마그네슘 합금 안경테의 안전성 및 적합성 평가

서 론

국내의 안경산업은 기술개발에 대한 투자 미흡으로 인하여 글로벌 경쟁에서 밀려 침체되어 있는 상태이다.^[1] 이러한 침체 위기에서 벗어나기 위해 새로운 소재의 안경테 개발이 필요하다.

안경 사용 인구가 증가되면서 가볍고 안전한 안경테 소재에 대한 요구가 많아지면서 현재 많이 사용되는 티타늄을 대체할 신소재 개발과 도금 및 표면처리에 대한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.

안경테 소재로 새롭게 대두되고 있는 마그네슘은 경량 소재로 밀도가 약 1.7 g/cm³ 정도로, 철의 1/5, 알루미늄의 2/3, 티타늄의 1/3 정도이며 공업적으로 사용되고 있는 구조재료 중에서 가장 가볍고 비강도가 타 금속에 비해 뛰어나다. 또한 전기 및 열 전도도와 전자파 방열성 및 차폐성, 기계절삭성 등이 우수하고 충격, 진동에 대한 흡수성이 매우 우수하기 때문에 다양한 산업분야에서 강철 및 알루미늄 합금의 대안으로 널리 사용되고 있다.^[2-5]

마그네슘은 인체에 해를 끼치지 않으며, 재생성이 우수하여 친환경 소재로써 관심을 받아왔고, 최근 전세계적으로 마그네슘 합금에 대한 상업화 연구가 활발히 진행되고 있으며, 임플란트용 생체재료로도 개발되고 있고, 항공우주 응용분야에도 사용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다.^[5,6]

마그네슘의 여러 가지 특성들을 향상시키는 방법들로는 합금원소를 첨가하는 방법과 열처리법, 표면처리법, 코팅 처리법 등이 있다. 특정 합금원소를 첨가함으로써 원하는 특성을 향상시키거나, 열처리를 통해 강도, 연성 및 인성, 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 표면처리와 코팅 처리를 통해 내식성, 내마모성, 기계적 특성 등을 향상시킬 수 있다.

마그네슘 합금의 여러 표면처리 방법 중에서 화성처리 및 양극산화는 전처리 과정이 복잡하고 산화 피막의 내마모성과 내식성이 낮지만, PEO(Plasma Electrolytic Oxidation) 표면처리는 간편한 전처리 공정으로서 내마모성과 내식성이 우수하고 제조공정이 친환경적이다.^[7] 마그네슘은 많은 우수한 특성을 가짐에도 불구하고 내식성이 낮아서 부식이 쉽게 일어난다는 단점 때문에, 지금까지 안경테 소재로써 상용화되지 못하였었다.

안경테를 선택할 때에 중요한 부분 중 하나는, 안경테는 피부와 접촉하기 때문에 피부에 영향을 미치지 않도록 하여야 하는 점인데,^[8] 부식이 일어난다면 피부에 악영향을 미치게 된다. 다른 금속소재들과 마찬가지로 마그네슘 합금 또한 내식성 향상을 위한 표면처리가 필수적이다.

지금까지 일반 산업 소재에 대한 개발 및 연구는 많이 이루어져 왔지만, 안경테에 적합한 소재 연구는 거의 없었으며, 특히 금속소재의 안경테에 대한 연구는 거의 없다. 따라서 안경산업의 성장과 글로벌 경쟁력을 갖추기 위해서는 안경테 소재에 대한 이해와 새로운 소재 개발이 절실히 요구되고 있다.

따라서 본 연구에서는 마그네슘 합금을 소재로 하여 안경테를 제작하여 안경테의 특성을 분석하고, PEO(Plasma Electrolytic Oxidation) 표면처리와 코팅처리로 내부식성을 향상시켜서 안경테 소재로써의 안전성과 적합성을 확인해 보고자 한다.

방 법

결과 및 고찰

1. 마그네슘 합금 안경테의 내부식성

마그네슘 합금 안경테가 가지는 강한 부식성을 완화하고 방지하기 위하여 AZ31합금 안경테 표면에 PEO 표면처리를 한 다음 코팅처리를 하였다.

표면처리와 코팅처리의 내부식성 향상 효과를 살펴보기 위하여 마그네슘 안경테에 표면처리를 하지 않은 시료(A), PEO 표면처리한 시료(B), 그리고 PEO 표면처리 후 코팅처리까지 완료한 시료(C)의 3종을 염수 분무하여 내부식성을 비교하여 Fig. 1~Fig. 2에 제시하였다.

Fig. 1.

The appearance of the three samples before and after salt spray. (A) without PEO surface treatment, (B) only PEO surface treatment, and (C) coated after PEO surface treatment. PEO,

Fig. 2.

The appearance of the three samples after 72 hours of salt spray. (A) without PEO surface treatment, (B) only PEO surface treatment, and (C) coated after PEO surface treatment. PEO,

Fig. 1에서 보는 바와 같이 3종의 안경테 프론트 부분에 염수 분무하기 전(왼쪽)과 72시간 염수 분무한 후의 모습(오른쪽)에서 A시료는 부식이 심한데 비해 표면처리와 코팅처리를 진행한 C시료에서는 부식성이 향상된 것을 볼 수 있었다. 전혀 표면처리를 하지 않은 A 시료는 Fig. 2의 (A)와 같이 매우 심한 부식을 확인할 수 있었다. Fig. 2의 (B)에 제시된 것과 같이 PEO 표면처리만 한 AZ31 마그네슘 합금 안경테는 붉은색 화살표로 나타낸 일부 부분에서만 약간의 부식이 일어났다. PEO 표면처리 후 프라이머 코팅, 전착코팅, 칼라코팅까지 완료한 C시료는 Fig. 2의 (C)에서 보이는 바와 같이 부식이 일어나지 않았다.

이와 같이 마그네슘 합금 안경테에 표면처리를 하지 않은 시료(A), PEO 표면처리만 한 시료(B), 코팅처리까지 완료한 시료(C)를 비교한 결과, 표면처리와 코팅처리를 진행함으로써 단계적으로 내식성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 결과는 PEO 표면처리는 다른 표면처리 방법들보다 내식성과 내마모성이 더 향상되며,^[9,10] PEO 표면처리를 한 시편이 그렇지 않은 것보다 부식전위가 증가하여 내부식성이 향상되었다는 연구^[11]와 일치됨을 알 수 있었다.

마그네슘 합금 안경테는 PEO 표면처리를 통해 내부식성이 크게 향상되었으며, 추가적으로 프라이머 코팅과 산화 방지와 내구성을 높이는 전착 코팅, 그리고 미적 효과를 높이고 내구성을 높이는 칼라 코팅처리 과정을 거치면서 내부식성이 더욱 향상됨을 확인하였다.

2. 마그네슘 합금 안경테의 표면 관찰

PEO 표면처리 후 코팅처리까지 완료한 안경테의 표면을 Olympus BX51M(금속 조직현미경)으로 촬영하였을 때, 결정립 미세화 현상이 나타난 것을 확인하였다(Fig. 3).

Fig. 3.

Surface of magnesium alloy spectacle frame coated after PEO surface treatment. PEO,

결정립 미세화 현상에 대한 기존 연구 결과는 결정립 미세화로 인하여 마그네슘 합금의 기계적 특성 및 경도가 개선되었으며,^[12] 결정립 미세화로 인하여 인장강도 및 연신율 등 기계적 특성이 향상되었다.^[13,14] 또한 결정립 미세화로 마그네슘 합금의 내식성이 크게 향상되었으며,^[4] 마그네슘의 부식속도가 감소하였다.^[15]

본 연구에서도 PEO 표면처리와 코팅처리를 진행한 안경테에서 결정립 미세화 현상이 나타난 것으로 미루어 보아 안경테의 강도, 연성, 인성 등의 기계적 성질의 향상과 내부식성 및 가공성 향상 등의 효과가 있을 것으로 판단된다.

3. 마그네슘 합금 안경테의 단면 관찰

마그네슘 합금 안경테의 코팅 완료 후, 금속조직 현미경으로 측정된 단면을 Fig. 4에 제시하였다. 마그네슘 합금 표면 위로 PEO 층과 코팅층 간의 밀착이 잘 이루어져 있음을 확인하였다. 이러한 우수한 밀착성은 안경테의 내구성이 향상되어 제품의 수명을 연장시킬 것으로 보인다.

Fig. 4.

Cross-section of magnesium alloy spectacle frames coated a fter PEO surface t reatment. PEO,

표면처리와 코팅처리 후에 형성된 산화막층과 코팅층들의 내식성, 내구성, 내마모성 및 기계적 특성 향상 효과를 보다 명확히 이해하기 위하여 EDS mapping 분석을 통해 검출된 원소들의 성분을 분석하고, EDS point 분석으로 검출된 원소들의 함량을 분석하며, EDS line scan 분석으로 원소들의 분포도를 분석하였다.

Fig. 5의 상단의 SEM(Scanning Electron Microscope)(주사전자현미경) 이미지는 표면처리된 후 생긴 산화막(Oxide layer)층이 매우 균일하게 마그네슘 합금 표면과 결함없이 잘 밀착되어 있다는 것을 확인할 수 있으며, 각각의 코팅층들도 서로 잘 밀착되어 형성되어있는 것을 확인할 수 있다. 하단의 이미지는 EDS mapping 분석으로 각각의 산화막층과 코팅층들에서 5개 원소들이 각 층별로 구별되게 검출되었다. Fig. 5에서 ①층은 프라이머 코팅층, ②층은 전착 코팅층, ③층은 칼라 코팅층으써 각 층별로 어떤 원소들이 검출되었는지 사진을 통해 알 수 있다.

Fig. 5.

EDS mapping of PEO surface-treated and coated magnesium alloy spectacle frames. Primer coating layer, ② electrodeposition coating layer, and ③ color coating layer. EDS; PEO,

마그네슘 합금 안경테의 표면의 EDS mapping 분석으로 O, Mg, Si, Ti, C와 같은 5개의 원소들이 관찰되었다. 이와 같은 원소들은 소재의 특성을 개선하는 역할을 한다.

산소(O)는 PEO 공정 중에 형성되는 산화물층의 주요 성분으로써 마그네슘과 반응하여 MgO(산화마그네슘)와 같은 산화물을 형성하여, 부식 저항성을 향상시키며, 마그네슘(Mg)은 합금의 기본 성분으로, PEO 표면처리 후에도 여전히 기저 금속으로 존재하며, 표면처리된 표면의 기계적 특성과 전반적인 구조에 중요한 역할을 한다.

실리콘(Si)은 마그네슘 합금이나 전해질에 포함되어 있으며, PEO 표면 처리에서 산화물층의 형성을 도와 구조적 안정성을 제공하고, SiO₂와 같은 구조를 형성하여 경도와 내식성이 향상되며, 티타늄(Ti)은 전해질에서 유입되며 TiO₂와 같은 산화물층을 형성하여 내구성 증가, 내식성 향상, 표면의 경도를 높인다. 마지막으로 탄소(C)는 사용된 전해질의 유기 화합물에 포함되어 경도, 내식성 및 기계적 특성을 개선하는 역할을 한다.^[16,17]

PEO 표면처리 후 코팅처리까지 완료한 마그네슘 합금 안경테의 단면에 대한 EDS line scan을 진행한 결과를 Fig. 6에 제시하였다. 하단의 확대한 결과를 보면 노란선으로 나타낸 부분의 부위별로 어떤 원소들이 많이 분포되어 있는지 분포세기를 확인할 수 있다.

Fig. 6.

A cross-sectional EDS line scan of magnesium alloy spectacle frames completed from surface treatment to coating treatment. EDS,

마그네슘 합금 안경테의 단면 EDS point 분석 결과를 Fig. 7에서 나타내었다. 상단의 이미지에서 ①은 마그네슘 합금층으로 성분함량을 살펴보면 아래의 표에 제시된 바와 같이 대부분 Mg으로 이루어졌으며, 약간의 O와 C가 검출되었다. ②는 프라이머 코팅층으로 C가 대부분을 차지하고, Mg, O, Cl, Si이 약간씩 검출되었으며, ①과 ②사이에 PEO 산화막층이 치밀하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. ③의 전착 코팅층은 C가 대부분을 차지하며, Mg, O, Si, Ti, S이 조금씩 검출되었으며, ④의 칼라 코팅층은 Si가 대부분을 차지하고, Mg, Cl가 약간씩 검출되었음을 확인하였다.

Fig. 7.

A cross-sectional EDS point analysis of magnesium alloy spectacle frames completed from PEO surface treatment to coating treatment. Magnesium alloy layer, ② primer coating layer, ③ electrodeposition coating layer, and ④ color coating layer. EDS, ; PEO,

AZ31 마그네슘 합금의 PEO 표면처리 시 전해액 조성에서 나트륨 실리케이트(Na₂SiO₃)를 첨가함으로 인해 산화 피막의 두께가 증가하고 내식성이 향상되었으며,^[16] 합금 조성 시 첨가되는 원소들이 기계적 특성들과 내식성 등을 향상시킨다^[18]는 기존 연구와 EDS mapping 분석으로 확인된 원소들의 역할과 의미 등을 고려할 때, 마그네슘 합금 안경테의 PEO 표면처리와 코팅처리 시 전해액과, 코팅액으로부터 첨가되는 원소들의 영향으로 내식성, 내마모성, 내구성, 그리고 기계적 특성 등이 향상됨을 미루어 짐작할 수 있다.

결 론

본 연구에서는 환경친화적 금속 소재로써 여러 분야에 서 널리 사용되고 있는 마그네슘 합금으로 안경테를 제조하여 표면처리와 코팅처리 등의 공정을 거치는 동안 변화하는 특성들을 분석하고 안경테 소재로써의 안전성과 적합성을 평가하였다.

마그네슘 합금 안경테는 PEO 표면처리를 통해 내부식성이 향상되며, 코팅처리를 통해 더욱 강화된 내부식성과 미려한 외관을 갖추게 된다.

표면처리와 코팅처리는 밀착성이 우수한 산화막 형성과 안경테 표면의 결정립 미세화 유도로 인장강도, 연신율, 내마모성 향상 효과가 있다.

마그네슘 합금 안경테의 EDS 분석으로 산화막 층과 여러 코팅층의 검출된 원소들의 성분과 함량, 그리고 원소들의 분포도를 통해 각 층의 특성을 확인하였다.

환경친화적이며 경량인 마그네슘 합금은 여러 공정을 거치면서 단점은 보완되고 장점은 더욱 향상되어 안전성과 적합성이 있음을 확인하였다.

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