[첨단 헬로티]
1. 서론
수지 필름 및 시트의 제작에는 T 다이라고 불리는 슬릿 모양의 토출구가 있는 꼭지쇠가 이용되고, 용융 수지가 압출된다. 특히 광학 용도로 이용되는 수지 필름 및 시트는 표면 형상이 광학특성을 좌우하기 때문에 평활한 것이 바람직하다. 즉, T 다이의 립 부분 및 내벽면에서 용융 수지와의 이형성이 우수하고, 매끄럽게 토출되는 것이 요구되고 있다.
더구나 T 다이의 작업성 및 메인티넌스성을 고려하면, 경도가 높은 것도 요구되고 있다. 이들 요구를 만족시키기 위해 기존 T 다이에 대해서는 경질 크롬도금이나 탄화텅스텐 코트 등의 표면처리가 실시되어 왔는데, 우리들은 플라즈마 질화 처리에 의해 T 다이의 고경도화 및 이형성 향상을 실현했으므로 이것에 대해서 보고한다.
2. 실험 목적
플라즈마 질화 처리는 질소가스를 플라즈마화해, 피처리물에 바이어스 전압을 인가함으로써 피처리물 표면에 CrxN 등의 질소계 금속간화합물을 형성하는 질화법이다. 가스 질화 등 다른 질화법에 비해 저온 처리가 가능하기 때문에 치수 변화가 적고, 또한 질소가스만을 사용하기 때문에 환경부하가 적다. 이 연구에서는 플라즈마 질화 처리를 함으로써 용융 수지와의 이형성이 우수하고, 메인티넌스를 용이하게 하기 위한 경도가 높으며 양호한 표면조도와 내부식성을 유지한 T 다이를 제공하는 것을 목적으로 했다.
3. 실험 방법
플라즈마 질화 처리는 그림 1에 나타낸 新明和공업제 플라즈마 이온질화장치를 이용했다. 이 장치는 독자의 홀로캐소드형 플라즈마원을 탑재하고 있으며, 균일한 질화층 형성이 가능하다.
▲ 그림 1. 新明和공업제 플라즈마 이온질화장치
원리도를 그림 2에 나타냈다. 실험에는 플라스틱 금형용 강 STAVAX(우데홀름사제)를 사용했다.
▲ 그림 2. 플라즈마 질화의 원리도
질화 처리는 처리 온도·바이어스 전압 등의 조건을 변화시켜 했다. 또한 경도측정시험은 미소 경도시험기 HM-114(아카시제)를 이용해 실시했다. 표면조도 측정은 레이저 현미경 LEXT OLS4100(올림푸스제)를 이용해 산술 평균조도(Ra)를 산출했다. 이형성은 고온 습윤성시험·고체액체 접촉각측정장치 WET-1200(어드밴스理工제)를 이용, 질소 분위기 내에서 295℃ 조건의 COP 수지(시클로올레핀폴리머)(일본제온제)와의 접촉각을 측정해 평가했다. 또한 가속열화시험에서는 대기 환경 하 130℃, 28일간 유지 후, 시험편의 색깔 변화를 육안 관찰해 내부식성을 평가했다.
4. 실험 결과
각 시험편의 플라즈마 질화 처리 조건와 시험 결과를 표에 나타냈다. 그림 3은 바이어스 전압이 -300V와 -350V인 것에 대해 정리한 그래프이다. 처리 시의 시험편 온도가 높을수록 경도는 높지만, 스패터의 영향도 커지기 때문에 표면이 거칠어진다.
▲ 표. 각 시험편의 플라즈마 질화 처리 조건과 시험 결과
▲ 그림 3. 각 시험편의 온도와 표면조도 및 경도와의 관계
그림 4는 각 시험편의 접촉각 측정 결과와 측정 화상의 일례이다. 플라즈마 질화 처리한 모든 시험편에서 접촉각이 향상되고 있으며, 특히 경도가 높아 질화 효과가 높은 ＃2, ＃3 및 ＃7에서 현저하다. 또한 내부식성을 평가한 결과, ＃ 처리 전과 처리 온도가 높은 ＃3의 시험편은 가속열화시험 후에 금속 광택이 없어지고 청색이 되었는데, ＃1, ＃2 및 ＃2′는 금속 광택을 유지하고 있으며 내부식성이 향상됐다.
▲ 그림 4. 각 시험편의 접촉각과 측정 예
이상의 결과로부터 T 다이에 대한 플라즈마 질화 처리의 최적의 처리 조건 범위(그림 5)를 찾아낼 수 있었다.
▲ 그림 5. T 다이에 대한 플라즈마 질화 처리의 최적 처리 조건 범위
5. 맺음말
우리들은 플라스틱 금형용 강에 대해 용융 수지와의 이형성이 우수하고, 메인티넌스를 쉽게 하기 위한 경도가 높으며 양호한 표면조도와 내부식성을 유지하기 위해 최적의 플라즈마 질화 처리 조건을 찾아내는 데 성공했다. 이것에 의해 T 다이의 고경도화 및 이형성 향상이 실현, 수지 필름 및 시트 제작에서 평활한 도포 표면이 얻어지고 메인티넌스가 용이한 T 다이의 제공이 가능하다.
와타나베 유카리 (渡邊 友加里) 新明和공업(주)
Purwadi Raharjo, Shalnov Konstantin, 우에무라 켄스케 (植村 賢介) ITAC(주)
본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.
