KR101172813B1 - apparatus for tubular type high-field fabrication of anodic nanostructures - Google Patents
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Abstract
본 발명은 튜브 형태의 금속의 내표면에 나노구조체를 형성하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으로서, 금속을 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하는 양극산화장치에 있어서, 튜브 형태의 금속 양극과; 상기 양극의 양측에 결합되며, 상기 양극의 양단부가 삽입되도록 형성되어 상기 양극을 고정시키는 고정공과, 상기 고정공에 인접하여 형성되어 상기 양극을 전기적으로 접촉시키는 양극접촉구로 이루어진 양극고정부와; 상기 양극고정부 사이에 위치하며 상기 양극을 내부에 수용하여 양극의 외부로 냉각매체가 순환공급되도록 하는 냉각부와; 상기 양극고정부 측면에 결합되며, 전해액이 상기 금속 양극의 일측에서 내부로 공급되고 타측으로 배출되도록 형성된 전해액 공급부와; 상기 전해액 공급부를 지나 상기 금속 양극 내부를 길이 방향으로 관통되어 전해액에 침지형성된 상대전극으로써의 음극과; 상기 전해액 공급부 측면에 결합되어 상기 음극을 고정시키는 음극고정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 고전계 양극산화장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 전해액이 금속 양극 내부로 공급되도록 하고 냉각매체가 금속 양극 외부로 공급되도록 함과 함께 음극이 금속 양극 내부에서 길이 방향으로 형성되도록 함으로써, 금속 양극 내표면에의 나노구조체를 고속으로 형성함과 아울러 이에 따른 열을 고속으로 제거함으로써 산화막 형성이 균일하고도 신속하게 이루어지도록 하여 다송성 금속산화물 튜브의 제공이 가능한 이점이 있다.The present invention relates to a high-voltage anodizing device for forming nanostructures on an inner surface of a metal in the form of a tube, comprising: a metal anode in the form of a tube; A positive electrode fixing part coupled to both sides of the positive electrode, the positive electrode fixing part including a fixed hole formed to insert both ends of the positive electrode to fix the positive electrode, and a positive electrode contact hole formed adjacent to the fixed hole to electrically contact the positive electrode; A cooling unit positioned between the anode fixing parts and accommodating the anode therein to allow the cooling medium to be circulated and supplied to the outside of the cathode; An electrolyte supply unit coupled to the positive electrode fixing side, and configured to supply an electrolyte solution from one side of the metal anode and to be discharged to the other side; A negative electrode serving as a counter electrode immersed in an electrolyte solution through the electrolyte supply part and penetrating the inside of the metal anode in a longitudinal direction; It is a technical gist of the tubular high-anode anodizing device, characterized in that it comprises a; fixed to the electrolyte supply portion is fixed to the negative electrode fixed to the negative electrode. Accordingly, the electrolyte is supplied into the metal anode, the cooling medium is supplied to the outside of the metal anode, and the cathode is formed in the longitudinal direction inside the metal anode, thereby forming a nanostructure on the inner surface of the metal anode at high speed. In addition, by removing the heat at a high speed to form the oxide film is uniformly and quickly there is an advantage that it is possible to provide a multi-channel metal oxide tube.
금속 튜브 고전계 양극산화 나노구조체 전해액 Metal Tube High System Anodized Nanostructure Electrolyte
Description
본 발명은 튜브 형태의 금속의 내표면에 나노구조체를 형성하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으로서, 튜브 형태의 금속 양극을 수용할 수 있는 냉각부를 형성하고 전해액이 금속 양극 내부로 공급되도록 하며 음극이 금속 양극 내부에서 길이 방향으로 형성되도록 하여 금속 양극 내표면에의 나노구조체 형성이 균일하고도 신속하게 이루어지도록 하는 튜브형 고전계 양극산화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-voltage anodizing device for forming a nanostructure on the inner surface of a metal in the form of a tube, forming a cooling unit that can accommodate a metal anode in the form of a tube, the electrolyte is supplied into the metal anode and the cathode The present invention relates to a tubular high electric anodizing device which is formed in the metal anode in the longitudinal direction so that nanostructure formation on the inner surface of the metal anode can be uniformly and quickly.
양극산화법은 금속의 표면처리 기술의 하나로 금속 표면에 산화막을 형성하여 부식을 예방하거나 금속 표면을 채색하기 위해 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 나노점, 나노선, 나노튜브, 나노막대 등과 같은 나노구조체를 직접 형성시키거나, 나노구조체 형성을 위한 형틀을 제조하는 방법으로 크게 활용되고 있다.Anodization has been widely used to prevent corrosion or to color metal surfaces by forming oxide films on metal surfaces as a technique for surface treatment of metals, but recently, nanostructures such as nano dots, nanowires, nanotubes, nanorods, etc. It is widely used as a method of directly forming or manufacturing a mold for forming a nanostructure.
이러한, 양극산화에 의해 나노구조체를 형성할 수 있는 금속으로는 Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 등이 알려져 있으며, 이 중 알루미늄 양극산화 막은 제조가 용이하고 불소 이온을 사용하는 다른 금속과는 달리 전해액 취급이 비교적 안전하며, 나노기공과 두께 제어가 쉬워 나노기술 연구에 많이 활용되어 왔다.Such metals that can form nanostructures by anodization are known as Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W, etc. Among them, aluminum anodization films are easy to manufacture and use other fluorine ions. Unlike metals, handling of electrolytes is relatively safe, and nanopores and easy control of thickness have been widely used in nanotechnology research.
알루미늄은 황산, 옥살산 또는 인산과 같은 전해액을 포함하는 수용액에서 전기화학적으로 양극화시키면 표면에 두꺼운 양극산화막이 형성되는데, 이 막은 규칙적인 간격을 갖는 기공이 외부표면에서부터 내부 금속 방향으로 성장한 다공층(porous layer)과 알루미늄/알루미늄 산화물의 경계에서 알루미늄의 산화와 산화막의 유동(J. E. Houser, et al., Nat Mater. 8, 415-420 (2009))으로 연속적인 기공이 형성되는 경계층(barrier layer)으로 구성된다.When aluminum is electrochemically anodized in an aqueous solution containing an electrolyte such as sulfuric acid, oxalic acid or phosphoric acid, a thick anodized film is formed on the surface, which is a porous layer in which pores with regular intervals grow from the outer surface to the inner metal direction. layer) and a barrier layer where continuous pores are formed by the oxidation of aluminum and the flow of oxide film (JE Houser, et al., Nat Mater. 8, 415-420 (2009)) at the boundary between aluminum and aluminum oxide. It is composed.
이러한 다공층과 경계층의 구조, 즉 기공간 간격(Dint), 기공크기 및 경계층 두께 등은 전해액의 종류나 온도에 대해서는 대체로 무관하며 인가된 전압에 따라 지배적으로 결정됨이 알려져 있다.It is known that the structure of the porous layer and the boundary layer, that is, the space spacing (D int ), the pore size, and the boundary layer thickness is generally irrelevant to the type or temperature of the electrolyte and is dominantly determined according to the applied voltage.
알루미늄의 양극산화에는 비교적 낮은 전압에서 시간당 수 ㎛ 정도의 낮은 막 성장속도를 갖는 연질 양극산화(mild anodization)와, 비교적 높은 전압에서 시간당 수십 ㎛의 막 성장속도를 갖는 경질 양극산화(hard anodization)가 알려져 있는데, 본 발명에서 정의하는 고전계 양극산화(high-feild anodization)는 전통적인 알루미늄 표면처리 산업에서의 경질 양극산화와는 달리, 높은 전압에서 고속으로 기공의 성장과 배열이 일어나는 양극산화의 특정 조건으로 정의할 수 있다. 나노구조체의 형성과 관련하여 중요한 특징의 하나인 자기정렬(self-ordering)이 일어나는 대표적인 연질 양극산화와 고전계 양극산화는 표 1과 같이 알려져 있다.Anodization of aluminum includes mild anodization with a low film growth rate of several micrometers per hour at relatively low voltages and hard anodization with a film growth rate of several tens of micrometers per hour at relatively high voltages. It is known that high-feild anodization as defined in the present invention, unlike hard anodization in the traditional aluminum surface treatment industry, is a specific condition of anodization in which pore growth and alignment occurs at high voltage and at high speed. Can be defined as Representative soft anodization and high electric field anodization, in which self-ordering occurs, which is an important feature related to the formation of nanostructures, are known as shown in Table 1.
[표 1] 자기정렬이 일어나는 연질 양극산화 및 고전계 양극산화 조건[Table 1] Soft Anodization and High Anode Condition Under Self-alignment
1) H. Masuda, et al., J. Electrochem. Soc. 144, L127-L130 (1997).1) H. Masuda, et al., J. Electrochem. Soc. 144, L127-L130 (1997).
2) H. Masuda, et al., Science 268, 1466-1468 (1995).2) H. Masuda, et al., Science 268, 1466-1468 (1995).
3) H. Masuda, et al.,. Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1340-L1342 (1998).3) H. Masuda, et al.,. Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1340-L1342 (1998).
4) S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005).4) S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005).
5) K Schwirn, et al., ACS nano 2, 302-310 (2008).5) K Schwirn, et al., ACS nano 2, 302-310 (2008).
6) W. Lee, et al., Nat. Mater. 5, 741-747 (2006).6) W. Lee, et al., Nat. Mater . 5, 741-747 (2006).
7) W. Lee, et al., European patent application EP 1884578A1, filed Jul. 31, 2006.7) W. Lee, et al., European patent application EP 1884578 A1, filed Jul. 31, 2006.
알루미늄 나노구조체에서 가장 중요한 인자인 기공간 간격(interpore distance, Dint)은 연질 양극산화에서는 약 2.5nm/V, 고전계 양극산화에서는 약 2.0nm/V로 알려져 있다. 나노구조체의 생산속도와 관련된 산화막 성장속도에 있어서 연질 양극산화의 경우 전류밀도가 일정하게 낮은 값(수 mA/cm2)을 나타내므로 금속/산화막 계면에서의 급격한 온도상승이 없어 일반적인 이중자켓 셀과 같은 간단한 냉각수단만으로도 막의 절연 파괴를 방지할 수 있으나, 고전계 양극산화의 경우 초기 전류밀도가 매우 크고(수십~수백 mA/cm2) 전극의 온도가 급격히 상승하므로 냉 각을 위해 큰 전해조를 이용하거나(S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005)) 알루미늄 하부에 냉각판을 취부하는 추가적인 수단(W. Lee, et al., Nat. Mater. 5, 741-747 (2006))을 사용하여야 한다. 또한 고전계 양극산화를 위해 높은 전압(~700V)을 인가할 경우 절연파괴를 방지하기 위해서는 일반적으로 사용되는 0.1~0.5 몰보다 훨씬 낮은 농도의 전해액을 사용하는 방법도 알려져 있다(C. A. Grims, et al., US Patent Application 20030047505A1, filed Sep. 13, 2002).The most important factor in the aluminum nanostructure, interpore distance (D int ), is known to be about 2.5 nm / V for soft anodization and about 2.0 nm / V for high-voltage anodization. In terms of oxide growth rate related to the production rate of nanostructures, the soft anodization shows a constant low current density (a few mA / cm 2 ), so there is no rapid temperature rise at the metal / oxide interface. The same simple cooling means can prevent the breakdown of the film, but in the case of high-anode oxidation, the initial current density is very large (several to several hundred mA / cm 2 ) and the temperature of the electrode rises sharply. Therefore, a large electrolytic cell is used for cooling. Or (S. Chu, et al., Adv. Mater. 17, 2115-2119 (2005) An additional means of mounting a cold plate under the aluminum should be used (W. Lee, et al., Nat. Mater. 5, 741-747 (2006)). In addition, when a high voltage (~ 700 V) is applied for high-voltage anodization, an electrolyte solution having a concentration much lower than 0.1 to 0.5 moles, which is generally used, is known (CA Grims, et al.). , US Patent Application 20030047505A1, filed Sep. 13, 2002).
특히, 기체 분리막, 반응막, 수처리 멤브레인 등에 사용될 수 있는 튜브 형태의 나노다공성 멤브레인은 튜브의 외부에서 양극산화한 경우에는 인장응력에 의해 파괴가 쉽게 일어나지만, 튜브의 내부에서 양극산화한 경우에는 압축응력에 의해 파괴가 억제되는 것이 알려져 있다 (N. Itoh, Micropor. Mesopor. Mat. 20, 333-337 (1998)). In particular, tube-type nanoporous membranes that can be used for gas separation membranes, reaction membranes, water treatment membranes, etc., are easily broken by tensile stress when anodized outside the tube, but compressed when anodized inside the tube. It is known that fracture is suppressed by stress (N. Itoh, Micropor. Mesopor. Mat. 20, 333-337 (1998)).
따라서 튜브의 내부를 양극산화하기 위해 전해액을 내부로 흘려주거나, 금속 튜브의 외표면에 산화를 방지하기 위한 폴리머 등을 코팅한 후 튜브를 전해액 속에 침지하여 내표면에만 양극산화막이 형성되도록 한다. 그러나, 이러한 방법은 전류밀도가 낮고 발열이 적은 연질 양극산화에서는 적용 가능하나, 고전계 양극산화에서는 높은 전류밀도로 인한 열의 제거가 용이하지 않아 막의 절연파괴를 방지하기 어려운 문제점이 있다.Therefore, to anodize the inside of the tube, an electrolyte is flowed into the inside, or a polymer, etc., is coated on the outer surface of the metal tube to prevent oxidation, and the tube is immersed in the electrolyte to form an anodized film only on the inner surface. However, this method is applicable to soft anodization with low current density and low heat generation, but it is difficult to prevent insulation breakdown of the film due to high current density, which is not easy to remove heat due to high current density.
따라서, 본 발명은 튜브 형태의 금속 양극의 내표면을 산화시키기 위한 것으로, 튜브 형태의 금속 양극 외부로 전해액이 공급되고, 금속 양극 내부로는 전해액이 공급되도록 하여, 금속 양극 내표면에의 나노구조체를 고속으로 형성함과 아울러 이에 따른 열을 고속으로 제거함으로써 산화막 형성이 균일하고도 신속하게 이루어지도록 하는 튜브형 고전계 양극산화장치의 제공을 그 목적으로 한다.Therefore, the present invention is for oxidizing the inner surface of the metal anode in the form of a tube, the electrolyte is supplied to the outside of the tube-shaped metal anode, the electrolyte is supplied to the inside of the metal anode, the nanostructure on the inner surface of the metal anode It is an object of the present invention to provide a high-molecular tube type anodizing device in which the oxide film is formed at a high speed and heat is removed at a high speed so that the oxide film is formed uniformly and quickly.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 금속을 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하는 양극산화장치에 있어서, 튜브 형태의 금속 양극과; 상기 양극의 양측에 결합되며, 상기 양극의 양단부가 삽입되도록 형성되어 상기 양극을 고정시키는 고정공과, 상기 고정공에 인접하여 형성되어 상기 양극을 전기적으로 접촉시키는 양극접촉구로 이루어진 양극고정부와; 상기 양극고정부 사이에 위치하며 상기 양극을 내부에 수용하여 양극의 외부로 냉각매체가 순환공급되도록 하는 냉각부와; 상기 양극고정부 측면에 결합되며, 전해액이 상기 금속 양극의 일측에서 내부로 공급되고 타측으로 배출되도록 형성된 전해액 공급부와; 상기 전해액 공급부를 지나 상기 금속 양극 내부를 길이 방향으로 관통되어 전해액에 침지형성된 상대전극으로써의 음극과; 상기 전해액 공급부 측면에 결합되어 상기 음극을 고정시키는 음극고정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 고전계 양극산화장치를 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, an anodizing device for oxidizing the metal to form a nanostructure on the surface, a metal anode in the form of a tube; A positive electrode fixing part coupled to both sides of the positive electrode, the positive electrode fixing part including a fixed hole formed to insert both ends of the positive electrode to fix the positive electrode, and a positive electrode contact hole formed adjacent to the fixed hole to electrically contact the positive electrode; A cooling unit positioned between the anode fixing parts and accommodating the anode therein to allow the cooling medium to be circulated and supplied to the outside of the cathode; An electrolyte supply unit coupled to the positive electrode fixing side, and configured to supply an electrolyte solution from one side of the metal anode and to be discharged to the other side; A negative electrode serving as a counter electrode immersed in an electrolyte solution through the electrolyte supply part and penetrating the inside of the metal anode in a longitudinal direction; It is a technical gist of the tubular high-anode anodizing device, characterized in that it comprises a; fixed to the electrolyte supply portion is fixed to the negative electrode fixed to the negative electrode.
또한, 상기 양극산화될 금속 양극 재료로는, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 및 이들의 합금 중의 어느 하나로 필요에 따라 열처리, 전해연마 또는 화학연마의 전처리가 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, as the metal anode material to be anodized, any one of Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W, and alloys thereof is preferably subjected to heat treatment, electropolishing, or chemical polishing.
또한, 상기 냉각부는, 냉각매체가 직접 상기 양극에 접촉하여 온도를 제어하는 단일 원통 형태로 형성되거나, 또한, 중심부에 상기 양극이 삽입되는 접촉냉각대가 형성되어 냉각매체가 간접 전도방식으로 상기 양극의 온도를 제어하는 이중 원통 형태로 형성되는 것이 바람직하다.The cooling unit may be formed in a single cylindrical shape in which a cooling medium directly contacts the anode to control temperature, or a contact cooling zone in which the anode is inserted in a central portion thereof may be configured to indirectly conduct the cooling medium. It is preferably formed in the form of a double cylinder to control the temperature.
또한, 상기 튜브형 고전계 양극산화장치는, 상기 냉각부의 내부에 상기 금속 양극의 측면에 인접하여 형성되어 금속 양극의 온도 제어를 위한 온도센서 및 냉각수단으로 이루어진 온도제어수단이 더 구비된 것이 바람직하다.In addition, the tubular high-anodic oxidation device is preferably formed inside the cooling unit adjacent to the side of the metal anode, the temperature control means consisting of a temperature sensor and cooling means for temperature control of the metal anode. .
또한, 상기 튜브형 고전계 양극산화장치는, 상기 금속 양극과 음극 사이에 발생하는 전류를 측정하여, 미리 설정한 전류치보다 높은 전류에서는 현재 상태의 전해액을 공급하다가 낮은 전류가 측정되면 설정한 전류치에 도달할 때까지 농도를 증가시켜 공급하는 전해액공급수단이 더 구비된 것이 바람직하다.In addition, the tubular high-anodic oxidation apparatus measures the current generated between the metal anode and the cathode, and supplies the electrolyte in the current state at a current higher than a preset current value, and reaches the set current value when a low current is measured. It is preferable that the electrolyte supply means for increasing the concentration until it is further provided.
이러한 수단을 구비한 본 발명에 의한 튜브형 고전계 양극산화장치는, 전해액이 튜브 형태의 금속 양극 내부로 공급되도록 하고 음극이 전해액 속에 침지되어 금속 양극 내부에서 길이 방향으로 형성되도록 하여 금속 양극 내표면에의 나노구조체 형성이 가능하며, 특히 길이가 긴 튜브 형태의 금속 양극에서도 전체적으로 균일하고도 신속한 나노구조체 형성이 가능하여, 절연물의 사용없이 간단한 방법으 로 다공성 금속산화물 튜브의 제공이 가능한 효과가 있다.In the tubular high-anode oxidation apparatus according to the present invention having such a means, the electrolyte is supplied to the inside of the metal anode in the form of a tube, and the cathode is immersed in the electrolyte to be formed in the longitudinal direction inside the metal anode, so that It is possible to form the nanostructures, in particular, even in the long metal tube of the long form of the tube is possible to form a uniform and rapid overall nanostructure, it is possible to provide a porous metal oxide tube by a simple method without the use of an insulator.
또한, 튜브 형태의 금속 양극을 내부에 수용할 수 있는 냉각부를 형성하여 금속 양극 주변으로 냉각매체가 흐르도록 하여, 금속 양극과 전해액의 온도 상승을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 온도 상승에 따른 절연파괴를 억제하여 생산성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, by forming a cooling unit that can accommodate the metal anode in the form of a tube to allow the cooling medium to flow around the metal anode, it is possible to effectively prevent the temperature rise of the metal anode and the electrolyte, thereby preventing insulation breakdown due to the temperature rise. It is effective to suppress and improve productivity.
본 발명은 고전계 양극산화법을 이용하여 나노기공구조가 규칙적으로 정렬되어 있는 금속산화물 나노구조체를 제조하기 위한 고전계 양극산화장치에 관한 것으로, 특히 산화시키고자 하는 금속 양극이 튜브 형태로 금속 양극의 내표면을 고속으로 산화시키기 위한 튜브형 고전계 양극산화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-voltage anodic oxidation apparatus for producing metal oxide nanostructures in which nano-pore structures are regularly aligned using high-anodic anodization, and particularly, the metal anode to be oxidized in the form of a tube. A tubular high electric field anodizing device for oxidizing an inner surface at high speed.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 튜브형 고전계 양극산화장치의 주요부에 대한 모식도이다. 도시된 바와 같이 본 발명은 금속을 산화시켜 표면에 나노구조체를 형성하기 위한 양극산화장치에 있어서, 금속 양극(100), 양극고정부(200), 냉각부(300), 전해액 공급부(400), 음극(500) 그리고 음극고정부(600)로 크게 구성된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail for the present invention. 1 is a schematic view of the main part of the tubular high-anode oxidation apparatus according to the present invention. As shown in the present invention, in the anodizing device for oxidizing a metal to form a nanostructure on the surface, the
이러한 구성에 의해 본 발명은 고전계 양극산화에 의해 발생할 수 있는 금속의 급속한 용해나 산화막의 절연파괴에 의한 나노구조체의 파손을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 튜브 형태의 금속 양극(100)의 내표면에 신속하고 균일하게 나노구조체를 형성할 수 있으며, 또한 나노구조체의 성장속도를 제어할 수 있도록 함으로써 생산성을 크게 향상시키는 이점이 있다.With this configuration, the present invention can not only prevent breakage of the nanostructure due to rapid dissolution of metal or breakdown of the oxide film which may occur due to high-voltage anodic oxidation, but also rapid improvement on the inner surface of the tube-
그리고, 상기 금속 양극(100)은 튜브 형태로 형성되며, 금속 양극(100) 재료로는 Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 및 이들의 합금으로, 필요에 따라 열처리, 전해연마 또는 화학연마 등의 전처리를 통해 균일한 조직과 평탄한 표면을 만들어서 사용한다. 상기 금속 양극(100)에 강도 향상을 위한 내표면의 양극산화를 위해, 전해액 및 음극(500)이 튜브 형태의 금속 양극(100) 내부에서 작용하도록 한다.In addition, the
상기 양극고정부(200)는 절연재로 형성되며, 상기 금속 양극(100)의 양측에 결합되며, 상기 양극(100)의 양단부가 삽입되도록 형성되어 상기 금속 양극(100)을 고정시키는 고정공(210)과, 상기 고정공(210)에 인접하여 형성되어 상기 양극(100)을 전기적으로 접촉시키는 양극접촉구(220)로 이루어진다.The
상기 양극고정부의 고정공(210)은 상기 금속 양극(100)의 양단부가 삽입되어 고정되는 것으로, 상기 금속 양극(100)의 형태 및 크기에 대응되어 튜브 형태로 형성되고, 상기 양극접촉구(220)는 금속 양극(100)이 상기 고정공에 삽입될 때 금속 양극(100)과 접촉되어 금속 양극(100)을 양극리드선과 전기적으로 연결되도록 하는 것으로, 도전성 금속 등으로 형성된다.The fixing
그리고, 상기 냉각부(300)는 상기 양극고정부(200) 사이에 위치하여 고정탭에 의해 양극고정부(200)와 결합되며, 상기 금속 양극(100)을 내부에 수용하여 금속 양극(100)의 외부로 냉각수 등의 냉각매체가 순환공급되도록 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 형성된다. 이는 상기 금속 양극(100)에서의 금속산화막 형성반응과 음극(500)에서의 환원반응에 의해 전극과 전해액의 온도 상승을 방지하기 위한 것으로, 특히 양극의 온도가 일정 온도 이상으로 상승하면 기공의 정렬도가 나빠지 므로 알루미늄의 고전계 양극산화에서는 온도를 일정한 온도, 이를테면 1℃로 유지해야 한다.In addition, the
상기 냉각부(300)는 단일 원통 형태로 형성되어, 상기 금속 양극(100)을 냉각부(300)에 수용시킨 후 금속 양극(100)을 양극고정부(200)의 고정공(210)에 끼우면서, 상기 냉각부(300)를 양극고정부(200)와 결합시켜, 냉각부(300)의 양측면이 양극고정부(200)에 의해 밀폐되도록 하는 것이다. 이러한 형태는 금속 양극에 직접적으로 냉각매체가 작용하도록 하여 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.The
또한, 상기 냉각부(300)는 중심부에 상기 양극(100)과 접촉되도록 접촉냉각대(310)가 형성되고 이중 원통 형태로 형성되어, 상기 금속 양극(100)을 냉각부(300)의 접촉냉각대(310)에 삽입한 후, 상기 양극고정부(200)의 고정공(210)에 금속 양극(100)의 양단부를 결합하는 것으로, 양극고정부(200)와 독립적으로 형성된 것이다. 이러한 형태는 접촉냉각대(310)의 재질이 열전도도가 높은 재질로 형성되며, 접촉냉각대(310)에 삽입되어진 금속 양극(100)은 냉각부(300) 내부의 냉각매체에 의해 냉각부(300)로 열이 전달되어 냉각되는 것으로, 균일한 열전달로 인한 균일한 양극 냉각을 도모하고, 금속 양극의 교체시 상기 냉각수 유입구 및 배출구만 닫고 교체가 가능하여 작업이 편리한 이점이 있다.In addition, the
또한, 상기 금속 양극(100)의 온도 제어를 위해 상기 냉각부(300)의 내부에는 상기 금속 양극(100)의 측면에 인접하여 형성된 온도센서, 냉각수단, 필요시 일정 온도의 유지를 위한 가열 수단으로 이루어진 온도제어수단(700)이 더 구비된다. 이는 금속 양극(100) 또는 전해액의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 것을 방지하 기 위한 것이다.In addition, in order to control the temperature of the
그리고, 상기 전해액 공급부(400)는 상기 양극고정부(200) 측면에 결합되며, 전해액공급수단(800)으로부터 전해액이 튜브 형태의 양극 금속 내부로 흐를 수 있도록 일측에서 공급되고 타측으로 배출되도록 전해액 유입구 및 전해액 배출구가 형성된다.And, the
상기 전해액은 양극 재료에 따라 가변적이며, 알루미늄의 경우 황산, 옥살산, 인산, 크롬산 수용액 및 이들의 혼합 수용액을 사용하며 온도를 영하로 낮추어야할 경우 에틸렌글리콜 등의 용액과 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, Ti 또는 Zr 금속의 경우 불소이온을 전해액로 사용하는 비수계 유기용액 등을 사용할 수 있다.The electrolyte is variable depending on the positive electrode material, and in the case of aluminum, sulfuric acid, oxalic acid, phosphoric acid, chromic acid aqueous solution and a mixed aqueous solution thereof may be used, and when the temperature is to be lowered below zero, it may be mixed with a solution such as ethylene glycol. In addition, in the case of Ti or Zr metal, a non-aqueous organic solution using fluorine ion as an electrolyte may be used.
또한, 상기 전해액공급수단(800)은 상기 금속 양극(100)과 음극(500) 사이에 발생하는 전류를 측정하여, 내부에 농도조절수단이 구비되어 미리 설정한 전류치보다 낮은 전류가 측정되면 농도를 증가시키고, 높은 전류가 측정되면 농도를 감소시키도록 형성된다. 즉, 미치 설정한 전류치보다 높은 전류에서는 현재 상태의 전해액을 공급하다가 낮은 전류가 측정되면 설정한 전류치에 도달할 때까지 농도를 증가시켜 공급하여, 양극산화 반응 속도를 어느 정도 조절할 수 있도록 하는 것이다. 이는 전류치를 일정 수준으로 유지함으로써 고전계에 의한 금속의 급격한 용해나 산화막의 절연파괴를 방지할 수 있으며, 이를 위해서 초기에 낮은 농도의 전해액에서 전압을 인가하는 것이 바람직하다.In addition, the electrolyte supply means 800 measures the current generated between the
그리고, 상기 음극(500)은 상대전극으로써 상기 전해액 공급부(400)를 지나 상기 금속 양극(100) 내부를 길이 방향으로 관통하여 전해액에 침지되게 형성되어, 길이가 긴 튜브 형태의 금속 양극(100)의 내표면의 균일한 산화가 이루어지도 한다. 또한, 음극(500)재료로는 탄소계 물질이나 금속과 같은 도전성 재질, 예를 들어 백금, 흑연 및 스테인레스강과 같은 재료를 사용한다. 상기 음극(500)은 음극고정부(600)에 의해 고정되며, 이는 상기 전해액 공급부(400) 측면에 결합형성된다.The
또한, 상기 냉각부(300)와 양극고정부(200), 전해액 공급부(400) 및 음극고정부(600)는 착탈식으로 밀폐결합이 가능하여 튜브 형태의 금속 양극(100)의 양극산화가 완료되면, 다른 금속 양극(100)으로의 교체가 용이하도록 한다.In addition, the
또한, 튜브 내부에 전해액이 존재하는 금속 양극(100)과 상대전극으로써의 음극(500) 사이에 직류, 교류, 펄스 또는 바이어스 전압을 인가하여 금속 양극(100)의 내표면에 산화막을 형성시키며, 제조하려는 나노구조체의 기공간 간격에 맞추어 전압을 인가할 수 있어야 하는데, 직류 전압 기준으로 250V 이하, 펄스 전압 기준으로 700V 이하의 전압용량과 해당 금속의 단위 면적(cm2) 당 500mA 이상의 전류용량을 갖도록 한다.In addition, an oxide film is formed on the inner surface of the
이와 같이 본 발명에 따른 튜브형 고전계 양극산화장치는 튜브 형태의 금속 양극(100)을 내부에 수용할 수 있는 냉각부(300)를 형성하여 금속 양극(100) 주변으로 냉각매체가 흐르도록 하여 양극산화 반응동안 발생하는 금속 양극(100)과 전해액의 온도 상승을 방지하고, 전해액이 금속 양극(100) 내부로 공급되도록 하고, 음극(500)이 전해액에 침지되어 금속 양극(100) 내부에서 길이 방향으로 형성되도 록 하여 금속 양극(100)의 내표면에 균일하고 신속한 나노구조체의 형성이 가능하게 된다. 특히 길이가 긴 금속 양극(100)의 경우에도 내표면에 신속하고 균일한 나노구조체의 형성이 가능하여, 길이에 상관없이 생산성이 향상된 다공성 금속산화물 튜브를 제공할 수 있게 된다.As described above, the tubular high voltage anodizing device according to the present invention forms a
도 1 - 본 발명에 따른 튜브형 고전계 양극산화장치의 주요부에 대한 모식도.1-Schematic diagram of the main part of the tubular high-anode oxidation apparatus according to the present invention.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols Used in Drawings>
100 : 양극 200 : 양극고정부100: positive electrode 200: positive electrode fixing part
210 : 고정공 220 : 양극접촉구210: fixing hole 220: anode contact hole
300 : 냉각부 310 : 접촉냉각대300: cooling unit 310: contact cooling stand
400 : 전해액 공급부 500 : 음극400: electrolyte supply part 500: cathode
600 : 음극고정부 700 : 온도제어수단600: cathode fixing part 700: temperature control means
800 : 전해액공급수단800: electrolyte supply means
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