KR20230037442A - 레이저 3d 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 적층 구조물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법에 대한 것으로서, 기판 상에 제 1 레이저를 이용하여 금속 구조체를 프린팅하는 단계; 상기 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 금속 구조체 상에 상기 제 1 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계; 및 상기 폴리머 접합층 상에 상기 제 1 레이저의 파장보다 상대적으로 더 파장이 긴 제 2 레이저를 이용하여 폴리머 구조체를 프린팅하는 단계;를 포함하고, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계는, 상기 금속 구조체와 폴리머 접합층의 계면에 중간상(intermediate phase)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상술한 방법으로 제조된 적층 구조물은 금속-폴리머를 연결하는 산소 개재물의 효과를 갖고 있는 상기 중간상을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 적층 구조물에 관한 것으로서, 더 상세하게는 단일 프린팅 공정 내에서 서로 다른 물성, 기능, 용도를 갖는 금속, 세라믹, 플라스틱 등 이종 소재를 레이저(laser)를 이용해 접합하고, 3D 프린팅 구조체를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 적층 구조물에 관한 것이다.
최근 소재 경량화의 요구로 기존 금속 소재를 가볍고 강한 플라스틱으로 대체하거나, 요구되는 강도 부위에 따라 금속과 플라스틱을 함께 하이브리드화 하기 위한 연구가 주를 이루고 있다. 특히, 금속과 플라스틱 소재를 통합하거나 결합하기 위한 이종 접합 기술이 자동차 및 의료 산업에서 핵심요소 기술로 떠오르고 있으며 시장 수요도 꾸준히 증가하고 있다. 이는 자원, 에너지, 환경 문제에 대한 대응뿐만 아니라, 경량 및 특성 맞춤화를 위한 고기능성 하이브리드화 요구에 부합하기 위한 노력의 일환이다.
금속과 플라스틱을 접합하는 기술은 새로운 것이 아니며, 전통적으로 나사나 리벳을 이용한 기계적 수단에 의한 고정 및 체결 방법이나 접착제를 이용한 화학적 결합 방법이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 기존 방법에는 금속과 플라스틱간에 물리적, 기계적, 화학적 특성이 양립할 수 없다는 근본적인 한계가 있으며, 긴 가공시간과 환경문제를 야기하는 등 해결해야 할 문제점이 많다.
이러한 문제에 대한 대응으로 일본, 독일 등 기술 선진국에서는 레이저를 이용해 금속, 세라믹, 플라스틱 등 서로 다른 물성을 갖는 물질 간 결합을 유도하는 램프(LAMP; laser-assisted metal and plastic) 공정기술을 개발하여 기존의 접착제, 볼팅 기술보다 높은 수준의 접착 특성을 갖는 이종접합기술을 개발하였다. 상기 램프 공정은 조사된 레이저가 금속-플라스틱 계면까지 전송되어 레이저 열에 의해 금속과 플라스틱 간 긴밀한 접합을 유도하는 방법이다.
그러나, 이 방법은 투명 플라스틱을 이용하거나, 금속 면을 데워 열이 금속-플라스틱 계면까지 전달되도록 디자인해야 하는 어려움이 있으며, 복잡한 구조물에 적용하기에는 부족한 기술적 한계가 있다. 또한, 레이저에 의해 가열된 금속-플라스틱 계면에는 유도 기포가 다량 형성되어 플라스틱 영역에 남게 되고 접합강도에 역효과를 일으키는 결함으로 작용될 우려가 있다.
따라서, 종래의 금속과 플라스틱 소재간 단순 접합하는 후가공 공정과 차별화되는 새로운 개념의 금속과 플라스틱 소재의 접합 공정 개발이 필요하다.
종래에는 이와 같이, 고분자 유기물과 금속, 세라믹 무기물 간 부착력이 약해 이종 소재를 접합하고 3D 프린팅 하는데 어려운 문제점이 있었다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 이종소재의 종류에 관계없이 부착력이 우수한 구조체를 연속적으로 제조할 수 있는 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물의 접합방법을 제공하고, 이로부터 제조될 수 있는 적층 구조물을 제안하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물의 제조방법을 제공한다. 상기 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물의 제조방법은 기판 상에 제 1 레이저를 이용하여 금속 구조체를 프린팅하는 단계; 상기 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 금속 구조체 상에 상기 제 1 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계; 및 상기 폴리머 접합층 상에 상기 제 1 레이저의 파장보다 상대적으로 더 파장이 긴 제 2 레이저를 이용하여 폴리머 구조체를 프린팅하는 단계;를 포함하고, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계는, 상기 금속 구조체와 폴리머 접합층의 계면에 중간상(intermediate phase)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 중간상은 상기 금속 구조체와 상기 폴리머 접합층 사이의 계면에서 이차반응을 통해 형성되는 것으로서, 상기 중간상은 상기 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머 소재의 적어도 어느 일부가 멜팅(melting)되거나 소결되어 상기 금속 구조체의 일부와 서로 반응하여 형성된 것일 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 중간상은 상기 제 1 레이저에 의해 유도된 탄소 및 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 탄소 및 금속 산화물은 상기 폴리머 소재의 유기기가 상기 제 1 레이저에 의해 열 또는 광 분해 됨으로써, 분해된 상기 유기기의 일부가 상기 금속 구조체 표면에 존재하는 금속 혹은 금속산화물과 반응하여 생성된 것일 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 탄소 및 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
M - O - C
(여기서, 상기 M 은 금속 및 세라믹 무기물 또는 이의 합금으로부터 선택된 물질이고, 상기 C 는 탄소 및 탄소화합물로 이루어진 폴리머로부터 선택된 물질이며, 상기 O는 상기 M 및 C를 연결하는 산소 개재물임)
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 M 및 C 중 적어도 어느 하나는 산화물 또는 유기기일 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 금속 및 무기 물질에 대한 높은 흡수율을 갖도록, 상기 제 1 레이저는 0.1um 내지 10um 범위의 파장대를 가질 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 레이저는 파이버(fiber) 또는 야그(YAG) 레이저를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 폴리머 및 유기 물질에 대한 높은 흡수율을 갖도록, 상기 제 2 레이저는 1um 내지 100um 범위의 파장대를 가질 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 레이저는 CO2 또는 다이오드 레이저를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계는, 금속과 폴리머 간 기계적 체결을 유도하도록, 상기 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면 일부를 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층은 투명한 재질의 폴리머 소재를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 소재는 폴리락틱엑시드(polylactic acid), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 염화폴리비닐(polyvinyl chloride), 염화 폴리비닐 염화물(Chlorinated polyvinyl chloride), 스티렌아크릴로니트릴(styreneacrylonitrile), 아크릴 스티렌 아크릴로니트릴 트리폴리머(acrylonitrile styrene acrylate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 아세탈 수지(polyacetal), , 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 아크릴산 에스터(esther acrylate), 에틸렌 코폴리머(ethylene copolymer), 스티렌(styrene)-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer) 및 비닐아세테이트(vinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 열가소성 고분자 수지 또는 이를 포함하는 고분자 복합소재인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 금속 구조체는 스테인스틸(Stain steel), 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt), 구리(Copper), 타이타늄(Titanium), 알류미늄(Aluminium), 마그네슘(Magnesium), 실리콘(Silicon), 철(Iron), 아연(Zinc), 텅스텐(Tungsten) 및 망간(Manganese)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재 또는 이의 합금인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계는, 상기 금속 구조체와 상기 폴리머 접합층의 계면에 상기 제 1 레이저가 조사됨으로써, 상기 금속 구조체를 구성하는 금속과 상기 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머의 화학반응을 유도하여 상기 중간상을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density) 보다 상대적으로 더 낮을 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 에너지 밀도는 상기 제 1 레이저의 출력(power), 스캔 속도, 단일 층 높이 및 해칭 간격을 각각 조정함으로써 제어될 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 폴리머 접합층이 완전히 탄화되지 않는 범위를 가질 수 있다.
상기 레이저 3D 프린팅을 통해 제조되는 적층 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머 접합층이 완전히 탄화되지 않는 범위는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도 값의 0.3 내지 0.7 배일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물을 제공한다. 상기 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 구조물은 상술한 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법으로 구현된 구조물로서, 상기 구조물은, 금속 구조체; 및 상기 금속 구조체 상에 형성된 폴리머 구조체;를 포함하고, 상기 금속 구조체와 상기 폴리머 구조체의 계면에 형성된 중간상(intermediate phase)을 더 포함하며, 상기 중간상은, 레이저에 의해 상기 폴리머 구조체를 구성하는 폴리머 소재의 적어도 어느 일부가 멜팅(melting)되거나 소결되어 상기 금속 구조체의 일부와 서로 반응하여 형성된 것일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 유기물과 금속, 세라믹 등 무기물의 이종소재 접합시 변형이나 부식의 문제가 없으며, 이종소재 사이의 계면제어를 용이하게 할 수 있는 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법을 제시하고 이로부터 제조된 적층 구조물을 제안할 수 있다.
또한, 단일 프린팅 공정 내에서 서로 다른 물성, 기능, 용도를 갖는 금속과 플라스틱을 레이저를 이용해 효과적으로 계면 접합할 뿐만 아니라, 표면, 구조, 성분 등을 고도로 계층화하여 복잡구조 형상을 적층 가공하므로, 혁신적인 수준의 바텀업(bottom-up) 방식의 연속 생산공정을 제공한다.
또, 금속-플라스틱 하이브리드 3D 프린팅 공정은 램프(LAMP) 기술과 3D 프린팅 기술을 접목한 것으로서, 종래의 램프 기술이 가진 한계를 극복하고, 종래의 3D 프린팅 기술 보다 발전된 형태의 3D 프린팅 방법으로 금속과 플라스틱 소재 사이의 계면에서 높은 계면접합 강도를 얻을 수 있는 유무기 하이브리드 3D 프린팅 방법 및 이의 구조물을 제공한다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법을 공정순서에 맞게 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅되는 소재별 레이저의 파장대에 따른 에너지 흡수율 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 접합강도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 미세조직을 투과전자현미경(TEM-EDX)으로 분석한 결과이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험 예 2)의 화학결합상태를 엑스선광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅되는 소재별 레이저의 파장대에 따른 에너지 흡수율 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 접합강도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 미세조직을 투과전자현미경(TEM-EDX)으로 분석한 결과이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실험예에 따른 금속-플라스틱 접합 샘플(실험 예 2)의 화학결합상태를 엑스선광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법을 공정순서에 맞게 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법(S100)은 기판 상에 제 1 레이저를 이용하여 금속 구조체를 프린팅하는 단계(S110)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
이후에 패터닝 된 금속 구조체 상에 제 1 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 이때, 금속 구조체와 폴리머 접합층의 계면에 중간상(intermediate phase)을 형성할 수 있다. 이후에 폴리머 접합층 상에 제 1 레이저의 파장보다 상대적으로 더 파장이 긴 제 2 레이저를 이용하여 폴리머 구조체를 프린팅하는 단계(S140)를 포함할 수 있다. 여기에서, 상기 제 1 레이저는 단파장 레이저를 의미하며, 상기 제 2 레이저는 장파장 레이저를 의미한다. 상기 단파장 레이저 및 상기 장파장 레이저의 파장대, 파워 등은 하기 도면을 참조하여 상세하게 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅되는 소재별 레이저의 파장대에 따른 에너지 흡수율 차이를 설명하기 위한 도면이고, 하기 표 1은 각 소재별 레이저 흡수율을 정리한 표이다.
| 소재 | 흡수율(%) | |
| 파이버(fiber) 레이저 (~1.06um) |
CO2 레이저 (~10.7um) |
|
| 금속 (Cu, Fe, Sn, Ti, Pb 등) |
55 ~ 70 | 25 ~ 55 |
| 세라믹(ZnO2, Al2O3, SiO2 등) | 2 ~ 80 | 50 ~ 90 |
| 폴리머(PA, PMMA, PTFE 등) | 5 ~ 10 | 70 ~ 95 |
| 합금(Cu10Al 등) | 64 ~ 80 | 30 ~ 45 |
도 2 및 표 1을 참조하면, 각 소재별 레이저 파장에 따라 흡수율이 상이한 것을 확인할 수 있다. 밀도가 낮은 투명한 재질의 폴리머 소재에 10.7um 이하의 파장대역을 갖는 CO2 레이저를 조사할 경우, 레이저 대부분이 폴리머 소재 내에 흡수된다. 반면, 1.06um 이하의 파장대역을 갖는 파이버(fiber) 레이저를 조사할 경우, 레이저 대부분이 폴리머 소재를 투과하게 된다.
상기 폴리머보다 밀도가 높은 재질의 금속 소재에 10.7um 이하의 파장대역을 갖는 CO2 레이저를 조사할 경우, 레이저 대부분이 금속 소재를 투과하지 못하고 반사된다. 반면, 1.06um 이하의 파장대역의 파이버(fiber) 레이저를 조사할 경우, 레이저 대부분이 금속 소재에 흡수된다.
본 발명에서는 이러한 레이저의 종류에 따른 소재별 흡수되는 정도를 고려하여 고안하였다. 금속 소재와 폴리머 소재가 서로 접하는 계면의 접합 특성을 향상시키기 위해서, 1.06um 이하의 파장대역을 갖는 파이버(fiber) 레이저와 10.7um 이하의 파장대역을 갖는 CO2 레이저를 교대로 사용하여 접합 계면에 중간상을 형성하였다.
즉, 금속 소재와 폴리머 소재가 서로 접하는 부분, 즉, 금속 구조체와 폴리머 접합층의 계면에 형성되는 중간상의 형성이 본 발명에서 매우 중요한 요소로 작용한다. 상기 중간상은 이종소재간 접합시 고강도의 접합부를 얻기 위한 것으로서, 프린팅시 조사되는 레이저의 파장을 조절함으로써 접합 계면의 제어를 용이하게 할 수 있다. 이하에서 도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 중간상을 형성하는 방법에 대해서 구체적으로 후술한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종 소재 적층 및 접합방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 금속 소재의 파우더(powder)에 제 1 레이저(10)를 조사하여 금속 구조체(32)를 기판 상에 형성할 수 있다. 여기서, 상기 기판은 3D 프린터의 스테이지(stage) 혹은 제조된 구조체를 운반할 수 있는 별도의 부재를 의미한다. 제 1 레이저(10)는 금속 소재의 종류에 따라 단파장의 레이저를 선택할 수 있으며, 예를 들어, 파이버(fiber) 레이저 혹은 야그(YAG) 레이저를 포함할 수 있다. 이때 레이저의 파장은 물질의 흡수도 차이를 고려하여 선택되어야 한다. 이종소재간 계면 특성을 제어하기 용이하도록 금속 구조체(32)는 바텀업(bottom up) 방식으로 기판 바닥면에서부터 상부로 적층되어 설계된 도면에 의해 형성된다.
금속 구조체(32)의 상부 표면에는 금속 구조체(32) 내부의 결정 배위와 상이하게 일부 결합이 절단된 형태인 단글링 본드(dangling bond)를 포함하고 있다. 상기 단글링 본드는 폴리머 구조체(미도시)를 구성하는 폴리머 소재와의 젖음성 및 친화도를 향상시키기 위해, 상기 단글링 본드에 다양한 기능기가 도입될 수 있다. 이때, 상기 기능기는 단글링 본드가 형성된 금속 구조체(32)의 표면을 플라즈마 공정 등을 이용한 추가적인 화학적 처리를 통해 형성될 수 있다.
예를 들면, 금속 구조체의 형성에는 0.1um 내지 10um 파장대의 CW(continuous Wave) 파이버 레이저 혹은 야그(YAG) 레이저를 사용할 수 있다. 금속 구조체 형성을 위한 프린팅 공정 변수로는 레이저의 파워, 스캔 속도, 단일층 높이, 해칭 간격 등이 있다.
상기 레이저의 파워는 350W 내지 500W 범위, 바람직하게 350W로 제어될 수 있으며, 스캔 속도(scan speed)는 400mm/s 내지 1500mm/s 범위, 바람직하게 470mm/s로 제어하는 것이 좋다. 또, 단일층 높이는 0.01mm 내지 0.1mm 범위, 바람직하게 0.04mm로 제어될 수 있으며, 해칭 간격은 0.1mm 내지 0.5mm 범위, 바람직하게 0.2mm으로 제어 가능하다. 이때의 에너지 밀도는 50W/mm3 내지 150W/mm3 범위, 바람직하게 80W/mm3 내지 100W/mm3 범위, 보다 바람직하게 93.09W/mm3로 제어되는 것이 좋다.
도 4를 참조하면, 제 1 레이저(10)를 이용하여 금속 구조체(32)의 상면을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 패터닝을 통해 물리적인 체결 구조인 금속 패턴(33)을 금속 구조체(32)의 상면에 직접 형성하여, 화학적인 결합 이외에 물리적인 결합을 통해 유기물과 무기물간의 접합강도를 향상시킬 수 있다.
제 1 레이저(10)의 파워는 금속 구조체(32)를 형성할 때와 동일한 파워로 사용 가능하다. 이때, 금속 패턴(33)의 형태는 금속 구조체(32)와 폴리머 접합층간 기계적 체결을 유도할 수 있도록 요철(凹凸)구조로 패터닝될 수 있다. 여기서, 단순한 형태의 요철구조가 아닌, 금속 패턴(33)의 하단부의 면적이 상단부의 면적보다 점진적으로 좁아지는 형태로 제조가 가능하다. 혹은 다단의 형태로도 제조가 가능하다. 또, 금속 패턴(33)의 상면과 측면은 미세하게 표면 거칠기가 높게 제어되어 결합력을 더 향상시킬 수도 있다.
이후에 진행되는 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계에 사용되는 레이저는 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서 사용한 레이저와 동일한 것을 사용할 수 있다. 상기 레이저의 파워는 350W 내지 500W 범위, 바람직하게 350W로 제어될 수 있으며, 스캔 속도(scan speed)는 400mm/s 내지 1500mm/s 범위, 바람직하게 470mm/s로 제어하는 것이 좋다. 또, 단일층 높이는 0.01mm 내지 0.1mm 범위, 바람직하게 0.04mm로 제어될 수 있으며, 해칭 간격은 0.1mm 내지 1.0mm 범위, 바람직하게 0.4mm으로 제어 가능하다. 이때의 에너지 밀도는 10W/mm3 내지 100W/mm3 범위, 바람직하게 20W/mm3 내지 80W/mm3 범위, 보다 바람직하게 46.54W/mm3로 제어되는 것이 좋다.
도 5를 참조하면, 금속 구조체(32) 상에 0.1um 내지 10um 파장대의 제 1 레이저(10)를 이용하여 폴리머 접합층(34)을 형성할 수 있다. 여기서, 폴리머 접합층(34)을 프린팅하는 단계에서의 에너지 밀도는 제 1 레이저(10)의 출력(power), 스캔 속도, 단일 층 높이, 해칭 간격 등 공정 변수 제어를 통해 금속 구조체(32)를 프린팅하는 단계에서의 에너지 밀도보다 상대적으로 더 낮게 제어될 수 있다.
여기서, 폴리머 접합층(34)에 사용되는 폴리머는 예를 들어, 제 1 레이저(10)의 투과 및 흡수를 용이하게 하기 위해 투명한 재질의 폴리머 소재를 포함할 수 있다. 금속 구조체(32)의 두께는 제 1 레이저(10)가 투과되어 흡수될 수 있도록 얇게 제어되어야 한다.
제 1 레이저(10)를 사용하여 폴리머 접합층(34)을 형성할 때, 폴리머 접합층(34)과 금속 구조체(32)가 서로 접하는 계면에서 중간상이 형성될 수 있다. 상기 중간상은 금속 구조체(32)와 폴리머 접합층(34) 사이의 계면에서 이차반응을 통해 형성될 수 있다. 상기 중간상은 폴리머 접합층(34)을 구성하는 폴리머 소재의 일부가 멜팅(melting)되어 금속 구조체(32)의 표면과 서로 반응하여 형성된다. 이때, 중간상은 폴리머 접합층(34)의 일부에 형성되나, 폴리머 접합층(34)의 두께에 따라 폴리머 접합층(34) 전체 두께에 걸쳐 형성될 수 있다.
중간상은 화학적 결합반응을 통해 형성되는 이차상(second phase)으로서, 밀도가 높은 가교결합이 이루어질 수 있고, 이를 통해서 매우 강한 접합강도를 갖는 3차원 구조체를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중간상은 하기 화학식 1로 표시되는 상기 레이저 1(10)에 의해 유도된 탄소-금속 산화물 일 수 있으며, 상기 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머 소재가 레이저에 의해 일부 열 및 광 분해 되어 상기 금속 구조체 표면의 금속 및 금속산화물과 반응한 것 일 수 있다.
[화학식 1]
M - O - C
(여기서, 상기 M 은 금속 및 세라믹 무기물 또는 이의 합금으로부터 선택된 물질이고, 상기 C 는 탄소 및 탄소화합물로 이루어진 폴리머로부터 선택된 물질이며, 상기 O는 상기 M 및 C를 연결하는 산소 개재물임)
또한, 상기 M 및 C 중 적어도 어느 하나는 산화물 또는 유기기일 수 있다.
에너지 밀도는 상당히 중요한 항목에 해당된다. 3D 프린팅에서 소재의 용융을 통해 접합층을 형성할 때, 레이저의 파워가 가장 밀접하게 작용되나, 레이저의 스캔 속도, 단일층의 높이, 해칭 간격 등이 고려된 에너지 밀도의 차이에 따라 구조체의 형태가 달라지게 된다.
예를 들면, 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 파이버(fiber) 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 파이버(fiber) 레이저의 에너지 밀도(energy density) 보다 상대적으로 더 낮을 수 있다. 바람직하게 상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 파이버(fiber) 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 폴리머 접합층이 완전히 탄화되지 않는 범위까지 허용될 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 에너지 밀도는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 파이버 레이저의 에너지 밀도 값의 0.3 내지 0.7 배정도를 만족할 수 있다. 더 바람직하게 처음 금속 구조체를 형성할 때의 에너지 밀도보다 1/2 정도 낮은 에너지 밀도로 제어하여 폴리머 접합층을 형성할 수 있다.
폴리머 접합층을 형성할 때에도 0.1um 내지 10um 파장대의 CW 파이버 레이저 혹은 야그(YAG) 레이저를 사용할 수 있으나, 이때에는 레이저 파워, 스캔속도, 단일층 높이, 해칭 간격 등 공정변수를 다르게 제어하여 에너지 밀도가 더 낮게 제어해야 한다. 상기 레이저의 파워는 50W 내지 200W 범위, 바람직하게 150W로 제어될 수 있으며, 스캔 속도(scan speed)는 400mm/s 내지 1500mm/s 범위, 바람직하게 400mm/s로 제어하는 것이 좋다. 또, 단일층 높이는 0.01mm 내지 0.1mm 범위, 바람직하게 0.04mm로 제어될 수 있으며, 해칭 간격은 0.1mm 내지 0.5mm 범위, 바람직하게 0.2mm으로 제어 가능하다. 이때의 에너지 밀도는 10W/mm3 내지 100W/mm3 범위, 바람직하게 20W/mm3 내지 80W/mm3 범위, 보다 바람직하게 46.87W/mm3로 제어되는 것이 좋다.
도 6을 참조하면, 폴리머 접합층(34) 상에 제 1 레이저(10)의 파장보다 상대적으로 더 파장이 긴 제 2 레이저(20)를 이용하여 폴리머 구조체(36)를 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 레이저(20)는 폴리머 소재의 종류에 따라 장파장의 레이저를 선택할 수 있으며, 예를 들어, CO2 레이저를 포함할 수 있다. 이때 레이저의 파장은 물질의 흡수도 차이를 고려하여 선택되어야 한다. 폴리머 구조체(36)는 폴리머 접합층(34)과 소재가 동일한 것을 사용할 수 있으며, 경우에 따라 다른 재질의 폴리머를 사용할 수도 있다.
폴리머 구조체를 프린팅할 때에는 1um 내지 100um 파장대의 CO2 레이저를 사용하 수 있다. 상기 레이저의 파워는 10W 내지 45W 범위, 바람직하게 35W로 제어될 수 있으며, 스캔 속도(scan speed)는 100mm/s 내지 4000mm/s 범위, 바람직하게 3000mm/s로 제어하는 것이 좋다. 또, 단일층 높이는 0.01mm 내지 0.1mm 범위, 바람직하게 0.05mm로 제어될 수 있으며, 해칭 간격은 0.1mm 내지 0.5mm 범위, 바람직하게 0.2mm으로 제어 가능하다. 이때의 에너지 밀도는 0.1W/mm3 내지 5W/mm3 범위, 바람직하게 0.5W/mm3 내지 3W/mm3 범위, 보다 바람직하게 1.5W/mm3로 제어되는 것이 좋다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예로서, 듀얼(dual) 레이저 3D 프린팅 시스템을 이용하여 200mm × 200mm × 200mm 크기의 작업 공간안에서 샘플을 제조하였다. 상기 3D 프린팅 시스템은 금속 파우더와 폴리머 파우더를 각각 공급하기 위해, 2종의 파워 서플라이 모듈(power supply module)과 파워 빌드 모듈(power build module), 그리고 1종의 리코터 모듈(re-coater module) 등으로 구성되어 있다. 또, 금속 및 폴리머 가공을 위해, 2종의 레이저(fiber laser, CO2 laser)와 1종의 스캐너 모듈이 장착되어 있고, 레이저 가공시 스파크 발생 방지를 위해 O2 차단 및 진공처리 기능을 갖추고 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 의한 샘플은, 원소재로써 금속분말은 Al (Bal) 외 Al Oxide 0.8wt%(max), Si 11-13wt%, Mn 0.15wt%, Cu 0.30wt%, Fe 0.80wt%, Zn 0.20wt%, Mg 0.15wt%을 포함하는 조성으로서, 미국 Powder Alloy Corporation(PAC)사의 구형상의 Al-12Si 합금(alloy) 분말 (<20μm)이 사용되었다. 상기 분말은 잔류 수분 제거하기 위하여 70℃ 오븐에서 24 시간 동안 건조시키고, 메쉬(mesh)를 이용해 균일크기 입자로 여과 후 사용하였다.
금속 구조체를 프린팅시 0.1 ~ 10um 파장대의 파이버 레이저를 사용해 SLM(Selective laser melting) 공정방법으로 출력하였으며, 레이저의 파워(power)가 350W, 스캐닝 속도(v)가 470mm/s, 해칭 간격(h)은 0.21mm, 층 두께(t)는 0.04mm 조건에서 수행되었다. 상기 조건에서 에너지 밀도(τ)가 최대 98W/mm3(기공도 2% 내외)에 도달하였고, 이때 시편의 인장강도는 350MPa, 연신율은 3.5% 였다. 상기 에너지 밀도는 하기 수식을 따른다.
[수식]
이후에 금속-폴리머간 강한 기계적 체결을 유도하기 위해서, 금속 구조체의 표면에 파이버 레이저를 이용하여 소정의 크기로 요철 패턴을 형성하였다.
인장 방향에 수직한 방향으로 증착하였으며, 레이저의 파워, 스캐닝 속도, 층 두께는 금속 구조체를 형성할 때와 동일하게 제어하였다. 해칭 간격은 0.4mm으로 1층 내지 3층을 적층하여 요철로 작용할 수 있는 미세 표면을 패터닝 하였다.
이후에 PA12 폴리머 소재를 상기 요철 패턴 상에 채운 후 0.1 ~ 10um 파장대의 파이버 레이저(fiber laser)를 조사하여 용융된 폴리머 분말이 상기 요철 패턴 영역을 채워 폴리머 접합층을 형성하였다. 상기 파이버 레이저 출력은 50W, 100W, 150W, 200W로 각각 제어하되, 스캐닝 속도는 400mm/s, 해칭 간격은 0.2mm, 층 두께는 0.04mm 로 동일한 조건에서 수행되었다. 상기 폴리머 분말은 GFM사의 구형상의 PA12 폴리머 분말(평균입자크기 25~30μm)이 사용되었고, 잔류 수분 제거를 위하여 70°C 오븐에서 24 시간 동안 건조시키고, 메쉬(mesh)를 이용해 균일크기 입자로 여과 후 사용하였다.
마지막으로 SLS(Selective laser sintering) 공정방법을 이용하여 폴리머 접합층 상에 폴리머 단일층을 적층했다. 여기서, 사용된 레이저는 1 ~ 100um 파장대를 갖는 최대출력 60W의 펄스 CO2 레이저를 사용했으며, 레이저 출력이 35W, 스캐닝 속도는 3000mm/s, 해칭 간격은 0.2mm, 층 두께가 50um 인 조건에서 수행되었다.
한편, 본 발명의 실시예 샘플과 비교하기 위해서, 레이저의 종류 및 파워를 상이하게 제어한 후 유무기 하이브리드 구조체 샘플을 제조하였다. 이에 대한 조건은 하기 표 2에 정리하였다. 또, 각 실험예에 대한 결과 값을 표 3에 정리하였다.
| 실험예 1 |
실험예 2 |
실험예 3 |
실험예 4 |
비교예1 | 비교예2 | 비교예 3 |
비교예 4 |
비교예 5 |
비교예 6 |
비교예 7 |
비교예 8 |
|
| 레이저 종류 |
Fiber | Fiber | Fiber | Fiber | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | CO2 | Fiber | Fiber |
| 파워[W] | 200 | 150 | 100 | 50 | 45 | 42.5 | 40 | 37.5 | 35 | 32.5 | 300 | 250 |
| 스캔속도 [mm/s] |
400 | 400 | 400 | 400 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 400 | 400 |
| 단일층 높이 [mm] |
0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 |
| 해칭간격 [mm] |
0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 에너지 밀도 [W/mm3] |
62.5 | 46.87 | 31.25 | 15.62 | 1.875 | 1.770 | 1.666 | 1.562 | 1.500 | 1.354 | 93.75 | 78.12 |
| 실험예 1 |
실험예 2 |
실험예 3 |
실험예 4 |
비교예1 | 비교예2 | 비교예 3 |
비교예 4 |
비교예 5 |
비교예 6 |
비교예 7 |
비교예 8 |
|
| 프린팅 여부 |
O | O | O | O | 과용융 | O | O | O | O | O | 탄화 | 탄화 |
| 이차상형성 유무 |
O | O | O | O | X | X | X | X | X | X | O | O |
| 접합부기공도 [vol%] |
5.3 | 3.2 | 4.8 | 6.5 | 3.4 | 4.2 | 6.7 | 8.3 | 10.6 | 13.2 | - | - |
| 접합강도 [MPa] |
2.4 | 3 | 2.2 | 1.8 | 0.5 이하 |
0.5 이하 |
0.5 이하 |
접착 특성 X |
접착 특성 X |
접착 특성 X |
- | - |
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 유무기 하이브리드 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 접합강도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7, 표 2 및 표 3을 참조하면, 파이버 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성할 경우, a로 도시된 부분에서 금속과 폴리머의 접합계면이 손상되지 않고 온전하게 접합되어 있다가, b로 도시된 부분으로 가면서 계면에 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이후에 c로 도시된 부분에서 계면이 박리되어 d로 도시된 부분에서 금속층과 폴리머층이 서로 어긋나는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 1um 내지 100um 파장대의 CO2 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성했을 때는 상기 0.1um 내지 10um 파장대의 파이버 레이저를 사용했을 때보다 훨씬 못미치는 영역에서 박리가 발생되었다. 따라서, 1um 내지 100um 파장대의 CO2 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성하는 방법보다 0.1um 내지 10um 파장대의 파이버 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성하는 방법이 훨씬 더 높은 접합강도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실험예에 따른 유무기 하이브리드 샘플(실험예 2 및 비교예 3)의 미세조직을 투과전자현미경(TEM-EDX)으로 분석한 결과이다.
상기 유무기 하이브리드 샘플(실험예 2 및 비교예 3)에서 폴리머와 금속의 계면 미세조직을 각각 관찰하였고, 각 샘플별 계면에서의 성분을 각각 도 8(비교예 3) 및 도 9(실험예 2)에 도시하였다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 1um 내지 100um 파장대의 CO2 레이저를 이용하여 접합된 샘플의 TEM 이미지에서, Al, C, O 원소의 매핑 이미지는 Al-12Si 및 PA12의 계면에 중간산화물층이 형성되지 않았다. 반면, 도 10을 참조하면, 파이버 레이저를 이용하여 접합된 샘플의 TEM 이미지에서, Al, C, O 원소의 매핑 이미지는 Al-12Si 및 PA12의 계면에 중간산화물층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 특히, Al 원소 매핑 이미지에서 계면 부근의 O 원소 및 C 원소가 서로 겹치는 것으로 확인되었으며, 이는 파이버 레이저에 의해 Al-O, Al-C, O-C간 화학결합이 유도되어 화학적 연동효과를 통해 금속-플라스틱간 계면강도를 강화시키는 메커니즘으로 작동되는 것으로 확인되었다.
도 10을 참조하면, 파이버 레이저를 이용하여 접합된 실험예 2 샘플의 TEM 이미지에서 금속 리치(rich) 부근에서 폴리머 리치(rich) 부근으로 라인 스캐닝(line scanning) 한 결과를 보여주며, 20nm 두께의 중간산화물층이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실험예에 따른 유무기 하이브리드 샘플(실험예 2)의 화학결합상태를 엑스선광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다. 상기 유무기 하이브리드 샘플에서 파이버 레이저를 이용하여 접합된 실험예 2 샘플의 폴리머와 금속의 화학결합상태를 관찰하였고, C1s 및 Al2p 원소에 대한 샘플의 화학결합상태를 각각 도 11 및 도 12에 도시하였다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 파이버 레이저를 이용하여 접합된 샘플의 XPS C1s 및 Al2p 결과에서 레이저에 의해 유도된 Al-O-C 등의 탄소-금속 산화물을 확인할 수 있었다. 이는 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머 소재의 유기기가 레이저에 의해 일부가 열 및 광 분해되어 상기 금속 구조체 표면의 금속 및 금속산화물과 반응하여 생성된 것으로, 상기 이차상은 탄소-금속을 연결하는 산소 개재물 임을 확인하였다.
다시 표 2 및 표 3을 참조하면, CO2 레이저를 이용하여 유무기 하이브리드 샘플을 제조한 비교예 1 내지 비교예 6 샘플의 경우, 계면에서 이차상이 모두 형성되지 않았다. 특히, 파워가 가장 높았던 비교예 1 샘플은 과용융이 진행되었고, 파워가 낮은 샘플 비교예 4 내지 비교예 6 샘플은 프린팅은 되었으나 접착 특성이 없었다.
반면, 파이버 레이저를 이용하여 유무기 하이브리드 샘플을 제조한 비교예 7 및 비교예 8 샘플의 경우, 계면에서 이차상이 모두 형성되었으나, 레이저의 파워가 높기 때문에 탄화가 발생되었다.
따라서, CO2 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성할 경우, 프린팅은 가능했으나 계면에서 이차상의 형성은 되지 않았고, 접착 특성이 나쁜 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 파이버 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 형성하되, 파워가 너무 높을 경우, 탄화되면서 폴리머 접합층의 형성이 되지 않기 때문에 3D 프린팅 장치의 파워를 적절한 범위로 제어하여야 한다. 다만, 프린팅에서 파워의 조절만으로는 계면층의 형성이 용이하지 않고, 레이저의 파워, 스캔 속도, 단일층의 높이, 해칭 간경 등에 의한 에너지 밀도의 영향이 크므로 이에 대한 영향도 고려해야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 램프 공정이 가지는 탑다운(top-down) 공정의 한계를 극복하고, 금속과 플라스틱을 단순 접합하는 후가공 공정에서 벗어나, 금속과 플라스틱을 가공함과 동시에 접합하는 새로운 개념의 바텀업(bottom-up)방식의 혁신공정 기술을 제공하고, 이로부터 제조된 금속-플라스틱 적층 구조물을 제안할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제 1 레이저
20: 제 2 레이저
32: 금속 구조체
33: 금속 패턴
34: 폴리머 접합층
36: 폴리머 구조체
20: 제 2 레이저
32: 금속 구조체
33: 금속 패턴
34: 폴리머 접합층
36: 폴리머 구조체
Claims (20)
- 기판 상에 제 1 레이저를 이용하여 금속 구조체를 프린팅하는 단계;
상기 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계;
패터닝된 상기 금속 구조체 상에 상기 제 1 레이저를 이용하여 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계; 및
상기 폴리머 접합층 상에 상기 제 1 레이저의 파장보다 상대적으로 더 파장이 긴 제 2 레이저를 이용하여 폴리머 구조체를 프린팅하는 단계;를 포함하고,
상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계는,
상기 금속 구조체와 폴리머 접합층의 계면에 중간상(intermediate phase)을 형성하는 단계를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간상은 상기 금속 구조체와 상기 폴리머 접합층 사이의 계면에서 이차반응을 통해 형성되는 것으로서, 상기 중간상은 상기 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머 소재의 적어도 어느 일부가 멜팅(melting)되거나 소결되어 상기 금속 구조체의 일부와 서로 반응하여 형성된 것인,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 중간상은 상기 제 1 레이저에 의해 유도된 탄소 및 금속 산화물을 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 탄소 및 금속 산화물은 상기 폴리머 소재의 유기기가 상기 제 1 레이저에 의해 열 또는 광 분해 됨으로써, 분해된 상기 유기기의 일부가 상기 금속 구조체 표면에 존재하는 금속 혹은 금속산화물과 반응하여 생성된,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 탄소 및 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법.
[화학식 1]
M - O - C
(여기서, 상기 M 은 금속 및 세라믹 무기물 또는 이의 합금으로부터 선택된 물질이고, 상기 C 는 탄소 및 탄소화합물로 이루어진 폴리머로부터 선택된 물질이며, 상기 O는 상기 M 및 C를 연결하는 산소 개재물임) - 제 5 항에 있어서,
상기 M 및 C 중 적어도 어느 하나는 산화물 또는 유기기인,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
금속 및 무기 물질에 대한 높은 흡수율을 갖도록, 상기 제 1 레이저는 0.1um 내지 10um 범위의 파장대를 갖는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 레이저는 파이버(fiber) 또는 야그(YAG) 레이저를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
폴리머 및 유기 물질에 대한 높은 흡수율을 갖도록, 상기 제 2 레이저는 1um 내지 100um 범위의 파장대를 갖는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 레이저는 CO2 또는 다이오드 레이저를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체의 상면을 패터닝하는 단계는,
금속과 폴리머 간 기계적 체결을 유도하도록, 상기 제 1 레이저를 이용하여 상기 금속 구조체의 상면 일부를 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층은 투명한 재질의 폴리머 소재를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 폴리머 소재는 폴리락틱엑시드(polylactic acid), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 염화폴리비닐(polyvinyl chloride), 염화 폴리비닐 염화물(Chlorinated polyvinyl chloride), 스티렌아크릴로니트릴(styreneacrylonitrile), 아크릴 스티렌 아크릴로니트릴 트리폴리머(acrylonitrile styrene acrylate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 아세탈 수지(polyacetal), , 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 아크릴산 에스터(esther acrylate), 에틸렌 코폴리머(ethylene copolymer), 스티렌(styrene)-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer) 및 비닐아세테이트(vinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 열가소성 고분자 수지 또는 이를 포함하는 고분자 복합소재인 것을 특징으로 하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체는 스테인스틸(Stain steel), 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt), 구리(Copper), 타이타늄(Titanium), 알류미늄(Aluminium), 마그네슘(Magnesium), 실리콘(Silicon), 철(Iron), 아연(Zinc), 텅스텐(Tungsten) 및 망간(Manganese)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재 또는 이의 합금인 것을 특징으로 하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계는,
상기 금속 구조체와 상기 폴리머 접합층의 계면에 상기 제 1 레이저가 조사됨으로써, 상기 금속 구조체를 구성하는 금속과 상기 폴리머 접합층을 구성하는 폴리머의 화학반응을 유도하여 상기 중간상을 형성하는 단계를 포함하는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density) 보다 상대적으로 더 낮은,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 에너지 밀도는 상기 제 1 레이저의 출력(power), 스캔 속도, 단일 층 높이 및 해칭 간격을 각각 조정함으로써 제어되는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층을 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도(energy density)는 상기 폴리머 접합층이 완전히 탄화되지 않는 범위를 갖는,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 폴리머 접합층이 완전히 탄화되지 않는 범위는 상기 금속 구조체를 프린팅하는 단계에서의 상기 제 1 레이저의 에너지 밀도 값의 0.3 내지 0.7 배인,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나의 항에 의한 레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법으로 구현된 구조물로서,
상기 구조물은,
금속 구조체; 및
상기 금속 구조체 상에 형성된 폴리머 구조체;를 포함하고,
상기 금속 구조체와 상기 폴리머 구조체의 계면에 형성된 중간상(intermediate phase)을 더 포함하며,
상기 중간상은,
레이저에 의해 상기 폴리머 구조체를 구성하는 폴리머 소재의 적어도 어느 일부가 멜팅(melting)되거나 소결되어 상기 금속 구조체의 일부와 서로 반응하여 형성된 것인,
레이저 3D 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물.
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|---|---|---|---|
| US17/897,896 US11938538B2 (en) | 2021-09-08 | 2022-08-29 | Method of laser-assisted metal-plastic hybrid 3D printing and multilayered structure by using thereof |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| KR20210119581 | 2021-09-08 | ||
| KR1020210119581 | 2021-09-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220106450A KR20230037442A (ko) | 2021-09-08 | 2022-08-24 | 레이저 3d 프린팅을 이용한 금속-플라스틱 이종소재 적층 구조물의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 적층 구조물 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230037442A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180109042A (ko) | 2017-03-24 | 2018-10-05 | 한국기계연구원 | 다종 소재용 3d 프린팅 장치 및 다종 소재 3d 프린팅 방법 |
-
2022
- 2022-08-24 KR KR1020220106450A patent/KR20230037442A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20180109042A (ko) | 2017-03-24 | 2018-10-05 | 한국기계연구원 | 다종 소재용 3d 프린팅 장치 및 다종 소재 3d 프린팅 방법 |
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