KR101391449B1 - 양극 산화된 알루미늄 표면의 봉공 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

뜨거운 물을 이용한 봉공 처리이면서도 수증기를 이용한 봉공 처리보다 산화알루미늄 피막의 물리적 및 화학적 성질이 우수한 봉공 처리 방법, 및 이에 사용되는 봉공 처리 장치가 개시된다. 개시된 봉공 처리 방법은, 다공성(多孔性)의 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 재질의 부재를 이온교환수(ion exchanged water)에 침지(浸漬)하는 알루미늄 부재 침지 단계, 및 상기 이온교환수를 100℃ 보다 높은 온도에서 끓지 않게 액체 상태로 유지시키는 이온교환수 가열 단계를 포함한다.

Description

양극 산화된 알루미늄 표면의 봉공 처리 방법 및 장치{Method and apparatus for sealing anodized aluminum surface}

본 발명은 양극 산화(anodizing)된 알루미늄(Al) 표면을 봉공 처리하는 방법과, 봉공 처리 장치에 관한 것이다.

알루미늄 양극 산화(anodizing)는 알루미늄(Al)의 표면에 산화알루미늄(Al₂O₃)의 피막을 형성하는 것으로, 알루미늄을 전해액 내에서 양극(anode)로 하고 통전(通電)시켜 알루미늄의 표면을 산화시키는 것이다. 양극 산화에 의해 알루미늄 표면에 형성된 형성된 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막은 다공질이어서 불순물의 침투로 표면이 더러워지기 쉽고, 표면의 미세공(micro-hole) 내부로 황산과 같은 전해액 잔류물이 침투하여 부식을 초래할 수도 있다. 따라서, 알루미늄 양극 산화 후 표면의 미세공을 폐쇄하는 봉공 처리(sealing)가 통상적으로 수행된다.

봉공 처리의 방법 중에서 물(H₂O) 이외의 성분을 필요로 하지 않아 비교적 간단하게 수행할 수 있는 수화 봉공 처리(水化 封孔 處理) 방법이 있다. 수화 봉공 처리는 뜨거운 물에 양극 산화된 알루미늄을 침지(浸漬)하여 봉공 처리하는 방법과, 수증기(水蒸氣)로 채워진 챔버(chamber) 내에 양극 산화된 알루미늄을 두어 봉공 처리하는 방법으로 분류된다. 일반적으로, 수증기를 이용하여 봉공 처리된 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막의 물리적 및 화학적 성질이 뜨거운 물을 이용하여 봉공 처리된 산화알루미늄 피막의 물리적 및 화학적 성질보다 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나, 수증기를 이용한 봉공 처리는 봉공 처리 설비를 갖추는 초기 비용이 크고, 뜨거운 물을 이용한 봉공 처리보다 많은 에너지를 사용하게 된다.

국내공개특허공보 1020060120949호

본 발명은, 뜨거운 물을 이용한 봉공 처리이면서도 수증기를 이용한 봉공 처리보다 산화알루미늄 피막의 물리적 및 화학적 성질이 우수한 봉공 처리 방법, 및 이에 사용되는 봉공 처리 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 100℃ 보다 높은 온도에서도 액체 상태를 유지하는 뜨거운 물에 양극 산화된 알루미늄을 침지(浸漬)하여 봉공 처리하는 방법, 및 이에 사용되는 봉공 처리 장치를 제공한다.

본 발명은, 양극 산화(anodizing)된 알루미늄의 표면을 봉공 처리하는 방법으로서, 다공성(多孔性)의 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 재질의 부재를 이온교환수(ion exchanged water)에 침지(浸漬)하는 알루미늄 부재 침지 단계, 및 상기 이온교환수를 100℃ 보다 높은 온도에서 끓지 않게 액체 상태로 유지시키는 이온교환수 가열 단계를 포함하는 봉공 처리 방법을 제공한다.

상기 이온교환수 가열 단계는 1기압보다 높은 기압 환경 내에서 상기 이온교환수의 온도를 120 내지 150℃ 온도로 상승시켜 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

n이 자연수일 때 상기 산화알루미늄 피막의 두께가 (n-1) ㎛ 보다 크고 n ㎛ 보다 작거나 같으면, 상기 이온교환수 가열 단계를 적어도 3n 분 동안 유지할 수 있다.

또한 본 발명은, 이온교환수와, 상기 이온교환수에 침지(浸漬)되는, 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 재질의 부재를 수용하는 챔버(chamber)가 마련되고, 상측이 개방된 용기, 상기 용기의 개방된 상측을 밀폐하는 커버(cover), 상기 용기를 가열하는 히터(heater), 상기 챔버의 기압이 기준 압력까지 상승하면 개방되어 상기 챔버에 채워진 기체를 상기 챔버의 밖으로 유도하는 기체 배출 유로, 상기 이온교환수의 온도를 측정하는 온도 센서(sensor), 및 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 이온교환수의 온도에 기초하여 상기 히터의 작동을 조절하는 콘트롤러(controller)를 구비하는 봉공 처리 장치를 제공한다.

본 발명의 봉공 처리 장치는, 상기 챔버로 상기 이온교환수를 공급하기 위한 것으로, 개폐 가능한 이온교환수 공급관, 및 상기 이온교환수를 상기 챔버에서 밖으로 배출하기 위한 것으로, 개폐 가능한 이온교환수 배출관을 더 구비할 수 있다.

본 발명의 봉공 처리 장치는 상기 챔버의 기압을 측정하는 압력 센서를 더 구비하고, 상기 콘트롤러는 상기 압력 센서에 의해 측정된 기압이 상기 기준 압력보다 높은 위험 압력까지 상승하면 상기 히터의 발열량을 줄이도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 수증기를 이용하여 봉공 처리하는 경우보다 수증기와 대등한 100℃ 를 넘는 온도의 뜨거운 물을 이용하여 봉공 처리할 때 산화알루미늄 피막의 물리적 성질 및 화학적 성질이 더 우수하다. 따라서, 수증기를 이용한 봉공 처리의 경우보다 저렴한 비용과 적은 에너지 사용으로 우수한 성능의 봉공 처리를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 양극 산화된 알루미늄 표면의 봉공 처리 방법 및 장치를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 본 발명의 봉공 처리 방법은 알루미늄(Al) 재질의 소재를 양극 산화(anodizing)하여 표면에 형성된 다공성(多孔性) 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막의 다수의 미세공(micro-hole)을 다른 재료의 첨가 없이 이온교환수(ion exchanged water) 만으로 밀봉(sealing)하는 과정이다. 이온교환수는 전기 저항값이 매우 커서 통전(通電)되지 않는 물로서, 탈이온수(deionized water) 또는 이온 순수(純水)라고도 한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 방법은 알루미늄 부재 침지(浸漬) 단계(S10)와, 이온교환수 가열 단계(S20)를 포함한다.

알루미늄 부재 침지 단계(S10)는 상기 다공성(多孔性) 산화알루미늄 피막이 형성된 알루미늄(Al) 재질의 부재(이하, 알루미늄 부재)를 이온교환수에 침지하는 단계이다. 이온교환수가 채워진 욕조 또는 챔버(chamber)에 상기 알루미늄 부재를 집어 넣거나, 욕조 또는 챔버(chamber)에 상기 알루미늄 부재를 놓고 상기 알루미늄 부재가 잠기도록 이온교환수를 욕조에 채워 넣을 수 있다.

이온교환수 가열 단계(S20)는 상기 알루미늄 부재가 침지된 이온교환수를 100℃ 보다 높은 온도에서 기화(氣化)되지 않고 액체 상태로 유지되도록 가열하는 단계이다. 이온교환수 가열 단계(S20)에서는 이온교환수가 담긴 욕조 또는 챔버 내의 기압이 1기압보다 높은 기압 환경에서 이온교환수의 온도를 120 내지 150℃ 온도로 상승시켜 유지한다.

순수(純水)의 끓는점은 외부 기압이 1기압일 때 100℃ 이다. 액체는 증기압과 외부 기압이 같아질 때 끓게 되므로, 외부 기압이 상승하면 외부 기압과 같아지는 액체의 증기압도 커지게 되어 액체의 끓는점이 상승한다. 이와 같은 원리를 이용하여 이온교환수가 담긴 욕조 내지 챔버 내의 기압을 승압시키면 이온교환수는 120 내지 150℃ 의 온도에서도 끓어 수증기화되지 않고 액체로 유지된다. 액체 상태인 이온교환수의 온도가 높을수록 요구되는 욕조 내지 챔버 내의 기압도 높다. 예를 들어, 이온교환수가 담긴 욕조 내지 챔버의 기압을 4기압보다 높게 만들면 이온교환수를 150℃ 의 온도에서 액체 상태로 유지할 수 있다.

이온교환수 가열 단계(S20)를 유지하는 시간은, n이 자연수(n=1,2,3...)일 때 상기 산화알루미늄 피막의 두께가 (n-1) ㎛ 보다 크고 n ㎛ 보다 작거나 같으면, 상기 이온교환수 가열 단계(S20)를 적어도 3n 분(minute) 동안 유지하도록 한다. 예를 들어, 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막의 두께가 50 ㎛ 이면(n=50), 이온교환수 가열 단계(S20)에서 이온교환수가 100℃ 보다 높은 온도의 액체인 상태로 적어도 150분(=350) 동안 유지하도록 한다. 산화알루미늄 피막의 미세공(micro-hole)을 충분히 봉공(sealing)하기 위함이다.

하기의 표 1은 액체 상태의 이온교환수에 알루미늄 부재를 침지하여 봉공 처리하는 방법의 실험 결과를 정리한 표로서, 이온교환수의 온도에 따라 정리한 표이다.

이온교환수 온도	HCl 반응시간	HF 식각량	내전압	경도
95℃	30분	11.5㎛	1.59kv	447hv
125℃	120분	5.5㎛	1.66kv	455hv
135℃	200분	4.5㎛	1.71kv	474hv
145℃	290분	3.1㎛	1.79kv	495hv

하기의 표 2는 수증기 상태의 이온교환수로 채워진 챔버 내에 알루미늄 부재를 방치하여 봉공 처리하는 방법의 실험 결과 정리한 표로서, 이온교환수 수증기의 증기압에 따라 정리한 표이다.

증기 압력/온도	HCl 반응시간	HF 식각량	내전압	경도
3기압 / 130~140℃	200분	5.8㎛	1.66kv	467hv
4기압 / 140~150℃	260분	3.7㎛	1.76kv	491hv

표 1에서 이온교환수의 온도가 125℃, 135℃, 및 145℃ 인 경우가 본 발명의 실시예에 해당하는 실험 결과이다. 표 1 및 표 2에서 HCl 반응시간은 동일한 농도의 HCl 용액에 봉공 처리된 알루미늄 부재를 침지할 때 알루미늄 부재가 부식될 때까지 경과되는 시간을 의미하고, HF 식각량은 봉공 처리된 알루미늄 부재가 동일한 농도의 HF 용액에 의해 일정 시간동안 식각되는 깊이를 의미하고, 내전압은 봉공 처리된 알루미늄 부재가 통전되기 시작하는 전압을 의미하며, 경도는 봉공 처리된 알루미늄 부재 단면의 경도를 의미한다.

표 1의 실험 결과를 참조하면, 100℃를 넘는 액체 상태의 이온교환수에 침지되어 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막이 100℃보다 낮은 온도의 이온교환수에 침지되어 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막보다 기계적 및 화학적 특성이 우수함을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 표 1과 표 2를 함께 비교하여 참조하면, 135℃에서 액체 상태인 이온교환수에 침지되어 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막이, 대등한 온도(130~140℃)의 수증기 상태의 이온교환수를 이용하여 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막보다 기계적 및 화학적 특성이 우수하고, 145℃에서 액체 상태인 이온교환수에 침지되어 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막이, 대등한 온도(140~150℃)의 수증기 상태의 이온교환수를 이용하여 봉공 처리된 알루미늄 부재 표면의 산화알루미늄 피막보다 기계적 및 화학적 특성이 우수함을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2의 봉공 처리 장치(10)를 이용하여 도 1을 참조하여 설명한 봉공 처리 방법을 실시할 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 봉공 처리 장치(10)는 용기(11), 커버(cover)(20), 히터(35), 기체 배출 유로(23), 이온교환수 공급관(15), 이온교환수 배출관(17), 온도 센서(27), 압력 센서(28), 및, 콘트롤러(controller)(40)를 구비한다.

용기(11)는 상측이 개방되며, 이온교환수(2)와, 상기 이온교환수(2)에 침지(浸漬)되는, 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 재질의 부재(5)를 수용하는 챔버(chamber)(12)가 내부에 마련된다. 용기(11)의 개방된 상측 주변에는 래디얼(radial) 방향으로 확장된 용기 플랜지(flange)(14)가 구비된다. 커버(20)는 용기(11)의 개방된 상측을 밀폐하기 위한 것으로, 상기 용기 플랜지(14)에 밀착 가능하게 래디얼 방향으로 확장된 커버 플랜지(flange)(26)가 구비된다. 도면에 도시되진 않았으나 커버 플랜지(26)가 용기 플랜지(14)에 밀착된 때 챔버(12)가 기체가 커버(20)와 용기(11) 사이의 틈으로 새어나가지 못하도록 그 틈에 탄성 소재로 된 씰링 부재(sealing member)가 장착될 수도 있다.

작업자의 인력(人力)으로 커버(20)를 개폐할 수도 있으나, 봉공 처리 장치(10)는 커버(20)를 개폐하기 위한 커버 개폐 액추에이터(actuator)(30)를 더 구비한다. 커버 개폐 액추에이터(30)는 유압 실린더(hydraulic cylinder)를 포함할 수 있다. 도 3에 개시된 실시예에서, 커버 개폐 액추에이터(30)의 본체는 용기 플랜지(14)에 고정되고, 상기 본체에 대해 승강하는 액추에이터 로드(32)의 상단부는 용기 플랜지(14)를 관통하여 커버 플랜지(26)에 고정된다. 따라서, 유압 작동으로 액추에이터 로드(32)가 상승하면 커버(20)가 용기(11)와 이격되게 상승하여 용기(11)의 상측이 개방되며, 반대로 액추에이터 로드(32)가 하강하면 커버 플랜지(26)가 용기 플랜지(14)에 밀착되어 용기(11)의 상측이 폐쇄되며 내부의 챔버(12)가 밀폐된다. 용기(11)의 상측이 개방된 때 작업자는 양극 산화(anodizing)되어 표면에 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 부재(5)를 챔버(12) 내에 집어 넣거나, 봉공 처리가 끝난 알루미늄 부재를 챔버(12)에서 밖으로 꺼낼 수 있다.

히터(35)는 용기(11)를 가열하기 위한 것으로, 용기(11)의 주변에 접촉되거나 인접하여 배치된다. 히터(35)가 발열하면 열전도에 의해 챔버(12) 내부가 가열된다. 이온교환수 공급관(15)은 이온교환수 공급원(미도시)으로부터 챔버(12) 내부로 이온교환수(2)를 공급하기 위한 것으로, 용기(11)의 외벽을 관통하여 챔버(12)로 연결된다. 이온교환수 공급관(15)에는 이온교환수 공급관(15)을 개폐하여 이온교환수(2)의 공급량을 조절할 수 있도록 공급 조절 밸브(16)가 설치된다.

이온교환수 배출관(17)은 알루미늄 부재(5)의 봉공 처리가 끝난 후 챔버(12)에 남은 이온교환수(2)를 챔버(12) 밖으로 배출하기 위한 것으로, 용기(11)의 외벽을 관통하여 챔버(12)의 바닥으로 연결된다. 이온교환수 배출관(17)에는 이온교환수 배출관(17)을 개폐하여 이온교환수(2)의 배출량을 조절할 수 있도록 배출 조절 밸브(18)가 설치된다. 챔버(12)에 이온교환수(2)를 공급하기 위해서는 이온교환수 공급관(15)를 개방하고 이온교환수 배출관(17)을 폐쇄하며, 챔버(12)에 남아있는 이온교환수(2)를 외부로 배출하기 위해서는 이온교환수 배출관(17)을 개방하고 이온교환수 공급관(15)을 폐쇄한다.

기체 배출 유로(23)는 밀폐된 챔버(12)에서 알루미늄 부재(5)의 봉공 처리가 진행되는 도중에 챔버(12)의 기압이 기준 압력까지 상승하면 개방되어 챔버(12)에 채워진 기체를 챔버(12) 밖으로 유도하기 위한 것으로, 커버(20)의 외부에서 커버(20)의 외벽을 관통하여 챔버(12)까지 연장된다. 기체 배출 조절 밸브(24)가 기체 배출 유로(23)를 개폐한다. 즉, 챔버(12) 내부가 가열됨에 따라 챔버(12) 내부의 기압이 상승하여 기준 압력에 도달하면 기체 배출 조절 밸브(24)가 개방되어 기체 배출 유로(23)를 통해 챔버(12) 내부의 기체가 외부로 배출된다. 이로써, 챔버(12) 내부의 기압의 상기 기준 압력 이하로 유지될 수 있다. 챔버(12) 내부의 기압이 다시 기준 압력보다 낮아지면 기체 배출 조절 밸브(24)가 다시 폐쇄된다. 상기 기준 압력은 예컨대, 6기압일 수 있다.

온도 센서(27)는 챔버(12) 내부 이온교환수(2)의 온도를 실시간으로 측정하고, 압력 센서(28)는 챔버(12) 내부의 기압을 실시간으로 측정한다. 콘트롤러(controller)(40)는 온도 센서(27)에 의해 측정된 이온교환수(2)의 온도에 기초하여 히터(35)의 작동을 조절한다. 또한, 콘트롤러(40)는 압력 센서(28)에 의해 측정된 챔버(12) 내부의 기압이 상기 기준 압력보다 큰 위험 압력까지 상승하면 히터(35)의 발열량을 줄이도록 히터(35)를 제어한다.

예를 들어, 알루미늄 부재(5)를 챔버(12) 내에 넣고 커버(20)를 닫아 챔버(12)를 밀폐한 후에 온도 센서(27)를 통해 측정되는 챔버(12) 이온교환수(2)의 온도는 상온 정도에 불과하며, 콘트롤러(40)는 상대적으로 큰 전력을 히터(35)에 공급하여 히터(35)의 발열량을 크게 한다. 이온교환수(2)의 목표 온도를 150℃라 가정하면, 히터(35)에 의해 이온교환수(2)가 가열되어 온도 센서(27)에 의해 측정되는 이온교환수(2)의 온도가 목표 온도에 가까워짐에 따라 콘트롤러(40)는 히터(35)에 공급되는 전력을 단계적으로 줄이고, 이온교환수(2)의 온도가 상기 목표 온도에 도달하면 히터(35)에 공급되는 전력을 차단한다. 상기 전력 차단으로 측정된 이온교환수(2)의 온도가 목표 온도보다 낮아지면 콘트롤러(40)는 목표 온도와 현재 온도와의 온도 차이에 대응되는 전력을 히터(35)에 공급하여 이온교환수(2)를 다시 가열한다. 이와 같은 방법으로 알루미늄 부재(5) 표면의 산화알루미늄 피막 두께에 대응되는 시간 동안 이온교환수(2)의 온도를 미리 설정한 목표 온도로 유지할 수 있다.

한편, 기준 압력이 6기압이고 위험 압력이 이보다 높은 10기압이라고 가정하면, 이온교환수(2)가 가열되어 챔버(12) 내부의 기압이 상승하여 기준 압력인 6기압에 도달하면 상술한 바와 같이 기체 배출 유로(23)가 개방되어 챔버(12) 내부의 기체가 외부로 배출되므로 봉공 처리 진행 중에 챔버(12) 내부의 압력이 기준 압력보다 높지 않게 유지된다. 그러나, 기체 배출 조절 밸브(24)의 작동 불량이 발생하거나, 상기 밸브(24)가 정상적으로 작동함에도 불구하고 챔버(12) 내부의 기압이 계속 상승하면 봉공 처리 장치(10)가 폭발할 수도 있어 위험하다.

이온교환수(2)가 가열되는 동안 압력 센서(28)에 의해 챔버(12) 내부의 기압도 계속 측정되고 있고, 압력 센서(28)에 의해 측정된 챔버(12) 내부의 기압이 상승하여 위험 압력인 10기압에 도달하면 콘트롤러(40)는 히터(35)에 공급되는 전력을 줄이거나 아예 차단하여 챔버(12) 내부의 기압 상승으로 인한 폭발을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

2: 이온교환수 5: 양극 산화된 알루미늄 부재
10: 봉공 처리 장치 11: 용기
20: 커버 27: 온도 센서
28: 압력 센서 35: 히터

Claims (6)

1. 양극 산화(anodizing)된 알루미늄의 표면을 봉공 처리하는 방법으로서,
   다공성(多孔性)의 산화알루미늄(Al₂O₃) 피막이 형성된 알루미늄 재질의 부재를 이온교환수(ion exchanged water)에 침지(浸漬)하는 알루미늄 부재 침지 단계; 및,
   상기 이온교환수를 100℃ 보다 높은 온도에서 끓지 않게 액체 상태로 유지시키는 이온교환수 가열 단계;를 포함하고,
   n이 자연수일 때 상기 산화알루미늄 피막의 두께가 (n-1) ㎛ 보다 크고 n ㎛ 보다 작거나 같으면, 상기 이온교환수 가열 단계를 적어도 3n 분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 봉공 처리 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 이온교환수 가열 단계는 1기압보다 높은 기압 환경 내에서 상기 이온교환수의 온도를 120 내지 150℃ 온도로 상승시켜 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 봉공 처리 방법.
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