KR102296018B1 - 표면 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모재를 전기화학적으로 표면 처리를 수행하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 모재를 전기화학적으로 표면 처리하여, 상기 모재의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 전기화학적 표면처리부와, 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재를 숙성시키는(wetting) 숙성처리부와, 상기 모재의 표면에서 상기 금속산화물 나노튜브를 제거하여 상기 모재의 표면에 요철을 형성시키는 나노튜브제거부와, 상기 금속산화물 나노튜브가 제거된 모재를 세척하는 세척부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부 및 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템을 제공하는 것이다.

Description

표면 처리 시스템{Surface treatment system}
본 발명은 모재를 전기화학적으로 표면 처리를 수행하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부, 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템에 관한 것이다.
금속 모재의 표면에 요철을 형성하거나 표면 거칠기를 증진시키기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다.
일반적인 방법으로는 압연롤의 표면에 요철을 형성하고, 금속 모재를 압연함으로써, 표면에 요철을 형성하거나 표면 거칠기를 부여하였다. 이러한 방법은 미세 표면 거칠기의 제어가 어렵고, 다양한 형상의 금속 모재에는 적용이 어려운 단점이 있다.
또한, 미세한 고체 입자를 금속 모재의 표면에 분사 혹은 투사하는 방법으로써, 샌드블래스팅(Sandblasting), 흡수성 매질 블라스팅(RBM, Resorbable Blasted Media blasting), 샌드블라스팅 후 산에칭을 수행하는 공정(SLA, Sandblast Large grit Acid etch) 등과 같은 기계적으로 표면에 요철을 형성하거나 표면 거칠기를 부여하는 방법이 있다.
이러한 RBM이나 SLA 등과 같은 표면 처리 방식은 모재의 표면에 마이크로 단위의 요철은 생성할 수 있으나, 미세 나노사이즈의 요철을 형성시키는 것은 불가능하며, 산에칭을 추가로 수행하는 공정의 경우 산용액에 대한 후처리가 번거로운 문제가 있다.
또한, 적용하고자 하는 모재의 형상에 따라 불균일한 표면 요철이 형성될 가능성이 높으며, 다양한 형태의 모재에 적용하기에는 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는 화학적으로 표면 처리를 하는 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 그 중 전기화학적으로 표면을 처리하는 것으로, 일명 양극산화법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
양극산화법은 금속 모재를 전해질 용액에 담궈 전기화학적으로 처리하여 모재의 표면에 금속산화물 피막을 형성하는 것으로서, 모재의 형상에 관계없이 전체 표면에 균일한 두께의 금속산화물 피막을 얻을 수 있고, 전압과 전류, 전해액의 종류, 전해액의 농도 및 pH 등을 조절함으로써 금속산화물 피막의 두께 및 크기 등의 조절이 용이한 장점이 있다.
이러한 양극산화법에 대한 연구는 주로 표면 요철을 조절하거나, 산화 티타늄 피막의 내구성을 향상시키기 위한 방법이나 공정 조건의 개선 등에 치우친 연구가 주를 이루고 있으며, 이를 구현하기 위한 시스템이나 장치에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
또한, 기존의 양극 산화 장치는 단일 모재에 대해 양극 산화를 수행하는 것이 일반적이며, 대량의 양극 산화를 수행하고, 양극 산화 후 후처리를 위한 시스템에 대한 연구도 필요한 실정이다.
대한민국특허청 등록번호 10-1724039호(나노패터닝 요홈 표면을 갖는 임플란트 및 그 제조방법). 대한민국특허청 등록번호 10-1668306호(표면에 요철이 형성된 금속 및 그 제조방법).
본 발명은 상기 필요성에 의해 고안된 것으로서, 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부, 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모재를 전기화학적으로 표면 처리하여, 상기 모재의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 전기화학적 표면처리부와, 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재를 숙성시키는(wetting) 숙성처리부와, 상기 모재의 표면에서 상기 금속산화물 나노튜브를 제거하여 상기 모재의 표면에 요철을 형성시키는 나노튜브제거부와, 상기 금속산화물 나노튜브가 제거된 모재를 세척하는 세척부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 전기화학적 표면처리부는, 전해액을 저장하는 수조부와, 모재와 전기적으로 연결되는 양극부 그리고 상기 양극부에 대응하여 형성되며 상기 전해액에 침지된 음극부를 포함하며, 상기 양극부는, 양극 지그와, 상기 양극 지그 내부에 삽입되며, 상기 모재와 전기적으로 연결되는 양극 전극판과, 상기 양극 지그와 상기 양극 전극판에 수직으로 관통하여 결합되고, 상기 양극 전극판과 전기적으로 연결되며, 하측부에 상기 모재가 결합되는 모재결합부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모재결합부는, 길이 방향으로 길게 형성된 몸체와, 상기 몸체 상단부에 형성되며, 상기 양극 지그에 걸리도록 형성된 헤드부와, 상기 몸체 하단부에 형성되며, 상기 모재가 결합되는 나사부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모재결합부에는, 상기 몸체가 노출되지 않도록 상기 양극 지그 하측부터 상기 모재 상측까지 상기 몸체를 수용하는 스페이서가 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극 지그는, 내부에 상기 양극 전극판이 삽입되며, 상측부에는 손잡이부가 더 형성된 것이 바람직하며, 상기 양극 지그 및 양극 전극판에는, 상기 모재결합부가 단수/복수개 결합되기 위한 결합공이 단수/복수개 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극 전극판 일측에는, 상기 양극 지그 외부로 인출되도록 연장 형성된 양극 연장 전극이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극 전극판은, 상기 결합공이 배열된 영역 외에는 절삭되어 절삭공이 형성되고, 상기 양극 지그에는, 상기 절삭공에 대응되어 통공이 배열되어 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극부는, 전극판 결합공이 형성된 음극 지그와, 상기 전극판 결합공에 결합되는 음극 전극판을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극 전극판은, 백금 메쉬(mesh)로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극 전극판 일측에는, 외부 연결 전극과 연결되도록 연장 형성된 음극 연장 전극이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극 지그는, 상기 음극 연장 전극이 결합되는 전극 가이드홈이 더 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극 가이드홈에 상기 음극 연장 전극과 전기적으로 연결되도록 음극 연결 전극이 결합되고, 전극커버로 상기 전극 가이드홈에 상기 음극 연장 전극과 상기 음극 연결 전극을 고정시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극 지그가 상기 양극부에 대응하여 복수개 형성된 경우, 상기 복수개의 음극 지그는 고정틀에 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정틀은, 상기 수조부의 입구에 형성된 거치대에 고정되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 음극 연결 전극은, 이웃하는 음극 연결 전극과 상기 전극 가이드홈 및 전극커버에 의해 연결되어 고정되는 것이 바람직하며, 상기 음극 연결 전극은, 외부 연결 전극과 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수조부는, 전해액이 저장되는 내조와, 상기 내조의 상측부를 수용하도록 형성되며, 상기 내조의 입구보다 높은 위치에 입구가 위치되어, 상기 내조에서 오버플로우(overflow)된 전해액을 수용하는 외조를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내조는, 바닥면에 전해액 유입구가 형성되며, 상기 전해액 유입구 상측으로 이격되어 복수개의 기공이 형성된 기공판이 구비된 것이 바람직하다.
또한, 상기 외조는 오버플로우된 전해액이 일측으로 모이도록 바닥면이 경사지게 형성된 것이 바람직하며, 또한 상기 외조에는,상기 전해액이 모이는 측에 전해액 배출구가 형성되어, 상기 전해액 배출구로부터 배출된 전해액이 항온기를 거쳐 상기 내조로 순환공급되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 모재결합부가 상기 양극 지그 및 양극 전극판에 n x m 배열로 복수개 결합된 경우(n, m은 2이상의 자연수), 상기 음극부는 상기 모재결합부를 사이에 두고 배치되되, 상기 모재결합부의 행 또는 열 사이에 교대로 배치되는 것이 바람직하다.
여기에서 상기 양극 전극판은, 상기 모재결합부가 일정 개수 결합되는 유닛(unit)으로 구현된 것이 바람직하다.
또한, 상기 숙성처리부는, DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 DIW에 상기 모재를 침지시키는 숙성조와, 상기 숙성조 상측에 결합되는 숙성조덮개를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노튜브제거부는, DIW가 저장되는 외부제거조와, 상기 외부제거조 내부에 형성되고, H2O2가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 H2O2에 상기 모재를 침지시키는 내부제거조와, 상기 모재에 초음파를 인가시켜, 상기 모재 표면의 금속산화물 나노튜브를 제거하는 초음파발진부 및 상기 외부제거조 상측에 결합되는 제거조덮개를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속산화물 나노튜브 제거 후 사용된 H2O2는 상기 내부제거조에서 자동 배출되어 폐액탱크로 저장되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 사용된 H2O2가 저장된 폐액탱크에 백금을 투입하여 상기 사용된 H2O2를 물로 전환하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내부제거조는, 상기 외부제거조 내부에 복수개로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 내부제거조는, Quartz로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 세척부는, DIW가 저장되는 외부세척조와, 상기 외부세척조 내부에 형성되고, DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜, 상기 DIW에 상기 모재를 침지시키는 내부세척조와, 상기 모재에 초음파를 인가시켜 상기 모재를 세척하는 초음파발진부 및 상기 외부세척조 상측에 결합되는 세척조덮개를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내부세척조는, Quartz로 이루어진 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 표면 처리 시스템은, 상기 전기화학적 표면처리부, 상기 숙성처리부, 상기 나노튜브제거부 및 상기 세척부를 제어하는 공정제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 표면 처리 시스템은, 수동 또는 자동으로 작동되는 것이 바람직하다.
본 발명은 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부 및 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부는 양극부에 양극 지그, 양극 전극판 및 모재결합부 그리고 그 사이에 배치된 음극부로 음극지그 및 음극 전극판을 구비하여 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있으며, 모재의 형태나 개수에 상관없이 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부는 모재의 표면에 형성되는 금속산화물 피막의 두께 및 크기가 균일하고, 이를 용이하게 제어할 수 있어, 고품질의 표면 요철 및 표면 거칠기의 제공 및 그 재현성이 우수하며, 이에 대한 제어가 용이한 장점이 있다.
또한, 내조 내부에 음극부가 먼저 설치되고, 음극 전극판이 배열된 사이로 모재 및 모재결합부가 배치되도록 양극부를 상기 음극부 상에 배치함으로써, 최소한의 공간 내에서 보다 많은 모재의 표면 처리가 가능하도록 하여 생산 공간의 효율적인 활용이 가능한 구조를 제공하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 표면 처리 시스템은 대량의 모재를 동시에 표면 처리할 수 있으며, 표면 처리 공정이 간단하면서도 대량 생산이 가능하여 공정 비용 및 생산 비용의 절감을 도모할 수 있다.
또한 본 발명은 공정제어부를 통해 전 공정을 수동 또는 자동으로 선택하여 구현할 수 있으며, 공정 조건의 제어 및 이상 유무 등의 감지가 용이하여 고품질의 재현성이 높은 표면 처리가 된 모재를 제공할 수 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 표면 처리 시스템의 주요부에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노튜브제거부의 주요부에 대한 모식도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 모재결합부에 대한 분해도(a) 및 결합도(b).
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극 전극판에 대한 평면도.
도 5a - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 분해도.
도 5b - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 부분 결합도.
도 5c - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 결합도.
도 6 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 측단면 모식도(도 5c의 A-A').
도 7 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극 전극판(a), 음극 지그(b) 및 음극부(c)에 대한 정면도.
도 8 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극부의 연결 전극 간의 결합상태를 나타낸 모식도.
도 9 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 수조부에 대한 평면도.
도 10 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 수조부에 대한 측면 모식도.
도 11 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극부가 수조부에 결합된 상태를 나타낸 모식도.
도 12 - 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부 및 음극부가 수조부에 결합된 상태를 나타낸 모식도.
도 13 - 도 12의 B-B' 측단면 모식도.
본 발명은 모재를 전기화학적으로 표면 처리를 수행하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부, 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템에 관한 것이다.
특히 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부는 대량의 모재를 처리할 수 있으며, 음극부 및 양극부를 효율적으로 배치하여 최소한의 공간 내에서 보다 많은 모재의 표면 처리가 가능하도록 한 것이다.
또한 본 발명에 따른 표면 처리 시스템은 전체적으로 컴팩트하면서 유기적으로 연결되어 전기화학적 표면 처리후 후처리가 용이하여 표면 처리 공정이 간단하면서도 대량 생산이 가능하여 공정 비용 및 생산 비용의 절감을 도모할 수 있다.
또한 본 발명은 공정제어부를 통해 전 공정을 수동 또는 자동으로 선택하여 구현할 수 있으며, 공정 조건의 제어 및 이상 유무 등의 감지가 용이하여 고품질의 재현성이 높은 표면 처리가 된 모재를 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 처리 시스템의 주요부에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노튜브제거부의 주요부에 대한 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 모재결합부에 대한 분해도(a) 및 결합도(b)이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극 전극판에 대한 평면도이고, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 분해도이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 부분 결합도이고, 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 결합도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부에 대한 측단면 모식도(도 5c의 A-A')이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극 전극판(a), 음극 지그(b) 및 음극부(c)에 대한 정면도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극부의 연결 전극 간의 결합상태를 나타낸 모식도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 수조부에 대한 평면도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 수조부에 대한 측면 모식도이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 음극부가 수조부에 결합된 상태를 나타낸 모식도이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부의 양극부 및 음극부가 수조부에 결합된 상태를 나타낸 모식도이며, 도 13은 도 12의 B-B' 측단면 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 표면 처리 시스템은, 모재(10)를 전기화학적으로 표면 처리하여 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 전기화학적 표면처리부(A)와, 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재(10)를 숙성시키는(wetting) 숙성처리부(B)와, 상기 모재(10)의 표면에서 상기 금속산화물 나노튜브를 제거하여 상기 모재(10)의 표면에 요철을 형성시키는 나노튜브제거부(C)와, 상기 금속산화물 나노튜브가 제거된 모재(10)를 세척하는 세척부(D)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 상기 모재(10)를 전기화학적으로 표면 처리하여, 상기 모재(10)의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하고, 이를 제거함으로써 모재(10)의 표면에 나노사이즈의 요철을 형성하는 것으로, 보다 효율적인 전기화학적 표면 처리를 수행하고, 표면 요철 형성을 위한 후처리 공정을 위한 표면 처리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
먼저 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부(A)는 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 모재(10)를 전기화학적으로 표면 처리를 수행하여, 상기 모재(10)의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 것이다.
상기 전기화학적 표면처리부(A)는 모재(10)를 전해액에 담궈 전기화학적으로 처리하여 모재(10)의 표면에 금속산화물 피막, 구체적으로는 금속산화물 나노튜브를 형성하는 것으로서, 모재(10)에 연결된 양극부, 이에 대응되는 상대전극으로 음극부를 구비하여 모재(10)에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부(A)는 전해액을 저장하는 수조부(300)와, 모재(10)와 전기적으로 연결되는 양극부(100) 그리고 상기 양극부(100)에 대응하여 형성되며 상기 전해액에 침지된 음극부(200)를 포함하여, 상기 모재(10)의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 전기화학적 표면처리부(A)에 있어서, 상기 양극부(100)는, 양극 지그(110)와, 상기 양극 지그(110) 내부에 삽입되며, 상기 모재(10)와 전기적으로 연결되는 양극 전극판(120)과, 상기 양극 지그(110)와 상기 양극 전극판(120)에 수직으로 관통하여 결합되고, 상기 양극 전극판(120)과 전기적으로 연결되며, 하측부에 상기 모재(10)가 결합되는 모재결합부(130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양극부(100)의 모재결합부(130)에 모재(10)를 결합하고, 양극 지그(110)와 양극 전극판(120)을 구비하여, 모재(10)의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있도록 하는 것이다. 여기에서 모재(10)의 형상에 따라 모재결합부(130)와 모재(10) 간의 결합부는 서로 대응하여 달라질 수 있으며, 상기 모재결합부(130)에 다양한 형상의 모재(10)의 결합이 가능하다.
본 발명의 일실시예로 모재(10)를 타이타늄으로 이루어진 임플란트(fixture)를 사용하였으며, 상기 임플란트의 외주면에는 치근과의 결합력을 높이기 위하여 나사산이 형성되어 있고, 상측에는 상기 모재결합부(130)와의 결합을 위한 암나사산이 형성된 것이다. 모재(10)의 형상에 따라 모재결합부(130)와의 결합부는 상술한 바와 같이 달라질 수 있다.
임플란트 외에도 스텐트 또는 생체 이식재료, 인체 삽입기구 등에 적용할 수 있으며, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 등의 재료로 이루어진 모재에 적용할 수 있으며, 상기와 같은 의료기기 외에도 산업에 필요한 각종 부품, 기타 표면처리를 필요로 하는 다양한 물품에 적용이 가능하다.
또한 본 발명은 모재(10)의 용도 및 형상에 따라 하나의 모재(10)에 대해 전기화학적 표면 처리를 수행할 수 있으며, 대량의 모재(10)에 대해서도 전기화학적 표면 처리를 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 대량의 모재(10)에 대해 전기화학적 표면 처리를 수행하였으며, 복수개의 모재(10)가 전기화학적 표면 처리가 동시에 수행가능하도록 양극 지그(110), 양극 전극판(120) 및 모재결합부(130)에 대해 설명하고자 한다.
도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 양극부(100)는 양극 지그(110), 양극 전극판(120) 및 모재결합부(130)로 크게 구성된다.
상기 양극 지그(110)는 상기 양극 전극판(120) 및 모재결합부(130)를 고정시키고 지지하는 역할을 하는 것으로, 전체적으로 판상형으로 형성되며, 절연재질이면서 전해액 등의 침투에 의해 화학적으로도 안정한 재질, 예컨대 테프론과 같은 재질로 형성된다.
상기 양극 지그(110)의 내부에는 양극 전극판(120)이 삽입되며, 상측부에는 운반을 용이하게 하기 위한 손잡이부(111a)가 형성되어 있다. 이는 대량의 모재(10)를 동시에 전기화학적으로 표면 처리하면서, 대량의 모재(10)를 동시에 운반하여 후처리 공정에 투입이 용이하도록 한 것으로, 상기 양극 지그(110)의 상측부에 형성된 손잡이부(111a)는 이러한 이동성의 편의를 도모하기 위한 것으로, 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 양극 지그(110) 내부에 상기 양극 전극판(120)의 삽입은 인서트(insert) 사출 성형되어 동시에 형성되거나, 상측 양극 지그(손잡이부(111a)가 달림)(111)와 하측 양극 지그(상측면에 양극 전극판(120)이 수용될 수 있는 홈이 형성되어 있음)(112) 사이에 양극 전극판(120)을 삽입시키고, 상기 상측 양극 지그(111)와 하측 양극 지그(112)를 테프론 나사 결합시킴으로써 구현될 수 있다.
도 5는 후술한 경우 즉, 상측 양극 지그(111)와 하측 양극 지그(112) 사이에 양극 전극판(120)이 삽입되는 경우를 도시한 것으로, 양극부(100)에 대한 분해도(도 5a), 부분 결합도(도 5b), 결합도(도 5c)를 나타낸 것이다.
상기 양극 지그(110)에는 상기 모재결합부(130)가 결합될 수 있도록 상하로 관통하는 결합공(113)이 형성되며, 이는 후술한 양극 전극판(120)에 형성된 결합공(121)과 연통되게 형성되어, 상기 모재결합부(130)가 상기 양극 지그(110)와 양극 전극판(120)에 수직으로 관통하여 결합될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 결합공(113)은 상기 모재결합부(130)의 개수에 따라 단수개 또는 복수개 형성될 수 있으며, 상기 모재결합부(130)의 외경에 맞추어 형성된다.
본 발명의 일실시예로 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 양극 지그(110) 및 양극 전극판(120)에 결합되는 모재결합부(130)의 개수는 전체 100개(10 x 10)이며, 여기에서 하나의 양극 전극판(120)에는 25(5 x 5)개의 모재결합부(130)가 일정 개수 결합되는 유닛(unit)으로 구현되어, 총 4개의 양극 전극판(120) 유닛을 실시한 것을 도시하였다.
또한 상기 양극 지그(110)에는 상기 모재결합부(130)가 결합되는 영역 이외에 양극 전극판(120)이 통전되지 않는 영역에 수직으로 관통하는 통공(114)이 배열되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 통공(114)은 결합공(113)이 배열된 행 또는 열과 교차되지 않는 영역에 형성되는 것이다. 상기 통공(114)은 양극 지그가 전해액이나 세척액에 담궈지는 경우 그 흐름을 원활히 하면서, 양극 지그의 무게를 줄일 수 있어 이동성이 개선되도록 한 것이다.
그리고 본 발명에 따른 양극 전극판(120)은 상기 양극 지그(110) 내부에 삽입되며, 상기 모재와 전기적으로 연결된다. 상기 양극 전극판(120)은 얇은 금속판 바람직하게는 백금판으로 형성되며, 상기 모재결합부(130)와 전기적으로 결합되며, 이에 결합되는 모재(10)와도 전기적으로 연결되게 된다.
상기 양극 전극판(120)에는 상술한 바와 같이 상기 모재결합부(130)가 전기적으로 결합되기 위한 결합공(121)이 상기 모재결합부(130)의 개수에 따라 단수개 또는 복수개 형성될 수 있으며, 이는 상기 양극 지그(110)의 결합공(113)에 대응되게 형성되는 것으로, 상기 모재결합부(130)는 상기 양극 지그(110)의 결합공(113) 및 양극 전극판(120)의 결합공(121)에 동시에 결합되어 상기 양극 지그(110) 하측으로 돌출되게 결합된다.
또한 상기 양극 전극판(120)이 상기 양극 지그(110) 내부에 삽입되어 형성될 때, 상기 양극 전극판(120)에 전원인가가 용이하도록 일측에 양극 연장 전극(122)이 형성되어, 상기 양극 지그(110) 외부로 상기 양극 연장 전극(122)이 인출되도록 형성되도록 한다.
또한 상기 양극 전극판(120)에는 상기 결합공(113)이 배열된 영역 외에는 절삭되어 절삭공(123)이 형성되어 전극 재료의 절약을 도모할 수 있도록 한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 양극 전극판(120)을 도시한 것으로, 전체적으로 사각형으로 형성되며, 일측에는 양극 연장 전극(122)이 형성되어 있으며, 25개의 결합공(121)이 형성되어 여기에 상기 모재결합부(130)가 통전되도록 결합되어 모재(10)에 양극이 인가되도록 한다.
그리고 25개의 결합공(121)이 형성되지 않은 영역에는 절삭공(123)이 형성되며, 상술한 바와 같이 상기 절삭공(123)에 대응되어 상기 양극 지그(110)의 통공(114)이 배열되어 형성된게 된다.
이러한 양극 전극판(120)은 상기 양극 지그(110)와 인서트 사출 성형되어 상기 양극 지그(110) 내부에 삽입되거나, 도 3에 따른 일실시예처럼 하측 양극 지그(112) 상측면에 형성된 홈에 양극 전극판(120)을 수용시킨 후 그 상측으로 상측 양극 지그(111)를 결합하여 상기 양극 지그(110) 내부에 삽입형성할 수 있다.
여기에서 상기 양극 전극판(120)의 양극 연장 전극(122)은 상기 양극 지그(110)의 외부로 인출되도록 상기 양극 전극판(120)의 일측에서 연장 형성되거나, 상기 상측 양극 지그(111)의 일부를 절삭하여 상기 양극 연장 전극(122)이 외부로 노출되는 구조로 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 모재결합부(130)는 상기 양극 지그(110)와 음극 전극판(220)에 수직으로 관통하여 결합되고, 상기 양극 전극판(120)과 전기적으로 연결되며, 하측부에 상기 모재(10)가 결합되는 것이다.
상기 모재결합부(130)는 도 3에 도시한 바와 같이 길이 방향으로 길게 형성된 몸체(131), 상기 몸체(131) 상단부에 형성되며, 상기 양극 지그(110)에 걸리도록 형성된 헤드부(132), 상기 몸체(131) 하단부에 형성되며, 상기 모재(10)가 결합되는 나사부(133)를 포함한다. 상기 모재결합부(130)는 전기적으로 통전되는 재질로 형성되어 상기 양극 전극판(120)과 모재(10)를 전기적으로 연결시키게 된다.
상기 모재결합부(130)의 몸체(131)는 상기 양극 지그(110) 및 양극 전극판(120)에 형성된 결합공(113)에 결합되어 상기 양극 지그(110) 하측으로 돌출되게 형성되어, 상기 양극 지그(110) 하측으로 모재(10)가 결합되며, 상기 헤드부(132)는 상기 몸체(131)가 양극 지그(110) 및 양극 전극판(120)의 결합공(113),(121)으로 결합될 때 상기 몸체(131)가 양극 지그(110) 하측으로 분리되는 것을 방지하는 것으로, 상기 결합공(113),(121) 보다는 지름이 더 크게 형성된다.
상기 모재결합부(130)는 일측에 모재(10)를 결합시키기 위한 결합부가 형성되며, 본 발명의 일실시예에서는 임플란트 상측에 형성된 암나사산에 결합될 수 있도록 상기 모재결합부(130)의 하측에 숫나사산이 형성된 것을 특징으로 한다.
모재(10)의 형상에 따라 상기 결합부는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명에서는 나사 결합하여 모재(10)에 전기화학적 표면 처리가 이루어지도록 한다.
또한 본 발명에 따른 모재결합부(130)에는 상기 몸체(131)가 노출되지 않도록 상기 양극 지그(110) 하측부터 상기 모재(10) 상측까지 상기 몸체(131)를 수용하는 스페이서(134)가 더 형성된다.
즉, 상기 스페이서(134)는 중공이 형성되어 상기 양극 지그(110) 하측으로 돌출된 몸체(131)에 결합되되, 상기 모재(10)가 결합되는 결합부 상측까지 상기 몸체(131)를 감싸도록 형성되어, 상기 몸체(131)가 외부로 노출되지 않도록 한다.
상기 스페이스는 공정에 사용되는 전해액, 시약들로부터 상기 모재결합부(130)를 보호하기 위한 것으로, 화학적으로 안정한 재료, 예컨대 테프론과 같은 재질로 형성된다.
이와 같이 본 발명에 따른 양극부(100)에 의해 대량의 모재(10)의 표면을 동시에 표면 처리할 수 있어 고품질의 표면 처리된 모재(10)를 대량으로 생산할 수 있으며, 이에 따른 금속산화물 나노튜브의 두께 및 크기가 균일하고, 이를 용이하게 제어할 수 있어, 고품질의 표면 요철 및 표면 거칠기의 제공 및 그 재현성이 우수한 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 음극부(200)는 상기 전해액에 침지되며, 상기 양극부(100)에 대응하여 형성되어, 상기 전해액 상에서 상기 양극부(100)로부터 양이온(Ti2+) 및 상기 음극부(200)로부터 음이온(OH-, O2 -)이 결합되어 형성된 이온 착물(TiO2)이 상기 모재(10)의 표면에 증착되게 된다.
상기 음극부(200)는 도 7에 도시한 바와 같이, 전극판 결합공(211)이 형성된 음극 지그(210), 상기 전극판 결합공(211)에 결합되는 음극 전극판(220)을 포함한다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부(A)의 (a)음극 전극판, (b)음극 지그 및 (c)음극부(음극 지그에 음극 전극판이 결합된 상태)에 대한 정면도를 나타낸 것이다.
상기 음극 지그(210)는 상기 음극 전극판(220)을 고정시키고 다른 구조물과의 결합을 용이하게 하기 위한 것으로, 전체적으로 판상형으로 형성되며, 절연재질이면서 전해액 등의 침투에 의해 화학적으로도 안정한 재질, 예컨대 테프론과 같은 재질로 형성된다.
상기 음극 지그(210)의 전극판 결합공(211)에는 음극 전극판(220)이 결합된다. 상기 음극 지그(210) 및 음극 전극판(220)은 상기 양극부(100)를 사이에 두고 상기 모재(10)의 행 또는 열 사이에 배치되는 것으로서, 상기 모재(10)의 행 또는 열 전체의 길이 및 폭에 대응하여 형성된다.
상기 음극 전극판(220)은 백금 메쉬(mesh)로 형성되어 표면적을 보다 넓히면서 전해액의 흐름 및 공급이 원활하도록 하여 모재(10)의 표면에 보다 균일한 금속산화물 나노튜브의 형성이 가능하도록 한다.
상기 음극 전극판(220) 일측에는 외부 연결 전극(240)과 연결이 용이하도록 연장 형성된 음극 연장 전극(221)이 형성되며, 상기 음극 연장 전극(221)은 상기 음극 지그(210)에 형성된 전극 가이드홈(212)에 결합되게 된다.
상기 전극 가이드홈(212)에는 상기 음극 연장 전극(221)과 전기적으로 연결되도록 음극 연결 전극(230)이 결합되고, 전극커버(213)로 상기 전극 가이드홈(212)에 상기 음극 연장 전극(221)과 상기 음극 연결 전극(230)을 고정시키게 된다.
즉, 상기 음극 전극판(220)으로부터 연장 형성된 음극 연장 전극(221)에 음극 연결 전극(230)을 접속되도록 결합시키고, 상기 전극커버(213)로 음극 연장 전극(221)과 음극 연결 전극(230)을 동시에 상기 전극 가이드홈(212)에 고정시킨다. 상기 전극커버(213)와 상기 전극 가이드홈(212)은 테프론 나사 등에 의해 고정되거나 끼움 고정될 수 있다.
여기에서 상기 음극 지그(210)가 상기 양극부(100)의 모재결합부(130) 등에 대응하여 복수개 형성된 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 복수개의 음극 지그(210)는 고정틀(250)에 고정될 수 있으며, 상기 고정틀(250)은 상기 수조부(300)의 입구(바람직하게는 후술한 외조의 입구측)에 형성된 거치대(330)에 고정되게 된다.
이 경우 상기 음극 연결 전극(230)은 이웃하는 음극 연결 전극(230)과 상기 전극 가이드홈(212) 및 전극커버(213)에 의해 연결되어 고정된다.
즉, 상기 음극 지그(210)가 복수개 형성된 경우, 상기 전극 가이드홈(212)에는 음극 연장 전극(221)이 결합되고, 이웃하는 음극 전극판(220)을 서로 연결하는 음극 연결 전극(230) 한 쌍이 결합된 후 상기 전극커버(213)에 의해 고정되게 된다.
본 발명에 따르면 상기 모재결합부(130)가 상기 양극 지그(110) 및 양극 전극판(120)에 n x m 배열로 복수개 결합된 경우(n,m은 2 이상의 자연수), 상기 음극부(200)는 상기 모재결합부(130)를 사이에 두고 배치되되, 상기 모재결합부(130)의 행 또는 열 사이에 교대로 배치되게 된다.
즉, 상기 음극부(200)가 상기 모재결합부(130)의 행 간에 배치되는 경우, 상기 음극부(200)의 개수는 n+1개가 되며, 상기 음극부(200)가 상기 모재결합부(130)의 렬 간에 배치되는 경우, 상기 음극부(200)의 개수는 m+1개가 된다.
본 발명의 일실시예에 따라 10 x 10의 모재결합부(모재)(130)가 형성된 경우, 상기 모재(10)에 대향되어 그 행 또는 열 사이에 음극부(음극 지그, 음극 전극판)(200)가 배치되게 되며, 상기 음극부(200)는 총 11개가 배치되게 된다.
이와 같이 음극부(200)와 상기 모재(20)가 교대로 배치됨으로써, 모재(20)의 전 표면에 보다 균일한 표면 처리가 이루어지도록 한다.
여기에서 상기 음극 지그(210)의 음극 연장 전극(221)을 이어주는 상기 음극 연결 전극(230)은 총 10개가 필요하게 되며, 모두 전기적으로 연결되어 음극부(200)를 형성하게 된다.
상기 복수개의 음극 연장 전극(221) 중 어느 하나에는 외부 연결 전극(240)이 연결되어 외부 전원의 인가가 용이하도록 한다.
본 발명에 따른 수조부(300)는 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 전해액을 저장하기 위한 것으로서, 전해액이 저장되는 내조(310), 상기 내조(310)의 상측부를 수용하도록 형성되며, 상기 내조(310)의 입구보나 높은 위치에 입구가 위치되어 상기 내조(310)에서 오버플로우(overflow)된 전해액을 수용하는 외조(320)로 이루어진다.
즉, 이중 구조의 내조(310) 및 외조(320)의 구성으로, 내조(310)에 공급된 전해액이 오버플로우 되면 외조(320)로 유입되고, 외조(320)로 유입된 전해액은 항온기를 거쳐 다시 내조(310)로 공급되는 순환 구조를 이룬다.
상기 내조(310)에는 온도 센서가 전해액에 침지되어 설치되어 있으며, 상기 내조(310)와 외조(320)에는 수위센서가 각각 배치되어, 상기 내조에 저장되는 전해액은 일정 수위가 유지되도록 일정 온도로 자동공급되도록 하며, 상기 외조에도 전해액이 넘치지 않도록 일정 수위가 되면 자동 배출되도록 한다.
상기 내조(310)는, 바닥면에 전해액 유입구(311)가 형성되며, 상기 전해액 유입구(311) 상측으로 이격되어 복수개의 기공(312a)이 형성된 기공판(312)이 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 전해액 유입구(311)로 전해액이 내조(310)의 내부로 공급되며, 공급된 전해액은 기공판(312)의 기공(312a)을 통과하며 넓게 분산되어 고르게 순환된다. 공급된 전해액이 내조(310)에서 오버플로우되면 외조(320) 유입되도록 형성된다.
상기 외조(320)는 오버플로우된 전해액이 고이지 않고 일측으로 모이도록 바닥면이 경사지게 형성되며, 상기 전해액이 모이는 측에 전해액 배출구(321)가 형성되어 상기 전해액 배출구(321)로부터 배출된 전해액이 항온기를 거쳐 상기 내조(310)로 순환공급되도록 하다.
이는 전해액을 절약할 수 있으면서, 전해액이 항온이 유지될 수 있도록 하여 모재(10) 표면의 금속산화물 나노튜브가 균일한 품질을 유지되도록 하거나, 두께의 제어가 용이하도록 하여, 고품질의 표면 요철 및 표면 거칠기를 갖는 모재의 제공이 가능하도록 한다.
한편 본 발명에 따른 전해액은 균일한 사이즈 및 간격을 갖는 금속산화물 나노튜브 형성을 위해 플루오라이드 이온(F-)을 함유하는 전해액을 사용하며, 전해액에 모재를 충분히 침지시켜 모재의 표면을 전기화학적 표면 처리 즉, 양극산화시킨다.
플루오라이드 이온을 함유하는 전해액은 플루오라이드 이온을 함유하는 염과, 무기산, 유기산, 고분자알코올 및 이의 혼합으로 이루어진 군 중 적어도 어느 하나로 선택되는 용매와 물을 혼합하여 이루어질 수 있다.
여기서 플루오라이드 이온을 함유하는 염은 불화수소(HF), 플루오린화나트륨(NaF), 플루오르화암모늄(NH4F) 및 이의 혼합으로 이루어진 염과, 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 글리세롤(glycerol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및 이의 혼합으로 이루어진 군에서 선택되는 용매와 물을 혼합하여 사용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부(A)의 음극부(200)가 수조부(300)에 결합된 상태를 나타낸 모식도이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 표면처리부(A)의 양극부(100) 및 음극부(200)가 수조부(300)에 결합된 상태를 나타낸 모식도이며, 도 13은 도 12의 일측면(B-B')을 나타낸 모식도이다.
도시된 바와 같이, 내조(310) 내부에 음극부(200)를 먼저 설치하고(도 9), 음극 전극판(220)이 배열된 사이로 모재(10), 모재결합부(130)가 배치되도록 양극부(100)를 상기 음극부(200) 상에 배치시켜(도 12, 도 13), 항온기를 통해 전해액을 공급하고 전원(power supply)을 연결시켜 전기화학적 표면 처리를 수행하게 된다.
또한, 이중 구조의 내조(310) 및 외조(320)의 구성으로, 내조(310)에 공급된 전해액이 오버플로우 되면 외조(320)로 유입되고, 외조(320)로 유입된 전해액은 항온기를 거쳐 다시 내조(310)로 공급되는 순환 구조를 이룬다.
상기 내조(310)에는 온도 센서가 전해액에 침지되어 설치되어 있으며, 상기 내조(310)와 외조(320)에는 수위센서가 각각 배치되어, 상기 내조에 저장되는 전해액은 일정 수위가 유지되도록 일정 온도로 자동공급되도록 하며, 상기 외조에도 전해액이 넘치지 않도록 일정 수위가 되면 자동 배출되도록 한다.
상기 내조(310)는, 바닥면에 전해액 유입구(311)가 형성되며, 상기 전해액 유입구(311) 상측으로 이격되어 복수개의 기공(312a)이 형성된 기공판(312)이 구비되어 있다.
상기 전해액 유입구(311)로 전해액이 내조(310)의 내부로 공급되며, 공급된 전해액은 기공판(312)의 기공(312a)을 통과하며 넓게 분산되어 고르게 순환된다. 공급된 전해액이 내조(310)에서 오버플로우되면 외조(320) 유입되도록 형성된다.
상기 외조(320)는 오버플로우된 전해액이 고이지 않고 일측으로 모이도록 바닥면이 경사지게 형성되며, 상기 전해액이 모이는 측에 전해액 배출구(321)가 형성되어 상기 전해액 배출구(321)로부터 배출된 전해액이 항온기를 거쳐 상기 내조(310)로 순환공급되도록 하다.
이러한 양극부 및 음극부의 배치형태는 제한적인 크기의 내조 내에서 대량의 모재의 표면 처리를 효율적으로 수행하기 위한 공간 배치를 제공함으로써, 최소한의 생산 공간 내에서 보다 많은 모재의 표면 처리가 가능하도록 하여 생산 공간의 효율적인 활용이 가능하도록 한 것이다.
이렇게 모재의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성시키는 전기화학적 표면 처리 공정을 거친 후, 이를 제거하는 공정 및 세척 공정과 같은 후처리 공정을 수행하게 되면, 최종 표면 요철 및 표면 거칠기가 완성된 모재를 제공하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부(A)는 양극 지그에 결합된 양극 전극판 및 모재결합부 그리고 그 사이에 배치된 음극지그 및 음극 전극판에 의해 모재(10)를 전기화학적으로 표면 처리하여, 상기 모재(10)의 표면에 금속산화물 피막, 구체적으로는 금속산화물 나노튜브를 형성하게 된다.
본 발명의 일실시예로 모재(10)가 타이타늄으로 이루어진 치과용 임플란트인 경우, 상기 전기화학적 표면처리부(A)에 의해 임플란트의 표면에 금속산화물 나노튜브(산화티타늄, TiO2)가 형성되게 된다.
상기 모재(10)와 상기 금속산화물 나노튜브가 접촉하는 경계면은 상기 금속산화물 나노튜브의 하부 형상과 같이 반구(hemisphere) 형태로 형성되며, 상기 금속산화물 나노튜브의 하부 형상에 따른 그 영역의 크기는 수십 내지 수백 나노미터 사이즈의 직경을 가지며, 이러한 직경은 전기화학적 표면 처리 조건을 제어함으로써 조절될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부(A)는 모재(10)의 표면에 형성된 금속산화물 나노튜브의 두께 및 크기가 균일하고, 이를 용이하게 제어할 수 있어, 고품질의 표면 요철 및 표면 거칠기를 갖는 모재(10)의 제공 및 그 재현성이 우수하며, 이에 대한 제어가 용이한 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부(A)는 대량의 모재(10)의 표면 처리가 신속하면서도 균일하게 이루어지도록 하고, 이에 따른 후처리 공정(숙성 공정, 금속산화물 나노튜브 제거 공정, 세척 공정 등) 또한 양극 지그의 운반을 통해 동시에 가능하여 공정의 단순화 및 비용 절감을 도모할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 숙성처리부(B)는 상기 전기화학적 표면처리부(A)를 통해 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재(10)를 숙성시키는(wetting) 것으로, 상기 모재결합부에 결합된 모재(10)를 포함하는 양극부를 운반하여 상기 숙성처리부(B)에 제공함으로써, 숙성 공정이 연속적이면서 신속하게 이루어지도록 한다.
특히 상기 양극부에 복수개의 모재(10)가 결합된 경우, 상기 양극지그의 손잡이부를 잡고 숙성처리부(B)로 모재(10)가 결합된 양극부를 전체로 제공함으로써, 대량의 모재(10)의 전기화학적 표면 처리 후 이에 연속적인 숙성 공정이 가능하도록 한다.
이러한 대량 처리 방식에 따른 연속적인 공정에 의해 전체 모재(10)의 균일한 표면 처리 및 표면 처리의 재현성이 높아 고품질의 표면 처리된 모재(10)를 제공하게 된다.
구체적으로는 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 숙성처리부(B)는 숙성액 DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 DIW에 상기 모재(10)를 침지시키는 숙성조(410)와, 상기 숙성조(410) 내부로 이물질 유입을 방지하기 위해 상기 숙성조(410) 상측에 결합되는 숙성조덮개(420)로 이루어진다.
상기 숙성조(410) 내부로는 상기 DIW가 자동으로 공급되도록 하고, 사용된 DIW는 주기적으로 배출되도록 한다.
전기화학적 표면처리부(A)에서의 공정이 완료된 양극부를 상기 DIW가 저장된 숙성조(410)에 안착시켜 상기 모재(10)를 상기 DIW에 1~5분 정도 상온 침지함으로써, 상기 모재(10)로부터 금속산화물 나노튜브의 제거가 용이하도록 한다.
다음으로 본 발명에 따른 나노튜브제거부(C)는 상기 숙성처리부(B)를 통해 상기 모재(10)의 표면에서 금속산화물 나노튜브의 숙성 공정을 거친 후 상기 모재(10)로부터 금속산화물 나노튜브를 제거하는 것으로, 상기 모재결합부에 결합된 모재(10)를 포함하는 양극부를 운반하여 상기 나노튜브제거부(C)에 제공함으로써, 나노튜브 제거 공정이 연속적이면서 신속하게 이루어지도록 한다.
특히 상기 양극부에 복수개의 모재(10)가 결합된 경우, 상기 양극지그의 손잡이부를 잡고 숙성처리부(B)에서 나노튜브제거부(C)로 모재(10)가 결합된 양극부를 전체로 제공함으로써, 대량의 모재(10)의 전기화학적 표면 처리, 숙성 공정 후 이에 연속적인 나노튜브 제거 공정이 가능하도록 한다.
이러한 대량 처리 방식에 따른 연속적인 공정에 의해 전체 모재(10)의 균일한 표면 처리 및 표면 처리의 재현성이 높아 고품질의 표면 처리된 모재(10)를 제공하게 된다.
구체적으로는 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 상기 나노튜브제거부(C)는, DIW가 저장되는 외부제거조(510)와, 상기 외부제거조(510) 내부에 형성되고, H2O2가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 H2O2에 상기 모재(10)를 침지시키는 내부제거조(520)와, 상기 모재(10)에 초음파를 인가시켜, 상기 모재(10) 표면의 금속산화물 나노튜브를 제거하는 초음파발진부(530) 및 상기 외부제거조(510) 상측에 결합되어 내부 이물질 유입을 방지하고, 항온이 유지되도록 보조하는 제거조덮개(540)를 포함한다.
전기화학적 표면처리부(A) 및 숙성처리부(B)에서 공정이 완료된 양극부를 상기 H2O2가 저장된 내부제거조(520)에 안착시켜 상기 모재(10)를 상기 H2O2에 8분~15분 정도 침지하면서, 상기 초음파발진부(530)로부터 40kHz로 초음파를 인가하여 상기 모재(10)로부터 금속산화물 나노튜브를 제거시킨다.
상기 나노튜브제거부(C)는 이중 Bath 구조로, 제거액 H2O2가 저장된 내부제거조(520)와 DIW가 저장된 외부제거조(510)로 이루어져, 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재(10)에 균일하게 초음파가 인가되도록 하여, 상기 금속산화물 나노튜브의 제거가 깨끗하게 이루어지면서 신속하게 이루어지도록 한다.
상기 내부제거조(520)는 제거액 H2O2에 안정적이면서 가공이 용이한 Quartz 재질로 형성될 수 있으며, 소량 공정이 가능하도록 상기 외부제거조(510) 내부에 복수개로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노튜브제거조에 있어서, 상기 내부제거조(520)가 상기 외부제거조(510) 내부에 두 개 형성된 경우로, 그에 따른 양극부가 각각 내부제거조(520)에 안착된 경우를 도시하였다. 이는 상기 양극부의 크기나 모재(10)의 형상 및 갯수에 따라 적절히 사용할 수 있도록 한 것이다.
한편, 상기 내부제거조(520) 내부로는 상기 H2O2가 자동으로 공급되도록 하고, 상기 금속산화물 나노튜브 제거후 사용된 H2O2는 주기적으로 자동 배출되어 폐액탱크(550)로 저장되게 된다.
여기에서 상기 사용된 H2O2가 저장된 폐액탱크(550)에 백금을 투입하여 상기 사용된 H2O2를 물로 전환되도록 하여, 폐액 처리가 용이하고 친환경적 처리가 가능하도록 한 것이다.
이와 같이 모재(10) 표면에 형성된 금속산화물 나노튜브가 제거되면 예컨대 임플란트의 경우, 그 표면에 거의 반구상의 형태를 가지는 나노 사이즈의 요홈이 형성되고, 반구상의 요홈 내부에는 반구상의 요홈보다 상대적으로 크기가 작은 수나노미터 크기의 미세기공(pore)이 형성된 모재(10)를 얻을 수 있다.
상기 반구상의 요홈은 10 내지 1,000nm의 직경으로 형성시킬 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이 전기화학적 표면처리부(A)에 인가전압, 전해액, 온도 등의 전기화학적인 조건을 조절하여 가능하다.
상기 요홈의 직경(d)과 높이(h) 비율은 직경(d) : 높이(h)= 1 : 0.01 내지 0.5인 것이 바람직하며, 요홈의 높이(h)가 직경(d)에 0.01배 미만일 경우 높이가 매우 낮아 표면 거칠기가 낮고 골유착이 용이하지 못하게 된다.
그리고 다음으로 본 발명에 따른 세척부(D)는 상기 나노튜브제거부(C)를 통해 금속산화물 나노튜브가 제거된 모재(10)를 세척하는 것으로서, 상기 모재결합부에 결합된 모재(10)를 포함하는 양극부를 운반하여 상기 세척부(D)에 제공한다.
특히 상기 양극부에 복수개의 모재(10)가 결합된 경우, 상기 양극지그의 손잡이부를 잡고 상기 전기화학적 표면처리부(A), 숙성처리부(B), 나노튜브제거부(C)를 거쳐 상기 세척부(D)로 모재(10)가 결합된 양극부 전체를 제공함으로써, 대량의 모재(10)의 전기화학적 표면 처리, 숙성 공정, 나노튜브 제거 후 이에 연속적인 세척 공정이 이루어지도록 한다.
이러한 대량 처리 방식에 따른 연속적인 공정에 의해 전체 모재(10)의 균일한 표면 처리 및 표면 처리의 재현성이 높아 고품질의 표면 처리된 모재(10)를 제공하게 된다.
구체적으로는 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 상기 세척부(D)는, DIW가 저장되는 외부세척조(610)와, 상기 외부세척조(610) 내부에 형성되고, DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜, 상기 DIW에 상기 모재(10)를 침지시키는 내부세척조(620)와, 상기 모재(10)에 초음파를 인가시켜 상기 모재(10)를 세척하는 초음파발진부(630) 및 상기 외부세척조(610) 상측에 결합되어 내부 이물질 유입을 방지하는 세척조덮개를 포함한다.
상기 전기화학적 표면처리부(A), 숙성처리부(B) 및 나노튜브제거부(C)에서 공정이 완료된 양극부를 상기 DIW가 저장된 내부세척조(620)에 안착시켜 상기 모재(10)를 상기 DIW에 2분~3분 정도(2회) 침지하면서, 상기 초음파발진부(630)로부터 28kHz로 초음파를 인가하여 상기 모재(10) 표면을 세척한다.
상기 세척부(D)는 이중 Bath 구조로, 세척액 DIW가 저장된 내부세척조(620)와 DIW가 저장된 외부세척조(610)로 이루어져, 상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재(10)에 균일하게 초음파가 인가되도록 하여, 상기 금속산화물 나노튜브의 제거가 깨끗하게 이루어지면서 신속하게 이루어지도록 한다.
상기 내부세척조(620)는 가공이 용이한 Quartz 재질로 형성될 수 있으며, 소량 공정이 가능하도록 상기 외부세척조(610) 내부에 복수개로 형성될 수 있으며, 상술한 내부제거조(520)에 대한 설명과 동일하다. 상기 내부제거조(520) 내부로는 상기 DIW가 자동으로 공급되도록 하고, 세척후 사용된 DIW는 주기적으로 자동 배출되게 된다.
세척이 완료된 모재(10)는 열풍 건조기로 건조한 후 보관한다.
한편, 본 발명에 따른 상기 표면 처리 시스템은, 상기 전기화학적 표면처리부(A), 상기 숙성처리부(B), 상기 나노튜브제거부(C) 및 상기 세척부(D)를 제어하는 공정제어부를 더 포함한다.
상기 공정제어부는 상기 전기화학적 표면처리부(A), 상기 숙성처리부(B), 상기 나노튜브제거부(C) 및 상기 세척부(D)의 온오프를 제어할 뿐만 아니라, 각 공정에 공급되는 전해액, 숙성액, 제거액 및 세척액의 공급 및 배출 등의 작동을 제어하고, 그 온도 및 수위를 제어하며, 상기 전기화학적 표면처리부(A)에서의 전압 제어, 상기 나노튜브제거부(C) 및 상기 세척부(D)에서의 초음파발진부(530),(630) 제어 등이 가능하도록 한 것으로서, 제어보드판에서 이와 같은 공정 조건 등의 모니터링 및 제어가 가능하도록 하는 것이다.
또한 상기 공정제어부에서 수동 모드 또는 자동 모드를 선택하여, 상기 표면 처리 시스템을 사용자 조작에 의한 수동 작동 또는 자동 작동시킬 수 있다.
여기에서 상기 표면 처리 시스템을 자동으로 작동시킬 경우에는 로봇암(Robot arm)에 의해 상기 양극부를 순차적으로 다음 공정 처리부로 이동시킴으로써 구현될 수 있며, 각 공정 조건은 자동으로 셋팅된 상태에서 이루어지게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 표면 처리 시스템은 금속 모재를 전기화학적으로 표면 처리를 수행하기 위한 것으로서, 전기화학적 표면처리부, 숙성처리부, 나노튜브제거부, 세척부를 포함하여, 모재의 표면 처리를 용이하게 구현할 수 있는 표면 처리 시스템에 관한 것이다.
특히 본 발명에 따른 전기화학적 표면처리부는 대량의 모재를 처리할 수 있으며, 음극부 및 양극부를 효율적으로 배치하여 최소한의 공간 내에서 보다 많은 모재의 표면 처리가 가능하도록 한 것이다.
또한 본 발명에 따른 표면 처리 시스템은 전체적으로 컴팩트하면서 유기적으로 연결되어 전기화학적 표면 처리후 후처리가 용이하여 표면 처리 공정이 간단하면서도 대량 생산이 가능하여 공정 비용 및 생산 비용의 절감을 도모할 수 있다.
또한 본 발명은 공정제어부를 통해 전 공정을 수동 또는 자동으로 선택하여 구현할 수 있으며, 공정 조건의 제어 및 이상 유무 등의 감지가 용이하여 고품질의 재현성이 높은 표면 처리가 된 모재를 제공할 수 있다.
10 : 모재
A : 전기화학적 표면처리부
100 : 양극부 110 : 양극 지그
111 : 상측 양극 지그 111a : 손잡이부
112 : 하측 양극 지그 113 : 결합공
114 : 통공 120 : 양극 전극판
121 : 결합공 122 : 양극 연장 전극
123 : 절삭공 130 : 모재결합부
131 : 몸체 132 : 헤드부
133 : 나사부 134 : 스페이서
200 : 음극부 210 : 음극 지그
211 : 전극판 결합공 212 : 전극 가이드홈
213 : 전극커버 220 : 음극 전극판
221 : 음극 연장 전극 230 : 음극 연결 전극
240 : 외부 연결 전극 250 : 고정틀
300 : 수조부 310 : 내조
311 : 전해액 유입구 312 : 기공판
312a : 기공 320 : 외조
321 : 전해액 배출구 330 : 거치대
B : 숙성처리부
410 : 숙성조 420 : 숙성조덮개
C : 나노튜브제거부
510 : 외부제거조 520 : 내부제거조
530 : 초음파발진부 540 : 제거조덮개
550 : 폐액탱크
D : 세척부
610 : 외부세척조 620 : 내부세척조
630 : 초음파발진부 640 : 세척조덮개

Claims (33)

  1. 모재를 전기화학적으로 표면 처리하여, 상기 모재의 표면에 금속산화물 나노튜브를 형성하는 전기화학적 표면처리부;
    상기 금속산화물 나노튜브가 형성된 모재를 숙성시키는(wetting) 숙성처리부;
    상기 모재의 표면에서 상기 금속산화물 나노튜브를 제거하여 상기 모재의 표면에 요철을 형성시키는 나노튜브제거부;
    상기 금속산화물 나노튜브가 제거된 모재를 세척하는 세척부;를 포함하며,
    상기 전기화학적 표면처리부는,
    전해액을 저장하는 수조부와, 모재와 전기적으로 연결되는 양극부 그리고 상기 양극부에 대응하여 형성되며 상기 전해액에 침지된 음극부를 포함하며,
    상기 양극부는,
    양극 지그;
    상기 양극 지그 내부에 삽입되며, 상기 모재와 전기적으로 연결되는 양극 전극판;
    상기 양극 지그와 상기 양극 전극판에 수직으로 관통하여 n x m 배열로 복수개 결합되고(n, m은 2이상의 자연수), 상기 양극 전극판과 전기적으로 연결되며, 하측부에 상기 모재가 결합되는 모재결합부;를 포함하며,
    상기 음극부는,
    전극판 결합공이 형성된 음극지그;
    상기 전극판 결합공에 결합되는 음극 전극판;을 포함하고,
    상기 음극부는 상기 모재결합부의 행 또는 열 사이에 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 모재결합부는,
    길이 방향으로 길게 형성된 몸체;
    상기 몸체 상단부에 형성되며, 상기 양극 지그에 걸리도록 형성된 헤드부;
    상기 몸체 하단부에 형성되며, 상기 모재가 결합되는 나사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 모재결합부에는,
    상기 몸체가 노출되지 않도록 상기 양극 지그 하측부터 상기 모재 상측까지 상기 몸체를 수용하는 스페이서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 양극 지그는,
    내부에 상기 양극 전극판이 삽입되며,
    상측부에는 손잡이부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 양극 지그 및 양극 전극판에는,
    상기 모재결합부가 복수개 결합되기 위한 결합공이 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 양극 전극판 일측에는,
    상기 양극 지그 외부로 인출되도록 연장 형성된 양극 연장 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 양극 전극판은,
    상기 결합공이 배열된 영역 외에는 절삭되어 절삭공이 형성되고,
    상기 양극 지그에는,
    상기 절삭공에 대응되어 통공이 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서, 상기 음극 전극판은,
    백금 메쉬(mesh)로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 음극 전극판 일측에는,
    외부 연결 전극과 연결되도록 연장 형성된 음극 연장 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 음극 지그는,
    상기 음극 연장 전극이 결합되는 전극 가이드홈이 더 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 전극 가이드홈에 상기 음극 연장 전극과 전기적으로 연결되도록 음극 연결 전극이 결합되고, 전극커버로 상기 전극 가이드홈에 상기 음극 연장 전극과 상기 음극 연결 전극을 고정시키는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 음극 지그가 상기 양극부에 대응하여 복수개 형성된 경우, 상기 복수개의 음극 지그는 고정틀에 고정되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 고정틀은,
    상기 수조부의 입구에 형성된 거치대에 고정되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 음극 연결 전극은,
    이웃하는 음극 연결 전극과 상기 전극 가이드홈 및 전극커버에 의해 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 음극 연결 전극은,
    외부 연결 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 수조부는,
    전해액이 저장되는 내조;
    상기 내조의 상측부를 수용하도록 형성되며, 상기 내조의 입구보다 높은 위치에 입구가 위치되어, 상기 내조에서 오버플로우(overflow)된 전해액을 수용하는 외조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 내조는,
    바닥면에 전해액 유입구가 형성되며,
    상기 전해액 유입구 상측으로 이격되어 복수개의 기공이 형성된 기공판이 구비된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 외조는 오버플로우된 전해액이 일측으로 모이도록 바닥면이 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 외조에는,
    상기 전해액이 모이는 측에 전해액 배출구가 형성되어,
    상기 전해액 배출구로부터 배출된 전해액이 항온기를 거쳐 상기 내조로 순환공급되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  22. 삭제
  23. 제 1항에 있어서, 상기 양극 전극판은,
    상기 모재결합부가 일정 개수 결합되는 유닛(unit)으로 구현된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  24. 제 1항에 있어서, 상기 숙성처리부는,
    DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 DIW에 상기 모재를 침지시키는 숙성조;
    상기 숙성조 상측에 결합되는 숙성조덮개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브제거부는,
    DIW가 저장되는 외부제거조;
    상기 외부제거조 내부에 형성되고, H2O2가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜 상기 H2O2에 상기 모재를 침지시키는 내부제거조;
    상기 모재에 초음파를 인가시켜, 상기 모재 표면의 금속산화물 나노튜브를 제거하는 초음파발진부; 및
    상기 외부제거조 상측에 결합되는 제거조덮개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 금속산화물 나노튜브 제거 후 사용된 H2O2는 상기 내부제거조에서 자동 배출되어 폐액탱크로 저장되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 사용된 H2O2가 저장된 폐액탱크에 백금을 투입하여 상기 사용된 H2O2를 물로 전환하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 내부제거조는,
    상기 외부제거조 내부에 복수개로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  29. 제 25항에 있어서, 상기 내부제거조는,
    Quartz로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  30. 제 1항에 있어서, 상기 세척부는,
    DIW가 저장되는 외부세척조;
    상기 외부세척조 내부에 형성되고, DIW가 저장되며, 상기 양극부를 안착시켜, 상기 DIW에 상기 모재를 침지시키는 내부세척조;
    상기 모재에 초음파를 인가시켜 상기 모재를 세척하는 초음파발진부; 및
    상기 외부세척조 상측에 결합되는 세척조덮개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 내부세척조는,
    Quartz로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  32. 제 1항, 제3항 내지 제8항, 제10항 내지 제21항, 제23항 내지 제 31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 처리 시스템은,
    상기 전기화학적 표면처리부, 상기 숙성처리부, 상기 나노튜브제거부 및 상기 세척부를 제어하는 공정제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 표면 처리 시스템은,
    수동 또는 자동으로 작동되는 것을 특징으로 하는 표면 처리 시스템
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