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KR101584413B1 - 표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법 - Google Patents

표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법 Download PDF

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KR101584413B1
KR101584413B1 KR1020130164047A KR20130164047A KR101584413B1 KR 101584413 B1 KR101584413 B1 KR 101584413B1 KR 1020130164047 A KR1020130164047 A KR 1020130164047A KR 20130164047 A KR20130164047 A KR 20130164047A KR 101584413 B1 KR101584413 B1 KR 101584413B1
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Abstract

본 발명은 표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 수산화 피막을 통하여 짧은 시간 내에 다양한 색상을 균일하게 구현할 수 있다. 또한, 금속층 및 클리어층을 순차적으로 형성함으로써 수산화 피막에 의해 구현된 색상의 변색없이 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Description

표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법{Surface treated metallic material and surface treatment method for metallic material}
본 발명은 표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법에 관한 것이다.
마그네슘은 실용금속 중 초경량 금속에 속하는 금속으로서, 내마모성이 우수하고, 햇빛에 강하며, 환경 친화적이나, 금속의 질감 및 다양한 색상구현이 어려운 문제가 있다. 또한, 전기화학적으로 가장 낮아 그 활성도가 매우 높으므로 발색 처리가 이루어지지 않을 경우, 대기 중이나 용액 중에서 빠르게 부식되므로, 산업에 응용하기엔 많은 어려움이 있다.
그러나, 최근 산업 전반의 경량화 추세로 인하여 마그네슘 산업이 주목받고 있는 가운데, 모바일 폰 케이스 부품 등의 전기, 전자 부품재료 분야에서 금속 질감 외장재가 트렌드가 되면서 마그네슘의 이러한 문제점을 개선하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그 결과, 마그네슘 합금 표면에 금속 질감 구현 및 내부식성 확보를 위하여 금속 함유 물질을 건식코팅한 후 졸겔 코팅하는 PVD-졸겔법; 화학 연마를 이용하여 마그네슘 표면에 광택을 부여하고, 안료가 용해된 염기성 전해액에 상기 마그네슘 기재를 양극 산화시켜 기재 표면을 발색시키는 양극 산화법 등이 개발되었다(특허문헌 1 및 2).
그러나, 상기 PVD-졸겔법의 경우 마그네슘 기재 표면에 금속 질감은 구현되나, 마그네슘 고유의 금속질감이 상실되고, 다양한 색상을 구현하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 마그네슘 기재 표면에 양극 산화법을 이용하여 발색 처리할 경우, 기재 표면에는 불투명한 산화막이 형성될 뿐만 아니라, 마그네슘 고유의 금속질감이 구현되기 어렵다.
따라서, 마그네슘을 실용화하기 위해서는 마그네슘 기재의 표면을 화학적, 전기화학적 또는 물리적으로 처리하여 내식 저항성을 높이는 동시에 마그네슘 표면에 원하는 색상을 구현할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2011-0016750호; 대한민국 공개특허 제2011-0134769호.
본 발명의 목적은 표면 처리 금속을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 금속을 제조하기 위한 금속재의 표면 처리 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 하나의 실시예에서, 금속재 매트릭스;
금속재 매트릭스의 일면 혹은 양면에 형성된 수산화 피막;
수산화 피막을 기준으로 금속재 매트릭스의 반대쪽 일면에 형성된 금속층; 및
금속층을 기준으로 외측에 형성된 클리어층을 포함하는 표면 처리 금속을 제공한다.
또한, 본 발명은 다른 하나의 실시예에서, 금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계;
수산화 피막 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
금속층 상에 클리어층을 형성하는 단계를 포함하는 금속재의 표면 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 표면 처리 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 수산화 피막을 통하여 짧은 시간 내에 다양한 색상을 균일하게 구현할 수 있다. 또한, 금속층 및 클리어층을 순차적으로 형성함으로써 수산화 피막에 의해 구현된 색상의 변색없이 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따라 금속재 매트릭스 일면에 표면 처리된 금속재의 구조를 도시한 이미지이다;
도 2는 본 발명에 따른 금속재 매트릭스 양면에 표면 처리된 금속재의 구조를 도시한 이미지이다;
도 3은 하나의 실시예에서, 표면 처리된 마그네슘을 촬영한 이미지이다: 이때, A는 금속층 형성 전의 마그네슘 시편이고, B는 금속층 및 클리어층의 형성 후의 마그네슘 시편이다;
도 4는 하나의 실시예에서, 금속층을 포함하지 않은 마그네슘을 촬영한 이미지이다: 이때, A는 수산화 용액 침지 후의 마그네슘 시편이고, B는 수산화 피막 상에 클리어층을 형성한 마그네슘 시편이다;
도 5는 하나의 실시예에서, 마그네슘의 수산화 용액 침지시간에 따른 표면 처리되는 마그네슘의 색상변화를 나타낸 이미지다;
도 6은 하나의 실시예에서, 표면 처리되는 시간에 따른 마그네슘 표면에 형성되는 발색 피막의 두께 및 표면의 형태를 나타낸 이미지이다: 이때, A는 발색 피막의 두께를 투과전자현미경을 이용하여 측정한 이미지이고, B는 표면의 형태를 주사전자현미경을 이용하여 촬영한 이미지이다;
도 7은 본 발명에 따른 금속재의 표면 처리 방법을 도시한 공정도이다;
도 8은 하나의 실시예에서, 크롬(Cr)층을 포함하는 표면 처리된 금속의 구조를 투과전자현미경 촬영한 이미지이다: 이때, D1은 크롬(Cr)층 두께로서, 그 값은 약 10 nm이다;
도 9는 하나의 실시예에서, 알루미늄(Al)층을 포함하는 표면 처리된 금속의 구조를 투과전자현미경 촬영한 이미지이다: 이때, D2는 알루미늄(Al)층 두께로서, 그 값은 약 13 nm이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 있어서, "%"는 용액의 농도 단위로서 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 10% NaOH 용액이란 900 mL의 물과 100 g의 NaOH가 혼합된 용액을 의미한다.
본 발명은 발색 처리된 금속 및 이를 위한 금속재의 표면 처리 방법을 제공한다.
종래, 금속재에 색상을 구현하는 방법으로는 금속 함유 물질이나 안료 등을 이용하여 마그네슘 표면을 코팅하는 PVD-졸겔법, 양극 산화법 등이 알려져 있다. 그러나, 상기 방법들은 마그네슘 고유의 금속질감이 구현되지 않거나, 마그네슘의 내구성이 저하될 수 있다. 또한, 다양한 색상을 구현하기 어려우며, 코팅되는 피막층이 쉽게 박리되어 신뢰성을 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 극복하기 위해서, 본 발명은 수산화 용액에 금속재를 침지한 후, 금속층 및 클리어층을 순차적으로 적층시켜 제조되는 표면 처리 금속재를 제안한다. 본 발명에 따른 표면 처리 금속재는 금속재 표면에 색상을 균일하게 발색시킴과 동시에, 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 하나의 실시예에서, 금속재 매트릭스;
금속재 매트릭스의 일면 혹은 양면에 형성된 수산화 피막;
수산화 피막을 기준으로 금속재 매트릭스의 반대쪽 일면에 형성된 금속층; 및
금속층을 기준으로 외측에 형성된 클리어층을 포함하는 표면 처리 금속을 제공한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따라 금속재 매트릭스 일면 또는 양면이 표면 처리된 금속재의 구조를 도시한 이미지이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 금속재 매트릭스의 일면 또는 양면 상에 수산화 피막을 형성하고, 형성된 수산화 피막 상에 금속층 및 클리어층을 순차적으로 적층한 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 수산화 피막은 금속재 매트릭스 표면에 적층되어 색상을 구현하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 수산화 피막에 의해 구현된 색상이 클리어층에 의해 변색되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 금속층 상에 형성되는 클리어층은 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 상기 금속층의 성분은 수산화 피막에서 굴절 및 산란된 발색광이 추가적으로 클리어층에서 굴절 및 산란하는 것을 최소화하고, 파장의 반사를 유도함으로써, 수산화 피막에 의해 발색되는 색상을 유지할 수 있다면, 그 종류나 형태는 특별히 제한하지는 않는다. 구체적으로는, Al, Cr, Ti 및 Au으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 금속 이온, 금속 산화물, 금속 입자 등의 다양한 형태로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 금속층의 두께는 수산화 피막에 의해 발색되는 색상의 변색을 방지할 수 있다면, 특별히 제한하지는 않는다. 특별하게는 10 nm 내지 50 nm의 조건을 만족할 수 있다. 구체적으로, 금속층의 두께는 10 nm 내지 20 nm, 15 nm 내지 40 nm 또는 30 nm 내지 50 nm 일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 100℃, 10% NaOH 수용액에서 10분간 침지하고, 금속층인 크롬(Cr)층 또는 알루미늄(Al)층, 및 클리어층을 순차적으로 형성한 1 cm X 1 cm의 마그네슘 시편에 대하여 투과전자현미경을 촬영한 결과, 금속층의 두께가 각각 약 10 nm, 13 nm인 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명에 따른 가로 1 cm 및 세로 1 cm의 금속재 시편에 대하여,
시편 상에 존재하는 임의의 3점에 대한 색좌표 편차(ΔL, Δa, Δb)는 ΔL는 0.5 이하, Δa는 0.7 이하 및 Δb는 0.6 이하 중 하나 이상을 조건을 만족시킬 수 있다.
구체적으로는 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 상기 조건 중 2 이상을 만족시킬 수 있으며, 보다 구체적으로는 상기 조건을 모두 만족시킬 수 있다.
보다 구체적으로 하나의 실시예에서, 1 cm X 1 cm의 마그네슘 시편을 100℃, 10% NaOH 수용액에서 85분간 침지하고, 금속층 및 클리어층을 순차적으로 형성한 다음, 시편 상에 존재하는 임의의 3지점에 대한 색좌표를 측정하였다. 그 결과, 색좌표 편차는 0.14≤ΔL<0.34, 0.02≤Δa<0.34 및 0.34≤Δb<0.40로 상기 조건을 모두 만족하였다. 또한, 상기 측정값들로부터 도출되는 ΔE는 0.424≤ΔE<0.578로 색좌표의 편차가 현저히 적은 것으로 확인되었다. 이는 본 발명에 따른 표면 처리 금속의 색상이 균일한 것을 의미한다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 수산화 피막은 그 두께를 특별히 제한하지는 않으나, 구체적으로는 50 nm 내지 2 μm, 보다 구체적으로는 100 nm 내지 1 μm일 수 있다.
본 발명의 표면 처리 금속에 있어서, 금속에 색상을 구현하는 원리는 금속 표면에 입사하는 빛의 산란 및 굴절 원리를 이용한 것으로서, 금속 표면에 입사광을 산란 및 굴절시키는 발색 피막을 균일하게 형성함으로써 색상이 균일하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 금속재 매트릭스는 그 종류나 형태는 특별히 제한하지는 않는다. 구체적으로는 예를 들면, 스테인레스강, 티탄(Ti), 마그네슘(Mg) 또는 이들의 합금을 금속재 매트릭스를 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 클리어층은 금속코팅에 적용 가능한 클리어 코팅제라면, 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 코팅에 적용 가능한 무광 클리어 코팅제 또는 유광/무광 클리어 코팅제 등을 들 수 있다.
본 발명은 하나의 실시예에서, 금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계;
수산화 피막 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
금속층 상에 클리어층을 형성하는 단계를 포함하는 금속재의 표면 처리 방법을 제공한다.
도 7은 본 발명에 따른 금속재의 표면 처리 방법을 도시한 공정도이다.
이하, 상기 도 7을 참고하여 금속재의 표면 처리 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계는 금속 표면에 색상을 구현하는 단계로서, 상기 색상은 금속재를 수산화 용액에 침지하여 표면에 발색 피막인 수산화 피막을 형성함으로써 구현할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 금속재의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 수산화 용액으로는 적용 가능한 수산화 용액으로는 수산화기(-OH기)를 포함하는 용액이라면 특별히 제한되지 않다. 보다 구체적으로, NaOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2 및 Ba(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 용해된 용액을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속재의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 수산화 용액의 농도는 1% 내지 40%, 보다 구체적으로는 5% 내지 20%일 수 있다. 또한, 상기 수산화 용액은 90℃ 내지 200℃, 보다 구체적으로 100℃ 내지 150℃, 보다 더 구체적으로 95℃ 내지 110℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 아울러, 표면 처리 시간은 1분 내지 500분, 구체적으로는 10분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 상기 표면 처리 조건 범위에서, 경제적으로 다양한 색상을 금속재 표면에 구현할 수 있으며, 수산화 피막 두께 증가로 인한 금속재의 고유 광택도 감소를 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 금속재로서 사용된 마그네슘의 표면 처리 경과시간에 따라 마그네슘 표면에 형성되는 수산화 피막의 두께가 증가되고, 발색되는 색상이 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 발색되는 색상은 수산화 피막의 두께에 따라 바뀌는 것을 의미한다. 따라서, 금속재 표면에서의 수산화 피막 형성 속도 조절을 통하여 발색되는 색상이 조절 가능하다는 것을 알 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 금속재의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 금속재를 수산화 용액에 침지하는 단계는,
금속재를 M1 농도의 수산화 용액에서 침지하는 제1 침지 단계; 및
금속재를 Mn 농도의 수산화 용액에서 침지하는 제n 침지 단계를 포함하며,
제1 및 제n 침지 단계에서, 수산화 용액의 농도는 각각 독립적으로 하기 수학식 1 및 2를 만족하고, n은 2 이상 6 이하의 정수인 방법으로 수행될 수 있다:
[수학식 1]
8≤M1≤25
[수학식 2]
Mn-1-Mn>3
수학식 1 및 2에서,
M1 및 Mn은 각 단계별 수산화 용액의 농도를 의미하며, 단위는 %이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 수산화 용액에 침지하는 단계는 금속재 표면에 색상을 구현하는 단계이다. 이때, 형성되는 수산화 피막의 두께 조절을 통하여 금속재 표면에 발색하는 색상을 조절할 수 있으며, 상기 수산화 피막의 두께 조절은 수산화 용액의 농도에 따라 조절이 가능하다. 따라서, 금속재를 침지하는 수산화 용액의 농도를 M1 내지 Mn, 구체적으로 M1 내지 M6; M1 내지 M5; M1 내지 M4; M1 내지 M3; 또는 M1 내지 M2;로 세분화하여 순차적으로 침지하면, 구현되는 색상의 미세한 색도차를 조절할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 수산화 피막 상에 금속층을 형성하는 단계는 수산화 피막에 의해 구현된 색상이 클리어층으로 인하여 변색되는 것을 방지하는 단계이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 마그네슘 표면에 수산화 피막 및 클리어층을 순차적으로 형성하는 경우, 마그네슘 표면에 구현된 색상은 색상을 발하는 발색광이 클리어층에서 재굴절 및 산란되어 변색될 수 있다. 상기 변색 정도는 클리어층의 두께에 의해서 다른데, 클리어층이 5 μm 내지 20 μm인 경우, 갈색으로, 30 μm 이상인 경우 흑색으로 변색될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라 수산화 피막과 클리어층 사이에 금속층을 도입하는 경우, 금속층이 클리어층에 의한 발색광의 굴절 및 산란을 최소화하고, 파장의 반사를 유도하므로 마그네슘 표면에 구현된 색상의 변색을 방지할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 상기 금속층은 기존에 금속층을 형성하기 위하여 당업계에서 일반적으로 사용되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로는 진공증착법, 스퍼터링, 이온도금 및 이온 빔 증착으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 금속층은 클리어층에 의한 발색광의 재굴절 및 산란을 최소화하고 파장을 반사함으로써, 수산화 피막에 의해 발색되는 색상을 유지할 수 있는 금속이라면, 특별히 제한하지는 않는다. 구체적으로는, Al, Cr, Ti 및 Au으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 금속을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속층 표면에 클리어층을 형성하는 단계는 금속재의 내스크레칭 및 내구성을 향상시키는 단계로서, 금속층 상에 무광 또는 유광/무광 클리어 코팅제를 이용하여 클리어층을 도입하는 단계이다.
상기 클리어층은 금속층 상에 클리어층을 형성하기 위하여 당업계에서 일반적으로 사용되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 금속재의 표면 처리 방법은 금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계 이전에,
알칼리 세정액을 이용하여 전해 탈지하는 단계; 및
금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계 이후에, 린싱하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전해 탈지하는 단계는 금속재를 수산화 용액에 침지하기 이전에 알칼리 세정액으로 전해 탈지함으로써, 금속재 표면의 오염 물질을 세정하는 단계이다. 이때, 알칼리 세정액은 금속의 표면을 세정을 위하여 통상적으로 사용되는 것이라면, 특별히 제한하지는 않는다.
또한, 상기 린싱하는 단계는 금속재를 수산화 용액의 침지하는 단계 이후에, 금속재 표면을 린싱함으로써 금속재 표면에 잔류하는 수산화 용액을 제거하는 단계이다. 이 단계에서는 금속재 표면에 잔류하는 수산화 용액을 제거함으로써 잔류 수산화 용액에 의한 추가적인 수산화 피막 형성을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
금속재인 1 cm X 1 cm의 마그네슘 시편을 알칼리 세정액에 침지하여 탈지하고, 탈지된 시편을 100℃, 10%의 NaOH 용액에 50분간 침지하였다. 그 후, 상기 시편을 증류수로 린싱하고, 건조 오븐에서 건조시킨 다음, 스퍼터링법으로 10 nm 내지 20 nm 두께의 크롬(Cr)층을 형성하였다. 상기 형성된 금속층에 액상인 무광 클리어 도료를 이용하여 120℃ - 150℃ 오븐 건조하여 클리어 코팅을 수행하여, 적색의 표면 처리 마그네슘 시편을 제조하였다. 이때, 코팅된 무광 클리어의 두께는 25 μm이다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 마그네슘 시편을 50분간 수산화 용액 침지하는 대신에 85분간 침지하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 녹색의 표면 처리 마그네슘 시편을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 마그네슘 시편을 50분간 수산화 용액 침지하는 대신에 10분간 침지하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 은색의 표면 처리 마그네슘 시편을 제조하였다. 제조된 시편에 대하여 투과전자현미경 촬영을 수행하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 마그네슘 시편에 형성된 크롬(Cr)층은 약 10 nm인 것을 알 수 있다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 마그네슘 시편을 50분간 수산화 용액 침지하는 대신에 10분간 침지하고, 크롬(Cr)층 대신에 알루미늄(Al)층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 은색의 표면 처리 마그네슘 시편을 제조하였다. 제조된 시편에 대하여 투과전자현미경 촬영을 수행하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 마그네슘 시편에 형성된 알루미늄(Al)층은 약 13 nm인 것을 알 수 있다.
비교예 1
금속재인 1 cm X 1 cm의 마그네슘 시편을 알칼리 세정액에 침지하여 탈지하고, 탈지된 시편을 100℃, 10%의 NaOH 용액에 85분간 침지하였다. 그 후, 상기 시편을 증류수로 린싱하고, 건조 오븐에서 건조시킨 다음, 액상인 무광 클리어 도료를 이용하여 120℃ - 150℃ 오븐 건조하여 클리어 코팅을 수행하여, 녹색의 표면 처리 마그네슘 시편을 제조하였다. 이때, 코팅된 무광 클리어의 두께는 5 μm이다.
비교예 2
상기 비교예 1에서 코팅된 무광 클리어의 두께가 30 μm 이상이 코팅하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 표면 처리된 마그네슘 시편을 제조하였다.
실험예 1. 표면 처리 금속의 발색 평가
본 발명에 따른 표면 처리 금속의 발색되는 색상 및 색상의 균일성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 표면 처리 마그네슘 시편의 색상을 육안으로 평가하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다. 또한, 실시예 2에서 제조된 시편에 대하여, 시편 상의 임의의 3 지점 A 내지 C를 선정하고, 선정된 지점의 색좌표를 측정하여 색좌표 편차를 구하여 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 색좌표 편차(ΔE)는 하기 수학식 3을 이용하여 도출하였다.
[수학식 3]
Figure 112013119004575-pat00001
임의의 점 L* a* b* ΔL* Δa* Δb* ΔE*
실시예 2-A 61.15 -12.20 5.24 - - - -
실시예 2-B 61.01 -12.18 5.64 0.14 0.02 0.40 0.424264
실시예 2-C 60.80 -12.52 5.58 0.34 0.32 0.34 0.577581
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속층을 포함하는 금속재의 경우, 수산화 피막에 의해 구현되는 색상이 클리어층 형성 후에도 유지되는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 살펴보면, 실시예 1 및 실시예 2에서 금속층을 형성하기 전, 수산화 피막에 의해 마그네슘 표면에 구현된 색상은 각각 적색 및 녹색으로 확인되었다. 이후, 상기 마그네슘 표면에 금속층 및 클리어층을 순차적으로 형성한 이후 색상을 확인해보면, 수산화 피막에 의해 구현된 색상이 변색되지 않고 발색되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 4를 살펴보면, 비교예 1 및 비교예 2에서 수산화 피막에 의해 마그네슘 표면에 구현된 색상은 각각 적색 및 녹색으로 확인되었으나, 상기 마그네슘 표면에 클리어층을 형성하면, 표면에 구현된 색상은 변색되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 변색되는 색상은 클리어층의 두께에 따라 갈색 또는 흑색인 것을 알 수 있다.
이는 마그네슘 표면으로 입사되는 광이 수산화 피막에 의해 굴절 및 산란되어 발색되는데, 이때, 발색하는 광이 다시 클리어층을 통과하면서 재굴절 및 산란을 일으키면서 변색되는 것을 의미한다. 그러나, 상기 수산화 피막과 클리어층 사이에 금속층을 도입하면, 금속층이 수산화 피막에서 굴절 및 산란된 발색광의 재굴절 및 산란을 최소화하고, 파장을 반사함으로써 발색되는 색상의 변색을 방지할 수 있다.
또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 발색되는 색상이 균일한 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 금속층을 포함하는 발색 처리된 실시예 2의 시편은 시편 상에 존재하는 임의의 3 지점에 대한 색좌표 편차가 0.14≤ΔL<0.34, 0.02≤Δa<0.34, 0.34≤Δb<0.40 및 0.424≤ΔE<0.578인 것으로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 발색 처리된 마그네슘의 색상이 균일하게 발색되는 것을 의미한다.
이로부터 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상하기 위하여 수산화 피막 상에 클리어층을 형성할 경우, 수산화 피막에 의해 구현된 색상의 변색을 방지하기 위해서는 수산화 피막과 클리어층 사이에 금속층을 형성해야 한다는 것을 알 수 있다. 또한, 이렇게 금속층을 포함하는 표면 처리 금속은 발색되는 색상이 균일한 것을 알 수 있다.
실험예 2. 수산화 용액 침지시간에 따른 금속의 발색 평가
본 발명에 따라 발색되는 금속재의 수산화 용액 침지시간에 따른 발색 정도를 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
금속재인 1 cm X 1 cm의 마그네슘 시편을 알칼리 세정액에 침지하여 탈지하고, 탈지된 시편을 100℃, 10% NaOH 용액에 240분간 침지하였다. 이때, 마그네슘 시편을 NaOH 용액에 침지한 직후, 5 내지 10분 간격으로 시편의 색상을 육안으로 평가하였다. 또한, 표면에 생성된 수산화 피막의 상태를 확인하기 위하여 침지 80분, 170분 및 240분이 경과된 시점에 표면 처리된 시편의 투과전자현미경 및 주사전자현미경 촬영을 수행하였다. 상기 결과는 도 5 및 도 6에 나타내었다.
먼저, 도 5를 살펴보면, 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 수산화 용액에 침지하는 시간에 따라 다양한 색상이 발색되는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 수산화 용액에 침지되지 않은 은색의 마그네슘 시편을 수산화 용액에 침지하면, 시간이 경과됨에 따라 금색, 적색, 자주색, 남색 및 녹색으로 순차적으로 발색되며, 발색되는 색상은 일정한 주기를 가지며 반복되는 것으로 나타났다.
이로부터 수산화 용액에 금속재를 침지하는 시간에 따라 발색하는 색상이 상이함을 알 수 있다.
다음으로, 도 6을 살펴보면, 금속재 표면에 형성되는 수산화 피막의 두께는 수산화 용액에 침지한 시간이 경과됨에 따라 두꺼워지는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 마그네슘 시편을 수산화 용액에 침지한 후, 80분, 170분 및 240분이 경과된 시편에 대한 발색 피막의 두께를 측정한 결과, 수산화 피막의 두께는 각각 400 nm, 700 nm 및 800 nm로 시간이 경과됨에 따라 두께가 증가하는 것으로 나타났다.
이로부터, 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 수산화 용액 침지를 통하여 형성되는 수산화 피막에 의해 발색되는 것을 알 수 있다. 또한, 침지시간이 경과됨에 따라 표면에 형성되는 피막의 두께는 증가되며, 이러한 침지조건에 따른 피막의 두께 변화를 통하여 다양한 색상을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 표면 처리 금속은 수산화물 피막의 두께 조절을 통하여 다양한 색상을 균일하게 구현될 수 있다. 나아가, 상기 수산화 피막 상에 금속층 및 클리어층을 순차적으로 형성함으로써 표면에 구현된 색상의 변색없이 금속재의 내스크래치성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 금속재 매트릭스;
    금속재 매트릭스의 일면 혹은 양면에 형성된 수산화 피막;
    수산화 피막을 기준으로 금속재 매트릭스의 반대쪽 일면에 형성된 금속층; 및
    금속층을 기준으로 외측에 형성된 클리어층을 포함하고,
    상기 금속층은 Al, Cr, Ti 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 표면 처리 금속.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속층의 두께는 10 nm 내지 50 nm의 조건을 만족하는 표면 처리 금속.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가로 1cm 및 세로 1cm의 금속재 시편에 대하여,
    시편 상에 존재하는 임의의 3점에 대한 색좌표 편차(ΔL, Δa, Δb)는 ΔL는 0.5 이하, Δa는 0.7 이하 및 Δb는 0.6 이하 중 하나 이상의 조건을 만족하는 표면 처리 금속.
  5. 제 1 항에 있어서,
    수산화 피막의 두께는 50 nm 내지 2 μm인 조건을 만족하는 표면 처리 금속.
  6. 제 1 항에 있어서,
    금속재 매트릭스는 스테인레스강, 티탄(Ti) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 표면 처리 금속.
  7. 금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계;
    수산화 피막 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    금속층 상에 클리어층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 금속층은 Al, Cr, Ti 및 Au으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 금속을 포함하는 금속재의 표면 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계에 있어서,
    수산화 피막은 금속재 매트릭스를 수산화 용액에 침지하여 형성하는 금속재의 표면 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    수산화 용액은 NaOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2 및 Ba(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속재의 표면 처리 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    수산화 용액의 농도는 1% 내지 40%이고,
    상기 농도 단위 %는 수산화 용액에 용해된 수산화물의 중량 백분율을 나타내는 금속재의 표면 처리 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계는,
    금속재 매트릭스를 M1 농도의 수산화 용액에서 침지하는 제1 침지 단계; 및
    금속재 매트릭스를 Mn 농도의 수산화 용액에서 침지하는 제n 침지 단계를 포함하며,
    제1 및 제n 침지단계에서, 수산화 용액의 농도는 각각 독립적으로 하기 수학식 1 및 2를 만족하고, n은 2 이상 6 이하의 정수인 금속재의 표면 처리 방법:
    [수학식 1]
    8≤M1≤25
    [수학식 2]
    Mn-1-Mn>3
    수학식 1 및 2에서,
    M1 및 Mn은 각 단계별 수산화 용액의 농도를 의미하며,
    단위는 수산화 용액에 용해된 수산화물의 중량 백분율을 나타내는 %이다.
  12. 제 7 항에 있어서,
    수산화 피막 상에 금속층을 형성하는 단계에서,
    금속층은 진공증착법, 스퍼터링, 이온도금 및 이온 빔 증착으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성하는 금속재의 표면 처리 방법.
  13. 삭제
  14. 제 7 항에 있어서,
    금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계 이전에,
    알칼리 세정액을 이용하여 전해 탈지하는 단계; 및
    금속재 매트릭스 표면에 수산화 피막을 형성하는 단계 이후에, 린싱하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 더 포함하는 금속재의 표면 처리 방법.
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