KR100516770B1 - 전주 도금을 이용한 금속 박판 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속박판을 제조하기 위한 장치에 있어서, 전해액을 수용하는 전해조와, 상기 전해조내에 침지되는 양극재와, 상기 양극재와 대향되도록 일정 간격으로 이격 설치되며, 상기 전해조내에 완전 또는 부분 침지되는 음극재와, 상기 음극재와 양극제에 전류를 공급하기 위한 전류공급장치와, 상기 전해조와 별도로 전해액을 저장하는 저장탱크 및 상기 저장탱크의 전해액을 상기 전해조에 공급하는 공급 수단을 포함한다. 특히 전해조내의 전해액을 보정하기 위한 별도의 전해액 저장 탱크를 설치하고, 상기 저장탱크의 전해액을 전해조내로 균질하게 교반시키면서 공급하도록 노즐 및 물레를 장착함으로써, 균일한 조성, 표면 및 두께를 갖는 금속박판을 생산할 수 있다.

Description

전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치{APPARATUS FOR FABRICATING METAL FOILS BY ELECTROFORMING}

본 발명은 금속박판을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 전주도금(electroforming) 방식을 이용하여 균일한 조성, 균일한 표면 및 균일한 두께를 갖는 금속박판을 단일 또는 연속적으로 제조할 수 있도록 구성되는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로, 금속박판의 제조 방법으로는 쌍롤을 이용한 연속주조법, 멜트 스피닝법, 압연법을 이용하고 있다.

연속주조를 이용한 박판의 제조는 현재 열연판재 두께인 수 ㎜ 수준까지 생산하고 있으나 극박판 제조는 아직 성공하지 못하였다. 이 방법에서는 제조공정 중 아르곤 가스 등으로 공정분위기를 조절하게 되는데 이때의 가스로 인한 기포 발생에 의해 금속박판의 표면결함, 과열로 인한 표면층 파괴 등의 제조상 문제점이 발생하게 된다.

멜트 스피닝(melt spining)법은 급속응고를 통한 박판의 제조법 중 하나로 회전하는 냉각롤에 용융금속을 분사시켜 금속박판을 제조하는 방법으로 비교적 성분이 균일한 박판을 얻을 수 있다. 그러나 균일한 성분의 박판을 제조하기 위해서는 진공상태에서 작업을 수행해야 한다는 제약이 있다. 이를 극복하기 위해 개발된 방법이 PFC(planar flow casting)법으로 대기중에서 작업이 가능해 졌으나 균일성의 편차가 심하게 생기는 문제점을 갖고 있다.

가장 보편화 된 방법인 압연법은 박판의 생산에 있어서 많은 장점이 있으나, 수많은 단계의 압연으로 인해 제조 단가가 높아질 뿐만 아니라 극박판(두께 30㎛이하)의 생산은 제품원가의 상승을 초래하여 실제 생산에의 적용에 제약이 있다. 예를들어, 미국특허 4948434호에 개시되어 있는 바와 같이 두께 약 100㎛ 이하의 금속박판을 제조하기 위해서는 다단계 압연 및 어닐링을 실시해야 한다. 두께 100㎛의 금속박판을 제조하기 위한 다단 냉간압연 공정은 복잡하고 어려우며 장시간이 소요되는 단점과, 불 균일한 형상, 두께 편차, 에지 크랙(edge crack)등의 문제로 인해 수율이 30% 미만이며 이로 인해 제조단가가 높다는 단점이 있다.

최근, 전주 도금을 이용하여 박판을 제조하는 방법에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 한국특허공보 제1999-0064747호에 개시되어 있는 금속박판제조 방법은 본 발명과 같은 전주기법을 이용하고 있다. 그러나 이 제조장치에서는 별도의 전해액 공급수단이 존재하지 않고, 단순히 패들을 이용하여 전해액을 교반하기 때문에 전해액의 농도 분포가 불균일할 뿐만 아니라 막대형 패들의 상하운동 또는 좌우운동에 의해 수많은 기포를 발생시키는 단점이 있다. 특히, 이러한 교반 방식은 균일한 조성을 요구하는 합금 박판의 생산에는 부적합하기 때문에 새로운 방식의 제조방법을 도입할 필요가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제조 공정수를 줄임으로써 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 도금 가능한 모든 금속재료를 연속적인 공정에 의해 박판으로 제조할 수 있도록 구성되는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 금속 박판의 두께 조절을 쉽게 하여 1~200㎛의 금속 박판을 제조할 수 있는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 더욱 더 다른 목적은 조성 오차 0.5% 이내의 균질한 합금박판을 제조할 수 있는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수요자 맞춤 생산이 가능하도록 구성되는 전주도금을 이용한 금속박판 제조장치를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 금속박판을 제조하기 위한 장치에 있어서, 전해액을 수용하는 전해조와, 상기 전해조내에 침지되는 양극재와, 상기 양극재와 대향되도록 일정 간격으로 이격 설치되며, 상기 전해조내에 완전 또는 부분 침지되는 음극재와, 상기 음극재와 양극재에 전류를 공급하기 위한 전류공급장치와, 상기 전해조와 별도로 전해액을 저장하는 저장탱크 및 상기 저장탱크의 전해액을 상기 전해조에 공급하는 공급수단을 포함함을 특징으로 한다.

특히, 본 발명에 의한 전해액 저장탱크는 음극재 및 양극재를 수용하고 있는 전해조와 별도로 설치된다. 또한, 상기 전해조에 수용된 전해액보다 적어도 두 배 이상의 용량이 수용되며, 전해액 공급수단에 의해 지속적으로 전해조로 전해액이 공급되기 때문에 전해조내의 전해액의 균일한 조성을 도모할 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 공급수단으로는 상기 저장탱크와 전해조를 연결하는 순환배관중에 설치되어 전해액을 펌핑하는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 펌핑된 전해액을 상기 전해조내의 음극재와 양극재 사이로 분사하는 일정 직경을 갖는 다수의 노즐을 갖는다. 이때, 상기 노즐은 전해조의 수직선상에 대하여 일정한 각도를 갖도록 경사지게 설치되므로써, 좀더 바람직한 전착과정을 보조한다.

더욱 더 상세하게는, 본 발명에 따른 금속박판 제조 장치는 상기 노즐에 의해 유입되는 전해액의 균일한 분포를 위하여 교반수단으로서 다수의 물레가 장착된다. 예컨데, 노즐과 근접한 부분과 먼 부분과의 전해액 유속의 차이를 극복하기 위하여 상기 물레들은 서로 다른 회전수를 갖도록 설치할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연속공정으로 금속 및 합금 박판을 제조하기 위한 드럼 형태의 음극을 사용한 연속 전주도금장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 목적하는 금속박판(13)의 전착에 필요한 전해액(3)을 수용할 수 있는 전해조(12)내에 설치된다. 즉, 상기 전해조(12)내에는 부분 침지된 드럼형 음극재(1)가 회전 가능하도록 설치된다. 바람직하게는, 상기 음극재(1)는 중공형으로 형성되며, 외주면은 정밀 연마된 상태로 전해액과 반응하지 않는 금속 재질로 형성한다. 그후, 상기 음극재(1)의 하측상에는 상기 음극재(1)의 외주면과 같은 곡형의 아크형 양극재(2)가 설치된다. 바람직하게는 상기 양극재(2)는 상기 음극재(1)와 일정 간격으로 이격되어 있으며, 전해조(12)내에 완전히 침지되도록 한다. 상기 음극재(1)에서 양극재(2)가 이격되는 거리는 2cm ~ 10cm로 한다. 상기 양극재(2)는 불용성 재료인 티타늄으로 구성되거나 목적하는 금속박판에 부합하는 재료를 사용한다. 예를 들어, 동박판 제조시에는 동을 사용할 수 있으며, 니켈박판 제조시에는 니켈을 사용할 수 있고, 니켈-철 합금박판 제조시에는 니켈을 사용할 수 있다. 그후, 상기 음극재(1)와 양극재(2)에는 전원 공급 장치인 정류기(4)를 통해 전원을 인가시킨다. 더욱 상세하게는, 정류기(4)의 (-)단자를 음극재에 접지시키고, (+)단자를 양극재(2)에 접지시킨다. 또한, 침지되지 않은 음극재(1)상의 전착된 금속박판(13)을 분리시켜 권선하기 위한 권선부(16)를 상기 음극재(1)와 일정 간격을 두고 설치한다. 상기 권선부(16) 역시 롤러 형태로 설치할 수 있으며, 이 역시 전해액(3)과 반응하지 않는 재질, 예를 들어 부도체로 형성한다.

그후, 상기 전해조(12)내에 전해액(3)을 지속적으로 공급하기 위한 전해액 공급수단을 구성한다. 상기 전해액 공급수단으로는 전해조(12)에 담지되어 있는 전해액과는 별도의 전해액이 저장되어 있는 전해액 저장탱크(6)와, 상기 전해액 저장탱크(6)에서 전해조(12)로 전해액을 펌핑하는 순환펌프(7), 상기 전해조(12)내의 음극재(1)와 양극재(2) 사이로 전해액(3)을 공급하는 다수의 노즐(9)을 포함한다. 도 3은 본 발명에 따른 도 1 및 도 2에 사용되는 정밀 노즐의 사시도 및 평면도로써, 노즐의 형상 및 배치 상태를 알 수 있다. 따라서, 순환펌프(7)에 의해 강제 순환되는 전해액은 일정 직경을 갖는 노즐(9)(보조펌프(10)포함)에 의해 전해조(12)로 유입된다. 이때, 상기 저장탱크(6)의 전해액은 순환펌프(7)에 의해 순환배관(8)을 통하여 전해조(12)로 유입되며, 유입되는 양만큼 또 다른 순환배관을 통하여 다시 저장탱크(6)로 유출되므로, 상기 전해조(12)내의 전해액은 항상 일정량을 유지할 뿐만 아니라, 지속적으로 균일한 조성비를 갖도록 보정해 줄 수 있다. 부가적으로, 상기 전해조(12)에서 저장탱크(6)로 전해액이 유출되는 부분에는 불순물을 제거하기 위한 여과기(5)가 설치될 수 있다.

한편, 상기 노즐(9)은 정밀 노즐로서, 그 구경 및 노즐간의 간격은 0.2mm~3mm로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 노즐(9)은 음극재와 양극재 사이에 설치되어 저장탱크(6)의 전해액을 분사시키므로써, 항상 신선한 전해액이 반응하도록 하였다. 이는 목적하는 금속박판의 균일한 조성, 균일한 표면 및 균일한 두께를 도모하고자 함이다. 상기 노즐은 도 1에 도시한 바와 같이, 전해조의 수직한 방항에 대하여 일정 각도 θ로 기울어지도록 설치한다. 바람직하게는 상기 노즐의 각도 θ는 양극재의 경사각 θ1 보다 같거나 작도록 설치될 수 있다.

그후, 음극재(1)와 양극재(2) 사이에서 노즐(9)에 의해 분사되는 전해액의 균일한 유속 분포를 위하여, 상기 전해조내에는 다수의 교반수단(agitating means)인 물레를 설치한다. 상기 물레들은 상기 음극재(1)와 양극재(2) 사이에서 음극재의 길이 방향과 평행하게 일정 간격을 갖도록 설치된다. 또한, 노즐(9)에 의해 발생하는 전해액의 유속의 차이를 극복하기 위하여, 상기 물레들은 개별적인 구동 수단(미도시 됨)에 의해 서로 다른 회전수를 갖도록 회전시킬 수 있다. 즉, 노즐과 가까운 곳에 위치할수록 물레의 회전수를 느리게 하면(즉, 노즐과 멀수록 물레의 회전수를 증가시키면) 상기 음극재(1)와 양극재(1) 사이에서 노즐에 의해 발생할 수 있는 전해액의 유속의 차이를 균일하게 분포시킬 수 있다. 따라서, 음극재 상에서 원활한 전착 공정을 수행할 수 있고, 결과적으로 양질의 금속박판을 생산할 수 있다. 또한, 상기 물레들 사이의 거리는 2cm~30cm로 설치한다.

도 4는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2에 사용되는 물레의 사시도로서, 적어도 음극재의 길이보다 길도록 형성되는 샤프트(11-1)와, 상기 샤프트상에 설치되는 다수의 블레이드(11-2) 및 상기 샤프트를 회전시키는 구동 수단(미도시 됨)을 포함한다. 상기 블레이드(11-2)는 상기 샤프트(11-1)의 외주면에 대하여 수직한 방향으로 설치되며, 상호 일정 각도를 갖도록 설치한다. 본 발명의 도면에서는 다수의 블레이드(11-2)가 등각도로 설치된다. 즉, 측면에서 보면 120도씩 3개의 블레이드가 교번하여 다수개가 설치된다. 그러나 물레를 구성하는 블레이드(11-2)의 형상이나 설치되는 상호 각도는 이에 국한되지 않는다. 또한, 상기 블레이드를 포함한 전체 직경은 1cm~9cm로 형성하는 것이 바람직하다.

따라서, 전원공급장치인 정류기(4)를 통하여 음극재(1) 및 양극재(2)에 전원을 인가시키게 되면, 상기 음극재(1)의 표면상에 금속박판(13)이 전착된다. 이때, 노즐(9)을 통하여 지속적으로 전해액이 전해조로 공급됨과 동시에, 물레들(11)은 서로 다른 회전수를 가지며 지속적으로 회전하고 있는 상태이다. 또한, 음극재(1) 역시 일정 회전수를 가지며 회전하게 되며, 음극재(1)상의 침지되지 않은 부분에 전착된 금속 박판(13)은 권선부(16)를 통해 연속적으로 권취된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배치형(batch type)의 금속 및 합금박판 제조장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 전해조 및 전해액 공급수단과 물레 및 전류공급장치는 도 1의 구성과 동일하다. 따라서 같은 부호를 사용하였으며, 다만, 도 2는 단일 박판을 생산하기 때문에 음극재상에 전착된 금속박판을 권취시키는 권선부는 존재하지 않는다.

또한, 단일 박판을 생산하기 때문에 플레이트형 양극재(2) 및 음극재(1)를 설치하였고, 상기 양극재(2) 및 음극재(1)는 전해조(12)내에 완전 침지시켜도 무방하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 양극재(2)와 음극재(1) 역시 전해조(12)의 수직한 방향에 대하여 일정 각도θ1 을 갖도록 설치한다. 노즐 역시 일정 각도 θ를 갖도록 상기 음극재와 양극재 사이에 설치되는데, 도 1의 구성과 마찬가지로, 상기 노즐의 각도 θ는 양극재의 경사각 θ1 보다 같거나 작도록 설치된다.

이하, 하기와 같은 실시예를 통하여 본 발명에 따른 금속박판의 제조 과정을 알아보기로 한다.

실시 예1

본 발명의 도 1에서와 같이 드럼형 음극재를 이용하여 순 니켈박판(99.9%이상)을 제조하였다. 니켈박판을 제조하기 위해 염화 니켈과 황산 니켈 용액을 주성분으로 하는 전해액을 사용하여 목적하는 니켈박판의 두께를 조절하며 드럼형 음극재를 회전하면서 니켈박판을 제조하였으며 그 결과 균일한 조성의 니켈박판을 연속적으로 제조할 수 있었다. 이때 전류밀도는 5∼15mA/㎠의 범위에서 공급하였으며, 전해액 교반을 위한 펌프의 유속은 20∼200㎝/sec 범위에서, 전해액의 pH는 1.8∼4.5, 전해액의 온도는40∼60℃ 범위에서 수행하였다. 이상과 같은 조건으로 제조된 니켈박판의 기계적 특성을 하기 <표 1>에 나타내었다.

실시 예2

본 발명의 도 1에서와 같이 드럼형 음극재를 이용하여 인바(36wt%니켈-철) 합금박판을 제조하였다. 인바(36wt%니켈-철) 합금박판을 제조하기 위해 황산 니켈과 황산 철 용액을 주성분으로 하는 전해액을 사용하여 목적하는 인바(36wt%니켈-철) 합금박판의 두께를 조절하며 드럼형 음극재를 회전하면서 인바(36wt%니켈-철) 합금박판을 제조하였으며 그 결과 균일한 조성의 합금박판을 연속적으로 제조할 수 있었다. 이때 전류밀도는 5∼15mA/㎠의 범위에서 공급하였으며, 전해액 교반을 위한 펌프의 유속은 20∼200㎝/sec 범위에서, 전해액의 pH는 1.8∼4.5, 전해액의 온도는 40∼60℃ 범위에서 수행하였다. 이상과 같은 조건으로 제조된 인바(36wt%니켈-철) 합금박판의 기계적 특성을 하기 <표 1>에 나타내었다.

도 1의 공정으로 제조된 니켈 및 니켈-철 합금박판의 대표적인 기계적 특성

실시 예3

본 발명의 도 1에서와 같이 드럼형 음극재를 이용하여 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판을 제조하였다. 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판을 제조하기 위해 염화 니켈과 염화 철 용액을 주성분으로 하는 전해액을 사용하여 목적하는 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판의 두께를 조절하며 드럼형 음극재를 회전하면서 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판을 제조하였으며 그 결과 균일한 조성의 합금박판을 연속적으로 제조할 수 있었다. 이때 균일한 조성을 얻기 위해 전해액 탱크에서 초기의 퍼멀로이 제조에 부합하는 전해액으로 계속 보정하면서 수행하였다. 이상과 같은 조건으로 제조된 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판과 전해액 탱크를 제외시킨 장비로 제조한 퍼멀로이(80wt%니켈-철) 합금박판의 시간에 따른 조성 변화를 도 5에 나타내었다. 도 5에 도시한 바와 같이, 전해액이 별도로 저장되어 있는 저장 탱크를 사용하였을 경우, 사용하지 않았을 때보다 더욱 균일한 조성비를 얻을 수 있었다.

본 발명에 따른 금속박판 제조장치는 전해조내의 전해액을 보정하기 위한 별도의 전해액 저장탱크를 설치하고, 상기 저장탱크의 신선한 전해액을 전해조내로 지속적으로 공급하기 때문에 항상 균일한 조성, 표면 및 두께를 갖는 금속박판을 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속공정으로 금속 및 합금 박판을 제조하기 위한 드럼 형태의 음극을 사용한 연속전주도금장치를 개략적으로 도시한 도면;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배치형(batch type)의 금속 및 합금 박판 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 도 1 및 도 2에 사용되는 정밀 노즐의 사시도 및 평면도;

도 4는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2에 사용되는 전해액 교반수단인 물레 사시도; 및

도 5는 본 발명에 따른 도 1의 장치를 이용하여 제조된 퍼멀로이 박판의 시간에 따른 조성 변화도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1: 음극재 2: 양극재

3: 전해액 4: 정류기

5: 여과기 6: 저장 탱크

7: 순환펌프 8: 순환배관

9: 노즐 10: 보조 노즐

11: 물레 12: 전해조

13: 금속 박판 14: 양극재 경사각

15: 노즐 경사각 16: 권선부

Claims (9)

1. 삭제
2. 금속박판을 제조하기 위한 장치에 있어서,

   전해액을 수용하는 전해조;

   상기 전해조내에 침지되는 양극재;

   상기 양극재와 대향되도록 일정 간격으로 이격 설치되며, 상기 전해조내에 완전 또는 부분 침지되는 음극재;

   상기 음극재와 양극제에 전류를 공급하기 위한 전류공급장치;

   상기 전해조와 별도로 전해액을 저장하는 저장탱크; 및

   상기 저장탱크의 전해액을 상기 전해조에 공급하는 공급수단을 포함하되,

   상기 공급수단은,

   상기 저장탱크와 전해조를 연결하는 순환배관중에 설치되어, 전해액을 펌핑하는 순환펌프;

   상기 순환펌프에 의해 펌핑된 전해액을 상기 전해조내의 음극재와 양극재 사이로 분사하는 일정 직경을 갖는 다수의 노즐임을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 노즐의 전해액 유출 직경 및 각 노즐간의 간격은 0.2~3mm임을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
4. 제 2항에 있어서,

   수직선에 대하여 상기 노즐은 입사각 θ를 갖도록 설치하며, 상기 입사각 θ는 양극재의 경사각 θ1보다 같거나 작도록 설치함을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 음극재와 양극재 사이에는 상기 공급 수단에 의해 공급되는 전해액의 유입 및 유출 유속을 균일하게 유지시키기 위하여 일정 간격으로 다수의 교반 수단인 물레들이 더 설치됨을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 물레를 구성하는 각 샤프트에서,

   각각 다른 각도를 갖도록 상기 샤프트의 원주 방향에 대하여 수직으로 교반하여 설치되는 다수의 블레이드; 및

   상기 각각의 샤프트에 설치되어 서로 다른 회전수를 갖도록 회전시키는 구동수단을 포함함을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
7. 제 2항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 물레의 샤프트는 노즐에서 멀어질수록 회전수가 빨라지도록 하여 상기 양극재와 음극재 사이에서 유입되고 유출되는 전해액의 유속을 균일하게 함을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속박판 제조장치.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 교반 수단은 블레이드를 포함한 직경이 1~9cm임을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속 박판 제조 장치.
9. 제 6항에 있어서,

   각 물레들 사이의 거리는 2~30cm임을 특징으로 하는 전주 도금을 이용한 금속 박판 제조 장치.