저온 플라스마를 이용한 LDPE film과 알루미늄의 용융접착

윤 타 송, 조 동 련

전남대학교 응용화학부

Thermal Lamination of LDPE Film on Aluminum by Low Temperature Plasma Process

Ta Song Yun, Dong Lyun Cho

Faculty of Applied Chemical Engineering, Chonnam National University,

Kwangju 500-757, Korea

서론

알루미늄은 재질이 비교적 가볍고 전기 전도성, 가공성이 우수하여, 경량성이 요구되는  각종 기계부품, 자동차, 항공기 그리고 전기 전자 부품 등의 재료에 사용되고 있다. 특히, 인류의 생활 수준 향상과 더불어 전자제품의 수요가 급증함에 따라 알루미늄 재료의 사용량도 꾸준히 증가하고 있다. 전자기기 부품에 사용되는 알루미늄 재료는 칩콘덴서 케이스로 많이 활용되고 있고, 가공 후 절연피복 공정을 거치게 되는데, 전자제품들이 고기능화, 경박단소화 되어감에 따라 이에 적합한 알루미늄 재료의 절연피복이 어려워졌다. 따라서 절연피복된 재료를 사용한 가공이 요구되어진다.

알루미늄 표면을 피복하는 통상적인 방법으로서는 접착제를 이용한 단순 접착 방식이 이용되고 있는데, 이 방법은 몇 가지 문제점을 안고 있다. 접착제의 두께를 얇고 균일하게 도포하기가 어렵고, 접합된 소재의 가공시 주로 접착제 층에서 파괴가 일어나며, 용제를 사용함에 따라 환경오염을 일으킬 수 있다. 이러한 문제점들은 저온 플라스마를 이용함으로써 극복할 수 있는데, 플라스마 처리를 이용하여 각 물질의 표면에 기능기를 형성시킨 다음 두 물질을 열융착시키면 접착제를 사용하지 않고도 높은 접착력을 얻을 수 있기 때문이다.

본 연구에서는 알루미늄과 LDPE film을 acrylic acid, O2, DACH (1,2-diamino cyclohexane)를 사용한 플라스마 개질로 카르보닐기, 아민기 등과 같은 극성기들을 도입함으로써 두 물질간의 접착성을 향상시키고자 하였다. 플라스마 공정 조건에 따른 표면의 화학적 구조를 분석하였으며, 표면의 화학적 구조와 열융착 후 접착력과의 상관관계를 비교 분석하였다.

실험

본 실험에는 Daerim engineering에서 제조된 두께 25□의 LDPE film과 0.37mm의 알루미늄 판을 사용하였고, 처리 전에 물/에틸알콜(1:1) 용액에 20분간 초음파 세척하여 사용하였다.

LDPE film은 접착을 위해 4 x 6 cm2로 잘라서, O2 플라스마 처리한 시편과 O2 플라스마 전처리 후에 Acrylic acid(99%, Junsei Chemical co.,Ltd)플라스마 처리한 시편을 제조하였고, 알루미늄은 3 x 5 cm2로 잘라서, 아르곤과 수소 플라스마 전처리 후 DACH 플라스마 처리한 시편과 증류수에 30분간 끓인 시편을 제조하였다. 플라스마 처리 조건은 Table 1과 같다. 플라스마 반응기는 관형(Fig. 1)과 직육면체형(Fig. 2) 두가지를 사용하였다. O2와 DACH 플라스마 처리는 관형 반응기를 사용하였고, Acrylic acid 플라스마 처리는 직육면체형 반응기를 사용하였다. 관형반응기의 내부는 직경 14cm, 길이 30cm 이고, 직육면체형 반응기는 높이 10cm, 폭 30cm, 길이 60cm 이다.

Table 1. monomer별 플라스마 처리 조건

	O2	Acrylic acid		DACH
		O2 전처리	Acrylic acid	전처리		DACH
				Ar	H2
flow rate	3.54 SCCM	3.54 SCCM	4.56 SCCM	3.54	10.62	0.89 SCCM
discharge power	10 ∼ 100W	40W	30 ∼ 70W	40W		10 ∼ 70W
treatment time	5min	5min	5 ∼ 30min	5min		5 ∼ 80min

알루미늄은 표면에 OH기 도입을 위해 증류수에 30분간 끓여 건조하였고, O2와 Acrylic acid 플라스마 처리한 LDPE film의 일부는 증류수에 1분간 세척을 하였다.

처리한 film과 알루미늄의 접착은 thermal press를 사용하였고, 150℃에서 450kg/cm2의 압력으로 2분간 실시하였고, 접착 시편은 2 x 5 cm2로 자르고, 접착강도 측정을 위해서 UTM(TIRA test 27025)을 이용하여 cross head speed를 10mm/min으로 180o peel test를 실시하였다.

처리 후  표면은 접촉각 측정기, SEM, FTIR-RF/ATR(Jasco, FT/IR 430)으로 분석하였고, 접착시편을 연신하여 연신 후 박리현상을 관찰하였다.

결과 및 토론

Fig. 3은 알루미늄의 끓이기 전과 끓인 후 FT-IR(RF) 표면 분석 그림이다. 끓인 후 3400cm-1 부분의 피크가 나타났고, 이로서 OH기가 도입 됐음을 알 수 있다.

Fig. 4는 LDPE film의 Acrylic acid 플라스마 처리 전후 FT-IR(ATR) 표면 분석 그림이다. Acrylic acid 처리 후, 1709cm-1(COOH), 1210cm-1(C=O)에서 새로운 피크가 나타났고, 이로서 카르보닐기가 도입됐음을 알 수 있다.

Fig. 5는 Discharge Power 변화에 따른 LDPE의 접촉각과 aging효과를 보여주고 있다. 처리 직후의 접촉각을 비교해 보면 40W이상에서는 거의 일정한 값을 갖고, 그 이후의 aging을 진행시키면 5일 이후에 20∼40W의 접촉각은 거의 변화가 없었다. 이로서 40W를 전후해서 플라스마를 통한 기능기 도입 단계에서 시편의 degradation 단계로 전환된다는 것을 알 수 있다. 이 현상은 Fig. 6에서 더 확실하게 나타난다. 20W와 30W에서 untreated/boiled Al과의 접착력이 가장 크게 나타나고 40W부터는 급격히 감소함을 볼 수가 있다.

Fig. 7은 Acrylic acid 처리시간을 10분으로 고정하고, Discharge Power를 변화시킨 LDPE film과 untreated/boiled Al과의 접착력을 비교한 것인데, 여기서 두 가지 Al 모두 40W에서 가장 높은 접착력을 갖는다. Fig. 8은 Discharge Power를 40W로 고정하고, 처리시간을 변화시킨 LDPE film과 boiled Al과의 접착력을 비교한 것이다. 여기서도 10분 처리 시 가장 높은 접착력을 갖음을 알 수 있다.

Fig. 9와 10은 DACH의 Discharge Power와 처리시간을 각각 변화시켜 처리한 Al과 Acrylic acid로 40W 10분 처리된 LDPE와의 접착력을 비교한 것으로, DACH 플라스마를 40W 10분 처리하였을 때 가장 높은 접착력을 갖음을 알 수 있다.

이상에서 monomer에 따른 적정 처리조건은 Table 2와 같다.

Table 2. monomer 별 플라스마 적정처리 조건

구 분	O2	Acrylic acid	DACH
flow rate	3.54 SCCM	4.56 SCCM	0.89 SCCM
discharge power	30W	40W	40W
treatment time	5min	5 ∼ 10min	10min

Fig. 11은 Table 2의 조건으로 처리, 세척/접착된 시편들의 접착력을 상호 비교한 것이다. 두 그래프 상에서 300∼500N/m 의 값들은 film부분이 약간 벗겨지면서 끊기고, 500N/m이상의 값을 갖는 시편에서는 약간의 벗겨짐도 없이 끊김이 관찰되었다. LDPE와 untreated Al과의 접착에서는 O2가 더 놓은 접착력을 갖는 반면, boiled Al과의 접착에서는 Acrylic acid가 더 높은 접착력을 갖는다. 또 세척된 LDPE와의 접착에서는 Acrylic acid가 훨씬 높아지고, O2는 감소하는 특성을 보인다. 이것은 세척하는 과정에서 Acrylic acid 처리된 표면의, 결합력이 약한 oligomer형태의 부분들이 제거되기 때문일 것이다. 세척한 표면을 FT-IR(ATR)을 통해 분석해 보면 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. O2 처리된 시편의 접착력이 감소하는 현상은 O2처리가 중합역할이 아닌, LDPE 표면을 산화시키고 기능기를 형성시키는 과정인데, 세척과정에서 기능기들이 소실되기 때문이라 생각된다. DACH 처리된 Al과 접착했을 때 Acrylic acid 보다 O2 처리된 LDPE film이 더 높은 접착력을 나타낸것도 결합력이 약한 부분이 존재하는 것 때문이라고 판단된다.

이와 같은 결과에서 우리는 Acrylic acid와 O2, DACH의 플라스마 표면개질을 통해서 접착제 없이, 형태변형 공정에서 박리가 일어나지 않을 정도의 접착력을 가진 피복 재료를 만들어낼 수 있다는 것을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 1997년도 전남대학교 연구소 육성과제 연구비의 지원을 받아 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

Fig.3 boiling후의 Al 표면의 화학적   Fig.4 A.acid 처리후 LDPE 표면의 화학        변화 비교(FT/IR-RF)                  적 특성 비교(FT/IR-ATR)

Fig.5 O2 처리시 Power에 따른 LDPE의  Fig.6 O2 처리시 Power에 따른 LDPE        접촉각 비교 및 aging 효과            의 Al, boiled Al과의 접착력 비교

Fig.7 A.acid 처리시 Power에 따른 LDPE  Fig.8 A.acid 처리 시간에 따른             의 Al, boiled Al과의 접착력 비교         boiled Al과의 접착력 비교

Fig.9 DACH 처리시 Power에 따른 Al의  Fig.10 DACH처리시 처리시간에 따른     A.acid 처리된 LDPE와의 접착력 비교   Al의 A.acid LDPE와의 접착력 비교

Fig.11 최적 처리조건으로 처리/접착된 시편들의 접착력 상호비교