KR101456176B1 - 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법 및 이로부터 제조된 내 부식성이 향상된 철(Fe) 기판 - Google Patents

스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법 및 이로부터 제조된 내 부식성이 향상된 철(Fe) 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법, 이를 이용하여 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키는 방법 및 이로부터 제조된 내 부식성이 향상된 철(Fe) 기판에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명에 따르면, 공정이 용이하고 경제적인 스핀코팅법을 이용하여 물리적·화학적으로 불활성인 산화 그래핀 박막을 철(Fe) 기판 표면에 형성시킴으로써 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키기 위해, 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 속도를 최적화함으로써 철(Fe) 기판의 내부식성 향상 효과를 최대화하는 효과가 있다.

Description

스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법 및 이로부터 제조된 내 부식성이 향상된 철(Fe) 기판{Method for coating of iron substrate with graphene oxide using spin-coating and iron substrate improved in corrosion-resistance therefrom}
본 발명은 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법, 이를 이용하여 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키는 방법 및 이로부터 제조된 내 부식성이 향상된 철(Fe) 기판에 관한 것이다.
일반적으로 금속재료는 그 특성상 표면 또는 결합부가 주변환경에 의해 화학 적 반응이나 물리적인 충격 등에 의해 변질 및 파괴되면서 이 부위에 집중적으로 부식이 일어나 금속 자체의 내구성을 저하하게 된다.
특히, 철(Fe)은 비중이 7.86인 대표적 중금속으로서, 순철 및 철 기지 합금은 철 함량이 95 - 100 중량%인 것으로, 건축 및 선박 외장재, 자동차용 강판 또는 가전제품 외장재의 용도로 유용하게 사용될 수 있기 때문에, 순철 및 철 기지 합금의 내부식성을 향상시키기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.
종래, 철(Fe)과 같은 금속에 발생하는 부식을 방지하기 위한 방법으로 금속 자체에 다른 원소를 첨가하여 화학적으로 안정된 합금으로 만드는 방법, 금속의 표면에 부식을 유발하는 물질들이 접촉하지 못하도록 화학적으로 안정화된 코팅액을 도포하여 표면을 처리하는 방법 등이 있다.
상기 금속 자체에 다른 원소를 첨가하여 화학적으로 안정된 합금으로 만드는 방법에 의한 합금 중 가장 대표적인 것이 스텐레스 스틸이다. 예를 들어, 스텐레스 스틸(stainless steel)이란 순수 철(Fe)의 최대 결점인 내식성의 부족을 개선할 목적으로 만들어진 12 - 18중량%의 Cr을 함유한 내식성이 아주 강한 합금 강의 총칭이다. 상기 Cr은 Cr2O3 를 형성하여 철 금속 내로 침입하는 산소를 차단함으로써 내식성을 향상시킨다.
다만, 스텐레스 스틸은 질산 또는 보통의 유기산에는 충분히 견디지만 염분, 표백제, 염화 비닐 소각재 매연, 염산 등으로부터의 염화 이온 또는 연소배기가스, 온천의 증기 등으로부터의 황산화물에 의해 침식되는 문제점이 있고, 다른 원소를 첨가하여 철의 부식성을 향상시키는 것이기 때문에 철 함량이 95 - 100중량%인 순철 및 철 기지 합금을 건축 및 선박 외장재, 자동차용 강판 또는 가전제품 외장재에 이용하기 위하여 내부식성을 향상시키는 방법으로서는 한계가 있다.
또한, 상기 표면처리방법으로는 용융 도금, 연착 도금, 화성 처리, 유기질 피막처리, 무기질과 유기질 혼합처리방법 등이 있으며, 금속의 표면처리에 사용되는 코팅 물질은 금속의 특성과 용도, 주변환경에 따라 여러 가지의 코팅액이 사용되고 있으며 주로, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 아연(Zn), 동(Cu) 등이 주성분으로 사용되고 있으며, 최근에는 그래핀을 코팅하여 내부식성을 증가시키는 다양한 연구가 진행되고 있다(Elsevier. Volume 69, April 2013, Pages 5 - 10 등).
상기 그래핀은 물리적 안정성이 높고, 화학적으로 비활성이며, 일반 대기 조건에서 400 ℃까지 견딜 수 있어 금속에 코팅할 경우, 내부식성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 그래핀은 적층된 구조의 그래파이트와 달리 분산 용액을 제조하는 것이 가능하므로, 반응면적이 넓고 대면적에 균일하게 코팅하는 것이 가능하다.
종래, 대한민국 특허공개 제10-2010-0127577호에는 스테인레스 스틸 기판; 상기 스테인레스 스틸 기판의 적어도 일면에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 위에 코팅된 그라핀층을 포함하는 연료전지용 분리판이 개시되어 있다. 그러나 상기 그라핀층의 코팅은 화학기상증착법에 의한 것으로서 고투명성, 높은 전도도를 지닌 그래핀 필름을 생산할 수 있지만 섭씨 1000 ℃ 이상의 고온이 요구되므로 제조시간이 길다는 단점이 있다.
또한, ACS NANO. Vol.6, No.9, pages 7763 - 7769 (2012)에는 철(Fe)의 내 부식성을 향상시키기 위하여, LBL(layer-by-layer)법을 이용하여 Si 기판 위에 환원된 그래핀 옥사이드 박막을 형성시키고 이를 분리하여(lift-off), 철(Fe) 기판에 전사(transfer)시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 방법은 단순히 그래핀을 코팅하는 것이 아닌, (+), (-) 전하를 가진 그래핀을 순차적으로 적층하여, 박막을 형성하고, 1000 ℃에서 열처리 후 철(Fe) 기판으로 이동시키기 때문에, 고온이 요구되고 공정이 복잡하다는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 철(Fe)의 내부식성을 향상시킬 수 있는 방법에 대해 관심을 가지고 연구를 진행하던 중, 본 발명의 공정이 용이하고 경제적인 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법이 물리적·화학적으로 불활성인 산화 그래핀을 철(Fe) 기판에 코팅하는 경우, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킴에 있어서 최적화된 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 속도가 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키는데 최적화된 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 속도를 선택한, 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 목적은 상기 방법을 이용한 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키는 방법을 제공하는 데 있다.
나아가, 본 발명의 목적은 상기 방법에 의해 제조된 내부식성이 향상된 철(Fe) 기판을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
산화 그래핀 분말을 분산액에 분산시켜 pH 6 - 8의 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철 기판 표면에 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
를 포함하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
산화 그래핀 분말을 분산액에 분산시켜 pH 6 - 8의 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철(Fe) 기판 표면에 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
를 포함하는 철(Fe) 기판의 내 부식성 향상방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은,
상기 방법에 의해 제조된 표면이 산화 그래핀 박막으로 코팅되어 내부식성이 향상된 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철(Fe) 기판을 제공한다.
본 발명에 따르면, 공정이 용이하고 경제적인 스핀코팅법을 이용하여 물리적·화학적으로 불활성인 산화 그래핀 박막을 철(Fe) 기판 표면에 형성시킴으로써철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키기 위해, 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 속도를 최적화함으로써 철(Fe) 기판의 내부식성 향상 효과를 최대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 분극 실험 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3는 무처리 철(Fe) 기판, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 분극 실험 결과로서 부식 전위-부식 전류 밀도 로그값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 무처리 철(Fe) 기판, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 분극 실험 결과로서, 부식 전위 값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 분극 실험 결과로서, 부식 전류 밀도 로그값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 무처리 철(Fe) 기판 및 실시예 1의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 부식 실험 후의 SEM 이미지이다.
도 7은 비교예 3의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판의 표면 이미지이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은,
산화 그래핀 분말을 분산액에 분산시켜 pH 6 - 8의 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철 기판 표면에 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
를 포함하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 상기 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법을 더욱 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법에 있어서, 단계 1은 산화 그래핀 분말을 분산액에 분산시켜 pH 6 - 8의 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계이다.
구체적으로, 단계 1의 상기 산화 그래핀 용액의 pH는 철(Fe) 기판의 내부식성 향상 측면에서, pH 6 - 8인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 pH 6.5 - 7.5, 가장 바람직하게는 pH 7인 것이 좋다. 상기 산화 그래핀 용액의 pH 값이 6 미만인 경우 그래핀 용액의 산성이 철(Fe) 기판의 표면을 손상시키는 문제가 있고, pH 값이 8 초과인 경우 그래핀 코팅층의 균일도가 떨어지는 문제가 있어, 단계 1의 산화 그래핀 용액의 pH 값은 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
또한, 단계 1의 상기 산화 그래핀 분말은 화학적 합성법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면 그라파이트 분말을 황산용액에 투입한 후, 여과, 세척 및 건조 과정을 거쳐 산처리된 그라파이트 분말을 얻을 수 있고, 상기 산처리된 그라피트 분말에 과망산칼륨과 과산화수소를 첨가하고 여과 과정을 거쳐 화학적으로 합성된 산화 그래핀을 얻을 수 있다.
나아가, 단계 1의 상기 산화 그래핀을 분산시킬 수 있는 분산액의 선택은 철(Fe) 기판의 내부식성 향상과 관계된 스핀 코팅 용액의 pH를 결정한다는 점에서 매우 중요하며, pH를 6 - 8, 더욱 바람직하게 6.5 - 7.5, 가장 바람직하게 7이 되도록 조절한다는 측면에서 수용액 및 알콜 용액 중에서 어느 하나를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 단계 1의 상기 산화 그래핀 용액에서 산화 그래핀의 함량은 0.01 - 10 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 산화 그래핀의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 산화 그래핀의 함량이 너무 적어 내부식성 향상을 위한 스핀 코팅의 효과가 미미한 문제가 있고, 10 중량%를 초과하는 경우에는 용액의 점도가 너무 높아져 수용액 상태라기보다는 젤 상태에 가깝게 되므로 스핀코팅법에 의해 코팅되는 산화 그래핀의 함량을 적절하게 제어하지 못하는 문제가 있어, 단계 1의 상기 산화 그래핀의 함량은 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철 기판 표면에 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 단계 2의 상기 스핀코팅법은 코팅할 물질의 용액이나 액체 상태의 코팅할 물질을 코팅이 필요한 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법으로, 기질 위에 얇은 코팅 막을 형성할 수 있으며 스핀 코팅 용액의 농도, 회전 속도 및 회전 시간에 따라 코팅 막의 두께를 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 상기 단계 2에서 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 기판에 코팅하는 단계는 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명은 수용액 중에서 표면에 Fe-oxide(철 산화물) 피막을 자발적으로 형성하는 모든 철(Fe)류 기판에 제한없이 적용이 가능하다. 구체적으로, 단계 2의 상기 산화 그래핀 용액의 스핀코팅은 철 함량이 95 - 100 중량%인 순철 기판 또는 철 기지 합금 기판에 적용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, Cr 등의 함량이 적은 탄소강과 같은 철 기지 합금에도 적용이 가능하다.
나아가, 단계 2의 상기 그래핀 용액이 스핀코팅되는 철(Fe) 기판은 오존처리된 것을 사용할 수 있다. 이는 철(Fe) 기판과 산화 그래핀 용액의 접착성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 오존처리장비를 이용하여 철(Fe) 기판을 10 - 20 분 동안 오존 처리함으로써 수행될 수 있다.
또한, 단계 2의 상기 스핀 코팅은 나노사이즈 두께이면서도 균일한 산화 그래핀 박막의 형성한다는 측면에서, 500 - 5000 rpm 회전속도로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 스핀 코팅 회전속도가 500 rpm 미만인 경우 그래핀 코팅층의 균일성이 떨어지고, 용매(분산제)가 스핀 코팅 과정에서 제거되지 않고 남아 건조 과정에서 오히려 철(Fe)의 부식을 일으키는 문제가 있고, 5000 rpm 이상인 경우 코팅되는 그래핀의 양이 너무 적고 코팅층이 얇아지는 문제가 있어, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
나아가, 단계 2의 상기 스핀 코팅은 30 - 120 초 동안 수행될 수 있다. 스핀 코팅에 있어서, 상기 회전 속도 및 회전 시간에 의해 코팅 막의 두께 및 균일성이 결정되므로 이의 적합한 조합을 결정하는 것이 중요하다. 만약, 상기 스핀 코팅 시간이 30 초 미만인 경우 그래핀 코팅층의 형성이 저하되는 문제가 있고, 120초 초과인 경우 그래핀 코팅층의 균일성이 떨어지는 문제가 있어, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 단계 2의 상기 스핀 코팅은 철(Fe) 기판이 회전하는 중에 0.01 - 0.1 ml의 산화 그래핀 용액을 2 - 4 번에 나누어 적하하면서 수행될 수 있다. 상기와 같이 수회 나누어 떨어뜨려 주는 것은 기질에 코팅할 물질을 더욱 균일하게 코팅하기 위함이며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 0.021 ml의 산화 그래핀 용액을 3 번에 나누어 적하하면서 스핀 코팅을 수행할 수 있다.
나아가, 단계 2의 상기 스핀 코팅에 의해 형성된 산화 그래핀 박막의 두께는 10 ㎚ - 1 ㎛ 인 것이 바람직하다. 만약, 산화 그래핀 박막의 두께가 10 ㎚ 미만인 경우, 산화 그래핀 코팅에 의한 내부식성 향상 효과가 미미한 문제점이 있고, 1 ㎛ 초과인 경우, 스핀 코팅 시간이 너무 길어질 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 물성을 저해할 수 있는 문제가 있어, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 단계 2의 스핀 코팅의 회전 시간이 완료되면 철(Fe) 기판을 장비로부터 제거하여 상온에서 자연 건조하는데, 습한 코팅 면이 공기 중의 불순 미립자와 접촉하지 않도록 밀폐된 용기 내에서 6 시간 이상 건조함으로써 최종적으로 표면이 산화 그래핀 박막으로 코팅된 철(Fe) 기판을 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명은
산화 그래핀 분말을 분산액에 분산시켜 pH 6 - 8의 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철 기판 표면에 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
를 포함하는 철(Fe) 기판의 내 부식성 향상방법을 제공한다.
구체적으로 본 발명의 상기 철(Fe) 기판의 내 부식성 향상방법에 있어서, 상기 단계 1 및 단계 2는 상기 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법에서 설명한 단계 1 및 단계 2와 동일하다.
나아가, 본 발명은 상기 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법에 의해 제조된, 표면이 산화 그래핀 박막으로 코팅되어 내부식성이 향상된 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철(Fe) 기판을 제공한다.
본 발명에 따르면, 공정이 용이하고 경제적인 스핀코팅법을 이용하여 물리적·화학적으로 불활성인 산화 그래핀 박막을 철(Fe) 기판 표면에 형성시킴으로써철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키기 위해, 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 속도를 최적화함으로써 철(Fe) 기판의 내부식성 향상 효과를 최대화하는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 > 산화 그래핀의 합성
그라파이트 분말을 과망산칼륨, 오산화인이 포함된 황산용액에 투입한 후 여과, 탈이온수로 세척 및 건조하여 산처리된 그라파이트 분말을 얻었다. 상기 산처리된 그라파이트에 과망산칼륨과 과산화수소를 첨가하고 이를 여과한 후, 미반응된 그라파이트를 제거하고, 반응시 존재한 망간을 제거하기 위하여 염산, 물 및 알코올이 혼합된 용액에서 세척했다. 다음으로, 이를 중성이 될 때까지 원심분리기를 통하여 세척을 하여 화학적으로 합성된 산화 그래핀 분말을 수득하였다.
< 실시예 1> 산화 그래핀 박막이 코팅된 철( Fe ) 기판 - 1
단계 1: 산화 그래핀 용액의 제조
상기 제조예 1에서 수득한 산화 그래핀 분말 10 mg을 수용액에 1 중량%로 첨가하고, 초음파 세척기에서 3시간 동안 완전한게 분산시켜 pH 7.42의 산화 그래핀 용액을 제조하였다.
단계 2: 스핀코팅법을 이용하여 철 기판 표면( Fe )에 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계
스핀코팅에 앞서, 철(Fe) 기판(철 95 중량% 함유)을 산화 그래핀 용액과의 접착성을 향상시키기 위하여 오존처리장비를 이용하여 16 분 동안 철(Fe) 기판의 표면을 오존처리하였다. 다음으로, 오존처리된 철(Fe) 기판에 대하여, 단계 1의 산화 그래핀 용액을 이용하여 3000 rpm의 회전속도에서 60 초간 스핀코팅을 수행하였다.
이때, 철(Fe) 기판의 표면에 균일하게 코팅하기 위하여, 철(Fe) 기판이 회전하는 중에 0.021 mL의 산화 그래핀 용액을 3 번에 나누어 떨어뜨려 주면서 스핀코팅을 수행하였다. 상기 60 초의 회전시간이 완료되면 기판을 장비로부터 제거하여 상온에서 자연 건조하는데, 습한 코팅 면이 공기 중의 불순 미립자와의 접촉하는 것을 방지하기 위하여 밀폐된 용기 내에서 6시간 이상 건조를 수행함으로써, 철(Fe) 기판 표면을 50 nm 두께의 산화 그래핀 박막으로 코팅하였다..
< 실시예 2> 산화 그래핀 박막이 코팅된 철( Fe ) 기판 - 2
산화 그래핀 용액의 pH가 7.42 및 스핀코팅 회전속도가 1000 rpm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여, 철(Fe) 기판 표면을 15 nm 두께의 산화 그래핀 박막으로 코팅하였다.
< 비교예 1> 산화 그래핀 박막이 코팅된 철( Fe ) 기판 - 3
산화 그래핀 용액의 pH가 12.16 및 스핀코팅 회전속도가 3000 rpm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여, 철(Fe) 기판 표면을 50 nm 두께의 산화 그래핀 박막으로 코팅하였다.
< 비교예 2> 산화 그래핀 박막이 코팅된 철( Fe ) 기판 - 4
산화 그래핀 용액의 pH가 12.16 및 스핀코팅 회전속도가 1000 rpm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여, 철(Fe) 기판 표면을 15 nm 두께의 산화 그래핀 박막으로 코팅하였다.
< 비교예 3> 산화 그래핀 박막이 코팅된 철( Fe ) 기판 - 5
산화 그래핀 용액의 pH가 7.42 및 스핀코팅 회전속도가 80 rpm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여, 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하였다.
< 실험예 > 부식 특성 평가를 위한 분극 실험
본 발명 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법이, 철(Fe) 기판의 전기화학적 부식 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대하여 분극 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 3 - 6 및 하기 표 1에 나타내었다.
분극 실험은, 전기화학적 반응은 두 가지 이상의 산화반응과 환원반응으로 이루어지며 전기화학적 반응 중에 전하의 순축적은 있을 수 없다는 전하보전의법칙의 가정을 하는 혼합전위이론에 기인한다.
구체적으로, 분극 실험에 앞서 염수 조건의 염화나트륨 수용액(3.5 wt%)을 준비하여 용기에 50 ml정도 채워 준비한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 분극실험은 3개 전극을 사용하는데 작업전극(working electrode), 기준전극(reference electrode), 상대전극(counter electrode)로 구성이 되어있다.
작업전극을 측정하고자 하는, 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 연결하고, 지정 면적 (5 × 5 ㎜)을 제외한 부분을 모두 절연테이프로 감아서 전류가 통하지 않도록 하였다. 기준전극은 Ag/AgCl/Saturated KCl 기준전극(BAS Inc.)을 사용하여 연결하고, 상대전극은 백금을 기반으로 한 전극을 사용하여 연결한다. 다음으로, 상기 3 개 전극을 염화나트륨 수용액 50 ml에 일정 간격으로 침지한 후 전압을 인가하고, 분극 곡선을 도출하였다.
구분 부식 전류 밀도,log I(x 10-7) 부식 전위(V)
실시예 1
(pH 7.42/1000 rpm)		 10.1 -0.63
실시예 2
(pH 7.42/3000 rpm)		 6.76 -0.54
비교예 1
(pH 12.16/1000 rpm)		 53.1 -0.73
비교예 2
(pH 12.16/3000 rpm)		 22.3 -0.68
그 결과, 상기 표 1 및 도 3 - 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2의 부식 전류 밀도의 로그값은 각각 10. 1 및 6.76 (A/Cm2) 이고, 부식 전위는 각각 -0.63 및 -0.54 V임을 알 수 있다. 또한, 비교예 1 및 비교예 2의 부식 전류 밀도의 로그값은 각각 53.1 및 22.3 (A/Cm2) 이고, 부식 전위는 각각 -.0.73 및 -0.68 V임을 알 수 있다.
부식 전류 밀도는 부식이 이미 시작된 상태에서 부식이 얼마나 빨리 진행되는지를 의미하여 낮을수록 내부식성이 좋고, 부식 전압은 금속의 산화 경향이 더 낮아 동일한 조건하에서 부식이 더 늦게 일어나는 것을 의미하여, 높을수록 내부식성이 좋다.
즉, 상기 실험 결과를 참조하면 동일한 회전속도에서 pH 12.16의 염기성인 경우에 비해, pH 7.42의 중성인 경우 부식 전위가 더 높아, 내 부식성이 더 우수함을 확인할 수 있다.
나아가, 동일한 pH 7.42의 산화 그래핀 용엑에 있어서, 회전속도가 3000 rpm(실시예 2)인 경우에 1000 rpm(실시예 1)인 경우보다, 형성된 산화 그래핀 박막의 두께가 더 얇음에도, 부식 전위가 더 높아 내 부식성이 더 우수함을 확인할 수 있다.
또한, 도 6은 무처리 철(Fe) 기판 및 실시예 2(pH 7.42, 3000 rpm)의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판에 대한 부식 실험(상기 분극 실험) 후의 SEM 이미지이다.
도 6을 참조하면 무처리 철(Fe) 기판의 경우 표면에 부식 손상이 일어나서 표면에 구멍이 뚫린 것을 확인할 수 있으며, 실시예 2(pH 7.42, 3000 rpm)의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판의 경우에는 강한 전기적 처리 후에도 큰 손상이 없음을 확인할 수 있다.
한편, 도 7은 비교예 3(pH 7.42, 80 rpm)의 산화 그래핀 박막이 코팅된 철(Fe) 기판의 표면 이미지이다.
도 7을 참조하면, 우선 회전 속도가 너무 느려 철(Fe) 기판에 균일하게 코팅되지 않고, 한 곳에 몰려 있음을 확인할 수 있다. 코팅이 되지 않은 부분은 내부식성 향상의 효과도 없다. 또한, 산화 그래핀 용액을 중성으로 조절하였음에도 불구하고 용매인 물이 코팅 과정에서 제거되지 않고 그대로 남아 건조 과정에서 심한 부식이 발생함을 확인할 수 있었다. 따라서, 스핀코팅의 회전 속도는 철(Fe) 기판을 균일하게 코팅하고 용매인 물이 스핀 코팅 과정에서 제거될 수 있도록 최소 500 rpm 이상은 되어야 하는 것을 알 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따르면 공정이 용이하고 경제적인 스핀코팅법을 이용하여 물리적·화학적으로 불활성인 산화 그래핀 박막을 철(Fe) 기판 표면에 형성시킴으로써 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 철(Fe) 기판의 내부식성을 향상시키기 위한 최적의 스핀 코팅 용액의 pH 및 스핀 코팅 회전 속도를 선택함으로써 철(Fe) 기판의 내부식성 향상 효과를 최대화하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 분산액에 산화 그래핀 분말을 분산하되, 전체 산화 그래핀 혼합용액에 대하여 산화 그래핀의 함량이 0.01 - 10 중량% 이고, pH가 6 - 8인 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
    단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 오존처리된 철(Fe) 기판 표면에 30 - 120 초 동안 1000 - 3000 rpm의 회전 속도로 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
    를 포함하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 1의 산화 그래핀 용액의 pH는 6.5 - 7.5인 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단계 1의 산화 그래핀 분말은 화학적 합성법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 1의 분산액은 수용액 및 알콜용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    단계 1의 산화 그래핀 용액의 pH는 7.0인 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.

  6. 제1항에 있어서,
    단계 2의 스핀 코팅은 3000 rpm 회전속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    단계 2의 스핀코팅은 철(Fe) 기판이 회전하는 중에 0.01 - 0.1 ml의 산화그래핀 용액을 2 - 4 번에 나누어 적하하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    단계 2의 산화 그래핀 박막은 10 nm - 1 ㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀코팅법을 이용하여 철(Fe) 기판 표면을 산화 그래핀 박막으로 코팅하는 방법.
  11. 분산액에 산화 그래핀 분말을 분산하되, 전체 산화 그래핀 혼합용액에 대하여 산화 그래핀의 함량이 0.01 - 10 중량% 이고, pH 6 - 8인 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계(단계 1) 및
    단계 1의 산화 그래핀 용액을 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 오존처리된 철 기판 표면에 30 - 120 초 동안 1000 - 3000 rpm의 회전 속도로 스핀코팅하여 산화 그래핀 박막을 형성하는 단계(단계 2);
    를 포함하는 철(Fe) 기판의 내 부식성 향상방법.
  12. 제1항의 방법에 의해 제조된, 표면이 산화 그래핀 박막으로 코팅되어 내부식성이 향상된 철(Fe) 95 - 100 중량%를 포함하는 철(Fe) 기판.
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