하거나 경화시키는 등의 과정에서 불량이 발생할 가능성이 많고, 작업자의 숙련도 등에 따라 많은 영향을 받을 수도 있다. 더욱이, 이러한 접합 방식의 경우에는, 접합 강도가 충분히 확보되지 못하는 문제점도 있다.

이에, 접합 강도를 높이기 위하여, 접착제 이외에 볼팅과 같은 체결 부재를 추가로 이용하여 결합력을 확보하는, 하이브리드 접합 방식이 이용되기도 한다. 그러나, 이러한 하이브리드 접합 방식의 경우, 작업 공정이 증가하고 볼팅 과정에서 파손의 우려도 있다. 뿐만 아니라, 볼팅 공간이 제품에 확보될 필요가 있으며, 외관 품질이 떨어진다는 문제도 있다.

또한, 이종 소재의 접합 방식에 대한 다른 예로서, 초음파를 이용한 접합 기술을 들 수 있다. 그러나, 이러한 초음파 접합 기술의 경우, 충분한 접합 강도를 확보하기 어렵고, 접합부의 외관 품질이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 더욱이, 초음파를 이용한 접합 기술의 경우, 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 이용하는데, 혼이나 앤빌 등에 수지가 협착될 가능성이 높다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 접합 강도 및 외관 품질이 우수한 이종 소재 접합 방법 및 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이종 소재 접합 방법은, 수지 부재와 금속 부재를 준비하는 단계; 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 적층시키는 단계; 및 상기 적층 단계에서 적층된 상기 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 접합시키는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 접합 단계는, 상기 금속 부재를 통해 전도된 열에 의해 상기 수지 부재가 용융되어 상기 금속 부재의 표면에 접합되도록 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법은, 상기 적층 단계 이전에, 상기 금속 부재의 접합면에 요철이 형성되도록 상기 금속 부재의 접합면을 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계는, 서로 다른 방향의 둘 이상의 표면 처리 라인이 교차하는 방식으로 수행될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계는, 상기 금속 부재의 접합면에 그루브 및 버 중 하나 이상을 형성하도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계는, 상기 금속 부재의 접합면에 1um 이하 크기의 미세 돌기를 형성하도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 알루미늄을 함유할 수 있다.

또한, 상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 십점 평균 거칠기가 6um 이하일 수 있다.

또한, 상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 900nm 내지 1100nm 파장의 광원에 대하여 반사율이 20% 내지 70%일 수 있다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이종 소재 접합 장치는, 수지 부재와 금속 부재를 적층시키도록 구성된 적층 유닛; 및 상기 적층 유닛에 의해 적층된 상기 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 수지 부재와 금속 부재를 접합시키도록 구성된 접합 유닛을 포함한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 이종 소재, 특히 수지와 금속 접합 시, 충분한 접합 강도가 확보될 수 있다. 따라서, 수지 재료와 금속 재료의 적절한 조합이 가능하여, 경량화나 원가 절감에 유리할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 접착제나 초음파를 이용한 접합 방식에 비해, 우수한 접합 강도가 확보될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 접합 강도의 일관성이 확보되기 용이할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 외관의 변형이 크지 않아, 제품의 외관 품질이 우수할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 수지 부재로 레이저가 조사되지 않고 금속 부재로 레이저가 조사될 수 있다. 따라서, 수지 부재에 대하여, 레이저의 투과가 가능하도록 하기 위한 소재나 형태 등으로 한정될 필요가 없다. 따라서, 이 경우, 수지 부재의 종류나 형태에 대한 확장성이 증대될 수 있다.

특히, 본 발명의 경우, 차량 부품, 이를테면 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems) 모듈의 부품 구조물이나 카메라 부품 구조물 등과 같이, 구조 상 투과 융착이 어려운 구조나 소재 등에 대하여, 우수한 공정성 및 접합성을 갖는 이종 소재 간 접합 기술이 제공될 수 있다.

이 밖에도, 본 발명은 여러 실시 측면에서 다양한 추가 효과를 달성할 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 해당 구성으로부터 명확하게 이해할 수 있는 효과들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 간 접합 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 도 2의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법의 구성을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부재의 표면 처리 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법에서, 금속 부재의 표면 처리된 구성의 일례를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법에서, 금속 부재의 표면 처리된 구성의 일례를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 접합 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 9는, 본 발명의 여러 실시예와 비교예에 대한 접합 강도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 다른 여러 실시예들에 따른 접합 강도 측정 결과를 나타낸 표이다.
도 11은, 도 10의 측정 결과를 도식화하여 나타낸 그래프이다.
도 12는, 본 발명의 실시예 5에서 융착 전 금속판의 접합면이 표면 처리된 구성을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다.
도 13은, 본 발명의 실시예 12에서 융착 전 금속판의 접합면이 표면 처리된 구성을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다.
도 14 및 도 15는, 본 발명의 실시예 5 및 6에 대하여 융착 후 접합면을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다.
도 16은, 본 발명의 실시예 12에 대하여 융착 후 접합면을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다.
도 17 및 도 18은, 본 발명의 실시예 4의 금속 소재와 실시예 8의 금속 소재에 대한 반사율과 흡수도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 19는, 본 발명의 실시예 8에서 융착 전 금속판의 접합면에 대하여 표면 처리된 구성을 정면에서 바라본 형태의 부분 확대 이미지들이다.
도 20은, 본 발명의 실시예 4에서 융착 전 금속판의 접합면에 대하여 표면 처리된 구성을 정면에서 바라본 형태의 부분 확대 이미지들이다.
도 21은, 본 발명의 여러 실시예들에 따른 접합 강도를 상대적으로 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법은, 준비 단계(S110), 적층 단계(S120) 및 접합 단계(S130)를 포함한다.

상기 준비 단계(S110)는, 접합 대상이 되는 이종 소재를 준비하는 단계이다. 특히, 본 발명의 경우, 이종 소재로서, 수지 부재와 금속 부재가 이용될 수 있다. 따라서, 상기 준비 단계(S110)는, 수지 부재와 금속 부재를 준비하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 준비 단계(S110)에서, 수지판(플라스틱판)과 금속판이 접합 대상으로 준비될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 이종 소재의 형태로 제한되는 것은 아니다.

상기 적층 단계(S120)는, 접합 대상이 되는 이종 소재를 적층시키는 단계이다. 특히, 본 발명의 경우, 이러한 적층 단계(S120)에서, 수지 부재와 금속 부재가 서로 적층되도록 할 수 있다. 예를 들어, 적층 단계(S120)에서, 수지 부재와 금속 부재를 상하 방향으로 적층시킬 수 있다.

상기 적층 단계(S120)의 경우, 이종 소재의 표면이 서로 접촉되도록 하는 면접촉 형태로, 이종 소재가 상호 접촉될 수 있다. 예를 들어, 적층 단계(S120)에서, 수지판과 금속판이 적어도 부분적으로 상하 방향으로 면접촉하여 중첩 부분이 형성되도록 적층될 수 있다. 특히, 수지판이 하부에 위치하고 금속판이 상부에 위치한 경우, 수지판의 상면 일부와 금속판의 하면 일부가 서로 접촉된 형태로 수지판과 금속판이 부분적으로 상호 적층되어 중첩 부분이 형성될 수 있다.

상기 접합 단계(S130)는, S110 단계 및 S120 단계에서 준비 및 적층된 이종 소재 사이가 접합되도록 하는 단계이다. 특히, 본 발명의 경우, 이종 소재로서 수지 부재와 금속 부재가 이용될 수 있으므로, 이 경우 상기 접합 단계(S130)는, 수지 부재와 금속 부재가 상호 접합되도록 하는 단계라 할 수 있다. 이러한 접합 단계(S130)에 대해서는, 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 간 접합 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 접합 단계(S130)는, L로 표시된 바와 같이, 레이저를 조사하여 이종 소재, 특히 P로 표시된 바와 같은 수지 부재와 M으로 표시된 바와 같은 금속 부재가 서로 접합되도록 할 수 있다. 더욱이, 상기 접합 단계(S130)에서는, 금속 부재(M)의 외부 표면에 레이저(L)가 조사될 수 있다. 여기서, 금속 부재(M)의 외부 표면이란, 금속 부재(M)에 있어서 수지 부재(P)와 접합되는 접합면이 아닌, 그 반대 측 표면을 의미한다고 할 수 있다.

예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부에 수지판(P)이 위치하고 상부에 금속판(M)이 위치하는 형태로 상호 접합되는 경우, 금속판(M)에서, 접합면은 하부면이고 외부면은 상부면이라 할 수 있다. 이때, 레이저(L)는 금속판(M)의 상부면에 조사될 수 있다. 또한, 상기 S130 단계에서, 레이저(L)는, 도 2의 화살표 A2로 표시된 바와 같이 금속판(M)의 상부면을 따라 수평 방향으로 이동하면서, 조사될 수 있다.

이와 같은 접합 구성에서, 접합부는 수지 부재와 금속 부재 사이의 계면에 형성될 수 있다. 이를테면, 도 2 및 도 3의 실시 구성의 경우, 레이저 조사에 의한 접합부는, 용접부로서, W로 표시된 부분과 같이, 금속판(M)과 수지판(P) 사이의 계면, 즉 금속판의 하부면이자 수지판의 상부면에 형성된다고 할 수 있다.

다른 예로, 좌측에 수지판이 위치하고 우측에 금속판이 위치하는 형태로 상호 접합되는 경우, 금속판의 외부면은 우측 표면이다. 이때, 레이저는, 금속판의 우측에서 좌측 방향으로 금속판의 우측 표면에 조사될 수 있다. 이 경우, 금속판의 좌측 표면에 접합부가 형성될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 이종 소재의 접합에 대하여 우수한 접합 강도가 확보될 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 볼팅 등 추가 결합 구성이 수행될 필요가 없다. 따라서, 이종 소재 간 접합에 대한 공정성과 경제성 등이 우수하게 달성될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 경우, 우수한 접합 강도로 인해, 수밀 내지 밀폐 성능이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 수지 측에 레이저가 조사되지 않고 금속 측에 레이저가 조사된다고 할 수 있다. 그리고, 접합부는, 금속 부재의 접합면에 형성될 수 있다.

따라서, 이 경우, 수지 부재의 형태나 종류 등에 큰 영향을 받지 않고 레이저를 이용한 접합 공정이 구현될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에 의하면, 수지 부재에 대하여, 레이저의 투과 특성에 대한 큰 고려 없이, 접합이 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 레이저가 수지 부재를 투과하지 않아도 되므로, 수지 부재가 레이저를 일정 수준 이상 투과시킬 수 있는 소재로 한정될 필요가 없다. 더욱이, 수지 부재 측에서 레이저가 조사될 경우, 수지 부재의 투과율이 일정 수준 이상 되지 않으면, 충분한 접합을 위해 레이저의 출력이 증대될 필요가 있다. 하지만, 이 경우에도, 접합 성능이 높게 확보되지 못할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저가 조사되는 수지 부재의 표면이 손상 내지 변형될 수 있다. 그러나, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 수지 부재 측에 레이저가 조사되지 않으므로, 이러한 제한 내지 문제가 발생하지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 접합 방식이 적용되는 수지 부재에는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 수지 소재가 포함될 수 있다.

또한, 상기 실시 구성에 의하면, 레이저가 수지 부재를 통과하지 않아도 되므로, 수지 부재의 두께와 큰 관계 없이 접합이 이루어질 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 수지 부재의 두께를 일정 수준 이하로 얇게 할 필요가 없다.

또한, 상기 실시 구성에 의하면, 제품의 외관, 특히 수지 측의 외관에 큰 변형이 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우, 이종 소재 간 상호 접합 구성이 포함된 제품에 대하여 우수한 외관 품질이 확보되도록 할 수 있다.

본 발명과 달리, 초음파를 이용한 접합 방식의 경우, 접합 강도가 본 발명과 같은 레이저를 이용한 접합 방식에 비해 약할 뿐 아니라, 수지층이 혼이나 엔빌에 협착되는 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 이러한 수지 협착은 수지층의 외면을 변형시킬 수 있다. 하지만, 본 발명에 의할 경우, 이러한 수지 협착으로 인한 변형 문제 등이 발생하지 않을 수 있다.

상기 접합 단계(S130)는, 수지 부재(P)가 용융되어 금속 부재(M)의 표면에 접합되도록 하는 형태로 수행될 수 있다. 이때, 수지 부재의 용융은, 금속 부재를 통해 전도된 열에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 상기 접합 단계(S130)에서, 레이저가 금속 부재 측에 가해져 금속 부재로는 열이 공급될 수 있다. 그리고, 이와 같이 공급된 열은, 열전도 방식으로 금속 부재의 외부면에서 금속 부재의 접합면 측으로 이동할 수 있다. 여기서, 금속 부재의 접합면 측에는 수지 부재가 접촉된 상태로 존재하므로, 수지 부재는 금속 부재로부터 전도된 열에 의해 가열되어 적어도 부분적으로 용융될 수 있다. 그리고, 이와 같이 용융된 수지 부재는 금속 부재의 접합면에 부착되어, 수지 부재와 금속 부재의 융착이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 도 3의 실시예에서, 금속 부재(M)와 수지 부재(P)가 상부에서 하부 방향으로 순차적으로 적층되고, 금속 부재(M)의 상부 측에서 금속 부재(M)를 향해 레이저가 조사될 수 있다. 이때, 레이저에 의한 열이 금속 부재(M)를 통해 상면에서 하면 방향으로 전도될 수 있다. 그리고, 이와 같이 전도된 열은 수지 부재(P)의 접합면인 상부면을 용융시켜 융착부가 형성되도록 할 수 있다.

이와 같은 측면에서, 수지 부재와 금속 부재의 접합은, 열전도 융착 방식으로 이루어진다고 할 수 있다.

한편, 상기 접합 단계(S130)에서 조사되는 레이저(접합용 레이저)는, 350 nm 내지 1200 nm의 파장대 영역을 가질 수 있다. 또한, 상기 접합 단계(S130)에서 조사되는 레이저는, 60 J/mm 내지 300 J/mm의 라인 에너지(line energy)를 가질 수 있다. 여기서, 라인 에너지는, 레이저를 통해 1개의 라인 패턴으로 1회 조사 시 이용된 에너지를 의미할 수 있다. 특히, 상기 접합 단계(S130)에서 조사되는 레이저는, 85 J/mm 내지 150 J/mm의 라인 에너지(line energy)를 가질 수 있다.

도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법의 구성을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법은, 도 1에서 설명한 바와 같은 준비 단계(S210), 적층 단계(S230) 및 접합 단계(S240) 이외에, 표면 처리 단계(S220)를 더 포함할 수 있다. 도 4의 준비 단계(S210), 적층 단계(S230) 및 접합 단계(S240)는, 도 1의 준비 단계(S110), 적층 단계(S120) 및 접합 단계(S130)와 유사하다고 할 수 있으므로, 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

도 4에서 추가된 표면 처리 단계(S220)는, 수지 부재와 금속 부재의 적층 단계(S230) 이전에 수행될 수 있다. 상기 표면 처리 단계(S220)는, 금속 부재의 접합면을 표면 처리하는 단계라 할 수 있다. 특히, 이러한 표면 처리 단계(S220)는, 금속 부재의 접합면에 요철이 형성되도록 할 수 있다.

본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 금속 부재의 접합면에 요철이 형성됨으로써, 열전도에 의한 융착 시, 수지 부재와 금속 부재 간 융착이 보다 잘 이루어지도록 할 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 표면 처리로 형성된 금속 부재의 요철에 용융된 수지 부재가 삽입되어 결착될 수 있다. 따라서, 수지 부재와 금속 부재의 융착 강도가 보다 향상될 수 있다.

상기 표면 처리 단계(S220)는, 금속 부재의 접합면에 레이저(표면 처리용 레이저)를 조사하는 형태로 수행될 수 있다. 특히, 이와 같은 표면 처리용 레이저의 조사는, 서로 다른 방향의 둘 이상의 표면 처리 라인이 교차하는 방식으로 수행될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부재의 표면 처리 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 표면 처리 단계(S220)의 수행을 위해, 레이저(표면 처리용 레이저)가 금속 부재의 적어도 일 표면, 특히 수지 부재와 접합되는 표면에 조사될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 D1으로 표시된 바와 같이, 표면 처리용 레이저는 금속 부재의 표면(접합면)을 따라 가로 방향(X축 방향)으로 이동하면서 인가될 수 있다. 이때, 표면 처리용 레이저는, 다수의 직선 라인 패턴을 갖는 형태로 조사될 수 있다. 또한, 도 5에서 D2로 표시된 바와 같이, 표면 처리용 레이저는, 금속 부재의 표면(접합면)을 따라 세로 방향(Y축 방향)으로 이동하면서 인가될 수도 있다. 이때, 표면 처리용 레이저는, 서로 교차하는 두 방향(가로 방향, 세로 방향)의 표면 처리 라인(레이저 라인)으로 인해, 소정의 패턴을 갖는 형태로 조사된다고 할 수 있다. 더욱이, 표면 처리용 레이저는, 메쉬 형태의 표면 처리 패턴을 형성하도록 표면 처리용 레이저를 조사한다고 할 수 있다. 특히, 표면 처리용 레이저는, 서로 다른 방향의 표면 처리 라인이 서로 직교함으로써, 사각형 메쉬 패턴을 형성할 수 있다.

이 밖에도, 표면 처리용 레이저는, 서로 다른 방향의 표면 처리 라인이 서로 교차(접촉)하여 꼭지점을 형성함으로써, 사각형 이외의 다른 다각형, 이를테면 오각형이나 육각형 등 다른 다양한 형상의 메쉬 패턴을 형성할 수도 있다.

또한, 표면 처리용 레이저는, 직선 라인이 아닌 절곡된 라인, 이를테면 지그재그 형태의 라인을 다수 형성하되, 이들 라인이 서로 교차하지 않고 평행하게 연장된 형태로 표면 처리 패턴을 형성할 수도 있다.

본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다수의 직선 라인 형태, 특히 메쉬 형태로 레이저가 조사되면서 금속 부재의 접합면에 대한 표면 처리가 수행될 수 있다. 그리고, 이러한 표면 처리로 인해, 금속 부재의 접합면에서 융착에 적합한 형태의 요철이 형성될 수 있다. 따라서, 금속 부재와 수지 부재 사이의 융착이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 특히, 금속 부재의 표면 처리 패턴이 메쉬 형태로 수행되는 경우, 금속 부재의 접합면에서 표면적 내지 비표면적이 더욱 넓어질 수 있다. 그러므로, 이 경우, 금속 부재로부터 수지 부재로 보다 많은 열이 전도될 수 있으며, 이로 인해 금속 부재에 대한 수지 부재의 융착이 더욱 잘 이루어질 수 있다.

한편, 표면 처리용 레이저는 다양한 사양 및 방식으로 금속 부재의 표면에 인가될 수 있다. 특히, 표면 처리용 레이저는, 금속 부재나 수지 부재의 종류, 형태, 접합부의 형태나 면적 등에 따라 다양한 사양 및 방식 등으로 인가될 수 있다. 예를 들어, 표면 처리용 레이저는, 1064 nm(나노미터)의 파장, 300 mm/s의 속도, 36W의 출력, 70kHz의 주파수를 가질 수 있다. 또한, 표면 처리용 레이저는, 동일한 라인(그루브)에 대하여 수회, 이를테면 4회 반복하여 조사될 수 있으며, 0.1 ms의 spot delay를 가질 수 있다.

도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법에서, 금속 부재의 표면 처리된 구성의 일례를 도식화하여 나타낸 도면이다. 예를 들어, 도 6은, 도 5의 A3-A3'선에 대한 단면의 일부 구성을 확대하여 나타낸 도면이라고 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 금속 부재의 접합면이 상부에 위치하는 형태로 도시되어 있으며, 이러한 접합면이 표면 처리되어 있다. 그리고, 이러한 금속 부재의 접합면에 대한 표면 처리는, 앞서 설명한 바와 같이, 표면 처리용 레이저의 조사 등을 통해 수행될 수 있다. 이와 같이, 금속 부재의 접합면이 표면 처리되면, 금속 부재의 접합면에는 요철이 형성될 수 있다. 특히, 표면 처리 단계는, 금속 부재의 접합면에 그루브 및 버 중 하나 이상을 형성시키는 형태로 수행될 수 있다.

보다 구체적으로, 금속 부재의 표면에 표면 처리용 레이저가 조사되면, 레이저가 조사된 자리에는, 도 6에서 G로 표시된 바와 같이, 오목한 형태의 그루브(groove)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 그루브(G)의 주변으로는, B로 표시된 바와 같이, 버(burr)가 형성될 수 있다.

이와 같이 표면 처리에 의해 금속 부재의 접합면에 그루브(G) 및/또는 버(B)가 형성되면, 수지 부재와의 융착이 보다 잘 이루어질 수 있다. 특히, 금속 부재와 수지 부재의 접합 시, 용융된 수지 부재가 그루브(G) 및/또는 버(B)에 의해 형성된 공간 내로 삽입되어, 금속 부재와 수지 부재의 접합력이 보다 향상될 수 있다.

특히, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 금속 부재의 표면에 형성된 그루브(G) 및/또는 버(B)의 형태나 위치, 크기 등을 적절하게 함으로써, 보다 향상된 융착력이 달성되도록 할 수 있다.

예를 들어, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 깊이가 100 um(마이크로미터) 내지 200 um가 되도록 수행될 수 있다. 여기서, 그루브의 깊이는, 도 6에서 C1으로 나타낸 부분이라 할 수 있다. 즉, 그루브의 깊이는, 금속 부재의 표면에서 그루브의 내측 단부까지의 직선 상 길이라 할 수 있다. 특히, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 깊이가 110 um 이상, 보다 많게는 130 um 이상, 더욱 많게는 150 um 이상이 되도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 버의 높이가 10 um 내지 70 um가 되도록 수행될 수 있다. 여기서, 버의 높이는, 도 6에서 C2로 나타낸 부분과 같이, 금속 부재의 표면에서 버의 최고 높이까지의 직선 상 길이라 할 수 있다. 특히, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 버의 높이가 30 um 이상, 보다 많게는 40 um 이상, 더욱 많게는 50 um 이상이 되도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 입구 폭이 20 um 내지 60 um가 되도록 수행될 수 있다. 여기서, 그루브의 입구 폭은, 도 6에서 C3로 표시된 부분과 같이, 하나의 그루브에 대하여 입구 측 길이를 의미한다고 할 수 있다. 더욱이, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 입구 폭에 대하여, 30 um 이상, 55 um 이하, 특히, 40 um 이상, 50 um 이하가 되도록 수행될 수 있다.

그리고, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브 사이의 피치(pitch)가 100 um 내지 200 um가 되도록 수행될 수 있다. 여기서, 그루브 사이의 피치는, 도 6에서 C4로 표시된 부분과 같이, 그루브의 내측 단부 사이의 직선 거리라 할 수 있다. 특히, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브 사이의 피치에 대하여, 140 um 이상, 180 um 이하, 더욱이 160um 이상, 170 um 이하가 되도록 수행될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 깊이와 버의 높이의 합계값이 120um 이상이 되도록 수행될 수 있다. 여기서, 그루브의 깊이와 버의 높이의 합계값은, 도 6에서 C1+C2로 표시된 값이라 할 수 있다. 특히, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 그루브의 깊이와 버의 높이의 합계값이 130 um 이상, 보다 많게는 140 um 이상, 더욱 많게는 150 um 이상이 되는 형태로 수행될 수 있다.

한편, 앞서 설명된 그루브나 버에 대한 각종 수치는, 모든 그루브나 버에 대한 절대값으로서 적용될 수도 있고, 모든 그루브나 버에 대한 평균값으로서 적용될 수도 있다. 또한, 앞서 설명된 그루브나 버에 대한 형태나 크기, 위치 등은, 표면 처리용 레이저의 조사 형태나 출력, 시간, 속도 등 여러 사양에 의해 결정될 수 있다.

특히, 앞서 도 5의 실시예에서 설명한 바와 같이, 표면 처리 단계(S220)에서 레이저가 메쉬 형태의 패턴으로 조사되는 경우, 그루브 및/또는 버는 메쉬 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계(S220)는, 금속 부재의 접합면에 미세 돌기가 형성되도록 수행될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이종 소재 접합 방법에서, 금속 부재의 표면 처리된 구성의 일례를 도식화하여 나타낸 도면이다. 예를 들어, 도 7은, 도 6의 A4 부분의 전부 또는 일부를 확대하여 나타낸 도면이라 할 수 있다.

도 6과 함께 도 7을 참조하면, 표면 처리 단계(S220)를 통해 금속 부재의 접합면에는, F로 표시된 부분과 같이, 미세 돌기가 형성될 수 있다. 여기서, 미세 돌기(F)는, 수십 나노미터(nm)의 크기, 즉 1 um 이하의 크기를 갖는다고 할 수 있다. 이러한 미세 돌기(F)의 크기는, 도 7에서 C5로 표시된 바와 같이, 일측 단부에서 타측 단부까지 이르는 직선상의 거리라 할 수 있다. 더욱이, 미세 돌기(F)를 금속 부재의 표면에서 돌출된 입자로 볼 경우, 미세 돌기(F)의 크기는 입경으로 나타낼 수 있다. 특히, 미세 돌기(F)는, 100 nm 이하의 크기, 보다 작게는 80 nm 이하의 크기, 더욱 작게는 50 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 또한, 도 7에서는 도시의 편의를 위해 다수의 미세 돌기의 크기 및 형태가 모두 동일하게 도시되어 있으나, 다수의 미세 돌기 중 적어도 일부, 특히 상당수는 크기 및 형태가 서로 다르게 형성될 수도 있다.

더욱이, 표면 처리 단계(S220)를 통해 금속 부재의 접합면에 그루브가 형성된 경우, 수십 나노미터 크기의 미세 돌기는, 그루브 사이의 표면에 형성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 표면 처리 단계(S220)를 통해 금속 부재의 접합면에 미세 돌기가 형성됨으로써, 금속 부재와 수지 부재 사이의 융착력이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 금속 부재의 접합면에 형성된 미세 돌기로 인해, 금속 부재의 접합면에서 표면적 내지 비표면적이 증가할 수 있다. 그리고, 이러한 표면적 등의 증가는, 금속 부재로부터 수지 부재로 보다 많은 열이 전도되도록 할 수 있다. 그러므로, 동일한 접합용 레이저가 인가되더라도, 융착 효율이 보다 증대될 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 미세 돌기로 인해, 금속 부재와 수지 부재 사이의 융착 면적 또한 증대될 수 있으므로, 이러한 측면에서도 융착력이 더욱 향상된다고 할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 이종 소재 접합 방법은, 금속 부재와 수지 부재를 접합시키되, 금속 부재 측에서 레이저가 조사되어 열전도 융착 방식으로 금속 부재와 수지 부재가 융착되도록 할 수 있다. 이때, 적절한 금속 부재를 채용하는 것이 본 발명의 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 준비 단계(S210)에서 적절한 종류의 금속 소재가 금속 부재로 준비됨으로써, 표면 처리 단계(S220)에서 융착에 적합한 그루브나 버, 미세 돌기 등의 형성이 가능해져, 접합 단계(S240)에서의 융착 효과가 더욱 증대될 수 있다.

특히, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 알루미늄을 함유하는 금속 부재를 준비할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법은, 알루미늄을 함유하는 금속 부재와 수지 부재를 접합시키는데 적용될 수 있다. 더욱이, 상기 준비 단계(S110, S210)에서는, 알루미늄 합금이 금속 부재로서 준비될 수 있다.

이와 같이, 알루미늄을 함유하는 금속 부재의 경우, 본 발명의 상기 실시 구성에 따른 수지 부재와의 열전도 융착 방식이 보다 원활하게 수행될 수 있다. 더욱이, 알루미늄을 함유하는 금속 부재의 경우, 앞서 설명한 바와 같은 레이저를 이용한 접합 단계(S130, S240) 및/또는 레이저를 이용한 표면 처리 단계(S220)가 보다 효과적으로 수행될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법에 의하면, 금속 부재 측에 레이저가 조사되고, 열전도 방식으로 열이 수지 부재 측으로 전달되어, 수지 부재가 금속 부재에 융착될 수 있다. 이러한 접합 방식에 대하여, 금속 부재로서 알루미늄을 함유하는 재질이 이용되는 경우, 보다 효과적으로 수행될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 십점 평균 거칠기(Rz)가 6 um 이하인 금속 부재를 준비할 수 있다. 더욱이, 알루미늄 합금 형태라는 측면에서 동일한 금속 부재라 하더라도, 이러한 표면 거칠기에 따라 접합 성능이 달라질 수 있다. 특히, 준비 단계(S110, S210)에서 준비되는 금속 부재는, 3 um 이하, 보다 작게는 2 um이하, 더욱 작게는 1 um 이하의 십점 평균 거칠기(Rz)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 준비 단계(S110, S210)에서는, 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.6 um 이하, 이를테면 0.51 um인 금속 부재가 준비될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 표면 거칠기의 다른 형태인 중심선 평균 거칠기(Ra)가 1 um 이하인 금속 부재를 준비할 수 있다. 특히, 준비 단계(S110, S210)는, 0.7 um 이하, 보다 작게는 0.5 um이하, 더욱 작게는 0.3 um 이하의 십점 평균 거칠기(Rz)를 갖는 금속 부재가 채택되어 준비될 수 있다. 예를 들어, 상기 준비 단계(S110, S210)에서는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.2 um 이하, 이를테면 0.13 um인 금속 부재가 준비될 수 있다.

이와 같은 표면 거칠기를 갖는 금속 부재의 경우, 레이저 조사 시 산란 및 반사를 줄임으로써, 레이저에 의한 융착 성능이 향상될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 900 nm 내지 1100 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 방사율(emissivity)이 0.1 내지 0.95인 금속 부재를 준비할 수 있다. 특히, 상기 준비 단계(S110, S210)에서 준비되는 금속 부재는, 상온에서 900 nm 내지 1000 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 방사율이 0.2 이상, 보다 많게는 0.3 이상, 더욱 많게는 0.4 이상의 방사율을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 900 nm 내지 1000 nm의 파장의 레이저 광원에 대하여, 방사율이 0.5 내지 0.8인 알루미늄 합금이, 상기 S110 단계에서 금속 부재로 채택되어 준비될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 준비 단계(S110, S210)에서는, 915 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 방사율(emissivity)이 0.6 내지 0.7, 이를테면 0.62인 금속 부재가 준비될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 900 nm 내지 1100 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 반사율(reflectance)이 백분율로서 20 내지 70인 금속 부재를 준비할 수 있다. 특히, 상기 준비 단계(S110, S210)에서 준비되는 금속 부재는, 표면에 대하여 수직으로 입사하는 900 nm 내지 1100 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 반사율이 55 이하, 보다 적게는 50 이하, 더욱 적게는 45 이하의 반사율을 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 900 nm 내지 1100 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 반사율이 25% 내지 40%인 금속 부재를 준비할 수 있다. 예를 들어, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 915 nm의 파장의 레이저 광원에 대하여, 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.51 um 이고, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.13 um이며, 반사율이 25% 내지 35%, 이를테면 30.5%인 알루미늄 합금이, 상기 S110 단계에서 금속 부재로 채택되어 준비될 수 있다.

또한, 상기 준비 단계(S110, S210)는, 900 nm 내지 1100 nm 파장의 광원에 대하여, 흡수도(absorbance)(흡수율)가 0.1 내지 0.6인 금속 부재를 준비할 수 있다. 특히, 상기 준비 단계(S110, S210)에서 준비되는 금속 부재는, 900 nm 내지 1100 nm 파장의 레이저 광원에 대하여, 흡수도가 0.2 이상, 보다 많게는 0.3 이상, 더욱 많게는 0.4 이상을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 준비 단계(S110, S210)에서는, 915 nm의 파장의 레이저 광원에 대하여, 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.51 um 이고, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.13 um이며, 흡수도가 0.5 이상, 이를테면 0.52인 알루미늄 합금이 금속 부재로 채택되어 준비될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같은 금속 부재가 준비 단계(S110, S210)에서 준비되어 수지 부재와의 접합이 수행될 경우, 접합에 대한 우수한 공정성과 결합성 등이 확보될 수 있다.

한편, 상기 접합 단계(S130, S240)는, 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하는 과정에서, 또는 레이저의 조사 이후 과정에서, 적층체를 가압하는 동작이 함께 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 실시 구성에서, 금속 부재(M)가 수지 부재(P)의 상부에 적층된 상태에서 금속 부재의 상면에 레이저(L)가 조사되는 형태로 접합이 수행되는 경우, J로 표시된 바와 같은 방향으로 가압이 함께 수행될 수 있다. 이러한 가압은, 이를테면 지그에 의해 수행될 수 있다. 이러한 가압 과정이 함께 수행되면, 접합 과정, 특히 융착에 의한 접합이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 이종 소재 접합 장치는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법의 적어도 일부 과정을 수행하도록 구성될 수 있다.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 소재 접합 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 장치는, 적층 유닛(100) 및 접합 유닛(200)을 포함한다.

상기 적층 유닛(100)은, 앞서 설명된 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법에서 적층 단계(S120, S230)를 수행하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 적층 유닛(100)은, 수지 부재와 금속 부재를 적층시키도록 구성될 수 있다.

특히, 상기 적층 유닛(100)은, 도면에 도시된 바와 같이, 안착부(110)와 이송부(120)를 구비할 수 있다. 여기서, 안착부(110)는, 접합의 대상, 즉 수지 부재와 금속 부재가 안착될 수 있도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 안착부(110)는 상부에 수지 부재와 금속 부재가 안착되도록 구성될 수 있다. 그리고, 이송부(120)는 수지 부재와 금속 부재를 안착부(110)까지 이송시키도록 마련된 구성요소이다. 예를 들어, 이송부(120)는 컨베이어 벨트와 같은 형태로 구성될 수 있다. 이때, 안착부(110)와 이송부(120)는 하나의 통합된 장비로 구현될 수도 있다.

상기 접합 유닛(200)은, 앞서 설명된 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법에서 접합 단계(S130, S240)를 수행하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 접합 유닛(200)은, 적층 유닛(100)에 의해 적층된 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 수지 부재와 금속 부재를 접합시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 접합 유닛(200)은, 접합용 레이저 인가부(210)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 접합 유닛(200)은, 지그부(220)를 더 구비할 수 있다. 이러한 지그부(220)는, 접합용 레이저 인가부(210)에 의해 접합용 레이저가 인가될 때, 또는 접합용 레이저가 인가된 후, 금속 부재와 수지 부재의 적층체를 적층 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다.

상기 접합 유닛(200)은, 레이저를 인가함으로써 공급된 열이 금속 부재를 통해 전도되고, 이러한 열 전도에 의해 수지 부재를 용융시켜 수지 부재가 금속 부재의 표면에 접합되도록 하는 형태로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이종 소재 접합 장치는, 도 8에 도시된 바와 같이, 표면 처리 유닛(300)을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 처리 유닛(300)은, 앞서 설명된 본 발명에 따른 이종 소재 접합 방법에서 표면 처리 단계(S220)를 수행하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 표면 처리 유닛(300)은, 적층 유닛(100)에 의한 적층 동작 이전에, 금속 부재의 접합면에 요철이 형성될 수 있도록 금속 부재의 접합면을 표면 처리하도록 구성될 수 있다.

특히, 표면 처리 유닛(300)은, 표면 처리용 레이저 인가부(310)를 포함할 수 있다. 여기서, 표면 처리용 레이저 인가부(310)는, 금속 부재의 접합면에 표면 처리용 레이저를 인가할 수 있다. 이때, 표면 처리용 레이저 인가부(310)와 접합용 레이저 인가부(210)는 하나의 레이저 인가 장비로 구현될 수도 있다.

상기 표면 처리 유닛(300)은, 금속 부재의 접합면에 형성된 요철이 소정의 패턴을 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 표면 처리 유닛(300)은, 서로 다른 방향의 둘 이상의 표면 처리 라인이 교차되도록 표면 처리용 레이저를 조사할 수 있다. 예를 들어, 표면 처리 유닛(300)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 요철이 사각형 메쉬 형태의 패턴을 갖도록, 금속 부재의 접합면에 표면 처리용 레이저를 인가할 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 유닛(300)은, 금속 부재의 접합면에 그루브 및 버 중 하나 이상을 형성하도록 구성될 수 있다. 특히, 이러한 그루브나 버는, 표면 처리용 레이저 인가부(310)에 의해 레이저가 인가됨으로써 형성될 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 유닛(300)은, 금속 부재의 접합면에 1um 이하 크기의 미세 돌기를 형성시키도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 적층 유닛(100)은, 알루미늄을 함유하는 금속 부재, 이를테면 알루미늄 합금과 수지 부재를 적층시킬 수 있다. 그리고, 상기 접합 유닛(200)은, 이러한 알루미늄 함유 금속 부재와 수지 부재를 접합하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 적층 유닛(100) 및 접합 유닛(200)에 의해 적층 및 접합되는 금속 부재는, 십점 평균 거칠기가 6um 이하일 수 있다. 또한, 상기 적층 유닛(100) 및 접합 유닛(200)에 의해 적층 및 접합되는 금속 부재는, 900nm 내지 1100nm 파장의 레이저 광원에 대하여 반사율이 20% 내지 70%일 수 있다.

이러한 이종 소재 접합 장치에 대해서는, 앞서 설명된 이종 소재 접합 방법에 대한 여러 설명들이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 이종 소재 접합 장치에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.

이하, 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해 여러 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

(실시예 1 내지 3)

60 mm의 길이, 25 mm의 폭 및 1.5 mm 두께를 갖는 수지판(EU5300)과, 100 mm의 길이, 25 mm의 폭 및 1 mm의 두께를 갖는 금속판(Al5052)을 준비하였다. 이때, 금속판의 일 표면에 대해서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 메쉬 형태의 패턴이 형성되도록 표면 처리용 레이저를 인가하였다. 이때, 표면 처리용 레이저는, 레이저 마킹용 장비를 이용하여, 1064 nm의 파장, 300 mm/s의 속도, 36W의 출력, 70 kHz의 주파수로서 4회 반복하여 인가되었으며, 스팟 딜레이(spot delay)는 0.1 ms로 하였다.

이와 같이 마련된 수지판과 금속판에 대하여, 금속판에서 표면 처리된 부분이 수지판과 접하도록 하여 두께 방향으로 적층시켰다. 그리고, 레이저 용접 장비를 이용하여 금속판 외부 표면 측으로 접합용 레이저를 7회 내지 9회 인가함으로써, 열전도 융착 방식으로 수지판과 금속판이 접합되도록 하여, 실시예 1 내지 3의 샘플을 준비하였다. 이때, 접합용 레이저는, 각 횟수 별로 500W의 출력 및 40mm/s의 속도로 인가되었다(12.5 J/mm). 즉, 실시예 1의 경우, 7회의 접합용 레이저가 인가되어, 87.5 J/mm (2.5 J/mm×7)의 라인 에너지가 인가되었다고 할 수 있고, 실시예 2의 경우, 8회의 접합용 레이저가 인가되어, 100 J/mm의 라인 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 그리고, 실시예 3의 경우, 9회의 접합용 레이저가 인가되어, 112.5 J/mm의 라인 에너지가 인가되었다고 할 수 있다.

(비교예 1)

상기 실시예 1과 동일한 수지판과 금속판을 준비하되, 금속판 측이 아닌 수지판 측에 레이저가 인가되도록 하였다. 즉, 비교예 1의 경우, 대체로 실시예 1과 동일한 형태로 시편을 제조하되, 실시예 1과 달리, 접합용 레이저가 수지판을 투과하여 접합 부위에 도달하는 방식으로 접합을 시도하여 비교예 1의 샘플을 마련하였다. 이때, 접합용 레이저의 인가 에너지는 실시예 1과 동일하게 수행되었다.

(비교예 2)

상기 실시예 1과 동일한 수지판과 금속판을 준비하되, 레이저 융착 방식이 아닌 초음파 융착 방식으로 접합을 수행하였다. 이때, Emerson사의 초음파 장비를 이용하였으며, 시편의 적층 방향과 직교하는 방향인 횡방향으로 진동을 인가하여 비교예 2의 샘플을 마련하였다. 여기서, 초음파는, 10초 동안 350 psi의 압력을 가하면서, 30 kHz의 주파수 및 100%의 출력으로 인가되었다.

(비교예 3)

진동 인가 방향만 시편의 적층 방향과 동일한 방향인 종방향으로 하였을 뿐, 다른 조건은 상기 비교예 2와 유사한 형태로 시편 준비 및 초음파 융착을 진행하여 비교예 3의 샘플을 마련하였다.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 샘플에 대하여, 각각 인장 테스트를 진행하여 도 9에 나타내었다. 즉, 도 9는, 본 발명의 여러 실시예와 비교예에 대한 접합 강도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 이때, 접합 강도는, Zwick사의 인장 시험 장비를 이용하여 인장 모드 측정 방식으로 측정하였다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 열전도 융착 방식을 이용한 실시예 1 내지 3의 경우, 모두 20 MPa에 가까운 접합 강도를 나타낸 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 3의 경우, 5 MPa 미만의 접합 강도를 나타내고 있다. 더욱이, 비교예 3의 경우, 혼 내지 앤빌에 의해 표면 변형이 발생하였다. 따라서, 표면 변형이 거의 발생하지 않은 실시예 1 내지 3에 비해 외관 품질이 떨어진다는 점을 알 수 있다.

한편, 도 9에는 비교예 1 및 2에 대해서는 도시되어 있지 않다. 이는, 비교예 1 및 2의 경우, 수지판과 금속판 사이에 융착 자체가 이루어지지 않았기 때문이다. 더욱이, 비교예 1과 같이 레이저를 이용한 융착 방식이라 하더라도, 본 발명의 실시예와 달리 수지판 측에서 레이저를 인가하는 경우, 융착이 이루어지지 않았다. 또한, 비교예 2의 경우, 초음파에 의한 진동 인가 방향이 횡방향인 경우, 혼이나 앤빌에 수지판의 일부가 협착되어 수지판과 금속판 사이의 융착이 이루어지지 않았다.

그러므로, 이러한 비교 결과에 기초하여, 수지판과 금속판의 이종 접합 시, 본 발명에 따른 접합 기술이, 비교예와 같은 초음파 융착 기술 내지 레이저 투과 융착 기술에 비해 효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.

(실시예 4 내지 7)

상기 실시예 1과 전반적으로 유사한 방식 및 형태로 샘플을 준비하되, 실시예 1과 접합용 레이저의 인가 횟수만 다르게 하였다. 즉, 표면 처리된 금속판(Al5052)의 표면에 수지판(EU5300)을 대면 적층시킨 후, 금속판의 외측 표면에 접합용 레이저를 12회, 14회, 16회 및 18회 인가하여, 실시예 4 내지 7의 샘플을 준비하였다. 즉, 실시예 4의 경우, 12회의 레이저가 인가되어, 150 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있고, 실시예 5의 경우, 14회의 레이저가 인가되어, 175 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 또한, 실시예 6의 경우, 16회의 레이저가 인가되어, 200 J/mm의 에너지가 인가되었고, 실시예 7의 경우, 18회의 레이저가 인가되어, 225 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 한편, 실시예 4 내지 7의 경우, 각 실시예마다 3개 또는 4개의 샘플을 준비하였다.

(실시예 8 내지 12)

상기 실시예 4 내지 7과 전반적으로 유사한 방식 및 형태로 샘플을 준비하되, 금속판의 종류를 Al5052에서 ADC12로 변경하였다. 즉, 여러 개의 금속판(ADC12)과 여러 개의 수지판(EU5300)을 준비하고, 각 금속판의 접합면에 대하여, 실시예 1 또는 4 등과 동일한 방식으로 표면 처리를 수행하였다. 그리고, 금속판(ADC12)을 수지판(EU5300)과 적층시킨 적층체를 다수 제조한 후, 각 적층체에 대하여 금속판(ADC12) 측에 접합용 레이저를 인가하였다. 이때, 접합용 레이저의 사양은 실시예 4 등과 동일하되, 접합용 레이저의 인가 횟수는 7회, 8회, 9회, 10회 및 12회로 하여, 실시예 8 내지 12의 샘플을 준비하였다. 즉, 실시예 8의 경우, 7회의 레이저가 인가되어, 87.5 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있고, 실시예 9의 경우, 8회의 레이저가 인가되어, 100 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 또한, 실시예 10의 경우, 9회의 레이저가 인가되어, 112.5 J/mm의 에너지가 인가되었고, 실시예 11의 경우, 10회의 레이저가 인가되어, 125 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 그리고, 실시예 12의 경우, 12회의 레이저가 인가되어, 150 J/mm의 에너지가 인가되었다고 할 수 있다. 또한, 실시예 8 내지 12의 경우에도, 각 실시예마다 3개 또는 4개의 샘플을 준비하였다.

이러한 실시예 4 내지 12의 샘플에 대하여, 앞선 도 9와 마찬가지 방식으로 인장 테스트를 진행하였고, 그 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다. 즉, 도 10은 본 발명의 다른 여러 실시예들에 따른 접합 강도 측정 결과를 나타낸 표이고, 도 11은 도 10의 측정 결과를 도식화하여 나타낸 그래프이다. 특히, 도 10의 표에서는 각 실시예에 대한 인장 테스트 결과를 인장력(N)으로 나타내었고, 도 11의 그래프에서는 각 실시예에 대한 인장 강도(Tensile shear)(MPa)를 나타내었다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 먼저 실시예 4의 경우, 20MPa 부근의 접합 강도를 나타내고 있다. 더욱이, 실시예 5 내지 7의 경우, 대체로 20MPa 이상의 접합 강도를 보이고 있다. 뿐만 아니라, 실시예 6 및 7의 경우, 18MPa ~ 66MPa 범위의 접합 강도를 나타내고 있다.

특히, 실시예 8 내지 12의 경우, 43MPa보다 높은 접합 강도를 나타내고 있다. 더욱이, 실시예 11의 경우, 58MPa ~69 MPa 범위의 접합 강도를 보이고 있다.

이러한 도 10 및 도 11의 측정 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 4 내지 12, 더욱이 실시예 5 내지 12의 경우, 20 MPa보다 높은 접합 강도로, 이종 소재(금속과 수지) 간 접합이 이루어짐을 알 수 있다. 특히, 금속 부재로서 ADC12 소재를 적용한 실시예 8 내지 12의 경우, 금속 부재로서 Al5052 소재를 적용한 실시예 4 내지 7에 비해, 접합 강도가 현저하게 향상됨을 알 수 있다. 일반 구조용 접착제의 접착 강도가 대체로 20 MPa보다 작다는 점에 비추어볼 때, 본 발명에 따른 접합 강도는 접착제에 비해 매우 높다고 할 수 있다.

더욱이, 실시예 8 내지 12의 경우, 실시예 4 내지 7보다 접합용 레이저의 인가 에너지가 작음에도 오히려 접합 강도는 향상되었다고 할 수 있다. 그러므로, 실시예 8 내지 12에 의할 경우, 융착을 위한 에너지 효율이 높다고 할 수 있다. 또한, 실시예 8 내지 12는, 실시예 4 내지 7에 비해, 샘플 간 융착 강도 편차가 크지 않다고 볼 수 있다.

그리고, 실시예 4 내지 12에 대한 인장 테스트에서, 금속판과 수지판의 계면이 분리된 형태로 샘플이 손상된 경우에 대해서는, 도 10에서 음영으로 표시되도록 하였다. 이와 같이, 계면이 분리된 형태의 경우, 접합 성능이 상대적으로 낮다고 볼 수 있다. 반면, 도 10에서 음영으로 표시되지 않은 부분은, 인장 테스트 시, 모재(금속판 또는 수지)가 파단된 형태로 샘플이 손상되어, 접합이 잘 이루어졌다는 것을 의미한다고 볼 수 있다.

이러한 측면에서 도 10의 결과를 살펴보면, 실시예 4 내지 7의 경우 모두, 일부 또는 전체 샘플에서 계면 분리가 일어났음을 알 수 있다. 반면, 실시예 8 내지 12의 경우, 어떠한 샘플에서도 계면 분리는 일어나지 않고, 모두 모재가 파단되는 결과를 나타내었다. 따라서, 이러한 측면에 의하더라도, 실시예 8 내지 12의 경우, 실시예 4 내지 7보다 접합 효과가 더욱 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 실시예 8 내지 12에서 금속 부재로 이용된 ADC12 소재의 경우 열 전도도가 대략 92 W/mK로서, 실시예 4 내지 7에서 금속 부재로 이용된 Al5052 소재의 열 전도도인 138 W/mK에 비해 낮다고 할 수 있다. 그러나, ADC12 소재의 방사율(emissivity)은 약 1000 nm의 파장대 광원에서 0.62 정도로서, Al5052 소재의 방사율인 0.2보다 훨씬 크다고 할 수 있다. 그러므로, 이러한 방사율의 차이로 인해, 실시예 8 내지 12의 접합 강도가 실시예 4 내지 7에 비해 우수하게 확보되었다고 추정될 수 있다.

또한, 실시예 8 내지 12는, 실시예 4 내지 7에 비해, 금속 소재의 표면 처리 특성에 의해 우수한 접합 강도를 확보한다고도 할 수 있다. 이에 대해서는, 도 12 내지 16을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 이러한 도 12 내지 16과 관련된 이미지와 각 수치는, 3D Profiler Microscope 장비를 사용하여 촬영 및 측정하였다. 참고로, 도 12 내지 16의 이미지는, 금속판의 접합면이 상부에 위치도록 도시되어 있다.

먼저, 도 12는 실시예 5에서 융착 전 금속판의 접합면이 표면 처리된 구성을 확대하여 나타낸 단면 이미지이고, 도 13은 실시예 12에서 융착 전 금속판의 접합면이 표면 처리된 구성을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다. 이러한 도 12 및 도 13의 구성은, 도 5에서 A3-A3'선에 대한 단면 구성의 일례라고 할 수도 있다.

도 12 및 13의 이미지를 살펴보면, 동일한 방식으로 표면 처리를 수행했음에도, 그루브나 버 등의 형태가 다르다는 것을 알 수 있다.

먼저, 도 12의 실시예에서 형성된 그루브 및 버에 대한 측정 결과는 다음과 같다.

그루브 입구 폭: 26 um,

그루브 깊이: 105 um,

버 높이: 26 um,

그루브 사이의 피치(간격): 160 um.

그리고, 도 13의 실시예에서 형성된 그루브 및 버에 대한 측정 결과는 다음과 같다.

그루브 입구 폭: 46 um,

그루브 깊이: 160 um,

버 높이: 58 um,

그루브 사이의 피치: 164 um.

이러한 도 12 및 도 13의 형태 및 측정 결과를 살펴보면, 실시예 12(도 13)의 경우, 실시예 5(도 12)보다, 그루브의 입구 폭이 넓고 그루브의 깊이가 깊으며, 버의 높이가 높다는 것을 알 수 있다. 그리고, 이와 같은 결과는, 실시예 12에서 이용된 금속 소재(ADC12)가, 실시예4에서 이용된 금속 소재(Al5052)에 비해 상대적으로 방사율 내지 흡수율이 높아, 표면 처리 시 레이저에 대한 에너지 흡수가 잘 이루어지기 때문인 것으로 추정될 수 있다.

또한, 이와 같은 표면 처리 결과의 차이는, 앞서 도 10 및 도 11에서 설명한 접합 강도의 차이로 이어진다고 할 수 있다. 이에 대해서는, 도 14 내지 16을 추가로 참조하여 설명하도록 한다.

도 14 및 도 15는 실시예 5 및 6에 대하여 융착 후 접합면을 확대하여 나타낸 단면 이미지이고, 도 16은 실시예 12에 대하여 융착 후 접합면을 확대하여 나타낸 단면 이미지이다. 이러한 도 14 내지 16의 이미지는, 3D Profiler Microscope 장비를 이용하여 촬영되었다.

먼저, 실시예 5와 관련된 도 14를 참조하면, A5로 표시된 부분과 같이 수지판(상부 위치)과 금속판(하부 위치) 사이의 접합 계면에서, 수지가 금속판의 그루브 측에 충분하게 압입되지 못한 것으로 관측된다. 그리고, 융착 레이저의 에너지를 상대적으로 높인 실시예 6과 관련된 도 15의 경우, A6로 표시된 부분과 같은 접합 계면에서, 도 14에 비해 상대적으로 양호한 수지 압입이 이루어짐이 관측된다.

이에 반해, 실시예 12와 관련된 도 16을 참조하면, A7으로 표시된 부분과 같이, 수지판과 금속판 사이의 접합 계면에서 수지 압입이 매우 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다. 더욱이, 실시예 12의 경우 인가 에너지가 150 J/mm로서, 실시예 5의 175 J/mm나 실시예 6의 200 J/mm에 비해, 훨씬 작다고 할 수 있다. 따라서, 실시예 12의 경우, 실시예 6 및 7에 비해 낮은 융착 에너지가 인가되었음에도, 접합 강도는 오히려 향상되었다고 할 수 있다.

더욱이, 도 14와 같이 금속판의 그루브 측으로 수지 압입이 충분하게 일어나지 못하면, 앞서 도 10의 실시예 5에 대하여 설명한 바와 같이, 인장 테스트에서 계면 분리가 일어날 수 있다. 반면, 도 16과 같이 금속판의 그루브 측으로 수지 압입이 충분하게 일어나는 경우, 앞서 도 10의 실시예 12 등에서 설명한 바와 같이, 인장 테스트에서 계면 분리가 일어나지 않고 모재가 파단되는 양호한 결과를 보일 수 있다.

또한, 이러한 측정 결과를 참조하면, 실시예 12와 같은 금속 소재(ADC12)의 경우, 실시예 5나 6과 같은 금속 소재(Al5052)에 비해, 동일한 방식의 표면 처리에도 그루브의 크기가 상대적으로 크게 형성되어, 수지를 금속의 그루브 측에 침투시키는데 보다 작은 에너지를 필요로 한다는 점을 알 수 있다.

한편, 실시예 4에 이용된 금속판(Al5052)과 실시예 8에 이용된 금속판(ADC12)에 대하여, 3D Profiler Microscope 장비를 이용하여 거칠기 측정 모드 방식으로, 동일한 처리 조건에서 표면 거칠기를 측정한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.

실시예 4의 금속판의 중심선 평균 거칠기(Ra): 0.79 um

실시예 8의 금속판의 중심선 평균 거칠기(Ra): 0.13 um

실시예 4의 금속판의 십점 평균 거칠기(Rz): 3.62 um

실시예 8의 금속판의 십점 평균 거칠기(Rz): 0.51 um

이러한 표면 거칠기 측정 결과를 살펴보면, 실시예 4의 금속판(Al5052)이 실시예 8의 금속판(ADC12)에 비해 상대적으로 약 7배 정도 거칠기가 크다고 할 수 있다. 그리고, 이러한 거칠기의 차이로 인해, 실시예 4의 경우, 실시예 8에 비해, 접합용 레이저 조사 시 사용된 레이저 소스(915nm 초과)에 대하여 산란 및 반사 등을 상대적으로 더 많이 일으킬 수 있다.

따라서, 이러한 표면 거칠기의 측면에서도, 앞서 살펴본 바와 같은 결과, 즉 실시예 8 내지 12의 샘플에 대한 접합 강도가, 실시예 4 내지 7의 샘플에 대한 접합 강도보다 우수한 점이 잘 이해될 수 있다.

또한, 도 17 및 도 18은, 실시예 4의 금속 소재와 실시예 8의 금속 소재에 대한 반사율과 흡수도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 이러한 반사율과 흡수도는, UV-VIS Spectrometer 장비를 이용하여 반사 측정 모드와 흡수 측정 모드 방식으로 측정되었다.

먼저, 도 17을 참조하면, 광원의 파장이 증가함에 따라 실시예 4의 금속 소재(Al5052)는 반사율(reflectance)이 점차 증가하고 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 실시예 4의 금속 소재는, 300 nm 내지 1200 nm의 파장대에서, 대략 30% ~ 70%의 반사율을 보이고 있다. 반면, 실시예 8의 금속 소재(ADC12)는, 광원의 파장이 증가함에도 대략 30% 전후의 반사율을 유지하고 있다. 즉, 실시예 8의 금속 소재는, 300 nm 내지 1200 nm의 파장대에서, 30% 전후의 반사율을 나타내고 있다. 보다 구체적인 예로서, 915 nm 파장에 대하여, 실시예 4는 56.79%의 반사율을 보이는 반면, 실시예 8은 30.5%의 반사율을 나타낸다.

다음으로, 도 18을 참조하면, 광원의 파장이 증가함에 따라 실시예 4의 금속 소재(Al5052)는 흡수도(흡수율)(absorbance)가 점차 감소하고 있다. 보다 구체적으로, 실시예 4의 금속 소재는, 300 nm 내지 1200 nm의 파장대에서, 대략 0.1 내지 0.5의 흡수도를 보이고 있다. 반면, 실시예 8의 금속 소재(ADC12)는, 광원의 파장이 증가함에도 대략 0.5 전후의 흡수도를 유지하고 있다. 즉, 실시예 8의 금속 소재는, 300 nm 내지 1200 nm의 파장대에서, 대략 0.5 전후의 흡수도를 나타내고 있다. 보다 구체적인 예로서, 915 nm 파장에 대하여, 실시예 4는 0.19의 흡수도를 보이는 반면, 실시예 8은 0.52의 흡수도를 나타낸다.

이러한 도 17과 도 18의 광학 특성 측정 결과를 참조하더라도, 실시예 8의 금속 소재(ADC12)가 실시예 4의 금속 소재(Al5052)에 비해 에너지 흡수에 유리하다는 점을 알 수 있다. 특히, 실시예 4의 금속 소재는 실시예 8의 금속 소재에 비해, 반사율 측면에서 대략 66% 높고, 흡수도 측면에서 대략 63% 낮은 광학 특성을 갖는다고 할 수 있다.

그러므로, 이러한 표면 거칠기 및 광학 특성 등으로 인해, 실시예 8 내지 12의 금속 소재(ADC12)는, 실시예 4 내지 7의 금속 소재(Al5052)에 비해, 본 발명에 있어서 보다 우수한 접합 효과를 달성한다고 할 수 있다. 특히, 이러한 표면 거칠기나 광학 특성은, 레이저가 인가되는 금속의 표면, 즉 금속의 접합면이 아닌 그 반대면과 관련된 특성이라 할 수 있다. 예를 들어, 수지판의 상부에 금속판이 적층되는 경우, 접합용 레이저는 금속판의 상부면에 조사되는데, 금속판의 상부면에서 상기와 같은 표면 거칠기 내지 광학 특성이, 금속판과 수지판 사이의 접합 강도에 영향을 미칠 수 있다.

도 19는 실시예 8에서 융착 전 금속판의 접합면에 대하여 표면 처리된 구성을 정면에서 바라본 형태의 부분 확대 이미지들이고, 도 20은 실시예 4에서 융착 전 금속판의 접합면에 대하여 표면 처리된 구성을 정면에서 바라본 형태의 부분 확대 이미지들이다.

이와 같은 이미지 및 관련 측정은, 주사 전자 현미경(FIB-SEM) 장비를 이용하여 수행되었다.

먼저, 도 19를 참조하면, 실시예 8의 금속 소재(ADC12)에 대하여, 앞서 설명한 바와 같이 표면 처리를 수행한 결과, 버의 높이는 42.48 um, 그루브와 버의 높이 합계는 163.42 um, 그루브(패턴) 간 평균 피치(간격)는 177.06 um로 측정되었다.

특히, 도 19의 실시예, 특히 가장 우측의 50000배 확대 도면을 참조하면, 금속판의 표면 처리된 접합면에 수십 나노미터 수준의 미세 돌기가 매우 많이 형성됨을 알 수 있다. 특히, 이러한 미세 돌기는, 메쉬 패턴으로 형성된 그루브들의 사이 공간에서 다수 관측되었다.

반면, 도 20을 참조하면, 실시예 4의 금속 소재(Al5052)에 대하여, 실시예과 8과 동일하게 표면 처리를 수행한 결과, 버의 높이는 30.76 um, 그루브와 버의 높이 합계는 83.37 um, 그루브(패턴) 간 평균 피치(간격)는 150.62 um로 측정되었다.

특히, 도 20의 경우에는, 50000배까지 확대된 도면을 참조하더라도, 금속판의 표면 처리된 접합면에, 도 19에서와 같은 수십 나노미터 수준의 미세 돌기는 확인되지 않았다.

이와 같이, 실시예 4와 달리 실시예 8의 경우, 100 um 이하의 미세 돌기가 다수 형성되었는데, 이는 표면 처리 시, 실시예 8에서 이용된 금속의 레이저 에너지 흡수가 실시예 4에서 이용된 금속보다 많으므로, 보다 높은 온도에서 용융 후 냉각된 것이 하나의 주요 원인이라고 볼 수 있다. 또한, 이러한 결과는, 실시예 4의 경우, 실시예 8에 비해, 표면 처리 과정에서 금속이 용융된 후 상대적으로 서냉 응고되는 경향이 있기 때문으로도 볼 수 있다.

한편, 이와 같이, 실시예 8의 경우, 실시예 4와 달리, 금속 부재의 접합면에 수십 나노미터 수준의 많은 미세 돌기가 형성되어 있기 때문에, 표면적 내지 비표면적이 증대될 수 있다. 그리고, 이와 같은 표면적 증대는, 열전도 효율을 증대시켜, 결국 동일한 에너지로도 융착 효율을 높이는 결과를 가져올 수 있다.

(실시예 13 내지 17)

앞선 실시예 12와 대체로 동일한 방식으로 금속판(ADC12)과 수지판(EU5300)이 접합된 샘플을 준비하되, 융착(접합) 전 금속판(ADC12)에 대한 메쉬 형태의 표면 처리 조건만 약간 다르게 처리하였다. 즉, 각 실시예에 대하여 다음에 기재된 표면 처리 조건만 다르게 수행하고 나머지 과정은 모두 실시예 12와 동일하게 수행하였다.

먼저, 실시예 13의 경우, 실시예 12 대비 그루브(패턴)의 깊이가 30% 증가되도록 하였다. 즉, 실시예 13의 경우, 메쉬 패턴의 그루브 깊이는 대략 208 um로서, 실시예 12의 그루브 깊이 160 um 보다 대략 30% 증가되었다.

또한, 실시예 14의 경우, 실시예 12 대비 그루브(패턴)의 깊이가 30% 감소되도록 하였다. 즉, 실시예 14의 경우, 메쉬 패턴의 그루브 깊이는 대략 112 um로서, 실시예 12의 그루브 깊이 160 um 보다 대략 30% 감소되었다.

그리고, 실시예 15의 경우, 실시예 12 대비 그루브(패턴)의 입구 폭이 20% 증가되도록 하였다. 즉, 실시예 15의 경우, 메쉬 패턴의 그루브 입구 폭은 대략 55.2 um로서, 실시예 12의 그루브 입구 폭 46 um 보다 대략 20% 증가되었다.

또한, 실시예 16의 경우, 실시예 12 대비 그루브(패턴)의 입구 폭이 20% 감소되도록 하였다. 즉, 실시예 16의 경우, 메쉬 패턴의 그루브 입구 폭은 대략 36.8 um로서, 실시예 12의 그루브 입구 폭 46 um 보다 대략 20% 감소되었다.

그리고, 실시예 17의 경우, 실시예 12 대비 패턴 간 간격(피치)이 2배가 되도록 하였다. 즉, 실시예 17의 경우, 패턴 간 간격이 대략 320 um로서, 실시예 12의 패턴 간 간격인 164 um보다 대략 2배 증가되었다.

(실시예 18 내지 22)

앞선 실시예 12 내지 16과 대체로 동일한 방식으로 샘플을 준비하되, 금속판(ADC12)에 대한 표면 처리 조건을 사각 메쉬 형태에서 라인 형태로만 변경하였다. 즉, 실시예 18 내지 22의 경우, 금속판의 표면에서 그루브는, 다수의 라인이 직교하는 형태가 아닌 평행한 형태로 마련되었다. 즉, 각 실시예에 대하여 아래에 기재된 사항을 제외하고는 다른 내용은 앞선 실시예들과 동일하게 수행되었다.

먼저, 실시예 18의 경우, 표면 처리 시 메쉬 형태가 아닌 라인 형태로 패턴(그루브)을 형성하였을 뿐, 융착 조건이나 다른 표면 처리 조건, 이를테면 그루브의 깊이나 폭, 패턴 간 간격 등을 실시예 12와 대체로 동일한 방식으로 수행하여 샘플을 마련하였다.

그리고, 실시예 19의 경우, 표면 처리 시 메쉬 형태가 아닌 라인 형태로 패턴(그루브)을 형성하였을 뿐, 융착 조건이나 다른 표면 처리 조건, 이를테면 그루브의 깊이나 폭, 패턴 간 간격 등을 실시예 13과 대체로 동일한 방식으로 수행하여 샘플을 마련하였다.

또한, 실시예 20의 경우, 표면 처리 시 메쉬 형태가 아닌 라인 형태로 패턴(그루브)을 형성하였을 뿐, 융착 조건이나 다른 표면 처리 조건, 이를테면 그루브의 깊이나 폭, 패턴 간 간격 등을 실시예 14와 대체로 동일한 방식으로 수행하여 샘플을 마련하였다.

그리고, 실시예 21의 경우, 표면 처리 시 메쉬 형태가 아닌 라인 형태로 패턴(그루브)을 형성하였을 뿐, 융착 조건이나 다른 표면 처리 조건, 이를테면 그루브의 깊이나 폭, 패턴 간 간격 등을 실시예 15와 대체로 동일한 방식으로 수행하여 샘플을 마련하였다.

또한, 실시예 22의 경우, 표면 처리 시 메쉬 형태가 아닌 라인 형태로 패턴(그루브)을 형성하였을 뿐, 융착 조건이나 다른 표면 처리 조건, 이를테면 그루브의 깊이나 폭, 패턴 간 간격 등을 실시예 16과 대체로 동일한 방식으로 수행하여 샘플을 마련하였다.

그리고, 이와 같이 마련된 실시예 13 내지 22 및 앞서 설명된 실시예 12에 대하여, 앞서 설명된 방식과 마찬 가지 방식으로 접합 강도를 측정하고, 그 결과를 상대적인 관점에서 도 21에 나타내었다. 즉, 도 21은, 본 발명의 여러 실시예들에 따른 접합 강도를 상대적으로 비교하여 나타낸 그래프이다. 특히, 도 21에서는, 실시예 18의 접합 강도를 기준(100%)으로 하여, 다른 실시예들의 접합 강도를 상대적인 비율로 나타내었다(가로축).

도 21을 참조하면, 메쉬 패턴으로 그루브가 형성된 실시예 12 내지 16의 접합 강도가, 라인 패턴으로 그루브가 형성된 실시예 18 내지 22의 접합 강도에 비해, 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 12의 경우, 실시예 18 내지 22에 비해, 접합 강도가 현저하게 높다고 볼 수 있다.

따라서, 이러한 비교 결과에 의하면, 표면 처리 시, 다각형 메쉬 패턴으로 그루브를 형성할 경우, 라인 패턴으로 그루브를 형성하는 경우에 비해, 우수한 접합 강도가 달성될 수 있음을 알 수 있다. 그리고 이는, 메쉬 패턴으로 그루브가 형성될 경우, 표면적 내지 비표면적이 증대되어 열전도 효율이 증가하고, 용융된 수지와 융착될 수 있는 그루브나 버가 더욱 많이 형성되기 때문인 것으로 이해될 수 있다.

뿐만 아니라, 모두 메쉬 패턴으로 그루브를 형성한 실시예 12 내지 17 중에서, 실시예 12의 접합 강도가 다른 실시예 13 내지 17의 접합 강도에 비해 상대적으로 높다고 할 수 있다. 동일한 메쉬 패턴이라 하더라도 패턴(그루브)의 깊이나 폭, 간격 등에 의해 접합 강도가 달라질 수 있는데, 실시예 12의 경우, 상대적으로 적절하게 형성된 패턴 깊이나 폭, 간격 등을 갖는다고 판단될 수 있다. 그러므로, 이러한 측면에서, 표면 처리 시, 패턴(그루브)의 깊이나 폭, 간격 등의 적절한 설계도 접합 강도를 향상시키는데 중요하다고 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

M: 금속 부재
P: 수지 부재
L: 레이저
W: 접합부
G: 그루브
B: 버
F: 미세 돌기
100: 적층 유닛
110: 안착부, 120: 이송부
200: 접합 유닛
210: 접합용 레이저 인가부, 220: 지그부
300: 표면 처리 유닛
310: 표면 처리용 레이저 인가부

Claims (10)

1. 수지 부재와 금속 부재를 준비하는 단계;
   상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 적층시키는 단계; 및
   상기 적층 단계에서 적층된 상기 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 접합시키는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 접합 단계는, 상기 금속 부재를 통해 전도된 열에 의해 상기 수지 부재가 용융되어 상기 금속 부재의 표면에 접합되도록 하는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 적층 단계 이전에, 상기 금속 부재의 접합면에 요철이 형성되도록 상기 금속 부재의 접합면을 표면 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 표면 처리 단계는, 서로 다른 방향의 둘 이상의 표면 처리 라인이 교차하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 표면 처리 단계는, 상기 금속 부재의 접합면에 그루브 및 버 중 하나 이상을 형성시키는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 표면 처리 단계는, 상기 금속 부재의 접합면에 1um 이하 크기의 미세 돌기를 형성시키는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 십점 평균 거칠기가 6um 이하인 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서 준비되는 상기 금속 부재는, 900nm 내지 1100nm 파장의 광원에 대하여 반사율이 20% 내지 70%인 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 방법.
10. 수지 부재와 금속 부재를 적층시키도록 구성된 적층 유닛; 및
    상기 적층 유닛에 의해 적층된 상기 금속 부재의 외부 표면에 레이저를 조사하여 수지 부재와 금속 부재를 접합시키도록 구성된 접합 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 소재 접합 장치.

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