KR101473641B1 - Cvd공정을 통해 알루미늄 등축정 조직을 형성하는 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 금속 내외장재 - Google Patents
Cvd공정을 통해 알루미늄 등축정 조직을 형성하는 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 금속 내외장재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 CVD공정을 통해 알루미늄 등축정 조직을 형성하는 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 금속 내외장재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 내외장재 표면에 알루미늄(Al)계 금속으로 박막을 코팅하여 등축정 조직의 박막층을 형성한 후, 상기 박막층이 형성된 표면을 양극 산화 처리하여 양극 산화 피막층을 형성하고, 상기 양극 산화 피막층에 염료를 착색하고 봉공 처리를 하는 것으로, 상기 등축정 조직의 박막을 형성하는 방식은 CVD 공정인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, CVD공정을 통해 알루미늄의 융점 2/3 이하의 온도에서도 등축정 조직으로 박막층을 균일하게 형성할 수 있어, 모재의 열변형을 낮추고 경제성을 높이는 동시에, 생산 설비에 대한 부담을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, CVD공정을 통해 알루미늄의 융점 2/3 이하의 온도에서도 등축정 조직으로 박막층을 균일하게 형성할 수 있어, 모재의 열변형을 낮추고 경제성을 높이는 동시에, 생산 설비에 대한 부담을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 CVD공정을 통해 알루미늄 등축정 조직을 형성하는 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 금속 내외장재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 금속 내외장재의 표면에 CVD 공정을 통해 알루미늄 융점의 2/3 이하의 온도에서 등축정 조직으로 알루미늄 금속 박막을 형성하며, 이후 양극산화 피막처리 기술을 적용하는 금속 내외장재의 표면 처리 기술에 관한 것이다.
양극 산화 피막처리법(Anodizing) 이란, 전기화학적인 피막 형성방법 중 하나로서 황산, 수산, 크롬산 등의 용액을 전해액으로 사용하여 알루미늄 등의 금속 표면에 양극 산화 피막을 형성시켜, 기계적, 전기적, 화학적 특성이 우수한 피막을 형성하는 기술을 의미한다. 이러한 양극 산화 피막처리법에 의해 형성된 피막은 대단히 단단하고 내식성이 크며 다양한 색으로 염색될 수 있는데, 이에 따라 다양한 산업 분야에 사용되고 있으며, 특히 최근 수요가 급증 되고 있는 휴대폰 케이스 등의 제품 관련 산업에서 각광받고 있는 기술이다.
하지만, 알루미늄 재질의 경우 알루미늄 합금 판재를 기계 가공한 후 양극 산화시키는 방법만이 실제로 적용되고 있는 실정이며, 이는 순 알루미늄의 경우 강도가 부족하고, 반면 강도가 우수한 알루미늄 합금은 첨가물인 실리콘 등이 표면에 불균일하게 석출되어 균일한 양극 산화 피막을 형성할 수 없기 때문이다.
한편, 기계 가공 방법은 생산성을 고려할 때 단순한 형태의 경우에만 적용 가능하고 복잡한 형태에는 제조 가격에 따른 경제성에 의해 적용하기 어려우며, 또한 이후 조립 공정에도 많은 노력과 비용이 소모되는 방법이다. 이에 복잡한 형상을 대량 생산하기 용이한 알루미늄 다이캐스팅 제품에 알루미늄을 진공 증착시키고 증착된 알루미늄을 양극 산화시키는 방법도 최근 개발되어 왔지만, 진공 증착법의 박막 밀착력 등에 문제가 있었다.
이에 본 발명인은 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116558호(고속성막장치 및 이를 이용한 성막방법, 2012.10.23. 공개)를 통해 진공 증착법과 아크법을 조합한 방법으로 진공 증착법의 밀착력 문제를 해결하는 방법을 제시한바 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0116557호(다이캐스팅 합금의 표면처리 방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 다이캐스팅 합금재, 2012.10.23. 공개)를 통해 화학 양론 이하의 산화물, 질화물 또는 산질화물을 이용한 방법 또한 제시한바 있다.
또한 본 발명인은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0115475호(금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이에 의하여 제조된 표면구조를 가지는 금속 내외장재, 2013.10.22. 공개)를 통해 알루미늄 증착 시 증착막의 두께가 얇은 지그와의 접촉 부위에 콜드 스프레이법으로 두께를 보강하는 방법을 적용하여 알루미늄 재질이 아닌 마그네슘 합금 재질 등에도 적용가능한 방법을 제시한바 있지만, 연속 공정이 아닌 별도의 공정이 필요하다는 문제가 있었다.
알루미늄 재질의 내외장재의 경우 눈에 보이는 부위의 알루미늄 증착 두께가 충분한 경우에는 눈에 보이지 않는 숨은 부위가 이후 착색 봉공 처리 과정에서 색상이 균일하게 형성되지 않더라도 사용상에 문제가 없어 증착을 이용한 방법을 적용시키는데 큰 어려움이 없지만, 마그네슘 합금이나 스테인리스, 아연 합금 등의 금속 내외장재의 경우 알루미늄이 얇은 부위가 있으면 그 부분이 양극 산화 공정에서 터지는 문제가 생겼다.
또, 알루미늄 형성 과정 중에 알루미늄층이 너무 얇게 형성된 부위가 생기거나, 이후에 전해연마, 화학연마 혹은 기계연마에 의한 연마 공정이나 헤어라인 형성 공정 등에 의해 일부 알루미늄층이 너무 얇아지게 되면, 이 부분 또한 양극 산화 공정에서 동일한 문제점이 발생 되었다.
따라서, 알루미늄 재질 이외의 금속 내외장재들의 표면도 안정적으로 양극 산화처리할 수 있고, 이에 따라 이러한 금속 내외장재들의 표면에 다양한 외관 색상을 구현할 수 있도록 하는 기술이 요구되었다.
이에 본 발명인은 대한민국 특허출원 제10-2014-0000554호(금속 내외장재의 표면처리 방법 및 표면처리된 금속 내외장재, 2014.01.03. 출원)에서 금속 내외장재 표면에 밸브메탈을 장벽층으로 먼저 형성하고 이후에 알루미늄 표면층을 형성한 뒤 양극 산화 피막처리 기술을 적용하는 표면처리 기술을 제시하였지만 연속 공정으로 이를 제조하기 위하여 밸브메탈 형성용 코팅장치가 별도로 필요하고 그 공정에 공정시간이 추가로 필요하는 등 개선이 요구되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 금속 내외장재 표면에 CVD(Chemical vapor deposition) 공정을 통하여 등축정상 조직의 알루미늄 코팅 박막층을 고르게 코팅할 수 있으며, 모재의 열변형을 낮추고, 경제성은 높이는 동시에, 생산 설비에 대한 부담을 저감시킬 수 있는 금속 내외장재의 표면 처리 기술을 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 a) 금속 내외장재(10) 표면에 알루미늄(Al)계 금속으로 박막을 코팅하여 등축정 조직의 박막층(20)을 형성하는 단계; b) 상기 박막층(20)이 형성된 표면을 양극산화 처리하여 양극산화 피막층(21)을 형성하는 단계; c) 상기 양극산화 피막층(21)에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계;를 포함하며, 상기 등축정 조직의 박막층(20)을 형성하는 방식은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면처리 방법을 제공한다.
상기 알루미늄계 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 화학 양론 조성비 미만의 알루미늄 산화물·질화물·산질화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 CVD는 APCVD(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식일 수 있으며, 유기금속화합물을 전구체(precursor) 물질로 하는 MOCVD(Metal Organo Compound Chemical Vapor Deposition) 방식인 것이 바람직하고, 상기 전구체 물질은 알킬알루미늄 또는 알킬알루미늄과 헵탄(heptane)의 혼합물이며, 상기 알킬알루미늄은 트리이소부틸알루미늄(triisobutyl aluminium) 및 다이이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다. 특히, 상기 알킬알루미늄과 헵탄의 혼합물은 상기 알킬알루미늄과 헵탄이 2:1 중량비로 혼합된 것일 수 있다.
상기 a) 단계에서, 상기 박막층(20)을 15-100㎛의 두께로 형성할 수 있으며, 상기 박막층(20)을 473-623°K(200-350℃)의 온도 조건 하에서 형성할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계와 b) 단계 사이에, 제품 표면을 샌딩(sanding) 처리하거나 헤어라인(hair line) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 a) 단계와 b) 단계 사이에, 화학연마, 전해연마 및 기계연마로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상을 수행하는 연마 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 a) 단계 이전에, 초음파 세척 또는 이온 충돌을 통해 상기 금속 내외장재(10) 표면을 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 상기 c) 단계에서, 유기물 착색, 무기물 착색 및 전해 착색으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 상기 염료를 상기 양극산화 피막층(21) 표면에 착색하고, 수화 봉공, 금속성 봉공, 유기물 봉공 및 저온 봉공으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 착색된 표면을 봉공 처리하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 상술한 바와 같은 표면처리 방법으로 표면처리된 금속 내외장재를 제공한다. 이때 상기 금속 내외장재는 아연, 스테인리스, 마그네슘, 규소, 철, 구리, 망간, 아연, 니켈, 티타늄, 납, 주석, 크롬, 알루미늄 합금 및 다이캐스팅 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 CVD공정을 통해 알루미늄 등축정 조직을 형성하는 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 금속 내외장재는, 아연, 스테인리스, 마그네슘 등의 일반적으로 널리 쓰이는 다양한 금속 내외장재의 표면에 양극 산화 및 착색, 봉공 처리 기술을 적용하여, 융점의 2/3 이하의 온도에서도 알루미늄계 금속을 등축정 조직으로 박막층을 형성할 수 있어 모재의 열변형을 낮추고, 경제성은 높이는 동시에, 생산 설비에 대한 부담을 저감시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 내외장재의 표면처리 방법에 대한 공정흐름도(flow chart)이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면처리된 금속 내외장재의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면처리된 금속 내외장재의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 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 명세서 전체에서, 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.
"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
먼저 본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 박막층 형성단계, 양극 산화 단계, 염료착색 및 봉공처리 단계를 포함하는 금속 내외장재 표면처리 방법을 제공한다. 이에 대한 공정흐름도(flow chart)가 도 1에 도시되어 있다. 이하 시계열적 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.
먼저 박막층 형성단계에서 피 가공물인 금속 내외장재(10)를 준비한다. 금속 내외장재(10)는 제품의 내외장재로 사용될 수 있는 금속을 의미하며 아연, 스테인리스, 마그네슘, 알루미늄 합금, 다이캐스팅 함금(종류에 따라서 규소(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 납(Pb), 주석(Sn) 또는 크롬(Cr) 성분이 첨가될 수 있음) 등 다양한 소재로 된 금속 내외장재(10)에 본 발명이 적용될 수 있다.
특히 본 발명에서 금속 내외장재(10)는 알루미늄 성분을 포함하지 않는 금속일 수 있는데, 알루미늄을 포함하지 않아도 본 발명에 따른 공정에 의해 양극 산화 피막처리(Anodizing) 공정을 안정적으로 진행할 수 있다.
한편, a) 단계인 박막층(20) 형성단계는, 상술한 바와 같이 금속 내외장재(10) 표면에 등축정 조직의 알루미늄 박막층(20)을 형성하는 단계이다. 등축정 조직의 알루미늄 박막을 제작하는 방법은 PVD(Physical Vapor Deposition)공정과 CVD(Chemical Vapor Deposition)공정으로 제작될 수 있다. 구체적으로는, 350℃ 이하의 온도에서 APCVD공정으로 형성시키거나 스퍼터링법이나 음극 진공 아크법을 사용하여 350℃ 이상에서 작업하여 등축정상 조직의 박막으로 형성시킬 수 있다.
일반적으로 PVD공정으로 코팅시 온도에 따라 박막조직이 변하는 것이 알려져 있다. 낮은 온도에서 코팅하면 주상정 조직으로 형성되고 온도를 코팅물질 융점의 2/3 이상의 온도에서 코팅하면 등축정 조직으로 형성된다. 이때 주상정 조직의 경우 미소기공이 존재하므로 특히 외장재의 재질이 마그네슘합금일 경우 다음 단계인 양극 산화 단계에서 기공을 통하여 양극 산화액이 마그네슘합금과 접촉되어 부식이 일어나는 문제가 있다. 따라서 주상정 조직 보다는 상대적으로 조직이 치밀한 등축정 조직으로 알루미늄 박막층을 형성하는 것이 바람직하다.
알루미늄의 융점은 660℃이고 켈빈온도로 환산하면 933°K이며, 2/3 온도는 622°K이고 이를 다시 섭씨온도로 환산하면 349℃가 되므로, PVD공정으로 코팅시에는 350℃(623°K) 이상의 온도에서 형성해야 등축정 조직으로 박막이 형성될 수 있다. 이러한 PVD공정에는 형성물의 밀착력 등을 감안하였을 때 스퍼터링 또는 음극 진공 아크법 등을 예시될 수 있다. 하지만, 이러한 예시들은 350℃ 이상의 온도 조건 하에서 수행되는 고온 공정에 해당하므로 두께가 얇은 제품의 경우 열 변형 현상으로 인해 제품의 형태가 변형되는 등의 문제가 있다.
한편, PVD공정은 진공펌프를 이용하여 코팅로 내부를 일정 압력 이하로 진공 배기하여야만 하고 스퍼터링 또는 아크 장치 그리고 전력장치 등의 고가부품이 필요한 설비이다. 투입전력 대비 증착 속도가 낮고 3차원적 제품의 각 부위별로 두께 편차가 심하기 때문에, 전체제품의 표면에서 균일한 양극 산화 피막을 제작하려면 가장 두께가 낮은 부위를 일정 기준 이상으로 증착해야 하므로 양산의 관점에서 개선이 필요하다.
알루미늄으로 박막층(20)을 형성하는 또 다른 방법은, 350℃(623°K) 이하의 저온에서도 등축정 조직으로 알루미늄 박막을 형성할 수 있는 CVD공정을 사용하는 것이며, 이는 가스 혹은 증기가 모재의 표면에서 화학적으로 반응하여 고체상 물질을 형성하는 공정으로 정의할 수 있다. 상기 CVD공정은 다양한 분야에 적용되는 잘 확립된 기술로서 전이 금속, 금속화합물, 절연체, 반도체, 초전도체 등 다양한 재질의 물질이 CVD공정으로 코팅될 수 있다. 또한 알루미늄의 경우 비교적 낮은 온도인 205℃에서도 코팅된다고 보고되고 있다.
전형적인 CVD공정은 표면 촉매화된 반응이고 이러한 화학적 반응의 존재가 CVD공정과 PVD공정을 구별시킨다. 온도, 압력, 투입농도, 가스 유량, 반응기 구조 등의 증착조건이 증착속도, 증착막의 물성 등을 결정한다.
하지만 CVD공정과 PVD공정을 구분하는 가장 중요한 요소는 우수한 균일 전착성(throwing power) 혹은 표면 단차 피복(surface step coverage)에 관한 것으로서, CVD공정이 상대적으로 PVD공정에 비해 3차원 형상의 모든 부위가 골고루 증착된다는 점에 있다.
고진공을 이용하면서 생겨난 긴 평균 자유 경로(mean-free path)와 원자들의 높은 접착계수로 인하여, PVD공정은 가시선(line-of-sight) 공정의 일종으로 볼 수 있다. 즉 소스를 바라보는 부위와 소스를 바라보지 않는 부위와의 두께에 편차가 심한 공정이다. 반면에 CVD공정에서는 분자들의 평균 자유 경로가 작으므로 전구체가 반응로에 들어가서 표면과 충돌하기 전에 수많은 충돌을 일으킨다. 이러한 충돌 현상과 더불어 분자들의 낮은 접착계수, 그리고 가열된 모재에 의한 강화된 표면 확산 등이 균일한 두께로 코팅될 수 있도록 한다.
미세전자공학 산업에서 CVD공정으로 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속을 코팅시 0.12㎛ 이하의 직경홀과 20:1 의 심한 홀깊이:홀직경 비에서 균일한 코팅의 결과를 보인다. 일반적으로 내외장재의 구멍 사이즈는 적어도 1 mm 이상이므로 균일한 코팅이 가능한 깊이는 20 mm이상이 되므로 모든 내외장재 코팅에 있어 균일한 코팅이 가능하다고 할 수 있다.
본 발명에서 알루미늄계 금속으로 금속 내외장재(10) 표면에 박막층(20)을 CVD공정을 통해 형성하는데, 바람직하게는 가장 간단한 CVD공정으로서 대기압에서 코팅하는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)공정을 이용할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 하나 또는 그 이상의 반응가스(전구체 물질이 포함된)가 일반적인 대기압에서 코팅로로 도입된다. 화학반응을 일으키고 유지하기 위하여 요구되는 온도까지 모재를 가열하도록 적외선, 자외선, 인덕션, 히팅 등의 다양한 형태로 에너지가 투입된다. 3가지의 기본적인 변수가 증착 속도를 결정짓는데 이들은 증착 온도, 반응물 유량 그리고 가스 조성이다. 상기 APCVD 공정은 기술이 간단하고 진공펌프 및 이와 관련된 진공 측정기가 필요 없으므로 설비비를 PVD공정에 비해서 획기적으로 낮출 수 있는 방법이며, 낮은 가격으로 대량생산 체제를 갖추어야 하는 금속 내외장재의 표면처리 기술에 가장 적합한 기술이다.
본 발명의 박막층(20) 형성단계에서 투입되는 전구체(precursor) 물질은 알루미늄계 물질을 함유하고 있는 다양한 화합물이 채택되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유기금속화합물을 사용할 수 있어 따라서 MOCVD(Metal Organo Compound CVD) 방식으로 구분될 수 있고, 더욱 바람직하게는 알킬알루미늄 혹은 알킬알루미늄과 헵탄의 혼합물로, 구체적으로는 트리이소부틸알루미늄(triisobutyl aluminium, TIBAL) 및 다이이소부틸알루미늄하이드라이드(diisobutyl aluminium hydride) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 알킬알루미늄 또는 이와 헵탄의 혼합물이 사용될 수 있다. 특히, 알킬알루미늄과 헵탄의 혼합물을 사용하는 경우에는 알킬알루미늄과 헵탄을 2:1의 중량비로 희석한 혼합물을 사용하는 것이 효과적인 CVD 박막 증착을 위해 바람직하다.
한편, APCVD공정 과정은 다음과 같다. 먼저, 알루미늄 다이캐스팅합금, 마그네슘 다이캐스팅마그네슘 함금 등의 금속 내외장재(10)의 표면을 버핑에 의해 연마한 후, 유기 용제와 초음파 세척장치를 통해 모재 표면을 세척한다. 이후 APCVD로에 소재를 장착한 후 인덕션 히터를 이용하여 모재를 473-623°K(200-350℃)까지 가열시킨다. 이후, 상술한 바와 같은 전구체 물질과 비반응성 질소를 일정한 유량으로 투입한다. CVD공정의 온도조건이 473°K(200℃)미만인 경우에는 화학반응을 위한 에너지가 충분히 공급되지 않으며 증착 속도도 충분하지 못하다는 문제가 있고, 623°K(350℃)를 초과하는 경우 종래의 PVD공정 방식의 경우와 마찬가지로 모재의 열 변형 문제가 발생될 수 있으며, 과도한 열 공급으로 인해 경제성이 떨어진다.
전구체 물질의 투입형태는 증기상으로 투입하거나 미세스프레이 노즐을 이용하여 안개화 시켜서 투입하는 방식일 수 있다. 온도, 유량, 희석비 등의 조건에 따라 증착속도가 변화되면서 알루미늄이 증착된다.
또한, 박막층(20)을 형성하기 이전에 피 가공물인 금속 내외장재(10)의 표면에 잔존하는 기름성분이나 이물질 등을 제거하기 위한 초음파 세척 과정을 수행할 수 있다.
다음으로 b) 단계인 양극산화 단계는, 양극산화처리에 의해 상술한 박막층(20)의 전부 또는 일부를 양극산화 피막층(21)으로 산화시키는 과정으로, a) 단계에서 형성되는 박막층(20)의 두께는 b) 단계에서 요구되는 양극산화 피막층(21)의 두께에 따라 조절되어야 하며, 바람직하게는 15~100 ㎛의 범위로 박막층(20)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 제품 요구에 따라 필요한 피막층 두께를 얻기 위하여 적정한 두께 범위의 박막층(20)을 다양하게 형성할 수 있으나, 상술한 바와 같이 두께 범위를 제한한 것은 15㎛미만으로 박막층(20)을 형성하게 되면 양극산화처리 깊이가 너무 얇기 때문에 후속 공정인 착색공정에서 다양한 색상을 만들지 못하는 문제가 있으며, 100㎛를 초과하여 박막층(20)을 형성하게 되면 공정 시간이 과도하게 길어져 생산성이 저하될 뿐만 아니라 두께가 두꺼우면 다른 조립품과의 조립에 문제가 생길 수 있기 때문이다.
양극산화처리란 알루미늄 등의 금속 제품을 양극으로 하여 일정한 전해액에서 적정 조건으로 분극시켜 산화 알루미늄(Al2O3) 등의 피막을 형성하는 공정이다. 이 피막은 대단히 경하여 내식성이 크고, 다공층이 형성되어 여러가지 색으로 염색할 수 있기 때문에, 내식, 내마모성 등의 실용성과 더불어 표면에 미려하고 중후한 색상을 부여하여 상품적 가치를 높일 수 있는 공정이다.
여기서 양극 산화는 통상의 황산, 수산, 크롬산 등 또는 이들의 혼합산 중 어느 것이나 사용할 수 있으며, 요구되는 색상에 따라 피막의 두께를 조절하게 되므로 바람직하게는 상술한 바와 같이 박막층(20)을 미리 15~100㎛로 형성할 수 있다.
한편, 요구되는 제품의 물성이나 외관을 향상시키기 위하여 표면을 양극 산화시키는 b) 단계 이전에 표면을 샌딩(sanding) 처리하거나 헤어라인(hair line) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 샌딩이란, 요구하는 표면 처리 목적을 달성하기 위하여 하도 표면을 규정된 연마지(sand paper)로 연마하는 작업으로서, 표면 결함을 제거하고 평활성 및 부착력을 향상시키기 위한 작업이다. 헤어라인이란, 표면에 머릿결 같은 라인을 줌으로서 제품의 품위 향상을 제고할 목적으로 사용하는 작업이다.
또한, 최종 제품이 무광일 경우에는 그대로 양극 산화시켜도 무방하지만, 유광의 제품을 제작하는 경우에는 박막의 두께가 증가하게 되면 박막의 광택도가 감소하게 되므로, 제품 표면을 바로 양극 산화시키지 않고 b) 단계 이전에 연마 단계, 더욱 상세하게는 화학연마, 전해연마 또는 기계연마를 수행하는 단계를 더 추가하는 것이 바람직하다. 화학연마란, 외부의 전류를 사용하지 않고 광택연마를 행하는 방법으로, 금속의 표면을 화학적으로 평활화시키는 과정을 말한다. 통상적으로 화학연마의 주원료는 인산으로, 인산염 피막을 형성하는 과정을 수행하게 된다. 전해연마란 화학연마에서 발생되는 표면 광택 형성의 한계를 극복하여 그 이상의 고광택이 요구되는 경우, 소정의 조건 하에서 전해하여 평활한 면을 만드는 연마 방식을 말한다.
다음으로, c) 단계인 염료 착색 및 봉공 처리 단계에서는, 양극 산화를 통해 다공질의 피막층이 형성되면 이에 유기물 착색, 무기물 착색 또는 전해 착색 등의 염료 착색법을 통해 양극 산화된 표면에 염료를 착색 처리하고, 최종적으로 수화 봉공, 금속성 봉공, 유기물 봉공, 저온 봉공 등의 방법으로 양극 산화 피막의 기공을 막는 봉공 처리를 수행하는 단계이다. 염료 착색 과정을 통해 제품 표면에 심미감을 더하여 상품 가치를 향상시킬 수 있고, 봉공 처리 과정을 통해 착색의 내후성과 내구성 및 피막의 내식성 등을 제고할 수 있다.
이하 본 발명의 금속 내외장재의 표면처리 방법 및 표면 처리된 금속 내외장재에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
알루미늄 다이캐스팅합금이나 마그네슘 다이캐스팅마그네슘 함금 등의 금속 내외장재(10)의 표면을 버핑에 의해 연마한 후, 유기 용제와 초음파 세척장치를 통해 모재 표면을 세척한다. 이후 APCVD 반응로에 모재를 장착한 후 인턱션히터로 모재를 275℃로 승온시킨다. 이후, 분당 19.5 g의 트리이소부틸알루미늄(TIBAL)과 10 L/min의 질소 가스를 각각의 유량계를 통해 정량화 시키고, 미세스프레이로 안개화 시키면서 반응로 내부로 투입한다.
상술한 바와 같은 CVD공정을 통하여 금속 내외장재(10) 표면에 박막층(20)을 알루미늄 박막 형태로 30㎛ 형성하였다. 별도로 알루미늄 박막을 SEM으로 분석한 결과 주상정 조직이 아닌 등축정 조직으로 증착 되었음을 확인할 수 있었다. 이 후 황산법으로 양극 산화를 실시하고 착색 후 봉공 처리하였다.
상술한 방법으로 표면 처리된 금속 내외장재(10) 피처리물은 상하, 좌우 그리고 전면부 양극 산화 상태가 양호하였다. 이는 APCVD 공정으로 코팅시 3차원 형상의 제품 전체 표면과 단차가 있는 부분도 막 두께가 균일하고 또한 주상정이 아닌 등축정 조직으로 코팅되었기 때문이고 흑색, 적색, 골드, 녹색, 청색, 핑크색 등의 다양한 색상이 미려하게 구현되었다.
알루미늄 다이캐스팅합금이나 마그네슘 다이캐스팅마그네슘 합금 등의 금속 내외장재(10)의 표면을 버핑에 의해 연마한 후, 유기 용제와 초음파 세척장치를 통해 모재 표면을 세척한다. 이후 APCVD 반응로에 모재를 장착한 후 인턱션히터로 모재를 275℃로 승온시킨다. 이후, 중량비를 기준으로 트리이소부틸알루미늄(TIBAL)과 n-헵탄(n-hepane)을 2:1의 비율로 희석한 혼합물은 19 g/min으로, 질소 가스는 15 L/min으로 동시에 각각의 유량계를 통해 정량화 시키고, 미세스프레이로 안개화 시키면서 반응로 내부로 투입한다.
상술한 바와 같은 CVD공정을 통하여 금속 내외장재(10) 표면에 박막층(20)을 알루미늄 박막 형태로 30㎛ 형성하였다. 별도로 알루미늄 박막을 SEM으로 분석한 결과 주상정 조직이 아닌 등축정 조직으로 증착되었음을 확인할 수 있었다. 이 후 황산법으로 양극 산화를 실시하고 착색 후 봉공 처리하였다.
상술한 방법으로 표면 처리된 금속 내외장재(10) 피처리물은 상하, 좌우 그리고 전면부 양극 산화 상태가 양호하였다. 이는 APCVD 공정으로 코팅시 3차원 형상의 제품 전체 표면과 단차가 있는 부분도 막두께가 균일하고 또한 주상정이 아닌 등축정 조직으로 코팅되었기 때문이고 흑색, 적색, 골드, 녹색, 청색, 핑크색 등의 다양한 색상이 미려하게 구현되었다.
[비교예 1]
마그네슘 다이캐스팅 합금 등의 금속 내외장재(10)의 표면을 버핑에 의해 연마한 후, 유기 용제와 초음파 세척장치를 통해 모재 표면을 세척한다. 이후 진공로에 모재를 장착한 후 아르곤 가스 이온 충돌 또는 금속 이온 충돌을 실시하고 온도는 쉬스히터(sheath heater)를 이용하여 350℃ 이상으로 승온한다.
상기 소재에 음의 DC 전압, 양의 DC 전압을 수 내지 수백 V로, 수 내지 수십분 인가하면서 아르곤 가스를 투입하거나 캐소딕 아크방전을 유지하면서 표면을 세정하여 소재의 표면 불순물 및 산화막을 제거함으로써 이후에 형성되는 층과의 밀착력을 제고한다.
상술한 바와 같은 PVD공정을 통하여 금속 내외장재(10) 표면에 박막층(20)을 알루미늄 박막 형태로 30㎛ 형성하였다. 별도로 알루미늄 박막을 SEM으로 분석한 결과 주상정 조직이 아닌 등축정 조직으로 증착되었음을 확인할 수 있었다. 이 후 황산법으로 양극 산화를 실시하고 착색 후 봉공 처리 하였다.
상술한 바와 같이 PVD방식으로 표면처리를 수행하는 경우에도 다양한 색상이 상당부분 미려하게 구현되는 것을 볼 수 있었으나, 단차가 있는 표면 부분에 알루미늄 박막의 두께 편차 때문에 다소 색상이 어둡게 보이는 현상이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상술한 실시예에 대한 비교예로써 코팅온도를 200℃에서 박막층(20)을 형성하고 SEM으로 분석한 결과 주상정 조직으로 코팅되었음을 확인하였다. 동일한 작업을 수행한 결과, 아노다이징 공정에서 박막이 얇은 부분이 녹아 터지는 현상이 발견되었으며, 내외장재 제품의 두께가 얇은 경우 변형 등이 발생하는 문제점이 발생되었다.
[비교예 2]
한편, 상수란 비교예 1과 같은 방법으로 박막층(20)을 형성하되, 코팅온도만 200℃로 하여 수행한 후 SEM으로 분석한 결과 주상정 조직으로 박막층(20)이 코팅되었음을 확인하였다. 동일한 작업을 수행한 결과, 어노다이징 공정에서 박막의 얇은 부분이 녹아 터지는 현상이 발견되었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 금속내외장재
20 : 박막층
21 : 산화 피막층
20 : 박막층
21 : 산화 피막층
Claims (14)
- a) 금속 내외장재(10)를 캘빈 온도를 기준으로 하는 알루미늄(Al)의 융점 2/3 이하의 온도 범위인 473-623°K의 온도로 가열함으로써, 상기 금속 내외장재(10)의 표면에 알루미늄(Al)계 금속으로 박막을 코팅하여 15-100㎛의 두께로 등축정 조직의 박막층(20)을 형성하는 단계;
b) 상기 박막층(20)이 형성된 표면을 양극산화 처리하여 양극산화 피막층(21)을 형성하는 단계;
c) 상기 양극산화 피막층(21)에 염료를 착색하고 봉공 처리하는 단계;
를 포함하며,
상기 등축정 조직의 박막층(20)을 형성하는 방식은 대기압 조건 하에서 이루어지는 APCVD(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식 및 유기알루미늄 화합물을 전구체(precursor)로 하는 MOCVD(Metal Organo Compound Chemical Vapor Deposition) 방식인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄계 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 화학 양론 조성비 미만의 알루미늄 산화물·질화물·산질화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전구체 물질은 알킬알루미늄 또는 알킬알루미늄과 헵탄(heptane)의 혼합물이며, 상기 알킬알루미늄은 트리이소부틸알루미늄(triisobutyl aluminium) 및 다이이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 제5항에 있어서,
상기 알킬알루미늄과 헵탄의 혼합물은 상기 알킬알루미늄과 헵탄이 2:1 중량비로 혼합된 것임을 특징으로 하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 a) 단계와 b) 단계 사이에,
제품 표면을 샌딩(sanding) 처리하거나 헤어라인(hair line) 처리하는 단계를 더 포함하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계와 b) 단계 사이에,
화학연마, 전해연마 및 기계연마로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상을 수행하는 연마 단계를 더 포함하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계 이전에,
초음파 세척 또는 이온 충돌을 통해 상기 금속 내외장재(10) 표면을 전처리하는 단계를 더 포함하는 금속 내외장재의 표면처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서,
유기물 착색, 무기물 착색 및 전해 착색으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 상기 염료를 상기 양극산화 피막층(21) 표면에 착색하고,
수화 봉공, 금속성 봉공, 유기물 봉공 및 저온 봉공으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방식으로 착색된 표면을 봉공 처리하는 것을 특징으로 하는 금속 내외장재 표면처리 방법. - 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법으로 표면처리된 금속 내외장재.
- 제13항에 있어서,
상기 금속 내외장재는 아연, 스테인리스, 마그네슘, 규소, 철, 구리, 망간, 아연, 니켈, 티타늄, 납, 주석, 크롬, 알루미늄 합금 및 다이캐스팅 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 내외장재.
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