KR20140083820A - 표면처리강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면처리강판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면처리강판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 윤활성과 내식성이 우수한 표면처리강판에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 전기전도도 등의 특성이 매우 우수한 그래핀(graphene)을 소지강판의 표면에 일정 두께를 갖는 층상으로 형성시켰으며, 이로 인해 윤활성과 내식성이 우수한 표면처리강판을 얻을 수 있다.

Description

표면처리강판 및 이의 제조방법 {SURFACE TREATED STEEL SHEET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 표면처리강판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 윤활성과 내식성이 우수한 표면처리강판에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 차체 등에 적용되는 강판은 자동차사에서 차체를 조립한 후 인산염 처리와 도장을 거친다. 이때 조립된 자체 중 강판이 겹치는 부위가 여러 곳 발생하게 되는데, 이 겹쳐진 부위에는 인산염이나 도료가 침입하기 어려워 내식성이 취약해지는 문제점이 있다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해서, 강판이 겹쳐지는 부위에 실링(sealing) 처리하여 부식인자가 그 부위에 접근하는 것을 차단하는 방안이 적용된 바 있었다. 그러나, 이는 최종 제품의 생산성 하락과 함께 원가상승을 유발하는 문제가 있어, 결국 실링 처리를 배제하면서 내식성이 우수한 표면처리강판이 요구되고 있는 실정이다.
최근에는, 실링 처리를 생략한 표면처리강판으로서 소지강판 상에 유기피막을 도포한 강판에 대해 널리 연구되고 있으며, 실제로 일정 두께의 유기피막층을 갖는 표면처리강판이 상용화되고 있다.
이와 같이, 유기피막층을 갖는 표면처리강판은 인산염이나 도장처리가 되지 않는 부위에서도 내식성을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 두꺼운 유기피막층에 의해 전기저항용접성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 내식성을 우수하게 확보하면서도, 이후의 가공처리에 영향을 미치지 않는 표면처리강판이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 윤활성과 내식성이 우수하게 확보된 표면처리강판 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 소지강판을 고정하는 단계; 및 상기 CVD 챔버를 300~1300℃로 가열한 후 상기 CVD 챔버 내로 캐리어 가스 및 메탄 또는 에틸렌 중 1종과 수소(H2) 가스의 혼합가스로 구성되는 전구체 가스를 공급한 후 냉각하여 소지강판 표면에 그래핀 층(graphene layer)을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 소지강판의 표면에 형성된 그래핀 층(graphene layer)의 평균 두께는 1~50nm인 표면처리강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기한 제조방법에 의해 제조되는 표면처리강판에 관한 것으로서, 소지강판 및 상기 소지강판의 편면 또는 양면에 그래핀 층(graphene layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리강판을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 강판 표면에 그래핀 층(graphene layer)을 형성시킴으로써 윤활성과 내식성을 동시에 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 상술한 그래핀 층을 CVD 법으로 형성함으로써 균일하고 일정한 두께의 그래핀 층을 포함하는 표면처리강판이 제조될 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 따른 표면처리강판은 내식성을 필요로 하는 자동차, 건자재, 가전제품 등의 강판으로서 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 CVD 챔버의 일 형태를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 자동차 자체 등에 적용되는 표면처리강판에 있어서, 기존의 표면처리강판에 비해 내식성이 우수하고, 이후의 가공처리에도 적합하게 활용할 수 있는 표면처리강판을 도출해내기 위해 깊이 연구한 결과, 전기전도도, 기계적 강도 등의 물성이 매우 우수한 그래핀(graphene)을 일정 두께로 형성시킬 경우 균일하게 형성된 그래핀 층(graphene layer)에 의해 내식성, 윤활성뿐만 아니라 그래핀이 갖는 여러 고유 물성들도 동시에 확보할 수 있는 표면처리강판을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
그래핀(Graphene)은 탄소 원자로 이루어지고, 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로서, 탄소가 육각형의 형태로 연결된 벌집모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질이다.
본 발명에서는 상기 그래핀을 소지강판의 표면에 형성시킴으로써 신규한 개념의 표면처리강판을 제안한다. 즉, 본 발명의 발명자들의 연구결과에 따르면 상기 그래핀은 탄소계 재료로서 윤활성이 우수할 뿐만 아니라, SP2 구조로 육각형의 탄소원자로 판상 구조를 이루고 있기 때문에 부식환경에 필요한 수분(H2O)이 통과하지 못하므로, 이러한 그래핀을 소지강판 표면에 형성시킴으로써 내식성을 부여할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 윤활성과 내식성이 우수한 표면처리강판으로서, 소지강판과 상기 소지강판의 편면 또는 양면에 그래핀 층이 형성된 표면처리강판을 제안한다.
이때, 상기 소지강판의 편면 또는 양면에 형성되는 각 그래핀 층의 두께는 1~50nm인 것이 바람직하다. 소지강판의 편면 또는 양면에 형성되는 그래핀 층의 평균 두께가 1nm 미만으로 형성되면 그래핀 고유의 특성이 발현되기 어려우며, 반면 그래핀층이 50nm 를 초과하여 형성되면 그래핀 특성을 발휘하기에는 문제가 없을 수 있으나, 그 층이 균일하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 목적하는 바를 만족하는 표면처리강판을 제조하기 위해서는 그래핀 층을 평균 두께 1~50nm 로 형성함이 바람직할 것이다.
본 발명의 유리한 표면처리강판을 제조하는 방법으로는 소지강판의 편면 또는 양면에 그래핀 층을 형성할 수 있는 방법이라면 특별히 제한하지 않는다. 다만, 통상 생각할 수 있는 바와 같이 그래핀을 미리 제조한 후 제조된 그래핀을 소지강판의 표면에 층을 이루도록 도포하는 방법 등이 있을 수 있으나, 이러한 방법들은 공정의 효율성 또는 부착강도 등에 문제가 있을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일측면은 그래핀을 제조하지 않는 방법으로서 보다 바람직한 방법을 제안한다. 즉, 본 발명에서는 화학기상증착(CVD)법을 이용하여 소지강판의 표면에 그래핀 층을 형성한다.
화학기상증착(CVD)법은 기체상태의 화합물을 가열된 모재의 표면에서 반응시키고, 상기 반응에 의해 생성된 생성물을 모재의 표면에 증착시키는 방법으로, 목적하는 화합물을 합성하기 위한 방법으로서 많이 이용되고 있다. 상기 CVD 법은 융점이 높아 제조하기 어려운 재료를 융점보다 낮은 온도에서 용이하게 제조할 수 있으며, 순도가 높고, 대량생산이 가능하며 비용이 물리적 증착법에 비해 적다는 특징을 갖는다.
따라서, 본 발명자들도 이러한 CVD 법을 철강재에 이용할 경우, 철강재 표면상에 목적하는 화합물 즉, 그래핀을 용이하게 형성할 수 있을 것으로 판단하였다.
이하에서는 본 발명 일 측면에 따른 표면처리강판의 제조방법의 구체적인 일 구현례를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 구현례에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 구현례를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
먼저, 본 발명의 일 측면인 그래핀 층을 포함하는 표면처리강판의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 표면상에 그래핀 층이 형성된 표면처리강판을 제조하기 위한 바람직한 일 예로서, CVD 챔버 내에 소지강판을 준비하는 단계; 및 상기 CVD 챔버를 가열하고, 캐리어 가스 및 메탄 또는 에틸렌 중 1종과 수소(H2) 가스의 혼합가스로 구성되는 전구체 가스를 공급한 후 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 표면처리강판 제조방법에 적용되는 소지강판은 특별히 한정되지는 않으며, 일반적인 철강재이면 충분하다. 예컨대, 탄소(C)를 2.0중량% 이하(0%는 제외)로 포함하면서, 이외의 적절한 성분계를 갖는 강재가 사용될 수 있으며, 일 예로서 탄소(C): 2.0중량% 이하(0%는 제외), 망간(Mn): 0.03~0.20%, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.003~0.025%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 강재일 수 있다.
상술한 바와 같은 소지강판이 준비되면, 이 소지강판을 CVD 챔버(chamber)에 위치시킬 수 있다.
이때, 사용되는 CVD 챔버는 일반적으로 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)법을 적용할 수 있는 어떠한 CVD 챔버도 가능하며, 바람직하게는 도 1에 나타낸 바와 같이 CVD 챔버 내에 소지강판(10)을 고정할 수 있는 홀더부(12) 및 지지대(11)가 구비되어 있는 것이 바람직하다.
도 1과 같이 구성되는 CVD 챔버를 이용할 경우, 챔버 중앙에 소지강판(10)을 고정시킬 수 있고, 상기 고정된 소지강판(10)의 상부 및 하부 모두에서 가스 공급이 가능하므로, 본 발명에서는 상기 소지강판에 형성시키고자 하는 그래핀층을 소지강판의 1면뿐만 아니라 양면에도 용이하게 형성시킬 수 있다.
상기 CVD 챔버 내에 소지강판을 고정시킨 후, 상기 CVD 챔버를 가열하면서 캐리어 가스 및 전구체 가스를 상기 소지강판 상에 공급할 수 있다.
이때, 가열온도는 어떠한 성분조성을 갖는 소지강판을 적용하는가에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 300~1300℃로 설정할 수 있으며, 상기와 같이 고온으로 가열 시 챔버내 압력은 상압~0.1torr로 유지될 수 있다. 가열온도가 300℃ 미만으로 너무 낮으면 전구체 가스의 증착반응이 충분히 일어나지 못하고, 1300℃를 초과하여 너무 높으면 후술하는 원리에 의해 형성되는 그래핀이 높은 순도로 형성되기 어려운 문제가 있다.
또한, 공급되는 캐리어 가스 및 전구체 가스는 통상의 CVD 법에 적용되는 가스를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 캐리어 가스로는 비활성 가스인 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 안정성이 우수한 가스가 공급될 수 있으며, 또는 질소(N2) 가스가 사용될 수 있으며, 전구체 가스로는 메탄(CH4) 또는 에틸렌(C2H4) 등의 탄소가 함유된 가스와 수소(H2) 가스를 혼합하여 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 가스 량도 어떠한 성분조성을 갖는 소지강판이 적용되는 가에 따라서 달라질 수 있으므로 특별히 한정하는 것은 아니나, 예컨대 캐리어 가스의 경우 50~200sccm, 전구체 가스의 경우 메탄 또는 에틸렌은 10~100sccm, 수소의 경우 10~100sccm의 범위로 공급될 수 있다.
본 발명에서는 상기 가열 및 가스 공급 단계에 의해 소지강판의 1면 이상의 면에 그래핀을 형성시킬 수 있다. 소지강판 상에 그래핀을 형성하는 원리에 대해서는 하기에 상세히 설명한다.
상술한 바와 같은 성분조성을 갖는 소지강판을 도 1과 같이 구성되는 CVD 챔버 내에 이송시켜 챔버 내에서 고정시킨 후, 이 CVD 챔버를 고온 즉, 300~1300℃로 가열시키면서 캐리어 가스(예컨대, Ar)와 함께 전구체 가스(예컨대, C2H4 및 H2)를 주입한다. 이때, 챔버 내에 공급된 전구체 가스 즉, C2H4 가스가 고온에 의해 용융되어 CH-radical 또는 CH2-radical 상태로 분해되고, 이 라디칼(radical) 들이 소지강판의 표면과 반응함으로써 탄소(C)가 육각형 형태로 연결된 구조를 갖는 그래핀(graphene)이 소지강판의 상부면 또는 하부면 또는 양면에 형성된다. 이때의 그래핀은 고온에서 형성되었으므로 대부분 용융상태로 존재한다.
상술한 바에 따라 소지강판 상에 그래핀을 형성할 때, 전구체 가스 중 실제 그래핀 층 형성에 관여하는 예컨대, C2H4 가스와 H2 가스의 양이 많을수록 그래핀 형성에 유리할 것이다. 그러나, 공급된 여러 가스들에 비해서 C2H4 가스의 양이 지나치게 많으면 그래핀이 불규칙하게 적층된 형태인 그라파이트(graphite)가 형성될 수 있으며, 이에 반해 H2 가스의 양이 지나치면 증착속도가 너무 느리게 되는 문제가 있다.
따라서, 전체적으로 규칙적인 그래핀의 형성을 위해서는 전구체 가스 공급시 적절한 범위의 비율로 공급함이 바람직할 것이다.
이후, 상기 고온에서 그래핀을 형성시킨 소지강판을 상온(RT)까지 냉각할 수 있다.
그래핀이 형성된 소지강판을 냉각시키는 방법으로는, 상기에서 캐리어 가스로 이용된 아르곤(Ar) 등의 비활성 가스를 소지강판 표면에 공급함으로써 이루어질 수 있다.
상기 냉각에 의해 상기에서 형성된 용융상태의 그래핀이 고체상태로 되면서 그래핀 층을 이루게 되고, 바람직하게 1~50nm의 평균 두께로 그래핀 층이 형성된다.
상기한 바에 따라, 양면에 그래핀층이 형성된 표면처리강판은 편면에만 그래핀층이 형성된 강판에 비해 보다 우수한 내식성 등의 효과를 가질 것이며, 현재보다 더 우수한 내식성 등을 요구하는 자동차나 가전 등의 업계에서는 이를 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기하는 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
탄소를 0.1 중량%로 함유하는 강판을 소지강판으로 준비한 후, 상기 소지강판의 표면을 처리 또는 미처리하였다. 이때, 표면처리는 온도가 1100℃, 압력이 0.1torr로 유지되는 CVD 챔버에 소지강판을 이송하여 고정시킨 후, 상기 챔버 내에 캐리어 가스(80sccm 아르곤 가스) 및 전구체 가스(20sccm 메탄 및 20sccm 수소의 혼합가스)를 공급하여 두께 10~20nm의 그래핀층을 형성(편면)시킨 후, 상온까지 냉각하였다.
이후, 상기 각 강판의 윤활성 및 내식성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 평가방법은 다음과 같다.
윤활성: 평면마찰시험기(비드를 강판위에서 일정한 압력(600kg/중)으로 인가한 뒤 20cm 정도를 수평방향으로 이동시켜 평균 마찰계수를 측정하는 장비)를 이용하여 마찰계수를 측정하였다. 이때, 마찰계수가 작을수록 윤활성이 우수하며, 평가기준은 우수: 마찰계수 0.15 이하, 불량: 0.15초과 로 평가하였다.
내식성: 제조된 강판을 염수 분무시험에 의해 내식성을 평가하였다. 이때, 백청 발생면적이 시편 표면적의 5%가 될 때까지 경과 시간으로 평가하였다.
구분 윤활성
(마찰계수)		 내식성
(Hr)
비교예 0.3 24
발명예 0.14 35
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 소지강판 표면에 그래핀층을 형성시킨 발명예의 경우 그래핀층을 형성시키지 않은 종래의 강판(비교예)에 비해 낮은 마찰계수를 갖고, 내식성이 우수함을 확인할 수 있다.
10: 소지강판
11: 지지대
12: 홀더부

Claims (8)

  1. 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 소지강판을 고정하는 단계; 및 상기 CVD 챔버를 300~1300℃로 가열한 후 상기 CVD 챔버 내로 캐리어 가스 및 메탄 또는 에틸렌 중 1종과 수소(H2) 가스의 혼합가스로 구성되는 전구체 가스를 공급한 후 냉각하여 소지강판 표면에 그래핀 층(graphene layer)을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 소지강판의 표면에 형성된 그래핀 층(graphene layer)의 평균 두께는 1~50nm인 표면처리강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소지강판은 탄소(C): 2.0중량% 이하(0%는 제외), 망간(Mn): 0.03~0.20%, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.003~0.025%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재인 표면처리강판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 CVD 챔버 내 압력은 상압~0.1torr인 표면처리강판의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 비활성 가스나 질소(N2)인 표면처리강판의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 50~200sccm, 메탄 또는 에틸렌은 10~100sccm 및 수소는 10~100sccm으로 공급하는 표면처리강판의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 표면처리강판에 있어서,
    소지강판 및 상기 소지강판의 편면 또는 양면에 그래핀 층을 포함하는 표면처리강판.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 그래핀 층은 평균 두께 1~50nm인 표면처리강판.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 소지강판은 탄소(C): 2.0중량% 이하(0%는 제외), 망간(Mn): 0.03~0.20%, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.003~0.025%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재인 표면처리강판.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019517095A (ja) * 2016-03-07 2019-06-20 タタ、スティール、ユーケー、リミテッドＴａｔａ Ｓｔｅｅｌ Ｕｋ Ｌｉｍｉｔｅｄ 電池ケース用の鋼板の製造方法、およびその方法により製造される電池ケース

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