KR101170042B1

KR101170042B1 - 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법

Info

Publication number: KR101170042B1
Application number: KR1020050128189A
Authority: KR
Inventors: 홍익표; 이성영; 박세민
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2012-08-03
Also published as: KR20070066726A

Abstract

본 발명은 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 있어서, 0.1N 이상의 불산(HF)수용액인 도금액이 저장된 도금조에 양극과 음극을 설치하는 단계와, 상기 양극에는 탄소물질을 연결하고, 상기 음극에는 탄소코팅층을 형성시키고자 하는 피도금물을 연결하여 상기 도금액에 침지하는 단계와, 상기 양극와 음극 사이에 직류전원을 사용하여 전원을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법은 기존의 도금장치를 사용하기 때문에 별도의 장치를 필요로 하지 않으므로 경제적이며, 금속표면의 미생물 친화성을 증가시킬 수 있으므로 금속표면에 다양한 기능성의 부여가 가능하다.

탄소질 코팅, 불산, 전기분해

Description

금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법{Method of carbon coating on metal surface}

도 1은 본 발명의 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 의해서 탄소질 피막이 형성된 스테인리스스틸 판의 사진.

본 발명은 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불산(HF)수용액을 도금액으로 하고, 간단한 전기도금 방법을 이용하여 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속표면처리의 목적은 부식을 방지하는 방식성, 색채 및 광택을 향상시키는 장식성, 경도, 내마모성, 내열성 등을 향상시키는 기능부여 등을 근본적인 목적으로 하고 있다. 이러한 금속의 표면에 표면처리를 하는 한 방법으로서, 다른 금속을 사용하여 피막을 만드는 방법인 도금법이 있으며, 도금법의 종류는 전기도금, 화학도금, 용융도금, 진공 증착도금, 침투도금, 이온도금 등이 있다.

도금법의 한 종류인 전기도금 방법은 양극에 금속을 장착하고 음극에는 도금 하고자 하는 물질을 장착하며, 전기도금용액으로는 도금 금속과 동일한 원소로 구성되어 있는 금속염의 수용액을 사용하여 직류전류를 각 전극에 인가하여 용액에 금속을 이온화시키고 금속용액 중의 이온이 도금하고자 하는 물질에 석출(析出)되어 코팅되는 과정에 의하여 도금이 이루어진다.

그러나 탄소의 피막을 피도금물질에 형성시키려는 경우에는, 탄소가 비금속 원소이기 때문에 이온화되지 않고, 또한 탄소 이온을 공급할 수 있는 용액도 없기 때문에, 전기도금 방법 이외의 진공 증착도금이나 기타 코팅방법을 사용하게 된다.

종래의 진공 증착도금에 의한 코팅 방법의 일례로, 대한한국 공개특허 제1994-0006949호(1994.04.26)에 기재된 "광섬유상에 탄소코팅을 제공하는 장치"는 인발로에서 섬유 예형의 말단을 가열하는 단계와, 상기 예형의 말단으로부터 섬유를 인발시키는 단계와, 벽을 포함하는 반응기에 섬유를 주입하는 단계와, 탄소를 포함하는 반응기체를 상기 반응기에 공급하는 단계와, 금속의 상기 반응기 벽에 주입된 상기 반응기체의 증착에 의해 섬유상에 탄소코팅을 형성하는 단계로 이루어져 있다.

종래의 또다른 진공 증착도금에 의한 코팅 방법의 일례로 대한한국 공개특허 제1989-0013210호(1989.09.22)에 기재된 "탄소계 피막 부착방법"은 반응실내에 기판을 배치하는 단계와, 탄소를 포함하는 반응가스를 상기 반응실 안으로 도입하는 단계와, 상기 반응가스를 분해시키기 위하여 전기에너지를 상기 반응실 안으로 입력하여 탄소피막를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함하는 탄소피막을 기판상에 부착하는 방법에 있어서, 부착시에 상기 탄소피막의 부착 조건을 변형시켜 상기 탄 소피막의 경도가 상기 기판과 상기 피막사이의 계면으로부터 기판에서 떨어진 일부분으로 점차로 증가하는 것을 특징으로 하는 탄소피막 부착방법이다.

상술한 바와 같은 진공 증착도금에 의하나 코팅 방법은 증착에 의하여 코팅하는 방법으로 코팅하고자 하는 물체가 증착온도에 안정되게 노출될 수 없는 경우에는 적용이 불가능하고, 증발 가스가 직선 운동을 하기 때문에 밀착성이 낮다.

또한, 일반적인 전기 도금과 비교해서, 고온 처리해야 한다는 단점이 있으며, 도금을 하기 위한 고가의 장치를 사용해야 하기 때문에 비용이 과다하게 소요되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 통상의 전기도금 장치 및 방법으로 탄소물질과 불산수용액인 도금액을 이용하여 금속표면에 탄소질 피막을 형성함으로써, 금속표면이 코팅되도록 하는 탄소질 코팅 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법은, 0.1N 이상의 불산(HF)수용액인 도금액이 저장된 도금조에 양극과 음극을 설치하는 단계와, 상기 양극에는 탄소물질을 연결하고, 상기 음극에는 탄소코팅층을 형성시키고자 하는 피도금물을 연결하여 상기 도금액에 침지하는 단계와, 상기 양극와 음극 사이에 직류전원을 사용하여 전원을 공급하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 0.1N 이상의 불산(HF)수용액인 도금액이 저장된 도금조에 양극과 음극을 설치한다.

불산은 화학식이 HF로서, 발연성(發煙性)이 강한 무색 액체이며, 녹는점은 -83.7℃, 끓는점 19.54℃, 비중 0.988(14℃)이다. 다른 할로겐화수소와 달리 분자가 중합하기 때문에 상온에서 액체이고, 기체, 고체가 모두 무색이다. 기체 속에 존재하는 분자는 증기밀도를 측정한 결과 90℃ 이상에서는 HF, 32℃ 부근에서는 H₂F₂와 H₃F₃의 중간이고, 고체에서는 정방정계(正方晶系)이며, 단위격자 속에 4(HF)₄분자를 함유한다. 액체는 전도성이 없으며, 용매로서는 대부분의 무기?유기화합물을 녹인다.

이러한 불산은 도금조 내에서 양극의 탄소물질을 부식시켜 코팅이 가능한 양이온 형태의 탄소물질을 형성시키는 역할을 하게 되므로 만약 불산수용액의 농도가 0.1N 미만인 경우에는 양극의 탄소물질이 충분히 부식이 일어나지 않으므로 음극의 피도금물로의 탄소물질의 공급이 곤란하여 코팅이 제대로 일어나지 않으므로 불산수용액의 농도는 0.1N 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상업적으로 제조되는 불산수용액의 농도는 대략 25N이 최고치인데, 불산수용액의 농도가 높을수록 탄소물질의 부식이 더욱 심화되고 피도금물의 코팅이 더 잘 일어나므로 불산수용액의 농도는 0.1N 이상이면 된다.

한편, 도금액의 용기로는 불산수용액에 불안정한 초자나 금속의 재질보다는 플라스틱류의 합성수지계의 도금조를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 양극에는 탄소물질을 연결하고, 상기음극에는 피도금물을 연결하여 상기 도금액에 침지한다.

양극에 연결되는 코팅용의 탄소는 탄소를 주성분으로 하는 물질은 어느 것이나 사용이 가능하나 탄소물질 중에 포함되어 있는 불순물이 금속성분인 경우에는 불산수용액에 용출되어 탄소보다 우선적으로 도금될 수 있으므로 가능한 한 불순물의 함량이 낮은 것이 바람직하며, 불순물이 수소, 산소, 질소 등의 통상의 유기물의 구성물질로 이루어진 경우에는 탄소의 농도를 제한할 필요는 없으나 전류를 잘 통과시키기 위해서는 전기전도도가 높을수록 바람직하다고 할 수 있다.

한편, 음극에 연결되는 피도금물은 전기를 통할 수 있으며 불산수용액에 의한 부식을 무시할 수 있는 물질이면 어느 것이든지 본 발명의 방법에 의하여 코팅이 가능하다. 따라서 금속물질 중에서 상대적으로 불산수용액에 안정한 물질일수록 안정적인 코팅이 좀더 가능하다.

마지막으로, 양극와 음극 사이에 직류전원을 사용하여 전원을 공급한다.

코팅을 하기 위해서 양극과 음극 사이에 인가되는 전원으로는 통상의 도금방법과 마찬가지로 직류전원을 사용하나 전압으로는 통상의 전기도금 방법에 사용되는 전원인 2~8V에 비하여 높게 설정하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 피도금물과 도금전극간의 거리 등을 조절하여 저항을 적절히 설정하고 전압을 조절함에 의하여 일정전류로 코팅을 실시한다. 그러나 피도금물과 도금용 탄소물질에 따라서 적정 전압을 유지하여야 하므로 본 발명에서는 조건을 별도로 제한하지는 않는다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 참조로 하여 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

<비교예1>

양극	활성탄소섬유
음극	2mm 두께의 스테인리스스틸 판
도금액	1N 농도의 황산수용액
전원	50V의 직류전원
시간	4시간

초자로 된 도금장치를 이용하여 양극에는 탄소물질로서 펠트상 활성탄소섬유1.5g을 연결하고 음극에는 2mm 두께의 스테인리스스틸 판을 장착하고 1N 농도의 황산수용액 중에서 50V의 직류전원을 연결하여 4시간 동안 전류를 인가하였다. 그 결과 스테인리스스틸 판은 일부 부식되었으며 탄소질의 피막은 전혀 형성되지 않았다.

<비교예2>

양극	활성탄소섬유
음극	2mm 두께의 스테인리스스틸 판
도금액	4N 농도의 황산수용액
전원	50V의 직류전원
시간	4시간

초자로 된 도금장치를 이용하여 양극에는 탄소물질로서 펠트상 활성탄소섬유1.5g을 연결하고 음극에는 2mm 두께의 스테인리스스틸 판을 장착하고 4N 농도의 황산수용액 중에서 50V의 직류전원을 연결하여 4시간 동안 전류를 인가하였다. 그 결과 스테인리스스틸 판은 일부 부식되었으며 탄소질의 피막은 전혀 형성되지 않았다.

한편, 합성수지재질의 도금장치를 이용하여 양극에는 탄소물질로서 활성탄소섬유를 연결하고 음극에는 2mm 두께의 스테인리스스틸 판을 장착하고 염산수용액이 1N 농도와 4N 농도인 두가지 경우와 질산수용액이 1N 농도와 4N 농도인 두가지 경우에도 50V의 직류전원을 연결하여 4시간 동안 전류를 인가하였으나 역시 피막이 형성되지 않았다.

<실시예 1>

양극	활성탄소섬유
음극	2mm 두께의 스테인리스스틸 판
도금액	1N 농도의 불산수용액
전원	50V의 직류전원
시간	4시간

합성수지재질의 도금장치를 이용하여 양극에는 탄소물질로서 활성탄소섬유를 연결하고 음극에는 2mm 두께의 스테인리스스틸 판을 장착하고 1N 농도의 불산수용액 중에서 50V의 직류전원을 연결하여 4시간 동안 전류를 인가하였다.

그 결과 용액이 닿은 부분에 제1도와 같이 1 - 10㎛의 두께의 견고한 탄소질 피막이 형성되었다.

<실시예 2>

실시예 1의 도금장치를 이용하여 양극에는 탄소물질로서 활성탄소섬유를 연결하고 음극에는 2mm 두께의 스테인레스스틸 판을 장착하고 4N 농도의 황산수용액 중에서 50V의 직류전원을 연결하여 4시간 동안 전류를 인가하였다.

그 결과 용액이 닿은 부분에 5 - 15㎛의 두께의 견고한 탄소질 피막이 형성 되었다.

도 1은 본 발명의 탄소질 코팅 방법에 탄소질 피막이 형성된 스테인리스스틸 판의 사진이다.

상기와 같은 본 발명의 탄소질 코팅 방법에 의하면 기존의 도금장치를 사용하기 때문에 별도의 장치 필요하지 않으므로 경제적이다.

또한, 양호한 밀착성과 방식작용의 기능이 향상된 피막을 얻을 수 있다.

또한, 금속표면의 미생물 친화성을 증가시킬 수 있으므로 금속표면에 다양한 기능성의 부여가 가능하다

Claims

금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법에 있어서,

0.1N 이상의 불산(HF)수용액인 도금액이 저장된 도금조에 양극과 음극을 설치하는 단계;

상기 양극에는 탄소물질을 연결하고, 상기 음극에는 탄소코팅층을 형성시키고자 하는 피도금물을 연결하여 상기 도금액에 침지하는 단계;와

상기 양극와 음극 사이에 직류전원을 사용하여 전원을 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면에 탄소질을 코팅하는 방법.