KR101270671B1 - 알루미늄 아노다이징의 봉공처리 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 아노다이징의 봉공처리 조성물에 관한 것으로, 리튬염을 포함하는 새로운 봉공처리 조성물을 제공한다.

Description

알루미늄 아노다이징의 봉공처리 조성물{Composition for sealing treatment of aluminium anodizing}

본 발명은 알루미늄 아노다이징의 봉공처리 조성물에 관한 것으로, 특히 리튬염을 포함하는 새로운 봉공처리 조성물에 관한 것이다.

아노다이징(Anodizing)은 수산법, 직류황산법, 양극산화법이라고도 하며, 방법이나 설비가 전기도금과 공통된 점이 많은 일종의 도금기법으로써, 알루미늄의 용도와 수요가 점차 확대되어가고 있는 최근에 중요한 도금기술의 하나이다.

아노다이징은 알루미늄 표면에 산화알루미늄(Al₂O₃)의 피막을 형성시키는 것으로, 알루미늄 부품을 전해액에서 양극으로 하고 통전하면, 양극에 발생하는 산소에 의해서 알루미늄 표면이 산화되어 산화알루미늄의 피막이 생긴다.

상기 산화 알루미늄의 피막은 대단히 단단하고 내식성이 크며, 극히 작은 유공성과 섬유상을 이루어 여러 가지 색으로 염색할 수 있기 때문에, 내식성과 내마모성의 물성과 더불어 미관상으로 처리를 행하는 경우가 많다. 알루미늄의 순도가 높을수록 미려하고 광택이 있는 피막을 얻을 수 있다.

일본에서는 직교류를 이용한 수산법으로 많이 행해져서 알루마이트(Alumite)라고 부르며, 우리나라 및 구미에서는 직류유산법, 원명인 아노다이징이라 부르게 되었다.

아노다이징에서 사용되는 전해액은 여러 가지가 있으나, 주로 우리나라에서는 수산과 황산을 사용한다. 전해액으로 예를 들면 붕산염, 붕산, 설파민산 등이다. 이를 사용하면 유공도가 작은 피막을 얻을 수 있어 전기콘덴서 등에 이용된다.

아노다이징은 건물자재(섀시), 전기통신기기, 광학기기, 장식품, 자동차부품 등 광범위한 분야에 적용되고 있다.

아노다이징의 피막은 다공질이며 흡착성이 있다. 이 때문에 피막은 더러워지기 쉽고 손에 들러붙는 성질이 있으며, 구멍 내부에 황산 등의 잔류물이 있어서 후에 부식의 원인이 되기도 한다. 또한 착색을 했을 때도 염료가 우러나거나 퇴색되기 쉬우므로, 아노다이징의 후처리 과정으로 봉공처리를 할 필요가 있다.

초기의 알루미늄 양극산화는 주로 크롬산욕에 의한 것이었으며, 공정 마지막에 탕세를 행하였는데, 이것은 크롬산의 제거 또는 제품의 표면에 아직 묻어있는 염색액을 씻어내는 것이 목적이었다. 이 상태로는 제품 표면에 지문이 생기고, 염색의 퇴색이 일어나며, 블룸(bloom)이라는 전면 부식이 발생하는 불완전한 물건이었다.

그 후 뜨거운 물의 처리온도와 시간이 피막에 미치는 영향에 대한 연구가 진행되어, 1932년에 영국에서 열탕처리에 대한 특허가 나오고, 실링이라는 봉공처리 공정이 새롭게 취급되기 시작했다.

이 무렵, 일본에서도 수산 피막을 가압 증기 중에서 처리하는 방법으로 봉공하는 방법이 나왔는데, 이를 알루마이트라고도 불렀다.

지금은 양극산화의 총칭을 알루마이트라고 하지만, 당시에는 가압 증기에서 봉공처리를 행한 것을 알루마이트라고 하였다.

봉공처리라고 함은 양극산화 피막의 미세공을 봉공하고 동시에 미세공 내부를 메워서 내식성 등의 여러 성질을 바꾸는 처리를 말하며, 크게 나누면 비등수, 가압 증기에 의한 봉공 방법인 수화 봉공, 금속염을 포함한 열수에 의한 봉공 방법인 금속염 봉공, 오일 등의 유기물을 도포하거나 여기에 침적하는 방법인 유기물 봉공, 양극산화 피막의 표면에 도장하는 방법인 도장에 의한 봉공 등이 있다.

대한민국 특허 공개 제2006-120949호에는 착산니켈 2 내지 6 g/L, 착산코발트 1 내지 3 g/L, 붕산 2 내지 6 g/L를 함유하는 pH 5 내지 6의 봉공처리액을 사용하여 80 내지 100에서 5 내지 20분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 아노다이징의 봉공처리방법이 개시되어 있다.

그러나, 니켈염을 사용할 경우 피부 알레르기, 접촉성 피부염 및 호흡기 계통의 질환 등이 발생하는 문제가 있다. 더구나, 2012년 이후에는 니켈과 그 화합물은 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 등에 따라 수질 오염물질로 분류되어서 5 ppm 이하로 배출하도록 규제된다.

본 발명의 목적은 종래의 니켈염을 포함하는 봉공처리 조성물의 문제를 해결하기 위한 것으로, 니켈염 대신에 리튬염을 사용하는 새로운 봉공처리 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 리튬염을 포함하는 봉공처리 조성물을 제공한다.

본 발명에서 리튬염으로는 초산리튬(LiCH₃COO), 탄산리튬(Li₂CO₃), 황산리튬(Li₂SO₄), 염화리튬(LiCl), 질산리튬(LiNO₃), 불화리튬(LiF), 붕산리튬(Li₂B₄O₇) 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.

상술한 리튬염 중에서도 초산리튬이 특히 바람직한데, 그 이유는 초산리튬의 경우 물에 용해되어 pH가 7 근처의 중성이 되어서 Al 양극산화 피막의 봉공처리 시에 용해가 일어나지 않기 때문이다.

본 발명에서 리튬염의 농도는 1 내지 50 g/L인 것이 바람직하다. 리튬염의 농도가 너무 낮으면 봉공처리 공정에서 장시간의 침지를 해야 하는 문제가 있고, 리튬염의 농도가 너무 높으면 다른 물질과 화합물을 형성하여 피막에 잔류하게 되어서 추후 부식이 일어날 우려가 있다.

본 발명에 따른 봉공처리 조성물은 초산, 붕산, 수산, 황산 중에서 선택되는 1종 이상의 산 및 라우릴 황산나트륨, 라우릴 황산암모늄, 폴리옥시에틸렌 글리콜, 초산암모늄 중에서 선택되는 1종 이상의 유기화합물을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 봉공처리 조성물은 니켈염 대신에 리튬염을 사용하기 때문에 인체 친화적인 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 봉공처리 조성물은 니켈염을 사용한 종래의 봉공처리 조성물보다 훨씬 큰 임피던스 값을 나타내어 절연성이 우수하다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 리튬염을 포함하는 새로운 봉공처리 조성물을 제공한다.

리튬염으로는 초산리튬(LiCH₃COO), 탄산리튬(Li₂CO₃), 황산리튬(Li₂SO₄), 염화리튬(LiCl), 질산리튬(LiNO₃), 불화리튬(LiF), 붕산리튬(Li₂B₄O₇) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

바람직한 리튬염은 초산리튬이다. 초산리튬은 물에 용해되어 중성이 되어서 봉공처리 시에 용해가 일어나지 않는다. 따라서 봉공처리 조성물은 적어도 초산리튬을 포함하는 것이 바람직하며, 초산리튬과 함께 다른 리튬염, 예를 들어 탄산리튬을 함께 사용할 수 있다.

리튬염의 농도는 1 내지 50 g/L인 것이 바람직하다. 리튬염의 농도가 너무 낮으면 봉공처리 공정에서 장시간의 침지를 해야 하며, 리튬염의 농도가 너무 높으면 피막에 잔류하여 부식이 일어날 우려가 있다.

본 발명에 따른 봉공처리 조성물은 리튬염 이외에 다른 금속염을 포함할 수 있으며, 예를 들어 코발트, 카드뮴, 아연, 동, 알루미늄, 납 등의 초산염, 질산염, 황산염, 탄산염 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 봉공처리 조성물은 리튬염 이외에 산, 유기화합물 등과 같은 다른 성분들을 추가로 포함할 수 있다.

산으로는 초산, 붕산, 수산, 황산 등을 사용할 수 있으며, 유기화합물로는 라우릴 황산나트륨(SLS: Sodium Lauryl Sulfate), 라우릴 황산암모늄(ALS: Ammonium Lauryl Sulfate), 폴리옥시에틸렌 글리콜(polyoxyethylene glycol), 초산암모늄 등을 사용할 수 있다.

리튬염 화합물은 봉공주도로 사용되며, 상술한 유기화합물은 표면장력을 작게 하여 봉공처리가 짧은 시간 내에 완성하게 하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 봉공처리 조성물의 pH는 5 내지 8이하인 것이 바람직하다. pH가 너무 낮을 경우 봉공처리 과정에서 뵈마이트가 피막 표면에 형성되는데 나쁜 영향을 준다. 반대로, pH가 너무 높을 경우 봉공 얼룩(sealing smut)이 생기는 문제가 있다.

봉공의 메커니즘으로써는 금속염 수용액이 양극산화 피막의 미세공에 들어가 가수분해하여 수산화물이 침전해서 봉공하는 것이다.

봉공처리의 가장 주요한 반응은 다음과 같이 양극산화 처리에 의해 형성된 Al₂O₃이 뵈마이트(Boehmite)로 변화하는 것이다.

[반응식 1]

Al₂O₃ + H₂0 → 2AlO(OH) → Al₂O₃·H₂0

상기 식에 따르면, 우측에 표시된 바와 같이 결정수를 포함하므로 체적이 팽창해서 미세공이 막히고, 포어(pore)를 채우는 현상이 일어난다.

그러나 상기 반응식 1의 반응은 온도가 80 이상 및/또는 pH가 4.5 이하인 경우, 다음의 반응이 일어나 바이어라이트(Bayerite)가 되어, 뵈마이트에 비해 내식 효과가 떨어진다.

[반응식 2]

2AlO(OH) + 2H₂O → Al₂O₃·3H₂O

본 발명의 봉공처리 조성물을 이용한 봉공처리 방법은 봉공처리 조성물에 양극산화 피막을 침지하는 단계를 포함한다.

봉공처리 온도는 60 내지 100인 것이 바람직하고, 봉공처리 시간은 5 내지 30분인 것이 바람직하다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예]

표 1과 같은 조성의 봉공처리액을 사용하여 75에서 20분 동안 봉공처리를 실시하였다. 피막두께는 30이었다.

성분	함량
초산리튬	1~50 g/L
탄산리튬	1~6 g/L
초산	1~10 g/L
라우릴 황산나트륨(SLS)	1~5 g/L
폴리옥시에틸렌 글리콜	1~5 g/L
초산암모늄	0.1~3 g/L
pH	5.0~8.0

이때 초산리튬, 탄산리튬 및 초산은 봉공주도로 사용되며, 라우릴 황산나트륨, 폴리옥시에틸렌 글리콜, 초산암모늄은 표면장력을 작게 하고 봉공이 짧은 시간에 완성하도록 한다.

[비교예]

표 2와 같은 조성의 봉공처리액을 사용하여 75에서 20분 동안 봉공처리를 실시하였다. 피막두께는 30이었다.

성분	함량
초산니켈	1~50 g/L
초산 코발트	1~6 g/L
붕산	6 g/L
pH	6.0

[시험예]

실시예 및 비교예에 따라 봉공처리한 제품에 대하여 임피던스(impedance)를 측정하였으며, 그 결과는 표 3과 같다.

임피던스는 ISO 2391에 의거하여 측정하였다. 구체적으로 시편, 테스트 셀(test cell), 측정기로 폐회로를 구성하고, 30분 경과 후 측정값을 구하였다. 이때, 측정전극으로는 스테인리스 스틸 또는 Pt 전극을 사용하였고, 전해액으로는 K₂SO₄ 0.2 M 수용액을 사용하였으며, 측정기로는 휴렛 팩커드(Hewlett Packard)사의 Agilent 4263B LCR meter를 사용하였다.

성분	실시예	비교예
임피던스	12.1~22.5	1.2 ~4.1

표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 리튬염을 사용한 실시예의 임피던스 값이 니켈염을 사용한 비교예의 값보다 수배 이상 크게 나왔다.

임피던스 값이 크다는 의미는 어드미턴스(admittance) 값이 작음을 의미하며, 이는 양극산화 피막에서 통전이 안된다는 의미가 되며, 그 피막 속에 존재하는 포어가 봉해지고 채워져서 Al₂O₃의 세라믹이 되어서 절연체가 된다는 것과 조직이 더 치밀해저서 내식성이 증가했음을 의미한다. 즉, 실시예의 절연성 및 내식성이 비교예보다 훨씬 우수하다는 것을 의미한다.

Claims (4)

1. 초산리튬 1 내지 50 g/L, 탄산리튬 1 내지 6 g/L, 초산 1 내지 10 g/L, 라우릴 황산나트륨 1 내지 5 g/L, 폴리옥시에틸렌 글리콜 1 내지 5 g/L 및 초산암모늄 0.1 내지 3 g/L를 포함하며,
   pH는 5.0 내지 8.0이고, 임피던스는 12.1 내지 22.5인 것을 특징으로 하는 봉공처리 조성물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제