KR102293292B1 - 알루미나 코팅층의 형성 방법 - Google Patents

알루미나 코팅층의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료 상에 알루미나 코팅 층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법은 값비싼 전구체를 사용하지 않고, 시중에서 얻기 쉬운 알칼리 수용액 및 알루미늄 금속만으로 알루미나 코팅 층을 형성할 수 있으므로, 보다 간단하고 경제적으로 알루미나 코팅 층을 형성할 수 있고, 상기 방법에 의해 형성된 알루미나 코팅 층은 모재 분말 표면의 균일한 코팅 층 제작이 가능하고, 기존 모재의 낮은 경도로부터 기계적 특성을 향상시킨다.

Description

알루미나 코팅층의 형성 방법{Method of formation of alumina coating layer}
본 발명은 기지 재료의 기계적 물성을 향상시키기 위해 알루미나 코팅 층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료 상에 알루미나 코팅 층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
알루미나는 산화물계 세라믹스 중 가장 높은 경도, 비교적인 우수한 강도를 가지며 이외에 내식성, 내열성, 내마모성과 같은 기계적 특성과 화학적, 전자기적 특성에서 특유한 성질을 나타낸다. 이와 같은 특유의 성질 때문에 알루미나는 단독 활용뿐만 아니라 분말 또는 기판상의 알루미나 코팅 층의 제조 및 복합재료 등 다양한 연구와 개발이 진행되었으며 이에 따라 알루미나는 기능성 촉매, 고온 구조용 세라믹스, 흡착제 및 금속 공업 및 화학공업과 같은 고온이고 부식성이 강한 환경에서의 사용 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다.
기지 재료의 표면에 알루미나 코팅 층을 형성하기 위한 종래 방법으로는 졸-겔 코팅 방법, 분무 열분해법 등이 대표적으로 있으나 제시한 방법들은 값비싼 전구체 비용과 합성 공정의 복잡성, 분말의 응집으로 인한 모재 분말 표면의 균일한 코팅 층 제작의 어려움 등의 문제점이 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0912253호에는 알루미늄염과 탄산수소암모늄을 이용하여 암모늄 알루미늄 탄산염 전구체를 만들고, 이 전구체를 분말상 혹은 필름상의 다양한 기지 재료 표면 위에 합성 반응을 통하여 균일하게 코팅한 후 열처리함으로써 전이 알루미나 코팅체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 전구체를 분말 위에 코팅하는 경우, -54℃에서 동결건조하는 단계가 필요한 바, 상기 동결건조를 위한 시설이 추가로 요구되는 바, 비용이 상승하는 문제가 있다.
따라서 여전히, 보다 간편하고 경제적인 공정을 이용하여 분말 또는 기판과 같은 다양한 기지 재료의 표면에 알루미나 코팅 층을 균일하고 치밀하게 형성시키는 방법이 요구되는 실정이다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-0912253호
본 발명의 목적은 간편하고 경제적인 공정을 이용하여 분말 또는 기판과 같은 다양한 기지 재료의 표면에 알루미나 코팅 층을 균일하고 치밀하게 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알칼리 수용액에 알루미늄 금속을 용해시켜 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계(S10); 상기 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성시키는 단계(S20); 수세 공정을 통하여 수산화 알루미늄 코팅 층에 흡착된 불순물을 제거하는 단계(S30); 및 수산화 알루미늄 코팅 층을 열처리하여 알루미나로 전이시키는 단계(S40)를 포함하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 수용액은 NaOH 수용액 또는 KOH 수용액일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 수용액의 농도는 4~6M일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 알루미늄 금속은 순도 98.0~99.85%의 고순도 알루미늄일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 알루미늄 이온 용액은 용액 속 불순물을 제거하는 과정을 거쳐 투명한 상태의 용액을 사용할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S20 단계에서, 알루미늄 이온 용액에 알루미늄 산화시간을 늦추기 위하여 탈이온수를 첨가할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S20 단계는 탈이온수가 첨가된 알루미늄 이온 용액에 기지 재료 분말을 넣어 분산시키고, 열처리를 통해 반응시킴으로서 기지 재료 분말 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S20 단계의 반응은 400~500 rpm으로 교반하면서 75~90℃의 온도에서 24~72 시간 동안 수행될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S30 단계의 수세 공정에서 증류수로 세척 후, 추가적으로 산처리를 수행할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S40 단계의 열처리는 700~1000℃에서 1~12시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 방법을 통해 제조된 알루미나 코팅 층은 입자간 응집체가 형성되지 않아 모재 분말 표면의 균일한 코팅 층 제작이 가능하고, 값비싼 전구체를 사용하지 않으므로 보다 간단하고 경제적인 공정을 통해 알루미나 코팅 층을 형성시킬 수 있다. 또한 기존에 높은 경도를 가지고 있지 않은 기존 모재의 표면 조성을 알루미나 코팅 층으로 대체함으로써 고경도 및 고강도와 같은 기계적 특성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 기재를 알루미늄 이온 용액에 넣고 반응시켜 수산화 알루미늄 코팅층을 형성시키는 단계 및 수세 단계를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 수산화 알루미늄 층이 코팅된 기재를 열처리하여 알루미나 층으로 전이시키는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법으로 코팅 전후의 분말 A의 표면을 배율별로 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전의 분말 A의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 A의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX 분석 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 A의 맵핑(mapping) 분석 결과를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법으로 코팅 전후의 분말 B의 표면을 배율별로 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전의 분말 B의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 B의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX 분석 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 B의 맵핑 분석 결과를 나타내는 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전후의 분말 A 및 분말 B의 경도 측정 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층의 형성 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 알루미나 코팅 층의 형성 방법은 알칼리 수용액에 알루미늄 금속을 용해시켜 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계(S10); 상기 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성시키는 단계(S20); 수세 공정을 통하여 수산화 알루미늄 코팅 층에 흡착된 불순물을 제거하는 단계(S30); 및 수산화 알루미늄 코팅 층을 열처리하여 알루미나로 전이시키는 단계(S40)를 포함한다.
이하, 본 발명을 단계별로 상세하게 설명한다.
먼저, S10 단계는 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 상기 알루미늄 이온 용액은 수산화 이온을 포함한 알칼리 수용액, 예컨대 NaOH 수용액 또는 KOH 수용액에 알루미늄 금속을 용해시킴으로써 제조할 수 있다.
이때, 상기 알칼리 수용액의 농도는 4~6M인 것이 바람직하다. 만일 알칼리 수용액의 농도가 하한에 미달하면 알루미늄 금속이 용해되지 않으며, 상한을 초과하는 경우에는 알루미늄 금속에 포함된 다른 불순물이 함께 용해되어 이후 알루미나 코팅 층의 품질을 저하시킬 수 있다.
이때, 알루미늄 금속은 표면 코팅 진행 시 순도 높은 알루미나 코팅 층을 형성하기 위해 사용되며, 순도 98.0~99.85%의 고순도 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
알루미늄 금속을 이온화시키는 과정은 하기 반응식 1을 따른다.
[반응식 1]
Figure 112019101048592-pat00001
상기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 수산화 이온을 포함하는 알칼리 수용액 내에서 알루미늄 금속은 용해하여 [Al(OH)4]- (Tetra hydroxyaluminate)이온을 형성한다. 이 때 반응 생성물로 수소기체가 발생하기 때문에 반드시 후드에서 제조를 진행해야 한다.
그런데, 알루미늄 금속 용해 시 알칼리 수용액 내에는 알루미늄 이온 이외에 알루미늄 금속에 포함된 철 및 실리콘과 같은 용해되지 않은 잔류불순물들이 존재하게 된다. 이러한 경우, 시간이 경과함에 따라 침전물을 가라앉힌 후, 가라앉은 침전물을 제거하거나 원심분리기를 이용해 용액 속 불순물을 제거하는 과정을 거쳐 투명한 상태의 알루미늄 이온이 포함된 용액을 얻을 수 있다.
용액 내에 잔류하고 있는 불필요한 불순물들을 제거함에 따라 이후 코팅 공정 시 기지 재료 표면에서 순도 높은 알루미나 상이 효과적으로 형성 될 수 있다.
다음으로, S20 단계는 상기 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성시키는 단계이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 기재를 알루미늄 이온 용액에 넣고 반응시켜 수산화 알루미늄 코팅층을 형성시키는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 S10 단계에서 제조된 알루미늄 이온 용액에 알루미늄 산화시간을 늦추기 위하여 탈이온수를 첨가할 수 있다.
이때, 탈이온수의 첨가량은 알루미늄 이온 용액의 약 4~6배 정도 넣는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 탈이온수가 첨가된 알루미늄 이온 용액에 기지 재료 분말을 넣어 분산시키고, 열처리를 통해 반응시킴으로서 하기 반응식 2와 같이 기지 재료 분말 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성할 수 있다.
[반응식 2]
Figure 112019101048592-pat00002
이때, 상기 반응은 약 400~500 rpm으로 교반하면서 약 75~90℃의 조건에서 24~72 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 이온 용액 내에서 이온 상태로 존재하는 [Al(OH)4]- 은 열처리를 통해 시간이 지남에 따라 수산화 알루미늄으로 산화되어 기지 재료 표면에서 수산화 알루미늄(Al(OH)3)(Aluminium hydroxide)을 코팅 층을 형성하게 된다.
다음으로, S30 단계는 수세공정을 통해 불순물을 제거하는 단계이다.
상기 반응식 2에 나타낸 바와 같이 이온 상태로 존재하는 [Al(OH)4]- 은 고농도의 알칼리 수용액 중에서 화학 반응이 이루어지기 때문에 산화 반응을 통해 수산화 알루미늄이 형성되면서 고농도의 알칼리 수용액 내에 존재하는 약간의 나트륨(Sodium) 또는 칼륨(potassium)과 같은 이온성 물질이 불순물로 생성되어 흡착될 수 있다.
이에, 고순도의 알루미나 코팅 층을 제조하기 위해서 증류수에 의한 수차례의 수세과정(Rinsing)에 의해 상기와 같은 불순물을 제거할 수 있다.
이때, 남은 미량의 Na, K 성분은 매우 높은 나트륨, 칼륨 제거 특성을 가진 초산을 이용하는 산처리를 추가로 진행할 수 있다.
마지막으로, S40 단계는 수산화 알루미늄 코팅 층을 알루미나 코팅 층으로 전이시키는 단계이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법에 있어서, 수산화 알루미늄 층이 코팅된 기재를 열처리하여 알루미나 층으로 전이시키는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 S30 단계의 수세과정(Rinsing) 이후, 상기 수산화 알루미늄 코팅 층은 계면의 결합력을 향상시키기 위해 오븐 등에 넣고 열처리를 수행함으로써 알루미나상으로 전이시켜 결정화할 수 있다.
이때, 열처리는 약 700~1000℃에서 1~12시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 만일, 열처리 시 700℃ 미만에서는 충분한 계면결합력과 결정화 특성을 얻기 어렵고 1000℃를 초과하면 기공이 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 열처리 시간에 있어서, 1시간 미만에서는 원하는 결합력을 얻기 어렵고, 12시간이 초과할 경우 결합력 향상에 기여하지 않기 때문에 바람직하지 않다.
열처리 후, 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 코팅 층은 하기 반응식 3을 통해 알루미나(Al2O3)로 상전이되어 결정화 된다.
[반응식 3]
Figure 112019101048592-pat00003
본 발명에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법은 값비싼 전구체를 사용하지 않고, 시중에서 얻기 쉬운 알칼리 수용액 및 알루미늄 금속만으로 알루미나 코팅 층을 형성할 수 있으므로, 보다 간단하고 경제적으로 알루미나 코팅 층을 형성하는 방법이며, 상기 방법에 의해 형성된 알루미나 코팅 층은 입자간 응집체가 형성되지 않아 모재 분말 표면의 균일한 코팅 층 제작이 가능하고(도 5 및 도 9 참조), 기존 모재의 낮은 경도를 갖는 표면 조성을 알루미나 코팅 층으로 대체함으로써 고경도 및 고강도 등을 갖도록 기계적 특성이 향상된다(도 13 참조).
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 : 알루미나 코팅 층이 형성된 분말 A의 제조>
1) 알루미늄 이온 용액 제조
탈이온수 30ml에 NaOH 분말을 6g을 첨가하여 NaOH 용액을 제조하였다. 이후 상기 NaOH 수용액에 순도 98.0~99.85%의 알루미늄 금속분말 2.5g을 넣고 용해시킴으로써 [Al(OH)4]- (Tetra hydroxyaluminate) 이온 용액을 제조하였다. 이때 반응 생성물로 수소기체가 발생하기 때문에, 상기 알루미늄 이온 용액 제조 단계는 후드에서 수행하였다.
상기 알루미늄 이온 용액 제조시 형성된 불용성 잔류불순물들은 시간을 두어 침전물을 가라앉힌 후, 원심분리기를 이용해 제거하여, 투명한 상태의 알루미늄 이온 용액을 제조하였다.
2) 수산화 알루미늄 코팅 층 형성
제조된 알루미늄 이온 용액 30ml에 산화방지를 위해 탈이온수 170ml를 넣어 총 200ml의 코팅 용액을 형성하였다.
코팅 될 기지 재료로서 분말 A 2.5g을 코팅 용액에 넣고, 450rpm으로 교반시키면서, 약 75~90℃의 조건에서 72 시간 동안 반응을 진행시켰다.
이때, 상기 분말 A의 조성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
반응을 통해 [Al(OH)4]-에서 Al(OH)3 형태로 전환되면서 분말 A의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층이 형성되었다.
3) 수세 공정
반응 후, 수산화 알루미늄 코팅 층에 흡착된 나트륨 불순물을 제거하기 위해 형성된 코팅체를 증류수로 수차례 세척하였다. 이후 초산으로 산처리 하여 불순물을 제거하였다.
4) 알루미나 코팅 층으로 전이
수세 공정 후, 코팅체를 오븐에 넣고 900~1000℃에서 2시간 30분 동안 열처리하여 수산화 알루미늄을 알루미나로 전이시켰다.
<분석>
1. 성분의 질량 분석
알루미나 코팅 전후의 분말 A의 성분을 질량 분석을 통하여 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.
분말 A 성분 코팅 전 코팅 후
Fe 55.30 50.94
Ca 29.39 28.37
Si 8.84 9.21
Mn 4.17 3.92
Cu 0.97 0.95
P 0.78 0.56
Al 0.28 5.61
Ni 0.09 0.07
Cr 0.08 0.08
표 1에 나타낸 바와 같이, 분말 A의 코팅 전 알루미늄 함량은 전체 질량의 0.28%였으나, 코팅 후에는 전체 질량의 5.61%로 함량이 약 20배 정도 증가한 것을 확인하였다. 따라서, 분말 A는 코팅 후 알루미늄 함량이 증가함으로써, 알루미나 코팅이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
2. 표면 모폴로지 분석
알루미나 코팅 전후의 분말 A의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 도 5에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법으로 코팅 전후의 분말 A의 표면을 배율별로 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이때, 도 5의 (a), (c) 및 (e)는 알루미나 코팅 전의 분말 A의 표면을 배율별로 관찰한 이미지이며, (b), (d) 및 (f)는 알루미나 코팅 후의 분말 A의 표면을 배율별로 관찰한 이미지이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, (a), (c) 및 (e)는 코팅 층을 관찰할 수 없었으나, (b), (d) 및 (f)에서는 알루미늄 이온에 의한 알루미나 코팅 층이 관찰되었다.
3. EDAX 분석
알루미나 코팅 층 형성의 유무를 확인하기 위해 EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석을 통하여 알루미나 코팅 전후의 분말 A의 표면 조성을 분석하여 도 6-7에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전의 분말 A의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 A의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX 분석 그래프이다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 분말 A는 코팅 전에는 알루미늄 피크가 보이지 않았으나, 알루미나 코팅 후 알루미늄 피크가 선명하게 관찰됨을 확인하였다.
4. 맵핑 분석
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 A의 맵핑(mapping) 분석 결과를 나타내는 사진이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 분말 A의 표면 맵핑 결과, 기존 분말에 포함되어 있지 않던 Al이 고르게 분포하고 있음을 관찰하였다.
따라서, 이러한 분석 결과로부터 알루미나 코팅이 성공적으로 이루어짐을 확인하였다.
< 실시예 2 : 알루미나 코팅 층이 형성된 분말 B의 제조>
분말 A 대신 분말 B를 사용하고, 코팅 용액에서 코팅층 형성시 24시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미나 코팅 층을 형성하였다. 분말 B의 조성은 하기 표 2에 나타내었다.
<분석>
1. 성분의 질량 분석
알루미나 코팅 전후의 분말 B의 성분을 질량 분석을 통하여 분석하여 하기 표 2에 나타내었다.
분말 B 성분 코팅 전 코팅 후
Ca 39.64 40.65
O 43.96 39.06
Si 9.65 9.75
Al 3.82 8.23
Fe 1.87 1.34
Mn 0.59 0.58
Cr 0.08 0.12
Cu 0.05 0.09
Ni 0.04 0.07
표 2에 나타낸 바와 같이, 분말 B의 코팅 전 알루미늄 함량은 전체 질량의 3.82%였으나, 코팅 후에는 전체 질량의 8.23%로 함량이 약 2배 증가한 것을 확인하였다. 따라서, 분말 B는 코팅 후 알루미늄 함량이 증가함으로써, 알루미나 코팅이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
2. 표면 모폴로지 분석
알루미나 코팅 전후의 분말 B의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 도 9에 나타내었다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 방법으로 코팅 전후의 분말 B의 표면을 배율별로 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이때, 도 9의 (a), (c) 및 (e)는 알루미나 코팅 전의 분말 B의 표면을 배율별로 관찰한 이미지이며, (b), (d) 및 (f)는 알루미나 코팅 후의 분말 B의 표면을 배율별로 관찰한 이미지이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, (a), (c) 및 (e)는 코팅 층을 관찰할 수 없었으나, (b), (d) 및 (f)에서는 알루미늄 이온에 의한 알루미나 코팅 층이 관찰되었다.
3. EDAX 분석
알루미나 코팅 층 형성의 유무를 확인하기 위해 EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석을 통하여 알루미나 코팅 전후의 분말 B의 표면 조성을 분석하여 도 10-11에 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전의 분말 B의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 분석 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 B의 표면 조성을 나타내는 (a) 주사전자현미경 사진 및 (b) EDAX 분석 그래프이다.
도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 분말 B는 본래 알루미늄을 포함하고 있음을 확인할 수 있지만, 알루미나 코팅 전과 후의 실리콘 대비 알루미늄의 피크 차이를 통하여 코팅 후 알루미늄 피크가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 알루미늄 함유량이 증가했음을 나타낸다.
4. 맵핑 분석
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 후의 분말 B의 맵핑(mapping) 분석 결과를 나타내는 사진이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 분말 B의 표면 맵핑 결과, 각 분말입자에 알루미늄이 고르게 분포하고 있음을 확인하였다.
따라서, 이러한 분석 결과로부터 분말 B 또한 알루미나 코팅이 성공적으로 이루어짐을 확인하였다.
< 실험예 : 알루미나 코팅 층 형성 전후의 경도 변화>
본 발명에 따른 방법으로 알루미나 코팅 후, 기지 재료의 기계적 물성의 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, 제조예 1 및 2에서 제조된 분말 A 및 분말 B의 알루미나 코팅 전후의 경도를 Vickers hardness(비커스 경도) 실험을 통해 측정하였다.
비커스 경도란 재료의 경도를 나타내는 기준 중 하나로 측정하고자 하는 시편의 경도분포를 분석할 수 있다. 일반적으로 알루미나의 비커스 경도 범위는 1500±150GPa로 일반 금속재료보다 높은 경도를 갖고 있어 약 15배 높은 내마모성, 내열성 및 내화학성을 갖는다.
측정 결과를 도 13에 나타내었다.
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른 알루미나 코팅 층 형성 전후의 분말 A 및 분말 B의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 표면 처리를 하지 않은 초기 분말 A의 경우 611~685GPa로 비교적 낮은 경도 값을 가지는 것으로 나타났으나, 본 발명에 따른 방법으로 알루미나 코팅 층 형성 후, 분석 결과 880~1010GPa 범위로 경도가 향상되었음을 확인하였다.
분말 B의 경우도 초기 경도 578~665GPa에서 알루미나 코팅 후 628~705GPa로 경도 값이 향상되었다.
이와 같이, 본 발명은 간단한 방법으로 기존 적용분야에 적합하지 않는 낮은 경도를 가진 분말 A와 B의 표면에 알루미나 코팅층을 성공적으로 형성함으로써 다양한 분야에 적용할 수 있는 적합한 경도 특성을 나타내는 분말로 제조할 수 있다. 또한, 알루미나 코팅층 형성 후의 분말 및 재료의 경도 값 향상을 통해 내마모성, 내열성 및 내화학성 등 여러 특성 또한 함께 향상될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 알칼리 수용액에 알루미늄 금속을 용해시켜 알루미늄 이온 용액을 제조하는 단계(S10);
    상기 알루미늄 이온 용액을 이용하여 기지 재료 분말의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성시키는 단계(S20);
    수세 공정을 통하여 수산화 알루미늄 코팅 층에 흡착된 불순물을 제거하는 단계(S30); 및
    수산화 알루미늄 코팅 층을 열처리하여 알루미나로 전이시키는 단계(S40)를 포함하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액은 NaOH 수용액 또는 KOH 수용액인 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액의 농도는 4~6M인 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 금속은 순도 98.0~99.85%의 고순도 알루미늄인 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 이온 용액은 용액 속 불순물을 제거하는 과정을 거쳐 투명한 상태의 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 S20 단계에서, 알루미늄 이온 용액에 알루미늄 산화시간을 늦추기 위하여 탈이온수를 첨가하는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 S20 단계는 탈이온수가 첨가된 알루미늄 이온 용액에 상기 기지 재료 분말을 넣어 분산시키고, 열처리를 통해 반응시킴으로서 상기 기지 재료 분말의 표면에 수산화 알루미늄 코팅 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 S20 단계의 반응은 400~500 rpm으로 교반하면서 75~90℃의 온도에서 24~72 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 S30 단계의 수세 공정에서 증류수로 세척 후, 추가적으로 산처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 S40 단계의 열처리는 700~1000℃에서 1~12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 코팅 층의 형성 방법.
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