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KR101380916B1 - 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101380916B1
KR101380916B1 KR1020130083747A KR20130083747A KR101380916B1 KR 101380916 B1 KR101380916 B1 KR 101380916B1 KR 1020130083747 A KR1020130083747 A KR 1020130083747A KR 20130083747 A KR20130083747 A KR 20130083747A KR 101380916 B1 KR101380916 B1 KR 101380916B1
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KR
South Korea
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metal alloy
ceramic resin
weight
alloy
ceramic
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Application number
KR1020130083747A
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English (en)
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이은경
조용완
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(주)일광폴리머
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Publication date
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Abstract

금속 합금과 세라믹 수지 복합체가 개시된다. 본 발명의 금속 합금과 세라믹 수지 복합체는 표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하고, 탈지된 표면에 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 금속 합금; 및 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 30 - 70 중량%, 탄화규소 20 - 60중량%, 무기필러 5 - 7중량%, 분산제 3 - 5중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 포함하되, 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 상기 금속 합금의 표면에 상기 세라믹 수지재를 사출 성형으로 일체화한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 방열기능을 갖는 세라믹 수지와 금속 합금을 일체화시킴으로써, 각종 전자 기기, 가전제품, 의료 기기, 차량용 구조 부품, 차량 탑재용품, 건축 자재의 부품, 그 외의 구조용 부품, 외장용 부품뿐만 아니라, 엘이디 조명장치 등에서 유용하게 사용될 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.

Description

금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법{METALLIC ALLOY AND CERAMIC RESIN COMPOSITE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 방열기능을 갖는 세라믹 수지와 금속 합금을 일체화시켜 각종 전자 기기, 가전제품, 의료 기기, 차량용 구조 부품, 차량 탑재용품, 건축 자재의 부품, 그 외의 구조용 부품, 외장용 부품뿐만 아니라, 엘이디 조명장치 등에 이용되는 복합 구조물을 제공할 수 있는 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재, 인서트 몰딩 성형 기술을 이용하여 알루미늄 합금 성형체 또는 스테인리스 스틸 성형체 등의 성형체에, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 수지 등의 범용 엔지니어링 수지 또는 폴리페닐렌 설파이드 수지(PPS) 등의 슈퍼 엔지니어링 수지 등, 소위 엔지니어링 수지계 컴파운드(compound)를 몰딩하는 이종 재료 일체 성형 기술, 또는 마그네슘 합금과 나일론(PA) 수지와의 이종 재료 일체 성형 기술, 또한 실리콘 고무 또는 액상 불소계 엘라스토머 등의 열경화성 엘라스토머와 유리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 더욱이 폴리카보네이트(PC) 수지 등과의 이종 재료 일체 성형 기술이 폭 넓게 알려져 범용되고 있다. 그리고 이들 이종 재료 일체 성형 기술의 활용 분야로서는 노트북 컴퓨터, 프로젝터, 휴대전화, 게임기기 등등의 각종 전자제품의 하우징 용도로, 그리고 예를 들면 액정·플라스마 TV 또는 파라볼라 안테나 등의 가전 관련 각종 제품용 하우징 및 구성 부품으로서, 또한 자동차 관련의 각종 부품으로서 이종 재료 복합 성형체가 여러 분야에서 활용되고 있다.
이와 같이 인서트 몰딩 성형 기술이 여러 분야에서 활용될 수 있었던 것은, 의장성 및 기계적 강도 특성 등의 기능을 각종 금속·합금 성형체로 구현시키고, 한편 금속제로는 목적을 해결할 수 없는 열적·전기적 절연성 또는 경량성 확보 등의 기능을 각종 엔지니어링 수지·각종 열경화성 엘라스토머 등으로 실현시키는 등, 각각의 소재의 특성을 잘 조합할 수 있는 점에 있다고 이해된다.
이러한 금속 합금과 수지와 같은 이종 재료의 일체 성형 기술은 대한민국특허문헌에 다양하게 개시되어 있다. 대한민국공개특허 제10-2012-0132848호(공개일자 : 2012.12.10), 대한민국공개특허 제10-2011-0133119호(공개일자 : 2011.12.12), 대한민국공개특허 제10-2009-0055052호(공개일자 : 2009.06.02) 등이 개시되어 있다.
이와 같이 금속 합금과 수지를 일체화시키는 기술은 다양하게 개시되었으나, 방열특성을 갖는 수지, 예를 들면, 세라믹을 포함하는 수지와 금속 합금을 일체화시키는 기술은 제시되지 않았다. 즉, 최근에는 엘이디 조명의 방열 구조물을 포함하는 전자기기의 부품 제조시 사용되는 소재로서 기계적, 전기적 특성이 저하되지 않으면서 방열특성이 향상된 다양한 종류의 수지조성물이 개발되었으나, 이러한 방열기능을 갖는 수지와 금속 합금을 일체화시키는 기술이 제시되지 않음으로써, 다양한 분야에서의 적용 곤란한 문제점이 있었던 것이다.
대한민국공개특허 제10-2012-0132848호(공개일자 : 2012.12.10) 대한민국공개특허 제10-2011-0133119호(공개일자 : 2011.12.12) 대한민국공개특허 제10-2009-0055052호(공개일자 : 2009.06.02)
본 발명의 목적은, 방열기능을 갖는 세라믹 수지와 금속 합금을 일체화시켜 각종 전자 기기, 가전제품, 의료 기기, 차량용 구조 부품, 차량 탑재용품, 건축 자재의 부품, 그 외의 구조용 부품, 외장용 부품뿐만 아니라, 엘이디 조명장치 등에 이용되는 복합 구조물을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하고, 탈지된 표면에 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 금속 합금; 및 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 31 - 79 중량%, 탄화규소 20 - 66중량%, 첨가제 1 - 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 포함하되, 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 상기 금속 합금의 표면에 상기 세라믹 수지재를 사출 성형으로 일체화한 것을 특징으로 하는 금속 합금과 세라믹 수지 복합체에 의해 달성된다.
상기 탄화규소는, 1 - 10nm 크기의 분말 형태로 사용될 수 있다.
상기 첨가제는, 첨가제 합계를 100중량부로 하여, 무기필러 25 - 35중량%, 분산제 35 - 40중량%, 응고제 30 - 35중량%를 포함할 수 있다.
상기 금속 합금은, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 제조하기 위한 방법으로서, a) 금속합금 표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하는 탈지공정; b) 탈지공정이 수행된 금속합금의 표면에 있는 산화막을 제거하고, 산화물이 제거된 금속합금의 표면을, 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷을 형성하는 언더컷 형성공정; c) 수지와 탄화규소를 포함하는 세라믹 수지재를 제조하는 세라믹 수지 제조공정; 및 d) 언더컷 형성공정이 수행되어 표면에 언더컷이 형성된 금속 합금을 사출성형금형에 투입한 후, 금속 합금의 표면에 상기 세라믹 수지 제조공정으로 제조된 세라믹 수지재를 사출 접합하는 접합공정를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법에 의해 달성된다.
d) 세라믹 수지 제조공정은, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 31 - 79 중량%, 탄화규소 20 - 66중량%, 첨가제 1 - 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 얻을 수 있다.
상기 첨가제는, 첨가제 합계를 100중량부로 하여, 무기필러 25 - 35중량%, 분산제 35 - 40중량%, 응고제 30 - 35중량%를 포함할 수 있다.
상기 금속 합금은, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 탄화규소는, 1 - 10nm 크기의 분말 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 방열기능을 갖는 세라믹 수지와 금속 합금을 일체화시킴으로써, 각종 전자 기기, 가전제품, 의료 기기, 차량용 구조 부품, 차량 탑재용품, 건축 자재의 부품, 그 외의 구조용 부품, 외장용 부품뿐만 아니라, 엘이디 조명장치 등에서 유용하게 사용될 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 세라믹 수지는 금속과 같이 열에 의한 수축 팽창이 빠르게 일어나므로, 금속합금과 결합시에 팽창율 속도 차이에 의한 부착강도가 떨어지는 현상이 방지될 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 사출성형에 의해 금속 합금과 일체화될 때, 세라믹 수지가 방열 작용을 하게 되므로, 냉각이 신속하게 이루어지게 되어 사출속도가 향상되는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 방열기능을 갖는 세라믹 수지가 금속과 결합되어 일체화될 수 있음으로써, 기계적, 전기적 특성이 저하되지 않으면서 방열특성이 향상된 다양한 종류의 방열구조물이나 방열기능을 갖는 전자기기의 부품 제조가 가능하게 되는 효과를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법을 도시한 개략적 순서도이다.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 세라믹 수지의 표면을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3a,3b는 본 발명에 따른 세라믹 수지와 금속 합금의 접합면을 확대하여 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법을 도시한 개략적 순서도이다.
도 1을 참조하여, 금속 합금과 세라믹 수지 복합체 및 그 제조방법을 설명하기로 한다.
금속 합금과 세라믹 수지 복합체는, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 합금으로 이루어진 금속 합금에 탄화규소(SiC)를 주성분으로 하는 수지재가 사출성형에 의해 접합되어 일체화되어 이루어지는 것이다. 이를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
[금속 합금]
본 발명의 바람직한 실시예에서 사용하는 금속 합금은 알루미늄 합금으로 이루어진다. 알루미늄 합금은, 알루미늄 합금은 전신(展伸)용 합금, 주물용 합금으로 대별된다. 한편, 가공 경화만에 의해 경도, 인장 강도를 높이는 비열처리형 합금과, 열처리에 의해 기계적 성질을 개선하는 열처리 합금으로도 대별할 수 있다. 비열처리형 합금에 속하는 알루미늄 합금은 Al－Mg계 합금, Al－Mn계 합금, Al－Mg－Mn계 합금 등을 들 수 있다. 열처리형 합금에 속하는 알루미늄 합금은 Al－Cu－Mg계 합금, Al－Zn－Mg계 합금, Al－Mg－Si계 합금, 및 내열 알루미늄 합금 등이 있다. 주물용 합금은 또한 금형·사형(砂型)·쉘(shell) 주물용과 다이(die) 주물용 등으로 나누어진다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 적용되는 알루미늄 합금은 여러 종류의 것이 알려져 있고, 한국공업규격(KDS)에 의해 규격화되어 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 적용되는 알루미늄 합금은 가공전의 소재 형상으로서 판 형상, 봉 형상, 파이프 형상의 압출품 등의 중간 알루미늄 재료로부터 얻어지는데, 이는 절단, 절삭, 드로잉(drawing) 등의 가공, 밀링(milling)가공, 방전 가공, 프레스(press) 가공, 연삭 가공, 연마 가공 등의 기계가공에 의하여 부품 구조물로 가공되는 것이다.
따라서, 부품 구조물이 사출성형금형에 투입되면서 특정제품에 필요로 하는 형상 및 구조를 가지는 부품으로 가공되어 만들어지는 것이다.
[전처리 공정]
그리고, 필요한 형상, 구조로 가공된 알루미늄 합금으로 된 부품은, 접착해야 할 면이 두꺼운 산화막, 수산화막 등이 형성되어 있지 않아야 하고, 장기간의 자연 방치로 표면에 녹의 존재가 분명한 것은 연마, 블래스트(blast) 가공 등으로 표면을 제거하는 가공을 해야 한다. 녹 이외의 오염물, 즉 금속 가공 공정에서 부착된 표면의 유층, 운반으로 부착된 손가락 기름기 등은 다음과 같은 탈지 공정으로 제거하도록 한다.
즉, 알루미늄 합금으로 부품의 표면에는 가공유, 손가락 기름기, 금속 부스러기 등이 부착되어 있고, 또 샌드 블래스트(sand blast) 가공 등에 의한 가공 후에도 미세한 기름 방울이나 더러운 것이 붙어 있기 때문에 탈지, 세정되어야 한다. 일반적으로는 가공된 알루미늄 합금 부품을 공지의 탈지 처리를 위한 용제 탈지 처리기에 투입하여 처리하거나, 유제의 부착이 가벼운 정도인 경우에는, 시중에 시판되고 있는 알루미늄 합금용 탈지제를 용해시킨 수용액에 수분간 침지하여 수세하는 탈지 처리를 최초로 행한다. 또한, 표면을 화학적으로 깎아내어 청정한 알루미늄면을 내기 위해서, 40℃ 정도로 수% 농도의 묽은 가성 소다 수용액조를 준비하고, 이 가성소다 수용액조에 알루미늄 합금 부품을 침지한다.　
또한, 다른 조에 수% 농도의 염산 수용액, 질산 수용액, 1수소 2불화암모늄 수용액 등의 산성 수용액을 40℃ 정도로 하여 준비한다. 알루미늄 합금의 종류에 따라 사용하는 산액이 다르지만, 이러한 여러 종류의 용액을 준비해 두면 다른 알루미늄 합금에서도 대응할 수 있다. 가성 소다 수용액에 침지하여 수세한 알루미늄 합금 형상물은 이들 산액에 침지하고, 또한 수세하여 전처리 공정을 마친다.
또 다른 예로서, 계면활성제를 이용하여 알루미늄 합금에 묻은 기름성분을 제거할 수도 있다.
[언더컷 형성공정]
전술한 전처리 공정에 의해 탈지가 수행된 금속합금(알루미늄 합금)을, 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷을 형성한다. 즉, 전술한 전처리 공정을 종료한 알루미늄 합금을 산 수용액에 침지하여 알루미늄 합금의 표면에 초미세의 요철을 형성하기 위해서 에칭(etching)을 하는 것이다.
예를 들면, 황산과 개미산의 비율이 1:4 인 혼합액 수용액을 준비한 상태에서, 혼합액 수용액에 금속 합금을 침지시킨 후, 바람직하게는 온도 30 - 70℃에서, 시간 1 - 5분의 조건에서 산화막을 파괴시키고 표면처리를 진행시킬 수 있다.
바람직하게는, 0.5 - 3%의 황산 수용액과 2 - 10% 개미산으로, 40 - 70℃의 온도에서 1 - 5분 정도 처리를 하고, 수돗물로 세척하여 혼합액을 떨어트리고, 빠른 시간 안에 물기를 제거한다.
전술한 본처리 공정에서, 1분 미만으로 처리한 상태에서 수지재의 사출이 이루어지면, 복합 구조체에 대한 인장력이 낮게 나와 제대로 처리한 것과 차이가 나게 되고, 5분 이상으로 처리가 과하였을 경우에는 인장력에 대해서는 크게 변화되지 않지만 복합 구조물 자체의 두께가 줄어들어 처리액의 노후화가 빨라지는 문제가 있다.
이러한 에칭 과정에 의해 알루미늄 합금의 표면을 전자 현미경으로 관찰한 결과, 평균 내경(홀크기)이 1 ~ 10㎛으로 관찰되었다. 이러한 합금의 표면 거칠기를 측정한 결과 미세 언더컷들로 덮힌 표면의 평균 표면 거칠기(Rms)는 80 - 150㎛로 관찰되었다.
이러한 거칠기의 수치는, 언더컷들이 세라믹 수지와 알루미늄 합금의 접합시에 무수한 앵커(anchor) 효과로 매우 강한 접합력을 발생시키게 된다. 이때, 홀크기가 1㎛ 이하로 형성될 경우에는, 앵커 효과가 낮아 접합력이 저하되고, 10㎛ 이상으로 클 경우에는, 알루미늄 합금 자체의 강도가 떨어지는 문제가 발생하므로, 홀크기는 1 ~ 10㎛이 되도록 에칭하는 것이 바람직하다.
[세라믹 수지 제조공정]
한편, 세라믹 수지재는, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 31 - 79 중량%, 탄화규소 20 - 66중량%, 첨가제 1 - 3중량%를 포함하여 방열기능을 갖는 것이다.
이때, 탄화규소(Sic)가 20중량% 이하로 첨가되어 혼합될 경우에는, 세라믹 수지재의 열전도도, 즉 방열기능이 저하될 수 있고, 66중량% 이상으로 첨가되어 혼합될 경우에는, 세라믹 수지재의 강도가 약하여 쉽게 깨지기 쉽고, 사출성(사출성형성)이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 39 - 46중량%를 첨가하는 것이 바람직하고, 이 경우에, 수지는 51 - 60중량%, 그리고, 첨가제는 1 - 3중량%를 첨가한다.
보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
수지는, 전술한 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드 뿐만 아니라, 대부분의 열가소성수지들이 사용 가능하다
탄화규소는, 공유결합성이 높고 매우 견고하며 또한 분해 온도도 2,500℃ 전후로 매우 높은 화합물이다. 이러한 탄화규소의 결정에는 매우 많은 형이 존재하는 것으로, 화학적으로 안정적이고 내열성이 우수하며, 연마재, 내화재, 고온용열교환기, 저항발열체 등에 사용된다. 이와 같은 탄화규소는, 1 - 10nm 크기의 분말 형태로 사용되는 것이 바람직하다. 이는 10nm의 크기 이상으로 형성될 경우에는 분산성이 저하되기 때문이다.
첨가제는, 세라믹 수지의 성능, 즉 강성을 보완하거나 동일한 물성이 나타나도록 탄화규소의 분산성을 향상시키며, 고화 속도를 빠르게 하는 등 세라믹 수지의 성능을 향상시키기 위한 것이다.
무기필러, 즉 충전제는, 고분자재료의 물성(예컨대 강도, 탄성, 유연성, 내계절성, 내응력완화성, 도전성, 착색 등) 또한 성형가공성(예컨대 유동성, 수축성 등), 경제성(중량, 자원 절약 등)의 개선, 향상된 강성에 표면을 좋게 하고 휨을 보정하거나, 강성을 보완하기 위한 목적으로 고분자 중에 분산시키기 위해서 각종의 형상(입자상, 섬유상, 플레이크상 등)으로 배합하여 사용하는 무기재료로, 첨가제 합계 100중량부를 기준으로 대략 25 - 35중량%를 첨가한다.
이러한 무기필러는, 실리카 겔, 탄산칼슘, 산화 티타늄 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니고, 다양한 종류의 무기필러가 사용될 수 있으며, 열전도성 필러로서, 탄소섬유, 흑연, 산화아연, 알루미나, 결정성 실리카, 산화마그네슘, 질화알루미늄, 질화붕소 등이 사용될 수 있는 것이다.
그리고, 플라스틱(수지)의 특성개량를 위해 첨가제(additives)들로서 가소제, 안정제, 대전방지제, 난연제, 충전제, 착색제, 발포제, 윤활제, 조핵제, 경화제(가교제), 자외선흡수제 등이 더 첨가될 수도 있다.
분산제는, 큰 입자와 응집한 입자를 분쇄하여 보다 작은 입자와 콜로이드 입자로 만들 때 생성된 미소 입자의 응집을 방지하기 위해 가하는 것이다. 즉, 동일한 물성을 얻기 위한 것으로, 계면 활성제, 고분자 물질 등 흡착성 물질과 펩타이저도 사용된다. 이러한 분산제는, 첨가제 합계 100중량부를 기준으로 35 - 40중량%가 첨가된다.
응고제(촉매제)는, 냉각이 늦는 소재의 고화속도를 빠르게 하기 위한 것으로, 대부분 카본블랙을 사용한다. 이러한 응고제는, 첨가제 합계 100중량부를 기준으로, 30 - 35중량%가 첨가된다.
이와 같은 성분들로 이루어진 세라믹 수지재는, 탄화규소가 첨가됨으로써, 열전도율이 높게 되어 방열기능을 갖게 된다.
그리고, 도 2a,2b에 도시된 바와 같은 표면을 갖는다.
한 예로서, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 51중량%, 탄화규소 46중량%, 첨가제 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 금형으로 사출성형하여 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 얻었다.
이러한 세라믹 수지재는 아래 표 1에서 확인되는 바와 같은 물성을 나타냈다.
항목 단위 시험방법 수치
인장력 ㎏/㎠ ASTM 625.3
인장탄성율 ㎏/㎠ ASTM 59563.8
휨강도 ㎏/㎠ ASTM 420
휨 신장율 % ASTM 0.741
충격강도 23℃
-20℃
-40℃		 kg-cm/cm

 ASTM 1.787
ASTM -
ASTM -
열변형온도 ℃4.6㎏/㎠ ASTM 265
유동지수 g/10min
(250℃/2.16kg)		 ASTM ~12
경도 Rockwell R
M
Shor A
D		 ASTM ~77

-
수축율 Cm/cm ASTM 1.0 - 1.3%
비중 g/㎤ ASTM ~1.78
회분 % ASTM ~46
인화성 ASTM UL-94 V-0
열전도율 W/mk ASTM 4.2 - 4.5
다른 예로서, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 58중량%, 탄화규소 39중량%, 첨가제 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 금형으로 사출성형하여 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 얻었다.
이러한 세라믹 수지재는 아래 표 2에서 확인되는 바와 같은 물성을 나타냈다.
항목 단위 시험방법 수치
인장력 ㎏/㎠ ASTM 1011
인장탄성율 ㎏/㎠ ASTM 109806
휨강도 ㎏/㎠ ASTM 7000
휨 신장율 % ASTM 1.0-1.3
충격강도 23℃
-20℃
-40℃		 kg-cm/cm

 ASTM 1.8
ASTM -
ASTM -
열변형온도 ℃4.6㎏/㎠ ASTM
유동지수 g/10min
(250℃/2.16kg)		 ASTM ~12
경도 Rockwell R
M
Shor A
D		 ASTM -

-
수축율 Cm/cm ASTM -
비중 g/㎤ ASTM ~1.9
회분 % ASTM ~39
인화성 ASTM UL-94 V-0
열전도율 W/mk ASTM 1.5-1.8
위에서 제시한 각 예에서 확인되는 바와 같이, 탄화규소의 함량이 낮을 경우에, 즉 35중량% 이하로 첨가될 경우에는 열전도율이 현저하게 떨어지고, 50중량% 이상으로 첨가될 경우에는 재료(수지)의 강도가 약하여 깨지기 쉽고, 사출 성형성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 탄화규소는 35 - 50중량% 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
[접합공정]
전술한 과정들로 알루미늄 합금으로 된 재료와 세라믹수지가 제조되면, 접합공정를 수행한다. 즉, 사출성형 금형을 준비하고, 상형 금형(가동금형)을 열어 하형 금형(고정금형) 안에 가공된 금속 합금으로 된 부품 구조물을 투입한 후 상형 금형을 닫는다.
이어서, 세라믹 수지재를 전술한 금형으로 사출하면, 이종 재질인 금속 합금과 세라믹 수지재가 접합되어 일체화된 복합 구조체가 얻어질 수 있는 것이다.
사출성형시 열가소성 합성 수지 조성물의 조건은, 금형온도, 사출온도, 그리고 통상의 수지재 사출 온도에 적용되는 온도로서 그 사출성형이 이루어지도록 하였다. 즉, 금형 온도, 사출 온도는 높은 편이 좋은 결과가 얻어지지만, 무리하게 올릴 것은 아니고, 상기 열가소성 합성 수지 조성물을 사용하는 통상보다 높은 100℃ 이상으로서, 실제 금형의 온도보다는 금속 합금, 예를 들면, 마그네슘 합금제품의 온도가 100℃ 이상이 되면 접합성능은 최고로 이른다.
제품 설계상 제품에만 온도를 올릴 수 있으면 상,하측 금형의 온도는 낮아도 가능하다. 제품이 두껍거나 제품이 큰 경우는 사출 대기 시간으로 조절이 가능하다. 따라서 사출성형 금형은 이러한 고온에서 사용하는 것을 전제로 만들어야 할 것이다.
전술한 과정으로 접합된 합금 금속(알루미늄 합금)과 세라믹 수지의 접합면은 도 3a,3b에 도시된 바와 같이 치밀한 접합구조를 갖는다.
[실시예 1]
표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하고, 탈지된 표면에 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 알루미늄 합금으로서, 소정의 두께와 폭 그리고 길이를 갖는 편 형태로 가공된 금속 합금 재료와, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 51중량%, 탄화규소 46중량%, 첨가제 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 금형으로 사출성형하여 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 얻었다.
이러한 과정으로 얻어진 금속 합금과 세라믹 수지 복합체로 시편 10개를 각각 인장 파단시험을 통하여 전단 파단력을 측정한 결과, 평균 150kgf/㎠ 로 측정되었다.
[실시예 2]
표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하고, 탈지된 표면에 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 알루미늄 합금으로서, 소정의 두께와 폭 그리고 길이를 갖는 편 형태로 가공된 금속 합금 재료와, 수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 58중량%, 탄화규소 39중량%, 첨가제 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 금형으로 사출성형하여 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 얻었다.
이러한 과정으로 얻어진 금속 합금과 세라믹 수지 복합체로 시편 10를 각각 인장 파단시험을 통하여 전단 파단력을 측정한 결과, 200kgf/㎠ 로 측정되었다.
위 각 실시예에서 확인되는 바와 같이, 탄화규소가 39중량%로 첨가된 세라믹 수지의 경우에, 강도(전단 파단력)는 높으나, 금속 합금과의 접합면이 떨어지는 문제점이 있었고, 탄화규소가 46중량%로 첨가된 세라믹 수지의 경우에는, 전단 파단력은 탄화규소가 39중량%로 첨가된 세라믹 수지보다 높지는 않았으나, 접합면이 분리되지는 않았고, 세라믹 수지 자체가 파단되었다.
이러한 실시예를 통하여, 세라믹 수지에 첨가되는 탄화규소는, 35중량% 이하로 첨가될 경우에, 강도는 높으나 접합면이 쉽게 분리되고, 열전도율이 낮은 문제점이 있고, 46중량% 이상으로 첨가될 경우에, 강도는 35중량% 이하로 첨가된 수지에 비하여 낮으나, 접합면이 강하고, 열전도율이 높음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 금속 합금과 세라믹 수지 복합체에 적용되는 세라믹 수지는 탄화규소가 35- 50중량%, 바람직하게는 39 - 46중량%를 첨가되는 것이다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S1 : 탈지공정 S2 : 산화물 제거공정
S3 : 언더컷 형성공정 S4 : 세라믹수직 제조공정
S5 : 접합공정

Claims (9)

  1. 표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하고, 탈지된 표면에 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 금속 합금; 및
    수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 31 - 79 중량%, 탄화규소 20 - 66중량%, 첨가제 1 - 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 포함하되,
    홈부와 돌출부 언더컷이 형성된 상기 금속 합금의 표면에 상기 세라믹 수지재를 사출 성형으로 일체화한 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소는,
    1 - 10nm 크기의 분말 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는,
    첨가제 합계를 100중량부로 하여, 무기필러 25 - 35중량%, 분산제 35 - 40중량%, 응고제 30 - 35중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 합금은,
    알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체.
  5. 금속 합금과 세라믹 수지 복합체를 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 금속합금 표면의 기름성분을 계면활성제를 이용하여 제거하는 탈지공정;
    b) 탈지공정이 수행된 금속합금의 표면에 있는 산화막을 제거하고, 산화물이 제거된 금속합금의 표면을, 염산, 황산, 질산, 개미산으로부터 선택되는 1종 이상의 산 수용액으로 에칭하여, 평균 표면 거칠기가 80-150㎛ 인 홈부와 돌출부 언더컷을 형성하는 언더컷 형성공정;
    c) 수지와 탄화규소를 포함하는 세라믹 수지재를 제조하는 세라믹 수지 제조공정; 및
    d) 언더컷 형성공정이 수행되어 표면에 언더컷이 형성된 금속 합금을 사출성형금형에 투입한 후, 금속 합금의 표면에 상기 세라믹 수지 제조공정으로 제조된 세라믹 수지재를 사출 접합하는 접합공정를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    d) 세라믹 수지 제조공정은,
    수지분 합계를 100중량부로 하여, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌옥사이드들로부터 선택되는 1종 이상의 수지 31 - 79 중량%, 탄화규소 20 - 66중량%, 첨가제 1 - 3중량%를 포함하는 세라믹 수지재를 얻는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 첨가제는,
    첨가제 합계를 100중량부로 하여, 무기필러 25 - 35중량%, 분산제 35 - 40중량%, 응고제 30 - 35중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 금속 합금은,
    알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 탄화규소는,
    1 - 10nm 크기의 분말 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는,
    금속 합금과 세라믹 수지 복합체 제조방법.
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