[논문]기계적/전기화학적 표면처리가 알루미늄-에폭시의 접합강도 향상에 미치는 영향

정원섭; 김도형

doi:10.5695/jkise.2016.49.6.549

기계적/전기화학적 표면처리가 알루미늄-에폭시의 접합강도 향상에 미치는 영향
Effect of Mechanical and Electrochemical Surface Treatments on Aluminium-Epoxy Adhesive Strength 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.6, 2016년, pp.549 - 554

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Low melting metals are difficult to weld because it is vaporized. But epoxy resin make bonding possible using low melting material and dismissal materials. This study is to improve the bonding strength of epoxy and substrate by mechanical and electrochemical methods. In case of mechanical work, bonding strength is 17.6MPa and in case of pre-work, bonding strength is 15.3MPa. When anodizing and mechanical work is applied, bonding strength is 25.3Mpa is increased 165%. When anodizing is applied, bonding strength is 27.6Mpa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 알루미늄과 에폭시 사이의 adhesive bonding에서 알루미늄의 전기화학적 표면개질 및 형상 제어와 기계적인 표면처리의 혼합 적용에 대한 연구결과에 대해선 보고되지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 여러 기계적인 표면처리 방법과 전기화학적 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용 하여 알루미늄의 표면개질과 형상제어가 접합강도에 미치는 영향을 조사하였다.
3 ~ 5에 나타내었다[12]. 본 연구에서는 알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도를 향상시키기 위하여 3.11차적으로 기계적 처리를 실시하여 접합강도 향상을 이루고자 하였고, 2차적으로 전기화학적 양극산화법을 적용하여 접합강도를 더욱 향상시키고자 하였다. 기계적 처리 및 양극산화 단독 또는 혼합 적용한 adhesive bonding의 접합강도를 표 2에 나타내었다.
본 연구에서는 전자소재로 사용되는 MCPCBs에서 절연층으로 사용되는 에폭시와 알루미늄 모재 사이의 접합강도를 알루미늄의 표면처리 방법에 따라 측정하고 그 결과를 정리하였다. Sand blasting 처리와 수동 타공과 같은 기계적인 표면처리와 인산염 전해질을 통한 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용하여 알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도를 측정하고 그 상관관계를 파악하였다.

제안 방법

Adhesive bonding을 위해 코팅된 에폭시수지는 4-slide applicator (1402-80, KIpaeE&T, Korea)를 사용하여 그 두께를 모든 샘플들에 대하여 100 µm로 일정하게 유지시켜 주었다.
본 연구에서는 전자소재로 사용되는 MCPCBs에서 절연층으로 사용되는 에폭시와 알루미늄 모재 사이의 접합강도를 알루미늄의 표면처리 방법에 따라 측정하고 그 결과를 정리하였다. Sand blasting 처리와 수동 타공과 같은 기계적인 표면처리와 인산염 전해질을 통한 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용하여 알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도를 측정하고 그 상관관계를 파악하였다. 알루미늄과 실험에 사용된 에폭시 수지 사이의 접합강도는 15.
다양하게 표면처리 된 알루미늄 샘플들의 표면을 광학현미경(OM) 및 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 관찰하였다.
3 MPa로 단독 적용한 경우보다 하락한 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 알루미늄의 기계적인 표면처리에 의한 표면개질이 알루미늄과 에폭시 사이의 계면에서 접합강도에 불리하게 적용하였다. 그러나 미시적인 단위의 표면개질에 의한 접합강도 향상을 동시에 확인할 수 있었으며, 기계적인 표면처리법을 개선하여 적용하면 보다 효과적인 접합강도 향상 방안을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
20℃, 10 wt% H₃PO₄ 용액에서 60 ~ 100 V의 인가전압으로 20분간 양극산화를 실시하여주면 알루미늄 표면에 약 90 ~ 150 nm 수준의 미세기공들이 형성 된다. 선행연구결과로부터 미세기공들의 크기 및 기공률에 따른 접합강도의 향상을 확인하였으며[12], 본 연구에서는 기계적 표면처리와 혼합 적용하여 그 결과를 확인하였다. 그 결과, 기계적인 표면처리를 실시한 후 추가로 양극산화법을 적용한 샘플들에 대하여 양극산화법을 단독 적용한 경우보다 오히려 접합강도가 하락함을 알수 있다.
알루미늄과 에폭시의 접합강도 향상을 위하여 1차로 기계적인 표면처리에 의해 거시단위의 요철을 만들어낸 샘플들에 대하여 2차로 미시단위의 요철을 만들어내기 위한 양극산화처리를 실시하였다. 알루미늄 양극산화법은 표면에 다공질의 산화피막을 만들어내는 기술로서 전해액 조성, 인가 전류 및 전압, 전해 온도 등의 실험 조건에 따라 기공의 크기 및 기공간의 거리를 조절 할 수 있으며 이에 따라 알루미늄과 에폭시 사이의 결합력에 차이가 발생할 수 있다.
알루미늄의 기계적인 표면처리에는 균일하고 작은 요철을 효과적으로 만들어내기 위하여 표면에 80mesh ball size-7기압 조건에서 sand blasting 처리를 실시한 시편, 큰 요철을 인위적으로 만들어내기 위하여 수동으로 접합면적 20 mm × 20 mm 내에 100회 타공(기공크기 756.9 ± 31.2 µm)을 실시한 시편을 각각 제조하였다.
즉, 알루미늄과 에폭시사이의 접합은 표면의 mechanical interlocking에 의해서 결합되기 때문에 접합강도는 알루미늄과 에폭시의 계면에서 접촉 면적이 넓을수록 증가하게 된다. 이를 위해 알루미늄 표면에 거시적인 크기의 요철을 만들어주기 위하여 sand blasting 처리 및 기계적인 타공을 실시하였으며 그 표면을 그림 2에 나타내었다.
알루미늄 시편은 접합강도 측정을 위한 규격(ASTM D3165)에 따라 20 mm × 100 mm ×3 mm(t)로 절단하여 준비하였다. 표면의 이물질 및 산화막 등을 제거하고 표면 활성화를 위하여 5 wt% NaOH 수용액에 알루미늄 시편을 침지하여 60초간 알칼리 탈지를 실시한 후 15 wt% HNO₃ 수용액에서 10초간 De-smut 작업을 실시해 주었다. 알루미늄의 기계적인 표면처리에는 균일하고 작은 요철을 효과적으로 만들어내기 위하여 표면에 80mesh ball size-7기압 조건에서 sand blasting 처리를 실시한 시편, 큰 요철을 인위적으로 만들어내기 위하여 수동으로 접합면적 20 mm × 20 mm 내에 100회 타공(기공크기 756.

대상 데이터

Adhesive bonding을 위하여 상용의 YD-128(Kukdo chemical, Korea)을 에폭시수지로 사용하였다. Adhesive bonding을 위해 코팅된 에폭시수지는 4-slide applicator (1402-80, KIpaeE&T, Korea)를 사용하여 그 두께를 모든 샘플들에 대하여 100 µm로 일정하게 유지시켜 주었다.
알루미늄 시편은 접합강도 측정을 위한 규격(ASTM D3165)에 따라 20 mm × 100 mm ×3 mm(t)로 절단하여 준비하였다.
알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도 향상을 위하여 기계적인 표면처리를 실시한 알루미늄 샘플을 제조하였다. 알루미늄 시편은 접합강도 측정을 위한 규격(ASTM D3165)에 따라 20 mm × 100 mm ×3 mm(t)로 절단하여 준비하였다.

이론/모형

거시적인 단위의 요철을 기계적인 표면처리에 의해서 형성시킨 후 미시적인 단위의 요철을 추가로 형성하기 위하여 인산염 양극산화법을 실시해 주었으며, 그에 따라 형성된 미세기공을 그림 4에 나타내었다. 선행연구에서 알루미늄 표면에 전해질 종류 및 전압조건에 따라 형성된 미세기공 형성에 따른 접합강도 향상의 연구결과로부터 전해질은 10 wt% H₃PO₄ 용액이 선정되었으며, 인가전압은 60 ~ 100 V, 작업시간은 20 min을 선택하여 그 결과를 비교하였다[12].
기계적 표면 처리 및 전기화학적 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용한 샘플들과 에폭시 수지 사이의 접합강도를 측정하기 위하여 ASTM D 3165의 규격에 따라 Single Lab Shear Test를 실시하였으며, 접합강도 측정을 위한 시편의 모식도를 그림 1에 나타내었다.

성능/효과

선행연구결과로부터 미세기공들의 크기 및 기공률에 따른 접합강도의 향상을 확인하였으며[12], 본 연구에서는 기계적 표면처리와 혼합 적용하여 그 결과를 확인하였다. 그 결과, 기계적인 표면처리를 실시한 후 추가로 양극산화법을 적용한 샘플들에 대하여 양극산화법을 단독 적용한 경우보다 오히려 접합강도가 하락함을 알수 있다. 양극산화법을 단독 적용한 경우 인가전압 60 V, 80 V, 100 V에 따라 각각 23.
Sand blasting 처리와 수동 타공과 같은 기계적인 표면처리와 인산염 전해질을 통한 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용하여 알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도를 측정하고 그 상관관계를 파악하였다. 알루미늄과 실험에 사용된 에폭시 수지 사이의 접합강도는 15.3 MPa로 측정되었으며, 기계적인 표면처리에 의해 접합강도는 17.6 MPa까지 증가하였다. 알루미늄의 기계적인 표면처리에 의해 실제 표면적이 증가하는 상승요인과, 거시적인 단위의 요철 주위에서 응력 집중이 일어남에 의한 크랙 발생의 하락요인이 복합적으로 작용하여 알루미늄과 에폭시 계면 사이의 접합강도의 두드러진 향상은 나타나지 않는다.
표 2의 결과에서 파단면의 형태가 AF일 경우 상대적으로 낮은 15.3 ~ 20.6 MPa의 접합강도를 나타내며, AF + CF 혼합 또는 CF 단독 파단면의 형태를 나타낼 경우 22.8 ~ 27.6 MPa의 높은 접합강도가 나타남을 알 수 있다. 즉, 알루미늄과 에폭시의 계면에서 낮은 접합강도를 나타내는 경우 계면에서 먼저 크랙이 발생하여 성장하고 파단에 이르는 AF 형태를 나타내고, 높은 접합강도를 나타내는 경우에폭시 내부에서 크랙이 발생하여 성장하고 파단에 이르는 CF형태를 나타내는 것이라고 할 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 알루미늄의 기계적인 표면처리에 의한 표면개질이 알루미늄과 에폭시 사이의 계면에서 접합강도에 불리하게 적용하였다. 그러나 미시적인 단위의 표면개질에 의한 접합강도 향상을 동시에 확인할 수 있었으며, 기계적인 표면처리법을 개선하여 적용하면 보다 효과적인 접합강도 향상 방안을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄/알루미늄 합금 등과 같은 용접에 의한 접합이 어려운 소재의 문제점을 해결하기 위한 기술은?	2oC)을 가지므로 탄소강 또는 특수강 등과 같은 이종소재와의 용접에 의한 접합에 어려움을 가진다. 이를 해결하기 위한 Adhesive bonding 기술은 알루미늄/알루미늄 합금 등과 같이 용접에 의한 접합이 어려운 소재/부품들을 고강도의 고분자 수지들을 이용하여 동종 및 이종소재와 접합하는 것을 말한다[1-2]. Adhesive bonding 기술은 철/비철, 금속/세라믹, 금속/플라스틱 등 소재의 구분 없이 접합이 가능할 뿐 아니라, 접합에 사용되는 고분자 수지가 전기적으로 절연성을 가지므로 소재간의 전기적 접촉을 차단하고자 하는 부품 소재들 간의 접합에 많이 적용되고 있다.
	알루미늄과 그 합금의 특징은?	알루미늄과 그 합금은 각종 전자 및 기계 부품의 발전과 함께 그 수요가 계속적으로 증가하는 추세에 있으나, 높은 산화력으로 인해 기계적, 화학적 및 전기화학적 특성이 취약할 뿐 아니라 낮은 융점(660.2oC)을 가지므로 탄소강 또는 특수강 등과 같은 이종소재와의 용접에 의한 접합에 어려움을 가진다. 이를 해결하기 위한 Adhesive bonding 기술은 알루미늄/알루미늄 합금 등과 같이 용접에 의한 접합이 어려운 소재/부품들을 고강도의 고분자 수지들을 이용하여 동종 및 이종소재와 접합하는 것을 말한다[1-2].
	알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도는 어떠하였는가?	Sand blasting 처리와 수동 타공과 같은 기계적인 표면처리와 인산염 전해질을 통한 양극산화법을 단독 또는 혼합 적용하여 알루미늄과 에폭시 사이의 접합강도를 측정하고 그 상관관계를 파악하였다. 알루미늄과 실험에 사용된 에폭시 수지 사이의 접합강도는 15.3 MPa로 측정되었으며, 기계적인 표면처리에 의해 접합강도는 17.6 MPa까지 증가하였다. 알루미늄의 기계적인 표면처리에 의해 실제 표면적이 증가하는 상승요인과, 거시적인 단위의 요철 주위에서 응력 집중이 일어남에 의한 크랙 발생의 하락요인이 복합적으로 작용하여 알루미늄과 에폭시 계면 사이의 접합강도의 두드러진 향상은 나타나지 않는다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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