WO2018062828A2 - 이종 소재 접합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

이종 소재 접합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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김성곤
한정진
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    • Y10T428/24521—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness with component conforming to contour of nonplanar surface
    • Y10T428/24545—Containing metal or metal compound

Definitions

  • the present invention relates to a dissimilar material conjugate and a method of manufacturing the same.
  • the adhesive film is cut to size and placed between the metal and the plastic, and then pressed and cooled by applying heat and pressure using a jig, and the adhesive is cured to generate a bonding force.
  • mechanical tightening is performed using mechanical fastening tools such as screws or rivets, such as self-piercing rivets and clinching, which have been slightly modified in typical mechanical joining processes to be effective for joining dissimilar materials in these processes. Processes such as clinching are being introduced.
  • the adhesive and mechanical fastening process allows the bonding of dissimilar materials with a relatively easy approach, but it is a process in which different materials are inserted between dissimilar materials or the joints are exposed in appearance, so new technologies have recently been proposed for pure bonding between two substrates. have.
  • the adhesive film method requires a process using a relatively high heat and pressure compared to the process of applying the adhesive, and the deterioration rate due to moisture increases under high temperature and high humidity environment. Thus, there is a disadvantage that the strength loss of the joint can be increased.
  • the bonding temperature is lower than the temperature used at room temperature or when the adhesive film method is applied. Therefore, the bonding part is not deteriorated by heat, and the high rigidity and airtightness of the bonding part can be simultaneously obtained.
  • the adhesive bonding improves the wettability between the adhesive and the substrate surface through proper surface treatment on the metal or plastic surface. The process must be carried out indispensable, and there is also the hassle of increasing the surface energy of the base material or reducing the surface tension of the adhesive.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1499665
  • the present invention provides a dissimilar material conjugate and a method of manufacturing the same.
  • a metal layer a metal layer; And a resin layer provided on and in contact with one surface of the metal layer, wherein the metal layer includes two or more etching grooves and two or more protrusions provided on the surface of the metal layer adjacent to the etching grooves.
  • the resin layer is filled between the inside of the etching groove, the surface of the metal layer and the protrusion and fixed to the metal layer, and the ratio of the etching groove depth to the etching groove inlet width is 1: It provides a heterogeneous material conjugate that is 3 to 1: 14.
  • Another embodiment of the present invention provides a method for producing the heterogeneous material conjugate.
  • the adhesion between the metal and the resin can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view (A) of the surface of a metal layer etched according to an exemplary embodiment of the present invention, and a view (B) of the metal layer observed with a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of a metal layer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a various appearance of bonding the resin layer to the surface of the metal layer according to an embodiment of the present invention using a laser.
  • Figure 4 shows an image of the side of Example 1 and Reference Example 1 taken with a scanning electron microscope (SEM).
  • FIG. 5 shows an image of the side surfaces of Example 2 and Comparative Example 1 taken with a scanning electron microscope (SEM).
  • FIG. 6 shows images taken by scanning electron microscopy (SEM) of the side surfaces of Examples 4, 5 and Comparative Examples 2 to 4.
  • SEM scanning electron microscopy
  • FIG. 7 shows an image of the side surfaces of Example 3 and Reference Examples 2 to 4 taken with a scanning electron microscope (SEM).
  • the present inventors attempted to improve the physical and chemical bonding strength with other materials by processing the surface of the metal in order to solve the problems with the conventional heterogeneous material joining method, which led to the present invention.
  • the surface shape of the metal is provided in a specific form, specifically, the protrusions provided on the surface of the metal layer to have a specific shape, thereby improving physical and chemical bonding strength with the material such as resin I could make it.
  • a metal layer a metal layer; And a resin layer provided on and in contact with one surface of the metal layer, wherein the metal layer includes two or more etching grooves and two or more protrusions provided on the surface of the metal layer adjacent to the etching grooves.
  • the resin layer is filled between the inside of the etching groove, the surface of the metal layer and the protrusion and fixed to the metal layer, and the ratio of the etching groove depth to the etching groove inlet width is 1: It provides a heterogeneous material conjugate that is 3 to 1: 14.
  • the metal layer may be a conventional one without particular limitation, but it is preferable to use a pattern that is easy to form by laser irradiation and has excellent thermal conductivity, and may include aluminum (Al) and titanium ( As well as pure metals such as Ti), alloys such as stainless steel (STS) and the like can be exemplified.
  • the shape of the metal layer may be applied without particular limitation as long as the shape of the metal layer may be laser etched and may be smoothly bonded to the resin, and may include, for example, a flat surface and a curved surface. Cylindrical and polyhedron.
  • the resin layer in the group consisting of polypropylene (PP) resin, polyamide (PA) resin, polyphenylene oxide (PPO) resin, resin containing reinforcing materials It may be composed of one or more selected, but the kind is not limited.
  • the reinforcing material may be at least one selected from the group consisting of glass fiber, talc and carbon fiber, but the type is not limited.
  • the metal layer may include two or more etching grooves, and may include two or more burrs provided on the surface of the metal layer adjacent to the etching grooves. have.
  • the protrusion may be provided in a direction away from the etching groove.
  • the protrusion may be provided on the surface of the metal layer, may be provided adjacent to the etching groove, and may protrude in a direction away from the etching groove.
  • the protrusion may continuously or partially discontinuously depending on the progress direction of the etching groove.
  • the protrusion is provided in a direction away from the etching groove, and the metal layer includes two or more etching grooves, the protrusion is provided in a direction away from one etching groove and the one etching. Protrusions provided in a direction away from another etching groove adjacent to the groove may be provided in a form facing each other.
  • a portion of the metal layer may be melted in a direction away from the central axis of the etching groove on the surface of the metal layer to include the protrusion.
  • the remaining portion except the metal layer having the protrusion may be melted toward the central axis of the etching groove in the metal layer in which the etching groove is formed.
  • the protrusion may be provided at an acute angle with respect to the surface of the metal layer.
  • the angle formed by the surface of the protrusion and the metal layer provided in a direction away from the etching groove may be an acute angle.
  • the resin layer may be filled between the inside of the etching groove, the surface of the metal layer and the protrusion, and fixed to the metal layer.
  • the resin layer may be filled in the fence consisting of the inside of the etching groove and the protrusions and fixed to the metal layer.
  • the ratio of the etching groove depth to the etching groove inlet width may be 1: 3 to 1:14, or 1: 3 to 1:13.
  • the resin layer may be sufficiently filled in the inside of the etching groove, thereby improving the bonding force between the metal layer and the resin layer.
  • the etching groove inlet width may mean a width of the etching groove on an extension line of the surface of the metal layer on which the etching groove is formed.
  • the etching groove depth may mean a maximum distance from the lowest point of the one etching groove to the intersection of the extension line of the metal layer and the central axis of the one etching groove.
  • the etching groove inlet width may be 10 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, or 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the depth of the etching groove may be 50 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less, 50 ⁇ m or more and 240 ⁇ m or less, 60 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less, or 60 ⁇ m or more and 240 ⁇ m or less.
  • the intermediate width of the etching groove may be 15 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, or 20 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the ratio of the etching groove medium width to the etching groove inlet width may be 1: 1.3 to 1: 3 can be.
  • the resin layer may be sufficiently filled in the etching groove, and thus the bonding force between the metal layer and the resin layer may be improved.
  • the intermediate width of the etching grooves may mean a maximum distance between the etching grooves at a point half of the depth of the etching grooves.
  • the protrusion may be provided in a direction away from the etching groove, and the angle formed by the protrusion and the surface of the metal layer may be 30 ° or more and 80 ° or less.
  • the angle formed by the surface of the protrusion and the metal layer may mean an angle formed by the surface of the protrusion and the metal layer provided in a direction away from the etching groove.
  • the length from one end to the other end of the protruding portion is 25 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less, 25 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less, 30 50 micrometers or more, 35 micrometers or more and 70 micrometers or less, or 35 micrometers or more and 50 micrometers or less.
  • the height of the protrusion is 30 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or more and 90 ⁇ m or less, 40 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, 40 ⁇ m or more and 90 ⁇ m or less, 40 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less, 50 micrometers or more and 90 micrometers or less, or 50 micrometers or more and 80 micrometers or less.
  • the resin layer may be sufficiently supplied and fixed to the metal layer with sufficient bonding force.
  • the tensile value of the dissimilar material assembly in the above range can be maintained high, the protrusion can be easily controlled by a fence structure, and the airtightness and watertightness of the dissimilar material joint can be secured.
  • the distance between the central axes of the etching grooves is 50 ⁇ m or more and 1,000 ⁇ m or less, 50 ⁇ m or more and 800 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or more and 1,000 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or more and 800 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or more and 500 It may be 100 ⁇ m or less, 100 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less, or 100 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less.
  • the distance between the central axis of the etching groove may mean a distance from the end of one etching groove to the end of the other etching groove, the maximum depth of the etching groove.
  • the bonding force between the metal layer and the resin layer may be stronger as the height of the protrusion is higher and the gap between the etching grooves is smaller.
  • the angle formed by the protruding portion with respect to the surface of the metal layer is 30 ° or more and 80 ° or less, 30 ° or more and 70 ° or less, 35 ° or more and 80 ° or less, 35 ° or more and 70 ° or less, 35 It may be at least 60 °, at least 40 ° and at most 70 °, or at least 40 ° and at most 60 °.
  • the resin layer can be sufficiently filled between the protrusions, the resin layer can be sufficiently fixed to the metal layer, maximizing the bonding force between the metal layer and the resin layer.
  • the bonding force of the metal layer and the resin layer may be 5 MPa or more, 7 MPa or more, 10 MPa or more, 15 Mpa or more or 20 MPa or more, and the bonding force of the metal layer and the resin layer may be It may differ according to the kind of resin layer.
  • the bonding force between the metal layer and the resin layer may mean tensile strength and / or shear strength of the metal layer of the resin layer.
  • the advancing direction of one etching groove and the advancing direction of the other etching groove may be parallel.
  • the advancing direction of the one etching groove and the advancing direction of the other etching groove may cross at right angles or at non-right angles.
  • FIG. 1 a schematic diagram A of a surface of a metal layer provided with an etching groove and a protrusion and a scanning electron microscope photographed image B thereof are shown in FIG. 1.
  • the protrusions 20 are continuously or discontinuously provided along the advancing directions (X and Y) of the etching groove 10, and the area 30 surrounded by the protrusions 20 is square. Or it may be provided in a rectangular shape.
  • the surface of the metal layer may have the form of a lattice structure.
  • the lattice structure is etched by crossing (specifically, orthogonally crossing) the advancing direction X of one etching groove and the advancing direction Y of the other etching groove. It may be a structure formed by the groove (10).
  • the heterogeneous material bonded body according to the exemplary embodiment of the present invention may have a bonding force between the metal layer and the resin layer.
  • FIG. 2 is a schematic view of a side surface of a metal layer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • an etching groove 10 in micrometer ( ⁇ m) units is provided on the surface of the metal layer, and protrusions 20a and 20b may be provided in a direction away from the etching groove, adjacent to the etching groove. have.
  • the protrusion may be provided on the surface of the metal layer to protrude from the surface of the metal layer, and the protrusion may be provided to protrude away from the etching groove.
  • the protrusion 20b provided on the surface of the metal layer adjacent to the one etching groove 10 and the protrusion 20c provided on the surface of the metal layer adjacent to the other etching groove are provided.
  • one of the protrusions 20b adjacent to one etching groove 10 provided in the metal layer and one of the protrusions 20c adjacent to the other etching groove are provided in the metal layer according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • a pair of opposing protrusions are connected to the protrusions indicated by 20b and 20c, respectively, A fence in which the space 30 is made may be provided.
  • the cross-sectional shape of the advancing direction of the one etching groove and the advancing direction of the other etching groove may be very similar.
  • the cross-sectional shape of the advancing direction of the one etching groove and the advancing direction of the other etching groove May be different.
  • the dissimilar material conjugate may realize or secure airtightness (water resistance, inflow blocking of air) and watertightness (water blocking, inflow blocking of water). .
  • the airtightness may be secured when the metal layer and the resin layer are bonded without forming pores.
  • the airtightness can be confirmed by measuring the pressure loss under a certain time and pneumatic (pneumatic, air), and may be different depending on the type and form of the metal used as a different material, and the type of the resin, for example For example, when testing for 30 seconds with a pneumatic pressure of 30.52 PSIG (2 bar) after joining dissimilar materials, it may mean that airtightness is secured if it satisfies 0.057 PSIG or less.
  • Another embodiment of the present invention provides a method for producing the heterogeneous material conjugate.
  • the first laser irradiated onto the surface of the metal layer may form a specific pattern on the surface of the metal by irradiating the surface of the metal.
  • the first laser is irradiated onto the surface of the metal, so that an etching groove may be formed along the advancing direction of the first laser.
  • the advancing direction of the first laser may coincide with the advancing direction of the etching groove.
  • two or more first lasers may be irradiated onto the surface of the metal layer, and the two or more first lasers may cross a traveling direction. Specifically, the advancing direction of the one first laser and the advancing direction of the other first laser may intersect.
  • the protrusion protrudes from the surface of the etched metal layer.
  • a burr may be formed on the surface of the metal layer adjacent to the etching groove to protrude away from the etching groove.
  • the protrusion may be continuously or partially discontinuously according to the first laser irradiation.
  • an etching groove in micrometer ( ⁇ m) units is formed on the surface of the metal layer by the first laser irradiation, and a protrusion is adjacent to the etching groove and is away from the etching groove.
  • the etching groove may be formed along the traveling direction of the first laser, and thus the etching groove may be formed along the traveling direction of the first laser and the traveling direction of the other first laser. Projections adjacent to each of the etching grooves thus formed are continuously connected to face each other, so that a fence having four spaces and spaces therein may be formed.
  • one of the protrusions adjacent to the one etching groove and one of the protrusions adjacent to the other etching groove are continuously formed to face each other, and are formed according to the other first laser traveling direction.
  • the pair of protrusions may be connected to the other protrusions, respectively, to form a fence having a space therein.
  • the cross-sectional shape of the advancing direction of the one first laser and the advancing direction of the other first laser may be very similar, but when the advancing direction of the one first laser and the advancing direction of the other first laser are non-orthogonal, the cross-sectional shape of the advancing direction of the one first laser and the The cross-sectional shape in the advancing direction of the other first laser may be different.
  • the description of the metal layer, the resin layer, the etching groove, and the protrusion is as described above.
  • the wavelength of the first laser may be 1064 nm.
  • the output of the first laser may be 20 W or more and 200 W or less, 20 W or more and 100 W or less, 20 W or more and 50 W or less, or 20 W or more and 40 W or less.
  • the number of repetitions of the first laser may be 30 kHz or more and 600 kHz or less, 30 kHz or more and 200 kHz, 40 kHz or more and 600 kHz or less, or 40 kHz or more and 200 kHz or less.
  • the repetition frequency of the first laser may mean a frequency per second of the pulse laser.
  • the scanning speed of the first laser is 100 mm / s or more and 1,000 mm / s or less, 100 mm / s or more and 400 mm / s or less, 200 mm / s or more and 1,000 mm / s or less, 200 mm / s or more and 400 mm / s or less, 200 mm / s or more and 450 mm / s or less, 300 mm / s or more and 400 mm / s or less, or 300 mm / s or more and 450 mm / s or less.
  • the scanning speed of the pulse laser may mean a speed of moving from one point of the laser to another point.
  • the number of times of irradiation of the first laser is one or more times ten times, one or more times eight times or less, one or more times four times or less, two or more times ten or less times, two or more times eight times 2 times or more, 4 times or less, or 4 times or more and 8 times or less.
  • the pulse width of the first laser may be 15 ns or more and 220 ns or less.
  • the spot size of the first laser may be 15 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, 25 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, or 35 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • a spot size or beam size may mean a maximum distance from one end of the focal point of the pulse laser to the other end.
  • the peak power of the first laser may be 1.5 kW or more and 6 kW or less, 1.5 kW or more and 3.4 kW or less, 1.9 kW or more and 6 kW or less, or 1.9 kW or more and 3.4 kW or less.
  • the pulse energy of the first laser may be 0.1 mJ or more and 2 mJ or less, 0.1 mJ or more and 1 mJ or less, 0.5 mJ or more and 2 mJ or less, or 0.5 mJ or more and 1 mJ or less.
  • the etching groove depth, the etching groove inlet width, the etching groove middle width, the length of the protrusion, the height of the protrusion and the angle range between the protrusion and the surface of the metal layer can be implemented. As a result, the bonding force between the metal layer and the resin layer may be increased.
  • the energy condition of the first laser may recondense the material evaporated from the wall of the etching groove and the entrance of the etching groove, and may relatively roughly form protrusions protruding from the metal layer. It is possible to form an area and an anchoring structure that can be bonded to the resin layer.
  • the first laser may be irradiated in the depth direction of the etching groove, and a portion of the metal layer is a central axis of the etching groove on the surface of the metal layer according to the irradiation of the first laser. It may be melted in a direction away from the protruding portion.
  • the remaining part of the metal layer except for the part having the protrusion according to the irradiation of the first laser may be melted toward the central axis of the etching groove in the metal layer where the etching groove is formed.
  • an etching groove having a relatively narrow inlet width can be formed.
  • melting of the metal layer may proceed rapidly according to the irradiation of the first laser, and then the molten metal layer may be cooled while the first laser focal point moves, and the molten metal layer is adjacent to the etching groove. As it cools from, it is possible to form an etching groove having a relatively narrow inlet width relative to the intermediate width.
  • the description of the metal layer and the resin layer is as described above.
  • the resin layer forming step may be performed by supplying a resin to each of the surface of the metal layer, the etching groove and the protrusion.
  • the step of forming the resin layer is performed by a method of bonding the resin layer to the mold by using a metal layer etched on the surface as a mold, supplying the resin layer to the mold, and applying pressure (insert injection) Can be.
  • the resin layer forming step is to prepare a heterogeneous material laminate with the resin layer on one surface of the metal layer etched on the surface, the second material laminate to the second It may be performed by irradiating a laser.
  • a fence inner space formed by an etching groove and a protrusion is formed on the surface of the metal layer by the first laser irradiation, and the heterogeneous material laminate having a resin layer is formed on the surface of the metal layer. 2
  • the laser may be irradiated, and the resin layer may be melted to bond the resin layer to the metal layer.
  • the second laser may be irradiated from the resin layer toward the metal layer.
  • the second laser may be irradiated focusing on the surface of the metal layer in contact with the resin layer.
  • the second laser may be irradiated through the resin layer.
  • the second laser may be irradiated through the resin layer by focusing the surface of the metal layer in contact with the resin layer in the direction of the metal layer in the resin layer.
  • the energy of the second laser may be absorbed by the metal layer, and the energy of the absorbed second laser may be converted into heat to melt the resin layer adjacent to the surface of the metal layer.
  • the second laser may be irradiated from the metal layer toward the resin layer.
  • the second laser may be irradiated with focus on the other surface of the surface of the metal layer in contact with the resin layer.
  • the second laser may be irradiated with focus on the surface of the metal layer in contact with the resin layer in the direction of the resin layer in the metal layer.
  • the energy of the second laser may be absorbed by the metal layer, and the energy of the absorbed second laser may be converted into heat to melt the plastic resin adjacent to the surface of the metal layer.
  • FIG 3 illustrates various forms of bonding the resin layer by irradiating the second laser to the surface of the metal layer etched according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • a of FIG. 3 focuses on the surface of the metal layer in contact with the resin layer from the resin layer to the metal layer, and irradiates and bonds the second laser to transmit the resin layer.
  • 3B shows a state in which the second laser is irradiated and focused on the other surface of the surface of the metal layer in contact with the resin layer in the direction of the resin layer from the metal layer to the resin layer (laser thermal conductive bonding). It was shown to let.
  • the second laser should be irradiated again to bond the metal layer and the resin layer, and the second laser is irradiated.
  • laser transmission bonding and laser thermal conduction bonding as illustrated in FIG. 3 can be exemplified.
  • an additional heat source for example, a laser, a heater, or Hot plates, etc.
  • cooling gas may be further supplied.
  • the laser transmission joining (A of FIG. 3) focuses on the surface of the metal layer in contact with the resin layer in the direction of the metal layer from the resin layer to the dissimilar material laminate, and thus the resin layer is attached. It may be a method of bonding the metal layer and the resin layer by irradiating a second laser to transmit.
  • the laser heat conduction joining (FIG. 3B) focuses the dissimilar material laminate on the other side surface of the surface of the metal layer in contact with the resin layer, in the direction of the metal layer to the resin layer.
  • the irradiation of the second laser may be a method of bonding the metal layer and the resin layer.
  • the second laser when the second laser is irradiated in the direction of the resin layer from the metal layer, the energy of the second laser is absorbed in the metal layer, the energy of the absorbed second laser is converted into heat, the surface of the metal layer Adjacent the resin layer may be melted.
  • the resin layer is melted by the second laser, and the molten resin layer is filled between the surface of the metal layer, the etching groove and the protrusion, so that the resin layer is formed on the metal layer. Can be fixed.
  • the manner in which the resin layer is melted may vary according to the irradiation direction of the second laser, and when the pulsed laser is irradiated by the laser transmission joining (A of FIG. 3), the After the second laser beam irradiated to the resin layer penetrates the resin layer and the energy of the second laser is absorbed to the surface of the metal layer, the absorbed energy is converted into heat to interface (the metal layer and the And the molten resin layer is supplied to the surface of the metal layer, the etching groove and the internal space of the fence in the form of a fence. (Iii) Joining between materials.
  • the second laser is irradiated by the laser heat conduction joining (B) of FIG. 3, first, a laser beam irradiated onto the metal layer whose surface is etched is absorbed by the metal layer, and the absorbed energy is Converted to heat to melt the resin layer at an interface (the surface where the metal layer and the resin layer are in contact), wherein the molten resin layer has a surface of the metal layer, the etching grooves and the fence shape.
  • burr By being supplied to the inner space of the projections (burr), it is to be bonded between different materials.
  • the wavelength of the second laser may be a wavelength of the near infrared region.
  • the wavelength of the second laser may be one wavelength selected from the group consisting of 808 nm, 830 nm, 880 nm, 915 nm, 940 nm, 915 nm and 1064 nm.
  • the output of the second laser may be 50 W or more and 2,000 W or less, and may be appropriately adjusted according to the spot size of the laser and the type of material to which the laser is irradiated.
  • the spot size of the second laser may be 100 ⁇ m or more and 5,000 ⁇ m or less, and may be appropriately adjusted according to the type of material to which the laser is irradiated.
  • the scanning speed of the second laser may be 10 mm / s or more and 1,000 mm / s or less, and may be appropriately adjusted according to the type of material to which the laser is irradiated.
  • the number of irradiation times of the second laser may be one or more times and 50 times or less, and may be appropriately adjusted according to the type of material to which the laser is irradiated.
  • the bonding force between the metal layer and the resin layer is as described above.
  • the resin layer is melted at the interface between the metal layer and the resin layer, and the resin layer is etched in the metal layer surface as well as the etched metal layer. And a harder anchoring effect may be generated by flowing into the inner space of a fence shaped burr formed along the etching groove.
  • the laser was irradiated to the aluminum substrate, and at this time, the laser was repeatedly scanned five times at a scanning speed of 20 mm / s to melt the polypropylene resin, thereby preparing a heterogeneous material conjugate.
  • the dissimilar material assembly was cut in the vertical direction of the interface portion and polished to prepare a specimen. .
  • FIG. 4 shows an image of the specimen taken using a scanning electron microscope (SEM).
  • the average value of the measured values of the respective shapes (depth of the etching groove, the inlet width of the etching groove, the intermediate width of the etching groove, the length of the protrusion and the height of the protrusion) in 10 to 20 grooves for each specimen is calculated. Recorded.
  • the bonding force of the heterogeneous material conjugate was measured by the strength that separation or fracture occurs when shearing was applied at a tensile speed of 10 mm / min using a UTM tensioner (INSTRON 5969). Final bond strength was calculated by dividing the measured tensile strength value by the bonded area.
  • the aluminum substrate faced upward, having a spot size of 660 ⁇ m at 350 W output at a wavelength of 1064 nm.
  • the laser was irradiated to the aluminum substrate, and at this time, the laser was repeatedly scanned five times at a scanning speed of 20 mm / s to melt the polypropylene resin with heat conduction, thereby preparing a heterogeneous material bonded body.
  • the depth of the etch groove, the inlet width of the etch groove, the ratio of the depth of the etch groove to the inlet width of the etch groove (long-ratio ratio) and the bonding force (shear tensile strength) of the dissimilar material bonded body thus prepared are as described above. It was measured, and the results are shown in Table 4 below.
  • Example 2 and Comparative Example 1 taken by a scanning electron microscope (Scanning Electromicroscope; SEM) is shown in FIG.
  • the bonding force is not increased as the amount of the resin layer is filled in the metal layer, but the protrusions projecting on the surface of the metal layer and the shape of the side wall of the etching groove ( It can be confirmed that excellent bonding strength can be formed only when the resin layer is fixed to the metal layer by bending or roughness).
  • the aluminum substrate faced upward, having a spot size of 660 ⁇ m at 350 W output at a wavelength of 1064 nm.
  • the laser was irradiated to the aluminum substrate, and at this time, the laser was repeatedly scanned five times at a scanning speed of 20 mm / s to melt the polypropylene resin, thereby preparing a heterogeneous material conjugate.
  • the depth of the etching grooves, the inlet widths of the etching grooves, the ratio of the depth of the etching grooves to the inlet widths of the etching grooves (long-ratio ratios), the length of the protrusions, and the bonding force (shear tensile strength) described above are described. It was measured by the method as described above, and the results are shown in Table 6 below.
  • Example 4 A
  • Example 5 B
  • Comparative Example 2 C
  • Comparative Example 3 D
  • Comparative Example 4 E
  • the contact area with the resin layer is increased compared to the line structure, and the bond strength is increased with the anchor structure due to the well shape. I could confirm it.
  • both the line structure and the lattice structure showed a tendency that the joint strength increased as the number of irradiation increased.
  • the increase width of the etching groove depth is much larger than the increase of the inlet width of the etching groove, the resin layer is not sufficiently filled with the metal layer, and thus the bonding force between the metal layer and the resin layer does not increase. I could confirm that it does not.
  • the aluminum substrate faced upward, having a spot size of 660 ⁇ m at 350 W output at a wavelength of 1064 nm.
  • the laser was irradiated to the aluminum substrate, and at this time, the laser was repeatedly scanned five times at a scanning speed of 20 mm / s to melt the polypropylene resin, thereby preparing a heterogeneous material conjugate.
  • the depth of the etching grooves, the inlet widths of the etching grooves, the ratio of the depths of the etching grooves to the inlet widths of the etching grooves (long-ratio ratios), the lengths of the protrusions, and the bonding force (shear tensile strengths) of the heterogeneous material assembly thus prepared are described above. It was measured by the same method as shown in Table 8 below.
  • Example 3 A
  • Reference Examples 2 to 4 B to D, respectively
  • SEM scanning electron microscopy
  • a pulsed laser with a focal size of about 35 ⁇ m at 35 W output at a wavelength of 1064 nm was irradiated on a 1.5 T thick aluminum substrate surface at a speed of 200 mm / s and a repetition rate of 50 kHz. It was etched to have an etching groove depth, a protrusion height, a protrusion length, and an etching interval such as.
  • a heterogeneous sweeping assembly was prepared by bonding polyphenylene oxide resin containing 40 wt% of glass fiber on the etched metal substrate by insert injection.
  • the bonding force (shear tensile strength) of the etching grooves of the dissimilar material bonded body thus prepared was measured by the method as described above, and the results are shown in Table 10 below.
  • Etching groove depth ( ⁇ m) Protrusion Height ( ⁇ m) Protrusion Length ( ⁇ m) Etching Interval ( ⁇ m)
  • Example 6 100-110 50-60 35-45 200
  • Example 7 120-130 50-60 35-45 250 Comparative Example 5 160-170 1-9 5-15 250
  • the comparative example 5 the length of the protrusion is shorter than Example 6 and Example 7 it was confirmed that the bonding strength is greatly reduced, it is also not possible to secure airtightness.

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Abstract

본 명세서는 이종 소재 접합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

이종 소재 접합체 및 이의 제조방법
본 명세서는 2016년 9월 30일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2016-0127021호 및 2016년 11월 4일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2016-0146953호 각각의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 이종 소재 접합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속과 수지와 같은 이종 재료(소재) 간의 접합은, 각 재료 고유의 물리적 화학적 특성과 표면 상태가 다르기 때문에, 용이하지 않은 경우가 대부분이다. 이와 같은 이종 재료 간 접합을 위해 시도될 수 있는 기술은, 크게 접착제를 이용한 결합, 기계적 조임, 용접(welding) 및 인서트 사출 등으로 분류할 수 있다. 이 중, 접착제 또는 접착 필름을 이용한 방법은, 사용 방법이 간단하다는 장점이 있어 전자 제품에서 이종 소재 간 접합에 사용되는 대표적이면서도 고전적인 방식으로서 가장 많이 사용되고 있다.
접착 필름을 이용하는 경우, 접착 필름을 크기에 맞게 절단한 후 금속-플라스틱 사이에 위치시킨 후, 지그(jig)를 이용하여 열과 압력을 가하며 누르고 일정 시간 냉각시킴으로써, 접착제가 경화되어 결합력이 생성되는 원리를 이용한다. 또한, 기계적 조임은 나사나 리벳과 같은 기계적 체결 도구를 이용하여 수행되는데, 이러한 공정에서 이종 소재 접합에 효과적이도록 일반적인 기계적 접합 공정에서 약간 변형 응용된 셀프-피어싱 리벳(self-piercing rivet), 클린칭(clinching)과 같은 공정이 도입되고 있다. 접착제 및 기계적 조임 공정은 비교적 쉬운 접근으로 이종소재 접합을 가능하게 하나, 이종 소재간에 다른 물질이 삽입되거나, 접합부가 외관에 그대로 드러나는 공정이어서, 최근 두 모재 간의 순수한 접합을 위해 새로운 기술들이 제안이 되고 있다.
이종 소재 간 접합을 위한 기술이 다양하게 존재하지만, 접착 필름법의 경우, 접착제를 도포하는 공정에 비해 상대적으로 높은 열과 압력을 이용하는 공정이 요구되며, 고온 및 고습도 환경 하에서는 수분에 의한 열화 속도가 증가하여, 접합부의 강도 손실이 증가할 수 있다는 단점이 있다.
또한, 이종 소재 접합에 접착제를 사용하는 경우, 접합 온도가 상온이거나 접착 필름법 적용 시 사용되는 온도에 비하여 낮기 때문에 열에 의한 접합부의 변질이 일어나지 않고, 접합부의 높은 강성과 기밀성을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있으나, 접착제와 모재 표면 사이에 발생하는 젖음 현상은 접착강도에 큰 영향을 미치기 때문에, 접착제 접합은 금속이나 플라스틱 표면에 적절한 표면처리를 통해 접착제와 모재(母材) 표면 사이의 젖음성을 향상시키는 공정이 필수로 수행되어야 하며, 이를 위해 모재의 표면 에너지를 증가시키거나 접착제의 표면장력을 감소시켜야 하는 번거로움도 있다.
나사나 리벳(rivet)과 같은 기계적 체결 도구를 이용하는 방식 또한 고전적인 방법으로서, 기계적 체결 도구는 일반적으로 무겁고, 사용에 필요한 비용이 크며, 이는 관련 기술의 경량화 추세에 부합하지 못하는 문제점이 있다.
종래의 이종 소재 접합방법은 상기 언급한 바와 같은 문제점을 가지고 있으므로, 상기 문제점을 해결하면서도, 비교적 간략한 공정을 통하여 이종 소재간의 접합력을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
{선행기술문헌}
{특허문헌}
(특허문헌 1) 대한민국 특허등록 제10-1499665호
본 발명은 이종 소재 접합체 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는, 금속층; 및 상기 금속층의 일면 상에 접하여 구비되는 수지층;을 포함하고, 상기 금속층은 2 이상의 에칭 홈 및 상기 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 2 이상의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되고, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이며, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 이종 소재 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는, 제1 레이저를 금속층의 표면에 조사하여, 상기 금속층의 표면에 에칭 홈 및 돌출부를 형성하는 금속층 에칭 단계; 및 상기 에칭된 금속층의 일면 상에 수지층을 형성하는 수지층 형성 단계;를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되며, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이고, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 금속과 수지 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이종 소재 접합 공정을 최소화하여 운영 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 공기가 통하지 않는 기밀성(氣密性)과 물(water)이 통하지 않는 수밀성(水密性)의 구현이 가능한 이종 소재 접합체를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시상태에 따라 에칭된 금속층의 표면의 평면도(A) 및 상기 금속층을 주사형전자현미경(SEM)으로 관찰한 모습(B)이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시상태에 따른 금속층의 측단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시상태에 따른 금속층 표면에, 레이저를 이용하여 수지층을 접합시키는 다양한 모습이다.
도 4 는 실시예 1 및 참고예 1 의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 5 는 실시예 2 및 비교예 1 의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 6 은 실시예 4, 실시예 5 및 비교예 2 내지 비교예 4 의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 7 은 실시예 3 및 참고예 2 내지 참고예 4 의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명자들은 종래의 이종 소재 접합방법이 갖는 문제점을 해결하기 위하여, 금속의 표면을 가공함으로써 다른 소재와의 물리적, 화학적 접합력을 향상시키고자 하였고, 이에 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명자들은 종래의 이종 소재 접합방법과 달리, 금속의 표면 형상이 특정한 형태로 구비되도록 하였고, 구체적으로 금속층 표면에 구비된 돌출부가 특정한 형상을 갖도록 하여, 수지 등의 소재와 물리적, 화학적 접합력을 향상시킬수 있었다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 금속층; 및 상기 금속층의 일면 상에 접하여 구비되는 수지층;을 포함하고, 상기 금속층은 2 이상의 에칭 홈 및 상기 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 2 이상의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되고, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이며, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층은 통상의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 레이저 조사에 의한 패턴 형성이 용이하고, 열 전도율이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 등의 순수 금속은 물론, 스테인리스 스틸(STS)과 같은 합금(alloy, 合金) 등을 예시할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층의 형태는, 레이저 에칭이 가능하고, 수지와의 접합이 원활하게 이루어질 수 있는 형태라면 특별한 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 평면, 곡면을 포함하는 원통형 및 다면체 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수지층은 폴리프로필렌(Polypropylene; PP) 수지, 폴리아미드(Polyamide; PA) 수지, 폴리페닐렌옥사이드(Polyphenylene Oxide; PPO)수지, 보강재 함유 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있으나, 그 종류가 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 보강재는 유리섬유(glass fiber), 탈크(talc) 및 탄소섬유(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 그 종류가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층은 2 이상의 에칭(etching) 홈(groove)을 포함할 수 있고, 상기 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 2 이상의 돌출부(burr)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 돌출부는 상기 금속층의 표면에 구비될 수 있고, 상기 에칭 홈에 인접하여 구비될 수 있으며, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 돌출된 것일 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부는 상기 에칭 홈의 진행 방향에 따라 연속적으로 이어지거나, 일부 불연속적으로 이어질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비되고, 상기 금속층은 2 이상의 에칭 홈을 포함하므로, 하나의 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비된 돌출부와, 상기 하나의 에칭 홈과 인접한 다른 하나의 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비된 돌출부가 마주보는 형태로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층의 일부는 상기 금속층의 표면에서 상기 에칭 홈의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 용융되어 상기 돌출부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부를 구비한 금속층을 제외한 나머지 일부는 상기 에칭 홈이 형성된 상기 금속층 내부에서 상기 에칭홈의 중심축을 향하여 용융될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비된 상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도가 예각일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부 및 상기 돌출부로 이루어진 울타리 내에 채워져 상기 금속층에 고정된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14, 또는 1 : 3 내지 1 : 13 일 수 있다. 상기 범위에서 상기 수지층이 상기 에칭 홈의 내부에 충분히 채워질 수 있게 되어, 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서, 상기 에칭 홈 입구 폭은, 상기 에칭 홈이 형성된 상기 금속층 표면의 연장선 상의 상기 에칭 홈의 폭을 의미하는 것일 수 있다.
본 명세서에서, 상기 에칭 홈 깊이는, 상기 하나의 에칭 홈의 최저 지점에서, 상기 금속층의 연장선과 상기 하나의 에칭 홈의 중심축의 교점 까지의 최대 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에칭 홈 입구 폭은 10 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하, 또는 10 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에칭 홈의 깊이는 50 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하, 50 ㎛ 이상 240 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하 또는 60 ㎛ 이상 240 ㎛ 이하일 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에칭 홈의 중간 폭은 15 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하, 또는 20 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 중간 폭의 비는 1 : 1.3 내지 1 : 3 일 수 있다.
상기 범위에서 상기 수지층이 상기 에칭 홈에 충분히 채워질 수 있고, 이에 따라 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력이 향상될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 에칭 홈 중간 폭은, 상기 에칭 홈의 깊이의 절반이 되는 지점의 상기 에칭 홈 사이의 최대 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비될 수 있고, 상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도는 30 ° 이상 80 ° 이하일 수 있다.
본 명세서에서 상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비된 상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부의 일측 말단에서 타측 말단까지의 길이는 25 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이상 70 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이상 70 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이상 70 ㎛ 이하, 또는 35 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부의 높이는 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이상 90 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이상 90 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 50 ㎛ 이상 90 ㎛ 이하, 또는 50 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 돌출부의 길이와 상기 돌출부의 높이의 범위에서, 상기 수지층이 충분히 공급되어 상기 금속층에 충분한 접합력으로 고정될 수 있다.
또한, 상기 범위에서 상기 이종 소재 접합체의 인장 값을 높게 유지할 수 있고, 상기 돌출부를 울타리 구조로 용이하게 제어할 수 있으며, 상기 이종 소재 접합체의 기밀성 및 수밀성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에칭 홈의 중심축 사이의 거리는 50㎛ 이상 1,000㎛ 이하, 50㎛ 이상 800㎛ 이하, 80㎛ 이상 1,000㎛ 이하, 80㎛ 이상 800㎛ 이하, 80㎛ 이상 500㎛ 이하, 100㎛ 이상 500㎛ 이하, 80㎛ 이상 250㎛ 이하 또는 100㎛ 이상 250㎛ 이하일 수 있다.
상기 범위에서 마주하는 돌출부가 병합되는 현상을 방지함으로써, 상기 수지층이 공급되지 못하는 빈 공간 구조의 형성을 방지할 수 있고, 상기 에칭 홈 및 돌출부에 의하여 형성되는 구조물과 상기 수지층 간의 접합 면적이 상대적으로 증가하여, 충분한 결합력을 형성할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 에칭 홈의 중심축 사이의 거리는, 상기 에칭 홈의 깊이가 최대가 되는 하나의 에칭 홈의 말단으로부터 다른 하나의 에칭 홈의 말단까지의 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층과 상기 수지층 사이의 접합력은, 상기 돌출부의 높이가 높을수록, 에칭 홈 간의 간격이 좁을수록 강해질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 돌출부가 상기 금속층의 표면에 대하여 이루는 각도는 30 ° 이상 80 ° 이하, 30 ° 이상 70 ° 이하, 35 ° 이상 80 ° 이하, 35 ° 이상 70 ° 이하, 35 ° 이상 60 ° 이하, 40 ° 이상 70 ° 이하, 또는 40 ° 이상 60 ° 이하일 수 있다.
상기 범위에서, 상기 수지층이 상기 돌출부 사이에 충분히 채워질 수 있고, 상기 수지층이 상기 금속층에 충분히 고정될 수 있으며, 상기 금속층과 상기 수지층 사이의 접합력을 최대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력은 5 MPa 이상, 7 MPa 이상, 10 MPa 이상, 15 Mpa 이상 또는 20 MPa 이상일 수 있으며, 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력은 상기 수지층의 종류에 따라 상이할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력은, 상기 수지층의 상기 금속층에 대한 인장강도 및/또는 전단강도를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 하나의 에칭 홈의 진행 방향과 다른 하나의 에칭 홈의 진행 방향은 평행할 수 있다. 또한, 상기 하나의 에칭 홈의 진행 방향과 다른 하나의 에칭 홈의 진행 방향은 직각으로 또는 비직각으로 교차할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따라, 에칭 홈 및 돌출부가 구비된 금속층 표면의 모식도(A)와 이의 주사전자현미경 촬영 화상(B)을 도 1 에 나타내었다.
도 1 에 따르면, 상기 하나의 에칭 홈(10)의 진행 방향(X)과 다른 하나의 에칭 홈(10)의 진행 방향(Y)이 직각으로 교차하는 경우, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비되는 상기 돌출부(20)가 상기 에칭 홈(10)의 진행 방향(X 및 Y)에 따라 연속적으로 또는 불연속적으로 구비되는 것을 확인할 수 있고, 상기 돌출부(20)에 따라 둘러싸이는 영역(30)이 정사각 또는 직사각 형태로 구비될 수 있다.
또한, 도 1 에 따르면, 상기 금속층의 표면은 격자 구조의 형태를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 격자 구조는 도 1 에 도시된 바와 같이, 하나의 에칭 홈의 진행 방향(X)과, 다른 하나의 에칭 홈의 진행 방향(Y)이 교차(구체적으로, 직교)함으로써, 상기 에칭 홈(10)에 의하여 형성된 구조일 수 있다.
이와 같이, 상기 하나의 에칭 홈 및 다른 하나의 에칭 홈에 의해 금속층의 표면에 격자 구조로 패턴이 형성되면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 이종 소재 접합체는 상기 금속층과 상기 수지층 사이의 접합력은 물론, 공기가 통하지 않는 기밀성(氣密性) 및 물(water)이 통하지 않는 수밀성(水密性)의 구현이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 금속층의 측면의 모식도를 도 2 에 나타내었다.
도 2 에 따르면, 상기 금속층 표면에 마이크로미터(㎛)단위의 에칭 홈(10)이 구비되는 동시에, 돌출부(20a, 20b)가 상기 에칭 홈에 인접하여, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비될 수 있다.
나아가, 도 2 에 따르면, 상기 금속층의 표면에, 상기 돌출부가 상기 금속층의표면으로부터 밀려 나오는 형태로 구비될 수 있고, 상기 돌출부는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지도록 돌출되는 형태로 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2 에 따르면, 상기 하나의 에칭 홈(10)에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 돌출부(20b)와 상기 다른 하나의 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 돌출부(20c)가 연속적으로 또는 불연속적으로 이어져 마주보는 형태를 하여, 최종적으로는 4 개의 면으로 이루어지고, 그 내부에 공간(30)이 형성된 울타리가 구비될 수 있다.
나아가, 도 2 에 따르면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 금속층에 구비된 하나의 에칭 홈(10)에 인접한 돌출부 가운데 하나(20b)와, 다른 하나의 에칭 홈에 인접한 돌출부 가운데 하나(20c)가 연속적으로 또는 불연속적으로 이어져 마주보는 형태를 하며, 다른 에칭 홈의 진행 방향에 따라 구비되고, 마주보는 한 쌍의 돌출부(도시되지 않음)가 20b 및 20c로 표시되는 돌출부와 각각 연결되어, 내부에 공간(30)이 만들어지는 울타리가 구비될 수 있다.
또한, 하나의 에칭 홈의 진행 방향 및 다른 하나의 에칭 홈의 진행 방향이 직교하는 경우, 상기 하나의 에칭 홈의 진행 방향의 단면 형상과 상기 다른 에칭 홈의 진행 방향의 단면 형상은 매우 유사할 수 있지만, 상기 하나의 에칭 홈의 진행 방향 및 상기 다른 하나의 에칭 홈의 진행 방향이 비직교 교차하는 경우에는, 상기 하나의 에칭 홈의 진행 방향의 단면 형상과 상기 다른 에칭 홈의 진행 방향의 단면 형상은 상이할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이종 소재 접합체는 기밀성(氣密性, 공기의 유입 차단성) 및 수밀성(水密性, 물(water)의 유입 차단성)을 구현 또는 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 기밀성은, 기공의 형성 없이 상기 금속층과 상기 수지층이 접합되었을 경우 확보될 수 있다. 구체적으로, 상기 기밀성은 일정 시간 및 공압(pneumatic, 空押) 하에서 압력 손실을 측정함으로써 확인이 가능하며, 이종 소재로 사용되는 금속의 종류 및 형태, 그리고 수지의 종류에 따라 상이해질 수 있고, 예를 들어, 이종 소재 접합 후 30.52 PSIG(2 bar)의 공압으로 30 초 동안 테스트 할 시, 0.057 PSIG 이하를 만족하면 기밀성이 확보되었음을 의미할 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 이종 소재 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는, 제1 레이저를 금속층의 표면에 조사하여, 상기 금속층의 표면에 에칭 홈 및 돌출부를 형성하는 금속층 에칭 단계; 및 상기 에칭된 금속층의 일면 상에 수지층을 형성하는 수지층 형성 단계;를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되며, 상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이고, 상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층의 표면에 조사되는 상기 제1 레이저는 상기 금속의 표면에 조사됨으로써 상기 금속의 표면에 특정한 무늬의 패턴을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저가 상기 금속의 표면에 조사됨으로써, 상기 제1 레이저의 진행 방향에 따라 에칭 홈이 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 레이저의 진행 방향과 상기 에칭 홈의 진행 방향이 일치할 수 있다.
또한, 상기 금속층의 표면에 2 이상의 제1 레이저가 조사될 수 있으며, 상기 2 이상의 제1 레이저는 진행 방향은 교차할 수 있다. 구체적으로, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향과, 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향은 교차할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 하나의 제1 레이저 및 상기 다른 하나의 제1 레이저의 조사를 통하여, 상기 금속층의 표면을 격자 구조로 에칭하는 경우, 상기 에칭된 금속층의 표면으로부터 밀려 나오는 돌출부(burr)가 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층의 표면에, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지도록 돌출되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저 조사에 따라 상기 돌출부는 연속적으로 이어지거나, 일부 불연속적으로 이어질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저 조사에 의하여, 상기 금속층 표면에 마이크로미터(㎛) 단위의 에칭 홈이 형성되는 동시에, 돌출부가 상기 에칭 홈에 인접하여, 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 형성될 수 있고, 상기 에칭 홈은 상기 제1 레이저의 진행 방향에 따라 형성될 수 있으므로, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향에 따라 형성된 에칭 홈 및 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향에 따라 형성된 에칭 홈 각각에 인접하는 돌출부가 연속적으로 이어져 마주보는 형태를 하여, 최종적으로는 4 개의 면으로 이루어지고 그 내부에 공간이 구비된 울타리가 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 하나의 에칭 홈에 인접하는 돌출부 가운데 하나와, 다른 하나의 에칭 홈에 인접한 돌출부 가운데 하나가 연속적으로 이어져 마주보는 형태를 하며, 다른 제1 레이저 진행 방향에 따라 형성되고, 마주보는 한 쌍의 돌출부가 다른 돌출부와 각각 연결되어, 내부에 공간이 구비된 울타리가 형성될 수 있다.
한편, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향 및 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향이 직교하는 경우, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향의 단면 형상과 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향의 단면 형상은 매우 유사할 수 있지만, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향 및 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향이 비직교하는 경우, 상기 하나의 제1 레이저의 진행 방향의 단면 형상과 상기 다른 하나의 제1 레이저의 진행 방향의 단면 형상은 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층, 수지층, 에칭 홈, 돌출부에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 파장은 1064 nm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 출력은 20 W 이상 200 W 이하, 20 W 이상 100 W 이하, 20 W 이상 50 W 이하, 또는 20 W 이상 40 W 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 반복수는 30 kHz 이상 600 kHz 이하, 30 kHz 이상 200 kHz, 40 kHz 이상 600 kHz 이하, 또는 40 kHz 이상 200 kHz 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 상기 제1 레이저의 반복수는 펄스레이저의 초당 진동수를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 주사 속도는 100 mm/s 이상 1,000 mm/s 이하, 100 mm/s 이상 400 mm/s 이하, 200 mm/s 이상 1,000 mm/s 이하, 200 mm/s 이상 400 mm/s 이하, 200 mm/s 이상 450 mm/s 이하, 300 mm/s 이상 400 mm/s 이하, 또는 300 mm/s 이상 450 mm/s 이하일 수 있다.
본 명세서에서 펄스레이저의 주사 속도는, 조사되는 레이저의 일 지점에서 타 지점까지 이동하는 속도를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 조사 횟수는 1회 이상 10회 이하, 1회 이상 8회 이하, 1회 이상 4회 이하, 2회 이상 10회 이하, 2회 이상 8회 이하, 2회 이상 4회 이하, 또는 4회 이상 8회 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 펄스 폭은 15 ns 이상 220 ns 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 스폿 크기는 15 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하, 또는 35 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 스폿 크기(spot size, 또는 beam size)는, 상기 펄스레이저의 초점의 일측 말단에서 타측 말단까지의 최대 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 첨두 출력은 1.5 kW 이상 6 kW 이하, 1.5 kW 이상 3.4 kW 이하, 1.9 kW 이상 6 kW 이하, 또는 1.9 kW 이상 3.4 kW 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 펄스 에너지는 0.1 mJ 이상 2 mJ 이하, 0.1 mJ 이상 1 mJ 이하, 0.5 mJ 이상 2 mJ 이하, 또는 0.5 mJ 이상 1 mJ 이하일 수 있다.
상기 제1 레이저의 조사 조건에서, 상기 에칭 홈 깊이, 상기 에칭 홈 입구 폭, 상기 에칭 홈 중간 폭, 상기 돌출부의 길이, 상기 돌출부의 높이 및 상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도 범위를 구현할 수 있으며, 이에 따라 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력을 증대시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 레이저의 에너지 조건은 에칭 홈의 벽과 에칭 홈 입구에서 증발된 재료의 재응축이 가능하고, 상기 금속층에서 돌출되는 돌출부를 상대적으로 거칠게 형성시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 금속층의 상기 수지층과의 접합이 가능한 면적 및 앵커링 구조(anchoring structure) 형성이 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저는 상기 에칭 홈의 깊이 방향으로 조사될 수 있으며, 상기 제1 레이저의 조사에 따라 상기 금속층의 일부는 상기 금속층의 표면에서 상기 에칭 홈의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 용융되어 상기 돌출부를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저의 조사에 따라 돌출부를 구비한 부분을 제외한 상기 금속층의 나머지 일부는 상기 에칭 홈이 형성된 상기 금속층 내부에서 상기 에칭 홈의 중심축을 향하여 용융될 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 좁은 입구 폭을 갖는 에칭 홈을 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 레이저의 조사에 따라 상기 금속층의 용융이 빠르게 진행될 수 있고, 이후 상기 제1 레이저 초점이 이동하면서 상기 용융된 금속층이 냉각될 수 있으며, 상기 용융된 금속층이 에칭 홈에 인접한 부분에서부터 냉각됨에 따라 중간 폭 대비 상대적으로 좁은 입구 폭을 가지는 에칭 홈을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층 및 상기 수지층에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수지층 형성 단계;는 상기 금속층의 표면, 상기 에칭 홈 및 상기 돌출부 각각에 수지를 공급하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 수지층 형성 단계;는 상기 표면이 에칭된 금속층을 금형으로하고, 상기 금형에 상기 수지층을 공급하며, 압력을 가하여 상기 금형에 상기 수지층을 접합시키는 방법으로 수행(인서트 사출)될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수지층 형성 단계;는 상기 표면이 에칭된 금속층의 일면 상에 상기 수지층이 구비된 이종 소재 적층체를 준비하고, 상기 이종 소재 적층체에 제2 레이저를 조사하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 레이저 조사에 의하여 상기 금속층의 표면에 에칭 홈 및 돌출부에 의한 울타리 내부 공간이 형성되고, 상기 금속층의 표면에 수지층을 구비한 이종 소재 적층체에 제2 레이저를 조사하고, 상기 수지층을 용융시켜 상기 수지층이 상기 금속층에 접합되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 수지층에서 상기 금속층 방향으로 조사될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어 조사될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 수지층을 투과하여 조사될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 수지층에서 상기 금속층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어, 상기 수지층을 투과하여 조사되는 것일 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 레이저의 에너지가 상기 금속층에 흡수되고, 상기 흡수된 제2 레이저의 에너지는 열로 전환되어, 상기 금속층의 표면에 인접한 수지층이 용융되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로 조사될 수 있다.
또한, 상기 제2 레이저는 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면의 타측 표면에 초점을 맞추어 조사될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저는 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어 조사되는 것일 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 레이저의 에너지가 상기 금속층에 흡수되고, 상기 흡수된 제2 레이저의 에너지는 열로 전환되어, 상기 금속층의 표면에 인접한 플라스틱 수지가 용융되는 것일 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시상태에 따라 에칭된 금속층의 표면에, 상기 제2 레이저를 조사하여 상기 수지층을 접합시키는 다양한 형태를 나타낸 것이다.
도 3 에 따르면 도 3 의 A 는 상기 수지층에서 상기 금속층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어, 상기 수지층을 투과하도록 상기 제2 레이저를 조사하여 접합(레이저 투과 접합)시키는 모습을 나타낸 것이고, 도 3 의 B 는 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면의 타측 표면에 초점을 맞추어 상기 제2 레이저를 조사하여 접합(레이저 열전도 접합)시키는 모습을 나타낸 것이다.
상기 언급한 바와 같이, 상기 제1 레이저를 조사하여 상기 금속층의 표면을 에칭한 후에는, 상기 금속층과 상기 수지층이 접합되도록 다시 한 번 제2 레이저를 조사하여야 하며, 상기 제2 레이저를 조사하는 방법으로는, 상기 도 3 에 나타난 바와 같은, 레이저 투과 접합 및 레이저 열전도 접합을 예시할 수 있다.
또한, 상기 금속층 및 상기 수지층의 접합에 소요되는 시간을 단축하고, 열전도에 의한 접합 효율을 향상시키기 위하여, 필요에 따라, 상부 또는 하부에 추가적인 열원(예를 들어, 레이저, 히터(heater) 또는 핫플레이트(hot plate) 등)이나 냉각 가스 등을 더 공급할 수 있다.
상기 레이저 투과 접합(Laser transmission joining, 도 3 의 A)은, 상기 이종 소재 적층체에, 상기 수지층에서 상기 금속층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어, 상기 수지층을 투과하도록 제2 레이저를 조사하여 상기 금속층과 상기 수지층을 접합시키는 방법일 수 있다.
또한, 상기 레이저 열전도 접합(Laser heat conduction joining, 도 3의 B)은, 상기 이종 소재 적층체에, 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면의 타측 표면에 초점을 맞추어 상기 제2 레이저를 조사하여 상기 금속층과 상기 수지층을 접합시키는 방법일 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 레이저가 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로 조사되는 경우, 상기 제2 레이저의 에너지가 금속층에 흡수되고, 상기 흡수된 제2 레이저의 에너지는 열로 전환되어, 상기 금속층의 표면에 인접한 상기 수지층이 용융될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저에 의해 상기 수지층이 용융되고, 상기 용융된 수지층은 상기 금속층의 표면, 상기 에칭 홈 및 상기 돌출부에 사이에 채워져 상기 수지층이 상기 금속층에 고정될 수 있다.
구체적으로, 상기 수지층이 용융되는 방식은, 상기 제2 레이저의 조사 방향에 따라 달라질 수 있는 것으로서, 상기 레이저 투과 접합(Laser transmission joining, 도 3 의 A)에 의해 펄스레이저를 조사하였을 경우, 상기 수지층에 조사된 상기 제2 레이저가 상기 수지층을 투과하고 상기 제2 레이저의 에너지가 상기 금속층의 표면에 흡수된 후, 상기 흡수된 에너지는 열(heat)로 전환되어 계면(상기 금속층과 상기 수지층이 맞닿아 있는 면)의 상기 수지층을 용융시키며, 상기 용융된 수지층은 상기 금속층의 표면, 상기 에칭 홈(groove) 및 상기 울타리 형태의 돌출부(burr) 내부 공간에 공급됨으로써, 상기 이종(異種) 소재 간 접합이 되는 것이다.
또한, 상기 레이저 열전도 접합(Laser heat conduction joining, 도 3 의 B)에 의해 제2 레이저를 조사하였을 경우, 우선 표면이 에칭된 금속층에 조사된 레이저 빔이 상기 금속층에 흡수되고, 상기 흡수된 에너지는 열(heat)로 전환되어 계면(상기 금속층과 상기 수지층이 맞닿아 있는 면)의 상기 수지층을 용융시키며, 상기 용융된 수지층은 상기 금속층 표면, 상기 에칭 홈(groove) 및 상기 울타리 형태의 돌출부(burr) 내부 공간에 공급됨으로써, 이종 소재 간 접합이 되는 것이다.
이와 같이, 금속층과 수지층과 같은 이종 소재를, 레이저 투과 접합법 및 레이저 열전도 접합법 중 어느 하나의 방법에 의해 접합시키게 되면, 접합 강도의 향상은 물론, 목적으로 하는 위치 및 면적에 국소적 접합이 가능하기 때문에, 효율성 측면에서도 매우 큰 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저의 파장은 근적외선 영역의 파장일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 레이저의 파장은, 808 nm, 830 nm, 880 nm, 915 nm, 940 nm, 915 nm 및 1064 nm 로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 파장일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저의 출력은 50 W 이상 2,000 W 이하일 수 있으며, 레이저의 스폿 크기와 레이저가 조사되는 소재의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저의 스폿 크기는 100 ㎛ 이상 5,000 ㎛ 이하일 수 있으며, 레이저가 조사되는 소재의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저의 주사속도는 10 mm/s 이상 1,000 mm/s 이하일 수 있으며, 레이저가 조사되는 소재의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 레이저의 조사 횟수는 1회 이상 50회 이하일 수 있으며, 레이저가 조사되는 소재의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속층과 상기 수지층의 접합력은 전술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이종 소재 접합 방법을 이용하게 되면, 상기 금속층과 상기 수지층 계면의 수지층이 용융되면서, 상기 수지층이 상기 금속층 표면은 물론, 에칭 된 금속층의 에칭 홈(groove) 및 상기 에칭 홈에 따라 형성된 울타리 형태의 돌출부(burr) 내부 공간에도 유입됨으로써, 더욱 단단한 엥커링(anchoring) 효과가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 기존의 이종 소재 접합 방법과 달리 화학 유해물질에 의한 환경 오염이나 양산공정 관리가 어려운 등의 문제점이 발생할 우려가 없고, 또한, 공정 단계를 최소화하여 운영 효율을 향상시킬 수 있으며, 기밀성 및 수밀성의 구현이 가능한 이종 소재 접합체를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[에칭 홈 입구 폭과 에칭 홈 중간폭의 관계]
실시예 1 및 참고예 1
하기 표 1 과 같은 조건의 2 종류의 펄스 레이저를 1.5 T 두께의 알루미늄 기판의 표면에 서로 직교하도록 이중 조사하여 격자 구조가 되도록 에칭하였다. 이 때, 에칭 홈과, 에칭 시 발생되는 돌출부가 상기 에칭 홈의 주변부를 따라 서로 연결되어, 내부에 공간을 만드는 울타리의 형태로 형성되었다.
계속해서, 상기와 같이 패터닝 된 알루미늄 기판과 3.2 T 두께의 폴리프로필렌 수지 기판을 대면시킨 후, 알루미늄 기판이 상부를 향하게 한 상태에서, 1064 nm의 파장에서 350 W 출력으로 660 ㎛의 스폿 크기를 가지는 레이저를 알루미늄 기판에 조사하였으며, 이 때, 레이저를 20 mm/s의 주사속도로 5회 반복 주사하여 폴리프로필렌 수지를 용융시킴으로써, 이종 소재 접합체를 제조하였다.
이와 같이 형성된 에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭, 에칭 홈의 중간 폭 및 접합력(전단 인장 강도)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 에 나타내었다.
구체적으로, 상기 에칭 홈의 깊이, 입구 폭, 중간 폭, 돌출부의 깊이 및 돌출부의 높이를 측정하기 위하여, 상기 이종 소재 접합체를 계면부의 수직방향으로 절단하고, 이를 연마(polishing)하여 시편을 제조하였다.
상기 시편의 단면을 주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)을 이용하여 촬영한 화상을 도 4에 나타내었다.
또한, 각 시편 당 10 개 내지 20 개의 홈에서의 각 형상들(에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭, 에칭 홈의 중간 폭, 돌출부의 길이 및 돌출부의 높이)의 측정 값의 평균 값을 계산하여 기록하였다.
나아가, 상기 이종 소재 접합체의 접합력은 UTM 인장기(INSTRON 5969)를 사용하여, 10 mm/min 의 인장속도로 전단을 가하였을 때의 분리 또는 파단이 일어나는 강도로 측정하였다. 최종 접합 강도는 상기 측정된 인장 강도 값을 접합된 면적으로 나누어 계산하였다.
펄스 폭(ns) 스폿크기(㎛) 출력(W) 반복수(kHz) 주사속도(mm/s) 첨두출력(kW) 에너지 밀도(kJ/cm2) 조사 횟수(회)
실시예 1 220 35 30 40 200 3.2 73 1
참고예 1 220 35 30 70 200 1.9 44 1
에칭 홈 깊이(㎛) 에칭 홈 입구 폭(㎛) 에칭 홈중간 폭(㎛) 접합력(MPa)
실시예 1 80 10~15 20~30 11
참고예 1 100 10~15 10~15 6
상기 표 2 및 상기 도 4 의 결과에 따르면, 에칭 홈의 입구 폭이 유사하고, 상기 에칭 홈의 깊이가 유사하더라도, 상기 에칭 홈의 중간 폭이 더 넓음으로써, 항아리 형태의 형상을 가지는 실시예 1(A) 의 접합력이 에칭 홈의 입구 폭과 에칭 홈의 중간 폭이 유사한 참고예 1(B) 의 접합력보다 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 에칭 홈 입구 폭, 에칭 홈 깊이가 유사하더라도, 항아리 형상이 구비되어야 우수한 접합 강도 형성이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
[에칭 홈 입구 폭과 에칭 홈의 깊이의 관계]
실시예 2 및 비교예 1
하기 표 3 과 같은 조건의 2 종류의 펄스 레이저를 1.5 T 두께의 알루미늄 기판의 표면에 서로 직교하도록 이중 조사하여 격자 구조가 되도록 에칭하였다. 이 때, 에칭 홈과, 에칭 시 발생되는 돌출부가 상기 에칭 홈의 주변부를 따라 서로 연결되어, 내부에 공간을 만드는 울타리의 형태로 형성되었다.
계속해서, 상기와 같이 패터닝 된 알루미늄 기판과 3.2 T 두께의 폴리프로필렌 수지 기판을 대면시킨 후, 알루미늄 기판이 상부를 향하게 한 상태에서, 1064 nm 의 파장에서 350 W 출력으로 660 ㎛ 의 스폿 크기를 가지는 레이저를 알루미늄 기판에 조사하였으며, 이 때, 레이저를 20 mm/s 의 주사속도로 5 회 반복 주사하여 열전도로 폴리프로필렌 수지를 용융시킴으로써, 이종 소재 접합체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 이종 소재 접합체의 에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭, 상기 에칭 홈의 깊이와 에칭 홈의 입구 폭의 비(장경비) 및 접합력(전단 인장 강도)를 전술한 바와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4 에 나타내었다.
펄스 폭(ns) 스폿크기(㎛) 출력(W) 반복수(kHz) 주사속도(mm/s) 조사 횟수(회)
실시예 2 220 35 25 40 200 2
비교예 1 220 50 30 20 500 8
에칭 홈 깊이(㎛) 에칭 홈입구 폭(㎛) 장경비 접합력(MPa)
실시예 2 60~70 15~20 3~4.7 7
비교예 1 60~70 35~40 1.5~2 6.4
또한, 상기 실시예 2 및 비교예 1의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 도 5 에 나타내었다.
상기 표 4 및 상기 도 5 의 결과에 따르면, 비교예 1(B)의 에칭 홈의 입구 폭이 실시예 2(A)의 에칭 홈의 입구 폭보다 넓지만, 비교예 1 의 접합력은 실시예 2 의 접합력보다 약 10% 낮은 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 단순히 에칭 홈의 입구 폭이 넓음에 따라, 수지층이 금속층에 채워지는 양이 많아지면서 접합력이 증대되는 것이 아니라, 금속층의 표면 상에 돌출되는 돌출부와, 에칭 홈의 측 벽의 형상(굴곡 또는 거칠기) 등에 의하여 수지층이 상기 금속층에 고정되어야 우수한 접합 강도 형성이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4, 실시예 5 및 비교예 2 내지 비교예 4
하기 표 5 와 같은 조건의 5 종류의 펄스 레이저를 1.5 T 두께의 알루미늄 기판의 표면에 조사하여 선 구조와 격자 구조 두 가지 종류의 구조가 되도록 에칭하였다. 이 때, 에칭 홈과, 에칭 시 발생되는 돌출부가 상기 에칭 홈의 주변부를 따라 서로 연결되어, 내부에 공간을 만드는 울타리의 형태로 형성되었다.
계속해서, 상기와 같이 패터닝 된 알루미늄 기판과 3.2 T 두께의 폴리프로필렌 수지 기판을 대면시킨 후, 알루미늄 기판이 상부를 향하게 한 상태에서, 1064 nm 의 파장에서 350 W 출력으로 660 ㎛ 의 스폿 크기를 가지는 레이저를 알루미늄 기판에 조사하였으며, 이 때, 레이저를 20 mm/s 의 주사속도로 5 회 반복 주사하여 폴리프로필렌 수지를 용융시킴으로써, 이종 소재 접합체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 이종 소재 접합체의 에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭, 상기 에칭 홈의 깊이와 에칭 홈의 입구 폭의 비(장경비), 돌출부의 길이 및 접합력(전단 인장 강도)를 전술한 바와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 6 에 나타내었다.
출력(W) 반복수(kHz) 주사속도(mm/s) 조사 횟수(회)
비교예 2 30 70 200 1
비교예 3 30 70 200 2
실시예 4 30 70 200 4
실시예 5 30 70 200 8
비교예 4 30 70 200 16
에칭 홈깊이(㎛) 에칭 홈입구 폭(㎛) 장경비 돌출부 길이(㎛) 접합력(MPa)
선 구조 격자 구조
비교예 2 98 8 12.3 20 3.1 6.2
비교예 3 119 8.5 14 35 5 9
실시예 4 170 13.5 12.6 35 7.1 9
실시예 5 231 18 12.8 50 7.2 10.1
비교예 4 305 21 14.52 50 6.8 10.1
또한, 상기 실시예 4(A), 실시예 5(B), 비교예 2(C), 비교예 3(D) 및 비교예 4(E) 의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 도 6 에 나타내었다.
상기 표 6 및 상기 도 6 의 결과에 따르면, 상기 제1 레이저의 조사 횟수가 증가함에 따라, 에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭 및 돌출부의 길이가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
접합 강도의 평가 결과, 비교예 2 의 경우, 에칭 홈의 입구 폭 및 돌출부의 길이가 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위에 미달되므로, 실시예 4 및 5 보다 접합력이 부족한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 3 의 경우, 에칭 홈의 입구 폭이 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위에 미달되어, 실시예 4 및 5 보다 접합력이 부족한 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 비교예 4 의 경우, 장경비가 1 : 14 를 초과하여 에칭 홈의 깊이가 증가하더라도 더 이상 접합력이 증가하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 제1 레이저의 조사 횟수가 증가하더라도, 반복 가공의 특성상, 금속층 표면의 돌출부에 따른 요철에 의한 접합 효과가 완화되는 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 격자 구조로 형성된 에칭 홈을 이용하여 울타리 구조를 형성하는 경우, 선 구조 대비 수지층과의 접촉 면적이 증가하고, 우물형(well) 형상에 의한 앵커 구조로 선 구조 대비 접합 강도가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 조사 횟수에 따라서는 선 구조 및 격자 구조 모두, 조사 횟수가 증가할수록 접합 강도가 증가하는 경향성을 나타내었다.
또한, 상기 에칭 홈의 입구 폭의 증가 보다 상기 에칭 홈 깊이의 증가 폭이 훨씬 큰 경우, 상기 수지층이 상기 금속층에 충분히 채워지지 않게 되고, 이에 따라 상기 금속층과 상기 수지층 사이의 접합력이 증가하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
[돌출부의 길이와 이종 소재 접합체의 접합력의 관계]
실시예 3 및 참고예 2 내지 참고예 4
하기 표 7 과 같은 조건의 4 종류의 펄스 레이저를 1.5 T 두께의 알루미늄 기판의 표면에 서로 직교하도록 이중 조사하여 격자 구조가 되도록 에칭하였다. 이 때, 에칭 홈과, 에칭 시 발생되는 돌출부가 상기 에칭 홈의 주변부를 따라 서로 연결되어, 내부에 공간을 만드는 울타리의 형태로 형성되었다.
계속해서, 상기와 같이 패터닝 된 알루미늄 기판과 3.2 T 두께의 폴리프로필렌 수지 기판을 대면시킨 후, 알루미늄 기판이 상부를 향하게 한 상태에서, 1064 nm 의 파장에서 350 W 출력으로 660 ㎛ 의 스폿 크기를 가지는 레이저를 알루미늄 기판에 조사하였으며, 이 때, 레이저를 20 mm/s 의 주사속도로 5 회 반복 주사하여 폴리프로필렌 수지를 용융시킴으로써, 이종 소재 접합체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 이종 소재 접합체의 에칭 홈의 깊이, 에칭 홈의 입구 폭, 상기 에칭 홈의 깊이와 에칭 홈의 입구 폭의 비(장경비), 돌출부의 길이 및 접합력(전단 인장 강도)를 전술한 바와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 8 에 나타내었다.
출력(W) 반복수(kHz) 주사속도(mm/s) 조사 횟수(회)
참고예 2 30 70 200 4
참고예 3 30 70 100 4
참고예 4 30 40 200 4
실시예 3 50 70 200 4
에칭 홈깊이(㎛) 에칭 홈입구 폭(㎛) 장경비 돌출부 길이(㎛) 돌출부높이(㎛) 돌출부 각도(°) 접합력(MPa)
참고예 2 170 13.5 12.59 30 30~40 70~90 7.05
참고예 3 182 14 13 30 30~40 80~90 6.59
참고예 4 207 17 12.2 35 40~60 90 7.06
실시예 3 200 15 13.33 70 70~80 40~60 10.14
* 돌출부 각도: 돌출부가 금속층 표면에 대하여 이루는 각
또한, 상기 실시예 3(A) 및 참고예 2 내지 참고예 4(각각 B 내지 D)의 측면을 주사전자현미경(Scanning Electromicroscope; SEM)으로 촬영한 화상을 도 7 에 나타내었다.
상기 표 8 및 도 7 의 결과에 따르면, 돌출부의 길이가 짧고, 돌출부가 금속층 표면에 대하여 이루는 각도가 상대적으로 둔각에 가까운 참고예 보다 실시예 3 의 접합력이 약 3 MPa 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 유사한 범위의 에칭 홈의 깊이 및 에칭 홈 입구의 폭을 가지더라도, 돌출부의 길이가 길고, 돌출부가 금속층 표면과 이루는 각도가 작은 값, 구체적으로 40 ~ 60 ° 의 예각일수록 접합력이 큰 것을 확인할 수 있었다.
[돌출부의 길이와 이종 소재 접합체의 접합력 및 기밀성의 관계]
실시예 6, 실시예 7 및 비교예 5
1064 nm 의 파장에서 35 W 출력으로 약 35 ㎛ 의 초점 크기를 가지는 펄스 레이저를, 1.5 T 두께의 알루미늄 기판 표면에 200 mm/s 의 속도, 50 kHz 의 반복수의 조건으로 조사하였고, 하기 표 9 와 같은 에칭 홈 깊이, 돌출부 높이, 돌출부 길이 및 에칭 간격을 가지도록 에칭하였다.
또한, 상기 에칭된 금속 기판상에 유리 섬유(glass fiber)를 40 중량% 포함하고 있는 폴리페닐렌 옥사이드 수지를 인서트 사출로 접합하여 이종 소제 접합체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 이종 소재 접합체의 에칭 홈의 접합력(전단 인장 강도)을 전술한 바와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 10 에 나타내었다.
또한, 이종 소재 접합체의 기밀성을 이종 소재 접합 후 30.52 PSIG(2 bar)의 공압으로 30 초 동안 테스트 할 시, 0.057 PSIG 이하인 경우를 Pass, 그렇지 않은 경우를 Fail로 하여 측정하여 하기 표 10 에 나타내었다.
에칭 홈깊이(㎛) 돌출부높이(㎛) 돌출부길이(㎛) 에칭 간격(㎛)
실시예 6 100~110 50~60 35~45 200
실시예 7 120~130 50~60 35~45 250
비교예 5 160~170 1~9 5~15 250
접합력(MPa) 기밀성
실시예 6 20 Pass
실시예 7 18 Pass
비교예 5 6 Fail
상기 표 9 및 표 10 에 따르면, 돌출부의 길이가 실시예 6 및 실시예 7 보다 짧은 비교예 5는 접합력이 크게 저하되었으며, 기밀성 또한 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 에칭 홈의 깊이가 깊더라도, 돌출부의 높이가 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위를 만족하지 못하는 경우, 접합력 및 기밀성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (15)

  1. 금속층; 및 상기 금속층의 일면 상에 접하여 구비되는 수지층;을 포함하고,
    상기 금속층은 2 이상의 에칭 홈 및 상기 에칭 홈에 인접하여 상기 금속층 표면에 구비된 2 이상의 돌출부를 포함하며,
    상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되고,
    상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이며,
    상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 에칭 홈 입구 폭은 10 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 에칭 홈의 깊이는 50 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 중간 폭의 비는 1 : 1.3 내지 1 : 3 인 것인 이종 소재 접합체.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 에칭 홈으로부터 멀어지는 방향으로 구비되고,
    상기 돌출부와 상기 금속층의 표면이 이루는 각도는 30 ° 이상 80 ° 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 에칭 홈의 중간 폭은 15 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출부의 일측 말단에서 타측 말단까지의 길이는 25 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출부의 높이는 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 에칭 홈의 중심축 사이의 거리는 50 ㎛ 이상 1,000 ㎛ 이하인 것인 이종 소재 접합체.
  10. 제1 레이저를 금속층의 표면에 조사하여, 상기 금속층의 표면에 에칭 홈 및 돌출부를 형성하는 금속층 에칭 단계; 및
    상기 에칭된 금속층의 일면 상에 수지층을 형성하는 수지층 형성 단계;를 포함하고,
    상기 돌출부는 상기 금속층 표면에 대하여 예각을 이루며 구비되며,
    상기 수지층은 상기 에칭 홈의 내부, 상기 금속층 표면 및 상기 돌출부 사이에 채워져 상기 금속층에 고정된 것이고,
    상기 에칭 홈 입구 폭에 대한 상기 에칭 홈 깊이의 비는 1 : 3 내지 1 : 14 인 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 파장이 1064 nm 인 펄스 레이저이며,
    상기 제1 레이저는 20 W 이상 200 W 이하의 출력, 30 kHz 이상 600 kHz 이하의 반복수, 100 mm/s 이상 1,000 mm/s 이하의 주사 속도, 1 회 이상 10 회 이하의 조사 횟수, 15 ns 이상 220 ns 이하의 펄스 폭, 15 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 스폿 크기, 1.5 kW 이상 6 kW 이하의 첨두출력, 및 0.1 mJ 이상 2 mJ 이하의 펄스 에너지로 조사되는 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 수지층 형성 단계;는 상기 에칭된 금속층의 표면, 상기 에칭 홈 및 상기 돌출부 각각에 수지를 공급하여 수행되는 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 수지층 형성 단계;는 상기 에칭된 금속층의 일면 상에 상기 수지층이 구비된 이종 소재 적층체를 준비하고, 상기 이종 소재 적층체에 제2 레이저를 조사하여 수행되는 것이고,
    상기 제2 레이저는 근적외선 영역의 파장, 50 W 이상 2,000 W 이하의 출력, 100 ㎛ 이상 5,000 ㎛ 이하의 스폿 크기, 10 mm/s 이상 1,000 mm/s 이하의 주사속도 및 1 회 이상 50 회 이하의 조사 횟수로 조사되는 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 레이저는 상기 수지층에서 상기 금속층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면에 초점을 맞추어, 상기 수지층을 투과하여 조사되는 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 레이저는 상기 금속층에서 상기 수지층 방향으로, 상기 수지층에 접하는 상기 금속층의 표면의 타측 표면에 초점을 맞추어 조사되는 것인 이종 소재 접합체의 제조방법.
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