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KR101596843B1 - 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법 - Google Patents

알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법 Download PDF

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KR101596843B1
KR101596843B1 KR1020150044039A KR20150044039A KR101596843B1 KR 101596843 B1 KR101596843 B1 KR 101596843B1 KR 1020150044039 A KR1020150044039 A KR 1020150044039A KR 20150044039 A KR20150044039 A KR 20150044039A KR 101596843 B1 KR101596843 B1 KR 101596843B1
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김학권
강선영
김민기
박순
윤병휘
김종선
김현
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재영솔루텍 주식회사
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    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
    • B29C45/14467—Joining articles or parts of a single article
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

알루미늄 또는 알루미늄 합금인 금속과 플라스틱 간의 결합력이 강화된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 제조 방법이 개시된다. 개시된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재를 전해액에 침잠시키는 전해액 침잠 단계, 전해액에 침잠된 금속 부재를 양극(anode)으로 하고 통전(通電)하여 금속 부재의 표면에 다수의 미세 기공이 형성된 산화알루미늄층을 형성하는 통전 단계, 미세 기공이 형성된 금속 부재를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계, 및 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재를 형성하는 플라스틱 결합 단계를 구비한다. 통전 단계에서 형성되는 미세 기공은, 금속 부재의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부와, 주된 기공부와 이어지며, 주된 기공부와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부를 갖는다.

Description

알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법{Method for fabricating aluminum based metal-plastic combination}
본 발명은 알루미늄, 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속과, 플라스틱 부재가 견고하게 접합되어 일체화된 금속-플라스틱 결합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 부재와 플라스틱 부재를 견고하게 접합하여 일체화한 금속-플라스틱 결합체는 산업의 많은 분야에서 사용된다. 예를 들어, 항공기의 부품이나 2차 전지의 하우징에도 이러한 금속-플라스틱 결합체가 사용된다. 금속-플라스틱 결합체는 크게 금속 부재와 플라스틱 부재를 접착제로 접합하는 방법과, 금속 부재를 금형 내부에 삽입한 채 인서트 사출(insert molding)을 행하여 금속 부재에 접합된 플라스틱 부재를 성형하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
접착제로 접합하는 방법이든, 인서트 사출하는 방법이든, 금속 부재와 플라스틱 부재 간의 접합력을 강화하기 위하여 금속 부재의 표면 처리 과정이 수행되고 있으며, 금속 부재의 표면 처리 과정을 쉽고, 빠르며, 비용이 저렴하고, 큰 접합력 강화 효과를 갖도록 개선하는 노력이 진행되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0922281호
본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 금속과 플라스틱 간의 결합력이 강화된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 금속의 플라스틱과 접합되는 부분의 표면 처리를 용이하고, 빠르며, 절감된 비용으로 수행할 수 있고, 금속과 플라스틱 간의 접합력도 강화되는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재를 전해액에 침잠시키는 전해액 침잠 단계, 상기 전해액에 침잠된 금속 부재를 양극(anode)으로 하고 통전(通電)하여 상기 금속 부재의 표면에 다수의 미세 기공이 형성된 산화알루미늄층을 형성하는 통전 단계, 상기 미세 기공이 형성된 금속 부재를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계, 및 상기 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재를 형성하는 플라스틱 결합 단계를 구비하고, 상기 통전 단계에서 형성되는 미세 기공은, 상기 금속 부재의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부와, 상기 주된 기공부와 이어지며, 상기 주된 기공부와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부를 갖는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 제공한다.
상기 플라스틱 결합 단계는, 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 상기 금속 부재에 접합된 플라스틱 부재를 성형하는 인서트 사출(insert molding) 단계를 구비할 수 있다.
상기 플라스틱 결합 단계는, 상기 인서트 사출 단계에 앞서서, 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 금속과 플라스틱 간의 결합력을 높여주는 액상의 프라이머(primer)를 도포하는 프라이머 도포 단계, 및 상기 도포된 액상의 프라이머를 경화하여 프라이머층(primer layer)을 형성하는 프라이머 경화 단계를 더 구비하고, 상기 프라이머는 우레탄계 수지와 에폭시계 수지가 혼합되어 형성될 수 있다.
상기 플라스틱 결합 단계는, 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 질소를 함유한 화합물을 흡착시키는 질소 화합물 흡착 단계, 및 상기 질소를 함유한 화합물이 흡착된 금속 부재를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 상기 금속 부재에 접합된 플라스틱 부재를 성형하는 인서트 사출(insert molding) 단계를 구비할 수 있다.
상기 질소 화합물 흡착 단계는, 암모니아(NH3), 히드라진(N2H4), 히드라진 유도체, 및 수용성 아민계 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 함유하는 수용액에 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재를 침잠시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 플라스틱 결합 단계는, 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 접착제를 도포하는 접착제 도포 단계, 및 플라스틱 부재를 상기 접착제가 도포된 금속 부재의 표면에 부착하고 상기 접착제를 경화하여, 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재를 연결하는 접착제층을 형성하는 접착제 경화 단계를 구비할 수 있다.
상기 주된 기공부의 내경은 50 내지 350 ㎛ 일 수 있다.
상기 미세 기공은 상기 주된 기공부 하나당 상기 부속 기공부를 복수 개 가질 수 있다.
본 발명의 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 상기 전해액 침잠 단계에 앞서서, 상기 금속 부재 표면의 불순물을 제거하는 금속 표면 정화(淨化) 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 금속 표면 정화 단계는, 상기 금속 부재의 표면에 에칭액을 적용하여 상기 금속 부재 표면에 자연적으로 형성된 산화막과 이물질을 제거하는 에칭 단계를 포함할 수 있다.
상기 에칭 단계는, 상기 금속 부재의 표면에 알칼리성 에칭액을 적용하는 알칼리 에칭 단계, 및 상기 알칼리 에칭 단계 후에 상기 금속 부재의 표면에 산성 에칭액을 적용하는 산성 에칭 단계를 포함할 수 있다.
상기 전해액 침잠 단계의 전해액에는 산화 촉진제가 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 표면에 주된 기공부와, 주된 기공부의 연장 방향과 교차되는 방향으로 연장된 부속 기공부를 갖는, 플라스틱 부재와의 접합력을 강화시켜주는 다수의 미세 기공이 형성된다. 따라서, 접합력이 강한 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체를 제조할 수 있고, 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 작업 용이하고 빠르며, 작업 비용도 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법에 의해 제조된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 다른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재, 즉 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금과 플라스틱의 결합체를 제조하는 방법으로, 금속 표면 정화 단계(S11), 전해액 침잠 단계(S12), 통전(通電) 단계(S13), 프라이머 도포 단계(S14), 프라이머 경화 단계(S15), 및 인서트 사출(insert molding) 단계(S16)를 포함한다. 프라이머 도포 단계(S14), 프라이머 경화 단계(S15), 및 인서트 사출 단계(S16)는, 미세 기공(14)이 형성된 금속 부재(11)의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재(18)(도 4 참조)를 형성하는 플라스틱 결합 단계의 일 예이다.
금속 표면 정화 단계(S11)는 전해액 침잠 단계(S12)에 앞서서, 금속 부재 표면의 불순물을 제거하는 단계로서, 탈지 단계, 에칭 단계, 화학 연마 단계, 및 디스머트(desmut) 단계를 모두, 또는 이들 단계 중에 일부를 포함할 수 있다. 상기 탈지 단계는, 금속 부재의 표면에 탈지액을 적용하여 금속 부재 표면의 유분(油分)을 제거하는 단계이다. 예를 들면, 금속 부재를 탈지액 속에 완전히 잠기도록 침잠시킨 후 꺼내는 방법이 적용될 수 있다. 탈지제와 물을 적절한 비율로 혼합하여 탈지액을 제조할 수 있다. 탈지액에서 꺼내진 금속 부재는 물로 세척된다. 탈지 단계를 통해 금속 부재의 표면 피막과 유분(油分)이 제거된다.
상기 에칭 단계는, 금속 부재의 표면에 에칭액을 적용하여 금속 부재 표면에 자연적으로 형성된 산화막과 이물질을 제거하는 단계로서 상기 탈지 단계 이후에 수행될 수 있다. 예를 들면, 금속 부재를 에칭액 속에 완전히 잠기도록 침잠시킨 후 꺼내는 방법이 적용될 수 있다. 에칭액으로 예컨대, 염산(hydrochloric acid), 질산(nitric acid), 황산(sulfuric acid) 등의 강산을 적어도 한 종류 포함한 수용액이 에칭액으로 적용될 수 있다. 상기 금속 부재의 표면이 과도하게 식각되지 않도록 에칭액의 농도, 금속 부재가 에칭액에 침잠되는 시간과 같은 에칭 조건을 적절하게 조정한다.
상기 에칭 단계는 금속 부재 표면에 알칼리성 에칭액을 적용하는 알칼리 에칭 단계와, 상기 알칼리 에칭 단계 후에 금속 부재의 표면에 산성 에칭액을 적용하는 산성 에칭 단계를 포함할 수 있다. 상기 알칼리성 에칭액은 물 1리터(liter)당 50 내지 100 g/l 농도의 수산화나트륨(NaOH) 수용액일 수 있다. 상기 금속 부재는 50 내지 60℃ 의 온도에서 상기 수산화나트륨 수용액에 40 내지 80초 동안 침지될 수 있다.
상기 산성 에칭액은 물 1리터(liter)당 20ml/l 농도의 불산(HF) 수용액 또는 황산(H2SO4) 수용액일 수 있다. 상기 금속 부재는 50 내지 60℃ 의 온도에서 상기 불산 수용액 또는 황산 수용액에 10 내지 50초 동안 침지될 수 있다. 상기 불산 수용액 또는 황산 수용액에는 상품명 GE-101과 같은 가소성 소다가 첨가될 수 있다. 알칼리 에칭 단계가 끝난 후, 및 산성 에칭 단계가 끝난 후에는 에칭액이 금속 부재 표면에 남아있지 않도록 물로 세척한다. 이와 같이 알칼리 에칭과 산성 에칭을 순차 시행하면 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 부재의 표면의 조직이 물러지고 부드러워져서 후속 단계에서 산화알루미늄층(12)(도 2 참조)이 용이하게 생성될 수 있다.
상기 화학 연마 단계는 화학 연마제를 적용하여 금속 부재의 표면을 매끄럽게 하고 광택을 내는 단계이다. 상기 디스머트(desmut) 단계는 상기 에칭 단계 후에 금속 부재의 표면에 남은 스머트(smut)를 제거하는 단계이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전해액 침잠 단계(S12)는 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재(11)를 전해액에 침잠시키는 단계이고, 통전 단계(S13)는 전해액에 침잠된 금속 부재(11)를 양극(anode)으로 하고 통전(通電)하여 금속 부재(11)의 표면에 다수의 미세 기공(14)이 형성된 산화알루미늄층(12)을 형성하는 단계이다. 산화알루미늄층(12)은 알루미늄(Al)이 산화되어 형성된 산화알루미늄(Al2O3)이 적층된 층(layer)이다. 전해액은 황산(sulfuric acid), 수산(oxalic acid), 및 인산(phosphoric acid) 중 적어도 하나를 포함하는 수용액이다.
상기 전해액에는 알루미늄(Al)의 산화를 촉진하기 위하여 예컨대, 상품명 ANOD-20AC 로 알려진 산화 촉진제가 포함될 수 있다. 다만, 본 발명에서 산화 촉진제는 상기 ANOD-20AC에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해액은 물 1리터(liter)당 20 내지 22중량% 농도의 황산(H2SO4)과, 15g/l 농도의 ANOD-20AC를 혼합한 수용액일 수 있다. 상기 금속 부재를 상온에서 상기 황산과 ANOD-20AC 의 혼합 수용액에 침지하고 통전하여 산화알루미늄층(12)을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 통전 단계(S13) 이후 프라이머 도포 단계(S14)에 앞서서 미세 기공(14)이 형성된 금속 부재(11)를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계를 더 구비한다. 산화 활성화제로는 예컨대, 상품명 NF-DC90으로 알려진 산화 활성화제가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명에서 산화 활성화제는 상기 NF-DC90에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 통전 단계(S13)로 미세 기공(14)이 형성된 금속 부재(11)는 40 내지 45℃의 온도에서 물 1리터(liter)당 5 내지 10 ml/l 농도의 NF-DC90 수용액에 4 내지 5분 동안 침지될 수 잇다. 상기한 산화 활성화 처리를 통해서 미세 기공(14)이 더욱 깊어지게 된다. 산화 활성화 처리를 통해 미세 기공(14)이 더욱 깊어지게 되면, 프라이머 도포 단계(S14) 및 프라이머 경화 단계(S15)를 거치지 않고도 인서트 사출을 통해 플라스틱 부재(18)가 금속 부재(11)에 견고하게 결합될 수 있다.
미세 기공(14)은 금속 부재(11)의 표면, 구체적으로는 산화알루미늄층(12)의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부(15)와, 상기 주된 기공부(15)와 이어지며, 주된 기공부(15)와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부(16)를 갖는다. 미세 기공(14)은 주된 기공부(15) 하나당 부속 기공부(16)를 하나씩 갖도록 구성될 수도 있고, 도 2의 확대 도면에 도시된 바와 같이 하나의 주된 기공부(15)에 복수의 부속 기공부(16-1, 16-2, 16-3)가 이어지게 구성될 수도 있다. 주된 기공부(15)가 연장된 방향과 평행한 가상의 주된 기공부 직선(MHL)은 제1 내지 제3 부속 기공부(16-1, 16-2, 16-3)가 연장된 방향과 평행한 가상의 제1 내지 제3 부속 기공부 직선(SHL1, SHL2, SHL3)과 교차한다.
주된 기공부(15)의 내경(HD)은 50 내지 350 ㎛ 일 수 있다. 상기 내경(HD)이 50 ㎛ 보다 작으면 인서트 사출 단계(S16)에서 프라이머와 액상의 수지가 미세 기공(14)으로 침투하기 어려워 금속 부재(11)와 플라스틱 부재(18)(도 4 참조) 사이에 강한 접합력을 기대하기 어렵다. 한편, 상기 내경(HD)이 350 ㎛ 보다 크면 금속 부재(11)와 플라스틱 부재(18)의 접합면이 깨끗하게 보이지 않으며 통전 시간이 길어져 작업 비용과 시간이 증대된다. 전해액 침잠 단계(S12)와 통전 단계(S13)에서 전해액의 온도는 10 내지 60℃, 통전 시간은 10 내지 120분이 적당하다.
도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 프라이머 도포 단계(S14)는 다수의 미세 기공(14)이 형성된 금속 부재(11)의 표면에 금속과 플라스틱 간의 결합력을 높여주는 액상의 프라이머(primer)를 도포하는 단계이다. 부연하면, 물체에 도료를 도포하거나 다른 종류의 물체를 접착시킬 때 서로 다른 종류의 물체가 서로 용이하고 견고하게 밀착되도록 소량의 접착 반응 개시제를 물체에 도포한 후 도료 또는 접착제를 사용할 수 있는데, 이때 소량으로 사용되는 접착 반응 개시제를 프라이머 또는 전처리제라고 한다.
금속 부재(11) 표면에 도포되는 프라이머는 우레탄(urethane)계 수지와 에폭시(epoxy)계 수지가 혼합되어 형성된다. 우레탄계 수지와 에폭시계 수지는 금속과의 접착력이 우수하고 내열성이 우수하여 프라이머의 내열성을 높여준다. 프라이머는 예컨대, 딥핑(dipping), 분무(spraying), 페인팅(painting), 실크 스크린 인쇄(silk screen printing)과 같은 방법으로 금속 부재(11)의 표면에 도포될 수 있다. 프라이머 도포 단계(S14)를 통해 다수의 미세 기공(14)이 프라이머로 채워진다.
프라이머 경화 단계(S15)는 금속 부재(11)의 표면에 도포된 액상의 프라이머를 경화하여 프라이머층(17)을 형성하는 단계이다. 프라이머를 경화하지 않으면 인서트 사출 단계(S16)에서 금속 부재(11)를 금형 내부에 안착시킬 때 액상의 프라이머가 금형 내부로 흘러내려 금형이 오염될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 따라서, 프라이머 경화 단계(S15)에서는 프라이머를 완전히 딱딱하게 경화시킬 필요까지는 없으며, 금속 부재(11)의 표면에서 흘러내리지 않을 정도로 경화시키는, 소위 반경화(半硬化) 정도면 충분하다.
프라이머를 경화하는 방법으로는, 금속 부재(11)를 가열하는 열 경화, 또는 금속 부재(11)에 자외선광(UV: ultraviolet ray)를 조사하는 UV 경화가 적용될 수 있다. 프라이머에 자외선광이 조사되면 경화하는 UV 수지가 포함되는 경우에 상기 UV 경화가 적용된다. 프라이머 경화 단계(S15)에 의해 형성된 프라이머층(17)의 두께(PT)는 5 내지 20 ㎛ 이다. 프라이머층(17)의 두께(PT)가 너무 얇으면 금속과 플라스틱간 접착력 강화의 효과가 나타나지 않을 수 있다. 반대로, 프라이머층(17)의 두께(PT)가 너무 두꺼우면 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 제조 원가가 커진다. 다만, 상기 프라이머 도포 단계(S14)와 프라이머 경화 단계(S15)는 본 발명에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법에 필수적인 단계는 아니다. 예컨대, 상술한 바와 같이 산화 활성화 처리를 거친 경우에는 프라이머 도포 및 프라이머 경화 단계 없이 액상 수지의 인서트 사출을 통해 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 4를 함께 참조하면, 인서트 사출 단계(S16)는 프라이머층(17)이 형성된 금속 부재(11)를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 금속 부재(11)에 접합된 플라스틱 부재(18)를 성형하는 단계이다. 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 사출 성형 금형은 서로 밀착 또는 이격되는 하부 코어(2) 및 상부 코어(5)를 구비한다. 하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 서로 마주보는 경계면에 프라이머층(17)이 형성된 금속 부재(11)가 끼워지고, 하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 서로 밀착되면, 플라스틱 부재(18) 성형용 캐비티(cavity)(8)가 형성된다.
하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 밀착된 상태에서 용융된 액상의 수지가 금형의 스프루 부시(sprue bush)(미도시)를 통해 상기 금형 내부로 사출되면 상기 액상의 수지는 러너(runner)(6)를 통해 캐비티(8)에 주입되어 채워지며 프라이머층(17)이 형성된 금속 부재(11)의 표면을 덮는다. 고온인 액상의 수지가 프라이머층(17)에 닿을 때 프라이머층(17)이 다시 용융되어 액상의 수지와 혼합되므로, 액상의 수지가 경화되어 플라스틱 부재(18)가 되었을 때 금속 부재(11)와 플라스틱 부재(18)가 접합된 부분의 접합력이 강화된다. 액상의 수지는 미세 기공(14)의 주된 기공부(15)는 물론 부속 기공부(16)까지 침투하여 채워지므로, 액상의 수지가 경화되었을 때 상기 미세 기공(14)에 채워지고 경화된 수지가 금속 부재(11)와 플라스틱 부재(18)의 분리를 방해하는 고리(hook)의 역할을 하여 접합력이 더욱 강화된다.
액상의 수지가 경화되어 플라스틱 부재(18)가 형성되면, 상부 코어(5)와 하부 코어(2)가 분리되고 일체로 형성된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체가 금형에서 취출된다. 인서트 사출 단계(S16)에서 캐비티(8)에 사출 주입되는 액상의 수지는 예컨대, 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리페닐렌설파이드(PPS: polyphenylene sulfide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS: acrylonitrile butadiene styrene), 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: polybutylene terephthalate)일 수 있다. 또는, 상술한 합성수지들 중에서 복수의 종류를 선택하여 혼합한 수지일 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법에 의해 제조된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재, 즉 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금과 플라스틱의 결합체를 제조하는 방법으로, 금속 표면 정화 단계(S21), 전해액 침잠 단계(S22), 통전 단계(S23), 접착제 도포 단계(S24), 및 접착제 경화 단계(S25)를 포함한다.
금속 표면 정화 단계(S21)는 전해액 침잠 단계(S22)에 앞서서 금속 부재(31) 표면의 불순물을 제거하는 단계이고, 전해액 침잠 단계(S22)는 상기 금속 부재(31)를 전해액에 침잠시키는 단계이고, 통전 단계(S23)는 전해액에 침잠된 금속 부재(31)를 양극으로 하고 통전하여 금속 부재(31)의 표면에 다수의 미세 기공(34)이 형성된 산화알루미늄층(32)을 형성하는 단계이다. 통전 단계(S23)에서 형성되는 미세 기공(34)은 금속 부재(31)의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부(35)와, 주된 기공부(35)와 이어지며 주된 기공부(35)와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부(36)를 갖는다. 상기 금속 표면 정화 단계(S21), 전해액 침잠 단계(S22), 및 통전 단계(S23)는 본 발명의 제1 실시예에 대한 언급에서 상술한 금속 표면 정화 단계(S11), 전해액 침잠 단계(S12), 및 통전 단계(S13)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 통전 단계(S23) 이후 접착제 도포 단계(S24)에 앞서서 미세 기공(34)이 형성된 금속 부재(31)를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계를 더 구비한다. 상기 산화 활성화 단계는 본 발명의 제1 실시예에 대한 언급에서 상술한 산화 활성화 단계와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
접착제 도포 단계(S24) 및 접착제 경화 단계(S25)는 다수의 미세 기공(34)이 형성된 금속 부재(31)의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재(38)를 형성하는 단계의 다른 일 예이다. 접착제 도포 단계(S24)는 다수의 미세 기공(34)이 형성된 금속 부재(31)의 표면에 접착제를 도포하는 단계이다. 도포된 접착제는 다수의 미세 기공(34)을 채운다. 접착제 경화 단계(S25)는 플라스틱 부재(38)를 접착제가 도포된 금속 부재(31)의 표면에 부착하고 접착제를 경화하여, 금속 부재(31)와 플라스틱 부재(38)를 연결하는 접착제층(37)을 형성하는 단계이다. 접착제의 종류에 따라 접착제 경화 방법은 열 경화 또는 UV 경화가 적용될 수 있다. UV 경화는 접착제에 자외선광이 조사되면 경화하는 UV 수지가 포함되는 경우에 적용된다.
상기 플라스틱 부재(38)는 금형(미도시)의 캐비티 내에 액상의 수지를 사출 주입하고 경화하여 성형할 수 있다. 상기 캐비티에 사출 주입되는 액상의 수지는 예컨대, 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리페닐렌설파이드(PPS: polyphenylene sulfide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS: acrylonitrile butadiene styrene), 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: polybutylene terephthalate)일 수 있다. 또는, 상술한 합성수지들 중에서 복수의 종류를 선택하여 혼합한 수지일 수도 있다.
다수의 미세 기공(34)에 채워진 채 경화된 접착제는 상기 미세 기공(34)에 삽입되어 있으므로 미세 기공(34)에서 분리되기 어렵다. 또한, 금속 부재의 표면이 매끄러운 경우보다 접착제와 금속 부재(31) 사이의 접합 면적이 증대된다. 따라서, 접착제층(37)을 매개로 한 금속 부재(31)와 플라스틱 부재(38)의 결합력이 강화된다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 도시한 블록도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 다른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다. 도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재, 즉 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금과 플라스틱의 결합체를 제조하는 방법으로, 금속 표면 정화 단계(S31), 전해액 침잠 단계(S32), 통전 단계(S33), 질소 화합물 흡착 단계(S34), 및 인서트 사출 단계(S35)를 포함한다.
금속 표면 정화 단계(S31)는 전해액 침잠 단계(S32)에 앞서서 금속 부재(41) 표면의 불순물을 제거하는 단계이고, 전해액 침잠 단계(S32)는 상기 금속 부재(41)를 전해액에 침잠시키는 단계이고, 통전 단계(S23)는 전해액에 침잠된 금속 부재(41)를 양극으로 하고 통전하여 금속 부재(41)의 표면에 다수의 미세 기공(44)이 형성된 산화알루미늄층(42)을 형성하는 단계이다. 통전 단계(S33)에서 형성되는 미세 기공(44)은 금속 부재(41)의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부(45)와, 주된 기공부(45)와 이어지며 주된 기공부(45)와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부(46)를 갖는다. 상기 금속 표면 정화 단계(S31), 전해액 침잠 단계(S32), 및 통전 단계(S33)는 본 발명의 제1 실시예에 대한 언급에서 상술한 금속 표면 정화 단계(S11), 전해액 침잠 단계(S12), 및 통전 단계(S13)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법은, 통전 단계(S33) 이후 질소 화합물 흡착 단계(S34)에 앞서서 미세 기공(44)이 형성된 금속 부재(41)를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계를 더 구비한다. 상기 산화 활성화 단계는 본 발명의 제1 실시예에 대한 언급에서 상술한 산화 활성화 단계와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
질소 화합물 흡착 단계(S34) 및 인서트 사출 단계(S35)는 다수의 미세 기공(44)이 형성된 금속 부재(41)의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재(48)를 형성하는 단계의 또 다른 일 예이다. 질소 화합물 흡착 단계(S34)는 다수의 미세 기공(44)이 형성된 금속 부재(41)의 표면에 질소를 함유한 화합물을 흡착시키는 단계이다. 참조 번호 '43' 은 산화알루미늄층(42)에 질소를 함유한 화합물이 흡착되어 형성된 질소 화합물 흡착층을 나타낸다.
구체적으로, 질소 화합물 흡착 단계(S34)는 암모니아(NH3), 히드라진(N2H4), 히드라진 유도체, 및 수용성 아민계 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 함유하는 수용액에 다수의 미세 기공(44)이 형성된 금속 부재(41)를 침잠시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 히드라진 유도체로는 예컨대, 카보디히드라지드(carbodihydrazide)이 사용될 수 있다. 수용성 아민계 화합물로는 예컨대, 메틸아민(CH3NH2), 디메틸아민((CH3)2NH), 트리메틸아민((CH3)3N), 에틸아민(C2H5NH2), 디에틸아민((C2H5)2NH), 트리에틸아민((C2H5)3N), 에틸렌디아민(H2NCH2CH2NH2), 모노에탄올아민(HOCH2CH2NH2), 아릴아민(CH2CHCH2NH2), 디에탄올아민((HOCH2CH2)2NH) 등이 사용될 수 있다.
수용액에서 상기 화합물의 농도는 2 내지 30%이고, 침잠 시간은 상온 내지 60℃ 에서 30분 이내이다. 예컨대, 암모니아 수용액의 경우에 10 내지 30% 농도, 상온하에서 15 내지 120분 침잠하고, 꺼내어 세척 및 건조한다. 암모니아 수용액에 금속 부재(41)를 침잠시키면, 금속 부재(41)의 알루미늄(Al)이 수소를 발포하며 알루민산 이온이 되어 용해되고 표면에 질소를 함유한 화합물이 흡착되어, 표면이 점착성을 띄게 된다.
한편, 질소 화합물 흡착 단계(S34)를 구현하는 다른 방법으로서, 상기 수용액을 금속 부재(41)의 표면에 분무하거나, 암모니아(NH3), 히드라진(N2H4), 히드라진 유도체, 및 수용성 아민계 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 가스화하여 금속 부재(41)를 가스에 접촉시켜 질소를 함유한 화합물을 금속 부재(41)의 표면에 흡착시킬 수도 있다.
도 7 및 도 9를 함께 참조하면, 인서트 사출 단계(S35)는 질소 화합물이 흡착되어 질소 화합물 흡착층(43)이 형성된 금속 부재(41)를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 금속 부재(41)에 접합된 플라스틱 부재(48)를 성형하는 단계이다. 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 사출 성형 금형은 서로 밀착 또는 이격되는 하부 코어(2) 및 상부 코어(5)를 구비한다. 하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 서로 마주보는 경계면에 금속 부재(41)가 끼워지고, 하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 서로 밀착되면, 플라스틱 부재(48) 성형용 캐비티(cavity)(8)가 형성된다.
하부 코어(2)와 상부 코어(5)가 밀착된 상태에서 용융된 액상의 수지가 금형의 스프루 부시(sprue bush)(미도시)를 통해 상기 금형 내부로 사출되면 상기 액상의 수지는 러너(runner)(6)를 통해 캐비티(8)에 주입되어 채워지며 질소 화합물 흡착층(43)이 형성된 금속 부재(41)의 표면을 덮는다. 액상의 수지가 점착성의 질소 화합물 흡착층(43)에 접촉하여 경화되므로 금속 부재(41)와 플라스틱 부재(48)가 접합된 부분의 접합력이 강화된다. 또한, 액상의 수지는 미세 기공(44)의 주된 기공부(45)는 물론 부속 기공부(46)까지 침투하여 채워지므로, 액상의 수지가 경화되었을 때 상기 미세 기공(44)에 채워지고 경화된 수지가 금속 부재(41)와 플라스틱 부재(48)의 분리를 방해하는 고리(hook)의 역할을 하여 접합력이 더욱 강화된다.
액상의 수지가 경화되어 플라스틱 부재(48)가 형성되면, 상부 코어(5)와 하부 코어(2)가 분리되고 일체로 형성된 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체가 금형에서 취출된다. 인서트 사출 단계(S35)에서 캐비티(8)에 사출 주입되는 액상의 수지는 예컨대, 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리페닐렌설파이드(PPS: polyphenylene sulfide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS: acrylonitrile butadiene styrene), 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: polybutylene terephthalate)일 수 있다. 또는, 상술한 합성수지들 중에서 복수의 종류를 선택하여 혼합한 수지일 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
2: 하부 코어 5: 상부 코어
11: 금속 부재 12: 산화알루미늄층
14: 미세 기공 17: 프라이머층
18: 플라스틱 부재 37: 접착제층

Claims (12)

  1. 알루미늄(Al)을 소재로 포함하는 금속 부재를 전해액에 침잠시키는 전해액 침잠 단계;
    상기 전해액에 침잠된 금속 부재를 양극(anode)으로 하고 통전(通電)하여 상기 금속 부재의 표면에 다수의 미세 기공이 형성된 산화알루미늄층을 형성하는 통전 단계;
    상기 미세 기공이 형성된 금속 부재를 산화 활성화제가 포함된 수용액에 침잠시키는 산화 활성화 처리 단계; 및,
    상기 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 일체로 결합된 플라스틱 부재를 형성하는 플라스틱 결합 단계;를 구비하고,
    상기 통전 단계에서 형성되는 미세 기공은, 상기 금속 부재의 표면에서 내측으로 일 방향으로 파여져 연장된 주된 기공부와, 상기 주된 기공부와 이어지며, 상기 주된 기공부와 교차하는 방향으로 파여져 연장된 부속 기공부를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 결합 단계는:
    상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 상기 금속 부재에 접합된 플라스틱 부재를 성형하는 인서트 사출(insert molding) 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 플라스틱 결합 단계는:
    상기 인서트 사출 단계에 앞서서, 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 금속과 플라스틱 간의 결합력을 높여주는 액상의 프라이머(primer)를 도포하는 프라이머 도포 단계; 및,
    상기 도포된 액상의 프라이머를 경화하여 프라이머층(primer layer)을 형성하는 프라이머 경화 단계;를 더 구비하고,
    상기 프라이머는 우레탄계 수지와 에폭시계 수지가 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 결합 단계는:
    상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 질소를 함유한 화합물을 흡착시키는 질소 화합물 흡착 단계; 및,
    상기 질소를 함유한 화합물이 흡착된 금속 부재를 금형 내부에 배치하고 용융된 액상의 수지를 사출하고 경화하여, 상기 금속 부재에 접합된 플라스틱 부재를 성형하는 인서트 사출(insert molding) 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 질소 화합물 흡착 단계는, 암모니아(NH3), 히드라진(N2H4), 히드라진 유도체, 및 수용성 아민계 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 함유하는 수용액에 상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재를 침잠시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 결합 단계는:
    상기 다수의 미세 기공이 형성된 금속 부재의 표면에 접착제를 도포하는 접착제 도포 단계; 및,
    플라스틱 부재를 상기 접착제가 도포된 금속 부재의 표면에 부착하고 상기 접착제를 경화하여, 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재를 연결하는 접착제층을 형성하는 접착제 경화 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 주된 기공부의 내경은 50 내지 350 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 미세 기공은 상기 주된 기공부 하나당 상기 부속 기공부를 복수 개 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전해액 침잠 단계에 앞서서, 상기 금속 부재 표면의 불순물을 제거하는 금속 표면 정화(淨化) 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 금속 표면 정화 단계는, 상기 금속 부재의 표면에 에칭액을 적용하여 상기 금속 부재 표면에 자연적으로 형성된 산화막과 이물질을 제거하는 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 에칭 단계는, 상기 금속 부재의 표면에 알칼리성 에칭액을 적용하는 알칼리 에칭 단계, 및 상기 알칼리 에칭 단계 후에 상기 금속 부재의 표면에 산성 에칭액을 적용하는 산성 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전해액 침잠 단계의 전해액에는 산화 촉진제가 포함되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 계열 금속-플라스틱 결합체 제조 방법.
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