WO2016195392A1 - 강도 증강용 구조체 및 그의 제조방법 - Google Patents

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백숙은
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유승균
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    • H04B1/3827—Portable transceivers
    • H04B1/3888—Arrangements for carrying or protecting transceivers

Definitions

  • the present invention relates to a structure for strengthening strength and a method of manufacturing the same, wherein the coating layer is formed of a tungsten-containing material on a surface of a non-metallic base or a metal base, and more particularly, to tungsten on the outer side and / or both sides of a synthetic resin or a metal base.
  • the present invention relates to a strength enhancing structure and a method for manufacturing the same, which can replace non-metal or metal panels, such as electronics cases, bodies, parts such as automobiles, airplanes, airships, and the like, which are required to be plated by plating baths containing the same. .
  • such a metal case also has a problem. That is, in order to manufacture such a metal case, 17 g case is manufactured by lathe-milling metal ingots, such as about 360 g of aluminum ingots and aluminum / magnesium alloy ingots. Company A does not manufacture these metal cases directly, but they are assembled by subcontractors. Subcontractors install numerous precision cutting machines to manufacture the cases. It is known that it takes about 40 minutes per machine to produce. In order to manufacture such a metal case, domestic S company, which is a late runner, installs a number of machines in Vietnam to manufacture the case, but it is still taking about 1 hour per machine.
  • the manufacturing method of the metal case is very expensive (the most expensive part cost of the actual mobile phone), the amount of wasted metal is great, and the production time is also high.
  • the thickness of the S company's global mobile phone itself was more than 7.6 mm, but the latest model has been thinned from 6.9 to 7.1 mm, and this thin cell phone is pressurized with both hands or placed in the back pocket of the pants.
  • the phone itself has been bent and has been published in the US and European newspapers as "New Apple is banana" and "BENDi PHONE 6". Many articles and comments are posted on the Internet. Despite these problems, consumers and the market are demanding mobile phones in metal cases.
  • Patent Documents 1 and 2 a method of die casting an aluminum alloy is disclosed in Patent Documents 1 and 2, but such a die casting method is cheaper than the method by the above-mentioned cutting process, it is advantageous for mass production, The precision is poor, the aesthetics of the exterior are poor, and it is hard to say that it is suitable for the world phone. In order to solve these shortcomings, it is not possible to forge the case made by die casting again, and the forging process itself is not possible. not.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0049079
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Registration No. 10-0824008
  • Patent Document 3 Republic of Korea Patent Registration No. 10-0690936
  • a synthetic resin product is obtained by injecting a synthetic resin product using a material having strong physical properties, selected from the group consisting of polyphenylene sulfide (PPS), polyamide, and fiber-reinforced resin among nonmetals, which contains tungsten It is characterized by plating in a plating bath 4 ⁇ 100 ⁇ m thickness.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • polyamide polyamide
  • fiber-reinforced resin among nonmetals which contains tungsten It is characterized by plating in a plating bath 4 ⁇ 100 ⁇ m thickness.
  • the synthetic resin product may be treated with a low temperature plasma to introduce a hydrophilic functional group to form a coating layer for workability and durability of the coating layer.
  • the metal is placed in a plating bath containing tungsten directly on the surface of aluminum or stainless steel to perform plating at a thickness of 4 to 100 ⁇ m, or by low temperature plasma treatment to form hydrophilic functional groups on the surface.
  • the formed metal is placed in a plating bath containing tungsten and plated to a thickness of 4 to 100 ⁇ m.
  • Strength-enhancing structure manufactured according to the present invention can replace the synthetic resin and metal products currently manufactured and used, and also exhibit excellent physical properties compared to the physical properties of the synthetic resin or metal products without significantly increasing the weight. Specific strength is high, such as the strength is greatly improved.
  • the metal plating surface of the product according to the present invention is plated with various precious metals such as gold and silver, so as to meet the demands of the consumer, and applied to various fields such as electronic case, automobile, and airplane body. It is an industrially useful invention, for example.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a structure for enhancing strength according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a bending stress simulation result of the entire electronics case made of aluminum as Comparative Example 1.
  • FIG. 2 is a view showing a bending stress simulation result of the entire electronics case made of aluminum as Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a button hole part of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view showing a bending stress simulation result of the entire electronics case made of a synthetic resin material as Comparative Example 2.
  • FIG. 4 is a view showing a bending stress simulation result of the entire electronics case made of a synthetic resin material as Comparative Example 2.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the button hole part of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a bending stress simulation result of an entire electronic case of a synthetic resin (PPS) material coated with a nickel-tungsten coating having a thickness of 10 ⁇ m according to an embodiment of the present invention.
  • PPS synthetic resin
  • FIG. 7 is an enlarged view of the button hole part of FIG. 6.
  • FIG. 8 illustrates bending stress simulation results of an entire electronics case made of a synthetic resin (PPS) material having a nickel-tungsten coating having a thickness of 20 ⁇ m according to another embodiment of the present invention.
  • PPS synthetic resin
  • FIG. 9 is an enlarged view of a buttonhole portion of FIG. 8.
  • FIG 10 is a graph showing the tensile strength according to the hardness of the surface of the synthetic resin structure according to the embodiment of the present invention.
  • Strength-enhancing structure according to the present invention is characterized in that the non-metal base or a coating layer made of a material containing tungsten on the surface of the metal base is formed.
  • low-temperature plasma treatment may be performed on the surface of the nonmetallic base or the metal base to form hydrophilic functional groups on the surface, and the coating layer may be formed on the surface of the metal or nonmetal on which the hydrophilic functional groups are formed.
  • the nonmetal base may be selected from the group consisting of high strength polyphenylene sulfide (PPS), polyamide, and fiber reinforced resin, and the metal base may be aluminum or stainless steel.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the metal base may be aluminum or stainless steel.
  • the coating layer may be blended with any one of tungsten compounds and compounds of nickel, cobalt, molybdenum and platinum, and may have a thickness of 4 to 100 ⁇ m.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a structure for enhancing strength according to the present invention.
  • the structure for enhancing strength is selected from the group consisting of polyphenylene sulfide (PPS), polyamide, and fiber-reinforced resin having higher strength than other synthetic resins.
  • the synthetic resin base 10 is manufactured by injection molding a synthetic resin, and the synthetic resin base is plated to a thickness of 4 to 100 ⁇ m in a tungsten-containing plating bath to form a coating layer 30.
  • the synthetic resin base 10 passes through a low-temperature plasma that does not cause thermal deformation to form a hydrophilic functional group on its surface, and then plasma treatment
  • the coating layer 30 may be formed on the surface of the synthetic resin base.
  • Polyphenylene sulfide (PPS), polyamide, and fiber-reinforced resins which are the synthetic resin base 10 materials, are known to have excellent mechanical properties such as tensile strength and compressive strength, compared to other synthetic resin materials. If it is one, other synthetic resin material which is not illustrated can be selected suitably.
  • the hydrophilic functional group is formed on the surface of the synthetic resin base 10 through a low temperature plasma process, the tungsten-containing coating layer 30 is firmly attached, thereby improving durability.
  • the coating layer 30 may be formed only on one side of the synthetic resin base 10, may be formed on both sides as shown, and may also be formed in a form surrounding the entire surface of the synthetic resin base 10. .
  • the coating layer 30 is preferably blended with any one of a tungsten compound and a compound of nickel, cobalt, molybdenum and platinum, but the present invention is not limited thereto, and the weight of the coating layer 30 is large. Any material can be applied as long as the specific strength can be increased by a large increase in strength without increasing.
  • the thickness of the coating layer 30 is preferably in the range of 4 ⁇ 100 ⁇ m.
  • the coating layer 30 is coated with a thickness of less than 4 ⁇ m, the corrosion resistance is increased, but it is not preferable because it is difficult to form a uniform thickness due to the thin thickness, and it is difficult to expect the strength enhancement that is the object of the present invention.
  • the coating layer 30 is larger than 100 ⁇ m, sufficient strength can be expected.
  • the productivity is not good because it requires a lot of time in the process, it is not economical, and the thickness can be appropriately selected in the range of 4 to 100 ⁇ m.
  • the structure for enhancing strength according to another embodiment of the present invention is obtained by plating a metal base 20 of aluminum or stainless steel with a thickness of 4 to 100 ⁇ m in a tungsten-containing plating bath.
  • the gist of the coating layer 30 is formed on the surface.
  • the coating layer 30 may be formed only on one side of the metal base 20, and may be formed on both sides as shown, and may also be formed in a form that covers the entire surface of the metal base 20. .
  • the coating layer 30 may be blended with any one of a compound of tungsten compound, nickel, cobalt, molybdenum, platinum, as described above, wherein the material of the coating layer 30 is nasal as the object of the present invention As long as the degree can be increased, other materials not illustrated can be selected, and in consideration of the purpose and workability of the present invention, the thickness of the coating layer 30 is preferably in the range of 4 to 100 ⁇ m.
  • the synthetic resin base 10 of the present invention was formed into an electronic product (mobile phone) case, and a nickel-tungsten coating layer 30 was formed on the surface thereof.
  • a bending test was performed using an ANSYS simulation program to investigate the effect of stress on each case.
  • the stress applied to each part was measured under bending conditions by applying a force of 100 N to both sides with a support in the longitudinal center of the uniform electronic case having a thickness of 1.5 mm. 1 is the same as FIG.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a bending stress simulation result of the entire electronics case of the uncoated aluminum material
  • FIG. 3 is an enlarged view of the buttonhole portion of FIG. 2.
  • Figure 4 is a view showing the simulation results of the bending stress of the entire electronic case of the non-coated general PP (PP) material
  • Figure 5 is an enlarged view of the button hole portion of FIG.
  • FIG. 6 is a view showing a simulation result of bending stress of the entire electronic case, which is a synthetic resin (PPS) structure having a nickel-tungsten coating having a thickness of 10 ⁇ m, according to an embodiment of the present invention.
  • PPS synthetic resin
  • the maximum stress of the hole portion when the nickel-tungsten coating was applied at a thickness of 10 ⁇ m was reduced by about 88 MPa compared to the maximum stress of the aluminum case (Comparative Example 1) and the maximum stress of the resin case (Comparative Example 2). This is to prevent the concentration of stress in a certain portion as the overall strength increases.
  • FIG. 8 illustrates bending stress simulation results of an entire electronics case which is a structure of a synthetic resin (PPS) material having a 20 ⁇ m-thick nickel-tungsten coating according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a button of FIG. 8. The hole part is enlarged.
  • PPS synthetic resin
  • the strength-enhancing structure of the present invention can not only replace an aluminum case including a conventional electronic case of synthetic resin material, but also increase strength even when applied to other synthetic resins and aluminum structures, thereby improving durability against bending. Can be.
  • the nickel-tungsten coating layer is formed on the case surface of the aluminum material as in the present invention. Edo can also increase strength.
  • FIG 10 is a graph showing the tensile strength according to the hardness of the surface plating for the strength enhancement structure according to an embodiment of the present invention.
  • the Vickers hardness (Hv) of the plating layer (nickel-tungsten) of the strength-increasing structure of the present invention was measured at 650-700. Based on the published hardness conversion table (see Table 1 below), the tensile strength of the Vickers hardness of 600 to 650 Hv is extrapolated from the graph to obtain a graph of the dotted line of FIG. 10, and accordingly, the tensile strength of the coating layer. It can be inferred that is about 2225 ⁇ 2500Mpa.
  • the strength enhancing structure of the present invention exhibited excellent tensile strength as it increased about 2225-2500 Mpa compared to the specific weight increase width following the coating layer.
  • Each test piece is 100mm in width, 20mm in length and 2mm in thickness, except that the thickness of the SUS with embossment is 1mm.
  • ABS and PC with low heat resistance did not increase the strength by plating due to heat deformation during plating. No significant increase in strength.
  • PPS is 7.07 times higher than that of SUS, and the specific strength increase effect by the coating layer is more effective for light metal or synthetic resin than heavy metal.
  • Each test piece is 100 mm wide, 20 mm long, and 2 mm thick.
  • the increase in specific strength was about 497% higher than that of SUS, and the increase in specific strength was more effective for non-metals with relatively low specific gravity.

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Abstract

본 발명은 강도 증강용 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세히는 비금속 베이스 또는 금속 베이스의 표면상에 텅스텐을 함유한 물질로 이루어진 코팅층이 형성된 강도 증강용 구조체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 현재 제작되어 사용되고 있는 합성수지 및 금속 제품을 대체할 수 있고, 또한 합성수지나 금속 제품의 물성에 비해 우수한 물성, 기계적 특성을 나타내며, 필요에 따라 본 발명에 따른 구조체의 금속 도금 표면을 금, 은 등의 각종 귀금속으로 다시 도금하여, 수요자의 요구에 부응할 수 있다.

Description

강도 증강용 구조체 및 그의 제조방법
본 발명은 비금속 베이스 또는 금속 베이스의 표면상에 텅스텐을 함유한 물질로 이루어진 코팅층이 형성된 강도 증강용 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세히는 합성수지 또는 금속 베이스의 외측면 및/또는 양측면에 텅스텐을 함유한 도금 욕을 통해 도금함으로써 전자제품 케이스를 비롯하여 자동차, 비행기, 비행선 등의 바디, 부품 등 강도가 요구되는 비금속 또는 금속 패널 등을 대체할 수 있는 강도 증강용 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대폰은 전 세계적으로 널리 애용되고 있으며, 특히 스마트폰의 개발과 함께 그의 형상, 두께, 사이즈의 발달로 경쟁이 격화되고 있다. 종래 스마트폰의 케이스는 주로 합성수지로 제조하여 왔다(특허문헌 3 참조). 합성수지제는 그의 가격, 생산성 등의 면에서 유리하여 대량으로 생산되어 왔다. 이러한 합성수지제 케이스는 코팅을 진공 증착 공정으로 수행하기 때문에 친환경적이고, 다양한 종류의 금속 코팅이 가능하다.
그러나 코팅을 통해 금속층을 형성할 때 일정 두께 이상으로 하는 것은 곤란하고, 코팅 비용이 높으며, 복잡한 형상의 제품의 처리가 불가능한 단점이 있다.
이러한 단점들 때문에 유수의 A사는 휴대전화 케이스를 금속제로 제조한 것을 출시하면서, 기존의 합성수지제의 휴대전화가 인기가 떨어지고, A사의 금속제 케이스로 이루어진 휴대전화가 고가임에도 전 세계에서 가장 유명하고, 시장 점유율도 높다.
그러나 이러한 금속제의 케이스도 문제는 있다. 즉, 이러한 금속제 케이스를 제조하기 위하여는 약 360g 정도의 알루미늄괴나 알루미늄/마그네슘 합금괴 등의 금속괴를 선반 밀링 가공하여 17g의 케이스를 제작하고 있다. A사는 이러한 금속제 케이스를 직접 제조하지 않고, 하청업체로부터 납품을 받아 조립하고 있으며, 하청업체는 수많은 정밀절삭가공기를 설치하여 케이스를 제작하고 있으며, 그 회사는 오랫동안 관련 기술의 축적으로 케이스 1개를 제작하기 위하여 가공기 1대당 약 40분 정도 소요하고 있다고 알려져 있다. 후발 주자인 국내 S사는 이러한 금속제 케이스를 제작하기 위하여 베트남에 수많은 가공기를 설치하여 케이스를 제작하고 있으나, 아직 가공기 1대당 약 1시간 정도 소요되고 있다고 한다.
이와 같이 금속제의 케이스의 제작방법은 매우 비용이 많이 들고(실제 휴대폰의 부품 원가 중 가장 고가임), 낭비되는 금속의 양도 대단하며, 제작 시간도 많이 소요된다. 또한, S사의 세계적인 휴대전화 자체의 두께가 종전 제품은 7.6mm 이상이었으나, 최근의 모델은 6.9 내지 7.1mm까지 얇아지고 이렇게 얇아진 휴대전화가 두 손으로 압력을 가하거나, 바지 뒷주머니에 넣고 다니다 그대로 앉으면, 휴대전화 자체가 휘어져 미국, 유럽신문에서 "New Apple is banana" "BENDi PHONE 6"라고 기사화된 적이 있으며, 인터넷 상에도 많은 기사 및 댓글이 올라오고 있다. 이러한 문제점이 있음에도 불구하고, 소비자 및 시장은 금속제 케이스의 휴대전화가 요구되고 있다.
이러한 악조건에서도 시장의 요구에 따라, 새로운 모델이 출시하는 경우, 특히 세계적 휴대폰(월드폰)을 출시하게 되는 경우, 외장 케이스를 준비하는 것에만 수개월이 걸리고, 이에 따라 비밀을 유지하기 어려운 등의 문제점이 많았다. 그렇다고, 수요자의 요구를 무시하고 예전의 합성수지제의 케이스로 돌아갈 수도 없는 현상이다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여 알루미늄 합금을 다이캐스팅하는 방법이 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있으나, 이러한 다이캐스팅법은 전술한 절삭 가공에 의한 방법보다 비용이 저렴하고, 대량 생산에 유리하나, 정밀도가 떨어지고, 외장에 대한 심미감이 떨어져, 월드폰에 적용하기에 적합하다고 말하기 어렵다. 이러한 단점들을 해결하기 위하여 다이캐스팅으로 제작한 케이스를 다시 단조 등의 공정을 거치는 것은 단조 공정 자체가 가능하지 않고, 이를 가능하게 하기 위하여는 너무 많은 연구가 요구되고, 비용도 많이 들어 적용하기에도 적합하지 않다.
[선행기술문헌]
특허문헌 1: 대한민국 특허공개 제10-2015-0049079호
특허문헌 2: 대한민국 특허등록 제10-0824008호
특허문헌 3: 대한민국 특허등록 제10-0690936호
전술한 문제점을 해결하기 위하여 중량 증가 폭이 크지 않으면서 인장 강도, 압축강도 등의 기계적 특성이 우수하여 비강도(specific strength)를 크게 할 수 있고, 합성수지재로 제작하여도 금속질감을 가져 합성수지재인지 인지할 수 없는 정도의 강도 증강용 구조체를 제공하기 위하여 금속제 또는 합성수지의 선택, 그리고 표면에의 금속 도금할 수 있는 기술적 과제를 해결하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 비금속 중에서 특히 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리아미드, 섬유 강화 수지로 이루어진 군에서 선택된, 수지의 물성이 강한 것을 이용하여 합성수지 제품을 사출하여 얻고, 이를 텅스텐을 함유한 도금 욕에 넣어 4~100㎛ 두께로 도금하는 것을 특징으로 한다.
이때 코팅층의 작업성과 내구성을 위해 합성수지 제품을 저온 플라스마로 처리하여 친수성 관능기를 도입한 후 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 금속제는 알루미늄 또는 스테인리스의 표면에 곧바로 텅스텐을 함유한 도금 욕에 넣어 4~100㎛ 두께로 도금을 수행하거나, 또는 금속제 표면에 저온 플라스마 처리하여 표면상에 친수성 관능기를 형성하고, 친수성 관능기가 형성된 금속제를 텅스텐을 함유한 도금 욕에 넣어 4~100㎛ 두께로 도금하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 제조된 구조체의 물성을 검토한 결과, 현재 생산, 시판되고 있는 일반 금속제 물품보다 훨씬 그의 물성이 우수하고, 외관상 금속제인지 합성수지재인지 인지할 수 없을 정도로 유려한 것을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따라 제작된 강도 증강용 구조체는 현재 제작되어 사용되고 있는 합성수지재 및 금속재 제품을 대체할 수 있고, 또한 중량이 큰 폭으로 증가하지 않으면서 합성수지재나 금속재 제품의 물성에 비해 우수한 물성을 나타내고 기계적 강도가 대폭 향상되는 등 비강도(specific strength)가 높다.
더욱이 필요에 따라 본 발명에 따른 제품의 금속 도금 표면에 금, 은 등의 각종 귀금속으로 다시 도금하여, 수요자의 요구에 부응할 수 있을 뿐 아니라, 전자제품 케이스, 자동차, 비행기 차체 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 등 산업상 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 강도 증강용 구조체의 단면도이다.
도 2는 비교예 1로서 알루미늄 소재의 전자제품 케이스 전체의 굽힘 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 비교예 2로서 합성수지 소재의 전자제품 케이스 전체의 굽힘 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 10㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅을 한 합성수지(PPS) 소재의 전자제품 케이스 전체의 굽힘 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 20㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅을 한 합성수지(PPS) 소재의 전자제품 케이스 전체의 굽힘 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 다른 합성수지 구조체 표면 도금의 경도에 따른 인장 강도를 보인 그래프이다.
본 발명에 따른 강도 증강용 구조체는 비금속 베이스 또는 금속 베이스의 표면상에 텅스텐을 함유한 물질로 이루어진 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
이때 코팅층의 작업성 및 내구성 향상을 위해 상기 비금속 베이스 또는 금속 베이스 표면상에 저온 플라스마 처리하여 표면상에 친수성 관능기를 형성하고, 친수성 관능기가 형성된 금속 또는 비금속의 표면상에 상기 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 비금속 베이스는, 강도가 높은 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리아미드, 섬유 강화 수지로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 금속 베이스는, 알루미늄 또는 스테인리스일 수 있다.
상기 코팅층은 텅스텐 화합물과 니켈, 코발트, 몰리브덴, 백금의 화합물 중 어느 하나와 배합되고, 두께가 4∼100㎛일 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있으며, 이하에서는 본 발명의 바람직한 형태의 구조를 예시하고 이에 기하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 예시된 형태만으로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위는 예시된 형태의 통상적인 변경이나 균등물 내지 대체물까지 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 강도 증강용 구조체의 단면도이다.
도 1의 (a)를 참조하는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 강도 증강용 구조체는 타 합성수지에 비해 강도가 높은 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리아미드, 섬유 강화 수지로 이루어진 군에서 선택된 합성수지를 사출 성형하여 합성수지 베이스(10)를 제조하고, 합성수지 베이스를 텅스텐을 함유한 도금 욕에서 4∼100㎛의 두께로 도금하여 코팅층(30)을 형성하여 제조된 것을 요지로 한다.
이때 상기 코팅층(30)을 형성할 때 코팅층 형성이 용이하면서 내구성을 향상시키기 위해 상기 합성수지 베이스(10)가 열변형을 일으키지 않는 저온 플라스마를 통과시켜 그의 표면상에 친수성 관능기를 형성한 후, 플라스마 처리된 합성수지 베이스 표면에 상기 코팅층(30)을 형성할 수 있다.
상기 합성수지 베이스(10) 재료인 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리아미드, 섬유 강화 수지는 타 합성수지 재료에 비해 인장 강도, 압축강도 등 기계적 특성이 우수한 것으로 알려진 것들이며, 본 발명은 적정 강도를 유지한 것이라면 예시되지 않은 다른 합성수지 재료를 적의 선택할 수 있다.
합성수지 베이스(10) 표면상에 저온 플라스마 공정을 통해 친수성 관능기를 형성하면, 이후 텅스텐을 함유한 코팅층(30)이 견고하게 부착되어 내구성이 향상된다.
상기 코팅층(30)은 합성수지 베이스(10)의 일측 면에만 형성될 수 있고, 도시한 바와 같이 양측 면에 모두 형성될 수 있으며, 또한 합성수지 베이스(10)의 전체 면을 감싸는 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 코팅층(30)은, 텅스텐 화합물과 니켈, 코발트, 몰리브덴, 백금의 화합물 중 어느 하나와 배합하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 코팅층(30)에 의해 중량이 큰 폭으로 증가하지 않으면서 강도를 큰 폭으로 증가시킴으로써 비강도(specific strength)를 높일 수 있는 것이라면 어떠한 재료라도 적용할 수 있다.
상기 코팅층(30)의 두께는 4∼100㎛ 범위인 것이 바람직하다. 상기 코팅층(30)의 두께를 4㎛ 미만으로 코팅할 경우 내식성이 증가하기는 하나, 두께가 얇아서 균일한 두께를 형성하는 것이 어렵고, 또한 본 발명의 목적인 강도 증강을 기대하기 어려우므로 바람직하지 않다. 반대로 코팅층(30)이 100㎛보다 크면 충분한 강도를 기대할 수 있으나, 공정상 많은 시간이 요구되기 때문에 생산성이 좋지 않아 경제적이지 못하므로, 그 두께는 4∼100㎛ 범위에서 적절하게 선택할 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 강도 증강용 구조체는 알루미늄 또는 스테인리스인 금속 베이스(20)를 텅스텐을 함유한 도금 욕에서 4∼100㎛의 두께로 도금하여 표면에 코팅층(30)을 형성하여 제조된 것을 요지로 한다.
금속 베이스(20) 표면에 별도의 처리 공정 없이 곧바로 텅스텐을 함유한 코팅층을 형성하는 것이 가능하지만, 도금 공정의 용이성 및 코팅층의 내구성을 위해 금속 베이스(20) 표면을 저온 플라스마 처리하여 친수성 관능기를 형성한 다음, 친수성 관능기가 형성된 금속 베이스(20) 표면에 텅스텐을 함유한 코팅층(30)을 형성하는 것도 고려될 수 있다.
상기 코팅층(30)은 금속 베이스(20)의 일측 면에만 형성될 수 있고, 도시한 바와 같이 양측 면에 모두 형성될 수 있으며, 또한 금속 베이스(20)의 전체 면을 감싸는 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 코팅층(30)은 전술한 바와 같이 텅스텐 화합물과 니켈, 코발트, 몰리브덴, 백금의 화합물 중 어느 하나와 배합된 것일 수 있으며, 이때 코팅층(30)의 재료가 본 발명의 목적하는 바와 같이 비강도를 높일 수 있는 것이면 예시되지 않은 다른 물질을 선택할 수 있으며, 또한 본 발명의 목적과 작업성 등을 고려할 때 상기 코팅층(30)의 두께는 4∼100㎛ 범위인 것이 바람직하다.
상기 코팅층(30)을 형성하지 않은 것과 형성한 것의 강도를 대비하기 위해 다음과 같이 벤딩 시험을 진행하였다.
본 발명의 합성수지 베이스(10)를 전자제품(휴대폰) 케이스로 형상화하고, 그 표면상에 니켈-텅스텐 코팅층(30)을 형성하였고, 비교재로서 코팅이 이루어지지 않은 알루미늄 소재의 전자제품(휴대폰) 케이스 각각에 대하여 응력이 작용하는 현상을 알아보기 위해 안시스(ANSYS) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 벤딩 시험을 수행하였다.
시험 방법은, 1.5mm 두께로 균일한 전자제품 케이스의 길이방향 중앙에 지지부(support)를 둔 상태에서 양쪽에 100N의 힘을 가하여 벤딩을 하는 조건으로 각 부분에 작용하는 응력을 측정하였으며, 시뮬레이션 결과는 도 1 내지 도 8과 같다.
[비교예 1]
알루미늄 소재의 전자제품 케이스의 벤딩
도 2는 코팅을 하지 않은 알루미늄 소재의 전자제품 케이스 전체의 벤딩 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하는 바와 같이 알루미늄 소재로 이루어진 전자제품 케이스를 벤딩하였을 때, 주로 길이 방향의 중심부 양쪽 테두리 부분에 응력이 집중하였고, 특히 버튼 홀이 형성된 부분에서 최대 약 282.9MPa의 응력이 집중하였으며, 이는 전자제품 케이스 중 버튼 홀이 천공된 부분의 구조가 취약하여 벤딩시 쉽게 파손될 수 있음을 의미한다.
[비교예 2]
합성수지(PPS) 소재의 전자제품 케이스의 벤딩
도 4는 코팅을 하지 않은 일반 합성수지(PP) 소재의 전자제품 케이스 전체의 벤딩 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하는 바와 같이 합성수지 소재로 이루어진 전자제품 케이스를 벤딩하였을 때, 주로 길이 방향의 중심부 양쪽 테두리 부분에 응력이 집중하였고, 특히 버튼 홀이 형성된 부분에서 최대 약 283.3MPa의 응력이 집중하였으며, 전술한 알루미늄 소재의 벤딩 시뮬레이션 결과와 유사하게 나타났다. 이는 전자제품 케이스 중 버튼 홀이 천공된 부분의 구조가 취약하여 벤딩시 쉽게 파손될 수 있음을 의미한다.
[시험예 1]
본 발명의 일 실시예에 따른 10㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅층을 형성한 합성수지 구조체의 벤딩
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 10㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅을 한 합성수지(PPS) 구조체인 전자제품 케이스 전체의 벤딩 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하는 바와 같이 합성수지 소재의 전자제품 케이스 표면에 니켈-텅스텐 코팅을 10㎛ 두께로 균일하게 코팅하여 벤딩하였을 때, 전자제품 케이스 길이 방향의 중심부 양쪽 테두리 부분에 응력이 집중하였고, 주로 버튼 홀이 형성된 부분에서 최대 응력이 약 195.4MPa로 나타났다.
이와 같이 니켈-텅스텐 코팅을 10㎛ 두께로 실시한 경우의 홀 부분의 최대 응력은, 알루미늄 케이스의 최대 응력(비교예 1) 및 합성수지 케이스의 최대 응력(비교예 2)에 비해 약 88MPa의 응력이 감소하였으며, 이는 전체 강도가 증가함에 따라 응력이 특정 부분에 집중하는 현상이 방지된 것이다.
[시험예 2]
본 발명의 다른 실시예에 따른 20㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅층을 형성한 합성수지 구조체의 벤딩
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 20㎛ 두께의 니켈-텅스텐 코팅을 한 합성수지(PPS) 소재의 구조체인 전자제품 케이스 전체의 벤딩 응력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 버튼 홀 부분을 확대한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하는 바와 같이 합성수지 소재의 전자제품 케이스 표면에 니켈-텅스텐 코팅을 20㎛ 두께로 균일하게 코팅하여 벤딩하였을 때, 전자제품 케이스 길이 방향의 중심부 양쪽 테두리 부분에 응력이 집중하였고, 주로 버튼 홀이 형성된 부분에서 최대 응력이 약 150.7MPa로 나타났다.
이와 같이 니켈-텅스텐 코팅을 20㎛ 두께로 실시한 경우 홀 부분의 최대 응력은, 알루미늄 케이스의 최대 응력(비교예 1) 및 합성수지 케이스의 최대 응력(비교예 2)에 비해 약 133MPa의 응력이 감소하였으며, 이는 전체 강도가 증가함에 따라 응력이 특정 부분에 집중하는 현상이 방지된 것이고, 또한 시험예 1의 결과보다 더 우수한 강도를 나타내었다.
이와 같은 비교예 및 시험예의 결과에 비추어 보면, 본 발명과 같이 합성수지 베이스에 니켈-텅스텐 코팅층을 형성하는 경우 응력이 특정 부분에 집중하는 것을 방지할 수 있고, 코팅층의 두께가 두꺼울수록 응력 집중 현상이 더 큰 폭으로 감소하여 전체적인 강도가 증가하였다.
따라서 본 발명의 강도 증강용 구조체는 종래의 합성수지 소재의 전자제품 케이스를 비롯하여 알루미늄 재질의 케이스를 대체할 수 있을 뿐 아니라, 그 외 합성수지 및 알루미늄 구조물에 적용하더라도 강도가 증가하여 휨에 대한 내구성이 향상될 수 있다.
더욱이 전술한 비교예 1 및 비교예 2의 결과에 따르면 알루미늄이나 합성수지 소재의 케이스의 각 최대 응력이 비슷한 수준임을 고려할 때, 알루미늄 소재의 케이스 표면에 대하여 본 발명과 같이 니켈-텅스텐 코팅층을 형성하는 경우에도 강도를 증강시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 강도 증강용 구조체 표면 도금의 경도에 따른 인장 강도를 보인 그래프이다.
본 발명의 강도 증강용 구조체의 도금 층(니켈-텅스텐)의 비커스 경도(Hv)는 650~700로 측정되었다. 공표되어 있는 경도환산표(하기 [표 1] 참조)에 근거하여 비커스 경도 600~650Hv에 대한 인장 강도를 그래프에서 외삽하여 계산하여보면 도 10의 점선의 그래프가 도출되며, 이에 따르면 상기 코팅층의 인장 강도는 약 2225~2500Mpa인 것임을 유추할 수 있다.
비커스 경도(Hv) 쇼어 경도(Hs) 인장 강도(근사치)(MPa)
900 95 (3000)
800 88 (2800)
700 81 (2500)
650 78 (2225)
600 74 2075
550 70 1915
500 66 1695
이와 같이 본 발명의 강도 증강용 구조체는 코팅층에 이한 비중량 증가 폭에 비하여 약 2225~2500Mpa가 상승함에 따라 우수한 인장 강도를 나타냈다.
[시험예 3]
코팅층 두께에 따른 굽힘 응력 시험(1)
금속 및 비금속 재료에 각각 90℃의 도금액에서 무전해 도금법을 이용하여 코팅층이 형성된 시험편을 제작한 후 코팅층을 형성하지 않은 시험편과의 각 굽힘 응력을 시험하였으며, 그 결과는 하기의 [표 2]와 같다.
각 시험편은 가로 100mm, 세로 20mm, 두께 2mm이며, 다만 엠보가 형성된 SUS의 두께는 1mm이다.
도금두께(㎛) 굽힘 응력(kg)
SUS엠보 ABS PC PPS
0 13.151 3.50 5.15 8.04
4(도금액 온도: 90℃) - 3.49 5.55(7.7%) 9.252(15%)
8(도금액 온도: 90℃) 14.32(8.8%) 3.60(2.8%) 5.65(9.7%) 9.45(17.5%)
비중 7.93 1.07 1.19 1.35
비강도 증가량 0.147 - - 1.04
비고 도금시 열변형 큼 열변형 작음 열변형 없음
[표 2]와 같이 90℃의 도금액에서 무전해 방식으로 도금했을 때 내열온도가 낮은 ABS 및 PC는 도금 중 열변형이 발생하여 도금에 의한 강도 증가량이 크지 않았으나, 내열성이 우수한 PPS는 열변형이 없으며 강도가 큰 폭으로 증가하였다.
비강도 증가량은, SUS에 비해 PPS가 7.07배 높게 나타났으며, 코팅층에 의한 비강도 증가 효과는 무거운 금속보다 가벼운 경금속 또는 합성수지에 더 효과적이다.
[시험예 4]
코팅층 두께에 따른 굽힘 응력 시험(2)
SUS 판재와 PPS 판재에 각각 전기 도금법을 이용하여 코팅층이 형성된 시험편을 제작한 후 코팅층을 형성하지 않은 시험편과의 각 굽힘 응력을 시험하였으며, 그 결과는 하기의 [표 2]와 같다.
각 시험편은 가로 100mm, 세로 20mm, 두께 2mm이다.
SUS 굽힘 응력(kg) PPS 굽힘 응력(kg) 비고
도금두께(㎛) 0 13.151(0) 8.040(0) 100㎛ 코팅 기준, 중량이 가벼운 PPS가 SUS에 비해 비강도는 약 4배 크고, 비강도 증가량은 약 6배 큼
15 14.636 9.528
30 14.939 9.828
40 15.078 9.967
60 15.094 9.983
80 16.129 11.018
100 16.193 11.087
비중 7.93 1.35
비강도 코팅 전 1.658 5.95
코팅 후(100㎛) 2.04 8.21
비강도 증가량 0.382 2.28
[표 3]과 같이 SUS와 PPS에 각각 코팅층을 형성했을 때 두께가 증가함에 따라 굽힘 응력이 증가하여 강도가 증가하였고, 비강도 역시 SUS와 PPS 모두 증가하였으나, 상대적으로 중량이 무거운 SUS에 비해 중량이 가벼운 PPS가 크다.
특히 비강도 증가량은 SUS에 비해 PPS가 약 497% 크게 나타났으며, 비강도 증가 효과는 상대적으로 비중이 낮은 비금속이 더 효과적이다.
상술한 설명은 본 발명의 기술 사상을 보인 한정된 실시 예에 따라 설명하였으나, 본 발명은 특정의 실시 예나 수치에 한정되지 아니하며, 실시 예들의 구성요소 일부를 변경, 혼합하는 등, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능하고, 그러한 변형 실시는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (5)

  1. 비금속 베이스 또는 금속 베이스의 표면상에 텅스텐을 함유한 물질로 이루어진 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 강도 증강용 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비금속 베이스 또는 금속 베이스 표면상에 저온 플라스마 처리하여 표면상에 친수성 관능기를 형성하고, 친수성 관능기가 형성된 금속 또는 비금속의 표면상에 상기 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 강도 증강용 구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 비금속 베이스는, 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리아미드, 섬유 강화 수지로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 강도 증강용 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 베이스는, 알루미늄 또는 스테인리스인 것을 특징으로 하는 강도 증강용 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은 텅스텐 화합물과 니켈, 코발트, 몰리브덴, 백금의 화합물 중 어느 하나와 배합되고, 두께가 4∼100㎛인 것을 특징으로 하는 합성수지 구조체.
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